固體高分子型燃料電池的制作方法

專利名稱：固體高分子型燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用固體高分子電解質的固體高分子型燃料電池。
背景技術：
使用固體高分子電解質的燃料電池應用于攜帶式電源、電動機動車用 電源以及家庭內熱電聯供系統等。使用固體高分子電解質的燃料電池，通 過使含有氫的燃料氣體和空氣等含有氧的氧化劑氣體進行電化學反應，同 時產生電能和熱能。
使用固體高分子電解質的燃料電池基本上包含選擇性地輸送氫離子的 高分子電解質膜及夾著所述高分子電解質膜的一對電極。電極包含以承載 有鉑族金屬催化劑的碳粉末為主要成分的催化劑層，和在催化劑層的外側 所形成的兼有通氣性和電子傳導性的氣體擴散層。
為了不使所供給的燃料氣體及氧化劑氣體漏到外部或兩種氣體相互混 合，在電極的周圍夾著高分子電解質配置有氣體密封件或氣體密封墊。將 密封件和密封墊與電極及高分子電解質膜一體化而預先進行組裝。該組裝
體稱為MEA(電解質膜電極接合體)。
在MEA的兩面配置有用于機械地保持MEA、同時將相鄰的MEA彼此相 互串聯地電連接的導電性的分離器。在分離器的與MEA的接觸部分形成用 于向電極面供給反應氣體、且將生成的水或剩余的氣體排出的流路。流路 可以與分離器分別設置，但通常是將在分離器的表面所設置的槽作為流路。 另外，通常是通過將多個由MEA和一對分離器構成的電池單元層疊，并 將MEA彼此相互串聯地電連接來提高電壓，使其作為電池堆棧而實用化。
將MEA與一對分離器組合而制作電池單元時，若在MEA的電極面與分 離器的流路面產生位置偏移，則有效的反應面積變小，不能獲得預定的電 壓。此外，在層疊多個電池單元時，為了防止MEA與分離器之間的位置偏 移的發生，優選構成電池單元的MEA與一對分離器成為一體。
這樣，提出了下述方案，為了決定并一體化電池單元的MEA和一對分離器的位置，在MEA及一對分離器的反應面以外的位置設置貫穿孔，穿過
定位銷，并用擋圈部件固定穿過貫穿孔的定位銷，從而防止定位銷脫落(參 照專利文獻l )。
此外，還提出以下等方案，用夾子狀的部件將MEA和一對分離器的外 圍端部夾著而使其一體化(參照專利文獻2),或者使MEA夾于分離器中所 形成的樹脂制的吸盤而與其他的分離器一體化(參照專利文獻3 )。
專利文獻l:(日本)特開2000-012067號公報
專利文獻2:(日本)特開2004-241208號公報
專利文獻3:(日本)特開2005 - 142000號公報
如上所述，由于以往使用定位銷等連接部件或夾子等而決定MEA和一 對分離器的位置，所以存在需要的部件數量增加而使制作成本提高，組裝 作業變得復雜而使制作交貨期長期化的問題。
此外，在使用定位銷等的情況下，需要用擋圈等來固定，所以分離器 需要有一定程度的厚度。另外，由于固定連接部件而產生由壓力所引起的 負荷，所以這也需要分離器有一定程度的厚度。因此，通常難以適用于要 求小型化的燃料電池。
另外，在使用定位銷固定的情況下，對于銷的大小，需要帶有一定程 度的余裕來設定插入的孔的大小，所以有時不能完全消除位置偏移。

發明內容
因此，本發明的目的在于提供一種不使用決定位置用的專用部件而將 MEA和一對分離器一體化并決定位置的手段。由此，在層疊電池單元時也 能夠抑制位置偏移，所以能夠以簡單的工序制作可產生穩定的電壓的固體 高分子型燃料電池。
此外，在包含層疊了兩個以上的電池單元的燃料電池堆棧中，若電池 單元彼此有位置偏移，相鄰的分離器彼此的接觸面積減少，由于接觸阻抗 增大而不能獲得預定的電壓。因此，本發明的目的在于，提供不使用固定 用的專用部件而決定電池單元彼此的位置，并進一步時使燃料電池堆棧成 為一體的手段。
本發明的第一方面涉及如下所示的固體高分子型燃料電池的燃料電池 單元。[l]一種燃料電池單元，其為固體高分子型燃料電池單元，所述固體
高分子型燃料電池單元包含框體一體型MEA，其是將形成有氣體流路口 的框體、配置在所述框體的內部的高分子電解質膜、夾著所述高分子電解 質膜的 一對電極以及包圍著所述氣體流路口和電極的密封件進行一體化而 形成的；分離器，其具有向所述一對電極中的一方供給排出燃料氣體的流 路；分離器，其具有向所述一對電極中的另一方供給排出氧化劑氣體的流 路，所述框體在其兩面具有前端為鑰匙狀的多個突起，且所述的一對分離 器分別具有多個臺階部分，通過卡合所述框體的突起和所述一對分離器的 臺階部分而將該燃料電池單元一體化。如[1 ]所述的燃料電池單元，所述突起位于所述氣體流路口的附近。如[1 ]所述的燃料電池單元，所述突起的前端的鑰匙狀部分朝 向框體的內側。如[1 ]所述的燃料電池單元，流過所述燃料電池單元的一對分 離器的流路的燃料氣體的壓力與氧化劑氣體之間的壓力不同，與在較低的 壓力的氣體流過的分離器側的框體的面上所形成的所述前端為鑰匙狀的多 個突起相比，在較高的壓力的氣體流過的分離器側的框體的面上所形成的 所述前端為鑰匙狀的多個突起被配置到框的較內側。
本發明的第二方面涉及包含層疊了兩個以上的燃料電池單元的固體高 分子型燃料電池堆棧。 —種燃料電池堆棧，其是包含相互層疊的兩個以上的燃料電池單 元的固體高分子型燃料電池堆棧，所述燃料電池單元分別包含框體一體 型MEA，其是將形成有氣體流路口的框體、配置在所述框體的內部的高分 子電解質膜、夾著所述高分子電解質膜的一對電極以及包圍著所述氣體流 路口和電極的密封件進行一體化而形成的；分離器，其具有向所述一對電 極中的一方供給排出燃料氣體的流路；分離器，其具有向所述一對電極中 的另一方供給排出氧化劑氣體的流路，并且，所述框體在其兩面具有前端 為鑰匙狀的多個突起，所述分離器具有多個臺階部分，通過卡合所述框體 的突起和所述一對分離器的臺階部分而將該燃料電池單元一體化。如[5]所述的燃料電池堆棧，所述燃津+電池堆棧包含彼此相鄰 而層疊的燃料電池單元A及燃料電池單元B，所述燃料電池單元A及燃料電池單元B的框體具有前端為鑰匙狀的多個第二突起，且所述燃料電池單元B
的分離器具有多個第二臺階部分，通過卡合所述燃料電池單元A的框體的第 二突起和所述燃料電池單元B的分離器的第二臺階部分而將該燃料電池堆 棧一體化。如[5 ]所述的燃料電池堆棧，所述燃料電池堆棧包含纟皮此相鄰 而層疊的燃料電池單元A及燃料電池單元B，所述燃料電池單元A及燃料電 池單元B的框體具有多個相互交替的第二突起和切口 ，所述燃料電池單元A 的第二突起和切口與所述燃料電池單元B的第二突起和切口相咬合。
本發明的燃料電池單元，由于構成電池單元的MEA和一對分離器在決 定位置的狀態下被一體化，所以產生穩定的電壓。并且，本發明的燃料電 池單元可以不使用專用部件而簡單地制作，所以通過本發明能夠提供價格 低廉且高性能的固體高分子型燃料電池。


圖1A是實施方式1的燃料電池單元的分解立體圖，并表示了框體一體型 MEA、陽極側分離器以及陰極側分離器；
圖1B是組裝實施方式1的燃料電池單元時的、框體的突起和分離器的帶 臺階孔的附近的剖面放大圖，突起的鑰匙狀部分朝向外側；
圖1 C是組裝實施方式1的燃料電池單元時的、框體的突起和分離器的帶 臺階孔的附近的剖面放大圖，突起的鑰匙狀部分朝向內側；
圖2是組裝實施方式2的燃料電池單元時的、框體的突起、銷狀突起、 以及分離器的帶臺階孔和定位孔的附近的部分詳細剖面立體圖3是組裝實施方式3的燃料電池單元時的、框體的突起和分離器的臺 階附近的部分詳細剖面立體圖4是實施方式4的燃料電池單元的分解立體圖，并表示了框體一體型 MEA、陽極側分離器以及陰極側分離器；
圖5是表示實施方式5的燃料電池堆棧的、層疊兩個電池單元的狀態的 剖面立體圖，電池單元彼此凈皮一體化。
圖6是表示實施方式6的燃料電池堆棧的、層疊兩個電池單元的狀態的 剖面立體圖，電池單元彼此被一體化，且突起彼此咬合來決定位置；
圖7是實施方式7的燃料電池堆棧的剖面立體圖，由集電板和氣體供給排出歧管構成的端部單元與電池單元的層疊體一體化；
圖8是比較例1的高分子電解質型燃料電池的分解立體圖，并表示了框 體一體型MEA、陽極側分離器、陰極側分離器、以及端部模塊、連接用螺 栓、螺母；圖9是表示在實施例1制作的框體一體型MEA的框體的突起和分 離器的臺階的結構的圖。
具體實施例方式
1.關于本發明的燃料電池
本發明的燃料電池單元的特征在于包含框體一體型MEA及一對分離 器，并且將它們一體化。詳細內容將在后面敘述，通過將框體一體型MEA 的框體上設置的突起為鑰匙狀的前端部與分離器上設置的臺階部分卡合， 使框體一體型MEA和分離器一體化。
關于框體一體型MEA
框體一體型MEA包含包含氣體流路口的框體、配置在框體內部的高 分子電解質膜、夾著高分子電解質膜的一對電極、以及包圍著氣體流路口 和電極的密封件，并且它們被一體成形。
在框體的框的部分形成有氣體流路口 。流過氣體流路口的氣體包含燃
料氣體和氧化劑氣體，并形成用于各種氣體的單獨的流路口。此外也可以 在框體的框的部分形成冷卻液流通的流路口 。
框體材料優選高耐藥品性且溶出較少的蹄烴類樹脂，烯烴類樹脂的例
中包含聚丙烯或聚乙烯等。這是為了抑制溶解而延長電池的壽命。另外框 體材料也謀求高耐熱性。這是因為燃料電池的使用環境例如約為6 0 8 (TC。因此，框體的材料更優選聚丙烯。
高分子電解質膜只要是氫離子通過、電子不通過的較薄的薄膜狀的膜 即可，并無特別限定。 一般情況下使用氟樹脂類的高分子膜。
一對電極由供給氧化劑的氧極(也稱為陰極)和供給燃料氣體的燃料 極(也稱為陽極)構成。各個電極并無特別限定，只要是承載鉑等催化劑 的碳等即可。
密封件是指防止流過氣體流路口或電極的氣體泄漏到外部、或者外部 的氣體進入氣體流路口或電極的部件。密封件的材料通常是橡膠等。
還具有的特征為在框體一體型MEA的框體的框的部分形成前端為鑰匙狀的突起。所謂"前端成鑰匙狀"包含"前端有鉤爪"。在框的一面或兩面(陽 極面和陰極面)上可以有突起，但優選在兩面都有突起。只要突起的數量 在兩個以上即可，并無特別限定。在框體的框的部分形成的突起的前端的 鑰匙狀部分能夠與分離器的臺階部分(后面敘述)的臺階相嵌合。
通常使突起的高度小于分離器的厚度。在分離器較薄的情況下，框體 的突起有時從分離器突出。在層疊這樣的燃料電池單元而形成電池堆棧的 情況下，也可以在相鄰的電池單元的分離器上設置"避讓孔"用于避開從一個 電池單元的分離器突出的突起。
如圖9所示，突起的前端的鑰匙狀部分(即"鉤爪")優選爪的高度Y1約為
突起的高度中的到鉤爪為止的高度Y2的1/5。
突起的位置優選位于氣體流路口的附近。此外，突起的前端的鑰匙狀 部分優選朝向鄰近的密封件的方向，并且通常優選朝向框體的框內部。這
是為了提高密封件的密封效果。
此外，突起可配置在框體的框的內部(例如，外圍部分的附近)(參照圖l
的突起9)，或配置在框體的框的外圍的邊緣(參照圖3的突起9)。
突起也可以僅配置在框體的框的外圍的邊緣的一部分。例如，如圖4所 示，如果是四邊形的框體，也可僅在框體的四邊中的兩邊設置突起9(前端為 鑰匙狀的突起)。如果在剩余的兩邊配置定位用的高剛性的限位器(stopper), 則能夠更牢固地將分離器固定于框體一體型MEA(在后面參照圖4敘述其詳 細內容)。
如上所述，突起配置在框體的一面或兩面。在配置在兩面的情況下， 突起的位置也可以彼此錯開。在錯開突起的位置的情況下，優選使在流過 流路的燃料氣體及氧化劑氣體中的壓力較高的氣體所流過的面上設置的突 起更接近于密封件(通常配置在框的更內側)，。這是為了提高密封件的密封 效果。
另外也可以在框體一體型MEA的框體的框的部分形成銷狀的定位突起 (前端部無鑰匙狀)。銷狀的定位突起被插入在分離器上的定位孔(后面敘述)。 關于分離器
在本發明的電池單元所包含的一對分離器中，在一個分離器上形成流 通燃料氣體的槽，通過該槽將燃料氣體供給燃料極，或從燃料極排出。在 本發明的電池單元所包含的一對分離器中，在另一個分離器上形成流通氧
9化劑氣體的槽，通過該槽將氧化劑氣體供給空氣極，或從空氣極排出。
分離器只要是導電性材料形成即可，通常由碳材料形成，但也可以是 沖壓的金屬板等。在使用沖壓的金屬板作為分離器時，可以通過加以扭轉 而形成臺階部分(后述)。
分離器的厚度為2 3mm左右，但是也可以更薄。
在分離器上設置用于與所述框體的突起的前端的鑰匙狀部分卡合的臺 階部分。臺階部分形成在與形成有槽的面相反的面上，該槽為分離器的用 于氣體流路的槽。
在框體的框內部形成突起時，使分離器的臺階部分為"帶臺階孔(參照圖 1的帶臺階孔10)"即可，而在框體的框的邊緣形成突起時，使分離器的臺階 部分為"設置在邊緣的臺階(參照圖3的臺階15)"即可。
此外，在框體具有銷狀的定位突起時，在分離器上形成定位孔(參照圖 2的定位孔14)。通過將框體的銷狀的定位突起插入分離器的定位孔，而使得 MEA和分離器的定位更加正確。
本發明的電池單元通過以下方法被一體化，準備所述的框體一體型 MEA和一對分離器；以一對分離器夾著框體一體型MEA的方式進行層疊； 通過向層疊方向推壓，使框體的突起與分離器的臺階部分相嵌合而被一體 化。此時，如果框體有銷狀突起，分離器有定位孔，則將銷狀突起插入定 位孔。
這樣，本發明的電池單元，使用框體一體型MEA的框上設置的突起來 與分離器一體化，所以不需要準備用于一體化的特殊部件，從而使一體化 的作業極為簡單。另外，由于以一對分離器所夾著的框體的突起為中心進 行定位，所以分離器和框體的MEA之間的定位更加準確。
2.本發明的燃料電池堆棧
本發明的燃料電池堆棧的特征為包含層疊了多個本發明的燃料電池單 元。如上所述，本發明的燃料電池單元，將框體一體型MEA和一對分離器 一體化來決定位置，所以在層疊燃料電池單元時，在一個電池單元中框體 一體型MEA和一對分離器彼此之間的位置不會偏移。
另外，本發明的燃料電池堆棧也可以使層疊后的多個燃料電池單元彼
電池單元A及電池單元B)的框體也可以具有前端為鑰匙狀的多個第二突起，且分離器也可以具有多個第二臺階部分。
能夠將燃料電池單元A的框體的第二突起和燃料電池單元B的分離器
的第二臺階部分卡合。因此，如果層疊多個電池單元并向層疊方向推壓，
則通過燃料電池單元A的框體的第二突起和燃料電池單元B的分離器的第二 臺階部分的咬合，提供一體化的燃料電池堆棧(參照圖5)。
此外，在層疊電池單元時，即使抑制了一個電池單元中的框體一體型 與 一 對分離器之間的位置偏移，也有可能出現電池單元彼此的位置偏移。 在發生電池單元彼此的位置偏移時，由于相鄰的電池單元的分離器彼此的 接觸面積減少，有可能會產生因接觸阻抗增大而無法獲得規定電壓的問題。
及電池單元B)，也可以是電池單元A的框體在層疊方向上具有相互交替的第
起和切口進行咬合的相互交替的切口和第二突起。這里，也可以使第二突 起的前端為鑰匙狀。
由此，通過將相鄰的電池單元的第二突起和切口相咬合，從而能夠層 疊多個電池單元而不產生位置偏移(參照圖6)。
本發明的燃料電池堆棧也可以包含端部單元，所述端部單元被配置在 層疊了多個本發明的燃料電池單元(層疊體)的兩端。
端部單元包含組裝為 一體的集電板及樹脂制的氣體供給排出歧管。優 選的是將預先組裝的端部單元嵌入層疊體而構成燃料電池堆棧。
例如，在端部單元的氣體供給排出歧管上形成相互交替的帶臺階的切 口和突起，如果在層疊體的最外層的電池單元的框體上形成相互交替的帶 臺階的切口和突起，則能夠將端部單元嵌入層疊體而使其一體化(參照圖7)。
以下，參照

發明的實施方式。 (實施方式l )
圖1 A是從陰極的電極側觀察到的實施方式1的電池單元的分解立體圖。 并表示了框體一體型MEA1 、陽極側分離器11以及陰極側分離器12。 框體一體型MEA1包含框體3和配置在框體3的框內部的MEA2。 MEA2的尺寸大約是，長為150mm，寬為150mm。 MEA2的周圍配置有 框體3。框體3的外形尺寸大約是，長為220mm,寬為220mm。框體3的材料
為聚丙烯等樹脂。將MEA2作為插入件，通過注入成形可制作框體3。此外，在框體3上，通過將氟橡膠兩色成形而形成密封件4。
陰極面的密封件4包圍在陰極側電極和陰極側氣體流路口 5的周圍，防 止氣體的泄漏。但是，在連接向陰極側電極供給排出氧化劑氣體的氣體流 路口 5和陰極側電極的部分6不設置陰極面的密封件4。
同樣，陽極面的密封件包圍在陽極側電極和陽極側氣體流路口 7的周 圍，防止氣體的泄漏。但是，在連接向陽極側電極供給排出燃料氣體的氣 體流路口 7和陽極側電極的部分不設置陽極面的密封件。
形成密封件，使其纏繞于冷卻水的流路口8的開口部的周圍，防止冷卻 水泄漏到外部。
另外，在框體3上一體成形有四個前端為鑰匙狀的突起9(9-1 ~9-4)。優 選突起9被設置在氣體流路口 (5或7)的附近。
在陽極側分離器ll上設置槽ll-l，燃料氣體流過槽ll-1。同樣，陰極側 分離器12上也設置槽，氧化劑氣體流過該槽。
在分離器11及12上設置帶臺階的孔10(10-1 ~ 10-4)。帶臺階的孔10的位 置與框體上所形成的突起9的位置對應，且使孔10的形狀為突起9能夠插入 的形狀。
夾著框體一體型MEA1而層疊陽極側分離器11和陰極側分離器12，并向 層疊方向推壓時，前端為鑰匙狀的突起9嵌入帶臺階的孔10,三者(框體一體 型MEA1、分離器11以及分離器12)成為一體而形成電池單元。圖1B及圖1C 表示成為一體的電池單元的突起9和帶臺階的孔10的狀態的局部放大圖。如 圖1B及圖1C所示，將框體3的突起9的前端的鑰匙狀部分和分離器11及分離 器12的帶臺階的孔10的臺階卡合而使其一體化。突起9的前端的鑰匙狀部分 也可以朝向框的外側(圖1B),但是如果朝向框的內側(圖1C)，則可以提高密 封件4的效果。
(實施方式2)
圖2是實施方式2的電池單元(組裝后)的部分詳細剖面立體圖。實施方式 的說明。
在框體一體型MEA1的框體3上設置了與實施方式l相同的前端為鑰匙 狀的突起9，另外， 一體成形有定位用的銷狀突起13。此外，在分離器ll及 12上設置有與實施方式1相同的帶臺階的孔10，另外在與銷狀突起13相對的位置設置有定位孔14。
將突起9和帶臺階的孔10卡合，而且，將銷狀突起13嵌入定位孔14,從 而形成MEA和分離器被固定在更加準確的位置的電池單元。突起9的前端的 鑰匙狀部分在圖2中朝向外側，但也可以朝向內側。 (實施方式3 )
圖3是實施方式3的電池單元(組裝后)的部分詳細剖面立體圖。實施方式 3的電池單元的基本結構與實施方式1的電池單元相同，所以省略相同部件 的說明。
實施方式3的突起9與實施方式1的突起9不同，該突起被設置在框體一 體型MEA1的框體3的外圍的邊緣。此外，在實施方式3的分離器11及12上為 了與突起部9相對而將臺階15設置在外圍，并且不設置實施方式l中的帶臺 階孔。
通過將在框體3的邊緣所形成的突起部9和分離器11及12的臺階15卡合 而使其成為一體，從而形成電池單元。框體3—般為樹脂制。由此，提供用 樹脂將外圍整個覆蓋的電池單元。如果以高隔熱性部件作為框體提高了熱 效率，則電池單元產生的熱量難以逃逸，從而容易地再利用熱能。此外， 通過隔斷分離器部件，也能夠防止電氣短路。 (實施方式4)
圖4是從陰極電極側觀察到的實施方式4的電池單元的分解立體圖。
在框體一體型MEA1的框體3(為正四邊形)的外圍中的兩個邊3-A上連 續地配置多個前端為鑰匙狀的突起9。優選使用剛性較〗氐的材料制作突起9。
另一方面，在剩余的兩邊3-B上設置高剛性的突起16(具有]形的剖面)。 突起16接住并保持沿與層疊方向垂直的方向滑入的分離器。
另一方面，分離器11及分離器12的外圍的邊緣上設置臺階15,并使其 與框體的突起9和突起16的前端卡合。
層疊地組裝電池單元時，1)將分離器11及分離器12推抵到框體3的高剛 性的突起16附近并進行位置固定，進而2)通過向層疊方向推壓，使低剛性的 突起9發生彈性變形而將前端的鑰匙狀部分導入分離器11及分離器12的臺 階15，嵌入即可。由此，框體一體型MEA1的框體3和一對分離器11及12成 為一體，而形成電〉也單元。 (實施方式5)圖5是使電池單元彼此層疊后的燃料電池堆棧的剖面立體圖。在圖5中，
層疊有兩個電池單元(電池單元A和電池單元B)。電池單元A包含框體一體型 MEA的框體3A和一對分離器11A及12A;電池單元B包含框體一體型MEA的 框體3B和一對分離器11B及12B。
在電池單元各自的框體一體型MEA的框體3(3A及3B)的兩面上設置有 一體成形的前端為鑰匙狀的突起9(9A及9B)，另外在框體3的邊緣設置突起 17(17A及17B)。使突起17的前端也為鑰匙狀，但是與突起9的鑰匙狀部分相 比，突起17的鑰匙狀部分被配置得離框體3更遠。另外，在各個框體3上設 置銷狀突起13(13A及13B)。
另一方面，在分離器11(11A及11B)或者分離器12(12A及12B)上設置帶 臺階孔10(10A及10B),以及定位孑U4(14A及14B)。另外，在分離器ll的外 圍的邊緣設置臺階18( 18A及18B)。
框體3的突起9被插入分離器的帶臺階孔10,并且將突起9的鑰匙狀部分 和帶臺階孔10的臺階卡合。另一方面，框體3的銷狀突起13被插入分離器的 定^f立孔14。
另夕卜，圖5所示的燃料電池堆棧，電池單元A的框體3A的突起17A的鑰 匙狀部分與相鄰的電池單元B的分離器11B的邊緣的臺階18B卡合。因此， 獲得彼此一體化了的多個電池單元的燃料電池堆棧。 (實施方式6 )
圖6是使電池單元彼此層疊而形成的燃料電池堆棧的剖面立體圖。圖6 所示的燃料電池堆棧與圖5所示的燃料電池堆棧在基本結構上相同，所以省 略相同部件的說明。
在圖6中，層疊有兩個電池單元(電池單元A和電池單元B)。
在電池單元各自的框體一體型MEA的框體3(3A及3B)的兩面上設置有 一體成形的前端為鑰匙狀的突起9(9A及9B)，另外在框體3的邊緣設置突起 17(17A及17B)。使突起17的前端也為鑰匙狀，但是與突起9的鑰匙狀部分相 比，突起17的鑰匙狀部分被配置得離框體3更遠。突起17從框體的兩面突出， 且交替地一皮配置在正面和反面。
另外，在各個框體3上設置銷狀突起13(13A及13B)。
另一方面，在分離器U(11A及11B)或者分離器12(12A及12B)上設置帶 臺階孔10(10A及10B)，以及定位孔14(14A及14B)。另外，在分離器11(11A及11B)的外圍的邊緣設置臺階18(18A及18B)。
框體3的突起9被插入分離器的帶臺階孔10 ，并且將突起9的鑰匙狀部分 和帶臺階孔10的臺階卡合。另一方面，框體3的銷狀突起13被插入分離器的 定位孔14。
圖6所示的燃料電池堆棧，通過使電池單元A的框體3A的突起17A和電 池單元B的框體3B的突起17B咬合，進行電池單元彼此的定位。另夕卜，圖6 的燃料電池堆棧與圖5的燃料電池堆棧相同，電池單元A的框體3A的突起 17A的鑰匙狀部分與相鄰的電池單元B的分離器11B的邊緣的臺階18B卡合。 因此，彼此被定位的多個電池單元^皮一體化。
(實施方式7)
圖7是燃料電池堆棧(組裝后)的立體圖。圖7所示的燃料電池堆棧包含層 疊后的兩個電池單元(電池單元A和電池單元B)和端部模塊。層疊后的兩個 電池單元(電池單元A和電池單元B)與圖6所示的電池堆棧相同，所以省略其 說明。
端部模塊包含氣體供給排出歧管20和集電板21 。氣體供給排出歧管20 與向各個電池單元供給排出燃料氣體、氧化劑氣體、冷卻水等液體的配管 部20-l—體成形。能夠從燃料電池通過集電板21，將電流提取到外部。
端部模塊通過在氣體供給排出歧管20上設置的前端為鑰匙狀的突起22 和在集電板21上設置的臺階23的卡合而被一體化。
其后，通過使由層疊的多個電池單元構成的 一體化的電池單元(電池單 元A及電池單元B)組的、電池單元B的框體3B的突起17B的前端的鑰匙狀部 分和在集電板21上設置的臺階25卡合，從而能夠將端部模塊和電池單元組 一體化為燃料電池堆棧。
實施例
以下，參照實施例更具體地說明本發明，本發明的范圍不由實施例限 定及解釋。 (實施例l )
在乙炔黑類碳粉末中，承載25重量％的平均顆粒度約為30A的鉑顆粒而 獲得陰極催化劑。此外，在乙炔黑類碳粉末中，承載25重量％的平均顆粒 度約為3 0A的鉑-釕合金顆粒而獲得陽極催化劑。
使陰極催化劑或陽極催化劑分散于異丙醇，并與全氟碳磺酸粉末的乙醇分散液混合而成為糊狀。利用絲網印刷法將該糊劑涂敷在厚度為250^m的
碳無紡布的一面上而形成催化劑層。獲得的各個電極的催化劑層中包含的
催化劑金屬含量為0.3mg/cm2，全氟磺酸含量為1.2mg/cm2。 除催化劑材料以外，陰極電極和陽極電極為相同結構。 準備了將全氟磺酸類聚合體(polymer)薄膜化至30i^m厚的膜，并且其具 有比所獲得的電極大一圏的面積的高分子電解質膜。
所獲得的各個電極處于所述高分子電解質膜的兩面的中心部。將切成 規定的大小的氟類橡膠薄片(厚度250(im)配置在高分子電解質膜的兩面的 電極外部露出的部位。通過熱沖壓而使其接合成一體，從而制作MEA。
準備在實施方式1中說明的結構的框體一體型MEA和分離器在框體一 體型MEA的框體(聚丙烯制)上一體成形了前端為鑰匙狀的突起。在框體的4 邊的中央各配置一個突起，合計配置了四個前端為鑰匙狀的突起。在分離 器(碳材料制厚3mm)上的與框體的突起相對的位置，設置相應大小的帶臺 階的孔。圖9表示框體的各個突起和分離器的臺階的具體結構。圖9所示的 突起的進深為5.0mm。
以陽極側分離器和陰極側分離器夾著框體 一 體型ME A的狀態下，向層 疊方向推壓。其結果，框體的突起的前端的鑰匙狀部分被嵌入各個分離器 的帶臺階的孔而與臺階卡合，從而獲得一體化的電池單元。
將得到的電池單元的50單元層疊而獲得層疊體。用由表面鍍金的銅板 構成的集電板夾持所獲得的層疊體，再用聚苯硫醚制的絕緣板進行夾持， 還用不銹鋼制的端板進行夾持。用連接桿將兩端板連接而獲得電池堆棧。 此時，電極單位面積的連接壓力設為100N/cm2。對所獲得的燃料電池堆棧 進行了發電評價。 (比4交例1 )
圖8是比較例1的燃料電池的立體圖。表示了框體一體型MEAl，，陽極 側分離器ll，，陰極側分離器12',以及端部模塊(包含集電板30、絕緣板31 以及帶配管外端板32)。
以外形為基準將框體一體型MEA，、陽極側分離器11，以及陰極側分離器 12，進行層疊之后，用定位銷35固定而制作出電池單元。這樣制作出的多個 電池單元與集電板30、絕緣板31、帶配管外端板32進行層疊之后，用螺栓 33和螺母34連接。等。然而，實施例l的情況與比較例l的情況相比，電池單元的組裝作業時 間大約縮短到比較例l的三分之一。而且，由于不使用定位銷、連接用的螺 栓和螺母和外端板來構成燃料電池堆棧，所以能夠削減約10%的制作成本。 工業上的可利用性
本發明的高分子電解質型燃料電池的電池單元，由于構成電池單元的
MEA和 一對分離器在決定位置的狀態下被一體化，所以能夠產生穩定的電 壓。進而，由于不需要用于使MEA和一對分離器一體化的連接專用部件， 所以能夠提供制作工序簡單且價廉的高分子電解質型燃料電池。
本申請主張基于2006年4月21日提交的申請號JP2006-117590的優先權。 該申請說明書及附圖中所記載內容全部被本申請引用。
權利要求
1.一種燃料電池單元，其為固體高分子型燃料電池單元，所述固體高分子型燃料電池單元包含框體一體型MEA，其是將形成有氣體流路口的框體、配置在所述框體的內部的高分子電解質膜、夾著所述高分子電解質膜的一對電極以及包圍著所述氣體流路口和電極的密封件進行一體化而形成的；分離器，其具有向所述一對電極中的一方供給排出燃料氣體的流路；分離器，其具有向所述一對電極中的另一方供給排出氧化劑氣體的流路，其中，所述框體在其兩面具有前端為鑰匙狀的多個突起，且所述的一對分離器分別具有多個臺階部分，通過卡合所述框體的突起和所述一對分離器的臺階部分而將該燃料電池單元一體化。
2、 如權利要求l所述的燃料電池單元，其中，所述突起位于所述氣體 流3各口的附近。
3、 如權利要求l所述的燃料電池單元，其中，所述突起的前端的鑰匙 狀部分朝向框體的內側。
4、 如權利要求l所述的燃料電池單元，其中，流過所述燃料電池單元 的 一對分離器的流路的燃料氣體的壓力與氧化劑氣體之間的壓力不同，與在較低的壓力的氣體流過的分離器側的框體的面上所形成的所述前 端為鑰匙狀的多個突起相比，在較高的壓力的氣體流過的分離器側的框體 的面上所形成的所述前端為鑰匙狀的多個突起被配置到框的內側。
5、 一種燃料電池堆棧，其是包含相互層疊的兩個以上的燃料電池單元 的固體高分子型燃料電池堆棧，其中，所述燃料電池單元分別包含框體 一體型MEA,其是將形成有氣體流路口的框體、配置在所述框體的內部的 高分子電解質膜、夾著所述高分子電解質膜的一對電極以及包圍著所述氣 體流路口和電極的密封件進行一體化而形成的；分離器，其具有向所述一 對電極中的一方供給排出燃料氣體的流路；分離器，其具有向所述一對電 極中的另一方供給排出氧化劑氣體的流路，并且，所述框體在其兩面具有 前端為鑰匙狀的多個突起，所述分離器具有多個臺階部分，通過卡合所迷 框體的突起和所述一對分離器的臺階部分而將該燃料電池單元一體化。
6、 如權利要求5所述的燃料電池堆棧，其中，所述燃料電池堆棧包含 彼此相鄰而層疊的燃料電池單元(A)及燃料電池單元(B),所述燃料電池單元(A)及燃料電池單元(B)的框體具有前端為鑰匙狀的多個第二突起， 且所述燃料電池單元B的分離器具有多個第二臺階部分，通過卡合所述燃料 電池單元(A)的框體的第二突起和所述燃料電池單元(B)的分離器的第 二臺階部分而將該燃料電池堆棧一體化。
7、如權利要求5所述的燃料電池堆棧，其中，所述燃料電池堆棧包含 彼此相鄰而層疊的燃料電池單元(A)及燃料電池單元(B),所述燃料電池 單元(A)及燃料電池單元(B)的框體具有多個相互交替的第二突起和切 口，所述燃料電池單元(A)的第二突起和切口與所述燃料電池單元(B) 的第二突起和切口相咬合。
全文摘要
本發明的目的在于提供，不使用決定位置用的專用部件而將MEA和一對分離器一體化并進行決定位置的手段。具體而言，本發明提供如下的燃料電池單元，其為包含框體一體型MEA、具有供給排出燃料氣體的流路的分離器以及具有供給排出氧化劑氣體的流路的分離器的固體高分子型燃料電池單元，并且所述框體一體型MEA的框體在其兩面具有前端為鑰匙狀的多個突起，所述一對分離器分別具有多個臺階部分，通過卡合所述框體的突起和所述一對分離器的臺階部分而將該燃料電池單元一體化。
文檔編號H01M8/02GK101322269SQ20078000051
公開日2008年12月10日 申請日期2007年4月20日 優先權日2006年4月21日
發明者川畑德彥, 日下部弘樹, 松本敏宏, 森本隆志, 長尾善輝 申請人:松下電器產業株式會社