[发明专利]提高燃料电池板成形的大回弹补偿精度和表面质量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及诸如燃料电池组用双极板的冲压零件，并且更具体而言，涉及用于制造冲压零件以补偿冲压零件中的回弹的方法。

背景技术

燃料电池已作为一种清洁、高效且环保的能源被提出用于各种应用。具体地讲，各个燃料电池可串联地堆叠在一起以形成能够供应足够为电动车辆提供动力的电量的燃料电池组。燃料电池组已被确认为对于在现代化车辆中使用的传统内燃机的潜在替代形式。

燃料电池是将诸如氢的燃料和诸如氧的氧化剂结合以产生电力的电化学装置。氧通常由空气流供应。氢和氧结合而导致水的形成。可以使用其它燃料，例如，天然气、甲醇、汽油和煤衍生合成燃料。

一种燃料电池被称为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池通常包括三个基本部件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳粒上且与离聚物混合的细碎的催化剂，例如铂。电解质膜夹在阴极和阳极之间以形成膜电解质组件(MEA)。

在典型的PEM型燃料电池中，MEA夹在由诸如碳纤维或纸的弹性导电性透气材料形成的扩散介质或扩散层之间。在某些设计中，阴极和阳极也形成在扩散介质上且夹着电解质膜。扩散介质充当阴极和阳极的集电器并且为MEA提供机械支撑。扩散介质和MEA压在一对导电双极板之间，导电双极板也充当集电器以用于从电化学燃料电池反应中收集电流。

双极板通常包括两个薄的面对的金属单极板。金属单极板中的一个为阳极板，其限定在其外表面上用于将氢反应物输送到MEA的阳极的流动路径。被称为阴极板的另一单极板的外表面限定用于将氧化剂反应物输送到MEA的阴极侧的流动路径。当单极板接合时，接合的表面限定用于冷却剂流体流过其的路径。

单极板通常由提供适当强度、导电性和耐腐蚀性的可成形金属制成。具体地讲，在形成双极板时，通常使用冲压薄金属片作为阳极和阴极单极板。例如，金属片可以在厚度上小于约100微米。然而，薄材料和高强度不锈钢材料造成显著的侧向(面内)回弹。已经表明，回弹可达到400-500微米以上。回弹造成冲压在板组件中的流场的不均匀分布，不可取地影响了所形成的双极板和燃料电池组的功能。

如图1所示，双极板100中的大回弹可远远超出典型公差。如果不在用于形成双极板100的工具中充分地补偿，在双极板100的组装期间，大回弹会在阴极单极板104和阳极单极板106之间造成干涉102。

为了补偿侧向双极板回弹，可使用一种利用全局或局部变形来设计和切割用于冲压双极板的模具的方法。然而，对于例如200微米以上的相对较大的回弹(相比特征大小和设计公差)，由于较大的表面变形，单步骤方法在试图实现必要的保真度时会不可取地造成严重的表面畸变。

一直需要这样一种方法，该方法以高的精度和表面质量为燃料电池双极板的大侧向回弹提供稳定而可靠的表面补偿，以便一致地满足制造和组装的要求。

发明内容

根据本公开，已经惊奇地发现一种方法，该方法以高的精度和表面质量为燃料电池双极板的大侧向回弹提供稳定而可靠的表面补偿，以便一致地满足制造和组装的要求。

为了解决大回弹补偿问题，研发出本公开的两步补偿方法，其在特定实施例中包括下列步骤。

1. 通过使用3D有限元方法来预测侧向回弹量。从3D FEA模型获得用于冲压双极板的标称和回弹后形状的输入数据。

2. 由于塑性变形中的材料变薄，标称冲压零件形状不与标称CAD数据精确匹配。进行沿表面法线的投影以使标称零件的节点返回至CAD表面，并且对回弹后形状进行相应调整。该过程产生一对投影后的标称和回弹后形状数据组用于补偿。

3. 第一步骤变形为利用来自步骤2的初始CAD表面和投影后的标称和回弹后的数据的输入的全局变形。第一阶段变形的主要目标是利用开放边界条件将所述板全局地修改(即，拉伸或收缩)至其近似最终形状，而不关注局部特征细节。确定关于容积B样条的控的制点数目和基于双极板尺寸的基函数的最大间隔数的关键参数。

4. 第二步骤变形基于由第一阶段变形修改的表面。从第一阶段变形输出标称形状，并且用于补偿的目标形状是与第一阶段变形中使用的相同的数据。使用重叠的局部变形框的矩阵来覆盖整个板，使得表面可以被变形到所需目标细节，例如在1微米的公差内。在第二阶段中，在每个局部框内的表面变形被限制到非常小的量(例如，几微米至20-30微米，相比几百微米的大回弹)。因此，避免了表面变形并可实现良好的表面质量(即，与初始CAD表面相同)。