燃料电池双极板加工方法与流程

本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池双极板加工方法。

背景技术：

双极板是燃料电池的核心零部件，双极板的设计是决定燃料电池性能的核心因素。双极板表面开设阴极流道、阳极流道、冷却流道等结构。流道结构承担燃料电池内反应气体分配、气体冷却、排水等功能。

现有技术中通常通过机床加工和模压成型的方式进行双极板流道沟槽加工。降低流道脊背的宽度，可以提高反应气体向脊背下区域的扩散效率，因此提高流道排布的密集度可以提高燃料电池的性能。由于受到石墨材料脆性和加工模具的影响，机床加工和模压成型的方式很难加工脊背很窄的密集流道，导致现有主流产品的双极板流道的脊背宽度在1毫米水平，现有技术继续降低流道脊背宽度会大幅提高加工成本与加工时间。进一步突破燃料电池性能需要将双极板上流道脊背的宽度降低到0.2毫米至0.3毫米水平。

技术实现要素：

基于此，有必要针对怎样才能提高双极板的性能的问题，提供一种燃料电池双极板加工方法。

一种燃料电池双极板加工方法，包括：

提供石墨双极板毛坯。

根据目标流道结构图，绘制整体加工路径图。

根据所述整体加工路径图，利用激光在所述石墨双极板毛坯表面加工流道，得到成型石墨双极板。

对所述成型石墨双极板进行表面洁净处理和表面疏水处理。

在一个实施例中，加工石墨双极板毛坯的步骤包括：

加工形成硬质双极板原始毛坯。

采用机械加工机床在所述硬质双极板原始毛坯表面开设进出口和公共流道气孔，以形成石墨双极板毛坯。

在一个实施例中，根据目标流道结构图，绘制整体加工路径图的步骤包括：

根据所述目标流道结构图，获取目标流道的流道宽度、流道深度、流道延伸形状和流道间距。

根据所述流道宽度选取激光的光斑直径和走光间距。

根据所述流道深度选取扫描频率、走光速度和加工扫描次数。

根据所述流道延伸形状、所述流道间距、所述光斑直径和所述走光间距，得到所述整体加工路径图。

在一个实施例中，根据所述流道延伸形状、所述流道间距、所述光斑直径和所述走光间距，得到所述整体加工路径图的步骤包括：

所述目标流道结构图包括多条目标流道，所述整体加工路径图包含多个扫描线组，所述多个扫描线组与所述多条目标流道一一对应设置，每个所述扫描线组包含多条扫描线，根据所述流道延伸形状，得到与所述目标流道对应的所述扫描线的形状。

根据所述光斑直径、所述走光间距和所述流道宽度计算每条所述目标流道的走光次数，根据所述走光次数得到所述扫描线的条数，根据所述走光间距得到对应的相邻两条所述扫描线的扫描线间距，相邻两条所述扫描线位于一个所述扫描线组。

根据所述流道间距得到对应的相邻两个所述扫描线组的扫描组间距。

根据所述扫描线的形状、所述扫描线的条数、所述扫描线间距和所述扫描组间距，得到所述整体加工路径图。

在一个实施例中，在根据所述流道深度选取扫描频率、走光速度和扫描次数的步骤之前，所述加工方法还包括：

进行预扫描实验，以确定所述扫描频率、所述走光速度和所述加工扫描次数。

在一个实施例中，进行预扫描实验，以确定所述扫描频率、所述走光速度和所述加工扫描次数的步骤包括：

获取实验石墨双极板毛坯，所述实验石墨双极板毛坯与待加工的所述石墨双极板毛坯材料相同。

采用所述扫描频率和所述走光速度对所述实验石墨双极板毛坯进行第一次直线扫描，第一次实验加工扫描次数为n，得到第一凹槽，测量所述第一凹槽的深度，并得到第一深度。

采用所述扫描频率和所述走光速度对所述实验石墨双极板毛坯进行第二次直线扫描，第二次实验加工扫描次数为m，得到第二凹槽，测量所述第二凹槽的深度，并得到第二深度，其中m大于n，其中m和n为正整数。

根据所述第一深度、所述第二深度、m、n和所述流道深度，确定所述加工扫描次数。

在一个实施例中，根据所述第一深度、所述第二深度、m、n和所述流道深度，采用差分法确定所述加工扫描次数。

在一个实施例中，根据所述整体加工路径图，采用高能激光器在所述石墨双极板毛坯表面加工流道，得到成型石墨双极板。

在一个实施例中，根据所述目标流道的延伸形状，得到对所述目标流道对应的所述扫描线的形状的步骤还包括：

判断所述目标流道中是否包含拐角结构。

若是，则与所述拐角结构对应的所述扫描线为弧形倒角结构。

在一个实施例中，所述多条目标流道包括第一目标流道和第二目标流道，所述多个扫描线组包含第一扫描线组和第二扫描线组，所述第一扫描线组包含多个第一扫描线，所述第一扫描线与所述第一目标流道对应，所述第二扫描线组包含多个第二扫描线，所述第二扫描线与所述第二目标流道对应，根据所述目标流道的延伸形状，得到对所述目标流道对应的所述扫描线的形状的步骤还包括：

判断所述第一目标流道起点是否与所述第二目标流道的延伸路径重叠。

若是，所述第一扫描线起点设置加工余量间隙。

在一个实施例中，加工石墨双极板毛坯的步骤包括：

采用石墨粉模压形成所述石墨双极板毛坯，所述石墨双极板毛坯表面已开设进出口、公共流道气孔和主流道。

本申请提供的所述燃料电池双极板加工方法。所述加工方法包括获取石墨双极板毛坯。根据目标流道结构图，利用激光在所述石墨双极板毛坯上加工流道，得到成型石墨双极板。现有技术中刀具加工的流道脊背在毫米级宽度，模压的模具成型脊背宽度也为毫米级。所述加工方法利用激光进行流道加工，本申请中激光的光斑直径为微米级，不产生机械应力，激光能加工脊背宽度更窄，排布更紧密的流道。进一步的，所述加工方法还包括对所述成型石墨双极板进行表面洁净处理和表面疏水处理，表面疏水处理后的流道不易积水。进而，所述加工方法加工形成的双极板流道的输送能力增强，所述加工方法提高了双极板性能。

附图说明

图1为本申请一个实施例中提供的所述燃料电池双极板加工方法的电气原理图；

图2为本申请一个实施例中提供的所述目标流道结构图；

图3为本申请一个实施例中提供的所述整体加工路径图；

图4为本申请一个实施例中提供的所述a-a局部结构图；

图5为本申请一个实施例中提供的所述激光雕刻机的结构示意图；

图6为本申请一个实施例中提供的所述折射镜的位置示意图；

图7为本申请一个实施例中提供的所述成型石墨双极板的聚焦流道底部的影像图。

附图标号：

燃料电池双极板加工方法10

流道101

脊102

激光发生器120

移动结构130

平台140

折射镜150

目标流道结构图30

目标流道300

流道间距h

第一目标流道310

第二目标流道320

第一目标流道起点b

整体加工路径图40

扫描线组400

扫描组间距h1

扫描线间距h2

弧形倒角结构402

第一扫描线组410

第一扫描线411

第一扫描线起点b

第二扫描线组420

第二扫描线421

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

双极板是燃料电池的核心零部件，双极板的设计是决定燃料电池性能的核心因素。双极板具有阴极流道、阳极流道、冷却流道等结构。双极板承担燃料电池内反应气体分配、冷却、排水等功能。

石墨双极板的耐腐蚀能力强。通常使用石墨双极板来设计长寿命燃料电池电堆。为了提高双极板的性能，技术人员将脊背的宽度不断变窄与密度不断提高。现有的双极板槽深槽宽通常都在1毫米水平，部分加工工艺可以达到0.4mm。但是，无论是使用数控机床加工还是模压成型，进一步降低脊背的宽度和提高流道的密度都存在成本高与效率低的问题。

请参见图1、图2和图3，本申请实施例提供一种燃料电池双极板加工方法，包括：

s100，提供石墨双极板毛坯。

s200，根据目标流道结构图30，绘制整体加工路径图40。

s300，根据所述整体加工路径图40，利用激光在所述石墨双极板毛坯表面加工流道，得到成型石墨双极板。

s400，对所述成型石墨双极板进行表面洁净处理和表面疏水处理。

本申请实施例提供的所述燃料电池双极板加工方法，根据目标流道结构图30，利用激光在所述石墨双极板毛坯上加工流道，得到成型石墨双极板。现有技术中刀具加工的流道脊背在毫米级宽度，模压的模具成型脊背宽度也为毫米级。所述加工方法利用激光进行流道加工，本申请中激光的光斑直径为微米级，不产生机械应力，激光能加工脊背宽度更窄，排布更紧密的流道。进一步的，所述加工方法还包括对所述成型石墨双极板进行表面洁净处理和表面疏水处理，表面疏水处理后的流道不易积水。进而，所述加工方法加工形成的双极板流道的输送能力增强，所述加工方法提高了双极板性能。

在一个实施例中，在所述s100步骤包括加工形成硬质双极板原始毛坯。采用机械加工机床在所述硬质双极板原始毛坯表面开设进出口和公共流道气孔，以形成石墨双极板毛坯。

在另一个实施例中，在所述s100步骤包括采用石墨粉模压形成所述石墨双极板毛坯，所述石墨双极板毛坯表面已开设进出口、公共流道气孔和主流道。通过模压成型方法形成所述主流道。通过所述s200对所述石墨双极板毛坯表面的主流道进行精细加工，以提高主流道的气体扩散能力。

采用所述机械加工和所述模压成型方法加工双极板的进出口公共流道气孔，提高了加工效率。

激光雕刻的原理是使用高能的激光光束，来融化燃烧激光扫过路径的石墨与树脂材料，形成流道沟槽。

在一个实施例中，所述s200包括：

s210，根据所述目标流道结构图30，获取目标流道300的流道宽度、流道深度、流道延伸形状和流道间距h。

s220，根据所述流道宽度选取激光的光斑直径和走光间距。

s230，根据所述流道深度选取扫描频率、走光速度和加工扫描次数。

s240，根据所述流道延伸形状、所述流道间距h、所述光斑直径和所述走光间距，得到所述整体加工路径图40。

所述流道间距h指相邻两个流道之间相邻侧壁之间的距离。所述走光间距指相邻两个扫描光斑的中点之间的距离，其中所述相邻两个扫描光斑用于加工相邻两条扫描线。

请一并参见图4，在一个实施例中，所述s240包括：

s241，所述目标流道结构图30包括多条目标流道300，所述整体加工路径图40包含多个扫描线组400，所述多个扫描线组400与所述多条目标流道300一一对应设置，每个所述扫描线组400包含多条扫描线，根据所述流道延伸形状，得到与所述目标流道300对应的所述扫描线的形状。

s242，根据所述光斑直径、所述走光间距和所述流道宽度计算每条所述目标流道300的走光次数，根据所述走光次数得到所述扫描线的条数，根据所述走光间距得到对应的相邻两条所述扫描线的扫描线间距h2，相邻两条所述扫描线位于一个所述扫描线组400。

s243，根据所述流道间距h得到对应的相邻两个所述扫描线组400的扫描组间距h1。

s244，根据所述扫描线的形状、所述扫描线的条数、所述扫描线间距h2和所述扫描组间距h1，得到所述整体加工路径图40。

在所述s241，一个所述扫描线组400的多条所述扫描线平行设置。所述扫描线的形状包括直线形、折线形和弧线形。

在所述s242，利用走光次数公式可以得到所述走光次数。所述走光次数公式为：

n＝(x-y)/(p+1)

其中，n表示所述走光次数，x表示所述流道宽度，y表示所述光斑直径，p表示所述走光间距。

所述走光间距的选取基于所述石墨双极板毛坯的激光加工特性。合适的所述走光间距既能保证加工速度，也能保证表面粗糙度。

在一个实施例中，在选取所述走光间距前，需进行走光间距预备实验。所述光间距预备实验包括多次采用不同的所述走光间距进行多个激光加工，并测量所述流道的表面的加工精度。

在上一个实施例中，所述走光间距等于所述扫面线间距。

在一个实施例中，所述s300为根据所述光斑直径、所述扫描频率、所述走光速度、所述加工扫描次数和所述整体加工路径图40，利用激光在所述石墨双极板毛坯上加工流道，得到所述成型石墨双极板。

请一并参见图5，在一个实施例中，采用激光雕刻机对所述石墨双极板毛坯进行加工。所述激光雕刻机包括整体控制装置、激光发生器120、平台140和移动结构130。所述激光发生器120和所述移动结构130分别与所述整体控制装置电连接。所述整体控制装置用于接收外部命令，并根据所述外部命令控制所述激光发生器120和所述移动结构130协同工作。

所述激光发生器120用于产生激光。所述平台140用于固定所述石墨双极板毛坯，并提供加工平台。所述移动结构130与所述激光发生器120的探头121固定连接，用于带动所述激光探头121按照所述整体加工路径图40移动。所述移动结构130具备空间三维移动功能。

在一个实施例中，所述激光雕刻机对所述石墨双极板毛坯进行加工的步骤包括：

s1，将所述石墨双极板毛坯固定于所述平台140，所述石墨双极板毛坯标记有加工原点，所述探头121与所述石墨双极板毛坯的加工原点对应设置。

s2，在所述整体控制装置上设置所述光斑直径、所述扫描频率、所述走光速度、所述加工扫描次数。

s3，将所述整体加工路径图40导入所述整体控制装置。

s4，所述整体控制装置控制所述激光发生器120和所述移动结构130协同工作，对所述石墨双极板毛坯表面进行流道加工。

请一并参见图6，在一个实施例中，所述激光雕刻机还包括折射镜150。所述折射镜150设置于所述激光路径上，用于改变所述激光的方向。利用所述激光雕刻机可以加工的多种所述目标流道。所述目标流道可以是脊背上的斜孔，梯形槽等空间结构。

相邻两个所述目标流道300之间形成脊，上述方法还用于加工脊上开孔、开槽及其结合的结构。

在一个实施例中，在所述s230步骤之前，所述加工方法还包括：

s221，进行预扫描实验，以确定所述扫描频率、所述走光速度和所述加工扫描次数。

由于石墨板中树脂等非石墨部分的比例不一样，所述扫描频率、所述走光速度和所述加工扫描次数需要通过上述预备实验完成。在选取具体参数时，要充分协调加工精度、表面粗糙度与扫描参数之间的关系。

在一个实施例中，所述s221包括：

s11，获取实验石墨双极板毛坯，所述实验石墨双极板毛坯与待加工的所述石墨双极板毛坯相同。

s12，采用所述扫描频率和所述走光速度对所述实验石墨双极板毛坯进行第一次直线扫描，第一次实验加工扫描次数为n，得到第一凹槽，测量所述第一凹槽的深度，并得到第一深度。

s13，采用所述扫描频率和所述走光速度对所述实验石墨双极板毛坯进行第二次直线扫描，第二次实验加工扫描次数为m，得到第二凹槽，测量所述第二凹槽的深度，并得到第二深度，其中m大于n，其中m和n为正整数。

s14，根据所述第一深度、所述第二深度、m、n和所述流道深度，确定所述加工扫描次数。

在一个实施例中，在所述s4中，根据所述第一深度、所述第二深度、m、n和所述流道深度，采用差分法确定所述加工扫描次数，提高扫描精度。

所述走光速度越快整体的加工速度越快。所述走光速度的选取取决于设备的精度和流道加工的设计能力。当流道中存在垂直结构、多个断点、多段加工路径、与光斑同尺寸的微流道结构等复杂结构的加工需求时，采用可变的所述走光速度的方法。在加工直线流道时，采用第一走光速度。在加工复杂结构流道时，采用第二走光速度。所述第一走光速度大于所述第二走光速度。

在一个实施例中，在所述s200中采用高能激光器对所述石墨双极板毛坯进行流道加工。高能激光加工石墨双极板时，石墨双极板的材料变化为气化的等离子状态，避免加工残渣残留堆积，产生加工缺陷。激光脉冲时间越短，整体能量越高，更有利于等离子化，低脉冲激光无法具备足够高的能量等离子体化石墨。

激光加工的流道深度与单位时间发射激光可以融化烧灼的石墨体积相对应。流道加工是加工速度与精度的平衡选择。能量越大，扫描越快，加工速度越快，精度越低。

在一个实施例中，所述高能激光器为皮秒激光器、飞秒激光器和纳秒激光器。

所述燃料电池双极板加工方法采用10微米到200微米水平的小光斑激光。由于激光雕刻的光斑能量分布服从高斯分布，越靠近所述激光光斑的中央，激光的能量越高。采用小光斑，能够缩减能量分布差异，提高加工精度。

在一个实施例中，在所述s200采用光纤激光器对所述石墨双极板毛坯进行流道加工。用于石墨加工的激光波长应当能量较大，波长较短。co2激光的波长太长，能量较小，不适合进行石墨加工。光纤激光器的波长短，能量大，适用于石墨加工。

在所述s200中也可以采用比光纤激光波长更短的激光进行加工。

在一个实施例中，在所述s241中，根据所述目标流道300的延伸形状，得到对所述目标流道300对应的所述扫描线的形状的步骤还包括：

s21，判断所述目标流道300中是否包含拐角结构。

s22，若是，则与所述拐角结构对应的所述扫描线为弧形倒角结构402。

在一个实施例中，所述目标流道300包括直角流道结构，将所述直角流道结构设计为所述弧形倒角结构402，避免局部位置重复加工，提高加工精度。

在一个实施例中，所述多条目标流道300包括第一目标流道310和第二目标流道320，所述多个扫描线组400包含第一扫描线组410和第二扫描线组420，所述第一扫描线组410包含多个第一扫描线411，所述第一扫描线411与所述第一目标流道310对应，所述第二扫描线组420包含多个第二扫描线421，所述第二扫描线421与所述第二目标流道320对应，在所述s241中，根据所述目标流道300的延伸形状，得到对所述目标流道300对应的所述扫描线的形状的步骤还包括：

s31，判断所述第一目标流道起点b是否与所述第二目标流道320的延伸路径重叠。

s32，若是，所述第一扫描线起点b设置加工余量间隙。

如果将第一扫描线411与所述第二扫描线421重叠，则在重叠部位，激光扫描两次，重叠部位的加工深度大于其他部位的深度。设置所述加工余量间隙，即在所述第一扫描线起点b距离所述第二扫描线421设置一定间隙，以保证光斑中心不会重复扫描间隙位置，提高加工精度。所述间隙的长度与光斑半径在同一量级水平。

请一并参见图7，在一个实施例中，实验使用了普通的膨胀石墨板和80w皮秒激光器，使用了固定所述走光速度1m/s，预备实验中50％能量扫描100次，得到所述流道深度约为0.2mm。采用40％能量扫描500次，得到所述流道深度约为0.75mm。采用差分法，得到所述流道深度为0.3mm，使用50％能量，每条所述扫描线扫描150次。

在一个实施例中，设计目标是0.3mm宽，0.3mm深的流道。基于预备实验的结果，最终设计流道如下：

所述光斑直径为50um；所述扫描间距为20um；所述扫描频率为300khz；所述扫描次数为每条所述扫描线扫描150次；所述扫描速度为1m/s；所述扫描能量为50％(最大80w)。

图7为利用上述参数得到的所述成型石墨双极板的聚焦流道底部101的影像图。成型的流道101底部平整度良好。相邻两个所述流道101之间形成脊102。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，尤其对于加工流道的形状，本专利仅仅提供了一种样例，实际加工中由于激光控制便捷，可以实现弯曲流道、可变截面积流道、微孔流道等复杂流道加工，配合图6所示的可变光路方法，更可以加工空间形状流道。然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。