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燃料电池已成为各种替代能源中的首选洁净能源,其中质子交换膜燃料电池是继碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池之后迅速发展起来的的第五代燃料电池,具有温度低、比能高、启动快、寿命长等特点。双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一,决定了电池堆体积功率密度和质量功率密度的大小,影响电池的成本和性能。
由于金属双极板具有强度高、加工性能好、导电导热性好等优点而被广泛应用。微型燃料电池的微小化使得双极板尺寸减小,并产生尺寸效应,使传统的成形工艺不再适用。本文针对304不锈钢双极板提出了微累积成形新方法,结合数值分析和实验研究,分析工艺参数对成形性能和成形质量的影响规律,并进行了优化。本文所做的主要工作和研究成果如下:
(1)在传统的塑性成形方法和微成形理论基础上,研究微累积成形方法及机理,并对微累积成形特点和缺陷进行分析。
(2)对预处理后的试样进行拉伸试验,研究了尺寸效应的影响,推导出针对于厚度为0.3mm、0.4mm、0.5mm和0.6mm的304不锈钢板的本构方程,为微累积成形的材料模型提供依据;提出了适合微成形的表面层模型构建方法,建立了304不锈钢双极板实体分层数值分析模型。
(3)对304不锈钢双极板进行了流道成形数值分析,建立了蛇形流道双极板累积成形模型,通过等效应力、等效塑性应变、板料厚度和流道成形深度四个方面的具体分析,研究了垂直下压量、板料厚度、压边力和成形速度等工艺参数对板料厚度减薄和流道回弹的影响规律。结果表明:垂直下压量越大,等效应力和等效塑性应变越大,板料减薄越厉害,板料的厚度变化越不平缓,流道深度也越大,最大回弹率越小;板料越薄,等效应力和等效塑性应变越小,流道成形深度越大,而最大回弹率越小;压边力越大,等效应力和等效塑性应变越大,但是压边力对板料厚度和流道成形深度的影响不大;板料的等效应力和等效塑性应变随着成形速度的增加而呈增大趋势,流道深度随着成形速度的减小而增大,成形速度越大,最大厚度减薄率和最大回弹率也越大。
(4)利用课题组研制的微累积成形装置对304不锈钢双极板进行微累积成形实验,研究垂直下压量和成形速度等参数对成形力、成形深度和回弹率的影响规律。最后将所得的实验结果与数值分析结果进行对比,吻合较好。