CN110492127A - 一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及方法 - Google Patents

一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及方法。本发明采用改性后具有亲水性的双极板，并且在流道的两侧形成密度梯度渐大的毛细凹槽；当燃料电池工作时，电化学反应生成的水积累在扩散层中，燃料电池双极板的表面具有亲水性，将水吸入燃料电池双极板中，引入流道；同时垂直的毛细凹槽通过毛细力，进一步将水吸入流道，毛细凹槽通过毛细力增强燃料电池双极板的亲水性，并且毛细凹槽密度沿流道方向的梯度变大，亲水性梯度增强，对反应生成的水形成引流，增强排水性，最终积累在流道中的水会被通入的氧气顺着流道排出，形成定向引流并且定向排水，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。

Description

一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及其制备方法。
背景技术
近年来，燃料电池技术趋于成熟，其中氢氧燃料电池已成为氢能利用的主要形式之一。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一种将储存于氢气和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。它不经热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化率高，环境友好，几乎不排放氮和硫的氧化物，对解决能源危机和环境污染这两大难题具有重要价值，并已在新能源汽车、便捷式电源、区域性电站和航空航天等领域应用，发展前景广阔。
如图1所示为一种质子交换膜燃料电池，主要由质子交换膜C、两侧的双极板B、两侧电极组成，其中质子交换膜两侧分别是阳极催化层D和阴极催化层E，从而构成膜电极。在阳极侧，氢气H2通过双极板的沟槽扩散到催化层，在催化剂作用下分解成H+和e-。H+通过质子交换膜向阴极扩散，e-则通过外电路流向正极。在阴极侧，H+和O2以及从外电路F来的e-相遇发生反应而生成水。流道引导反应气体的流动方向，确保反应气体均匀分配到电极的各处，经电极扩散层A到达催化层参与电化学反应。
然而质子交换膜燃料电池却也存在许多未攻克的问题，如水管理问题。水是影响质子交换膜燃料电池性能的一个重要因素，其在质子交换膜上的分布特性很大程度上可以决定PEMFC的效率，若反应生成在扩散层中的水没能及时排除的话，会在扩散层形成水膜，就会导致反应气体难于接近催化剂，产生“电极水淹”现象，如图2所示，反应产生的水会积累在扩散层A，形成水膜G，使得反应气体难以接近催化剂，增大扩散层到达催化层的传质阻力而降低输出功率，还会使得膜局部溶胀等问题，这些都直接影响着电池的寿命，降低电池性能。而通过恰当的水管理能有效提高电池性能。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，结合猪笼草的仿生学启示，本发明提出了一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及其制备方法，通过物理手段对改性后亲水的双极板的脊刻蚀凹槽产生毛细力，从而将电化学反应产生在扩散层的水定向吸到流道中，达到定向输水效果；通过刻蚀梯度渐变的毛细凹槽，这样能够得到梯度渐变的亲水表面，从而实现达到定向引流作用；后通过反应物氧气将水沿着流道排出，达到排水的效果，提高水管理效率，从而改善电池性能，增加电池的寿命。
本发明的一个目的在于提出一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板。
本发明的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板包括：双极板基板、流道、脊、毛细凹槽和亲水涂层；其中，双极板基板为平板；在双极板基板的前表面刻有流道，流道的上端为入口，下端为出口；相邻的流道之间形成脊；在脊的侧壁上刻有与脊垂直的凹槽，从而在流道的两侧形成与流道垂直的毛细凹槽，相邻的毛细凹槽之间的距离从入口至出口逐渐减小，毛细凹槽的密度呈梯度逐渐增大，毛细凹槽的深度与流道的深度一致；在脊的侧壁和流道的表面形成亲水涂层；当燃料电池工作时，反应气体发生电化学反应，电化学反应生成的水积累在扩散层中，燃料电池双极板的表面具有亲水性，将水吸入燃料电池双极板中，引入流道；同时垂直的毛细凹槽通过毛细力，进一步将水吸入流道，毛细凹槽通过毛细力增强燃料电池双极板的亲水性，并且毛细凹槽密度的梯度变大，亲水性梯度增强，对反应生成的水形成引流，增强排水性，最终积累在流道中的水会被通入的氧气顺着流道排出，形成定向引流并且定向排水，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
对刻有流道和毛细凹槽的双极板基板进行预处理，除去表面油脂并冲洗至中性，使得表面具有均匀的粗糙度；在双极板基板的表面镀上金属镀层，并除去脊的上表面的金属镀层，保留流道表面以及脊的侧壁的金属镀层；对金属镀层进行氧化处理，从而具有亲水性，形成亲水涂层。金属镀层的材料采用铜、钛和铝中的一种。
毛细凹槽的密度呈梯度逐渐增大，变化的梯度由双极板的尺寸确定；双极板的尺寸越大，毛细凹槽的密度变化越平缓。毛细凹槽的宽度为0.1～0.3mm，长度为0.2～0.6mm。相邻的毛细凹槽之间的间距最小不能小于0.1mm，最大不能超过3mm。脊的宽度与流道的宽度比为1.5～3。
双极板基板采用石墨。
自然界中存在着很多液体定向运动的现象，典型的有猪笼草定向集水。猪笼草口缘区沟槽内层叠密排的楔形盲孔阵列产生梯度泰勒毛细升与闭口梯度泰勒毛细升，使水可以连续正向填充楔形盲孔，实现水的定向运输。猪笼草通过连续填充单一楔形盲孔来实现定向单项运输，而同时产生梯度变化的泰勒毛细升为定向运输提供动力。本发明根据猪笼草的定向集水的启示，利用毛细凹槽来集水，模拟楔形盲孔；而梯度变化的毛细凹槽密度则是模拟猪笼草口缘区沟槽内层叠密排的楔形盲孔阵列产生梯度泰勒毛细升与闭口梯度泰勒毛细升，从而实现集水输水的定向性。
本发明的另一个目的在于提供一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板的制备方法。
本发明的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：
1)提供双极板基板，双极板基板为平板；
2)在双极板基板的前表面刻出流道，流道的上端为入口，下端为出口，相邻的流道之间形成脊；
3)将刻有流道的双极板基板的表面进行打磨处理，使得表面光滑，从而使得后续的电镀更均匀；
4)将脊的侧壁上刻出与脊垂直的凹槽，从而在流道的两侧形成与流道垂直的毛细凹槽，相邻的毛细凹槽之间的距离从入口至出口逐渐减小，毛细凹槽的密度呈梯度逐渐增大，毛细凹槽的深度与流道的深度一致；
5)将刻有流道和毛细凹槽的双极板基板进行预处理，除去表面油脂并冲洗至中性，使得表面具有均匀的粗糙度；
6)在双极板基板的表面镀上金属镀层；
7)除去脊的上表面的金属镀层，保留流道表面以及脊的侧壁的金属镀层；
8)对金属镀层进行氧化处理，从而具有亲水性，形成亲水涂层；
9)当燃料电池工作时，反应气体发生电化学反应，电化学反应生成的水积累在扩散层中，燃料电池双极板的表面具有亲水性，将水吸入燃料电池双极板中，引入流道；同时垂直的毛细凹槽通过毛细力，进一步将水吸入流道，毛细凹槽通过毛细力增强燃料电池双极板的亲水性，并且毛细凹槽密度的梯度变大，亲水性梯度增强，对反应生成的水形成引流，增强排水性，最终积累在流道中的水会被通入的氧气顺着流道排出，形成定向引流并且定向排水，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
其中，在步骤1)中，双极板基板采用石墨。
在步骤2)中，流道的形状为多条周期性沿竖直方向平行排布，或者为蛇形；多条周期性沿竖直方向平行排布的流道，位于一侧边缘的流道的上端为入口，位于另一侧边缘的流道的下端为出口；蛇形的流道的上端为入口，下端为出口。
在步骤3)中，打磨处理采用多次打磨，打磨的砂纸逐渐变细，先用粗砂纸打磨，再用较细砂纸打磨，最后用细砂纸打磨。
在步骤4)中，毛细凹槽的密度呈梯度逐渐增大，变化的梯度由双极板的尺寸确定；双极板的尺寸越大，毛细凹槽的密度变化越平缓。
在步骤5)中，对双极板基板进行预处理，使得金属镀层均匀地附着在表面，包括以下步骤：
a)在碱性溶液中超声震荡，除去表面油脂；
b)取出后清洗至中性；
c)在酸性溶液中超声震荡，使得表面具有均匀的粗糙度；
d)取出后清洗至中性。
在步骤6)中，在双极板基板的表面镀上金属镀层，包括以下步骤：
a)对金属片进行预处理，表面打磨光亮，并除去表面的氧化物薄膜；
b)将金属片作为阳极，双极板基板作为阴极，均由铜丝均匀缠绕导出，方便电压的加入，同时保证电流分布均匀，使铜电镀均匀；
c)放置在电镀液中，在30～45℃的温度、不搅拌或0～100r/min速度搅拌、2～3V恒定电压的条件下电镀，电镀时间由双极板的尺寸、金属镀层的厚度以及电镀液的成分决定，从而形成金属镀层。
在步骤7)中，采用物理手段除去脊的上表面的金属镀层。
在步骤8)中，对金属镀层进行氧化处理采用高温烧结的方式，或采用放置在双氧水中浸泡。
本发明的优点：
本发明采用改性后具有亲水性的双极板，并且在流道的两侧形成密度梯度渐大的毛细凹槽；当燃料电池工作时，电化学反应生成的水积累在扩散层中，燃料电池双极板的表面具有亲水性，将水吸入燃料电池双极板中，引入流道；同时垂直的毛细凹槽通过毛细力，进一步将水吸入流道，毛细凹槽通过毛细力增强燃料电池双极板的亲水性，并且毛细凹槽密度的沿流道方向梯度变大，亲水性梯度增强，对反应生成的水形成引流，增强排水性，最终积累在流道中的水会被通入的氧气顺着流道排出，形成定向引流并且定向排水，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
附图说明
图1为现有技术的质子交换膜燃料电池的示意图；
图2为现有技术的质子膜燃料电池的水管理问题的示意图；
图3为本发明的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板的定向输水和引流的原理图；
图4为本发明的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板的一个实施例的流道的示意图；
图5为本发明的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板的一个实施例的毛细凹槽的示意图；
图6为本发明的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板的一个实施例的金属涂层的示意图；
图7为本发明的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板的一个实施例的亲水涂层的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图4和5所示，本实施例的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板包括：双极板基板I、流道H、脊、毛细凹槽J和亲水涂层K；其中，双极板基板I为平板；在双极板基板I的前表面刻有流道H，流道H的上端为入口，下端为出口；相邻的流道H之间形成脊；在脊的侧壁上刻有与脊垂直的凹槽，从而在流道H的两侧形成与流道H垂直的毛细凹槽J，相邻的毛细凹槽J之间的距离从入口至出口逐渐减小，毛细凹槽J的密度呈梯度逐渐减大，毛细凹槽J的深度与流道H的深度一致；在流道H的表面和脊的侧壁形成亲水涂层K。
本实施例的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：
1)提供石墨的双极板基板，双极板基板为平板，尺寸为20×50×4mm。
2)在双极板基板的前表面刻出流道，流道为蛇形，流道的上端为入口，下端为出口。
3)将刻有流道的双极板基板的表面打磨处理采用多次打磨，打磨的砂纸逐渐变细，先用粗砂纸打磨，再用较细砂纸打磨，最后用细砂纸打磨，选用砂纸为400目、800目和1000目。
4)将脊的侧壁上刻出与脊垂直的凹槽，从而在流道的两侧形成与流道垂直的毛细凹槽，相邻的毛细凹槽之间的距离从入口至出口逐渐减小，毛细凹槽的密度呈梯度逐渐增大，毛细凹槽的深度与流道的深度一致；流道宽度为x时，凹槽宽度为0.2x，毛细凹槽的之间的间距随着流道的流向分为三段：第一段的间距为0.8x～1x，第二段的间距为0.4x～0.6x；第三段的间距为0.2x，如图5所示。
5)将刻有流道和毛细凹槽的双极板基板进行预处理，除去表面油脂并冲洗至中性，使得表面具有均匀的粗糙度：
a)在20g/L的NaOH溶液中超声震荡15分钟，除去表面油脂；
b)取出后用去离子水冲洗至中性；
c)在硝酸溶液中超声震荡1小时，使得表面具有均匀的粗糙度，硝酸质量分数为40％～65％；
d)取出用去离子水冲洗至中性。
6)在双极板基板的表面镀上金属镀层：
a)对铜金属片进行预处理，表面打磨光亮，并除去表面的氧化物薄膜，砂纸选用800目或1000目即可；
b)将金属片作为阳极，双极板作为阴极，均由铜丝均匀缠绕导出，方便电压的加入，同时保证电流分布均匀，使铜电镀均匀；
c)放置在电镀液中，温度30～45℃、搅拌速度20r/min搅拌、恒定电压2～3V、电镀16h，从而形成10μm的金属镀层，如图6所示。
7)用砂纸打磨掉脊的上表面的金属镀层，保留流道表面以及脊的侧壁的金属镀层；
8)将双极板在双氧水中浸泡15min，对金属镀层进行氧化处理，从而具有亲水性，形成亲水涂层K，如图7所示；
9)当燃料电池工作时，反应气体发生电化学反应，电化学反应生成的水积累在扩散层中，如图3所示，燃料电池双极板的表面具有亲水性，将水M吸入燃料电池双极板中，引入流道；同时垂直的毛细凹槽通过毛细力，进一步将水吸入流道，毛细凹槽通过毛细力增强燃料电池双极板的亲水性，并且毛细凹槽密度随流道的方向梯度变大，亲水性梯度增强，对反应生成的水形成引流，增强排水性，最终积累在流道中的水会被通入的氧气顺着流道排出，形成定向引流并且定向排水，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性，如图3所示。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板，其特征在于，所述燃料电池双极板包括：双极板基板、流道、脊、毛细凹槽和亲水涂层；其中，所述双极板基板为平板；在双极板基板的前表面刻有流道，流道的上端为入口，下端为出口；相邻的流道之间形成脊；在脊的侧壁上刻有与脊垂直的凹槽，从而在流道的两侧形成与流道垂直的毛细凹槽，相邻的毛细凹槽之间的距离从入口至出口逐渐减小，毛细凹槽的密度呈梯度逐渐增大，毛细凹槽的深度与流道的深度一致；在脊的侧壁和流道的表面形成亲水涂层；当燃料电池工作时，反应气体发生电化学反应，电化学反应生成的水积累在扩散层中，燃料电池双极板的表面具有亲水性，将水吸入燃料电池双极板中，引入流道；同时垂直的毛细凹槽通过毛细力，进一步将水吸入流道，毛细凹槽通过毛细力增强燃料电池双极板的亲水性，并且毛细凹槽密度的梯度变大，亲水性梯度增强，对反应生成的水形成引流，增强排水性，最终积累在流道中的水会被通入的氧气顺着流道排出，形成定向引流并且定向排水，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
2.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述毛细凹槽的宽度为0.1～0.3mm，长度为0.2～0.6mm。
3.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，相邻的毛细凹槽之间的间距最小不能小于0.1mm，最大不能超过3mm。
4.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板基板采用石墨。
5.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述亲水涂层采用在双极板基板的表面镀上金属镀层，并除去脊的上表面的金属镀层，保留流道表面以及脊的侧壁的金属镀层；对金属镀层进行氧化处理，从而具有亲水性；金属镀层的材料采用铜、钛和铝中的一种。
6.一种如权利要求1所述的梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供双极板基板，双极板基板为平板；
2)在双极板基板的前表面刻出流道，流道的上端为入口，下端为出口，相邻的流道之间形成脊；
3)将刻有流道的双极板基板的表面进行打磨处理，使得表面光滑，从而使得后续的电镀更均匀；
4)将脊的侧壁上刻出与脊垂直的凹槽，从而在流道的两侧形成与流道垂直的毛细凹槽，相邻的毛细凹槽之间的距离从入口至出口逐渐减小，毛细凹槽的密度呈梯度逐渐增大，毛细凹槽的深度与流道的深度一致；
5)将刻有流道和毛细凹槽的双极板基板进行预处理，除去表面油脂并冲洗至中性，使得表面具有均匀的粗糙度；
6)在双极板基板的表面镀上金属镀层；
7)除去脊的上表面的金属镀层，保留流道表面以及脊的侧壁的金属镀层；
8)对金属镀层进行氧化处理，从而具有亲水性，形成亲水涂层；
9)当燃料电池工作时，反应气体发生电化学反应，电化学反应生成的水积累在扩散层中，燃料电池双极板的表面具有亲水性，将水吸入燃料电池双极板中，引入流道；同时垂直的毛细凹槽通过毛细力，进一步将水吸入流道，毛细凹槽通过毛细力增强燃料电池双极板的亲水性，并且毛细凹槽密度的梯度变大，亲水性梯度增强，对反应生成的水形成引流，增强排水性，最终积累在流道中的水会被通入的氧气顺着流道排出，形成定向引流并且定向排水，提高排水效率，最终提升燃料电池的性能和稳定性。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，流道的形状为多条周期性沿竖直方向平行排布，或者为蛇形；多条周期性沿竖直方向平行排布的流道，位于一侧边缘的流道的上端为入口，位于另一侧边缘的流道的下端为出口；蛇形的流道的上端为入口，下端为出口。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，打磨处理采用多次打磨，打磨的砂纸逐渐变细，先用粗砂纸打磨，再用较细砂纸打磨，最后用细砂纸打磨。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，对双极板基板进行预处理，使得金属镀层均匀地附着在表面，包括以下步骤：
a)在碱性溶液中超声震荡，除去表面油脂；
b)取出后清洗至中性；
c)在酸性溶液中超声震荡，使得表面具有均匀的粗糙度；
d)取出后清洗至中性。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，在双极板基板的表面镀上金属镀层，包括以下步骤：
a)对金属片进行预处理，表面打磨光亮，并除去表面的氧化物薄膜；
b)将金属片作为阳极，双极板基板作为阴极，均由铜丝均匀缠绕导出，方便电压的加入，同时保证电流分布均匀，使铜电镀均匀；
c)放置在电镀液中，在30～45℃的温度、不搅拌或0～100r/min速度搅拌、2～3V恒定电压的条件下电镀，从而形成金属镀层。
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