成型件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種粉末冶金式制造的成型件，包括一片狀或板狀的基體(1)以及多個(gè)在成排方向(11)上相鄰排列的并且成排的呈塊狀和/或板狀的凸起部(2)，所述的凸起部在與基體(1)基準(zhǔn)面垂直的方向上具有一高度(h1、h2)，從及在截面上分別具有兩個(gè)側(cè)邊，所述側(cè)邊在高度方向(8)上從凸起部(2)的外部末輪廓(3)出發(fā)、經(jīng)由圓角通到帶一曲線半徑的曲線區(qū)段，所述曲線半徑過(guò)渡到所述基體(1)的表面輪廓(7)中，其中，側(cè)邊的一直線區(qū)段或者一由圓角過(guò)渡到曲線區(qū)段中的切線，與基體(1)的基準(zhǔn)面形成一傾斜角(α1、α1’；α2、α2’)。在基體(1)的同一側(cè)面(9、10)上具有至少兩組不同的傾斜角(α1、α1’；α2、α2’)，其中所述的至少兩組不同的傾斜角(α1、α1’；α2、α2’)代表至少一第一幾何形狀(h1、r1、r1’、R1、R1’、α1、α1’)和一第二幾何形狀(h2、r2、r2’、R2、R2’、α2、α2’)。
【專利說(shuō)明】成型件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的成型件。
【背景技術(shù)】
[0002]歐洲專利EP2337130A1公開(kāi)了一種該類型的成型件，其可用于例如燃料電池堆的接口或終端板。這種接口或終端板具有一種可收集電流的作用，并且必須同時(shí)保證在相鄰燃料電池陽(yáng)極和陰極之間的反應(yīng)氣體的可靠分離以及對(duì)該反應(yīng)氣體的導(dǎo)引。基于此目的，接口或終端板作為金屬片或金屬板并具有塊狀和/或板狀的凸起部。該凸起部在終端板上通常設(shè)置在一測(cè)，而在接口上則設(shè)置在基體的兩側(cè)。突出的結(jié)構(gòu)是朝著電化學(xué)活性電池的電接觸區(qū)。單個(gè)塊狀凸起部和/或板狀凸起部之間的中間空間用于引導(dǎo)反應(yīng)氣體。接口或終端板必須具有較高的密度，以確保在陽(yáng)極和陰極之間的反應(yīng)氣體的可靠分離。
[0003]通過(guò)對(duì)毛坯進(jìn)行切削處理而形成上述接口和終端板的最終形式的制造過(guò)程是非常昂貴的。另外也可通過(guò)粉末冶金生產(chǎn)方式來(lái)制造成型件，其中粉末狀原料被盡可能地壓制成最終形式并且緊接著進(jìn)行燒結(jié)。
[0004]在對(duì)用于氣體導(dǎo)引的橫截面(也就是成排凸起部相鄰之間的中間空間)進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)時(shí)，采用矩形橫截面是較為理想的，這是因?yàn)榫匦螜M截面形成了良好的折衷，其在有足夠大的氣體導(dǎo)引橫截面的同時(shí)也有最大的接觸面積。然而此類成型以粉末冶金的方式在實(shí)際上不可制成，因此在實(shí)踐中采用梯形的橫截面，該梯形的橫截面具有直線的、傾斜的側(cè)邊。在粉末冶金加工過(guò)程中，借助于較小的過(guò)渡半徑，這種側(cè)邊的一邊通常在高度方向上和凸起部的外部末端輪廓(圓角半徑)連接在一起，另一邊則與基體的表面輪廓(曲線半徑)連接在一起，其中，側(cè)邊上的一直線區(qū)段或者一位于相同側(cè)邊過(guò)渡半徑上的過(guò)渡點(diǎn)的切線具有相對(duì)于基體基準(zhǔn)面的傾斜角。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種適用于在生產(chǎn)技術(shù)上簡(jiǎn)單、可靠制造工藝的成型件。
[0006]本發(fā)明的任務(wù)可通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求1中的技術(shù)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，至少兩個(gè)不同的傾斜角度設(shè)置在基體的相同側(cè)，其中不同的傾斜角度也代表了各自相關(guān)凸起部的不同的幾何形狀。以這種方式，至少存在一個(gè)第一幾何形狀和一個(gè)第二幾何形狀。通過(guò)這種方式令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，在制造工具或沖壓壓制工具基體的一側(cè)使用至少兩個(gè)不同傾斜角度的組合是十分有利的，一方面，可實(shí)現(xiàn)可靠的氣體分離的成型件所要求的高的材料密度兼具較低的密度梯度，也就是具有很大的均質(zhì)度，另一方面，也可實(shí)現(xiàn)過(guò)程安全，無(wú)故障地對(duì)成型件進(jìn)行脫模。通過(guò)這種方式，在生產(chǎn)工具相同的有限復(fù)雜性條件下也可通過(guò)成型件來(lái)達(dá)到氣體的可靠分離。這對(duì)通過(guò)壓制和燒結(jié)方法進(jìn)行粉末冶金生產(chǎn)制造是尤其有效的。這也可使在粉末冶金制造中使用更為節(jié)省成本的單級(jí)模制工藝方法，以實(shí)現(xiàn)在單沖壓壓制操作過(guò)程下獲得該成型件的高而均勻的密度。這對(duì)于常規(guī)的成型件來(lái)講通常是不可能的，特別是對(duì)于接口或終端板，它們用于在高溫的固體氧化物燃料電池堆(固體氧化物燃料電池)并且常常含有具有高鉻含量的合金材料。然而這類合金在低溫下非常地脆，而且非常難以壓制成形，或者必須在一個(gè)成本耗費(fèi)巨大的多級(jí)模制工藝中進(jìn)行處理。
[0008]不同的傾斜角度提供了這樣一種可能性，可使得沖壓壓制工具在幾何形狀上來(lái)適應(yīng)粉末冶金制造，如此一來(lái)可避免沖壓件表面、特別是凸起部和沖壓壓制工具之間的可能造成干擾的摩擦力，從而可以使得沖壓件更好地從沖壓壓制工具中脫模。制造工具和用以壓制的成型件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在制造技術(shù)上是保持有利的，并且不會(huì)影響工件所定義的最終幾何形狀和機(jī)加工完整性，同時(shí)還可保證成型件具有足夠的的沖壓密度和沖壓密度梯度。不同的傾斜角度從而可有助于生產(chǎn)非常高品質(zhì)的成型件。具有不同幾何形狀的凸起部的安置可根據(jù)所使用的生產(chǎn)工具，特別是沖壓壓制工具或者沖頭，來(lái)進(jìn)行單獨(dú)定義。如此一來(lái)，有缺陷的成形品數(shù)量減少了。相反地，對(duì)制造工具定義不同幾何形狀所耗的成本代價(jià)是相對(duì)而言比較經(jīng)濟(jì)有效的。
[0009]當(dāng)所述第二幾何形狀的傾斜角度比所述第一幾何形狀的傾斜角度大時(shí)，可在許多情況下進(jìn)一步改善沖壓件和沖壓壓制工具之間的脫模。
[0010]優(yōu)選地，第一幾何形狀是由至少一種下述物理參數(shù)和值表示:
[0011]-傾斜角α?、α介于95°至135°的范圍內(nèi)，特別是95°至120°之間，更優(yōu)選地為95°至110°之間。
[0012]-曲線半徑Rl、R1’介于0.15至I毫米的范圍內(nèi)，特別是0.3至I毫米。
[0013]-曲線半徑Rl、R1’相對(duì)于高度h(R:H)的比值介于0.25至I的范圍內(nèi)，特別是
0.5至I的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地為0.7至I的范圍內(nèi)。
[0014]除了不同的傾斜角度，一個(gè)或多個(gè)凸起部也可以通過(guò)不同曲線半徑和/或不同高度來(lái)形成不同的幾何形狀。優(yōu)選地，所述凸起部的外部末端輪廓和側(cè)邊之間的圓角設(shè)置有一個(gè)圓角半徑r。在這種情況下還有另一種可能性，通過(guò)定義不同的圓角半徑r用以形成凸起部不同的幾何形狀。
[0015]權(quán)利要求3至5建議了合適的傾斜角度，從而支持實(shí)現(xiàn)成型件另外所需要的密度和均質(zhì)度。在傾斜角度比較大時(shí)，凸起部具有相對(duì)平坦的側(cè)邊。由此可能減小兩個(gè)直接相鄰的突起部間以進(jìn)行氣體導(dǎo)引的通道橫截面，其可以通過(guò)修改幾何形狀的其它參數(shù)，特別是高度和/或圓角半徑和/或曲線半徑來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0016]根據(jù)權(quán)利要求6和7，在橫截面中至少一個(gè)凸起部形狀是不對(duì)稱的。通過(guò)這種方式，可避免例如在脫模過(guò)程中，由沖壓壓制工具和沖壓件(即用以沖壓壓制的成型件)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的剪應(yīng)力。由此可額外地保障在基體的整個(gè)橫截面面積上所需的氣密性。
[0017]優(yōu)選地在該基體的一側(cè)在成排方向上相鄰設(shè)置的凸起部中，占總數(shù)至少50%，特別是至少70%的凸起部具有第一幾何形狀(權(quán)利要求8和9)。根據(jù)所使用的沖壓壓制工具和/或基體在基準(zhǔn)面上的尺寸大小，對(duì)個(gè)別凸起部設(shè)置一第二幾何形狀，足以可靠地實(shí)現(xiàn)均勻的沖壓密度，并且可同時(shí)保證良好的脫模性。
[0018]根據(jù)權(quán)利要求10和11，在成排方向上的多個(gè)直接相鄰的凸起部具有相同的幾何形狀。由此可使沖壓壓制工具針對(duì)性地根據(jù)基體的不同部分進(jìn)行調(diào)整，以便防止在沖壓壓制和脫模過(guò)程中所可能產(chǎn)生的干擾效應(yīng)。[0019]優(yōu)選地，在基體一側(cè)成排凸起部的外側(cè)區(qū)域中(權(quán)利要求12)，至少一個(gè)凸起部具有所述第二幾何形狀。當(dāng)需要首先確保在成排方向上外側(cè)區(qū)域的較長(zhǎng)的一組成排凸起部的高密度以及低密度梯度時(shí)，這種方式可支持針對(duì)具有在基體基準(zhǔn)層上較大金屬片或金屬板橫截面的成型件的低成本生產(chǎn)方式。
[0020]權(quán)利要求13至15給出了優(yōu)選的確定幾何參數(shù)高度和曲線半徑的方法和范圍。通過(guò)這種方式，因?yàn)楦蟮膬A斜角和更平坦的側(cè)邊而減小的通道橫截面由此可在第二幾何形狀范圍內(nèi)得到補(bǔ)償，從而至少可對(duì)應(yīng)于在第一幾何形狀區(qū)域中的通道橫截面。因此，盡管成型件具有不同于常規(guī)工件的幾何外形，例如將該成型件應(yīng)用于在燃料電池中時(shí)，氣體引導(dǎo)效率仍可得到保障。
[0021]權(quán)利要求16給出了根據(jù)本發(fā)明的成型件的優(yōu)選應(yīng)用方式。此處不管是接口還是終端板都是為了所述的電流收集。接口通常位于燃料電池堆的兩個(gè)燃料電池之間，而終端板則設(shè)置在燃料電池堆的一端。成型件在基體兩側(cè)的至少一側(cè)(陽(yáng)極側(cè)和/或陰極側(cè))的一組成排凸起部具有至少兩個(gè)不同的幾何形狀。接口或終端板中借由不同幾何形狀在制造技術(shù)上獲得的簡(jiǎn)單可靠的的氣密性，可以通過(guò)低成本的方式改善燃料電池堆的壽命和性能。在電化學(xué)電池中，它特別是一種固體電解質(zhì)型燃料電池——也稱為SOFCXSolid Oxid FuelCe 11，即固體氧化物燃料電池)——或者是一種用于電解應(yīng)用的電池，尤其是高溫電解。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]下面通過(guò)附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地闡述。
[0023]各圖式如下:
[0024]圖1:示出了一個(gè)按比例放大的，現(xiàn)有技術(shù)中接口的局部截面示意圖；
[0025]圖2:示出了一個(gè)按比例放大的，根據(jù)本發(fā)明的接口的局部截面示意圖；
[0026]圖3:示出了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的接口橫斷面的掃描型電子顯微鏡照片；
[0027]圖4:示出了一個(gè)按比例放大的，根據(jù)本發(fā)明的終端板的局部截面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]圖1中示出了一個(gè)公開(kāi)于歐洲專利EP2337130A1、按比例放大的，用于一個(gè)燃料電池堆的接口的局部截面示意圖。所述的接口包括一板狀基體1，所述板狀基體I在與高度方向8上所相反的兩側(cè)上分別具有多個(gè)凸起部2。截面圖中高度為h的梯形凸起部2通過(guò)任一由兩個(gè)直接相鄰的凸起部2間的通道狀的中間空間形成接口的氣體導(dǎo)引通道，該凸起部通過(guò)接口的整體延伸可形成塊狀結(jié)構(gòu)、連續(xù)的板狀結(jié)構(gòu)或者間隔的板狀結(jié)構(gòu)。在高度方向8上，每個(gè)凸起部2的外部末端輪廓3經(jīng)由一圓角半徑r或r’的圓角4或4’轉(zhuǎn)變成具有直線區(qū)段5或5’的傾斜的側(cè)邊。該直線區(qū)段5或5’再轉(zhuǎn)變成半徑為R或R’的曲線區(qū)段6或6’。該曲線區(qū)段然后再次無(wú)過(guò)渡地轉(zhuǎn)變成基體I的表面輪廓7或7’。在高度方向8上所相對(duì)的的末端輪廓3限定了接口的一厚度D。傾斜的側(cè)邊與基體I的表面輪廓7或7’形成一角α或α’。同樣可以設(shè)想的是，當(dāng)曲線區(qū)段6或6’具有非常大的半徑R或R’和較小高度尺寸h的凸起部2時(shí)，圓角4或4’在沒(méi)有位于其間的直線區(qū)段5或5’的情況下直接通到曲線區(qū)段6或6’。在這種情況下，在圓角4或4’在過(guò)渡到曲線區(qū)段6或6’中的切線，與基體I的表面輪廓7或7’形成傾斜角α或α ’。[0029]在圖2中所示的接口局部截面示意圖中，基體I在與高度方向8所相對(duì)的第一側(cè)面9及第二側(cè)面10上分別布置有多個(gè)凸起部2。所述的多個(gè)凸起部2在與基體I基準(zhǔn)面平行的成排方向11上以相鄰的方式成排設(shè)置。具有第一幾何形狀的凸起部2設(shè)置于成排凸起部的中心區(qū)段12，而在偏離成排凸起部中心區(qū)段的外部區(qū)段13上則設(shè)置有多個(gè)具有一第二幾何形狀的凸起部2。原則上，在基體I的任一側(cè)面9、10上都具備兩種不同的幾何形狀，其中在兩個(gè)側(cè)面9、10上的所述第一幾何形狀和/或在兩個(gè)側(cè)面9、10上的所述第二幾何形狀都不必是每個(gè)都相同的。可替代的另一種方案是，也可僅在接口的一個(gè)側(cè)面9或10上的第一幾何形狀旁設(shè)置一第二幾何形狀。
[0030]在圖2中，為了圖形簡(jiǎn)單起見(jiàn)，省略了圖1中的標(biāo)號(hào)4、4’、5、5’、6、6’、7、7’，即便
是，在圖2中的凸起部2原則上具有或者可能具有這些省略在圖1的參考標(biāo)號(hào)中所表示的結(jié)構(gòu)特征。
[0031]在圖2中，第一幾何形狀的傾斜角α?或α I’是120°。在外部區(qū)段13上的第二幾何形狀的傾斜角α 2或α 2’是135°。優(yōu)選地，同一凸起部2的兩個(gè)側(cè)邊5在外部區(qū)段13上的傾斜角α2或α2’是不同的，其中特別的是，面向成排凸起部中心或中心區(qū)段12的傾斜角α 2’要小于面向成排凸起部另一端或外部區(qū)段13的傾斜角α 2。
[0032]在兩組成排凸起部中，凸起部2的外部末端輪廓3分別位于一與基體I基準(zhǔn)面平行的平面上。同時(shí)，位于中心區(qū)段12的凸起部2的高度hi小于位于外部區(qū)段13的高度h2。換句話說(shuō)，基體I在外部區(qū)段13上和中心區(qū)段12上所相應(yīng)的表面輪廓7在高度方向8上是被分別偏移設(shè)置的。
[0033]作為接口的成型件是通過(guò)粉末冶金的方式制造的。借助于一種沖壓壓制工具來(lái)對(duì)工件進(jìn)行沖壓壓制，在高度方向8上相對(duì)設(shè)置的兩組成排凸起部中至少一中心區(qū)段具有一第一幾何形狀。當(dāng)一組成排凸起部被設(shè)置成燃料電池的陰極時(shí)，另一組成排凸起部則被設(shè)置成燃料電池的陽(yáng)極。每一組成排凸起部的兩個(gè)外部區(qū)段13都分別具有3個(gè)帶一第二幾何形狀的凸起部2。占總數(shù)88%的凸起部2則具有第一幾何形狀。這種接口的主要幾何參數(shù)參見(jiàn)如下。
[0034]在燃料電池陰極一側(cè)的凸起部2通過(guò)以下幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0035]
【權(quán)利要求】
1.粉末冶金式制造的成型件，包括一片狀或板狀的基體(1)以及多個(gè)在成排方向(11)上相鄰排列的并且成排的呈塊狀和/或板狀的凸起部(2)，所述的凸起部(2)在與基體(1)基準(zhǔn)面垂直的方向上具有一高度(h1、h2)，從及在截面上分別具有兩個(gè)側(cè)邊，所述側(cè)邊在高度方向(8)上從凸起部(2)的外部末輪廓(3)出發(fā)、經(jīng)由圓角(4、4’)通到帶一曲線半徑(R、R’)的曲線區(qū)段(6、6’)，所述曲線半徑(R、R’)過(guò)渡到所述基體(1)的表面輪廓(7、7’)中，其中，側(cè)邊的一直線區(qū)段(5、5’)或者一由圓角(4)過(guò)渡到曲線區(qū)段(6)中的切線，與基體(1)的基準(zhǔn)面形成一傾斜角(α1、α 1’)，所述凸起部(2)布置在基體(1)在與高度方向(8)所相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面(9、10)中的至少一個(gè)側(cè)面(9、10)上， 其特征在于: 在基體(1)的同一側(cè)面(9、10)上具有至少兩組不同的傾斜角(α?、α ； α 2> α V ),其中所述的至少兩組不同的傾斜角(α 1、α ;α2、α 2’)代表至少一第一幾何形狀(h1、rl、rl，、Rl、Rl，、α 1、α )和一第二幾何形狀(h2、r2、r2’、R2、R2’、a 2、a 2，)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成型件，其特征在于，所述第二幾何形狀(h2、r2、r2’、R2、R2’、a 2、a 2’)的傾斜角(a 2、a 2’)大于所述第一幾何形狀(h1、rl、rl’、Rl、Rl’、a 1、α )的傾斜角(a 1、a 1’)。
3.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，所述第一幾何形狀(h1、rl、rl’、Rl、Rl’、a 1、a 1’)的傾斜角(a 1、α )介于95°至135。的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，所述第二幾何形狀(h2、r2、r2，、R2、R2，、a 2、a 2，)的傾斜角(a 2、a 2，)介于 135。至 150。的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，相鄰的所述凸起部(2)的側(cè)邊具有不同的傾斜角(a 1、a 1’ ； a 2、a 2’)。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，同一所述凸起部(2)的兩個(gè)側(cè)邊具有不同的傾斜角(a 1、a 1’ ； a 2、a 2’)。
7.根據(jù)權(quán)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)的側(cè)邊與面向成排凸起部中心(12)的側(cè)邊相比，具有一個(gè)更大的傾斜角(a 2)。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，最多占總數(shù)50%的凸起部(2)具有一第二幾何形狀(1121212’、1?2、1?2’、a 2、a 2’)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的成型件，其特征在于，最多占總數(shù)30%的凸起部(2)具有一第二幾何形狀(1121212’、1?2、1?2’、a 2、a 2，)。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，沿著成排凸起部的成排方向(11)，多個(gè)直接相鄰的凸起部(2)具有所述的第一幾何形狀(h1、rl、rl’、Rl、Rl’、a1、a 1’)和 / 或第二幾何形狀(h2、r2、r2’、R2、R2’、a 2、a 2’)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成型件，其特征在于，具有第一幾何形狀(hl、rl、rl’、Rl、Rl’、a K a )的凸起部(2)位于成排凸起部的中心區(qū)段(12)。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，在偏離成排凸起部中心區(qū)段的一外部區(qū)段(13)上設(shè)置有至少一個(gè)具有所述第二幾何形狀(h2、r2、r2’、R2、R2’、a 2、a 2’)的凸起部(2)。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，具有第一幾何形狀(h1、rl、rl’、Rl、Rl’、a 1、a 1’)的凸起部(2)具有一高度(h1)，所述的高度(h1)小于具有第二幾何形狀(h2、r2、r2’、R2、R2，、α 2、α 2’)的凸起部(2)的高度(h2)。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，具有第二幾何形狀(h2、r2、r2，、R2、R2，、α 2、α 2，)的一凸起部(2)的曲線半徑(R2、R2’)小于 0.15mm。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，具有第二幾何形狀(h2、r2、r2，、R2、R2，、α 2、α 2’)的一凸起部(2)中，曲線半徑(R2、R2’)與高度(h2)的比值R:h小于 0.25。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的成型件，其特征在于，所述的成型件是用以電化學(xué)電池進(jìn)行電連接的一 接口或一終端板。
【文檔編號(hào)】B22F5/08GK103917314SQ201280036180
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月21日
【發(fā)明者】馬爾科·布蘭德納, 奧利弗·希爾施, 沃爾夫?qū)た藙谒估? 托馬斯·萊特 申請(qǐng)人:普蘭西歐洲股份公司