[发明专利]一种航天用燃料电池三维收缩孔流场的双极板与制备方法

说明书

本发明涉及一种航空用燃料电池三维收缩孔流场的双极板，包括基板，基板上设置有三维蛇形流场，三维蛇形流场包括反应气进口、反应气出口、气体流道和n条以上平行设置的脊，n为大于等于2的偶数，从反应气进口方向开始计算的奇数脊上皆设置有用于连通相邻气体流道的三维收缩孔。通过采用上述技术方案，脊的侧壁上设置三维收缩孔用于连通相邻气体流道，从而改变气体的流动方向，有效减少燃料电池在长时间运行过程中发生“水淹”和局部发热的概率；针对这类三维收缩孔流场的制备采用选区激光熔化技术，可以制备任意复杂形状的流道，并采用化学抛光与激光抛光复合工艺处理，降低接触电阻，提高气、液体流动性。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池双极板，特别涉及一种航天用燃料电池三维收缩孔流场的双极板与制备方法。

背景技术

在能源与环境的双重压力下，有效解决环境污染并在缓解能源短缺的前提下提高能源利用率等问题亟待解决。尤其在航空航天领域，对无污染、长时间大功率输出的能源设备的需求愈发强烈。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其可达到100-1000Wh/kg的能量密度，成为功率密度仅为25～40Wh/kg锂电池的最佳替代动力源。然而，由于PEMFC的体积和质量较大，导致了其体积比功率较低而限制了其在航天飞行器中的广泛应用。双极板的体积与质量对PEMFC的体积比功率起决定性作用。传统双极板的体积占电池总体积的95%以上，质量约占80%，成本约占50%。因此，采用新型双极板材料以提高PEMFC体积比功率、质量比功率至关重要。以传统双极板材料石墨为例，虽然石墨的导电性高，但其机械强度较低，只能通过传统的铣削工艺成型，且成型厚度较大，导致电池体积比功率较低。近年来，金属（如：不锈钢、钛合金等）双极板因其高度机械强度及导电性受到了广泛关注，且成型的极板厚度远小于石墨板，电池的体积比功率得到了显著提高。

由于双极板起到均匀分配反应气体、收集传导电流以及支撑膜电极等关键作用，因此双极板流场结构设计是提高电池催化效率，有效提高电池输出性能的关键。受传统双极板材料及加工工艺（车、铣、刨、磨、钻等）的限制，传统流场结构以蛇形、平行、交指等二维流场为主，二维流场往往存在压降过大或过小，水淹严重等问题，二维流场性能很难有突破。采用先进增材制造技术可以实现任意复杂高性能流场的制备。尤其是，传统工艺难以成型的高性能复杂三维结构流场的制备。其中，选区激光熔化(Selective Laser Melting)，利用高能激光束使金属粉末逐层熔化并快速冷却，直至零件成型。SLM在航空航天、汽车等领域均有广泛应用，因此，针对航空用PEMFC双极板的制备具有巨大潜力。

为进一步提高金属双极板性能，对双极板进行激光-化学复合抛光，以及表面镀金以提高金属双极板的耐腐蚀性，并降低其表面接触电阻，进而使PEMFC输出性能得到显著提高。

发明内容

综上所述，为克服现有技术的不足，本发明提供一种具有增强气、水的质量传输，提高水、气、热的管理能力的航空用燃料电池三维收缩孔流场的双极板。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种航空用燃料电池三维收缩孔流场的双极板，包括基板，所述基板上设置有三维蛇形流场，所述三维蛇形流场包括反应气进口、反应气出口、气体流道和n条以上平行设置的脊，n为大于等于2的偶数，从反应气进口方向开始计算的奇数脊上皆设置有多个连通相邻气体流道的三维收缩孔，所述三维收缩孔对应所述反应气进口的一端为进口端，另一端为出口端，所述进口端大于所述出口端。