一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板与制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，包括双极板本体，所述双极板本体上设置有分形流场，所述分形流场包括反应气进口和气体流道，所述气体流道和所述反应气进口之间设置有入口过渡区，所述反应气进口设置于所述入口过渡区外端，所述气体流道包括第一流道和第二流道，以分形流场中心点为对称中心，所述第一流道和所述第二流道对称设置，该双极板具有增强气、水的质量传输，提高水、气、热的管理能力。用于制备该类具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板的方法，通过激光熔化技术和激光抛光技术复合制备，可以制备任意复杂形状的流道，工艺简单，可靠性高，同时激光抛光技术提高流场流道表面光洁度，从而提高流动性。

A bipolar plate with high performance and complex bionic structure flow field and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板与制备方法
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池双极板，特别涉及一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板与制备方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)因其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。与热机相比，燃料电池的化学能直接转化成电能，不需要初步转化成热能。因此，转化不受卡诺循环的限制，理论上可以实现90％转化的高效率。燃料电池的核心是膜电极和双极板。膜电极是电化学反应的场所；双极板提供气体分配和收集电流，为了完成气体分配和收集电流这两项任务，双极板通常是导电的，其表面有凹凸两个部分，其中凸出部分(收集电流脊梁)用来与电极接触，收集电流；凹下部分(流场)为气体向电极表面传递提供通道，双极板的这一含有凹凸结构的部分称流场。实际上，燃料电池的产能效率很大程度上取决于双极板流场的结构，优质的流场结构可以改善反应物和生成物的流动状态，使电极各处都能及时得到反应物，并且能及时排除生成水，提高燃料电池的发电效率。常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有平行流场，蛇型流场和交指型流场。平行流场的一个显著优点在于气体进口和出口之间的总压降较低，但较低的压力差不易排出流道内的水分，这就会引起部分区域的水的堆积，导致传输耗损的增加，从而降低了电流密度。蛇型流场的优点在于排水能力，单一流动路径能推动液态水的排出。但蛇形流道拐角较多，流道较长使其压降很大，出现气体供应不足的情况。交指型流场的设计促进了反应气体在扩散层中的强制对流，其水管理的效果远优于平行流场和蛇型流场，但气体扩散层中的强制对流导致很大的压降损耗。当前的现有技术中,由于传统流场压降大，当电池输出工作时，有效面积内反应物分布的不均匀性使得区域内电化学反应并不充分，导致反应物利用率和电机的能量转换效率降低，从而会影响电流输出的稳定性。制备这些流道最常用是铣削、冲压、化学腐蚀等传统加工方法。传统工艺成形的流道截面形状单一，且成形成本高，工艺复杂，耗材大，环境不友好。伴随着双极板流道结构复杂化、高尺寸精度、高加工质量的趋势，传统加工方法逐渐不能满足上述要求。同时原料利用率低、加工成本高、生产效率低、加工产生噪音、对环境不友好等是上述传统加工方法的缺点。不同于传统的车、铣、刨、磨、钻等“减材制造”技术，“增材制造”技术是以计算机控制的激光为能量来源，将粉末材料逐层进行塑造和结合，不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，极大地推进了研发效率。随着增材制造技术日趋成熟，其应用范围已逐渐拓展至更为高端的航空航天领域。据分析表明，传统技术制备的零部件在后期机加工时会造成70％以上的余量去除，而增材制造技术可节约50％以上的材料去除率。因此，在冶金、航空航天等领域，增材制造技术具有更为广阔的发展空间。目前，适应于煤矿、汽车、航空航天零部件制备的增材制造技术主要包括激光熔覆技术(lasercladding)以及选区激光熔化技术(SelectiveLaserMelting)等。激光选区熔化是一种基于粉床沉积的增材制造技术，与传统制造相比具有明显的优势，如设计自由、近净成型制备、有效使用材料节约成本、快速制备缩短生产周期等。该方法通过材料的逐层累加完成制造，因此克服阻碍复杂零部件创造和设计的约束条件，有利于解决现有高性能复杂仿生学结构流场的制备困难，成本高的困境。而激光抛光是一种非接触抛光，不仅能对平面进行抛光,还能对各种曲面进行抛光。同时对环境的污染小，可以实现局部抛光，特别适用于超硬材料和脆性材料的精抛，具有良好的发展前景。
技术实现思路
综上所述，为克服现有技术的不足，本专利技术提供一种具有增强气、水的质量传输，提高水、气、热的管理能力的具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，包括双极板本体，所述双极板本体上设置有分形流场，所述分形流场包括反应气进口和气体流道，所述气体流道和所述反应气进口之间设置有入口过渡区，所述反应气进口设置于所述入口过渡区外端，所述气体流道包括第一流道和第二流道，以分形流场中心点为对称中心，所述第一流道和所述第二流道对称设置。通过采用上述技术方案，采用分形流场，使流道呈扩散性分布，能够均匀分配反应气体到双极板本体各处，同时相对于蛇形流场，本专利技术在流场反应区采用了分形流场设计结构，可以缩短气在流场中的传输路程，降低气体在流场中的传输阻力，本专利技术中双极板流场设置了入口过渡区，使得流场中各流道的长度和气体在各流道中的流动阻力基本相等，气体通过入口过渡区的各个气体流道进入流场，可以获得均一的流速，并以层流方式均匀的进入每个流道，有利于气体在流场中的均匀分配、在气体扩散层的均匀扩散，最终在催化层充分反应，实现电流密度的均匀分布，从而提高了燃料电池运行的稳定性。本专利技术进一步设置：所述流道宽度为0.5～1mm，所述流道深度为0.5～1mm，所述脊背宽度为0.5～1mm。通过采用上述技术方案，本流场的开孔率为50％左右，防止开孔率过高增加接触电阻及欧姆极化损失或开孔率过低降低反应物的反应速率。本专利技术进一步设置：所述分形流场还包括反应气出口，所述气体流道和所述反应气出口之间设置有出口过渡区，所述反应气出口设置于所述出口过渡区的外端。通过采用上述技术方案，在反应过程中气体流道内会产生积水，设置出口过渡区，缩短气体流道的长度，减少气体流道内积水的可能性，同时出口过渡区与各流道相连通且阻力小于气体流道内，更便于向反应气出口排出积水，增强排水性能。本专利技术进一步设置：所述第一流道和第二流道分别呈同心圆设置，所述第一流道和第二流道的圆心对称设置，所述第一流道的两端和第二流道的两端分别交错形成交错区，所述入口过渡区和所述出口过渡区分别设置于所述第一流道和第二流道之间的交错区。通过采用上述技术方案，采用同心设置，使电流密度更加均匀，所述第一流道和第二流道的圆心对称设置，有利于气体在流场中的均匀分布，从而使得整体燃料电池的电化学性能得以提升；同时所述入口过渡区和所述出口过渡区分别设置于所述第一流道和第二流道之间的交错区也可以减少双极板气体进、出口间的压力差，有利于气体在流场中的均匀分配；流道采用圆弧形，无明显拐角，不会阻碍流体进入。本专利技术进一步设置：所述气体流道包括多个支气流道，所述支气流道的脊背上设置有脊点，所述脊点设置于所述支气流道之间的最宽处的两侧，各个支气流道的脊点构成脊轴，所述脊轴设置于所述第一流道和第二流道的对称轴的垂直方向，所述脊轴与所述对称轴的交点为分形流场中心点，相邻脊点之间的间距相等。通过采用上述技术方案，多流道设置，通过适当的压降增强有效面积内气体对流与扩散能力，均匀分配反应气体到各分支流道，使反应气体能够均匀的分布在反应流场，从而提升电池的性能，脊点圆弧平滑，具有减少流体流动的阻力的效果。本专利技术进一步设置：所述支气流道包括进气流道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，包括双极板本体，其特征在于：所述双极板本体上设置有分形流场，所述分形流场包括反应气进口和气体流道，所述气体流道和所述反应气进口之间设置有入口过渡区，所述反应气进口设置于所述入口过渡区外端，所述气体流道包括第一流道和第二流道，以分形流场中心点为对称中心，所述第一流道和所述第二流道对称设置。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，包括双极板本体，其特征在于：所述双极板本体上设置有分形流场，所述分形流场包括反应气进口和气体流道，所述气体流道和所述反应气进口之间设置有入口过渡区，所述反应气进口设置于所述入口过渡区外端，所述气体流道包括第一流道和第二流道，以分形流场中心点为对称中心，所述第一流道和所述第二流道对称设置。


2.根据权利要求1所述的一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，其特征在于：所述流道宽度为0.5～1mm，所述流道深度为0.5～1mm，所述脊背宽度为0.5～1mm。


3.根据权利要求1所述的一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，其特征在于：所述分形流场还包括反应气出口，所述气体流道和所述反应气出口之间设置有出口过渡区，所述反应气出口设置于所述出口过渡区的外端。


4.根据权利要求3所述的一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，其特征在于：所述第一流道和第二流道分别呈同心圆设置，所述第一流道和第二流道的圆心对称设置，所述第一流道的两端和第二流道的两端分别交错形成交错区，所述入口过渡区和所述出口过渡区分别设置于所述第一流道和第二流道之间的交错区。


5.根据权利要求3所述的一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，其特征在于：所述气体流道包括多个支气流道，所述支气流道的脊背上设置有脊点，所述脊点设置于所述支气流道之间的最宽处的两侧，各个支气流道的脊点构成脊轴，所述脊轴设置于所述第一流道和第二流道的对称轴的垂直方向，所述脊轴与所述对称轴的交点为分形流场中心点，相邻脊点之间的间距相等。


6.根据权利要求5所述的一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，其特征在于：所述支气流道包括进气流道和出气流道，所述流道与所述入口过渡区相连通，所述进气流道与所述出口过渡区相隔断，所述出气流...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，陈宗汪，黄鹏奕，李卓原，杨林，吴明格，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33