Numerical simulation of the stamping process of metallic bipolar plates

Abstract

Uma placa bipolar é um dos principais componentes de uma célula de combustível, que é considerada como uma fonte de energia com elevado potencial para transporte e aplicações portáteis. O principal objetivo deste trabalho é a otimização do processo de estampagem de placas bipolares metálicas, usando simulações numéricas do processo de conformação. As simulações numéricas apresentadas neste estudo foram realizadas com o programa de elementos finitos DD3IMP. A geometria do canal de escoamento tem uma grande influência sobre a formabilidade obtida durante o processo de estampagem. Sendo assim, o objectivo deste trabalho é o de estudar as diferentes variáveis geométricas, a fim de optimizar as dimensões do canal de escoamento. Deste modo, é criado um modelo paramétrico em CAD contendo a geometria das ferramentas de estampagem, que é posteriormente utilizado na simulação numérica com o método dos elementos finitos. Devido à grande complexidade geométrica de uma placa bipolar, são criados modelos simplificados, de diferentes zonas representativas. Cada zona representativa destina-se a estudar uma região diferente da placa bipolar. cobrindo todo o comportamento de deformação encontrado na placa. Assim, é utilizada uma simples análise 2D para avaliar a secção transversal do canal da placa bipolar, enquanto que é necessária uma análise 3D para estudar a secção curva do canal de escoamento. Em seguida, é estudado o material da chapa com uma comparação entre três ligas diferentes, SS 304, Al 5042 e Al 1235. Uma vez que o processo de estampagem influencia os resultados obtidos para a conformabilidade da chapa, é realizado um estudo entre microestampagem e hidroconformação. Os resultados numéricos mostram que o aumento do raio principal, da largura do canal e a diminuição da profundidade do canal, do raio de curvatura do raio adicionado e da secção plana do canal, a formabilidade da chapa é melhorada. As áreas críticas das placas metálicas estampadas correspondem às zonas de curvatura dos canais de escoamento sobre o raio correspondente. Tanto o aço inoxidável SS 304 como a liga de alumínio Al 1235 demonstram boa formabilidade e o processo microestampagem tem um melhor resultado em comparação com a hidroconformação.

A bipolar plate is one of the key components of proton exchange membrane fuel cells, which are considered as potential power sources for transportation and portable applications. The main objective of this work is the optimization of the stamping process of metallic bipolar plates, using the finite element simulation of the forming process. The numerical simulations presented in this study were carried out with the in-house finite element code DD3IMP. The geometry of the flow channel has a large influence on the formability during the stamping process. Therefore, the aim of the study is to study the different geometrical variables in order to optimize the flow channel dimensions. Accordingly, a parametric CAD model containing the stamping tools’ geometry is created, which is posteriorly used in the simulation with the finite element method. Due to the large complexity of a bipolar plate, a simplified model with different representative zones is created. Each representative zone aims to study a different region of the bipolar plate. covering the entire deformation behaviour found in the plate. Thus, a simple 2D analysis is used to evaluate the straight channel section of the bipolar plate, while a 3D analysis is required to study the curved section of the flow channel. Afterwards, the material of the blank is studied with a comparison between three different alloys, SS 304, Al 5042 and Al 1235. Since the stamping process influences the results obtained for the formability of the blank, a study between microstamping and hydroforming is performed. The numerical results shown that increasing the main radius, the channel width and the rib width and diminishing the channel depth, the fillet radius and the flat section the formability of the blank is improved. The critical areas of the stamped metallic plates are on the curved flow channels on the correspondent fillet radius. Both the stainless steel SS 304 and the aluminium alloy Al 1235 demonstrate good formability and the microstamping process has an improved result compared with hydroforming in terms of formability.