微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置及方法，它涉及微型燃料電池金屬雙極板微溝道成形裝置及方法，以解決基于沖壓成形等常規塑性變形手段對金屬薄板上微細結構成形時微型凸、凹模間的配合困難的問題。裝置包括上模板、線圈、驅動片、模具、下模板和緊固螺栓，支撐架上表面開有槽以放置線圈，槽的底部中心處開有圓形通孔以放置模具，模具的上方是驅動片，線圈的軸心線為上下方向。方法為向線圈放電激發出強脈沖磁場，瞬變的強脈沖磁場在驅動片表面產生感應渦流進而產生與線圈的磁場方向相反的磁場；在磁場間相斥的作用力下，驅動片帶動板坯向模具做貼模運動。用于微成形。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種微型燃料電池金屬雙極板微溝道結構的成形裝置，本專利技術還涉 及微型燃料電池金屬雙極板微溝道結構的成形方法。
技術介紹
質子交換膜燃料電池是微型燃料電池發展的主要方向之一，然而，燃料電池的 微型化使其流場板等關鍵部件的制造難度急劇上升。由電解質膜、催化層和氣體擴散層 共同組成的膜電極(MEA)是燃料電池的核心，而雙極板流場板是燃料電池的關鍵部件之 一，流場板在微型質子交換膜燃料電池(PPEMFC)中起到分隔和分配氧化劑與還原劑， 收集和導出電流，傳導反應熱的作用，要求流場板具有高質量比功率、體積比功率和機 械強度，以及較低的面電阻、體電阻和低透氣性。目前，質子交換膜燃料電池的流場板 大多采用石墨流場，其重量占到燃料電池電堆總重量的70% 80%以上，制造成本占到 總成本的40% 50%，且石墨材質較脆，機械加工性能較差，而且成品率低，無法實現 大批量生產；同時，由于石墨極板的脆性較大，不適合環境惡劣的工況下使用，這成為 了制約燃料電池實現產業化的瓶頸問題。相比石墨材料，金屬薄板具有良好的機械加工性能，極佳的導電性，導熱性和 致密性好，可靠性高，易裝配，可低溫快速啟動，容易實現雙極板的輕薄化，極大降低 雙極板的體積和重量，同時還具有加工成本低、適合批量生產的特點，使其顯示出極強 的競爭力。但是微型燃料電池極板流場特征尺寸減小導致的尺寸效應也對極板材料和加 工工藝提出了更高的要求。現在常用的金屬微流場板制造成形工藝有刻蝕、電鑄、線 切割和沖壓成形、MEMS微加工技術等。基于沖壓成形等常規塑性變形手段需要加工微 型模具。由于微型質子交換膜燃料電池流場板自身外形尺寸很小，為厘米級，其流道尺 寸為微米量級，微型凸、凹模的加工難度以及加工成本急劇上升，模具間的配合更加困 難；另外，利用激光微細加工、光刻、化學刻蝕、線切割、輥壓成形和機械切削加工等 技術加工效率低，加工費用高，且批量生產較困難。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置及方 法，以解決基于沖壓成形等常規塑性變形手段對金屬薄板上微細結構成形時微型凸、凹 模間的配合困難的問題。微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，它包括上模板1、墊環2、線 圈架3、灌封材料4、線圈5、支撐架6、驅動片7、模具9、墊塊10、下模板11和緊固 螺栓12，支撐架6設置在下模板11上表面上，在支撐架6上表面開有槽6-1以放置線圈 5，在槽6-1的底部中心處開有圓形通孔6-2以放置模具9和墊塊10，模具9和墊塊10上 下疊置，槽6-1的底部、模具9的上方是驅動片7，線圈架3、灌封材料4和線圈5三部 分組成電磁驅動器，線圈5設置于中空的線圈架3中，線圈5與線圈架3的四周內壁間隙均勻并由灌封材料4將二者灌封為一體，上模板1設置在支撐架6上表面處，支撐架6兩 側開有通孔以穿入螺栓12且緊固螺栓12將上模板1、線圈架3、支撐架6和下模板11緊 固為一體，線圈5的軸心線為上下方向。微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形加工方法，一、由脈沖儲能電容器 向線圈5放電，線圈5中產生高壓脈沖電流，從而激發出脈沖磁場；二、瞬變的脈沖磁場 在驅動片7表面產生感應渦流，該感應渦流產生與線圈5的磁場方向相反的磁場；三、在 磁場間相斥的作用力下，驅動片7高速運動，帶動設置在驅動片7與模具9之間的板坯8 向模具9做貼模運動；四、作用于板坯8的電磁力超過材料的屈服極限，板坯8發生塑性 變形，依照模具表面微特征結構成形出具有微溝道結構的薄板件，成形過程結束。本專利技術將電磁成形工藝應用在微型燃料電池金屬雙極板的成形中。電磁成形 工裝簡單，只需要半套模具，大大的縮短了模具加工時間、降低了加工成本、省去了模 具之間的配合、加工、調整等問題，使得模具更換更加容易，模具的修改和調整大大簡 化，成形效率和成形精度高，工藝簡單易控，重復性好。由于電磁成形是一種非接觸性 的成形技術，是通過電磁相互作用賦予金屬導電工件較大的電磁成形力。在正確運用的 情況下，電磁力可以在幾毫米的距離上使薄板的速度加快到200m/s以上，板坯向模具 表面高速撞擊，板坯和模具之間的高速撞擊提供了非常高的瞬態壓力，在高成形速率條 件下發生變形，這提高了對模具表面形貌特征的復制以及增強了表面應變硬化效應的能 力。它可以使材料本身產生高塑性的現象，改善成形性，提高應力分布，減少起皺和回 彈，大幅度提高材料的延展性，提高材料的成形極限，對于難成形的金屬材料仍有較好 的成形效果。本專利技術以電磁成形為手段成形金屬雙極板的微型溝道，僅使用凸模或凹模 就能進行低成本、高效率、大批量的成形雙極板的微細結構。附圖說明圖1是本專利技術的結構示意圖，圖2是圖1中I處的放大結構示意圖，圖3是模具 的結構示意圖，圖4是圖3的俯視圖，圖5是本專利技術加工后的板坯8示意圖，圖6是雙矩 形螺旋線圈驅動器的側剖視結構示意圖，圖7是圖6的側視圖，圖8是圖6的俯視圖。具體實施例方式具體實施方式一下面結合圖1和圖2具體說明本實施方式。本實施方式的微 型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，它包括上模板1、墊環2、線圈架3、灌 封材料4、線圈5、支撐架6、驅動片7、模具9、墊塊10、下模板11和線圈架12，支撐 架6設置在下模板11上表面上，在支撐架6上表面開有槽6-1以放置線圈5，在槽6-1 的底部中心處開有圓形通孔6-2以放置模具9和墊塊10，模具9和墊塊10上下疊置，模 具9與槽底間的距離由墊塊10來調節。槽6-1的底部、模具9的上方是驅動片7，線圈 架3、灌封材料4和線圈5三部分組成電磁驅動器，線圈5置于中空的線圈架3中，線圈 5與線圈架3的四周內壁間隙均勻并由灌封材料4將二者灌封為一體，上模板1設置在支 撐架6上表面處，支撐架6兩側開有通孔以穿入螺栓12且緊固螺栓12將上模板1、線圈 架3、支撐架6和下模板11緊固為一體，線圈5的軸心線為上下方向。本裝置在使用時 板坯8設置在驅動片7下方。所述灌封材料4為環氧樹脂、聚酰胺以及絕緣金屬氧化物結構增強顆粒按一定比例混合而成。所述驅動片7為退火紫銅板。本實施方式中的電磁驅動器采用的是能夠使金屬薄板受力更加均勻的雙矩形螺 旋線圈驅動器。這一驅動器有別于傳統平板成形線圈，該驅動器主要由線圈5和線圈架 3組成。每個平板螺旋線圈中心部位為密繞矩形，匝間距較小，折彎處有圓角過渡。單 根導線橫截面為的矩形，導線間留有一定間隙，線與線之間用高壓絕緣材料包覆隔開。 采用兼具高壓電氣絕緣和一定機械強度的絕緣材料灌封，并將線圈固定在線圈框架內， 線圈兩端接引線連接電容器組。當充電完畢的電容器組開始放電時，高頻率、高強脈沖 電流流經線圈5，在線圈5中產生瞬態脈沖磁場，雙矩形螺旋線圈結構決定驅動片7所受 磁場力分布更加均勻。傳統圓形螺旋線圈為最常見的多匝平板線圈，在其半徑中心處電 磁力最大，圓心處電磁力為零，電磁力分布很不均勻。矩形雙螺旋線圈采用兩個矩形螺 旋線圈繞向相反并列放置，這樣它的電磁力更加均勻化并且它的優點也在于可以多模生 產。因此該驅動器相比于其它平板成形線圈成形質量以及成形效率明顯提高。因此，這 大大提高了材料的成形性、成形精度以及特征結構的均勻一致性。模具9表面是按照流場板流動通道來設計的，如圖本文檔來自技高網...
【技術保護點】
微型燃料電池金屬雙極板微溝道的電磁成形裝置，其特征在于它包括上模板（１）、墊環（２）、線圈架（３）、灌封材料（４）、線圈（５）、支撐架（６）、驅動片（７）、模具（９）、墊塊（１０）、下模板（１１）和緊固螺栓（１２），支撐架（６）設置在下模板（１１）上表面上，在支撐架（６）上表面開有槽（６－１）以放置線圈（５），在槽（６－１）的底部中心處開有圓形通孔（６－２）以放置模具（９）和墊塊（１０），模具（９）和墊塊（１０）上下疊置，槽（６－１）的底部、模具（９）的上方是驅動片（７），線圈（５）設置于線圈架（３）中，線圈（５）四周內壁間隙均勻并由灌封材料（４）將二者灌封為一體，上模板（１）設置在支撐架（６）上表面處，支撐架（６）兩側開有通孔以穿入螺栓（１２）且緊固螺栓（１２）將上模板（１）、線圈（５）、支撐架（６）和下模板（１１）緊固為一體，線圈（５）的軸心線為上下方向。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：王春舉，于海平，趙慶娟，單德彬，郭斌，李春峰，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：93
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