雙極板功能及特性要求課件

1、4.2-1 雙極板功能及特性要求(1) 雙極板功能分隔氧化劑與還原劑有收集電流作用雙極板兩側(cè)應置有使反應氣體均勻分佈的流道 確保電池堆的溫度均勻分佈和達到散熱效果 (2) 雙極板規(guī)格特性要求 雙極板材料選擇有列下幾項考量，美國能源部對車用雙極板考量幾點制訂出規(guī)範：製造成本抗腐蝕性材料導電性材料氣密性重量輕良好的機械性質(zhì)Target Value$10/kg包含材料和加工100 S/cm或者200S/2 1kW/kg (對於交通工具用)足夠強度和彈性，允許雙極板製作較薄4.2-2 石墨雙極板 目前雙極板最普遍使用的材料為石墨，利用碳粉或石墨粉混合可石墨化樹脂備製。大致來說，有下列優(yōu)缺：優(yōu)點：(1)

2、質(zhì)輕(2)耐蝕幸好(3)導電佳缺點：(1)脆性物質(zhì)，易造成組裝上的難度(2)一般雙極板燒結(jié)製備而成為多孔 性，需添加添加物 由於石墨備製而成的石墨雙極板，屬於多孔性結(jié)構(gòu)，會造成燃料從雙極板擴散而浪費，因此現(xiàn)行雙極板均有添加其他材料製備而成Lawarnce等人在1980申請專利，利用約 20%聚氟乙烯混合石墨製造雙極板Buick et al. 在1998年曾發(fā)表，利用乙烯基樹脂混合石墨製備雙極板Besmann et al. 在2000年發(fā)表，利用化學滲透法(CVI)，將碳纖維植入石墨板表面，強化表面層的氣密度4.2-3 替代性材料及改質(zhì)技術(shù) 由於無孔石墨的製備繁複，造成石墨板的價格偏高。另外添加

3、不導電聚合物注塑成型的石墨板，會造成電阻阻抗增加影響性能，且在燃料電池的操作環(huán)境下有可能熔解，影響電池性能。因此目前各單位都在研究不同的替代材料，可歸納如下： (1) 金屬替代性材料雙極板 (2) 複合材料雙極板 (3) 多層複合型雙極板(1-1) 金屬雙極板 金屬材料是目前各單位研究的重點，最可能取代石墨雙極板。採用金屬雙極板有下列各項優(yōu)缺點特性： 優(yōu)點： (1) 良好的電、熱導體 (2) 機械型質(zhì)佳 (3) 無孔性缺點： 單位密度高，較重 易發(fā)生腐蝕發(fā)展中的金屬替代材料很多種，大致可歸納為不鏽鋼材料，鈦合金，鋁金屬，等種類。下面將簡單介紹其特性：鈦合金 (1) 融點相當高的金屬 (2) 屬

4、於活性金屬 (3) 易成鈍化狀態(tài)，生成安定的TiO2 (4)強酸或強鹼下，被動膜會被破壞 (5)防腐蝕性和不銹鋼316相近鋁合金 (1) 鋁在標準電動勢表中為非?；钚越饘?(2) 與空氣作用，形成鈍化膜 (3) 被動膜在酸或鹼中會遭受破壞 (4) 1000系列含不同合金，可提高抗蝕性 (5) 2000系列為鋁-鋼雙相合金，抗腐蝕差 (6) 3000系列為鍛造含錳，抗蝕性好 (7) 5000系列為鋁鎂單一相合金 不鏽鋼 由於不鏽鋼表面含豐富的Cr/Ni/Mo等金屬，其表面的氧化膜在燃料電池中可以保護不受腐蝕。最好的不鏽鋼材料，其Cr/Ni/Mo的含量百分比至少為16%/20% /3%，每一種含量

5、金屬各有其功能 (1) Cr：在表面可形成CrO2，保護不鏽鋼 (2) Mo：可增加鈍化膜Cr含量 (3) Ni：具有穩(wěn)定鈍化膜作用(1-2) 金屬雙極板與表面改質(zhì) 由於每一種金屬材料，其抗蝕效果有限，因此，需要進行表面改質(zhì)，目前採用改質(zhì)的方式有下列幾種： (1) 電鍍 (2) 物理蒸鍍(PVD) (3) 電化學加工電鍍： 利用氧化還原反應，將抗蝕性良好的貴重金屬，如金、銀電鍍在金屬基材上。(1999年Woodman et al. 提出)物理蒸鍍(PVD)： 由於電鍍的方式，因為熱膨脹係數(shù)(CTE)不同的關(guān)係，會造成表面度呈剝落現(xiàn)象嚴重，PVD可改善此問題，1997年Yang Li et al

6、. 提出此種方式改善，將TiN鍍於鋁合金表面電化學加工： 可提升不鏽鋼表面Cr/Ni的含量，使的Cr氧化物形成更縝密，以提升抗蝕性(2) 複合材料雙極板 以金屬做替代材料需要進行表面改質(zhì)，因此，另有科學家進行高分子複合材料的研究，希望能取代現(xiàn)有石墨雙極板。優(yōu)點：(1)用射出成形，製造快(2)重量輕(3)抗蝕性佳缺點：(1)導電效果較差(2)機械性質(zhì)差，組裝需小 心方案一 熱塑性材料(例如聚乙烯(polyethylene)聚乙烯-氟化物(PVDF)混合石墨粉或碳纖維製備 需要冷卻處理，導致處理時間較長方案二 熱固性材料(例如phenolics, epoxies, polyesters etc.)

7、混合石墨粉製備而成 無須冷卻，處理時間較短，但機械性質(zhì)較差，所以需另外進行熱處理 (3) 多層複合型雙極板 (1)以薄金屬（0.10.2mm 的不銹鋼板）作分隔板 (2)採用聚碳酸脂等注塑 成型的邊匡，將其與金 屬黏合。 (3)有孔薄碳板做為流場板 (4)金屬與碳流場板之間以 一層極薄的導電膠進行 黏合 方案一 (1)以薄金屬做分隔板(如不鏽鋼、鈦板) (2)以導電聚合物或複合材料做流場方案二 (1)以金屬板做分隔板 (2)外圍以導電聚合物包覆 (3)將gasket以及墊圈一做在一起，減少組莊流 程4.2-4 材料實驗量測 發(fā)展雙極板需要注意下列幾項基本重點，針對這幾項重點，可進行相關(guān)的實驗規(guī)

8、劃： (1)抗腐蝕性：確保電池的壽命 (2)導電性：用以提升電池性能 (3)機械性質(zhì)：增加組裝時的穩(wěn)定性 (4)氣密性：避免氣體經(jīng)由雙極板擴散 造成內(nèi)燃燒的或燃料浪費 針對之前所述幾個重點及相關(guān)研究工作，基本雙極板材料特性實驗歸納如下： (1)腐蝕測試：恆電位儀實驗 (2)熱衝擊實驗：確保表面改質(zhì)層的穩(wěn)定 (3)導電電性量測實驗：利用四點式量測量測體積 阻抗 (4)機械性質(zhì)量測：抗彎強度和拉伸實驗量測 (5)氣密性量測：腐蝕測試金屬腐蝕是一種電化學反應，因此，電化學技巧即用來探討腐蝕現(xiàn)象，速度快而精確 。本實驗利用Solartron恆電位儀控制電位獲得，一般以陰極極化測試比較易於控制。以金屬樣本為工作電極（陽極），陰極電流借由輔助電極的控制提供電流。通電時，對於每一陰極電流測得相對電位，以電位相對於電流的對數(shù)繪圖，利用塔弗外差法，量取腐蝕電流 如圖，由量測所繪製的極化曲線圖中，上半部是相對於陽極極化曲線，下半部則相對於陰極極化曲線，利用塔弗法求得Icorr鐵的分子量價電子轉(zhuǎn)移數(shù)法拉第常數(shù)(g/cm2)/s上陽極曲線下陰極曲線腐蝕電流Icorr熱衝擊循環(huán)實驗燃料電池典型操作溫度低於100oC。然而，車輛在不同條件下，操作溫度介於75oC到125oC。使用鍍層披覆的方式進行改質(zhì)時，由於表面層和基材的熱膨脹係數(shù)不同，會導致披覆層剝落實驗的操作規(guī)範