燃料电池金属双极板成形模具及成形方法

摘要

本发明涉及燃料电池金属双极板成形模具，包括模架，模架上设有作相对运动的二个模板，其中一个模板上联接有钢模，另一个模板上联接有容框，容框内固定有橡胶板，容框和钢模组成冲裁模。本发明还提供了燃料电池金属双极板的成形工艺，包括如下步骤：1)下料：将被加工料板置于钢模和容框之间，模具模板在液压机作用下作相对运动并带动钢模运动，钢模和容框对被加工料板冲裁下料，冲裁得到的坯料随钢模进入容框内；2)冲压成形：上模进入容框后在液压机作用下继续移动并挤压坯料和橡胶，使坯料填充满钢模的型腔，得到金属双极板。本发明采用软模成形，模具结构简单，生产效率高，降低金属双极板的成本，同时软模成形的冲压件无翘曲和回弹现象，零件质量高。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池金属双极板成形模具及成形方法。

背景技术

燃料电池是利用化学能转化成电能的装置。在全球环境污染日益严重、化石能源日趋枯竭的情况下，因燃料电池具有高效、节能、安全、环保等优点而备受各国政府和研究机构的重视。燃料电池和传统能源相比具有能量转化效率高、环境友好、安静、可靠性高等优点。然而它一个致命的缺点是它的成本为传统原料的4-10倍(传统原料：30-50$/kW，燃料电池200-300$/kW)。

质子交换膜燃料电池，除具有燃料电池的一般特点(如能量转化效率高、环境友好、安静、可靠性高)之外，同时还具有可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点，因而被认为是代替内燃机的首先系统。PEMFC的关键部件为双极板，它占整个燃料电池堆总重量的60-80％和电堆成本的30-45％，成为了制约燃料电池市场化的瓶颈。

近年来双极板引起了很多学者和研究机构的兴趣。到目前为止主要有三大类双极板：(1)石墨板，(2)石墨-橡胶复合板，(3)金属板。石墨板因为其导电良好、化学稳定性好，易于加工流场，是PEMFC广泛采用的极板材料，但其机械强度差、加工成本高使其在PEMFC的工业化应用中缺乏足够的竞争力。复合石墨板、柔性石墨及薄层金属板都是非常有潜力的双极板替换材料。而薄层金属双极板不仅易于实现批量生产、降低电堆成本，而且能大幅度提高电堆比功率，是最有竞争力的双极板材料。

双极板成型的关键是流场成型，流场的尺寸精度高，表面无微裂纹，并尽量保证流场的壁厚均匀。薄层金属双极板流场的成形有传统的冲压加工和刻蚀法；刻蚀加工效率低、不易于大规模生产；传统的钢模冲压加工模具，上下模为刚性接触(均为钢模)，难免零件表面有压痕、刮伤，使双极板在酸性环境下容易腐蚀，从而降低双极板的使用寿命；而且用上述模具制造成本高(上下模均需按零件要求加工制造)，定位配合误差大(上下模有需要配合定位)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有双极板加工技术中的不足，提供一种燃料电池金属双极板成形模具及基于该模具软模成形的成形方法，本发明采用软模成形，模具结构简单，生产效率高，降低金属双极板的成本，同时软模成形的冲压件无翘曲和回弹现象，零件质量高。

本发明提供的技术方案是：一种燃料电池金属双极板成形模具，包括模架，模架上设有作相对运动的二个模板，其特征在于：其中一个模板上联接有钢模，另一个模板上联接有容框，容框内固定有橡胶板，容框和钢模组成冲裁模。

本发明所述容框上还可设有挡料销，防止被加工料板在进行冲裁下料时移动；钢模上还可设有冲裁孔，用来成形双极板的燃料气体和冷却介质通道。

本发明还提供了一种用上述模具加工燃料电池金属双极板的成形工艺，包括如下步骤：

1)下料：将被加工料板置于钢模和容框之间，模具的二个模板在液压机作用下作相对运动并带动钢模运动，钢模和容框对被加工料板冲裁下料，冲裁得到的坯料随钢模进入容框内；

2)冲压成形：上模进入容框后在液压机作用下继续移动并挤压坯料和橡胶，使坯料填充满钢模的型腔；得到金属双极板。

与现有的其他成形技术相比，本发明能提高金属双极板的生产效率，降低金属双极板的成本，当剪切下料、冲压成形流场和冲孔在一个工步上进行时，能降低采用传统冲压工艺由于定位而造成的制造误差；凹模采用橡胶，这能提高金属成形性能，有效防止双极板的翘曲，生产的金属双极板品质高，有效的提高电堆的装配质量。为大批量生产燃料电池金属双极板提高了一个切实可行的方法。

本发明采用软模成形，上模或者下模之一用橡胶代替，这种结构的优点为：1)模具结构简单，制造成本低。采用橡胶做上模或下模时，只要刚性的上模或下模按零件要求加工，从而使模具制造简单，同时不用考虑了上模和下模的配合问题，从而降低加工费用；2)提高成形零件质量。用传统钢模冲压成形时，由于上、下模不能完全一致和间隙均匀，因此零件就有偏差；同时，由于上、下模为刚性接触，难免零件表面有压痕、刮伤，使双极板在酸性环境下容易腐蚀，从而降低双极板的使用寿命。而采用橡胶软模成形，板料在柔性介质的带动下填充满型腔，就很好的避免了上述问题，零件质量极高，并且没有回弹和零件挠曲现象；3)操作简单，生产效率高，能实现双极板的大批量生产。

附图说明

图1为双极板样板结构示意图；

图2为本发明燃料电池金属双极板样板成形模具的结构示意图；

图3为流场成形原理局部放大示意图；

图4为软模冲孔原理局部放大示意图。

具体实施方式

图1为燃料电池金属双极板样板，毛坯材料为ss304不锈钢钢板，厚度为0.1mm，双极板流场为蛇形流场，并且双极板上有两个燃料气体和冷却介质通道，其直径大小为φD。根据样板设计出成形模具，如图2所示，模具包括模架，模架上设有作相对运动的上模板1、下模板10、联接上模板1和下模板10的导柱3、导套7；上模2通过上模固定块6联接在上模板1上，上模2为钢模，钢模根据零件要求加工出型腔，为了能在一个工步上加工出双极板的燃料气体和冷却介质通道，根据极板圆孔的位置、尺寸要求，在钢模上对应的位置加工出圆孔(如图2中A-A处所示)，圆孔入口处是锋利的刃口。下模为橡胶板5，橡胶板5固定在容框9内，容框9固定在下模板10上，容框9四边设有刃口，上模2也有刃口，容框9和上模2组成冲裁模。

本发明所述容框9上还可设有防止被加工料板在进行冲裁时移动的挡料销4。

本发明加工燃料电池金属双极板的成形工艺，包括如下步骤：

1)下料：根据以上所述的模具的上模2和容框9组成冲裁模，将被加工料板置于上模2和容框9之间，由挡料销4进行定位，在液压机作用下上模板1带动上模2往下移动，利用上模2和容框9的刃口对被加工料板剪切下料，剪切得到的坯料8随上模2进入容框9内；

2)上模2进入容框9后继续往下移动，当上模2接触到坯料8时同时也开始挤压橡胶5，橡胶5产生一个反压力。由于橡胶5和坯料8之间存在摩擦力，所以橡胶5带着坯料8逐渐的填充满上模2的型腔；单个流场局部成形示意图如图3所示。

3)上模2继续下行，挤压橡胶5，橡胶5带着坯料8往钢模的圆孔处流动，圆孔的入口处是锋利的刃口，从而进行冲裁，获得燃料电池的燃料气体和冷却介质通道；冲孔局部示意图如图4所示。

4)开模取件：上模2上行，从容框9中取出零件，从而获得合格的金属双极板。

本发明成形的双极板不受上述实例的限制，当双极板材料为不锈钢或者其他材料、双极板厚度为0.1～1mm、双极板的流场为蛇形或者直流场采用本工艺进行成形的时候，也在本专利保护范围之内。