介質(zhì)尺度微溝槽金屬雙極板及其沖壓模具技術(shù)概述

摘 要：當(dāng)下存在大量雙極板制備這一領(lǐng)域的研究，大部分都存在于金屬類材質(zhì)的原材料選用上，還包括在其選材上不改變其材質(zhì)性能，繼而賦予其新的性能等領(lǐng)域，金屬雙極板加工方式這一領(lǐng)域?qū)儆谛矢撸杀镜偷难芯?，但是卻很少有基于該領(lǐng)域的研究。本文以能源環(huán)保為核心，對(duì)我國(guó)以及存在于國(guó)外的有關(guān)金屬雙極板生產(chǎn)技藝所作出的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)行介紹，同時(shí)也對(duì)有關(guān)沖壓模具技術(shù)做出了介紹。

關(guān)鍵詞：能源；雙極板；電池；沖壓模具技術(shù)

1引言

隨著環(huán)境的不斷惡化，資源也逐漸匱乏，讓環(huán)境以及能源這兩大問(wèn)題成為了大家關(guān)注的熱點(diǎn)，要想維持我們更好的生存和發(fā)展，就必須做出改善。通常理想的經(jīng)濟(jì)模式包括陽(yáng)光經(jīng)濟(jì)、風(fēng)能經(jīng)濟(jì) 、 等形式，力求把能源損耗降到最低，追求最少的污染和排放量，這些都是低碳經(jīng)濟(jì)的核心關(guān)鍵，也是各大國(guó)家最為迫切的需求。作為全球最大的產(chǎn)氫國(guó)，我國(guó)一年就能產(chǎn)出大約一千萬(wàn)噸氫氣，同時(shí)我國(guó)也是全球擁有最多的儲(chǔ)氫材料的國(guó)家。我國(guó)的鄂爾多斯就擁有在國(guó)際上最大規(guī)模的產(chǎn)氫廠，一年的氫氣產(chǎn)量能夠達(dá)到十八萬(wàn)噸。所以我們國(guó)家基于氫能經(jīng)濟(jì)模式的發(fā)展上具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[1，2]。

質(zhì)子交換膜燃料電池是將氫作為原材料，這種電池可以將貯氫燃料，以及氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。它的?yōu)勢(shì)在于能夠快速的進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，具有清潔性能，十分靈敏，并且能夠快速的啟動(dòng)，噪音很小。它可以很好的替代內(nèi)燃機(jī)。但是就目前來(lái)看燃料電池所花費(fèi)的成本相對(duì)較高，達(dá)到了內(nèi)燃機(jī)的四到十倍。存在于該電池的全部組件中，使其商品化的關(guān)鍵阻礙是雙極板，由于它在電池堆中占據(jù)了百分之六十到百分之八十的重量，在花費(fèi)了百分之三十到四十的成本。當(dāng)下，石墨類、復(fù)合類，以及金屬等類型的材料是制造雙極板的關(guān)鍵材料。然而石墨類、復(fù)合類的材料比起金屬材料來(lái)說(shuō)，其可利用性，持久抗沖擊性能，以及滲透性能都相對(duì)較差，并且存在加工成本高，耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，但前兩種材料的可制造性、滲透性和耐久性均小于金屬，成形工藝復(fù)雜，制造成本高，加工時(shí)間長(zhǎng)，所以不適合成批生產(chǎn)[3]。同時(shí)也對(duì)制造薄小型的氫燃料電池造成了困難，阻礙了電池商業(yè)化發(fā)展。采取金屬生產(chǎn)出來(lái)的雙極板能夠成批的生產(chǎn)，同時(shí)能夠直接做成薄板。使得燃料電池所存在的比能量，包括比功率都得到很大提升，并且使其成本得到有效控制。在防腐金屬材料的不斷發(fā)展之下，耐腐蝕技術(shù)也得到不斷發(fā)展，因此十分急需研制出能夠使金屬雙極板在成本花費(fèi)較少，且效率較高的情況下制造出來(lái)的辦法，從而讓 金屬雙極板實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2介質(zhì)尺度微溝槽金屬雙極板概述

作為燃料電池的關(guān)鍵性構(gòu)造，雙極板涵蓋了冷卻板，以及增濕板，還有流場(chǎng)板，在電池組里，這部分組件占據(jù)了較大的體積和重量。雙極板基于電池堆里涵蓋了多種性能，包括[4-5]：（1）對(duì)電池在放電的時(shí)候，在燃料上，以及氧化劑上的需求進(jìn)行配置；（2）將電堆里的所有單電池產(chǎn)生反應(yīng)后形成的水進(jìn)行排放；（3）將電堆里的所有單電池進(jìn)行分離，對(duì)各單電池所存在的有關(guān)電流進(jìn)行采集；（4）對(duì)各單電池在運(yùn)行的時(shí)候，所存在的熱量進(jìn)行傳遞（5）避免氣體泄出，阻止冷卻液出現(xiàn)泄漏的情況；（6）機(jī)械支撐作用。所以在對(duì)雙極板的選用中，它的好壞會(huì)影響其使用年限，并會(huì)對(duì)有關(guān)功率造成直接的影響，因此它需要具備優(yōu)秀的理化作用，可以將反應(yīng)氣體進(jìn)行合理的配置；同時(shí)它需要具備優(yōu)秀的導(dǎo)電作用，能夠?qū)Ψ磻?yīng)電流進(jìn)行采集；在密閉性上也要足夠嚴(yán)密，從而保障電池組能夠安全的工作；在化學(xué)反應(yīng)上要具備穩(wěn)定性，并且擁有良好的抗腐蝕性能，可以維持整體運(yùn)作的安全。

根據(jù)以上介紹，當(dāng)下存在大量雙極板制備這一領(lǐng)域的研究，大部分都存在于金屬類材質(zhì)的原材料選用上，還有在其選材上不改變其材質(zhì)性能，繼而賦予其新的性能等領(lǐng)域中，金屬雙極板加工方式這一領(lǐng)域?qū)儆谛矢撸杀镜偷难芯?，但是卻很少有基于該領(lǐng)域的研究。然而近期隨著金屬雙極板的不斷地發(fā)展，其優(yōu)點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)，它所存在的制造工藝也得到了社會(huì)各界學(xué)者的重視。

在美國(guó)，康涅狄格大學(xué)的 等人，采取了電鍍和物理制程，也就是物理氣相沉積辦法，研發(fā)出具備抗腐性能的金屬雙極板。然而相關(guān)設(shè)施造價(jià)高昂，同時(shí)在制造時(shí)十分低效，污染較大，成本過(guò)高。

在日本，東北大學(xué)的 等人對(duì)在過(guò)冷態(tài)下的鎳基金屬玻璃實(shí)行熱壓鑄的方式成形雙極板。然而該類方式在制造過(guò)程中需要嚴(yán)苛的條件。

在臺(tái)灣，位于元智大學(xué)的 等人，基于電化學(xué)刻蝕法之上對(duì)金屬雙極板成形做出了有關(guān)研究。最初選取了有限元法，模擬了其成形經(jīng)過(guò)，得出電極上存在絕緣層的時(shí)候，能夠使得擴(kuò)散電流密度降低，讓產(chǎn)品在尺寸的精確性上有所改變?；赟S316型號(hào)的不銹鋼板上耗時(shí)五分鐘刻蝕成蛇形流場(chǎng)。

在大連市理工學(xué)院上學(xué)的劉沖同學(xué)以及他的團(tuán)隊(duì)伙伴運(yùn)用化學(xué)與電技術(shù)制造出十分細(xì)小的體系材料，并且將可以導(dǎo)電的材料涂層設(shè)置在其表層結(jié)構(gòu)上，從而也就誕生了材料的電池雙極金屬板?？墒沁@種方法制造生產(chǎn)的流程極其復(fù)雜，效率因此十分低下，并且制造出來(lái)的產(chǎn)品外觀存在極大的瑕疵，對(duì)使用體驗(yàn)有極大的影響，所以還需要二次加工使其完善，這就導(dǎo)致了其高成本高難度的特點(diǎn)。在華南理工學(xué)校做研究的萬(wàn)珍平運(yùn)用蝕刻的方法進(jìn)行分型微觀操作，并且還有激光技術(shù)的介入，從而生產(chǎn)出雙極板。不過(guò)這種技術(shù)還是存在極大的問(wèn)題，就比如說(shuō)它的生產(chǎn)率了，十分的低下，外形還存在極大的瑕疵，影響其正常使用，這就導(dǎo)致其復(fù)雜的生產(chǎn)性以及技術(shù)繁復(fù)的特點(diǎn)。作為上海交大的研究者，倪軍教授開(kāi)發(fā)了一種新的技術(shù)，這是一種運(yùn)用質(zhì)子進(jìn)行工作的電池技術(shù)，運(yùn)用能量轉(zhuǎn)化定理進(jìn)行工作。它的主要工

作流程就如下圖所示。

結(jié)合以上所說(shuō)的，與石墨以及復(fù)合型板材來(lái)講，這一種金屬的加工材料工藝簡(jiǎn)便，效率更高。這一技術(shù)在未來(lái)可能會(huì)成為市場(chǎng)的主流技術(shù)，并且這種技術(shù)的成品率十分的高，具有極其優(yōu)秀的特性。

3沖壓磨具技術(shù)概述

模具在發(fā)展的工業(yè)社會(huì)中進(jìn)行批量生產(chǎn)工作時(shí)，會(huì)發(fā)揮十分重要的作用。使用模具進(jìn)行生產(chǎn)工作，具有高效率、低消耗、高一致性、高精度以及高復(fù)雜程度的特征，在其他加工技術(shù)上遙遙領(lǐng)先。和沖壓成形做一比較，能夠得出其制造形式上存在低效的情況，在制造過(guò)程中需要嚴(yán)苛的條件，對(duì)所需的設(shè)施有較高的需求，會(huì)消耗大量的能源，有悖于低碳經(jīng)濟(jì)。有關(guān)電鍍和物理氣相沉積制程相關(guān)設(shè)施造價(jià)高昂，同時(shí)在制造時(shí)十分低效，污染較大，成本過(guò)高。同時(shí)生產(chǎn)的時(shí)候十分低效，會(huì)出現(xiàn)較多污染，成本也花費(fèi)較多。有關(guān)電化學(xué)刻蝕方面，其成效低，同時(shí)存在流場(chǎng)光潔度較低的情況，會(huì)改變氣體的流動(dòng)率，且后期要做出調(diào)整，導(dǎo)致工藝十分繁瑣，成本較高。與電化學(xué)刻蝕相似的電腦雕刻法，其工藝也較為繁瑣，并且要求模具具備較強(qiáng)的耐熱性，雖然具有高效性，然而無(wú)法確保它的平面度，在進(jìn)行燃料電池組裝時(shí)，會(huì)造成一定誤差。

橡膠墊軟模具備良好的成形效果，同時(shí)使用便捷高效，有關(guān)原理和液壓成形相同，然而在脫模的角度比較小，并且存在較小的圓角的情況之下的雙極板流場(chǎng)中，還需要更深的探究其性能，包括局部變薄的情況等。根據(jù)上面的介紹，各類加工形式都存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)，沖壓制造具備設(shè)備使用便捷高效的性能。根據(jù)有關(guān)功能，包括其模具的構(gòu)造進(jìn)行區(qū)分，沖模包括了單工序模，還有復(fù)合模，以及級(jí)進(jìn)模。均借由壓力機(jī)，把所沖的材質(zhì)置于凸、凹模中，基于壓力機(jī)運(yùn)作，讓材料開(kāi)始進(jìn)行變形分離，從而實(shí)現(xiàn)沖壓作業(yè)。

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作者簡(jiǎn)介：

許來(lái)濤（1987-），碩士研究所，講師，主要燃料電池雙極板的設(shè)計(jì)優(yōu)化與成形。

支持項(xiàng)目：介質(zhì)尺度微溝槽金屬雙極板沖壓模具技術(shù)研究（Y201636313）