一种金属双极板成形系统及方法与流程

1.本发明涉及双极板成形技术领域，具体为一种金属双极板成形系统及方法。


背景技术：

2.随着矿物资源的消耗以及环保法规的日益完善，清洁、高效的质子交换膜燃料电池(pemfc)技术逐渐被重视，得到了快速发展。双极板是质子交换膜燃料电池中关键组件，其成本占到了燃料电池总成本的30％-45％，重量占电堆总质量的80％。双极板具有分隔反应气体、传导电流、引导气体等作用。
3.现有制备双极板主要应用的材料包括石墨，复合材料，金属等。其中金属材料具有强度高，易于加工，不透气，成本低等特点，而且可以制成很薄的双极板。针对金属双极板的加工方法主要包括冲压和液压成形。冲压方法可以实现大批量生产，降低成本，但是难以成形复杂的表面。液压成形是通过高压液体传递压力，让需要加工的工件产生塑性变形，将工件加工成复合要求的形状，其产品的尺寸变化可以控制在更小的范围，表面粗糙度有所降低，但是目前的双极板液压成形生产效率较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种金属双极板成形系统及方法，可以解决现有技术中存在的不足。
5.为实现上述目的，本发明一方面提供一种金属双极板成形系统，至少包括：第一回路；电磁活塞组件，所述电磁活塞组件包括活塞腔、电磁驱动装置、一端与所述电磁驱动装置连接且另一端位于所述活塞腔内的活塞体，所述活塞体在所述电磁驱动装置带动下在活塞腔内进行位移；设置有双极板成形模具的成形装置，所述成形装置通过所述第一回路与所述电磁活塞组件连通；稳压装置，所述稳压装置通过稳压回路与所述电磁活塞组件连通。
6.优选的，还包括供液装置，所述供液装置通过设置有第一方向控制阀的第二回路与所述电磁活塞组件连通。
7.优选的，所述电磁活塞组件还包括位移探测装置，所述位移探测装置用于探测所述活塞体的位移，并根据所述位移生成相应的电信号。
8.优选的，所述电磁活塞组件还包括控制器，所述控制器用于根据所述位移探测装置生成的电信号，控制通入所述电磁驱动装置的电流。
9.优选的，所述活塞腔内还设置有限位装置，所述限位装置用于对所述活塞体进行限位。
10.优选的，所述第一回路包括压力检测装置，用于检测并记录所述第一回路的压力。
11.优选的，还包括处于低压的储液装置，所述储液装置通过设置有第二方向控制阀的第三回路与所述成形腔连通。
12.优选的，所述电磁活塞包括导轨和与所述导轨电连接的运动导轨，所述运动导轨朝向活塞腔的一侧连接活塞体。
13.本发明另一方面还提供一种双极板成形方法，至少包括如下步骤：向电磁活塞组件通入电流，使得电磁驱动装置驱动活塞体向着使活塞腔空间变小的方向移动至预定位置；所述活塞腔中的液体在所述活塞体的作用下经过第一回路进入成形腔；稳压模块通过稳压回路对进入所述成形腔中的压力进行调节，使得进入所述成形腔中的液体的压力维持在预定阈值范围，直至完成液压成形作业。
14.优选的，所述双极板成形方法还包括如下步骤：在通入所述电流之前，供液装置通过第二回路向所述活塞腔中通入预定体积的液体。
15.有益效果
16.本发明提供的金属双极板成形系统及方法，当电磁驱动装置通入电流后，电磁驱动装置平面间产生强磁场，在电磁力的作用下，活塞体以很大的速度挤压活塞腔内的液体，从而将电磁能量转换成动能，因此可在很短时间内提供强大动力，从而达到快速成形。并且整个液压系统不用安装庞大的压力机，因此结构简单，清洁环保。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明提供的一种实施方式中金属双极板成形系统整体布局示意图；
19.图2是本发明提供的一种实施方式中电磁活塞组件的原理图；
20.图中：1、储液装置；2、液压泵；3、溢流阀；4、单向阀；5、活塞腔；6、活塞体；7、绝缘涂层；8、滑行导轨；9、安装块；10、运动导轨；11、位移探测装置；12、减压阀；13、压力表；14、压力检测装置；15、成形模具；16、板材；17、垫板；18、成形腔，19、二位二通电磁换向阀；20、过滤器；21、第一回路；22、第二回路；23、第三回路；24、限位装置；25、减压阀；26、稳压回路；u、电动势；q2、第二三极管；q4、第四三极管；i、电流；f、安培力；a、第一交流电接口；b、第二交流电接口；vd1、第一二极管；vd2、第二二极管；vd3、第三二极管；vd4、第四二极管。
具体实施方式
21.下面详细描述发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.在发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
23.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直
接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
25.质子交换膜燃料电池作为一种环境友好型发电装置，具有能量转化效率高、运行温度低、功率密度大等特点。双极板是质子交换膜燃料电池中关键组件，具有分隔反应气体、传导电流、引导气体等作用。现在制备双极板主要应用的材料包括石墨，复合材料，金属等。其中金属材料具有强度高，易于加工，不透气，成本低等特点，而且可以制成很薄的双极板。针对金属双极板的加工方法主要包括冲压和液压成形。冲压是在一定的作用力和速度下，利用冲头和模具将金属加工成需要的几何形状。冲压方法可以实现大批量生产，降低成本，但是难以成形复杂的表面。液压成形是通过高压液体传递压力，让需要加工的工件产生塑性变形，将工件加工成复合要求的形状，其产品的尺寸变化可以控制在更小的范围，表面粗糙度有所降低，但是现有双极板成形方法生产效率较低。
26.针对上述问题，为了克服现有技术的不足，为实现上述目的，本发明一方面提供一种金属双极板成形系统，请参见图1，在一种可实现的实施例中金属双极板成形系统至少包括：设有减压阀12的第一回路21；电磁活塞组件，所述电磁活塞组件包括活塞腔5、电磁驱动装置、一端与所述电磁驱动装置连接且另一端位于所述活塞腔内的活塞体6，所述活塞体6在所述电磁驱动装置带动下在活塞腔内进行位移；设置有双极板成形模具15的成形装置，所述成形装置通过所述第一回路21与所述电磁活塞组件连通。
27.当电磁驱动装置通入电流后，电磁驱动装置平面间产生强磁场，在电磁力的作用下，活塞体6以很高的速度挤压活塞腔5内的液体，从而将电磁能量转换成动能，因此可在很短时间内提供强大动力。同时，位于第一回路21上的减压阀12对活塞腔出口的压力进行调节，使得进入第一回路21中的液体保持在规定压力值内，从而保证进入到成形装置内的液体压力符合要求，进而达到快速成形。
28.在一种可实现的实施方式中，第一回路21设置有压力检测装置14，比如可以是压力表。通过压力检测装置14可以实时监测第一回路21中液体的压力，从而便于技术人员及时记录并了解每一次成形作业过程中的压力值是否在规定范围内，便于及时发现回路中异常的压力波动，并及时对减压阀12进行调整，进而调整第一回路21中的液体的压力值。
29.在一种可实现的实施方式中，所述电磁驱动装置包括滑行导轨8和与所述滑行导轨8电连接的运动导轨10，所述运动导轨10朝向活塞腔5的一侧连接活塞体6。运动导轨10可以在滑行导轨8上进行滑动，并且运动导轨始终与两侧的滑行导轨8进行接触。运动导轨10上连接有安装块9，安装块9上固定连接活塞体6，活塞体6可以在活塞腔内移动。
30.在一种可实现的实施方式中，运动导轨10、安装块9与活塞体6为同种材料，为防止电流通过安装块进入到活塞体6内，造成安全问题，此时需要对活塞体6与安装块9接触的部
分进行绝缘处理，具体的，可以在其表面设置绝缘涂层7。或者，可以将安装块9设置为与活塞体6为不同种材料，例如安装块9为导电材料，而活塞体6则可以采用绝缘材料制作。或者安装块9可以为绝缘材料，此时活塞体可以为任意材料，通过上述处理，从而使得活塞体6与运动导轨10之间绝缘。
31.在一种可实现的实施方式中，还包括液压泵2，所述液压泵2通过设置有第一方向控制阀4的第二回路22与所述电磁活塞组件连通。液压泵2用于向活塞腔内5通入液体，同时通过通入的液体将活塞体6顶至预定位置，为接下来的成形作业做准备。第二回路上设置有方向控制阀，具体的可以为单向阀4，通过设置单向阀4可以使得活塞体对活塞腔内的液体加压时，防止高压液体在第二回路22中向液压泵2方向倒流冲击，引起元器件的损坏。为了保证第二回路22在液压泵2向活塞腔5内通入液体时维持在正常压力，保证第二回路22中的液体压力处于正常值，可以在液压泵出口和单向阀之间处设置溢流阀3，在液体压力超过安全压力值时进行卸压。
32.为了防止液压泵向活塞腔内通入液体时，活塞体不会从活塞腔5内脱出，同时保证电池驱动装置的导电部分不会接触液体之中，在一种可实现的实施方式中，所述活塞腔5内还设置有限位装置24。活塞体6在液体作用力下被顶起后，为了在到达预定位置后就停下来，需要活塞体到达预定位置便停止液压泵的动作，使活塞体在运动至预定的位置后停住。同时，为了保证在没有及时关闭液压泵的时候，活塞体不被液体顶出活塞腔，需要在活塞腔内设置限位装置24，例如可以是限位块。当未及时关闭液压泵时活塞体可以在限位块的作用下停住。如此一来，便可以保证活塞体每次的位移处在安全范围内。同时当电磁驱动装置对活塞体进行电磁驱动时，可以对电磁驱动装置的导电部分进行限位，防止接触到液体。例如，限位块可以为绝缘材料，当运动导轨10向下移动时，对其进行限位，防止其解除液体，当然，当安装块为导电材料时，限位装置24可以根据安装块9的尺寸进行设置，保证安装块9不会接触液体。
33.当然，液体进入活塞腔的方式可以是由液压泵主动进入，也可以是被动吸入。例如，活塞体6在电磁驱动装置的作用下朝着使得活塞腔内的体积增大的方向运动，使活塞腔内的形成负压，此时液体便可以在大气压力的作用下通过第二回路22进入到活塞腔内。电磁活塞的运动可以通过改变通入电磁活塞的电流流向，或者通过设置动力装置将其推回初始位置，其中，动力装置可以是现有技术中的液压装置、气动装置或者电动机等。
34.在一种可实现的实施方式中，所述电磁活塞组件还包括位移探测装置11，所述位移探测装置11用于探测所述活塞体6的位移，并根据所述位移生成相应的电信号。位移探测装置11用来检测活塞体的位移，一方面通过记录所述位移，可以对每次成形作业时活塞体6的位移情况进行记录，为技术人员将来对设备进行优化改进提供技术支持；另一方面位移探测装置可以根据探测的位移生成电信号，作为其他装置的控制信号。
35.在一种可实现的实施方式中，所述电磁活塞组件还包括控制器(图中未示出)，所述控制器用于根据所述位移探测装置生成的电信号，控制通入所述电磁驱动装置的电流。当电磁活塞移动到预定位置时，需要及时停止为其提供动能，因此需要对电流的通断进行精准地控制。控制器可根据位移探测装置生成的电信号，控制通入电磁活塞组件的电流，在位移探测装置11探测到电磁活塞移动到指定位置并生成相应的电信号后，控制器接收上述电信号，并判断是否需要切断通入电磁活塞组件的电流，若判断需要切断电流，则控制器会
断开通入电磁活塞组件的电流。
36.在一种可实现的实施方式中，所述金属双极板成形系统还包括处于低压的储液装置1，所述储液装置1通过设置有第二方向控制阀的第三回路23与所述成形腔连通，所述第二方向控制阀可以为二位二通电磁换向阀19。当高压液体在成形腔内对胚料进行加压时，所述第二方向控制阀关闭，当成形作业结束时，所述第二方向控制阀打开，成形腔内的高压液体便可以通过第三回路23进入到储液装置1。液压泵2的进液端可以与储液装置1连通，为活塞腔5供液时便可以直接从储液装置1中抽取液体，从而可以进一步简化系统结构。
37.在一种可实现的实施方式中，所述金属双极板成形系统还包括带有减压阀25的稳压回路26。成形装置的出液口通过稳压回路26与储液装置1连通，可以保持成形装置内的液体压力维持在所需要的工作压力。
38.下面，结合图2对电磁活塞组件的工作原理进行进一步说明。
39.液压泵2从储液装置1中吸入液体后，经过单向阀4进入活塞腔5，推动活塞体6向上运动。利用位移探测装置11探测到的活塞体6运动的位置，关闭液压泵2，使其停留在特定的位置。
40.待液体充满活塞腔5后，滑行导轨8通电，在整流电路的作用下，产生的电流方向从第二三极管q2，经过第四三极管q4，运动导轨10为导体，构成电流通路。根据电磁感应定律，在矩形区域内会产生垂直纸面向里的磁场；磁场对电流有力的作用，根据安培定则，运动导轨10受到向下的力，从而带动活塞体向下快速运动，进而对液体加压使液体通过进入成形腔中。
41.待压力达到预定值时，活塞可以仍然下行，以保持压力稳定，此时成形腔中的液体作用在板材16上，使板材16逐渐向成形模具的型面靠近，得到金属双极板的轮廓。保压一段时间后，活塞停止运动，二位二通电磁换向阀19启动接通第三回路23，使液体快速回到储液装置1中。此时将模具向上移动，取出成形后的金属双极板，再次放入一块初始板材，将模具向下移动，完成合模，开启下一个工作循环。
42.在成形过程中，溢流阀3控制活塞腔的入口压力，单向阀4防止充液腔中的液体回流，减压阀12和25控制管路的出口压力。
43.在一种可实现的实施方式中，系统还包括多个过滤器20，过滤器20用来过滤板材表面可能遗留在液压回路中的杂质。
44.在活塞的单向运动过程中，电流的方向始终保持不变，由于工业生产中普遍使用交流电，故需要增加整流电路，将交流电变为直流电。桥式电路是常用的整流电路，由于二极管具有单向导电性，所以当a端电动势高于b端时，电流的方向为a-vd1-负载；当b端电动势高于a端时，电流的方向为b-vd2-负载。将交流电变为直流电后，可以驱动活塞上下运动。
45.为实现上述目的，本发明另一方面还提供一种双极板成形方法，在一种可实现的实施方式中，至少包括如下步骤：向电磁活塞组件通入电流，使得电磁驱动装置驱动活塞体6向着使活塞腔5空间变小的方向移动至预定位置；所述活塞腔5中的液体在所述活塞体6的作用下经过设有减压阀12的第一回路21进入成形装置直至完成液压成形作业。
46.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种金属双极板成形系统，其特征在于，包括：设有减压阀的第一回路；电磁活塞组件，所述电磁活塞组件包括活塞腔、电磁驱动装置、一端与所述电磁驱动装置连接且另一端位于所述活塞腔内的活塞体，所述活塞体在所述电磁驱动装置带动下在活塞腔内进行位移；设置有双极板成形模具的成形装置，所述成形装置通过所述第一回路与所述电磁活塞组件连通。2.根据权利要求1所述的金属双极板成形系统，其特征在于，还包括液压泵，所述液压泵通过设置有第一方向控制阀的第二回路与所述电磁活塞组件连通。3.根据权利要求1所述的金属双极板成形系统，其特征在于，所述电磁活塞组件还包括位移探测装置，所述位移探测装置用于探测所述活塞体的位移，并根据所述位移生成相应的电信号。4.根据权利要求3所述的金属双极板成形系统，其特征在于，所述电磁活塞组件还包括控制器，所述控制器用于根据所述位移探测装置生成的电信号，控制通入所述电磁驱动装置的电流。5.根据权利要求1所述的金属双极板成形系统，其特征在于，所述活塞腔内还设置有限位装置，所述限位装置用于对所述活塞体进行限位。6.根据权利要求1所述的金属双极板成形系统，其特征在于，所述第一回路包括压力检测装置，用于检测并记录所述第一回路的压力。7.根据权利要求1所述的金属双极板成形系统，其特征在于，还包括处于低压的储液装置，所述储液装置通过设置有第二方向控制阀的第三回路与所述成形腔连通。8.根据权利要求1所述的金属双极板成形系统，其特征在于，所述电磁活塞包括导轨和与所述导轨电连接的运动导轨，所述运动导轨朝向活塞腔的一侧连接活塞体。9.一种双极板成形方法，其特征在于，至少包括如下步骤：向电磁活塞组件通入电流，使得电磁驱动装置驱动活塞体向着使活塞腔空间变小的方向移动至预定位置；所述活塞腔中的液体在所述活塞体的作用下经过设有减压阀的第一回路进入成形装置直至完成液压成形作业。10.根据权利要求9所述的双极板成形方法，其特征在于，所述双极板成形方法还包括如下步骤：在通入所述电流之前，供液装置通过第二回路向所述活塞腔中通入预定体积的液体。

技术总结
本发明公开了一种金属双极板成形系统及方法，其中，金属双极板成形系统至少包括：设有减压阀的第一回路；电磁活塞组件，所述电磁活塞组件包括活塞腔、电磁驱动装置、一端与所述电磁驱动装置连接且另一端位于所述活塞腔内的活塞体，所述活塞体在所述电磁驱动装置带动下在活塞腔内进行位移；成形装置，所述成形装置通过所述第一回路与所述电磁活塞组件连通。本发明提供的金属双极板成形系统及方法，当电磁驱动装置通入电流后，电磁驱动装置平面间产生强磁场，在电磁力的作用下，活塞体以很大的速度挤压活塞腔内的液体，从而将电磁能量转换成动能，因此可在很短时间内提供强大动力，从而达到快速成形的发明目的。而达到快速成形的发明目的。而达到快速成形的发明目的。


技术研发人员：高林玉 易斌 李元宏 胡家磊 王凯
受保护的技术使用者：倍力汽车轻量化科技（潍坊）有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/14