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1、質子交換膜燃料電池雙極板累積成形研究*????王晶晶?王?勻?丁?盛?張園園?張?凱?袁國定????（江蘇大學?機械工程學院，鎮(zhèn)江?212013）????【摘?要】質子交換膜燃料電池雙極板是關鍵部件之一，具有隔離和均勻分配反應氣體、收集導出電流、串聯(lián)各單電池等功能，大概占電池組質量的?80%，是影響電池組性價比的主要原因之一。提出了針對微型雙極板累積成形新方法，介紹了其工作原理。在此基礎上，以蛇形流道為例，利用?ABAQUS?模擬軟件研究其成形規(guī)律，獲得了不同垂直壓下量的板厚分布和減薄率情況。結果顯示成形后的板料厚度變化呈倒?U?形，中間區(qū)域較均
2、勻；隨著垂直壓下量的增大，板料的厚度減薄愈大，而且在流道的起點和終點段的厚度變化較大。累積成形過程中成形力變化為?U?形，成形力最大處在下壓量的起始點，模擬與實驗吻合度較好，驗證了累計成形的可行性。????關鍵詞：燃料電池；雙極板；累積成形????中圖分類號：TH16，TM911.4??文獻標識碼：A?文章編號：1001-3997（2012）03-0198-03????1?引言????隨著國際原油的緊缺、環(huán)境污染的日趨嚴重，研究清潔便利的可替代能源是國內外的熱點。燃料電池由含催化劑的陽極、陰極和離子導電的電解質構成，是一種把燃料和氧化劑中的化學能
3、直接轉化成電能的裝置[1]，被認為是21世紀首選的潔凈高效發(fā)電技術[2]。????燃料電池中的質子交換膜燃料電池PEMFC（Proton?exchangemembrane?fuel?cells）是以固體質子交換膜作為電解質，PEMFC雙極板是核心部件之一，具有隔離和均勻分配反應氣體、收集導出電流、串聯(lián)各單電池等功能，大概占電池組質量的80%，是影響電池組性價比的主要原因之一[3]。????金屬雙極板能顯著提高PEMFC?的比功率[4]，但流道的微型化使其成形很難，研究高效低成本雙極板成形方法和機理是亟待解決的問題。提出了一種雙極板累積成形方法，并
4、結合模擬和實驗分析了板料的厚度變化特點，驗證了該方法的可行性。????2?累積成形????累積成形主要是靠成形工具對流道施加局部變形，成形工具頭在流道起始位置下壓，達到所需流道深度后，按流場走向，在整個運動過程中板料連續(xù)變形。成形過程中，板料按計算機程序給定路徑和軌跡實現(xiàn)局部塑性成形，其整體變形是由局部變形積累而成的，而且板料變形是逐點逐步連續(xù)由小變形量形成的。累積成形中垂直壓下量指模頭的下壓量，即板料上表面到流道上表面的垂直距離，在累積成形過程中，變形量要嚴格控制以便板料不失穩(wěn)。????3有限元模型的建立????采用?ABAQUS?分析蛇形雙極
5、板，如圖?1?所示。微累積成形的成形過程，模具幾何模型相對比較簡單，直接在?ABAQUS?中建立。假設材料變形是均勻的，成形設備和工具為絕對剛性。????在金屬雙極板的成形中，常用的金屬板材為不銹鋼板、鋁板、鋁合金板和銅板等[5]。累積成形中，板材在非對稱的局部載荷作用下，在成形過程中的任一時刻，與工具頭接觸區(qū)域的板材會發(fā)生局部的、帶有顯著三維體積成形特征的塑性變形，隨著工具頭的移動，接觸區(qū)域隨之改變，原本處于加載狀態(tài)發(fā)生塑性變形的板材，由于卸載而發(fā)生局部的彈性回復。????因此，變形數(shù)值模擬中，采用考慮板材各向異性及加工硬化的非線性的彈塑性材料
6、模型準確描述材料特性。這里金屬板料選用材料為鋁合金3003?薄板，成形工具、下支撐模和壓邊裝置的材料選用軸承鋼，模擬中作為剛體考慮，以上各種材料的力學性能參數(shù)，如表1?所示。????????考慮計算經(jīng)濟和可靠性出發(fā)，殼單元最適合薄板的累積成形模擬分析。為了較準確地描述板料成形的彎曲效應和板厚方向的應力、應變變化，沿著殼單元的厚度方向取5個積分點[6]。為了考察不同垂直壓下量下的累積成形規(guī)律和對板料成形性的影響，消除模具結構對實驗的影響，取壓下量與厚度的比值，分別為0.5、1、1.5和2。板厚0.165mm時，垂直壓下量為0.0825mm、0.16
7、5mm、0.2475mm和0.33mm。????另外，成形工具頭直徑0.19mm，成形速度?100mm/s，摩擦因數(shù)0.1，壓邊力?100N。利用?ABAQUS?建立的模型，如圖?2?所示。累積成形中成形工具為半球形工具頭，上、下壓邊圈則簡化為兩個剛性平面。板料尺寸為11mm*11mm，除壓邊圈作用的部分，實際成形區(qū)域為5mm*5mm。????在板材累積成形過程中，板材上的作用力是通過成形工具頭、板材表面和上下壓邊圈表面的接觸來傳遞的。由于成形工具頭與板料是逐點接觸，其成形非常復雜。根據(jù)成形過程中工具頭運動特點，采用有限滑移公式的面—面接觸單元，
8、定義成形壓頭表面為主表面，板材表面為從表面；支撐表面為主表面，板材表面為從表面，保證板材與成形工具頭和支撐表面之間的良好接觸，并采用罰函
