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什么是双极板的光化学蚀刻工艺？
光化学蚀刻是一种使用光敏涂层和紫外线在金属板上创建图案的工艺。图案化的涂层保护金属，同时化学溶液选择性地去除金属，留下所需的形状。该工艺可用于在燃料电池和电解槽的双极板上创建流道和其他特征。
双极板是燃料电池的关键组件，用于分隔单个电池以及水和气体的通路，同时还可以冷却电解槽。它们通常由石墨、不锈钢或钛制成。使用机械方法制造金属板可能成本高昂且困难。
光化学蚀刻可以提供一种更具成本效益和灵活性的双极板制造方法。该工艺包括以下步骤：
- 金属板准备：将薄金属板（如不锈钢）清洁并涂覆光敏材料（如干膜光刻胶）。
- 紫外线曝光：然后通过掩模或使用数字打印机将金属板暴露在紫外线下以创建图案。曝光后，未曝光的光刻胶被去除，留下裸露金属和光刻胶膜的图案。
- 化学蚀刻：然后将金属板喷涂化学溶液（如酸或碱），蚀刻掉裸露的金属。被膜保护的金属板区域形成双极板所需的形状和特征。
- 清洁和精加工：最后清洁和精加工双极板，以去除任何残留的光刻胶膜并提高其表面质量。
该工艺可以生产出具有高精度、复杂几何形状和优异重复性的双极板。它也是一种相对快速且具有成本效益的工艺，使其成为大规模生产的有吸引力的选择。
光化学蚀刻与其他双极板制造方法有何不同？
光化学蚀刻工艺可以同时从双极板的两侧去除金属，因此可以同时蚀刻不同设计的复杂流道。与冲压、液压成形或激光切割不同，化学蚀刻不会对双极板施加机械或热应力，这两种应力都可能影响电堆的粘合和流体流动。此外，数字图案工具成本低且生产速度快，可以轻松且低成本地适应设计优化。设计复杂性或特征增加不会带来额外的成本。
| 光化学蚀刻 | 冲孔/压印/液压成型 | 激光 | 数控（CNC）加工 | |
| 设计复杂性 | 精细特征和复杂几何形状 | 粗糙的特征；由于工具限制，设计复杂性有限 | 精细特征和复杂几何形状 | 精细特征和复杂几何形状 |
| 产量 | 高 | 高 | 低 | 低 |
| 公差 | 高 | 低 | 高 | 高 |
| 工具成本 | 低 | 高 | 低 | 低 |
| 应力 | 无应力 | 边缘应力 | 热应力 | 无应力 |
| 毛刺 | 无毛刺 | 部分毛刺 | 熔融金属渣 | 无毛刺 |
| 缺点 | 对厚度大于 1 mm 的零件有一些限制 | 生产工具的交货时间长且成本高 | 一次只能处理一个零件/特征；边缘有熔渣 | 对非常薄的材料效率低 |
哪些材料可以用于双极板生产的光化学蚀刻？
通常，铝、不锈钢和钛制成的双极板可以进行蚀刻。然而，以下材料也可以进行蚀刻：
- 难熔金属：钼、钨、钛、铪
- 纯金属：铜、镍、钯
- 合金：不锈钢、可伐合金、磷青铜、黄铜、合金 42
- 特殊金属：CuW、BeCu、CuMo
光化学蚀刻常用的设备有哪些？
光化学蚀刻工艺需要专用设备以实现精确和准确的结果。光化学蚀刻的主要设备包括：
- 数字直接成像仪：数字直接成像（DDI）是一种光刻技术，涉及使用数字图像在金属板或其他材料上创建图案。在传统的光化学蚀刻中，使用光刻工具在金属板或其他材料上创建图案的掩模。使用 DDI 时，图案直接打印在金属板上，无需掩模。
- 显影和蚀刻工具：显影和蚀刻工具具有用于蚀刻工艺的化学品槽和喷涂器，用于将化学品喷涂到金属板上。显影剂用于去除金属板上未曝光的光刻胶，而蚀刻剂用于溶解金属板上暴露的区域。
- 喷淋清洗机：为了去除任何残留的化学品和碎屑，使用喷淋清洗机在蚀刻后冲洗金属板。
- 干燥机：干燥机用于在冲洗后干燥金属板，以防止形成水渍或污渍。
- 检测设备：检测设备（如数字 CMM 和测量工具）用于检查蚀刻零件的质量和精度。
- CNC 或激光机：CNC 或激光机可用于将蚀刻的金属板切割成所需的形状和尺寸。
光化学蚀刻中使用的具体设备可能因最终产品所需的材料、尺寸和公差而异。
光化学蚀刻的优势是什么？在燃料电池中使用光化学蚀刻双极板的好处有哪些？
光化学蚀刻（PCE）双极板在燃料电池双极板的制造中具有多种优势，包括：
- 成本效益：PCE 比 CNC 加工快得多，并且不需要制造冲压或冲孔工具的时间和费用。蚀刻工艺使用直接数字成像仪（DDI）来成像零件设计。DDI 消除了生产照相底片或工具的时间和成本，提供了高水平的精度和准确性，并且可以在需要设计修改时快速更改数字图像。
- 高精度：与冲压或液压成形相比，PCE 在流道深度和宽度方面提供了非常高的精度和重复性，这对于维持适当的气体和冷却剂流动至关重要。
- 增强的表面性能：PCE 可以在双极板表面创建微纹理，增强其表面性能，如润湿性、附着力和耐腐蚀性。这可以提高燃料电池的效率和耐久性。
- 减轻重量：PCE 可以制造薄而轻的双极板，从而提高燃料电池的功率密度并减轻其重量。
- 设计灵活性：双极板的两侧可以有不同的设计。背面不必是正面的镜像。
如何控制蚀刻工艺的精度？
光化学蚀刻工艺的精度通过多种因素控制，包括用于定义图案的掩模设计、光刻胶的质量、蚀刻时间和强度以及蚀刻剂的化学性质。
- 掩模设计：掩模设计的精度和图案的分辨率通过计算机辅助设计（CAD）软件和 DDI 工具的精度控制。
- 光刻胶质量：光刻胶是一种光敏材料，用于将图案转移到金属板上。光刻胶的质量会影响图案的分辨率和精度，始终使用高质量的光刻胶以确保精确的图案转移。
- 蚀刻时间和强度：蚀刻工艺的时间和强度严格控制，以确保在金属板上准确创建特征。这对于流道宽度和深度以及流道壁的形状尤为重要。
- 蚀刻剂化学性质：蚀刻剂的化学性质被控制，以确保其选择性地溶解金属板上的所需图案，同时保持其余部分完整。
内容由 Elcon Precision 提供
Elcon Precision 是一家精密组件制造商，生产多种关键组件。60 多年来，我们一直专注于光化学蚀刻、陶瓷金属化和钎焊组件。对于氢能行业，我们提供用于电解槽和燃料电池的光化学加工双极板。立即提交您的问题和图纸！我们的工程师将与您合作，优化您的双极板设计和成本，帮助您从原型到批量生产。
最后更新：2023 年 5 月 5 日