专利名称：微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种微型燃料电池金属双极板微沟道结构的成形装置，本发明还涉 及微型燃料电池金属双极板微沟道结构的成形方法。
背景技术：
质子交换膜燃料电池是微型燃料电池发展的主要方向之一，然而，燃料电池的 微型化使其流场板等关键部件的制造难度急剧上升。由电解质膜、催化层和气体扩散层 共同组成的膜电极(MEA)是燃料电池的核心，而双极板流场板是燃料电池的关键部件之 一，流场板在微型质子交换膜燃料电池(PPEMFC)中起到分隔和分配氧化剂与还原剂， 收集和导出电流，传导反应热的作用，要求流场板具有高质量比功率、体积比功率和机 械强度，以及较低的面电阻、体电阻和低透气性。目前，质子交换膜燃料电池的流场板 大多采用石墨流场，其重量占到燃料电池电堆总重量的70% 80%以上，制造成本占到 总成本的40% 50%，且石墨材质较脆，机械加工性能较差，而且成品率低，无法实现 大批量生产；同时，由于石墨极板的脆性较大，不适合环境恶劣的工况下使用，这成为 了制约燃料电池实现产业化的瓶颈问题。相比石墨材料，金属薄板具有良好的机械加工性能，极佳的导电性，导热性和 致密性好，可靠性高，易装配，可低温快速启动，容易实现双极板的轻薄化，极大降低 双极板的体积和重量，同时还具有加工成本低、适合批量生产的特点，使其显示出极强 的竞争力。但是微型燃料电池极板流场特征尺寸减小导致的尺寸效应也对极板材料和加 工工艺提出了更高的要求。现在常用的金属微流场板制造成形工艺有刻蚀、电铸、线 切割和冲压成形、MEMS微加工技术等。基于冲压成形等常规塑性变形手段需要加工微 型模具。由于微型质子交换膜燃料电池流场板自身外形尺寸很小，为厘米级，其流道尺 寸为微米量级，微型凸、凹模的加工难度以及加工成本急剧上升，模具间的配合更加困 难；另外，利用激光微细加工、光刻、化学刻蚀、线切割、辊压成形和机械切削加工等 技术加工效率低，加工费用高，且批量生产较困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置及方 法，以解决基于冲压成形等常规塑性变形手段对金属薄板上微细结构成形时微型凸、凹 模间的配合困难的问题。微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置，它包括上模板1、垫环2、线 圈架3、灌封材料4、线圈5、支撑架6、驱动片7、模具9、垫块10、下模板11和紧固 螺栓12，支撑架6设置在下模板11上表面上，在支撑架6上表面开有槽6-1以放置线圈 5，在槽6-1的底部中心处开有圆形通孔6-2以放置模具9和垫块10，模具9和垫块10上 下叠置，槽6-1的底部、模具9的上方是驱动片7，线圈架3、灌封材料4和线圈5三部 分组成电磁驱动器，线圈5设置于中空的线圈架3中，线圈5与线圈架3的四周内壁间隙均勻并由灌封材料4将二者灌封为一体，上模板1设置在支撑架6上表面处，支撑架6两 侧开有通孔以穿入螺栓12且紧固螺栓12将上模板1、线圈架3、支撑架6和下模板11紧 固为一体，线圈5的轴心线为上下方向。微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形加工方法，一、由脉冲储能电容器 向线圈5放电，线圈5中产生高压脉冲电流，从而激发出脉冲磁场；二、瞬变的脉冲磁场 在驱动片7表面产生感应涡流，该感应涡流产生与线圈5的磁场方向相反的磁场；三、在 磁场间相斥的作用力下，驱动片7高速运动，带动设置在驱动片7与模具9之间的板坯8 向模具9做贴模运动；四、作用于板坯8的电磁力超过材料的屈服极限，板坯8发生塑性 变形，依照模具表面微特征结构成形出具有微沟道结构的薄板件，成形过程结束。本发明将电磁成形工艺应用在微型燃料电池金属双极板的成形中。电磁成形 工装简单，只需要半套模具，大大的缩短了模具加工时间、降低了加工成本、省去了模 具之间的配合、加工、调整等问题，使得模具更换更加容易，模具的修改和调整大大简 化，成形效率和成形精度高，工艺简单易控，重复性好。由于电磁成形是一种非接触性 的成形技术，是通过电磁相互作用赋予金属导电工件较大的电磁成形力。在正确运用的 情况下，电磁力可以在几毫米的距离上使薄板的速度加快到200m/s以上，板坯向模具 表面高速撞击，板坯和模具之间的高速撞击提供了非常高的瞬态压力，在高成形速率条 件下发生变形，这提高了对模具表面形貌特征的复制以及增强了表面应变硬化效应的能 力。它可以使材料本身产生高塑性的现象，改善成形性，提高应力分布，减少起皱和回 弹，大幅度提高材料的延展性，提高材料的成形极限，对于难成形的金属材料仍有较好 的成形效果。本发明以电磁成形为手段成形金属双极板的微型沟道，仅使用凸模或凹模 就能进行低成本、高效率、大批量的成形双极板的微细结构。
图1是本发明的结构示意图，图2是图1中I处的放大结构示意图，图3是模具 的结构示意图，图4是图3的俯视图，图5是本发明加工后的板坯8示意图，图6是双矩 形螺旋线圈驱动器的侧剖视结构示意图，图7是图6的侧视图，图8是图6的俯视图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1和图2具体说明本实施方式。本实施方式的微 型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置，它包括上模板1、垫环2、线圈架3、灌 封材料4、线圈5、支撑架6、驱动片7、模具9、垫块10、下模板11和线圈架12，支撑 架6设置在下模板11上表面上，在支撑架6上表面开有槽6-1以放置线圈5，在槽6-1 的底部中心处开有圆形通孔6-2以放置模具9和垫块10，模具9和垫块10上下叠置，模 具9与槽底间的距离由垫块10来调节。槽6-1的底部、模具9的上方是驱动片7，线圈 架3、灌封材料4和线圈5三部分组成电磁驱动器，线圈5置于中空的线圈架3中，线圈 5与线圈架3的四周内壁间隙均勻并由灌封材料4将二者灌封为一体，上模板1设置在支 撑架6上表面处，支撑架6两侧开有通孔以穿入螺栓12且紧固螺栓12将上模板1、线圈 架3、支撑架6和下模板11紧固为一体，线圈5的轴心线为上下方向。本装置在使用时 板坯8设置在驱动片7下方。所述灌封材料4为环氧树脂、聚酰胺以及绝缘金属氧化物结构增强颗粒按一定比例混合而成。所述驱动片7为退火紫铜板。本实施方式中的电磁驱动器采用的是能够使金属薄板受力更加均勻的双矩形螺 旋线圈驱动器。这一驱动器有别于传统平板成形线圈，该驱动器主要由线圈5和线圈架 3组成。每个平板螺旋线圈中心部位为密绕矩形，匝间距较小，折弯处有圆角过渡。单 根导线横截面为的矩形，导线间留有一定间隙，线与线之间用高压绝缘材料包覆隔开。 采用兼具高压电气绝缘和一定机械强度的绝缘材料灌封，并将线圈固定在线圈框架内， 线圈两端接引线连接电容器组。当充电完毕的电容器组开始放电时，高频率、高强脉冲 电流流经线圈5，在线圈5中产生瞬态脉冲磁场，双矩形螺旋线圈结构决定驱动片7所受 磁场力分布更加均勻。传统圆形螺旋线圈为最常见的多匝平板线圈，在其半径中心处电 磁力最大，圆心处电磁力为零，电磁力分布很不均勻。矩形双螺旋线圈采用两个矩形螺 旋线圈绕向相反并列放置，这样它的电磁力更加均勻化并且它的优点也在于可以多模生 产。因此该驱动器相比于其它平板成形线圈成形质量以及成形效率明显提高。因此，这 大大提高了材料的成形性、成形精度以及特征结构的均勻一致性。模具9表面是按照流场板流动通道来设计的，如图3和4所示为简化后的微型流 场通道。流道的脊宽为2mm，沟道宽度为Imm 1.5mm，深度为0.6mm。板坯材料可 以是不锈钢、铝合金等，厚度为0.1mm，沟槽截面为半径为0.77mm，深度为0.6mm的部 分圆。
具体实施方式
二 下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式 一的不同之处是它还包括垫环2，每个螺栓12中都设置一个垫环2，垫环2设置在上模板 1与支撑架6之间，垫环2分为限位垫环和吸震垫环两种，限位垫环为金属材质，吸震垫 环为聚氨酯材料。在支撑架6上方有配合螺栓使用的垫环2，在垫环上方为上模板。支 撑架6与上模板1之间的紧固力由螺栓12来实现。本实施方式选用六个垫环与六个螺栓 12配合使用，两个金属垫环用于限位，四个聚氨酯垫环用于减震和支撑，每个垫环的外 径为20mm，内径为10mm。
具体实施方式
三下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式 一的不同之处是线圈架3与线圈5之间的间隙和内部以及线圈5各螺距间的间隙中用可以 提供电气绝缘和机械支持的环氧树脂、聚酰胺以及绝缘金属氧化物混合材料灌封。
具体实施方式
四下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式 一的不同之处是驱动片7采用厚度为0.16mm的退火紫铜板。
具体实施方式
五下面结合图1和图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施 方式一的不同之处是微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形加工方法，一、由脉冲 储能电容器向线圈5放电，线圈5中产生高压脉冲电流36KA，从而激发出脉冲磁场4.3A/ m； 二、瞬变的脉冲磁场在驱动片7表面产生感应涡流，通过楞次定律可知，该感应涡流 产生与线圈5的磁场方向相反的磁场；三、在磁场间相斥的作用力7.42MPa下，驱动片7 高速运动，带动设置在驱动片7与模具9之间的板坯8向模具9做贴模运动；四、作用于 板坯8的电磁力超过材料的屈服极限，板坯8发生塑性变形，依照模具表面微特征结构成 形出具有微沟道结构的薄板件，成形过程结束。
权利要求
1.微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置，其特征在于它包括上模板(1)、 垫环(2)、线圈架(3)、灌封材料(4)、线圈(5)、支撑架(6)、驱动片(7)、模具(9)、 垫块(10)、下模板(11)和紧固螺栓(12)，支撑架(6)设置在下模板(11)上表面上，在 支撑架(6)上表面开有槽(6-1)以放置线圈(5)，在槽(6-1)的底部中心处开有圆形通孔 (6-2)以放置模具(9)和垫块(10)，模具(9)和垫块(10)上下叠置，槽(6-1)的底部、 模具(9)的上方是驱动片(7)，线圈(5)设置于线圈架(3)中，线圈(5)四周内壁间隙均 勻并由灌封材料(4)将二者灌封为一体，上模板(1)设置在支撑架(6)上表面处，支撑架 (6)两侧开有通孔以穿入螺栓(12)且紧固螺栓(12)将上模板(1)、线圈(5)、支撑架(6) 和下模板(11)紧固为一体，线圈(5)的轴心线为上下方向。
2.根据权利要求1所述的微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置，其特征在 于所述灌封材料(4)为能提供电气绝缘和机械支持的环氧树脂、聚酰胺以及绝缘金属氧 化物混合材料。
3.根据权利要求1所述的微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置，其特征在 于线圈架(3)与线圈(5)之间的间隙和线圈(5)内部以及线圈(5)各螺距间的间隙用环氧 树脂、聚酰胺以及绝缘金属氧化物的混合材料灌封。
4.根据权利要求1所述的微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置，其特征在 于线圈(5)用黄铜经机械加工而成，线圈(5)为两个螺旋线圈反向并列排放构成，缠绕成 线圈(5)的单根导线横截面为矩形。
5.根据权利要求1所述的微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置，其特征在 于它还包括垫环(2)，每个螺栓(3)中都设置一个垫环(2)，垫环(2)设置在上模板(1) 与支撑架(6)之间，垫环(2)分为限位垫环和吸震垫环两种，限位垫环为金属材质，吸震 垫环为聚氨酯材料。
6.根据权利要求1所述的微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置，其特征在 于所述驱动片(7)为电导率高的金属薄板。
7.根据权利要求6所述的微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置，其特征在 于驱动片(7)采用厚度为0.16mm的退火紫铜板。
8.应用权利要求1至7所述任意一种成形装置的微型燃料电池金属双极板微沟道的 电磁成形加工方法，其特征在于它包括以下步骤一、由脉冲储能电容器向线圈(5)放 电，线圈(5)中产生高压脉冲电流，从而激发出脉冲磁场；二、瞬变的脉冲磁场在驱动 片(7)表面产生感应涡流，该感应涡流产生与线圈(5)的磁场方向相反的磁场；三、在磁 场间相斥的作用力下，驱动片(7)高速运动，带动设置在驱动片(7)与模具(9)之间的板 坯(8)向模具(9)做贴模运动；四、作用于板坯(8)的电磁力超过材料的屈服极限，板坯 (8)发生塑性变形，依照模具表面微特征结构成形出具有微沟道结构的薄板件，成形过程 结束。
全文摘要
微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置及方法，它涉及微型燃料电池金属双极板微沟道成形装置及方法，以解决基于冲压成形等常规塑性变形手段对金属薄板上微细结构成形时微型凸、凹模间的配合困难的问题。装置包括上模板、线圈、驱动片、模具、下模板和紧固螺栓，支撑架上表面开有槽以放置线圈，槽的底部中心处开有圆形通孔以放置模具，模具的上方是驱动片，线圈的轴心线为上下方向。方法为向线圈放电激发出强脉冲磁场，瞬变的强脉冲磁场在驱动片表面产生感应涡流进而产生与线圈的磁场方向相反的磁场；在磁场间相斥的作用力下，驱动片带动板坯向模具做贴模运动。用于微成形。
文档编号H01M4/88GK102013494SQ20101054518
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者于海平, 单德彬, 李春峰, 王春举, 赵庆娟, 郭斌 申请人:哈尔滨工业大学