一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板与制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，包括基板，所述基板上设置有三维流场，所述三维流场包括反应气进口、反应气出口和若干条脊背，所述脊背设置于所述反应气进口与所述反应气出口之间，所述脊背之间形成流道，每条脊背包括多个相连的共形共性的三维单元体，所述三维单元体中空设置，相邻相连的三维单元体之间设置有沟槽。该双极板实现燃料气体与反应产物水的有效分离，以及均匀分布，并有效解决水淹与传热传质特性差的问题。用于制备该类高性能三维流场结构的燃料电池双极板的方法，通过选区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。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板与制备方法
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池双极板，特别涉及一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板与制备方法与制备方法。
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。双极板的结构设计及其加工制备工艺已成为该类电池商业化的技术壁垒中不可忽视的关键技术。双极板结构设计重点在于双极板流场结构设计、加工质量和尺寸精度。双极板流场结构设计对气体均匀分布、排水、散热均具有重要影响，合理的结构设计是有效解决阴极水淹与优化传质传热特性的技术关键，而切实有效的制备工艺是保证结构加工制造的前提条件。流道的加工工艺直接影响流道传热传质特性与水气两相管理。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反应气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。目前，常用的流场结构主要为二维平面流场，例如蛇形流场、平行流场、交指型以及简单仿生学流场结构。存在严重的水淹、传质传热特性差等突出问题，严重影响电池的稳定性与转换效率。传统双极板设计中，燃料气体在流场槽中传输，并经过膜电极中气体扩散层扩散至催化层表面发生电化学反应而发电；发电过程中催化层表面产生的水分，首先经过膜电极的气体扩散层扩散到电极外表面，通过流场槽中气体的流动排出燃料电池；而现有的流场脊部不能传输气体，仅发挥传导电子的作用。在燃料电池长时间运行过程中，由于产生大量的水分，会造成燃料电池的“水淹”现象，“水淹”现象会阻碍气体的传质过程而严重影响燃料电池的发电过程。从而，目前需要通过改进双极板制备和流场设计，例如采用三维流场结构，达到进一步增加燃料气体的有效传输面积、增强气体的传质过程、防止燃料电池的“水淹”现象，以及提高燃料电池发电性能和运行稳定性的目的。但目前金属双极板主要为采用传统车铣、电火花加工、化学腐蚀等方法加工，而采用传统加工方法，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，且采用三维流场结构，传统加工方法逐渐不能满足结构复杂、高尺寸精度、高加工质量的要求。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。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。选区激光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，有利于解决现有三维复杂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、热的管理能力的高性能三维流场结构的燃料电池双极板。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，包括基板，所述基板上设置有三维流场，所述三维流场包括反应气进口、反应气出口和若干条脊背，所述脊背设置于所述反应气进口与所述反应气出口之间，所述脊背之间形成流道，每条脊背包括多个相连的共形共性的三维单元体，所述三维单元体中空设置，相邻相连的三维单元体之间设置有沟槽。通过采用上述技术方案，三维单元体中空设置，该空间可以实现储水储气的功能，合理利用流道脊背的空间，扩大气体流道与气体扩散层的接触面积，即提高流场的开孔率（气体流道的面积占双极板总面积的比率），使更多的气体能够参与到燃料电池的工作中，从而显著增强传质与导电特性；三维单元体具有储水分离气体的功能，不但可以有效实现与质子膜的有效水合，而且三维单元体沟槽还具有增强气体对流的作用，大幅度提高燃料气体反应效率与转换效率；三维流场合理利用流道厚度方向，实现燃料气体与反应产物水的有效分离，以及均匀分布，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，并有效解决水淹与传热传质特性差的问题。本专利技术进一步设置：所述三维单元体包括脊背垂面、脊背斜面和脊背顶面，所述脊背垂面与流道底面相连，所述脊背垂面之间互成一定角度相连，所述脊背斜面一端与所述脊背垂面相连，另一端与所述脊背顶面相连，所述脊背斜面与流道底面存在倾斜夹角，所述脊背顶面设置有用于使生成水进入三维单元体内部的开口。通过采用上述技术方案，脊背斜面可以增强反应气体在沟槽和镂空中部之间的对流，增强传质能力；脊背顶面与扩散层（GDL）接触，增加接触面积，提高活化能力，进一步提升导电特性。本专利技术进一步设置：每个三维单元体对应与其相邻的三维单元体的脊背斜面皆设置有脊背沟槽。通过采用上述技术方案，可以增强反应气体的对流，增强传质能力，同时脊背沟槽还可以为生成水（反应后产生的水）提供排出流道，具有主动排水功能。本专利技术进一步设置：所述脊背斜面与流道底面之间的倾斜角度为30°-60°。通过采用上述技术方案，增强反应气体的对流的效果最佳。本专利技术进一步设置：所述脊背垂面之间的连接处设有倒角且在流道方向上呈波浪形。通过采用上述技术方案，起到支撑单元作用，同时流道采用圆弧形，无明显拐角，可以防止生成水在拐角累积，发生“水淹”现象，并加强气体流动，促进气体将水分挤入每个三维单元内，实现储水储气的关键作用。本专利技术进一步设置：每个三维单元体的相邻两个脊背斜面在水平面的投影角度为120°。通过采用上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，包括基板，其特征在于：所述基板上设置有三维流场，所述三维流场包括反应气进口、反应气出口和若干条脊背，所述脊背设置于所述反应气进口与所述反应气出口之间，所述脊背之间形成流道，每条脊背包括多个相连的共形共性的三维单元体，所述三维单元体中空设置，相邻相连的三维单元体之间设置有沟槽。/n

【技术特征摘要】
1.一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，包括基板，其特征在于：所述基板上设置有三维流场，所述三维流场包括反应气进口、反应气出口和若干条脊背，所述脊背设置于所述反应气进口与所述反应气出口之间，所述脊背之间形成流道，每条脊背包括多个相连的共形共性的三维单元体，所述三维单元体中空设置，相邻相连的三维单元体之间设置有沟槽。


2.根据权利要求1所述的一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，其特征在于：所述三维单元体包括脊背垂面、脊背斜面和脊背顶面，所述脊背垂面与流道底面相连，所述脊背垂面之间互成一定角度相连，所述脊背斜面一端与所述脊背垂面相连，另一端与所述脊背顶面相连，所述脊背斜面与流道底面存在倾斜夹角，所述脊背顶面设置有用于使生成水进入三维单元体内部的开口。


3.根据权利要求2所述的一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，其特征在于：每个三维单元体对应与其相邻的三维单元体的脊背斜面皆设置有脊背沟槽。


4.根据权利要求2所述的一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，其特征在于：所述脊背斜面与流道底面之间的倾斜角度为30°-60°。


5.根据权利要求2所述的一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，其特征在于：所述脊背垂面之间的连接处设有倒角且在流道方向上呈波浪形。


6.根据权利要求2所述的一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，其特征在于：每个三维单元体的相邻两个脊背斜面在水平面的投影角度为120°。


7.一种用于制备如权利要求1至6中任意一项所述的高性能三维流场结构...

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