燃料电池双极板的3D打印加工方法.pdf

第 4 4卷第 4期 2 0 1 6年 4月 塑 料工业 C HI NA P L AS T I C S I NDU S T RY 燃料电池双极板的 3 D打印加工方法米 陈军，吴懋亮，陈峻，蔡杰，潘广德 ( 上海电力学院能源与机械工程学院，上海 2 0 0 0 9 0 ) 摘要 ：质子交换膜燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，双极板作为燃 料电池的关键部件，3 D打印技术可以适应双极板加工的需要。设计了一种具有并联传动机构的3 D打印系统，采用聚 乳酸 ( P L A)塑料作为加工材料，通过对 3 D打印系统控制参数的设置和优化 ，保证 了加工零件的精度 ，完成了具有 平行流道和蛇形流道的双极板的制造。燃料电池的组装实验证明，采用 3 D打印加工的燃料电池具有与传统加工方法 获得的燃料电池相似的良好的工作性能。 关键词：3 D打印；质子交换膜燃料电池；双极板；并联机构 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 5 7 7 0 2 0 1 6 0 4 0 1 2 中图分类号：T Q 3 2 O 6 6 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 5 5 7 7 0 ( 2 0 1 6 )0 4 0 0 4 7 04 3D Pr i n t i ng Te c hn o l o g y f o r Fue l Ce l l Bi po l a r Pl a t e s C HEN J u n，W U Ma o l i a n g，C HEN J u n，C AI J i e，P AN G u a n g d e ( C o l l e g e o f E n e r g y a n d M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：P r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e f u e l c e l l s( P E MF C s )a r e e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n d e v i c e s b y w h i c h t h e c h e mi c a l e n e r g y o f t h e f u e l a n d o x i d a n t d i r e c t l y c o n v e ys i n t o e l e c t ri c i t y 3 D p r i n t i n g t e c h n o l o g y i s s u i t a b l e t o f a b ric a t e PEMFCs bi po l a r p l a t e s，o n e o f i mp o r t a n t c o mpo n e n t s i n P EMFCs Th e p a p e r de s i g n e d a k i n d o f 3 D p ri n t i n g a p p a r a t u s w i t h p a r a l l e l t r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mT h e a p p a r a t u s a d o p t e d p o l y l a c t i c a c i d ( P L A) a s ma n u f a c t u r i n g ma t e ria l ，a n d e n s u r e d t h e ma c h i n i n g a c c u r a c y t h r o u g h s e t t i n g a n d o p t i mi z i n g c o n t r o l l i n g p a r a me t e r s T h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s t e s t i f y t h a t f u e l c e l l s ma d e b y 3 D p ri n t i n g h a v e p r e t t y g o o d p e r f o r ma n c e s i mi l a r t o t h e f u e l c e l l s o b t a i n e d f r o m t r a d i t i o n a l ma nu f a c t u r i n g me t h o d s Ke y wo r d s： 3 D P rin t i n g； Pr o t o n Ex c h a n g e Me mb r a n e Fu e l Ce l l ； Bi p o l a r P l a t e； Pa r a l l e l Tr a n s mi s s i o n Me c h a n i s m 质子交换膜燃料电池是一种干净环保、高效的新 型能量转换装置 ，它采用氢气作为燃料 ，通过质子交 换膜和催化层的作用发生 电化学反应而产生 电流，这 种电池只要外界源源不断地供应燃料 ，就可以持续提 供电能_ l J 。双极板是燃料 电池 的关键部 件，它在燃 料电池中的作用包括分配电池中的燃料和氧化剂 、收 集和传导电流、传输生成的水等 J 。由于燃料电池 双极板中的流道结构复杂，采用传统加工方法制造双 极板难度大 、成本高 ，双极 板 占据 了燃料 电池 6 0 7 0 的成本。因此 ，国内外学者对双极板的成型工 艺进行了广泛 的研究。3 D打印技术在成型原理上采 用了层层叠加的方式 ，具有节材 、节能以及成型不受 零件复杂程度限制等优势 ，可以实现具有复杂结构形 状的零件加工 J 。 本文研究 了一种并联机构传动的 3 D打印系统 ， 并采用聚乳酸 ( P L A)塑料作为加工材料 ，加工塑料 材质的燃料电池双极板 ，并组装成为燃料电池单体 ， 进行相应 的工作性能实验。 1 具有并联机构 的 3 D打 印系统设计 本文研 究 的 3 D 打 印机 采 用 3 - P S S并 联 臂 机 构 一 ，如图 1所示 ，并联机构相对于串联机构具有 结构 紧凑 、刚度高 、动态性能好 、承载能力大等优 点 J ，采用并联 机构 的 3 D打 印机 与传统 的龙 门式 3 D打印机相比，具有工作空间大、定位精度高等优 点。打印机框架采用铝型材构成 ，并在框架立柱上分 别安装可在垂直方 向做直线运动的三个滑车，步进电 上海市科委部分地方院校能力建设项 目 ( 1 3 1 6 0 5 0 1 0 0 0 ) 作者简介：吴懋亮，男，1 9 7 0年生，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为 3 D打印技术和燃料电池。 w u ma o l i a n g s h i e p e d u c n 4 8 塑料工业 2 0 1 6正 机通过同步带动滑车运动。滑块通过定长斜杆与打印 机喷头相连 ，三个小滑车协 同运动 ，将滑车的运动转 化成喷头的在水平面内的运动。 图 1 3 D打 印机结构示 意图 Fi g 1 S c he ma t i c di a g r a m o f t he s t r uc t ur e o f 3 D p r i nt e r 1 1 3 D打印机的运动控制 本文设计的 3 D打印机使用 A r d u i n o Me g a 2 5 6 0和 R A MP S 1 4控制板 来控 制其运 行 ，控 制主程 序获取 X Y Z三个轴的参数后计算 打印件的 目标坐标 ，并 根 据当前坐标计算喷头在空间的移动距离。 图 2 3 D打印机 的结构参数 Fi g 2 S t ruc t ur a l pa r a me t e r s o f t he 3 D pr i n t e r 3 D打印机的运动原理如图 2所示 ，图中设斜杆 长度为 c ，斜杆水平投影长度为 口 ，斜杆竖直投影长 度 ( 电机坐标 )为 b ，则 ： c = + 6 ( 1 ) 在 由斜杆 、斜杆在水平和竖直方向投影三个尺寸 组成的三角形中 ，斜杆长度不变 ，三角形始终是一个 直角三角形 ，将 。换成喷头 的坐标 d e s t i n a t i o n ， b 换成电机的坐标 d e l t a Y ，则方程变为 ： c = d e s t i n a t i o n + d e l t a Y ( 2 ) 假设喷头只在 轴上运动 ， 轴和 Y轴上都不运 动。当斜杆水平移动投影距离为 ，滑车竖直移 动 距离 d y时 ( 如图 3所示) ，则方程转化为 ： c = ( d e s t i n a t i o n + d ) + ( d e l t a ) ， + d y ) ( 3 ) 根据公式 ( 2 ) 、公式 ( 3 ) 的位 置关 系，通 过 A r d u i n o Me g a 2 5 6 0设置打印件 的绝对坐标 ，从而控制 打印喷头的运行 。 图 3 3 D打印机的位移关系 Fi g 3 Di s pl a c e me n t r e l a t i o n s h i p o f t h e 3D p r i n t e r 3 D打印机 中，斜杆长度是影响打印质量 的主要 因素之一 ，如果斜杆长度比实际的长 ，则打印出来的 物体偏小 ，反之则偏大 。斜杆长度的误差可以通过打 印模型的测量长度和设计尺寸之间的比较进行修正 ， 如打印一个规则的长方体模型 ，测量其长度并计算打 印误差 ，根据误差数值 ，校正斜杆长度 ： C l =C 0 x L l L 0 ( 4 ) 式 中，C 。 一 修正后斜杆长度 ；C 。 一 原有斜杆长度 ；L 一 零件的测量长度 ；L 一 模型的设计长度 。 斜杆在水平投影长通过喷头到立柱的距离 、喷头 偏移距离以及滑车偏移距离计算得 出，这个参数将会 影响打印平面的水平程度 ，如果这个参数设置过大 ， 会使打印平面变成穹顶 ；如果参数设置过小 ，则是打 印平面成碗形 ，通过调整斜杆水平投影长可以调整打 印喷头的工作面处 于一水平面 内。 1 2 加工参数对精度的影响 3 D打印过程中 ，加工参 数的设 置直接影 响到打 印件的成型精度和成型时间：由于燃料电池双极板的 尺寸较小 ，成型时间较短 ，但对流道的打印精度要求 比较高 ，所以打印参数 的设 置以提高打印精度为主 ， 具体参数包括 ： 1 )挤 出倍数 挤出倍数是指 P L A熔丝从 喷嘴喷出时的挤 出速 度与喷头沿着填充路径运动时的填充速度的匹配程 度 。挤出速度与填充速度的匹配程度直接影响零件的 加工质量 ，如果挤出倍数太大 ，出丝会太多，熔丝挤 压打印层 ，使成型面材料分布不均匀 ，成型件会有疙 瘩 ，相反 ，如果挤出倍数太小 ，则材料填充不足 ，出 现喷丝不连续 ，打印会失败 。 2 )喷嘴直径与分层厚度 喷嘴直径大小 影响喷 出熔 丝的直径 ，一 般情况 下 ，熔丝越细 ，喷头的填充路径就会越密 ，扫描路径 第 4 4卷第4期 陈军，等：燃料电池双极板的3 D打印加工方法 - 4 9 就会越长 ，但成型精度就会越高。分层厚度是三维实 体模型分割的薄片厚度 ，一般分层厚度越小 ，打印精 度就会越高 ，但分层厚度不能设得太小 ，否则 由于挤 出的熔丝太多，材料堆积使得打印件变形 。打印过程 中为了使层与层之间紧密黏结 ，切片的层厚要小于喷 头直径 ，本文选择的喷头直径为 0 3 mm，设置层厚 为 0 2 5 m m。 3 )喷嘴温度与热床温度 喷嘴温度是指打印过程 中加热块将喷嘴加热到的 温度 ，热床温度是指打印平 台的温度 。打印耗材选用 P L A，温度过低则会挤 出和黏结 困难 ，温度过高 ，成 型件表面会有疙瘩 。热床温度过高 ，成型零件上下部 分的热应力分布不均 ，则会发生翘曲变形 ；若温度过 低，第一层不容易黏附在打印平台上。经过多次实验 测试 ，设置此种 P L A耗材的打 印温度在 2 0 0 ，挤 出的丝呈 黏弹性流体状态 ，热床温度保持 在 6 5 c I = ， 打印零件 的成型质量较高。 2 燃料 电池双极 板设计和加工 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 单 体 电 池 由 膜 电 极 ( M E A) 、密封 垫片 和双极 板组 成 ，呈三 明治 结构。 燃料电池流道是氢气与氧气在 电池 内部流动的场所 ， 保证反应气体在电极各个 区域均匀分布并排 除水分 ， 确保电池的工作性能和稳定性 。流道直接影响气体流 场的形成 ，流道的设计直接关系到 电池的运行状况。 本文设计的双极板由背板和流道两部分组成 ，背板主 要起支撑作用 ，流道起材料传输和扩散 的作用 ，本文 设计了两种常见流道 ：平行流道 、蛇形流道，平行流 道的流道数 目众多 ，流动阻力较小 ，压力损失小 ，但 由于流道数 目较多 ，反应气体流速较低 ，所 以排水能 力不好 。蛇形流道最大的优势是可以快速排 出反应生 成的液态水 ，不容易发生水淹流道的情况 ，但会因为 流道过长导致压降太大 ，反应气体在流道后段会供应 不足 。一个背板可以和不同形式的流道安装 ，组成不 同流道的燃料电池 。 a 一 平行流道 b 一 蛇形流道 图4 3 D打印的燃料电池双极板 F i g 4 T h e b i p o l a r p l a t e o f f u e l c e l l f o r 3 D p ri n t i n g 3 D打印加工成型并组装后 的 P L A材质 的燃料 电 池双极板如图 4所示 ，图 4 a为平行流道双极板 ，图 4 b为蛇形流道双极板。 与传统加工双极板相 比，3 D打印加工具有 明显 的优点 ，表 1 对 比了 3 D打印加工 P L A燃料 电池双极 板与传统数控加工方法加工不同材质 ( 铝合金、不 锈钢 、石墨)的零件质量 、加工时间和加工成本 。 表 1 3 D打印和传统方法加工双极板的比较 T a b 1 C o mp a ri s o n o f 3 D a n d t r a d i t i o n a l p ri n t p r o c e s s i n g me t h o d o f b i p o l a r p l a t e ( 1 )零 件 质 量方 面：P L A材 质 的双 极板 只有 1 2 4 6 g ，远低于石墨 ( 2 6 2 6 g ) 、铝合金 ( 3 7 7 4 g ) 以及不锈钢 ( 1 0 5 8 2 g ) 的质量 ，较轻 的质量便于 燃料 电池携带 ，有利于燃料 电池的应用推广 。 ( 2 )加工时间方 面 ：对于规则 流道的燃料 电池 双极板 ，采用数控加工方法可以方便加工 ，通常一套 ( 2个)双极板可在 2 h内完成 ，3 D打印由于逐层 累 加 ，加工一套双极板需要约 7 h ，但是对 于复杂的流 道结构 ，如变截面尺寸的流道结构以及流道结构不规 则的仿生流道 ，传统加工方法难 以满足双极板的加工 要求 。 ( 3 )加工 成本方 面 ：3 D打印加 工原 料价 格便 宜 ，设备运行费用低 ，而采用数控加工 ，加工成本远 高 于 3 D 打 印，一 套燃 料 电池 双 极板 加 工 需 要数 百 元 。 3 3 D打 印加工 的燃料 电池 工作性 能测试 将组装好的燃料 电池连接到 A R B I N燃料 电池测 试系统上 ，进行燃料 电池的工作性能测试 。得到燃料 电池的极化 曲线 ( 图 5 a ) 和功率 曲线 ( 图 5 b ) ，从 曲线可以看 出，3 D打印加工燃料电池的极化 曲线与 0 O 出 0 謦 O 电流， A a 一 极化曲线 5 0 塑料工业 3 2 2 督1 电流 A b 一 功率密度曲线 图 5 3 D打印的燃料 电池 的工作性能 Fi g 5 W o r k i ng p e rfo r ma nc e o f f u e l c e l l f o r 3D pr i nt i ng 理想的燃料电池 的极化曲线完全吻合 ，说明燃料电池 能够很好 地工作 ，功率 曲线表 明，在稳定工作 状态 下 ，平行流道和蛇形流道的燃料 电池 的输 出功率分别 为 2 2 3 m w 和 2 5 0 m w，燃料 电池的输 出功率特征与 传统燃料 电池 的特征基本相 同。 4 结论 质子交换膜燃料电池高效 、环保等突出优点 ，其 拥有广阔的应用前景 。采用 3 D打印技术制造燃料 电 池是一种可行的加工方案 ，本文得到如下结论 ： 1 )采用 3 - P S S并联机构 的 3 D打 印系统具有结 构紧凑 、刚度高 、动态性能好 、定位精度高等优点 ， 适合燃料电池双极板的加工。 2 )采用 P L A材料的 3 D打印加工零件 的精度与 挤出倍数 、喷嘴直径 、分层厚度 、喷嘴温度与热床温 度等工作参数相关 ，合理的工作参数可以保证零件 的 精度要求。 3 )3 D打印加工的双极板与传统加工相 比，在零 件质量 、加工成本上具有明显优势 ，尽管单件 的加工 时间较长 ，但是 3 D打印更适合复杂流道的加工。 4 )燃料电池工作性能测试结果表明，3 D打印的 燃料电池 ，工作性能和工作状态与传统加工得到的燃 料 电池完全相同，完全可 以进行燃料电池双极板结构 的加工。 参考文献 1 K L O E S S J P，WA N G X，L I U J ，e t a 1 I n v e s t i g a t i o n o f b i o i n s p i r e d fl o w c h a n n e l d e s i g n s f o r b i p o l a r p l a t e s i n p r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e f u e l c e l l s J J P o w e r S o u r c e s ，2 0 0 9 ， 1 88： 1 321 40 2 G U O N，L E U M C ，K O Y L U U O B i o i n s p i r e d fl o w fi e l d d e s i g n s for p o l y me r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e f u e l c e l l s J I n t J Hy d r o g e n E n e r g y，2 0 1 4，3 9：2 1 1 8 5 2 1 1 9 5 3 N A K A J I M A H，K O N O MI T，K I T A H A R A T D i r e c t w a t e r b a l a n c e a n a l y s i s o n a p o l y m e r e l e c t r o l y t e f u e l c e l l( P E F C) ： Ef f e c t s o f h y d r o p ho bi c t r e a t me nt a nd mi c r o - p o r o u s l a y e r a dd i - t i o n t o t h e g a s d i f f u s i o n l a y e r o f