超薄金属双极板的树状分形表面成形机理研究

双极板是微型燃料电池的关键部件之一，降低双极板的生产成本，减少电池组的重量和体积，是亟待解决的世界前沿科学与技术难题。树状分形结构是一种自然优化的换热和传质的网络流道，可实现流场结构的智能化和生物化，有利于能量和物质的传递运输。.针对树状分形流道的超薄金属双极板制备难题，提出了构形及分形理论同构映射的非一致性树状分形流道的建模方法和基于分形路径的有序固着研磨加工技术。数值模拟树状分形流道在燃料电池化学反应中传热、传质特性，理论研究分形和构形理论同构映射的树状分形流道结构协同设计方法，分析流道对温度、压力、气/电流密度分布的作用规律，实验研究金刚石磨粒有序排布、钎焊工艺、分形研磨路径等对流道表面深宽比、流道形状、面积比的影响，综合利用BET、PIV、TEM/SEM/XRD/EDS等测试分析方法，优化工艺参数，建立树状分形结构的超薄金属双极板流道制备理论及技术体系。

双极板是微型燃料电池的关键部件之一，降低双极板的生产成本，减少电池组的重量和体积，是亟待解决的世界前沿科学与技术难题。本项目建立了不同级数树状分形流道以及传统流道的数学模型，进一步研究了燃料电池稳态传质以及动态特性，剖析影响电池性能的排水能力及其传质性能，揭示树状分形结构的流道对提高反应速率的作用机理，最终确定最优流场形式。进而采用数值计算确定研磨加工运动轨迹，并提出流道纹理的均匀性评价新方法。有序排布金刚石磨粒实现有序固着研磨加工，在此基础上设计了一种均匀性良好、精度较高的基于Hilbert- Peano分形路径的研磨加工机构，深入分析金刚石磨粒形状、粒度和排布距离、零阶分形路径单元形状、加工工艺等对树状分形的结构及其形貌的形成规律的影响。采用直流磁控溅射技术制备了耐腐蚀性优异且导电性能良好的非晶体膜，添加过渡层以增强非晶碳膜与基体的结合性能，同时解决了非晶碳膜因点蚀而失效的难题。组装单电池的性能测试实验证明树状分形流场非晶碳膜不锈钢双极板燃料电池的性能及稳定性均优于传统流场石墨燃料电池。