1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置与方法。
背景技术：2.随着石油、煤等化石能源日趋紧缺，环境污染日益严重，为了减少对能源的依赖，降低二氧化碳等温室气体的排放，需要开发新的能源技术。氢燃料电池是一种以氢气为原料，将氢气和氧化剂中的化学能直接转化为电能的化学装置，具有发电效率高、环境污染小等优点，目前已广泛应用于航空航天和汽车载具等领域。双极板作为氢燃料电池的重要组成部件，具有机械支撑、提供流体通道以及导电导热等重要作用，因此要求双极板材料具有较高的比强度、优异的抗蚀性能和优良的导电导热性能。
3.目前，用于制造双极板的材料主要有石墨、复合材料和金属薄板等。虽然石墨的密度低、耐蚀性好，但其机械性能较差，且制造成本较高，限制了石墨在商业中的应用。而复合材料双极板的接触电阻较高，且厚度难以降低。相对于石墨和复合材料双极板，金属双极板具有优秀的机械性能和导电性能，且致密性高、易于批量生产，是燃料电池大规模应用的理想选择。现有技术中，金属双极板常用的成形方法包括冲压法和电磁成形法。然而，采用冲压法容易导致金属双极板圆角处减薄严重，微流道深度较浅，难以满足燃料电池的使用要求。电磁成形法作为一种单边模具、高速成形技术，能够提高材料的变形均匀性，但电磁成形法制备的双极板流道深度均匀性差，尺寸精度低，也难以满足燃料电池的使用要求。
技术实现要素：4.本发明解决的问题是如何提供一种金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法，能够同时提高金属双极板的总延伸率及成形极限深度。
5.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、将金属料板放置于凹模上方，将所述凹模移动至放电线圈下方，将所述放电线圈贴近所述凹模，对所述放电线圈进行放电，使所述金属料板电磁预成形，得到电磁预成形料板，其中，所述凹模上设置有微沟槽；
7.步骤s2、保持所述电磁预成形料板位于所述凹模上，将所述凹模转移至凸模下方，所述凸模上设置有与所述微沟槽相匹配的微凸起，将所述凸模和所述凹模合模，对所述电磁预成形料板进行模压成形，得到燃料电池金属双极板。
8.优选地，所述步骤s1中，所述对所述放电线圈进行放电，包括：
9.设置放电电压为7-12kv，对所述放电线圈进行放电。
10.优选地，所述步骤s2中，所述对所述电磁预成形料板进行模压成形，包括：
11.设置冲压速度为0.1mm/s，当冲压力压达到20-40kn后进行保压，保压时间为20-40s，对所述电磁预成形料板进行模压成形。
12.优选地，所述步骤s1中，所述金属料板的材质包括不锈钢、铝合金、钛合金和纯钛中的其中一种。
13.本发明通过电磁预成形和模压成形的复合成形方法制备燃料电池金属双极板，其中电磁预成形工序能够提高金属料板的变形均匀性，使成形后的双极板厚度减薄均匀，而模压成形工序能够改善单独采用电磁预成形时燃料电池金属双极板流道深度不均匀，圆角难以填充等问题；本发明提供的金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法一方面能够解决电磁预成形过程中流道深度均匀性差、尺寸精度较低的问题，另一方面能够解决模压成形过程中圆角易破裂、流道深度不足等问题，同时提高燃料电池金属双极板的成形极限深度、厚度减薄均匀性以及尺寸精度，具备良好的总延伸率。
14.本发明还提供一种金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置，包括：
15.电磁预成形模块，用于使金属料板电磁预成形，得到电磁预成形料板；
16.模压成形模块，用于使所述电磁预成形料板模压成形，得到燃料电池金属双极板；
17.驱动模块，用于驱动所述电磁预成形模块和所述模压成形模块合模。
18.优选地，所述电磁预成形模块包括充放电子模块、放电线圈和凹模，所述充放电子模块与放电线圈电连接，所述放电线圈位于所述凹模上方，所述凹模上设置有微沟槽。
19.优选地，所述充放电子模块包括电源、充电开关、电容器组和放电开关，其中，所述电源、所述充电开关和所述电容器组组成充电回路，所述充电回路用于对所述电容器组进行充电，所述电容器组、所述放电开关和所述放电线圈组成放电回路，所述放电回路用于对所述放电线圈进行放电。
20.优选地，所述模压成形模块包括凸模和所述凹模，所述凸模位于所述凹模上方，且所述凸模上设置有与所述微沟槽相匹配的微凸起，所述凹模用于在所述放电线圈和所述凸模下方移动，分别与所述放电线圈和所述凸模组成所述电磁预成形模块和所述模压成形模块。
21.优选地，金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置还包括上模板和下模板，所述放电线圈和所述凸模固定安装于所述上模板上，所述凹模活动安装于所述下模板上，所述放电线圈与所述上模板之间设置有第一绝缘板，所述凹模与所述下模板之间设置有第二绝缘板。
22.优选地，所述下模板上设置有导轨和伸缩机构，所述第二绝缘板的下端面活动设置在所述导轨上，且所述第二绝缘板的侧面与所述伸缩机构连接，所述伸缩机构用于带动所述第二绝缘板沿所述导轨水平移动，从而使所述凹模移动至所述放电线圈或所述凸模下方。
23.本发明提供的金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置相对于现有技术的有益效果与金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法相同，在此不再赘述。
附图说明
24.图1为本发明实施例中金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法的流程图；
25.图2为本发明实施例中金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置的结构示意图一；
26.图3为本发明实施例中金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置的结构示意图
二；
27.图4为本发明实施例中金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置中导轨的结构示意图；
28.图5为本发明实施例中放电线圈的结构示意图；
29.图6为本发明实施例中电磁预成形后电磁预成形料板的结构示意图；
30.图7为本发明实施例中复合成形后燃料电池金属双极板的结构示意图；
31.图8为本发明实施例中凹模中微沟槽的尺寸结构示意图；
32.图9为单独模压成形时不同负荷条件下的流道深度及流道形状图；
33.图10为单独电磁成形时不同放电电压条件下的流道深度及流道形状图；
34.图11为复合成形时不同放电电压下的流道深度对比图；
35.图12为对比例1中不同流道和第7流道不同位置的流道深度对比图；
36.图13为对比例2中不同流道和第7流道不同位置的流道深度对比图；
37.图14为本发明实施例3中不同流道和第7流道不同位置的流道深度对比图；
38.图15为本发明实施例4及对比例3、对比例4中金属双极板流道尺寸精度测量结果对比图。
39.附图标记说明：
40.1、压机横梁；2、底座；3、上模板；4、下模板；41、导轨；5、放电线圈；51、外导框；52、第一绝缘板；6、凸模；61、压边圈；62、凸模固定座；7、凹模；71、凹模固定板；72、第二绝缘板；8、充放电子模块；81、电源；82、充电开关；83、电容器组；84、放电开关；9、伸缩机构；10、驱动电机。
具体实施方式
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
43.本发明实施例提供一种金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法，如图1所示，包括以下步骤：
44.步骤s1、将金属料板放置于凹模7上方，将所述凹模7移动至放电线圈5下方，将所述放电线圈5贴近所述凹模7，对所述放电线圈5进行放电，使所述金属料板电磁预成形，得到电磁预成形料板，其中，所述凹模7上设置有微沟槽；
45.步骤s2、保持所述电磁预成形料板位于所述凹模7上，将所述凹模7转移至凸模6下方，所述凸模6上设置有与所述微沟槽相匹配的微凸起，将所述凸模6和所述凹模7合模，对所述电磁预成形料板进行模压成形，得到燃料电池金属双极板。
46.其中，所述金属料板的材质包括不锈钢、铝合金、钛合金和纯钛，优选为钛合金。
47.步骤s1中，对放电线圈5进行放电时，设置放电电压为7-12kv，放电电压过低时，成形效果较差，而放电电压过高容易导致成形后燃料电池金属双极板出现破裂现象，将放电
电压设置在7-12kv能够使金属料板良好成形。
48.通过对放电线圈5进行放电，使放电线圈5与金属料板产生电磁相互作用，赋予金属料板较大的电磁成形力，而凹模7上设置有微沟槽，从而在电磁成形力的作用下使金属料板贴膜，金属料板产生变形，生成微流道，通过电磁预成形方式能够提高金属料板的变形均匀性，使成形后的双极板厚度减薄均匀，但是电磁成形后双极板的流道深度均匀性差、尺寸精度较低。
49.步骤s2中，将放电线圈5与凹模7分离后，保持电磁预成形料板位于凹模7上，将凹模7和电磁预成形料板移动至凸模6下方，将凸模6与凹模7合模，由于凸模6上设置有与微沟槽相匹配的微凸起，会对电磁预成形料板进行模压成形，模压成形过程中设置冲压速度为0.1mm/s，当冲压压力达到20-40kn后进行保压，保压时间为20-40s，即可得到燃料电池金属双极板。
50.在电磁预成形的基础上，对电磁预成形料板进行模压成形，能够解决电磁预成形过程中流道深度均匀性差、尺寸精度较低的问题，同时提高燃料电池金属双极板的成形极限深度、厚度减薄均匀性以及尺寸精度，使制得的燃料电池金属双极板同时具有良好的总延伸率和成形极限深度。
51.应理解的是，根据金属料板的材质和尺寸的不同，电磁预成形时放电电压，以及模压成形时的保持压力和保压时间也不同，例如金属料板的材质为铝合金时，放电电压和保持压力较低，保压时间较短，而金属料板的材质为纯钛或钛合金时，放电电压和保持压力相对较高，保压时间较长，同一材质的金属料板，尺寸越大放电电压和保持压力越高，保压时间也越长。
52.如图2和图3所示，本发明的另一实施例提供一种燃料电池双极板成形装置，包括：
53.电磁预成形模块，用于使金属料板电磁预成形，得到电磁预成形料板；
54.模压成形模块，用于使所述电磁预成形料板模压成形，得到燃料电池金属双极板；
55.驱动模块，用于驱动所述电磁预成形模块和所述模压成形模块合模。
56.该装置能够通过电磁预成形模块使金属料板电磁预成形，得到电磁预成形料板，然后通过模压成形模块使电磁预成形料板模压成形，得到燃料电池金属双极板。
57.具体地，所述电磁预成形模块包括充放电子模块8、放电线圈5和凹模7，所述充放电子模块8与放电线圈5电连接，所述放电线圈5位于所述凹模7上方，所述凹模7上设置有微沟槽。充放电子模块8能够对放电线圈5放电，使放电线圈5与金属料板产生电磁相互作用，由于凹模7上设置有微沟槽，在放电线圈5产生的电磁预成形力的作用下，金属料板进行贴模，使金属料板厚度减薄，产生微流道，得到电磁预成形料板。示例性地，在一些实施例中，放电线圈5的结构如图5所示。
58.所述充放电子模块8包括电源81、充电开关82、电容器组83和放电开关84，其中，所述电源81、所述充电开关82和所述电容器组83组成充电回路，所述充电回路用于对所述电容器组83进行充电，所述电容器组83、所述放电开关84和所述放电线圈5组成放电回路，所述放电回路用于对所述放电线圈5进行放电。
59.当进行充电时，闭合充电开关82，断开放电开关84，通过电源81对电容器组83进行充电，直至达到放电电压值，断开充电开关82；当进行放电时，闭合放电开关84，断开充电开关82，通过电容器组83对放电线圈5进行放电。
60.进一步地，放电线圈5外围设置有外导框51，凹模7外围设置有凹模固定板71，当放电线圈5贴近凹模7时，外导框51和凹模固定板71能够将金属料板压紧固定在两者之间。
61.所述模压成形模块包括凸模6和所述凹模7，所述凸模6位于所述凹模7上方，且所述凸模6上设置有与所述微沟槽相匹配的微凸起，所述凹模7用于在所述放电线圈5和所述凸模6下方移动，分别与所述放电线圈5和所述凸模6组成所述电磁预成形模块和所述模压成形模块。即，电磁预成形模块和模压成形模块共用一个凹模7，凹模7能够在放电线圈5和凸模6下方移动，当凹模7移动至放电线圈5下方时，能够与放电线圈5组成电磁预成形模块，当凹模7移动至凸模6下方时，能够与凸模6组成模压成形模块。凸模6上设置有与微沟槽相匹配的微凸起，当凸模6和凹模7合模时，微凸起能够压入微沟槽内，对电磁预成形料板进行冲压，实现电磁预成形料板的模压成形。另外，凸模6的外围设置有压边圈61，当凸模6和凹模7合模时，压边圈61能够压在凹模固定板71上，对电磁预成形料板进行固定。
62.该金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置还包括上模板3和下模板4，所述放电线圈5和所述凸模6固定安装于所述上模板3上，所述凹模7活动安装于所述下模板4上，所述放电线圈5与所述上模板3之间设置有第一绝缘板52，所述凹模7与所述下模板4之间设置有第二绝缘板72，所述凸模6和所述上模板3之间设置有凸模固定座62。设置第一绝缘板52和第二绝缘板72能够避免放电线圈5放电时，对上模板3和下模板4产生影响，提高电磁成形力。
63.如图4所示，所述下模板4上设置有导轨41和伸缩机构9，所述第二绝缘板72的下端面活动设置在所述导轨41上，且所述第二绝缘板72的侧面与所述伸缩机构9的一端连接，所述伸缩机构9的另一端固定设置在下模板4上，伸缩机构9能够沿水平方向伸缩，所述伸缩机构9用于带动所述第二绝缘板72沿所述导轨41水平移动，从而使所述凹模7移动至所述放电线圈5或所述凸模6下方。通过导轨41和伸缩机构9能够提高装置的自动化程度，通过控制伸缩机构9伸缩即可实现凹模7位置的变换，实现电磁预成形和模压成形。示例性地，所述伸缩机构9为电动气缸或电动油缸。
64.进一步地，上模板3与位于其上方的压机横梁1固定连接，压机横梁1上设置有驱动电机10，驱动电机10能够驱动压机横梁1沿垂直方向移动，当压机横梁1向上移动时，放电线圈5和凸模6远离凹模7，当压机横梁1向下移动时，放电线圈5和凸模6靠近凹模7；下模板4的下方设置有底座2，下模板4固定设置在底座2上。
65.下面对采用该金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置制备燃料电池金属双极板的过程进行描述：
66.步骤t1、如图2所示，将金属料板放置在凹模7上，控制伸缩机构9使凹模7移动至放电线圈5的正下方，启动驱动电机10，驱动压机横梁1向下移动，带动放电线圈5靠近凹模7，直至放电线圈5的外导框51与凹模7的凹模固定板71将金属料板压紧；
67.步骤t2、闭合充放电子模块8中的充电开关82，断开放电开关84，使电源81对电容器组83充电至放电电压，然后断开充电开关82，闭合放电开关84，使电容器组83对放电线圈5放电，放电线圈5通过洛伦兹力使金属料板成形；经过电磁预成形后，纯钛料板的形状如图6所示；
68.步骤t3、启动驱动电机10，使压机横梁1向上移动，如图3所示，控制伸缩机构9使凹模7移动至凸模6的正下方；
69.步骤t4、启动驱动电机10，使压机横梁1向下移动，带动凸模6靠近凹模7，按照一定冲压速度使凸模6和凹模7合模，直至达到预设压力后保压一段时间，完成模压成形；
70.步骤t5、启动驱动电机10，驱动压机横梁1向上移动，即完成了燃料电池金属双极板的复合成形，获得燃料电池金属双极板；经过复合成形后得到的燃料电池金属双极板的形状如图7所示。
71.需要说明的是，当金属料板为纯钛等电阻较大的材质时，由于金属料板的电阻较大，电磁预成形时感应电流较小，导致产生的洛伦兹力较小，因此在电磁预成形过程中需要在金属料板上方放置一块纯铜驱动板，提高电磁预成形过程中的洛伦兹力，便于金属料板成形。
72.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。
73.以下实施例中，除非特殊说明，采用如图2-图3所示金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置制备，金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置包括：
74.压机横梁1、上模板3、放电线圈5、凸模6、驱动电机10、凹模7、下模板4和底座2，上模板3固定设置于压机横梁1上，放电线圈5和凸模6固定设置于上模板3上，驱动电机10用于驱动压机横梁1升降，下模板4固定设置于底座2上，凹模7活动设置于下模板4上，放电线圈5与上模板3之间设置有第一绝缘板52，放电线圈5外围设置有外导框51，凸模6与上模板3之间设置有凸模固定座62，凸模6外围设置有压边圈61，凹模7与下模板4之间设置有第二绝缘板72，下模板4上设置有导轨41，第二绝缘板72的下端面上设置有与导轨41相匹配的凹槽，第二绝缘板72的侧面与伸缩机构9的一端连接，伸缩机构9的另一端固定设置于下模板4上，伸缩机构9用于带动第二绝缘板72以及位于第二绝缘板72上的凹模7沿导轨移动；
75.还包括充放电子模块8，充放电子模块8与放电线圈5电连接，包括电源81、充电开关82、电容器组83和放电开关84，电源81与充电开关82、电容器组83组成充电回路，电容器组83与放电开关84、放电线圈5组成放电回路。
76.实施例1
77.1.1、将厚度为0.1mm的铝合金料板放置在凹模7上，控制伸缩机构9使凹模7移动至放电线圈5的正下方，启动驱动电机10，驱动压机横梁1向下移动，带动放电线圈5靠近凹模7，直至放电线圈5的外导框51与凹模7的凹模固定板71将铝合金料板压紧，使压力达到10-20kn；
78.1.2、闭合充放电子模块8中的充电开关82，断开放电开关84，使电源81对电容器组83充电至放电电压7-9kv，然后断开充电开关82，闭合放电开关84，使电容器组83对放电线圈5放电，放电线圈5通过洛伦兹力使铝合金料板成形；
79.1.3、启动驱动电机10，使压机横梁1向上移动，控制伸缩机构9使凹模7移动至凸模6的正下方；
80.1.4、启动驱动电机10，使压机横梁1向下移动，带动凸模6靠近凹模7，按照0.1mm/s的冲压速度使凸模6和凹模7合模，直至达到20kn的预设压力后保压20-30s，完成模压成形；
81.1.5、启动驱动电机10，驱动压机横梁1向上移动，即完成了燃料电池金属双极板的复合成形，获得燃料电池金属双极板。
82.实施例2
83.2.1、将厚度为0.1mm的纯钛料板放置在凹模7上，模具流道面积为35mm
×
45mm，纯钛料板尺寸为35mm
×
65mm，在纯钛板料上方放置厚度0.2mm的纯铜驱动板，控制伸缩机构9使凹模7移动至放电线圈5的正下方，启动驱动电机10，驱动压机横梁1向下移动，带动放电线圈5靠近凹模7，直至放电线圈5的外导框51与凹模7的凹模固定板71将纯钛料板压紧，使压力达到10-20kn；
84.2.2、闭合充放电子模块8中的充电开关82，断开放电开关84，使电源81对电容器组83充电至放电电压10-11kv，然后断开充电开关82，闭合放电开关84，使电容器组83对放电线圈5放电，放电线圈5通过洛伦兹力使纯钛料板成形；
85.2.3、启动驱动电机10，使压机横梁1向上移动，控制伸缩机构9使凹模7移动至凸模6的正下方，取下纯铜驱动板；
86.2.4、启动驱动电机10，使压机横梁1向下移动，带动凸模6靠近凹模7，按照0.1mm/s的冲压速度使凸模6和凹模7合模，直至达到30kn的预设压力后保压30-40s，完成模压成形；
87.2.5、启动驱动电机10，驱动压机横梁1向上移动，即完成了燃料电池金属双极板的复合成形，获得燃料电池金属双极板。
88.实施例3
89.3.1、将厚度为103μm的纯钛料板放置在凹模7上，模具流道面积为35mm
×
45mm，纯钛料板尺寸为30mm
×
65mm，其中，如图8所示，凹模7的底宽1mm，侧壁倾角60
°
，深度为1mm，在纯钛板料上方放置厚度0.2mm的纯铜驱动板，控制伸缩机构9使凹模7移动至放电线圈5的正下方，启动驱动电机10，驱动压机横梁1向下移动，带动放电线圈5靠近凹模7，直至放电线圈5的外导框51与凹模7的凹模固定板71将纯钛料板压紧，使压力达到20kn；
90.3.2、闭合充放电子模块8中的充电开关82，断开放电开关84，使电源81对电容器组83充电至放电电压10kv，然后断开充电开关82，闭合放电开关84，使电容器组83对放电线圈5放电，放电线圈5通过洛伦兹力使纯钛料板成形；
91.3.3、启动驱动电机10，使压机横梁1向上移动，控制伸缩机构9使凹模7移动至凸模6的正下方，取下纯铜驱动板；
92.3.4、启动驱动电机10，使压机横梁1向下移动，带动凸模6靠近凹模7，按照0.1mm/s的冲压速度使凸模6和凹模7合模，直至达到27.2kn的预设压力后保压30-40s，完成模压成形；
93.3.5、启动驱动电机10，驱动压机横梁1向上移动，即完成了燃料电池金属双极板的复合成形，获得燃料电池金属双极板。
94.实施例4
95.4.1、将厚度为75μm的纯钛料板放置在凹模7上，模具流道面积为35mm
×
45mm，纯钛料板尺寸为30mm
×
65mm，其中，凹模7的底宽1mm，侧壁倾角60
°
，深度为0.45mm，在纯钛板料上方放置厚度0.2mm的纯铜驱动板，控制伸缩机构9使凹模7移动至放电线圈5的正下方，启动驱动电机10，驱动压机横梁1向下移动，带动放电线圈5靠近凹模7，直至放电线圈5的外导框51与凹模7的凹模固定板71将纯钛料板压紧，使压力达到20kn；
96.4.2、闭合充放电子模块8中的充电开关82，断开放电开关84，使电源81对电容器组83充电至放电电压10kv，然后断开充电开关82，闭合放电开关84，使电容器组83对放电线圈
5放电，放电线圈5通过洛伦兹力使纯钛料板成形；
97.4.3、启动驱动电机10，使压机横梁1向上移动，控制伸缩机构9使凹模7移动至凸模6的正下方，取下纯铜驱动板；
98.4.4、启动驱动电机10，使压机横梁1向下移动，带动凸模6靠近凹模7，按照0.1mm/s的冲压速度使凸模6和凹模7合模，直至达到25kn的预设压力后保压30-40s，完成模压成形；
99.4.5、启动驱动电机10，驱动压机横梁1向上移动，即完成了燃料电池金属双极板的复合成形，获得燃料电池金属双极板。
100.对比例1
101.本对比例与实施例3的区别在于不经过电磁预成形处理，直接采用模压成形方式对纯钛料板进行处理，模压成形的预设压力为20kn，其余条件与实施例3保持一致。
102.对比例2
103.本对比例与实施例3的区别在于直接采用电磁成形方式对纯钛料板进行处理，不经过模压成形处理，其余条件与实施例3保持一致。
104.对比例3
105.本对比例与实施例4的区别在于不经过电磁预成形处理，直接采用模压成形方式对纯钛料板进行处理，其余条件与实施例4保持一致。
106.对比例4
107.本对比例与实施例4的区别在于直接采用电磁成形方式对纯料料板进行处理，电磁成形过程中放电电压为11-12kv，不经过模压成形处理，其余条件与实施例4保持一致。
108.实验例1
109.将厚度为103μm的纯钛料板放置在凹模7上，模具流道面积为35mm
×
45mm，纯钛料板尺寸为30mm
×
65mm，其中，凹模7的底宽1mm，侧壁倾角60
°
，深度为1mm，控制伸缩机构9使凹模7移动至凸模6的正下方，启动驱动电机10，使压机横梁1向下移动，带动凸模6靠近凹模7，对纯钛料板进行模压成形，并逐渐增大模压负荷(即模压的压力)直至纯钛料板产生微小裂纹，记录不同负荷条件下纯钛料板的深度，以及成形后燃料电池金属双极板的流道形状，结果如图9所示。
110.图9中横坐标load表示负荷(即模压压力)，分别为4kn、8kn、12kn、16kn、20kn、24kn和25.5kn，纵坐标channel depth表示流道深度，图9中左上角图片为得到的燃料电池金属双极板的流道形状截面图。
111.如图9所示，随着模压负荷的增加，纯钛料板的深度逐渐增加，当模压负荷为25.5kn时，深度为719μm；根据成形后燃料电池金属双极板的流道截面形状可以看出，减薄主要发生于双极板的圆角部位，而流道底部减薄较小，说明通过模压成形方法制得的燃料电池金属双极板存在厚度减薄不均匀的问题。
112.实验例2
113.将厚度为103μm的纯钛料板放置在凹模7上，模具流道面积为35mm
×
45mm，纯钛料板尺寸为30mm
×
65mm，其中，凹模7的底宽1mm，侧壁倾角60
°
，深度为1mm，控制伸缩机构9使凹模7移动至放电线圈5的正下方，启动驱动电机10，驱动压机横梁1向下移动，带动放电线圈5靠近凹模7，直至放电线圈5的外导框51与凹模7的凹模固定板71将金属料板压紧，使压力达到20kn，使放电线圈5放电，对纯钛料板进行电磁成形，并将电磁成形过程中的放电电
压从7kv逐渐增加至12kv，当放电电压为12kv时，双极板出现破裂，记录不同负荷条件下纯钛料板的深度，以及成形后燃料电池金属双极板的流道形状，结果如图10所示。
114.图10中横坐标discharge voltages表示放电电压，分别为7kv、8kv、9kv、10kv、11kv和12kv，纵坐标average channel depth表示流道平均深度，图10中左上角的图片为得到的燃料电池金属双极板的流道形状截面图。
115.如图10所示，随着放电电压的增加，成形后的燃料电池金属双极板的深度也逐渐在增加，当放电电压为12kv时，深度为711μm，从燃料电池金属双极板的流道截面形状可以看出，流道的形状为圆弧形，与凹模的流道形状存在较大差别。
116.实验例3
117.将实施例3中的放电电压从7kv调整至11kv，记录不同放电电压条件下纯钛料板的深度，如图11所示。
118.图11中横坐标discharge voltages of empb表示电磁预成形的放电电压，分别为7kv、8kv、9kv、10kv和11kv，纵坐标limit channel depth表示流道极限深度，图中719at qs表示在单独使用模压成形时，流道极限深度为719μm(实验例1)，711at em表示在单独使用电磁成形时，流道极限深度为711μm(实验例2)。
119.从图11可以看出，随着放电电压的增加，成形后的燃料电池金属双极板的深度逐渐增加后再下降，当放电电压为10kv时，燃料电池金属双极板的极限深度最大，为879μm，显著高于单独使用模压成形和电磁成形时的极限深度。
120.实验例4
121.分别对实施例3、对比例1和对比例2得到的燃料电池金属双极板的不同流道以及第7流道不同位置出的流道深度进行统计，如图12-14所示。
122.图12为对比例1中燃料电池金属双极板的不同流道以及第7流道不同位置的流道深度统计图，图13为对比例2中燃料电池金属双极板的不同流道以及第7流道不同位置的流道深度统计图，图14为实施例3中燃料电池金属双极板的不同流道以及第7流道不同位置的流道深度统计图；图12-14中下横坐标channel number表示不同流道编号，上横坐标positions along 7th channel表示第7流道的不同位置，纵坐标chanel depth表示流道深度，max deviation表示最大深度偏差。
123.从图12可以看出，对比例1中不同流道以及第7流道不同位置的深度偏差最大只有6μm，说明通过模压成形方法得到的燃料电池金属双极板具有良好的流道深度均匀性，有助于后续的焊接与装配。
124.从图13可以看出，对比例2中不同流道之间的深度偏差达到31μm，第7流道不同位置的深度偏差达到28μm，显著大于模压成形时的深度偏差，说明单独使用电磁成形方法得到的燃料电池金属双极板的流道的深度均匀性较差。
125.如图14所示，不同流道之间的深度偏差为8μm，第7流道不同位置的深度偏差为9μm，说明通过电磁预成形-模压成形的复合成形方法得到的燃料电池双极板的流道深度均匀性较好。这主要是由于，经过电磁预成型后的电磁预成型料板再经过模压成形处理后，弥补了电磁预成形深度均匀性较大的问题。
126.实验例5
127.对采用实施例4、对比例3和对比例4的成形方法得到的成形后的燃料电池金属双
极板的侧壁倾角进行测量，结果如图15所示。
128.图15中，qs stamping表示单独使用模压成形方式得到的燃料电池金属双极板(即对比例3)，em stamping表示单独使用电磁成形方式得到的燃料电池金属双极板(即对比例4)，empb+qs stamping表示使用电磁预成形后再通过模压成形进行复合成形处理的方式得到的燃料电池金属双极板(即实施例4)；sever thinning表示严重减薄，poor fitability表示尺寸的精度较差，uniform thinning表示减薄均匀。
129.从图15可以看出，通过对比例3得到的成形后的燃料电池金属双极板的侧壁倾角为53.3
°
，且圆角处减薄严重，通过对比例4得到的成形后的燃料电池金属双极板的侧壁倾角为47
°
，且尺寸精度较差，通过实施例4得到的成形后的燃料电池金属双极板的侧壁倾角为55.6
°
，说明通过实施例4的复合成形方法相对于单独使用模压成形和电磁成形方法得到的燃料电池金属双极板具有更高的尺寸精度且减薄均匀。
130.综上，单独使用电磁成形时，得到的燃料电池金属双极板减薄均匀，但是流道深度均匀性较差，尺寸精度较低，而单独使用模压成形时，得到的燃料电池金属双极板流道深度均匀性较好，但是减薄不均匀，圆角易破裂，流道深度不足，而通过电磁预成形后再进行模压成形的复合成形方法既能够提高燃料电池金属双极板的极限深度，又能够避免单独使用电磁成形和模压成形时存在的问题，提高了燃料电池金属双极板的总延伸率。
131.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
技术特征：1.一种金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、将金属料板放置于凹模(7)上方，将所述凹模(7)移动至放电线圈(5)下方，将所述放电线圈(5)贴近所述凹模(7)，对所述放电线圈(5)进行放电，使所述金属料板电磁预成形，得到电磁预成形料板，其中，所述凹模(7)上设置有微沟槽；步骤s2、保持所述电磁预成形料板位于所述凹模(7)上，将所述凹模(7)转移至凸模(6)下方，所述凸模(6)上设置有与所述微沟槽相匹配的微凸起，将所述凸模(6)和所述凹模(7)合模，对所述电磁预成形料板进行模压成形，得到燃料电池金属双极板。2.根据权利要求1所述的金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述对所述放电线圈(5)进行放电，包括：设置放电电压为7-12kv，对所述放电线圈(5)进行放电。3.根据权利要求1所述的金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述对所述电磁预成形料板进行模压成形，包括：设置冲压速度为0.1mm/s，当冲压压力达到20-40kn后进行保压，保压时间为20-40s，对所述电磁预成形料板进行模压成形。4.根据权利要求1所述的金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述金属料板的材质包括不锈钢、铝合金、钛合金和纯钛中的其中一种。5.一种金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置，用于实现如权利要求1-4任一项所述的金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法，其特征在于，包括：电磁预成形模块，用于使金属料板电磁预成形，得到电磁预成形料板；模压成形模块，用于使所述电磁预成形料板模压成形，得到燃料电池金属双极板；驱动模块，用于驱动所述电磁预成形模块和所述模压成形模块合模。6.根据权利要求5所述的金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置，其特征在于，所述电磁预成形模块包括充放电子模块(8)、放电线圈(5)和凹模(7)，所述充放电子模块(8)与放电线圈(5)电连接，所述放电线圈(5)位于所述凹模(7)上方，所述凹模(7)上设置有微沟槽。7.根据权利要求6所述的金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置，其特征在于，所述充放电子模块(8)包括电源(81)、充电开关(82)、电容器组(83)和放电开关(84)，其中，所述电源(81)、所述充电开关(82)和所述电容器组(83)组成充电回路，所述充电回路用于对所述电容器组(83)进行充电，所述电容器组(83)、所述放电开关(84)和所述放电线圈(5)组成放电回路，所述放电回路用于对所述放电线圈(5)进行放电。8.根据权利要求6所述的金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置，其特征在于，所述模压成形模块包括凸模(6)和所述凹模(7)，所述凸模(6)位于所述凹模(7)上方，且所述凸模(6)上设置有与所述微沟槽相匹配的微凸起，所述凹模(7)用于在所述放电线圈(5)和所述凸模(6)下方移动，分别与所述放电线圈(5)和所述凸模(6)组成所述电磁预成形模块和所述模压成形模块。9.根据权利要求8所述的金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置，其特征在于，还包括上模板(3)和下模板(4)，所述放电线圈(5)和所述凸模(6)固定安装于所述上模板(3)上，所述凹模(7)活动安装于所述下模板(4)上，所述放电线圈(5)与所述上模板(3)之间设置有第一绝缘板(52)，所述凹模(7)与所述下模板(4)之间设置有第二绝缘板(72)。
10.根据权利要求9所述的金属双极板电磁预成形-模压复合成形装置，其特征在于，所述下模板(4)上设置有导轨(41)和伸缩机构(9)，所述第二绝缘板(72)的下端面活动设置在所述导轨(41)上，且所述第二绝缘板(72)的侧面与所述伸缩机构(9)连接，所述伸缩机构(9)用于带动所述第二绝缘板(72)沿所述导轨(41)水平移动，从而使所述凹模(7)移动至所述放电线圈(5)或所述凸模(6)下方。
技术总结本发明提供一种金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法及装置，所述方法包括：将金属料板放置于凹模上方，将所述凹模移动至放电线圈下方，将所述放电线圈贴近所述凹模，对所述放电线圈进行放电，使所述金属料板电磁预成形，得到电磁预成形料板，其中，所述凹模上设置有微沟槽；保持所述电磁预成形料板位于所述凹模上，将所述凹模转移至凸模下方，所述凸模上设置有与所述微沟槽相匹配的微凸起，将所述凸模和所述凹模合模，对所述电磁预成形料板进行模压成形，得到燃料电池金属双极板。本发明提供的金属双极板电磁预成形-模压复合成形方法能够同时提高燃料电池金属双极板的成形极限深度、厚度减薄均匀性以及尺寸精度。厚度减薄均匀性以及尺寸精度。厚度减薄均匀性以及尺寸精度。
技术研发人员：徐杰 朱成席 单德彬 郭斌
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
