一种一体化流道双极板的制备工艺的制作方法

本发明属于燃料电池，尤其涉及一种一体化流道双极板的制备工艺。

背景技术：

1、随着新能源产业迅猛发展，燃料电池及液流电池作为高效清洁能源转换装置，在储能和动力系统中的地位日益凸显。双极板作为电池堆的关键结构组件，承担着分隔电解液、引导反应介质流向以及汇集并传导电流的多重核心职能。在实际运行过程中，双极板必须在复杂的电化学腐蚀环境与高压紧固条件下，确保持久的化学稳定性与卓越的欧姆传导性能，其制备工艺已成为提升电池堆能量密度的关键瓶颈。

2、目前行业内普遍采用机械加工、精密模压或注塑成型等手段构建流道结构，以追求流场分布最优化与制造成本最小化。然而，传统制备技术难以兼顾量产效率与结构一体化：机械加工导致高额材料损耗与长周期产出；模压工艺易诱发材料分布不均与微观应力集中，造成流道尺寸偏差；非一体化的分步组装方式显著增加界面接触电阻，削弱电能转换效率，且在长期循环工况下板体与流道连接部位易产生微裂纹或渗漏失效，系统整体可靠性不足。

3、此外，本领域技术人员还面临以下技术难题：其一，双极板流道的根部及转角区域在长期交变载荷和热循环作用下易产生应力集中，进而萌生微裂纹，这些微裂纹会逐渐扩展并成为腐蚀介质的渗透通道，加速双极板的失效；其二，采用物理气相沉积技术在双极板表面制备的耐腐蚀涂层，其微观结构通常呈现柱状晶形态，晶粒之间存在固有的间隙和晶界扩散通道，在燃料电池或液流电池的强腐蚀性电解液环境中，腐蚀介质容易沿这些晶界通道渗透至涂层/基体界面，导致涂层剥落和基体腐蚀，严重制约双极板的长期服役寿命。上述问题在现有技术中尚未得到有效解决。

4、针对上述问题，本发明提出一种一体化流道双极板的制备工艺。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种一体化流道双极板的制备工艺，以解决现有技术在量产效率、成型精度、界面电阻、长期可靠性不足的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一种一体化流道双极板的制备工艺，包括以下具体步骤：

4、步骤1：制备高性能导电复合浆料：将导电填料、结构增强填料以及热固性树脂基体按照预设比例进行混合，并在高剪切混合设备中进行分散处理，所述导电填料的质量百分比处于第一预设比例范围内，通过多级研磨工艺确保浆料的粘度控制在预设粘度范围内，得到成分均匀且电导率稳定的导电复合浆料；

5、步骤2：构建一体化成型模具：根据流道拓扑结构设计参数，利用高精密数控机床加工具有流道负影结构的一体化成型模具，所述一体化成型模具的表面粗糙度小于预设粗糙度阈值，且在一体化成型模具型腔内表面涂覆一层具有预定厚度的具有自润滑特性的脱模层，确保流道结构与板体结构在空间维度上的精确对位；

6、步骤3：执行一体化热压成型：将步骤1制备的导电复合浆料定量注入步骤2构建的一体化成型模具中，通过真空抽气装置排除导电复合浆料内部的微细气泡，在预设压力以及预设温度条件下进行热压，所述导电复合浆料中的热固性树脂发生交联反应后，导电复合浆料固化成型，经脱模取出后，得到成型后的双极板；

7、步骤4：分段式固化与应力释放：将成型后的双极板置于程序控温的热处理炉中，按照梯度升温曲线进行二次固化处理，升温速率控制在预设变化率范围内，并在预定温度下保温预定时间段，梯度升温过程中双极板内部残余应力逐步释放，得到释放后的双极板；

8、步骤5：流道激光冲击强化：将释放后的双极板置于激光加工工位上，采用纳秒级脉冲激光对双极板流道的根部及转角区域进行激光冲击处理，在双极板表层引入残余压应力；

9、步骤6：表面精细化处理和涂层致密化处理：对激光冲击处理后的双极板进行表面抛光、清洗以及耐腐蚀涂层沉积，在耐腐蚀涂层沉积完成后，采用高能离子束轰击涂层表面或进行低温快速热退火处理，消除涂层柱状晶间隙并封堵晶界扩散通道。

10、所述步骤1中，导电填料由人造石墨粉、天然鳞片石墨以及多壁碳纳米管组成，其中人造石墨粉的平均粒径处于第一预设粒径范围内，天然鳞片石墨的平均粒径处于第二预设粒径范围内，且第一预设粒径范围的中值小于第二预设粒径范围的中值；

11、多壁碳纳米管的质量百分比处于第二预设比例范围内，通过不同维度材料的级配效应构建高效的电子传导网络；

12、结构增强填料采用短切碳纤维或玻璃纤维，其纤维长度分布在预设长度范围内，通过三维随机分布增强双极板的机械抗拉强度和抗冲击性能，使得双极板的抗弯强度大于等于预设强度阈值；

13、热固性树脂基体选用低粘度酚醛树脂、环氧树脂或双马来酰亚胺树脂，其固含量大于预设含量百分比，且在预设参考温度下的粘度小于参考粘度值，确保在混合过程中能够充分润湿导电填料表面。

14、所述高剪切混合设备的转速设定在预设转速范围内，通过强力机械剪切力打破纳米材料的团聚体，实现组分的分子级互穿与结合。

15、所述步骤2中，所述流道拓扑结构包括蛇形流道、平行流道或仿生流道中的至少一种，其流道深度处于预定深度范围内，流道脊宽与槽宽的比值设定在预设比例范围内，以优化反应介质的压力降和分布均匀性；

16、加工所述一体化成型模具时采用高精密数控机床，所述一体化成型模具的基体材料选用高强度模具钢或硬质合金，其洛氏硬度大于预设硬度阈值，并在加工完成后进行超声波清洗，去除表面残留的切削液和金属碎屑。

17、所述脱模层采用等离子喷涂工艺或物理气相沉积工艺，脱模层的材质包括聚四氟乙烯或类金刚石薄膜，所述脱模层的厚度处于预设厚度区间内，在后续脱模过程中保护流道边缘结构，并维持流道结构与板体结构在空间维度上的对位偏差小于预设偏差阈值。

18、所述步骤3中，所述导电复合浆料通过精密柱塞泵定量注入所述一体化成型模具的型腔中，充填速度控制在预设流量范围内；利用高精度流量计实时监测并控制充填量，控制每个型腔的导电复合浆料填充率达到预定饱和状态；

19、所述真空抽气装置的绝对压力控制在预设真空度以下，抽气时间不少于预定抽气时长，通过排除导电复合浆料中的微米级空隙，降低成品内部的孔隙率至预设孔隙率阈值以下；

20、在充填后期，向所述一体化成型模具施加预定频率的高频脉冲压力，利用高频振动打破导电复合浆料的触变性障碍，促使导电复合浆料进入所述流道负影结构的尖锐边缘，消除微小气蚀孔洞；

21、所述预设压力采用多级加载方式进行控制；所述多级加载方式至少包括：第一阶段施加起始压力，并保持第一预定时间，引导浆料在模腔内初步流动铺展；第二阶段将压力提升至中间压力值，并保持第二预定时间，完成流道结构的微观充填；第三阶段将压力提升至目标压力值，完成板体与流道的致密化；第四阶段维持目标压力恒定直至交联反应完成。

22、所述步骤4中，所述梯度升温曲线包括多个依次递进的温度阶段，每个阶段均设置有对应的升温速率和保温时长；所述梯度升温曲线至少包括：第一阶段从环境温度升至第一梯度温度，第二阶段从第一梯度温度升至第二梯度温度，第三阶段从第二梯度温度升至第三梯度温度；各阶段之间的升温速率控制在预设变化率范围内，且各阶段的保温时间通过固化动力学模型进行精确计算得出。

23、在所述步骤5中，所述纳秒级脉冲激光的脉宽处于预设脉宽范围内，激光能量密度处于预设能量密度范围内，波长处于预设波长范围内；所述激光冲击处理在吸收层和约束层存在下进行，所述吸收层为黑胶带或铝箔，所述约束层为去离子水或k9玻璃。

24、需要说明的是，激光冲击强化技术通常被认为主要适用于金属材料。对于包含热固性树脂基体和碳基填料的导电复合浆料成型双极板，本领域技术人员普遍担心激光的热效应会导致树脂烧蚀、碳化或界面分层，因而缺乏将激光冲击强化应用于此类复合材料双极板的动因。本发明通过设置吸收层和约束层，并精确控制激光脉宽（15-25纳秒）和能量密度（4-8），在避免热损伤的前提下成功引入了残余压应力，克服了上述技术偏见，实现了激光冲击强化在聚合物基复合材料双极板中的有效应用。

25、在所述步骤6中，表面抛光采用化学机械抛光工艺，所选抛光液的颗粒尺寸处于预设粒径范围内，使得处理后的表面水接触角大于预设角度阈值，具有良好的疏水特性，防止液态水在流道内积聚；

26、所述耐腐蚀涂层采用物理气相沉积技术，在双极板表面沉积一层具有预定厚度的氮化铬或碳化钛涂层，使得双极板在特定测试电位下的腐蚀电流密度小于预设电流密度阈值；

27、所述高能离子束轰击的离子能量处于预设离子能量范围内，束流密度处于预设束流密度范围内，轰击时间处于预设轰击时长范围内；所述低温快速热退火的退火温度处于预设退火温度范围内，退火时间处于预设退火时长范围内，升温速率处于预设升温速率范围内。

28、所述一体化流道双极板的制备工艺还包括通过高精度导电性测试仪和密封性检测装置对双极板的接触电阻、流道尺寸精度以及气密性进行性能检测，确保各项技术指标符合燃料电池或液流电池的服役标准；所述气密性检测采用差压法，充气压力为预设测试压力，检测时间为预设检测时长，泄漏率要求小于预设泄漏率阈值，确保双极板在长期循环运行中无介质窜漏风险，通过利用工业相机对成型后的流道形貌进行3维重构，将其与标准设计模型进行基于深度学习算法的智能对齐比对，尺寸偏差的判定阈值为预设偏差范围内，对于超出阈值的产品或者性能检测结果不在预设阈值范围的双极板进行自动分拣。

29、所述一体化流道双极板的制备工艺还包括建立基于工业互联网的实时数据采集与监控系统，对热压压力、模具温度、真空度等关键工艺参数进行连续监测，数据采样频率大于等于预设频率阈值；所有关键工艺参数通过边缘计算网关上传至云端数据库进行存储与分析；利用所述监控系统对工艺参数的长时间序列进行趋势分析，预测模具的磨损状态并自动发出维护预警信号。

30、所述一体化流道双极板的制备工艺产生的双极板总厚度偏差控制在预设允许偏差范围内，且板面内的电阻率分布不均匀性小于预设变异系数，确保在电池堆组装过程中受力均匀。

31、所述一体化流道双极板的制备工艺通过自动化机械手臂实现模具的开合与产品的顶出，单次成型周期控制在预设生产周期内，适用于大规模自动化生产线。

32、所述一体化流道双极板的制备工艺还包括适用于规模化生产的自动化与智能化控制架构：

33、感知层：通过模内压力传感器、在线粘度计及工业相机实时采集成型过程中的压力、粘度及形貌数据；

34、传输层：通过边缘计算网关将采集的数据上传至云端数据库；

35、应用层：基于云端数据进行全过程追溯，并对模具磨损状态进行预测与维护预警；

36、反馈层：根据感知数据对供料粘度及热压压力进行自动调节与补偿；

37、执行层：通过自动化机械手臂执行脱模剂喷涂、物料放置及成品顶出，并根据缺陷识别结果驱动分拣机构进行自动剔除。

38、与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

39、本发明显著降低接触电阻并提升电化学性能，通过一体化热压成型工艺，实现流道结构与双极板本体的同步构建，从物理结构上消除了流道与板体之间的连接界面；这种无缝衔接的整体结构能够有效避免异质材料组装时产生的接触电阻，使得整体欧姆损耗显著降低，提升了燃料电池或液流电池在运行过程中的功率密度；同时，高度均质化的电子传导路径确保了电流在整个板面上的均匀分布，减少了局部过热现象。

40、本发明实现了高精度流道成型与质量一致性，通过利用高精密一体化模具和多级压力加载技术，能够实现流道尺寸的精密控制；相比于传统的机械加工法，本工艺有效解决了流道深度不均和表面毛刺问题；相比于模压成型法，通过真空辅助填充和梯度升温固化，极大地抑制了材料分布不均和残余应力的集中；成品双极板的流道尺寸偏差稳定在预设公差范围内，提升了产品在批量化生产中的一致性和良品率，降低了电池堆组装时的密封难度。

41、本发明具备卓越的机械可靠性与长效寿命一体化结构，显著增强了双极板在复杂交变载荷下的结构稳定性；由于不存在流道与板体的连接薄弱环节，本发明制备的双极板在经历多次热循环及高压紧固工况后，仍能保持优异的结构完整性，有效杜绝了传统工艺中常见的连接处微裂纹扩展和电解液渗漏风险；结合表面耐腐蚀涂层和疏水处理，双极板的服役寿命得到显著提升，降低了系统的全生命周期维护成本。

42、本发明实现生产流程简化与资源利用率最大化，一方面，通过一体化热压成型工艺，从物理结构上消除了流道与板体之间的连接界面，有效杜绝了传统工艺中常见的连接处微裂纹扩展和电解液渗漏风险；另一方面，通过流道激光冲击强化处理，在流道根部及转角区域引入残余压应力层，进一步抑制了应力集中导致的微裂纹萌生；再一方面，通过涂层致密化处理，消除柱状晶间隙并封堵晶界扩散通道，大幅提升了耐腐蚀涂层的阻隔性能。上述三个层面的协同作用，使得本发明制备的双极板在经历多次热循环及高压紧固工况后，仍能保持优异的结构完整性和耐腐蚀性能，服役寿命得到显著提升。

43、本发明具备优化的热管理能力与介质分布能力一体化能力，设计的流道结构具有更优的热传导路径，能够及时将电池反应产生的热量通过双极板本体传导至冷却系统，温控精度得到提升，同时，精准的流道拓扑结构确保了反应介质在极板表面的流场分布极其均匀，避免了反应死区的产生，使得电池的反应效率和系统稳定性在不同负载条件下均能保持在优选状态。