CN100424920C - 燃料电池用隔板、燃料电池组、燃料电池用隔板的制造方法、以及燃料电池车辆 - Google Patents

Abstract

燃料电池用隔板，包括：波浪状或凹凸状的气体流路部(4)，其形成在包覆化薄板的中央部(2)；以及平坦部(6)，形成在中央部的外围，其中，通过对表面被贵金属层覆盖的金属板以5%-15%的压下率进行轧制加工以形成包覆而获得包覆化薄板，并且预先获得极限板厚残存率(通过用包覆化薄板的原始板厚除包覆化薄板加工后的板厚获得的一值)，该极限板厚残存率表示其中在包覆化薄板中贵金属层裂纹和由于金属板的露出而导致的耐腐蚀性下降可忽略的边界极限，其中，关于沿与气体流路部(4)的流路垂直的方向的截面形状，当肋肩部的最薄部的板厚表示为t2以及隔板的周边部的板厚表示为t4时，满足t2≥t4×极限板厚残存率的关系。

Description

燃料电池用隔板、燃料电池组、燃料电池用隔板的制造方法、以及燃料电池车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池用隔板、燃料电池、制造燃料电池用隔板和燃料电池的方法、以及燃料电池车辆。

背景技术

燃料电池是使作为燃料的氢气和氧气相互发生电化学反应以直接将燃料的化学能转换为电能。作为燃料电池，根据所使用的电解质的类型，有固体高分子电解质型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型等。作为上述类型中的一种，固体高分子电解质型燃料电池是利用分子中具有质子交换基的高分子树脂膜被用作电解质并且当该高分子树脂膜与水化合至饱和状态时，其用作质子导电电解质这一事实的蓄电池。由于固体高分子电解质型燃料电池在相对低温下操作并且具有高发电效率，预期具有多种应用，包括用于安装在电动汽车上。

固体高分子电解质型燃料电池包括燃料电池组，并且该燃料电池组通过层叠多个均被构造为基本单元的电池单元，然后将所层叠的电池单元夹在具有端部法兰的两端之间并使用紧固螺栓固定所层叠的电池单元来一体地构造。构成燃料电池组的电池单元具有通过将氧化电极和氢电极连接和一体化到固体高分子电解质膜的两侧而获得的膜电解质接合体。氧化电极和氢电极均具有设置有反应膜和气体扩散层的两层结构，并且该反应膜形成在固体高分子电解质膜侧。氧化电极侧隔板和氢电极侧隔板分别布置在氧化电极和氢电极的两侧，并且氧气流路、氢气流路和冷却水流路由各隔板限定。

通过将氧化电极和氢电极布置在固体高分子电解质膜的两侧上，一般通过热模锻法将它们一体地接合以构造膜电解质接合体，然后将隔板布置在该膜电解质接合体的两侧来制造具有上述结构的电池单元。氧化电极和氢电极均是多孔的，并且气体或者水从此通过。在由电池单元构成的燃料电池中，当氢气、二氧化碳、氮气和水蒸气的混合气被施加到氢电极侧，并且空气和水蒸气被施加到氧化电极侧时，电化学反应主要发生在固体高分子电解质膜和反应膜的接触面上。以下将说明更加具体的反应。

在如上构造的燃料电池组中，当氧气和氢气各自被施加到氧气流路和氢气流路时，氧气和氢气经由各自的气体扩散膜被施加到反应膜侧，从而在氢电极侧和氧化电极侧的反应膜上发生反应。

氢电极侧：H₂→2H⁺+2e^-               ...公式(1)

氧化电极侧：(1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O    ...公式(2)

当氢气被施加到氢电极侧时，进行公式(1)所示的反应，以产生2H⁺和2e^-。2H⁺移动到处于水合氧化状态的固体高分子电解质膜的内侧，以流动到氧化电极侧，并且通过一载荷2e^-从氢电极流动到氧化电极。在氧化电极侧，由于2H⁺、2e^-和所施加的氧气导致公式(2)所示的反应进行，从而产生电力。

由于上述燃料电池组中所使用的各隔板具有电联接邻接电池单元的功能，因此需要具有优良导电性和低接触电阻的材料作为构成材料。由于隔板使氢气与氧气隔离，因此需要具有对反应气体氢气或氧气的高气密性。此外，由于被施加到燃料电池的各气体具有80℃-90℃高的温度，并且隔板被暴露于高温气体，因此需要具有对氢气和氧气的氧化/还原反应的抗腐蚀性。

其中作为原材料的碳被形成为板状并且反应气体流路被形成在该板的两表面上的隔板被公开(参见“Development andpractical use of Solid polymer type fuel cell”，1999年出版，Technical Information Institute Co.，Ltd.(第92页))。

在使用由碳制成的板状隔板的电池单元中，通过将氧化电极和氢电极布置在固体高分子电解质膜的两表面上构造膜电解质接合体，并且隔板被布置在该膜电解质接合体的两表面上。

然而，尽管由碳制成的隔板可使隔板与构成材料例如气体扩散电极之间的接触电阻减小，并且可保持低接触电阻值。然而，其强度比由金属制成的隔板低。为了将燃料电池安装在移动车辆例如汽车上，存在减小隔板厚度以减小燃料电池尺寸的需要。然而，隔板厚度的减小存在局限，并且隔板必须具有至少约1mm-5mm的厚度。

日本专利申请公报No.2000-323149和No.2002-190305公开了一种具有连续波浪状截面的隔板，其中金属薄板被压制成形，使得能够实现燃料电池的小型化并降低成本。

日本专利申请公报No.2002-260681和No.2002-254180公开了一种隔板，其通过以下方法获得：将贵金属层形成在金属板的表面上，以5％或更大的压下率进行轧制加工以通过包覆形成包覆化合金薄板，将包覆化合金薄板压制成形为预定形状，然后形成允许氢气或氧气流动的气体通路。根据该技术，由于贵金属的表面包覆层形成在母材材料上作为包覆层薄膜，并且母材材料和作为包覆层薄膜的贵金属都被轧制，所以在二者之间的紧密粘附力变得很大，从而可获得近似等于包覆材料的粘附力的紧密粘附力。贵金属层的多孔结构可被制得微小并且其上的气孔接近，从而改善抗腐蚀性。因此，即使在轧制之后进行变形处理，作为包覆薄膜的贵金属层也不剥离。此外，由于通过轧制改善抗腐蚀性，包覆层薄膜被薄化，以降低成本，并且由于贵金属层被形成在表面上，可使与构成材料例如气体扩散电极的接触电阻减小。

发明内容

然而，在通过在金属板的两表面上形成贵金属层而获得的所述隔板中，在所述金属板上以5％-15％的压下率进行轧制加工以形成包覆化合金薄板，使用所述包覆化合金薄板并且进行压制以获得预定的形状，为了获得预定的截面形状，过量的拉伸应变局部地发生在基础母材构件上，尤其发生在被剧烈加工的反应气体流路部上的截面形状的肋肩部上。此外，作为表层的所述贵金属层不能跟随该应变，几微米到几十微米范围内的许多微小裂纹发生在作为所述表层的所述贵金属层中，并且所述基础母材构件在所述贵金属层裂纹的部分露出。因此，抗腐蚀性下降，并且在所述表面上不能获得与所述贵金属层的形成成比例的抗腐蚀性的提高。

此外，所述贵金属层本身的缺陷不引起所述表层贵金属层中的微小裂纹，但在所述基础母材构件上局部过大的伸长应变以及所述表层贵金属层不能跟随所述应变引起所述表层贵金属层中微小裂纹的产生。因而，存在所述贵金属层可能细微裂纹的危险。

为了解决上述问题，当经由压制成形通过在金属板的表面上形成贵金属层并且使用通过以5％-15％的压下率在所述金属板上进行轧制加工获得的包覆化薄板来获得预定的隔板形状时，本发明人对关于压制成形方法与产品的气体流路截面形状和在贵金属层中发生微小裂纹之间的关系进行了认真地研究，以防止所述表层贵金属层的肋肩部中微小裂纹的发生和由于微小裂纹的发生而引起的作为所述基础母材构件的所述金属板的露出导致的抗腐蚀性下降。然后，本发明人发现这一事实：为了将所述包覆化薄板压制成形为预定形状，当进行包括至少一步骤用于延伸材料的预压制成形和用于获得所述预定形状的完成压制成形的两步骤或更多步骤的多步骤成形时，在非所述预压制成形步骤而在所述完成压制成形步骤时，由于作为所述基础母材构件的所述金属板的露出而导致微小裂纹发生在所述贵金属层内。此外，本发明人还发现：通过单轴拉伸试验不能再现所述微小裂纹，并且除非使用能够施加增加表面积的平面应变的球头冲头拉伸成形试验，否则不能再现所述微小裂纹。此外，在所述球头冲头拉伸成形试验中，本发明人还发现：当平面应变量和板厚减小量被抑制到一定值时，不会发生微小裂纹(由于所述包覆材料的基础构件、所述表层贵金属层的质量、以及在形成包覆的操作过程的所述压下率，微小裂纹发生极限平面应变或者微小裂纹极限板厚残存率存在变化)。此外，本发明人发现：当所述肋肩部的厚度减小率被抑制至通过微小裂纹再现试验获得的值或更小时，或者当所述肋肩部的曲率半径与所述板厚的比率是一定值或更大时，可将所述微小裂纹的发生抑制至考虑抗腐蚀性可忽略的范围。另外，本发明人还发现：为了获得预定的截面形状，以预定值或者更大的比率在所述多步骤压制成形的所述预压制成形步骤将成形高度提高至产品的成形高度很重要，并且在所述预压制成形过程中，充分地预延伸材料也很重要，从而在所述完成压制成形步骤可同时支持所述肋肩部的弯曲和压缩应变。此外，从这些结果，本发明人发现裂纹的产生可被抑制至考虑抗腐蚀性可忽略的范围，并且基于上述发现完成本发明。

在根据本发明的一个方面，燃料电池用隔板包括：凹凸状或者波浪状的气体流路部，其形成在包覆化薄板的中央部；以及平坦部，其形成在所述中央部的外周，其中，所述包覆化薄板通过在其表面被贵金属层覆盖的金属板上以5％-15％的压下率进行轧制加工以形成包覆来获得。预先获得极限板厚残存率(通过用所述包覆化薄板原始板厚除所述包覆化薄板加工后的板厚而获得的值)，该极限板厚残存率表示其中所述包覆化薄板中的所述贵金属层的裂纹和由于所述金属板露出而导致的抗腐蚀性下降可忽略的边界极限，其中，关于沿垂直于所述气体流路部的流路的方向的截面形状，当与气体扩散层接触的肋中央部的板厚表示为t1；肋肩部的最薄部的板厚表示为t2；肋斜面部的板厚表示为t3；以及所述隔板的周边部的板厚表示为t4时，满足t2≥t4×极限板厚残存率。

在根据本发明的另一方面，燃料电池包括：膜电极接合体，其形成在具有氧化剂气体极和燃料极的电解质膜的两表面上；氧化剂极侧隔板，其布置在所述膜电极接合体的所述氧化剂极侧；以及燃料极侧隔板，其布置在所述膜电极接合体的所述燃料极侧，其中，层叠在所述膜电极接合体与所述各隔板之间形成有燃料气体流路和氧化气体流路的多个电池单元，并且在所述各隔板之间形成冷却水流路，其中，所述各氧化剂极侧隔板和所述燃料极侧隔板是根据上述燃料电池用隔板的所述燃料电池用隔板。

换句话说，在根据本发明的另一方面，提供安装有根据上述燃料电池组的所述燃料电池组，并且将所述燃料电池组用作动力源的燃料汽车。

同时，在另一方面，本发明提供一种燃料电池用隔板的制造方法，其包括：预压制成形，其使通过将贵金属层形成在金属板的表面上，以5％-15％的压下率对该金属板进行轧制加工以形成包覆而获得的包覆化薄板的延伸；以及完成压制成形，其将所述包覆化薄板成形为预定的波浪状，以形成气体流路部。

结合附图从以下说明中将更加清楚本发明的其它特征、优点和好处。

附图说明

图1是本发明第一实施例中其上形成交叉型流路的固体高分子型燃料电池用隔板的气体流路面侧的俯视图。

图2是图1所示的固体高分子型燃料电池用隔板的截面形状的示意图。

图3是图1所示的固体高分子型燃料电池用隔板的气体流路部的示意性透视图。

图4是示出实施例1的隔板的气体流路部上的截面形状的光学显微照片。

图5是示出比较例2的隔板的气体流路部上的截面形状的光学显微照片。

图6是示出隔板在预压制成形操作完成后的截面形状的光学显微照片。

图7是示出与俄歇电子能谱法分析位置同一视野中实施例1的SEM观察像的照片。

图8是示出通过俄歇电子能谱法分析获得的实施例1的Au映射结果的照片。

图9是示出通过俄歇电子能谱法分析获得的实施例1的Fe映射结果的照片。

图10是示出与俄歇电子能谱法分析位置同一视野的比较例2的SEM观察像的照片。

图11是示出通过俄歇电子能谱法分析获得的比较例2的Au映射结果的照片。

图12是示出通过俄歇电子能谱法分析获得的比较例2的Fe映射结果的照片。

图13是示出在通过冷轧加工进行包覆时压下率x与极限板厚残存率y之间的关系的曲线图。

图14是示意性示出本发明第二实施例中燃料电池组的一部分的剖视图。

图15是示出本发明第二实施例中燃料电池组的外观的结构图。

图16是本发明第二实施例中燃料电池组的透视图。

图17A和图17B是示出第三实施例中其上安装燃料电池组的电动汽车的外观的电动汽车的侧视图和俯视图。

具体实施方式

以下，参考作为安装有燃料电池组的燃料电池电动汽车的一个示例的附图1-图17详细说明根据本发明不同实施例的燃料电池用隔板、制造该隔板的方法、燃料电池组、以及燃料电池车辆。

(第一实施例)

首先，以用于具有交叉型流路的固体高分子型燃料电池的隔板为例，参考图1-图13、表1和表2说明根据本发明第一实施例的燃料电池用隔板及其制造方法。

图1是其上形成交叉流路的固体高分子型燃料电池用隔板的气体流路面侧的俯视图；图2是该隔板的截面形状的示意图；图3是该隔板的气体流路部的示意性透视图。

如图1所示，固体高分子型燃料电池用隔板1具有用作发电部的中央部2，其形成为通过交替地形成允许电流通过的凸状肋3和与肋3邻接的凹状气体流路槽4而获得的凹凸状。气体流路槽4以正交直线的形式与形成在中央部2的两端的气体集合管5连接。焊缝部6形成在中央部2外周的隔板1的外周缘，并且隔板1的截面具有如图2所示的连续波浪形状。

图3是燃料电池用隔板1的中央部2中的气体流路部的透视图。如图3所示，气体流路槽底部9在燃料电池用隔板1的中央部2上从肋平坦部7经由肋斜面部8连续，并且肋平坦部7和气体流路槽底部9被配置成彼此基本平行。

具有上述形状的燃料电池用隔板1由包覆化薄板构成，通过对作为基础母材构件的金属板的两表面进行防腐蚀和导电性表面处理，该包覆化薄板形成有包覆层。

作为母材构件的金属板可由一种选自下组中的合金构成：铁基合金、镍基合金、工业纯钛、钛基合金和不锈钢合金，或者由至少其中两种组合而获得的合金，并且通过应用这种合金可以较低的成本提供具有优良的抗腐蚀性和生产率的燃料电池用隔板。

在上述铁基合金中，最优选地是使用奥氏体系不锈钢板如SUS304或SUS316、铁素体系不锈钢如SUS430，从而可以较低的成本提供具有更加优良的抗腐蚀性和生产率的燃料电池用隔板。

该包覆层是通过在作为基础母材构件的金属板上形成0.01μm-0.05μm厚的贵金属层，然后在其上以5％-15％的压下率进行轧制而获得的层。该包覆层优选由诸如金(Au)、铂(Pt)或者银(Ag)等贵金属构成。在这些贵金属之中，最优选Au或者Au合金。通过形成Au或者Au合金的贵金属层，可获得的燃料电池用隔板不但具有优良的抗腐蚀性、延展性和高导电性，而且还具有与诸如邻接气体扩散电极等的构成材料低接触电阻。

隔板周边部未进行压制成形的包覆化薄板的板厚t4优选设定在0.05mm-0.10mm的范围内。当包覆化薄板的板厚t4变成小于0.05mm时，隔板的强度下降，而当板厚t4超过0.10mm时，隔板的重量变得太重，以致这些隔板不适合移动车辆如汽车。此外，贵金属层的厚度优先设定在0.01μm-0.05μm的范围内。

此外，在上述燃料电池用隔板中，贵金属层的厚度优选设定在金属板厚度的1/10000-1/1000的范围内。将贵金属层的厚度设定在该范围的原因在于：当贵金属层的厚度变得薄于该范围时，抗腐蚀性下降，而当贵金属层的厚度变得厚于该范围时，成本变得非常高。通过将贵金属层规定为该范围内的厚度，可以低成本提供具有优良抗腐蚀性和与邻接构成构件低接触电阻的燃料电池用隔板。

稍后将说明燃料电池用隔板1的制造方法。首先，在制造隔板之前，通过对作为基础母材构件的金属板的两表面进行抗腐蚀和导电性表面处理以形成包覆层来制造预定厚度(板厚t4)的包覆化薄板。然后，制造通过以分步骤的方式对板厚t4的包覆化薄板施加平面塑性应变而获得的试件，并且分别测量隔板的板厚、表面贵金属层中发生的微小裂纹和由于微小裂纹发生而导致的作为基础母材构件的金属板的露出有无。获得可忽略由于基础母材构件露出导致的抗腐蚀性下降的极限板厚，从而肋肩部中最薄部的板厚t2至少等于该极限板厚。

为了对表层贵金属层中发生的微小裂纹和由于微小裂纹发生而导致的基础母材构件的露出进行精确测定，应使用俄歇电子能谱法分析而不是提供深检测深度的EPMA(电子束探针微分析)等进行观察。在俄歇电子能谱法中，可通过以大约500倍-5000倍的放大倍数对贵金属层中的主要元素和基础母材构件贵金属材料中的主要元素进行元素映射分析并对未探测到贵金属元素的部分和检测到基础构件元素的部分进行彼此位置和形状是否一致的观察。

关于气体流路槽4沿与流路方向垂直的方向的截面形状，假定：与气体扩散层接触的肋中央部的板厚由t1表示；肋肩部的最薄部的板厚由t2表示；斜面部的板厚由t3表示；以及周边部未进行压制成形加工的板厚由t4表示。在该情况下，优选板厚t2满足关系t2≥t4×极限板厚残存率。更具体地，优选板厚t2满足关系t2≥0.7×t4，并且特别优选t2满足关系t2≥0.74×t4。

极限板厚残存率表示加工之后的板厚与加工之前的板厚之比的值。该极限板厚残存率具有根据在金属板表面形成贵金属层并且进行轧制加工以形成包覆层时的压下率而变化的值。假定在进行轧制加工时形成包覆层的压下率是x％，并且极限板厚残存率是y，优选压下率x和极限板厚残存率y满足关系y＝0.5+0.02x。更优选地，压下率x和极限板厚残存率y满足关系y＝0.55+0.02x。

通过将板厚t2限制在上述范围，防止肋肩部上的表层贵金属层的微小裂纹的发生，并且抑制由于微小裂纹的发生而导致的基础母材构件的露出，从而可防止抗腐蚀性下降。

此外，当气体流路部的截面形状中与气体扩散层接触面侧上测定位置附近处的外侧曲率半径和里侧的内侧曲率半径由R_外和R_内表示时，优选R_外具有正的曲率半径。优选R_外/(R_内+t2)为5或更小，更优选为1.5或更小。优选R_外/t2为5或更小，还优选为10或更小。此外，优选R_外/R_内为10或更小，更优选为2或更小。将肋肩部的最小板厚、以及板的外侧曲率半径和板的内侧曲率半径之间的形状限定在这些范围的原因在于：当它们偏离这些范围时，微小裂纹发生在作为表层的贵金属层中，并且由于微小裂纹的发生作为基础母材构件的金属板露出，从而抗腐蚀性下降。

此外，关于肋肩部的板的外侧曲率半径的绝对值，R_外优选设定为0.6mm或更小，更优选0.5mm或更小。通过将R_外设定为0.6mm或更小，防止表层贵金属层中微小裂纹的发生，从而可完全抑制由于微小裂纹的发生而导致的基础母材构件的露出。

也优选地是：隔板截面上肋肩部的最小板厚与肋斜面部的板厚之间的关系，以及肋斜面部的板厚与肋顶部平坦部的板厚之间的关系满足t2/t3≥0.74和t3≥t1。通过设定在该范围，可进一步有效地抑制表层贵金属层中微小裂纹的发生以及由于微小裂纹的发生而导致的基础母材构件的露出。

[燃料电池用隔板的制造方法]

燃料电池用隔板1可通过以下制造方法制造。

首先准备一种选自下组的合金：铁基合金、镍基合金、钛基合金和不锈钢合金，或者这些合金的两种或两种以上组合的合金板作为基础母材构件的金属板，并且在该金属板的两表面上形成厚度为0.01μm-0.05μm由金(Au)等制成的贵金属层。然后，通过以5％-15％的压下率轧制该金属板形成包覆化薄板。虽然以5％-15％的压下率进行轧制加工，当压下率低于5％时，表面金属层的破坏变得严重并且抗腐蚀性下降。当压下率超过15％时，在稍后进行的压制成形隔板形状中不能保证材料足够的延展性的缺点出现。为了保证在稍后进行的压制成形中的精度，优选将压下率设定在5％-10％的范围内。

在金属板上形成贵金属层的方法包括：PVD处理，例如真空沉积、喷溅包覆、离子电镀；CVD处理；以及镀层工艺，例如电镀、化学镀。此外，轧制是为了提高金属板与贵金属层之间的密闭粘附力以使贵金属层的多孔结构精密化，以及为了使针孔闭合以改善抗腐蚀性，并且可使用通常使用的轧辊进行轧制。

在将已制造的包覆化薄板切割成预定尺寸并且将已切割的包覆化薄板用诸如聚酯、聚乙烯的高分子材料包覆之后，包覆有高分子材料的包覆化薄板经过胀形成形，生产燃料电池用隔板。该胀形成形将稍后说明。

通过使用通过在金属板上形成贵金属层而获得的包覆化薄板，可将隔板和与其邻接的诸如气体扩散电极的构成材料之间的接触电阻抑制至较低水平，从而可以低成本获得燃料电池用隔板，该燃料电池用隔板可保持燃料电池的发电效率并具有良好的持久可靠性。通过使用上述材料构成包覆化薄板，即使燃料电池被小型化，也可保持高强度，从而通过使燃料电池用隔板薄型化，可获得具有高输出密度的燃料电池。接着，将说明胀形成形。

胀形成形是多步骤压制成形，其包括用于将气体流路部的截面形状改变为预定形状的两个或更多压制成形步骤。该多步骤压制成形具有用于延伸该包覆化薄板的一个或者两个预压制成形步骤以及用于获得预定形状的完成压制成形步骤。通过预先在预压制成形步骤中获得包覆化薄板足够的延伸量，沿垂直于气体流路槽的方向作用在包覆化薄板表面侧的压应力在完成压制成形步骤在肋肩部的弯曲加工过程中可持续，从而可抑制表层贵金属层中微小裂纹的发生以及由于微小裂纹的发生而导致的基础母材构件的露出。

更具体地，优选预压制成形步骤之后的成形高度至少是产品成形高度的1.25倍，更优选至少1.3倍。尽管预压制成形之后的成形高度被限定为至少是产品成形高度的1.25倍，如果低于1.25倍，则不能获得材料足够的延伸。结果，在随后进行的完成压制成形步骤中不能获得预定的形状。

关于具有板厚t2的隔板截面的肋肩部的表面，优选微小裂纹不发生在贵金属层中，从而作为基础母材构件的金属板不露出，或者即使微小裂纹发生在贵金属层中，从而金属板露出，但露出金属板与整个金属板的面积比被抑制为1％或更小。通过将金属板露出面积比抑制为1％或更小，即使在金属板露出的情况下，压制成形之后的抗腐蚀性也可保持相当于压制成形之前包覆化薄板的状态，即可忽略抗腐蚀性的恶化。

通过以这种方式直接抑制在流路截面的肋肩部处表层贵金属层中微小裂纹的发生频率，可将由于表层贵金属层中微小裂纹的发生和归因于微小裂纹发生的基础母材构件的露出而导致的抗腐蚀性下降的程度抑制至完全可以忽略的范围。

下面根据实施利1-9以及比较例1-4制作各隔板以及评价它们的抗腐蚀性。

实施例1-5

在实施例1-5中，使用以下述方式制备的0.1mm厚的包覆化薄板。在将0.03μm厚的Au镀层施加在厚度t为0.11mm、材料为SUS316L固溶热处理(BA)材料的薄板材料的两表面上之后，使该金属覆盖板以10％的压下率经受冷轧加工，从而制备该包覆化薄板。关于这一点，其中未经受压制成形加工的包覆化薄板的隔板周边部的板厚t4为0.1mm。

该包覆化薄板材料被切成150mm×150mm的尺寸，并且具有尺寸为100mm×100mm的气体流路部(有效区域)的交叉型流路被胀形成形，以制造隔板。

在实施例1-5中，在改变预压制成形步骤的包覆化薄板延伸量的同时，即改变在预压制成形时成形高度的同时，制造具有各种截面形状的隔板。

实施例6-9

在实施例6和7中，使用以下述方式制备的0.1mm厚的包覆化薄板。将0.03μm厚的Au镀层施加在厚度t为0.11mm、材料为SUS 316L固溶热处理(BA)材料的薄板材料的两表面上，然后使该金属覆盖薄板以7.5％的压下率经受冷轧加工，从而制备该包覆化薄板。在实施例8和9中，使用以下述方式制备的0.1mm厚的包覆化薄板。将0.03μm厚的Au镀层施加在厚度t为0.11mm、材料为SUS 316L固溶热处理(BA)材料的薄板材料的两表面上，然后使该金属覆盖薄板以5.0％的压下率经受冷轧加工，从而制备该包覆化薄板。

比较例1-4

在这些比较例中，隔板以与实施例1-9相似的方式制造，并且通过改变在轧制时的压下率和改变在预压制成形时的成形高度来获得各种截面形状的隔板。

关于从上述实施例1-9以及比较例1-4获得的各隔板，在其气体流路部中央部被切掉并且被埋入高分子材料如聚酯之后，通过研磨，使中央部沿与气体流路部的流路垂直的方向的截面露出，并且使用光学显微镜观察该截面。

作为各隔板的截面观察结果，图4-图6示出了截面光学显微镜照片的代表例。

图4是示出实施例1的隔板的气体流路部的截面形状的光学显微镜照片。图5是示出比较例2的隔板的气体流路部的截面形状的光学显微镜照片。图6是示出在预压制成形完成之后隔板的截面形状的光学显微镜照片。观察图4-图6所示的各隔板的截面，并且分别测量与气体扩散层接触的隔板面侧的：位于肋中央部的肋平坦部7的板厚t1、肋肩部的最薄部的板厚t2、以及肋斜面部8的板厚t3。同时测量在测量位置附近的外侧角部曲率半径R_外和在隔板里侧的内侧隅部具有最小曲率半径的隅部曲率半径R_内。基于该测量值计算各参数，并且将所计算的值和隔板的尺寸示于表1和表2。

如表1和表2所示，在实施例1-9的各隔板中，预成形高度与产品成形高度的比值至少为1.25，并且在压制成形之后，隔板的各形状满足关系t2≥0.7×t4。

在表1所示的实施例1-9和比较例1-4中，对用于形成包覆层的轧制加工时的压下率x％进行了各种变化。

在实施例1-9和比较例1-4的各隔板中，与气体扩散层接触的气体流路部的中央部被切除，并且检查在肋肩部的表层贵金属层中微小裂纹的发生以及由于微小裂纹的发生而导致的基础母材构件的露出。然后，在隔板的切除部经正己烷超声清洗之后，对切除部进行俄歇电子能谱法分析。在俄歇电子能谱法分析中，使用场致发射型俄歇电子能谱法分析装置(由Physical ElectronicsIndustries，Inc.制造的Model 1680)，在电子束加速电压为10kV、电子束直径Φ为35nm、测量区域为160μm×200μm(500倍)、256×256像素的条件下进行测量。在这些测量条件下，对Au和作为基础不锈钢母材构件的主要元素的Fe进行元素映射，并且获得与分析位置同一视野的SEM(扫描型电子显微镜)观察像。

图7-图9示出了实施例1的观察结果，图7是示出实施例1中与分析位置同一视野的SEM观察像的照片；图8是示出Au映射结果的照片；图9是示出Fe映射结果的照片。

图10-图12示出了比较例2的观察结果，图10是示出比较例2中与分析位置同一视野的SEM观察像的照片；图11是示出Au映射结果的照片；图12是示出Fe映射结果的照片。在图8、图9、图11和图12所示的各映射中，示出了从白色部分10检测到Au或者Fe元素，以及从黑色部分11未检测到Au或者Fe元素的事实。

在俄歇电子能谱法分析中，允许信息探测的深度为大约几个纳米。出于该原因，当从图8和图11所示的Au映射结果中未探测到Au的部分(黑色部分11)与从图9和图12所示的Fe映射结果中探测到Fe的部分(白色部分10)彼此位置和形状重合时，如图7和图10中SEM观察像所示，确定作为表层的Au层裂纹并且基础不锈钢母材构件露出。

实际上，观察比较例2中的隔板的观察像，存在从如图11所示的Au映射结果中未探测到Au的部分(黑色部分11)与从如图12所示的同一视野的Fe映射结果中探测到Fe的部分(白色部分10)的位置和形状重合的多个部分，并且重合部分的长和宽分别在约20μm-30μm的范围内和在约5μm-10μm的范围内。发现在白色部分10和黑色部分11彼此重合的部分处Au层裂纹并且作为基础母材构件的不锈钢露出。另一方面，在实施例1的隔板中，很少存在从图8所示的Au映射结果中未探测到Au的部分(黑色部分11)与从图9所示的Fe映射结果中探测到Fe的部分(白色部分10)彼此位置和形状重合的部分，并且重合部分的长和宽分别为约几个微米。出于该原因，在实施例1的隔板中，发现几乎不存在作为表层的Au层裂纹并且作为基础母材构件的不锈钢基础构件露出的部分。

[面积率的测量]

从图7-图12所示的SEM观察像和映射结果中测量作为表层的Au层裂纹从而基础不锈钢母材构件露出的部分的面积率。在面积率的测量中，测量作为基础母材构件的不锈钢露出部分的面积，并且计算该面积与隔板表面全部面积的比率，以获得基础母材构件露出面积率％。该结果示于表1。

[抗腐蚀性的评估]

从实施例1-实施例9和比较例1-比较例4获得的隔板流路部的中央部被切除，并且使用作为电化学方法的定电势电解试验来评估耐蚀性下降的程度。

在燃料电池中，至多约1V的电势被施加到与氢电极侧比较的氧化电极侧。固体高分子电解质膜被构造成分子中具有质子交换基的高分子电解质膜，该高分子电解质膜利用质子传导性使含水为饱和状态，并且显示出强酸性。出于该原因，在恒压电解试验中，在施加电势的同时保持固体高分子电解质膜一定时间。在该一定时间经过之后，测量腐蚀电流密度和溶液中所溶出金属离子的量，并且评估隔板的抗腐蚀性。用于定电势电解试验的条件包括：作为溶液液性的硫酸pH2、温度80℃、电势1V vs SHE以及保持100小时的一定时间。如此制作试验片：将旗标形试验片切除，以使用掩模材料封闭3cm四方的电极部、切除试验片的端面和里面，并且使切除试验片的表面侧具有2.5cm四方的电极部。在保持试验片100小时之后，根据ICP-mass分析确定溶液中所溶出金属离子的量，并且基于通过用电极面积除溶出金属元素的量而获得的溶出元素的量和在试验过程中腐蚀电流密度(通过用电极面积除腐蚀电流的量而获得的值[μA/cm²])评估抗腐蚀性。

从定电势电解试验的结果获得成形前平板状态下包覆化薄板的抗腐蚀性恶化倍率。顺便提及，该抗腐蚀性恶化倍率是通过测量单位电极面积所溶出元素量，然后用成形前平板状态下的单位电极面积所溶出元素量除所测量的溶出金属元素量而获得的值。该结果示于表1。

[极限板厚残存率的测量]

通过球头胀形试验使用以下所示的No.1-No.20各试件获得极限板厚残存率。对于试件No.1-No.20，使用在上述各实施例中所使用的0.11mm厚的SUS316L固溶热处理(BA)材料的薄板。更具体地，关于试件No.1-No.8，通过将0.03μm厚的Au镀层施加到与实施例1-5和比较例2的每一个中所使用的厚度相同的厚度为0.11mm的SUS316L固溶热处理(BA)材料的薄板的两表面上，然后以10％的压下率对该金属覆盖薄板进行冷轧加工来形成包覆化薄板。

关于试件No.9-No.14，除了使用与实施例6、实施例7和比较例3的每一个中所使用的厚度相同的厚度为0.11mm的SUS316L固溶热处理(BA)材料的薄板，以及压下率设为7.5％之外，以与试件No.1-No.8相同的方式形成包覆化薄板。关于试件No.15-No.20，除了使用与实施例8、实施例9和比较例4的每一个中所使用的厚度相同的厚度为0.11mm的SUS316L固溶热处理(BA)材料的薄板，以及压下率设为5％之外，以与试件No.1-No.8相同的方式形成包覆化薄板。

然后，通过对所制造的各包覆化薄板施加不同的载荷来制造试件No.1-No.20的包覆化薄板。在改变测量位置的同时，以分步骤的方式施加预定应变。

关于试件No.1-No.20的各包覆化薄板，测量气体流路部的肋肩部的板厚t2，并对各包覆化薄板进行俄歇电子能谱法分析。顺便提及，在与上述条件相同的条件下进行俄歇电子能谱法分析。

关于试件No.1-No.20的各包覆化薄板，观察由于表面Au层中微小裂纹的发生而导致的不锈钢母材构件的露出程度。该结果示于表3。

此外，表3所示的结果与表1和表2所示的结果相互关联。当将平面应变施加到形成有贵金属层的包覆化薄板时，从板厚残存率与由于表层贵金属层裂纹导致的作为母材构件的金属板的露出之间的关系获得极限板厚。如表3所示，当压下率首先设为10％时，在No.4试件的包覆化薄板中极其轻微地产生了微小裂纹，但在No.5试件的包覆化薄板中基本没有产生微小裂纹。结果，发现微小裂纹的产生极限是30％的平面应变。由于No.5试件的板厚是0.075mm，而包覆化薄板在载荷施加前的厚度是0.10mm，所以极限板厚处于0.75倍的载荷施加前厚度的范围内。从这些观察结果中发现包覆化薄板的极限板厚是0.075mm。类似地，发现在压下率设定为7.5％的试件No.9-No.14中，包覆化薄板的极限板厚是0.069mm，而在压下率设定为5.0％的试件No.15-No.20中，包覆化薄板的极限板厚是0.065mm。从各极限板厚的测量结果获得极限板厚残存率y，并且极限板厚残存率与包覆化薄板压下率[％]的关系如图13中的单点划线所示。发现压下率与极限板厚残存率满足图13中单点划线所示的y＝0.55+0.02x的关系。

此外，关于试件No.1-No.14，从表2获得各压下率下允许范围内的极限板厚。在试件No.1-No.8的各包覆化薄板中允许范围内的极限板厚是0.071mm；在试件No.9-No.14的各包覆化薄板中允许范围内的极限板厚是0.064mm；在试件No.15-No.20的各包覆化薄板中允许范围内的极限板厚是0.060mm。从这些允许范围内的极限板厚获得极限板厚残存率y，并且该极限板厚残存率y与包覆化薄板压下率[％]的关系如图13中的实线所示。发现该压下率与该极限板厚残存率满足图13中实线所示的y＝0.5+0.02x的关系。

然后，通过将气体流路部的肋肩部上的最小板厚t2设置为等于或者大于该极限板厚的厚度，防止微小裂纹的出现在气体流路部的肋肩部上的表层贵金属层中，并且可减少由于微小裂纹的出现而导致的作为基础母材构件的金属层的露出，从而可防止隔板的抗腐蚀性下降。

如上所述，通过在实施例1-9与比较例1-4之间互相对比确定气体流路部的肋肩部的最薄部的板厚残存率、肋肩部的外侧曲率和内侧曲率与最薄部的板厚之间的关系、以及肩部外侧曲率与气体流路截面上各部分的板厚之间的关系，可抑制表层贵金属层中微小裂纹的发生和由于微小裂纹的发生而导致的基础母材构件的露出量，从而防止抗腐蚀性下降。

如上所述，根据本实施例，通过将隔板的气体流路部的肋肩部设定为预定的厚度，可防止抗腐蚀性下降，并且通过降低隔板与气体扩散电极之间的接触电阻，可提高燃料电池的发电效率。

(第二实施例)

接着，在本实施例中，使用在第一实施例中所制造的燃料电池用隔板来形成电池单元，层叠多个电池单元形成燃料电池组，然后构成燃料电池装置。

图14是示意性示出燃料电池组的一部分的剖视图。如图14所示，燃料电池组12通过层叠多个电池单元13构成，并且具有在相邻的电池单元13之间形成冷却水流路14的双极板结构。通过在固体高分子型电解质膜15的两面上形成具有氧化剂极的气体扩散层16和具有燃料极的气体扩散层17形成膜电极接合体，将氧化剂极侧隔板18配置在膜电极接合体的氧化剂极侧以在此形成氧化剂气体流路19，并且将燃料极侧隔板20配置在膜电极接合体的燃料极侧以在此形成燃料气体流路21来获得各电池单元13。

对于固体高分子型电解质膜15，可使用全氟化碳共聚膜(商标名：Nafion 1128(注册商标)，杜邦株式会社)等。

例如，可根据以下步骤组装燃料电池组12。

首先，制备氧化剂极侧隔板18和燃料极侧隔板20，并且使各隔板18、20的肋互相抵接，从而在隔板之间形成冷却水流路。将设置有固体高分子电解质膜15以及具有氧化剂极和燃料极的各气体扩散层16、17的膜电极接合体层叠在互相抵接的隔板18、20上，然后将隔板18、20和膜电极接合体交替叠加多次以形成层叠。在层叠之后，如图15所示，将端部接盘22配置在该层叠的两端部，并且用紧固螺栓23将其外周边部紧固，从而构成燃料电池组24。图16是燃料电池组24的透视图。

根据第二实施例，通过使用根据本发明的该实施例的燃料电池用隔板组装燃料电池组，可提供具有紧凑燃料电池组的高效率燃料电池。

此外，根据第二实施例，可保持高发电效率而不使发电效率降低，并且可减小燃料电池组的尺寸。

(第三实施例)

接着，在本实施例中，将说明作为燃料电池车辆的一个例子，包括将根据第二实施例所制造的燃料电池组的燃料电池用作动力源的燃料电池电动汽车。

图17A是示出其上安装有燃料电池组的电动汽车的外观的侧视图；图17B是图17A所示的电动汽车的外观的俯视图。如图17B所示，组合左右前方侧面构件、左右发动机罩脊、以及连动含前方侧面构件的左右发动机罩脊的下隔板构件所定义的发动机室部26形成在车体25的前部。在根据本发明的该实施例的电动汽车中，燃料电池组24被安装在发动机室部26内。

根据第三实施例，通过将采用根据本发明实施例的燃料电池隔板的高发电效率燃料的电池组安装在例如汽车的车辆上，可达到燃料电池电动车辆燃料消耗的节约和能量效率的提高。

根据本实施例，通过将小型化且轻量化的燃料电池组安装在车辆上，可减轻车辆的重量，以获得燃料消耗的节约和更长的行走距离。

此外，根据本实施例，通过将小型化的燃料电池组安装在移动车辆等上，可利用更宽阔的内部空间，并且可确保形式的高灵活性。

2003年9月22日在日本提交的专利申请No.特愿2003-330633的全部内容和2004年6月1日在日本提交的专利申请No.特愿2004-162988的全部内容通过引用包含于此。

尽管已经参考本发明的某些实施例说明了本发明，本发明并不限于上述实施例，本领域的技术人员根据上述教导可对上述实施例进行修改和变化。参考以下权利要求确定本发明的范围。

工业实用性

如上所述，根据本发明，由于将隔板的气体流路部上的肋肩部形成为预定厚度，并且使隔板与气体扩散极之间的接触电阻下降，可防止抗腐蚀性下降并且提高燃料电池的发电效率。结果，可将该燃料电池应用于需要电能的电动汽车、飞机或者其它机器。

因此，可预期本发明的该申请可应用于更广的范围。

Claims (14)

1. 一种燃料电池用隔板，其包括：

波浪状或凹凸状气体流路部，其形成在包覆化薄板的中央部；以及

平坦部，其形成在所述中央部的外周，

其特征在于，

通过在被贵金属层覆盖的金属板表面上以5％-15％的压下率进行轧制加工形成包覆层，来获得所述包覆化薄板，

预先获得极限板厚残存率，该极限板厚残存率表示所述包覆化薄板的所述贵金属层裂纹和由于所述金属板的露出而导致的耐腐蚀性下降可忽略的界限的极限；以及

关于沿与所述气体流路部的流路垂直的方向的截面形状，当与气体扩散层接触的肋中央部的板厚表示为t1、肋肩部的最薄部的板厚表示为t2、肋斜面部的板厚表示为t3、以及所述隔板的周边部的板厚表示为t4时，满足t2≥t4×极限板厚残存率的关系。

2. 根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其特征在于，所述极限板厚残存率是极限值，在该值处，由于所述包覆化薄板的所述贵金属层的裂纹和所述金属板的露出导致的抗腐蚀性下降可忽略，关于通过将平面应变施加到所述包覆化薄板以将平面塑性应变分步骤施加到所述包覆化薄板而获得的试件，通过在各步骤中测量各板厚残存率、观察在所述贵金属层中微小裂纹和所述金属板的露出是否存在、并测量抗腐蚀性恶化率来获得该值。

3. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，当用于形成包覆层的所述轧制加工的所述压下率是x％，并且所述极限板厚残存率是y时，满足y＝0.5+0.02x的关系。

4. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，进一步满足t2≥t4×0.7的关系。

5. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，当所述气体流路部的所述截面形状的与所述气体扩散层接触侧的测量位置附近的外侧角部的曲率半径是R_外，并且在其后面侧的曲率半径最小的内侧角部的曲率半径是R_内时，满足如下关系：

R_外为正，即R_外部为凸曲率；R_外/(R_内+t2)小于等于5；R_外/t2小于等于10；以及R_外/R_内小于等于10。

6. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，R_外小于等于0.6mm。

7. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，进一步满足t2/t3≥0.75和t3≥t1的关系。

8. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，所述金属板是选自以下一组中的一种合金：铁基合金、镍基合金、工业纯铁、钛基合金以及至少两种选自其中的合金的组合合金。

9. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，所述金属板是奥氏体系不锈钢或者铁素体系不锈钢。

10. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，所述贵金属层由Au或者Au合金制成。

11. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，所述包覆化薄板的所述板厚t4在0.05mm-0.1mm的范围内，所述贵金属层的所述厚度在0.01μm-0.05μm的范围内，并且所述贵金属层的所述厚度是所述包覆化薄板的所述厚度的1/10000-1/1000。

12. 根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，在所述截面形状的所述肋肩部和具有所述板厚t2的部分的表面上，所述贵金属层不会裂纹，从而作为所述基础母材构件的所述金属板不露出，或者即使所述贵金属层裂纹，从而作为所述基础母材构件的所述金属板露出，但所述露出的金属板与所述金属板的全部面积的面积比率为1％或更小。

13. 一种燃料电池组，其包括：膜电极接合体，其形成在具有氧化剂极和燃料极的电解质膜的两表面上；氧化剂极侧隔板，其配置在所述膜电极接合体的所述氧化剂极侧；以及燃料极侧隔板，其配置在所述膜电极接合体的所述燃料极侧，其中，在所述膜电极接合体和所述各隔板之间形成有燃料气体流路和氧化气体流路的多个单电池层叠，并且在所述各电池单元之间形成冷却水流路，其特征在于，各所述氧化剂极侧隔板和所述燃料极侧隔板是根据权利要求1-11任一项所述的燃料电池用隔板。

14. 一种燃料电池车辆，其安装有根据权利要求13所述的燃料电池组，并且将所述燃料电池组用作动力源。

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