CN111446462A - 一种带有表面微结构的燃料电池金属极板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有表面微结构的燃料电池金属极板及其制造方法，将金属极板表面分区设置凸出或凹陷的微阵列结构。与现有技术相比，本发明二级微结构，从而能够增大与气体扩散层的有效接触面积，进而降低极板与气体扩散层间的接触电阻，提高燃料电池的输出电压，二级结构调节极板表面的亲疏水性，改善电池内水管理，有利于保证质子膜工作时所需的一定湿度，也能够及时排出流道内生成的液态水。整个极板表面被分成不同的区块，防止电堆内过分干燥或过多水分聚集，分块设计能够更好地提高燃料电池的性能和效率，具有制备过程简单环保、耐腐蚀性好等优点。

Description

一种带有表面微结构的燃料电池金属极板及其制造方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种带有表面微结构的燃料电池金属极板及其制造方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种环境友好型的新能源装置，通过氧化还原反应将化学能转化为电能，反应产物只有水，具有高效、环保、运行温度低等优点。燃料电池已经开始在汽车、无人机、便携式移动电源和固定电源等领域中应用。而极板是燃料电池的关键部件之一，金属极板由于其制造成本低并且具有良好的导热性和导电性，被广泛采用。

为了提高燃料电池的输出电压，应尽量降低电池的内阻，主要包括电池内各种材料的本体电阻以及界面间接触电阻。对于平面接触的两个导体，在理想情况下，希望接触面对电流传导的阻碍为零。然而实际上，从微观结构来看，导体表面并非绝对平整、光滑，这就使得导体的接触面积大幅度减小，而有些接触到的部分也可能并未导通，进而导致接触界面上的电阻带来的影响不可忽略。甚至导体间的接触形式、接触压力、表面粗糙度等因素，都会影响导体之间的接触电阻大小。而气体扩散层通常由多孔结构的碳纤维构成，因此希望能对金属极板表面进行处理。

经过对现有技术文献的检索，发现中国专利授权公布号CN110323456A的专利公开了一种具有较低接触电阻双极板的制备方法，通过喷砂处理，改变了石墨极板表面的形貌，提高了表面粗糙度，在加紧力作用下表面凹凸起伏的结构陷入气体扩散层中，提高了接触面积、降低了接触电阻。中国专利授权公布号CN205645995U发明了一种至少有一个侧面为粗糙面的复合材料极板，以提高电池强度和导电性能。然而上述方法却没有考虑到双极板的排水情况，容易造成堵水现象，降低电池效率。

燃料电池反应生成水，如聚集在流道内、不能及时排出，将影响气体传输，降低电池效率；同时膜电极高效工作则需要保持流道内具备一定湿度。因此燃料电池水管理需满足不同条件约束。目前水管理主要技术手段为设置合理流道结构、优化流场布置。对现有技术文献检索，中国专利授权公布号CN110010922A发明了一种带疏水结构的燃料电池金属双极板，利用板料成形、增量成形或材料去除的方法，将微凸起结构设置在气体槽的底部表面，降低金属极板的表面亲水性；公开号为CN109065907A的专利发明了一种含有多条间隔分布的流道和流道脊的流场结构，来解决膜电极增湿和电池排水的问题；公开号CN110242214A的专利发明了一种在流道内设置粗糙段的极板，来加快气体湍动并破碎水滴，提高流场排水能力。但是在流道不同区域，由于受到气体吹扫作用不同，水的生成、聚集情况存在差异，更易聚集在流道末端和气体出口，而气体进口相对干燥。所述专利公开的极板结果均没有考虑不同区域对水分的不同需求，可能导致某些区域的效率受到负面影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有表面微结构的燃料电池金属极板及其制造方法，分区域设计微阵列结构、能降低接触电阻、改善水管理，从而降低燃料电池内阻、改善内部湿度分布、提高燃料电池输出电压和工作效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带有表面微结构的燃料电池金属极板，其特征在于，将金属极板表面分区设置凸出或凹陷的微阵列结构。

所述的金属极板表面分成三个区域：气体入口区、流道区和气体出口区。

所述的微阵列结构沿着气体入口区、流道区和气体出口区阵列细密化程度逐渐改变或微阵列结构的深宽比逐渐改变。

进一步地，所述的微阵列结构凸出或凹陷的高度或深度为5～30μm，深宽比为0.5～4:1，相邻两个凸出或凹陷的间距为5～50μm。所述的微阵列结构为设置在金属极板表面的规则形状或不规则凸起或凹陷，其中规则形状包括金字塔、圆柱、圆锥、丝状、带状、球或立方体。

可任意改变微阵列结构的几何结构、深宽比或排布密度中的一个或两个特征，使气体入口区的极板表面具有亲水性，保证膜电极的湿润，气体出口区的极板表面具有疏水性，促进生成水的排出，保证气体通过。

进一步优选：所述的微阵列结构的几何结构和深宽比相同，沿着气体入口区、流道区和气体出口区，排布密度逐渐增大，密排的阵列特征有利于增强极板表面的疏水性，从而在靠近气体入口的位置，使得金属极板保持一定的亲水性，保证膜电极的湿润，在靠近气体出口的位置，促进生成水的排出，保证气体通过。

进一步优选：所述的微阵列结构的几何结构和排布密度相同，沿着气体入口区、流道区和气体出口区，深宽比逐渐增大，使气体入口区的极板表面具有亲水性，气体出口区的极板表面具有疏水性，从而在靠近气体入口的位置，使得金属极板保持一定的亲水性，保证膜电极的湿润，在靠近气体出口的位置，促进生成水的排出，保证气体通过。

进一步优选：所述的微阵列结构的排布密度和深宽比相同，几何结构不同，选择不同的几何结构进行组合，使气体入口区的极板表面具有亲水性，气体出口区的极板表面具有疏水性。

所述的微阵列结构，可以选择相同的特征深宽比和排布密度、不同的几何模型，或综合使用包括但不限于上述的设计方式，以达到分区域处理极板表面亲疏水性的目的。

所述的微阵列结构无论以上述何种排布方式，都可以有效地增大与气体扩散层的接触面积，从而降低金属极板与气体扩散层之间的接触电阻，提高燃料电池的输出电压。

一种带有表面微结构的燃料电池金属极板的制造方法，采用材料表面处理或模具表面处理的方法在金属极板表面制造微阵列结构。

进一步地，所述的材料表面处理的方法为采用辊压、冲压、单点快速压印、激光、电铸、丝网印刷或化学腐蚀的方法，采用敷料、不采用敷料或者去除材料方式，在金属材料表面形成微阵列结构；

所述的模具表面处理的方法为采用压印、激光、电铸或化学腐蚀的方法在用于制备极板的冲压模具表面形成镜像微阵列结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明在金属表面上设置凸出或凹陷的微阵列结构，在装配力作用下，微结构被压入气体扩散层的次表层并与之接触，这样就能大大增加金属极板与气体扩散层间的有效接触面积，从而改善接触情况，降低二者间的接触电阻。

(2)本发明的具有微阵列结构的燃料电池金属极板，通过极板表面的微米级结构增大了与气体扩散层表面微观结构的有效接触面积，降低了界面间的接触电阻，提高燃料电池的输出电压；分区域设计不同的微阵列，能够针对极板不同区域对水分的需求及干湿度要求，分块处理极板，使其具有不同的亲、疏水性能，提高了燃料电池的工作效率和运行稳定性。

(3)本发明的具有微阵列结构的燃料电池金属极板的制造方法，提供了两种生产方式，利用辊压等方式在材料表面进行预处理，加工成本低、生产效率高，可实现大规模、大批量生产；在用于制备金属极板的模具表面进行处理，直接通过模具将微阵列结构成形在金属材料表面，可省去材料预处理环节，降低时间成本，工序少，适用于大规模生产。

附图说明

图1为本发明具有微阵列结构的燃料电池金属极板的主视图；

图2为本发明具有微阵列结构的燃料电池金属极板的分配区微阵列示意图；

图3为本发明具有微阵列结构的燃料电池金属极板的流道区域微阵列示意图；

图4为本发明具有微阵列结构的燃料电池金属极板的流道区微阵列与气体扩散层接触截面示意图；

图5为图4中A部放大图；

图6为本发明具有微阵列结构的燃料电池金属极板材料表面处理制造方法示意图；

图7为图6中B部放大图；

图8为本发明具有微阵列结构的燃料电池金属极板模具结构示意图；

图9为图8中C部放大图；

图10为金属极板放置于图8所示模具中进行模压的结构示意图；

图11为金属极板模压后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。

实施例1

如图1所示，双极板的阴、阳两极被分成气体入口区1、流道区2和气体出口区3。对于阳极板，气体入口区1相对干燥，为了保证膜电极能够良好工作，应保持金属极板一定的亲水性，故可采用密度相对稀疏的微阵列结构a101(即在极板表面设置立方体状凸起，凸起高度为5～30μm，深宽比为0.5～4:1，入口处相邻两个凸出的间距为50μm)；沿流道从气体入口区1至气体出口区3，整列密度逐渐增大(到达气体出口处时，相邻两个凸出的间距为5μm)，由于反应生成的水使得整个电池的湿润程度增大，因此阵列密度随之增大，此时极板表面的疏水性提高，利于避免电池内湿度太大降低电池的运行效率。对于阴极板，反应生成的水易聚集在流道内，影响气体传输，故需采用阵列密度较大的微结构(阴极板表面设置的微阵列结构的几何形状和深宽比与阳极板相同，排布密度不同，从气体入口区1至气体出口区3，相邻两个凸出的间距从30μm逐步降低至10μm)，来提升阴极极板整个表面的疏水性，促进生成水的排出，调节水管理，保证燃料电池稳定运行。两侧极板表面的微结构，都可以有效地降低金属极板与气体扩散层之间的接触电阻，提高燃料电池的输出电压。

实施例2

阳极板和阴极板表面的微阵列结构的几何形状和排布密度相同，深宽比不同，几何结构为凸起的圆柱，其中，从气体入口区1至气体出口区3，圆柱的高度不同，阳极板上深宽比从0.5：1逐步增大至4:1。阴极板上深宽比从1：1逐步增大至4:1。其余同实施例1。

实施例3

阳极板和阴极板表面的微阵列结构的深宽比和排布密度相同，几何形状不同，气体入口区1的形状为球状、流道区2为圆锥状，气体出口区3为丝带状。其余同实施例1。

实施例4

如图6所示，利用多工步辊压7的加工方式，对制造金属极板的材料进行表面预处理，在压辊表面设有为微阵列结构，如图7所示。在金属表面压制出分布密度不同的微阵列结构，将材料切分后通过冲压或液压胀形的方式，制备金属极板，则可以得到具有不同疏密程度微阵列结构a101及微阵列结构b201的极板(如图2～3所示)。具有微阵列结构的极板5与气体交换层4接触时(如图4～5所示)，有效接触面积增大，接触电阻减小，电池的输出电压升高。微阵列结构b201使得靠近气体入口处的流道，保留了一定的亲水性，有利于保持质子交换膜的湿度，而靠近出口的位置，极板的疏水性大大增加，利于生成水6快速排出，保证气体通道畅通性，提高燃料电池的运行效率和稳定性。

实施例5

如图8～11所示，在用于制备金属极板的冲压模具8表面，通过压印、激光、电铸或化学腐蚀的方法形成所需的微阵列结构，如图9所示，再利用该模具冲压生产金属极板时，微结构会通过模具直接成形在金属材料表面，则可以得到具有不同疏密程度微阵列结构a101及微阵列结构b201的极板。具有微阵列结构的极板5与气体交换层4接触时，有效接触面积增大，接触电阻减小，电池的输出电压升高。微阵列结构b201使得靠近气体入口处的流道，保留了一定的亲水性，有利于保持质子交换膜的湿度，而靠近出口的位置，极板的疏水性大大增加，利于生成水6快速排出，保证气体通道畅通性，提高燃料电池的运行效率和稳定性。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种带有表面微结构的燃料电池金属极板，其特征在于，将金属极板表面分区设置凸出或凹陷的微阵列结构。

2.根据权利要求1所述的一种带有表面微结构的燃料电池金属极板，其特征在于，所述的金属极板表面分成三个区域：气体入口区、流道区和气体出口区。

3.根据权利要求1或2所述的一种带有表面微结构的燃料电池金属极板，其特征在于，所述的微阵列结构沿着气体入口区、流道区和气体出口区阵列细密化程度逐渐改变或微阵列结构的深宽比逐渐改变。

4.根据权利要求3所述的一种带有表面微结构的燃料电池金属极板，其特征在于，所述的微阵列结构凸出或凹陷的高度或深度为5～30μm，深宽比为0.5～4:1，相邻两个凸出或凹陷的间距为5～50μm。

5.根据权利要求3所述的一种带有表面微结构的燃料电池金属极板，其特征在于，所述的微阵列结构的几何结构和深宽比相同，沿着气体入口区、流道区和气体出口区，排布密度逐渐增大，使气体入口区的极板表面具有亲水性，气体出口区的极板表面具有疏水性。

6.根据权利要求3所述的一种带有表面微结构的燃料电池金属极板，其特征在于，所述的微阵列结构的几何结构和排布密度相同，沿着气体入口区、流道区和气体出口区，深宽比逐渐增大，使气体入口区的极板表面具有亲水性，气体出口区的极板表面具有疏水性。

7.根据权利要求3所述的一种带有表面微结构的燃料电池金属极板，其特征在于，所述的微阵列结构的排布密度和深宽比相同，几何结构不同，选择不同的几何结构进行组合，使气体入口区的极板表面具有亲水性，气体出口区的极板表面具有疏水性。

8.根据权利要求1所述的一种带有表面微结构的燃料电池金属极板，其特征在于，所述的微阵列结构为设置在金属极板表面的规则形状或不规则凸起或凹陷，其中规则形状包括金字塔、圆柱、圆锥、丝状、带状、球或立方体。

9.一种如权利要求1所述的带有表面微结构的燃料电池金属极板的制造方法，其特征在于，采用材料表面处理或模具表面处理的方法在金属极板表面制造微阵列结构。

10.根据权利要求9所述的带有表面微结构的燃料电池金属极板的制造方法，其特征在于，所述的材料表面处理的方法为采用辊压、冲压、单点快速压印、激光、电铸、丝网印刷或化学腐蚀的方法，采用敷料、不采用敷料或者去除材料方式，在金属材料表面形成微阵列结构；

所述的模具表面处理的方法为采用压印、激光、电铸或化学腐蚀的方法在用于制备极板的冲压模具表面形成镜像微阵列结构。

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