586 工程科学学报，第43卷，第5期 and carbon nanotube reinforced composite bipolar plates.The effects of the types and ratios of raw materials and molding process conditions on the performance of bipolar plates were emphasized.Finally,the industrialization status of composite bipolar plates was discussed,and the problems faced by major composite bipolar plate manufacturers at home and abroad were pointed out.Prospects in the development of composite bipolar plates were also explored.Additionally,unified performance test standards for composite bipolar plates were recommended to make the performance of products developed by different enterprises comparable. KEY WORDS proton exchange membrane fuel cells;composite bipolar plates;graphite;thermosetting resins;carbon reinforced materials 质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane 的原材料、优化原料配比及加工条件、缩短加工 fuel cells,PEMFCs)是消耗氢气和氧气，将化学能 周期，仍是当前人们研究的重点20碳基复合材料 直接转化为电能的新型发电系统山无需像锂电池 双极板是近年来研究较多的一类复合双极板，它弥 那样需要充电才可发电冈，且废旧电池中重金属含 补了纯石墨双极板脆性大、机械性能差的缺点)， 量少，废弃后比锂离子电池易于回收，对环境造成 但导电性不如石墨双极板：比金属双极板更耐腐 的影响更小)PEMFCs发电过程不经过热机过 蚀，气密性却没有金属双极板好：其以石墨为主要 程、不受卡诺循环限制，理论能量利用率达85%~ 导电填料，炭黑(Carbon black,CB)、金属粉末为辅 90%,实际效率达65%，远高于传统燃油汽车 助导电填料，碳纤维(Carbon fiber,CF)、碳纳米管 21%的能量利用率，而且产物仅为水，相对于水 (Carbon nanotubes,.CNTs)等为增强材料，配合热固 电、火电、核电等传统发电方式，具有高效、绿色 性或热塑性树脂2四黏结剂与化学助剂，在加热加 无污染等优势.双极板在电堆中的重量占比约为 压的条件下模压成型.所用的黏结剂中，热固性树 70%~80%,成本占比约为25%~40%？其通过 脂通常较热塑性树脂具有更高的强度、抗蠕变性 气体流道分配反应气体，导出反应产物水，在电池 和较低的韧性2)，在高温下工作的热稳定性更高， 中起传输电子，提供机械支撑的作用10 其中酚醛树脂(Phenol formaldehyde resin,PF)、环 双极板根据制备材料的不同分为金属双极 氧树脂(Epoxy resin,EP)和乙烯基酯树脂(Vinyl 板、石墨双极板和复合双极板)金属板材经冲 resin,VER)较为常用.本文主要综述以酚醛树脂、 压形成带流道的双极板称为金属双极板，其通过 环氧树脂和乙烯基酯树脂为黏结剂的树脂/石墨复 表面改性获得保护涂层，但在长期(>1000h)严苛 合双极板及炭黑、碳纤维、碳纳米管增强复合双 工作条件下，涂层会被腐蚀失去保护作用山.石墨 极板的研究进展，重点总结原料种类、配比和成型 双极板为高密度的石墨在高温高压下石墨化并经 工艺条件（温度、压力、时间）对双极板性能的影 机械加工形成气体流道的一种双极板，其寿命较 响，最后梳理复合双极板的产业化现状，指出国内 长，但石墨较脆，加工工艺要求高，制备难度与成 外主要双极板研发企业面临的问题，对复合双极 本较高2-1)复合双极板由树脂混合石墨粉 板的发展方向进行展望 (Graphite,G)和增强材料形成预浸料后注射或模 1 树脂/石墨复合双极板 压一次成型，综合性能好，有较好的导电性能、 防腐性能以及抗弯抗压等机械性能)在复合双 1.1酚醛树脂石墨复合双极板 极板制备中，模压成型较注射成型工艺应用更广， 石墨常用作复合双极板的导电填料，分为人 主要利用液压机与模具，对混合均匀的导电填料 造石墨和天然石墨，按形状又可分为片状和块状 与树脂的混合物进行加热加压，加速树脂固化和 膨胀石墨(Expanded graphite,.EG)是由天然鳞片石 物料塑形，脱膜得到指定形状及流道的双极板6 墨经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松 模压工艺所需设备简单，对物料流动性要求低，制 多孔的蠕虫状物质，保留了天然石墨本身的耐腐 备的双极板密度高、尺寸精准、收缩小、性能好 蚀、自润滑等优良性能，比天然石墨更柔软、吸附 此外，流道在模压过程中直接成型，无需机械加工 性更高，因而近年来广泛用于复合材料双极板 程序，可批量化生产，生产周期短，生产效率高 酚醛树脂合成工艺成熟，耐酸性能良好，耐热性 目前，国内复合双极板制备技术尚不成熟，主 高，价格低廉，常用作复合双极板的黏结剂.为了 要原因在于原料配方未完全实现国产化，无法大 优化酚醛树脂石墨复合双极板的工艺配方，人们 批量流水线生产，成本较高因此，寻找低成本 研究了石墨种类、用量对复合双极板性能的影响and  carbon  nanotube  reinforced  composite  bipolar  plates.  The  effects  of  the  types  and  ratios  of  raw  materials  and  molding  process conditions on the performance of bipolar plates were emphasized. Finally, the industrialization status of composite bipolar plates was discussed, and the problems faced by major composite bipolar plate manufacturers at home and abroad were pointed out. Prospects in the development  of  composite  bipolar  plates  were  also  explored.  Additionally,  unified  performance  test  standards  for  composite  bipolar plates were recommended to make the performance of products developed by different enterprises comparable. KEY  WORDS    proton  exchange  membrane  fuel  cells； composite  bipolar  plates； graphite； thermosetting  resins； carbon  reinforced materials 质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cells，PEMFCs）是消耗氢气和氧气，将化学能 直接转化为电能的新型发电系统[1] ，无需像锂电池 那样需要充电才可发电[2] ，且废旧电池中重金属含 量少，废弃后比锂离子电池易于回收，对环境造成 的影响更小[3] . PEMFCs 发电过程不经过热机过 程、不受卡诺循环限制，理论能量利用率达 85%～ 90% [4] ，实际效率达 65% [5] ，远高于传统燃油汽车 21% 的能量利用率[6] ，而且产物仅为水，相对于水 电、火电、核电等传统发电方式，具有高效、绿色 无污染等优势. 双极板在电堆中的重量占比约为 70%～80%，成本占比约为 25%～40% [7– 8] ，其通过 气体流道分配反应气体，导出反应产物水，在电池 中起传输电子，提供机械支撑的作用[9–10] . 双极板根据制备材料的不同分为金属双极 板、石墨双极板和复合双极板[11–12] . 金属板材经冲 压形成带流道的双极板称为金属双极板，其通过 表面改性获得保护涂层，但在长期（>1000 h）严苛 工作条件下，涂层会被腐蚀失去保护作用[1] . 石墨 双极板为高密度的石墨在高温高压下石墨化并经 机械加工形成气体流道的一种双极板，其寿命较 长，但石墨较脆，加工工艺要求高，制备难度与成 本较高 [12– 13] . 复合双极板由树脂混合石墨粉 （Graphite，G）和增强材料形成预浸料后注射或模 压一次成型[14] ，综合性能好，有较好的导电性能、 防腐性能以及抗弯抗压等机械性能[15] . 在复合双 极板制备中，模压成型较注射成型工艺应用更广， 主要利用液压机与模具，对混合均匀的导电填料 与树脂的混合物进行加热加压，加速树脂固化和 物料塑形，脱膜得到指定形状及流道的双极板[16] . 模压工艺所需设备简单，对物料流动性要求低，制 备的双极板密度高、尺寸精准、收缩小、性能好[17] . 此外，流道在模压过程中直接成型，无需机械加工 程序，可批量化生产，生产周期短，生产效率高[18] . 目前，国内复合双极板制备技术尚不成熟，主 要原因在于原料配方未完全实现国产化，无法大 批量流水线生产，成本较高[19] . 因此，寻找低成本 的原材料、优化原料配比及加工条件、缩短加工 周期，仍是当前人们研究的重点[20] . 碳基复合材料 双极板是近年来研究较多的一类复合双极板，它弥 补了纯石墨双极板脆性大、机械性能差的缺点[21] ， 但导电性不如石墨双极板；比金属双极板更耐腐 蚀，气密性却没有金属双极板好；其以石墨为主要 导电填料，炭黑（Carbon black，CB）、金属粉末为辅 助导电填料，碳纤维（Carbon fiber，CF）、碳纳米管 （Carbon nanotubes，CNTs）等为增强材料，配合热固 性或热塑性树脂[22] 黏结剂与化学助剂，在加热加 压的条件下模压成型. 所用的黏结剂中，热固性树 脂通常较热塑性树脂具有更高的强度、抗蠕变性 和较低的韧性[23] ，在高温下工作的热稳定性更高[24] ， 其中酚醛树脂（Phenol formaldehyde resin，PF）、环 氧树脂（Epoxy resin，EP）和乙烯基酯树脂（ Vinyl resin，VER）较为常用. 本文主要综述以酚醛树脂、 环氧树脂和乙烯基酯树脂为黏结剂的树脂/石墨复 合双极板及炭黑、碳纤维、碳纳米管增强复合双 极板的研究进展，重点总结原料种类、配比和成型 工艺条件（温度、压力、时间）对双极板性能的影 响，最后梳理复合双极板的产业化现状，指出国内 外主要双极板研发企业面临的问题，对复合双极 板的发展方向进行展望. 1    树脂/石墨复合双极板 1.1    酚醛树脂/石墨复合双极板 石墨常用作复合双极板的导电填料，分为人 造石墨和天然石墨，按形状又可分为片状和块状. 膨胀石墨（Expanded graphite，EG）是由天然鳞片石 墨经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松 多孔的蠕虫状物质，保留了天然石墨本身的耐腐 蚀、自润滑等优良性能，比天然石墨更柔软、吸附 性更高，因而近年来广泛用于复合材料双极板[25] . 酚醛树脂合成工艺成熟，耐酸性能良好，耐热性 高，价格低廉，常用作复合双极板的黏结剂. 为了 优化酚醛树脂/石墨复合双极板的工艺配方，人们 研究了石墨种类、用量对复合双极板性能的影响. · 586 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期