燃料电池金属极板成形规律

第１７卷第３期２０１０年６月

塑性工程学报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖ０１．１７Ｎｏ．３

Ｊｕｎ・２０１０

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—２０１２．２０１０．０３．０２０

燃料电池金属极板成形规律＊

（武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉４３００７０）

兰

箭

魏曦刘艳雄

华

林

摘要：双极板足质子交换膜燃料电池的核心组件之一，采用薄金属板制备双极板能够提高燃料电池的比功率、降

低生产成本。文章运用有限元软件对薄金属极板的成形过程进行模拟，分析了板料在成形过程中的应变分布、厚度分布、延伸率等模拟结果，总结出蛇形流场结构金属极板的成形规律，并成功应用于实验中。该研究工作为全尺寸金属双极板的制备提供了可靠依据。关键词：燃料电池；金属双极板；软模成形中图分类号：ＴＧ３８６

文献标识码：Ａ

文章编号：１００７－２０１２（２０１０）０３—０１０３—０５

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｎ

ｔｈｅｄｅｆｏｒｍｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｐｏｌａｒｐｌａｔｅｆｏｒｆｕｅｌｃｅｌｌ

ＬＡＮＪｉａｎ

ＷＥＩＸｉ

ＬＩＵＹａｍｘｉｏｎｇ

ＨＵＡＬｉｎ

４３００７０

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｌａｒｐｌａｔｅｉｓ

ａｒｅ

Ｃｈｉｎａ）

ｏｎｅｔｏ

ｏｆｔｈｅ

ｃｏｒｅ

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｐｏｌｙｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌ（ＰＥＭＦＣ）ｓｔａｃｋｓ．Ｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ

ｕｓｅｄｆｏｒｐｏｌａｒｐｌａｔｅ

ｔｏ

ｒｅｄｕｃｅ

ｃｏｓｔｔｏ

ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｏｌａｒｐｌａｔｅｂｙｒｕｂｂｅｒｐａｄｓｔａｍｐｉｎｇｗａｓ

ａｒｉａ—

ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｐａｎｄｉｎｇ

ｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｔｒａｉｎ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｕｎｉｔｅｘｔｅｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｌｉｃｐｌａｔｅ．Ｔｈｅ

ｃａｎ

ｌｙｔｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｃｏｎｆｉｒｍｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｅｌ

ｐｒｏｖｉｄｅｒｅｌｉａｂｌｅｂａｓｉｓｆｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．

ｃｅｌｌ；ｍｅｔａｌｌｉｃｐｏｌａｒｐｌａｔｅ；ｒｕｂｂｅｒｐａｄｓｔａｍｐｉｎｇ

堆总质量的７０％，成本约占６０％以上。复合石墨

引言

板、柔性石墨及薄层金属板都是很有潜力的双极板

材料，而薄层金属双极板不仅易于实现批量生产，

现代工业能源需求大幅上升，矿物燃料燃烧时释放出的有害物质正在导致生态环境的不断恶化［１］，

降低电堆成本，而且能大幅度提高电堆比功率，是

最有竞争力的极板材料睁５｜。相关研究工作，一方面

绿色能源的研制开发十分迫切。燃料电池是一种等

温并直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、

集中在适合ＰＥＭＦＣ强氧化、强还原工作环境下抗

腐蚀金属材料的优选及表面相应改性处理上；另一方面则侧重于开发新型高效、易加工、低成本的双极板结构［６］。目前已发表的文献中，有关金属基双极板制备技术的研究，多为金属材料的优选及表面改性处理方面；而对于开发高效、低成本的金属双极板结构及其加工方法方面的探讨很少。本文研究金属双极板的冲压成形规律，以期为高效、低成本

环境友好地转化为电能的发电装置［２］。质子交换膜

燃料电池（ＰＥＭＦＣ）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，具有广阔的应用前景。ＰＥＭＦＣ的构成包括阴阳极集流

板（流场板）、气体扩散层、催化层和质子交换膜等。双极板是ＰＥＭＦＣ的关键部件之一，其质量占到电

的金属双极板批量生产提供技术支撑。

＊国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２００８ＡＡｌｌＡｌ０６）。兰箭

金属极板成形的有限元建模

采用聚氨酯板配合刚性凹模在容框中压制金属极板，实验方案如图１所示。极板设计成三通道的蛇形流场结构，如图２所示。流场的脊部靠电池组

装力与电极扩散层紧密接触，槽部为反应气流的通

Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｌａｎ＠ｗｈｕｔ．ｅｄ

ｕ．ａｎ

作者简介：兰箭，男，武汉理工大学材料科学与工程学院，副教授，博士，研究方向为先进成形制造技术，材料成形过程计算机集成制造与仿真收稿日期：２００９—１２－１５

万方数据

１０４

塑性工程学报第１７卷

道。为减小接触电阻，并且避免导致浓差极化的增大，一般开孔率（沟槽部的面积与脊部的面积之比）控制在４０％～５０％之间。对蛇形沟槽流场沟槽的宽度与脊的宽度之比控制在１：１．２＂－－１：２．０之间。通常沟槽的宽度为ｌｍｍ左右，因此脊的宽度应选择在１ｍｍ～２ｍｍ之间。沟槽的深度应由沟槽总长度和允许的反应气流经流场的总压降决定，一般应控制在０．５ｍｍ～１．０ｍｍ之间［７］。本文实验设计凹模的沟槽宽度为１ｒａｍ，脊部宽度为１－２ｍｍ，沟槽深度为０．５ｍｍ，沟槽的横截面为梯形，模具形面轮廓尺寸为８５ｍｍ×８５ｍｍ。流场有效尺寸为４５ｍｍ×

４５ｍｍ。

图１薄板软模成形示意图

Ｆｉｇ．１

Ｓｋｅｔｃｈｏｆｓｈｅｅｔｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｕｓｉｎｇｓｏｆｔｔｏｏｌｓ

图２凹模／流场结构图

Ｆｉｇ．２

Ｄｉｅ／ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄ

利用板料冲压成形有限元模拟软件ＤＹ—ＮＡＦＯＲＭ预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕和回弹，并评估板料的成形性能［８］。对模具和板料划分有限元网格，如图３所示，板坯采用全积分壳单元，厚向积分点数为７，板坯与凹模之间摩擦系数为０．１２５，共计４３９８８４节点、４４５６４７单元。模具采用刚体设置，板坯尺寸为８５ｒａｍ×８５ｍｍ，厚度０．１ｍｍ，板坯材料选用３０４不锈钢，弹性模量２．０７×１０５ＭＰａ，泊松比０．２８，密度７．８５×１０＿９ｔ／ｍｍ３，屈服强度２１５ＭＰａ，应力应变关系

ａ＝６４８（０．０２＋ｅ）ｏ・２２ＭＰａＥ９｜。

金属极板面积较大，细小结构较多，为得到较为精确的模拟结果，需要划分较大规模的网格单元，计算量极大。彭林法等［１０］对软模成形的工艺参数作

万方数据

图３有限兀模型

Ｆｉｇ．３

ＦＥＭｍｏｄｅｌ

了详细的讨论，认为软模材料的硬度、软模材料与１４１ｈ５９ｍｉｎ。

３５０３００

重：器

－Ｒ

１５０

幽１００

５０ＯＯ

０．２

０．４

０．６

时间，ｓ

图４系统压力加载曲线

Ｆｉｇ．４

Ｌｏａｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ

ｏｆｓｙｓｔｅｍｐｒｅｓｓｕｒｅ

有限元模拟结果及分析

在后处理软件中查看整个模拟过程，发现在压力为１８０ＭＰａ时，板料充形情况较好，各部分形貌尺寸已经达到设计要求。图５为１８０ＭＰａ压力下的等效应变云图，其流场脊部应变较小，沟槽底部应变相对较大，其中最大值为０．５５４，出现在流场单脊部分末端的端面（见图５点Ｇ处），是最容易出现破裂缺陷的部位。

见图５，垂直于极板平面作剖切面得到截面线成形过程中某一时刻该区间／区段的弧长伸长量与原始长度的比值。流道部分（ＢＥ区间）的截面轮廓呈

周期性分布，整个截面区间ＡＦ、多周期区间ＢＥ、

薄板材料的接触等效摩擦系数对成形工艺影响不大。考虑到聚氨酯材料在高压下具有类似于液体的流动特性，本文将软模冲压模型，简化为液压胀形有限元模型模拟金属极板的压制过程。对全部板料网格单元施加液压力，加载方式为，在０．４ｓ时间内，压力值由０线性增大到３００ＭＰａ，保压０．１ｓ，完成整个成形过程，如图４所示。计算工作在多核工作站

上使用双精度ＬＳ—ＤＹＮＡ求解器进行，总耗时

ＡＦ，在此截面线上，定义区间／区段延伸率为板料

第３期

兰箭等：燃料电池金属极板成形规律

１０５

图５等效应变云图

Ｆｉｇ．５

Ｃｌｏｕｄｍａｐｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒａｉｎ

单周期区间ＣＤ在成形过程中的截面延伸率如图６所示。ＡＦ在整个变形过程中均为最小，因为极板

流场区域外有较大部分变形很小；ＢＥ段和ＣＤ段的

延伸率曲线在０ＭＰａ～１２０ＭＰａ之间吻合较好，１２０ＭＰａ后呈现出一个小的差值，且略有波动，说

明成形初期板料在流场各个周期的变形较均匀，随

着压力的增大，各个周期区间出现了不均匀变形的

情况。

Ｏ．３０Ｏ．２５冰０．２０

墼０．１５

艘０．１０

０．０５

０

Ｏ

１００

２００

３００

压力／ＭＰａ

图６各区间截面延伸率变化曲线

Ｆｉｇ．６

Ｃｕｒｖｅｓｏｆｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｉｎ

ｃｒｏｓｓ

ｓｅｃｔｉｏｎｓ

在中部单周期区间ＣＤ上，选取图７所示的５个区段，各个区段的延伸率随时间的变化曲线如图８所示。１—２区段延伸率最小，在整个成形过程中的变化也最小，该区段对应流场的脊部，是极板流场部分变形最小处。３—４区段在０ＭＰａ～１００ＭＰａ之间，

为延伸率最大处，后期变化较平缓，从模拟结果中观察到，该区段在变形初期因为沟槽部分板坯向下

运动而最先与模具圆角接触，进而翘起，发生弯曲

变形而导致初期变形量最大；后期与模具圆角贴合

面积逐渐增大，导致摩擦力增大，使得进一步变形困难，主要的变形部分转移到板料的沟槽部分发生。

压力１００ＭＰａ后，５－６区段延伸率增大最快，且保持最大值，一直持续到变形结束；９—１０区段位于槽

底部，延伸率仅次于５－６区段；７－８区段位于５－６区段与９一ｌｏ区段之间，对应于槽底的圆角处，是槽底

延伸率最小的部分。沟槽圆角部位弯曲程度最大，延伸主要发生在圆角两旁，９—１０区段较５－６区段先

万方数据

与模具贴合，伸长阻力较大，其延伸率略小于５－６段。可见在流场结构确定的条件下，脊部圆角和槽

部侧壁斜度是极板成形的关键影响因素。圆角大有利于变形初期板料在该处的流动；斜度大，会使变

形后期板料在该部分能够尽快与模具贴合（如５—６区段），在摩擦力作用下使该处变形变得困难，从而促使

其他部位（如７—８区段、９—１０区段）伸长均匀化。

ｆ

凹模

图７

ＣＤ区间截面示意图

Ｆｉｇ．７

Ｓｅｃｔｉｏｎｓ’ｓｋｅｔｃｈ

ｍａｐｂｅｔｗｅｅｎ

ＣａｎｄＤ

Ｏ．５０。４

萎ｏ．３黄ｏ．２

０．１

００

１００

２ｔ，【＇

３００

压力／ＭＰａ

图８ＣＤ区间上各个区段延伸率随时间变化曲线

Ｆｉｇ．８

Ｃｕｒｖｅｓｏｆｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｉｎｅａｃｈｓｅｃｔｉｏｎ

ｂｅｔｗｅｅｎＣａｎｄＤ

在图７中的５个区段上选取对应的５个节点如图９所示，厚度分布情况如图１０所示，其变化规律

同图８延伸率变化曲线相吻合，延伸率越大的地方

减薄越厉害。可见板料变薄主要是由发生在ＡＦ截面方向的拉伸变形引起，垂直于该截面方向（沿沟槽方向）的伸长较小。

板料

ｆ

凹模

图９

ＣＤ区间节点分布示意图

Ｆｉｇ．９

Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈ

ｍａｐｏｆ

ｎｏｄｅｓ’ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｂｅｔｗｅｅｎＣａｎｄＤ

过最危险点处作一斜截面ＧＨ，如图５中所示

位置，截面轮廓如图１１所示，选取６个节点，厚度

分布图如图１２所示。１～３点处的厚度明显小于对

１０６

塑性工程学报第１７卷

称分布的６～４点，这是因为图１１所示截面的左半部分对应模具上的外（凸）圆角，平面应力状态以两向受拉为主；右半部分对应模具的内（凹）圆角，平面应力状态以拉、压组合为主。在两向拉应力都较大的点２处厚度最小，即图５等效应变云图中最大应变处。

０．１００Ｏ．０９５目ｏ．０９０ｇ

越０．０８５

毗０．０８０

０．０７５

图１１

ＧＨ区间节点分布示意图

Ｆｉｇ．１１

Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｎｏｄｅｓ’ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｂｅｔｗｅｅｎＧａｎｄＨ

吕吕

｛醚酸

图１２

ＧＨ区间节点厚度变化曲线

Ｆｉｇ．１２

Ｃｕｒｖｅｓ

ｏｆｎｏｄｅｓ’ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎＧａｎｄＨ

３金属极板成形实验

金属极板成形实验模具的流道截面轮廓圆角和斜度，以及蛇形流道转角处的圆角设置，均参考有限元模拟情况进行设计。实验在５００ｔ压力机上进行，结合有限元模拟中坯料的充形情况，采用最危险点处厚度减薄率为４０％时刻的压力值，在压力机上确定１３０ｔ的系统压力设置完成实验工作。压制出的金属极板如图１３所示，极板流道轮廓清晰，板面

万方数据

平整，没有出现起皱和破裂等缺陷，流道形貌达到设计要求，并且与有限元模拟结果吻合较好，可见采用液压胀形方式模拟极板的软模成形是可行的，而且结果可靠。

图１３极板实物

Ｆｉｇ．１３

Ｐｈｏｔｏｏｆｐｏｌａｒｐｌａｔｅ

本文提出的实验方案和试验结果为实际装堆（见图１４）的、有效面积为４００ｍｉｎＸ１００ｍｍ双极板的成厚度０．１２ｒａｍ、有效面积４００ｒａｍＸ１００ｒａｍ双极板的冲压成形工件，为金属双极板的焊接、表面防腐处理和批量化生产奠定了基础。

图１４全尺寸金属双极板电堆

Ｆｉｇ．１４

Ｆｕｌｌｓｉｚｅｍｅｔａｌｌｉｃｐｏｌａｒｐｌａｔｅｓ’ｓｔａｃｋ

４结论

通过小型蛇形流道极板的模拟和试验，相互印１）成形初期板料在流场各个周期的变形较均匀，随着压力的增大，各周期区间出现不均匀变形的情况。

２）周期流道部分的危险区域在脊部圆角下方，

脊部圆角和槽部侧壁斜度，是极板成形的关键影响

因素。圆角大，有利于变形初期板料在该处的流动；３）流道转弯处的外（凸）圆角处，薄金属板料的

平面应力状态以两向受拉为主，是最易破裂的部位，

形，提供了准确有效的依据和参考，目前已经完成证和总结出薄金属板的成形规律。

斜度大，有利于变形后期板料在槽部均匀伸长。

第３期

兰箭等：燃料电池金属极板成形规律

１０７

应尽可能地增大其圆角和斜度。

在有限元模拟中采用液压胀形近似简化处理聚氨酯软模成形问题是可行的，模拟结果与实验情况

吻合较好，同时很大程度减少了模拟计算的时间。

所得出的规律和方法，成功地应用到全尺寸的金属双极板的设计和生产中。

参考文献

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化学工业出版社，２００３

万方数据

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［

７

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李茂春，张连洪，万淑敏等．ＰＥＭＦ℃薄金属流场板冲压成形有限元模拟［Ｊ］．电源技术，２００５．２９（８）：５０２—５０４

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陈文亮．板料成形ＣＡＥ分析教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５

９

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彭林法．微／介观尺度下薄板成形建模分析与实验研究

［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００７

燃料电池金属极板成形规律

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

兰箭， 魏曦， 刘艳雄， 华林， LAN Jian， WEI Xi， LIU Yan-xiong， HUA Lin武汉理工大学,材料科学与工程学院,武汉,430070塑性工程学报

JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERING2010,17(3)1次

参考文献(10条)

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5. 黄乃宝;衣宝廉;侯明;明平文 PEMFC薄层金属双极板研究进展[期刊论文]-化学进展 2005(06)6. 王东;张伟;夏保佳;李国欣 质子交换膜燃料电池金属双极板研究[期刊论文]-电源技术 2005(08)7. 李茂春;张连洪;万淑敏 PEMFC薄金属流场板冲压成形有限元模拟[期刊论文]-电源技术 2005(08)8. 陈文亮 板料成形CAE分析教程 20059. LSTC公司 LS-DYNA971 User's Manual 2006

10. 彭林法 微/介观尺度下薄板成形建模分析与实验研究 2007

本文读者也读过(4条)

1. 李茂春. 张连洪. 万淑敏. 王树新. 胡仕新. LI Mao-chun. ZHANG Lian-hong. WAN Shu-min. WANG Shu-xin. HU Shi-xin PEMFC薄金属流场板冲压成形有限元模拟[期刊论文]-电源技术2005,29(8)2. 魏曦 燃料电池金属极板冲压过程有限元模拟及工艺优化[学位论文]2010

3. 刘洪波. 李建新. 陈惠 质子交换膜燃料电池用双极板材料的现状与发展[会议论文]-2007

4. 张金营. 宋满仓. 吕晶. 庞中华. 徐文科. 王敏杰. ZHANG Jin-ying. SONG Man-cang. Lǔ Jing. PANG Zhong-hua. XU Wen-ke . WANG Min-jie PEMFC金属双极板成形工艺分析及数值模拟[期刊论文]-模具工业2010,36(12)

引证文献(1条)

1. 程健. 郭烈锦. 许世森. 张瑞云. 李晨 熔融碳酸盐燃料电池双极板数值模拟[期刊论文]-中国电机工程学报2011(z1)

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_sxgcxb201003020.aspx

第１７卷第３期２０１０年６月

塑性工程学报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖ０１．１７Ｎｏ．３

Ｊｕｎ・２０１０

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—２０１２．２０１０．０３．０２０

燃料电池金属极板成形规律＊

（武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉４３００７０）

兰

箭

魏曦刘艳雄

华

林

摘要：双极板足质子交换膜燃料电池的核心组件之一，采用薄金属板制备双极板能够提高燃料电池的比功率、降

低生产成本。文章运用有限元软件对薄金属极板的成形过程进行模拟，分析了板料在成形过程中的应变分布、厚度分布、延伸率等模拟结果，总结出蛇形流场结构金属极板的成形规律，并成功应用于实验中。该研究工作为全尺寸金属双极板的制备提供了可靠依据。关键词：燃料电池；金属双极板；软模成形中图分类号：ＴＧ３８６

文献标识码：Ａ

文章编号：１００７－２０１２（２０１０）０３—０１０３—０５

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｎ

ｔｈｅｄｅｆｏｒｍｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｐｏｌａｒｐｌａｔｅｆｏｒｆｕｅｌｃｅｌｌ

ＬＡＮＪｉａｎ

ＷＥＩＸｉ

ＬＩＵＹａｍｘｉｏｎｇ

ＨＵＡＬｉｎ

４３００７０

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｌａｒｐｌａｔｅｉｓ

ａｒｅ

Ｃｈｉｎａ）

ｏｎｅｔｏ

ｏｆｔｈｅ

ｃｏｒｅ

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｐｏｌｙｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌ（ＰＥＭＦＣ）ｓｔａｃｋｓ．Ｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ

ｕｓｅｄｆｏｒｐｏｌａｒｐｌａｔｅ

ｔｏ

ｒｅｄｕｃｅ

ｃｏｓｔｔｏ

ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｏｌａｒｐｌａｔｅｂｙｒｕｂｂｅｒｐａｄｓｔａｍｐｉｎｇｗａｓ

ａｒｉａ—

ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｐａｎｄｉｎｇ

ｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｔｒａｉｎ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｕｎｉｔｅｘｔｅｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｌｉｃｐｌａｔｅ．Ｔｈｅ

ｃａｎ

ｌｙｔｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｃｏｎｆｉｒｍｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｅｌ

ｐｒｏｖｉｄｅｒｅｌｉａｂｌｅｂａｓｉｓｆｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．

ｃｅｌｌ；ｍｅｔａｌｌｉｃｐｏｌａｒｐｌａｔｅ；ｒｕｂｂｅｒｐａｄｓｔａｍｐｉｎｇ

堆总质量的７０％，成本约占６０％以上。复合石墨

引言

板、柔性石墨及薄层金属板都是很有潜力的双极板

材料，而薄层金属双极板不仅易于实现批量生产，

现代工业能源需求大幅上升，矿物燃料燃烧时释放出的有害物质正在导致生态环境的不断恶化［１］，

降低电堆成本，而且能大幅度提高电堆比功率，是

最有竞争力的极板材料睁５｜。相关研究工作，一方面

绿色能源的研制开发十分迫切。燃料电池是一种等

温并直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、

集中在适合ＰＥＭＦＣ强氧化、强还原工作环境下抗

腐蚀金属材料的优选及表面相应改性处理上；另一方面则侧重于开发新型高效、易加工、低成本的双极板结构［６］。目前已发表的文献中，有关金属基双极板制备技术的研究，多为金属材料的优选及表面改性处理方面；而对于开发高效、低成本的金属双极板结构及其加工方法方面的探讨很少。本文研究金属双极板的冲压成形规律，以期为高效、低成本

环境友好地转化为电能的发电装置［２］。质子交换膜

燃料电池（ＰＥＭＦＣ）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，具有广阔的应用前景。ＰＥＭＦＣ的构成包括阴阳极集流

板（流场板）、气体扩散层、催化层和质子交换膜等。双极板是ＰＥＭＦＣ的关键部件之一，其质量占到电

的金属双极板批量生产提供技术支撑。

＊国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２００８ＡＡｌｌＡｌ０６）。兰箭

金属极板成形的有限元建模

采用聚氨酯板配合刚性凹模在容框中压制金属极板，实验方案如图１所示。极板设计成三通道的蛇形流场结构，如图２所示。流场的脊部靠电池组

装力与电极扩散层紧密接触，槽部为反应气流的通

Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｌａｎ＠ｗｈｕｔ．ｅｄ

ｕ．ａｎ

作者简介：兰箭，男，武汉理工大学材料科学与工程学院，副教授，博士，研究方向为先进成形制造技术，材料成形过程计算机集成制造与仿真收稿日期：２００９—１２－１５

万方数据

１０４

塑性工程学报第１７卷

道。为减小接触电阻，并且避免导致浓差极化的增大，一般开孔率（沟槽部的面积与脊部的面积之比）控制在４０％～５０％之间。对蛇形沟槽流场沟槽的宽度与脊的宽度之比控制在１：１．２＂－－１：２．０之间。通常沟槽的宽度为ｌｍｍ左右，因此脊的宽度应选择在１ｍｍ～２ｍｍ之间。沟槽的深度应由沟槽总长度和允许的反应气流经流场的总压降决定，一般应控制在０．５ｍｍ～１．０ｍｍ之间［７］。本文实验设计凹模的沟槽宽度为１ｒａｍ，脊部宽度为１－２ｍｍ，沟槽深度为０．５ｍｍ，沟槽的横截面为梯形，模具形面轮廓尺寸为８５ｍｍ×８５ｍｍ。流场有效尺寸为４５ｍｍ×

４５ｍｍ。

图１薄板软模成形示意图

Ｆｉｇ．１

Ｓｋｅｔｃｈｏｆｓｈｅｅｔｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｕｓｉｎｇｓｏｆｔｔｏｏｌｓ

图２凹模／流场结构图

Ｆｉｇ．２

Ｄｉｅ／ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄ

利用板料冲压成形有限元模拟软件ＤＹ—ＮＡＦＯＲＭ预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕和回弹，并评估板料的成形性能［８］。对模具和板料划分有限元网格，如图３所示，板坯采用全积分壳单元，厚向积分点数为７，板坯与凹模之间摩擦系数为０．１２５，共计４３９８８４节点、４４５６４７单元。模具采用刚体设置，板坯尺寸为８５ｒａｍ×８５ｍｍ，厚度０．１ｍｍ，板坯材料选用３０４不锈钢，弹性模量２．０７×１０５ＭＰａ，泊松比０．２８，密度７．８５×１０＿９ｔ／ｍｍ３，屈服强度２１５ＭＰａ，应力应变关系

ａ＝６４８（０．０２＋ｅ）ｏ・２２ＭＰａＥ９｜。

金属极板面积较大，细小结构较多，为得到较为精确的模拟结果，需要划分较大规模的网格单元，计算量极大。彭林法等［１０］对软模成形的工艺参数作

万方数据

图３有限兀模型

Ｆｉｇ．３

ＦＥＭｍｏｄｅｌ

了详细的讨论，认为软模材料的硬度、软模材料与１４１ｈ５９ｍｉｎ。

３５０３００

重：器

－Ｒ

１５０

幽１００

５０ＯＯ

０．２

０．４

０．６

时间，ｓ

图４系统压力加载曲线

Ｆｉｇ．４

Ｌｏａｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ

ｏｆｓｙｓｔｅｍｐｒｅｓｓｕｒｅ

有限元模拟结果及分析

在后处理软件中查看整个模拟过程，发现在压力为１８０ＭＰａ时，板料充形情况较好，各部分形貌尺寸已经达到设计要求。图５为１８０ＭＰａ压力下的等效应变云图，其流场脊部应变较小，沟槽底部应变相对较大，其中最大值为０．５５４，出现在流场单脊部分末端的端面（见图５点Ｇ处），是最容易出现破裂缺陷的部位。

见图５，垂直于极板平面作剖切面得到截面线成形过程中某一时刻该区间／区段的弧长伸长量与原始长度的比值。流道部分（ＢＥ区间）的截面轮廓呈

周期性分布，整个截面区间ＡＦ、多周期区间ＢＥ、

薄板材料的接触等效摩擦系数对成形工艺影响不大。考虑到聚氨酯材料在高压下具有类似于液体的流动特性，本文将软模冲压模型，简化为液压胀形有限元模型模拟金属极板的压制过程。对全部板料网格单元施加液压力，加载方式为，在０．４ｓ时间内，压力值由０线性增大到３００ＭＰａ，保压０．１ｓ，完成整个成形过程，如图４所示。计算工作在多核工作站

上使用双精度ＬＳ—ＤＹＮＡ求解器进行，总耗时

ＡＦ，在此截面线上，定义区间／区段延伸率为板料

第３期

兰箭等：燃料电池金属极板成形规律

１０５

图５等效应变云图

Ｆｉｇ．５

Ｃｌｏｕｄｍａｐｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒａｉｎ

单周期区间ＣＤ在成形过程中的截面延伸率如图６所示。ＡＦ在整个变形过程中均为最小，因为极板

流场区域外有较大部分变形很小；ＢＥ段和ＣＤ段的

延伸率曲线在０ＭＰａ～１２０ＭＰａ之间吻合较好，１２０ＭＰａ后呈现出一个小的差值，且略有波动，说

明成形初期板料在流场各个周期的变形较均匀，随

着压力的增大，各个周期区间出现了不均匀变形的

情况。

Ｏ．３０Ｏ．２５冰０．２０

墼０．１５

艘０．１０

０．０５

０

Ｏ

１００

２００

３００

压力／ＭＰａ

图６各区间截面延伸率变化曲线

Ｆｉｇ．６

Ｃｕｒｖｅｓｏｆｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｉｎ

ｃｒｏｓｓ

ｓｅｃｔｉｏｎｓ

在中部单周期区间ＣＤ上，选取图７所示的５个区段，各个区段的延伸率随时间的变化曲线如图８所示。１—２区段延伸率最小，在整个成形过程中的变化也最小，该区段对应流场的脊部，是极板流场部分变形最小处。３—４区段在０ＭＰａ～１００ＭＰａ之间，

为延伸率最大处，后期变化较平缓，从模拟结果中观察到，该区段在变形初期因为沟槽部分板坯向下

运动而最先与模具圆角接触，进而翘起，发生弯曲

变形而导致初期变形量最大；后期与模具圆角贴合

面积逐渐增大，导致摩擦力增大，使得进一步变形困难，主要的变形部分转移到板料的沟槽部分发生。

压力１００ＭＰａ后，５－６区段延伸率增大最快，且保持最大值，一直持续到变形结束；９—１０区段位于槽

底部，延伸率仅次于５－６区段；７－８区段位于５－６区段与９一ｌｏ区段之间，对应于槽底的圆角处，是槽底

延伸率最小的部分。沟槽圆角部位弯曲程度最大，延伸主要发生在圆角两旁，９—１０区段较５－６区段先

万方数据

与模具贴合，伸长阻力较大，其延伸率略小于５－６段。可见在流场结构确定的条件下，脊部圆角和槽

部侧壁斜度是极板成形的关键影响因素。圆角大有利于变形初期板料在该处的流动；斜度大，会使变

形后期板料在该部分能够尽快与模具贴合（如５—６区段），在摩擦力作用下使该处变形变得困难，从而促使

其他部位（如７—８区段、９—１０区段）伸长均匀化。

ｆ

凹模

图７

ＣＤ区间截面示意图

Ｆｉｇ．７

Ｓｅｃｔｉｏｎｓ’ｓｋｅｔｃｈ

ｍａｐｂｅｔｗｅｅｎ

ＣａｎｄＤ

Ｏ．５０。４

萎ｏ．３黄ｏ．２

０．１

００

１００

２ｔ，【＇

３００

压力／ＭＰａ

图８ＣＤ区间上各个区段延伸率随时间变化曲线

Ｆｉｇ．８

Ｃｕｒｖｅｓｏｆｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｉｎｅａｃｈｓｅｃｔｉｏｎ

ｂｅｔｗｅｅｎＣａｎｄＤ

在图７中的５个区段上选取对应的５个节点如图９所示，厚度分布情况如图１０所示，其变化规律

同图８延伸率变化曲线相吻合，延伸率越大的地方

减薄越厉害。可见板料变薄主要是由发生在ＡＦ截面方向的拉伸变形引起，垂直于该截面方向（沿沟槽方向）的伸长较小。

板料

ｆ

凹模

图９

ＣＤ区间节点分布示意图

Ｆｉｇ．９

Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈ

ｍａｐｏｆ

ｎｏｄｅｓ’ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｂｅｔｗｅｅｎＣａｎｄＤ

过最危险点处作一斜截面ＧＨ，如图５中所示

位置，截面轮廓如图１１所示，选取６个节点，厚度

分布图如图１２所示。１～３点处的厚度明显小于对

１０６

塑性工程学报第１７卷

称分布的６～４点，这是因为图１１所示截面的左半部分对应模具上的外（凸）圆角，平面应力状态以两向受拉为主；右半部分对应模具的内（凹）圆角，平面应力状态以拉、压组合为主。在两向拉应力都较大的点２处厚度最小，即图５等效应变云图中最大应变处。

０．１００Ｏ．０９５目ｏ．０９０ｇ

越０．０８５

毗０．０８０

０．０７５

图１１

ＧＨ区间节点分布示意图

Ｆｉｇ．１１

Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｎｏｄｅｓ’ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｂｅｔｗｅｅｎＧａｎｄＨ

吕吕

｛醚酸

图１２

ＧＨ区间节点厚度变化曲线

Ｆｉｇ．１２

Ｃｕｒｖｅｓ

ｏｆｎｏｄｅｓ’ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎＧａｎｄＨ

３金属极板成形实验

金属极板成形实验模具的流道截面轮廓圆角和斜度，以及蛇形流道转角处的圆角设置，均参考有限元模拟情况进行设计。实验在５００ｔ压力机上进行，结合有限元模拟中坯料的充形情况，采用最危险点处厚度减薄率为４０％时刻的压力值，在压力机上确定１３０ｔ的系统压力设置完成实验工作。压制出的金属极板如图１３所示，极板流道轮廓清晰，板面

万方数据

平整，没有出现起皱和破裂等缺陷，流道形貌达到设计要求，并且与有限元模拟结果吻合较好，可见采用液压胀形方式模拟极板的软模成形是可行的，而且结果可靠。

图１３极板实物

Ｆｉｇ．１３

Ｐｈｏｔｏｏｆｐｏｌａｒｐｌａｔｅ

本文提出的实验方案和试验结果为实际装堆（见图１４）的、有效面积为４００ｍｉｎＸ１００ｍｍ双极板的成厚度０．１２ｒａｍ、有效面积４００ｒａｍＸ１００ｒａｍ双极板的冲压成形工件，为金属双极板的焊接、表面防腐处理和批量化生产奠定了基础。

图１４全尺寸金属双极板电堆

Ｆｉｇ．１４

Ｆｕｌｌｓｉｚｅｍｅｔａｌｌｉｃｐｏｌａｒｐｌａｔｅｓ’ｓｔａｃｋ

４结论

通过小型蛇形流道极板的模拟和试验，相互印１）成形初期板料在流场各个周期的变形较均匀，随着压力的增大，各周期区间出现不均匀变形的情况。

２）周期流道部分的危险区域在脊部圆角下方，

脊部圆角和槽部侧壁斜度，是极板成形的关键影响

因素。圆角大，有利于变形初期板料在该处的流动；３）流道转弯处的外（凸）圆角处，薄金属板料的

平面应力状态以两向受拉为主，是最易破裂的部位，

形，提供了准确有效的依据和参考，目前已经完成证和总结出薄金属板的成形规律。

斜度大，有利于变形后期板料在槽部均匀伸长。

第３期

兰箭等：燃料电池金属极板成形规律

１０７

应尽可能地增大其圆角和斜度。

在有限元模拟中采用液压胀形近似简化处理聚氨酯软模成形问题是可行的，模拟结果与实验情况

吻合较好，同时很大程度减少了模拟计算的时间。

所得出的规律和方法，成功地应用到全尺寸的金属双极板的设计和生产中。

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燃料电池金属极板成形规律

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

兰箭， 魏曦， 刘艳雄， 华林， LAN Jian， WEI Xi， LIU Yan-xiong， HUA Lin武汉理工大学,材料科学与工程学院,武汉,430070塑性工程学报

JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERING2010,17(3)1次

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