微型燃料电池双极板成形工艺的研究进展
氢燃料电池双极板工作原理
氢燃料电池双极板工作原理氢燃料电池是一种利用氢气和氧气的化学反应产生电能的装置。
其中，双极板是氢燃料电池中的关键组件之一，它承担着气体的传输和电子的传导功能。
双极板通常由贵金属制成，如铂、铑等。
在氢燃料电池中，双极板分为阳极和阴极两部分，分别与氢气和氧气接触。
下面我们将详细介绍双极板在氢燃料电池中的工作原理。
1. 阳极：阳极是氢燃料电池中与氢气接触的一侧。
当氢气通过阳极时，它会与阳极上的催化剂发生反应，将氢气中的氢离子解离出来，并释放出电子。
这个过程称为氧化反应。
2. 阴极：阴极是氢燃料电池中与氧气接触的一侧。
当氧气通过阴极时，它会与阴极上的催化剂发生反应，将氧气中的氧分子分解成氧离子。
与此同时，电子从外部电路通过阴极流入氢燃料电池。
这个过程称为还原反应。
3. 电子传导：在氧化反应和还原反应中，阳极和阴极之间的电子需要通过外部电路传导。
通过外部电路，电子从阳极流向阴极，形成电流。
这个电流可以用来驱动外部设备。
4. 气体传输：除了电子的传导，双极板还起到气体传输的作用。
在阳极和阴极之间，氢气和氧气需要顺利地传输，以保证反应的进行。
双极板上通常会设计微孔结构或涂覆气体渗透层，以增加气体的传输速率。
双极板在氢燃料电池中起到了重要的作用。
它不仅承担着气体的传输和电子的传导功能，还通过催化剂的作用促进了氢气和氧气的反应。
这种反应释放出的电子可以通过外部电路产生电流，为各种设备提供所需的电能。
因此，双极板的设计和材料选择对氢燃料电池的性能和效率具有重要影响。
随着对清洁能源的需求日益增长，氢燃料电池作为一种绿色、高效的能源转换装置，受到了广泛的关注和研究。
双极板作为氢燃料电池的核心部件之一，其工作原理的研究和优化对于提高氢燃料电池的性能至关重要。
未来，随着材料科学和电化学技术的不断发展，相信双极板的设计和制备将会更加先进和高效，为氢燃料电池的应用带来更广阔的前景。
质子交换膜燃料电池双极板材料及制备综述
2021年第5期刘颖1,2赵洪辉1,2盛夏1,2潘兴龙1,2（1.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130013）【摘要】质子交换膜燃料电池（PEMFC ）的发展显示出了它成为清洁、高效和可靠电源的潜力。
双极板（BP ）作为PEM⁃FC 的关键部件之一，具有提供电气连接、输送反应气体、消散反应热、去除副产物的作用，但也是制约PEMFC 成本的主要因素之一。
根据双极板材料的不同可以分为金属双极板、石墨双极板和复合材料双极板，本文综述了双极板材料(金属、无孔石墨和复合材料)及其制备工艺。
其中，金属双极板因其优异的机械和物理性能，与无孔石墨及复合材料相比具有较强的成本优势，在乘用车应用中备受关注，但其制造工艺和耐腐蚀性是金属双极板的主要关注点。
未来，开发出优良的耐蚀性和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。
主题词：质子交换膜燃料电池双极板石墨金属复合材料中图分类号：U469.72+2;U473.4文献标识码：ADOI:10.19822/ki.1671-6329.20200237Review on Materials and Preparation of Proton Exchange MembraneFuel Cell Bipolar PlatesLiu Ying 1,2,Zhao Honghui 1,2,Sheng Xia 1,2,Pan Xinglong 1,2（1.General Research and Development Institute,China FAW Corporation Limited,Changchun 130013;2.State KeyLaboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise &Safety Control,Changchun 130013）【Abstract 】The development of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)shows its potential to become aclean,efficient,and reliable power source.Bipolar Plates (BP),as one of the key components of PEMFC,provide electricalconnections,transport reaction gases,however,the functions of dissipating reaction heat and removing by-products are also the main factors restricting the cost of PEMFC.BP can be divided into metal BP,graphite BP and composite BP according to different materials.This article reviews BP materials (metal,non-porous graphite and composite materials)and theirpreparation methods.Among them,the metal BP has a strong cost advantage compared with non-porous graphite and composite materials due to its excellent mechanical and physical properties so that it has attracted much attention in passenger car applications.While the main focus of the polar plate is its manufacturing process and corrosion resistance.Inthe future,the development of excellent corrosion resistance and conductive coatings or new BP metal materials will greatly promote the application of PEMFC in the passenger car field.Key words:Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC),Bipolar plates,Graphite,Metal,Composite material【欢迎引用】刘颖,赵洪辉,盛夏,等.质子交换膜燃料电池双极板材料及制备综述[J].汽车文摘,2021(5):48-54.【Cite this paper 】Liu Y,Zhao H,Sheng X,et al.Review on Materials and Preparation of Proton Exchange Membrane Fuel Cell BipolarPlates [J].Automotive Digest (Chinese),2021(5):48-54.质子交换膜燃料电池双极板材料及制备综述*1前言为了缓解由化石燃料燃烧导致的环境污染和温室效应的问题，急需新型清洁能源的开发[1]。
质子交换膜燃料电池薄金属双极板性能优化与设计
Ｏ ｔ—ｌｃ ｏｉｓ ｎｏ ｔ ｎａｄＴ ｃｎ ａ Ｓｉ ｃ ， ｎｓｙｏ Ｅ ｕａ ｏ ， ｉ ｊ ０ ０ ２ Ｃ ｉａ ｐｏＥｅｔ ｎｃ Ｉｆｒ ｉ ｎ ｅｈ ｉ ｌ ｃ ｎｅ Ｍｉ ｔ ｆ ｄ ｃｔ ｎ Ｔａ ｉ ３０ ７ ， ｈｎ ） ｒ ｍａ ｏ ｃ ｅ ｉ ｒ ｉ ｎｎ
题， 建立 了质子交换膜燃料电池半个单池的三维计算模型 ， 用计 算流体动 力学技术对 阳极燃料 气体 （ ： 流场进 采 Ｈ）
行 了数值模拟 ； 以阳极最 大燃料气体（ 利用率为 目标优化流场板沟槽尺寸 ， Ｈ） 设计 了一种操作成本低 、 易批量 生 容
产的板料 冲压成形薄金属双极板结构 ， 可增 大电池组 体积 比功 率和提 高燃料 电池的性 能 ； 用弹 塑性有 限元方 法 利
维普资讯
第３ ９卷 第 １ ０期 ２０ ０６年 １ ０月
天 津 大 学 学 报 Ｊｕ ｎ ｌ ｆ ｉｎｉ ｉｅｓｙ ｏ ｒ ａ ａｊ Ｕｎｖｒｉ ｏＴ ｎ ｔ
Ｖｏ ． Ｎｏ． ０ １３９ １
Ｏｃ ．２ （ ｔ Ｏ） ６
质 子 交换 膜 燃 料 电池 薄金 属 双 极 板 性 能优 化 与 设 计
ｐ ｏ ｅ ｎ ｆＰＥＭ ｕ ｌｃ ｌｓｗａ ｒ ｓｎ ｅ ｎ ｔ ｉ ｐ ｒ Ｆ ｒｔ ｒ ｖ ｍｅ ｔｏ ｆ ｅ ｅｌ ｓｐ ｅ ｅ ｔｄ ｉ ｈ ｓｐａ ｅ ． ｉｓｌ ａ ｃ ｍｐ ｔｔ ｎａ ｈ ｅ — ｉ ｎ ｉｎ ａｆｃ ｌ ｙ， ｏ ｕ ａｉ ｌ ｔ ｒｅ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ ｈ ｌ－ｅｌ ｏ ｌ
ａ ｏ ｅｍ ｄ ｌ ｆＰ Ｍ ｕ ｌ ｅｌｗ ｓｐｏ ｏｅ ．Ｗｉ ｏ ｕａｉｎ ｕｄ ｄ ｎ ｍｉｓ（ Ｆ ｎ ｄ ｏ ｅ ｏ Ｅ ｆｅ ｃ ｌ ａ ｒｐ ｓｄ ｔ ｃ ｍｐ ｔｔ ａ ｆ ｉ ｙ ａ ｃ Ｃ Ｄ）ｔｃ ｎｑ ｅ ，ｕ ｒ ａ ｈ ｏｌｌ ｅｈ ｉｕ ｓ ｎ ｍｅ ｃ ｉｌ
质子交换膜燃料电池金属双极板流道结构及制造工艺
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微型直接甲醇燃料电池知识讲解
4. μDMFC的发展现状
目前μDMFC研究工作正处于从基础研究向产业化过渡的阶段，一些 高科技公司已经推出了代表当今世界最高技术水平的μDMFC样机或产品。 最具有代表性的公司是MTI、索尼和东芝三家公司的产品。
a MTI样机
b 索尼样机
c 东芝样机
图7 μDMFC样机 株式会社エムティーアイ ，英文名简称同样为MTI，在日本有移动梦工厂的美誉。
3、 微型直接甲醇燃料电池的应用前景
随着电子与信息技术飞速发展，各种微小型便携式电子产品如智能 手机、MP3、笔记本电脑、数码影像设备等不断更新新换代，功能日趋 多样化，功耗不断增加，然而目前常用的锂离子电池能量密度已接近理 论极限 ，已经无法满足人们对便携式电源的进一步需要。
微型直接甲醇直接燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell， μDMFC）具有能量密度高，环境友好，室温启动，结构简单，便于携 带以及燃料来源丰富、价格便宜、携带补充便捷等优点，可广泛应用于 微机电系统、微机器人、微电子设备、微型医疗器械、个人移动通讯设 备等，是一种具有广阔市场应用前景的高新技术。
组极板结构．流场结构中沟道宽度、深度以及梁宽 度是设计中最重要的几个参数。
图9μ结构示意图
(1）双极板
双极板（即流场流场板）的主要作用是支撑扩散层、引导 流体和传导电流。它是DMFC关键组件之一，而流场则是流场 板的核心部分。流场的作用有以下几点： 一、保证电极各部分可以获得充足均匀的燃料与氧化剂，保证 电流密度分布均匀，避免局部过热，提高燃料电池的寿命和性 能； 二、保证一定的流场线速度和压降，并利用尾气将生成物排出, 保证燃料电池正常运行； 三、可以提高燃料和氧化剂的利用率； 四、保证流场板的有效利用面积。
直接液体甲醇燃料电池流场组织行为研究(Ⅱ)双极板交错布置新方案
中 图分 类 号 ：Ｔ ９ １ Ｍ１ 文 献标 识码 ：Ａ
０ 引 言
在前期 的研 究 ［中 ， 采 用 常 规 对 称 平 行 流 道 １ 对
１ 交错 布 置 方 案初 步探 讨
直 接 液体 甲醇 燃 料 电池 流 场 组 织行 为研 究 （ Ⅱ）
双 极 板 交错 布 置新 方 案 尹本浩， 何雅玲 ， 李相霖，苗 政
（ 安 交 通 大 学 能 源 与 动 力 工 程 学 院 ， 力 工 程 多 相 流 国 家 重 点 实 验 室 ， 安 ７０ ４） 西 动 西 １０９
行布置 方案 。作 者希 望通过 交叉 布 置 流道 与 物质 供 二维 数 学 模 型 。本 文 采 用 基 于 有 限容 积 法 的 ＳＭ— Ｉ 给， 改善 内部 物料 分 布的不 均匀 性 ， 提高 电荷运 动 与 Ｐ Ｅ算 法 编 程 ， 次 求 解 电 势 方 程 、 动 方 程 、 Ｌ 依 流 物
电流分布均匀性 ， 提高电池性能。
质组分方程 ， 多次迭代计算直至收敛 ， 得到流动和电 参 数 的场 态分 布及 电池输 出电参数 。
收稿 日期 ：２Ｏ—４２ Ｏ７０—８ 基金项 目：国家 自然科学基金 （ ｏ５７６０ ； ｏ５６ ９０ ） Ｎ ．０ ３０ ５ Ｎ ．０２６ １ 通讯作者 ：何雅玲（９３ ）女 ， １６一 ， 教授 、 博士生导师 ， 主要从事工程热物理及新能源领域的研究。ｙｌ ｇｅ ａｌｘｕｅｕｃ ａｎｈ ＠ｍ ｉ ｊ ．ｄ ．ｎ ｉ ．ｔ
程、 电传导 方程 和 甲醇 、 气 、 蒸 汽 的对 流 扩 散 方 电极 的某一 极 或 两极 ， 过 改变 燃 料 的进 出 口通 道 氧 水 通 程 ， 用 Ｂ ｔ ｒ ｏ ｅ 方 程 描 述 了 两 极 电极 反 应 。 和操作 压 力 ， 其 流动方 式 为强 制 流动 ， 采 ｕｌ － ｌ ｒ ｅＶ ｍ 改变 以达 到加 利用模 型计 算 了不 同几何 参数 条件 下 的 电池输 出特 速燃料 流 动和 补 给 ， 升 肋前 区域 化 学 反 应 速 率 的 提 性 。发现在 常规 流 道对 称 布 置 电池 中 ， Ａ厚 度 方 目的 ｌ。 而交 错 流 道 布 置 方 案 ， 于 改 变 整 个 电池 ＭＥ ６ ｊ 在
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微型燃料电池双极板成形工艺的研究进展许桢英;张园园;王匀;丁盛;尹必峰【摘要】The micro fuel cellis the mainstream of the future mobile power, but the forming process of bipolar plate hinders the application of fuel cell. The forming process of bipolar plates for micro fuel cellwas introduced, including regular plastic deformation means based on micro stamping and so on,micro processing technology based on MEMS and non-traditional machining process. The development trend of forming technology of future micro fuel cellbipolar plate was looked forward.%微型燃料电池是未来可移动电源的主流，但是其双极板成形工艺成为燃料电池推广应用的主要制约之一。
介绍了微型燃料电池双极板的成形工艺，包括基于微冲压等常规的塑性变形手段，基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)的微加工技术和非传统加工工艺，展望了未来微型燃料电池双极板成形工艺的发展趋势。
【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】3页(P861-863)【关键词】微型燃料电池;微成形工艺;双极板【作者】许桢英;张园园;王匀;丁盛;尹必峰【作者单位】江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TM911随着微机电系统和便携式电子系统功能集成规模和能耗的提高，对所配置的动力电源性能提出了更高要求，传统镉镍、氢镍和锂离子电池等内部电池已难胜任微电子产品的发展要求，亟需开发清洁经济的高容量可替代能源。
由于燃料电池具有小体积、高性能、绿色环保等独特优势，在笔记本电脑、手机、掌上数字助理PDA(Palm Digital Assistant)等小型移动通讯设备以及便携式电子产品领域，微型燃料电池被认为是可取代现有低耗电子产品内部电池的移动式替代电源[1-2]，图1为燃料电池实物手机充电器。
燃料电池由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成，是一种把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置，图2为燃料电池剖面图。
其中双极板是燃料电池的重要部件，其两面都有加工出的流道，起着分布反应气、收集电流、机械支撑、水热管理以及分隔阴阳两极反应气的重要作用，同时双极板占了整个燃料电池堆总质量的60%～80%和电堆成本的30%～45%，成为了制约燃料电池市场化的瓶颈[3]，目前双极板成为重要研究方向之一。
传统的燃料电池流场的加工方法是机械加工方法，而当电池的体积变小时，流道的尺寸也需进一步变小，如图3所示的微流道结构。
对于微小型燃料电池，其流场加工方法就不同。
现今国内外对流场板制造的研究主要分为三种：基于微冲压等常规的塑性变形手段、基于MEMS(如激光微细加工、光刻、硅微加工、化学蚀刻、电化学蚀刻等)的微加工技术和非传统加工工艺。
1.1 微型燃料电池双极板的塑性加工工艺在传统的冲压成形技术的基础上，开发了各种微型燃料电池双极板塑性成形工艺。
上海交通大学提出一种基于辊压成形的质子交换膜燃料电池 (PEMFC，ProtonExchange Membrane Fuel Cell)金属双极板制造方法[4]，即根据所设计的双极板结构形式，通过映射加工生成所有辊子对，然后在一条连续的生产线上同时进行两个单极板的极板辊压，再连接两个单独的单极板形成双极板。
美国弗吉尼亚联邦大学开发出了液压胀形与压力焊成形工艺[5]，一个工步即可完成阴极板和阳极板的液压胀形和焊接成形。
武汉理工大学也对金属双极板的软模成形进行了研究[6]，其原理为：用橡胶板来代替传统冲压成形中的一个钢模，在成形过程中，钢模在液压机作用下运动，挤压橡胶，使橡胶产生变形，在摩擦力作用下与板料一起填充满模具型腔。
瑞典Cell Impact公司[3]的Cell Impact冲压技术利用动能和高压的瞬间产生绝热软化(adiabatic soften)效应，使金属以近乎液态的形式，快速、精确地充满模腔，完成极板的一次性成形冲压。
来新民、倪军[7]等人提出了“基于薄板冲压成形的质子交换膜燃料电池双极板”，将两块流场单板作为燃料电池的阴极和阳极，中间一块支撑薄板，其特点是流场单板是由冲压工艺制成一体。
Masanori Yokoyama[8]等人采用金属玻璃作为质子交换膜燃料电池双极板的材料，在过冷流态下热压成形，并通过实验表明使用这种方法成形的双极板，性能优于SUS316双极板。
1.2 微型燃料电池双极板的MEMS加工工艺微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)技术具有微小性(体积小和质量轻)、高加工分辨率(小于1 mm)、加工重复性、可操作性、集成性优异等优点[9-11]，比较适用于燃料电池关键零部件加工中应用。
基于MEMS技术的微型燃料电池包括激光微细加工、光刻、硅微加工、化学蚀刻、电化学蚀刻等。
大连理工大学和中国科学院大连化学物理研究所也对微流道加工进行了相应的研究，提出了利用微电子机械系统(MEMS)技术在硅片上加工流场板的方法，即通过光刻和化学蚀刻法在金属表面加工微细结构流道等。
(1)光刻术此方法首先在基质材料上涂覆光致抗蚀剂(光刻胶)，然后利用高分辨率能量束来通过掩膜对光致蚀层进行曝光或称光刻。
显影后，在抗蚀剂层上获得了与掩膜图形相同的极微细的几何图形。
再利用其他后续方法，在工件材料上制造出微型结构。
目前光刻术中主要采用的曝光技术有电子束曝光技术、离子束曝光技术、X射线曝光技术和紫外准分子曝光技术[12]。
光刻可以结合机械加工方法制造交指形流道，也可以在微型燃料电池极板上光刻多流道，表面无毛边也无应力，但是光刻成本较高。
Lu等[13]利用光化学刻蚀技术加工500µm厚不锈钢材料制作微DMFC双极板，并在其表面沉积0.5µm的Au来降低内阻和止腐蚀，常温和60℃条件下电池最大功率密度分别达到34和100 mW/cm2，优于硅基微DMFC的性能[14]。
(2)蚀刻技术蚀刻通常分为等向蚀刻和异向蚀刻。
等向蚀刻可以制造任意横向几何形状的微型结构，高度一般为几微米，仅限于制造平面形结构。
异向蚀刻可以制造较大纵深比的三维空间结构，其深度可达几百微米，包括化学异向蚀刻、离子束蚀刻、激光蚀刻。
Larry J.Markoski公开了激光微造型和化学腐蚀微流道的加工方法。
台湾元智大学元智燃料电池研究中心对金属双极板的电化学刻蚀成形(EMM)进行了研究[15]，模拟了电化学刻蚀成形过程，并在SS316薄钢板上刻蚀出蛇形流场。
(3)LIGA技术LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术。
LIGA技术所加工的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，可以制造由各种金属材料、塑料制成的微机械[16]。
LIGA技术包括三个工艺流程：深层同步辐射x射线光刻、电铸成形、注塑。
LIGA技术最大特点是能加工高深宽比的微结构和材料的适用性。
在LIGA技术上发展了准LIGA技术，如用紫外光刻的UV-LIGA，用激光烧蚀的Laser-LIGA，用硅深蚀刻工艺的Si-LIGA和DEM技术，以及用等离子束蚀刻的IB-LIGA 等[17]。
Hsieh等[18]用铜作极板来制作微型质子交换膜燃料电池堆，使用类似于X光深刻模造法(LIGA)的微型制作过程来深度紫外光刻得到SU-8流场模型。
1.3 微型燃料电池双极板的非传统加工工艺特种加工(又称非传统加工)是有别于传统切削与磨削加工方法的总称。
特种加工方法可以完成传统加工方法难以实现的加工，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温材料和工程陶瓷、磁性材料等难加工材料的加工以及精密、微细、复杂形状零件的加工[19]。
加工为非接触式加工，机械作用力不明显，加工变形小，因而可以保证较高加工精度。
燃料电池双极板可以利用电火花加工(EDM)，即利用工具电极与工件电极之间的火花放电，产生瞬时高温将金属熔化[20]。
制作燃料电池双极板也可以采用美国俄亥俄州利马的American Trim LLC公司开发出电磁成型方法(EMF，Electromagnetic Field)，即当强大的电流通过线圈时产生磁场，当磁场接近导电材料时，导电材料将产生极性相反的电流，并且由于同极相斥，导电材料会产生远离线圈的加速度。
将金属板料装夹在模具中，通过所产生的压力成型燃料电池双极板，并且这种技术比传统冲压成型耗能更低，将获得更大的拉伸效应。
另外，Yu-Ming Lee等人[21]研究了采用金属材料作为质子交换膜燃料电池双极板的成形，采用电化学微细加工(Electrochemical Micro-Machining)的方法成形，发现采用低脉冲速率，高脉冲电流能显著改善成形件的精度。
Shuo-Jen Lee等[22]人提出利用电铸工艺来成形不锈钢SS304金属双极板上的微观特征。
江苏大学提出了累积成形法，通过固定装置将板料放置在二维移动平台上，并加以固定，如何利用计算机程序控制加载机构实现向移动，并带动成形模头向下运动，完成对板料的向加载，由二维平台步进电机控制器实现平台轴方向的运动以完成最后的成形。
如图4利用光学轮廓仪拍摄的流道某截面的高度分布图。
在加工燃料电池双极板时，用冲压成形等常规塑性变形手段需要针对不同的流道设计加工凸模与凹模，而且随着微型流场板上流道的微型化，微型凸模与凹模的加工难度和成本急剧上升，适合加工的流道尺度受到限制。
MEMS加工工艺中LIGA 技术需要昂贵的同步辐射X射线光源和X射线掩模板，设备投资较大，并且加工周期较长。
目前，国内外对微型燃料电池流场板加工方法的研究大多在宏观领域，而且由于极板流道通常是有多组流道、气体出入口和密封槽等构成，利用目前的电火花特种加工或者机械加工技术效率低、加工成本高且不能适合大规模批量生产。
各种成形工艺都有其优缺点，因此将多种加工方法相互结合，扬长避短，共同加工微型燃料电池双极板成为一个重要发展方向。