[发明专利]采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法及其平板电极

说明书

技术领域

本发明采用平板电极电解转印加工金属双极板表面微流道的方法，属电解加工技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是以氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，将化学能直接转化为电能的发电装置。作为氢能的理想转换装置，PEMFC以其高比功率、高转化效率、低环境受到了各国研究机构以及各大汽车公司的广泛关注。自上世纪90年代以来，PEMFC 技术发展迅速，现在正处在商品化的前夜。双极板是PEMFC 的核心部件之一，具有隔离并均匀分配反应气体、收集并导出电流、串联各个单电池等功能。其质量占电池组的60%以上，成本占电池组30%-45%。理想的双极板应具有较高的导电导热性、耐腐蚀性、低密度、高机械强度、高阻气能力，以及低成本、易加工等特点。金属材料具有良好导电导热性能好，而且强度高，资源丰富，可以显著降低双极板厚度，是理想的PEMFC双极板材料，采用金属材料制备双极板被认为是PEMFC 产业化的必然选择。

金属双极板表面的成形微流道是制造金属双极板的最主要难点。有效的双极板表面流道加工技术是PEMFC商业化的重要保障。双极板表面流道通常是由宽度为1mm左右，深度为数百微米的流道组成，属于典型的Micro/Meso加工任务。

目前，国内外提出了多种的金属表面微流道的加工方法，每一种加工方法都有其独特的优势，同时也存在着某些局限性。

冲压成形是制作双极板的一个有效快速的手段。SASAWAT等研究人员系统研究了金属双极板冲压成形与液压成形的成形性和成形表面质量, 试验结果表明冲压和液压成形在制造具有阵列形微沟槽的薄金属双极板方面是可行的，但是金属双极板成形过程中，板料容易引起变形，需要采取先成形再整形的方法解决板料局部变形问题。LIU等研究人员研究用橡胶垫软模成形加工金属双极板表面微流道, 也取得了较好的效果, 但是对于加工复杂截面形状或拔模度较小、圆角较小的沟槽结构时, 该工艺的成形性能以及局部变薄的情况有待进一步验证。Hung等研究人员提出采用微细电火花加工技术加工金属双极板表面的微流道结构，采用该阵列凸起电极在工件上反拷加工出流道结构，由于电火花加工是和激光加工一样利用热能蚀除工件，工件受热易发生变形，同时电火花的加工速度慢，工具电极亦存在严重的损耗，使用寿命较短。德国Schreck等研究人员采用激光技术在不锈钢表面加工了不同的流道结构，但激光加工也存在着不足之处，由于激光加工属于热作用过程，被加工材料在激光的高温作用下达到气化温度后，在高压蒸汽的作用下，液态材料被喷出，而残留在工件材料表面上的熔融物遇冷凝固后形成“翻边”现象。通常采用特殊光整加工工艺去除“翻边”再铸层，常用的方法有磨料气射流加工技术和化学研磨技术。

近几年，国内外很多专家特别关注微细电解加工技术，期望利用其独特的加工原理和特性解决这类零件的微制造难题，从原理上来讲，微细电解加工具有非接触、与材料硬度强度无关、无切削力等优点，从而可以保证加工后工件无应力变形。

日本东京农业大学Wataru Natsu等研究人员采用电射流技术(Electrolyte Jet Machining, EJM)进行表面织构加工研究，并利用电场仿真研究了电液束到工件表面的电场分布和阳极蚀除机理。该工艺由于阴阳极距离较远，需采用较高的加工电压，直接高压电解液射流冲击阳极工件表面来完成对工件材料的溶解。电射流加工技术可以准确地在平面和曲面加工各种表面沟槽和微坑结构，但是该工艺属于单点或单排加工，当需要加工群坑或者群缝结构时，加工效率比较低。

提高电解加工阵列微流道的加工效率的有效方法是制作群电极进行电解加工。台湾LEE等研究人员采用成形群电极进行电解加工微流道。该研究小组基于加工间隙内的电场模型进行数值分析，模拟了该加工方式下微流道的成型过程，但是电解加工过程中，加工间隙内的流场分布是影响电解加工稳定性和加工精度的主要因素。通常电解加工过程中，应保证电解液在缓变的通道中流过，保证较好的均匀性，但是采用这种加工方式加工过程中，当电解液在加工通道内高速流过时，电解液通道截面大小不断交替突变，从而会造成加工区域流场混乱，使加工过程不稳定，甚至会引起短路等意外情况。