CN114635149A - 一种双极板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种双极板及其制备方法，首先建立双极板立体模型，对所述双极板立体模型进行分层处理，以获得每一层的打印路径，针对流道区和非流道区分别设置不同的成形工艺参数，并将打印路径和成形工艺参数导入打印设备，同时筛选、烘干钛或钛合金粉末，对基板进行预处理；再根据每一层的双极板立体模型信息，在基板上预制铺粉，进而根据打印路径以及成形工艺参数，打印双极板每一层的结构，通过重复铺粉、打印单层结构，直到双极板打印完成；上述制备方法操作简单，成本低，效率高，能满足复杂流道加工要求，同时，在成型件力学性能、一体化成形、材料利用率、加工灵活度及其经济性方面皆具有优势。
Description
技术领域
本发明涉及电解水技术领域，特别是涉及一种双极板及其制备方法。
背景技术
双极板是SPE电解水的核心零部件，在电解槽的重量和成本方面占了绝大部分，主要功能是向阳极输送分配反应物水、收集反应后产生的氢气和氧气、传输电流以及支撑整个电解槽。双极板材质的选择需要具备良好的导电导热性能、高机械强度、耐腐蚀、气体不可渗透等特质。而金属材料不仅导电性、导热性良好，且具备足够高的机械强度，强韧性能好，易加工，成为SPE电解水双极板的常用材料，特别是钛金属及其合金，因其表面极易形成致密的氧化膜而具有很好的耐蚀性，受到SPE电解水双极板领域研究者的青睐。
为了既保证水能够在阳极膜电极表面均匀分布且充分供给，又保证反应产生的气体(氧气和氢气)以及热量被及时移除，一般在双极板上设置流场结构，使得水流均匀流过整个电极，不会出现“空白区”，同时通过水的循环和气体的排出及时带走热量，使电解槽内部温度平衡。简单流场，如平行流场、蛇形流场等，加工相对容易，应用于小型电解槽时散热能力还可以，但随着电极表面的增大或堆叠数量的增加，其传质阻力显著上升。变截面尺寸的渐变式流道、结构不规则的仿生流场以及多结构组合的复合流场等复杂流场将具有更大的优势。
但是，复杂流道拥有较多的精细结构，设计复杂，在金属双极板的制造过程中，精度要求较高。传统的双极板制备方法工艺复杂，需要铸模、电镀等工艺，制造工序繁杂，时间成本较高，且难以满足复杂流道的加工要求，不易产业化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种双极板及其制备方法，以解决现有双极板制备方法工艺复杂，难以满足复杂流道加工要求及批量化生产的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双极板的制备方法，其包括：
S1、建立双极板立体模型，对所述双极板立体模型进行分层处理，以获得每一层的打印路径，针对流道区和非流道区分别设置不同的成形工艺参数，并将打印路径和成形工艺参数导入打印设备；
S2、筛选、烘干钛或钛合金粉末，并对基板进行预处理；
S3、根据每一层的双极板立体模型信息，在基板上预制铺粉；
S4、根据打印路径以及成形工艺参数，打印双极板每一层的结构；
S5、重复步骤S3、S4直到双极板打印完成。
优选地，步骤S1中建立双极板立体模型，对所述双极板立体模型进行分层处理，以获得每一层的打印路径，针对流道区和非流道区分别设置不同的成形工艺参数，并将打印路径和成形工艺参数导入打印设备的具体步骤包括：
利用三维设计软件设计带有流道部分的双极板立体模型；
将双极板立体模型导入切片软件中进行切片分层处理，得到各截面的轮廓数据及填充扫描路径，以获得每一层的打印路径；
针对流道区和非流道区分别设置不同的成形工艺参数，将打印路径和成形工艺参数导入到打印设备。
优选地，将双极板立体模型导入切片软件中进行切片分层处理后，添加用于支撑双极板的支撑结构。
优选地，步骤S2中所述筛选、烘干钛或钛合金粉末，并对基板进行预处理的具体步骤包括：
选用粒径范围为15～53μm的钛或钛合金粉末，将选用的钛或钛合金粉末放在100～150℃的烘干箱中干燥6～8h；
对基板进行表面打磨、清洗，并进行干燥处理。
优选地，在步骤S3之前还包括：向打印设备中通入惰性气体，直至打印设备中的氧气含量小于或等于0.08％。
优选地，步骤S3中根据每一层的双极板立体模型信息，在基板上预制铺粉的具体步骤包括：
根据每一层的双极板立体模型信息，打印设备的工作平台下降一个层厚，铺设一层合金粉末；
其中，铺设的合金粉末厚度与工作平台下降的高度相等。
优选地，步骤S4中根据打印路径以及成形工艺参数，打印双极板每一层的结构的具体步骤包括：
根据打印路径和成形工艺参数，打印设备开始选区熔化每一层的合金粉末，以完成双极板每一层结构的打印。
优选地，所述流道区的成形工艺参数为：激光功率为150～200W，激光扫描速度为1000～1200mm/s，激光扫描间距为100～110μm，单层厚度30-40μm，层间转角选用45°；
所述非流道区的成形工艺参数为：激光功率为200～250W，激光扫描速度为1200～1500mm/s，激光扫描间距为60～80μm，单层厚度30-40μm，层间转角选用67°。
本发明还提供一种双极板，其由上述的双极板制备方法制得。
本发明提供一种双极板及其制备方法，与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明提供一种双极板制备方法，首先建立双极板立体模型，对所述双极板立体模型进行分层处理，以获得每一层的打印路径，针对流道区和非流道区分别设置不同的成形工艺参数，并将打印路径和成形工艺参数导入打印设备，同时筛选、烘干钛或钛合金粉末，对基板进行预处理；再根据每一层的双极板立体模型信息，在基板上预制铺粉，进而根据打印路径以及成形工艺参数，打印双极板每一层的结构，通过重复铺粉、打印单层结构，直到双极板打印完成。
上述方法对双极板的流道区和非流道区分别采用不同的工艺参数成形，其中，流道区几何尺寸和表面质量影响着双极板正常运行功能，选用高精度成形工艺参数，非流道区为非功能区，选用高效率成形工艺参数，由此可实现双极板的精密制备，制备方法简单，制作成本低，效率高，能有效解决现有双极板的制备技术工艺复杂，难以满足复杂流道加工要求的问题，同时，在成型件力学性能、一体化成型、材料利用率、加工灵活度及经济性方面皆具有优势。
附图说明
图1为本发明实施例的双极板的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明实施例提供了一种双极板的制备方法，包括以下步骤：
S1、建立双极板立体模型，对所述双极板立体模型进行分层处理，以获得每一层的打印路径，针对流道区和非流道区分别设置不同的成形工艺参数，并将打印路径和成形工艺参数导入打印设备；
S2、筛选、烘干钛或钛合金粉末，并对基板进行预处理；
S3、根据每一层的双极板立体模型信息，在基板上预制铺粉；
S4、根据打印路径以及成形工艺参数，打印双极板每一层的结构；
S5、重复步骤S3、S4直到双极板打印完成。
具体地，在步骤S1中，首先利用三维设计软件建立带有流道部分的双极板立体模型，将双极板立体模型导入切片软件中进行切片分层，形成具有一定厚度及顺序的分层切片，优选地，在分层切片之间添加必要的支撑结构，并根据双极板各截面的轮廓信息合理规划扫描路径，针对流道区和非流道区分别设置不同的工艺参数，并输入打印设备，优选地，所述打印设备为SLM(Selective laser melting,选择性激光熔化)设备，由此获得打印路径以及成形工艺参数，并保存为SLM设备可识别的STL文件格式，最终导入到SLM设备。
具体地，在步骤S2中，首先需要对钛或钛合金粉末进行筛选、烘干，需要说明的是，通过筛选、烘干钛或钛合金粉末，在满足打印要求的同时，可以保证一次成型制备得到所需的金属双极板，制备得到的金属双极板具有良好的柔韧性和优异的力学性能及电学性能，可以满足金属双极板的要求。其中，可采用真空炉或者气氛保护炉，将钛或钛合金粉末烘干，温度和时间随天气、粉末粒度而定，优选地，在本实施例中，选用粒径范围为15～53μm的钛或钛合金粉末，将选用的钛或钛合金粉末放在100～150℃的烘干箱中干燥6～8h；此外，还需要对基板进行表面打磨、清洗，优选地，采用砂纸打磨基板表面，并用丙酮清洗基板表面的氧化物及油污，以获得所需要的表面粗糙度，且能保证基板表面无污染。
经过上述步骤的准备，接下来，即可将步骤S2中处理好的钛或钛合金粉末倒入供粉舱，同时，准备SLM设备，SLM设备准备并安装基板以及铺粉装置，预制铺粉。
具体而言，对SLM设备进行清洁和预检，将基板固定在SLM设备的成形舱内，为了保证打印的精度，首先将成形缸中的基板调平，即需要保证基板与SLM设备的打印平面平行，优选地，基板与打印平面的高度误差小于或等于0.02mm，实际操作时可用游标卡尺测量基板与打印平面在四角的高度差，以使得四角高度差均小于或等于0.02mm；需要说明的是，SLM成形过程中，制品内部容易产生较大应力，引起制品翘曲变形。为了减小零件翘曲变形，通常将制品烧结在基板上，使制品与基板成为一体；成形开始前，首先要对基板进行调平，若基板不平，将降低成形件与基板的结合强度，影响成形质量。
安装好基板和铺粉装置后，将基板下降2mm的高度，并调整铺粉装置高度以保证打印过程中不卡刀；进一步地，根据每层切片厚度在基板上铺粉，同时，铺粉的均匀性、平整性对制品质量也存在较大影响，如果铺粉不均匀，将会增加制品内部孔隙率，降低制品质量，因此需要进一步提高铺粉平整性，提高制品质量；将合金粉末均匀铺平在基板上，且保证基板四周的缝隙中也填满粉末。
优选地，在步骤S3之前还包括：向SLM设备中通入惰性气体，直至SLM设备中的氧气含量小于或等于0.08％；进一步优选地，所述惰性气体为氩气。具体实施时，向SLM设备的成形舱内通入氩气，以保证制品在成形过程中不被氧化。
具体地，在步骤S3、S4中，根据导入SLM设备的打印路径和成形工艺参数，SLM设备在计算机指令控制下逐层调入轮廓信息，开始选区熔化，具体包括开启激光，偏振镜旋转控制激光对粉末床进行选择性激光辐射，而未融化的钛粉经过筛选可继续使用；加工完当前层后，成形缸下降一个层厚的距离，供粉缸上升一定距离，铺粉装置进一步地在已加工好的当前层上铺好金属粉末，设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。优选地，所述铺粉装置可为刮刀。由此，金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固、层层累积成形出三维实体制品。该利用高能束激光直接熔化金属粉末，可成形高性能金属双极板。
优选地，在根据打印路径以及成形工艺参数，SLM设备打印双极板之后，还包括：待制得的双极板冷却后，将其从成形舱中取出，去除支撑结构，再进行相应的后处理加工。
利用大型选区激光熔化快速成型设备，经过大量严谨繁复的试验，得出适合进行钛基金属打印复杂流道的双极板的工艺参数，优选地，所述成形工艺参数包括：流道区打印过程采用激光功率为150～200W，激光扫描速度为1000～1200mm/s，激光扫描间距为100-110μm，单层厚度30-40μm，层间转角选用45°。非流道区打印过程采用激光功率为200～250W，激光扫描速度为1200～1500mm/s，激光扫描间距为60～80μm，单层厚度30～40μm，层间转角选用67°。
传统的双极板制备方法无法一次成形，通常将两个单极板进行拼接粘结或焊接而成，存在粘结部位电阻率高，阻液性差，老化速率快的问题，同时，现有双极板制备方法多数采用模具制造，存在开模成本较大，周期较长，且因微小的外观调整会导致整套模具报废，不利于新产品研发的问题，本发明克服了传统制备方法的缺点，采用SLM技术，可实现金属双极板及其流道的一体化成形，减少传统工艺多零件分体设计、制造、焊接、热处理、机加工等多工序制造方案；同时由于3D打印采用逐层堆积成形方法打印金属构件，无需模具和工装的设计及加工，节省了高昂的开模费用，不受铸造分型、斜度等工艺设计限制，能够制造出传统工艺无法生产的复杂结构钛合金铸件，构件结构越复杂，加工优势越大，非常适合应用于复杂流道的双极板加工。
此外，需要说明的是，目前已公开的涉及3D打印双极板，主要用于氢燃料电池，与SPE电解水所处的环境存在差别，其采用石墨和树脂作为双极板基材的原料，分别打印基底和流场，再进行粘结处理；即使采用金属板材，也是通过分别打印阴极板和阳极板，然后进行焊接，依然存在粘结或焊接部位电阻率高等问题；而本实施例将阴极板和阳极板同时进行打印，一次成形，不存在焊接或粘结，且加工件强度较大，便于后期电解槽向高压力发展。
实施例1
步骤一：采用CAD绘图软件设计具有复杂流道双极板的三维模型，利用切片软件Magic将三维模型离散成具有一定厚度及顺序的分层切片并且添加必要的支撑结构，根据零件轮廓信息合理规划扫描路径，输入相应的工艺参数：流道区输入相应的工艺参数(激光功率170W，扫描速度1000mm/s，扫描间距105μm，单层厚度30μm，层间转角选用45°)，在非流道区输入相应的工艺参数(激光功率200W，扫描速度1200mm/s，扫描间距60μm，单层厚度30μm，层间转角选用67°，并保存成设备识别的STL文件格式，然后导入BLT-S200型选区激光熔化成形设备，系统将零件轮廓信息和参数文件包转换为相应的计算机指令；
步骤二：将粉末粒径为15-53μm的纯钛粉放入120℃的真空环境下烘干6h，将纯钛基板用500#砂纸打磨后并用丙酮清洗后吹干；
步骤三：将烘干后的纯钛粉(成分为99.6Ti-0.15Fe-0.1Si-0.15O(质量百分比))加入供粉缸内，并将表面处理好的纯钛基材固定，用游标卡尺测量基板到打印机平面的高度H(四个角的误差不能大于0.02)，然后将基材下降，调整刮刀高度保证打印过程中不卡刀；
步骤四：开始铺粉，先将粉仓上升到快与基板齐平，用刮刀刮个来回，后面可以每次上升0.5mm，铺粉时用铲子将加工平台四周的缝隙填满粉末，铺完粉末就将所有的器件安装好导入文件；
步骤五：打开纯氩气瓶开始洗气，直至SLM设备成形舱内的含氧量低于0.08％时；
步骤六：SLM成形设备在计算机指令控制下逐层调入轮廓信息，成形缸根据预设铺粉厚度下降相应的距离，刮刀铺粉，偏振镜旋转控制激光熔化纯钛粉，形成熔池凝固在基材上铺展开，而未融化的纯钛粉经过筛选可继续使用。当前粉床上试样的二位轮廓扫描完成后，伺服电机带动供粉缸上升30μm，而成形缸进行相应的下降30μm，刮刀将粉末从供粉缸中铺至成形基板上，激光再将新铺的钛粉熔化。整个过程循环往复，直到整个成形过程结束。
步骤七：待纯钛双极板制品冷却后，将其从成形舱中取出，去除支撑结构，并清掉流道内的粉末，再进行相应的后处理加工。
实施例2
步骤一：采用CAD绘图软件设计具有复杂流道双极板的三维模型，利用切片软件Magic将三维模型离散成具有一定厚度及顺序的分层切片并且添加必要的支撑结构，根据零件轮廓信息合理规划扫描路径，输入相应的工艺参数：在流道区输入相应的工艺参数(激光功率180W，扫描速度1200mm/s，扫描间距105μm，单层厚度30μm，层间转角选用45°)，在非流道区输入相应的工艺参数(激光功率250W，扫描速度1500mm/s，扫描间距80μm，单层厚度40μm，层间转角选用67°)，并保存成设备识别的STL文件格式，然后导入BLT-S200型选区激光熔化成形设备，系统将零件轮廓信息和参数文件包转换为相应的计算机指令；
步骤二：将粉末粒径为15-53μm的Ti-6Al-4V粉末(成分为88.94Ti-6.51Al-4.29V-0.074O-0.186Fe(质量百分比))放入120℃的真空环境下烘干8h去除粉末中的水分，将钛合金基板用500#砂纸打磨后并用丙酮清洗后吹干；
步骤三：将烘干后的Ti-6Al-4V粉末加入供粉缸内，并将表面处理好的钛合金基材固定，用游标卡尺测量基板到打印机平面的高度H(四个角的误差不能大于0.02)，然后将基材下降，调整刮刀高度保证打印过程中不卡刀；
步骤四：开始铺粉，先将粉仓上升到快与基板齐平，用刮刀刮个来回，后面可以每次上升0.5mm，铺粉时用铲子将加工平台四周的缝隙填满粉末，铺完粉末就将所有的器件安装好导入文件；
步骤五：打开纯氩气瓶开始洗气，直至SLM设备成形舱内的含氧量低于0.08％时；
步骤六：SLM成形设备在计算机指令控制下逐层调入轮廓信息，成形缸根据预设铺粉厚度下降相应的距离，刮刀铺粉，偏振镜旋转控制激光熔化钛合金粉末，形成熔池凝固在基材上铺展开，而未融化的钛合金粉末经过筛选可继续使用。当前粉床上试样的二位轮廓扫描完成后，伺服电机带动供粉缸上升40μm，而成形缸进行相应的下降40μm，刮刀将粉末从供粉缸中铺至成形基板上，激光再将新铺的钛合金粉末熔化。整个过程循环往复，直到整个成型过程结束。
步骤七：待钛合金双极板试样冷却后，将其从成形舱中取出，去除支撑结构，并清掉流道内的粉末，再进行相应的后处理加工。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立双极板立体模型，对所述双极板立体模型进行分层处理，以获得每一层的打印路径，针对流道区和非流道区分别设置不同的成形工艺参数，并将打印路径和成形工艺参数导入打印设备；
S2、筛选、烘干钛或钛合金粉末，并对基板进行预处理；
S3、根据每一层的双极板立体模型信息，在基板上预制铺粉；
S4、根据打印路径以及成形工艺参数，打印双极板每一层的结构；
S5、重复步骤S3、S4直到双极板打印完成。
2.根据权利要求1所述的双极板的制备方法，其特征在于：步骤S1中建立双极板立体模型，对所述双极板立体模型进行分层处理，以获得每一层的打印路径，针对流道区和非流道区分别设置不同的成形工艺参数，并将打印路径和成形工艺参数导入打印设备的具体步骤包括：
利用三维设计软件设计带有流道部分的双极板立体模型；
将双极板立体模型导入切片软件中进行切片分层处理，得到各截面的轮廓数据及填充扫描路径，以获得每一层的打印路径；
针对流道区和非流道区分别设置不同的成形工艺参数，将打印路径和成形工艺参数导入到打印设备。
3.根据权利要求2所述的双极板的制备方法，其特征在于：将双极板立体模型导入切片软件中进行切片分层处理后，添加用于支撑双极板的支撑结构。
4.根据权利要求1或2所述的双极板的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述筛选、烘干钛或钛合金粉末，并对基板进行预处理的具体步骤包括：
选用粒径范围为15～53μm的钛或钛合金粉末，将选用的钛或钛合金粉末放在100～150℃的烘干箱中干燥6～8h；
对基板进行表面打磨、清洗，并进行干燥处理。
5.根据权利要求1或2所述的双极板的制备方法，其特征在于：在步骤S3之前还包括：向打印设备中通入惰性气体，直至打印设备中的氧气含量小于或等于0.08％。
6.根据权利要求1或2所述的双极板的制备方法，其特征在于：步骤S3中根据每一层的双极板立体模型信息，在基板上预制铺粉的具体步骤包括：
根据每一层的双极板立体模型信息，打印设备的工作平台下降一个层厚，铺设一层合金粉末；
其中，铺设的合金粉末厚度与工作平台下降的高度相等。
7.根据权利要求1或2所述的双极板的制备方法，其特征在于：步骤S4中根据打印路径以及成形工艺参数，打印双极板每一层的结构的具体步骤包括：
根据打印路径和成形工艺参数，打印设备开始选区熔化每一层的合金粉末，以完成双极板每一层结构的打印。
8.根据权利要求7所述的双极板的制备方法，其特征在于：所述流道区的成形工艺参数为：激光功率为150～200W，激光扫描速度为1000～1200mm/s，激光扫描间距为100～110μm，单层厚度30-40μm，层间转角选用45°；
所述非流道区的成形工艺参数为：激光功率为200～250W，激光扫描速度为1200～1500mm/s，激光扫描间距为60～80μm，单层厚度30-40μm，层间转角选用67°。
9.一种双极板，其特征在于：由权利要求1-8任一项所述的双极板的制备方法制得。
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