氢能源最经济、最高效的技术之一是燃料电池技术。研究表明，PEM燃料电池的运行参数会影响其性能。润湿性也是提高PEM燃料电池性能、避免通道水淹和GDL导致气体堵塞的重要组成部分。通常由石墨或复合材料制成的双极板是一种燃料电池组件，它必须具有机械耐用性，易于加工，耐腐蚀性，与气体扩散层(多孔材料)接触时具有导电性和导热性。
研究润湿性对电池性能影响的最有效方法是在双极板中使用疏水材料或控制反应物流速。疏水表面有助于水的去除，而在亲水表面，水通过横向覆盖流道而缩小了流量。根据流道的润湿性对流道进行涂层是双极板润湿性的研究之一。双极板覆盖有保护涂层，以防止腐蚀，提高导电性和润湿性。
在Kahveci等人的研究中，通过在反应物气体通过双极板的流道上涂覆具有不同水润湿性的材料，比较了PEM燃料电池的性能。首先，在双极板的流道上分别涂上具有亲水性的SiO2和具有疏水性的PTFE。采用物理气相沉积(PVD)作为涂层方法。涂层工艺完成后，进行了三种不同板的性能研究，比较了不同涂层的润湿性效果。
图1. 单通道PEM燃料电池组件示意图
研究中采用高分子复合石墨材料作为双极板的原料，采用物理气相沉积法在聚合物复合石墨双极板表面涂覆具有通道结构的气体流场，确定了亲水性能为SiO2，疏水性能为PTFE，研究了润湿性对接触角的影响。
涂层过程完成后，使用光学接触角仪进行表面接触角测量。结果如表2和图3所示。
图2. 接触角测量结果
图3. (a) SiO2涂层，(b)未涂层和(c) PTFE涂层聚合物复合双极板的接触角测量
通过对单个电池进行性能测试，图4显示了未涂层、SiO2涂层和PTFE涂层电池的极化曲线。由图4可以看出，亲水SiO2包被电池的电流密度和功率密度值都很低，而未包被和疏水包被电池的性能分别高于亲水电池。性能下降的主要原因是通道表面的水附着阻碍了气体的流动，在GDL中积累的水导致了通道内膜的过度润湿和泛水。
另外，由图4可以看出，未包覆聚合物复合电池在高电势下的电流密度较高，当电势在0.65 V左右下降时，疏水PTFE电池的电流密度最高。
图4. 不同流道表面润湿性的电池性能比较:电流密度和功率密度曲线
在此研究中，研究了在双极板上涂覆PTFE和SiO2的水管理方法，并对其性能进行了实验评价。在给定的可变条件下，使用涂有PTFE接触角120.2°和SiO2接触角35°的双极板和未涂覆的聚合物复合双极板进行活性面积为50 cm2的单个PEMFC和3单元堆叠测试。结果显示，电流密度为0.6 V时电池性能最高的是PTFE涂层PEM燃料电池。
参考文献：
[1]Kahveci, E. E., Taymaz, I., Experimental study on performance evaluation of PEM fuel cell by coating bipolar plate with materials having different contact angle[J]. Fuel, 2019, 253, 1274–1281.
