李思?余晨韵

摘 要：燃料电池双极板的冲压生产对于节约生产成本和减轻产品重量具有显著优势，通过有限元方法研究了冲压速度对于双极板的冲压过程的影响，本文探究了冲压速度的范围对最薄处厚度的影响和对最大应变的影响，得到了较优化的冲压速度取值范围为0.5m/s-1.6m/s。

关键词：冲压成型；燃料电池双极板；有限元

0 引言

燃料电池是一种清洁高效的电化学发电装置，在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池PEMFC拥有许多优势，诸如较高的能量密度，较低的操作温度，无污染和启动速度快，质子交换膜燃料电池拥有一系列可以被商业化的优势，但是燃料电池的双极板在燃料电池堆中占据了约40%的成本和80%的重量[1]。相对于石墨双极板和复合双极板等，金属双极板因其具有良好的机械和导电性能以及易加工的特性受到了广泛的关注[2-3]。冲压作为一种大批量生产的加工方法对于节约成本和减轻重量具有显著的优势，起皱和破裂是金属双极板的冲压过程中是主要的缺陷，通过有限元方法能够有效的控制冲压过程中的条件和参数从而获得较好的冲压成型效果，本文利用dynaform软件，通过调整冲压速度对燃料电池板冲压过程进行了模拟，以期望获得较好的成型效果。

（a）

（b）

图1（a）成型件的结构示意图（b）冲压速度对最小厚度和最大应变的影响

Fig1（a）The schematic diagram of punched product

（b）Effect of stamping speed on minimal thickness and max major strain

1 材料的选用以及主要工艺参数的确定

原材料选用304不锈钢，冲压速度为0.1m/s到4m/s不等，为了研究冲压速度对于冲压成型过程的影响，我们设置冲压速度从0.1m/s到4m/s不等 ，并且双极板的形状被设置为常数，如图1（a）所示，流道的宽度、深度、长度分别为1mm、0.8mm、10mm，尖锐处倒圆角为0.2mm，以成型件最薄处厚度和成型件最大应变来衡量。

2 结果与讨论

如图1（b）所示，随着冲压速度的上升，成型件最大主应变呈现先减少后上升的趋势，在0.5m/s处达到最小值0.245，之后上升的过程中，虽然经历波动，但是在后期的的变化过程中基本处于0.3的应变水平上。如果要求达到相应变形的并且控制局部最高应变量较少，可以将冲压速度控制在0.5m/s到1.6m/s的范围内。

在最薄处的厚度上，随着冲压速度的上升，成型件最薄处的厚度整体呈现减少的趋势，从最开始处0.1m/s的0.722mm迅速上升到0.2mm处的0.736mm，之后逐渐减少，在2m/s至3m/s处出现不稳定的波动区，继而继续减少至0.704mm。可见要较稳定地控制冲压厚度，可以将冲压速度控制在0.3m/s到1.8m/s的范围。

综合二者分析，可以将冲压速度控制在0.5m/s到1.6m/s的范围内能在较少的局部高应变下较为稳定地控制产品厚度。

3 结论

1.随着冲压速度的上升，成型件最大主应变呈现先减少后上升的趋势，成型件最薄处的厚度整体呈现减少的趋势。

2.综合分析，可以将冲压速度控制在0.5m/s到1.6m/s的范围内能在较少的局部高应变下较为稳定地控制产品厚度。

参考文献

[1]Tsuchiya H， Kobayashi O. Mass production cost of PEM fuel cell by learning curve[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2004， 29（10）： 985-990.

[2] Yuan X Z， Wang H， Zhang J， et al. Bipolar plates for PEM fuel cells-from materials to processing[J]. Journal of New Materials for Electrochemical Systems， 2005， 8（4）： 257.

[3] Hermann A， Chaudhuri T， Spagnol P. Bipolar plates for PEM fuel cells： A review[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2005， 30（12）： 1297-1302.

作者简介

李思（1991-），男，湖南省长沙市（籍贯：山东省青岛市），现职称：助教，学历：硕士研究生，研究方向：冲压有限元模拟。