微型燃料電池雙極板成形新方法與機理研究.pdf

1、燃料電池將是繼水力、火力、核能之后的第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機的動力裝置。燃料電池由含催化劑的陽極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成,是一種將氫或者富氫燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC作為燃料電池的一種,是以固體質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì),以其低溫快速啟動、零排放等特點,被認為是電動車、潛艇和各種可移動電源的最佳候選者。雙極板是PFMFC的核心部件之一,占電池組質(zhì)量和成本的很大部分,具有隔離并均勻分配反應(yīng)氣體

2、、收集并導(dǎo)出電流、機械支撐、水熱管理、串聯(lián)各個單電池等功能。雙極板流道的設(shè)計與加工對PEMFC性能、效率以及成本影響很大。
　　 現(xiàn)有加工方法的成本居高不下,不適合批量生產(chǎn)。另外,隨著微型燃料電池外形尺度的微型化,雙極板的尺寸也相應(yīng)減小,會產(chǎn)生尺寸效應(yīng),其成形工藝不能沿用原有的沖壓工藝,必須進行微成形理論及方法的研究。
　　 本文提出了針對燃料電池金屬雙極板的累積成形方法,我們運用Dynaform軟件和ABAQUS軟件對

3、雙極板流道的整個成形過程進行了仿真模擬,而且在自行研制的微累積成形裝置上研究了成形機理,對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。本文我們主要完成的研究工作和結(jié)果如下:
　　 1、比較了各種燃料電池的特性,重點介紹了PEMFC的組成,分析了雙極板的材料選擇、流場分布和成形方法。
　　 2、在介紹板料累積成形技術(shù)的基礎(chǔ)上,分析了累積成形的成形機理,指出了成形軌跡的設(shè)計原則,對累積成形的特點進行了歸納總結(jié),同時指出了累積成形過程中常見的缺陷。另

4、外對微塑性成形中的尺寸效應(yīng)進行了研究,根據(jù)表面層模型建立了第I類尺寸效應(yīng)的理論模型,并在此基礎(chǔ)上建立了考慮第I類尺寸效應(yīng)的微塑性成形本構(gòu)關(guān)系。
　　 3、運用Dynaform軟件模擬了流道成形的第一個階段沖壓過程,確定了沖壓速度以及不同直徑成形工具下不同厚度板料的最大沖壓深度,然后使用ABAQUS軟件建立了雙極板流道成形的實體模型,解決了材料參數(shù)的的選取,接觸處理,載荷與約束條件處理以及網(wǎng)格劃分、單元類型選取等關(guān)鍵問題,對蛇形流

5、道累積成形過程進行了研究,揭示了工藝參數(shù)對板料厚度減薄和流道成形深度回彈的影響。
　　 4、考慮模擬分析的結(jié)果,并借鑒宏觀的模具設(shè)計理論,設(shè)計并加工出了流道成形工具、夾具以及支撐裝置,并對鋁合金3003薄板的流道成形工藝進行了研究。本實驗主要研究了下壓量以及不同熱處理板料對成形力、成形深度的影響,實驗與模擬結(jié)果比較吻合。
　　 5、獲得微累積成形規(guī)律:隨著摩擦系數(shù)的增大,板料的最大等效應(yīng)力、板料厚度的減薄呈增大趨勢,流道

6、的成形深度也隨著摩擦系數(shù)的增大而增大;壓邊力增大,等效應(yīng)力、板料厚度的減薄增大,而流道深度減小;成形工具頭直徑過小會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,尤其在流道的起始點和后半段較嚴重,隨著成形工具頭直徑的增大,成形工具頭與板料的接觸區(qū)域增大,應(yīng)力集中減小,成形性能有所提高,回彈減小;成形速度越大,等效應(yīng)力、等效應(yīng)變減小,分析最大減薄率和最大回彈率,低速成形有利于成形性能的提高。
　　 隨著下壓量的增加,成形力呈增加的趨勢,最大成形力也隨之增