專利名稱：一種燃料電池金屬流場板的配合式成形方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微 型燃料電池技術(shù)領(lǐng)域和微加工領(lǐng)域，具體是一種燃料電池金屬流場板配合式成形方法和裝置，其適用于超薄金屬流場板流道的對向快速成形，加工效率高且廣品精度聞。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)能源需求大幅上升，礦物燃料燃燒時釋放出的有害物質(zhì)正在導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，綠色能源的研制開發(fā)十分迫切。燃料電池是一種等溫并直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可在室溫快速啟動、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與比能量高，具有廣闊的應(yīng)用前景。PEMFC的構(gòu)成包括陰陽極集流板(流場板)、氣體擴散層、催化層和質(zhì)子交換膜等。雙極板是PEMFC的關(guān)鍵部件之一，其質(zhì)量占到電堆總質(zhì)量的70%，成本約占60%以上。復(fù)合石墨板、柔性石墨及薄層金屬板都是很有潛力的雙極板材料，而薄層金屬雙極板不僅易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)，降低電堆成本，而且能大幅度提高電堆比功率，是最有競爭力的極板材料。金屬雙極板一般應(yīng)具有以下特點抗腐蝕性要強(< I μ A/cm2)，以保證電池組的壽命(一般為幾千至幾萬小時)；最好選用適于批量生產(chǎn)的加工工藝以降低電池組成本出美元/kff);厚度要薄(t ( O. 2mm);質(zhì)量要輕(m ( lkg/kff);尺寸精度要高。目前，國內(nèi)外非常重視金屬雙極板精密成形制造方法和耐腐蝕性研究。但是同時，由于流道的特征尺寸一般在50 500 μ m，金屬流場板的特征尺寸的微型化和高精度要求對其成形提出了挑戰(zhàn)，在在微尺度下(至少在兩個方向上尺寸處于亞毫米量級)材料的力學(xué)性能和成形過程會表現(xiàn)出與傳統(tǒng)尺度不同的特點，也就是尺度效應(yīng)。尤其是微型PEMFC中的流場板承受高溫、強腐蝕、多場耦合和壓力交變的的復(fù)雜服役環(huán)境，對基材選用材料、流場形狀、成形工藝和精度等都提出了更高要求，增加了微型流場板的成形難度。經(jīng)檢索國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻發(fā)現(xiàn)微型PEMFC流場板成形工藝方法的專利和技術(shù)報道為數(shù)不多。Shuo-Jen Lee (Journal of Power Sources. 2005,145 :369 375)提出利用電鑄工藝來成形不銹鋼SS304金屬流場板上的微觀特征；Yu-Ming Lee (Journal ofPower Sources. 2009,193(1) :227 232)研究了采用電化學(xué)微細(xì)加工對質(zhì)子交換膜燃料電池金屬流場板的成形；Masanori Yokoyama(International Journal of HydrogenEnergy. 2008,20(33) :5678 5685.)研究了金屬玻璃雙極板的熱壓成形方法。美國IanW.Kaye 申請專利High surface area micro fuelcell architecture (具有高表面積的微燃料電池結(jié)構(gòu))，公開號為US20050255368A1，專利中提到微燃料電池的微流道加工是采用晶片加工技術(shù)實現(xiàn)的。中國專利1787261A提出的“一種沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)及其制備方法”，是利用銑床加工出流道，然后沖壓成形金屬雙極板，流道加工效率低下，不適用于微流道的加工。中國專利CN1933221申請的自呼吸式微型質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極流場板及制作方法，是利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)在硅片上加工流場板。大連理工大學(xué)劉沖申請專利一種制備微型燃料電池金屬流場板的制作工藝，公開號為CN101222057，是通過光刻和化學(xué)蝕刻方法在金屬表面加工微細(xì)結(jié)構(gòu)，從而形成具有各種形狀流道的流場板。目前報導(dǎo)的關(guān)于燃料電池金屬流場板的研究和專利采用的成形工藝主要有塑性成形工藝中的輥壓成形、液壓脹形與壓力焊成形，還有其他基于微納器件加工的方法，包括化學(xué)刻蝕成形、液態(tài)成形技術(shù)。但隨著微型流場板上流道的微型化，微型凸模與凹模的加工難度和成本急劇上升，加工效率低下，不適用于微流場板的低成本批量制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種燃料電池金屬流場板的成形方法和裝置，以超薄金屬板為基材，利用和流 場板流道形狀相對應(yīng)的兩個相向的成形模頭對金屬板料進行下壓和支撐，然后保持該位置并根據(jù)流場板流道的走向進行運動，實現(xiàn)整個流場的成形，成形過程包括沖壓、擠壓和支撐的作用。本發(fā)明特別適用于微尺度下常規(guī)微加工方法難以成形具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的金屬流場板成形，無需凸模和凹模，加工簡單，易于批量生產(chǎn)，流場板制造費用可以大幅降低，有助于燃料電池金屬流場板和微型PEMFC的推廣應(yīng)用。本發(fā)明采用的技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，本發(fā)明首先根據(jù)預(yù)先設(shè)計的金屬流場板流道截面形狀，設(shè)計并加工上成形模頭作為金屬流場板上流道的成形工具，然后再設(shè)計并加工下成形模頭作為金屬流場板上流道的支撐工具。上下成形模頭工作部分的形狀和流道截面形狀相對應(yīng)，對于半圓形流道截面則上成形模頭為半圓形，下成形模頭內(nèi)凹為半圓形；梯形流道截面則上成形模頭為梯形，下成形模頭內(nèi)凹為梯形；三角形流道截面則上成形模頭為三角形，下成形模頭內(nèi)凹為三角形；另外為了提高成形模頭的耐磨性，需要對成形模頭工作部分進行強化處理?；乃闹軈^(qū)域通過壓邊裝置實現(xiàn)基材的固定和壓邊，然后根據(jù)流道形狀和走向規(guī)劃上下成形模頭的起始位置和運動路徑，上下成形模頭通過控制系統(tǒng)的控制到達流場板的起始位置后，根據(jù)流道的深度上模頭對基材超薄板料進行下壓，下模頭起到支撐作用。保持兩個成形模頭的位置，然后由控制系統(tǒng)根據(jù)流場板流道的走向通過控制X軸向平臺、Y軸向平臺的走向和移動速度來控制上下成形模頭運動方向、路徑以及加工速度；微成形模頭沿著流場板流道走向，通過微小區(qū)域塑性成形的積累，完成整個流場的成形，最終得到所需結(jié)構(gòu)形式的微型金屬流場板，成形過程包括了沖壓和擠壓和支撐的作用。所述的金屬流場板基材可以選擇不銹鋼、鈦合金、鋁合金等各種金屬材料和各種改性金屬材料，流場板基材厚度在40 1200 μ m范圍內(nèi)，根據(jù)不同的流場板基材，可以通過優(yōu)化加工參數(shù)對金屬流場板的成形過程進行控制，可選擇的參數(shù)包括上成形模頭下壓量、成形模頭運動路徑(X軸向平臺、Y軸向平臺移動路徑)、成形模頭加工速度(X軸向平臺、Y軸向平臺移動速度)、壓邊力大小、成形模頭的個數(shù)、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸和形狀等參數(shù)。本發(fā)明可以同時布置多對成形模頭，在控制系統(tǒng)對成形模頭運動路徑的控制下，可以同時實現(xiàn)多個相同流場結(jié)構(gòu)的金屬流場板的加工。本發(fā)明實施的成形裝置包括底座、X軸向平臺、Y軸向平臺、壓邊裝置、控制系統(tǒng)和成形系統(tǒng)。其中X軸向平臺、Y軸向平臺可以實現(xiàn)加工位置的調(diào)整。上模頭為可縱向移動模頭，由上成形系統(tǒng)控制，下模頭固定。上成形系統(tǒng)由上向下依次由精密數(shù)控裝置、壓電陶瓷上墊板、壓電陶瓷、壓電陶瓷下墊板、壓力傳感器、位移傳感器上墊板、位移傳感器、固定墊板、成形模頭組成，其中壓電陶瓷可以高精度地實現(xiàn)微成形模頭在起始位置的下壓量。壓邊裝置由螺栓、彈簧、壓板、螺紋孔、支撐座和連接螺釘組成，其中支撐座安裝在可調(diào)定位用工作臺上面且用螺釘實現(xiàn)連接和固定，基材放置在支撐座上，壓板放置在基材上，螺栓套有彈簧，通過螺紋孔固定在支撐座上。控制系統(tǒng)由計算機、D/A轉(zhuǎn)換器、控制單元、壓電陶瓷驅(qū)動器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其中與成形系統(tǒng)相連接的控制系統(tǒng)由計算機、D/A轉(zhuǎn)換器、控制單元、壓電陶瓷驅(qū)動器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其中控制單元一端與精密數(shù)控裝置和壓電陶瓷驅(qū)動器相連，另一端通過D/A轉(zhuǎn)換器與計算機相連，A/D轉(zhuǎn)換器一端與計算機相連，另外一端分別與壓力傳感器和位移傳感器相連，控制系統(tǒng)實現(xiàn)起始位置找準(zhǔn)、上成形模頭加載、下壓量、加工軌跡、壓電陶瓷精密加載以及回程的控制。其中與X軸向平臺、Y軸向平臺相連接的控制系統(tǒng)由計算機、D/A轉(zhuǎn)換器、控制單元組成，其中控制單元一端連接著X軸向平臺、Y軸向平臺，一端通過D/A轉(zhuǎn)換器與計算機相連。本發(fā)明的優(yōu)點1.由于此裝置安裝有上下量相對向且模頭形狀相配合的凹凸模頭，在加工燃料電池金屬流場板時可以用上模頭直接加工基材，而下模頭起到支撐作用，直至成形。在減少 了微凸模和微凹模的加工工時和費用的同時也能很好的保證成形效率和精度，工藝簡單易控。2.由于流場板的加工過程是上下兩個模頭同步進行且模頭運動方向和加工速度相同，而且下模頭可以起到支撐作用，提高了成形精度和質(zhì)量。3.在成形模頭對流場板成形過程中，成形模頭是通過局部塑性變形來成形的，在成形模頭運動時，對其周邊區(qū)域的材料有一個局部擠壓作用，可以起到材料強化作用。4.因為上成形模頭可以安置在精密數(shù)控裝置上，所以上模頭的下壓量可以得到精確保證，而且成形模頭運動路徑(X軸向平臺、Y軸向平臺移動路徑)、成形模頭加工速度(X軸向平臺、Y軸向平臺移動速度)等參數(shù)也都可以通過控制系統(tǒng)精確調(diào)控，所以能夠保證成形的可持續(xù)性和可重復(fù)性，易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。5.通過布置多個成形模頭，可以實現(xiàn)單次裝夾成形多塊流場板。6.通過改變成形模頭的形狀，可以加工各種不同截面形狀的流場板，適應(yīng)性強。


圖1是燃料電池金屬流場板的配合式成形裝置簡圖。圖2是燃料電池金屬流場板的配合式成形裝置左視圖。圖3是上下模頭實際工作過程中的局部放大圖。圖4是直流道流場板示意圖。圖5是蛇形流道流場板示意圖。圖6是具有點狀流場結(jié)構(gòu)的流場板示意圖。圖7是交指形流場示意圖。圖8是具有半圓形形狀的上下成形模頭和微流道示意圖。圖9是具有梯形形狀的上下成形模頭和微流道示意圖。圖10是具有三角形形狀的上下成形模頭和微流道示意圖。I精密數(shù)控裝置2A/D轉(zhuǎn)換器3D/A轉(zhuǎn)換器4控制單元5壓電陶瓷驅(qū)動器6計算機7螺栓8彈簧9壓板10螺紋孔IIY軸向平臺12X軸向平臺13支撐座14支撐座與底座之間的連接螺釘15底座16導(dǎo)軌17固定塊與Y軸向平臺的連接螺釘18固定塊19下成形模頭19a具有內(nèi)凹為半圓形形狀的下成形模頭19b具有內(nèi)凹為梯形形狀的下成形模頭19c具有內(nèi)凹為三角形形狀的下成形模頭20基材21上成形模頭21a具有半圓形形狀的上成形模頭21b具有梯形形狀的上成形模頭21c具有三角形形狀的上成形模頭22固定墊板23位移傳感器24位移傳感器上墊板25壓力傳感器26壓電陶瓷下墊板27壓電陶瓷28壓電陶瓷上墊板29立柱30橫梁31鉚釘32流場板33a直流道流場板的氣體入口 33b蛇形流道流場板的氣體入口 33c具有點狀流場結(jié)構(gòu)的流場板的氣體入口 34d交指形流場的氣體入口 35支撐梁36流道37a直流道流場板的氣體出口 37b蛇形流道流場板的氣體出口 37c具有點狀流場結(jié)構(gòu)的流場板的氣體出口 37d交指形流場的氣體出口 38上下模頭工作時材料的變形狀態(tài)
具體實施例方式下面結(jié)合圖1詳細(xì)說明本發(fā)明提出的裝置具體細(xì)節(jié)和工作情況。結(jié)合圖1，整個燃料電池金屬流場板的成形裝置包括包括底座、X軸向平臺、Y軸向平臺、壓邊裝置、控制系統(tǒng)和成形系統(tǒng)。工作臺用于安置成形系統(tǒng)和壓邊裝置，成形系統(tǒng)通過X軸向平臺、Y軸向平臺的移動帶動成形模頭的運動完成流場板的成形，壓邊裝置用于固定基材，并起到調(diào)節(jié)壓邊力的作用，控制系統(tǒng)控制上成形模頭動作和X軸向平臺、Y軸向平臺的移動。上成形系統(tǒng)由上向下依次由精密數(shù)控裝置、壓電陶瓷上墊板、壓電陶瓷、壓電陶瓷下墊板、壓力傳感器、位移傳感器上墊板、位移傳感器、固定墊板和上成形模頭，其中壓電陶瓷可以高精度地實現(xiàn)成形模頭在起始位置的下壓量。下成形系統(tǒng)由下至上依次為固定木塊和下模頭，其中固定木塊和Y軸向平臺之間用螺釘連接，下模頭與固定木塊之間用螺紋連接。壓邊裝置由螺栓、彈簧、壓板、螺紋孔、支撐座和連接螺釘組成，其中基材放置在支撐座上，壓板放置在基材上，由套有彈簧的螺栓通過螺紋孔固定在支撐座上，彈簧通過壓板將基材固定住和實現(xiàn)壓邊的作用?？刂葡到y(tǒng)與成形系統(tǒng)和X軸向平臺、Y軸向平臺相連接，其中與成形系統(tǒng)相連接的控制系統(tǒng)由計算機、D/A轉(zhuǎn)換器、控制單元、壓電陶瓷驅(qū)動器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其中控制單元一端與精密數(shù)控裝置和壓電陶瓷驅(qū)動器相連，另一端通過D/A轉(zhuǎn)換器與計算機相連，A/D轉(zhuǎn)換器一端與計算機相連，另外一端分別與壓力傳感器和位移傳感器相連，控制系統(tǒng)實現(xiàn)起始位置找準(zhǔn)、上成形模頭加載、下壓量、加工軌跡、壓電陶瓷精密加載以及回程的控制。其中與X軸向平臺、Y軸向平臺相連接的控制系統(tǒng)由計算機、D/A轉(zhuǎn)換器、控制單元組成，其中控制單元一端連接著X軸向平臺、Y軸向平臺，一端通過D/A轉(zhuǎn)換器與計算機相連。如圖2所示，為圖1的左視圖，29表示立柱，30表示橫梁，31為鉚釘。如圖3所示，為圖1的裝置加工材料時的局部放大圖，38表示材料被加工時的變形狀態(tài)。如圖4所示為直流道流場板示意圖，在直流道流場板32中，反應(yīng)氣體由直流道流場板的氣體入口 33a進入，氣體經(jīng)由直流道36和其他其他發(fā)生反應(yīng)，最后由直流道流場板的氣體出口 37a排出，直流道流場板的支撐梁起到支撐作用，提高流道板的強度，上下成形模頭按照成形直流道的微成形模頭運動軌跡可以最終實現(xiàn)直流道流場板的成形。如圖5所示為蛇形流道流場板示意圖，在蛇形流道流場板32中，反應(yīng)氣體由蛇形流道流場板的氣體入口 33b進入，氣體經(jīng)由蛇形流道36和其他其他發(fā)生反應(yīng)，最后由蛇形流道流場板的氣體出口 37b排出，蛇形流道流場板的支撐梁起到支撐作用，提高流道板的強度，上下成形模頭按照成形蛇形流道的微成形模頭運動軌跡可以最終實現(xiàn)蛇形流道流場板的成形。如圖6所為具有點狀流場結(jié)構(gòu)的流場板意圖，在具有點狀流場結(jié)構(gòu)的流場板32中，反應(yīng)氣體由具有點狀流場結(jié)構(gòu)的流場板的氣體入口 33c進入，氣體經(jīng)由具有點狀流場的流道36和其他其他發(fā)生反應(yīng)，最后由具有點狀流場結(jié)構(gòu)的流場板的氣體出口 37c排出，具有點狀流場結(jié)構(gòu)的流場板的支撐梁起到支撐作用，提高流道板的強度，上下成形模頭按照成形具有點狀流場的流道的微成形模頭運動軌跡可以最終實現(xiàn)具有點狀流場結(jié)構(gòu)的流場板的成形。 如圖7所示為交指形流場示意圖，在交指形流場32中，反應(yīng)氣體由交指形流場的氣體入口 33d進入，氣體經(jīng)由交指形流道36和其他其他發(fā)生反應(yīng)，最后由交指形流場的氣體出口 37d排出，交指形流場的支撐梁起到支撐作用，提高流道板的強度，上下成形模頭按照成形交指形流道的微成形模頭運動軌跡可以最終實現(xiàn)交指形流場流場板的成形。如圖8所示，流道截面為半圓形，相對應(yīng)的一對成形模頭也具有相同的半圓形形狀特征。如圖9所示，流道截面為梯形，相對應(yīng)的一對成形模頭也具有相同的梯形形狀特征。如圖10所示，流道截面為三角形，相對應(yīng)的一對成形模頭也具有相同的三角形形狀特征。以蛇形流場板為例說明此裝置的
具體實施例方式結(jié)合圖1、圖2、圖5、圖8，燃料電池蛇形金屬流場板的成形方法如下其成形方法是根據(jù)需要成形的蛇形流道的半圓形截面形狀、尺寸和精度設(shè)計加工具有半圓形形狀的上成形模頭(凸模)21和下成形模頭(凹模)19，基材20選擇厚度為
100μ m的不銹鋼，外形尺寸為1. 2cmXl. 2cm的矩形板。先在底座15上安裝X軸向?qū)к?，X軸向?qū)к壣显O(shè)置有可在其上移動的X軸向平臺12，在X軸向平臺上設(shè)置有Y軸向?qū)к?，在Y軸向?qū)к壴O(shè)置有可在其上移動的Y軸向平臺11，Y軸向平臺11的左邊裝有立柱29，立柱29頂部裝有橫梁30，橫梁30嵌入立柱29頂部，采用鉚接31連接立柱29與橫梁30 ;橫梁30另一端安裝上成形裝置，將上成形模頭安裝在固定墊板22中，然后由下向上依次連接位移傳感器23、位移傳感器上墊板24、壓力傳感器25、壓電陶瓷下墊板26、壓電陶瓷27、壓電陶瓷上墊板28，最后和精密數(shù)控裝置I相連接；與上成形系統(tǒng)連接的控制系統(tǒng)由計算機6、D/A轉(zhuǎn)換器3、控制單元4、壓電陶瓷驅(qū)動器5和A/D轉(zhuǎn)換器2組成，將控制單元4 一端與精密數(shù)控裝置I和壓電陶瓷驅(qū)動器5相連，另一端通過D/A轉(zhuǎn)換器3與計算機6相連，A/D轉(zhuǎn)換器2 —端與計算機6相連，另外一端分別與壓力傳感器25和位移傳感器23相連。然后安裝下成形裝置，將固定塊18安裝在Y軸向平臺11右邊，用螺釘17連接，將帶有螺紋的下模頭19嵌于固定塊18中，實現(xiàn)下模頭19的固定，兩模頭中心線通過CCD調(diào)整達到重合。安裝與X軸向平臺12、Υ軸向平臺11相連接的控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)由計算機6、D/A轉(zhuǎn)換器3、控制單元4組成，其中控制單元4 一端連接著X軸向平臺12、Y軸向平臺11，一端通過D/A轉(zhuǎn)換器3與計算機6相連。將支撐座13安置在底座上15，利用連接螺釘14將支撐座13固定在底座15上，基材20放置在支撐座13上，彈簧8套在螺栓7上，螺栓7通過螺紋孔10固定在支撐座13上，彈簧8通過壓板9將基材20固定住，并起到壓邊的作用，壓邊力的調(diào)整可以通過螺栓7調(diào)節(jié)。選用優(yōu)化好的成形工藝參數(shù)(上成形模頭21下壓量、X軸向平臺12和Y軸向平臺11移動路徑、X軸向平臺12和Y軸向平臺11移動速度、壓邊力大小等)，同時根據(jù)流道36的走向規(guī)劃好X軸向平臺12和Y軸向平臺11的移動系數(shù)從而規(guī)劃好上下成形模頭工作的起始位置。X軸向平臺12和Y軸向平臺11的移動系數(shù)和上成形模頭的縱向運動軌跡采用編程軟件產(chǎn)生代碼輸入計算機6 ;計算機6通過D/A轉(zhuǎn)換器3和控制單元4控制X軸向平臺12、Y軸向平臺11和精密數(shù)控裝置I的運動，使得上下成形模頭到達流場板的起始位置的上方和下方，上成形模頭21在D/A轉(zhuǎn)換器3和控制單元4的控制下根據(jù)流道的深度對基材20進行垂直下壓，壓力傳感器25和位移傳感器23通過A/D轉(zhuǎn)換器2直接將信號輸入計算機6，隨時進行比對，對于加工精度要求極高的流道，在下壓到一定程度后，可以利用D/A轉(zhuǎn)換器3、控制單元4和壓電陶瓷驅(qū)動器5精密控制壓電陶瓷27，實現(xiàn)上下成形模頭的極小下壓量，精度可以達到O.1 μπι;此時保持上下成形模頭的位置，X軸向平臺12、Y軸向平臺11按照已經(jīng)編好的代碼運動，驅(qū)動上下成形模頭在基材20上的局部塑性成形， 通過微小區(qū)域塑性成形的積累，完成整個流道36的成形，最終得到流場板。當(dāng)上下成形模頭到達最終位置時，計算機6發(fā)出指令停止X軸向平臺12和Y軸向平臺11以及精密數(shù)控裝置I的運動，驅(qū)動X軸向平臺12和Y軸向平臺11以及精密數(shù)控裝置I回程；采用特殊的流場板收集裝置取下流場板，以保證微型流場板的精度。當(dāng)上下成形模頭更換梯形或者三角形時，對應(yīng)的流場板流道截面形狀分別為梯形和三角形，實施方式與模頭為半圓形時一樣。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池金屬流場板的配合式成形裝置，包括底座、X軸向平臺、Y軸向平臺、壓邊裝置、控制系統(tǒng)和成形系統(tǒng)。底座上方設(shè)置有X軸向?qū)к?，所述X軸向?qū)к壣显O(shè)置有可在其上移動的X軸向平臺，在X軸向平臺上設(shè)置有Y軸向?qū)к?，在Y軸向?qū)к壴O(shè)置有可在其上移動的Y軸向平臺，Y軸向平臺上裝有成形系統(tǒng)。成形系統(tǒng)包括立柱、X軸向橫柱、精密數(shù)控裝置、上成形模頭和下成形模頭。其中在Y軸向平臺的左邊裝有立柱，采用螺釘連接。立柱頂部裝有X軸向橫柱，X軸向橫柱嵌入立柱頂部，采用鉚接連接立柱與X軸向橫柱；x軸向橫柱另一端裝有精密數(shù)控裝置，精密數(shù)控裝置由上向下依次由壓電陶瓷上墊板、壓電陶瓷、壓電陶瓷下墊板、壓力傳感器、位移傳感器上墊板、位移傳感器、固定墊板、上成形模頭組成。相對于立柱，Y軸向平臺右邊裝有固定塊，固定塊與Y軸向平臺用螺釘連接，將帶有螺紋的下模頭嵌于固定塊中，實現(xiàn)下模頭的固定。此成形系統(tǒng)的特征在于上模頭為凸模(凸模形狀由流場板流道形狀決定)，下模頭為凹模(凹模形狀和凹度由流場板溝槽形狀和深度決定)，兩模頭中心線重合，上下模頭相向并且配合相容，下模頭固定，上模頭可縱向移動。控制系統(tǒng)與成形系統(tǒng)和X軸向平臺、Y軸向平臺相連接，其中與成形系統(tǒng)相連接的控制系統(tǒng)由計算機、D/A轉(zhuǎn)換器、控制單元、壓電陶瓷驅(qū)動器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，其中控制單元一端與精密數(shù)控裝置和壓電陶瓷驅(qū)動器相連，另一端通過D/A轉(zhuǎn)換器與計算機相連，A/D轉(zhuǎn)換器一端與計算機相連，另外一端分別與壓力傳感器和位移傳感器相連，控制系統(tǒng)實現(xiàn)起始位置找準(zhǔn)、上成形模頭加載、下壓量、加工軌跡、壓電陶瓷精密加載以及回程的控制。其中與X軸向平臺、Y軸向平臺相連接的控制系統(tǒng)由計算機、D/A轉(zhuǎn)換器、控制單元組成，其中控制單元一端連接著X軸向平臺、Y軸向平臺，一端通過D/A轉(zhuǎn)換器與計算機相連。底座的右邊設(shè)置有壓邊裝置，壓邊裝置由螺栓、彈簧、壓板、螺紋孔、支撐座和連接螺釘組成。其中基材放置在支撐座上，彈簧套在螺栓上，螺栓通過螺紋孔固定在支撐座上，彈簧通過壓板將基材固定住和實現(xiàn)壓邊的作用，連接螺釘實現(xiàn)支撐座與底座的連接。此壓邊裝置特征在于，支撐座高度與下模頭高度相同，用以保證加工基材時固定住的下模頭可以直接與基材下表面接觸。具體工藝步驟如下 基材固定好后，X軸向平臺通過導(dǎo)軌移向支撐座內(nèi)，當(dāng)下模頭到達流場板的起始位置后停下，此時下模頭與流場板下表面直接接觸。上模頭通過精密數(shù)控裝置控制根據(jù)流道深度進行下壓。保持上成形模頭位置，然后由控制系統(tǒng)控制X軸向平臺、Y軸向平臺根據(jù)流場板流道的走向進行移動，其中移動方向與移動速度都由控制系統(tǒng)控制。上下成形模頭沿著流場板流道走向，通過微小區(qū)域塑性成形的積累，完成整個流場的成形，成形過程包括上模頭的沖壓和擠壓的作用以及下模頭的支撐作用，最終得到金屬流場板。其特征在于將上成形模頭作為金屬流場板上流道的成形工具，下模頭作為支撐，達到保證金屬流場板流道精度的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池金屬流場板的配合式成形裝置，其特征在于根據(jù)預(yù)先設(shè)計的燃料電池金屬流場板的結(jié)構(gòu)形式和流道截面形狀，設(shè)計并加工上成形模頭，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)計的燃料電池金屬流場板流道的溝槽狀，設(shè)計并加工下模頭，使上下模頭在形狀上能配合與兼容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池金屬流場板的成形方法，其特征在于所述的成形模頭工作部分的形狀和流道截面形狀相對應(yīng)，對于半圓形流道截面，上成形模頭工作部分的形狀為半圓形，下成形模頭的內(nèi)凹形狀也相應(yīng)為圓形；對于梯形流道截面，上成形模頭工作部分的形狀為梯形，下成形模頭的內(nèi)凹形狀也相應(yīng)為梯形；對于三角形流道截面，上成形模頭工作部分的形狀為三角形，下成形模頭的內(nèi)凹形狀也相應(yīng)為三角形。為了提高成形模頭的耐磨性，對成形模頭工作部分進行強化處理；根據(jù)不同的流場結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的上成形模頭起始下壓點和加工軌跡，實現(xiàn)平行流場、交指型流場、蛇型流場的微成形；所述的金屬流場板基材可以選擇不銹鋼、鈦合金、鋁合金等各種金屬材料和各種改性材料，流場板基材厚度在40 1200 μ m范圍內(nèi)，根據(jù)不同的流場板基材，可以通過優(yōu)化加工參數(shù)對金屬流場板的成形過程進行控制，可選擇的參數(shù)包括上成形模頭下壓量、成形模頭運動路徑(X軸向平臺、Y軸向平臺移動路徑)、成形模頭加工速度(X軸向平臺、Y軸向平臺移動速度)、壓邊力大小、成形模頭的個數(shù)、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸和形狀等參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池金屬流場板的成形方法，其特征在于通過同時布置多對成形模頭，在控制系統(tǒng)對微成形模頭運動路徑的控制下，可以同時實現(xiàn)多個相同流場結(jié)構(gòu)的金屬流場板的加工。
全文摘要
本發(fā)明涉及微型燃料電池領(lǐng)域，特指一種燃料電池金屬流場板的配合式成形方法和裝置，尤其適用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超薄金屬流場板的微成形。成形方法是根據(jù)預(yù)先設(shè)計的微型金屬流場板的結(jié)構(gòu)和流道截面形狀，設(shè)計上模頭為凸模，下模頭為凹模，兩模頭中心線重合，上下模頭相向并且配合相容，下模頭固定，上模頭可縱向移動。根據(jù)流道走向規(guī)劃好上下成形模頭的運動路徑，通過控制系統(tǒng)控制X軸和Y軸向平臺的移動，實現(xiàn)上下成形模頭的運動，完成整個流場的成形。成形裝置包括底座、X軸向平臺、Y軸向平臺、壓邊裝置、控制系統(tǒng)和成形系統(tǒng)。本發(fā)明能實現(xiàn)任意復(fù)雜形狀微金屬流場板的成形，有助于推動微型金屬流場板在微型燃料電池中的應(yīng)用。
文檔編號H01M4/88GK103022517SQ20121057965
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者王勻, 許楨英, 張凱, 殷蘇民, 王雪鵬, 王誠強, 蔣素琴, 朱凱, 陸廣華 申請人:江蘇大學(xué)