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燃料电池金属双极板制造方法综述目录摘要1引言2L燃料电池双极板流场设计发展现状41.1. 极板平面流场分布设计现状41.2. 极板3D流场设计现状51.3. 考虑电堆结构的极板流场设计71.4. 极板微流道尺寸优化设计现状8.金属双极板材料92 .金属双极板成形方法102.1. 塑性成形102.1.1. 软膜冲压成形102.1.2. 液压涨形与压力焊成形112.1.3. 1.3.辐压成形113. 1.4.磁脉冲成形113. 1.5,高压液成形123. 1. 6.Cell Impact 冲压成形123. 2.液态成形133.2.1.高真空压模铸造成形133. 2. 2.热压铸成形133. 3.金属极板刚模冲压成形133.4.特种加工154.结论16摘要作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件，双极板性能的好坏直接影响 电池堆的输出功率和使用寿命，因此寻找性能优良且成本低廉的双极板新材料 及其成形方法已成为燃料电池产业化技术研究中的重要课题金属由于具有高 电导率、高热导率、高强度、气密性好以及易加工成形等优点，已引起广大研第1页共16页铝、镁、钛等金属密度小、机加工性能强，又具有良好的导热、导电性， 但这类材料化学性质过于活泼，极易氧化，且质地较软，机械强度不足，需表 面处理（如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积和喷射模塑等）以提 高其综合性能。

Alan等用电镀的方法在铝、镁等合金的基体上电镀贵金属涂层 以达到保护基体金属的目的Mokohyama等将喷射模塑法和物理气相沉积法 （PVD）相结合制造了铝合金双极板，这种方法能够同时完成涂层制备和流场加 工美国专利（US:RE37284,2001）提出采用磁电管喷射法制作涂层，涂层厚度达 到300nm,制造的双极板密度小、厚度薄，实用性较强经表面改性的轻金属 合金双极板接触电阻接近石墨双极板，优于合金双极板和金属化合物双极板， 但其加工技术难度大，成本高，某种程度上制约了其产业化应用3.金属双极板成形方法目前金属双极板成形技术主要有塑性成形技术、液态成形技术和特种加工 技术3.1. 塑性成形软膜冲压成形金属双极板软模冲压成形过程如图9所示，用软模（如聚氨酷橡胶）来代 替传统冲压成形中的一个钢模，成形时，钢模在液压机作用下向下运动，挤压 金属薄板和橡胶垫，橡胶垫产生变形，在摩擦力作用下与板料一起填充满模具 型腔利用该技术已成功制备了带有蛇形流道的SS304不锈钢双极板，流场宽 度0.8mm,流场深度0.5mm,流场脊宽1.2mm软模成形方法可在同一个工序 上完成多个工步（如成形、冲孔或切边等），生产效率高，双极板表面质量 佳，不会产生翘曲和破裂，且模具结构简单，成本低。

但受到橡胶垫的流动性 影响，软膜成形存在成形极限问题，此外，有待提高橡胶垫片的耐磨性图9金属双极板软膜成形的布局图第10页共16页3.1.1. 液压涨形与压力焊成形金属双极板液压胀形与压力焊成形工艺原理如图10所示，先把上下两坯 料放在上下模之间（上下钢模兼具作为型腔和凸凹对称压力焊点的作用），然 后上下钢模相对运动，上下坯料在压力作用下焊接在一起，往两坯料之间注入 高压液体，坯料在高压液体作用下填充满整个模具型腔目前，利用该技术已 成功制造出了厚度为0.51mm、最小流道宽度0.46mm、最小深度0.15mm的 SS304不锈钢双极板该技术最大特点是在一个工步上同时完成阴极板和阳极 板的液压胀形和焊接成形，从而降低了制造成本，但其不适合阴极板和阳极板 不对称的情况，特殊情况下板料填充满模具型腔十分困难o图10双极板液压胀形与压力焊成形原理示意图3. 1. 3.辐压成形金属双极板辐压成形技术的关键是应用点对点共扼映射原理获得辐子对以 适应不同的双极板流道结构需要，它由单极板辐压、双极板连接、双极板整 形、剪切冲裁四个工步组成，如图11所示利用该方法可生产板料厚度 0.25mm、流道宽度3mm、深度1.5〜2mm的双极板。

该方法成本低，适合大批 量生产，但不能成形带有蛇形流道的双极板开注机中板板;用开注机中板板;用,• I叫切冲被图11双极板提压成形工艺示意图3. 1. 4.磁脉冲成形美国俄亥俄州大学对金属双极板磁脉冲成形工艺方法进行了研究，所依据 的原理是电磁感应定律，图12为磁脉冲成形原理示意图电容组放电且 圈周围产生变化的磁场，工件在脉冲磁场中产生感应电流，感应电流产生反向第11页共16页 瞬时磁场，从而洛伦兹力充当排斥力使工件冲击模具发生变形目前，已成功 制造出了厚度0.1mm,流道深度0.0311mm的镁合金双极板磁脉冲成形具有 成形能力好、效率高、成本低、表面质量与尺寸一致性好等优点，但大尺寸双 极板成形困难，提高复合板的耐磨性是难点3. 1. 5.高压液成形金属双极板高液压成形原理如图13所示，工艺过程为：高压液体将活塞 从第一级压力缸推向第二极压力缸，在此过程中，活塞内部的液体体积进一步 压缩，从而液体压力快速的成倍数增加，高压液体使工件冲击模具发生变形 目前利用该技术已制造出了厚度1mm,流道宽度和深度均为0.75mm的AI-36 金属双极板由于模具无磨损，因此该技术可重复性强，制造出来的双极板强 度也较高。

不过该技术对成形设备要求高，主要体现在高压缸和高压密封方 面糠村r It糠村r It上楼压力II图13双极板液压成形原理示意图3. 1. 6. Cell Impact 冲压成形Cell Impact公司在掌握最先进的冲压成形技术基础上，成功生产出厚度 0.25mm、具有精细流场的铝合金双极板，Cell Impact公司能够在几分之一秒的 时间内将巨大的动能转换成高达4GPa的压强，在瞬间使金属双极板产生绝热第12页共16页软化效应，使金属以近乎液态的形式快速、精确地充满模腔，从而完成双极板 的一次性成形冲压，但目前其他企业难以效仿3.2.液态成形3. 2.1.高真空压模铸造成形近年来，韩国釜山国立大学对金属双极板高真空压模铸造成形技术进行了 研究其工艺过程如图14所示：压射冲头推动液态金属向前移动，当压射冲 头移动到特定位置时，真空截止阀打开处于导通状态，抽气过程开始；压射冲 头继续向前移动，在液态金属压射进入真空截止阀并由其冲击力推动真空截止 阀截止后，抽气过程结束；压铸过程结束后，真空截止阀复位，压射冲头退回 到初始位置目前，利用该技术已成功制造出了厚度1.1mm,流道宽度和深度 分别为1和0.3mm的蛇形流道Silafont-36双极板，这种双极板拥有良好的表面 质量和焊接特性及较高的机械强度和较低的气孔率。

该技术适合大批量生产， 但成形1mm以下的薄壁金属双极板有困难图14真空压模铸造过程示意图3. 2. 2.热压铸成形日本东北大学材料研究所采用热压铸成形工艺成功制备金属双极板，首先 对Ni60NbxCryMozP16B4［x+y+z=20%（原子分数）］合金进行了优化组合，以获得更 大的过冷区间和较低的结晶度；然后将玻璃合金融化，在其冷却到过冷区间时 采用热压铸成形技术制造银基金属玻璃双极板（其流场的深度仅为0.7mm）但 该技术成形时间长，材料制备困难，成本较高，此外，对热作模具材料的性能 要求高，难以保证成形精度3. 3.金属极板刚模冲压成形金属双极板制造工艺主要有压铸成形、化学刻蚀以及冲压成形等，其中冲 压成形能够成形厚度很小的金属极板，而且制造效率高、成本低，是金属双极 板制造的主流技术Koq等［4,34-36］系统研究了不锈钢、纯钛微流道冲压成形 和液压胀形工艺，发现316、304不锈钢以及T1钛成形性能较好，但纯钛微 第13页共16页流道高度相对较小；微流道槽宽尺寸对成形性能影响显著，尺寸越小成形深度 越小；成形力增加会引起脊表面粗糙度增加，冲压成形的双极板接触电阻大于 液压成形的极板，在燃料电池模拟环境下，成形件的耐腐蚀性能降低。

Chen等 ［37］研究了不锈钢双极板冲压成形工艺，发现低速时易产生起皱、圆角破裂、 脊减薄严重等缺陷，需要进行成形工艺优化日yasi等［38］研究了 316L不锈钢 双极板冲压工艺，发现无润滑时微流道圆角处发生破裂（见图15）,而有润滑 时能够显著提高成形微流道高度、提升厚度分布均匀性，尺寸误差仅有2.9%0 针对金属双极板冲压成形时圆角减薄严重甚至破裂的现象，彭林法等［39-40］研 究了不锈钢双极板微流道冲压成形工艺，采用优化设计的双极板，冲压成形出 高质量金属双极板（见图10） o同时，也发现冲压成形金属双极板微流道深度 在宽度、长度方向存在一定的误差，会对后续电池装配和功率等性能产生较大 影响任志俊等［39］使用厚度为0.15 mm、伸长率为33%的TAO纯钛板，考虑薄 板成形困难、易出现翘曲等缺陷，设计了连续成形模具装置，冲压成形出槽宽 为1.2 mm、深为0.35 mm的微流道纯钛双极板为了获得微流道深宽比较 大、壁厚分布较均匀的金属极板，业内常采用多步成形工艺［40］,已经实现了 小批量试生产随着燃料电池体积、重量、成本等要求越来越高，极板的厚度 也越来越小，厚度为75 um的金属极板已经开始商业应用。

然而，金属极板 冲压成形难度也越来越大，主要表现在壁厚减薄率增加、微流道尺寸精度控制 更加困难、脊顶部的平整度难以保证等可喜的是，在工业化需求牵引下，这 些难点正在逐步被解决第14页共16页图15金属双板流道圆角破裂图16蛇形流道金属双极板3. 4,特种加工台湾元智大学元智燃料电池研究中心利用有限元方法模拟了电化学刻蚀金 属双极板的成形过程，提出在电极上覆盖一层绝缘层，以减小扩散电流密度和 提高产品的尺寸精度，已在SS316薄钢板上刻蚀出了蛇形流场但表面光洁度 不高，对气体流动效率有影响，需进一步后续处理电化学刻蚀工艺过程复 杂、生产成本高，不适合大批量生产刻锻模微电子放电加工技术也可应用于第15页共16页制造金属双极板，该技术成形效率低，经济效益差，其复杂的光化学过程导致 流道的尺寸差异，流体分布差4.结论金属塑性成形技术具有金属结构致密、组织性能、生产率高、成本低等特 点，但存在成形极限、填充能力不足等问题；液态成形适应性广，可制造流道 形状复杂的双极板，且成形精度高，但是待提高其内部组织的均匀性、致密 性，简化液态成形工艺过程，改善其力学性能；特种加工技术对设备要求高， 且加工效率低，表面质量不佳，不适合大批量生产。

目前金属双极板精密塑性 成形技术已进行深入研究，并取得了重要进展，有可能成为金属双极板的主要 制造技术第16页共16页 究者的重视介绍了几种金属双极板材料及其成形方法，并分析各自优缺点， 指出了金属双极板的未来发展方向关键词：燃料电池；金属双极板；流场设计；冲压成形；工艺与性能相关 性引言图1丰田Mirai第2代氢燃料电池车结构_Fig.l Structure of 2nd PEMFC Toyota Mirai 2氢电邦图1丰田Mirai第二代氢燃料电池车结构国内，燃料电池中巴车早在2008年北京奥运会、2010年上海世博会期间 就进行了示范运行如今，北京冬奥会在张家口打造氢能奥运村，张家港市、 常熟市、如皋市等建立了加氢站并运行氢燃料电池公交线路，上汽集团推出了 荣威950氢燃料电池乘用车截止到2019年底，我国累计推广燃料电池汽车 超过了 6500辆，建成加氢站超过了 50座，逐渐形成了较为完整的产业链 为了推动新能源领域的快速发展，氢能相关内容写入了 2019年《政府工作报 告》,《中国制造2025》将新能源汽车作为10大重点发展领域之一2020 年10月国务院出。