CN104647192B - 一种双极板表面微流道的有序固着研磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双极板表面微流道的有序固着研磨方法，其包括研磨盘磨料的排布和研磨盘与工件的转速比的设定，所述研磨盘磨料的排布为一螺旋形排布结构，且在研磨盘与工件转速比为1:1时，得到有效面积率为67.6%的适宜作为双极板表面微流道的研磨轨迹，有序固着研磨的高效率、低成本能够实现微型燃料电池双极板加工的产业化。

Description

一种双极板表面微流道的有序固着研磨方法
技术领域
本发明提供一种双极板表面微流道的有序固着研磨方法，特别涉及质子交换膜燃料电池金属双极板表面微流道的加工成型方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)因其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。与热机相比，燃料电池的化学能直接转化成电能，不需要初步转化成热能。因此，转化不受卡诺循环的限制，理论上可以实现90％转化的高效率。
双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件，需满足如下有求：(1)实现电池间电的联接；(2)排除电池内化学反应产生的废热；(3)分隔燃料和氧化剂。流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应物和生成物提供进出通道，流道结构决定反应物与生成物在流场内的流动状态，要保证质子交换膜燃料电池正常运行，必须使电极各处均能获得充足的反应物，并及时将生成的水排出，因此双极板的流场对质子交换膜燃料电池的性能有很大的影响。
燃料电池双极板的传统加工方法是机械加工，但微型燃料电池的体积较小，其流道尺寸将变得更小，传统的加工方法已不能满足。微机电系统(MEMS)技术的快速发展为制作微型燃料电池双极板提供了新方法，MEMS技术是指运用微电子加工技术和微机械加工技术，在较小的物理尺寸上集成了微机械元件、微电子元件、微机械执行器、微传感器、电路和供能部件的器件或是系统，例如刻蚀、激光加工、冲压成形等工艺也被运用至微型燃料电池双极板的加工中。
刻蚀、激光加工、冲压成形、MEMS等工艺都被应用于微型燃料电池双极板的加工，但是这些制备工艺加工效率低、成本高，不适于批量化生产，制约了微型燃料电池的商业化，也表明了双极板的设计和加工理论体系还不完善。
有序固着研磨作为一种高效率、低成本的加工方法，已经广泛用于各个领域，引入到微型燃料电池双极板的加工，能够实现更加快速高效并且低成本的商业化应用。
发明内容
本发明的目的在于解决：针对常规刻蚀、激光加工、冲压成形、MEMS等应用于微型燃料电池双极板的加工工艺的高成本，低效率，有序固着研磨的高效率、低成本能够实现微型燃料电池双极板加工的产业化。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案：一种双极板表面微流道的有序固着研磨方法，包括研磨盘磨料的排布和研磨盘与工件的转速比的设定，所述研磨盘磨料的排布为螺旋形排布结构。
作为优选，所述研磨盘直径为460mm，所述研磨盘圆心处有直径为100mm的通孔，所述研磨盘磨料通过磨料钎焊固定在研磨盘表面，所述磨料钎焊从研磨盘内径140mm处开始至420mm处。
作为优选，所述螺旋排布方式的螺旋线基本方程为：ρ＝50+2*θ，其中θ＝[0，80]，在螺旋方程的基础上将其进行划分，所述螺旋线总共经过12个完整的圆周，且未满13个圆周，所述螺旋线包括内圈与外圈，所述内圈为6个完整圆周，所述磨料钎焊为金刚石钎焊，所述内圈上的金刚石钎焊间隔为30°，所述外圈金刚石钎焊间隔分别为20°。
作为优选，所述研磨盘与工件转速比为1∶1时，得到有效面积率为67.6％研磨轨迹。
本发明的有益效果是：研磨盘磨料的排布采用螺旋形排布结构，螺旋线总共经过12个完整的圆周，且未满13个圆周，螺旋线包括内圈与外圈，内圈为6个完整圆周，内圈上的钎焊间隔为30°，所述外圈金刚石钎焊间隔分别为20°，当研磨盘与工件转速比为1∶1时，得到有效面积率为67.6％研磨轨迹，根据均匀性评价、分形维数评价和开孔率评价得出图所示螺旋形排布结构较常规圆周分布和矩形分布的结构的研磨轨迹更适宜双极板表面微流道的加工成型，有序固着研磨的高效率、低成本能够实现微型燃料电池双极板加工的产业化。
附图说明
图1是本发明研磨盘磨料的排布示意图；
图2是本发明实施例中主动驱动固着磨粒研磨原理示意图。
图中：1、研磨盘；2、研磨盘磨料；3、金刚石钎焊；4、通孔。
具体实施方式
参照图1至图2所示，本发明提供一种双极板表面微流道的有序固着研磨方法，其包括研磨盘磨料2的排布和研磨盘1与工件的转速比的设定，所述研磨盘磨料2的排布为一螺旋形排布结构；
所述研磨盘1直径为460mm，所述研磨盘1圆心处有直径为100mm的通孔4，所述研磨盘磨料2通过磨料钎焊固定在研磨盘1表面，所述磨料钎焊从研磨盘1内径140mm处开始至420mm处；
所述螺旋排布方式的螺旋线基本方程为：ρ＝50+2*θ，其中θ＝[0，80]，在螺旋方程的基础上将其进行划分，所述螺旋线总共经过12个完整的圆周，且未满13个圆周，所述螺旋线包括内圈与外圈，所述内圈为6个完整圆周，所述磨料钎焊为金刚石钎焊3，所述内圈上的金刚石钎焊3间隔为30°，所述外圈金刚石钎焊3间隔分别为20°；
所述研磨盘(1)与工件转速比为1∶1时，得到有效面积率为67.6％研磨轨迹。
磨料选取为金刚石磨粒，采用的钎焊方式为孔模板技术，所用金刚石粒径为0.6mm，排布方式为螺旋排布。
研磨方式是主动驱动定偏心单面研磨方式，实际操作的机器为研磨机Nano-Max型智能研磨抛光机，由于其加工方式为被动驱动，故将其进行改装，成为主动驱动方式。
选取的工件为半径90mm、厚度2mm的圆盘，材料选用为不锈钢。由于实际的待加工工件是电火花切割而来的，其工件待表面平整度较差，边缘大多存在毛刺，因此需要对其进行粗研使其被加工表面满足作为微型燃料电池双极板的要求。在粗研过程中，其驱动方式为被动式驱动，其中研磨盘转速为10r/m，加工10小时后，工件加工表面无明显缺陷，且平整，能够用于微型燃料电池双极板的制作。
通过正交实验研究不同工艺参数对加工质量及加工效率的影响。双极板的质量(开孔率)主要在于其流道的形状与大小，它们基本形态由所选金刚石形状与粒度所决定，但加工时间、载荷与转速都会对双极板流道的形状与大小产生影响，这属于3因素正交实验，取3个水平，则正交试验次数为9次。表1为这不锈钢双极板正交实验结果数据。
表1
综合分析得出，不锈钢加工时间的选择为300s，其余载荷选为94.4kpa，转速选为40r/min，不锈钢工件的开孔率为48.96％(仿真开孔率为50.17％)，与仿真相比误差分别为2.4％，误差较小，说明仿真与试验过基本符合。不锈钢材料的流道宽度基本都偏小，是因为不锈钢材料较硬，金刚石磨损较大，且由于加工时间较长误差明显，在整个工件开孔率达到50％左右时，流道宽度不足0.6mm，均匀约为0.554mm，误差为7.67％。这说明主动驱动有序固着研磨工艺能够完成不锈钢微型燃料电池双极板的加工，若选用硬度更小的材料，加工效果更佳。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (2)

1.一种双极板表面微流道的有序固着研磨方法，其特征在于：其包括研磨盘磨料(2)的排布和研磨盘(1)与工件的转速比的设定，所述研磨盘磨料(2)的排布为一螺旋形排布结构，所述研磨盘(1)直径为460mm，所述研磨盘(1)圆心处有直径为100mm的通孔（4），所述研磨盘磨料(2) 通过磨料钎焊固定在研磨盘（1）表面，所述磨料钎焊从研磨盘(1)内径140mm处开始至420mm处，所述螺旋排布方式的螺旋线基本方程为：ρ =50+2*θ，其中θ=［0,80］，在螺旋方程的基础上将其进行划分，所述螺旋线总共经过12个完整的圆周，且未满13个圆周，所述螺旋线包括内圈与外圈，所述内圈为6个完整圆周，所述磨料钎焊为金刚石钎焊（3），所述内圈上的金刚石钎焊（3）间隔为30°，所述外圈金刚石钎焊（3）间隔分别为20°。
2.根据权利要求1所述的一种双极板表面微流道的有序固着研磨方法，其特征在于：所述在研磨盘(1)与工件转速比为1:1时，得到有效面积率为67.6%研磨轨迹。
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Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

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Denomination of invention: An ordered fixed grinding method for surface microchannels of bipolar plates

Granted publication date: 20170405

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