CN105161731A - 一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双极板成形技术，尤其是一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及工艺。本装置由压板、导套、弹簧、导柱、施压杆、环境箱、上模板、下模板、基座、连接板、压边板、金属板和支撑杆构成。用本装置实施的工艺：(1)开启环境箱；(2)将加工件的金属薄板固定在下模板；(3)关闭环境箱，根据加工板材确定超塑性成形温度并输入控制系统；(4)根据加工板材的超塑性应变速率和流道形状，设定上模板的行程和运动速率；(5)启动电路系统、环境箱，启动压力成形机向下运动，完成冲压；(6)启动压力机上模板反向回到初始位置；(7)打开环境箱，成形件冷却取出。本发明有效防止材料回弹的发生，保证成形精度和尺寸精度。

Description

一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及工艺

一、技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池用双极板成形技术领域，尤其是一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及工艺。

二、背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、对环境污染小等优点，成为替代现有矿物燃料发电设备和石化燃料动力设备的最佳选择。以氢气为原料的质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)具有清洁、高效和可再生等特点，被认为是21世纪首选的发电技术，在交通运输、电子产品以及国防工业等领域都具有广阔的应用前景。

作为PEMFC关键部件之一的双极板，不仅质量占到整个燃料电池堆的60％～80％，而且在电池堆的生产成本中也占据相当大的比例，约为30％～40％。耐腐蚀性强和导电性良好的石墨是近年来PEMFC双极板广泛采用的材料。但是，石墨机械强度差、脆性较大，加工成本高，并且由于透气性需要一定的厚度，使其在PEMFC的工业化应用中缺乏足够的竞争力。为了削减成本，提高双极板的性能，考虑使用其他材料代替石墨一直是工程界研究的热点。复合材料和金属，如钛合金、铝合金和不锈钢薄板都是非常有潜力的双极板替换材料。金属双极板既易于批量生产，又可通过薄板直接冲压成形，能够大幅提高燃料电池的比能量和比功率，降低电池成本，是最有竞争力的双极板材料。

目前金属双极板通道的成形技术主要包括三类：(1)塑性成形技术，包括硬模冲压、软模冲压、液压胀形、磁脉冲成形、辊压成形、累积塑性变形等；(2)液态成形技术，包括利用绝热软化效应冲压成形和高真空压模铸造成形；(3)特种加工技术，包括电化学刻蚀技术和刻锻模微电子放电加工技术。液态成形适应性广，可制造流道形状复杂的双极板，且成形精度高，但是有待提高其内部组织的均匀性和致密性，改善其力学性能；特种加工技术效率低，表面质量不佳，不适合大批量生产。金属塑性成形技术具有金属组织性能好、生产率高和成本低等特点，但存在成形极限和填充能力不足等问题。冲压成形时薄板容易产生裂纹、起皱、非均匀减薄等缺陷，且成形后残余应力较大。回弹造成成形后的通道与设计通道几何尺寸的误差较大，这些都是制约金属双极板冲压成形的关键问题。

经检索国内外专利文献，中国国家知识产权局2006年06月14日公开了公开号为CN1787261A，名称为“一种冲压金属双极板结构及其制备方法”,该发明提出了在制作好的模具中冲压加工金属双极板的方法，这种方法固然简便易行，但是会出现如之前所述的问题。中国国家知识产权局2007年05月16日公开了公开号为CN1964114A，名称为“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”；该发明提出通过辊压辊子对来挤压出双极板的流道形状，但是成形工艺较为复杂。中国国家知识产权局2014年07月16日公开了公开号为CN103920988A，名称为“一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法和装置”；该发明提出利用激光冲压半模的方法成形，这种方法加工成本高，且多适用于微型燃料电池。

三、发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及加工工艺。

本发明安装在压力成形机工作台上,与线路控制系统相连接，其技术方案是：由压板、导套、弹簧、导柱、施压杆、环境箱、上模板、下模板、基座、连接板、压边板、金属板和支撑杆构成。

基座与压板为对应匹配的矩形刚性体，基座中心位置设置凸台，在凸台对应两边的基座上分别固定一条导柱，在压板与基座上固定的导柱对应的位置固定导套；导套内装弹簧并套装在导柱上，导套与导柱的配合关系为滑动配合；在压板与基座的中心位置对应固定安装施压杆和支撑杆；在施压杆上固定连接板，连接板上通过螺栓固定上模板；下模板与上模板相对应并固定在支撑杆上；

环境箱为容纳上模板和下模板的腔体，由箱体、视镜、碳硅棒、隔热层、热电偶组成；箱体由两半对开的金属外壳和内衬的隔热层构成，两半对开的箱体通过铰链连接在一起；在连接在一起箱体的上部和底部的中心位置设置与施压杆、支撑杆的直径活动匹配的孔；在箱体内壁固定安装碳硅棒，周边放有热电偶，箱体壁开有视镜孔；碳硅棒、热电偶与电路系统相连接；两半对开的环境箱箱体，合体包容施压杆和支撑杆并安装在基座上；

基座通过螺栓安装固定在压力成形机的上工作台，压板通过螺栓安装固定在压力成形机的下工作台。

应用一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置实施的超塑性成形工艺，包括以下步骤：

(1)将两半对开的环境箱开启；

(2)将按制作双极板流道工艺尺寸下料的平整的金属薄板，通过压边板固定在下模板上；

(3)将两半对开的环境箱关闭，根据加工板材的超塑性成形温度，确定双极板成形时环境箱内的所必须维持的温度，并将该设定的温度值输入到线路控制系统中；

(4)根据所选加工板材的超塑性应变速率和流道形状，设定上模板的行程和运动速率；

(5)启动电路系统，接通碳硅棒、热电偶，预热金属板至设定的温度后，启动保温程序，上模板缓慢向下运动至与金属板接触后，根据设定的速率和行程,启动压力成形机向下运动，完成冲压；

(6)完成冲压后，启动压力成形机带动上模板反向运动至初始位置；

(7)打开环境箱冷却成形后的双极板，温度低于50℃时，打开压边板，将成形后的金属双极板取出。

本发明的发明机理：金属双极板的冷冲压成形，已经有较为成熟的生产工艺。但是，成形后的双极板具有厚度不均匀，残余应力大，回弹量大等缺点。金属超塑性为金属在特定温度和应变速率下的一种变形性能，具有延伸率大，变形均匀，残余应力小的特点。常见的金属双极板材料如钛合金、铝合金等均具有超塑性。因此，本发明采用环境箱提供合适的成形温度，利用上压板的冲压速率控制成形应变速率，使金属双极板的成形处于超塑性成形状态，巧妙的回避了传统的金属双极板冷成形的缺点。

本发明优点在于：

(1)采用超塑性成形装置和工艺冲压成形金属双极板，成形后板厚均匀，避免了局部颈缩产生的开裂现象。

(2)在超塑性状态下成形金属双极板，所需成形压力较小，成形后残余应力小，且边缘不易起皱。

(3)在超塑性状态下成形金属双极板，可以有效防止回弹现象的发生，保证成形后金属双极板的形状精度和尺寸精度。

四、附图说明

图1为本发明超塑性成形装置的结构示意图；

图2为超塑性成形装置的环境箱结构示意图的剖视图；

图3为成形开始时冲压模具与金属板的位置局部示意放大图；

图4为成形过程中冲压模具与金属板的位置局部示意放大图；

图5为成形结束时冲压模具与金属板的位置局部示意放大图。

附图标记：

1、压板2-1、导套A2-2、导套B3-1、弹簧A3-2、弹簧B4-1、导柱A4-2、导柱B5、施压杆6、环境箱6-1、视镜6-2、碳硅棒6-3、隔热层6-4、金属外壳6-5、热电偶7、上模板8、下模板9、基座10、连接板11、压边板12、金属板13、支撑杆。

五、具体实施方式

结合说明书附图，以TC21钛合金双极板超塑性成形为例，进一步说明本发明的具体实施过程。

如图1、图2所示，一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置，安装在压力成形机工作台上，与线路系统相连接，由压板1、导套A2-1、导套B2-2、弹簧A3-1、弹簧B3-2、导柱A4-1、导柱B4-2、施压杆5、环境箱6、上模板7、下模板8、基座9、连接板10、压边板11、金属板12和支撑杆13构成。

基座9与压板1为对应匹配的矩形刚性体，基座9中心位置设置凸台，在凸台对应两边的基座9上分别固定导柱A4-1和导柱B4-2，在压板1与基座9上固定的导柱A4-1和导柱B4-2对应的位置分别固定导套A2-1和导套B2-2；导套A2-1和导套B2-2内分别安装弹簧A3-1和弹簧B3-2并分别套装在导柱A4-1和导柱B4-2上，导套A2-1和导套B2-2分别与导柱A4-1和导柱B4-2的配合关系为滑动配合；在压板1与基座9的中心位置对应固定安装施压杆5和支撑杆13；在施压杆5上固定连接板10，连接板10上通过螺栓固定上模板7；下模板8与上模板7相对应并固定在支撑杆13上；

环境箱6为容纳上模板7和下模板8的腔体，由视镜6-1、碳硅棒6-2、隔热层6-3、金属外壳6-4和热电偶6-5组成；箱体由两半对开的金属外壳6-4和内衬隔热层6-3构成，前后箱体通过合页连接在一起；在箱体的上部和底部的中心位置设置与施压杆5、支撑杆13的直径活动匹配的孔；在箱体内壁固定安装碳硅棒6-2，周边放有热电偶6-5，箱体壁开有视镜6-1孔；碳硅棒6-2、热电偶6-5与电路系统相连接；环境箱6两半对开的箱体合体包容施压杆5和支撑杆13并安装在基座9上；

应用时将一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置的基座9安装在压力成形机下工作台上，压板1固定在压力机的上工作台上；

将上模板7通过螺栓固定安装在施压杆5上固定的连接板10上，下模板8与上模板7相对应并固定在支撑杆13上。

具体成形工艺包括以下步骤：

(1)将两半对开环境箱6开启；

(2)将按制作双极板流道工艺尺寸下料的平整的金属板12，通过压边板11固定在下模板8上；

(3)将两半对开的环境箱6关闭，根据加工板材的超塑性成形温度设定环境箱6的温度。当金属板材料为TC21钛合金时，超塑成形温度T₀的范围为720～960℃。为了节约能量消耗，取超塑性成形温度的下限T_0min＝720℃。因此，确定双极板成形时环境箱6内的所必须维持的温度为720℃以上，并将该设定的温度值输入到线路控制系统；

(4)金属超塑性成形必须在一定的应变速率范围内进行，为了达到这一应变速率，必须控制压力成形机带动上模板7的运动速率。如图3、图4和图5所示的成形过程，金属板材成形后截面伸长，按照均匀变形可以计算成形引起的金属的应变量ε，那么所需成形时间上模板7的运动速率v＝h/t，其中h为冲压深度。将上模板7的行程和运动速率输入到线路控制系统中。

当金属板材料为TC21钛合金时，相应的超塑性成形应变速率的范围为5.5×10^-5～1.1×10^-2s^-1，如图5所示的双极板的冲压深度h＝1.0mm，成形后的应变量为ε＝0.29。为了缩短成形时间，取TC21钛合金的超塑性应变速率的上限则压力成形机带动上模板7的最大运动速率因此，设定上模板7的运动速率不大于0.038mm·s^-1；

(5)启动电路系统，接通碳硅棒6-2、热电偶6-5，预热金属板12至超塑性成形温度720℃时，线路控制系统发出指令，启动保温程序，上模板7缓慢运动至于金属板接触的位置，如图3所示。然后，压力成形机带动上模板7以不大于0.038mm·s^-1的速率向下运动，进行冲压成形；当压力成形机带动上模板7运动至图5所示的冲压结束位置时，完成冲压，并反向缓慢运动至初始位置；通过视镜6-1观察环境箱6内的加工情况；

(6)打开环境箱6，冷却成形后的金属板12，温度低于50℃时，打开压边板，将成形后的金属板12取出。

利用上述装置和工艺成形双极板简单易行，且成形后形状和尺寸精度高、残余应力小，能够大幅度提高成品率。

Claims (2)

1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置，安装在压力成形机工作台上,与线路系统相连接，其特征为由压板、导套、弹簧、导柱、施压杆、环境箱、上模板、下模板、基座、连接板、压边板、金属板和支撑杆构成；

基座与压板为对应匹配的矩形刚性体，基座中心位置设置凸台，在凸台对应两边的基座上分别固定一条导柱，在压板与基座上固定的导柱对应的位置固定导套；导套内装弹簧并套装在导柱上，导套与导柱的配合关系为滑动配合；在压板与基座的中心位置对应固定安装施压杆和支撑杆；在施压杆上固定连接板，连接板上通过螺栓固定上模板；下模板与上模板相对应并固定在支撑杆上；环境箱为容纳上模板和下模板的腔体，由箱体、视镜、碳硅棒、隔热层、热电偶组成；箱体由两半对开的金属外壳和内衬的隔热层构成，两半对开的箱体通过铰链连接在一起；在连接在一起箱体的上部和底部的中心位置设置与施压杆、支撑杆的直径活动匹配的孔；在箱体内壁固定安装碳硅棒，周边放有热电偶，箱体壁开有视镜孔；碳硅棒、热电偶与电路系统相连接；两半对开的环境箱箱体，合体包容施压杆和支撑杆并安装在基座上；基座通过螺栓安装固定在压力成形机的上工作台，压板通过螺栓安装固定在压力成形机的下工作台。

2.应用权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置实施的超塑性成形工艺，包括以下步骤：

(1)将两半对开的环境箱开启；

(2)将按制作双极板流道工艺尺寸下料的平整的金属薄板，通过压边板固定在下模板上；

(3)将两半对开的环境箱关闭，根据加工板材的超塑性成形温度，确定双极板成形时环境箱内的所必须维持的温度，并将该设定的温度值输入到线路控制系统中；

(4)根据所选加工板材的超塑性应变速率和流道形状，设定上模板的行程和运动速率；

(5)启动电路系统，接通碳硅棒、热电偶，预热金属板至设定的温度后，启动保温程序，上模板缓慢向下运动至与金属板接触后，根据设定的速率和行程,启动压力成形机向下运动，完成冲压；

(6)完成冲压后，启动压力成形机带动上模板反向运动至初始位置；

(7)打开环境箱冷却成形后的双极板，温度低于50℃时，打开压边板，将成形后的金属双极板取出。