[发明专利]一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及工艺

说明书

一、技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池用双极板成形技术领域，尤其是一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及工艺。

二、背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、对环境污染小等优点，成为替代现有矿物燃料发电设备和石化燃料动力设备的最佳选择。以氢气为原料的质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)具有清洁、高效和可再生等特点，被认为是21世纪首选的发电技术，在交通运输、电子产品以及国防工业等领域都具有广阔的应用前景。

作为PEMFC关键部件之一的双极板，不仅质量占到整个燃料电池堆的60％～80％，而且在电池堆的生产成本中也占据相当大的比例，约为30％～40％。耐腐蚀性强和导电性良好的石墨是近年来PEMFC双极板广泛采用的材料。但是，石墨机械强度差、脆性较大，加工成本高，并且由于透气性需要一定的厚度，使其在PEMFC的工业化应用中缺乏足够的竞争力。为了削减成本，提高双极板的性能，考虑使用其他材料代替石墨一直是工程界研究的热点。复合材料和金属，如钛合金、铝合金和不锈钢薄板都是非常有潜力的双极板替换材料。金属双极板既易于批量生产，又可通过薄板直接冲压成形，能够大幅提高燃料电池的比能量和比功率，降低电池成本，是最有竞争力的双极板材料。

目前金属双极板通道的成形技术主要包括三类：(1)塑性成形技术，包括硬模冲压、软模冲压、液压胀形、磁脉冲成形、辊压成形、累积塑性变形等；(2)液态成形技术，包括利用绝热软化效应冲压成形和高真空压模铸造成形；(3)特种加工技术，包括电化学刻蚀技术和刻锻模微电子放电加工技术。液态成形适应性广，可制造流道形状复杂的双极板，且成形精度高，但是有待提高其内部组织的均匀性和致密性，改善其力学性能；特种加工技术效率低，表面质量不佳，不适合大批量生产。金属塑性成形技术具有金属组织性能好、生产率高和成本低等特点，但存在成形极限和填充能力不足等问题。冲压成形时薄板容易产生裂纹、起皱、非均匀减薄等缺陷，且成形后残余应力较大。回弹造成成形后的通道与设计通道几何尺寸的误差较大，这些都是制约金属双极板冲压成形的关键问题。

经检索国内外专利文献，中国国家知识产权局2006年06月14日公开了公开号为CN1787261A，名称为“一种冲压金属双极板结构及其制备方法”,该发明提出了在制作好的模具中冲压加工金属双极板的方法，这种方法固然简便易行，但是会出现如之前所述的问题。中国国家知识产权局2007年05月16日公开了公开号为CN1964114A，名称为“基于辊压成形的质子交换膜燃料电池金属双极板制造方法”；该发明提出通过辊压辊子对来挤压出双极板的流道形状，但是成形工艺较为复杂。中国国家知识产权局2014年07月16日公开了公开号为CN103920988A，名称为“一种微型燃料电池金属流场板激光冲击半模成形方法和装置”；该发明提出利用激光冲压半模的方法成形，这种方法加工成本高，且多适用于微型燃料电池。

三、发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及加工工艺。

本发明安装在压力成形机工作台上,与线路控制系统相连接，其技术方案是：由压板、导套、弹簧、导柱、施压杆、环境箱、上模板、下模板、基座、连接板、压边板、金属板和支撑杆构成。

基座与压板为对应匹配的矩形刚性体，基座中心位置设置凸台，在凸台对应两边的基座上分别固定一条导柱，在压板与基座上固定的导柱对应的位置固定导套；导套内装弹簧并套装在导柱上，导套与导柱的配合关系为滑动配合；在压板与基座的中心位置对应固定安装施压杆和支撑杆；在施压杆上固定连接板，连接板上通过螺栓固定上模板；下模板与上模板相对应并固定在支撑杆上；

环境箱为容纳上模板和下模板的腔体，由箱体、视镜、碳硅棒、隔热层、热电偶组成；箱体由两半对开的金属外壳和内衬的隔热层构成，两半对开的箱体通过铰链连接在一起；在连接在一起箱体的上部和底部的中心位置设置与施压杆、支撑杆的直径活动匹配的孔；在箱体内壁固定安装碳硅棒，周边放有热电偶，箱体壁开有视镜孔；碳硅棒、热电偶与电路系统相连接；两半对开的环境箱箱体，合体包容施压杆和支撑杆并安装在基座上；

基座通过螺栓安装固定在压力成形机的上工作台，压板通过螺栓安装固定在压力成形机的下工作台。

应用一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置实施的超塑性成形工艺，包括以下步骤：

(1)将两半对开的环境箱开启；