CN102473929A - 具有双重结构的金属分离板用垫片 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种能够提高薄板型金属分离板的刚性及气密性的具有双重结构的金属分离板用垫片。本发明所涉及的具有双重结构的金属分离板用垫片的特征在于，包括：第一垫片，其由强化塑料或高硬度橡胶等材质形成于包括通道及歧管的金属本体的上述通道及歧管各自的边缘区域，给上述金属本体赋予刚性；及第二垫片，其由橡胶等材质形成于上述第一垫片上，给上述通道及歧管赋予气密性。

Description

具有双重结构的金属分离板用垫片
技术领域
本发明涉及燃料电池的金属分离板用垫片，更具体地，涉及能够提高0.3mm以下的薄板型金属分离板的刚性及气密性的、具有双重结构的金属分离板用垫片(GASKET FOR METAL SEPARATOR)。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种将因燃料的氧化而产生的化学能直接转化为电能的电池，近来，为了克服因化石燃料的枯竭问题，二氧化碳等造成的温室效应与全球变暖现象等问题，正在进行太阳能电池等多方面的研究。
通常，燃料电池利用氢与氧的氧化、还原反应来将化学能转换为电能。在负极，氢被氧化而分离成氢离子与电子，氢离子通过电解质移动到正极。此时，电子通过电路也移动到正极。在正极发生由氢离子、电子及氧进行反应而生成水的还原反应。
燃料电池的单位电池(Unit Cell)由于电压低而导致实用性降低，因而通常层压使用数个至数百个的单位电池。在层压单位电池时，起到促使在各个单位电池之间形成电连接，并分离出反应气体的作用的正是分离板(Separator)，而连接多个该分离板的通常被称为燃料电池堆栈(Stack)。
以往的燃料电池用分离板是通过对石墨(Graphite)根据其流路形态进行铣削加工而制成的。这种情况下，石墨材质的分离板占整个堆栈的百分比为，费用占50％以上，重量则占80％以上。因此，石墨材质的分离板具有费用高、体积大等问题。
为了克服上述石墨材质的分离板中所存在的问题，开发出了金属材质的金属分离板，金属分离板具有容易加工、能降低制造单价等的各种优点。
就一般的金属分离板而言，在呈矩形形态的金属本体的中心部形成反应气体通道及冷却水通道，并在各通道的两侧形成供反应气体流入及流出的歧管。在通道及歧管的周围形成垫片，以能够维持反应气体的气密性。
另一方面，近来随着金属分离板的厚度变薄，正在进行关于厚度为0.3mm以下的薄板型金属分离板的研究，但薄板型金属分离板的刚性差。
由此，如上所述的薄板型金属分离板存在如下问题：在制造金属分离板时，金属本体，特别是歧管部分经常发生变形；在制造金属分离板的过程中，多发生回弹(spring back)现象。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于，当在金属本体形成垫片时，首先利用强化塑料或高硬度橡胶之类的能够赋予刚性的材质形成第一垫片，来确保金属本体的刚性，接着利用橡胶之类的能够赋予气密性的材质形成第二垫片，来确保气密性，从而提供一种在用于厚度为0.3mm以下的薄板型金属分离板的情况下也能够维持刚性及气密性的具有双重结构的金属分离板用垫片。
本发明的最终目的在于，在通过如上所述的具有双重结构的垫片结构来制造金属分离板时，防止构成金属本体的通道或歧管变形，并降低制造金属分离板时的回弹现象。
技术解决方案
为了实现上述目的，本发明一实施例所涉及的具有双重结构的金属分离板用垫片，其特征在于，包括：第一垫片，其形成于包括通道及歧管的金属本体的上述通道及歧管各自的边缘区域，给上述金属本体赋予刚性；及第二垫片，其形成于上述第一垫片上，给上述通道及歧管赋予气密性。
有利的效果
如上所述，本发明所涉及的具有双重结构的金属分离板用垫片，首先利用强化塑料或邵氏A硬度为70以上的高硬度橡胶等在金属本体的通道及歧管各自的边缘区域上形成第一垫片，从而具有在用于厚度为0.3mm以下的薄板型金属分离板的情况下也能够赋予刚性的优点，接着利用橡胶等材质形成第二垫片，从而具有能够赋予气密性的优点。
由此，本发明所涉及的适用具有双重结构的垫片的金属分离板由于能够给金属本体赋予刚性，还能够得到防止歧管部分的变形以及降低回弹的效果。
附图说明
图1简要表示本发明所涉及的具有双重结构的金属分离板用垫片的一实施例。
图2简要表示本发明所涉及的具有双重结构的垫片形成于金属分离板的通道及歧管各自的边缘区域的状态。
图3是表示应用了本发明所涉及的具有双重结构的垫片的燃料电池用金属分离板的例子的俯视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明所涉及的具有双重结构的金属分离板用垫片进行详细说明。
在说明过程中，为了说明的明确性及便利性，附图所示出的线的厚度以及结构要素的大小等会有所放大。
并且，本发明所使用的术语是鉴于其在本发明中的功能而进行定义的，对这些术语的解释会因使用者、运用者的用意或惯例而异。
因此，关于这些术语的定义，应基于本说明书的整体内容而定。
图1简要表示本发明所涉及的具有双重结构的金属分离板用垫片的一实施例。
参照图1，在包括通道及歧管的金属本体110的双面形成有双重垫片120、130。
首先，在金属本体110的双面形成有第一垫片120。
第一垫片120由强化塑料或高硬度橡胶之类的能够赋予刚性的材质形成。
此时，强化塑料主要是在热固化性基体树脂中添加用于赋予强度的加强材料而成的，是一种机械强度与耐热性均优秀的塑料。
形成这种强化塑料的基体树脂可将不饱和聚酯(unsaturatedpolyesters)树脂、环氧(epoxy)树脂、聚酰胺(polyimide)树脂、苯酚(phenol)树脂等单独利用或混合两种以上而进行利用，添加到上述基体树脂中的加强材料可以为玻璃纤维(glass fiber)、碳纤维(carbonfiber)及芳香族尼龙纤维(aromatic nylon fiber)等。
并且，高硬度橡胶在一般的橡胶材质中添加炭黑、硅石、连续纤维(continuous fiber)等添加剂，固化后邵氏A硬度达到70以上，赋予耐冲击性及刚性。
首先，由这种强化塑料或高硬度橡胶之类的能够赋予刚性的原材形成第一垫片120，从而能够给金属本体110赋予刚性，由此，在形成第二垫片130的过程或制造金属分离板时，能够防止金属本体变形，并且能够防止歧管部分发生变形或能够降低回弹等现象。
金属本体110包括通道及歧管，它们配置于金属分离板的预先指定的区域。通道包括反应气体通道及冷却水通道，歧管包括反应气体流入歧管、冷却水流入歧管、反应气体排出歧管、冷却水排出歧管等。
此时，如上所述，第一垫片120用于给金属本体110赋予刚性，特别是，第一垫片120用于给厚度为3mm以下的薄板型金属本体赋予刚性，可由轻而具有高强度的强化塑料或高硬度橡胶等形成，并且可通过注塑成型或其他方式形成。
接着，在第一垫片120的上部形成有第二垫片130。第二垫片130用于确保通道与歧管等的气密性，可由容易成型的橡胶材质形成。这种第二垫片130形成用橡胶可例举硅橡胶，但不局限于此。
此时，第二垫片130为了提高金属本体110的气密性，即为了完全防止通道及歧管的反应气体及冷却水泄露，如图1所示，其一部分可沿着厚度方向埋在第一垫片110中。以注塑成型为例，这种结构可如下地实现：为了用橡胶材质形成第二垫片130而进行注塑成型时，将第二垫片130的成型压力设定为比第一垫片110的成型压力更高。
图2简要表示本发明所涉及的垫片形成于金属分离板的通道及歧管各自的边缘的状态。
参照图2，金属分离板包括：形成有通道区域211及歧管212a、212b的金属本体210，形成于上述金属本体210的通道区域211中的通道，上述金属本体210的多个歧管212a、212b。形成于通道区域211的通道可包括反应气体通道和冷却水通道，多个歧管212a、212b可以是反应气体流入歧管、冷却水流入歧管、反应气体排出歧管、冷却水排出歧管等。
此时，在分别围绕上述通道与歧管的边缘区域形成有第一垫片220，在上述第一垫片220的上部形成有第二垫片230。当然，除了通道及歧管各自的边缘区域之外，如果金属分离板上存在需要密封的部分，则还可以在该部分形成第一垫片。
第一垫片220由强化塑料或高硬度橡胶之类的能够赋予刚性的原材形成。第一垫片220通过注塑成型或其他方式等形成于通道及歧管各自的边缘，通过第一垫片220给金属本体210赋予刚性。
由此，由于形成了由强化塑料或高硬度橡胶材质等形成的第一垫片220，因而也能够给随着金属分离板的薄板化倾向将厚度调为0.3mm以下的金属本体赋予刚性，由此具有能够在形成第二垫片230时等防止金属本体变形的效果。
第二垫片230由橡胶之类的能够赋予气密性的材质形成，这种橡胶可以是硅橡胶等。第二垫片220通过注塑成型等方法形成于第一垫片220的上部，通过第二垫片230给金属本体210，更具体地，给通道及歧管分别赋予气密性。
图2所示出的第一垫片220及第二垫片230这双重结构可通过各种方式形成，代表性方法可例举双重注塑成型。即，利用强化塑料或高硬度橡胶等进行第一次注塑成型，来形成用于给包括通道及歧管的金属本体赋予刚性的第一垫片，之后利用硅橡胶等进行第二次注塑射成型，来在第一垫片上形成用于给金属本体赋予气密性的第二垫片。
图3是表示应用了本发明所涉及的具有双重结构的垫片的燃料电池用金属分离板的例子的俯视图。
如参照图3，在金属分离板上，以矩形形态的金属本体300为基准在长度方向的一侧形成有第一反应气体流入歧管320、冷却水流入歧管324及第二反应气体流入歧管328。在与上述一侧相向的另一侧形成有第一反应气体排出歧管360、冷却水排出歧管364及第二反应气体排出歧管368。在金属本体300的中心部形成有反应气体通道340及冷却水通道345。在这里，图3中省略了矩形形态的金属本体300的长方向的一部分。
反应气体通道340呈从金属本体的第一面向第二面突出的形态，可通过借助压力机的冲压工序而形成，冷却水通道345形成于反应气体通道340的突出的部分之间。
接着，第一反应气体流入歧管320、冷却水流入歧管324及第二反应气体流入歧管328通过一体化的高分子模具结构来定义。同样地，第一反应气体排出歧管360、冷却水排出歧管364及第二反应气体排出歧管368也通过一体化的高分子模具结构来定义。
此时，第一反应气体流入歧管320、冷却水流入歧管324及第二反应气体流入歧管328可以不呈一开始便从金属本体自身分割出的结构。即可以是，金属本体本身形成为一个歧管，此后，在用于形成歧管的模具结构中包括用于分割出第一反应气体流入歧管320及冷却水流入歧管324的一个分割部322和用于分割出冷却水流入歧管324及第二反应气体流入歧管328的另一个分割部326，从而分割为多个歧管。这同样可以通过多个分割部362、366应用于第一反应气体排出歧管360、冷却水排出歧管364及第二反应气体排出歧管368。
并且，在多个歧管320、324、328、360、364、368与反应气体通道340之间的区域形成反应气体流入孔335及反应气体排出孔350。
这种结构的金属分离板，分割部322、326、362、366和反应气体流入孔335及反应气体排出孔350能够以一体化方式形成于用于形成歧管的高分子模具结构，而非形成于金属本体，因而具有能进一步提高整个金属分离板的刚性及气密性的优点，并且，还能够通过提高这种金属分离板的特性来提高燃料电池的电池效率、寿命特性等。
另一方面，在供包括反应气体通道340及冷却水通道345的通道形成的通道区域的四个侧面与多个歧管形成用于确保各自的气密性的垫片。此时，垫片形成为双重结构，该双重结构是通过以包围通道区域及多个歧管各自的边缘的方式形成的第一垫片330与形成于上述第一垫片330上的第二垫片331而形成的。
第一垫片330由强化塑料或高硬度橡胶等形成，起到给金属本体300赋予刚性的作用，形成于第一垫片330上的第二垫片331由硅橡胶之类的能够赋予气密性的材质形成，起到给通道及多个歧管分别赋予气密性的作用。如上所述，这种第一垫片330及第二垫片331能够通过双重注塑或其他方法等形成。
形成为如图3所示的结构的燃料电池用金属分离板通过多个层压结合来形成燃料电池堆栈，此时，在各个金属分离板之间的区域插入用于产电的膜-电极组件(Membrane Electrode Assembly；MEA)。在这里，图3所示出的分离板的结构，特别是双重垫片结构330、331能够提高各金属分离板之间或金属分离板与膜-电极组件之间的气密性，由此能够稳定地执行反应气体的供给及排出。
在这里，第一反应气体流入歧管320及第二反应气体流入歧管328起到向金属本体300的反应气体通道340供给氢或氧等反应气体的作用。此时，如果通过第一反应气体流入歧管320供给到反应气体通道340的第一反应气体为氧，通过第二反应气体流入歧管328供给到反应气体通道340的第二反应气体则为氢，相反，如果第一反应气体为氢，第二反应气体则为氧。
另一方面，通过冷却水流入歧管324流入金属本体300的冷却水一边沿着冷却水通道345流动，一边对燃料电池的反应热进行冷却，并通过冷却水排出歧管364向金属本体300的外部排出。
将流入各个反应气体流入歧管320、328的反应气体引导至反应气体通道340，使其沿着金属本体300的表面流动，从而与电极(未图示)进行反应。此时，在燃料电池堆栈中，在上述金属本体300与电极之间还形成气体扩散层(Gas Diffusion Layer；GDL)，促使反应气体的流动更加容易。
金属材质的金属本体300可由厚度为0.3mm以下的薄板型形成，以缩小燃料电池堆栈的体积，这种情况下，也能够通过本发明所涉及的双重垫片结构，特别是强化塑料或高硬度橡胶等材质的第一垫片330给金属本体300赋予刚性而最大限度地防止金属本体300变形，并且能够得到防止歧管部分的变形以及降低回弹的效果。
以上，参照附图所示出的实施例对本发明进行了说明，但只作为示例性说明，本发明所属技术领域的普通技术人员应当理解，可以根据本发明进行各种变形及均等的其他实施例。因此，本发明的真正的技术保护范围应由权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种金属分离板用垫片，其特征在于，包括：
第一垫片，其形成于包括通道及歧管的金属本体的上述通道及歧管各自的边缘区域，给上述金属本体赋予刚性；及
第二垫片，其形成于上述第一垫片上，给上述通道及歧管赋予气密性。
2.根据权利要求1所述的金属分离板用垫片，其特征在于，形成上述第一垫片的材质包括强化塑料或高硬度橡胶。
3.根据权利要求2所述的金属分离板用垫片，其特征在于，上述强化塑料是在选自包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂以及苯酚树脂的组中的至少一种基体树脂中添加选自包括玻璃纤维、碳纤维及芳香族尼龙纤维的组中的至少一种加强材料而成的。
4.根据权利要求1所述的金属分离板用垫片，其特征在于，形成上述第二垫片的材质包括橡胶。
5.根据权利要求1所述的金属分离板用垫片，其特征在于，上述金属本体具有0.3mm以下的厚度。
6.根据权利要求1所述的金属分离板用垫片，其特征在于，
上述通道包括反应气体通道及冷却水通道；
上述歧管包括反应气体歧管及冷却水歧管。
7.根据权利要求1所述的金属分离板用垫片，其特征在于，上述第二垫片的一部分沿着厚度方向埋在上述第一垫片中。
8.一种金属分离板用垫片的形成方法，其特征在于，
包括如下步骤：
形成给包括通道及歧管的金属本体赋予刚性的第一垫片的步骤，
在上述第一垫片上形成给上述金属本体赋予气密性的第二垫片的步骤；
上述第一垫片及第二垫片分别通过注塑成型方式分别形成。
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