一种具有高性能复杂仿生学结构流场的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，特别涉及一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板与制备方法。

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。

实际上，燃料电池的产能效率很大程度上取决于双极板流场的结构，优质的流场结构可以改善反应物和生成物的流动状态，使电极各处都能及时得到反应物，并且能及时排除生成水，提高燃料电池的发电效率。

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气体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。

当前的现有技术中,由于传统流场压降大，当电池输出工作时，有效面积内反应物分布的不均匀性使得区域内电化学反应并不充分，导致反应物利用率和电机的能量转换效率降低，从而会影响电流输出的稳定性。

制备这些流道最常用是铣削、冲压、化学腐蚀等传统加工方法。传统工艺成形的流道截面形状单一，且成形成本高，工艺复杂，耗材大，环境不友好。伴随着双极板流道结构复杂化、高尺寸精度、高加工质量的趋势，传统加工方法逐渐不能满足上述要求。同时原料利用率低、加工成本高、生产效率低、加工产生噪音、对环境不友好等是上述传统加工方法的缺点。

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。随着增材制造技术日趋成熟，其应用范围已逐渐拓展至更为高端的航空航天领域。据分析表明，传统技术制备的零部件在后期机加工时会造成70％以上的余量去除，而增材制造技术可节约50％以上的材料去除率。因此，在冶金、航空航天等领域，增材制造技术具有更为广阔的发展空间。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。

激光选区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，有利于解决现有高性能复杂仿生学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、热的管理能力的具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，包括双极板本体，所述双极板本体上设置有分形流场，所述分形流场包括反应气进口和气体流道，所述气体流道和所述反应气进口之间设置有入口过渡区，所述反应气进口设置于所述入口过渡区外端，所述气体流道包括第一流道和第二流道，以分形流场中心点为对称中心，所述第一流道和所述第二流道对称设置。

通过采用上述技术方案，采用分形流场，使流道呈扩散性分布，能够均匀分配反应气体到双极板本体各处，同时相对于蛇形流场，本发明在流场反应区采用了分形流场设计结构，可以缩短气在流场中的传输路程，降低气体在流场中的传输阻力，本发明中双极板流场设置了入口过渡区，使得流场中各流道的长度和气体在各流道中的流动阻力基本相等，气体通过入口过渡区的各个气体流道进入流场，可以获得均一的流速，并以层流方式均匀的进入每个流道，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。

本发明进一步设置：所述流道宽度为0.5～1mm，所述流道深度为0.5～1mm，所述脊背宽度为0.5～1mm。

通过采用上述技术方案，本流场的开孔率为50％左右，防止开孔率过高增加接触电阻及欧姆极化损失或开孔率过低降低反应物的反应速率。

本发明进一步设置：所述分形流场还包括反应气出口，所述气体流道和所述反应气出口之间设置有出口过渡区，所述反应气出口设置于所述出口过渡区的外端。

通过采用上述技术方案，在反应过程中气体流道内会产生积水，设置出口过渡区，缩短气体流道的长度，减少气体流道内积水的可能性，同时出口过渡区与各流道相连通且阻力小于气体流道内，更便于向反应气出口排出积水，增强排水性能。

本发明进一步设置：所述第一流道和第二流道分别呈同心圆设置，所述第一流道和第二流道的圆心对称设置，所述第一流道的两端和第二流道的两端分别交错形成交错区，所述入口过渡区和所述出口过渡区分别设置于所述第一流道和第二流道之间的交错区。

通过采用上述技术方案，采用同心设置，使电流密度更加均匀，所述第一流道和第二流道的圆心对称设置，有利于气体在流场中的均匀分布，从而使得整体燃料电池的电化学性能得以提升；同时所述入口过渡区和所述出口过渡区分别设置于所述第一流道和第二流道之间的交错区也可以减少双极板气体进、出口间的压力差，有利于气体在流场中的均匀分配；流道采用圆弧形，无明显拐角，不会阻碍流体进入。

本发明进一步设置：所述气体流道包括多个支气流道，所述支气流道的脊背上设置有脊点，所述脊点设置于所述支气流道之间的最宽处的两侧，各个支气流道的脊点构成脊轴，所述脊轴设置于所述第一流道和第二流道的对称轴的垂直方向，所述脊轴与所述对称轴的交点为分形流场中心点，相邻脊点之间的间距相等。

通过采用上述技术方案，多流道设置，通过适当的压降增强有效面积内气体对流与扩散能力，均匀分配反应气体到各分支流道，使反应气体能够均匀的分布在反应流场，从而提升电池的性能，脊点圆弧平滑，具有减少流体流动的阻力的效果。

本发明进一步设置：所述支气流道包括进气流道和出气流道，所述进气流道与所述入口过渡区相连通，所述进气流道与所述出口过渡区相隔断，所述出气流道与所述出口过渡区相连通，所述出气流道与所述入口过渡区相隔断，所述进气流道与所述出气流道沿脊轴交替分布。

通过采用上述技术方案，所述进气流道与所述入口过渡区相连通，所述进气流道与所述出口过渡区相隔断，强化气体流动，增强反应效果，出口过渡区的设计能促进出气流道中的液态水的排除，从而使反应产生的液态水更容易往反应气出口扩散，进一步减少了液态水在支气流道末端滞留的现象，所述进气流道与所述出气流道沿脊轴交替分布，使反应气体能够均匀的分布在反应流场。

一种用于制备具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板的制备方法，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，进行仿生结构流道和流道脊背顶面的精细抛光。

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，仿生结构流道的精细抛光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；流道脊背顶面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)采用选择性激光熔化技术和激光抛光技术复合制备复杂的仿生学结构流道，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。

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为本发明实施例一的三维结构示意图；

图2为本发明实施例一的平面结构示意图；

图3为本发明实施例二的三维结构示意图；

图4为本发明实施例二的平面结构示意图；

图5为本发明实施例的电池极化曲线对比图；

图6为本发明实施例的基板激光抛光路扫描路径；

图7为本发明实施例的流道脊背激光精细抛光扫描路径。

附图标记：1.双极板本体，11.分形流场，2.反应气进口，3.反应气出口，4.气体流道，41.第一流道，42.第二流道，43.脊背，431.脊点，44.脊轴，5.入口过渡区，6.出口过渡区，7.交错区，71.菱形凸部，8.主动排水流道。

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1-7，本发明技术方案公开的一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，包括双极板本体1，所述双极板本体1上设置有分形流场11，所述分形流场11包括反应气进口2和气体流道4，所述气体流道4和所述反应气进口2之间设置有入口过渡区5，所述反应气进口2设置于所述入口过渡区5外端，所述气体流道4包括第一流道41和第二流道42，以分形流场11中心点为对称中心，所述第一流道41和所述第二流道42对称设置。

本实施例进一步设置：所述流道宽度为0.5～1mm，所述流道深度为0.5～1mm，所述脊背43宽度为0.5～1mm。

本实施例进一步设置：所述第一流道41和第二流道42分别呈同心圆设置，所述第一流道41和第二流道42的圆心对称设置，所述第一流道41的两端和第二流道42的两端分别交错形成交错区7，所述入口过渡区5和所述出口过渡区6分别设置于所述第一流道41和第二流道42之间的交错区7。

本实施例进一步设置：所述气体流道4包括多个支气流道，所述支气流道的脊背上设置有脊点431，所述脊点431设置于所述支气流道之间的最宽处的两侧，各个支气流道的脊点431构成脊轴44，所述脊轴44设置于所述第一流道41和第二流道42的对称轴的垂直方向，所述脊轴44与所述对称轴的交点为分形流场中心点，相邻脊点431之间的间距相等。

本实施例进一步设置：所述支气流道包括进气流道和出气流道，所述进气流道与所述入口过渡区5相连通，所述进气流道与所述出口过渡区6相隔断，所述出气流道与所述出口过渡区6相连通，所述出气流道与所述入口过渡区5相隔断，所述进气流道与所述出气流道沿脊轴44交替分布。

一种用于制备具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板的方法，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，进行仿生结构流道和流道脊背顶面的精细抛光。

本实施例进一步设置：所述步骤41中，基板加工的激光功率为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，仿生结构流道的精细抛光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；流道脊背顶面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。

本实施例进一步设置：

附图图4的电池极化曲线对比图的实验条件参照下表。

表1操作参数

尽管本文较多地使用了：双极板本体1，分形流场11，反应气进口2，反应气出口3，气体流道4，第一流道41，第二流道42，脊背43，脊点431，脊轴44，入口过渡区5，出口过渡区6，交错区7，菱形凸部71，主动排水流道8等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。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。