金属双极板具有优异的导电、导热性能，机械加工性，致密性，阻气性等优势，生产效率高。在大规模批量生产的时候，其生产成本会极大程度降低，且大功率电堆体积比相对石墨板电堆小得多，更具优势。金属双极板可以做的更薄（0.07-0.1mm)，使得金属电堆的体积小，功率密度大，会成为车用电堆的主流。

　　极板构型设计、精密模具设计与加工、超薄板精密成形、超薄板快速激光焊接、长寿命复合纳米涂层、一体化密封技术

　　聚合物电解质膜燃料电池 (polymer electrolyte membrane fuel cells, PEMFC)作为能量转化装置，具有清洁、高效、运行温度低、启动速度快的特点，有望应用于交通运输系统和便携式工具系统，在化学工程技术研发领域备受关注。作为燃料电池的关键零部件之一，双极板的作用是分隔燃料、氧化剂和冷却液，通过流道将燃料和氧化剂均匀供应给电极进行电化学反应，将冷却液分配到各个冷却腔体，移出反应产生的热量，收集单节电池上电化学产生的电流，将单节电池依次连接组成电堆。因此，双极板需要满足高电导率和热导、高机械强度、有效阻隔反应流体、耐腐蚀性好、材料成本低以及可进行大规模自动化生产等要求。

　　20世纪60年代，通用电气在PEMFC中使用含金涂层的钛和铌材料制造的双极板。由于石墨具有更高的耐腐蚀特性和低材料成本，20世纪70年代早期取代了含金涂层的钛和铌。但是石墨抗弯强度低，材料脆性大，造成石墨双极板厚度大，电池体积比功率低，而且加工成本高。因此，从20世纪90年代早期开始，研究人员逐步开展双极板的可替代材料和制造方法的研究。附有金涂层的铝和不锈钢316L、钛、膨胀石墨复合材料、体相铁基合金，甚至导电塑料等材料均被探索性地制成双极板。在这些材料中，不锈钢材料具有较高的机械强度和优良的体相电导与热导，可以通过常规机械加工将其制成薄板，并利用薄板冲压成型技术在其表面制作流道，该类型双极板可使PEMFC获得高体积比功率。此外，采用不锈钢材料可以通过大规模批量生产大幅度降低成本。但是，单纯不锈钢材料制作的双极板在PEMFC使用环境中尚存在一些不足：(1)其表面会产生导电性差的氧化物，增加电极和双极板的接触电阻；(2)不锈钢材料发生腐蚀，镍、铬、铁等组分溶出极板，金属离子污染电极，显著增加电池的欧姆阻抗和电荷转移阻抗，从而影响PEMFC的耐久性。在不锈钢双极板大规模应用前，以上诸多不足均需获得有效解决，即要求不锈钢材料在PEMFC操作条件下具有并长期保持高耐腐蚀能力和低界面接触电阻。

　　研究人员首先对体相材料在PEMFC使用环境中的腐蚀与接触电阻行为进行了考察和分析。Hornung等提出以抗点腐蚀当量值作为基准，选择体相铁基合金作为双极板材料，发现抗点腐蚀当量值＞25的体相铁基合金的耐腐蚀性能和3cm2单电池寿命与体相镍基合金相当。与商业化的金涂层镍基合金双极板相比，需要在保持抗腐蚀能力的基础上降低体相铁基合金材料和碳纸的接触电阻。Davies等发现在电池性能和3000h耐久性测试中，不锈钢材料的欧姆极化损失依次为316＞310＞904L，该小组认为相比于表面生成的防腐蚀钝化膜的电阻，不锈钢材料的体相电阻并不显著。三种材料的欧姆极化损失的差异归因于不锈钢合金元素组成不同，钝化膜的化学成分存在差异。随着316、310、904L中镍和铬的含量依次增加，材料与电极的接触电阻逐渐减小。Turner等进一步对不同铬含量的不锈钢[316L、317L、904L和349，铬含量由16%依次增加至23%(质量分数)]在模拟电池环境中[1mol/LH2SO4+2×10－6(质量分数)F-，70℃]的耐腐蚀行为和接触电阻进行研究，证实了随着不锈钢中铬含量增加，材料不仅耐腐蚀能力增强，且接触电阻减小。性能最佳的349不锈钢表面在30min内就形成稳定钝化膜，动电位测试中－0.1V和0.6V(vs.SCE)下钝化电流密度接近10μA/cm2，接触电阻约110mΩ·cm2(组装力1.4MPa)。类似地，田如锦等对比了高铬镍含量奥氏体不锈钢HCN和316L不锈钢在模拟电池环境中(0.05mol/LH2SO4+2×10－6F-，70℃)的耐腐蚀行为，动电位测试中HCN的钝化电流密度小于316L，HCN原始接触电阻为30mΩ·cm2(组装力1.5MPa)，但是在恒电位极化4h后接触电阻显著增加至390～560mΩ·cm2。尽管某些高铬体相合金(如904L不锈钢)和含涂层不锈钢作为双极板在PEMFC中性能相当，但是以纯相高铬体相合金制造双极板材料成本较高，更重要的缺陷是其接触电阻过大，无法直接作为大面积双极板材料进行应用。因此，通过表面改性，在不锈钢材料表面制备耐腐蚀且导电的低成本涂层具有一定优势，是更为现实的解决途径。本文针对近年采用的氧化物基、金属基、碳/氮化物基、碳基和导电高分子基等涂层的研究进展进行分析和总结。

　　Wind等开拓性地采用多种材料对316L不锈钢表面进行改性处理，对比考察了使用不同材料的极板49cm2单电池的极化曲线和耐久性，并分析溶出的金属离子对单电池耐久性的影响。实验表明，使用无涂层316L作为极板，单电池运行100h后电极中含量最高的镍浓度即达76μg/cm2。使用金涂层316L极板单电池运行700h后，电极中铁含量最高(50μg/cm2)，和石墨双极板相比，1000h内两者单电池性能极为接近。而使用他们开发的改性极板，500h单电池耐久性测试性能几乎没有衰减，极板仍可以保证低阻抗(＜25mΩ/cm)，最高含量金属离子接近金涂层316L(800h，83μg/cm2)。尽管Wind并未公开涂层成分，但该结果表明对不锈钢材料进行表面改性，制造低成本、耐腐蚀的导电涂层用于PEMFC是具有可行性的。

　　由于体相合金中的高含量铬可以增加不锈钢的耐腐蚀性，Lee等通过电化学选择性溶解的方法对316L不锈钢进

　　行改性，在钢板表面制得贫铁富铬钝化层。尽管改性钢板表面富铬更容易生成三氧化二铬钝化层，但是钝化层厚度相比改性前减薄，表面光滑无缺陷，因此改性钢板接触电阻略有改善。在0.5mol/LH2SO4、70℃下，改性钢板腐蚀电流密度由改性前的60μA/cm2降为15μA/cm2，经过48h腐蚀耐久性测试，腐蚀电流密度保持在25μA/cm2左右。该方法易于大规模操作，可以在不锈钢表面直接实现铬富集，从而避免使用体相高铬合金，降低成本。

　　王贺利等通过低压化学气相沉积在奥氏体316L、317L和349不锈钢表面制备了0.6μmSnO2∶F涂层，其中改进后的349钢板耐腐蚀性能最佳。在模拟电池环境(1mol/LH2SO4+2×10－6F－，70℃)动电位测试中，改性349钢板在－0.1V和0.6V(vs.SCE)下极化电流密度约4μA/cm2。在－0.1V恒电位测试中，其处于阴极保护；而在0.6V恒电位测试中，其极化电流密度约1.5μA/cm2。遗憾的是，改性349钢板接触电阻过大，约200mΩ·cm2(组装力1.5MPa)。在此基础上，该小组在铁素体444和446不锈钢表面制备了同种涂层。以改性444钢板为例，尽管在模拟电池环境动电位测试中，改性钢板处于钝化状态，但是极化电流密度分别为55[－0.1V(vs.SCE)]和75μA/cm2[0.6V(vs.SCE)]，而且在阴极条件下改性钢板无法长时间保证恒电位耐腐蚀性能。使用改进的预刻蚀-涂层方法，改性钢板的接触电阻(75mΩ·cm2)比改进前(200mΩ·cm2)有所改善，但是耐腐蚀性能进一步减弱，极化测试后涂层出现裂缝和剥落现象。

　　综上可见，目前使用的金属氧化物涂层改性钢板腐蚀电流略大于美国能源部(DOE)小于1μA/cm2的技术要求，而且涂层材料导电性差，和原始不锈钢钝化膜接触电阻相当，无法满足DOE小于10mΩ·cm2的技术要求。

　　Weil等考察了金属铌的耐腐蚀性能，在模拟电池环境(1mol/LH2SO4+2×10－6F－，80℃)动电位测试中铌的极化电流密度为27[－0.1V(vs.SCE)]和0.0063μA/cm2[0.6V(vs.SCE)]。在此基础上该小组采用轧制包覆方式，使用金属铌修饰430不锈钢。在相同条件下改性钢板的极化电流密度上升至41μA/cm2(－0.1V)，耐腐蚀性能接近铂。改性钢板的接触电阻小于10mΩ·cm2(组装力1.5MPa)，表现出较好的应用前景。李铸国等使用离子注入技术制备金属铌改性316L不锈钢，发现优化制备的改性钢板在模拟电池环境下(0.5mol/LH2SO4+2×10－6F-，80℃)的动电位测试钝化电流密度降至约6μA/cm2。经过恒电位8h极化，其极化电流密度稳定在－0.03～－0.07μA/cm2[－0.1V(vs.SCE)]和0.07μA/cm2[0.6V(vs.SCE)]，这一耐腐蚀结果验证了Weil的结果。但是，对比未改性钢板，采用该方法改性的钢板接触电阻降低有限，依然大于200mΩ·cm2(组装力1.5MPa)。

　　沈耀等使用离子注入技术制备镍改性316L不锈钢以提高表面电导。在模拟电池环境下(0.5mol/LH2SO4+2×10－6F-，80℃)进行动电位测试，钝化电流密度分别降至5(阳极)和7μA/cm2(阴极)。但是相比于石墨(组装力2.1MPa时为5.4mΩ·cm2)，改性钢板接触电阻过大，达131.8mΩ·cm2。

　　侯明等采用双脉冲电沉积法在316L不锈钢薄板表面制备光滑的银-聚四氟乙烯复合涂层。该复合涂层综合了银高电导和聚四氟乙烯强疏水性的优点。改性钢板的耐腐蚀性能和接触电阻(组装力1.2MPa时为2.88mΩ·cm2)与纯银改性钢板相近。在模拟电池(0.5mol/LH2SO4+5×10－6F-，70℃)条件下，改性钢板腐蚀电流密度约10μA/cm2，而且接触角达114°，有利于改性双极板的水管理。

　　日本大同钢铁公司通过轧制包覆方式制得金涂层厚度为10nm的改性316L不锈钢薄板。Kumar等对该改性薄板进行冲压制成双极板。双极板接触电阻为6.3mΩ·cm2(组装力0.6MPa)。在0.5mmol/LH2SO4、80℃下[0.8V(vs.NHE)]恒电位极化处理24h，腐蚀电流密度始终小于1μA/cm2。在阳极环境下双极板始终处于钝化保护状态。综上可见，纳米金涂层具有耐腐蚀、导电性良好等特征，可大幅降低材料成本，此外直接冲压金涂层改性薄板，过程更易于控制，进而提高双极板生产效率。

　　综上所述，使用铌、金等金属通过轧制包覆方式对钢板进行改性，改性材料的表面性质接近于包覆金属，腐蚀电流和接触电阻可以满足DOE的技术要求，具有较好的应用前景。

　　钛和铬等多种过渡金属氮化物具有良好的耐腐蚀性、高电导和低接触电阻等特性，被科研人员广泛应用于不锈钢材料的表面改性。

　　Mepsted等发现氮化钛涂层可以显著降低316L不锈钢表面的接触电阻，改性钢板接触电阻与石墨接近。Cho等对比了氮化钛改性316L不锈钢双极板和石墨双极板，发现改性极板接触电阻(组装力1.8MPa下32.71mΩ·cm2)和接触角(~90°)都与石墨板相接近(30.23mΩ·cm2，~90°)。他们分别用氮化钛改性316L不锈钢双极板、石墨双极板和未改性双极板组装单电池，对比了电池性能。在初始状态0.6V下，改性双极板电流密度(0.896A/cm2)比石墨双极板低0.1A/cm2。但是相比于未改性双极板，改性双极板的电池性能和寿命显著延长。使用改性双极板组建的12节短堆在0.2A/cm2下稳定运行1028h，电堆性能衰减11%。KUMAGAIM等使用电泳沉积法在310S不锈钢表面制备了以氮化钛纳米粒子为主体，弹性苯乙烯-丁二烯橡胶为粘结剂的杂化涂层。杂化涂层改性钢板的接触电阻获得改。