專利名稱：燃料電池用分隔體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池用分隔體，其增大了氣體通路的截面積并且提高了燃料 電池的發(fā)電效率，本發(fā)明還涉及該分隔體的制造方法。
背景技術(shù)：
通過層疊多個(gè)發(fā)電單元而形成固體聚合物型燃料電池，每個(gè)發(fā)電單元均包括平板 狀電極構(gòu)造體(MEA 膜電極組件)和位于兩側(cè)的分隔體。電極構(gòu)造體具有三層結(jié)構(gòu)。電極 構(gòu)造體具有形成正電極(陰極)和負(fù)電極(陽極)的一對(duì)氣體擴(kuò)散電極和位于氣體擴(kuò)散電 極之間的電解質(zhì)膜。電解質(zhì)膜例如由離子交換樹脂形成。層疊分隔體以與氣體擴(kuò)散電極接 觸。在每個(gè)分隔體和對(duì)應(yīng)的氣體擴(kuò)散電極之間形成氣體通路。在燃料電池中，如氧氣或空 氣等氧化氣體流過面對(duì)正電極側(cè)的氣體擴(kuò)散電極(正電極層)的氣體通路，作為燃料的氫 氣流過面對(duì)負(fù)電極側(cè)的氣體擴(kuò)散電極(負(fù)電極層)的氣體通路。這使得發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)， 以發(fā)電。日本特開2004-265856號(hào)公報(bào)公開了一種燃料電池用的金屬分隔體。如圖9所 示，分隔體具有交替布置的平坦壁35和直線狀的凸部T。各凸部T由底壁37和一對(duì)側(cè)壁 36形成。側(cè)壁36相對(duì)于平坦壁35彎曲。各側(cè)壁36相對(duì)于對(duì)應(yīng)的平坦壁35的傾角被表示 為α。氣體通路形成槽18形成于每一對(duì)凸部T之間。氣體通路形成槽18的開口 19被正 電極層14閉合，使得氣體通路20與平坦壁35對(duì)應(yīng)。為了增大底壁37與正電極層14的接觸面積，側(cè)壁36相對(duì)于平坦壁35傾斜，從而 確保氣體通路20的充分通電和足夠的截面積。由成型設(shè)備通過精細(xì)沖制(coining)使側(cè) 壁36傾斜。日本特開2004-281146號(hào)公報(bào)也公開了一種燃料電池用的分隔體。如圖10所示， 分隔體16具有多個(gè)直線狀延伸的凸部T。氣體通路形成槽18形成于每一對(duì)凸部T之間。 凸部T與正電極層14 (或負(fù)電極層)接觸，使得氣體通路形成槽18形成氣體通路20。各凸 部T包括一對(duì)側(cè)壁(豎直壁)36、一對(duì)突出部(overhang) 367和底壁37。側(cè)壁36大致垂 直于平坦壁35地延伸。各突出部367從對(duì)應(yīng)的側(cè)壁36的上端傾斜地突出。各底壁37將 相鄰的突出部367的上端彼此連接并且與平坦壁35平行。然而，圖9所示的分隔體16在沖制時(shí)具有如下缺點(diǎn)。也就是，在這種情況下，平坦 壁35和側(cè)壁36之間的交界部39以及側(cè)壁36和底壁37之間的交界部39塑性變形。因此， 當(dāng)側(cè)壁36相對(duì)于平坦壁35的傾角α小于或等于80°時(shí)，應(yīng)力集中于交界部39。這易于 引起裂紋和斷裂。因此，在保持分隔體16的足夠厚度并且確保氣體通路20的足夠截面積 的狀態(tài)下，難以減小傾角α。相比之下，通過使用突出部367，圖10所示的分隔體16可以確保底壁37與正電極 層14的足夠接觸面積。然而，如日本特開2004-281146號(hào)公報(bào)的說明書第0041 0073段 以及圖7 圖14所公開的那樣，突出部367需要多個(gè)步驟來形成。突出部367的形成相當(dāng) 費(fèi)力并且增加了制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池用分隔體，其能增大氣體通路的截面積， 方便使側(cè)壁相對(duì)于平坦壁傾斜的加工，并且降低制造成本，本發(fā)明的目的還在于提供該分 隔體的制造方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種燃料電池用分隔體，其通過 交替地布置多個(gè)直線狀延伸的凸部和多個(gè)平坦壁而形成。各凸部均由底壁和一對(duì)側(cè)壁形 成。所述凸部被布置成彼此平行。在各成對(duì)的相鄰?fù)共恐g形成氣體通路形成槽。在各平 坦壁的面對(duì)對(duì)應(yīng)的氣體通路形成槽的內(nèi)表面上形成帶狀槽。各帶狀槽均位于對(duì)應(yīng)的平坦壁 的寬度方向的中間位置。所述帶狀槽與所述凸部平行。通過在各平坦壁中鍛造所述帶狀 槽，在所述平坦壁中形成薄部，并且使對(duì)應(yīng)的側(cè)壁之間的寬度變寬，從而使所述側(cè)壁相對(duì)于 所述平坦壁傾斜。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種燃料電池用分隔體的制造方法。所述燃料電池 用分隔體通過交替地布置多個(gè)直線狀延伸的凸部和多個(gè)平坦壁而形成。各凸部均由底壁和 一對(duì)側(cè)壁形成。所述凸部被布置成彼此平行。在各成對(duì)的相鄰?fù)共恐g形成氣體通路形成 槽。所述制造方法包括第一步驟，用于在平板中形成凸部，各凸部均由底壁和一對(duì)平行的 側(cè)壁形成；以及第二步驟，用于通過鍛造來壓各平坦壁的寬度方向的中間部分，由此形成帶 狀槽和薄部，其中，通過所述鍛造，使各平坦壁的側(cè)壁之間的寬度變寬，從而使所述側(cè)壁相 對(duì)于所述平坦壁傾斜。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于制造燃料電池用分隔體的制造設(shè)備。所述 燃料電池用分隔體通過交替地布置多個(gè)直線狀延伸的凸部和多個(gè)平坦壁而形成。各凸部均 由底壁和一對(duì)側(cè)壁形成。所述凸部被布置成彼此平行。在各成對(duì)的相鄰?fù)共恐g形成氣體 通路形成槽。所述制造設(shè)備包括下模和上模，用于在平板中形成凸部。各凸部均由底壁和 一對(duì)平行的側(cè)壁形成。所述制造設(shè)備還包括鍛造下模和鍛造上模，用于通過鍛造來壓各平 坦壁的寬度方向的中間部分，由此形成帶狀槽和薄部。通過所述鍛造，使各平坦壁的側(cè)壁之 間的寬度變寬，從而使所述側(cè)壁相對(duì)于所述平坦壁傾斜。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池用分隔體的局部截面圖；圖2是示出用于制造燃料電池用分隔體的成型設(shè)備的上模和下模打開的狀態(tài)的 截面圖；圖3是示出上模和下模閉合的狀態(tài)的截面圖；圖4是示出鍛造設(shè)備的上模和下模閉合的狀態(tài)的截面圖；圖5是示出燃料電池的發(fā)電單元的分解立體圖；圖6是示出根據(jù)變型實(shí)施方式的用于制造燃料電池用分隔體的鍛造設(shè)備的上模 和下模閉合狀態(tài)的截面圖；圖7是示出根據(jù)變型實(shí)施方式的燃料電池用分隔體的局部截面圖；圖8是示出根據(jù)變型實(shí)施方式的燃料電池用分隔體的局部截面圖；圖9是示出現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池用分隔體的局部截面圖；以及
圖10是示出現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池用分隔體的局部截面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在，將參照?qǐng)D1至圖5說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池用分隔體。如圖5所示，燃料電池的發(fā)電單元11包括矩形框架12。固體聚合物電解質(zhì)膜13 容納在框架12的內(nèi)部。正電極層14和負(fù)電極層15層疊在固體聚合物電解質(zhì)膜13的表面 上。正電極側(cè)分隔體16被布置在框架12和正電極層14上并且與框架12和正電極層14 的表面接觸。負(fù)電極側(cè)分隔體17被布置在框架12和負(fù)電極層15上并且與框架12和負(fù)電 極層15的表面接觸。層疊多個(gè)發(fā)電單元11以形成燃料電池堆。多個(gè)氧氣通路形成槽18 (氣體通路形成槽)形成于正電極側(cè)分隔體16的與正電 極層14接觸的表面上。氧氣通路形成槽18豎直地延伸并且彼此平行。氧氣通路形成槽18 的開口 19被正電極層14閉合。這在正電極側(cè)分隔體16中形成了氧氣通路20。氧氣供給 孔21形成于分隔體16的上部。通過氧氣供給孔21吸入的氧氣經(jīng)由共用氣體通路22被供 給到氧氣通路20。氧氣排出孔23形成于分隔體16的下部。已經(jīng)從氧氣通路20用于發(fā)電 的氧氣廢氣(oxygen off-gas)流過共用氣體通路M并且經(jīng)由氧氣排出孔23排出。多個(gè)燃料氣體通路形成槽25 (氣體通路形成槽)形成于負(fù)電極側(cè)分隔體17的與 負(fù)電極層15接觸的表面上。燃料氣體通路形成槽25豎直地延伸并且彼此平行。燃料氣體 通路形成槽25的開口沈被負(fù)電極層15閉合。這在負(fù)電極側(cè)分隔體17中形成燃料氣體通 路(氣體通路)27。燃料氣體供給孔觀形成于分隔體17的上部。通過燃料氣體供給孔觀 吸入的燃料氣體經(jīng)由未示出的共通氣體通路(稱為共通氣體通路2 被供給到燃料氣體通 路27。燃料氣體排出孔四形成于分隔體17的下部。已經(jīng)從燃料氣體通路27用于發(fā)電的 燃料氣體廢氣(fuel off-gas)流過未示出的共用氣體通路(稱為氣體通路24)并且經(jīng)由 燃料氣體排出孔四排出。接著，將說明分隔體16的構(gòu)造。由于分隔體17與分隔體16相同，將省略對(duì)分隔 體17的說明。在下面的對(duì)分隔體16的說明中，氧氣通路形成槽18(氧氣通路20)的兩側(cè) 將被稱為左右側(cè)，面對(duì)正電極層14的一側(cè)將被稱為上側(cè)，與正電極層14相反的一側(cè)將被稱 為下側(cè)。圖1示出的分隔體16由不銹鋼制成。分隔體16由一體的平坦壁35、側(cè)壁36和 底壁37形成。側(cè)壁36從平坦壁35的側(cè)緣延伸。各底壁37延伸以將相鄰側(cè)壁36的上端 彼此連接。側(cè)壁36相對(duì)于平坦壁35傾斜，使得每一對(duì)側(cè)壁36之間的空間朝向上端(朝 向正電極層14)減小。底壁37是平板并且與正電極層14接觸。多個(gè)直線狀延伸的凸部 (Protrusion)T與平坦壁35交替地形成。各凸部T是由底壁37和一對(duì)側(cè)壁36形成的。各 成對(duì)的相鄰?fù)共縏形成氧氣通路形成槽18。氧氣通路形成槽18的開口 19被正電極層14 閉合。這由氧氣通路形成槽18形成了氧氣通路20。側(cè)壁36相對(duì)于平坦壁35的傾角α被設(shè)定在50° 80°的范圍內(nèi)。在本實(shí)施方 式中，傾角α被設(shè)定為70°。各平坦壁35和對(duì)應(yīng)的側(cè)壁36之間的交界部39形成為弓形， 并且相對(duì)于對(duì)應(yīng)的氧氣通路形成槽18向外隆起。在各凸部T的下方形成的槽被用作燃料 電池發(fā)電時(shí)用于引導(dǎo)冷卻劑的槽40。帶狀槽3 形成于各平坦壁35的面對(duì)氧氣通路形成槽18的內(nèi)表面。帶狀槽3
5位于平坦壁35的寬度方向的中央。各帶狀槽3 在對(duì)應(yīng)的平坦壁35的中央形成薄部35b?，F(xiàn)在將說明上述分隔體16的制造方法。首先，將說明用于制造分隔體16的成型 設(shè)備和鍛造設(shè)備。如圖2所示，多個(gè)直線狀延伸的凸部42形成于成型設(shè)備的下模41的上表面。槽 43形成于下模41的上表面。各槽43位于相鄰的凸部42之間。多個(gè)直線狀延伸的凸部45 與槽43對(duì)應(yīng)地形成于上模44的下表面。多個(gè)槽46形成于上模44的下表面。各槽46與 一個(gè)凸部42對(duì)應(yīng)地位于一對(duì)凸部45之間。下模41和上模44同時(shí)形成圖5所示的分隔體 16的全部的氧氣通路形成槽18。如圖4所示，鍛造設(shè)備的下模51的成型面51a被形成為平坦的。多個(gè)直線狀延伸 的定位凸部51b與成型面51a交替地形成。設(shè)置定位凸部51b以定位側(cè)壁36。定位凸部 51b被布置成彼此平行。上模52的成型面5 被形成為平坦的。多個(gè)直線狀延伸的凸部 53與成型面5 交替地形成。設(shè)置凸部53以在平坦壁35上鍛造帶狀槽3 和薄部35b。 用于定位底壁37的側(cè)緣的定位凸部53a形成于凸部53的末端(proximal end)。下模51 和上模52同時(shí)地形成氧氣通路形成槽18、開口 19、氧氣供給孔21、氧氣排出孔23和氣體通 路 22,24ο現(xiàn)在將說明上述分隔體16的形成方法。如圖2所示，當(dāng)成型設(shè)備的下模41和上模44打開時(shí)，將板47放置在下模41的凸 部42的上表面上。板47是由不銹鋼制成的平板。接著，如圖3所示，將上模44下降到下模41并且夾緊。這在板47中形成以蜿蜒 方式交替布置的平坦壁35和凸部Τ。在該狀態(tài)下，側(cè)壁36形成為與平坦壁35大致垂直。將已經(jīng)以上述方式形成的分隔體16從成型設(shè)備傳送到鍛造設(shè)備。如圖4所示，下 模51和上模52在各平坦壁35的寬度方向的中央鍛造帶狀槽3 和薄部35b。具體地，上 模52的凸部53壓平坦壁35。因此，各平坦壁35的受壓部分形成為帶狀槽3 和薄部35b。 此時(shí)，平坦壁35的中間部分的厚度減小。這使平坦壁35沿著寬度方向變型，從而平坦壁35 的左緣和右緣彼此分開。結(jié)果，平坦壁35的寬度增大，側(cè)壁36相對(duì)于平坦壁35傾斜。上述燃料電池用分隔體提供以下優(yōu)點(diǎn)。(1)帶狀槽3 形成于分隔體16的各平坦壁35的中央。帶狀槽3 增大了氧氣 通路形成槽18的容積。因此，增大了氧氣流過氧氣通路20的流率，由此提高了燃料電池的 發(fā)電效率。(2)鍛造設(shè)備的下模51和上模52，具體地，上模52的凸部53在各平坦壁35的寬 度方向的中央鍛造帶狀槽3 和薄部35b。通過這種方式，可以交替地形成凸部T和平坦壁 35，使得各底壁37的與正電極層14接觸的寬度W和側(cè)壁36的高度h (分隔體16的厚度) 大致恒定。因此，與圖9所示的現(xiàn)有技術(shù)的方法相比，防止板47產(chǎn)生裂紋，并且容易地增大 各平坦壁35的寬度，同時(shí)減小各平坦壁35和對(duì)應(yīng)的側(cè)壁36之間的交界部39處的應(yīng)力集 中。這使得容易將側(cè)壁36相對(duì)于平坦壁35的傾角α設(shè)定在期望的范圍。(3)在燃料電池的發(fā)電單元11中，當(dāng)發(fā)電時(shí)，在氧氣通路20中產(chǎn)生水。根據(jù)本實(shí) 施方式，各平坦壁35和對(duì)應(yīng)的側(cè)壁36之間的交界部39被形成為弓形。與現(xiàn)有技術(shù)的形成 銳角交界部的情況相比，水不容易集中在交界部39的內(nèi)表面并且易于排出。因此，增大了 氧氣流過氧氣通路20的流率，由此提高了燃料電池的發(fā)電效率。
(4)定位凸部51b形成于下模51的成型面51a上，定位凸部53a形成于上模52的 成型面5 上。由此，定位側(cè)壁36和底壁37，提高了尺寸精度。上述燃料電池用分隔體可以如下地變型。如圖6和圖7所示，分隔體16可以具有帶有三角形截面的帶狀槽35a。各帶狀槽 3 位于平坦壁35的寬度方向的中央。在這種情況下，各帶狀槽35a的深度隨著距平坦壁 35的寬度方向的中心的距離的增大而減小。用于形成分隔體16的鍛造設(shè)備具有均位于上 模52的凸部53的下端的成型面53b。各凸部53的下端形成為扁平的倒三角形。在這種情 況下，與鍛造具有均勻厚度的薄部的情況相比，板47可以容易地沿著平坦壁35的寬度方向 壓延。由此，可以容易地鍛造薄部35b。如圖8所示，可以在各底壁37的與正電極層14相反的表面上形成輔助帶狀槽37a 和薄部37b。該結(jié)構(gòu)增大了形成于各凸部T的內(nèi)部的槽40的截面積，由此提高了燃料電池 的冷卻效率。各帶狀槽35a的左右側(cè)緣可以形成為弓形。在鍛造交替布置的平坦壁35和帶狀槽35a的處理中，可以在圖4所示的上模52 的相鄰?fù)共?3之間設(shè)置定位部。這些定位部定位底壁37的左右側(cè)緣。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用分隔體，其通過交替地布置多個(gè)直線狀延伸的凸部和多個(gè)平坦壁而 形成，其中各凸部均由底壁和一對(duì)側(cè)壁形成；所述凸部被布置成彼此平行；在各成對(duì)的相 鄰?fù)共恐g形成氣體通路形成槽，所述燃料電池用分隔體的特征在于，在各平坦壁的面對(duì)對(duì)應(yīng)的氣體通路形成槽的內(nèi)表面上形成帶狀槽； 各帶狀槽均位于對(duì)應(yīng)的平坦壁的寬度方向的中間位置； 所述帶狀槽與所述凸部平行；以及通過在各平坦壁中鍛造所述帶狀槽，在所述平坦壁中形成薄部，并且使對(duì)應(yīng)的側(cè)壁之 間的寬度變寬，從而使所述側(cè)壁相對(duì)于所述平坦壁傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用分隔體，其特征在于，各平坦壁和對(duì)應(yīng)的側(cè)壁之 間的交界部形成為弓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池用分隔體，其特征在于， 在各底壁的寬度方向的中間部分形成輔助帶狀槽；所述輔助帶狀槽與所述凸部平行；以及 通過在所述底壁中鍛造所述輔助帶狀槽，在各底壁中形成薄部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池用分隔體，其特征在于， 各帶狀槽具有扁平的倒三角形截面；從而每個(gè)帶狀槽的深度隨著從所述平坦壁的寬度方向的中心到所述平坦壁的寬度方向的 側(cè)緣的距離的增大而減小。
5.一種用于制造燃料電池用分隔體的制造方法，所述燃料電池用分隔體通過交替地布 置多個(gè)直線狀延伸的凸部和多個(gè)平坦壁而形成，各凸部均由底壁和一對(duì)側(cè)壁形成，所述凸 部被布置成彼此平行，在各成對(duì)的相鄰?fù)共恐g形成氣體通路形成槽，所述制造方法的特 征在于，所述制造方法包括第一步驟，用于在平板中形成凸部，各凸部均由底壁和一對(duì)平行的側(cè)壁形成；以及 第二步驟，用于通過鍛造來壓各平坦壁的寬度方向的中間部分，由此形成帶狀槽和薄 部，其中，通過所述鍛造，使各平坦壁的側(cè)壁之間的寬度變寬，從而使所述側(cè)壁相對(duì)于所述 平坦壁傾斜。
6.一種用于制造燃料電池用分隔體的制造設(shè)備，所述燃料電池用分隔體通過交替地布 置多個(gè)直線狀延伸的凸部和多個(gè)平坦壁而形成，各凸部均由底壁和一對(duì)側(cè)壁形成，所述凸 部被布置成彼此平行，在各成對(duì)的相鄰?fù)共恐g形成氣體通路形成槽，所述制造設(shè)備的特 征在于，所述制造設(shè)備包括下模和上模，用于在平板中形成凸部，各凸部均由底壁和一對(duì)平行的側(cè)壁形成；以及 鍛造下模和鍛造上模，用于通過鍛造來壓各平坦壁的寬度方向的中間部分，由此形成 帶狀槽和薄部，其中，通過所述鍛造，使各平坦壁的側(cè)壁之間的寬度變寬，從而使所述側(cè)壁 相對(duì)于所述平坦壁傾斜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于制造燃料電池用分隔體的制造設(shè)備，其特征在于，在所述鍛造下模設(shè)置直線狀延伸的定位凸部，所述定位凸部用于定位所述側(cè)壁；以及 在所述鍛造上模形成用于定位所述底壁的側(cè)緣的定位部。
全文摘要
提供燃料電池用分隔體及其制造方法。在正電極側(cè)分隔體(16)上形成氧氣通路形成槽(18)。一對(duì)側(cè)壁(36)與分隔體的各平坦壁(35)一體地形成。側(cè)壁從平坦壁的側(cè)緣延伸。側(cè)壁以使側(cè)壁之間的空間朝向正電極層(14)減小的方式延伸。底壁(37)與平坦壁一體地形成，使得各底壁將相鄰的側(cè)壁的上端彼此連接。底壁與正電極層接觸。在各平坦壁的面對(duì)氧氣通路形成槽的內(nèi)表面形成帶狀槽(35a)。帶狀槽位于平坦壁的寬度方向的中央。當(dāng)形成帶狀槽時(shí)，各平坦壁的寬度增大，使得對(duì)應(yīng)的側(cè)壁相對(duì)于平坦壁傾斜。帶狀槽增大氧氣通路形成槽的容積。在用于在平坦壁中鍛造帶狀槽的步驟中，進(jìn)行使側(cè)壁相對(duì)于平坦壁傾斜的處理。
文檔編號(hào)H01M2/18GK102082282SQ20101056621
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者渡邊拓真, 藤村志郎 申請(qǐng)人:豐田紡織株式會(huì)社