这是一项关于燃料电池双极板制造技术优化的原创性研究报告，其核心是提出了一种新型的电解液流场设计，以提升蛇形通道的电化学加工（Electrochemical Machining, ECM）质量。本研究由南京航空航天大学（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics）机械电子工程学院的 Yan Liu、Jia Liu 和 Di Zhu 三位研究人员完成，研究论文以题为“Flow field optimization of pulse dynamic electrochemical machining for serpentine channels on stainless steel plates”的形式，于2023年发表在学术期刊《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。本报告将全面介绍该项研究的背景、方法、结果与结论。
学术背景 本研究的核心科学领域属于先进制造技术，具体聚焦于特种加工工艺中的电化学加工（ECM）。研究的动机源于燃料电池制造中的一个关键瓶颈。燃料电池作为将化学能直接转化为电能的清洁能源装置，其核心组件——双极板（Bipolar Plate）——的重量、体积和成本在电堆中占比很高。双极板的核心功能之一是刻蚀有流道，用以分配燃料、氧化剂和冷却剂，其中蛇形（Serpentine）流场因其良好的产物排出能力和多样的排列模式而被广泛应用。因此，在不锈钢板上高精度、高质量地加工出蛇形通道是制造高性能金属双极板的关键工序。
目前，可用于加工蛇形通道的技术包括冲压、电火花加工（EDM）、增材制造等，但各自存在局限：冲压深度有限、精度较低；EDM存在电极损耗和材料去除率低的问题；增材制造成本高，不适于大规模生产。相比之下，电化学加工（ECM）具有无工具磨损、无表面毛刺、高效率、低成本且不受材料硬度影响等独特优势，是一种极具前景的加工方法。在ECM中，电解液高速流过阴阳极之间的加工间隙，带走反应产生的气泡、副产物和热量，维持电化学反应。传统上，电解液平行于工件表面，从流场入口流到出口。然而，当应用于结构特殊的蛇形通道时，这种传统流场容易因流道相互垂直、截面变化而导致流速分布不均、产物堆积，进而引发加工精度下降和表面产生流纹等问题。为了改善蛇形通道ECM加工中的极间状态，本研究旨在优化电解液流场，其直接目标是通过一种新颖的流场设计，缩短电解液流程，提高加工区域内流速分布的均匀性，从而提升加工深度的一致性和工件表面质量。
详细工作流程 本研究的工作流程逻辑严密，依次包含流场设计、仿真验证和实验对比三个主要阶段，环环相扣。
第一阶段：新型“编码流场”的提出与设计 基于对传统平行流场在蛇形通道加工中缺点的分析，研究团队创新性地提出了一种名为“编码流场”（Coded Flow Field）的设计方案。该设计的核心思想是改变电解液的流向。传统流场中，电解液沿通道长度方向流动，路径长且曲折。而在编码流场中，研究人员在工具阴极（Tool Cathode）上交替布置电解液入口和出口（入口记为“1”，出口记为“0”，形成“1-0-1”的交替排列模式）。具体实现方式是，将工具阴极上对应于工件筋条的多个蛇形凹槽制成贯穿结构，并在这些贯穿槽上交替设置入口和顶部出口。这样，电解液垂直于工件表面流入加工区域，沿着通道的宽度方向穿过极间间隙，然后从相反方向流出。这种设计将电解液在每个通道内的流程缩短至最短，理论上能确保最小的流动阻力和最均匀的流场分布。
第二阶段：多物理场与流场数值仿真 为了从理论上验证编码流场的优越性，研究团队进行了系统的数值模拟，包括二维多物理场耦合仿真和三维流场仿真。 1. 二维多物理场仿真： 研究选取了传统流场和编码流场在同一位置的两个横截面建立模型。仿真综合考虑了电场、流场、温度场和气液两相流的耦合作用。关键边界条件包括：定义电解液为20%浓度的NaNO3水溶液；工具和工件材料为不锈钢；工具被赋予叠加了恒定进给和往复振动的复合运动；在工具和工件间施加加工电压。仿真中求解了拉普拉斯方程描述的电场分布，并考虑了电解液电导率随温度和气泡率的变化（遵循给定的经验公式）。仿真参数如电解液入口温度20°C、入口压力0.6 MPa、出口压力0.1 MPa、电压10V等均在论文中列出。仿真主要监测了在一个振动周期内，加工区域四条特定线上（Line 1至Line 4）的温度变化、气体体积分数和电导率随时间的变化情况，用以评估两种流场下加工状态的均匀性和稳定性。 2. 三维流场仿真： 为了更真实地反映电解液的流动情况，研究进一步利用Ansys Fluent模块进行了三维流场模拟。分别建立了传统流场和编码流场的三维模型。仿真特别关注了加工过程中的动态变化：一是工具在振动周期内到达顶部、中部和底部（即极间间隙最大、中等和最小时）的瞬时流场；二是加工开始（初始振动周期）和加工结束（最终振动周期，工件表面已凹下）两个不同时刻的流场。通过云图和矢量图直观展示了加工区域内电解液的速度分布和均匀性。此外，为了定量比较，研究在加工区域的四个典型区域（A, B, C, D）分别选取了四条线，提取了当极间间隙为最小值（0.2 mm）时，在初始和最终振动周期下电解液的速度数据，并计算了其平均速度和标准偏差，用于客观评估两种流场的性能差异。
第三阶段：实验验证与对比 仿真结果提供了强有力的理论预测，但需要通过实验进行最终验证。研究团队设计了脉冲动态ECM实验，在同一套实验设备上对传统流场和提出的编码流场进行了对比加工实验。 1. 实验设备与设置： 实验系统包括脉冲电源、位移传感器、控制器、电子开关、电解液循环系统（泵、储液槽、管路）等。实现两种流场切换的关键是通过控制三个阀门的开闭状态来改变电解液路径。工具阴极根据流场模式有两种不同的内部结构：传统流场使用非贯穿结构的阴极；编码流场则使用具有贯穿蛇形凹槽的阴极及其配套的支撑夹具。工件和阴极材料均为不锈钢。 2. 加工参数： 实验采用了统一的加工参数以确保可比性，主要包括：电解液为20 g/L NaNO3，温度293 K，入口压力0.6 MPa，出口压力0.1 MPa；加工电压20 V，占空比10%；工具振动振幅0.3 mm，频率10 Hz；总进给量0.8 mm，进给速度0.1 mm/min。 3. 结果检测： 加工完成后，对两种流场下得到的工件进行了全面的检测对比。 * 形貌观察： 直接观察工件表面，寻找流纹等缺陷。 * 轮廓扫描： 使用轮廓扫描仪，检测对应于仿真中四条线位置的四个点（Point 1至Point 4）的加工深度，计算最大深度差和相对偏差，以评估加工深度的一致性。 * 表面质量测量： 使用粗糙度测量仪，在工件的A、B区域选取两条7mm长的线段测量线轮廓波高（Sz），在C、D区域选取两个4mm×1mm的矩形区域测量表面波高（Sz），定量评价表面粗糙度。
主要研究结果 研究结果从仿真和实验两个层面充分支持了编码流场的优越性。
仿真结果： 1. 二维多物理场仿真： 结果显示，在传统流场中，由于电解液流程长、产物沿程堆积，从Line 1到Line 4，温度上升最大值从1.0 K增至3.0 K，气体体积分数最大值从5%增至15%，电导率最小值从13.2 S/m降至11.6 S/m。各参数在Line 4的变化幅度可达Line 1的3倍，表明加工状态极不均匀。相反，在编码流场中，四条线上的温度上升均小于0.5 K，气体体积分数仅增至约2%，电导率仅降至13.6 S/m，各处加工条件相似，一致性和稳定性显著优于传统流场。 2. 三维流场仿真： 速度分布云图和矢量图清晰显示，传统流场在区域B由于流动阻力大，流速明显偏低；在区域C因流道截面变化，速度分布极不均匀，容易产生流纹。在最终振动周期（加工深度增加），整个加工区流速普遍降低，不均匀性问题更突出。而编码流场在整个加工区域内流速更高（普遍在15-30 m/s或7.5-15 m/s范围）、更均匀。区域A和B的流速显著提升，区域C的速度均匀性（标准偏差）改善尤为明显，还不到传统流场的一半。定量数据表明，编码流场在提升最低流速方面有限，但显著提高了最高流速，并极大改善了最不均匀区域的流速分布。
实验结果： 1. 表面形貌： 使用传统流场加工的工件表面存在明显的流纹，而使用编码流场加工的工件表面光滑，缺陷显著减少。 2. 加工深度一致性： 传统流场工件加工深度在705-719 μm之间，最大深度差14 μm，相对偏差为1.96%。编码流场工件加工深度在656-663 μm之间，最大深度差仅7 μm，相对偏差为1.06%，降至传统流场的一半左右，表明深度一致性更好。 3. 表面质量： 传统流场工件在区域A和B的线波高Sz大于4 μm，区域D表面波高Sz为5.2 μm，而区域C因电解液汇合产生严重流纹，表面波高Sz高达15.5 μm。编码流场工件则表现优异：区域A和B的线波高Sz仅约0.5 μm；区域C和D的表面波高Sz分别为10.0 μm和8.8 μm，虽然区域C质量仍低于区域D，但相比传统流场下的区域C已有大幅改善，且两个区域质量接近。整体而言，编码流场加工出的工件表面质量远高于传统流场。
结论与价值 本研究得出明确结论：针对不锈钢板蛇形通道的ECM加工，所提出的编码流场优化方案是有效的。具体而言：1）与传统流场相比，编码流场能有效提高加工区域内电解液的流速和均匀性，显著减少电解副产物沿流程的堆积。2）由于产物堆积减少，使用编码流场加工的工件在加工深度上具有更好的一致性。3）使用编码流场加工的工件表面缺陷更少，表面质量更高。
本研究的价值体现在科学和应用两个层面。在科学层面，它深入揭示了电解液流场结构对复杂几何形状ECM加工过程稳定性和结果均匀性的关键影响，并通过创新的流场设计理念（改变流向、缩短流程、交替布局进出口）为解决此类问题提供了新的思路和理论依据。在应用层面，该研究直接面向燃料电池金属双极板制造这一重大需求，提供了一种能够提升加工精度和表面质量的ECM工艺优化方案，有助于推动ECM在该领域的高质量、规模化应用，具有明确的工程实践价值和产业推广前景。
研究亮点 本研究的亮点突出：首先，研究方法的创新性显著。提出了全新的“编码流场”设计概念，从根本上改变了ECM加工中电解液的供应模式，这是解决蛇形通道加工难题的核心创新点。其次，研究过程的系统性很强。遵循了“问题分析→方案设计→仿真预测→实验验证”的完整科研逻辑链，结合了多物理场耦合仿真、三维动态流场模拟和精密的对比实验，论证充分有力。最后，研究目标的针对性明确。直指燃料电池制造中的具体工艺难题，研究成果不仅具有理论深度，更具备直接转化为生产力的潜力，体现了面向国家重大战略需求的产学研结合特色。