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流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

综上所述，为克服现有技术的不足，本发明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，本发明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。

本发明进一步设置：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。

本发明进一步设置：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。

本发明进一步设置：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。

本发明进一步设置：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。

本发明进一步设置：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°。

通过采用上述技术方案，有效提高气体传输有效面积和提高水分排出效率；其次，单个三维单元体呈六边形排列流场设计，使反应气体向脊背沟槽方向流动，提高气体传质过程，并通过迫使水分通过脊背沟槽进入三维单元体内而不影响沟槽中气体的传输，实现气体和水分的分开传输，有效降低燃料电池在长时运行过程中发生“水淹”现象的概率。

一种用于制备高性能三维流场结构的燃料电池双极板的制备方法，它包括如下步骤，步骤1，模型构建，采用三维软件进行复杂仿生学结构流道的建模，完成仿生结构流道极板的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，用超声波清洗机对该双极板进行超声波清洗。

通过采用上述技术方案，将成形室成形平台预热至60-80℃，降低加工件温度梯度减小加工内应力；通入惰性气氛，并检测氧气含量低于0.05%，防止出现加工氧化现象；设置每层铺粉厚度为20μm。

本发明进一步设置：所述步骤4包括如下步骤：步骤41，进行双极板加工；步骤42，进行流道和流道脊背的精细抛光。

通过采用上述技术方案，考虑到结构几何尺寸不同故将抛光工序分为两步进行。

本发明进一步设置：所述步骤41中，双极板加工的激光功率为120-195w，激光扫描速度为1000-1150mm/s，扫描间距为0.07-0.13mm，扫描策略为逐层53°-60°旋转的crosshatching扫描策略。

通过采用上述技术方案，该参数可以减小基板的加工温度梯度，达到降低内应力的效果，可达到较高的表面光洁度；扫描策略为逐层60°旋转的crosshatching扫描策略，这可以大程度上减少相邻层之间的激光扫描矢量重合，提高加工成形尺寸精度；每加工一层（层厚20μm），扫描角度旋转60°，其他关键参数不变；由于流道的加工结构几何尺寸较小，能量相对较大，在旋转60°后，矢量方向的能量重叠较大，系统会做出高度方向自动补偿的动作，以满足成形该双极板几何尺寸精度的要求。

本发明进一步设置：所述步骤42中，精细抛光基板采用平顶光束光纤红外连续激光，激光功率为300-1000w，光斑大小为0.08-0.15mm，扫描路径绕仿生结构流道外圈向基板边缘逐圈循环扫描；3d流道结构的精细抛光采用高斯光束光纤绿脉冲激光，激光功率为50-100w，光斑直径为20-35μm，激光频率为200-400khz，扫描速度为300-800mm/s。

通过采用上述技术方案，较大的功率与较小的间距可以减小加工球化现象；精细抛光的扫描间距根据光斑尺寸而定，确保每个路径正好相切，无漏抛光区域；精细抛光中，低的扫描速度与高的频率可以实现较大的光斑搭接率，这样可以有效去除加工飞溅的残留颗粒，达到平整脊背的作用。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1）可以制备任意复杂形状的流道，而且进行双极板仿生复杂流场表面功能化、工程化工艺简单，可靠性高。

2）可实现薄基板的双极板、薄流道壁的双极板的制备，大大增加了电池的体积比功率。

3）采用选区激光熔化技术和激光抛光技术复合制备高性能三维流场结构的燃料电池双极板，突破传统加工方法对复杂结构难加工的壁垒，加工工艺简单，加工精度高，加工质量高，可实现任意复杂结构的加工，可有效提高流道表面质量及流道性能。

4）致密度可达到近乎100%，尺寸精度达20－50微米，表面粗糙度达20－30微米，质量精度高，成形成本低，工艺简单，耗材小，更环保。

5）不仅可以适用于大型流场还可用于制造微型流场，实用性更强。

6）实现了三维复杂共形共性流场结构与基体的一体化快速加工，提高了制备效率。

7）合理利用流道脊背的空间，提高电池性能。

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例的三维结构示意图；

图2为图1的a部放大图；

图3为图1的b部放大图；

图4为本发明实施例的基板激光抛光路扫描路径；

图5为本发明实施例的流道脊背激光精细抛光扫描路径；

图6为本发明实施例的工艺流程图。

附图标记：1.基板，11.三维流场，2.反应气进口，3.反应气出口，4.脊背，41.三维单元体，411.脊背垂面，412.脊背斜面，4121.脊背沟槽，413.脊背顶面，4131.开口，42.沟槽，5.流道。

具体实施方式

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

参见附图1-6，本发明技术方案公开的一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，包括基板1，所述基板1上设置有三维流场11，所述三维流场11包括反应气进口2、反应气出口3和若干条脊背4，所述脊背4设置于所述反应气进口2与所述反应气出口3之间，所述脊背4之间形成流道5，每条脊背4包括多个相连的共形共性的三维单元体41，所述三维单元体41中空设置，相邻相连的三维单元体41之间设置有沟槽42。

本实施例进一步设置：所述三维单元体41包括脊背垂面411、脊背斜面412和脊背顶面413，所述脊背垂面411与流道底面相连，所述脊背垂面411之间互成一定角度相连，所述脊背斜面412一端与所述脊背垂面411相连，另一端与所述脊背顶面413相连，所述脊背斜面412与流道底面存在倾斜夹角，所述脊背顶面413设置有用于使生成水进入三维单元体41内部的开口4131。

本实施例进一步设置：每个三维单元体41对应与其相邻的三维单元体41的脊背斜面412皆设置有脊背沟槽4121。

本实施例进一步设置：所述脊背斜面412与流道底面之间的倾斜角度为30°-60°。

本实施例进一步设置：所述脊背垂面411之间的连接处设有倒角且在流道方向上呈波浪形。

本实施例进一步设置：每个三维单元体41的相邻两个脊背斜面412在水平面的投影角度为120°。

本发明技术方案中，三维单元体可采用六边形、八边形、矩形或三角形等不同的形状，考虑气流阻力，三维单元体可优选为六边形（相邻两个脊背斜面412在水平面的投影角度为120°），让气流在沟槽内更顺利的传输，使得整个燃料电池气体的反应部分更加充分，更加高效。

一种用于制备高性能三维流场结构的燃料电池双极板的方法，它包括如下步骤，步骤1，模型构建，采用三维软件进行复杂仿生学结构流道的建模，完成仿生结构流道极板的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，将成形室成形平台预热至60-80℃，通入惰性气氛，并检测氧气含量低于0.05%，设置每层铺粉厚度为20μm；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，用超声波清洗机对该双极板进行超声波清洗。

本实施例进一步设置：所述步骤4包括如下步骤：步骤41，进行双极板加工；步骤42，进行流道和流道脊背4的精细抛光。

本实施例进一步设置：所述步骤41中，基板1加工的激光功率为135w，激光扫描速度为1083mm/s，扫描间距为0.07mm，扫描策略为逐层60°旋转的crosshatching扫描策略；仿生结构流道加工，激光功率为195w，激光扫描速度为1083mm/s，扫描间距为0.05mm，扫描策略为逐层60°旋转的crosshatching扫描策略。

本实施例进一步设置：所述步骤42中，精细抛光基板1采用平顶光束光纤红外连续激光，激光功率为300-1000w，光斑大小为0.08-0.15mm，扫描路径绕仿生结构流道外圈向基板1边缘逐圈循环扫描；3d流道结构的精细抛光采用高斯光束光纤绿脉冲激光，激光功率为50-100w，光斑直径为30μm，激光频率为400khz，扫描速度为500mm/s。

使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。