CN115582474A - 一种用于金属双极板精密成形的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于金属双极板精密成形的装置，属于燃料电池用金属双极板制造技术领域。本发明可在冲压成形过程中对金属双极板流道的多个方向引入脉冲电流，使金属薄板流动应力降低，塑性提高，解决双极板流道深度不足、流道破裂、回弹严重、尺寸精度不高等问题。本发明可实现外加电流方向随双极板形状设置，通过按时序调控脉冲电流在板料中沿不同方向流动，有利于克服单一电流方向加载造成的不均匀性。同时，本发明将压边与电极两个功能结合，既可以对板料起到压边的作用避免褶皱，又向板料引入脉冲电流，方便压边和电致塑性冲压过程。本发明生产效率高、生产设备简单、灵活性高，可以采用多种形式以满足不同要求的金属双极板。

Description

一种用于金属双极板精密成形的装置

技术领域

本发明属于燃料电池用金属双极板制造技术领域，涉及一种用于金属双极板精密成形的装置。

背景技术

双极板，也称集流板，是质子交换膜燃料电池(PEMFC)最关键的元件之一。双极板的主要功能是提供气体流道，防止燃料电池中的氢气和氧气串通，并在阳极和阴极之间串联后形成电流路径。金属双极板具有导电性好、机械强度高、价格低廉、易于批量生产等优点。常用金属双极板的材料有不锈钢、钛、铝、镍合金等。目前，金属双极板的研究主要集中在304或316不锈钢材料，这也是车用燃料电池双极板的常用材料。其次，钛及其合金作为金属双极板基材也具有极高的应用价值和发展前景。钛的比强度约为不锈钢的3.5倍，采用钛合金在保证双极板强度的同时可以降低燃料电池的重量。钛合金作为金属双极板基材虽然有诸多优势，但其屈服强度高，延伸率低，成形较为困难；此外，钛合金的弹性模量较低，导致其回弹比不锈钢更严重，导致双极板流道的成形一致性差；最后，钛合金的各向异性严重，会导致双极板各方向流道深度不一致，以上问题导致采用超薄钛合金作为双极板材料时，目前仍缺乏合适的成形技术和装置，难以制备出高深宽比的双极板微流道。

目前，用于制造金属双极板的成形技术主要有三类：一是热成形与超塑性成形技术；二是运用电磁感应的脉冲成形技术；三是冲压成形、液压成形与软模成形技术。但是，当金属双极板的厚度为0.1mm或更薄时，上述成形技术均难以同时兼顾成形效率、生产成本和尺寸精度。其中，冲压成形由于工艺成本低、生产效率高、模具寿命长等优点使其成为工业生产中最有前途的制造方法。

外加脉冲电流可以在短时间内改变金属材料的力学性能，目前已在轧制、拉拔、弯曲、辊锻等多种成形工艺中应用。将脉冲电流以特定形式作用于金属双极板的冲压成形过程可降低其流动应力、提高成形能力、抑制回弹，有利于推动双极板在质子交换膜燃料电池中的发展和应用。专利CN114420963A公开了一种氢燃料电池金属双极板成形方法，该方法将两片板材叠放焊接封边，并将封装好的封装件放置在内高压模具中注水胀型，胀型后切除多余材料得到两件双极板成品。然而，该方法所需胀型力极大，成形效率与质量均难以保障。

专利CN112974642公开了一种燃料电池金属极板的电辅助成形装置及工艺，该装置包括电源、成形模具、待成形金属薄板及传感器等，该方法为将板料两端连接电源或在成形模具的上下端连接电源进行冲压成形，通过控制电流产生的焦耳热和电致塑性效应实现板料精密成形。然而，该方法采用单一方向电流作用于双极板，未考虑具有不同方向的流道所带来的效果差异，并且由于金属板料本身也具有各向异性，这加剧了单一方向电流对流道成形轮廓尺寸均匀性与精密度的控制，无法实现实际生产中复杂形状流道金属极板的高质量成形。

专利CN111842611B公开了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，该装置包括多套脉冲电源，可按时序对钛合金板料和亥姆霍兹线圈放电，利用脉冲电流对钛合金板料的热效应和电塑性效应，以及亥姆霍兹线圈中产生的脉冲磁场共同作用，驱动钛合金板料冲击模具实现钛合金双极板的成形。然而，该方法成形设备较为复杂，并且在成形前需要进行抽真空，效率低；且成形过程难也控制，不利于大规模生产。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于金属双极板精密成形的装置，可解决现有技术难以成形高深宽比微流道金属双极板的问题。通过本发明所述装置在金属板料冲压过程中通入脉冲电流来实现金属双极板的电致塑性精密成形。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于金属双极板精密成形的装置，所述装置包括模具组件、压边电极组件、导线13、循环时序控制开关14和脉冲电源15。

所述模具组件包括上模座1、凸模2、凹模6、下模座7、导柱8、导套9和绝缘垫片12。所述的下模座7为板状结构，其中部固定连接有凹模6，凹模6两侧的下模座7上设有若干导柱8；所述的凹模6为板状凹槽面结构；所述的上模座1为板状结构，其安装在压力机下，其下表面中部固定连接有凸模2，上模座1与凸模2位于下模座7上方，上模座1上与导柱8对应的位置设孔，孔内设导套9，导套9与导柱8滑动配合，用于上模座1的定位；所述的凸模2为板状凸起面结构，其与凹模6配合，使用时，待成形金属板料置于凹模6与凸模2之间，凸模2凸起部位与凹模6凹槽位置相对应，模具合拢将待成形金属板料挤压出凹模6凹槽形状；所述的绝缘垫片12分别设于凸模2与上模座1之间以及凹模6与下模座7之间，用于防止通电过程中电流形成其他回路。

所述压边电极组件包括压边圈3、压边弹簧4、压边圈导柱5、导套9、压边电极11和绝缘垫片12。所述的压边圈3为框型结构，其位于凸模2下方，且凸模2可从其内圈内穿过，压边圈3用于压紧金属板料边缘，压边圈3内外圈轮廓形状依成形极板形状而定(如，可为长方形或椭圆形等)，其上表面设有若干压边圈导柱5，上模座1上与压边圈导柱5对应位置设孔，孔内设导套9，导套9与压边圈导柱5滑动配合，用于压边圈3的定位；每个压边圈导柱5上均套有一个压边弹簧4，压边弹簧4两端分别与上模座1和压边圈3固定连接，用于压边圈3的压紧和复位；所述压边电极11设形状相同的若干个，其分别固定在压边圈3底部，压边电极11与压边圈3之间设有绝缘垫片12，用于防止电流通过压边圈3造成短路；压边电极组件在压力机下行时，压边圈3连同下部固定的压边电极11压在待成形金属板料边缘，起到压边作用的同时还用于通入脉冲电流，通入电流的过程可发生于模具合模前、合模过程中及合模后。

所述脉冲电源15包括一个或多个脉冲电源设备，可输出任意波形直流或交流脉冲电流，其通过导线13与循环时序控制开关14连接，用于对待成形金属板料施加脉冲电流，循环时序控制开关14通过导线13连接多组压边电极11，其以固定加载模式循环施加脉冲电流于待成形金属板料，用于控制脉冲电源电流以特定模式施加于待成形金属板料，并通过冲压实现金属极板成形。

所述模具与模座连接处设置绝缘垫片12，有效避免模具与通电板料接触过程中电流流向机床；压边圈3与压边电极11连接处设置绝缘垫片12，有效避免通电时电流经过金属压边圈3形成短路。

进一步的，所述的压边电极11的数目、形状和位置根据待成形金属板料的形状要求及所需电极组数设置。

进一步的，所述的压边电极11可更换为柔性电极形式，以应对成形形状更为复杂的金属双极板；所述柔性电极包括覆板、绝缘弹簧和电极片，其中，覆板与压边圈3下表面固定连接，若干绝缘弹簧上端与覆板底面固定连接，下端与电极片固定连接，且每个绝缘弹簧连接一个电极片，电极片之间相互并联。

进一步的，所述的脉冲电源15可输出任意所需直流或交流脉冲电流，占空比任意可调，输出电流在1000A以内可调，频率为1Hz-20KHz。

进一步的，所述装置适用于满足燃料电池双极板应用的金属材料。

进一步的，所述装置适用于待成形金属双极板的金属材料包括不锈钢、钛合金、铝合金和镍基合金。

该装置运用电致塑性效应，经由时序控制多方向脉冲电流加载于金属板料，完成冲压成型金属双极板过程。

本发明的有益效果：

1.本发明可在冲压成形过程中对金属双极板流道的多个方向引入脉冲电流，使金属薄板流动应力降低，塑性提高，并在一定程度上改善其组织性能，从而解决双极板流道深度不足、流道破裂、回弹严重、尺寸精度不高等问题。

2.本发明适用于冲压成形方法，生产效率高、生产设备简单、灵活性高，可以采用多种形式以满足不同要求的金属双极板。

3.本发明将压边与电极两个功能结合，压边圈在成形过程中既可以对板料起到压边的作用，避免了成形板料出现褶皱，同时充当向板料引入脉冲电流电极的支撑，更加方便板料的压边和电致塑性冲压过程。

4.本发明中循环时序控制开关控制脉冲电流在板料中的流动方向，多组电极与板料连接，控制脉冲电流沿板料横向、竖向、斜向流动，并且某一方向通电一段时间后可自动切换为下一流通方向，电流方向可随成形需要灵活设置，有利于克服板料的各向异性和不同成形方向流道仅由单一电流方向加载造成的不均匀性，便于板料电致塑性冲压成形。也即，本发明可实现外加电流方向随双极板形状设置，并按时序调控，灵活改变。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图。

图2为本发明装置的主视图。

图3为压边电极组件与脉冲电源连接底视图。

图4为循环时序开关加载模式示意图。

图5为压边电极组件形式示例。

图6为金属双极板典型流道形状示意图。

图7为柔性压边电极结构示意图。

图中：1上模座；2凸模；3压边圈；4压边弹簧；5压边圈导柱；6凹模；7下模座；8导柱；9导套；10待成形钛合金板料；11压边电极；12绝缘垫片；13导线；14循环时序控制开关；15脉冲电源。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

参考图1，该图示出了本发明实施例提供的用于金属双极板精密成形的装置的结构。

本发明实施例提供的用于金属双极板精密成形的装置，用于燃料电池金属双极板的电致塑性冲压成形，包括模具组件、压边电极组件、导线13、循环时序控制开关14和脉冲电源15。其中：

模具组件包括上模座1、凸模2、凹模6、下模座7、导柱8、导套9和绝缘垫片12。所述的上模座1为板状结构，其安装在压力机下，凸模2固定连接于上模座1下表面中间位置，绝缘垫片12夹在上模座1与凸模2之间，其中，凸模2为板状凹槽面结构；所述的下模座7为板状结构，其置于上模座1下方，凹模6固定连接与下模座7上表面中间位置，绝缘垫片12夹在凹模6与下模座7之间，其中，凹模6为板状凸起面结构；4个导柱8下部固定连接在凹模6两侧的下模座7上，上模座1上导柱8对应位置设有导套9，导柱8上部插在导套9内，二者滑动配合，用于上模座1的定位。

压边电极组件包括压边圈3、压边弹簧4、压边圈导柱5、导套9、压边电极11和绝缘垫片12。所述的压边圈3为框型结构，其位于凸模2下方，且凸模2可从其内圈内穿过，压边圈3用于压紧待成型金属板料边缘，压边圈3内外圈均为长方形，其上表面设有4个压边圈导柱5，上模座1上与压边圈导柱5对应位置设导套9，压边圈导柱5上端插入导套9内并与其滑动配合，用于压边圈3的定位；每个压边圈导柱5上均套有一个压边弹簧4，压边弹簧4两端分别与上模座1和压边圈3固定连接，用于压边圈3压紧和复位；所述的压边电极11共设6个，均为梯形，梯形底边向内放置，6个压边电极11均匀排列并固定连接于压边圈3下表面，绝缘垫片12放置于压边电极11与压边圈3之间。

上述压边电极组件中压边电极11的数量、形状和分布还可根据使用需求任意设计，部分示例如图5所示。

循环时序控制开关14输入端为电致塑性电源设备引出的正负极导线，输出端以若干组导线13连接压边圈3底部固定的压边电极11，电源连接如图3所示，循环时序控制开关14与脉冲电源15正负极形成回路，并以一定时间切换通路模式，其中通路模式可任意排列，电流方向可随形设置。

上述通路模式持续时间最短一个脉冲周期，最长4～10s。

实施例2：本实施例采用实施例1所述装置来成形典型金属双极板，其流道形状如图6所示，具体包括下述步骤：

步骤一：将待成形钛合金板料10放置于凹模6上方的相应位置；

步骤二：压力机带动上模座1、凸模2和压边电极组件一起向下移动；

步骤三：压边电极组件的压边电极11率先接触待成形钛合金板料10，继续下行使得压边弹簧4的压缩力作用于压边圈3和压边电极11，向待成形钛合金板料10四周施加一定的压边力，此时凸模2并未接触到待成形钛合金板料10；

步骤四：开启预先设置好频率、占空比和电流密度的脉冲电源15；开启设置好循环作用时长和时序顺序的循环时序控制开关14，产生电流通过导线13流经压边电极11以相应加载模式作用于待成形钛合金板料10，其中，循环时序控制开关14所控制的加载模式，结合图4说明；

如图4所示，图中脉冲电源15为直流脉冲电源，输出电流为1-1000A可调，频率为1Hz-20KHz可调与循环时序控制开关14相连，并由开关的6个接口引出六根导线13与六块压边电极11相连，①至⑥号接口分别与电极①至⑥连接，电极①与电极⑤相对，电极②与电极④相对，电极③与电极⑥相对，电极①与电极②位于同侧并相邻，电极④与电极⑤位于同侧并相邻，与电极⑥；当运行模式一时，②号接口与⑤号接口分别作为正负极连通，在板料左右横向形成回路；当运行模式二时，①号接口与③号接口连通，电流在板料左半部竖向流动；当运行模式四时，③号接口与⑥号接口连通，电流在板料斜向流动。依此类推多种模式可将待成形钛合金板料10横向、竖向、斜向均经由电流处理，并且不同模式运行所需时长后可自动转换，模式顺序任意可调，正负极方向可相互转换，实现多极性、多方向的随形应用。

本实施例中，成形过程中具体电流施加过程如下：

1)电极①和电极②做正极，电极⑤和电极⑥做负极，开启脉冲电源15在延流道方向施加脉冲电流，通入设定时间后回路停止通电。

2)电极③做正极，电极⑥做负极，开启脉冲电源15在横穿于流道方向施加脉冲电流，通入设定时间后回路停止通电。

3)电极①做正极，电极④做负极，开启电源，电流由左上电极①流向右下方电极④，通入设定时间后回路停止通电。

4)电极②做正极，电极⑤做负极，开启电源，电流由右上电极②流向右下方电极⑤，通入设定时间后回路停止通电。

以上通电过程由循环时序控制开关14控制循环进行。

步骤五：压力机继续下行，下压速度为0.1mm/s，上下模具合模；完全合模后，电流继续保持一段时间之后自动关闭,共计保压时间约为15s；上下模分离并取出已成形金属极板，完成精密成形工艺过程。

实施例3：本实施例采用实施例1所述装置成形燃料电池金属双极板，具体包括下述步骤：

步骤一：将待成形钛合金板料10放置于凹模6的相应位置；

步骤二：压力机带动上模座1、凸模2和压边电极组件一起向下移动；

步骤三：压边电极11压紧待成形钛合金板料10后停止下行；

步骤四：开启预先设置参数的脉冲电源15本实施例中脉冲电源15为交流脉冲电源，输出电流为1-1000A可调，频率为1Hz-20KHz可调，以特定加载模式对待成形钛合金板料10进行成形前预处理，处理时长为60s；

步骤五：关闭脉冲电源15，压力机继续下行，上下模具逐渐合模；

步骤六：上下模具分离并取出已成形金属极板，完成精密成形工艺过程。

实施例4：本实施例采用实施例1所述装置成形燃料电池金属双极板，具体包括下述步骤，其中步骤一到五与实施例3相同：

步骤六：再次开启特定参数脉冲电源15，电流作用30s后关闭电源；

步骤七：开模取出已成形金属极板，完成精密成形工艺过程。

实施例5：压边电极11可更换为柔性电极形式，以应对成形形状更为复杂的金属双极板，示例如图7所示。

所述柔性电极包括覆板、绝缘弹簧和电极片；所述的覆板与压边圈3下表面固定连接，覆板底面固定连接有若干绝缘弹簧，绝缘弹簧上端与覆板固定连接，下端与电极片固定连接，且每个绝缘弹簧连接一个电极片，电极片之间相互并联，使用时电极片与待成型金属板料贴合，用于成形形状更为复杂的金属双极板。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于金属双极板精密成形的装置，其特征在于，所述装置包括模具组件、压边电极组件、导线(13)、循环时序控制开关(14)和脉冲电源(15)；

所述的模具组件包括上模座(1)、凸模(2)、凹模(6)、下模座(7)、导柱(8)、导套(9)和绝缘垫片(12)；所述的下模座(7)为板状结构，其中部固定连接有板状凹槽面结构的凹模(6)，下模座(7)上设有若干导柱(8)；所述的上模座(1)为板状结构，其安装在压力机下，其下表面中部固定连接有凸模(2)，上模座(1)与凸模(2)位于下模座(7)上方，上模座(1)上与导柱(8)对应的位置设孔，孔内设导套(9)，导套(9)与导柱(8)滑动配合，用于上模座(1)的定位；所述的凸模(2)为板状凸起面结构，其与凹模(6)配合，使用时，待成形金属板料置于凹模(6)与凸模(2)之间，凸模(2)凸起部位与凹模(6)凹槽位置相对应，模具合拢将待成形金属板料挤压出凹模(6)凹槽形状；所述的绝缘垫片(12)分别设于凸模(2)与上模座(1)之间以及凹模(6)与下模座(7)之间，用于防止通电过程中电流形成其他回路；

所述的压边电极组件包括压边圈(3)、压边弹簧(4)、压边圈导柱(5)、导套(9)、压边电极(11)和绝缘垫片(12)；所述的压边圈(3)为框型结构，其位于凸模(2)下方，且凸模(2)可从其内圈穿过，压边圈(3)用于压紧金属板料边缘，压边圈(3)的内外圈轮廓形状依成形极板形状而定，其上表面设有若干压边圈导柱(5)，上模座(1)上与压边圈导柱(5)对应位置设孔，孔内设导套(9)，导套(9)与压边圈导柱(5)滑动配合，用于压边圈(3)的定位；每个压边圈导柱(5)上均套有一个压边弹簧(4)，压边弹簧(4)两端分别与上模座(1)和压边圈(3)连接，用于压边圈(3)的压紧和复位；所述压边电极(11)设形状相同的若干个，其分别固定在压边圈(3)底部，压边电极(11)与压边圈(3)之间设有绝缘垫片(12)，用于防止电流通过压边圈(3)造成短路；

所述脉冲电源(15)包括一个或多个脉冲电源设备，可输出任意波形直流或交流脉冲电流，其通过导线(13)与循环时序控制开关(14)连接，用于对待成形金属板料施加脉冲电流，循环时序控制开关(14)通过导线(13)连接多组压边电极(11)，其以固定加载模式循环施加脉冲电流于待成形金属板料，并通过冲压实现金属极板成形。

2.根据权利要求1所述的一种用于金属双极板精密成形的装置，其特征在于，所述的压边电极(11)的数目、形状和位置根据待成形金属板料的形状要求及所需电极组数设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于金属双极板精密成形的装置，其特征在于，所述的压边电极(11)可更换为柔性电极形式，以应对成形形状复杂的金属双极板；所述柔性电极包括一个覆板、多个绝缘弹簧和多个电极片，其中，绝缘弹簧与电极片数量相同，覆板与压边圈(3)下表面贴合，绝缘弹簧上端与覆板底面固定连接，下端与电极片固定连接，电极片之间相互并联。

4.根据权利要求1所述的一种用于金属双极板精密成形的装置，其特征在于，所述的脉冲电源(15)可输出任意所需直流或交流脉冲电流，占空比任意可调，输出电流在1000A以内可调，频率为1Hz-20KHz。

5.根据权利要求1或2或4中任一所述的一种用于金属双极板精密成形的装置，其特征在于，所述装置适用于满足燃料电池双极板应用的金属材料。

6.根据权利要求3所述的一种用于金属双极板精密成形的装置，其特征在于，所述装置适用于满足燃料电池双极板应用的金属材料。

7.根据权利要求5所述的一种用于金属双极板精密成形的装置，其特征在于，所述金属材料包括不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金。

8.根据权利要求6所述的一种用于金属双极板精密成形的装置，其特征在于，所述金属材料包括不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金。

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