一种基于泡沫金属的轻质自均温双极板及其制备方法与流程

本发明涉及电化学反应装置领域，尤其涉及一种基于泡沫金属的轻质自均温双极板及其制备方法。

背景技术：

能源短缺与环境保护是制约当代工业社会发展的两个重要问题。新能源及其技术的开发与利用是促进工业转型升级的一大课题，环境保护在能源利用中则体现为能源的清洁利用。电化学反应装置为解决能源清洁利用问题提供了一种新的思路。电化学反应装置包括以燃料电池为代表的供能装置和以液流电池为代表的储能装置两类。燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高达100％。由于燃料不经过燃烧，因此不会产生有害的气体或粉尘等难以控制的污染物。液流电池是一种可进行充放电操作的规模化蓄电储能装置，其能将化学能可逆的转化为电能。

燃料电池和液流电池结构相似，电池里本质上发生的都是氧化还原反应，燃料电池和液流电池的结构主要包括膜、催化剂、扩散层、双极板等关键结构，以及集流板、端板等部件。双极板主要起支撑、分配流体、集流等作用，是所述电化学反应装置中的核心部件。反应物及催化剂分布不均匀导致双极板上各处反应进行的差异，由此造成双极板上温度分布不均匀。催化剂或反应物浓度较高的区域，反应快，放出的热量多，造成局部过热。双极板上的温度分布不均、热量管控问题对燃料电池和液流电池的性能有较大影响，因此其中的热管理问题受到了广泛的研究。由于发生的电化学反应受温度影响，因此双极板温度分布不均匀又进一步加剧了燃料电池性能的恶化。

电化学反应装置中发生的电化学反应，在产生电能的同时产生热能，电能输出做功，热能向外耗散无法得到有效利用。一方面，双极板上积累的热量会导致电池温度升高，对热管理模块带来负荷；另一方面，热量不加以利用向环境直接排放会造成热污染及能量浪费的问题。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于泡沫金属的轻质自均温双极板及其制备方法，解决电化学反应装置局部过热的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于泡沫金属的轻质自均温双极板，包括板本体、外壳和泡沫金属；所述的外壳为板本体的外层结构，泡沫金属为板本体的内层结构，所述的外壳与泡沫金属为一体式连接，所述泡沫金属的空腔内填充有相变材料，外壳向上凸起形成空心的肋板，两个肋板之间形成下凹的流道，所述的流道与肋板间隔排列在板本体上。

进一步，所述外壳是泡沫金属表面经激光烧结而形成。

进一步，所述外壳和泡沫金属采用具有高导热系数的铜、铝或合金材料。

进一步，所述泡沫金属的孔隙率为0.50～0.95，气孔孔径为0.5～1mm。

进一步，所述泡沫金属的空腔内填充的相变材料熔点在50～80℃。

进一步，所述相变材料为石蜡。

进一步，所述流道高度和宽度相等。

进一步，所述流道和肋板的宽度和深度相等。

一种双极板的制备方法，包括以下步骤：

(1)将泡沫金属原料切割成所需大小，然后在切割后的泡沫金属表面加工出流道；

(2)将机械加工好的泡沫金属浸渍在呈液态的相变材料原液中，使其孔隙中充分填充相变材料，冷却直到泡沫金属内的相变材料不再流动；

(3)采用激光烧结的方式，封闭泡沫金属外表面，形成一层外壳；

(4)将制作好的双极板表面打磨至设计大小。

本发明具有以下技术效果：

1.本发明针对燃料电池中存在的温度分布不均、局部过热问题，采用相变材料填充在双极板内部，通过选用具有合适的物性的相变材料吸收并储存过热区域的热量，将双极板温度控制在合理范围并均匀双极板温度；有效解决了燃料电池反应物浓度分布不均引起的局部过热问题，将过热区域产生的热量通过相变材料储存，并通过泡沫金属强化了传热过程，克服了相变材料导热系数小、充热时间长的问题，储存在相变材料中的热量可为电池再启动的过程提供热量以降低相应时间。

2.本发明针对燃料电池双极板存在的笨重、材料消耗大问题，采用泡沫金属材料作为燃料电池双极板制作的原材料，同时通过激光烧结的形成外壳，封闭泡沫金属表面，避免了燃料/氧化剂经由流道向泡沫金属渗漏；通过采用激光烧结的技术，降低了双极板的制造工艺难度。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的双极板示意图；

图2是含有本发明的燃料电池示意图；

图中：1、板本体；2、外壳；3、泡沫金属；4、相变材料；5、肋板；6、流道；7、膜电极。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明基于泡沫金属的轻质自均温双极板，包括板本体1、外壳2、泡沫金属3、相变材料4、肋板5、流道6，外壳2是板本体1的外层结构，泡沫金属3是板本体1的内层结构，外壳2是泡沫金属3表面经激光烧结形成的，泡沫金属3采用具有高导热系数的铜、铝或合金材料，泡沫金属3的孔隙率为0.50～0.95，孔径为0.5～1mm。泡沫金属3的空腔内填充有相变材料4石蜡，所选用的石蜡的相变潜热大、化学性质稳定、熔点在50～80℃。

所述的板本体1表面凹陷形成流道6，是的部分，板本体1表面凸出形成肋板5，流道6与肋板5深度与宽度相同且间隔排列在所述的板本体1上，流道6高度和宽度相等。

双极板通过如下步骤加工而成：

步骤1，以机械切割的方式将泡沫金属原料切割成较最终产品稍大尺寸，然后在切割后的泡沫金属表面加工出流道；

步骤2，将机械加工好的泡沫金属浸渍在石蜡溶液中，使其孔隙中充分填充满石蜡，冷却直到泡沫金属内的石蜡不再流动；

步骤3，采用激光烧结的方式，逐面封闭泡沫金属的外表面，形成一定厚度的外壳。

步骤4，将步骤3中制作好的双极板表面打磨光滑至设计大小。

如图2所示，采用本发明双极板的燃料电池工作过程为：

步骤s100：燃料电池反应物经外部管路分别进入燃料电池阳极及阴极，并经由双极板上的流道向膜电极方向传质；

步骤s200：阴阳极反应物分别在阴阳极催化层(位于膜电极上)发生电池半反应，反应过程伴随着热量的释放；

步骤s300：膜电极上生成的热量向外传导，流经具有高导热系数的所述外壳2时，热量储存在所述的泡沫金属3内填充的相变材料4中；

步骤s400：所述泡沫金属3因其高导热特性，强化了步骤s300中的储热过程。

燃料电池有合适的工作温度，如质子交换膜燃料电池的高效工作温度区间为70-90℃。当燃料电池经历工作-停止-再启动的过程时，相变材料内部储存的热量缓慢向膜电极方向释放，使燃料电池能快速启动并达到额定工作状态。

最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。