一种燃料电池钛双极板及制备方法与流程

1.本发明涉及燃料电池双极板领域，具体来说，涉及一种燃料电池钛双极板及制备方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是当今社会的一种新兴能源技术、清洁高效的发电装置，具有能量转化率高、环境友好、安静、可靠性高等优点，在固定电站、电动车、军用特种电源等领域拥有广阔的前景，双极板是质子交换膜燃料电池的关键组成部件之一。
3.专利号202111259224.0公开了一种燃料电池用复合双极板的制备方法，其通过将鳞片石墨粉体和树脂颗粒混合后，采用冷等静压进行成型后保压，经线切割和模压成型，得到预设的形状，然后固化，即得到所述复合双极板。
4.但是以上专利在具体使用时存在以下缺陷：在燃料电池双极板领域中，双极板需要收集盒传导电流，燃料电池使用时产生热，其内部为酸性环境，因此需要导电率高、具备良好的散热能力，以及耐腐蚀性和良好的气密性。而现有的燃料电池双极板需要根据上述特性进行改进。
5.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

6.针对相关技术中的问题，本发明提出一种燃料电池钛双极板及制备方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
7.为此，本发明采用的具体技术方案如下：
8.根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池钛双极板，包括钛基壳体及反应流场，钛基壳体的两端分别设置有阳极反应物进口及阳极反应物出口，阳极反应物进口及阳极反应物出口的侧边均设置有散热板；钛基壳体的背面设置有若干散热凹槽，且钛基壳体的四个边角处设置有定位孔。
9.进一步的，为了可以有效的降低反应流场内的反应物回流的程度，进而使反应物能够快速且均匀的进入反应流场内，所述反应流场包括若干反应流道，若干所述反应流道之间首尾相连，且所述反应流道的中部设置有波浪线流道；所述反应流道与所述阳极反应物进口之间设置有第一防回流道，所述反应流道与所述阳极反应物出口之间设置有第二防回流道，且所述第一防回流道与所述第二防回流道结构相同且方向相反；所述第一防回流道包括与所述反应流道相连接的固定块，所述固定块的一端设置有进料口，所述固定块的另一端设置有出料口，所述固定块的内部设置有防回流结构，且所述防回流结构的两端分别与所述进料口及所述出料口连接；其中，所述防回流结构包括若干通道组，且相邻的所述通道组之间为中心对称结构，所述通道组由第一通道和第二通道组成，所述第一通道的一端与所述第二通道的一端连接，且所述第一通道的一端与所述进料口连接，所述第一通道的另一端与所述第二通道的另一端连接。所述第一通道包括收缩段和扩张段，且所述收缩
段的一端与所述进料口的一端连接，所述收缩段的另一端与所述扩张段的一端连接。所述第二通道包括弧形段和倾斜段，所述弧形段的一端与所述收缩段的一端连接，所述弧形段的另一端与所述倾斜段的一端连接，所述倾斜段的另一端与所述扩张段的另一端连接。
10.进一步的，所述钛基壳体由ti-6a1-4v为基体，sic纤维为增强体的复合材料，且所述钛基壳体的表面溅射有碳基涂层，所述碳基涂层为无定型碳，所述无定型碳由类石墨和类金刚石碳杂化而成，所述碳基涂层内还掺杂有钛、锆及钨元素。
11.进一步的，所述碳基涂层内还包含耐磨添加剂、疏水添加剂及耐腐蚀添加剂；
12.其中，所述耐磨添加剂包括sebs粉末、低压聚乙烯粉末、高压聚乙烯粉末、橡胶粉末中的至少一种；
13.所述疏水添加剂包括纳米二氧化硅、甲基硅酸钾、甲基硅酸钠中的至少一种；
14.所述耐腐蚀添加剂包括聚碳酸酯、合成树脂粉、高氯化聚乙烯、高氯化聚乙烯树脂中的至少一种。
15.根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池钛双极板的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
16.s1、对钛基壳体中的ti-6a1-4v及sic纤维进行表面处理；
17.s2、将表面处理之后的sic纤维逐根用金属丝交叉编织，且将ti-6a1-4v钛合金箔和编织好的sic纤维逐层叠放，并通过热压复合工艺完成钛基壳体的制作；
18.s3、利用近场非平衡磁控溅射技术将碳基涂层附着在钛基壳体上，且溅射电压控制在90-120v；
19.s4、按照尺寸要求完成双极板的制作。
20.进一步的，所述对钛基壳体中的ti-6a1-4v进行表面处理还包括以下步骤：
21.利用粒度为2000目的砂纸打磨ti-6a1-4v钛合金箔表面，去除ti-6a1-4v钛合金箔表面的油污；
22.将ti-6a1-4v钛合金箔表面浸泡在丙酮试剂中；
23.利用超声波技术并使用高纯酒精对ti-6a1-4v钛合金箔清洗。
24.进一步的，所述对钛基壳体中的sic纤维进行表面处理还包括以下步骤：
25.将sic纤维防止在真空镀膜室内，并向真空镀膜室内通入高纯氮气和高纯氩气；
26.触发阴极高纯钛靶而产生大量钛蒸气，氮气与钛蒸汽反应生成氮化钛涂层，并在氩气放电形成的等离子体区中加速沉积在sic纤维表面。
27.进一步的，所述将ti-6a1-4v钛合金箔和编织好的sic纤维逐层叠放时，将五层ti-6a1-4v钛合金箔及四层sic纤维布叠层铺设，并置于高强石墨模具中制备。
28.进一步的，所述高强石墨模具中制备时，压力在30mpa-200mpa。
29.本发明的有益效果为：本发明的燃料电池钛双极板具备良好的散热能力、耐腐蚀性及气密性，能够很好的适用于燃料电池的使用环境。通过钛基壳体由ti-6a1-4v为基体，sic纤维为增强体的复合材料，从而使钛基壳体具备高强度、高刚度、良好的抗高温能力、耐腐蚀性出色。通过钛基壳体的表面溅射有碳基涂层，从而进一步的提高双极板的耐磨性、耐蚀性、导电性和疏水性。本发明的燃料电池钛双极板有利于提高燃料电池的稳定性和耐久性。本发明在反应流场中的反应流道与阳极反应物进口及阳极反应物出口之间设置有第一防回流道及第二防回流道，从而可以有效的降低反应流场内的反应物回流的程度，进而使
反应物能够快速且均匀的进入反应流场内。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是根据本发明实施例的一种燃料电池钛双极板的正面视图；
32.图2是根据本发明实施例的一种燃料电池钛双极板的背面视图；
33.图3是根据本发明实施例的一种燃料电池钛双极板中第一防回流道的结构示意图；
34.图4是根据本发明实施例的一种燃料电池钛双极板的中第一通道与第二通道连接示意图。
35.图中：
36.1、钛基壳体；2、反应流场；201、反应流道；202、波浪线流道；3、阳极反应物进口；4、阳极反应物出口；5、散热板；6、散热凹槽；7、定位孔；8、第一防回流道；801、固定块；802、进料口；803、出料口；804、防回流结构；8041、第一通道；80411、收缩段；80412、扩张段；8042、第二通道；80421、弧形段；80422、倾斜段；9、第二防回流道。
具体实施方式
37.为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
38.根据本发明的实施例，提供了一种燃料电池钛双极板及制备方法。
39.根据本发明的一个方面，如图1-2所示，提供了一种燃料电池钛双极板，包括钛基壳体1及反应流场2，钛基壳体1的两端分别设置有阳极反应物进口3及阳极反应物出口4，阳极反应物进口3及阳极反应物出口4的侧边均设置有散热板5；钛基壳体1的背面设置有若干散热凹槽6，且钛基壳体1的四个边角处设置有定位孔7。
40.如图3-4所示，在一个实施例中，所述反应流场2包括若干反应流道201，若干所述反应流道201之间首尾相连，且所述反应流道201的中部设置有波浪线流道202；所述反应流道201与所述阳极反应物进口3之间设置有第一防回流道8，所述反应流道201与所述阳极反应物出口4之间设置有第二防回流道9，且所述第一防回流道8与所述第二防回流道9结构相同且方向相反；所述第一防回流道8包括与所述反应流道201相连接的固定块801，所述固定块801的一端设置有进料口802，所述固定块801的另一端设置有出料口803，所述固定块801的内部设置有防回流结构804，且所述防回流结构804的两端分别与所述进料口802及所述出料口803连接；其中，所述防回流结构804包括若干通道组，且相邻的所述通道组之间为中心对称结构，所述通道组由第一通道8041和第二通道8042组成，所述第一通道8041的一端与所述第二通道8042的一端连接，且所述第一通道8041的一端与所述进料口802连接，所述
第一通道8041的另一端与所述第二通道8042的另一端连接。所述第一通道8041包括收缩段80411和扩张段80412，且所述收缩段80411的一端与所述进料口802的一端连接，所述收缩段80411的另一端与所述扩张段80412的一端连接。所述第二通道8042包括弧形段80421和倾斜段80422，所述弧形段80421的一端与所述收缩段80411的一端连接，所述弧形段80421的另一端与所述倾斜段80422的一端连接，所述倾斜段80422的另一端与所述扩张段80412的另一端连接，从而可以有效的降低反应流场内的反应物回流的程度，进而使反应物能够快速且均匀的进入反应流场内。
41.在一个实施例中，对于上述钛基壳体1来说，所述钛基壳体1由ti-6a1-4v为基体，sic纤维为增强体的复合材料；所述钛基壳体1的表面溅射有碳基涂层；所述碳基涂层为无定型碳，所述无定型碳由类石墨和类金刚石碳杂化而成；所述碳基涂层内还掺杂有钛、锆及钨元素。
42.在一个实施例中，所述碳基涂层内还包含耐磨添加剂、疏水添加剂及耐腐蚀添加剂；
43.其中，所述耐磨添加剂包括sebs粉末、低压聚乙烯粉末、高压聚乙烯粉末、橡胶粉末中的至少一种；
44.所述疏水添加剂包括纳米二氧化硅、甲基硅酸钾、甲基硅酸钠中的至少一种；
45.所述耐腐蚀添加剂包括聚碳酸酯、合成树脂粉、高氯化聚乙烯、高氯化聚乙烯树脂中的至少一种。
46.根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池钛双极板的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
47.s1、对钛基壳体1中的ti-6a1-4v及sic纤维进行表面处理；
48.s2、将表面处理之后的sic纤维逐根用金属丝交叉编织，且将ti-6a1-4v钛合金箔和编织好的sic纤维逐层叠放，并通过热压复合工艺完成钛基壳体1的制作；
49.s3、利用近场非平衡磁控溅射技术将碳基涂层附着在钛基壳体1上，且溅射电压控制在90-120v；
50.s4、按照尺寸要求完成双极板的制作。
51.在一个实施例中，所述对钛基壳体1中的ti-6a1-4v进行表面处理还包括以下步骤：
52.利用粒度为2000目的砂纸打磨ti-6a1-4v钛合金箔表面，去除ti-6a1-4v钛合金箔表面的油污；
53.将ti-6a1-4v钛合金箔表面浸泡在丙酮试剂中；
54.利用超声波技术并使用高纯酒精对ti-6a1-4v钛合金箔清洗。
55.在一个实施例中，所述对钛基壳体1中的sic纤维进行表面处理还包括以下步骤：
56.将sic纤维防止在真空镀膜室内，并向真空镀膜室内通入高纯氮气和高纯氩气；
57.触发阴极高纯钛靶而产生大量钛蒸气，氮气与钛蒸汽反应生成氮化钛涂层，并在氩气放电形成的等离子体区中加速沉积在sic纤维表面。
58.在一个实施例中，所述将ti-6a1-4v钛合金箔和编织好的sic纤维逐层叠放时，将五层ti-6a1-4v钛合金箔及四层sic纤维布叠层铺设，并置于高强石墨模具中制备。
59.在一个实施例中，所述高强石墨模具中制备时，压力在30mpa-200mpa。
60.综上所述，本发明的燃料电池钛双极板具备良好的散热能力、耐腐蚀性及气密性，能够很好的适用于燃料电池的使用环境。通过钛基壳体1由ti-6a1-4v为基体，sic纤维为增强体的复合材料，从而使钛基壳体1具备高强度、高刚度、良好的抗高温能力、耐腐蚀性出色。通过钛基壳体1的表面溅射有碳基涂层，从而进一步的提高双极板的耐磨性、耐蚀性、导电性和疏水性。本发明的燃料电池钛双极板有利于提高燃料电池的稳定性和耐久性。本发明在反应流场中的反应流道与阳极反应物进口及阳极反应物出口之间设置有第一防回流道及第二防回流道，从而可以有效的降低反应流场内的反应物回流的程度，进而使反应物能够快速且均匀的进入反应流场内。
61.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
62.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。