专利名称：燃料电池的气体分离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池的气体分离器和采用这种气体分离器的燃料电池以及生产用于燃料电池的气体分离器的方法。更具体而言，本发明涉及在燃料电池组(fuel cells stack)中(包括一个叠在另一个上面的许多单元电池)放置在相邻单元电池之间的气体分离器，所述气体分离器与相邻的组件结合以限定气体燃料的流路或氧化性气体的流路，并且从氧化性气流中分离出气体燃料流。本发明还涉及使用这种气体分离器的燃料电池以及制造燃料电池的气体分离器的方法。
燃料电池的气体分离器通常具有一个预定的波纹结构，在燃料电池组中所述结构与相邻组件结合以限定气体燃料的流路和氧化性气体的流路。提出的一种方法生产具有这种波纹结构并且通过压模金属板由金属材料组成的气体分离器(例如，日本公开特许公报第7-161365)。这种方法通过简单的压模来生产燃料电池的气体分离器，因而简化并缩短了生产流程，提高了生产率并防止制造成本的增加。
当将薄金属板压模成在其两面具有预定波纹形状的气体分离器时，压模金属板导致所得气体分离器变形。在通过将所需组件一个叠在另一个上面得到的燃料电池装置中，所述变形的气体分离器可能引起随相邻组件不同气体分离器的各个接触面的压力不同。加入燃料电池的变形的气体分离器的变形使得气体分离器与相邻组件接触的区域具有较小的平面压力。在这样的区域中，气体分离器与相邻组件的接触面大大降低，从而降低了活化燃料电池中的导电性并且增大了内阻。即它破坏了燃料电池的性能。平面压力低的区域也使导热性下降，这将引起燃料电池的内部温度的变化并进一步破坏所述燃料电池的性能。在包含变形的气体分离器的燃料电池装置中，不能充分保证在所述气体分离器的周围区域中的气密性能。
因此，本发明的目的是解决上面的问题，并且防止燃料电池的气体分离器、使用这种气体分离器的燃料电池以及在制造燃料电池的气体分离器的方法中发生变形。
本发明的第一气体分离器通过相互粘接具有预定波纹形状的两块薄板来得到。所述两块薄板相互补偿由于形成波纹形状而引起的潜在变形，从而减小所得气体分离器的变形。与在一块板的两面均形成波纹形状的先有技术的配置(arrangement)相比，将两块薄板连在一起以分别在所得气体分离器的各个面上形成波纹形状的所述配置，在气体分离器的波纹形状的设计中具有较大的自由度。与先有技术的配置相比，本发明的配置也减小了气体分离器的总厚度。在先有技术的配置中，需要具有足够厚度的板从而在所得分离器的两面上形成波纹结构。本发明的气体分离器不需要这种厚板。使用具有轻微变形的气体分离器，使基本均匀的平面压力施加到包括在燃料电池装置内的各个单元电池上。这种配置有效地防止了由于平面压力的部分降低而导致的内阻增加，并确保所述燃料电池具有足够的性能。
在这个气体分离器中，如果存在由两块薄板界定的空间，那么所述空间需要用导电材料进行填充。
本配置提高了气体分离器的强度并减小了所得气体分离器的所需厚度。这种配置也提高了所述气体分离器总的导电性并改进了包括这些气体分离器的所得燃料电池的性能。这种配置进一步提高了气体分离器总的导热性。所述提高的导热性使内部温度在包括这些分离器的燃料电池装置的起动时快速上升，从而缩短所述燃料电池的等待时间。所述提高的导热性也改进了在燃料电池内部循环的冷却水的冷却效率，从而使燃料电池的内部温度保持在基本恒定的水平上。
在本发明燃料电池的第一气体分离器中，各块薄板可以为金属薄板。这种配置对减小所得气体分离器的潜在变形产生了更明显的效果。与其它材料如碳质材料相比，金属材料具有更大的强度，并因而有利于减小所得气体分离器的所需厚度。在压模过程中，金属材料产生明显的变形。在本发明中燃料电池的第一气体分离器配置在金属薄板的应用，尤其确保了更有效地防止潜在变形。
在本发明燃料电池的气体分离器中，在燃料电池中通过由预定的波纹形状限定的流路中的流体选自含氢的气体燃料、含氧的氧化性气体以及用来冷却燃料电池内部的冷却流体。
本发明也涉及第一燃料电池组，它接受含氢的气体燃料和含氧的氧化性气体的进料，并通过电化学反应产生电动势。所述燃料电池组包括根据权利要求1至4中任一项的燃料电池的气体分离器。
本发明的第一燃料电池组包括具有轻微变形的气体分离器。该配置使基本均匀的平面压力施加到所述燃料电池组的各个单元电池上，从而有效防止由于平面压力部分降低而导致的内阻增加并确保了燃料电池具有足够的性能。
本发明进一步涉及制造燃料电池的气体分离器的第一种方法，其中所述燃料电池用许多组件(包括电解质层和电极层)层压而成，并且气体分离器以一个组件的形式包括在燃料电池中并且具有在两面形成的预定波纹形状以限定通过燃料电池内部的流体的流路。第一种方法包括以下步骤(a)提供具有在其各自一个面上形成预定波纹形状的两块薄板；和(b)通过它们各自的另一面将两块薄板相互连接以形成气体分离器。
本发明的第一种方法提供了通过相互连接具有预定波纹形状的两块薄板得到的气体分离器。这两块薄板相互补偿由于形成波纹形状而出现的潜在变形，因而减小了所得气体分离器的变形。与在一块板的两面均形成波纹形状的先有技术配置相比，将两块薄板连接在一起以分别在所得气体分离器的各个面上形成波纹形状的所述配置，在气体分离器表面的波纹形状的设计上具有较大的自由度。与先有技术的配置相比，本发明配置也减小了气体分离器总的厚度。在先有技术的配置中，需要具有足够厚度的一块板从而在所得分离器的两面均形成波纹形状。而本发明的气体分离器并不需要这样的厚板。
根据本发明的第一种方法的一个优选应用，在步骤(b)的将两块薄板相互连接的方法中，如果存在由两块薄板限定的空间，那么将导电材料插入两块薄板之间以填充所述空间。这种配置使气体分离器具有较高的强度和较小的厚度。这种配置也提高了所得气体分离器的导电性和导热性。
本发明也涉及制造燃料电池的气体分离器的第二种方法，其中所述燃料电池由包括电解质层和电极层的许多组件层压而成，并且气体分离器以一个组件的形式包括在燃料电池中并且具有在两个面上形成的所述波纹形状用以限定通过燃料电池内部的流体的流路。第二种方法包括以下步骤(a)提供两块薄板；(b)通过置于两块薄板之间的导电材料将两块薄板一块叠在另一块上面；和(c)对两块薄板(通过导电材料将一块叠在另一块上面)进行压模并连接在一起，从而在连接在一起的两块薄板的表面上形成预定波纹形状。
本发明的第二种方法将两块薄板相互粘接起来，同时对所述薄板进行压模。通过压模在两块薄板的各自表面上形成预定波纹形状。所述两块薄板相互补偿由于形成波纹形状而出现的潜在变形，因而减小了所得气体分离器的变形。如同本发明的第一种方法那样，这种配置确保了在设计气体分离器表面上的波纹形状设计时的较大自由度，并减小了所得气体分离器的所需厚度。
在本发明的第一种或第二种方法中，各块薄板可以为金属薄板。这种配置进一步提高了对气体分离器变形的预防效果。压模金属板通常产生明显的变形。本发明方法在金属板中的应用，在减小潜在变形上获得了显著的效果。
本发明进一步涉及燃料电池的第二气体分离器，该燃料电池由包括电解质层和电极层的许多组件层压而成。气体分离器以一个组件的形式包括在燃料电池中并且具有在其表面形成的预定波纹形状，从而限定通过燃料电池内部的流体的流路。第二气体分离器包括由薄板组成并且具有通过所述分离器基板单元厚度的许多孔的分离器基板单元；和主要由导电材料组成，并且分别插入到各个孔中从而在分离器基板单元的至少一个面上形成凸形结构的插入组件。
在本发明燃料电池的第二气体分离器中，通过使用插入组件在气体分离器的表面形成预定波纹形状，所述插入组件与分离器基板单元相互独立。这种配置有效地防止了由于形成波纹形状而出现的潜在变形。也就是说引起变形的弯曲力和张力没有施加到包括在所述气体分离器中的分离器基板单元上。
在其两面具有预定波纹形状的燃料电池的气体分离器中，安装在各个孔中的插入组件从分离器基板单元的两个面突出以形成凸形结构，从而在气体分离器的两个面的相同位置上限定所述预定波纹形状。在燃料电池的气体分离器(在一个面上形成预定波纹形状，另一个面为平面)中，安装在各个孔中的插入组件仅从一个面突出，而不从另一个面突出。插入组件由导电材料组成。在插入组件确保气体分离器所需的足够的导电性的情况下，分离器基板单元无需具有导电性。它扩展了用于分离器基板单元的适用材料的选择范围。
本发明也涉及第二燃料电池组，它接受含氢的气体燃料和含氧的氧化性气体的进料并且通过电化学反应产生电动势。所述燃料电池组包括根据权利要求10的燃料电池的气体分离器。
本发明的第二燃料电池组包括具有轻微变形的气体分离器。这种配置导致施加到燃料电池组的每个单元电池的平面压力基本相同，从而有效地防止了由于平面压力的部分降低而引起的内阻增加，并确保了燃料电池足够的性能。
本发明进一步涉及制造燃料电池的气体分离器的第三种方法，其中燃料电池由包括电解质层和电极层的许多组件层压而成，并且所述气体分离器以一个组件的形式包括在燃料电池中并且具有在其表面形成的预定波纹形状，用于限定通过燃料电池内部的流体的流路。第三种方法包括以下步骤(a)提供由薄板组成的分离器基板单元；(b)在预定位置对分离器基板单元穿孔以形成通过分离器基板单元厚度的许多孔；和(c)将插入组件(主要由导电材料组成)分别插入许多孔中，从而在分离器基板单元的表面上形成预定波纹形状。
本发明的第三种方法采用与分离器基板单元相分离的插入组件，从而在燃料电池的气体分离器的表面上形成预定波纹形状。这种配置有效地防止了由于形成波纹形状而使所得的气体分离器出现潜在变形。即引起变形的弯曲力或张力没有施加到包括在气体分离器中的分离器基板单元上。
在本发明的第三种方法中，例如，在步骤(b)中对分离器基板单元进行穿孔，在步骤(c)中将插入组件压制安装到许多孔内并在预定位置上进行切屑以形成预定波纹形状。这种方法通过简单工艺如穿孔、压配和切屑来制造燃料电池的气体分离器。与将金属板或碳质材料压模成气体分离器的先有技术方法相比，这种配置简化并缩短了制造过程。与弯曲并拉伸板件的常规的制造方法相比，采用了如穿孔、压配和切屑工艺的这种方案确保了在形成波纹形状时精度的提高。
根据本发明第三种方法的一个优选应用，每个孔和插入其中的插入组件均具有基本圆形的截面。
这种配置使插入组件分别插入到众多孔中的定位更容易。容易制备具有基本圆形截面的条形组件。它扩展了用作插入组件的条形组件的尺寸选择的范围(即条形组件的直径)，因而可以任意调节波纹形状的精度。较小直径的组件形成更精细的波纹形状。因而本申请的第三种方法使得在气体分离器的表面上容易形成具有高精度的更精细的波纹形状。
图7为第二个实施方案的分离器130的剖视图；图8为分离器130表面的平面图；图9为分离器130的制造方法；
图10为分离器130周围区域附近的截面的一部分；和图11为分离器30的第二种制造方法；
在本发明的第一个优选实施方案中，采用分离器30的燃料电池为电池组结构，其中许多单元电池一个叠在另一个上面。图2为一个剖视图，说明了作为燃料电池单元组件的单元电池28的结构。图3为单元电池28的结构的分解透视图。图4为一个透视图，说明了由一个叠在另一个上面的单元电池28所得电池组结构14的外形。
本发明燃料电池为聚合物电解质燃料电池，所述电池各自包括一种作为电解质层的固体聚合物膜，它们在湿态下具有良好的导电性。每个燃料电池接受含氢气体燃料的进料(阳极)和含氧的氧化性气体的进料(阴极)，这样在燃料电池中进行如下所示电化学反应(1)(2)(3)
方程式(1)代表阳极反应，方程式(2)代表阴极反应。因此方程式(3)为燃料电池的总反应。如本领域所熟知的那样，所述燃料电池将向其进料的燃料的化学能直接转换为电能，并且具有极高的能源效率。如图2所示，每个单元电池28(燃料电池的单元组件)，包括电解质膜21、阳极22、阴极23和一对分离器30a和30b。
阳极22和阴极23为置于电解质膜21上从而形成三明治结构的气体扩散电极。该对分离器30a和30b也置于这种三明治结构中并且各自与阳极22和阴极23结合以限定气体燃料和氧化性气体的流路。气体燃料的流动管路24P由阳极22和分离器30a限定，而氧化性气体的流动管路25P由阴极23和分离器30b限定。将预定数量的单元电池28以一个叠在另一个上面的方式放置以形成作为燃料电池装置的电池组结构14。
尽管只是在图2的各个分离器30a和30b的单面对用来限定气体流路的肋进行了说明，但在图3所示的实际燃料电池中，在分离器30a和30b的两个面上形成肋54和55。在各个分离器30a和30b的一个面上形成的肋54与相邻阳极22结合以限定气体燃料流动管路24P。在各个分离器30a和30b的另一个面上形成的肋55与相邻单元电池28的阴极23结合以限定氧化性气体的流动管路25P。分离器30a和30b各自与相邻的气体扩散电极结合以限定气体流动管路，并且也用来将气体燃料流从位于相邻各对单元电池之间的氧化性气体流中分离出来。在实际的燃料电池装置中，分离器30a和30b的形状或功能之间不存在区别。此后将分离器30a和30b通称为分离器30。
在每个分离器的面上形成的肋54和55可以具有任意形状，它们用来限定气体的流路并且将气体燃料进料和氧化性气体进料加入到相应的气体扩散电极中。在图2和图3的实例中，在每个分离器的面上分别形成许多平行槽形式的肋54和55。图2图示了单元电池28的结构，气体燃料的流动管路24P和氧化性气体的流动管路25P显示出来是平行的。另一方面，在图3中图示了在各个分离器30的面上形成的相互垂直的肋54和55。肋54和55可以具有与这些构型不同的结构。每个分离器30通过相互连接压模的基板对62和64来获得(如后所述)，这样肋54和55可以具有通过压模获得的任意形状。
电解质膜21为由聚合物电解质材料如氟树脂构成的质子传导的离子交换膜，并且在湿态下具有良好的导电性。在这个实施方案中采用Nafion(由杜邦公司生产)膜作为电解质膜21。铂或含有铂和其它金属的铂合金用作电解质膜21表面上的催化剂。
阳极22和阴极23由碳布组成，所述碳布由碳纤维纱织成。阳极22和阴极23可以由碳纸或也由碳纤维(而不是这个实施方案中的碳布)组成的碳毡组成。
如前所述，分离器30具有在金属基板单元60内部形成的填料单元66和盖在基板单元60上的涂层68。在分离器30具有在其周围形成的四个槽孔，即气体燃料槽孔50和51，其与肋54相互连接以限定气体燃料的流动管路34P，氧化性气体槽孔52和53，其与肋55相互连接以限定氧化性气体流动管路35P。在燃料电池装置中，分离器30的气体燃料槽孔50和51分别形成气体燃料进料歧管和气体燃料排放歧管，它们以燃料电池组的层压方向贯穿其间。以相似的方式，分离器30的氧化性气体的槽孔52和53分别形成氧化性气体的进料歧管和氧化性气体的排放歧管，它们以燃料电池组的层压方向贯穿其间。
在具有如上所述组件的燃料电池的装配过程中，将分离器30、阳极22、电解质膜21、阴极23和分离器30以一个叠在另一个上面的次序依次放置以形成一个单元电池层压制品。集电板36和37、绝缘板38和39以及端板40和41也放置在单元电池层压制品中。图4显示了这种完整的电池组结构14。集电板36和37分别具有输出终端36A和37A以输出在燃料电池组中产生的电动势。
如图4所示，端板40具有两个孔；即气体燃料孔42和氧化性气体孔44。与端板40相邻的绝缘板38和相邻的集电板36在与端板40两个孔相对的位置也具有两个孔。气体燃料孔42开向分离器30的气体燃料槽孔50的中心的对应位置。当激活所述燃料电池组时，气体燃料孔42与未标出的燃料进料单元相连从而将富氢气体燃料导入燃料电池中。以相似的方式，氧化性气体孔44开向分离器30的氧化性气体槽孔52的中心的对应位置。当激活所述燃料电池组时，氧化性气体孔44与未标出的氧化性气体的进料单元相连从而将含氧的氧化性气体导入所述燃料电池中。
在加入各自气体之前，气体燃料进料单元和氧化性气体进料单元将各自气体增湿并加压至预定水平。与所述实施方案的燃料电池相连的气体燃料进料单元提供富氢气体(如由碳氢化合物如甲醇重整所得的气体)作为气体燃料。高纯度氢气可以用作气体燃料。氧化性气体进料单元提供含有足够浓度的氧的气体，如空气。
端板41具有两个孔(具体位置不同于端板40的孔)。绝缘板39和集电板37也具有与端板41两个孔的位置对应的两个孔。在端板41上形成的一个孔为气体燃料孔，它开向与分离器30的气体燃料槽孔51中心的对应位置。在端板41上形成的另一个孔为氧化性气体孔，它开向与分离器30的氧化性气体槽孔53中心的对应位置。当激活所述燃料电池组时，在端板41上形成的气体燃料孔与未标出的气体排放单元相连，而在端板41上形成的氧化性气体孔与未标出的氧化性气体排放单元相连。
包括如上所述各个组件的电池组结构14在层压方向上以预定的压力固定。这样便制成燃料电池的电池组。在所述说明中没有提及电池组结构14的压制图。
以下描述在如上所述的燃料电池组中的气体燃料的流动与氧化性气体的流动。通过在端板40上形成的气体燃料孔42，将气体燃料进料从上面所述的气体燃料进料单元导入燃料电池中。在燃料电池中，通过气体燃料进料歧管，将气体燃料流导入各个单元电池28的气体燃料流动管路24P中，并在各个单元电池28的阳极上进行电化学反应。从气体燃料流动管路24P出来的气体燃料流被收集到气体燃料排放歧管中，到达在端板41上形成的气体燃料孔，并从这个气体燃料孔排放到燃料电池的外面，导入如上所述的气体燃料排放单元中。
以相似的方式，通过在端板40上形成的氧化性气体孔44，将氧化性气体进料从氧化性气体的进料单元导入到燃料电池中。在燃料电池中，通过氧化性气体进料歧管，将氧化性气体流导入到各个单元电池28的氧化性气体流动管路25P中，并在各个单元电池28的阴极上进行电化学反应。从氧化性气体流动管路25P出来的氧化性气流被收集到氧化性气体排放歧管中，到达在端板41上形成的氧化性气体孔，并从这个氧化性气体孔排放到如上所述的氧化性气体排放单元中。
上面的描述只是涉及加入燃料电池的气体燃料和氧化性气体的流路和流动情况。实际燃料电池还包括冷却水流路(冷却水流过其中)。如前所述，通过在燃料电池中进行的电化学反应，加入燃料电池的燃料的化学能转换为电能。化学能向电能的所述转换不完全，不能转换为电能的残余能量以热的形式被释放。因此燃料电池在放电的同时还连续产生热量。为保持燃料电池的驱动温度在一个合适的温度范围内，通常在燃料电池中形成一条冷却水流路，从而使冷却水在燃料电池中流动并移走多余的热量。
除了图3所示的气体燃料槽孔50和51以及氧化性气体槽孔52和53之外，本实施方案的分离器30具有用于限定冷却水流路的两个孔(未标出)。各个分离器30(一个叠在另一个上面以组成电池组结构14)的两个孔，形成通过电池组结构14的冷却水流路，从而从电池组内的冷却水流动管路加入或排放冷却水。电池组结构14的燃料电池也包括冷却水流动管路分离器(未标出)，它们各自以预定数量的单元电池一个叠在另一个上面(而不是标准分离器30)，并且在其表面具有波纹结构以限定冷却水流动管路。在冷却水流动管路分离器表面上形成的波纹结构与相邻组件结合以限定电池组中的冷却水流动管路。以每个预定数量的单元电池放置在电池组中的气体流动管路，从由如上所述的孔组成的冷却水流路接受冷却水进料并排放冷却废水。冷却水流动以移走在燃料电池放电时产生的多余热量。
以下描述分离器30的结构，它表征了本发明的主体部分。分离器30具有如上所述的基板单元60(包括两个基板62和64)、填料单元66和涂层68。图5显示了分离器30的制造方法。图5包括分离器30的制造工艺流程图并且图示了流程图的各个步骤。以下将参照图5详细描述分离器30的制造方法。
本方法首先通过压模两块金属板来制备基板62和64(步骤S100)。在这个实施方案中，以1吨/cm2的平面压力对0.3mm厚的不锈钢板进行压模。它将形成对应基板62和64各个面上的肋54和55的凸形。该方法随后将填料置于基板对62和64之间，压制基板62和64从而使基板62和64相互粘合(步骤S110)。即基板62和64通过置于基板62和64之间的填料(在这个实施方案中为热膨胀石墨(thermally expanding graphite))相互连接。这样得到包括在所述空间形成的填料单元66的基板单元60，所述空间由凸形限定并位于基板62和64的各个连接面侧(即对应肋54和55的凸形内表面)。步骤S110采用热膨胀石墨作为填料并压制基板62和64从而使基板62和64相互连接。混凝土法(concrete procedure)使定量的热膨胀石墨位于基板62和64的连接表面侧上，并且在与凸形结构对应的模内，以2吨/cm2的平面压力对基板对62和64以及置于其间的热膨胀石墨进行压制。它将基板对62和64相互连接起来并制成基板单元60，其包括在对应于凸形结构的内部空间形成的、用热膨胀石墨进行填充的填料单元66。
热膨胀石墨是一种为人熟知的碳质材料，并且可以通过加热酸处理的碳质材料如天然石墨或炭黑，使其体积膨胀来获得。热膨胀使热膨胀石墨具有层状结构，应用压力使层状结构各层相互之间紧密相连。因而在压模过程中不需要任何粘合剂。将热膨胀石墨放置于基板对62和64之间并且在模中对基板62和64进行压制的方法，既完成了用热膨胀石墨填充在基板单元60内形成的空间又同时完成了基板62和64相互之间的连接。放置于基板对62和64之间的并且用于步骤S110的压制处理的热膨胀石墨可以粉末或以片状的形式存在。
本方法随后对具有用热膨胀石墨填充内部空间的基板单元60进行表面处理(步骤S120)，从而制成所述分离器30。在本实施方案中采用的表面处理为用碳层涂覆基板单元60以形成涂层68。在具有与基板单元60结构对应形状的模中，通过将热膨胀石墨组成的碳片接触粘接基板单元60的表面来形成涂层68。或者在预定形状的模中，使粉状的热膨胀石墨与基板单元60直接接触粘接。在采用将热膨胀石墨层接触粘接至基板单元60上的方法中，为了确保足够的粘接强度，需要对用于接触粘接的模的内部进行清空。通过机械压制或采用静压可以在模中进行接触粘接。
在制造分离器30的过程中，在步骤S100中，在压模之前或之后在金属板上冲压槽孔(尽管在以上描述中没有特别提及)。通过冲压在金属板上形成气体燃料槽孔50和51以及氧化性气体槽孔52和53。
实施方案30中的制造具有上述结构的分离器30的方法使分离器具有轻微变形。由压模制造的基板62和64具有对应它们的波纹形状的某些变形。两块基板62和64相互之间的粘接矫正了基板62和64各自的变形，从而获得具有轻微变形的基板单元60。将具有轻微变形的分离器用于燃料电池的装置时，燃料电池组的各个单元电池上产生的平面压力基本相同。这种配置有效地防止了由于平面压力的部分降低而导致的内阻的增加，并因此确保了燃料电池组足够的性能。
在这个实施方案中，除了如上所述的防止分离器变形的效果外，制造分离器30的方法还具有与通过压模制造金属分离器的方法相同的其它效果。压模金属板的方法是一种能缩短分离器制造工艺的方便的方法。即这个实施方案的方法使分离器30能通过简单的方法廉价地制造。与碳质材料的分离器相比，这种金属材料具有优异的强度并因此降低了分离器的厚度。这样可以理想地减小整个燃料电池组的尺寸。
这个实施方案的技术通过相互连接两块基板62和64来制造分离器30。这种配置显著地提高了在具有波纹表面的分离器中的自由度。当将一块金属板压模成分离器时，难以在分离器两面的相同区域形成凸形。因而在设计在分离器两面形成的波纹形状时存在一些限制。使用厚的金属板可以确保在分离器的各个面上形成凸形时足够的自由度。然而厚的分离器使整个燃料电池组变得所不希望的庞大并因此变得不实用。这个实施方案的方法通过将两块基板62和64相互粘接来制造分离器30，因而能够在分离器30的两个面上对波纹形状进行没有任何限制的自由设计，并且不增加分离器30的厚度。
在本实施方案的结构中，由两块基板62和64所限定的空间用填料进行了填充。这种配置提高了形成肋54和55的区域的翘曲强度并减小了在电池组结构14中出现的潜在蠕变。由于所述填料提高了形成肋54和55的区域的翘曲强度，因此没有必要增加分离器的厚度来确保足够的强度。用填料对由两块基板62和64限定的空间进行填充的这种配置增加了分离器30的导电性和导热性，因而提高了包括分离器30的燃料电池的性能。采用具有优异导电性的热膨胀石墨作为填料提高了整个分离器的导电性并因此减小了采用这些分离器的燃料电池的内阻。与没有填充所述空间的结构相比，用填料填充所述空间的结构使分离器具有更好的导热性。包括这些分离器的燃料电池通过流贯燃料电池内部的冷却水的流动具有提高的冷却效率。提高的冷却效率使燃料电池的内部温度基本在一个所希望的温度范围保持稳定。所述分离器的提高的导热性使得在燃料电池的起动阶段，整个燃料电池组的内部温度很快升高，因而缩短了燃料电池的等待时间。
图6显示了对采用本实施方案的分离器30的燃料电池装置与采用与分离器30相似的分离器(内部空间没有填料)的燃料电池的装置的性能进行的比较。每个燃料电池装置为100个单元电池的层压制品。如图6所示，随着输出电流密度的增加，即随着相连负载的增加，采用分离器30的燃料电池装置保持了足够水平的输出电压。另一方面，随着相连负载的增加，采用内部空间没有填料的分离器的燃料电池装置的输出电压减小。包括填料单元66的分离器30具有较小的内阻，从而减小了电阻极化并保持足够水平的输出电压。
在上面所述的实施方案中，用填料进行填充的填料单元66放置于连在一起的两块基板62和64之间以提高分离器30的导电性和导热性。然而，只要所得分离器具有在各自允许范围的导电性和导热性，由基板对62和64限定的空间可以不用填料进行填充。即使在这种情况下，将两块基板62和64相互粘接的所述配置仍有效地防止了所得分离器的变形。没有采用填料单元66的情况如人们期望的那样降低了所述分离器总的重量。在没有采用填料单元66的情况下，可以如通过利用振动或超声波的点焊或焊接将基板62和64相互粘连起来。
在本实施方案的分离器30中，两块金属板被压模成基板62和64，在相互连接基板62和64的过程中，将形成填料单元66的填料置于基板对62和64之间。可以调整为在将金属板压模为基板之前，将填料置于两块金属板之间。这种调整以分离器30的第二种制造方法显示于图11中。这种调整的方法首先提供了两块金属板(如在图5所示制造方法的情况下)并将填料(如事先压模成片状的热膨胀石墨)置于两块金属板之间(步骤S300)。该方法随后压模这种三明治结构，它包括其间放置填料的两块金属板(步骤S310)。该步骤使得在两块金属板上形成预定波纹形状，同时通过填料将两块金属板相互粘接起来。这样使得到的基板单元60具有与如图5流程图中S110步骤所得基板单元60相同的结构。随后以与图5中的步骤S120相同的方式，对基板单元60的表面进行表面处理(步骤S320)。这样便制成与上述实施方案相同结构的分离器30。在这种调整的方法制造的分离器30中，分离器的两面的波纹形状在不同金属板上形成。因而这种配置有效地防止了如上面实施方案所述的分离器的变形。
在这个实施方案的分离器30中，用热膨胀石墨对填料单元66进行了填充。具有足够导电性的其它填料也可替代置于相互连接的两块金属板之间，从而提高所得气体分离器的导电性和导热性。除了在所述实施方案中采用的热膨胀石墨外，可以采用的一个实例为碳粉如天然石墨或炭黑与粘合剂(如热固性树脂)的混合物。可以采用的这些碳质材料以外的实例包括导电浆糊(含有碳粉或金属粉末的粘合剂)、导电树脂以及由导电材料(如泡沫镍(foamed nickel))组成的海绵状泡沫组件。当用于所述实施方案的热膨胀石墨或导电浆糊用作填料时，填料自身具有结合性，使得两块金属板通过压制容易相互粘接起来。在非热膨胀石墨的碳质材料的情况下，将粘合剂加入所述碳质材料从而赋予所得填料足够的结合性。在填料没有足够结合性的情况下，例如，当将泡沫镍用作填料时，通过粘合剂将金属板相互粘连起来。当将泡沫镍用作填料时，热膨胀石墨可以用作粘合剂并且置于泡沫镍与金属板的接触面上。在这些应用中，在这个实施方案中所讨论的将热膨胀石墨用作填料的应用，采用了单种材料作为填料而不含导电性差的其它材料，因而有利地保持了整个分离器良好的导电性。
在所述实施方案的分离器30中，用涂层68(由热膨胀石墨组成)覆盖由两块基板62和64相互粘接得到的基板单元60的表面，因而具有足够的耐腐蚀性。只要所述材料具有足够的导电性并且赋予基板单元60足够的耐腐蚀性，可以采用其它材料来形成涂层68。例如，在采用热膨胀石墨的情况下，将镀镍作为涂层68可以获得足够的耐腐蚀性，而不会破坏与燃料电池中各个相邻气体扩散电极接触表面的导电性。导电浆糊也可以用作涂层。
只要能够确保分离器30与燃料电池的各个相邻气体扩散电极的接触表面具有足够的导电性，不必用涂层68均匀覆盖基板单元60的整个表面。可以调整为用具有较小导电性，但具有足够耐腐蚀性的材料覆盖接触面外的残余区域(如形成气体燃料流动管路24P和氧化性气体流动管路25P的表面)。例如，一个优选的配置为用亲水性材料或斥水性材料涂覆形成气体燃料流动管路24P和氧化性气体流动管路25P的表面。亲水性材料的实例有二氧化硅和吸水性树脂。斥水性材料的实例为聚四氟乙烯。
以下描述用亲水性材料或斥水性材料涂覆形成气体燃料流动管路24P和氧化性气体流动管路25P的表面的配置的作用。在包括分离器30的燃料电池中进行上面方程式(1)至方程式(3)所示的电化学反应。在这些电化学反应过程中，如方程式(2)所示在阴极生成水。水被蒸发成氧化性气体并且从燃料电池中释放出来。然而在温度降低的燃料电池的局部区域，水被冷凝从而阻止氧化性气体在氧化性气体流动管路中的平稳流动。如方程式(1)所示，在阳极进行的电化学反应产生质子。质子通常以水合物的形式迁移到固体电解质膜中。在驱动燃料电池的过程中，加入燃料电池的气体燃料进料通常吸潮从而将水从阳极加入固体电解质膜中。受潮气体燃料的流动可能引起在气体燃料流路中的冷凝。冷凝物可能阻止气体燃料的平稳流动。将亲水性材料应用于形成位于燃料电池组各个单元电池28中的气体燃料流动管路24P和氧化性气体流动管路25P的表面，这将使得在这些气体流动管路中生成的冷凝物与气流一起沿着流动管路的亲水性壁表面流动，并易于从单元电池28中排出。另一方面，将斥水性材料应用于形成气体流动管路的表面，使得冷凝物被流动管路的斥水性壁表面所排斥并且易于通过气体流路从单元电池28中排出。
在如上所述的实施方案中，在制造分离器30的过程中，对包括填料单元66的基板单元60进行表面处理以形成涂层68。也可在将基板62和64连接起来从而在得到基板单元60之前对各块基板62和64进行表面处理。这种替代方法将金属板压模成基板62和64(图5中的步骤S100)，随后以与图5中的步骤S120相同的方式，对各个基板62和64进行表面处理以形成涂层68，随后以与图5中的步骤S110相同的方式，将填料置于覆盖了涂层68的基板62和64之间从而将基板62和64连接起来。
在如上所述的实施方案中，分离器30具有在其表面上的涂层68从而获得足够的耐腐蚀性。当应用于基板62和64的材料具有足够的耐腐蚀性时，在基板62和64的表面上可以不必形成涂层68。在这种情况下，将两块基板62和64相互粘接起来以形成基板单元60的这种配置，也有效地减小了所得分离器的潜在变形。
在上面的实施方案中，基板62和64由不锈钢组成。由其它金属如铝组成的基板62和64可以获得在所述实施方案中所讨论的相似的效果。当分离器表面覆盖涂层68以获得耐腐蚀性时，用作基板62和64材料的金属不必具有足够的耐腐蚀性。通过考察金属的重量和成本可以选择用作基板62和64的合适材料。
将由非金属、导电性的材料组成的基板62和64连接起来以制造分离器的配置也具有相似的效果；即所得气体分离器为薄的并且具有较小的变形。非金属、导电性的材料的实例包括与粘合剂和热膨胀石墨相混合的碳粉。在这种情况下，所述方法将由这些碳质材料组成的薄板压模成具有预定波纹形状的两块基板并将两块基板相互连接起来以制造分离器。
当将这些碳质材料压模以集成在其两面均具有预定波纹形状的分离器时，在两面上形成的波纹形状将导致相同面上的壁厚的变化。壁厚的不同引起在压模过程中施加至相同面上的平面压力的不同。为确保所得分离器足够的强度，必须设定所得分离器的壁厚等于或大于预定值并加入足量的粘合剂。然而粘合剂加入量的增加将引起导电性的降低。另一方面，在粘接通过压模碳质材料得到的两块基板并由此制造在其两面上具有预定波纹形状的配置中，每块基板只是在其一个面上具有与分离器一个面对应的波纹形状。这种配置确保了整个基板均匀的壁厚，并使得在压模各块薄板的过程中，施加的平面压力保持基本恒定。这种配置也减小了粘合剂的加入量以及由碳质材料组成的各块基板的壁厚。当由非金属的导电材料组成的两块基板被相互粘接时，具有导电的、置于两块基板之间的填料提高了导电性和导热性并确保了本实施方案如上所述的所得分离器具有足够的强度。
在如上所述的实施方案中，在分离器的两面形成的波纹形状限定了气体燃料流动管路24P和氧化性气体流动管路25P。然而波纹形状可以限定不是气体燃料和氧化性气体的流体的流路。例如，波纹形状限定了冷却水的流路，冷却水流贯燃料电池内部以保持气体燃料的内部温度在如上所述的所希望的温度范围内。通过与本实施方案的分离器30的制造方法相似的方法制造的冷却水流动管路分离器具有与本实施方案相同的效果。
无需在按上面方式制造的分离器的两面形成流体的流动管路，但一面可以为没有任何波纹形状的平面。在燃料电池的一个示例性结构中，与冷却水流动管路分离器相邻的分离器具有一个平面，它与冷却水流动管路分离器相接触，而另一面具有波纹结构以限定气体流动管路24P或氧化性气体流动管路25P。在这种情况下，这个分离器可以通过与本实施方案中分离器制造方法相似的方法来制造。将两块基板粘接的配置有效地减小了具有这种配置的所得分离器的潜在变形。用导电性填料填充内部空间的这种配置获得了如上所述的效果，即提高了导电性和导热性。
在如上所述的第一个实施方案中，为了减小所得分离器的潜在变形，分离器通过相互粘接两块基板来制造。可用来减小所得分离器潜在变形的另一种结构可以制成平面基板单元和凸形结构，它以分离组件的形式在基板单元上形成以限定气体的流路。以下将以第二个实施方案来描述这种结构。
图7为一个剖视图，图示了第二个实施方案中的分离器130。图8为说明分离器130表面的平面图。第二个实施方案的分离器130包括一个由不锈钢组成的、具有圆形截面并贯通基板单元160厚度的许多孔的基板单元160，分别插入各个孔以结合到基板单元160的许多插入组件170，以及由热膨胀石墨组成的、覆盖基板单元160表面和插入组件170的涂层168。如同分离器30一样，将分离器130和其它预定组件以一个叠在另一个上面的方式进行放置，从而形成与第一个实施方案相似的燃料电池。在以下的描述中，第一个和第二个实施方案相同的组件用相同的数字表示并且在此不再特别描述。
与分离器30一样，分离器130的周围具有气体燃料槽孔50和51以及氧化性气体槽孔52和53。分离器130具有许多肋155，它们配置于各个面的相同位置并代表在基板单元160上通过常规方式放置的许多插入组件170形成的凸形结构。基板单元160包括一个具有在其上形成的肋155的平面部分182以及一个限定分离器130周边区域的密封部分180(即气体燃料槽孔50和51以及氧化性气体槽孔52和53的外部周边)。密封部分180具有比平面部分182较厚的截面。设计在密封部分下面形成的凹形表面的平面部分182以用于燃料电池装置(包括分离器130，参见图8)中各分离器130的一个表面上的氧化性气体槽孔52和53的沟通。在这种燃料电池装置中，肋155的尾端与相邻的气体扩散电极相连，并且氧化性气体流动管路25P由肋155的侧面、平面部分182的表面以及相邻的气体扩散电极所限定。以相似的方式，设计平面部分182从而使燃料电池装置中的各分离器130的另外表面上的气体燃料槽孔50和51进行沟通。气体燃料流动管路24P由燃料电池装置中的肋155的侧面、平面部分182的表面以及另一个相邻的气体扩散电极所限定。
以下描述分离器130的制造方法。图9显示了分离器30的制造方法。图9包括分离器130的制造工艺的流程图并图示流程的各个步骤。
这种方法首先提供不锈钢薄板并在薄板的许多预定位置上进行穿孔以形成一系列孔，从而获得基板单元160(步骤S200)。在不锈钢板上形成的孔包括在相应于如图8所示分离器130的各个肋155的位置上形成的孔以及气体燃料槽孔50和51以及氧化性气体槽孔52和53。在步骤S200的成孔过程中，在对应于各个肋155的位置上形成的各个孔的直径要略小于各个肋155的截面直径。所述方法随后通过加料器将金属丝压制装配至与各个肋155对应的位置形成的各个孔中(步骤S210)。在此压制装配的各根丝形成分离器130的肋155并且其直径略大于在步骤S200中形成的各个对应孔的直径。使用具有这种直径的丝确保了在金属基板单元160和被压制装配的丝之间的密封性能。
本方法随后切断压制装配至基板单元160中的丝的尾端(步骤S220)。固定基板单元160各个面上的各根丝的切断位置(即到基板单元160的距离)。切断丝的尾端完成了将插入组件170压配至在基板单元160上形成的各个孔，从而在基板单元160的两个面上的相同位置形成许多肋155。形成肋155后，本方法以与图5中的步骤S120相同的方式对基板单元160和许多肋155进行表面处理(步骤S230)，从而制成分离器130。如同第一个实施方案的分离器30，这个步骤的表面处理采用热膨胀石墨覆盖基板单元160和许多肋155的表面。
第二个实施方案的分离器30的制造方法制得平面基板单元160和这些丝形成分离组件形式的肋155。这种配置有效地防止了具有波纹形状的分离器的潜在变形。以分离组件形式形成的肋155不会使金属板弯曲或拉伸的力(它将引起潜在变形)施加至基板单元60上。
在本实施方案的分离器130中，通过简单方法形成预定波纹形状，即成孔以限定肋155，将丝压配至所述孔中，并切断压配的丝。与压模金属板或碳质材料以制造分离器的常规方法相比，这种配置简化了制造方法并缩短了制造所述分离器所需的时间。
在本实施方案的制造分离器130的方法中，通过调整压配的丝的直径，可以自由选择在分离器130的表面上形成的肋155的大小。较小直径的丝得到具有较高精度的细肋。与压模碳质材料或金属板以形成波纹形状的配置相比，这种配置允许通过明显容易的方法来形成更精细的波纹形状。这种配置也阻止了由于采用具有复杂波纹结构的模而引起的制造成本的增加。
与压模金属板以制造在其两面具有波纹结构的气体分离器的熟知常规方法相比，本实施方案的分离器130的制造方法采用了较薄的金属板。在压模金属板以制造具有预定波纹形状的气体分离器的方法中，在压模过程中对应波纹形状的金属板的特定区域被弯曲或被拉伸。因此所述金属板需要具有足够的厚度。另一方面，在这个实施方案的方法中，由于只对金属板进行简单冲孔以形成其中压配了插入组件170的孔，基板单元160适合使用比用于常规压模的金属板要薄的金属板。本实施方案的分离器130的制造方法不要求在压模过程中弯曲或拉伸所述材料，因而获得较薄的分离器(与压模主要由碳粉组成的材料以制造分离器的方法相比)。采用这种薄金属板制造所述分离器有效地减小了整个燃料电池组的大小。
在如上所述的第二个实施方案中，基板单元160由不锈钢组成。防止所得分离器潜在变形的效果也可通过由另一种材料如铝、碳质材料和树脂组成的基板单元160来获得。在这个实施方案中，用涂层168覆盖分离器130的表面。因此应用于基板单元160的材料不必具有足够的耐腐蚀性但要求在燃料电池的驱动温度下具有足够的强度和足够的耐久性。当应用于基板单元160的材料具有足够的耐腐蚀性时，在基板单元160的表面上可以不形成涂层168。
本实施方案的分离器130包括基板单元160和作为单独组件的肋155。通过肋155确保分离器的导电性，这样基板单元160不必具有导电性。与整体压模分离器的配置相比，这种配置扩展了适用于基板单元160的材料的选择范围。即具有较好的耐腐蚀性的材料和较轻的材料也是适用的。通过考察成本以及其它因素对适用材料进行选择。
在如上所述的实施方案中，采用丝来形成肋155。这些丝具有足够的导电性以及在压配至基板单元160或在燃料电池装置的条件下具有足够的强度。在如上所述的分离器130的制造方法中，这些丝被压配至在基板单元160上形成的孔中以限定肋155。这些丝为优选的材料以确保在基板单元160和压配其中的丝之间具有足够的密封性能。如上面实施方案所述，通过将具有略微大的直径的这些丝压配至在基板单元160上形成的孔中的简单方法，金属丝和金属基板易于获得所需的密封性能。获得所需密封的一种调整方法为将具有比在基板单元160上形成的孔的直径略小的金属丝插入至所述孔中，切断这些丝至预定长度以完成所述插入组件170，对插入组件170的底部和头部施加压力以堵住缝隙。确保肋155和基板单元160之间的足够的密封性能的另一种调整方法为压配这些丝以形成肋155并密封肋155与基板单元160接触的空隙。在后一种情况下，用来形成肋155的这些丝可以由其它导电材料如碳质材料组成。
如上面描述所理解的那样，分离器可以包括由树脂组成的基板单元和由碳质材料组成的插入组件。在这种情况下，可以通过在树脂片材上冲孔或通过注模法来制造具有插入组件插入其中的孔的基板单元。在树脂片材上冲孔比在本实施方案中所述的在金属板上冲孔要容易。当注模的技术应用于基板单元的制造时，与插入组件插入其中的孔同时形成对应密封部分180的结构(后面将对其进行讨论)。这种配置使密封性能完整形成从而确保燃料电池的足够的密封性能。与通过压模制造分离器的常规方法相比，这种配置有利地减少了燃料电池装置所需的组件数并因此降低了制造成本(如后面所述，很难通过压模形成整体形成密封部分)。这里所述的插入组件可以由任何合适的碳质材料如热膨胀石墨或石墨与粘合剂(如热固性树脂)的混合物组成。在包括由树脂组成的基板单元和由碳质材料组成的插入组件的分离器中，基板单元和插入组件均具有足够的耐腐蚀性，这样与第二个实施方案的分离器130不同的是，不必形成涂层168。
所述插入组件可以由树脂(非导电材料)组成。在一种适用的结构中，与第二个实施方案的分离器130一样，基板单元由金属组成，插入组件由树脂组成。在这种情况下，用导电性膜覆盖分离器的整个表面或插入组件的表面(如用碳质材料或金属涂覆)。这样确保了燃料电池分离器所需的足够的导电性。
分离器130具有由热膨胀石墨组成的涂层168以获得足够的耐腐蚀性。与第一个实施方案的分离器30的涂层68一样，这种涂层168可以由任何合适的非碳质材料组成，例如金属如镍或导电性浆糊。特定区域(不是与燃料电池组的各个气体扩散电极相邻的接触面)不必具有导电性。因此这些特定区域可以采用与第一个实施方案相同的方式用亲水性材料或斥水性材料进行涂覆。这样获得了足够的耐腐蚀性并改进了水的排放。当应用于基板单元160和插入组件170的材料具有在允许水平上的足够的耐腐蚀性时，可以省略涂层168。
第二个实施方案的方法对金属板进行冲孔以形成孔并且不通过压模形成波纹形状。这种配置有利于在制造基板单元160的过程中，保持基板单元160的厚度不变。这种配置使得包括较厚截面(即与密封部分180对应的区域)的周围区域的金属板可以应用于基板单元160。在包括以上面方式制造的分离器130的燃料电池组中，较厚截面的区域容易确保所需的气密性能。
图10显示了取自图8的线10-10的分离器130的截面的一个部分(与分离器130周围部分相邻)。如前所述，分离器130的基板单元160包括具有由其中的插入组件170所形成的肋155的平面部分182，以及配置在分离器130周围部分的密封部分180，并且具有一个较厚的截面。尽管在制造分离器130的方法中没有特别提及，但图9所示的制造方法仍提供了在其周围区域具有密封部分180的金属板。在采用分离器130的燃料电池装置中，各自在其周围区域具有密封部分180，各自相邻的分离器对130通过各自的密封部分180相互接触，这将容易获得足够的气密性能。
在通过压模金属板来制造气体分离器的情况下，在压模过程中金属板的厚度发生变化。因此基本不能采用具有预定厚度为较厚壁部分的金属板(与其周围区域的密封部分相比)。常规采用的方法提供了一种独立密封组件，它与气体分离器的周围区域相连，或使所述组件具有波纹形状以限定在各个单元电池中的气体流路以及使所述组件限定作为独立组件的歧管的孔。在上面实施方案的方法中，分离器130通过采用具有事先形成的密封部分180的金属板来制造。与压模的常规技术相比，这种配置有效地降低了燃料电池装置所需的组件数。
本发明不局限于上面的实施方案或它们的变体，但在没有偏离本发明主要特性的精神或范围的条件下可进行许多其它的修改、变化或替代。
工业应用如上所述，应用于燃料电池的气体分离器的本发明的技术、采用这些气体分离器的燃料电池以及制造这种用于燃料电池的气体分离器的方法可以有效地用于燃料电池的制造和销售领域，以及其上安装了燃料电池的电动汽车的制造和销售领域。
权利要求
1．用于燃料电池的气体分离器，所述燃料电池由包括电解质层和电极层的许多组件层压制成，所述气体分离器以所述许多组件中的一个的形式包括在所述燃料电池中，并且具有在两面均形成的预定波纹形状从而限定通过所述燃料电池内部的流体的流路，其中在其各自一个面上形成的预定波纹形状的两块薄板通过其各自的另一面相互粘接来形成所述气体分离器。
2．根据权利要求1的用于燃料电池的气体分离器，其中由所述两块薄板界定的空间(如果存在)用导电材料进行填充。
3．根据权利要求1的用于燃料电池的气体分离器，其中所述薄板均为金属薄板。
4．根据权利要求2的用于燃料电池的气体分离器，其中所述薄板均为金属薄板。
5．根据权利要求1的用于燃料电池的气体分离器，其中在所述燃料电池中，通过由预定波纹形状限定的流路的流体选自含氢的气体燃料、含氧的氧化性气体和用来冷却所述燃料电池内部的冷却流体。
6．根据权利要求2的用于燃料电池的气体分离器，其中在所述燃料电池中，通过由预定波纹形状限定的流路的流体选自含氢的气体燃料、含氧的氧化性气体和用来冷却所述燃料电池内部的冷却流体。
7．接受含氢的气体燃料和含氧的氧化性气体进料并通过电化学反应产生电动势的燃料电池组，所述燃料电池组包括根据权利要求1-6中任一项的用于燃料电池的气体分离器。
8．制造用于燃料电池的气体分离器的方法，所述燃料电池由包括电解质层和电极层的许多组件层压制成，所述气体分离器以所述多个组件之一的形式包括在所述燃料电池中并且具有在两面均形成的预定波纹形状从而限定通过所述燃料电池内部的流体的流路，所述方法包括以下步骤(a)提供具有在其各自的一个面上形成的预定波纹形状的两块薄板；和(b)通过它们各自的另一面将所述两块薄板相互粘接起来以形成所述气体分离器。
9．根据权利要求8的方法，其中在所述步骤(b)相互粘接所述两块薄板的过程中，将导电材料置于所述两块薄板之间以填充由所述两块薄板限定的空间(如果存在的话)。
10．制造用于燃料电池的气体分离器的方法，所述燃料电池由包括电解质层和电极层的许多组件层压制成，所述气体分离器以所述多个组件之一的形式包括在所述燃料电池中并且具有在两面均形成的预定波纹形状从而限定通过所述燃料电池内部的流体的流路，所述方法包括以下步骤(a)提供两块薄板；(b)通过置于所述两块薄板之间的导电材料，以一块叠在另一块上面的方式，放置所述两块薄板；和(c)对通过导电材料以一块叠在另一块上面的方式放置的所述两块薄板进行压模并连接起来，这样在所述相互连接的两块薄板表面上形成预定波纹形状。
11．根据权利要求8-10中任一项的方法，其中所述薄板均为金属薄板。
12．用于燃料电池的气体分离器，所述燃料电池由包括电解质层和电极层的许多组件层压制成，所述气体分离器以所述多个组件之一的形式包括在所述燃料电池中并且具有在其表面形成的预定波纹形状从而限定通过所述燃料电池内部的流体的流路，所述气体分离器包括由薄板组成并且具有通过所述分离器基板单元厚度的许多孔的分离器基板单元；和主要由导电材料组成并且各自插入至所述的许多孔中从而在所述分离器基板单元的至少一个面上形成凸形结构的插入组件。
13．接受含氢的气体燃料和含氧的氧化性气体的进料并通过电化学反应产生电动势的燃料电池组，所述燃料电池组包括根据权利要求12的用于燃料电池的气体分离器。
14．制造用于燃料电池的气体分离器的方法，所述燃料电池由包括电解质层和电极层的许多组件层压制成，所述气体分离器以所述多个组件之一的形式包括在所述燃料电池中并且具有在其表面形成的预定波纹形状从而限定通过所述燃料电池内部的流体的流路，所述方法包括以下步骤(a)提供由薄板组成的分离器基板单元；(b)在预定位置对所述分离器基板单元进行冲孔以形成通过所述分离器基板单元厚度的许多孔；和(c)将主要由导电材料组成的插入组件各自插入到所述的许多孔中，从而在所述分离器基板单元表面上形成预定波纹形状。
15．根据权利要求14的方法，其中所述许多孔和插入其中的所述插入组件各自具有基本圆形的截面。
全文摘要
用作燃料电池的各个单电池组件的燃料电池气体分离器,所述燃料电池由单电池层压而成,并且由于在金属板的两面形成预定不规则形状时需要进行压制,因而使其没有产生应变,分离器(30)包括:一个基板单元(60)(通过将两块基板(62,64)粘合在一起形成预定不规则形状来形成),填料单元(66)(根据基板(62,64)的不规则形状,由两块基板(62,64)之间形成的空间来提供),以及涂层(68)(形成于基板单元(60)的表面),其中由于将基板(62,64)和填料单元粘合在一起从而消除在各个基板(62,64)上形成的应变,如果将导电材料插入基板(62,64)之间,将提高所述分离器(30)的导电性和导热性。
文档编号H01M8/02GK1306682SQ9980754
公开日2001年8月1日 申请日期1999年6月15日 优先权日1998年6月18日
发明者吉村常治, 水野诚司 申请人:丰田自动车株式会社