低成本复合涂层中创新填料操控策略提升金属PEMFC双极板性能

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)金属双极板(BPP)的腐蚀防护与导电性能平衡难题，研究人员开发了一种基于环氧树脂/导电颗粒复合涂层的新型填料定向排列技术。通过介电泳技术实现填料链式排布，使涂层在填料负载降低20%的同时界面接触电阻(ICR)降低67%，达到20 mΩ cm2，并验证了其在高通量卷对卷制造的适用性，为低成本高性能BPP涂层提供了新思路。

　　

在氢能技术快速发展的今天，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效清洁的特性成为能源转换领域的研究热点。然而作为PEMFC"骨架"的双极板(BPP)，却面临着严峻的材料挑战——石墨基材料脆性大，而不锈钢(SS)虽机械性能优异却易在酸性工作环境中腐蚀。更棘手的是，美国能源部(DoE)设定的2025年技术指标要求BPP兼具超低腐蚀电流(<1 μA cm^-2)和超高导电性(<10 mΩ cm²)，现有涂层技术难以兼顾性能与成本。

传统解决方案如同走钢丝：贵金属涂层性能优异但价格昂贵，碳基涂层成本低廉却存在长期稳定性问题。Katie McCay团队在《Fuel》发表的这项研究，创新性地将目光投向聚合物复合涂层，通过革命性的填料操控技术破解了这一困局。研究人员采用介电泳(dielectrophoresis)这一物理场操控方法，在交变电场作用下使导电颗粒在环氧基质中定向排列，形成贯穿涂层的"导电高速公路"。这种精妙的微观结构设计，使得涂层在仅50 wt%填料负载下就实现了67%的ICR降幅，性能媲美传统高负载涂层。

研究团队运用多尺度表征与验证体系：通过粉末电导率筛选出金包玻璃微球(Conduct-O-Fil? S2429S-G2)作为最优填料；采用光学显微镜和SEM证实了电场诱导形成的链状结构；利用定制化ICR测试装置量化导电性能提升；结合模拟PEMFC环境的电化学测试验证涂层稳定性。特别值得关注的是，团队创新性地将卷对卷制造工艺与介电泳技术结合，为产业化应用铺平道路。

在结果部分，"Ex-situ filler conductivity analysis"揭示金包玻璃微球具有668.19 S m^-1的优异体相电导率；"Images of fabricated coatings"通过显微图像直观展示电场对齐形成的粒子簇；"ICR analysis"数据显示对齐样品比随机分布样品电阻降低20-67%；"Ex-situ electrochemical analysis"显示涂层在1.0 V_SHE下腐蚀电流稳定在10-15 μA cm^-2；"In-situ analysis"虽暂未达DoE标准，但验证了技术路线的可行性；"Bill of materials"则证明该技术可使材料成本降至金涂层的4.5%。

讨论部分指出，这项研究开创性地将介电泳粒子操控引入BPP涂层领域，通过"导电链"结构设计突破了传统复合材料的渗流阈值限制。虽然目前in-situ性能仍需优化，但该技术已展现出三大独特优势：一是通过粒子定向排列实现"少用料多导电"的效果，二是与高通量生产工艺兼容，三是材料成本显著低于贵金属方案。Miroslav Hala等特别强调，未来通过优化环氧基质配方和降低涂层厚度，有望全面达到DoE指标。这项来自挪威SINTEF AS的研究，不仅为PEMFC双极板提供了新涂层方案，其首创的填料操控策略更为功能复合材料设计开辟了新维度。