CN109167084A - 一种固体氧化物燃料电池金属连接体及其快速成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池金属连接体的快速成型方法。金属连接体由三个独立部分组成：具有一定强度的连接体支撑板、柔性的燃料气体分配板和空气分配板，燃料气体分配板通过点焊连接于连接体支撑板的一端，空气分配板通过点焊连接于连接体支撑板的另一端。金属连接体除了快速精确成型方面的优势之外，还具有均匀分配燃料气和空气、减少连接体与电池之间的界面接触电阻、改善高温密封可靠性等特点。这种通过模具调控金属连接体尺寸精度的成型方式特别适合对制造成本与产品一致性有较高要求的产品。

Description

一种固体氧化物燃料电池金属连接体及其快速成型方法

技术领域

本发明涉及一种金属连接体，尤其涉及一种高精度外流腔固体氧化物燃料电池电堆的金属连接体结构及其快速成型方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的能量转换装置，它可以将燃料中化学能直接转换为电能。为了能供给足够的电能，SOFC通常组装成电堆使用。连接体是SOFC电堆关键部件之一，起着连接一片单电池阴极和相邻另一片单电池阳极的作用。连接体是单电池相互串联的导电体，同时也分隔着相邻电池阴极氧化气氛和阳极还原气氛。严苛的工作条件要求SOFC连接体材料需要有良好的高温导电性和双气氛（阴极侧为氧化气氛，阳极侧还原气氛）中的稳定性。传统SOFC工作温度较高（900~1000°C），使用的是导电陶瓷LaCrO3作为连接体。但陶瓷材料存在加工困难，导热与导电性不高的缺点。随着电解质薄膜化技术的发展以及新型高催化活性电极材料的开发，SOFC的工作温度从高温降低到中温（600~800°C），使金属材料成为了非常有前途的连接体材料。常用的金属连接体包括Fe基合金，Ni基合金和Cr基合金。综合成本、机械性能和高温稳定性等多方面考虑，铁素体型的Fe-Cr合金是目前SOFC电堆中应用最为广泛的连接体材料。

电堆SOFC的成本主要来源于连接体与单电池，其中连接体结构复杂、尺寸精度要求高，加工难度极大，这些因素都致使连接体的成本居高不下。现有的连接体成型方式主要有三种：其一是通过粉末烧结的方法成型连接体，这类连接体的工作温度较高（900~1000°C），以陶瓷连接体LaCrO3为例，连接体占了整个电堆成本的70%；其二是通过机械加工或者激光焊接的方式成型金属连接体，这类连接体的工作温度在600~800°C，为了同时满足连接体热膨胀系数与高温抗氧化的要求，一般选用铁素体不锈钢作为金属连接体材料。这类合金在机械加工过程中极易产生热变形，而通过组件激光焊接的方式也同样存在局部热变形的问题，这都导致连接体尺寸精度大大降低，给后期SOFC电堆的精密装配带来了很大的困难。此外，还存在成型工艺复杂，加工周期长、浪费材料和成本过高等问题；其三是采用化学腐蚀的方法在不锈钢板上形成各种类型的气体流道，这种工艺在腐蚀过程中会导致合金成分出现非均匀现象，从而影响连接体合金的高温抗氧化特性。从成型工艺的角度出发，金属连接体化学腐蚀成型的可控性不高，导致组件的尺寸精度难以保证，整体产品的一致性较低，不利于后期的电堆组装。鉴于以上问题，金属连接体的低成本与高精度成型已经成为SOFC技术发展中一个急需克服的瓶颈。

发明内容

本发明旨在解决上述缺陷，提供一种高精度外流腔固体氧化物燃料电池金属连接体的快速成型方法。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：金属连接体由三个独立部分组成：具有一定强度的连接体支撑板、柔性的燃料气体分配板和空气分配板，燃料气体分配板通过点焊连接于连接体支撑板的一端，空气分配板通过点焊连接于连接体支撑板的另一端。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述燃料气体分配板和空气分配板为交指型、蛇形或者波纹型。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述连接体支撑板、燃料气体分配板和空气分配板材料统一为合金SUS430或者合金Crofer22。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述连接体支撑板的厚度在0.5mm至2mm之间。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括高精度外流腔固体氧化物燃料电池金属连接体的成型方法，该方法包括：

第一步、制作连接体支撑板：

a，取一块正方形铁素体不锈钢薄片作为连接体支撑板的基板，通过冲压切割模具将基板的四个角切割下一块正方形板，

b，在基板四周冲裁为预折弯的形状，通过冲压模具在折弯线处进行预加工处理便于折弯过程进行；

c，利用精密模具对基板的四个边缘进行折弯处理，在基板的两侧分别形成一对垂直于基板的翅页；

c，通过辊压模具将翅页压制成平行于基板的平面，最终在基板上形成两对台阶面，用于粘贴密封件与形成气体流道；

第二步、制作燃料气体分配板和空气分配板：

a，通过辊压模或者级进模的方式进行切片备料，再通过模具连续冲压形成交指型、蛇形或者波纹型的气体分配板；

第三步、制作金属连接体：

通过机械手将压力成型后的连接体支撑板与燃料气体分配板、空气分配板组合之后，进行点焊固定，形成完整的金属连接体。

本发明的有益效果是：金属连接体除了成型方面的优势之外，还具有均匀分配燃料气和空气、减少连接体与电池之间的界面接触电阻、改善高温密封可靠性等特点。这种通过模具调控金属连接体尺寸精度的成型方式特别适合对制造成本与产品一致性有较高要求的产品。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是外流腔电堆堆芯的结构示意图；

图2是本发明金属连接体的结构示意图；

图3是本发明金属连接体的连接体支撑板制作结构示意图；

图4是本发明金属连接体的连接体支撑板制作结构示意图；

图5是本发明金属连接体的连接体支撑板制作结构示意图；

图6是本发明金属连接体的气体分配板结构示意图；

其中：1、燃料气体分配板，2、连接体支撑板，3、空气分配板，4、基板，5、折弯线，6、翅页，7、台阶面。

具体实施方式

SOFC电堆的构型取决于金属连接体的结构与形状。相比于内流腔电堆设计，外流腔电堆设计将四个气流腔体与电堆堆芯分离，使得金属连接体的结构变得相对简单。电堆堆芯内部由一个个重复单元堆叠而成，图1是外流腔电堆堆芯的结构单元示意图，每个重复单元包括金属连接体、阳极支撑型电池及密封材料。金属连接体上下区域各有一个一定厚度的的槽道，分别与密封材料和单电池构成一定空间，作为电堆内部燃料气与空气的流动通道，实现分配气流和收集电流的功能。金属连接体上下槽道两侧各有一对突出的台阶，其高度由阳极、阴极集流器和密封材料厚度决定，气流通道的高温密封由铺设在台阶上的密封材料来实现。考虑到常规SOFC金属连接体成型中存在工艺复杂、精度偏低与成本过高等问题，本发明针对外流腔电堆的结构设计，基于不锈钢薄板的精密冲压成型原理，通过合理设计与优化工艺以实现金属连接体的高质量批量化制备。

本发明对外流腔SOFC金属连接体的结构进行设计，分别通过室温下的模具成型方式加工连接体支撑板与电极（阴极和阳极）的气体分配板，然后通过点焊方式将三者组合为一个整体，最终形成一体化的金属连接体。这种金属连接体的成型工艺简化了加工流程，降低了加工成本，有效避免了加工过程中的变形问题。

金属连接体由三个独立部分组成：具有一定强度的连接体支撑板2、柔性的燃料气体分配板1和空气分配板3，燃料气体分配板1通过点焊连接于连接体支撑板2的一端，空气分配板3通过点焊连接于连接体支撑板2的另一端。三个组件的制备均采用适合大批量生产的模具精密成型技术，组件的外部尺寸精度与整体形变度均控制在10 μm以下，为单电池、金属连接体与密封材料等多层精确堆叠，组装高质量电堆创造了有利条件。

燃料气体分配板1和空气分配板3为交指型、蛇形或者波纹型。

连接体支撑板2、燃料气体分配板1和空气分配板3材料统一为合金SUS430或者合金Crofer22。考虑到金属连接体在室温至高温（600~800°C）热循环状态下使用，为了避免热膨胀系数差异引起的热应力破坏，三个组件应当选择同一种类型的材料。

连接体支撑板2的厚度在0.5mm至2 mm之间。金属连接体支撑板的厚度可以依据电堆设计要求在0.5mm至2 mm之间进行优化，以形成不同级别的柔性电堆结构。

高精度外流腔固体氧化物燃料电池电堆的金属连接体的成型方法，该方法包括：

第一步、制作连接体支撑板2：

a，如图3所示，取一块正方形铁素体不锈钢薄片作为连接体支撑板的基板4，通过冲压切割模具将基板4的四个角切割下一块正方形板；

b，在基板4四周冲裁为预折弯的形状，通过冲压模具在折弯线5处进行预加工处理便于折弯过程进行；

c，如图4所示，利用精密模具对基板4的四个边缘进行折弯处理，在基板4的两侧分别形成一对垂直于基板4的翅页6；

d，如图5所示，通过辊压模具将翅页6压制成平行于基板4的平面，最终在基板4上形成两对台阶面7，用于粘贴高温密封件与形成气体流道；

第二步、制作燃料气体分配板1和空气分配板3，如图6所示：

a， 通过辊压模或者级进模的方式进行切片备料，再通过模具连续冲压形成交指型、蛇形或者波纹型的分配板；模压方式可以在组件加工过程提供较高的成形力，以此保证结构复杂气体分配板的大面积平整度。为达到均匀分配气流的目的，气体分配板形状可以设计为交指型、蛇形或者波纹型，其厚度也可以在一定范围内变动，这些结构设计均可以通过精密模具成型实现。气体分配板的强度可以通过调节钢板厚度来实现，一般而言，为了使金属连接体具有一定的柔性特征以改善电堆的界面接触与高温密封，钢板厚度设定在0.1 mm至0.3 mm之间变动。

第三步、制作金属连接体，如图2所示：

通过机械手将压力成型后的连接体支撑板2与燃料气体分配板1、空气分配板3组合之后，进行点焊固定，形成完整的金属连接体。

实施例

展示了金属连接体支撑板和气流分配板的设计结构与成型工艺。以波纹型气流分配板为例：

金属连接体采用交叉流道设计，即位于阳极的燃料气流向与阴极的空气流向是相互垂直的方位关系，将金属连接体与单电池之间的密封面设计在支撑板的两侧；

以100mm×100mm规格的金属连接体为例：

选择尺寸为120mm×120mm，厚度为0.6mm的SUS430合金正方形板作为连接体基板；通过冲裁模将正方形板的四个角切割下10mm×10mm的正方形板，在折线位置借由冲压模具，将金属板的厚度减薄至0.3mm；通过精密模具对四个100mm×10mm的边缘进行折弯处理，两对折弯板分别向中间板的两侧折弯；通过辊压模具将折弯板与支撑板进行压合，折弯板与支撑板之间无明显间隙，从而在支撑板上下面分别形成高度0.6mm，宽度10mm的两对台阶，在中间板两侧形成相互垂直的气流通道，支撑板平面的形变误差低于10μm；

0.2mm厚的SUS430合金料带先在级进模上切片得到尺寸为80mm×100mm的料，再通过模具连续冲压形成波纹板，波纹板的厚度误差低于10μm，作为随后燃料气和空气的气体分配板；

将气体分配板分别通过点焊方式固定在金属支撑板的两侧，最终形成一个完整的高质量金属连接体。

本发明涉及的固体氧化物燃料电池金属连接体与合金成分、结构设计与成型工艺均有密切关系。基于金属连接体的设计思想，本发明的创新之处主要体现在以下两点：1）金属连接体支撑板的高精度快速成型工艺。通过模具在室温下成型金属连接体，可以避免机械加工或者激光焊接等工艺方法所带来的部件局部形变大、工艺流程长、加工成本高等诸多问题；2）通过辊压模或者级进模的方式在合金薄板料带上实现气体分配板的连续生产，并利用切割模具完成气体分配板部件的最后成型。这两种模压方式可以在部件加工过程提供较高的成形力，以此保证结构复杂气体分配板的大面积平整度。精密模具压力成型金属连接体的方式适合于批量化制备，可以保证部件的质量一致型与大幅降低加工成本，为组装高质量的电堆奠定了基础。

Claims (5)

1.一种固体氧化物燃料电池金属连接体，其特征在于：所述金属连接体由三个独立部分组成：具有一定强度的连接体支撑板（2）、柔性的燃料气体分配板（1）和空气分配板（3），燃料气体分配板（1）通过点焊连接于连接体支撑板（2）的一端，空气分配板（3）通过点焊连接于连接体支撑板（2）的另一端。

2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池金属连接体，其特征在于：所述燃料气体分配板（1）和空气分配板（3）为交指型、蛇形或者波纹型。

3.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池金属连接体，其特征在于：所述连接体支撑板（2）、燃料气体分配板（1）和空气分配板（3）材料统一为合金SUS430或者合金Crofer22。

4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池金属连接体，其特征在于：所述连接体支撑板（2）的厚度在0.5mm至2 mm之间。

5.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池金属连接体的快速成型方法，其特征在于：该方法包括：

第一步、制作连接体支撑板（2）：

a，取一块正方形铁素体不锈钢薄片作为连接体支撑板的基板（4），通过冲压切割模具将基板（4）的四个角切割下一块正方形板，

b，在基板（4）四周冲裁为预折弯的形状，通过冲压模具在折弯线（5）处进行预加工处理便于折弯过程进行；

c，利用精密模具对基板（4）的四个边缘进行折弯处理，在基板（4）的两侧分别形成一对垂直于基板（4）的翅页（6）；

c，通过辊压模具将翅页（6）压制成平行于基板（4）的平面，最终在基板（4）上形成两对台阶面（7），用于粘贴密封件与形成气体流道；

第二步、制作燃料气体分配板（1）和空气分配板（3）：

a， 通过辊压模或者级进模的方式模上进行切片备料，再通过模具连续冲压形成交指型、蛇形或者波纹型的分配板；

第三步、制作金属连接体：

通过机械手将压力成型后的连接体支撑板（2）与燃料气体分配板（1）、空气分配板（3）组合之后，进行点焊固定，形成最终的金属连接体。