1、质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法综述吴海华，刘富林，李厅，黄 川(三峡大学机械与动力学院，湖北宜昌443002)摘要：作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件。双极板性能的好坏直接影响电池堆的输出功率和使用寿命。因此寻找性能优良且成本低廉的双极板新材料及其成形方法已成为燃料电池产业化技术研究中的重要课题。金属由于具有高电导率、高热导率、高强度、气密性好以及易加工成形等优点。已引起广大研究者的重视。介绍了几种金属双极板材料及其成形方法。并分析各自优缺点。指出了金属双极板的未来发展方向。关键词：质子交换膜燃料电池；金属双极板；成形方法中图分类号：TM 9114 文献标识码：A 文章编号：
2、1002-087 X(2014)08-1583-04Review of forming methods of metallic bipolar plates for PEMFCWU Haihua，L1U Fulin，LI Ting，HUANG Chuan(College ofMechanical&Power Engineering,China Three Gorges University,Yichang Hubei 443002,cruz)Abstract：As a key component of PEMFCbipolar plateS performance direcUy influe
3、nces service life and poweroutput of celI stack So it has become an important research topic in the fuel celIIndustrialization research to findgood bipolar plates material with IOW cost and formina method Metal has attracted many researchersa1瞳en付because of high conductivity，high heat conductiVity。h
4、igh strength，good air-tightness and easy processingSeveralmaterials and forming methods of metal bipolar plates were introducedand the advantages with disadvantages wereanalyzed，and the future development direction of metallic bipolar plate was proposedKey WOrds：PEMFC：metaIlic bipolar plates；forming
5、 methods质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学能转化成电能和热能的装置，具有能量转化效率高、启动迅速、环境友好、工作安静、可靠性高等优点，应用前景广阔，但目前双极板制造成本偏高、体积比功率偏低，严重制约了PEMFC的产业化进程。作为PEMFC关键件，双极板的质量占到整个燃料电池堆的6080，占总成本的4060【l】。双极板的主要功能是分隔反应气体、均匀导入反应气体、收集并传导电流、支撑膜电极、实现整个燃料电池系统快速散热和排水。为此，双极板应具有良好的导电性能、导热性能、耐腐蚀性能、阻气性能以及一定的机械强度，表l为美国能源部(DOE)提出的车载PEMFC双极板的性能指标。纵观国
6、内外双极板的研究现状，目前主要有石墨板、金属序号 性能 指标 序号 性能 指标l 成本“skw-1) 59 8 透气率(era3S。1锄一2) 100 9 气孔率 0124 冲击吸收gE(J1) 405 10 肖氏硬度(Hs-1) 4851阳极表面不应产生氢化物层，5 熟传导系数，(wm-1K-1) 20 ll 化学相容性阴极表面不应产生钝化层6 比功率(kWlg-1) 4l板和复合材料双极板等三大类材料。与复合材料和石墨双极板相比，金属双极板因具有良好的导电性、导热性、机械加工性、致密性，适合大批量低成本生产，受到PEMFC研究者重视。本文介绍了几种金属双极板材料及其成形方法，并分析各自优缺
7、点，指出了金属双极板的未来发展方向。收稿日期：201年旬103基金项目：湖北省教育厅自然科学研究计划项目(B2013173)；三峡大学人才科研启动基金项Iil(KJ20128012) 作者简介：吴海华(1耻)。男M：IP省人。博士，教授主要研究方向为复杂产品结构设计及快速嗣造。1金属双极板材料Homung对铁基合金双极板和镍基合金双极板的抗腐蚀性能进行了比较，结果表明两者性能相当，但铁基合金双极板的接触电阻明显高于镍基合金双极板【3】。Davies等对比研究了316(18Cr，12Ni)、310(25Cr，20Ni)和904L(20Cr，25Nil三种不锈钢双极板的接触电阻和3 000 h的耐
8、腐蚀性能，结果表明904L310316f47。Makkus等将合金元素加入到不同型号的不锈钢中，获得较好的腐蚀性能和极低的接触电阻的双极板材料，但其使用寿命偏低嘲。1 583 201 48 V0138 No8万方数据金属化合物如TiN、TiC、TiCN和CrN等因具有良好的导电、耐腐蚀、抗氧化的特性，也受到PEMFC研究者重视。美国专利(Us：6083641，2000)介绍了TiC双极板的成形方法。先将TiC粉末与适量的添加剂(如聚乙烯、聚酞胺、聚乙醚酮等)均匀混合，然后在加热(175190)加压(10 000 40 000 Pa)条件下压制成双极板。这种金属化合物双极板抗腐蚀性能、热稳定性好
9、，电导率极高，具有良好的机械特性，并克服了TiN、TiC、TiCN和CrN等涂层的不致密性问题，但是成本远高于普通金属阎。Hentall等通过在高温环境中往钛板表面注入氮离子，从而在表面形成TiN保护层，达到耐腐蚀抗氧化的目的，经测试这种双极板具有良好的表面接触特性和耐腐蚀性m，但该技术难度大，限制其生产规模及应用面。铝、镁、钛等金属密度小、机加工性能强，又具有良好的导热、导电性，但这类材料化学性质过于活泼，极易氧化，且质地较软，机械强度不足，需表面处理(如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积和喷射模塑等)以提高其综合性能。Alan等用电镀的方法在铝、镁等合金的基体上电镀贵金属涂层以达到保
10、护基体金属的目的圈。Mokohyama等将喷射模塑法和物理气相沉积法(PVD)相结合制造了铝合金双极板，这种方法能够同时完成涂层制备和流场加工【9】。美国专利叫s：RE37284，2001)提出采用磁电管喷射法制作涂层，涂层厚度达到300nm，制造的双极板密度小、厚度薄，实用性较强。经表面改性的轻金属合金双极板接触电阻接近石墨双极板，优于合金双极板和金属化合物双极板，但其加工技术难度大，成本高，某种程度上制约了其产业化应用。2金属双极板成形方法目前金属双极板成形技术主要有塑性成形技术、液态成形技术和特种加工技术。21塑性成形211软模冲压成形金属双极板软模冲压成形过程如图1所示，用软模(如聚氨
11、酷橡胶)来代替传统冲压成形中的一个钢模，成形时，钢模在液压机作用下向下运动，挤压金属薄板和橡胶垫，橡胶垫产生变形，在摩擦力作用下与板料一起填充满模具型腔。利用该技术已成功制备了带有蛇形流道的SS304不锈钢双极板，流场宽度08 Innl，流场深度05 mm，流场脊宽12 1n】1100。软模成形方法可在同一个工序上完成多个工步(如成形、冲孔或切边等)，生产效率高，双极板表面质量佳，不会产生翘曲和破裂，且模具结构简单，成本低。但受到橡胶垫的流动性影响，软膜成形存在成形极限问题，此外，有待提高橡胶垫片的耐磨性。图1 金属双极板软模成形的布局图201 48 V0138 NO821-2液压胀形与压力焊
12、成形金属双极板液压胀形与压力焊成形工艺原理如图2所示，先把上下两坯料放在上下模之间(上下钢模兼具作为型腔和凸凹对称压力焊点的作用)，然后上下钢模相对运动，上下坯料在压力作用下焊接在一起，往两坯料之间注入高压液体，坯料在高压液体作用下填充满整个模具型腔【n】。目前，利用该技术已成功制造出了厚度为051 nln、最小流道宽度O46mlTl、最小深度O15 mm的SS304不锈钢双极板。该技术最大特点是在一个工步上同时完成阴极板和阳极板的液压胀形和焊接成形，从而降低了制造成本，但其不适合阴极板和阳极板不对称的情况，特殊情况下板料填充满模具型腔十分困难。II葵l：坯辩F埔辩F椟7骶却悍点=_高f液体图
13、2 双极板液压胀形与压力焊成形原理示意图213辊压成形金属双极板辊压成形技术的关键是应用点对点共扼映射原理获得辊子对以适应不同的双极板流道结构需要，它由单极板辊压、双极板连接、双极板整形、剪切冲裁四个工步组成，如图3所示。利用该方法可生产板料厚度025 rain、流道宽度3 mIn、深度152 toni的双极板。该方法成本低，适合大批量生产，但不能成形带有蛇形流道的双极板021。“龇懒删”鼍繁鼍磐“甜缦图3 双极板辊压成形工艺示意图214磁脉冲成形美国俄亥俄州大学对金属双极板磁脉冲成形工艺方法进行了研究【13】，所依据的原理是电磁感应定律，图4为磁脉冲成形原理示意图。电容组放电且在线圈周围产生
14、变化的磁场，工件在脉冲磁场中产生感应电流，感应电流产生反向瞬时磁场，从而洛伦兹力充当排斥力使工件冲击模具发生变形。目前，已成功制造出了厚度01 mIn，流道深度0031 1 1311n的镁合金双极板。磁脉冲成形具有成形能力好、效率高、成本低、表面质量与尺寸一致性好等优点，但大尺寸双极板成形困难，提高复合1 584图4 电磁成形原理示意图复合簟翟动梭蓦万方数据图5 双极板液压成形原理示意图216 Cell Impact冲压成形Cell Impact公司在掌握最先进的冲压成形技术基础上，成功生产出厚度025 mill、具有精细流场的铝合金双极板，CellImpact公司能够在几分之一秒的时间内将巨
15、大的动能转换成高达4 GPa的压强，在瞬间使金属双极板产生绝热软化效应，使金属以近乎液态的形式快速、精确地充满模腔，从而完成双极板的一次性成形冲压【I习，但目前其他企业难以效仿。22液态成形221高真空压模铸造成形近年来，韩国釜山国立大学对金属双极板高真空压模铸造成形技术进行了研究【lq。其工艺过程如图6所示：压射冲头推动液态金属向前移动，当压射冲头移动到特定位置时，真空截止阀打开处于导通状态，抽气过程开始；压射冲头继续向前移动，在液态金属压射进入真空截止阀并由其冲击力推动真空截止阀截止后，抽气过程结束；压铸过程结束后，真空截止阀复位，压射冲头退回到初始位置。目前，利用该技术已成功制造出了厚度
16、11 mm，流道宽度和深度分别为l和03 mlTl的蛇形流道Silafont-36双极板，这种双极板拥有良好的表面质量和焊接特性及较高的机械强度和较低的气孔率。该技术适合大批量生产，但成形1 irlln以下的薄壁金属双极板有困难。j、 ，o 暑 i：， ij ；7“uttag”I “：二j j竺二P1二B；虬-a b c d图6 真空压模铸造过程示意图222热压铸成形日本东北大学材料研究所采用热压铸成形工艺成功制备金属双极板【，首先对NiaNbCr，Mo，16B阻+y+z-20(原子分数)】合金进行了优化组合，以获得更大的过冷区间和较低的结晶度；然后将玻璃合金融化，在其冷却到过冷区间时采用热压
17、铸成形技术制造镍基金属玻璃双极板(其流场的深度仅为07 mm)。但该技术成形时间长，材料制备困难，成本较高，此外，对热作模具材料的性能要求高，难以保证成形精度。23特种加工台湾元智大学元智燃料电池研究中心利用有限元方法模拟了电化学刻蚀金属双极板的成形过程，提出在电极上覆盖一层绝缘层，以减小扩散电流密度和提高产品的尺寸精度，已在SS3 16薄钢板上刻蚀出了蛇形流场【埔l。但表面光洁度不高，对气体流动效率有影响，需进一步后续处理。电化学刻蚀工艺过程复杂、生产成本高，不适合大批量生产。刻锻模微电子放电加工技术也可应用于制造金属双极板，该技术成形效率低，经济效益差，其复杂的光化学过程导致流道的尺寸差异
18、，流体分布差。3结论金属塑性成形技术具有金属结构致密、组织性能、生产率高、成本低等特点，但存在成形极限、填充能力不足等问题；液态成形适应性广，可制造流道形状复杂的双极板，且成形精度高，但是待提高其内部组织的均匀性、致密性，简化液态成形工艺过程，改善其力学性能；特种加工技术对设备要求高，且加工效率低，表面质量不佳，不适合大批量生产。目前金属双极板精密塑性成形技术已进行深入研究，并取得了重要进展，有可能成为金属双极板的主要制造技术。参考文献：【l】冯彪，郑永平PEMFC双极板材料及其制备工艺的发展现状【J】电源技术，2009，33：10331036【2】HUANG J H，BAIRD D G，MC
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28、曲谚。iZ蜊。；：尊，掣。；2尊r掣。：2尊r董。；：3芑兰乒乇)苎哆乇3苎些乇)苎够乇3苎哆乇3苎红乇)苎丝乒乇3苎生乒乇3苎2乇3苎生乒飞。苎缂乇，芑垒j二乇(上接第1559页)表1 400 W LLC谐振变换器主要参数指标最大输出功率w 400输入电压范围V 180270输出负载 24V16A第l谐振频率ikttz 105第2谐振频率fiJkHz 45电感比 5品质因数p O25变压器匝数比” 8激磁电感UH 175谐振电感lpH 35谐振电容CnF 66萎；3匡重E耋亘重重主亘V童i重亟翼3匝!耍玉!E豆j工厂匝、-_、r1001005023U弋、八、八八八j 岛 q q 乜 奄 Q
29、q 奄娶霎萎霎誊霎誊， 7 扣 扣 卜tis图5 LLC谐振变换器ZVS及ZCS特性情况下开通，而从，的波形可以看出实现了ZCS零电流关断，而且又利用了同步整流技术，大大减小了损耗，提高了转换效率。旧图6为变换器在满载情况下各个部分的仿真波形，可以看出输出电压电流已满足设计要求，几乎无纹波，而且效率可以达到90以上，说明了LLC谐振变换器在高输入电压和大负载条件下可以得到很高的效率，充分验证了理论分析的正确性及设计的可用性，达到了设计要求。10。5一l。2003020萎1。0参考文献：【1杨益平谐振DCrDC变换器的研究【D】航州：浙江大学，2005：3【2陈伟，王志强半桥LLC谐振变换器稳态
30、建模及分析【J通信电源技术，2008，10(1)：27303】朱立泓，方宇，张艳军，等LLC振变换器参数设计【J】电源技术应用，2007，10(1)：2730燃料电池(MFC)是21世纪最有希望的新一代绿色能源动力系统，有助于解决能源危机和环境污染等问题。本书是一本浅显易懂的教材和专业入门书籍，涵盖了关于燃料电池的基础科学与工程学。本书侧重于基本原理。简单明了地描述了燃料电池是如何工作的、为什么它可以产生如此高效的潜能。以及如何最佳地利用其独特的优势等。789【rL刁习q习qL【rLrL，【万方数据质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法综述作者： 吴海华， 刘富林， 李厅， 黄川， WU Hai-hua， LIU Fu-lin， LI Ting， HUANG Chuan作者单位： 三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌,443002刊名： 电源技术英文刊名： Chinese Journal of Power Sources年，卷(期)： 2014,38(8)本文链接：http:/
