第二章 第四节双极板

方案二 (1)以金属板做分隔板 (2)外围以导电聚合物包覆 (3)将gasket以及垫圈做在一起，减少组分流 程
4
材料实验量测
发展双极板需要注意下列几项基本重点，针对这 几项重点，可进行相关的实验规划： (1)抗腐蚀性：确保电池的寿命 (2)导电性：用以提升电池性能 (3)机械性质：增加组装时的稳定性 (4)气密性：避免气体经由双极板扩散，造成内 燃烧的或燃料浪费
(2) 金属双极板与表面改质
由于每一种金属材料，其抗蚀效果有限，因 此，需要进行表面改质，目前采用改质的 方式有下列几种： (1) (2) (3) 电镀 物理蒸镀(PVD) 电化学加工
电镀： 利用氧化还原反应，将抗蚀性良好的贵重金 属，如金、银电镀在金属基材上。(1999年 Woodman et al. 提出) 物理蒸镀(PVD)： 由于电镀的方式，因为热膨胀系数(CTE)不同的 关系，会造成表面度呈剥落现象严重，PVD可 改善此问题，1997年Yang Li et al. 提出此 种方式改善，将TiN镀于铝合金表面 电化学加工： 可提升不锈钢表面Cr/Ni的含量，使的Cr氧化物 形成更缜密，以提升抗蚀性
导电电性测试
体积电导率量测： 以四点式进行导电率量测：将试验片两端涂 上银胶当作电极，以Power supply通以电 流，在其中选取两点量测电压，再以奥姆 定律推算电阻。最后由试验片尺寸之量 测，导电率ρ=L/(AR)(L：长度，A：截面 积、R：电阻）
4.2. 石墨双极板流道加工制作
4.2.1 石墨材料特性 4.2.2 流道设计软件介绍及操作 4.2.3 加工设备介绍及操作 4.2.4 流道加工制作
题外话 上课时间: 第09节 6:00-6:45 第10节 6:50-7:35 第11节 7:40-8:25
主要内容
第一节 PEMFC工作原理及基本构造 第二节 PEMFC电极 第三节 PEMFC的PEM 第四节 PEMFC的双极板 第五节 PEMFC的催化剂
第四节 PEMFC的双极板
4.1双极板功能及特性要求
Table-1 石墨物理特性
石墨材料特性
石墨为矿物质的一种，有非导磁与延展性及硬度低 的特性，所以在夹治具的设计方面必须面面俱到， 一般传统式虎钳无法利用两端施压的方式固定石墨 板材，因此设计一夹治具，目的是稳固的固定工件 并且不让工件受到压力而变形。 石墨双极板素材是利用石墨粉末与导电塑料以特定 比例混合，以热压方式制出，故在进行传统加工 时，粉尘管理也是相当重要的工作。 石墨脆性极高，受到高冲击时会有碎裂的情形发 生，而传统加工的方式，需要针对石墨的此项特性 调整加工量以及加工速率，如此完成的石墨双极 板，切断面平滑而不会有边角崩裂的瑕疵。
(1)
双极板功能
分隔氧化剂与还原剂 有收集电流作用 双极板两侧应置有使反应气体均匀分布的流道 确保电池堆的温度均匀分布和达到散热效果
(2) 双极板规格特性要求
双极板材料选择有列下 几项考虑，美国能源部 对车用双极板考虑几点 制订出规范： 制造成本 抗腐蚀性 材料导电性 材料气密性 重量轻 良好的机械性质
(2) 复合材料双极板
以金属做替代材料需要进行表面改质，因 此，另有科学家进行高分子复合材料的研 究，希望能取代现有石墨双极板。 优点： 缺点： (1)用射出成形，制造快 (1)导电效果较差 (2)重量轻 (3)抗蚀性佳 (2)机械性质差，组装需 小心
方案一 热塑性材料(例如聚乙烯(polyethylene)聚乙 烯-氟化物(PVDF))混合石墨粉或碳纤维制备 需要冷却处理，导致处理时间较长 方案二 热固性材料(例如phenolics, epoxies, polyesters etc.)混合石墨粉制备而成 无须冷却，处理时间较短，但机械性质较差， 所以需另外进行热处理
1. 2. 3. 4. 5. 在这一步骤中，需用MASTERCAM转文件功能，将双极板的设计图档 转档成专用的格式。 之后需要把双极板部分外的图素删除，保留需要加工的部分。 规定机械原点 。 将加工参数详细规定，进行刀具路径仿真。 将所有刀具路径转译成NC code，并做人工的最后确认。
石墨材料特性整理
1. 2. 3. 4. 5. 6.
导电度高 耐腐蚀性 延展性、硬度低 脆性物质 有气孔材料 非导磁性材料
4.2.2 流道设计软件介绍及操作
双极板设计软件主要可由三大工具软件搭配 使用，依据制作流程的顺序划分，使用软件 微电脑辅助绘图软件(CAD)、计算机辅助制 造软件(CAM)、计算机辅助分析软件(CAE)三 项。此实验使用的工具软件主要为： AUTOCAD2000 MASTERCAM4.0、SURFACECAM2000 ANSYS5.6
题外话 上课时间: 第09节 6:00-6:45 第10节 6:50-7:35 第11节 7:40-8:25
4.2.1 石墨材料特性
石墨有导电性容易的特点，故在放电加工的 领域有着相当可看的发展空间，另外，石墨 的重量比铜轻四倍，而切削速度可比铜快 5~6倍，在传统的加工方法的操作下，也能 得到相当满意的结果，本实验是利用传统 CNC铣床将石墨进行加工，制成石墨双极 板。石墨的物理特性可参考Table-1。
(1) 金属双极板
金属材料是目前各单位研究的重点，最可 能取代石墨双极板。采用金属双极板有 下列各项优缺点特性： 优点： (1) 良好的电、热导体 (Baidu Nhomakorabea) 机械型质佳 (3) 无孔性 缺点： (1)单位密度高，较重 (2)易发生腐蚀
发展中的金属替代材料很多种，大致可归纳为 不锈钢材料，钛合金，铝合金等种类。下面将 简单介绍其特性：
Target Value <$10/kg包含材料和加工 <16μA/cm2 >100 S/cm或者>200S/㎝2 < 2×10-6 cm3/cm2-s ΔP=2atm >1kW/kg (对于交通工具用) 足够强度和弹性，允许双极板 制作较薄
石墨双极板
目前双极板最普遍使用的材料为石墨，利用碳 粉或石墨粉混合可石墨化树脂备制。大致来 说，有下列优缺：
针对之前所述几个重点及相关研究工作，基本双 极板材料特性实验归纳如下： (1)腐蚀测试：恒电位仪实验 (2)热冲击实验：确保表面改质层的稳定 (3)导电电性量测实验：利用四点式量测量测体 积阻抗 (4)机械性质量测：抗弯强度和拉伸实验量测 (5)气密性量测：气体渗透速率测定。
腐蚀测试
金属腐蚀是一种电化学反应，因此，电化学技 巧即用来探讨腐蚀现象，速度快而精确 。 本实验利用Solartron恒电位仪控制电位获 得，一般以阴极极化测试比较易于控制。以金 属样本为工作电极（阳极），阴极电流借由辅 助电极的控制提供电流。通电时，对于每一阴 极电流测得相对电位，以电位相对于电流的对 数绘图，利用塔弗外差法，量取腐蚀电流
1. 2. 3.
4.2.2 流道设计软件介绍及操作
计算机辅助绘图软件-AUTOCAD2000 利用此软件将设定好的流道图形以工具软件绘 出，并且制成电子文件，因为PEMFC流道的形 状通常都是以复杂的蛇行形状来设计，若是以 传统的徒手机械绘图会使密集的流道形状失其 精准与增加制图的成本，同时，也增加了修改 时的不便。 当建构好电子图文件后，可利用转换档案格式 的方法，将同一图形精确的使用在CAM与CAE 软件上，最后达成制出石墨双极板的成品。
钛合金 (1) 融点相当高的金属 (2) 属于活性金属 (3) 易成钝化状态，生成安定的TiO2 (4)强酸或强碱下，被动膜会被破坏 (5)防腐蚀性和不锈钢316相近
铝合金 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 铝在标准电动势表中为非常活性金属 与空气作用，形成钝化膜 被动膜在酸或碱中会遭受破坏 1000系列含不同合金，可提高抗蚀性 2000系列为铝-钢双相合金，抗腐蚀差 3000系列为锻造含锰，抗蚀性好 5000系列为铝镁单一相合金
如图，由量测所绘制的极化 曲线图中，上半部是相对 于阳极极化曲线，下半部 则相对于阴极极化曲线， 利用塔弗法求得Icorr
铁的分子量
上阳极曲线
下阴极曲线
I corr 55.9 × Rcorr = 96500 2
法拉第常数
(g/cm2)/s 腐蚀电流 Icorr
价电子转 移数
热冲击循环实验
燃料电池典型操作温度 低于100oC。然而，车辆 在不同条件下，操作温 度介于75oC到125oC。 使用镀层披覆的方式进 行改质时，由于表面层 和基材的热膨胀系数不 同，会导致披覆层剥落 实验的操作规范是根据 美国陆军电子零件失效 测试标准
(3) 多层复合型双极板
(1)以薄金属（0.1~0.2mm 的不锈钢板）作分隔板 (2)采用聚碳酸脂等注塑 成型的边匡，将其与金 属黏合。 (3)有孔薄碳板做为流场板 (4)金属与碳流场板之间以 一层极薄的导电胶进行 黏合
方案一 (1)以薄金属做分隔板(如不锈钢、钛板) (2)以导电聚合物或复合材料做流场
此节仅简单介绍。由于石墨双极板是最通用的材料，下节专门详细介绍。
替代性材料及改质技术
由于无孔石墨的制备繁复，造成石墨板的价 格偏高。另外添加不导电聚合物注塑成型 的石墨板，会造成电阻阻抗增加影响性 能，且在燃料电池的操作环境下有可能熔 解，影响电池性能。因此目前各单位都在 研究不同的替代材料，可归纳如下： (1) 金属替代性材料双极板 (2) 复合材料双极板 (3) 多层复合型双极板
4.2.2 流道设计软件介绍及操作
操作方法
1. 2. 3. 利用「建构线功能」将尺寸绘出，当尺寸规范形 成后，利用「修剪功能」将多余线条去除。 在尺寸上将需要孔位绘出，或者定一基准孔位再 利用「复制功能」一一复制贴上即可。 最后将流道以「直线」及「倒圆角绘图」等功能 绘出，即可得到石墨双极板流道的2D平面图，加 上尺寸标注，此图即是标准的工程图。 若需要立体视图则用「挤出功能」将2D图设定一 厚度，在视需要规定凹槽深度即可。 当转文件时，可将电子文件另存成.DXF档案格 式，或是用其它软件读取.DWG档案。
石墨材料特性
石墨板材主要是由粉末冶金方法制出，所以在微结构 上有许多肉眼看不出的气孔存在，此气孔会造成燃料 互相穿透（CROSSOVER）情形，除此之外，在加工考 虑上，因为气孔会让切屑液体堵塞其中，可能使石墨 双极板阻抗增加，所以在加工过程中，切屑清除方式 也要尽可能的避免以液体清除的方法。 石墨双极板的硬度比金属低，在加工及组合的过程 中，应避免尖锐的物品在石墨双极板上刻划或撞击， 石墨双极板的平面精度越高，气密效果将会越好。 石墨的耐腐蚀性相较于金属有更佳的抗腐蚀程度，在 Nafion溶液的强酸腐蚀下，石墨的抗腐蚀性是绝大部 分金属所无可比拟的，所以利用石墨的耐腐蚀性来代 替以铂所做的双极板，可大大的降低制造成本。
不锈钢 由于不锈钢表面含丰富的Cr/Ni/Mo等金属，其表面的 氧化膜在燃料电池中可以保护不受腐蚀。最好的不 锈钢材料，其Cr/Ni/Mo的含量百分比至少为 16%/20% /3%，每一种含量金属各有其功能 (1) Cr：在表面可形成CrO2，保护不锈钢 (2) Mo：可增加钝化膜Cr含量 (3) Ni：具有稳定钝化膜作用
优点： (1)质轻 (2)耐蚀幸好 (3)导电佳 缺点： (1)脆性物质，易造成组装上的难度 (2)一般双极板烧结制备而成为多孔 性，需添加添加物
由于石墨备制而成的石墨双极板，属于多孔性 结构，会造成燃料从双极板扩散而浪费，因 此现行双极板均有添加其它材料制备而成。 Lawarnce等人在1980申请专利，利用约20%聚 氟乙烯混合石墨制造双极板 Buick et al. 在1998年曾发表，利用乙烯基 树脂混合石墨制备双极板 Besmann et al. 在2000年发表，利用化学渗 透法(CVI)，将碳纤维植入石墨板表面，强化 表面层的气密度
4. 5.
4.2.2 流道设计软件介绍及操作
本实验在CAM软件的选择上是利用MASTERCAM，CAM主要是将 设计图面转换成机械或刀具的加工路径码，再利用数控工 具机制作出所需的零组件，而MASTERCAM最主要的功能在于 考虑加工刀具的种类大小进而计算出精确的刀具路径以利 生产。以目前双极板设计的部分，我们可以用MASTERCAM做 简单的2D加工 。