沖模速度對(duì)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(chǎn)對(duì)于節(jié)約生產(chǎn)成本和減輕產(chǎn)品重量具有顯著優(yōu)勢(shì)，通過有限元方法研究了沖壓速度對(duì)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(duì)最薄處厚度的影響和對(duì)最大應(yīng)變的影響，得到了較優(yōu)化的沖壓速度取值范圍為0.5m/s-1.6m/s。

關(guān)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(xué)發(fā)電裝置，在各種燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC擁有許多優(yōu)勢(shì)，諸如較高的能量密度，較低的操作溫度，無污染和啟動(dòng)速度快，質(zhì)子交換膜燃料電池?fù)碛幸幌盗锌梢员簧虡I(yè)化的優(yōu)勢(shì)，但是燃料電池的雙極板在燃料電池堆中占據(jù)了約40%的成本和80%的重量[1]。相對(duì)于石墨雙極板和復(fù)合雙極板等，金屬雙極板因其具有良好的機(jī)械和導(dǎo)電性能以及易加工的特性受到了廣泛的關(guān)注[2-3]。沖壓作為一種大批量生產(chǎn)的加工方法對(duì)于節(jié)約成本和減輕重量具有顯著的優(yōu)勢(shì)，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(shù)從而獲得較好的沖壓成型效果，本文利用dynaform軟件，通過調(diào)整沖壓速度對(duì)燃料電池板沖壓過程進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖（b）沖壓速度對(duì)最小厚度和最大應(yīng)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(shù)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(duì)于沖壓成型過程的影響，我們?cè)O(shè)置沖壓速度從0.1m/s到4m/s不等 ，并且雙極板的形狀被設(shè)置為常數(shù)，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(yīng)變來衡量。

2 結(jié)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(yīng)變呈現(xiàn)先減少后上升的趨勢(shì)，在0.5m/s處達(dá)到最小值0.245，之后上升的過程中，雖然經(jīng)歷波動(dòng)，但是在后期的的變化過程中基本處于0.3的應(yīng)變水平上。如果要求達(dá)到相應(yīng)變形的并且控制局部最高應(yīng)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(nèi)。

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(xiàn)減少的趨勢(shì)，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(xiàn)不穩(wěn)定的波動(dòng)區(qū)，繼而繼續(xù)減少至0.704mm?？梢娨^穩(wěn)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(nèi)能在較少的局部高應(yīng)變下較為穩(wěn)定地控制產(chǎn)品厚度。

3 結(jié)論

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

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(nèi)能在較少的局部高應(yīng)變下較為穩(wěn)定地控制產(chǎn)品厚度。

參考文獻(xiàn)

[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(xiàn)職稱：助教，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：沖壓有限元模擬。