燃料电池用隔板、燃料电池组、燃料电池用隔板的制造方法、以及燃料电池车辆技术

燃料电池用隔板，包括：波浪状或凹凸状的气体流路部（４），其形成在包覆化薄板的中央部（２）；以及平坦部（６），形成在中央部的外围，其中，通过对表面被贵金属层覆盖的金属板以５％－１５％的压下率进行轧制加工以形成包覆而获得包覆化薄部，并且预先获得极限板厚残存率（通过用包覆化薄板的原始板厚除包覆化薄板加工后的板厚获得的一值），该极限板厚残存率表示其中在包覆化薄板中贵金属层裂纹和由于金属板的露出而导致的耐腐蚀性下降可忽略的边界极限，其中，关于沿与气体流路部（４）的流路垂直的方向的截面形状，当肋肩部的最薄部的板厚表示为ｔ２以及隔板的周边部的板厚表示为ｔ４时，满足ｔ２≥ｔ４×极限板厚残存率的关系。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池用隔板、燃料电池组、燃料电池用隔板的制造方法、以及燃料电池车辆
本专利技术涉及燃料电池用隔板、燃料电池、制造燃料电池用隔板和燃料电池的方法、以及燃料电池车辆。
技术介绍
燃料电池是使作为燃料的氢气和氧气相互发生电化学反应以直接将燃料的化学能转换为电能。作为燃料电池，根据所使用的电解质的类型，有固体高分子电解质型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型等。作为上述类型中的一种，固体高分子电解质型燃料电池是利用分子中具有质子交换基的高分子树脂膜被用作电解质并且当该高分子树脂膜与水化合至饱和状态时，其用作质子导电电解质这一事实的蓄电池。由于固体高分子电解质型燃料电池在相对低温下操作并且具有高发电效率，预期具有多种应用，包括用于安装在电动汽车上。固体高分子电解质型燃料电池包括燃料电池组，并且该燃料电池组通过层叠多个均被构造为基本单元的电池单元，然后将所层叠的电池单元夹在具有端部法兰的两端之间并使用紧固螺栓固定所层叠的电池单元来一体地构造。构成燃料电池组的电池单元具有通过将氧化电极和氢电极连接和一体化到固体高分子电解质膜的两侧而获得的膜电解质接合体。氧化电极和氢电极均具有设置有反应膜和气体扩散层的两层结构，并且该反应膜形成在固体高分子电解质膜侧。氧化电极侧隔板和氢电极侧隔板分别布置在氧化电极和氢电极的两侧，并且氧气流路、氢气流路和冷却水流路由各隔板限定。通过将氧化电极和氢电极布置在固体高分子电解质膜的两侧-->上，一般通过热模锻法将它们一体地接合以构造膜电解质接合体，然后将隔板布置在该膜电解质接合体的两侧来制造具有上述结构的电池单元。氧化电极和氢电极均是多孔的，并且气体或者水从此通过。在由电池单元构成的燃料电池中，当氢气、二氧化碳、氮气和水蒸气的混合气被施加到氢电极侧，并且空气和水蒸气被施加到氧化电极侧时，电化学反应主要发生在固体高分子电解质膜和反应膜的接触面上。以下将说明更加具体的反应。在如上构造的燃料电池组中，当氧气和氢气各自被施加到氧气流路和氢气流路时，氧气和氢气经由各自的气体扩散膜被施加到反应膜侧，从而在氢电极侧和氧化电极侧的反应膜上发生反应。氢电极侧：                     ...公式(1)氧化电极侧：        ...公式(2)当氢气被施加到氢电极侧时，进行公式(1)所示的反应，以产生2H+和2e-。2H+移动到处于水合氧化状态的固体高分子电解质膜的内侧，以流动到氧化电极侧，并且通过一载荷2e-从氢电极流动到氧化电极。在氧化电极侧，由于2H+、2e-和所施加的氧气导致公式(2)所示的反应进行，从而产生电力。由于上述燃料电池组中所使用的各隔板具有电联接邻接电池单元的功能，因此需要具有优良导电性和低接触电阻的材料作为构成材料。由于隔板使氢气与氧气隔离，因此需要具有对反应气体氢气或氧气的高气密性。此外，由于被施加到燃料电池的各气体具有80℃-90℃高的温度，并且隔板被暴露于高温气体，因此需要具有对氢气和氧气的氧化/还原反应的抗腐蚀性。其中作为原材料的碳被形成为板状并且反应气体流路被形成在该板的两表面上的隔板被公开(参见“Development andpractical use of Solid polymer type fuel cell”，1999年出版，Technical Information Institute Co.，Ltd.(第92页))。在使用由碳制成的板状隔板的电池单元中，通过将氧化电极-->和氢电极布置在固体高分子电解质膜的两表面上构造膜电解质接合体，并且隔板被布置在该膜电解质接合体的两表面上。然而，尽管由碳制成的隔板可使隔板与构成材料例如气体扩散电极之间的接触电阻减小，并且可保持低接触电阻值。然而，其强度比由金属制成的隔板低。为了将燃料电池安装在移动车辆例如汽车上，存在减小隔板厚度以减小燃料电池尺寸的需要。然而，隔板厚度的减小存在局限，并且隔板必须具有至少约1mm-5mm的厚度。日本专利申请公报No.2000-323149和No.2002-190305公开了一种具有连续波浪状截面的隔板，其中金属薄板被压制成形，使得能够实现燃料电池的小型化并降低成本。日本专利申请公报No.2002-260681和No.2002-254180公开了一种隔板，其通过以下方法获得：将贵金属层形成在金属板的表面上，以5％或更大的压下率进行轧制加工以通过包覆形成包覆化合金薄板，将包覆化合金薄板压制成形为预定形状，然后形成允许氢气或氧气流动的气体通路。根据该技术，由于贵金属的表面包覆层形成在母材材料上作为包覆层薄膜，并且母材材料和作为包覆层薄膜的贵金属都被轧制，所以在二者之间的紧密粘附力变得很大，从而可获得近似等于包覆材料的粘附力的紧密粘附力。贵金属层的多孔结构可被制得微小并且其上的气孔接近，从而改善抗腐蚀性。因此，即使在轧制之后进行变形处理，作为包覆薄膜的贵金属层也不剥离。此外，由于通过轧制改善抗腐蚀性，包覆层薄膜被薄化，以降低成本，并且由于贵金属层被形成在表面上，可使与构成材料例如气体扩散电极的接触电阻减小。
技术实现思路
然而，在通过在金属板的两表面上形成贵金属层而获得的所述隔板中，在所述金属板上以5％-15％的压下率进行轧制加工以形-->成包覆化合金薄板，使用所述包覆化合金薄板并且进行压制以获得预定的形状，为了获得预定的截面形状，过量的拉伸应变局部地发生在基础母材构件上，尤其发生在被剧烈加工的反应气体流路部上的截面形状的肋肩部上。此外，作为表层的所述贵金属层不能跟随该应变，几微米到几十微米范围内的许多微小裂纹发生在作为所述表层的所述贵金属层中，并且所述基础母材构件在所述贵金属层裂纹的部分露出。因此，抗腐蚀性下降，并且在所述表面上不能获得与所述贵金属层的形成成比例的抗腐蚀性的提高。此外，所述贵金属层本身的缺陷不引起所述表层贵金属层中的微小裂纹，但在所述基础母材构件上局部过大的伸长应变以及所述表层贵金属层不能跟随所述应变引起所述表层贵金属层中微小裂纹的产生。因而，存在所述贵金属层可能细微裂纹的危险。为了解决上述问题，当经由压制成形通过在金属板的表面上形成贵金属层并且使用通过以5％-15％的压下率在所述金属板上进行轧制加工获得的包覆化薄板来获得预定的隔板形状时，本专利技术人对关于压制成形方法与产品的气体流路截面形状和在贵金属层中发生微小裂纹之间的关系进行了认真地研究，以防止所述表层贵金属层的肋肩部中微小裂纹的发生和由于微小裂纹的发生而引起的作为所述基础母材构件的所述金属板的露出导致的抗腐蚀性下降。然后，本专利技术人发现这一事实：为了将所述包覆化薄板压制成形为预定形状，当进行包括至少一步骤用于延伸材料的预压制成形和用于获得所述预定形状的完成压制成形的两步骤或更多步骤的多步骤成形时，在非所述预压制成形步骤而在所述完成压制成形步骤时，由于作为所述基础母材构件的所述金属板的露出而导致微小裂纹发生在所述贵金属层内。此外，本专利技术人还发现：通过单轴拉伸试验不能再现所述微小裂纹，并且除非使用能够施加增加表面积的平面应变的球头冲头拉伸成形试验，否则不-->能再现所述微小裂纹。此外，在所述球头冲头拉伸成形试验中，本专利技术人还发现：当平面应变量和板厚减小量被抑制到一定值时，不会发生微小裂纹(由于所述包覆材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用隔板，其包括：波浪状或凹凸状气体流路部，其形成在包覆化薄板的中央部；以及平坦部，其形成在所述中央部的外周，其特征在于，通过在被贵金属层覆盖的金属板表面上以５％－１５％的压下率进行轧制加工形成包覆层，来获得所述包覆化薄部，预先获得极限板厚残存率（通过用所述包覆化薄板的原始板厚除加工后的所述包覆化薄板的板厚而获得的值），该极限板厚残存率表示所述包覆化薄板的所述贵金属层裂纹和由于所述金属板的露出而导致的耐腐蚀性下降可忽略的界限的极限；以及关于沿与所述气体流路部的流路垂直的方向的截面形状，当与气体扩散层接触的肋中央部的板厚表示为ｔ１、肋肩部的最薄部的板厚表示为ｔ２、肋斜面部的板厚表示为ｔ３、以及所述隔板的周边部的板厚表示为ｔ４时，满足ｔ２≥ｔ４×极限板厚残存率的关系。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2004-6-1 162988/2004;JP 2003-9-22 330633/20031.一种燃料电池用隔板，其包括：波浪状或凹凸状气体流路部，其形成在包覆化薄板的中央部；以及平坦部，其形成在所述中央部的外周，其特征在于，通过在被贵金属层覆盖的金属板表面上以5％-15％的压下率进行轧制加工形成包覆层，来获得所述包覆化薄部，预先获得极限板厚残存率(通过用所述包覆化薄板的原始板厚除加工后的所述包覆化薄板的板厚而获得的值)，该极限板厚残存率表示所述包覆化薄板的所述贵金属层裂纹和由于所述金属板的露出而导致的耐腐蚀性下降可忽略的界限的极限；以及关于沿与所述气体流路部的流路垂直的方向的截面形状，当与气体扩散层接触的肋中央部的板厚表示为t1、肋肩部的最薄部的板厚表示为t2、肋斜面部的板厚表示为t3、以及所述隔板的周边部的板厚表示为t4时，满足t2≥t4×极限板厚残存率的关系。2.根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其特征在于，所述极限板厚残存率是极限值，在该值处，由于所述包覆化薄板的所述贵金属层的裂纹和所述金属板的露出导致的抗腐蚀性下降可忽略，关于通过将平面应变施加到所述包覆化薄板以将平面塑性应变分步骤施加到所述包覆化薄板而获得的试件，通过在各步骤中测量各板厚残存率、观察在所述贵金属层中微小裂纹和所述金属板的露出是否存在、并测量抗腐蚀性恶化率来获得该值。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，当用于形成包覆层的所述轧制加工的所述压下率是x[％]，并且所述极限板厚残存率是y时，满足y＝0.5+0.02x的关系。4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池用隔板，进一步满足t2≥t4×0.7的关系。-->5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池用隔板，其特征在于，当所述气体流路部的所述截面形状的与所述气体扩散层接触侧的测量位置附近的外侧角部的曲率半径是R外，并且在其后面侧的曲率半径最小的内侧角部的曲率半径是R内时，满足如下关系：R外为正(R外部为凸曲率)；R外/(R内+t2)小于等于5；R外/t2小于等于10；以及R外/R内小于等于10。6.根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池用隔板，其特征在于，R外小于等于0.6mm。7.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池用隔板，进一步满足t2/t3≥0.75和t3≥t1的关系。8.根据权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于，所述金属板是选自以下一组中的一种合金：铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：千叶启贵，尾谷敬造，大江伸史，加纳真，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]