氢氧燃料电池双极板种类、优缺点和设计要求分析
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氢氧燃料电池双极板种类、优 缺点和设计要求
石墨板 金属板 复合板
氢氧燃料电池双极板种类
一般制法
优点
缺点
利用碳粉或石墨粉 混合可石墨化树脂 制备
不锈钢、钛合金、铝合 金等直接加工而成
1）质轻 2）耐蚀性好 3）导电佳
1）脆性物质，易造成 组装难度，厚度不易做 薄
2）一般烧结成多孔性 板，需添加添加物
（△P=2atm） 良好的强度和弹性，允许双极板制作较薄 抗压强度>1.54kg/cm2 体积<1 L/kw，重量>1kw/kg (交通工具用）
>50um
>0.05mm 良好的导热性 材料+制造<US $0.0045 cm-2
实验室双极板性能考察的几项重要内容：
1）抗腐蚀性：确保电池寿命 2）导电性：确保电池性能 3）机械性质：确保组装时稳定性 4）气密性：避免气体经由双极板扩散，造成内燃烧或材料 浪费
石墨 导电聚合物 类金刚石碳膜
分隔板： 不锈钢 铝
流场板： 石墨粉/碳ຫໍສະໝຸດ Baidu 与聚合物/树脂 混合压制成流 场板，通过一 定工艺与金属 底板结合
树脂：
热塑性树脂（聚偏二氟 乙烯、聚丙烯、聚乙烯等） 热固性树脂（环氧树脂、 酚醛树脂、呋喃树脂、乙 烯酯等）
填料：
碳粉/石墨粉 炭黑 碳化石墨
金属基：
贵金属 金属碳化物 金属氮化物
增强纤维：
碳纤维/石墨纤维 纤维素纤维 棉绒
双极板材料需要有高的导电性、高的导热性、良好的化学稳定性、低 透气性和良好的力学性能，具体的设计要求如下：
设计标准 化学兼容性
耐腐蚀性 材料密度 电阻率 气密性
机械性质
电堆能量密度 表面粗糙度 公差 导热性 成本
要求 运行过程中阳极不能产生干扰性氢化物层， 阴极不能发生钝化 腐蚀电流密度<0.016mA/cm2 <5g/cm3 <0.01Ωcm2 最大平均气体透过率<2.0*10-6cm3/s cm2
固性树脂料混合石墨粉、 2）重量轻
增强纤维等形成预制料， 并固化、石墨化后成型
3）抗蚀性佳
制作繁琐
1）导电效果较差 2）机械性质差，组装 不易
双极板种类
石墨板
无孔石墨板 （最常用） 膨胀石墨板 柔性石墨板
表面保护的 金属双极板
复合双极板
多层复合型
复合材料型
基底材料：
铝 不锈钢 钛 镍
表面保护层材料： 碳基：
两种材料之间的接触部分产生的电阻，单位是mΩ·cm2。
（注：双极板的接触电阻主要指双极板与炭纸之间的接触电阻）
体电阻率bulk resistance
双极板材料本体的电阻率值，单位是mΩ·cm。
双极板特性测试方法（摘自GB/T 20042.6-2011）
双极板特性测试方法（摘自GB/T 20042.6-2011）
3）石墨化时间长，机 械加工难，价格昂贵
1）良好的电、热导体 2）机械型质佳，强度高 3）阻气性好 3）无孔性
1）单位密度高，较重
2）易发生腐蚀，需要 表面改性
多层复合型：以薄金属 为分隔板，有孔薄碳板 为流场板，以极薄导电 胶粘合
结合了石墨板和金属板 的优点
复合材料型：热塑或热 1）用射出成型，制造快
抗腐蚀性测试
腐蚀电流密度corrosion current density
单位面积的双极板材料在燃料电池运行环境中，在腐蚀电位下 由于化学或电化学作用引起的破坏产生的电流值，单位为μA/cm2.
双极板特性测试方法（摘自GB/T 20042.6-2011）
电阻率测试：
接触电阻interfacial contact resistance
石墨板 金属板 复合板
氢氧燃料电池双极板种类
一般制法
优点
缺点
利用碳粉或石墨粉 混合可石墨化树脂 制备
不锈钢、钛合金、铝合 金等直接加工而成
1）质轻 2）耐蚀性好 3）导电佳
1）脆性物质，易造成 组装难度，厚度不易做 薄
2）一般烧结成多孔性 板，需添加添加物
（△P=2atm） 良好的强度和弹性，允许双极板制作较薄 抗压强度>1.54kg/cm2 体积<1 L/kw，重量>1kw/kg (交通工具用）
>50um
>0.05mm 良好的导热性 材料+制造<US $0.0045 cm-2
实验室双极板性能考察的几项重要内容：
1）抗腐蚀性：确保电池寿命 2）导电性：确保电池性能 3）机械性质：确保组装时稳定性 4）气密性：避免气体经由双极板扩散，造成内燃烧或材料 浪费
石墨 导电聚合物 类金刚石碳膜
分隔板： 不锈钢 铝
流场板： 石墨粉/碳ຫໍສະໝຸດ Baidu 与聚合物/树脂 混合压制成流 场板，通过一 定工艺与金属 底板结合
树脂：
热塑性树脂（聚偏二氟 乙烯、聚丙烯、聚乙烯等） 热固性树脂（环氧树脂、 酚醛树脂、呋喃树脂、乙 烯酯等）
填料：
碳粉/石墨粉 炭黑 碳化石墨
金属基：
贵金属 金属碳化物 金属氮化物
增强纤维：
碳纤维/石墨纤维 纤维素纤维 棉绒
双极板材料需要有高的导电性、高的导热性、良好的化学稳定性、低 透气性和良好的力学性能，具体的设计要求如下：
设计标准 化学兼容性
耐腐蚀性 材料密度 电阻率 气密性
机械性质
电堆能量密度 表面粗糙度 公差 导热性 成本
要求 运行过程中阳极不能产生干扰性氢化物层， 阴极不能发生钝化 腐蚀电流密度<0.016mA/cm2 <5g/cm3 <0.01Ωcm2 最大平均气体透过率<2.0*10-6cm3/s cm2
固性树脂料混合石墨粉、 2）重量轻
增强纤维等形成预制料， 并固化、石墨化后成型
3）抗蚀性佳
制作繁琐
1）导电效果较差 2）机械性质差，组装 不易
双极板种类
石墨板
无孔石墨板 （最常用） 膨胀石墨板 柔性石墨板
表面保护的 金属双极板
复合双极板
多层复合型
复合材料型
基底材料：
铝 不锈钢 钛 镍
表面保护层材料： 碳基：
两种材料之间的接触部分产生的电阻，单位是mΩ·cm2。
（注：双极板的接触电阻主要指双极板与炭纸之间的接触电阻）
体电阻率bulk resistance
双极板材料本体的电阻率值，单位是mΩ·cm。
双极板特性测试方法（摘自GB/T 20042.6-2011）
双极板特性测试方法（摘自GB/T 20042.6-2011）
3）石墨化时间长，机 械加工难，价格昂贵
1）良好的电、热导体 2）机械型质佳，强度高 3）阻气性好 3）无孔性
1）单位密度高，较重
2）易发生腐蚀，需要 表面改性
多层复合型：以薄金属 为分隔板，有孔薄碳板 为流场板，以极薄导电 胶粘合
结合了石墨板和金属板 的优点
复合材料型：热塑或热 1）用射出成型，制造快
抗腐蚀性测试
腐蚀电流密度corrosion current density
单位面积的双极板材料在燃料电池运行环境中，在腐蚀电位下 由于化学或电化学作用引起的破坏产生的电流值，单位为μA/cm2.
双极板特性测试方法（摘自GB/T 20042.6-2011）
电阻率测试：
接触电阻interfacial contact resistance