[发明专利]一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板及其制备方法

说明书

本发明公开一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板及其制备方法，双极板上设置有多条流道，流道呈蛇形排布，所述流道底面上沿其长度方向设置有微凹槽，微凹槽的外表面为疏水型结构表面，微凹槽内表面为亲水型结构表面，并在双极板微凹槽内设置引导坡，即沿着气体流动方向，引导坡向上倾斜，引导坡的角度不变，亲疏水混合的微凹槽增强双极板耐腐蚀性，并且，亲疏水混合结构设计使流道有气液分离功能，避免气体短路，流道内气体均匀性增加，提高燃料气体传输效率，以有效增加双极板进出气口压差，有效排除燃料电池内部多余的液态水，本方案有效简化制备工艺，增强产品可靠性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板及其制备方法。

背景技术

全球能源危机的大环境下，人类面临着能源转型的巨大挑战，氢气作为燃料具有反应产物无污染、能量密度高的优点，是替代化石燃料成为汽车动力源的良好选择。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其启动快、高效率和二氧化碳零排放等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。

质子交换膜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，双极板具有支撑膜电极的作用，既要提供燃料通道，分隔氢气和氧气，又要收集、传导电流和排出废热、生成的液态水，双极板的结构设计直接影响了气体分布均匀性、排水效果和散热均匀性，从而影响电池性能，所以双极板的结构设计及其加工制备工艺已然成为燃料电池商业化的技术壁垒中不可忽视的关键技术。

双极板流场结构设计主要为二维流场，例如平行流场、交指型流场、蛇形流场以及简单仿生流场结构。平行流场优势在于流动阻力小，进出气口之间的压降较小，但由于流道数目多和气体流速不大，容易造成水淹现象；交指型流场由于流道不连续，气体被强制通到扩散层，气体利用率提高，但强制扩散气体，导致较大压降，损伤气体扩散层；蛇形流场优势在于排水性好，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；简单仿生流场优势在于反应面积分布均匀且停留时间较长，电流密度分布更加均匀，但反应气体在分叉区域的流动容易导致压降过大。

针对二维流场压降过大或过小，水淹严重的问题，可以通过改进双极板制备和流场设计，例如采用三维流场结构，增加燃料气体的有效传输面积、提高流道内燃料气体的均匀性、防止燃料电池的水淹现象，从而提高燃料电池发电性能和运行稳定性。对于三维流场的制备方法，目前主要是采用传统车铣、电火花加工等方法加工，但是传统加工方法暴露出原料利用率低、加工成本高、生产效率低、加工产生噪音、对环境不友好的劣势，而且传统加工方法逐渐不能满足三维流场结构的复杂性、高加工质量的要求。

发明内容

本发明针对二维流场压降过大或过小，水淹严重，燃料气体运输效率低的问题，提出一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板及其制备方法，有效解决传统流场压降过大或过小、水淹、气体传输效率低等问题，同时也简化三维流场的制备工艺，达到高精度、高质量的要求。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板，所述双极板上设置有多条平行的流道，所述流道内设置微凹槽，微凹槽的外表面设置为疏水型结构表面，微凹槽内表面设置为亲水型结构表面。

进一步的，所述流道内设置有引导坡，沿着气体流动方向，引导坡向上倾斜。

进一步的，所述引导坡的倾斜角度不变，引导坡的高度随着同一方向流道长度的变化而改变。

进一步的，所述引导坡的高度介于5μm至15μm之间。

进一步的，若所述流道为蛇形或S型排布，则在流道的拐角处不设置引导坡。

进一步的，所述微凹槽表面积占双极板流道总表面积的20％至50％。

进一步的，所述微凹槽的深度为流道深度的1/10-1/5，微凹槽(4)的宽度为流道(3)宽度的2/5-3/5。