CN103022511A - 具有波浪形结构的燃料电池双极板及加工方法 - Google Patents

具有波浪形结构的燃料电池双极板及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有波浪形结构的燃料电池双极板及加工方法，该双极板底部设有平行流场或指叉形流场，所述平行流场或指叉形流场的包含若干流道和流道肋板，其中之一的流道肋板上设有周期性波浪形起伏结构。与传统的底部水平的双极板相比，底部呈现波浪形的燃料电池双极板在功能上除满足燃料电池双极板流场的基本要求外，还有其独特的优点。在气体流动时，气体会跟随波浪状底部出现气体流线的波浪状摆动。当速度增大时，可能形成紊流，气体的扩散速度增大，从而提高了燃料电池效率。由于流体粘性的作用，部分机械能转化为流体热能，气体温度升高，提高化学反应催化剂活性，以达到提高燃料电池效率的目的。

Description

具有波浪形结构的燃料电池双极板及加工方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种具有波浪形结构的燃料电池双极板及加工方法。
背景技术
燃料电池是一种具有洁净、无污染、噪声低、能量转化效率高等特点的能源装置。燃料电池的基本组成部分包括MEA组件和双极板。其中，双极板是燃料电池的核心部件，其材料选择困难、制备工艺且过程复杂。燃料电池的绝大部分重量和成本都在双极板上。双极板上的流场具有收集电流、疏导反应气体和分隔还原剂和氧化剂的作用。双极板的性能取决于材料特性、流场的设计和加工技术。
目前，在质子交换膜燃料电池中应用的双极板材料主要有石墨、金属双极板与复合双极板。其中，无孔石墨材料的优点是导电性和耐腐蚀性好，但是其制作工艺复杂，耗工费时，而且无孔石墨质地硬脆不易加工，组装比较困难；复合材料由于在压铸成型的无空复合炭板上加入了不导电的聚合物，因此内电阻较大，导电率低。基于上述理由，不锈钢金属薄板由于加工性能好、价格低廉，成为燃料电池降低电池总重量和制造成本的优选材料。目前对不锈钢双极板的研究取得了很大的进展，但是大部分的研究都集中在通过表面改性以提高不锈钢双极板的抗腐蚀能力，对不锈钢双极板的加工理论的研究还是很少的。
双极板上的流场的作用是引导反应燃料的流动，确保燃料能够快速均匀的分配到电极扩散层，使其可以与催化层充分反应。当前用于制作流场的流道的加工方法，如反应离子刻蚀、光刻、电铸及脱模技术（LIGA 技术）与微细切削加工技术等方式得到的都是流道底部平整的结构。台湾的Jenn-Kun Kuo和Shuo-Jen Lee等尝试在双极板的流道底部加工了一些微结构。但是，他们运用的电铸的方法在双极板流道底部加工微结构，其工艺复杂，成本较高。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有燃料电池的技术不足，提供一种具有波浪形结构的燃料电池双极板，充分利用流道内上下气体形成的紊流，提高气体流动速度，从而提高燃料电池速度。
进一步地，本发明还提供了一种具有波浪形结构的燃料电池双极板的加工方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种具有波浪形结构的燃料电池双极板，该双极板底部设有平行流场或指叉形流场，所述平行流场或指叉形流场的包含若干流道和流道肋板，其中之一的流道肋板上设有周期性波浪形起伏结构。
优选地，所述流道的宽度为0.2-0.5mm，流道的深度为0.3-0.6mm。
优选地，所述双极板的材料为电阻率小、抗腐蚀性能好的316L不锈钢。
进一步地，提供具有波浪形结构的燃料电池双极板的加工方法，包括如下步骤：
（1）不锈钢板和切口铣刀的装夹：将已加工有导气孔的方形不锈钢板通过夹具装夹在铣床的分度盘上；切口铣刀进行改进后装夹在铣床的主轴上；其中，方形不锈钢板的相邻两边分别位于水平和竖直方向，调节分度盘使方形不锈钢板上边线呈水平状态；
（2）切削用量的设定：根据速度限制和切口铣刀的外径大小选择合适的：切口铣刀齿尖线速度、进给速度和背吃刀量； 
（3）不锈钢板的铣削加工：铣削加工，铣削的过程中不断通入冷却液；检查各参数设定正确后即可铣削加工燃料电池双极板的流场，该流场包括若干平行的流道；转动分度头，实现相互垂直的流道加工；
（4）对铣削后的方形不锈钢板的后处理。
优选地，步骤（1）中，切口铣刀通过如下方式进行改进，如下：选定已有切口铣刀上的某个齿，沿逆时针或顺时针方向去除一个或者连续几个刀齿，保留下一个刀齿后继续去除与上次相同数目的刀齿，如此重复下去，即可得到刀齿数目减少且均匀分布的多齿飞刀。
优选地，步骤1）中，切口铣刀通过如下方式进行改进，如下：改变切口铣刀的每个刀齿的前角角度，使其成为负前角。
优选地，步骤1）中，多片切口铣刀通过刀柄固定装夹在铣床的主轴上，相邻切口铣刀之间以垫片隔离，相邻两片切口铣刀的距离即为双极板上相邻两个流道的距离。
优选地，切口铣刀数量由流场中流道数目决定，垫片的厚度由流道间距和切口铣刀厚度共同决定。
优选地，步骤2）中，所述的切削用量为：切口铣刀齿尖线速度2.5-3.5m/s，进给速度475-900mm/min，背吃刀量0.3-0.5mm。
优选地，步骤4）中，所述后处理包括去毛刺或清洗。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：与传统的底部水平的双极板相比，底部呈现波浪形的燃料电池双极板在功能上除满足燃料电池双极板流场的基本要求外，还有其独特的优点。在气体流动时，气体会跟随波浪状底部出现气体流线的波浪状摆动。当速度增大时，可能形成紊流，气体的扩散速度增大，从而提高了燃料电池效率。由于流体粘性的作用，部分机械能转化为流体热能，气体温度升高，提高化学反应催化剂活性，以达到提高燃料电池效率的目的。另外，本发明通过利用多片切口铣刀同时加工各个流道，节约时间，降低生产成本。
附图说明
图1是去掉两个连续刀齿后的切口铣刀示意图；
图2是图1的A部放大图；
图3是改变刀齿前角为负前角实物图；
图4是切口铣刀装夹示意图；
图5是具有波浪形结构的燃料电池双极板的示意图；
图6是另一具有波浪形结构的燃料电池双极板的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。
实施例1
如图5和6所示，具有波浪形结构的燃料电池双极板的流场形式为平行流场、指叉形流场等流道直线交互流场，由切口铣刀3的厚度影响，流场的流道宽度为0.2-0.5mm较为适宜。图5中,51为波峰,52为波谷,53为波浪起伏结构。
具有波浪形结构的燃料电池双极板的加工方法，包括如下步骤：
（1）不锈钢薄板和切口铣刀的装夹：将已加工有导气孔的方形不锈钢板通过夹具装夹在铣床的分度盘上；切口铣刀3进行改进后装夹在铣床的主轴上；其中，方形不锈钢板的相邻两边分别位于水平和竖直方向，调节分度盘使方形不锈钢板上边线呈水平状态；多片切口铣刀利用刀柄1通过螺母4固定装夹在铣床的主轴上，相邻切口铣刀3之间以垫片2隔离，相邻两片切口铣刀的距离即为双极板上相邻两个流道的距离；切口铣刀3数量由流场中流道数目决定，垫片2的厚度由流道间距和切口铣刀3厚度共同决定，如图3所示；
（2）切削用量的设定：根据速度限制和切口铣刀的外径大小选择合适的切口铣刀齿尖线速度、进给速度和背吃刀量；所述的切削用量为：切口铣刀齿尖线速度2.5-3.5m/s，进给速度475-900mm/min，背吃刀量0.3-0.5mm。
（3）不锈钢板的铣削加工：铣削加工，铣削的过程中不断通入冷却液；检查各参数设定正确后即可铣削加工燃料电池双极板的流场，该流场包括若干平行的流道；转动分度头，实现相互垂直的流道加工；
（4）对铣削后的方形不锈钢板的后处理，后处理包括去毛刺或清洗。
本实施例中，切口铣刀通过如下方式进行改进：选定已有切口铣刀上的某个齿，沿逆时针或顺时针方向去除一个或者连续几个刀齿，保留下一个刀齿后继续去除与上次相同数目的刀齿，如此重复下去，即可得到刀齿数目减少且均匀分布的多齿飞刀，如图1所示。
燃料电池流场流道波浪形底部的双极板材料为电阻率小、抗腐蚀性能好的316L不锈钢。
在本实施例中，为降低加工难度，选择平行流场双极板作为加工对象，切口铣刀的预加工选择为选择某一方向，磨去连续两个刀齿后留下一个刀齿，再磨去连续两个刀齿并留下一个刀齿，如此下去即可得到本例中的目标切口铣刀。选择的材料是2mm厚的316L不锈钢薄板，尺寸为100mm×80mm。设计的流道宽度为0.4mm，深度为0.4mm，相邻两个流道肋台的宽度为0.4mm。气体通道为深0.4mm，宽度为1mm，进出气孔口设计为0.6mm×0.6mm的方形孔。
将选择的316L不锈钢薄板通过夹具装夹在铣床的分度盘上，将厚度为0.4mm，外径为40mm，内径13mm，刀齿数目72的切口铣刀按上述要求进行预加工后装夹在铣床的主轴上。用百分表确定背吃刀量为0.4mm，选择主轴转速为95r/min，进给速度为750mm/min进行铣削加工，直到完成所有水平流道的铣削。转动分度盘90°，即可实现与开始铣削的流道垂直方向上的流道加工。
另外，根据实际要求来改变切削用量，可以得到底部波浪状结构明显程度不同的双极板。
实施例2
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：如图2所示，步骤1）中，切口铣刀3通过如下方式进行改进：改变切口铣刀3的每个刀齿的前角角度，使其成为负前角。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种具有波浪形结构的燃料电池双极板，该双极板底部设有平行流场或指叉形流场，其特征在于：所述平行流场或指叉形流场的包含若干流道和流道肋板，其中之一的流道肋板上设有周期性波浪形起伏结构。
2.根据权利要求1所述的具有波浪形结构的燃料电池双极板，其特征在于：所述流道的宽度为0.2-0.5mm，流道的深度为0.3-0.6mm。
3.根据权利要求1所述的具有波浪形结构的燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板的材料为电阻率小、抗腐蚀性能好的316L不锈钢。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的具有波浪形结构的燃料电池双极板的加工方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）不锈钢板和切口铣刀的装夹：将已加工有导气孔的方形不锈钢板通过夹具装夹在铣床的分度盘上；切口铣刀进行改进后装夹在铣床的主轴上；其中，方形不锈钢板的相邻两边分别位于水平和竖直方向，调节分度盘使方形不锈钢板上边线呈水平状态；
（2）切削用量的设定：根据速度限制和切口铣刀的外径大小选择合适的切口铣刀齿尖线速度、进给速度和背吃刀量； 
（3）不锈钢板的铣削加工：铣削加工，铣削的过程中不断通入冷却液；检查各参数设定正确后即可铣削加工燃料电池双极板的流场，该流场包括若干平行的流道；转动分度头，实现相互垂直的流道加工；
（4）对铣削后的方形不锈钢板的后处理。
5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：步骤（1）中，切口铣刀通过如下方式进行改进：选定已有切口铣刀上的某个齿，沿逆时针或顺时针方向去除一个或者连续几个刀齿，保留下一个刀齿后继续去除与上次相同数目的刀齿，如此重复下去，即可得到刀齿数目减少且均匀分布的多齿飞刀。
6.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：步骤1）中，切口铣刀通过如下方式进行改进：改变切口铣刀的每个刀齿的前角角度，使其成为负前角。
7.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：步骤1）中，多片切口铣刀通过刀柄固定装夹在铣床的主轴上，相邻切口铣刀之间以垫片隔离，相邻两片切口铣刀的距离即为双极板上相邻两个流道的距离。
8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于：切口铣刀数量由流场中流道数目决定，垫片的厚度由流道间距和切口铣刀厚度共同决定。
9.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：步骤2）中，所述的切削用量为：切口铣刀齿尖线速度2.5-3.5m/s，进给速度475-900mm/min，背吃刀量0.3-0.5mm。
10.根据权利要求4-9任一项所述的加工方法，其特征在于：步骤4）中，所述后处理包括去毛刺或清洗。
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