苏ICP备112451047180号-6
摘要:质子交换膜燃料电池作为一种运输、固定动力和便携式电子设备的能源系统，比热机和电池有优势。在燃料电池能够取代现有的能源系统之前，必须提高其制造成本与性能之比。双极板是燃料电池组件，提高燃料电池制造成本，是性能的关键驱动因素。
金属双极板，其特征流动尺寸低于标准的1毫米，采用直接加工制造。由这些板构成的氢/空气燃料电池进行了测试，以确保性能的提高，使用交叉流量操作和汽车代表的通道长度。采用有限元模型(FEM)研究了采用低成本金属板冲压技术的双极板的制造工艺。根据多个双极板合金的冲压性进行了比较，并确定了亚毫米通道冲压所需的模具设计参数。进行了回弹分析，并研究了回弹对燃料电池堆应力的影响。
关键词：质子交换膜燃料电池；双极板冲压。
1. 介绍
化石燃料的持续使用提出了两个主要问题：它们有限的性质和不可再生性结合在一起造成了供应减少，它们燃烧产生的污染可能对大气和人类健康产生负面影响。可再生和无污染的氢是有一天取代化石燃料成为我们主要运输能源的货币。氢/空气PEMFC是一种很有吸引力的技术，可以利用氢能应用于分散发电、运输和便携式电子产品。pemfc可以是：比其他燃料电池化学装置更便携、更方便地操作，比电池更快地“加油”，比内燃机有更高的效率和排放更少的污染。更广泛地采用PEMFC的一个主要障碍是它们的性能与制造成本的比率。
双极板是一个PEMFC组件，它是性能和制造成本的主要驱动因素。双极板通常是燃料电池堆的主要结构元件（其中许多双极板被串联压缩在一起），并作为反应物气体和产物水的输送途径。在燃料电池堆中，双极板通常占质量的60%和制造成本的30%。因此，对双极板的设计和制造工艺的改进，既可以提高燃料电池的性能，又可以降低制造成本，从而鼓励这一有吸引力的技术的更广泛的商业化。
燃料电池的性能，特别是在高功率运行时，受到质量运输的限制。通过优化双极板的几何形状，特别是通过减少流体流动路径长度，可以最大化燃料电池的性能。
高质量、亚毫米的特征产生是计算机数控(CNC)加工。
有能力，这个过程不是一个经济上可行的选择，以大规模生产双极板。冲压是一种低成本、高体积的制造工艺，用于钣金制造。通过将最先进的数控微加工技术应用于长寿命冲压模具的制造，可以实现高性能双极板的经济批量生产。
本研究旨在确定最佳的双极板几何形状和制造这些双极板所需的冲压模具。原型双极板的加工由数控铣削和性能测试。然后使用有限元软件Abaqus研究了这些设计的冲压效果。基于冲压性对5种双极板合金进行了评价。然后将冲压模参数研究到0.25mm。最后，对回弹及其对燃料电池堆应力的影响进行了评价。本研究中优化的模具设计将为未来的工作提供信息，其中冲压模具将使用数控微加工的长寿命模具材料，如碳化钨制造。
2.双极板基本原理
2.1双极板设计
图1描述了PEMFC堆栈中最基本的重复单元。阳极双极板2和阴极双极板2侧面）夹入膜电极组件(MEA)。双极板由开放的气体流动通道（1）组成，以及与MEA接触的着陆（2）。MEA由质子交换膜（4）组成，它被两个电极（5）和两个多孔气体扩散层(GDL)（3）所包围。
图1 基本燃料电池单元（不按比例计算）
阳极双极板通道将氢均匀地分布到MEA中含催化剂的电极层，在那里它被分解成其组成的电子和质子。电子被导出燃料电池外部负载，通过双极板。质子通过质子交换膜，到达相反的电极，在那里它们与氧离子和电子结合形成水。为了保持双极板和GDL之间的低电阻，必须将这两层压缩在一起。GDL，通常是多孔碳纸或布，电连接电极和双极板，同时允许流体在其他阻塞的土地下流动。
为了获得所需的电压、电流或功率，这些双极板和MEAs的重复单元被串联地堆叠在一起。图2所示为模压石墨双极板和匹配的MEA，以及类似组件的燃料电池堆。
为了补充在电极上消耗的燃料，气体必须从通道中流过GDL。增加电极反应物通量的一种方法是减少双极板特征尺寸。通过减少通道和陆地宽度，缩短了特征扩散长度，增加了质量传输，从而导致更高的性能。在机加工的石墨双极板中，通过将通道和陆地宽度从1mm减少到0.25mm，观察到最大电流输出增加了79%。
在交错双极板中，相邻通道的压力被单独控制，在陆地下产生压力驱动的对流。对具有1mm宽通道的机械加工交错双极板的和建模的测试显示，最大功率高于扩散为主的平行模式，如中使用的。
图2 石墨双极板和MEA
美国能源部(DOE)已经设定了2015年双极板的制造成本为3美元/千瓦的目标，2Hz的生产率为。这些目标排除了直接加工作为一种可行的制造选择。薄金属板的冲压已被证明是一种有效的制造双极板的过程，其通道尺寸降低到约0.7毫米，使用金属箔降低到0.05mm，厚度为。奥氏体不锈钢由于其高强度和可冲压性，通常是双极板的首选材料，但较便宜的合金也已被证明是有效的，以及。事实上，由于即使是不锈钢也需要同时具有高导电性和低腐蚀潜力的涂层（燃料电池环境是酸性、温暖和湿的），因此双极板合金有许多选择。
长寿命冲压模具需要保持较低的双极板制造成本，随着双极特性尺寸的减小，减轻磨损变得越来越紧迫。H13工具钢冲压模具在冲压无涂层316L不锈钢双极板[10]时，经历了显著的模具表面粗糙度演变。
基于金刚石的工具和机床设计的进步使得极硬材料的精密微加工成为可能，如碳化钨，具有纳米级的表面粗糙度[11]。由于碳化钨冲压模具的高硬度和低粗糙度，模具的更换频率可以大大提高双极板的制造成本。
有限元法已被证明是分析双极板冲压过程的有效工具，消除了昂贵的迭代模具设计实验[12]。
2.1回弹和燃料电池堆叠应力
在钣金冲压中，板材被刚性模具塑性变形，以永久地改变其形状。在模具压力被去除后，冲压部件倾向于弹性放松回到他们原来的结构。因此，弹簧背可以产生与预期几何形状有很大差异的成品零件，可能需要模具设计改变[13]。
弹背由模具几何形状强烈控制，如模具半径和模具间隙，以及冲压材料的刚度和应变硬化行为。
确定冲压双极板的回弹是至关重要的，因为这可能会影响组装好的燃料电池堆中的GDL的压缩应力。燃料电池堆保持压缩，以确保GDL和双极板之间良好的电接触，并防止气体泄漏。由回弹引起的过大的GDL压应力会降低GDL孔隙率，堵塞气体流量[15]，从而影响燃料电池的性能。
3.薄箔双极板模具设计的基础研究
3.1机加工的双极板原型的测试
采用硬质合金模具和SodickHS430L数控铣床加工6061-T6铝(分别为0.25mm和1mm)。这两个双极板的歧管区域（显示单独的高压和低压通道）如图3所示。
图3 1mm和0.25mm的特色双极板。
加工后，这些双极板涂上Ni/Rh涂层以提高腐蚀和电导率，然后组装成PEMFCs进行性能测试。
测试是在Arbin仪器FCTS上进行的，使用99.95%纯氢和医用级空气。MEA由基于SGL10BC的GDL组成，与a
0.4 mg/cm2铂负载催化剂层。膜是Nafion112。图4显示，0.25mm双极板比1mm产生的功率更大。
图4 1毫米和0.25毫米的功率曲线。
原型测试表明，从性能的角度来看，亚毫米双极板特性是可行的。为了研究亚毫米双极板是否可以在DOE指南中生产，我们使用有限元法研究了1mm、0.5mm和0.25mm双极板特性的冲压过程。
3.2双极板材料模型
选择了5种常见的双极板合金进行冲压性评价：316L不锈钢[16]、Crofer22APU（一种高铬铁素体不锈钢）[17]、5086-O铝[18]、1100-O铝[19]和商业纯(CP)钛[18]。五种材料的工程应力应变曲线如图5所示。这些曲线代表了在室温下被退火后的材料。这些数据被用来模拟Abaqus中每种合金的弹塑性行为。
利用这些数据，使用[20]中描述的技术，计算了每种材料的应变硬化指数(n)。这些值列在表1中，以及每个合金的平面内各向异性，或Lankford系数(R)。
图5 被评价的合金的应力应变行为。
只有当双极板网元件没有超过这个临界应变时，冲压模拟才被认为是成功的（无损伤）。在局部颈缩开始之前的最大冲压通道深度被用作冲压性的衡量标准。
3.3基于应变的损伤模型
钣金冲压的典型失效机理是通过板材厚度的局部颈结。与通常用于预测冲压性的成形极限图不同，可以使用广泛可用的单轴拉伸数据[21]来预测局部颈缩。方程1[22]显示了局部颈缩开始时的等效应变ln)，基于表1中每种材料的n和R值。
3.3合金选择筛选和模具设计
有限元测试是在0.05mm厚的铝箔上进行的，使用的模具产生了7,1mm宽的通道和土地（图6）。
图6 冲压模具的细节。
采用三因素三级箱本实验设计，确定模具的影响
间隙、模具半径和模具/薄片摩擦系数对各合金冲压性的影响。测试参数值见表2，描述见图7。
| 表2。模具设计参数。 | |||
| 参数 | 低 | 中 | 高 |
| 模具间隙，mm | 0.187 | 0.276 | 0.368 |
| 模具半径，mm | 0.05 | 0.075 | 0.1 |
| 摩擦系数 | 0.1 | 0.3 | 0.5 |
图7 模具参数
采用二维平面abaqu动态显式模拟测试合金和模具的设计。双极板网格由5000个CPE4R元件组成，使用增强的沙漏控制。采用质量为100的比例因子来加快计算时间。
3.4通道大小影响
通道和土地。为了标记亚毫米的特征，有必要确定如何从1毫米的发现
测试可以扩展到更小的特性。单个0.25mm的冲压响应与1.0mm不同，而且，给定宽度的1.0mm通道的数量大于0.25mm通道。我们对这两种效应分别进行了研究。
通过更精确的模拟研究，研究了信道尺寸效应。这些模型使用了更精细的网格（20,000个元素），并且没有质量缩放。所有尺寸效应模拟使用的模具半径为0.1mm和摩擦系数为0.1，因此集中在主要的模具间隙。在通道尺寸研究中使用的双极板材料为316L。
为了确定通道宽度对冲压性的孤立影响，我们评估了宽度分别为1mm、0.5mm和0.25mm的7通道双极板。由于模具间隙是1mm筛选试验中的控制因素，因此通道尺寸模拟使用了一个按比例调整到1mm值的模具间隙。因此，1毫米，0.5毫米，和
0.25mm双极板的模具间隙为0.368mm，
分别为0.184mm和0.092mm。
最初的模具设计模拟均为1毫米为了确定通道总数的孤立效应，在有1、3、5和7个通道的双极板上印有1mm的特征。为了研究0.25mm双极板原型是否可制造，确定了一种能够用0.25mm通道和0.25mm土地冲压双极板的模具设计。从0.091mm值开始，增加模具间隙，直到可以加盖0.25mm深的无损伤通道。
4.结果和讨论
4.1.合金选择筛选和模具设计合金选择和模具设计模拟的边际平均曲线图如图9所示。x轴上的每个值都可以从左到右读取：低、中、高（见表2）。
图10 合金选择的边界平均值
图9显示，316L是最易冲压的合金。在测试参数范围内，模具间隙是影响通道深度的主要参数，其次是模具半径。摩擦系数有一个轻微的和
对最大无损伤通道深度的影响不一致。
4.2.通道大小影响
表3显示了三个测试特征宽度的最大无损伤通道深度。同时还列出了一个归一化的值（通道深度/宽度）。
表3。通道宽度对可冲压性的影响。
| 通道宽度，mm | 深度，mm | 深度/宽度 |
| 1.0 | 0.516 | 0.516 |
| 0.5 | 0.325 | 0.65 |
| 0.25 | 0.208 | 0.832 |
表3显示，归一化的可冲压性上升
当模具间隙呈线性缩放时，特征尺寸较小。这一结果表明，原型0.25mm双极板可踩踏，具有足够的模具间隙。
表4显示了1、3、5和7通道的1mm双极板的最大无损伤通道深度。
表4。通道总数对可冲压性的影响
| 通道数量 | 深度，mm |
| 1 | 0.663 |
| 3 | 0.588 |
| 5 | 0.514 |
| 7 | 0.592 |
可压性从1个通道到5个通道持续下降，但7通道情况并不遵循趋势（然而，可压性不如1通道情况）。这一结果表明，比例为0.091mm的模具间隙
0.25毫米的通道可能需要增加，以标记原型设计的双极板。
达到0.25mm所需的模具间隙为0.175mm(几乎是两倍
mm的线性缩放值）。图10显示了0.25mm特征双极板的一个截面。
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图10 0.25mm双极板的详图。
所需的大模具间隙，以及较大的相对模具半径，产生了一个类似于矩形长宽比正弦波的双极板，这与原型板的方波形有很大的不同。三角形通道已被证明可以改善液态水的运输，而圆形的土地可以改善气体流向
电极[23]，但这些更尖的土地也可能导致GDL压缩应力的增加。
5.结论
具有0.25mm特征的双极板的PEMFC功率输出要高于1mm。
由于其高冲压性，316L不锈钢是那些测试中最适合的双极板合金。在试验的模具设计参数范围内，模具间隙对冲压性的影响最大，模具半径的影响中等，摩擦系数的影响不一致。
所需的模具间隙不会与特征宽度成线性缩放。一般来说，随着通道数的增加，可吃性会降低。
316L需要适度的接触压力，以使其簧载结构恢复到平面状态。对于低刚度的GDL，可能需要用这种合金设计冲压模具来减轻回弹，尽管如果这是驱动工程问题，可以选择更容易压平的合金。
使用足够大的模具间隙，可以在室温下形成一个具有0.25mm特征的24通道双极板，由0.05mm厚的316L不锈钢组成。