一种具备主动排水表面的仿生双极板及其实现方法

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种具备主动排水表面的仿生双极板及其实现方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是新能源研究的焦点之一，因为其结构简单、零排放、快速启动、低噪声、高功率密度等优点，有望应用于新能源汽车、临时供电装置等领域。一般质子交换膜燃料电池包括膜电极、阴极和阳极双极板、垫片和端板，膜电极位于中间，阴极双极板和阳极双极板分别位于膜电极的两侧，膜电极包括质子交换膜、催化层和气体扩散层，质子交换膜位于中间，质子交换膜的两侧分别设置一层催化层和气体扩散层，膜电极和双极板的性能均会影响电池的功率输出。电池内部水的平衡是影响膜电极和双极板性能的主要因素之一，其以水蒸气和液态水两种形式贯穿在质子交换膜燃料电池在工作过程中。在电池工作温度和压力下，水作为产物源源不断的生成在电池阴极处，充斥在催化层和扩散层处。如果不及时将多余的液态水排出，水分会积聚在扩散层表面进而将流道堵塞，降低电池的传质效率；与此同时多余的水分还会积聚在催化剂层表面，产生阴极“水淹”现象，降低催化剂的性能和利用率，进而降低电池寿命，特别是在高功率密度下，“水淹”风险更甚。因此，质子交换膜燃料电池的水管理问题一直是限制其寿命和性能发挥的关键问题之一。

2、改善燃料电池双极板的排水措施是维持燃料电池内部水平衡的重要手段之一。近年来，改善燃料电池双极板的排水措施主要有以下三个方面：1.改变极板的工作压力和温度，如增加运行压力将水排出，提高运行温度将水蒸发成比液态水更容易去除的水蒸气。很显然，温度和压力的一味求高，会难以保障电池的安全运行。2.优化极板的流场结构，如设计使反应气体和产物水分布更均匀的仿生流场、复合流场，或是采用不具备脊、死角等结构的金属泡沫流场，二者都能减少流场下游水汽的聚集和凝析，促进极板的排水，但复杂结构的制备及泡沫金属材料的选用都大幅提高了成本，这限制了商业应用。3.建立流道壁面运水功能表面，基于化学润湿性梯度、微结构梯度等原理，通过气相沉积、电镀、光刻等技术，在极板流道壁面构建具有上述梯度的涂层或图案化壁面，在梯度差的作用下实现壁面水滴的定向运移及排出。但这种处理方式仍具有明显缺陷，单单依靠微结构的被动运输实现的运水效率不高，长时间的工作后，体积较小的水蒸气附着在微结构上还会降低润湿性的梯度差。而且目前在极板壁面建立的运水功能表面功能单一化、缺乏时变性，电池内部主要的排水动力还是流道内高速气体的吹扫，如果过于追求疏水就会导致电池膜电极干涸的现象发生，即不能根据电池内部的水环境做出适应性改变。

3、纤毛清除是生物体内一种重要的先天防御机制，用于消除吸入传导气道中的颗粒和细菌。其结构基础由呼吸道上皮纤毛和气道表面粘液组成，粘液覆盖在呼吸道上皮表面并浸没过纤毛顶端。在生物体呼吸道有异物时，生物体神经中枢会传输信号给呼吸道纤毛处的神经，纤毛在生物体神经的支配下发生收缩、弯曲，与纤毛紧密接触的粘液受到纤毛弯曲作用的力同时发生形变，表现为在粘液与异物之间形成一个可以运输异物的波动界面，异物和粘液因为物相的差异彼此分割，在神经的不断支配下，这个波动界面完成定向的移动，进而这个波动托着异物实现定向的排除。对于人类来说，呼吸道中纤毛的同步波动有助于将呼吸道中的粘性液体抽离肺部同时也将其他脏东西和粒子排出体外。

技术实现思路

1、为了解决质子交换膜燃料电池水管理技术中存在的问题，本发明提出了一种具备主动排水表面的仿生双极板及其实现方法。

2、本发明的一个目的在于提出一种具备主动排水表面的仿生双极板。

3、本发明的具备主动排水表面的仿生双极板包括：双极板主体、支撑纤毛结构、两相界面薄膜、电磁铁阵列以及延时控制电路；其中，

4、双极板主体为平板状，面向气体扩散层的表面为前表面，双极板主体的前表面加工有多条互相平行的流道构成水平流场；在水平流场的一端设置有气体进口，在水平流场的另一端设置有气体出口，反应气体由气体进口进入途径水平流场后从气体出口排出，反应气体从气体进口至气体出口的方向为气流吹扫方向，气流吹扫方向平行于流道；流道的底表面平行于双极板主体的表面，流道的侧壁垂直于双极板主体的表面；

5、在每一条流道的底表面设置有支撑纤毛结构；支撑纤毛结构包括基底和支撑纤毛阵列，基底的水平尺寸与流道的底表面一致，基底的下表面粘接在流道的底表面，在基底的上表面具有与其连接为一体的多根均匀分布的支撑纤毛构成的支撑纤毛阵列，支撑纤毛的方向垂直于流道的底表面；每一根支撑纤毛采用掺入微纳米磁性粒子的弹性聚合物，微纳米磁性粒子位于支撑纤毛的内部和顶端；平行于气流吹扫方向为支撑纤毛阵列的行，垂直于气流吹扫方向为支撑纤毛阵列的列，列间距为行间距的整数倍，以保证纤毛弯曲形成的波动的定向稳定性；

6、在支撑纤毛阵列的顶端设置有两相界面薄膜；两相界面薄膜采用高弹性且高疏水性材料；两相界面薄膜的边缘与流道的侧壁密封连接；在电磁铁阵列不通电的情况下，两相界面薄膜与流道的底表面平行；位于两相界面薄膜表面的液态水不能通过薄膜渗透到薄膜下部，从而实现液态水的无损运输；

7、在双极板主体的后表面设置有电磁铁阵列；电磁铁阵列包括多个沿气流吹扫方向一维排布的电磁铁，每一个电磁铁的方向平行于气流吹扫方向，每个电磁铁通过导线连接至延时控制电路，电磁铁通电后产生的磁场方向与支撑纤毛的方向垂直；

8、燃料电池工作时，反应气体从气体进口进入燃料电池，发生电化学反应，电化学反应生成的液态水在水平流场内且位于两相界面薄膜的表面流动；反应气体在水平流场内流动对液态水进行气流吹扫，在为燃料电池反应提供反应物的同时也对水平流场进行液态水的辅助清除；通过燃料电池测试仪测试出燃料电池的输出电压，如果燃料电池的输出电压低于阈值，说明燃料电池内部的水平衡出现了异常，即当前燃料电池内部的排水速率不能达到要求，需要提高排水速率；通过延时控制电路为电磁铁阵列通电，沿气流吹扫方向为距离气流进口处最近的电磁铁到距离气流进口处最远的电磁铁依次通断电，从而在水平流场上沿着气流吹扫方向依次产生磁场，且在两相界面薄膜表面的磁场方向与支撑纤毛的方向垂直，实现磁场沿着气流吹扫方向周期性定向移动形成移动磁场；支撑纤毛内部和顶部的微纳米磁性粒子对磁场做出磁响应，即受到磁场的作用发生位移，带动整根支撑纤毛发生弹性形变，支撑纤毛的弯曲带动顶端的两相界面薄膜发生弹性形变使得与通电的电磁铁相对应位置处的两相界面薄膜呈现出凹形结构，液态水被集中在凹形结构中；由于移动磁场沿着气流吹扫方向周期性定向移动，造成支撑纤毛沿着气流吹扫方向周期性定向弯曲，使得两相界面薄膜呈现的凹形结构随着磁场的定向移动而定向移动形成定向波，从而液态水随着凹形结构的定向波定向移动，并且两相界面薄膜具有疏水特性，使得液态水无损失的被凹形结构托举进行定向排出；排水速率与两相界面薄膜波动产生凹形结构的移动速率一致，凹形结构的移动速率由磁场的定向移动速率决定；磁场的定向移动速率由延时控制电路的延时周期决定，通过调整延时控制电路的延时周期来实时调控排水速率，延时周期越短，排水速率越快。

9、固化时不需要固化剂的弹性聚合物采用热塑性聚酯弹性体或苯乙烯类热塑性弹性体；固化时需要固化剂的弹性聚合物包括聚合物前聚体和固化剂，聚合物前聚体采用聚二甲基硅氧烷前聚体、液态硅橡胶和聚醚多元醇中的一种，相应的固化剂采用聚二甲基硅氧烷固化剂、硅橡胶固化剂和异氰酸酯中的一种。微纳米磁性粒子的尺寸为200nm～5μm；采用具有磁性的羰基铁粉末、羰基钴粉末、钕铁硼粉末和四氧化三铁粉末中的一种或多种。支撑纤毛的形状为柱状，高度为0.5～2mm，纤毛的高度需要低于流道高度的1.5～3.1mm；直径为0.05～0.2mm；支撑纤毛阵列的行间距为2～4倍的纤毛直径尺寸；列间距为4～6倍的纤毛直径尺寸。支撑纤毛阵列的列间距为行间距的2～4倍。两相界面薄膜的厚度为100～300μm，粘结层厚度150～300μm，支撑纤毛结构的基底250～500μm，两相界面薄膜的上表面与双极板主体的上表面之间的距离为1～2mm，这部分为实际的水流动空间。

10、本发明的另一个目的在于提出一种具备主动排水表面的仿生双极板的实现方法。

11、本发明的具备主动排水表面的仿生双极板的实现方法，包括以下步骤：

12、1)制备支撑纤毛结构：

13、a)提供微孔阵列模具，微孔阵列模具具有二维周期性的柱状孔阵列；

14、b)对微孔阵列模具进行低表面能修饰，使得微孔阵列模具具有超双疏表面；

15、c)将微纳米磁性粒子掺入至待固化的弹性聚合物中，并混合均匀，然后真空去除气泡，获得混合胶体；

16、d)在微孔阵列模具的下方放置永久磁铁，将混合胶体浇注至微孔阵列模具的上表面，使得混合胶体进入至微孔阵列模具的柱状孔阵列中并覆盖微孔阵列模具的上表面，并且永久磁铁产生的磁场将混合胶体内的微纳米磁性粒子吸引至柱状孔阵列的底端，然后加热使混合胶体固化形成掺入有微纳米磁性粒子的弹性聚合物；

17、e)将微孔阵列模具冷却至室温，然后脱模，获得支撑纤毛结构，支撑纤毛结构包括基底和支撑纤毛阵列，在基底的上表面具有与其连接为一体的多根均匀分布的支撑纤毛构成的支撑纤毛阵列；

18、2)制备水平流场：

19、a)提供双极板主体，双极板主体为平板状，面向气体扩散层的表面为前表面；

20、b)在双极板主体的前表面加工出多条互相平行的流道构成水平流场；在水平流场的一端开设气体进口，在水平流场的另一端开设气体出口；流道的底表面平行于双极板主体的表面，流道的侧壁垂直于双极板主体的表面；

21、c)对流道表面进行光滑处理；

22、3)采用粘结剂将支撑纤毛结构的基底的下表面粘贴在每一条流道的底表面；

23、4)提供两相界面薄膜，两相界面薄膜的宽度大于流道的宽度，两相界面薄膜通过粘接剂粘贴在支撑纤毛阵列的顶端，两相界面薄膜的两侧宽于流道的边缘通过粘接剂与流道的侧壁密封粘贴；

24、5)将多个电磁铁沿气流吹扫方向一维排布在双极板主体的后表面，构成电磁铁阵列，每个电磁铁通过导线连接至延时控制电路，电磁铁通电后产生的磁场方向与支撑纤毛的方向一致；

25、6)燃料电池工作时，反应气体从气体进口进入燃料电池，发生电化学反应，电化学反应生成的液态水在水平流场内且位于两相界面薄膜的表面流动；反应气体在水平流场内流动对液态水进行气流吹扫，在为燃料电池反应提供反应物的同时也对水平流场进行液态水的辅助清除；

26、7)通过燃料电池测试仪测试出燃料电池的输出电压，如果燃料电池的输出电压低于阈值，说明燃料电池内部的水平衡出现了异常，即当前燃料电池内部的排水速率不能达到要求，需要提高排水速率；通过延时控制电路为电磁铁阵列通电，沿气流吹扫方向为距离气流进口处最近的电磁铁到距离气流进口处最远的电磁铁依次通断电，从而在水平流场上沿着气流吹扫方向依次产生磁场，且在两相界面薄膜表面的磁场方向与支撑纤毛的方向垂直，实现磁场沿着气流吹扫方向周期性定向移动形成移动磁场；

27、8)支撑纤毛内部和顶部的微纳米磁性粒子对磁场做出磁响应，即受到磁场的作用发生位移，带动整根支撑纤毛发生弹性形变，支撑纤毛的弯曲带动顶端的两相界面薄膜发生弹性形变呈现出凹形结构，液态水被集中在凹形结构中；由于移动磁场沿着气流吹扫方向周期性定向移动，造成支撑纤毛沿着气流吹扫方向周期性定向弯曲，使得两相界面薄膜呈现的凹形结构会随着磁场的定向移动而定向移动形成定向波，从而液态水随着凹形结构的定向波定向移动，并且两相界面薄膜具有疏水特性，使得液态水无损失的被凹形结构托举进行定向排出；

28、9)进一步，排水速率与两相界面薄膜波动产生凹形结构的移动速率一致，凹形结构的移动速率由磁场定向移动的速率决定；磁场的定向移动速率由延时控制电路的延时周期决定，通过调整延时控制电路的延时周期来实时调控排水速率，延时周期越短，排水速率越快。

29、其中，在步骤1)的a)中，微孔阵列模具采用铝板、铜板、铝合金板、不锈钢板中的一种。

30、在步骤1)的c)中，微纳米磁性粒子的质量比30～50wt％；混合均匀后放入真空干燥箱保持真空状态30～60min去气泡。固化时不需要固化剂的弹性聚合物采用热塑性聚酯弹性体或苯乙烯类热塑性弹性体；固化时需要固化剂的弹性聚合物包括聚合物前聚体和固化剂，聚合物前聚体采用聚二甲基硅氧烷前聚体、液态硅橡胶和聚醚多元醇中的一种，相应的固化剂采用聚二甲基硅氧烷固化剂、硅橡胶固化剂和异氰酸酯中的一种。

31、在步骤1)的d)中，将微孔阵列模具置于真空干燥箱中真空状态保持30～60min脱气泡，加热至60～80℃，保持3～6h使其固化。

32、在步骤1)的e)中，支撑纤毛结构的基底的厚度为250～500μm。

33、在步骤2)的a中，双极板主体的材料采用石墨、模压炭材料、膨胀石墨、铝和钛中的一种。

34、在步骤3)中，粘结剂具有耐水性，且耐80～100℃的高温，粘结剂采用聚偏氟乙烯粘结剂、聚丙烯酸粘结剂、环氧树脂粘结剂、酚醛树脂粘结剂和三聚氰胺树脂粘结剂中的一种。

35、在步骤4)中，两相界面薄膜具有耐水性和高弹性，采用商业化聚四氟乙烯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、聚偏二氟乙烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜和热塑性聚氨酯弹性体橡胶薄膜中的一种。

36、在步骤7)中，输出电压的阈值为0.5～1v。

37、在步骤8)中，延时控制电路能够调控延时周期，电磁铁阵列作为电路的负载，各个电磁铁按照设定的延时周期依次通断电，通电0.5～1s时间后断电，然后按照设定的延时时间为下一个电磁铁通电，单一电磁铁的磁感应强度为0.5t～2t，延时时间为0.5～2s。通电时间与延时时间之和构成延时周期。

38、本发明的具备主动排水表面的仿生双极板作为燃料电池的阴极或阳极双极板。

39、本发明的优点：

40、本发明受大自然生物体机能的启发，将人体呼吸道上皮纤毛受神经支配弯曲，带动附着的粘液层形成波动，进而实现异物的定向运输这一特性机理的表面加工在双极板的流道内，使其具备如下两种特性：1.构建高弹性、时效久的两相界面薄膜，在支撑两相界面薄膜的纤毛发生弯曲时，两相界面薄膜快速响应形成定向波，对双极板内部的液态水进行高速率且无损失的定向运输；2.构建响应快的支撑纤毛结构，依据外界电池输出性能的异常，进行实时可调控的双极板促排水；因此，基于人体呼吸道上皮纤毛结构，设计一种仿生燃料电池双极板的表面结构，在双极板一侧存在可编程的电磁铁阵列，支撑纤毛结构能发生磁响应弯曲，改变两相界面薄膜的波动状态，进而改变液态水的流动，及时将冗余的液态水排出，提高双极板排水效率优化了双极板的传质，在保证燃料电池正常工作的同时，进一步提高了燃料电池的输出功率。