專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于便攜式電源，電動(dòng)汽車(chē)用電源，發(fā)電及廢熱供暖系統(tǒng)等中的采用高分子電解質(zhì)的燃料電池。
背景技術(shù)：
高分子電解質(zhì)型燃料電池，其基本原理是將燃料氣體供應(yīng)給電解質(zhì)膜、電極接合體(MEA)的陽(yáng)極側(cè)，將氧化劑氣體供應(yīng)給陰極側(cè)，利用經(jīng)由電解質(zhì)膜的電化學(xué)反應(yīng)合成水，借此使之同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能，根據(jù)需要將這些能量以電能的方式取出。
這種燃料電池的具有代表性的結(jié)構(gòu)示于圖1。此外，圖1中，其下半部分為正視圖，其上半部分主要為剖視圖。
在圖1中，MEA10由高分子電解質(zhì)膜11及夾持它的兩個(gè)電極，即陰極12和陽(yáng)極13構(gòu)成，為了不使所供應(yīng)的燃料氣體及氧化劑氣體向外泄漏，也不將這兩種氣體相互混合，在陰極和陽(yáng)極的外周上分別配置襯墊14及15。
燃料電池的基本單位是利用設(shè)置向陽(yáng)極供應(yīng)、排出燃料氣體的氣體流路的陽(yáng)極側(cè)隔板以及設(shè)置向陰極供應(yīng)、排出氧化劑氣體的氣體流路的陰極側(cè)隔板夾持MEA的結(jié)構(gòu)。疊層燃料電池是將這種基本單位疊層幾十至幾百級(jí)構(gòu)成的，具有以每2～3個(gè)單元為一級(jí)的比例設(shè)置冷卻部。圖1的燃料電池采用四種隔板。配置在電池組16的左端的陰極側(cè)隔板22具有氧化劑氣體的流路32。配置在電池組16右端的陽(yáng)極側(cè)隔板21具有燃料氣體流路。配置在MEA之間的隔板20在與陰極對(duì)向的面上具有氧化劑氣體流路34，在與陽(yáng)極對(duì)向的面上具有燃料氣體流路33，從而，兼作陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板。冷卻部利用把陽(yáng)極側(cè)隔板23與陰極側(cè)隔板24組合成的復(fù)合隔板構(gòu)成。陰極側(cè)隔板24在與陰極對(duì)向的面上具有氧化劑氣體流路36，在其相反側(cè)的面上具有冷卻水流路38。陽(yáng)極側(cè)隔板23在與陽(yáng)極對(duì)向的面上具有燃料氣體流路35，在相反側(cè)的面上具有冷卻水流路37。通過(guò)將隔板23和24在冷卻水流路側(cè)相互面對(duì)進(jìn)行接合，利用流路37和38形成一個(gè)冷卻水流路。圖1中為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，僅示意地表示出四個(gè)電池。
中間經(jīng)由集電板6和絕緣板5將端板4重疊在電池組16的兩端上，利用將它們貫通的螺栓70和螺母71緊固，借助墊圈73施加緊固壓力。
在這種燃料電池中，從設(shè)在端板，絕緣板，集電板，隔板及MEA上的共用的導(dǎo)入口側(cè)歧管孔向各個(gè)隔板的各個(gè)流路分配、供應(yīng)反應(yīng)氣體或冷卻水，從排出口側(cè)歧管孔排出。在圖1中，表示出了電池組16的氧化劑氣體的導(dǎo)入口側(cè)歧管孔18a。此外，表示出了設(shè)于一個(gè)端板4上的氧化劑氣體歧管孔1a，和焊接在該歧管孔的邊緣部上的氧化劑氣體導(dǎo)入管2a。從管2a導(dǎo)入的氧化劑氣體，從設(shè)在絕緣板及集電板上的歧管孔及電池組16的導(dǎo)入口側(cè)的歧管孔18a流入到各陰極側(cè)隔板的氣體流路內(nèi)，供反應(yīng)用，剩余的氧化劑氣體及反應(yīng)生成物經(jīng)由排出口側(cè)的歧管孔從設(shè)在另一個(gè)端板上的氣體排出管2b排出。同樣地，燃料氣體從接合到一個(gè)端板4上的導(dǎo)入管3a，經(jīng)由導(dǎo)入口側(cè)歧管孔，氣體流路及排出口側(cè)歧管孔從排出管3b排出。
集電板6是把從串聯(lián)疊層的電池組來(lái)的電力集電并連接到外部用的金屬板，通常用不銹鋼，銅，黃銅等材料構(gòu)成，為了降低接觸電阻并增加耐腐蝕性，常常進(jìn)行鍍金。絕緣板5是為了將端板4與集電板6絕緣而設(shè)置的樹(shù)脂制的板。端板4是為了將緊固壓力均勻地施加到電池上用的緊固板，通常為在機(jī)械加工制成的不銹鋼板上焊接導(dǎo)入及排出氣體和冷卻水用的管構(gòu)成。此外，在這些構(gòu)件互相之間，為了將水和氣體密封，在歧管孔的外周上設(shè)置嵌入O環(huán)的槽，一般利用O環(huán)進(jìn)行密封，在圖1中，表示出了O環(huán)8a，8b及28等。
現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池中，為了降低電解質(zhì)膜與電極及隔板之間的接觸電阻，并進(jìn)一步確保襯墊的氣密性，通常用10.0～20.0Kgf/cm2左右的緊固壓力將電池組緊固。因此一般的燃料電池的結(jié)構(gòu)為用機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異的金屬材料構(gòu)成端板，將彈簧或墊圈組合到緊固螺栓上，從兩端進(jìn)行固定。此外，由于所供應(yīng)的加濕氣體及冷卻水連接到端板的一部分上，所以，從耐腐蝕的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)于金屬材料，通常使用耐腐蝕性優(yōu)異的不銹鋼材料。此外，對(duì)于集電板使用比碳材料導(dǎo)電性更高的金屬材料，從接觸電阻的角度出發(fā)，根據(jù)不同的情況通常對(duì)其進(jìn)行表面處理。進(jìn)而，由于兩端的端板經(jīng)由緊固螺栓處于電接觸的狀態(tài)，所以，從絕緣的角度出發(fā)，在集電板及端板之間插入絕緣性的絕緣板。
用于這種高分子電解質(zhì)型燃料電池的隔板必須是導(dǎo)電性強(qiáng)，對(duì)于燃料氣體具有高的氣密性，進(jìn)而，對(duì)于將氫/氧進(jìn)行氧化還原時(shí)的反應(yīng)具有高的耐腐蝕性，即，具有高的耐酸性。因此，現(xiàn)有技術(shù)的隔板是在不透氣的致密的碳板的表面上通過(guò)切削加工形成氣體流路，或者是將石墨粉末與粘接劑一起加入到形成氣體流路槽的金屬壓模內(nèi)，將其壓制加工后，通過(guò)加熱燒結(jié)制成。
此外，近年來(lái)，代替現(xiàn)有技術(shù)中所使用的碳材料，正在試驗(yàn)采用不銹鋼等金屬材料。采用金屬板的隔板由于金屬板暴露在高溫氧化性氣氛中，在長(zhǎng)期使用時(shí)，會(huì)引起金屬板的腐蝕或溶解。當(dāng)金屬板腐蝕時(shí)，腐蝕的部分電阻增大，電池的輸出降低。此外，當(dāng)金屬板溶解時(shí)，溶解的金屬離子擴(kuò)散到高分子電解質(zhì)中，被捕獲在它們與高分子電解質(zhì)進(jìn)行離子交換的部位處，結(jié)果造成高分子電解質(zhì)本身的離子導(dǎo)電性能的降低。為了避免這種惡化，通常在金屬板的表面上進(jìn)行具有一定厚度的鍍金。
如上所述，現(xiàn)有技術(shù)的端板，從機(jī)械強(qiáng)度的角度出發(fā)，通常使用不銹鋼板。但是，由于對(duì)于燃料電池疊層體需要比較大的緊固壓力，所以需要使用15mm左右以上的較厚的不銹鋼板材，從而導(dǎo)致燃料電池疊層體總體的重量的增加。
進(jìn)而，由于是不銹鋼的厚板材，所以不能采用壓鑄法及板金加工等廉價(jià)的成形方法，必須用切削加工進(jìn)行制作。此外，在燃料電池起動(dòng)時(shí)，通常，必須使電池升溫達(dá)到規(guī)定的電池溫度之后進(jìn)行發(fā)電，但當(dāng)采用通常的不銹鋼等金屬材料作為端板時(shí)，由于與樹(shù)脂材料等相比金屬材料的熱容量大，所以，存在著燃料電池的起動(dòng)需要較長(zhǎng)的時(shí)間的問(wèn)題。進(jìn)而，由于金屬材料容易散熱，所以，當(dāng)在燃料電池組的兩端設(shè)置容易散熱的金屬端板時(shí)，為了防止散熱，必須設(shè)置足夠的隔熱材料。
此外，由于必須設(shè)置氣體及冷卻水的供應(yīng)、排出口，所以，必須將管狀不銹鋼材料焊接，或者在端板上設(shè)置螺紋孔等使配管構(gòu)件與之配合。
此外，由于現(xiàn)有技術(shù)的端板材料使用導(dǎo)電性材料，所以用于絕緣的絕緣板是必不可少的。
進(jìn)而，為了將不同材料的集電板和絕緣板及端板組合起來(lái)疊層，必須使用密封氣體及冷卻水的O環(huán)等密封件。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述課題，本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池的特征為，具備多個(gè)導(dǎo)電性隔板以及插入到前述導(dǎo)電性隔板之間的電解質(zhì)膜、電極接合體，前述電解質(zhì)膜、電極接合體具有由高分子電解質(zhì)膜和夾持前述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極構(gòu)成的電池組，夾持前述電池組的一對(duì)集電板，中間經(jīng)由前述集電板夾持前述電池組的一對(duì)端板，通過(guò)將前述一對(duì)端板緊固向前述電池組施加緊固壓力的緊固機(jī)構(gòu)，以及包含有將設(shè)于前述電池組上的氧化劑氣體及燃料氣體的各氣體導(dǎo)入口及氣體排出口、和把前述氣體導(dǎo)入口與前述氣體排出口連接起來(lái)的氣體流路的氧化劑氣體和燃料氣體的供應(yīng)及排出機(jī)構(gòu)，前述端板由以樹(shù)脂為主要成分的絕緣性的樹(shù)脂中心(resin-dominant)材料構(gòu)成。在此，樹(shù)脂中心材料表示以樹(shù)脂為主要成分，也包括根據(jù)需要含有玻璃纖維或陶瓷粉末那樣的填充劑或加強(qiáng)材料的材料。根據(jù)本發(fā)明，作為端板，通過(guò)代替現(xiàn)有技術(shù)中的金屬材料，用樹(shù)脂中心材料構(gòu)成，可以省略現(xiàn)有技術(shù)中所必需的絕緣板，可以大幅度降低成本和重量。進(jìn)而，由于樹(shù)脂中心材料比金屬材料散熱速度慢，在利用燃料電池的熱能上是有利的。此外，由于可以不存在氣體和冷卻水與金屬材料接觸的部分，從而可以大幅度提高耐腐蝕性。
前述端板優(yōu)選地由前述樹(shù)脂中心材料的注射模塑成形體構(gòu)成。
前述集電板和前述端板優(yōu)選地成為前述集電板嵌入前述端板的一體成形體。
前述氣體導(dǎo)入口及前述氣體排出口優(yōu)選地為筒狀，且從前述端板的主面上突出地形成。
前述氣體導(dǎo)入口及前述氣體排出口，優(yōu)選地為筒狀，且從前述端板的端面上突出地形成。
前述端板的前述樹(shù)脂中心材料優(yōu)選地含有加強(qiáng)用材料，例如玻璃纖維，前述樹(shù)脂由對(duì)聚苯硫，液晶聚合物或聚砜構(gòu)成。
由前述緊固機(jī)構(gòu)造成的緊固壓力優(yōu)選地在前述端板的單位面積上為1.5～5.0kgf/cm2。
優(yōu)選地，在前述端板的外側(cè)主面上還設(shè)置有加強(qiáng)體。


圖1示意地表示現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池的構(gòu)成，是部分剖視正視圖。
圖2是示意地表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池的結(jié)構(gòu)的部分剖視正視圖。
圖3是示意地表示在根據(jù)圖2所示的實(shí)施例的燃料電池上附加加強(qiáng)板構(gòu)成的燃料電池的結(jié)構(gòu)的部分剖視正視圖。
圖4～圖9是分別示意地表示根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例的燃料電池的結(jié)構(gòu)的部分剖視正視圖。
圖10是示意地表示用于本發(fā)明的實(shí)施例的電解質(zhì)膜-電極接合體(MEA)的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖11是示意地表示在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的隔板的表面的俯視圖。
圖12是示意地表示本發(fā)明的實(shí)施例中使用的隔板的背面的仰視圖。
圖13是示意地表示本發(fā)明的實(shí)施例中使用的冷卻水路板的結(jié)構(gòu)的正視圖。
圖14是示意地表示將在用于本發(fā)明的實(shí)施例的高分子電解質(zhì)膜上形成電極而成孔的MEA配置在圖11的隔板表面上的結(jié)構(gòu)的正視圖。
圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施例所示的端板與集電板的一體成形體的部分剖視透視圖。
圖16是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池的連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間與電池的電壓的關(guān)系的壽命特性圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特點(diǎn)是，利用以樹(shù)脂為主成分的材料構(gòu)成作為其主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的端板。在利用不銹鋼等金屬材料制造端板時(shí)，為了形成端板，必須進(jìn)行切削加工，但通過(guò)利用以樹(shù)脂為主成分的材料制造端板，可以利用注射模塑成形制造端板，可以大幅度降低成本并使之輕量化。此外，通過(guò)將端板樹(shù)脂化，可以降低整個(gè)燃料電池的熱容量，可以大幅度縮短燃料電池起動(dòng)時(shí)使電池升溫達(dá)到規(guī)定的電池溫度所需的時(shí)間。進(jìn)而，通過(guò)將端板樹(shù)脂化，可以抑制從燃料電池組端部的散熱，不必設(shè)置隔熱材料，有效地利用燃料電池所發(fā)生的熱量。
此外，使用不銹鋼等金屬材料的情況下，為了設(shè)置氣體及冷卻水的供應(yīng)、排出口，必須將管狀金屬材料焊接，或在端板上設(shè)置螺紋孔等，以便對(duì)配管構(gòu)件進(jìn)行配合。但是，通過(guò)樹(shù)脂的注射模塑成形，可以將氣體及冷卻水的供應(yīng)排出口整體成形，進(jìn)而，可以防止所供應(yīng)的氣體及冷卻水與現(xiàn)有技術(shù)中的金屬制的端部及供應(yīng)排出口的金屬材料接觸，從而防止金屬離子混入到所供應(yīng)的氣體及冷卻水中。
進(jìn)而，通過(guò)省掉絕緣板、通過(guò)將集電板嵌入到端板內(nèi)成形，可以省掉在現(xiàn)有技術(shù)中在端板與絕緣板和集電板之間所必須的O環(huán)等密封材料，可以大幅度減少組裝工時(shí)。進(jìn)而，在把集電板與端板進(jìn)行嵌入成形時(shí)，通過(guò)采用作為端板材料的樹(shù)脂配合到集電板的歧管內(nèi)的嵌入結(jié)構(gòu)，防止所供應(yīng)的氣體及冷卻水與集電板接觸，即，可以使集電板隔離。該集電板的隔離不僅可以防止所供應(yīng)的氣體及冷卻水觸及金屬材料以防止金屬離子混入所供應(yīng)的氣體及冷卻水。由于電池電壓加到集電板上，當(dāng)觸及集電板的加濕氣體或冷卻水也具有一定的導(dǎo)電性時(shí)，會(huì)使集電板發(fā)生急劇腐蝕的現(xiàn)象，上述集電板的隔離也具有防止這種現(xiàn)象的效果。
圖2至圖9表示其結(jié)構(gòu)例。其中，圖2，圖4，圖6，圖7將在后面的實(shí)施例中詳細(xì)描述，這里對(duì)它們簡(jiǎn)單地加以說(shuō)明。此外，圖2、圖3和圖1一樣，下半部是正視圖，上半部是剖視圖，其它的圖，下半部分是正視圖，上半部分是剖視圖，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化說(shuō)明，僅表示出左側(cè)部分。此外，為了簡(jiǎn)化附圖，對(duì)很明顯的構(gòu)件，例如，對(duì)于緊固桿，圖中省略了貫穿燃料電池內(nèi)部的部分。
在圖2至圖9八個(gè)圖中所示的結(jié)構(gòu)是共同的，如各圖所示，它們的一個(gè)特征之一是，在MEA(210，310，410，510，610，710)的電極端部附近的周邊部與歧管孔(201，301，401，501，601，701)周邊部的高分子電解質(zhì)膜(211，311，411，511，611，711)上的表面主面、背面主面上，如用圖2的放大圖部分更明確地表示的那樣，粘貼特定材料截面為圓形或橢圓形的O環(huán)狀的氣體密封構(gòu)件(214，215)，作為襯墊(250，350，450，550，650，750)。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)，由于場(chǎng)所的不同，O環(huán)狀的氣體密封構(gòu)件之間夾著高分子電解質(zhì)膜間接地推壓。由于場(chǎng)所的不同，相互對(duì)向的隔板的上表面上配置的O環(huán)狀的氣體密封構(gòu)件在其間不夾持高分子電解質(zhì)膜地相互直接推壓。另外，由于場(chǎng)所的不同，在一片隔板的背面上配置的O環(huán)狀氣體密封構(gòu)件和相對(duì)向的隔板的氣體流動(dòng)槽上設(shè)置的多個(gè)輔助棱之間夾著高分子電解質(zhì)膜，其O環(huán)狀的氣體密封構(gòu)件和輔助棱間接地推壓。因此，“O環(huán)狀”密封構(gòu)件的表達(dá)表示與應(yīng)密封、或應(yīng)包圍的歧管孔或氣體流通等要素的形狀相對(duì)應(yīng)，將密封構(gòu)件配置成環(huán)狀或者圈狀的形狀，以及其密封構(gòu)件的斷面具有圓形或橢圓形的形狀。在這些O環(huán)狀氣體密封構(gòu)件的各個(gè)部位處的配置方式的例子更具體地表示在圖11，圖12，圖13，圖14中。在這些圖中，914a-e，915a-e，916a-e是這些氣體密封構(gòu)件的正視圖。利用這些氣體密封構(gòu)件，可以把襯墊部分的密封所必需的緊固壓力降低到最低限度，可以把緊固壓力的大部分集中為降低電極與導(dǎo)電性隔板的接觸壓力必不可少的電極部分上。利用這種方法，為了減少加在電池組上的負(fù)荷，優(yōu)選地將端板樹(shù)脂化。
此外，現(xiàn)有技術(shù)的襯墊，由于采用把板上的氣體密封件例如切成口字型，設(shè)置在必要的部位處的方法，所以氣體密封構(gòu)件與高分子電解質(zhì)膜或者與隔板的接觸面積變大，不施加大的緊固壓力便不能充分地進(jìn)行氣密性密封。
圖3的結(jié)構(gòu)與圖2的結(jié)構(gòu)相同，但在圖2所示的端板204a，204b的外側(cè)主面上還設(shè)置有端板加強(qiáng)用的加強(qiáng)體290a，290b。
圖4表示具有例如將黃銅制成的集電板插入到成形模內(nèi)，在該成形模內(nèi)注射模塑成形端板用樹(shù)脂中心材料形成的端板304與集電板306的整體結(jié)構(gòu)。端板材料配合到集電板的歧管孔301側(cè)的內(nèi)側(cè)，采用將集電板插入到端板中的結(jié)構(gòu)，在集電板的歧管孔301內(nèi)側(cè)的端板上設(shè)置O環(huán)槽，用O環(huán)308進(jìn)行端板304與隔板322之間的密封，可以防止所供應(yīng)的氣體及冷卻水接觸集電板306的結(jié)構(gòu)。
圖5的結(jié)構(gòu)與圖4的結(jié)構(gòu)相同，表示在圖4的端板304的外側(cè)主面上還設(shè)置有端板加強(qiáng)用加強(qiáng)體390的結(jié)構(gòu)。
圖6表示在連接端板404的筒狀的氣體導(dǎo)入口(或排出口)402的相反側(cè)的歧管401的內(nèi)部也呈筒狀突出地形成端板材料的一部分494，與隔板422的端部連接。在該隔板422的端部上設(shè)置O環(huán)槽，利用O環(huán)槽408進(jìn)行密封的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，可以防止供應(yīng)的氣體及冷卻水接觸集電板。
圖7是表示與圖4所示的結(jié)構(gòu)相比，除了氣體導(dǎo)入口(排出口)502設(shè)在端板504的端面?zhèn)壬稀⑶以O(shè)置端板加強(qiáng)用的加強(qiáng)體590之外，其它基本上與圖4所示的結(jié)構(gòu)相同的例子。即，MEA510被隔板522，520夾持，與端板之間的密封用O環(huán)508進(jìn)行，利用端板材料的一部分將集電板506與歧管501之間隔離等的結(jié)構(gòu)，與圖4相同。
圖8表示與圖7的結(jié)構(gòu)相比，除不設(shè)置端板加強(qiáng)體590之外，其它結(jié)構(gòu)基本上和圖7的結(jié)構(gòu)相同的例子。
圖9表示與圖8的結(jié)構(gòu)相比，除氣體導(dǎo)入口(排出口)702不與端板整體成形、使之與圖示的接頭配合之外，基本結(jié)構(gòu)與圖8所示的結(jié)構(gòu)相同的例子。即，MEA710被隔板722，720夾持，用O環(huán)708進(jìn)行與端板之間的密封，利用端板材料的一部分將集電板706與歧管701之間隔開(kāi)等的結(jié)構(gòu)，與圖8相同。
此外，作為端板的樹(shù)脂中心材料的樹(shù)脂的例子，優(yōu)選地為，聚丙烯(PP)，尼龍樹(shù)脂，聚縮醛(POM)，聚碳酸酯(PC)，變性聚亞苯基醚(變性PPE)，聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(GF-PET)，超大分子量聚乙烯(UHPE)，聚甲基戎烷(TPX)，間規(guī)聚苯乙烯(SPS)，聚砜(PSF)，聚醚砜(PES)，聚鄰苯二酰胺(PPA)，對(duì)聚苯硫(PPS)，聚對(duì)苯二甲酸環(huán)己基二甲酯(PCT)，多芳基化合物(PAR)，聚醚酰亞胺(PEI)，聚醚酮醚(PEEK)，聚酰亞胺(PI)，氟化乙烯樹(shù)脂，有機(jī)硅樹(shù)脂，以及液晶聚合物(LCP)。
其中，更優(yōu)選地為聚對(duì)苯硫(PPS)，液晶聚合物(LCP)，聚砜(PSF)。此外，作為液晶聚合物，例如優(yōu)選地為住友化學(xué)工業(yè)制スミカス-パ，杜邦制ゼナイト，日本石油化學(xué)制ザイダ，大日本インキ化學(xué)工業(yè)制オクタ的具有1型結(jié)構(gòu)的材料。
下面，利用實(shí)施例說(shuō)明實(shí)施本發(fā)明的例子，并給出幾個(gè)用于進(jìn)行比較的比較例，進(jìn)行具體的說(shuō)明。
例子(實(shí)施例1)首先，參照用剖視圖表示電解質(zhì)膜-電極接合體(MEA)的結(jié)構(gòu)的圖10說(shuō)明形成觸媒層的電極制造方法。在乙炔炭黑粉末中載置25重量％的平均粒徑約30的白金粒子的材料作為電極觸媒。把該將全氟碳磺酸(パ-フルオロカ-ボンスルホン酸)粉末分散到酒精中的懸浮溶液混合到觸媒粉末分散到異丙醇中的溶液中，制成觸媒膏。
另一方面，對(duì)作為電極支持體的炭紙(Carbon Paper)進(jìn)行防水處理。在把外形尺寸8cm×10cm，厚度360μm的碳無(wú)紡布812a，813a(東レ制，TGP-H-120)浸漬在含有氟化乙烯樹(shù)脂的水性分散液(ダイキン工業(yè)制，ネオフロンNDI)之后，將其干燥，通過(guò)在400℃加熱30分鐘使之具有防水性。在所述碳無(wú)紡布812a，813a的各自的一個(gè)面上，利用絲網(wǎng)印刷法涂布觸媒膏，形成觸媒層812b，813b。這時(shí)，觸媒層812b，813b的一部分分別埋入到碳無(wú)紡布812a，813a中。這樣，將制成的觸媒層812b，813b與碳無(wú)紡布812a，813a合在一起，制成電極812，813。將形成后的反應(yīng)電極中所含的白金量調(diào)整到0.5mg/cm2，所含全氟碳磺酸的量調(diào)整到1.2mg/cm2。
其次，以觸媒層與電解質(zhì)模811側(cè)相接觸的方式將一對(duì)電極812，813通過(guò)熱壓接合到外形尺寸為10cm×20cm的質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜811的背面和表面兩面上，將其作為電極電解質(zhì)膜接合體(MEA)810。這里，作為質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)，采用將全氟碳磺酸制成厚度為50μm的薄膜。
其次，對(duì)致密的不透氣的グラツシ-碳板進(jìn)行切削加工，制成圖11，圖12所示的導(dǎo)電性隔板。這些圖表示出形成于導(dǎo)電性隔板的表面上的氣體流動(dòng)用槽的形狀。圖11表示形成于表面上的氧化劑氣體流動(dòng)槽的形狀，圖12表示其背面的燃料氣體的流動(dòng)槽的形狀。隔板的大小為10cm×20cm，厚度為4mm，槽部918，920為寬度2mm，深度1.5mm的凹部，氣體在這些部分流動(dòng)。此外，氣體流路之間的棱部919，921為寬度1mm的凸出部。此外，形成氧化劑氣體的歧管孔(導(dǎo)入口923a，排出口923b)，燃料氣體的歧管孔(導(dǎo)入口924a，排出口924b)，以及冷卻水歧管孔(導(dǎo)入口925a，排出口925b)。另外，氣體流動(dòng)槽中的歧管孔的附近設(shè)置有輔助棱部926a，926b，927a，927b。其目的在于，通過(guò)由其輔助棱部和位置與其對(duì)應(yīng)的后述的氣體密封構(gòu)件914a，914a的一部分夾持MEA而進(jìn)行歧管孔附近的氣體密封。
圖13表示用于冷卻水流動(dòng)的冷卻流路的形狀，是通過(guò)將圖11所示的導(dǎo)電性隔板的背面切削加工形成的。在圖13中，冷卻水歧管孔(導(dǎo)入口931a，排出口931b)的位置和大小與圖11，12中所示的冷卻水的歧管孔925a及925b形成在同一個(gè)位置上，此外，氣體流動(dòng)用的歧管孔934a，934b，935a，935b的位置和大小也和圖11，12的氣體歧管孔形成在同一位置上。此外，932是從冷卻水的導(dǎo)口931a流入的水的流動(dòng)部分，其凹形的深度為1.5mm。933位于冷卻水通路的中途，是形成冷卻水的流路932時(shí)作為凸出部殘留下來(lái)的島部，與原來(lái)的碳板936具有相同的高度。冷卻水從導(dǎo)入口931a流入，由島部933分流，流經(jīng)整個(gè)流路932，到達(dá)排出口931b。
其次，在MEA的靠近電極部附近的周邊部的質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜上對(duì)應(yīng)的部分和氣體流動(dòng)槽周邊部配置的O環(huán)狀的氣體密封構(gòu)件(Dupont Dow Elastomer Japan社制，氟化橡膠(バイトン)-GDL)，作為襯墊。即，在圖11中，為了對(duì)槽部918及氣體、冷卻水的歧管孔923a，923b，924a，924b，925a，925b進(jìn)行密封，以將它們包圍的方式配置上述氣體密封構(gòu)件914a-914e。在圖12中，為了對(duì)槽920及氣體、冷卻水的歧管孔923a，923b，924a，924b，925a，925b進(jìn)行密封，以將它們包圍的方式配置上述氣體密封構(gòu)件914a-914e。在圖13中，為了對(duì)冷卻水流路932及氣體、冷卻水的歧管孔934a，934b，935a，935b，931a，931b進(jìn)行密封，以將它們包圍的方式配置上述氣體密封構(gòu)件916a-916e。然后，如圖14所示，將MEA配置在圖11所示的隔板的表面上，在圖14中，945為質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜，944為其上設(shè)置的一個(gè)電極。另一個(gè)電極連接在圖14、即圖11的隔板上，但由于位于圖14中可看到的電極944的背面而看不到。在圖14所示的MEA944，945上還重合有一片隔板，使圖12所示的隔板背面?zhèn)扰cMEA944，945相接觸，作為一個(gè)單電池。將該單電池疊層兩個(gè)單元之后，利用圖13所示的形成冷卻水槽的隔板夾住所述兩個(gè)單元的疊層電池，重復(fù)這一結(jié)構(gòu)，制成具有50個(gè)單元的疊層電池組的燃料電池。其結(jié)果，通過(guò)所述氣體密封構(gòu)件組構(gòu)成必要的襯墊組。即，例如，在包圍歧管孔923b的位置，氣體密封構(gòu)件915b是其一部分與和其位置相對(duì)應(yīng)的氣體密封構(gòu)件914a的一部分直接接觸。而且，在包圍歧管孔925b的位置，氣體密封構(gòu)件915g與氣體密封構(gòu)件914d直接接觸。另外，在包圍氣體流動(dòng)槽920，918的、MEA電極部分附近的周邊部，在不同的場(chǎng)所，兩個(gè)氣體密封構(gòu)件915a，914a之間夾有MEA的高分子電解質(zhì)膜，而在其他場(chǎng)所，則夾持在氣體密封構(gòu)件915a和輔助棱部926b，926a之間，或者夾持在輔助棱部927b，927a和氣體密封構(gòu)件914a之間。因此，通過(guò)之后由緊固桿固定電池組而施加緊固力時(shí)，夾住高分子電解質(zhì)膜，這些氣體密封構(gòu)件之間或氣體密封構(gòu)件和輔助棱部間接地推壓。在不同的場(chǎng)所，氣體密封構(gòu)件之間直接相互推壓。因此，這些氣體密封構(gòu)件在一些場(chǎng)所僅由氣體密封構(gòu)件、而在另一些場(chǎng)所則通過(guò)與輔助棱的組合成為具有密封功能的襯墊。在該電池組的兩端上，疊層在銅的表面上鍍金的集電板和利用將添加20wt％的玻璃纖維的強(qiáng)化的PPS注射模塑成形制成的厚度50mm的端板疊層，最后用緊固桿固定。
下面用圖2說(shuō)明這樣制作的燃料電池的結(jié)構(gòu)。
在圖2中，MEA210，由高分子電解質(zhì)膜211，和夾持它的兩個(gè)電極，即陰極212和陽(yáng)極213構(gòu)成，在陰極和陽(yáng)極的外周上分別配置氣體密封構(gòu)件214和215，用于防止所供應(yīng)的燃料氣體及氧化劑氣體的外泄和這兩者氣體的相互混合。氣體密封構(gòu)件214和215如上所述，是粘貼在靠近電極部的周邊部及歧管孔201的周邊部的質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜上的O環(huán)狀的氣體密封構(gòu)件(DuPont Dow ElastomerJapan社制，氟化橡膠-GDL)。這種特定的氣體密封構(gòu)件為彈性體，具有彈性，利用小的緊固力就能夠足以進(jìn)行氣體密封。
配置在電池組216左端的陰極側(cè)隔板222具有氧化劑氣體流路232。配置在電池組216右端的陽(yáng)極側(cè)隔板221具有燃料氣體流路231。配置在MEA之間的隔板220在面對(duì)陰極的面上具有氧化劑氣體流路234，在面對(duì)陽(yáng)極的面上具有燃料氣體流路233，從而，同時(shí)兼作陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板。冷卻部利用將陽(yáng)極側(cè)隔板223與陰極側(cè)隔板224組合起來(lái)的復(fù)合隔板構(gòu)成。陰極側(cè)隔板224在面對(duì)陰極的面上具有氧化劑氣體流路236，在相反側(cè)的面上具有冷卻水流路238。陽(yáng)極側(cè)隔板223在與陽(yáng)極對(duì)向的面上具有燃料氣體流路235，在相反側(cè)的面上具有冷卻水流路237。將隔板223與224以冷卻水流路側(cè)相互面對(duì)的方式接合，因此，由流路237和238形成一個(gè)冷卻水流路。
此外，如上所述，本實(shí)施例所列舉的是具有50個(gè)單元疊層的電池組的燃料電池的例子，但在圖2中，與圖1一樣，為了簡(jiǎn)化圖起見(jiàn)，只示意地表示出四個(gè)單元。
在電池組216的兩端上，如上所述，重疊有集電板206a，206b以及端板204a，204b，利用貫穿的螺栓270a，270b及螺母271a，271b將它們緊固，利用墊圈273a，273b施加緊固力。
在該燃料電池中，從設(shè)置在端板，集電板，隔板及MEA上的共用導(dǎo)入口側(cè)的歧管孔向各隔板的各個(gè)流路分配供應(yīng)反應(yīng)氣體或冷卻水，從排出口側(cè)歧管孔排出。在圖2中表示出了設(shè)在一個(gè)端板204a上的氧化劑氣體的歧管孔201以及焊接在該歧管孔的邊緣部上的氧化劑氣體的導(dǎo)入管202a。從管202a導(dǎo)入的氧化劑氣體從設(shè)在集電板上的歧管孔，以及電池組216的導(dǎo)入口側(cè)的歧管孔(全部這些歧管孔用201表示)流入到陰極側(cè)隔板的氣體流路以供進(jìn)行反應(yīng)，剩余的氧化劑氣體和反應(yīng)生成物經(jīng)由排出口側(cè)的歧管孔從設(shè)在另一個(gè)端板上的氣體排出管202b被排出。同樣地，燃料氣體從接合到一個(gè)端板204a上的導(dǎo)入管203a經(jīng)由導(dǎo)入口側(cè)歧管孔，氣體流路，以及排出口側(cè)歧管孔從排出管203b排出。
并且，為了在這些構(gòu)件之間將水及氣體密封，在歧管孔201的外周上設(shè)置嵌入O環(huán)用的槽，O環(huán)208a，208b及228等嵌入該槽內(nèi)。
如從上面的說(shuō)明中可以看出的，在本實(shí)施例中不采用絕緣板。此外，在隔板的單位面積上，緊固兩端的緊固壓力為5.0kgf/cm2。通過(guò)將前述O環(huán)狀的氣體密封構(gòu)件用作襯墊，可以實(shí)現(xiàn)這么低的緊固力。即，通過(guò)利用特定材料的O環(huán)密封氣體，可以將襯墊部分密封所必須的緊固壓力降低到最低限度，可以將緊固力的大部分集中到為了降低電極與導(dǎo)電性隔板的接觸電阻所必須的電極部分上。借此，可以將緊固壓力降低到現(xiàn)有技術(shù)的一半，可以看出，將端板樹(shù)脂化對(duì)此起著重要的作用。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。結(jié)果，在不向外部流出電流的無(wú)負(fù)載情況下，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)這種電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確認(rèn)，本實(shí)施例的電池，經(jīng)過(guò)8000小時(shí)以上，可以維持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。壽命特性圖，即，連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)所經(jīng)歷的時(shí)間與電池電壓的關(guān)系示于圖16。
(實(shí)施例2)使緊固兩端板的緊固壓力在隔板的單位面積上為3.0kgf/cm2，代替5.0kgf/cm2，除此之外，用和實(shí)施例1相同的方法制作本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)燃料電池。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。
(實(shí)施例3)除了作為緊固兩端板時(shí)的緊固壓力，將隔板單位面積上的緊固壓力用2.0kgf/cm2代替5.0kgf/cm2之外，以和實(shí)施例1相同的方法制造本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)燃料電池。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。
(實(shí)施例4)除了作為緊固兩個(gè)端板的緊固壓力，將隔板的單位面積上的緊固壓力用1.5kgf/cm2代替5.0kgf/cm2之外，以和實(shí)施例1相同的方法制作本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)燃料電池。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。
(比較例1)除了作為緊固兩個(gè)端板的緊固壓力，將隔板的單位面積上的緊固壓力用1.0kgf/cm2代替5.0kgf/cm2之外，以和實(shí)施例1相同的方法制作本比較例的高分子電解質(zhì)燃料電池。
將這樣制作的本比較例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得40V的電池開(kāi)路電壓。
但是，確認(rèn)這種電池泄漏氣體時(shí)，由于緊固壓力過(guò)小，不能充分進(jìn)行氣體密封，向外部泄漏氣體，所以放棄了在這種條件下進(jìn)行發(fā)電試驗(yàn)。
因此，在逐漸增大緊固壓力，確定氣體泄漏與緊固壓力之間的關(guān)系時(shí)，當(dāng)將緊固壓力增加到1.5kgf/cm2時(shí)，確認(rèn)沒(méi)有氣體泄漏。
(比較例2)除了作為緊固兩個(gè)端板的緊固壓力，將隔板的單位面積上的緊固壓力用6.0kgf/cm2代替5.0kgf/cm2之外，以和實(shí)施例1相同的方法制作本比較例的高分子電解質(zhì)燃料電池。
將這樣制作的本比較例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下，對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池，在開(kāi)始時(shí)，得到1.3kw以上(33V-40A)的電池輸出，在2000小時(shí)之后，電池電壓開(kāi)始急劇下降，在2500小時(shí)之后則不能繼續(xù)運(yùn)行。究其原因，由于緊固壓力過(guò)大，PPS制的樹(shù)脂端板隨著時(shí)間的推移發(fā)生蠕變，端板彎曲，從而發(fā)生氣體從電池中的泄漏。
(比較例3)作為端板，代替實(shí)施例1的端板，采用將厚度30mmSUS316進(jìn)行切削加工制成的端板，作為緊固兩個(gè)端板時(shí)的緊固壓力，將隔板的單位面積上的緊固壓力用10.0kgf/cm2代替5.0kgf/cm2，除此之外，以和實(shí)施例1一樣的方法制作本比較例的高分子電解質(zhì)燃料電池。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下進(jìn)行電池連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上保持1.3kw以上(33V-40A)的電池輸出。在使用SUS作為端板時(shí)，由于SUS的強(qiáng)度高，緊固壓力增加到10kgf/cm2也沒(méi)有問(wèn)題。但是，由于使用厚度30mm的SUS板，所以總體重量大大增加。
此外，在從實(shí)施例1至實(shí)施例4的四個(gè)實(shí)施例中，在端板的外側(cè)未設(shè)置加強(qiáng)體，但對(duì)設(shè)置加強(qiáng)體時(shí)的情況也進(jìn)行了探討。即，將厚度50mm的端板厚度變成30mm，在該端板外側(cè)的主面上設(shè)置圖3所示的厚度10mm的SUS304制的加強(qiáng)板290a，290b，除此之外的構(gòu)件如圖2所示，采用和實(shí)施例1-4記載的燃料電池相同的方法分別制造四個(gè)燃料電池，并利用和實(shí)施例1-4相同的方法測(cè)定它們的特性。測(cè)定結(jié)果確定，無(wú)負(fù)載時(shí)的電池開(kāi)路電壓，輸出特性與時(shí)間變化的關(guān)系，獲得與實(shí)施例1-4的燃料電池相同的特性。
(實(shí)施例5)除了作為端板使用注射模塑成形添加15wt％的玻璃纖維強(qiáng)化的液晶聚合物(LCP)制作的端板之外，利用和實(shí)施例2相同的方法制作本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池。此外，作為L(zhǎng)CP，使用日本石油化學(xué)(株)制的ザイダ-。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。
(實(shí)施例6)除了作為除作為端板使用注射模塑成形添加20wt％的玻璃纖維強(qiáng)化的液晶聚合物(LCP)制作的端板之外，利用和實(shí)施例2相同的方法制作本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池。此外，在本實(shí)施例中，作為L(zhǎng)CP，使用デユポン(杜邦)公司制的ゼナイト。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。
(實(shí)施例7)除了作為端板使用注射模塑成形添加25wt％的玻璃纖維強(qiáng)化的液晶聚合物(LCP)制作的端板之外，利用和實(shí)施例2相同的方法制作本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池。此外，在本實(shí)施例中，作為L(zhǎng)CP，使用住友化學(xué)工業(yè)(株)制的スミカ-ス-パ。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。
(實(shí)施例8)
除了作為端板利用注射模塑成形添加30wt％的玻璃纖維強(qiáng)化的液晶聚合物(LCP)制作的端板之外，利用和實(shí)施例2相同的方法制作本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池。此外，在本實(shí)施例中，作為L(zhǎng)CP，采用大日本インキ化學(xué)工業(yè)(株)制的オクタ。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。
(實(shí)施例9)在本實(shí)施例中，用與實(shí)施例1相同的方法制作電極電解質(zhì)膜接合體(MEA)及導(dǎo)電性隔板，制成50單元疊層電池組。在電池組的兩個(gè)端部采用把集電板插入到端板中的結(jié)構(gòu)。即，將除掉表面的氧化被膜的SUS304的表面上鍍金的集電板插入到成形金屬模內(nèi)，通過(guò)在該金屬模中注射模塑成形添加20wt％的玻璃纖維強(qiáng)化PPS進(jìn)行制作。這樣制成的端板與集電板整體件的總厚度為50mm。
下面用圖4及圖15說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)例。
圖4是表示本實(shí)施例的燃料電池的部分正視、部分剖視圖。與圖2所示的實(shí)施例1的燃料電池進(jìn)行比較，除集電板與端板整體成形及O環(huán)的配置不同之外，與實(shí)施例1的燃料電池具有同樣的結(jié)構(gòu)。即，MEA310由高分子電解質(zhì)膜311，夾持該膜的兩個(gè)電極，即陰極312和陽(yáng)極313構(gòu)成，在陰極和陽(yáng)極的外周上分別配置襯墊350。該襯墊350如上所述，為粘貼到靠近電極部分的周邊部及歧管孔周邊部的質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜上的O環(huán)狀氣體密封構(gòu)件(DuPont DowElastomer Japan社制，氟化橡膠-DGL)314，315。
MEA310被隔板322與320夾持構(gòu)成一個(gè)單元，這種單元在圖中沒(méi)有示出，被疊層50個(gè)單元，冷卻用隔板也被疊層于其中，構(gòu)成電池組。與實(shí)施例1所示同樣地設(shè)置氧化劑氣體流路，燃料氣體流路及冷卻水流路。
在電池組的兩端上分別設(shè)置兩個(gè)集電板和端板，但在圖4中表示出其中的一個(gè)集電板306及一個(gè)端板304。作為貫穿它們的緊固機(jī)構(gòu)，表示出其中的一部分，設(shè)置由螺栓，螺母及墊圈構(gòu)成的緊固機(jī)構(gòu)370，施加緊固力。
作為本實(shí)施例的特征之一，為O環(huán)308周邊的端板結(jié)構(gòu)。即，如圖4所示，端板304的一部分配合到集電板306的歧管301側(cè)的內(nèi)側(cè)304C上，制成將集電板插入到端板內(nèi)的結(jié)構(gòu)，在集電板位于歧管孔301側(cè)內(nèi)側(cè)的端板上設(shè)置O環(huán)槽，借助O環(huán)308在端板材料、即樹(shù)脂材料的面上進(jìn)行端板304與隔板322之間的氣體密封，可以防止所供應(yīng)的氣體及冷卻水與集電板306接觸。此外，筒狀的氣體導(dǎo)入、排出口302，303在端板成形時(shí)用端板材料整體成形。
在本實(shí)施例中，由緊固機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的緊固壓力，開(kāi)始時(shí)在端板的單位面積上為3.0kgf/cm2。然后，為了進(jìn)行強(qiáng)度確認(rèn)，將緊固壓力進(jìn)一步加到5.0kgf/cm2左右，確認(rèn)端板的強(qiáng)度沒(méi)有什么問(wèn)題。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃露點(diǎn)的。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。進(jìn)而，在運(yùn)轉(zhuǎn)8000小時(shí)后，定量測(cè)定MEA中的高分子電解質(zhì)膜中的金屬離子的量，由于集電板SUS造成的鐵，鎳，鉻在檢測(cè)極限以下，可確認(rèn)其耐腐蝕性的有效性。這是因?yàn)樵诒緦?shí)施例中采用的把集電板插入成形的端板如圖4所示，用作為端板材料的樹(shù)脂材料將集電板的歧管側(cè)的內(nèi)表面圍繞起來(lái)，可以防止氣體及冷卻水與集電板的金屬材料直接接觸的緣故。
此外，作為圖4中所示的結(jié)構(gòu)的變形，進(jìn)而令端板304的厚度為30mm，在端板304的外側(cè)，作為端板加強(qiáng)體，設(shè)置厚度10mm的SUS304制的加強(qiáng)板390的結(jié)構(gòu)示于圖5。對(duì)于該圖5的結(jié)構(gòu)，在具有與上面所說(shuō)明的圖4的結(jié)構(gòu)相同的特征的同時(shí)，還可以獲得耐緊固壓力強(qiáng)度更高的高分子電解質(zhì)型燃料電池。
此外，圖15是表示端板與集電板整體成形結(jié)構(gòu)的部分剖視透視圖，表示圖4所示的端板與集電板整體成形結(jié)構(gòu)的變形例。在圖15中，950是插入的集電板，952是氣體或冷卻水的歧管，951是端板，951a是與端板整體成一整體地注射模塑成形的氣體或冷卻水的導(dǎo)入、排出用接頭。即，加入玻璃纖維的PPS制端板951具有將集電板950插入成形的結(jié)構(gòu)，端板材料用圓筒狀部分將集電板與氣體或冷卻水隔離。
(實(shí)施例10)在本實(shí)施例中，電極電解質(zhì)膜接合體(MEA)與導(dǎo)電性隔板用和實(shí)施例1同樣的方法制成，制成50個(gè)單元疊層的電池組。在電池組的兩端上采用將集電板插入端板中的結(jié)構(gòu)。即，在本實(shí)施例中，把黃銅制的集電板插入到成形金屬模中，通過(guò)在該金屬模中注射模塑成形添加20wt％的玻璃纖維強(qiáng)化的PPS制成。這樣制成的端板與集電板的整體物的總厚度為50mm。下面用圖6說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)例。
圖6是表示本實(shí)施例的燃料電池的部分正視、部分剖視圖。
在電池組的兩端上各設(shè)兩個(gè)集電板和端板，但在圖6中只表示出其中的一個(gè)集電板406和一個(gè)端板404。作為貫穿它們的緊固機(jī)構(gòu)，圖中只表示出它們的一部分，通過(guò)設(shè)置螺栓，螺母及墊圈構(gòu)成的緊固機(jī)構(gòu)470施加緊固壓力。此外，筒狀的氣體導(dǎo)入、排出口402，403，在端板成形時(shí)由端板材料整體成形。
在本實(shí)施例中，端板404的一部分也配合到集電板406的歧管401側(cè)的內(nèi)側(cè)404C上，成為集電板插入端板中的結(jié)構(gòu)。作為本實(shí)施例的特征之一，在于下面所說(shuō)明的氣體密封機(jī)構(gòu)。
即，在圖6中，在連接端板404的筒狀的氣體導(dǎo)入口(或排出口)402的相反側(cè)的歧管401內(nèi)部，端板材料的一部分494突出地形成筒狀，與隔板422的端板接觸。在該端板422的端部上設(shè)置O環(huán)槽408進(jìn)行密封。這也是一種可以防止所供應(yīng)的氣體及冷卻水與集電板接觸的結(jié)構(gòu)。
其他結(jié)構(gòu)，即，MEA410由高分子電解質(zhì)膜411以及夾持它的電極412，413構(gòu)成，MEA410被隔板422，420夾持，進(jìn)而粘貼O環(huán)狀氣體密封構(gòu)件414，415構(gòu)成襯墊450等，和已經(jīng)說(shuō)明過(guò)的上述實(shí)施例相同。
在本實(shí)施例中，利用緊固機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的緊固壓力，在開(kāi)始時(shí)，端板的單位面積上為2.0kgf/cm2。然后，為了確定其強(qiáng)度，將緊固壓力加到3.0kgf/cm2左右，確認(rèn)，端板的強(qiáng)度沒(méi)有什么問(wèn)題。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。
進(jìn)而，在運(yùn)轉(zhuǎn)8000小時(shí)之后，定量測(cè)定MEA中的高分子電解質(zhì)膜內(nèi)的金屬離子的量，由于集電板的黃銅引起的銅等在檢測(cè)限度以下，確認(rèn)其抗腐蝕性的有效性。這是由于本實(shí)施例中使用的把集電板插入成形的端板如圖4所示，由作為端板材料的樹(shù)脂圍繞集電板的歧管側(cè)的內(nèi)表面，可以防止氣體及冷卻水與集電板的金屬材料直接接觸的緣故。
(實(shí)施例11)在本實(shí)施例中，電極電解質(zhì)膜接合體(MEA)與導(dǎo)電性隔板用與實(shí)施例1同樣的方法制成，制成50單元疊層的電池組。在電池組的兩端部采用把集電板插入到端板中的結(jié)構(gòu)。即，在本實(shí)施例中，把黃銅制的集電板插入到金屬模中，在該金屬模中注射模塑成形添加20wt％的玻璃纖維的強(qiáng)化PSF進(jìn)行制造。這樣制作的端板與集電板的整體物的總厚度為30mm。進(jìn)而，在該端板的外表面上，疊層厚度10mm的SUS304制的加強(qiáng)體，用緊固桿固定。下面用圖7說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)例。
圖7是表示本實(shí)施例的燃料電池的部分正視部分剖視圖。
在電池組的兩端各設(shè)兩個(gè)集電板及端板，在圖7中只表示出其中的一個(gè)集電板506及一個(gè)端板504。作為貫穿它們的緊固機(jī)構(gòu)，圖中表示出一部分，設(shè)置由螺栓，螺母及墊圈構(gòu)成的緊固機(jī)構(gòu)570，施加緊固壓力。
本實(shí)施例的特征之一在于，在端板504成形時(shí)，將用端板材料整體成形的筒狀的氣體導(dǎo)入口(排出口)502，503設(shè)置在端板504的端面上。利用這種結(jié)構(gòu)，燃料電池的端板外主面?zhèn)葟?qiáng)度增高，并在用于便攜式電源，電動(dòng)汽車(chē)用電源，發(fā)電及廢熱供暖系統(tǒng)等情況下，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自由度。
對(duì)于其它結(jié)構(gòu)，在本實(shí)施例中，也是把端板504的一部分配合到集電板506的歧管501側(cè)內(nèi)側(cè)504c上，成為集電板插入到端板中的結(jié)構(gòu)。此外，在集電板506的歧管孔501側(cè)內(nèi)側(cè)的端板上設(shè)置O環(huán)槽，利用O環(huán)508，在端板材料，即樹(shù)脂材料的面上進(jìn)行端板504與隔板522之間的氣體密封，可以防止供應(yīng)的氣體及冷卻水與集電板506接觸。進(jìn)而，對(duì)于由高分子電解質(zhì)膜511及夾持它的電極512。513構(gòu)成MEA510，ME510由隔板522，520夾持，粘貼O環(huán)狀氣體密封構(gòu)件514，515構(gòu)成襯墊550等，和已經(jīng)說(shuō)明的上述實(shí)施例相同。
在本實(shí)施例中，利用緊固機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的緊固壓力，開(kāi)始時(shí)在端板的單位面積上為3.0kgf/cm2。然后，為了確定強(qiáng)度，外加5.0kgf/cm2左右的緊固壓力，確認(rèn)端板的強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題。這是由于利用SUS加強(qiáng)體可以提高端板的強(qiáng)度的緣故。
將這樣制作的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向陽(yáng)極供應(yīng)加濕，加溫的氫氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)，同時(shí)向陰極側(cè)供應(yīng)加濕、加溫的空氣，以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果是，在不向外部輸出電流的無(wú)負(fù)載時(shí)，獲得50V的電池開(kāi)路電壓。
在燃料利用率80％，氧利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)定輸出特性隨時(shí)間的變化。結(jié)果確定，本實(shí)施例的電池在8000小時(shí)以上，可以保持1.3kW以上(33V-40A)的電池輸出。
進(jìn)而，在運(yùn)轉(zhuǎn)8000小時(shí)之后，定量測(cè)定MEA中的高分子電解質(zhì)膜內(nèi)的金屬離子的量，由于集電板的黃銅引起的銅等在檢測(cè)限度以下，確認(rèn)其抗腐蝕性的有效性。這是由于本實(shí)施例中使用的把集電板插入成形的端板如圖5所示，由作為端板材料的樹(shù)脂圍繞集電板的歧管側(cè)的內(nèi)表面，可以防止氣體及冷卻水與集電板的金屬材料直接接觸的緣故。
圖8為在圖7所示的實(shí)施例中省略了加強(qiáng)板590，端板604的厚度用50mm取代30mm。省略了其他結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說(shuō)明，但圖7中附圖標(biāo)記500所示的要素和圖8中與這些附圖標(biāo)記相對(duì)應(yīng)的600所示的要素(例如501和601相對(duì)應(yīng))為同樣的結(jié)構(gòu)。而且，圖9表示圖8中由連接器(例如スウエ-ジロツク公司制的スウエ-ジロツク)構(gòu)成和端板一體成形的氣體導(dǎo)入、排出口702，703的例子。在以和上述的實(shí)施例中實(shí)施的條件相同的條件下測(cè)定圖8和圖9所示的燃料電池的特性時(shí)，可確認(rèn)兩者均具有和上述實(shí)施例的燃料電池相同的本發(fā)明的效果。
以上，利用附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形式進(jìn)行了說(shuō)明，并用實(shí)施例進(jìn)行了更具體的說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于所說(shuō)明的這些內(nèi)容。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，作為端板，代替現(xiàn)有技術(shù)中的金屬材料，采用樹(shù)脂中心材料，進(jìn)而，更優(yōu)選地通過(guò)用注射模塑成形體進(jìn)行制造，可以省略絕緣板，通過(guò)省掉絕緣板等，可以大幅度降低成本。進(jìn)而，由于可以實(shí)現(xiàn)氣體或冷卻水不與金屬材料接觸的結(jié)構(gòu)，可以大幅度提高耐腐蝕性。
權(quán)利要求
1.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，具備多個(gè)導(dǎo)電性隔板以及插入到前述導(dǎo)電性隔板之間的電解質(zhì)膜、電極接合體，前述電解質(zhì)膜、電極接合體由高分子電解質(zhì)膜及夾持前述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極構(gòu)成的電池組；夾持前述電池組的一對(duì)集電板；中間經(jīng)由前述集電板夾持前述電池組的一對(duì)端板；通過(guò)緊固前述一對(duì)端板向前述電池組施加緊固壓力的緊固機(jī)構(gòu)；向前述電池組供給·排出氧化劑氣體及燃料氣體的氣體供給·排出系統(tǒng)，前述端板由以樹(shù)脂為主要成分的樹(shù)脂中心材料構(gòu)成，前述氣體供給·排出系統(tǒng)具有氧化劑氣體入口側(cè)歧管孔和出口側(cè)歧管孔、以及燃料氣體入口側(cè)歧管孔和出口側(cè)歧管孔，還具有連接氧化劑氣體入口側(cè)歧管孔和出口側(cè)歧管孔的氧化劑氣體流路、和連接燃料氣體入口側(cè)歧管孔和出口側(cè)歧管孔的燃料氣體流路，前述集電板和前述端板成為前述集電板插入到前述端板內(nèi)的一體成形體。
2.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，具備多個(gè)導(dǎo)電性隔板以及插入到前述導(dǎo)電性隔板之間的電解質(zhì)膜、電極接合體，前述電解質(zhì)膜、電極接合體由高分子電解質(zhì)膜及夾持前述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極構(gòu)成的電池組；夾持前述電池組的一對(duì)集電板；中間經(jīng)由前述集電板夾持前述電池組的一對(duì)端板；通過(guò)緊固前述一對(duì)端板向前述電池組施加緊固壓力的緊固機(jī)構(gòu)；向前述電池組供給·排出氧化劑氣體及燃料氣體的氣體供給·排出系統(tǒng)，前述端板由以樹(shù)脂為主要成分的樹(shù)脂中心材料構(gòu)成，前述氣體供給·排出系統(tǒng)具有氧化劑氣體入口側(cè)歧管孔和出口側(cè)歧管孔、以及燃料氣體入口側(cè)歧管孔和出口側(cè)歧管孔，還具有連接氧化劑氣體入口側(cè)歧管孔和出口側(cè)歧管孔的氧化劑氣體流路、和連接燃料氣體入口側(cè)歧管孔和出口側(cè)歧管孔的燃料氣體流路，在前述端板的外側(cè)主面上還設(shè)置有加強(qiáng)體。
全文摘要
作為固體高分子型燃料電池的構(gòu)成要素的端板，由于通過(guò)金屬板的切削加工制作時(shí)難以降低成本，重量大，且在端板的歧管內(nèi)表面與氣體和冷卻水夾接觸，從耐腐蝕性的角度出發(fā)對(duì)燃料電池的實(shí)用化是一個(gè)很大的問(wèn)題。在本發(fā)明中，通過(guò)采用利用樹(shù)脂中心材料的端板，特別是注射模塑成形體制作的端板，可以降低成本并且輕量化，進(jìn)而，通過(guò)將集電板插入端板內(nèi)成形，使樹(shù)脂包圍集電板的歧管側(cè)的內(nèi)表面，可以大幅度地改善耐腐蝕性。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1783561SQ20051012502
公開(kāi)日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2002年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月11日
發(fā)明者羽藤一仁, 日下部弘樹(shù), 小原英夫, 小林晉, 山崎達(dá)人, 長(zhǎng)谷伸啟, 竹口伸介 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社