華日升，張文泉，程利冬，王春舉

燃料電池金屬雙極板設(shè)計(jì)與成形技術(shù)綜述

華日升a，張文泉a，程利冬b，王春舉a

（蘇州大學(xué) a. 機(jī)電工程學(xué)院 機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心；b. 檔案館，江蘇 蘇州 215325）

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。

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

人類(lèi)賴(lài)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(chē)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(chē)、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(chē)公司2014年推出了第1代Mirai氫燃料電池汽車(chē)，累計(jì)銷(xiāo)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(chē)，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(chē)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 豐田Mirai第2代氫燃料電池車(chē)結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)，燃料電池中巴車(chē)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(chē)。截止到2019年底，我國(guó)累計(jì)推廣燃料電池汽車(chē)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(xiě)入了2019年《政府工作報(bào)告》，《中國(guó)制造2025》將新能源汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)道，各大主機(jī)廠、燃料電池專(zhuān)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(chē)、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(chē)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(chē)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。

圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)[4-5]

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。

圖3 典型雙極板流場(chǎng)類(lèi)型[9]

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(lèi)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。

圖4 微流道凸起影響[21]

圖5 底部波浪形微流道結(jié)構(gòu)[23]

圖6 側(cè)邊凸起的微流道結(jié)構(gòu)[24]

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(chē)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)。

圖7 電池單元流體傳輸示意[26]

圖8 陰極運(yùn)行示意[27]

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??；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。

圖9 金屬雙極板流道圓角破裂[38]

圖10 蛇形流道金屬雙極板[39]

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?；蛲鼓５慕饘匐p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。

圖11 金屬雙極板液壓脹形工藝[32]

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?，越接近邊緣位置，微流道深度越大，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。

圖12 金屬極板微流道成形深度分布[46]

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?xún)?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?xún)?nèi)[48-49]。

圖13 極板微流道高度誤差影響分析[47]

圖14 微流道高度誤差影響[47]

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(chē)、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?xún)?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。

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Review on Design and Forming Technology of Metallic Bipolar Plates for Fuel Cells

HUA Ri-shenga, ZHANG Wen-quana, CHENG Li-dongb, WANG Chun-jua

(a.Robotics and Microsystems Center,School of Mechanical and Electrical Engineering; b. Archives, Soochow University, Suzhou 215325, China)

Hydrogen fuel cell has attracted great attention from all over the world due to the advantages such as cleanliness, high efficiency, etc., and polar plate is one of its important components. The research and application progress in the design and forming of metallic bipolar plates of proton exchange membrane hydrogen fuel cells were reviewed. In the design direction of metallic bipolar plate, the design of planar flow field distribution, 3D flow field design, flow field design of bipolar plate considering stack structure and optimization design of microchannel size were summarized. In the forming direction of metallic polar plate, the rigid die stamping forming, soft die stamping forming and the correlation between forming quality and battery performance were overviewed. Finally, combined with the author's research and understanding of the industry, the future development of metallic polar plate was prospected.

hydrogen fuel cells; metallic bipolar plates; design of flow field; stamping forming; correlation between process and performance

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.004

TG386

A

1674-6457(2022)03-0025-09

2020-06-02

江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)（SBK2019050036）；國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JCKY2020203B056）；江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（20KJA460003）；江蘇省“六大人才高峰”高層次人才項(xiàng)目（GDZB-069）

華日升（1996—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)榻饘贅O板精密成形技術(shù)。

王春舉（1978—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻饘傥⒔Y(jié)構(gòu)智能制造與系統(tǒng)應(yīng)用。