CN105609802B - 燃料电池用面状部件及面状部件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供燃料电池用面状部件及面状部件的制造方法，通过对钛粒径进行优化，能够减小局部伸长，减小与冲模之间的滑动距离，减少冲模的磨损。燃料电池用面状部件是扩张网流路(10a)或分隔件(10b)，例如通过压力冲裁而形成冲裁部(13，14)，并由钛或钛合金形成，钛的平均粒径为15.9μm以下。

Description

燃料电池用面状部件及面状部件的制造方法
技术领域
本发明涉及燃料电池用的扩张网流路、分隔件等面状部件。
背景技术
固体高分子型燃料电池(PEFC：polymer electrolyte fuel cell：聚合物电解质燃料电池)层叠多个燃料电池单体等而组装为燃料电池组。各燃料电池单体包括：电解质膜、催化剂层、气体扩散层及分隔件。通常，燃料电池用分隔件通过对金属材料或碳材料等进行机械加工等而制造。
在金属材料制的燃料电池用分隔件中，存在有凹凸型分隔件和平坦分隔件。平坦分隔件例如由不锈钢或钛等金属基体和导电性被膜形成。在平坦分隔件上通过压力冲裁而形成用于使燃料气体通过的冲裁部。
作为与燃料电池用分隔件相关的技术，例如，以下的燃料电池用分隔件被公开(参照专利文献1)，其具备由钛成形的金属基体及形成于表面并具有导电性的导电性被膜，导电性被膜包含导电性粒子，导电性粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下。
专利文献1：日本特开2012-190816号公报
发明内容
本发明要解决的课题
然而，在由钛制的金属基体形成以往的燃料电池用分隔件等的情况下，当实施压力冲裁(剪切冲压)时，冲模容易磨损，在冲裁部的缘部容易产生毛刺。这是因为，如图6所示的燃料电池用分隔件的粒径与应力-应变曲线(stress-strain curve)的关系所示，当钛制金属基体的粒径较大时，局部伸长增大，冲模与分隔件之间的滑动距离增大。其结果是，冲模容易磨损，该冲模的维护频度变大，制造成本增大。
本发明鉴于上述情况而作出，其目的是提供通过对钛或钛合金的粒径进行优化而能够减小局部伸长，减小与冲模之间的滑动距离，从而减少冲模的磨损的燃料电池用面状部件。
用于解决课题的方案
为了实现上述目的，本发明涉及的燃料电池用面状部件的特征在于，由钛或钛合金形成，上述钛的平均粒径为15.9μm以下。
发明效果
本发明的燃料电池用面状部件通过将钛或钛合金的粒径设定为15.9μm以下，而能够减小局部伸长，减小与冲模之间的滑动距离，从而减少冲模的磨损。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池用扩张网流路的俯视图及放大图。
图2是本发明的实施方式的燃料电池用分隔件的俯视图。
图3是本发明的实施方式的燃料电池用分隔件及集电体的示意图。
图4是本发明的实施方式的燃料电池用分隔件的粒径与冲模的耐磨损性之间的关系的说明图。
图5是本发明的实施方式的燃料电池用分隔件的冲裁部的模具磨损与粒径之间的关系的说明图。
图6是燃料电池用分隔件的粒径与应力-应变曲线之间的关系的说明图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图的记载中，对相同或相似的部分用相同或相似的标号表示。其中，附图是示意性的图。因此，具体的尺寸等应该对照以下的说明来判断。另外，当然，在附图相互之间也包含有相互的尺寸的关系、比例不同的部分。
首先，参照附图对本发明的实施方式的燃料电池用面状部件的结构进行说明。
燃料电池具有层叠多个燃料电池单体而成的燃料电池组。固体高分子型燃料电池的燃料电池单体虽然图未示，但至少具备膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly：膜电极)及气体扩散层，上述膜电极接合体由具有离子透过性的电解质膜、夹持电解质膜的阳极侧催化剂层(电极层)及阴极侧催化剂层(电极层)构成，上述气体扩散层用于向膜电极接合体供给燃料气体或氧化剂气体。燃料电池单体进而被一对分隔件(分隔板)夹持。在燃料电池单体中，在气体扩散层和分隔件之间还存在具有具备扩张网流路的结构的部件。作为本发明的燃料电池用面状部件，可以列举扩张网流路(参照图1)和分隔件(参照图2)。
图1是作为本发明的实施方式的燃料电池用面状部件的扩张网流路的俯视图及放大图。扩张网流路10a是配置在气体扩散层与分隔件之间的面状部件。如图1所示，本实施方式的扩张网流路10a由多孔质的金属基体11形成。作为金属基体11，例如，可以列举膨胀合金。膨胀合金具有在金属基体11上交错配置有龟甲图样状的网眼的连续结构。在膨胀合金中，在平板状的金属基体11上刻入多个切口，并通过拉伸而形成网眼12。
金属基体11优选的是由钛(Ti)形成。这是因为钛的机械性强度高，并且由于在其表面形成有由稳定的氧化物(TiO、Ti2O3、TiO2等)构成的钝态膜等惰性被膜，因此具有优秀的耐腐蚀性。本实施方式的多孔质的金属基体11不仅可以由纯钛形成，也可以由钛合金形成。
金属基体11的平均粒径优选的是，在基于美国材料测试协会(ASTM：AmericanSociety for Testing Materials：美国材料与试验协会)标准的第9号进行测量的情况下，设定为15.9μm以下。
本实施方式的扩张网流路10a由膨胀合金等多孔质的金属基体11形成。即，如图1所示，在多孔质的金属基体11上交错配置有多个网眼12。通过配置为在气体扩散层和分隔件10之间交错配置并且网眼12构成倾斜面，在气体扩散层表面和分隔件表面之间气体流路彼此错开地配置。另外，扩张网流路10a通过压力冲裁被剪切加工而对整体进行成形。
图2是作为本发明的实施方式的燃料电池用面状部件的分隔件的俯视图。如图2所示，分隔件10b在金属基体11上形成一个以上的冲裁部13、14而构成。冲裁部13、14例如通过基于压力冲裁的剪切加工而形成。
图3是作为本发明的实施方式的燃料电池用面状部件的集电体用分隔件和集电体的示意图。如图3所示，本实施方式的集电体用分隔件由分隔件10c及集电体20构成。分隔件10c是对燃料电池组的各燃料电池单体进行分隔的部件。分隔件10c与在图2中所说明的分隔件10b相同，在金属基体11上形成一个以上的冲裁部13、14而构成，分隔件10c与作为离子交换膜的电解质膜的整个面均匀地接触，并以使氢和空气流动的方式发挥作用。该分隔件10c尤其是通过与集电体20的表面贴合，为了覆盖集电体20的表面来保持集电体20的耐腐蚀性而设置的。
在此，通过剪切加工将金属基体11切断，使其成形而制造图1所示的扩张网流路10a。另外，图2及图3所示的分隔件10b及10c在作为主结构体的金属基体11上通过压力冲裁而形成一个以上的冲裁部13、14。在本发明中，上述金属基体11的特征在于由特定粒径范围的钛或钛合金形成。
以往，在由钛制的金属基体形成扩张网流路、分隔件的情况下，当实施压力冲裁时，冲模容易磨损，在被剪切加工后的缘部容易产生毛刺。这是因为，当钛制金属基体的粒径较大时，局部伸长增大，冲模与扩张网流路或分隔件之间的滑动距离增大(参照图6)。
因此，本申请的发明者推测上述以往的扩张网流路或分隔件的不良情况与构成扩张网流路或分隔件的金属基体的钛的粒径有关，并对钛制金属基体11的平均粒径的最优范围进行了潜心研究。图4是本发明的实施方式的燃料电池用分隔件的粒径与冲模的耐磨损性之间的关系图。如图4所示，在基于ASTM标准第7号进行测量的情况下，在具有35.9μm的粒径的分隔件中，当冲压数增加时，冲裁部13、14上毛刺过高，会产生冲裁异常。在基于ASTM标准第9号进行测量的情况下，在具有15.9μm的粒径的分隔件中，冲裁部13、14的毛刺的高度较低，直至冲压数超过某值。在基于ASTM标准第10号进行测量的情况下，在具有11.2μm的粒径的分隔件中，即使冲压数增加，冲裁部13、14的毛刺的高度也较低。
另外，图5是本发明的实施方式的燃料电池用分隔件的冲裁部的模具磨损与粒径之间的关系的说明图。如图5所示，在基于ASTM标准第9号进行测量的情况下，在具有15.9μm的粒径的分隔件中，冲裁部13、14的毛刺的高度较低，直至冲压数超过某值。在基于ASTM标准第10号进行测量的情况下，在具有11.2μm的粒径的分隔件中，及在基于ASTM标准第12号进行测量的情况下，在具有5.6μm的粒径的分隔件中，即使冲压数增加，冲裁部13、14的毛刺的高度的增加度也较平缓。
根据上述研究可判明，构成金属基体11的钛或钛合金的平均粒径优选的是，在基于ASTM标准第9号进行测量的情况下设定为15.9μm以下，更优选的是在基于ASTM标准第10号进行测量的情况下设定为11.2μm以下。
以上，如所说明那样，根据本实施方式的燃料电池用面状部件(扩张网流路、分隔件)，通过将钛或钛合金的平均粒径优化为15.9μm以下，起到以下良好效果：能够减小局部伸长，减小冲模与分隔件10之间的滑动距离，减少冲模的磨损。
如上所述通过实施方式对本发明进行了记载，但不应该理解为构成本申请公开的一部分的记述和附图是限定本发明的。本领域的技术人员根据该公开应该能够进行各种替代实施方式、实施例及运用技术，这是显而易见的。应该理解的是，本发明包含在此未记载的各种实施方式等。
本发明可应用为以下的形态。
(1)具备平均粒径为15.9μm以下的钛或钛合金的燃料电池用扩张网流路。
(2)具备平均粒径为15.9μm以下的钛或钛合金的燃料电池用分隔件。
(3)燃料电池用扩张网流路或燃料电池用分隔件，在上述(1)记载的燃料电池用扩张网流路或(2)记载的燃料电池用分隔件中，形成有冲裁部，上述冲裁部通过压力冲裁而形成。
另外，本申请说明书中，ASTM标准是指，在ASTM E112-10中定义的平均粒径的测定方法。
附图标记说明
10a 扩张网流路
10b、10c 分隔件
11 金属基体
12 网眼
13、14 冲裁部
20 集电体

Claims (6)

1.一种燃料电池用面状部件，其特征在于，
具备钛或钛合金，
所述钛或所述钛合金的平均粒径为11.2μm以上且15.9μm以下。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用面状部件，其中，
所述面状部件是多孔质的金属基体。
3.根据权利要求2所述的燃料电池用面状部件，其中，
所述多孔质的金属基体具备龟甲图样状的网眼构造。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池用面状部件，其中，
所述面状部件是扩张网流路。
5.根据权利要求1所述的燃料电池用面状部件，其中，
所述面状部件具备冲裁部。
6.根据权利要求5所述的燃料电池用面状部件，其中，
所述面状部件是分隔件。
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