一种燃料电池的连通流道及制造方法

1.本发明涉及燃料电池领域或者燃料电池双极板流场技术领域，具体涉及一种燃料电池的连通流道及制造方法。


背景技术：

2.至目前，新能源汽车技术已经大力发展，内燃机车市场受到巨大冲击，欧盟议会已经决定在2035年正式禁售燃油车，而我国早已提出将在2030全面禁售燃料车。燃料电池技术作为新能源技术的一种得到了大力发展，质子交换膜燃料电池因为其动力能源可再生、能量密度大、可靠性高、无污染废气排放的优点，成为燃料电池技术的大热门。但由于质子交换膜燃料电池工作工程会产生液态水，大量的液态水如果不及时排除会堵塞流道，阻碍气体参与反应，影响燃料电池的工作性能，所以电池的排水输水问题成为一大难点。
3.流道是燃料电池上的关键组件之一，其表面结构更是直接影响了燃料电池的排水性能。流道的结构决定了流场的形状，目前常见的流场有直通道流场、平行通道流场、蛇形单通道流场、蛇形多通道流场、变截面型流场、交指型流场等。波浪型通道作为一种新型流场结构，对促进气体参与反应有着良好作用。但由于波浪流道形状呈现正余弦的波状形态，其对液态水的影响作用很大，不利于产物水的及时排除，其水管理成为目前的研究重点。
4.现有技术公开了一种提高燃料电池双极板波浪形流道流场有效面积的流场结构，半月形凸台布于波浪形流道流场两侧的电化学反应弱化区，增加了燃料电池电化学反应有效面积，但其对液态水的排出却没有改善作用。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种燃料电池的连通流道及制造方法，所述连通流道呈波浪型，波浪型的所述连通流道侧壁的内外表面上分别设有相同分布的凸体织构，且所述凸体织构沿流向分布密度梯度递减，当波浪型的连通流道内侧遍布这种微结构时，可减缓液态水对侧壁的冲击力，保持其固有形态以减小液态水通过流道的时间，加快对液态水的排除。同时，外侧凸起结构可以增大流场的有效表面积，促进电化学反应效率。
6.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
7.一种燃料电池的连通流道，所述连通流道用于将反应介质输送至反应区，所述连通流道呈波浪型，波浪型的所述连通流道侧壁的内外表面上分别设有相同分布的凸体织构，且所述凸体织构沿流向分布密度梯度递减。
8.进一步，所述波浪型连通流道包括波峰段和波谷段，交替分布的所述波峰段和波谷段构成波浪型连通流道，所述凸体织构包括第一凸起织构和第二凸起织构，所述第二凸起织构位于所述波峰段的波峰处、波谷段的波谷处和波峰段与波谷段的交界处；所述第一凸起织构位于除波峰段的波峰处、波谷段的波谷处和波峰段与波谷段的交界处的其他连通流道侧壁位置，所述第二凸起织构的凸起高度大于第一凸起织构的凸起高度。
9.进一步，所述凸体织构的形状为球体或正方体或圆柱体或正四面体或椭球体。
10.进一步，所述连通流道侧壁的凸体织构表面积占连通流道侧壁表面积的70％～80％。
11.进一步，所述第二凸起织构的凸起高度为连通流道侧壁高度的10％～20％。
12.进一步，所述第一凸起织构的凸起高度为第二凸起织构的凸起高度的0.8～0.9倍。
13.进一步，一个所述波峰段和与其相邻的一个波谷段构成了一个周期的波浪连通流道，第一周期的波浪连通流道上按照n
×
m矩形阵列排布若干凸体织构；第i周期的波浪连通流道上按照(n-(i-1))
×
(m-(i-1))矩形阵列排布若干凸体织构。
14.进一步，相邻所述第一凸起织构之间的水平间隔为0.3～0.8mm，相邻所述第一凸起织构之间的竖直间隔为0.1～0.3mm。
15.进一步，相邻所述第二凸起织构之间的水平间隔为0.3～0.6mm，相邻所述第二凸起织构之间的竖直间隔为0.05～0.2mm；所述凸体织构的凸起高度为0.01～0.1mm。
16.一种燃料电池的连通流道的制造方法，利用长脉宽激光分别在连通流道侧壁的内侧和外侧进行激光重熔毛化加工，形成凸体织构；长脉宽激光的加工参数为：功率为450w，脉宽为2ms，扫描速度为2000mm/s，重复次数为10次。
17.本发明的有益效果在于：
18.1.本发明所述的燃料电池的连通流道，通过波浪型的所述连通流道侧壁的内外表面上分别设有相同分布的凸体织构，且所述凸体织构沿流向分布密度梯度递减，能够减小液态水从气体扩散层渗透上来时对波浪流道侧壁的冲击力，减小其附着时间，保持其固有形态，能更快的将液态水从流道中排出，有效防止了“水淹”现象的发生。
19.2.本发明所述的燃料电池的连通流道，连通流道位于燃料电池双极板的流场中，连通流道外部设有凸起织构，分布在连通流道侧壁外部的微凸体织构能够增加流道外部的表面积，进一步增大电流流过所述连通流道表面的表面积，增大流场的电化学反应有效表面积，提高反应速率。
20.3.本发明所述的燃料电池的连通流道，微凸体织构是递减式分布的，能够降低加工成本。且采用的激光重熔技术，加工过程简单方便。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明所述的燃料电池的连通流道的结构示意图。
23.图2为本发明所述的连通流道的波浪型示意图。
24.图3为本发明实施例1的波浪型连通流道侧视图。
25.图4为本发明实施例1的凸体织构放大图。
26.图5为本发明实施例1的波浪型连通流道侧视图。
27.图6为本发明实施例1的凸体织构放大图。
28.图7为本发明实施例1和实施例2与对比例1的排水效果对比图。
29.图8为本发明实施例1和实施例2与对比例1的压降对比图。
30.图9为本发明实施例1和实施例2与对比例1的减阻率对比图。
31.图10为本发明实施例1和实施例2与对比例1的流道底部水相体积分数对比图。
32.图11为本发明实施例1和实施例2与对比例1的电流密度对比图。
33.图中：
34.1-连通流道；21-第一凸起织构；22-第二凸起织构；t
n-弯道周期；s
y1-相邻第一凸起织构之间的竖直距离；s
y2-相邻第二凸起织构之间的竖直距离；s
x1-相邻第一凸起织构之间的水平距离；s
x2-第二凸起织构和第一凸起织构之间的水平距离；s
x3-相邻第二凸起织构之间的水平距离；h
1-第一凸起织构的凸起高度；d
1-第一凸起织构的底面直径；h
2-第二凸起织构的凸起高度；d
2-第二凸起织构的底面直径。
具体实施方式
35.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
36.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.如图1和图2所示，本发明所述的燃料电池的连通流道，连通流道1位于燃料电池双极板的流场中，所述连通流道1用于将反应介质输送至反应区，反应介质可以是水或者氧气或者氢气，若干连通流道1并排布置，所述连通流道1呈波浪型，波浪型的所述连通流道1侧壁的内外表面上分别设有相同分布的凸体织构2，且所述凸体织构2沿流向分布密度梯度递减，连通流道1内侧的凸体织构2能够减小液态水从气体扩散层渗透上来时对波浪流道侧壁的冲击力，减小其附着时间，保持其固有形态，能更快的将液态水从流道中排出，有效防止了“水淹”现象的发生。连通流道1外侧的凸体织构2能够增加流道外部的表面积，进一步增大电流流过所述连通流道表面的表面积，增大流场的电化学反应有效表面积，提高反应速
率。
40.所述凸体织构2的形状为球体或正方体或圆柱体或正四面体或椭球体。所述连通流道1 侧壁的凸体织构2表面积占连通流道1侧壁表面积的70％～80％。例如70％、71％、72％、73％、 74％、75％、76％、77％、78％、79％、或80％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。本发明通过控制所述凸体织构2的表面积在侧壁内外总表面积的占比来平衡液态水的排除以及制造成本的性价比。如果凸体织构2数量过多会增加制造成本，数量过小对液态水的排除影响不大。对于所述凸体织构2的表面积大小，可以选择改变所述凸体织构2的直径大小以及数量多少的参数来实现。本领域的技术人员可以基于波浪型流道的尺寸大小、所需的排水性能、制造成本等综合考虑并选取合适的参数进行制造。
41.如图2所示，所述波浪型连通流道1包括波峰段和波谷段，交替分布的所述波峰段和波谷段构成波浪型连通流道1，所述凸体织构2包括第一凸起织构21和第二凸起织构22，所述第二凸起织构22位于所述波峰段的波峰处、波谷段的波谷处和波峰段与波谷段的交界处；所述第一凸起织构21位于除波峰段的波峰处、波谷段的波谷处和波峰段与波谷段的交界处的其他连通流道1侧壁位置，所述第二凸起织构22的凸起高度大于第一凸起织构21的凸起高度。
42.所述第二凸起织构22的凸起高度为连通流道1侧壁高度的10％～20％。例如10％、11％、 12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用，只要大于其他位置处的第一凸起织构21凸起高度。所述第一凸起织构21的凸起高度为第二凸起织构22的凸起高度的0.8～0.9倍。例如0.8 倍、0.81倍、0.82倍、0.83倍、0.84倍、0.85倍、0.86倍、0.87倍、0.88倍、0.89倍或0.9 倍等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
43.如图3所示，一个所述波峰段和与其相邻的一个波谷段构成了一个周期的波浪连通流道 1，第一周期的波浪连通流道1上按照n
×
m矩形阵列排布若干凸体织构2；第i周期的波浪连通流道1上按照n-i-1
×
m-i-1矩形阵列排布若干凸体织构2。
44.相邻所述第一凸起织构21之间的水平间隔为0.3～0.8mm，例如0.3mm、0.35mm、0.4mm、 0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm或0.8mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。相邻所述第一凸起织构21之间的竖直间隔为0.1～0.3mm，例如0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm、0.22mm、 0.24mm、0.26mm、0.28mm或0.3mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
45.相邻所述第二凸起织构22之间的水平间隔为0.3～0.6mm，例如0.3mm、0.33mm、0.36mm、 0.39mm、0.42mm、0.45mm、0.48mm、0.51mm、0.54mm、0.57mm或0.6mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。相邻所述第二凸起织构22 之间的竖直间隔为0.05～0.2mm，例如0.05mm、0.065mm、0.08mm、0.095mm、0.11mm、0.125mm mm、0.14mm、0.155mm、0.17mm、0.185mm或0.2mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用；所述凸体织构2的凸起高度为0.01～0.1mm，例如 0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm或0.1mm 等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。作为本发明优选的
技术方案，所述微凸体结构的中心位置在同一水平或者竖直方向上。
46.本发明所述的燃料电池的连通流道的制造方法，利用长脉宽激光分别在连通流道1侧壁的内侧和外侧进行激光重熔毛化加工，形成凸体织构2；长脉宽激光的加工参数为：功率为 450w，脉宽为2ms，扫描速度为2000mm/s，重复次数为10次。
47.实施例1
48.如图2、图3和图4所示，实施例1提供了一种燃料电池的连通流道，波浪型连通流道1 材质为304不锈钢。波浪型连通流道1长度为0.12m，横截面积为1mm
×
1mm。在波浪型连通流道1的两侧壁内外上分别有序分布着数量递减的球体微凸体织构2，且侧壁内外处的球体微凸体织构2位置一一对应。所述第二凸起织构22位于所述波峰段的波峰处、波谷段的波谷处和波峰段与波谷段的交界处；所述第一凸起织构21位于除波峰段的波峰处、波谷段的波谷处和波峰段与波谷段的交界处的其他连通流道1侧壁位置。所述微凸体结构的表面积占所述波浪型流道的70％。
49.在第一个周期t1中，凸体织构2的矩形排布为13
×
7，在第二个周期t2中，凸体织构2 的矩形排布为12
×
6，在第三个周期t3中，凸体织构2的矩形排布为11
×
5，在第四个周期 t4中，凸体织构2的矩形排布为10
×
4。
50.一个周期中的凸体织构2列数为单数的，其第二凸起织构22在波峰/波谷中心处设有3 列，一个周期中的凸体织构2列数为双数的，其第二凸起织构22在波峰/波谷中心处设有2 列。第二凸起织构22为球体，第二凸起织构22直径d2为0.12mm，第二凸起织构22凸起高度h2为0.06mm，这里的凸起高度h2为突出壁面的高度。第一凸起织构21也为球体，第一凸起织构21直径d1为0.1mm，第一凸起织构21凸起高度h1为0.05mm。每列凸体织构2的中心位置在同一水平线，且垂直于波浪型流道的侧壁。
51.t1中相邻所述第一凸起织构21之间的竖直距离s
y1
为0.03mm，相邻所述第一凸起织构 21之间的水平距离s
x1
为0.25mm，相邻所述第二凸起织构22之间的竖直距离s
y2
为0.01mm，相邻所述第二凸起织构22之间的水平距离s
x3
为0.23mm，第一凸起织构21与第二凸起织构 22之间的水平距离s
x2
为0.24mm。
52.t2中相邻所述第一凸起织构21之间的竖直距离s
y1
为0.035mm，相邻所述第一凸起织构 21之间的水平距离s
x1
为0.26mm，相邻所述第二凸起织构22之间的竖直距离s
y2
为0.033mm，相邻所述第二凸起织构22之间的水平距离s
x3
为0.24mm，第一凸起织构21与第二凸起织构 22之间的水平距离s
x2
为0.25mm。
53.t3中相邻所述第一凸起织构21之间的竖直距离s
y1
为0.05mm，相邻所述第一凸起织构 21之间的水平距离s
x1
为0.27mm，相邻所述第二凸起织构22之间的竖直距离s
y2
为0.03mm，相邻所述第二凸起织构22之间的水平距离s
x3
为0.25mm，第一凸起织构21与第二凸起织构 22之间的水平距离s
x2
为0.26mm。
54.t4中相邻所述第一凸起织构21之间的竖直距离s
y1
为0.14mm，相邻所述第一凸起织构 21之间的水平距离s
x1
为0.3mm，相邻所述第二凸起织构22之间的竖直距离s
y2
为0.12mm，相邻所述第二凸起织构22之间的水平距离s
x3
为0.28mm，第一凸起织构21与第二凸起织构 22之间的水平距离s
x2
为0.29mm。
55.实施例2
56.如图2、图5和图6所示，实施例1提供了一种燃料电池的连通流道，波浪型连通流道
1 材质为304不锈钢。波浪型连通流道1长度为0.1m，横截面积为1.2mm
×
1.2mm。在波浪型连通流道1的两侧壁内外上分别有序分布着数量递减的圆柱体微凸体织构2，且侧壁内外处的球体微凸体织构2位置一一对应。所述第二凸起织构22位于所述波峰段的波峰处、波谷段的波谷处和波峰段与波谷段的交界处；所述第一凸起织构21位于除波峰段的波峰处、波谷段的波谷处和波峰段与波谷段的交界处的其他连通流道1侧壁位置。所述微凸体结构的表面积占所述波浪型流道的80％。
57.在第一个周期t1中，凸体织构2的矩形排布为13
×
7，在第二个周期t2中，凸体织构2 的矩形排布为12
×
6，在第三个周期t3中，凸体织构2的矩形排布为11
×
5，在第四个周期 t4中，凸体织构2的矩形排布为10
×
4。第二凸起织构22为圆柱体，第二凸起织构22直径 d2为0.12mm，第二凸起织构22凸起高度h2为0.8mm，这里的凸起高度h2为突出壁面的高度。第一凸起织构21也为圆柱体，第一凸起织构21直径d1为0.1mm，第一凸起织构21凸起高度h1为0.6mm。
58.t1中相邻所述第一凸起织构21之间的竖直距离s
y1
为0.04mm，相邻所述第一凸起织构 21之间的水平距离s
x1
为0.26mm，相邻所述第二凸起织构22之间的竖直距离s
y2
为0.02mm，相邻所述第二凸起织构22之间的水平距离s
x3
为0.24mm，第一凸起织构21与第二凸起织构 22之间的水平距离s
x2
为0.25mm。
59.t2中相邻所述第一凸起织构21之间的竖直距离s
y1
为0.036mm，相邻所述第一凸起织构 21之间的水平距离s
x1
为0.28mm，相邻所述第二凸起织构22之间的竖直距离s
y2
为0.034mm，相邻所述第二凸起织构22之间的水平距离s
x3
为0.26mm，第一凸起织构21与第二凸起织构 22之间的水平距离s
x2
为0.27mm。
60.t3中相邻所述第一凸起织构21之间的竖直距离s
y1
为0.06mm，相邻所述第一凸起织构 21之间的水平距离s
x1
为0.28mm，相邻所述第二凸起织构22之间的竖直距离s
y2
为0.04mm，相邻所述第二凸起织构22之间的水平距离s
x3
为0.26mm，第一凸起织构21与第二凸起织构 22之间的水平距离s
x2
为0.27mm。
61.t4中相邻所述第一凸起织构21之间的竖直距离s
y1
为0.15mm，相邻所述第一凸起织构 21之间的水平距离s
x1
为0.32mm，相邻所述第二凸起织构22之间的竖直距离s
y2
为0.13mm，相邻所述第二凸起织构22之间的水平距离s
x3
为0.3mm，第一凸起织构21与第二凸起织构22 之间的水平距离s
x2
为0.31mm。
62.将现有技术的波浪流道作为对比例1，其波浪型流道长度为0.12m，横截面积为1mm
×
1mm。
63.本发明相较于现有技术，在排水效果方面有积极的改善作用，如图7所示，本发明所述燃料电池的连通流道对液滴的去除速度明显大于现有技术的流道，在同一时刻，液滴在实施例1、实施例2波浪流道的位置明显领先于对比例1的波浪流道。且在图8中，实施例1、实施例2流道内压降在初中期明显大于对比例1流道内压降，这对排水速度是有益的。
64.依照减阻率计算公式：
[0065][0066]
其中，s-减阻率，p
1-带微凸体波浪流道内压降，p
2-不带微凸体波浪流道内压降。
[0067]
如图9所示，实施例1、实施例2的波浪流道对对比例1的波浪流道有着减小液滴运
动阻力的作用，可以加速液滴在流道内的去除。
[0068]
如图10所示，在液滴运动过程中，实施例1、实施例2的波浪流道底部的水体积分数在中期相比于对比例1较小，这对于燃料电池的气体运输是有益的。因为流道的底部是气体扩散层表面，其表面附着的液态水越少，越有利于反应气体从扩散层中穿过，更快地到达反应区域。尽管图中三种例子的水体积分数在初期和后期几乎一致，甚至实施例2在后期是最大的，但这是由于液滴运动到最后从流道底部脱落到底部造成的，参考作用不大。
[0069]
如图11所示，实施例1、实施例2相较于对比例1来说，具有较大的电流密度，这对燃料电池的电化学反应有着积极的促进作用，能加快反应速度和反应效率。
[0070]
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0071]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。