CN110534765B - 一种燃料电池所需的高精度金属双极板的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池所需的高精度金属双极板成型的方法，具体包括以下步骤：本发明制得高精度金属双极板的主要方法包括：选择双极板原材料；设计、制造用于双极板冲压成型的模具1和用于双极板冲压成型的模具2；预冲压成型；完全冲压成型；冲压剪裁；焊接,得到所述双极板。本发明通过第一步预成型及第二步完全成型以提高双极板的冲压质量，解决金属双极板成型过程中出现的翘曲变形、应力过大、沟槽深度不够、相邻流道高度差过大、废品率高、漏焊等现象，能够高效高精度低成本成型燃料电池金属双极板。

Description

一种燃料电池所需的高精度金属双极板的成型方法

技术领域

本发明涉及氢能源燃料电池领域，具体地，涉及一种燃料电池所需的高精度金属双极板的成型方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电机上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池主要有膜电极(MEA)和双极板构成；MEA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、气体分配以及水管理、热管理的作用；双极板的种类有很多种，通常采用的双极板为机械加工石墨双极板，技术比较成熟、但加工费用高昂，主要应用在实验室实验研究；目前燃料电池双极板的研究主要集中在柔性石墨双极板(及注塑石墨双极板)、金属双极板及复合双极板。由于金属材料具有导电、导热性好、机械强度高、容易薄片化、易加工等优点成为首选燃料电池双极板材料之一，世界各大公司及单位纷纷进行金属双极板的开发和研究。美国的氢能公司H-power(US patent5858567)采用的金属双极板材料为钛材，双极板在高温真空内进行渗氮处理，钛材表面形成一层致密的氮化钛保护膜。这种表面处理可以有效的提高金属的耐腐蚀性，但是它的表面处理时间太长，结构比较复杂，加工成本较高，无法大幅度地降低双极板在燃料电池中的成本。中国大连化学物理研究所燃料电池组也才用金属材料加工双极板，利用线切割或电火花加工流场通道，加工成本较高，无法实现大批量生产，极大地限制了其应用。

目前，对金属双极板的研究很多，大多数集中在对金属双极板的表面改性方面，对金属双极板的加工方法的研究进行的很少。目前冲压成型得到的金属双极板有明显翘曲变形，造成双极板焊接之后产生较大内应力无法释放，致使制造的双极板板面不平整，从而导致整个燃料电池反应堆形状不规则，不易于安装，发电效率能力受到影响。而双极板沟槽的拉伸深度也普遍达不到设计要求，同时相邻流道高度误差过大，降低了双极板的发电能力。生产过程中双极板废品率高，大大增加了制造成本。将双极板焊接在一起时，经常出现的漏焊现象进一步增加了废品率。因此，需要发明一种能够高效率低成本生产燃料电池高精度金属双极板的制造方法。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池所需的高精度金属双极板成型的方法。本发明内容的目的在于通过第一步预成型冲压及第二步完全成型冲压以提高双极板的冲压质量，克服金属双极板成型过程中出现的翘曲变形、应力过大、沟槽深度不够、相邻流道高度差过大、废品率高、漏焊等现象，提供一种燃料电池所需的高精度金属双极板制备方法；更具体地，提供一种能够高效率低成本生产燃料电池高精度金属双极板的制造方法，该方法能够高效高精度低成本成型燃料电池金属双极板。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供一种燃料电池所需的高精度金属双极板制备方法，包括如下步骤：

S1、选择双极板的原材料；

原材料板材的选用是制造高精度金属基燃料电池双极板的关键，要制造高性能金属基燃料电池双极板，必须考虑原料的成型性能，双极板上分布有气体流道，进气孔，结构筋等一系列结构，要成型这样的金属板材，就要选用硬度适中，伸长率高，拉伸强度大防止板材破裂。与此同时，作为燃料电池气体流道与反应容器，板材原料还应有良好的耐腐蚀性，持续稳定地收集电流而不被氧化腐蚀。本发明选用一种耐腐蚀能力较强的奥氏体不锈钢SUS316L作为双极板基质，它是一种商用不锈钢材质，用此材质制得的双极板，只需要通过表面改性就能达到高导电、耐电化学腐蚀的工作环境。对于双极板精密微管道成型来说，其机械就显得尤为重要，本发明选择的材料具体特征如下：

原材料选用板材规格尺寸如下：

原材料厚度：0.08-0.12mm

原材料厚度公差：-/+0.005mm

原材料宽度：50-320mm(依不同规格的双极板而定)

原材料长度：卷带

原材料表面粗糙度：0.08-0.15um(Ra值)

S2、设计、制造用于双极板冲压成型的模具1,包含预成型模具A；

S3、设计、制造用于双极板冲压成型的模具2,包含完全成型模具B；

步骤S2和S3具体步骤如下：

1)CAE分析

CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构(固体)、流体、电磁等。本发明人借助CAE分析软件，利用计算机辅助求解分析双极板图纸中的结构力学性能、原材料的变薄率、拉伸变形、屈服强度等，合理规划加工步骤，提前发现成型过程中可能出现的缺陷并找到优化解决的方案，在保证精度的前提下，最大化地减小材料的变形程度，对每一步把工程(生产)的各个环节有机地组织起来，将有关的信息集成，使其产生并存在于工程(产品)的整个生命周期。

2)模具设计

连续工程设计冲压工艺流程的规划是冲压成型高性能精度金属基燃料电池双极板的重点，金属双极板具有复杂的表面结构，一般的冲压工艺无法在成型的同时保持表面结构的高精度，为此，我们采用的两次冲压成型双极板的工艺流程，以便在成型复杂双极板结构的同时保持精度。

所述模具的原材料包括Cr12MoV、Cr129、9CrWMo中的一种。

3)模具的制造

双极板的外形结构是平面结构，需选择高精度三轴CNC加工中心来加工模具的型腔。选用进口模具加工设备，采用铣削、线切割、电火花成型等技术，使模具的表面粗糙度达到0.2um以下，模具全尺寸误差达到0.005mm以下。动、定模分型面的上、下两平面平行度在0.01mm以下。成型区域的精度达到0.1um。模腔表面粗糙度达到Ra0.01um。同轴度达到0.01mm，导柱导套配合精度选用H7/f7。

S4、采用步骤S2制造的模具1，对材料进行预冲压成型；

S5、采用步骤S3制造的模具2，对材料进行完全冲压成型；

具体使用液压机或冲床对金属板材进行预冲压成型及完全冲压成型。

可选用的冲压设备包含使用大吨位的液压机或伺服液压压机，机械式冲床或伺服机械式冲床。

在预冲压成型工艺中，因为所设计的模具微管路截面均成圆滑过渡，使材料在冲压过程中流动性更佳，材料在拉伸率许可的范围内实现最大塑性变形而不会破损，冲压后的平整度更好。

因为我们需要完全冲压成型后的微管路的平面部分尽可能的大，及和质子交换膜的接触面更大，以减小反应过程中的电阻，减小电化学反应所产生的热量，更不容易烧堆。所以我们在预冲压成型工艺中，微管路的截面实际的高度大于设计所需的高度，在完全冲压成型模具中再冲压至我们所需的双极板设计尺寸，得到更小的圆弧角和更大的接触平面。

S6、对步骤S5所得的板材进行冲压剪裁，得到成品单极板；

使用机械使冲床或激光切割对完全冲压成型后的板材进行冲压剪裁或切割，得到符合设计要求的轮廓。

S7、使用激光对两片单极板进行焊接，得到所述双极板。

所述焊接采用激光连续焊接。依据所生产的双极板定制夹具，焊接夹具压紧两双极板使焊接区域紧密贴合。焊接过程中相焊接位置吹入氮气作为保护气及冷去气体，防止焊接过程中铁与氧气发生氧化反应。

优选地，步骤S1中，所述双极板的原材料为奥氏体不锈钢系列或镍基合金钢系列。

优选地，步骤S2中，所述模具1和模具2的结构均通过CAE软件分析设计；

所述模具1和模具2的原材料包括Cr12MoV、Cr129、CrWMo中的一种。

优选地，步骤S2中，所述模具1和模具2的制造中，采用铣削、线切割、电火花成型中的至少一种技术成型模具表面，采用高精度的三轴CNC加工中心加工模具的成型腔体。

优选地，步骤S2中，所述预成型模具A包括第一下模和第一上模。

步骤S3中，所述完全成型模具B包括第二下模和第二上模。

优选地，步骤S4中，所述预冲压成型工艺包括如下步骤：

将原材料放置于模具1中，拉伸成型双极板表面管道与结构筋。

由此得到的微管路的截面过渡圆滑，材料在冲压过程中流动性较好，冲压后的平整度更好；使材料在拉伸率许可的范围内实现最大塑性变形，而不会产生破损。

微管路的截面实际的高度大于设计所需的高度。

优选地，步骤S5中，所述完全冲压成型工艺包括如下步骤：

步骤1、将预成型后的板材置入模具2中；

步骤2、对板材进行二次冲压，使之完全成型。

模具B完全成型冲压后，圆弧角更小，平面尺寸更大，和膜电极接触的面积会更大，减小电阻，提高产品使用寿命。

所述成型得到的微管路的宽度为0.3MM-2MM，微管路的深度为0.3MM-0.8MM。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明优化了成型过程，极大减少了双极板成型翘曲与应力变形。

2、两步冲压工序材料成型，大大减小了生产废品率。

3、连续激光焊接工艺的选用，保证了焊接效率，焊接压板的设计保证了焊接过程中双极板紧密贴合，杜绝了缺焊、漏焊现象，保护气体的通入防止了焊接过程中表面氧化对双极板的性能影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中预成型板材和完全成型板材的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供一种燃料电池所需的高精度金属双极板两步冲压成型的制备方法，具体步骤如下：

S1、选择双极板的原材料；

原材料板材的选用是制造高精度金属基燃料电池双极板的关键，要制造高性能金属基燃料电池双极板，必须考虑原料的成型性能，双极板上分布有气体流道，进气孔，结构筋等一系列结构，要成型这样的金属板材，就要选用硬度适中，伸长率高，拉伸强度大防止板材破裂。与此同时，作为燃料电池气体流道与反应容器，板材原料还应有良好的耐腐蚀性，持续稳定地收集电流而不被氧化腐蚀。本发明选用一种耐腐蚀能力较强的奥氏体不锈钢SUS316L作为双极板基质，它是一种商用不锈钢材质，用此材质制得的双极板，只需要通过表面改性就能达到高导电、耐电化学腐蚀的工作环境。对于双极板精密微管道成型来说，其机械就显得尤为重要，本发明选择的材料具体特征如下：

原材料选用板材规格尺寸如下：

原材料厚度：0.08-0.12mm

原材料厚度公差：-/+0.005mm

原材料宽度：50-320mm(依不同规格的双极板而定)

原材料长度：卷带

原材料表面粗糙度：0.08-0.15um(Ra值)

S2、设计、制造用于双极板冲压成型的模具1,包含预成型模具A；

S3、设计、制造用于双极板冲压成型的模具2,包含完全成型模具B；

步骤S2和S3具体步骤如下：

1)CAE分析

CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构(固体)、流体、电磁等。本发明人借助CAE分析软件，利用计算机辅助求解分析双极板图纸中的结构力学性能、原材料的变薄率、拉伸变形、屈服强度等，合理规划加工步骤，提前发现成型过程中可能出现的缺陷并找到优化解决的方案，在保证精度的前提下，最大化地减小材料的变形程度，对每一步把工程(生产)的各个环节有机地组织起来，将有关的信息集成，使其产生并存在于工程(产品)的整个生命周期。

2)模具设计

连续工程设计冲压工艺流程的规划是冲压成型高性能精度金属基燃料电池双极板的重点，金属双极板具有复杂的表面结构，一般的冲压工艺无法在成型的同时保持表面结构的高精度，为此，我们采用的两次冲压成型双极板的工艺流程，以便在成型复杂双极板结构的同时保持精度。

所述模具的原材料包括Cr12MoV、Cr129、9CrWMo中的一种。

3)模具的制造

双极板的外形结构是平面结构，需选择高精度三轴CNC加工中心来加工模具的型腔。选用进口模具加工设备，采用铣削、线切割、电火花成型等技术，使模具的表面粗糙度达到0.2um以下，模具全尺寸误差达到0.005mm以下。动、定模分型面的上、下两平面平行度在0.01mm以下。成型区域的精度达到0.1um。模腔表面粗糙度达到Ra0.01um。同轴度达到0.01mm，导柱导套配合精度选用H7/f7。

S4、采用步骤S2制造的模具1，对材料进行预冲压成型，拉伸成型双极板表面管道与结构筋，截面如图1A所示；

S5、采用步骤S3制造的模具2，对材料进行完全冲压成型；具体为对板材进行二次冲压，使之完全成型，截面形状如图1B所示。

具体使用液压机或冲床对金属板材进行预冲压成型及完全冲压成型。

可选用的冲压设备包含使用大吨位的液压机或伺服液压压机，机械式冲床或伺服机械式冲床。

在预冲压成型工艺中，因为所设计的模具微管路截面均成圆滑过渡，使材料在冲压过程中流动性更佳，材料在拉伸率许可的范围内实现最大塑性变形而不会破损，冲压后的平整度更好。

因为我们需要完全冲压成型后的微管路的平面部分尽可能的大，及和质子交换膜的接触面更大，以减小反应过程中的电阻，减小电化学反应所产生的热量，更不容易烧堆。所以我们在预冲压成型工艺中，微管路的截面实际的高度大于设计所需的高度，在完全冲压成型模具中再冲压至我们所需的双极板设计尺寸，得到更小的圆弧角，平面尺寸更大和膜电极接触的面积会更大，从而可以减小电阻，提高产品使用寿命。得到的微管路的宽度为0.3MM-2MM，微管路的深度为0.3MM-0.8MM。

S6、对步骤S5所得的板材进行冲压剪裁，得到成品单极板；

使用机械使冲床或激光切割对完全冲压成型后的板材进行冲压剪裁或切割，得到符合设计要求的轮廓。

S7、使用激光对两片单极板进行焊接，得到所述双极板。

所述焊接采用激光连续焊接。依据所生产的双极板定制夹具，焊接夹具压紧两双极板使焊接区域紧密贴合。焊接过程中相焊接位置吹入氮气作为保护气及冷去气体，防止焊接过程中铁与氧气发生氧化反应。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种燃料电池所需的高精度金属双极板的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、选择双极板的原材料；

S2、设计、制造用于双极板冲压成型的模具1,包含预成型模具A；

S3、设计、制造用于双极板冲压成型的模具2,包含完全成型模具B；

S4、采用步骤S2制造的模具1，对材料进行预冲压成型；

S5、采用步骤S3制造的模具2，对材料进行完全冲压成型；

S6、对步骤S5所得的板材进行冲压剪裁，得到成品单极板；

S7、使用激光对两片单极板进行焊接，得到所述双极板；

步骤S4中，所述预冲压成型工艺包括如下步骤：

步骤1、将原材料放置于模具1中，拉伸成型双极板表面管道与结构筋；

步骤S5中，所述完全冲压成型工艺包括如下步骤：

步骤1、将预成型后的板材置入模具2中；

步骤2、对板材进行二次冲压，使之完全成型；

所述成型得到的微管路的宽度为0.3MM-2MM，微管路的深度为0.3MM-0.8MM；

所设计的模具微管路截面均成圆滑过渡；

在预冲压成型工艺中，微管路的截面实际的高度大于设计所需的高度，在完全冲压成型模具中再冲压至所需的双极板设计尺寸。

2.根据权利要求1所述的燃料电池所需的高精度金属双极板的成型方法，其特征在于，步骤S1中，所述双极板的原材料为奥氏体不锈钢系列或镍基合金钢系列。

3.根据权利要求1所述的燃料电池所需的高精度金属双极板的成型方法，其特征在于，步骤S2和S3中，所述模具1和模具2的结构均通过CAE软件分析设计；

所述模具1和模具2的原材料包括Cr12MoV、Cr129、CrWMo中的一种。

4.根据权利要求1所述的燃料电池所需的高精度金属双极板的成型方法，其特征在于，步骤S2中，所述模具1和模具2的制造中，采用铣削、线切割、电火花成型中的至少一种技术成型模具表面，采用高精度的三轴CNC加工中心加工模具的成型腔体。

5.根据权利要求1所述的燃料电池所需的高精度金属双极板的成型方法，其特征在于，步骤S2中，所述预成型模具A包括第一下模和第一上模；

步骤S3中，所述完全成型模具B包括第二下模和第二上模。

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