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Lin, K., Xu, Y., Gu, D. et al. Laser Powder Bed Fusion of Multifunctional Bio-inspired Vertical Honeycomb Sandwich Structures: For the Application of Lightweight Bipolar Plates of Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Chin. J. Mech. Eng. 37, 102 (2024). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01088-4
https://cjme.springeropen.com/articles/10.1186/s10033-024-01088-4
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质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种可将氢气和氧气通过催化反应直接转化成电能的能源转化装置，因具有无污染、高转换效率、补能快、低噪声等特点，是实现“碳达峰”和“碳中和”最有潜力的技术之一。双极板作为PEMFC关键组件之一，具有分隔阴阳极、去除副产物和消散反应热等功能。相较于传统石墨双极板，金属双极板具有优异的机械性能、导电和导热性能，但其较高的重量制约了金属双极板的应用。本研究针对氢燃料电池金属双极板结构重量过大的问题，开展了双极板轻量化仿生夹芯结构设计及激光粉末床熔融技术成形研究，旨在为氢燃料电池金属双极板的轻量化结构设计及激光增材制造提供理论参考。
以甲虫翅鞘为仿生对象，设计了具有不同分形角度的仿生蜂窝夹层结构，并以316L不锈钢粉末为材料，通过激光粉末床熔融成形技术制备了具有不同仿生蜂窝夹层结构的构件。对成形构件进行镶嵌、磨光和抛光，随后使用光学显微镜对成形构件的特定悬垂区域的成形轮廓进行宏观形貌表征。使用100 kN的机电万能电子试验机在室温下对激光粉末床熔融成形的轻量化夹层结构双极板样品进行三点弯曲实验，支座跨距和压头直径分别为20 mm和4 mm，通过压头对结构施加恒定速率2 mm/min的位移载荷。使用直流电阻测试仪在室温下对激光粉末床熔融成形样品进行电阻测试实验，以评估样品的导电性能。测试过程中，利用机电万能电子试验机在绝缘树脂板施加压紧力，随压紧力的缓慢增加记录电阻值，直至直流电阻测试仪上的读数趋于稳定。
图1 具有分形特征的仿生蜂窝夹层设计
对于具有不同分形角度的仿生蜂窝夹层结构，θ45°构件表现出最小的偏差面积（1.53 mm^2），即最高的成形精度，且分别比θ30°（1.74 mm^2）、θ60°（1.80 mm^2）、θ75°（1.83 mm^2）和θ90°（2.54 mm^2）构件低12.07%、15.19%、16.39%和39.76%。θ30°构件在塑性变形阶段展现了最高的极限弯曲载荷（5.15kN），分别比θ45°（5.11 kN）、θ75°（4.51 KN）、θ60°（4.18 kN）和θ90°（4.38kN）构件高0.76%，12.44%，18.87%和32.49%。θ30°构件（10.55 J/g，238.11 MPa/g）和θ45°构件（10.54 J/g，233.04 MPa/g）表现出相近的SEA和比抗弯强度，其次分别是θ60°构件（8.52 J/g，205.96 MPa/g）、θ75°构件（8.65 J/g，200.87 MPa/g）和θ90°构件（6.72 J/g，161.86 MPa/g）。从上述对比可看出，随着分形角度的增大，激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的力学性能逐渐下降。对于电性能，θ30°构件（20.63 mΩ）表现出最高的电阻值，且分别比θ45°（18.47 mΩ）、θ60°（17.37 mΩ）、θ75°（15.93 mΩ）和θ90°（14.50 mΩ）构件的电阻值高11.69%、18.77%、29.50%和42.28%。因此，可看出分形特征的引入显著影响了激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的电阻值，从而对导电性能产生负面影响。对于具有不同出粉口数量的θ45°构件，N0构件在塑性阶段表现出最大的极限弯曲载荷（3.77 KN），分别比N2构件（3.63 KN）、N4构件（3.49 KN）和N6构件（3.22 KN）高3.71%、7.43%和14.59%。
图2 激光粉末床熔融成形具有不同分形角度的仿生蜂窝夹层构件
图3 分形角度对激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件弯曲性能的影响
图4 出粉孔数量对激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件（分形角度45°）弯曲性能的影响
（1）分形角度显著影响了激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的成形性。随分形角度的减小，构件的成形性先变好后变差。这是由于分形特征的引入导致顶面板底部的悬垂距离的减小，提高了构件的成形性。然而，随分形角度的减小，θ30°构件倾斜的分形薄壁底面具有较差的成形性，因此θ45°构件表现出最高的成形精度，而θ90°构件的成形质量最低。
（2）分形角度明显影响了激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的弯曲力学性能。随分形角度从30°增加到90°，结构的极限弯曲载荷下降了32.49%，比能量吸收从10.55 J/g下降到6.72 J/g，比抗弯强度从238.11 MPa/g下降到161.86 MPa/g。这是由于分形特征的引入阻碍了力的传递从而耗散了大部分外力，导致结构的应力分布更均匀，从而提高了结构的弯曲力学性能。
（3）分形角度显著影响了激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层构件的导电性能。随着分形角的增大，结构的电阻从20.63 mΩ减小到14.50 mΩ，导电性能逐渐提高。由于分形特征的引入，电流在分形薄壁和顶部面板交汇处堆积，引起电流密度集中，导致向底部面板流入的电流减小，从而降低了结构的导电性能。
（4）液滴性出粉口的设计对结构的弯曲性能产生了负面影响。随出粉口数量的增加，结构的比抗弯强度逐渐下降，且极限弯曲载荷下降了14.59%。这是由于液滴性出粉口的引入导致弯曲过程中应力集中在出粉口底端，结构在出粉口底端发生断裂，从而对结构的弯曲力学性能产生了负面影响。此外，由于316L不锈钢材料优异的导电性能，出粉口的设计对结构的导电性能影响较小，构件的电导率仍符合DOE提出的双极板指标要求。
（5）综合对具有不同分形角度的仿生蜂窝夹层构件进行成形性、弯曲力学性能和导电性能的研究，分形角度为45°、出粉口数量2的仿生蜂窝夹层结构具有最佳的综合性能。
本研究提出的激光粉末床熔融成形仿生蜂窝夹层金属双极板构件，为高性能、轻量化燃料电池双极板的结构设计及成形制造提供了新思路和新途径。燃料电池双极板性能的提高及重量的降低，能够显著提高燃料电池的功率密度，进一步拓展燃料电池在航空航天等高端领域的应用。
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顾冬冬，教授/博导，南京航空航天大学材料科学与技术学院院长，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，德国Fraunhofer激光技术研究所洪堡学者。从事高性能金属构件激光增材制造研究，主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、装备预研共用技术重点项目等国家级项目30余项。近5年以第一作者/通讯作者发表SCI论文90余篇（含Science论文1篇），出版英文专著3部，申请/授权国家发明专利60余项、美国专利3项。获江苏省科学技术奖一等奖、高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学奖）二等奖、空军“创新杯”科技创新大赛优胜奖等。
林开杰，男，工学博士，副教授，博士生导师，现任南京航空航天大学材料科学与技术学院材料加工工程系主任。主要研究方向为功能驱动的仿生结构设计、高性能金属构件激光粉末床熔融成形及航空航天应用。近年来，主持了国家自然科学基金青年基金项目、军委科技委JCJQ项目、江苏省自然科学基金、航空基金等国家/省部级项目10余项。在国际高水平学术期刊上发表文章50余篇；申请发明专利30余项，授权发明专利10余项；任中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员、中国光学学会激光加工专业委员会青年学术委员会委员、中国有色金属学会增材制造专委会委员等。
江苏省高性能构件激光增材制造工程研究中心围绕国家航空航天、国防军工重大需求及激光增材制造前沿科学，面向国防军工及高端装备领域高性能难加工材料（包括金属、合金、复合材料等），开展了激光精密增材制造装备研发、专用材料设计制备、增材制造成形工艺及机理、高性能复杂构件控形与控性、典型型号应用及验证等方面研究。
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