專利名稱：具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種具有潔凈、無(wú)污染、噪聲低、能量轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn)的能源裝置。燃料電池的基本組成部分包括MEA組件和雙極板。其中，雙極板是燃料電池的核心部件，其材料選擇困難、制備工藝且過(guò)程復(fù)雜。燃料電池的絕大部分重量和成本都在雙極板上。雙極板上的流場(chǎng)具有收集電流、疏導(dǎo)反應(yīng)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(chǎng)的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)。目前，在質(zhì)子交換膜燃料電池中應(yīng)用的雙極板材料主要有石墨、金屬雙極板與復(fù)合雙極板。其中，無(wú)孔石墨材料的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性和耐腐蝕性好，但是其制作工藝復(fù)雜，耗工費(fèi)時(shí)，而且無(wú)孔石墨質(zhì)地硬脆不易加工，組裝比較困難；復(fù)合材料由于在壓鑄成型的無(wú)空復(fù)合炭板上加入了不導(dǎo)電的聚合物，因此內(nèi)電阻較大，導(dǎo)電率低?；谏鲜隼碛?，不銹鋼金屬薄板由于加工性能好、價(jià)格低廉，成為燃料電池降低電池總重量和制造成本的優(yōu)選材料。目前對(duì)不銹鋼雙極板的研究取得了很大的進(jìn)展，但是大部分的研究都集中在通過(guò)表面改性以提高不銹鋼雙極板的抗腐蝕能力，對(duì)不銹鋼雙極板的加工理論的研究還是很少的。雙極板上的流場(chǎng)的作用是引導(dǎo)反應(yīng)燃料的流動(dòng)，確保燃料能夠快速均勻的分配到電極擴(kuò)散層，使其可以與催化層充分反應(yīng)。當(dāng)前用于制作流場(chǎng)的流道的加工方法，如反應(yīng)離子刻蝕、光刻、電鑄及脫模技術(shù)(LIGA技術(shù))與微細(xì)切削加工技術(shù)等方式得到的都是流道底部平整的結(jié)構(gòu)。臺(tái)灣的Jenn-Kun Kuo和Shuo-Jen Lee等嘗試在雙極板的流道底部加工了一些微結(jié)構(gòu)。但是，他們運(yùn)用的電鑄的方法在雙極板流道底部加工微結(jié)構(gòu)，其工藝復(fù)雜，成本較高。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的實(shí)用新型目的是針對(duì)現(xiàn)有燃料電池的技術(shù)不足，提供一種具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板，充分利用流道內(nèi)上下氣體形成的紊流，提高氣體流動(dòng)速度，從而提高燃料電池速度。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型還提供了一種具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板的加工方法。為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:提供一種具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板，該雙極板底部設(shè)有平行流場(chǎng)或指叉形流場(chǎng)，所述平行流場(chǎng)或指叉形流場(chǎng)的包含若干流道和流道肋板，其中之一的流道肋板上設(shè)有周期性波浪形起伏結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述流道的寬度為0.2-0.5mm,流道的深度為0.3-0.6_。優(yōu)選地，所述雙極板的材料為電阻率小、抗腐蝕性能好的316L不銹鋼。[0011]進(jìn)一步地，提供具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板的加工方法，包括如下步驟:(I)不銹鋼板和切口銑刀的裝夾:將已加工有導(dǎo)氣孔的方形不銹鋼板通過(guò)夾具裝夾在銑床的分度盤(pán)上；切口銑刀進(jìn)行改進(jìn)后裝夾在銑床的主軸上；其中，方形不銹鋼板的相鄰兩邊分別位于水平和豎直方向，調(diào)節(jié)分度盤(pán)使方形不銹鋼板上邊線呈水平狀態(tài)；(2)切削用量的設(shè)定:根據(jù)速度限制和切口銑刀的外徑大小選擇合適的:切口銑刀齒尖線速度、進(jìn)給速度和背吃刀量；(3)不銹鋼板的銑削加工:銑削加工，銑削的過(guò)程中不斷通入冷卻液；檢查各參數(shù)設(shè)定正確后即可銑削加工燃料電池雙極板的流場(chǎng)，該流場(chǎng)包括若干平行的流道；轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭，實(shí)現(xiàn)相互垂直的流道加工；(4)對(duì)銑削后的方形不銹鋼板的后處理。優(yōu)選地，步驟(I)中，切口銑刀通過(guò)如下方式進(jìn)行改進(jìn)，如下:選定已有切口銑刀上的某個(gè)齒，沿逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蛉コ粋€(gè)或者連續(xù)幾個(gè)刀齒，保留下一個(gè)刀齒后繼續(xù)去除與上次相同數(shù)目的刀齒，如此重復(fù)下去，即可得到刀齒數(shù)目減少且均勻分布的多齒飛刀。優(yōu)選地，步驟I)中，切口銑刀通過(guò)如下方式進(jìn)行改進(jìn)，如下:改變切口銑刀的每個(gè)刀齒的前角角度，使其成為負(fù)前角。優(yōu)選地，步驟I)中，多片切口銑刀通過(guò)刀柄固定裝夾在銑床的主軸上，相鄰切口銑刀之間以墊片隔離，相鄰兩片切口銑刀的距離即為雙極板上相鄰兩個(gè)流道的距離。優(yōu)選地，切口銑刀數(shù)量由流場(chǎng)中流道數(shù)目決定，墊片的厚度由流道間距和切口銑刀厚度共同決定。優(yōu)選地，步驟2)中，所述的切削用量為:切口銑刀齒尖線速度2.5-3.5m/s，進(jìn)給速度 475-900mm/min,背吃刀量 0.3-0.5mm。優(yōu)選地，步驟4)中，所述后處理包括去毛刺或清洗。本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果:與傳統(tǒng)的底部水平的雙極板相t匕，底部呈現(xiàn)波浪形的燃料電池雙極板在功能上除滿足燃料電池雙極板流場(chǎng)的基本要求夕卜，還有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在氣體流動(dòng)時(shí)，氣體會(huì)跟隨波浪狀底部出現(xiàn)氣體流線的波浪狀擺動(dòng)。當(dāng)速度增大時(shí)，可能形成紊流，氣體的擴(kuò)散速度增大，從而提高了燃料電池效率。由于流體粘性的作用，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體熱能，氣體溫度升高，提高化學(xué)反應(yīng)催化劑活性，以達(dá)到提高燃料電池效率的目的。另外，本實(shí)用新型通過(guò)利用多片切口銑刀同時(shí)加工各個(gè)流道，節(jié)約時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。

圖1是去掉兩個(gè)連續(xù)刀齒后的切口銑刀示意圖；圖2是圖1的A部放大圖；圖3是改變刀齒前角為負(fù)前角實(shí)物圖；圖4是切口銑刀裝夾示意圖；圖5是具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板的示意圖；圖6是另一具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板的示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)用新型目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不能在此一一贅述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。除非特別說(shuō)明，本實(shí)用新型采用的材料和加工方法為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)材料和加工方法。實(shí)施例1如圖5和6所示，具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板的流場(chǎng)形式為平行流場(chǎng)、指叉形流場(chǎng)等流道直線交互流場(chǎng)，由切口銑刀3的厚度影響，流場(chǎng)的流道寬度為0.2-0.5mm較為適宜。圖5中，51為波峰，52為波谷，53為波浪起伏結(jié)構(gòu)。具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板的加工方法，包括如下步驟:(I)不銹鋼薄板和切口銑刀的裝夾:將已加工有導(dǎo)氣孔的方形不銹鋼板通過(guò)夾具裝夾在銑床的分度盤(pán)上；切口銑刀3進(jìn)行改進(jìn)后裝夾在銑床的主軸上；其中，方形不銹鋼板的相鄰兩邊分別位于水平和豎直方向，調(diào)節(jié)分度盤(pán)使方形不銹鋼板上邊線呈水平狀態(tài)；多片切口銑刀利用刀柄I通過(guò)螺母4固定裝夾在銑床的主軸上，相鄰切口銑刀3之間以墊片2隔離，相鄰兩片切口銑刀的距離即為雙極板上相鄰兩個(gè)流道的距離；切口銑刀3數(shù)量由流場(chǎng)中流道數(shù)目決定，墊片2的厚度由流道間距和切口銑刀3厚度共同決定，如圖3所示；(2)切削用量的設(shè)定:根據(jù)速度限制和切口銑刀的外徑大小選擇合適的切口銑刀齒尖線速度、進(jìn)給速度和背吃刀量；所述的切削用量為:切口銑刀齒尖線速度2.5-3.5m/s,進(jìn)給速度475-900mm/min,背吃刀量0.3-0.5mm。(3)不銹鋼板的銑削加工:銑削加工，銑削的過(guò)程中不斷通入冷卻液；檢查各參數(shù)設(shè)定正確后即可銑削加工燃料電池雙極板的流場(chǎng)，該流場(chǎng)包括若干平行的流道；轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭，實(shí)現(xiàn)相互垂直的流道加工；(4)對(duì)銑削后的方形不銹鋼板的后處理，后處理包括去毛刺或清洗。本實(shí)施例中，切口銑刀通過(guò)如下方式進(jìn)行改進(jìn):選定已有切口銑刀上的某個(gè)齒，沿逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蛉コ粋€(gè)或者連續(xù)幾個(gè)刀齒，保留下一個(gè)刀齒后繼續(xù)去除與上次相同數(shù)目的刀齒，如此重復(fù)下去，即可得到刀齒數(shù)目減少且均勻分布的多齒飛刀，如圖1所示。燃料電池流場(chǎng)流道波浪形底部的雙極板材料為電阻率小、抗腐蝕性能好的316L不銹鋼。在本實(shí)施例中，為降低加工難度，選擇平行流場(chǎng)雙極板作為加工對(duì)象，切口銑刀的預(yù)加工選擇為選擇某一方向，磨去連續(xù)兩個(gè)刀齒后留下一個(gè)刀齒，再磨去連續(xù)兩個(gè)刀齒并留下一個(gè)刀齒，如此下去即可得到本例中的目標(biāo)切口銑刀。選擇的材料是2mm厚的316L不銹鋼薄板，尺寸為IOOmmX80mm。設(shè)計(jì)的流道寬度為0.4mm，深度為0.4mm，相鄰兩個(gè)流道肋臺(tái)的寬度為0.4mm。氣體通道為深0.4mm,寬度為Imm,進(jìn)出氣孔口設(shè)計(jì)為0.6mmX 0.6mm的方形孔。將選擇的316L不銹鋼薄板通過(guò)夾具裝夾在銑床的分度盤(pán)上，將厚度為0.4mm,外徑為40mm,內(nèi)徑13mm,刀齒數(shù)目72的切口統(tǒng)刀按上述要求進(jìn)行預(yù)加工后裝夾在統(tǒng)床的主軸上。用百分表確定背吃刀量為0.4mm,選擇主軸轉(zhuǎn)速為95r/min,進(jìn)給速度為750mm/min進(jìn)行銑削加工，直到完成所有水平流道的銑削。轉(zhuǎn)動(dòng)分度盤(pán)90°，即可實(shí)現(xiàn)與開(kāi)始銑削的流道垂直方向上的流道加工。另外，根據(jù)實(shí)際要求來(lái)改變切削用量，可以得到底部波浪狀結(jié)構(gòu)明顯程度不同的雙極板。實(shí)施例2本實(shí)施例除下述特征外，其他均與實(shí)施例1相同:如圖2所示，步驟I)中，切口銑刀3通過(guò)如下方式進(jìn)行改進(jìn):改變切口銑刀3的每個(gè)刀齒的前角角度，使其成為負(fù)前角。上述實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本實(shí)用新型的實(shí)施范圍。即凡依本實(shí)用新型內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本實(shí)用新型權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求1.一種具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板，該雙極板底部設(shè)有平行流場(chǎng)或指叉形流場(chǎng)，其特征在于:所述平行流場(chǎng)或指叉形流場(chǎng)包含若干流道和流道肋板，其中之一的流道肋板上設(shè)有周期性波浪形起伏結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板，其特征在于:所述流道的寬度為0.2-0.5mm,流道的深度為0.3-0.6mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板，其特征在于:所述雙極板的材料為電阻率小、抗腐蝕性能好的316L不銹鋼。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種具有波浪形結(jié)構(gòu)的燃料電池雙極板，該雙極板底部設(shè)有平行流場(chǎng)或指叉形流場(chǎng)，所述平行流場(chǎng)或指叉形流場(chǎng)包含若干流道和流道肋板，其中之一的流道肋板上設(shè)有周期性波浪形起伏結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的底部水平的雙極板相比，底部呈現(xiàn)波浪形的燃料電池雙極板在功能上除滿足燃料電池雙極板流場(chǎng)的基本要求外，還有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在氣體流動(dòng)時(shí)，氣體會(huì)跟隨波浪狀底部出現(xiàn)氣體流線的波浪狀擺動(dòng)。當(dāng)速度增大時(shí)，可能形成紊流，氣體的擴(kuò)散速度增大，從而提高了燃料電池效率。由于流體粘性的作用，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體熱能，氣體溫度升高，提高化學(xué)反應(yīng)催化劑活性，以達(dá)到提高燃料電池效率的目的。
文檔編號(hào)H01M4/86GK203039022SQ201220706038
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者萬(wàn)珍平, 唐洪亮 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)