Bipolar plates for the next generation of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs): A review of the latest processing methods for unconventional flow channels

本文综述了适用于下一代质子交换膜燃料电池的先进制造技术（如增材制造），旨在解决传统工艺在加工复杂流道时的局限性，填补了相关制造方法及其可扩展性和工业化前景的文献空白，并为开发经济高效的双极板解决方案提出了未来研究方向。

要点

这篇文章就像是在讲述如何给未来的“清洁能源心脏”——氢燃料电池，打造一颗更强大、更聪明的“骨架”。

为了让你轻松理解，我们可以把质子交换膜燃料电池（PEMFC）想象成一辆未来的氢能源汽车的心脏。而这篇文章的主角，就是这个心脏里最关键的部件：双极板（Bipolar Plates）。

1. 什么是双极板？它为什么重要？

想象一下，燃料电池的心脏里有很多层像千层饼一样的结构。双极板就是夹在中间的**“隔板”和“高速公路”**。

• 它的作用：它负责把氢气（燃料）和氧气（空气）均匀地输送到反应区，同时把产生的电收集起来，还要把反应产生的水排走，就像高速公路既要通车又要排水一样。
• 现状的痛点：以前的双极板就像是用传统的模具压出来的塑料板，或者用石墨雕刻出来的。
  • 缺点：它们只能做成简单的形状（比如直直的沟槽），就像只能修直路，不能修立交桥。而且石墨太脆，容易碎；金属板虽然结实，但容易生锈，而且很难做出复杂的形状。
  • 后果：因为形状不够聪明，燃料送得不均匀，水排不干净，导致电池效率不高，寿命也不长。

2. 这篇文章的核心观点：我们需要“打印”出更聪明的板子

作者认为，为了造出下一代更强大的燃料电池，我们需要一种新的制造方法，能够像3D 打印机一样，打印出形状极其复杂、像迷宫一样的双极板。

这就好比：

• 旧方法（传统制造）：就像是用饼干模具压饼干。模具是什么样，饼干就是什么样。如果你想做一个像树叶脉络那样复杂的形状，模具根本做不出来，或者成本极高。
• 新方法（增材制造/3D 打印）：就像是用乐高积木或者3D 打印机，一层一层地堆叠。你可以随心所欲地设计任何形状，哪怕是像树叶的血管、肺部的支气管那样复杂的“仿生”结构，都能轻松打印出来。

3. 文章里提到的几种“打印”技术（就像不同的打印笔）

文章详细对比了各种 3D 打印技术，我们可以把它们想象成不同的“画笔”：

• FDM（熔融沉积，像挤牙膏）：

  • 原理：把塑料丝加热融化，像挤牙膏一样一层层堆出来。
  • 优点：便宜，容易上手。
  • 缺点：表面像千层饼一样有纹路，不够光滑，而且塑料不导电。如果要当双极板用，还得给表面镀一层金属，就像给塑料模型喷漆，效果往往不够完美。

• SLA/DLP（光固化，像用光刻字）：

  • 原理：用紫外线光把液态树脂一层层“晒”硬。
  • 优点：精度极高，能做出非常光滑、像玻璃一样精细的微小通道。
  • 缺点：目前只能打印树脂（塑料），树脂本身不导电也不耐酸。虽然可以后期镀金属，但材料本身的局限性还是存在。

• PBF（粉末床熔融，像用激光烤沙子）：

  • 原理：铺一层金属粉末，用激光或电子束把它熔化粘在一起。
  • 优点：这是目前最有希望的方法！它能直接打印出金属双极板，强度极高，形状可以非常复杂（比如像蜂窝一样的微结构），而且表面相对光滑。
  • 缺点：太贵了！就像用金粉打印一样，耗电量巨大，速度慢，而且打印完表面可能有点粗糙，需要后期打磨抛光。

• 其他技术（如喷射、粘结剂喷射）：

  • 就像是用喷墨打印机喷墨水或者胶水来粘合粉末。精度很高，但还在实验阶段，还没完全成熟。

4. 为什么我们要费这么大劲？（未来的愿景）

作者认为，如果我们能用这些新技术打印出**“仿生”双极板**（比如模仿树叶的脉络或肺部的结构），就能带来巨大的好处：

• 更均匀：燃料像血液一样均匀流遍每一个角落，不会有的地方“饿死”，有的地方“撑死”。
• 更顺畅：水能更顺畅地排走，不会把路堵死（水淹）。
• 更紧凑：因为结构更优化，电池可以做得更小、更轻，但动力更强。

5. 总结：现在的挑战与未来

虽然 3D 打印双极板听起来很美好，但目前还面临一些挑战：

• 成本：就像 3D 打印现在还是“奢侈品”，大规模生产太贵了。
• 后处理：打印出来的东西往往需要像“做美容”一样，进行打磨、镀层、热处理，这增加了工序。
• 材料：需要找到既便宜、又导电、又耐腐蚀的“打印墨水”。

一句话总结：
这篇文章就像是一份**“未来蓝图”。它告诉我们，传统的制造方法已经到瓶颈了，要想让氢能源汽车真正跑起来、跑得快、跑得远，我们需要利用3D 打印技术**，把双极板从“简单的直路”变成“复杂的立体迷宫”，让能量流动得更顺畅。虽然目前还在“婴儿期”，但这绝对是通往未来清洁能源的关键一步。

技术摘要

这是一份关于下一代质子交换膜燃料电池（PEMFC）双极板（Bipolar Plates, BPs）制造技术的详细技术总结，基于您提供的综述论文《Bipolar plates for the next generation of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs): A review of the latest processing methods for unconventional flow channels》。

1. 研究背景与问题 (Problem)

• 能源转型需求： 化石燃料的枯竭及其环境后果迫切需要清洁、可持续的能源解决方案。氢燃料电池（特别是 PEMFC）是实现脱碳的关键技术，尤其是使用高纯度“绿氢”时。
• 双极板的关键作用： 双极板占电池堆质量和体积的 70-90%，直接决定了电池的效率、寿命和成本。其核心功能包括：
  • 均匀分配反应物（氢气和氧气）。
  • 有效排出液态水（防止“水淹”）。
  • 传导电流和散热。
  • 保持气密性和化学稳定性。
• 现有设计的局限性： 传统的双极板设计（如蛇形、平行流道）通常基于经验或启发式修改，性能受限。为了达到更高的功率密度（目标为 6.0 kW/l），需要更薄、更复杂的流道设计（如无肋流场、仿生结构、微晶格等）。
• 制造瓶颈： 传统制造工艺（如冲压、机械加工、注塑、铸造）难以制造具有微纳尺度、非直观几何形状（Unconventional geometries）的复杂流道。这些方法分辨率不足、精度不够，且依赖多步后处理，限制了设计灵活性和从实验室到工业规模的转化。
• 文献缺口： 虽然近年来增材制造（AM）在制造复杂双极板方面显示出潜力，但缺乏对各类 AM 技术的系统性综述，特别是关于其可扩展性、工业就绪度及与新型流道设计的结合评估。

2. 方法论 (Methodology)

本文采用**综述（Review）**的方法，系统梳理了近年来关于 PEMFC 双极板先进制造技术的文献和专利。

• 分类框架： 将增材制造技术分为四大类进行详细分析：
  1. 材料挤出 (Material Extrusion)： 如熔融沉积成型 (FFF)。
  2. 光聚合 (Vat Photopolymerization)： 如立体光刻 (SLA)、数字光处理 (DLP)。
  3. 粉末床熔融 (Powder Bed Fusion, PBF)： 如选择性激光烧结/熔化 (SLS/SLM)、电子束熔化 (EBM)。
  4. 其他喷射与定向能沉积： 如粘结剂喷射 (Binder Jetting)、材料喷射 (Material Jetting)、定向能沉积 (DED)。
• 评估维度： 针对每种技术，从以下维度进行评估：
  • 可打印材料（金属、聚合物、石墨复合材料）。
  • 打印分辨率与特征尺寸精度。
  • 表面质量与后处理需求。
  • 电化学性能（导电性、耐腐蚀性、接触电阻）。
  • 可扩展性与工业适用性。
• 案例研究： 结合具体文献案例（如 Toyota Mirai 的网状流道、仿生叶脉流道等），分析不同 AM 技术在制造复杂流场（如分形、微晶格、仿生结构）方面的实际表现。

3. 关键贡献 (Key Contributions)

• 全面的技术图谱： 首次系统性地对比了各类增材制造技术在 PEMFC 双极板制造中的适用性，特别是针对“非传统流道”这一新兴领域。
• 工艺 - 性能关联分析： 深入探讨了不同 AM 工艺（如 SLM 的高精度 vs. FFF 的低成本）对双极板关键性能指标（接触电阻、流阻、功率密度）的具体影响。
• 识别技术瓶颈： 明确指出当前 AM 制造双极板面临的主要挑战，包括：
  • 聚合物基材料的导电性差，需要后处理涂层。
  • 金属打印件的表面粗糙度导致接触电阻增加。
  • 后处理（抛光、涂层、热处理）增加了成本和复杂性。
  • 大规模生产的成本效益问题。
• 未来路线图： 提出了从实验室验证走向工业规模生产的路径，强调了工艺优化、后处理改进以及多材料打印策略的重要性。

4. 主要结果与发现 (Results)

• 粉末床熔融 (PBF - SLM/DMLS/EBM)：
  • 优势： 能够制造高密度、高精度的金属双极板，特征尺寸可达几十微米，表面质量较好（经后处理后）。适合制造复杂的金属流场（如仿生结构、微晶格）。
  • 结果： 研究表明，SLM 制造的 316L 不锈钢双极板，经表面处理后，其峰值功率密度可显著高于传统石墨板（如提升 26% 以上）。EBM 适合钛合金，但表面较粗糙。
  • 局限： 能耗高、速度慢、成本高；金属粉末需特殊处理；残余应力需热处理消除。
• 光聚合 (SLA/DLP)：
  • 优势： 分辨率极高（可达 20 µm），表面极其光滑，适合制造具有精细微结构的聚合物双极板。
  • 结果： 能够制造复杂的仿生流道（如肺叶、叶脉结构），显著改善反应物分布和传质效率。
  • 局限： 材料局限于光敏树脂，机械强度和耐化学性较差；必须通过金属化（镀银/金/镍）或添加导电填料来满足导电和耐腐蚀要求。
• 材料挤出 (FFF)：
  • 优势： 成本低，设备普及，适合快速原型制作。
  • 结果： 可制造聚合物双极板，但层间结合力弱，存在孔隙，导电性差。
  • 局限： 表面粗糙，层纹明显，尺寸精度低（~100 µm），难以满足微流道的高精度要求；通常需要复杂的后处理（如溅射导电层）才能使用。
• 粘结剂喷射 (Binder Jetting) & 材料喷射 (Material Jetting)：
  • 优势： 适合大面积制造，可处理金属和陶瓷粉末，精度高。
  • 结果： 能够制造多孔结构，但烧结过程可能导致收缩和变形，需严格控制。
• 定向能沉积 (DED)：
  • 定位： 主要用于表面涂层修复或厚壁结构，不适合高精度薄壁双极板的整体制造，因为热输入大导致晶粒粗大和残余应力。

综合性能对比：

• 功率密度提升： 采用 AM 制造的复杂流场（如仿生、分形、网状）相比传统流道，通常能提升 10%-30% 的峰值功率密度，主要得益于更均匀的反应物分布和更低的流阻。
• 接触电阻： 表面粗糙度是主要障碍。金属 AM 件通常需要抛光或涂层（如金、TiN）来降低接触电阻至 DOE 标准（<20 mΩ·cm²）。

5. 意义与展望 (Significance)

• 推动下一代 PEMFC 发展： 该研究证明了增材制造是实现下一代高性能、紧凑型 PEMFC 的关键使能技术。它打破了传统设计的几何限制，使得基于拓扑优化和仿生学的创新流场设计成为可能。
• 降低成本与材料浪费： 虽然目前单件成本较高，但 AM 消除了昂贵的模具成本，且实现了“按需制造”，减少了材料浪费。对于中小批量生产、定制化设计（如航空航天、特种车辆）具有显著优势。
• 催化剂利用率最大化： 优化的流场设计能减少催化剂的局部热点和冷点，提高贵金属（铂）的利用率，从而降低系统成本。
• 未来研究方向：
  • 材料创新： 开发直接具有高导电性和耐腐蚀性的 AM 专用材料（如导电聚合物复合材料、合金粉末）。
  • 工艺优化： 提高打印精度，减少表面粗糙度，开发原位监测和闭环控制系统。
  • 后处理简化： 研发无需复杂后处理（如大量抛光）即可满足性能要求的工艺。
  • 多材料打印： 探索在同一部件中打印不同材料（如导电流道与绝缘支撑结构）的混合制造策略。

总结： 本文指出，尽管增材制造在大规模生产 PEMFC 双极板方面仍面临成本和速度的挑战，但其在实现复杂几何结构、提升电池性能方面的潜力是巨大的。随着材料科学的进步和工艺成熟度的提高，AM 有望成为未来 PEMFC 双极板制造的主流技术之一，加速氢能经济的商业化进程。