雙極板又稱集流板，是目前燃料電池的重要部件之一。其主要作用是提供氣體流道，防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通，并在串聯(lián)的陰陽兩極之間建立電流通路[1−2]?，F(xiàn)流行的雙極板材料主要有金屬、石墨及復合材料3種，其中金屬雙極板材料主要有不銹鋼、鋁、鈦及鈦合金幾種，鈦金屬因其具有密度小、比強度高、耐蝕性強等優(yōu)異特性具有很廣的應用領域[3]。

目前已有研究表明：從重量、強度及涂層后的電阻率、耐蝕性等綜合性能比較，相比不銹鋼和鋁，鈦更適合作為燃料電池雙極板的基體材料[4]。

1.   實驗材料與方法

實驗采用普通TA1冷軋鈦帶，規(guī)格：0.55 mm×260 mm，采用兩軋程軋制。第一軋程在二十輥冷軋機上軋至0.25 mm厚，軋后在氬氣作為保護氣氛的連續(xù)退火爐中，在680 °C下以4 m/min速度進行中間退火，退火后再進行第二軋程，軋至0.12 mm厚，切邊后成品寬度為240 mm。然后取樣，分別在700、725、750、780 °C溫度下，以4 m/min進行熱處理實驗，并制備金相組織照片。實驗所用鈦帶主要化學成分見表1。

鐵、氧元素在鈦材中作為雜質(zhì)元素，會產(chǎn)生晶格畸變，增高鈦材強度，使鈦材軋制抗力較大，因此極薄鈦材的軋制選取低鐵、低氧的母卷鈦材生產(chǎn)。

2.   軋制及道次變形量

工業(yè)純鈦的屈強比較高，在冷變形時有產(chǎn)生裂紋的傾向，彈性模量小，約為鐵的一半，冷成形時回彈大，成形困難，因此軋制時應以遵循“多道次，小變形”的原則。同時由于鈦的導熱率低，相比不銹鋼，在軋制冷卻液濃度不變的情況下，應適當降低軋制速度，以免軋制溫度過高而發(fā)生粘輥現(xiàn)象[5]，此外，降低軋制速度還有利于軋制過程中的板形控制。實驗中兩個軋程基本都采用了初始道次較大變形量，成品道次小變形的壓下設計，具體見表2。

3.   結果與分析

3.1   室溫力學性能對比

鈦在高溫條件下性質(zhì)比較活潑，特別容易氧化，因此，鈦的退火一般是在真空或惰性氣體保護氣氛中進行。目前，鈦帶的連續(xù)退火普遍采用氬氣作為保護氣氛，本實驗熱處理均在氬氣保護條件下，且爐內(nèi)氧質(zhì)量分數(shù)低于0.003%。表3是不同熱處理溫度下鈦帶的力學性能數(shù)據(jù)。

從表3可以看到：隨著退火溫度的升高，鈦帶的橫、縱向抗拉和屈服強度總體呈下降趨勢，而延伸率在750 °C退火達到最好。杯突主要用來反映雙極板用鈦帶的沖壓性能，以上所測不同退火溫度下的杯突值均滿足客戶技術要求。

鈦帶板形表面質(zhì)量總體良好，厚度0.115~0.120 mm，滿足GB/T3622—2012《鈦及鈦合金帶、箔材》標準要求，低鐵、低氧的化學成分有助于實現(xiàn)相對較低的強度與較高延伸率的匹配，符合雙極板的沖壓成型要求。

3.2   微觀組織對比

圖1是橫向試樣分別在700、725、750和780 °C溫度下以4 m/min退火后的金相組織照片。

從金相照片可以看出：從700~750 °C退火的微觀組織主要是由等軸晶和拉長等軸晶組成，隨著退火溫度不斷升高，晶粒尺寸逐漸增大，而且均含有孿晶。而780 °C退火組織中晶粒急劇變大，同樣含有孿晶，晶粒形狀也變得極不規(guī)則，這主要是退火溫度升高，晶粒迅速長大所致。

4.   結束語

在雙極板用鈦帶制備實驗的基礎上，對原料化學成分，軋制變形量，性能數(shù)據(jù)以及微觀組織進行了歸納、分析，此類鈦帶原料化學成分應選用低鐵、低氧類；成品軋制的最后幾個道次變形量應不大于10%；氬氣保護氣氛下750 °C、4 m/min連續(xù)退火可獲得良好的綜合性能和金相組織。本文的實驗探索能夠為雙極板用鈦帶大批量生產(chǎn)提供一定的經(jīng)驗借鑒和現(xiàn)實指引。

參考文獻

[1]李瑛, 王林山. 燃料電池. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2000

[2]隋智通, 隋升, 羅冬梅. 燃料電池及其應用. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2004

[3]史亞鳴,李志敏,曹占元,等. 鈦帶冷軋過程塑性變形與板形調(diào)控功效的仿真研究. 金屬世界,2017(3):36

[4]李俊超,王清,蔣銳,等. 質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板材料研究進展. 材料導報,2018,32(15):2584

[5]康華偉,尹翠蘭. 純鈦帶的冷軋生產(chǎn)工藝分析. 軋鋼,2012,29(1):63

文章來源——金屬世界