燃料电池金属双极板设计与成形技术综述

摘 要

引 言

人类赖以生存的传统化石燃料日渐枯竭，世界各国政府纷纷出台传统能源车禁售时间表，氢能作为国际公认的清洁、高效能源，受到各国政府和产业的高度重视。燃料电池通过化学反应直接将化学能转换成电能，产物只有水，并且本身没有运动部件，结构简单，能量转换效率大于 80%，远高于燃烧发动机。早在 20 世纪 60 年代，美国研制了碱性氢燃料电池，成功应用于阿波罗宇宙飞船、航天飞机等航天器中，累计运行 10 余万 h，可靠性达到了 99%。随后，欧、美、日本和韩国等发达国家，开发了功率大、工作和启动温度低的质子交换膜氢燃料电池堆，应用于乘用车、固定式分散电站等民用领域。比如，日本东京政府将奥运村打造成“氢气城市”，5000 多住户和商业设施全部采用氢燃料电池供电；丰田汽车公司 2014 年推出了第 1 代 Mirai 氢燃料电池汽车，累计销售超过了 1 万辆，并于 2020 年 12 月发布了第 2 代量产化Mirai 氢燃料电池乘用车，采用前置电堆系统，优化了储氢系统以及后驱动，其电池堆由 330 节燃料电池串联，峰值功率为 128 kW，体积功率密度达到4.4 kW/L，质量功率密度为 4 kW/kg，续航里程达到了 850 km，性能得到了大幅提升，丰田 Mirai 第 2 代氢燃料电池车结构见图 1。

国内，燃料电池中巴车早在 2008 年北京奥运会、2010 年上海世博会期间就进行了示范运行。如今，北京冬奥会在张家口打造氢能奥运村，张家港市、常熟市、如皋市等建立了加氢站并运行氢燃料电池公交线路，上汽集团推出了荣威 950 氢燃料电池乘用车。截止到 2019 年底，我国累计推广燃料电池汽车超过了 6500 辆，建成加氢站超过了 50 座，逐渐形成了较为完整的产业链。为了推动新能源领域的快速发展，氢能相关内容写入了 2019 年《政府工作 告》，《中国制造 2025》将新能源汽车作为 10 大重点发展领域之一。

2020 年 10 月国务院出台《新能源汽车产业发展规划（2021—2035 年）》，提出开展燃料电池系统技术攻关，突破氢燃料电池汽车应用支撑技术等瓶颈，提升基础核心零部件等研发能力。我国氢能相关产业发展进入快车道，各大主机厂、燃料电池专业厂家等纷纷投入巨资开展了氢燃料电池相关技术研发和示范应用，目前已经形成了主机厂、燃料电池企业以及相关零部件配套企业等完整的产业链。新源动力股份有限公司 2020 年 6 月推出新一代金属极板氢燃料电池堆，额定输出功率为 110 kW，体积功率密度为 4.2 kW/L。大批氢燃料电池车、船舶等相继下线或进入测试阶段，如雄韬氢恒 31 t 氢燃料电池碴土车下线、氢时代 110 kW 氢能重卡进入测试、畔星 50 kW氢燃料电池洒水车发布等等。我国氢燃料电池核心技术指标与国际先进水平仍有较大的差距，商业化应用方面还有一定的制约，欧阳明高院士等分析认为，目前差距主要表现在体积/质量功率密度、寿命、电池成本等方面，这些均与氢燃料电池双极板的设计与制造水平密切相关。

质子交换膜氢燃料电池（PEMFC）结构如图 2所示，其核心部件之一是微流道双极板，起到均匀分配气体、收集电流、冷却和支撑等作用。目前，极板微流道槽宽约为 0.5~1.5 mm、深宽比为 0.5，材料主要有石墨、金属以及复合材料等，占电池总重量的 60%~80%、成本的 30%~40%、体积的 60%，是导致电池体积/质量功率密度低、成本高的主要因素之一。石墨基极板主要采用微细机械加工、压铸等工艺，金属极板主要采用冲压、液压胀形等工艺。由于金属极板具有重量轻、体积小、制造成本低等多种优势，是氢燃料电池发展的主要方向之一。为此，笔者对金属极板流场设计和制造技术研究及应用现状进行综述，并对其发展趋势给予展望。

1、燃料电池双极板流场设计发展现状

1.1、极板平面流场分布设计现状

燃料电池双极板起到分配反应气体、收集电流、排水、导热和机械支撑等多种重要作用。双极板的流场结构决定了有效反应面积比例、反应气体分布均匀性等，显著影响燃料电池功率、极板范围的电流密度分布、极板间电压一致性等多个重要参数，从而决定了燃料电池工作性能指标和使用寿命，是燃料电池结构设计的重要内容。典型的双极板流场主要有点状流场、平行直流道流场、交指形流道流场以及单通道蛇形流道流场等，如图 3 所示，分别在流场分布均匀性、流体压降、电池寿命以及排水等方面存在不同程度的不足。因此，国内外学者在流场设计与性能分析方面开展了大量研究工作。QIU 等设计了由 14个等长度流道构成的蛇形流场双极板，获得了均匀分布、密度较高的电流。Um 等采用计算燃料电池动力学模型，研究了双极板流场传质行为，发现交指形流场较平行直流场，更能够通过扩散层传递氧、排出水。FERNG[12]和 Hashemi 等学者构建了 3D 计算流场动力学模型，发现蛇形流场较平行直流场有更好的反应气体和电流分布。

Liu 等设计了尺寸逐渐变小的微流道，提高了燃料的利用率。Hu 等采用 3D计算流体动力学方法，优化设计了点状-交指形组合流场。本田等公司采用了平行波浪形流场，兼顾了排水和减小进出口压差。Sainan 等采用流体动力学分析了多流道蛇形流场双极板中传质、电流、气压以及温度之间的关系，并可用于分析水的产生。Freire等[18]分析了不同横截面形状微流道蛇形流场水管理方面的性能，发现梯形横截面时对润湿温度等更加敏感。此外，国内外学者还提出了仿叶脉、肺气管以及树冠等仿生微流道阴极流场，集合了蛇形和交指形流场的优点，能够更好地排水，提升 30%的峰值电流密度，并随着分支数量的增加而增加。然而，仿生流场因过于复杂而制造更困难，成本更高[19-20]。近年来，基于电池轻量化、微型化以及制造成本、质量控制等考虑，商业化应用的金属极板流场分布趋于简单化，将利于排水的平行直流道改进成平行波浪形微流道流场，以促使气体充分扩散，并在气体分配区采用点状流场和放射状分布微流道等获得复合流场，提升气流分配均匀性，将是未来极板流场的主流方式。

1.2、极板 3D 流场设计现状

1.3、考虑电堆结构的极板流场设计

为了提高双极板流场性能，不仅仅局限于双极板本身，而是从燃料电池总体结构角度，对反应物流场进行了更复杂的结构设计。Yang 等综合考虑反应物湿度、温度等因素，改变出入口处冷却效果，通过建立非等温模型，发现改变氧气的相对湿度，可以提升燃料电池性能。Jung等从燃料电池反应气体流场、冷却以及排出等整体需求角度，设计了短且长度基本相等的直流道双极板（见图 7），两侧的微流道分别作为反应物通道和冷却通道，结构紧凑、流场分布均匀、压降小、冷却效果好，同时，对反应气体进出口进行设计，反应物自上而下流动，与重力平行，直流道方向与重力成 45°，非常利于快速排水。日本丰田汽车公司采用优化电堆结构设计、氢流量和气压等措施，设计了自润湿燃料电池堆（见图 8）。由此可见，金属极板流场设计是一个系统性问题，不仅要考虑极板流场本身，还要从燃料电池堆整体结构角度，不仅要考虑燃料分布均匀性，而且要综合考虑排水、散热、有效面积比例等多种因素优化设计极板流场结构。

1.4、极板微流道尺寸优化设计现状

除了双极板流场分布，微流道形状尺寸（槽深、槽宽、脊宽、圆角等）对反应物分布、导电性、水管理以及反应物利用率等均会产生显著影响。Shimpalee 等发现，相同流场面积下，电流密度分布等随蛇形流场流道长度、数量的增加而更加均匀，而 Cooper 等研究发现，净功率密度等随交指形流场微流道长度与宽度比值的减小而提升。Kumar 等[30]研究了单通道蛇形微流道尺寸对阳极氢消耗的影响，在 80%条件下优化的微流道尺寸分别为槽宽为1.5 mm、脊宽为 0.5 mm 以及深度为 1.5 mm。Yoon等研究发现脊宽越小，电池性能越好，说明气体扩散较导电性更加重要。然而，传统的双极板流场优化设计，主要面向两侧表面均可数控加工的石墨双极板，并不完全适合采用冲压成形的金属极板。为此，彭林法等针对金属双极板液压胀形工艺，建立相应优化模型，发现当微流道尺寸分别为槽宽为 1.0 mm、脊宽为 1.6 mm、槽深为 0.5 mm 以及圆角半径为0.5 mm 时，反应效率最高，达到 79%。Zhao 等针对金属双极板冲压成形时，发现模具圆角、凸凹模间隙是决定微流道成形深度的主要参数，其减小会导致成形深度极限的减小，他们构建了反应效率和成形能力模型，发现板厚为 0.1 mm 时，最佳微流道几何尺寸参数为槽宽为 0.9 mm、脊宽为 0.9 mm、深度为0.4 mm 以及圆角半径为 0.15 mm。由于金属极板冲压成形很难在其两面同时成形出连续的反应物和冷却流场，还必须考虑金属薄板塑性成形极限、局部减薄等制约，因此，金属极板流场设计时，金属薄板成形性能、冲压工艺等也是必须要考虑的因素。

2、金属双极板成形技术研究进展

2.1、金属极板刚模冲压成形现状

金属双极板制造工艺主要有压铸成形、化学刻蚀以及冲压成形等，其中冲压成形能够成形厚度很小的金属极板，而且制造效率高、成本低，是金属双极板制造的主流技术。Ko? 等系统研究了不锈钢、纯钛微流道冲压成形和液压胀形工艺，发现 316、304不锈钢以及 T1 钛成形性能较好，但纯钛微流道高度相对较小；微流道槽宽尺寸对成形性能影响显著，尺寸越小成形深度越小；成形力增加会引起脊表面粗糙度增加，冲压成形的双极板接触电阻大于液压成形的极板，在燃料电池模拟环境下，成形件的耐腐蚀性能降低。Chen 等[37]研究了不锈钢双极板冲压成形工艺，发现低速时易产生起皱、圆角破裂、脊减薄严重等缺陷，需要进行成形工艺优化。Elyasi 等研究了 316L不锈钢双极板冲压工艺，发现无润滑时微流道圆角处发生破裂（见图 9），而有润滑时能够显著提高成形微流道高度、提升厚度分布均匀性，尺寸误差仅有 2.9%。针对金属双极板冲压成形时圆角减薄严重甚至破裂的现象，彭林法等研究了不锈钢双极板微流道冲压成形工艺，采用优化设计的双极板，冲压成形出高质量金属双极板（见图 10）。同时，也发现冲压成形金属双极板微流道深度在宽度、长度方向存在一定的误差，会对后续电池装配和功率等性能产生较大影响。任志俊等[39]使用厚度为0.15 mm、伸长率为33%的TA0纯钛板，考虑薄板成形困难、易出现翘曲等缺陷，设计了连续成形模具装置，冲压成形出槽宽为 1.2 mm、深为 0.35 mm 的微流道纯钛双极板。为了获得微流道深宽比较大、壁厚分布较均匀的金属极板，业内常采用多步成形工艺，已经实现了小批量试生产。随着燃料电池体积、重量、成本等要求越来越高，极板的厚度也越来越小，厚度为 75 μm 的金属极板已经开始商业应用。然而，金属极板冲压成形难度也越来越大，主要表现在壁厚减薄率增加、微流道尺寸精度控制更加困难、脊顶部的平整度难以保证等。可喜的是，在工业化需求牵引下，这些难点正在逐步被解决。