CN103022512B - 一种用于质子交换膜的燃料电池双极板及滚压加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法，是由三层不锈钢箔带通过激光镂刻和热滚压复合加工而成。本发明提供了一种可以连续大批量生产且降低成本的用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法。本发明通过应用滚子及滚子对还有剪切冲裁装置，使得加工方法设备少、流程简洁及工艺简单；而且实现了机器的连续作业，适于大批量生产。另外，本发明实现了在一条生产线上的连续工艺的制造，能够消除双极板的重新定位误差，可以提高双极板的成型性和成型精度。
Description
技术领域
本发明涉及用于质子交换膜的燃料电池技术领域，特别涉及一种用于质子交换膜的燃料电池双极板及滚压加工方法。
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电极、MEA组件和双极板。双极板具有收集电流、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。双极板的研究是燃料电池中一个很重要的课题，因为双极板约占整个质子交换膜燃料电池总质量的70％-80％，成本约占总成本的40％-50％。当前用于制作微流道的加工方法主要包括有反应离子刻蚀、光刻、电铸及脱模技术（LIGA 技术）与微细切削加工技术等。
运用反应离子刻蚀技术加工双极板时，等离子体中反应离子在微流道中的传输过程会随着流道刻蚀深度的增加而越来越难接触到刻蚀表面；而刻蚀表面反应的生成物也越来越难以从微流道里出来；因此，蚀刻过程中一般会出现刻蚀滞后、刻蚀停止、开槽效应和侧壁弯曲等现象，而且目前用于反应离子刻蚀技术硅的刻蚀速率低，一般不大于22μm/min。
电铸及脱模技术（LIGA 技术）是利用同步辐射X光在聚甲基丙烯酸甲酯上进行深度光刻，然后对光刻形成的结构进行电铸，产生微型三维金属夹具，再通过将各种材料浇铸在金属夹具中而形成各种微结构。但同步辐射光源和X光掩模板价格昂贵，限制了其广泛应用。
微细切削加工技术目前主要包括微细车削和微细铣削加工两种方式。微细切削加工技术对刀具材料具有很高的要求：刀具应具有高温硬度高、耐磨、耐热、和高温强度好等的特性；同时，随着最小直径回转的微细化，要求回转刀具的抗弯强度、断裂韧性与刚性均应较高。
综上所述，蚀刻、化学腐蚀、机械加工等加工方法耗时长，成本高，工艺也比较复杂，难以大规模应用。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有用于质子交换膜的燃料电池的技术不足，提供一种用于质子交换膜的燃料电池双极板及滚压加工方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法，是由三层不锈钢箔带通过激光镂刻和热滚压复合加工而成。
优选地，1）开卷机供料：由三台开卷机分别供应三层水平不锈钢箔带，开卷机供料速度需保持一致；每个开卷机供应的不锈钢箔带的厚度根据双极板的结构设计需求而定，外层不锈钢箔带厚度和热滚压工艺决定了双极板上最终形成的流场的流道的深度，三层不锈钢箔带的总厚度和热滚压工艺决定了最终形成的双极板的厚度；
2）不锈钢箔带初定位：三层不锈钢箔带分别通过三对定位滚子对进行初步定位，定位滚子对用于保证箔带材料的位置精度和平整性；
3）激光镂刻：上、下两层不锈钢箔带在经过激光镂刻台时，激光切割器会根据预先设定好的流道形状在不锈钢箔带材料上进行切割，进而制备出具有流道形状的镂空箔带，至此上下层箔带分别被命名为第一镂空层与第二镂空层，且流道完全贯穿镂空箔带；中间的一层不锈钢箔带不经过激光镂刻台，不需要被切割，被命名为中间层；
4）不锈钢箔带校正：经过步骤3）处理的三层不锈钢箔带一起通过校正滚子对，使两层镂空层箔带的流道关于中间层呈对称形态，此环节将实现第一镂空层与第二镂空层上流道结构的对正，尽量减少因材料位置错动而引起的最终成形的双极板两侧流道错位；
5）高温滚压：校正后的不锈钢箔带经过高温滚压滚子对，第一镂空层、第二镂空层和中间层接触面上出现固融状态，各层材料在接触界面上出现相互融合，进而使得三层箔带焊接成为一层两侧具有特定流道结构的带料；
6）剪切冲裁：带料被传送至剪切冲裁工位，根据双极板尺寸的设计要求，冲裁机带料进行剪切冲裁；经过剪切冲裁后，得到的具有特定流道结构的不锈钢薄板就是质子交换膜燃料电池双极板。
优选地，步骤1）中，不锈钢箔带的厚度为0.3-1.5mm。
优选地，步骤1）中，所述不锈钢箔带为316L不锈钢箔带。
优选地，步骤3）中，流道的深度为0.3-0.6mm，平均宽度为0.4-0.6mm。
优选地，步骤3）中，激光镂刻时，激光偏移竖直方向的角度为30°；以获得占空比为1：1的流场。
优选地，步骤3）中，第一镂空层、第二镂空层及中间层的厚度为0.4-1.5mm的不锈钢。
优选地，步骤5）中，所述高温的温度取值为1050°-1150°。
优选地，所述质子交换膜燃料电池双极板的流场形式为指叉形流场或平行流场。
进一步提供一种用于质子交换膜的燃料电池双极板, 所述双极板包括中间层及关于中间层对称且设置于中间层上下表面的第一镂空层与第二镂空层，第一镂空层与第二镂空层上均切割有若干流道，若干流道形成流场。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：本发明提供了一种可以连续大批量生产且降低成本的用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法。本发明通过应用滚子及滚子对还有剪切冲裁装置，使得加工方法设备少、流程简洁及工艺简单；而且实现了机器的连续作业，适于大批量生产。另外，本发明实现了在一条生产线上的连续工艺的制造，能够消除双极板的重新定位误差，可以提高双极板的成型性和成型精度。
附图说明
图1是本发明生产线制造工艺流程示意图；
图2是平行流场的结构示意图；
图3是激光镂刻后镂空层流道截面示意图；
图4是校正滚子对正视示意图；
图5 是加工完成后的双极板剖面示意图；
图6是指叉形流场的结构示意图。
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
一种用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法，是由三层不锈钢箔带通过激光镂刻和热滚压复合加工而成；步骤如下：1）开卷机供料：由三台开卷机分别供应三层水平不锈钢箔带，开卷机1供料速度需保持一致；每个开卷机1供应的不锈钢箔带的厚度根据双极板的结构设计需求而定，外层不锈钢箔带厚度和热滚压工艺决定了双极板上最终形成的流场的流道的深度，三层不锈钢箔带的总厚度和热滚压工艺决定了最终形成的双极板的厚度；
2）箔带初定位：三层不锈钢箔带分别通过三对定位滚子对2进行初步定位，定位滚子对2用于保证箔带材料的位置精度和平整性；
3）激光镂刻：上、下两层不锈钢箔带在经过激光镂刻台3时，激光切割器会根据预先设定好的流道形状在不锈钢箔带材料上进行切割，进而制备出具有流道形状的镂空箔带，至此上下层箔带分别被命名为第一镂空层与第二镂空层，且流道完全贯穿镂空箔带；中间的一层不锈钢箔带不经过激光镂刻台，不需要被切割，被命名为中间层；
4）箔带校正：经过步骤3）处理的三层不锈钢箔带一起通过校正滚子对4，使两层镂空层箔带的流道关于中间层呈对称形态，此环节将实现第一镂空层与第二镂空层上的流道结构的对正，尽量减少因材料位置错动而引起的最终成形的双极板两侧流道错位；
5）高温滚压：校正后的不锈钢箔带经过高温滚压滚子对5，第一镂空层、第二镂空层和中间层接触面上出现固融状态，各层材料在接触界面上出现相互融合，进而使得三层箔带焊接成为一层两侧具有特定流道结构的带料；
6）剪切冲裁：带料被传送至剪切冲裁工位，根据双极板尺寸的设计要求，冲裁机6将对带料进行剪切冲裁；经过剪切冲裁后，得到的具有特定流道结构的不锈钢薄板就是质子交换膜燃料电池双极板7。
在本实施例中，选择的材料为316L不锈钢箔带，其厚度为0.6mm和0.9mm。为降低激光切割工作台里的难易程度，选择用于质子交换膜的燃料电池双极板的流场形式为平行流场，平行流场流道数目多，并且以并联的形式存在，因此具有流动阻力小的优点，在一定程度上降低压力损失，提高电池整体效率。设计双极板反应气体流场的流道宽度为0.4mm，深度为0.4mm，两流道之间的肋板的宽度为0.4mm。双极板的尺寸为50mm×100mm。
如图1、2、3、4与5所示，三层不锈钢箔带厚度均匀而且厚度分别为镂空层0.6mm，中间层0.9mm，首先箔带定位滚子对将对第一镂空层81、中间层82与第二镂空层83三层箔带进行初步定位。上下层不锈钢箔带在经过激光镂空台时，被切割出预先设计的平行流场结构形式，形成镂空层，其流道完全贯穿镂空层箔带。第一镂空层、第二镂空层及中间层三层箔带在经过校正滚子对后，再在1050-1150°时经过双极板连接合成滚子对，第一镂空层、中间层、第二镂空层三层合成为一块不锈钢板，即双极板。并且，该校正滚子对具有整形作用，可以对整个双极板的厚度进行调整。例如，该校正滚子对可以将双极板的厚度由2.1mm滚压为2.0mm，最后经过冲裁机剪切冲裁就可以得到尺寸为50mm×100mm的双极板。
本发明不限制于实施例给出的参数，许多参数可以根据具体的生产需要加以改变。定位滚子和校正滚子对的距离由实际生产中的316L不锈钢箔带和最终双极板厚度等因素决定。
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6所示，选择用于质子交换膜的燃料电池双极板的流场形式为指叉形流场,它可以强迫反应气流经电极的扩散层、强化扩散层的传质能力，同时将扩散层的水及时排出。
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 (7)
1.一种用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法，其特征在于：是由三层不锈钢箔带通过激光镂刻和热滚压复合加工而成；具体步骤如下：
1）开卷机供料：由三台开卷机分别供应三层水平不锈钢箔带，开卷机供料速度需保持一致；每个开卷机供应的不锈钢箔带的厚度根据双极板的结构设计需求而定，外层不锈钢箔带厚度和热滚压工艺决定了双极板上最终形成的流场的流道的深度，三层不锈钢箔带的总厚度和热滚压工艺决定了最终形成的双极板的厚度；
2）不锈钢箔带初定位：三层不锈钢箔带分别通过三对定位滚子对进行初步定位，定位滚子对用于保证箔带材料的位置精度和平整性；
3）激光镂刻：上、下两层不锈钢箔带在经过激光镂刻台时，激光切割器会根据预先设定好的流道形状在不锈钢箔带材料上进行切割，进而制备出具有流道形状的镂空箔带，至此上下层箔带分别被命名为第一镂空层与第二镂空层，且流道完全贯穿镂空箔带；中间的一层不锈钢箔带不经过激光镂刻台，不需要被切割，被命名为中间层；所述流道的深度为0.3-0.6mm，平均宽度为0.4-0.6mm；
4）不锈钢箔带校正：经过步骤3）处理的三层不锈钢箔带一起通过校正滚子对，使两层镂空层箔带的流道关于中间层呈对称形态，此环节将实现第一镂空层与第二镂空层上流道结构的对正，尽量减少因材料位置错动而引起的最终成形的双极板两侧流道错位；
5）高温滚压：校正后的不锈钢箔带经过高温滚压滚子对，第一镂空层、第二镂空层和中间层接触面上出现固融状态，各层材料在接触界面上出现相互融合，进而使得三层箔带焊接成为一层两侧具有特定流道结构的带料；所述高温的温度取值为1050-1150°；
6）剪切冲裁：带料被传送至剪切冲裁工位，根据双极板尺寸的设计要求，冲裁机带料进行剪切冲裁；经过剪切冲裁后，得到的具有特定流道结构的不锈钢薄板就是质子交换膜燃料电池双极板。
2. 根据权利要求1所述的用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法，其特征在于：步骤1）中，不锈钢箔带的厚度为0.3-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法，其特征在于：步骤1）中，所述不锈钢箔带为316L不锈钢箔带。
4.根据权利要求1所述的用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法，其特征在于：步骤3）中，激光镂刻时，激光偏移竖直方向的角度为30°；以获得在垂直于流道方向的横截面上，相邻的肋板和流道面积的比值为1:1的流场。
5.根据权利要求1所述的用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法，其特征在于：步骤3）中，第一镂空层、第二镂空层及中间层的厚度为0.4-1.5mm的不锈钢。
6.根据权利要求1所述的用于质子交换膜的燃料电池双极板滚压加工方法，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池双极板的流场形式为指叉形流场或平行流场。
7.一种根据权利要求1-6任一项制成的用于质子交换膜的燃料电池双极板, 其特征在于：所述双极板包括中间层及关于中间层对称且设置于中间层上下表面的第一镂空层与第二镂空层，第一镂空层与第二镂空层上均切割有若干流道，若干流道形成流场。
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