江苏锐尔立碟形弹簧在平板式 SOFC 固体氧化物电池电堆压紧系统中的工程应用

固体氧化物燃料电池（SOFC）与可逆固体氧化物电解池（SOEC）凭借转换效率高、燃料适应性广，可实现分布式热电联供、高温电解制氢等优势，是氢能领域极具发展潜力的能量转换装置。产业化路线主要分为管式与平板式两大类，其中平板式 SOFC功率密度更高、堆叠扩容便捷，成为国内外企业重点落地的技术路线。

平板 SOFC 正常工作温度区间达到 600～850℃，长期面临频繁启停带来的剧烈冷热循环。陶瓷电极、金属连接体、紧固螺栓多种材料热膨胀系数不匹配，极易造成密封面压力波动。玻璃陶瓷密封作为平板电堆主流气密方案，对压紧载荷极其敏感：压力不足引发燃料与空气互窜，压力过大会压裂脆性 PEN 陶瓷单体。在此工况下，碟形弹簧（Belleville Washer）作为弹性补偿元件，被广泛应用于电堆轴向压紧系统，稳定维持密封载荷，保障电堆长期运行可靠性。

一套完整平板 SOFC 电堆在结构上可划分为两大模块：炉膛内部高温堆芯、炉膛外侧冷端压紧机构。高温堆芯包含 PEN 单体（阳极 - 电解质 - 阴极）、Crofer 铁铬合金连接体、玻璃陶瓷密封件、导电集流层，持续处于高温反应环境；外部压紧系统包含拉杆螺栓、端板、绝缘垫板、浮动压板、碟簧组件、锁紧螺母，绝大多数部件布置于低温区域。

工程实践中存在一个普遍认知误区：许多研发人员容易将碟簧归纳为密封件。实际上二者功能边界清晰：玻璃陶瓷密封件是实现气密的核心部件，负责阻隔气体泄漏；锐尔立碟簧属于弹性预紧补偿元件，本身不具备气密能力，作用是持续输出稳定压力，保证密封界面紧密贴合。类比工业法兰系统，玻璃陶瓷密封等同于密封垫圈，碟簧为垫圈提供持续压紧力，二者配合共同完成电堆密封。

早期实验室样机常采用刚性螺栓直接锁紧结构，但是难以适配 SOFC 极端温差工况。电堆由常温升温至工作温度，陶瓷、合金、紧固件产生不同程度轴向伸长；降温阶段整体收缩。刚性紧固结构无法吸收形变，催生两类致命风险：升温膨胀后压力骤增，脆性陶瓷片开裂；冷却收缩后预紧力下降，密封出现间隙。同时数万小时运行下，不锈钢拉杆持续蠕变，装配载荷缓慢衰减。玻璃密封有效工作区间十分狭窄，单纯依靠刚性锁紧无法满足长期服役要求，这也是碟簧组件成为量产电堆标配的核心原因。

一、碟簧标准装配布局与设计准则

行业成熟量产方案统一将碟簧布置在电堆冷端压紧结构，远离炉膛高温区。 标准轴向装配顺序（由外向内）：拉杆螺栓→锁紧螺母→碟簧组件→外侧冷端端板→绝缘垫板→浮动加压板→高温堆芯→内侧浮动压板→内侧端板。碟簧套装在拉杆上，主流布置位置为锁紧螺母与外端板之间。少数方案将碟簧放置于端板和浮动压板中间，但均遵循同一硬性要求：控制碟簧长期工作温度≤250℃。

常规 50CrV4、60Si2Mn 合金弹簧钢碟簧，长期环境温度超过 300℃将发生明显蠕变，弹性载荷快速衰减，丧失补偿功能，因此严禁放置在炉膛内部。仅有部分空间受限的研发样机选用 Inconel 718 镍基高温合金碟簧靠近高温区域，但材料与加工成本大幅上升，不适合规模化量产。 与之对比，管式 SOFC 依靠管状结构实现自密封，无需大面积平面密封结构，轴向恒压需求低，几乎不配置碟簧。碟簧市场需求高度集中于平板式 SOFC 与平板 SOEC 电解槽。

二、碟簧在 SOFC 电堆中的四大核心作用

第一，补偿异质材料热膨胀失配，吸收轴向形变。升降温全过程，陶瓷 PEN 片、金属连接体伸长量存在差值，产生轴向微小位移。碟簧依靠锥面弹性变形吸收尺寸波动，把密封面载荷稳定控制在安全窗口内，规避压力急剧起伏。 第二，抵消紧固件高温蠕变，减缓预紧力衰减。SOFC 电堆设计寿命长达数万小时，持续高温环境下拉杆螺栓缓慢松弛。碟簧持续释放弹性势能，弥补载荷损失，降低长期运行泄漏概率，提升电堆启停循环寿命。 第三，柔性缓冲，防护脆性 PEN 陶瓷基体。PEN 单体属于脆性陶瓷材料，抗过载能力弱。碟簧构建柔性缓冲机构，分散热应力，消除刚性锁紧带来的应力集中，有效防止电池片受压碎裂。 第四，保障玻璃陶瓷密封长期气密性能。玻璃陶瓷密封的密封效果高度依赖均匀稳定的面压力，碟簧持续维持界面压紧状态，避免冷热循环中密封脱开，保障电堆气密性与运行安全。

三、SOFC 工况碟簧材质选型与组合方案

结合安装温度、载荷需求，形成两套成熟选材体系。 千瓦级、兆瓦级商业化 SOFC 电堆，碟簧布置在冷端、长期温度低于 250℃时，优先选用50CrVA、60Si2Mn 合金弹簧钢碟簧。该材质疲劳稳定性好、载荷一致性高，具备优异性价比，适合大批量量产交付。 针对特种样机，结构受限、碟簧短时温度高于 350℃工况，选用 Inconel 718 镍基高温合金碟簧，具备优异抗高温蠕变性能，作为高端备选方案。同时可配套磷化、氧化防护涂层，延缓长期大气环境下的氧化松弛。

碟簧可通过不同堆叠形式匹配设计需求：对合堆叠（串联）提升总行程，适配轴向变形量大的结构；叠合堆叠（并联）提升输出载荷，满足大压紧力工况；复合堆叠结合串联、并联特点，适配复杂载荷需求。设计阶段需要精确核算极限压缩量，杜绝碟簧被完全压平产生塑性永久变形。工程师需结合电堆装配参数进行载荷曲线校核，确定最优组合形式。

四、工程设计关键注意事项

第一，量产项目优先采用碟簧冷端外置方案，从源头规避高温蠕变失效风险；第二，多根拉杆均匀布置碟簧组件，保证端板受力均衡，避免局部偏载造成密封压力分布不均；第三，规范零部件归类，在 BOM、技术文件中将碟簧定义为弹性补偿元件，不可归类为密封件；第四，合理匹配拉杆与碟簧内孔间隙，预留导向空间，避免装配卡滞，保证碟簧自由伸缩。

五、总结

平板式 SOFC 电堆在高温启停工况下产生的热膨胀失配、螺栓蠕变、密封载荷波动，是结构设计必须解决的核心难题。碟形弹簧凭借结构紧凑、载荷可控的特点，实现全温域密封压力动态补偿，同时保护玻璃陶瓷密封与脆性陶瓷电池单体，显著提升电堆冷热循环可靠性。在工程落地阶段，设计人员应当坚持冷端布置优先原则，结合运行温度、目标预紧力合理选择碟簧材质与堆叠方式。

随着固体氧化物电池商业化进程持续加速，适配 SOFC、SOEC 工况定制开发的碟簧组件，将成为优化电堆结构、延长整机服役寿命不可或缺的机械弹性元件，推动固体氧化物电池更快实现规模化商业应用。