为什么双极板对氢燃料电池如此重要？

该如何测量氢燃料电池的双极板？德国WERTH复合式三坐标，结合色谱及探针等传感器，可以进行测量。

双极燃料电池堆的结构（图片来源：《氢在汽车技术中的应用》第 167 页图 6.16）

双极板是燃料电池的关键部件，堆叠后构成燃料电池系统的核心。在斯普林格出版的《聚合物电解质膜燃料电池（PEFC）--现状与展望》一书中，作者约里森（Jörissen）和 盖尔瑟（Garche）表示，“双极板作为一个集成组件完成以下任务：电池的电气连接、双极板表面的气体分布、相邻电池之间的气体分离、对外密封和冷却”。

燃料电池通常由大量的膜电极单元组成，这些单元排列成一个叠层，其电力输出相加。燃料电池堆的每两个膜电极单元之间都有一个双极板。

三重功能：供气、冷却、电气连接

在多电池或叠层结构中，双极板的主要任务是以物理和导电方式连接一个电池的阳极和相邻电池的阴极。此外，双极板还负责将反应气体导入反应区。为此，在板的两侧铣制或压制出流动轮廓（流场），氢气从一侧流过，空气则从另一侧进入。双极板由单个燃料电池的两极（因此称为双极）组成：载氢阳极板（负（-）极）和供应反应空气的阴极板（正（+）极）。这两块板还分别调节水蒸气的排出以及热能和电能的释放。

据作者哈特穆特-弗雷（Hartmut Frey）介绍，双极板必须具备以下特性，他在燃料电池一章中对此进行了如下描述：

- 在潮湿、氧化和还原条件下的化学稳定性

- 气密性

- 高导电性

- 低接触电阻

- 良好的平面平行度（<20 微米）

- 低成本（制造和材料）

双极板材料：金属、石墨、复合材料

要满足上述要求，基本上有三种不同的方法。双极板可以由石墨、（涂层）金属、石墨-聚合物化合物或陶瓷制成，正如《汽车氢能技术》一书中燃料电池一章的作者曼弗雷德-克莱尔（Manfred Klell）所解释的那样。与石墨板相比，金属双极板具有重量轻、体积小、冷启动能力强等诸多优点。此外，使用金属双极板进行大批量批量生产，还可大幅降低成本。当需要达到大于 40,000 小时的最长使用寿命时，石墨板则更具优势。

目标：适合批量生产的高性价比产品

需要对双极板进行研究，特别是研究如何以具有成本效益的方式批量生产双极板。这是因为双极板占燃料电池重量的很大一部分，并占电池生产成本的 45%。大量生产双极板可以节省大量成本。

德国弗劳恩霍夫IPT研究所希望利用热成型技术降低制造成本，从而实现燃料电池的大规模生产。研究人员还在研究不同流场几何形状如何影响燃料电池的阻抗和性能。与此同时，美国汽车供应商德纳（Dana）公司开发出一种低成本、大批量的金属双极板，可降低燃料电池堆的成本。miniBIP II项目正在研究用石墨涂层代替金涂层如何降低双极板的成本，德国弗劳恩霍夫 IFAM研究所 解释了如何对生产双极板的粘合剂和密封剂进行鉴定。德国燃料电池合作公司（GFC）开发了一条集成的、可扩展的生产线，用于高效生产双极板，而联合项目 KontiBip 则旨在实现双极板的高速生产。

清洁问题

正如《连接技术》2021年第9期种文章 "如何更好地清洁双极板"所解释的那样，双极板能否很好地完成介质供应、电气连接和冷却等任务，还取决于材料和连接板的清洁度。例如，清洁可以防止杂质滞留在阳极和阴极之间，最终导致效率降低。为了实现高效的工作流程，应在接合和/或镀膜之前将清洁工作纳入生产线。

因此，双极板设计的基本目标是减少重量和安装空间，并提高功率密度。这些标准对于燃料电池在汽车中的移动应用尤为重要。例如，舍弗勒公司最近就在功率密度方面取得了进展。一种新型金属双极板可将燃料电池堆的功率密度提高约20%。这家德国供应商在《PEM燃料电池应用--从组件到系统》一文中解释道：“双极板占电池组重量的80%，占电池组体积的65%，因此对功率密度极为重要"