[發明專利]一種用于質子交換膜的燃料電池雙極板及滾壓加工方法

有效

• 申請號: 201210554488.3
• 申請日: 2012-12-20
• 公開（公告）號: CN103022512A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 萬珍平;唐洪亮;李耀超;湯勇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及用于質子交換膜的燃料電池技術領域，特別涉及一種用于質子交換膜的燃料電池雙極板及滾壓加工方法。

背景技術

燃料電池是一種具有潔凈、無污染、噪聲低、能量轉化效率高等特點的能源裝置。燃料電池的基本組成部分包括電極、MEA組件和雙極板。雙極板具有收集電流、疏導反應氣體和分隔還原劑和氧化劑的作用。雙極板的性能取決于材料特性、流場的設計和加工技術。雙極板的研究是燃料電池中一個很重要的課題，因為雙極板約占整個質子交換膜燃料電池總質量的70％-80％，成本約占總成本的40％-50％。當前用于制作微流道的加工方法主要包括有反應離子刻蝕、光刻、電鑄及脫模技術（LIGA?技術）與微細切削加工技術等。

運用反應離子刻蝕技術加工雙極板時，等離子體中反應離子在微流道中的傳輸過程會隨著流道刻蝕深度的增加而越來越難接觸到刻蝕表面；而刻蝕表面反應的生成物也越來越難以從微流道里出來；因此，蝕刻過程中一般會出現刻蝕滯后、刻蝕停止、開槽效應和側壁彎曲等現象，而且目前用于反應離子刻蝕技術硅的刻蝕速率低，一般不大于22μm/min。

電鑄及脫模技術（LIGA?技術）是利用同步輻射X光在聚甲基丙烯酸甲酯上進行深度光刻，然后對光刻形成的結構進行電鑄，產生微型三維金屬夾具，再通過將各種材料澆鑄在金屬夾具中而形成各種微結構。但同步輻射光源和X光掩模板價格昂貴，限制了其廣泛應用。

微細切削加工技術目前主要包括微細車削和微細銑削加工兩種方式。微細切削加工技術對刀具材料具有很高的要求：刀具應具有高溫硬度高、耐磨、耐熱、和高溫強度好等的特性；同時，隨著最小直徑回轉的微細化，要求回轉刀具的抗彎強度、斷裂韌性與剛性均應較高。

綜上所述，蝕刻、化學腐蝕、機械加工等加工方法耗時長，成本高，工藝也比較復雜，難以大規模應用。

發明內容

本發明的發明目的是針對現有用于質子交換膜的燃料電池的技術不足，提供一種用于質子交換膜的燃料電池雙極板及滾壓加工方法。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

提供一種用于質子交換膜的燃料電池雙極板滾壓加工方法，是由三層不銹鋼箔帶通過激光鏤刻和熱滾壓復合加工而成。

優選地，1）開卷機供料：由三臺開卷機分別供應三層水平不銹鋼箔帶，開卷機供料速度需保持一致；每個開卷機供應的不銹鋼箔帶的厚度根據雙極板的結構設計需求而定，外層不銹鋼箔帶厚度和熱滾壓工藝決定了雙極板上最終形成的流場的流道的深度，三層不銹鋼箔帶的總厚度和熱滾壓工藝決定了最終形成的雙極板的厚度；

2）不銹鋼箔帶初定位：三層不銹鋼箔帶分別通過三對定位滾子對進行初步定位，定位滾子對用于保證箔帶材料的位置精度和平整性；

3）激光鏤刻：上、下兩層不銹鋼箔帶在經過激光鏤刻臺時，激光切割器會根據預先設定好的流道形狀在不銹鋼箔帶材料上進行切割，進而制備出具有流道形狀的鏤空箔帶，至此上下層箔帶分別被命名為第一鏤空層與第二鏤空層，且流道完全貫穿鏤空箔帶；中間的一層不銹鋼箔帶不經過激光鏤刻臺，不需要被切割，被命名為中間層；

4）不銹鋼箔帶校正：經過步驟3）處理的三層不銹鋼箔帶一起通過校正滾子對，使兩層鏤空層箔帶的流道關于中間層呈對稱形態，此環節將實現第一鏤空層與第二鏤空層上流道結構的對正，盡量減少因材料位置錯動而引起的最終成形的雙極板兩側流道錯位；

5）高溫滾壓：校正后的不銹鋼箔帶經過高溫滾壓滾子對，第一鏤空層、第二鏤空層和中間層接觸面上出現固融狀態，各層材料在接觸界面上出現相互融合，進而使得三層箔帶焊接成為一層兩側具有特定流道結構的帶料；

6）剪切沖裁：帶料被傳送至剪切沖裁工位，根據雙極板尺寸的設計要求，沖裁機帶料進行剪切沖裁；經過剪切沖裁后，得到的具有特定流道結構的不銹鋼薄板就是質子交換膜燃料電池雙極板。

優選地，步驟1）中，不銹鋼箔帶的厚度為0.3-1.5mm。

優選地，步驟1）中，所述不銹鋼箔帶為316L不銹鋼箔帶。

優選地，步驟3）中，流道的深度為0.3-0.6mm，平均寬度為0.4-0.6mm。

優選地，步驟3）中，激光鏤刻時，激光偏移豎直方向的角度為30°；以獲得占空比為1：1的流場。

優選地，步驟3）中，第一鏤空層、第二鏤空層及中間層的厚度為0.4-1.5mm的不銹鋼。

優選地，步驟5）中，所述高溫的溫度取值為1050°-1150°。

優選地，所述質子交換膜燃料電池雙極板的流場形式為指叉形流場或平行流場。