PEMFC金属双极板冲压成形数值模拟与实验
张丽丽，王开坤
【摘 要】摘要：目的 研究金属双极板冲压成形过程中各工艺参数和模具结构参数对成形质量的影响。方法 采用Dynaform有限元分析软件对SS304双通道蛇形流道双极板冲压成形过程进行模拟。研究模具圆角半径、模具锥度、压边力、拉延筋等因素对双极板成形质量的影响。结果 增加模具圆角半径和模具锥度可防止双极板破裂。适当增大压边力能有效消除起皱缺陷，设置拉延筋能有效改善坯料流动情况，必要时需设置多重拉延筋使零件成形完全。当模具圆角半径为0.25mm，模具锥度为0°，拉伸深度为0.5mm，压边力大小为60 kN，并采用双重拉延筋的情况下，所成形的金属双极板质量良好，无破裂、起皱、成形不足等缺陷。结论 模拟结果与实验结果一致，验证了模拟结果的正确性，可见采用冲压工艺成形金属双极板是可行的。 【期刊名称】精密成形工程 【年(卷),期】2017(009)006 【总页数】7
【关键词】质子交换膜燃料电池；金属双极板；冲压成形；数值模拟
质子交换膜燃料电池(PEFMC)是一种利用清洁 能源发电的装置，能将氢气和氧气直接化合。作为一种环保型电池，PEFMC具有能量转化效率高、功率范围大、启动速度快、工作温度低、运行噪声低、维护方便等优点，现已应用于车载电源、便携电源、备用电源等多个领域。特别是在汽车领域，燃料电池车型以其良好的环境亲和性、能源补给（加氢）时间短以及超长续航里程等特点，远远优于其他新能源汽车，现已成为国内外相关行业研究的主要方向。
双极板作为电池堆重要组成部件之一，其质量对电池堆的性能和寿命有直接影响。目前，PEMFC双极板大多为石墨板，其重量占整个电池堆重量的60%～80%，制造成本占总成本的 30%～45%，这严重阻碍了PEFMC的商品化[1—2]，因此急需研发重量轻、制造成本低的新型双极板，以加快PEFMC的发展步伐。金属材料机械性能好、延展性好、成形方法丰富，是目前新型双极板的首选材料[3]。
现今国内外对金属双极板的成形方法进行了大量研究，主要有采用辊压、冲压等塑性变形方法，采用激光、化学刻蚀、电化学腐蚀等微成形方法，采用电火花、电磁等特种加工方法等[4]。其中冲压工艺生产效率高、成本低、便于实现自动化，特别适合大批量生产，但在成形过程中容易出现拉裂和起皱等缺陷。关于金属双极板的冲压成形方法，国内外已有很多研究。Sasawat M[5]等人研究发现，采用冲压成形工艺和液压成形工艺可以加工阵列形微沟槽。Kwon等[6]以铝为成形基材，研究了冲压速度、模具温度对双极板成形的影响，实验结果表明，可以用冲压方法制造铝质双极板。武汉理工大学刘艳雄[7]研究了采用橡胶垫软模成形双极板的过程中各参数对零件质量的影响，但只取了部分微沟槽进行了研究，不能准确反映整个双极板的成形特点。Lim等[8]也研究了软模成形的方法，并取得了较好的成形效果，但是能否成形尺寸微小、结构复杂的微沟槽还未可知。张金营等[9]采用先成形再整形的方法，有效解决双极板流道局部变薄严重的问题，并采用拉延筋降低压边力。李茂春[10]等人对蛇形流道微沟槽金属板的成形过程进行了模拟，但只取其中一部分微沟槽作了模拟，不能反映整个双极板的成形特点。
文中以SS304为基板，进行了双通道蛇形流道双极板的设计，并采用
Dynaform有限元分析软件对所设计的双极板冲压成形过程进行了模拟，研究了模具圆角半径、模具锥度等结构参数和压边力、拉延筋等工艺参数对金属双极板成形质量的影响。
1 成形工艺分析
通过参考陈涛等[11]对流场结构对燃料电池性能影响的研究，设计双通道蛇形流道双极板，见图1。其中材料为SS304，板厚为0.1mm，零件尺寸为260mm×65mm，流道有效尺寸为239.7mm×44.6mm。流道截面为圆角矩形，流道宽度为 2.3mm，脊宽为1.8mm，深度为0.5mm，圆角半径为0.15mm。流道的成形质量是评定金属双极板成形性的最主要参数，因为流场结构直接影响到燃料电池的输出效率，因此流道的尺寸精度要求较高，同时其复杂的结构导致软膜成形很难实现。此双极板流道较长，零件的长宽比较大，成形过程中保证流道的截面形状符合要求是成形工艺的难点之一。
2 数值模拟分析
2.1 有限元模型的建立
采用Pro/E软件创建冲压模具和原始板料的实体模型，导入到Dynaform软件中进行后续的成形模拟。在成形过程中，冲压模具定义为刚体，坯料定义为厚向异性弹塑性材料。
坯料采用精细的四边形单元，以使模拟结果与实际情况更加接近。与长度方向相比，零件宽度方向的结构更加复杂，是主要的变形方向，因此采用更小、更密集的单元以反映零件的变形特点。模具同时采用细密的三角形单元与四边形单元，这样不仅能精确描述模具表面的几何形状，还能与坯料单元尺寸相适应，使接触力的分布更加精确。模具和坯料的单元划分结果见表1。本次模拟中，
PEMFC金属双极板冲压成形数值模拟与实验
