CN1711658A - 燃料电池的隔板的制造方法及隔板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池的隔板的制造方法，所述隔板有许多突出部。根据本发明，所述隔板内的突出部分是用加压流体把金属板压到有许多凹进部分的模具上或者用所述模具压在加压流体支承的金属板上制造出来的，所述模具的凹进部分相应于金属板所要制出的突出部分，以便制出的隔板具有突出部分。本发明还涉及用所述方法生产的隔板。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的隔板的制造方法，所述隔板有许多突出部。本发明还涉及隔板。
背景技术
隔板用于燃料电池。燃料电池的一个例子是PEM燃料电池，用于使氢和氧发生反应而发电，产生的废料只是水。因此，PEM燃料电池在环保上是很好的。PEM燃料电池有许多隔膜(聚合物电解质隔膜)，其两边都有触媒，从而氢可以与氧发生反应。每个电池只能产生大约0.7伏的电压，所以，例如要驱动一辆车需要很多电池。特别是为了使氢与氧隔开以及为了开辟氢、氧和水的供应通道和排出通道，在各对隔膜之间至少要有一块隔板。因此，燃料电池内的隔板数量至少与隔膜的数量是一样的。
对隔板的要求很高。隔板必须能经得起反应产生的水的腐蚀，还要能耐氢。鉴于需要大量隔板，隔板必须又薄又轻，从而，燃料电池才不会又大又重，还必须使隔板的生产成本低，以便燃料电池在价格上有吸引力。
在第一种情况下，隔板是用实心碳板制成的，其中的槽例如通过磨削形成。目前燃料电池的隔板也用金属，例如，不锈钢制造，为了有突出部分其中可以压槽，例如通过深拉或冲压。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种低成本生产隔板的方法。
本发明的另一个目的是提供一种生产隔板的简单方法。
本发明的再一个目的是提供一种能用于生产改进型隔板的方法。
本发明还有一个目的是提供比用现有方法生产的隔板便宜的一种隔板。
提供改进型隔板也是本发明的目的。
本发明的第一方面提供燃料电池的改进型隔板的制造方法，所述隔板有许多突出部分，在所述方法中，为了制造出有突出部分的隔板，所述隔板内的突出部分是用加压流体把金属板压到有许多凹进部分的模具上或者用所述模具压在加压流体支承的金属板上制造出来的，所述模具的凹进部分相应于金属板所要制出的突出部分。
与一般的深拉法或冲压法相比的许多优点是因为使用本方法，亦即液压成形法制造隔板而产生的。液压成形法可以使金属板内的材料比较均匀地拉伸，从而隔板的突出部分可以比较深。在这种情况下，无须金属板的机械形变。金属板的表面不为流体接触所破坏，而使用机械形变，金属板的表面却有遭破坏的危险。选用的流体通常是水、油或者水油混合物。然而，也可以把聚合物、油漆、电解质、玻璃或盐选作流体。这样做可以把流体用作涂层或涂层作业前的预处理。
按优选方案，选定的流体压力要高到足以把金属板压到模具的整个表面上。这样可以使金属板制成隔板所需的形状。而机械形变总有某种程度的回弹。
按优选方案，要选定流体压力的校准压力。在这里，术语校准压力应该理解为这样一种压力，在该压力下金属板要经受如此高的负荷，以致剩余应力基本消失，从而隔板精确地获得带有凹陷的模具内凹陷的形状。
根据优选实施例，流体压力选在250巴(25兆帕)与6000巴(600兆帕)之间。所选压力当然与金属板的厚度有关，也与金属板内突出部分的形状有关，尤其与突出部分的深度与宽度的比例以及必须形成的倒角有关。另外，选定的压力还决定于要发生形变的材料的种类；有些材料在500巴(50兆帕)与1000巴(100兆帕)之间的压力下变形，而对于有些材料则至少需要1000巴(100兆帕)，优选地需要至少1500巴(150兆帕)或者甚至需要2000巴(200兆帕)的压力。
根据本方法的一个实施例，首先把金属板放在模具上，然后，用加压流体把金属板压到所述模具上。这是本方法的简单实施例，其中金属板可以用卷材供应，从而，可以连续生产隔板。
根据本方法的另一实施例，首先使金属板处于流体的预压下，然后，再把模具压到金属板上并对所述流体加压。开始时使金属板处于流体的预压下使金属板经受初拉伸，从而所述板在与模具接触之前更长些，金属板的拉伸更均匀些，形状更像模具一些。
根据优选实施例，在金属板与流体之间放置隔膜，按优选方案，隔膜有涂层，以便同时使金属板有涂层。所述隔膜可以防止隔板遭污染。同时敷以涂层对于隔板需要涂层的情况是有利的。所述涂层可以包括金属涂层、有机涂层、无机涂层或者这些涂层的结合。
按优选方案，所选金属板是用诸如低碳钢、超低碳钢、铝、不锈钢或钛之类的易变形金属制造的板。这些金属容易变形并且可以用作隔板的金属。
在这种情况下，按优选方案，根据美国试验材料学会的E6板材拉伸试验标准，所述金属的形变能力相当于断裂时的均匀延伸率为至少20％。有了这种形变能力，借助液压成形法就可以把隔板制成所要的形状，例如，制成的突出部分的深与宽之比大于借助机械形变法制成的突出部分。
根据本方法的优选实施例，所述板在压制作业中处于室温下。这就是说使用本方法无须在方法实施过程中采取特殊措施加热金属板。
根据另一优选实施例，所述板在压制过程中处于高温下，例如，对于碳素钢温度在500℃-1000℃，对于铝温度在100℃-550℃，对于不锈钢温度在600℃-1300℃。虽然，因为本方法在实施中必须对所述板，因而也要对模具和流体加热，这使方法实施起来更复杂，但是，由于金属板加了热，形变能力更强，结果所述凹陷部分的深度与宽度之比可以增加。使用所给的温度优选值可以获得最佳效果。
优选地，金属板形变前的厚度选定于0.05mm和0.40mm之间，0.05mm和0.20mm之间更好。金属板的这一厚度能使液压成形顺利进行而隔板的突出部分又可以制造得足够的深。为了把隔板制造得更薄而又更轻，优选地，厚度在0.05mm和0.20mm之间。
根据本方法的优选实施例，金属板在制造突出部分的同时切削成所需的形状和大小。这是切实可行的，特别是如果金属板是以带材供应的更是如此，因为这样做隔板可以同时切割到所需的尺寸。
本发明的第二方面是提供一种有许多突出部分的隔板，所述隔板根据本发明第一方面的方法生产，用诸如低碳钢、超低碳钢、铝、不锈钢或钛之类的易变形金属板制造。
特别是如果金属板用易变形金属板制造，隔板可以用上述方法生产，因为与用机械形变法相比这样可以制造出深与宽之比值更大的突出部分。
按优选方案，根据美国试验材料学会的E6板材拉伸试验标准，所述金属的形变能力相当于断裂时的均匀延伸率为至少20％。因此，所述金属板具有的形变能力借助液压成形法在任何情况下都足以制造出所需深宽比的突出部分。
根据本发明的优选实施例，金属板的未形变部分的厚度在0.05mm至0.40mm之间，优选在0.05mm与0.20mm之间。借助液压成形法可以顺利地制造出这样厚度的隔板并满足燃料电池内使用的隔板的要求。
按照优选方案，所述板内的转折段的圆弧半径至少与板的未变形部分的厚度相等。如果圆弧半径选择得小于这一厚度，为了迫使板形成具有这种圆弧半径的角度，就要有高得多的流体压力。
根据一个优选实施例，突出部分有重复的图形，间距为w，深度为d，如果所述板在室温下发生形变，则0.03＜d/w＜1.2，0.1＜d/w＜0.5较好，0.2＜d/w＜0.5更好；如果所述板在高温下发生形变，则0.03＜d/w＜2.4，0.2＜d/w＜1.0较好，0.4＜d/w＜1.0更好。如果隔板借助液压成形法生产，重复突出部分的深度与间距的这一性质的比值，很明显是可以做到的，而借助机械形变法，特别是较好值，是不太可能做到的。
本发明还涉及有许多突出部分的隔板，在所述板内，所述突出部分的周围是隔板的基本为平面的部分，所述突出部分具有基本重复的图形，间距为w，长为d，0.25＜d/w＜2.4。例如，板的周围部分，除了氢、氧和水穿过的进料通道和排出通道之外，可以是平面的。这种间距w与深度d之比，用一般的机械生产方法不可能制造。在此情况下，所述板在未变形的部分的厚度，按优选方案，在0.05mm与0.40mm之间，在0.05mm与0.20mm之间更好。
附图说明
下面根据示例并参考附图来解释本发明，其中：
图1是使用根据本发明方法的第一装置的示意图。
图2是使用根据本发明方法的第二装置的示意图。
图3是根据本发明生产的隔板的突出部的图形。
图4是图3所示隔板的不按比例的横断面图。
具体实施方式
图1所示是用液压成形法把金属板1制成隔板的装置。金属板1位于上模具2与下模具5之间；上模具2在下表面3上有凹进部分4，通过下表面3用力F将上模具2压到板1上；下模具5在中间部分有凹陷7，用于容纳通过穿过下模具5的管线6以一定压力P供应的流体。以一定的力F把上模具压到板1上，做到不使流体漏出装置；如果合适，可以为此目的安装单独的密封件(未显示)。同时，所述力F必须大到能经得住凹陷7内流体的压力P施加于金属板1的力。压力P的大小要选择得足以使板1变形，贴到上模具2的凹进部分4的壁上。压力P的大小决定于板的厚度和凹进部分4的形状，还决定于所选定的材料。按优选方案，压力大小做到在压力P解除后隔板的变形部分回弹很少或一点也不回弹。使用的流体通常为水、油或水油混合物。
图2所示是用液压成形法把金属板1制成隔板的另一种装置。此装置除了上模具2可以在夹紧模9之间移动外基本与图1所示的装置一样。以流体不会漏出装置的力F1把这个夹紧模9压在板1上，而上模具2则不压到板1上。这样借助于下模具5的凹陷7内的流体可以使板1处于初压下，导致板1预拉伸，并采取凸位，比原来更长，从而所述板能更好地随从模具的形状。然后，使上模具2下移并施加最终压力P，结果，板1变形，靠在上模具2的凹进部分4的壁上。板1的预拉伸导致其内的拉伸更均匀。
往往选择不锈钢板作所述金属板，按美国试验材料学会的标准为304、316和904号的板适合此种用途，因为其变形性能良好。也可以选择低碳钢或超低碳钢，在这种情况下，碳含量按重量计算必须低于0.3％，较好低于0.15％，更好低于0.05％。锰含量按重量计算必须低于1.5％，硅含量按重量计算必须低于0.5％。这会导致碳素钢容易变形。还可以选择铝板，例如，从AA1000系列铝材中比如选择AA1050；从AA3000系列铝材中比如选择AA3003或3105，从AA5000系列铝材中比如选择AA5018、5052、5182、5186或5754；或从AA6000系列铝材中比如选择6016。另外，隔板还可以用钛制造。
使用上述两种装置的方法时，使板以合适方式变形所需的压力P必须高，在250巴(25兆帕)与6000巴(600兆帕)之间。对于诸如铝之类比较软的材料，500巴(50兆帕)与1000巴(100兆帕)之间的压力通常就足够了。对于比较硬的金属，至少需要1000巴(100兆帕)的压力，优选地，至少需要1500巴(150兆帕)，甚至2000巴(200兆帕)的压力。很明显，所需的压力还决定于隔板的厚度和隔板横截面的复杂程度。
为了防止隔板遭污染可以在金属板1与下模具5之间放置隔膜(未显示)。为了同时给金属板敷以涂层，所述隔膜也可以有涂层。另一方面，也可以把油漆、聚合物、电解质、玻璃或盐选作流体。因此，在通过本方法使金属板变形的同时隔板上就获得了涂层或涂层的预处理。
图3显示金属板的突出部分可能图形的实施例。此图形是蛇形的，因而形成互相平行的各部分。图4是图3所示图形的横断面图。
突出部分反复出现的图形有间距w。图4内向下突出的部分有深度d和平均宽度a。位于突出部分之间的部分有宽度b，从而a+b＝w。突出部分之间的未发生形变的部分有宽度e，凹进部分有平面部分，其宽度为f。邻接未发生形变部分的倒角有圆弧半径R3，邻接突出部分的平面部分的倒角有圆弧半径R4。在平行突出部分的端部，总的蛇形图形包括具有内圆弧半径R1和外圆弧半径R2的半圆形转折段，其中R1＝R2+a。
在大多数情况下，隔板两边对称是理想的，即，a与b相等，e与f相等，R3与R4相等。在板厚为0.1mm和材料为316不锈钢的特定情况下，例如，选择a＝b＝1mm，因此，w＝2mm，e＝f＝0.75mm，R3＝R4＝0.1mm，d＝0.25mm，R2＝0.5mm，R1＝1.5mm。平行的突出部分的长度大约为250mm。
很清楚，隔板也可以选择其它厚度，在这种情况下，优选方案是使用0.05mm与0.4mm之间的厚度。也可以选择其它材料，例如，(超)低碳钢、铝或钛。也可以选择其它值作为图3和图4内的参数a、b、w、d、e、f、R1、R2、R3和R4。也可以为隔板选择不同的图形或不同的横截面，例如，多少为正弦曲线横截面或突出部分的横截面多少为半圆形。
Claims (20)
1、一种燃料电池的隔板的制造方法，所述隔板有许多突出部分，其特征在于：所述隔板内的突出部分是用加压流体把金属板压到有许多凹进部分的模具上或者用所述模具压在加压流体支承的金属板上制造出来的，所述模具的凹进部分相应于金属板所要制出的突出部分，以便所述隔板具有所述突出部分。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于：流体压力选择得高到足以把所述金属板压到模具的整个表面上。
3、根据权利要求1或权利要求2的方法，其特征在于：为流体压力选定校准压力。
4、根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：把流体压力选定在250巴(25兆帕)和6000巴(600兆帕)之间，500巴(50兆帕)和1000巴(100兆帕)之间或者1000巴(100兆帕)和6000巴(600兆帕)之间较好，1500巴(150兆帕)和6000巴(600兆帕)之间更好，2000巴(200兆帕)和6000巴(600兆帕)之间最好。
5、根据权利要求1至权利要求4中任一项的方法，其特征在于：首先把所述金属板放到所述模具上然后用加压流体把所述金属板压到所述模具上。
6、根据权利要求1至权利要求4中任一项的方法，其特征在于：首先把所述金属板置于流体的预压下然后再把所述模具压到所述金属板上并对所述流体加压。
7、根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：把隔膜放置于所述金属板与所述流体之间，优选地，隔膜上有涂层以便同时对所述金属板敷以涂层。
8、根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：把用诸如低碳钢、超低碳钢、铝、不锈钢或钛之类的易变形金属制成的板选作金属板。
9、根据权利要求8的方法，其特征在于：所述金属的形变能力相当于断裂时的均匀延伸率为至少20％。
10、根据权利要求1至权利要求9中任一项的方法，其特征在于：所述板在压制作业中处于室温下。
11、根据权利要求1至权利要求9中任一项的方法，其特征在于：所述板在压制作业中处于高温下，例如，对于碳素钢为500℃到1000℃，对于铝为100℃到550℃，对于不锈钢为600℃到1300℃。
12、根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：所述金属板形变前的厚度选定在0.05mm与0.40mm之间，优选地在0.05mm与0.20mm之间。
13、根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：在所述金属板上压制出突出部分的同时把所述金属板切削成所需的形状和大小。
14、一种用上述权利要求之一的方法生产的具有许多突出部分的隔板，其特征在于：所述隔板是用易变形金属板制造的，例如，用低碳钢、超低碳钢、铝、不锈钢或钛制成的板。
15、根据权利要求14的隔板，其特征在于：所述金属的形变能力相当于断裂时的均匀延伸率为至少20％。
16、根据权利要求14或15的隔板，其特征在于：所述隔板未形变部分的厚度在0.05mm与0.40mm之间，优选在0.05mm与0.20mm之间。
17、根据权利要求14至16中任一项的隔板，其特征在于：所述板内转折段的圆弧半径至少与所述板的未形变部分的厚度相等。
18、根据权利要求14至17中任一项的隔板，其特征在于：所述突出部分具有重复的图形，间距为w，深度为d，如果所述板在室温下发生形变，则0.03＜d/w＜1.2，0.1＜d/w＜0.5较好，0.2＜d/w＜0.5更好；如果所述板在高温下发生形变，则0.03＜d/w＜2.4，0.2＜d/w＜1.0较好，0.4＜d/w＜1.0更好。
19、一种具有许多突出部分的隔板，其中的突出部分的周围是隔板的基本为平面的部分，所述突出部分有基本重复的图形，间距为w，深度为d，其中0.25＜d/w＜2.4。
20、根据权利要求19的隔板，其特征在于：所述隔板未形变部分的厚度在0.05mm与0.40mm之间，优选在0.05mm与0.20mm之间。
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