CN100423331C - 基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法，属于燃料电池技术领域。本发明首先根据所设计的双极板结构形式，通过映射，加工生成所有辊子对，这些辊子对包括单极板辊压辊子对、双极板连接辊子对、整形辊子对；加工生成辊子对后，在一条连续的生产线上进行双极板的加工，生产线加工包括两个阶段，在第一阶段，采用单极板辊压辊子对分上下两个工位上同时进行两个单极板的极板辊压，然后在第二阶段，采用双极板连接辊子对进行双极板连接工艺，使两个单独进行的单极板实现连接，接着采用整形辊子对进行双极板整形，最后完成剪切冲裁。本发明能降低金属双极板的生产成本，降低采用传统冲压工艺中由于定位而造成的制造误差。

Description

基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的制造方法，具体是一种基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于清洁、高效、能源可再生，有望代替常规发动机成为未来汽车的主要动力源。质子交换膜燃料电池的结构主要由双极板、质子交换膜、催化剂等组成；其中MEA是燃料电池的核心，其制造成本占分别到总成本的43％；而双极板是电池的重要组成部分，在燃料电池中起到收集电流、气体分配以及水管理、热管理的作用，其重量占到燃料电池电堆总重量的80％以上，制造成本占到总成本的29％。目前质子交换膜双极板通常采用石墨材料，技术比较成熟，但是石墨材料铣削加工方式限制了极板生产效率的提高，无法实现大批量生产，很难大幅度降低生产成本；同时石墨极板也不适合环境恶劣比如车载工况下使用，对极板材料和加工模式提出了更高的要求。相比石墨材料，金属薄板由于可加工性好、价格低廉，必将成为降低燃料电池极板制造成本的优选材料，世界各大公司以及研究单位纷纷进行金属双极板的开发和研究。目前，对金属双极板的研究取得了很大的进展，但大多数还集中在对金属双极板的表面改性方面，对金属双极板的加工工艺方法研究的相关报道还比较少。也有一些研究单位提出了采用冲压技术进行燃料电池双极板的加工。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为1787261A的发明专利，提出利用裁剪机将金属板剪切成一定尺寸大料的平板，再用铣床加工出气体及冷却介质通道，然后将加工好的平板放入模具中利用油压机冲压加工金属双极板。这种加工方法能够有效加工出满足燃料电池极板设计要求的流场通道，也易于加工。但是由于极板的流场通道的尺寸特征极为精密，其设计尺寸小到宽500微米、深300微米、间隔500微米，这时冲压成形加工的特点发生了显著变化，在制造过程中表现出强烈的尺度效应，对于加工精度要求极高。因此加工过程中的多工位中加工模具的重新定位必然引起较大的制造误差，同时其加工效率也必然降低，限制了大批量生产的实现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法。本发明能够实现单极板流道辊压成形、尺寸精整、双极板连接的集成，实现在一条生产线多个连续工位的制造工艺，能够消除双极板连接的重新定位误差，可以显著提高成形性和成形精度。

本发明是通过以下技术方案实现，本发明首先根据所设计的双极板结构形式，通过映射，加工生成所有辊子对。由于双极板的气体通道，流场流道以及密封沟槽在外形上主要是连续的凹凸波浪状，因此可以通过从平面极板到圆周辊子的点对点共轭映射，通过啮合原理，在考虑板料厚度的情况下，设计出所有的辊子对。这些辊子对包括单极板辊压辊子对、双极板连接辊子对、整形辊子对。加工生成辊子对后，在一条连续的生产线上进行双极板的加工。生产线加工包括两个阶段，第一阶段为单极板辊压，第二阶段包括双极板连接、双极板整形、剪切冲裁。其中，在第一阶段，采用单极板辊压辊子对分上下两个工位上同时进行两个单极板的极板辊压；然后在第二阶段，采用双极板连接辊子对进行双极板连接工艺，使两个单独进行的单极板实现连接，接着采用整形辊子对进行双极板整形，最后完成剪切冲裁。

所述的单极板辊压，是对单极板气体通道和反应流场以及密封沟槽的辊压。根据构形设计，单极板辊压辊子对的圆周表面轮廓由双极板的流场的流道形状映射生成。根据设计需要，单极板辊压辊子对圆周表面布置若干个极板反应流场，一个圆周可辊压若干个单极板的流场。单极板辊压分为上下两个工位上同时进行，每一个工位都有上下放置的共轭的单极板辊压辊子对，分别为单极板辊压凸模和单极板辊压凹模。上下工位辊子对的布置是互逆的，若上工位中为凸模在上，凹模在下，则下工位为凸模在下，凹模在上。单极板辊压辊子对的辊子的安装调整根据实际生产的双极板决定，两个辊子的安装间距由双极板板料厚度决定。

所述的双极板连接，是将两个分别进行的单极板进行连接，通过一对上下对称分布的双极板连接辊子对来完成，包含双极板连接辊子上模和双极板连接辊子下模。双极板连接辊子对根据双极板需要连接的部位的形状生成对应的凸起平台。双极板连接辊子上模的凸起平台顶部设有微型连接凸点，双极板连接辊子下模的凸起平台顶部设有微型连接凹槽，通过微型连接凸点的冷挤压，使金属极板材料在微型连接凹槽两侧内流动，实现两块单极板的连接。

所述的双极板整形，是通过一对整形辊子对来完成。根据连接而成的双极板形状，在整形辊子对圆周表面上生成与双极板各部位对应的平整凸台，通过整形辊子对的滚动对双极板进行整形，以消除在单极板辊压和双极板连接工序中造成的变形。可以根据实际需要布置若干道整形辊子对实施整形。

所述的剪切冲裁，是指将生成的双极板从连续的薄板板料上剪切下来，同时根据双极板形状冲裁生成所设计的各个气体和冷却液进出孔口。

与现有技术相比，本发明一种能够实现高效率、精密成形，同时能够保证较高公差要求的连续线性工艺制造方法，能降低金属双极板的生产成本，降低采用传统冲压工艺中由于定位而造成的制造误差，能有助于改进电堆装配的质量，为实现大批量生产用于质子交换膜燃料电池金属双极板提供一种可行的方法。

附图说明

图1为本发明制造工艺生产线总体布局示意图

图2为单极板辊压凸模圆周展开图示意图

图3为单极板辊压辊子对正视图局部示意图

图4为双极板连接辊子对正视图局部示意图

图5为双极板连接辊子对局部放大示意图

图中，1为金属薄板原材料，2为单极板辊压凸模，3为单极板辊压凹模，4为辊压沟脊，5为辊压凹槽，6为双极板连接辊子上模，7为双极板连接辊子下模，8为单极板，9、10为凸起平台，11为微型连接凸点，12为微型连接凹槽，13为气体通道，14为反应气体流场，15为密封沟槽。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例采用的生产线总体布局示意图，为一条连续的生产线，生产线分为两个阶段，第一阶段为单极板辊压工艺过程，第二阶段包括双极板连接，双极板整形，剪切冲裁。在第一阶段分上下两个工位上同时进行两个单极板的极板辊压工艺；然后在第二阶段，双极板连接工艺工序上，两个单独进行的单极板实现连接，接着进行双极板整形以及剪裁冲孔工艺。

本实施例所采用的金属薄板原材料1为不锈钢或者钛合金材。金属薄板厚度范围在0.1mm-0.3mm。金属薄板原材料1储存在卷轴机内，生产中由开卷机带出。

单极板辊压工艺实现对单极板的气体通道13，反应气体流场14以及密封沟槽15的辊压。根据所生产需要，辊子对模具的表面轮廓由单极板的气体通道13，反应气体流场14的流道以及密封沟槽15的形状映射生成。单极板辊压辊子对表面布置若干个极板反应流场，一个圆周可进行若干个单极板的辊压。分为上下两个工位上同时进行，每一个工位都有上下放置的共轭的单极板辊压辊子，分别为单极板辊压凸模2和单极板辊压凹模3，单极板辊压凸模2展开示意图如图2所示。上下工位辊子对的布置是互逆的，若上工位中为凸模在上，凹模在下，则下工位为凸模在下，凹模在上。辊子对的安装调整根据实际生产的双极板决定。两个辊子的安装间距由单极板板料厚度决定。两个辊子在上下轴作相向转动，通过单极板辊压凸模2上的辊压沟脊4将金属薄板原材料1压入单极板辊压凹模3上的辊压凹槽5，实现单极板的辊压。单极板辊压辊子对辊压生成单极板过程示意图如图3所示。

双极板连接工序的功能是将两个分别进行的单极板8进行连接，通过一对上下对称放置的双极板连接辊子对来完成，双极板连接辊子对包含双极板连接辊子上模6，双极板连接辊子下模7。双极板连接辊子对是根据双极板需要连接的部位形状生成对应的两个凸起平台9、10。双极板连接过程示意图如图4所示。双极板连接辊子上模6的凸起平台9顶部设有微型连接凸点11，双极板连接辊子下模7的凸起平台10顶部设有微型连接凹槽12，通过微型连接凸点11的冷挤压，使金属极板材料在微型连接凹槽12两侧内流动，实现两块单极板的连接。两个凸起平台9、10顶部的局部放大示意图如图5所示。

双极板整形工序是通过一对整形辊子对来完成。根据连接而成的双极板形状，在整形辊子对圆周表面上生成与双极板各部位对应的平整凸台，通过整形辊子对的滚动对双极板进行整形，以消除在单极板辊压工艺和极板连接工序中造成的变形。可以根据实际需要布置若干道整形辊子对实施整形。

剪切冲裁工序是将生成的双极板从连续的薄板板料上剪切下来，同时根据双极板形状冲裁生成所设计的各个气体和冷却液进出孔口。冲裁剪切工艺可理解为分开进行，也可以理解为在一个工位上进行，图1中给出的为局部示意图。

实施例1

在本实施例中，为适应辊子模具的结构特征，降低模具加工难度，采用交指形双极板结构。选用的极板材料为0.1mm的316不锈钢薄板。设计极板反应气体流场流道宽度为1mm，深度为0.8mm，流道间距(凸台)为1mm，气体通道均设计为宽2mm，深度为0.8mm。进气口出气口设计为20mm×20mm的方形孔，冷却液进出口均为10mm×10mm的方形孔。在反应气体流场区域周围，设计有一条宽度和深度均为0.5mm的密封沟槽。两块单极板为完全对称设计，结构构形相同。

根据极板结构构形，通过映射加工生成各个工序的辊子对，包括单极板辊压辊子对，双极板连接辊子对，极板整形辊子对，同时根据双极板上设计的进气口出气口和冷却液进出口的位置设计加工出剪切冲裁工具。然后开始极板的加工。首先将满足设计宽度的金属薄板材料储存在卷机内，通过若干辊道，以单极板辊压工序的单极板辊压辊子对静摩擦将板料带入，持续辊压生成具有气体通道，反应气体流场和密封沟槽的单极板；进入双极板连接工序，以上下工位同时进行的两条单极板通过双极板连接辊子对进行辊压连接；进入双极板整形工序，通过整形辊子对的滚动对双极板进行整形，以消除在单极板辊压工艺和极板连接工序中造成的变形。在在过程中控制电机转速以确保单极板辊压工序、双极板连接工序和双极板整形工序中各个辊子对上对应点的线速度一致。然后进入剪切冲裁工序，将连续在一起的双极板带料剪切成独立的双极板，同时一并冲裁生成各个气体进出口和冷却液进出口，完成双极板的制造。

本发明不受所给出实施例的限制，许多地方要根据实际生产的双极板形式来改变，辊子对由双极板设计形式映射生成，除了辊子对还可能需要一定数量的送料辊，上下辊子之间的距离由生产实际中的板料厚度来决定。在极板连接工艺中，还可以根据实际双极板的设计加上密封工艺，本发明没有给出具体的描述并且没有局限其中，本领域技术人员可以理解为在本工序中进行具体的密封设计而不偏离本发明的技术方案的范围。

Claims (7)

1. 一种基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法，其特征在于，首先根据所设计的双极板结构形式，通过映射，加工生成所有辊子对，这些辊子对包括单极板辊压辊子对、双极板连接辊子对、整形辊子对；加工生成辊子对后，在一条连续的生产线上进行双极板的加工，生产线加工包括两个阶段，第一阶段为单极板辊压，第二阶段包括双极板连接、双极板整形、剪切冲裁，在第一阶段，采用单极板辊压辊子对分上下两个工位上同时进行两个单极板的极板辊压，然后在第二阶段，采用双极板连接辊子对进行双极板连接工艺，使两个单独进行的单极板实现连接，接着采用整形辊子对进行双极板整形，最后完成剪切冲裁。

2. 根据权利要求1所述的基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法，其特征是，所述的单极板辊压，是对单极板气体通道和反应流场以及密封沟槽的辊压，单极板辊压辊子对的圆周表面轮廓由双极板的流场的流道形状映射生成，单极板辊压辊子对圆周表面布置若干个极板反应流场，一个圆周可辊压若干个单极板的流场；单极板辊压分为上下两个工位上同时进行，每一个工位都有上下放置的共轭的单极板辊压辊子对，分别为单极板辊压凸模和单极板辊压凹模，上下工位辊子对的布置是互逆的，若上工位中为凸模在上，凹模在下，则下工位为凸模在下，凹模在上。

3. 根据权利要求1或2所述的基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法，其特征是，所述的单极板辊压，单极板辊压辊子对中辊子的安装调整根据实际生产的双极板决定，两个辊子的安装间距由双极板板料厚度决定。

4. 根据权利要求1所述的基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法，其特征是，所述的双极板连接，是将两个分别进行的单极板进行连接，通过一对上下对称分布的双极板连接辊子对来完成；双极板连接辊子对包含双极板连接辊子上模和双极板连接辊子下模，双极板连接辊子对根据双极板需要连接的部位的形状生成对应的凸起平台，双极板连接辊子上模的凸起平台顶部设有微型连接凸点，双极板连接辊子下模的凸起平台顶部设有微型连接凹槽，通过微型连接凸点的冷挤压，使金属极板材料在微型连接凹槽两侧内流动，实现两块单极板的连接。

5. 根据权利要求1所述的基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法，其特征是，所述的双极板整形，根据连接而成的双极板形状，在整形辊子对圆周表面上生成与双极板各部位对应的平整凸台，通过整形辊子对的滚动对双极板进行整形，以消除在单极板辊压和双极板连接工序中造成的变形。

6. 根据权利要求1或5所述的基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法，其特征是，所述的双极板整形，布置若干道整形辊子对实施整形。

7. 根据权利要求1所述的基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法，其特征是，所述的剪切冲裁，是指将生成的双极板从连续的薄板板料上剪切下来，同时根据双极板形状冲裁生成所设计的各个气体和冷却液进出孔口。

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