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金属双极板是氢燃料电池的重要零件，其超薄尺寸下微成形工艺和模具设计比较复杂。文章综述了近年来氢燃料电池金属双极板微成形研究的现状，分析了存在的问题，通过数字建模和Deform软件进行了316L金属薄板微冲压成形CAE模拟分析，并优选出圆角半径和拔模斜度的最佳方案，為大批量生产金属双极板提供了可行的微冲压成形工艺方案。
关键词：氢燃料电池 金属双极板 CAE分析 微成形
中图分类号：TM 911 文献标识码：A
一、前言
微成形工艺是一种重要的微细加工工艺，适合低成本、大批量的工业生产。但是由于加工尺度的减小，导致微细成形工艺中出现了有别于传统宏观加工的尺度效应现象，这使得传统宏观成形加工中成熟的工艺理论和技术不能直接应用于微细成形工艺领域中[1]。因此面向微细制造的微成形技术在短短十年内得到了迅速发展，已成为研究领域和业界的新热点。
氢燃料电池以能量转化率高、低排放，能量和功率密度高等优点，被认为是适应未来能源和环境理想能源之一。金属双极板由于其优异的导电、导热性能，机械加工性，致密性，阻气性等优势，广泛应用于氢燃料电池。由于其厚度尺寸一般都在1mm甚至0.1mm以下，变形量在0.5mm左右，一般认为其成形特点属于微成形。氢燃料电池产品一般由上百块电池单元组合而成，而每一个电池单元都由双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜层等组成。其中金属双极板占质量的 60% ～ 80% ，占成本的30% ～ 45%。在大规模批量生产的时候，其生产成本会极大程度降低。性能优、成本低的双极板在未来产业化道路上显得尤为重要。
二、国内外研究现状
关于制备金属双极板的材料，当前主要有铁基合金、轻金属和表面涂层改性材料、钛合金等几种类型[2]。近年来对金属板的表面涂层改性研究相对集中，对基体材料的研究，也主要集中在双极板的导电率、电阻、抗腐蚀性等物性参数上，对超薄金属板成形工艺的研究报道不多。目前国内有上海交大、武汉理工、大连理工、同济大学等大学在引领该项研究[3]，产业应用中，治臻公司（上海、苏州）为龙头，占了国内绝对多数市场。国内包括国鸿氢能、大族激光等不少企业宣布进军金属双极板。
上海交通大学提出一种基于辊压成形的金属双极板制造方法，美国弗吉尼亚联邦大学开发出了液压胀形与压力焊成形工艺，一个工步即可完成阴极板和阳极板的液压胀形和焊接成形。武汉理工大学也对金属双极板的软模成形进行了研究。瑞典 Cell Impact 公司的 Cell Impact 冲压技术利用动能和高压的瞬间产生绝热软化效应，使金属以近乎液态的形式，快速、精确地充满模腔，完成极板的一次性成形冲压。上海交大来新民等人提出了“基于薄板冲压成形的质子交换膜燃料电池双极板”，将两块流场单板作为燃料电池的阴极和阳极，中间一块支撑薄板，其特点是流场单板是由冲压工艺制成一体。
目前产业化最成功的是上海交通大学彭林法、来新民、蓝树魁等教授团队。其成果转化的上海治臻新能源装备有限公司（含苏州治臻），在10多年的研发和量产基础上，已经能做到全工艺链自给，具备极板构型设计、精密模具设计与加工、超薄板精密成形、超薄板快速激光焊接、长寿命复合纳米涂层、一体化密封技术等自主技术[4]。
三、金属双极板成形工艺分析
（1）增材与减材：金属具备的良好的加工性能，金属双极板在试制阶段采用减材加工方式较适合。减材加工方式不需要事先制备模具，并且修改方便，可以低成本地快速出样。但是金属双极板趋向于超薄化（ 0.1 mm以下） ，流道复杂化（ 蛇形纹等） ，流道微型化（ 槽宽槽深为亚毫米级） 时，即便是单件的试制加工，减材方式也不适用。需要增材加工方式进行制备。
（2）特种成形：商品化制备金属双极板对生产效率和生产稳定性要求高，减材和增材制备方法效率低下不适用。压印成形，载荷驱动力为液压，成形效率低下不具备量产优势。电磁成型，技术不够成熟，其研究刚起步。压铸和触变成形，热加工成形存在升温或重熔过程，薄窄的空间内金属流动性差，容易产生缺陷。能解决金属板翘曲问题，但板厚小于0.1 mm 时很难成形，且工艺复杂、效率较低。其一模多腔也不能有效控制成本。
（3）冲压工艺：对于制备亚毫米尺寸且复杂流道的金属双极板，冲压工艺是双极板微流道成形商品化制备的主要研究方向。当前，金属板冲压硬模软模成形时，凸凹模圆角半径在 0.1～0.3 mm 之间时，不锈钢双极板微流道成形尺寸精确无裂纹瑕疵。但冲压成形后，金属板翘曲程度增加，变形不易控制。在后期装配过程中可以通过工装压紧。
（4）微尺度效应下的微成形：超薄（厚度小于0.1 mm） 金属双极板冲压过程的微变形机理与冲压后翘曲控制是双极板商业化的难点，也是今后的研究方向。可以从材料本征尺度效应和制备工艺条件微尺度效应两方面进行研究。针对金属双极板的微流道成形，微尺度效应方向的研究是重点方向[5]。
四、实验分析与研究结果
本文以氢燃料电池金属双极板316L不锈钢为研究材料，采用实验研究方法、数值分析方法、有限元分析法等方法，结合了三维建模软件UG，二维绘图软件CAD、数值仿真分析软件Dynaform的应用，展开对金属双极板的成形工艺分析以及成型参数的优化，同时通过数值模拟分析的结果进行了金属双极板微成形工艺的方案优化，并设计了相应的模具。
当以圆角半径为30°，圆角半径为0.2mm时在 Dynaform 中进行数值模拟。通过成形件的厚度分布云图可知在双极板流道外围的板料厚度基本没有变化。在其对角处板料厚度增加，对应 FLD 图可知对角处存在起皱现象。在流道转角处厚度变化均匀，不会发生起皱。厚度变化较多的是流道处，流道中间区域厚度比周围要小一些，金属在该处需要通过更多的厚度的减薄来达到拉深成形的结果。厚度最小的区域在流道沟槽底部，厚度为 0.067mm，对应 FLD 图发现该区域有破裂的趋势。板料初始厚度为 0.07mm，所以板料厚度变薄率为4.28%，一般厚度减薄率低于20%都处于安全范围内，因此从厚度变化角度看此次软模成形是可行的。
从板料变形过程中的最大主应变云图可知流道区域的外围部分的应变总体低于中间区域，在中间区域流道的圆角部分出现了较大的主应变，这对应了厚度分布云图中该处的厚度减薄。除了流道中间出现较大的主应变外，双极板其余部分的应变都处于正常范围。
通过进一步分析发现，不同的圆角半径和不同的拔模斜度都会对板料的成形造成不同的影响：当选择0.1mm和0.2mm圆角半径时，模拟分析的数据显示在成形圆角位置出现较严重的减薄。当选择0.3mm的圆角半径时，这种现象明显减轻。同样较小的拔模斜度也会造成板料的严重减薄甚至破裂。当选择20°和30°拔模斜度时，在数值模拟分析中显示不但板料拉伸出处出现严重的应力问题，也会出现褶皱甚至破裂。当选择拔模斜度为40°时，这种应力和破裂问题明显减轻，因此我们应该选择较大的参数。通过模拟分析选择了模具圆角半径为0.3mm，拔模斜度为40°方案。
五、结论
超薄金属双极板微成形的研究是一个比较复杂的问题，需要进一步在成形机理、微尺度效应、流动分析等角度进行理论研究和实验探索。本次分析所获得的实验结论数据也仅能提供些参考，在本次数值分析基础上设计的模具可以实现落料、冲孔、拉伸等工序，尺寸变化、厚度变化、翘曲变化都可在精度控制范围内。
参考文献：
[1]彭林法. 微/介观尺度下薄板成形建模分析与实验研究[D].上海交通大学，2008
[2]许桢英，张园园，王匀，丁盛，尹必峰.微型燃料电池双极板成形工艺的研究进展[J].电源技术，2015，39（04）：861-863
[3] 李伟.金属双极板冲压过程有限元模拟及工艺优化[J].世界有色金属，2018（13）：253-254
[4] 于杰.燃料电池薄壳金属双极板结构设计与分析[D].大连理工大学，2020.
[5] 翟华，李源，石文超，张科.冲压PEMFC蛇形流道金属双极板转角区厚度减薄研究[J].塑性工程学报，2021，28（02）：22-28.
基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目，氢燃料汽车电池金属双极板微成形工艺分析与数值模拟，201912804011Y
关键词：氢燃料电池 金属双极板 CAE分析 微成形
中图分类号：TM 911 文献标识码：A
一、前言
微成形工艺是一种重要的微细加工工艺，适合低成本、大批量的工业生产。但是由于加工尺度的减小，导致微细成形工艺中出现了有别于传统宏观加工的尺度效应现象，这使得传统宏观成形加工中成熟的工艺理论和技术不能直接应用于微细成形工艺领域中[1]。因此面向微细制造的微成形技术在短短十年内得到了迅速发展，已成为研究领域和业界的新热点。
氢燃料电池以能量转化率高、低排放，能量和功率密度高等优点，被认为是适应未来能源和环境理想能源之一。金属双极板由于其优异的导电、导热性能，机械加工性，致密性，阻气性等优势，广泛应用于氢燃料电池。由于其厚度尺寸一般都在1mm甚至0.1mm以下，变形量在0.5mm左右，一般认为其成形特点属于微成形。氢燃料电池产品一般由上百块电池单元组合而成，而每一个电池单元都由双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜层等组成。其中金属双极板占质量的 60% ～ 80% ，占成本的30% ～ 45%。在大规模批量生产的时候，其生产成本会极大程度降低。性能优、成本低的双极板在未来产业化道路上显得尤为重要。
二、国内外研究现状
关于制备金属双极板的材料，当前主要有铁基合金、轻金属和表面涂层改性材料、钛合金等几种类型[2]。近年来对金属板的表面涂层改性研究相对集中，对基体材料的研究，也主要集中在双极板的导电率、电阻、抗腐蚀性等物性参数上，对超薄金属板成形工艺的研究报道不多。目前国内有上海交大、武汉理工、大连理工、同济大学等大学在引领该项研究[3]，产业应用中，治臻公司（上海、苏州）为龙头，占了国内绝对多数市场。国内包括国鸿氢能、大族激光等不少企业宣布进军金属双极板。
上海交通大学提出一种基于辊压成形的金属双极板制造方法，美国弗吉尼亚联邦大学开发出了液压胀形与压力焊成形工艺，一个工步即可完成阴极板和阳极板的液压胀形和焊接成形。武汉理工大学也对金属双极板的软模成形进行了研究。瑞典 Cell Impact 公司的 Cell Impact 冲压技术利用动能和高压的瞬间产生绝热软化效应，使金属以近乎液态的形式，快速、精确地充满模腔，完成极板的一次性成形冲压。上海交大来新民等人提出了“基于薄板冲压成形的质子交换膜燃料电池双极板”，将两块流场单板作为燃料电池的阴极和阳极，中间一块支撑薄板，其特点是流场单板是由冲压工艺制成一体。
目前产业化最成功的是上海交通大学彭林法、来新民、蓝树魁等教授团队。其成果转化的上海治臻新能源装备有限公司（含苏州治臻），在10多年的研发和量产基础上，已经能做到全工艺链自给，具备极板构型设计、精密模具设计与加工、超薄板精密成形、超薄板快速激光焊接、长寿命复合纳米涂层、一体化密封技术等自主技术[4]。
三、金属双极板成形工艺分析
（1）增材与减材：金属具备的良好的加工性能，金属双极板在试制阶段采用减材加工方式较适合。减材加工方式不需要事先制备模具，并且修改方便，可以低成本地快速出样。但是金属双极板趋向于超薄化（ 0.1 mm以下） ，流道复杂化（ 蛇形纹等） ，流道微型化（ 槽宽槽深为亚毫米级） 时，即便是单件的试制加工，减材方式也不适用。需要增材加工方式进行制备。
（2）特种成形：商品化制备金属双极板对生产效率和生产稳定性要求高，减材和增材制备方法效率低下不适用。压印成形，载荷驱动力为液压，成形效率低下不具备量产优势。电磁成型，技术不够成熟，其研究刚起步。压铸和触变成形，热加工成形存在升温或重熔过程，薄窄的空间内金属流动性差，容易产生缺陷。能解决金属板翘曲问题，但板厚小于0.1 mm 时很难成形，且工艺复杂、效率较低。其一模多腔也不能有效控制成本。
（3）冲压工艺：对于制备亚毫米尺寸且复杂流道的金属双极板，冲压工艺是双极板微流道成形商品化制备的主要研究方向。当前，金属板冲压硬模软模成形时，凸凹模圆角半径在 0.1～0.3 mm 之间时，不锈钢双极板微流道成形尺寸精确无裂纹瑕疵。但冲压成形后，金属板翘曲程度增加，变形不易控制。在后期装配过程中可以通过工装压紧。
（4）微尺度效应下的微成形：超薄（厚度小于0.1 mm） 金属双极板冲压过程的微变形机理与冲压后翘曲控制是双极板商业化的难点，也是今后的研究方向。可以从材料本征尺度效应和制备工艺条件微尺度效应两方面进行研究。针对金属双极板的微流道成形，微尺度效应方向的研究是重点方向[5]。
四、实验分析与研究结果
本文以氢燃料电池金属双极板316L不锈钢为研究材料，采用实验研究方法、数值分析方法、有限元分析法等方法，结合了三维建模软件UG，二维绘图软件CAD、数值仿真分析软件Dynaform的应用，展开对金属双极板的成形工艺分析以及成型参数的优化，同时通过数值模拟分析的结果进行了金属双极板微成形工艺的方案优化，并设计了相应的模具。
当以圆角半径为30°，圆角半径为0.2mm时在 Dynaform 中进行数值模拟。通过成形件的厚度分布云图可知在双极板流道外围的板料厚度基本没有变化。在其对角处板料厚度增加，对应 FLD 图可知对角处存在起皱现象。在流道转角处厚度变化均匀，不会发生起皱。厚度变化较多的是流道处，流道中间区域厚度比周围要小一些，金属在该处需要通过更多的厚度的减薄来达到拉深成形的结果。厚度最小的区域在流道沟槽底部，厚度为 0.067mm，对应 FLD 图发现该区域有破裂的趋势。板料初始厚度为 0.07mm，所以板料厚度变薄率为4.28%，一般厚度减薄率低于20%都处于安全范围内，因此从厚度变化角度看此次软模成形是可行的。
从板料变形过程中的最大主应变云图可知流道区域的外围部分的应变总体低于中间区域，在中间区域流道的圆角部分出现了较大的主应变，这对应了厚度分布云图中该处的厚度减薄。除了流道中间出现较大的主应变外，双极板其余部分的应变都处于正常范围。
通过进一步分析发现，不同的圆角半径和不同的拔模斜度都会对板料的成形造成不同的影响：当选择0.1mm和0.2mm圆角半径时，模拟分析的数据显示在成形圆角位置出现较严重的减薄。当选择0.3mm的圆角半径时，这种现象明显减轻。同样较小的拔模斜度也会造成板料的严重减薄甚至破裂。当选择20°和30°拔模斜度时，在数值模拟分析中显示不但板料拉伸出处出现严重的应力问题，也会出现褶皱甚至破裂。当选择拔模斜度为40°时，这种应力和破裂问题明显减轻，因此我们应该选择较大的参数。通过模拟分析选择了模具圆角半径为0.3mm，拔模斜度为40°方案。
五、结论
超薄金属双极板微成形的研究是一个比较复杂的问题，需要进一步在成形机理、微尺度效应、流动分析等角度进行理论研究和实验探索。本次分析所获得的实验结论数据也仅能提供些参考，在本次数值分析基础上设计的模具可以实现落料、冲孔、拉伸等工序，尺寸变化、厚度变化、翘曲变化都可在精度控制范围内。
参考文献：
[1]彭林法. 微/介观尺度下薄板成形建模分析与实验研究[D].上海交通大学，2008
[2]许桢英，张园园，王匀，丁盛，尹必峰.微型燃料电池双极板成形工艺的研究进展[J].电源技术，2015，39（04）：861-863
[3] 李伟.金属双极板冲压过程有限元模拟及工艺优化[J].世界有色金属，2018（13）：253-254
[4] 于杰.燃料电池薄壳金属双极板结构设计与分析[D].大连理工大学，2020.
[5] 翟华，李源，石文超，张科.冲压PEMFC蛇形流道金属双极板转角区厚度减薄研究[J].塑性工程学报，2021，28（02）：22-28.
基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目，氢燃料汽车电池金属双极板微成形工艺分析与数值模拟，201912804011Y