介质尺度微沟槽金属双极板及其冲压模具技术概述

摘 要：当下存在大量双极板制备这一领域的研究，大部分都存在于金属类材质的原材料选用上，还包括在其选材上不改变其材质性能，继而赋予其新的性能等领域，金属双极板加工方式这一领域属于效率高，成本低的研究，但是却很少有基于该领域的研究。本文以能源环保为核心，对我国以及存在于国外的有关金属双极板生产技艺所作出的研究开发进行介绍，同时也对有关冲压模具技术做出了介绍。

关键词：能源；双极板；电池；冲压模具技术

1引言

随着环境的不断恶化，资源也逐渐匮乏，让环境以及能源这两大问题成为了大家关注的热点，要想维持我们更好的生存和发展，就必须做出改善。通常理想的经济模式包括阳光经济、风能经济 、 等形式，力求把能源损耗降到最低，追求最少的污染和排放量，这些都是低碳经济的核心关键，也是各大国家最为迫切的需求。作为全球最大的产氢国，我国一年就能产出大约一千万吨氢气，同时我国也是全球拥有最多的储氢材料的国家。我国的鄂尔多斯就拥有在国际上最大规模的产氢厂，一年的氢气产量能够达到十八万吨。所以我们国家基于氢能经济模式的发展上具备较强的竞争力[1，2]。

质子交换膜燃料电池是将氢作为原材料，这种电池可以将贮氢燃料，以及氧化剂中的化学能直接转变为电能。它的优势在于能够快速的进行能量转换，具有清洁性能，十分灵敏，并且能够快速的启动，噪音很小。它可以很好的替代内燃机。但是就目前来看燃料电池所花费的成本相对较高，达到了内燃机的四到十倍。存在于该电池的全部组件中，使其商品化的关键阻碍是双极板，由于它在电池堆中占据了百分之六十到百分之八十的重量，在花费了百分之三十到四十的成本。当下，石墨类、复合类，以及金属等类型的材料是制造双极板的关键材料。然而石墨类、复合类的材料比起金属材料来说，其可利用性，持久抗冲击性能，以及渗透性能都相对较差，并且存在加工成本高，耗时长等缺点，但前两种材料的可制造性、渗透性和耐久性均小于金属，成形工艺复杂，制造成本高，加工时间长，所以不适合成批生产[3]。同时也对制造薄小型的氢燃料电池造成了困难，阻碍了电池商业化发展。采取金属生产出来的双极板能够成批的生产，同时能够直接做成薄板。使得燃料电池所存在的比能量，包括比功率都得到很大提升，并且使其成本得到有效控制。在防腐金属材料的不断发展之下，耐腐蚀技术也得到不断发展，因此十分急需研制出能够使金属双极板在成本花费较少，且效率较高的情况下制造出来的办法，从而让 金属双极板实现商业化。

2介质尺度微沟槽金属双极板概述

作为燃料电池的关键性构造，雙极板涵盖了冷却板，以及增湿板，还有流场板，在电池组里，这部分组件占据了较大的体积和重量。双极板基于电池堆里涵盖了多种性能，包括[4-5]：（1）对电池在放电的时候，在燃料上，以及氧化剂上的需求进行配置；（2）将电堆里的所有单电池产生反应后形成的水进行排放；（3）将电堆里的所有单电池进行分离，对各单电池所存在的有关电流进行采集；（4）对各单电池在运行的时候，所存在的热量进行传递（5）避免气体泄出，阻止冷却液出现泄漏的情况；（6）机械支撑作用。所以在对双极板的选用中，它的好坏会影响其使用年限，并会对有关功率造成直接的影响，因此它需要具备优秀的理化作用，可以将反应气体进行合理的配置；同时它需要具备优秀的导电作用，能够对反应电流进行采集；在密闭性上也要足够严密，从而保障电池组能够安全的工作；在化学反应上要具备稳定性，并且拥有良好的抗腐蚀性能，可以维持整体运作的安全。

根据以上介绍，当下存在大量双极板制备这一领域的研究，大部分都存在于金属类材质的原材料选用上，还有在其选材上不改变其材质性能，继而赋予其新的性能等领域中，金属双极板加工方式这一领域属于效率高，成本低的研究，但是却很少有基于该领域的研究。然而近期随着金属双极板的不断地发展，其优点也逐渐显现，它所存在的制造工艺也得到了社会各界学者的重视。

在美国，康涅狄格大学的 等人，采取了电镀和物理制程，也就是物理气相沉积办法，研发出具备抗腐性能的金属双极板。然而相关设施造价高昂，同时在制造时十分低效，污染较大，成本过高。

在日本，东北大学的 等人对在过冷态下的镍基金属玻璃实行热压铸的方式成形双极板。然而该类方式在制造过程中需要严苛的条件。

在台湾，位于元智大学的 等人，基于电化学刻蚀法之上对金属双极板成形做出了有关研究。最初选取了有限元法，模拟了其成形经过，得出电极上存在绝缘层的时候，能够使得扩散电流密度降低，让产品在尺寸的精确性上有所改变。基于SS316型号的不锈钢板上耗时五分钟刻蚀成蛇形流场。

在大连市理工学院上学的刘冲同学以及他的团队伙伴运用化学与电技术制造出十分细小的体系材料，并且将可以导电的材料涂层设置在其表层结构上，从而也就诞生了材料的电池双极金属板。可是这种方法制造生产的流程极其复杂，效率因此十分低下，并且制造出来的产品外观存在极大的瑕疵，对使用体验有极大的影响，所以还需要二次加工使其完善，这就导致了其高成本高难度的特点。在华南理工学校做研究的万珍平运用蚀刻的方法进行分型微观操作，并且还有激光技术的介入，从而生产出双极板。不过这种技术还是存在极大的问题，就比如说它的生产率了，十分的低下，外形还存在极大的瑕疵，影响其正常使用，这就导致其复杂的生产性以及技术繁复的特点。作为上海交大的研究者，倪军教授开发了一种新的技术，这是一种运用质子进行工作的电池技术，运用能量转化定理进行工作。它的主要工

作流程就如下图所示。

结合以上所说的，与石墨以及复合型板材来讲，这一种金属的加工材料工艺简便，效率更高。这一技术在未来可能会成为市场的主流技术，并且这种技术的成品率十分的高，具有极其优秀的特性。

3冲压磨具技术概述

模具在发展的工业社会中进行批量生产工作时，会发挥十分重要的作用。使用模具进行生产工作，具有高效率、低消耗、高一致性、高精度以及高复杂程度的特征，在其他加工技术上遥遥领先。和冲压成形做一比较，能够得出其制造形式上存在低效的情况，在制造过程中需要严苛的条件，对所需的设施有较高的需求，会消耗大量的能源，有悖于低碳经济。有关电镀和物理气相沉积制程相关设施造价高昂，同时在制造时十分低效，污染较大，成本过高。同时生产的时候十分低效，会出现较多污染，成本也花费较多。有关电化学刻蚀方面，其成效低，同时存在流场光洁度较低的情况，会改变气体的流动率，且后期要做出调整，导致工艺十分繁琐，成本较高。与电化学刻蚀相似的电脑雕刻法，其工艺也较为繁琐，并且要求模具具备较强的耐热性，虽然具有高效性，然而无法确保它的平面度，在进行燃料电池组装时，会造成一定误差。

橡胶垫软模具备良好的成形效果，同时使用便捷高效，有关原理和液压成形相同，然而在脱模的角度比较小，并且存在较小的圆角的情况之下的双极板流场中，还需要更深的探究其性能，包括局部变薄的情况等。根据上面的介绍，各类加工形式都存在一定的优缺点，冲压制造具备设备使用便捷高效的性能。根据有关功能，包括其模具的构造进行区分，冲模包括了单工序模，还有复合模，以及级进模。均借由压力机，把所冲的材质置于凸、凹模中，基于压力机运作，让材料开始进行变形分离，从而实现冲压作业。

参考文献：

[1]王建萍，张宇等.SHS金属板件陶瓷涂层的研究进展[J]. 中国陶瓷，2014，50（10）：4-7.

[2]刘冲，孙灵俊，梁军生等. 一种备微型燃料电池金属流场板的制作工艺[P]. 中国，CN200710158789.3.2008-07-16.

[3]万珍平，方晓明.质子交换膜燃料电池用分形微通道双极板及其加工方法[P]，中国，CN200810220204.0.2009-06-03.

[4]倪军，来新明等. 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[P]. 中国，CN200610118899.2.2007-05-16.

[5]华林，刘艳雄，兰箭等。燃料电池金属双极板成形模具及成形方法[P].中国，CN200910061252.4.2009-08-12.

作者简介：

许来涛（1987-），硕士研究所，讲师，主要燃料电池双极板的设计优化与成形。

支持项目：介质尺度微沟槽金属双极板冲压模具技术研究（Y201636313）