專利名稱：燃料電池用金屬分離板及具有其的燃料電池堆棧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池用金屬分離板及具有該金屬分離板的燃料電池堆棧。更詳細(xì)地涉及一種利用包括反應(yīng)氣體通道及冷卻水通道，并利用包括與墊片形成一體化的高分子歧管部的歧管-墊片組件來(lái)維持氣密性的技術(shù)。
背景技術(shù)：
通常，燃料電池是指利用氫氣與氧氣的氧化、還原反應(yīng)來(lái)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。在負(fù)極，氫氣被氧化而分離成氫離子及電子，氫離子通過(guò)電解質(zhì)移動(dòng)至正極。此時(shí)，電子通過(guò)電路移動(dòng)至正極。在正極發(fā)生由氫離子、電子及氧氣進(jìn)行反應(yīng)而成為水的還原反應(yīng)。首先，觀察現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池用金屬分離板，形成呈矩形形態(tài)的金屬本體部，在其中心部形成反應(yīng)氣體通道及冷卻水通道，并形成有包圍其周邊的墊片。其次，在上述通道部的兩側(cè)分離板形成氧氣(空氣)流入歧管、冷卻水流入歧管以及氫氣流入歧管，并在氧氣(空氣)流入歧管與通道部之間形成有反應(yīng)氣體流入孔。此時(shí)，墊片形成為能維持上述各歧管與反應(yīng)氣體流入孔周邊的氣密性的結(jié)構(gòu)。在這里，如上所述的結(jié)構(gòu)聚集的部分被稱作燃料電池用金屬分離板的流入部，與其相向的另一側(cè)則被稱作排出部。因此，在與上述流入部對(duì)稱的位置，形成反應(yīng)氣體排出孔、氧氣(空氣)排出歧管、 冷卻水排出歧管及氫氣排出歧管。在上述結(jié)構(gòu)的燃料電池中，尤其就固體高分子燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)而目，向尚分子電角軍質(zhì)月旲(polymer electrolyte membrane) 供給反應(yīng)氣體并進(jìn)行排出的金屬分離板的氣體流入/排出結(jié)構(gòu)將成為決定燃料電池的性能的重要因素之一。并且，反應(yīng)氣體流入/排出孔能夠提高金屬分離板的耐久性，能夠作為提高燃料電池性能所需的關(guān)鍵要素來(lái)起作用。就以往的燃料電池堆棧而言，在膜_電極接合體(MEA)的雙面分別有燃料氣體及還原氣體的反應(yīng)氣體流動(dòng)，由金屬分離板連接單位電池來(lái)使燃料電池堆棧疊加，并且，分離燃料氣體、還原氣體和冷卻水，以免相混合。而且，墊片起到密封反應(yīng)氣體及冷卻水，以防泄漏的作用。此時(shí)，與石墨類分離板不同，就通過(guò)薄板成型的方法制成的金屬分離板而言，為了確保反應(yīng)氣體和冷卻水之間的氣密性，從反應(yīng)氣體歧管到反應(yīng)氣體通道內(nèi)部的反應(yīng)氣體流入結(jié)構(gòu)不可避免變得復(fù)雜。尤其是，現(xiàn)有的燃料電池都是通過(guò)沖壓加工來(lái)形成金屬分離板。此時(shí)，使用沖壓方法形成反應(yīng)氣體通道及冷卻水通道的情況下，將會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)氣體通道的寬度變?。恢苯釉诮饘俜蛛x板形成反應(yīng)氣體流入/排出孔的情況下，由于細(xì)微加工失敗的可能性大，因而導(dǎo)致發(fā)生反應(yīng)氣體的流動(dòng)不夠順暢的問(wèn)題。并且，直接在分離板形成反應(yīng)氣體流入/排出孔的情況下，由于薄板的剛性減弱，因而存在只是稍微一扭也容易致使氣體流入結(jié)構(gòu)變形的問(wèn)題。
而且，需要在金屬分離板的歧管部形成用于分割成反應(yīng)氣體歧管和冷卻水歧管的薄型分割框架，而這種分割框架與其他分離板部分相比，其相對(duì)結(jié)構(gòu)薄而脆弱，因此反應(yīng)氣體的流入結(jié)構(gòu)變形的危險(xiǎn)很大。發(fā)生這種變形時(shí)，反應(yīng)氣體和冷卻水的順暢流動(dòng)將受到阻礙。因此，對(duì)周邊裝置， 尤其對(duì)燃料電池用鼓風(fēng)機(jī)或泵施加大負(fù)荷，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。為了解決如上所述的問(wèn)題，本發(fā)明提出了在發(fā)生變形的部分涂敷用于防止變形的額外的墊片的技術(shù)。但借助墊片進(jìn)行的支撐無(wú)法徹底排除燃料電池堆棧的載重所導(dǎo)致的壓縮變形，并且在額外的墊片脫離而橫截反應(yīng)氣體流入部的情況下，將會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)氣體流入時(shí)阻力更加變大的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種既能使金屬分離板的大小最小化也能確保冷卻性能及反應(yīng)氣體流路的燃料電池用金屬分離板及具有該金屬分離板的燃料電池堆棧。同時(shí)，本發(fā)明的再一個(gè)目的在于，提供一種提供以一體方式形成了構(gòu)成冷卻水流入/排出歧管部及反應(yīng)氣體流入/排出歧管部的歧管部和確保通道部的氣密性的墊片的歧管-墊片組件結(jié)構(gòu)，而具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的同時(shí)易于制造的燃料電池用金屬分離板及具有該金屬分離板的燃料電池堆棧。同時(shí)，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種在歧管-墊片組件上以一體方式形成反應(yīng)氣體流入/排出孔，從而能夠在結(jié)合燃料電池堆棧時(shí)，通過(guò)結(jié)合壓來(lái)防止在金屬分離板發(fā)生變形的燃料電池用金屬分離板及具有該金屬分離板的燃料電池堆棧。技術(shù)解決方案本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板，其特征在于，包括金屬本體部，其具有形成于中心部且從第一面向第二面突出而形成的反應(yīng)氣體通道、在突出于上述第二面的上述反應(yīng)氣體通道之間形成的冷卻水通道以及在上述反應(yīng)氣體通道及上述冷卻水通道的兩側(cè)分別以一個(gè)開(kāi)口部形態(tài)形成的流入開(kāi)口部及排出開(kāi)口部，以及分割部，其包圍上述流入開(kāi)口部及上述排出開(kāi)口部的各邊部，并且將上述流入開(kāi)口部及上述排出開(kāi)口部分別分割為第一反應(yīng)氣體歧管區(qū)域、冷卻水歧管區(qū)域和第二反應(yīng)氣體歧管區(qū)域還包括墊片，墊片分別形成于上述金屬分離板的上述第一面及上述第二面的邊部上部。在這里，本發(fā)明的特征在于，上述流入開(kāi)口部形成為只使上述金屬本體部的上述相向的兩側(cè)面中的一側(cè)邊部殘留的形態(tài)，從而提供反應(yīng)氣體和冷卻水所流入的通路；上述排出開(kāi)口部形成為只使上述金屬本體部的上述相向的兩側(cè)面中的另一側(cè)邊部殘留的形態(tài)， 從而提供使經(jīng)由上述反應(yīng)氣體通道及上述冷卻水通道流出的上述反應(yīng)氣體和上述冷卻水排出的通路。本發(fā)明的特征在于，上述墊片以一體方式包括形成于上述流入開(kāi)口部及上述反應(yīng)氣體通道之間的反應(yīng)氣體流入孔和形成于上述反應(yīng)氣體通道及上述排出開(kāi)口部之間的反應(yīng)氣體排出孔，上述反應(yīng)氣體流入孔及上述反應(yīng)氣體排出孔，具有以“S”字形連接上述墊片的第一面和上述墊片的第二面的氣體流入/排出結(jié)構(gòu)。而且，本發(fā)明的一實(shí)施例的燃料電池堆棧，其特征在于，通過(guò)多個(gè)由上述的金屬分離板及膜-電極接合體(MEA)形成的接合結(jié)構(gòu)層壓而成。并且，本發(fā)明的再一實(shí)施例的燃料電池堆棧，其特征在于，包括層壓結(jié)構(gòu)物，其通過(guò)兩個(gè)上述的金屬分離板以各自的第一面相向的形態(tài)接合而成；以及膜-電極接合體，其形成于上述層壓結(jié)構(gòu)物的上部。有利的效果本發(fā)明的金屬分離板及具有該金屬分離板的燃料電池堆棧形成以一體方式具有反應(yīng)氣體及冷卻水流入/排出歧管部的金屬本體部，從而能夠在不增加分離板的厚度、面積和體積的情況下帶來(lái)提高燃料電池的性能、增大生產(chǎn)效率的效果。并且，本發(fā)明的金屬分離板及具有該金屬分離板的燃料電池堆棧在采用金屬材質(zhì)的分離板的情況下，通過(guò)墊片來(lái)分割成流入歧管部和排出歧管部，并將氣體流入/排出孔以一體方式形成在墊片，從而能夠增加流入/排出效率。并且，相比于直接在金屬分離板形成流入/排出孔的情況，具有能縮短制造時(shí)間，降低制造單價(jià)的效果。并且，由于本發(fā)明的墊片以一體方式具有反應(yīng)氣體流入/排出孔，因此相比于在金屬分離板形成流入/排出孔的情況，抗空間變形的能力更為出色，能夠降低反應(yīng)氣體的流動(dòng)阻力，來(lái)減少壓力下降率。并且，本發(fā)明的金屬分離板及具有該金屬分離板的燃料電池堆棧還具有墊片的歧管部分割部，從而具有能夠更加可靠地防止金屬分離板及墊片的變形，讓分離板之間的層壓變得更加容易的效果。


圖1是表示本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板的俯視圖。圖2是表示本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板的金屬本體部的俯視圖。圖3是表示在上述圖2的金屬本體部適用本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板的歧管-墊片組件的俯視圖。圖4是放大表示本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板的流入部分的俯視圖。圖5是表示上述圖4的A1-A2方向的截面的剖視圖。圖6是表示上述圖4的B 1-B2方向的截面的剖視圖。圖7是表示上述圖4的C1-C2方向的截面的剖視圖。
具體實(shí)施例方式以下，對(duì)本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板及具有該金屬分離板的燃料電池堆棧進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。圖1是表示本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板的俯視圖。參照?qǐng)D1，以金屬本體部100為基準(zhǔn)，在兩側(cè)具有第一反應(yīng)氣體流入歧管120、冷卻水流入歧管124、第二反應(yīng)氣體流入歧管128、第一反應(yīng)氣體排出歧管160、冷卻水排出歧管 164及第二反應(yīng)氣體排出歧管168，并在金屬本體部100的中心部具有反應(yīng)氣體通道140及冷卻水通道145。其中，反應(yīng)氣體通道140形成為從金屬本體部的第一面向第二面突出的形態(tài)，冷卻水通道145是指反應(yīng)氣體通道140的突出的部分之間的區(qū)域。并且，將包括反應(yīng)氣體通道140及冷卻水通道145的金屬本體部100的中心部分稱作通道部。接著，第一反應(yīng)氣體流入歧管120、冷卻水流入歧管124以及第二反應(yīng)氣體流入歧管128通過(guò)一體化的高分子模具結(jié)構(gòu)來(lái)定義，在本發(fā)明中，這種模具結(jié)構(gòu)被稱作流入歧管部，對(duì)第一反應(yīng)氣體排出歧管160、冷卻水排出歧管164以及第二反應(yīng)氣體排出歧管168進(jìn)行定義的模具結(jié)構(gòu)被稱作排出歧管部。而且，形成有使得通道部的四側(cè)面確保氣密性的墊片，在本發(fā)明中，如圖所示，多個(gè)上述歧管部與墊片形成為一體。因此，在本發(fā)明中，將這種歧管部及墊片的結(jié)合結(jié)構(gòu)定義為歧管-墊片組件130。此時(shí)，上述流入歧管部包括第一分割部122，其對(duì)第一反應(yīng)氣體流入歧管區(qū)域及冷卻水流入歧管區(qū)域進(jìn)行分割，以及第二分割部126，其對(duì)冷卻水流入歧管區(qū)域及第二反應(yīng)氣體流入歧管區(qū)域進(jìn)行分割；上述排出歧管部包括第三分割部162，其對(duì)第一反應(yīng)氣體排出歧管區(qū)域及冷卻水排出歧管區(qū)域進(jìn)行分割；第四分割部166，其對(duì)冷卻水排出歧管區(qū)域及第二反應(yīng)氣體排出歧管區(qū)域進(jìn)行分割。并且，在上述各歧管部與通道部之間的歧管-墊片組件130具有以一體方式包括反應(yīng)氣體流入孔135及反應(yīng)氣體排出孔150的結(jié)構(gòu)。以往，上述分割部及反應(yīng)氣體流入/排出孔形成于金屬本體部，因此引發(fā)了金屬分離板整體強(qiáng)度以及氣密性降低的問(wèn)題，然而在本發(fā)明中提供使引發(fā)上述問(wèn)題的分割部及反應(yīng)氣體流入/排出孔與歧管_墊片組件形成一體化的結(jié)構(gòu)，從而能夠提高金屬分離板的基本特性，進(jìn)而也能提高燃料電池的效率。形成為上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板通過(guò)多個(gè)層壓結(jié)合來(lái)形成燃料電池堆棧，此時(shí)，在各金屬分離板之間的區(qū)域插入用于產(chǎn)電的膜-電極接合體(MEA)。在這里，本發(fā)明的歧管_墊片組件能夠提高各金屬分離板之間或者金屬分離板與膜_電極接合體之間的氣密性，并能夠通過(guò)一體化的歧管部來(lái)穩(wěn)定地執(zhí)行反應(yīng)氣體的供給及排出。在這里，以第一反應(yīng)氣體流入歧管120及第二反應(yīng)氣體流入歧管128為基準(zhǔn)進(jìn)行說(shuō)明時(shí)，第一反應(yīng)氣體流入歧管120及第二反應(yīng)氣體流入歧管128起到向金屬本體部100 的反應(yīng)氣體通道140供給氫氣或氧氣(空氣)等反應(yīng)氣體的作用。此時(shí)，如果第一反應(yīng)氣體為氧氣(空氣)，第二反應(yīng)氣體則為氫氣，也可與這種情況相反。將流入上述歧管的反應(yīng)氣體引導(dǎo)至反應(yīng)氣體通道140，并使其沿著金屬本體部 100的表面流動(dòng)，從而與電極(未圖示)進(jìn)行反應(yīng)。此時(shí)，在本發(fā)明的燃料電池堆棧中，在上述金屬本體部100與電極(未圖示)之間還形成氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer，⑶L)， 促使反應(yīng)氣體的流動(dòng)更加容易。接著，觀察形成本發(fā)明的金屬材質(zhì)的金屬本體部100的方法，為了減少燃料電池的堆棧體積，優(yōu)選地形成為薄板。同時(shí)，在金屬本體部100中，反應(yīng)氣體通道140通過(guò)借助壓力機(jī)的沖壓工序來(lái)形成。此時(shí)，反應(yīng)氣體通道140呈從第一面向第二面突出的形態(tài)，而且呈在第一面上的凹形槽部成為在第二面上的突出部的形態(tài)。在這里，以凹形槽部為例說(shuō)明上述圖2中所示的反應(yīng)氣體通道140。因此，圖示的部分成為第一面，將其稱作反應(yīng)氣體面，反應(yīng)氣體通道140的突出部所形成的第二面稱作冷卻水面。并且，以冷卻水面(第二面)為基準(zhǔn)時(shí)，突出的反應(yīng)氣體通道140之間的區(qū)域成為冷卻水通道145。此時(shí)，使得通過(guò)冷卻水歧管124流入金屬本體部100的冷卻水沿著冷卻水
6通道145流動(dòng)的同時(shí)對(duì)燃料電池的反應(yīng)熱進(jìn)行冷卻。如上所述，本發(fā)明的一實(shí)施例的燃料電池用金屬分離板，通過(guò)沖壓工序，在金屬本體部100形成反應(yīng)氣體通道140及冷卻水通道145。并且，為了使反應(yīng)氣體及冷卻水順暢地流入反應(yīng)氣體通道140及冷卻水通道145或從反應(yīng)氣體通道140及冷卻水通道145排出，優(yōu)選為在金屬本體部100的兩側(cè)精密地形成微小的反應(yīng)氣體流入/排出孔。但是，如圖所示， 在反應(yīng)氣體通道140及冷卻水通道145形成為多個(gè)通道的情況下，在金屬本體部100形成具有臺(tái)階部的微小的反應(yīng)氣體流入/排出孔是十分難以實(shí)現(xiàn)的工序。即，在以往的情況下， 應(yīng)當(dāng)形成為利用墊片來(lái)一一對(duì)反應(yīng)氣體流入/排出孔的周邊進(jìn)行氣密的結(jié)構(gòu)，然而這種過(guò)程十分難以進(jìn)行，而且，在進(jìn)行微小化的情況下，因危險(xiǎn)負(fù)擔(dān)而導(dǎo)致氣密結(jié)構(gòu)失敗，反應(yīng)氣體的流入/排出不夠順暢，金屬本體部100發(fā)生變形的危險(xiǎn)。因此，在本發(fā)明中，使用將反應(yīng)氣體流入/排出孔135、150以一體方式形成在歧管_墊片組件130的結(jié)構(gòu)。如上所述，以一體方式形成于歧管_墊片組件130的反應(yīng)氣體流入/排出孔135、150相比在金屬本體部直接形成孔的情況，更加容易加工，并能體現(xiàn)出與在石墨分離板氣體流入結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定使用的結(jié)構(gòu)相同的氣體流入結(jié)構(gòu)。同時(shí)可知，在本發(fā)明中，第一反應(yīng)氣體流入歧管120、冷卻水流入歧管124、第二反應(yīng)氣體流入歧管128、第一反應(yīng)氣體排出歧管160、冷卻水排出歧管164及第二反應(yīng)氣體排出歧管168的分割借助歧管_墊片組件130來(lái)實(shí)現(xiàn)。S卩，以往各歧管的分割的空間借助形成于金屬本體部的預(yù)定的分割框架結(jié)構(gòu)來(lái)形成，與之相反，在本發(fā)明中所使用的結(jié)構(gòu)是，在加工金屬本體部100時(shí)，將歧管部形成為一個(gè)合并的開(kāi)口部形態(tài)之后，借助歧管-墊片組件 130來(lái)分割成各區(qū)域。此時(shí)，本發(fā)明具有與以往的形成于金屬本體部的分割框架結(jié)構(gòu)不同的方式，因此能夠解決因可能在分割框架結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的雜質(zhì)而導(dǎo)致冷卻水及反應(yīng)氣體的流動(dòng)遭到妨礙，燃料電池的效率降低的問(wèn)題。即，在使用本發(fā)明的包括歧管-墊片組件130的金屬分離板的情況下，能夠從根本上防止以往的問(wèn)題。并且，如圖所示，通過(guò)形成第一分割部122、第二分割部126、第三分割部162及第四分割部166來(lái)彌補(bǔ)可能因薄型的金屬分離板而發(fā)生的剛性降低的問(wèn)題，并且，在層壓分離板時(shí)能夠容易進(jìn)行排列。因此，如果使用本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板，具有能夠使燃料電池堆棧制造效率極大化的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，僅觀察包括一體型的歧管部及歧管分割部的上述歧管_墊片組件結(jié)構(gòu)的情況下，鑒于能夠通過(guò)加強(qiáng)上述剛性來(lái)獲得的上升效果，也可以選擇性地使用在金屬本體部?jī)?nèi)形成反應(yīng)氣體流入/排出孔的結(jié)構(gòu)。圖2是表示本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板的金屬本體部的俯視圖。參照?qǐng)D2，作為本發(fā)明的金屬本體部，包括形成于中心部且從第一面向第二面突出而形成的反應(yīng)氣體通道240及在突出于第二面的反應(yīng)氣體通道240之間形成的冷卻水通道 245。在這里，將包括反應(yīng)氣體通道240及冷卻水通道245的區(qū)域稱作通道部的情況下，以在上述通道部的四側(cè)面邊部與上述通道部形成一體型的方式，在相向的兩側(cè)面分別形成有貫通第一面及第二面的開(kāi)口部220A、260A，從而完成矩形形態(tài)的金屬本體部200。在這里，流入開(kāi)口部220A形成為在金屬本體部200的兩側(cè)面中僅殘留一側(cè)邊部的矩形的開(kāi)口部形態(tài)，并作為使反應(yīng)氣體及冷卻水流入的通路而被提供。并且，排出開(kāi)口部260A形成為在上述金屬本體部200的兩側(cè)面中僅殘留另一側(cè)邊部的矩形的開(kāi)口部形態(tài)，并作為使從流入開(kāi)口部220A經(jīng)由反應(yīng)氣體通道240及冷卻水通道 245流動(dòng)的反應(yīng)氣體及冷卻水排出的通路而被提供。由于如上所述的結(jié)構(gòu)的金屬本體部200不包括結(jié)構(gòu)上的抗空間變形能力差的以往的歧管分割框架部，因而具有能夠從根本上預(yù)先防止產(chǎn)生不合格品的問(wèn)題的效果。同時(shí)，由于反應(yīng)氣體流入孔或反應(yīng)氣體排出孔不直接形成于金屬本體部200，因而能夠簡(jiǎn)化制造金屬本體部的工序，而且能夠解決因形成孔而導(dǎo)致本體的強(qiáng)度降低的問(wèn)題。圖3是表示在上述圖2的金屬本體部適用本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板的歧管-墊片組件的俯視圖。參照?qǐng)D3，本發(fā)明的歧管-墊片組件230形成為結(jié)合有歧管部及墊片的形態(tài)。首先， 墊片以高分子模具結(jié)構(gòu)形成于通道部的四側(cè)面邊部以及除此之外的需要密封的部位，在這里，表示以四邊形形態(tài)形成于包括反應(yīng)氣體通道240及冷卻水通道245的通道部的外廓的部分，并且相同地形成于金屬本體部200的第一面及第二面。接著，歧管部形成為以一體方式包括第一分割部222及第二分割部226的高分子模具結(jié)構(gòu)的流入歧管部及以一體方式包括第三分割部262及第四分割部266的高分子模具結(jié)構(gòu)的排出歧管部，上述第一分割部222對(duì)第一反應(yīng)氣體流入歧管220及冷卻水流入歧管 224進(jìn)行分割，第二分割部226對(duì)冷卻水流入歧管224及第二反應(yīng)氣體流入歧管228進(jìn)行分害IJ，第三分割部262對(duì)第一反應(yīng)氣體排出歧管260及冷卻水排出歧管264進(jìn)行分割，第四分割部266對(duì)冷卻水排出歧管264及第二反應(yīng)氣體排出歧管268進(jìn)行分割。此時(shí)，如圖6及圖7所示，歧管部形成為嵌入金屬本體部的形態(tài)。如上所述，本發(fā)明的歧管部借助高分子模具結(jié)構(gòu)來(lái)自行具備分割空間，而不是借助金屬本體部來(lái)分割空間，由此能夠事先防止金屬分離板設(shè)計(jì)變更帶來(lái)的不必要的不良。并且，本發(fā)明的歧管-墊片組件230，如同上述圖3中所示的實(shí)施例形態(tài)，能夠通過(guò)將預(yù)先定制的固態(tài)的模具結(jié)構(gòu)物附著于金屬本體部200的方式來(lái)形成。并且，能夠通過(guò)利用注塑法來(lái)直接涂敷于金屬本體部200而進(jìn)行制造。此時(shí)，如果利用注塑法來(lái)進(jìn)行制造，則無(wú)需另行附著方法及附著工序，由此能夠縮短制造燃料電池堆棧時(shí)所需的時(shí)間。同時(shí)，能夠在金屬本體部200的要形成歧管_墊片組件230的預(yù)定區(qū)域預(yù)先形成額外的固定部(未圖示)。當(dāng)通過(guò)沖壓工序在金屬本體部200形成反應(yīng)氣體通道時(shí)，一同形成歧管_墊片組件230固定部，來(lái)防止所安裝的歧管_墊片組件230的脫離。在這種情況下，由于本發(fā)明的歧管_墊片組件230的結(jié)構(gòu)相比以往的墊片結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且容易調(diào)節(jié)其線寬，由此具有能夠進(jìn)一步確保排列在固定部上的余地(margin)的優(yōu)點(diǎn)。接著，本發(fā)明的歧管_墊片組件230具有以一體方式包括形成于如上述圖3所示的流入開(kāi)口部220A及反應(yīng)氣體通道240之間的反應(yīng)氣體流入孔235以及形成于反應(yīng)氣體通道240和如上述圖3所述的排出開(kāi)口部260之間的反應(yīng)氣體排出孔的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，優(yōu)選地，反應(yīng)氣體流入孔235及反應(yīng)氣體排出孔250形成為以“S”字形連接歧管-墊片組件230的第一面和墊片的第二面的結(jié)構(gòu)形成。此時(shí)，第一面是指，指向與金屬本體部200的反應(yīng)氣體面相同的方向的表面；第二面是指，指向與冷卻水面相同的方向的表面。在這種結(jié)構(gòu)中，以反應(yīng)氣體所流入的部分為基準(zhǔn)進(jìn)行說(shuō)明時(shí)，成為如下結(jié)構(gòu)流入形成于冷卻水面(圖3所示的面的背面，因此不顯示)的槽的反應(yīng)氣體經(jīng)由反應(yīng)氣體流入孔 235，沿著形成于反應(yīng)氣體面的槽，自然流入形成于金屬本體部200的反應(yīng)氣體通道240。
與此相關(guān)的反應(yīng)氣體流入孔235及反應(yīng)氣體排出孔250的具體結(jié)構(gòu)將在下面的圖 6和圖7中進(jìn)行說(shuō)明。圖4是放大表示本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板的流入部分的俯視圖。參照?qǐng)D4，與上述結(jié)構(gòu)一樣，具有金屬本體部300、第一反應(yīng)氣體流入歧管320、第一分割部322、冷卻水流入歧管324、第二分割部326、第二反應(yīng)氣體流入歧管328、凹形的反應(yīng)氣體通道340、冷卻水通道345。在這里，具有以一體方式形成在歧管部和通道部之間的歧管_墊片組件330部分的反應(yīng)氣體流入孔355。為了更具體地觀察這種結(jié)構(gòu)，按A1-A2、B 1_B2、C1-C2方向進(jìn)行切斷之后對(duì)各個(gè)截面進(jìn)行觀察，具體如下。圖5是表示上述圖4的A1-A2方向的截面的剖視圖。參照?qǐng)D5可知，出現(xiàn)歧管-墊片組件330包圍金屬本體部300的內(nèi)側(cè)邊部的形態(tài)。 在這里出現(xiàn)的歧管_墊片組件330、第一分割部322和第二分割部326均表示歧管部，這些將成為對(duì)第二反應(yīng)氣體流入歧管328、第一反應(yīng)氣體流入歧管330及冷卻水流入歧管324進(jìn)行定義的高分子模具形態(tài)。并且，如上所述，就本發(fā)明而言，不存在額外的框架部，因此完全沒(méi)有產(chǎn)生不合格品的危險(xiǎn)，并能夠通過(guò)各自的分割部來(lái)得到所需強(qiáng)度，容易進(jìn)行分離板間的排列。圖6是表示上述圖4的B 1-B2方向的截面的剖視圖。參照?qǐng)D6，圖6是按上述圖4的B 1_B2方向進(jìn)行切斷之后，將金屬本體部300翻過(guò)來(lái)后示出的形態(tài)。即，是以金屬本體部300的冷卻水面(第二面)為基準(zhǔn)示出的。因此，形成呈向上部突出的形態(tài)的反應(yīng)氣體通道340，其旁邊的褶皺成為冷卻水通道345。在這里，以反應(yīng)氣體流入孔355為基準(zhǔn)觀察時(shí)可知，具有由第一反應(yīng)氣體流入歧管320向反應(yīng)氣體通道方向連接的“S”字形反應(yīng)氣體流路。在這里，“S”字形呈倒字形，在歧管_墊片組件330的第二面表面的一部分形成槽，并形成貫通歧管_墊片組件330的中心部的反應(yīng)氣體流入孔355，以與上述槽連接；，在歧管-墊片組件330的第一面表面形成槽，以與上述反應(yīng)氣體流入孔355連接。在這種結(jié)構(gòu)下，反應(yīng)氣體能夠自然流入通道部。此時(shí)，優(yōu)選地，金屬本體部300和歧管-墊片組件330的銜接部分的長(zhǎng)度Dl確保充分的長(zhǎng)度，以確保氣密性以及穩(wěn)定的接合。但如果長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)氣體流入孔 355部分受損或無(wú)法有效利用金屬本體部300面積的問(wèn)題。因此，考慮到上述事項(xiàng)，優(yōu)選為設(shè)計(jì)歧管-墊片組件330。圖7是表示上述圖4的C1-C2方向的截面的剖視圖。與上述圖6 —樣，圖7也是將金屬本體部300翻過(guò)來(lái)使其冷卻水面(第二面)朝向上部而示出的圖。由于是以第一分割部322為基準(zhǔn)進(jìn)行的切割，因此僅示出了第一分割部322的一部分。此時(shí)，將第一反應(yīng)氣體流入歧管320的邊部與歧管-墊片組件330的銜接部分的長(zhǎng)度稱為“D2”，將未銜接部分的長(zhǎng)度稱為“D3”情況下，D3的長(zhǎng)度減小時(shí)，相對(duì)地 D2的長(zhǎng)度增大。此時(shí)，氣密性將有所提高，但分離板本體的利用效率將降低。而且，D2的長(zhǎng)度減小時(shí)，相對(duì)地D3的長(zhǎng)度增大。此時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)氣密性降低，且歧管部的空間縮小的情況，因此考慮到其效率性，優(yōu)選為設(shè)計(jì)歧管_墊片組件330。在這里，上述圖6及圖7均以反應(yīng)氣體流入部分為基準(zhǔn)進(jìn)行了說(shuō)明，但這同樣適用于反應(yīng)氣體排出部分，其適用可能性不受第一反應(yīng)氣體及第二反應(yīng)氣體的影響。
另外，形成燃料電池堆棧時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)越靠近堆棧的中心部，歧管的形態(tài)變得越窄的情況。在這種復(fù)合結(jié)構(gòu)下，過(guò)去需要一一變更金屬本體部結(jié)構(gòu)，但在本發(fā)明中，只需變更構(gòu)成歧管部的高分子模具結(jié)構(gòu)即可，因此能夠有效提高燃料電池堆棧制造工序。如上所述，本發(fā)明的金屬分離板及具備該金屬分離板的燃料電池堆棧形成有適用了以一體方式形成反應(yīng)氣體及冷卻水流入/排出歧管部及墊片的歧管_墊片組件的金屬本體部，從而能夠在不變更分離板的厚度、面積和體積的情況下有效提高燃料電池的性能。 艮口，適用的是借助歧管-墊片組件，保持燃料電池用金屬分離板的氣密性的同時(shí)，適用分割成反應(yīng)氣體及冷卻水流入/排出歧管的新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)歧管部的分割部來(lái)確保燃料電池堆棧的剛性并進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。并且，能夠制造出如下的燃料電池用金屬分離板，該燃料電池用金屬分離板將反應(yīng)氣體流入/排出孔以一體方式形成在歧管_墊片組件，從而能夠提高反應(yīng)氣體流入/排出效率，相比于以一體方式具有反應(yīng)氣體流入/排出孔的以往的金屬分離板，能夠制造出抗空間變形的能力出色，能夠降低反應(yīng)氣體的流動(dòng)阻力，來(lái)減少壓力下降量的燃料電池用金屬分離板。并且，相比于以往在金屬分離板上直接形成流入/排出孔的情況，能夠縮短制造時(shí)間，降低制造單價(jià)。同時(shí)，如上所述，將膜-電極接合體(MEA)接合在一張本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板或使上述金屬分離板的反應(yīng)氣體面以相向方式接合之后層壓膜_電極接合體，從而能夠制造出具有高效率、多樣形態(tài)的歧管的燃料電池堆棧。在這里，膜-電極接合體是燃料電池的各個(gè)零部件中的一個(gè)結(jié)構(gòu)，起到利用反應(yīng)氣體來(lái)引起電化學(xué)反應(yīng)的作用。此時(shí)，還可以包括作為用于使反應(yīng)氣體均勻地分散至膜-電極接合體(MEA)表面的多孔介質(zhì)的氣體擴(kuò)散層(GDL)，本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板用于支撐膜-電極接合體(MEA)和氣體擴(kuò)散層(GDL)，起到輸送反應(yīng)氣體和冷卻水以及收集和傳遞所生成的電的作用。在本發(fā)明中，能夠?qū)?shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)包括膜-電極接合體(MEA)和氣體擴(kuò)散層 (GDL)的燃料電池用金屬分離板疊加起來(lái)，制造出燃料電池堆棧。燃料電池的發(fā)電容量與膜-電極接合體(MEA)的反應(yīng)面積以及堆棧的層壓量呈正比。此時(shí)，本發(fā)明的高分子材質(zhì)的歧管_墊片組件在燃料電池發(fā)電時(shí)能夠讓氫氣、氧氣和冷卻水在膜_電極接合體(MEA) 和氣體擴(kuò)散層(GDL)、分離板的各個(gè)面順暢流動(dòng)，并確保氣密性，以防止各個(gè)反應(yīng)氣體和冷卻水相混合，確保輸送至金屬分離板的反應(yīng)氣體順暢地流入/排出。因此，在燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)，能夠使其效率最大化。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用金屬分離板，其特征在于，包括金屬本體部，其具有通道部和開(kāi)口部，所述通道部包括形成于中心部且從第一面向第二面突出而形成的反應(yīng)氣體通道以及在突出于上述第二面的上述反應(yīng)氣體通道之間形成的冷卻水通道，所述開(kāi)口部以與上述通道部成一體的方式設(shè)在上述通道部的四側(cè)面邊部， 并在相向的兩側(cè)面分別形成有貫通上述第一面和第二面；以及高分子材質(zhì)的歧管-墊片組件，在上述開(kāi)口部，為了反應(yīng)氣體和冷卻水的供給及排出而形成有以分割的空間具備的歧管部，在上述金屬本體部的邊部及需要密封的部位，與上述歧管部形成一體地形成有墊片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用金屬分離板，其特征在于，上述開(kāi)口部包括流入開(kāi)口部，其形成為只使上述金屬本體部的上述相向的兩側(cè)面中的一側(cè)邊部殘留的形態(tài)，從而提供反應(yīng)氣體和冷卻水所流入的通路；以及排出開(kāi)口部，其形成為只使上述金屬本體部的上述相向的兩側(cè)面中的另一側(cè)邊部殘留的形態(tài)，使經(jīng)由上述反應(yīng)氣體通道及上述冷卻水通道流出的上述反應(yīng)氣體和上述冷卻水排出ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用金屬分離板，其特征在于，上述歧管部形成為嵌入上述開(kāi)口部的邊部的形態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用金屬分離板，其特征在于，上述歧管部包括用于分割上述開(kāi)口部的分割部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用金屬分離板，其特征在于，包括反應(yīng)氣體流入/排出孔，所述反應(yīng)氣體流入/排出孔形成于上述通道部和上述開(kāi)口部之間，并以一體方式形成于上述歧管-墊片組件上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池用金屬分離板，其特征在于，上述反應(yīng)氣體流入/排出孔包括以“S”字形貫通上述歧管部的第一面和第二面的氣體流入/排出結(jié)構(gòu)。
7.一種燃料電池堆棧，其特征在于，通過(guò)多個(gè)由如權(quán)利要求1所述的金屬分離板及膜_電極接合體形成的接合結(jié)構(gòu)層壓而成。
8.一種燃料電池堆棧，其特征在于，包括層壓結(jié)構(gòu)物，其通過(guò)兩個(gè)如權(quán)利要求1所述的金屬分離板以各自的第一面相向的形態(tài)接合而成；以及膜_電極接合體，其形成于上述層壓結(jié)構(gòu)物的上部。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池用金屬分離板及具有該金屬分離板的燃料電池堆棧，本發(fā)明的燃料電池用金屬分離板，其包括金屬本體部，其具有通道部和開(kāi)口部，上述通道部包括形成于中心部且從第一面向第二面突出而形成的反應(yīng)氣體通道以及在突出于上述第二面的上述反應(yīng)氣體通道之間形成的冷卻水通道，上述開(kāi)口部以與上述通道部成一體的方式設(shè)在上述通道部的四側(cè)面邊部，并在相向的兩側(cè)面分別形成有貫通上述第一面和第二面；以及高分子材質(zhì)的歧管-墊片組件，在上述開(kāi)口部，為了反應(yīng)氣體和冷卻水的供給及排出而形成有以分割的空間具備的歧管部，在上述金屬本體部的邊部及需要密封的部位，與上述歧管部形成一體地形成有墊片，并且，提供包括以一體方式形成于上述歧管-墊片組件的反應(yīng)氣體流入/排出孔，從而使得經(jīng)由反應(yīng)氣體通道及冷卻水通道流動(dòng)的反應(yīng)氣體及冷卻水的流動(dòng)更加順暢，能夠確保金屬分離板的剛性，并提高金屬分離板的耐久性。
文檔編號(hào)H01M8/24GK102473927SQ200980160727
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者全俞鐸, 金基貞 申請(qǐng)人:現(xiàn)代Hysco株式會(huì)社