张伟杰， 李 静

（上海理工大学 上海理工大学材料与化学学院，上海 200093）

燃料电池作为一种高转换效率、低噪音、耐低温的将化学能转化为电能的装置，在移动电源、储能、清洁动力等领域有着广泛的应用[1]。质子交换膜燃料电池将蕴含在氢气和氧气内的化学能以氢气和氧气间电子转移的方式转化为电能对外做功并排出水。质子交换膜燃料电池包含端板、双极板、气体扩散层、质子交换膜层等部件[2-3]。双极板占据质子交换膜燃料电池费用的30%～45%[4]，是质子交换膜燃料电池的核心部件之一。其在电堆中主要起到分隔燃料和氧化剂、产物的排出、电堆连接、电流收集传递、导热等作用[5]。图1 展示了质子交换膜燃料电池结构[6]。2020 年美国能源部对双极板性能的要求如图2 所示[6]。

图1 质子交换膜燃料电池结构[6]Fig.1 Structure of proton exchange membrane fuel cell[6]

图2 2020 年美国能源部对双极板的性能要求[6]Fig. 2 Performance requirement of bipolar plates of U.S.DOE 2020[6]

1 金属基双极板所面临的挑战

金属材料优异的机械性能、导热、导电、易于加工等特性是制备质子交换膜燃料电池双极板的理想材料，不锈钢[7]、铜[8]、钛[9]、铝[10]等都已经被用来制备质子交换膜燃料电池双极板。虽然金属材料应用在双极板上具有优势，但是其存在的问题也不容忽视。双极板在高温（80～90 ℃）酸性环境（pH≤3）下工作，使得金属材料容易发生腐蚀[11]和钝化，会产生以下恶劣的影响：

（1）金属腐蚀后产生的金属离子会使得质子交换膜燃料电池的催化剂中毒，金属离子可能与催化剂的活性位点结合，降低催化剂的催化性能[12]。此外，金属离子可能与阴极的O2结合产生金属氧化物附着在电极上，从而堵塞电极上的孔隙[13]。……