一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，用于均勻分配氧化氣和收集陰極電流，其由多個相互平行連接且尺寸相同的齒形波紋塊構成，齒形波紋塊由兩個錯開距離(7)后平行排列連接的齒形波紋條(3，4)構成，齒形波紋條(3，4)由多個相互交替連接的平頂凸臺(2)和平板(1)構成，平頂凸臺(2)呈齒形輪廓狀，平板(1)連接所述平頂凸臺(2)的根部，以形成齒形波紋狀，平頂凸臺(2)橫截面形狀為等腰梯形去掉下底邊后的形狀。本實用新型中燃料電池的陰極氣體流場板可克服常見流場設計存在的氣體壓降大和燃料利用率低的問題。
【專利說明】
一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及固體氧化物燃料電池【技術領域】，具體涉及一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板。

【背景技術】
[0002]隨著陽極支撐型固體氧化物燃料電池(簡稱S0FC)的發(fā)展，新型電極和電解質(zhì)材料的不斷開發(fā)以及其電解質(zhì)的薄膜化，SOFC的工作溫度逐漸降低，采用低成本的耐熱合金材料作為SOFC連接體材料成為可能。在平板式SOFC電堆中，連接體起到支撐電池、收集電流、分隔燃料氣和氧化氣的作用。通常在連接體陰極氣體流場板上設計流道，流道不僅可以提高電池堆中氣流分布的均勻性，而且可以促進單電池中的傳質(zhì)傳熱。合理的氣體流場結(jié)構設計，要保證每一片電池有足夠的壓差，以提高電堆中單體電池間氣流的均勻性。由于氣道還作為連接體和陰極之間的電連接，同時起到分配氧化氣和收集陰極電流的作用，所以在設計中一定要考慮氣道和電極之間的接觸面積，使接觸電阻降到最低。
[0003]陰極流場板氣道的設計一直受到研究者的重視，根據(jù)流道的幾何形狀可將其分為:蛇形流場、平行流場、改進型的平行流場、變截面流場等。蛇形流場最突出的優(yōu)點是在流道中的動態(tài)氣流量大，流速快，但對于活性面積較大的電池而言，蛇形流道由于流道過長，引起壓降較大和電流密度分布不均；平行流場設計簡單，流道較短，氣體流動阻力較小，適合做大活性面積的低壓電池流場，但由于反應氣體在流道中存留的時間短，不能充分反應，造成氣體利用率低；改進型的平行流場是根據(jù)壓力梯度來改進而設計的，此設計使反應氣體能更好地擴散，但壓力損失有所增加；變截面流場的加工難度很大，加工成本高，不利于商業(yè)化。
[0004]由于陰極氣體流場板不僅要實現(xiàn)氣流的均勻分配和分布，同時要實現(xiàn)電堆的電連接，因此,對陰極氣體流場板的成型加工及加工精度要求特別高。臺灣元智大學(Journalof Power Sources, 2008，185 (2): 1115-112)研究電化學刻燭成形工藝，雖然能夠提高電流密度，但是其工藝效率較低，而且成形的流道表面光潔度不高，需要后續(xù)處理。美國弗吉利亞聯(lián)邦大學(Journal of Power Sources, 2007，172 (2): 725-733)研制出的液壓脹形與壓力焊接成形工藝能在一個工步上完成陰陽極板的液壓成形和焊接成形，但只適用于陰、陽極板對稱的情況。日本東北大學材料研究所(Internat1nal Journal of Hydrogenenergy, 2008, 33(20):5678-5685)對鎳基金屬玻璃在過冷狀態(tài)下采用熱壓鑄成形工藝制備流場板，但此工藝技術含量較高，不易于標準化生產(chǎn)操作。近期還有研究波紋型的陰極流場板，以沖壓成型工藝制備該種流場板，但是這種沖壓工藝的模具設計復雜，而且成型的波紋板回彈變形大，精度低，由于是薄板沖壓，也容易產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)品合格率低，無法商業(yè)化生產(chǎn)。
實用新型內(nèi)容
[0005]針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，其目的在于提供一種陰極流場板，其具有的流場設計可克服常見的蛇形流場、平行流場、改進型的平行流場中存在的氣體壓降大以及燃料利用率低等問題，采用滾壓成型工藝制備方法，其工藝簡單，可精密成型，產(chǎn)品合格率高。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，用于支撐電池結(jié)構，收集電流，分隔燃料氣和氧化氣，其特征在于:
[0007]其由多個相互平行連接且尺寸相同的齒形波紋塊構成，所述齒形波紋塊由兩個錯開距離后平行排列連接的齒形波紋條構成，所述齒形波紋條由多個相互交替連接的平頂凸臺和平板構成，所述平頂凸臺呈齒形輪廓狀，所述平板連接所述平頂凸臺的根部，以形成齒形波紋狀；
[0008]所述平頂凸臺橫截面形狀為等腰梯形去掉下底邊后的形狀，呈直齒輪廓狀；
[0009]所述平頂凸臺和平板厚度相同，且無縫連接，且所述多個平板的尺寸均相同，所述多個平頂凸臺的尺寸均相同。
[0010]進一步的，所述平板的寬度和長度分別和所述平頂凸臺頂面的寬度和長度相同。
[0011]進一步的，所述齒形波紋板為整塊材質(zhì)相同的金屬薄板在外界壓力下塑性變形而得。
[0012]進一步的，齒形波紋條間錯開的距離同時小于所述平頂凸臺頂面的寬度和所述平板的寬度。
[0013]進一步的，所述平頂凸臺頂面的寬度和所述平板的寬度均為1.4_。
[0014]進一步的,所述平頂凸臺的高度為0.9mm。
[0015]進一步的，所述平頂凸臺的最大寬度處的寬度為2.4_。
[0016]為了進一步說明本實用新型，還提供了一種如上所述的燃料電池陰極氣體流場板的制備方法，采用滾壓成型工藝，該滾壓成型工藝包括如下步驟:
[0017]S1:設計并加工滾壓輪，其中，根據(jù)平面板材到滾壓輪圓周的點對點映射，設計一對可相互咬合的主動滾壓輪和從動滾壓輪，將其加工完成后裝配在固定所述一對滾壓輪的軋機上；
[0018]S2:調(diào)整主動滾壓輪和從動滾壓輪間的間隙，其中，根據(jù)待加工的金屬薄板的厚度調(diào)節(jié)所述間隙，所述間隙即為一對滾壓輪相互咬合時咬合部位的凸模頂面和凹模底面間的距離；
[0019]S3:開啟一對滾壓輪并加工，其中，給所述一對滾壓輪提供驅(qū)動力使其相對滾動，喂送待加工的金屬薄板，進行加工。
[0020]進一步的，所述步驟S3中，沿著固定軌道向一對所述滾壓輪喂送待加工的金屬薄板，以防止走偏而保證加工精度。
[0021]進一步的，所述步驟S2中，所述間隙為0.4?0.6_。
[0022]總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0023]1、本實用新型中流場板結(jié)構保證了氣流橫向混合和湍流，使氣體充分接觸而保證燃料成分利用，還顯著提高氣體的均勻性，且其無過長的流道，克服了蛇形流場過長而導致氣體壓降大的問題。
[0024]2、本實用新型中的波紋板的反弧面為平頂凸臺的頂面，其為一平面，將其設計為平面，可減少其制備過程中回彈變形，且可增加電池陰極和氣體流場板的接觸面積，因此大大降低了接觸電阻，明顯提高了電池的輸出性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1 (a)是本實用新型實施例中燃料電池陰極氣體流場板結(jié)構示意圖；
[0026]圖1 (b)是本實用新型實施例中燃料電池陰極氣體流場板包含齒形波紋條結(jié)構示意圖；
[0027]圖1 (c)是本實用新型實施例中燃料電池陰極氣體流場板包含的平頂凸臺和平板結(jié)構示意圖；
[0028]圖2是本實用新型實施例中燃料電池陰極氣體流場板局部剖面圖；
[0029]圖3是制造燃料電池陰極氣體流場板的一對滾壓輪結(jié)構示意圖。
[0030]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構，其中:
[0031]1-平板2-平頂凸臺3-齒形波紋條
[0032]4-齒形波紋條5-凸模頂面6-凹模底面
[0033]7-錯開距離

【具體實施方式】
[0034]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0035]圖1 (a)是本實用新型實施例中燃料電池陰極氣體流場板結(jié)構示意圖，圖1 (b)是流場板包含的齒形波紋條結(jié)構示意圖，該圖中只給出了齒形波紋條3的結(jié)構示意圖，齒形波紋條4的結(jié)構示意圖和齒形波紋條3結(jié)構和尺寸相同，圖1(c)是流場板包含的平頂凸臺2和平板I結(jié)構示意圖。圖1(a)由多個相互平行連接且尺寸相同的齒形波紋塊構成，齒形波紋塊由兩個錯開距離7后平行排列連接的齒形波紋條3和齒形波紋條4構成，齒形波紋條3和齒形波紋條4均由多個相互交替連接的平頂凸臺2和平板I構成，平頂凸臺2呈齒形輪廓狀，多個平板I交替連接多個平頂凸臺2的根部，以形成齒形波紋狀。平頂凸臺2橫截面形狀為等腰梯形去掉下底邊后的形狀，該下底邊的寬度也即平頂凸臺2的最大寬度處的寬度，優(yōu)選為2.4mm。平頂凸臺2和平板I厚度相同，優(yōu)選為0.25mm,平頂凸臺2和平板I無縫連接，多個平板I的尺寸均相同，多個平頂凸臺2的尺寸也均相同，平板I的寬度和長度分別和平頂凸臺2頂面的寬度和長度相同。平頂凸臺2頂面的寬度和平板I的寬度均優(yōu)選為1.4mm,平頂凸臺2的高度優(yōu)選為0.9mm。但是,本實用新型中對于平頂凸臺2的底邊的寬度、平頂凸臺2和平板I厚度、平頂凸臺2頂面的寬度和平板I的寬度以及平頂凸臺2的高度均不具體限定為以上值，以上值是其優(yōu)選的數(shù)值。
[0036]齒形波紋條3和齒形波紋條4錯開的距離7同時小于平頂凸臺2頂面的寬度和所述平板I的寬度，即兩者錯開的距離后使兩個齒形波紋條沿平板I長度方向形成多個氣體通道，以便于氧化氣的充分流通和均勻分配。本實施例中兩者錯開的距離7為1.4_，如圖2所示，圖2是本實用新型實施例中燃料電池陰極氣體流場板局部剖面圖。
[0037]本實施例中，齒形波紋板為整塊材質(zhì)相同的0.3mm厚的SUS430不銹鋼板在外界壓力下塑性變形而得。本實施例中的燃料電池陰極氣體流場板采用滾壓成型工藝使金屬薄板塑性變形而得。
[0038]制備固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板的滾壓成型工藝中采用一對相互咬合的滾壓輪，采用3個具體的實施例以說明該制備方法:
[0039]實施例1:
[0040]S1:設計并加工滾壓輪，其中，根據(jù)平面板材到滾壓輪圓周的點對點映射，設計一對可相互咬合的主動滾壓輪和從動滾壓輪，將其加工完成后裝配在固定所述一對滾壓輪的軋機上，該一對滾壓輪的表面具有相互咬合時精密配合的凸模和凹模，主動滾壓輪的凸模和從動滾壓輪的凹模相匹配，兩者咬合時使待加工的金屬薄板發(fā)生塑性變形而獲得齒形波紋狀的平頂凸臺；
[0041]S2:根據(jù)待加工的金屬薄板的厚度調(diào)整主動滾壓輪和從動滾壓輪間的間隙，該間隙即為一對滾壓輪相互咬合時咬合部位的凸模頂面5和凹模底面6間的距離。
[0042]圖3是制造固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板的一對滾壓輪結(jié)構示意圖，該圖給出的滾壓輪處于咬合狀態(tài)，其中滾壓輪上突出呈齒形輪廓狀的即為凸模，凹進去呈平底狀的即為凹模，凸模頂面5和凹模底面6間的距離即為一對滾壓輪的間隙。齒形之間的間隙對成型質(zhì)量、滾壓輪壽命有很大影響，間隙過大則加工后流場板會產(chǎn)生較大回彈而發(fā)生變形，造成其加工精度低；如果間隙過小，則會過度擠壓待加工的金屬薄板，使其變薄，變薄的金屬發(fā)生延展，也會影響加工的尺寸精度。
[0043]本實施例中，采用材質(zhì)相同的0.3mm厚的SUS430不銹鋼板作為金屬薄板進行加工，間隙為0.4mm。
[0044]S3:開啟一對滾壓輪并加工，其中，開啟電機給一對滾壓輪提供驅(qū)動力使其相對滾動，沿著固定軌道向一對滾壓輪喂送待加工的金屬薄板，進行加工，金屬薄板變形后從一對滾壓輪的另一側(cè)送出，即得到本實用新型中固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板。
[0045]實施例2:
[0046]本實施例與實施例1相同，不同的是:
[0047]步驟S2中，采用厚度為0.5mm的金屬銅板作為待加工的金屬薄板來制備燃料電池陰極氣體流場板，間隙調(diào)整為0.5mm，獲得銅質(zhì)的燃料電池陰極氣體流場板。
[0048]實施例3:
[0049]本實施例與實施例1相同，不同的是:
[0050]步驟S2中，采用厚度為0.6_的金屬鋁板作為待加工的金屬薄板來制備固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，間隙調(diào)整為0.6mm，獲得鋁質(zhì)的燃料電池陰極氣體流場板。
[0051]加工時，沿著固定軌道向一對滾壓輪喂送待加工的金屬薄板，金屬薄板變形后從一對滾壓輪的另一側(cè)送出，即得到本實用新型中燃料電池陰極氣體流場板。
[0052]本實用新型中，對于金屬薄板的材質(zhì)不限以上三個實施例材質(zhì)，只要可以發(fā)生塑性變形且可導電的金屬薄板均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。
[0053]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，用于均勻分配氧化氣和收集陰極電流，其特征在于， 其由多個相互平行連接且尺寸相同的齒形波紋塊構成，所述齒形波紋塊由兩個錯開距離(7)后平行排列連接的齒形波紋條(3，4)構成，所述齒形波紋條(3，4)由多個相互交替連接的平頂凸臺(2)和平板(I)構成，所述平頂凸臺(2)呈直齒齒形輪廓狀，所述平板(I)連接所述平頂凸臺(2)的根部，以形成齒形波紋狀； 所述平頂凸臺和平板厚度相同，且無縫連接，且所述多個平板(I)的尺寸均相同，所述多個平頂凸臺(2)的尺寸均相同。
2.如權利要求1所述的一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，其特征在于，所述平板(I)的寬度和長度分別和所述平頂凸臺(2)頂面的寬度和長度相同。
3.如權利要求1或2所述的一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，其特征在于，所述齒形波紋板為整塊材質(zhì)相同的可導電金屬薄板。
4.如權利要求3所述的一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，其特征在于，齒形波紋條(3)和齒形波紋條(4)錯開的距離(7)同時小于所述平頂凸臺頂面的寬度和所述平板(I)的寬度。
5.如權利要求4所述的一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，其特征在于，所述平頂凸臺(2)頂面的寬度和所述平板(I)的寬度為1.4_。
6.如權利要求4所述的一種固體氧化物燃料電池陰極氣體流場板，其特征在于，所述平頂凸臺(2)的高度為0.9mm,其最大寬度處的寬度為2.4mm。
【文檔編號】H01M8/02GK204189878SQ201420506892
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權日:2014年9月4日
【發(fā)明者】李箭, 李凱, 顏冬, 賈禮超, 王欣 申請人:華中科技大學