[发明专利]一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板与制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板，包括基板，所述基板上设置有三维流场，所述三维流场包括反应气进口、反应气出口和若干条脊背，所述脊背设置于所述反应气进口与所述反应气出口之间，所述脊背之间形成流道，每条脊背包括多个相连的共形共性的三维单元体，所述三维单元体中空设置，相邻相连的三维单元体之间设置有沟槽。该双极板实现燃料气体与反应产物水的有效分离，以及均匀分布，并有效解决水淹与传热传质特性差的问题。用于制备该类高性能三维流场结构的燃料电池双极板的方法，通过选区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，特别涉及一种高性能三维流场结构的燃料电池双极板与制备方法与制备方法。

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。

双极板的结构设计及其加工制备工艺已成为该类电池商业化的技术壁垒中不可忽视的关键技术。双极板结构设计重点在于双极板流场结构设计、加工质量和尺寸精度。双极板流场结构设计对气体均匀分布、排水、散热均具有重要影响，合理的结构设计是有效解决阴极水淹与优化传质传热特性的技术关键，而切实有效的制备工艺是保证结构加工制造的前提条件。流道的加工工艺直接影响流道传热传质特性与水气两相管理。

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反应气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。

目前，常用的流场结构主要为二维平面流场，例如蛇形流场、平行流场、交指型以及简单仿生学流场结构。存在严重的水淹、传质传热特性差等突出问题，严重影响电池的稳定性与转换效率。传统双极板设计中，燃料气体在流场槽中传输，并经过膜电极中气体扩散层扩散至催化层表面发生电化学反应而发电；发电过程中催化层表面产生的水分，首先经过膜电极的气体扩散层扩散到电极外表面，通过流场槽中气体的流动排出燃料电池；而现有的流场脊部不能传输气体，仅发挥传导电子的作用。在燃料电池长时间运行过程中，由于产生大量的水分，会造成燃料电池的“水淹”现象，“水淹”现象会阻碍气体的传质过程而严重影响燃料电池的发电过程。从而，目前需要通过改进双极板制备和流场设计，例如采用三维流场结构，达到进一步增加燃料气体的有效传输面积、增强气体的传质过程、防止燃料电池的“水淹”现象，以及提高燃料电池发电性能和运行稳定性的目的。

但目前金属双极板主要为采用传统车铣、电火花加工、化学腐蚀等方法加工，而采用传统加工方法，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，且采用三维流场结构，传统加工方法逐渐不能满足结构复杂、高尺寸精度、高加工质量的要求。