轻质材料——通过设计与系统方法提升质子交换膜燃料电池（PEMFC）车辆的能源效率

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Lightweight Material-Design and Systems Approach to Enhancing PEMFC Vehicle Energy Efficiency

轻质双极板材料与结构优化提升了质子交换膜燃料电池的功率密度与系统效率，通过环氧-石墨复合材料和流道设计创新，实现重量减少64%，在100 W功率下达到78.91 W L?1和72.83 W kg?1的高性能，但长期动态负载下的耐久性仍需验证。

　　本文探讨了如何通过优化材料选择和结构设计来开发轻量化复合双极板（BPs），以提高聚合物电解质膜燃料电池（PEMFCs）的系统效率。随着全球对清洁和高效能源的需求不断增长，以及在电动汽车（EVs）等应用中对能量管理的重视，轻量化燃料电池成为移动应用的重要研究方向。尽管PEMFCs在高功率密度和低运行温度方面具有显著优势，但其双极板的重量仍是系统效率提升的关键障碍。为此，研究人员采用了一种基于准则的优化方法，评估了多种聚合物-石墨复合材料的密度、形态、机械强度、耐腐蚀性和电化学性能，最终选择了环氧树脂-石墨复合材料作为最优解决方案，该材料在轻量化和机械强度之间实现了良好的平衡，并且具备稳定的电化学行为。

研究团队通过实验验证了这些优化措施的有效性。实验结果显示，优化后的双极板在开路电压（OCV）方面达到了0.878 V，能量效率为71.2%，并实现了88.41 mW cm^-2的峰值功率密度。每个双极板的重量仅为12.21 g，占整个电池单元质量（861.27 g）的2.9%，在Series II PEMFC原型中，与传统双极板相比，整体系统重量减少了15.87%。此外，一个由24个电池组成的100 W堆栈在12 V下运行时，其体积功率密度达到78.91 W L^-1，而质量功率密度为72.83 W kg^-1，超过了现有的报道指标。这些结果表明，该研究提供了一条可扩展的路径，能够实现具有优越功率重量比的超轻质PEMFCs。

为了进一步提升燃料电池的性能，研究人员还对双极板的加工性能、电导率、机械性能、热机械行为、表面能和润湿性进行了系统评估。其中，双极板的加工性能通过计算机数控（CNC）铣削和压缩成型技术进行测试，结果表明优化后的双极板在制造精度和结构设计方面表现良好。电导率测试结果显示，环氧树脂-石墨复合双极板（EC-BP）表现出优异的电导性能，其表面电导率达到202 S cm^-1，体积电导率达到193 S cm^-1，远超美国能源部（DOE）2025年的技术目标（≥100 S cm^-1）。这些优异的电导性能主要归因于填料网络的优化，以及碳纤维织物的引入，从而有效降低了电子传输的阻力。

在机械性能方面，EC-BP在准静态弯曲测试和压缩测试中表现出显著的强度。其弯曲强度达到596 MPa，远高于DOE对1 mm厚双极板的最低要求（59 MPa）。此外，EC-BP在动态循环载荷测试中也表现出良好的耐久性，经过1000次循环后，其残余应变和循环损耗均保持在较低水平，表明其具有优异的抗疲劳性能。这些机械性能的提升使得EC-BP在保持轻量化的同时，具备足够的强度以支撑燃料电池的结构需求。

热机械行为的评估显示，EC-BP在不同温度下的热膨胀系数（CTE）显著低于其他材料，如GP-BP、PVDF-BP、ETFE-BP和FR-BP。这表明EC-BP在热循环过程中具有更好的尺寸稳定性，从而减少了因热膨胀引起的界面应力和分层风险。此外，EC-BP的表面具有较高的疏水性，其接触角和表面能分析表明其在高电流密度条件下能够有效管理水分，防止水分在流道中积聚，进而降低电化学性能的损失。

在电化学腐蚀行为方面，研究团队通过线性扫描伏安法（LSV）对双极板的耐腐蚀性进行了评估。结果显示，EC-BP在模拟PEMFC环境（1 M H₂SO₄和2 ppm HF，80°C）下表现出优于其他材料的耐腐蚀性。这归因于其碳基结构的化学稳定性，以及环氧树脂基体在腐蚀环境中的低影响。此外，通过氢气和氧气的置换测试，进一步证明了EC-BP在不同气体环境下的腐蚀行为得到了有效改善。

在PEMFC性能评估方面，研究人员对Series I和Series II两种配置进行了对比。Series II通过优化双极板的厚度和结构设计，实现了显著的性能提升。在0.60 V和0.65 V的参考电压下，Series II的电流密度分别达到0.028 A cm^-2和0.018 A cm^-2，相较于Series I的0.014 A cm^-2和0.010 A cm^-2，提升了约2倍和1.8倍。同时，Series II的峰值功率密度达到0.059 W cm^-2，远高于Series I的0.010 W cm^-2，显示出其在能量转换效率方面的显著优势。这些性能提升主要归功于双极板的轻量化设计和优化的电化学特性，如降低的欧姆损耗和改善的界面接触电阻。

电化学阻抗谱（EIS）分析进一步验证了双极板对燃料电池性能的影响。结果显示，EC-BP在不同频率下的阻抗表现优于其他材料，特别是在高频区域，其电荷转移电阻（R_Ω）显著降低，仅为0.0070 Ω，远低于GP-BP（0.04369 Ω）和FR-BP（0.0376 Ω）。这表明EC-BP在提高电化学效率方面具有显著优势，能够有效减少电子传输的阻力，从而提升燃料电池的整体性能。

此外，研究还探讨了双极板的结构设计对燃料电池重量和效率的直接影响。通过优化双极板的厚度和流场配置，Series II实现了显著的重量减少和性能提升。例如，优化后的C25端板设计使得整个燃料电池系统的重量减少了64%，同时保持了较高的体积和质量功率密度。这种轻量化设计特别适用于对重量敏感的应用，如汽车、便携式设备和无人机，从而提高了这些设备的能效和运行能力。

尽管研究取得了显著成果，但仍存在一些局限性。例如，目前的研究主要集中在实验室规模的结构和电化学验证，而对双极板在动态负载条件下的长期耐久性评估尚不充分。此外，系统级集成挑战，如在不同环境条件下进行有效的热管理和水分分布，也需要进一步优化。因此，未来的研究应重点解决这些问题，通过延长耐久性测试、开发先进的冷却和水分管理策略，以及推动大规模生产技术，进一步提高轻质PEMFCs的稳定性和效率。

综上所述，本文提出了一种创新的双极板设计策略，通过材料选择和结构优化相结合，显著提升了PEMFC的性能和轻量化水平。该研究不仅为轻质燃料电池的开发提供了重要的技术参考，也为未来的可持续能源应用，如新一代交通和便携式电源系统，奠定了坚实的基础。