[发明专利]一种具有强化传热传质功能的三维流场双极板与制备方法

说明书

本发明涉及一种具有强化传热传质功能的三维流场双极板，包括基板、进气口和出气口，基板上设置有一体成型的三维流场，三维流场包括外部流场和设置于外部流场下方的内部流场，内部流场包括与进气口相连通的进气通道和蛇形流场，蛇形流场包括气体流道与脊背，进气通道与气体流道相连通，外部流场对应气体流道的位置设置有多个反应气孔，反应气孔之间设置有连接沟槽，连接沟槽两端分别与相邻反应气孔相连通。该三维流场结构能实现表面的反应气体之间的强制对流，强化双极板的传热传质的性能，提高燃料的利用率。选区激光熔化是用于制备该类三维复杂精细化流场的燃料电池双极板的最有效方法，可制备任意复杂形状的流道，工艺简单可靠性高。

技术领域

本发明涉及燃料电池双极板，特别涉及一种具有强化传热传质功能的三维流场双极板与制备方法。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学原理将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有洁净、高效和连续工作等特性。燃料电池种类多，对于水下舰艇、航体而言，最具有发展潜力的就是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。PEMFC重量轻、体积小、功率密度高的优点可扩大仓容，增强潜艇的灵活性和战斗力。此外，声特性不超过柴电推进装置，能够进行超安静运行。这些特性使得舰艇的隐蔽性大大提高，具有极强的”隐形”作战能力。

现阶段，制约质子交换膜燃料电池在水下舰艇和航体运用方面的因素有很多，其中质子交换膜燃料电池极板的流场结构设计以及流场制备工艺是质子交换膜燃料电池发展的瓶颈。极板的主要组成有基板和流场结构两大部分。传统流场结构设计主要为二维流场，例如蛇形流场、交指型流场、平行流场以及简单仿生流场结构。蛇形流场的突出的优点在于排水性好，从而避免水淹现象，但是其流道拐角数目多且长会造成较大的压降，造成电流在进口到出口之间的分布不均；交指型流场的不连续结构，气体被强制引导进扩散层中，大大提高气体利用率。但气体使被强制扩散，会产生较大的压降，气体流速过快会损伤气体扩散层，降低电池使用性能；平行流场进出气口之间的压降较小，但产生的水不能及时排出，易造成水淹现象；简单仿生流场特点在于使流体在整个活性反应面积分布均匀且停留时间较长，使反应物得到充分利用，燃料电池的电流密度分布更加均匀，但其分叉角度和分叉数量影响反应气体在流道内部的流动，反应气体在分叉区域的流动容易导致压降过大。而三维流场由于供气单元结构尺寸小，反应气体分布均匀而又充分的流动可以将电池产生的大部分热量带出等优势，使传质传热能力得到提高，显著提高燃料电池性能。因此，为了解决传统二维流场传质传热能力不足、电流密度低等问题，本专利提出一种三维封闭流场结构与制备方法，以满足水下舰艇和航体质子交换膜燃料电池的要求。

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强化传热传质功能的三维流场双极板。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种具有强化传热传质功能的三维流场双极板，包括基板、安装定位孔、进气口和出气口，所述基板上设置有一体成型的三维流场，所述三维流场包括设置于基板上表面的外部流场和设置于外部流场下方的内部流场，所述内部流场包括与进气口相连通的进气通道和蛇形流场，所述蛇形流场包括气体流道与脊背，所述进气通道与气体流道相连通，所述外部流场对应气体流道的位置设置有多个反应气孔，所述反应气孔之间设置有连接沟槽，所述连接沟槽两端分别与相邻反应气孔相连通。

通过采用上述技术方案，相较于现有技术的二维蛇形流场路径单一，本技术方案在气体流道上设置多个反应气孔连通气体流道与膜电极，然后反应气孔之间设置有连接沟槽，该三维流场结构能够实现表面的反应气体之间的强制对流，强化双极板的传热传质的性能，提高燃料的利用率；气体从下至上通过孔，有部分到沟槽上，使气体与膜电极的催化层反应的更多更充分，所产生的电流就更大；外部流场顶面能够充分和膜电极贴合，增强极板的活化面积，降低接触电阻从而提高电流密度；而外部流场反应产生的水分经反应气孔回落至内部流场的蛇形流场再排出，排水量大，但排水途径长，有利于大范围降低电池工作温度，使燃料电池工作温度保持70-80度，加之金属极板散热快，探测不到，有利于水下舰艇和航体运用的隐蔽性；安装定位孔用于紧固燃料电池内部元件，使各个部件连为一体。