用于燃料电池隔离器的制造方法与流程

本发明涉及用于燃料电池隔离器的制造方法，其中，在芯构件的表面上形成包含热固性树脂的涂层。

背景技术：

在燃料电池(有时也称为燃料电池堆)中，通过将电解质膜夹在阳极与阴极之间来制成单电池(也称为燃料电池的单元)，通过经由隔离器分别堆叠(层叠)多个单电池来制成燃料电池。

例如，聚合物电解质燃料电池中的燃料电池的每个单元包括由离子可渗透电解质膜制成的膜电极组件(mea)以及将电解质膜夹在中间的阳极侧催化剂层(电极层)和阴极侧催化剂层(电极层)。在mea的两侧上形成气体扩散层(gdl)，以提供燃料气体或氧化剂气体并且还收集通过电化学反应生成的电。在两侧上设置有gdl的膜电极组件被称为膜电极&气体扩散层组件(mega)，并且mega由一对隔离器夹在中间。mega是燃料电池的发电部件，当没有设置气体扩散层时，mea用作燃料电池的发电部件。

在每个燃料电池隔离器中，通常在其表面上设置涂层，以降低表面电阻(确保导电性)，以确保耐腐蚀性等。同时，隔离器被加压成在截面视图中的波形状或不平坦形状，使得形成用作气体(氢气、氧气等)的流动通道的凹槽(气体流动通道)。

作为燃料电池隔离器的制造方法，例如，已知以下方法：在用作芯构件的金属基板上形成包含树脂和导电填料的混合物的导电树脂层，然后通过加压来形成突出部和凹槽部以形成气体流动通道(例如，参见下面的日本未审查专利申请公开no.2007-324146(jp2007-324146a))。此外，已知以下方法：在用作芯构件的金属板的表面上层叠导电浆料，通过压模在导电浆料中形成设置有气体流动通道的模制层，然后将模制层固化以形成树脂层(例如，参见下面的日本未审查专利申请公开no.2005-317388(jp2005-317388a))。

技术实现要素：

然而，在根据jp2007-324146a和jp2005-317388a中描述的相关技术的制造方法中，在分开的步骤中执行在芯构件上形成树脂层和形成气体流动通道。这引起制造时间变得更长的问题，因此降低了产率。

本发明提供了一种用于燃料电池隔离器的制造方法，通过该方法有效地提高了燃料电池隔离器的产率。

本发明的方面涉及一种用于燃料电池隔离器的制造方法，在该燃料电池隔离器中形成有由热固性树脂层制成的涂层并且设置有气体流动通道。用于燃料电池隔离器的制造方法包括：作为制备步骤，制备隔离器构件，在所述隔离器构件中，在芯构件的表面上设置未固化的热固性树脂层；以及作为热压步骤，在加热隔离器构件的同时对隔离器构件施压，使得在未固化的热固性树脂层被固化的同时在隔离器构件中形成气体流动通道。

可以在用于热压步骤的模具中设置释放部。在热压步骤中，在允许未固化的热固性树脂在释放部中流动的同时，未固化的热固性树脂层可以被固化且可以在隔离器构件中形成气体流动通道。

此外，芯构件可以由钛或不锈钢sus制成，用于热压步骤的加热温度可以在180℃和210℃之间的范围内。

此外，未固化的热固性树脂层的厚度可以大于隔离器构件中的芯构件的厚度。

此外，芯构件的厚度可以在40μm和70μm之间的范围内，形成在芯构件的两个表面上的未固化的热固性树脂层的厚度的总和可以在50μm和300μm之间的范围内。

根据本发明，隔离器构件的涂层(热固性树脂层)被固化，并且同时形成气体流动通道。因此，减少了制造所需的时间(步骤)，从而有效地提高了燃料电池隔离器的产率。

附图说明

下面将参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是设置有隔离器的燃料电池堆的主要部分的截面图；

图2是隔离器的内部结构的主要部分的放大截面图；

图3是示出隔离器的制造步骤的概要的流程图；以及

图4是隔离器的主要部分的放大截面图，该图示出了隔离器的制造步骤中的热压步骤的概要。

具体实施方式

在下文中，基于附图中所示的实施方式的示例来详细描述本发明的构造。作为示例，下面描述本发明应用于安装在燃料电池交通工具中的燃料电池或包括燃料电池的燃料电池系统的情况。然而，本申请的范围不限于该示例。

包括隔离器的燃料电池堆的结构

图1是燃料电池堆10的主要部分的截面图。如图1所示，在燃料电池堆10中层叠了多个单电池1，每个单电池1用作基本单元。每个单电池1是通过氧化剂气体(例如，空气)与燃料气体(例如，氢气)之间的电化学反应而生成电动势的聚合物电解质燃料电池。单电池1设置有mega2以及与mega2接触以将mega2隔开的一对隔离器(燃料电池隔离器)3。在该实施方式中，mega2夹在隔离器3之间。

mega2通过将膜电极组件(mea)4与设置在膜电极组件4的两个表面上的气体扩散层7成为一体来制成。膜电极组件4包括电解质膜5以及接合至电解质膜5以将电解质膜5夹在中间的一对电极6a、6b。电解质膜5由从固体聚合物材料形成的具有质子导电性的离子交换膜制成，电极6a、6b由例如支承催化剂如铂的多孔碳质材料形成。设置在电解质膜5的一侧上的电极6a用作阳极，而设置在另一侧上的电极6b用作阴极。每个气体扩散层7由诸如碳纸或碳布的多孔碳体或者具有透气性的导电构件如金属网和泡沫金属制成。

在该实施方式中，mega2用作单电池1的发电部件，隔离器3分别与mega2的气体扩散层7接触。此外，当省略气体扩散层7时，膜电极组件4用作发电部件，在这种情况下，隔离器3与膜电极组件4接触。因此，单电池1的发电部件包括膜电极组件4并且与隔离器3接触。

每个隔离器3是板状构件。隔离器3的芯构件(基材)是在导电性和不透气性方面极好的金属(例如，诸如不锈钢sus、钛、铝、铜、镍的金属)。隔离器3的第一表面侧与mega2的气体扩散层7接触，隔离器3的第二表面侧与相邻的隔离器3的第二表面侧接触。

在该实施方式中，如图2中的放大视图所示，在每个隔离器3(芯构件3a)的第一表面侧和第二表面侧(与mega2的气体扩散层7接触的表面以及与相邻的隔离器3的第二表面侧接触的表面)上分别形成有涂层3b。每个涂层3b形成为由热固性树脂层制成的导电膜，其中碳粉(粉状碳)被揉在热固性树脂中。为了确保粘合等，可以在构成隔离器3的芯构件3a和涂层3b之间设置中间层(未示出)。

涂层3b仅需要具有导电性、耐腐蚀性等，形成涂层3b的热固性树脂可以是酚醛树脂、尿素树脂、蜜胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂等。涂层3b的厚度没有特别限制，但是可以在例如约0.01mm和0.2mm之间，或者更广泛地，约0.01mm和0.3mm之间。此外，构成隔离器3的芯构件3a的厚度(板厚度)没有特别限制。然而，在例如40μm和70μm之间的范围内，才能确保强度。当在仅有芯构件3a的情况下强度不够时，可以增加涂层3b的厚度，以及可以在芯构件3a与涂层3b之间没有任何间隙的情况下层叠芯构件3a和用作树脂层的涂层3b。因而，确保了必要的强度。

在该实施方式中，每个隔离器3(的截面形状)形成为波形状或不平坦形状。在隔离器3的形状中，波形状形成等腰梯形，波的顶几乎是平的，顶的两端具有角度相等的角形状。这意味着：当从前侧和后侧观察时，每个隔离器3具有几乎相同的形状。隔离器3的顶与mega2的第一气体扩散层7表面接触，并且隔离器3的顶与mega2的第二气体扩散层7表面接触。

隔离器3如下制成。通过将碳粉揉在热固性树脂中而制成的糊形式的浆料(未固化的热固性树脂层)被涂敷到芯构件3a的表面(两个表面)并且被干燥，从而形成隔离器构件3c(参见图4)。隔离器构件3c在被加热的同时通过模具被加压，由此对未固化的热固性树脂层进行固化。因此，涂层3b分别形成在芯构件3a的表面上，并且形成前述形状(发生塑性变形)(稍后详细描述)。

在第一电极(阳极)6a侧上的气体扩散层7与隔离器3之间限定的气体流动通道21是燃料气体流动的流动通道。在第二电极(阴极)6b侧上的气体扩散层7与隔离器3之间限定的气体流动通道22是氧化剂气体流动的流动通道。穿过单电池1的彼此面对的气体流动通道21和气体流动通道22中，燃料气体被提供至气体流动通道21，氧化剂气体被提供至气体流动通道22。因此，在单电池1中发生电化学反应，生成电动势。

此外，单电池1之一和另一个相邻的单电池1被布置成使得用作阳极的电极6a和用作阴极的电极6b彼此面对。在背面侧上的隔离器3——该隔离器3沿着用作单电池1之一的阳极的电极6a设置——的顶与在背面侧上的隔离器3——该沿着用作另一个单电池1的阴极的电极6b设置——的顶彼此表面接触。在相邻的两个单电池1之间存在在表面接触的隔离器3之间限定的空间23。在空间23中，用作冷却单电池1的冷却剂的水流动。

隔离器的制造步骤

接下来，描述隔离器3的制造方法。图3是隔离器的制造步骤的概要流程的图。图4是隔离器的主要部分的放大截面图，该图示出了制造步骤中的热压步骤的概要。

如图3所示，在制造隔离器3中，制备隔离器构件(s31：制备步骤)。在隔离器构件中，在芯构件3a的表面上分别设置未固化的热固性树脂层。具体地，通过以下操作来制备隔离器构件：在用作芯构件3a的金属箔(例如，具有约50μm的板厚度的钛材料、tic材料或者sus材料)的两个表面上涂敷糊形式的浆料(热固性树脂层)并且使浆料干燥。通过将碳粉揉在热固性树脂中来获得浆料。

在稍后描述的热压步骤(s31)中，热固性树脂层被固化，同时形成气体流动通道。因此，优选地，每个未固化的热固性树脂层的厚度大于芯构件3a的厚度。例如，优选地，在隔离器构件中，芯构件3a的厚度在40μm和70μm之间的范围内，形成在芯构件3a的两个表面上的未固化的热固性树脂层的厚度的总和在80μm和160μm之间(芯构件3a的一个表面上的厚度例如在40μm和80μm之间)或者在50μm和300μm之间的更广的范围内。在这种情况下，隔离器构件的整个厚度(板厚度)例如在约120μm和230μm之间，或者更广地，在约120μm和670μm之间。

接下来，例如，通过使用模具(压模)在被加热时(也被称为温热成形)对设置有未固化的热固性树脂层的隔离器构件施压(s32：热压步骤)。在模具中，嵌入加热器(筒式加热器、蒸汽加热器、油加热器等)，并且安装温度控制器。温度控制器能够将温度增加到固化隔离器构件的热固性树脂(热固性树脂层)所必需的水平并且保持基本上恒定的温度。因此，未固化的热固性树脂层在未固化的热固性树脂流动的同时被固化，以遵循芯构件3a的变形。隔离器构件被形成为具有波形状或不平坦形状(在从给定方向看的截面图中)，从而形成气体流动通道。例如，当芯构件3a由钛或sus制成并且形成热固性树脂层的热固性树脂是酚醛树脂时，温度控制器将隔离器构件的加热温度(固化温度)保持在180℃和210℃之间的范围内。因此，可以确保抑制芯构件3a的弯曲。热压步骤(s32)之后的隔离器构件(所形成的隔离器3)的整个厚度(板厚度)是例如约100μm。

在热压步骤(s32)中，为了防止模具由于隔离器构件(特别是隔离器构件中的未固化的热固性树脂层)的厚度变化而被抬起(或被载起)，可以设置释放部n(参见图4)。利用释放部n，允许隔离器构件3c的热固性树脂(热固性树脂层)的一部分，由于热压步骤(s32)中的压缩而从热固性树脂生成的气体等漏出(流动)。例如，释放部n可以由形成在模具的表面(加压表面)中的坑部、凹部以及凹槽构成。因此，即使当隔离器构件3c(特别是隔离器构件3c中的未固化的热固性树脂层)的厚度不均匀时，也可以获得具有期望板厚度(几乎均匀的板厚度)的隔离器3。

设置释放部n的位置不受特别限制(这意味着该位置可以对应于每个隔离器3的顶或支柱部)。然而，考虑到对电阻的影响，优选地，如图4所示，释放部n设置在例如与每个隔离器3的顶对应的部分(平坦部分)中。释放部n的数量和尺寸(深度、宽度等)不限于图中所示的示例中的数量和尺寸。

在热压步骤(s32)之后，执行对隔离器构件的不必要部分的模切，然后进行洗涤、检查等步骤。从而获得隔离器3。

如目前为止所描述的，在该实施方式中，隔离器构件的涂层3b(热固性树脂层)被固化，并且同时形成气体流动通道。因此，可以缩短制造所需的时间(步骤)，从而有效地提高燃料电池隔离器3的产率。此外，由于使用同一装置来固化涂层3b(热固性树脂层)并且形成气体流动通道，因此不必准备单独的装置。这也有效地提高了产率。特别地，由于假设数百个燃料电池隔离器3用于一个燃料电池堆10，因此对燃料电池堆10的产率提高的贡献非常大。

在该实施方式中，与根据jp2007-324146a、jp2005-317388a等中描述的相关技术的制造方法相比，还存在以下效果。

在根据相关技术的方法中，其中，在加压之前在芯构件的两个表面上形成(沉积)涂层(例如，参见jp2007-324146a)，芯构件由于在加压时的加压而延伸(大约几十个百分比)。然而，在加压之前在芯构件的两个表面上形成的涂层几乎不延伸。因此，涂层可能破裂并脱落。相对地，在该实施方式中，涂层通过如下操作形成：热固性树脂层在通过热固性树脂的加温成形来形成(变形)隔离器构件的同时被被固化。因此，防止涂层破裂及脱落。

此外，例如，与根据相关技术的制造方法相比，热压步骤(s32)的加热温度(温热成形温度)被抑制(例如，在约180℃至210℃之间)。因此，可以抑制由于加热引起的变形而导致芯构件3a的弯曲，并且缩短温热成形所需的时间。

此外，在热压步骤(s32)中，在未固化的热固性树脂被固化的同时，在隔离器构件中形成气体流动通道。因此，抑制了芯构件3a的弯曲，从而板厚度减少更小(特别参见图2和图4)。这得到可成形性的改进。

此外，由于未固化的热固性树脂覆盖芯构件3a，因此具有如下优点：即使担心sus材料等可能具有金属洗脱、电腐蚀、点腐蚀等，存在sus材料等仍然可用。

已经参考实施方式的附图详细描述了本发明。然而，具体的构造不限于该实施方式的构造，并且在本发明的主旨内的设计变化等也包括在本发明中。