CN207993967U - 一种燃料电池双极板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池双极板，其特征在于，应用于3D打印装置上，其中，所述装置包括进料机构、成品机构和激光头，所述激光头设置在所述成品机构的正上方，将所述双极板的极板放置在所述成品机构上；将所述双极板的制作原料放入所述进料机构，以使所述进料机构将所述双极板的原料送入所述成品机构上的所述单极板上，并形成预设厚度的原料层；基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板。本实用新型实施例无需模具，降低了双极板的开发费且周期短，耗材少，可使双极板一次成型，还降低了粘结技术的开发需求。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板。
背景技术
伴随燃料电池技术日趋成熟，作为一种零污染、高效率、将化学能直接转变为电能的发电设备，已经被越来越多的应用于通讯基站、车载动力、分布式电源等领域。伴随着更多应用领域的扩展，更多的需求也随之产生。
燃料电池核心部件膜电极是片状结构。为了使燃料电池的反应物顺利进入、排出，以及使燃料电池的温度得到稳定控制并输出稳定电能，大功率多节燃料电池中均采用双极板实现极板和膜电极的堆叠安装。
其中，双极板处于电化学反应的核心部分，流道设计需要保证流体分配的均匀性，同时需要考虑燃料电池反应生成物例如液态水对进一步反应的影响，此外，电化学腐蚀、高导电、导热率需求等对双极板也提出了很大挑战。
目前燃料电池主流的双极板为石墨双极板和金属双极板。二者的加工方法上有很大区别。石墨双极板一般采用石墨粉和树脂粉末在磨具中混合热压成型、泡沫柔性石墨冲压成型、以及雕刻机在成型后的石墨板上雕刻流道三种方法。金属双极板则采用多道工序的冲压成型，且需要加工后再经过镀层处理以达到防腐的目的。
现有的双极板加工基本都是用模具，对于新开发过程中的双极板，往往因为微小的外观尺寸调整而报废整套磨具，其开发费用高且周期长；雕刻技术的问题在于对材料的损耗较大，一般接近50％。
同时，目前使用的双极板由于制造过程原因无法双极板一次成型，而需要通过两个单极板拼装粘结的方式完成，增加了对粘结技术的开发需求。由此，对燃料电池工作变温范围、水冷腔耐压等带来了限制。
实用新型内容
本实用新型提供一种燃料电池双极板，以解决现有技术中的至少部分问题。
具体地，本实用新型是通过如下技术方案实现的：
一种燃料电池双极板，应用于3D打印装置上，其中，所述装置包括进料机构、成品机构和激光头，所述激光头设置在所述成品机构的正上方，将所述双极板的极板放置在所述成品机构上；将所述双极板的制作原料放入所述进料机构，以使所述进料机构将所述双极板的原料送入所述成品机构上的所述极板上，并形成预设厚度的原料层；基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板。
示例性地，所述双极板为石墨双极板，所述双极板的原料为石墨粉和粘合树脂粉配比成混合粉末，所述基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板包括：循环执行如下步骤，直到烧结形成所述双极板的预设结构，
所述循环执行的步骤包括：
通过所述进料机构将所述石墨粉和粘合树脂粉配比成混合粉末在所述双极板的极板上平铺成预设厚度的原料层；
通过所述激光头烧结位于极板中的石墨粉和树脂粉末配比成混合粉末，以形成粘结。
示例性地，所述双极板为金属双极板，所述双极板的原料为金属粉末，
所述基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板包括：
通过所述进料机构将所述金属粉末在所述双极板的极板上平铺成预设厚度的原料层；
基于所述双极板的预设机构通过所述激光头熔化所述金属粉末；
将熔化后的所述金属粉末冷却，形成预设结构的双极板。
示例性地，所述3D打印装置还包括步进电机，所述成品机构还包括激光头引导架，
所述基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板，包括：
在所述步进电机驱动下，所述激光头引导架根据所述双极板的预设结构运动，以控制所述激光头的运动，实现烧结形成预设结构的双极板。
示例性地，所述进料机构包括粉末舱、进料台、进料台驱动杆和进料杆，其中，所述粉末舱的底部为进料台，所述进料台可上下移动，
所述成品机构包括成品舱、成品台、成品台驱动杆、激光头以及激光头引导架，其中，所述成品舱的底部为成品台，所述成品台可上下移动；
所述将所述双极板的制作原料放入所述进料机构，以使所述进料机构将所述双极板的原料送入所述成品机构上的所述极板上，并形成预设厚度的原料层包括：
通过所述粉末舱装载所述双极板的制作原料；
在所述进料台驱动杆的作用下，所述进料台上下移动以与所述成品台平齐，或者
在所述进料台驱动杆的作用下所述进料台上下移动，以及在所述成品台驱动杆的作用下所述成品台上下移动，以使所述进料台与所述成品台平齐；
当所述进料台与所述成品台平齐后，所述进料杆从左至右将所述双极板的制作原料推入所述成品舱，以在所述成品台的所述双极板的极板上形成原料层。
示例性地，一种燃料电池双极板还包括：
当将所述双极板的制作原料推入所述成品舱，控制所述进料杆返回初始位置。
应用本实用新型实施例，采用3D打印装置打印燃料电池的双极板，无需模具，降低了双极板的开发费且周期短，耗材少，通过3D打印装置中的激光头烧结使双极板一次成型，还降低了粘结技术的开发需求。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种燃料电池双极板的3D打印装置的结构示意图。
图2为本实用新型提供的一种燃料电池双极板的制作流程示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
双极板是燃料电池的一个核心部件，由极板和流场组成包括了气体进口、气体反应区、和气体出口。因为在电堆中，互相邻接的电池单体，需要共享电极板分别作为两邻接电池单体的阳极和阴极，故此电极板通常称为双极板。本实用新型提供一种利用3D打印技术，基于极板和制作原料制作双极板的方法，示例性地，可以在极板上铺设制作原料(例如，金属粉末)，由于不同结构的双极板其流场不同，从而对制作原料进行烧结得到不同流场、不同结构的双极板。
下面将结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。
图1为本实用新型提供的一种燃料电池双极板的3D打印装置的结构示意图。
图2为本实用新型提供的一种燃料电池双极板的制作流程示意图。
下面结合图1所示的3D打印装置的结构和图2所示的制作方法的流程图对本实用新型实施例进行详细描述。
如图1所示，3D打印装置可以包括进料机构、成品机构和激光头。其中激光头设置在所述成品机构的正上方。示例性地，所述进料机构包括粉末舱、进料台、进料台驱动杆和进料杆，其中，所述粉末舱的底部为进料台，所述进料台可上下移动。示例性地，所述成品机构包括成品舱、成品台、成品台驱动杆、激光头以及激光头引导架，其中，所述成品舱的底部为成品台，所述成品台可上下移动。在另一些示例中，3D打印装置还包括步进电机，所述成品机构还包括激光头引导架。
基于图1所示的结构，图2中所示的方法将应用在该结构上，下面详细介绍本实用新型实施例提供的一种燃料电池双极板。
如图2所示，一种燃料电池双极板应用于3D打印装置上，其中，所述装置包括进料机构、成品机构和激光头，所述激光头设置在所述成品机构的正上方，该制作方法包括如下步骤：
步骤110，将所述双极板的单极板放置在所述成品机构上。
步骤120，将所述双极板的制作原料放入所述进料机构，以使所述进料机构将所述双极板的原料送入所述成品机构上的所述单极板上，并形成预设厚度的原料层。
以双极板中的一个单极板作为基板，在基板上铺上预设厚度的原料层。
步骤130，基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板。
通过对基板上的原料层的烧结，使其粘结在所述基板上，从而形成双极板。其中，双极板的预设结构可以根据实际需求设置，本实用新型对此不作限制，例如，双极板的预设结构根据流场来分可以包括直通道流场、蛇形流场、交指型流场、点状流场或网状流畅。示例性地，在步骤130，可以根据双极板的流场结构，控制激光头对原料层进行相应结构的烧结，从而形成双极板。
应用本实用新型实施例，采用3D打印装置打印燃料电池的双极板，无需模具，降低了双极板的开发费且周期短，耗材少，通过3D打印装置中的激光头烧结使双极板一次成型，还降低了粘结技术的开发需求。
根据本实用新型实施例，针对不同的双极板，步骤130可以包括不同的实施例。示例性地，若双极板为石墨双极板，所述双极板的原料为石墨粉和粘合树脂粉配比成混合粉末，则步骤130可以包括：循环执行如下步骤，直到烧结形成所述双极板的预设结构，其中，循环执行的步骤包括：通过所述进料机构将所述石墨粉和粘合树脂粉配比成混合粉末在所述双极板的极板上平铺成预设厚度的原料层；通过所述激光头烧结位于极板中的石墨粉和树脂粉末配比成混合粉末，以形成粘结。在另一个示例中，若双极板为金属双极板，所述双极板的原料为金属粉末，则步骤130可以包括如下步骤：通过所述进料机构将所述金属粉末在所述双极板的极板上平铺成预设厚度的原料层；基于所述双极板的预设机构通过所述激光头熔化所述金属粉末；将熔化后的所述金属粉末冷却，形成预设结构的双极板。
根据本实用新型一实施例，所述3D打印装置还包括步进电机，所述成品机构还包括激光头引导架，基于该结构，步骤130可以包括：在所述步进电机驱动下，所述激光头引导架根据所述双极板的预设结构运动，以控制所述激光头的运动，实现烧结形成预设结构的双极板。
根据本实用新型另一实施例，所述进料机构包括粉末舱、进料台、进料台驱动杆和进料杆，其中，所述粉末舱的底部为进料台，所述进料台可上下移动，所述成品机构包括成品舱、成品台、成品台驱动杆、激光头以及激光头引导架，其中，所述成品舱的底部为成品台，所述成品台可上下移动。基于该结构，步骤120可以包括：通过所述粉末舱装载所述双极板的制作原料；在所述进料台驱动杆的作用下，所述进料台上下移动以与所述成品台平齐，或者在所述进料台驱动杆的作用下所述进料台上下移动，以及在所述成品台驱动杆的作用下所述成品台上下移动，以使所述进料台与所述成品台平齐；当所述进料台与所述成品台平齐后，所述进料杆从左至右将所述双极板的制作原料推入所述成品舱，以在所述成品台的所述双极板的极板上形成原料层。
进一步地，作为一个示例，进料台和成品台的尺寸完全一致。为便于对上述实施例的理解，下面通过举例进一步说明，例如，3D打印装置在利用本实用新型实施例打印双极板(石墨双极板或金属双极板)时，将混合粉末或者金属粉末放入粉末舱，并将双极板的单极板放在成品舱中，成品台在成品台驱动杆的驱动下位于成品舱最上方。每次进料台驱动杆驱动进料台向上移动小于0.1mm，成品台向下移动相同的距离，使进料台和成品台平齐，进料杆从最左侧将粉末推入成品舱，形成薄层。激光头在激光头引导架引导下，根据输入图纸烧结双极板的单极板上的粉末，从而形成双极板。优选地，进料杆返回最左侧，依次重复直至完成，即直到完成双极板的制作。示例性地，在双极板制作过程中，进料杆会重复操作，向成品舱推入粉末(即双极板的制作原料，例如，金属粉末)，直到得到预设结构的双极板。采用这种重复操作，积累制作原料、烧结制作原料的方式，其加工的石墨双极板或者金属双极板的厚度可以远远小于传统工艺加工的石墨双极板或者金属双极板的厚度。
需要说明的是，该3D打印装置的运动机构(例如，进料台驱动杆、成品台驱动杆、激光头引导架等)可以通过一个中央处理器(例如，单片机等)控制。示例性地，可以将预先设置好的双极板的结构图纸按照一定可读格式导入到中央处理器，中央处理器根据双极板的结构图纸控制激光头引导架运动，从而控制激光头运动，按照结构图纸上需要烧结的位置对成品舱内的双极板的单极板和制作原料进行烧结，从而形成预设结构的双极板。示例性地，中央处理器还可以控制进料杆的运动，使进料杆可以匀速地向成品舱推送制作原料，且能够保证进入成品舱中的制作原料的厚度保证为预设厚度，其中，预设厚度可以根据实际双极板的结构设置。通过中央处理器的控制，其控制精度高，避免传统工艺的加工公差问题。
应用本实用新型实施例，采用3D打印装置打印燃料电池的双极板，无需模具，降低了双极板的开发费且周期短，耗材少，通过3D打印装置中的激光头烧结在双极板的极板上形成流场，从而使双极板一次成型，还降低了粘结技术的开发需求。
综上所述，与现有技术相比，本实用新型实施例的特点或优势主要体现在：
1、在研发阶段使用本实用新型加工双极板可以方便更改设计要求，因无模具费用可以大幅度降低开发成本；
2、可以实现双极板一次成型，无需中间粘合或焊接过程，降低故障率；
3、所加工的金属双极板无应力释放问题；
4、使3D流道如蜂窝状以更复杂流道成为可能，可以加速研发过程；
5、因本实用新型采用积累的方式，所加工的石墨或者金属板的厚度可以远小于传统工艺；
6、本实用新型做加工的流场精度更高，避免传统工艺的加工公差问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例。
Claims (6)
1.一种燃料电池双极板，其特征在于，应用于3D打印装置上，其中，所述装置包括进料机构、成品机构和激光头，所述激光头设置在所述成品机构的正上方，
将所述双极板的极板放置在所述成品机构上；
将所述双极板的制作原料放入所述进料机构，以使所述进料机构将所述双极板的原料送入所述成品机构上的极板上，并形成预设厚度的原料层；
基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板为石墨双极板，所述双极板的原料为石墨粉和粘合树脂粉配比成混合粉末，
基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板包括：循环执行如下步骤，直到烧结形成所述双极板的预设结构，
所述循环执行的步骤包括：
通过所述进料机构将所述石墨粉和粘合树脂粉配比成混合粉末在所述双极板的极板上平铺成预设厚度的原料层；
通过所述激光头烧结位于极板中的石墨粉和树脂粉末配比成混合粉末，以形成粘结。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板为金属双极板，所述双极板的原料为金属粉末，
基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板包括：
基于所述双极板的预设机构通过所述激光头熔化所述金属粉末；
将熔化后的所述金属粉末冷却，形成预设结构的双极板。
4.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述3D打印装置还包括步进电机，所述成品机构还包括激光头引导架，
所述基于所述双极板的预设结构利用所述激光头烧结所述预设厚度的原料层，以形成所述双极板，包括：
在所述步进电机驱动下，所述激光头引导架根据所述双极板的预设结构运动，以控制所述激光头的运动，实现烧结形成预设结构的双极板。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述进料机构包括粉末舱、进料台、进料台驱动杆和进料杆，其中，所述粉末舱的底部为进料台，所述进料台可上下移动，
所述成品机构包括成品舱、成品台、成品台驱动杆、激光头以及激光头引导架，其中，所述成品舱的底部为成品台，所述成品台可上下移动；
所述将所述双极板的制作原料放入所述进料机构，以使所述进料机构将所述双极板的原料送入所述成品机构上的所述极板上，并形成预设厚度的原料层包括：
通过所述粉末舱装载所述双极板的制作原料；
在所述进料台驱动杆的作用下，所述进料台上下移动以与所述成品台平齐，或者
在所述进料台驱动杆的作用下所述进料台上下移动，以及在所述成品台驱动杆的作用下所述成品台上下移动，以使所述进料台与所述成品台平齐；
当所述进料台与所述成品台平齐后，所述进料杆从左至右将所述双极板的制作原料推入所述成品舱，以在所述成品台的所述双极板的极板上形成原料层。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，还包括：
当将所述双极板的制作原料推入所述成品舱，控制所述进料杆返回初始位置。
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2017
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