?
石墨由于其導(dǎo)電率高、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性強(qiáng)且耐腐蝕的特點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)雙極板應(yīng)用的主流。石墨是一種多孔脆性材料，強(qiáng)度低脆性大，不能滿(mǎn)足雙極板氣密性要求，需要反復(fù)進(jìn)行浸漬、碳化處理制成無(wú)孔石墨板。
?
無(wú)孔石墨板一般由碳粉/石墨粉和石墨化樹(shù)脂在高溫(2500 ℃)條件下石墨化制備而成的。這個(gè)過(guò)程需要進(jìn)行嚴(yán)格的升溫程序，因此，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高。另外，石墨化后由于雜質(zhì)的蒸發(fā)，可能會(huì)出現(xiàn)新的孔隙，導(dǎo)致石墨板表面的孔隙率為 20%~30%。
?
氣孔的存在有著導(dǎo)致PEMFC泄漏，從而降低反應(yīng)氣體濃度，進(jìn)而降低電堆性能的風(fēng)險(xiǎn)，所以需要對(duì)石墨板進(jìn)行浸漬處理，以降低其孔隙率并改善其表面質(zhì)量，目前應(yīng)用較為廣泛的是經(jīng)過(guò)反復(fù)浸漬的無(wú)孔石墨板。圖1展示了浸漬前后電堆電流密度（J）電壓（U）曲線(xiàn)的對(duì)比，可以看出浸漬后的雙極板組裝成的電堆性能有了明顯提升。
?
1.機(jī)加石墨板
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商大多采用人工石墨機(jī)械加工的方式實(shí)現(xiàn)，流程圖如圖2所示，其工藝步驟主要包括：?
-
原材料準(zhǔn)備：在 1 000~1 300 ℃的溫度下，將焦炭和瀝青混合后焦化形成碳素，然后將碳素材料浸漬瀝青、烘焙，再用電熱爐在 2 500~3 000 ℃的溫度下，予以石墨化；?
-
切片：根據(jù)雙極板尺寸進(jìn)行粗略切片處理；?
-
浸漬：石墨切片之后進(jìn)行樹(shù)脂浸漬處理，浸漬的目的是用合成樹(shù)脂填塞石墨表面和內(nèi)部的孔隙，一般要浸漬 24 h，然后進(jìn)行熱處理使樹(shù)脂固化而制成，根據(jù)浸漬樹(shù)脂的不同，分為酚醛浸石墨和糠醇浸石墨等；?
-
打磨：由于切片后的尺寸較為粗糙，而且浸漬后的石墨板表面光潔度也差，所以需要粗磨、中磨和細(xì)磨；
-
雕刻加工：雕刻加工是雙極板加工關(guān)鍵步驟，雙極板的尺寸公差以及流場(chǎng)的質(zhì)量取決于雕刻機(jī)的精度。
?
由于石墨板的低強(qiáng)度和脆性，此加工方法不適合形成超薄雙極板(小于 1.5 mm)。而這種方法可能會(huì)導(dǎo)致刀具與石墨的摩擦過(guò)大，導(dǎo)致雙極板的尺寸精度和表面質(zhì)量較差。
?
Lei等發(fā)現(xiàn)，在加工過(guò)程中，石墨被壓碎成小顆粒和細(xì)塵，刀具在刀尖處受到高沖擊和壓應(yīng)力，流道的加工還增加了總成本，因此，該方法在國(guó)外已逐漸被淘汰，國(guó)外大部分廠商采用注塑成型或模壓成型的生產(chǎn)方式。
?
2.注塑石墨板
注塑石墨板是將一定比例的石墨與樹(shù)脂混合料從注塑機(jī)的料斗送入機(jī)筒內(nèi)，被加熱融化后的混合料通過(guò)加壓經(jīng)由噴嘴注入閉合模具內(nèi)，經(jīng)冷卻定形后，脫模得到制品。為了提高雙極板的導(dǎo)電性，可以在混合物中加入一些金屬粉末，同時(shí)可以加入碳纖維或陶瓷纖維來(lái)提高機(jī)械強(qiáng)度。
?
然而，注塑成型也有許多缺點(diǎn)，如長(zhǎng)時(shí)間的粘結(jié)劑去除(長(zhǎng)達(dá)7 天)，厚截面開(kāi)裂，尺寸限制以及缺陷。進(jìn)一步石墨化可以提高板材的性能，但這將大大增加成本，因此，該方法不適合大規(guī)模生產(chǎn)。?
?
3.模壓石墨板
為了解決加工成本高及規(guī)模化生產(chǎn)的問(wèn)題，研究者開(kāi)始采用模壓成型工藝制造雙極板。其工藝流程為：首先對(duì)石墨粉與樹(shù)脂的混合材料進(jìn)行制備，然后對(duì)混合材料和模具進(jìn)行前處理，采用聚合物的熔融溫度和一定壓力，使得粉料在模具中流動(dòng)并充滿(mǎn)整個(gè)行腔，固化脫模后得到雙極板。如果粘結(jié)劑為熱固性塑料，一般只需要幾分鐘就可以固化脫模；如果所用粘結(jié)劑為熱塑性塑料，則需將模具冷卻到粘結(jié)劑熔點(diǎn)以下的溫度后脫模。
?
總體來(lái)說(shuō)，目前石墨雙極板市場(chǎng)需求量大，但其空隙問(wèn)題、成本問(wèn)題以及加工時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題仍有待完善。另外，在保持一定機(jī)械強(qiáng)度和良好阻氣作用的前提下，雙極板厚度應(yīng)盡可能地薄，以減少對(duì)電流和熱的傳導(dǎo)阻力。
?
從當(dāng)前國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)運(yùn)營(yíng)實(shí)際情況來(lái)看，客車(chē)、物流車(chē)、環(huán)衛(wèi)車(chē)、叉車(chē)等商用車(chē)型成為市場(chǎng)主推車(chē)型，而商用車(chē)的高頻次使用場(chǎng)景決定了其對(duì)零部件的耐久性有要求較高。石墨雙極板正是憑借其耐久性長(zhǎng)，因而更適合當(dāng)前示范運(yùn)營(yíng)的燃料電池商用車(chē)領(lǐng)域。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：石墨雙極板種類(lèi)及制備工藝解析
