CN108655251B - 一种金属双极板制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属双极板制造装置及方法，包括：电容器组、背景场线圈、上成形模具、下成形模具、上台基、下台基、上板坯、下板坯以及绝缘板；上板坯和下板坯对称分布在绝缘板两侧，上成形模具分布在上板坯的上方，用于约束上板坯的成形形状，下成形模具分布在下板坯的下方，用于约束下板坯的成形形状；电容器组对上板坯以及下板坯放电，使得上板坯和下板坯之间产生相互排斥的电磁力，驱动上板坯和下板坯发生变形形成双极板，电容器组在充电后对背景场线圈放电，为上板坯和下板坯成形提供背景磁场，使得上板坯和下板坯在成形过程中距离较远相互作用减弱后，依然可通过背景场线圈提供的背景磁场继续变形成双极板。本发明简化了双极板成形装置。

Description

一种金属双极板制造装置及方法

技术领域

本发明涉及金属制造技术领域，更具体地，涉及一种金属双极板制造装置及方法。

背景技术

近年来，随着石油能源的枯竭和气候的变化，燃料电池以其高效、快速启动、节能潜力大、安全环保等优点引起了人们极大的兴趣，并被认为是替代内燃机在运输应用中的主要候选电源。质子交换膜燃料电池主要由多孔气体扩散电极、质子交换膜和双极板三部分组成，其中双极板主要起分隔反应气体、均匀导入反应气体、收集并传导电流、支撑膜电极等作用，占了整个燃料电池堆总质量的80％和总成本的45％，成为了制约燃料电池市场化的主要瓶颈。因此双极板的研究和开发对于质子交换膜燃料电池的发展有着至关重要的作用。

理想的双极板材料应该具有良好的导电性，高耐腐蚀性、机械强度高、重量轻、成本低等优点。由于具有较低的界面接触电阻和高的耐腐蚀性，传统的石墨板和石墨复合板是最常用的双极板。然而，它们的可制造性差，制造成本高，其脆性和渗透性要求使用相当厚的板，无法适用于燃料电池的市场化。相比石墨材料，金属材料由于具有良好的机械稳定性、导电性和导热性，可以很容易地冲压成所需要的形状以适应流道，因此被视为可能的替代材料。其中，不锈钢材料由于具有强度高、化学稳定性高、气体渗透率低、合金选择范围广、适用于大批量生产和低成本等特点，受到了广泛的关注。目前常用的可适用于批量化成形的金属双极板制造工艺有：微冲压成形、液压成形、软膜冲压成形和电磁成形等。其中电磁成形作为一种非接触、高速成形技术，以其只需要单边模具，可以提高材料的成形性等优点，成为了金属双极板成形的有利选择。然而，由于目前所用金属双极板材料多为不锈钢，为了克服其低导电性电磁成形需要采用驱动片驱动，而为了解决驱动片不能重复利用所带来的问题，又需要在驱动片与板坯之间增加软膜。此外，双极板制造的均匀度要求也是目前电磁成形需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种新的金属双极板制造装置及方法，旨在解决目前电磁成形双极板所存在的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种金属双极板制造装置，包括：电容器组、背景场线圈、上成形模具、下成形模具、上台基、下台基、上板坯、下板坯以及绝缘板；

所述上板坯和下板坯对称分布在绝缘板两侧，所述绝缘板用于在上板坯和下板坯中间提供绝缘，所述上成形模具分布在上板坯的上方，用于约束上板坯的成形形状，所述下成形模具分布在下板坯的下方，用于约束下板坯的成形形状，所述上台基分布在上成形模具的上方，用于与上成形模具嵌套，所述下台基分布在下成形模具的下方，用于与下成形模具嵌套；

所述电容器组在充电后对上板坯以及下板坯放电，使得上板坯和下板坯之间产生相互排斥的电磁力，驱动上板坯和下板坯发生高速变形形成双极板，其中，上板坯变形至上成形模具，下板坯变形至下成形模具；同时，所述电容器组在充电后还对背景场线圈放电，且背景场线圈中电流回路方向与上板坯和下板坯回路相同，为上板坯和下板坯成形提供背景磁场，使得上板坯和下板坯在成形过程中距离较远相互作用减弱后，依然可以通过背景场线圈提供的背景磁场继续变形形成双极板。

需要说明的是，上成形模具和下成形模具可简称为上下成形模具，上台基和下台基可简称为上下台基，上板坯和下板坯可简称为上下板坯。

可选地，该金属双极板制造装置还包括：多个连接铜排和多个紧固螺栓；

所述多个连接铜排和多个紧固螺栓用于固定所述上成形模具、下成形模具、上台基、下台基、上板坯、下板坯以及绝缘板；

当所述上板坯和下板坯变形结束后，拧松紧固螺栓，取出变形结束的上板坯和下板坯，将其边缘未成形部分切割，即制成金属双极板。

可选地，所述上成形模具和下成形模具的材料为绝缘高强度的材料。

可选地，所述上台基和下台基材料为环氧板。

可选地，所述上板坯和下板坯长边侧通过连接铜排与紧固螺栓连接在一起，上板坯上电流通过连接铜排流入下板坯。

第二方面，本发明提供一种基于上述第一方面提供的金属双极板制造装置的制造方法，包括：

步骤一：将待成形的金属上板坯置于上成形模具与绝缘板之间，将待成形的金属下板坯置于下成形模具与绝缘板之间，采用紧固螺栓固定，将上成形模具、下成形模具、上台基、下台基、上板坯、下板坯以及绝缘板组成的整体结构放入背景场线圈中，并将短边侧连接上板坯和下板坯的紧固螺栓分别与背景场线圈和电路负极相连，保证背景场线圈中电流回路与上板坯、下板坯内电流回路相同；

步骤二：供电电源对电容器组放电，待电容器组达到预设的电压值后，断开供电电源，闭合放电控制开关，对背景场线圈、上板坯以及下板坯放电，上板坯和下板坯之间产生相互排斥的电磁力，驱动上板坯和下板坯发生高速变形形成双极板，同时，脉冲电流流经背景场线圈，背景场线圈中电流回路方向与板坯回路相同，由于背景场线圈匝数更多且不会变形，为上板坯和下板坯成形提供了极大的背景磁场，使得上板坯和下板坯在成形后距离较远相互作用减弱后，依然可以通过背景场线圈提供的背景磁场继续变形，整个成形过程在瞬间完成；

步骤三：拧松紧固螺栓，取出变形结束的板坯，将边缘未成形部分切割，制成金属双极板。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的金属双极板制造装置及方法，采用脉冲电磁力进行成形，除了具有装置简单、可提高板坯成形极限的优点外，还具有简化成形装置、提高生产效率、装置寿命更长、双极板均匀度更好等优点。

附图说明

图1为本发明提供的种金属双极板制造装置结构示意图；

图2为本发明提供的成形模具的结构示意图；

图3为本发明提供背景场线圈中电流回路与上板坯、下板坯内电流回路方向示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的目的是提供一种燃料电磁金属双极板的通流成形装置及方法，以解决基于电磁成形中需要采用驱动板和软膜共同驱动板坯成形所带来的工装复杂和成本增加的技术问题，同时解决电磁成形中双极板均匀度不够的问题。

本发明提供了一种基于通流成形的燃料电池金属双极板制造装置。通流成形也是一种通过脉冲电磁力成形的方式，与电磁成形所不同的是：电磁成形通过线圈在板坯上感应涡流使得板坯成形，而通流成形通过直接向板坯通流使之成形。与电磁成形相比，通流成形可直接成形电导率低的材料、洛伦兹力在工件中分布均匀，但限于开关的通流能力，无法通入较大电流。

本发明所述装置包括：供电电源、电容器组、放电控制开关、背景场线圈、上下成形模具、上下台基、上下板坯、绝缘板、多个连接铜排和多个紧固螺栓。其中，背景场线圈包括线圈骨架、线圈导线以及线圈电极。

本发明利用上述装置实现燃料电池金属双极板的通流成形方法，所述方法是按下述步骤实现的：

步骤一：装配装置；下台基内嵌套下成形模具，随后由下至上依次叠放下板坯、绝缘板、上板坯和上台基，同理，上台基内嵌套上成形模具。台基与成形模具通过多个紧固螺栓固定，上台基与下台基之间通过多个紧固螺栓紧固连接，上下板坯与绝缘板之间通过连接铜排和多个紧固螺栓连接。将紧固在一起的上下台基放入背景场线圈的中空线圈骨架内。

步骤二：连接电路；将背景场线圈与上下板坯串联连入放电电路。其中线圈正电极连入电路正极，负电极与连接上板坯短端的紧固螺栓通过铜导线相连，最后，下板坯短端的紧固螺栓连入电路负极，形成一个完整回路。

步骤三：放电成形；供电电源对电容器组充电，电容器组电容量为50uF-200uF，充电完成后断开供电电源，闭合放电控制开关，电容器组向背景场线圈与板坯放电，放电电压为6kV-15kV。脉冲电流流经上下板坯，在上下板坯中产生方向相反的电流，两板坯产生排斥力成形。同时，脉冲电流流经背景场线圈，背景场线圈中电流回路方向与板坯中电流回路方向相同，由于背景场线圈匝数更多且不会变形，为板坯成形提供了极大的背景磁场，使得上下两板坯在成形后距离较远相互作用减弱后，依然可以通过背景场线圈提供的背景磁场继续变形。整个成形过程在瞬间完成。

步骤四：取出成形件；将多个紧固螺栓取下，再将上台基取下，将上下一对成形件取出，将边缘未成形部分切割，即制成金属双极板。

相比较于目前已知的基于电磁成形的燃料电池金属双极板成形工艺，本发明的优势是：本发明将通流成形引入到金属双极板的成形制造中，利用外部电流代替感应涡流，降低电磁力对电导率的敏感程度，克服电磁成形在金属双极板成形中的瓶颈。

更进一步地，由于通流成形对板坯电导率的敏感度低，无需采用驱动板和软膜进行驱动成形，极大的降低了成形成本，同时，由于不需要采用软膜，因此也无需考虑软膜的寿命问题(目前常用的软膜一般只能成形100块工件)，整个装置的寿命得到了极大的提高。

更进一步地，在电磁成形中，一块板坯中形成的感应涡流需要形成回路，导致板坯上所受的电磁力分布不均匀，而在通流成形中，电流流经上下两块板坯形成回路，电流在两块板坯中方向相反，分布均匀，实现了电磁力在整个板坯中均匀分布，极大地提高了最终成形的双极板的均匀度。

更进一步地，对于通流成形而言，单块板坯产生的磁场远小于电磁成形中多匝的成形线圈产生的磁场，为了弥补这一缺陷，本发明采用了背景场线圈为板坯提供磁场，线圈电流方向与板坯内电流方向相同。通过这种方式，通流成形时磁场强度与电磁成形时相当，同时在上下两板坯在成形后距离较远相互作用减弱后，依然可以通过背景场线圈提供的背景磁场继续变形，提高成形深度。

更进一步地，由于板坯是靠互相排斥成形，因此一次至少可以成形一对。此外，由于板坯无需依赖线圈成形，无论板坯多长，同一块板上不同位置的电流总是方向、大小相同，不受线圈限制，所以一次可以成形得到多对双极板，极大地提高生产效率。

下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式的燃料电池金属双极板的通流成形装置，包括供电电源U、电容器组C、放电控制开关K、背景场线圈1、上下成形模具2-1、上下台基2-2、上下板坯2-3、绝缘板2-4、多个连接铜排2-5和多个紧固螺栓2-6。其中，背景场线圈1包括线圈骨架1-1、线圈导线1-2以及线圈电极1-3。

上板坯和下板坯对称分布在绝缘板两侧，绝缘板用于在上板坯和下板坯中间提供绝缘，上成形模具分布在上板坯的上方，用于约束上板坯的成形形状，下成形模具分布在下板坯的下方，用于约束下板坯的成形形状，上台基分布在上成形模具的上方，用于与上成形模具嵌套，下台基分布在下成形模具的下方，用于与下成形模具嵌套。

上下台基2-2与上下成形模具2-1之间采用紧固螺栓2-6d固定嵌套，台基凹槽2-2a比模具高约1mm-2mm，为板坯成形加速提供足够的距离，台基凹槽两侧2-2b比凹槽高100μm，与板坯2-3厚度相同，用于定位板坯。台基材料为环氧板。

成形模具2-1材料为绝缘高强度材料，例如氧化锆，其流道可以为单通道型蛇形流道，如图2所示，流道深度0.5mm，流道宽度1.5mm，脊宽1.5mm，整个模具尺寸为80mm×80mm。

下台基(已与下成形模具嵌套)上依次叠放下板坯2-3b、绝缘板2-4、上板坯2-3a、上台基(已与上成形模具嵌套)。上下台基与绝缘板通过紧固螺栓2-6e固定。上板坯短边侧通过紧固螺栓2-6a、短连接铜排2-5a经铜导线与线圈电极1-3b连接，下板坯短边侧通过紧固螺栓2-6b、短连接铜排2-5a经铜导线与电路负极相连。绝缘板2-4在两板坯中间提供绝缘，材料为环氧板，厚度为0.5mm-1mm。上下板坯长边侧通过连接铜排2-5b与紧固螺栓2-6c连接在一起，上板坯上电流通过连接铜排流入下板坯。线圈电极1-3a与电路正极相连，形成完整回路。板坯2-3材料为SS304(不锈钢板)，厚度为100μm。

背景场线圈1中，线圈骨架1-1材料为环氧板，线圈导线1-2为横截面积4mm×1mm的紫铜导线。背景场线圈尺寸与2的整体尺寸相关，需要保证整体2能够放入中空的线圈骨架1-1中。

本发明实施例提供的基于通流成形的质子交换膜燃料电池金属双极板的成形方法具体包括下述步骤：

步骤一：将待成形金属板坯置于成形模具与绝缘板之间，采用紧固螺栓固定。将整体放入背景场线圈中，并将短边侧连接上下板坯的紧固螺栓分别与背景场线圈和电路负极相连，保证背景场线圈中电流回路与上下板坯内电流回路相同，如图3所示；

步骤二：供电电源U对电容器组C放电，待电容器组C达到预设的电压值(6kV-15kV)后，断开供电电源，闭合放电控制开关K，对背景场线圈与上下板坯放电。上下板坯产生相互排斥的电磁力，驱动板坯发生高速变形形成双极板。同时，脉冲电流流经背景场线圈，背景场线圈中电流回路方向与板坯回路相同，由于背景场线圈匝数更多且不会变形，为板坯成形提供了极大的背景磁场，使得上下两板坯在成形后距离较远相互作用减弱后，依然可以通过背景场线圈提供的背景磁场继续变形。整个成形过程在瞬间完成；

步骤三：拧松紧固螺栓，取出成形完全的板坯，将边缘未成形部分切割，即制成金属双极板，成形过程结束。

在本发明实例中，一次可以成形两对即四块双极板。实际中根据相应的实验/生产条件可以一次成形多对双极板。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属双极板制造装置，其特征在于，包括：电容器组、背景场线圈、上成形模具、下成形模具、上台基、下台基、上板坯、下板坯以及绝缘板；

所述上板坯和下板坯对称分布在绝缘板两侧，所述绝缘板用于在上板坯和下板坯中间提供绝缘，所述上成形模具分布在上板坯的上方，用于约束上板坯的成形形状，所述下成形模具分布在下板坯的下方，用于约束下板坯的成形形状，所述上台基分布在上成形模具的上方，用于与上成形模具嵌套，所述下台基分布在下成形模具的下方，用于与下成形模具嵌套；

所述电容器组在充电后对上板坯以及下板坯放电，使得上板坯和下板坯之间产生相互排斥的电磁力，驱动上板坯和下板坯发生高速变形形成双极板，其中，上板坯变形至上成形模具，下板坯变形至下成形模具；同时，所述电容器组在充电后还对背景场线圈放电，且背景场线圈中电流回路方向与上板坯和下板坯回路相同，为上板坯和下板坯成形提供背景磁场，使得上板坯和下板坯在成形过程中距离较远相互作用减弱后，依然可以通过背景场线圈提供的背景磁场继续变形形成双极板；所述背景场线圈中接入脉冲电流。

2.根据权利要求1所述的金属双极板制造装置，其特征在于，还包括：多个连接铜排和多个紧固螺栓；

所述多个连接铜排和多个紧固螺栓用于固定所述上成形模具、下成形模具、上台基、下台基、上板坯、下板坯以及绝缘板；

当所述上板坯和下板坯变形结束后，拧松紧固螺栓，取出变形结束的上板坯和下板坯，将其边缘未成形部分切割，即制成金属双极板。

3.根据权利要求1所述的金属双极板制造装置，其特征在于，所述上成形模具和下成形模具的材料为绝缘高强度的材料。

4.根据权利要求1所述的金属双极板制造装置，其特征在于，所述上台基和下台基材料为环氧板。

5.根据权利要求2所述的金属双极板制造装置，其特征在于，所述上板坯和下板坯长边侧通过连接铜排与紧固螺栓连接在一起，上板坯上电流通过连接铜排流入下板坯。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的金属双极板制造装置的制造方法，其特征在于，包括：

步骤一：将待成形的金属上板坯置于上成形模具与绝缘板之间，将待成形的金属下板坯置于下成形模具与绝缘板之间，采用紧固螺栓固定，将上成形模具、下成形模具、上台基、下台基、上板坯、下板坯以及绝缘板组成的整体结构放入背景场线圈中，并将短边侧连接上板坯和下板坯的紧固螺栓分别与背景场线圈和电路负极相连，保证背景场线圈中电流回路与上板坯、下板坯内电流回路相同；

步骤二：供电电源对电容器组放电，待电容器组达到预设的电压值后，断开供电电源，闭合放电控制开关，对背景场线圈、上板坯以及下板坯放电，上板坯和下板坯之间产生相互排斥的电磁力，驱动上板坯和下板坯发生高速变形形成双极板，同时，脉冲电流流经背景场线圈，背景场线圈中电流回路方向与板坯回路相同，由于背景场线圈匝数更多且不会变形，为上板坯和下板坯成形提供了极大的背景磁场，使得上板坯和下板坯在成形后距离较远相互作用减弱后，依然可以通过背景场线圈提供的背景磁场继续变形，整个成形过程在瞬间完成；

步骤三：拧松紧固螺栓，取出变形结束的板坯，将边缘未成形部分切割，制成金属双极板。

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