技術分享：燃料電池金屬雙極板流場參數對成形效果的影響

燃料電池主要由質子交換膜、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，起到了膜電極結構支撐、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構。

在金屬雙極板成形過程中，密切相關的因素有材料（抗拉強度、屈服強度、延伸率、n值等）、成形機（壓力穩定性、行程精度等）、模具結構和精度（結構強度、加工精度、流道表面粗糙度、模具調整方法等）以及流場的結構設計。

隨著新天宇公司從事燃料電池金屬雙極板模具設計開發的種類和數量增多，工程技術人員在成形分析、模具設計與模具調試過程中，總結相關經驗數據，探討了流場參數對流場成形效果（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計者參考。

一、流場參數：

目前流場形狀有直通道、蛇形、螺旋形、交指型和網格形等，同時相關研究人員也在不斷開發新型流場，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。

流場參數主要有流道拔模斜度、開口內圓角、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、流場參數與成形結果的關系

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關系。

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%，極容易出現流場開裂的情況，特別是S形流場的轉角處，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關系。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. 成型次數的影響

通過分析和試驗，建議的成形次數和成型角與圓角的關系：

4. 材料、成型角和流道之間步距的關系

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；

以上數據僅做參考，不作為金屬雙極板流場設計的依據，也歡迎同行和金屬板設計者批評指正。