CN113036175A - 隔板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供针对负载变动不会引起塑性变形，而能够得到所期望的密封面压力的隔板的制造方法。该制造方法的特征在于，包括：成型工序，成型分别具有呈凸起状的密封用凸筋部(31)和限位用凸筋部(32)的第一金属隔板(21)和第二金属隔板(22)；接合工序，使第一金属隔板(21)和第二金属隔板(22)的、密封用凸筋部(31)突出一侧的面的相反侧的面彼此接合，并且在密封用凸筋部(31)的前端部设置密封构件(51)；和预备负载施加工序，沿由一对密封用凸筋部(31)和密封构件(51)构成的凸筋密封部(41)以及由一对限位用凸筋部(32)构成的限位部(42)的高度方向施加预备负载，使凸筋密封部(41)和限位部(42)同时产生塑性变形。

Description

隔板的制造方法
技术领域
本发明涉及用于燃料电池的隔板的制造方法。
背景技术
例如，如专利文献1、2所示，已知有包括隔板的燃料电池单元。图7是示出相关技术的隔板的剖视图。如图7所示，隔板120包括第一金属隔板101、第二金属隔板102和密封构件113、113。
第一金属隔板101和第二金属隔板102分别包括呈凸起状的密封用凸筋部111和呈凸起状且突出高度比密封用凸筋部111小的限位用凸筋部112。第一金属隔板101和第二金属隔板102的、密封用凸筋部111突出一侧的面的相反侧的面彼此接合。在密封用凸筋部111的前端设有密封构件113。
在隔板120中，由密封用凸筋部111、111和密封构件113、113形成凸筋密封部121。另外，在隔板120中，由限位用凸筋部112、112形成限位部122。通过用相对的凸筋密封部121、121彼此夹持电解质膜进行密封，从而能够防止燃料气体、氧化剂气体等反应气体的泄漏。另外，在对燃料电池单元作用过大的压靠负载的情况下，由于各限位部122承受该负载，因此难以在凸筋密封部121产生过大的变形、垮塌。
在组装燃料电池单元之前，对隔板施加预备负载。图8是在相关技术的隔板中示出预备负载施加工序的剖视示意图。如图8所示，在预备负载施加工序中，能够通过一对板状的压盘140、140对隔板120施加预备负载。当沿与密封用凸筋部111的突出方向相反的方向作用负载而使凸筋密封部121预先变形时，即使作用于凸筋密封部121的压靠负载发生变动，也能够不引起塑性变形而得到稳定的密封性。
图9是示出在相关技术的隔板中，凸筋密封部和限位部的变形量与压靠负载的关系的图表。若对预备负载的作用效果进行详细描述，则如图9所示，在对不预先变形的凸筋密封部121(点a)沿着负载特性线L1赋予压靠负载而使密封性出现的情况下(点b)，当作用有因扰动而产生的压靠负载(点c)时，会引起塑性变形且凸筋密封部121的负载特性线从L1移动到L2。因此，凸筋密封部121难以维持稳定的密封性。
对此，在使预备负载作用于凸筋密封部121从而使负载特性线从L1移动到L3后(点e)，暂时去除压靠负载(点a’)，当再次施加压靠负载而使密封性出现的情况下(点b’)，即使在因扰动而引起的压靠负载增大到点c’时，也难以在凸筋密封部121引起塑性变形，凸筋密封部121能够沿着负载特性线L3保持特性。因此，在凸筋密封部121产生压靠负载的变动的情况下，能够不引起塑性变形而得到稳定的密封性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2006-504872号公报
专利文献2：美国专利申请公开第2018/0123141A1号说明书
发明内容
发明所要解决的技术问题
在这样的隔板中，当冲压成型第一金属隔板101、第二金属隔板102时，有因加工误差等影响而使凸筋密封部121的高度H1(参照图7)和限位部122的高度H2的尺寸偏差变大的情况。图10是在相关技术的隔板中示出压靠负载与在凸筋密封部产生的线压力的关系的图表。例如，在限位部122的高度H2过大的状态下，在对该燃料电池单元作用压靠负载的情况下，限位部122承受一部分的压靠负载，因此有可能在凸筋密封部121不产生所需的线压力(参照区域W1)。
另一方面，例如在限位部122的高度尺寸因该尺寸偏差而过小的状态下，在对该燃料电池单元作用过大的压靠负载的情况下，有产生凸筋密封部121的异常变形的情况，有可能损坏密封功能(参照区域W2)。由此，对限位部122(限位用凸筋部112)的高度而言需要高尺寸精度。
本发明就是为了解决这样的技术问题而发明的，其课题在于提供针对负载变动不会引起塑性变形而能够得到所期望的密封面压力的隔板的制造方法。
用于解决技术问题的方案
用于解决上述技术问题的本发明是用于燃料电池的隔板的制造方法，其特征在于，包含：成型工序，成型第一金属隔板和第二金属隔板，所述第一金属隔板和第二金属隔板分别具有呈凸起状的密封用凸筋部和呈凸起状且突出高度比所述密封用凸筋部小的限位用凸筋部；接合工序，使所述第一金属隔板和所述第二金属隔板的、所述密封用凸筋部突出一侧的面的相反侧的面彼此接合，并且在所述密封用凸筋部的前端部设置密封构件；和预备负载施加工序，沿由一对所述密封用凸筋部和所述密封构件构成的凸筋密封部以及由一对所述限位用凸筋部构成的限位部的高度方向施加预备负载，使所述凸筋密封部和所述限位部同时产生塑性变形。
根据该制造方法，由于对限位部施加预备负载，所以能够抑制限位用凸筋部的高度的尺寸偏差。由此，即使在燃料电池单元产生负载变动的情况下，也能够得到所期望的密封面压力。另外，由于对密封用凸筋部和限位用凸筋部两者施加预备负载，所以针对负载变动不会引起塑性变形而能够得到所期望的密封面压力。
发明效果
根据本发明的隔板的制造方法，针对负载变动不会引起塑性变形而能够得到所期望的密封面压力。
附图说明
图1是实施例一的燃料电池单元的剖视图。
图2是示出实施例一的隔板的制造方法的冲压成型工序的剖视图。
图3是示出实施例一的隔板的制造方法的预备负载施加工序的负载施加前的剖视图。
图4是示出实施例一的隔板的制造方法的预备负载施加工序的负载施加中的剖视图。
图5是示出实施例一的、预备变形量与限位部的高度的关系的图表。
图6是示出实施例二的隔板的制造方法的预备负载施加工序的剖视图。
图7是示出相关技术的隔板的剖视图。
图8是在相关技术的隔板中示出预备负载施加工序的剖视示意图。
图9是在相关技术的隔板中示出凸筋密封部和限位部的变形量与压靠负载的关系的图表。
图10是在相关技术的隔板中示出压靠负载与在凸筋密封部产生的线压力的关系的图表。
具体实施方式
如图1所示，参照附图对实施方式的隔板的制造方法和隔板详细地进行说明。如图1所示，燃料电池单元1包括电解质膜-电极结构体2、夹着电解质膜-电极结构体2的第一隔板3和第二隔板4。
第一隔板3和第二隔板4是分别包括第一金属隔板21、第二金属隔板22和密封构件51、51的接合隔板。第一金属隔板21和第二金属隔板22分别具有各自呈凸起状的密封用凸筋部31和呈凸起状且突出高度比密封用凸筋部31小的限位用凸筋部32。第一金属隔板21和第二金属隔板22的、密封用凸筋部31突出一侧的面的相反侧的面彼此接合。
第一隔板3(第二隔板4也一样)之中，由密封用凸筋部31、31和密封构件51、51形成凸筋密封部41。另外，第一隔板3(第二隔板4也一样)之中，由限位用凸筋部32、32形成限位部42。
在本实施方式的隔板的制造方法中，对凸筋密封部41和限位部42两者施加预备负载。由此，针对负载变动不会引起塑性变形而能够得到所期望的密封面压力。以下，针对实施例进行详细地说明。
[实施例一]
燃料电池单元1是通过由阳极侧提供的氢(燃料气体)与由阴极侧提供的氧(氧化剂气体)的化学反应而发电的构件。燃料电池堆是层叠多个燃料电池单元1并沿燃料电池单元1的层叠方向施加规定的压缩负载而成的。在图1中，描画出施加了规定的压缩负载的状态的燃料电池单元1。
电解质膜-电极结构体(MEA：Membrane Electrode Assembly：膜电极组件)2包含电解质膜11、电极催化剂层12、12和气体扩散层13，13而构成。电解质膜11比气体扩散层13向外侧伸出。需要说明的是，比气体扩散层13向外侧伸出的部分也有为树脂膜(树脂框构件)的情况。
第一隔板3是配置于电解质膜-电极结构体2的一侧(在图1中下侧)的板状构件。第二隔板4是配置于电解质膜-电极结构体2的另一侧(在图1中上侧)的板状构件。第一隔板3和第二隔板4由于在本实施例中为相同的结构，所以对第二隔板4赋予与第一隔板3相同的附图标记而省略详细的说明。
第一隔板3具有：形成密封区域R1的凸筋密封部41；和限位部42。限位部42是在堆叠的状态下产生扰动(温度变化、碰撞等)之际进行支承以免凸筋密封部41超过预先设定的最大压缩量而产生变形(承受因扰动而产生的负载)的部位。
凸筋密封部41朝向电解质膜11(或者树脂膜)突出，并例如遍及燃料电池单元1的外周缘整周形成为无接头环形状态。凸筋密封部41虽然在本实施例中为一个，但是也可以设有多个。凸筋密封部41在其前端部且沿着延展方向配备有密封构件51。
密封构件51由弹性材料形成，在本实施例中为剖面呈矩形的平坦密封垫。密封构件51通过涂覆液体状态的树脂材料而形成。密封构件51的厚度只要适宜设定即可，例如可设定为50～200μm左右。密封构件51只要由具有弹性的材料形成即可，例如可以使用三元乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶(VMQ)、氟橡胶(FKM)、聚异丁烯(PIB)、SIFEL(注册商标：信越化学工业株式会社)、树脂等。
限位部42朝向电解质膜11突出，并且与电解质膜11或抵接或隔开微小的间隙地相对。限位部42沿着凸筋密封部41的延长方向延伸设置为直线状或曲线状。
密封区域R1通过用第一隔板3的凸筋密封部41和第二隔板4的凸筋密封部41夹持电解质膜11而形成。通过密封区域R1而能够防止燃料气体、氧化剂气体等反应气体的泄漏。由于相对的凸筋密封部41分别配备有密封构件51，所以能够提升密封性。
另外，由第一隔板3(第二隔板4也一样)的肋部33、33形成反应面-流路部43。通过用第一隔板3的反应面-流路部43和第二隔板4的反应面-流路部43夹持电解质膜-电极结构体2(气体扩散层13、13)，从而形成供反应气体流通的反应区域。
对第一隔板3和第二隔板4的凸筋密封部41、限位部42均施加预备负载。关于预备负载将在后面描述。
接下来，对本实施例的隔板的制造方法进行说明。在本实施例的隔板的制造方法中，进行冲压成型工序(成型工序)、接合工序和预备负载施加工序。
如图2所示，冲压成型工序是冲压成型第一金属隔板21和第二金属隔板22的工序。在冲压成型工序中，通过将平板状的厚度为0.03～0.5mm左右的金属薄板(坯料)冲压成型成断面为凹凸形状从而形成第一金属隔板21和第二金属隔板22。
第一金属隔板21包括密封用凸筋部31和限位用凸筋部32(在本实施例中隔着一个密封用凸筋部31各有两个限位用凸筋部32)。密封用凸筋部31和限位用凸筋部32均为剖面形状呈凸起状的全凸筋形状。限位用凸筋部32的板厚方向的突出高度比密封用凸筋部31的小。需要说明的是，密封用凸筋部31和限位用凸筋部32的个数、配置只是示例，只要进行适宜设定即可。
接合工序是接合第一金属隔板21与第二金属隔板22并且设置密封构件51的工序。如图3所示，在接合工序中，使第一金属隔板21和第二金属隔板22的、密封用凸筋部31突出一侧的面的相反侧的面彼此接合。第一金属隔板21和第二金属隔板22通过钎焊、铆接、焊接等一体化。进一步，在密封用凸筋部31、31的延长方向或者前端部设置密封构件51、51。
由此，由密封用凸筋部31、31和密封构件51、51形成凸筋密封部41。在凸筋密封部41的内部形成中空部。另外，由限位用凸筋部32、32形成限位部42。在限位部42的内部形成中空部。
如图3和图4所示，预备负载施加工序是使用压盘61、61对通过接合工序而形成的第一金属隔板21、第二金属隔板22和密封构件51(以下，也称为“冲压-接合体”)施加预备负载的工序。压盘61是对冲压-接合体施加预备负载的构件。压盘61夹着冲压-接合体而配置为一对。压盘61由高强度的金属或树脂形成，呈板状。压盘61分别包括按压面62和凹槽部63。按压面62是与冲压-接合体的限位部42相对的平坦的面。
凹槽部63是设于按压面62的中央部的剖面为矩形的槽。关于凹槽部63的深度，基于对凸筋密封部41和限位部42所施加的预备负载的大小而进行适宜设定。也就是说，通过调整凹槽部63的深度，能够控制对凸筋密封部41和限位部42施加的预备负载的大小。凹槽部63的宽度设定为在施加预备负载之际凹槽部63和密封用凸筋部31不干涉的大小。
在预备负载工序中，一边将凸筋密封部41容纳于压盘61的凹槽部63，一边从冲压-接合体的两侧使压盘61、61相互接近。此时，同时从压盘61、61对凸筋密封部41和限位部42两者施加负载。关于预备负载的大小，只要适宜设定即可，例如设定为在燃料电池堆的发电中沿层叠方向作用的最大负载。施加规定的预备负载后，使压盘61从冲压-接合体离开而释放负载。通过以上的工序，分别形成第一隔板3和第二隔板4。需要说明的是，隔板的制造方法并不限定于上述的工序。例如，也可以适宜改变各工序的顺序、材料。
形成第一隔板3和第二隔板4后，进行组装工序和压缩工序，从而形成燃料电池单元1。如图1所示，组装工序是用第一隔板3和第二隔板4夹着电解质膜-电极结构体2(电解质膜11)的工序。
如图1所示，压缩工序是层叠多个组装成的燃料电池单元且同时施加规定的压缩负载从而形成燃料电池堆的工序。当用凸筋密封部41彼此以规定的负载夹着电解质膜11时，形成密封区域R1。限位部42与电解质膜11或抵接或隔开微小的间隙地相对。
接下来，对本实施例的作用效果进行说明。图5是示出实施例一的预备变形量与限位部的高度的关系的图表。图5的、被两根实线夹着的区域示出限位部42的尺寸偏差范围。如图5所示，例如在预备变形量为零的情况(未施加预备负载的情况)下，限位部42的高度的偏差变大。若在该状态下形成隔板，则如上所述产生了负载变动的情况下可能无法得到所期望的密封性。
另一方面，如图5所示，测量本实施例的预备负载施加工序结束之后的第一隔板3(第二隔板4)的高度尺寸，结果是例如在将预备变形量设为YT1～YT2的情况下，能够减小限位部42的高度的偏差。除了凸筋密封部41，也对限位部42(限位用凸筋部32)施加预备负载，由此能够提升限位部42的尺寸精度，因此能够防止因限位部42的尺寸偏差而引起的密封功能的下降。
另外，通过相对的限位部42、42，能够在堆叠的状态下产生扰动之际，支承凸筋密封部41以免超过预先设定的最大压缩量而产生变形。由此，能够使凸筋密封部41的线压力稳定，因此能够稳定地得到所期望的密封面压力。
另外，通过使用配备凹槽部63的压盘61、61，能够容易地对凸筋密封部41和限位部42两者施加预备负载。另外，通过调整凹槽部63的深度，无论施加于凸筋密封部41的预备负载如何，都能够容易地控制作用于限位部42的负载。换言之，通过调整凹槽部63的深度，能够分别使作用于凸筋密封部41和限位部42的负载(预备变形量)变化。具体而言，将凹槽部63的部分设为嵌套结构，将分隔片夹设于压盘61的母模与嵌套件之间从而能够调整凹槽部63的深度。另外，可以准备多个配备不同深度的凹槽部63的压盘61，适宜更换这些压盘61进行调整。
另外，在预备负载施加工序中，能够同时对凸筋密封部41和限位部42两者施加预备负载，因此能够使凸筋密封部41与限位部42的阶梯差(高度尺寸的差)为恒定。
例如，当在不对凸筋密封部41施加预备负载的状态下组装于燃料电池堆进行使用时，容易因运转时的负载变动而在凸筋密封部41引起塑性变形。因此，在加载了负载时和不加载负载时，凸筋密封部41移动到与塑性变形前的负载特性线不同的负载特性线上。由此，用于维持所希望的密封面压力的运转范围变狭小，而难以得到耐扰动(温度变化、碰撞)的宽运转范围。
对此，在本实施例中，对凸筋密封部41和限位部42两者施加预备负载进行预先塑性变形。因此，凸筋密封部41和限位部42不会因燃料电池堆的运转时的负载变动而产生塑性变形，且能够在加载了负载之际和去除负载之际，在同一负载特性线上移动。因此，运转范围扩大，能够得到能够耐扰动(温度变化、碰撞等)的宽负载特性，能够可靠地得到所期望的密封面压力。
另外，由于在接合第一金属隔板21和第二金属隔板22之后施加预备负载，所以能够矫正该接合之际的第一金属隔板21和第二金属隔板22的变形。
如此，在本实施例中，通过对第一隔板3和第二隔板4的凸筋密封部41(密封用凸筋部31和密封构件51)以及限位部42(限位用凸筋部32)两者施加预备负载，针对压靠负载的变动，不会引起塑性变形，能够协同地提高密封性能。
[实施例二]
接下来，对实施例二的隔板的制造方法进行说明。在本实施例中，以与实施例一不同的部分为中心进行说明。如图6所示，在实施例二中，使用压盘61A和间隔件71这些点与实施例一有差异。
在实施例二的预备负载施加工序中，准备压盘61A和四个间隔件71。压盘61A的按压面62是平坦(无凹槽部)的。间隔件71、71固定于压盘61A，并且隔着压盘61A的中央部在两侧各配置一块。
在实施例二的预备负载施加工序中，一边使凸筋密封部41的密封构件51、51分别与按压面62、62抵接，一边使限位部42的两端分别与间隔件71、71抵接。在该状态下，使压盘61A、61A接近，从而对凸筋密封部41和限位部42施加预备负载。
以上说明的实施例二也能够起到与实施例一大致相同的效果。另外，在实施例二中，通过调整间隔件71的厚度尺寸，能够容易地控制作用于凸筋密封部41和限位部42的负载。
如上所述说明了实施方式和实施例，但是可以进行适宜设计改变。例如，上述的限位部42是隔着电解质膜11而配置于两侧，但是也可以仅配置于单侧。
附图标记说明
1 燃料电池单元
2 电解质膜-电极结构体
3 第一隔板(隔板)
4 第二隔板(隔板)
11 电解质膜(膜)
21 第一金属隔板
22 第二金属隔板
41 凸筋密封部
42 限位部
51 密封构件
R1 密封区域

Claims (3)

1.一种隔板的制造方法，所述隔板用于燃料电池，其特征在于，包含：
成型工序，成型第一金属隔板和第二金属隔板，所述第一金属隔板和所述第二金属隔板分别具有呈凸起状的密封用凸筋部和呈凸起状且突出高度比所述密封用凸筋部小的限位用凸筋部；
接合工序，使所述第一金属隔板和所述第二金属隔板的、所述密封用凸筋部突出一侧的面的相反侧的面彼此接合，并且在所述密封用凸筋部的前端部设置密封构件；和
预备负载施加工序，沿由一对所述密封用凸筋部和所述密封构件构成的凸筋密封部以及由一对所述限位用凸筋部构成的限位部的高度方向施加预备负载，使所述凸筋密封部和所述限位部同时产生塑性变形。
2.根据权利要求1所述的隔板的制造方法，其特征在于，
在所述预备负载施加工序中，使用分别具有按压面和设于所述按压面且供所述凸筋密封部配置的凹槽部的一对压盘，用相对的所述凹槽部彼此夹持所述凸筋密封部，并且用相对的所述按压面彼此夹持所述限位部，从而施加预备负载。
3.根据权利要求1所述的隔板的制造方法，其特征在于，
在所述预备负载施加工序中，使用分别具有按压面的一对压盘和一对间隔件，用相对的所述按压面彼此夹持所述凸筋密封部，并且用相对的所述间隔件彼此夹持所述限位部，从而施加预备负载。
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