純鈦燃料電池雙極板軟模成形工藝研究

張彥杰，李渤渤，陶會發，池成忠，張鵬，林飛，孟令健，林鵬，劉茵琪

純鈦燃料電池雙極板軟模成形工藝研究

張彥杰1，李渤渤2，陶會發2，池成忠1，張鵬1，林飛1，孟令健1，林鵬1，劉茵琪2

（1. 太原理工大學 材料科學與工程學院，太原 030024；2. 洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司，河南 洛陽 471000）

研究軟模成形過程中塑性應變比值對雙極板成形深度及壁厚的影響，探究不同工藝參數對雙極板尺寸的影響規律。通過單向拉伸實驗得到純鈦極薄帶的力學性能參數，然后采用橡膠軟模成形方法制備純鈦燃料電池雙極板，利用光學顯微鏡對制備的雙極板尺寸及壁厚進行測量并深入分析。TD取向的值最大為2.56，沿該方向成形時，純鈦極薄帶在載荷為300 kN、軟模硬度為77HA條件下得到的雙極板深度最大，為0.293 mm；同時，其壁厚減薄較小，在減薄最嚴重的位置壁厚減薄率僅為13.52%。較大的載荷與適宜的軟模硬度能得到較好的雙極板深度，對雙極板周期無影響；雙極板深度、壁厚與值有關，值越大，純鈦極薄帶抵抗壁厚減薄的能力越強，成形深度越大。

軟模成形；純鈦雙極板；值

隨著環境污染、能源短缺問題日益加重，新能源開發越來越受到人們的重視，其中，燃料電池是將燃料和氧化劑的化學能轉化成電能的電化學反應裝置，具有能量利用率高、環境友好等特點[1-4]，是最具發展潛力的新能源形式之一。雙極板作為質子交換膜燃料電池（PEMFC）的關鍵組成部分，占電堆重量的70%以上，體積的50%左右，其成本約占電池成本的30%～50%[5-6]，是燃料電池最重要的核心部件之一。流場結構及材料是決定雙極板性能的主要因素[7-8]，其中極板材料對雙極板的質量、體積、導電性和導熱性等方面都有著重要影響。最新研發的雙極板材料主要分為3類，分別為石墨雙極板、復合材料雙極板和金屬雙極板。金屬雙極板在導電導熱性、力學性能、氣密性等方面都優于前兩者，有利于電池比功率密度的提升。此外，金屬材料加工工藝成熟，可采用沖壓、壓鑄等方法加工高精度的復雜流場，容易實現極板的量化生產，已發展成氫燃料電池雙極板的主流材料[9-10]。目前金屬雙極板材料主要以不銹鋼為主，但不銹鋼在PEMFC環境中易被腐蝕，而鈦在PEMFC環境中的耐蝕性能優于不銹鋼，且其比強度高，可顯著降低雙極板的重量，是燃料電池雙極板的理想材料，比如商業化的日本豐田MIRAI燃料電池汽車便采用了鈦作為雙極板材料[11-12]。然而，與傳統雙極板材料不銹鋼相比，純鈦的成形性能較差[13-15]，所以采用純鈦材料制備雙極板存在一定的困難。因此，研究純鈦極薄帶成形性能及其對成形工藝的影響對促進鈦在燃料電池雙極板中的應用有著重要意義。

文中采用單向拉伸實驗獲得了純鈦極薄帶力學性能和各向異性參數，研究了純鈦雙極板軟模成形過程中載荷與軟模硬度對雙極板尺寸精度的影響，揭示了純鈦雙極板成形過程中幾何尺寸及壁厚變化的規律，為實際生產提供參考。

1 實驗

1.1 材料

實驗材料為TA1純鈦極薄帶，由洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司提供，薄帶厚度為0.1 mm，軋后退火溫度為750 ℃。

1.2 單向拉伸實驗

采用電火花線切割機分別沿薄帶軋制方向0°（RD）、45°（DD）、90°（TD），切取拉伸試樣，試樣尺寸按YB/T 4334—2013標準設計，如圖1所示。拉伸實驗在INSTRON 5900電子萬能實驗機上進行，選用了3種應變速率，分別為2.5×10?4、6.7×10?3、1×10?3s?1，實驗溫度為室溫。

圖1 單向拉伸實驗試樣

1.3 實驗方法與裝備

采用軟模沖壓工藝，模具結構主要由凹模、容框、橡膠軟模和墊板幾部分組成，軟模厚度低于上容框高度，使上容框起到導向作用，如圖2所示。成形實驗在萬能實驗機上進行,通過控制不同的參數如載荷、軟模硬度等成形雙極板，實驗參數如表1所示，每組實驗進行3次，對成形得到的雙極板進行尺寸和壁厚分析，以研究雙極板的成形規律。

圖2 實驗模具結構

表1 軟模成形實驗參數

Tab.1 Experiment parameters of soft mold forming

2 結果與分析

2.1 單向拉伸實驗結果

圖3a—c為純鈦極薄帶分別在應變速率為2.5× 10?4、6.7×10?3、1×10?3s?1下的工程應力-應變曲線。通過拉伸曲線得到材料的屈服強度、抗拉強度等力學性能指標如表2所示。可見，同一應變速率下3個方向的屈服強度與抗拉強度不同，表現出明顯的各向異性；同一方向下抗拉強度與屈服強度隨著應變速率的增大而增大，說明室溫狀態下純鈦極薄帶對應變速率有一定敏感性。圖3d為極薄帶在應變速率為1×10?3s?1時，RD、TD、DD這3個方向上的真應力-真應變曲線。可知，變形過程中，材料不斷硬化，但硬化速率不大，意味著材料均勻變形能力較差。由表2可知，當應變速率為1×10?3s?1時，純鈦極薄帶在RD、TD以及DD方向的值分別為1.24、2.56、2.38。值是評價金屬薄板深沖性能的主要參數，反映了薄板在受到某平面上的拉力或壓力時變薄和變厚的能力。可以看出，TD取向的值較大，意味著純鈦極薄帶沿TD方向變形相較于另外2個方向不容易發生破裂。

圖3 拉伸曲線

表2 純鈦力學性能

Tab.2 Mechanical properties of pure titanium

2.2 微流道尺寸分析

圖4為純鈦極薄帶在載荷250 kN下，采用軟模硬度為77HA，沿RD方向成形的雙極板實物及微流道尺寸示意圖?？梢?，此條件下雙極板成形質量良好，無裂紋、褶皺等成形缺陷。

圖5為純鈦極薄帶RD方向微流道成形情況，其中不同載荷的保壓時間均為2 min。圖5a為不同載荷、不同軟模硬度條件下雙極板流道成形深度的變化情況，可以看出，隨著載荷的增大，雙極板微流道的深度也隨之增大。不同硬度的軟模得到的雙極板流道的深度不同，硬度為65HA的軟模成形的微流道深度最小，硬度為77HA的軟模成形的深度最大，硬度為85HA的軟模介于二者之間，其原因如下：軟模硬度過大，流動性差，填充凹模型腔需要較大的載荷；而硬度過小，流動性好，軟模容易從墊板與上容框的間隙中流出，無法充分填充凹模型腔。圖5b為不同載荷、不同軟模硬度條件下成形的雙極板微流道傾角的變化情況?？梢姡S著載荷增大，雙極板微流道成形深度變大，成形傾角變小。故對于雙極板軟模成形工藝，要根據實際情況合理選擇軟模硬度，否則雙極板成形深度不夠，并造成軟模過早破壞?；诖耍闹羞x用了硬度為77HA的軟模來成形雙極板。

圖4 雙極板實物

圖5 不同載荷、不同軟模硬度下雙極板尺寸

圖5c為不同載荷、不同軟模硬度下雙極板槽寬尺寸的變化。可以看出，隨著載荷的增大，槽寬逐漸增大并最終接近0.300 mm，這是因為當載荷較小時，成形的雙極板微流道圓角部位由于塑性變形程度較小，回彈現象嚴重；在載荷為250 kN時，采用3種硬度軟模成形的雙極板微流道槽寬尺寸基本一致，說明此時雙極板微流道圓角處回彈程度減弱。圖5d為不同載荷、不同軟模硬度下成形的雙極板微流道周期變化情況，可以看出，微流道周期基本無變化，說明載荷及軟模硬度對流道周期影響不大。

為研究純鈦極薄帶各向異性對微流道成形深度的影響，選擇了微流道成形方向與軋制方向平行（RD）、垂直（TD）和呈45°（DD）3種成形方式，其微流道深度如表3所示。可以看出，在相同載荷250 kN下，微流道TD方向成形深度低于RD和DD方向，這是因為TD方向的值大于另外2個方向的值，意味著TD方向具有較強的抵抗壁厚減薄的能力，使其在300 kN載荷下仍未出現破裂，而另外2個取向在300 kN成形時已出現破裂。TD取向的純鈦極薄帶在300 kN載荷下雙極板微流道成形深度達到0.293 mm，與RD取向250 kN載荷條件下的成形深度相當，說明對于同一目標深度，TD方向成形需要更大的載荷。

表3 不同取向的純鈦極薄帶在不同載荷下成形的雙極板微流道深度

Tab.3 Bipolar plate depth obtained by pure titanium ultra-thin strip with different orientations under different loads

由于單個周期內雙極板微流道呈對稱形狀，所以最終采取半個周期內的8個位置進行壁厚測量，每個雙極板實際選取3個周期進行壁厚測量并取平均值。壁厚測量點如圖6所示。

圖6 測量位置示意圖

由表3可知，在載荷為250 kN的條件下，純鈦極薄帶在RD與DD方向上成形的流道深度分別為0.290 mm和0.285 mm；在載荷為300 kN的條件下，純鈦極薄帶在TD方向成形的流道深度為0.293 mm，3種條件下流道成形深度基本一致，可用來研究純鈦極薄帶同一成形深度下不同方向成形的微流道壁厚分布情況。

圖7為純鈦極薄帶在RD（250 kN）、TD（300 kN）、DD（250 kN）方向成形后的微流道壁厚分布及其相對應的壁厚減薄率分布情況。由圖7b可知，在位置4處RD取向的純鈦極薄帶壁厚減薄最為嚴重，減薄率達到27.46%；而在相同位置，TD與DD取向的純鈦極薄帶壁厚減薄率相近，分別為13.52%和14.20%。由表2可知，純鈦極薄帶在TD與DD方向上具有相近的值，分別為2.53和2.38，故兩者的壁厚減薄情況也相近；純鈦極薄帶在RD方向具有較小的值，為1.24，故其壁厚減薄程度較為嚴重，說明值與不同取向極薄帶的壁厚減薄情況密切相關。除了位置4壁厚減薄嚴重外，位置3的壁厚減薄也較為嚴重，即圓角1處的壁厚從上到下呈減小趨勢，直到在位置5處壁厚開始增大，位置5為圓角1與圓角2的過渡位置。由位置5到位置7，壁厚呈增大趨勢，位置7到位置8，壁厚略微減小。綜上，壁厚分布由位置1到位置8呈現出先減小后增大的變化規律。圓角1處的壁厚減薄嚴重，出現了明顯的頸縮現象，這是因為位置1剛開始就與軟模凹模接觸，隨著載荷增大，位置1在軟模壓力作用下流動困難，故壁厚基本保持不變；在載荷增大過程中，軟模流動填充凹模型腔，帶動坯料先與凹模圓角1處貼合，此時坯料所受摩擦力增大，流動性減弱，之后，位置5到位置8部分的變形很大程度上都靠位置4處的材料流動來承受，所以位置4處的壁厚減薄最嚴重。

圖7 雙極板微流道壁厚分布

3 結論

1）TA1純鈦極薄帶應變硬化速率較小，均勻塑性變形能力較差，室溫下表現出一定程度的速率敏感性；各向異性顯著，TD方向值較大，具有較強的抵抗壁厚減薄的能力。

2）橡膠軟模硬度對微流道成形效果影響顯著。硬度過大，流動性差，填充凹模型腔需要較大載荷；硬度過小，流動性好，軟模容易從墊板與上容框的間隙中流出，無法充分填充凹模型腔，以選硬度為77HA的橡膠軟模為宜。

3）塑性應變比值影響雙極板純鈦極薄帶微流道成形能力與壁厚分布。TD方向值較大，沿該方向成形可獲得最大的成形深度；對于同一成形深度的雙極板，TD方向微流道壁厚減薄率均低于其他方向。

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Soft Mold Forming Process of Pure Titanium Bipolar Plate for Fuel Cell

ZHANG Yan-jie1, LI Bo-bo2, TAO Hui-fa2, CHI Cheng-zhong1, ZHANG Peng1, LIN Fei1, MENG Ling-jian1, LIN Peng1, LIU Yin-qi2

(1. School of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co., Ltd., Henan Luoyang 471000, China)

The work aims to study the effects of plastic strain ratioon the forming depth and wall thickness of bipolar plate during soft mold forming process and explore the effect law of processing parameters on the size of bipolar plate. The mechanical properties of pure titanium strip were obtained through uniaxial tensile test, and the pure titanium bipolar plate for fuel cell was prepared by rubber soft mold forming method. Optical microscope was used to measure and analyze the size and wall thickness of the bipolar plate. The maximumvalue on TD direction was 2.56. Along this direction, the deepest depth of bipolar plate (0.293 mm) was obtained under the load of 300 kN and soft mold hardness of 77HA. At the same time, the wall thickness reduction was small, and the wall thickness reduction rate was only 13.52% at the most serious position. Larger load and appropriate soft mold hardness lead to better bipolar plate depth, and have no effect on bipolar plate cycle. The depth and wall thickness of the bipolar plate are related to thevalue. The greater thevalue is, the better the ability of the pure titanium ultra-thin strip to resist the wall thickness reduction, and the greater the forming depth.

soft mold forming; pure titanium bipolar plate;value

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.013

TG306

A

1674-6457(2022)04-0109-06

2021-12-15

國家自然科學基金（51505323）；山西省基礎研究計劃（20210302123117，20210302124658）

張彥杰（1995—），男，碩士生，主要研究方向為雙極板成形工藝。

林鵬（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向為金屬高性能特種塑性成形。

責任編輯：蔣紅晨