氫燃料電池超薄金屬雙極板微成形工藝分析

韓橋 王凡皓 李源 華偉豪 袁明峰

金屬雙極板是氫燃料電池的重要零件，其超薄尺寸下微成形工藝和模具設(shè)計比較復(fù)雜。文章綜述了近年來氫燃料電池金屬雙極板微成形研究的現(xiàn)狀，分析了存在的問題，通過數(shù)字建模和Deform軟件進(jìn)行了316L金屬薄板微沖壓成形CAE模擬分析，并優(yōu)選出圓角半徑和拔模斜度的最佳方案，為大批量生產(chǎn)金屬雙極板提供了可行的微沖壓成形工藝方案。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池?金屬雙極板?CAE分析?微成形

中圖分類號：TM 911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、前言

微成形工藝是一種重要的微細(xì)加工工藝，適合低成本、大批量的工業(yè)生產(chǎn)。但是由于加工尺度的減小，導(dǎo)致微細(xì)成形工藝中出現(xiàn)了有別于傳統(tǒng)宏觀加工的尺度效應(yīng)現(xiàn)象，這使得傳統(tǒng)宏觀成形加工中成熟的工藝?yán)碚摵图夹g(shù)不能直接應(yīng)用于微細(xì)成形工藝領(lǐng)域中[1]。因此面向微細(xì)制造的微成形技術(shù)在短短十年內(nèi)得到了迅速發(fā)展，已成為研究領(lǐng)域和業(yè)界的新熱點(diǎn)。

氫燃料電池以能量轉(zhuǎn)化率高、低排放，能量和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是適應(yīng)未來能源和環(huán)境理想能源之一。金屬雙極板由于其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，機(jī)械加工性，致密性，阻氣性等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于氫燃料電池。由于其厚度尺寸一般都在1mm甚至0.1mm以下，變形量在0.5mm左右，一般認(rèn)為其成形特點(diǎn)屬于微成形。氫燃料電池產(chǎn)品一般由上百塊電池單元組合而成，而每一個電池單元都由雙極板、氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜層等組成。其中金屬雙極板占質(zhì)量的 60% ～ 80% ，占成本的30% ～ 45%。在大規(guī)模批量生產(chǎn)的時候，其生產(chǎn)成本會極大程度降低。性能優(yōu)、成本低的雙極板在未來產(chǎn)業(yè)化道路上顯得尤為重要。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于制備金屬雙極板的材料，當(dāng)前主要有鐵基合金、輕金屬和表面涂層改性材料、鈦合金等幾種類型[2]。近年來對金屬板的表面涂層改性研究相對集中，對基體材料的研究，也主要集中在雙極板的導(dǎo)電率、電阻、抗腐蝕性等物性參數(shù)上，對超薄金屬板成形工藝的研究報道不多。目前國內(nèi)有上海交大、武漢理工、大連理工、同濟(jì)大學(xué)等大學(xué)在引領(lǐng)該項研究[3]，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，治臻公司（上海、蘇州）為龍頭，占了國內(nèi)絕對多數(shù)市場。國內(nèi)包括國鴻氫能、大族激光等不少企業(yè)宣布進(jìn)軍金屬雙極板。

上海交通大學(xué)提出一種基于輥壓成形的金屬雙極板制造方法，美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)開發(fā)出了液壓脹形與壓力焊成形工藝，一個工步即可完成陰極板和陽極板的液壓脹形和焊接成形。武漢理工大學(xué)也對金屬雙極板的軟模成形進(jìn)行了研究。瑞典 Cell Impact 公司的 Cell Impact 沖壓技術(shù)利用動能和高壓的瞬間產(chǎn)生絕熱軟化效應(yīng)，使金屬以近乎液態(tài)的形式，快速、精確地充滿模腔，完成極板的一次性成形沖壓。上海交大來新民等人提出了“基于薄板沖壓成形的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板”，將兩塊流場單板作為燃料電池的陰極和陽極，中間一塊支撐薄板，其特點(diǎn)是流場單板是由沖壓工藝制成一體。

目前產(chǎn)業(yè)化最成功的是上海交通大學(xué)彭林法、來新民、藍(lán)樹魁等教授團(tuán)隊。其成果轉(zhuǎn)化的上海治臻新能源裝備有限公司（含蘇州治臻），在10多年的研發(fā)和量產(chǎn)基礎(chǔ)上，已經(jīng)能做到全工藝鏈自給，具備極板構(gòu)型設(shè)計、精密模具設(shè)計與加工、超薄板精密成形、超薄板快速激光焊接、長壽命復(fù)合納米涂層、一體化密封技術(shù)等自主技術(shù)[4]。

三、金屬雙極板成形工藝分析

（1）增材與減材：金屬具備的良好的加工性能，金屬雙極板在試制階段采用減材加工方式較適合。減材加工方式不需要事先制備模具，并且修改方便，可以低成本地快速出樣。但是金屬雙極板趨向于超薄化（ 0.1 mm以下） ，流道復(fù)雜化（ 蛇形紋等） ，流道微型化（ 槽寬槽深為亞毫米級） 時，即便是單件的試制加工，減材方式也不適用。需要增材加工方式進(jìn)行制備。

（2）特種成形：商品化制備金屬雙極板對生產(chǎn)效率和生產(chǎn)穩(wěn)定性要求高，減材和增材制備方法效率低下不適用。壓印成形，載荷驅(qū)動力為液壓，成形效率低下不具備量產(chǎn)優(yōu)勢。電磁成型，技術(shù)不夠成熟，其研究剛起步。壓鑄和觸變成形，熱加工成形存在升溫或重熔過程，薄窄的空間內(nèi)金屬流動性差，容易產(chǎn)生缺陷。能解決金屬板翹曲問題，但板厚小于0.1 mm 時很難成形，且工藝復(fù)雜、效率較低。其一模多腔也不能有效控制成本。

（3）沖壓工藝：對于制備亞毫米尺寸且復(fù)雜流道的金屬雙極板，沖壓工藝是雙極板微流道成形商品化制備的主要研究方向。當(dāng)前，金屬板沖壓硬模軟模成形時，凸凹模圓角半徑在 0.1～0.3 mm 之間時，不銹鋼雙極板微流道成形尺寸精確無裂紋瑕疵。但沖壓成形后，金屬板翹曲程度增加，變形不易控制。在后期裝配過程中可以通過工裝壓緊。

（4）微尺度效應(yīng)下的微成形：超薄（厚度小于0.1 mm） 金屬雙極板沖壓過程的微變形機(jī)理與沖壓后翹曲控制是雙極板商業(yè)化的難點(diǎn)，也是今后的研究方向。可以從材料本征尺度效應(yīng)和制備工藝條件微尺度效應(yīng)兩方面進(jìn)行研究。針對金屬雙極板的微流道成形，微尺度效應(yīng)方向的研究是重點(diǎn)方向[5]。

四、實(shí)驗分析與研究結(jié)果

本文以氫燃料電池金屬雙極板316L不銹鋼為研究材料，采用實(shí)驗研究方法、數(shù)值分析方法、有限元分析法等方法，結(jié)合了三維建模軟件UG，二維繪圖軟件CAD、數(shù)值仿真分析軟件Dynaform的應(yīng)用，展開對金屬雙極板的成形工藝分析以及成型參數(shù)的優(yōu)化，同時通過數(shù)值模擬分析的結(jié)果進(jìn)行了金屬雙極板微成形工藝的方案優(yōu)化，并設(shè)計了相應(yīng)的模具。

當(dāng)以圓角半徑為30°，圓角半徑為0.2mm時在 Dynaform 中進(jìn)行數(shù)值模擬。通過成形件的厚度分布云圖可知在雙極板流道外圍的板料厚度基本沒有變化。在其對角處板料厚度增加，對應(yīng) FLD 圖可知對角處存在起皺現(xiàn)象。在流道轉(zhuǎn)角處厚度變化均勻，不會發(fā)生起皺。厚度變化較多的是流道處，流道中間區(qū)域厚度比周圍要小一些，金屬在該處需要通過更多的厚度的減薄來達(dá)到拉深成形的結(jié)果。厚度最小的區(qū)域在流道溝槽底部，厚度為 0.067mm，對應(yīng) FLD 圖發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有破裂的趨勢。板料初始厚度為 0.07mm，所以板料厚度變薄率為4.28%，一般厚度減薄率低于20%都處于安全范圍內(nèi)，因此從厚度變化角度看此次軟模成形是可行的。

從板料變形過程中的最大主應(yīng)變云圖可知流道區(qū)域的外圍部分的應(yīng)變總體低于中間區(qū)域，在中間區(qū)域流道的圓角部分出現(xiàn)了較大的主應(yīng)變，這對應(yīng)了厚度分布云圖中該處的厚度減薄。除了流道中間出現(xiàn)較大的主應(yīng)變外，雙極板其余部分的應(yīng)變都處于正常范圍。

通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，不同的圓角半徑和不同的拔模斜度都會對板料的成形造成不同的影響：當(dāng)選擇0.1mm和0.2mm圓角半徑時，模擬分析的數(shù)據(jù)顯示在成形圓角位置出現(xiàn)較嚴(yán)重的減薄。當(dāng)選擇0.3mm的圓角半徑時，這種現(xiàn)象明顯減輕。同樣較小的拔模斜度也會造成板料的嚴(yán)重減薄甚至破裂。當(dāng)選擇20°和30°拔模斜度時，在數(shù)值模擬分析中顯示不但板料拉伸出處出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力問題，也會出現(xiàn)褶皺甚至破裂。當(dāng)選擇拔模斜度為40°時，這種應(yīng)力和破裂問題明顯減輕，因此我們應(yīng)該選擇較大的參數(shù)。通過模擬分析選擇了模具圓角半徑為0.3mm，拔模斜度為40°方案。

五、結(jié)論

超薄金屬雙極板微成形的研究是一個比較復(fù)雜的問題，需要進(jìn)一步在成形機(jī)理、微尺度效應(yīng)、流動分析等角度進(jìn)行理論研究和實(shí)驗探索。本次分析所獲得的實(shí)驗結(jié)論數(shù)據(jù)也僅能提供些參考，在本次數(shù)值分析基礎(chǔ)上設(shè)計的模具可以實(shí)現(xiàn)落料、沖孔、拉伸等工序，尺寸變化、厚度變化、翹曲變化都可在精度控制范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭林法. 微/介觀尺度下薄板成形建模分析與實(shí)驗研究[D].上海交通大學(xué)，2008

[2]許楨英，張園園，王勻，丁盛，尹必峰.微型燃料電池雙極板成形工藝的研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2015，39（04）：861-863

[3] 李偉.金屬雙極板沖壓過程有限元模擬及工藝優(yōu)化[J].世界有色金屬，2018（13）：253-254

[4] 于杰.燃料電池薄殼金屬雙極板結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D].大連理工大學(xué)，2020.

[5] 翟華，李源，石文超，張科.沖壓PEMFC蛇形流道金屬雙極板轉(zhuǎn)角區(qū)厚度減薄研究[J].塑性工程學(xué)報，2021，28（02）：22-28.

基金項目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，氫燃料汽車電池金屬雙極板微成形工藝分析與數(shù)值模擬，201912804011Y