CN103887534B - 用于不锈钢燃料电池双极板的两步骤成形的独特的预成形设计 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于不锈钢燃料电池双极板的两步骤成形的独特的预成形设计。用在燃料电池中的双极板和制造双极板的方法。薄板由铁素体或奥氏体不锈钢制成，并且限定了波状表面图案，使得带图案的薄板可被形成为双极板。在一种构造中，冲压或相关金属成形工具操作可进一步变形带图案的薄板为双极板形状，使得壁厚在整个所述表面上基本上均匀。以这种方式，在限定图案的起伏的弯曲和侧壁之间的相交处的拉伸/变薄/颈缩被大大减小。在一种形式中，图案限定了重复的蛇形形状。在特定实施例中，弯曲可包括表面改质以减少薄板－工具不对准的效果。

Description

用于不锈钢燃料电池双极板的两步骤成形的独特的预成形 设计

技术领域

本发明概括地涉及用在燃料电池环境中的不锈钢合金双极板，其表现出容易制造性，并且更具体地涉及这种双极板，其制造容易且便宜，同时尽可能地保留了机械/结构特性。

背景技术

在许多燃料电池系统中，氢或富氢气体被通过流动路径供给到燃料电池的阳极侧，而氧（例如以大气氧气的形式）被通过分开的流动流进供给到燃料电池的阴极侧。合适的催化剂（例如，铂）通常被设置成在这些相应侧上形成阳极，以促进氢氧化并作为阴极以促进氧气还原。由此，电流被产生伴随有作为反应副产品的高温水蒸气。在一种燃料电池的形式中，其被称为质子交换膜或聚合物电解质膜（在任一情况下，PEM）燃料电池，离聚物膜形式的电解质被安放在阳极和阴极之间以形成膜电极组件（MEA），其还被夹在扩散层之间，扩散层允许两种气体反应物流到达MEA并且允许电流从MEA流出。前述的催化剂层可被设置在扩散层或膜上或作为扩散层或膜的一部分。

为了增加电输出，各个燃料电池单元被堆叠，其中双极板被设置在一个MEA的扩散层和阳极电极与邻近的MEA的扩散层和阴极电极之间。通常，双极板由导电材料制成，从而形成在MEA和外部电路之间的电路径。在这种堆叠的构造中，将邻近地堆叠的MEA分开的双极板具有相对的表面，其中每一个都包括流动通道，流动通道通过升高的凸台（land）彼此分开。通道作为导管来将氢和氧反应物流传送到MEA的相应的阳极和阴极，同时凸台，通过它们与导电扩散层的接触，作为在MEA中生成的电能的传输路径，扩散层进而与在催化剂位置产生的电流电连通。以这种方式，使电流经过双极板和导电扩散层。

因为双极板在高温和腐蚀性环境中操作，传统的金属，例如普通碳钢，可能不适合某些应用（例如，在汽车环境中），在这种情况下要求长寿命（例如，约10年6000小时的寿命）。在典型的PEM燃料电池堆操作期间，质子交换膜的温度在约和约之间的范围内，并且压力在约100kPa和200kPa绝对压力的范围内。在这种条件下，由合金金属例如不锈钢制成的板可能是有优势的，因为它们具有期望的耐腐蚀特性。在燃料电池制造成本是重要的考虑因素的情况下，基于金属的双极板可能相比其它的高温、导电材料例如石墨来说是优选的。除了相对便宜以外，不锈钢板可被形成为相对薄的构件（例如，厚度在0.1和1.0毫米之间）。

各种类型的不锈钢中，那些带有通常具有高铬含量并且通常没有镍的铁素体微结构的不锈钢，表现出体心立方（BCC）晶体结构并且往往具有相对低成本和高耐腐蚀性（后者是由于氧化铬屏障的形成）的期望属性。不过，它们的硬化曲线使得它们在暴露给传统的冲压或相关的一步骤金属成形操作时比它们的更加传统的（例如，304不锈钢）相对物更容易出现颈缩、拉伸、变薄和随之发生的破裂。这些困难在单步骤深拉操作（例如，涉及相对大的－例如深度在约300微米和400微米之间的－平面外变形的那些）中尤其普遍存在，在那种情况下可能发生显著的侧壁变形。这种早期颈缩和断裂在用于形成反应物流动通道的邻近的壁的紧密的半径中尤其普遍。虽然其它更可成形的不锈钢（例如前述的奥氏体的）的硬化曲线通常允许由传统的一步骤方法施加的更加严苛的弯曲条件，由这种单步骤成形引起的早期颈缩和断裂在拉拔深度比较大（例如在约400和500微米之间，或更多）的情况下也是普通存在的。

而且，当前的双极板制造占了整个燃料电池堆成本的大部分。虽然使用冲压的不锈钢双极板在解决这个成本的显著部分方面是可能是有益的，但是通常情况下不锈钢（并且尤其是铁素体不锈钢）的低可成形性是重大的挑战，尤其是对于冲压非常薄（例如，0.100毫米或更薄）的薄板来说，这些薄板拥有要求的通道强度和深度以满足功能要求。

为了改善薄不锈钢薄板的可成形性，可使用液压成形工艺。不过，这种工艺是较慢的，并且要求昂贵的专用设备，这种设备将使得难以满足要求的生产率或生产成本。同样地，可使用电磁成形，但是这种工艺仍然出于开发中并且不适合低成本大量生产。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了一种形成燃料电池的不锈钢双极板的方法。这种方法包括提供不锈钢预成形薄板给板成形工具的两步骤（即，渐进的）工艺，其中预成形薄板拥有名义厚度。该工具（这在一种形式中可以是一对协作成形的模具，被制造成在压力下被压在一起）可形成双极板的最终形状并且（如果合适地构造成带有必要模具）还被用于准备预成形薄板。第一步骤将大体上平坦薄板的形状改变为波状的预成形薄板以更好地限定形状，该形状在第二步骤中的成形时将形成构成双极板的流动通道和凸台。通过本发明的预成形步骤，构成薄板的厚度的材料的选择性移动将有助于确保将由变形操作引起的离开名义厚度的最大偏离保持为最小。以这种方式，避免了伴随传统的成形工艺（例如，前述的一步骤成形工艺）的过分的颈缩、拉伸或变薄。如下面将更具体地讨论的，在一种形式中，这种厚度偏离对于使用约365微米的拉拔深度的铁素体不锈钢来说可被保持到不多于约20％的量。通过本发明，厚度偏离表现出相比使用同样材料、同样名义薄板厚度和同样的拉拔深度的传统的一步骤方法的显著的减小。导致这种结果的原因包括（1）预成形模具（其在一种特定形式中可以是大致V形的）在限定通道的凸台处弯曲/变形薄板，否则在那里的材料在一步骤成形中不能获得足够的塑性变形，（2）V形预成形设计增加了在薄板进入最终成形模具之前的薄板直线长度，同时保证了V形笔直壁的厚度变化是均匀的且最小的，以及（3）在预成形的弯曲区域的顶点往往将额外的金属供给到最终形状中的弯曲半径，因此减少了从最终形状的壁区域的金属拉伸/牵拉。这些特点全部有助于以令人满意的方式移动金属并且以更小的变薄和颈缩形成更深的通道。

根据本发明的另一方面，公开了形成铁素体不锈钢双极板的方法。该方法包括将基本上平坦的铁素体不锈钢薄板形成为波状图案形状，并且此后将该形状形成为双极板使得在建立该双极板时，壁厚基本上是不变的；以这种方式，与由现有技术的一步骤方法所使用的偏离相比，与名义厚度的偏离被大大减小。基本上平坦的薄板和预成形蛇形图案两者限定了名义厚度；这个厚度至少遍及该薄板表面的到头来会对应双极板的部分地基本上是不变的。

根据本发明的又一方面，公开了准备燃料电池的方法。该方法包括布置MEA以包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的膜，使得相应的阳极反应物和阴极反应物可被设置为与其流体连通。另外，该方法包括将放置一个或多个不锈钢双极板，这些双极板由如下步骤形成：（a）提供由名义厚度限定的不锈钢预成形薄板，在该薄板内还限定了多个反应物通道流动路径，和（b）改变预成形薄板的形状使得由一个或两个操作引起的相对于名义厚度的最大偏离被相对于按照现有技术的成形工艺的双极板的形成被大大减小。在一种形式中，形状改变是通过双极板成形装置的操作发生的（例如，前述的工具），在这种情况下预成形模具可冲压或以其它方式形成中间和最终形状。

本领域技术人员应该意识到，其它的部件可构成燃料电池，例如一个或多个气体扩散层（GDL），它们可被放置在相应的电极（即，阳极和阴极）和双极板之间以提供反应物流动路径和到外部负载消耗电路的电流路径中的一者或两者。同样地，应该意识到，由GDL和电极共享的功能可被组合到混合结构中。因此，例如，催化剂材料可被形成在GDL和用于限定阳极和阴极的基板中的任一者或两者上。而且，将双极板放置成邻近阳极或阴极可包括在它们之间放置相应的GDL，使得双极板的向外伸出的凸台通过一侧上的该双极板和GDL与在另一侧上的阳极或阴极和GDL之间的直接接触而与电极中间接触。在本文中，只要这种间接接触维持在双极板和相应的电极之间的全部的反应物流动属性，那么就认为其是邻近的。

本申请还提供了如下方案：

方案1. 一种准备燃料电池的不锈钢双极板的方法，所述方法包括：

构造双极板成形装置以逐步地形成所述双极板，所述逐步地形成包括：

使用第一成形步骤以预成形不锈钢薄板使得构成该薄板的材料的一部分被选择性地移动，所述预成形薄板限定了名义厚度和多个起伏，这些起伏代表其内的双极板反应物通道流动路径；以及

使用第二成形步骤改变所述预成形薄板的形状使得由所述第一和第二成形步骤引起的相对于所述名义厚度的最大偏离被相对于单步骤成形工艺的双极板的形成被大大减小；以及

提供所述薄板给所述双极板成形装置，使得当所述双极板成形装置对所述薄板操作时，所述薄板的形状被基本上转换为所述双极板的形状。

方案2. 如方案1所述的方法，其中用在所述双极板中的所述不锈钢包括奥氏体不锈钢。

方案3. 如方案1所述的方法，其中用在所述双极板中的所述不锈钢包括铁素体不锈钢。

方案4. 如方案1所述的方法，其中所述被选择性地移动的材料对应所述薄板的基本上与其内的接下来要形成凸台和所述通道中的至少一个的位置重合的离散部分。

方案5. 如方案4所述的方法，其中所述离散部分将在由所述第一成形步骤成形时限定基本上V形形状。

方案6. 如方案5所述的方法，其中所述基本上V形形状限定了在其顶点处的平坦区域。

方案7. 如方案4所述的方法，其中在所述基本上V形形状的顶点处限定的角度是在约114度和120度之间。

方案8. 如方案3所述的方法，其中所述改变所述形状的拉拔深度是至少约350微米。

方案9. 如方案8所述的方法，其中所述预成形薄板限定了预成形拉拔深度，其足以基本上匹配最终成形深度。

方案10. 如方案1所述的方法，其中相对于所述名义厚度的所述最大偏离是小于约20％。

方案11. 如方案1所述的方法，其中所述减少的最大偏离对应在所述薄板的对应所述通道的区域中的变薄和颈缩的随之发生的降低。

方案12. 一种准备燃料电池的双极板的方法，所述方法包括：

使用第一成形步骤来将铁素体不锈钢的基本上平坦的薄板形成为基本上非平坦的蛇形图案的形状，其中所述基本上平坦的薄板限定了基本上遍及其表面的限定所述双极板的部分的名义厚度；以及

使用第二成形步骤来将所述蛇形图案形成为双极板使得在其建立时，其限定了基本上不变的壁厚，相对于所述名义厚度的偏离被相对于根据单步骤成形工艺的双极板的形成被大大减小。

方案13. 如方案12所述的方法，其中所述第一和第二成形步骤中的每一个都包括冲压。

方案14. 如方案13所述的方法，还包括通过在形成在所述蛇形图案中的多个基本上V形形状尖峰中每一个的顶点周围提供平坦区域，来减少在所述蛇形图案和用于执行所述冲压的工具之间的不对准的可能性。

方案15. 如方案14所述的方法，其中所述减少不对准的可能性包括通过将蛇形图案内的平坦弯曲区域以多达约400微米的侧偏放置在双极板成形装置内，来在所述第二成形步骤之前自我调节所述蛇形图案。

方案16. 如方案12所述的方法，相对于所述名义厚度的偏离被相对于根据单步骤成形工艺的双极板的形成的所述减小是至少约50％。

方案17. 如方案12所述的方法，其中与所述蛇形图案和所述双极板中的至少一个相关联的拉拔深度是在约300微米和约400微米之间。

方案18. 一种准备燃料电池的方法，所述方法包括：

布置膜电极组件以包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜，使得相应的阳极反应物和阴极反应物可处于与其流体连通；以及

放置不锈钢双极板，其内限定了与所述阳极和所述阴极中的每一个都邻近的多个流动通道，使得在所述燃料电池操作时，从燃料源和氧气源分别引入的反应物可通过所述流动通道被传递到所述阳极和所述阴极，所述双极板通过以下形成：

成形不锈钢预成形薄板，使得其限定了名义厚度和其内的多个反应物通道流动路径；以及

改变所述预成形薄板的形状使得相对于所述名义厚度的最大偏离被相对于根据单步骤成形工艺的双极板形成被大大减小。

方案19. 如方案18所述的方法，其中所述成形所述预成形薄板和所述改变所述预成形薄板的形状是通过双极板成形装置执行的。

方案20. 如方案19所述的方法，其中所述最大偏离的所述大大减小是至少约50％。

方案21. 如方案19所述的方法，还包括通过在限定所述预成形薄板中的蛇形图案的多个基本上V形形状尖峰中每一个中形成的顶点周围提供平坦区域，来减少在所述预成形薄板和所述双极板成形装置之间的不对准的可能性。

方案22. 如方案18所述的方法，其中用在所述双极板中的所述不锈钢包括铁素体不锈钢。

附图说明

在结合下面附图阅读时，可最佳地理解对本发明优选实施例的如下具体描述，其中同样的结构由同样的附图标记指示，附图中：

图1图示了带有周围的双极板的燃料电池的一部分的部分分解、横截面视图；

图2是按照现有技术制造的双极板的一侧的侧面立面视图，其中75微米铁素体薄板的一步骤成形示出了颈缩失效；

图3是根据本发明的在被成形为双极板前的预成形薄板的侧面立面视图；

图4是图3的薄板在其已经根据本发明经历了在模具内的成形步骤使得成形引起的沿着其表面的变薄被减小后的侧面立面视图；

图5示出了根据公开的发明制造的薄板的两个不同的实施例的并列比较，其中右侧示出了图3的薄板而左侧示出了改进的版本，其中形成在薄板的蛇形图案内的大体上V形弯曲已经在它们的放入双极板成形装置之前的预成形形状中的顶点处被压平；

图6是在成形时间序列的若干快照的过程上示出了带有平坦的弯曲区域的改进的薄板如何在双极板成形装置中自我调节，甚至是在被暴露给400微米的侧偏时；

图7示出了带有305微米预成形拉拔深度的名义75微米厚预成形薄板，其示出了在顶点附近的15.3％的最大厚度偏离；

图8A示出了现有技术的带有365微米设计拉拔深度的名义75微米厚预成形薄板的一步骤成形工艺的结果；

图8B示出了根据本发明一个方面的两步骤成形工艺的结果，其涉及根据本发明一个方面的带有365微米拉拔深度的名义75微米厚预成形薄板；以及

图9示出了根据本发明一个方面的双极板的逐步成形中使用的各种步骤。

具体实施方式

首先参照图1，以分解图的形式示出了传统的PEM燃料电池1的部分剖视图。燃料电池1包括基本上平坦的质子交换膜10、与质子交换膜10的一个面面对地接触的阳极催化剂层20，和与另一面面对地接触的阴极催化剂层30。整体上，质子交换膜10和催化剂层20和30被称为MEA40。阳极扩散层50被布置成与阳极催化剂层20面对地接触，而阴极扩散层60被布置成与阴极催化剂层30面对地接触。扩散层50和60中的每一个被制造成带有大体上多孔构造，以促进气体反应物穿过以到达催化剂层20和30。整体上，阳极催化剂层20和阴极催化剂层30被称为电极，并且可被形成为单独的不同的层，如所示，或者替换地（如上所述），可被形成为至少部分地分别嵌入在扩散层50或60中，以及部分地嵌入在质子交换膜10的相对面中。

除了给反应物气体提供基本上多孔的流动路径以到达质子交换膜10的合适侧面外，扩散层50和60还提供在电极催化剂层20、30和双极板70（通过凸台74）之间的电接触，双极板70进而作为集电器。而且，通过其大体上多孔的本质，扩散层50和60还形成了导管以去除在催化剂层20、30处生成的产品气体。另外，阴极扩散层60在阴极扩散层中生成显著量的水蒸气。这个特征对于帮助保持质子交换膜10含水来说是重要的。水渗入到扩散层中可通过引入少量的聚四氟乙烯（PTFE）或相关材料来调节。

一对双极板70的简化的相对表面70A和70B被提供以将每个MEA40和伴随的扩散层50、60与堆内邻近的MEA和层（哪一个都未被示出）分开。一个板70A接合阳极扩散层50而第二板70B接合阴极扩散层60。每个板70A和70B（其在组装后作为单一整体将构成双极板70）限定了沿着相应的板面的数个反应物气体流动通道72。凸台74通过朝着相应的扩散层50、60伸出并与其直接接触来将反应物气体流动通道72的相邻部分分开。虽然示出了双极板70（出于风格化目的）限定了纯矩形反应物气体流动通道72，但是本领域技术人员应该意识到更加准确的（且优选的）实施例将在下面结合图4和6被示出， 其中形成了大体上蛇形通道172、272（以及它们各自的大体上平坦顶点173、273）

在操作中，第一气体反应物，例如氢气，通过板70A的通道72被传送到MEA40的阳极20侧，而第二气体反应物，例如氧气（通常以空气的形式），通过板70B的通道72被传送到MEA40的阴极30侧。催化反应分别发生在阳极20和阴极30，产生了通过质子交换膜10迁移的质子和产生电流的电子，电流可借助在凸台74和层50、60之间的接触被传输通过扩散层50、60和双极板70。

接着参照图2，示出了根据传统的一步骤现有技术将三个商业可获得的不锈钢薄板70A、70B和70C形成为双极板70的结果。在这三个中的每一个中（这三个全部限定了大体上连续的表面轮廓，该轮廓由分别被弯曲73A、73B和73C分开的大体上笔直的侧壁71A、71B和71C构成），不锈钢薄板是铁素体的，并且约75微米厚，而模具拉拔深度被设置为365微米。本领域技术人员应该意识到，不同的双极板设计可规定其它的厚度，并且典型的值是在约350和400微米之间。如所能见，显著的颈缩发生在对应的侧壁71A、71B和71C与弯曲73A、73B和73C之间的相交75A、75B和75C处，其中第一薄板70A表现出约42％的颈缩（即，变薄），第二薄板70B表现出约63％颈缩而第三薄板70C表现出约38％颈缩。同样地，在相当的测试中，其中拉拔深度被设置为350（而不是365）微米，颈缩（其是厚度偏离的测量）分别是34.4％、38％和41.3％。

在任一情况下，这种不可接受的高水平的变薄或拉伸可导致断裂，尤其是对于铁素体不锈钢，它们尤其有这种趋势，这是因为与奥氏体或其它不锈钢的硬化曲线相比它们的硬化曲线更低。本发明的发明人同样意识到类似高可能性的断裂或变弱（哪一个都未被示出）将在拉拔深度可能更大（例如高于约400微米）的情况下发生在通常更加稳健的奥氏体不锈钢。因此，虽然本公开的大部分对于铁素体不锈钢来说尤其有用，但是本领域技术人员应该意识到，本文讨论的发明也可适用于奥氏体不锈钢，尤其是在可能要求更大（即，400微米或更大）的拉拔深度的情况下。

接着参照图 3、4和9，示出了根据本发明的一个发明的两步骤成形工艺（图3和4）的结果， 以及在准备双极板中使用的步骤（图9）。这些包括首先准备预成形薄板170A（图3），和接着使薄板170A在模具或相关双极板成形装置（未示出）中经受冲压或相关变形，使得通过该第二步骤变形被转换成适合于在双极板170中使用的形状（图4）。图3的预成形形状限定了大体上三角形的横截面轮廓，而图4中的最终形式限定了带有梯形特征的蛇形形状。在优选的形式中，薄板170A由铁素体或奥氏体不锈钢合金制成，其中抑制腐蚀的材料（例如，铬、镍、钼、铜等）被添加到铁基中。通过示例，铁素体不锈钢可含有铬并且基本上不含有（可能至多约百分之30按重量）镍。同样地，奥氏体不锈钢可含有按重量在约百分之约16和26之间的铬和按重量百分之约8和22之间的镍，其中熟知的示例包括美国钢铁学会（AISI）类型304和类型316品种。其它的合金，例如铁-镍合金，不太可能被用作基础材料，这是因为它们缺少抗腐蚀性。

通过本发明的方法，后续成形步骤的最初的预成形步骤促进了薄板材料的选择性移动，使得整体操作保持了相对于原始薄板的名义厚度的偏离为最小值。在本文中，这种选择性移动对应构成最初平坦的原始薄板的材料的离散部分向邻近的薄板区域的局部化转移。在更特定的形式中（如下面将更具体地讨论的），这些离散的部分可与在形成限定通道的弯曲的位置内的或围绕该位置的那些区域重合。与本发明的方法相关联的一个优势被实现，这是因为图3中示出的V形预成形170A在将包括凸台74（如图1中所示）的部分（在最终成形时）以及将限定通道72的底部（如图1中所示）的部分处都包括对薄板的弯曲或相关变形。相比而言，已知技术的一步骤成形使得构成原始薄板的材料不会经历足够的塑性变形；这进而导致过分的颈缩、变薄和相关的与原始名义厚度的大偏离。与本发明相关联的另一优点是V形预成形设计170A增加了在薄板进入最终成形工具模具之前的原始薄板直线长度，同时保持了V形状的笔直（即，斜）壁171A的厚度变化均匀且最小。另一优点来自于预成形的弯曲区域中的顶点173A供给额外的金属给在图4的最终形式中示出的弯曲半径175；额外金属的这种移动或供给在减少从最终形式170的壁区域171的金属拉伸或牵拉方面是有用的。这些特征全部有助于形成带有更小的变薄和颈缩的更深的通道。换句话说，预成形设计允许发生拉伸的材料长度比同样的变形被在单步骤成形工艺中被施加到薄板时更长，在单步骤成形工艺中任何拉伸都高度局部化。因为材料并不有助于这个量的局部拉伸，所以本发明的预成形方法仅将金属移动这个路程的一部分，同时最小化拉伸；这此后允许最终形式完成期望的最终几何形状而不超出局部材料特性。

本质上，本文公开的两步骤方法中的第一步骤预拉伸了材料薄板，并且更具体地说在被形成的双极板的易断裂区域执行了这种预拉伸。在描述的实施例中，对应预成形薄板170A的形成的工具加工的拉拔深度D是350微米（尽管本领域技术人员应该意识到，其它的深度也可被采用，这取决于所得到的反应物通道的期望尺寸），而侧向通道重复长度L是1.6毫米。同样地，用于制造最终双极板形状的工具的拉拔深度是365微米。而且，在奥氏体（而不是铁素体）不锈钢被使用的情况下（例如，其中拉拔深度中的一个或两个是超过约400微米），同样的预成形工具可被使用并且通过调节拉拔深度（冲压机冲程）可获得不同的预成形拉拔形状；这种方法可有助于减少工具冗余和相关的成本。

薄板170A的接下来将被成形为双极板170的表面是波状的，使得它限定了大体上波形的、重复的蛇形图案，该蛇形图案由连续长度的不锈钢材料构成，该连续长度包括重复的在相交处175相交的侧壁171和弯曲（现在处于与图1中描述的形状类似的凸台形状）组成的图案。形成V形可任选地包括大体上被平整的区域173A；这有助于促进预成形薄板170A在最终成形模具中的正确对准。以这种方式，薄板170A可容许相对于工具200（后面示出）的潜在的大的不对准，同时保证了期望的最终形式。下面更具体地讨论并具体在图6中示出了等效的结构，其中完成的双极板270模仿图4的完成的双极板170的其它剩余特征。增强的对准有助于提供从供给区域到有效区域的更好的过渡。而且，这种构造减少了（因此，更好地控制）在成形操作后的构成薄板170A的材料的弹性回弹变形，因为它在预成形阶段提供了额外的塑性变形。在另一特定形式中，侧壁171是大体上笔直的。在又一形式中，V形限定了宽敞开的角度以允许在最终成形工艺中薄板170A和工具200的相对更大的不对准。优选地，对于普通的双极板170通道设计来说这个角度的范围是在114度和120度之间。在又一形式中，由薄板170A的侧壁171和弯曲173形成的通道可包括大预成形拉拔深度以尽可能紧密地匹配最终成形深度（并且将与由工具的模具的深度规定的深度相一致）；这种构造将导致大塑性变形。同样地，小冲压机半径可被用于拉伸和变形通道区域的角部，这些区域大体上与最终成形的双极板170的相交处175重合，相交处175否则因为铁素体不锈钢材料的低应变硬化率（和由此产生的向外拉伸并变得太薄的趋势）而不能承受在最终成形中的足够的塑性变形。所公开的发明将允许被使用的薄板形成双极板170，以提供在最终形式通道几何形状的端部处的基本上均匀的厚度分布，而没有颈缩和断裂。这种方法同时适合于铁素体和奥氏体不锈钢。

具体参照图4，局部化变薄的显著减小被与现有技术的一步骤方法相比较地示出，具体示出了在表面上的厚度的均匀分布（以微米为单位地用斜体字示出），对于具有75微米的初始厚度的铁素体不锈钢样本来说，对于350微米的最终成形阶段的拉拔深度，在对应薄板170A的弯曲173A的位置173处的厚度的最大减少是约20％（更具体地，20.5％）。这个最优结果考虑了各种预成形形状和尺寸，包括从0毫米到0.4毫米的凸台宽度，在0.24毫米和0.4毫米之间的顶点曲率半径，和在320微米和350微米之间的拉拔深度。同样地，这个最优设计对于365微米的最终成形阶段被重复，并且产生了在对应弯曲和笔直侧壁的相交处的位置（未示出）处的约23.2％的厚度的最大减小。与上面讨论的单步骤方法相比，优化的厚度偏离减小比图2的最佳执行的薄板70C的厚度偏离好约50％，并且比最差执行薄板70B好约67％。

具体参照图9，示出了用于形成双极板的步骤300。最初，将大体上平坦的薄板S（例如，通过连续的传送机或其它已知的装置）馈送入一组预成形模具210、220。模具210、220在第一成形步骤310中的操作确保了形成大体上波状的预成形形状170A、270A（前者类似于图2中所描述的）。由此，第二成形步骤320将它们成为它们的最终形状。尽管理论上被示出为具有同样的大致形状，但是在预成形步骤310中使用的模具210、220不同于在最终成形中使用的第二步骤中使用的那些。如本领域技术人员将意识到的，预成形和最终模具组都被设计制造以用于特定的零件功能和材料类型。因此，替换的零件设计或材料类型可要求略微不同的形状/设计，并且所述模具组可被相应地改进。从这两个成形步骤，步骤330可被用于形成额外的双极板特征，例如冲出内部特征、端口开口等。这种冲出的特征可包括集管开口以分布流体到完成的堆组件（未示出），而端口（即，阳极和阴极）开口提供了供反应物流体进出每个燃料电池的路径。其它特征，例如建立或支撑组件的基准结构的开口和便于组装和一体化（例如，便于燃料电池电压监视）的其它脱模工具也可被形成。此后，额外的步骤340可被用于提供切割、修整、周长冲穿或要被丢弃的多余材料的相关分离。例如，对应步骤340的最后工作站可被用于冲掉周长材料以从条带中切割出完成的板170、270从而收集以用于下游组装。如本领域技术人员将意识到的，用于形成最终形状双极板170、270的装置可包括这些和其它各种制造阶段使得全部都被集成到单个成形工具或机器内。预成形步骤和模具（其对应第一成形步骤310）以及最终成形步骤和模具（其对应第二成形步骤320）具有切割在工具的通常形状内的半径，以防止完全成形的双极板170、270的撕裂。因此，如上指出的，虽然图3的预成形形状和图6的第一阶段通常限定了更接近三角形的横截面形状，但是最终形式（例如图4中描述的和图6的最后阶段描述的）限定了更接近梯形的形状。在任一情况下，两个部分在角部处都是融合的且光滑的，以最小化应力集中因素和相关的应力梯级。如此，避免了急剧的过渡、角部等，因为它们对于诸如在成形步骤310、320中施加的那些冲压操作来说不是最优的。

接着参照图 5-7，在预成形薄板170A上的变型可被用于减少与被用作双极板成形装置的一部分的模具的不对准的几率。因为增加的不对准可能是更高度的最大变薄的重要原因之一，所以有利的是建立显示了自我修正趋势的预成形薄板。具体参照图5，可改善对准的一种方式是通过促进在薄板170A的弯曲173A处的顶点和底部模具210的顶部之间的更加贴合的配合。分别在右和左示出了一种形式的薄板170A与任选的形式270A之间的比较。薄板270A包括在弯曲273A处的平坦区域，而薄板170A的弯曲173A具有更加明显的（即，尖锐）的V形。这个平坦区域大体上与底部模具210的肩部210A的形状重合。这种成形允许了厚度应变被略微更加均匀地沿着通道的弧形长度分布（如由重复长度规定的，该重复长度由侧壁271A、弯曲273A和相交处275A沿着表面限定）。这还减少了在薄板270A和底部模具210之间的不对准的几率，由此使得能够形成带有深通道设计的双极板270。在一种形式中，铁素体不锈钢薄板270A的名义厚度是75微米，但是本领域技术人员应该意识到，可以使用其它的厚度。与上面结合图3和4提及的V形设计一样， 这种改进的薄板270A的预成形设计也具有用于相对大的侧偏的自我调节的能力。对薄板270A的预成形设计的这种改进将略微地改变弯曲273A的角度；不过，这对薄板270A的预成形和最终的双极板270的可成形性都具有非常小的影响。利用对应预成形薄板270A的任选设计，在薄板的变型发展时，相对于工具200的底部模具210的大量的侧偏（例如，约200-400微米）可有重新对准的趋势。

具体参照图6，薄板270A的坯料的位置（其也可被应用于图3的薄板170A）被示出为在其向下移动时有自我调节的趋势；这在底部和顶部模具210和220对应时刻t1到t6的彼此逼近时由箭头B示出。重要地，成形发生在对准的薄板270A（或170A）和底部模具210之间；这进而保持变薄相对均匀。虽然示出的不对准是特别明显的（例如，接近400微米），但是应该意识到更小程度的不对准可同样地解决。重要地，这种自我对准确保了之前被在预成形薄板270A（或170A）上执行的工件硬化减少了颈缩、变薄等的几率。图6的最终形状270类似于图4的最终形状170。

具体参照图7，示出了预成形薄板，以及其相对于被相当地成形的底部模具210的贴合定位。薄板S在工具200的模具210和220下经受了变形，使得它们被转换成预成形薄板170A，其具有与之前版本的350微米深度相比更浅的305微米的拉拔深度D。在这个示例中，最大变薄发生在V形弯曲的顶点附近，并且不多于15.3％。应该意识到，用于350微米深度的同样的预成形工具设计（例如上面参照图3和4讨论过的那个） 也可被用在采用了更浅的预成形的工具中，在这种情况下在另一试验（未示出），本发明的发明人使用同样的预成形设计产生了在大体上类似于图4中的侧壁171的区域的区域中的19％的最大变薄。

接着参照图 8A和8B，示出了在现有技术一步骤成形工艺1000（图8A）和根据本发明的两步骤成形工艺2000（图8B）之间的比较，该两步骤成形工艺由预成形步骤2000A和成形步骤2000B构成。在这两种情况下，名义75微米厚的薄板被经受了成形以将薄板转换成具有365微米拉拔厚度的相应的双极板。在现有技术工艺1000中，平坦薄板到双极板的转换表现出在一个位置（对应从左端约1300微米）处的大于其75微米原始厚度的50％的颈缩导致的厚度减少R；这种减少指示在双极板结构能力方面的显著危害。比较而言，根据本发明一个方面的工艺2000的薄板到双极板的转换示出了在从平坦薄板到预成形薄板的转换，以及从预成形薄板到最终双极板的转换中厚度减少都不多于约20％。通过预成形步骤（以及上面讨论的对弯曲顶点的任选的平整）所能实现的材料的更加平缓的预拉伸移动有助于推动或重新定位材料到预成形薄板170A中的其它位置，由此导致了在第二步骤的最终成形操作中的拉伸更小。本领域技术人员应该意识到，预成形深度不必与最终形式一样，只要其能减少在最终拉拔中的变薄到设计要求即可。在一个优选的形式中，预成形的深度是基于计算机模拟确定的。而且，最终形式的品质对在制造过程中固有的预成形深度变化中的小变化不是非常敏感。

根据本发明的实施例制造的燃料电池可以是更大的燃料电池堆的一部分，燃料电池堆可进而形成交通工具，例如轿车，的推进系统的至少一部分。燃料电池堆可被构造成提供交通工具的动力或相关的推进需求的至少一部分。本领域技术人员应该意识到，其它交通工具形式可被与燃料电池堆联合使用；这种交通工具可包括卡车、摩托车、飞机、航天器或船只。

除非另有指示，否则表示量的全部数值都是近似值，其可根据在本发明的实施例中力图获得的期望特性而变化。如此，它们可都被理解为由近似词“约”修饰。同样地，注意到术语例如“优选地”、“一般地”和“通常”不是在本文中被用于限制所要求保护的发明的范围或暗示某些特征对所要求保护的发明的结构或功能来说是关键的、必要的、或者甚至是重要的，而是强调替换的或额外的特征可以在或可以不在本发明的特定实施例中被使用。而且，术语“基本上”在本文中被用于代表固有的不确定度，其可归因于任何定量比较、值、测量结果、或其它表示，并且因此可代表定量表示可从所述参考变化而不导致所讨论的主题的基本功能的变化的程度。

在已具体地并参照其具体实施例描述了本发明之后，显然的是，在不脱离所附权利要求所定义的实施例范围的情况下，可进行改进和改变。更具体地，虽然本发明的一些方面在本文中被认为是优选的或特别有利的，但是可行的是，本发明不必限于本发明的这些优选的方面。

Claims (20)

1.一种准备燃料电池的不锈钢双极板的方法，所述方法包括：

构造双极板成形装置以逐步地形成所述双极板，所述逐步地形成包括：

使用第一成形步骤以预成形不锈钢薄板使得构成该薄板的材料的一部分被选择性地移动，所述预成形薄板限定了名义厚度和多个起伏，这些起伏代表其内的双极板反应物通道流动路径；以及

使用第二成形步骤改变所述预成形薄板的形状使得由所述第一和第二成形步骤引起的相对于所述名义厚度的最大偏离被相对于单步骤成形工艺的双极板的形成被大大减小，所述减小是至少约50％；以及

提供所述薄板给所述双极板成形装置，使得当所述双极板成形装置对所述薄板操作时，所述薄板的形状被基本上转换为所述双极板的形状。

2.如权利要求1所述的方法，其中用在所述双极板中的所述不锈钢包括奥氏体不锈钢。

3.如权利要求1所述的方法，其中用在所述双极板中的所述不锈钢包括铁素体不锈钢。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述被选择性地移动的材料对应所述薄板的离散部分，所述离散部分基本上与所述薄板内的位置重合，在所述位置处接下来要形成凸台和所述通道中的至少一个。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述离散部分将在由所述第一成形步骤成形时限定基本上V形形状。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述基本上V形形状限定了在其顶点处的平坦区域。

7.如权利要求4所述的方法，其中在所述基本上V形形状的顶点处限定的角度是在约114度和120度之间。

8.如权利要求3所述的方法，其中所述改变所述形状的拉拔深度是至少约350微米。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述预成形薄板限定了预成形拉拔深度，其足以基本上匹配最终成形深度。

10.如权利要求1所述的方法，其中相对于所述名义厚度的所述最大偏离是小于约20％。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述减少的最大偏离对应在所述薄板的对应所述通道的区域中的变薄和颈缩的随之发生的降低。

12.一种准备燃料电池的双极板的方法，所述方法包括：

使用第一成形步骤来将铁素体不锈钢的基本上平坦的薄板形成为基本上非平坦的蛇形图案的形状，其中所述基本上平坦的薄板限定了基本上遍及其表面的限定所述双极板的部分的名义厚度；以及

使用第二成形步骤来将所述蛇形图案形成为双极板使得在其建立时，其限定了基本上不变的壁厚，相对于所述名义厚度的偏离被相对于根据单步骤成形工艺的双极板的形成被大大减小，相对于所述名义厚度的偏离被相对于根据单步骤成形工艺的双极板的形成的所述减小是至少约50％。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一和第二成形步骤中的每一个都包括冲压。

14.如权利要求13所述的方法，还包括通过在形成在所述蛇形图案中的多个基本上V形形状尖峰中每一个的顶点周围提供平坦区域，来减少在所述蛇形图案和用于执行所述冲压的工具之间的不对准的可能性。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述减少不对准的可能性包括通过将蛇形图案内的平坦弯曲区域以多达约400微米的侧偏放置在双极板成形装置内，来在所述第二成形步骤之前自我调节所述蛇形图案。

16.如权利要求12所述的方法，其中与所述蛇形图案和所述双极板中的至少一个相关联的拉拔深度是在约300微米和约400微米之间。

17.一种准备燃料电池的方法，所述方法包括：

布置膜电极组件以包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜，使得相应的阳极反应物和阴极反应物可处于与其流体连通；以及

放置不锈钢双极板，其内限定了与所述阳极和所述阴极中的每一个都邻近的多个流动通道，使得在所述燃料电池操作时，从燃料源和氧气源分别引入的反应物可通过所述流动通道被传递到所述阳极和所述阴极，所述双极板通过以下形成：

成形不锈钢预成形薄板，使得其限定了名义厚度和其内的多个反应物通道流动路径；以及

改变所述预成形薄板的形状使得相对于所述名义厚度的最大偏离被相对于根据单步骤成形工艺的双极板形成被大大减小，所述减小是至少约50％。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述成形所述预成形薄板和所述改变所述预成形薄板的形状是通过双极板成形装置执行的。

19.如权利要求18所述的方法，还包括通过在限定所述预成形薄板中的蛇形图案的多个基本上V形形状尖峰中每一个中形成的顶点周围提供平坦区域，来减少在所述预成形薄板和所述双极板成形装置之间的不对准的可能性。

20.如权利要求17所述的方法，其中用在所述双极板中的所述不锈钢包括铁素体不锈钢。