质子交换膜燃料电池材料及其轻量化_万晓峰

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容易在板中形成气孔，使燃料和氧化剂相互渗透，降低电池性 ０．３ ｍｍ 薄金属板或其它强度高的导电板作为分隔板，塑料、聚
能，因此还需浸渍封孔处理。同时石墨的脆性往往要求石墨板 必须制成足够的厚度 （５～６ ｍｍ） 才能有一定的机械强度。 Ｍａｃｈｅｔｔｉ 等［３］提出由石墨鳞片或石墨粉组成的石墨薄板作为支 撑层，流场用碳布压成，边框由聚碳酸酯构成，密封通过硅橡
方面进行充分考虑。
１ 质子交换膜燃料电池的结构
图 １ 是 ＰＥＭＦＣ 的原理示意图。电池的主体结构为“三明 治”结构，从阳极到阴极依次为阳极流场板、阳极扩散层、阳极 催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层、阴极扩散层和阴极流 场板以及一些外围的辅助部件（风扇、阀和泵等）。
收稿日期：２０１２－０６－１６ 基 金 项 目 ： 江 苏 省 科 技 支 撑 计 划 项 目 （ 工 业 部 分）（ＢＥ ２００９０９０）；江苏省高校自然科学基金资助项目（１０ＫＪＢ４３００１２）；南 通市应用研究计划项目（ＢＫ２０１１０６３） 作者简介：万晓峰（１９８０—），男，江苏省人，博士，讲师，主要研究 方向为燃料电池关键部件材料及其轻量化轻量化
万晓峰， 倪红军， 黄明宇， 汪兴兴， 朱 昱 （南通大学 机械工程学院，江苏 南通 ２２６０１９）
摘要：质子交换膜燃料电池具有高效、环保等诸多优点，被认为是最有可能商业化应用的新型能源，广泛应用于航天、军
事和交通等领域。目前制约质子交换膜燃料电池规模化应用的主要原因除了成本和寿命两大问题之外，体积和质量也
２．１．３ 复合材料
间有一个 Ｔａ 层来增加集电层 Ａｕ 和硅片之间的结合性能。制
常见的复合材料双极板主要有聚合物基复合材料和碳基 作的单电池，当输出电压等于 ０．６ Ｖ 时可以得到的实际功率密
２０１３．１ Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１
１４
研究与设计
度为 ２０３ ｍＷ／ｃｍ２，最大功率密度为 ２６１ ｍＷ／ｃｍ２。电池的比功 率密度为 ３６０ ｍＷ／ｃｍ３。
池轻量化设计过程中重点解决的技术问题及其发展趋势。
关键词：质子交换膜燃料电池；轻质小型化；材料；结构工艺
中图分类号：ＴＭ ９１１．４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７ Ｘ（２０１３）０１－００１３－０３
ÁÄÂÅÃÆÇÁÈÉ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｌｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ ＷＡＮ Ｘｉａｏ－ｆｅｎｇ， ＮＩ Ｈｏｎｇ－ｊｕｎ， ＨＵＡＮＧ Ｍｉｎｇ－ｙｕ， ＷＡＮＧ Ｘｉｎｇ－ｘｉｎｇ， ＺＨＵ Ｙｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｔｏｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２６０１９， Ｃｈｉｎａ ）
质 子 交 换 膜 燃 料 电 池（ＰＥＭＦＣ）以 其 高 效 节 能 、工 作 稳 定、启动快捷等的优点，在近年来得到了迅速的应用。相比于 传统的镉镍、氢镍电池以及锂电池等二次化学电源，质子交换 膜燃料电池具有极高的理论比能量（如氢 － 空气体系而言，其 理论比能量高达 ３２ ９４０ Ｗｈ／ｋｇ），能够有效克服传统电源带来 的续航能力不足和低功率输出的应用瓶颈［１］。目前质子交换膜 燃料电池的主要发展方向是车用或便携式移动电源，这就要 求设计过程中涉及到的所有材料和部件都必须尽可能地追求 轻量化、小型化。因此有必要从关键部件材料（如双极板、膜电 极及储氢技术等）的应用及制备工艺、电池的本体结构设计等
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２．１．１ 石墨材料
复合材料双极板两种。前者主要是在各种聚合物（主要是塑料
石墨具有低密度，高电导率和良好的抗腐蚀性，满足燃料 为主）中填加碳纳米管、碳纤维、炭黑等导电物质中的一种或几
电池长期稳定运行的要求，是较早开发和用以制作双极板的 种，利用导电物质在聚合物基体中形成导电网络来提高聚合
是考虑较多的因素，特别是针对轻量化设计的汽车动力源和个人电子消费品的可移动电源的需求，开发轻质、便携和小
型化质子交换膜燃料电池日趋成为近年来的研究重点和热点。详细介绍了目前国内外主要研究机构在这方面的最新研
究动态，重点从质子交换膜燃料电池关健材料的应用、结构设计和工艺方法等方面展开讨论；提出了质子交换膜燃料电
料垫圈进行密封，塑料垫圈上开有进出气孔道。这一设计有效 整合的极板与扩散层的功能，能够明显减少电堆整体的体积
在耐热玻璃的表面制作上一层约 ３５０ ｎｍ 厚 ＴｉＮｘ 作为加热器， 控制电池内部的温度。利用 ＰＶＤ 技术在硅流场板上沉积一层
和质量。
约 ５５０ ｎｍ 厚集电层 Ａｕ 来增加硅的稳定性，在硅片和 Ａｕ 之
利用电火花或冲压的方法，加工出孔道或流道，然后利用胶接 减轻电池组的质量及减小其体积。同时指出了工艺过程中有
或焊接的方法，形成多层金属板。 Ｌｅｅ 等［４］用一种不锈钢薄板制作的质子交换膜燃料电池双
机硅树脂和环氧树脂的最佳掺杂比例。 ２．１．４ （多孔）硅材料
极板，流道尺寸为 ３００ μｍ×３００ μｍ，且内部带有微型的纹理 结构，双极板表面镀上一层约 ５ μｍ 厚的耐腐蚀涂层，制得的 单电池的厚度仅有 ２．６ ｍｍ，经过室验极化曲线表明，电池平均 功率密度为 １９５ ｍＷ／ｃｍ２。Ａ． Ｓｒｉｋａｎｔｈ 等［５］利用轻质多孔或泡沫
采用传统材料制作的双极板大多通过机械加工或热压成 型的方法制备，在减小极板质量和体积方面有限。硅材料的抗 腐蚀性和抗氧化性都很好，而且基于硅的 ＭＥＭＳ 加工技术（氧 化、光刻、腐蚀、溅射等）已经相当成熟。因此，硅也作为燃料电
金属材料来制作金属双极板。采用类似海绵结构的泡沫金属 池常用的极板材料，尤其在燃料电池小型化研究领域应用突
是在电池工作的条件（酸性介质、一定的电位和温度）下易被腐 环氧树脂及线型酚醛树脂进行改性后和导电材料膨胀石墨制
蚀，因此，金属双极板的表面需要改性处理。为了提高电池组 成复合材料，采用模压制作薄型双极板，其厚度几乎与金属双
的体积比功率和质量比功率，普遍采用薄金属板作为双极板， 极板相同，用此薄型石墨双极板组装 ＰＥＭＦＣ 电池组，可明显
２．２ 膜电极组件
传统的电极制备方法是铂黑与聚四氟乙烯乳液（ＰＴＦＥ） 混合涂在炭纸上，表面喷一层 Ｎａｆｉｏｎ 溶液后与质子交换膜热 压到一起，形成三明治结构。但是 Ｎａｆｉｏｎ 通常只能渗入到催化 层内 １０ μｍ 深度，且容易与膜分离。因此在 ＰＥＭＦＣ 轻量化设 计过程中，对扩散层、催化层厚度等都会提出更高的要求。
材料。传统的石墨板主要采用无孔石墨板或碳板，其制备方法 物基体的导电性。碳基复合材料主要是将石墨、炭黑、中间相
主要是使用石墨粉或焦炭加粘结剂，经捏合、模压后炭化、石 碳微球、导电炭纤维中的一种或几种与粘结剂均匀混合后热
墨化成为薄板，再通过机加工得到气体流场。高温石墨化过程 压固化成型。而另一种复合材料双极板则采用厚度约为 ０．１～
池的体积比功率。
化学气相沉积、物理气相沉积或真空溅射镀上一层 Ｔｉ、Ｎｄ、
２．１．２ 金属材料
ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ 等导电层。该设计不仅有效解决了极板的
金属具有高于其他材料的电导率和机械强度。通常可通 过模压或冲压直接成型，易于批量生产，成本低。其主要问题
腐蚀问题，电流收集效果良好，而且极板结构和工艺简单，质 量体积较小，成本很低。罗晓宽等［８］采用有机硅树脂对高分子
制备流场。将泡沫金属切成约 １～２ ｍｍ 的薄片，或通过对薄金 属板先划线后拉伸的方法制备与泡沫金属具有类似功能的拉 伸网。两片泡沫金属组成双极板，中间为一薄金属片。气体很 容易地通过泡沫金属孔结构并到达电极表面。板的边缘用塑
出。 Ｋｉｍ 等［９］用照相平板印刷方法在约 ５２５ μｍ 厚度的硅片上
制作矩形断面的流道，流道尺寸为 ４００ μｍ×２３０ μｍ，在硅流 场板的背部制作厚 ５００ μｍ 的耐热玻璃增加硅的机械强度，并
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ （ＰＥＭＦＣｓ） ｐｏｓｓｅｓｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｒｉｅｎｄｓｈｉｐ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ， ｉｓ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ａ ｎｅｗ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｎｅｒｇｙ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ． Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ， ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｅｌｌｓ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｌｉｆｅｔｉｍｅ， ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｒｅｓｔｒｉｃｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＥＭＦＣ， ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ． Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ， ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｏｖａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｆｒｏｍ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｓｕｍｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔ， ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｎｅｗ ＰＥＭＦＣＳ ｗｉｔｈ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ， ｐｏｒｔａｂｌｅ ａｎｄ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＰＥＭＦＣｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ， ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ， ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｒｅｎｄ ｆｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＰＥＭＦＣ； ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ； ｍａｔｅｒｉａｌｓ； ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ