CN103920988A - 一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法和装置，所述方法是根据预先设计的金属流场板的流道形状和尺寸加工具有相同形状和尺寸凹槽的模板，根据流道形状和尺寸规划好激光束的运动路径；由控制***根据轨迹控制激光束的运动方向、路径以及加工速度，通过塑性成形的积累，完成整个流场的成形。成形装置包括工作台底座、压边装置、控制***和成形***。本发明能实现蛇形金属流场板的成形，加工简单、精度和效率高，成本低，有助于燃料电池金属流场板和微型PEMFC的推广应用。

Description

一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法和装置

技术领域

本发明涉及微型燃料电池技术领域和激光微加工领域，具体是一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法和装置。

背景技术

现代工业能源需求大幅上升，矿物燃料燃烧时释放出的有害物质正在导致生态环境的不断恶化，绿色能源的研制开发十分迫切。燃料电池是一种等温并直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高，具有广阔的应用前景。

PEMFC的构成包括阴阳极集流板(流场板)、气体扩散层、催化层和质子交换膜等。双极板是PEMFC的关键部件之一，其质量占到电堆总质量的70％，成本约占60％以上。复合石墨板、柔性石墨及薄层金属板都是很有潜力的双极板材料，而薄层金属双极板不仅易于实现批量生产，降低电堆成本，而且能大幅度提高电堆比功率，是最有竞争力的极板材料。金属双极板一般应具有以下特点：抗腐蚀性要强(<1μA/cm2)，以保证电池组的寿命(一般为几千至几万小时)；最好选用适于批量生产的加工工艺以降低电池组成本(6美元/kW)；厚度要薄(t≤0.2mm)；质量要轻(m≤1kg/kW)；尺寸精度要高。

但是，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。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；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；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Ian W.Kaye申请专利：High surface area microfuel 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。中国专利1787261A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。公开号为CN1933221中国专利提供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***(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的专利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。

目前报导的关于燃料电池金属流场板的研究和专利采用的成形工艺主要有塑性成形工艺中的辊压成形、液压胀形与压力焊成形，还有其他基于微纳器件加工的方法，包括化学刻蚀成形、液态成形技术。但随着微型流场板上流道的微型化，微型凸模与凹模的加工难度和成本急剧上升，加工效率低下，不适用于微流场板的低成本批量制造。

自20世纪60年代激光技术问世以来，激光加工技术发展迅速，利用激光技术对材料进行改性和成形是激光最主要的工业应用之一。国内外已有较多的基于激光冲击的成形和材料改性的专利技术报道，但是都是围绕如何利用激光冲击成形提高金属材料的残余压应力的方法和装置，以及基于激光冲击的宏观成形方法，如冲孔、弯曲、快速成形模具、压制、去毛刺等成形方法。

目前报导的关于微体积成形的研究和专利是针对常规加载模式和塑性变形方式，对于超高应变率(≥106以上)状态下的动态高压加载模式和塑性变形理论并未涉及，利用***成形也能获得高应变率，但是工艺参数难以控制，安全性较差，而且应变率也无法超过106。另外，针对难成形材料，微体积成形是通过加热方式来达到降低微塑性成形力的目的，而利用超高应变率状态下的瞬时超高动态加载进行的微塑性成形，成形压力可达几GPa，可以成形任何难成形材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法和装置。

本发明采用的技术方案：

一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据预先设计的金属流场板流道截面形状，加工模板，在模板上形成与金属流场板流道的形状、尺寸相同的轨道；

(2)将模板、金属流场板基材、透明约束层、能量吸收层从下到上依次放置在支撑座上，并利用压边装置将基材的四周区压边、固定；

(3)根据流道形状、尺寸编写程序代码，用于控制激光束的起始位置和运动轨迹；

(4)通过控制***控制激光束到达金属流场板流道的起始位置，并控制激光束的沿金属流场板流道位移，通过激光束冲击波对所述基材的塑性成形的积累，形成微型金属流场板。

优选的，所述步骤(4)中激光束的激光参数为：光斑直径2～13mm、脉冲宽度10ns、激光能量12J、光束模式为超高斯分布、激光束的扫描速度5HZ。

优选的，所述步骤(4)中激光束的光斑直径为3mm。

优选的，所述步骤(1)中所述模板利用LIGA、刻蚀加工。

一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形装置，其特征在于，包括工作台底座、压边装置、控制***和成形***；所述工作台底座包括可调定位用工作台和底座，所述可调定位用工作台装配在底座上；压边装置设置在工作台底座上；成形***依次由精密数控装置、位移传感器、激光***、能量吸收层、约束层和模板组成，所述激光***安装在精密数控装置上、且位于工作台底座上方，所述位移传感器安装在激光***上，所述能量吸收层、约束层、模板从上到下依次叠置、并置于支撑座上；控制***由计算机、D/A转换器、控制单元和A/D转换器组成，所述控制单元一端与精密数控装置相连、另一端通过D/A转换器与计算机相连，A/D转换器一端与计算机相连、另外一端与位移传感器相连。

优选的，所述压边装置由螺栓、弹簧、压板、螺纹孔、螺钉组成，所述支撑座通过螺钉安装在所述工作台上，螺栓装配在支撑座上的螺纹孔内，弹簧套有螺栓上。

优选的，所述金属流场板基材为不锈钢、钛合金、铝合金中的一种，所述基材的厚度在40～1200μm范围内。

优选的，所述能量吸收层为黑漆，约束层为K9玻璃、水、有机硅凝胶中的一种。

本发明是以激光诱导的冲击波作为金属流场板成形的动力源，以超薄金属板为基材，激光***产生的激光脉冲，通过能量吸收层和透明约束层，吸收层吸收激光的能量后汽化、电离、形成高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量后***形成冲击波，对基材施加高压，获得与模具形状相匹配的金属流场板。将激光聚焦到初始位置，然后保持该位置并根据金属流场板流道的走向进行运动，实现整个金属流场板的成形。本发明特别适用于微尺度下常规微加工方法难以成形具有复杂结构形式的金属流场板成形，无需凸模，加工简单，易于批量生产，金属流场板制造费用可以大幅降低，有助于燃料电池金属流场板和微型PEMFC的推广应用。

本发明的优点：

1.采用激光冲击波作为微器件微体积成形的成形力源，具有超高压、超高应变率和加载时间极短的特点，成形效率和精度高，能实现常温下的微塑性成形，而且加工环境安全、清洁。

2.激光参数精确可控且激光***可以安置在精密数控装置上，运动路径、扫描速度等参数都能够通过控制***精确调控，所以能够保证成形的可持续性和可重复性，易实现自动化生产。

3.利用激光诱导冲击波的方法简单实用，工艺简单，应用范围广，只要改变模板的结构，就能够加工各种不同截面形状的金属流场板，适应性强，也为其他微塑性成形提供了指导。

4.激光发出的光能能够转换为成形所需要的成形力，而且激光聚焦性和区域选择性好，加工区域可以控制在微小区域，非常适合微尺度下的微成形工艺。激光的能量利用率高，能够减小对周边区域的影响。

附图说明

图1为本发明所述微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形装置的结构图。

图2是流道截面为半圆形的模板剖面图。

图3是流道截面为梯形的模板剖面图。

图4是光斑的搭边距离示意图。

图5是金属流场示意图。

附图标记说明如下：

1-计算机，2-A/D转换器，3-D/A转换器，4-控制单元，5-激光束，6-螺栓，7-弹簧，8-能量吸收层，9-约束层，10-基材，11-支撑座，12-可调定位用工作台，13-精密数控装置，14-位移传感器上垫板，15-位移传感器，16-固定垫板，17-激光***，18-压板，19-激光束作用在基板上的位置，20-连接螺钉，21-底座，22-模板，23-半圆形轨道，24-梯形轨道，25-激光束在基板上的作用点，26-流道，27-气体入口，28-金属流场板，29-支撑梁，30-蛇形流道，31-气体出口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形装置，包括工作台底座21、压边装置、控制***和成形***。所述工作台底座21包括可调定位用工作台12和底座21，所述可调定位用工作台12装配在底座21上。压边装置设置在工作台底座21上，所述压边装置由螺栓6、弹簧7、压板18、螺纹孔、螺钉组成，所述支撑座11通过螺钉安装在所述工作台上，螺栓6装配在支撑座11上的螺纹孔内，弹簧7套有螺栓6上。成形***由精密数控装置13、位移传感器15、激光***17、能量吸收层8、约束层9和模板22组成。所述能量吸收层8为激光能量吸收率高的材料，例如，黑漆，约束层9为透明材料，例如，K9玻璃、水、有机硅凝胶。所述激光***17通过固定垫板16安装在精密数控装置13上、且位于工作台底座21上方，所述位移传感器15安装在激光***17上，具体的，所述位移传感器15的上部和下部分别设置位移传感器15上垫板14、固定垫板16以固定、保护位移传感器15。所述能量吸收层8、约束层9、模板22从上到下依次叠置、并置于支撑座11上；当制备微型燃料电池金属流场板28时，用于制备微型燃料电池金属流场板28的基材10放置在约束层9与模板22之间。具体的，所述金属流场板28基材10为不锈钢、钛合金、铝合金中的一种，所述基材10的厚度在40～1200μm范围内。控制***由计算机1、D/A转换器3、控制单元4和A/D转换器2组成，所述控制单元4一端与精密数控装置13相连、另一端通过D/A转换器3与计算机1相连，A/D转换器2一端与计算机1相连、另外一端与位移传感器15相连。所述控制***通过精密数控装置13、并根据位移传感器15的反馈信息控制激光***17的正常运行，包括起始位置找准、激光加载、加工轨迹以及回程的控制。

下面根据具体实施例详细说明微型燃料电池金属流场板28激光冲击半模成形的方法。

实施例一

目标金属流场板28的流道为蛇形流道30，流道的截面为半圆形。

首先，根据预先设计的金属流场板28流道截面形状、利用LIGA加工模板22；在模板22上加工出与金属流场板28上的蛇形流道30形状、尺寸相同的半圆形轨道23，如图2所示。

其次，选用1.2cm×1.2cm、厚度为100μm的不锈钢作为制造金属流场板28的基材10。将可调定位用工作台12安置在底座21上；利用连接螺钉20将支撑座11固定在可调定位用工作台12上，将模板22、基材10、约束层9、能量吸收层8从下到上依次放置在支撑座11上，并利用压边装置将基材10的四周区压边、固定。具体的，首先将弹簧7套在螺栓6上，螺栓6装在支撑座11上的螺纹孔内，弹簧7通过压板18将基材10固定住，并起到压边的作用，通过旋紧或旋松螺栓6来调节压边的力，使压边力大小为2.5～3MPa；可调定位用工作台12根据激光***17与基材10的相对位置进行粗调，并固定可调定位用工作台12。将激光***17安装在固定垫板16中，然后由下向上依次连接位移传感器15、位移传感器上垫板14，最后和精密数控装置13相连接。

根据蛇形流道30的形状、尺寸编写用于控制激光束5的起始位置和运动轨迹的程序代码，将程序代码输入计算机1；设置成形工艺参数：激光光斑直径3mm、脉冲宽度10ns、激光能量12J、光束模式超高斯分布、扫描速度5HZ。计算机1通过D/A转换器3和控制单元4控制精密数控装置13的运动，使得激光***17到达流场板的起始位置，位移传感器15通过A/D转换器2直接将信号输入计算机1，计算机1发出指令，激光***17产生激光脉冲，通过能量吸收层8和透明约束层9，能量吸收层8吸收激光的能量后汽化、电离、形成高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量后***形成冲击波，冲击波对基材10施加高压。激光束作用在基板上的位置19如图1所示。激光束在基板上的作用点25如图4所示，激光束5光斑的搭边距离大于0、小于光斑半径的1/3，激光束在基板上的作用点25在基材10上形成一条连通的流道26。当激光***17到达流道的最终位置时，计算机1发出指令停止激光***17发射脉冲以及精密数控装置13的运动，驱动精密数控装置13回程，激光束5的运动轨迹如图5所示。整个过程中计算机1时刻对比位移传感器15反馈的精密数控装置13的位置与程序代码所规划的运动轨迹，以保证微型流场板的精度。采用流场板收集装置取下金属流场板28，在所述流场板28上形成两条均与气体入口27、气体出口31相连的蛇形流道30，两条蛇形流道30之间有支撑梁29隔开。

实施例二

目标金属流场板28的流道为蛇形流道30，流道的截面为梯形。

首先，根据预先设计的金属流场板28流道截面形状、利用刻蚀加工模板22；在模板22上加工出与金属流场板28上的蛇形流道30形状、尺寸相同的梯形轨道24，如图3所示。选用1.2cm×1.2cm、厚度为100μm的不锈钢作为制造金属流场板28的基材10。加工过程与实施例1的过程相同，最终得到流道为蛇形流道30、截面为梯形的金属流场板28。

需要注意的是，基材10还可以选用厚度在40～1200μm范围内、材质为不锈钢、钛合金、铝合金的板材。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据预先设计的金属流场板流道截面形状，加工模板(22)，在模板(22)上形成与金属流场板流道的形状、尺寸相同的轨道；

(2)将模板(22)、金属流场板基材(10)、透明约束层(9)、能量吸收层(8)从下到上依次放置在支撑座(11)上，并利用压边装置将基材(10)的四周区压边、固定；

(3)根据流道形状、尺寸编写程序代码，用于控制激光束的起始位置和运动轨迹；

(4)通过控制***控制激光束到达金属流场板流道的起始位置，并控制激光束的沿金属流场板流道位移，通过激光束冲击波对所述基材(10)的塑性成形的积累，形成微型金属流场板。

2.根据权利要求1所述的微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法，其特征在于，所述步骤(4)中激光束的激光参数为：光斑直径2～13mm、脉冲宽度10ns、激光能量12J、光束模式为超高斯分布、激光束的扫描速度5HZ。

3.根据权利要求1所述的微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法，其特征在于，所述步骤(4)中激光束的光斑直径为3mm。

4.根据权利要求1所述的微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述模板(22)利用LIGA、刻蚀加工。

5.一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形装置，其特征在于，包括工作台底座(21)、压边装置、控制***和成形***；所述工作台底座(21)包括可调定位用工作台(12)和底座(21)，所述可调定位用工作台(12)装配在底座(21)上；压边装置设置在工作台底座(21)上；成形***依次由精密数控装置(13)、位移传感器(15)、激光***(17)、能量吸收层(8)、约束层(9)和模板(22)组成，所述激光***(17)安装在精密数控装置(13)上、且位于工作台底座(21)上方，所述位移传感器(15)安装在激光***(17)上，所述能量吸收层(8)、约束层(9)、模板(22)从上到下依次叠置、并置于支撑座(11)上；控制***由计算机(1)、D/A转换器(3)、控制单元(4)和A/D转换器(2)组成，所述控制单元(4)一端与精密数控装置(13)相连、另一端通过D/A转换器(3)与计算机(1)相连，A/D转换器(2)一端与计算机(1)相连、另外一端与位移传感器(15)相连。

6.根据权利要求5所述的微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形装置，其特征在于，所述压边装置由螺栓(6)、弹簧(7)、压板(18)、螺纹孔、螺钉组成，所述支撑座(11)通过螺钉安装在所述工作台上，螺栓(6)装配在支撑座(11)上的螺纹孔内，弹簧(7)套在螺栓(6)上。

7.根据权利要求5所述的微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形装置，其特征在于，所述金属流场板基材(10)为不锈钢、钛合金、铝合金中的一种，所述基材(10)的厚度在40～1200μm范围内。

8.根据权利要求5所述的微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形装置，其特征在于，所述能量吸收层(8)为黑漆，约束层(9)为K9玻璃、水、有机硅凝胶中的一种。