CN116154208A - 燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板及其制备方法、模具组件 - Google Patents
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Abstract
公开一种燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板的制备方法，包括：材料获取工序，获取0.05mm以上且0.2mm以下厚度的钛基材；模具获取工序，获取构造有相切连接圆弧流道的预成形模具；预成形工序，通过所述预成形模具对所述工业纯钛材料进行预成形得到钛极板；退火热处理工序，将预成形的钛极板进行退火热处理；完全冲压成形工序，通过完全成形模具对所述热处理后的预成形钛极板进行完全冲压成形；冲裁工序，对完全成形后的极板进行冲裁，去除飞边及腔口多余材料；焊接工序，对冲裁后的极板进行堆叠，通过焊接将堆叠的两极板进行连接形成双极板；表面涂层工序，对焊接后的双极板进行表面涂层。
Description
技术领域
本公开涉及氢能源燃料电池领域，具体的涉及一种燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板及其制备方法，还涉及适用于制备燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板的模具组件。
背景技术
氢能具有清洁、高效等诸多优点，在能源消费革命中发挥重要作用，被认为是推动实现“碳达峰、碳中和”的重要解决方案。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转化率高、功率密度高以及零排放等优势，是氢能源的重要终端应用方式，在航空航天、新能源汽车、移动电源和固定式发电站等领域表现出广阔的应用前景。
双极板作为质子交换膜燃料电池的核心部件之一，起到分配流场、收集电流、支撑反应界面等作用，对燃料电池的功率密度、可靠性和成本等方面有重要的影响，是制约高性能燃料电池发展的关键瓶颈之一。根据基材划分，双极板可分为石墨双极板、复合材料双极板和金属双极板。金属双极板由于具有厚度小、重量轻、成本低、导电导热性能优异等特点，是燃料电池发展的主要方向之一。其中，钛在轻量化和耐蚀性等方面相比不锈钢具有巨大优势，被认为是未来极具应用前景的极板基材。
然而，较低的成形性能限制了钛极板的实际工程应用，采用传统的冲压成形技术生产钛极板面临以下三个主要问题：其一，受限于基材较低的延伸率，钛双极板流道的极限成形深宽比较小，不利于输送反应气和排出产物水，制约了燃料电池堆功率的提升；其二，由于双极板局部特征复杂且形状各异，成形过程中的不均匀变形以及不同区域的残余应力差异导致钛双极板的成形精度低、成形特征一致性差，这可能会影响燃料电池的性能甚至长期寿命。其三，传统工艺过程并不能改进或提升双极板的耐腐蚀性，因而对后续的涂层防护能力要求高，这制约了燃料电池电堆寿命和可靠性的提升。因此，亟需开发一种能提高成形精度和耐蚀性的钛双极板制备方法。
专利文献CN110534765A(一种燃料电池所需的高精度金属双极板的成形方法)中提出了一种利用两次冲压成形金属双极板的方法，减小了成形双极板的翘曲与应力变形，提高了成形精度。但该方法并未消除预变形产生的残余应力，也未对双极板表面进行涂层处理，一方面无法提高基材的成形极限，另一方面也无法提升双极板的导电性和耐腐蚀性；专利文献CN112974642A(一种燃料电池金属极板的电辅助成形装置及工艺)中公开了一种燃料电池金属极板的电辅助成形装置及工艺，利用电流产生的焦耳热和电致塑性效应提高了金属基材的延展性、降低了材料的流动应力，但成形时产生的热应力及温度变化导致的热胀冷缩将影响极板的尺寸精度，同时该发明工艺仅采用单步成形，无法充分发挥材料的成形潜力，限制了材料的成形极限。发明专利CN110238256A(一种燃料电池金属双极板四步冲压模具及成形方法)提出了一种用于成形燃料电池双极板的四步成形模具及方法，通过设计每步成形模具结构，提升了材料的成形精度和成形极限，但是该成形方法包含四套成形模具，生产制造成本高，而且对板料在各步成形工位的定位精度具有极高的要求，且成形后不能有效提升双极板的耐腐蚀性。
专利CN103887534B(用于不锈钢燃料电池双极板的两步骤成形的独特的预成形设计)中介绍了一种用于双极板两步成形的预成形设计，该发明设计了流道截面为V形的预成形模具，相较于单步成形，该成形方法可使流道圆角处局部减薄和颈缩大大减小，但是该发明所设计的V形流道在成形时易在V形顶部圆角处发生应力集中导致局部过大的减薄和颈缩，并且该工艺所成形双极板的导电性和耐腐蚀性取决于基材性质，无法通过成形工艺提升双极板的耐腐蚀性。针对以上问题，本公开提出了一种不仅能够提高难成形金属材料的成形性能和成形精度同时提升成形后双极板耐腐蚀性的成形工艺。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本公开旨在提出一种燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板的制备方法，以至少能够提高钛双极板的成形极限与成形精度。作为本公开进一步的目的，该燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板及其制备方法还可以进一步提升钛双极板的耐腐蚀性。
为实现上述目的，本公开的超薄钛双极板成形方法包括以下步骤：
一种燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板的制备方法，包括：
材料获取工序，获取0.05mm以上且0.2mm以下厚度的钛基材；
模具获取工序，获取构造有相切连接圆弧流道的预成形模具；
预成形工序，通过所述预成形模具对所述工业纯钛材料进行预成形得到钛极板；
退火热处理工序，将预成形的钛极板进行退火热处理；
完全冲压成形工序，通过完全成形模具对所述热处理后的预成形钛极板进行完全冲压成形；
冲裁工序，对完全成形后的极板进行冲裁，去除飞边及腔口多余材料；
焊接工序，对冲裁后的极板进行堆叠，通过焊接将堆叠的两极板进行连接形成双极板。
表面涂层工序，对焊接后的双极板进行表面涂层；
作为本公开的另一个方面，所述预成形模具流道截面包括多个排布的第一波浪凸起；每个第一波浪凸起包括相切连接的第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段；所述第二圆弧段相切连接于所述第一圆弧段和所述第三圆弧段之间；所述第二圆弧段的顶点与所述完全成形模具的流道中点位置重合；所述第一圆弧段与第三圆弧段的内圆弧半径相等；所述第一圆弧段和所述第三圆弧段所对应的圆心位于波浪凸起外，所述第二圆弧段所对应的圆心位于波浪凸起内；所述预成形模具的流道型线周期与所述完全成型模组的流道型线周期保持一致。
作为本公开的另一个方面，所述第一圆弧段与第二圆弧段的内圆弧半径相等；所述内圆弧半径为0.15mm～0.5mm；所述流道型线周期为1mm～3mm。
作为本公开的另一个方面，在所述退火热处理工序中，将预成形的钛极板从预成形模具的模腔中取出，转移至马弗炉中，通过马弗炉将钛极板加热至再结晶温度以上，并在所选择的温度下保温预定时间，保温结束后将钛极板取出并空冷至室温。
作为本公开的另一个方面，所述热处理的温度范围为500～750℃，保温时间控制在2～30min之间。
作为本公开的另一个方面，所述完全成型模具流道包括多个排布的第二波浪凸起；每个所述第二波浪凸起包括腰部流道、顶部流道以及底部流道；所述顶部流道的流道中点与所述第二圆弧段的顶点位置重合；
所述顶部流道的两侧分别设有所述腰部流道和所述底部流道；所述腰部流道连通于所述顶部流道和所述底部流道之间；所述腰部流道分别和所述顶部流道、所述底部流道之间通过圆角过渡流道过渡连通。
作为本公开的另一个方面，各个过渡流道的圆角过渡半径相等。
作为本公开的另一个方面，所述完全成形模具流道宽度为0.4mm～2mm，流道深度为0.3mm～1mm，所述过渡流道的圆角过渡半径为0.1mm～0.45mm。
作为本公开的另一个方面，在所述冲裁工序中，对完全成形后的极板进行冲裁，去除飞边及腔口多余材料；
在所述焊接工序中，对冲裁后的极板进行堆叠，通过焊接将堆叠的两极板进行连接形成双极板。
在所述表面涂层工序中，利用非晶碳的涂层对焊接后的双极板进行表面涂层；
作为本公开的另一个方面，所述钛基材为钛元素含量大于99.5％的工业纯钛；所述工业纯钛为冷轧后进行退火热处理获得组织为α相的钛基材。
一种燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板，其基于如上任一所述的制备方法制造，所述双极板通过极差法得到其平均减薄率的厚度极差在10μm以下。
作为本公开的另一个方面，所述双极板与未经热处理的双极板在动态电位腐蚀测试中的自腐蚀电流密度降低70％以上。
作为本公开的另一个方面，所述双极板与未经热处理的双极板在静态电位腐蚀测试中相同电位下的腐蚀电流密度降低50％以上。
一种适用于制备燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板的模具组件，所述模具组件包括预成形模具和完全成型模具；所述预成型模具的流道包括多个排布的第一波浪凸起；每个第一波浪凸起包括相切连接的第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段；所述第二圆弧段相切连接于所述第一圆弧段和所述第三圆弧段之间；所述第二圆弧段的顶点与所述完全成形模具的流道中点位置重合；所述第一圆弧段与第三圆弧段的内圆弧半径相等；所述第一圆弧段和所述第三圆弧段所对应的圆心位于波浪凸起外，所述第二圆弧段所对应的圆心位于波浪凸起内；所述预成形模具的流道型线周期与完全成型模组的流道型线周期保持一致。
作为本公开的另一个方面，所述完全成型模具的流道包括多个排布的第二波浪凸起；每个所述第二波浪凸起包括腰部流道、顶部流道以及底部流道；所述顶部流道的流道中点与所述第二圆弧段的顶点位置重合；
所述顶部流道的两侧分别设有所述腰部流道和所述底部流道；所述腰部流道连通于所述顶部流道和所述底部流道之间；所述腰部流道分别和所述顶部流道、所述底部流道之间通过圆角过渡流道过渡连通。
与现有技术相比，本公开具有以下有益效果：
1.基于如上所述的制备方法制造的燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板，与未经热处理的双极板在动态电位腐蚀测试中的自腐蚀电流密度降低70％以上。
2.基于如上所述的制备方法制造的燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板，与未经热处理的双极板在静态电位腐蚀测试中相同电位下的腐蚀电流密度降低50％以上。
3.本公开的制备方法可根据成形需求采用单套完全成形模具，通过控制成形深度完成双极板的制备，应用范围更广，成本更低。
4.本公开的制备方法创新性地在两步冲压工序中加入了一道热处理工序，极大的降低了钛极板预成形过程中产生的加工硬化和残余应力，进一步提高了钛基材的成形极限。
5.本公开的制备方法利用了热处理过程产生的氧化层与涂层的协调作用，提升了钛双极板的耐蚀性。
6.本公开的制备方法中的两步冲压成形工序都在室温下进行，且无需繁琐的辅助设备，投入成本低、加工效率高，适用于大批量生产。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开提出的高精度耐蚀钛双极板制备方法流程图；
图2是实施例1中采用传统的单步冲压成形的目标极板流道的截面图；
图3是实施例1中预成形极板模具流道及完全成形模具流道结构图；
图4是实施例1中采用本公开提出的成形工艺成形的极板流道截面厚度分布与传统单步成形工艺和两步成形工艺成形的极板流道截面厚度分布对比；
图5是实施例1中600℃/10分钟热处理后的钛极板基材动态电压条件下腐蚀性能测试的Tafel曲线图；
图6是实施例1中600℃/10分钟热处理后的钛极板基材静态电压条件下腐蚀性能测试的I-t曲线图；
图7是实施例3中500℃/30分钟热处理后的钛极板基材动态电压条件下腐蚀性能测试的Tafel曲线图；
图8是实施例3中500℃/30分钟热处理后的钛极板基材静态电压条件下腐蚀性能测试的I-t曲线图；
图9是实施例4中700℃/5分钟热处理后的钛极板基材动态电压条件下腐蚀性能测试的Tafel曲线图；
图10是实施例4中700℃/5分钟热处理后的钛极板基材静态电压条件下腐蚀性能测试的I-t曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本公开中的技术方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本公开。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本公开的实施例提供一种燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板的制备方法，包括以下步骤：
S1、材料获取工序
双极板作为燃料电池内部核心零部件之一，尤其是针对厚度极薄的金属双极板，其原材料的理化特性及力学性能决定了燃料电池的发电性能和其可成形流道的尺寸极限，因此燃料电池双极板基材的选择是燃料电池制造过程的关键。双极板具有分配气体液体的流道，该流道分布密集，尺寸精细，因此对双极板基材的成形性能具有较高的要求；同时双极板还承担着收集电流和形成反应物和生成物的流体流动空间的作用，这对双极板基材的导电性和耐腐蚀性提出了较高的要求。
钛有着低密度、高强度力学性能，在PEMFC中具有良好的耐蚀性能，而且服役过程产生的腐蚀产物对质子交换膜和催化剂的毒性较小，可保证PEMFC的运行稳定性和长使用寿命，成为当前金属双极板研究的主流材料之一。
在该工序中，选用一种钛元素含量大于99.5％的TA1工业纯钛，所述工业纯钛为冷轧后进行退火热处理获得组织为α相的钛基材。钛基材的厚度范围可在0.05mm以上且0.2mm选取，在本实施例中，钛基材的厚度优选为0.1mm。该种材料具有较高的延伸率，常用于制造形状复杂的冲压件，同时其具备优良的耐腐蚀性，十分适合制造形状精密、对耐腐蚀性要求较高的燃料电池双极板。
S2、模具获取工序
在该工序中，利用CAE软件进行钛极板多步成形有限元仿真分析，基于成形后流道最大减薄率、厚度分布均匀性以及最终成形尺寸等指标，确定预成形模具结构设计参数。
但是，对于传统的单步成形工艺而言，板材在成形过程中应变最大部位始终集中在流道圆角位置，其余位置的板材变形程度很小，导致成形流道尺寸极限大幅降低，未能充分发挥材料的变形潜力。结合图2所示，若采用传统的单步冷冲压成形，将出现流道圆角位置基材严重减薄的问题。
针对以上问题，本实施例基于目标极板流道的尺寸参数，对预成形模具结构进行了重新设计。具体地，将预成形模具流道截面设计为相切连接的圆弧，所述圆弧顶点与完全成形模具流道中点位置重合，可通过改变内圆弧半径(图3中R1和R2)来改变预成形流道深度和形状。通过改变内圆弧半径(图3中R1和R2)，预成形模具流道深度可以小于目标流道深度、等于目标流道深度和大于目标流道深度，该预成形模具可将预变形最大应变区域与最终成形流道圆角区域错开，充分发挥所有材料变形潜能，从而提高成形流道厚度分布均匀性。
如图3所示，预成形模具(的)流道1(虚线内流道)包括多个排布的第一波浪凸起。图2为一完整的波浪凸起截面图。并且，图1中示意可看出多个第一波浪凸起在一水平方向上平行排布。从图2所示横截面来看，每个第一波浪凸起大致呈“几”字形流道，其包括相切连接的第一圆弧段110、第二圆弧段120、第三圆弧段130。所述第二圆弧段120相切连接于所述第一圆弧段110和所述第三圆弧段130之间；所述第二圆弧段120的顶点与所述完全成形模具的流道中点210位置重合。所述第一圆弧段110、第二圆弧段120、第三圆弧段130的内圆弧半径R1、R2相等。
预成形模具包括上模和下模，其中，上模与冲压机冲头固定，下模固定在底座。冲压机在预定合模压力下带动上模向下朝向下模移动，钛基材放置于下模。上模向下运动对下模上的钛基材进行冲压，继续下压直至达到预定合模压力，上模和下模之间构成预成型模具的流道，钛基材基于该流道形成期望的预成形结构。
在其他可行的实施例中，所述第一圆弧段110与第三圆弧段130的内圆弧半径R2相等，第二圆弧段120与第一圆弧段110、第三圆弧段130的内圆弧半径不等，也即R1≠R2，在该实施例中，只需流道关于穿过第二圆弧段120的顶点的中线镜像对称即可。
在本实施例中，所述第一圆弧段110和所述第三圆弧段130向内凹，所述第二圆弧段120向外凸。所述第一圆弧段110和所述第三圆弧段130所对应的圆心位于第一波浪凸起外。所述第二圆弧段120所对应的圆心位于第一波浪凸起内。所述预成形模具的流道型线周期T与所述完全成型模组的流道型线周期保持一致。所述预成形模具流道内圆弧半径R1、R2为0.15mm～0.5mm，流道型线周期的截面长度T(也可以视为横向长度)为1mm～3mm。钛基材在预成型模具中被冲压预成型，构造成预成形模具流道1的形状。
S3、预成形工序
采用步骤S1设计的预成形模具，对钛基材进行预成形。
S4、退火热处理工序
将预成形的钛极板从预成形模具模腔中取出，转移至马弗炉中，使其加热至再结晶温度以上，并在所选择的温度下保温一段时间，随后取出并空冷至室温。退火热处理的目的是释放内部应力，消除预成形过程中产生的加工硬化，从而改善预成形极板的再变形能力，提高成形极限。同时，热处理能提高钛极板表面氧化层的厚度及致密性，进而提高其耐腐蚀性能。热处理的温度范围为500～750℃，保温时间控制在2～30min的范围内。
S5、完全冲压成形工序
设计并制造完全成形模具。如图3所示横截面来看，所述完全成型模具流道200包括多个平行排布的第二波浪凸起。每个所述第二波浪凸起包括腰部流道202、顶部流道201以及底部流道203。所述顶部流道201的流道中点210与所述第二圆弧段120的顶点位置重合。
所述顶部流道201的两侧分别设有所述腰部流道202和所述底部流道203；所述腰部流道202连通于所述顶部流道201和所述底部流道203之间；所述腰部流道202分别和所述顶部流道201、所述底部流道203之间通过圆角过渡流道204过渡连通。各个圆角过渡流道204的圆角过渡半径(内圆半径)相等，例如：R5＝R6。完全成型模具同样采用上下模结构，其可参考上述对于预成形模具的描述，此处不再赘述。
在其他实施例中，R5≠R6，只需左右两个底部圆角过渡流道的圆角过渡半径R5相等，左右两个顶部圆角过渡流道的圆角过渡半径R6相等即可。
采用完全成形模具对热处理后的预成形极板进行完全冲压成形。如图3所示，所述完全成形模具流道宽度L为0.4mm～2mm，流道深度h为0.3mm～1mm，流道圆角过渡半径R5、R6为0.1mm～0.45mm，完全成形模具的流道型线周期与预成形模具的流道型线周期(横向长度T)保持一致。
S6、冲裁工序
对步骤S5中完全成形后的极板进行冲裁，去除飞边及腔口多余材料；
S7、焊接工序
对步骤S6中冲裁后的极板进行两两堆叠，采用激光焊接工艺将两极板特定区域进行连接形成双极板。
S8、表面涂层工序
对步骤S7中焊接后的双极板进行表面涂层，所述涂层材料为非晶碳，旨在进一步提升钛极板的导电性和耐腐蚀性
下面通过几个具体的实施例来详细描述本公开的制作方法的实施，以便更好地理解本公开。
实施例1：
本实施例提供一种能够提高钛极板成形性、截面厚度分布均匀性以及耐蚀性的新方法，其具体步骤如下：
S1、原材料选择
本实施例中试样基材选取日本某钢厂生产的厚度为0.1mm的钛元素含量高于99.5％的TA1工业纯钛，所述工业纯钛为冷轧后进行退火热处理获得组织为α相的钛基材。
S2、设计制作预成形模具
为保证材料在预成形过程中具有尽可能高的流动性，并避免流道局部位置的集中减薄，借助有限元软件进行钛极板流道的多步成形有限元仿真，以完全冲压成形极板流道的基材最大减薄率和基材厚度分布均匀性为优化目标设计预成形模具，所述预成形模具流道内圆弧半径为R1＝R2＝0.25mm，深度h为0.4mm，流道型线周期T为1.13mm。
拟成形的目标极板流道的周期(长度T)为1.13mm，过渡流道的圆角过渡半径为0.1mm，深度h为0.4mm。
预成形与完全成形模具结构如图3所示。
如图2所示，若采用传统的单步冷冲压成形，将出现流道圆角位置基材严重减薄的问题。
S3、预成形
采用步骤S2设计的预成形模具，对材料进行预成形。
S4、退火热处理
将马弗炉加热至600℃后等待10分钟，确保马弗炉的温度稳定且炉内温度均匀。将预成形的试样转移至马弗炉中，保温10分钟后取出并空冷至室温。可以观察到试样表面呈现浅蓝色，说明600℃/10分钟的退火热处理已产生了一定厚度的氧化层。
S5、完全冲压成形
对热处理后的试样进行完全冲压成形，试样的基材厚度分布均匀性得到明显改善。
S6、冲裁工序
对步骤S5中完全成形后的极板进行冲裁，去除飞边及腔口多余材料；
S7、焊接工序
对步骤S6中冲裁后的极板进行两两堆叠，采用激光焊接工艺将两极板特定区域进行连接形成双极板。
S8、表面涂层工序
对步骤S7中焊接后的双极板进行表面涂层，所述涂层材料为非晶碳，旨在进一步提升钛极板的导电性和耐腐蚀性
具体的，采用极差法评价极板流道的厚度分布均匀性。如图4所示，在每个流道型线周期上选取9个特征位置(分别为脊、槽和侧壁中点以及圆角最大减薄位置)测量其基材厚度，测量5个周期后计算每个特征位置上的平均减薄率，最后计算平均减薄率最大和最小的特征位置的厚度极差。采用本公开提出的新方法成形的极板流道厚度极差仅为8.4μm，相比单步冲压成形的极板(34.7μm)和无中间热处理两步成形的极板(13.5μm)有明显改善。
对600℃/10分钟热处理后的钛基材进行动态电压条件下的腐蚀性能测试，发现其自腐蚀电流密度以及各电压条件下的腐蚀电流密度相比原始基材均显著减小，如图5和图6所示，具体的，未经热处理的原始板材自腐蚀电流密度为3.52μA*cm-2，而经过600℃/10分钟的热处理后，其自腐蚀电流密度降低为0.27μA*cm-2。
对于不同电位下的静态腐蚀性能来讲，原始的钛基材在0.6V(vs.Ag/AgCl)，电压下测试1小时后的腐蚀电流密度约为2.52μA*cm-2，且其在各电压下的腐蚀电流密度均随测试时间而不断增大。而600℃/10分钟热处理后的钛基材在0.6V(vs.Ag/AgCl)电压下测试1小时后的腐蚀电流密度仅约为0.39μA*cm-2，且其随时间的变化较小。因此经过本公开工艺处理后的双极板耐蚀性有了大幅提升。可以看出，该实施例所得到的双极板与未经热处理的双极板在动态电位腐蚀测试中的自腐蚀电流密度降低70％以上。并且，双极板与未经热处理的双极板在静态电位腐蚀测试中相同电位下的腐蚀电流密度降低50％以上。
实施例2：
本实施例中试样基材选取日本某钢厂生产的厚度为0.1mm的TA1工业纯钛，拟成形的目标极板流道的周期T为1.13mm，深度h为0.35mm。
采用本公开提供的新方法，先将钛极板流道预成形至0.3mm深度，随后在600℃的条件下热处理10分钟后取出空冷至室温，最后完全冲压成形，可得到高深宽比的目标极板流道，突破了传统冲压成形的极限，同时，试样的耐蚀性也得到了提高。
实施例3：
本实施例中试样基材选取国内某钢厂生产的厚度为0.1mm的TA1工业纯钛，拟成形的目标极板流道的周期T为1.35mm，深度h为0.4mm，深宽比(h/L)为0.79，无法通过单步冷冲压成形。
采用本公开提供的新方法，先将钛极板流道预成形至0.32mm深度，随后在500℃的条件下热处理30分钟后取出空冷至室温，最后完全冲压成形，可获得不开裂的目标极板。腐蚀测试结果表明，在动电位测中，自腐蚀电流密度由未处理的3.52μA*cm-2降低为0.4μA*cm-2，静态电压条件下的腐蚀电流密度由未处理的2.52μA*cm-2下降至0.29μA*cm-2。
实施例4：
本实施例中试样基材选取国内某钢厂生产的厚度为0.1mm的TA1工业纯钛，拟成形的目标极板流道的周期T为1.36mm，深度h为0.35mm，深宽比(h/L)为0.77。
采用本公开提供的新方法，先将钛极板流道预成形至0.25mm深度，随后在700℃的条件下热处理5分钟后取出空冷至室温，最后完全冲压成形，可获得不开裂的目标极板。腐蚀测试结果表明，在动电位测中，自腐蚀电流密度由未处理的3.52μA*cm-2降低为0.73μA*cm-2，静态电压条件下的腐蚀电流密度由未处理的2.52μA*cm-2下降至1.07μA*cm-2。
可以看出，其中，该实施例所得到的双极板与未经热处理的双极板在动态电位腐蚀测试中的自腐蚀电流密度降低70％以上。并且，双极板与未经热处理的双极板在静态电位腐蚀测试中相同电位下的腐蚀电流密度降低50％以上。
实施例5：
本实施例中试样基材选取某钢厂生产的厚度为0.15mm的TA1工业纯钛，拟成形的目标极板流道的周期T为2mm，深度h为0.4mm。
参照实施例1的步骤流程，先将钛极板流道预成形至0.35mm深度，随后在600℃的条件下热处理10分钟后取出空冷至室温，最后完全冲压成形，可得到高深宽比的目标极板流道，突破了传统冲压成形的极限，同时，试样的耐蚀性也得到了提高。
本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (12)
1.一种燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板的制备方法，包括：
材料获取工序，获取0.05mm以上且0.2mm以下厚度的钛基材；
模具获取工序，获取构造有相切连接圆弧流道的预成形模具；
预成形工序，通过所述预成形模具对所述工业纯钛材料进行预成形得到钛极板；
退火热处理工序，将预成形的钛极板进行退火热处理；
完全冲压成形工序，通过完全成形模具对所述热处理后的预成形钛极板进行完全冲压成形；
冲裁工序，对完全成形后的极板进行冲裁；
焊接工序，对冲裁后的极板进行堆叠，通过焊接将堆叠的两极板进行连接形成双极板；
表面涂层工序，对焊接后的双极板进行表面涂层。
所述预成形模具流道包括多个排布的第一波浪凸起；每个第一波浪凸起包括相切连接的第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段；所述第二圆弧段相切连接于所述第一圆弧段和所述第三圆弧段之间；所述第二圆弧段的顶点与所述完全成形模具的流道中点位置重合；所述第一圆弧段与第三圆弧段的内圆弧半径相等；所述第一圆弧段和所述第三圆弧段所对应的圆心位于波浪凸起外，所述第二圆弧段所对应的圆心位于波浪凸起内；所述预成形模具的流道型线周期与所述完全成型模组的流道型线周期保持一致。
2.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述第一圆弧段与第二圆弧段的内圆弧半径相等；所述圆弧半径为0.15mm～0.5mm；所述流道型线周期为1mm～3mm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其中，在所述退火热处理工序中，将预成形的钛极板从预成形模具的模腔中取出，转移至马弗炉中，通过马弗炉将钛极板加热至再结晶温度以上，并在所选择的温度下保温预定时间，保温结束后将钛极板取出并空冷至室温。
4.如权利要求3所述的制备方法，其中，所述热处理的温度范围为500～750℃，保温时间控制在2～30min之间。
5.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述完全成型模具流道包括多个排布的第二波浪凸起；每个所述第二波浪凸起包括腰部流道、顶部流道以及底部流道；所述顶部流道的流道中点与所述第二圆弧段的顶点位置重合；
所述顶部流道的两侧分别设有所述腰部流道和所述底部流道；所述腰部流道连通于所述顶部流道和所述底部流道之间；所述腰部流道分别和所述顶部流道、所述底部流道之间通过圆角过渡流道过渡连通。
6.如权利要求5所述的制备方法，其中，所述完全成形模具流道宽度为0.4mm～2mm，流道深度为0.3mm～1mm；各个过渡流道的圆角过渡半径相等，所述过渡流道的圆角过渡半径为0.1mm～0.45mm。
7.如权利要求1所述的制备方法，其中，
在所述冲裁工序中，对完全成形后的极板进行冲裁，去除飞边及腔口多余材料；
在所述焊接工序中，通过激光焊接将堆叠的两极板进行连接形成双极板；
在所述表面涂层工序中，利用非晶碳的涂层材料对焊接后的双极板进行表面涂层。
8.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述钛基材为钛元素含量大于99.5％的工业纯钛；所述工业纯钛为冷轧后进行退火热处理获得组织为α相的钛基材。
9.一种燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板，其基于如权利要求1至9任一所述的制备方法制造，所述双极板通过极差法得到其平均减薄率的厚度极差在10μm以下。
10.如权利要求9所述的双极板，其中，所述双极板与未经热处理的双极板在动态电位腐蚀测试中的自腐蚀电流密度降低70％以上；所述双极板与未经热处理的双极板在静态电位腐蚀测试中相同电位下的腐蚀电流密度降低50％以上。
11.一种适用于制备燃料电池用高精度高耐蚀钛双极板的模具组件，所述模具组件包括预成形模具和完全成型模具；所述预成型模具的流道包括多个排布的第一波浪凸起；每个第一波浪凸起包括相切连接的第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段；所述第二圆弧段相切连接于所述第一圆弧段和所述第三圆弧段之间；所述第二圆弧段的顶点与所述完全成形模具的流道中点位置重合；所述第一圆弧段与第三圆弧段的内圆弧半径相等；所述第一圆弧段和所述第三圆弧段所对应的圆心位于波浪凸起外，所述第二圆弧段所对应的圆心位于波浪凸起内；所述预成形模具的流道型线周期与完全成型模组的流道型线周期保持一致。
12.如权利要求11所述的模具组件，其中，所述完全成型模具的流道包括多个排布的第二波浪凸起；每个所述第二波浪凸起包括腰部流道、顶部流道以及底部流道；所述顶部流道的流道中点与所述第二圆弧段的顶点位置重合；
所述顶部流道的两侧分别设有所述腰部流道和所述底部流道；所述腰部流道连通于所述顶部流道和所述底部流道之间；所述腰部流道分别和所述顶部流道、所述底部流道之间通过圆角过渡流道过渡连通。
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