CN111082087A - 燃料电池用隔板及其制造方法和制造装置 - Google Patents

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Abstract

一种能够可靠地进行生成水的排出的燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及制造装置。燃料电池用隔板(1)是在第一方向(X)上重复用于在与膜电极接合体(2)之间形成反应气体流路的凹部(11)和用于与膜电极接合体(2)抵接的凸部(12)而形成波状的隔板。燃在料电池用隔板(1)的面对膜电极接合体(2)的表面(1a)，在与第一方向(X)正交的第二方向(Y)上空开间隔地配置有多个第一槽部(13)，该多个第一槽部在第一方向上延伸并且沿着凹部(11)以及凸部(12)的起伏设置。在各凹部(11)的底部(11a)设置有第二槽部(14)，该第二槽部(14)在第二方向上延伸并且与多个第一槽部(13)连通。

Description

燃料电池用隔板及其制造方法和制造装置
技术领域
本发明涉及燃料电池用隔板及其制造方法、燃料电池用隔板的制造装置。
背景技术
燃料电池通过层叠多个燃料电池单元而构成，借助供给的反应气体(即，氧化剂气体与燃料气体)的电化学反应发电。作为燃料电池单元，公知有具备具有电解质膜与夹持该电解质膜的一对电极的膜电极接合体和夹持该膜电极接合体的一对燃料电池用隔板的结构。燃料电池用隔板重复形成有用于在与膜电极接合体之间形成反应气体流路的凹部与用于与膜电极接合体抵接的凸部，从而形成为波状。
在具有这样的构造的燃料电池中，在与燃料电池用隔板的膜电极接合体抵接的凸部(更具体而言为凸部的顶部)，反应气体难以钻入，因而产生生成水容易滞留的问题。为了解决该问题，提出各种技术。例如在下述专利文献1中记载了如下内容，即在燃料电池用隔板的凸部的顶部形成供反应气体通过的浅槽部，通过促进反应气体的钻入来实现生成水的排出。另外，在下述专利文献2中记载了如下内容，通过形成将与燃料电池用隔板的凸部的顶部邻接的反应气体流路彼此相连的排水槽来促进生成水的排出。
专利文献1：国际公开第2012/035585号
专利文献2：日本特开2013-257946号公报
然而，上述专利文献中记载的燃料电池用隔板在生成水的排出上起到一定的效果，但留有改善的余地。
发明内容
本发明是为了解决这样的技术课题而完成的，其目的在于提供能够可靠地进行生成水的排出的燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及燃料电池用隔板的制造装置。
本发明所涉及的燃料电池用隔板夹持膜电极接合体，在第一方向重复形成用于在与上述膜电极接合体之间形成反应气体流路的凹部和用于与上述膜电极接合体抵接的凸部而形成为波状，该燃料电池用隔板的特征在于，在上述燃料电池用隔板的面对上述膜电极接合体的表面中，在与上述第一方向正交的第二方向上空开间隔地配置有多个第一槽部，该多个第一槽部在上述第一方向上延伸并且沿着上述凹部以及上述凸部的起伏设置，在各凹部的底部设置有第二槽部，该第二槽部在上述第二方向上延伸并且与上述多个第一槽部连通。
在本发明所涉及的燃料电池用隔板中，在与第一方向正交的第二方向上空开间隔地配置有多个第一槽部，该多个第一槽部在第一方向上延伸并且沿着凹部以及凸部的起伏设置，因而能够利用上述第一槽部的毛细管现象排出燃料电池用隔板中的与膜电极接合体抵接的凸部的生成水。除此之外，在燃料电池用隔板的各凹部的底部设置有第二槽部，该第二槽部在第二方向上延伸并且与多个第一槽部连通，因而在第一槽部流动的生成水流入至第二槽部，借助反应气体的流动而被排出。其结果是，能够可靠地进行生成水的排出。
在本发明所涉及的燃料电池用隔板中，优选上述第一槽部在与上述第二槽部的连通位置与上述第二槽部无阶梯差地连接。这样一来，能够使在第一槽部流动的生成水顺畅地流入至第二槽部，能够防止第一槽部与第二槽部的连通位置处的生成水的滞留。
本发明所涉及的燃料电池用隔板的制造方法包括：第一工序，在板状的隔板基材的一个表面分别形成多个第一槽部与多个第二槽部，该多个第一槽部在第一方向上延伸并且在与上述第一方向正交的第二方向上空开第一间隔，该多个第二槽部在上述第二方向上延伸并且在上述第一方向上空开比上述第一间隔大的第二间隔并与上述多个第一槽部连通；和第二工序，在上述第一方向上交替重复形成凹部与凸部，在上述第二工序中，以各第二槽部位于上述凹部的底部的方式形成上述凹部以及上述凸部。
在本发明所涉及的燃料电池用隔板的制造方法中，包括在板状的隔板基材的一个表面先形成第一槽部以及第二槽部的第一工序和在第一工序之后形成凹部以及凸部的第二工序，因而与第一槽部、第二槽部、凹部以及凸部全部在一个工序形成的情况相比，材料的移动变少，能够减少在形成中使用的各金属模的磨损，延长各金属模的寿命。并且，通过这样能够提高形成的第一槽部、第二槽部、凹部以及凸部的尺寸的精度。
本发明所涉及的燃料电池用隔板的制造装置通过利用金属模进行冲压成型来在板状的隔板基材的一个表面形成多个槽部，其特征在于，上述金属模具有：对置面，与上述隔板基材的一个表面对置；和突出部，从上述对置面向上述隔板基材侧突出，用于形成上述槽部。
在本发明所涉及的燃料电池用隔板的制造装置中，金属模具有：对置面，与隔板基材的一个表面对置；和突出部，从该对置面向隔板基材侧突出并用于形成槽部，因而能够在隔板基材容易地形成槽部。
在本发明所涉及的燃料电池用隔板的制造装置中，优选在将上述突出部的从上述对置面突出的高度设为A、制造的燃料电池用隔板的上述槽部的深度设为B、上述隔板基材的厚度设为C、制造的燃料电池用隔板的厚度设为D时，满足A＝B+(C－D)。这样一来，制造的燃料电池用隔板的槽部的开口缘成为大致直角，因而在利用燃料电池用隔板夹持膜电极接合体时，能够防止膜电极接合体进入槽部的内部。因此，能够防止膜电极接合体引起的槽部的堵塞，能够可靠地进行生成水的排出。
根据本发明，能够可靠地进行生成水的排出。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的燃料电池用隔板的局部立体图。
图2是沿着图1的A-A线的剖视图。
图3是沿着图1的B-B线的剖视图。
图4是表示燃料电池用隔板的制造方法的流程图。
图5是用于对燃料电池用隔板的制造方法以及制造装置进行说明的示意剖视图。
图6是用于对燃料电池用隔板的制造方法以及制造装置进行说明的示意剖视图。
图7是从下方观察上模的立体图。
图8是用于对上模的第一突出部的突出尺寸进行说明的图，其中，图8的(a)是表示上模、隔板基材以及下模的配置位置的主视图，图8的(b)是从第一方向观察第一槽部的放大剖视图。
图9是表示在第二工序中局部地利用金属模进行压溃的场所的示意剖视图。
附图标记说明：
1…燃料电池用隔板；1a…表面；2…膜电极接合体；3…隔板基材；3a…上表面；4，5…燃料电池用隔板的制造装置；11…凹部；11a…底部；12…凸部；12a…顶部；12b…倾斜侧壁部；13…第一槽部；13a…底面；13b…侧壁；13c…开口缘；14…第二槽部；41…上侧成型辊；42…上侧支承辊；43…下侧成型辊；44…下侧支承辊；50…金属模；51…上模；51a…对置面；51b…第一突出部；51c…第二突出部；52…下模；411…第一凸条；412…第二凸条。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法以及燃料电池用隔板的制造装置的实施方式进行说明。
[燃料电池用隔板]
图1是表示实施方式所涉及的燃料电池用隔板的立体图，图2是沿着图1的A-A线的剖视图，图3是沿着图1的B-B线的剖视图。在各图中，将燃料电池用隔板的宽度方向作为第一方向X，将燃料电池用隔板的长度方向作为第二方向Y，将燃料电池用隔板的厚度方向(亦称为上下方向)作为第三方向Z。另外，在图2以及图3中，为了更容易知晓燃料电池用隔板与膜电极接合体的配置关系，作为参考还描绘了膜电极接合体(参照双点划线部分)。
本实施方式的燃料电池用隔板1将矩形板状的膜电极接合体2从其两侧进行夹持，与膜电极接合体2一同构成燃料电池单元。燃料电池用隔板1通过在第一方向X上交替重复用于在与膜电极接合体2之间形成反应气体流路的凹部11与用于跟膜电极接合体2抵接的凸部12来形成为波状。
虽未图示，但膜电极接合体2具有电解质膜和以夹着电解质膜的方式接合的一对电极。而且，燃料电池用隔板1在该凸部12的顶部12a与膜电极接合体2的电极抵接的状态下夹持膜电极接合体2。另外，存在在膜电极接合体2的两侧还配置有一对气体扩散层的情况，在该情况下，膜电极接合体2与该一对气体扩散层构成膜电极气体扩散层接合体。在膜电极气体扩散层接合体的情况下，燃料电池用隔板1在该凸部12的顶部12a与气体扩散层抵接的状态下隔着该气体扩散层夹持膜电极接合体2。
在燃料电池用隔板1的面对膜电极接合体2的表面1a中，在第一方向X上延伸并且沿着凹部11以及凸部12的起伏设置的多个第一槽部13配置为在与第一方向X正交的第二方向Y上空开间隔。另外，在表面1a中，在各凹部11的底部11a设置有第二槽部14，该第二槽部14在第二方向Y上延伸并且与多个第一槽部13连通。
更具体而言，第一槽部13形成为以横切重复的凸部12以及凹部11的方式从凸部12的顶部12a起在与顶部12a连结并向下方延伸的倾斜侧壁部12b下行，通过与倾斜侧壁部12b连结的凹部11的底部11a，进而在邻接的凸部12的倾斜侧壁部12b上行并到达凸部12的顶部12a。而且，第一槽部13在通过凹部11的底部11a时与设置于底部11a的第二槽部14交叉并连通。如图1所示，这样的第一槽部13为多个，沿着第二方向Y以规定的间隔分离并规律地排列。
从燃料电池用隔板1的表面1a的法线方向观察燃料电池用隔板1时，第一槽部13以及第二槽部14形成为格子状。而且，邻接的第一槽部13彼此的间隔小于邻接的第二槽部14彼此的间隔。
第一槽部13与第二槽部14是所谓的微小槽，各自剖面呈矩形状。作为一个例子，第一槽部13与第二槽部14例如分别形成为宽度(在第一槽部13的情况下为第二方向Y的尺寸，在第二槽部14的情况下为第一方向X的尺寸)为0.1mm、深度(即第三方向Z的尺寸)为0.01mm。此外，凸部12以及凹部11交替连结，因而凸部12的倾斜侧壁部12b亦是凹部11的倾斜侧壁部。
另外，如图1以及图2所示，第一槽部13在与第二槽部14的连通位置与第二槽部14无阶梯差地连接。这里的“无阶梯差”是指在第三方向Z上、第一槽部13的最下端位于与第二槽部14的底面相同的高度。
在这样构成的燃料电池用隔板1中，在与第一方向X正交的第二方向Y上空开间隔地配置有多个第一槽部13，该多个第一槽部13在第一方向X上延伸并且沿着凹部11以及凸部12的起伏设置，因而例如能够利用第一槽部13的毛细管现象排出燃料电池用隔板1中的与膜电极接合体2抵接的凸部12的顶部12a的生成水。除此之外，在燃料电池用隔板1的各凹部11的底部11a设置有第二槽部14，该第二槽部14在第二方向Y上延伸并且与多个第一槽部13连通，因而在第一槽部13流动的生成水流入至第二槽部14，借助反应气体的流动而被排出。其结果是，能够可靠地进行生成水的排出。
并且，第一槽部13在与第二槽部14的连通位置与第二槽部14无阶梯差地连接，因而能够使在第一槽部13流动的生成水顺畅地流入至第二槽部14，并且能够防止第一槽部13与第二槽部14的连通位置处的生成水的滞留。因此，能够防止生成水的滞留引起的发电性能的降低。
[燃料电池用隔板的制造方法以及制造装置]
以下，参照图4～图6对燃料电池用隔板1的制造方法以及制造装置进行说明。
燃料电池用隔板1的制造方法包括：第一工序S11，在板状的隔板基材3的一个表面分别形成多个第一槽部13与多个第二槽部14，该多个第一槽部13在第一方向上延伸并且在与第一方向正交的第二方向上空开第一间隔，该多个第二槽部14在第二方向上延伸并且在第一方向上空开比第一间隔大的第二间隔并与多个第一槽部13连通；和第二工序S12，在第一方向上交替地重复形成凹部11与凸部12。
在第一工序S11中，例如使用图5或者图6所示的燃料电池用隔板的制造装置。图5所示的燃料电池用隔板的制造装置4(以下，简称为制造装置4)是适于卷材31即卷绕成卷筒状的隔板基材3的装置，用于在隔板基材3的上表面3a连续形成第一槽部13以及第二槽部14。该制造装置4具备：上侧成型辊41以及上侧支承辊42，相对于隔板基材3配置于上方；和下侧成型辊43以及下侧支承辊44，相对于隔板基材3配置于下方。此外，隔板基材3例如为不锈钢、钛等的金属板。
在上侧成型辊41的外周面设置有凸模版，该凸模版在第一槽部13以及第二槽部14的形成中使用。更具体而言，在上侧成型辊41的外周面分别配置有多个在上侧成型辊41的长度方向上延伸并用于形成第一槽部13的第一凸条411和在上侧成型辊41的周向上延伸并用于形成第二槽部14的第二凸条412。上述第一凸条411与第二凸条412相互交叉。另一方面，下侧成型辊43的外周面形成为平滑状。
上侧支承辊42配置于上侧成型辊41的上侧，限制上侧成型辊41的位置。下侧支承辊44配置于下侧成型辊43的下方，限制下侧成型辊43的位置。通过这样分别配置上侧支承辊42以及下侧支承辊44能够防止上侧成型辊41以及下侧成型辊43的脱开，因而能够确保形成的第一槽部13以及第二槽部14的尺寸精度。
此外，在本实施方式中，上侧成型辊41形成为具有凸模版，与之对置的下侧成型辊43形成为平滑状，但也可以根据需要使下侧成型辊43形成为具有凸模版，使上侧成型辊41形成为平滑状。
而且，在使用具有这样的构造的制造装置4形成第一槽部13以及第二槽部14时，利用卷料架(未图示)固定卷材31，利用卷料送料器(未图示)从卷材31抽出隔板基材3向制造装置4侧输送。在制造装置4中，利用上侧成型辊41以及下侧成型辊43夹住输送来的隔板基材3，通过设置于上侧成型辊41的第一凸条411以及第二凸条412的模版转印来在隔板基材3的上表面3a形成第一槽部13以及第二槽部14(参照图5)。此外，隔板基材3的上表面3a成为制造出的燃料电池用隔板1的表面1a。
优选在隔板基材3的上表面3a形成第一槽部13以及第二槽部14时，以稍后在第二工序S12中能够使第二槽部14可靠地位于凹部11的底部11a方式例如在卷材31开设定位孔。与之相对应，在第二工序S12中使用的冲压机配置能够插入至定位孔的定位销，利用定位销与定位孔的关系进行定位。
另一方面，图6所示的燃料电池用隔板的制造装置5(以下，简称为制造装置5)是适于片材即长条状的隔板基材3的装置，用于通过金属模50进行冲压成型来在隔板基材3的上表面3a连续形成第一槽部13以及第二槽部14。金属模50具有：上模51，相对于隔板基材3配置于上方；和下模52，相对于隔板基材3配置于下方。上模51能够通过升降机构(未图示)在第三方向Z上往复移动，但下模52固定。
图7是从下方观察上模的立体图。如图7所示，上模51具有：对置面(即上模51的下表面)51a，与隔板基材3的上表面3a对置；多个第一突出部51b以及第二突出部51c，从对置面51a向隔板基材3侧突出。上述第一突出部51b以及第二突出部51c相互交叉，成为格子状。第一突出部51b是用于形成第一槽部13的构造，例如剖面呈矩形状。第二突出部51c是用于形成第二槽部14的构造，例如剖面呈矩形状。
这里，如图8所示，优选在将第一突出部51b从对置面51a突出的高度设为A、制造的燃料电池用隔板1的第一槽部13的深度设为B、隔板基材3的厚度设为C、制造的燃料电池用隔板1的厚度为D时，A＝B+(C-D)。
以下，对其理由进行说明。图8是用于对上模的第一突出部的突出尺寸进行说明的图，图8的(a)是表示上模51、隔板基材3以及下模52的配置位置的主视图，图8的(b)是从第一方向X观察第一槽部13的放大剖视图。第一突出部51b从对置面51a突出的高度A是指在第三方向Z上从对置面51a至第一突出部51b的下端为止的距离(参照图8的(a))。制造的燃料电池用隔板1的第一槽部13的深度B是指在凸部12的顶部12a中、第三方向Z上的从顶部12a至第一槽部13的底面13a为止的距离(参照图8的(b))。
通常，在形成凹部以及凸部时，因材料的移动的原因导致制造出的燃料电池用隔板的厚度D比在制造中使用的隔板基材的厚度C厚。材料的移动认为是使用金属模的冲压成型时的材料的挤压引起的。因该材料的移动导致第一槽部13的开口缘13c(即第一槽部13的侧壁13b与凸部12的顶部12a的边界部分)凸起，具有角R(换言之，具有圆角)。若具有角R，则在使凸部12的顶部12a与膜电极接合体2抵接的状态下，柔软的膜电极接合体2沿着角R进入第一槽部13内，堵塞第一槽部13，产生妨碍反应气体的透过以及生成水的排出的问题。
为了解决该问题，本申请发明人进行深入研究的结果是发现：若使第一突出部51b从对置面51a突出的高度A满足A＝B+(C-D)的关系，则制造的燃料电池用隔板1的第一槽部13的开口缘13c成为大致直角，因而能够抑制膜电极接合体2进入第一槽部13内，防止膜电极接合体2引起的第一槽部13的堵塞。
另一方面，下模52中的与隔板基材3的下表面对置的对置面(即下模52的上表面)为平坦面，成为载置隔板基材3的载置面。在本实施方式中，上模51形成为具有第一突出部51b以及第二突出部51c，与之对置的下模52的上表面为平坦面，但也可以根据需要使下模52的上表面形成为具有第一突出部以及第二突出部，使上模51的下表面为平坦面。
而且，在使用具有这样的构造的制造装置5形成第一槽部13以及第二槽部14时，在间歇地输送的板基材3载置在下模52的下表面的状态下，通过上模51的冲压在隔板基材3的上表面3a形成第一槽部13以及第二槽部14(参照图6)。
在紧接着第一工序S11的第二工序S12中，利用冲压机(未图示)相对于形成了第一槽部13以及第二槽部14的隔板基材3交替地重复形成凸部12以及凹部11。此外，在第二工序中，以能够使各第二槽部14位于凹部11的底部11a的方式边根据上述的定位销与定位孔的关系进行定位边形成凹部11以及凸部12。
在第二工序S12中，优选以构成至少与膜电极接合体2抵接的凸部12的顶部12a的材料的伸长率为20％以下的方式形成凸部12以及凹部11。这样一来，能够提高配置于顶部12a的第一槽部13的局部的尺寸精度，因而能够可靠地进行生成水的排出。此外，针对除去顶部12a的倾斜侧壁部12b等部分，尺寸的要求精度越靠顶部12a越不严，因而例如构成该部分的材料的伸长率可以为20％～30％。
另外，在第二工序S12中，为了实现载荷减少以及形状冻结，如图9所示，优选用金属模局部地压溃凸部12的顶部12a与倾斜侧壁部12b的边界部分以及凸部12的倾斜侧壁部12b与凹部11的边界部分(参照图9中的用圆包围的场所)。具体而言，例如在利用金属模从上下两侧按压凸部12的顶部12a与倾斜侧壁部12b的边界部分、以及凸部12的倾斜侧壁部12b与凹部11的边界部分的状态下压溃板厚。其压溃量是制造的燃料电池用隔板1的厚度D与隔板基材3的厚度C的差(即D-C)。这样一来，能够防止因凸部12的顶部12a与倾斜侧壁部12b的边界部分、以及凸部12的倾斜侧壁部12b与凹部11的边界部分处的材料的逃跑引起的凸起。并且，由此，制造的燃料电池用隔板1的第一槽部13的开口缘13c成为大致直角，因而能够防止膜电极接合体2进入第一槽部13内。
通过以上的工序制造燃料电池用隔板1。
在本实施方式所涉及的燃料电池用隔板1的制造方法中，包括在隔板基材3的上表面3a先形成第一槽部13以及第二槽部14的第一工序S11和在第一工序S11之后形成凹部11以及凸部12的第二工序S12，因而与第一槽部13、第二槽部14、凹部11以及凸部12全部通过一个工序形成的情况相比，材料的移动变少，能够减少在形成中使用的各金属模的磨损，延长各金属模的寿命。并且，通过如此设计能够提高形成的第一槽部13、第二槽部14、凹部11以及凸部12的尺寸的精度。
以上，对本发明的实施方式进行了详述，但本发明并不限定于上述实施方式，能够在不脱离记载于权利要求书的本发明的精神的范围内进行各种设计变更。

Claims (5)

1.一种燃料电池用隔板，夹持膜电极接合体，在第一方向上重复形成用于在与所述膜电极接合体之间形成反应气体流路的凹部和用于与所述膜电极接合体抵接的凸部，从而形成为波状，
所述燃料电池用隔板的特征在于，
在所述燃料电池用隔板的面对所述膜电极接合体的表面中，在与所述第一方向正交的第二方向上空开间隔地配置有多个第一槽部，该多个第一槽部在所述第一方向上延伸并且沿着所述凹部以及所述凸部的起伏设置，
在各凹部的底部设置有第二槽部，该第二槽部在所述第二方向上延伸并且与所述多个第一槽部连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其中，
所述第一槽部在与所述第二槽部的连通位置与所述第二槽部无阶梯差地连接。
3.一种燃料电池用隔板的制造方法，其特征在于，包括：
第一工序，在板状的隔板基材的一个表面分别形成多个第一槽部与多个第二槽部，其中，该多个第一槽部在第一方向上延伸并且在与所述第一方向正交的第二方向上空开第一间隔，该多个第二槽部在所述第二方向上延伸并且在所述第一方向上空开比所述第一间隔大的第二间隔，所述多个第二槽部与所述多个第一槽部连通；和
第二工序，在所述第一方向上交替重复形成凹部与凸部，
在所述第二工序中，以各第二槽部位于所述凹部的底部的方式形成所述凹部以及所述凸部。
4.一种燃料电池用隔板的制造装置，通过利用金属模进行冲压成型来在板状的隔板基材的一个表面形成多个槽部，
所述燃料电池用隔板的制造装置的特征在于，
所述金属模具有：
对置面，与所述隔板基材的一个表面对置；和
突出部，从所述对置面向所述隔板基材侧突出，用于形成所述槽部。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用隔板的制造装置，其中，
在将所述突出部的从所述对置面突出的高度设为A、制造的燃料电池用隔板的所述槽部的深度设为B、所述隔板基材的厚度设为C、制造的燃料电池用隔板的厚度设为D时，满足A＝B+(C－D)。
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