CN113921828A - 一种燃料电池双极板及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池双极板，包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间为燃料电池膜电极，阳极板、膜电极和阴极板相互层叠在一起；阳极板和阴极板均包括进气口、出气口和流场结构，流场结构内部设置有流道，流道之间设置有隔壁；进气口在流场结构的一端，与流道相连，气体通过进气口进入流场结构，并通过膜电极进行化学反应；出气口在流场结构的另一端，进气口与出气口呈对角线分布，气体在完成化学反应后通过与流道相连的出气口排出；双极板和膜电极之间安装有垫圈和间距调整构件，垫圈安装在双极板外侧，间距调整构件安装在垫圈外侧，通过间距调整构件调整双极板和膜电极之间的距离。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池双极板及制备方法。
背景技术
燃料电池(Fuel Cells，FC)可以把燃料所具有的化学能直接转换成电能，是一种电化学发电装置。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换为电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用氢气和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，有害气体的排放很少。就节能和生态环境保护的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。因此，燃料电池技术被视为21世纪最有效和最清洁的发电技术。
双极板(Bipolar plate，BP)是燃料电池中的另一个关键组件，在燃料电池中它起着分配燃料气和空气、实现单片电池之间的电的联结、从活性区域带出废热、防止气体和冷却剂的泄漏以及促进电池中的水管理等功能。目前双极板的成本约占电池总成本的30％～45％左右，而其质量占电池总重量的 80％。
目前从材料上分类，双极板基本上可以分成三大类：石墨双极板、聚合物-碳复合材料双极板、金属双极板。其中金属双极板其具有机械加工性能优良、导电和导热性好、气密性好等优点，可以用来制作很薄(＜0.15mm)的双极板，从而大幅减小整个电池组的体积，提高燃料电池的比功率，适合大批量低成本生产。但是，金属双极板的主要缺点为耐腐蚀性能差，腐蚀会降低燃料电池的性能和双极板的耐久性，满足不了燃料电池长期稳定运行的需要；金属表面钝化会导致双极板和膜电极扩散层之间接触电阻增大，金属离子扩散到电极部位对催化剂产生毒化作用，降低燃料电池的输出效率。
发明内容
本发明解决了现有金属双极板的技术缺陷，通过对金属板表面进行改性，通过开发特定的耐腐蚀涂层来保护和提高金属双极板的耐腐蚀性、降低运行过程中双极板与扩散层之间的接触电阻。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种燃料电池双极板，所述双极板包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间为燃料电池膜电极，阳极板、膜电极和阴极板相互层叠在一起；
所述阳极板和阴极板均包括进气口、出气口和流场结构，流场结构内部设置有流道，流道之间设置有隔壁；进气口在流场结构的一端，与流道相连，气体通过进气口进入流场结构，并通过膜电极进行化学反应；出气口在流场结构的另一端，进气口与出气口呈对角线分布，气体在完成化学反应后通过与流道相连的出气口排出；
双极板和膜电极之间安装有垫圈和间距调整构件，垫圈安装在双极板外侧，间距调整构件安装在垫圈外侧，通过间距调整构件调整双极板和膜电极之间的距离；
所述流场结构包括第一流场结构、第二流场结构和第三流场结构，第二流场结构位于中间，第一流场结构和第三流场结构位于两侧；第二流场结构中的流道平行分布；第一流场结构和第三流场结构均包括蛇形分布的复合流道，每个复合流道由平行分布的流道组成。
进一步地，每个流场结构流道数量在6～12之间。
进一步地，所述阳极板和阴极板均包括基板和涂层；所述基板采用金属材料，包括不锈钢、铝、钛其中一种及以上；所述涂层沉积在基板表面，涂层包括碳涂层、金属涂层、合金涂层其中一种及以上。
进一步地，所述涂层包括第一涂层和第二涂层，第二涂层沉积在第一涂层上；第一涂层包括铬、钛、锆、钨、镍、钽其中任意一种及以上，采用电子束蒸发沉积在基板上；使用氮气、氨气、氧气、甲烷其中任意一种作为反应气体，通过辉光放电使反应气体电离，然后反应气体离子与第一涂层发生碰撞，沉积在第一涂层上；
所述第一涂层厚度为700～800nm；
所述第二涂层厚度为700～800nm。
本发明还提供了一种燃料电池双极板制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S11，制备铁素体不锈钢，所述不锈钢包括以下组分，以质量计：
碳，小于2％；氮，小于2％；硅，小于1％；锰，小于2％；磷，小于0.05％；硫，小于0.05％；铬，15～34％；钼，0.1～5％；铜，0.1～2％；镍，10～15％；钛，小于0.5％；铌，小于0.5％；钒，0～1％；钨，0～4％；镧，0～1％；锆，0～1％；硼，0～0.1％；其余组分为铁；
步骤S12，将不锈钢材料通过冲压成型或者液压成型制成双极板基板；
步骤S13，在硫酸溶液中洗涤基板；所述硫酸溶液浓度为在0.05％～20％，温度为50℃～75℃，洗涤时间为30秒～5分钟；
步骤S14，在硝酸和氢氟酸的混合溶液中钝化基板；所述硝酸占10％～20％，氢氟酸占1％～10％，混合溶液浓度保持在40℃～60℃，钝化时间为30秒～10 分钟。
进一步地，所述制备方法还包括制备基板涂层，具体包括以下步骤：
步骤S21，将基板通过夹具固定在涂层沉积系统转架上，设置转架转速为 3r/min，并在整个涂层过程中保持恒定；
步骤S22，关闭涂层沉积系统真空腔室门，打开真空系统使炉腔抽至 5×10-2Pa后准备运行；
步骤S23，打开加热系统使腔内温度升至300℃后保温一小时；
步骤S24，保持温度不变，打开氩气使流量为100sccm，设置压强和偏压分别为4.0Pa和-400V、占空比60％，对基板进行Ar离子辉光放电15min；
步骤S25，保持氩气流量不变，偏压设为-200V，打开柱弧并设弧流为80A，激发高能Ar+对基板进行离子刻蚀30min，用于活化基板表面，提高膜基结合力；
步骤S26，关闭柱弧，打开多弧靶进行涂层沉积；
步骤S27，完成涂层沉积后，保持炉腔内真空度，关闭加热系统，基板随炉冷却至室温后取出。
本发明还提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括双极板和膜电极，所述膜电极为五层结构，包括两层气体扩散层、两层催化层和一层电解质膜；电解质膜位于五层结构中间，两侧各分布有一层催化层；每层催化层外侧各有一层气体扩散层；
所述气体扩散层包括支撑层和微多孔层，微多孔层在催化层和支撑层之间；所述支撑层采用炭纸或者炭布；所述微多孔层沉积在支撑层上，连接支撑层和催化层；
所述催化层包括催化剂和粘结剂。
本发明还提供了一种燃料电池双极板与气体扩散层接触性能评价方法，所述评价方法包括以下步骤：
步骤S31，将具有误差的双极板代入接触模型中，根据以下公式计算出每个流道对应的接触应力：
其中，μσ与σσ分别代表气体扩散层接触应力的平均值与标准差，σsi代表每个流道对应的接触应力大小，n为流道数目，n为自然数；
μσ代表扩散层的平均接触应力，表示接触紧密性；σσ代表接触应力的标准差，表示接触应力的均匀性。当σσ增大，表示数据之间的离散程度增大，代表气体扩散层的接触应力的均匀性变差；当μσ减小，代表接触紧密性变低，但μσ也不能过大，会造成气体扩散层结构发生破坏。
步骤S32，采用满意度函数进行分析评估，总满意函数为D，总满意函数的范围从0到1，函数值越大，满意度越高；对于每单个响应都转换为无量纲函数d，其大小由相应的单响应函数决定；单个响应函数根据响应要求不同，分为三种函数类型望大型、望小型及望目型；
如果要使响应最大化，指数s确定达到目标值的重要性，称这样的函数为望大型函数，其单个满意度函数表示为：
如果要使响应成为一个定值，指数s、t确定达到目标值的重要性，称这样的函数为望目型函数，单个满意度函数表示为：
如果要使响应最小化，指数t确定达到目标值的重要性，称这样的函数为望小型函数，其单个满意度函数表示为：
其中，yi代表的是第i次的响应值，i取1、2、3……，代表响应的个数； Li代表响应的下限，Ui代表响应的上限，Ti代表响应目标；t为指数，取1，代表满意度函数与yi呈线性关系；
步骤S33，将确定的单个响应的满意度值代入以下公式中，得出总满意度值Dtotal，将多个目标问题转换为单个问题：
其中，m是响应的数量，wi代表第i个响应的相对重要性，数字越大，则代表重要性的权重比越大；
步骤S33，采用接触应力的平均值与标准差来衡量接触性能，将接触应力平均值与标准差作为响应由公式(4)和公式(5)求出各自的满意度函数值
和
见以下公式：
对于公式(6)，取w1与w2为1，代表两个响应的重要性相一致；则气体扩散层接触应力分布的总满意度函数如下：
其中，
代表接触应力平均值的满意度函数值，
代表接触应力标准差的满意度函数值；Dtotal代表接触性能的总满意度函数值；当Dtotal越大时，表示气体扩散层的接触性能越好。
本发明还提供了一种燃料电池组检测系统，所述燃料电池组检测系统包括化工模块和电气模块，化工模块用于向燃料电池供气和供水，电气模块接收燃料电池的功率输出，同时对燃料电池的电压进行采集；电气模块接收化工模块的反馈信号，并输出控制信号至化工模块，对化工模块的供气和供水进行控制。
进一步地，通过焊接将燃料电池进行串联或者并联，形成燃料电池组。
进一步地，所述电气模块包括控制器、上位机和电子负载；电子负载接收燃料电池的功率输出，控制器接收上位机指令，对燃料电池的电压进行采集，并通过控制板卡接收收化工模块的反馈信号，同时向化工模块输出控制信号。
进一步地，所述电气模块还包括电源，用于给控制器供电；所述电源采用TPS54310芯片，输入电压为5V，输出电压在0.9V-3.3V之间调节；所述电源具体包括：
解耦电容C1、C3电容一端并联接地，另一端与TPS54310芯片VIN口连接；电阻R1一端与TPS54310芯片RT口连接，另一端接地，用于设置模块的开关转换频率；电感L1一端与TPS54310芯片PH口连接，另一端与电容 C2连接后接地，用于对输出电压进行滤波；电容C4一端与TPS54310芯片 VBIAS口连接，另一端接地；电容C6一端与TPS54310芯片SS/ENA口连接，另一端接地；电容C5接在TPS54310芯片PH口和BOOT口之间；电阻R2、 R3、R5，电容C7、C8、C9组成环路补偿电路，其中电容C8与电阻R5、电容C9并联，接在TPS54310芯片VSENSE口和COMP口之间，电阻R2与电容C7、电阻R3并联，接在TPS54310芯片VSENSE口和PH口之间；电阻R4和电阻R2作为分压电阻，控制电源模块的输出电压，具体如下：
其中Vout为输出电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，实现了双极板的轻薄化，降低了双极板的体积和重量，提高了双极板的耐腐蚀性，对金属双极板的商业化生产具有重要意义。
附图说明
图1为本发明燃料电池结构图；
图2为本发明膜电极结构图；
图3为本发明燃料电池双极板结构图；
图4为本发明流场结构图；
图5为本发明垫圈和间距调整构件安装结构图；
图6-1为本发明点状流道流场结构图，图6-2为平行直流道流场结构图，图6-3为单通道蛇形流道流场结构，图6-4为复合蛇形流道流场结构图；
图7为本发明流场结构又一实施例；
图8为本发明使用的PVD涂层沉积系统沉积腔室示意图：1-炉体；2-柱形Ti靶；3-圆形多弧靶；4-转架；5-高能Ar+；
图9为双极板高度误差示意图；
图10为具有翘曲形状误差的双极板与气体扩散层接触示意图；
图11为燃料电池测试平台布局示意图；
图12为燃料电池测试平台电气部分控制逻辑图；
图13为燃料电池测试平台电压采集系统电路图；
图14为燃料电池组检测系统控制器电源结构图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明的具体实施方式进行进一步阐述。
实施例一：
本发明提供了一种燃料电池双极板，如图1所示，所述双极板200包括阳极板201和阴极板202，阳极板和阴极板之间为燃料电池膜电极100，阳极板201、膜电极100和阴极板202相互层叠在一起。
在本发明具体实施例中，膜电极100为五层结构，包括两层气体扩散层 103、两层催化层102和一层电解质膜101；电解质膜101位于五层结构中间，两侧各分布有一层催化层102；每层催化层外侧各有一层气体扩散层103。所述气体扩散层包括支撑层和微多孔层，微多孔层在催化层和支撑层之间；所述支撑层采用炭纸或者炭布。所述微多孔层沉积在支撑层上，连接支撑层和催化层。所述催化层包括催化剂和粘结剂。
所述阳极板和阴极板均包括进气口210、出气口230和流场结构220，流场结构220内部设置有流道222，如图3所示。流道222之间设置有隔壁224，如图4所示。
进气口210在流场结构220的一端，与流道相连，气体通过进气口210 进入流场结构220，并通过膜电极进行化学反应；出气口在流场结构220的另一端，进气口210与出气口230呈对角线分布，气体在完成化学反应后通过与流道222相连的出气口230排出。
氢气，即燃料，通过双极板进气口到达阳极板，然后穿过气体扩散层进入催化层。在催化剂的作用下，H2分解成质子和电子，其中质子穿过电解质膜达到阴极，而电子则通过外部电路到达阴极，见以下反应式：
阳极反应：H2→2H++2e-
阴极板一侧，氧气(空气)经过同样的路径到达催化层，在催化剂的作用下，氧气与从阳极板而来的质子和电子发生反应生成水，见以下反应式：
阴极反应：1/2O2+2H++2e-→H2O
反应所生成的水和废气由气体交换层和双极板出气口排出，外部电路则接入用电设备产生电流，提供电力。
本发明具体实施例中双极板200和膜电极100之间安装有垫圈310和间距调整构件320，如图5所示。垫圈310用来防止气体泄漏，垫圈310可以是具有气体密封性的材料。垫圈310具有矩形形状，优选采用橡胶弹性体如硅氧烷材料。垫圈310位于双极板200的边缘区域中，该边缘区域设置在流场结构220的外周部分上。垫圈310安装在填充槽250中。
膜电极100和双极板200在最佳距离内，电性能也将最优。本发明的燃料电池优选包括间距调整构件320。间距调整构件320安装在膜电极100和双极板200之间，并且在垫圈310的外侧。膜电极100、间距调整构件320、垫圈310和双极板200具有依次层叠的结构。间距调整构件320为矩形环形(环形)的形状。优选地，间距调整构件320是在矩形孔的中心形成方形(环状) 的方形环状。间距调整构件320的厚度小于垫圈310的厚度。
流场结构主要有点状流道流场结构(图6-1)、平行直流道流场结构(图 6-2)、单通道蛇形流道流场结构(图6-3)，以及复合蛇形流道流场结构(图 6-4)。复合蛇形流道流场结构总体上包括若干个蛇形流道，每个蛇形流道中又包括若干个平行直流道。
点状流道流场结构有很多以规则图案排列的点组成，这些点可以为立方体或球形状。在平行直流道流场结构的设计形式中，气体流场板包括多个相互独立的平行流道，这些平行流道与入气通道与出气通道相连接，并且与板的边缘平行。蛇形流场将原来的直流场改为带有弯道的流道，这样加大了气体流速，加快了反应速率，能迅速地排出反应生成物。
在本发明具体实施例中，所述流场结构220包括第一流场结构2201、第二流场结构2202和第三流场结构2203，如图7所示。第二流场结构2202位于中间，第一流场结构2201和第三流场结构2203位于两侧；第二流场结构 2202中的流道平行分布；第一流场结构2201和第三流场结构2203均包括蛇形分布的复合流道，每个复合流道由平行分布的流道组成。蛇形流道的通道深度优选为0.5mm、通道宽度为1.0mm、脊宽为1.6mm和过渡圆角半径为 0.5mm时，此时气体的反应效率最高，达到79％。
优选地，所述阳极板和阴极板均包括基板和涂层；所述基板采用金属材料，包括不锈钢、铝、钛其中一种及以上；所述涂层沉积在基板表面，涂层包括碳涂层、金属涂层、合金涂层其中一种及以上。
优选地，所述涂层包括第一涂层和第二涂层，第二涂层沉积在第一涂层上；第一涂层包括铬、钛、锆、钨、镍、钽其中任意一种及以上，采用电子束蒸发沉积在基板上；使用氮气、氨气、氧气、甲烷其中任意一种作为反应气体，通过辉光放电使反应气体电离，然后反应气体离子与第一涂层发生碰撞，沉积在第一涂层上；
所述第一涂层厚度为700～800nm；
所述第二涂层厚度为700～800nm。
实施例二：
本发明还提供了一种燃料电池双极板制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S11，制备铁素体不锈钢，所述不锈钢包括以下组分，以质量计：
碳，小于2％；氮，小于2％；硅，小于1％；锰，小于2％；磷，小于0.05％；硫，小于0.05％；铬，15～34％；钼，0.1～5％；铜，0.1～2％；镍，10～15％；钛，小于0.5％；铌，小于0.5％；钒，0～1％；钨，0～4％；镧，0～1％；锆，0～1％；硼，0～0.1％；其余组分为铁；
步骤S12，将不锈钢材料通过冲压成型或者液压成型制成双极板基板；
步骤S13，在硫酸溶液中洗涤基板；所述硫酸溶液浓度为在0.05％～20％，温度为50℃～75℃，洗涤时间为30秒～5分钟；
步骤S14，在硝酸和氢氟酸的混合溶液中钝化基板；所述硝酸占10％～20％，氢氟酸占1％～10％，混合溶液浓度保持在40℃～60℃，钝化时间为30秒～10 分钟；
优选地，所述制备方法还包括制备基板涂层，使用高能离子源-柱弧-多弧复合PVD涂层沉积系统。该系统由水冷系统、加热系统、真空系统、充气系统和装夹系统组成。镀膜腔室配备2套、4只Φ160间冷多弧靶，采用气动引弧装置，设有电磁线圈磁场，辅助阳极自动补偿电压回路，自动保护过电流系统，强迫水冷回路，多弧电流0-380A可调。前门配置Φ70柱弧靶一套。系统配备专用冷却水分配及水流量检测，各路水流速度由水流传感器独立检测，通过数字嵌入系统管理，水流信号通过串口通讯至PLC和工控机，所有异常均可根据各测量点的敏感程度进行分级处理。设备加热器采用铠装加热板结构，工件烘烤均匀可靠，采用PID智慧温控器控制，加热温度室温到600℃可调，恒温精度±10℃。
图8为本发明设备沉积腔室示意图。系统真空腔室尺寸为Φ900×800mm，有效可镀空间Φ400×500mm。真空系统采用机械泵-罗茨泵-分子泵抽气系统，空载冷态极限真空8×10-5Pa，压升率不大于0.5Pa/hr，空载状态抽气时间从大气抽至6×10-3Pa小于20分钟。设备装备了多弧阴极靶，采用直冷技术，冷却效果显著提升，为多弧靶实现大电流工作提供了充分地冷却支持。同时，加入的柱弧靶在工件刻蚀阶段提供了大量的电子，再由加持在2、3号阴极靶上的正电势引导到真空室内，从而增加了氩气的离化，为工件刻蚀提供了充足的氩离子氛围。设备配备4路气体质量流量控制计及相关高真空截止阀。设备样品装夹系统配备0.55kw变频器控制交流电机，转架可实现三维旋转，公转转速0-5转/分钟可调，转架自转直径5×Φ130mm，转架主轴采用磁流体密封，通过转轴在真空室外加直流/脉冲偏压。
涂层制备方法主要分为四个步骤：加热、辉光放电、离子刻蚀和镀膜。运行镀膜程序前，基体样片通过夹具被固定在转架上，靶基距为250mm，设置转架转速为3r/min并在整个工艺过程中保持恒定。关闭真空腔室门，打开真空系统使炉腔抽至本底真空5×10-2Pa后运行程序。首先打开加热系统快速使腔内温度升至300℃后保温一小时；保持温度不变，打开氩气使流量为 100sccm，设置压强和偏压分别为4.0Pa和-400V、占空比60％，对基体进行Ar离子辉光放电15min，用于清洗基材，去除表面油脂等异物；保持氩气流量不变，偏压设为-200V，打开柱弧并设弧流为80A，激发高能Ar+对基体进行离子刻蚀30min，用于活化基材表面，进一步提高膜基结合力；关闭柱弧，打开多弧靶进行涂层沉积。完成涂层沉积后，保持炉腔内真空度，关闭加热系统，样品随炉冷却至室温后取出，放置于干燥箱内等待后续表征。本实验中，针对不同体系涂层分别采用了不同的镀膜工艺，具体参数将在后文进行描述，而加热、辉光放电和离子刻蚀步骤均采用相同工艺。
实施例三：
由于目前金属双极板主要经冲压而成，考虑制造工艺、工具磨损等因素，金属双极板的高度误差在所难免，如图9所示。由于在冲压过程中的残余应力和焊接过程中的热应力会引起形状误差，如图10所示，在燃料电池电堆中，金属双极板与气体扩散层相接触，由于几何误差的存在会导致气体扩散层的接触应力分布不均匀，影响电堆的整体性能。
基于此，本发明还提供了一种燃料电池双极板与气体扩散层接触性能评价方法，气体扩散层的接触应力是由每一条流道对应的接触应力组成，接触应力的平均值与标准差都能代表接触性能的好坏，这里引入两个定义μσ和σσ用于评估接触性能。双极板与气体扩散层接触性能评价方法所述评价方法包括以下步骤：
步骤S31，将具有误差的双极板代入接触模型中，根据以下公式计算出每个流道对应的接触应力：
其中，μσ与σσ分别代表气体扩散层接触应力的平均值与标准差，σsi代表每个流道对应的接触应力大小，n为流道数目，n为自然数；μσ代表扩散层的平均接触应力，表示接触紧密性；σσ代表接触应力的标准差，表示接触应力的均匀性。当σσ增大，表示数据之间的离散程度增大，代表气体扩散层的接触应力的均匀性变差；当μσ减小，代表接触紧密性变低，但μσ也不能过大，会造成气体扩散层结构发生破坏。
在不同制造误差条件下，气体扩散层的接触应力的平均值与标准差不同。需要通过μσ，σσ对气体扩散层的接触行为进行接触评估，这是一个双向的目标问题。对于多个目标的问题，很难同时处理所有响应。于是必须引用一种评估方法，将多目标问题转换成单目标问题，利用单目标函数对响应进行分析评估。
步骤S32，采用满意度函数法解决上述问题。满意度函数法是一种将多个目标问题转换为单个问题的方法。这个单一目标为无量纲函数，称为总满意函数D。总满意函数的范围从0到1，函数值越大，满意度越高，越能达到目标要求，即追求函数最大化。对于每单个响应都转换为无量纲函数d，其大小由相应的单响应函数决定。单个响应函数根据响应要求不同，分为三种函数类型望大型、望小型及望目型。如果要使响应最大化，指数s确定达到目标值的重要性，称这样的函数为望大型函数，其单个满意度函数表示为：
如果要使响应成为一个定值，指数s、t确定达到目标值的重要性，称这样的函数为望目型函数，单个满意度函数表示为：
如果要使响应最小化，指数t确定达到目标值的重要性，称这样的函数为望小型函数，其单个满意度函数表示为：
其中，yi代表的是第i次的响应值，i取1、2、3……，代表响应的个数； Li代表响应的下限，Ui代表响应的上限，Ti代表响应目标；t为指数，取1，代表满意度函数与yi呈线性关系.
步骤S33，将确定的单个响应的满意度值代入以下公式中，得出总满意度值Dtotal。这一步就将多个目标问题转换为单个问题。
其中，m是响应的数量，wi代表第i个响应的相对重要性，通常可以是 1-5的整数，数字越大，则代表重要性的权重比越大，5为最高重要性，而1 则为最低重要性。
步骤S33，采用接触应力的平均值与标准差来衡量接触性能。将接触应力平均值与标准差作为响应由函数方程(4)与(5)求出各自的满意度函数值
和
在实际封装过程中，气体扩散层的接触应力既不能过大，也不能过小。当接触应力过大，会导致气体扩散层的结构破坏，而接触应力过小，会增大电堆的接触电阻。所以，在这取气体扩散层接触应力下限为0.5MPa，上限为2.0MPa，取气体扩散层层接触应力常见值为1.0MPa。而接触应力的分布则是越均匀越好，代表σσ越小越好，这符合望小满意度函数。因此，将接触应力的标准差下限设置为0.1，而标准差也不能无限大，取上限为0.5，当标准差的满意度值大于0.5时，该标准差对应的加工误差则不被考虑。s与t 分别取1，则接触应力平均值的满意度函数与接触应力标准差的满意度函数如下：
对于公式(6)，取w1与w2为1，代表两个响应的重要性相一致；则气体扩散层接触应力分布的总满意度函数如下：
其中，
代表接触应力平均值的满意度函数值，
代表接触应力标准差的满意度函数值；Dtotal代表接触性能的总满意度函数值；当Dtotal越大时，表示气体扩散层的接触性能越好。
实施例四：
本发明还提供了一种燃料电池组检测系统，如图11所示。所述燃料电池组检测系统包括化工模块和电气模块，化工模块用于向燃料电池供气和供水，电气模块接收燃料电池的功率输出，同时对燃料电池的电压进行采集；电气模块接收化工模块的反馈信号，并输出控制信号至化工模块，对化工模块的供气和供水进行控制。
检测系统将化工与电气两部分在物理空间上尽量隔离有以下原因，一是防止化工与电气部分出现信号互相干扰，二是如果化工部分发生氢气泄漏，泄露的氢气存在被电气部件可能产生的火花点燃发生爆炸的可能，三是化工部分的加湿水箱在运行时产生的水蒸气也会影响电气部件的正常工作。
优选地，所述电气模块包括控制器、上位机和电子负载；电子负载接收燃料电池的功率输出，控制器接收上位机指令，对燃料电池的电压进行采集，并通过控制板卡接收收化工模块的反馈信号，同时向化工模块输出控制信号。
化工模块硬件结构主要分为空气反应气路，氢气反应气路，氮气吹扫气路，循环冷却水路。
在气路与水路中可控部件包含了温度管理部件与气体流动管理部件。
温度管理部件包括进气气路伴热带，空气加湿水箱内的加热棒，氢气加湿水箱内的加热棒，冷却水箱内的加热棒以及冷却回路的散热风扇。伴热带保持进气气体的温度，防止温暖湿润的反应气体在管道内冷凝，加热棒控制加湿水箱的温度，使加湿水箱内的加湿器性能达到最佳，散热风扇作为冷却回路温度的调节器，在冷却回路温度过高时进行降温工作。
气体流动管理部件包括质量流量计(MFC)和各类电磁阀。MFC负责调控反应气体流量大小，管路内的电磁阀负责气体供给的开启与关闭，气体比例调节阀负责调节进气湿度。
在图11中并未标出的有11个温度传感器，4个压力传感器，2个湿度传感器以及1个氢气浓度传感器。其中温度传感器分别监测氢气进堆温度，空气进堆温度，氢气加湿水箱温度，空气加湿水箱温度，氢气伴热带温度，空气伴热带温度，冷却水箱温度，冷却水进堆温度，冷却水出堆温度，氢气出堆温度以及空气出堆温度；压力传感器分别监测氢气进堆压力，空气进堆压力，氢气出堆压力，空气出堆压力；湿度传感器分别监测氢气进堆湿度，空气进堆湿度。这些传感器负责监测测试平台各处的温度值，压力值，湿度值以及氢气泄露情况，这些数据是作为平台是否正常工作的重要参考依据。
电气模块的控制逻辑如图12所示。燃料电池测试平台采用NI公司的 cRIO-9035控制器作为控制核心，起着接收上位机指令，采集传感器回传信号，下发控制指令，上传采集信号的中继作用。控制器需要外接模块板卡进行功能扩展，在具体实施例中，根据需求，选择了NI-9208、NI-9214、NI-9265、 NI-9477、NI-9401五张板卡。
NI-9208板卡为4-20mA模拟电流输入模块，负责采集压力传感器电信号以及采集MFC流量反馈信号。
NI-9214板卡为热电偶输入模块，负责采集温度传感器信号。
NI-9265板卡为0-20mA模拟电流输出模块，负责下发MFC流量控制信号。
NI-9477板卡为0-60V漏极数字电压输出模块，负责下发电磁阀控制信号，继电器控制信号，分别控制散热风扇，水箱加热棒，水泵以及伴热带的开启与关闭。
NI-9401板卡为双向数字模块，以PWM波的形式控制水泵、风扇的调速功能。
NI-9208板卡也负责采集电堆电池节电压数据。电流模块要实现采集电压的功能，需要做一个电压转电流的转换。燃料电池单电池实际开路电压一般不会超过1.1V，六节单电池串联在一起总电压不超过6.6V，NI-9208能接收的最大电流值为20mA，设计的电压采集系统为累计电压采集，采用低阻值的精密电阻将采集到的电压转化为20mA内的电流，如图13所示。
优选地，电气模块还包括电源，用于给控制器供电，如图14所示；所述电源采用TPS54310芯片，输入电压为5V，输出电压在0.9V-3.3V之间调节；所述电源具体包括：
解耦电容C1、C3电容一端并联接地，另一端与TPS54310芯片VIN口连接；电阻R1一端与TPS54310芯片RT口连接，另一端接地，用于设置模块的开关转换频率；电感L1一端与TPS54310芯片PH口连接，另一端与电容 C2连接后接地，用于对输出电压进行滤波；电容C4一端与TPS54310芯片 VBIAS口连接，另一端接地；电容C6一端与TPS54310芯片SS/ENA口连接，另一端接地；电容C5接在TPS54310芯片PH口和BOOT口之间；电阻R2、 R3、R5，电容C7、C8、C9组成环路补偿电路，其中电容C8与电阻R5、电容C9并联，接在TPS54310芯片VSENSE口和COMP口之间，电阻R2与电容C7、电阻R3并联，接在TPS54310芯片VSENSE口和PH口之间；电阻R4和电阻R2作为分压电阻，控制电源模块的输出电压，具体如下：
其中Vout为输出电压。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板200包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间为燃料电池膜电极，阳极板、膜电极和阴极板相互层叠在一起；
所述阳极板和阴极板均包括进气口210、出气口230和流场结构220，流场结构220内部设置有流道222，流道222之间设置有隔壁224；进气口210在流场结构220的一端，与流道相连，气体通过进气口210进入流场结构220，并通过膜电极进行化学反应；出气口在流场结构220的另一端，进气口210与出气口230呈对角线分布，气体在完成化学反应后通过与流道222相连的出气口230排出；
双极板200和膜电极100之间安装有垫圈310和间距调整构件320，垫圈310安装在双极板200外侧，间距调整构件320安装在垫圈310外侧，通过间距调整构件320调整双极板和膜电极之间的距离；
所述流场结构220包括第一流场结构、第二流场结构和第三流场结构，第二流场结构位于中间，第一流场结构和第三流场结构位于两侧；第二流场结构中的流道222呈平行分布；第一流场结构和第三流场结构中的流道均呈蛇形分布。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极板和阴极板均包括基板和涂层；所述基板采用金属材料，包括不锈钢、铝、钛其中一种及以上；所述涂层沉积在基板表面，涂层包括碳涂层、金属涂层、合金涂层其中一种及以上。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述涂层包括第一涂层和第二涂层，第二涂层沉积在第一涂层上；第一涂层包括铬、钛、锆、钨、镍、钽其中任意一种及以上，采用电子束蒸发沉积在基板上；使用氮气、氨气、氧气、甲烷其中任意一种作为反应气体，通过辉光放电使反应气体电离，然后反应气体离子与第一涂层发生碰撞，沉积在第一涂层上；
所述第一涂层厚度为700～800nm；
所述第二涂层厚度为700～800nm。
4.一种燃料电池双极板制备方法，用于制备如权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S11，制备铁素体不锈钢，所述不锈钢包括以下组分，以质量计：
碳，小于2％；氮，小于2％；硅，小于1％；锰，小于2％；磷，小于0.05％；硫，小于0.05％；铬，15～34％；钼，0.1～5％；铜，0.1～2％；镍，10～15％；钛，小于0.5％；铌，小于0.5％；钒，0～1％；钨，0～4％；镧，0～1％；锆，0～1％；硼，0～0.1％；其余组分为铁；
步骤S12，将不锈钢材料通过冲压成型或者液压成型制成双极板基板；
步骤S13，在硫酸溶液中洗涤基板；所述硫酸溶液浓度为在0.05％～20％，温度为50℃～75℃，洗涤时间为30秒～5分钟；
步骤S14，在硝酸和氢氟酸的混合溶液中钝化基板；所述硝酸占10％～20％，氢氟酸占1％～10％，混合溶液浓度保持在40℃～60℃，钝化时间为30秒～10分钟。
5.如权利要求4所述的一种燃料电池双极板制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括制备基板涂层，具体包括以下步骤：
步骤S21，将基板通过夹具固定在涂层沉积系统转架上，设置转架转速为3r/min，并在整个涂层过程中保持恒定；
步骤S22，关闭涂层沉积系统真空腔室门，打开真空系统使炉腔抽至5×10-2Pa后准备运行；
步骤S23，打开加热系统使腔内温度升至300℃后保温一小时；
步骤S24，保持温度不变，打开氩气使流量为100sccm，设置压强和偏压分别为4.0Pa和-400V、占空比60％，对基板进行Ar离子辉光放电15min；
步骤S25，保持氩气流量不变，偏压设为-200V，打开柱弧并设弧流为80A，激发高能Ar+对基板进行离子刻蚀30min，用于活化基板表面，提高膜基结合力；
步骤S26，关闭柱弧，打开多弧靶进行涂层沉积；
步骤S27，完成涂层沉积后，保持炉腔内真空度，关闭加热系统，基板随炉冷却至室温后取出。
6.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括如权利要求1～3中任一权利要求所述的双极板和膜电极，所述膜电极为五层结构，包括两层气体扩散层、两层催化层和一层电解质膜；电解质膜位于五层结构中间，两侧各分布有一层催化层；每层催化层外侧各有一层气体扩散层；
所述气体扩散层包括支撑层和微多孔层，微多孔层在催化层和支撑层之间；所述支撑层采用炭纸或者炭布；所述微多孔层沉积在支撑层上，连接支撑层和催化层；
所述催化层包括催化剂和粘结剂。
7.一种燃料电池双极板与气体扩散层接触性能评价方法，其特征在于，所述双极板与气体扩散层为权利要求6中所述的双极板与气体扩散层，所述评价方法包括以下步骤：
步骤S31，将具有误差的双极板代入接触模型中，根据以下公式计算出每个流道对应的接触应力：
其中，μσ与σσ分别代表气体扩散层接触应力的平均值与标准差，σsi代表每个流道对应的接触应力大小，n为流道数目，n为自然数；
步骤S32，采用满意度函数进行分析评估，总满意函数为D，总满意函数的范围从0到1，函数值越大，满意度越高；对于每单个响应都转换为无量纲函数d，其大小由相应的单响应函数决定；单个响应函数根据响应要求不同，分为三种函数类型望大型、望小型及望目型；
如果要使响应最大化，指数s确定达到目标值的重要性，称这样的函数为望大型函数，其单个满意度函数表示为：
如果要使响应成为一个定值，指数s、t确定达到目标值的重要性，称这样的函数为望目型函数，单个满意度函数表示为：
如果要使响应最小化，指数t确定达到目标值的重要性，称这样的函数为望小型函数，其单个满意度函数表示为：
其中，yi代表的是第i次的响应值，i取1、2、3……，代表响应的个数；Li代表响应的下限，Ui代表响应的上限，Ti代表响应目标；t为指数，取1，代表满意度函数与yi呈线性关系；
步骤S33，将确定的单个响应的满意度值代入以下公式中，得出总满意度值Dtotal，将多个目标问题转换为单个问题：
其中，m是响应的数量，wi代表第i个响应的相对重要性，数字越大，则代表重要性的权重比越大；
步骤S33，采用接触应力的平均值与标准差来衡量接触性能，将接触应力平均值与标准差作为响应由公式(4)和公式(5)求出各自的满意度函数值
和
见以下公式：
对于公式(6)，取w1与w2为1，代表两个响应的重要性相一致；则气体扩散层接触应力分布的总满意度函数如下：
其中，
代表接触应力平均值的满意度函数值，
代表接触应力标准差的满意度函数值；Dtotal代表接触性能的总满意度函数值；当Dtotal越大时，表示气体扩散层的接触性能越好。
8.一种燃料电池组检测系统，所述燃料电池组包括如权利要求6所述燃料电池，其特征在于，所述燃料电池组检测系统包括化工模块和电气模块，化工模块用于向燃料电池供气和供水，电气模块接收燃料电池的功率输出，同时对燃料电池的电压进行采集；电气模块接收化工模块的反馈信号，并输出控制信号至化工模块，对化工模块的供气和供水进行控制。
9.如权利要求8所述的一种燃料电池组检测系统，其特征在于，所述电气模块包括控制器、上位机和电子负载；电子负载接收燃料电池的功率输出，控制器接收上位机指令，对燃料电池的电压进行采集，并通过控制板卡接收收化工模块的反馈信号，同时向化工模块输出控制信号。
10.如权利要求9所述的一种燃料电池组检测系统，其特征在于，所述电气模块还包括电源，用于给控制器供电；所述电源采用TPS54310芯片，输入电压为5V，输出电压在0.9V-3.3V之间调节；所述电源具体包括：
解耦电容C1、C3电容一端并联接地，另一端与TPS54310芯片VIN口连接；电阻R1一端与TPS54310芯片RT口连接，另一端接地，用于设置模块的开关转换频率；电感L1一端与TPS54310芯片PH口连接，另一端与电容C2连接后接地，用于对输出电压进行滤波；电容C4一端与TPS54310芯片VBIAS口连接，另一端接地；电容C6一端与TPS54310芯片SS/ENA口连接，另一端接地；电容C5接在TPS54310芯片PH口和BOOT口之间；电阻R2、R3、R5，电容C7、C8、C9组成环路补偿电路，其中电容C8与电阻R5、电容C9并联，接在TPS54310芯片VSENSE口和COMP口之间，电阻R2与电容C7、电阻R3并联，接在TPS54310芯片VSENSE口和PH口之间；电阻R4和电阻R2作为分压电阻，控制电源模块的输出电压，具体如下：
其中Vout为输出电压。
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