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1、-下压量对微型燃料电池双极板成形回弹的影响XX（江苏大学机械工程学院 学号 班级）摘要：双极板是微型燃料电池关键部件之一，微尺度下的高精度极板流道给其成形方法带来了难度，本文针对双极板的特点提出了累积成形方法。在介绍微累积成形工作原理的基础上搭建了相应的实验装置，选取0.165mm和0.27mm板厚的实际成形区域为7mm7mm铝合金板作为双极板毛坯，进行了累积成形试验，分析其成形规律，研究了不同下压量对成形深度和回弹率的影响。结果显示不同下压量时板料成形深度-位移曲线在成形起始点和终点处成形深度比较大，向中间区域靠近时成形深度逐渐变小，而且成形深度随着垂直下压量的增大而增大，曲线也随着下压量的
2、增大而逐渐趋于平缓；不同下压量时成形深度回弹率-位移的变化曲线与成形深度-位移曲线的趋势相反，在成形起点和终点处成形深度回弹率较小，中间区域回弹较大，并且观察图形，可以发现当垂直下压量增大时，板料的回弹率越大而且回弹率曲线变化越平缓。关键词：微型燃料电池；双极板；回弹；累积成形；成形规律；The study of accumulate forming mechanism in micro fuel cell bipolar plate XXX(Jiangsu University, .)Abstract: The bipolar plate is a key component of micr
3、o fuel cell. It is difficult to form the high precision flow channel of bipolar plate under the micro scale. In this paper, we present the method of accumulative forming for the characteristics of bipolar plate. On the basis of introducing the principle of micro-accumulation forming, we set up the c
4、orresponding experimental apparatus, selecting 7mm7mm0.165mm and 7mm7mm0.27mm aluminum plate as the bipolar plate blanks to do the accumulated forming test. We analyze the shaping law and the influence of different amount of underdraught on the forming depth and resilience rate. The results show tha
5、t when the plates has different underdraught, the forming depth-the displacement curve represents that the forming depth is bigger at starting point and end point, forming depth is becoming smaller when close to middle area, and forming depth also increases along with the amount of vertical underdra
6、ught, the curves also gradually become gently; at the same time, the trend of resilience rate-the displacement curve is opposite to the forming depth-the displacement curve, resilience rate is smaller at starting point and end point as the middle area resilience rate is bigger. We can also find that
7、 the resilience rate is bigger and the change of the resilience rate curve is gentle when the vertical underdraught increases.Keywords: Micro fuel cell; bipolar plate; accumulated forming; shaping law0 引言国际能源紧缺是清洁便利替代能源开发的主要因素，目前太阳能、风能、水力发电、生物能源、地热发电等无法应用于移动及便携式电子设备。燃料电池被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，国内外政府、科
8、研院所和各大公司都对其尤为重视。燃料电池由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成，是一种将氢或者富氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置1。质子交换膜燃料电池PEMFC（Proton exchange membrane fuel cells）作为燃料电池的一种，是以固体质子交换膜作为电解质，以其低温快速启动、零排放等特点，被认为是电动车、潜艇和各种可移动电源的最佳候选者。双极板是PFMFC的核心部件之一，占电池组质量和成本的很大部分，两面为加工流道，具有隔离并均匀分配反应气体、收集并导出电流、机械支撑、水热管理、串联各个单电池等功能2。双极板流道的设计与加工对PEMFC性能、效率以及
9、成本影响很大。双极板主要有石墨极板、金属极板和复合材料双极板三种。但是石墨板的体积大、重量重，常采用机加工加工，效率低下；复合材料流场板结构太复杂，目前在微型燃料电池应用和批量化制备还存在困难。金属材料由于导电导热性好、强度高，具有良好的加工性能和力学性能3。通过机械加工，可以将金属板料加工成各种流场板，也可以采用冲压成形流场，然后利用胶粘接或焊接的方式，形成多层双极板。目前常用铝板、黄铜、铝合金板、钛板及316#不锈钢板等材料，为了减小机加工双极板的质量和体积，提高电池的体积比功率和质量比功率，板材厚度一般在0.10.3mm4。板材厚度和极板流道尺寸的微小化和精度要求的提高，对成形提出了挑战
10、。图1 成形装置示意图本文提出了针对金属双极板的累积成形新方法，并在自行研制的微累积成形装置上利用金属板料进行了成形规律和工艺参数对成形深度、回弹率影响的研究。1 双极板累积成形原理累积成形是根据预先设计的微型金属流场板的结构形式和流道截面形状，设计并加工微成形模头作为微型金属流场板上流道的成形工具，微成形模头工作部分的形状和流道截面形状相对应。基材四周区域通过压边力施加装置实现基材的固定和压边，然后根据流道形状和走向规划好微成形模头的起始位置和运动路径，微成形模头通过控制系统的控制到达流场板的起始位置后，根据流道的深度对基材超薄板料进行下压。保持微成形模头的垂直方向的位置，然后由控制系统根据
11、流场板流道的走向控制微成形模头运动方向、路径以及加工速度；微成形模头沿着流场板流道走向，通过微小区域塑性成形的积累，完成整个流场的成形，最终得到所需结构形式的微型金属流场板。根据不同的流场结构选择相应的微成形模头起始下压点和加工轨迹，实现平行流场、交指型流场、蛇型流场和仿生型流道的微成形5。根据上述成形原理，成形装置参照微塑性成形实验特点，结合万能实验机功能结构和双极板流道成形的实验性能要求。将双极板流道成形装置机械传动部分为竖直结构，其他如成形模具、传感器等安装在机架上，其结构示意图如图1所示。双极板流道成形实验过程如下：将板料放置在支撑座上并用压边圈予以固定，然后将固定装置放置在二维移动平
12、台上，通过计算机程序控制加载机构实现Z向移动，并带动成形模头向下运动，完成对板料的Z向加载；由二维平台步进电机控制器实现平台X-Y轴方向的运动以完成最后的成形，在加载以及X-Y方向运动过程中利用传感器和数据采集卡获取实时成行力数据，并储存于计算机中。2 双极板流道成形的实验研究为了解决微燃料电池高功率密度要求和微型化后功率减小的矛盾，国内外提出了多种流场板流道的新结构设计，以提高燃料流体分布均匀性和降低流动损失能耗。从国内外的有关专利和文献来看，流场结构主要有点状流场、网状流场、多孔导电材料构成的流场、蛇形流场、混合流场（多种流场的组合）和交指状流场4 等。但是关于哪一种在质子交换膜燃料电池设
13、计中是最佳选择现在还没有定论2。目前直流场结构较为普遍，多通道蛇形具有很大的灵活性，在不改变流场板面积和形状的条件下，其流道数目和长度以及流道尺寸可以调整，能够设计出各种形式流道6。利用累积成形可以成形各种复杂形状的流道，但是各复杂流道都是在直流道的基础上分步实施的。这里利用搭建的累积成形装置，进行金属双极板的直流道成形实验，研究成形规律和工艺参数对成形的影响，这里主要研究不同下压量对成形的影响规律。下压量是流道成形中的重要参数，直接关系到流道最后成形的尺寸。下压量大小并非随意确定，也不完全由流道深度来确定，必须考虑到板料的成形性能、板料的回弹率以及减薄率等情况，否则成形效果达不到所需状态或者
14、出现成形缺陷，对双极板的尺寸精度、表面质量和力学性能也将产生严重影响。实验采用板料为铝合金3003，尺寸为11mm11mm，除去压边圈作用的部分，实际成形区域为7mm7mm，成形速度为3mm/s，最后实际成形流道长度为5mm。由于实验存在着误差和不可确定性，所以选择了两组不同厚度的板料来进行实验，厚度分别是0.165mm以及0.27mm。为了考察下压量对成形的影响，下压量选择时考虑了厚度的影响，选取的下压量分别为相应板料厚度的0.5倍、1倍、1.5倍以及2倍。采用的成形模头以及板料的参数如表1所示：表1 模头和板料的参数7参数材料密度 / kg.m-3弹性模量/ MPa泊松比抗拉强度/ MPa
15、模头40Cr78202110000.3750板料铝合金3003274072000320在板料累积成形过程中，施加在板料上的作用力是通过板料与成形工具之间的接触来传递的，是逐点进行的。我们利用成形装置完成了整个流道的成形，然后在流道的边缘均匀地标记若干点，通过使用VEECO WYKO NT1100非接触光学轮廓仪对板料的表面进行测量，进而得到流道在不同位置的成形深度，连线形成整个流道的成形深度曲线，与设定的成形深度进行比较可以得到流道成形深度的回弹率。我们通过ORIGIN软件对数据进行了处理，最后得到了流道成形深度、流道成形深度回弹率随位移变化的曲线，如图2、图3 、图4和图5所示： 图2 0.
16、165mm板料成形深度-位移曲线 图3 0.27mm板料成形深度-位移曲线图4 .165mm板料成形深度回弹率-位移曲线 图5 0.27mm板料成形深度回弹率-位移曲线3 结果分析图2、图3分别为0.165mm厚度板料和0.27mm厚度板料不同下压量时成形深度-位移的变化曲线，可以发现整体图形呈现U形，在成形起始点和终点处成形深度比较大，向中间区域靠近时成形深度逐渐变小，最后形成了上图所示的形图；我们还可以发现在相同位移处时，垂直下压量越大，成形深度越大，而且整体曲线越平缓。图4、图5分别为0.165mm厚度板料和0.27mm厚度板料不同下压量时成形深度回弹率-位移的变化曲线，图形整体呈现倒形
17、，在成形起点和终点处成形深度回弹率较小，中间区域回弹较大。并且观察图形，可以发现当垂直下压量增大时，板料的回弹率越大而且回弹率曲线变化越平缓。图6板料在自身重力作用下弯曲的示意图产生上述现象的原因是：在成形的起点和终点处，成形工具都会保持在加工位置一段时间，所以在这两点处成形深度与设定的下压量比较接近，以致回弹率也就相应的比较小。而且，板料的四周是用压边圈进行固定的，而且成形的起始点一般选在离压边圈距离比较近的位置，终点处也在离压边圈距离较近的地方，这些地方受压边圈的力，相比较起其他部位材料流动性比较差，所以回弹率在两端点处就较小。在中间区域，由于没有支持装置，板料在自身的重力作用下会产生一定
18、的下垂，如图6，这样就使得中间区域的实际成形深度没有达到设定的下压量，并且越远离边界实际成形深度越小，这也就导致了中间区域成形深度的回弹比较大。在相同板料厚度情况下，下压量越大，成形深度和回弹率的曲线越平缓的因为越大量的下压已经属于塑性变形，大部分超过弹性范围，所以只有少量回弹，这就导致了成形深度变化不大，回弹率变化幅度也比较小。4 结论本文针对微型燃料电池双极板的特点提出了累积成形的新方法，并搭建了双极板流道成形试验装置。选取长宽为11mm11mm厚度分别为0.165mm以及0.27mm铝合金板作为双极板毛坯，进行累积成形试验。结果显示不同下压量时板料成形深度-位移曲线的整体图形呈现U形，在
19、成形起始点和终点处成形深度比较大，向中间区域靠近时成形深度逐渐变小，而且成形深度随着垂直下压量的增大而增大，曲线也随着下压量的增大而逐渐趋于平缓；不同下压量时成形深度回弹率-位移的变化曲线，图形整体呈现倒形，与成形深度-位移曲线的趋势相反，在成形起点和终点处成形深度回弹率较小，中间区域回弹较大，并且观察图形，可以发现当垂直下压量增大时，板料的回弹率越大而且回弹率曲线变化越平缓。这说明下压量对微型燃料电池双极板成形性能的影响比较大，下压量越大，成形深度越大，回弹率也越大。 参考文献：1李万平，郭晓霞. 绿色新能源燃料电池J. 中国石油企业，2005(Z1)：62.2James Larminie,
20、 Andrew Dicks. Fuel Cell Systems ExplainedM. 2003. 3黄明宇，倪红军，廖萍，骆兵，陈上伟. PF/MCMB/石墨/CF复合材料燃料电池双极板的研制J. 工程塑料应用. 2006.4张海峰，衣宝廉，侯明，乔凤桐，张华明. 质子交换膜燃料电池双极板的材料与制备J. 电池技术. 2003.5尹必峰，王匀，许桢英. 复杂形状流道微质子交换膜燃料电池金属流场板的成形方法及装置: 中国, 201010101119.XP. 2010-06-30.6蒋松,高锦张,贾俐俐. 金属板料多道次渐进成形过程的数值模拟J. 中国制造业信息化. 2009.9.7温秉权，黄勇. 金属材料手册M. 电子工业出版社, 2009.6.-第 5 页-