純鈦燃料電池雙極板軟模成形工藝研究

張彥杰，李渤渤，陶會(huì)發(fā)，池成忠，張鵬，林飛，孟令健，林鵬，劉茵琪

純鈦燃料電池雙極板軟模成形工藝研究

張彥杰1，李渤渤2，陶會(huì)發(fā)2，池成忠1，張鵬1，林飛1，孟令健1，林鵬1，劉茵琪2

（1. 太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2. 洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

研究軟模成形過程中塑性應(yīng)變比值對(duì)雙極板成形深度及壁厚的影響，探究不同工藝參數(shù)對(duì)雙極板尺寸的影響規(guī)律。通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)得到純鈦極薄帶的力學(xué)性能參數(shù)，然后采用橡膠軟模成形方法制備純鈦燃料電池雙極板，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)制備的雙極板尺寸及壁厚進(jìn)行測(cè)量并深入分析。TD取向的值最大為2.56，沿該方向成形時(shí)，純鈦極薄帶在載荷為300 kN、軟模硬度為77HA條件下得到的雙極板深度最大，為0.293 mm；同時(shí)，其壁厚減薄較小，在減薄最嚴(yán)重的位置壁厚減薄率僅為13.52%。較大的載荷與適宜的軟模硬度能得到較好的雙極板深度，對(duì)雙極板周期無(wú)影響；雙極板深度、壁厚與值有關(guān)，值越大，純鈦極薄帶抵抗壁厚減薄的能力越強(qiáng)，成形深度越大。

軟模成形；純鈦雙極板；值

隨著環(huán)境污染、能源短缺問題日益加重，新能源開發(fā)越來(lái)越受到人們的重視，其中，燃料電池是將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置，具有能量利用率高、環(huán)境友好等特點(diǎn)[1-4]，是最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉葱问街?。雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的關(guān)鍵組成部分，占電堆重量的70%以上，體積的50%左右，其成本約占電池成本的30%～50%[5-6]，是燃料電池最重要的核心部件之一。流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及材料是決定雙極板性能的主要因素[7-8]，其中極板材料對(duì)雙極板的質(zhì)量、體積、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等方面都有著重要影響。最新研發(fā)的雙極板材料主要分為3類，分別為石墨雙極板、復(fù)合材料雙極板和金屬雙極板。金屬雙極板在導(dǎo)電導(dǎo)熱性、力學(xué)性能、氣密性等方面都優(yōu)于前兩者，有利于電池比功率密度的提升。此外，金屬材料加工工藝成熟，可采用沖壓、壓鑄等方法加工高精度的復(fù)雜流場(chǎng)，容易實(shí)現(xiàn)極板的量化生產(chǎn)，已發(fā)展成氫燃料電池雙極板的主流材料[9-10]。目前金屬雙極板材料主要以不銹鋼為主，但不銹鋼在PEMFC環(huán)境中易被腐蝕，而鈦在PEMFC環(huán)境中的耐蝕性能優(yōu)于不銹鋼，且其比強(qiáng)度高，可顯著降低雙極板的重量，是燃料電池雙極板的理想材料，比如商業(yè)化的日本豐田MIRAI燃料電池汽車便采用了鈦?zhàn)鳛殡p極板材料[11-12]。然而，與傳統(tǒng)雙極板材料不銹鋼相比，純鈦的成形性能較差[13-15]，所以采用純鈦材料制備雙極板存在一定的困難。因此，研究純鈦極薄帶成形性能及其對(duì)成形工藝的影響對(duì)促進(jìn)鈦在燃料電池雙極板中的應(yīng)用有著重要意義。

文中采用單向拉伸實(shí)驗(yàn)獲得了純鈦極薄帶力學(xué)性能和各向異性參數(shù)，研究了純鈦雙極板軟模成形過程中載荷與軟模硬度對(duì)雙極板尺寸精度的影響，揭示了純鈦雙極板成形過程中幾何尺寸及壁厚變化的規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為TA1純鈦極薄帶，由洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司提供，薄帶厚度為0.1 mm，軋后退火溫度為750 ℃。

1.2 單向拉伸實(shí)驗(yàn)

采用電火花線切割機(jī)分別沿薄帶軋制方向0°（RD）、45°（DD）、90°（TD），切取拉伸試樣，試樣尺寸按YB/T 4334—2013標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，如圖1所示。拉伸實(shí)驗(yàn)在INSTRON 5900電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，選用了3種應(yīng)變速率，分別為2.5×10?4、6.7×10?3、1×10?3s?1，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。

圖1 單向拉伸實(shí)驗(yàn)試樣

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與裝備

采用軟模沖壓工藝，模具結(jié)構(gòu)主要由凹模、容框、橡膠軟模和墊板幾部分組成，軟模厚度低于上容框高度，使上容框起到導(dǎo)向作用，如圖2所示。成形實(shí)驗(yàn)在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,通過控制不同的參數(shù)如載荷、軟模硬度等成形雙極板，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，對(duì)成形得到的雙極板進(jìn)行尺寸和壁厚分析，以研究雙極板的成形規(guī)律。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)

表1 軟模成形實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab.1 Experiment parameters of soft mold forming

2 結(jié)果與分析

2.1 單向拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3a—c為純鈦極薄帶分別在應(yīng)變速率為2.5× 10?4、6.7×10?3、1×10?3s?1下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過拉伸曲線得到材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示?？梢?，同一應(yīng)變速率下3個(gè)方向的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度不同，表現(xiàn)出明顯的各向異性；同一方向下抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增大而增大，說(shuō)明室溫狀態(tài)下純鈦極薄帶對(duì)應(yīng)變速率有一定敏感性。圖3d為極薄帶在應(yīng)變速率為1×10?3s?1時(shí)，RD、TD、DD這3個(gè)方向上的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。可知，變形過程中，材料不斷硬化，但硬化速率不大，意味著材料均勻變形能力較差。由表2可知，當(dāng)應(yīng)變速率為1×10?3s?1時(shí)，純鈦極薄帶在RD、TD以及DD方向的值分別為1.24、2.56、2.38。值是評(píng)價(jià)金屬薄板深沖性能的主要參數(shù)，反映了薄板在受到某平面上的拉力或壓力時(shí)變薄和變厚的能力?？梢钥闯?，TD取向的值較大，意味著純鈦極薄帶沿TD方向變形相較于另外2個(gè)方向不容易發(fā)生破裂。

圖3 拉伸曲線

表2 純鈦力學(xué)性能

Tab.2 Mechanical properties of pure titanium

2.2 微流道尺寸分析

圖4為純鈦極薄帶在載荷250 kN下，采用軟模硬度為77HA，沿RD方向成形的雙極板實(shí)物及微流道尺寸示意圖?？梢姡藯l件下雙極板成形質(zhì)量良好，無(wú)裂紋、褶皺等成形缺陷。

圖5為純鈦極薄帶RD方向微流道成形情況，其中不同載荷的保壓時(shí)間均為2 min。圖5a為不同載荷、不同軟模硬度條件下雙極板流道成形深度的變化情況，可以看出，隨著載荷的增大，雙極板微流道的深度也隨之增大。不同硬度的軟模得到的雙極板流道的深度不同，硬度為65HA的軟模成形的微流道深度最小，硬度為77HA的軟模成形的深度最大，硬度為85HA的軟模介于二者之間，其原因如下：軟模硬度過大，流動(dòng)性差，填充凹模型腔需要較大的載荷；而硬度過小，流動(dòng)性好，軟模容易從墊板與上容框的間隙中流出，無(wú)法充分填充凹模型腔。圖5b為不同載荷、不同軟模硬度條件下成形的雙極板微流道傾角的變化情況?？梢?，隨著載荷增大，雙極板微流道成形深度變大，成形傾角變小。故對(duì)于雙極板軟模成形工藝，要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇軟模硬度，否則雙極板成形深度不夠，并造成軟模過早破壞?；诖?，文中選用了硬度為77HA的軟模來(lái)成形雙極板。

圖4 雙極板實(shí)物

圖5 不同載荷、不同軟模硬度下雙極板尺寸

圖5c為不同載荷、不同軟模硬度下雙極板槽寬尺寸的變化。可以看出，隨著載荷的增大，槽寬逐漸增大并最終接近0.300 mm，這是因?yàn)楫?dāng)載荷較小時(shí)，成形的雙極板微流道圓角部位由于塑性變形程度較小，回彈現(xiàn)象嚴(yán)重；在載荷為250 kN時(shí)，采用3種硬度軟模成形的雙極板微流道槽寬尺寸基本一致，說(shuō)明此時(shí)雙極板微流道圓角處回彈程度減弱。圖5d為不同載荷、不同軟模硬度下成形的雙極板微流道周期變化情況，可以看出，微流道周期基本無(wú)變化，說(shuō)明載荷及軟模硬度對(duì)流道周期影響不大。

為研究純鈦極薄帶各向異性對(duì)微流道成形深度的影響，選擇了微流道成形方向與軋制方向平行（RD）、垂直（TD）和呈45°（DD）3種成形方式，其微流道深度如表3所示。可以看出，在相同載荷250 kN下，微流道TD方向成形深度低于RD和DD方向，這是因?yàn)門D方向的值大于另外2個(gè)方向的值，意味著TD方向具有較強(qiáng)的抵抗壁厚減薄的能力，使其在300 kN載荷下仍未出現(xiàn)破裂，而另外2個(gè)取向在300 kN成形時(shí)已出現(xiàn)破裂。TD取向的純鈦極薄帶在300 kN載荷下雙極板微流道成形深度達(dá)到0.293 mm，與RD取向250 kN載荷條件下的成形深度相當(dāng)，說(shuō)明對(duì)于同一目標(biāo)深度，TD方向成形需要更大的載荷。

表3 不同取向的純鈦極薄帶在不同載荷下成形的雙極板微流道深度

Tab.3 Bipolar plate depth obtained by pure titanium ultra-thin strip with different orientations under different loads

由于單個(gè)周期內(nèi)雙極板微流道呈對(duì)稱形狀，所以最終采取半個(gè)周期內(nèi)的8個(gè)位置進(jìn)行壁厚測(cè)量，每個(gè)雙極板實(shí)際選取3個(gè)周期進(jìn)行壁厚測(cè)量并取平均值。壁厚測(cè)量點(diǎn)如圖6所示。

圖6 測(cè)量位置示意圖

由表3可知，在載荷為250 kN的條件下，純鈦極薄帶在RD與DD方向上成形的流道深度分別為0.290 mm和0.285 mm；在載荷為300 kN的條件下，純鈦極薄帶在TD方向成形的流道深度為0.293 mm，3種條件下流道成形深度基本一致，可用來(lái)研究純鈦極薄帶同一成形深度下不同方向成形的微流道壁厚分布情況。

圖7為純鈦極薄帶在RD（250 kN）、TD（300 kN）、DD（250 kN）方向成形后的微流道壁厚分布及其相對(duì)應(yīng)的壁厚減薄率分布情況。由圖7b可知，在位置4處RD取向的純鈦極薄帶壁厚減薄最為嚴(yán)重，減薄率達(dá)到27.46%；而在相同位置，TD與DD取向的純鈦極薄帶壁厚減薄率相近，分別為13.52%和14.20%。由表2可知，純鈦極薄帶在TD與DD方向上具有相近的值，分別為2.53和2.38，故兩者的壁厚減薄情況也相近；純鈦極薄帶在RD方向具有較小的值，為1.24，故其壁厚減薄程度較為嚴(yán)重，說(shuō)明值與不同取向極薄帶的壁厚減薄情況密切相關(guān)。除了位置4壁厚減薄嚴(yán)重外，位置3的壁厚減薄也較為嚴(yán)重，即圓角1處的壁厚從上到下呈減小趨勢(shì)，直到在位置5處壁厚開始增大，位置5為圓角1與圓角2的過渡位置。由位置5到位置7，壁厚呈增大趨勢(shì)，位置7到位置8，壁厚略微減小。綜上，壁厚分布由位置1到位置8呈現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律。圓角1處的壁厚減薄嚴(yán)重，出現(xiàn)了明顯的頸縮現(xiàn)象，這是因?yàn)槲恢?剛開始就與軟模凹模接觸，隨著載荷增大，位置1在軟模壓力作用下流動(dòng)困難，故壁厚基本保持不變；在載荷增大過程中，軟模流動(dòng)填充凹模型腔，帶動(dòng)坯料先與凹模圓角1處貼合，此時(shí)坯料所受摩擦力增大，流動(dòng)性減弱，之后，位置5到位置8部分的變形很大程度上都靠位置4處的材料流動(dòng)來(lái)承受，所以位置4處的壁厚減薄最嚴(yán)重。

圖7 雙極板微流道壁厚分布

3 結(jié)論

1）TA1純鈦極薄帶應(yīng)變硬化速率較小，均勻塑性變形能力較差，室溫下表現(xiàn)出一定程度的速率敏感性；各向異性顯著，TD方向值較大，具有較強(qiáng)的抵抗壁厚減薄的能力。

2）橡膠軟模硬度對(duì)微流道成形效果影響顯著。硬度過大，流動(dòng)性差，填充凹模型腔需要較大載荷；硬度過小，流動(dòng)性好，軟模容易從墊板與上容框的間隙中流出，無(wú)法充分填充凹模型腔，以選硬度為77HA的橡膠軟模為宜。

3）塑性應(yīng)變比值影響雙極板純鈦極薄帶微流道成形能力與壁厚分布。TD方向值較大，沿該方向成形可獲得最大的成形深度；對(duì)于同一成形深度的雙極板，TD方向微流道壁厚減薄率均低于其他方向。

[1] 劉艷雄. 燃料電池金屬雙極板軟模成形研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2010.

LIU Yan-xiong. Study on the Rubber Pad Forming Process of the Metal Bipolar Plate for Fuel Cell[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2010.

[2] 劉建國(guó), 孫公權(quán). 燃料電池概述[J]. 物理, 2004(2): 79-84.

LIU Jian-guo, SUN Gong-quan. A Survey of Fuel Cells[J]. Physics, 2004(2): 79-84.

[3] PRATER K B. Polymer Electrolyte Fuel Cells: A Review of Recent Developments[J]. Journal of Power Sources, 1994, 51(1/2): 129-144.

[4] 黃乃寶, 衣寶廉, 侯明, 等. PEMFC薄層金屬雙極板研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)進(jìn)展, 2005, 17(6): 963-969.

HUANG Nai-bao, YI Bao-lian, HOU Ming, et al. Review on Thin Metal Bipolar Plates for PEMFC[J]. Progress in Chemistry, 2005, 17(6): 963-969.

[5] LEE S H, WOO S P, KAKATI N, et al. Corrosion and Electrical Properties of Carbon/Ceramic Multilayer Coated on Stainless Steel Bipolar Plates[J]. Surface & Coatings Technology, 2016, 303: 162-169.

[6] ASRI N F, HUSAINI T, SULONG A B, et al. Coating of Stainless Steel and Titanium Bipolar Plates for Anticorrosion in PEMFC: A Review[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(14): 9135-9148

[7] 馬利, 李剛, 文東輝, 等. 微型燃料電池雙極板的研究現(xiàn)狀[J]. 電源技術(shù), 2014, 38(7): 1380-1383.

MA Li, LI Gang, WEN Dong-hui, et al. Present Research State for Bipolar Plates of Micro Fuel Cell[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2014, 38(7): 1380-1383.

[8] 季運(yùn)康, 丁大增. 質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板流場(chǎng)分析[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2018, 36(2): 236-240.

JI Yun-kang, DING Da-zeng. Flow Field Analysis for Proton Exchange Membrane Fuel Cell Bipolar Plate[J]. Journal of Jiamusi University: Natural Science Edition, 2018, 36(2): 236-240.

[9] WANG H, TURNER J A. Reviewing Metallic PEMFC Bipolar Plates[J]. Fuel Cells, 2010, 10(4): 510-519.

[10] 梁丹, 魏先順, 沈軍. 非晶合金雙極板在PEMFC環(huán)境下的耐腐蝕行為[J]. 功能材料, 2017, 48(7): 28-34.

LIANG Dan, WEI Xian-shun, SHEN Jun. Corrosion Resistance of Amorphous Alloy as Bipolar Plates in PEMFC Environment[J]. Journal of Functional Materials, 2017, 48(7): 28-34.

[11] KONNO N, MIZUNO S, NAKAJI H, et al. Development of Compact and High-Performance Fuel Cell Stack[J]. SAE International Journal of Alternative Powertrains, 2015, 4(1): 123-129.

[12] 李偉, 李爭(zhēng)顯, 劉林濤, 等. 氫燃料電池中鈦雙極板研究進(jìn)展[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2018, 35(6): 10-15.

LI Wei, LI Zheng-xian, LIU Lin-tao, et al. Research Progress of Titanium Bipolar Plates in Hydrogen Fuel Cells[J]. Titanium Industry Progress, 2018, 35(6): 10-15.

[13] 李志鵬, 徐竹田, 彭林法, 等. 超薄鈦板帶微流道多工步成形研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2020, 36(4): 113-117.

LI Zhi-peng, XU Zhu-tian, PENG Lin-fa, et al. Investigation on the Multistage Forming of Micro Channels for Ultra-Thin Titanium Sheets[J]. Machine Design Research & Machine, 2020, 36(4): 113-117.

[14] HE De-hua, LI Dong-sheng, LI Xiao-qiang, et al. Optimization on Spring Back Reduction in Cold Stretch Forming of Titanium-Alloy Aircraft Skin[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(12): 2350-2357.

[15] 裴普成, 李子釗, 任棚, 等. PEM燃料電池用金屬雙極板及其涂層的研究進(jìn)展[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2021(10): 1025-1038.

PEI Pu-cheng, LI Zi-zhao, REN Peng, et al. Advances in Metal Bipolar Plates and Coatings for PEM Fuel Cells[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2021(10): 1025-1038.

Soft Mold Forming Process of Pure Titanium Bipolar Plate for Fuel Cell

ZHANG Yan-jie1, LI Bo-bo2, TAO Hui-fa2, CHI Cheng-zhong1, ZHANG Peng1, LIN Fei1, MENG Ling-jian1, LIN Peng1, LIU Yin-qi2

(1. School of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co., Ltd., Henan Luoyang 471000, China)

The work aims to study the effects of plastic strain ratioon the forming depth and wall thickness of bipolar plate during soft mold forming process and explore the effect law of processing parameters on the size of bipolar plate. The mechanical properties of pure titanium strip were obtained through uniaxial tensile test, and the pure titanium bipolar plate for fuel cell was prepared by rubber soft mold forming method. Optical microscope was used to measure and analyze the size and wall thickness of the bipolar plate. The maximumvalue on TD direction was 2.56. Along this direction, the deepest depth of bipolar plate (0.293 mm) was obtained under the load of 300 kN and soft mold hardness of 77HA. At the same time, the wall thickness reduction was small, and the wall thickness reduction rate was only 13.52% at the most serious position. Larger load and appropriate soft mold hardness lead to better bipolar plate depth, and have no effect on bipolar plate cycle. The depth and wall thickness of the bipolar plate are related to thevalue. The greater thevalue is, the better the ability of the pure titanium ultra-thin strip to resist the wall thickness reduction, and the greater the forming depth.

soft mold forming; pure titanium bipolar plate;value

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.013

TG306

A

1674-6457(2022)04-0109-06

2021-12-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（51505323）；山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（20210302123117，20210302124658）

張彥杰（1995—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)殡p極板成形工藝。

林鵬（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榻饘俑咝阅芴胤N塑性成形。

責(zé)任編輯：蔣紅晨