[发明专利]一种燃料电池金属阴极板表面微结构的成型方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池金属阴极板表面微结构的成型方法，先是采用压电制动器加载材料微变形法对机械和电器系统的滚轮进行精度设计，然后完成200μm级微沟槽设备的研发工作，得到符合其机电精度的机械结构和伺服控制系统；本发明提出了解决加工双层阴极板孔隙的方法，提出了可压制200μm级孔隙的滚头的加工方法，最后将机械微滚压加工法与实时压电制动相结合，一次滚压成型200μm级表面孔隙微结构，生产效率高，尺寸控制精确，易于大批量制备金属表面织构。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池金属阴极板表面孔隙微结构的成型方法。

背景技术

目前燃料电池的金属阴极板均使用单层结构，阴极板流场进出口压差过低，大部分气体从出口流出，导致反应气体渗入反应膜中效率较低，降低了功率密度，在流场中加工凸起亦不理想。

日本丰田公司提出了一种如图1所示的双层3D“瓦片状”流场结构，流体从层间腔中流过，其中箭头方向为反应气体流向，一部分流向孔隙，即进入反应膜中。在底层（贴近反应膜层）开孔隙后压模形成带倒鳞状孔的三维流场，反应气体经倒鳞状孔进入膜中。这种三维结构与传统通过冲压制造的二维结构相比，可大大加强反应气体渗入膜中效率，增加了功率密度，对于气体流场尤其是阴极流场设计有重要意义，是一种未来的流场板设计方向。

然而，以三维流场的成型对金属阴极板表面孔隙加工要求高，目前滚压加工或冲压加工方法无法达到成型精度要求。

发明内容

本发明在于提供一种新型燃料电池金属阴极板表面孔隙微结构的成型方法，该方法系统体积小，无污染，成本低，尺寸控制精确，易于大批量制备金属表面织构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池金属阴极板表面微结构的成型方法，包括如下步骤：

步骤1，根据目标金属阴极板表面三维流场的孔隙形状和大小，确定加工用预制齿滚轮的规格；

步骤2，设计出预制齿滚轮的具体结构；

步骤3，根据微滚压成型原理，加工出200μm级预制齿滚轮：采用NSK 200μm高速铣刀通过变方向切槽技术，分度选择滚轮成形主方向，直接在不锈钢表面铣削，将复杂形状沟槽分解成若干简单形状依次成型，完成得到预制齿滚轮；

步骤4，检测加工好的预制齿滚轮，如果不合格，则对照步骤2的设计结构再次分度铣削，直至检测合格；

步骤5，采用离子束注入方法对200μm级预制齿滚轮进行强化处理，使其表面应力达到5-10GPa；

步骤6，根据目标金属阴极板表面三维流场以及预制齿滚轮的参数，确定加工机械结构和伺服控制系统的机电精度；

步骤7，设计出满足加工压痕深度（50-100μm）和间隙要求的带反馈调节器的微滚压机械系统；

步骤8，通过预制齿滚轮上下啮合的方式，在金属阴极板表面一次滚压，直至制备出200μm级的表面孔隙微结构，得到具有三维流场表面微结构的燃料电池阴极板。通过改变预制齿滚轮上预制齿的排布、进给及形状，制造其他结构的三维流场板。

进一步，所述的步骤8中采用材料挠度变形压电制动控制和传感技术对滚压过程中对压力—滚轮间隙进行实时监测，控制整个滚压过程中压力分布，使其均匀一致。

本发明的积极有益效果：本方案先提出微滚压方法，然后设计一种带有预制齿滚轮和反馈调节器的微滚压机械系统，通过滚轮上下啮合在金属板表面一次滚压制备200μm级表面孔隙微结构，成功的解决了0.1mm金属薄板的200μm级精度三维结构成型。该系统体积小，无污染，成本低，尺寸控制精确，易于大批量制备金属表面织构。

附图说明

图1为现有金属阴极板表面微结构的局部示意图；