介質尺度微溝槽金屬雙極板及其沖壓模具技術概述

摘 要：當下存在大量雙極板制備這一領域的研究，大部分都存在于金屬類材質的原材料選用上，還包括在其選材上不改變其材質性能，繼而賦予其新的性能等領域，金屬雙極板加工方式這一領域屬于效率高，成本低的研究，但是卻很少有基于該領域的研究。本文以能源環保為核心，對我國以及存在于國外的有關金屬雙極板生產技藝所作出的研究開發進行介紹，同時也對有關沖壓模具技術做出了介紹。

關鍵詞：能源；雙極板；電池；沖壓模具技術

1引言

隨著環境的不斷惡化，資源也逐漸匱乏，讓環境以及能源這兩大問題成為了大家關注的熱點，要想維持我們更好的生存和發展，就必須做出改善。通常理想的經濟模式包括陽光經濟、風能經濟 、 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，這些都是低碳經濟的核心關鍵，也是各大國家最為迫切的需求。作為全球最大的產氫國，我國一年就能產出大約一千萬噸氫氣，同時我國也是全球擁有最多的儲氫材料的國家。我國的鄂爾多斯就擁有在國際上最大規模的產氫廠，一年的氫氣產量能夠達到十八萬噸。所以我們國家基于氫能經濟模式的發展上具備較強的競爭力[1，2]。

質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能直接轉變為電能。它的優勢在于能夠快速的進行能量轉換，具有清潔性能，十分靈敏，并且能夠快速的啟動，噪音很小。它可以很好的替代內燃機。但是就目前來看燃料電池所花費的成本相對較高，達到了內燃機的四到十倍。存在于該電池的全部組件中，使其商品化的關鍵阻礙是雙極板，由于它在電池堆中占據了百分之六十到百分之八十的重量，在花費了百分之三十到四十的成本。當下，石墨類、復合類，以及金屬等類型的材料是制造雙極板的關鍵材料。然而石墨類、復合類的材料比起金屬材料來說，其可利用性，持久抗沖擊性能，以及滲透性能都相對較差，并且存在加工成本高，耗時長等缺點，但前兩種材料的可制造性、滲透性和耐久性均小于金屬，成形工藝復雜，制造成本高，加工時間長，所以不適合成批生產[3]。同時也對制造薄小型的氫燃料電池造成了困難，阻礙了電池商業化發展。采取金屬生產出來的雙極板能夠成批的生產，同時能夠直接做成薄板。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展之下，耐腐蝕技術也得到不斷發展，因此十分急需研制出能夠使金屬雙極板在成本花費較少，且效率較高的情況下制造出來的辦法，從而讓 金屬雙極板實現商業化。

2介質尺度微溝槽金屬雙極板概述

作為燃料電池的關鍵性構造，雙極板涵蓋了冷卻板，以及增濕板，還有流場板，在電池組里，這部分組件占據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）對電池在放電的時候，在燃料上，以及氧化劑上的需求進行配置；（2）將電堆里的所有單電池產生反應后形成的水進行排放；（3）將電堆里的所有單電池進行分離，對各單電池所存在的有關電流進行采集；（4）對各單電池在運行的時候，所存在的熱量進行傳遞（5）避免氣體泄出，阻止冷卻液出現泄漏的情況；（6）機械支撐作用。所以在對雙極板的選用中，它的好壞會影響其使用年限，并會對有關功率造成直接的影響，因此它需要具備優秀的理化作用，可以將反應氣體進行合理的配置；同時它需要具備優秀的導電作用，能夠對反應電流進行采集；在密閉性上也要足夠嚴密，從而保障電池組能夠安全的工作；在化學反應上要具備穩定性，并且擁有良好的抗腐蝕性能，可以維持整體運作的安全。

根據以上介紹，當下存在大量雙極板制備這一領域的研究，大部分都存在于金屬類材質的原材料選用上，還有在其選材上不改變其材質性能，繼而賦予其新的性能等領域中，金屬雙極板加工方式這一領域屬于效率高，成本低的研究，但是卻很少有基于該領域的研究。然而近期隨著金屬雙極板的不斷地發展，其優點也逐漸顯現，它所存在的制造工藝也得到了社會各界學者的重視。

在美國，康涅狄格大學的 等人，采取了電鍍和物理制程，也就是物理氣相沉積辦法，研發出具備抗腐性能的金屬雙極板。然而相關設施造價高昂，同時在制造時十分低效，污染較大，成本過高。

在日本，東北大學的 等人對在過冷態下的鎳基金屬玻璃實行熱壓鑄的方式成形雙極板。然而該類方式在制造過程中需要嚴苛的條件。

在臺灣，位于元智大學的 等人，基于電化學刻蝕法之上對金屬雙極板成形做出了有關研究。最初選取了有限元法，模擬了其成形經過，得出電極上存在絕緣層的時候，能夠使得擴散電流密度降低，讓產品在尺寸的精確性上有所改變。基于SS316型號的不銹鋼板上耗時五分鐘刻蝕成蛇形流場。

在大連市理工學院上學的劉沖同學以及他的團隊伙伴運用化學與電技術制造出十分細小的體系材料，并且將可以導電的材料涂層設置在其表層結構上，從而也就誕生了材料的電池雙極金屬板。可是這種方法制造生產的流程極其復雜，效率因此十分低下，并且制造出來的產品外觀存在極大的瑕疵，對使用體驗有極大的影響，所以還需要二次加工使其完善，這就導致了其高成本高難度的特點。在華南理工學校做研究的萬珍平運用蝕刻的方法進行分型微觀操作，并且還有激光技術的介入，從而生產出雙極板。不過這種技術還是存在極大的問題，就比如說它的生產率了，十分的低下，外形還存在極大的瑕疵，影響其正常使用，這就導致其復雜的生產性以及技術繁復的特點。作為上海交大的研究者，倪軍教授開發了一種新的技術，這是一種運用質子進行工作的電池技術，運用能量轉化定理進行工作。它的主要工

作流程就如下圖所示。

結合以上所說的，與石墨以及復合型板材來講，這一種金屬的加工材料工藝簡便，效率更高。這一技術在未來可能會成為市場的主流技術，并且這種技術的成品率十分的高，具有極其優秀的特性。

3沖壓磨具技術概述

模具在發展的工業社會中進行批量生產工作時，會發揮十分重要的作用。使用模具進行生產工作，具有高效率、低消耗、高一致性、高精度以及高復雜程度的特征，在其他加工技術上遙遙領先。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，在制造過程中需要嚴苛的條件，對所需的設施有較高的需求，會消耗大量的能源，有悖于低碳經濟。有關電鍍和物理氣相沉積制程相關設施造價高昂，同時在制造時十分低效，污染較大，成本過高。同時生產的時候十分低效，會出現較多污染，成本也花費較多。有關電化學刻蝕方面，其成效低，同時存在流場光潔度較低的情況，會改變氣體的流動率，且后期要做出調整，導致工藝十分繁瑣，成本較高。與電化學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的耐熱性，雖然具有高效性，然而無法確保它的平面度，在進行燃料電池組裝時，會造成一定誤差。

橡膠墊軟模具備良好的成形效果，同時使用便捷高效，有關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中，還需要更深的探究其性能，包括局部變薄的情況等。根據上面的介紹，各類加工形式都存在一定的優缺點，沖壓制造具備設備使用便捷高效的性能。根據有關功能，包括其模具的構造進行區分，沖模包括了單工序模，還有復合模，以及級進模。均借由壓力機，把所沖的材質置于凸、凹模中，基于壓力機運作，讓材料開始進行變形分離，從而實現沖壓作業。

參考文獻：

[1]王建萍，張宇等.SHS金屬板件陶瓷涂層的研究進展[J]. 中國陶瓷，2014，50（10）：4-7.

[2]劉沖，孫靈俊，梁軍生等. 一種備微型燃料電池金屬流場板的制作工藝[P]. 中國，CN200710158789.3.2008-07-16.

[3]萬珍平，方曉明.質子交換膜燃料電池用分形微通道雙極板及其加工方法[P]，中國，CN200810220204.0.2009-06-03.

[4]倪軍，來新明等. 基于輥壓成形的 質子交換膜燃料電池金屬雙極板制造方法[P]. 中國，CN200610118899.2.2007-05-16.

[5]華林，劉艷雄，蘭箭等。燃料電池金屬雙極板成形模具及成形方法[P].中國，CN200910061252.4.2009-08-12.

作者簡介：

許來濤（1987-），碩士研究所，講師，主要燃料電池雙極板的設計優化與成形。

支持項目：介質尺度微溝槽金屬雙極板沖壓模具技術研究（Y201636313）