CN109802153B - 一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺及成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺及成型装置，包括如下步骤：S1：制作模具，S2：加工胚料，S3：加工单极板，S4：加工构型，S5：加工成型。本发明还公开了一种用于制作燃料电池金属双极板的成型装置。本发明采用冲压工艺并辅助激光切割及激光焊接技术，使两片不同结构的单极板同时冲压成形，然后焊接成为一套可用的燃料电池双极板；本工艺过程简单、高效，制造成本大幅降低，加工精度高，有利于电堆的组装，并易于实现大批量生产。

Description

一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺及成型装置

技术领域

本发明属于冲压成型装置领域，具体涉及一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺及成型装置。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的清洁能源技术，具有高能量转换效率、结构简单、低排放、低噪音等优点，可广泛应用于车用动力、移动电源及通信基站备用电源等领域。燃料电池主要由膜电极和双极板构成；膜电极是燃料电池的核心，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、支撑膜电极以及水管理、热管理的作用；双极板占据燃料电池堆重量和成本的绝大部分，其制作材料及加工费用是燃料电池成本高的主要原因之一。

目前，燃料电池双极板材料主要有三类：石墨材料、复合材料和金属材料。石墨双极板导电良好、耐腐蚀性能强，技术比较成熟，许多示范应用的燃料电池汽车大都采用此种双极板；但石墨双极板的脆性极大，机械性能差、加工效率低、同时价格昂贵且制造成本高，难以实现商业化大批量生产。复合材料双极板以碳粉和树脂为主要原料、经过模压等方式制备而成，可以改善石墨双极板的性能，并在一定程度上降低双极板的成本，但其加工工艺十分复杂，且存在导电性和气体渗透的问题，长期稳定性尚待探索。金属双极板可以采用直接冲压薄板形成，易于大批量生产，且可以大幅度提高燃料电池的比能量和比功率、降低电池成本；此外，由于金属材料具有导电导热性好、机械强度高、容易薄片化、易加工等优点，成为燃料电池双极板的首选材料之一，世界各大公司及研究单位纷纷进行金属双极板的开发和研究。

中国专利公开号CN101937997A提出一种带有一定曲率的非平面弧形金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板相对结合构成；两板的阴阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台凸凹形状相互对应，分别构成燃料气体通道、氧化剂通道和冷却介质通道。这种结构需要加工多副模具，同时带曲率的非平面模具加工成本高，加工精度难以保证；同时弧形金属极板装配困难，碳纸等气体扩散层材料在与弧形金属极板装配过程中容易发生断裂效应。

中国专利公开号CN101101993A提出的基于薄板冲压成形的双极板，包括两块流场单板分别作为阳极和阴极，一块中间支撑薄板置于流场单板之间，形成燃料、氧化剂和冷却液进出口。这种结构需要三块不同构型的金属薄板才能满足功能需求，同时，该双极板流阻较大，难以在车用燃料电池的大面积金属极板上应用。

中国专利公开号1787261A提出利用裁剪机将金属薄板剪切成一定尺寸大小的平板，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。但在金属极板加工过程中均需要先经过机械切削加工凹槽气体通道或者金属边框，然后才能进行极板流场的加工，机加工效率及精度较低，不可避免的面临着制造和装配精度的问题，限制了大批量生产的实现。

中国专利公开号CN102013494A采用了电磁成形的方法，以解决基于冲压成形等常规塑性变形手段对金属薄板上微细结构成形时微型凸、凹模间配合困难的问题，但是电磁成形加工效率低，不适用于大批量生产。

中国专利公开号CN101905268B设计了一种小型氢燃料电池金属双极板成形模具，包含切口、冲孔、压拉延防变形筋、成形、整形、落料等十个工位，板料依次通过各工位，被连续冲压成形。这种连续模具能大大提高生产效率，适合大批量生产，但是该专利模具只适用于小型氢燃料电池极板，不能满足大面积金属极板的成形要求，同时在成形流道沟槽时不能一次成形即达到设计要求，需要一次或多次整形，降低了生产效率，并且加工工位过多，难以保证各工位间的定位精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺及成型装置，以解决上述背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺，其结构要点在于：包括如下步骤：

S1：制作模具，根据金属双极板的设计要求加工压制双极板的模具；

S2：加工胚料，将金属薄板剪切成一定尺寸大小的平板，且平板上设有定位孔、冲压预留孔A和冲压预留孔B，作为后期冲压的胚料；

S3：加工单极板，将步骤S2中的胚料放入模具中，压出单极板，其中单极板包括阴极单极板和阳极单极板，阴极单极板上设有阴极单极板流场和阳极单极板上设有阳极单极板流场，且两片单极板之间有物料连接；

S4：加工构型，将步骤S3中相连接的两片单极板剪裁出所需构型；

S5：加工成型，将步骤S4中的两片单极板通过对折定位线对折，并将两片单极板通过阴极连接线和阳极连接线密封连接为一体，形成冷却液流场、氧化剂流场和还原剂流场，且冷却液流场位于氧化剂流场和还原剂流场之间。

作为优选的，步骤S2中的金属薄板由不锈钢或钛材或钛合金或铝材或铝合金制成，且金属薄板的厚度为0.1-1mm。

作为优选的，步骤S4中的构型包括氧化剂进口主流道A、冷却液进口主流道A、还原剂进口主流道A、还原剂出口主流道A、冷却液出口主流道A、氧化剂出口主流道A、还原剂进口分配口、还原剂出口分配口、还原剂进口主流道B、冷却液进口主流道B、氧化剂进口主流道B、氧化剂出口主流道B、冷却液出口主流道B和还原剂出口主流道B。

作为优选的，步骤S5中的冷却液流场由冷却液进口主流道B、冷却液出口主流道B、冷却液进口主流道A和冷却液出口主流道A组成。

作为优选的，步骤S5中的氧化剂流场由氧化剂进口主流道B、氧化剂出口主流道B、氧化剂进口主流道A和氧化剂出口主流道A组成。

作为优选的，步骤S5中的还原剂流场由还原剂进口主流道B、还原剂出口主流道B、还原剂进口主流道A、还原剂出口主流道A、还原剂进口分配口和还原剂出口分配口组成。

一种用于制作燃料电池金属双极板的成型装置，其特征在于：包括成模设备、剪裁设备、压力设备和密封连接设备，所述的剪裁设备为激光切割机或机加工设备，所述的压力设备为压力机或辊压机或机械冲床或油压机，所述的密封连接设备为激光焊接机或自动涂胶设备。

与现有技术相比，本发明使用压力机并辅助激光切割和激光焊接技术，将两片阴极单极板和阳极单极板一次压制成形，为整体式极板，制作工艺简单、高效，提高了装配精度，适合大批量生产；通过阴阳极板上反应物的空间错位很好的在两块单极板之间形成冷却液流通通道，因此只需要两块金属薄板就可以满足燃料电池所需的还原剂、氧化剂和冷却液三种物质进出流动的需求，相比三层双极板而言其重量和厚度都大幅降低；利用阴极连接线和阳极连接线很好的实现了还原剂、氧化剂和冷却液流动区域的分隔，有利于提高密封性能。能够实现生产过程简单、生产效率高、产品精度高，适合大规模批量生产。

附图说明

图1为本发明金属双极板的胚料的结构示意图；

图2为本发明金属双极板的阴极单极板和阳极单极板的结构示意图；

图3为本发明金属双极板的构型的结构示意图；

图4为本发明金属双极板的阴极连接线和阳极连接线的结构示意图；

图5为本发明金属双极板加工成型后的结构示意图；

图6为本发明金属双极板加工成型后内部冷却液流场切面的结构示意图；

图中：1-定位孔，2-冲压预留孔A，3-冲压预留孔B，4-阴极单极板流场，5-阳极单极板流场，9-氧化剂进口主流道A，10-冷却液进口主流道A，11-还原剂进口主流道A，12-还原剂出口主流道A，13-冷却液出口主流道A，14-氧化剂出口主流道A，15-还原剂进口分配口，16-还原剂出口分配口，17-还原剂进口主流道B，18-冷却液进口主流道B，19-氧化剂进口主流道B，20-氧化剂出口主流道B，21-冷却液出口主流道B，22-还原剂出口主流道B，23-阴极连接线，24-阳极连接线，25-对折定位线，26-冷却液流场，27-氧化剂流场，28-还原剂流场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的解释说明，但不限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本发明提供一种技术方案，一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺，包括如下步骤：

S1：制作模具，根据金属双极板的设计要求加工压制双极板的模具；

S2：加工胚料，将金属薄板剪切成一定尺寸大小的平板，且平板上设有定位孔1、冲压预留孔A2和冲压预留孔B3，作为后期冲压的胚料；

S3：加工单极板，将步骤S2中的胚料放入模具中，压出单极板，其中单极板包括阴极单极板和阳极单极板，阴极单极板上设有阴极单极板流场4和阳极单极板上设有阳极单极板流场5，且两片单极板之间有物料连接；

S4：加工构型，将步骤S3中相连接的两片单极板剪裁出所需构型；

S5：加工成型，将步骤S4中的两片单极板通过对折定位线25对折，并将两片单极板通过阴极连接线23和阳极连接线24密封连接为一体，形成冷却液流场26、氧化剂流场27和还原剂流场28，且冷却液流场26位于氧化剂流场27和还原剂流场28之间。

其中，在本实施例中，所述的步骤S2中的金属薄板由不锈钢或钛材或钛合金或铝材或铝合金制成，且金属薄板的厚度为0.1-1mm。

其中，在本实施例中，所述的步骤S4中的构型包括氧化剂进口主流道A9、冷却液进口主流道A10、还原剂进口主流道A11、还原剂出口主流道A12、冷却液出口主流道A13、氧化剂出口主流道A14、还原剂进口分配口15、还原剂出口分配口16、还原剂进口主流道B17、冷却液进口主流道B18、氧化剂进口主流道B19、氧化剂出口主流道B20、冷却液出口主流道B21和还原剂出口主流道B22。

其中，在本实施例中，所述的步骤S5中的冷却液流场26由冷却液进口主流道B18、冷却液出口主流道B21、冷却液进口主流道A10和冷却液出口主流道A13组成。

其中，在本实施例中，所述的步骤S5中的氧化剂流场27由氧化剂进口主流道B19、氧化剂出口主流道B20、氧化剂进口主流道A9和氧化剂出口主流道A14组成。

其中，在本实施例中，所述的步骤S5中的还原剂流场28由还原剂进口主流道B17、还原剂出口主流道B22、还原剂进口主流道A11、还原剂出口主流道A12、还原剂进口分配口15和还原剂出口分配口16组成。

一种用于制作燃料电池金属双极板的成型装置，其特征在于：包括成模设备、剪裁设备、压力设备和密封连接设备，所述的剪裁设备为激光切割机或机加工设备，所述的压力设备为压力机或辊压机或机械冲床或油压机，所述的密封连接设备为激光焊接机或自动涂胶设备。

金属薄板选用厚度为0.1mm的316L不锈钢，双极板结构的成形过程如图1～6所示，首先利用激光切割机将金属薄板裁剪为450X315mm的平板，在相应的位置加工出定位孔1(Φ6mm)，以及冲压预留孔A2和冲压预留孔B3；其次将上述胚料放入设计好的模具中，利用机械冲床完成阴极单极板和阳极单极板表面沟槽的加工，槽深0.6mm、槽宽0.75mm、凸台宽1.25mm，金属双极板的流场结构采用凹凸结构，流场中的凹陷部分为气体在流场中流动的沟槽，反应气体可以在沟槽中进行流动和传递；流场中的凸起部分即流场凸台主要用于收集燃料电池反应产生的电流，并将其传导出去；为了保证气体在流场中分配均匀，金属双极板中带有促使气体分配均匀的气体分配部分；反应气体经分配部分后均匀地进入到流场的各沟槽中进行电化学反应，通过流场中的流场凸台将电流收集并传导出去，加工速度很快，可在很短的时间内完成大批量金属双极板的生产，极大地提高了生产效率，降低了金属双极板的生产成本；将冲压完成的单极板利用激光切割机加工出进、出口主流道，并切除多余的边角料，最终的平板尺寸为430X295mm，并完成各气体进出口和冷却液进出口的加工；最后将两块单极板沿对折定位线25对应折叠，利用激光焊接机和专用夹具将其焊接成为符合设计要求的一整块金属双极板，焊缝宽度0.3mm，并将气体进、出口位置分布密封，最终双极板符合气密性要求，保证无泄漏。

本实施例使用机械冲床并辅助激光切割和激光焊接技术，将两片阴极单极板和阳极单极板一次压制成形，为整体式极板，制作工艺简单、高效，提高了装配精度，适合大批量生产；通过阴阳极板上反应物的空间错位很好的在两块单极板之间形成冷却液流通通道，因此只需要两块金属薄板就可以满足燃料电池所需的还原剂、氧化剂和冷却液三种物质进出流动的需求，相比三层双极板而言其重量和厚度都大幅降低；利用阴极连接线23和阳极连接线24很好的实现了还原剂、氧化剂和冷却液流动区域的分隔，有利于提高密封性能。能够实现生产过程简单、生产效率高、产品精度高，适合大规模批量生产。

实施例二

本发明提供一种技术方案，一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺，包括如下步骤：

S1：制作模具，根据金属双极板的设计要求加工压制双极板的模具；

S2：加工胚料，将金属薄板剪切成一定尺寸大小的平板，且平板上设有定位孔1、冲压预留孔A2和冲压预留孔B3，作为后期冲压的胚料；

S3：加工单极板，将步骤S2中的胚料放入模具中，压出单极板，其中单极板包括阴极单极板和阳极单极板，阴极单极板上设有阴极单极板流场4和阳极单极板上设有阳极单极板流场5，且两片单极板之间有物料连接；

S4：加工构型，将步骤S3中相连接的两片单极板剪裁出所需构型；

S5：加工成型，将步骤S4中的两片单极板通过对折定位线25对折，并将两片单极板通过阴极连接线23和阳极连接线24密封连接为一体，形成冷却液流场26、氧化剂流场27和还原剂流场28，且冷却液流场26位于氧化剂流场27和还原剂流场28之间。

其中，在本实施例中，所述的步骤S2中的金属薄板由不锈钢或钛材或钛合金或铝材或铝合金制成，且金属薄板的厚度为0.1-1mm。

其中，在本实施例中，所述的步骤S4中的构型包括氧化剂进口主流道A9、冷却液进口主流道A10、还原剂进口主流道A11、还原剂出口主流道A12、冷却液出口主流道A13、氧化剂出口主流道A14、还原剂进口分配口15、还原剂出口分配口16、还原剂进口主流道B17、冷却液进口主流道B18、氧化剂进口主流道B19、氧化剂出口主流道B20、冷却液出口主流道B21和还原剂出口主流道B22。

其中，在本实施例中，所述的步骤S5中的冷却液流场26由冷却液进口主流道B18、冷却液出口主流道B21、冷却液进口主流道A10和冷却液出口主流道A13组成。

其中，在本实施例中，所述的步骤S5中的氧化剂流场27由氧化剂进口主流道B19、氧化剂出口主流道B20、氧化剂进口主流道A9和氧化剂出口主流道A14组成。

其中，在本实施例中，所述的步骤S5中的还原剂流场28由还原剂进口主流道B17、还原剂出口主流道B22、还原剂进口主流道A11、还原剂出口主流道A12、还原剂进口分配口15和还原剂出口分配口16组成。

一种用于制作燃料电池金属双极板的成型装置，其特征在于：包括成模设备、剪裁设备、压力设备和密封连接设备，所述的剪裁设备为激光切割机或机加工设备，所述的压力设备为压力机或辊压机或机械冲床或油压机，所述的密封连接设备为激光焊接机或自动涂胶设备。

金属薄板选用厚度为0.15mm的TA1钛带，双极板结构的成形过程如图1～5所示，首先利用机加工设备将基材裁剪为525X380mm的平板，在相应的位置加工出定位孔1(Φ8mm)，以及冲压预留孔A2和冲压预留孔B3；其次将上述胚料放入设计好的模具中，利用油压机完成阴极单极板和阳极单极板表面沟槽的加工，槽深0.4mm、槽宽1mm、凸台宽1.5mm，金属双极板的流场结构采用凹凸结构，流场中的凹陷部分为气体在流场中流动的沟槽，反应气体可以在沟槽中进行流动和传递；流场中的凸起部分即流场凸台主要用于收集燃料电池反应产生的电流，并将其传导出去；为了保证气体在流场中分配均匀，金属双极板中带有促使气体分配均匀的气体分配部分；反应气体经分配部分后均匀地进入到流场的各沟槽中进行电化学反应，通过流场中的流场凸台将电流收集并传导出去，加工速度很快，可在很短的时间内完成大批量金属双极板的生产，极大地提高了生产效率，降低了金属双极板的生产成本；将冲压完成的单极板利用激光切割机加工出进出口主流道，并切除多余的边角料，最终的平板尺寸为500X350mm，并完成各气体进出口和冷却液进出口的加工；最后将两块单极板沿对折定位线25对应折叠，利用自动涂胶设备将其粘接成为符合设计要求的一整块金属双极板，并将气体进、出口位置分别密封，最终双极板符合气密性要求，保证无泄漏。

本实施例使用油压机并辅助激光切割和胶黏剂粘接技术，将两片阴极单极板和阳极单极板一次压制成形，为整体式极板，制作工艺简单、高效，提高了装配精度，适合大批量生产；通过阴阳极板上反应物的空间错位很好的在两块单极板之间形成冷却液流通通道，因此只需要两块金属薄板就可以满足燃料电池所需的还原剂、氧化剂和冷却液三种物质进出流动的需求，相比三层双极板而言其重量和厚度都大幅降低；利用阴极连接线23和阳极连接线24很好的实现了还原剂、氧化剂和冷却液流动区域的分隔，有利于提高密封性能。能够实现生产过程简单、生产效率高、产品精度高，适合大规模批量生产。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺，其特征在于：包括如下步骤：

S1：制作模具，根据金属双极板的设计要求加工压制双极板的模具；

S2：加工胚料，将金属薄板剪切成一定尺寸大小的平板，且平板上设有定位孔、冲压预留孔A和冲压预留孔B，作为后期冲压的胚料；

S3：加工单极板，将步骤S2中的胚料放入模具中，压出单极板，其中单极板包括阴极单极板和阳极单极板，阴极单极板上设有阴极单极板流场和阳极单极板上设有阳极单极板流场，且两片单极板之间有物料连接；

S4：加工构型，将步骤S3中相连接的两片单极板剪裁出所需构型；

S5：加工成型，将步骤S4中的两片单极板通过对折定位线对折，并将两片单极板通过阴极连接线和阳极连接线密封连接为一体，形成冷却液流场、氧化剂流场和还原剂流场，且冷却液流场位于氧化剂流场和还原剂流场之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺，其特征在于：所述的步骤S2中的金属薄板由不锈钢或钛材或钛合金或铝材或铝合金制成，且金属薄板的厚度为0.1-1mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺，其特征在于：所述的步骤S4中的构型包括氧化剂进口主流道A、冷却液进口主流道A、还原剂进口主流道A、还原剂出口主流道A、冷却液出口主流道A、氧化剂出口主流道A、还原剂进口分配口、还原剂出口分配口、还原剂进口主流道B、冷却液进口主流道B、氧化剂进口主流道B、氧化剂出口主流道B、冷却液出口主流道B和还原剂出口主流道B。

4.根据权利要求1所述的一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺，其特征在于：所述的步骤S5中的冷却液流场由冷却液进口主流道B、冷却液出口主流道B、冷却液进口主流道A和冷却液出口主流道A组成。

5.根据权利要求1所述的一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺，其特征在于：所述的步骤S5中的氧化剂流场由氧化剂进口主流道B、氧化剂出口主流道B、氧化剂进口主流道A和氧化剂出口主流道A组成。

6.根据权利要求1所述的一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺，其特征在于：所述的步骤S5中的还原剂流场由还原剂进口主流道B、还原剂出口主流道B、还原剂进口主流道A、还原剂出口主流道A、还原剂进口分配口和还原剂出口分配口组成。

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