專利名稱：燃料電池用隔板及構(gòu)成該隔板的集流板的成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在燃料電池中，特別是在固體高分子型燃料電池中所采用的
燃料電池用隔板(separator)及構(gòu)成該隔板的集流板(collector)的成形方法。
背景技術(shù)：
固體高分子型燃料電池通常具有電極結(jié)構(gòu)體，該電極結(jié)構(gòu)體具有形成在 電解質(zhì)膜一面?zhèn)鹊恼姌O層和形成在另一面?zhèn)鹊呢?fù)電極層。而且，在固體高 分子型燃料電池中，從外部對正電極層和負(fù)電極層分別供給燃料氣體(例如， 氫氣等)和氧化劑氣體(例如，空氣等)，由此，在電極結(jié)構(gòu)體上發(fā)生電極 反應(yīng)，從而發(fā)電。因此，為了提高固體高分子型燃料電池的發(fā)電效率，重要 的是高效地向電極結(jié)構(gòu)體供給電極反應(yīng)所需要的燃料氣體及氧化劑氣體。
在此，在固體高分子型燃料電池中設(shè)置有隔板，該隔板用于使從外部供 給的燃料氣體和氧化劑氣體互相分離供給至正電極層和負(fù)電極層上。而且， 一直以來，通過隔板提高燃料氣體及氧化劑氣體的供給效率，由此提高固體 高分子型燃料電池的發(fā)電效率。
例如，在JP特開2007-87768號公報中公開了由隔板主體和集流板構(gòu)成 的燃料電池用隔板，其中，所述隔板主體用于分離燃料氣體和氧化劑氣體， 防止燃料氣體和氧化劑混流，所述集流板由呈網(wǎng)眼狀、階梯狀形成有多個貫 通孔的板網(wǎng)金屬(lath metal)(金屬板網(wǎng)(metal lath)))而形成，形成向 電極層供給燃料氣體或者氧化劑氣體的氣體流路，并且收集產(chǎn)生的電流。在 采用這樣構(gòu)成的燃料電池用隔板的燃料電池中，被隔板主體分離的燃料氣體 或者氧化劑氣體通過在集流板上形成的網(wǎng)眼狀貫通孔，由此充分地擴(kuò)散，因 此能夠確保良好的氣體供給效率。因而，能夠提高固體高分子型燃料電池的 發(fā)電效率。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述特開2007-87768號公報中公開的集流板中，使用根據(jù)一般的制造方法制造的金屬板網(wǎng)，因此通常其板厚小。結(jié)果，有可能使燃料氣體 或氧化劑氣體相對電極層導(dǎo)通時的阻力即壓力損失變大。由此，有可能不能 向每個電極層充分地供給燃料氣體或氧化劑氣體，因此存在改善的空間。關(guān) 于這一點，為了加大集流板即金屬板網(wǎng)的板厚，例如考慮增加對原料(例如， 金屬薄板)呈交錯配置進(jìn)行剪切加工時的加工長度。但是，在增加加工長度 的情況下，原料的變形阻力小，因此難以制造適當(dāng)板厚的金屬板網(wǎng)。而且， 在金屬板網(wǎng)的板厚不適當(dāng)?shù)那闆r下，例如形成的貫通孔的形狀有可能不均 勻，進(jìn)而壓力損失也有可能變大。
另外，在固體高分子型燃料電池中，當(dāng)在電極結(jié)構(gòu)體上進(jìn)行使用燃料氣 體以及氧化劑氣體的電極反應(yīng)時，根據(jù)電解質(zhì)膜的離子交換特性，會在正電 極層或者負(fù)電極層上生成水。然后，該生成的水(生成水)例如覆蓋正電極 層或負(fù)電極層的表面，或者附著在集流板上所形成的貫通孔上，由此，可能 不能良好地供給燃料氣體或者氧化劑氣體。因而，有可能越進(jìn)行電極反應(yīng)， 燃料電池的發(fā)電效率越低。另外，在將固體高分子型燃料電池設(shè)置在例如低 溫氣體的環(huán)境下時，由于殘存在內(nèi)部的生成水凍結(jié)而不能充分供給燃料氣體 或者氧化劑氣體，結(jié)果，有可能使燃料電池的低溫起動性能惡化。由此，需 要高效地向外部排出電極反應(yīng)產(chǎn)生的生成水。
本發(fā)明是為了解決上述的課題而作出的，其目的在于提供一種燃料電池 用隔板，該燃料電池用隔板即具有燃料氣體以及氧化劑氣體的良好的供給性 能，還具有通過電極反應(yīng)所產(chǎn)生的生成水的良好的排出性能。
為了達(dá)成上述的目的，本發(fā)明的特征在于，燃料電池用隔板向構(gòu)成燃料 電池的電極結(jié)構(gòu)體的電極層分別供給從外部導(dǎo)入的燃料氣體和氧化劑氣體， 具有平板狀的隔板主體，用于分離所述燃料氣體和氧化劑氣體來防止混流； 集流板，該集流板配置在所述電極結(jié)構(gòu)體和所述隔板主體之間，使所述隔板 主體所分離的燃料氣體或者氧化劑氣體擴(kuò)散，供給到所述電極層上，并且， 收集因所述電極結(jié)構(gòu)體中的電極反應(yīng)而產(chǎn)生的電流，該集流板的用于形成網(wǎng) 眼狀、階梯狀的貫通孔的貫通孔形成部的形成方向和用于連接所述貫通孔形
成部的連接部的形成方向之間的角度小于90度。
在這種情況下，優(yōu)選使所述集流板的貫通孔形成部的形成方向和連接部
的形成方向之間的角度形成為例如大約60度以上。另外，優(yōu)選由具有多個
5小徑的貫通孔的金屬板網(wǎng)形成所述集流板，所述多個小徑的貫通孔由對應(yīng)于
所述貫通孔形成部的邊(strand)部和對應(yīng)于所述連接部的結(jié)合部形成為網(wǎng) 眼狀、階梯狀。
而且，優(yōu)選在形成構(gòu)成該燃料電池用隔板的集流板時使用具有固定模具 和剪切模具的成形裝置，所述固定模具的承載薄板原料側(cè)的剖面形狀形成為 具有小于90度夾角的楔狀，所述剪切模具相對于所述固定模具配置在所述 薄板原料的輸送方向上，沿所述薄板原料的板厚方向移動，并且沿所述薄板 原料的板寬方向移動，所述剪切模具的與所述薄板原料接觸側(cè)的剖面形狀與 所述固定模具的裝載薄板原料側(cè)的剖面形狀吻合，形成為具有夾角小于90 度的楔狀，通過剪切所述薄板原料形成貫通孔；包括第一工序，僅輸送規(guī) 定加工長度量的所述薄板原料，使所述剪切模具向所述薄板原料的板寬方向 中的一個方向移動，并使所述剪切模具向所述薄板原料的板厚方向移動，從 而形成貫通孔，第二工序，在所述第一工序后，僅輸送規(guī)定加工長度量的所 述薄板原料，使所述剪切模具向所述薄板原料的板寬方向中的另一方向移 動，并使所述剪切模具向所述薄板原料的板厚方向移動，從而形成貫通孔。
在該成形方法中，例如優(yōu)選依次反復(fù)執(zhí)行所述第一工序和所述第二工 序。另外，優(yōu)選所述剪切模具具有以規(guī)定間隔形成的多個剪切刀刃。在這種 情況下，例如，優(yōu)選所述剪切刀刃的與所述薄板原料的輸送方向垂直的剖面 形狀呈梯形形狀或者三角形形狀。
根據(jù)如上所述，構(gòu)成燃料電池用隔板的集流板能夠例如由金屬板網(wǎng)形 成，具有形成為網(wǎng)眼狀、階梯狀的多個小徑的貫通孔。由此，集流板能夠使 被隔板主體分離的燃料氣體或者氧化劑氣體在形成的多個貫通孔中通過，從 而使這兩種氣體良好地擴(kuò)散并供給到電極層上。另外，在集流板中，能夠使 貫通孔形成部(邊部)的形成方向和連接部(結(jié)合部)的形成方向之間的角 度為小于90度，更具體地說為大約60度以上小于90度。由此，在將集流 板配置在電極結(jié)構(gòu)體和隔板主體之間的情況下，能夠使貫通孔的開口面相對 電極結(jié)構(gòu)體(更詳細(xì)地說為電極層)或者隔板主體的角度大，即，形成為網(wǎng) 眼立起的狀態(tài)。
由此，例如，即使在形成與現(xiàn)有相同的孔徑的貫通孔的情況下，也能夠 使集流板的板厚增大網(wǎng)眼立起的量。換言之，通過在不會產(chǎn)生上述的加工不良的良好的加工條件下成形貫通孔，能夠增大集流板的板厚。由此，能夠降 低使氣體導(dǎo)通時的壓力損失，能夠充分地確保供給電極結(jié)構(gòu)體的電極反應(yīng)所 需要的燃料氣體及氧化劑氣體的氣體供給性能。因而，能夠大幅提高燃料電 池的發(fā)電效率。
另外，貫通孔形成部的形成方向和連接部的形成方向之間的角度小于90 度(更具體地說大約60度)，由此能夠減小集流板中的連接部間的距離。 換言之，形成的貫通孔能夠形成為互相接近的狀態(tài)。在上述那樣貫通孔互相 接近的狀態(tài)下，若因電極反應(yīng)而生成的生成水到達(dá)集流板附近，則通過由貫 通孔產(chǎn)生的毛細(xì)管現(xiàn)象的作用使生成水易于流動。另外，在燃料氣體或者氧 化劑氣體導(dǎo)通的狀況下，即在燃料電池工作的狀況下，在該毛細(xì)管現(xiàn)象的作 用的基礎(chǔ)上，用于氣體導(dǎo)通的壓力作用到生成水上。因此，能夠使生成水與 一部分未反應(yīng)氣體一起高效率地排出到燃料電池外。由此，即使在隨著電極 反應(yīng)產(chǎn)生生成水的狀況下，也能夠使產(chǎn)生的生成水良好地排出，從而能夠維 持良好的氣體供給性能，能夠防止燃料電池發(fā)電效率降低。
進(jìn)一步，因為能夠減小集流板中連接部間的距離，所以能使電極結(jié)構(gòu)體 (更詳細(xì)地說為電極層)或者隔板主體11和集流板的連接部之間緊密接觸。 由此，集流板能夠高效地收集因電極反應(yīng)而產(chǎn)生的電流，并且將所產(chǎn)生的電 流輸出到外部。另外，特別是由于電極結(jié)構(gòu)體和集流板的連接部緊密接觸， 所以也能夠大幅降低將薄的高分子膜作為基材的電極結(jié)構(gòu)體的彎曲。由此， 能夠大幅降低由于撓曲所引起的施加在電極結(jié)構(gòu)體上的機(jī)械負(fù)荷，從而能夠 防止該機(jī)械負(fù)荷造成的電極結(jié)構(gòu)體的惡化。
附 圖說明
圖l涉及本發(fā)明的實施方式，是表示采用本發(fā)明的燃料電池用隔板構(gòu)成 的燃料電池堆的一部分的概略圖。
圖2是表示構(gòu)成

圖1的隔板的隔板主體的概略立體圖。
圖3 (a) 、 (b)是用于說明圖1的集流板(金屬板網(wǎng))的概略圖。
圖4 (a) 、 (b)是用于說明制造金屬板網(wǎng)的金屬板網(wǎng)成形裝置的結(jié)構(gòu)
^圖5 (a) 、 (b)是用于說明制造現(xiàn)有金屬板網(wǎng)的金屬板網(wǎng)成形裝置的結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖6 (a) 、 (b)是用于說明圖5中的金屬板網(wǎng)成形裝置制造的作為比 較例的金屬板網(wǎng)的概略圖。
圖7是用于說明圖3所示的金屬板網(wǎng)和圖6所示的金屬板網(wǎng)的間距差的圖。
圖8是用于說明圖1所示的框架及MEA組裝狀態(tài)的概略的分解立體圖。 圖9是表示集流板(金屬板網(wǎng))的貫通孔的變形例的概略圖。
具體實施例方式
下面，使用附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。圖l是概略地表示使用本 發(fā)明的一個實施方式的燃料電池用隔板10 (以下，簡稱隔板10)構(gòu)成的固 體高分子型的燃料電池堆的一部分的剖視圖。燃料電池堆是層疊多個單體電 池而形成的，其中單體電池包括兩個隔板10、層疊配置在所述隔板10之間 的框架20及MEA30 (Membrane-Electrode-Assembly:膜-電極結(jié)合體)。
并且，對于各單體電池，例如，當(dāng)從燃料電池堆的外部導(dǎo)入氫氣等燃料 氣體和空氣等氧化劑氣體時，通過在MEA30發(fā)生電極反應(yīng)來產(chǎn)生電流。在 此，在本說明書中，在以下的說明中將燃料氣體和氧化劑氣體統(tǒng)稱為氣體。
如圖1所示，隔板10由隔板主體11和集流板12構(gòu)成，其中，所述隔 板主體11防止導(dǎo)入到燃料電池堆內(nèi)的氣體混流，所述集流板12用于使從外 部供給的燃料氣體或者氧化劑氣體均勻地向MEA30擴(kuò)散，并且收集電極反 應(yīng)所產(chǎn)生的電流。
隔板主體11是以金屬制的薄板(例如，板厚0.1mm左右的不銹鋼板等) 作為原料而形成的。此外，作為形成隔板主體11的原料，能夠采用其他的 例如實施了鍍金等防腐蝕處理的鋼板等。另外，也能夠?qū)⒕哂袑?dǎo)電性的非金 屬材料(例如，碳等)作為原料形成隔板主體ll，來替代由金屬制的薄板形 成隔板主體ll。
并且，如圖2所示，隔板主體11形成為近似正方形的平板狀，在其周 邊部分形成兩對由氣體導(dǎo)入口 lla和與該氣體導(dǎo)入口 lla相向的氣體導(dǎo)出口 llb構(gòu)成的一對開口。此外，各對互相大致垂直。
氣體導(dǎo)入口 lla形成為近似長橢圓狀的貫通孔，使從燃料電池堆的外部
8供給的燃料氣體或者氧化劑氣體導(dǎo)入到單體電池內(nèi)，并且使所供給的燃料氣 體或者氧化劑氣體相對所層疊的其他單體電池流通。氣體導(dǎo)出口 llb也形成
為近似長橢圓狀的貫通孔，使導(dǎo)入到單體電池內(nèi)的氣體中的在MEA30未反 應(yīng)的氣體排出到外部，并且使來自所層疊的其他單體電池的未反應(yīng)的氣體流 通。
如圖3 (a)所示，集流板12由金屬制的薄板(以下，將該金屬制的薄 板稱為金屬板網(wǎng)MR)形成，該金屬制的薄板呈網(wǎng)眼狀、階梯狀形成有多個 小徑的貫通孔。在此，金屬板網(wǎng)MR例如以板厚為O.lmm左右的薄板原料(例 如，不銹鋼等)形成，形成的多個貫通孔的孔徑為0.1mm lmm左右。另外， 關(guān)于金屬板網(wǎng)MR，如在圖3 (b)中表示的圖3 (a)的左右方向的側(cè)視圖所 示，以順次重疊的方式連接形成網(wǎng)眼狀貫通孔的部分(以下，將形成網(wǎng)眼狀 貫通孔的部分稱為邊部，將連接部分稱為結(jié)合部)。在此，金屬板網(wǎng)MR的 邊部對應(yīng)于集流板12的貫通孔形成部，金屬板網(wǎng)MR的結(jié)合部對應(yīng)于集流 板12的連接部。下面，對成型該金屬板網(wǎng)MR的板網(wǎng)加工進(jìn)行說明。
金屬板網(wǎng)MR是利用例如圖4 (a)中概略地表示的金屬板網(wǎng)成形裝置R， 通過在不銹鋼板S上呈階梯狀地形成多個網(wǎng)眼狀的貫通孔來制造的。金屬板 網(wǎng)成形裝置R具有輸送輥OR，用于依次輸送供給不銹鋼板S;按壓機(jī)構(gòu) OK,在加工時用于適當(dāng)?shù)毓潭ú讳P鋼板S;刀具模具H，在不銹鋼板S上依 次進(jìn)行剪切加工形成網(wǎng)眼狀的貫通孔。此外，不銹鋼板S既可以是預(yù)先切斷 為規(guī)定長度的板材，也可以是巻繞為滾筒(coil)狀的巻材。
刀具模具H由下刀具SH和上刀具UH構(gòu)成，其中，所述下刀具SH是 固定模具，固定在省略了圖示的基座上，用于承載不銹鋼板S，所述上刀具 UH是剪切模具，能夠在不銹鋼板S的板厚方向(在圖4 (a)中紙面的上下 方向)及不銹鋼板S的板寬方向(在圖4 (a)中垂直紙面的方向)移動。如 圖4 (a)所示，下刀具SH的與不銹鋼板S接觸的前端側(cè)的剖面形狀形成為 例如具有大約60度夾角的楔狀。另夕卜，如圖4 (b)所示，對于下刀具SH 的刀具形狀，與不銹鋼板S接觸側(cè)的端部形狀形成為直線狀。并且，對于下 刀具SH，在其斜面和按壓機(jī)構(gòu)OK之間夾持固定不銹鋼板S。
如圖4 (a)所示，上刀具UH的與不銹鋼板S接觸的前端側(cè)的剖面形狀 與下刀具SH的前端側(cè)的剖面形狀吻合，形成為例如具有大約60度夾角的楔狀。另夕卜，如圖4 (b)所示，上刀具UH的刀刃形狀是以規(guī)定間隔形成的多 個近似梯形狀，以通過剪切加工在不銹鋼板S上形成切縫，并且通過拉伸加 工形成貫通孔。并且，上刀具UH能夠通過未圖示的AC伺服機(jī)構(gòu)沿不銹鋼 板S的板厚方向及板寬方向移動。
在這樣構(gòu)成的金屬板網(wǎng)加工裝置R中，首先，輸送輥OR僅將規(guī)定加工 長度的不銹鋼板S輸送到刀具模具H上，按壓機(jī)構(gòu)OK與下刀具SH的斜面 一起夾持固定不銹鋼板S。然后，若輸送輥OR供給不銹鋼板S，則刀具模 具H的上刀具UH向下刀具SH方向即不銹鋼板S的板厚方向下降，與下刀 具SH—起通過其近似梯形的部分剪切不銹鋼板S，從而加工切縫。接下來， 上刀具UH下降到最低點位置，使與該上刀具UH的刀具接觸的不銹鋼板S 彎曲延伸形成邊部，然后從最低點位置復(fù)原到上方的原位置。由此，在不銹 鋼板S上形成復(fù)制了上刀具UH形狀的邊部。
接著，輸送輥OR再僅向刀具模具H輸送規(guī)定加工長度的不銹鋼板S。 此時，上刀具UH在左右方向僅移動(偏移)半個間距，更詳細(xì)地說，移動 (偏移)上刀具UH的刀刃長度WH的量。然后，如上述那樣，上刀具UH 再次下降。由此，在從上次下降形成的邊部僅向左方或者右方偏移半個間距 的位置施行切縫加工及彎曲延伸加工，從而在不銹鋼板S上形成復(fù)制了上刀 具UH形狀的新的邊部。因而，如圖3 (a)所示，在不銹鋼板S上由邊部形 成近似六邊形的貫通孔。
然后，通過重復(fù)進(jìn)行上述的動作，連續(xù)地形成金屬板網(wǎng)MR，所述金屬 板網(wǎng)MR的多個網(wǎng)眼狀貫通孔交錯配置。在此，由于上刀具UH的刀刃形成 為多個近似梯形形狀，因此能夠隨著上刀具UH的下降，在不銹鋼板S上形 成未加工切縫的部分。該未加工切縫的部分形成金屬板網(wǎng)MR的結(jié)合部，由 此以依次重疊的方式連接邊部。然后，通過將金屬板網(wǎng)MR切斷為規(guī)定的尺 寸，形成集流板12。
但是，如上述那樣，下刀具SH和上刀具UH與不銹鋼板S接觸的前端 側(cè)的剖面形狀都形成為具有大約60度夾角的楔形。并且，通過具有該楔形 的下刀具SH和上刀具UH成形金屬板網(wǎng)MR。由此，如圖3 (b)所示，在 金屬板網(wǎng)成形裝置R形成的金屬板網(wǎng)MR中，同時形成的(即，存在在同一 列上)結(jié)合部的形成方向和分別與該結(jié)合部連接形成貫通孔的邊部的形成方向之間的角度小于90度，更具體地說形成為大約60度。
艮口，如圖5 (a) 、 (b)概略表示的那樣，使用通常的制造方法進(jìn)行制 造的現(xiàn)有的金屬板網(wǎng)SMR使用金屬板網(wǎng)成形裝置R'，該金屬板網(wǎng)成形裝 置R'采用接觸不銹鋼板S的前端側(cè)的剖面形狀不是楔形形狀而呈平面狀的 下刀具SH，和上刀具UH'。并且，使用下刀具SH，和上刀具UH，的金屬 板網(wǎng)成形裝置R'與上述的金屬板網(wǎng)MR的制造方法相同，在不銹鋼板S上 形成交錯配置的多個網(wǎng)眼狀的貫通孔來制造金屬扳網(wǎng)SMR。這樣，在使用下 刀具SH，和上刀具UH，的現(xiàn)有金屬板網(wǎng)成形裝置R，中，下刀具SH，與 按壓機(jī)構(gòu)OK —起在水平方向上挾持不銹鋼板S，另外，上刀具UH，沿不 銹鋼板S的板厚方向，即鉛直方向上下移動。因此，如圖6所示，制造的金 屬板網(wǎng)SMR的結(jié)合部的形成方向和邊部的形成方向之間的角度形成為大約 90度。
與之相對，在金屬板網(wǎng)MR中，在下刀具SH與按壓機(jī)構(gòu)OK—起夾持 不銹鋼板S使其相對水平方向朝向上方大約60度的狀態(tài)下，上刀具UH沿 鉛直方向上下運動，因此如圖3 (b)所示，結(jié)合部的形成方向和邊部的形成 方向之間的角度形成為大約60度。g卩，在將金屬板網(wǎng)MR和金屬板網(wǎng)SMR 都放置在水平面上時，如圖7所示，包含金屬板網(wǎng)MR的邊部的面和水平面 之間的角度大于包含金屬板網(wǎng)SMR的邊部的面和水平面之間的角度。換言 之，在金屬板網(wǎng)MR上所形成的網(wǎng)眼狀貫通孔與現(xiàn)有的金屬板網(wǎng)SMR上所 形成的網(wǎng)眼狀貫通孔相比，處于網(wǎng)眼立起的狀態(tài)。
這樣，在金屬板網(wǎng)MR中，能夠確保形成的邊部和水平面之間的角度大， 因此能夠確保足夠的成形板厚。S卩，如后述那樣，為了良好地確保燃料氣體 或者氧化劑氣體的流通性，需要使隔板主體11和MEA30之間的間隙大。在 這種情況下，在由金屬板網(wǎng)MR形成的集流板12中，因為能夠使其板厚大， 所以能夠確保所述間隙更大。
與之相對，在現(xiàn)有的金屬板網(wǎng)SMR中，需要使輸送輥OR輸送的不銹 鋼板S的加工長度大，來使金屬板網(wǎng)SMR的成形板厚大。但是，若為了確 保成形板厚使輸送輥OR輸送的不銹鋼板S的加工長度大，則薄的不銹鋼板 S的變形阻力小，因此難以形成邊部。
另外，如圖7所示，在金屬板網(wǎng)MR中，能夠使各結(jié)合部間的距離，即間距P小。由此，在用金屬板網(wǎng)MR制造集流板12,如后述那樣，使集流板 12和MEA30接觸進(jìn)行組裝時，能夠使集流板12的連接部和MEA30的接觸 間隔短(緊密)，能夠使處于組裝狀態(tài)的MEA30的彎曲(起伏)極小。因 而，能夠使施加在MEA30上的機(jī)械負(fù)荷極小，能夠充分地確保MEA30的 耐久性。
與之相對，如圖7所示，在現(xiàn)有的金屬板網(wǎng)SMR中，各結(jié)合部間的距 離，即間距P'大。特別是，在為了使成形板厚大而使加工長度大的情況下， 間距P'變得更大。由此，在例如用金屬板網(wǎng)SMR制造集流板時，集流板 12的連接部和MEA30的接觸間隔變大。結(jié)果，由于處于組裝狀態(tài)的MEA30 彎曲(起伏)，所以受到機(jī)械負(fù)荷，從而有可能喪失耐久性。
如圖8所示，框架20由形成為相同結(jié)構(gòu)的兩個即一對樹脂板主體21、 22構(gòu)成，在兩個隔板IO (更詳細(xì)地說，為隔板主體ll)上分別粘合有所述 樹脂板主體21、 22的一個面。上述的樹脂板主體21、 22形成為與隔板主體 11的外形尺寸大致相同的外形尺寸，并且形成為比集流板12的成形高度稍 微小的板厚。而且，樹脂板主體22相對于樹脂板主體21在同一平面方向上 大約旋轉(zhuǎn)90度地被配置，樹脂板主體22與樹脂板主體21相互層疊。此外， 樹脂板主體21、 22能夠采用各種樹脂材料，優(yōu)選采用玻璃環(huán)氧樹脂。
另外，在樹脂板主體21的周邊部分形成有貫通孔21a、 21b，在樹脂板 主體22的周邊部分形成有貫通孔22a、 22b，且所述貫通孔21a、 21b、 22a、 22b形成在與在形成單體電池狀態(tài)下隔板主體11上所形成的氣體導(dǎo)入口 lla 及氣體導(dǎo)出口 llb的各貫通孔對應(yīng)的位置，所述貫通孔21a、 21b、 22a、 22b 的形狀與上述各貫通孔lla、 llb的形狀大致相同。另夕卜，在樹脂板主體21、 22的大致中央部分上形成有容置孔21c、 22c，所述容置孔21c、 22c用于容 置與隔板主體11接合的集流板12。該容置孔21c、 22c形成為容置在被粘合 的隔板主體ll上形成的一對氣體導(dǎo)入口 lla及氣體導(dǎo)出口 llb，和在層疊的 另一個樹脂板主體21上形成的貫通孔21a、 21b或者在層疊的另一個樹脂板 主體22上形成的貫通孔22a、 22b。
這樣，由于形成有容置孔21c、 22c，所以由被粘合的隔板主體11的下 表面(或者上表面)、容置孔21c (或者容置孔22c)的內(nèi)周面及MEA30的 上表面(或者下表面)形成空間(以下，將該空間稱為氣體導(dǎo)通空間)。并
12且，例如，能夠?qū)⑷剂蠚怏w從一個氣體導(dǎo)入口 lla導(dǎo)入氣體導(dǎo)通空間內(nèi)，另 外能夠?qū)⒀趸瘎怏w從另一個氣體導(dǎo)入口 11a及貫通孔21a導(dǎo)入氣體導(dǎo)通空 間內(nèi)。另外，在氣體導(dǎo)通空間內(nèi)通過的未反應(yīng)的氣體能夠經(jīng)一個氣體導(dǎo)出口 llb導(dǎo)出到外部，另外能夠經(jīng)另一個氣體導(dǎo)出口 11b及貫通孔21b導(dǎo)出到外 部。
如圖1及圖8所示，作為電極結(jié)構(gòu)體的MEA30將電解質(zhì)膜EF、正電極 層AE和負(fù)電極層CE作為主要構(gòu)成部件，其中，所述正電極層AE是在上述 電解質(zhì)膜EF上層狀地層疊規(guī)定觸媒而形成的，并且配置在用于導(dǎo)入燃料氣 體的氣體導(dǎo)通空間內(nèi)，所述負(fù)電極層CE配置在用于導(dǎo)入氧化劑氣體的氣體 導(dǎo)通空間內(nèi)。此外，關(guān)于這些電解質(zhì)膜EF、正電極層AE及負(fù)電極層CE的 作用(電極反應(yīng))，眾所周知并且與本發(fā)明沒有直接關(guān)系，因此在下面的記 載中省略其詳細(xì)說明。
電解質(zhì)膜EF由選擇性地使陽離子(更具體地說，氫離子(tf))透過 的離子交換膜(例如，杜邦株式會社制造的Nafion (注冊商標(biāo))等)形成， 或者由選擇性地使陰離子(更具體地說，氫氧根離子(OH.))透過的離子 交換膜(例如，德山公司生產(chǎn)的Neosepta (注冊商標(biāo))等)形成。而且，電 解質(zhì)膜EF形成為如下大小，即，大于在將框架20的樹脂板主體21、 22層 疊后形成的近似正方形的開口部分，并且在將樹脂板主體21、 22層疊后的 狀態(tài)下，未堵塞貫通孔21a、 21b以及貫通孔22a、 22b。由于這樣形成電解 質(zhì)膜EF，所以能夠防止導(dǎo)入到氣體導(dǎo)通空間中的氣體泄露(所謂交叉泄漏 (cross leak))到形成在另一側(cè)的氣體導(dǎo)通空間中。
作為電極層的正電極層AE及負(fù)電極層CE以擔(dān)載有貴金屬觸媒(例如， 白金(Pt)等)的碳(擔(dān)載碳)和貯氫合金(hydrogen absorbing alloy)等為 主要成分，在電解質(zhì)膜EF的表面形成為層狀。而且，形成為層狀的正電極 層AE及負(fù)電極層CE的外形尺寸略小于在將框架20的樹脂板主體21、 22 層疊后形成的近似正方形的開口部分的外形尺寸。
另外，正電極層AE及負(fù)電極層CE各自表面分別被碳布(carboncloth) CC覆蓋，其中，所述碳布CC由具有導(dǎo)電性的纖維形成。該碳布CC將供給 到氣體導(dǎo)通空間內(nèi)的燃料氣體或者氧化劑氣體均勻地供給到各電極層上，并 且使因電極反應(yīng)而產(chǎn)生的電流高效地供給到集流板12上。g卩，因為碳布CC
13是纖維狀，所以通過在該纖維間導(dǎo)通，能夠使供給的氣體進(jìn)一步均勻地擴(kuò)散。
另外，因為碳布cc具有導(dǎo)電性，所以能夠使產(chǎn)生的電流高效地流到集流板 12上。此外，也可以根據(jù)需要省略碳布CC來實施。
并且，單體電池通過依次層疊隔板主體11、集流板12、框架20及MEA30 形成。具體地說，如圖7所示，將MEA30配置在上下兩個框架20間，通過 涂布例如粘接劑等，在各框架20間夾持有MEA30的電解質(zhì)膜EF的狀態(tài)下 將各框架20和MEA30的電解質(zhì)膜EF粘合為一體，其中，所述上下兩個框 架20在同一平面內(nèi)互相旋轉(zhuǎn)大約90度而配置。
對于上述的粘合為一體的框架20及MEA30,在各框架20的容置孔21c、 22c內(nèi)容置集流板12。此時，以被容置的框架20上所形成的一對貫通孔21a、 21b (貫通孔22a、 22b)的配置方向即導(dǎo)入的氣體的導(dǎo)通方向，和集流板12 (金屬板網(wǎng)MR)中的網(wǎng)眼狀貫通孔的開口方向一致的方式，將集流板12 容置到框架20的容置孔21c、 22c內(nèi)。
然后，通過涂布例如粘接劑等，在框架20的容置孔21c、 22c內(nèi)容置有 集流板12的狀態(tài)下，將隔板主體11與框架20粘合為一體。此時，因為樹 脂板主體21、 22的板厚略小于集流板12的成形高度，所以集流板12在被 隔板主體11稍微向MEA30 —側(cè)按壓的狀態(tài)下被組裝。由此，能夠良好地保 持集流板12和MEA30 (更詳細(xì)地說為碳布CC)的接觸狀態(tài)。然后，按照 所要求的輸出，層疊多個這樣形成的單體電池，從而構(gòu)成燃料電池堆。
如圖1所示，在這樣構(gòu)成的燃料電池堆中，在層疊的單體電池間，隔板 主體ll的氣體導(dǎo)入口 lla彼此之間及氣體導(dǎo)出口 11b彼此之間經(jīng)框架20的 貫通孔21a、 21b及貫通孔22a、 22b相互連通。因此，在本說明書以下的說 明中，將各單體電池的氣體導(dǎo)入口 11a以及框架20的貫通孔21a、 22a形成 的連通路徑稱為氣體供給內(nèi)部支路(innermanifold)，將氣體導(dǎo)出口 lib以 及框架20的貫通孔21b、 22b形成的連通路徑稱為氣體排出內(nèi)部支路。
當(dāng)從外部經(jīng)該氣體供給內(nèi)部支路分別供給燃料氣體或者氧化劑氣體時， 供給的燃料氣體或者氧化劑氣體導(dǎo)入到氣體導(dǎo)通空間內(nèi)。集流板12使這樣 導(dǎo)入的燃料氣體或者氧化劑氣體均勻地在氣體導(dǎo)通空間內(nèi)擴(kuò)散流通。
即，從氣體供給內(nèi)部支路導(dǎo)入到氣體導(dǎo)通空間內(nèi)的氣體一邊與配置在氣 體導(dǎo)通空間內(nèi)的集流板12接觸， 一邊向氣體排出內(nèi)部支路流動。在此，如上所述，集流板12由金屬板網(wǎng)MR形成，其中，所述金屬板網(wǎng)MR呈網(wǎng)眼 狀、階梯狀地形成有多個近似六邊形的貫通孔。更詳細(xì)地說，集流板12的 多個貫通孔交錯配置在氣體的流動方向上。
因此，由于氣體在氣體導(dǎo)通空間內(nèi)的流動因在集流板12即金屬板網(wǎng)MR 上所形成的交錯配置的貫通孔中通過，從而氣體導(dǎo)通空間內(nèi)的氣體的氣流紊 亂。由此，從氣體供給內(nèi)部支路導(dǎo)入的氣體成為在氣體導(dǎo)通空間內(nèi)均勻擴(kuò)散 的狀態(tài)，換言之，使氣體濃度梯度均勻化。這樣，氣體導(dǎo)通空間內(nèi)的氣體濃 度梯度被均勻化，進(jìn)而由于氣體在碳布CC中通過，所以燃料氣體或者氧化 劑氣體均勻地向正電極層AE和負(fù)電極層CE供給。
進(jìn)而，如上所述，集流板12由成形板厚大的金屬板網(wǎng)MR形成。由此， 集流板12能夠確保上述的非常良好的氣體擴(kuò)散性，并且能夠降低在氣體導(dǎo) 通空間內(nèi)導(dǎo)通時的氣體流通阻力即壓力損失。進(jìn)而，也能夠減小導(dǎo)入到氣體 導(dǎo)通空間內(nèi)的氣體在均勻形成的多個小徑的貫通孔中通過時的阻力。由此， 在氣體導(dǎo)通空間內(nèi)導(dǎo)通的氣體能夠流暢地導(dǎo)通。
這樣，氣體被均勻擴(kuò)散，另外在氣體導(dǎo)通空間內(nèi)流暢地導(dǎo)通，從而正電 極層AE及負(fù)電極層CE能夠與供給的燃料氣體或者氧化劑氣體高效地進(jìn)行 電極反應(yīng)。結(jié)果，能夠大幅提高燃料電池中的電極反應(yīng)效率。另外，因為能 夠有效地利用供給的氣體，所以未反應(yīng)氣體減少。因而，燃料電池能夠高效 地發(fā)電。
另一方面，若燃料電池的發(fā)電效率提高，高效地產(chǎn)生的電流經(jīng)集流板12 及隔板主體11被取出到燃料電池外部。此時，由于在集流板12上形成有多 個小徑的貫通孔，而且連接部間的距離即間距P小，所以每單位體積的表面 積即與MEA30的接觸面積大。這樣，因為與MEA30的接觸面積大，所以 能夠使在收集MEA30產(chǎn)生的電流時的阻力(集電電阻)非常小，從而能夠 提高發(fā)電效率，即提高集電效率。
但是，在構(gòu)成固體高分子型燃料電池的MEA30中，已公知使用燃料氣 體和氧化劑氣體來進(jìn)行電極反應(yīng)，會在正電極層AE或者負(fù)電極層CE上生 成水。具體說明，在例如MEA30的電解質(zhì)膜EF由選擇性地使陽離子透過的 離子交換膜形成的情況下，根據(jù)下述化學(xué)反應(yīng)式l、 2，在負(fù)電極層CE中生 成水。
15正電極層H2—2lT+2e- …化學(xué)反應(yīng)式1 負(fù)電極層2lT+2e—+ (1/2) 02—H20…化學(xué)反應(yīng)式2 另外，在例如MEA30的電解質(zhì)膜EF由選擇性地使陰離子透過的離子交 換膜形成的情況下，根據(jù)下述化學(xué)反應(yīng)式3、 4，在正電極層AE中生成水。 正電極層H2+20H"—2H20+2e'…化學(xué)反應(yīng)式3 負(fù)電極層(1/2) 02+H20+2e'—20H"…化學(xué)反應(yīng)式4 并且，若如上述那樣，在正電極層AE或者負(fù)電極層CE中產(chǎn)生大量的 生成水，則存在如下情況，即，產(chǎn)生阻礙燃料氣體或者氧化劑氣體的供給的 狀態(tài)，即溢流(flooding)狀態(tài)。在發(fā)生該溢流狀態(tài)的狀況下，生成水覆蓋 正電極層AE或者負(fù)電極層CE的表面，并且通過碳布CC到達(dá)集流板12。
在此，集流板12形成為如下狀態(tài)，連接部的形成方向和形成貫通孔的 貫通孔形成部的形成方向之間的角度小于90度，換言之，間距P小，網(wǎng)眼 立起，因此與例如由金屬板網(wǎng)SMR形成的情況相比，依次形成的貫通孔彼 此在氣體的導(dǎo)通方向上更接近。這樣，若生成水到達(dá)互相接近的小徑的貫通 孔附近，則利用在貫通孔內(nèi)通過的氣體壓力的作用以及毛細(xì)管現(xiàn)象的作用， 到達(dá)集流板12的生成水良好地排出到外部。
艮P，在由金屬板網(wǎng)MR成形的集流板12中，間距P小，因此形成的貫 通孔的開口面更多地與MEA30 (更詳細(xì)地說為碳布CC)接觸。由此，到達(dá) 集流板12的生成水借助其表面張力，因毛細(xì)管現(xiàn)象向貫通孔內(nèi)部方向流動。 然后，在該生成水進(jìn)行流動的基礎(chǔ)上，在氣體導(dǎo)通空間內(nèi)導(dǎo)通的氣體的壓力 也發(fā)生作用，由此到達(dá)了集流板12的生成水隨著一部分未反應(yīng)氣體的氣流 排出到燃料電池堆外。
并且，如上述那樣，到達(dá)了集流板12的生成水排出到外部，由此，存 在于正電極層AE或者負(fù)電極層CE附近的生成水中的除了例如對電解質(zhì)膜 EF保水的水以外的剩余水經(jīng)碳布CC連續(xù)到達(dá)集流板12附近，該到達(dá)的生 成水(剩余水)被排出。這樣，生成水的排出在燃料電池工作狀態(tài)時連續(xù)進(jìn) 行，換言之僅在供給燃料氣體及氧化劑氣體時連續(xù)進(jìn)行。 ' 因而，在燃料電池工作期間，除了在集流板12上產(chǎn)生的毛細(xì)管現(xiàn)象， 燃料氣體或者氧化劑氣體導(dǎo)通，因此不會在集流板12上滯留生成水，另外， 由于不會在正電極層AE或者負(fù)電極層CE上滯留多余的生成水，因此能夠良好地防止溢流狀態(tài)的發(fā)生。另外，在燃料電池工作過程中，生成水連續(xù)地 排出到燃料電池堆外，因此能夠使在燃料電池工作停止后的單體電池中殘留
的生成水的量極少，更詳細(xì)地說使在正電極層AE或者負(fù)電極層CE和集流 板12的內(nèi)部殘留的生成水的量極少。由此，即使例如在燃料電池設(shè)置在低 溫((TC以下)的環(huán)境中的情況下，也能夠防止生成水凍結(jié)，氣體供給量降 低，從而能夠確保低溫氣體中的燃料電池良好的起動性能。
從以上說明能夠得出，根據(jù)本實施方式，集流板12能夠由金屬板網(wǎng)MR 形成，因此能夠使隔板主體11所分離的燃料氣體或者氧化劑氣體良好地擴(kuò) 散，供給到正電極層AE或者負(fù)電極層CE上，其中，所述金屬板網(wǎng)MR具 有形成為網(wǎng)眼狀、階梯狀的多個小徑的貫通孔。在此，金屬板網(wǎng)MR形成為， 邊部的形成方向和結(jié)合部的形成方向之間的角度呈大約60度。由此，在 MEA30和隔板主體11之間配置有集流板12的情況下，能夠使貫通孔的開 口面相對MEA30或者隔板主體11的角度大(所謂的網(wǎng)眼立起狀態(tài))。
因此，在例如使金屬板網(wǎng)MR的貫通孔徑與金屬板網(wǎng)SMR的貫通孔徑 相同的情況下，能夠增大集流板12的板厚。換言之，在以與現(xiàn)有制造的金 屬板網(wǎng)SMR相同的加工長度形成相同的貫通孔徑的情況下，通過金屬板網(wǎng) MR形成集流板12，也能夠使增大板厚。由此，能夠降低氣體導(dǎo)通時的壓力 損失，能夠充分地確保供給MEA30中的電極反應(yīng)所需要的燃料氣體以及氧 化劑氣體的氣體供給性能。因而，能夠大幅提高燃料電池的發(fā)電效率。
另外，通過金屬板網(wǎng)MR形成集流板12，由此能夠使集流板12中的結(jié) 合部間的距離即間距P小。換言之，集流板12的貫通孔能夠形成互相接近 的狀態(tài)。這樣，在貫通孔互相接近的狀態(tài)下，若電極反應(yīng)所生成的生成水到 達(dá)集流板12附近，則借助通過貫通孔產(chǎn)生的毛細(xì)管現(xiàn)象的作用，生成水易 于流動。進(jìn)而，在毛細(xì)管現(xiàn)象的作用的基礎(chǔ)上，燃料氣體或者氧化劑氣體導(dǎo) 通的狀況下，用于導(dǎo)通這些氣體的壓力作用在生成水上，因此能夠使生成水 隨著一部分未反應(yīng)氣體高效地排出到燃料電池堆外。由此，即使在由于進(jìn)行 電極反應(yīng)產(chǎn)生生成水的狀況下，也能夠良好地排出產(chǎn)生的生成水，因此能夠 防止溢流的發(fā)生，維持良好的氣體供給性能。因而，能夠防止燃料電池發(fā)電 效率降低。
進(jìn)一步，因為能夠使集流板12中的間距P小，所以能夠使MEA30(詳細(xì)地說為正電極層AE或者負(fù)電極層CE，更詳細(xì)地說為碳布CC)或者隔板 主體11和集流板12的結(jié)合部緊密接觸。由此，集流板12能夠高效地收集 電極反應(yīng)所產(chǎn)生的電流，并且輸出到外部。
另外，特別是，通過使MEA30和集流板12緊密接觸，也能夠大幅降低 以薄電解質(zhì)膜EF為基材的MEA30的彎曲。由此，能夠大幅降低施加在 MEA30上的機(jī)械負(fù)荷，能夠防止由于該機(jī)械負(fù)荷所引起的MEA30的劣化。
關(guān)于本發(fā)明的實施，不限定于上述實施方式，能夠在不脫離本發(fā)明的目 的的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。
例如，在上述實施方式中，使形成在集流板12 (金屬板網(wǎng)MR)上的貫 通孔的形狀為近似六邊形。但是，關(guān)于形成在集流板12 (金屬板網(wǎng)MR)上 的貫通孔的形狀，只要是燃料氣體或者氧化劑氣體能夠通過的形狀，也可以 是任意形狀，例如如圖9 (a) 、 (b)所示，也可以形成具有四邊形(菱形) 或五邊形等多邊形的開口形狀的貫通孔。此外，在這種情況下，特別是在形 成為具有四邊形(菱形)的開口形狀的貫通孔時，優(yōu)選作為剪切模具的上刀 具UH具有以規(guī)定間隔形成的多個近似三角形的刀刃形狀。
另外，在上述實施方式中，在將集流板12容置在框架20的容置孔21c、 22c內(nèi)后，將隔板主體11組裝在樹脂板主體21、 22上形成單體電池。但是， 也能夠預(yù)先將隔板主體11和集流板12金屬性地接合為一體，然后將集流板 12容置到框架20的容置孔21c、 22c內(nèi)，并且將隔板主體11組裝到樹脂板 主體21、 22上，從而形 成單體電池。此時，隔板主體11和集流板12也可 以利用例如釬焊、焊接、擴(kuò)散接合等公知的方法接合為一體。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用隔板，向構(gòu)成燃料電池的電極結(jié)構(gòu)體的電極層分別供給從外部導(dǎo)入的燃料氣體和氧化劑氣體，其特征在于，具有平板狀的隔板主體，用于分離所述燃料氣體和氧化劑氣體來防止混流；集流板，該集流板配置在所述電極結(jié)構(gòu)體和所述隔板主體之間，使所述隔板主體所分離的燃料氣體或者氧化劑氣體擴(kuò)散，供給到所述電極層上，并且，收集因所述電極結(jié)構(gòu)體中的電極反應(yīng)而產(chǎn)生的電流，該集流板的用于形成網(wǎng)眼狀、階梯狀的貫通孔的貫通孔形成部的形成方向和用于連接所述貫通孔形成部的連接部的形成方向之間的角度小于90度。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池用隔板，其特征在于， 所述集流板的貫通孔形成部的形成方向和連接部的形成方向之間的角度為大約60度以上。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池用隔板，其特征在于， 所述集流板由具有多個小徑的貫通孔的金屬板網(wǎng)形成，所述多個小徑的貫通孔由對應(yīng)于所述貫通孔形成部的邊部和對應(yīng)于所述連接部的結(jié)合部形 成為網(wǎng)眼狀、階梯狀。
4. 一種構(gòu)成燃料電池用隔板的集流板的成形方法，該燃料電池用隔板 為權(quán)利要求l所述的燃料電池用隔板，其特征在于，所述構(gòu)成燃料電池用隔板的集流板的成形方法使用具有固定模具和剪 切模具的成形裝置，所述固定模具的承載薄板原料側(cè)的剖面形狀形成為具有 小于90度的夾角的楔狀，所述剪切模具相對于所述固定模具配置在所述薄 板原料的輸送方向上，沿所述薄板原料的板厚方向移動，并且沿所述薄板原 料的板寬方向移動，所述剪切模具的與所述薄板原料接觸側(cè)的剖面形狀與所 述固定模具的承載薄銜原料側(cè)的剖面形狀吻合，形成為具有小于90度的夾 角的楔狀，通過剪切所述薄板原料來形成貫通孔；所述構(gòu)成燃料電池用隔板的集流板的成形方法包括第一工序，僅輸送規(guī)定加工長度量的所述薄板原料，使所述剪切模具向 所述薄板原料的板寬方向中的一個方向移動，并使所述剪切模具沿所述薄板 原料的板厚方向移動，從而形成貫通孔，第二工序，在所述第一工序后，僅輸送規(guī)定加工長度量的所述薄板原料，使所述剪切模具向所述薄板原料的板寬方向中的另一方向移動，并使所述剪 切模具沿所述薄板原料的板厚方向移動，從而形成貫通孔。
5. 如權(quán)利要求4所述的構(gòu)成燃料電池用隔板的集流板的成形方法，其 特征在于，依次反復(fù)執(zhí)行所述第一工序和所述第二工序。
6. 如權(quán)利要求4所述的構(gòu)成燃料電池用隔板的集流板的成形方法，其 特征在于，所述剪切模具具有以規(guī)定間隔形成的多個剪切刀刃。
如權(quán)利要求6所述的構(gòu)成燃料電池用隔板的集流板的成形方法，其 特征在于，所述剪切刀刃的與所述薄板原料的輸送方向垂直的剖面形狀為梯形形 狀或者三角形形狀。
全文摘要
隔板(10)由隔板主體(11)和集流板(12)構(gòu)成。主體(11)防止燃料氣體和氧化劑氣體混流。集流板(12)由金屬板網(wǎng)(MR)形成，所述金屬板網(wǎng)(MR)的形成網(wǎng)眼狀、階梯狀的貫通孔的邊部(貫通孔形成部)的形成方向和連接邊部的結(jié)合部(連接部)的形成方向之間的角度為大約60度。由此，能夠使集流板(12)的間距(P)小，使板厚大。因此，能夠降低導(dǎo)入的氣體的壓力損失，確保良好的氣體供給性能，并且能夠通過在貫通孔間產(chǎn)生的毛細(xì)管現(xiàn)象使在MEA(30)上產(chǎn)生的生成水良好地排出。
文檔編號H01M8/10GK101569038SQ200880001238
公開日2009年10月28日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者田中秀人, 茂木一成 申請人:豐田車體株式會社;豐田自動車株式會社