前一段時(shí)間我們發(fā)布了一篇關(guān)于氫燃料電動(dòng)汽車前景的文章，我們認(rèn)為北京冬奧會(huì)是氫能源汽車一個(gè)很好的應(yīng)用場(chǎng)景，低溫使用，全周期幾乎沒(méi)有碳排放。未來(lái)氫燃料電池和鋰電池以及燃油將三分天下。氫燃料電池汽車主要有幾個(gè)部分組成，電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)、車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等。其中今天要介紹的石墨雙極板就屬于燃料電池堆里面重要的部件。
質(zhì)子交換膜燃料電池堆是由一片片單電池串聯(lián)組裝而成的，其中，單電池由陽(yáng)極板、MEA（膜電極）以及陰極板組成。通常，單電池的使用電壓為0.6~0.85V，在集成燃料電池堆時(shí)可根據(jù)需要選擇單電池的串聯(lián)數(shù)量。作為質(zhì)子交換膜燃料電池堆的重要組件，雙極板的質(zhì)量占燃料電池堆的60~80%，成本占20~40%，并且?guī)缀跽紦?jù)了整個(gè)燃料電池堆的全部體積。
石墨板電堆(來(lái)源：氫璞創(chuàng)能官網(wǎng))
雙極板在氫燃料電池電堆里面起的作用主要是引流、支撐導(dǎo)電的作用，所以它本身雙極板有一定的性能要求：
- 一方面要求電導(dǎo)率高，因?yàn)樗休d著需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度；
- 另外在導(dǎo)流電以外，還要氣密性比較好；
- 還有一個(gè)是在使用過(guò)程中，因?yàn)殡p極板環(huán)境下需要有一個(gè)良好的耐腐蝕性能，需要滿足跟車輛同等的使用壽命；
- 另外在對(duì)于我們汽車這一塊應(yīng)用的話，還有一個(gè)比較敏感的就是成本，所以需要極板制造效率高，需要降低它的制造成本。
目前雙極板其實(shí)主要可以分為兩大類，一種是金屬極板，一種是石墨極板。石墨現(xiàn)在用得比較多的就是模壓的雙極板。在這一塊目前不同參數(shù)的雙極板有各自的優(yōu)勢(shì)，但相應(yīng)來(lái)說(shuō)也會(huì)存在一些缺點(diǎn)，所以這兩種的話可以說(shuō)是一個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)，也是一個(gè)相互補(bǔ)充。
金屬雙極板主要優(yōu)勢(shì)是它的機(jī)械強(qiáng)度好，氣密性好，極板可以做得很薄，在功率密度這一塊是很大的優(yōu)勢(shì)，但存在的問(wèn)題是腐蝕性的問(wèn)題，導(dǎo)致使用壽命目前是存在一些問(wèn)題的。
而石墨板的話在導(dǎo)電、導(dǎo)熱，包括耐腐蝕性這一塊、使用壽命這一塊是比較強(qiáng)的，但是目前石墨板的話其實(shí)無(wú)論是哪一種，目前因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度方面的原因，導(dǎo)致整個(gè)雙極板的厚度這一塊是偏厚的，所以我們這個(gè)電堆做起來(lái)的體積是偏大的。
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金屬 |
石墨 |
復(fù)合雙極板 |
| 優(yōu)勢(shì) |
機(jī)械強(qiáng)度好，氣密性好，可以做得薄，功率密度 |
導(dǎo)熱，導(dǎo)電，耐腐蝕 |
耐腐蝕、體積小、重量輕、強(qiáng)度高 ?? |
| 劣勢(shì) |
耐腐蝕，壽命 |
機(jī)械強(qiáng)度差，偏厚 |
機(jī)械強(qiáng)度差，電導(dǎo)率低，難以大復(fù)合材料雙極板? ? |
此外還有一種復(fù)合雙極板，其實(shí)從嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)也算是一種石墨基的雙基板，它的主要成分包括樹(shù)脂、導(dǎo)電材料，采用模壓工藝進(jìn)行成型。石墨雙極板相對(duì)來(lái)說(shuō)其實(shí)在金屬雙極板和傳統(tǒng)的石墨雙極板之間可以說(shuō)是做一個(gè)性能的平衡，具有比較高的機(jī)械強(qiáng)度和比較高的韌性，所以在材料的配套設(shè)計(jì)，可以帶來(lái)這個(gè)產(chǎn)品的輕薄，另外氣密性比較好，不過(guò)目前生產(chǎn)的廠家少。
氫燃料電池汽車目前以商用車為主，商用車對(duì)電池的體積和重量沒(méi)有乘用車那么敏感，采用的是石墨雙極板為主。以氫燃料電池商用車使用的石墨雙極板為例，目前市場(chǎng)價(jià)為150元一組左右，而一輛搭載了75千瓦電堆的商用車需要的雙極板數(shù)量為300組左右，僅雙極板成本就高達(dá)4.5萬(wàn)元左右，整個(gè)電堆的成本達(dá)十幾萬(wàn)元。可見(jiàn)石墨雙極板加工行業(yè)目前的產(chǎn)值很高。
在2020年市場(chǎng)中燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用主要以商用車輛為主，其中的核心部件燃料電池電堆以石墨極板電堆為主，從未來(lái)的發(fā)展來(lái)看石墨雙極板仍然會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占有商用車市場(chǎng)的較大份額。
石墨是熱和電的良導(dǎo)體，具有較高的電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕、低密度等優(yōu)點(diǎn)，用于制作雙極板具有先天獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
由于石墨是一種多孔的脆性材料，強(qiáng)度低、延展性差（比較脆），難以滿足雙極板的氣密性要求，因此在加工時(shí)，需要對(duì)石墨進(jìn)行反復(fù)浸漬、碳化處理從而制造成無(wú)孔的具有良好氣密性的無(wú)孔石墨雙極板。
因此石墨雙極板在加工制造時(shí)對(duì)制造工藝具有很高的要求，否則就容易使得制造成的雙極板具有較高的孔隙，氣密性較差，裝成燃料電池堆不僅影響電堆的整體性能，還有可能導(dǎo)致氫泄露，造成安全隱患。
那么石墨雙極板為何占據(jù)著如此大的市場(chǎng)份額，它又是怎樣一步步從石墨變成雙極板呢？下面小編就來(lái)一起了解：
1000-1300℃的高溫下將焦炭和瀝青混合后化形成碳素然后將碳素材料浸漬瀝青、烘焙，再用電熱爐在2500-3000℃的高溫下進(jìn)行石墨化。
根據(jù)雙極機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行初步地粗略切片處理。
切片后進(jìn)行樹(shù)脂浸漬處理，填塞石墨表面和內(nèi)部孔隙，通常浸漬24小時(shí)，然后進(jìn)行熱處理使樹(shù)脂固化。根據(jù)浸漬樹(shù)脂的不同，又分為酚醛浸石墨和糠醇浸石墨等。
切片后的雙極板尺寸較為粗糙，浸漬后的石墨雙極板的表面光潔度也差，因此需要進(jìn)行打磨其中打磨又包括粗磨、中磨和細(xì)磨。
雕刻加工是雙極板生產(chǎn)制造的關(guān)鍵步驟，雙極板的尺寸公差及流場(chǎng)質(zhì)量均取決于雕刻機(jī)的精度。
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深圳市氫雄燃料電池有限公司（動(dòng)力系統(tǒng)）
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深圳市南科動(dòng)力科技有限公司（動(dòng)力系統(tǒng)）
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山西中興環(huán)能科技股份有限公司（納米碳）
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦加工展）：氫燃料電池汽車，石墨雙極板介紹
大家好，艾邦氫能源技術(shù)網(wǎng)的微信公眾號(hào)已經(jīng)開(kāi)通，主要分享氫燃料電池堆（雙極板，質(zhì)子膜，擴(kuò)散層，密封膠，催化劑等），制氫，加氫，氫燃料汽車動(dòng)力系統(tǒng)等相關(guān)的設(shè)備，材料，配件，加工工藝的知識(shí)。同時(shí)分享相關(guān)企業(yè)信息。歡迎大家識(shí)別二維碼，并通過(guò)公眾號(hào)二維碼加入微信群和通訊錄。
