沖模速度對燃料電池雙極板沖壓成型性能的研究

李思?余晨韻

摘 要：燃料電池雙極板的沖壓生產對于節約生產成本和減輕產品重量具有顯著優勢，通過有限元方法研究了沖壓速度對于雙極板的沖壓過程的影響，本文探究了沖壓速度的范圍對最薄處厚度的影響和對最大應變的影響，得到了較優化的沖壓速度取值范圍為0.5m/s-1.6m/s。

關鍵詞：沖壓成型；燃料電池雙極板；有限元

0 引言

燃料電池是一種清潔高效的電化學發電裝置，在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池PEMFC擁有許多優勢，諸如較高的能量密度，較低的操作溫度，無污染和啟動速度快，質子交換膜燃料電池擁有一系列可以被商業化的優勢，但是燃料電池的雙極板在燃料電池堆中占據了約40%的成本和80%的重量[1]。相對于石墨雙極板和復合雙極板等，金屬雙極板因其具有良好的機械和導電性能以及易加工的特性受到了廣泛的關注[2-3]。沖壓作為一種大批量生產的加工方法對于節約成本和減輕重量具有顯著的優勢，起皺和破裂是金屬雙極板的沖壓過程中是主要的缺陷，通過有限元方法能夠有效的控制沖壓過程中的條件和參數從而獲得較好的沖壓成型效果，本文利用dynaform軟件，通過調整沖壓速度對燃料電池板沖壓過程進行了模擬，以期望獲得較好的成型效果。

（a）

（b）

圖1（a）成型件的結構示意圖（b）沖壓速度對最小厚度和最大應變的影響

Fig1（a）The schematic diagram of punched product

（b）Effect of stamping speed on minimal thickness and max major strain

1 材料的選用以及主要工藝參數的確定

原材料選用304不銹鋼，沖壓速度為0.1m/s到4m/s不等，為了研究沖壓速度對于沖壓成型過程的影響，我們設置沖壓速度從0.1m/s到4m/s不等 ，并且雙極板的形狀被設置為常數，如圖1（a）所示，流道的寬度、深度、長度分別為1mm、0.8mm、10mm，尖銳處倒圓角為0.2mm，以成型件最薄處厚度和成型件最大應變來衡量。

2 結果與討論

如圖1（b）所示，隨著沖壓速度的上升，成型件最大主應變呈現先減少后上升的趨勢，在0.5m/s處達到最小值0.245，之后上升的過程中，雖然經歷波動，但是在后期的的變化過程中基本處于0.3的應變水平上。如果要求達到相應變形的并且控制局部最高應變量較少，可以將沖壓速度控制在0.5m/s到1.6m/s的范圍內。

在最薄處的厚度上，隨著沖壓速度的上升，成型件最薄處的厚度整體呈現減少的趨勢，從最開始處0.1m/s的0.722mm迅速上升到0.2mm處的0.736mm，之后逐漸減少，在2m/s至3m/s處出現不穩定的波動區，繼而繼續減少至0.704mm。可見要較穩定地控制沖壓厚度，可以將沖壓速度控制在0.3m/s到1.8m/s的范圍。

綜合二者分析，可以將沖壓速度控制在0.5m/s到1.6m/s的范圍內能在較少的局部高應變下較為穩定地控制產品厚度。

3 結論

1.隨著沖壓速度的上升，成型件最大主應變呈現先減少后上升的趨勢，成型件最薄處的厚度整體呈現減少的趨勢。

2.綜合分析，可以將沖壓速度控制在0.5m/s到1.6m/s的范圍內能在較少的局部高應變下較為穩定地控制產品厚度。

參考文獻

[1]Tsuchiya H， Kobayashi O. Mass production cost of PEM fuel cell by learning curve[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2004， 29（10）： 985-990.

[2] Yuan X Z， Wang H， Zhang J， et al. Bipolar plates for PEM fuel cells-from materials to processing[J]. Journal of New Materials for Electrochemical Systems， 2005， 8（4）： 257.

[3] Hermann A， Chaudhuri T， Spagnol P. Bipolar plates for PEM fuel cells： A review[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2005， 30（12）： 1297-1302.

作者簡介

李思（1991-），男，湖南省長沙市（籍貫：山東省青島市），現職稱：助教，學歷：碩士研究生，研究方向：沖壓有限元模擬。