CN114678554B - 一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，包括上面板、下面板以及位于上面板和下面板之间的异形蜂窝夹芯结构；所述异形蜂窝夹芯结构包括由上而下依次叠加的分形薄壁结构和传统蜂窝薄壁结构；所述异形蜂窝夹芯结构由若干个侧壁连接而成，将夹芯结构分割为若干个正六边形单胞；每个所述单胞具有六条侧壁，每条侧壁向两侧分形出两个薄壁，侧壁的分形后两侧薄壁与中间薄壁之间的夹角相等。本发明依据仿生学原理，结构设计灵感来源于一种深海发电生物“电鳐”，双极板的轻量化结构设计符合燃料电池面向航空航天应用的趋势；同时，异形蜂窝多个外侧面的结构特征使其可以分散承担来自各方的外力。

Description

一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构
技术领域
本发明涉及仿生结构工程技术领域，具体涉及一种燃料电池双极板轻量化夹芯结构。
背景技术
随着时代的进步、科技的发展，能源短缺以及全球变暖等问题是全人类应当共同面对的问题。燃料电池作为一种先进储能技术既对能源短缺问题做出重大贡献也为缓解全球变暖迈出至关重要的一步，除此之外，面向航空航天领域的燃料电池应用是当前专家们的研究热潮。轻量化是燃料电池面向航空航天应用的重要趋势，其中，双极板是燃料电池的重要组成部分，双极板依据材料属性的不同分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板，其中，金属双极板应用较为广泛，传统实心双极板的质量占燃料电池堆的60～80％，因此双极板的轻量化是当前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，解决燃料电池应用于航空航天领域重量大、违背轻量化理念的问题。本发明所述燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，基于电鳐类蜂窝状发电器官结构特征并结合树枝分形概念设计出一种新型异形蜂窝轻量化夹芯层结构，薄壁分形结构相较于传统蜂窝夹芯增加于面板上的分布密度，异形蜂窝的多个外侧面可以分散承担来自各方的力。
技术方案：
一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，包括上面板、下面板以及位于上面板和下面板之间的异形蜂窝夹芯结构；
所述异形蜂窝夹芯结构包括由上而下依次叠加的分形薄壁结构和传统蜂窝薄壁结构；所述异形蜂窝夹芯结构由若干个侧壁连接而成，将夹芯结构分割为若干个正六边形单胞；每个单胞具有六条侧壁，每条侧壁向两侧分形出两个薄壁，一共形成三个薄壁，使每条侧壁纵截面形成上部为三条分支，下部为矩形主干的树枝状结构；所述三条分支的薄壁构成分形薄壁结构，所述矩形主干的薄壁构成传统蜂窝薄壁结构。
进一步的，所述侧壁的分形后两侧薄壁与中间薄壁之间的夹角相等，角度为15°、30°或45°。
进一步的，所述上面板和下面板的长宽高均为70mm、70mm和1.5mm，四个角分别为半径2mm倒圆角。
进一步的，所述异形蜂窝夹芯结构高度为2mm，包括传统蜂窝薄壁结构高度为1mm，分形薄壁结构高度为1mm。
进一步的，单胞侧壁边长为1.5mm，壁厚1.5mm；侧壁向两侧分形得到的薄壁厚度均为0.5mm。
进一步的，所述分形薄壁结构中每条侧壁分形出的两个薄壁上各留有一个第一直槽口，用于SLM成形的双极板夹芯结构中316L不锈钢粉末排出。
进一步的，所述传统蜂窝薄壁结构中每个单胞的侧壁上留有一个第二直槽口，便于第一直槽口(4)中残积的粉末排出。
进一步的，所述第一直槽口和第二直槽口尺寸相同。
进一步的，所述第一直槽口和第二直槽口宽度0.4mm，长度0.5mm。
本发明中，夹芯作为双极板的轻量化结构部分，除了需要抵抗震动而导致双极板弯曲变形之外，功能上还要求双极板是电与热的良导体，而异形蜂窝因为多个外侧面的结构特性可以分散承担来自各方的外来，具有良好的力学性能，除此之外，侧壁的分形可以增大其于面板上的分布密度，有利于改善传统蜂窝夹芯结构的导电性能。
有益效果：本发明以仿生学出发，受深海发电专家“电鳐”类蜂窝状发电器官启发，设计出一种仿生蜂窝的燃料电池双极板轻量化结构，经有实验测试具有良好的导电性能。本发明是根据仿生学原理，基于传统仿生蜂窝结构结合树枝状分形概念设计出一款新型的异形蜂窝夹芯结构，由于异形蜂窝相较于传统蜂窝结构提高了于面板上的分布密度，实现轻量化目的的同时能保证双极板具备良好的导电性能。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例1的夹芯结构俯视图；
图3为本发明实施例1的夹芯结构局部放大示意图；
图4为本发明实施例1的结构变量示意图；
图5为本发明实施例2结构示意图；
图6为本发明实施例2的夹芯结构俯视图；
图7为本发明实施例2的夹芯结构局部放大示意图；
图8为本发明实施例2的结构变量示意图；
图9为本发明实施例3结构示意图；
图10为本发明实施例3的夹芯结构俯视图；
图11为本发明实施例3的夹芯结构局部放大示意图；
图12为本发明实施例3的结构变量示意图；
图13为本发明施例1～3电阻值和轻量化程度柱状图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：
如图1，一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，包括上面板1、下面板2以及位于上面板1和下面板2之间的异形蜂窝夹芯结构3；所述上面板1和下面板2的长宽高均为70mm、70mm和1.5mm，四个角分别为半径2mm倒圆角。图2为夹芯结构的俯视图；图3为夹芯结构的局部放大示意图，其中，所述异形蜂窝夹芯结构3包括由上而下依次叠加的分形薄壁结构和传统蜂窝薄壁结构；所述异形蜂窝夹芯结构3高度为2mm，包括传统蜂窝薄壁结构高度为1mm，分形薄壁结构高度为1mm。所述异形蜂窝夹芯结构3由若干个侧壁连接而成，将夹芯结构分割为若干个正六边形单胞；每个所述单胞具有六条侧壁，每条侧壁向两侧分形出两个薄壁，一共形成三个薄壁，使每条侧壁纵截面形成上部为三条分支，下部为矩形主干的树枝状结构；所述三条分支的薄壁构成分形薄壁结构，所述矩形主干的薄壁构成传统蜂窝薄壁结构。侧壁的分形后两侧薄壁与中间薄壁之间的夹角相等，角度为15°，单胞侧壁边长为1.5mm，壁厚1.5mm；侧壁向两侧分形得到的薄壁厚度均为0.5mm。
所述分形薄壁结构中每条侧壁分形出的两个薄壁上各留有一个第一直槽口4，用于SLM成形的双极板夹芯结构中316L不锈钢粉末排出。所述传统蜂窝薄壁结构中每个单胞的侧壁上留有一个第二直槽口5，便于第一直槽口4中残积的粉末排出。所述第一直槽口4和第二直槽口5尺寸相同，宽度0.4mm，长度0.5mm。图4为结构变量示意图，分形面之间的夹角15°。作为相较于传统蜂窝夹芯结构，结合树枝状分形的概念对薄壁分形设计出新型异形蜂窝结构，以达到更高的轻量化程度，同时增加了夹芯于面板上的分布密度，保证了双极板对于导电、导热性能的要求。
实施例2：
如图5，一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，包括上面板1、下面板2以及位于上面板1和下面板2之间的异形蜂窝夹芯结构3；所述上面板1和下面板2的长宽高均为70mm、70mm和1.5mm，四个角分别为半径2mm倒圆角。图6为夹芯结构的俯视图；图7为夹芯结构的局部放大示意图，其中，
所述异形蜂窝夹芯结构3包括由上而下依次叠加的分形薄壁结构和传统蜂窝薄壁结构；所述异形蜂窝夹芯结构3高度为2mm，包括传统蜂窝薄壁结构高度为1mm，分形薄壁结构高度为1mm。
所述异形蜂窝夹芯结构3由若干个侧壁连接而成，将夹芯结构分割为若干个正六边形单胞；每个所述单胞具有六条侧壁，每条侧壁向两侧分形出两个薄壁，一共形成三个薄壁，使其纵截面形成上部为三条分支，下部为矩形主干的树枝状结构；所述三条分支的薄壁构成分形薄壁结构，所述矩形主干的薄壁构成传统蜂窝薄壁结构。侧壁的分形后两侧薄壁与中间薄壁之间的夹角相等，角度为30°。单胞侧壁边长为1.5mm，壁厚1.5mm；侧壁向两侧分形得到的薄壁厚度均为0.5mm。
所述分形薄壁结构中每条侧壁分形出的两个薄壁上各留有一个第一直槽口4，用于SLM成形的双极板夹芯结构中316L不锈钢粉末排出。所述传统蜂窝薄壁结构中每个单胞的侧壁上留有一个第二直槽口5，便于第一直槽口4中残积的粉末排出。所述第一直槽口4和第二直槽口5尺寸相同，宽度0.4mm，长度0.5mm。图8为结构变量示意图，分形面之间的夹角30°。作为相较于传统蜂窝夹芯结构，结合树枝状分形的概念对薄壁分形设计出新型异形蜂窝结构，以达到更高的轻量化程度，同时增加了夹芯于面板上的分布密度，保证了双极板对于导电、导热性能的要求。
实施例3：
如图9，一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，包括上面板1、下面板2以及位于上面板1和下面板2之间的异形蜂窝夹芯结构3；所述上面板1和下面板2的长宽高均为70mm、70mm和1.5mm，四个角分别为半径2mm倒圆角。图10为夹芯结构的俯视图；图11为夹芯结构的局部放大示意图，其中，
所述异形蜂窝夹芯结构3包括由上而下依次叠加的分形薄壁结构和传统蜂窝薄壁结构；所述异形蜂窝夹芯结构3高度为2mm，包括传统蜂窝薄壁结构高度为1mm，分形薄壁结构高度为1mm。
所述异形蜂窝夹芯结构3由若干个侧壁连接而成，将夹芯结构分割为若干个正六边形单胞；每个所述单胞具有六条侧壁，每条侧壁向两侧分形出两个薄壁，一共形成三个薄壁，使其纵截面形成上部为三条分支，下部为矩形主干的树枝状结构；所述三条分支的薄壁构成分形薄壁结构，所述矩形主干的薄壁构成传统蜂窝薄壁结构。侧壁的分形后两侧薄壁与中间薄壁之间的夹角相等，角度为45°。单胞侧壁边长为1.5mm，壁厚1.5mm；侧壁向两侧分形得到的薄壁厚度均为0.5mm。
所述分形薄壁结构中每条侧壁分形出的两个薄壁上各留有一个第一直槽口4，用于SLM成形的双极板夹芯结构中316L不锈钢粉末排出。所述传统蜂窝薄壁结构中每个单胞的侧壁上留有一个第二直槽口5，便于第一直槽口4中残积的粉末排出。所述第一直槽口4和第二直槽口5尺寸相同，宽度0.4mm，长度0.5mm。图12为结构变量示意图，分形面之间的夹角45°。作为相较于传统蜂窝夹芯结构，结合树枝状分形的概念对薄壁分形设计出新型异形蜂窝结构，以达到更高的轻量化程度，同时增加了夹芯于面板上的分布密度，保证了双极板对于导电、导热性能的要求。
实施例1～3的仿生燃料电池双极板轻量化夹心结构的性能表征方法，具体步骤如下：
对异形蜂窝夹心结构进行导电性能的研究，通过实验测试获得SLM成形的316L不锈钢的电导率，将材料参数输入到有限元分析软件COMSOL中，将通过SOLIDWORKS软件建出的模型另存为.STP文件格式导入COMSOL中，选取接地面和终端面并设定恒定电流1A等边界条件，选择自由四面体网格并选取网格大小为超细化，通过模拟软件计算出夹芯结构的电阻值；通过SOLIDWORKS软件评估功能栏中的质量属性计算出异形蜂窝夹芯层轻量化结构双极板相较于传统实心双极板的轻量化程度。使用四探针低阻测量仪测得SLM成形的异形蜂窝结构双极板的电阻值，以及通过电子天平测得轻量化程度均趋于模拟结果(如图13)。

Claims (9)

1.一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，其特征在于，包括上面板(1)、下面板(2)以及位于上面板(1)和下面板(2)之间的异形蜂窝夹芯结构(3)；
所述异形蜂窝夹芯结构(3)包括由上而下依次叠加的分形薄壁结构和传统蜂窝薄壁结构；所述异形蜂窝夹芯结构(3)由若干个侧壁连接而成，将夹芯结构分割为若干个正六边形单胞；每个单胞具有六条侧壁，每条侧壁向两侧分形出两个薄壁，一共形成三个薄壁，使每条侧壁纵截面形成上部为三条分支，下部为矩形主干的树枝状结构；所述三条分支的薄壁构成分形薄壁结构，所述矩形主干的薄壁构成传统蜂窝薄壁结构。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，其特征在于，所述侧壁的分形后两侧薄壁与中间薄壁之间的夹角相等，角度为15°、30°或45°。
3.根据权利要求1所述一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，其特征在于，所述上面板(1)和下面板(2)的长宽高均为70mm、70mm和1.5mm，四个角分别为半径2mm倒圆角。
4.根据权利要求1所述一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，其特征在于，所述异形蜂窝夹芯结构(3)高度为2mm，包括传统蜂窝薄壁结构高度为1mm，分形薄壁结构高度为1mm。
5.根据权利要求1所述一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，其特征在于，单胞侧壁边长为1.5mm，壁厚1.5mm；侧壁向两侧分形得到的薄壁厚度均为0.5mm。
6.根据权利要求1所述一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，其特征在于，所述分形薄壁结构中每条侧壁分形出的两个薄壁上各留有一个第一直槽口(4)，用于SLM成形的双极板夹芯结构中316L不锈钢粉末排出。
7.根据权利要求1所述一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，其特征在于，所述传统蜂窝薄壁结构中每个单胞的侧壁上留有一个第二直槽口(5)，便于第一直槽口(4)中残积的粉末排出。
8.根据权利要求6或7所述一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，其特征在于，所述第一直槽口(4)和第二直槽口(5)尺寸相同。
9.根据权利要求8所述一种燃料电池双极板仿生轻量化夹芯结构，其特征在于，所述第一直槽口(4)和第二直槽口(5)宽度0.4mm，长度0.5mm。
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