[发明专利]一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及微型燃料电池技术领域和激光微加工领域，具体是一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法和装置。

背景技术

现代工业能源需求大幅上升，矿物燃料燃烧时释放出的有害物质正在导致生态环境的不断恶化，绿色能源的研制开发十分迫切。燃料电池是一种等温并直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高，具有广阔的应用前景。

PEMFC的构成包括阴阳极集流板(流场板)、气体扩散层、催化层和质子交换膜等。双极板是PEMFC的关键部件之一，其质量占到电堆总质量的70％，成本约占60％以上。复合石墨板、柔性石墨及薄层金属板都是很有潜力的双极板材料，而薄层金属双极板不仅易于实现批量生产，降低电堆成本，而且能大幅度提高电堆比功率，是最有竞争力的极板材料。金属双极板一般应具有以下特点：抗腐蚀性要强(<1μA/cm2)，以保证电池组的寿命(一般为几千至几万小时)；最好选用适于批量生产的加工工艺以降低电池组成本(6美元/kW)；厚度要薄(t≤0.2mm)；质量要轻(m≤1kg/kW)；尺寸精度要高。

但是，由于流道的特征尺寸一般在50～500μm，金属流场板的特征尺寸的微型化和高精度要求对其成形提出了挑战，在微尺度下(至少在两个方向上尺寸处于亚毫米量级)材料的力学性能和成形过程会表现出与传统尺度不同的特点，也就是尺度效应。尤其是微型PEMFC中的流场板承受高温、强腐蚀、多场耦合和压力交变的的复杂服役环境，对基材选用材料、流场形状、成形工艺和精度等都提出了更高要求，增加了微型流场板的成形难度。

经检索国内外相关技术文献发现微型PEMFC流场板成形工艺方法的专利和技术报道为数不多。Shuo-Jen Lee(Journal of Power Sources.2005，145:369～375)提出利用电铸工艺来成形不锈钢SS304金属流场板上的微观特征；Yu-Ming Lee(Journal of Power Sources.2009，193(1):227～232)研究了采用电化学微细加工对质子交换膜燃料电池金属流场板的成形；Masanori Yokoyama(International Journal of Hydrogen Energy.2008，20(33):5678～5685.)研究了金属玻璃双极板的热压成形方法。美国Ian W.Kaye申请专利：High surface area micro fuel cell architecture(具有高表面积的微燃料电池结构)，公开号为US20050255368A1，专利中提到微燃料电池的微流道加工是采用晶片加工技术实现的。中国专利1787261A提出的“一种冲压金属双极板结构及其制备方法”，是利用铣床加工出流道，然后冲压成形金属双极板，流道加工效率低下，不适用于微流道的加工。公开号为CN1933221中国专利提供的自呼吸式微型质子交换膜燃料电池的阴极流场板及制作方法，是利用微电子机械系统(MEMS)技术在硅片上加工流场板。大连理工大学刘冲申请专利：一种制备微型燃料电池金属流场板的制作工艺，公开号为CN101222057的专利是通过光刻和化学蚀刻方法在金属表面加工微细结构，从而形成具有各种形状流道的流场板。

目前报导的关于燃料电池金属流场板的研究和专利采用的成形工艺主要有塑性成形工艺中的辊压成形、液压胀形与压力焊成形，还有其他基于微纳器件加工的方法，包括化学刻蚀成形、液态成形技术。但随着微型流场板上流道的微型化，微型凸模与凹模的加工难度和成本急剧上升，加工效率低下，不适用于微流场板的低成本批量制造。

自20世纪60年代激光技术问世以来，激光加工技术发展迅速，利用激光技术对材料进行改性和成形是激光最主要的工业应用之一。国内外已有较多的基于激光冲击的成形和材料改性的专利技术报道，但是都是围绕如何利用激光冲击成形提高金属材料的残余压应力的方法和装置，以及基于激光冲击的宏观成形方法，如冲孔、弯曲、快速成形模具、压制、去毛刺等成形方法。