CN104253280A - 一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板，用于均匀分配氧化气和收集阴极电流，其由多个相互平行连接且尺寸相同的齿形波纹块构成，齿形波纹块由两个错开距离(7)后平行排列连接的齿形波纹条(3，4)构成，齿形波纹条(3，4)由多个相互交替连接的平顶凸台(2)和平板(1)构成，平顶凸台(2)呈齿形轮廓状，平板(1)连接所述平顶凸台(2)的根部，以形成齿形波纹状，平顶凸台(2)横截面形状为等腰梯形去掉下底边后的形状。本发明中燃料电池的阴极气体流场板可克服常见流场设计存在的气体压降大和燃料利用率低的问题。采用滚压成型工艺制备该流场板，其工艺简单，可精密成型，产品合格率高。

Description

一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板及其制备方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板及其辊压成型的制备方法。
背景技术
随着阳极支撑型固体氧化物燃料电池(简称SOFC)的发展，新型电极和电解质材料的不断开发以及其电解质的薄膜化，SOFC的工作温度逐渐降低，采用低成本的耐热合金材料作为SOFC连接体材料成为可能。在平板式SOFC电堆中，连接体起到支撑电池、收集电流、分隔燃料气和氧化气的作用。通常在连接体阴极气体流场板上设计流道，流道不仅可以提高电池堆中气流分布的均匀性，而且可以促进单电池中的传质传热。合理的气体流场结构设计，要保证每一片电池有足够的压差，以提高电堆中单体电池间气流的均匀性。由于气道还作为连接体和阴极之间的电连接，同时起到分配氧化气和收集阴极电流的作用，所以在设计中一定要考虑气道和电极之间的接触面积，使接触电阻降到最低。
阴极流场板气道的设计一直受到研究者的重视，根据流道的几何形状可将其分为：蛇形流场、平行流场、改进型的平行流场、变截面流场等。蛇形流场最突出的优点是在流道中的动态气流量大，流速快，但对于活性面积较大的电池而言，蛇形流道由于流道过长，引起压降较大和电流密度分布不均；平行流场设计简单，流道较短，气体流动阻力较小，适合做大活性面积的低压电池流场，但由于反应气体在流道中存留的时间短，不能充分反应，造成气体利用率低；改进型的平行流场是根据压力梯度来改进而设计的，此设计使反应气体能更好地扩散，但压力损失有所增加；变截面流场的加工难度很大，加工成本高，不利于商业化。
由于阴极气体流场板不仅要实现气流的均匀分配和分布，同时要实现电堆的电连接，因此，对阴极气体流场板的成型加工及加工精度要求特别高。台湾元智大学(Journal of Power Sources,2008,185(2):1115-112)研究电化学刻烛成形工艺，虽然能够提高电流密度，但是其工艺效率较低，而且成形的流道表面光洁度不高，需要后续处理。美国弗吉利亚联邦大学(Journal of Power Sources,2007,172(2):725-733)研制出的液压胀形与压力焊接成形工艺能在一个工步上完成阴阳极板的液压成形和焊接成形，但只适用于阴、阳极板对称的情况。日本东北大学材料研究所(InternationalJournal of Hydrogen energy,2008,33(20):5678-5685)对镍基金属玻璃在过冷状态下采用热压铸成形工艺制备流场板，但此工艺技术含量较高，不易于标准化生产操作。近期还有研究波纹型的阴极流场板，以冲压成型工艺制备该种流场板，但是这种冲压工艺的模具设计复杂，而且成型的波纹板回弹变形大，精度低，由于是薄板冲压，也容易产生裂纹，产品合格率低，无法商业化生产。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板及其制备方法，其目的在于提供一种阴极流场板，其具有的流场设计可克服常见的蛇形流场、平行流场、改进型的平行流场中存在的气体压降大以及燃料利用率低等问题，采用滚压成型工艺制备方法，其工艺简单，可精密成型，产品合格率高。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种燃料电池阴极气体流场板，用于支撑电池结构，收集电流，分隔燃料气和氧化气，其特征在于：
其由多个相互平行连接且尺寸相同的齿形波纹块构成，所述齿形波纹块由两个错开距离后平行排列连接的齿形波纹条构成，所述齿形波纹条由多个相互交替连接的平顶凸台和平板构成，所述平顶凸台呈齿形轮廓状，所述平板连接所述平顶凸台的根部，以形成齿形波纹状；
所述平顶凸台横截面形状为等腰梯形去掉下底边后的形状；
所述平顶凸台和平板厚度相同，且无缝连接，且所述多个平板的尺寸均相同，所述多个平顶凸台的尺寸均相同。
进一步的，所述平板的宽度和长度分别和所述平顶凸台顶面的宽度和长度相同。
进一步的，所述齿形波纹板为整块材质相同的金属薄板在外界压力下塑性变形而得。
进一步的，齿形波纹条间错开的距离同时小于所述平顶凸台顶面的宽度和所述平板的宽度。
进一步的，所述平顶凸台顶面的宽度和所述平板的宽度均为1.4mm。
进一步的，所述平顶凸台的高度为0.9mm。
进一步的，所述平顶凸台的最大宽度处的宽度为2.4mm。
本发明内容还提供了一种制备如上所述的固体氧化物燃料电池阴极气体流场板的滚压轮，其包括一对相互咬合的从动滚压轮和主动滚压轮，所述一对滚压轮可相对转动，其可用于生产如上所述的固体氧化物燃料电池阴极气体流场板。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种如上所述的燃料电池阴极气体流场板的制备方法，采用滚压成型工艺，该滚压成型工艺包括如下步骤：
S1：设计并加工滚压轮，其中，根据平面板材到滚压轮圆周的点对点映射，设计一对可相互咬合的主动滚压轮和从动滚压轮，将其加工完成后装配在固定所述一对滚压轮的轧机上；
S2：调整主动滚压轮和从动滚压轮间的间隙，其中，根据待加工的金属薄板的厚度调节所述间隙，所述间隙即为一对滚压轮相互咬合时咬合部位的凸模顶面和凹模底面间的距离；
S3：开启一对滚压轮并加工，其中，给所述一对滚压轮提供驱动力使其相对滚动，喂送待加工的金属薄板，进行加工。
进一步的，所述步骤S3中，沿着固定轨道向一对所述滚压轮喂送待加工的金属薄板，以防止走偏而保证加工精度。
进一步的，所述步骤S2中，所述间隙为0.4～0.6mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明中流场板结构保证了气流横向混合和湍流，使气体充分接触而保证燃料成分利用，还显著提高气体的均匀性，且其无过长的流道，克服了蛇形流场过长而导致气体压降大的问题。
2、本发明中的波纹板的反弧面为平顶凸台的顶面，其为一平面，将其设计为平面，可减少其制备过程中回弹变形，且可增加电池阴极和气体流场板的接触面积，因此大大降低了接触电阻，明显提高了电池的输出性能。
3、本发明中采用滚压成型工艺的制备方法，其主动轧辊齿和从动轧辊齿同时进入啮合状态，板材受力比较均匀，不易被压裂，相比于冲压成型工艺，其成型精度高，产品合格率高。
附图说明
图1(a)是本发明实施例中燃料电池阴极气体流场板结构示意图；
图1(b)是本发明实施例中燃料电池阴极气体流场板包含齿形波纹条结构示意图；
图1(c)是本发明实施例中燃料电池阴极气体流场板包含的平顶凸台和平板结构示意图；
图2是本发明实施例中燃料电池阴极气体流场板局部剖面图；
图3是本发明实施例中制造燃料电池阴极气体流场板的一对滚压轮结构示意图；
图4是本发明实施例中一对滚压轮加工状态示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-平板               2-平顶凸台           3-齿形波纹条
4-齿形波纹条         5-凸模顶面           6-凹模底面
7-错开距离
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1(a)是本发明实施例中燃料电池阴极气体流场板结构示意图，图1(b)是流场板包含的齿形波纹条结构示意图，该图中只给出了齿形波纹条3的结构示意图，齿形波纹条4的结构示意图和齿形波纹条3结构和尺寸相同，图1(c)是流场板包含的平顶凸台2和平板1结构示意图，图2是本发明实施例中燃料电池阴极气体流场板局部剖面图。图1(a)由多个相互平行连接且尺寸相同的齿形波纹块构成，齿形波纹块由两个错开距离7后平行排列连接的齿形波纹条3和齿形波纹条4构成，齿形波纹条3和齿形波纹条4均由多个相互交替连接的平顶凸台2和平板1构成，平顶凸台2呈齿形轮廓状，多个平板1交替连接多个平顶凸台2的根部，以形成齿形波纹状。平顶凸台2横截面形状为等腰梯形去掉下底边后的形状，该下底边的宽度也即平顶凸台2的最大宽度处的宽度，优选为2.4mm。平顶凸台2和平板1厚度相同，优选为0.25mm，平顶凸台2和平板1无缝连接，多个平板1的尺寸均相同，多个平顶凸台2的尺寸也均相同，平板1的宽度和长度分别和平顶凸台2顶面的宽度和长度相同。平顶凸台2顶面的宽度和平板1的宽度均优选为1.4mm，平顶凸台2的高度优选为0.9mm。但是，本发明中对于平顶凸台2的底边的宽度、平顶凸台2和平板1厚度、平顶凸台2顶面的宽度和平板1的宽度以及平顶凸台2的高度均不进行具体限定。
齿形波纹条3和齿形波纹条4错开的距离7同时小于平顶凸台2顶面的宽度和所述平板1的宽度，即两者错开的距离后使两个齿形波纹条沿平板1长度方向形成多个气体通道，以便于氧化气的充分流通和均匀分配。本实施例中两者错开的距离7为1.4 mm。
本实施例中，齿形波纹板为整块材质相同的0.3mm厚的SUS430不锈钢板在外界压力下塑性变形而得。本实施例中的燃料电池阴极气体流场板采用滚压成型工艺使金属薄板变形而得。
本发明中中制备固体氧化物燃料电池阴极气体流场板的滚压成型工艺中采用一对相互咬合的滚压轮，本发明中采用3个具体的实施例以说明该制备方法：
实施例1：
S1：设计并加工滚压轮，其中，根据平面板材到滚压轮圆周的点对点映射，设计一对可相互咬合的主动滚压轮和从动滚压轮，将其加工完成后装配在固定所述一对滚压轮的轧机上，该一对滚压轮的表面具有相互咬合时精密配合的凸模和凹模，主动滚压轮的凸模和从动滚压轮的凹模相匹配，两者咬合时使待加工的金属薄板发生塑性变形而获得齿形波纹状的平顶凸台；
S2：根据待加工的金属薄板的厚度调整主动滚压轮和从动滚压轮间的间隙，该间隙即为一对滚压轮相互咬合时咬合部位的凸模顶面5和凹模底面6间的距离。
图3是本发明实施例中制造固体氧化物燃料电池阴极气体流场板的一对滚压轮结构示意图，该图给出的滚压轮处于咬合状态，其中滚压轮上突出呈齿形轮廓状的即为凸模，凹进去呈平底状的即为凹模，凸模顶面5和凹模底面6间的距离即为一对滚压轮的间隙。齿形之间的间隙对成型质量、滚压轮寿命有很大影响，间隙过大则加工后流场板会产生较大回弹而发生变形，造成其加工精度低；如果间隙过小，则会过度挤压待加工的金属薄板，使其变薄，变薄的金属发生延展，也会影响加工的尺寸精度。
本实施例中，采用材质相同的0.3mm厚的SUS430不锈钢板作为金属薄板进行加工，间隙为0.4mm。
S3：开启一对滚压轮并加工，其中，开启电机给一对滚压轮提供驱动力使其相对滚动，沿着固定轨道向一对滚压轮喂送待加工的金属薄板，进行加工，金属薄板变形后从一对滚压轮的另一侧送出，即得到本发明中固体氧化物燃料电池阴极气体流场板。
实施例2：
本实施例与实施例1相同，不同的是：
步骤S2中，采用厚度为0.5mm的金属铜板作为待加工的金属薄板来制备燃料电池阴极气体流场板，间隙调整为0.5mm，获得铜质的燃料电池阴极气体流场板。
实施例3：
本实施例与实施例1相同，不同的是：
步骤S2中，采用厚度为0.6mm的金属铝板作为待加工的金属薄板来制备固体氧化物燃料电池阴极气体流场板，间隙调整为0.6mm，获得铝质的燃料电池阴极气体流场板。
图4是本发明实施例中一对滚压轮加工状态示意图，具体为实施例1的加工状态示意图。沿着固定轨道(图中没有给出)向一对滚压轮喂送待加工的金属薄板，金属薄板变形后从一对滚压轮的另一侧送出，即得到本发明中燃料电池阴极气体流场板。
本发明中，对于金属薄板的材质不限以上三个实施例材质，只要可以发生塑性变形且可导电的金属，均属于本发明保护范围。本发明中对于一对滚压轮间的间隙也不具体限定为以上实施例中具体的数值，只要落在权利要求书中0.4～0.6mm范围内，均属于本发明要求保护的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板，用于均匀分配氧化气和收集阴极电流，其特征在于，
其由多个相互平行连接且尺寸相同的齿形波纹块构成，所述齿形波纹块由两个错开距离(7)后平行排列连接的齿形波纹条(3，4)构成，所述齿形波纹条(3，4)由多个相互交替连接的平顶凸台(2)和平板(1)构成，所述平顶凸台(2)呈齿形轮廓状，所述平板(1)连接所述平顶凸台(2)的根部，以形成齿形波纹状；
所述平顶凸台和平板厚度相同，且无缝连接，且所述多个平板(1)的尺寸均相同，所述多个平顶凸台(2)的尺寸均相同。
2.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板，其特征在于，所述平板(1)的宽度和长度分别和所述平顶凸台(2)顶面的宽度和长度相同。
3.如权利要求1或2所述的一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板，其特征在于，所述齿形波纹板为整块材质相同的金属薄板在外界压力下塑性变形而得。
4.如权利要求1-3之一所述的一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板，其特征在于，齿形波纹条(3)和齿形波纹条(4)错开的距离(7)同时小于所述平顶凸台顶面的宽度和所述平板(1)的宽度。
5.如权利要求1-4之一所述的一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板，其特征在于，所述平顶凸台(2)顶面的宽度和所述平板(1)的宽度为1.4mm。
6.如权利要求1-5之一所述的一种固体氧化物燃料电池阴极气体流场板，其特征在于，所述平顶凸台(2)的高度为0.9mm，其最大宽度处的宽度为2.4mm。
7.一种制备如权利要求1-6之一所述的固体氧化物燃料电池阴极气体流场板的方法，其特征在于，采用滚压成型工艺，该滚压成型工艺包括如下步骤，
S1：设计并加工滚压轮，其中，根据平面板材到滚压轮圆周的点对点映射，设计一对可相互咬合的主动滚压轮和从动滚压轮，将其加工完成后装配在固定所述一对滚压轮的轧机上；
S2：调整主动滚压轮和从动滚压轮间的间隙，其中，根据待加工的金属薄板的厚度调节所述间隙，所述间隙即为一对滚压轮相互咬合时咬合部位的凸模顶面(5)和凹模底面(6)间的距离；
S3：开启一对滚压轮并加工，其中，给所述一对滚压轮提供驱动力使其相对滚动，喂送待加工的金属薄板，进行加工。
8.如权利要求7所述的一种制备固体氧化物燃料电池阴极气体流场板的方法，其特征在于，所述步骤S3中，沿着固定轨道向一对所述滚压轮喂送待加工的金属薄板，以防止走偏而保证加工精度。
9.如权利要求7或8所述的一种制备固体氧化物燃料电池阴极气体流场板的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述间隙为0.4～0.6mm。
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