[发明专利]复杂形状流道微质子交换膜燃料电池金属流场板的成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型燃料电池的加工技术，尤其是一种微尺度下常规微加工方法难以成形或无法成形的具有复杂结构形式的金属流场板的成形方法及装置，具体地说是一种复杂形状流道微质子交换膜燃料电池金属流场板的成形方法及装置。

背景技术

众所周知，随着国际能源的短缺、环境污染的日趋严重，开发清洁便利的可替代能源是必然趋势。燃料电池由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成，是一种把持续供给的燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置。由于燃料电池不经过热机过程而不受卡诺循环效率限制，燃料电池将是继水力、火力、核能之后的第四代发电装置和替代内燃机的动力装置，具有污染小、效率高、移动性好、即时充电等优点。在燃料电池类型中，质子交换膜燃料电池PEMFC(Proton exchange membrane fuel cells)是以固体质子交换膜作为电解质，具有能量转换效率高、低温快速启动、环境友好等优点而有望成为洁净、高效的绿色能源供给，适合于微型化，在车辆、潜艇、可移动电源和各种微型电源上有广阔的应用前景。

PEMFC结构主要有膜电极三合一组件MEA、由两个流场板配对组成的双极板以及电池集成系统构成。PEMFC流场板是串联各个单电池的关键部件，性能要求高。流场板起到收集并导出电流、隔离和平均分配气体，同时流场板和流场板布置对电池的水热管理、反应物分布以及生成物顺利排出等影响很大，为此流场板的加工工艺研究备受关注。目前质子交换膜流场板材料的选择主要有石墨和金属等。石墨流场板的加工技术比较成熟，但是由于石墨材料的脆性和机加工性能较差，加工效率低下，石墨流场板重量占到燃料电池电堆总重量的一半以上，制造成本占到整个电池成本的60％左右，限制了PEMFC的商品化进程。而金属材料由于其导电导热性能好，强度高，可以显著降低流场板厚度而提高PEMFC的比功率，而且板料成形易于实现批量化生产，所以应用比较广。

但是同时，由于流道的特征尺寸一般在50～500μm，金属流场板的特征尺寸的微型化和高精度要求对其成形提出了挑战，在微尺度下(至少在两个方向上尺寸处于亚毫米量级)材料的力学性能和成形过程会表现出与传统尺度不同的特点，也就是尺度效应。尤其是微型PEMFC中的流场板承受高温、强腐蚀、多场耦合和压力交变的的复杂服役环境，对基材选用材料、流场形状、成形工艺和精度等都提出了更高要求，增加了微型流场板的成形难度。经检索国内外相关技术文献发现微型PEMFC流场板成形工艺方法的专利和技术报道为数不多。Yu-Ming Lee(Journal of Power Sources.2009，193(1)：227～232)研究了采用电化学微细加工对质子交换膜燃料电池金属流场板的成形；Shuo-Jen Lee(Journal of Power Sources.2005，145：369～375)提出利用电铸工艺来成形不锈钢SS304金属流场板上的微观特征；Masanori Yokoyama(International Journal of Hydrogen Energy.2008，20(33)：5678～5685.)研究了金属玻璃双极板的热压成形方法。美国Larry J.Markoski申请专利：Fuel cell apparatus and method of fabrication(燃料电池装置和加工方法)，公开号为US20050202305 A1，其中微流道的加工采用激光微造型或者化学腐蚀。美国Ian W.Kaye申请专利：High surface area micro fuel cell architecture(具有高表面积的微燃料电池结构)，公开号为US20050255368A1，专利中提到微燃料电池的微流道加工是采用晶片加工技术实现的。上海交通大学倪军申请专利：基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法，公开号为CN1964114A，其原理是根据流场板上流道结构形式，映射并加工成辊子对，对金属板材进行辊压形成流场板，加工效率高，但是对于复杂如仿生形流道相应的辊子表面加工异常困难，也不适用于复杂微流场的成形。中国专利CN101101993“基于薄板冲压成形的质子交换膜燃料电池双极板”和CN101183723“金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板”报导了利用冲压工艺成形流场板的方法，其成形方法仍然借用传统的冲压方法，借助冲压凸模和凹模对板材的作用而成形流场板，需设计加工凸模与凹模，而且对于微型流场板，相应的微凸模与微凹模加工非常困难，成本高。中国专利CN1787261A提出的“一种冲压金属双极板结构及其制备方法”，是利用铣床加工出流道，然后冲压成形金属双极板，流道加工效率低下，不适用于微流道的加工。中国专利CN1933221申请的自呼吸式微型质子交换膜燃料电池的阴极流场板及制作方法，是利用微电子机械系统(MEMS)技术在硅片上加工流场板。大连理工大学刘冲申请专利：一种制备微型燃料电池金属流场板的制作工艺，公开号为CN101222057，是通过光刻和化学蚀刻方法在金属表面加工微细结构，从而形成具有各种形状流道的流场板。