CN109119652B - 燃料电池用隔板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种能够确保隔板材料的加工精度的燃料电池用隔板的制造方法。在金属模(50)的表面，设置有深度以及宽度在涂层(3b)的厚度以上且在隔板材料(3c)的厚度以下的槽(53、54、57、58)。金属模具备：上模(41)，其具有由交替设置有沿规定方向延伸的凹状面(43)和凸状面(44)的凹凸面构成的冲压面(42)；和下模(45)，其设有由具有与上模的冲压面互补的形状的凹凸面构成的冲压面(46)，在上模的凹状面沿与规定方向正交的方向延伸配置有槽(53)，在上模的凸状面沿规定方向延伸配置有槽(54)，在下模的凹状面沿规定方向延伸配置有槽(57)，在下模的凸状面沿与规定方向正交的方向延伸配置有槽(58)。

Description

燃料电池用隔板的制造方法
技术领域
本发明涉及在基材的表面形成有涂层的燃料电池用隔板的制造方法。
背景技术
作为对燃料电池用隔板进行制造时的表面处理技术，代替使用Au等的从前的贵金属镀覆处理技术地，正在开发涂布碳系的导电性被膜(碳膜)的技术(例如，参照下述专利文献1)。
另外，以往作为隔板的基材而使用由SUS、钛等金属材料构成的基材，特别是从耐腐蚀性高的观点考虑，使用钛基材。在作为基材而使用钛基材的情况下，在大气中的钛基材的最表层(从表面到0.2μm左右的深度为止)自然地形成有由氧化钛(TiO2)层构成的氧化被膜。针对具有这样的氧化钛层的钛基材，例如若利用等离子体CVD(使用等离子体的化学气相生长)而从烃类的气体原料进行碳系的导电性被膜的成膜，则可确认在钛基材的最表层形成有包含氧化钛(氧化钛层)与炭黑(碳层)在内的混合层。另外，对于等离子体CVD的条件，可确认在上述混合层的下层还形成有包含钛和炭黑在内的混合层(参照图6)。
另外，为了消除上述的氧化钛层与碳层之间的紧贴性的问题，在氧化钛层(基材氧化被膜)上，形成由从Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的金属或者Si、B的半金属元素选择出的1种以上的元素构成的中间层，在该中间层上形成碳层的手法、通过蚀刻等从钛基材的表面除去氧化钛层并在此对碳层进行成膜的手法也已经被利用。
如上述那样在表面成膜有包含碳粒子的碳层的基材使用成型用的金属模(例如，参照下述专利文献2)，冲压成型(塑性变形)为在剖视时呈波形状或者凹凸状，形成作为气体(氢、氧等)的流路的槽(气体流路)。
燃料电池(有时也被称为燃料电池组)构成为，将利用阳极和阴极夹持电解质膜的部件作为电池单体(单电池)(有时也被称为燃料电池电池单体)，经由形成有上述气体流路的隔板而使多个上述电池单体重叠(层叠)。
燃料电池正作为固体高分子型燃料电池(PEFC)、碱性电解质型燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)、生物燃料电池等而被开发，但例如固体高分子型燃料电池的燃料电池电池单体具备由离子透过性的电解质膜、和夹持该电解质膜的阳极侧催化剂层(电极层)与阴极侧催化剂层(电极层)构成的膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。在MEA的两侧，形成有用于提供燃料气体或氧化剂气体且收集由电化学反应产生的电力的气体扩散层(GDL：GasDiffusion Layer)。在两侧配置有GDL的MEA被称为MEGA(Membrane Electrode&GasDiffusion Layer Assembly：膜电极和气体扩散层的接合体)，MEGA被上述的形成有气体流路的一对隔板夹持。这里，在MEGA为燃料电池的发电部且不具有气体扩散层的情况下，MEA成为燃料电池的发电部。
专利文献1：日本特开2015－095314号公报
专利文献2：日本特开2005－199421号公报
然而，在构成隔板的基材的表面存在碳层的情况下，若为了形成上述的阳极侧以及阴极侧的气体流路，而通过金属模施加使基材(例如，钛基材)仅产生塑性变形的力，则表面的碳层(在基材为钛基材的情况下，包含氧化钛的碳层)的一部分在冲压中剥离(参照图6)，剥离后的细颗粒会堆积于金属模的表面。由此，在下一次冲压加工时，金属模与隔板材料(在表面形成有碳层的基材)的摩擦系数上升，阻碍冲压中的隔板材料的移动，使得隔板材料的加工精度降低，例如存在流路部等产生破裂、弯曲增大而使粘合部(与燃料电池电池单体的粘合部)的密封性变差的课题。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供一种能够确保隔板材料的加工精度的燃料电池用隔板的制造方法。
为了解决上述课题，本发明所涉及的燃料电池用隔板的制造方法包括：准备在表面设置有涂层的隔板材料的准备工序；向上述隔板材料和/或金属模供给加工油和/或空气的供给工序；以及利用上述金属模对上述隔板材料进行冲压而成型为规定形状的冲压工序，在上述燃料电池用隔板的制造方法中，在上述金属模的表面，设置有深度以及宽度在上述涂层的厚度以上且在上述隔板材料的厚度以下的槽。
另外，优选上述槽被设定为深度比宽度小。
另外，优选上述金属模具备：上模，其具有交替地设置有沿规定方向延伸的凹状面和凸状面的凹凸面构成的冲压面；以及下模，其设有由具有与该上模的冲压面互补的形状的凹凸面构成的冲压面，在上述冲压工序中，将设置有上述涂层的面作为上下面，利用上述上模和上述下模在上下方向上对上述隔板材料进行冲压而使其形成为波形状或凹凸状，在上述上模的凹状面上，沿与上述规定方向正交的方向延伸配置有上述槽，并且在上述上模的凸状面上，沿上述规定方向延伸配置有上述槽，在上述下模的凹状面上，沿上述规定方向延伸配置有上述槽，并且在上述下模的凸状面上，沿与上述规定方向正交的方向延伸配置有上述槽。
根据本发明，使得在冲压工序中从隔板材料剥离后的细颗粒容易进入设置于金属模的表面的槽，并且容易借助该槽而排出，因此能够减少残留于金属模的表面的细颗粒的量。因此，在反复实施冲压工序时，能够减少金属模与隔板材料的摩擦系数，从而在下一次冲压加工时不会阻碍隔板材料的移动，能够高精度地加工隔板材料。
附图说明
图1是具备隔板的燃料电池组的主要部分剖视图。
图2是概略地表示隔板的制造工序的流程图。
图3是隔板的制造所使用的金属模的放大立体剖视图。
图4是隔板的制造所使用的金属模的主要部分放大剖视图。
图5是表示隔板的制造中途的样子的放大剖视图。
图6是在钛基材的表面设置有碳层的隔板的示意的主要部分放大剖视图。
附图标记的说明
1...电池单体(单电池)；2...MEGA；3...隔板；3a...隔板的基材；3b...涂层；3c...隔板材料；4...膜电极接合体(MEA)；5...电解质膜；6...电极；7...气体扩散层；10...燃料电池组(燃料电池)；21、22...气体流路；23...供水流通的空间；41...上模；42...上模的冲压面；43...上模的冲压面的凹状面；44...上模的冲压面的凸状面；45...下模；46...下模的冲压面；47...下模的冲压面的凹状面；48...下模的冲压面的凸状面；50...金属模；53、54、57、58...槽。
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施方式的一个例子对本发明的结构进行详细的说明。以下，作为一个例子，对将本发明应用于在燃料电池车中搭载的燃料电池或者包含它的燃料电池系统的情况进行例示来说明，但应用范围并不限定于这样的例子。
[具备隔板的燃料电池组的结构]
图1是燃料电池组(燃料电池)10的主要部分的剖视图。如图1所示，在燃料电池组10层叠有多个作为基本单位的电池单体(单电池)1。各电池单体1是通过氧化剂气体(例如空气)与燃料气体(例如氢)的电化学反应而产生电动势的固体高分子型燃料电池。电池单体1具备MEGA2与以划分MEGA2的方式和MEGA2接触的隔板(燃料电池用隔板)3。此外，在本实施方式中，MEGA2被一对隔板3、3夹持。
MEGA2是膜电极接合体(MEA)4与配置于其两面的气体扩散层7、7一体化而成的。膜电极接合体4由电解质膜5和以夹持电解质膜5的方式接合的一对电极6、6构成。电解质膜5由通过固体高分子材料形成的质子传导性的离子交换膜构成，电极6例如由担载有铂等催化剂的例如多孔质的碳原料形成。配置于电解质膜5的一侧的电极6为阳极，另一侧的电极6为阴极。气体扩散层7例如由碳纸或碳布等碳多孔质体、或者金属网或泡沫金属等金属多孔质体等具有气体透过性的导电性部件形成。
在本实施方式中，MEGA2是燃料电池10的发电部，隔板3与MEGA2的气体扩散层7接触。另外，在省略了气体扩散层7的情况下，膜电极接合体4为发电部，在这种情况下，隔板3与膜电极接合体4接触。因此，燃料电池10的发电部包含膜电极接合体4并与隔板3接触。
隔板3是以导电性、不透气性等优良的金属(例如，SUS、钛、铝、镍等金属)为基材的板状的部件，其一面侧与MEGA2的气体扩散层7抵接，另一面侧与邻接的其他隔板3的另一面侧抵接。
另外，在本实施方式中，在各隔板3(的基材3a)的一面侧以及另一面侧(与MEGA2的气体扩散层7抵接的面以及与邻接的其他隔板3的另一面侧抵接的面)，分别形成有作为导电性被膜的包含碳粒子的涂层3b。此外，在构成隔板3的基材3a与涂层3b之间也可以具备中间层(未图示)。
涂层3b只要具有导电性、耐腐蚀性等即可，作为涂层3b的形成材料，除了碳之外，可列举Au(金)、Pt(铂)、In2O3(氧化铟)、ZnO(氧化锌)、SnO2(氧化锡)等，可确认这些物质在冲压中与金属模相抵靠而剥落，由此产生与碳相同的课题。在隔板3(的基材3a)的表面形成涂层(特别是碳层)3b的方法没有特别地限定，例如可举出利用了等离子体CVD(使用等离子体的化学气相生长)的方法，利用喷涂器将碳粒子(也可以将树脂、溶剂与碳粒子混合)涂覆于基材表面的方法、通过转印形成的方法、利用真空蒸镀、溅射、离子电镀等的物理蒸镀法(PVD)等。另外，涂层(特别是，碳层)3b可以是非晶构造，也可以是结晶构造(石墨构造)，另外还可以含有氮(N)。作为等离子体CVD的工序中的轰击气体或者成膜气体，在使用包含氮气的气体的情况下，在涂层3b中收进有N。涂层3b的厚度(膜厚)虽没有特别地限定，但例如为0.01μm～0.2μm左右。另外，构成隔板3的基材3a的厚度(板厚)虽没有特别地限定，但例如在基材3a由钛基材(由纯钛或者钛合金构成的基材)构成的情况下，被设定为约10μm以上。
在本实施方式中，各隔板3形成为(剖面形状为)波形状或凹凸状。对于隔板3的形状而言，波的形状呈等腰梯形，并且波的顶部平坦，该顶部的两端以相等的角度张角。即，各隔板3无论从表侧观察还是从里侧观察，都为几乎相同的形状。在MEGA2的一方的气体扩散层7面接触有隔板3的顶部，在MEGA2的另一方的气体扩散层7面接触有隔板3的顶部。
上述隔板3通过使用金属模对在基材3a的表面形成有涂层3b的隔板材料3c进行冲压成型，从而成型(塑性变形)为上述的形状(在后面进行详述)。
被划分在一方的电极(即阳极)6侧的气体扩散层7与隔板3之间的气体流路21是供燃料气体流通的流路，被划分在另一方的电极(即阴极)6侧的气体扩散层7与隔板3之间的气体流路22是供氧化剂气体流通的流路。若朝向隔着电池单体1而对置的一方的气体流路21供给燃料气体，朝向气体流路22供给氧化剂气体，则在电池单体1内发生电化学反应而产生电动势。
并且，某一电池单体1与和它邻接的另一电池单体1以使作为阳极的电极6与作为阴极的电极6相向的方式配置。另外，沿着某一电池单体1的作为阳极的电极6配置的隔板3的背面侧的顶部与沿着另一电池单体1的作为阴极的电极6配置的隔板3的背面侧的顶部面接触。在邻接的两个电池单体1间面接触的隔板3、3之间被划分的空间23，流通有作为将电池单体1冷却的制冷剂的水。
[隔板的制造工序]
图2是表示隔板的制造工序的概略流程的图。另外，图3以及图4分别是隔板的制造所使用的金属模的放大斜视剖视图以及主要部分放大剖视图，图5是表示隔板的制造中途的样子的放大剖视图。
在本实施方式中，对于上述隔板3而言，使用由上模41和下模45构成的金属模50，利用上述上模41(的冲压面42)与上述下模45(的冲压面46)在上下方向上对隔板3的材料亦即隔板材料3c(在基材3a的表面形成有涂层3b的材料)进行冲压，从而将上述隔板3形成为波形状或凹凸状，其中，上模41具有由交替地设置有沿规定方向(气体流路的流动方向)延伸的凹状面(向上侧凹陷的面)43与凸状面(向下侧鼓出的面)44的凹凸面构成的冲压面42，下模45设有由具有与上模的凹凸面(冲压面42)互补的形状的凹凸面构成的冲压面46。
另外，在本实施方式中，为了在使用金属模50的冲压加工时将从上述隔板材料3c剥离的涂层3b(在基材3a为钛基材的情况下，为包含氧化钛的碳层等)的细颗粒顺利地排出(换言之，为了促进细颗粒的排出)，在金属模50的表面(冲压面)、详细而言为上模41的冲压面42以及下模45的冲压面46，形成有剖视时呈大致凹形状的槽。该大致凹形状的槽的深度以及宽度被设定为比从隔板材料3c剥离的涂层3b的细颗粒大。
更详细而言，如参照图3可知那样，在上模41的冲压面42，在凹状面(向上侧凹陷的面)43上，沿与上述规定方向(气体流路的流动方向)正交的方向延伸配置有大致凹形状的槽53，并且在凸状面(向下侧鼓出的面)44上，沿着上述规定方向(气体流路的流动方向)(从一端到另一端)延伸配置有大致凹形状的槽54。另外，在下模45的冲压面46，在凹状面47(向下侧凹陷的面)上，沿着上述规定方向(气体流路的流动方向)(从一端到另一端)延伸配置有大致凹形状的槽57，并且在凸状面(向上侧鼓出的面)48上，沿与上述规定方向(气体流路的流动方向)正交的方向延伸配置有大致凹形状的槽58。
上模41的冲压面42的凹状面43上的槽53、上模41的冲压面42的凸状面44上的槽54、下模45的冲压面46的凹状面47上的槽57、下模45的冲压面46的凸状面48上的槽58的数量并没有特别地限定，可以为一个，也可以为多个。例如在设置有多个的情况下，隔着规定的间隔而形成。另外，基于在冲压加工时涂层3b容易在隔板3的变形部亦即角部处剥离这一理由，优选上模41的冲压面42的凸状面44上的槽54、下模45的冲压面46的凹状面47上的槽57设置于与该隔板3的角部对应的部分的附近。
另外，在金属模50的表面施加槽53、54、57、58的方法并没有特别地限定，可举出通过针对金属模50的表面的加工(切削、研磨等)来施加的方法(例如，参照上述专利文献2)、放电加工的方法、对具有凹凸形状的槽进行按压而将其转印于金属模50的表面的方法等。另外，可以利用3D打印机之类的设备将微小的凹凸形状形成于金属模50的表面，也可以运用打印技术而在金属模50的表面形成微小凹凸。在借助针对金属模50的表面的加工(切削、研磨等)来施加槽53、54、57、58的情况下，通过规定金属模50的加工方向，能够作为加工余量的微小的凹形状而形成上述槽53、54、57、58。
为了使剥离后的涂层3b的细颗粒进入该槽内而顺利地排出，使上述的大致凹形状的槽53、54、57、58的深度以及宽度比将要剥离的涂层3b(膜厚为最大且为0.2μm左右)的细颗粒大即可，例如设定为0.2μm以上。另外，考虑对隔板材料3c的成型性的影响，使上述深度以及宽度在隔板材料3c的厚度(板厚)以下即可，例如设定为10μm以下。另外，槽53、54、57、58的深度(隔板材料3c的加工方向上的尺寸)优选为比宽度(与隔板材料3c的加工方向正交的方向上的尺寸)小，例如可确认为约20％左右较好。即，上述的大致凹形状的槽53、54、57、58虽没有特别地限定，但例如优选设定为宽度在0.2μm以上且在10μm以下，深度在0.2μm以上且在2μm以下。另外，其表面粗糙度(Ra)优选被设定为例如0.15以下(参照图4)。
接下来，对使用了具有上述槽53、54、57、58的金属模50的隔板3的制造方法进行说明。
如图2所示，首先例如实施等离子体CVD(使用等离子体的化学气相生长)，在成型为平板状的基材3a的表面(例如，在基材3a为钛基材的情况下，为形成于最表层的氧化钛层)形成包含碳粒子的涂层3b，准备作为隔板3的原材料(成型前的状态)的隔板材料3c(S21：准备工序)。
接着，将形成有涂层3b的面作为上下面，在上述上模41与上述下模45之间配置平板状的隔板材料3c，向隔板材料3c以及金属模50的表面(上模41的冲压面42、下模45的冲压面46)供给加工油(S22：供给工序)。
此外，加工油相对于隔板材料3c的供给也可以在将该隔板材料3c配置于上模41与下模45之间前进行。另外，加工油相对于金属模50的表面的供给也可以在将隔板材料3c配置于上模41与下模45之间前、对在此之前的隔板材料3c执行冲压加工之后紧接着进行。
接下来，利用上述上模41(的冲压面42)与上述下模45(的冲压面46)从上下方向以规定压夹持上述隔板材料3c来实施冲压加工(S23：冲压工序)。由此，隔板材料3c形成为(在上述规定方向上观察时的剖视下)波形状或凹凸状，从而形成气体流路。
这里，在本实施方式中，如上所述，在金属模50的上模41的冲压面42以及下模45的冲压面46，形成有剖面形状为大致凹形状的槽53、54、57、58。因此，在S23的冲压工序中，存在隔板材料3c的表面(上下面)的涂层3b的一部分剥离的可能性，但剥离后的涂层3b的细颗粒在利用上模41与下模45对隔板材料3c进行冲压的正当中，进入上述大致凹形状的槽(比将要剥离的涂层3b的细颗粒大的槽)53、54、57、58(参照图4)，并且沿着上述大致凹形状的槽53、54、57、58与加工油一同向金属模50的外部排出(参照图5)。
更详细而言，虽然确认了在S23的冲压工序中涂层3b容易在隔板材料3c的变形部亦即(隔板3的)角部处剥离，但从该角部剥离后的涂层3b的细颗粒在上模41侧，通过上模41的冲压面42的凹状面43上的槽53而流入凸状面44，并通过该凸状面44上的槽54而与加工油一同向金属模50的外部排出(参照图5的箭头61)。另外，在下模45侧，通过下模45的冲压面46的凸状面48上的槽58而流入凹状面47，并通过该凹状面47上的槽57而与加工油一同向金属模50的外部排出(参照图5的箭头65)。
通过反复实施上述的一系列的工序(准备工序、供给工序、冲压工序)，从而连续地制造构成燃料电池10的隔板3。
此外，在上述实施方式中，加工油随着剥离后的涂层3b的细颗粒，从大致凹形状的槽53、54、57、58排出。但是，即便不使用加工油，而利用配置于金属模50内的空气将上述剥离后的涂层3b的细颗粒吹送排出，也可以得到相同的效果，这无需进行详述。另外，若相对于上述剥离后的涂层3b的细颗粒设定足够大的体积的槽，则无需针对每一个产品涂覆加工油，可以针对每几个涂覆加工油。
如以上说明的那样，在本实施方式中，在金属模50的表面设置有比从隔板材料3c剥离的涂层3b的细颗粒大、即深度以及宽度在涂层3b的厚度以上且在隔板材料3c的厚度以下的槽53、54、57、58，因此在冲压工序中从隔板材料3c剥离的细颗粒容易进入设置于金属模50的表面的槽53、54、57、58，并且容易借助该槽53、54、57、58而排出，由此能够减少残留于金属模50的表面的细颗粒的量。因此，在反复实施冲压工序时，能够减少金属模50与隔板材料3c的摩擦系数，不会在下一次冲压加工时阻碍隔板材料3c的移动，能够高精度地加工隔板材料3c。
另外，在上模41的凹状面43上，沿与规定方向(气体流路的流动方向)正交的方向延伸配置有槽53，并且在上模41的凸状面44上，沿上述规定方向延伸配置有槽54，在下模45的凹状面47上，沿上述规定方向延伸配置有槽57，并且在下模45的凸状面48上，沿与上述规定方向正交的方向延伸配置有槽58，能够将在冲压工序中从隔板材料3c剥离的细颗粒沿着该槽53、54、57、58更加顺利地排出。另外，在上模41的凹状面43以及下模45的凸状面48中，沿与规定方向(气体流路的流动方向)正交的方向设置有上述槽53、58，因此也存在该槽53、58不会妨碍冲压加工时的隔板材料3c的移动(成型)的优点。
以上，使用附图对本发明的实施方式进行了详细的叙述，但具体的结构并不限定于该实施方式，即便是不脱离本发明的要旨的范围内的设计变更等，它们也包含于本发明。

Claims (2)

1.一种燃料电池用隔板的制造方法，包括：准备在表面设置有涂层的隔板材料的准备工序；向所述隔板材料和/或金属模供给加工油和/或空气的供给工序；以及利用所述金属模对所述隔板材料进行冲压而成型为规定形状的冲压工序，
其中，
在所述金属模的表面，设置有深度以及宽度在所述涂层的厚度以上且在所述隔板材料的厚度以下的槽，
所述金属模具备：上模，其具有由交替地设置有沿规定方向亦即气体流路的流动方向延伸的凹状面和凸状面的凹凸面构成的冲压面；和下模，其设有由具有与该上模的冲压面互补的形状的凹凸面构成的冲压面，
在所述冲压工序中，将设置有所述涂层的面作为上下面，利用所述上模和所述下模在上下方向上对所述隔板材料进行冲压而使其形成为波形状或凹凸状，
在所述上模的凹状面上，沿与所述规定方向正交的方向延伸配置有所述槽，并且在所述上模的凸状面上，沿所述规定方向延伸配置有所述槽，
在所述下模的凹状面上，沿所述规定方向延伸配置有所述槽，并且在所述下模的凸状面上，沿与所述规定方向正交的方向延伸配置有所述槽。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用隔板的制造方法，其中，
所述槽被设定为深度比宽度小。
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