氢燃料电池电堆将多个串联的氢燃料电池单体、集流板和绝缘板等零部件封装在一起，其中每个电池单体都由双极板、膜电极以及密封件组成，每两个膜电极单元间就有一个双极板。
双极板又称集流板，被称为氢燃料电池的“骨架”。一般情况下，双极板占电堆总质量的60%-80%，占总成本的20%-30%。在燃料电池中，双极板具备6大基本功能，即分离各个电池、输送反应气体、提供电气连接、去除水副产物、消散反应热、承受夹紧力。
双极板作为PEM制氢和氢燃料电池的关键部件之一，基体材料需具备高强度、耐腐蚀性、气密性好、高导电性等特点，材料的选择将直接决定电堆输出功率的大小和使用寿命的长短。
按照材料的不同，目前市场上氢燃料电池的双极板大致可分为三类：石墨双极板、金属双极板和复合双极板。
一、石墨双极板
石墨双极板是国内PEMFC最常用的双极板材料，其原材料主要有石墨粉和膨胀石墨：
石墨粉是一种矿物粉末，主要成分是碳单质，具备良好的耐高温性、可塑性和导电、导热性等。
膨胀石墨是一种新型功能性碳素材料，由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨胀所得，具备天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性和耐辐射性等特性。
石墨双极板的生产加工主要分为两类:
一是膨胀石墨复合材料的板材，经过光、成型、去除后渗透树脂、硫化、粘合、密封硫化工艺，形成双极板产品。
此工艺使用膨胀石墨材料，产品具有较高的导电性和热传导性。该工艺也能有效满足双极板外形、表面几何轮廓和机械尺寸的要求。
图源：DT新材料
二是石墨粉末与树脂混合材料的成型/注射成型工艺。此工艺利用石墨粉末与树脂混合材料的特性，满足产品表面疏水性要求。
石墨双极板的优点在于高耐久性和耐腐蚀性，而且成本相对较低，适用于客车、物流车、环卫车、叉车等商用车领域。然而，石墨双极板也存在一些缺点，如抗压、抗弯强度低，导致易碎、组装困难以及体积较大等不足。
二、金属双极板
金属双极板在成本和机械性能方面具有优势，逐渐占据市场主流。到目前为止，不锈钢、铝合金、钛合金、镍合金、铜合金和金属基复合材料均被应用于双极板制造，其中不锈钢既包含了不锈钢可塑性高的特点，也具备金属良好的导电性，被认为是金属双极板的最佳材料之一。
通常来说，金属双极板采用冲压与液压成型工艺，用压力装置和刚性模具对板材施加一定的外力，使其产生塑性变形，即将0.1mm的超薄金属板，冲压成阴阳单极板，后由两块单极板通过连接工艺对应连接而成。
图源：氢电邦
金属板相对更薄，体积功率密度更高，更适用于高功率型电堆，广泛应用于乘用车。但金属板的耐久性较差，受金属材料影响，其制备成本较高，并且在高温环境下可能会发生氧化反应，在酸性的反应环境中易被腐蚀。
值得一提的是，金属双极板若实现大规模批量生产，会极大程度降低生产成本，目前正成为业界研究的热点。
三、复合材料双极板
复合双极板由两种以上材料组成，合成其他材料，目前主要有碳/碳复合双极板和石墨/聚合物复合双极板。复合双极板将石墨材料的耐蚀性与金属材料的易加工、高硬度特性相结合，旨在克服石墨材料与金属材料的缺陷。
现阶段，以铝合金、碳钢等金属合金与316L、310L不锈钢为基底的阳极板的表面改性成为研究热点，主要包括碳基涂层表面改性、金属氮化物涂层表面改性与聚合物涂层表面改性。
然而，复合材料双极板的加工周期长、生产过程繁琐复杂，长期工作可靠性较差限制了其广泛应用。并且，表面涂层技术对设备要求严格，特别是表面电镀贵金属的成本过高，不利于大规模生产，但复合双极板在特殊应用场景中具有一定优势。
总结
双极板是燃料电池的重要构成部件，寻找性能优良且成本低廉的双极板新材料和制备方法，是燃料电池汽车产业化的重要课题。在各种双极板材料中，金属双极板在导电性、抗疲劳性等方面具有优势，较石墨双极板更利于实现小型化，对提高燃料电池电堆的功率密度具有重要意义。
未来，开发出优良的耐蚀性、导电性涂层或新型的双极板金属材料将极大地促进PEMFC在乘用车领域的应用。不仅如此，技术的进步推动成本的降低同样关键，加快双极板产品从实验室成果转化为工业产品，是降本增效的最直接途径。
178 0012 6383