CN114713699A - 一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置及工艺，其中装置包括上模组（1）和下模组（7）；上模组（1）下表面通过绝缘螺栓（13）安装上模固定座（3），上模固定座（3）与上模组（1）下表面之间通过设置上绝缘垫板（2）隔开；上模固定座（3）下表面中部形成上凹模放置腔（22），上凹模放置腔（22）的两侧设置有装配台阶（23），上凹模放置腔（22）内设置上凹模（4）。本发明通过高压惰性气体提供气胀压力以及脉冲电流辅助同步作用成形金属双极板，避免冲压刚模的碰撞及对合模精度的苛刻要求，并避免热成形时金属双极板发生氧化，降低回弹量，单次充放气循环可成形两块双极板，有效提升了金属双极板的生产效率。

Description

一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置及工艺

技术领域

本发明涉及双极板成形技术领域，具体为一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置及工艺。

背景技术

双极板是燃料电池十分关键的多功能零部件，其主要功用是传导电流、分隔氧化还原剂、疏导反应气体、排出反应热量与水等，并占到整个燃料电池重量的80%和成本的30%。其基体材料需要具有强度高、致密性好、导电和导热性能好等特点。薄型的金属双极板具备优秀的力学性能和导电导热性，可使电堆具备更高的体积比功率密度，且成本低廉可批量生产，是乘用车燃料电池的最佳选择。但精密成形工艺及抗腐蚀处理难度高，严重掣肘其规模化生产。

现有的金属双极板成形方法包括刚模冲压及软模成形。刚模冲压成形具有加工效率高的优点，但在加工时凹凸模与坯料间发生高频碰撞，长时间的碰撞不仅造成凹凸模严重磨损甚至缺损，更导致双极板表面出现划痕，显著增大了表面粗糙度，在酸性条件下易被腐蚀，此外，刚模成形对模具制造精度及运动精度要求苛刻，造成刚模成形双极板的质量较差且成本较高。软模成形包括橡胶代替刚性凸模及液胀成形两种方式，前者成形流道较浅且橡胶凸模极易损伤。双极板液胀成形工艺无需凸模，避免了模具碰撞和合模精度控制问题，但液胀成形在卸料时需要排尽液体介质导致效率较低，而且该工艺只能在常温下进行，板料无法加热。

常规辐射热等常规方式加热金属坯料，温升较慢且加热区域不集中，热量损失较大，是造成现有工艺能耗高、效率低的重要原因。因此，亟待找到一种代替刚模和液胀成形的高效率双极板热成形方法。

发明内容

本发明为解决现有双极板成形工艺及装置的不足之处，提供一种新型的基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置及工艺。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置，包括上模组和下模组；所述上模组下表面通过绝缘螺栓安装上模固定座，所述上模固定座与上模组的下表面之间通过设置上绝缘垫板隔开；所述上模固定座的下表面中部形成上凹模放置腔，所述上凹模放置腔的两侧设置有装配台阶，所述上凹模放置腔内设置上凹模。

所述下模组的上表面通过绝缘螺栓安装下模固定座，所述下模固定座与下模组的上表面之间通过设置下绝缘垫板隔开；所述下模固定座的上表面中部形成下凹模放置腔，所述下凹模放置腔内设置下凹模。

所述上模固定座和下模固定座之间适配放置有压边密封体；所述压边密封体内中部凸出形成工作环台，所述压边密封体外周侧壁设有装配槽，所述压边密封体通过装配槽与上模固定座的装配台阶配合完成安装；所述压边密封体内工作环台上表面上方为上凹模，所述上凹模的下表面周边与工作环台上表面周边之间设置上密封圈；所述压边密封体内工作环台下表面下方为下凹模，所述下凹模上表面周边与工作环台下表面周边之间设置下密封圈；所述上、下凹模与工作环台（压边密封体内部）构成成形腔室；所述压边密封体的工作环台两侧分别设有进气孔道及出气孔道。

所述进气孔道通过进气管路与气体增压器输出口连接；所述出气孔道连接出气管路，所述出气管路安装排气阀。

所述上模固定座和下模固定座的一侧均设置正电极，所述正电极与脉冲电源的正极电连接；所述上模固定座和下模固定座的另一侧均设置负电极，所述负电极与脉冲电源的负极电连接。

工作时，上模组、上绝缘垫板和上模固定座之间使用绝缘螺栓连接，下模组、下绝缘垫板和下模固定座之间使用绝缘螺栓连接。上凹模和下凹模完全相同，分别固定在上模固定座和下模固定座，在上下凹模中间放置压边密封体，压边密封体既是双极板坯料的压边装置，为金属双极板提供压边力，固定坯料并防止坯料起皱；又在压力机的合模力作用下与上、下凹模形成封闭的成形腔室。压边密封体设有耐高温密封圈，合模后保证高压气体无泄漏，保持成形腔内的气压，使双极板充分填充模具，保证成形精度。压边密封体右侧及左侧分别设置进气孔道和排气孔道，气体增压器将高压气体经进气管和进气孔道泵入成形腔室中，通过高压气胀和脉冲电流同步作用气胀成形金属双极板。成形结束后，由位于左端的排体孔道排出气体。双极板成形过程中坯料两端通有直流脉冲电流，保证坯料快速加热至热胀成形温度并保温，加热温度范围在0~1000℃之间，加热及保温温度根据坯料材质、坯料厚度及胀形时间来确定，温度由与双极板接触的热电偶测量。气胀成形使用的气体包括但不限于空气、二氧化碳、氮气和惰性气体，在成形结束后，排出高压气体。

进一步优选的，所述压边密封体的上端面与上模固定座的上凹模放置腔之间安装有弹簧；所述压边密封体的下端面与下模固定座的下凹模放置腔之间安装有弹簧。

进一步优选的，所述上模组和下模组之间设置四对导柱及导套，保证合模精度。

进一步优选的，所述上凹模与压边密封体的工作环台上表面之间放置金属双极板坯料；同理，所述下凹模与压边密封体的工作环台下表面之间放置金属双极板坯料。

进一步优选的，所述金属双极板坯料为不锈钢板、纯钛板、钛合金板或者金属复合薄板。所述金属双极板坯料厚度为0.1~1mm。

胀形前，坯料两端预先接通高功率脉冲电流，待坯料升至成形温度后，压力机下压夹紧成形装置，使双凹模和压边密封体构成封闭的成形腔室，将高压惰性气体通入成形腔室提供成形压力。

一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形工艺，包括如下步骤：

步骤（1）、在压边密封体和上凹模及下凹模之间分别放置一块金属双极板坯料；使用压力机使压边密封体和上凹模及下凹模闭合，配合上、下密封圈形成密闭的成形腔室；

步骤（2）、气体增压器输出的高压气体通入成形腔室，挤压金属双极板坯料，成形腔室内通入的气体先保持较低的压力，上、下模固定座分别通过正、负电极接入脉冲电流，将金属双极板坯料加热至100~1000℃并保温，随后将成形腔室内的气压提升至5~50MPa后，达到成形压力，保压时间为5~30s，使金属双极板坯料发生充分的塑性变形，填充并贴合上、下凹模内表面，进而成形所要求流道尺寸的金属双极板；

步骤（3）、成形结束后，立即切断脉冲电源，停止加热已成形的金属双极板，待金属双极板冷却至室温，开启排气阀，由排气孔道将成形腔室内气体排出，实现卸压，待成形腔室压力降至标准大气压后，取出金属双极板，并进入下一成形周期。

与现有的成形技术相比，本发明首次提出基于脉冲电流辅助的双极板精密气胀成形的新装置及新方法，具有如下优点：

1、本发明中，上下对置凹模及中间压边密封体的设计有效地提高了双极板的生产效率。一次充放气循环可成形两块双极板，有效提高了金属双极板的生产效率。

2、本发明采用气体增压器，保证双极板成形所需气体压力。上下模具均为凹模，避免凸凹模合模时，发生的磨损和碰撞，显著延长模具使用寿命。同时本发明使用的是空气、二氧化碳、氮气或惰性气体，成本低，对环境无污染，其中二氧化碳、氮气及惰性气体还能防止双极板在高温条件下被氧化。

3、气胀成形工艺仅需要凹模，避免模具发生磨损和碰撞，以气体作为软凸模，可避免模具磨损或损坏，也避免了双极板精密成形对凹凸模加工精度和运动控制精度的苛刻要求。而且在避免模具磨损和配合精度控制难的基础上，可有效提高了金属双极板的生产效率，显著降低生产成本且可进行热成形。

4、脉冲电流辅助可使双极板坯料快速达到成形温度，脉冲电流形成的电致发热和电致塑性效应，可实现坯料的快速加热和保温，显著降低气胀成形压力和回弹程度，缩短胀形时间，提升双极板生产效率。

本发明设计合理，具有很好的实际应用及推广价值。

附图说明

图1表示本发明所述装置的整体结构示意图。

图2表示本发明中上模固定座和下模固定座之间的结构示意图。

图3表示弹簧示意图。

图4表示压边密封体的结构示意图。

图中：1-上模组，2上绝缘垫板，3-上模固定座，4-上凹模，5-下密封圈，6-下凹模，7-下模组，8-下绝缘垫板，9-下模固定座，10-进口孔道，11-出气孔道，12-上密封圈，13-绝缘螺栓，14-气体增压器，15-压边密封体，16-金属双极板坯料，17-正电极，18-脉冲电源，19-排气阀，20-弹簧，21-负电极，22-上凹模放置腔，23-装配台阶，24-下凹模放置腔，25-工作环台，26-装配槽，27-成形腔室，28-密封槽，29-螺栓过孔，30-进气管路，31-出气管路，32-导柱，33-导套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置，如图1所示，包括上模组1和下模组7。上模组1下表面通过绝缘螺栓13安装上模固定座3，上模固定座3与上模组1下表面之间通过设置上绝缘垫板2隔开；即上模固定座3、上模组1、上绝缘垫板2上共同对应开设螺栓过孔29，通过绝缘螺栓13连接固定。同理，下模组7上表面通过绝缘螺栓13安装下模固定座9，下模固定座9与下模组7上表面之间通过设置下绝缘垫板8隔开；即下模固定座9、下模组7、下绝缘垫板8上共同对应开设螺栓过孔29，通过绝缘螺栓13连接固定。

如图2所示，上模固定座3下表面中部形成上凹模放置腔22，上凹模放置腔22内安装上凹模4且通过螺柱或者销钉连接固定；上凹模放置腔22的两侧设置有装配台阶23。下模固定座9下表面中部形成下凹模放置腔24，下凹模放置腔24内安装下凹模6且通过螺柱或者销钉固定。

如图2所示，上模固定座3和下模固定座9之间适配放置有压边密封体15。如图4所示，压边密封体15内中部凸出形成工作环台25，压边密封体15外周侧壁设有装配槽26，装配槽设置在压板密封体的两侧或四周。压边密封体15通过装配槽26与上模固定座3的装配台阶23配合完成安装。压边密封体15内位于工作环台25上方为上凹模4，本实施例中，上凹模4形状为立方体结构，正好放置于压边密封体15的上腔内。上凹模4下表面周边与工作环台25上表面周边之间的对应位置分别设置密封槽28，密封槽内放置上密封圈12，将上凹模4和工作环台25上表面之间密封。压边密封体15内位于工作环台25下方为下凹模6，下凹模6上表面周边与工作环台25下表面周边之间的对应位置也分别设置密封槽，密封槽内放置下密封圈5，将下凹模6和工作环台25下表面之间密封。这样，上模组1和下模组7闭合后，上、下凹模4、6与工作环台25内部之间围成密闭的成形腔室27。压边密封体15位于工作环台25一侧贯穿设有进气孔道10、位于工作环台25另一侧贯穿设有出气孔道11。

如图1所示，进气孔道10通过进气管路30与气体增压器14输出口连接；出气孔道11连接出气管路31，出气管路31安装排气阀19。

如图1所示，上模固定座3和下模固定座9的一侧均设置正电极17，正电极17与脉冲电源18的正极电连接。上模固定座3和下模固定座9的另一侧均设置负电极21，负电极21与脉冲电源18的负极电连接。

如图2所示，压边密封体15上端面与上模固定座3的上凹模放置腔22之间安装有弹簧20；压边密封体15下端面与下模固定座9的下凹模放置腔24之间安装有弹簧20。如图3所示，弹簧20可以预先安装于底板上，在上模固定座3和下模固定座9闭合后，压边密封体15通过其上下端面的弹簧实现密闭装配。

如图1所示，上模组1和下模组7之间对应设置有导柱32和导套33，确保上模组1和下模组7之间的合模及开模精度。

如图2所示，上凹模4与压边密封体15的工作环台25上表面之间放置金属双极板坯料16；同理，下凹模6与压边密封体15的工作环台25下表面之间放置金属双极板坯料16。

具体实施时，根据双极板两个极板的流道加工上凹模4和下凹模6，上下凹模的流道可以相同也可以不同，分别适配放置在上模固定座3和下模固定座9，两个凹模上下对称放置。在上凹模4的上方为上绝缘垫板2和下凹模6的下方为下垫板8，垫板通过绝缘螺栓13与上下模固定座固定，整个模具通过上模组1和下模组7固定在压力机上。上下凹模包括但不限于陶瓷等绝缘硬质材料，避免脉冲电流被分流，保证双极板坯料更快达到气胀成形温度。金属双极板坯料16包括但不限于不锈钢板、纯钛板、钛合金板或者金属复合薄板等。压边密封体15可以为上下两块金属双极板坯料16均提供压边力，防止成形时坯料起皱和移动。压边密封体上下设有弹簧20，保证装置的气密性，防止成形过程中气体泄漏。压边密封体15左右分别留有气体通道，分别为进气孔道10和排气孔道11。气体增压器14通过进气孔道10将高压气体泵入成形腔室27，成形结束后，由位于左端的排气孔道11排出气体。上下密封圈在合模后可保证高压气体无泄漏，密封圈包括但不限于橡胶、石墨或聚四氟乙烯。气体增压器14将高压气体经进气孔道10泵入成形腔室27中，在高压气体胀形及脉冲电流的电致焦耳热和电致塑性的辅助作用下，将上下两块金属双极板坯料16分别压至与上凹模4和下凹模6的模壁接触，而由于上凹模4和下凹模6的模壁形状与待气胀成形的金属双极板的预定气胀成形形状相匹配，并由此最终成形高质量金属双极板。该金属双极板坯料包括但不限于不锈钢，纯钛、钛合金和双层复合板，且坯料厚度为0.1~1mm。气体增压器14可提供的气体压力在0~150MPa之间，气体压力根据坯料材质、坯料厚度及膨胀时间来确定。该装置使用压力气体包括但不限于空气、二氧化碳、氮气及惰性气体。金属双极板成形过程中，双极板坯料两端通有直流脉冲电流，保证双极板坯料快速加热至气胀成形温度并保温加热温度范围在0~1000℃之间，加热及保温温度根据坯料材质、坯料厚度及膨胀时间来确定，温度由与双极板接触的热电偶测量。脉冲电源18与正负电极连接，正负电极安装在上下模固定座上。电极包括但不限于石墨、铜钨合金、银钨合金和纯铜等。上下绝缘垫板保证装置一定的电气耐压强度，防止成形过程中的功率损失，绝缘垫板材料包括但不限于硅橡胶、硬质陶瓷、云母。

上述技术方案中：（1）、合模后上凹模4和下凹模6之间没有相对运动，无接触碰撞，相比刚模冲压，避免了模具与坯料之间的频繁磨损及碰撞，延长模具使用寿命，长时间服役仍可保持较高成形精度。以高压气体作为软凸模，可以避免刚模冲压时对凹凸模加工和运动精度的苛刻要求，降低模具加工成本。（2）、压边密封体15设有密封圈12和弹簧20，压边密封体15既是金属双极板坯料16的压边圈，又与上凹模4和下凹模6在压力机的合模力作用下，形成封闭的成形腔室27，上凹模4和下凹模6合模后保证高压气体无泄漏，保持成形腔内的气压，通过高压气胀和脉冲电流同步作用成形金属双极板，此时双极板充分填充模具，使最终成形的金属双极板达到预期的效果。（3）、该气胀成形装置设置气体增压器14和脉冲电源18。气体增压器14通过进气30管路与压力气体进入进气孔道10贯通连接，可以独立地对装置提供高压气体。可以通过控制在出气管路31上的排气阀19来对气体增压器的输出压力进行调整，例如可以根据具体的待气胀成形的金属双极板的大小规格、材料的厚度和具体材质来具体调整压力气体的压力。成形工艺开始，脉冲电源18通过正负电极通入高密度脉冲电流，快速加热金属双极板坯料16至气胀成形温度，并保持温度稳定。

脉冲电流辅助的气胀成形技术是一种新技术，相比液压胀形，胀形气体压力较低，可进行热成形。采用脉冲电流辅助的方式，可在短时间内将坯料加热到胀形温度并保温，温度可在0~1000℃之间调整，从而降低双极板变形抗力和回弹。气胀成形气压根据所胀形板料的材料和厚度不同，可在0~150MPa范围内调整。对于相同材料及厚度板材的板材，脉冲电流辅助的气胀成形技术所需气体压力远小于液压胀形技术。

一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形工艺，步骤如下：

步骤（1）、在压边密封体15和上凹模4及下凹模6之间分别放置一块金属双极板坯料16；使用压力机施加足够的压力，使压边密封体15和上凹模4及下凹模6闭合，配合上、下密封圈12、5形成密闭的成形腔室27。

步骤（2）、气体增压器14输出的高压气体通入成形腔室27，挤压金属双极板坯料16，成形腔室27内通入的气体先保持较低的压力，上、下模固定座3、9分别通过正、负电极17、21接入脉冲电流，将金属双极板坯料16加热至100~1000℃并保温，随后将成形腔室27内的气压提升至5~50MPa后，达到成形压力，保压时间为5~30s，使金属双极板坯料16发生充分的塑性变形，填充并贴合上、下凹模4、6内表面，进而成形所要求流道尺寸的金属双极板。

步骤（3）、成形结束后，立即切断脉冲电源18，停止加热已成形的金属双极板，待金属双极板冷却至室温，开启排气阀19，由排气孔道11将成形腔室27内气体排出，实现卸压，待成形腔室27压力降至标准大气压后，取出金属双极板，并进入下一成形周期。

具体实施时，对于0.1mm厚304不锈钢材质坯料，加热温度、气体压力及保压时间分别设置为400℃、15MPa及15s。对于0.5mm厚的TA2纯钛材质坯料，加热温度、气体压力及保压时间分别设置为500℃、30MPa及20s。

以上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。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置，包括上模组（1）和下模组（7）；其特征在于：所述上模组（1）下表面通过绝缘螺栓（13）安装上模固定座（3），所述上模固定座（3）与上模组（1）下表面之间通过设置上绝缘垫板（2）隔开；所述上模固定座（3）下表面中部形成上凹模放置腔（22），所述上凹模放置腔（22）的两侧设置有装配台阶（23），所述上凹模放置腔（22）内设置上凹模（4）；

所述下模组（7）上表面通过绝缘螺栓（13）安装下模固定座（9），所述下模固定座（9）与下模组（7）上表面之间通过设置下绝缘垫板（8）隔开；所述下模固定座（9）下表面中部形成下凹模放置腔（24）；所述下凹模放置腔（24）内设置下凹模（6）；

所述上模固定座（3）和下模固定座（9）之间适配放置有压边密封体（15）；所述压边密封体（15）内中部凸出形成工作环台（25），所述压边密封体（15）外周侧壁设有装配槽（26），所述压边密封体（15）通过装配槽（26）与上模固定座（3）的装配台阶（23）配合完成安装；所述压边密封体（15）内工作环台（25）上表面为上凹模（4），所述上凹模（4）的下表面周边与工作环台（25）上表面周边之间设置上密封圈（12）；所述压边密封体（15）内工作环台（25）下表面为下凹模（6），所述下凹模（6）上表面周边与工作环台（25）下表面周边之间设置下密封圈（5）；所述上、下凹模（4、6）与工作环台（25）内部之间围成成形腔室（27）；所述压边密封体（15）的工作环台（25）两侧分别设有进气孔道（10）及出气孔道（11）；

所述进气孔道（10）通过进气管路（30）与气体增压器（14）输出口连接；所述出气孔道（11）连接出气管路（31），所述出气管路（31）安装排气阀（19）；

所述上模固定座（3）和下模固定座（9）的一侧均设置正电极（17），所述正电极（17）与脉冲电源（18）的正极电连接；所述上模固定座（3）和下模固定座（9）的另一侧均设置负电极（21），所述负电极（21）与脉冲电源（18）的负极电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置，其特征在于：所述压边密封体（15）上端面与上模固定座（3）的上凹模放置腔（22）之间安装有弹簧（20）；所述压边密封体（15）下端面与下模固定座（9）的下凹模放置腔（24）之间安装有弹簧（20）。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置，其特征在于：所述上模组（1）和下模组（7）之间对应设置有导柱（32）和导套（33）。

4.根据权利要求3所述的一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置，其特征在于：所述上凹模（4）与压边密封体（15）的工作环台（25）上表面之间放置金属双极板坯料（16）；同理，所述下凹模（6）与压边密封体（15）的工作环台（25）下表面之间放置金属双极板坯料（16）。

5.根据权利要求4所述的一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置，其特征在于：所述金属双极板坯料（16）为不锈钢板、纯钛板、钛合金板或者金属复合薄板。

6.根据权利要求5所述的一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置，其特征在于：所述金属双极板坯料（16）坯料厚度为0.1~1mm。

7.一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形工艺，是在如权利要求1至6任一所述的基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形装置中实现，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（1）、在压边密封体（15）和上凹模（4）及下凹模（6）之间分别放置一块金属双极板坯料（16）；使用压力机使压边密封体（15）和上凹模（4）及下凹模（6）闭合，配合上、下密封圈（12、5）形成密闭的成形腔室（27）；

步骤（2）、气体增压器（14）输出的高压气体通入成形腔室（27），挤压金属双极板坯料（16），成形腔室（27）内通入的气体先保持较低的压力，上、下模固定座（3、9）分别通过正、负电极（17、21）接入脉冲电流，将金属双极板坯料（16）加热至100~1000℃并保温，随后将成形腔室（27）内的气压提升至5~50MPa后，达到成形压力，保压时间为5~30s，使金属双极板坯料（16）发生充分的塑性变形，填充并贴合上、下凹模（4、6）内表面，进而成形所要求流道尺寸的金属双极板；

步骤（3）、成形结束后，立即切断脉冲电源（18），停止加热已成形的金属双极板，待金属双极板冷却至室温，开启排气阀（19），由排气孔道（11）将成形腔室（27）内气体排出，实现卸压，待成形腔室（27）压力降至标准大气压后，取出金属双极板，并进入下一成形周期。

8.根据权利要求7所述的一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形工艺，其特征在于：对于0.1mm厚304不锈钢材质坯料，加热温度、气体压力及保压时间分别设置为400℃、15MPa及15s。

9.根据权利要求7所述的一种基于脉冲电流辅助的金属双极板气胀成形工艺，其特征在于：对于0.5mm厚的TA2纯钛材质坯料，加热温度、气体压力及保压时间分别设置为500℃、30MPa及20s。

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