CN101401239A - 隔板制造方法以及隔板 - Google Patents
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Abstract
本发明在燃料电池的隔板(20)上的燃料气体和反应水等通过的歧管的周围、和与相邻的隔板的粘接部位即密封线处形成树脂层。对隔板(20)表面上的待形成该树脂层的树脂涂敷部位预先实施基底处理，使其与树脂的结合力提高。在树脂层由含NH基树脂形成的情况下，作为基底处理是对隔板(20)的表面进行使其析出氢氧化物的处理。
Description
技术领域
本发明涉及形成燃料电池的单元电池间的隔壁的隔板及其制造方法。
背景技术
一直以来，在车辆和其它的领域中均在利用燃料电池。固体高分子型燃料电池(以下称为“燃料电池”)，是以将由燃料极和空气极这两片电极夹着由固体高分子膜制成的电解质膜的接合体(膜电极组件；MEA：Membrane Electrode Assembly)，再由两片隔板夹持而成的电池为最小单元，将该电池多个重叠，制成燃料电池组(FC组)，来获得高压电压。
在此，燃料电池的隔板由SUS等金属材料制成。用于提高该由金属制成的隔板的耐腐蚀性的技术一直以来已提出了许多方案。例如，日本特开2002-25574号公报和日本特开2005-158441号公报，曾公开了利用耐腐蚀性优异的树脂或薄膜被覆隔板的歧管周边的技术。歧管是在隔板上形成的开口部，燃料气体、空气、水分等通过该歧管。
然而，通常隔板的表面被化学上为惰性的钝态被膜覆盖，与树脂等的结合力弱。因此，有时受到在电池堆叠时产生的应力、因燃料电池使用时的热而膨胀时产生的应力，树脂层等剥离。另外，毕竟隔板的表面润湿性差，因此在树脂涂料为水溶性的场合，不能够将该树脂涂料均匀地涂布在隔板表面，还存在不能够形成适宜的树脂层的问题。
日本特开2002-243408号公报，曾记载了由树脂被覆在隔板的中央形成的燃料气体流路上不与电极接触的部位时，使树脂侧具有OH基由此使其与隔板的结合性提高的方案。另外，日本特开2003-272655号公报曾公开了为了提高燃料气体流路的性能，而使隔板浸渍在酸性浴中实施钝化处理的技术。然而，这些技术均以燃料气体流路的品质、功能提高为目的，难以用于隔板上的气体流路以外的部位的品质、功能的提高。
即，现有技术难以对隔板的气体流路以外的部位有效地提高耐腐蚀性等，其结果难以提高燃料电池本身的品质。
因此，本发明目的在于提供一种能够进一步提高燃料电池品质的隔板及其制造方法。
发明内容
本发明的隔板制造方法，是形成燃料电池的单元电池间的隔壁的隔板的制造方法，其特征在于，至少对隔板基材上的待设置树脂层的树脂涂敷部位实施提高该树脂与隔板基材的结合力的基底处理之后，设置树脂层。
在优选的方式中，树脂涂敷部位是流体可通过的开口部周边。在另外的优选方式中，树脂涂敷部位为与相邻的隔板的粘接部位即密封线。
在树脂层由含NH基树脂形成的场合，基底处理优选是使隔板基材的表面析出氢氧化物的处理。该情况下，基底处理，优选是使OH基与隔板基材表面的金属原子共价键合的处理。在树脂层由含OH基树脂形成的场合，基底处理优选是使氧原子与隔板基材表面的金属原子共价键合的处理。
在此，优选基底处理只对树脂涂敷部位实施。为此，优选：基底处理在对隔板基材上的树脂涂敷部位以外的部位实施了阻碍基底处理的掩蔽的状态下实施，作为另外的方式，优选在实施了基底处理之后，除去在树脂涂敷部位以外的部位施加的基底层。
再者，优选树脂层通过电沉积涂装而形成。另外，优选树脂为水溶性树脂。
作为另外的本发明的隔板，是形成燃料电池的单元电池间的隔壁的隔板，其特征在于，在隔板基材上除了气体流路以外的部分设有树脂层，在上述隔板基材与上述树脂层之间具有OH基或氧。
根据本发明，由于在待形成树脂层的树脂涂敷部位实施提高该树脂与隔板基材的结合力的基底处理，因此难以发生树脂层的剥离，能够长期地维持隔板的耐腐蚀性。其结果能够进一步提高燃料电池的品质。
附图说明
图1是表示燃料电池构成的示意图。
图2是隔板的俯视图。
图3是表示基底处理前的隔板与树脂的结合状态的示意图。
图4是表示基底处理后的隔板与树脂的结合状态的示意图。
图5是表示基底处理完的隔板与树脂的其他结合状态的示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。首先，参照图1对固体高分子型燃料电池的构成进行说明。固体高分子型燃料电池10，是以将由燃料极14和空气极16这两片电极夹着由固体高分子膜制成的电解质膜12的接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)再由两片隔板20夹持而成的电池为最小单元，通常将该电池多个重叠，制成燃料电池组(FC组)，来获得高压电压。
固体高分子型燃料电池10的发电结构，一般向燃料极(阳极侧电极)14供给燃料气体例如含氢气体，而向空气极(阴极侧电极)16供给氧化剂气体例如主要含有氧(O2)的气体或空气。含氢气体，通过在隔极20的表面加工出的细的沟供给至燃料极14，通过电极的催化剂的作用分解成电子和氢离子(H+)。电子通过外部回路，从燃料极14移动到空气极16，形成电流。而氢离子(H+)通过电解质膜12到达空气极16上，与氧和通过外部回路过来的电子结合，变成反应水(H2O)。在氢(H2)与氧(O2)以及电子的结合反应的同时发生的热被冷却水回收。另外，在具有空气极16的阴极侧生成的水(以下称为“反应水”)从阴极侧排出。
图2是隔板20的俯视图。夹持MEA15的两片隔极20，在为起隔开氢气和氧气的作用的挡板的同时，还具有将重叠的电池进行串联电连接的功能。该隔板20由SUS等金属材料制成，可通过压制成型等形成。
在隔板20的中央，形成有使含氢气体与含氧气体或空气流通的气体流路22。图2中在由阴影线图示的气体流路22上形成有细的凹凸的沟，燃料气体通过该沟供给至接合体。
在隔板20的左右端部附近，形成了用于使燃料气体、冷却致冷剂、反应水等通过的开口部作为歧管24。该歧管24的周围，为受到通过该歧管24的燃料气体和水等的影响容易腐蚀的环境。这样的歧管24周边等的腐蚀，不仅使燃料电池的寿命降低，而且也使其效率降低。即，由于腐蚀物剥离并附着在歧管24的内壁面，因此部分地堵塞歧管24，燃料气体等的流动变差。为此，以往就曾提出了在该歧管24周围形成具有耐腐蚀性的树脂层的方案。
另外，隔板20的外周部分成为与相邻的隔板20的粘接部分，即所谓的密封线26。各隔板20，利用涂布在该密封线26上的粘接剂与相邻的隔板20粘接。但是，通常隔板20与粘接剂的结合力弱。因此，以往就曾提出了使用与粘接剂的结合力高的材料例如树脂等被覆该密封线26，使隔板20相互的结合力提高的方案。
这样，隔板20的表面，以提高耐腐蚀性或提高与相邻的隔板20的密着力为目的，由树脂被覆的情况较多。然而，如图3所图示，在隔板20的表面形成有化学上为惰性的钝态被膜20a的情况较多。人们已知该钝态被膜20a与树脂50的亲合性低。因此，在存在这样的钝态被膜20a的状态下即使被覆了树脂，该树脂50与隔板20的结合力也弱，由于在电池堆叠时受到的应力、伴随着燃料电池的使用所带来的热膨胀而发生的应力，容易产生树脂50的剥离。树脂50的剥离诱发隔板20的腐蚀。另外，剥离后脱离的树脂50使燃料电池的效率恶化。因此结果招致燃料电池的品质降低。
另外，近年从操作的容易性出发，大多使用水溶性的树脂，但由于由惰性的钝态被膜20a被覆的隔板20的表面的润湿性低，因此还存在容易弹开水溶性树脂的问题。其结果阻碍树脂涂料的均匀扩展，有时树脂层的厚度不均匀。另外，还有时形成的树脂层发生微小的孔(针孔)，应该由该树脂层覆盖的隔板的表面部分地露在外部。
本实施方式为了防止这些问题，得到更高品质的隔板，在形成树脂层之前，对待形成树脂层的树脂涂敷部位实施基底处理，使隔板表面析出与树脂的亲合性高的氢氧化物或氧化物。
在此，本实施方式中，为了在除气体流路22以外的隔板20的全部表面形成树脂层，将该部位设为树脂涂敷部位。但是，也可以只将隔板20的一部分作为树脂涂敷部位，只对该部位进行基底处理和树脂层形成。在该情况下，优选至少将要求高耐腐蚀性的歧管24的周围或者为了提高粘接力而希望形成树脂层的密封线26作为树脂涂敷部位。另外，对于燃料气体等通过的气体流路22，由于不能够形成树脂层，因此该部位不作为树脂涂敷部位。
图4是表示实施了基底处理时的隔板20与含NH基树脂50的结合状态的示意图。一般地含有NH基的含NH基树脂50与OH基的亲合性高。通过基底处理，预先使隔板20的表面析出氢氧化物，存在于隔板20表面的OH基与树脂50中所含有的NH基相互吸引，牢固地结合。其结果，即使受到堆叠时的应力等，树脂层也不剥离，能够维持树脂的被覆状态。
在通过基底处理使氢氧化物析出的隔板20表面由含OH基树脂形成树脂50的情况下也可以说具有该效果。图5是表示实施了基底处理时的隔板20与含OH基树脂50的结合状态的示意图。一般地，含有OH基的含OH基树脂50与氧原子的亲合性高。因此，通过基底处理，预选使隔板20的表面析出氧化物，能够提高树脂50与隔板20的结合力，即使受到堆叠时的应力等也能够防止树脂的剥离。
另外，本实施方式中，与隔板20表面的原子化学键合的OH基(或氧)，与树脂50的构成原子化学键合。即，可以说隔板20与树脂50以原子水平进行键合。因此，与介有粘接剂等在隔板表面贴合了耐腐蚀性材料的现有技术不同，在本实施方式中，能够抑制隔板20与树脂50的间隙使其基本没有。其结果能够切实地防止水等向树脂50与隔板20之间的浸入，能够有效地提高作为隔板20整体的耐腐蚀性。
另外，在使隔板20表面析出了氢氧化物或氧化物的情况下，还能够使润湿性提高。其结果，即使将水溶性树脂涂布在隔板20的表面上也不会弹开，能够得到厚度均匀、且没有针孔等不良情况的合适的树脂层。
接着，对在隔板20表面实施的基底处理详细说明。作为对隔板20实施的基底处理，只要是能够析出氢氧化物或氧化物的处理就没有特别限定，例如，可举出等离子体处理。等离子体处理，如众所周知，是使被处理构件与呈等离子体状态的气体接触，诱发该气体与被处理构件的化学反应的处理。根据该等离子体处理，只有非处理构件的表面下亚微米的层能够通过化学反应而变化。使用该等离子体处理对隔板20的表面实施基底处理的场合，将隔板20配置在已等离子体化的大气中。该情况下，存在于大气中的水(H2O)与隔板20的表层的化学反应得到诱发。其结果，在隔板20的表面，会析出化学上为活性的OH基来代替惰性的钝态被膜。
另外，作为其他的基底处理方法，可举出化学转化处理。即，在使隔板20浸渍在含氧原子的溶剂中的状态下，产生电化学反应，使隔板表面析出氧化物。该场合，隔板20表面的金属原子与氧原子形成共价键，该键为牢固的键。其结果，隔板20与树脂50的结合力提高，能够切实地防止树脂50的剥离。
再者，在实施以上的基底处理时，预先对气体流路22实施掩蔽，阻碍对气体流路22的基底处理。这是为了防止伴随着基底处理的耐腐蚀性降低。即，在实施了基底处理的情况下，钝态被膜会被除去。形成有树脂层的歧管24周边以及密封线26由于被树脂层保护，因此即使钝态被膜消除也没有问题。然而，对于没有由树脂层保护的气体流路22而言，由于钝态被膜的消除，耐腐蚀性将大幅度降低。这样的腐蚀招致表面电阻增加、腐蚀物剥离等，进而使燃料电池的效率恶化。因此，本实施方式中，在基底处理之前，先对气体流路22实施掩蔽。该掩蔽可通过下述方法实现：在气体流路22上可脱离地接合阻止等离子体和溶剂浸入的密封被膜等。
再者，也可以不阻碍对气体流路22的基底处理，而是通过除去对气体流路22实施的基底处理，来维持气体流路的耐腐蚀性。即，也可以在不实施掩蔽而对基板20整体实施基底处理后，在气体流路22的表面再形成钝态被膜。
若通过基底处理能够在树脂涂敷部位的表面析出氢氧化物或氧化物，则在该树脂涂敷部位形成树脂层。树脂层可采用种种的现有技术形成，在此对通过电沉积涂装进行的树脂层形成进行说明。通过电沉积来形成树脂层的场合，将实施了掩蔽的基底处理过的隔板作为阴极浸渍在树脂涂料中。然后，在该隔板(阴极)与设置在电沉积槽内的隔膜室内的阳极(+)之间流通直流，在隔极表面形成树脂层。在该电沉积涂装时，隔板表面成为析出了与树脂涂料的亲合性高的氢氧化物或氧化物的状态(参照图4和图5)。因此，树脂涂料与隔板表面的OH基(或氧)牢固地结合。其结果能够切实地防止树脂的剥离，能够长期维持隔板的耐腐蚀性。另外，树脂和隔板以原子水平键合，因此能够抑制两者的间隙至基本没有，能够得到高的耐腐蚀性。此外，通过基底处理，隔板的亲水性得到提高，因此不会产生针孔等不良情况，可以得到均匀厚度的树脂层。
再得，制造这样的隔板的隔板制造装置，只要具备在成形为规定形状的隔板基材的树脂涂敷部位实施基底处理的基底处理装置，即，上述的等离子体处理装置、化学转化处理装置等即可。树脂层既可以在该基底处理之后立即形成，又可以在即将由隔板夹持MEA等之前形成。
如以上所说明，根据本实施方式，能够得到可长期维持高耐腐蚀性的高品质的隔板。
Claims (12)
1.一种隔板制造方法，是形成燃料电池的单元电池间的隔壁的隔板的制造方法，其特征在于，至少对隔板基材上的待设置树脂层的树脂涂敷部位实施提高该树脂与隔板基材的结合力的基底处理之后，设置树脂层。
2.根据权利要求1所述的隔板制造方法，其特征在于，所述树脂涂敷部位是流体可通过的开口部周边。
3.根据权利要求2所述的隔板制造方法，其特征在于，所述树脂涂敷部位为与相邻的隔板的粘接部位即密封线。
4.根据权利要求3所述的隔板制造方法，其特征在于，在树脂层由含NH基树脂形成的情况下，所述基底处理是使隔板基材的表面析出氢氧化物的处理。
5.根据权利要求4所述的隔板制造方法，其特征在于，所述基底处理是使OH基与隔板基材表面的金属原子共价键合的处理。
6.根据权利要求3所述的隔板制造方法，其特征在于，在树脂层由含OH基树脂形成的情况下，所述基底处理是使氧原子与隔板基材表面的金属原子共价键合的处理。
7.根据权利要求3所述的隔板制造方法，其特征在于，所述基底处理只对树脂涂敷部位实施。
8.根据权利要求7所述的隔板制造方法，其特征在于，所述基底处理是在对隔板基材上的树脂涂敷部位以外的部位实施了阻碍基底处理的掩蔽的状态下实施的。
9.根据权利要求3所述的隔板制造方法，其特征在于，在实施了所述基底处理之后，除去在树脂涂敷部位以外的部位实施的基底处理。
10.根据权利要求3所述的隔板制造方法，其特征在于，所述树脂层是通过电沉积涂装而形成。
11.根据权利要求3所述的隔板制造方法，其特征在于，所述树脂为水溶性树脂。
12.一种隔板，是形成燃料电池的单元电池间的隔壁的隔板，其特征在于，在隔板基材上除了气体流路以外的部分设有树脂层，
在所述隔板基材与所述树脂层之间具有OH基或氧。
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