CN115881997A - 一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法，涉及燃料电池技术领域。本发明双极板包括氢极板和氧极板，所述氢极板一侧为氢气侧、另一侧为冷却水侧，所述氧极板一侧为空气侧、另一侧为水侧；所述冷却水侧和水侧相对设置，冷却水侧和水侧构成冷却水腔；所述氢极板表面流动氢气，所述氧极板表面流动空气，所述氢气与空气的流动方向相反。

Description

一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法。

背景技术

燃料电池系统，由于具有燃料利用率高、无污染、容量可根据需要而定等多种优势，成为研究热点之一。而其中的质子交换膜燃料电池系统具有高功率密度、高效环保及良好的启动循环性能等优势，目前在车载应用端，已经进入产业化发展和应用阶段。质子交换膜燃料电池系统由电堆和辅助系统构成。电堆将燃料和氧化剂中的化学能高效的转换为电能，是质子交换膜燃料电池系统中的核心组成部分。电堆一般分为石墨堆和金属堆两大类。

金属双极板已逐渐代替石墨双极板成为燃料电池双极板的主流材料。SUS316L不锈钢是最早用于双极板的金属材料，但是存在以下缺点：(1)密度高，大幅度降低了电堆的质量功率密度；(2)在电堆的运行过程中，不锈钢双极板腐蚀会释放Cr、Fe、Ni和Mo等重金属离子，严重降低电堆的输出功率和使用寿命；(3)在双极板的生产流程中，表面通常会形成钝化层，降低材料导电性，钝化层耐化学腐蚀性依然比较差。行业内普遍做法是以SUS316L不锈钢为基底材料，用“多弧离子镀技术”对基底材料进行表面处理以形成铬碳混合镀层。但主要存在以下问题：(1)预先进行表面处理得到的混合镀层与基底材料结合力偏低，冲压成型时，混合镀层必然会大面积脱落；(2)冲压成型后进行表面处理形成钝化层，降低单极板的导电性；(3)焊接密封后进行表面处理，一方面混合镀层无法在冷却水腔沉积，无法保证双极板冷却水腔的耐腐蚀性(车用乙二醇冷却液具有一定的腐蚀性)；另一方面混合镀层在燃料电池工作环境的使用寿命偏低。

焊接密封的主要作用是氢气、空气、冷却水的流体引导和电子传递，传统方法的激光焊接工序一般是在氢极板的氢气侧中央区域进行操作，这必然造成“先焊接密封双极板，后与膜电极进行堆叠”的装堆工序。由于冷却水腔的存在，在组装电堆时，双极板与膜电极之间已经无法采用“胶粘”的方式来封装，只能采用简单接触的胶线来实现双极板与膜电极的密封。由于仅依靠胶线的弹性力来维持，使得电堆的密封可靠性下降。随着电堆运行，胶线存在“永久压缩变形”和“老化失效”等密封性能退化的劣势，已不能满足车载动力系统的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有新型流场的燃料电池双极板及其制备方法，解决以下技术问题：

现有的金属材料双极板在燃料电池运行条件下散热性能差、气体利用率低以及生成水的排出困难。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种燃料电池双极板，所述双极板包括氢极板和氧极板，所述氢极板一侧为氢气侧、另一侧为冷却水侧，所述氧极板一侧为空气侧、另一侧为水侧；所述冷却水侧和水侧相对设置，冷却水侧和水侧构成冷却水腔；所述氢极板表面流动氢气，所述氧极板表面流动空气，所述氢气与空气的流动方向相反。

作为本发明的进一步方案：所述氢极板表面设置有氢气入口区、氢气分配区、氢气反应区、氢气汇合区、氢气出口区，所述氧极板表面设置有空气入口区、空气分配区、空气反应区、空气汇合区、空气出口区；氢气依次在氢极板表面的氢气入口区、氢气分配区、氢气反应区、氢气汇合区、氢气出口区流动，空气依次在氧极板表面的空气入口区、空气分配区、空气反应区、空气汇合区、空气出口区流动。

作为本发明的进一步方案：所述冷却水腔表面设置有冷却水入口区和冷却水出口区，冷却水通过冷却水入口区流入冷却水腔、并通过冷却水出口区流出冷却水腔；所述冷却水的流动方向与空气的流动方向相同。

作为本发明的进一步方案：所述氢气分配区、氢气汇合区、空气分配区、空气汇合区均为点状过渡流场结构，所述点状过渡流场结构为等间距分布的水平直线和等间距分布的垂直直线构成，所述水平直线和所述垂直直线的交点位置设置有圆柱形结构。

作为本发明的进一步方案：所述空气反应区为直通交叉变径流场结构，所述直通交叉变径流场结构为多个流道径向排列得到，所述流道包括常规结构和变径结构，所述常规结构和变径结构间隔连通设置。

作为本发明的进一步方案：所述氢气反应区为波纹恒定截面结构，所述波纹恒定截面结构为多个波纹状流道径向排列得到。

作为本发明的进一步方案：所述氢极板和氧基板均以钛合金材料作为基底材料，基底材料表面通过物理气相沉积法沉积有氮化钛镀层。

作为本发明的进一步方案：所述氮化钛镀层厚度50-100nm。

作为本发明的进一步方案：所述物理气相沉积包括如下步骤：利用高真空磁控溅射系统，以钛合金作为基底材料，溅射靶材为“高纯Ti(99.999％)”。反应气体为N₂，溅射气体为Ar，直流溅射电流为3A，基材偏压为150V，基材温度为200℃，靶基距离为70mm，氮化钛镀层成分摩尔比为n(钛)：n(氮)＝1：1，气体分压比设置为P(N₂)：P(Ar)＝0.2：1。总沉积气体压强设置为P(N₂)+P(Ar)＝3Pa。

一种燃料电池双极板的制备方法,包括如下步骤：

S1：基底材料表面处理，得到镀层片材；

S2：将镀层片材冲压裁切成型，分别得到氢极板、氧极板；

S3：将氢极板和氧极板连接，得到双极板。

作为本发明的进一步方案：氢极板和氧极板之间通过橡胶和激光焊接进行连接，所述橡胶对冷取水侧和水侧进行密封得到冷却水腔，所述激光焊接对氢极板和氧极板进行电子导通。

本发明的有益效果：

(1)本申请采用钛合金(Ti-6Al-4V)材料作为基底材料、采用氮化钛(TiN)作为保护镀层，并预先对基底材料进行表面处理，使镀层完全覆盖在基底材料的表面上。钛合金材料4.43g/cm³，抗拉强度900MPa，可提升燃料电池电堆的机械强度同时降低其重量。氮化钛镀层的氮化钛晶体中同时存在共价键、离子键和金属键，具有化学稳定性好、导电性好、导热性能好以及机械强度高的优点。本发明预先对钛合金基底材料进行表面处理，可使“氢极板的氢气侧、氢极板的冷却水侧、氧极板的空气侧、氧极板的冷却水侧”这四个面同时被保护镀层包裹，避免这四个面的基底材料与外界环境直接接触。避免基底材料产生钝化膜或者被化学腐蚀，降低电堆的欧姆损耗。本发明制备的金属双极板，其钛合金基底材料与氮化钛保护镀层之间的结合力非常好，能承受冲压过程的挤压力而不脱落。

(2)本发明制备的氢极板和氧极板外形轮廓呈矩形。“氢气出入口、空气出入口、冷却水出入口”布置在矩形的两个短边，有利于提升氢气的反应利用率、空气的反应利用率和冷却水的散热效果。本发明采用“氢气的流动方向与空气的流动方向相反”的逆向流动方式，相比于氢气空气的同向流动或者氢气空气的垂直流动，逆向流动的湿度分布更加均匀，可以获得更好的水化质子膜，降低质子膜的欧姆极化。本发明制备的双极板，其冷却水流动方向与空气流动方向相同，提升散热效果。

(3)本发明在氢气分配区、氢气汇合区、空气分配区、空气汇合区均设置为点状过渡流场结构，有利于提升氢气空气在各自流场中流量的均匀分布，降低双极板的压强损失，同时有利于排出电化学反应的生成水。

(4)本发明在空气反应区设置为直通交叉变径流场结构，基于强化传质理论，可有效避免双极板传统阴极流场在大电流密度阶段，氧气剧烈消耗伴随着电化学反应产生水造成的空气供应不足，降低浓差极化损失。有利于空气在流场内的均匀分布，能实现流场内电流密度和电池温度的均一分布。流道中加变径结构可以强化流道内气体的质量传输。变径结构周期性的分布在流道上，流道横截面积周期性的忽大忽小，能增加空气的扰动，利用空气的动能强制将部分空气压入膜电极中，增强空气向膜电极的气体扩散层和催化层传质。此外，这种流道结构会产生压力梯度，更有利于排出流道中的电化学反应生成水，进一步减小了电堆的浓差极化。在垂直于流道的方向上，第二条流道一个变径结构位于第一条流道两个相邻变径结构的中间区域。变径结构是高压区域，常规结构是低压区域。当流场中相邻区域的空气压强不同时，高压区域的空气会在压强的所用下越过双极板的岸脊进入低压区域。这种强制对流作用能够排除岸脊下的电化学反应生成水，防止岸脊下的气体扩散层发生水淹。直通交叉变径流场可增强空气的传质，同时增强沟槽和岸脊电化学反应生成水的排出，提高气体利用率和生成水的排出，增强电堆性能。

(5)本发明设置波纹恒定截面结构作为氢极板氢气流场的反应区。氢气流经波纹流道时会形成狄恩涡流，从而改变氢气的稳流状态，能大大增强氢气的对流混合和传热。由于波纹流道在空间上是相互交错的，可使冷却水充分传递热量，其散热效果也得到增强。

(6)本发明采用“橡胶粘接+激光焊接”的方式对氢极板和氧极板进行连接。橡胶对冷却水腔进行密封，防止冷却水向外泄露、冷却水与氢气窜漏、冷却水与空气窜漏。激光焊接实现氢极板与氧极板之间的电子导通。在电堆组装时，首先利用胶装连接组装“氢极板-膜电极-氧极板”总成。可实现单极板与膜电极之间的胶装密封，密封效果好。再将两个总成通过橡胶粘接和激光焊接进行连接形成，橡胶粘接可有效增强电堆的密封寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明燃料电池双极板制备流程图；

图2是本发明氢极板结构分布示意图；

图3是本发明氧极板结构分布示意图；

图4是本发明点状过渡流场放大示意图(以氢气分配区为例)；

图5是本发明氧极板空气反应区结构示意图；

图6是本发明氢极板氢气反应区结构放大图；

图7是本发明双极板密封结构侧视图。

图中标号：1、氢气入口区；2、氢气分配区；3、氢气反应区；4、氢气汇合区；5、氢气出口区；6、空气入口区；7、空气分配区；8、空气反应区；9、空气汇合区；10、空气出口区；11、冷却水入口区；12、冷却水出口区；13、常规结构；14、变径结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-7所述，一种燃料电池双极板，双极板包括氢极板和氧极板，氢极板一侧为氢气侧、氢极板另一侧为冷却水侧，氧极板一侧为空气侧、氧极板另一侧为水侧；冷却水侧和水侧相对设置，冷却水侧和水侧构成冷却水腔；冷却水腔表面设置有冷却水入口区11和冷却水出口区12，冷却水通过冷却水入口区11流入冷却水腔、并通过冷却水出口区12流出冷却水腔；冷却水的流动方向与空气的流动方向相同。氢气依次在氢极板表面的氢气入口区1、氢气分配区2、氢气反应区3、氢气汇合区4、氢气出口区5流动，空气依次在氧极板表面的空气入口区6、空气分配区7、空气反应区8、空气汇合区9、空气出口区10流动。氢气与空气的流动方向相反。

氢气分配区2、氢气汇合区4、空气分配区7、空气汇合区9均为点状过渡流场结构，所述点状过渡流场结构为等间距分布的水平直线和等间距分布的垂直直线构成，所述水平直线和所述垂直直线的交点位置设置有圆柱形结构。氧极板圆柱形结构的高度和直径分别为0.25mm和0.55mm，氢极板圆柱形结构的高度和直径分别为0.25mm和0.50mm。在氢气分配区2以及空气分配区7的点状过渡流场可提高反应气体进入各流道的分配均匀性同时不显著增大气体压降。在汇合区，点状过渡流场有利于带走电化学反应产生的水。

空气反应区8为直通交叉变径流场结构，所述直通交叉变径流场结构为多个流道径向均匀排列得到，所述流道包括常规结构13和变径结构14，所述常规结构13和变径结构14间隔连通设置。常规结构13的尺寸参数为：深度0.5mm、宽度1.1mm、长度10mm。变径结构14的尺寸参数为：深度0.5mm、宽度0.55mm、长度1mm。流道之间的距离为1mm。常规结构13与变径结构14之间由135°的斜面连接。

氢气反应区3为波纹恒定截面结构，所述波纹恒定截面结构为多个波纹状流道径向均匀排列得到。尺寸参数为：横截面深度0.5mm、横截面宽度1mm、旋转角45°、循环单元直线长度10mm、波纹状流道之间的距离为1mm。

实施例2：

一种燃料电池双极板的制备方法,包括如下步骤：

S1：选取密度为4.43g/cm³，抗拉强度是900MPa，屈服强度是830MPa的钛合金作为基底材料，利用高真空磁控溅射系统在基底材料表面沉积氮化钛镀层，以钛合金作为基底材料，溅射靶材为“高纯Ti(99.999％)”。反应气体为N₂，溅射气体为Ar，直流溅射电流为3A，基材偏压为150V，基材温度为200℃，靶基距离为70mm，氮化钛镀层成分摩尔比为n(钛)：n(氮)＝1：1，气体分压比设置为P(N₂)：P(Ar)＝0.2：1。总沉积气体压强设置为P(N₂)+P(Ar)＝3Pa。所述氮化钛镀层厚度50-100nm，得到镀层片材；

S2：将镀层片材冲压成型，分别得到氢极板、氧极板；所述氢极板结构如实施例1中氢极板结构，所述氧极板结构如实施例1中氧极板结构；

S3：采用YH-818橡胶专用胶水，在点胶机A上对氢极板冷却水侧沿预定轨迹进行点胶。同时在点胶机B上对氧极板冷却水侧沿相同的轨迹进行点胶。点胶的宽度设置为2mm，点胶的厚度设置为20μm，点胶时间设置为50s。将橡胶条放在氢极板冷却水侧和氧极板水侧之间，之后对氢极板和氧极板进行冷压，压紧力为10kg。用YH-818橡胶和三元乙丙橡胶条对氢极板和氧极板的冷却水腔进行密封，防止冷却水向外泄露、冷却水与氢气窜漏、冷却水与空气窜漏。在氢极板与氧极板的四周边缘区域进行焊接，以形成电子通路；得到双极板。双极板总重45g，钛合金的基底材料的利用率≥70％。

对比例1

不锈钢+铬碳混合镀层的制备方法包括如下步骤：

多弧离子镀技术的工作原理基于冷阴极真空弧光放电理论。当触发电极与阴极铬靶材突然瞬间接触引起电弧，铬靶材表面上会产生阴极弧光斑点。弧光斑点会在铬靶材表面上无规则快速移动，弧光斑点同时会高速发射铬金属蒸汽，铬金属蒸汽中的铬原子被电离成能量很高的Cr²⁺离子，Cr²⁺离子在真空室内运动时与石墨离子结合形成铬碳混合镀层(Cr₃C₂)并沉积在双极板表面。

对比例2

不锈钢铬碳双极板的制备方法包括如下步骤：

(1)将0.1mm厚的不锈钢切割成矩形，得到板材，板材尺寸为500mm×200mm；

(2)板材分别冲压裁切成氢极板和氧极板，轮廓尺寸为470mm×160mm；

(3)接着对氢极板和氧极板进行激光焊接，形成双极板；

(4)最后在多弧离子镀膜设备上对双极板进行表面处理，材料源是石墨靶材和铬靶材，形成镀膜双极板。

性能检测

(1)电阻率测试

对实施例2中的镀层片材表面的氮化钛镀层、不锈钢基底材料以及石墨材料进行电阻率检测，检测结果见表1；

表1：氮化钛镀层、不锈钢材料以及石墨材料电阻率数据

由表1可知，本发明制备的氮化钛镀层具有更小的电阻率。在燃料电池工作过程中，其实际工作电压会低于理论预测值，原因之一就是欧姆极化损失，欧姆极化损失主要由“电子电阻”和“质子电阻”两部分组成。低电阻率的双极板镀层有利于降低由“电子电阻”造成的欧姆极化损失。

(2)面积比电阻测试

①采用垂直电阻测试装置对实施例2中制备的镀层片材、对比例1制备的片材进行测试，尺寸均为500mm×200mm×0.1mm(垂直电阻测试装置的测试面积为Φ＝22mm)，测试结果见表2；

②采用垂直电阻测试装置对实施例2中制备的双极板、对比例2制备的不锈钢铬碳双极板进行测试，尺寸均为470mm×160mm×1mm(垂直电阻测试装置的测试面积为Φ＝22mm)，检测结果见表2；

表2：实施例2的镀层片材、双极板、对比例1、对比例2面积比电阻数据

由表2可知，本发明实施例2中制备的镀层片材相较于对比例1制备的片材具有更好的导电性。本发明还预先对基底材料进行表面处理，可使氮化钛保护镀层完全覆盖在钛合金基底材料的表面上，一方面阻止钛合金表面形成TiO_X钝化膜，另一方面增强钛合金的导电性和耐化学腐蚀性。因为本发明制备的氢极板和氧极板的两面都覆盖有氮化钛保护镀层，所以本发明制备的双极板在氢气侧、空气侧和冷却水腔都有氮化钛保护镀层。本发明制备的钛合金氮化钛双极板的导电性更好。

(3)镀层结合力测试

对各取10片实施例2中制备的镀层片材和对比例1中制备的片材进行冲压成型的试制过程中，本发明实施例2制备的镀层片材表面的氮化钛镀层均未出现镀层脱落。对比例1制备的片材表面均发生了大面积脱落。由此可见，本发明制备的镀层片材表面的氮化钛镀层结合力是明显优于对比例1中混合镀层与不锈钢之间的结合力。

(4)耐腐蚀性能测试

将实施例2制备的双极板、对比例2制备的双极板置于酸煮反应釜中进行测试，尺寸均为470mm×160mm×1mm。将酸煮反应釜A和B的温度设置为恒定80℃，测试溶液均采用500ml、0.5mol/L的H₂SO₄溶液。当酸煮反应釜内的测试溶液达到80℃时，将实施例2的双极板置于酸煮反应釜A中，将对比例2制备的双极板置于酸煮反应釜B中，同时开始计时。整个测试时间为8h。试验完毕后对酸煮反应釜A和酸煮反应釜B的测试溶液进行元素分析。采用X-Calibur型号的台式X射线荧光光谱仪对测试溶液进行元素分析。分别将测试溶液放入专用样品杯中，并用聚乙烯薄膜分别包裹在样品杯上。测试结果见表3；

表3：实施例2和对比例2耐腐蚀性能检测数据

样品名称	元素种类	原子序数	元素含量
				实施例2	Ti	22	＜1.00ppm
对比例2	Cr	24	＞1000ppm

由表3可知，本申请制备的双极板经过酸煮实验后Ti元素在测试溶液中的含量极低，而对比例2制备的双极板在酸煮实验后测试溶液中的Cr含量比Ti高三个数量级。这表明，一方面氮化钛镀层的耐腐蚀性优于现有技术的铬碳混合镀层，另一方面氮化钛镀层完全覆盖在双极板的氢气侧、空气侧和冷却水腔，两个方面都提升了双极板的导电性和耐腐蚀性。

(5)欧姆极化损失

由本发明实施例2制备的双极板制备电堆1，其中氧极板反应区采用直通交叉变径流场，氢极板反应区采用波纹恒定截面流场。对比例2制备的双极板制备电堆2，电堆2采用常规的空气流场和氢气流场。电堆1和电堆2采用相同的“歧管、端板、绝缘板、集流板、膜电极”，膜电极的装堆片数为11片。在完成4个小时的活化流程后进行极化曲线表征测试，检测结果见表4。

表4：电堆1、电堆2

电密(A/cm<sup>2</sup>)	电堆1(V)	电堆2(V)
			0.1	0.860	0.856
0.2	0.820	0.816
			0.3	0.793	0.788
0.4	0.774	0.767
			0.5	0.758	0.745
0.6	0.743	0.729
			0.7	0.726	0.714
0.8	0.716	0.701
			0.9	0.702	0.685
1.0	0.689	0.668
			1.1	0.671	0.648
1.2	0.660	0.635
			1.3	0.641	0.61
1.4	0.621	0.588

由表4可知，电堆1的平均电压要全面优于电堆2。在中电流密度区域，电堆1的平均电压比电堆2高出约10-20mV，说明本发明实施例2制备的双极板可以减少欧姆极化损失。在高电流密度区域，电堆1的平均电压比电堆2高出约20-30mV，说明本发明实施例2制备的双极板可以空气浓差极化损失和促进电化学生成水的排出。由此可见本发明实施例2制备的双极板在降低欧姆电阻方面、强化空气传质方面、提高氢气利用率方面、良好的水热管理以维持水化质子膜方面都有所改进，对电堆性能的提升是全面的。

(6)气密性检测

进行“三腔外漏、氢空互窜、气水互窜”的气密性测试。

①三腔外漏测试：在气密性测试台上，将双极板一侧的三个管口堵住。对双极板另外一侧的三个管口注入压强约250kpa(绝压)的空气，并保持10min，观察压强降。空气压强初始值为255.01kpa，保压结束后，空气压强终止值为255.01kpa，说明双极板的三腔不向外漏气。

②氢空互窜测试：在气密性测试台上，将双极板一侧的三个管口堵住。对双极板另外一侧的空气入口注入压强约250kpa(绝压)的空气，在该侧的氢气出口连接体积计量仪，保压时间为10min并观察体积计量仪示数。保压结束后体积计量仪示数为0，说明双极板的氢气侧和空气侧相互之间没有窜漏。

③气水互窜测试：在气密性测试台上，将双极板一侧的三个管口堵住，对双极板另外一侧的空气入口和氢气出口注入压强约250kpa(绝压)的空气，该侧的冷却水入口连接体积计量仪，测试时间为10min并观察体积计量仪示数。保压结束后体积计量仪示数为0，说明双极板的氢气侧和冷却水腔相互之间没有窜漏、空气侧和冷却水腔相互之间没有窜漏。

为分析对比本发明实施例2制备的双极板的使用寿命(包含双极板的耐腐蚀寿命和密封寿命)。按照表5分别对电堆1和电堆2进行循环工况的耐久性测试。

表5：循环工况具体内容

电流

I<sub>1</sub>

I<sub>3</sub>

I<sub>2</sub>

I<sub>4</sub>

I<sub>2</sub>

I<sub>3</sub>

I<sub>1</sub>

电压

0.85V

0.65V

0.7V

0.62V

0.7V

0.65V

0.85V

时间

5min

10min

10min

10min

10min

10min

5min

每个循环工况持续1h，共测试500个循环。耐久性循环工况测试完成后，即拆堆对膜电极进行元素检测。若在耐久性测试过程中，电堆最低单体电压＜0.5V，则立刻停止耐久性测试(无论是否完成500个循环工况)。

耐久性循环工况实验完成后，对电堆1和电堆2进行气密性寿命检测，经过500个循环工况，电堆1的气密性分别为：三腔外漏0kpa、氢空互窜0ml、气水互窜0ml。经过98个循环工况，电堆2的气密性分别为：三腔外漏0kpa、氢空互窜0ml、气水互窜0ml。这表明，本发明实施例2制备的双极板采用三元乙丙橡胶条密封，即使经过耐久性循环工况，其密封寿命与传统的焊接线水腔密封相当。

本次实验中，电堆1完成了500个循环工况。用X-Calibur对电堆1的膜电极进行Ti元素分析，发现在电堆1的膜电极上，其Ti的元素含量都＜1ppm，平均单体电压衰减≤5mV。

电堆2运行98个循环工况后就无法再运行下去。用X-Calibur对电堆2的膜电极进行金属元素分析，发现在电堆2的膜电极上，都检测出Fe、Cr、Ni以及少量的Mo。平均单体电压衰减较大，导致有一片单体的电池电压＜0.5V而无法继续运行下去。

这是由于在燃料电池严苛的运行环境中，钛合金双极板几乎不释放Ti离子，对膜电极性能几乎没有影响。而不锈钢双极板在运行过程中会释放的Fe、Cr、Ni等金属离子，这些金属离子导致质子膜的降解，造成了电堆性能大幅度的下降。综上所述，本发明制备的双极板在耐化学腐蚀方面优于传统的不锈钢双极板。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种具有新型流场的燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板包括氢极板和氧极板，所述氢极板一侧为氢气侧、另一侧为冷却水侧，所述氧极板一侧为空气侧、另一侧为水侧；所述冷却水侧和水侧相对设置，冷却水侧和水侧构成冷却水腔；所述氢极板表面流动氢气，所述氧极板表面流动空气，所述氢气与空气的流动方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述氢极板表面设置有氢气入口区(1)、氢气分配区(2)、氢气反应区(3)、氢气汇合区(4)、氢气出口区(5)，所述氧极板表面设置有空气入口区(6)、空气分配区(7)、空气反应区(8)、空气汇合区(9)、空气出口区(10)；氢气依次在氢极板表面的氢气入口区(1)、氢气分配区(2)、氢气反应区(3)、氢气汇合区(4)、氢气出口区(5)流动，空气依次在氧极板表面的空气入口区(6)、空气分配区(7)、空气反应区(8)、空气汇合区(9)、空气出口区(10)流动。

3.根据权利要求1所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述冷却水腔表面设置有冷却水入口区(11)和冷却水出口区(12)，冷却水通过冷却水入口区(11)流入冷却水腔、并通过冷却水出口区(12)流出冷却水腔；所述冷却水的流动方向与空气的流动方向相同。

4.根据权利要求2所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述氢气分配区(2)、氢气汇合区(4)、空气分配区(7)、空气汇合区(9)均为点状过渡流场结构，所述点状过渡流场结构为等间距分布的水平直线和等间距分布的垂直直线构成，所述水平直线和所述垂直直线的交点位置设置有圆柱形结构。

5.根据权利要求2所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述空气反应区(8)为直通交叉变径流场结构，所述直通交叉变径流场结构为多个流道径向排列得到，所述流道包括常规结构(13)和变径结构(14)，所述常规结构(13)和变径结构(14)间隔连通设置。

6.根据权利要求2所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述氢气反应区(3)为波纹恒定截面结构，所述波纹恒定截面结构为多个波纹状流道径向排列得到。

7.根据权利要求2所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述氢极板和氧基板均以钛合金材料作为基底材料，基底材料表面通过物理气相沉积法沉积有氮化钛镀层。

8.根据权利要求7所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板,其特征在于，所述氮化钛镀层厚度50-100nm。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板的制备方法,其特征在于，包括如下步骤：

S1：基底材料表面处理，得到镀层片材；

S2：将镀层片材冲压裁切成型，分别得到氢极板、氧极板；

S3：将氢极板和氧极板连接，得到双极板。

10.根据权利要求9所述的一种具有新型流场的燃料电池双极板的制备方法,其特征在于，氢极板和氧极板之间通过橡胶和激光焊接进行连接，所述橡胶对冷取水侧和水侧进行密封得到冷却水腔，所述激光焊接对氢极板和氧极板进行电子导通。

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