CN102082282B - 燃料电池用分隔体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供燃料电池用分隔体及其制造方法。在正电极侧分隔体(16)上形成氧气通路形成槽(18)。一对侧壁(36)与分隔体的各平坦壁(35)一体地形成。侧壁从平坦壁的侧缘延伸。侧壁以使侧壁之间的空间朝向正电极层(14)减小的方式延伸。底壁(37)与平坦壁一体地形成，使得各底壁将相邻的侧壁的上端彼此连接。底壁与正电极层接触。在各平坦壁的面对氧气通路形成槽的内表面形成带状槽(35a)。带状槽位于平坦壁的宽度方向的中央。当形成带状槽时，各平坦壁的宽度增大，使得对应的侧壁相对于平坦壁倾斜。带状槽增大氧气通路形成槽的容积。在用于在平坦壁中锻造带状槽的步骤中，进行使侧壁相对于平坦壁倾斜的处理。

Description

燃料电池用分隔体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用分隔体，其增大了气体通路的截面积并且提高了燃料电池的发电效率，本发明还涉及该分隔体的制造方法。
背景技术
通过层叠多个发电单元而形成固体聚合物型燃料电池，每个发电单元均包括平板状电极构造体(MEA：膜电极组件)和位于两侧的分隔体。电极构造体具有三层结构。电极构造体具有形成正电极(阴极)和负电极(阳极)的一对气体扩散电极和位于气体扩散电极之间的电解质膜。电解质膜例如由离子交换树脂形成。层叠分隔体以与气体扩散电极接触。在每个分隔体和对应的气体扩散电极之间形成气体通路。在燃料电池中，如氧气或空气等氧化气体流过面对正电极侧的气体扩散电极(正电极层)的气体通路，作为燃料的氢气流过面对负电极侧的气体扩散电极(负电极层)的气体通路。这使得发生电化学反应，以发电。
日本特开2004-265856号公报公开了一种燃料电池用的金属分隔体。如图9所示，分隔体具有交替布置的平坦壁35和直线状的凸部T。各凸部T由底壁37和一对侧壁36形成。侧壁36相对于平坦壁35弯曲。各侧壁36相对于对应的平坦壁35的倾角被表示为α。气体通路形成槽18形成于每一对凸部T之间。气体通路形成槽18的开口19被正电极层14闭合，使得气体通路20与平坦壁35对应。
为了增大底壁37与正电极层14的接触面积，侧壁36相对于平坦壁35倾斜，从而确保气体通路20的充分通电和足够的截面积。由成型设备通过精细冲制(coining)使侧壁36倾斜。
日本特开2004-281146号公报也公开了一种燃料电池用的分隔体。如图10所示，分隔体16具有多个直线状延伸的凸部T。气体通路形成槽18形成于每一对凸部T之间。凸部T与正电极层14(或负电极层)接触，使得气体通路形成槽18形成气体通路20。各凸部T包括：一对侧壁(竖直壁)36、一对突出部(overhang)367和底壁37。侧壁36大致垂直于平坦壁35地延伸。各突出部367从对应的侧壁36的上端倾斜地突出。各底壁37将相邻的突出部367的上端彼此连接并且与平坦壁35平行。
然而，图9所示的分隔体16在冲制时具有如下缺点。也就是，在这种情况下，平坦壁35和侧壁36之间的交界部39以及侧壁36和底壁37之间的交界部39塑性变形。因此，当侧壁36相对于平坦壁35的倾角α小于或等于80°时，应力集中于交界部39。这易于引起裂纹和断裂。因此，在保持分隔体16的足够厚度并且确保气体通路20的足够截面积的状态下，难以减小倾角α。
相比之下，通过使用突出部367，图10所示的分隔体16可以确保底壁37与正电极层14的足够接触面积。然而，如日本特开2004-281146号公报的说明书第0041～0073段以及图7～图14所公开的那样，突出部367需要多个步骤来形成。突出部367的形成相当费力并且增加了制造成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种燃料电池用分隔体，其能增大气体通路的截面积，方便使侧壁相对于平坦壁倾斜的加工，并且降低制造成本，本发明的目的还在于提供该分隔体的制造方法。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种燃料电池用分隔体，其通过交替地布置多个直线状延伸的凸部和多个平坦壁而形成。各凸部均由底壁和一对侧壁形成。所述凸部被布置成彼此平行。在各成对的相邻凸部之间形成气体通路形成槽。在各平坦壁的面对对应的气体通路形成槽的内表面上形成带状槽。各带状槽均位于对应的平坦壁的宽度方向的中间位置。所述带状槽与所述凸部平行。通过在各平坦壁中锻造所述带状槽，在所述平坦壁中形成薄部，并且使对应的侧壁之间的宽度变宽，从而使所述侧壁相对于所述平坦壁倾斜。
根据本发明的第二方面，提供一种燃料电池用分隔体的制造方法。所述燃料电池用分隔体通过交替地布置多个直线状延伸的凸部和多个平坦壁而形成。各凸部均由底壁和一对侧壁形成。所述凸部被布置成彼此平行。在各成对的相邻凸部之间形成气体通路形成槽。所述制造方法包括：第一步骤，用于在平板中形成凸部，各凸部均由底壁和一对平行的侧壁形成；以及第二步骤，用于通过锻造来压各平坦壁的宽度方向的中间部分，由此形成带状槽和薄部，其中，通过所述锻造，使各平坦壁的侧壁之间的宽度变宽，从而使所述侧壁相对于所述平坦壁倾斜。
根据本发明的第三方面，提供一种用于制造燃料电池用分隔体的制造设备。所述燃料电池用分隔体通过交替地布置多个直线状延伸的凸部和多个平坦壁而形成。各凸部均由底壁和一对侧壁形成。所述凸部被布置成彼此平行。在各成对的相邻凸部之间形成气体通路形成槽。所述制造设备包括下模和上模，用于在平板中形成凸部。各凸部均由底壁和一对平行的侧壁形成。所述制造设备还包括锻造下模和锻造上模，用于通过锻造来压各平坦壁的宽度方向的中间部分，由此形成带状槽和薄部。通过所述锻造，使各平坦壁的侧壁之间的宽度变宽，从而使所述侧壁相对于所述平坦壁倾斜。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施方式的燃料电池用分隔体的局部截面图；
图2是示出用于制造燃料电池用分隔体的成型设备的上模和下模打开的状态的截面图；
图3是示出上模和下模闭合的状态的截面图；
图4是示出锻造设备的上模和下模闭合的状态的截面图；
图5是示出燃料电池的发电单元的分解立体图；
图6是示出根据变型实施方式的用于制造燃料电池用分隔体的锻造设备的上模和下模闭合状态的截面图；
图7是示出根据变型实施方式的燃料电池用分隔体的局部截面图；
图8是示出根据变型实施方式的燃料电池用分隔体的局部截面图；
图9是示出现有技术的燃料电池用分隔体的局部截面图；以及
图10是示出现有技术的燃料电池用分隔体的局部截面图。
具体实施方式
现在，将参照图1至图5说明根据本发明的一个实施方式的燃料电池用分隔体。
如图5所示，燃料电池的发电单元11包括矩形框架12。固体聚合物电解质膜13容纳在框架12的内部。正电极层14和负电极层15层叠在固体聚合物电解质膜13的表面上。正电极侧分隔体16被布置在框架12和正电极层14上并且与框架12和正电极层14的表面接触。负电极侧分隔体17被布置在框架12和负电极层15上并且与框架12和负电极层15的表面接触。层叠多个发电单元11以形成燃料电池堆。
多个氧气通路形成槽18(气体通路形成槽)形成于正电极侧分隔体16的与正电极层14接触的表面上。氧气通路形成槽18竖直地延伸并且彼此平行。氧气通路形成槽18的开口19被正电极层14闭合。这在正电极侧分隔体16中形成了氧气通路20。氧气供给孔21形成于分隔体16的上部。通过氧气供给孔21吸入的氧气经由共用气体通路22被供给到氧气通路20。氧气排出孔23形成于分隔体16的下部。已经从氧气通路20用于发电的氧气废气(oxygen off-gas)流过共用气体通路24并且经由氧气排出孔23排出。
多个燃料气体通路形成槽25(气体通路形成槽)形成于负电极侧分隔体17的与负电极层15接触的表面上。燃料气体通路形成槽25竖直地延伸并且彼此平行。燃料气体通路形成槽25的开口26被负电极层15闭合。这在负电极侧分隔体17中形成燃料气体通路(气体通路)27。燃料气体供给孔28形成于分隔体17的上部。通过燃料气体供给孔28吸入的燃料气体经由未示出的共通气体通路(称为共通气体通路22)被供给到燃料气体通路27。燃料气体排出孔29形成于分隔体17的下部。已经从燃料气体通路27用于发电的燃料气体废气(fuel off-gas)流过未示出的共用气体通路(称为气体通路24)并且经由燃料气体排出孔29排出。
接着，将说明分隔体16的构造。由于分隔体17与分隔体16相同，将省略对分隔体17的说明。在下面的对分隔体16的说明中，氧气通路形成槽18(氧气通路20)的两侧将被称为左右侧，面对正电极层14的一侧将被称为上侧，与正电极层14相反的一侧将被称为下侧。
图1示出的分隔体16由不锈钢制成。分隔体16由一体的平坦壁35、侧壁36和底壁37形成。侧壁36从平坦壁35的侧缘延伸。各底壁37延伸以将相邻侧壁36的上端彼此连接。侧壁36相对于平坦壁35倾斜，使得每一对侧壁36之间的空间朝向上端(朝向正电极层14)减小。底壁37是平板并且与正电极层14接触。多个直线状延伸的凸部(protrusion)T与平坦壁35交替地形成。各凸部T是由底壁37和一对侧壁36形成的。各成对的相邻凸部T形成氧气通路形成槽18。氧气通路形成槽18的开口19被正电极层14闭合。这由氧气通路形成槽18形成了氧气通路20。
侧壁36相对于平坦壁35的倾角α被设定在50°～80°的范围内。在本实施方式中，倾角α被设定为70°。各平坦壁35和对应的侧壁36之间的交界部39形成为弓形，并且相对于对应的氧气通路形成槽18向外隆起。在各凸部T的下方形成的槽被用作燃料电池发电时用于引导冷却剂的槽40。
带状槽35a形成于各平坦壁35的面对氧气通路形成槽18的内表面。带状槽35a位于平坦壁35的宽度方向的中央。各带状槽35a在对应的平坦壁35的中央形成薄部35b。
现在将说明上述分隔体16的制造方法。首先，将说明用于制造分隔体16的成型设备和锻造设备。
如图2所示，多个直线状延伸的凸部42形成于成型设备的下模41的上表面。槽43形成于下模41的上表面。各槽43位于相邻的凸部42之间。多个直线状延伸的凸部45与槽43对应地形成于上模44的下表面。多个槽46形成于上模44的下表面。各槽46与一个凸部42对应地位于一对凸部45之间。下模41和上模44同时形成图5所示的分隔体16的全部的氧气通路形成槽18。
如图4所示，锻造设备的下模51的成型面51a被形成为平坦的。多个直线状延伸的定位凸部51b与成型面51a交替地形成。设置定位凸部51b以定位侧壁36。定位凸部51b被布置成彼此平行。上模52的成型面52a被形成为平坦的。多个直线状延伸的凸部53与成型面52a交替地形成。设置凸部53以在平坦壁35上锻造带状槽35a和薄部35b。用于定位底壁37的侧缘的定位凸部53a形成于凸部53的末端(proximal end)。下模51和上模52同时地形成氧气通路形成槽18、开口19、氧气供给孔21、氧气排出孔23和气体通路22、24。
现在将说明上述分隔体16的形成方法。
如图2所示，当成型设备的下模41和上模44打开时，将板47放置在下模41的凸部42的上表面上。板47是由不锈钢制成的平板。
接着，如图3所示，将上模44下降到下模41并且夹紧。这在板47中形成以蜿蜒方式交替布置的平坦壁35和凸部T。在该状态下，侧壁36形成为与平坦壁35大致垂直。
将已经以上述方式形成的分隔体16从成型设备传送到锻造设备。如图4所示，下模51和上模52在各平坦壁35的宽度方向的中央锻造带状槽35a和薄部35b。具体地，上模52的凸部53压平坦壁35。因此，各平坦壁35的受压部分形成为带状槽35a和薄部35b。此时，平坦壁35的中间部分的厚度减小。这使平坦壁35沿着宽度方向变型，从而平坦壁35的左缘和右缘彼此分开。结果，平坦壁35的宽度增大，侧壁36相对于平坦壁35倾斜。
上述燃料电池用分隔体提供以下优点。
(1)带状槽35a形成于分隔体16的各平坦壁35的中央。带状槽35a增大了氧气通路形成槽18的容积。因此，增大了氧气流过氧气通路20的流率，由此提高了燃料电池的发电效率。
(2)锻造设备的下模51和上模52，具体地，上模52的凸部53在各平坦壁35的宽度方向的中央锻造带状槽35a和薄部35b。通过这种方式，可以交替地形成凸部T和平坦壁35，使得各底壁37的与正电极层14接触的宽度W和侧壁36的高度h(分隔体16的厚度)大致恒定。因此，与图9所示的现有技术的方法相比，防止板47产生裂纹，并且容易地增大各平坦壁35的宽度，同时减小各平坦壁35和对应的侧壁36之间的交界部39处的应力集中。这使得容易将侧壁36相对于平坦壁35的倾角α设定在期望的范围。
(3)在燃料电池的发电单元11中，当发电时，在氧气通路20中产生水。根据本实施方式，各平坦壁35和对应的侧壁36之间的交界部39被形成为弓形。与现有技术的形成锐角交界部的情况相比，水不容易集中在交界部39的内表面并且易于排出。因此，增大了氧气流过氧气通路20的流率，由此提高了燃料电池的发电效率。
(4)定位凸部51b形成于下模51的成型面51a上，定位凸部53a形成于上模52的成型面52a上。由此，定位侧壁36和底壁37，提高了尺寸精度。
上述燃料电池用分隔体可以如下地变型。
如图6和图7所示，分隔体16可以具有带有三角形截面的带状槽35a。各带状槽35a位于平坦壁35的宽度方向的中央。在这种情况下，各带状槽35a的深度随着距平坦壁35的宽度方向的中心的距离的增大而减小。用于形成分隔体16的锻造设备具有均位于上模52的凸部53的下端的成型面53b。各凸部53的下端形成为扁平的倒三角形。在这种情况下，与锻造具有均匀厚度的薄部的情况相比，板47可以容易地沿着平坦壁35的宽度方向压延。由此，可以容易地锻造薄部35b。
如图8所示，可以在各底壁37的与正电极层14相反的表面上形成辅助带状槽37a和薄部37b。该结构增大了形成于各凸部T的内部的槽40的截面积，由此提高了燃料电池的冷却效率。
各带状槽35a的左右侧缘可以形成为弓形。
在锻造交替布置的平坦壁35和带状槽35a的处理中，可以在图4所示的上模52的相邻凸部53之间设置定位部。这些定位部定位底壁37的左右侧缘。

Claims (3)

1.一种用于制造燃料电池用分隔体的制造方法，所述燃料电池用分隔体通过交替地布置多个直线状延伸的凸部和多个平坦壁而形成，各凸部均由底壁和一对侧壁形成，所述凸部被布置成彼此平行，在各成对的相邻凸部之间形成气体通路形成槽，所述制造方法的特征在于，所述制造方法包括：
第一步骤，用于在平板中形成凸部，各凸部均由底壁和一对平行的侧壁形成，在所述凸部的底壁和一对侧壁之间形成有槽，该槽与相邻的气体通路形成槽夹着一个侧壁；以及
第二步骤，用于通过锻造来压各平坦壁的宽度方向的中间部分，由此形成带状槽和薄部，其中，通过所述锻造，使各平坦壁的侧壁之间的宽度变宽，从而使所述侧壁相对于所述平坦壁倾斜，其中，所述侧壁相对于所述平坦壁的倾角被设定在50°～80°的范围内，各平坦壁和对应的侧壁之间的交界部形成为弓形。
2.一种用于制造燃料电池用分隔体的制造设备，所述燃料电池用分隔体通过交替地布置多个直线状延伸的凸部和多个平坦壁而形成，各凸部均由底壁和一对侧壁形成，所述凸部被布置成彼此平行，在各成对的相邻凸部之间形成气体通路形成槽，所述制造设备的特征在于，所述制造设备包括：
下模和上模，用于在平板中形成凸部，各凸部均由底壁和一对平行的侧壁形成，在所述凸部的底壁和一对侧壁之间形成有槽，该槽与相邻的气体通路形成槽夹着一个侧壁；以及
锻造下模和锻造上模，用于通过锻造来压各平坦壁的宽度方向的中间部分，由此形成带状槽和薄部，其中，通过所述锻造，使各平坦壁的侧壁之间的宽度变宽，从而使所述侧壁相对于所述平坦壁倾斜，其中，所述侧壁相对于所述平坦壁的倾角被设定在50°～80°的范围内，各平坦壁和对应的侧壁之间的交界部形成为弓形。
3.根据权利要求2所述的用于制造燃料电池用分隔体的制造设备，其特征在于，
在所述锻造下模设置直线状延伸的定位凸部，所述定位凸部用于定位所述侧壁；以及
在所述锻造上模形成用于定位所述底壁的侧缘的定位部。
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