文档介绍：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,  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