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基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场及燃料电池制造技术

技术编号:40876758 阅读:6 留言:0更新日期:2024-04-08 16:46
本发明专利技术公开了基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场及燃料电池,应用于质子交换膜燃料电池,所述流场为含有泡沫气孔的金属多孔材料制成,所述金属多孔材料经激光处理后表面亲疏水性呈图案化分布,经激光处理后的区域呈亲水性,未经激光处理的区域呈疏水性,且亲水区和疏水区交替分布。本发明专利技术改变了利用亲疏水材料涂层进行亲疏水性图案化处理的传统方法,从低成本、高效率和低碳环保等角度出发,使用激光对金属多孔材料进行表面改性,以制备亲疏水性图案化的多孔流场,从而将疏水区的气体通道和亲水区的水通道分开,改善电池内部传质,提高电池输出性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于质子交换膜燃料电池,具体涉及基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场及燃料电池


技术介绍

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)是利用电化学反应直接将化学能转化为电能的一种发电装置,因此不受限于卡诺循环且发电效率高。且由于电化学反应发电过程中无硫氧、氮氧化物生成,因而该发电技术被认为是最绿色清洁环保的可循环发电技术。

2、流场作为pemfc的关键部件,承担着分配气体、输送产物等重要功能。合理的流场设计可以促进电池内部传质,增强电池排水能力,提高电化学反应速率。

3、质子交换膜燃料电池的阴极产物是水,水先后通过多孔催化层、气体扩散层,最后进入到流道而被排出。若流场内的水产物未能及时有效脱离和排出,将会直接影响反应物的分布和供给,进而导致电池性能下降。因此流场水管理能力对电池的性能影响尤为重要。目前针对流场的水管理能力而对流道进行研究改进主要有:改变流道的大小和形状;对流道表面进行亲疏水性处理,包括流道疏水性处理、多孔金属流场疏水性改性。

4、其中,在多孔流场设计中,疏水处理是一种有效的水管理策略,可以促进流场水的排放,减少水的覆盖率;但是亲水性处理同样也可提高电池的水管理能力,该处理方法可有效去除疏水性gdl中的水分。

5、传统构造亲疏水表面的方法大多利用亲疏水材料涂层对表面进行包覆修饰。而加入的化学物质,如各类硅烷,成本高、污染环境且具有毒性。且由于涂层的不导电性,导致接触电阻增加。

6、另外,虽然现在也有一些基于激光技术对流场进行设计优化的,如专利cn201410173024.7利用激光刻蚀成形的方法在金属模板上直接成形微流道、再如专利cn202010274848.9、cn202011097381.1以及cn202111482603.6利用激光熔化抛光技术在金属流场板上进行三维沟槽微流道的加工,以上专利方案殊途同归,均是利用激光熔化技术在原本的流场结构上进行不同形状微结构的再加工,并没有充分利用激光对材料表面改性的优势,且其是通过对结构构造本身进行加工,对流场水管理能力改善并不明显。


技术实现思路

1、为了提高流场的水管理能力,促进流场水的排放,减少水的覆盖率,改善电池的内部传质,提高传质效率,从而提高电池的输出性能,在不使用亲疏水材料涂层对表面进行包覆修饰的基础上,从低成本、高效率和低碳环保等角度出发,本专利技术公开了一种基于激光修饰的图案化亲疏水性多孔流场,利用激光热影响所带来对材料表面亲疏水改性的优势,对含有泡沫气孔的金属多孔材料进行亲疏水图案化处理,以此增强电池整体排水性能,且可以将其应用于燃料电池流场,以利于增强流场的水管理能力。

2、为了实现本专利技术目的,本专利技术提供的一种基于激光修饰的图案化亲疏水性多孔流场,用于质子交换膜燃料电池阴极流场,所述流场为含有泡沫气孔的金属多孔材料制成,所述金属多孔材料经激光处理后表面呈图案化亲疏水性分布,经激光处理后的区域呈亲水性,未经激光处理的区域呈疏水性,且亲水区和疏水区交替分布。图案化亲疏水性流场将疏水区的气体通道和亲水区的水通道分开,利于排出气体扩散层中的产物水,降低催化层中的水饱合度,提高催化剂中催化剂位点氧浓度。且由于水管理能力的提升,利于降低氧气传输阻力,提高传质效率,从而利于提高电池的输出性能。

3、优选的,所述金属多孔结构为多孔泡沫铜,所述多孔泡沫铜的物理参数为:孔径95ppi、110ppi、130ppi等,长宽视实际需要而定,为1-4cm,厚度为0.5-1.5mm。

4、优选的,所述多孔泡沫铜结构在紫外激光打标机预先绘制好的填充图案及设定的打标参数下进行图案化激光处理。

5、进一步地,所绘制的图案为横向或纵向阵列式矩形、椭圆形或菱形中的任一种,矩形宽度、椭圆短轴长或菱形短对角线长为1-4mm,矩形长度、椭圆长轴或菱形长对角线长与多孔流场等长;所述阵列的图形间距为1-4mm。优选的,所述绘制的图案为横向或纵向阵列式矩形,所述矩形宽度为1-4mm,长度与多孔流场等长;所述阵列的图形间距为1-4mm。

6、优选的,填充参数为:填充线间距0.01-0.1mm,填充角度0-90度。

7、优选的,打标参数为:加工次数为1-8次,加工速度为400-800mm/s,加工电流为1-8a。

8、一种流场板,述流场板上设置有安装槽,前述亲疏水性图案化多孔流场设置在所述安装槽内。

9、进一步地,所述流场板为阴极流场板。

10、一种质子交换膜燃料电池,包括前述的流场板。

11、所述的流场板材料为导电碳材料石墨板,所述石墨板两侧加工有外径为5-8mm的螺纹孔,所述螺纹孔作为流场板的气体进出口。且由于气体进出口加工在流场板侧面,利于保证整体电池的气密性。

12、质子交换膜质子电池,包括第一亚克力端板、第一集电板,阴极石墨流场板、第一ptfe密封垫、膜电极组件、第二ptfe密封垫、阳极石墨流场板、第二集电板、第二亚克力端板、螺栓组,其特征在于:所述阴极石墨流场板中间加工有一个深度0.5-1.5mm的方形槽,用于放置图案化亲疏水性的多孔结构。

13、与现有技术相比,本专利技术具有如下有益效果:

14、从低成本、高效率和低碳环保等角度出发,本专利技术结合两种亲疏水改性方式的水管理作用机理,提出一种基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,将疏水区的气体通道和亲水区的水通道分开,从而改善电池内部传质,提高传质效率。

15、与传统利用化学药品制造的亲疏水材料涂层对表面进行包覆修饰相比,本专利技术利用传统的激光处理方式便可实现多孔材料的亲水性改性。且不同传统利用亲疏水材料制造的图案化亲疏水性流场,本专利技术利用激光来实现流场的图案化亲疏水性,简单又高效,低成本且低碳环保。而且,经过处理后的多孔流场,从性能看,明显优于未处理的多孔流场,从而间接说明改性后的流场确实可改善电池的水管理能力。

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【技术保护点】

1.一种基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:应用于质子交换膜燃料电池,所述流场为含有泡沫气孔的金属多孔材料制成,所述金属多孔材料经激光处理后表面亲疏水性呈图案化分布,经激光处理后的区域呈亲水性,未经激光处理的区域呈疏水性,且亲水区和疏水区交替分布。

2.根据权利要求1所述的基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:所述含有泡沫气孔的金属多孔材料为多孔泡沫铜。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:所述多孔泡沫铜的长宽均为1-4cm,厚度为0.5-1.5mm。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:所述金属多孔材料在紫外激光打标机预先绘制好的填充图案及设定的打标参数下进行图案化激光处理。

5.根据权利要求4所述的基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:所绘制的图案为横向或纵向阵列式矩形、椭圆形或菱形中的任一种,矩形宽度、椭圆短轴长或菱形短对角线长为1-4mm,矩形长度、椭圆长轴或菱形长对角线长与多孔流场等长。

6.根据权利要求4所述的基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:填充参数为:填充线间距0.01-0.1mm,填充角度0-90度。

7.根据权利要求4所述的基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:所述打标参数为:加工次数为1-8次,加工速度为400-800mm/s,加工电流为1-8A。

8.一种流场板,其特征在于:所述流场板上设置有安装槽,权利要求1-7任一所述的亲疏水性图案化多孔流场设置在所述安装槽内。

9.根据权利要求8所述的一种流场板,其特征在于:所述流场板为阴极流场板。

10.一种质子交换膜燃料电池,其特征在于:包括权利要求8所述的流场板。

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【技术特征摘要】

1.一种基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:应用于质子交换膜燃料电池,所述流场为含有泡沫气孔的金属多孔材料制成,所述金属多孔材料经激光处理后表面亲疏水性呈图案化分布,经激光处理后的区域呈亲水性,未经激光处理的区域呈疏水性,且亲水区和疏水区交替分布。

2.根据权利要求1所述的基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:所述含有泡沫气孔的金属多孔材料为多孔泡沫铜。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:所述多孔泡沫铜的长宽均为1-4cm,厚度为0.5-1.5mm。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流场,其特征在于:所述金属多孔材料在紫外激光打标机预先绘制好的填充图案及设定的打标参数下进行图案化激光处理。

5.根据权利要求4所述的基于激光修饰的亲疏水性图案化多孔流...

【专利技术属性】
技术研发人员:林镇河袁伟柯育智白亚峰张赛军李欣泽刘子昂王延刚汪辰啸
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:

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