基于切削金属纤维的甲醇燃料电池多孔流场板制造及优化基础研究

Flow field plate is a key component in the fuel cell. Therefore, it is of great significance to address the manufacturing issue related to the flow field plate so as to promote the commercialization process of fuel cells. In view of the structural and operational characteristics of a direct methanol fuel cell (DMFC), this project proposes a technical solution consisting of the metal fiber multi-tooth cutting and high-temperature sintering to produce porous flow field plate. As for the metal fiber production by multi-tooth cutting, we focus primarily on the active control strategy of process parameters acting on the formation process of metal fiber surface morphology. We also attempt to establish the macro/micro integrated model to describe the surface morphology and reveal its scale effect. As for the high-temperature solid-phase fiber sintering, we focus on the influence of process parameters on the formation quality, structure and morphology of the flow field plate. Moreover, the method of creating gradient porous structures will be explored. We aim to construct the model for describing the topology of its three-dimensional net-like structure as well as the constraining relationship among fibers. The critical physical and chemical properties of the flow field plate will be characterized and its effects on the mass and heat transfer mechanisms will be also inspected. More importantly, how to optimize the function of the flow field plate in management of reactants and products will be investigated. The final objective is to achieve the optimization strategy comprised of technical, structural and functional factors. The outcome of this project is able to open a new way for flow field production and lay the foundation for mobile and portable applications of DMFCs.

流场板是燃料电池的关键元件，解决其高效制造问题对于燃料电池真正走向市场化具有重要意义。本项目针对直接甲醇燃料电池（DMFC）的结构和操作特点，提出采用多齿切削工艺加工金属纤维并经过高温烧结工艺制造多孔流场板的技术路线。围绕金属纤维切削加工工艺，重点研究工艺参数对纤维表面形貌生成过程的主动控制策略，建立纤维表面形貌的宏/微统一描述模型并揭示其尺度效应；围绕流场板高温固相烧结工艺，重点研究工艺参数对流场板烧结成形质量及其结构和形貌的影响机制，探索梯度孔隙的高效制造工艺，建立三维网状结构拓扑模型和纤维几何约束关系的描述方法；在表征多孔流场板关键物化特性的基础上，重点研究其对DMFC内部质/热传递过程的影响机理，优化流场板在反应物和产物高效管理中的功能机制，最终建立集工艺、结构和功能于一体的优化策略。项目成果能够为DMFC流场板的制造开辟新的途径，为DMFC在移动便携领域应用奠定技术和理论基础。

本项目针对被动式直接甲醇燃料电池（PAB-DMFC）的结构和操作特点，提出采用多齿切削工艺加工金属纤维并经过高温烧结工艺制造多孔流场板（PMFSFD）的技术路线。这种多孔流场板因其优异的物理化学性能和对传质过程的积极作用，可显著提升电池性能。具体研究结果可总结为：（1）在金属纤维切削和烧结工艺参数优化方面，确定了刀具设计参数：γ0=30°，α0=8°，w=0.3mm，d=0.2mm，θ=45°和切削参数：f=0.1mm/r, v=105r/min, ap=0.15mm，可得到当量直径为50-100μm的连续型金属长纤维。烧结工艺参数确定为：温度介于800~900°C，时间介于30~60min，可得到具有三维多孔结构的PMFSFD；（2）PMFSFD具有三维骨架结构，导电性好，与扩散层的界面接触电阻能够得到有效控制。孔径分布上表现出的双峰特性为其作为传质控制介质提供了有利结构因素，通过改变结构参数可有效控制其渗透性。PMFSFD具有明显的疏水特性，为其作为水管理功能层提供了有利因素。耐腐蚀实验表明其在DMFC环境中会收到腐蚀影响在长期使用时必须考虑防腐蚀保护措施；（3）与拉拔纤维多孔金属板相比，PMFSFD能够显著提升电池性能，其孔隙率、厚度以及装配方式对电池性能都有显著影响，特别是孔隙率的作用机制与集电板的开孔形式及开孔率会形成相互影响。当采用CHA-2和PF-2的集电板组合以及4M甲醇时，采用孔隙率为70%的PMFSFD的电池综合性能最好，MPD和LCD都约为传统结构的3倍；（4）对PMFSFD进一步采取表面化学处理可得到超疏水多孔流场板（SHOPFD），其具有较好的耐酸腐蚀、耐有机腐蚀和耐热破坏能力。采用SHOPFD的电池在反应物和产物管理方面进一步发挥功能，电池性能也得到提升。在此基础上制备的超疏水/超亲水复合流场板（CWPFD）可进一步改善电池性能，最大功率密度可达16 mW cm-2。项目执行期间，发表SCI索引论文53篇，EI索引论文（机械工程学报中文版）1篇。其中以第一/通讯作者发表SCI索引论文37篇；授权发明专利3件、实用新型专利2件，另申请（受理）发明专利6件；获得国家科技进步二等奖1项（排名6）。项目成果能够为DMFC流场板的制造开辟新的途径，为DMFC走向商业化应用提供重要的理论和技术支撑。