综述：石墨复合材料双极板的减薄策略：材料、结构及制造工艺

《Carbon Neutralization》：Thickness Reduction Strategy for Graphite Composite Bipolar Plates: Materials, Structure, and Manufacturing Process

　　摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）将清洁氢气的化学能转化为电能，对于实现碳中和至关重要。然而，其发展受到低体积功率密度和高成本的限制。减薄复合双极板（CBPs）为提高功率密度和降低成本提供了一个有竞争力的解决方案。CBPs是PEMFC的关键组件，占燃料电池堆体积和重量的70%-80%，负责电流收集、气体分离和机械支撑。基于此，本综述从材料、结构和制造工艺的角度探讨了减少CBP厚度的策略，分析了影响CBP厚度的主要因素和关键性能指标，并提出了改善CBP导电性、机械性能和气体阻隔性能的方法。通过优化载流子传输来提高导电性，并分析了材料界面修改对气体透气性的影响。新型仿生结构的设计创新优化了机械性能。综合这些观点，本综述为减少CBP厚度和优化其性能提供了宝贵的见解。

1. 引言

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种固态聚合物电解质膜燃料电池，是一种以水为反应产物的清洁能源转换装置[1-3]。PEMFC通常由端板、电流收集器、双极板（BPs）和膜电极组件（MEA）（包括气体扩散层、催化剂层和质子交换膜）组成，如图1所示[4]。BPs在PEMFC中起着重要作用，显著贡献于电池结构支撑、气体分离、电流传导、热量散发和水管理[5]。因此，BPs必须具备优异的机械强度、气体不渗透性、耐腐蚀性以及电导率和热导率，以确保可靠运行[6, 7]。鉴于BPs在PEMFC堆体积和重量中的占比高达70%-80%，进一步研究对于在保证所有性能指标的同时减少BPs厚度、从而提高PEMFC的体积功率密度至关重要[8]。为了比较不同BPs的性能，DOE 2025发布了相关标准，如表1所示[9]。

（a）PEMFC工作原理示意图。（b）PEMFC组件分解图。

表1. 2025年DOE对双极板性能的目标

2. CBPs厚度与体积功率密度之间的关系

为了展示CBP厚度与PEMFC体积功率密度之间的关系，我们通过计算分析了减薄厚度如何提升体积功率密度。PEMFC的体积功率密度（PV）定义为燃料电池输出的电能（P）与燃料电池总体积（V）的比值。公式如下：

PV = P / V

燃料电池的总体积V主要由多个部分组成，其中BPs的体积是一个重要组成部分。假设燃料电池堆的组件包括BPs、MEA、密封层等，t1表示BPs的初始厚度，t2表示减薄后的厚度，A表示BPs的面积，n表示BPs的数量，Vother表示其他组件（MEA、流道、密封层等）的总体积，在初始状态下，燃料电池的总体积公式为：

V1 = n × A × t1 + Vother

在BPs厚度减薄的条件下，燃料电池的总体积公式为：

V2 = n × A × t2 + Vother

在理想情况下，输出功率保持不变时，减少BPs厚度不会影响燃料电池的输出功率。体积功率密度的变化及其变化率的公式为：

ΔPV = (P2 - P1) / (V2 - V1) = (P / V2 - P / V1) × (n × A × t2 - n × A × t1)

假设输出功率保持恒定，使用该公式，并忽略其他组件的体积，当BPs厚度减少50%时，由400个单电池组成的燃料电池堆的体积功率密度变化率可提高66.67%。Liu等人[28]通过共享阳极气体通道向两个单电池供应氢气，有效减小了BPs的体积，使组装的6电池堆体积减少了33.3%，体积功率密度增加了40%。因此，进一步提高PEMFC的体积功率密度，关键在于减少BPs的厚度。在确认了减少厚度的必要性后，我们首先应确定最佳的CBP厚度减少幅度。

3. 关于CBPs理论厚度限制的讨论

厚度与导电性之间关系的分析主要基于石墨烯层数量与导电性之间的相关性[29-31]。然而，总体上，复合材料的导电性主要由隧穿电阻决定，这是控制导电填料之间电子传输和有效导电性的关键因素[32]。在许多情况下，石墨烯本身的导电性和界面区域的导电性对整体导电性的贡献不大。