燃料电池里的双极膜也能加工成卷

　　可持续能源对于社会未来的电力供应至关重要。由于风能和太阳能会因天气条件的变化而产生波动，因此必须将所产生的能量储存在中长期缓冲存储器中。

　　这项任务的理想解决方案是所谓的氧化还原液流电池。通常采用40 英尺容器的形式，作为电化学转换器，可大规模储存和输送能量。另一种可能性是可将氢等燃料转化为电能的燃料电池。这项技术在移动和便携式设备中越来越流行，并已被用于卡车、汽车、火车、轮船、家用能源供应（热电联产），以及独立电源装置等，如数据中心。

　　为了使这些技术能在市场上立足，有必要对双极板作进一步开发，以用作燃料电池和氧化还原液流电池的核心功能元件。双极板是燃料电池和氧化还原液流电池的关键部件。传统的含碳双极板通常由热塑性或热固性基体材料构成，其中含有大量导电填料，如石墨、炭黑或碳纳米管。尽管双极板由塑料制成，但它必须具有良好的导电性和导热性。为了获得适当的高导电性，塑料中必须填充高达80 或90 wt. %（重量百分比）的导电材料。在这里，尽管结合聚合物只占化合物总量的10% 至20 wt. %，但在防止化合物变脆和确保最佳加工能力方面起着至关重要的作用。为了长期、经济地使用双极板，需要实现高导电性、抗降解性以及负载下的机械稳定性。

　　挑战：薄而耐用

　　聚丙烯（PP）和聚烯烃一般且经常被用作双极板中的聚合物。但对于特殊要求，也可使用聚苯硫醚（PPS）、聚偏氟乙烯（PVDF）以及酚醛树脂等其它材料。尽管基于PP、聚乙烯（PE）、 PVDF 和PPS 的高填充石墨双极板具有很高的耐用性，并且可以很经济地制造，但用户也越来越需要更薄、更轻的组件，以节省空间、减轻重量并降低材料成本。对于此类高导电填料负荷量来说，低厚度与高耐用性是非常矛盾的要求，使得实现这一目标更具挑战性。

通过对双极板（如PP、PE、PVDF 和PPS）中使用的塑料进行改性，其机械性能至少可以在一定范围内适应所需的规范，而且通过提高，如，抗冲击强度，可使其更具柔性或延展性。这对于薄板制造至关重要。通过使用特殊的抗冲击改进剂，Eisenhuth GmbH & Co.KG 能够在一项连续的工艺中将低厚度、高填充、导电性极佳的双极膜加工成卷（图1）。在此过程中，生产出了石墨含量各异且额外含有三元乙丙橡胶（EPDM）的聚烯烃嵌段共聚物。

　　出发点是生产高填充化合物。在 Collin、Leistritz 和Battenfeld 的双螺杆挤出机上进行复合。在这些机器上，生产了碳含量约为80 wt.% 的各种改性 PP、PE、PVDF 和PPS 化合物，并对其进行了预处理，以用于成型加工。下一个重要步骤就是在合适的连续生产装置上将其加工成膜。

　　改性膜达到要求值

　　膜的平均厚度远低于1mm，大部分在0.5 至0.8mm 之间（图2）。然而，在生产过程中，可按规范对膜进行精确调整，从而在批量生产中确保要求厚度为十分之一毫米。所生产的板材的抗拉强度介于4 到11 N/mm² 之间（图3），低于参考材料的抗拉强度。但是，应记住，测量所采用的并非标准测试棒材，而是仅0.6 mm 厚的膜。提高抗拉强度的进一步试验目前正在进行中。不同材料类型的电阻率值高于参照材料的电阻率值（图 4）。但同样要记住，较薄的板厚可对稍差的导电性起到补偿作用。

　　这些膜还开启了新的加工方式。到目前为止，生产双极板的合适成型方法是热压成型和注射成型。在这些过程中，经预处理的材料通常被送入热压或注塑模具中。对于采用热固性基体的化合物，必须在加热条件下进行化学固化反应，然后才能将板材从型腔中移出。另一方面，对于热塑性基体，化合物必须首先被熔化，然后，在脱模前使其低于特定塑料的熔化温度或玻璃化转变温度。在热压或注射成型中，技术上的挑战包括直接成型所需的结构或生产非结构板材坯料。

　　有望加工成卷

　　利用最新技术，现在可以将石墨化合物膜加工成卷（标题图）。以与冲压相似的方式，将膜从卷中抽出，并通过冲压/ 弯折进行处理，以获得最终的结构化板（图5）。

　　这项新技术是实现具备规模效应经济性的导电化合物膜自动化制造的又一重要步骤。通过这种方式，可以显著降低燃料电池或电池系统的总体成本。所获得的机械性能与石墨填充、压缩或注塑成型双极板相当。导电性也在适合应用的范围内。鉴于目前的法律框架条件，尤其是欧盟委员会所规定的条件，现在更迫切需要采取行动，以实现无排放出行。所描述的膜可为燃料电池技术的更广泛应用做出重要贡献。