微型燃料電池雙極板成形工藝的研究進(jìn)展

許楨英，張園園，王 勻，丁 盛，尹必峰

(江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

微型燃料電池雙極板成形工藝的研究進(jìn)展

許楨英，張園園，王 勻，丁 盛，尹必峰

(江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

微型燃料電池是未來可移動電源的主流，但是其雙極板成形工藝成為燃料電池推廣應(yīng)用的主要制約之一。介紹了微型燃料電池雙極板的成形工藝，包括基于微沖壓等常規(guī)的塑性變形手段，基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)的微加工技術(shù)和非傳統(tǒng)加工工藝，展望了未來微型燃料電池雙極板成形工藝的發(fā)展趨勢。

微型燃料電池；微成形工藝；雙極板

隨著微機電系統(tǒng)和便攜式電子系統(tǒng)功能集成規(guī)模和能耗的提高，對所配置的動力電源性能提出了更高要求，傳統(tǒng)鎘鎳、氫鎳和鋰離子電池等內(nèi)部電池已難勝任微電子產(chǎn)品的發(fā)展要求，亟需開發(fā)清潔經(jīng)濟的高容量可替代能源。由于燃料電池具有小體積、高性能、綠色環(huán)保等獨特優(yōu)勢，在筆記本電腦、手機、掌上數(shù)字助理PDA(Palm Digital Assistant)等小型移動通訊設(shè)備以及便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域，微型燃料電池被認(rèn)為是可取代現(xiàn)有低耗電子產(chǎn)品內(nèi)部電池的移動式替代電源[1-2]，圖1為燃料電池實物手機充電器。

圖1 燃料電池實物手機充電器

燃料電池由含催化劑的陽極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成，是一種把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，圖2為燃料電池剖面圖。其中雙極板是燃料電池的重要部件，其兩面都有加工出的流道，起著分布反應(yīng)氣、收集電流、機械支撐、水熱管理以及分隔陰陽兩極反應(yīng)氣的重要作用，同時雙極板占了整個燃料電池堆總質(zhì)量的60%～80%和電堆成本的30%～45%，成為了制約燃料電池市場化的瓶頸[3]，目前雙極板成為重要研究方向之一。

圖2 燃料電池剖面圖

1 微型燃料電池雙極板的成形工藝

傳統(tǒng)的燃料電池流場的加工方法是機械加工方法，而當(dāng)電池的體積變小時，流道的尺寸也需進(jìn)一步變小，如圖3所示的微流道結(jié)構(gòu)。對于微小型燃料電池，其流場加工方法就不同?，F(xiàn)今國內(nèi)外對流場板制造的研究主要分為三種：基于微沖壓等常規(guī)的塑性變形手段、基于MEMS(如激光微細(xì)加工、光刻、硅微加工、化學(xué)蝕刻、電化學(xué)蝕刻等)的微加工技術(shù)和非傳統(tǒng)加工工藝。

圖3 微流道結(jié)構(gòu)

1.1 微型燃料電池雙極板的塑性加工工藝

在傳統(tǒng)的沖壓成形技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了各種微型燃料電池雙極板塑性成形工藝。上海交通大學(xué)提出一種基于輥壓成形的質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)金屬雙極板制造方法[4]，即根據(jù)所設(shè)計的雙極板結(jié)構(gòu)形式，通過映射加工生成所有輥子對，然后在一條連續(xù)的生產(chǎn)線上同時進(jìn)行兩個單極板的極板輥壓，再連接兩個單獨的單極板形成雙極板。美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)開發(fā)出了液壓脹形與壓力焊成形工藝[5]，一個工步即可完成陰極板和陽極板的液壓脹形和焊接成形。武漢理工大學(xué)也對金屬雙極板的軟模成形進(jìn)行了研究[6]，其原理為：用橡膠板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)沖壓成形中的一個鋼模，在成形過程中，鋼模在液壓機作用下運動，擠壓橡膠，使橡膠產(chǎn)生變形，在摩擦力作用下與板料一起填充滿模具型腔。瑞典Cell Impact公司[3]的Cell Impact沖壓技術(shù)利用動能和高壓的瞬間產(chǎn)生絕熱軟化(adiabatic soften)效應(yīng)，使金屬以近乎液態(tài)的形式，快速、精確地充滿模腔，完成極板的一次性成形沖壓。來新民、倪軍[7]等人提出了“基于薄板沖壓成形的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板”，將兩塊流場單板作為燃料電池的陰極和陽極，中間一塊支撐薄板，其特點是流場單板是由沖壓工藝制成一體。Masanori Yokoyama[8]等人采用金屬玻璃作為質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的材料，在過冷流態(tài)下熱壓成形，并通過實驗表明使用這種方法成形的雙極板，性能優(yōu)于SUS316雙極板。

1.2 微型燃料電池雙極板的MEMS加工工藝

微機電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù)具有微小性(體積小和質(zhì)量輕)、高加工分辨率(小于1 mm)、加工重復(fù)性、可操作性、集成性優(yōu)異等優(yōu)點[9-11]，比較適用于燃料電池關(guān)鍵零部件加工中應(yīng)用。基于MEMS技術(shù)的微型燃料電池包括激光微細(xì)加工、光刻、硅微加工、化學(xué)蝕刻、電化學(xué)蝕刻等。大連理工大學(xué)和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所也對微流道加工進(jìn)行了相應(yīng)的研究，提出了利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在硅片上加工流場板的方法，即通過光刻和化學(xué)蝕刻法在金屬表面加工微細(xì)結(jié)構(gòu)流道等。

(1)光刻術(shù)

此方法首先在基質(zhì)材料上涂覆光致抗蝕劑(光刻膠)，然后利用高分辨率能量束來通過掩膜對光致蝕層進(jìn)行曝光或稱光刻。顯影后，在抗蝕劑層上獲得了與掩膜圖形相同的極微細(xì)的幾何圖形。再利用其他后續(xù)方法，在工件材料上制造出微型結(jié)構(gòu)。目前光刻術(shù)中主要采用的曝光技術(shù)有電子束曝光技術(shù)、離子束曝光技術(shù)、X射線曝光技術(shù)和紫外準(zhǔn)分子曝光技術(shù)[12]。光刻可以結(jié)合機械加工方法制造交指形流道，也可以在微型燃料電池極板上光刻多流道，表面無毛邊也無應(yīng)力，但是光刻成本較高。Lu等[13]利用光化學(xué)刻蝕技術(shù)加工500μm厚不銹鋼材料制作微DMFC雙極板，并在其表面沉積0.5μm的Au來降低內(nèi)阻和止腐蝕，常溫和60℃條件下電池最大功率密度分別達(dá)到34和100 mW/cm2，優(yōu)于硅基微DMFC的性能[14]。

(2)蝕刻技術(shù)

蝕刻通常分為等向蝕刻和異向蝕刻。等向蝕刻可以制造任意橫向幾何形狀的微型結(jié)構(gòu)，高度一般為幾微米，僅限于制造平面形結(jié)構(gòu)。異向蝕刻可以制造較大縱深比的三維空間結(jié)構(gòu)，其深度可達(dá)幾百微米，包括化學(xué)異向蝕刻、離子束蝕刻、激光蝕刻。Larry J.Markoski公開了激光微造型和化學(xué)腐蝕微流道的加工方法。臺灣元智大學(xué)元智燃料電池研究中心對金屬雙極板的電化學(xué)刻蝕成形(EMM)進(jìn)行了研究[15]，模擬了電化學(xué)刻蝕成形過程，并在SS316薄鋼板上刻蝕出蛇形流場。

(3)LIGA技術(shù)

LIGA工藝是一種基于X射線光刻技術(shù)的MEMS加工技術(shù)。LIGA技術(shù)所加工的幾何結(jié)構(gòu)不受材料特性和結(jié)晶方向的限制，可以制造由各種金屬材料、塑料制成的微機械[16]。LIGA技術(shù)包括三個工藝流程：深層同步輻射x射線光刻、電鑄成形、注塑。LIGA技術(shù)最大特點是能加工高深寬比的微結(jié)構(gòu)和材料的適用性。在LIGA技術(shù)上發(fā)展了準(zhǔn)LIGA技術(shù)，如用紫外光刻的UV-LIGA，用激光燒蝕的Laser-LIGA，用硅深蝕刻工藝的Si-LIGA和DEM技術(shù)，以及用等離子束蝕刻的IB-LIGA等[17]。Hsieh等[18]用銅作極板來制作微型質(zhì)子交換膜燃料電池堆，使用類似于X光深刻模造法(LIGA)的微型制作過程來深度紫外光刻得到SU-8流場模型。

1.3 微型燃料電池雙極板的非傳統(tǒng)加工工藝

特種加工(又稱非傳統(tǒng)加工)是有別于傳統(tǒng)切削與磨削加工方法的總稱。特種加工方法可以完成傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的加工，如高強度、高韌性、高硬度、高脆性、耐高溫材料和工程陶瓷、磁性材料等難加工材料的加工以及精密、微細(xì)、復(fù)雜形狀零件的加工[19]。加工為非接觸式加工，機械作用力不明顯，加工變形小，因而可以保證較高加工精度。

燃料電池雙極板可以利用電火花加工(EDM)，即利用工具電極與工件電極之間的火花放電，產(chǎn)生瞬時高溫將金屬熔化[20]。制作燃料電池雙極板也可以采用美國俄亥俄州利馬的American Trim LLC公司開發(fā)出電磁成型方法(EMF，Electromagnetic Field)，即當(dāng)強大的電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，當(dāng)磁場接近導(dǎo)電材料時，導(dǎo)電材料將產(chǎn)生極性相反的電流，并且由于同極相斥，導(dǎo)電材料會產(chǎn)生遠(yuǎn)離線圈的加速度。將金屬板料裝夾在模具中，通過所產(chǎn)生的壓力成型燃料電池雙極板，并且這種技術(shù)比傳統(tǒng)沖壓成型耗能更低，將獲得更大的拉伸效應(yīng)。另外，Yu-Ming Lee等人[21]研究了采用金屬材料作為質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的成形，采用電化學(xué)微細(xì)加工(Electrochemical Micro-Machining)的方法成形，發(fā)現(xiàn)采用低脈沖速率，高脈沖電流能顯著改善成形件的精度。Shuo-Jen Lee等[22]人提出利用電鑄工藝來成形不銹鋼SS304金屬雙極板上的微觀特征。

江蘇大學(xué)提出了累積成形法，通過固定裝置將板料放置在二維移動平臺上，并加以固定，如何利用計算機程序控制加載機構(gòu)實現(xiàn)向移動，并帶動成形模頭向下運動，完成對板料的向加載，由二維平臺步進(jìn)電機控制器實現(xiàn)平臺軸方向的運動以完成最后的成形。如圖4利用光學(xué)輪廓儀拍攝的流道某截面的高度分布圖。

圖4 成形流道截面高度分布圖

2 總結(jié)

在加工燃料電池雙極板時，用沖壓成形等常規(guī)塑性變形手段需要針對不同的流道設(shè)計加工凸模與凹模，而且隨著微型流場板上流道的微型化，微型凸模與凹模的加工難度和成本急劇上升，適合加工的流道尺度受到限制。MEMS加工工藝中LIGA技術(shù)需要昂貴的同步輻射X射線光源和X射線掩模板，設(shè)備投資較大，并且加工周期較長。目前，國內(nèi)外對微型燃料電池流場板加工方法的研究大多在宏觀領(lǐng)域，而且由于極板流道通常是有多組流道、氣體出入口和密封槽等構(gòu)成，利用目前的電火花特種加工或者機械加工技術(shù)效率低、加工成本高且不能適合大規(guī)模批量生產(chǎn)。各種成形工藝都有其優(yōu)缺點，因此將多種加工方法相互結(jié)合，揚長避短，共同加工微型燃料電池雙極板成為一個重要發(fā)展方向。

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Research progress of forming process of bipolar plate for micro fuel cell

XU Zhen-ying,ZHANG Yuan-yuan,WANG Yun,DING Sheng,YIN Bi-feng

The micro fuel cell is the mainstream of the future mobile power,but the forming process of bipolar plate hinders the application of fuel cell.The forming process of bipolar plates for micro fuel cell was introduced,including regular plastic deformation means based on micro stamping and so on，micro processing technology based on MEMS and non-traditional machining process.The development trend of forming technology of future micro fuel cell bipolar plate was looked forward.

micro fuel cell;micro-forming process;bipolar plate

TM 911

A

1002-087 X(2015)04-0861-03

2014-09-01

國家自然科學(xué)基金(50975126)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2010042)；江蘇省“333工程”科研項目(BRA2011180)；江蘇省光子制造重點實驗室基金（GZ201104）

許楨英（1977—），女，江蘇省人，博士，教授，主要研究方向為微成形控制及質(zhì)量檢測。