CN110752386B - 一种燃料电池双极板和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池双极板和方法，双极板表面流道的流道表面分布多个阵列布置的凹凸复合结构，所述凹凸复合结构为凸起半球状体，且在凸起的圆周设有一圈径向截面为半圆形的凹陷。本发明加工制造简单，仅需在双极板流场表面开设凹凸复合结构，该凹凸复合结构可大大增加液滴接触角，提高流道表面的疏水性，甚至使双极板获得超疏水性，从而使水气不易结存在流场壁上，保持流场通畅，改善燃料电池的性能。能在流体通过时引起对流，极大地增强了从流场到催化剂层的氧供应，导致更高的局部浓度和更小的浓度极化。还能在流体流过凹凸复合结构时，在两凹凸复合结构间产生漩涡，通过惯性效应去除气体扩散层中积累的水分，从而改善水的管理。

Description

一种燃料电池双极板和方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种燃料电池双极板和方法。
背景技术
随着科学技术的发展，传统能源的消耗日益加剧，环境急剧恶化。因此，能源和新能源材料的开发创新将是新时代必须解决的重要问题。燃料电池能将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，其转化效率高、环境友好、可靠性强，被认为是世纪首选的高效的可持续发电技术。在各类燃料电池中质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，具有启动快、寿命长、比功率高等优点，被誉为21世纪的高效、清洁、经济、安全型动力源。
双极板是质子交换膜燃料电池的核心组件之一，其质量约占整个电堆的60％～80％，其加工成本占整个电池总成本的50％以上，是制约质子交换膜燃料电池商业化进程了重要因素之一。由于双极板具有分隔氧气和氢气、收集并传导电流、分隔电堆的各个单电池、确保水的顺利排出、固定支撑膜电极等作用，因此它必须具有致密性好、优良的导电导热性、较低的接触电阻、良好的机械强度、易加工、成本低、质量轻等特点。
随着对质子交换膜燃料电池研究的不断深入，市场商业化的需要，金属材料已经成为了目前研究最广泛的金属双极板材料，主要包括钛及其合金、铝及铝合金、不锈钢、镍铬合金等。与石墨双极板相比，金属材料不仅机械强度高、韧性好，且具有优异的导电导热性、致密性高、透气率低，可靠性强等优点。金属材料用作双极板，可以通过机械加工的方法直接进行流场的加工，且易于批量生产。采用较薄的金属双极板也可以极大的减轻电堆的质量和减小电堆的体积，降低加工成本。
同时，金属双极板表面上具有亲水性的氧化膜，由于双极板上流道比较窄，加湿后的气体进入流场后，水气易结存在流场壁上，不易被气体吹走，使部分流场被严重堵塞，气流不畅，电池性能降低，出现堵水现象，甚至有可能造成电池温度过高而被烧坏。因此所制备的双极板除具有致密性高、导电性好外，还应该具有疏水性的特点。
随着科学技术的不断发展，人们受到自然界动植物超疏水表面的启发不断的研究着制备超疏水表面的方法。根据润湿性理论可以知道固体表面的化学成分和微观结构共同决定了其表面的润湿性，表面化学成分主要是对表面自由能的影响，而表面微观结构主要是影响固体表面粗糙度。因此改善固体表面润湿性制备超疏水表面应该从两个方面考虑，一是在材料表面构筑微纳结构通过改变粗糙度来获得超疏水表面；二是在材料表面涂覆低表面能物质通过改变表面自由能来获得超疏水表面，中国专利CN101257117A提出了使用电弧离子镀膜的方法在双极板表面制备了氮铬薄膜，使双极板具有双极板具有耐蚀、导电、强化和疏水等复合性能。中国专利CN101552342A采用一定浓度的PTFE乳料对双极板进行浸泡，然后放入一定温度的烘箱内焙烤，使浸渍在纤维网内的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性剂被除掉，同时使得聚四氟乙烯热熔烧结并均匀分散在纤维上，从而得到具有良好的疏水效果的双极板。中国专利CN101174696A在双极板表面制备了疏水涂层，使双极板有了疏水效果。上述制备疏水性双极板的方法均采用了制备薄膜或涂层的方法，但是研究证明即使采用表面能最低的物质全氟烷来修饰固体表面，其表面接触角最大也不到120°，可以看出在光滑表面降低表面自由能来获得超疏水性的效果不是很理想。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种燃料电池双极板和方法，至少解决上述问题之一。本发明所述燃料电池双极板，主要通过改变流道表面微结构的方法，在流场表面形成的凹凸复合结构，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：一种燃料电池双极板，包括双极板表面，所述双极板表面设有进料口、出料口和流道；
所述流道的流道表面分布多个阵列布置的凹凸复合结构，所述凹凸复合结构为凸起半球状体，且在凸起的圆周设有一圈径向截面为半圆形的凹陷。
上述方案中，所述凹凸复合结构的尺寸参数为：凹坑直径d＝5～200μm，凹坑深度h＝1～60μm，凸起高度H＝1～80μm，凸起形貌平顶直径D＝1～600μm，相邻两个凹凸复合结构中心之间的距离S＝20～1000μm，凹凸复合结构所占流道表面积为流道总表面积的30％～80％。
上述方案中，所述流道结构为平行直流道结构、蛇形流道结构或波浪形流道结构。
进一步的，所述流道的形状为平行直流道结构，双极板尺寸参数为：双极板长度50～80mm，双极板宽度为30～60mm，双极板厚度为2～5mm；所述流场尺寸参数为：流道宽度0.8～1mm，流道深度0.8～1mm。
进一步的，所述流道的形状为蛇形流道结构，双极板尺寸参数为：双极板长度50～80mm，双极板宽度为30～60mm，双极板厚度为2～5mm；所述流场尺寸参数为：流道宽度0.8～1mm，流道深度0.8～1mm。
进一步的，所述流道的形状为波浪形流道结构，双极板的尺寸参数为：双极板长度50～80mm，双极板宽度为30～60mm，双极板厚度为2～5mm；所述流场尺寸参数为：在最宽的流道处，流道宽度0.8～1mm，流道深度0.8～1mm；在最窄的流道处，流道宽度0.6～0.8mm，流道深度0.8～1mm。
一种根据所述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凹凸复合结构的步骤：在双极板的流道表面进行纳秒激光再加工，得到流道表面具有点凹凸复合结构的双极板。
进一步的，所述纳秒激光的参数为：发散角小于1mrad，输出光束质量M2≤4，光斑直径不大于5mm，波长为1064nm，功率为1～400W，单脉冲能量为1～100mJ，脉宽为1～100ns，重复频率为1～100kHz。
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凹凸复合结构的步骤：在双极板冲压模具背面进行皮秒激光热加工，产生局部材料气化，利用超声清洗、辉光清洗及溅射清洗对模具进行去毛刺，得到具有凹凸复合结构的燃料电池双极板冲压模具；利用得到的背面具有凹凸复合结构的冲压模具进行冲压成型，得到具有疏水性的燃料电池双极板；
进一步的，所述皮秒激光热加工的具体参数为：发散角小于0.5mrad，输出光束质量M≤1.3，光斑直径不大于3mm，波长为1064nm，功率为1～50W，单脉冲能量为1～100μJ，脉宽为1～100ps，重复频率为1～10MHz。
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：
1.本发明在燃料电池双极板流道表面分布多个阵列布置的凹凸复合结构，可大大增加液滴接触角，提高流道表面的疏水性，甚至使双极板获得超疏水性，从而使水气不易结存在流场壁上，保持流场通畅，改善燃料电池的性能。
2.本发明的凹凸复合结构，能在流体通过时引起对流，极大地增强了从流动通道到催化剂层的氧供应，导致更高的局部浓度和更小的浓度极化，极大地提高了燃料电池性能。
3.本发明在燃料电池双极板流场表面上有有序排列的凹凸复合结构。当流体流过凹凸复合结构时，在两凹凸复合结构间产生漩涡，通过惯性效应去除气体扩散层中积累的水分，从而改善水的管理。
4.加工制造简单，仅需在双极板流场表面开设所述凹凸复合结构，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。
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为本发明直道形流道双极板示意图；
图2为图1中Ⅱ处放大图；
图3为本发明蛇道形流道双极板示意图；
图4为图3中Ⅳ处放大图；
图5为本发明波浪形流道双极板示意图；
图6为图5中Ⅵ处放大图；
图7为本发明双极板流道表面凹凸复合结构示意图；
图8为本发明双极板流道表面单个凹凸复合结构的放大图；
图9为本发明双极板流道表面单个凹凸复合结构微观形貌图。
附图标记说明：
1、双极板表面；2、流道表面；3、凹凸复合结构；4、进料口；5、出料口。
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9所示，本发明所述燃料电池双极板包括双极板表面1，所述双极板表面1设有进料口4、出料口5和流道2；所述流道的流道表面2分布多个阵列布置的凹凸复合结构3，所述凹凸复合结构3为凸起半球状体，且在凸起的圆周设有一圈径向截面为半圆形的凹陷，如图9所示。所述凹凸复合结构3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，使得水滴与材料接触角增大，进而增加燃料电池疏水性。
另外，在实际应用的过程中，由于凹凸复合结构3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。
所述凹凸复合结构3的尺寸参数为：凹坑直径d＝5～200μm，凹坑深度h＝0.1～60μm，凸起高度H＝1～80μm，凸起形貌平顶直径D＝1～600μm，相邻两个凹凸复合结构中心之间的距离S＝20～1000μm。凹凸复合结构3所占流道表面积为流道总表面积的30％～80％，优选的，所述流道结构为平行直流道结构、蛇形流道结构或波浪形流道结构。
当所述流道的形状为平行直流道结构，双极板具体尺寸参数为：双极板长度50～80mm，双极板宽度为30～60mm，双极板厚度为2～5mm。所述流道具体尺寸参数为：流道宽度0.8～1mm，流道深度0.8～1mm。这样尺寸的直流道结构双极板能更好的与所设计的凹凸复合结构3配合，取得好的疏水性。
进一步的，所述流道的形状为蛇形流道结构，双极板具体尺寸参数为：双极板长度50～80mm，双极板宽度为30～60mm，双极板厚度为2～5mm。所述流场具体尺寸参数为：流道宽度0.8～1mm，流道深度0.8～1mm。这样尺寸的蛇形流道结构双极板能更好的与所设计的凹凸复合结构3配合，取得好的疏水性。
进一步的，所述流道的形状为波浪形流道结构，双极板的尺寸参数为：双极板长度50～80mm，双极板宽度为30～60mm，双极板厚度为2～5mm。所述流场具体尺寸参数为：在最宽的流道处，流道宽度0.8～1mm，流道深度0.8～1mm；在最窄的流道处，流道宽度0.6～0.8mm，流道深度0.8～1mm。这样尺寸的波浪形流道结构双极板能更好的与所设计的凹凸复合结构3配合，取得好的疏水性。
一种根据所述燃料电池双极板的制备方法，所述凹凸复合结构3成型方法可以为成品模型冲压成型或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凹凸复合结构3时，具体步骤为：在双极板的流道表面2进行纳秒激光再加工，得到流道表面具有凹凸复合结构3的双极板。
所述纳秒激光的参数为：发散角小于1mrad，输出光束质量M2≤4，光斑直径为40μm，波长为1064nm，功率为30W，单脉冲能量为1mJ，脉宽为1～100ns，重复频率为1～100kHz。
当通过成品模型冲压成型在双极板的流道表面凹凸复合结构3的步骤：在双极板冲压模具背面进行皮秒激光热加工，产生局部材料气化，利用超声清洗、辉光清洗及溅射清洗对模具进行去毛刺，得到具有凹凸复合结构的燃料电池双极板冲压模具；利用得到的背面具有凹凸复合结构的冲压模具进行冲压成型，得到具有疏水性的燃料电池双极板。所述皮秒激光热加工的具体参数为：发散角小于0.5mrad,输出光束质量M≤1.3，光斑直径不大于3mm，波长为1064nm，功率为1～50W，单脉冲能量为1～100μJ，脉宽为1～100ps，重复频率为1～10MHz。
本发明对金属双极板表面进行微观结构性改进，利用激光加工出凹凸复合结构3，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、8所示，一种燃料电池双极板，该双极板材料为钛合金，长度60mm，宽度为40mm，厚度为5mm。流道的结构为平行直流道结构，流道宽度为1mm，流道深度为1mm。流道分别与进料口4、出料口5相连，流道的流道表面2分布多个凹凸复合结构3，这些结构按阵列分布有序地排列在整个流场表面，使反应后的流体能通过该双极板的流道直接排出。凹凸复合结构3具体几何参数为：凹坑直径d＝23μm，凹坑深度h＝8μm，凸起高度H＝30μm，凸起形貌平顶直径D＝278μm，相邻两个凹凸复合结构中心之间的距离S＝80μm，凹凸复合结构3所占流场表面积为流场总表面积的65.4％。本实施例1中接触角度为130.4°，为超疏水性表面。
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凹凸复合结构3，激光加工参数为：发散角等于1mrad，输出光束质量M2＝3，光斑直径为40μm，波长为1064nm，功率为40W，单脉冲能量为10mJ，脉宽为10ns，重复频率为10kHz。
实施例2：
如图3、4、7、8所示，一种燃料电池双极板，该双极板材料为钛合金，长度60mm，宽度为40mm，厚度为5mm。流道的结构为蛇形流道结构，流道宽度为1mm，流道深度为1mm。流道分别与进料口4、出料口5相连，流道的流道表面2分布多个凹凸复合结构3，这些结构按阵列分布有序地排列在整个流场表面，使反应后的流体能通过该双极板的流道直接排出。凹凸复合结构具体几何参数为：凹坑直径d＝200μm，凹坑深度h＝60μm，凸起高度H＝1μm，凸起形貌平顶直径D＝1μm，相邻两个凹凸复合结构中心之间的距离S＝20μm，凹凸复合结构所占流场表面积为流场总表面积的80％。该实施例2中接触角度为121.6°，为超疏水性表面。
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凹凸复合结构3，激光加工参数为：发散角1mrad，输出光束质量M2＝3，光斑直径为40μm，波长1064nm，功率为200W，单脉冲能量为50mJ，脉宽为100ns，重复频率为100kHz。
实施例3：
如图5、6、7、8所示，一种燃料电池双极板，该双极板材料为钛合金，长度60mm，宽度为40mm，厚度为5mm。流场2的结构为波浪流道结构，在最宽的流道处流道宽度为1mm，流道深度为1mm；在最窄的流道处流道宽度为0.8mm，流道深度为1mm。流场2分别与进料口4、出料口5相连，流道的流道表面2分布多个凹凸复合结构3这些结构按阵列分布有序地排列在整个流场表面，使反应后的流体能通过该双极板的流道直接排出。凹凸复合结构具体几何参数为：凹坑直径d＝5μm，凹坑深度h＝1μm，凸起高度H＝80μm，凸起形貌平顶直径D＝600μm，相邻两个凹凸复合结构中心之间的距离S＝1000μm，凹凸复合结构所占流场表面积为流场总表面积的30％。该实例3中接触角度为106.3°，为疏水性表面。
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凹凸复合结构3，激光加工参数为：发散角1mrad，输出光束质量M2＝3，光斑直径为40μm，波长1064nm，功率为80W，单脉冲能量为20mJ，脉宽为10ns，重复频率为50kHz。
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)

1.一种燃料电池双极板，其特征在于，包括双极板表面(1)，所述双极板表面(1)设有进料口(4)、出料口(5)和流道；
所述流道的流道表面(2)分布多个阵列布置的凹凸复合结构(3)，所述凹凸复合结构(3)为凸起半球状体，且在凸起的圆周设有一圈径向截面为半圆形的凹陷；
所述凹凸复合结构(3)的尺寸参数为：凹坑直径d＝5～200μm，凹坑深度h＝1～60μm，凸起高度H＝1～80μm，凸起形貌平顶直径D＝1～600μm，相邻两个凹凸复合结构中心之间的距离S＝20～1000μm，凹凸复合结构(3)所占流道表面积为流道总表面积的30％～80％。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述流道结构为平行直流道结构、蛇形流道结构或波浪形流道结构。
3.根据权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述流道的形状为平行直流道结构，双极板尺寸参数为：双极板长度50～80mm，双极板宽度为30～60mm，双极板厚度为2～5mm；所述流道尺寸参数为：流道宽度0.8～1mm，流道深度0.8～1mm。
4.根据权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述流道的形状为蛇形流道结构，双极板尺寸参数为：双极板长度50～80mm，双极板宽度为30～60mm，双极板厚度为2～5mm；所述流道尺寸参数为：流道宽度0.8～1mm，流道深度0.8～1mm。
5.根据权利要求2所述燃料电池双极板，其特征在于，所述流道的形状为波浪形流道结构，双极板的尺寸参数为：双极板长度50～80mm，双极板宽度为30～60mm，双极板厚度为2～5mm；所述流道尺寸参数为：在最宽的流道处，流道宽度0.8～1mm，流道深度0.8～1mm；在最窄的流道处，流道宽度0.6～0.8mm，流道深度0.8～1mm。
6.一种根据权利要求1-5任意一项所述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凹凸复合结构(3)的步骤：在双极板的流道表面(2)进行纳秒激光再加工，得到流道表面具有凹凸复合结构(3)的双极板。
7.根据权利要求6所述的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1mrad，输出光束质量M2≤4，光斑直径不大于5mm，波长为1064nm，功率为1～400W，单脉冲能量为1～100mJ，脉宽为1～100ns，重复频率为1～100kHz。
8.根据权利要求6所述的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凹凸复合结构(3)的步骤：在双极板冲压模具背面进行皮秒激光热加工，产生局部材料气化，利用超声清洗、辉光清洗及溅射清洗对模具进行去毛刺，得到具有凹凸复合结构(3)的燃料电池双极板冲压模具；利用得到的背面具有凹凸复合结构(3)的冲压模具进行冲压成型，得到具有疏水性的燃料电池双极板。
9.根据权利要求8所述的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0.5mrad，输出光束质量M≤1.3，光斑直径不大于3mm，波长为1064nm，功率为1～50W，单脉冲能量为1～100μJ，脉宽为1～100ps，重复频率为1～10MHz。
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