CN109428091B - 燃料电池分隔件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池分隔件的制造方法，包括：制备步骤，制备具有芯构件的分隔件基础构件，所述芯构件的表面涂覆有与芯构件的射线可透性相比具有较高的射线可透性的涂层材料；冲压成形步骤，将分隔件基础构件冲压成形为预定形状；以及检查步骤，使用X射线来检查在冲压成形步骤之后的分隔件基础构件，X射线具有X射线穿过涂层材料的输出。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池分隔件的制造方法，该燃料电池分隔件具有其表面形成有涂层的芯构件。
背景技术
燃料电池(在一些情况下也被称为燃料电池堆)被构造成使得通过在阳极与阴极(在一些情况下也被称为燃料电池的单元)之间保持电解质膜来形成电池(单电池)，并且将多个电池相互叠置(堆叠)，其中，在多个电池之间插入分隔件。
例如，固体聚合物型燃料电池的单元包括：膜电极组件(MEA)，其由具有离子通透性的电解质膜构成；以及阳极催化剂层(电极层)和阴极催化剂层(电极层)，其在这些催化剂层之间保持有电解质膜。在MEA的两侧上形成有气体扩散层(GDL)，其供应燃料气体或助燃气体，并收集由电化学反应产生的电力。两侧上布置有GDL的膜电极组件被称为MEGA(膜电极和气体扩散层组件)，并且该MEGA被保持在一对分隔件之间。此处，MEGA是燃料电池的电力发生器，并且在没有气体扩散层的情况下，MEA用作燃料电池的电力发生器。
燃料电池分隔件通常在其表面上设置有涂层，以确保导电性(降低表面电阻)、耐腐蚀性等，并且燃料电池分隔件也被冲压成形，使得在截面图中呈现波浪形状或凹凸形状，以形成用作气体(氢气，氧气等)的流动通道的凹槽(气体流动通道)。
为了获得上述构造的燃料电池的充分性能，重要的是，将供应的气体在燃料电池内流动的流动通道充分地密封，以防止气体从各个流动通道泄漏出去。出于该原因，当制造燃料电池时，检查是否有任何气体从流动通道泄漏。
提出了用于检查是否有任何气体从制造的燃料电池中的流动通道泄露的检查方法，例如下述的方法：当流动通道的内部填充有检查气体时，将经受检查的燃料电池(要检查的样品)中的流动通道密封，并检测燃料电池外部的检查气体，以从而检测气体泄露(例如，参见以下日本专利申请公开第2016-038981号(JP 2016-038981 A))。
在下面的日本专利申请公开第2000-285934号(JP2000-285934A)中，作为用于在组装分隔件之前查找诸如在压制期间产生的裂缝的缺陷和在防腐蚀涂层期间产生的涂层膜(涂层)中的缺陷的方法，提出了以下方法：在经受冲压成形之后的分隔件表面上或者在经受冲压成形并且进一步在分隔件的表面上进行防腐蚀涂层之后的分隔件表面上进行非破坏性试验，例如红外热成像、涡流检测、磁粉检测法、浸渍法、超声波检查法、电磁感应检查法、声发射法、目视检查法、放射检查法、激光全息法和声学检查法。
发明内容
同时，出于降低制造成本等的目的，最近考虑了如下方法：在金属箔上形成作为包括在分隔件中的芯构件的涂层之后，对分隔件进行冲压成形。在其上形成涂层之后对分隔件进行冲压的情况下，即使在冲压成形期间在金属箔中产生裂缝，该裂缝也会被形成涂层的涂层材料覆盖。然而，如果以上述方式在金属箔中产生裂缝，则金属箔的强度变低，并且形成在金属箔上的涂层可能会劣化并剥落，并且因此密封性能可能劣化。为此，在燃料电池的制造过程中，期望可靠地检测出在金属箔中产生的裂缝(特别是用形成涂层的涂层材料覆盖的金属箔中的裂缝)。
遗憾的是，在JP 2016-038981 A中描述的现有技术的泄漏检查方法中，如果如上所述在金属箔中产生的裂缝被形成涂层的涂层材料所覆盖，则不能检测到该裂缝。
另外，如果形成涂层的涂层材料覆盖了在金属箔中产生的裂缝，则似乎不可能确定金属箔中的裂缝(即，金属箔中的裂缝不出现在表面上)；因此，在上述JP 2000-285934 A中描述的现有技术的检查方法中，也不能可靠地检测出这样的裂缝。
本发明提供一种燃料电池分隔件的制造方法，其能够可靠地检测出构成分隔件的芯构件中产生的裂缝。
本发明的方面涉及一种用于形成有涂层的燃料电池分隔件的制造方法，制造方法包括：制备步骤，制备具有芯构件的分隔件基础构件，芯构件的表面涂覆有与芯构件的射线可透性相比具有较高射线可透性的涂层材料；冲压成形步骤，将分隔件基础构件冲压成形为预定形状；以及检查步骤，使用具有穿过涂层材料的X射线的输出的X射线来检查被冲压成形之后的分隔件基础构件。
在检查步骤中，可以用X射线从分隔件基础构件被涂覆有涂层材料的一侧对分隔件基础构件进行照射。
在检查步骤中，可以使用X射线，该X射线具有X射线不穿过芯构件的输出。
在准备步骤中，芯构件的两个表面均可以被涂覆有涂层材料。
芯构件可以由金属制成。涂层材料可以包括碳粉。
根据本发明，即使分隔件基础构件是在芯构件的表面被涂覆有涂层材料之后(形成涂层之后)被冲压成形，也可以可靠地检测到在芯构件中产生的裂缝。
虽然已知使用非破坏性试验来检测在冲压期间产生的裂缝(参见上述JP 2000-285934 A)，但是仅通过红外热成像法来测量其温度通过外部加热被改变的分隔件的表面，并且没有发现关于使用芯构件与涂层材料之间的射线可透性差异来确认分隔件内的芯构件(金属箔等)中是否存在裂缝的结论；因此，不认为这些现有技术文件否定了本发明的可专利性。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
图1是包括分隔件的燃料电池堆的主要部分的截面图；
图2是示出分隔件的制造过程的概述的流程图；以及
图3是在检查步骤中使用的X射线检查装置的示意图。
具体实施方式
在下文中，将基于附图中所示的实施方式的一个示例来详细地描述本发明的构造。作为一个示例，将以例说明本发明被应用于安装在燃料电池车辆中的燃料电池或者包括该燃料电池的燃料电池系统的情况，但是本发明的应用范围不限于这样的示例。
包括分隔件的燃料电池堆的构造
图1是燃料电池堆(燃料电池)10的主要部分的截面图。如图1所示，在燃料电池堆10中，作为基本单元的多个电池(单电池)1被堆叠。每个电池1是固体聚合物燃料电池，其通过助燃气体(例如空气)和燃料气体(例如氢气)之间的电化学反应产生电动势。每个电池1包括：MEGA 2；以及分隔件(燃料电池分隔件)3，其与该MEGA 2接触，以使得通过分隔件将该MEGA 2分隔开。在本实施方式中，MEGA 2被保持在成对的分隔件3之间。
通过将膜电极组件(MEA)4与布置在该MEA 4的两侧上的气体扩散层7集成而形成每个MEGA 2。每个膜电极组件4包括：电解质膜5；以及相互结合的成对的电极6，其中，电解质膜5被插入该成对的电极6之间。通过具有固体聚合物材料形成的质子传导性的离子交换膜形成电解质膜5，并且每个电极6例如由多孔碳材料形成，在该多孔碳材料上支承有诸如铂的催化剂。位于电解质膜5的一侧上的电极6成为阳极，而位于其另一侧上的电极6成为阴极。气体扩散层7由具有气体渗透性的导电材料(例如，碳多孔材料如碳纸或碳布或金属多孔材料如金属网或金属体)形成。
在本实施方式中，MEGA 2用作燃料电池10的电力发生器，并且每个分隔件3与每个MEGA 2的气体扩散层7接触。当气体扩散层7被省略时，膜电极组件4用作电力发生器；并且在这种情况下，每个分隔件3与每个膜电极组件4接触。因此，燃料电池10的电力发生器包括与分隔件3接触的膜电极组件4。
每个分隔件3是具有芯构件(基础构件)3a的板状构件，芯构件由导电性和气体抗渗性良好的金属(例如，诸如SUS、钛、铝、铜和镍的金属)制成，并且分隔件3的一个表面与每个MEGA 2的气体扩散层7接触，并且其另一个表面与另一相邻分隔件3的另一表面接触。
在本实施方式中，在每个分隔件3(芯构件3a)的一个表面和另一个表面(与每个MEGA 2的气体分散层7接触的表面以及与另一相邻分隔件3的另一个表面接触的表面)上分别形成有作为导电涂层膜的涂层(碳层)3b，其由通过将碳粉(粉状的碳)与诸如热固性树脂的粘合剂树脂进行捏合而产生的涂层材料制成。注意，为了确保芯构件3a与每个涂层3b之间的紧密接触，可以在形成每个分隔件3的芯构件3a与每个涂层3b之间设置中间层(未示出)。
涂层3b可以具有至少导电性和耐腐蚀性，并且形成涂层3b的热固性树脂的示例可以包括酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂等。
在本实施方式中，每个分隔件3被形成为波浪形或凹凸形(作为其截面形状)。每个分隔件3的形状被形成为使得每个波形被形成为等腰梯形形状，并且波形的顶部通常是平坦的，且顶部的两端是具有相等角度的角。也就是说，每个分隔件3通常具有从前侧或从后侧观察的相同的形状。分隔件3的顶部与MEGA 2的一侧上的气体扩散层7表面接触，并且另一个分隔件3的顶部与MEGA 2的另一侧上的气体扩散层7表面接触。
每个分隔件3通过以下操作来形成(塑性形变)以呈现上述形状：通过使用模具对具有形成在芯构件3a(稍后描述)的表面(两侧)上的涂层3b的分隔件基础构件进行冲压成形。
限定在一个电极(即阳极)6侧上的每个气体扩散层7与每个分隔件3之间的气体流动通道21是燃料气体流动的流动通道，并且限定在另一个电极(即阴极)6侧上的每个气体扩散层7与每个分隔件3之间的气体流动通道22是助燃气体流动的流动通道。当经由每个MEGA 2面向气体流动通道22的一侧上的气体流动通道21被供应有燃料气体而另一侧上的气体流动通道22被供应有助燃气体时，在电池1中产生电化学反应，使得产生电动势。
另外，感兴趣的电池1和与该电池1相邻的另一个电池1被布置成使得用作阳极的电极6和用作阴极的电极6彼此面对。沿用作感兴趣的电池1的阳极的电极6布置的后表面侧上的分隔件3的顶部与沿用作与感兴趣的电池1相邻的另一个电池1的阴极的电极6布置的后表面侧的分隔件3的顶部表面接触。作为用于对电池1进行冷却的冷却剂的水流过被限定在每两个相邻的电池1中相互表面接触的分隔件3、3之间的空间23。
分隔件的制造过程
接下来，将描述用于上述分隔件3的制造方法。图2是示出分隔件的制造过程的示意性流程的图。图3是在分隔件的制造过程中的检查步骤中使用的X射线检查装置的示意图。
当制造分隔件3时，如图2所示，首先，用涂层材料来涂覆平板状芯构件(例如，由SUS、钛等制成的金属箔)3a的表面(两个表面)，以形成涂层3b，从而制备作为分隔件3的基础构件的分隔件基础构件(在成型之前)(S21：制备步骤(涂层形成步骤))。在该步骤中使用的涂层材料(形成涂层3b的材料)是通过例如将碳粉与诸如热固性树脂等的粘合剂树脂进行捏合(混合)而制备的膏状材料，从而形成与芯构件3a(稍后描述)的射线可透性相比具有较高的射线可透性的材料。涂层3b可以通过以下操作来形成：将纳米尺寸的碳粉施加到芯构件(金属箔)3a的表面上，并且然后使其经过氧化还原处理，以将碳粉固定在芯构件的表面上。
接下来，通过使用模具对分隔件基础构件进行冲压成形(S22：冲压成形步骤)。通过该步骤，分隔件基础构件被形成为波浪形或凹凸形(在预定方向上观察到的截面图中)，从而形成气体流动通道。
接下来，对被冲压成形之后(在冲压成形步骤(S22)之后)的分隔件基础构件进行清洁(经受UV清洁等)(S23：清洁步骤)。
使用X射线检查装置，对在清洁之后(在清洁步骤(S23)之后)的分隔件基础构件进行检查(S24：检查步骤)。
具体地，如图3所示，X射线生成器51和X射线检测器52被设置使得X射线生成器51和X射线检测器52彼此面对，其中，被清洁之后的分隔件基础构件3c被插入X射线生成器51和X射线检测器52之间。X射线检测器52被布置在由盖子53环绕的X射线暗室53a内，以用来防止来自外部的X射线进入以及X射线向外部泄漏。在设置掩蔽夹具54之后，分隔件基础构件3c被压模55压制以被密封(也称为“掩蔽”)。X射线生成器51和X射线检测器52是相对于分隔件基础构件3c可相对地移动的，以扫描期望要检查的分隔件基础构件3c的所有区域。
如上所述，在分隔件基础构件3c被设置在包括X射线生成器51、X射线检测器52等的X射线检查装置50上之后，在X射线生成器51和X射线检测器52相对于分隔件基础构件3c相对地移动的同时，分隔件基础构件3c(即涂覆有涂层材料的分隔件基础构件3c的表面，也就是其上形成有涂层3b的分隔件基础构件3c的表面)被来自X射线生成器51的X射线照射。此时，所施加的X射线被设置为具有X射线穿过分隔件基础构件3c的涂层3b(换句话说，形成涂层3b的涂层材料)但不穿过芯构件3a的输出。可以通过改变X射线生成器51与分隔件基础构件3c之间的距离来调整X射线的输出。
因此，如果在芯构件3a中存在裂缝(例如，几微米至十几微米的小孔)，则从X射线生成器51施加的X射线穿过芯构件3a中的裂缝(换句话说，从芯构件3a中的裂缝泄露出)，并且被布置在X射线暗室53a中的X射线检测器52检测到；因此，可以检测到在芯构件3a中产生的裂缝(具体地，在用形成涂层3b的涂层材料覆盖的芯构件3a中的裂缝(换句话说，在涂层3b下的芯构件3a中的裂缝))。在X射线检测器52中，通过获取测量的X射线图像、由预定软件测量图像中的差异并且显示图像中的差异的异常存在还是不存在，可以以简单的方式检查芯构件3a中是否存在裂缝。
通过垫片组装步骤将检查步骤(S24)之后的分隔件基础构件3c作为分隔件3组装到燃料电池10中。
如上所述，在本实施方式中，在检查步骤(S24)中，通过使用具有输出(穿过涂层3b(即，形成涂层3b的涂层材料)而不穿过芯构件3a的X射线)的X射线来进行检查，即使在芯构件3a的表面被涂覆有涂层材料之后(在涂层3b被形成之后)分隔件基础构件被冲压成形，也可以可靠地检测在芯构件3a中生成的裂缝。
已经参照附图详细描述了本发明的实施方式，然而，具体构造不限于这些实施方式，并且如果还存在不脱离本发明的范围的设计改变等，则它们旨在被包括在本发明中。
Claims (5)
1.一种形成有涂层的燃料电池分隔件的制造方法，所述制造方法的特征在于，包括：
制备步骤，制备具有芯构件的分隔件基础构件，所述芯构件的表面涂覆有涂层材料，所述涂层材料具有比所述芯构件的射线可透性更高的射线可透性；
冲压成形步骤，将所述分隔件基础构件冲压成形为预定形状；
检查步骤，使用X射线来检查被冲压成形后的分隔件基础构件，所述X射线具有所述X射线穿过所述涂层材料但是不穿过所述芯构件的输出；以及
检测步骤，基于对被冲压成形后的分隔件基础构件的检查，经由X射线检测器来检测所述芯构件中是否存在裂缝，所述X射线检测器被配置成通过检测所述X射线穿过所述裂缝的输出来检测所述芯构件中裂缝的存在。
2.根据权利要求1所述的燃料电池分隔件的制造方法，其特征在于：
在所述检查步骤中，使用所述X射线从所述分隔件基础构件涂覆有所述涂层材料的一侧对所述分隔件基础构件进行照射。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池分隔件的制造方法，其特征在于：
在所述制备步骤中，所述芯构件的两个表面均涂覆有所述涂层材料。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池分隔件的制造方法，其特征在于：
所述芯构件由金属制成，并且所述涂层材料包括碳粉。
5.根据权利要求3所述的燃料电池分隔件的制造方法，其特征在于：
所述芯构件由金属制成，并且所述涂层材料包括碳粉。
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