一種雙極板表面微流道的有序固著研磨方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種雙極板表面微流道的有序固著研磨方法，特別涉及質(zhì)子交換膜燃 料電池金屬雙極板表面微流道的加工成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 質(zhì)子交換膜燃料電池 （Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)因其具有 能量轉(zhuǎn)化率高、無(wú)污染、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)而具有可觀的市場(chǎng)應(yīng)用前景。與熱機(jī)相比，燃料電池 的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，不需要初步轉(zhuǎn)化成熱能。因此，轉(zhuǎn)化不受卡諾循環(huán)的限制，理論 上可以實(shí)現(xiàn)90%轉(zhuǎn)化的高效率。
[0003] 雙極板又稱集流板，是燃料電池的重要部件，需滿足如下有求：（1)實(shí)現(xiàn)電池間電 的聯(lián)接；（2)排除電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的廢熱；（3)分隔燃料和氧化劑。流場(chǎng)是在雙極板上 加工的各種形狀的溝槽，為反應(yīng)物和生成物提供進(jìn)出通道，流道結(jié)構(gòu)決定反應(yīng)物與生成物 在流場(chǎng)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，要保證質(zhì)子交換膜燃料電池正常運(yùn)行，必須使電極各處均能獲得充 足的反應(yīng)物，并及時(shí)將生成的水排出，因此雙極板的流場(chǎng)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的性能有 很大的影響。
[0004] 燃料電池雙極板的傳統(tǒng)加工方法是機(jī)械加工，但微型燃料電池的體積較小，其流 道尺寸將變得更小，傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展為制 作微型燃料電池雙極板提供了新方法，MEMS技術(shù)是指運(yùn)用微電子加工技術(shù)和微機(jī)械加工技 術(shù)，在較小的物理尺寸上集成了微機(jī)械元件、微電子元件、微機(jī)械執(zhí)行器、微傳感器、電路和 供能部件的器件或是系統(tǒng)，例如刻蝕、激光加工、沖壓成形等工藝也被運(yùn)用至微型燃料電池 雙極板的加工中。
[0005] 刻蝕、激光加工、沖壓成形、MEMS等工藝都被應(yīng)用于微型燃料電池雙極板的加工， 但是這些制備工藝加工效率低、成本高，不適于批量化生產(chǎn)，制約了微型燃料電池的商業(yè) 化，也表明了雙極板的設(shè)計(jì)和加工理論體系還不完善。
[0006] 有序固著研磨作為一種高效率、低成本的加工方法，已經(jīng)廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，引入 到微型燃料電池雙極板的加工，能夠?qū)崿F(xiàn)更加快速高效并且低成本的商業(yè)化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于解決：針對(duì)常規(guī)刻蝕、激光加工、沖壓成形、MEMS等應(yīng)用于微型 燃料電池雙極板的加工工藝的高成本，低效率，有序固著研磨的高效率、低成本能夠?qū)崿F(xiàn)微 型燃料電池雙極板加工的產(chǎn)業(yè)化。
[0008] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案：一種雙極板表面微流道的有序固著 研磨方法，包括研磨盤(pán)磨料的排布和研磨盤(pán)與工件的轉(zhuǎn)速比的設(shè)定，所述研磨盤(pán)磨料的排 布為螺旋形排布結(jié)構(gòu)。
[0009] 作為優(yōu)選，所述研磨盤(pán)直徑為460mm，所述研磨盤(pán)圓心處有直徑為IOOmm的通孔， 所述研磨盤(pán)磨料通過(guò)磨料釬焊固定在研磨盤(pán)表面，所述磨料釬焊從研磨盤(pán)內(nèi)徑140mm處開(kāi) 始至420mm處。
[0010] 作為優(yōu)選，所述螺旋排布方式的螺旋線基本方程為：P =50+2* θ，其中θ = [0, 80]，在螺旋方程的基礎(chǔ)上將其進(jìn)行劃分，所述螺旋線總共經(jīng)過(guò)12個(gè)完整的圓周，且未 滿13個(gè)圓周，所述螺旋線包括內(nèi)圈與外圈，所述內(nèi)圈為6個(gè)完整圓周，所述磨料釬焊為金剛 石釬焊，所述內(nèi)圈上的金剛石釬焊間隔為30°，所述外圈金剛石釬焊間隔分別為20°。
[0011] 作為優(yōu)選，所述在研磨盤(pán)與工件轉(zhuǎn)速比為1:1時(shí)，得到有效面積率為67. 6%研磨軌 跡。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：研磨盤(pán)磨料的排布采用螺旋形排布結(jié)構(gòu)，螺旋線總共經(jīng)過(guò) 12個(gè)完整的圓周，且未滿13個(gè)圓周，螺旋線包括內(nèi)圈與外圈，內(nèi)圈為6個(gè)完整圓周，內(nèi)圈上 的釬焊間隔為30°，所述外圈金剛石釬焊間隔分別為20°，當(dāng)研磨盤(pán)與工件轉(zhuǎn)速比為1:1 時(shí)，得到有效面積率為67. 6%研磨軌跡，根據(jù)均勻性評(píng)價(jià)、分形維數(shù)評(píng)價(jià)和開(kāi)孔率評(píng)價(jià)得出 圖所示螺旋形排布結(jié)構(gòu)較常規(guī)圓周分布和矩形分布的結(jié)構(gòu)的研磨軌跡更適宜雙極板表面 微流道的加工成型，有序固著研磨的高效率、低成本能夠?qū)崿F(xiàn)微型燃料電池雙極板加工的 產(chǎn)業(yè)化。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本發(fā)明研磨盤(pán)磨料的排布示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中主動(dòng)驅(qū)動(dòng)固著磨粒研磨原理示意圖。
[0014] 圖中：1、研磨盤(pán)；2、研磨盤(pán)磨料；3、金剛石釬焊；4、通孔。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 參照?qǐng)D1至圖2所示，本發(fā)明提供一種雙極板表面微流道的有序固著研磨方法，其 包括研磨盤(pán)磨料2的排布和研磨盤(pán)1與工件的轉(zhuǎn)速比的設(shè)定，所述研磨盤(pán)磨料2的排布為 一螺旋形排布結(jié)構(gòu)； 所述研磨盤(pán)1直徑為460mm，所述研磨盤(pán)1圓心處有直徑為IOOmm的通孔4,所述研磨 盤(pán)磨料2通過(guò)磨料釬焊固定在研磨盤(pán)1表面，所述磨料釬焊從研磨盤(pán)1內(nèi)徑140mm處開(kāi)始 至420mm處； 所述螺旋排布方式的螺旋線基本方程為：P =50+2* Θ，其中Θ = [0, 80]，在螺旋方程 的基礎(chǔ)上將其進(jìn)行劃分，所述螺旋線總共經(jīng)過(guò)12個(gè)完整的圓周，且未滿13個(gè)圓周，所述螺 旋線包括內(nèi)圈與外圈，所述內(nèi)圈為6個(gè)完整圓周，所述磨料釬焊為金剛石釬焊3,所述內(nèi)圈 上的金剛石釬焊3間隔為30°，所述外圈金剛石釬焊3間隔分別為20° ; 所述在研磨盤(pán)（1)與工件轉(zhuǎn)速比為1:1時(shí)，得到有效面積率為67. 6%研磨軌跡。
[0016] 磨料選取為金剛石磨粒，采用的釬焊方式為孔模板技術(shù)，所用金剛石粒徑為 0. 6mm，排布方式為螺旋排布。
[0017] 研磨方式是主動(dòng)驅(qū)動(dòng)定偏心單面研磨方式，實(shí)際操作的機(jī)器為研磨機(jī)Nano-Max 型智能研磨拋光機(jī)，由于其加工方式為被動(dòng)驅(qū)動(dòng)，故將其進(jìn)行改裝，成為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。
[0018] 選取的工件為半徑90_、厚度2_的圓盤(pán)，材料選用為不銹鋼。由于實(shí)際的待加工 工件是電火花切割而來(lái)的，其工件待表面平整度較差，邊緣大多存在毛刺，因此需要對(duì)其進(jìn) 行粗研使其被加工表面滿足作為微型燃料電池雙極板的要求。在粗研過(guò)程中，其驅(qū)動(dòng)方式 為被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)，其中研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速為l〇r/m，加工10小時(shí)后，工件加工表面無(wú)明顯缺陷，且平 整，能夠用于微型燃料電池雙極板的制作。
[0019] 通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研宄不同工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量及加工效率的影響。雙極板的質(zhì)量 (開(kāi)孔率）主要在于其流道的形狀與大小，它們基本形態(tài)由所選金剛石形狀與粒度所決定， 但加工時(shí)間、載荷與轉(zhuǎn)速都會(huì)對(duì)雙極板流道的形狀與大小產(chǎn)生影響，這屬于3因素正交實(shí) 驗(yàn)，取3個(gè)水平，則正交試驗(yàn)次數(shù)為9次。表1為這不銹鋼雙極板正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。
[0020] 表 1
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙極板表面微流道的有序固著研磨方法，其特征在于：其包括研磨盤(pán)磨料（2) 的排布和研磨盤(pán)（1)與工件的轉(zhuǎn)速比的設(shè)定，所述研磨盤(pán)磨料（2)的排布為一螺旋形排布 結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙極板表面微流道的有序固著研磨方法，其特征在于： 所述研磨盤(pán)（1)直徑為460mm，所述研磨盤(pán)（1)圓心處有直徑為IOOmm的通孔（4)，所述研磨 盤(pán)磨料（2)通過(guò)磨料釬焊固定在研磨盤(pán)（1)表面，所述磨料釬焊從研磨盤(pán)（1)內(nèi)徑140_ 處開(kāi)始至420mm處。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙極板表面微流道的有序固著研磨方法，其特征在于： 所述螺旋排布方式的螺旋線基本方程為：P =50+2* Θ，其中Θ = [〇, 80]，在螺旋方程的基 礎(chǔ)上將其進(jìn)行劃分，所述螺旋線總共經(jīng)過(guò)12個(gè)完整的圓周，且未滿13個(gè)圓周，所述螺旋線 包括內(nèi)圈與外圈，所述內(nèi)圈為6個(gè)完整圓周，所述磨料釬焊為金剛石釬焊（3)，所述內(nèi)圈上 的金剛石釬焊（3)間隔為30°，所述外圈金剛石釬焊（3)間隔分別為20°。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙極板表面微流道的有序固著研磨方法，其特征在于： 所述在研磨盤(pán)（1)與工件轉(zhuǎn)速比為1:1時(shí)，得到有效面積率為67. 6%研磨軌跡。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種雙極板表面微流道的有序固著研磨方法，其包括研磨盤(pán)磨料的排布和研磨盤(pán)與工件的轉(zhuǎn)速比的設(shè)定，所述研磨盤(pán)磨料的排布為一螺旋形排布結(jié)構(gòu)，且在研磨盤(pán)與工件轉(zhuǎn)速比為1:1時(shí)，得到有效面積率為67.6%的適宜作為雙極板表面微流道的研磨軌跡，有序固著研磨的高效率、低成本能夠?qū)崿F(xiàn)微型燃料電池雙極板加工的產(chǎn)業(yè)化。
【IPC分類】B24B37-12, B24B37-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104647192
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510033220
【發(fā)明人】魯聰達(dá), 陳珍珍, 文東輝
【申請(qǐng)人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年1月22日