综述：通过增材制造实现PEMFC的下一代双极板：设计创新与最新进展

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Next-generation bipolar plates for PEMFCs through additive manufacturing: Design innovation and recent progress

　　

# 摘要

增材制造（Additive Manufacturing，AM）作为一种潜在的革命性方法，在质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC）的先进双极板（Bipolar Plates，BPs）开发中正逐渐获得关注，它在材料选择、结构设计和流场配置方面提供了无与伦比的自由度。本综述对近年来利用AM技术制造双极板的进展进行了全面考察，涵盖了熔融丝制造（Fused Filament Fabrication，FFF）、粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）、立体光刻（Stereolithography，SLA）、粘结剂喷射（Binder Jetting，BJ）、材料喷射（Material Jetting，MJ）和直接能量沉积（Direct Energy Deposition，DED）等关键制造技术及其加工能力、优势和不足。本综述特别强调了材料创新、表面工程和设计驱动的优化，尤其是仿生方法——基于肺叶叶脉、鹦鹉螺、蜂窝、向日葵、棕榈叶、骆驼鼻甲骨、鸟类肺部和人类肋骨的几何形态的自然启发式多孔分级多功能流场架构。研究报告表明，通过涂层技术，涂层结构材料的反应物分布、水分管理、导电性/耐腐蚀性及电化学性能（高功率密度、低欧姆阻力和耐久性）得到了显著提升。此外，本综述还讨论了AI辅助设计、数字化制造、拓扑优化和智能过程监测方面的机遇，并将表面质量和孔隙率挑战、成本与可扩展性、长期稳定性及标准化等问题联系起来。总体而言，本研究表明了一种战略方法，以实现可扩展、轻量化、耐用且高性能的AM制造双极板，用于新兴的氢能源系统。

# 引言

全球能源需求的快速增长以及使用化石燃料带来的气候变化后果，推动了清洁可持续能源技术的研发。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其高效率、低温（<100 °C）、快速启动和环保运行而受到广泛关注，支持了向可持续氢能转化技术的更广泛转型。PEMFC在交通和固定式发电应用中普遍使用，因为它们能够提供可靠高效的能量转化。PEMFC系统由多个重要部件组成，其中双极板（BPs）在堆叠重量、体积和成本方面占据了重要份额。它们也是气体分配、电流收集、热管理、水分管理和结构支撑的重要部件。另一方面，传统的制造工艺如机械加工和冲压限制了复杂流场几何结构的制造，可能导致成本更高和性能降低。最近，增材制造（AM）或3D打印已被发现是PEMFC双极板的先进制造工艺。这些AM技术允许高度的设计自由度、快速原型制作、大幅减少材料浪费以及制造复杂和定制化结构。通过AM启用的现代双极板设计，如仿生或晶格流场，可以实现质量传输、水分管理和电化学性能的成数量级的提升[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。

随着向低碳能源系统的转型，全球对氢能作为能源载体的兴趣日益增长。注意到可再生能源业务，氢PEMFC是清洁能源生产的有前景的技术，因为它们只产生电力和水作为主要副产品。由于其高功率密度和快速加注时间，PEMFC主要用于燃料电池电动汽车、便携式电子设备、备用电源系统和固定式能源应用。因此，对轻量化、经济且高性能双极板的需求急剧增加。在这方面，AM为开发优化的双极板架构以生产更高效耐久的PEMFC开辟了新的机遇[7,8]。

在PEMFC中，双极板是关键的结构和功能性部件，它们极大地影响堆叠中的电化学性能、耐久性、效率和成本。双极板构成了PEMFC电池堆总重量、体积和制造成本的重要组成部分。因此，双极板适当的材料和加工技术对于生产轻量化紧凑型、坚固耐用高效率的燃料电池系统至关重要。双极板作为主要部件之一，不仅为膜电极组件（MEA）提供机械支撑，还在燃料电池运行期间实现反应物气体分配、电子传导、热散发和水分管理。图1展示了PEMFC工作原理概述、双极板的重要性以及传统与AM制造双极板的比较。

聚合物电解质膜燃料电池是一种通过电化学反应直接将氢气和氧气的化学能转化为电能的燃料电池。如图1所示，一般PEMFC包括阳极、阴极、质子交换膜（PEM）、气体扩散层（GDLs）、催化剂层和双极板。

在阳极侧，氢气被氧化产生质子和电子：

H? → 2H? + 2e?

产生的质子通过PEM流动，而生成的电子通过外部电路产生电力。在阴极侧，氧气与质子和电子结合产生水和热：

?O? + 2H? + 2e? → H?O

PEMFC中的完整反应可以表示如下：

PEMFC中的总反应，结合阳极和阴极半反应，可以表示为：

H? + ?O? → H?O + 电能 + 热

聚合物膜在低温下运行，额定温度为60至80 °C，这使得电池能够在短时间内启动运行，同时产生高功率密度。为了高效运行，必须妥善管理反应物传输、水分排出和散热。在此背景下，双极板至关重要，因为流道通道的配置主要负责任何燃料电池系统中的质量传输行为和压降以及电化学性能[[9], [10], [11], [12], [13]]。

紧邻GDL的双极板具有流道通道，控制反应气体在电池活性区域中的携带位置。均匀的气体分布、有效的水分排出和稳定的电化学反应都需要高效的流场设计。不良的流量管理会导致浓度极化、局部淹水（flooding）、膜脱水以及燃料电池效能降低等问题。因此，双极板架构对于PEMFC系统的整体性能和运行稳定性至关重要。

图1(b)和(c)的标题说明了双极板在PEMFC电池堆中的经济和功能重要性。双极板需要同时满足多种运行要求，包括高电导率、优异的耐腐蚀性、良好的机械强度、低气体渗透性、轻量化特性以及经济高效的制造。

双极板负责多项功能，最关键的功能是通过专门的流道通道将氢气和氧气两种反应物均匀分配到活性反应区域。使用均匀分散的气体可以防止浓度损失，因为所有电化学反应都可以在电池内同时均匀发生。由于反应物传输、压降特性和整体电池堆效率直接取决于流道的几何形状和配置，因此流场设计至关重要。流场图案：最常见的流场图案包括蛇形、平行、指状和钉形通道设计[[14], [15], [16]]。

双极板被设计为PEMFC电池堆中相邻两个电池之间导电通路的桥梁。在阳极产生的电子被收集并通过双极板传递到相邻电池，允许在运行中的电池堆中形成持续的电流流动。因此，双极板需要具有高电导率和低界面接触电阻（ICR），这可以减少欧姆损失，从而提高能量转换效率[[17], [18], [19]]。

在阴极侧，PEMFC运行过程中总是会产生水和热。在此过程中，双极板通过从流道中排出多余水分同时确保膜的足够水化以实现完全质子传导，在管理系统水平衡方面发挥着关键作用。另一方面，双极板在热管理方面发挥重要作用，它们散发热量并平衡整个电池堆的温度分布。有效的热管理可以避免局部过热、膜降解和不稳定的性能。因此，优化的双极板设计对于长期可持续性和运行可靠性至关重要[[20], [21], [22], [23], [24]]。

双极板是PEMFC系统中的关键部件之一，因为它们对燃料电池电池堆的整体性能、寿命、质量和成本有重大影响。在PEMFC中，双极板贡献了电池堆的大部分体积和重量，设计和材料选择成为实际应用的关键话题。双极板承担多种角色，因此可以在燃料电池系统的一个部件中实现多项关键功能。双极板的首要任务是将氢气、氧气等反应气体均匀分布在膜电极组件（MEA）的活性区域上。通过精心设计的流道通道诱导的高效气体分布，进一步优化了反应物的利用，增强了电化学性能。双极板还作为电导体，在燃料电池堆中收集和传递电流。因此，高电导率对于减少欧姆损失和提高能量转换效率至关重要[[25], [26], [27]]。

双极板对PEMFC系统中的水分管理也有重大影响。如果流道中出现淹水，则需要适当排出产生的水，同时确保足够的膜水化以实现质子传导。此外，双极板还通过散散发热和维持稳定的操作温度来提供热调节，避免热降解。从机械方面来看，双极板提供结构完整性并促进MEA组件之间恒定的接触力。对于这些多功能要求，具有优化流场架构、改善导电性和耐腐蚀性以及有效热管理的高级双极板在PEMFC技术中引起了大量研究努力。从这个角度来看，AM可以为形成传统制造工艺难以实现的复杂高性能双极板架构提供有趣的机会[[28], [29], [30], [31]]。

尽管双极板在功能装配中至关重要，但传统的双极板制备方法是继续面临各种技术和工程挑战，充分阻碍了PEMFC系统的综合性能和大规模制造能力。基于数控加工、冲压、压缩模塑和化学蚀刻的传统制造技术通常设计自由度非常有限，且在制造复杂流场图案方面面临挑战。然而，传统制造技术主要设计用于简单的平面通道图案，限制了能够增强反应物传输和水分分布的复杂3D结构设计。使用传统减法制造技术所能实现的有限几何复杂度是标准双极板制造中最具挑战性的问题之一。传统加工方法中遇到的工具限制和尺寸约束导致先进流场结构（包括仿生通道、晶格几何和分级网络）的制造困难。此外，传统加工操作通常涉及多个制造步骤，从而导致更长的制造时间、材料浪费和更低的制造效率[32,33]。

PEMFC系统商业可行性的另一个关键瓶颈是高昂的制造成本。精密加工和金属成型工艺通常需要复杂的设备、工装系统和苛刻的后处理操作，这大大增加了双极板的制造成本。此外，在大规模生产中保持尺寸精度和表面质量仍然是传统技术面临的主要问题。传统流场设计在反应物通道中可能会受到显著压降的影响，导致更高的寄生损耗和燃料电池运行效率降低。双向燃料电池阴极经常经历不均匀的反应物分布，导致不需要的局部浓度梯度、催化剂利用无效以及活性区域上的不均匀电化学反应。这些限制可能导致对电流密度分布、水分排出行为和PEMFC系统长期耐久性的不利影响。因此，开发能够创建高度优化的复杂双极板架构的新制造策略变得越来越重要。AM代表了克服现有双极板设计和加工方法更根本局限性的巨大机遇[34,35]。

美国能源部（DOE）生成的一份大纲报告综合了结果并考察了有助于在数十年内显著增强可辨识证明能源领域的长期漂移，建议大幅减少全球活动，这取决于此前在国家安全安排中已投入的驱动力，而非寻找全国性组织或方向。双极板的开发和改进工作已在进行中。然而，未来电池堆功率密度提升至6.0 kW L?1和9.0 kW L?1将不可避免地带来更多技术挑战，无论如何都需要在燃料电池双极板开发以提升功率密度方面进行额外（且独立的）贡献（约20%[开放性议题]）。

接下来，我们将描述PEMFC双极板（BP）技术规格的目标与限制，并分析美国能源部（DOE）报告如何处理每项技术规格面临的设计问题。下表总结了针对表1中所示PEMFC双极板，DOE在2017年、2020年和2025年的目标评估。PEMFC中双极板的关键开发目标基于技术规范[39,40]。DOE不仅仅是技术规格的唯一目标，测试环境参数也与测试条件的总结及开发报告一并研究，用于任何设计开发BP的研究人员。首先，该计划聚焦于DOE的技术规格要求和测试条件。

a）实验参数：pH = 3H2SO4 0.1 ppm HF，T = 80 °C，峰值活性电流 < 1 × 10?? A/cm2（以0.1 mV s?1进行动电位测试，-0.4 V至+0.6 V vs Ag/AgCl），使用Ar吹扫脱气。

b）实验参数：pH - 3H2SO4

c）0.1 ppm HF，T - 80 °C，被动电流 < 5 × 10?? A/cm2（在+0.6 V vs Ag/AgCl下进行恒电位测试超过24小时），含氧流体[37]

增材制造（AM）或3D打印本身已成为PEMFC BP制造的一种积极方法，相较于传统制造方法具有诸多优势。机械加工和冲压是经典技术，但受限于几何复杂度并造成材料浪费。另一方面，AM允许逐层高精度制造复杂形状，且仅需使用有限的材料量。AM最显著的优势是设计自由度，能够制造先进的流场几何结构（仿生、晶格和分级通道结构），而这些结构通过传统方法很难制造。这些结构可以优化以改善反应物分布、水管理和热调节，从而实现PEMFC的优异性能。AM具有快速原型的优势，允许快速制造和评估BP概念，从而缩短开发周期并减少制造复杂性。AM还通过允许制造带有嵌入式冷却通道和定制表面特性的单片结构来实现集成多功能性，从而提高系统紧凑性并降低界面电阻。与减材制造工艺（其中部分材料被浪费）不同，AM在制造过程中仅使用所需材料，因此提供更好的材料效率。这使AM成为下一代PEMFC BP的有吸引力策略，以实现性能提升和商业可行性[41, 42, 43]。

AM技术的最新发展已为PEMFC BP开辟了广阔的设计空间，特别是能够设计具有更好电化学和传输特性的复杂结构。虽然许多工作提供了关于AM制造BP的制造工艺和性能的信息，但全面调查集中专门针对BP设计改进及其对PEMFC性能影响的研究仍然稀缺。因此，本综述的目的是详细阐述并批判性地分析AM制造PEMFC BP的最新进展。本综述的主要目标是讨论AM如何贡献于流场配置和结构设计特征的灵活性，而这些特征对传统制造而言具有挑战性。重点将放在AM驱动的流场设计上，如仿生、晶格和分级通道结构，这些设计能够改善PEMFC系统中的反应物分布、水管理和热调节。已有几项综述深入讨论了PEMFC BP材料、传统制造路线和一般性能要求。本综述的独特之处在于其专门关注AM作为仿生和多功能BP流场设计的使能平台，系统地将AM工艺选择、材料体系和仿生几何结构与电化学性能联系起来，同时纳入AI辅助拓扑优化在这一设计空间中的新兴作用——这一范围的组合在现有综述文献中尚未得到全面解决。总之，传统BP制造的关键共性问题——流场几何自由度受限、高模具和加工成本、反应物分布不均匀和较高的接触电阻（ICR）——都通过AM制造的BP得以直接解决，其方式为逐层设计自由度、减少材料浪费和模具成本、实现仿生分级通道网络的能力，以及在单一整体零件中集成导电涂层和多功能结构的能力。

此外，本文通过对几何特征与材料选择、制造方法同电化学性能、耐久性和传输行为之间的联系进行系统评估，对AM BP的结构-性能关系进行了分析。通过概述主要AM技术的优缺点、各种所用材料及放大可能性，从而确定了PEMFC中最有前景的应用方法。最后，本综述分析了当前存在的挑战、未来研究机会以及AM制造BP的商业可行性。重点在于开发具有竞争力、可扩展且高性能的制造过程，以支持PEMFC技术向商业氢经济快速转型。

**BP材料与制造**

作为PEMFC的结构和功能性组件，BP承担着多种功能，包括反应物分布、电流收集、温度调节、水管理和对膜电极组件的机械支撑。因此，BP材料的选择和生产工艺在很大程度上决定了PEMFC的性能、耐久性、电堆紧凑性和成本。通常，这些材料包括石墨（即非金属）和金属、复合材料/合金或聚合物。

**BP的增材制造技术**

增材制造（AM），也称为3D打印，最近已成为PEMFC BP的一种非常有前景的制造路线，主要归功于其能够以高精度、低材料浪费率和高设计灵活性生产复杂几何形状的能力。与传统成型方法（如机械加工、冲压和模塑）不同，AM技术允许制造复杂流场通道、轻质结构和定制的BP设计，从而改善反应物分布和水管理。

**设计驱动的BP创新**

随着AM的商业化，PEMFC BP的设计理念发生了重大变化，使人们能够实现传统方法无法制造的几何复杂结构。AM凭借其高材料效率、缩短的交货期以及制造复杂内部几何结构的能力，促进了BP开发中资源节约型的设计驱动创新。这些进展主要反映在优化的流场设计中，以有效实现反应物的分布。

**AM BP材料**

PEMFC BP材料的选择是决定AM制造PEMFC技术性能、耐久性和可制造性的最重要方面之一。用于BP的材料必须同时满足多项要求：高电导率、耐腐蚀和耐应力，以及在AM工艺中具有适当的行为特性。不锈钢、钛和镍合金等金属材料由于其良好的结构完整性而被广泛研究。

**AM制造BP的性能增强机制**

BP是最关键的组件之一，在设计中起着至关重要的作用。BP设计和材料属性决定了压降、电子导电性、反应物传输反应以及最终的燃料电池性能。传统制造工艺通常难以处理复杂流场几何结构和轻质结构，这就是为什么3D打印作为一种潜在的制造方法应运而生，用于设计展现出良好特性的先进BP结构。

**挑战与未来展望**

AM在PEMFC BP制造中具有明显优势，但多个技术、经济和工业障碍阻碍了其大规模应用。AM制造燃料电池复杂流场几何结构、轻质架构和多功能设计的能力带来了巨大机遇。然而，为了实现可靠的商业化，仍有许多关于表面质量、可扩展性、制造成本、工艺标准化和性能一致性方面的挑战需要解决。

**柔性AM BP的最新进展**

柔性电子和电化学能量转换领域的研究使得人们对机械柔性PEMFC产生了浓厚兴趣，这种PEMFC可以贴合曲面或随曲面动态变形，而当前刚性石墨或金属BP无法实现这一点。柔性AM BP是实现这一目标的最可行途径，利用逐层制造提供的两大关键优势——几何定制和所需的基板级柔性。

**AM制造PEMFC BP的综合总结与战略展望**

为帮助快速理解本综述并确保本工作所报道结果之间的直接可比性评估，我们创建了一个统一的模板汇总表（表8），提供了AM研究PEMFC BP的最相关维度。该表总结了每种应用场景的理想AM工艺类型、最佳材料体系、最有利仿生结构设计、商业化实施中的关键技术瓶颈和最紧迫的问题。

**结论**

本综述全面回顾了AM使能的PEMFC BP进展，重点强调了设计创新、材料、制造技术、电化学性能和商业化潜力之间的关键关联。作为PEMFC的基本组件，BP影响PEMFC的各个方面，如反应物分布、电传导和水管理，此外还包括热管理、机械稳定性和系统成本。与传统方法相比……

**CRediT作者贡献声明**

S.J. Narasimharaju：概念设计、原稿撰写、审阅与编辑。Dhinakaran Veeman：监督指导。

**资助声明**

无资助机构参与本研究的方案设计、数据收集与分析、发表决策或稿件撰写。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

Narasimharaju S.J.博士衷心感谢印度泰米尔纳德邦钦奈Chennai Institute of Technology的增材制造中心（地址：Chennai, Tamil Nadu 600069, India）提供的必要设施、技术支持和令人振奋的研究环境，使本工作得以顺利完成。

S.J. Narasimharaju | Dhinakaran Veeman

增材制造中心，Chennai Institute of Technology，印度泰米尔纳德邦钦奈，邮编600069