摘要：氫燃料電池具有清潔、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到了世界各國(guó)的高度關(guān)注，極板是其重要部件之一。綜述了質(zhì)子交換膜氫燃料電池金屬雙極板設(shè)計(jì)、成形等方向的研究和應(yīng)用進(jìn)展。在金屬雙極板設(shè)計(jì)方向，從極板平面流場(chǎng)分布設(shè)計(jì)、3D 流場(chǎng)設(shè)計(jì)、考慮電堆結(jié)構(gòu)的極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)以及微流道尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行綜述；在金屬極板成形方向，從剛模沖壓成形、軟模沖壓成形以及成形質(zhì)量與電池性能相關(guān)性等方面進(jìn)行綜述。最后，結(jié)合筆者對(duì)行業(yè)的調(diào)研和理解，對(duì)未來(lái)金屬極板的方向發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；金屬雙極板；流場(chǎng)設(shè)計(jì)；沖壓成形；工藝與性能相關(guān)性

DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.004

人類賴以生存的傳統(tǒng)化石燃料日漸枯竭，世界各國(guó)政府紛紛出臺(tái)傳統(tǒng)能源車禁售時(shí)間表，氫能作為國(guó)際公認(rèn)的清潔、高效能源，受到各國(guó)政府和產(chǎn)業(yè)的高度重視。燃料電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，產(chǎn)物只有水，并且本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量轉(zhuǎn)換效率大于80%，遠(yuǎn)高于燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)。

早在 20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)研制了堿性氫燃料電池，成功應(yīng)用于阿波羅宇宙飛船、航天飛機(jī)等航天器中，累計(jì)運(yùn)行 10 余萬(wàn) h，可靠性達(dá)到了 99%[1]。隨后，歐、美、日本和韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，開(kāi)發(fā)了功率大、工作和啟動(dòng)溫度低的質(zhì)子交換膜氫燃料電池堆，應(yīng)用于乘用車、固定式分散電站等民用領(lǐng)域。比如，日本東京政 府將奧運(yùn)村打造成“氫氣城市”，5000多住戶和商業(yè)設(shè)施全部采用氫燃料電池供電；豐田汽車公司 2014 年推出了第1代 Mirai 氫燃料電池汽車，累計(jì)銷售超過(guò)了 1 萬(wàn)輛[2]，并于 2020 年 12 月發(fā)布了第 2 代量產(chǎn)化 Mirai 氫燃料電池乘用車，采用前置電堆系統(tǒng)，優(yōu)化 了儲(chǔ)氫系統(tǒng)以及后驅(qū)動(dòng)，其電池堆由 330 節(jié)燃料電池 串聯(lián)，峰值功率為 128 kW，體積功率密度達(dá)到 4.4 kW/L，質(zhì)量功率密度為 4 kW/kg，續(xù)航里程達(dá)到 了 850 km，性能得到了大幅提升，豐田 Mirai 第 2 代 氫燃料電池車結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。

圖 1 豐田 Mirai 第 2 代氫燃料電池車結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)，燃料電池中巴車早在2008年北京奧運(yùn)會(huì)、 2010 年上海世博會(huì)期間就進(jìn)行了示范運(yùn)行。如今，北京冬奧會(huì)在張家口打造氫能奧運(yùn)村，張家港市、常熟市、如皋市等建立了加氫站并運(yùn)行氫燃料電池公交線路，上汽集團(tuán)推出了榮威 950 氫燃料電池乘用車。截止到2019年底，我國(guó)累計(jì)推廣燃料電池汽車超過(guò)了 6500 輛，建成加氫站超過(guò)了50 座，逐漸形成了較 為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。為了推動(dòng)新能源領(lǐng)域的快速發(fā)展，氫能相關(guān)內(nèi)容寫入了 2019 年《政府工作報(bào)告》，《中國(guó)制造 2025》將新能源汽車作為10大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域 之一。2020 年 10 月國(guó)務(wù)院出臺(tái)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》，提出開(kāi)展燃料電池系 統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)，突破氫燃料電池汽車應(yīng)用支撐技術(shù)等瓶頸，提升基礎(chǔ)核心零部件等研發(fā)能力。我國(guó)氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道，各大主機(jī)廠、燃料電池專業(yè)廠家等紛紛投入巨資開(kāi)展了氫燃料電池相關(guān)技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用，目前已經(jīng)形成了主機(jī)廠、燃料電池企業(yè) 以及相關(guān)零部件配套企業(yè)等完整的產(chǎn)業(yè)鏈。新源動(dòng)力股份有限公司 2020 年 6 月推出新一代金屬極板氫燃料電池堆，額定輸出功率為 110 kW，體積功率密度 為 4.2 kW/L。大批氫燃料電池車、船舶等相繼下線或進(jìn)入測(cè)試階段，如雄韜氫恒 31 t 氫燃料電池碴土車下線、氫時(shí)代 110 kW 氫能重卡進(jìn)入測(cè)試、畔星 50 kW 氫燃料電池灑水車發(fā)布等等。我國(guó)氫燃料電池核心技術(shù)指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平仍有較大的差距，商業(yè)化應(yīng)用方面還有一定的制約，歐陽(yáng)明高院士等[3]分析認(rèn)為，目前差距主要表現(xiàn)在體積/質(zhì)量功率密度、壽命、電池成本等方面，這些均與氫燃料電池雙極板的設(shè)計(jì)與制造水平密切相關(guān)。?

質(zhì)子交換膜氫燃料電池（PEMFC）結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4-5]，其核心部件之一是微流道雙極板，起到均勻分配氣體、收集電流、冷卻和支撐等作用。目前，極板微流道槽寬約為 0.5~1.5 mm、深寬比為 0.5，材 料主要有石墨、金屬以及復(fù)合材料等，占電池總重量的 60%~80%、成本的 30%~40%、體積的 60%，是導(dǎo) 致電池體積/質(zhì)量功率密度低、成本高的主要因素之一[6-7]。石墨基極板主要采用微細(xì)機(jī)械加工、壓鑄等工藝，金屬極板主要采用沖壓、液壓脹形等工藝。由于金屬極板具有重量輕、體積小、制造成本低等多種優(yōu)勢(shì)，是氫燃料電池發(fā)展的主要方向之一。為此，筆者對(duì)金屬極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)給予展望。

1 燃料電池雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀?

1.1 極板平面流場(chǎng)分布設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

燃料電池雙極板起到分配反應(yīng)氣體、收集電流、排水、導(dǎo)熱和機(jī)械支撐等多種重要作用。雙極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)決定了有效反應(yīng)面積比例、反應(yīng)氣體分布均勻性等，顯著影響燃料電池功率、極板范圍的電流密度分布、極板間電壓一致性等多個(gè)重要參數(shù)，從而決定了燃料電池工作性能指標(biāo)和使用壽命，是燃料電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[8]。典型的雙極板流場(chǎng)主要有點(diǎn)狀流場(chǎng)、平行直流道流場(chǎng)、交指形流道流場(chǎng)以及單通道蛇形流道流場(chǎng)等，如圖 3 所示，分別在流場(chǎng)分布均勻性、流體壓降、電池壽命以及排水等方面存在不同程度的不足[9-10]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在流場(chǎng)設(shè)計(jì)與性能分析方面開(kāi)展了大量研究工作。QIU 等[5]設(shè)計(jì)了由 14 個(gè)等長(zhǎng)度流道構(gòu)成的蛇形流場(chǎng)雙極板，獲得了均勻分布、密度較高的電流。Um 等[11]采用計(jì)算燃料電池動(dòng)力學(xué)模型，研究了雙極板流場(chǎng)傳質(zhì)行為，發(fā)現(xiàn)交指形流場(chǎng)較平行直流場(chǎng)，更能夠通過(guò)擴(kuò)散層傳遞氧、排出水。FERNG[12]和 Hashemi 等[13]學(xué)者構(gòu)建了 3D 計(jì)算流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)蛇形流場(chǎng)較平行直流場(chǎng)有更好的反應(yīng)氣體和電流分布。Liu 等[14]設(shè)計(jì)了尺寸逐漸變小的微流道，提高了燃料的利用率。Hu 等[15]采用 3D 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了點(diǎn)狀-交指形組合流場(chǎng)。本田等公司采用了平行波浪形流場(chǎng)，兼顧了排水和減小進(jìn)出口壓差[16]。Sainan 等[17]采用流體動(dòng)力學(xué)分析了多流道蛇形流場(chǎng)雙極板中傳質(zhì)、電流、氣壓以及溫度之間的關(guān)系，并可用于分析水的產(chǎn)生。Freire 等[18]分析了不同橫截面形狀微流道蛇形流場(chǎng)水管理 方面的性能，發(fā)現(xiàn)梯形橫截面時(shí)對(duì)潤(rùn)濕溫度等更加敏感。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還提出了仿葉脈、肺氣管以及樹(shù)冠等仿生微流道陰極流場(chǎng)，集合了蛇形和交指形流場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地排水，提升 30%的峰值電流密度，并隨著分支數(shù)量的增加而增加。然而，仿生流場(chǎng)因過(guò)于復(fù)雜而制造更困難，成本更高[19-20]。近年來(lái)，基于電池輕量化、微型化以及制造成本、質(zhì)量控制等考慮，商業(yè)化應(yīng)用的金屬極板流場(chǎng)分布趨于簡(jiǎn)單化， 將利于排水的平行直流道改進(jìn)成平行波浪形微流道流場(chǎng)，以促使氣體充分?jǐn)U散，并在氣體分配區(qū)采用點(diǎn)狀流場(chǎng)和放射狀分布微流道等獲得復(fù)合流場(chǎng)，提升氣流分配均勻性，將是未來(lái)極板流場(chǎng)的主流方式。

1.2 極板 3D 流場(chǎng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀?

微流道內(nèi)的燃料氣體在靠近質(zhì)子交換膜一側(cè)會(huì)因參與化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致濃度降低，對(duì)燃料利用率等產(chǎn)生影響，微流道內(nèi)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)受到了廣泛關(guān)注。Heidary 等[21]研究了微流道突起堵塞的影響（見(jiàn)圖 4），發(fā)現(xiàn)陰極板微流道堵塞促進(jìn)氧氣進(jìn)入擴(kuò)散層，增加氧在催化層聚集，提升電池堆性能，例如在模擬條件下提升靜功率 30%，而陽(yáng)極微流道突起則沒(méi)有類似的效果。另外，微流道突起堵塞對(duì)排水有較大影響，在低流速、較低相對(duì)濕度時(shí)，促進(jìn)質(zhì)子膜水化，從而提升膜的質(zhì)子導(dǎo)電率。Cai 等[22]設(shè)計(jì)了由主流場(chǎng)和次流場(chǎng)構(gòu)成的多孔材料陰極 3D 流場(chǎng)，微流道脊部多孔結(jié)構(gòu)利于反應(yīng)物向質(zhì)子交換膜流動(dòng)，從而增加了反應(yīng)物傳輸效 率、提高了分布均勻性。Han等[23]設(shè)計(jì)了底部帶波浪形結(jié)構(gòu)的石墨微流道（見(jiàn)圖 5），增加了反應(yīng)物的流動(dòng)速度梯度，25 cm2 的單元實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，最大功率 密度提高了 5.76%。以上復(fù)雜流場(chǎng)設(shè)計(jì)主要針對(duì)微機(jī)械加工的石墨極板，考慮制造技術(shù)不同，并不適用于金屬極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)。為此，豐田Mirai 第 1 代中采用了網(wǎng)格狀復(fù)雜 3D 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，解決了排水等問(wèn)題，但存在制造難度較大等問(wèn)題，已經(jīng)被 Mirai 第 2 代舍棄， 而改為微流道槽寬變化的流場(chǎng)設(shè)計(jì)。但文濤等[24]設(shè)計(jì)了一種側(cè)邊帶凸起的 3D 流道結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 6），反應(yīng)物和冷卻劑的流動(dòng)狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)化為紊流，但未見(jiàn)實(shí)物和性能測(cè)試等相關(guān)報(bào)道。總體而言，3D 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將微流道內(nèi)層流改變?yōu)閿_流，從而促進(jìn)了燃料在微流道深度方向流動(dòng)，改善了靠近質(zhì)子交換膜組一側(cè)因化學(xué)反應(yīng)消耗而引起的燃料濃度降低等問(wèn)題，必將被更多的商業(yè)化應(yīng)用所采納。

1.3 考慮電堆結(jié)構(gòu)的極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)?

為了提高雙極板流場(chǎng)性能，不僅僅局限于雙極板本身，而是從燃料電池總體結(jié)構(gòu)角度，對(duì)反應(yīng)物流場(chǎng)進(jìn)行了更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Yang 等[25]綜合考慮反應(yīng)物濕度、溫度等因素，改變出入口處冷卻效果，通過(guò)建立非等溫模型，發(fā)現(xiàn)改變氧氣的相對(duì)濕度，可以提升燃料電池性能。Jung等[26]從燃料電池反應(yīng)氣體流場(chǎng)、冷卻以及排出等整體需求角度，設(shè)計(jì)了短且長(zhǎng)度基本相等的直流道雙極板（見(jiàn)圖 7），兩側(cè)的微流道分別作為反應(yīng)物通道和冷卻通道，結(jié)構(gòu)緊湊、流場(chǎng)分布均勻、壓降小、冷卻效果好，同時(shí)，對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)出口進(jìn)行設(shè)計(jì)，反應(yīng)物自上而下流動(dòng)，與重力平行，直流道方向與重力成 45°，非常利于快速排水。日本豐田汽車公司采用優(yōu)化電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氫流量和氣壓等措施，設(shè)計(jì)了自潤(rùn)濕燃料電池堆（見(jiàn)圖 8）[27]。由此可見(jiàn)，金屬極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，不僅要考慮極板流場(chǎng)本身，還要從燃料電池堆整體結(jié)構(gòu)角度，不僅要考慮燃料分布均勻性，而且要綜合考慮排水、散熱、有效面積比例等多種因素優(yōu)化設(shè)計(jì)極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

1.4 極板微流道尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀?

除了雙極板流場(chǎng)分布，微流道形狀尺寸（槽深、槽寬、脊寬、圓角等）對(duì)反應(yīng)物分布、導(dǎo)電性、水管理以及反應(yīng)物利用率等均會(huì)產(chǎn)生顯著影響。Shimpalee 等[28]發(fā)現(xiàn)，相同流場(chǎng)面積下，電流密度分布等隨蛇形流場(chǎng)流道長(zhǎng)度、數(shù)量的增加而更加均勻，而 Cooper 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，凈功率密度等隨交指形流 場(chǎng)微流道長(zhǎng)度與寬度比值的減小而提升。Kumar 等[30] 研究了單通道蛇形微流道尺寸對(duì)陽(yáng)極氫消耗的影響， 在 80%條件下優(yōu)化的微流道尺寸分別為槽寬為 1.5 mm、脊寬為 0.5 mm 以及深度為 1.5 mm。Yoon 等[31]研究發(fā)現(xiàn)脊寬越小，電池性能越好，說(shuō)明氣體擴(kuò)散較導(dǎo)電性更加重要。然而，傳統(tǒng)的雙極板流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要面向兩側(cè)表面均可數(shù)控加工的石墨雙極板，并不完全適合采用沖壓成形的金屬極板。為此，彭林法等[32]針對(duì)金屬雙極板液壓脹形工藝，建立相應(yīng) 優(yōu)化模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)微流道尺寸分別為槽寬為 1.0 mm、 脊寬為 1.6 mm、槽深為 0.5 mm 以及圓角半徑為 0.5 mm 時(shí)，反應(yīng)效率最高，達(dá)到 79%。Zhao 等[33]針對(duì)金屬雙極板沖壓成形時(shí)，發(fā)現(xiàn)模具圓角、凸凹模間隙是決定微流道成形深度的主要參數(shù)，其減小會(huì)導(dǎo)致 成形深度極限的減小，他們構(gòu)建了反應(yīng)效率和成形能力模型，發(fā)現(xiàn)板厚為 0.1 mm 時(shí)，最佳微流道幾何尺 寸參數(shù)為槽寬為 0.9 mm、脊寬為 0.9 mm、深度為 0.4 mm 以及圓角半徑為 0.15 mm。由于金屬極板沖壓成形很難在其兩面同時(shí)成形出連續(xù)的反應(yīng)物和冷卻流場(chǎng)，還必須考慮金屬薄板塑性成形極限、局部減薄等制約，因此，金屬極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，金屬薄板成形性能、沖壓工藝等也是必須要考慮的因素。

2 金屬雙極板成形技術(shù)研究進(jìn)展?

2.1 金屬極板剛模沖壓成形現(xiàn)狀?

金屬雙極板制造工藝主要有壓鑄成形、化學(xué)刻蝕 以及沖壓成形等，其中沖壓成形能夠成形厚度很小的金屬極板，而且制造效率高、成本低，是金屬雙極板制造的主流技術(shù)。Ko? 等[4,34-36]系統(tǒng)研究了不銹鋼、 純鈦微流道沖壓成形和液壓脹形工藝，發(fā)現(xiàn) 316、304 不銹鋼以及 T1 鈦成形性能較好，但純鈦微流道高度相對(duì)較小；微流道槽寬尺寸對(duì)成形性能影響顯著，尺 寸越小成形深度越小；成形力增加會(huì)引起脊表面粗糙 度增加，沖壓成形的雙極板接觸電阻大于液壓成形的極板，在燃料電池模擬環(huán)境下，成形件的耐腐蝕性能 降低。Chen 等[37]研究了不銹鋼雙極板沖壓成形工藝， 發(fā)現(xiàn)低速時(shí)易產(chǎn)生起皺、圓角破裂、脊減薄嚴(yán)重等缺陷，需要進(jìn)行成形工藝優(yōu)化。Elyasi 等[38]研究了 316L 不銹鋼雙極板沖壓工藝，發(fā)現(xiàn)無(wú)潤(rùn)滑時(shí)微流道圓角處發(fā)生破裂（見(jiàn)圖 9），而有潤(rùn)滑時(shí)能夠顯著提高成形微流道高度、提升厚度分布均勻性，尺寸誤差僅有 2.9%。針對(duì)金屬雙極板沖壓成形時(shí)圓角減薄嚴(yán)重甚至破裂的現(xiàn)象，彭林法等[39-40]研究了不銹鋼雙極板微流道沖壓 成形工藝，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的雙極板，沖壓成形出高質(zhì)量金屬雙極板（見(jiàn)圖 10）。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)沖壓成形金屬雙極板微流道深度在寬度、長(zhǎng)度方向存在一定的誤差，會(huì)對(duì)后續(xù)電池裝配和功率等性能產(chǎn)生較大影響。任志俊等[39]使用厚度為0.15 mm、伸長(zhǎng)率為33%的TA0 純鈦板，考慮薄板成形困難、易出現(xiàn)翹曲等缺陷，設(shè)計(jì)了連續(xù)成形模具裝置，沖壓成形出槽寬為 1.2 mm、深為 0.35 mm 的微流道純鈦雙極板。為了獲得微流道深寬比較大、壁厚分布較均勻的金屬極板，業(yè)內(nèi)常采用多步成形工藝[40]，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量試生產(chǎn)。隨著燃料電池體積、重量、成本等要求越來(lái)越高，極板的厚度也越來(lái)越小，厚度為 75 μm 的金屬極板已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)應(yīng)用。然而，金屬極板沖壓成形難度也越來(lái)越大，主要表現(xiàn)在壁厚減薄率增加、微流道尺寸精度控制更加困難、脊頂部的平整度難以保證等。可喜的是，在工業(yè)化需求牽引下，這些難點(diǎn)正在逐步被解決。

2.2 金屬極板軟模成形現(xiàn)狀?

為了避免剛性模具沖壓成形壁厚減薄等問(wèn)題，提出了僅使用凹模或凸模的金屬雙極板液壓脹形、橡膠成形等軟模成形工藝。Ko?[34]和彭林法等[32]開(kāi)展了金屬雙極板液壓脹形工藝研究（見(jiàn)圖 11），發(fā)現(xiàn)壁厚分 布更加均勻，微流道尺寸越小成形越困難，所需液壓力也越大。Osia 等[41]研究了金屬雙極板液壓脹形、沖壓成形以及兩者的復(fù)合工藝，發(fā)現(xiàn)復(fù)合工藝綜合了 兩者優(yōu)點(diǎn)，成形的雙極板質(zhì)量更高。劉艷雄等[42-43] 開(kāi)展了金屬雙極板橡膠軟模成形工藝，分析了橡膠硬度、內(nèi)外圓角以及側(cè)壁斜角等參數(shù)對(duì)工程應(yīng)變、微流 道深度等的影響，并發(fā)現(xiàn)槽寬/脊寬比值大于 1 時(shí)， 應(yīng)選擇凹模成形，而比值小于 1 時(shí)則選擇凸模，最終成形出 SS304 不銹鋼雙極板。Elyasi 等[44]采用帶微結(jié)構(gòu)橡膠作為軟模，成形的雙極板微流道最大深度比從 76%提高到 88%，同時(shí)提高了微流道尺寸精度。Lee 等[45]研究了有、無(wú)涂層純鈦、槽寬為 0.8 mm 的微流 道雙極板橡膠軟模成形工藝，發(fā)現(xiàn)純鈦微流道成形最大深度僅有 0.27 mm，且形狀失真嚴(yán)重。橡膠軟模成形時(shí)，由于微流道成形變形量極大，橡膠壽命較低， 很難滿足工業(yè)化生產(chǎn)需要。液壓成形在模具成本、金屬極板壁厚均勻性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，比利時(shí) Borit NV 以及國(guó)內(nèi)相關(guān)公司開(kāi)展了金屬極板液壓成形，雖然單次成形時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，但是采用一模多件等技術(shù)，在一定生產(chǎn)效率窗口內(nèi)保持較低的零件成本優(yōu)勢(shì)，使其越來(lái)越受到行業(yè)的關(guān)注。

2.3 金屬極板成形質(zhì)量與電池性能相關(guān)性研究現(xiàn)狀?

金屬極板由數(shù)量較大的微流道陣列組成，其微小的流道尺寸和極薄的板厚，對(duì)微流道成形深度等一致性產(chǎn)生顯著的影響。從應(yīng)變狀態(tài)角度分析，薄壁微流道成形以脹形為主，受約束和摩擦力等綜合作用，位于極板中心位置的微流道深度最小，在長(zhǎng)度方向或?qū)挾确较颍浇咏吘壩恢茫⒘鞯郎疃仍?大，如圖 12 所示[46]。此外，由于極板本身剛性較差，微流道在極板面內(nèi)分布極不均勻，沖壓成形的金屬 極板產(chǎn)生翹曲等缺陷；微流道脊寬較小，其頂部平面部分較小甚至是一定弧度的曲面。受以上多種因素影響，金屬極板與質(zhì)子交換膜的接觸面并非平面，必須施加預(yù)緊力以保證金屬極板與質(zhì)子交換膜的緊密接觸，導(dǎo)致接觸面上不同區(qū)域接觸應(yīng)力不同，對(duì)接觸電阻、質(zhì)子交換膜孔隙率等均產(chǎn)生顯著影響， 從而降低燃料電池輸出功率、性能均勻性和壽命等。因此，金屬極板成形質(zhì)量、裝配精度以及預(yù)緊力等與燃料電池性能相關(guān)性研究，是其工業(yè)化應(yīng)用的重要內(nèi)容之一，受到業(yè)內(nèi)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，相關(guān)企業(yè)做了大量相關(guān)研究，但是成果通常作為內(nèi)部資 料很少公開(kāi)。在公開(kāi)資料中，上海交通大學(xué)做了較多的相關(guān)研究。

來(lái)新民教授團(tuán)隊(duì)[47]分析了微流道/脊寬對(duì)接觸電阻、交換膜組孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)微流道/脊寬小于 1.0 時(shí)，相同裝配位移下的接觸電阻和孔隙率均明顯增大，以微流道圓角半徑與槽寬之比作為尺寸因子， 獲得了尺寸效應(yīng)的影響規(guī)律。進(jìn)而，分析了微流道、 脊等深度誤差對(duì)接觸電阻的影響，采用蒙特卡洛方法處理深度誤差分布隨機(jī)性（見(jiàn)圖 13），結(jié)果表明，深度誤差對(duì)極板與質(zhì)子交換膜組間的接觸電阻有顯著的影響，較大的高度誤差顯著增加接觸電阻（見(jiàn)圖 14），并降低燃料電池性能；并且，深度誤差分布隨機(jī)，使燃料電池每個(gè)單元的接觸電阻存在明顯差異， 特別是尺寸誤差超過(guò) 30%時(shí)，接觸電阻增加了 14.5%。因此，金屬極板成形尺寸誤差應(yīng)控制在 20 μm 以內(nèi)。金屬雙極板焊接可以明顯改善極板的平整度等參數(shù)，對(duì)接觸電阻產(chǎn)生顯著影響，稠密的焊縫可使接觸電 阻減小 47%，雙極板焊接工藝優(yōu)化是非常必要的。此外，建立了燃料電池裝配模型，研究了裝配壓緊位移量對(duì)接觸電阻、膜孔隙率的影響，優(yōu)化裝配夾緊力為 0.67 MPa，極板的定位誤差應(yīng)控制在 0.05 mm 以內(nèi)[48-49]。

3 結(jié)語(yǔ)?

質(zhì)子交換膜氫燃料電池具有轉(zhuǎn)換效率高、零排放等多種優(yōu)勢(shì)，在車、船、飛行器、固定電站等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家均開(kāi)發(fā)了相關(guān)產(chǎn)品，已經(jīng)進(jìn)行了商業(yè)化運(yùn)用或示范應(yīng)用。雙極板在燃料電池中起到分配反應(yīng)氣體、收集電流、冷卻以及支撐等多種作用，對(duì)燃料電池電流密度、體積/質(zhì)量功率密度、成本、壽命等多個(gè)參數(shù)有重要影響，是其核心部件之一，是決定燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程的重要因素之一。綜合文獻(xiàn)和行業(yè)發(fā)展調(diào)研，極板優(yōu)化設(shè)計(jì)、成形精度等有了很大提高，對(duì)氫燃料電池性能提升了 20%~50%。目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者和相關(guān)企業(yè)開(kāi)展了流場(chǎng)設(shè)計(jì)、精密制造以及性能評(píng)價(jià)等大量相關(guān)研究，開(kāi)發(fā)了多款金屬極板應(yīng)用于氫燃料電池，已經(jīng)從示范性應(yīng)用逐步進(jìn)入到階段性量產(chǎn)或商業(yè)化應(yīng)用階段。但是，在質(zhì)子交換膜氫燃料電池商業(yè)化應(yīng)用需求牽引下，對(duì)金屬極板提出了更高要求，主要包括：

1）以提升燃料電池性能為目標(biāo)的極板結(jié)構(gòu)多層次優(yōu)化設(shè)計(jì)。極板的功能較多，對(duì)燃料電池的多個(gè)性能指標(biāo)有著重要影響，從多個(gè)層次進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：極板整體結(jié)構(gòu)角度，考慮極板進(jìn)出口排布、排水以及有效反應(yīng)面積比等因素；極板流場(chǎng)角度，考慮反應(yīng)氣體分配均勻性、流阻、壓降等因素；微流道結(jié)構(gòu)角度，微流道/脊寬比、側(cè)壁傾斜角度、圓角半徑等幾何結(jié)構(gòu)等對(duì)接觸電阻、排水性能等影響因素；基材塑性成形性能角度，考慮金屬材料成形極限、回彈、各向異性等對(duì)微流道深度、幾何精度以及極板板形精度因素。綜合考慮極板多種作用，從多個(gè)層次優(yōu)化設(shè)計(jì)極板結(jié)構(gòu)，以提升燃料電池性能。

2）低成本、高質(zhì)量極板智能成形技術(shù)。不銹鋼極板成形工藝逐漸成熟，已經(jīng)從示范性應(yīng)用逐步進(jìn)入到階段性量產(chǎn)或商業(yè)化應(yīng)用階段。目前，氫燃料電池整體成本較高，目前寄希望于極板大批量生產(chǎn)，以能夠?qū)⒊杀窘档椭潦袌?chǎng)所接受的百元以內(nèi)。綜合金屬極板制造行業(yè)發(fā)展，基于連續(xù)模的沖壓成形制造技術(shù)必將是主流方向。然而，金屬極板大批量生產(chǎn)涉及材料性能一致性、工藝穩(wěn)定性以及質(zhì)量控制等多個(gè)環(huán)節(jié)，相關(guān)研究如在線檢測(cè)與質(zhì)量控制技術(shù)等，還有待進(jìn)一步加強(qiáng)，尤其是板厚不斷減小、鈦等難變形材料應(yīng)用，更需深入研究低成本、高質(zhì)量極板智能成形技術(shù)。

3）極板成形質(zhì)量與燃料電池相關(guān)性研究。該相關(guān)性研究對(duì)細(xì)化極板成形質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)燃料電池技術(shù)整體、快速發(fā)展具有重要意義。然而，受燃料電池測(cè)試成本等制約，極板微流道尺寸誤差、板形翹曲、表面質(zhì)量以及裝配參數(shù)和誤差等對(duì)燃料電池性能的影響還不夠系統(tǒng)，并且出于對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的考慮，研究成果很少公開(kāi)，更不利于該問(wèn)題的深入系統(tǒng)研究。

4）極板焊接和表面改性等技術(shù)。沖壓成形的一般為單個(gè)極板，電堆用雙極板產(chǎn)品還需要焊接、表面改性處理等工序。單極板焊接成為雙極板，由于板厚小、面積大，焊接質(zhì)量可靠性不高，在成本、良品率等方面還有待進(jìn)一步提升。金屬極板耐腐蝕性能不佳，表面改性技術(shù)是提升其耐腐蝕壽命的主要途徑。然而，金屬極板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作環(huán)境等對(duì)大面積、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬極板表面改性技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。目前，納米多層碳膜已經(jīng)應(yīng)用于不銹鋼金屬極板，但在使用壽命等方面還有待提高。

總之，金屬極板設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在需求牽引下已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，進(jìn)入示范或小批量生產(chǎn)階段，但是在結(jié)構(gòu)多層次優(yōu)化設(shè)計(jì)、低成本高質(zhì)量智能制造、極板成形質(zhì)量與電堆性能相關(guān)性以及極板焊接和表面改性技術(shù)等方面，還有待進(jìn)一步提高。

來(lái)源：《精密成形工程》

原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：燃料電池金屬雙極板設(shè)計(jì)與成形技術(shù)最新動(dòng)態(tài)