CN110729497B - 一种疏水性燃料电池双极板和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种疏水性燃料电池双极板和方法，包括气体进口、气体出口和多条流道；流道的流道表面均匀分布多排长条形微凸体，每条流道上的长条形微凸体与所在流道的流向垂直。在流道表面均匀分布的长条形微凸体，使燃料电池反应水能够快速通过，有效的防止反应过程中“水淹”现象的发生。同时具有长条形微凸体的表面也能够增加流道局部对流效应，改善了氧化剂的供应效率，极大地提升了燃料电池的工作性能。本发明通过对材料表面进行微结构改进处理，从改变表面形貌结构的角度出发，开发了一种具有高效疏水性的燃料电池双极板。本发明工艺简单可靠，可实现自动化生产，适合工业化推广。

Description

一种疏水性燃料电池双极板和方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及疏水性燃料电池双极板和方法。

背景技术

随着汽车工业技术的不断发展，氢燃料电池逐渐兴起用于解决内燃机汽车排放量大及纯电动汽车续航里程短的问题。在燃料电池发展的过程中，由于诸多限制因素的存在，其发展速度受到了一定的限制。其中，成本问题占主导地位。

燃料电池双极板又称集流板，是燃料电池重要部件之一。具有下述功能与性质：分隔燃料与氧化剂，阻止气体通过；收集、传导电流；具有较高的电导率；设计与加工的流道，可将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应；能排出热量，保持电池温度场均匀；耐腐蚀；具有抗冲击和抗震动的特点。然而其质量占整个燃料电池的60％-80％，成本占整个燃料电池的一半以上，其运行过程中阴极气体扩散层与双极板界面处易发生“水淹”导致气体通道堵塞，导致系统停止工作。因此需要对双极板流道进行疏水性处理，使液态水能够快速通过流道，保证系统的稳定工作。

改善双极板表面疏水性一般从两个方面考虑：一是通过重新设计流道布置及结构，从功能上改善流道的疏水性能。这种方法需对流道结构进行重新设计，技术实施较为繁琐；二是通过在流道表面制备疏水性涂层来获得超疏水性的表面。这种方法虽然无需对流道结构进行再设计，但是涂层本身在使用过程中存在一定的使用寿命，受工作环境的限制寿命长短不一。

现有很多专利都考虑了双极板的疏水性。中国专利：一种排水及时方便的燃料电池导流双极板及燃料电池系统CN 108417856 A，一种主动排水叶脉状交指型流场燃料电池双极板CN 109301282 A提出了对双极板流场进行结构性改进，增加或改变流道结构提升双极板排水性能，运用结构改造的方法需重新设计双击板，结构复杂，疏水性能提升有限。

另外，一些专利中提出了在双极板流道表面涂附憎水性的涂层，进而提升流道的疏水性能。但是这些专利均未提及从改变流道表面微结构的角度提升疏水性，而有关通过改变双极板流道表面微结构进而改善流道疏水性的专利也未见报导。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种疏水性燃料电池双极板和方法，至少解决上述问题之一。本发明所述疏水性燃料电池双极板，主要通过改变流道表面微结构的方法，改善双极板的疏水性，使液态水能够快速通过，无需对双极板进行再设计，从改进结构的角度出发，具有高效疏水性，方法简单，产业化适应性强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种疏水性燃料电池双极板，包括双极板表面，所述双极板表面设有气体进口、气体出口和多条流道；

所述流道的流道表面均匀分布多排长条形微凸体，每条流道上的长条形微凸体与所在流道的流向垂直。

上述方案中，所述长条形微凸体的尺寸参数为：宽度D＝45-500μm，长度L＝100-800μm，凸肩高度H＝0.8-70μm，间距S＝30-1200μm，微凸体左右侧与流道边缘线距离P＝10-300μm。

上述方案中，所述流道的形状为平行结构、曲线形结构或网状结构。

进一步的，所述流道的形状为平行结构，双极板的尺寸参数为：长度M＝45-70mm；宽度N＝25-60mm；厚度为3-6mm；所述流道的尺寸为：宽度B＝0.7-1.1mm；深度为0.8-1.2mm；流道间隔Z＝0.7-1mm；表面粗糙度小于或等于0.06μm。

进一步的，所述流道的形状为曲线形结构，双极板的尺寸参数为：长度M＝30-65mm；宽度N＝2-65mm；厚度为2-5mm；所述流道尺寸为：宽度B＝0.7-1.1mm；深度为0.8-1.2mm；流道间隔Z＝0.7-1mm；表面粗糙度小于或等于0.06μm；型线曲率半径R＝3.5-8mm。

进一步的，所述流道的形状为网状结构，双极板的尺寸参数为：长度M＝35-80mm；宽度N＝20-80mm；厚度为3-7mm；所述流道尺寸为：宽度B＝0.7-1.1mm；深度为0.8-1.2mm；表面粗糙度小于或等于0.06μm；纵向流道间隔Z＝0.7-1mm；横向流道间隔X＝0.7-1mm。

一种根据所述疏水性燃料电池双极板的制备方法，包括通过激光加工成型的方法在双极板的流道表面加工长条形微凸体的步骤：在双极板的流道表面进行纳秒激光再加工，得到流道表面具有长条形微凸体的双极板。

上述方案中，所述纳秒激光的参数为：发散角小于3mrad，输出光束质量M²≤6，光斑直径不大于7mm，波长为1064nm，功率为10～500W，单脉冲能量为1～120mJ，脉宽为10～200ns，重复频率为1～80kHz扫描速度为：100-1800mm/s。

上述方案中，包括通过成品模型冲压成型在双极板的流道表面加工长条形微凸体的步骤：在双极板冲压模具背面进行皮秒激光热加工，在垂直于双极板流道直线移动进行扫描加工后对模具进行去毛刺，得到具有长条形微凹坑的燃料电池双极板冲压模具；利用得到的背面具有长条形微凹坑冲压模具进行冲压成型，得到流道表面具有长条形微凸体的双极板。

进一步的，所述皮秒激光热加工的具体参数为：发散角小于3mrad，输出光束质量M²≤4，光斑直径不大于6mm，波长为1064nm，功率为10～400W，单脉冲能量为1～150mJ，脉宽为1～110ps，重复频率为0～100kHz；扫描速度为：120-2000mm/s。

所述双极板为金属双极板。

优选地，所述疏水性双极板材料为不锈钢、镍合金、钛合金或铝合金。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在流道表面均匀分布的长条形微凸体，使燃料电池反应水能够快速通过，有效的防止反应过程中“水淹”现象的发生。同时具有长条形微凸体的表面也能够增加流道局部对流效应，改善了氧化剂的供应效率，提升了燃料电池的工作性能。本发明是一种新型的疏水性燃料电池双极板，通过对材料表面进行微结构改进处理，创新地从改变表面形貌结构的角度出发，开发了一种具有高效疏水性的燃料电池双极板。本发明工艺简单可靠，可实现自动化生产，适合工业化推广。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明平行流道双极板结构示意图；

图2为图1中Ⅱ处的平行流道放大示意图；

图3为本发明曲线形流道双极板结构示意图；

图4为图3中Ⅳ处的曲线形流道放大示意图；

图5为本发明网状流道双极板结构示意图；

图6为图5中Ⅵ处的网状流道放大示意图；

图7为本发明微凸体结构示意图；

图8为本发明长条形微凸体形貌示意图。

附图标记说明：

1气体进口；2气体出口；3流道表面；4双极板表面；5长条形微凸体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至8所示，本发明所述疏水性燃料电池双极板包括双极板表面4，所述双极板表面4设有气体进口1、气体出口2和多条流道；所述流道的流道表面3均匀分布多排长条形微凸体5，每条流道上的长条形微凸体5与所在流道的流向垂直。所述长条形微凸体5可使得反应水液滴在其表面快速通过，由于水液滴高度增加，固-液-气三相接触线不移动，使得水滴与材料接触角增大，进而增加燃料电池疏水性，一般而言，接触角大于90°的表面就具有疏水性，具有110°以上接触角的流道表面为具有较好疏水性的表面，接触角大于120°具有超疏水性。

另外，在实际应用的过程中，由于长条形微凸体5的存在，流道内部可形成局部对流效应，增加氧化剂的浓度，有效的改善了燃料电池反应效率，提升其工作性能。

优选的，所述双极板为质子交换膜燃料电池PEMFC的金属双极板。

所述长条形微凸体5的尺寸参数为：宽度D＝45-500μm，长度L＝100-800μm，凸肩高度H＝0.8-70μm，间距S＝30-1200μm，微凸体左右侧与流道边缘线距离P＝10-300μm。

优选的，所述流道的形状为平行结构、曲线形结构或网状结构。

当所述流道的形状为平行结构，双极板的尺寸参数为：长度M＝45-70mm；宽度N＝25-60mm；厚度为3-6mm；所述流道的尺寸为：宽度B＝0.7-1.1mm；深度为0.8-1.2mm；流道间隔Z＝0.7-1mm；表面粗糙度小于或等于0.06μm。这样尺寸的平行流道能更好的与所设计的长条形微凸体5配合，取得好的疏水性。

当所述流道的形状为曲线形结构，双极板的尺寸参数为：长度M＝30-65mm；宽度N＝2-65mm；厚度为2-5mm；所述流道尺寸为：宽度B＝0.7-1.1mm；深度为0.8-1.2mm；流道间隔Z＝0.7-1mm；表面粗糙度小于或等于0.06μm；型线曲率半径R＝3.5-8mm。这样尺寸的曲线形流道能更好的与所设计的长条形微凸体5配合，取得好的疏水性。

当所述流道的形状为网状结构，双极板的尺寸参数为：长度M＝35-80mm；宽度N＝20-80mm；厚度为3-7mm；所述流道尺寸为：宽度B＝0.7-1.1mm；深度为0.8-1.2mm；表面粗糙度小于或等于0.06μm；纵向流道间隔Z＝0.7-1mm；横向流道间隔X＝0.7-1mm。这样尺寸的网状流道能更好的与所设计的长条形微凸体5配合，取得好的疏水性。

一种根据所述疏水性燃料电池双极板的制备方法，所述长条形微凸体5成型方法可以为成品模型冲压成型、在双极板流道表面激光加工成型。

当通过激光加工成型的方法在双极板的流道表面加工长条形微凸体5时，具体步骤为：在双极板的流道表面3进行纳秒激光再加工，得到流道表面具有长条形微凸体5的双极板。

所述纳秒激光的参数为：发散角小于3mrad，输出光束质量M²≤6，光斑直径不大于7mm，波长为1064nm，功率为10～500W，单脉冲能量为1～120mJ，脉宽为10～200ns，重复频率为1～80kHz扫描速度为：100-1800mm/s。

当通过成品模型冲压成型在双极板的流道表面加工长条形微凸体5时，具体步骤为：在双极板冲压模具背面进行皮秒激光热加工，在垂直于双极板流道直线移动进行扫描加工后对模具进行去毛刺，得到具有长条形微凹坑的燃料电池双极板冲压模具；利用得到的背面具有长条形微凹坑冲压模具进行冲压成型，得到流道表面具有长条形微凸体5的双极板；所述皮秒激光热加工的具体参数为：发散角小于3mrad，输出光束质量M²≤4，光斑直径不大于6mm，波长为1064nm，功率为10～400W，单脉冲能量为1～150mJ，脉宽为1～110ps，重复频率为0～100kHz；扫描速度为：120-2000mm/s。

本发明对金属双极板表面进行微观结构性改进，利用激光加工出微凸体5，形成局部疏水性表面，使反应水能快速通过而不易形成滞留，形成一种具有高效疏水性的燃料电池双极板，有利于燃料电池反应水的快速排出，防止反应水的堵塞，改善燃料电池的性能；本发明所涉及的经过微观结构改造的燃料电池双极板，其强度及耐久性相对于传统双极板流道均有所提升，具有较长的使用寿命；本发明所涉及的经过微观结构改造的燃料电池双极板，其加工制造方法能进行微结构加工，加工精度高；可以直接在现有产品基础上进行加工，方法简便；易于实现，无需对双极板结构进行再设计，操作简便，稳定性高；

实施例1：

如图1、2、7和8所示，一种疏水性燃料电池双极板，该双极板材料为钛合金，具体尺寸为长M＝45mm，宽N＝25mm，厚度为3mm。流道结构为平行结构，其具体尺寸为：宽度B＝0.7mm，深度为0.8mm，流道间隔Z＝0.7mm，表面粗糙度为0.06μm。流道内部有分布均匀的长条形微凸体5，这些结构的存在使得燃料电池反应水能够快速通过流道排出，进而有效防止燃料电池发生“水淹”，其形貌具体尺寸参数为：宽度D＝45μm，长L＝100μm，凸肩高度H＝0.8μm，微凸体间距S＝30μm，微凸体左右侧与流道边缘线距离P＝300μm。本实施例1中接触角度为115°，为具有较好疏水性的表面。图8为长条形微凸体5尺寸示意图，表示微凸体结构的不同高度，单位为μm。本实施例1中通过激光加工成型的方法在双极板的流道表面加工长条形微凸体5，激光加工参数为：发散角3mrad，输出光束质量M²＝2.5，光斑直径为4mm，波长1064nm，功率为10W，单脉冲能量为10mJ，脉宽为10ps，重复频率为15kHz，扫描速度为120mm/s。

实施例2：

如图3、4、7和8所示，一种疏水性燃料电池双极板，该双极板材料为镍合金，具体尺寸为长M＝50mm，宽N＝40mm，厚度为4mm。流道结构为曲线形结构，使得氧化剂反应更充分，提升反应效率，增大燃料电池电流密度。其具体尺寸为：宽度B＝1mm，深度为0.9mm，流道间隔Z＝0.9mm，流道型线曲率半径R＝5mm，表面粗糙度为0.06μm。流道内部有分布均匀的长条形微凸体结构，这些结构的存在使得燃料电池反应水能够快速通过流道排出，进而有效防止燃料电池发生“水淹”，其形貌具体尺寸参数为：宽度D＝240mm，长L＝600mm，凸肩高度H＝60mm，微凸体间距S＝300mm，微凸体左右侧与流道边缘线距离P＝200μm，该实施例2中接触角度为120°，具有超疏水性。

本实施例2中通过激光加工成型的方法在双极板的流道表面加工长条形微凸体5，激光加工参数为：发散角3mrad，输出光束质量M²＝3，光斑直径为5mm，波长1064nm，功率为70W，单脉冲能量为65mJ，脉宽为67ps，重复频率为55kHz，扫描速度为480mm/s。

实施例3：

如图5、6、7和8所示，一种疏水性燃料电池双极板，该双极板材料为不锈钢，具体尺寸为长M＝80mm，宽N＝80mm，厚度为7mm。流道结构为网状结构，增加氧化剂在流道内的均匀性，提升反应效率，提升系统工作的稳定性。其具体尺寸为：宽度B＝1.1mm，深度为1.2mm，纵向流道间隔Z＝1mm，横向流道间隔X＝1mm，表面粗糙度为0.06μm。流道内部有分布均匀的长条形微凸体5，这些结构的存在使得燃料电池反应水能够快速通过流道排出，进而有效防止燃料电池发生“水淹”，其形貌具体尺寸参数为：宽度D＝500mm，长L＝800mm，凸肩高度H＝70mm，微凸体间距S＝1200mm，微凸体左右侧与流道边缘线距离P＝150μm。该实例3中接触角度为114.6°，为具有较好疏水性的表面。

本实施例3中通过激光加工成型的方法在双极板的流道表面加工长条形微凸体5，激光加工参数为：发散角3mrad，输出光束质量M²＝4，光斑直径为6mm，波长1064nm，功率为70W，单脉冲能量为140mJ，脉宽为110ps，重复频率为100kHz，扫描速度为1600mm/s。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种疏水性燃料电池双极板，其特征在于，包括双极板表面(4)，所述双极板表面(4)设有气体进口(1)、气体出口(2)和多条流道；

所述流道的流道表面(3)均匀分布多排长条形微凸体(5)，每条流道上的长条形微凸体(5)与所在流道的流向垂直；所述长条形微凸体(5)的尺寸参数为：宽度D＝45-500μm，长度L＝100-800μm，凸肩高度H＝0.8-70μm，间距S＝30-1200μm，微凸体左右侧与流道边缘线距离P＝10-300μm。

2.根据权利要求1所述的疏水性燃料电池双极板，其特征在于，所述流道的形状为平行结构、曲线形结构或网状结构。

3.根据权利要求2所述的疏水性燃料电池双极板，其特征在于，所述流道的形状为平行结构，双极板的尺寸参数为：长度M＝45-70mm；宽度N＝25-60mm；厚度为3-6mm；所述流道的尺寸为：宽度B＝0.7-1.1mm；深度为0.8-1.2mm；流道间隔Z＝0.7-1mm；表面粗糙度小于或等于0.06μm。

4.根据权利要求2所述的疏水性燃料电池双极板，其特征在于，所述流道的形状为曲线形结构，双极板的尺寸参数为：长度M＝30-65mm；宽度N＝2-65mm；厚度为2-5mm；所述流道尺寸为：宽度B＝0.7-1.1mm；深度为0.8-1.2mm；流道间隔Z＝0.7-1mm；表面粗糙度小于或等于0.06μm；型线曲率半径R＝3.5-8mm。

5.根据权利要求2所述的疏水性燃料电池双极板，其特征在于，所述流道的形状为网状结构，双极板的尺寸参数为：长度M＝35-80mm；宽度N＝20-80mm；厚度为3-7mm；所述流道尺寸为：宽度B＝0.7-1.1mm；深度为0.8-1.2mm；表面粗糙度小于或等于0.06μm；纵向流道间隔Z＝0.7-1mm；横向流道间隔X＝0.7-1mm。

6.一种根据权利要求1-5任意一项所述疏水性燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，包括通过激光加工成型的方法在双极板的流道表面加工长条形微凸体(5)的步骤：在双极板的流道表面(3)进行纳秒激光再加工，得到流道表面具有长条形微凸体(5)的双极板。

7.根据权利要求6所述的疏水性燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，所述纳秒激光的参数为：发散角小于3mrad，输出光束质量M²≤6，光斑直径不大于7mm，波长为1064nm，功率为10～500W，单脉冲能量为1～120mJ，脉宽为10～200ns，重复频率为1～80kHz，扫描速度为：100-1800mm/s。

8.根据权利要求6所述的疏水性燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，包括通过成品模型冲压成型在双极板的流道表面加工长条形微凸体(5)的步骤：在双极板冲压模具背面进行皮秒激光热加工，在垂直于双极板流道直线移动进行扫描加工后对模具进行去毛刺，得到具有长条形微凹坑的燃料电池双极板冲压模具；利用得到的背面具有长条形微凹坑冲压模具进行冲压成型，得到流道表面具有长条形微凸体(5)的双极板。

9.根据权利要求8所述的疏水性燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，所述皮秒激光热加工的具体参数为：发散角小于3mrad，输出光束质量M²≤4，光斑直径不大于6mm，波长为1064nm，功率为10～400W，单脉冲能量为1～150mJ，脉宽为1～110ps，重复频率为0～100kHz；扫描速度为：120-2000mm/s。

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