CN101009381A - 一种用于接合燃料电池隔板和电极扩散层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造燃料电池隔板(18)的方法，所述燃料电池隔板(18)用于隔着扩散层(15、16)从两侧夹住设置在电解质膜(12)上的阳极(13)和阴极(14)。该制造方法包括：混合热塑性树脂(46)和导电材料(45)以获得混合物(50)；利用该混合物形成隔板基材(68)；以及用电子束(72)照射该隔板基材的接触面(20b、30b)，从而硬化隔板的接触面。即使在燃料电池(10)中产生反应热时，也可以保证隔板接触面的弹性。
Description
本发明是申请号为03817109.0、申请日为2003年7月17日、发明名称为燃料电池隔板制造方法以及接合隔板和电极扩散层的方法的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于隔着扩散层从两侧夹住布置在电解质膜上的阴极和阳极的燃料电池隔板的制造方法，还涉及隔板和电极扩散层的接合方法。
背景技术
燃料电池是一种利用水电解的相反原理，通过氢和氧反应生成水的过程来获得电能的电池。因为通常用燃气代替氢，并用空气或氧化剂气体来代替氧，所以经常会使用燃气、空气和氧化剂气体这些词。下面将参照图25说明普通燃料电池的基本结构，图25以分解透视图示出了一普通燃料电池。
如图25所示，通过在电解质膜201的相对表面上布置阴极202和阳极203，并用第一隔板206和第二隔板2 07隔着扩散层204、205夹住这些电极202、203，从而构成燃料电池200的电池模块。通过将多个这种电池模块层贴在一起而获得燃料电池200。
必须使燃气与阳极202有效地接触。为此，在第一隔板206的表面206a中设置了多个槽(未示出)，并且在表面206a上设置扩散层204时覆盖这些槽，形成了构成燃气流道的第一流道(未示出)。
另一方面，必须使氧化剂气体与阴极203有效地接触。为此，在第二隔板207的表面207a中设置了多个槽208...，并且通过在第二隔板207的表面207a上设置扩散层205时覆盖这些槽208...，形成了构成氧化剂气体流道的第二流道(未示出)。
而在第一隔板206中，在与表面206a相反的表面206b中设置了多个冷却水通路槽209...，并且在第二隔板207中的与表面207a相反的表面207b中设置了多个冷却水通路槽(未示出)。
通过使第一和第二隔板206、207面对面，各冷却水通路槽209...一起形成了冷却水通路(未示出)。
作为制造这些第一和第二隔板206、207的方法，例如，已知日本专利公报JP-A-2001-126744中的“Fuel Cell Separator and Manufacturing MethodThereof”。
在该制造方法中，对混有热塑性树脂的导电颗粒进行加热和揉捏；对该经过加热和揉捏的混合物进行挤压成型并利用轧辊形成为长片；把该长片切成预定的尺寸以制成坯料；然后在这些坯料的两面或一面中形成燃气通路和冷却水通路槽，从而得到第一和第二隔板206、207。
为了通过使扩散层204、205与第一和第二隔板206、207叠在一起而形成第一和第二流道，必须使扩散层204、205与第一和第二隔板206、207的各表面206a、207a在紧密接触的状态下叠在一起。
然而，因为第一和第二隔板206、207是用热塑性树脂成型的，所以第一和第二隔板206、207的各表面206a、207a会由于使用燃料电池时产生的反应热而软化。
结果，难于使第一和第二隔板206、207的各表面206a、207a与扩散层204、205保持紧密接触的状态。
为了解决这个问题，在第一和第二隔板206、207的各表面206a、207a与扩散层204、205之间涂布密封材料，以使第一和第二隔板206、207的各表面206a、207a与扩散层204、205保持紧密接触的状态。
类似地，在第一隔板206和第二隔板207的对接面之间涂布密封材料，以使第一隔板206和第二隔板207保持紧密接触的状态。因此，需要在第一隔板的表面206a和扩散层204之间，以及第二隔板的表面207a和扩散层205之间涂布密封材料，从而部件数量增加。同时，在第一隔板206的表面206a和扩散层204之间，以及第二隔板207的表面207a和扩散层205之间涂布密封材料需要时间和劳力，这成为提高生产率的障碍。
作为燃料电池，例如已知日本专利公报JP-A-2000-123848“Fuel Cell”中公开的技术。现将参考图26说明这种电池的主要部件，图26以分解立体图的形式示出了一个这样的电池。
如图26所示，通过使阳极302和阴极303贴着电解质膜301，并且由第一隔板306和第二隔板307隔着垫片304、305夹住它们，从而形成燃料电池300的电池模块。
更详细地，该结构是这样的：在第一隔板306的表面306a中形成待成为燃气流道的第一流道308；在第二隔板307的表面307a中形成待成为氧化剂气体流道的第二流道309；并且燃气和氧化剂气体均对着中间的电解质膜301。
因为使用一个电池模块获得的电力输出相对较小，所以层叠多个这种电池模块以获得所需的电力输出。相应地，因为第一和第二隔板306、307是用于防止燃气和氧化剂气体泄漏至相邻的电池中的隔离部件，所以将它们称作“隔板”。
第一隔板306在其表面306a上具有用于燃气的流道308，而第二隔板307在其表面307a上具有用于氧化剂气体的流道309，必须使这些气体与阳极302和阴极303有效接触，为此，必须设置多个极浅的槽作为流道308和309。
第一和第二隔板306、307的顶部都具有用于向流道308和309供应燃气和氧化剂气体的燃气供应口310a和氧化剂气体供应口311a，在底部都具有燃气排出口310b和氧化剂气体排出口311b，并且都在顶部具有冷却水供应口312a，都在底部具有通过冷却水的冷却水排出口312b。
上述燃料电池300通常在阳极302和第一隔板306之间具有阳极扩散层(未示出)，并在阴极303和第二隔板307之间具有阴极扩散层(未示出)。
为了使阳极扩散层与第一隔板306接合，例如，在第一隔板306和阳极扩散层之间插入密封材料(未示出)。而为了使阴极扩散层与第二隔板307接合，例如，在第二隔板307和阴极扩散层之间插入密封材料(未示出)。
结果，可能有这种危险：第一隔板306和阳极扩散层之间的电接触电阻增大，第二隔板307和阴极扩散层之间的电接触电阻增大，并且燃料电池的输出减小。
并且，因为必须在第一隔板306和阳极扩散层之间插入密封材料，以及在第二隔板307和阴极扩散层之间插入密封材料，这已经成为减少构成部件数量的障碍。
而且，需要在第一隔板306和阳极扩散层之间装配(例如，涂布)密封材料的劳力，以及在第二隔板307和阴极扩散层之间装配(例如，涂布)密封材料的劳力，这已经成为减少装配劳力的障碍。
上述冷却水供应口312a和冷却水排出口312b连接至冷却水通路(未示出)。
例如，通过在第一隔板306的与表面306a相反的表面中，以及第二隔板307的与表面307a相反的表面中形成冷却水通路槽，并将这些冷却水通路槽与形成在相邻电池的隔板中的冷却水通路槽合在一起，从而形成冷却水通路。
当通过这样接合第一和第二隔板306、307来形成冷却水通路时，因为第一和第二隔板306、307不是一体的，所以存在这种危险：第一和第二隔板306、307之间的电接触电阻增大，而且燃料电池的输出减小。
同时，当通过接合第一和第二隔板306、307来形成冷却水通路时，需要用于防止冷却水在第一和第二隔板306、307的对接面处泄漏的密封材料，这已经成为减少构件数量的障碍。另外，需要在第一和第二隔板306、307之间装配(例如，涂布)密封材料的劳力，这已经成为减少装配劳力的障碍。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种制造燃料电池隔板的方法，该燃料电池隔板用于隔着扩散层从两侧夹住布置在电解质膜上的阴极和阳极，该燃料电池隔板制造方法包括：通过混合热塑性树脂与导电材料来获得混合物的步骤；利用该混合物形成隔板基材的步骤，在该隔板基材的要与扩散层接触的接触面中具有气流通路槽；以及用电子束照射该隔板基材的接触面的步骤。
通过使用热塑性树脂来形成隔板材料并用电子束照射具有气流通路槽的接触面，可以使具有气流通路槽的接触面硬化至一定程度。结果，即使在产生了燃料电池反应热时，也可以保证隔板的接触面的弹性，并且可以保持隔板的接触面与扩散层的紧密接触。
从而，由于无需在隔板的接触面和扩散层之间涂布密封材料，所以可以减少部件的数量并且可以降低成本。因为还可以省去在隔板的接触面和扩散层之间涂布密封材料的时间和劳力，所以可以提高生产率。
另外，因为无需在隔板的接触面和扩散层之间涂布密封材料，所以可以减小隔板的接触面和扩散层之间的接触电阻，从而可以增大燃料电池的输出。
而且，通过用电子束照射隔板材料的接触面的简单步骤，可以把燃料电池隔板的接触面转变为具有优异密封性的区域。结果，可以高效地制造具有优异密封性的燃料电池隔板，并且可以降低隔板的成本。
优选地，热塑性树脂是从乙烯/乙酸乙烯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物、直链低密度聚乙烯、聚苯硫醚以及改性聚苯醚中选择的树脂，而导电材料是从石墨、凯金黑(Ketchen black)、乙炔黑中选出的至少一种碳素粒子。
乙烯/乙酸乙烯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物、直链低密度聚乙烯、聚苯硫醚以及改性聚苯醚是热塑性树脂中具有良好柔韧性的树脂，通过使用这些树脂来形成隔板，可以使得隔板的接触面与扩散层更加紧密地接触。结果，能够更好地对隔板的接触面与扩散层之间的间隙进行密封。
因为石墨、凯金黑、乙炔黑具有良好的导电性，所以使用较小的量就可以保证导电性。结果，热塑性树脂中包含的比例可以比较小，从而对热塑性树脂的特性的影响可以保持较低。
在第二方面，本发明提供了一种用于接合燃料电池隔板和电极扩散层的方法，包括：在热塑性树脂隔板上布置碳素纤维电极扩散层；对电极扩散层和隔板施加焊接压力；以及振动电极扩散层或隔板以产生摩擦热，从而将电极扩散层焊接到隔板上。
通过利用摩擦热将热塑性树脂隔板与电极扩散层焊接在一起来使它们成为一体，可以降低隔板和电极扩散层之间的电接触电阻。并且通过使热塑性树脂隔板与电极扩散层成为一体，可以省去现有技术中为接合隔板和电极扩散层而需要的密封材料。通过省去隔板和电极扩散层之间的密封材料，可以减少构件的数量。同时，可以减少在隔板和电极扩散层之间装配(例如，涂布)密封材料的劳力。通过如此减少构件的数量以及减少装配劳力等，可以降低隔板的成本。
在第三方面，本发明提供了一种制造燃料电池隔板的方法，包括：制备由热塑性树脂制成的第一隔板，以及由热塑性树脂制成并在其待与第一隔板接合的表面上设置有冷却水通路槽的第二隔板；将第一隔板布置在第二隔板上，然后向第一和第二隔板施加焊接压力；以及振动第一和第二隔板中的一个，以产生摩擦热，从而将第二隔板焊接到第一隔板上，并用第一隔板覆盖冷却水通路槽，以形成冷却水通路。
利用摩擦热，通过焊接将由热塑性树脂制成的第一和第二隔板形成为一体，并且用第一隔板来覆盖冷却水通路槽，以形成冷却水通路。通过如此利用摩擦热将将第一和第二隔板焊接为一体，可以减小第一和第二隔板之间的电接触电阻。并且通过利用摩擦热将第一和第二隔板焊接为一体，可以省去第一和第二隔板之间的密封材料。通过如此省去第一和第二隔板之间的密封材料，可以减少构件的数量。同时，可以减少在第一和第二隔板之间装配密封材料的装配劳力。通过如此减少构件的数量并减少装配劳力，可以降低隔板的成本。
优选地，焊接压力为10至50kgf/cm2(大约980至4903KPa)，而振动频率为240Hz。
本发明中的压力均为表压。
利用低于10kgf/cm2的焊接压力很难在第一和第二隔板的接合面处产生足够的摩擦热，从而不能将第一和第二隔板焊接在一起。因此，将焊接压力设定为大于10kgf/cm2，以将第一和第二隔板焊接在一起。另一方面，当焊接压力超过50kgf/cm2时，在第一和第二隔板的接合面处产生大量的摩擦热，并且第一和第二隔板过度地熔化，从而在第一和第二隔板的边缘处形成毛口。
为此，需要除去在第一和第二隔板的边缘处形成的毛口的额外步骤。因此，将焊接压力设定为低于50kgf/cm2，以防止在第一和第二隔板的边缘处形成毛口。结果，因为可以免去毛口去除操作，所以可以提高生产率。
附图说明
图1是分解立体图，示出了具有通过根据本发明第一实施例的燃料电池隔板制造方法制造的燃料电池隔板的燃料电池；
图2是沿图1中的线A-A的截面图；
图3是沿图1中的线B-B的截面图；
图4是图1的燃料电池隔板的截面图；
图5是根据本发明第一实施例的燃料电池隔板制造方法的流程图；
图6A和图6B示出了在该制造方法中将混合物形成为小段的步骤；
图7示出了该方法中的冲压步骤；
图8示出了该方法中的电子束照射步骤；
图9是一燃料电池的分解立体图，在该燃料电池中，通过根据本发明第二实施例的接合方法将燃料电池隔板和电极扩散层接合在一起；
图10是沿图9中的线C-C的截面图；
图11是用于执行根据本发明第二实施例的接合方法的振动焊接装置的截面图；
图12A和图12B示出了根据本发明第二实施例的接合方法中的安放第一隔板和阳极扩散层的步骤；
图13A和图13B示出了根据本发明第二实施例的接合方法中的向第一隔板和阳极扩散层施加焊接压力的步骤；
图14A和图14B示出了根据本发明第二实施例的接合方法中的将阳极扩散层振动焊接到第一隔板上的步骤；
图15示出了根据本发明第二实施例的接合方法中的取出振动焊接后的第一隔板和阳极扩散层的步骤；
图16A和图16B示出了根据本发明第二实施例的接合方法中的安放第二隔板和阴极扩散层的步骤；
图17A和图17B示出了根据本发明第二实施例的接合方法中的将阴极扩散层振动焊接到第二隔板上的步骤；
图18A和图18B示出了安放通过根据本发明第二实施例的接合方法获得的隔板的一个示例；
图19A和图19B示出了对通过根据本发明第二实施例的接合方法获得的隔板进行振动焊接的一个示例；
图20示出了通过根据本发明第三实施例的燃料电池隔板制造方法获得的燃料电池隔板的截面图；
图21A和图21B示出了根据本发明第三实施例的制造方法中的安放第一和第二隔板的步骤；
图22A和图22B示出了根据本发明第三实施例的制造方法中的向第一和第二隔板施加焊接压力的步骤；
图23A和图23B示出了根据本发明第三实施例的制造方法中的对第一和第二隔板进行振动焊接的步骤；
图24示出了根据本发明第三实施例的制造方法中的取出振动焊接后的第一和第二隔板的步骤；
图25示出了现有技术的燃料电池的分解立体图；以及
图26示出了另一现有技术的燃料电池的分解立体图。
具体实施方式
如图1所示，燃料电池10是固态聚合物型燃料电池，通过以下方式构成该燃料电池：使用例如固态聚合物电解质作为电解质膜12；在该电解质膜12上添上阳极13和阴极14；隔着阳极扩散层15在阳极13侧布置隔板18，并隔着阴极扩散层16在阴极14侧布置隔板18(燃料电池隔板)；以及将多个这样的电池模块11层叠在一起。
隔板18由第一隔板20和第二隔板30构成，第一隔板20的冷却水通路形成面20a和第二隔板30的接合面30a通过例如振动焊接接合在一起。
通过如此将第一和第二隔板20、30振动焊接在一起，第一隔板20中的冷却水通路槽21...被第二隔板30所覆盖，形成冷却水通路22...(见图4)。
位于第一和第二隔板20、30的顶端的中心处的冷却水供应口23a、33a，以及位于第一和第二隔板20、30的底端的中心处的冷却水排出口23b、33b与这些冷却水通路22...相连接。
第一隔板20在燃气通路形成面(接触面)20b上具有燃气通路槽24...(见图2)，并且通过把阳极扩散层15放置在燃气通路形成面20b上，阳极扩散层15覆盖了燃气通路槽24...，形成了燃气通路25...(见图4)。
位于第一和第二隔板20、30的顶端的左侧的燃气供应口26a、36a，以及位于第一和第二隔板20、30的底端的右侧的燃气排出口26b、36b与这些燃气通路25...相连接。
第二隔板30在氧化剂气体通路形成面(接触面)30b上具有氧化剂气流通路槽37...，并且通过把阴极扩散层16放置在氧化剂气体通路形成面30b上，阴极扩散层16覆盖了氧化剂气流通路槽37...，形成了氧化剂气体通路38...(见图4)。
位于第一和第二隔板20、30的顶端的右侧的氧化剂气体供应口29a、39a，以及位于第一和第二隔板20、30的底端的左侧的氧化剂气体排出口29b、39b与这些氧化剂气体通路38...相连接。
下面，参照图2，第一隔板20是利用通过混合导电材料和热塑性树脂而制得的树脂形成为大体矩形形状(见图1)的部件，并且在冷却水通路形成面20a中具有多个冷却水通路槽21...，而且在燃气通路形成面20b中具有多个燃气通路槽24...。
作为热塑性树脂，例如乙烯/乙酸乙烯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物、直链低密度聚乙烯、聚苯硫醚以及改性聚苯醚是合适的，不过本发明不限于这些材料。
作为导电材料(碳素材料)，从凯金黑、石墨、乙炔黑中选出的至少一种碳素粒子是合适的，不过本发明不限于这种材料。
凯金黑是一种具有良好导电性的碳黑，并且例如由Ketchen BlackInternational Co.，Ltd.制造(由Mitsubishi Chemical Co.，Ltd出售)的凯金黑是合适的，尽管本发明不限于此。
乙烯/乙酸乙烯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物、直链低密度聚乙烯、聚苯硫醚以及改性聚苯醚是热塑性树脂中具有柔韧性的树脂，并且使用这些树脂可以使第一隔板20成为具有良好柔韧性的部件。
另外，通过照射电子束，燃气通路形成面20b在一定程度上硬化，并成为具有三维交联结构的面。
通过如此使第一隔板20成为具有良好柔韧性的部件，并对燃气通路形成面20b进行电子束照射，可使燃气通路形成面20b具有良好的弹性。
而且，凯金黑、石墨、乙炔黑是具有良好导电性的材料，通过将从凯金黑、石墨、乙炔黑中选出的至少一种碳素粒子用作导电材料(碳素材料)，用较小的量就可以保证第一隔板20的导电性。
结果，因为热塑性树脂中包含的比例可以比较小，所以可以保持热塑性树脂的成型性，并且第一隔板20可以容易地成型。
如图3所示，与第一隔板20类似，第二隔板30是利用通过混合导电材料和热塑性树脂而制得的树脂形成为大体矩形形状(见图1)的部件，并且具有平坦的接合面30a，而且在氧化剂气体通路形成面30b中具有多个氧化剂气流通路槽37...。
作为热塑性树脂，例如乙烯/乙酸乙烯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物、直链低密度聚乙烯、聚苯硫醚以及改性聚苯醚是合适的，不过本发明不限于这些材料。
作为导电材料(碳素材料)，从凯金黑、石墨、乙炔黑中选出的至少一种碳素粒子是合适的，不过本发明不限于这些材料。
乙烯/乙酸乙烯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物、直链低密度聚乙烯、聚苯硫醚以及改性聚苯醚是热塑性树脂中具有柔韧性的树脂，并且使用这些树脂可以使第二隔板30成为具有良好柔韧性的部件。
另外，通过电子束照射，氧化剂气体通路形成面30b在一定程度上硬化，并成为具有三维交联结构的面。
通过如此使第二隔板30成为具有良好柔韧性的部件，并对氧化剂气体通路形成面30b进行电子束照射，可使氧化剂气体通路形成面30b成为具有良好弹性的面。
而且，凯金黑、石墨、乙炔黑是具有良好导电性的材料，通过将从凯金黑、石墨、乙炔黑中选出的至少一种碳素粒子用作导电材料(碳素材料)，用较小的量就可以保证第二隔板30的导电性。
结果，因为热塑性树脂中包含的比例可以比较小，所以可以保持热塑性树脂的成型性，并且第二隔板30可以容易地成型。
下面参照图4，其示出了与隔板18层叠的电极扩散层15、16。
隔板18是以如下方式制造的：将第一和第二隔板20、30贴在一起并随后向第一和第二隔板20、30施加焊接压力，然后振动第一和第二隔板20、30之一以产生摩擦热，从而将第一隔板20的冷却水通路形成面20a与第二隔板30的接合面30a振动焊接在一起，并用第二隔板30来覆盖第一隔板20的冷却水通路槽21，形成冷却水通路22。
第一和第二隔板20、30的接合不限于振动焊接，也可以由某些其他方法来接合它们。
通过将阳极扩散层15和燃气通路形成面20b叠在一起，由燃气通路槽24...和阳极扩散层15形成了燃气通路25...。
通过由具有良好柔韧性的树脂制成第一隔板20，并且用电子束照射燃气通路形成面20b，燃气通路形成面20b在一定程度上硬化，并且通过所诱发的交联反应获得三维交联结构。
作为如此使燃气通路形成面20b成为三维交联结构的结果，聚合物链在除其端部之外的任意位置处彼此连接，从而可以提高燃气通路形成面20b的耐热性和刚性。
因为通过这种方式，当产生燃料电池的反应热时，保证了燃气通路形成面20b的弹性，所以可以保持燃气通路形成面20b与阳极扩散层15紧密接触。
结果，无需在燃气通路形成面20b与阳极扩散层15之间涂布密封材料。从而，可以减少部件的数量，并可以免去涂布密封材料的时间和劳力，而且可以减小燃气通路形成面20b与阳极扩散层15之间的接触电阻，从而增大燃料电池的输出。
并且，作为将阴极扩散层16与氧化剂气体通路形成面30b贴在一起的结果，由氧化剂气流通路槽37...和阴极扩散层16形成了氧化剂气体通路38...。
通过由具有良好柔韧性的树脂制成第二隔板30，并且用电子束照射氧化剂气体通路形成面30b，氧化剂气体通路形成面30b在一定程度上硬化并有了三维交联结构。并且，因为通过这种方式，可以在产生燃料电池的反应热时保证氧化剂气体通路形成面30b的弹性，所以可以保持氧化剂气体通路形成面30b与阴极扩散层16紧密接触。
结果，无需在氧化剂气体通路形成面30b与阴极扩散层16之间涂布密封材料。从而，可以减少部件的数量，并可以免去涂布密封材料的时间和劳力，而且可以减小氧化剂气体通路形成面30b与阴极扩散层16之间的接触电阻，从而增大燃料电池的输出。
接下来，将在图5至图8的基础上说明通过根据本发明(第一实施例)的燃料电池隔板制造方法来形成第一隔板20的示例。
图5是根据本发明第一实施例的燃料电池隔板制造方法的流程图。图中STxx表示步骤序号。
ST10：通过把热塑性树脂和导电材料揉在一起而获得混合物。
ST11：通过对揉好的混合物进行挤压成型而形成带状薄片。
ST12：在该带状薄片的一面，即，对应于冷却水通路形成面的一面，通过压力成型形成冷却水通路槽，而在该带状薄片的另一面，即，对应于燃气通路形成面的一面，通过压力成型形成燃气通路槽，从而获得隔板基材。
ST13：用电子束照射通过压力成型而形成有燃气通路槽的一面。
ST14：通过将隔板基材切成预定尺寸来获得第一隔板。
现将参照图6A至图8详细说明上述制造方法的ST10至ST14。
图6A和图6B示出了在根据本发明第一实施例的制造方法中将混合物形成为小段的步骤。具体地，图6A示出了ST10，而图6B示出了ST11的前半部分。
在图6A中，首先，准备从乙烯/乙酸乙烯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物、直链低密度聚乙烯、聚苯硫醚以及改性聚苯醚中选出的一种热塑性树脂46。
然后，准备从石墨、凯金黑、乙炔黑碳素粒子中选出的至少一种导电材料45。
将准备好的热塑性树脂46和导电材料45如箭头所示送入揉捏机47的容器48中。在容器48内部，通过如箭头所示旋转的揉捏叶片(或螺杆)49来揉捏所送入的热塑性树脂46和导电材料45。
在图6B中，通过揉捏热塑性树脂46和导电材料45而形成的混合物50被送至第一挤压成型装置51的料斗52中，并且通过第一挤压成型装置51对送入的混合物50进行挤压成型。使挤压成型的成型材53通过水箱54，利用水箱54中的水55冷却成型材53。
利用切割装置56的切刀57将冷却后的成型材53切成预定的长度，并且把切下来的小段58...堆在料箱59中。
图7示出了以上制造方法中的冲压步骤，并具体示出了ST11的后半部分至ST12。
如箭头所示将在之前的步骤中所获得的小段58...送入第二挤压成型装置60的料斗61中，随后通过第二挤压成型装置60对所送入的小段58...进行挤压成型。利用轧辊63将这样挤压成型的成型材62轧成带状薄片64。
冲压装置65位于轧辊63的下游侧，并且该冲压装置65具有分别位于薄片64的上方和下方的上压模66和下压模67。
上压模66在面对带状薄片64的第二面64b的冲压面66a中具有凹凸部分(未示出)。这些凹凸部分用于在带状薄片64的第二面64b中形成燃气通路槽24...(见图4)。
下压模67在面对带状薄片64的第一面64a的冲压面67a中具有凹凸部分(未示出)。这些凹凸部分用于在带状薄片64的第一面64a中形成冷却水通路槽21...。
上压模66和下压模67位于冲压开始位置P1，利用上压模66和下压模67来冲压带状薄片64的两面64a、64b，并且保持这种状态，上压模66和下压模67按照带状薄片64的挤出速度如箭头a、b所示进行移动。这样，在带状薄片64的第一面64a，即对应于冷却水通路形成面20a(见图4)的一面中通过压力成型形成了冷却水通路槽21...，并且在在带状薄片64的第二面64b，即对应于燃气通路形成面20b(见图4)的一面中通过压力成型形成了燃气通路槽24...，从而带状薄片64形成了隔板基材68。
当上和下压模66和67到达冲压释放位置P2时，上和下压模66和67如箭头c和d所示从带状薄片64移开，并且在上和下压模66和67达到预定的释放侧位置之后，上和下压模66和67如箭头e和f所示向上游侧移动。当上和下压模66和67达到预定的挤压开始侧位置时，上和下压模66和67如箭头g和h所示移动到冲压开始位置P1。
通过依次地重复上述步骤，在带状薄片64的面64a和64b中通过压力成型形成了图4所示的冷却水通路槽21...和燃气通路槽24...。
为了方便理解，在图7中示出了分别设置有一个上和下压模66和67的情况，然而，在实际中分别设置了多个上和下压模66和67。
通过设置多个上和下压模66和67，可以在带状薄片64的面64a和64b中连续地通过压力成型形成冷却水通路槽21...和燃气通路槽24...(见图4)。
上和下压模66和67具有用于形成图1所示的燃气供应口26a和燃气排出口26b的部分。并且，上和下压模66和67具有用于形成图1所示的氧化剂气体供应口29a和氧化剂气体排出口29b的部分。
另外，上和下压模66和67具有用于形成图1所示的冷却水供应口23a和冷却水排出口23b的部分。
因此，在利用上和下压模66和67分别于带状薄片64的面64a和64b中连续地通过压力成型形成图4所示的冷却水通路槽21...和燃气通路槽24...的同时，也形成了冷却水供应口23a和燃气供应口26a、29a，以及冷却水排出口23b和燃气排出口26b、29b。
图8示出了第一实施例的电子束照射步骤和薄片切割步骤，并且具体示出了ST13和ST14。
在冲压装置65(见图7)的下游侧，在之前的步骤中所获得的隔板基材68的上方，也就是通过压力成型形成有燃气通路槽24...的第二面68b(见图4)的上方设置了电子束照射装置70。
从该电子束照射装置70的电子枪71射出电子束72。利用该电子束72来照射通过压力成型形成有燃气通路槽24...的第二面68b的上面。通过这种方式，通过压力成型形成有燃气通路槽24...的第二面68b在一定程度上硬化，并形成三维交联结构。
在电子束照射装置70的下游侧、在之前步骤中所获得的隔板基材68的上方设置有切割设备73。通过如箭头i所示地降下该切割设备73的切刀74，把隔板基材68切成预定尺寸，从而获得第一隔板20。到此，制造第一隔板20的工艺结束。
因此，利用根据本发明的燃料电池隔板制造方法，通过仅仅用电子束72照射的简单方法，可以在一定程度上硬化燃气通路形成面20b(见图4)并形成三维交联结构。
因此，可以保持燃气通路形成面20b的良好弹性，并且可以保持良好的密封性。因此，可以高效地制造具有良好密封性的第一隔板20。
此外，乙烯/乙酸乙烯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物、直链低密度聚乙烯、聚苯硫醚以及改性聚苯醚是热塑性树脂中具有良好柔韧性的树脂，并且通过由这种树脂45来制成第一隔板20，可以很好地保证第一隔板20的燃气通路形成面20b(见图4)的柔韧性。
尽管结合图5至图8说明了制造第一隔板20的方法，但是也可以通过相同的方法来制造第二隔板30。然而，因为第二隔板30不象第一隔板20那样具有冷却水通路槽21...，而是具有平坦的接合面30a，所以图7所示的下压模67在其面对带状薄片64的第一面的面中无需具有用于形成带状薄片64的第一面中的冷却水通路槽21...的凹凸部分。
接下来将基于图9至图24描述本发明的第二和第三实施例。
在第二和第三实施例中，与第一实施例中的部件相同的部件被赋予相同的标号，并且不再对其说明。
首先，参照图9，其以分解立体图的方式示出了具有通过根据本发明第二实施例的接合方法进行接合的燃料电池隔板和电极扩散层的燃料电池。
如图9所示，燃料电池110是固体聚合物型燃料电池，通过以下步骤来制造该燃料电池：使用例如固体聚合物电解质作为电解质膜112，将阳极113和阴极114附在该电解质膜112上，隔着阳极扩散层115在阳极113侧设置隔板118，并隔着阴极扩散层116在阴极114侧设置隔板118，从而构建电池模块111，然后将多个这样的电池模块111层叠在一起。
隔板118由第一隔板120和第二隔板130构成，并且通过例如振动焊接来将第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a接合起来。
通过这样把第一和第二隔板120和130振动焊接在一起，第一隔板120中的冷却水通路槽121...被第二隔板130覆盖，从而形成冷却水通路122...(见图10)。
位于第一和第二隔板120、130的顶端的中心处的冷却水供应口123a、133a，以及位于第一和第二隔板120、130的底端的中心处的冷却水排出口12b、133b与这些冷却水通路122相连接。
第一隔板120在燃气通路形成面120b侧具有燃气通路槽124...(见图10)，通过把阳极扩散层115与燃气通路形成面120b贴在一起并且例如进行振动焊接，燃气通路槽124...被阳极扩散层115覆盖，从而形成燃气通路125...(见图10)。
位于第一和第二隔板120、130的顶端的左侧的燃气供应口126a、136a，以及位于第一和第二隔板120、130的底端的右侧的燃气排出口126b、136b与这些燃气通路125...相连接。
第二隔板130在氧化剂气体通路形成面130b侧具有氧化剂气流通路槽137...，并且通过把阴极扩散层116与氧化剂气体通路形成面130b贴在一起，并且例如进行振动焊接，氧化剂气体通路槽137...被阴极扩散层116覆盖，从而形成氧化剂气体通路138...(见图10)。
位于第一和第二隔板120、130的顶端的右侧的氧化剂气体供应口129a、139a，以及位于第一和第二隔板120、130的底端的左侧的氧化剂气体排出口129b、139b与这些氧化剂气体通路138...相连接。
作为构成第一和第二隔板120、130的树脂，例如通过在具有抗氧化性的热塑性树脂中单独地混入天然石墨、人造石墨、凯金黑或乙炔黑等或混入它们的混合物而得到的包含60至95％重量百分比的碳素材料的树脂合成物是合适的，尽管本发明不限于此。
凯金黑是一种具有良好导电性的碳黑，并且例如由Ketchen BlackInternational Co.，Ltd.制造(由Mitsubishi Chemical Co.，Ltd出售)的凯金黑是合适的，尽管本发明不限于此。
第一和第二隔板120、130是通过注射成型、热压成型或辊轧成型对上述树脂合成物进行成型而得到的碳素成型隔板。
作为具有抗氧化性的热塑性树脂，例如乙烯/乙酸乙烯共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物、直链低密度聚乙烯、聚苯硫醚以及改性聚苯醚是合适的，尽管本发明不限于此。
作为阳极扩散层115，例如碳素有纺布、碳素无纺布、碳素毡或碳素纸的碳素纤维是合适的，尽管本发明不限于此。
作为阴极扩散层116，与阳极扩散层115类似，例如碳素有纺布、碳素无纺布、碳素毡或碳素纸的碳素纤维是合适的，尽管本发明不限于此。
参照图10，第一隔板120是形成为大体矩形形状的部件，如图9中清楚示出的，并且在燃气通路形成面120b中具有多个燃气通路槽124…，并且通过将阳极扩散层115振动焊接到该燃气通路形成面120b上，由燃气通路槽124…和阳极扩散层115形成了燃气通路125…，并且在冷却水通路形成面120a中具有多个冷却水通路槽121…。
如图9中清楚示出的，第二隔板130也是大致矩形的部件，在氧化剂通路形成面130b中具有多个氧化剂气流通路槽137…，并且通过将阴极扩散层116振动焊接到该氧化剂气体通路形成面130b上，由氧化剂气流通路槽137…和阴极扩散层116形成了氧化剂气体通路138…。
通过将第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a振动焊接在一起，并由第二隔板130的接合面130a盖位第一隔板120中的冷却水通路槽121，从而形成隔板118的冷却水通路122。
这样通过振动焊接将热塑性树脂的第一隔板120和阳极扩散层115接合为一体，可以减小第一隔板120和阳极扩散层115之间的电接触电阻。并且，通过将热塑性树脂的第一隔板120和阳极扩散层115接合为一体，可以省去在现有技术中为接合第一隔板120和阳极扩散层115而必须使用的密封材料。
类似地，通过振动焊接将热塑性树脂的第二隔板130和阴极扩散层116接合为一体，可以减小第二隔板130和阴极扩散层116之间的电接触电阻。并且，通过将热塑性树脂的第二隔板130和阴极扩散层116接合为一体，可以省去在现有技术中为接合第二隔板130和阳极扩散层116而必须使用的密封材料。
此外，通过将第一和第二热塑性树脂隔板120和130振动焊接在一起来实现隔板118的一体化，并且由第二隔板130的接合面130a盖住第一隔板120中的冷却水通路槽121，从而形成了冷却水通路122。
通过这样将第一和第二隔板120、130振动焊接在一起来实现隔板118的一体化，可以减小第一和第二隔板120和130之间的电接触电阻。并且，通过将第一和第二隔板120、130振动焊接在一起来实现隔板118的一体化，可以省去在现有技术中第一和第二隔板120、130之间必须使用的密封材料。
接下来将参照图11，其以截面图的形式示出了根据本发明第二实施例的用于实施接合燃料电池隔板和电极扩散层的方法的振动焊接装置。
振动焊接装置140具有：以预定间隔竖立在底座141上的左、右支柱142、142，左、右支柱142、142的上端与左、右梁143、143相连接；升/降部件145，其通过导块144、144可升/降地安装在左、右支柱142、142上；气缸146，其设置在升/降部件145和底座141之间；与底座141连接的气缸部件147；与升/降部件145连接的活塞杆148；与升/降部件145连接的下支撑部件149；安装在左、右梁143上的振动机构150；以及安装在振动机构150底端上以面对下支撑部件149的上支撑部件151。
如下制造该振动机构150：将框架部件152、152分别固定在左、右梁143上；在左、右框架部件152、152上设置电磁铁部件153、153；在左、右框架部件152、152之间延伸横梁154；在横粱154上安装支撑部件155并将该支撑部件155设置在左、右固定电磁铁部件153、153之间；在支撑部件155上安装滑动部件156，使其可在左右方向上移动；以及将左、右移动电磁铁部件157、157分别安装在滑动部件156的左端和右端，以使得左移动电磁铁部件157面对左固定电磁铁部件153，并且右移动电磁铁部件157面对右固定电磁铁部件153。
利用该振动焊接装置140，通过伸出和缩回气缸146的活塞杆148，可以升高和降低下支撑部件149和升/降部件145。
进而，通过使电流流过左、右固定电磁铁部件153、153以及移动电磁铁部件157、157，可以在左右方向上振动上支撑部件151和滑动部件156。
下面将参照图12A至图19来描述根据该第二实施例的用于接合燃料电池隔板和电极扩散层的方法。
首先，基于图12A至图15来描述将阳极扩散层115振动焊接到第一隔板120上的一个示例。
图12A和图12B示出了在该第二实施例的接合方法中安放第一隔板和阳极扩散层的步骤。
在图12A中，通过使设置在振动焊接装置140上的气缸146的活塞杆148缩回，可将下支撑部件149与升/降部件145一起降至安放位置H1。这样，可以将下支撑部件149从上支撑部件151上移走。
在图12B中，把第一隔板120和阳极扩散层115布置在下支撑部件149和上支撑部件151之间，并且把第一隔板120和阳极扩散层115如箭头j所示向着下支撑部件149的安放槽158降下。
图13A和图13B示出了在第二实施例的接合方法中向第一隔板和阳极扩散层施加焊接压力的步骤。
在图13A中，第一隔板120的冷却水通路形成面120a容纳在下支撑部件149的安放槽158中，并且阳极扩散层115放置在第一隔板120的燃气通路形成面120b上并与之对齐。
然后，通过使设置在振动焊接装置140(见图12A)上的气缸146的活塞杆148伸出，下支撑部件149与升/降部件145一起如箭头k所示升起。
在图13B中，通过将下支撑部件149升高至冲压位置H2，阳极扩散层115容纳在上支撑部件141的安放槽159中，从而可将焊接压力F1施加给第一隔板120和阳极扩散层115。
焊接压力F1例如为10至50kgf/cm2。使焊接压力F1为10至50kgf/cm2的原因如下。
也就是说，当焊接压力F1小于10kgf/cm2时，很难在第一隔板120的燃气通路形成面120b和阳极扩散层115中产生足够的摩擦热，从而无法将第一隔板120和阳极扩散层115焊接在一起。所以，将焊接压力F1设定为高于10kgf/cm2，以将第一隔板120和阳极扩散层115焊接在一起。
另一方面，当焊接压力F1大于50kgf/cm2时，在第一隔板120的燃气通路形成面120b和阳极扩散层115中产生大量的摩擦热，燃气通路形成面120b和阳极扩散层115过度熔化，并且在第一隔板120的边缘处和阳极扩散层115的边缘处形成毛口。
结果，需要去除在第一隔板120的边缘处和阳极扩散层115的边缘处形成的毛口的额外步骤。因此，将焊接压力F1设定为小于50kgf/cm2，以防止在第一隔板120的边缘处和阳极扩散层115的边缘处形成毛口。
图14A和14B示出了在第二实施例的接合方法中振动焊接第一隔板和阳极扩散层的步骤。
在图14A中，通过使振动焊接装置140的左、右固定电磁铁部件153、153和左、右移动电磁铁部件157、157通电，上支撑部件151和滑动部件156一起如箭头1所示在左右方向上移动。
此时的振动频率(频率)为240Hz。240Hz的振动频率适于对较小的物体进行振动焊接。因此，通过令振动频率为240Hz，可以很好地对第一隔板120和阳极扩散层115(它们是相对较小的部件)进行振动焊接。
在图14B中，通过使上支撑部件151如箭头1所示在左右方向上振动，阳极扩散层115如箭头1所示振动。结果，在第一隔板120的燃气通路形成面120b和阳极扩散层115中产生了摩擦热。
因为第一隔板120是由热塑性树脂制成的，所以通过第一隔板120的燃气通路形成面120b和阳极扩散层115中产生的摩擦热，可以将第一隔板120的燃气通路形成面120b和阳极扩散层115焊接在一起。
这样，可由阳极扩散层115盖住第一隔板120的燃气通路形成面120b中形成的燃气通路槽124...，从而形成燃气通路125...。
接下来将参照图15描述在第二实施例的接合方法中取出振动焊接后的第一隔板和阳极扩散层的步骤。
通过使设置在振动焊接装置140上的气缸146的活塞杆148缩回，下支撑部件149与升/降部件145一起降下。
下支撑部件149降下到安放位置H1，从而下支撑部件149从上支撑部件151移开，将经过振动焊接而接合为一体的第一隔板120和阳极扩散层115从振动焊接装置140上取下。
接下来将在图16A至17B的基础上描述将阴极扩散层116振动焊接到第二隔板130上的示例。
图16A和16B示出了在根据第二实施例的接合方法中安放第二隔板和阴极扩散层的步骤。
在图16A中，在从振动焊接装置140中取下接合为一体的第一隔板120和阳极扩散层115(见图15)之后，将第二隔板130和阴极扩散层116放置在下支撑部件149和上支撑部件151之间，然后把这些部件130、116如箭头m所示向着下支撑部件139的安放槽158降下。
在图16B中，第二隔板130的接合面130a容纳在下支撑部件149的安放槽158中，并且阴极扩散层116放置在第二隔板130的氧化剂气体通路形成面130b上并与之对齐。
然后，通过使设置在振动焊接装置140(见图12A)上的气缸146的活塞杆148伸出，将下支撑部件149与升/降部件145一起如箭头n所示升起。
图17A和图17B示出了在第二实施例的接合方法中将阴极扩散层振动焊接到第二隔板上的步骤。
在图17A中，通过将下支撑部件149升高至冲压位置H3，阴极扩散层116容纳在上支撑部件151的安放槽159中，从而可将焊接压力F2施加给第二隔板130和阴极扩散层116。
与焊接压力F1类似，令焊接压力F2为例如10至50kgf/cm2。令焊接压力F2为例如10至50kgf/cm2的原因与针对图13B的焊接压力F1的说明相同。
也就是，当焊接压力F2小于10kgf/cm2时，很难在第二隔板130的氧化剂气体通路形成面130b和阴极扩散层116中产生足够的摩擦热，从而无法将第二隔板130和阴极扩散层116焊接在一起。所以，将焊接压力F2设定为高于10kgf/cm2，以将第二隔板130和阴极扩散层116焊接在一起。
另一方面，当焊接压力F2大于50kgf/cm2时，在第二隔板130的氧化剂气体通路形成面130b和阴极扩散层116中产生大量的摩擦热，氧化剂气体通路形成面130b和阴极扩散层116过度熔化，并且在第二隔板130的边缘处和阴极扩散层116的边缘处形成毛口。结果，需要去除在第二隔板130的边缘处和阴极扩散层116的边缘处形成的毛口的额外步骤。因此，将焊接压力F2设定为小于50kgf/cm2，以防止在第二隔板130的边缘处和阴极扩散层116的边缘处形成毛口。
在此状态下，通过使图12A所示的振动焊接装置140的左、右固定电磁铁部件153、153以及左、右移动电磁铁部件157、157通电，上支撑部件151和滑动部件156如箭头o所示在左右方向上振动。
此时的振动频率(频率)为240Hz。
令振动频率为240Hz的原因与关于图14A的说明相同。也就是，240Hz的振动频率适于对相对较小的物体进行振动焊接。因此，通过令振动频率为240Hz，可以很好地对第二隔板130和阴极扩散层116(它们是相对较小的部件)进行振动焊接。
通过使上支撑部件151如箭头o所示在左右方向上振动，阴极扩散层116如箭头o所示振动。结果，在第二隔板130的氧化剂气体通路形成面130b和阴极扩散层116中产生了摩擦热。
因为第二隔板130是由热塑性树脂制成的，所以通过第二隔板130的氧化剂气体通路形成面130b和阴极扩散层116中产生的摩擦热，可以将第二隔板130的氧化剂气体通路形成面130b和阴极扩散层116焊接在一起。
这样，可由阴极扩散层116覆盖第二隔板130的氧化剂气体通路形成面130b中形成的氧化剂气流通路槽137...，从而形成氧化剂气体通路138...。
在图17B中，通过使设置在振动焊接装置140上的气缸146的活塞杆148(见图12A)缩回，下支撑部件149与升/降部件145一起降下。
这样，下支撑部件149被降至安放位置H1，从而下支撑部件149从上支撑部件151上移开，从振动焊接装置140上取下通过振动焊接而接合为一体的第二隔板130和阴极扩散层116。
接下来参照图18A至19B说明振动焊接第一和第二隔板的要领。
图18A和图18B示出了安放第二实施例中所获得的隔板的要领。
在图18A中，从振动焊接装置140上取下通过振动焊接而接合为一体的第二隔板130和阴极扩散层116之后，把通过振动焊接而接合为一体的第一隔板120和阳极扩散层115以及通过振动焊接而接合为一体的第二隔板130和阴极扩散层116放置在下支撑部件149和上支撑部件151之间，然后使这些部件如箭头p所示朝下支撑部件149的安放槽158降下。
在图18B中，阴极扩散层116容纳在下支撑部件149的安放槽158中，并且第一隔板120的冷却水通路形成面120a放置在第二隔板130的接合面130a上并与之对齐。
然后，通过使设置在振动焊接装置40(见图12A)上的气缸146的活塞杆148伸出，将下支撑部件149与升/降部件145一起如箭头q所示升起。
图19A和图19B示出了把第二实施例中获得的隔板振动焊接在一起的要领。
在图19A中，通过将下支撑部件149升高至冲压位置H4，阳极扩散层115容纳在上支撑部件151的安放槽159中，从而可将焊接压力F3施加在第一隔板120的冷却水通路形成面120a与第二隔板130的接合面130a之间的界面上。
此处，与焊接压力F1类似，令焊接压力F3为例如10至50kgf/cm2。令焊接压力F3为例如10至50kgf/cm2的原因与针对焊接压力F1的说明相同。
也就是，当焊接压力F3小于10kgf/cm2时，很难在第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a中产生足够的摩擦热，从而无法将冷却水通路形成面120a和接合面130a焊接在一起。
所以，将焊接压力F3设定为高于10kgf/cm2，以将第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a焊接在一起。
另一方面，当焊接压力F3大于50kgf/cm2时，在第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a中产生大量的摩擦热，冷却水通路形成面120a和接合面130a过度熔化，在第一隔板120的边缘处和第二隔板130的边缘处形成毛口。
结果，需要去除第一隔板120的边缘处和第二隔板130的边缘处形成的毛口的额外步骤。因此，将焊接压力F3设定为小于50kgf/cm2，以防止在第一隔板120的边缘处和第二隔板130的边缘处形成毛口。
在此状态下，使图12A所示的振动焊接装置140的左、右固定电磁铁部件153、153以及左、右移动电磁铁部件157、157通电，上支撑部件151和滑动部件156一起如箭头r所示在左右方向上振动。此时的振动频率(频率)为240Hz。
令振动频率为240Hz的原因与参考图14A的说明相同。也就是，240Hz的振动频率适于对相对较小的物体进行振动焊接。因此，通过令振动频率为240Hz，可以很好地振动焊接第一隔板120和第二隔板130(它们是相对较小的部件)。
通过使上支撑部件151如箭头r所示在左右方向上振动，阳极扩散层115和第一隔板120如箭头r所示振动。结果，在第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面110a中产生了摩擦热。
因为第一和第二隔板120、130是由热塑性树脂制成的，所以通过在冷却水通路形成面120a和接合面130a中产生摩擦热，从而将第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a焊接在一起，可以形成隔板118。
此时，可由第二隔板130的接合面130a覆盖第一隔板120的冷却水通路形成面120a中形成的冷却水通路槽121，从而形成冷却水通路122。
在图19B中，通过使设置在振动焊接装置140上的气缸146的活塞杆148(见图12A)缩回，下支撑部件149与升/降部件145一起降下。
下支撑部件149被降至安放位置H1，从而下支撑部件149从上支撑部件151上移开，从振动焊接装置140上取下隔板118连同通过振动焊接而与该隔板118接合为一体的阳极扩散层115和阴极扩散层116。到此结束了制造隔板118的工艺。
如上所述，使用第二实施例的燃料电池隔板制造方法，通过将碳素纤维阳极扩散层115与热塑性树脂第一隔板120叠在一起并向该阳极扩散层115与第一隔板120施加焊接压力F1，同时振动该阳极扩散层115以产生摩擦热，可以将阳极扩散层115焊接到第一隔板120上。
另外，通过振动焊接将第一隔板120和阳极扩散层115接合为一体，可以减小第一隔板120和阳极扩散层115之间的电接触电阻。另外，通过振动焊接使第一隔板120和阳极扩散层115接合为一体，可以省去现有技术中为接合第一隔板120和阳极扩散层115而必须使用的密封材料。此外，通过省去第一隔板120和阳极扩散层115之间的密封材料，可以减少构件的数量。另外，还可以减少用于在第一隔板120和阳极扩散层115之间装配(例如，涂布)密封材料的装配劳力。
并且，通过将碳素纤维阴极扩散层116与热塑性树脂第二隔板130叠在一起并向该阴极扩散层116与第二隔板130施加焊接压力F2，同时振动该阴极扩散层116以产生摩擦热，可以将阴极扩散层116焊接到第二隔板130上。
通过振动焊接来将第二隔板130和阴极扩散层116接合为一体，可以减小第二隔板130和阴极扩散层116之间的电接触电阻。另外，通过振动焊接来将第二隔板130和阴极扩散层116接合为一体，可以省去在现有技术中为接合第二隔板130和阴极扩散层116而必须使用的密封材料。此外，通过省去第二隔板130和阴极扩散层116之间的密封材料，可以减少构件的数量。另外，还可以减少用于在第二隔板130和阴极扩散层116之间装配(例如，涂布)密封材料的装配劳力。
另外，通过将第一和第二热塑性树脂隔板120、130叠在一起并向第一和第二热塑性树脂隔板120、130施加焊接压力F3，同时振动第一隔板120以产生摩擦热，可以将第一和第二隔板120、130焊接在一起。
通过振动焊接来将第一和第二隔板120、130接合为一体，可以减小第一和第二隔板120、130之间的电接触电阻。另外，通过振动焊接来将第一和第二隔板120、130接合为一体，可以省去在现有技术中为连接第一和第二隔板120、130而必须使用的密封材料。此外，通过省去第一和第二隔板120、130之间的密封材料，可以减少构件的数量。另外，还可以减少用于在第一和第二隔板120、130之间装配(例如，涂布)密封材料的装配劳力。
对通过本发明第二实施例的方法获得的隔板的电阻过电压(resistanceovervoltage)进行了试验(试验例1和2)。基于下面的表1和表2来说明试验结果。
表1
| 对比例1 | 试验例1 | ||
| 电池模块温度 | 80℃ | 80℃ | |
| 阳极气体 | 燃气(纯H2) | 燃气(纯H2) | |
| 阴极气体 | 氧化剂气体(空气) | 氧化剂气体(空气) | |
| 气体温度 | 阳极 | 80℃ | 80℃ |
| 阴极 | 80℃ | 80℃ | |
| 气体压力 | 阳极 | 50kPa | 50kPa |
| 阴极 | 100kPa | 100kPa | |
| 电流密度 | 0.883A/cm2 | 0.883A/cm2 | |
| 结果 | 试验例1的电阻过电压比对比例1的低0.014V/电池模块 | ||
如下执行试验例1：通过以如图12A至图15所示的方式进行振动焊接，将第一隔板120和阳极扩散层115接合为一体；通过以如图16A至图17B所示的方式进行振动焊接，将第二隔板130和阴极扩散层116接合为一体；并在第一和第二隔板120、130之间插入普通密封材料。
如下执行对比例1：在第一隔板120和阳极扩散层115之间插入普通隔板；在第二隔板130和阴极扩散层116之间插入普通隔板；并在第一第二隔板120、130之间插入普通密封材料。
在以下条件下测量对比例1和试验例1的电阻过电压。
即，电池模块的温度设定为80℃，提供纯H2作为阳极气体(燃气)，并且提供空气作为阴极气体(氧化剂气体)。
令阳极侧的燃气温度为80℃，阴极侧的氧化剂气体温度为80℃，阳极侧的燃气压力为50kPa，而阴极侧的氧化剂气体压力为100kPa。在这些条件下，流过电流密度为0.883A/cm2的电流。
结果是，与对比例1的电阻过电压相比，试验例1的电阻过电压可以降低0.014V/电池模块。
因此，可见如试验例1那样通过振动焊接把第一隔板120和阳极扩散层115接合为一体，并且通过振动焊接把第二隔板130和阴极扩散层116接合为一体，可以降低电阻过电压并防止燃料电池的输出降低。
现将参照表2。
表2
| 对比例1 | 试验例2 | |
| 电池模块温度 | 80℃ | 80℃ |
| 阳极气体 | 燃气(纯H2) | 燃气(纯H2) | |
| 阴极气体 | 氧化剂气体(空气) | 氧化剂气体(空气) | |
| 气体温度 | 阳极 | 80℃ | 80℃ |
| 阴极 | 80℃ | 80℃ | |
| 气体压力 | 阳极 | 50kPa | 50kPa |
| 阴极 | 100kPa | 100kPa | |
| 电流密度 | 0.883A/cm2 | 0.883A/cm2 | |
| 结果 | 试验例2的电阻过电压比对比例1的低0.041V/电池模块 | ||
如下执行试验例2：通过以如图12A至图15所示的方式进行振动焊接，将第一隔板120和阳极扩散层115接合为一体；通过以如图16A至图17B所示的方式进行振动焊接，将第二隔板130和阴极扩散层116接合为一体；以及通过以如图18A至图19B所示的方式进行振动焊接，将第一隔板120和第二隔板130接合为一体。
如表1所示，如下执行对比例1：在第一隔板120和阳极扩散层115之间插入普通隔板；在第二隔板130和阴极扩散层116之间插入普通隔板；以及在第一第二隔板120、130之间插入普通密封材料。
在以下条件下测量对比例1和试验例2的电阻过电压。
即，电池模块的温度设定为80℃，提供纯H2作为阳极气体(燃气)，并且提供空气作为阴极气体(氧化剂气体)。
令阳极侧的燃气温度为80℃，阴极侧的氧化剂气体温度为80℃，阳极侧的燃气压力为50kPa，而阴极侧的氧化剂气体压力为100kPa。在这些条件下，流过电流密度为0.883A/cm2的电流。
结果是，与对比例1的电阻过电压相比，试验例2的电阻过电压可以降低0.041V/电池模块。
因此，可见如试验例2那样通过振动焊接把第一隔板120和阳极扩散层115接合为一体，通过振动焊接把第二隔板130和阴极扩散层116接合为一体，并通过振动焊接把第一隔板120和第二隔板130接合为一体，可以降低电阻过电压并防止燃料电池的输出降低。
接下来将描述本发明的第二实施例的一个变型例。
尽管在第二实施例中描述了这样一个示例：使用振动焊接装置140来焊接第一隔板120和阳极扩散层115，并且使用振动焊接装置140来焊接第二隔板130和阴极扩散层116，另外使用振动焊接装置140来焊接第一隔板120和第二隔板130，但是对此没有限制，通过例如超声波焊接也可以获得同样的效果。
此处，超声波焊接是指使用超声波振荡器产生的振动能量来进行焊接。
利用该变型例的超声波焊接，在把第一隔板120和阳极扩散层115叠在一起之后，向第一隔板120和阳极扩散层115施加焊接压力，在这种状态下，通过焊头把超声波振荡器产生的振动能施加到第一隔板120和阳极扩散层115上，在第一隔板120和阳极扩散层115的交接面上产生了摩擦热，从而可以将第一隔板120和阳极扩散层115焊接在一起。
另外，利用上述变型例的超声波焊接，在把第二隔板130和阴极扩散层116叠在一起之后，向第二隔板130和阴极扩散层116施加焊接压力，在这种状态下，通过焊头把超声波振荡器产生的振动能施加在第二隔板130和阴极扩散层116上，在第二隔板130和阴极扩散层116的交接面上产生了摩擦热，从而可以将第二隔板130和阴极扩散层116焊接在一起。
同样，利用上述变型例的超声波焊接，在把第一隔板120和第二隔板130叠在一起之后，向第一隔板120和第二隔板130施加焊接压力，在这种状态下，把超声波振荡器产生的振动能施加在第一隔板120和第二隔板130上，在第一隔板120和第二隔板130的交接面上产生了摩擦热，从而可以将第一隔板120和第二隔板130焊接在一起。
下面将参照图20来描述通过根据本发明第三实施例的燃料电池隔板制造方法而获得的燃料电池隔板。该图不同于图10之处在于，用虚线示出阳极扩散层和阴极扩散层。
如参照图10所描述的，第一隔板120在燃气通路形成面120b上具有多个燃气通路槽124...，并且通过将阳极扩散层115与该燃气通路形成面120b连接，由燃气通路槽124...和阳极扩散层115形成了燃气通路125...，并且其在冷却水通路形成面120b上具有多个冷却水通路槽121...。
如参照图10所描述的，第二隔板130在氧化剂气体通路形成面130b上具有多个氧化剂气流通路槽137...，并且通过将阴极扩散层116与该氧化剂气体通路形成面130b连接，由氧化剂气流通路槽137...和阴极扩散层116形成了氧化剂气体通路138...。
如下制得隔板118：将第一和第二隔板120、130叠在一起并随后向第一和第二隔板120、130施加焊接压力，并振动第一和第二隔板120、130中的一个，以产生摩擦热，从而将第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a振动焊接在一起，由第二隔板130覆盖第一隔板120的冷却水通路形成槽121，从而形成冷却水通路122。
通过象这样对第一和第二热塑性树脂隔板120、130进行振动焊接而使隔板118成为一个整体，并由第二隔板130覆盖第一隔板120的冷却水通路槽121从而形成冷却水通路122，可以省去第一和第二隔板120、130之间的现有技术中必须使用的密封材料。
下面参照图21A至图24来描述根据第三实施例的燃料电池隔板制造方法。
图21A和图21B示出了在第三实施例的制造方法中安放第一和第二隔板的步骤。
在图21A中，通过使设置在振动焊接装置140上的气缸146的活塞杆148缩回，将下支撑部件149与升/降部件145一起降至安放位置H1。这样，可以将下支撑部件149从上支撑部件151上移走。
在图21B中，把第一和第二隔板120、130设置在下支撑部件149和上支撑部件151之间，并且如箭头s所示把第一和第二隔板120、130朝着下支撑部件149的安放槽158降下。
图22A和图22B示出了在第三实施例的制造方法中向第一和第二隔板施加焊接压力的步骤。
在图22A中，第二隔板130的氧化剂气体通路形成面130b容纳在下支撑部件149的安放槽158中，并且第一隔板120的冷却水通路形成面120a与第二隔板130的接合面130a贴在一起。
然后，通过使设置在振动焊接装置140(见图21A)上的气缸146的活塞杆148伸出，使下支撑部件149与升/降部件145一起如箭头t所示升起。
在图22B中，通过将下支撑部件149升至冲压位置H5，第一隔板120的燃气通路形成面120b容纳在上支撑部件151的安放槽159中，并对第一和第二隔板120、130施加焊接压力F4。
与焊接压力F1类似，焊接压力F4为例如10至50kgf/cm2。使焊接压力F1为10至50kgf/cm2的原因与针对图13B的焊接压力F1的说明相同。
也就是说，当焊接压力F4小于10kgf/cm2时，很难在第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a中产生足够的摩擦热，从而无法将第一和第二隔板120、130焊接在一起。
因此，将焊接压力F4设定为高于10kgf/cm2，以将第一和第二隔板120、130焊接在一起。
另一方面，当焊接压力F4大于50kgf/cm2时，在第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a中产生大量的摩擦热，从而冷却水通路形成面120a和接合面130a过度熔化，在第一和第二隔板120、130的边缘处形成毛口。
结果，需要去除在第一和第二隔板120、130的边缘处形成的毛口的额外步骤。因此，将焊接压力F4设定为小于50kgf/cm2，以防止在第一和第二隔板120、130的边缘处形成毛口。
图23A和23B示出了在第三实施例的接合方法中振动焊接第一和第二隔板的步骤。
在图23A中，通过使振动焊接装置140的左、右固定电磁铁部件153、153以及左、右移动电磁铁部件157、157通电，上支撑部件151和滑动部件156一起如箭头u所示在左右方向上振动。
此时的振动频率(频率)为240Hz。240Hz的振动频率适于对相对较小的物体进行振动焊接。因此，通过令振动频率为240Hz，可以很好地振动焊接第一隔板120和第二隔板130(它们是相对较小的部件)。
在图23B中，通过使上支撑部件151如箭头u所示在左右方向上振动，第一隔板120如箭头u所示振动。这样，在第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a中产生了摩擦热。
因为第一和第二隔板120、130是由热塑性树脂制成的，所以通过第一隔板120的冷却水通路形成面120a和第二隔板130的接合面130a中产生的摩擦热，可以通过冷却水通路形成面120a和接合面130a将第一和第二隔板120、130焊接在一起。
以这种方式，可以通过由第二隔板130的接合面130a覆盖形成在第一隔板120的冷却水通路形成面120a中的冷却水通路槽121...，来形成冷却水通路122...。
图24示出了在第三实施例的制造方法中取下振动焊接后的第一和第二隔板的步骤。
通过使设置在振动焊接装置140上的气缸146的活塞杆148(见图21A)缩回，下支撑部件149与升/降部件145一起降下。
下支撑部件149被降至安放位置H1，从而下支撑部件149从上支撑部件151上移开，从振动焊接装置140上取下由通过振动焊接而接合为一体的第一和第二隔板120、130构成的隔板118。到此结束了制造隔板118的工艺。
如上所述，利用根据第三实施例的燃料电池隔板制造方法，在形成隔板118的过程中，可以通过利用摩擦热的振动焊接来把第一和第二隔板120、130接合为一体，并由第二隔板130覆盖第一隔板120中的冷却水通路槽21，来形成冷却水通路22。
通过振动焊接来把第一和第二隔板120、130接合为一体，可以减小第一和第二隔板120、130之间的电接触电阻。
另外，通过振动焊接来把第一和第二隔板120、130接合为一体，可以省去第一和第二隔板120、130之间的在现有技术中必须使用的密封材料。通过省去第一和第二隔板120、130之间的密封材料，可以减少构件的数量。另外，还可以减少用于在第一和第二隔板120、130之间装配(例如，涂布)密封材料的装配劳力。
对通过第三实施例的方法而获得的隔板118的电阻过电压(见图20；试验例3)进行了试验。现将基于下表3来说明试验结果。
表3
| 对比例2 | 试验例3 | ||
| 电池模块温度 | 80℃ | 80℃ | |
| 阳极气体 | 燃气(纯H2) | 燃气(纯H2) | |
| 阴极气体 | 氧化剂气体(空气) | 氧化剂气体(空气) | |
| 气体温度 | 阳极 | 80℃ | 80℃ |
| 阴极 | 80℃ | 80℃ | |
| 气体压力 | 阳极 | 50kPa | 50kPa |
| 阴极 | 100kPa | 100kPa | |
| 电流密度 | 0.883A/cm2 | 0.883A/cm2 | |
| 结果 | 试验例3的电阻过电压比对比例2的低0.027V/电池模块 | ||
对比例2是第一和第二隔板没有经过振动焊接，而是用密封材料进行接合的隔板。
试验例3是第三实施例的隔板118，其中第一隔板120和第二隔板130被振动焊接在一起。
在以下条件下测量了对比例2和试验例3的电阻过电压。
即，电池模块的温度设定为80℃，提供纯H2作为阳极气体(燃气)，并且提供空气作为阴极气体(氧化剂气体)。
令阳极侧的燃气温度为80℃，阴极侧的氧化剂气体温度为80℃，阳极侧的燃气压力为50kPa，而阴极侧的氧化剂气体压力为100kPa。在这些条件下，流过电流密度为0.883A/cm2的电流。
结果是，与对比例2的电阻过电压相比，试验例3的电阻过电压可以降低0.027V/电池模块。
因此，可见如试验例3那样通过振动焊接来把第一隔板120和第二隔板130接合为一体，可以降低电阻过电压并防止燃料电池的输出降低。
下面将描述第三实施例的制造方法的一个变型例。
尽管在第三实施例的制造方法中描述了使用振动焊接装置140对第一和第二隔板120、130进行焊接的示例，但是并不限于这样，例如通过超声波焊接来焊接第一和第二隔板120、130也可以获得同样的效果。
此处，超声波焊接是指使用超声波振荡器产生的振动能量来进行焊接。
利用该变型例的超声波焊接，在把第一和第二隔板120、130贴在一起之后，向第一和第二隔板120、130施加焊接压力，在这种状态下，通过焊头把超声波振荡器产生的振动能施加在第一和第二隔板120、130上，在第一和第二隔板120、130的交接面上产生了摩擦热，从而可以将第一和第二隔板120、130焊接在一起。
通过该变型例的超声波焊接，和第三实施例的制造方法中的振动焊接一样，通过把第一和第二隔板120、130焊接在一起，可以由第二隔板130盖住在第一隔板120中形成的冷却水通路槽121，从而形成冷却水通路122。
尽管在上述实施例中描述了固态聚合物电解质型燃料电池10、110，其中使用固态聚合物电解质作为电解质膜12、112，但是并不限于此，本发明也可以应用于其他燃料电池。
尽管在第一实施例的方法中描述了通过挤压成型或压力成型连续地形成第一和第二隔板20、30的一个示例，但是对此没有限制，也可以通过诸如热压、注射成型或传递成型的其他制造方法来成型。
传递成型是通过将一抷成形材料放入罐部而非模腔中，随后利用柱塞把熔融态的材料传送到模腔中的成型方法。
另外，尽管在第一实施例的方法中描述了通过振动焊接来接合第一和第二隔板20、30的一个示例，但是对此没有限制，通过用电子束照射第一隔板20的冷却水形成面20a，并利用电子束照射第二隔板30的接合面30a，以提高冷却水形成面20a和接合面30a的弹性，也可以很好地将第一和第二隔板20、30接合在一起并密封冷却水形成面20a和接合面30a。
并且，尽管在第二和第三实施例的方法中描述了在将阳极扩散层115焊接到第一隔板120上时振动阳极扩散层115的示例，但是振动第一隔板120而不是阳极扩散层115也可以得到同样的效果。
另外，尽管在第二和第三实施例的方法中描述了在将阴极扩散层116焊接到第二隔板130上时振动阴极扩散层116的示例，但是振动第二隔板130而不是阴极扩散层116也可以得到同样的效果。
除此之外，尽管在第二和第三实施例的方法中描述了在将第一和第二隔板120、130焊接在一起时振动第一隔板120的示例，但是振动第二隔板130而不是第一隔板120也可以得到同样的效果。
而且，尽管在第二和第三实施例的方法中描述了在第一隔板120中形成冷却水通路槽121，而第二隔板130的接合面130a为平坦面的示例，但是也可以将第一隔板120制成平坦面，而在第二隔板130中形成冷却水通路槽。
此外，还可以在第一和第二隔板120、130中都形成冷却水通路槽，然后通过对第一和第二隔板120、130进行振动焊接，由双方的冷却水通路槽来形成冷却水通路。
工业应用性
如上所述，利用本发明，通过将热塑性树脂和导电材料混合为混合物、由该混合物形成在与扩散层的接触面上具有气流通路槽的隔板基材、以及用电子束照射该隔板基材的接触面，可以省去涂布密封材料的时间和劳力。从而，因为可以提高生产率并降低成本，例如，本发明可以有效地应用于机动车的燃料电池等的相对大批量生产的产品。
Claims (2)
1、一种用于接合燃料电池隔板和电极扩散层的方法，包括：
在热塑性树脂隔板上布置碳素纤维电极扩散层；
向所述电极扩散层和所述隔板施加焊接压力；以及
振动所述电极扩散层和所述隔板中的一个，以产生摩擦热，从而将所述电极扩散层焊接到所述隔板上。
2、根据权利要求1所述的用于接合燃料电池隔板和电极扩散层的方法，其特征在于，焊接压力为10至50kgf/cm2，并且振动的频率为240Hz。
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