一种燃料电池等级孔泡沫金属流场板

本发明属于燃料电池，具体涉及一种燃料电池等级孔泡沫金属流场板。

背景技术：

1、氢氧燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，是一种很有前景的汽车动力源。该电池由流场板和膜电极组成，其中，流场板是其核心组件之一，约占电池组重量的70%-80%和成本的30%。流场板的主要功能包括支撑膜电极、传导电流、输送和分配反应气体以及排除液态水等。设计合理的流场板能有效防止燃料电池出现“水淹”问题，提高反应物气体的均匀分布，从而提高燃料电池的输出性能、稳定性和寿命。因此，流场板设计是开发基于燃料电池汽车动力系统的关键之一。

2、常用的流场板板是在石墨、石墨复合材料采用雕刻、或者在金属极板上冲压成形等方法加工出槽道，形成“槽-脊”式结构。“槽”用于传输气体和排出液态水，而“脊”提供流场的支撑和电流传输功能。这种“槽-脊”式的结构加工成本较高、而且脊部结构与气体扩散层完全贴合，气体不易到达脊部下方的膜电极、同时易积聚液态水，产生“水淹”问题，进而降低燃料电池的输出性能。因此，亟需开发一种新的流场结构，以提高反应物气体分布的均匀性并有效排出液态水。泡沫金属流场因具有良好的导热导电性能，与常用的流场板设计不同，泡沫金属流场板没有“脊”结构，其四通八达的孔道结构可使反应物气体分布更加均匀，有利于提升燃料电池的输出性能。但是，由于泡沫金属流场内孔结构的毛细作用会阻碍液态水的排出，最终影响燃料电池的性能和寿命。目前大部分关于泡沫金属结构的流场板设计都是基于均匀的孔径的泡沫金属结构，对等级孔泡沫金属结构的研究还很少，其多孔结构优势仍然有待挖掘。

3、

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种燃料电池等级孔泡沫金属流场板。该流场板适用于氢氧燃料电池，利用孔径变化对液态水毛细作用的影响，设计出了具有等级孔结构的燃料电池泡沫金属流场板。所述的等级孔泡沫金属流场由粗孔和细孔组成，其中，通过调控粗孔和细孔的孔径和数量，强化液态水的排出过程，防止发生“水淹”现象。从而保证了充足的进气量并减少压降，使反应气体在流场板内均匀分布。此外，本发明的等级孔泡沫金属流场板具有高孔隙率，可采用3d打印增材制造技术制备，具有成本较低的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种燃料电池等级孔泡沫金属流场板的制备步骤如下：

4、第一步：利用离散元（dem）方法构建双孔径球形颗粒的堆积结构；

5、第二步：基于球形颗粒的堆积结构绘制沃洛诺伊图（voronoi diagram）；

6、第三步：基于沃洛诺伊图构筑出等级孔泡沫结构的固体骨架；

7、第四步：将固体骨架文件导入金属3d打印机精确制造燃料电池等级孔泡沫金属流场板。

8、在本发明的一些实施例中，等级孔泡沫金属流场板的材料可选自泡沫铝、泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫合金、泡沫不锈钢中的一种。

9、在本发明的一些实施例中，等级孔泡沫金属流场板内粗孔孔径与细孔孔径之比可在取值区间[1，＋∞)之间调节，以适应不同的应用需求。

10、在本发明的一些实施例中，等级孔泡沫金属流场板内粗孔孔体积与细孔孔体积之比可在取值区间[0，＋∞) 之间调节，以适应不同的应用需求。

11、在本发明的一些实施例中，等级孔泡沫金属流场板的孔隙率可在取值区间[0.5，1) 之间调节，以适应不同的应用需求。

12、在本发明的一些实施例中，等级孔泡沫金属流场板的孔径范围可在0.2mm至3.0mm之间调节，以适应不同的应用需求。

13、在本发明的一些实施例中，可对等级孔泡沫金属结构进行表面涂层，进行亲水和疏水处理。其亲水性可选稀硝酸、盐酸、氢氧化钠+过硫酸铵中的一种进行处理，疏水性可选聚四氟乙烯、石墨烯、聚二甲硅氧烷中的一种进行处理。

14、在本发明的一些实施例中，等级孔泡沫金属流场板内粗孔与细孔的孔径比和体积比，以及等级孔泡沫金属流场板的孔隙率、孔径范围等参数可以根据生产制造的特定需求进行调节和优化。

15、本发明的有益效果在于：

16、本发明利用孔径变化对液态水毛细作用的影响，设计了一种具有等级孔结构的燃料电池泡沫金属流场板，其中，所述的燃料电池等级孔泡沫金属流场板由粗孔与细孔组成，通过调控粗孔与细孔的孔径和数量来强化泡沫金属流场内的液态水排出性能，防止出现“水淹”现象。其中，粗孔能提供更大的液态水传输通道，细孔具有更强的毛细作用力能驱动液态水的传输，通过调控粗孔与细孔之间的孔径比和体积比能使得液态水在流场板内获得适宜的传输路径，提高排水性能。此外，本发明的燃料电池等级孔泡沫金属流场采用3d打印增材制造，降低制造成本。

技术特征：

1.一种燃料电池等级孔泡沫金属流场板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： （1）利用离散元方法构建双孔径球形颗粒的堆积结构； （2）基于球形颗粒的堆积结构绘制沃洛诺伊图； （3）基于沃洛诺伊图构筑出等级孔泡沫结构的固体骨架； （4）将固体骨架文件导入金属3d打印机实现燃料电池等级孔泡沫金属流场板的精确制造。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：原材料为泡沫铝、泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫合金、泡沫不锈钢中的一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：等级孔泡沫金属流场板中粗孔孔径与细孔孔径之比在取值区间[1，＋∞)之间调节，以适应不同的应用需求。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：等级孔泡沫金属流场板中粗孔孔体积与细孔孔体积之比在取值区间[0，＋∞)之间调节，以适应不同的应用需求。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：等级孔泡沫金属流场板的孔隙率在取值区间[0.5，1)之间调节，以适应不同的应用需求。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：等级孔泡沫金属流场板的孔径范围在0.2mm至3.0mm之间调节，以适应不同的应用需求。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对等级孔泡沫金属结构进行表面亲水或疏水处理；亲水性选稀硝酸、盐酸、氢氧化钠+过硫酸铵中的一种进行处理，疏水性选聚四氟乙烯、石墨烯、聚二甲硅氧烷中的一种进行处理。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的方法制得的燃料电池等级孔泡沫金属流场板。

9.一种如权利要求1-7任一项所述的方法制得的燃料电池等级孔泡沫金属流场板应用于氢氧燃料电池中。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池等级孔泡沫金属流场板，属于燃料电池领域，主要适用于氢氧燃料电池。本发明利用孔径变化对液态水毛细作用的影响，设计了一种具有等级孔结构的燃料电池泡沫金属流场板，其中，所述的燃料电池等级孔泡沫金属流场由粗孔与细孔组成，通过调控粗孔与细孔的孔径比与所占体积比来强化泡沫金属流场内的液态水排出性能，防止出现“水淹”现象。等级孔泡沫金属流场板孔隙率高，能保证充足进气量减小压降，使反应气体在流场板内分布均匀，提升电池性能及服役寿命；同时，本发明的燃料电池等级孔泡沫金属流场可采用3D打印增材制造，成本较低。

技术研发人员：杨臣,姜鹏泽,邱挺,叶长燊,黄智贤,陈杰,尹旺,王清莲,齐兆洋,林毅雄
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16