成型件的製作方法

2023-04-29 21:29:21

成型件的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種粉末冶金式製造的成型件，包括一片狀或板狀的基體(1)以及多個在成排方向(11)上相鄰排列的並且成排的呈塊狀和/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側邊，所述側邊在高度方向(8)上從凸起部(2)的外部末輪廓(3)出發、經由圓角通到帶一曲線半徑的曲線區段，所述曲線半徑過渡到所述基體(1)的表面輪廓(7)中，其中，側邊的一直線區段或者一由圓角過渡到曲線區段中的切線，與基體(1)的基準面形成一傾斜角(α1、α1』；α2、α2』)。在基體(1)的同一側面(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』)。
【專利說明】成型件
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種如權利要求1前序部分所述的成型件。
【背景技術】
[0002]歐洲專利EP2337130A1公開了一種該類型的成型件，其可用於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，並且必須同時保證在相鄰燃料電池陽極和陰極之間的反應氣體的可靠分離以及對該反應氣體的導引。基於此目的，接口或終端板作為金屬片或金屬板並具有塊狀和/或板狀的凸起部。該凸起部在終端板上通常設置在一測，而在接口上則設置在基體的兩側。突出的結構是朝著電化學活性電池的電接觸區。單個塊狀凸起部和/或板狀凸起部之間的中間空間用於引導反應氣體。接口或終端板必須具有較高的密度，以確保在陽極和陰極之間的反應氣體的可靠分離。
[0003]通過對毛坯進行切削處理而形成上述接口和終端板的最終形式的製造過程是非常昂貴的。另外也可通過粉末冶金生產方式來製造成型件，其中粉末狀原料被儘可能地壓製成最終形式並且緊接著進行燒結。
[0004]在對用於氣體導引的橫截面(也就是成排凸起部相鄰之間的中間空間)進行幾何設計時，採用矩形橫截面是較為理想的，這是因為矩形橫截面形成了良好的折衷，其在有足夠大的氣體導引橫截面的同時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際上不可製成，因此在實踐中採用梯形的橫截面，該梯形的橫截面具有直線的、傾斜的側邊。在粉末冶金加工過程中，藉助於較小的過渡半徑，這種側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，側邊上的一直線區段或者一位於相同側邊過渡半徑上的過渡點的切線具有相對於基體基準面的傾斜角。

【發明內容】

[0005]本發明的任務在於，提供一種適用於在生產技術上簡單、可靠製造工藝的成型件。
[0006]本發明的任務可通過獨立權利要求1中的技術特徵來實現。
[0007]根據本發明，至少兩個不同的傾斜角度設置在基體的相同側，其中不同的傾斜角度也代表了各自相關凸起部的不同的幾何形狀。以這種方式，至少存在一個第一幾何形狀和一個第二幾何形狀。通過這種方式令人驚訝地發現，在製造工具或衝壓壓制工具基體的一側使用至少兩個不同傾斜角度的組合是十分有利的，一方面，可實現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度，另一方面，也可實現過程安全，無故障地對成型件進行脫模。通過這種方式，在生產工具相同的有限複雜性條件下也可通過成型件來達到氣體的可靠分離。這對通過壓制和燒結方法進行粉末冶金生產製造是尤其有效的。這也可使在粉末冶金製造中使用更為節省成本的單級模製工藝方法，以實現在單衝壓壓制操作過程下獲得該成型件的高而均勻的密度。這對於常規的成型件來講通常是不可能的，特別是對於接口或終端板，它們用於在高溫的固體氧化物燃料電池堆(固體氧化物燃料電池)並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，而且非常難以壓製成形，或者必須在一個成本耗費巨大的多級模製工藝中進行處理。
[0008]不同的傾斜角度提供了這樣一種可能性，可使得衝壓壓制工具在幾何形狀上來適應粉末冶金製造，如此一來可避免衝壓件表面、特別是凸起部和衝壓壓制工具之間的可能造成幹擾的摩擦力，從而可以使得衝壓件更好地從衝壓壓制工具中脫模。製造工具和用以壓制的成型件之間的相對運動在製造技術上是保持有利的，並且不會影響工件所定義的最終幾何形狀和機加工完整性，同時還可保證成型件具有足夠的的衝壓密度和衝壓密度梯度。不同的傾斜角度從而可有助於生產非常高品質的成型件。具有不同幾何形狀的凸起部的安置可根據所使用的生產工具，特別是衝壓壓制工具或者衝頭，來進行單獨定義。如此一來，有缺陷的成形品數量減少了。相反地，對製造工具定義不同幾何形狀所耗的成本代價是相對而言比較經濟有效的。
[0009]當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，可在許多情況下進一步改善衝壓件和衝壓壓制工具之間的脫模。
[0010]優選地，第一幾何形狀是由至少一種下述物理參數和值表示:
[0011]-傾斜角α?、α介於95°至135°的範圍內，特別是95°至120°之間，更優選地為95°至110°之間。
[0012]-曲線半徑Rl、R1』介於0.15至I毫米的範圍內，特別是0.3至I毫米。
[0013]-曲線半徑Rl、R1』相對於高度h(R:H)的比值介於0.25至I的範圍內，特別是
0.5至I的範圍內，更優選地為0.7至I的範圍內。
[0014]除了不同的傾斜角度，一個或多個凸起部也可以通過不同曲線半徑和/或不同高度來形成不同的幾何形狀。優選地，所述凸起部的外部末端輪廓和側邊之間的圓角設置有一個圓角半徑r。在這種情況下還有另一種可能性，通過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]權利要求3至5建議了合適的傾斜角度，從而支持實現成型件另外所需要的密度和均質度。在傾斜角度比較大時，凸起部具有相對平坦的側邊。由此可能減小兩個直接相鄰的突起部間以進行氣體導引的通道橫截面，其可以通過修改幾何形狀的其它參數，特別是高度和/或圓角半徑和/或曲線半徑來進行補償。
[0016]根據權利要求6和7，在橫截面中至少一個凸起部形狀是不對稱的。通過這種方式，可避免例如在脫模過程中，由衝壓壓制工具和衝壓件(即用以衝壓壓制的成型件)之間的相對運動所產生的剪應力。由此可額外地保障在基體的整個橫截面面積上所需的氣密性。
[0017]優選地在該基體的一側在成排方向上相鄰設置的凸起部中，佔總數至少50%，特別是至少70%的凸起部具有第一幾何形狀(權利要求8和9)。根據所使用的衝壓壓制工具和/或基體在基準面上的尺寸大小，對個別凸起部設置一第二幾何形狀，足以可靠地實現均勻的衝壓密度，並且可同時保證良好的脫模性。
[0018]根據權利要求10和11，在成排方向上的多個直接相鄰的凸起部具有相同的幾何形狀。由此可使衝壓壓制工具針對性地根據基體的不同部分進行調整，以便防止在衝壓壓制和脫模過程中所可能產生的幹擾效應。[0019]優選地，在基體一側成排凸起部的外側區域中(權利要求12)，至少一個凸起部具有所述第二幾何形狀。當需要首先確保在成排方向上外側區域的較長的一組成排凸起部的高密度以及低密度梯度時，這種方式可支持針對具有在基體基準層上較大金屬片或金屬板橫截面的成型件的低成本生產方式。
[0020]權利要求13至15給出了優選的確定幾何參數高度和曲線半徑的方法和範圍。通過這種方式，因為更大的傾斜角和更平坦的側邊而減小的通道橫截面由此可在第二幾何形狀範圍內得到補償，從而至少可對應於在第一幾何形狀區域中的通道橫截面。因此，儘管成型件具有不同於常規工件的幾何外形，例如將該成型件應用於在燃料電池中時，氣體引導效率仍可得到保障。
[0021]權利要求16給出了根據本發明的成型件的優選應用方式。此處不管是接口還是終端板都是為了所述的電流收集。接口通常位於燃料電池堆的兩個燃料電池之間，而終端板則設置在燃料電池堆的一端。成型件在基體兩側的至少一側(陽極側和/或陰極側)的一組成排凸起部具有至少兩個不同的幾何形狀。接口或終端板中藉由不同幾何形狀在製造技術上獲得的簡單可靠的的氣密性，可以通過低成本的方式改善燃料電池堆的壽命和性能。在電化學電池中，它特別是一種固體電解質型燃料電池——也稱為SOFCXSolid Oxid FuelCe 11，即固體氧化物燃料電池)——或者是一種用於電解應用的電池，尤其是高溫電解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]下面通過附圖及實施例對本發明進行進一步地闡述。
[0023]各圖式如下:
[0024]圖1:示出了一個按比例放大的，現有技術中接口的局部截面示意圖；
[0025]圖2:示出了一個按比例放大的，根據本發明的接口的局部截面示意圖；
[0026]圖3:示出了一個根據本發明的接口橫斷面的掃描型電子顯微鏡照片；
[0027]圖4:示出了一個按比例放大的，根據本發明的終端板的局部截面示意圖。
【具體實施方式】
[0028]圖1中示出了一個公開於歐洲專利EP2337130A1、按比例放大的，用於一個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上所相反的兩側上分別具有多個凸起部2。截面圖中高度為h的梯形凸起部2通過任一由兩個直接相鄰的凸起部2間的通道狀的中間空間形成接口的氣體導引通道，該凸起部通過接口的整體延伸可形成塊狀結構、連續的板狀結構或者間隔的板狀結構。在高度方向8上，每個凸起部2的外部末端輪廓3經由一圓角半徑r或r』的圓角4或4』轉變成具有直線區段5或5』的傾斜的側邊。該直線區段5或5』再轉變成半徑為R或R』的曲線區段6或6』。該曲線區段然後再次無過渡地轉變成基體I的表面輪廓7或7』。在高度方向8上所相對的的末端輪廓3限定了接口的一厚度D。傾斜的側邊與基體I的表面輪廓7或7』形成一角α或α』。同樣可以設想的是，當曲線區段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，圓角4或4』在沒有位於其間的直線區段5或5』的情況下直接通到曲線區段6或6』。在這種情況下，在圓角4或4』在過渡到曲線區段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所相對的第一側面9及第二側面10上分別布置有多個凸起部2。所述的多個凸起部2在與基體I基準面平行的成排方向11上以相鄰的方式成排設置。具有第一幾何形狀的凸起部2設置於成排凸起部的中心區段12，而在偏離成排凸起部中心區段的外部區段13上則設置有多個具有一第二幾何形狀的凸起部2。原則上，在基體I的任一側面9、10上都具備兩種不同的幾何形狀，其中在兩個側面9、10上的所述第一幾何形狀和/或在兩個側面9、10上的所述第二幾何形狀都不必是每個都相同的。可替代的另一種方案是，也可僅在接口的一個側面9或10上的第一幾何形狀旁設置一第二幾何形狀。
[0030]在圖2中，為了圖形簡單起見，省略了圖1中的標號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的參考標號中所表示的結構特徵。
[0031]在圖2中，第一幾何形狀的傾斜角α?或α I』是120°。在外部區段13上的第二幾何形狀的傾斜角α 2或α 2』是135°。優選地，同一凸起部2的兩個側邊5在外部區段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段12的傾斜角α 2』要小於面向成排凸起部另一端或外部區段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分別位於一與基體I基準面平行的平面上。同時，位於中心區段12的凸起部2的高度hi小於位於外部區段13的高度h2。換句話說，基體I在外部區段13上和中心區段12上所相應的表面輪廓7在高度方向8上是被分別偏移設置的。
[0033]作為接口的成型件是通過粉末冶金的方式製造的。藉助於一種衝壓壓制工具來對工件進行衝壓壓制，在高度方向8上相對設置的兩組成排凸起部中至少一中心區段具有一第一幾何形狀。當一組成排凸起部被設置成燃料電池的陰極時，另一組成排凸起部則被設置成燃料電池的陽極。每一組成排凸起部的兩個外部區段13都分別具有3個帶一第二幾何形狀的凸起部2。佔總數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參見如下。
[0034]在燃料電池陰極一側的凸起部2通過以下幾何形狀來實現:
[0035]
【權利要求】
1.粉末冶金式製造的成型件，包括一片狀或板狀的基體(1)以及多個在成排方向(11)上相鄰排列的並且成排的呈塊狀和/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側邊，所述側邊在高度方向(8)上從凸起部(2)的外部末輪廓(3)出發、經由圓角(4、4』)通到帶一曲線半徑(R、R』)的曲線區段(6、6』)，所述曲線半徑(R、R』)過渡到所述基體(1)的表面輪廓(7、7』)中，其中，側邊的一直線區段(5、5』)或者一由圓角(4)過渡到曲線區段(6)中的切線，與基體(1)的基準面形成一傾斜角(α1、α 1』)，所述凸起部(2)布置在基體(1)在與高度方向(8)所相對的兩個側面(9、10)中的至少一個側面(9、10)上， 其特徵在於: 在基體(1)的同一側面(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.根據權利要求1所述的成型件，其特徵在於，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』)大於所述第一幾何形狀(h1、rl、rl』、Rl、Rl』、a 1、α )的傾斜角(a 1、a 1』)。
3.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，所述第一幾何形狀(h1、rl、rl』、Rl、Rl』、a 1、a 1』)的傾斜角(a 1、α )介於95°至135。的範圍內。
4.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，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，)介於 135。至 150。的範圍內。
5.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，相鄰的所述凸起部(2)的側邊具有不同的傾斜角(a 1、a 1』 ； a 2、a 2』)。
6.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，同一所述凸起部(2)的兩個側邊具有不同的傾斜角(a 1、a 1』 ； a 2、a 2』)。
7.根據權利要求6所述的成型件，其特徵在於，在成排方向(11)上，面向成排凸起部一端(13)的側邊與面向成排凸起部中心(12)的側邊相比，具有一個更大的傾斜角(a 2)。
8.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，最多佔總數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.根據權利要求8所述的成型件，其特徵在於，最多佔總數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.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，沿著成排凸起部的成排方向(11)，多個直接相鄰的凸起部(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.根據權利要求10所述的成型件，其特徵在於，具有第一幾何形狀(hl、rl、rl』、Rl、Rl』、a K a )的凸起部(2)位於成排凸起部的中心區段(12)。
12.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，在偏離成排凸起部中心區段的一外部區段(13)上設置有至少一個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.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，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)小於具有第二幾何形狀(h2、r2、r2』、R2、R2，、α 2、α 2』)的凸起部(2)的高度(h2)。
14.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，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』)小於 0.15mm。
15.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，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小於 0.25。
16.根據任一前述權利要求所述的成型件，其特徵在於，所述的成型件是用以電化學電池進行電連接的一 接口或一終端板。
【文檔編號】B22F5/08GK103917314SQ201280036180
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年7月18日 優先權日:2011年7月21日
【發明者】馬爾科·布蘭德納, 奧利弗·希爾施, 沃爾夫岡·克勞斯勒, 託馬斯·萊特 申請人:普蘭西歐洲股份公司