质子交换膜燃料电池双极板累积成形研究

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1、质子交换膜燃料电池双极板累积成形研究*    王晶晶 王 匀 丁 盛 张园园 张 凯 袁国定    （江苏大学 机械工程学院，镇江 212013）    【摘 要】质子交换膜燃料电池双极板是关键部件之一，具有隔离和均匀分配反应气体、收集导出电流、串联各单电池等功能，大概占电池组质量的 80%，是影响电池组性价比的主要原因之一。提出了针对微型双极板累积成形新方法，介绍了其工作原理。在此基础上，以蛇形流道为例，利用 ABAQUS 模拟软件研究其成形规律，获得了不同垂直压下量的板厚分布和减薄率情况。结果显示成形后的板料厚度变化呈倒 U 形，中间区域较均

2、匀；随着垂直压下量的增大，板料的厚度减薄愈大，而且在流道的起点和终点段的厚度变化较大。累积成形过程中成形力变化为 U 形，成形力最大处在下压量的起始点，模拟与实验吻合度较好，验证了累计成形的可行性。    关键词：燃料电池；双极板；累积成形    中图分类号：TH16，TM911.4  文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2012）03-0198-03    1 引言    随着国际原油的紧缺、环境污染的日趋严重，研究清洁便利的可替代能源是国内外的热点。燃料电池由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成，是一种把燃料和氧化剂中的化学能

3、直接转化成电能的装置[1]，被认为是21世纪首选的洁净高效发电技术[2]。    燃料电池中的质子交换膜燃料电池PEMFC（Proton exchangemembrane fuel cells）是以固体质子交换膜作为电解质，PEMFC双极板是核心部件之一，具有隔离和均匀分配反应气体、收集导出电流、串联各单电池等功能，大概占电池组质量的80%，是影响电池组性价比的主要原因之一[3]。    金属双极板能显著提高PEMFC 的比功率[4]，但流道的微型化使其成形很难，研究高效低成本双极板成形方法和机理是亟待解决的问题。提出了一种双极板累积成形方法，并

4、结合模拟和实验分析了板料的厚度变化特点，验证了该方法的可行性。    2 累积成形    累积成形主要是靠成形工具对流道施加局部变形，成形工具头在流道起始位置下压，达到所需流道深度后，按流场走向，在整个运动过程中板料连续变形。成形过程中，板料按计算机程序给定路径和轨迹实现局部塑性成形，其整体变形是由局部变形积累而成的，而且板料变形是逐点逐步连续由小变形量形成的。累积成形中垂直压下量指模头的下压量，即板料上表面到流道上表面的垂直距离，在累积成形过程中，变形量要严格控制以便板料不失稳。    3有限元模型的建立    采用 ABAQUS 分析蛇形双极

5、板，如图 1 所示。微累积成形的成形过程，模具几何模型相对比较简单，直接在 ABAQUS 中建立。假设材料变形是均匀的，成形设备和工具为绝对刚性。    在金属双极板的成形中，常用的金属板材为不锈钢板、铝板、铝合金板和铜板等[5]。累积成形中，板材在非对称的局部载荷作用下，在成形过程中的任一时刻，与工具头接触区域的板材会发生局部的、带有显著三维体积成形特征的塑性变形，随着工具头的移动，接触区域随之改变，原本处于加载状态发生塑性变形的板材，由于卸载而发生局部的弹性回复。    因此，变形数值模拟中，采用考虑板材各向异性及加工硬化的非线性的弹塑性材料

6、模型准确描述材料特性。这里金属板料选用材料为铝合金3003 薄板，成形工具、下支撑模和压边装置的材料选用轴承钢，模拟中作为刚体考虑，以上各种材料的力学性能参数，如表1 所示。        考虑计算经济和可靠性出发，壳单元最适合薄板的累积成形模拟分析。为了较准确地描述板料成形的弯曲效应和板厚方向的应力、应变变化，沿着壳单元的厚度方向取5个积分点[6]。为了考察不同垂直压下量下的累积成形规律和对板料成形性的影响，消除模具结构对实验的影响，取压下量与厚度的比值，分别为0.5、1、1.5和2。板厚0.165mm时，垂直压下量为0.0825mm、0.16

7、5mm、0.2475mm和0.33mm。    另外，成形工具头直径0.19mm，成形速度 100mm/s，摩擦因数0.1，压边力 100N。利用 ABAQUS 建立的模型，如图 2 所示。累积成形中成形工具为半球形工具头，上、下压边圈则简化为两个刚性平面。板料尺寸为11mm*11mm，除压边圈作用的部分，实际成形区域为5mm*5mm。    在板材累积成形过程中，板材上的作用力是通过成形工具头、板材表面和上下压边圈表面的接触来传递的。由于成形工具头与板料是逐点接触，其成形非常复杂。根据成形过程中工具头运动特点，采用有限滑移公式的面—面接触单元，

8、定义成形压头表面为主表面，板材表面为从表面；支撑表面为主表面，板材表面为从表面，保证板材与成形工具头和支撑表面之间的良好接触，并采用罚函