综述：驱动清洁可持续能源系统的合成气燃烧：从基础到应用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Driving clean and sustainable power systems with syngas combustion: From fundamentals to applications

本综述系统评述了质子交换膜燃料电池（PEMFC）中金属双极板（BPP）的材料选择、表面工程策略及长期降解机制，提出了统一的耐久性评价指标（如ΔICR@1000 h），为协调性能与工业化可行性提供了关键见解。

　　

引言

全球能源需求的持续增长和化石燃料对环境的影响加速了对可持续清洁能源技术的探索。尽管太阳能、风能和潮汐能等可再生能源前景广阔，但其固有的间歇性需要高效的能源转换和存储解决方案。电化学技术，包括锂离子电池、超级电容器和燃料电池，已成为弥补这一差距的可靠选择。其中，燃料电池具有高效率、环境友好和操作灵活等显著优势。根据电解质和操作条件的不同，已开发出多种类型的燃料电池，其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）受到特别关注。其快速启停能力、紧凑的设计以及对交通运输和便携式设备的适用性，使PEMFC成为最有前途的清洁能源转换技术之一。

PEMFC的基本结构和工作原理如图1所示。氢气和氧气进入电池，分别在阳极和阴极发生反应。氢气在阳极连续流动并产生H⁺。只有带正电的H⁺离子能穿过膜，而带负电的电子则流向电路产生电流。氧气在阴极连续流动并与H⁺结合。氢氧反应产生的水从电池气流中排出。

阳极反应：2H₂ - 4e^- = 4H⁺

阴极反应：O₂ + 4H⁺ + 4e^- = 2H₂O

表1总结了PEMFC中各组件当前的角色和材料应用，以及美国能源部（DOE）要求中概述的未来发展目标。虽然质子交换膜、催化剂和气体扩散层对高效运行都至关重要，但其挑战和发展方向已在其他地方得到广泛评述。相比之下，双极板不仅通过优化的流场设计确保反应气体的均匀分布，还能实现有效的水管理以防止 flooding。更重要的是，其材料特性，如高导电性、耐腐蚀性和机械耐久性，直接关系到PEMFC电堆的长期性能和成本，使其成为当前研究的焦点。

双极板是PEMFC中最关键的组件。它占据了电池堆总重量的60-80%，总体积的50%，以及总成本的约30%。双极板在电池堆中传导电流，支撑电池结构，均匀分布阴极和阳极的反应气体，并排出反应产物。因此，双极板必须具备高导电性、气密性、良好的机械性能、耐腐蚀性、低成本且易于批量加工。如图2所示，在20世纪60年代，石墨材料因其优异的导电性和耐腐蚀性被广泛研究和应用。然而，其机械强度低和成本高是需要解决的问题。随着对轻量高效燃料电池需求的增长，20世纪80年代，NASA的燃料电池项目创新性地使用金属材料作为双极板。随着金属表面改性技术的发展，金属双极板逐渐在燃料电池领域获得关注。直到20世纪90年代，复合双极板因其轻质和易加工的特性使用逐渐增多，但气密性和稳定性仍是阻碍其发展的主要原因。进入21世纪后，纳米材料和高性能涂层技术的出现促进了金属和复合材料在双极板中的进一步发展。自2010年以来，随着材料的发展，燃料电池汽车不断更新换代，例如丰田的Mirai和现代的NEXO，都广泛使用了金属和复合双极板。

双极板材料大致可分为碳基材料、金属材料和复合材料。碳基材料，如石墨，具有良好的导电性和耐腐蚀性，与气体扩散层有优异的亲和性，早期曾被用作燃料电池的双极板。然而，石墨也存在机械强度低、孔隙率高、脆性大、加工性能差和加工成本高等缺点，限制了其在PEMFC中的实际应用。金属材料因其优异的导电、导热和机械性能，以及能够实现薄至0.05-1.00毫米的双极板，而得到越来越多的应用。

几篇综述已从材料和沉积技术方面总结了金属双极板涂层。然而，大多数综述仍停留在描述性层面，缺乏：（i）对不同基材的直接比较分析；（ii）统一的数据集评估指标以协调不同的数据集；（iii）对工业化可行性、可回收性和可持续性的充分讨论。这些差距限制了此类综述对未来发展的指导作用。本综述通过以下方式解决这些差距：

1. 1.
   本研究对不锈钢、铝合金和钛合金双极板进行了比较评估，明确了性能-成本-可扩展性之间的权衡。
2. 2.
   我们提出了统一的耐久性指标（ΔICR@1000 h和Δj_corr@1000 h）以及附着力保持率和界面表征等补充指标。
3. 3.
   强调了研究空白和未来方向，包括实际电堆循环下的涂层附着力、可回收性和生命周期分析，以及可扩展的制造策略。

金属双极板

目前，对金属双极板的研究主要集中在材料选择、表面涂层技术和制造工艺优化上。常用的金属材料包括不锈钢、钛合金和铝合金。燃料电池的工作环境，表现为温度、湿度、化学环境和电化学条件的综合作用，对双极板的性能和寿命有着至关重要的影响。

结论和未来建议

不锈钢、铝合金和钛合金仍然是PEMFC双极板的主要金属基材；然而，没有一种材料能够同时满足耐久性、导电性、成本和可扩展性的严格要求。不锈钢具有成本效益且易于制造，但局部腐蚀和缺陷处的氧化物生长限制了其长期稳定性。铝合金成本低、重量轻，但受到膜下腐蚀、点蚀和涂层剥离的阻碍，限制了其在高耐久性应用中的使用。钛合金具有优异的耐腐蚀性，但成本高且导电性相对较差，阻碍了其广泛采用。

表面工程是克服这些局限性的关键途径。碳基层、氮化物/碳化物、导电聚合物以及新兴的MXene或高熵合金涂层等策略，可以抑制界面接触电阻并增强缺陷容忍度。然而，超越短期测试，系统剖析实际PEMFC条件下的长期降解机制（如湿度循环、启停瞬变和污染物暴露）至关重要，这些在以往的调查中常被忽视。

未来的研究应侧重于可扩展的制造工艺、可持续的改性方法以及更可靠的耐久性指标。将材料选择、涂层设计和老化路径联系起来，对于合理开发既满足性能要求又具备工业化可行性的下一代金属双极板至关重要。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本报告所载的工作。