[发明专利]一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺及成型装置

说明书

本发明公开了一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺及成型装置，包括如下步骤：S1：制作模具，S2：加工胚料，S3：加工单极板，S4：加工构型，S5：加工成型。本发明还公开了一种用于制作燃料电池金属双极板的成型装置。本发明采用冲压工艺并辅助激光切割及激光焊接技术，使两片不同结构的单极板同时冲压成形，然后焊接成为一套可用的燃料电池双极板；本工艺过程简单、高效，制造成本大幅降低，加工精度高，有利于电堆的组装，并易于实现大批量生产。

技术领域

本发明属于冲压成型装置领域，具体涉及一种用于制作燃料电池金属双极板的工艺及成型装置。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的清洁能源技术，具有高能量转换效率、结构简单、低排放、低噪音等优点，可广泛应用于车用动力、移动电源及通信基站备用电源等领域。燃料电池主要由膜电极和双极板构成；膜电极是燃料电池的核心，双极板是电池的重要组成部分，在燃料电池中起到收集电流、气体分配、支撑膜电极以及水管理、热管理的作用；双极板占据燃料电池堆重量和成本的绝大部分，其制作材料及加工费用是燃料电池成本高的主要原因之一。

目前，燃料电池双极板材料主要有三类：石墨材料、复合材料和金属材料。石墨双极板导电良好、耐腐蚀性能强，技术比较成熟，许多示范应用的燃料电池汽车大都采用此种双极板；但石墨双极板的脆性极大，机械性能差、加工效率低、同时价格昂贵且制造成本高，难以实现商业化大批量生产。复合材料双极板以碳粉和树脂为主要原料、经过模压等方式制备而成，可以改善石墨双极板的性能，并在一定程度上降低双极板的成本，但其加工工艺十分复杂，且存在导电性和气体渗透的问题，长期稳定性尚待探索。金属双极板可以采用直接冲压薄板形成，易于大批量生产，且可以大幅度提高燃料电池的比能量和比功率、降低电池成本；此外，由于金属材料具有导电导热性好、机械强度高、容易薄片化、易加工等优点，成为燃料电池双极板的首选材料之一，世界各大公司及研究单位纷纷进行金属双极板的开发和研究。

中国专利公开号CN101937997A提出一种带有一定曲率的非平面弧形金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板相对结合构成；两板的阴阳极腔、冷却介质腔和流场区沟槽和凸台凸凹形状相互对应，分别构成燃料气体通道、氧化剂通道和冷却介质通道。这种结构需要加工多副模具，同时带曲率的非平面模具加工成本高，加工精度难以保证；同时弧形金属极板装配困难，碳纸等气体扩散层材料在与弧形金属极板装配过程中容易发生断裂效应。

中国专利公开号CN101101993A提出的基于薄板冲压成形的双极板，包括两块流场单板分别作为阳极和阴极，一块中间支撑薄板置于流场单板之间，形成燃料、氧化剂和冷却液进出口。这种结构需要三块不同构型的金属薄板才能满足功能需求，同时，该双极板流阻较大，难以在车用燃料电池的大面积金属极板上应用。

中国专利公开号1787261A提出利用裁剪机将金属薄板剪切成一定尺寸大小的平板，再用铣床加工出气体及冷却介质通道，然后将加工好的平板放入模具中利用油压机冲压加工金属双极板。这种加工方法能够有效加工出满足燃料电池极板设计要求的流场通道，也易于加工。但在金属极板加工过程中均需要先经过机械切削加工凹槽气体通道或者金属边框，然后才能进行极板流场的加工，机加工效率及精度较低，不可避免的面临着制造和装配精度的问题，限制了大批量生产的实现。

中国专利公开号CN102013494A采用了电磁成形的方法，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、凹模间配合困难的问题，但是电磁成形加工效率低，不适用于大批量生产。

中国专利公开号CN101905268B设计了一种小型氢燃料电池金属双极板成形模具，包含切口、冲孔、压拉延防变形筋、成形、整形、落料等十个工位，板料依次通过各工位，被连续冲压成形。这种连续模具能大大提高生产效率，适合大批量生产，但是该专利模具只适用于小型氢燃料电池极板，不能满足大面积金属极板的成形要求，同时在成形流道沟槽时不能一次成形即达到设计要求，需要一次或多次整形，降低了生产效率，并且加工工位过多，难以保证各工位间的定位精度。