CN108123148B - 一种氢燃料电池流场板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池流场板，包括金属基板，所述金属基板正面开设有氢侧流槽且所述金属基板背面开设有氧侧流槽，所述金属基板由钛合金制成，所述金属基板的厚度为0.05mm‑0.15mm，所述金属基板外壁形成有碳纤维渗透层。通过采用上述技术方案，当金属基板为钛合金时，在满足抗压强度≥75Mpa和抗折强度≥50Mpa的条件下，金属基板只需0.05mm‑0.15mm即可。减小了燃料电池电极堆的体积，从而使燃料电池可安装在更多安装空间较小的工况下。碳纤维渗透层，可提高金属基板的导电性，从而减小了电流产生后在流场板上的损失，使燃料电池可输出更多的有效电能。

Description

一种氢燃料电池流场板

技术领域

本发明涉及氢燃料电池，具体涉及一种氢燃料电池流场板。

背景技术

流场板是燃料电池的重要组成部分，它为电池分配燃料与氧化剂并串连相邻电池。由于实际生产中燃料电池的性能不但取决于电池的材料和工艺水平，还很大程度上受到燃料和氧化剂流体分配均匀性的影响，均匀的流体分配有利于提高质子交换膜燃料电池的性能。在现有技术中一般采用石墨来制作流场板。

如公告号为CN203760566U的专利，该专利公开了一种燃料电池中的石墨流场板结构，包括硬质石墨板体，在硬质石墨板体上成型有上通孔和下通孔，上通孔和下通孔形状和大小相同且在硬质石墨板体相对平行排列，在硬质石墨板体的一侧上成型有若干个氢侧流槽，氢侧流槽的二端分别与上通孔和下通孔相通；在上通孔和下通孔之间的硬质石墨板体的另一侧上成型有若干个氧侧流槽，氧侧流槽的二端分别与硬质石墨板体的外部相通。

该专利的缺点在于：该流场板由硬质石墨板体构成，当流场板要达到抗折强度达到≥50Mpa，抗压强度达到≥75Mpa时，流场板的厚度需至3mm-4mm，使用该流场板的燃料电池体积会较大。当使用该流场板的燃料电池需用于一些特殊场合时，如使用在小型无人机上时，由于无人机可安装燃料电池的空间，该燃料电池将会由于空间不够而无法安装。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种氢燃料电池流场板，通过将流场板设置呈设有碳纤维渗透层的金属基板，金属基板为钛合金制成，在满足抗压强度≥75Mpa和抗折强度≥50Mpa的条件下，金属基板只需0.05mm即可，从而减小燃料电池的体积，使燃料电池可安装在更多安装空间较小的工况下。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种氢燃料电池流场板，包括金属基板，所述金属基板正面开设有氢侧流槽且所述金属基板背面开设有氧侧流槽，所述金属基板由钛合金制成，所述金属基板的厚度为0.05mm-0.15mm，所述金属基板外壁形成有碳纤维渗透层，所述碳纤维渗透层为内部均匀分布有碳纤维粉末的钛合金板。

通过采用上述技术方案，当金属基板为钛合金时，在满足抗压强度≥75Mpa和抗折强度≥50Mpa的条件下，金属基板只需0.05mm-0.15mm即可。由于燃料电池的电极堆是由流场板堆叠而成，采用金属基板后在流场板主要结构强度相同的前提下，流场板厚度减小到了原来流场板厚度的1/30，大大的减小了燃料电池电极堆的体积，从而使燃料电池可安装在更多安装空间较小的工况下，如小型无人机。

同时由于流场板的最基础作用是收集电化学反应过程中释放出来的电子，电子通过外部负载的过程产生电流，驱动负载工作。故它需要较好的导电性，从而减小电流损失。通过在金属基板外壁添加碳纤维渗透层，从而提高金属基板的导电性，从而减小了电流产生后在流场板上的损失，使燃料电池可输出更多的有效电能。

且由于碳纤维具有较好的耐超高温性，耐疲劳性和耐腐蚀性。从而碳纤维渗透层可有效的防止金属基板氧化，使金属基板具有更长的使用寿命。且由于钛合金的在500℃-600℃的温度下仍保持其强度和抗蠕变性能，碳纤维的熔点为3000摄氏度，故流场板可处于-10℃-600℃的工况环境中工作，使该燃料电池可用于更加广泛的工况中。

本发明的进一步设置为：所述氢侧流槽呈蛇形设置，所述氢侧流槽的始端和末端均开有通槽。

通过采用上述技术方案， 氢侧流槽呈蛇形设置，即氢侧流槽为一条相互串联且平行排列的沟道，延长了反应物的流动长度，从而增大了液体在氢侧流槽进出口之间的程压降，驱使更多反应物通过扩散层到达催化层活性表面，有助于提高燃料电池的输出性能。

本发明的进一步设置为：所述氢侧流槽设有若干个，所有所述氢侧流槽之间呈平行设置且均与通槽相通。

通过采用上述技术方案，从而解决由于过长的单氢侧流槽造成反应物和生成物浓度分布不均，进而造成整个流场范围内电流密度分布不均的现象，提高了燃料电池长期运行的稳定性和可靠性。

本发明的进一步设置为：所述氧侧流槽沿金属基板宽度方向开设且沿金属基板长度方向设有若干个，所述氧侧流槽为V型槽。

通过采用上述技术方案，从而使反应物在氧侧流槽输送时所需的输送压力较低，氧侧流槽内反应物的流速较小，有利于增加反应物的扩散和传质，从而使流场板可收集更多的电子。

本发明的进一步设置为：所述金属基板上开设有安装孔，所述安装孔设有两个且分别位于金属基板对角处。

通过采用上述技术方案，在安装金属基板时对其进行对角固定，从而使金属基板更稳定的安装在燃料电池内，从而防止在燃料电池运行过程中由于外界抖动而使金属基板脱离燃料电池。

本发明具有以下优点：

1、在确保导电率、抗拉强度和抗折强度的调节下将流场板厚度减小到0.05mm~0.15mm，从而减小了使用该流场板的燃料电池的体积，使其可以安装使用在更多地方；

2、使流场板可适用与-10℃-600℃的工况下，从而扩大了流场板的使用工况；

3、 使流场板有较好的抗氧化性和抗腐蚀性，延长了流场板的使用寿命；

4、使流场板表面各处的导电率相对相等，从而使电流可稳定的在流场板上传输；

5、 驱使更多反应物通过扩散层到达催化层活性表面，有助于提高燃料电池的输出性能。

附图说明

图1为实施例的正面；

图2为实施例的反面;

图3为实施例的侧视图；

图4为图3中A处的放大图。

附图标记：1、金属基板；2、氢侧流槽；3、通槽；4、氧侧流槽；5、安装孔；6、碳纤维渗透层。

具体实施方式

参照附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种氢燃料电池流场板，包括金属基板1，金属基板1正面开设有氢侧流槽2。氢侧流槽2呈蛇形设置。即氢侧流槽2为一条相互串联且平行排列的沟道，从而延长了反应物的流动长度，从而增大了液体在氢侧流槽2进出口之间的程压降，驱使更多反应物通过扩散层到达催化层活性表面，有助于提高燃料电池的输出性能。

为了防止过长的单氢侧流槽2造成反应物和生成物浓度分布不均，进而造成整个流场范围内电流密度分布不均的现象，氢侧流槽2设有若干个，所有氢侧流槽2之间呈平行设置。提高了燃料电池长期运行的稳定性和可靠性。氢侧流槽2的始端和末端均开有通槽3，所有氢侧流槽2均与通槽3连通。

如图2所示，金属基板1背面开设有氧侧流槽4，氧侧流槽4沿金属基板1宽度方向开设且沿金属基板1长度方向设有若干个。如图3和图4所示，氧侧流槽4为V型槽。从而使反应物在氧侧流槽4输送时所需的输送压力较低，氧侧流槽4内反应物的流速较小，有利于增加反应物的扩散和传质。

如图1所示，为了方便金属基板1的安装，金属基板1上开设有安装孔5，安装孔5设有两个且分别位于金属基板1对角处。

金属基板1由钛合金制成，金属基板1的厚度为0.05mm-0.15mm，金属基板1外壁形成有碳纤维渗透层6。

该流场板的制作工艺如下：

S1、对金属基板1进行模具压铸成型，在所述金属基板1上压铸出所述氢侧流槽2、所述氧侧流槽4、所述通槽3和所述安装孔5；

S2、取用200目的碳纤维粉末，将碳纤维粉末于400°C温度下灼伤10min，以除去碳纤维粉末表面的有机粘接剂；

S3、将碳纤维粉末放入10%的硝酸中浸泡10min，对碳纤维粉末进行表面粗化处理，将粗化处理后的碳纤维粉末放入干燥箱内烘干；

S4、将470重量份的碳纤维粉末和100重量份的热塑性树脂放入试验箱内，通过双螺杆挤压机将碳纤维粉末和热塑性树脂溶合，然后再通入试验箱内；

S5、将金属基板1放入渗透箱内，并浸入到热塑性树脂内，使金属基板1表面涂布满含有碳纤维粉末的热塑性树脂；

S6、通过真空泵将试验箱内抽成真空，然后通过氮气高压钢瓶向试验箱内导入氮气，直至试验室内的压强为380kg/cm2~400kg/cm2；

S7、将试验箱内温度加热到600℃，此时热塑性树脂挥发，并使金属基板1表面发生熔融状态，从而使热塑性树脂内的碳纤维粉渗透到金属基板1内；

S8、拿出金属基板1对其进行自然冷却。

热塑性树脂的不饱和键或基团通过与碳纤维粉末的活性部分、特别是碳纤维粉末的末端自由基结合，来减弱碳纤维的凝聚力，从而提高其分散性。当金属基板浸入热塑性树脂内时，热塑性树脂会以湍流的状态流动，从而使碳纤维粉末更均匀的分散在作为底料的热塑性树脂内，即使碳纤维粉末更均匀的分布在金属基板表面。从而使金属基板表面渗透的碳纤维粉末较为平均，从而使金属基板1具有更好的导电性。

碳纤维粉末在高氧的条件下，400℃即会发生氧化，而在无氧的条件下在1625℃才会发生氧化。在试验箱内通入氮气，可防止在碳纤维渗透过程中碳纤维和金属基板1发生氧化，从而确保了流场板的结构强度和导电性。同时可防止在碳纤维粉末渗透入属基板之前金属基板1就发生氧化，提高了碳纤维粉末可渗透入金属基板1内的概率。

由于物体具有热胀冷缩的性能，当温度超过一定值时碳纤维和金属基板1会发生不可逆的尺寸变化。该尺寸变化是由碳纤维和钛合金的热膨胀系数之差的内应力，制造过程中吸附气体的内压引起的内应力以及碳纤维和钛合金的弹性差引起的。通过加压来抑制物体的膨胀，从而减小流畅发生的不可逆的形变，从而防止导电率下降。

通过双螺杆挤压机将碳纤维粉末和热塑性树脂溶合的步骤如下：

1、在双螺杆挤压机(加热筒温度250℃)的第一加料斗中加入预定量的热塑性树脂颗粒(100重量份)，然后热塑性树脂发生熔融；

2、从双螺杆挤压机的第二加料斗向处于该熔融状态的热塑性树脂中加入分散用颗粒，并使双轴螺旋旋转；

3、从混合了该热塑性树脂和分散用颗粒的双螺杆挤压机的第三加料斗加入470重量份的碳纤维粉末，并使双轴螺旋旋转；

4、将从双螺杆挤压机的前端导管挤压出的碳纤维粉末和热塑性树脂导入试验箱内。

为了方便碳纤维粉末渗透入金属基板1内，碳纤维粉末的直径约10—30nm。

钛合金为Ti-633G(Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si-0.2Gd)，该材料已在材料导报2005年1月第19卷第1期，航空发动机用600℃高温钛合金的研究与发展中被公开。

在热塑性树脂和碳纤维粉末的混合工序中，可以在热塑性树脂的中加入公知的添加剂。添加剂可为：抗氧化剂、脱模剂、颜料、塑化剂、防带电剂、强化材料、阻燃剂等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种氢燃料电池流场板，其特征是：包括金属基板（1），所述金属基板（1）正面开设有氢侧流槽（2）且所述金属基板（1）背面开设有氧侧流槽（4），所述金属基板（1）由钛合金制成，所述金属基板（1）的厚度为0.05mm-0.15mm，所述金属基板（1）外壁形成有碳纤维渗透层（6），所述碳纤维渗透层（6）为内部均匀分布有碳纤维粉末的钛合金板，所述氢侧流槽（2）呈蛇形设置，所述氢侧流槽（2）的始端和末端均开有通槽（3）；所述氢侧流槽（2）设有若干个，所有所述氢侧流槽（2）之间呈平行设置且均与通槽（3）相通；所述氧侧流槽（4）沿金属基板（1）宽度方向开设且沿金属基板（1）长度方向设有若干个，所述氧侧流槽（4）为V型槽。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池流场板，其特征是：所述金属基板（1）上开设有安装孔（5），所述安装孔（5）设有两个且分别位于金属基板（1）对角处。

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