CN108511773A - 在双极板中制造通道的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种制造双极板的方法包括以下步骤：(1)在冲压机系统内提供金属片；(2)用第一模具冲压金属片以限定临时平坦区域、第一临时侧壁、第二临时侧壁，和用于多个流动通道的第一临时通道深度；和(3)用第二模具冲压金属片以加宽多个流动通道的每个流动通道中的临时平坦区域，以形成最终平坦区域，并且减小多个流动通道中的每个流动通道的每个临时半径。该冲压机系统还可以但并不是必须包括具有第一模具组的第一冲压工位和具有第二模具组的第二冲压工位，其中在已经通过第一冲压工位成形后再施用第二冲压工位到金属片。

Description

在双极板中制造通道的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及用于燃料电池环境中的不锈钢合金双极板的制造，其在尺寸精度方面显示出显著的改进，并且更具体地涉及一种通过减少回弹和翘曲度生产具有改进的尺寸精度的冲压奥氏体不锈钢双极板的制造方法。

背景技术

在许多燃料电池系统中，氢气或富氢气体通过流动路径供应到燃料电池的阳极侧，而氧气(诸如大气氧的形式)通过单独的流动路径供应到燃料电池的阴极侧。通常设置合适的催化剂，以在这些相应的侧面上形成促进氢气氧化的阳极和促进氧气还原的阴极。由此，产生了具有高温水蒸气的电流，其中，该高温水蒸气为反应副产物。

堆叠组件的内部电池包括两个相对的双极板中的每一个的一个侧面。面对的双极板封闭包括质子交换膜电极组件、垫片、气体扩散介质等的电池元件。每个双极板由面对面布置的两个类似形状的板构成，其在其外表面上具有气体流动通道，并且由其相反相对的侧面所限定的内部冷却剂通道。如图1的示例性双极板所示，,第一双极板的一个侧面提供氢气流至膜电极组件的阳极侧的通道，并且第二相对双极板的一个侧面提供用于空气流至膜电极组件的阴极侧的通道。在电池堆的操作中产生热量，并且通过双极板内部的冷却剂流被用于冷却电池堆，特别是电池堆的内部电池。

双极板通常由薄的，通常矩形的金属片冲压而成，并且优选地，每片通常具有相同的形状。由于双极板在高温和腐蚀性环境下工作，所以优选地用具有所需耐腐蚀性能的不锈钢来制造双极板。而且，当燃料电池制造成本是重要考虑因素的情况下，金属基双极板可能优于其它高温导电材料，诸如石墨。除了相对便宜之外，不锈钢板可以由相对较薄的金属片(例如，厚度小于0.1毫米和1.0毫米之间)形成。

也可以理解的是，当采用一步冲压方法时，奥氏体不锈钢可能会引起早期颈缩和断裂，特别是在一步法拉深相对较大的情况下。此外，使用一步冲压方法，奥氏体不锈钢还特别容易在具有流动通道和金属珠状物通道的区域中展示侧向回弹，使得双极板沿着板的长度上可以具有可变宽度。由于在具有通道的区域中的侧向回弹，在双极板中也可能发生翘曲。

为了改善薄不锈钢板的成形性，已知可以使用液压成形工艺。然而，这样的工艺成效缓慢，并且需要昂贵的专业设备，使得难以满足所需的生产率或生产成本。同样，可以使用电磁成形，但是这是一个仍在开发中的工艺，并且不适合用于低成本大规模生产。

在本背景技术部分中所公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能包含不构成在本国已为本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。因此，需要一种具有成本效益，时间效率并且能够制造具有改进尺寸精度及减少横向回弹的双向板的制造方法。

发明内容

本发明提供了一种制造双极板的方法，所述方法包括以下步骤：(1)在冲压机系统内提供金属片；(2)用第一模具冲压该金属片以限定用于多个流动通道的临时平坦区域，第一临时侧壁，第二临时侧壁和第一临时通道深度；和(3)用第二模具冲压金属片以加宽多个流动通道的每个流动通道中的临时平坦区域，形成最终平坦区域，并且减小多个流动通道中的每个流动通道的每个(上和/或下)半径。

根据本发明的冲压机系统的一个实施例包括具有第一模具组的第一冲压机和具有第二模具组的第二冲压机，其中第二冲压机在金属片已经通过第一冲压机成形后施加到金属片。

可以提供冲压机系统的另一个实施例，其包括第一冲压机(或冲压工位)和在第一冲压机(或冲压工位)之后使用的第二冲压机(或冲压工位)。第一冲压机(或冲压工位)包括第一模具组，第一模具组可操作地配置成在一块金属片中限定多个流动通道，其中在多个流道的每个流道中形成临时通道深度，临时第一侧壁，临时第二侧壁、临时侧壁取向，临时平坦区域和临时半径。第二冲压机(或冲压工位)可以可操作地配置成在在第一冲压机(或冲压工位)中在其变形后接收金属片。第二冲压机(或冲压工位)包括第二模具组，其中第二模具组可以可操作地配置为塑性地形成多个流道的每个流道中源自临时侧壁取向、临时平坦区域和临时半径的最终侧壁取向，最终平坦区域和最终半径。

根据参照附图考虑的以下详细描述，本公开及其特定特征和优点将变得更加明显。

附图说明

从以下详细描述、最佳方式、权利要求和附图中，本发明的这些和其他特征和优点将变得显而易见，具体如下：

图1是由两个冲压奥氏体不锈钢壳所形成的双极板的放大图。

图2A示出了根据本发明多个实施例的经由第一模具形成金属片的通道(流动通道或金属焊道)的横截面。

图2B示出了图2A已经经根据本发明多个实施例的第二模具冲压的通道的横截面。

图3示出了根据本发明的多个实施例的制造双极板方法的流程图。

图4是示出示例性数据的柱状图，该示例性数据经由本发明的制造方法和系统来显示如何显著减少横向回弹。

图5A示出了图2A(流动通道和/或金属焊道)的示例性通道的不同示例性维度，该示例性维度涉及本发明的制造方法和系统。

图5B示出了图2B(流动通道和/或金属焊道)的示例性通道的不同示例性维度，该示例性维度涉及本发明的制造方法和系统。

图6示出了根据本发明的第一实施例的冲压机。

图7示出了根据本发明的第二实施例的冲压机。

贯穿附图中几个视图的描述，相似的附图标记指代相似的部分。

具体实施方式

现在详细提及本发明目前优选的组合物、实施例和方法(本发明)，其构成目前本发明人所熟知的本发明的最佳实施方式。所述附图并不是按比例尺绘制的。然而，应该理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其可以以不同的替代形式来实现。因此，本文中所公开的细节不应按限制性方式进行解释，而仅仅是作为本发明的任何方面的代表性基础和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。

除了在实施例中或者在其他方面明确指出的情况之外，本说明书中表示材料的量或反应和/或使用条件的所有数字量在描述本发明的最宽范围时应被理解为由词语“大约”来进行修饰。在所述数值限值范围内的实践通常是优选的。另外，除非有相反的明确说明：百分比，“份数”和比值是按长度表示的；对于与本发明有关的给定目的适合或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或该类的任何两个或更多个成员同样适合或优选的混合物；首字母缩略词或其它缩写词的第一个定义适用于本文相同缩写词的所有后续使用，并在必要的变通方面适用于最初定义的缩写词的正常语法变体；并且除非有相反的明确说明，否则性质的测量是通过与之前或之后针对同一性质参考的相同技术来确定的。

还应该理解的是，本发明不限于下述的具体实施例和方法，因为具体的组件和/或条件当然可以变化。此外，这里使用的术语仅用于描述本发明的特定实施例的目的，而不旨在以任何方式进行限制。

还必须注意的是，如说明书和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数对象。例如，以单数形式引用组件意图包括多个组件。

术语“包括”与“包括”，“具有”，“包含”或“由...表征”是同义的。这些术语是包含性的和开放式的，并且不排除另外的，未列举的元件或方法步骤。

术语“由...组成”排除权利要求中未指定的任何要素，步骤或成分。当这个短语出现在权利要求主体的一个条款中，而不是紧接着序言之后，它只限制了该条款中规定的要素；其他因素并不排除在整个权利要求之外。

短语“基本上由...组成”将权利要求的范围限制为指定的材料或步骤，并且其不会实质上影响所要求保护主题的基础和新颖特征。

术语“包括”，“由...组成”和“基本上由......组成”可以替代地使用。在使用这三个术语中的一个的情况下，目前所公开和要求保护的主题可以包括使用其他两个术语中的任一个。

在整个本申请中，将这些公开文献的内容全部引为参考以便更详细地描述本发明所属领域的目前状态。

以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明或本发明的应用和用途。此外，其不受到在前述背景或下面具体描述中提出的任何理论的限制。

鉴于必须制造成双极板的详细特征(流动通道)，目前的双极板制造占整个燃料电池堆成本的很高部分。虽然使用冲压不锈钢双极板将有利于解决这个成本的很大一部分，但通常不锈钢的低成形性在生产双极板中是一个重大的挑战。这个挑战是由于制造过程涉及冲压非常薄(例如，0.100毫米或更薄)的薄片，而该薄片必须具有所需的通道强度和深度以满足功能要求。

参照图1，在放大图中示出了双极板24，其中第一片26和第二片28被分开示出。应当理解，在形成双极板24中，第一片26和第二片28连接在一起，使得来自每个片26、28的流动通道32和金属焊道34配合在一起。在每个片26、28的短边处的相对的边缘20分别限定用于燃料、氧化剂和冷却剂的进出口的成形孔。应该理解的是，在燃料电池堆的组装中，每个双极板旨在形成两个相邻电池的一部分，一个电池在双极板的每个外表面上。双极板的一个外表面(第一片26)为一个电池提供阳极板，另一个外表面(第二片28)为相邻电池提供阴极板。

如图1所示，每个片26、28的中心部分30随着用于入口气流的流动通道32、用于膜上分布气流的通道的延伸并将用于将气体导至出口的通道合并，以进行成形。如上所述，当两个这样的片26、28适当地与面向外的气体流动通道结合以形成双极板时，冲压板的反面为冷却剂提供流动控制通道(通过流动通道32)。这些用于冷却剂的流量控制通道理想情况下应该具有均匀的横截面。此外，气体流动通道以及金属焊道34在理想情况下还具有均匀的横截面。然而，当使用奥氏体不锈钢作为金属片26、28的材料时，由于在形成通道的材料的回弹，通过流动通道32的深度(以及用于每个流动控制通道的所得横截面)可以发生变化。此外，金属焊道的深度(以及由此产生的每个金属焊道的横截面积)还可能由于在冲压的金属焊道中回弹而发生变化。

参考图3，示出了一流程图，其示出了根据本发明的多个实施例的一种用于制造双极板的非限制性示例方法10。如图所示，一示例性的非限制性方法10可以包括以下步骤：(1)在冲压机系统内提供一块金属片；(2)用第一模具冲压该金属片以限定用于多个流动通道的临时平坦区域，第一临时侧壁，第二临时侧壁和第一临时通道深度；和(3)用第二模具冲压金属片以加宽多个流动通道的每个流动通道中的临时平坦区域，以形成最终平坦区域，并且减小多个流动通道16中每个流动通道的每个临时半径以得到最终半径44'(图2B和图5B所示的)。当然，在将第一和第二模具组施加到金属片26、28之后，金属片可以经由步骤18从压机系统移除。可以理解的是，在金属片26、28已经被第一模具组40变形之后，第二模具组42被施加到该块金属片(或“金属片”)26、28。虽然上述方法10可应用于各种材料，但应理解的是，该方法10在由奥氏体不锈钢制成的金属片26、28中形成多个通道是有用的。

现在参照图1和2，图2A-2B和5A-5B示出了示例性通道的示意性横截面图。可以理解的是，形成在金属片26、28中的通道36、38可以表示流场通道32(参见图1)或者焊道通道34(参见图1)。图2A示出了在施加第一模具40之后形成的示例性通道的示意性横截面图。图2B示出了在将第二模具组42施加到金属片26、28之后形成的示例性通道的示意性横截面图。如在上面的非限制性示例方法10中所指出的，第一模具组40最初被施加到该块金属片26、28。为此，在多个通道36、38中的每个通道的每个临时侧壁58的基部处形成临时半径44。然而，正如如图3和图图2所示的方法中，在将第二模具42施加到金属片26、28之后，每个流动通道稍微发生了改变。

如图3所示，用第二模具冲压金属片26、28的步骤可以包括限定最终平坦区域46'的步骤。可以理解的是，该块金属片可以是第一块金属片26或第二块金属片28。在图2B中示出了最终平坦区域46'。可以理解的是，最终平坦区域46'限定了比临时平坦区域46稍长/稍短的宽度。在图2A中示出并通过的临时平坦区域46通过图3所示的第一模具组的方式来形成。当第一模具组冲压金属片时，可以理解的是，除了临时平坦区域46中的中心区域50之外，还可以形成第一和第二边缘区域52、54。(参见图2A)然而，在用第二模具组42冲压金属片26、28的步骤期间，可以理解的是，这包括在多个通道36、38的每个临时平坦区域46的第一和第二边缘区域52、54处将临时平坦区域46塑性加宽到最终平坦区域46'的步骤。可以理解的是，由于第一和第二边缘区域52、54的塑性变形，临时平坦区域46在由第二模具42冲压之后在长度方面增加约20％至50％，其中第一和第二边缘区域得到延长并改变为图2B中的元件52'和54'。因此，每个通道的第一和第二边缘区域52'，54'比图2A的第一和第二边缘区域52、54略长。

因此，第一和第二边缘区域52、52'、54、54'经由来自第二模具的负载经历塑性变形，由此将临时平坦区域46加宽成更宽的最终平坦区域46'。同样，较宽的最终平坦区域46'具有比临时平坦区域46的宽度大20-50％的宽度。然而，可以理解的是，临时平坦区域46的中心区域50保持完整，使得临时平坦区域46的中心区域50几乎不经历塑性变形。因此，当与最终平坦区域46'的中心区域50'的宽度相比时，临时平坦区域46的中心区域50的宽度保持基本相同。可以理解的是，通过在由第二模具冲压时保持临时平坦区域46的中心区域50的结构，不会在金属片26、28上对涂层60施加额外的拉伸，由此提供最佳的抗腐蚀双极板性能。可以理解的是，涂层60横跨金属片26、28的两个表面来进行设置。出于本发明的目的，在相对于示例性平坦区域46、46'的特定示例区标识了涂层60。

因此，可以理解的是，临时平坦区域46和最终平坦区域46'可以分别包括第一边缘区域和第二边缘区域52、52'、54、54'(如图2A和2B所示)。还可以理解的是，临时平坦区域46进一步包括临时平坦区域中心区50，并且最终平坦区域46'包括最终平坦区域中心区50'。在每个临时平坦区域46中心区和每个最终平坦区域中心区50'具有基本相等的宽度的时候，当第二模具施加至金属片26、28时，最终平坦区域中心区50'可以配置没有显著的塑性形变。也就是说，第二模具组42不会在平坦的平坦中心区域50、50'中引起显著的塑性形变。因此，当施加第二模具组时，中心区50、50'基本没有塑性形变。然而，鉴于第一和第二边缘区52、52'、54、54'经历塑性变形，可以理解的是，每个最终平坦区域46'限定比初始平坦区域46宽度更宽的最终宽度。

如图3所示，还可以理解的是，用第二模具冲压金属片26、28的步骤还可以包括使多个通道36、38中每个流动通道的临时半径塑性形变至最终半径44'，其中最终半径44'小于临时半径44。如图2A和5A所示，每个流动通道的每个临时半径44靠近临时平坦区域46的第一和第二边缘区52、54。每个流动通道的每个最终半径44'通常小于每个临时半径44。因此，临时半径可能减少约10％-70％。

当每个临时半径44'(如图2A和5A所示)减少至最终半径44'，可以理解的是，每个通道的侧壁58比如图2B和5B所示侧壁58'更垂直。参照图2A和图5A，每个通道内的侧壁58(在第一冲压步骤之后)可被称为第一侧壁58”'和第二侧壁58”1'。类似地，在图2B和5B中的每个通道58'内的侧壁58'(在第二冲压步骤之后)可以被称为第一侧壁58””和第二侧壁58””'。因此，如图2A和2B所示，临时侧壁(“临时侧壁取向”56)的角度56通常大于最终侧壁取向(“最终侧壁取向”56')的角度56'。在将第二模具施加到金属片26/28之后，侧壁取向的角度56将会减小。结果，在对金属片26、28施加第二模具组42的过程中，当金属片26、28施加在第二模具组42时，侧壁58、58'和临时第一和第二边缘区52、52'、54、54'经历塑性形变。可以理解的是，临时通道间距66(通过第一模具组冲压形成)保持基本上等于最终通道间距66'(通过第二模具组冲压形成)。

可以理解的是，由于在每个通道36、38中的目标位置处发生塑性变形，通道之间的尺寸变化相对于第二次撞击而减小。例如，在施加第一模具组之后，通道高度74(图5A中所示)在流动通道32(如图1所示)处可以变化多达10-20微米，并且在焊道通道34(如图1所示)处通过多达20-40微米。然而，在施加第二模具组之后，通道高度74'(图5B中所示)在流动通道32(如图1所示)处变化多仅0-5微米，并且在焊道通道34(如图1所示)处仅通过5-10微米。因此，在本发明的两步模具工艺下，分别约0-5微米和约5-10微米的最终变化在尺寸可变性上是显着降低的。

现在参考图6，示出了用于制造双极板26、28的第一实施例冲压系统。冲压机可以包括以下步骤：(1)冲压机/70；(2)第一模具组40；以及(3)第二模具组42。冲压机/70可以可操作地配置以实现多个模具组中的至少一个。在冲压机70能够同时接收两个或更多个模具组的情况下，可以通过冲压机70执行级进模冲压工艺，其中首先使用第一模具组，然后依次使用第二模具组。第一模具组40可以可操作地配置成在基本上平行的金属片26、28上限定多个临时通道36(流动通道和/或金属焊道通道)，其中临时通道深度74，临时侧壁58，临时侧壁取向56、临时平坦区域46，和临时半径44形成于多个通道36的每个通道36中(如图2A-2B和5A-5B)中。在冲压机70每次只能保持一个模具组的情况下，第一模具组40可以被移除并且被用于冲压机70中第二模具组42所替换。因此，第二模具组42可以可操作地配置在实施并移除冲压机70中的第一模具组40之后在冲压机/70中实施。如图2A-2B和图5A-5B所示，在多个通道36、38的每个流动通道中第二模具组42可配置以将临时侧壁取向56，临时平坦区域46和临时半径44'塑性成形为最终侧壁取向56'、最终平坦区域46'和最终半径44'。取向56、56'的角度应该被认为是与侧壁取向56、56'相同的。

因此，除了临时通道36和最终通道38的平坦区域中心50、50'，通道36、38的所有区域(侧壁58，半径44，边缘区52、54)都可能发生塑性形变。如之前所述，相应于本发明的示例性系统的第二模具组42可操作性地配置成使多个临时通道36的每个流动通道36中的临时第一边缘区52和临时第二边缘区54塑性形变且同时使每个流动通道中的第一和第二侧壁发生塑性形变。如上所述，第二模具组42被配置成保持多个通道36中的每个临时流动通道的临时平坦区域50的结构完整性，而第二模具在多个通道36的每个流动通道中的第一和第二边缘区52和54处引起塑性形变。

现在参考图7，示出了冲压机系统68'的另一实施例。在此可提供了冲压机系统68'，其包括在第一冲压机(或冲压工位)70'和在在第一冲压机(或冲压工位)70'之后使用的第二冲压机(或冲压工位)72'。第一冲压机(或冲压工位)70'包括第一模具组40，第一模具组40可操作地配置成在一块金属片26、28中限定多个临时通道36，其中在多个临时通道36的每个临时通道36内形成临时通道深度74，在该通道36每侧的临时侧壁58，临时侧壁取向56，临时平坦区域46，及临时半径44。第二冲压机(或冲压工位)可以可操作地配置成在在第一冲压机(或冲压工位)中在其变形后接收金属片26、28。第二冲压机(或冲压工位)72'包括第二模具组42，其中第二模具组可以可操作地配置为在多个最终通道36的每个通道36内由临时侧壁取向56、临时平坦区域46、临时半径44塑性形成为最终侧壁取向56'，最终平坦区域46'和最终半径44'。如前所述，如图2A-2B所示，由第一模具组40形成的临时平坦区域46包括临时平坦区域中心区50，最终平坦区域46'包括最终平坦区域中心区50'，临时平坦区域46和最终平坦区域46'各自进一步包括第一和第二边缘区52、54、52'、54'。

第二模具组42可操作地配置成使第一边缘区52和第二边缘区54在多个临时通道36中的每个临时通道36的临时平坦区域46中塑性形变，同时使临时侧壁58在每个流动通道中塑性形变。因此，第二模具组42被配置成保持多个通道中的每个通道36、38的临时平坦区域46的临时平坦区域中心区50的结构完整性，同时第二模具组42在在多个流动通道的每个流动通道中的第一和第二边缘区52、52'、54、54'造成塑性形变。因此，临时平坦区域46限定了小于最终平坦区域46'的最终宽度46”的宽度46”'。

虽然在本发明以上详细阐述中已举出至少一个示范性的实施例，但是应该认识到本发明存在许多之变化。还应当认识到，示范性的一个或多个实施例仅作为例子，而不期望以任何方式限制本发明的范围、性能或配置。而是，前面的详细描述将为本领域的技术人员提供用于实现示范性实施例或多个示范性实施例的便利的指引。应该理解的是，在不脱离如所附权利要求及其合法等同物所阐述的本发明的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种制造双极板的方法，所述方法包括以下步骤：

在冲压机系统中提供一块金属片；

用第一模具冲压所述块金属片以限定临时平坦区域、第一临时侧壁、第二临时侧壁、用于所述第一和第二侧壁的每一个侧壁的多个临时半径，和用于多个流动通道的第一临时通道深度；以及

用第二模具冲压所述块金属片以加宽所述多个流动通道的每个流动通道中的所述临时平坦区域，以形成所述最终平坦区域，并且减小所述多个流动通道中的所述每个流动通道的所述多个临时半径的每个临时半径，从而形成最终半径。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述块金属片由奥氏体不锈钢构成。

3.根据权利要求2所述的方法，其中使用所述第一模具冲压所述块金属片的步骤还包括在所述多个流动通道的每个流动通道处限定临时半径的所述步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其中使用所述第二模具冲压所述块金属片的所述步骤包括限定所述最终平坦区域的所述步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述临时平坦区域和所述最终平坦区域每个包括第一边缘区和第二边缘区。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述临时平坦区域进一步包括临时平坦区域中心区，并且最终平坦区域包括最终平坦区域中心区。

7.根据权利要求6所述的方法，其中使用所述第二模具冲压所述块金属片的所述步骤包括使所述多个流动通道中的每个流动通道中的所述临时半径塑性形变成最终半径的步骤，所述最终半径小于所述临时半径。

8.根据权利要求7所述的方法，其中使用所述第二模具冲压所述块金属片的所述步骤包括在所述多个流动通道的每个临时平坦区域的所述第一边缘区和所述第二边缘区处将所述临时平坦区域塑性加宽成最终平坦区域的所述步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中临时平坦区域中心区和最终平坦区域中心区具有基本相同的宽度，其中当所述第二模具施加到所述块金属片时，所述最终平坦区域中心区配置为基本上没有塑性形变。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述最终平坦区域限定了大于所述最初平坦区域宽度的最终宽度。