專利名稱：燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池金屬雙極板的成形裝置及方法。
背景技術(shù)：
燃料電池以其高效、潔凈的特點適應了可持續(xù)發(fā)展的要求，它既可用作固定電站， 又可作為移動交通運輸工具的電源，被認為是取代汽車動力的最有競爭力的動力源之一。 其中質(zhì)子交換膜燃料電池除具有燃料電池的一股特點外，還具有可在溫室快速、頻繁啟動， 無電解液流失，水易排出，壽命長，比功率與比能量高等突出特點。質(zhì)子交換膜燃料電池主要由多孔氣體擴散電極、質(zhì)子交換膜和雙極板三部分組成。其中雙極板占整個燃料電池堆總重量的60-80%、占電堆成本的30-45%。雙極板為膜電極的組裝提供機械支撐和強度、 收集電流、分隔氧化劑與還原劑，并引導氧化劑和還原劑流體均勻、平緩且可控地分散到電極表面的反應區(qū)域。因此雙極板在導電性、重量、抗腐蝕和厚度方面都有嚴格的要求，使雙極板的設計和制造成為除了膜、催化劑等問題外的具有挑戰(zhàn)性的內(nèi)容。目前雙極板材料主要以石墨板及石墨-聚合物復合板為主，然而石墨雙極板制造成本高，機械性能差，材料孔隙多，在商業(yè)應用中被限制。石墨-聚合物復合板在許多研究中都被證明可以達到石墨板的一些優(yōu)良性能，在成本上也顯示出優(yōu)越性，流場的設計上也可以更自由，然而，它的主要缺點是，由于聚合樹脂的存在使得雙極板的導電性差，另外，由于其厚度不能達到Imm以下(通常在2-3mm)，因此所形成的電堆的能量密度低。相比石墨材料，金屬雙極板的機械加工性能優(yōu)良、導電和導熱性好、致密性高，易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)，能夠降低電堆成本，大幅度提高電池堆的體積比功率，因此金屬雙極板得到了燃料電池研發(fā)機構(gòu)的重視，將逐漸成為燃料電池應用的主導材料。目前常用的金屬雙極板制造成形工藝有單純利用電磁力成形以及化學刻蝕、電鑄、線切割和沖壓成形、MEMS微加工技術(shù)等。單純利用電磁力成形金屬雙極板時，驅(qū)動片不能重復利用，增加了生產(chǎn)成本；基于沖壓成形等常規(guī)塑性變形手段需要加工高精度模具(需加工凸摸和凹模)，對模具導向和配合精度要求高，對材料的塑性也有一定得要求，同時對于溝槽形狀的改進成本高，工藝柔性差。另外， 利用激光微細加工、光刻、化學刻蝕、線切割、輥壓成形和機械切削加工等技術(shù)加工效率低， 加工費用高，且批量生產(chǎn)較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置及方法，以解決基于沖壓成形等常規(guī)塑性變形手段成形金屬薄板上微細特征時，凸、凹模間的配合困難的問題，同時解決單純利用電磁力成形金屬雙極板時，驅(qū)動片不能重復利用所帶來的成本增加問題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明的燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置，所述裝置包括下固定板、成形模具、軟模、驅(qū)動板、線圈、支撐架、上固定板、電容器組、供電電源、放電控制開關和多個緊固螺栓；下固定板上由下至上依次疊放有成形模具、軟模、驅(qū)動板、支撐架和上固定板；支撐架的下端面上設有凹槽，凹槽內(nèi)設置有線圈，線圈由單根導線由里至外纏繞多圈構(gòu)成，相鄰兩圈導線之間用高壓絕緣材料隔開，凹槽與線圈之間及線圈表面用高壓高強度絕緣材料灌封構(gòu)成平板線圈，平板線圈與支撐架組合構(gòu)成線圈支撐架組合體，線圈的兩端通過電容器組串聯(lián)在放電控制開關上，用于控制電容器組對線圈的放電，電容器組與供電電源串聯(lián)用于電容器組充電，上固定板與下固定板之間通過多個緊固螺栓緊固連接。本發(fā)明的利用上述裝置實現(xiàn)燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形方法，所述方法是按下述步驟實現(xiàn)的步驟一安裝板坯；先將所述電磁力驅(qū)動軟模成形裝置上的多個緊定螺栓拆下， 將上蓋板、線圈支撐架組合體、驅(qū)動板及軟模取下，然后將板坯放置在成形模具上，最后將軟模、驅(qū)動板、線圈支撐架組合體及上固定板由下至上疊放在板坯上，上固定板與下固定板之間通過多個緊固螺栓緊固連接；步驟二 放電成形；電容器組串聯(lián)在供電電源實現(xiàn)電容器組的充電，供電電源電壓為220或380V，電容器組電容量為384-2304μ F，充電后斷開該回路，關閉放電控制開關，電容器組向線圈放電，放電電壓為1000-3500V，放電頻率為3200-9400ΗΖ，脈沖電流為 5. 6-19. 6kA，高強脈沖電流流經(jīng)線圈，在線圈中產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖磁場，驅(qū)動板表面產(chǎn)生感應渦流，該感應渦流產(chǎn)生的方向與線圈電流方向相反，使得線圈與驅(qū)動板間產(chǎn)生排斥力，排斥力作用在軟模上，軟模帶動板坯貼模成形，整個成形過程在瞬間完成；步驟三取出成形件先將多個緊固螺栓取下，再將上固定板、線圈支撐架組合體、驅(qū)動板及軟模取下，將成形件取出即制成金屬雙極板。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明將電磁成形工藝應用在燃料電池金屬雙極板的成形工藝中，利用電磁力驅(qū)動軟模對金屬雙極板成形，其中軟模可代替鋼模中的上?；蛳履！１景l(fā)明與傳統(tǒng)沖壓成形工藝相比，本發(fā)明采用的電磁成形工裝簡單，僅需要單邊模具，金屬雙極板流場修改的靈活性提高，其成形過程在瞬間完成，可以使材料本身產(chǎn)生高塑性現(xiàn)象，改善成形性，大幅度提高材料的延展性和變形分布的均勻性，提高材料的成形極限，對于難成形的金屬材料仍有較好的成形效果，可增加所用材料的選擇范圍。本發(fā)明克服了僅利用電磁力驅(qū)動驅(qū)動片成形雙極板時，驅(qū)動片不能重復利用所帶來的驅(qū)動片材料的浪費和由此引起的成本增加。本發(fā)明使用具有一定厚度驅(qū)動板(即現(xiàn)有技術(shù)中的驅(qū)動片)，同時在驅(qū)動板與板坯間增加軟模，利用軟模的可恢復性重復加工，降低了生產(chǎn)成本，同時還集成了軟模成形的優(yōu)點，即軟模成形中的有益摩擦可以減小制件的回彈，保證了金屬雙極板的質(zhì)量。綜上，本發(fā)明有效集成了電磁成形裝置簡單、可提高板坯成形極限以及軟模成形件回彈小、質(zhì)量高的優(yōu)點，可加工高質(zhì)量的金屬雙極板，提高生產(chǎn)效率，降低金屬雙極板生產(chǎn)成本。本發(fā)明的方法能夠提高工藝柔性。


圖1是本發(fā)明的燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置的主視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的A部放大圖；圖3是金屬雙極板的主視結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖1和圖2說明，本實施方式的燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置，所述裝置包括下固定板1、成形模具2、軟模4、驅(qū)動板9、線圈8、支撐架7、上固定板6、電容器組C、供電電源11、放電控制開關K和多個緊固螺栓5;下固定板1上由下至上依次疊放有成形模具2、軟模4、驅(qū)動板9、支撐架7和上固定板6 ；支撐架7的下端面上設有凹槽7-1，凹槽7-1內(nèi)設置有線圈8，線圈8由單根導線由里至外纏繞多圈構(gòu)成，相鄰兩圈導線之間用高壓絕緣材料隔開，凹槽7-1與線圈8之間及線圈8表面用高壓高強度絕緣材料灌封構(gòu)成平板線圈，平板線圈與支撐架7組合構(gòu)成線圈支撐架組合體，線圈8的兩端與電容器組C、放電控制開關K串聯(lián)，電容器組C和供電電源11 串聯(lián)用于電容器組C充電，電容器組C和放電控制開關K、線圈8串聯(lián)用于實現(xiàn)電容器組C 向線圈8放電，上固定板6與下固定板1之間通過多個緊固螺栓5緊固連接。
具體實施方式
二本實施方式的單根導線的橫截面形狀為矩形。如此設計，相對于圓形截面導線，有利于提到能量轉(zhuǎn)換效率。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖1說明，本實施方式的驅(qū)動板9為紫銅板。如此設計，紫銅板導電率高，有利于在其表層產(chǎn)生高幅值的渦流，以及在驅(qū)動板9和線圈8的間隙內(nèi)產(chǎn)生高強磁場，從而使驅(qū)動板9受到更大幅值的脈沖磁場力，通過軟模4作用于板坯3上，從而提高板坯3的成形效率。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四結(jié)合圖1和圖2說明，本實施方式的軟模4為邵氏硬度60-70之間的橡膠板。如此設計，硬度高且彈性大，有利于極板成形，同時起到保護驅(qū)動板9的作用， 避免變形，以便重復使用。其它與具體實施方式
一、二或三相同。
具體實施方式
五本實施方式的高壓絕緣材料為單層面抗壓2000-5000V的聚酰
亞胺薄膜。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六本實施方式的高壓高強度絕緣材料由環(huán)氧樹脂和凝固劑按體積份數(shù)比2 1的比例混合制成。其它與具體實施方式
一或五相同。
具體實施方式
七結(jié)合圖1 圖3說明，本實施方式的一種利用具體實施方式
一所述電磁力驅(qū)動軟模成形裝置實現(xiàn)燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形方法，所述方法是按下述步驟實現(xiàn)的步驟一安裝板坯；先將所述電磁力驅(qū)動軟模成形裝置上的多個緊定螺栓5拆下， 將上蓋板6、線圈支撐架組合體、驅(qū)動板9及軟模4取下，然后將板坯3放置在成形模具2 上，最后將軟模4、驅(qū)動板9、線圈支撐架組合體及上固定板6由下至上疊放在板坯3上，上固定板6與下固定板1之間通過多個緊固螺栓5緊固連接；步驟二 放電成形；電容器組C串聯(lián)在供電電源11實現(xiàn)電容器組的充電，供電電源11電壓為220或380V，電容器組C電容量為384-2304 μ F，充電后斷開該回路，關閉放電控制開關K，電容器組C向線圈8放電，放電電壓為1000-3500V，放電頻率為3200_9400Ηζ， 脈沖電流為5. 6-19. 6kA，高強脈沖電流流經(jīng)線圈8，在線圈8中產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖磁場，驅(qū)動板9 表面產(chǎn)生感應渦流，該感應渦流產(chǎn)生的方向與線圈8電流方向相反，使得線圈8與驅(qū)動板9 間產(chǎn)生排斥力，排斥力作用在軟模4上，軟模4帶動板坯3貼模成形，整個成形過程在瞬間完成；步驟三取出成形件先將多個緊固螺栓5取下，再將上固定板6、線圈支撐架組合體、驅(qū)動板9及軟模4取下，將成形件取出即制成金屬雙極板。
具體實施方式
八結(jié)合圖3說明，本實施方式的步驟三中所制成的金屬雙極板的流場為蛇形流場。其它與具體實施方式
七相同。
具體實施方式
九結(jié)合圖3說明，本實施方式的步驟三中所制成的金屬雙極板的材料為SS304(不銹鋼板)，所制成的金屬雙極板的厚度為0. 1mm。其它與具體實施方式
七或八相同。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置，其特征在于所述裝置包括下固定板(1)、成形模具(2)、軟模(4)、驅(qū)動板(9)、線圈(8)、支撐架(7)、上固定板(6)、電容器組(C)、供電電源(11)、放電控制開關(K)和多個緊固螺栓(5)；下固定板(1)上由下至上依次疊放有成形模具O)、軟模G)、驅(qū)動板(9)、支撐架(7) 和上固定板(6)；支撐架(7)的下端面上設有凹槽(7-1)，凹槽(7-1)內(nèi)設置有線圈(8)，線圈(8)由單根導線由里至外纏繞多圈構(gòu)成，相鄰兩圈導線之間用高壓絕緣材料隔開，凹槽 (7-1)與線圈(8)之間及線圈(8)表面用高壓高強度絕緣材料灌封構(gòu)成平板線圈，平板線圈與支撐架(7)組合構(gòu)成線圈支撐架組合體，線圈(8)的兩端通過電容器組(C)串聯(lián)在放電控制開關(K)上，用于控制電容器組(C)對線圈的放電，電容器組(C)與供電電源(11)串聯(lián)用于電容器組(C)充電，上固定板(6)與下固定板(1)之間通過多個緊固螺栓(5)緊固連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置，其特征在于單根導線的橫截面形狀為矩形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置，其特征在于驅(qū)動板(9)為紫銅板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置，其特征在于軟模(4)為邵氏硬度60-70之間的橡膠板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置，其特征在于高壓絕緣材料為單層面抗壓2000-5000V的聚酰亞胺薄膜；
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形裝置，其特征在于高壓高強度絕緣材料由環(huán)氧樹脂和凝固劑按體積份數(shù)比2 1的比例混合制成，所述凝固劑為聚酰胺凝固劑。
7.一種利用權(quán)利要求1所述電磁力驅(qū)動軟模成形裝置實現(xiàn)燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形方法，其特征在于所述方法是按下述步驟實現(xiàn)的步驟一安裝板坯；先將所述電磁力驅(qū)動軟模成形裝置上的多個緊定螺栓( 拆下，將上蓋板(6)、線圈支撐架組合體、驅(qū)動板(9)及軟模(4)取下，然后將板坯C3)放置在成形模具(2)上，最后將軟模G)、驅(qū)動板(9)、線圈支撐架組合體及上固定板(6)由下至上疊放在板坯C3)上，上固定板(6)與下固定板(1)之間通過多個緊固螺栓( 緊固連接；步驟二 放電成形；電容器組(C)串聯(lián)在供電電源(11)實現(xiàn)電容器組的充電，供電電源(11)電壓為220或380V，電容器組C電容量為384-2304 μ F，充電后斷開該回路，關閉放電控制開關(K)，電容器組(C)向線圈(8)放電，放電電壓為1000-3500V，放電頻率為 3200-9400ΗΖ，脈沖電流為5. 6-19. 6kA，高強脈沖電流流經(jīng)線圈(8)，在線圈(8)中產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖磁場，驅(qū)動板(9)表面產(chǎn)生感應渦流，該感應渦流產(chǎn)生的方向與線圈(8)電流方向相反，使得線圈(8)與驅(qū)動板(9)間產(chǎn)生排斥力，排斥力作用在軟模(4)上，軟模(4)帶動板坯( 貼模成形，整個成形過程在瞬間完成；步驟三取出成形件先將多個緊固螺栓( 取下，再將上固定板(6)、線圈支撐架組合體、驅(qū)動板(9)及軟模(4)取下，將成形件取出即制成金屬雙極板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形方法，其特征在于步驟三中所制成的金屬雙極板的流場為蛇形流場。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述燃料電池金屬雙極板的電磁力驅(qū)動軟模成形方法，其特征在于步驟三中所制成的金屬雙極板的材料為SS304，所制成的金屬雙極板的厚度為 0. Imm0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池金屬雙極板的成形裝置及方法。針對沖壓成形等常規(guī)塑性變形手段成形金屬薄板，凸、凹模間配合困難及電磁力成形金屬雙極板，驅(qū)動片不能重復利用問題。下固定板上由下至上疊放有成形模具、軟模、驅(qū)動板、支撐架和上固定板；支撐架下端面的凹槽內(nèi)設置有線圈，相鄰兩圈導線間用高壓絕緣材料隔開，凹槽與線圈之間及線圈表面用高壓高強度絕緣材料灌封構(gòu)成平板線圈，線圈的兩端串聯(lián)在電容器組上，上、下固定板通過緊固螺栓緊固連接。將板坯放置在成形模具上，緊固上、下固定板；放電成形；將成形件取出即制成金屬雙極板。本發(fā)明用于燃料電池金屬雙極板成形。
文檔編號H01M4/88GK102263272SQ201110158820
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者于海平, 李春峰, 王蕾 申請人:哈爾濱工業(yè)大學