[发明专利]一种基于多时序脉冲电流的钛合金双极板成形装置及方法

说明书

本发明属于燃料电池用金属双极板的制造技术领域，更具体地，涉及一种基于多时序脉冲电流的钛合金双极板成形装置及方法。该装置的电源模块包括多套脉冲电源，其按时序对钛合金坯料和亥姆霍兹线圈放电，对钛合金坯料进行预热，以及在钛合金坯料中产生脉冲电流，在亥姆霍兹线圈中产生脉冲磁场，在脉冲电流和脉冲磁场的共同作用下产生脉冲电磁力，驱动所述钛合金坯料冲向模具，实现钛合金双极板的成形。通过多级时序的脉冲电流放电，利用钛合金在高温下的热效应、脉冲电流的电塑性效应以及脉冲电磁力的高应变率效应，大大提高钛合金的塑性和成形性能，实现了钛合金双极板的高质量成形。

技术领域

本发明属于燃料电池用金属双极板的制造技术领域，具体地，涉及一种燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置及方法，更具体地，涉及一种基于多时序脉冲电流的燃料电池钛合金双极板电磁-热复合成形装置及方法。

背景技术

以氢气为原料的质子交换膜燃料电池(氢燃料电池)具有功率密度大、发电效率高、环境污染少等优点，已成为航空航天、电动汽车和发电等领域的理想动力源，其研发和应用对于推动我国新能源和绿色发展具有重要的战略意义。双极板作为氢燃料电池的重要组成部分，占电堆重量的70％以上，体积的50％左右，双极板材料及其成形工艺水平将直接决定电堆输出功率和使用寿命，是制约氢燃料电池性能和商业化应用的关键瓶颈之一。

现阶段双极板大多采用石墨材料和石墨-聚合物复合材料制成，机械强度差、加工难度大、制造成本高，严重制约了其大规模应用。相比而言，金属双极板具有原材料成本低、强度高、加工方式灵活、功率体积比大等优点，正逐步成为双极板的主导材料。目前最具应用前景的主要是不锈钢和钛合金两种金属材料。现有的冲压成形、软膜成形、液压成形、磁脉冲成形等技术应用于不锈钢双极板的成形，能够实现不锈钢双极板的批量化生产。

相比于不锈钢材料，钛合金比强度(强度与密度的比值)更高，更重要的是耐腐蚀性更好，可以在减轻电池重量的同时大大延长电池的使用寿命，是更理想的双极板材料。但钛合金的屈服强度高(比不锈钢高30％以上)、延伸率低(比不锈钢低10％以上)，且金属双极板壁厚仅为0.1mm级别，属于典型的介观尺度范畴，因此钛合金双极板的成形难度极大。目前主要有三类成形技术：第一，传统的冲压成形、液压成形与软膜成形技术。专利文献CN103191983 B中提出一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，采用连续冲压成形的方法制备金属双极板，可提高成形精度。但这类技术仅适用于不锈钢双极板的制备，用于成形钛合金双极板时会导致双极板流道深度不足、流道撕裂等问题。第二，感应式的磁脉冲成形技术。专利文献CN 102013494 B中提出一种微型燃料电池金属双极板微沟道的电磁成形装置及方法；专利文献CN 102263272B中提出一种燃料电池金属双极板的电磁力驱动软模成形方法，均采用了感应式的磁脉冲成形技术。这类技术能够通过电磁力的高速率特性解决双极板流道撕裂的问题，但钛合金为低电导率材料，需要采用驱动片或进一步增加软膜，导致成本上升。第三，超塑性成形与热成形技术。专利文献CN 105161731 B中提出一种质子交换膜燃料电池金属双极板的超塑性成形装置及工艺，采用大型环境箱进行成形，可保证成形精度。这类技术能够通过高温下的热效应解决双极板流道撕裂的问题，但加热时间(约为分钟级)过长，存在效率低下的问题；同时为避免钛合金高温氧化，需要将整套成形装置放于大型真空气氛保护设备中，故整体设备结构复杂，极大地增加了成本。

专利文献CN108655251A公开了一种金属双极板制造装置及方法，提出了一种新的直接放电式的磁脉冲成形方法。其通过采用背景磁场线圈提供背景磁场、脉冲电源放电提供电流的方式实现脉冲电磁力成形不锈钢金属双极板，然而，该成形装置中背景磁场线圈结构较为复杂，成形模具与金属坯料需要放在线圈内部，使得装配存在一定的困难，且该技术仅能用于不锈钢双极板的成形，当其应用于制备钛合金材料的双极板时，仅通过脉冲电磁力作用下的高速成形方法，无法实现钛合金双极板的高质量成形。

因此，钛合金双极板的成形工艺存在很多亟待解决的关键性问题。

发明内容