CN103917314A - 成型件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粉末冶金式制造的成型件，包括一片状或板状的基体(1)以及多个在成排方向(11)上相邻排列的并且成排的呈块状和/或板状的凸起部(2)，所述的凸起部在与基体(1)基准面垂直的方向上具有一高度(h1、h2)，从及在截面上分别具有两个侧边，所述侧边在高度方向(8)上从凸起部(2)的外部末轮廓(3)出发、经由圆角通到带一曲线半径的曲线区段，所述曲线半径过渡到所述基体(1)的表面轮廓(7)中，其中，侧边的一直线区段或者一由圆角过渡到曲线区段中的切线，与基体(1)的基准面形成一倾斜角(α1、α1’；α2、α2’)。在基体(1)的同一侧面(9、10)上具有至少两组不同的倾斜角(α1、α1’；α2、α2’)，其中所述的至少两组不同的倾斜角(α1、α1’；α2、α2’)代表至少一第一几何形状(h1、r1、r1’、R1、R1’、α1、α1’)和一第二几何形状(h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’)。

Description

成型件

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的成型件。

背景技术

欧洲专利EP2337130A1公开了一种该类型的成型件，其可用于例如燃料电池堆的接口或终端板。这种接口或终端板具有一种可收集电流的作用，并且必须同时保证在相邻燃料电池阳极和阴极之间的反应气体的可靠分离以及对该反应气体的导引。基于此目的，接口或终端板作为金属片或金属板并具有块状和/或板状的凸起部。该凸起部在终端板上通常设置在一测，而在接口上则设置在基体的两侧。突出的结构是朝着电化学活性电池的电接触区。单个块状凸起部和/或板状凸起部之间的中间空间用于引导反应气体。接口或终端板必须具有较高的密度，以确保在阳极和阴极之间的反应气体的可靠分离。

通过对毛坯进行切削处理而形成上述接口和终端板的最终形式的制造过程是非常昂贵的。另外也可通过粉末冶金生产方式来制造成型件，其中粉末状原料被尽可能地压制成最终形式并且紧接着进行烧结。

在对用于气体导引的横截面（也就是成排凸起部相邻之间的中间空间）进行几何设计时，采用矩形横截面是较为理想的，这是因为矩形横截面形成了良好的折衷，其在有足够大的气体导引横截面的同时也有最大的接触面积。然而此类成型以粉末冶金的方式在实际上不可制成，因此在实践中采用梯形的横截面，该梯形的横截面具有直线的、倾斜的侧边。在粉末冶金加工过程中，借助于较小的过渡半径，这种侧边的一边通常在高度方向上和凸起部的外部末端轮廓（圆角半径）连接在一起，另一边则与基体的表面轮廓（曲线半径）连接在一起，其中，侧边上的一直线区段或者一位于相同侧边过渡半径上的过渡点的切线具有相对于基体基准面的倾斜角。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种适用于在生产技术上简单、可靠制造工艺的成型件。

本发明的任务可通过独立权利要求1中的技术特征来实现。

根据本发明，至少两个不同的倾斜角度设置在基体的相同侧，其中不同的倾斜角度也代表了各自相关凸起部的不同的几何形状。以这种方式，至少存在一个第一几何形状和一个第二几何形状。通过这种方式令人惊讶地发现，在制造工具或冲压压制工具基体的一侧使用至少两个不同倾斜角度的组合是十分有利的，一方面，可实现可靠的气体分离的成型件所要求的高的材料密度兼具较低的密度梯度，也就是具有很大的均质度，另一方面，也可实现过程安全，无故障地对成型件进行脱模。通过这种方式，在生产工具相同的有限复杂性条件下也可通过成型件来达到气体的可靠分离。这对通过压制和烧结方法进行粉末冶金生产制造是尤其有效的。这也可使在粉末冶金制造中使用更为节省成本的单级模制工艺方法，以实现在单冲压压制操作过程下获得该成型件的高而均匀的密度。这对于常规的成型件来讲通常是不可能的，特别是对于接口或终端板，它们用于在高温的固体氧化物燃料电池堆（固体氧化物燃料电池）并且常常含有具有高铬含量的合金材料。然而这类合金在低温下非常地脆，而且非常难以压制成形，或者必须在一个成本耗费巨大的多级模制工艺中进行处理。

不同的倾斜角度提供了这样一种可能性，可使得冲压压制工具在几何形状上来适应粉末冶金制造，如此一来可避免冲压件表面、特别是凸起部和冲压压制工具之间的可能造成干扰的摩擦力，从而可以使得冲压件更好地从冲压压制工具中脱模。制造工具和用以压制的成型件之间的相对运动在制造技术上是保持有利的，并且不会影响工件所定义的最终几何形状和机加工完整性，同时还可保证成型件具有足够的的冲压密度和冲压密度梯度。不同的倾斜角度从而可有助于生产非常高品质的成型件。具有不同几何形状的凸起部的安置可根据所使用的生产工具，特别是冲压压制工具或者冲头，来进行单独定义。如此一来，有缺陷的成形品数量减少了。相反地，对制造工具定义不同几何形状所耗的成本代价是相对而言比较经济有效的。

当所述第二几何形状的倾斜角度比所述第一几何形状的倾斜角度大时，可在许多情况下进一步改善冲压件和冲压压制工具之间的脱模。

优选地，第一几何形状是由至少一种下述物理参数和值表示：

-倾斜角α1、α1'介于95°至135°的范围内，特别是95°至120°之间，更优选地为95°至110°之间。

-曲线半径R1、R1'介于0.15至1毫米的范围内，特别是0.3至1毫米。

-曲线半径R1、R1'相对于高度h（R:H）的比值介于0.25至1的范围内，特别是0.5至1的范围内，更优选地为0.7至1的范围内。

除了不同的倾斜角度，一个或多个凸起部也可以通过不同曲线半径和/或不同高度来形成不同的几何形状。优选地，所述凸起部的外部末端轮廓和侧边之间的圆角设置有一个圆角半径r。在这种情况下还有另一种可能性，通过定义不同的圆角半径r用以形成凸起部不同的几何形状。

权利要求3至5建议了合适的倾斜角度，从而支持实现成型件另外所需要的密度和均质度。在倾斜角度比较大时，凸起部具有相对平坦的侧边。由此可能减小两个直接相邻的突起部间以进行气体导引的通道横截面，其可以通过修改几何形状的其它参数，特别是高度和/或圆角半径和/或曲线半径来进行补偿。

根据权利要求6和7，在横截面中至少一个凸起部形状是不对称的。通过这种方式，可避免例如在脱模过程中，由冲压压制工具和冲压件（即用以冲压压制的成型件）之间的相对运动所产生的剪应力。由此可额外地保障在基体的整个横截面面积上所需的气密性。

优选地在该基体的一侧在成排方向上相邻设置的凸起部中，占总数至少50%，特别是至少70%的凸起部具有第一几何形状（权利要求8和9）。根据所使用的冲压压制工具和/或基体在基准面上的尺寸大小，对个别凸起部设置一第二几何形状，足以可靠地实现均匀的冲压密度，并且可同时保证良好的脱模性。

根据权利要求10和11，在成排方向上的多个直接相邻的凸起部具有相同的几何形状。由此可使冲压压制工具针对性地根据基体的不同部分进行调整，以便防止在冲压压制和脱模过程中所可能产生的干扰效应。

优选地，在基体一侧成排凸起部的外侧区域中（权利要求12），至少一个凸起部具有所述第二几何形状。当需要首先确保在成排方向上外侧区域的较长的一组成排凸起部的高密度以及低密度梯度时，这种方式可支持针对具有在基体基准层上较大金属片或金属板横截面的成型件的低成本生产方式。

权利要求13至15给出了优选的确定几何参数高度和曲线半径的方法和范围。通过这种方式，因为更大的倾斜角和更平坦的侧边而减小的通道横截面由此可在第二几何形状范围内得到补偿，从而至少可对应于在第一几何形状区域中的通道横截面。因此，尽管成型件具有不同于常规工件的几何外形，例如将该成型件应用于在燃料电池中时，气体引导效率仍可得到保障。

权利要求16给出了根据本发明的成型件的优选应用方式。此处不管是接口还是终端板都是为了所述的电流收集。接口通常位于燃料电池堆的两个燃料电池之间，而终端板则设置在燃料电池堆的一端。成型件在基体两侧的至少一侧（阳极侧和/或阴极侧）的一组成排凸起部具有至少两个不同的几何形状。接口或终端板中借由不同几何形状在制造技术上获得的简单可靠的的气密性，可以通过低成本的方式改善燃料电池堆的寿命和性能。在电化学电池中，它特别是一种固体电解质型燃料电池——也称为SOFC（Solid Oxid Fuel Cell，即固体氧化物燃料电池）——或者是一种用于电解应用的电池，尤其是高温电解。

附图说明

下面通过附图及实施例对本发明进行进一步地阐述。

各图式如下：

图1：示出了一个按比例放大的，现有技术中接口的局部截面示意图；

图2：示出了一个按比例放大的，根据本发明的接口的局部截面示意图；

图3：示出了一个根据本发明的接口横断面的扫描型电子显微镜照片；

图4：示出了一个按比例放大的，根据本发明的终端板的局部截面示意图。

具体实施方式

图1中示出了一个公开于欧洲专利EP2337130A1、按比例放大的，用于一个燃料电池堆的接口的局部截面示意图。所述的接口包括一板状基体1，所述板状基体1在与高度方向8上所相反的两侧上分别具有多个凸起部2。截面图中高度为h的梯形凸起部2通过任一由两个直接相邻的凸起部2间的通道状的中间空间形成接口的气体导引通道，该凸起部通过接口的整体延伸可形成块状结构、连续的板状结构或者间隔的板状结构。在高度方向8上，每个凸起部2的外部末端轮廓3经由一圆角半径r或r’的圆角4或4’转变成具有直线区段5或5’的倾斜的侧边。该直线区段5或5’再转变成半径为R或R’的曲线区段6或6’。该曲线区段然后再次无过渡地转变成基体1的表面轮廓7或7’。在高度方向8上所相对的的末端轮廓3限定了接口的一厚度D。倾斜的侧边与基体1的表面轮廓7或7’形成一角α或α’。同样可以设想的是，当曲线区段6或6’具有非常大的半径R或R’和较小高度尺寸h的凸起部2时，圆角4或4’在没有位于其间的直线区段5或5’的情况下直接通到曲线区段6或6’。在这种情况下，在圆角4或4’在过渡到曲线区段6或6’中的切线，与基体1的表面轮廓7或7’形成倾斜角α或α’。

在图2中所示的接口局部截面示意图中，基体1在与高度方向8所相对的第一侧面9及第二侧面10上分别布置有多个凸起部2。所述的多个凸起部2在与基体1基准面平行的成排方向11上以相邻的方式成排设置。具有第一几何形状的凸起部2设置于成排凸起部的中心区段12，而在偏离成排凸起部中心区段的外部区段13上则设置有多个具有一第二几何形状的凸起部2。原则上，在基体1的任一侧面9、10上都具备两种不同的几何形状，其中在两个侧面9、10上的所述第一几何形状和/或在两个侧面9、10上的所述第二几何形状都不必是每个都相同的。可替代的另一种方案是，也可仅在接口的一个侧面9或10上的第一几何形状旁设置一第二几何形状。

在图2中，为了图形简单起见，省略了图1中的标号4、4’、5、5’、6、6’、7、7’，即便是，在图2中的凸起部2原则上具有或者可能具有这些省略在图1的参考标号中所表示的结构特征。

在图2中，第一几何形状的倾斜角α1或α1’是120°。在外部区段13上的第二几何形状的倾斜角α2或α2’是135°。优选地，同一凸起部2的两个侧边5在外部区段13上的倾斜角α2或α2’是不同的，其中特别的是，面向成排凸起部中心或中心区段12的倾斜角α2’要小于面向成排凸起部另一端或外部区段13的倾斜角α2。

在两组成排凸起部中，凸起部2的外部末端轮廓3分别位于一与基体1基准面平行的平面上。同时，位于中心区段12的凸起部2的高度h1小于位于外部区段13的高度h2。换句话说，基体1在外部区段13上和中心区段12上所相应的表面轮廓7在高度方向8上是被分别偏移设置的。

作为接口的成型件是通过粉末冶金的方式制造的。借助于一种冲压压制工具来对工件进行冲压压制，在高度方向8上相对设置的两组成排凸起部中至少一中心区段具有一第一几何形状。当一组成排凸起部被设置成燃料电池的阴极时，另一组成排凸起部则被设置成燃料电池的阳极。每一组成排凸起部的两个外部区段13都分别具有3个带一第二几何形状的凸起部2。占总数88%的凸起部2则具有第一几何形状。这种接口的主要几何参数参见如下。

在燃料电池阴极一侧的凸起部2通过以下几何形状来实现：

几何参数	带第一几何形状的凸起部	带第二几何形状的凸起部
			倾斜角α	110°	140°
高度h	0.4mm	0.7mm
			曲线半径R	0.35mm	0.05mm
比值R:h	0.875	0.071
			圆角半径r	0.05	0.05

在燃料电池阳极一侧的凸起部通过以下几何形状来实现：

几何参数	带第一几何形状的凸起部	带第二几何形状的凸起部
			倾斜角α	110°	140°
高度h	0.4mm	0.6mm
			曲线半径R	0.35mm	0.05mm
比值R:h	0.875	0.083
			圆角半径r	0.05	0.05

这种类型的接口显示了一种沿着一组成排凸起部上所有凸起部的高度的材料密度均质性，即低的密度梯度，从而在制造时使用单级模制工艺就足够了。

通过粉末冶金制造的接口作为一实施例如图3所示。图中可清晰地分辨出凸起部2在外部区段13中和在中心区段12中所具有的两种不同的几何形状。

为了制造具有前述两种不同几何形状的成型件，使用例如一种由95重量%的铬和5重量%的含铁钇预合金（含有0.5重量%的钇的合金）组成的粉末状原料。这种粉末原料掺入1重量%的冲压辅助剂（蜡）一起使用。然后，将这种粉末混合物在搅拌机中混合15分钟。在冲压压制工具上装备有一根据上述不同几何形状的一冲头。用以压制的粉末，即冲压件，在1100℃的以脱蜡为目的炉中，在氢气气氛下预烧结20分钟。此后，将该工件在1400℃的氢气气氛中进行7小时的高温烧结，其目的是为了进一步致密化和合金化。然后将该工件在950℃中进行10至30小时的预氧化，以便尽可能地降低可能存在的残余孔隙度，从而使得该材料的磁导率是足够低的。随后，该工件的表面通过全方位喷砂工艺被喷上氧化物涂层。

图4以放大的比例示意性地示出了根据本发明的用于一燃料电池堆的终端板的截面图。其中的凸起部（2）基本上与按照图2的接口中的凸起部是一样的，与图3不同的是，此处的凸起部仅仅设置在高度方向8上的基体的一个侧面10上。

Claims (16)

1.粉末冶金式制造的成型件，包括一片状或板状的基体（1）以及多个在成排方向（11）上相邻排列的并且成排的呈块状和/或板状的凸起部（2），所述的凸起部（2）在与基体（1）基准面垂直的方向上具有一高度（h1、h2），从及在截面上分别具有两个侧边，所述侧边在高度方向（8）上从凸起部（2）的外部末轮廓（3）出发、经由圆角（4、4’）通到带一曲线半径（R、R’）的曲线区段（6、6’），所述曲线半径（R、R’）过渡到所述基体（1）的表面轮廓（7、7’）中，其中，侧边的一直线区段（5、5’）或者一由圆角（4）过渡到曲线区段（6）中的切线，与基体（1）的基准面形成一倾斜角（α1、α1’），所述凸起部（2）布置在基体（1）在与高度方向（8）所相对的两个侧面（9、10）中的至少一个侧面（9、10）上，

其特征在于：

在基体（1）的同一侧面（9、10）上具有至少两组不同的倾斜角（α1、α1’；α2、α2’），其中所述的至少两组不同的倾斜角（α1、α1’；α2、α2’）代表至少一第一几何形状（h1、r1、r1’、R1、R1’、α1、α1’）和一第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）。

2.根据权利要求1所述的成型件，其特征在于，所述第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）的倾斜角（α2、α2’）大于所述第一几何形状（h1、r1、r1’、R1、R1’、α1、α1’）的倾斜角（α1、α1’）。

3.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，所述第一几何形状（h1、r1、r1’、R1、R1’、α1、α1’）的倾斜角（α1、α1’）介于95°至135°的范围内。

4.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，所述第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）的倾斜角（α2、α2’）介于135°至150°的范围内。

5.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，相邻的所述凸起部（2）的侧边具有不同的倾斜角（α1、α1’；α2、α2’）。

6.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，同一所述凸起部（2）的两个侧边具有不同的倾斜角（α1、α1’；α2、α2’）。

7.根据权利要求6所述的成型件，其特征在于，在成排方向（11）上，面向成排凸起部一端（13）的侧边与面向成排凸起部中心（12）的侧边相比，具有一个更大的倾斜角（α2）。

8.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，最多占总数50%的凸起部（2）具有一第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）。

9.根据权利要求8所述的成型件，其特征在于，最多占总数30%的凸起部（2）具有一第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）。

10.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，沿着成排凸起部的成排方向（11），多个直接相邻的凸起部（2）具有所述的第一几何形状（h1、r1、r1’、R1、R1’、α1、α1’）和/或第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）。

11.根据权利要求10所述的成型件，其特征在于，具有第一几何形状（h1、r1、r1’、R1、R1’、α1、α1’）的凸起部（2）位于成排凸起部的中心区段（12）。

12.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，在偏离成排凸起部中心区段的一外部区段（13）上设置有至少一个具有所述第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）的凸起部（2）。

13.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，具有第一几何形状（h1、r1、r1’、R1、R1’、α1、α1’）的凸起部（2）具有一高度（h1），所述的高度（h1）小于具有第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）的凸起部（2）的高度（h2）。

14.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，具有第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）的一凸起部（2）的曲线半径（R2、R2’）小于0.15mm。

15.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，具有第二几何形状（h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’）的一凸起部（2）中，曲线半径（R2、R2’）与高度（h2）的比值R:h小于0.25。

16.根据任一前述权利要求所述的成型件，其特征在于，所述的成型件是用以电化学电池进行电连接的一接口或一终端板。