現代社會的快速發展加劇了對能源的需求，同時伴隨著化石能源的消耗，環境污染問題越發突出，為了更好的解決日益增長的社會生產能源需求與化石能源大量消耗帶來的環境污染之間的矛盾，清潔能源逐漸走入了人們的視野，其中氫能、太陽能、風等可再生能源是一種理想的解決方案?？紤]到環境因素，以燃料電池為基礎的能源發電是一種比太陽能和風能更適合的可再生能源系統。近年來，燃料電池得到了迅速的發展，并且在高、中、低功率范圍都實現了商業化的應用。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的可靠性和發電效率。
燃料電池又稱質子交換膜燃料電池，其是由一片片單電池串聯組裝而成的，其中，單電池由陽極板、MEA（膜電極）以及陰極板組成。作為作為質子交換膜燃料電池堆的重要組件，雙極板的質量占燃料電池堆的60~80%，成本占20~40%，并且幾乎占據了整個燃料電池堆的全部體積，結構如圖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之間的關系示意圖
雙極板無疑是實現燃料電池堆穩定、持續高效率工作的最重要部件，根據材料的不同，分為石墨雙極板、復合材料雙極板和金屬雙極板，其中石墨雙極板應用最早。
石墨是熱和電的良導體，具有較高的電導率、化學穩定性、熱穩定性以及耐腐蝕、低密度等優點，用于制作雙極板具有先天獨特的優勢，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/增強纖維形成預制料，并固化/石墨化后成型。
復合材料型雙極板又可以分為碳基復合材料雙極板和金屬基復合材料雙極板。
碳基復合材料雙極板可以根據導電填料及樹脂配比調整雙極板的導電性能和機械強度，可以采用模壓或注射成型工藝進行批量化生產，降低雙極板制造成本，未來具有較大應用前景。
金屬基復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量，邊框與金屬板之間采用導電膠粘接，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。金屬基復合材料雙極板集合了石墨雙極板和金屬雙極板的優點，但是由于其結構及制備工藝復雜，難以實現批量化生產，生產成本遠高于碳基復合材料雙極板，不適合大規模批量化發展。
為了解決安全性問題，金屬雙極板應運而生，與石墨雙極板相比，金屬雙極板具有與之類似的高導電、導熱能力，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，如PVD等技術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-Interplex等；
②通過如PVD、CVD等技術在大型金屬連續線設備上先沉積出GLC薄膜，然后通過沖壓技術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-豐田等；
由此可見，GLC薄膜性能的優劣對金屬雙極板性能至關重要，那何為GLC薄膜？
人們在研究碳膜過程中，發現了一種性能與金剛石薄膜極其相似的非晶態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、高的化學穩定性以及優異的生物相容性等特點受到人們越來越多的關注，目前己在光學、電子、機械加工、生物材料等方面得到了廣泛應用。非晶碳膜一般由石墨和金剛石微觀結構的雜化鍵組成，因此其性能類似于石墨和金剛石。非晶碳膜因其碳雜化態和含氫量的不同有多種異構體如Ta-C、@-C:H、DLC、其性質主要是由其性質主要是由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，發現其性能與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。
對于想應用于燃料電池領域的GLC薄膜，根據美國能源部（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，國內外廠商皆致力于金屬雙極板的研究與開發，已有部分公司小批量生產，但距離大批量化生產，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備研發、生產、銷售及其技術服務為主的真空應用解決方案供應商，主要產品或服務為真空鍍膜設備以及配套的工藝服務支持。
經過多年技術發展和經驗積累，具備了完整的真空鍍膜設備研發、制造能力以及鍍膜工藝開發能力，可為不同行業客戶提供定制化、專業化的真空鍍膜設備及其工藝解決方案，長期致力于DLC、GLC薄膜設備、柔性卷繞鍍膜設備、連續線鍍膜設備等方向的研究與開發，對于此類設備具有豐富的制造經驗。
原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：未來新能源電池的方向-GLC薄膜金屬雙極板
