現(xiàn)代社會的快速發(fā)展加劇了對能源的需求，同時伴隨著化石能源的消耗，環(huán)境污染問題越發(fā)突出，為了更好的解決日益增長的社會生產(chǎn)能源需求與化石能源大量消耗帶來的環(huán)境污染之間的矛盾，清潔能源逐漸走入了人們的視野，其中氫能、太陽能、風(fēng)等可再生能源是一種理想的解決方案。考慮到環(huán)境因素，以燃料電池為基礎(chǔ)的能源發(fā)電是一種比太陽能和風(fēng)能更適合的可再生能源系統(tǒng)。近年來，燃料電池得到了迅速的發(fā)展，并且在高、中、低功率范圍都實現(xiàn)了商業(yè)化的應(yīng)用。為了降低燃料電池的成本，研究人員致力于提升燃料電池動力系統(tǒng)的可靠性和發(fā)電效率。燃料電池又稱質(zhì)子交換膜燃料電池，其是由一片片單電池串聯(lián)組裝而成的，其中，單電池由陽極板、MEA（膜電極）以及陰極板組成。作為作為質(zhì)子交換膜燃料電池堆的重要組件，雙極板的質(zhì)量占燃料電池堆的60~80%，成本占20~40%，并且?guī)缀跽紦?jù)了整個燃料電池堆的全部體積，結(jié)構(gòu)如圖1所示；（注：圖1來源于知乎）圖1?燃料電池電堆、單電池、雙極板和MEA之間的關(guān)系示意圖雙極板無疑是實現(xiàn)燃料電池堆穩(wěn)定、持續(xù)高效率工作的最重要部件，根據(jù)材料的不同，分為石墨雙極板、復(fù)合材料雙極板和金屬雙極板，其中石墨雙極板應(yīng)用最早。石墨是熱和電的良導(dǎo)體，具有較高的電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕、低密度等優(yōu)點，用于制作雙極板具有先天獨特的優(yōu)勢，但是又因為石墨是一種多孔的脆性材料，其強度低、延展性差，難以滿足雙極板的氣密性要求，因此在加工時，需要對石墨進行反復(fù)浸漬、碳化處理從而制造成無孔的具有良好氣密性的無孔石墨雙極板，制造工藝要求高，良品率低，影響燃料電池堆整體安全性。復(fù)合材料雙極板主要是通過熱塑或熱固性樹脂料混合石墨粉/增強纖維形成預(yù)制料，并固化/石墨化后成型。復(fù)合材料型雙極板又可以分為碳基復(fù)合材料雙極板和金屬基復(fù)合材料雙極板。碳基復(fù)合材料雙極板可以根據(jù)導(dǎo)電填料及樹脂配比調(diào)整雙極板的導(dǎo)電性能和機械強度，可以采用模壓或注射成型工藝進行批量化生產(chǎn)，降低雙極板制造成本，未來具有較大應(yīng)用前景。金屬基復(fù)合材料雙極板則通常采用金屬作為分隔板，邊框采用塑料、聚礬、碳酸酯減輕電池組的質(zhì)量，邊框與金屬板之間采用導(dǎo)電膠粘接，以注塑與焙燒法制備的有孔薄碳板或者石墨板作為流場板。金屬基復(fù)合材料雙極板集合了石墨雙極板和金屬雙極板的優(yōu)點，但是由于其結(jié)構(gòu)及制備工藝復(fù)雜，難以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)成本遠高于碳基復(fù)合材料雙極板，不適合大規(guī)模批量化發(fā)展。為了解決安全性問題，金屬雙極板應(yīng)運而生，與石墨雙極板相比，金屬雙極板具有與之類似的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，但金屬雙極板具有更好的機械強度、阻氣能力和抗沖擊能力，因此，金屬雙極板能夠做到超薄，大幅提升比功率密度。一般而言，金屬雙極板的制備方向大體分為2種，分別為：①通過機床將316L材質(zhì)的薄鋼片沖壓或液壓成型成燃料電池堆使用的雙極板形狀，然后通過表面改性技術(shù)，如PVD等技術(shù)在已沖壓完成的樣片上沉積GLC薄膜，完成金屬雙極板的制備；代表企業(yè)-Interplex等；②通過如PVD、CVD等技術(shù)在大型金屬連續(xù)線設(shè)備上先沉積出GLC薄膜，然后通過沖壓技術(shù)或液壓成型將已鍍制完成的金屬片上壓制成所需的金屬雙極板形狀；代表企業(yè)-豐田等；由此可見，GLC薄膜性能的優(yōu)劣對金屬雙極板性能至關(guān)重要，那何為GLC薄膜？人們在研究碳膜過程中，發(fā)現(xiàn)了一種性能與金剛石薄膜極其相似的非晶態(tài)碳膜稱之為類金剛石鍍層。近幾十年以來非晶碳薄膜因為具有成膜溫度低、適宜大面積沉積，同時具有良好的透光性、良好的耐磨損性、高的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的生物相容性等特點受到人們越來越多的關(guān)注，目前己在光學(xué)、電子、機械加工、生物材料等方面得到了廣泛應(yīng)用。非晶碳膜一般由石墨和金剛石微觀結(jié)構(gòu)的雜化鍵組成，因此其性能類似于石墨和金剛石。非晶碳膜因其碳雜化態(tài)和含氫量的不同有多種異構(gòu)體如Ta-C、@-C:H、DLC、其性質(zhì)主要是由其性質(zhì)主要是由sp3/sp2比所決定。一直以來，將非晶碳膜稱之為類金剛石碳膜（DLC）薄膜，但近年來研究以sp2為主的薄膜，發(fā)現(xiàn)其性能與sp3為主的類金剛石碳膜具有一定差異，為了與DLC薄膜區(qū)分，將其稱之為類石墨（GLC）薄膜,其最為顯著的特征為電阻率極低，特別適用于燃料電池電池堆。對于想應(yīng)用于燃料電池領(lǐng)域的GLC薄膜，根據(jù)美國能源部（DOE）的標準，雙極板上鍍制的薄膜需要達到以下性能，才能滿足目前的社會要求：③在pH＜4的弱酸性條件下腐蝕電阻＜1 uAcm2；⑤對氫氣和氧氣的滲透率＜2×10-6cm3(cm2s)-1；目前，國內(nèi)外廠商皆致力于金屬雙極板的研究與開發(fā)，已有部分公司小批量生產(chǎn)，但距離大批量化生產(chǎn)，仍具有一定難度，相信在不久的將來，隨著制備工藝的改進，搭載燃料電池技術(shù)的新能源汽車將隨處可見。廣東匯成真空科技股份有限公司是一家以真空鍍膜設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及其技術(shù)服務(wù)為主的真空應(yīng)用解決方案供應(yīng)商，主要產(chǎn)品或服務(wù)為真空鍍膜設(shè)備以及配套的工藝服務(wù)支持。
經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展和經(jīng)驗積累，具備了完整的真空鍍膜設(shè)備研發(fā)、制造能力以及鍍膜工藝開發(fā)能力，可為不同行業(yè)客戶提供定制化、專業(yè)化的真空鍍膜設(shè)備及其工藝解決方案，長期致力于DLC、GLC薄膜設(shè)備、柔性卷繞鍍膜設(shè)備、連續(xù)線鍍膜設(shè)備等方向的研究與開發(fā)，對于此類設(shè)備具有豐富的制造經(jīng)驗。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：未來新能源電池的方向-GLC薄膜金屬雙極板
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