CN110752385B - 一种燃料电池金属双极板直流道成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池金属双极板直流道成形方法，它属于燃料电池极板生产技术领域。本发明解决现有金属双极板加工方法存在的无法实现连续性生产和加工所需功率大的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种燃料电池金属双极板直流道成形方法，其流程为：板料预处理→板料低温加热→金属极板直流道轧制→金属极板上气体和冷却液进出口的切割→金属极板表面处理→金属极板粘合成双极板→双极板修边；所述金属双极板直流道热轧为板料上的每一条直流道都经过两次预成形、一次整形所形成的，具体为板料上所有的流道都经过两次预成形后，再经过一对整形轧辊对所有直流道进行整形，得到直流道形状；确定了两次预成形轧辊和整形轧辊凹凸模的设计参数。

Description

一种燃料电池金属双极板直流道成形方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池金属双极板直流道成形方法，它属于燃料电池极板生产技术领域。

背景技术

金属双极板是燃料电池的重要组成部分，燃料电池双极板主要有金属双极板、石墨双极板、复合材料双极板等，采用石墨双极板虽然具有低密度、良好的耐蚀性，但石墨的孔隙率、力学强度较低、脆性大，导致体积和质量较大；采用复合材料双极板其接触电阻高、加工成本高；采用金属双极板具有导电性好、耐腐蚀性及加工性能好等优点；在实际生活中采用冲压工艺加工的金属双极板存在无法实现连续性生产、加工所需功率大、形状不精确、翘曲、回弹调控难等技术问题。对此，有必要对金属双极板的加工进行新方法的研究，实现金属双极板的高精度成批生产，同时增大流道深度，减少成形后金属极板厚度的变化。

发明内容

本发明针对上述的技术问题，提出一种燃料电池金属双极板直流道成形方法。目的在于提供一种两次预成形、一次整形的辊轧辊形的设计模型用于辊轧燃料电池金属双极板。燃料电池金属双极板采用两次预成形、一次整形的成形方法能够增大流道深度，减小成形后金属极板厚度的变化，是一种高效、简单、连续性的燃料电池金属双极板直流道辊轧成形方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种燃料电池金属双极板直流道成形方法，其流程为：板料预处理→板料低温加热→金属极板直流道热轧→金属极板上气体和冷却液进出口的切割→金属极板表面处理→金属极板粘合成双极板→双极板修边；所述金属极板直流道轧制为板料上的每一条直流道都经过两次预成形、一次整形所形成的，具体为板料上所有的流道都经过两次预成形后，再经过一对整形轧辊对所有直流道进行整形，得到直流道形状；第一次预成形轧辊和第二次预成形轧辊凹凸模的设计参数由下列步骤确定：

1)确定第一次预成形的轧辊凹凸模的设计参数：

第一次预成形轧辊凸模的倾斜长度l₁₁、拔模角度β₁₁和凸模深度h₁₁参数按如下计算模型确定：

式中：r₁₁为第一次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₁₁为第一次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1；

第一次预成形轧辊凹模的倾斜长度l₁₂、拔模角度β₁₂、凹模深度h₁₂和凹模的水平长度l₁参数按如下计算模型确定：

式中：r₁₂为第一次预成形轧辊凹模的圆弧半径，α₁₂为第一次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍， k₁的值为0<k₁<1；

2)确定第二次预成形的轧辊凹凸模的设计参数：

第二次预成形轧辊凸模的倾斜长度l₂₁、圆弧半径r₂₁、拔模角度β₂₁和凸模深度h₂₁参数按如下计算模型确定：

式中:r₁₁为第一次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₁₁为第一次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，α₂₁为第二次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1；

第二次预成形轧辊凹模的倾斜长度l₂₂、圆弧半径r₂₂、拔模角度β₂₂、凸模深度h₂₂和凹模的水平长度l₂参数按如下计算模型确定：

式中:r₁₂为第一次预成形轧辊凹模的圆弧半径，α₁₂为第一次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，α₂₂为第二次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1；

进一步地，整形轧辊凹凸模的设计参数由下列步骤确定：

整形轧辊凸模的倾斜长度l₃₁、圆弧半径r₃₁、拔模角度β₃₁和凸模深度h₃₁参数按如下计算模型确定：

式中:r₂₁为第二次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₂₁为第二次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，α₃₁为整形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，s为整形轧辊凹凸模拉长板料的倾斜长度，c为整形轧辊凹凸模拉长板料的水平长度，t为板料的厚度，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1，k₃为整形后的板料厚度变为第二次预成形后板料厚度的k₃倍，k₃的值为0<k₃<1。

整形轧辊凹模的倾斜长度l₃₂、圆弧半径r₃₂、拔模角度β₃₂、凸模深度h₃₂和凹模水平长度 l₃参数按如下计算模型确定：

式中:r₂₂为第二次预成形轧辊凹模的圆弧半径，α₂₂为第二次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，α₃₂为整形轧辊凹模上圆弧的夹角，s为整形轧辊凹凸模拉长板料的倾斜长度，c为整形轧辊凹凸模拉长板料的水平长度，t为板料的厚度，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1，k₃为整形后的板料厚度变为第二次预成形后板料厚度的k₃倍，k₃的值为0<k₃<1。

进一步地，所述金属极板直流道的流道深度h、流道宽度d、脊背宽度w和流道圆角r的参数计算模型为：

式中:r₂₁为第二次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₂₁为第二次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，α₃₁为整形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，s为整形轧辊凹凸模拉长板料的倾斜长度，c为整形轧辊凹凸模拉长板料的水平长度，t为板料的厚度，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1，k₃为整形后的板料厚度变为第二次预成形后板料厚度的k₃倍，k₃的值为0<k₃<1。

本发明的有益效果为：

本发明的金属双极板直流道采用两次预成形、一次整形的轧制方法，可解决现有金属双极板加工方法存在的无法实现连续性生产、加工所需功率大、单流道轧制回弹、翘曲容易调控等技术问题；提出两次预成形、一次整形的轧辊辊形的设计参数，为加工制作轧辊辊子提供了便捷，使辊轧成形的金属双极板流道形成质量、精度高于绝大多数微冲压成形，这有助于提高了燃料电池的功率密度、便于燃料电池堆的安装。

附图说明

图1是本发明的金属双极板成形的流程示意图；

图2是本发明的金属极板直流道第一次预成形轧辊凹凸模的参数模型示意图；

图3是本发明的金属极板直流道第二次预成形轧辊凹凸模的参数模型示意图；

图4是本发明的金属极板直流道整形轧辊凹凸模的参数模型示意图；

图5是本发明的金属极板直流道第一次预成形辊轧示意图；

图6是本发明的金属极板直流道第二次预成形辊轧成形示意图；

图7是本发明的金属极板上所有直流道均完成第二次预成形辊轧示意图；

图8是本发明的金属极板直流道整形辊轧成形示意图；

图9是本发明的所成形的金属极板直流道示意图；

图中：1-送料矫直；2-板料减薄；3-板料矫直；4-清洗板料；5-板料厚度检测；6-板料低温加热；7-金属极板直流道热轧；8-金属极板切割；9-金属极板表面处理；10-双极板连接； 11-双极板修边。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例中的一种燃料电池金属双极板直流道成形方法，其工艺流程为：金属板料送料矫直1→板料减薄2→板料矫直3→清洗板料→板料厚度检测5→板料低温加热 6→在保温装置中金属极板直流道轧制7→金属极板切割8→金属极板表面处理9→金属双极板粘合10→金属双极板修边11。

如图5～图8所示，所述金属极板直流道热辊轧为从板料宽度中间向两边辊轧成形，每个直流道都经过两次预成形、一次整形；其具体的步骤是：第一对轧辊对板料中心线处的中间直流道进行第一次预成形；第二对轧辊对板料中心线处的中间直流道进行第二次预成形，同时，对以中心线处中间直流道的左、右等间距对称位置进行第二直流道的第一次预形；第三对轧辊对第二直流道进行第二次预成形，同时，对以中心线处中间直流道的左、右两倍等间距对称位置进行第三直流道的第一次预成形；以此类推，直到完成板料上所有直流道的两次预成形；此后，板料再经过一对整形轧辊对所有直流道进行整形，得到直流道形状。

如图2～图3所示，第一次预成形轧辊和第二次预成形轧辊凹凸模的设计参数由下列步骤确定：

1)确定第一次预成形的轧辊凹凸模的设计参数：

第一次预成形轧辊凸模的倾斜长度l₁₁、拔模角度β₁₁和凸模深度h₁₁参数按如下计算模型确定：

式中：r₁₁为第一次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₁₁为第一次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1；

第一次预成形轧辊凹模的倾斜长度l₁₂、拔模角度β₁₂、凹模深度h₁₂和凹模的水平长度l₁参数按如下计算模型确定：

式中：r₁₂为第一次预成形轧辊凹模的圆弧半径，α₁₂为第一次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍， k₁的值为0<k₁<1；

2)确定第二次预成形的轧辊凹凸模的设计参数：

第二次预成形轧辊凸模的倾斜长度l₂₁、圆弧半径r₂₁、拔模角度β₂₁和凸模深度h₂₁参数按如下计算模型确定：

式中:r₁₁为第一次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₁₁为第一次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，α₂₁为第二次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1；

第二次预成形轧辊凹模的倾斜长度l₂₂、圆弧半径r₂₂、拔模角度β₂₂、凸模深度h₂₂和凹模的水平长度l₂参数按如下计算模型确定：

式中:r₁₂为第一次预成形轧辊凹模的圆弧半径，α₁₂为第一次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，α₂₂为第二次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1；

如图4所示，整形轧辊凹凸模的设计参数由下列步骤确定：

整形轧辊凸模的倾斜长度l₃₁、圆弧半径r₃₁、拔模角度β₃₁和凸模深度h₃₁参数按如下计算模型确定：

式中:r₂₁为第二次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₂₁为第二次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，α₃₁为整形轧辊凸模上圆弧的夹角的1/2，s为整形轧辊凹凸模拉长板料的倾斜长度，c 为整形轧辊凹凸模拉长板料的水平长度，t为板料的厚度，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1，k₃为整形后的板料厚度变为第二次预成形后板料厚度的k₃倍，k₃的值为0<k₃<1。

整形轧辊凹模的倾斜长度l₃₂、圆弧半径r₃₂、拔模角度β₃₂、凸模深度h₃₂和凹模水平长度l₃参数按如下计算模型确定：

式中:r₂₂为第二次预成形轧辊凹模的圆弧半径，α₂₂为第二次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，α₃₂为整形轧辊凹模上圆弧的夹角，s为整形轧辊凹凸模拉长板料的倾斜长度，c为整形轧辊凹凸模拉长板料的水平长度，t为板料的厚度，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1，k₃为整形后的板料厚度变为第二次预成形后板料厚度的k₃倍，k₃的值为0<k₃<1。

如图9所示，所述金属极板直流道的流道深度h、流道宽度d、脊背宽度w和流道圆角r 的计算模型为：

式中:r₂₁为第二次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₂₁为第二次预成形轧辊凸模上圆弧的夹角的1/2，α₃₁为整形轧辊凸模上圆弧的夹角的1/2，s为整形轧辊凹凸模拉长板料的倾斜长度， c为整形轧辊凹凸模拉长板料的水平长度，t为板料的厚度，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1，k₃为整形后的板料厚度变为第二次预成形后板料厚度的k₃倍，k₃的值为0<k₃<1。

通过本方法可以加工出直流道或S形流道的金属阳极板和金属阴极板。

Claims (3)

1.一种燃料电池金属双极板直流道成形方法，其流程为：板料预处理→板料低温加热→金属极板直流道轧制→金属极板上气体和冷却液进出口的切割→金属极板表面处理→金属极板粘合成双极板→双极板修边；所述金属极板直流道轧制为板料上的每一条直流道都经过两次预成形、一次整形所形成的，具体为板料上所有的流道都经过两次预成形后，再经过一对整形轧辊对所有直流道进行整形，得到直流道形状；其特征在于，第一次预成形轧辊和第二次预成形轧辊凹凸模的设计参数由下列步骤确定：

1)确定第一次预成形的轧辊凹凸模的设计参数：

第一次预成形轧辊凸模的倾斜长度l₁₁、拔模角度β₁₁和凸模深度h₁₁参数按如下计算模型确定：

式中：r₁₁为第一次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₁₁为第一次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1；

第一次预成形轧辊凹模的倾斜长度l₁₂、拔模角度β₁₂、凹模深度h₁₂和凹模的水平长度l₁参数按如下计算模型确定：

式中：r₁₂为第一次预成形轧辊凹模的圆弧半径，α₁₂为第一次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1；

2)确定第二次预成形的轧辊凹凸模的设计参数：

第二次预成形轧辊凸模的倾斜长度l₂₁、圆弧半径r₂₁、拔模角度β₂₁和凸模深度h₂₁参数按如下计算模型确定：

式中:r₁₁为第一次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₁₁为第一次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，α₂₁为第二次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1；

第二次预成形轧辊凹模的倾斜长度l₂₂、圆弧半径r₂₂、拔模角度β₂₂、凸模深度h₂₂和凹模的水平长度l₂参数按如下计算模型确定：

式中:r₁₂为第一次预成形轧辊凹模的圆弧半径，α₁₂为第一次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，α₂₂为第二次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，t为板料的厚度，k₁为第一次预成形后的板料厚度变为第一次预成形前板料厚度的k₁倍，k₁的值为0<k₁<1，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板直流道成形方法，其特征在于，整形轧辊凹凸模的设计参数由下列步骤确定：

整形轧辊凸模的倾斜长度l₃₁、圆弧半径r₃₁、拔模角度β₃₁和凸模深度h₃₁参数按如下计算模型确定：

式中:r₂₁为第二次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₂₁为第二次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，α₃₁为整形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，s为整形轧辊凹凸模拉长板料的倾斜长度，c为整形轧辊凹凸模拉长板料的水平长度，t为板料的厚度，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1，k₃为整形后的板料厚度变为第二次预成形后板料厚度的k₃倍，k₃的值为0<k₃<1；

整形轧辊凹模的倾斜长度l₃₂、圆弧半径r₃₂、拔模角度β₃₂、凸模深度h₃₂和凹模水平长度l₃参数按如下计算模型确定：

式中:r₂₂为第二次预成形轧辊凹模的圆弧半径，α₂₂为第二次预成形轧辊凹模上圆弧的夹角，α₃₂为整形轧辊凹模上圆弧的夹角，s为整形轧辊凹凸模拉长板料的倾斜长度，c为整形轧辊凹凸模拉长板料的水平长度，t为板料的厚度，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1，k₃为整形后的板料厚度变为第二次预成形后板料厚度的k₃倍，k₃的值为0<k₃<1。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板直流道成形方法，其特征在于：所述金属极板直流道的流道深度h、流道宽度d、脊背宽度w和流道圆角r的参数计算模型为：

式中:r₂₁为第二次预成形轧辊凸模的圆弧半径，α₂₁为第二次预成形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，α₃₁为整形轧辊凸模上圆弧夹角的1/2，s为整形轧辊凹凸模拉长板料的倾斜长度，c为整形轧辊凹凸模拉长板料的水平长度，t为板料的厚度，k₂为第二次预成形后的板料厚度变为第一次预成形后板料厚度的k₂倍，k₂的值为0<k₂<1，k₃为整形后的板料厚度变为第二次预成形后板料厚度的k₃倍，k₃的值为0<k₃<1。

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