專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及構(gòu)成燃料電池組的燃料電池氣體隔離板。
背景技術(shù)：
由聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)構(gòu)成的燃料電池包括膜電極組件(MEA)，在這種膜電極組件中，陽(yáng)極膜和陰極膜加壓粘接在固體聚合物電解質(zhì)的兩個(gè)表面上；陽(yáng)極氣體隔離板，具有用于向陽(yáng)極輸送氫的溝槽；陰極氣體隔離板，具有用于向陰極輸送氧氣的溝槽。在用作一個(gè)單一發(fā)電單元的燃料電池組中，由許多這種燃料電池構(gòu)成的疊層體被夾緊在電流收集器、絕緣件和端板之間，并在壓縮方向由系桿束緊。
然而，利用系桿束緊燃料電池的疊層體可能造成氣體隔離板的破裂和斷開(kāi)。
在這一方面，在2001年由日本專(zhuān)利局出版的Tokkai 2001-68128和Tokkai 2001-189160公開(kāi)了增加氣體隔離板強(qiáng)度的工藝。前者提出用非晶形碳材料制作氣體隔離板。后者提出用包含纖維增強(qiáng)件的碳復(fù)合材料制作氣體隔離板。
發(fā)明概要當(dāng)在這些先有技術(shù)例子中采用這兩種材料中的一種材料時(shí)，可以增加氣體隔離板的強(qiáng)度，因而在防止破裂和斷開(kāi)方面先有技術(shù)可以獲得有利的結(jié)果。然而，這些氣體隔離板具有高含量的樹(shù)脂和高含量的纖維增強(qiáng)件，結(jié)果，與不包含樹(shù)脂或纖維增強(qiáng)件的氣體隔離板相比，不可避免地造成電導(dǎo)率的降低。當(dāng)氣體隔離板的電導(dǎo)率很低時(shí)，燃料電池的發(fā)電特性變壞。
因此本發(fā)明的目的是防止在疊置燃料電池期間氣體隔離板的破裂和斷開(kāi)，同時(shí)不降低氣體隔離板的電導(dǎo)率。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種燃料電池組，該裝置包括許多疊置的燃料電池。各個(gè)燃料電池包括膜電極組件，在這些組件中，固體聚合物電解質(zhì)被夾在陽(yáng)極膜和陰極膜之間；陽(yáng)極氣體隔離板，具有面朝陽(yáng)極膜的陽(yáng)極氣體溝槽；陰極氣體隔離板，具有面朝陰極膜的陰極氣體溝槽。
陽(yáng)極氣體隔離板和陰極氣體隔離板鑲在抗彎強(qiáng)度或彎曲模量方面被作成具有不同的特性，將燃料電池疊置起來(lái)，使得燃料電池的陽(yáng)極氣體隔離板與相鄰燃料電池的陰極氣體隔離板接觸。在下面的說(shuō)明中，說(shuō)明本發(fā)明的細(xì)節(jié)和其它優(yōu)點(diǎn)，它們示于附圖中。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是本發(fā)明燃料電池的分解橫截面圖。
優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明下面參考附圖1，燃料電池1包括MEA5、陽(yáng)極氣體隔離板6A和陰極氣體隔離板6B。
該MEA5包括固體聚合物電解質(zhì)2以及陽(yáng)極膜3和陰極膜4，這些膜加壓粘接在固體聚合物電解質(zhì)2的兩個(gè)面上。
陽(yáng)極氣體隔離板6A和陰極氣體隔離板6B配置成彼此相對(duì)，使其將MEA5夾在中間。在陽(yáng)極氣體隔離板6A和固體聚合物電解質(zhì)2以及陰極氣體隔離板6B和固體聚合物電解質(zhì)2之間分別夾緊由絕緣材料構(gòu)成的襯墊7。應(yīng)當(dāng)注意到，圖1是分解圖，而且事實(shí)上，襯墊7接觸固體聚合物電解質(zhì)2。
在面向MEA5的陽(yáng)極氣體隔離板上等間距地形成溝槽6C。在陰極氣體隔離板6B上形成同樣的溝槽6D。該溝槽6C形成陽(yáng)極氣體的溝槽，該陽(yáng)極氣體的主要成分為氫。該溝槽6D構(gòu)成陰極氣體的溝槽，該陰極氣體的主要成分為氧。夾緊在陽(yáng)極氣體隔離板6A和固體聚合物電解質(zhì)2之間的襯墊7所起的作用是防止陽(yáng)極氣體從陽(yáng)極氣體溝槽中漏出。夾緊在陰極氣體隔離板6B和固體聚合物電解質(zhì)2之間的襯墊7其作用是防止陰極氣體從陰極氣體溝槽中漏出。
可以省去襯墊7，由此使得陽(yáng)極氣體隔離板6A的一部分直接接觸固體聚合物電解質(zhì)2，并使陰極氣體隔離板6B的一部分直接接觸固體聚合物電解質(zhì)2。因而，可以利用固體聚合物電解質(zhì)2的彈性來(lái)密封陽(yáng)極氣體和陰極氣體。
在陰極氣體隔離板6B上形成的溝槽6E與溝槽6B背靠背。然后將如此形成的許多燃料電池1沿圖的水平方向疊置起來(lái)。并將未示出的電流收集器、絕緣件和端板固定在疊置的燃料電池1的各個(gè)端部。接著用系桿在鄰近方向加上適當(dāng)負(fù)載將在兩個(gè)端部的端板束緊，由此形成一體的燃料電池組。
在這樣形成的燃料電池組中，具有溝槽6E的陰極氣體隔離板6B粘接在相鄰燃料電池1的陽(yáng)極氣體隔離板6A上，使得溝槽6E可以完全密封冷卻水溝槽。該冷卻水溝槽的作用是穩(wěn)定燃料電池組的操作溫度。然而，仍然可以剩去這種冷卻水溝槽。
對(duì)于抗彎強(qiáng)度和彎曲模量中的至少一個(gè)物理特性，該陽(yáng)極氣體隔離板6A和陰極氣體隔離板6B在特性上是不同的。
即陽(yáng)極氣體隔離板6A的抗彎強(qiáng)度確定為顯著高于或低于陰極氣體隔離板6B的抗彎強(qiáng)度。或者，陽(yáng)極氣體隔離板6A的彎曲模量確定為顯著高于或者低于陰極氣體隔離板6B的彎曲模量。另外，陽(yáng)極氣體隔離板6A和陰極氣體隔離板6B鑒于抗彎強(qiáng)度和彎曲模量的不同可采用不同的組份制造。
在陽(yáng)極氣體隔離板6A和陰極氣體隔離板6B之間，抗彎強(qiáng)度的差可以設(shè)定在大于0和不超過(guò)180MPa(megapascals)的范圍內(nèi)。而在陽(yáng)極氣體隔離板6A和陰極氣體隔離板6B之間的彎曲模量的差被設(shè)定在大于0和不超過(guò)35Gpa(gigapascals)的范圍內(nèi)。為了更詳細(xì)地說(shuō)明，假定陽(yáng)極氣體隔離板6A和陰極氣體隔離板6B中的一個(gè)隔離板是氣體隔離板A，而另一個(gè)被假定為是氣體隔離板B。
如果氣體隔離板A的抗彎強(qiáng)度被設(shè)定為大于氣體隔離板B的抗彎強(qiáng)度，而氣體隔離板A的彎曲模量被設(shè)定為小于氣體隔離板B的彎曲模量，則氣體隔離板A具有較大的強(qiáng)度和韌性。如果氣體隔離板A的抗彎強(qiáng)度被設(shè)定為大于氣體隔離板B的抗彎強(qiáng)度，而氣體隔離板A的彎曲模量被設(shè)定為大于氣體隔離板B的彎曲模量，則氣體隔離板A具有較大的強(qiáng)度，而氣體隔離板B具有較大的韌性。在疊置方向相鄰的氣體隔離板的抗彎強(qiáng)度和彎曲模量以這種方式改變時(shí)，在用系桿束緊疊置的燃料電池1時(shí)，與疊置均勻氣體隔離板的情況相比，可以減小在氣體隔離板上發(fā)生破裂和斷開(kāi)的機(jī)率。
在此實(shí)施例中，可以交替放置兩種氣體隔離板，即陽(yáng)極氣體隔離板6A和陰極氣體隔離板6B。然而，即使在用三種或多種氣體隔離板的燃料電池組中，也可以獲得與本實(shí)施例相同的效果，只要在疊層方向相鄰的氣體隔離板的抗彎強(qiáng)度或彎曲模量不同。
具有如上所述這種物理特性差別的氣體隔離板可以利用已知的制造方法制造。
具有上述不同抗彎強(qiáng)度或者不同彎曲模量的氣體隔離板的制造方法是，采用包含石墨顆粒和樹(shù)脂的石墨復(fù)合材料，并改變石墨顆粒和樹(shù)脂的類(lèi)型。由此種方法制造的氣體隔離板具有比上面Tokkai2001-68128和Tokkai 2001-189160中所述的氣體隔離板高的導(dǎo)電率。在這些文件中的氣體隔離板是采用纖維增強(qiáng)塑料(FRP)制造的，該纖維增強(qiáng)塑料由纖維增強(qiáng)件例如玻璃纖維或碳纖維構(gòu)成。
如果采用平均顆粒直徑為0.5mm或更小的多孔石墨材料作石墨，則氣體隔離板的彎曲模量低于采用其它石墨材料的彎曲模量，因此增加了柔性。氣體隔離板的抗彎強(qiáng)度隨樹(shù)脂含量的增加而增加，和彎曲模量一樣，由此可以降低柔性。然而應(yīng)當(dāng)注意到，增加樹(shù)脂成份引起的抗彎強(qiáng)度的增加有一個(gè)極限。
采用顆粒合成石墨作石墨，或者采用浸透樹(shù)脂的石墨材料，或者采用玻璃化的碳可以使彎曲模量和抗彎強(qiáng)度二者增加。通過(guò)加入適當(dāng)量的纖維增強(qiáng)件還可大大增加氣體隔離板的抗彎強(qiáng)度。
為了進(jìn)一步增加兩個(gè)氣體隔離板之間抗彎強(qiáng)度和彎曲模量之間的差別，最好用具有低彎曲模量的發(fā)泡石墨材料制作氣體隔離板中的一個(gè)板，而用玻璃化的碳或者抗彎強(qiáng)度和彎曲模量二者都高的合成石墨材料制作氣體隔離板中的另一個(gè)板。
至于用在石墨復(fù)合材料中的樹(shù)脂最好是抗酸的、耐熱的和耐水解的樹(shù)脂，這種樹(shù)脂可以承受燃料電池組的工作環(huán)境?？梢圆捎镁哂袩崴苄蕴匦曰蚓哂袩峁绦蕴匦缘臉?shù)脂。
氣體隔離板的結(jié)構(gòu)材料不限于石墨復(fù)合材料。氣體隔離板還可以用耐酸的金屬例如鈦制造。另外，也可以采用不銹鋼或鋁作氣體隔離板的結(jié)構(gòu)材料，并在與氣體接觸的那部分氣體隔離板上涂上耐腐蝕的材料，同時(shí)在與MEA5接觸的那部分氣體隔離板上涂上貴金屬，使其可以減小接觸電阻。一種以這種方式構(gòu)成的金屬氣體隔離板可以與另一種具有不同物理特性的金屬氣體隔離板交替疊置，或者可以與用石墨復(fù)合材料制作的氣體隔離板交替疊置。
當(dāng)用系桿束緊氣體隔離板以及襯墊和MEA時(shí)，由于疊置的不平整性可能局部地造成壓力集中。“疊置的不平整性”意味著加工精度不一致，例如在氣體隔離板厚度方向的翹區(qū)或者厚度不均勻，或者疊置期間在襯墊的一個(gè)部分或者M(jìn)EA5上產(chǎn)生疊置誤差。由于具有彈性，所以氣體隔離板可以響應(yīng)這種疊置不平整性而改變形狀，由此可以緩解這種局部的壓力集中，并防止氣體隔離板發(fā)生裂紋或斷開(kāi)。還可以得到氣體或者冷卻水不會(huì)漏出的環(huán)境。
另外，在疊置燃料電池1時(shí)，具有低抗彎強(qiáng)度或者彎曲模量的氣體隔離板可以按照放在其兩側(cè)的氣體隔離板彈性地改變形狀，因此，可以防止氣體隔離板的損傷和漏氣。因而不需要在燃料電池組中提供特殊的部件便可防止氣體隔離板的損壞或漏氣，這意味著簡(jiǎn)化了燃料電池組的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)采用石墨顆粒和樹(shù)脂作為主要成分的復(fù)合材料制作氣體隔離板時(shí)，由于成份的差別，使得氣體隔離板的熱導(dǎo)率也產(chǎn)生差別。在這種情況下，最好采用具有高熱導(dǎo)率的氣體隔離板作陰極氣體隔離板6B，這種陰極氣體隔離板比陽(yáng)極氣體隔離板6A具有較高的溫度靈敏度。因?yàn)殛帢O具有高電流密度和產(chǎn)生較大的熱量，所以在陰極氣體隔離板6B中形成溝槽6E，從而獲得冷卻水溝槽。因此，由于增加了陰極氣體隔離板6B的熱導(dǎo)率，所以可以提高流過(guò)溝槽6E的冷卻水的冷卻效果。另外，在用燃料電池1發(fā)電時(shí)，固體聚合物電解質(zhì)必須保持在潮濕狀態(tài)。為了確保這種潮濕狀態(tài)，必須準(zhǔn)確控制燃料電池1的溫度。提高具有冷卻水溝槽的陰極氣體隔離板6B的熱導(dǎo)率簡(jiǎn)化了燃料電池1的溫度控制。
下面說(shuō)明如前所述的氣體隔離板A和B的制造方法以及由本發(fā)明人對(duì)用氣體隔離板A和B的燃料電池組的強(qiáng)度進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果。
首先將1 00份重量的石墨顆粒與1.76份重量的酚醛樹(shù)脂和0.6份重量的內(nèi)膜具潤(rùn)滑劑進(jìn)行干混合，然后將此混合物壓鑄成板，使其表面尺寸為300mm×250mm，厚度為1mm，由此制成兩個(gè)氣體隔離板A和B。該氣體隔離板分別包含陽(yáng)極溝槽或者陰極溝槽，這些溝槽具有入口和出口，使得可以將氣體溝槽分別連接于相應(yīng)氣體的進(jìn)氣管和排氣管。
該氣體隔離板A和B具有以下差別。
氣體隔離板A采用平均顆粒直徑為60mm的合成石墨顆粒作石墨顆粒，并在壓鑄后進(jìn)行灼燒，作為物理特性得到95MPa的抗彎強(qiáng)度和28GPa的彎曲模量。
氣體隔離板B采用平均粒子直徑為120μm的發(fā)泡石墨粒子作石墨粒子，并進(jìn)行熱處理，以促使酚醛樹(shù)脂完全固化，由此作為物理特性得到38MPa的抗彎強(qiáng)度和8GPa的彎曲模量。
表1示出氣體隔離板A和氣體隔離板B的抗彎強(qiáng)度(MPa)、彎曲模量(GPa)和厚度D的準(zhǔn)確度(±μm)。按照日本標(biāo)準(zhǔn)GISK7171“塑料-彎曲特性的測(cè)定”測(cè)量抗彎強(qiáng)度和彎曲模量。
隨后將采用氣體隔離板A和氣體隔離板B的燃料電池疊置起來(lái)構(gòu)成燃料電池組，即將電流收集器、絕緣件和端板放在沿疊置方向疊置的燃料電池的各個(gè)端部，隨后用系桿沿疊置方向束緊得到燃料電池。
電流收集器和絕緣件中的各個(gè)部件作成表面尺寸為300mm×250mm，厚度為1mm，而端板作成表面尺寸為300mm×250mm，厚度為20mm。
例子1制造一種燃料電池，在這種電池中，MEA夾在氣體隔離板A和氣體隔離板B之間，然后將5個(gè)這種燃料電池疊置起來(lái)，使得氣體隔離板A接觸相鄰燃料電池的氣體隔離板B。然后，如上所述，將電流收集器、絕緣件和端板放在疊置的燃料電池的各個(gè)端部，并用系桿束緊在兩個(gè)端部的端板，束緊的接觸壓力為0.5MPa，可以采用同樣的方法獲得另一種燃料電池組，該裝置在兩端用1MPa的接觸壓力束緊端板。
比較例子1燃料電池的陽(yáng)極氣體隔離板和陰極氣體隔離板均被作成為氣體隔離板A。將以這種方式作成的5個(gè)燃料電池像例子1一樣進(jìn)行疊置，然后像例子1一樣進(jìn)行同樣處理，得到以0.5MPa的接觸壓力束緊的燃料電池組和以1MPa接觸壓力束緊的燃料電池組。
比較例子2燃料電池的陽(yáng)極氣體隔離板和陰極氣體隔離板均被作成為氣體隔離板B。將以這種方式作成的5個(gè)燃料電池像例子1一樣進(jìn)行疊置，然后像例子1一樣進(jìn)行同樣處理，得到以0.5MPa接觸壓力束緊的燃料電池組和以1MPa接觸壓力束緊的燃料電池組。
在例子1、比較例子1和比較例子2中制造的6種燃料電池組的每一種裝置中將包含燃料氣體的氫氣輸送到陽(yáng)極氣體隔離板的支管內(nèi)，而將包含氧化氣體的氧氣輸送到陰極氣體隔離板的支管內(nèi)?？梢杂脷怏w檢測(cè)器檢測(cè)從燃料電池組的外周緣漏出的氣體。還將冷卻流體輸送到各個(gè)燃料電池組的冷卻溝槽內(nèi)，并檢查冷卻冷卻流體的滲漏。在進(jìn)行泄漏檢測(cè)試驗(yàn)以后，卸開(kāi)每個(gè)燃料電池組，利用目測(cè)法檢查氣體隔離板受到的損壞。然后再重新裝上卸開(kāi)的燃料電池組，再進(jìn)行上述的泄漏檢測(cè)。對(duì)于6種燃料電池組的各種裝置進(jìn)行5次泄漏檢測(cè)試驗(yàn)和用目測(cè)法檢測(cè)氣體隔離板的損壞。
表2示出上述試驗(yàn)結(jié)果，表中的數(shù)字表示檢測(cè)到氣體和冷卻流體滲漏的數(shù)目或表示氣體隔離板受損位置的數(shù)目。
在樣品1中，使具有不同物理特性的氣體隔離板A和氣體隔離板B連用，按照相關(guān)樣品1的試驗(yàn)結(jié)果，沒(méi)有氣體或者冷卻流體的滲漏，而且不管在0.5MPa或1.0MPa的接觸壓力條件下均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣體隔離板有損傷。
至于比較樣品1，在加上0.5MPa的接觸壓力時(shí)，氣體隔離板沒(méi)有損壞，但是在1～3個(gè)位置發(fā)現(xiàn)有氣體或冷卻流體滲漏。在1.0MPa的接觸壓力時(shí)，在1～3個(gè)位置發(fā)現(xiàn)氣體隔離板有損傷，而且在4個(gè)或多個(gè)位置發(fā)現(xiàn)氣體或者冷卻流體滲漏。
在比較例子2中，在0.5MPa或者1.0MPa的接觸壓力下，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何氣體隔離板損壞，但是在兩種接觸壓力下，分別在1～3個(gè)位置發(fā)現(xiàn)氣體和冷卻流體泄漏。
歸檔日期為2001年12月21日的日本Tokugan 2001-389166的內(nèi)容作為參考包含在本文中。
雖然上面已參考本發(fā)明的某些實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，技術(shù)人員根據(jù)上面說(shuō)明可以想出上述實(shí)施例的各種改型和變化。
應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域如上所述，通過(guò)聯(lián)合應(yīng)用抗彎強(qiáng)度或者彎曲模量不同的隔離板，本發(fā)明的燃料電池組可以吸收沿疊置方向束緊疊置燃料電池時(shí)在隔離板上的翹區(qū)或不均勻性。本發(fā)明最好用于聚合物電解質(zhì)燃料電池作的燃料電池組。由此可以防止隔離板損壞，以及防止氣體或冷卻水滲漏，而且不會(huì)影響隔離板的電導(dǎo)率。
本發(fā)明的申請(qǐng)專(zhuān)有權(quán)或特許權(quán)的實(shí)施例被確定如下。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組，包括許多疊置的燃料電池(1)，各個(gè)燃料電池(1)包含膜電極組件(5)，在該電極組件中，固體聚合物電解質(zhì)(2)被夾緊在陽(yáng)極膜(3)和陰極膜(4)之間；陽(yáng)極氣體隔離板(6A)，具有面向陽(yáng)極膜(3)的陽(yáng)極氣體溝槽(6C)；陰極氣體隔離板(6B)，具有面向陰極膜(4)的陰極氣體溝槽(6D)，陽(yáng)極氣體隔離板(6A)和陰極氣體隔離板(6B)在抗彎強(qiáng)度或者彎曲模量方面具有不同的特性，將燃料電池(1)這樣疊置，使得燃料電池(1)的陽(yáng)極氣體隔離板(6A)與相鄰燃料電池(1)的陰極氣體隔離板(6B)接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，陽(yáng)極氣體隔離板(6A)和陰極氣體隔離板(6B)用包含石墨顆粒和樹(shù)脂的復(fù)合材料制作。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池組，其特征在于，陽(yáng)極氣體隔離板(6A)和陰極氣體隔離板(6B)中的一個(gè)板具有比另一個(gè)板大的抗彎強(qiáng)度和比另一個(gè)板小的彎曲模量。
4.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池組，其特征在于，陽(yáng)極氣體隔離板(6A)和陰極氣體隔離板(6B)中的一個(gè)板具有比另一個(gè)板大的抗彎強(qiáng)度和比另一個(gè)板大的彎曲模量。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，在陽(yáng)極氣體隔離板(6A)和陰極氣體隔離板(6B)之間的抗彎強(qiáng)度差確定在180MPa(兆帕斯卡)或者更小，而在陽(yáng)極氣體隔離板(6A)和陰極氣體隔離板(6B)之間的彎曲模量差確定為35Gpa(千兆帕斯卡)或者更小。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，陰極氣體隔離板(6B)其熱導(dǎo)率高于陽(yáng)極氣體隔離板(6A)。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，陰極氣體隔離板(6B)包含冷卻水溝槽(6E)。
全文摘要
燃料電池組由許多疊置的燃料電池(1)構(gòu)成。每個(gè)燃料電池(1)包括膜電極組件(5)，在該組件中，固體聚合物電解質(zhì)(2)被夾緊在陽(yáng)極膜(3)和陰極膜(4)之間；陽(yáng)極氣體隔離板(6A)，具有面向陽(yáng)極膜(3)的陽(yáng)極氣體溝槽(6C)；陰極氣體隔離板(6B)，具有面向陰極膜(4)的陰極氣體溝槽(6D)。在疊置時(shí)，燃料電池(1)的陽(yáng)極氣體隔離板(6A)與相鄰燃料電池(1)的陰極氣體隔離板(6B)接觸。該陽(yáng)極氣體隔離板(6A)和陰極氣體隔離板(6B)具有不同的抗彎強(qiáng)度或者彎曲模量，從而可以在疊置期間防止氣體隔離板損壞以及防止氣體或冷卻水泄漏。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1481592SQ02802718
公開(kāi)日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2002年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
發(fā)明者宮澤篤史, 青木敦 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社