專利名稱：高分子電解質型燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種手提式電源、電動車用電源、家庭內小型發電系統等中使用的高分子電解質型燃料電池，特別是涉及其導電性隔板的改進。
背景技術：
采用高分子電解質的燃料電池通過使含有氫的燃料氣體和含有空氣等氧的氧化劑氣體發生電化學反應而同時產生電力和熱。這種燃料電池基本上是由選擇性地輸送氫離子的電解質膜和在高分子電解質膜的兩面上形成的一對電極、即正極和負極構成的。上述電極通常由以載持有鉑族金屬催化劑的碳粉為主要成分、形成在高分子電解質膜的表面上的催化劑層，和形成在該催化劑層的外表面上、同時具有透氣性和電子傳導性的擴散層構成。
為了不使向電極供應的燃料氣體和氧化劑氣體向外泄漏，或兩種以上的氣體相互混合，在電極的周圍，夾著高分子電解質膜配置有氣封部。氣封部通常采用EPDM橡膠，硅彈性體、氟素彈性體等耐藥品性高的橡膠或彈性體。該氣封部通常是與電極和高分子電解質膜一體化地預先組裝的。將其稱為MEA(電解質膜-電極接合體)。在MEA的外側上配置用于機械地將其固定，同時將相鄰接的MEA串聯地電連接、或并聯地電連接的導電性隔板。隔板上與MEA相接觸的部分上形成用于向電極面供應反應氣體，并將生成的氣體或剩余的氣體運走的的氣體流路。氣體流路雖然可與隔板分別設置，但通常的方式是在隔板的表面上設置槽作為氣體流路。
為了向這些槽供應燃料氣體和氧化劑氣體，要將分別供應燃料氣體和氧化劑氣體的配管分支成使用的隔板數量，并需要將其分支的一端直接連接到隔板的槽中的配管夾具。這種夾具稱為多支管，將上述那樣從燃料氣體和氧化劑氣體的供應配管直接連接式的稱為外部多支管。在這種多支管中具有結構更為簡單的稱為內部多支管的形式。內部多支管是在形成了氣體流路的隔板上設置貫通的孔，將氣體流路的出入口通到該孔中，從該孔直接供應燃料氣體和氧化劑氣體。
燃料電池由于在使用中發熱，所以為了將電池維持在良好的溫度狀態，必須要用冷卻水等冷卻。通常，按每1～3個原電池設置流通冷卻水的冷卻部。有將冷卻部插入隔板和隔板之間的方式，和在隔板的背面上設置冷卻水流路作為冷卻部的方式，多采用后者。一般的電池結構是將這些MEA和隔板以及冷卻部交替地重疊，將10～200個原電池疊層，經由集電板和絕緣板用端板夾持其疊層體，用緊固桿從兩端固定。
這種高分子電解質型燃料電池要求隔板具有高導電性，并相對燃料氣體有高的氣密性，還要相對于對氫/氧進行氧化還原時的反應具有高的耐腐蝕性。基于這樣的理由，以往的隔板通常是由グラツシ-カ-ボン或膨脹石墨等碳材構成，氣體流路也是通過其表面上的切削、在膨脹石墨的情況下是通過模具制作的。但是，近年來，嘗試了使用不銹鋼等金屬板代替以往使用的碳材。
在以往的碳板切削的方法中，難以降低碳板材料的成本以及對其進行切削的成本，而且采用膨脹石墨的方法材料成本也很高，可認為這是其實用化上的障礙。
在上述采用金屬板的方法中，為降低成本而提出了壓力加工的隔板。但是，在隔板上加工的氣體流路圖形上產生制約，從而不得不進行用于除去加壓后的應變的后處理或采用富有伸展性的特殊材料，結果存在成本上的優點降低的問題。
發明的公開本發明的基本目的在于提供一種采用波形金屬板作為導電性隔板，將通過與氣封部的組合在其表面上形成的槽用于氣體的流路中，適于批量生產的氣體供應、排出機構。
本發明提供一種高分子電解質型燃料電池，具備由突條和槽交互平行地設置、在與一方的面上的突條和槽對應的背面上分別具有槽和突條的波形金屬板構成的多個導電性隔板；插入上述隔板之間的電解質膜-電極接合體，該接合體由周緣部以氣封部覆蓋的氫離子傳導性高分子電解質膜，接合在上述電解質膜的一方的面上的正極和接合在上述電解質膜的另一方的面上的負極構成的電解質膜-電極接合體；以及分別向上述正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體的的氣體供應、排出機構，上述氣體供應、排出機構通過上述波形金屬板的一方的面上的槽向正極供應、排出燃料氣體，通過上述波形金屬板的另一方的面上的槽向負極供應、排出氧化劑氣體。
在本發明的優選實施方式中，上述氣體供應、排出機構包括氣體的多支管，和連絡上述多支管和上述波形金屬板的槽地設置在上述電解質膜-電極接合體(以下稱為MEA)的氣封部上的誘導槽。
在本發明的優選實施方式中，上述氣體供應、排出機構包括共同設置在上述波形金屬板和上述MEA的氣封部上的多支管孔，和設置在上述波形金屬板上的密封件，通過上述多支管孔和波形金屬板的槽分別向正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體。
在本發明的優選實施方式中，上述導電性隔板由上述波形金屬板和覆蓋其周緣部的第2氣封部構成，上述氣體供應、排出機構包括共同設置在上述MEA的氣封部和第2氣封部上的多支管孔，和設置在上述第2氣封部上、連絡上述多支管孔和上述波形金屬板的槽的氣體誘導槽。
包括上述第2氣封部的導電性隔板具有埋在上述波形金屬板的槽底的密封材料，上述波形金屬板的槽的深度與連絡上述多支管孔和波形金屬板的槽的氣體誘導槽的深度大致相同。
在本發明的優選實施方式中，2片波形金屬板以其槽和突條相互對向地插入鄰接的MEA之間，在這些波形金屬板的槽之間形成的流路中冷卻水從一方的開口朝向另一方的開口流動。
在本發明的優選實施方式中，在成為上述冷卻水的流路的上述波形金屬板的槽的兩端部一側上與其他波形金屬板共同地形成有冷卻水的多支管孔。
附圖的簡單說明
圖1為表示構成本發明的導電性隔板的波形金屬板一例的立體圖。
圖2為本發明的實施例中MEA主要部分的立體圖。
圖3為圖2中3-3線的剖視圖。
圖4為表示原電池的疊層體的立體圖。
圖5為沿圖2的5-5線剖開該疊層體的剖視圖。
圖6為包含該疊層體的電池裝置的主視圖。
圖7為表示波形金屬板其他實施例的立體圖。
圖8為表示MEA的其他實例的主要部分立體圖。
圖9為表示MEA另一實例的主視圖。
圖10為表示波形金屬板另一實例的立體圖。
圖11為表示波形金屬板另一實例的局部為剖面的主視圖。
圖12為圖11中12-12線的剖視圖。
圖13為組合在該波形金屬板上的密封件的立體圖。
圖14為用于說明氣體和冷卻水的流動的示意圖。
圖15為表示MEA另一實例的主視圖。
圖16為另一實例的導電性隔板的正極一側的主視圖。
圖17為該隔板的負極一側的主視圖。
圖18為圖17中18-18線的剖視圖。
圖19為另一實例的導電性隔板的正極一側的主視圖。
圖20為該隔板的后視圖。
圖21為其他實例的導電性隔板的負極一側的主視圖。
圖22為該隔板的后視圖。
圖23為表示原電池疊層體的其他實例的剖視圖。
圖24為表示導電性隔板的另一實例的主要部分剖視圖。
實施發明的優選方式如上所述，本發明采用波形金屬板作為導電性隔板，通過與具備MEA的氣封部和/或具備隔板自身的氣封部的組合，將在其正反面上形成的槽用作氣體的流路，構成供應、排出氣體的機構。
在本發明的代表性的導電性隔板的第1實施方式中，波形金屬板的大小與MEA大致相同，將波形金屬板與MEA交互地疊層構成原電池組。在第2實施方式中，在波形金屬板上結合覆蓋其周緣部的氣封部，構成大小與MEA大致相同的導電性隔板，將該導電性隔板與MEA交互地疊層構成原電池組。
在第1和第2實施方式中，將適當的冷卻部插入MEA之間。這種冷卻部在第1實施方式中是使2片MEA以其槽相互對向地組合并插入MEA之間。冷卻水的流路是通過上述波形金屬板的對合形成的。在第2實施方式中，將正極側導電性隔板和負極側導電性隔板插入MEA之間，通過其波形金屬板的槽在兩導電性隔板之間形成冷卻水的流路。
上述第1實施方式中優選的燃料電池具備由波形金屬板構成的多個導電性隔板，和插入上述隔板之間的MEA。而且，MEA的氣封部在其兩面上分別具有封閉對向的上述波形金屬板的槽的長度方向的兩端部的肋。氣封部還在其肋的內側一方的面上朝向氣封部的側面開放地設置將燃料氣體導入上述波形金屬板的槽中的誘導槽，在另一方的面上朝向氣封部的側面開放地設置將氧化劑氣體導入上述波形金屬板的槽中的誘導槽。采用這種結構，通過使各自的燃料氣體和氧化劑氣體的多支管組合到上述誘導槽上，可構成向位于與上述波形金屬板相對向位置的正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體的機構。
在上述的燃料電池中，封閉波形金屬板的槽的端部的肋也可以通過注射成形等一體結合在波形金屬板上，以取代設置在MEA的氣封部上。在MEA之間設置冷卻部的情況下，使2片波形金屬板以其槽相互對合地組合，使冷卻水在由上述槽構成的流路中流動。
在其他的變形例中，將燃料氣體和氧化劑氣體的多支管孔設置在波形金屬板上，以取代設置在MEA上的氣體誘導槽。這些多支管孔在每隔一個與MEA相面對的槽的部分上設置一個。而且，流入具有多支管孔的槽中的氣體貫通位于兩者之間的朝向相反一側的槽的部分移動到沒有多支管孔的槽中。上述的貫通部分設置具有缺口部的密封件，或在波形金屬板上設置氣體通過的孔，以使該氣體不流入朝向相反一側的槽中。通過這種包含密封件的氣流控制機構，氧化劑氣體和燃料氣體分別從具有多支管孔的槽被分配到不具有多支管孔的槽中。
在上述第2實施方式中，由波形金屬板和結合在其周緣部上的氣封部構成導電性隔板。在這種隔板的代表性例子中，與碳板的切削加工制成的隔板同樣地設置有多支管孔。另外，在氣封部上還設置有將多支管孔和波形金屬板的槽連絡在一起的誘導槽。
在任一種實施方式中，由于采用單純形狀的波形金屬板，適于批量生產量大，可大幅度降低成本。而且，由于可以減薄隔板的厚度，所以可使疊層電池緊湊化。
本發明的波形金屬板的材料適于采用不銹鋼、鈦等導電性優良并且經壓力加工等可很容易形成波形的厚度為0.05～0.3mm的薄板。這些金屬薄板最好在其表面上形成有耐腐蝕的導電性覆膜。導電性覆膜最好由金、鉑、導電性碳涂料、RuO2、加有銦的氧化錫Sn(In)O2、TiN、TiAlN、SiC等導電性無機氧化物、氮化物、碳化物等制成。這些導電性覆膜最好通過壓力加工將原材料的金屬板制成波形后形成。形成導電性覆膜采用真空蒸鍍法、電子束法、噴鍍法、高頻輝光放電分解法等。
本發明的MEA和導電性隔板的氣封部的材料采用熱塑性樹脂或熱塑性彈性體。最好的材料是從三元乙丙橡膠(以下以EPDM表示)、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚縮醛、聚氨基甲酸酯、硅酮、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚鄰苯二甲酸乙二醇酯、間同立構聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚醚酯酮、聚醚酮、液晶聚合物、氟樹脂、聚醚硫酸氨、改性聚苯醚、聚砜、聚醚砜、多芳基化合物，聚酰胺-酰亞胺、聚醚酰亞胺和熱塑性聚酰亞胺構成的組中選出。
以下，參照附圖對本發明的實施方式加以詳細說明。在此采用的附圖是為了便于理解，各要素的相對大小或位置并不一定正確。
實施方式1圖1表示對不銹鋼等金屬板進行壓力加工的波形金屬板10。在本實施方式中，將這種波形金屬板原封不動地用于導電性隔板上。波形金屬板10在一方的面上交互地具有槽11和突條，在另一方的面上與上述槽11和突條對應地具有突條和槽12。
圖2和圖3表示構成與由上述波形金屬板制成的導電性隔板交互層疊的原電池組的MEA20。MEA20如圖3所示，由高分子電解質膜2，一體地覆蓋膜2的周緣部的熱塑性樹脂或熱塑性彈性體組成的氣封部30，和由接合在膜1的露出面上的負極3以及正極4構成。負極和正極由電解質膜一側的催化劑層和氣體擴散層構成。電解質膜2因氣封部30而具有自我支承性，容易進行處理。
此處所示的MEA20為大小與金屬板10相同的長方形，在長度方向的兩端部上設置有用于與金屬板10協調動作、構成氣體的供應、排出機構的要素。即，氣封部30在負極一側的面上具有朝向側面開放的氧化劑氣體的誘導槽33，在正極一側的面上具有燃料氣體的誘導槽34。氣封部30還在負極一側的面上較槽33靠近端部的一側上具有嵌合在金屬板10的槽中的肋32，在正極一側的面上較槽34靠近端部的一側上具有嵌合在金屬板的槽中的同樣的肋。
圖2表示了MEA20長度方向上一方的端部一側，但在另一方的端部一側上也具有同樣的氣體誘導槽和肋。對此參照圖9。
圖4表示原電池組。在本例中，按每2個原電池設置冷卻部。該冷卻部使2片波形金屬板組合成其槽之間相互對向。由上述的槽形成的空隙部35成為冷卻水的流路。然后，冷卻水從圖4中原電池組的上方被導入流路35中，并從下方排出。
金屬板10和MEA20交互疊層成MEA的肋32嵌合在金屬板10的槽11或12中，構成原電池組。因此，在MEA20和其負極一側上疊層的金屬板10之間，通過金屬板10的槽11形成氧化劑氣體的流路。該流路在圖4的上方由肋32封閉，在下方由同樣的肋封閉。這樣，朝向MEA20的側面開放地設置的槽33與成為氧化劑氣體流路的槽11連通。因此，在原電池組的側面上，通過使氧化劑氣體的多支管組合，氧化劑氣體如圖4中的箭頭A所示，從氣封部30的誘導槽33進入金屬板的槽11中，從氣封部30的另一方的誘導槽排出到多支管中。
另一方面，燃料氣體如圖4中的箭頭B所示，從組合在原電池組的側面上的多支管經由氣封部30的誘導槽34進入金屬板10的槽12中，從氣封部30的誘導槽排出到多支管中。
這樣，氧化劑氣體和燃料氣體在各波形金屬板的槽11和12的部分上擴散到電極，參與反應。然后，剩余的氣體和生成物從相同的槽的部分向出口側的多支管排出。
如圖5所示，夾持MEA的波形金屬板可制成其槽11和12相互對向。因此，不會在電極部上施加過大的剪切力。
圖6表示采用上述原電池組的燃料電池。40表示原電池組，圖4中的氣體入口側和出口側在圖6中位于上下位置。原電池組40在其疊層方向的兩端一側上重合有集電板41、絕緣板42和端板43，進而在上下經由例如硅酮樹脂構成的片材47結合有多支管46。然后，通過用桿件44將端板之間緊固，組裝成燃料電池。45表示彈簧。
可將碳紙等透氣性的多孔體設置在圖2中所示的MEA20的氣封部30上設置的誘導槽33和34上。在圖2中，槽33和34內設有平行的2個肋33’和34’，因而氣封部不會向金屬板10的槽11或12內變形而阻礙氣體的流通。在將多孔體設置在這些誘導槽33和34內時，可以省略上述的肋。也可以設置波形金屬板作為隔件而取代上述的多孔體。這些多孔體、波形金屬板的隔件最好是對其表面進行親水性處理。這種親水性處理是為了防止向電極供應的氣體中的加濕水或從電極排出的生成水等在上述多孔體或隔件上結露而堵塞流路。
實施方式2在實施方式1中，為了防止氣體在金屬板10和MEA之間泄漏，在MEA的氣封部30上設置了肋31、32等。在實施方式2中，表示將這些肋的部分從氣封部30移動到金屬板10一側。
在本實施方式中，如圖7所示，通過注射成形等將與氣封部相同的材料構成的密封件31a、32a一體結合在金屬板10上而取代氣封部30的肋31、32。這種與由金屬板構成的導電性隔板組合的MEA20a如圖8所示為平板狀。而且，具有用于誘導氣體的槽33a和34a。
實施方式3圖9中表示MEA20b。該MEA在設置了多支管這一點上與圖2中所示的MEA不同，其他具有相同的結構。即，氣封部30具有用于隔著電極部1的負極引導氧化劑氣體的一對槽33b，和堵塞金屬板10的槽11的端部的肋32b。同樣地，在具有正極的面上具有用于堵塞引導燃料氣體的一對槽(相當于圖2中的槽34)和金屬板10的槽12的端部的肋。
氣封部30b在引導氧化劑氣體的槽33b和引導燃料氣體的槽的側面部分上具有氧化劑氣體的多支管37和燃料氣體的多支管38，在兩端部上還具有冷卻水的多支管39。氣封部30b在周緣部上還具有肋31b。
在采用這種MEA的原電池組中，從一對多支管37和槽33b的一方供應的氧化劑氣體從在金屬板10的槽11的部分上形成的氣體流路向負極擴散，剩余的氣體和反應生成物從槽33b和多支管37的另一方排出。
同樣地，燃料氣體從一對的多支管38的一方向正極供應，從另一方排出。而且，冷卻水從多支管39的一方流入在一對金屬板之間形成的水流路35中，從另一方的多支管排出。
實施方式4在本實施方式中，如圖10所示，在波形金屬板10上設有冷卻水的多支管孔39a。雖然圖中未示出，但多支管孔也設置在金屬板的另一方的端部一側上。然后，在這些多支管孔39的外側上設有用于堵塞由一對金屬板形成的水的流路的端部的密封件。
上述的多支管孔，若以圖2中的MEA20進行說明，則是以MEA的氣封部的部分貫通堵塞氣體流路的端部的肋32的部分的方式設置的。
在實施方式1中，水是從兩端開口的流路中一方的端部上供應，從另一方排出。在本實施方式中，從一對的多支管孔39的一方向各流路35供應水，從多支管孔的另一側排出。在多支管孔中流動的冷卻水因肋32的作用而不會浸入氧化劑氣體和燃料氣體的流路內。
實施方式5在本實施方式中，通過使波形金屬板和與其組合的密封件調整氣體和冷卻水的流路。
圖11為從正極一側觀察波形金屬板10時的主視圖。在波形金屬板10上，在圖11中的表面側、即與正極相接觸的突條的部分上靠近MEA的電極部1處夾持著電極部設置有一對冷卻水的多支管孔15。在圖11中朝向表面一側開放的槽12的底部上交互地設置有燃料氣體的多支管孔14和氧化劑氣體的多支管孔13。多支管孔14位于波形金屬板10的端部一側，多支管孔13位于多支管孔14和15的中間。在槽12內，由于在多支管孔13的兩側上設置有密封件27和29，所以在多支管孔13中流動的氧化劑氣體不會流入槽12內。
另一方面，在具有燃料氣體的多支管孔14的槽12內，由于僅在多支管孔14的外側部分上設置有密封件28。所以在供應側的多支管孔14中流動的燃料氣體在槽12內流動，從另一方的多支管孔14排出。另外，向槽12內流入的氣體通過在設置于鄰接的槽11內的密封件26的中央的缺口部26a和與其連絡地設置在金屬板上的孔28，并越過槽11向下一個槽12內流入。這種氣體的流動從具有同樣的密封件26的部分越過槽11進入原來的槽12內，從另一方的多支管孔14排出。這種氣體的流動如圖11中箭頭所示。
這樣一來，雖然在波形金屬板10的面對正極的槽12的底部上每隔一個形成有燃料氣體的多支管孔14，但利用位于槽12和槽12之間、朝向相反一側開放的槽11的孔18和密封件26，可向不具有多支管孔的槽12內供應燃料氣體用于反應。
一對多支管孔15使冷卻水流通，在圖示的波形金屬板10上，槽11相對向地組合的金屬板之間，向由槽11形成的流路供應、排出水。雖然圖中未示出，但在槽11的孔15的外側設置有用于防止水泄漏的密封件。
在經由MEA結合在圖11的波形金屬板10的表面上的波形金屬板上，具有形成向MEA供應氧化劑氣體的氣體流路的槽11。而且，通過設置對上述燃料氣體而言與已述的密封件26和孔18相當的部分設置在槽12一側上，可將供應到一個槽11中的氧化劑氣體貫通槽12的部分地分配到經由槽12與其鄰接的槽11中。
圖14分別由箭頭A、B和C表示氧化劑氣體、燃料氣體和冷卻水的流動。
實施方式6在本實施方式中，采用由波形金屬板50和結合在其周緣部上的氣封部構成的導電性隔板。在此采用的波形金屬板50具有與在實施方式1中采用的波形金屬板10相同的結構，但在大小與MEA的電極部大致相同這一點上是不同的。
圖15表示從正極一側觀察的MEA。該MEA60與實施方式1同樣，由高分子電解質膜，支承其周緣部的氣封部70，和結合在電解質膜的露出面上的正極以及負極構成。氣封部70在MEA的長度方向的兩端部上分別具有氧化劑氣體的多支管孔73，一方為入口側，另一方為出口側。氣封部70在兩端部上還各具有3個燃料氣體的多支管孔74和冷卻水的多支管孔75。
圖16和圖17表示一方的面連接在正極上，另一方的面連接在負極上的導電性隔板80。這種隔板80由波形金屬板50和結合在其周緣部上的氣封部81構成，氣封部81具有與MEA60共同的氧化劑氣體的多支管孔83、燃料氣體的多支管孔84和冷卻水的多支管孔85。
隔板80在其正極一側的面上具有由金屬板50的槽54形成的燃料氣體的流路，連絡該流路的端部和多支管孔84的誘導槽88。同樣地，在隔板80的負極一側的面上具有由金屬板50的槽53形成的氧化劑氣體的流路，連絡該流路的端部和多支管孔83的誘導槽87。
圖18表示沿圖17的18-18線剖開隔板80的剖視圖。可知從多支管孔83供應的氧化劑氣體通過誘導槽87被導入波形金屬板50的槽53內。在此，金屬板50上成為氣體流路的槽53其約2/3的深度被與氣封部81為一體的密封材料57埋沒，因而金屬板的氣體流路53和氣封部81的氣體誘導槽87為相同深度，無臺階地連接在一起。因此，氣體的供應、排出順利，不會存留加濕蒸汽的水或反應生成物，不會產生液泛而使電池性能降低。
如圖23所示，形成燃料氣體的流路的波形金屬板50的槽54同樣地被密封材料58埋沒其深度的約2/3，氣體流路54和氣封部81的氣體誘導槽88無臺階地連接在一起。
圖24為在與圖17中18-18線相當的位置剖開其他實施方式的導電性隔板的剖視圖。在本例中，波形金屬板的槽未被密封材料埋沒。因此，在氣封部的誘導槽和波形金屬板的槽之間產生臺階。
以下，對構成冷卻部的隔板加以說明。
圖19為正極側隔板的主視圖，圖20為其后視圖。該隔板80a在其氣封部81a具有氧化劑氣體、燃料氣體和冷卻水的各多支管孔，正極一側的面上具有連絡多支管孔84和金屬板50的氣體流路槽的誘導槽88這一點上與隔板80完全相同。不同之處在于背面上具有連絡多支管孔85和金屬板50的冷卻水流路的誘導槽89。
與上述的隔板80a組合構成冷卻部的負極側隔板80b示于圖21和圖22。在具有氧化劑氣體、燃料氣體和冷卻水的多支管孔，負極一側上具有連絡多支管孔83和金屬板的氣體流路的誘導槽87這一點上與隔板81相同，其背面與隔板80相同地具有連絡多支管孔85和金屬板的水流路的誘導槽89。在正極側隔板80a和負極側隔板80b上，其對向面上形成的水的誘導槽89的深度和波形金屬板的水流路的深度也是相同的。這一點可從圖23中看出。
在上述所示的誘導槽87、88、和89上設置在實施方式1中說明的多孔體或波形金屬板的隔件，可防止氣封部因電池的緊固壓力向槽內變形而阻礙氣體或冷卻水的流通。
實施例1調制在乙炔黑中以重量比為3∶1的比例載持有平均粒徑約為30埃的鉑粒子的催化劑粉末。將該催化劑粉末的異丙醇分散液和下式(式中m＝1、n＝2、5≤x≤13.5、y≈1000)所示的全氟碳磺酸粉末的乙醇分散液混合，制成漿料。在厚度為250μm的碳無紡布的一方的面上通過絲網印刷法涂敷漿料形成催化劑層。將上述漿料的涂敷量調整成電極中包含的鉑量為0.5mg/cm2、全氟碳磺酸的量為1.2mg/cm2。 將這樣獲得的同一結構的負極和正極通過熱壓結合在面積比其大一圈的氫離子傳導性高分子電解質膜中心部的兩面上，組裝成電解質膜-電極接合體(MEA)。作為氫離子傳導性高分子電解質膜，采用將上式(其中，m＝2、n＝2、5≤x≤13.5、y≈1000)所示的全氟碳磺酸薄膜化成厚度為25μm的電解質膜。
導電性隔板是對厚度為0.1mm的不銹鋼SUS304板進行壓力加工，制成以3mm的間距具有深度約為1.5mm、寬度約為1.5mm的槽的波形。在波形金屬板的表面上通過真空電子束蒸鍍法形成厚度為0.01μm的金膜。蒸鍍是在真空度為5×10-6托的氬氣氛圍、金屬板的溫度為200℃下進行的。
MEA在高分子電解質膜的周緣部上具有由EPDM構成的氣封部。這種氣封部是在接合電極之前以170℃的成形溫度結合在電解質膜上的。從而制作出使氣封部為一體的圖2所示結構的MEA。
將上述的導電性隔板和MEA交互地疊層，按每2個原電池將2片波形金屬板以其槽對合地組合并插入MEA之間。這樣組裝成圖4～圖6所示結構的50個原電池疊層的疊層電池。疊層電池的緊固壓力為20kgf/cm2。
將這種燃料電池保持在85℃，將加濕、加熱到83℃的露點的氫氣供應到正極一側，將加濕、加熱到78℃的露點的空氣供應到負極一側。其結果，在電流不向外部輸出的無負荷時，獲得了50V的電池開路電壓。在燃料利用率為80％、氧利用率為40％、電流密度為0.5A/cm2的條件下對該電池進行發電試驗，確認保持在990W(22V-45A)的電池輸出。
在本例中，誘導槽33、34是由多個平行的槽構成的。在這些槽部中設置親水性處理的碳紙也獲得了同樣的效果。碳紙的親水性處理是采用波長為365nm的超高壓水銀燈，以100mW/cm2的強度進行5分鐘的紫外線照射而實施的。
實施例2采用與實施例1相同的電極、電解質膜、和氣封部材料，制作出圖15所示的MEA。另一方面，導電性隔板在與實施例1相同的波形金屬板的周緣部上成形出由硅酮橡膠構成的氣封部。導電性隔板制作出實施方式6中所說明的3種，與上述MEA組合，組裝成50個原電池疊層的燃料電池。每2個原電池中插入冷卻部。導電性隔板是在其氣封部的部分上，在其外周部和多支管孔外周部上設置高度為0.1mm的突部，在制成疊層電池時，確保導電性隔板和MEA之間的密封性。隔板上形成的成為氣體流路的槽和氣封部上形成的誘導槽的深度為0.5mm。
在與實施例1相同的條件下使這種燃料電池工作時，顯示出與實施例1大致相同的特性。
工業上應用的可能性根據本發明，由于能夠取代以往的碳板切削加工方法，以不對不銹鋼等金屬材料進行切削加工地構成隔板，所以有利于批量生產，可大幅度降低成本。而且，由于使隔板更薄，可實現疊層電池的緊湊化。
權利要求
1.一種高分子電解質型燃料電池，具備由突條和槽交互平行地設置、在與一方的面上的突條和槽對應的背面上分別具有槽和突條的波形金屬板構成的多個導電性隔板；插入上述隔板之間的電解質膜-電極接合體，該接合體是由周緣部以氣封部覆蓋的氫離子傳導性高分子電解質膜，接合在上述電解質膜的一方的面上的正極和接合在上述電解質膜的另一方的面上的負極構成的電解質膜-電極接合體；以及分別向上述正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體的氣體供應、排出機構，上述氣體供應、排出機構通過上述波形金屬板的一方的面上的槽向正極供應、排出燃料氣體，通過上述波形金屬板的另一方的面上的槽向負極供應、排出氧化劑氣體。
2.根據權利要求1所述的高分子電解質型燃料電池，上述氣體供應、排出機構包括燃料氣體和氧化劑氣體的各多支管，和連絡各多支管和上述波形金屬板的槽地設置在上述電解質膜-電極接合體的氣封部上的誘導槽。
3.根據權利要求1所述的高分子電解質型燃料電池，上述氣體供應、排出機構包括共同設置在上述波形金屬板和上述電解質膜-電極接合體的氣封部上的燃料氣體和氧化劑氣體的各多支管孔，和設置在上述波形金屬板上的密封件，通過上述各多支管孔和波形金屬板的各槽分別向正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體。
4.根據權利要求1所述的高分子電解質型燃料電池，上述導電性隔板由上述波形金屬板和覆蓋其周緣部的第2氣封部構成，上述氣體供應、排出機構包括共同設置在上述電解質膜-電極接合體的氣封部和第2氣封部上的燃料氣體和氧化劑氣體的各多支管孔，和設置在上述第2氣封部上、連絡上述各多支管孔和上述波形金屬板的各槽的氣體誘導槽，通過上述各多支管孔、各氣體誘導槽和波形金屬板的各槽分別向正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體。
5.根據權利要求4所述的高分子電解質型燃料電池，包括上述第2氣封部的導電性隔板具有埋在上述波形金屬板的槽底的密封材料，上述波形金屬板的槽的深度與連絡上述多支管孔和波形金屬板的槽的氣體誘導槽的深度大致相同。
6.根據權利要求2所述的高分子電解質型燃料電池，2片波形金屬板以其槽和突條相互對向地插入鄰接的電解質膜-電極接合體之間，在這些波形金屬板的槽之間形成的流路中冷卻水從一方的開口朝向另一方的開口流動。
7.根據權利要求6所述的高分子電解質型燃料電池，在成為上述冷卻水的流路的上述波形金屬板的槽的兩端部一側上與其他波形金屬板共同地形成冷卻水的多支管孔，從上述多支管孔向上述冷卻水的流路供應、排出冷卻水。
8.根據權利要求4所述的高分子電解質型燃料電池，上述氣體誘導槽中設置有多孔體或波狀的隔件。
9.一種高分子電解質型燃料電池，具備突條和槽交互平行地設置、在與一方的面上的突條和槽對應的背面上分別具有槽和突條的波形金屬板構成的多個導電性隔板；插入上述隔板之間的電解質膜-電極接合體，該接合體是由周緣部以氣封部覆蓋的氫離子傳導性高分子電解質膜，接合在上述電解質膜的一方的面上的正極和接合在上述電解質膜的另一方的面上的負極構成的電解質膜-電極接合體，以及分別向上述正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體的氣體供應、排出機構，上述氣封部在其兩面上具有堵塞分別對向的上述波形金屬板的槽上長度方向的兩端部的肋，上述氣體供應、排出機構包括在上述氣封部的上述肋的內側上，朝向氣封部的側面開放地設置在氣封部一方的面上、與上述金屬板的槽連通的燃料氣體的誘導槽，和朝向氣封部的側面開放地設置在氣封部另一方的面上、連通上述金屬板的槽的氧化劑氣體的誘導槽。
10.一種高分子電解質型燃料電池，具備突條和槽交互平行地設置、在與一方的面上的突條和槽對應的背面上分別具有槽和突條的波形金屬板構成的多個導電性隔板；插入上述隔板之間的電解質膜-電極接合體，該接合體是由周緣部以氣封部覆蓋的氫離子傳導性高分子電解質膜，接合在上述電解質膜的一方的面上的正極和接合在上述電解質膜的另一方的面上的負極構成的電解質膜-電極接合體；以及分別向上述正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體的氣體供應、排出機構，上述氣體供應、排出機構包括在上述波形金屬板上面對電解質膜-電極接合體的槽的部分每隔一個設置的多支管孔，和流入具有該多支管孔的槽中的氣體貫通兩者之間朝向相反一側的槽的部分移動到不具有多支管孔的槽中地構成的密封件。
11.一種高分子電解質型燃料電池，具備多個導電性隔板；插入上述隔板之間的電解質膜-電極接合體，該接合體是由周緣部以第1氣封部覆蓋的氫離子傳導性高分子電解質膜，接合在上述電解質膜的一方的面上的正極和接合在上述電解質膜的另一方的面上的負極構成的電解質膜-電極接合體；以及分別向上述正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體的氣體供應、排出機構，上述導電性隔板由突條和槽交互平行地設置、在與一方的面上的突條和槽對應的背面上分別具有槽和突條的波形金屬板和結合在其周緣部上的第2氣封部構成，第1和第2氣封部分別具有共同的燃料氣體和氧化劑氣體的各多支管孔，第2氣封部在與正極相對向的面上具有連絡上述燃料氣體的多支管孔和上述波形金屬板的槽的誘導槽，在與負極相對向的面上具有連絡上述氧化劑氣體的多支管孔和上述波形金屬板的槽的誘導槽。
全文摘要
一種高分子電解質型燃料電池,具備:由波形金屬板構成的多個導電性隔板;插入上述隔板之間的電解質膜－電極接合體,該接合體是由周緣部以氣封部覆蓋的氫離子傳導性高分子電解質膜,接合在上述電解質膜的一方的面上的正極和接合在上述電解質膜的另一方的面上的負極構成的電解質膜－電極接合體;以及分別向上述正極和負極供應、排出燃料氣體和氧化劑氣體的氣體供應、排出機構,上述氣體供應、排出機構通過上述波形金屬板的一方的面上的槽向正極供應、排出燃料氣體,通過上述波形金屬板的另一方的面上的槽向負極供應、排出氧化劑氣體。
文檔編號H01M8/10GK1388999SQ01802621
公開日2003年1月1日 申請日期2001年2月8日 優先權日2000年2月8日
發明者小原英夫, 松本敏宏, 菅原靖, 山崎達人, 新倉順二, 羽藤一仁, 神原輝壽 申請人:松下電器產業株式會社