行燃料横向渗流流动及其电化学反应的研究

[11-16]

，在这一领域力学工作者大有用武之地。遗

憾的是由于燃料电池的技术保密，力学工作者目前介入的较少。 

2.2  结构材料及其力学问题 

  虽然燃料电池结构材料因燃料电池的种类差别很大，但是主要结构材料的基本性能要

求有许多相同之处。本文主要以质子交还膜燃料电池为例，介绍燃料电池的基本结构材料及
其关键力学问题。   
    质子交还膜是燃料电池的关键部件之一，它首先是传导质子和电极活性物质，其次是分
隔氢燃料和氧化剂，要求具有良好的离子导电性和一定的机械强度。催化材料除了要求具有
高效的电化学功能以外, 要求具有较低的电阻和一定的机械强度，材料的热稳定性能好，催
化材料的面积-电阻一般要求<0.5

Ωcm

2

。 目前较为流行的催化材料和电解质是铂和聚合物电

解质(Nafion或改进的Nafion膜)。为了增加质子交还膜的强度， 常常采用各种增强办法，
在文[8]中有详细的介绍。电极材料与催化材料常常是不可分的,常用碳纤维布或碳纤维纸等,
其主要特点是多孔、导电和具有较高的强度. 电解质、催化和电极材料是燃料电池的心脏,
是电化学专家的主要研究领域. 

双极板是所有燃料电池的重要部件, 要求有很好的导电性和导热性、较高的机械强度、

加工成本低、耐腐蚀和气体不可渗透性等。双极板在工作中主要受力有：系统装配应力、热
应力、燃料和氧化剂的流动压力等。 在一个典型的质子交还膜燃料电池组中，双极板占全
部结构重量和体积的 80%以上

[17]

, 双极板的作用是收集电流和连接相邻两个电池.主要有三

种制作办法: (1) 在金属或碳板上直接加工形成流动槽, 这种办法加工成本较高; (2) 用碳
和石墨化树脂先注塑成型,再在 2500℃高温下进一步碳化; (3) 用导电石墨和聚合物树脂直
接在高温高压下注塑而成,这种办法制作的双极板的电阻稍高. 虽然国外报道有采用不锈钢
或不锈钢表面镀膜材料、金属合金、和各种复合结构， 现在最流行的是碳板（特别是用于
汽车发动机的质子交还膜燃料电池）

[18-19]

。碳板比重低、导电性好，因而是双极板的一种较

理想材料。 但碳板是脆性材料，容易断裂，这是它的致命缺点，因而有人提出采用复合碳
板

[20-21]

。国内目前的生产办法是用线切割或其他办法，首先将大型碳块切割成片料，再用铣

床进行铣削加工，这是最常规的办法,加工量太大，成本太高。国外目前主要采用后两种办
法制作，成本相当低，估计是用机加工成本的不足十分之一。但是，碳板在压制和高温碳化
过程中，是要收缩和变形的，工艺参数控制不好形状和尺寸精度很难保证，这些主要与材料
的制造工艺力学有关。此外，双极板要有一定的机械强度，以保证在最后封装中和使用中材
料在各种环境下不至于破坏。 

碳板的主要优点是耐腐蚀性好，但其电阻远小于金属材料。各种材料的典型导电率为：

碳聚合物 10

2

S/m,石墨 10

5

S/m, 黄金 4.5x10

9

S/m, 铁合金 5.3x10

8

S/m, 钛 2.4x10

8

S/m。对于

聚合物-石墨复合材料双极板，目前至少可以达到 10

3

S/m, 已经高于质子交还膜的导电率。

如果石墨含量太高，虽然材料的导电性好，但韧性变差， 典型的石墨含量为 50-80 wt%. 对
于质量比功率（单位质量的输出功率）不是突出问题的燃料电池系统（如小型发电站），金
属材料双极板也是一种理想选择，因为金属的导电率和机械强度都比石墨好，但是金属的耐
腐蚀性要比石墨差得多，例如，普通不锈钢材料仅可以工作数千小时。对于高温燃料电池，
不锈钢或其它金属间化合物是一种选择。必须指出, 目前使用的双极板材料都不够十分理想, 
注塑石墨双极板虽然比重较小,但由于它的韧性差, 不得不加厚,这样就使得燃料电池的体
积有所增大. 作者认为,研究超轻质、导电、耐腐蚀和具有一定强度的复合结构材料是一种
有前途的方向, 此外, 用机加工在表面刻槽显然不是大批量生产的办法, 在制作材料的同
时应该在表面将流动槽直接作好. 

双极板表面上的燃料流动槽的截面形状和尺寸对燃料电池的性能影响很大， 数值模拟

研究表明

[22]

, 三角形或半圆形界面比矩形界面的效率高约 9%。从减小结构体积来说，希望

减小燃料流动槽的深度，但这样会加大流体的流动阻力，增大压力损失，因此对不同的结构

 

- 3 -