CN109390604B - 一种微流道流场板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型的微流道流场板及其制备方法，包括阳极流场板和阴极流场板，所述阴极流场板的表面均匀设置有连通其输入孔和输出孔且肋宽与流道宽度均为0.5~1.5mm的阴极微流道，所述阴极微流道表面设置有疏水层；所述阳极流场板的表面平行设置有分别连通其输入孔和输出孔的两主流道，两主流道之间均匀设置有宽度和深度向一端渐变的正三棱台状样阳极微流道，所述阳极微流道的表面设置有金属防护膜。本发明即缓解了阳极产物堵塞甲醇传递通道的情况，又作为阻醇结构有效减少甲醇穿透现象，实现高浓度甲醇反应。阴极侧微流道提高了氧气的进给压力，加快水的排出，同时经过疏水性表面处理，实现“水反补”功效，从而提高电池综合性能。

Description

一种微流道流场板及其制备方法
技术领域
本发明涉及直接甲醇燃料电池技术领域，具体是一种微流道流场板及其制备方法。
背景技术
燃料电池产生的电能直接由原料本身的化学能直接转化而来，并且具有较高的能量密度、较低的环境污染性，再加上原料的丰富性等优势，受到了越来越多的关注。其中，相比属于质子交换膜燃料电池中氢燃料电池的氢原料制取成本高、储运危险以及使用条件苛刻等诸多因素，属于同类的直接甲醇燃料电池以甲醇为阳极原料，因其工作温度低(一般在室温工作)、理论比能量高、携带方便和使用安全等特点有着良好的应用前景，被业界认为是最有希望率先实现市场化的一类燃料电池。
然而在直接甲醇燃料电池研发与使用过程中也出现了许多亟待处理的问题。一方面阳极二氧化碳堵塞和阴极水淹，属于产物管理问题，产物生成后，通过渐扩型微流道进入到流场中，合适的渐扩型和流场结构将有助于产物及时有效脱离和排出，否则将会影响反应物的分布，甚至完全阻隔，无法为电化学反应提供基本的燃料供给，导致电池性能降低，甚至停止工作。另一方面对于反应物管理方面，甲醇穿透的存在是抑制直接甲醇燃料电池发展的重要瓶颈，由于穿透的甲醇直接与阴极的氧气发生反应产生混合电位，甲醇穿透不可避免的导致电压损失，同时造成了燃料的损耗。
为解决以上问题，一方面从改善流场板结构入手，设计合理的流场板结构，提高阻醇能力及产物二氧化碳的排放能力。传统的流场板结构有：排孔状、栅状等，然而这类流场板对阻醇能力的提高十分有限，有研究采用纤维毡作为甲醇燃料电池的阻醇层，提高了甲醇燃料电池的甲醇溶液最优浓度，对提高电池能量比具有积极作用。然而，在高电流工作条件下，阳极产生大量气泡需要穿过纤维毡排除，这不可避免堵塞甲醇的传递通道，使得在阳极易出现甲醇饥饿现象，限制了甲醇燃料电池性能的进一步提升。
另一方面，从双极板微流道的微细制备成形，提高功率密度入手，以保证PEMFC和DMFE微型化的同时，能产生足够的功率。目前，MEMS技术是微型燃料电池双极板微流道制备的主流技术，利用MEMS中的光刻、腐蚀、溅射及体/表面加工等技术，可在硅晶片上刻蚀出微流道，然后利用薄膜制备技术在表面制备出Pt层、Au层等收集电流。同时MEMS技术制备的微流道宽度一般在300-500μm之间，深度在200-300μm之间，由于MEMS技术衍生于微电子技术，需要超净环境，工艺复杂，主要加工对象被限制在硅等材料上，而硅属于脆性材料，难以制成薄板，不利于提高体积比功率和质量比功率，亦不利于电堆的装配，且硅的电导率较低，降低燃料电池的性能。
本发明的发明目的是针对气(二氧化碳气体)液(甲醇溶液)分流困难导致的二氧化碳排放速率过缓与现有微流道加工的技术不足，提供一种微流道流场板的设计与装配方法。
发明内容
为了有效地缓解阳极的气体阻塞和阴极水淹问题，从而提高主动式燃料电池的输出性能。本发明公开了一种微流道流场板及其制备方法。本发明对阳极、阴极流场板均有涉及，阳极侧流场板开有均布的三棱台型微流道，阴极侧开有较宽的利于水输送的平行微流道，同时对阴极侧流场板进行疏水处理。
本发明通过如下技术方案实现：
一种微流道流场板，包括设置有输入孔和输出孔的阳极流场板和阴极流场板，所述阴极流场板的表面均匀设置有连通其输入孔和输出孔且肋宽与流道宽度均为0.5～1.5mm的阴极微流道，所述阴极微流道表面设置有疏水层；所述阳极流场板的表面平行设置有分别连通其输入孔和输出孔的两主流道，两平行主流道之间均匀设置有宽度和深度向一端渐变的正三棱台状样阳极微流道，所述阳极微流道的表面设置有金属防护膜。
进一步地，所述阳极微流道的肋宽与流道最窄处均为100μm，最宽处均为400μm。
进一步地，所述阴极流场板的表面平行设置有分别连通其输入孔和输出孔的两主流道，所述阴极微流道呈直线型平行设置在两平行主流道之间；
或者，
所述阴极微流道串联成蛇形且首尾两端分别与所述阴极流场板的输入孔和输出孔相连通。
进一步地，所述疏水层的接触角在145°以上。
进一步地，所镀金属保护膜的材料为金或镍。
进一步地，所述阳极流场板和阴极流场板的材料为金属或石墨。
一种如所述微流道流场板的制备方法，包括步骤：
在基板上钻孔加工得到助燃气体和氧化剂的输入、输出孔，并加工出相应的主流道；
将多齿刀具装夹在数控刨床上并且紧定刀架，设定刨床加工参数包括加工行程、切削深度、切削速度、切削回程起点、单次切削结束后的增加深度；
启动刨床，切削成型后自动停止，制得阳极流场板和阴极流场板；
在阳极流场板的表面电镀一层金属防护膜；在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理。
进一步地，在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理具体包括步骤：
a)流场板表面预处理:将刨削处理后的所述阴极流场板在砂纸下打磨，去除表面划痕、凹坑和氧化层，使得两表面平整，然后用去离子水进行超声波清洗；进而依次浸入浓度为100～200g/L的KOH溶液中碱洗15～45s除去材料表面油污杂质，然后用去离子水进行超声波二次清洗，然后用质量分数为3wt～5wt％的HCl溶液中酸洗10～40s以除去表面氧化层，最后用去离子水进行超声波清洗干净，自然风干；
b)碱性环境表面沉积工艺:将清洗风干后的所述阴极流场板浸泡在表面沉积溶液中在室温下沉积1～2h，反应结束后取出，用去离子水清洗干净后在空气中风干；
c)气氛固相烧结工艺:烧结实验设备为KBF16Q箱式气氛烧结炉，将风干后的流场板放入具有保护气体保护的此炉中，在300～500℃下保温1-2h，所述的保护气体为氩气或氮气；
d)低表面能溶液修饰工艺:将烧结强化后的所述阴极流场板浸泡在表面修饰溶液中修饰24～36h，修饰结束后取出，用丙酮试剂清洗干净，然后放空气中风干，即得到疏水表面。
进一步地，所述表面沉积溶液为1.5～2.5mol/L NaOH和0.1～0.5mo1/L K2S2O8的去离子水溶液。
进一步地，所述表面修饰溶液为0.01～0.1mol/L的硬脂酸乙醇溶液。
相比现有技术，本发明主要有以下几大特点：
1、传统的流场板流道大多为毫米级，而本申请的流场板采用亚毫米级的微流道，可以更有效地提高单位面积压力，增大燃料供给效率，增强气泡的溢出，促进气体分布均匀化。
2、传统渐扩型流场板多数采用平面二维梯形渐扩模式，促进气液分离效果和气体排出效果均不明显，本申请的流场板采用三维立体正三棱台型渐扩流道，三维流道的三个侧面均为梯形结构，高效率将阳极产物二氧化碳通过渐扩型槽道排出，有效缓解阳极产物堵塞甲醇传递通道导致电池性能降低的情况。
3、传统流场板的装配方式采用阴极阳极流场板形式相同，本发明为达到最好效果，对阳极和阴极的流场板采用不同的处理方式，即使均为微流道流场板，但是结合阴极水管理阳极气体管理的区别，设计了不同的流道宽与肋宽的形式，从而提高电池的综合性能。
4、与传统流场板设计不同，本设计为了实现“水反补”，更进一步的改善流场板性能，本发明对阴极进行了一系列的表面疏水处理，从而实现阴极侧“水反补”效果，加快水的排出，反补阳极。
5、与传统的流场板制造工艺不同，本设计阳极阴极的流场板的制备都通过数控刨削获得，很大程度上简化了人工操作的繁琐，降低了成本。
附图说明
图1为实施例一所述阳极流场板的俯视图；
图2为图1中所述阳极流场板沿A-A方向剖视图；
图3为图1中所述阳极流场板沿B-B方向的剖视图；
图4为实施例一所述阳极流场板部分三维示意图；
图5为实施例一所述阴极流场板俯视图；
图6为图5所述阴极流场板中C-C方向的剖视图；
图7为实施例二的所述阴极流场板俯视图；
图8为是装有本发明阴极与阳极流场板的主动式直接甲醇燃料电池的装配示意图。
其中：1-阳极端板、2-阳极集电板、3-PTFE密封圈、4-阴极集电板、5-阴极端板、6-橡胶垫片、7-阳极流场板、8-膜电极组件、9-阴极流场板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。
实施例一
如图1至图6所示，一种微流道流场板，包括设置有输入孔和输出孔的阳极流场板和阴极流场板，所述阴极流场板的表面平行设置有分别连通其输入孔和输出孔的两主流道，所述阴极流场板的表面在两主流道之间平行设置有若干肋宽与流道宽度为1mm的直线形阴极微流道(见图5和图6)，所述阴极微流道表面设置有疏水层；所述阳极流场板的表面在两主流道之间均匀设置有宽度和深度向一端渐变的正三棱台状直线形阳极微流道，所述正三棱台状阳极微流道的上下底面均为等边三角形，三个侧面为等腰梯形(见图1至图4)。
所述阳极微流道的肋宽与流道最窄处均为100μm，最宽处均为400μm。
所述疏水层的接触角在145°以上。
所述阳极流场板和阴极流场板的材料为金属或石墨，本实施例采用黄铜作为基板，可以避免石墨刨削时产生的边崩效应。
所述阳极微流道的表面设置有金属防护膜，所镀金属保护膜的材料为金或镍，本实施例电镀金作为金属保护膜。
实施例二
如图7所示，本实施例与实施例一的区别在于：所述阴极流场板的表面平行没有设置分别连通其输入孔和输出孔的两主流道，而是将所述阴极微流道串联成蛇形且首尾两端分别与所述阴极流场板的输入孔和输出孔相连通。
实施例三
一种如所述微流道流场板的制备方法，包括步骤：
一、在基板上钻孔加工得到助燃气体和氧化剂的输入、输出孔，并加工出相应的主流道；
二、将多齿刀具装夹在数控刨床上并且紧定刀架，设定刨床加工参数包括加工行程、切削深度、切削速度、切削回程起点、单次切削结束后的增加深度，其中，所述阳极侧流场板使用多齿三角刨刀；
三、启动刨床，切削成型后自动停止，制得阳极流场板和阴极流场板；
四、在阳极流场板的表面电镀一层金属防护膜；在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理。
具体地，在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理具体包括步骤：
a)流场板表面预处理:将刨削处理后的所述阴极流场板在砂纸下打磨，去除表面划痕、凹坑和氧化层，使得两表面平整，然后用去离子水进行超声波清洗；进而依次浸入浓度为100g/L的KOH溶液中碱洗15s除去材料表面油污杂质，然后用去离子水进行超声波二次清洗，然后用质量分数为3wt％的HCl溶液中酸洗10s以除去表面氧化层，最后用去离子水进行超声波清洗干净，自然风干；
b)碱性环境表面沉积工艺:将清洗风干后的所述阴极流场板浸泡在表面沉积溶液中在室温下沉积1～2h，反应结束后取出，用去离子水清洗干净后在空气中风干，所述表面沉积溶液为1.5mol/L NaOH和0.1mo1/L K2S2O8的去离子水溶液；
c)气氛固相烧结工艺:烧结实验设备为KBF16Q箱式气氛烧结炉，将风干后的流场板放入具有保护气体保护的此炉中，在300～500℃下保温1-2h，所述的保护气体为氩气或氮气；
d)低表面能溶液修饰工艺:将烧结强化后的所述阴极流场板浸泡在表面修饰溶液中修饰24h，修饰结束后取出，用丙酮试剂清洗干净，然后放空气中风干，即得到疏水表面，所述表面修饰溶液为0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液。
实施例四
一种如所述微流道流场板的制备方法，包括步骤：
一、在基板上钻孔加工得到助燃气体和氧化剂的输入、输出孔，并加工出相应的主流道；
二、将多齿刀具装夹在数控刨床上并且紧定刀架，设定刨床加工参数包括加工行程、切削深度、切削速度、切削回程起点、单次切削结束后的增加深度，其中，所述阳极侧流场板使用多齿三角刨刀；
三、启动刨床，切削成型后自动停止，制得阳极流场板和阴极流场板；
四、在阳极流场板的表面电镀一层金属防护膜；在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理。
具体地，在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理具体包括步骤：
a)流场板表面预处理:将刨削处理后的所述阴极流场板在砂纸下打磨，去除表面划痕、凹坑和氧化层，使得两表面平整，然后用去离子水进行超声波清洗；进而依次浸入浓度为150g/L的KOH溶液中碱洗30s除去材料表面油污杂质，然后用去离子水进行超声波二次清洗，然后用质量分数为5wt％的HCl溶液中酸洗30s以除去表面氧化层，最后用去离子水进行超声波清洗干净，自然风干；
b)碱性环境表面沉积工艺:将清洗风干后的所述阴极流场板浸泡在表面沉积溶液中在室温下沉积1～2h，反应结束后取出，用去离子水清洗干净后在空气中风干，所述表面沉积溶液为2mol/L NaOH和0.2mo1/L K2S2O8的去离子水溶液；
c)气氛固相烧结工艺:烧结实验设备为KBF16Q箱式气氛烧结炉，将风干后的流场板放入具有保护气体保护的此炉中，在300～500℃下保温1-2h，所述的保护气体为氩气或氮气；
d)低表面能溶液修饰工艺:将烧结强化后的所述阴极流场板浸泡在表面修饰溶液中修饰24h，修饰结束后取出，用丙酮试剂清洗干净，然后放空气中风干，即得到疏水表面，所述表面修饰溶液为0.05mol/L的硬脂酸乙醇溶液。
实施例五
一种如所述微流道流场板的制备方法，包括步骤：
一、在基板上钻孔加工得到助燃气体和氧化剂的输入、输出孔，并加工出相应的主流道；
二、将多齿刀具装夹在数控刨床上并且紧定刀架，设定刨床加工参数包括加工行程、切削深度、切削速度、切削回程起点、单次切削结束后的增加深度，其中，所述阳极侧流场板使用多齿三角刨刀；
三、启动刨床，切削成型后自动停止，制得阳极流场板和阴极流场板；
四、在阳极流场板的表面电镀一层金属防护膜；在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理。
具体地，在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理具体包括步骤：
a)流场板表面预处理:将刨削处理后的所述阴极流场板在砂纸下打磨，去除表面划痕、凹坑和氧化层，使得两表面平整，然后用去离子水进行超声波清洗；进而依次浸入浓度为200g/L的KOH溶液中碱洗45s除去材料表面油污杂质，然后用去离子水进行超声波二次清洗，然后用质量分数为11wt％的HCl溶液中酸洗40s以除去表面氧化层，最后用去离子水进行超声波清洗干净，自然风干；
b)碱性环境表面沉积工艺:将清洗风干后的所述阴极流场板浸泡在表面沉积溶液中在室温下沉积1～2h，反应结束后取出，用去离子水清洗干净后在空气中风干，所述表面沉积溶液为2.5mol/L NaOH和0.5mo1/L K2S2O8的去离子水溶液；
c)气氛固相烧结工艺:烧结实验设备为KBF16Q箱式气氛烧结炉，将风干后的流场板放入具有保护气体保护的此炉中，在300～500℃下保温1-2h，所述的保护气体为氩气或氮气；
d)低表面能溶液修饰工艺:将烧结强化后的所述阴极流场板浸泡在表面修饰溶液中修饰36h，修饰结束后取出，用丙酮试剂清洗干净，然后放空气中风干，即得到疏水表面，所述表面修饰溶液为0.1mol/L的硬脂酸乙醇溶液。
上述实施例提供的阳极流场板和阴极流场板应用在主动式直接甲醇燃料电池中，所述主动式直接甲醇燃料电池的装配示意图如图8所示，包括依次连接的阳极端板1、阳极集电板2、PTFE密封圈3、阴极集电板4、阴极端板5、橡胶垫片6、阳极流场板7、膜电极组件8、阴极流场板9。其中所述阳极流场板2和阴极流场板9分别装在阳极集电板2和阴极集电板4镂空部，最后搭载在主动式甲醇燃料电池中使用。
实践表明，安装上述实施例提供的阳极流场板和阴极流场板后，主动式甲醇燃料电池具有如下优势：
本发明在阳极侧的微流道三角棱台渐扩结构，一方面实现了水气分离的效果，同时通过增加相对流道面积比，使气体扩散更为均匀，加速二氧化碳排出的速率，缓解阳极产物堵塞甲醇传递通道的情况；另一方面，作为阻醇结构，有效减少甲醇穿透现象，使高浓度甲醇反应成为可能。在阴极侧，微流道提高了氧气的进给压力，加快了水的排出，同时经过疏水性表面处理，可实现“水反补”功效，既对阴极水管理起到积极作用，又可促进阳极反应进行速率，从而提高电池综合性能。
本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微流道流场板，包括设置有输入孔和输出孔的阳极流场板和阴极流场板，其特征在于：所述阴极流场板的表面均匀设置有连通其输入孔和输出孔且肋宽与流道宽度均为0.5～1.5mm的阴极微流道，所述阴极微流道表面设置有疏水层；所述阳极流场板的表面平行设置有分别连通其输入孔和输出孔的两主流道，两平行主流道之间均匀设置有宽度和深度向一端渐变的正三棱台状样阳极微流道，所述阳极微流道的表面设置有金属防护膜。
2.根据权利要求1所述的微流道流场板，其特征在于：所述阳极微流道的肋宽与流道最窄处均为100μm，最宽处均为400μm。
3.根据权利要求1所述的微流道流场板，其特征在于：所述阴极流场板的表面平行设置有分别连通其输入孔和输出孔的两主流道，所述阴极微流道呈直线型平行设置在两平行主流道之间；
或者，
所述阴极微流道串联成蛇形且首尾两端分别与所述阴极流场板的输入孔和输出孔相连通。
4.根据权利要求1所述的微流道流场板，其特征在于：所述疏水层的接触角在145°以上。
5.根据权利要求1所述的微流道流场板，其特征在于：所镀金属保护膜的材料为金或镍。
6.根据权利要求1所述的微流道流场板，其特征在于：所述阳极流场板和阴极流场板的材料为金属或石墨。
7.一种如权利要求1至6任一项所述微流道流场板的制备方法，包括步骤：
在基板上钻孔加工得到助燃气体和氧化剂的输入、输出孔，并加工出相应的主流道；
将多齿刀具装夹在数控刨床上并且紧定刀架，设定刨床加工参数包括加工行程、切削深度、切削速度、切削回程起点、单次切削结束后的增加深度；
启动刨床，切削成型后自动停止，制得阳极流场板和阴极流场板；
在阳极流场板的表面电镀一层金属防护膜；
在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在所述阴极流场板进行疏水复合型功能性表面处理具体包括步骤：
a)流场板表面预处理:将刨削处理后的所述阴极流场板在砂纸下打磨，去除表面划痕、凹坑和氧化层，使得两表面平整，然后用去离子水进行超声波清洗；进而依次浸入浓度为100～200g/L的KOH溶液中碱洗15～45s除去材料表面油污杂质，然后用去离子水进行超声波二次清洗，然后用质量分数为3wt～11wt％的HCl溶液中酸洗10～40s以除去表面氧化层，最后用去离子水进行超声波清洗干净，自然风干；
b)碱性环境表面沉积工艺:将清洗风干后的所述阴极流场板浸泡在表面沉积溶液中在室温下沉积1～2h，反应结束后取出，用去离子水清洗干净后在空气中风干；
气氛固相烧结工艺:烧结实验设备为KBF16Q箱式气氛烧结炉，将风干后的流场板放入具有保护气体保护的烧结炉中，在300～500℃下保温1-2h，所述的保护气体为氩气或氮气；
c)低表面能溶液修饰工艺:将烧结强化后的所述阴极流场板浸泡在表面修饰溶液中修饰24～36h，修饰结束后取出，用丙酮试剂清洗干净，然后放空气中风干，即得到疏水表面。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述表面沉积溶液为1.5～2.5mol/LNaOH和0.1～0.5mo1/L K2S2O8的去离子水溶液。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述表面修饰溶液为0.01～0.1mol/L的硬脂酸乙醇溶液。
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