專利名稱：燃料電池的隔板的制造方法及隔板的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池的隔板的制造方法，所述隔板有許多突出部。本發明還涉及隔板。
背景技術：
隔板用于燃料電池。燃料電池的一個例子是PEM燃料電池，用于使氫和氧發生反應而發電，產生的廢料只是水。因此，PEM燃料電池在環保上是很好的。PEM燃料電池有許多隔膜(聚合物電解質隔膜)，其兩邊都有觸媒，從而氫可以與氧發生反應。每個電池只能產生大約0.7伏的電壓，所以，例如要驅動一輛車需要很多電池。特別是為了使氫與氧隔開以及為了開辟氫、氧和水的供應通道和排出通道，在各對隔膜之間至少要有一塊隔板。因此，燃料電池內的隔板數量至少與隔膜的數量是一樣的。
對隔板的要求很高。隔板必須能經得起反應產生的水的腐蝕，還要能耐氫。鑒于需要大量隔板，隔板必須又薄又輕，從而，燃料電池才不會又大又重，還必須使隔板的生產成本低，以便燃料電池在價格上有吸引力。
在第一種情況下，隔板是用實心碳板制成的，其中的槽例如通過磨削形成。目前燃料電池的隔板也用金屬，例如，不銹鋼制造，為了有突出部分其中可以壓槽，例如通過深拉或沖壓。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種低成本生產隔板的方法。
本發明的另一個目的是提供一種生產隔板的簡單方法。
本發明的再一個目的是提供一種能用于生產改進型隔板的方法。
本發明還有一個目的是提供比用現有方法生產的隔板便宜的一種隔板。
提供改進型隔板也是本發明的目的。
本發明的第一方面提供燃料電池的改進型隔板的制造方法，所述隔板有許多突出部分，在所述方法中，為了制造出有突出部分的隔板，所述隔板內的突出部分是用加壓流體把金屬板壓到有許多凹進部分的模具上或者用所述模具壓在加壓流體支承的金屬板上制造出來的，所述模具的凹進部分相應于金屬板所要制出的突出部分。
與一般的深拉法或沖壓法相比的許多優點是因為使用本方法，亦即液壓成形法制造隔板而產生的。液壓成形法可以使金屬板內的材料比較均勻地拉伸，從而隔板的突出部分可以比較深。在這種情況下，無須金屬板的機械形變。金屬板的表面不為流體接觸所破壞，而使用機械形變，金屬板的表面卻有遭破壞的危險。選用的流體通常是水、油或者水油混合物。然而，也可以把聚合物、油漆、電解質、玻璃或鹽選作流體。這樣做可以把流體用作涂層或涂層作業前的預處理。
按優選方案，選定的流體壓力要高到足以把金屬板壓到模具的整個表面上。這樣可以使金屬板制成隔板所需的形狀。而機械形變總有某種程度的回彈。
按優選方案，要選定流體壓力的校準壓力。在這里，術語校準壓力應該理解為這樣一種壓力，在該壓力下金屬板要經受如此高的負荷，以致剩余應力基本消失，從而隔板精確地獲得帶有凹陷的模具內凹陷的形狀。
根據優選實施例，流體壓力選在250巴(25兆帕)與6000巴(600兆帕)之間。所選壓力當然與金屬板的厚度有關，也與金屬板內突出部分的形狀有關，尤其與突出部分的深度與寬度的比例以及必須形成的倒角有關。另外，選定的壓力還決定于要發生形變的材料的種類；有些材料在500巴(50兆帕)與1000巴(100兆帕)之間的壓力下變形，而對于有些材料則至少需要1000巴(100兆帕)，優選地需要至少1500巴(150兆帕)或者甚至需要2000巴(200兆帕)的壓力。
根據本方法的一個實施例，首先把金屬板放在模具上，然后，用加壓流體把金屬板壓到所述模具上。這是本方法的簡單實施例，其中金屬板可以用卷材供應，從而，可以連續生產隔板。
根據本方法的另一實施例，首先使金屬板處于流體的預壓下，然后，再把模具壓到金屬板上并對所述流體加壓。開始時使金屬板處于流體的預壓下使金屬板經受初拉伸，從而所述板在與模具接觸之前更長些，金屬板的拉伸更均勻些，形狀更像模具一些。
根據優選實施例，在金屬板與流體之間放置隔膜，按優選方案，隔膜有涂層，以便同時使金屬板有涂層。所述隔膜可以防止隔板遭污染。同時敷以涂層對于隔板需要涂層的情況是有利的。所述涂層可以包括金屬涂層、有機涂層、無機涂層或者這些涂層的結合。
按優選方案，所選金屬板是用諸如低碳鋼、超低碳鋼、鋁、不銹鋼或鈦之類的易變形金屬制造的板。這些金屬容易變形并且可以用作隔板的金屬。
在這種情況下，按優選方案，根據美國試驗材料學會的E6板材拉伸試驗標準，所述金屬的形變能力相當于斷裂時的均勻延伸率為至少20％。有了這種形變能力，借助液壓成形法就可以把隔板制成所要的形狀，例如，制成的突出部分的深與寬之比大于借助機械形變法制成的突出部分。
根據本方法的優選實施例，所述板在壓制作業中處于室溫下。這就是說使用本方法無須在方法實施過程中采取特殊措施加熱金屬板。
根據另一優選實施例，所述板在壓制過程中處于高溫下，例如，對于碳素鋼溫度在500℃-1000℃，對于鋁溫度在100℃-550℃，對于不銹鋼溫度在600℃-1300℃。雖然，因為本方法在實施中必須對所述板，因而也要對模具和流體加熱，這使方法實施起來更復雜，但是，由于金屬板加了熱，形變能力更強，結果所述凹陷部分的深度與寬度之比可以增加。使用所給的溫度優選值可以獲得最佳效果。
優選地，金屬板形變前的厚度選定于0.05mm和0.40mm之間，0.05mm和0.20mm之間更好。金屬板的這一厚度能使液壓成形順利進行而隔板的突出部分又可以制造得足夠的深。為了把隔板制造得更薄而又更輕，優選地，厚度在0.05mm和0.20mm之間。
根據本方法的優選實施例，金屬板在制造突出部分的同時切削成所需的形狀和大小。這是切實可行的，特別是如果金屬板是以帶材供應的更是如此，因為這樣做隔板可以同時切割到所需的尺寸。
本發明的第二方面是提供一種有許多突出部分的隔板，所述隔板根據本發明第一方面的方法生產，用諸如低碳鋼、超低碳鋼、鋁、不銹鋼或鈦之類的易變形金屬板制造。
特別是如果金屬板用易變形金屬板制造，隔板可以用上述方法生產，因為與用機械形變法相比這樣可以制造出深與寬之比值更大的突出部分。
按優選方案，根據美國試驗材料學會的E6板材拉伸試驗標準，所述金屬的形變能力相當于斷裂時的均勻延伸率為至少20％。因此，所述金屬板具有的形變能力借助液壓成形法在任何情況下都足以制造出所需深寬比的突出部分。
根據本發明的優選實施例，金屬板的未形變部分的厚度在0.05mm至0.40mm之間，優選在0.05mm與0.20mm之間。借助液壓成形法可以順利地制造出這樣厚度的隔板并滿足燃料電池內使用的隔板的要求。
按照優選方案，所述板內的轉折段的圓弧半徑至少與板的未變形部分的厚度相等。如果圓弧半徑選擇得小于這一厚度，為了迫使板形成具有這種圓弧半徑的角度，就要有高得多的流體壓力。
根據一個優選實施例，突出部分有重復的圖形，間距為w，深度為d，如果所述板在室溫下發生形變，則0.03＜d/w＜1.2，0.1＜d/w＜0.5較好，0.2＜d/w＜0.5更好；如果所述板在高溫下發生形變，則0.03＜d/w＜2.4，0.2＜d/w＜1.0較好，0.4＜d/w＜1.0更好。如果隔板借助液壓成形法生產，重復突出部分的深度與間距的這一性質的比值，很明顯是可以做到的，而借助機械形變法，特別是較好值，是不太可能做到的。
本發明還涉及有許多突出部分的隔板，在所述板內，所述突出部分的周圍是隔板的基本為平面的部分，所述突出部分具有基本重復的圖形，間距為w，長為d，0.25＜d/w＜2.4。例如，板的周圍部分，除了氫、氧和水穿過的進料通道和排出通道之外，可以是平面的。這種間距w與深度d之比，用一般的機械生產方法不可能制造。在此情況下，所述板在未變形的部分的厚度，按優選方案，在0.05mm與0.40mm之間，在0.05mm與0.20mm之間更好。
下面根據示例并參考附圖來解釋本發明，其中圖1是使用根據本發明方法的第一裝置的示意圖。
圖2是使用根據本發明方法的第二裝置的示意圖。
圖3是根據本發明生產的隔板的突出部的圖形。
圖4是圖3所示隔板的不按比例的橫斷面圖。
具體實施例方式
圖1所示是用液壓成形法把金屬板1制成隔板的裝置。金屬板1位于上模具2與下模具5之間；上模具2在下表面3上有凹進部分4，通過下表面3用力F將上模具2壓到板1上；下模具5在中間部分有凹陷7，用于容納通過穿過下模具5的管線6以一定壓力P供應的流體。以一定的力F把上模具壓到板1上，做到不使流體漏出裝置；如果合適，可以為此目的安裝單獨的密封件(未顯示)。同時，所述力F必須大到能經得住凹陷7內流體的壓力P施加于金屬板1的力。壓力P的大小要選擇得足以使板1變形，貼到上模具2的凹進部分4的壁上。壓力P的大小決定于板的厚度和凹進部分4的形狀，還決定于所選定的材料。按優選方案，壓力大小做到在壓力P解除后隔板的變形部分回彈很少或一點也不回彈。使用的流體通常為水、油或水油混合物。
圖2所示是用液壓成形法把金屬板1制成隔板的另一種裝置。此裝置除了上模具2可以在夾緊模9之間移動外基本與圖1所示的裝置一樣。以流體不會漏出裝置的力F1把這個夾緊模9壓在板1上，而上模具2則不壓到板1上。這樣借助于下模具5的凹陷7內的流體可以使板1處于初壓下，導致板1預拉伸，并采取凸位，比原來更長，從而所述板能更好地隨從模具的形狀。然后，使上模具2下移并施加最終壓力P，結果，板1變形，靠在上模具2的凹進部分4的壁上。板1的預拉伸導致其內的拉伸更均勻。
往往選擇不銹鋼板作所述金屬板，按美國試驗材料學會的標準為304、316和904號的板適合此種用途，因為其變形性能良好。也可以選擇低碳鋼或超低碳鋼，在這種情況下，碳含量按重量計算必須低于0.3％，較好低于0.15％，更好低于0.05％。錳含量按重量計算必須低于1.5％，硅含量按重量計算必須低于0.5％。這會導致碳素鋼容易變形。還可以選擇鋁板，例如，從AA1000系列鋁材中比如選擇AA1050；從AA3000系列鋁材中比如選擇AA3003或3105，從AA5000系列鋁材中比如選擇AA5018、5052、5182、5186或5754；或從AA6000系列鋁材中比如選擇6016。另外，隔板還可以用鈦制造。
使用上述兩種裝置的方法時，使板以合適方式變形所需的壓力P必須高，在250巴(25兆帕)與6000巴(600兆帕)之間。對于諸如鋁之類比較軟的材料，500巴(50兆帕)與1000巴(100兆帕)之間的壓力通常就足夠了。對于比較硬的金屬，至少需要1000巴(100兆帕)的壓力，優選地，至少需要1500巴(150兆帕)，甚至2000巴(200兆帕)的壓力。很明顯，所需的壓力還決定于隔板的厚度和隔板橫截面的復雜程度。
為了防止隔板遭污染可以在金屬板1與下模具5之間放置隔膜(未顯示)。為了同時給金屬板敷以涂層，所述隔膜也可以有涂層。另一方面，也可以把油漆、聚合物、電解質、玻璃或鹽選作流體。因此，在通過本方法使金屬板變形的同時隔板上就獲得了涂層或涂層的預處理。
圖3顯示金屬板的突出部分可能圖形的實施例。此圖形是蛇形的，因而形成互相平行的各部分。圖4是圖3所示圖形的橫斷面圖。
突出部分反復出現的圖形有間距w。圖4內向下突出的部分有深度d和平均寬度a。位于突出部分之間的部分有寬度b，從而a+b＝w。突出部分之間的未發生形變的部分有寬度e，凹進部分有平面部分，其寬度為f。鄰接未發生形變部分的倒角有圓弧半徑R3，鄰接突出部分的平面部分的倒角有圓弧半徑R4。在平行突出部分的端部，總的蛇形圖形包括具有內圓弧半徑R1和外圓弧半徑R2的半圓形轉折段，其中R1＝R2+a。
在大多數情況下，隔板兩邊對稱是理想的，即，a與b相等，e與f相等，R3與R4相等。在板厚為0.1mm和材料為316不銹鋼的特定情況下，例如，選擇a＝b＝1mm，因此，w＝2mm，e＝f＝0.75mm，R3＝R4＝0.1mm，d＝0.25mm，R2＝0.5mm，R1＝1.5mm。平行的突出部分的長度大約為250mm。
很清楚，隔板也可以選擇其它厚度，在這種情況下，優選方案是使用0.05mm與0.4mm之間的厚度。也可以選擇其它材料，例如，(超)低碳鋼、鋁或鈦。也可以選擇其它值作為圖3和圖4內的參數a、b、w、d、e、f、R1、R2、R3和R4。也可以為隔板選擇不同的圖形或不同的橫截面，例如，多少為正弦曲線橫截面或突出部分的橫截面多少為半圓形。
權利要求
1.一種燃料電池的隔板的制造方法，所述隔板有許多突出部分，其特征在于所述隔板內的突出部分是用加壓流體把金屬板壓到有許多凹進部分的模具上或者用所述模具壓在加壓流體支承的金屬板上制造出來的，所述模具的凹進部分相應于金屬板所要制出的突出部分，以便所述隔板具有所述突出部分。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于流體壓力選擇得高到足以把所述金屬板壓到模具的整個表面上。
3.根據權利要求1或權利要求2的方法，其特征在于為流體壓力選定校準壓力。
4.根據上述權利要求中任一項的方法，其特征在于把流體壓力選定在250巴(25兆帕)和6000巴(600兆帕)之間，500巴(50兆帕)和1000巴(100兆帕)之間或者1000巴(100兆帕)和6000巴(600兆帕)之間較好，1500巴(150兆帕)和6000巴(600兆帕)之間更好，2000巴(200兆帕)和6000巴(600兆帕)之間最好。
5.根據權利要求1至權利要求4中任一項的方法，其特征在于首先把所述金屬板放到所述模具上然后用加壓流體把所述金屬板壓到所述模具上。
6.根據權利要求1至權利要求4中任一項的方法，其特征在于首先把所述金屬板置于流體的預壓下然后再把所述模具壓到所述金屬板上并對所述流體加壓。
7.根據上述權利要求中任一項的方法，其特征在于把隔膜放置于所述金屬板與所述流體之間，優選地，隔膜上有涂層以便同時對所述金屬板敷以涂層。
8.根據上述權利要求中任一項的方法，其特征在于把用諸如低碳鋼、超低碳鋼、鋁、不銹鋼或鈦之類的易變形金屬制成的板選作金屬板。
9.根據權利要求8的方法，其特征在于所述金屬的形變能力相當于斷裂時的均勻延伸率為至少20％。
10.根據權利要求1至權利要求9中任一項的方法，其特征在于所述板在壓制作業中處于室溫下。
11.根據權利要求1至權利要求9中任一項的方法，其特征在于所述板在壓制作業中處于高溫下，例如，對于碳素鋼為500℃到1000℃，對于鋁為100℃到550℃，對于不銹鋼為600℃到1300℃。
12.根據上述權利要求中任一項的方法，其特征在于所述金屬板形變前的厚度選定在0.05mm與0.40mm之間，優選地在0.05mm與0.20mm之間。
13.根據上述權利要求中任一項的方法，其特征在于在所述金屬板上壓制出突出部分的同時把所述金屬板切削成所需的形狀和大小。
14.一種用上述權利要求之一的方法生產的具有許多突出部分的隔板，其特征在于所述隔板是用易變形金屬板制造的，例如，用低碳鋼、超低碳鋼、鋁、不銹鋼或鈦制成的板。
15.根據權利要求14的隔板，其特征在于所述金屬的形變能力相當于斷裂時的均勻延伸率為至少20％。
16.根據權利要求14或15的隔板，其特征在于所述隔板未形變部分的厚度在0.05mm與0.40mm之間，優選在0.05mm與0.20mm之間。
17.根據權利要求14至16中任一項的隔板，其特征在于所述板內轉折段的圓弧半徑至少與所述板的未形變部分的厚度相等。
18.根據權利要求14至17中任一項的隔板，其特征在于所述突出部分具有重復的圖形，間距為w，深度為d，如果所述板在室溫下發生形變，則0.03＜d/w＜1.2，0.1＜d/w＜0.5較好，0.2＜d/w＜0.5更好；如果所述板在高溫下發生形變，則0.03＜d/w＜2.4，0.2＜d/w＜1.0較好，0.4＜d/w＜1.0更好。
19.一種具有許多突出部分的隔板，其中的突出部分的周圍是隔板的基本為平面的部分，所述突出部分有基本重復的圖形，間距為w，深度為d，其中0.25＜d/w＜2.4。
20.根據權利要求19的隔板，其特征在于所述隔板未形變部分的厚度在0.05mm與0.40mm之間，優選在0.05mm與0.20mm之間。
全文摘要
本發明涉及燃料電池的隔板的制造方法，所述隔板有許多突出部。根據本發明，所述隔板內的突出部分是用加壓流體把金屬板壓到有許多凹進部分的模具上或者用所述模具壓在加壓流體支承的金屬板上制造出來的，所述模具的凹進部分相應于金屬板所要制出的突出部分，以便制出的隔板具有突出部分。本發明還涉及用所述方法生產的隔板。
文檔編號H01M8/02GK1711658SQ200380103288
公開日2005年12月21日 申請日期2003年11月13日 優先權日2002年11月15日
發明者J·F·C－J·M·賴耶澤, B·D·卡利爾, M·G·O·克拉斯森 申請人:科魯斯技術有限公司