燃料電池用復(fù)合隔板及應(yīng)用其的高分子電解質(zhì)型燃料電池的制作方法

專利名稱：燃料電池用復(fù)合隔板及應(yīng)用其的高分子電解質(zhì)型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用于便攜式電源，電動汽車用電源，家庭內(nèi)發(fā)電及廢熱供暖系統(tǒng)等的高分子電解質(zhì)型燃料電池。更詳細(xì)的說，本發(fā)明涉及構(gòu)成該電池的導(dǎo)電性隔板。
背景技術(shù)：
采用高分子電解質(zhì)膜的燃料電池通過使含有氫的燃料氣體和空氣等的含有氧氣的氧化劑氣體產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)來同時產(chǎn)生電力和熱。該燃料電池由選擇性地輸送氫離子的高分子電解質(zhì)膜以及形成在高分子電解質(zhì)膜的兩面的一對電極，即陽極和陰極構(gòu)成。前述電極以載持鉑金類的金屬觸媒的碳粉末為主成分并由在高分子電解質(zhì)膜的兩面形成的觸媒層以及形成在前述觸媒層的外面的具有優(yōu)良透氣性和電子導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。
接著，在電極的周圍夾持高分子電解質(zhì)膜配置氣體密封件和密封墊，以使供給的燃料氣體和氧化劑氣體不外漏且兩種氣體互相不混合。該氣體密封件和密封墊由電極和高分子電解質(zhì)膜一體化形成并預(yù)先組裝好，稱之為MEA(電解質(zhì)膜·電極接合體)。
在MEA的外側(cè)機(jī)械地固定MEA的同時，將鄰接的MEA互相串聯(lián)地電連接，向電極面供給反應(yīng)氣體，配置具有用于將生成氣體和剩余氣體運(yùn)送出去的氣體通路的導(dǎo)電性隔板。雖然氣體通路也可與隔板分別設(shè)計，但一般來說在隔板表面設(shè)有槽來作為氣體通路。
為了向該槽供給反應(yīng)氣體，有必要將供給反應(yīng)氣體的配管按照使用隔板的個數(shù)分路并需要將其分路的前端直接連入隔板上的槽的配管夾具。該夾具稱為歧管，將上述燃料氣體的供給配管從隔板的外側(cè)連入該隔板的類型稱為外部歧管。此外，在該歧管中還有比外部歧管結(jié)構(gòu)更為簡單的內(nèi)部歧管。所謂內(nèi)部歧管是指在形成氣體通路的隔板設(shè)有貫通孔，氣體通路的出入口通到該孔，從該孔直接供給反應(yīng)氣體。
因為燃料電池在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)熱，為了將電池維持在良好的溫度狀態(tài)，有必要用冷卻水等進(jìn)行冷卻。因此通常每隔1～3節(jié)單電池就設(shè)有冷卻水用的通路。通常多在隔板的背面設(shè)有冷卻水用的通路來作為冷卻部。一般的層疊電池的構(gòu)造為這些的MEA和隔板交叉重疊，在層疊10～200單元單電池后，經(jīng)由集電板和絕緣板并用端板夾持該層疊體，用緊固螺栓從兩端固定。
這樣的高分子電解質(zhì)型燃料電池的隔板要求具有高導(dǎo)電性和高氣密性以及相對電池反應(yīng)的高耐腐蝕性。因此，現(xiàn)有技術(shù)的隔板通常由玻璃碳或膨脹石墨等的具有導(dǎo)電性的碳材料構(gòu)成，氣體通路通過其表面的切削而形成，而在膨脹石墨的場合則通過模具成形而制成氣體通路。
此外，最近為了實現(xiàn)低成本化也使用將混合了石墨與樹脂的材料放入模具通過壓縮成形而制成的隔板。進(jìn)而，也嘗試將混合了石墨與樹脂的材料通過注射成形而制作隔板的方法。

發(fā)明內(nèi)容
作為隔板的制作方法，提出了將石墨與熱塑性樹脂混合得到的復(fù)合物在注射成形機(jī)中熔融混均并將其注射到金屬模具內(nèi)的注射成形的方法?？墒?，因為隔板需要高的電子導(dǎo)電性，復(fù)合物中含有導(dǎo)電性填料的比例變高。在這種情況下，因為復(fù)合物的熱傳導(dǎo)率變高且熔融時的流動性降低，所以成形性大幅降低，并產(chǎn)生了填充不良及接合部的強(qiáng)度不足等的問題。此外，由于相對于隔板的通路形狀的制約及配置在通路周邊部的歧管孔的強(qiáng)度降低和氣密性的降低，也產(chǎn)生了燃料電池的性能降低的問題。
本發(fā)明目的在于提供為了解決上述問題具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和成形性的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板。此外目的還在于提供通過使用具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和成形性的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板而電池特性優(yōu)良的高分子電解質(zhì)型燃料電池。
本發(fā)明提供一種高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，由含有導(dǎo)電性碳的電子傳導(dǎo)性部分和包圍前述電子傳導(dǎo)性部分周圍的絕緣性部分構(gòu)成，在前述電子傳導(dǎo)性部分的兩面分別具有使氣體或冷卻水流通的第一槽和第二槽。
優(yōu)選地為前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分一體地成形，前述絕緣性部分具有與前述第一槽連通的第一歧管孔以及與前述第二槽連通的第二歧管孔。
優(yōu)選地為在前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分之間具有第三部分。
優(yōu)選地為前述第三部分由粘接材料構(gòu)成。
此外，優(yōu)選地為前述第三部分由構(gòu)成前述電子傳導(dǎo)性部分的材料與構(gòu)成前述絕緣性部分的材料的復(fù)合物構(gòu)成。
此外，優(yōu)選地為前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分分別通過注射成形而被成形。
優(yōu)選地為前述電子傳導(dǎo)性部分由無機(jī)導(dǎo)電性填料與樹脂的復(fù)合物構(gòu)成。
優(yōu)選地為前述絕緣性部分由氣密彈性體構(gòu)成。
優(yōu)選地為前述絕緣性部分含有熱塑性樹脂。
優(yōu)選地為前述電子傳導(dǎo)性部分和前述絕緣性部分含有具有相同的主要分子結(jié)構(gòu)的樹脂。
優(yōu)選地為具有前述相同的主要分子結(jié)構(gòu)的樹脂是聚苯硫醚。
優(yōu)選地為以凹凸?fàn)畹慕M合構(gòu)成前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分的接合斷面。
優(yōu)選地為在前述接合斷面中，前述電子傳導(dǎo)性部分為凸?fàn)睢?br> 此外，優(yōu)選地為在前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分的接合部中，在一方設(shè)有孔部，另一方插入前述孔部。
優(yōu)選地為前述孔部設(shè)置在前述電子傳導(dǎo)性部分。
進(jìn)而本發(fā)明提供一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，在具備電池組的高分子電解質(zhì)型燃料電池中，前述電池組包含多個電解質(zhì)膜·電極接合體和與前述電解質(zhì)膜·電極接合體交替疊層而成的多個隔板，前述電解質(zhì)膜·電極接合體包含夾持氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜和前述電解質(zhì)膜的陽極和陰極，其中前述隔板由含有導(dǎo)電性碳的電子傳導(dǎo)性部分和包圍前述電子傳導(dǎo)性部分周圍的絕緣性部分構(gòu)成，在前述電子傳導(dǎo)性部分的兩面分別具有使氣體或冷卻水流通的第一槽和第二槽。
根據(jù)本發(fā)明，因為隔板的注射成形時在電子傳導(dǎo)部分與絕緣性部分所使用的化合物不同，隔板能夠同時得到優(yōu)良的導(dǎo)電性和成形性。此外，通過使用該隔板，能夠得到電池特性優(yōu)良的高分子電解質(zhì)型燃料電池。


圖1是備有兩根注射噴嘴的注射成形機(jī)的俯視圖。
圖2是備有兩根注射噴嘴的注射成形機(jī)的側(cè)視圖。
圖3是本發(fā)明的實施方式1的隔板的表面圖。
圖4是本發(fā)明的實施方式1的隔板的背視圖。
圖5是實施方式1的隔板的電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分的邊界附近的剖面圖。
圖6是實施方式1的第2隔板的電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分的邊界附近的剖面圖。
圖7是實施方式1的第3隔板的電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分的邊界附近的剖面圖。
圖8是實施方式1的第4隔板的電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分的邊界附近的剖面圖。
圖9是本發(fā)明的實施方式2的陰極側(cè)隔板的表面圖。
圖10是本發(fā)明的實施方式2的陰極側(cè)隔板的背視圖。
圖11是本發(fā)明的實施方式2的陽極側(cè)隔板的表面圖。
圖12是本發(fā)明的實施方式2的陽極側(cè)隔板的背視圖。
圖13表示本發(fā)明的實施例1和2的層疊電池的構(gòu)成。
圖14表示實施例1的電池A和比較例的電池B的輸出特性。
圖15表示實施例2的電池C和比較例的電池B的輸出特性。
圖16表示本發(fā)明的實施方式3的隔板的表面圖。
圖17表示本發(fā)明的實施方式3的隔板的背視圖。
圖18是圖16的A-A’剖面圖。
圖19表示本發(fā)明的實施例3的電池D和比較例的電池B的輸出特性。
圖20表示本發(fā)明的實施方式4的隔板的表面圖。
圖21表示設(shè)有圖20的板狀部件的附近的剖面的一部分。
圖22表示本發(fā)明的實施例4的電池E和比較例的電池B的輸出特性。
圖23是備有3根注射噴嘴的注射成形機(jī)的俯視圖。
圖24本發(fā)明的實施方式5的隔板的表面圖。
圖25是實施方式5的隔板的第三部分附近的剖面圖。
圖26是實施方式5的第2隔板的第三部分附近的剖面圖。
圖27是實施方式5的第3隔板的第三部分附近的剖面圖。
圖28是實施方式5的第4隔板的第三部分附近的剖面圖。
圖29表示本發(fā)明的實施例5的電池F和比較例的電池B的輸出特性。
具體實施例方式
本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板由含有導(dǎo)電性碳的電子傳導(dǎo)性部分和絕緣性部分構(gòu)成。
作為用于前述電子傳導(dǎo)性部分的樹脂可以列舉聚乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯，異丁烯樹脂，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚酰胺，聚酰亞胺，聚乙烯醇，聚苯硫醚，聚醚酮，聚醚亞胺，含氟樹脂，酯樹脂，液晶聚合物，芳香族聚酯，聚縮醛，聚苯乙醚等。
作為用于前述絕緣性部分的樹脂可以列舉聚苯硫醚(PPS)樹脂，聚乙烯，氯乙烯樹脂，聚苯乙烯，丙烯腈-苯乙烯(AS)樹脂，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)樹脂，異丁烯酸甲基樹脂，聚酰胺樹脂，變性聚苯乙醚，超高分子量聚乙烯，聚甲基戊烯，間規(guī)聚苯乙烯，聚砜，聚醚砜，聚鄰苯二甲酰胺，聚亞環(huán)己基二亞甲基對苯二甲酯，聚醚亞胺，聚醚醚酮，聚酰亞胺，液晶聚合物，含氟樹脂，苯乙烯類熱可塑性彈性體，烯烴類熱可塑性彈性體，聚氨酯類熱可塑性彈性體，氯乙烯類熱可塑性彈性體，聚酰胺類熱可塑性彈性體，苯乙烯-丁二烯類熱可塑性彈性體，腈類彈性體，玻璃增強(qiáng)的聚酯類彈性體等。
優(yōu)選地為在前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分之間具有第三部分。優(yōu)選地為至少使用前述電子傳導(dǎo)性部分所使用的樹脂等的材料與前述絕緣性部分所使用的樹脂等的材料的復(fù)合物作為前述第三部分使用的材料。更理想的是，在電子傳導(dǎo)性部分和絕緣性部分分別使用上述列舉的樹脂，在第三部分使用混合這些樹脂得到的復(fù)合物。
以下，參照

本發(fā)明的實施方式。
實施方式1圖3～圖4表示了兼任陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的隔板10。
隔板10由與陽極或陰極對置的電子傳導(dǎo)性部分10a和包圍其周圍的絕緣性部分10b構(gòu)成。在絕緣性部分10b分別具有一對的氧化劑氣體用歧管孔5，燃料氣體用歧管孔6以及冷卻水用歧管孔7。在與電子傳導(dǎo)性部分10a的陰極對置的面上具有如圖3所示的連結(jié)一對氧化劑氣體用歧管孔5的氧化劑氣體通路5a，在與其背面的陽極對置的面上具有如圖4所示的一對連結(jié)燃料氣體用歧管孔6的燃料氣體通路6a。
另外，電子傳導(dǎo)性部分10a和絕緣性部分10b的接合形狀除了如圖5所示的垂直于板面方向的面之間的對接形狀接合之外，也可如圖6～圖8所示，以電子傳導(dǎo)性部分的凸形狀與絕緣性部分的凹形狀的嚙合而形成接合(圖6)，以在電子傳導(dǎo)性部分周邊設(shè)置薄的部分并在其薄的部分開孔的形狀而形成接合(圖7)，或者從絕緣性部分看使電子傳導(dǎo)性部分以下部凹陷的狀態(tài)而形成接合(圖8)。特別是在圖7的場合，電子傳導(dǎo)性部分的孔部被絕緣性部分填充，接合強(qiáng)度顯著提高。
實施方式2圖9～圖12分別表示了構(gòu)成具有冷卻部的復(fù)合隔板的陽極側(cè)隔板30和陰極側(cè)隔板20。
陰極側(cè)隔板20其與陰極對置的部分由電子傳導(dǎo)性部分20a構(gòu)成，其周圍由絕緣性部分20b構(gòu)成。
在與電子傳導(dǎo)性部分20a的陰極對置的面上具有如圖9所示的連結(jié)一對氧化劑氣體用歧管孔5的氧化劑氣體通路5a，在其背面的電子傳導(dǎo)性部分20a上具有如圖10所示的連結(jié)一對冷卻水用歧管孔7的冷卻水通路7a。另外，氧化劑氣體通路5a的方向與冷卻水通路7a的方向互相垂直。
另一方面，陽極側(cè)隔板30其與陽極對置的部分由電子傳導(dǎo)性部分30a構(gòu)成，其周圍由絕緣性部分30b構(gòu)成。
在與電子傳導(dǎo)性部分30a的陽極對置的面上具有如圖11所示的連結(jié)一對燃料氣體用歧管孔6的燃料氣體通路6a，在其背面的電子傳導(dǎo)性部分30a上具有如圖12所示的連結(jié)一對冷卻水用歧管孔7的冷卻水通路7a。另外，燃料氣體通路6a的方向與冷卻水通路7a的方向互相垂直。
通過將具有上述陽極側(cè)隔板30及陰極側(cè)隔板20的冷卻水的通路的面相對而接合，冷卻水的通路7a重合而形成一個冷卻水的通路，從而成為在隔板內(nèi)部設(shè)有冷卻部的構(gòu)成。
如實施方式1和2所述，在與需要導(dǎo)電性并與陽極或陰極對置的部分設(shè)置電子傳導(dǎo)性部分，在不需要導(dǎo)電性的部分設(shè)置絕緣性部分，由此得到優(yōu)良的成形性和導(dǎo)電性。
實施方式3圖16和圖17表示包圍氧化劑氣體用歧管孔，燃料氣體用歧管孔及冷卻水用歧管孔的肋板和在其背面設(shè)有與肋板對應(yīng)凹部的兼任陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的隔板40。此外，在圖18表示了圖16的A-A剖面圖。
隔板40由與陽極或陰極對置的電子傳導(dǎo)性部分40a和包圍其周圍的絕緣性部分40b構(gòu)成。在絕緣性部分40b的陰極側(cè)的氧化劑氣體用歧管孔5，燃料氣體用歧管孔6及冷卻水用歧管孔7周圍分別設(shè)有肋板5b，6b，7b。此外，在其背面的絕緣性部分40b的陽極側(cè)的氧化劑氣體用歧管孔5，燃料氣體用歧管孔6及冷卻水用歧管孔7周圍分別設(shè)有與肋板對應(yīng)的凹部5c，6c，7c。
絕緣性部分是氣密彈性體，同時也兼任密封墊的功能，因此電子傳導(dǎo)性部分40a成為比絕緣性部分40b低一級的結(jié)構(gòu)。
通過使用上述結(jié)構(gòu)的隔板，就不需要密封墊。此外，通過在絕緣性部分的需要?dú)饷苄缘牟课辉O(shè)置肋板或凹部并與鄰接的隔板中絕緣性部分的肋板或凹部卡合，能夠確保隔板的氣密性。
實施方式4圖20表示用板狀部件覆蓋連結(jié)絕緣性部分的氧化劑氣體或燃料氣體用歧管孔的氧化劑氣體或燃料氣體通路的上方的兼任陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的隔板50。此外，在圖21表示設(shè)有其板狀部件的附近剖面的一部分。
隔板50由與陽極或陰極對置的電子傳導(dǎo)性部分50a和包圍其周圍的絕緣性部分50b構(gòu)成。用板狀部件50c覆蓋絕緣性部分50b的氧化劑氣體通路5a的上方。此外，在其背面用板狀部件覆蓋陽極側(cè)的絕緣性部分的燃料氣體通路的上方(未圖示)。
通過這種構(gòu)成，因為與隔板鄰接的密封墊在隔板的絕緣性部分的氧化劑氣體及燃料氣體的通路的附近被充分壓接，從而提高了密封性。
實施方式5圖24表示在電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分之間設(shè)有樹脂構(gòu)成的第三部分的兼任陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的隔板60。
隔板60由與陽極或陰極時置的電子傳導(dǎo)性部分60a，包圍其周圍的絕緣性部分60b，以及設(shè)在電子傳導(dǎo)性部分60a與絕緣性部分60b之間的第三部分60c構(gòu)成。
通過在電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分之間設(shè)有第三部分，在電子傳導(dǎo)性部分與第三部分，第三部分與絕緣性部分的各自的界面中，樹脂熱粘合，電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分的接合性變好。
另外，經(jīng)由第三部分60c的電子傳導(dǎo)性部分60a與絕緣性部分60b的接合形狀除了如圖25所示的垂直于板厚方向的面之間的對接形狀接合之外，也可如圖26～圖28所示，以電子傳導(dǎo)性部分的凸形狀與絕緣性部分的凹形狀的嚙合而形成接合，以在絕緣性部分周邊部分地開孔的形狀而形成接合，或者從絕緣性部分看以下部凹陷的狀態(tài)而形成接合。即，也可在圖5～圖8的電子傳導(dǎo)性部分10a與絕緣性部分10b之間夾有第三部分。
實施例(1)隔板的制作將電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物與絕緣性部分用的復(fù)合物分別投入圖1和圖2所示的能夠熔融混均的具有2根注射噴嘴1a和1b的注射成形機(jī)2中，在電子傳導(dǎo)性部分成形后，通過使絕緣性部分成形而制成由電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分構(gòu)成的規(guī)定形狀的隔板。采用石墨與PP(聚丙烯)樹脂以重量比7∶3的比例混合而得的復(fù)合物作為電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物。采用PPS(聚苯硫醚)樹脂與玻璃填料以重量比10∶3的比例混合而得的復(fù)合物作為絕緣性部分用的復(fù)合物。
此時，在金屬模具單元4設(shè)置在規(guī)定的位置形成燃料氣體，氧化劑氣體和冷卻水通路的金屬模具以及形成含有歧管的其它部分的金屬模具。作為金屬模具的材料一般來說從成形生產(chǎn)節(jié)拍及強(qiáng)度的方面考慮采用碳素工具鋼(SK材料)等?？墒?，本實施例所使用的隔板因為熱傳導(dǎo)率高，硬化速度快而產(chǎn)生成形不良。因此，金屬模具采用熱傳導(dǎo)率低的材料SUS630來確保隔板的成形性。
使金屬模具溫度為150℃，對于電子傳導(dǎo)性部分用復(fù)合物的注射噴嘴溫度為260℃，對于絕緣性部分用復(fù)合物的注射噴嘴溫度為350℃。此外，使注射壓力為1600kgf/cm2，對于電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物的注射速度為100mm/sec，對于絕緣性部分用的復(fù)合物的注射速度為50mm/sec，成形時間為20秒。
在上述的條件下制作與實施方式1的隔板10，實施方式2的隔板20和30同樣的3種隔板。
上述隔板的電子傳導(dǎo)性部分中的氧化劑氣體，燃料氣體和冷卻水通路以3mm的間距設(shè)有寬1.5mm，深1.0mm的槽。使電子傳導(dǎo)性部分和絕緣性部分的厚度為3mm。此外，電子傳導(dǎo)性部分和絕緣性部分的邊界形狀為如圖5所示的垂直于板厚方向的面之間的對接形狀。
(2)MEA的制作在乙炔碳黑類的石墨粉末以重量比4∶1的比例載持平均粒徑為30的鉑金粒子而得到電極用的觸媒粉末。將在異丙醇中分散該觸媒粉末得到的物質(zhì)與在酒精中分散全氟化碳磺酸的粉末而得到的物質(zhì)混合，從而得到電極用糊劑。通過絲網(wǎng)印刷法，以該電極用糊劑為原料在厚250μm的碳非織造織物的一面形成電極觸媒層，得到電極。此時，進(jìn)行調(diào)整使觸媒層形成后的電極觸媒層中含有鉑金量為0.5mg/cm2，全氟化碳磺酸的量為1.2mg/cm2。
使這些電極其正極和負(fù)極為相同構(gòu)成。印刷的電極觸媒層位于內(nèi)側(cè)，用上述得到的一對電極和包圍電極的密封墊夾持氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜，通過熱壓制作電解質(zhì)膜·電極接合體(MEA)。采用將全氟化碳磺酸薄膜化得到的25μm厚的薄膜作為氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜。
(3)層疊電池的制作接著，如圖13所示，用3種隔板10，20，30夾持由氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜11和夾持前述電解質(zhì)膜11的陰極12，陽極13以及密封墊構(gòu)成的MEA，由此使多個單電池串聯(lián)連接。此時，通過將具有隔板20和30的冷卻水通路7a的面相對而接合，冷卻水的通路7a重合而形成一個冷卻水的通路，從而成為在隔板內(nèi)部設(shè)有冷卻部的結(jié)構(gòu)。即，通過在MEA間將隔板10與構(gòu)成冷卻部的隔板20和30交替配置而成為每層疊兩個單電池就設(shè)有冷卻部的結(jié)構(gòu)。
在層疊50個以上所示的單電池后，在該層疊體的兩端經(jīng)由集電板和絕緣板配置不銹鋼制的端板，通過緊固荷載以10kgf/cm2的壓力緊固層疊體來制作層疊電池。該層疊電池為電池A。
另外，緊固壓力過小時，燃料氣體和氧化劑氣體向外部泄漏，接觸阻力大使電池性能降低，相反地緊固壓力過大時，因為電極破損或隔板變形，與氣體流通槽的設(shè)計相對應(yīng)改變緊固壓力是很重要的。
對這樣制作的電池A進(jìn)行泄漏檢查。泄漏檢查是指將一對歧管孔中出口側(cè)歧管孔關(guān)閉，以0.5kgf/cm2的壓力從入口側(cè)的歧管孔流入He氣，用此時的流入氣體量來進(jìn)行評價。在空氣側(cè)，燃料氣體側(cè)，冷卻水側(cè)都沒有氣體泄漏的情況下，確認(rèn)作為層疊電池的流體密封性沒有問題。此外，確認(rèn)在組裝時在歧管孔產(chǎn)生樹脂的接合部也沒問題。
比較例通過切削加工氣密各向同性石墨板，分別制作與實施例1同形狀的3種隔板。除了采用這些隔板，以與實施例1同樣的方法制作現(xiàn)有技術(shù)的層疊電池。該電池為電池B。
將上述制作的實施例1的電池A和比較例的電池B分別保持在85℃，向一方的電極側(cè)供給加濕·加溫的氫氣以達(dá)到83℃的露點(diǎn)，向另一方的電極側(cè)供給加濕·加溫的空氣以達(dá)到78℃的露點(diǎn)。其結(jié)果，在電流不向外部輸出的無荷載情況下，兩電池都得到50V的電池開路電壓。
此外，在燃料利用率80％，氧氣利用率40％，電流密度0.5A/cm2的條件下，評價這些電池的輸出特性。其結(jié)果如圖14所示，能夠確認(rèn)實施例的電池A與比較例的電池B具有同等的性能。
在絕緣性部分和電子傳導(dǎo)性部分使用相同的復(fù)合物來制作隔板的場合，向金屬模具內(nèi)的材料填充變得不完全，不能制作規(guī)定形狀的隔板。此外，在使用將電子傳導(dǎo)性部分用復(fù)合物的PPS比率提高到能夠進(jìn)行材料填充的程度的材料來制作隔板的場合，隔板的電阻增高為300～500mω·cm，電池性能降低。
實施例2采用石墨與PPS以重量比7∶3的比例混合而得的復(fù)合物作為電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物。除了使注射成形時的電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物的注射噴嘴溫度為350℃之外，以與實施例1相同的方法制作3種隔板10，20和30。在采用上述得到的3種隔板之外，以與實施例1相同的方法制作層疊電池。該電池為電池C。
對這樣制作的實施例2的電池C以與實施例1相同的方法進(jìn)行泄漏檢查。在空氣側(cè)，燃料氣體側(cè)，冷卻水側(cè)都沒有氣體泄漏的情況下，確認(rèn)作為層疊電池的流體密封性沒有問題。流入He氣的壓力在實施例1的電池A中為3kgf/cm2，與之相對，在實施例2的電池C中為5kgf/cm2，能夠確認(rèn)隔板的密封性提高。
觀察進(jìn)行泄漏檢查的樣品的結(jié)果為確認(rèn)實施例2的隔板中電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分的界面的接合性優(yōu)于實施例1。此外，確認(rèn)在組裝時在歧管孔產(chǎn)生樹脂的接合部也沒問題。
在與實施例1同樣的條件下向這樣制作的實施例2的電池C供給反應(yīng)氣體。其結(jié)果，在電流不向外部輸出的無荷載情況下，得到50V的電池開路電壓。
在與實施例1同樣的條件下評價電池C的輸出特性。該評價結(jié)果與比較例的電池B一起如圖15所示，能夠確認(rèn)實施例2的電池C與比較例的電池B具有同等性能。
實施例3(1)隔板的制作通過與實施例1相同的方法將電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物與絕緣性部分用的復(fù)合物分別投入圖1和圖2的注射成形機(jī)2中，制作由電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分構(gòu)成的規(guī)定形狀的隔板。采用石墨與PPS樹脂以重量比7∶3的比例混合而得的復(fù)合物作為電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物。采用聚苯乙烯樹脂與玻璃填料以重量比10∶3的比例混合而得的復(fù)合物作為絕緣性部分用的復(fù)合物。
此時，在金屬模具單元4設(shè)置在規(guī)定的位置形成燃料氣體，氧化劑氣體和冷卻水通路的金屬模具以及形成含有歧管孔的其它部分的金屬模具。
使金屬模具溫度為150℃，對于電子傳導(dǎo)性部分用復(fù)合物的注射噴嘴溫度為350℃，對于絕緣性部分用復(fù)合物的注射噴嘴溫度為250℃。此外，使注射壓力為1600kgf/cm2，對于電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物的注射速度為100mm/sec，對于絕緣性部分用的復(fù)合物的注射速度為30mm/sec，成形時間為20秒。
在上述的條件下注射成形，制作圖16和圖17表示的設(shè)有包圍具有與實施方式3同樣結(jié)構(gòu)的絕緣性部分的歧管孔的肋板和在其背面與肋板對應(yīng)的凹部的隔板40。
此外，還制作構(gòu)成復(fù)合隔板的陰極側(cè)隔板和陽極側(cè)隔板，該復(fù)合隔板具有與隔板40組合使用的冷卻部。
陰極側(cè)隔板的陰極側(cè)與實施方式3的隔板40的陽極側(cè)為相同的結(jié)構(gòu)。此外，陰極側(cè)隔板的冷卻部側(cè)成為在實施方式2的陰極側(cè)隔板20的冷卻部側(cè)的氧化劑氣體用歧管孔5，燃料氣體用歧管孔6以及冷卻水用歧管孔7的周圍設(shè)有凹部的結(jié)構(gòu)。
陰極側(cè)隔板的陰極側(cè)與實施方式3的隔板40的陽極側(cè)為相同的結(jié)構(gòu)。此外，陰極側(cè)隔板的冷卻部側(cè)成為在實施方式2的陽極側(cè)隔板30的冷卻部側(cè)的氧化劑氣體用歧管孔5，燃料氣體用歧管孔6以及冷卻水用歧管孔7的周圍設(shè)有凹部的結(jié)構(gòu)。
(2)層疊電池的制作以與實施例1同樣的方法，在不用密封墊的情況下，用與實施例1相同的陰極，陽極以及氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜構(gòu)成的MEA和上述得到的3種隔板使多個單電池串聯(lián)連接。此時，通過將具有陰極側(cè)隔板和陽極側(cè)隔板的冷卻水通路的面相對而接合，冷卻水的通路重合而形成一個冷卻水的通路，從而成為在隔板內(nèi)部設(shè)有冷卻部的結(jié)構(gòu)。即，通過在MEA間將隔板40與構(gòu)成冷卻部的陰極側(cè)隔板和陽極側(cè)隔板交替配合而成為每層疊兩個單電池就設(shè)有冷卻部的結(jié)構(gòu)。
各隔板的絕緣性部分為聚苯乙烯構(gòu)成的橡膠狀的氣密彈性體，所以絕緣性部分能夠兼任密封墊的功能，不需要使用密封墊。
在層疊50個以上所示的單電池后，以與實施例1同樣的方法來制作層疊電池。該層疊電池為電池D。
對這樣制作的電池D以與實施例1相同的方法進(jìn)行泄漏檢查。在空氣側(cè)，燃料氣體側(cè)，冷卻水側(cè)都沒有氣體泄漏的情況下，確認(rèn)作為層疊電池的流體密封性沒有問題。此外，確認(rèn)用于絕緣性部分的氣密彈性體的樹脂與現(xiàn)有技術(shù)使用的密封墊具有同樣的效果。此外，確認(rèn)在組裝時在歧管孔產(chǎn)生樹脂的接合部也沒問題。
在與實施例1同樣的條件下向這樣制作的實施例3的電池D供給反應(yīng)氣體。其結(jié)果，在電流不向外部輸出的無荷載情況下，得到50V的電池開路電壓。
在與實施例1同樣的條件下評價電池D的輸出特性。該評價結(jié)果與比較例的電池B一起如圖19所示，能夠確認(rèn)實施例3的電池D與比較例的電池B具有同等的性能。
實施例4
通過與實施例1同樣的方法將電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物與絕緣性部分用的復(fù)合物分別投入圖1和圖2所示的注射成形機(jī)2中，制作規(guī)定形狀的隔板。采用石墨與PPS樹脂以重量比7∶3的比例混合而得的復(fù)合物作為電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物。采用PPS樹脂與玻璃填料以重量比10∶3的比例混合而得的復(fù)合物作為絕緣性部分用的復(fù)合物。
此時，使用形成氧化劑氣體，燃料氣體和冷卻水通路的金屬模具以及形成含有歧管孔的其它部分的金屬模具來作為金屬模具。作為金屬模具的材料一般來說從成形生產(chǎn)節(jié)拍及強(qiáng)度方面考慮采用碳素工具鋼(SK材料)等?？墒牵緦嵤├褂玫母舭逡驗闊醾鲗?dǎo)率高，硬化速度快而產(chǎn)生成形不良。因此，金屬模具采用熱傳導(dǎo)率低的材料SUS630來確保隔板的成形性。
使金屬模具溫度為150℃，電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物與絕緣性部分用的復(fù)合物的注射噴嘴溫度都為350℃。此外，使注射壓力為1600kgf/cm2，對于電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物的注射速度為100mm/sec，對于絕緣性部分用的復(fù)合物的注射速度為50mm/sec，成形時間為20秒。
此外，在金屬模具的連結(jié)形成在絕緣性部分的一對歧管孔的通路的上方預(yù)先配置SUS316的板狀部件之后進(jìn)行注射成形。作為板狀部件的材料，除了SUS316之外，還可以采用SUS304L，SUS316L等的耐腐蝕性不銹鋼，鈦等的耐腐蝕性金屬，樹脂等。
在上述的條件下注射成形，制作兼任陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的隔板50，該陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板具有與圖20所示實施方式4相同的結(jié)構(gòu)。
此外，也制作構(gòu)成復(fù)合隔板的陰極側(cè)隔板和陽極側(cè)隔板，該復(fù)合隔板具有與隔板50組合使用的冷卻部。
陰極側(cè)隔板，其實施方式4的隔板50的陰極側(cè)的結(jié)構(gòu)與實施方式2的陰極側(cè)隔板20的陰極側(cè)的結(jié)構(gòu)相同。
陽極側(cè)隔板，其實施方式4的隔板50的陽極側(cè)的結(jié)構(gòu)與實施方式2的陽極側(cè)隔板30的陽極側(cè)的結(jié)構(gòu)相同。
除了采用上述得到的3種隔板之外，以與實施例1同樣的方法來制作層疊電池。該電池為電池E。
對這樣制作的電池E進(jìn)行泄漏檢查。泄漏檢查是指將通路出口側(cè)歧管孔關(guān)閉，以7kgf/cm2的壓力從入口側(cè)的歧管孔流入He氣，用此時的流入氣體量來進(jìn)行評價。在空氣側(cè)，燃料氣體側(cè)，冷卻水側(cè)都沒有氣體泄漏的情況下，確認(rèn)作為層疊電池的流體密封性沒有問題。
作為比較在對實施例2的電池C進(jìn)行同樣的泄漏檢查時，流入He氣的壓力在實施例2的電池C中為5kgf/cm2，與之相對，在實施例4的電池E中為7kgf/cm2，能夠確認(rèn)隔板的密封性提高。這是因為在連結(jié)形成于隔板的一對歧管孔的通路中，通過用板狀部件覆蓋在與密封墊對置的絕緣性部分形成的部分，密封墊與隔板充分壓接，提高了密封性。此外，確認(rèn)在組裝時在歧管孔產(chǎn)生樹脂的接合部也沒問題。
在與實施例1同樣的條件下向這樣制作的實施例4的電池E供給反應(yīng)氣體。其結(jié)果，在電流不向外部輸出的無荷載情況下，得到50V的電池開路電壓。
在與實施例1同樣的條件下評價電池E的輸出特性。該評價結(jié)果與比較例的電池B一起如圖22所示，能夠確認(rèn)實施例4的電池E與比較例的電池B具有同等的性能。
實施例5將電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物，絕緣性部分用的復(fù)合物以及第三部分用的復(fù)合物分別投入圖23所示的能夠熔融混均的具有3根注射噴嘴1a，1b和1c的注射成形機(jī)3中，通過多色注射成形而制成規(guī)定形狀的隔板。采用石墨與PPS樹脂以重量比7∶3的比例混合而得的復(fù)合物作為電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物。采用聚酰胺樹脂與玻璃填料以重量比10∶3的比例混合而得的復(fù)合物作為絕緣性部分用的復(fù)合物。進(jìn)而，采用聚酰胺樹脂與PPS樹脂以重量比1∶1的比例混合而得的復(fù)合物作為第三部分用的復(fù)合物此時，采用在規(guī)定的位置形成燃料氣體，氧化劑氣體和冷卻水用的通路的金屬模具以及形成含有歧管的其它部分的金屬模具來作為金屬模具單元4。作為金屬模具的材料一般來說從成形生產(chǎn)節(jié)拍及強(qiáng)度的方面考慮采用碳素工具鋼(SK材料)等?？墒?，本實施例所使用的隔板因為熱傳導(dǎo)率高，硬化速度快而產(chǎn)生成形不良。因此，金屬模具采用熱傳導(dǎo)率低的材料SUS630來確保隔板的成形性。
使金屬模具溫度為150℃，對于電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物的注射噴嘴溫度為350℃，對于絕緣性部分用的復(fù)合物的注射噴嘴溫度為280℃。此外，使注射壓力為1600kgf/cm2，對于電子傳導(dǎo)性部分用的復(fù)合物的注射速度為100mm/sec，對于絕緣性部分用的復(fù)合物的注射速度為50mm/sec，成形時間為30秒。
在上述的條件下通過注射成形制作在隔板10，20和30的電子傳導(dǎo)性部分與絕緣性部分之間分別設(shè)有第三部分的規(guī)定的3種隔板。各隔板的電子傳導(dǎo)性部分，絕緣性部分，第三部分的厚度分別為3mm。另外，在隔板設(shè)有第三部分的結(jié)構(gòu)與圖24所示的實施方式5的隔板60的結(jié)構(gòu)相同。
另外，在本實施例中，加裝了第三部分的電子傳導(dǎo)性部分和絕緣性部分的邊界形狀為如圖25所示的垂直于板面方向的面之間的對接形狀。
接著，除了采用上述得到的具有第三部分的3種隔板之外，以與實施例1同樣的方法制作層疊電池。該電池為電池F。
對實施例5的電池F進(jìn)行泄漏檢查。泄漏檢查是指將通路出口側(cè)的歧管孔關(guān)閉，以7kgf/cm2的壓力從入口側(cè)的歧管孔流入He氣，用此時的流入氣體量來進(jìn)行評價。在空氣側(cè)，燃料氣體側(cè)，冷卻水側(cè)都沒有氣體泄漏的情況下，確認(rèn)作為層疊電池的流體密封性沒有問題。
作為比較在對實施例2的電池C也進(jìn)行泄漏檢查時，流入He氣的壓力在實施例2的電池C中為5kgf/cm2，與之相對，在實施例5的電池F中為7kgf/cm2，能夠確認(rèn)隔板的密封性提高。
進(jìn)而，從入口側(cè)歧管孔以5kgf/cm2的壓力流入He氣，進(jìn)行與上述同樣的泄漏檢查。作為比較在對實施例1的電池A也進(jìn)行泄漏檢查時，流入He氣的壓力在實施例1的電池A中為3kgf/cm2，與之相對，在實施例5的電池F中為7kgf/cm2，能夠確認(rèn)隔板的密封性提高。
對進(jìn)行泄漏檢查的實施例5的隔板進(jìn)行觀察的結(jié)果為能夠確認(rèn)電子傳導(dǎo)性部分與第三部分的界面以及第三部分與絕緣性部分的界面分別熔接，實施例5的隔板其界面的接合性優(yōu)良。此外，確認(rèn)在組裝時在歧管孔產(chǎn)生樹脂的接合部也沒問題。
在與實施例1同樣的條件下向這樣制作的實施例5的電池F供給反應(yīng)氣體。其結(jié)果，在電流不向外部輸出的無荷載情況下，得到50V的電池開路電壓。
在與實施例1同樣的條件下評價電池F的輸出特性。該評價結(jié)果與比較例的電池B一起如圖29所示，能夠確認(rèn)實施例5的電池F與比較例的電池B具有同等的性能。
產(chǎn)業(yè)上可利用性若采用本發(fā)明的復(fù)合隔板，能夠得到電池特性優(yōu)良的高分子電解質(zhì)型燃料電池。此外，相關(guān)燃料電池也能夠適用于發(fā)電裝置或發(fā)電及廢熱供暖系統(tǒng)。
符號說明1a電子傳導(dǎo)性部分用的注射噴嘴1b絕緣性部分用的注射噴嘴1c第三部分用的注射噴嘴2，3注射成形機(jī)4金屬模具單元5氧化劑氣體用歧管孔5a氧化劑氣體的通路6燃料氣體用歧管孔6a燃料氣體的通路7冷卻水用歧管孔7a冷卻水的通路5b，6b，7b肋板5c，6c，7c凹部10，40，50，60隔板11氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜12陰極13陽極14密封墊20陰極側(cè)隔板30陽極側(cè)隔板10a，20a，30a，40a，50a，60a電子傳導(dǎo)性部分10b，20b，30b，40b，50b，60b絕緣性部分50c板狀部件60c第三部分
權(quán)利要求
1.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，由含有導(dǎo)電性碳的電子傳導(dǎo)性部分和包圍前述電子傳導(dǎo)性部分周圍的絕緣性部分構(gòu)成，在前述電子傳導(dǎo)性部分的兩面分別具有使氣體或冷卻水流通的第一槽和第二槽。
2.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分一體地成形，前述絕緣性部分具有與前述第一槽連通的第一歧管孔以及與與前述第二槽連通的第二歧管孔。
3.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，在前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分之間具有第三部分。
4.如權(quán)利要求3所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，在前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分之間的第三部分由粘接材料構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求3所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，在前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分之間的第三部分由構(gòu)成前述電子傳導(dǎo)性部分的材料與構(gòu)成前述絕緣性部分的材料的復(fù)合物構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分分別通過注射成形而被成形。
7.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，前述電子傳導(dǎo)性部分由無機(jī)導(dǎo)電性填料與樹脂的復(fù)合物構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，前述絕緣性部分由氣密彈性體構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，前述絕緣性部分含有熱塑性樹脂。
10.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，前述電子傳導(dǎo)性部分和前述絕緣性部分含有樹脂，其樹脂具有相同的主要分子結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，前述具有相同的主要分子結(jié)構(gòu)的樹脂是聚苯硫醚。
12.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，以凹凸?fàn)畹慕M合構(gòu)成前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分的接合斷面。
13.如權(quán)利要求12所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，在前述接合斷面中，前述電子傳導(dǎo)性部分為凸?fàn)睢?br> 14.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，在前述電子傳導(dǎo)性部分與前述絕緣性部分的接合部中，在一方設(shè)有孔部，另一方插入前述孔部。
15.如權(quán)利要求14所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板，前述孔部設(shè)置在前述絕緣性部分。
16.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，是具有電池組的高分子電解質(zhì)型燃料電池，前述電池組包含多個電解質(zhì)膜·電極接合體和與前述電解質(zhì)膜·電極接合體交替疊層而成的多個隔板，前述電解質(zhì)膜·電極接合體包含氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜和夾持前述電解質(zhì)膜的陽極和陰極，其中，前述隔板由含有導(dǎo)電性碳的電子傳導(dǎo)性部分和包圍前述電子傳導(dǎo)性部分周圍的絕緣性部分構(gòu)成，在前述電子傳導(dǎo)性部分的兩面分別具有使氣體或冷卻水流通的第一槽和第二槽。
全文摘要
本發(fā)明目的在于提供一種具有優(yōu)良導(dǎo)電性和成形性的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板。得到的高分子電解質(zhì)型燃料電池用復(fù)合隔板結(jié)構(gòu)如下由通過注射成形，在需要導(dǎo)電性和不需要導(dǎo)電性的部分分別用不同的復(fù)合物形成的含有導(dǎo)電性碳的電子傳導(dǎo)性部分和包圍前述電子傳導(dǎo)性部分周圍的絕緣性部分構(gòu)成，在前述電子傳導(dǎo)性部分的兩面分別具有使氣體或冷卻水流通的第一槽和第二槽。
文檔編號H01M2/14GK1497754SQ20031010139
公開日2004年5月19日 申請日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月16日
發(fā)明者小原英夫, 仁, 羽藤一仁, 啟, 長谷伸啟, 弘樹, 日下部弘樹, 粉川勝藏, 藏, 浦田隆行, 行, 宏, 松本敏宏, 介, 竹口伸介, 一, 柴田礎(chǔ)一 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社