CN111842611B - 一种基于多时序脉冲电流的钛合金双极板成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池用金属双极板的制造技术领域，更具体地，涉及一种基于多时序脉冲电流的钛合金双极板成形装置及方法。该装置的电源模块包括多套脉冲电源，其按时序对钛合金坯料和亥姆霍兹线圈放电，对钛合金坯料进行预热，以及在钛合金坯料中产生脉冲电流，在亥姆霍兹线圈中产生脉冲磁场，在脉冲电流和脉冲磁场的共同作用下产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。通过多级时序的脉冲电流放电，利用钛合金在高温下的热效应、脉冲电流的电塑性效应以及脉冲电磁力的高应变率效应，大大提高钛合金的塑性和成形性能，实现了钛合金双极板的高质量成形。

Description

一种基于多时序脉冲电流的钛合金双极板成形装置及方法

技术领域

本发明属于燃料电池用金属双极板的制造技术领域，具体地，涉及一种燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置及方法，更具体地，涉及一种基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置及方法。

背景技术

以氢气为原料的质子交换膜燃料电池(氢燃料电池)具有功率密度大、发电效率高、环境污染少等优点，已成为航空航天、电动汽车和发电等领域的理想动力源，其研发和应用对于推动我国新能源和绿色发展具有重要的战略意义。双极板作为氢燃料电池的重要组成部分，占电堆重量的70％以上，体积的50％左右，双极板材料及其成形工艺水平将直接决定电堆输出功率和使用寿命，是制约氢燃料电池性能和商业化应用的关键瓶颈之一。

现阶段双极板大多采用石墨材料和石墨-聚合物复合材料制成，机械强度差、加工难度大、制造成本高，严重制约了其大规模应用。相比而言，金属双极板具有原材料成本低、强度高、加工方式灵活、功率体积比大等优点，正逐步成为双极板的主导材料。目前最具应用前景的主要是不锈钢和钛合金两种金属材料。现有的冲压成形、软膜成形、液压成形、磁脉冲成形等技术应用于不锈钢双极板的成形，能够实现不锈钢双极板的批量化生产。

相比于不锈钢材料，钛合金比强度(强度与密度的比值)更高，更重要的是耐腐蚀性更好，可以在减轻电池重量的同时大大延长电池的使用寿命，是更理想的双极板材料。但钛合金的屈服强度高(比不锈钢高30％以上)、延伸率低(比不锈钢低10％以上)，且金属双极板壁厚仅为0.1mm级别，属于典型的介观尺度范畴，因此钛合金双极板的成形难度极大。目前主要有三类成形技术：第一，传统的冲压成形、液压成形与软膜成形技术。专利文献CN103191983 B中提出一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，采用连续冲压成形的方法制备金属双极板，可提高成形精度。但这类技术仅适用于不锈钢双极板的制备，用于成形钛合金双极板时会导致双极板流道深度不足、流道撕裂等问题。第二，感应式的磁脉冲成形技术。专利文献CN 102013494 B中提出一种微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置及方法；专利文献CN 102263272B中提出一种燃料电池金属双极板的电磁力驱动软模成形方法，均采用了感应式的磁脉冲成形技术。这类技术能够通过电磁力的高速率特性解决双极板流道撕裂的问题，但钛合金为低电导率材料，需要采用驱动片或进一步增加软膜，导致成本上升。第三，超塑性成形与热成形技术。专利文献CN 105161731 B中提出一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及工艺，采用大型环境箱进行成形，可保证成形精度。这类技术能够通过高温下的热效应解决双极板流道撕裂的问题，但加热时间(约为分钟级)过长，存在效率低下的问题；同时为避免钛合金高温氧化，需要将整套成形装置放于大型真空气氛保护设备中，故整体设备结构复杂，极大地增加了成本。

专利文献CN108655251A公开了一种金属双极板制造装置及方法，提出了一种新的直接放电式的磁脉冲成形方法。其通过采用背景磁场线圈提供背景磁场、脉冲电源放电提供电流的方式实现脉冲电磁力成形不锈钢金属双极板，然而，该成形装置中背景磁场线圈结构较为复杂，成形模具与金属坯料需要放在线圈内部，使得装配存在一定的困难，且该技术仅能用于不锈钢双极板的成形，当其应用于制备钛合金材料的双极板时，仅通过脉冲电磁力作用下的高速成形方法，无法实现钛合金双极板的高质量成形。

因此，钛合金双极板的成形工艺存在很多亟待解决的关键性问题。

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基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置及方法，旨在解决现有钛合金双极板成形工艺存在的双极板流道深度不足、流道撕裂、成形质量不高，采用驱动片或增加软膜导致的成本上升，超塑性成形或热成形存在的加热时间过长、加工效率低下，装置结构复杂、装配困难等的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置，其特征在于，包括电源模块、电磁线圈模块以及真空成形模块；其中：

所述电磁线圈模块为亥姆霍兹线圈，其由两个相对设置的导体线圈串联组成；所述真空成形模块设置于所述两个相对设置的导体线圈之间；所述真空成形模块包含真空腔和设置于该真空腔内的钛合金坯料与双极板成形模具；

所述电源模块包括多套脉冲电源，所述多套脉冲电源用于对所述钛合金坯料和所述亥姆霍兹线圈放电；

使用时，所述多套脉冲电源按时序对所述钛合金坯料和所述亥姆霍兹线圈放电，用于对所述钛合金坯料进行预热，在所述钛合金坯料中产生脉冲电流，以及在所述亥姆霍兹线圈中产生脉冲磁场，在所述脉冲电流和脉冲磁场的共同作用下产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

优选地，所述电源模块包括第一脉冲电源、第二脉冲电源以及第三脉冲电源；所述第一脉冲电源和第二脉冲电源均用于对所述钛合金坯料放电，所述第三脉冲电源用于对所述亥姆霍兹线圈放电；

使用时，所述第一脉冲电源首先对所述钛合金坯料放电，对钛合金坯料进行预热，然后第二脉冲电源对所述钛合金坯料进行放电，第三脉冲电源对所述亥姆霍兹线圈放电，使所述钛合金坯料中产生脉冲电流，并在所述亥姆霍兹线圈中产生脉冲磁场，在所述脉冲电流和脉冲磁场的共同作用下产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

优选地，其中所述第一脉冲电源的脉宽为毫秒级；所述第二脉冲电源和第三脉冲电源的脉宽为微秒级。

优选地，所述第一脉冲电源的电容器组为长脉宽电容器组，其电容量为2240～3200μF，脉宽为10～20ms；所述第二脉冲电源为短脉宽电容器组，其电容量为50～320μF，脉宽为50～200μs；第三脉冲电源为短脉宽电容器组，其电容量为50～320μF，脉宽为50～200μs；且通过控制放电时序使所述第二脉冲电源和第三脉冲电源在同一时刻达到各自的脉冲电流峰值。

优选地，所述导体线圈为圆角矩形式的结构，其包括线圈骨架、线圈法兰、铜导线和铜电极，所述铜导线缠绕在线圈骨架上，通过紧固螺栓将线圈法兰与线圈骨架固定，并通过铜电极引出导线，与所述第三套脉冲电源相连。

优选地，所述真空腔内还设置有载物台、导电板和压边板；所述双极板成形模具设置于载物台内；所述导电板为两块，分别设置于所述载物台两侧；所述钛合金坯料设置于所述导电板上，所述压边板为两块，分别设置于所述钛合金坯料上方两侧，通过紧固螺栓将所述压边板、钛合金坯料、导电板与载物台依次实现固定连接。

优选地，所述双极板成形模具嵌入在所述载物台内。

优选地，所述真空腔两侧的侧壁上分别通过打孔设置有导电螺杆，所述导电螺杆在该真空腔内通过铜排与所述真空腔内与该导电螺杆临近的导电板固定连接；所述导电螺杆在该真空腔外直接与所述第一脉冲电源形成回路；所述导电螺杆在该真空腔外同时直接和第二脉冲电源形成回路，所述第一脉冲电源和所述第二脉冲电源为并联设置。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述成形装置进行基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形的方法，包括如下步骤：

(1)将设置于亥姆霍兹线圈的两个相对设置的导体线圈之间的真空腔抽真空至设定的真空度，该真空腔内设置有钛合金坯料和双极板成形模具；

(2)将真空腔分别与第一脉冲电源和第二脉冲电源相连接形成电流回路，将第三脉冲电源与所述亥姆霍兹线圈的铜电极相连形成电流回路；

(3)首先使第一脉冲电源对所述真空腔内的钛合金坯料放电，放电产生的脉冲电流对钛合金坯料进行预热；待所述钛合金坯料温度稳定后，第二脉冲电源对所述钛合金坯料进行放电，在钛合金坯料中产生脉冲电流；第三脉冲电源对所述亥姆霍兹线圈进行放电，流经该亥姆霍兹线圈的脉冲电流在空间中产生脉冲磁场，钛合金坯料中的脉冲电流与所述脉冲磁场共同作用产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

优选地，步骤(1)具体包括如下步骤：

(1-1)在设置有双极板成形模具的载物台两侧设置导电板，将钛合金坯料置于载物台两侧的导电板上，然后在该钛合金坯料两侧各放置压边板，所述压边板、钛合金坯料、导电板与载物台通过紧固螺栓实现固定连接，得到组合结构；

(1-2)将步骤(1-1)得到的组合结构置于真空腔内，得到所述真空成形模块；该真空腔两侧侧壁上设置的导电螺杆分别通过铜排与真空腔内的导电板固定连接；

(1-3)将所述真空成形模块置于所述电磁线圈模块内两个相对设置的导体线圈之间；

(1-4)关闭所述真空腔的排气阀门，打开其抽气阀门，对其抽真空至设定的真空度。

优选地，步骤(2)具体包括如下子步骤：

(2-1)将所述真空腔两侧侧壁上设置的导电螺杆分别与第一脉冲电源相连接，形成电流回路；

(2-2)将所述真空腔两侧侧壁上设置的导电螺杆分别与第二脉冲电源相连接，形成电流回路；

(2-3)将第三脉冲电源与所述亥姆霍兹线圈的铜电极相连，形成电流回路。

优选地，步骤(3)包括如下子步骤：

(3-1)对第一脉冲电源、第二脉冲电源以及第三脉冲电源的电容器进行充电，待电压达到各自预设值后，断开其充电开关；

(3-2)闭合第一脉冲电源的放电开关，使其对钛合金坯料进行放电，产生的脉冲电流对钛合金坯料进行预热，至钛合金坯料的温度稳定后断开第一脉冲电源的放电开关；

(3-3)闭合第二脉冲电源的放电开关，使第二脉冲电源对钛合金坯料进行放电，在钛合金坯料内产生脉冲电流；闭合第三脉冲电源的放电开关，使第三脉冲电源对亥姆霍兹线圈进行放电，通过控制放电时序使所述第二脉冲电源和第三脉冲电源在同一时刻达到各自的脉冲电流峰值；流经所述亥姆霍兹线圈的脉冲电流在空间中产生脉冲磁场，钛合金坯料中的脉冲电流与所述脉冲磁场共同作用产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置，结合钛合金材料本身屈服强度高、延伸率低的特点，提出在成形过程中采用多套脉冲电源，分别与钛合金坯料和亥姆霍兹线圈的电极构成电流回路，并且在实际成形过程中对多套脉冲电源设定特定的放电时序，通过多级时序的脉冲电流，实现钛合金坯料的高速升温与高速成形，极大地提升生产效率。

2、本发明提出的电磁-热复合成形装置，通过多级时序的脉冲电流放电，利用了钛合金在高温下的热效应、脉冲电流的电塑性效应以及脉冲电磁力的高应变率效应，大大提高钛合金的塑性和成形性能，解决传统冲压成形中双极板流道深度不足、流道撕裂的问题，实现钛合金双极板的高质量成形。

3、本发明优选实施例中提出的电磁-热复合成形装置及对应的成形方法中，通过设置三个脉冲电源，第一脉冲电源对钛合金坯料在毫秒级脉宽下放电，实现钛合金坯料的快速升温；第二脉冲电源和第三脉冲电源分别先后或同时对钛合金坯料和亥姆霍兹线圈在微秒级脉宽下放电，实现钛合金坯料在高温下的高速成形。该方法巧妙解决了钛合金坯料通过传统方法难以快速加热的问题，可以满足钛合金双极板高质量成形的要求；同时解决了仅采用一个脉冲电源无法同时实现脉冲放电预热钛合金并产生理想的脉冲电磁力成形钛合金的难题。

4、本发明利用了直接放电式的磁脉冲成形技术，区别于感应式的磁脉冲成形技术，其无需使用成形线圈、驱动片以及软膜，极大地简化了装置结构，降低成本。另一方面，本发明方案的原理为背景磁场结合脉冲电流的模式产生脉冲电磁力，解耦了传统感应式的磁脉冲成形技术中磁场与涡流的强耦合关系，从而克服了低电导率材料(如钛合金材料)涡流小导致电磁力小的问题，可减少钛合金双极板的成形难度。

5、本发明提供的成形装置的真空成形模块中设置的导电板能够为钛合金坯料导入均匀的脉冲电流，使得坯料温升均匀，同时本发明提供的电磁线圈模块能够产生均匀的脉冲磁场，使得坯料中的脉冲电磁力空间均匀分布，从而提升双极板的成形均匀性，提升成形质量。

6、本发明提供的成形装置中采用的真空腔，区别于传统热成形中的大型真空气氛保护设备，该真空腔结构简单，体积小，仅需在真空腔中放置双极板成形模具与钛合金坯料(脉冲电磁力为非接触施力)，能够降低成本。

7、本发明提供的燃料电池钛合金双极板成形方法，结合钛合金本身的材料特点，特别采用了多级时序脉冲电源的顺序放电，在确保钛合金在成形前快速升温至800℃左右的基础上，结合后续脉冲电流和脉冲强磁场的共同作用形成的高速脉冲电磁力的驱动下，实现钛合金双极板的高质量成形。

8、本发明优选实施例中通过对三套脉冲电源的电容器组容量以及脉宽参数进行特别设计，并配合该装置结构参数的设置，能够获得最佳的钛合金双极板成形质量。

综上，本发明通过对现有燃料电池双极板成形装置进行改造，并配合提出基于多级时序的燃料电池钛合金双极板成形方法，在成形过程之前增设预热步骤，并在成形过程中采用不同的脉冲电源分别对亥姆霍兹线圈和钛合金坯料直接放电，本发明的成形方法有效地结合了热成形与磁脉冲成形工艺的优点，极大提高了钛合金的塑性与成形性能，得到空间均匀的脉冲电磁力，实现了钛合金双极板的高质量成形，同时还提高了生产效率，简化了成形装置，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置的结构示意图；

图2是本发明提供的三套脉冲电源的结构示意图；

图3是本发明提供的双极板成形模具的结构示意图；

图4是本发明提供的梯形导电板与钛合金坯料的结构示意图，同时显示了脉冲电流与脉冲磁场的方向；

图5是本发明提供的三级时序脉冲电流的曲线图。

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。

本发明提供的一种基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置，包括电源模块、电磁线圈模块以及真空成形模块；其中：

所述电磁线圈模块为亥姆霍兹线圈，其由两个相对设置的导体线圈串联组成；所述真空成形模块设置于所述两个相对设置的导体线圈之间；所述真空成形模块包含真空腔和设置于该真空腔内的钛合金坯料与双极板成形模具；

所述电源模块包括多套脉冲电源，所述多套脉冲电源用于对所述钛合金坯料和所述亥姆霍兹线圈放电；

使用时，所述多套脉冲电源按时序对所述钛合金坯料和所述亥姆霍兹线圈放电，用于对所述钛合金坯料进行预热，以及在所述钛合金坯料中产生脉冲电流，并通过所述亥姆霍兹线圈在钛合金坯料中产生脉冲磁场，在所述脉冲电流和脉冲磁场的共同作用下产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

一些实施例中，所述电源模块包括第一脉冲电源、第二脉冲电源以及第三脉冲电源；所述第一脉冲电源和第二脉冲电源均用于对所述钛合金坯料放电，所述第三脉冲电源用于对所述亥姆霍兹线圈放电；使用时，所述第一脉冲电源首先对所述钛合金坯料放电，对钛合金坯料进行预热，然后第二脉冲电源对所述钛合金坯料进行放电，使所述钛合金坯料中产生脉冲电流，第三脉冲电源对所述亥姆霍兹线圈放电，所述亥姆霍兹线圈产生脉冲磁场，在所述脉冲电流和脉冲磁场的共同作用下产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

其中所述第一脉冲电源的脉宽时间为毫秒级；所述第二脉冲电源和第三脉冲电源的脉宽时间为微秒级。

一些实施例中，所述第一脉冲电源的电容器组为长脉宽电容器组，其电容量为2240～3200μF，脉宽为10～20ms；所述第二脉冲电源为短脉宽电容器组，其电容量为50～320μF，脉宽为50～200μs；第三脉冲电源为短脉宽电容器组，其电容量为50～320μF，脉宽为50～200μs；且通过控制放电时序使所述第二脉冲电源和第三脉冲电源在同一时刻达到各自的脉冲电流峰值。

一些实施例中，所述第一脉冲电源、第二脉冲电源以及第三脉冲电源结构类似，其组成部分均包括充电机、电容器组、充电开关、放电开关、续流二极管和续流电阻。

本发明电磁线圈模块特别选择亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈相对于其他的磁场线圈具有如下优势：(1)亥姆霍兹线圈具有开放式的结构，即由两个相对设置的导体线圈串联构成，本发明真空成形模块可以很容易地置入和取出，结构也比较简单；(2)从磁场均匀性来说，亥姆霍兹线圈能够提供非常均匀的磁场，有利于提高成形效果。

一些实施例中，所述亥姆霍兹线圈包括的两个导体线圈为圆角矩形式的结构，每一个导体线圈包括线圈骨架、线圈法兰、铜导线和铜电极，两个导体线圈之间设置有连接平台。铜导线缠绕在线圈骨架上，通过紧固螺栓将线圈法兰与线圈骨架固定，并通过铜电极引出导线，与第三脉冲电源相连。即所述第三脉冲电源直接和所述亥姆霍兹线圈的铜电极连通，为所述亥姆霍兹线圈放电。本发明所述亥姆霍兹线圈包含的两个相对设置的导体线圈通过连接平台相连。

一些实施例中，所述真空腔内还设置有载物台、导电板和压边板；所述双极板成形模具设置于载物台内，优选将所述双极板成形模具嵌入在所述载物台内；所述导电板为两块，分别设置于所述载物台两侧；所述钛合金坯料设置于所述导电板上，所述压边板为两块，分别设置于所述钛合金坯料上方两侧，通过紧固螺栓将所述压边板、钛合金坯料和导电板与载物台固定连接。

一些实施例中，所述导电板为梯形导电板或三角形导电板。导电板相对于导线能够使得脉冲电源对钛合金坯料放电时，在钛合金坯料内部获得更为均匀的电流分布。

一些实施例中，所述真空腔两侧的侧壁上分别通过打孔设置有导电螺杆，所述导电螺杆在该真空腔内通过铜排与所述真空腔内与该导电螺杆临近的导电板固定连接；所述导电螺杆在该真空腔外直接与所述第一脉冲电源形成电流回路；所述导电螺杆在该真空腔外同时直接和第二脉冲电源形成电流回路，所述第一脉冲电源和所述第二脉冲电源为并联设置。

一些实施例中，所述真空腔为长方体结构，上方开盖，具有真空计、抽气阀门与排气阀门，在真空腔的两侧的侧壁上分别通过打孔设置导电螺杆，即在该真空腔两侧的侧壁上分别设置有一个导电螺杆，该导电螺杆穿过侧壁伸出于真空腔腔室外，导电螺杆位于真空腔内侧的一端分别通过铜排与与其临近的导电板连接起来，并用螺母固定；真空腔两个侧壁上的导电螺杆位于真空腔外侧的部分与第一脉冲电源相连形成电流回路，同时与第二脉冲电源也相连形成电流回路，第一脉冲电源和第二脉冲电源为并联设置，连接好后将真空腔放置于亥姆霍兹线圈的相对设置的两个导体线圈之间的连接平台上。

本发明还提供了一种利用上述成形装置进行基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形方法，包括如下步骤：

(1)将设置于亥姆霍兹线圈的两个相对设置的导体线圈之间的真空腔抽真空至设定的真空度，该真空腔内设置有钛合金坯料和双极板成形模具；

(2)将真空腔分别与第一脉冲电源和第二脉冲电源相连接形成电流回路，将第三脉冲电源与所述亥姆霍兹线圈的铜电极相连形成电流回路；

(3)第一脉冲电源对所述真空腔内的钛合金坯料放电，放电产生的电流对钛合金坯料进行预热；待所述钛合金坯料温度稳定后，第二脉冲电源对所述钛合金坯料进行放电，产生脉冲电流；第三脉冲电源对所述亥姆霍兹线圈进行放电，流经该亥姆霍兹线圈的脉冲电流在空间中产生脉冲磁场，钛合金坯料中的脉冲电流与所述脉冲磁场共同作用产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

一些实施例中，步骤(1)具体包括如下步骤：

(1-1)在设置有双极板成形模具的载物台两侧设置导电板，将钛合金坯料置于载物台两侧的导电板上，然后在该钛合金坯料两侧各放置压边板，所述压边板、钛合金坯料、导电板与载物台通过紧固螺栓固定，得到组合结构；

(1-2)将步骤(1-1)得到的组合结构置于真空腔内，得到所述真空成形模块；该真空腔两侧侧壁上设置的导电螺杆分别通过铜排与真空腔内的导电板固定连接；

(1-3)将所述真空成形模块置于所述电磁线圈模块内两个相对设置的导体线圈之间；

(1-4)关闭所述真空腔的排气阀门，打开其抽气阀门，对其抽真空至设定的真空度。

一些实施例中，步骤(2)具体包括如下子步骤：

(2-1)将所述真空腔两侧侧壁上设置的导电螺杆分别与第一脉冲电源相连接，形成电流回路；

(2-2)将所述真空腔两侧侧壁上设置的导电螺杆分别与第二脉冲电源相连接，形成电流回路；

(2-3)将第三脉冲电源与所述亥姆霍兹线圈的铜电极相连，形成电流回路。

一些实施例中，步骤(3)包括如下子步骤：

(3-1)对第一脉冲电源、第二脉冲电源以及第三脉冲电源的电容器进行充电，待电压达到各自预设值后，断开其充电开关；

(3-2)闭合第一脉冲电源的放电开关，使其对钛合金坯料进行放电，产生的脉冲电流对钛合金坯料进行预热，至钛合金坯料的温度稳定后断开第一脉冲电源的放电开关；

(3-3)闭合第二脉冲电源开关，使第二脉冲电源对钛合金坯料进行放电，在钛合金坯料内产生脉冲电流；闭合第三脉冲电源的放电开关，使第三脉冲电源对亥姆霍兹线圈进行放电；且通过控制放电时序使所述第二脉冲电源和第三脉冲电源在同一时刻达到各自的脉冲电流峰值；流经所述亥姆霍兹线圈的脉冲电流在空间中产生脉冲磁场，钛合金坯料中的脉冲电流与所述脉冲磁场共同作用产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

一些优选实施例中，采用本发明复合成形装置进行成形时，三套脉冲电源的充电机同时工作，为三套电容器组充电，待电压达到预设值后，断开充电开关。首先，第一套脉冲电源闭合放电开关，对钛合金坯料进行放电，毫秒级的脉冲电流高速加热钛合金坯料，使得坯料温度高速上升。其次，在高速加热一定时间(约为毫秒级)后，钛合金坯料的温度稳定(此时第一套脉冲电源产生的脉冲电流值趋于0)，先后或同时闭合第二套与第三套脉冲电源的放电开关，第二套电源对钛合金坯料放电，第三套电源对亥姆霍兹线圈放电，脉冲电流均为微秒级，通过控制放电时序使所述第二脉冲电源和第三脉冲电源在同一时刻达到各自的脉冲电流峰值；其中流经亥姆霍兹线圈的脉冲电流在空间中产生微秒级的脉冲强磁场。最后，钛合金坯料中微秒级的脉冲电流与亥姆霍兹线圈产生的微秒级的脉冲强磁场相互作用，产生微秒级的脉冲电磁力，驱动钛合金坯料向模具高速运动，瞬间完成钛合金双极板的成形，整个成形过程持续时间仅约为百微秒级(100微秒-999微秒之间)；整个装置的工作时间为毫秒级(1-10毫秒)。

成形结束后，打开真空腔的排气阀门，待真空腔内恢复至大气压后，打开顶盖，拧松紧固螺栓，取出成形后的钛合金坯料，剪裁边缘，得到钛合金双极板。

在本发明实施例中，各结构的尺寸关系为：根据目标钛合金双极板的尺寸要求确定双极板成形模具的尺寸，二者一致；钛合金坯料的宽度略大于双极板成形模具的宽度，长度需要预留足够的余量用于压边板和梯形导电板的连接，钛合金坯料厚度为0.05～0.1mm；亥姆霍兹线圈的圆角矩形结构的边长需要大于钛合金坯料的长度，两个相对设置的导体线圈的间距为边长的二分之一，连接平台的宽度略小于线圈间距，保证其能恰好放入两线圈之间；载物台和真空腔在宽度方向尺寸上要保证能够放入两线圈之间，厚度方向尺寸上要保证真空腔内部的钛合金坯料能够位于两线圈轴线所在的中平面上。

CN108655251A公开了一种金属双极板制造装置及方法，其通过采用背景磁场线圈提供背景磁场、脉冲电源放电提供电流的方式实现脉冲电磁力成形不锈钢金属双极板，这种方法克服了低电导率材料感应涡流低导致的电磁力不足的问题，能够得到高质量的不锈钢金属双极板。但该方法仍存在一定的不足：其一，装置中背景磁场线圈结构较为复杂，成形模具与金属坯料需要放在线圈内部，使得装配存在一定的困难；其二，经过实验发现，当将其应用于本发明的钛合金双极板成形时，得到的钛合金双极板成形质量较低。相比于不锈钢材料，钛合金比强度(强度与密度的比值)更高，更重要的是耐腐蚀性更好，可以在减轻电池重量的同时大大延长电池的使用寿命，是更理想的双极板材料。然而钛合金的屈服强度高(比不锈钢高30％以上)、延伸率低(比不锈钢低10％以上)，且金属双极板壁厚仅为0.05～0.1mm级别，属于典型的介观尺度范畴，因此钛合金双极板的成形难度相比于不锈钢双极板大大增加，这也是为什么采用上述专利文献进行钛合金双极板的成形时无法获得高质量钛合金双极板的原因。

针对钛合金材料本身的特点，其屈服强度高，延伸率低，理论上可通过提高脉冲电流，借助于高速电磁成形能够提升材料延伸率，然而本发明在实验过程中发现仅如上述专利文献中那样，对采用的一套脉冲电源提高其脉冲电流，即使达到其最大限值，仍然无法满足钛合金双极板的成形需求。进一步地，本发明在实验过程中考虑配合加热，试图在成形之前先通过对钛合金坯料进行预热以提升其延伸率。然而实验过程中尝试各种预热手段，均不甚理想。比如实验过程中尝试直接采用直流电源对其加热，发现直流电源由于电流幅值限制无法在短时间内将其加热至理想的预热温度，延伸率提高很不明显；进一步尝试采用脉冲电源直接放电预热，然而成形过程中使用的微秒级脉宽电容器组仍然不能满足钛合金的预热要求，加热温度很低。最终重新对钛合金双极板设计成形装置，将一套脉冲电源改变为多套脉冲电源分工按时序工作，舍弃其将背景线圈和金属板坯料串联脉冲电源的连接方式，将多套脉冲电源分别根据需要连接钛合金坯料和亥姆霍兹线圈，多套脉冲电源在不同的脉宽下对各自的对象按时序放电，最终能够实现将钛合金坯料首先预热至800℃以上，大大提高其延伸率的基础上，再通过单独的脉冲电源直接对钛合金坯料放电产生脉冲电流，另外的脉冲电源对亥姆霍兹线圈进行直接放电产生脉冲磁场，通过控制放电时序使得二者在同一时刻达到脉冲电流峰值，从而保证钛合金坯料能够在最大的电磁力作用下成形，获得高质量的钛合金双极板。

结合图1～图5具体说明本实施方式。本实施方式的基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置，包括电源模块、电磁线圈模块以及真空成形模块。

其中电源模块包括三套脉冲电源1a、1b和1c，本实施例中电磁线圈模块为亥姆霍兹线圈，由两个相对设置的导体线圈组成；真空成形模块包括真空腔以及其内部设置的载物台3-1、双极板成形模具3-2、钛合金坯料3-3、梯形导电板、压边板以及多个紧固螺栓。

在本实施例中，如图1和图2所示，所述的脉冲电源一共有三套：第一脉冲电源1a、第二脉冲电源1b、第三脉冲电源1c。它们结构类似，均由充电机S、电容器组C、充电开关K1、放电开关K2、续流二极管D、续流电阻R构成。其中第一脉冲电源1a包括充电机S1、电容器组C1、充电开关K11、放电开关K21、续流二极管D1和续流电阻R1；第二脉冲电源1b包括充电机S2、电容器组C2、充电开关K12、放电开关K22、续流二极管D2和续流电阻R2；第三脉冲电源1c包括充电机S3、电容器组C3、充电开关K13、放电开关K23、续流二极管D3和续流电阻R3。脉冲电源1a和1b均与真空腔两个侧面上设置的导电螺杆(在图1中分别标示为第一导电螺杆4-5a和第二导电螺杆4-5b)相连，并通过铜排(图1中真空腔两侧各有一个铜排分别标示为第一铜排4-6a和第二铜排4-6b)、第一紧固螺栓4-8、梯形导电板(真空腔两侧各有一个梯形导电板分别为：第一梯形导电板3-4a和第二梯形导电板3-4b)与钛合金坯料3-3连接在一起；第三脉冲电源1c与亥姆霍兹线圈的铜电极(两个亥姆霍兹线圈中的铜电极分别标示为2-6a和2-6b)相连。其中第一脉冲电源的电容器组C1为长脉宽电容器组，电容量为3200μF，第二脉冲电源的电容器组C2和第三脉冲电源的电容器组C3为短脉宽电容器组，电容量分别为320μF、50μF。三组充电开关K11、K12、K13(依次分别对应第一脉冲电源、第二脉冲电源和第三脉冲电源的充电开关)和三组放电开关K21、K22、K23(依次分别对应第一脉冲电源、第二脉冲电源和第三脉冲电源的放电开关)均由同一个控制系统控制。

在本实施例中，如图1所示，所述亥姆霍兹线圈为圆角矩形式的结构，由线圈骨架2-1、铜导线2-2、线圈法兰2-3、连接平台2-4、铜电极(图中分别标示为第一铜电极2-6a和第二铜电极2-6b)和多个第二紧固螺栓2-5构成。线圈骨架2-1、线圈法兰2-3、连接平台2-4材料为环氧树脂，铜导线2-2为横截面积7×5mm²的紫铜导线。连接平台2-4为凹槽型结构，两个亥姆霍兹线圈在凹槽处串联起来，并在凹槽内填充环氧固化剂进行加固。

在本实施例中，如图3所示，所述钛合金双极板成形模具3-2的流道结构为多通道蛇形流道，流道尺寸为毫米级。模具所用材料为高强度的绝缘材料，本实施例中模具所用材料为氧化锆材料。

在本实施例中，如图1和图4所示，所述载物台3-1内嵌套双极板成形模具3-2。载物台3-1两侧具有4个定位螺孔，第一梯形导电板3-4a和第二梯形导电板3-4b依据定位螺孔分别放于载物台上，其上置入钛合金坯料3-3，再放入压边板3-5a和3-5b，最后，通过4个第三紧固螺栓3-6将压边板、钛合金坯料、梯形导电板和载物台(含双极板成形模具)固定。其中，载物台与压边板为环氧树脂材料；梯形导电板为黄铜材料，厚度为5mm，可为钛合金坯料的高速运动过程提供加速距离；钛合金坯料的厚度为0.1mm。

在本实施例中，如图1所示，所述真空腔为长方体结构，由壁室4-1、顶盖4-2、抽气阀门4-3a、排气阀门4-3b、真空计4-4、第一导电螺杆4-5a、第二导电螺杆4-5b、第一铜排4-6a、第二铜排4-6b、螺母4-7以及第一紧固螺栓4-8构成。真空腔内部放有上述的固定好的载物台和钛合金坯料等结构，通过第一铜排4-6a将第一梯形导电板3-4a和第一导电螺杆4-5a的内侧连接起来，通过第二铜排4-6b将第二梯形导电板3-4b和第二导电螺杆4-5b的内侧连接起来，并通过螺母4-7和第一紧固螺栓4-8固定。

在本实施例中，各结构的尺寸关系为：目标钛合金双极板的尺寸与双极板成形模具的尺寸一致，均为300×100mm²；钛合金坯料的宽度为100mm，长度为380mm，钛合金坯料厚度固定为0.1mm；亥姆霍兹线圈的圆角矩形结构的边长为360mm，其大于钛合金坯料的长度，两个相对设置的导体线圈的间距为180mm(亥姆霍兹线圈边长的一半)；连接平台2-4的宽度为160mm，其略小于加入线圈法兰后的线圈间距，该连接平台恰好放入两个导体线圈之间；载物台3-1和真空腔在宽度方向尺寸分别为120mm和176mm，厚度方向尺寸分别为140mm和200mm，此时真空腔内部的钛合金坯料刚好位于两线圈轴线所在的中平面上，保证磁场最均匀，磁力线平行于钛合金坯料表面。

本实施例采用的一种基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置的钛合金双极板制造方法，具体包括下述步骤：

步骤一：将双极板成形模具置于载物台内，将钛合金坯料置于梯形导电板和压边板之间，并通过紧固螺栓将压边板、钛合金坯料、梯形导电板和载物台固定；

步骤二：将压边板、钛合金坯料、梯形导电板、载物台及双极板成形模具组成的结构放于真空腔内，通过铜排将梯形导电板与真空腔导电螺杆的内侧连接起来，并用螺栓和螺母固定，之后盖上真空室顶盖，关闭排气阀门，打开抽气阀门，进行抽真空，并根据真空计示数在达到一定值后关闭排气阀门，真空抽至0.05～0.1个大气压；

步骤三：将真空腔(内部包含压边板、钛合金坯料、梯形导电板、载物台及双极板成形模具组成的整体结构)置于亥姆霍兹线圈的连接平台上，使钛合金坯料的长度方向与亥姆霍兹线圈的轴线方向垂直，从而使钛合金坯料中的脉冲电流与亥姆霍兹线圈产生的脉冲磁场满足如图4所示的方向。将第一脉冲电源1a和第二脉冲电源1b与真空腔的导电螺杆连接起来，将第三脉冲电源1c与亥姆霍兹线圈的铜电极连接起来；

步骤四：充电机S1、S2、S3同时工作，分别为电容器组C1、C2、C3充电，待电压达到预设值(约5～15kV)后，断开充电开关。之后进行多级时序脉冲电流的顺序放电，结合图2和图5说明。

首先，在t1＝0时刻，第一脉冲电源1a闭合放电开关K21，对钛合金坯料进行放电，脉冲电流I1流过钛合金坯料，使得坯料温度高速上升。其次，在高速加热一定时间(t2-t1)后，钛合金坯料的温度趋于稳定(此时I1趋于0)，达到800℃，在t2时刻闭合第二脉冲电源1b的放电开关K22，在t3时刻闭合第三脉冲电源1c的放电开关K23，第二脉冲电源1b对钛合金坯料放电得到脉冲电流I2，第三脉冲电源1c对亥姆霍兹线圈放电得到脉冲电流I3，I3在空间中会产生同频率的脉冲强磁场。I1、I2、I3的时序关系如图5所示。最后，钛合金坯料中的脉冲电流I2和I3产生的脉冲强磁场相互作用，产生微秒级的脉冲电磁力，驱动钛合金坯料向模具高速运动，瞬间完成钛合金双极板的成形。其中，t1～t2为加热阶段，t2～t4为成形阶段，整个装置的工作时间(t4-t1)为毫秒级。本实施例中，t1＝0，t2＝6ms(6000μs)，t3＝6.03ms(6030μs)，t4＝6.6ms(6600μs)。

步骤五：打开真空室的排气阀门，待真空室内恢复至大气压后，打开顶盖，拧松紧固螺栓，取出成形后的钛合金坯料，剪裁边缘，得到钛合金双极板。

本实施例制备钛合金双极板时，通过采用三套脉冲电源按照一定的时序分别对钛合金坯料和亥姆霍兹线圈放电，利用钛合金在高温下的热效应、脉冲电流的电塑性效应以及脉冲电磁力的高应变率效应，大大提高了钛合金的塑性和成形性能，制备得到的钛合金双极板流道深度与模具一致(流道深度波动率低于2％)、流道减薄大大降低(最大减薄率低于16％，现有工艺一般为26％左右)。因此本实施例中得到的钛合金双极板的成形质量高于现有的工艺。

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 (10)

1.一种燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置，其特征在于，包括电源模块、电磁线圈模块以及真空成形模块；其中：

所述电磁线圈模块为亥姆霍兹线圈，其由两个相对设置的导体线圈串联组成；所述真空成形模块设置于所述两个相对设置的导体线圈之间；所述真空成形模块包含真空腔和设置于该真空腔内的钛合金坯料与双极板成形模具；

所述电源模块包括多套脉冲电源，所述多套脉冲电源用于对所述钛合金坯料和所述亥姆霍兹线圈放电；

使用时，所述多套脉冲电源按时序对所述钛合金坯料和所述亥姆霍兹线圈放电，用于对所述钛合金坯料进行预热，在所述钛合金坯料中产生脉冲电流，以及在所述亥姆霍兹线圈中产生脉冲磁场，在所述脉冲电流和脉冲磁场的共同作用下产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

2.如权利要求1所述的复合成形装置，其特征在于，所述电源模块包括第一脉冲电源、第二脉冲电源以及第三脉冲电源；所述第一脉冲电源和第二脉冲电源均用于对所述钛合金坯料放电，所述第三脉冲电源用于对所述亥姆霍兹线圈放电；

使用时，所述第一脉冲电源首先对所述钛合金坯料放电，对钛合金坯料进行预热，然后第二脉冲电源对所述钛合金坯料进行放电，第三脉冲电源对所述亥姆霍兹线圈放电，使所述钛合金坯料中产生脉冲电流，并在所述亥姆霍兹线圈中产生脉冲磁场，在所述脉冲电流和脉冲磁场的共同作用下产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

3.如权利要求2所述的复合成形装置，其特征在于，其中所述第一脉冲电源的脉宽为毫秒级；所述第二脉冲电源和第三脉冲电源的脉宽为微秒级。

4.如权利要求2所述的复合成形装置，其特征在于，所述第一脉冲电源的电容器组为长脉宽电容器组，其电容量为2240～3200μF，脉宽为10～20ms；所述第二脉冲电源为短脉宽电容器组，其电容量为50～320μF，脉宽为50～200μs；第三脉冲电源为短脉宽电容器组，其电容量为50～320μF，脉宽为50～200μs；且通过控制放电时序使所述第二脉冲电源和第三脉冲电源在同一时刻达到各自的脉冲电流峰值。

5.如权利要求1所述的复合成形装置，其特征在于，所述真空腔内还设置有载物台、导电板和压边板；所述双极板成形模具设置于载物台内；所述导电板为两块，分别设置于所述载物台两侧；所述钛合金坯料设置于所述导电板上，所述压边板为两块，分别设置于所述钛合金坯料上方两侧，通过紧固螺栓将所述压边板、钛合金坯料、导电板与载物台依次实现固定连接。

6.如权利要求2所述的复合成形装置，其特征在于，所述真空腔两侧的侧壁上分别通过打孔设置有导电螺杆，所述导电螺杆在该真空腔内通过铜排与所述真空腔内与该导电螺杆临近的导电板固定连接；所述导电螺杆在该真空腔外直接与所述第一脉冲电源形成回路；所述导电螺杆在该真空腔外同时直接和第二脉冲电源形成回路，所述第一脉冲电源和所述第二脉冲电源为并联设置。

7.一种利用如权利要求1至6任一项所述成形装置进行基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将设置于亥姆霍兹线圈的两个相对设置的导体线圈之间的真空腔抽真空至设定的真空度，该真空腔内设置有钛合金坯料和双极板成形模具；

(2)将真空腔分别与第一脉冲电源和第二脉冲电源相连接形成电流回路，将第三脉冲电源与所述亥姆霍兹线圈的铜电极相连形成电流回路；

(3)首先使第一脉冲电源对所述真空腔内的钛合金坯料放电，放电产生的脉冲电流对钛合金坯料进行预热；待所述钛合金坯料温度稳定后，第二脉冲电源对所述钛合金坯料进行放电，在钛合金坯料中产生脉冲电流；第三脉冲电源对所述亥姆霍兹线圈进行放电，流经该亥姆霍兹线圈的脉冲电流在空间中产生脉冲磁场，钛合金坯料中的脉冲电流与所述脉冲磁场共同作用产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

8.如权利要求7所述的复合成形的方法，其特征在于，步骤(1)具体包括如下步骤：

(1-1)在设置有双极板成形模具的载物台两侧设置导电板，将钛合金坯料置于载物台两侧的导电板上，然后在该钛合金坯料两侧各放置压边板，所述压边板、钛合金坯料、导电板与载物台通过紧固螺栓实现固定连接，得到组合结构；

(1-2)将步骤(1-1)得到的组合结构置于真空腔内，得到所述真空成形模块；该真空腔两侧侧壁上设置的导电螺杆分别通过铜排与真空腔内的导电板固定连接；

(1-3)将所述真空成形模块置于所述电磁线圈模块内两个相对设置的导体线圈之间；

(1-4)关闭所述真空腔的排气阀门，打开其抽气阀门，对其抽真空至设定的真空度。

9.如权利要求7所述的复合成形的方法，其特征在于，步骤(2)具体包括如下子步骤：

(2-1)将所述真空腔两侧侧壁上设置的导电螺杆分别与第一脉冲电源相连接，形成电流回路；

(2-2)将所述真空腔两侧侧壁上设置的导电螺杆分别与第二脉冲电源相连接，形成电流回路；

(2-3)将第三脉冲电源与所述亥姆霍兹线圈的铜电极相连，形成电流回路。

10.如权利要求7所述的复合成形的方法，其特征在于，步骤(3)包括如下子步骤：

(3-1)对第一脉冲电源、第二脉冲电源以及第三脉冲电源的电容器进行充电，待电压达到各自预设值后，断开其充电开关；

(3-2)闭合第一脉冲电源的放电开关，使其对钛合金坯料进行放电，产生的脉冲电流对钛合金坯料进行预热，至钛合金坯料的温度稳定后断开第一脉冲电源的放电开关；

(3-3)闭合第二脉冲电源的放电开关，使第二脉冲电源对钛合金坯料进行放电，在钛合金坯料内产生脉冲电流；闭合第三脉冲电源的放电开关，使第三脉冲电源对亥姆霍兹线圈进行放电，通过控制放电时序使所述第二脉冲电源和第三脉冲电源在同一时刻达到各自的脉冲电流峰值；流经所述亥姆霍兹线圈的脉冲电流在空间中产生脉冲磁场，钛合金坯料中的脉冲电流与所述脉冲磁场共同作用产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。

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