金属板电堆具有比功率密度高、结构强度高、低温自启动能力强、生产工艺工序少易于批产、量产成本低等优势，是主流车企的共同选择。但在燃料电池的酸性电化学腐蚀环境下，金属板需具备并维持高导电性；且随着工作电流密度的不断提升，对双极板的体电阻及其与扩散层间接触电阻的要求不断提高。因此，双极板材料问题成为金属板电堆寿命的瓶颈。通常，同一材料的耐蚀性与导电性难以兼备。除金、铂、钯等贵金属，尚未发现理想的金属板涂层材料，而贵金属涂层价格高昂，无法成为量产方案。也有企业采用钛等耐蚀金属作为基材以提升双极板的耐蚀性，但成型难度大成本偏高，而且也存在涂层腐蚀，无法从根本上解决问题。

近日，骥翀氢能的战略合作伙伴常州翊迈新材料科技有限公司（以下简称“常州翊迈”）在金属板涂层技术上取得突破性进展，在不锈钢基材上制备出高耐蚀、高导电性、超低成本的涂层，可彻底解决金属板电堆寿命这一技术瓶颈问题。

1、涂层的导电性

 

双极板的导电性能直接影响燃料电池电堆的发电效率，导电性能越好，电堆内耗越低，发电效率越高。在电堆组装力作用下，如1.4MPa时，目前市场上碳涂层的接触电阻（含体电阻）为2.0~3.0mΩ•cm2，镀金涂层（本文所述的“镀金涂层”均为厚度50nm的PVD镀金涂层）约为1.3mΩ•cm2，而常州翊迈新涂层的表面接触电阻仅为1.1mΩ•cm2。在实际使用过程中，有效接触面积通常只占活性面积的1/3甚至更少，而操作电流密度已经可达2.0A•cm-2甚至更高。因此，1mΩ•cm2的电阻差异可引起6mV甚至更大的电压差。

2、涂层的耐蚀性

2.1 0.84V (SHE)，80℃ pH3 H2SO4 +0.1ppmHF条件下的耐蚀性

 

金属双极板的腐蚀会降低膜的质子电导率、增加双极板与膜电极的接触电阻、降低催化剂活性，进而影响电堆的性能和寿命。为降低核心材料的衰减速率，燃料电池正常工作时的电压通常控制在0.85V以内，双极板处于pH5弱酸环境。通常，材料腐蚀速度随腐蚀电位提高、酸性增强、温度提高而加剧。在0.84V (SHE)，80℃ pH3 H2SO4 +0.1ppmHF加速腐蚀条件下持续24h的测试中，常州翊迈新涂层的腐蚀电流密度保持在0.08~0.15μA•cm-2，远低于美国DOE标准的1μA•cm-2（腐蚀条件未界定），较上一代碳涂层的0.20~0.38μA•cm-2降低约50%，显示出在电堆正常操作条件下优异的化学稳定性。而相同条件下的镀金涂层，在体系稳定后腐蚀电流呈现稳定上升的趋势，说明在实际应用中并不会为金属基材提供可靠的保护。

2.2 1.6V (SHE)，80℃ pH3 H2SO4+0.1ppmHF条件下的耐蚀性

 

燃料电池在实际运行过程中，一些工况（如启停、加减速等）会引起反极。即使通过系统控制优化，也难以确保局部不发生反极，且难以通过监控发现。通过1.6V (SHE)高电位下5h持续加速腐蚀测试，常州翊迈新涂层的腐蚀电流密度仍稳定在10μA•cm-2以内，腐蚀后接触电阻为3.10mΩ•cm2，远低于美国DOE标准的10mΩ•cm2，且样品表面保持完好。碳的腐蚀在超过0.85V后会显著加剧，试验条件下碳涂层的腐蚀电流不断增大，迅速失效。而镀金涂层的腐蚀电流在2h后突然出现阶跃并快速增长，表面出现部分脱落、穿孔，镀金涂层较难在耐蚀性与成本之间找到平衡点。

2.3 2.2V (SHE)，80℃ pH3 H2SO4+0.1ppmHF条件下的耐蚀性

 

在工程开发中，通常会留有一定的设计冗余。因此，进一步测试了新涂层在2.2V (SHE)高电位下的耐腐蚀性。新涂层在2.2V (SHE)高电位下测试5h，腐蚀电流密度仍然保持平稳，腐蚀后涂层无脱落，无穿孔。而镀金层在相同条件下的腐蚀电流不断上升，无法保证化学稳定性。

3、涂层的热稳定性

200℃ 1h空气环境下的涂层电阻变化

测试条件

试验前

（mΩ•cm2）

试验后

（mΩ•cm2）

接触电阻

1.15

1.14

双极板在涂层之后，可能还需要进行注胶密封等工序。橡胶通常需要在200℃左右的温度下进行固化，新涂层显示出了良好的耐温抗氧化性能。

4、涂层成本

 

未来，随着补贴退坡、产业化推进，成本控制将成为竞争的关键要素之一。在燃料电池成本中，部分成本可通过规模化生产降低，但是原材料成本下降空间很小。双极板作为燃料电池的关键零部件之一，占整个电堆成本的很大比例，而目前涂层占双极板成本的80%左右。双极板涂层成本直接影响电堆成本。常州翊迈新涂层的原材料为非贵金属体系，量产成本可以降到与不锈钢基材接近，从而大幅度降低整个金属板电堆的成本。

5、公司简介

常州翊迈成立于2014年，是我国从业最早、技术最完备、工艺经验最丰富、累计加工量最大的燃料电池金属板涂层龙头企业。现有涂层产线2条，具备15万片年产能（按150mm*410mm尺寸核算）。为上汽、新源、大连化物所等燃料电池龙头企业和研发机构提供涂层加工服务，累计加工双极板3万余片。产品已在汽车及无人机用燃料电池金属双极板、水电解池金属双极板、镀金电子接插件替代等领域成功应用，拥有核心客户10余家，授权专利6项，另有申请中专利5项。经过本次技术突破，在燃料电池金属板涂层领域已达到国际一流水平。目前公司主营业务包括：1）燃料电池及水电解池金属双极板涂层加工；2）燃料电池金属双极板涂层工艺与装备方案；3）燃料电池金属双极板涂层定制化研发、性能测试、失效分析等技术服务；4）电子接插件等贵金属涂层替代加工服务。常州翊迈将向客户提供最高性能、最低价格的涂层服务。（来源：骥翀氢能）