CN115472860B - 一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板及其制备方法

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。

本发明另外还提出一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板的制备方法，包括以下步骤：

(1)将双极板基材进行冲压处理，形成流道；

(2)然后将双极板经皮秒激光刻蚀，沿双极板流道方向扫描多次后获得具有亲水性表面的微凹槽；

(3)之后在室温环境下浸入0.01mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡特定时间，取出后在室温条件下自然干燥获得微凹槽的疏水性表面；

(4)再次利用激光进行图案化扫描将微凹槽上的硬脂酸薄膜选择性的去除，最后得到三维亲疏水混合型梯度结构。

进一步的，所述双极板采用金属双极板，具有高导电、导热能力的同时，还有更好的机械强度、阻气能力和抗冲击能力。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)通过设置微凹槽，加深流道的深度，从而改变流道截面积来增加膜电极的利用面积，燃料气体与流道接触面积的增大，流道内气体均匀性增加，避免气体短路，增强了流道内燃料气体运输的稳定性；并且，在微凹槽上设置亲疏水混合型表面，呈现出气液分离效果，使流道内气液稳定性增加，避免液体溢出的风险，从而提高燃料气体传输效率；

(2)在设置亲疏水结构微凹槽的基础上，因为双极板内气体流动是由压差驱动，所以在纵向流道上设置了引导坡，起到过渡、引导气液的作用，提高燃料气体传输效率的同时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，从而改进电池性能；

(3)通过皮秒激光刻蚀方法和硬脂酸无水乙醇溶液化学腐蚀方法的结合使用，简化传统三维双极板流道繁琐的制备工艺，提高产品的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例所述双极板的结构示意图；

图2为本发明实施例双极板俯视示意图；

图3为本发明实施例带引导坡和不带引导坡的流道示意图；

图4为图2中A-A向流道的截面示意图；

图5为图2中B-B向流道的截面示意图；

图6为疏水型结构的接触角大于90°的示意图；

图7为亲水型结构的接触角小于90°的示意图

图8为本发明实施例传统方案和改进方案不同电压下水体积分数对比示意图；

其中：1、气体入口；2、气体出口；3、流道；4、微凹槽；S、微凹槽外表面；P、微凹槽内表面；5、引导坡；6、脊背。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

实施例1、如图1所示，本实施例提出一种三维亲疏水混合型梯度结构双极板，其流道采用亲疏水混合型梯度结构设计，所述双极板上设置有多条平行的流道，本实施例以三条通道流道为例进行介绍，流道呈蛇形排布，所述流道3内设置微凹槽4，如图5所示，微凹槽4的外表面(图5中S处)设置为疏水型结构表面，微凹槽4内表面(图5中P处)设置为亲水型结构表面，如图2和图4所示，5为在双极板流道设置的引导坡，从燃料气体入口1出发，即沿着气体流动方向，引导坡5为上坡(引导坡5向上倾斜)，引导坡的角度α不变，引导坡5高度根据流道的长度大小的不同而改变，高度会随着流道长度的变化而改变，且均介于5μm至15μm之间。如图3和图4所示，图3中斜线填充部分设置有引导坡的微凹槽，在流道拐角处，即点填充部分为不设置引导坡的微凹槽，考虑到引导坡的倾斜角度不变，横向流道的引导坡高度就会高于纵向流道的引导坡高度，因为横向流道的长度大于纵向流道的长度(以图3为准，左右方向为横向流道，上下方向为纵向流道)。

继续参考图4和图5，流道3的宽度(2b+d)均介于1mm至2mm之间，本实施例优选1.5mm，深度(a)均介于0.5mm至1mm之间，优选0.5mm，背脊6(相邻流道之间称之为脊背)的宽度(e)均介于0.5mm至1.5mm之间，优选1mm，微凹槽宽度(d)均介于0.8mm至1mm之间，优选0.9mm，微凹槽4的深度为流道3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左右，本实施例中，微凹槽的深度(c)均介于50μm至100μm之间，优选60μm，具体参数可根据实际需求进行设计，在此不做过多限定，亲疏水混合的微凹槽在设置的尺寸条件下，液滴接触角增大，呈现疏水表面接触角大于90°的效果，增强双极板耐腐蚀性；所述微凹槽表面积占双极板流道总表面积的20％至50％之间，如图5所示，即P处的面积/(S处的面积+P处的面积)的值在20％至50％之间，本实施例优选30％。

本方案提供的亲疏水混合型结构通过在双极板内部流道内设置具有亲疏水结构的微凹槽，如图6和图7所示，在微凹槽的表面会存在一定的空气，当水滴落在双极板内部流道表面时，水滴的大部分面积与空气接触，由于水的表面张力作用，水滴在这种表面上会慢慢接近于球型，其接触角将会增大，达到如图7疏水表面接触角大于90°的效果，从而有防腐蚀的作用。

并且，通过设计亲疏水混合型微凹槽结构，将流道3的深度加深，流道横截面积增加，膜电极的利用率增加，燃料气体和流道壁面接触面积增大，流道内气体均匀性增加，从而减少气体短路现象发生，流道结构的稳定性增强。微凹槽外表面呈疏水亲气特性，微凹槽内表面呈亲水疏气特性，且由于液体具有内聚性和吸附性，燃料气体呈排斥于微凹槽内表面的趋势运动，逐渐积聚于流道上部，达到气液分离的效果，与此同时由于微结构的影响，液态水滴受到微凹槽外表面的疏水性影响和结构微小的因素，无法吸附于流道表面。

在此基础上，本发明提供的流道梯度结构，还设置了引导坡5，流道内设计微凹槽，整体结构为三维结构，在垂直于流道平面方向上存在速度分量，使得氧气能够垂直于流道平面以对流形式进入催化层，随着电流密度逐渐增大，氧气传输能力增强使得浓度损失变小，而且二维蛇形流道由于流道过长，非常容易发生水淹现象，但通过引导坡的设置，使得微凹槽的深度从上游区到下游区逐渐减小，在垂直于流道平面方向上不断产生速度分量的同时，双极板流道进出口压差增加，最终有效运输燃料气体和排出电池内部多余的液态水，从而改进蛇形流道排水性差的问题，进而改进电池性能，增强电流密度。

实施例2、本实施例提出一种基于实施例1所提出的三维亲疏水混合型梯度结构双极板的制备方法；

所述双极板采用金属双极板，具有高导电、导热能力的同时，还有更好的机械强度、阻气能力和抗冲击能力。

具体的制备工艺如下：

(1)先将金属双极板进行冲压处理，形成流道；

(2)然后将金属双极板经过能量密度为1.21J/cm²，重复频率为400KHz的皮秒激光刻蚀沿双极板流道方向扫描三次后获得具有亲水性表面的微凹槽；

(3)之后在室温环境下浸入0.01mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡60分钟，取出后在室温条件下自然干燥获得疏水性表面；

(4)然后，再次利用激光进行图案化扫描将微凹槽上的硬脂酸薄膜选择性的去除，形成具有坡度的微凹槽，并最终得到三维亲疏水混合型梯度结构。

本方案中，由于微凹槽深度与流道深度在1/10-1/5比例下，由于此结构的影响，流道表面整体呈亲水特性，然后进行溶液浸泡后，所有表面变成疏水型表面，当再次用激光将微凹槽内P表面上的溶液留下的薄膜去除后，S表面是溶液刻蚀的疏水表面，P表面由于微凹槽结构的影响呈现亲水特性，最终形成三维亲疏水混合型梯度结构。

如图8所示，为本发明与传统流道极化曲线对比，图中X轴为电流密度，Y轴为电压，从中可以看出，改进流道对比传统流道，电池性能更优。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一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，其特征在于，所述双极板采用金属双极板，所述流道(3)底面上沿其长度方向设置有微凹槽(4)，所述微凹槽表面积占双极板流道总表面积的20％至50％，微凹槽(4)的外表面为疏水型结构表面，微凹槽(4)内表面为亲水型结构表面；

所述微凹槽(4)内沿其长度方向设置有引导坡(5)，在微凹槽(4)的拐角处不设置引导坡(5)，沿着气体流动方向，引导坡向上倾斜，所述引导坡(5)的倾斜角度不变，引导坡(5)的高度随着流道长度的变化而改变。

2.根据权利要求1所述的三维亲疏水混合型梯度结构双极板，其特征在于：所述流道(3)为蛇形或S型排布。

3.根据权利要求1所述的三维亲疏水混合型梯度结构双极板，其特征在于：所述微凹槽(4)的深度为流道(3)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。

4.根据权利要求1所述的三维亲疏水混合型梯度结构双极板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将双极板基材进行冲压处理，形成流道；

(2)然后将双极板经皮秒激光刻蚀，沿双极板流道方向扫描多次后获得具有亲水性表面的微凹槽；

(3)之后在室温环境下浸入0.01mol/L的硬脂酸无水乙醇溶液中浸泡特定时间，取出后在室温条件下自然干燥获得微凹槽的疏水性表面；

(4)再次利用激光进行图案化扫描将微凹槽上的硬脂酸薄膜选择性的去除，在微凹槽内通过激光刻蚀形成引导坡，最后得到三维亲疏水混合型梯度结构。