技術(shù)分享：燃料電池金屬雙極板流場參數(shù)對成形效果的影響

燃料電池主要由質(zhì)子交換膜、催化劑層、空氣擴散層和雙極板組成。雙極板作為燃料電池的核心部件，在燃料電池中，起到了膜電極結(jié)構(gòu)支撐、分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導熱量、提供氫氣和氧氣通道、排出反應生成的水、提供冷卻液流道等諸多重要作用，其性能很大程度取決于流場結(jié)構(gòu)。

在金屬雙極板成形過程中，密切相關(guān)的因素有材料（抗拉強度、屈服強度、延伸率、n值等）、成形機（壓力穩(wěn)定性、行程精度等）、模具結(jié)構(gòu)和精度（結(jié)構(gòu)強度、加工精度、流道表面粗糙度、模具調(diào)整方法等）以及流場的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

隨著新天宇公司從事燃料電池金屬雙極板模具設(shè)計開發(fā)的種類和數(shù)量增多，工程技術(shù)人員在成形分析、模具設(shè)計與模具調(diào)試過程中，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，探討了流場參數(shù)對流場成形效果（流場起皺、開裂、流程深度差、翹曲等）的影響，通過本文，以供金屬雙極板流場設(shè)計者參考。

一、流場參數(shù)：

目前流場形狀有直通道、蛇形、螺旋形、交指型和網(wǎng)格形等，同時相關(guān)研究人員也在不斷開發(fā)新型流場，如仿生流場、3D 流場，而實際應用中，以氧極板采用直通流道、陰極板采用S形流道居多。

流場參數(shù)主要有流道拔模斜度、開口內(nèi)圓角、根部圓角、流道寬度、流道深度，流道間距、S形流道波長和波高等。

二、流場參數(shù)與成形結(jié)果的關(guān)系

1. 拔模斜度的影響

通過對拔模斜度的計算和有限元分析，可得到拔模斜度和延伸率成負相關(guān)關(guān)系。

在一次成型的情況下，18°以下拔模角，拉延時實際延伸率通常超過50%，極容易出現(xiàn)流場開裂的情況，特別是S形流場的轉(zhuǎn)角處，建議一次拉延最小拔模角≥20度。

2. 圓角的影響

通過計算和分析，圓角半徑和實際延伸率成負相關(guān)關(guān)系。當使用不銹鋼SUS316L，材料厚度0.1mm，一次成型的情況下，建議最小圓角半徑≥0.1mm。

3. 成型次數(shù)的影響

通過分析和試驗，建議的成形次數(shù)和成型角與圓角的關(guān)系：

4. 材料、成型角和流道之間步距的關(guān)系

通過試作不同材料，不同流道間距和流道高度，試驗得到如下結(jié)論：

1）使用SUS316L材料，當流場高度0.5時，最小流道間距可達到1.1，平面寬度0.2；

2）使用TA1材料，當流場高度0.5時，最小流道間距可達到1.4，平面寬度0.4；

以上數(shù)據(jù)僅做參考，不作為金屬雙極板流場設(shè)計的依據(jù)，也歡迎同行和金屬板設(shè)計者批評指正。