燃料電池金屬雙極板表面改性技術綜述

張玉坤,徐 斌

(廣汽豐田汽車有限公司,廣東 廣州 511455)

近年來,隨著全球氣候變化越來越明顯,低碳可持續發展成為一個越來越受關注的話題。特別是,2015年《巴黎協定》(COP21)提出“開發低碳可持續技術,促使全球經濟脫碳”以來,全球各國也明確設定了在2050年以前達成凈零排放目標,因此開發低碳可持續交通工具成為許多國家的重要任務[1-3]。其中,燃料電池具有原料資源豐富、零排放和高效率的優勢,尤其是質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)成為內燃機最具前途的替代品之一,在新能源汽車領域發揮著重要作用[4-6]。

PEMFC是將氫氣(H2)和氧氣(O2)轉化為水(H2O)并釋放電能的電化學設備,其結構組成及內部反應過程如圖1所示,每個PEMFC由雙極板、氣體擴散層、催發劑層、微孔層和質子交換膜組成[7]。其中,雙極板是PEMFC最重要的組件之一,其占總重量的約80%和成本的45%,它的主要作用是支撐電極材料、收集和傳導電子、分離電池單元,并促進電池內的水和熱管理[8,9]。目前,常用的雙極板材料主要有石墨材料、復合材料和金屬材料[10]。金屬雙極板以其低廉的價格和優異的物理化學性能,逐漸成為雙極板研究的熱點。鋁、鎳、鈦、不銹鋼和其他金屬材料均可用于生產雙極板,這些金屬材料不僅具有高強度、良好的塑性、良好的導電性和熱傳導能力、較低的能量損失和良好的密封性,而且易于加工、成本較低,容易實現批量加工制造。因此當前車用燃料電池用雙極板逐漸在轉向使用金屬雙極板[11-13]。

圖1 PEMFC單電池組……