專利名稱：微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型燃料電池金屬雙極板微溝道結(jié)構(gòu)的成形裝置，本發(fā)明還涉 及微型燃料電池金屬雙極板微溝道結(jié)構(gòu)的成形方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是微型燃料電池發(fā)展的主要方向之一，然而，燃料電池的 微型化使其流場板等關(guān)鍵部件的制造難度急劇上升。由電解質(zhì)膜、催化層和氣體擴(kuò)散層 共同組成的膜電極(MEA)是燃料電池的核心，而雙極板流場板是燃料電池的關(guān)鍵部件之 一，流場板在微型質(zhì)子交換膜燃料電池(PPEMFC)中起到分隔和分配氧化劑與還原劑， 收集和導(dǎo)出電流，傳導(dǎo)反應(yīng)熱的作用，要求流場板具有高質(zhì)量比功率、體積比功率和機(jī) 械強(qiáng)度，以及較低的面電阻、體電阻和低透氣性。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池的流場板 大多采用石墨流場，其重量占到燃料電池電堆總重量的70% 80%以上，制造成本占到 總成本的40% 50%，且石墨材質(zhì)較脆，機(jī)械加工性能較差，而且成品率低，無法實(shí)現(xiàn) 大批量生產(chǎn)；同時(shí)，由于石墨極板的脆性較大，不適合環(huán)境惡劣的工況下使用，這成為 了制約燃料電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問題。相比石墨材料，金屬薄板具有良好的機(jī)械加工性能，極佳的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性和 致密性好，可靠性高，易裝配，可低溫快速啟動(dòng)，容易實(shí)現(xiàn)雙極板的輕薄化，極大降低 雙極板的體積和重量，同時(shí)還具有加工成本低、適合批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，使其顯示出極強(qiáng) 的競爭力。但是微型燃料電池極板流場特征尺寸減小導(dǎo)致的尺寸效應(yīng)也對(duì)極板材料和加 工工藝提出了更高的要求?，F(xiàn)在常用的金屬微流場板制造成形工藝有刻蝕、電鑄、線 切割和沖壓成形、MEMS微加工技術(shù)等?；跊_壓成形等常規(guī)塑性變形手段需要加工微 型模具。由于微型質(zhì)子交換膜燃料電池流場板自身外形尺寸很小，為厘米級(jí)，其流道尺 寸為微米量級(jí)，微型凸、凹模的加工難度以及加工成本急劇上升，模具間的配合更加困 難；另外，利用激光微細(xì)加工、光刻、化學(xué)刻蝕、線切割、輥壓成形和機(jī)械切削加工等 技術(shù)加工效率低，加工費(fèi)用高，且批量生產(chǎn)較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置及方 法，以解決基于沖壓成形等常規(guī)塑性變形手段對(duì)金屬薄板上微細(xì)結(jié)構(gòu)成形時(shí)微型凸、凹 模間的配合困難的問題。微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，它包括上模板1、墊環(huán)2、線 圈架3、灌封材料4、線圈5、支撐架6、驅(qū)動(dòng)片7、模具9、墊塊10、下模板11和緊固 螺栓12，支撐架6設(shè)置在下模板11上表面上，在支撐架6上表面開有槽6-1以放置線圈 5，在槽6-1的底部中心處開有圓形通孔6-2以放置模具9和墊塊10，模具9和墊塊10上 下疊置，槽6-1的底部、模具9的上方是驅(qū)動(dòng)片7，線圈架3、灌封材料4和線圈5三部 分組成電磁驅(qū)動(dòng)器，線圈5設(shè)置于中空的線圈架3中，線圈5與線圈架3的四周內(nèi)壁間隙均勻并由灌封材料4將二者灌封為一體，上模板1設(shè)置在支撐架6上表面處，支撐架6兩 側(cè)開有通孔以穿入螺栓12且緊固螺栓12將上模板1、線圈架3、支撐架6和下模板11緊 固為一體，線圈5的軸心線為上下方向。微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形加工方法，一、由脈沖儲(chǔ)能電容器 向線圈5放電，線圈5中產(chǎn)生高壓脈沖電流，從而激發(fā)出脈沖磁場；二、瞬變的脈沖磁場 在驅(qū)動(dòng)片7表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流，該感應(yīng)渦流產(chǎn)生與線圈5的磁場方向相反的磁場；三、在 磁場間相斥的作用力下，驅(qū)動(dòng)片7高速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)設(shè)置在驅(qū)動(dòng)片7與模具9之間的板坯8 向模具9做貼模運(yùn)動(dòng)；四、作用于板坯8的電磁力超過材料的屈服極限，板坯8發(fā)生塑性 變形，依照模具表面微特征結(jié)構(gòu)成形出具有微溝道結(jié)構(gòu)的薄板件，成形過程結(jié)束。本發(fā)明將電磁成形工藝應(yīng)用在微型燃料電池金屬雙極板的成形中。電磁成形 工裝簡單，只需要半套模具，大大的縮短了模具加工時(shí)間、降低了加工成本、省去了模 具之間的配合、加工、調(diào)整等問題，使得模具更換更加容易，模具的修改和調(diào)整大大簡 化，成形效率和成形精度高，工藝簡單易控，重復(fù)性好。由于電磁成形是一種非接觸性 的成形技術(shù)，是通過電磁相互作用賦予金屬導(dǎo)電工件較大的電磁成形力。在正確運(yùn)用的 情況下，電磁力可以在幾毫米的距離上使薄板的速度加快到200m/s以上，板坯向模具 表面高速撞擊，板坯和模具之間的高速撞擊提供了非常高的瞬態(tài)壓力，在高成形速率條 件下發(fā)生變形，這提高了對(duì)模具表面形貌特征的復(fù)制以及增強(qiáng)了表面應(yīng)變硬化效應(yīng)的能 力。它可以使材料本身產(chǎn)生高塑性的現(xiàn)象，改善成形性，提高應(yīng)力分布，減少起皺和回 彈，大幅度提高材料的延展性，提高材料的成形極限，對(duì)于難成形的金屬材料仍有較好 的成形效果。本發(fā)明以電磁成形為手段成形金屬雙極板的微型溝道，僅使用凸模或凹模 就能進(jìn)行低成本、高效率、大批量的成形雙極板的微細(xì)結(jié)構(gòu)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1中I處的放大結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是模具 的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是圖3的俯視圖，圖5是本發(fā)明加工后的板坯8示意圖，圖6是雙矩 形螺旋線圈驅(qū)動(dòng)器的側(cè)剖視結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是圖6的側(cè)視圖，圖8是圖6的俯視圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1和圖2具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式的微 型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，它包括上模板1、墊環(huán)2、線圈架3、灌 封材料4、線圈5、支撐架6、驅(qū)動(dòng)片7、模具9、墊塊10、下模板11和線圈架12，支撐 架6設(shè)置在下模板11上表面上，在支撐架6上表面開有槽6-1以放置線圈5，在槽6-1 的底部中心處開有圓形通孔6-2以放置模具9和墊塊10，模具9和墊塊10上下疊置，模 具9與槽底間的距離由墊塊10來調(diào)節(jié)。槽6-1的底部、模具9的上方是驅(qū)動(dòng)片7，線圈 架3、灌封材料4和線圈5三部分組成電磁驅(qū)動(dòng)器，線圈5置于中空的線圈架3中，線圈 5與線圈架3的四周內(nèi)壁間隙均勻并由灌封材料4將二者灌封為一體，上模板1設(shè)置在支 撐架6上表面處，支撐架6兩側(cè)開有通孔以穿入螺栓12且緊固螺栓12將上模板1、線圈 架3、支撐架6和下模板11緊固為一體，線圈5的軸心線為上下方向。本裝置在使用時(shí) 板坯8設(shè)置在驅(qū)動(dòng)片7下方。所述灌封材料4為環(huán)氧樹脂、聚酰胺以及絕緣金屬氧化物結(jié)構(gòu)增強(qiáng)顆粒按一定比例混合而成。所述驅(qū)動(dòng)片7為退火紫銅板。本實(shí)施方式中的電磁驅(qū)動(dòng)器采用的是能夠使金屬薄板受力更加均勻的雙矩形螺 旋線圈驅(qū)動(dòng)器。這一驅(qū)動(dòng)器有別于傳統(tǒng)平板成形線圈，該驅(qū)動(dòng)器主要由線圈5和線圈架 3組成。每個(gè)平板螺旋線圈中心部位為密繞矩形，匝間距較小，折彎處有圓角過渡。單 根導(dǎo)線橫截面為的矩形，導(dǎo)線間留有一定間隙，線與線之間用高壓絕緣材料包覆隔開。 采用兼具高壓電氣絕緣和一定機(jī)械強(qiáng)度的絕緣材料灌封，并將線圈固定在線圈框架內(nèi)， 線圈兩端接引線連接電容器組。當(dāng)充電完畢的電容器組開始放電時(shí)，高頻率、高強(qiáng)脈沖 電流流經(jīng)線圈5，在線圈5中產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖磁場，雙矩形螺旋線圈結(jié)構(gòu)決定驅(qū)動(dòng)片7所受 磁場力分布更加均勻。傳統(tǒng)圓形螺旋線圈為最常見的多匝平板線圈，在其半徑中心處電 磁力最大，圓心處電磁力為零，電磁力分布很不均勻。矩形雙螺旋線圈采用兩個(gè)矩形螺 旋線圈繞向相反并列放置，這樣它的電磁力更加均勻化并且它的優(yōu)點(diǎn)也在于可以多模生 產(chǎn)。因此該驅(qū)動(dòng)器相比于其它平板成形線圈成形質(zhì)量以及成形效率明顯提高。因此，這 大大提高了材料的成形性、成形精度以及特征結(jié)構(gòu)的均勻一致性。模具9表面是按照流場板流動(dòng)通道來設(shè)計(jì)的，如圖3和4所示為簡化后的微型流 場通道。流道的脊寬為2mm，溝道寬度為Imm 1.5mm，深度為0.6mm。板坯材料可 以是不銹鋼、鋁合金等，厚度為0.1mm，溝槽截面為半徑為0.77mm，深度為0.6mm的部 分圓。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式 一的不同之處是它還包括墊環(huán)2，每個(gè)螺栓12中都設(shè)置一個(gè)墊環(huán)2，墊環(huán)2設(shè)置在上模板 1與支撐架6之間，墊環(huán)2分為限位墊環(huán)和吸震墊環(huán)兩種，限位墊環(huán)為金屬材質(zhì)，吸震墊 環(huán)為聚氨酯材料。在支撐架6上方有配合螺栓使用的墊環(huán)2，在墊環(huán)上方為上模板。支 撐架6與上模板1之間的緊固力由螺栓12來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施方式選用六個(gè)墊環(huán)與六個(gè)螺栓 12配合使用，兩個(gè)金屬墊環(huán)用于限位，四個(gè)聚氨酯墊環(huán)用于減震和支撐，每個(gè)墊環(huán)的外 徑為20mm，內(nèi)徑為10mm。
具體實(shí)施方式
三下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式 一的不同之處是線圈架3與線圈5之間的間隙和內(nèi)部以及線圈5各螺距間的間隙中用可以 提供電氣絕緣和機(jī)械支持的環(huán)氧樹脂、聚酰胺以及絕緣金屬氧化物混合材料灌封。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式 一的不同之處是驅(qū)動(dòng)片7采用厚度為0.16mm的退火紫銅板。
具體實(shí)施方式
五下面結(jié)合圖1和圖2具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施 方式一的不同之處是微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形加工方法，一、由脈沖 儲(chǔ)能電容器向線圈5放電，線圈5中產(chǎn)生高壓脈沖電流36KA，從而激發(fā)出脈沖磁場4.3A/ m； 二、瞬變的脈沖磁場在驅(qū)動(dòng)片7表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流，通過楞次定律可知，該感應(yīng)渦流 產(chǎn)生與線圈5的磁場方向相反的磁場；三、在磁場間相斥的作用力7.42MPa下，驅(qū)動(dòng)片7 高速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)設(shè)置在驅(qū)動(dòng)片7與模具9之間的板坯8向模具9做貼模運(yùn)動(dòng)；四、作用于 板坯8的電磁力超過材料的屈服極限，板坯8發(fā)生塑性變形，依照模具表面微特征結(jié)構(gòu)成 形出具有微溝道結(jié)構(gòu)的薄板件，成形過程結(jié)束。
權(quán)利要求
1.微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，其特征在于它包括上模板(1)、 墊環(huán)(2)、線圈架(3)、灌封材料(4)、線圈(5)、支撐架(6)、驅(qū)動(dòng)片(7)、模具(9)、 墊塊(10)、下模板(11)和緊固螺栓(12)，支撐架(6)設(shè)置在下模板(11)上表面上，在 支撐架(6)上表面開有槽(6-1)以放置線圈(5)，在槽(6-1)的底部中心處開有圓形通孔 (6-2)以放置模具(9)和墊塊(10)，模具(9)和墊塊(10)上下疊置，槽(6-1)的底部、 模具(9)的上方是驅(qū)動(dòng)片(7)，線圈(5)設(shè)置于線圈架(3)中，線圈(5)四周內(nèi)壁間隙均 勻并由灌封材料(4)將二者灌封為一體，上模板(1)設(shè)置在支撐架(6)上表面處，支撐架 (6)兩側(cè)開有通孔以穿入螺栓(12)且緊固螺栓(12)將上模板(1)、線圈(5)、支撐架(6) 和下模板(11)緊固為一體，線圈(5)的軸心線為上下方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，其特征在 于所述灌封材料(4)為能提供電氣絕緣和機(jī)械支持的環(huán)氧樹脂、聚酰胺以及絕緣金屬氧 化物混合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，其特征在 于線圈架(3)與線圈(5)之間的間隙和線圈(5)內(nèi)部以及線圈(5)各螺距間的間隙用環(huán)氧 樹脂、聚酰胺以及絕緣金屬氧化物的混合材料灌封。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，其特征在 于線圈(5)用黃銅經(jīng)機(jī)械加工而成，線圈(5)為兩個(gè)螺旋線圈反向并列排放構(gòu)成，纏繞成 線圈(5)的單根導(dǎo)線橫截面為矩形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，其特征在 于它還包括墊環(huán)(2)，每個(gè)螺栓(3)中都設(shè)置一個(gè)墊環(huán)(2)，墊環(huán)(2)設(shè)置在上模板(1) 與支撐架(6)之間，墊環(huán)(2)分為限位墊環(huán)和吸震墊環(huán)兩種，限位墊環(huán)為金屬材質(zhì)，吸震 墊環(huán)為聚氨酯材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，其特征在 于所述驅(qū)動(dòng)片(7)為電導(dǎo)率高的金屬薄板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，其特征在 于驅(qū)動(dòng)片(7)采用厚度為0.16mm的退火紫銅板。
8.應(yīng)用權(quán)利要求1至7所述任意一種成形裝置的微型燃料電池金屬雙極板微溝道的 電磁成形加工方法，其特征在于它包括以下步驟一、由脈沖儲(chǔ)能電容器向線圈(5)放 電，線圈(5)中產(chǎn)生高壓脈沖電流，從而激發(fā)出脈沖磁場；二、瞬變的脈沖磁場在驅(qū)動(dòng) 片(7)表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流，該感應(yīng)渦流產(chǎn)生與線圈(5)的磁場方向相反的磁場；三、在磁 場間相斥的作用力下，驅(qū)動(dòng)片(7)高速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)設(shè)置在驅(qū)動(dòng)片(7)與模具(9)之間的板 坯(8)向模具(9)做貼模運(yùn)動(dòng)；四、作用于板坯(8)的電磁力超過材料的屈服極限，板坯 (8)發(fā)生塑性變形，依照模具表面微特征結(jié)構(gòu)成形出具有微溝道結(jié)構(gòu)的薄板件，成形過程 結(jié)束。
全文摘要
微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置及方法，它涉及微型燃料電池金屬雙極板微溝道成形裝置及方法，以解決基于沖壓成形等常規(guī)塑性變形手段對(duì)金屬薄板上微細(xì)結(jié)構(gòu)成形時(shí)微型凸、凹模間的配合困難的問題。裝置包括上模板、線圈、驅(qū)動(dòng)片、模具、下模板和緊固螺栓，支撐架上表面開有槽以放置線圈，槽的底部中心處開有圓形通孔以放置模具，模具的上方是驅(qū)動(dòng)片，線圈的軸心線為上下方向。方法為向線圈放電激發(fā)出強(qiáng)脈沖磁場，瞬變的強(qiáng)脈沖磁場在驅(qū)動(dòng)片表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流進(jìn)而產(chǎn)生與線圈的磁場方向相反的磁場；在磁場間相斥的作用力下，驅(qū)動(dòng)片帶動(dòng)板坯向模具做貼模運(yùn)動(dòng)。用于微成形。
文檔編號(hào)H01M4/88GK102013494SQ20101054518
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者于海平, 單德彬, 李春峰, 王春舉, 趙慶娟, 郭斌 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)