一种具有水气分离功能的新型三维流场双极板与制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有水气分离功能的新型三维流场双极板，包括基板、安装定位孔、进气口和出气口，基板上设置有一体成型的三维流场，三维流场包括设置于基板上表面的外部流场和设置于外部流场下方的内部流场，内部流场包括与进气口相连通的进气通道和蛇形流场，蛇形流场包括气体流道与脊背，进气通道与气体流道相连通，外部流场对应气体流道的位置设置有多个反应气孔，反应气孔之间设置有排水通道，排水通道围绕反应气孔设置，排水通道与出气口相连通。该三维流场结构实现水气分离，提高电池输出性能及其使用寿命。选区激光熔化是用于制备该类三维复杂精细化流场的燃料电池双极板的最有效方法，可以制备任意复杂形状的流道，工艺简单可靠性高。艺简单可靠性高。艺简单可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
一种具有水气分离功能的新型三维流场双极板与制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池双极板，特别涉及一种具有水气分离功能的新型三维流场双极板与制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种通过电化学原理将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有洁净、高效和连续工作等特性。燃料电池种类多，对于水下舰艇、航体而言，最具有发展潜力的就是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。PEMFC重量轻、体积小、功率密度高的优点可扩大仓容，增强潜艇的灵活性和战斗力。此外，声特性不超过柴电推进装置，能够进行超安静运行。这些特性使得舰艇的隐蔽性大大提高，具有极强的”隐形”作战能力。
[0003]现阶段，制约质子交换膜燃料电池在水下舰艇和航体运用方面的因素有很多，其中质子交换膜燃料电池极板的流场结构设计以及流场制备工艺是质子交换膜燃料电池发展的瓶颈。极板的主要组成有基板和流场结构两大部分。传统流场结构设计主要为二维流场，例如蛇形流场、交指型流场、平行流场以及简单仿生流场结构。蛇形流场的突出的优点在于排水性好，从而避免水淹现象，但是其流道拐角数目多且长会造成较大的压降，造成电流在进口到出口之间的分布不均；交指型流场的不连续结构，气体被强制引导进扩散层中，大大提高气体利用率。但气体使被强制扩散，会产生较大的压降，气体流速过快会损伤气体扩散层，降低电池使用性能；平行流场进出气口之间的压降较小，但产生的水不能及时排出，易造成水淹现象；简单仿生流场特点在于使流体在整个活性反应面积分布均匀且停留时间较长，使反应物得到充分利用，燃料电池的电流密度分布更加均匀，但其分叉角度和分叉数量影响反应气体在流道内部的流动，反应气体在分叉区域的流动容易导致压降过大。而三维流场由于供气单元结构尺寸小，反应气体分布均匀而又充分的流动可以将电池产生的大部分热量带出等优势，使传质传热能力得到提高，显著提高燃料电池性能。因此，为了解决传统二维流场传质传热能力不足、电流密度低等问题，本专利提出一种三维封闭流场结构与制备方法，以满足水下舰艇和航体质子交换膜燃料电池的要求。

技术实现思路

[0004]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带有水气分离的新型三维流场双极板结构。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种具有水气分离功能的新型三维流场双极板，包括基板、安装定位孔、进气口和出气口，所述基板上设置有一体成型的三维流场，所述三维流场包括设置于基板上表面的外部流场和设置于外部流场下方的内部流场，所述内部流场包括与进气口相连通的进气通道和蛇形流场，所述蛇形流场包括气体流道与脊背，所述进气通道与气体流道相连通，所述外部流场对应气体流道的位置设置有多个反应气孔，反应气孔之间设置有排水通道，所述排水通道围绕反应气孔设置，所述排水通道与出气口相连通。
[0006]通过采用上述技术方案，外部流场设置排水通道具有主动排水能力，排水通道使外部流场反应产生的水分经排水通道排出而不影响气体流道中的气体传输，实现了气体和水分离，能够有效减少燃料电池在长时间运行过程中发生“水淹”的现象的概率，同时有利于储水，使膜电极的水合效果良好，降低电池工作温度，燃料电池工作温度70
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80度，加之金属极板散热快，探测不到，有利于水下舰艇和航体运用的隐蔽性；外部流场顶面能够充分和膜电极贴合，增强极板的活化面积，降低接触电阻从而提高电流密度；内部流场设置蛇形流场，极大改善流场结构和水空间分布，提高燃料的利用率，提高电池输出性能及其使用寿命；安装定位孔用于紧固燃料电池内部元件，使各个部件连为一体；相较于现有技术的二维蛇形流场，由于其流道拐角数目多且长，靠近反应气进口的流场区域会产生局部发热，而靠近反应气出口的流场区域由于压降不足，排水效果不高，产生局部积水，电池工作不稳定，效率不高，多个反应气孔连通气体流道与膜电极，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；三维流场一体成型，运行更加稳定，安装方便，同时节省材料。
[0007]本专利技术进一步设置：所述排水通道呈蛇形排布，所述排水通道与进气通道相连通，所述排水通道的宽度为0.2～0.5mm。
[0008]通过采用上述技术方案，单一流动路径能推动液态水的排出，本流场的开孔率为40
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50%，防止开孔率过高增加电池的欧姆极化损失或开孔率过低降低反应物的利用率。
[0009]本专利技术进一步设置：所述排水通道呈网格形分布，所述排水通道与进气通道不连通。
[0010]通过采用上述技术方案，排水通道呈网状分布无明显拐角，积水随重力沿排水通道多方向下流，可以防止生成水在拐角累积，发生“水淹”现象。
[0011]本专利技术进一步设置：所述排水通道包括设置于脊背上的纵向流道和与纵向通道垂直设置的横向流道，所述纵向流道与横向流道交叉设置，所述横向流道的宽度为0.2～0.5mm，所述纵向流道的宽度为0.2～0.5mm。
[0012]通过采用上述技术方案，极板工作时（竖放），进气口在上，出气口在下，利于在上部产生的水分流入下方的排水通道内，再通过排水通道流入出气口，所述排水通道包括纵向通道与横向流道，多路径排水，排水更流畅。
[0013]本专利技术进一步设置：所述排水通道的深度为0.1～0.4mm，所述气体流道的深度为0.8～1.2mm。
[0014]通过采用上述技术方案，排水通道的深度为0.1～0.4mm，能够及时有效的使上部产生的水流入排水通道内，而不会溢散到其它地方去。
[0015]本专利技术进一步设置：所述三维流场外周设置有用于放置密封件的密封槽。
[0016]通过采用上述技术方案，防止反应水溢流，另外起到密封作用，提高双极板的安全性与稳定性。
[0017]本实施例进一步设置：所述排水通道截面为U型。
[0018]通过采用上述技术方案，截面大，排水流量大，圆弧形，无明显拐角，可以防止生成水在拐角累积，同时平滑气体，使气体流通更顺畅本实施例进一步设置：所述排水通道截面为V型。
[0019]通过采用上述技术方案，截面小，排水流速快，可以防止生成水停留于排水通道内。
[0020]一种用于制备带有水气分离的新型三维流场双极板结构的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤，步骤1，模型构建，采用三维软件进行三维复杂精细化流场的建模，完成三维复杂精细化流场的3D建模，步骤2进行实体分层处理，再导入加工设备系统等待加工；步骤3，将成形室成形平台进行预热，通入惰性气氛，并检测氧气含量，设置每层铺粉厚度；步骤4，采用分层快速扫描方法，对粉末进行选区激光熔化技术和激光抛光技术复合制备，从而制得双极板；步骤5，采用磨床，砂轮以10
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20mm/min的进给速度对极板表面进行后处理。
[0021]通过采用上述技术方案，将成形室成形平台预热至60
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80℃，降低加工件温度梯度减小加工内应力；通入惰性气体，惰性气体纯度为99.99%，防止出现加工氧化现象；设置每层铺粉厚度可以依据激光加工工艺精度和加工金属本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有水气分离功能的新型三维流场双极板，包括基板、安装定位孔、进气口和出气口，其特征在于：所述基板上设置有一体成型的三维流场，所述三维流场包括设置于基板上表面的外部流场和设置于外部流场下方的内部流场，所述内部流场包括与进气口相连通的进气通道和蛇形流场，所述蛇形流场包括气体流道与脊背，所述进气通道与气体流道相连通，所述外部流场对应气体流道的位置设置有多个反应气孔，反应气孔之间设置有排水通道，所述排水通道围绕反应气孔设置，所述排水通道与出气口相连通。2.根据权利要求1所述的一种具有水气分离功能的新型三维流场双极板，其特征在于：所述排水通道呈蛇形排布，所述排水通道与进气通道相连通，所述排水通道的宽度为0.2～0.5mm。3.根据权利要求1所述的一种具有水气分离功能的新型三维流场双极板，其特征在于：所述排水通道呈网格形分布，所述排水通道与进气通道不连通。4.根据权利要求3所述的一种具有水气分离功能的新型三维流场双极板，其特征在于：所述排水通道包括设置于脊背上的纵向流道和与纵向通道垂直设置的横向流道，所述纵向流道与横向流道交叉设置，所述横向流道的宽度为0.2～0.5mm，所述纵向流道的宽度为0.2～0.5mm。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，丁鸿辉，黄鹏奕，潘泽龙，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：