燃料电池是一种将化学能转化为电能的高效率，低污染的清洁发电装置，相比蓄电池而言有更好的能量密度和功率密度。燃料电池双极板作为重要部件之一，起到了支撑膜电极（MEA)，导电导热，分配氢气氧气等反应气体等作用，相当于燃料电池的骨骼和血管，成本额占到总成本的40%。开发出性能优秀价格低廉的双极板材料，是燃料电池走向产业化的基本要求。

燃料电池基本介绍

燃料电池中的燃料(氢气）和氧化剂（氧气）被分别输送到电堆的每个单电池，发生氧化还原反应，最终达到输出电能的目的。相比较传统的干电池和蓄电池，燃料电池的燃料和氧化剂存储于外部的储液罐内，工作时需要不断向罐内添加燃料和氧化剂，功率由电池堆决定，而电量由储罐的液位决定，两者相互独立。燃料电池按照电解质类型可分为碱性燃料电池(AFC)，熔融碳酸盐燃料电池（MCFC),磷酸性燃料电池(PAFC),固定氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。

质子交换膜燃料电池是第五代燃料电池（FC），以可传导的聚合物膜为电解质，以H2,甲醇，天然气等为燃料，以O2和空气为氧化剂的低温燃料电池。具有能量转化率高，环境友好，低温启动，电解质腐蚀小等优点。PEMFC主要由质子交换膜（电解质），阴阳催化剂层和阴阳气体扩散层和双极板等核心部件组成，其中扩散层、催化剂层和聚合物电解质膜经过热压而成膜电极组件（MEA)。全氟磺酸膜主要是起到传导氢离子，阻挡电子传输以及隔断阴阳极反应的功能，两边的催化剂层是氧化剂和燃料进行氧化还原反应的地方，气体扩散层可以提供气体传输通道，为催化剂层提供支撑，稳定和改善电极结构和水管理。双极板的作用主要是隔离反应气体，并通过流道将反应气体传输到燃料电池中，支撑膜电极的同时收集并传导电流，此外还负责燃料电池的散热和排水功能。

燃料电池双极板的种类

在燃料电池中，双极板主要用于隔离氧化剂和还原剂，串联每个单电池并起到集流作用，同时提供氢气氧气等流道，使其均匀分布。这就要求双极板材料必须具有优秀的导电性，热传导性，耐腐蚀性，阻气性以及机械强度。常见的双极板材料主要有石墨、金属以及复合材料三种。

1）石墨材料双极板

无孔石墨双极板以其良好的化学稳定性和导电导热性能在燃料电池中被广泛使用。一般采用石墨粉或碳粉制备，经过升温处理以防止石墨板变形，高温烧结时在注入低粘度可石墨化的树脂材料以防止气体渗透。无孔石墨板由于材质很脆，给机加工流道带来很大的困难，成品率很低，另一方面机械强度很低，无法做到很薄，因此无孔石墨双极板材料较大厚度也会增大燃料电池电堆的体积和重量，此外复杂的制造过程也使得成本很高。

针对无孔石墨板的缺点，注塑石墨板采用石墨粉或碳粉与酚醛树脂或环氧树脂按一定比例混合，根据需要加入金属碎屑或者金属细网增加导电性，也可以增加胶粘剂和纤维增加强度，采用注塑的方式直接获得带流道的板材，成型后再进行石墨化。注塑石墨板降低了机加工的废品率问题以及缩短了制造周期，但板材在石墨化的过程中容易变形，导致很难保证精度。此外石墨化的过程成本较高，限制了普及。

2）金属材料双极板

金属材料容易进行冲压加工流场，比石墨材料具有更好的导电导热性能，另外金属的不透气性可以很好的阻隔氧化剂和还原剂。一般不锈钢，镍，钛等金属材料是比较常见的PEMFC的双极板材料。尽管如此，金属双极板在一定环境中容易腐蚀或者氧化，腐蚀穿孔会使氧化剂和燃料发生混合，形成易爆炸物质。氧化作用会在板材表面形成钝化层，导致增大接触电阻。目前很多研究集中在金属表面的处理和改性，使其在燃料电池环境中具有较好的耐腐蚀性和较低的接触电阻。

3）复合材料双极板

金属基复合双极板也叫结构复合双极板，一般采用薄金属板作为分隔板，MEA组件与金属板之间用导电胶粘结，用石墨板/油毡或者有孔炭板作为流道板。这种将石墨和金属结合的双极板结构具有较轻的重量，较高的强度以及良好的耐腐蚀性。但由于加工工艺复杂，对设备提出了很高的要求，所以成本很难控制。

碳基复合双极板也叫材料复合双极板，以碳材料为基体，高分子复合材料为粘结剂。将聚合物（树脂）与导电填料导电填料如石墨、碳纤维、石墨烯等通过混合、熔融、模压或注塑等工艺制作成导电复合材料双极板。碳基复合双极板可以通过调整聚合物和导电物质的配比来获取满足要求的导电性能和机械性能。就加工工艺而言，注塑方式对物料流动性要求较高，树脂含量不能太低，也就是说导电性较差。模压可以制作电导率较高的双极板，但生产效率很低。目前常见的双极板生产方式是挤出方式连续化生产。

燃料电池双极板的应用

燃料电池这种高效、清洁的能源装置已经在便携电源，分散电站，交通运输等民用或军事领域得到广泛应用。作为核心部件双极板，也随之越来越多受到关注，尤其在燃料电池汽车领域，最早开始广泛使用石墨极板，后来由于金属极板能做到更薄更轻，使功率密度大幅提高，逐步成为主流，到现在复合极板也占有相当的市场份额，国内开发的复合双极板电堆已经开始应用于轻型客车上。就目前而言，还没有一种材料和工艺能够满足所有应用，需要全面考虑具体应用工况，客户的成本要求以及电堆的综合性能等因素，来选择适合自己的燃料电池双极板技术。