[发明专利]一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板与制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板，包括双极板本体，所述双极板本体上设置有分形流场，所述分形流场包括反应气进口和气体流道，所述气体流道和所述反应气进口之间设置有入口过渡区，所述反应气进口设置于所述入口过渡区外端，所述气体流道包括第一流道和第二流道，以分形流场中心点为对称中心，所述第一流道和所述第二流道对称设置，该双极板具有增强气、水的质量传输，提高水、气、热的管理能力。用于制备该类具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板的方法，通过激光熔化技术和激光抛光技术复合制备，可以制备任意复杂形状的流道，工艺简单，可靠性高，同时激光抛光技术提高流场流道表面光洁度，从而提高流动性。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池双极板，特别涉及一种具有高性能复杂仿生学结构流场的双极板与制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)因其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。与热机相比，燃料电池的化学能直接转化成电能，不需要初步转化成热能。因此，转化不受卡诺循环的限制，理论上可以实现90％转化的高效率。

燃料电池的核心是膜电极和双极板。膜电极是电化学反应的场所；双极板提供气体分配和收集电流，为了完成气体分配和收集电流这两项任务，双极板通常是导电的，其表面有凹凸两个部分，其中凸出部分(收集电流脊梁)用来与电极接触，收集电流；凹下部分(流场)为气体向电极表面传递提供通道，双极板的这一含有凹凸结构的部分称流场。

实际上，燃料电池的产能效率很大程度上取决于双极板流场的结构，优质的流场结构可以改善反应物和生成物的流动状态，使电极各处都能及时得到反应物，并且能及时排除生成水，提高燃料电池的发电效率。

常见的质子交换膜燃料电池双极板的流场有平行流场，蛇型流场和交指型流场。平行流场的一个显著优点在于气体进口和出口之间的总压降较低，但较低的压力差不易排出流道内的水分，这就会引起部分区域的水的堆积，导致传输耗损的增加，从而降低了电流密度。

蛇型流场的优点在于排水能力，单一流动路径能推动液态水的排出。但蛇形流道拐角较多，流道较长使其压降很大，出现气体供应不足的情况。

交指型流场的设计促进了反应气体在扩散层中的强制对流，其水管理的效果远优于平行流场和蛇型流场，但气体扩散层中的强制对流导致很大的压降损耗。

当前的现有技术中,由于传统流场压降大，当电池输出工作时，有效面积内反应物分布的不均匀性使得区域内电化学反应并不充分，导致反应物利用率和电机的能量转换效率降低，从而会影响电流输出的稳定性。

制备这些流道最常用是铣削、冲压、化学腐蚀等传统加工方法。传统工艺成形的流道截面形状单一，且成形成本高，工艺复杂，耗材大，环境不友好。伴随着双极板流道结构复杂化、高尺寸精度、高加工质量的趋势，传统加工方法逐渐不能满足上述要求。同时原料利用率低、加工成本高、生产效率低、加工产生噪音、对环境不友好等是上述传统加工方法的缺点。

不同于传统的车、铣、刨、磨、钻等“减材制造”技术，“增材制造”技术是以计算机控制的激光为能量来源，将粉末材料逐层进行塑造和结合，不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，极大地推进了研发效率。随着增材制造技术日趋成熟，其应用范围已逐渐拓展至更为高端的航空航天领域。据分析表明，传统技术制备的零部件在后期机加工时会造成70％以上的余量去除，而增材制造技术可节约50％以上的材料去除率。因此，在冶金、航空航天等领域，增材制造技术具有更为广阔的发展空间。目前，适应于煤矿、汽车、航空航天零部件制备的增材制造技术主要包括激光熔覆技术(laser cladding)以及选区激光熔化技术(Selective Laser Melting)等。