燃料电池不锈钢双极板多层级仿生流道选区激光熔化成形及性能调控

Complex flow channels of bipolar plates are difficult to fabricated by traditional manufacturing technologies, hindering the performance improvement and volume reduction of fuel cell stacks. In this project, the leaf vein structure and variable cross-section channels are introduced into the design of multi-level bio-inspired flow channels and selective laser melting (SLM) is employed as the fabricating technology. The influences of SLM parameters and channel feature structures on formability, surface morphology, corrosion behavior and flow behavior of multi-level bio-inspired flow channel are investigated through the combination of multi-physics simulation, experimental observation and performance measurement. The aim of this project is to reveal the underlying mechanism of fuel cell performance modulation through active control of SLM-processed multi-level bio-inspired flow channels. The outcome of this project can provide theoretical basis for selective laser melting of high-performance flow channels for stainless steel bipolar plates and promote the application of SLM in the field of fuel cells.

受传统制造方式的制约，结构复杂的燃料电池双极板流道难以加工成形，制约其高性能化及小体积化。本项目针对不锈钢双极板高性能流道成形难这一瓶颈，以选区激光熔化增材制造技术为成形手段，将植物叶脉、变截面流道等多层级仿生理念引入双极板流道结构的设计与成形。结合多尺度多物理场数值模拟、成形件表面形貌分析及燃料电池性能表征，定量研究选区激光熔化工艺参数与流道特征结构对多层级仿生流道成形质量、流道表面形貌、流道腐蚀行为及流体流动行为的影响规律，明晰通过多层级仿生流道结构的主动调控，提升选区激光熔化成形不锈钢双极板流道燃料电池性能的机制。该项目研究成果可为不锈钢双极板高性能多层级仿生流道的选区激光熔化成形提供理论参考，对推动激光增材制造技术在燃料电池领域的应用具有重要意义。

燃料电池具有能量密度高、低温稳定性好、启动响应迅速等特点，在航空航天领域有着广泛的应用前景。但目前燃料电池316L不锈钢双极板面临复杂流道结构成形难、构件重量大、不锈钢材料耐蚀性及导电性不佳等难点痛点，极大限制了燃料电池的应用推广。本项目以激光粉末床熔融增材制造技术为成形手段，以多层级仿生设计理念对燃料电池双极板结构进行优化设计，利用银颗粒改性、电化学抛光表面精整工艺、等离子活性屏表面渗氮工艺等工艺改善激光粉末床熔融成形不锈钢材料的燃料电池性能。研究结构表明：1）由异形截面流道-仿生流道场结构-轻量化双极板结构构成的多层级双极板结构，能够在满足双极板构件力学性能的基础上实现燃料电池性能提升及整体重量的降低；2）激光粉末床熔融成形银颗粒改性不锈钢材料能够在保证高致密度的前提下，实现耐蚀性及导电性的协同提升；3）在优化的过电位电化学抛光工艺下，激光粉末床熔融成形流道表面的粘粉、挂渣等表面缺陷能够有效去除；4）等离子活性屏表面渗氮工艺能够有效提升激光粉末床熔融成形不锈钢材料的耐蚀性、导电性等燃料电池关键性能。通过项目研究，实现了316L不锈钢双极板高性能多层级仿生流道的“结构—性能”一体化激光增材制造，为激光粉末床熔融成形高性能燃料电池金属双极板的设计和制造提供了新途径，拓展了激光粉末床熔融技术在燃料电池领域的应用。