專(zhuān)利名稱(chēng)：高分子電解質(zhì)型燃料電池及其隔板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種便攜式電源、電動(dòng)車(chē)用電源、家庭發(fā)電及廢熱供暖系統(tǒng)等中使用的采用了固體高分子電解質(zhì)的燃料電池，特別是關(guān)于其導(dǎo)電性隔板。
背景技術(shù)：
采用固體高分子電解質(zhì)的燃料電池是使含有氫的燃料氣體和空氣等含有氧的氧化劑氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生電力和熱。這種燃料電池基本上是由有選擇地輸送氫離子的高分子電解質(zhì)膜和夾持高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極構(gòu)成。電極是由載持有鉑族金屬催化劑的以碳粉為主要成分的催化劑層和形成在該催化劑層的外表面上、同時(shí)具有透氣性和電子導(dǎo)電性的擴(kuò)散層構(gòu)成。
為了不使向電極供應(yīng)的氣體泄漏到外部，并且不使兩者氣體互相混合，在電極的周?chē)糁叻肿与娊赓|(zhì)膜配置有氣封材料或氣封部。這種氣封材料或氣封部是將電極和高分子電解質(zhì)膜一體化而預(yù)先組裝，將其稱(chēng)為MEA(電解質(zhì)膜、電極接合體)。在MEA的外側(cè)上，配置有將其機(jī)械地固定、同時(shí)用于將鄰接的MEA串聯(lián)地電連接的導(dǎo)電性隔板。在隔板與MEA接觸的部分上形成用于向電極面供應(yīng)反應(yīng)氣體并除去生成氣體或剩余氣體的氣體流路。氣體流路雖然可與隔板分別設(shè)置，但通常是在隔板的表面上設(shè)置槽而作為氣體流路的方式。
為了向構(gòu)成氣體流路的槽中供應(yīng)氣體，在形成了上述氣體流路的隔板上設(shè)置有用于形成與疊層電池共同連通的氣體連通路的通孔。該孔被稱(chēng)為多支管孔。通過(guò)使上述氣體流路的出入口與該多支管孔連通，能夠從多支管孔直接向氣體流路供應(yīng)氣體。
燃料電池由于在工作中發(fā)熱，所以為了將電池維持在良好的溫度狀態(tài)，要用冷卻水等進(jìn)行冷卻。通常，在隔板和隔板之間設(shè)置在每3個(gè)原電池流過(guò)冷卻水的冷卻部。多在隔板的背面設(shè)置冷卻水的流路作為冷卻部。通常的電池結(jié)構(gòu)是在將這些MEA和隔板以及冷卻部交互地重疊，疊層了10～200個(gè)原電池后，經(jīng)由集電板和絕緣板，用端板對(duì)其進(jìn)行夾持，通過(guò)緊固螺栓從兩端固定。
在這種高分子電解質(zhì)型燃料電池中，隔板的導(dǎo)電性強(qiáng)，并且氣密性高，并且對(duì)于氫和/或氧進(jìn)行氧化還原時(shí)的反應(yīng)具有高的耐腐蝕性。由于上述的理由，現(xiàn)有的隔板通常是由碎碳等碳材料構(gòu)成，氣體流路也通過(guò)切削加工或磨削加工制作。
但是，近年來(lái)，作為替代以往使用的碳材料，進(jìn)行了采用膨脹石墨或石墨和樹(shù)脂的復(fù)合材料等可進(jìn)行成形加工的隔板制作的嘗試。
在現(xiàn)有的碳板的切削的方法中，難以降低碳板的材料成本和對(duì)其進(jìn)行切削的成本。而且，即使在采用了上述的膨脹石墨或石墨和樹(shù)脂的復(fù)合材料的方法中，也存在以下的問(wèn)題。即，在金屬模具進(jìn)行的成形中，隔板的原材料在加壓時(shí)進(jìn)入上金屬模和下金屬模之間的間隙中，在此處被冷卻和固化。因此，形成突出部分。而且，即使在成形加工后通過(guò)金屬模具或鉆頭等加工機(jī)械對(duì)多支管孔進(jìn)行加工的方法中，也因加工機(jī)械和材料之間的剪切力而產(chǎn)生塌邊。這種突出部分或塌邊部分通常被稱(chēng)為毛刺。
當(dāng)這種毛刺發(fā)生在多支管孔和氣體流路的聯(lián)絡(luò)部分上時(shí)，由于因毛刺使氣體流路的截面積變窄，所以妨礙了氣體向氣體流路的供應(yīng)，電池特性降低。而且，發(fā)生在氣體流路出口側(cè)的毛刺妨礙將因電極反應(yīng)而產(chǎn)生的水分在氣體流路內(nèi)結(jié)露形成的水滴排出到氣體流路外，引起氣體流路的堵塞，電池特性降低。
為了防止因上述的毛刺引起的電池特性的降低，必須要有通過(guò)切削或研磨除去毛刺的作業(yè)。但是，由于多支管孔和氣體流路的聯(lián)絡(luò)部分形狀復(fù)雜，除去毛刺的作業(yè)成本很高。
本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題而提出的，其目的在于提供一種隔板，即使在多支管孔的開(kāi)口邊緣部上產(chǎn)生了毛刺也不會(huì)對(duì)氣體流路和多支管孔之間的氣體流通帶來(lái)妨礙。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種可容易地機(jī)械除去多支管孔的開(kāi)口邊緣部的毛刺的隔板。
本發(fā)明還提供一種具備這種隔板的高分子電解質(zhì)型燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池的特征是，包括由高分子電解質(zhì)膜和夾著上述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極構(gòu)成的多個(gè)膜、電極接合體，與上述膜、電極接合體交互地疊層的多個(gè)隔板，以及向上述一方的電極供應(yīng)、排出燃料氣體、向另一方的電極供應(yīng)、排出氧化劑氣體的氣體供應(yīng)、排出機(jī)構(gòu)；上述氣體供應(yīng)、排出機(jī)構(gòu)包含共同設(shè)置在上述膜、電極接合體和隔板上的燃料氣體和氧化劑氣體用的各一對(duì)多支管孔，燃料氣體的流路，以及氧化劑氣體的流路，所述燃料氣體的流路由和在上述導(dǎo)電性隔板的與上述一方的電極對(duì)向的面上連絡(luò)上述燃料氣體用的一對(duì)多支管孔地設(shè)置的槽構(gòu)成，所述氧化劑氣體的流路在上述導(dǎo)電性隔板的與上述另一方的電極對(duì)向的面上連絡(luò)上述氧化劑氣體用的一對(duì)多支管孔地設(shè)置的槽構(gòu)成；在上述隔板上各多支管孔的上述氣體流路一側(cè)的開(kāi)口邊緣部上具有深度與上述氣體流路相同或比其深的臺(tái)階部。
上述隔板的臺(tái)階部最好具有在上述多支管孔一側(cè)變深的錐部。
上述隔板的多支管孔最好除去了上述氣體流路一側(cè)的開(kāi)口邊緣部的毛刺。
本發(fā)明提供一種燃料電池用的隔板的制造方法，是具有成形出含有石墨粉末和粘接劑的混合物的第1工序和通過(guò)機(jī)械加工形成多支管孔的第2工序的燃料電池用的隔板的制造方法，其特征是，在第1工序中，成形出由槽構(gòu)成的流路和從形成上述多支管孔的位置到上述氣體流路的端部的部分的凹部。
根據(jù)本發(fā)明，可消除多支管孔的開(kāi)口邊緣部上產(chǎn)生的毛刺使氣體流路變窄，抑制對(duì)燃料或氧化劑氣體的流動(dòng)產(chǎn)生的影響。而且，可容易地除去產(chǎn)生的毛刺。因此，可降低隔板加工中的成本。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中的隔板負(fù)極側(cè)的主視圖。
圖2為圖1中II-II線的放大剖視圖。
圖3為圖1中III-III線的放大剖視圖。
圖4為上述隔板的氧化劑氣體的入口側(cè)多支管孔附近的立體圖。
圖5為上述隔板沖出多支管孔之前的圖1的II-II線放大剖視圖。
圖6為表示本發(fā)明其他實(shí)施例中的隔板制造工序的剖視圖。
圖7為表示本發(fā)明另一實(shí)施例中的隔板制造工序的剖視圖。
圖8為表示本發(fā)明再一實(shí)施例中的隔板制造工序的剖視圖。
圖9為表示本發(fā)明又一實(shí)施例中的隔板制造工序的剖視圖。
圖10為表示本發(fā)明又一實(shí)施例中的隔板制造工序的剖視圖。
圖11為圖1的隔板的后視圖。
圖12為燃料電池組的圖1中XII-XII線的放大剖視圖。
圖13為將現(xiàn)有的隔板在相當(dāng)于圖1中II-II線的部分剖開(kāi)的放大剖視圖。
圖14為將現(xiàn)有的隔板在相當(dāng)于圖1中III-III線的部分剖開(kāi)的放大剖視圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式加以說(shuō)明。此處采用的結(jié)構(gòu)圖僅是為了容易理解，各要素的相對(duì)尺寸或位置關(guān)系并不一定正確。
實(shí)施方式1圖1為本實(shí)施方式的隔板負(fù)極一側(cè)的主視圖。圖2為圖1中II-II線的放大剖視圖。圖3為圖1中III-III線的放大剖視圖。圖4為隔板的入口側(cè)多支管孔附近的立體圖。
這種隔板10是通過(guò)金屬模具對(duì)人造石墨粉末、纖維狀的石墨、以及熱固性酚醛樹(shù)脂的混合物進(jìn)行成形制成的，具有各一對(duì)的氧化劑氣體的多支管孔11a、11b，燃料氣體的多支管孔12a、12b，以及冷卻水的多支管孔13a、13b。隔板10在負(fù)極一側(cè)上還具有連絡(luò)多支管孔11a和11b的氧化劑氣體的流路14。該氣體流路14由并行的槽形成，因此在并行的氣體流路之間形成有凸棱15。隔板10在背面上具有連絡(luò)燃料氣體的多支管孔12a和12b的氣體流路或連絡(luò)冷卻水的多支管孔13a和13b的冷卻水流路。
本實(shí)施方式的隔板10在各多支管孔的邊緣部上設(shè)置了與氣體流路或冷卻水流路的深度相同或比其稍深的臺(tái)階部，這一點(diǎn)與以往的例子不同。以下，雖然對(duì)多支管孔11a進(jìn)行說(shuō)明，但其他的多支管孔也具有相同的結(jié)構(gòu)。
多支管孔11a的負(fù)極一側(cè)的周緣部上設(shè)置有臺(tái)階部16。該臺(tái)階部與氣體流路14入口側(cè)的深度相同或比其稍深。在多支管孔11a的負(fù)極一側(cè)的周緣部上形成有毛刺17。圖中僅在多支管孔11a的負(fù)極一側(cè)的周緣部上示出了毛刺，而省略了在其他部分上形成的毛刺。
本實(shí)施方式的隔板如上所述，在氧化劑氣體的多支管孔11a和氣體流路14之間形成有臺(tái)階部16，因此孔11a的開(kāi)口邊緣部位于低一級(jí)的位置。這樣，即使在孔11a的開(kāi)口邊緣部上產(chǎn)生毛刺也幾乎不會(huì)對(duì)氧化劑氣體向氣體流路14的供應(yīng)帶來(lái)妨礙。通過(guò)在多支管孔11b的開(kāi)口邊緣部上形成同樣的臺(tái)階部，幾乎不會(huì)對(duì)氣體和生成水從氣體流路14向多支管孔11b的排出帶來(lái)妨礙。
而且，通過(guò)設(shè)置臺(tái)階部16，多支管孔11a和氣體流路14經(jīng)由臺(tái)階部連絡(luò)。這樣，在臺(tái)階部16上，由于沒(méi)有相當(dāng)于凸棱15的部位，所以通過(guò)用自動(dòng)機(jī)械進(jìn)行研磨可很容易地除去毛刺17。
以上的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)比較表示相當(dāng)于圖2和圖3的以往例的圖13和圖14可更加清楚。以往例的隔板50上氧化劑氣體的多支管孔51直接與氣體流路54連絡(luò)。因此，形成在氣體流路之間的凸棱55的端部面臨孔51，從而在孔51的開(kāi)口邊緣部上形成與凸棱55的端面相連的毛刺56。從圖14可知，該毛刺56將對(duì)氣體從孔51向氣體流路54的供應(yīng)以及氣體和生成水從氣體流路54一側(cè)向孔51一側(cè)的排出帶來(lái)妨礙。
根據(jù)本發(fā)明，消除了這種妨礙。本發(fā)明特別是在氣體流路由并行的多個(gè)槽構(gòu)成的情況下是有效的。
圖5表示本實(shí)施方式的隔板在成形之后、沖出多支管孔之前的剖面，是在圖1中相當(dāng)于II-II線的部分剖開(kāi)的放大剖視圖。
本實(shí)施方式的隔板如圖5所示，在要形成多支管孔的部分上進(jìn)行壓力成形，使其具有比多支管孔大一圈的凹部11，然后，通過(guò)對(duì)多支管孔進(jìn)行加工而成為圖2所示的樣子。在圖5中，在虛線所示的部分上形成多支管孔。
在此，若臺(tái)階部16的寬度、即凸棱15的端面和多支管孔11a之間的距離t為0.01mm以上，則可具有充分的消除產(chǎn)生的毛刺的影響的效果。t最好為0.1mm以上。從多支管孔的內(nèi)徑或燃料電池組的小型化的觀點(diǎn)考慮，t最好為2mm以下。
實(shí)施方式2圖6表示本實(shí)施方式的隔板制造工序，是在圖1中相當(dāng)于II-II線的部分剖開(kāi)的放大剖視圖。圖6(a)表示成形后的狀態(tài)，圖6(b)表示進(jìn)而沖出多支管孔后的狀態(tài)。
本實(shí)施方式的隔板如圖6(a)所示，在要形成多支管孔的部分上進(jìn)行壓力成形，使其具有比多支管孔大一圈的凹部20，然后，如圖6(b)所示，通過(guò)用金屬模具沖裁形成多支管孔而制造。成形時(shí)，通過(guò)與凹部20一起在沖出多支管孔的位置上形成截面為V字形的槽24、25。通過(guò)用金屬模具進(jìn)對(duì)其進(jìn)行沖裁，形成多支管孔21a。還示出了沖出孔時(shí)形成的毛刺27和29。
在本實(shí)施方式中，由于連絡(luò)孔21a和氣體流路14的臺(tái)階部26帶有孔21a的邊緣一側(cè)降低的錐部，所以氣體和生成水的移動(dòng)更加容易。
在本實(shí)施方式中，由于隔板的成形體在用金屬模具沖裁、形成多支管孔21a的部分上具有槽25，所以加工性優(yōu)于實(shí)施方式1。
實(shí)施方式3圖7表示本實(shí)施方式的隔板制造工序，是在圖1中相當(dāng)于II-II線的部分剖開(kāi)的放大剖視圖。圖7(a)表示成形后的狀態(tài)，圖7(b)表示進(jìn)而沖出多支管孔后的狀態(tài)。
本實(shí)施方式的隔板如圖7(a)所示，在要形成多支管孔的部分的兩面上進(jìn)行壓力成形，使其具有比多支管孔大一圈的凹部30和32，然后，如圖7(b)所示，通過(guò)用金屬模具沖裁形成多支管孔31a而制造。還示出了沖出孔時(shí)形成的毛刺37和39。
實(shí)施方式4圖8表示本實(shí)施方式的隔板制造工序，是在圖1中相當(dāng)于II-II線的部分剖開(kāi)的放大剖視圖。圖8(a)表示成形后的狀態(tài)，圖8(b)表示進(jìn)而沖出多支管孔后的狀態(tài)。
本實(shí)施方式的隔板如圖8(a)所示，在要形成多支管孔的部分的兩面上進(jìn)行壓力成形，使其具有比多支管孔大一圈的凹部40和42，然后，如圖8(b)所示，通過(guò)用金屬模具沖裁形成多支管孔41a而制造。由于凹部40和42為側(cè)壁部是開(kāi)放部一側(cè)擴(kuò)大地帶有錐部，所以在孔41a的開(kāi)口邊緣部上形成兩面帶錐部的臺(tái)階部46和48。還示出了沖出孔41a時(shí)形成的毛刺47和49。
圖9表示本實(shí)施方式的變形例的隔板制造工序，是在圖1中相當(dāng)于II-II線的部分剖開(kāi)的放大剖視圖。圖9(a)表示成形后的狀態(tài)，圖9(b)表示進(jìn)而沖出多支管孔后的狀態(tài)。在圖9所示的例子中，在要形成多支管孔的部分的一面、即負(fù)極一側(cè)的面上進(jìn)行壓力成形，使其具有比多支管孔大一圈的凹部40，然后，通過(guò)用金屬模具沖裁形成多支管孔41a。
在本實(shí)施方式中，帶錐部的臺(tái)階部46具有比氣體流路14的深度深的深度。因此，與實(shí)施方式1相比，可減小產(chǎn)生的毛刺47對(duì)氣體流路14的影響。另外，由于在臺(tái)階部46和48上設(shè)置有錐部，所以成形體從成形模具中的分模性也得以提高。而且，通過(guò)減薄形成多支管孔的部分的厚度，可使開(kāi)孔加工容易。
在以上的實(shí)施方式中，雖然對(duì)氧化劑氣體入口側(cè)的多支管孔進(jìn)行了說(shuō)明，但同樣也適用于出口側(cè)的多支管孔。而且，雖然臺(tái)階部16、26、36、46等設(shè)置在多支管孔的開(kāi)口邊緣部整體上，但也可以僅設(shè)置在與氣體流路連絡(luò)的部分上。圖10表示這種隔板在相當(dāng)于圖1中II-II線的部分剖開(kāi)的放大剖視圖。
而且，在燃料氣體的多支管孔中，在與形成在隔板的正極一側(cè)上的氣體流路連絡(luò)的部分上、在通過(guò)冷卻水的多支管孔與冷卻水流路連絡(luò)的部分上，也可分別適用與采用了上述的氧化劑氣體的多支管孔相同的結(jié)構(gòu)。另外，在圖1中，雖然在燃料氣體和冷卻水的多支管孔的部分上設(shè)置有與氧化劑氣體的多支管孔相同的臺(tái)階部，但在這些部分上，臺(tái)階部并非一定是必須的。
實(shí)施方式5在本實(shí)施方式中，對(duì)將具有上述的多支管孔的隔板和膜、電極接合體(MEA)疊層而構(gòu)成的燃料電池組的多支管進(jìn)行說(shuō)明。
在此，表示如圖1所示的在一個(gè)面上具有氧化劑氣體流路的隔板10采用了在背面上具有燃料氣體流路，兼作負(fù)極一側(cè)隔板和正極一側(cè)隔板的單一隔板的例子。
圖11為隔板10的正極一側(cè)的主視圖。在隔板10的正極一側(cè)上具有燃料氣體流路4，連絡(luò)多支管孔12a和12b。5表示區(qū)分流路4的凸棱。多支管孔12a和12b的開(kāi)口部周?chē)哂猩疃群蜌怏w流路4相同的臺(tái)階部6。
圖12以圖1中XII-XII線剖開(kāi)的剖視圖表示將上述隔板10和MEA交互地疊層的燃料電池組的一部分。1表示由高分子電解質(zhì)膜，夾著上述膜的負(fù)極和正極，以及在上述電極的外周邊緣部上夾著高分子電解質(zhì)膜的氣封部構(gòu)成的MEA。燃料電池組中的氧化劑氣體的多支管由隔板10的多支管孔11a和MEA的多支管孔構(gòu)成。而且，由于多支管孔11a在負(fù)極一側(cè)和正極一側(cè)分別具有臺(tái)階部16和8，所以具有直徑小的部分和直徑大的部分。因此，由箭頭A1表示的氧化劑氣體直線狀流動(dòng)的多支管由直徑小的部分D1和直徑大的部分D2構(gòu)成。A2表示從A1分支、向各原電池的氣體流路14流動(dòng)的氧化劑氣體，A3表示包括負(fù)極的生成物和剩余氣體的排出氣體的流動(dòng)。
在現(xiàn)有的燃料電池中，A1流動(dòng)的多支管由直徑相同的孔構(gòu)成。
當(dāng)從燃料電池組的入口流入多支管內(nèi)的氧化劑氣體具有向箭頭A1所示的直線狀流股，和與其垂直的方向的、在設(shè)置于隔板10上的氣體流路14上分支的流股兩股流股。若多支管內(nèi)的氣體的流速是均勻的，則向各MEA供應(yīng)的氣體的量也是均勻的，但實(shí)際上由于隨著在多支管內(nèi)前進(jìn)流入氣體流路14中的氣體損失，氣體的流量逐漸減小。因此，在現(xiàn)有的那樣多支管內(nèi)的等效直徑為均勻的情況下，在反應(yīng)氣體的入口附近流速加快，在出口側(cè)流速變慢。由于這種流速的變化，流入各原電池的氣體流路14中的氧化劑氣體的量將產(chǎn)生離散。
另一方面，如圖12所示，當(dāng)在多支管內(nèi)設(shè)置大直徑部D2和小直徑部D1時(shí)，在大直徑部可使氧化劑氣體的流速急劇降低，能夠壓縮多支管內(nèi)多處存在的大直徑部中流速的離散。而且，通過(guò)在該大直徑部D2中設(shè)置與氣體流路14的連絡(luò)口，可降低流入氣體流路14中的氣體量的離散。因此，可提供能夠穩(wěn)定地工作的燃料電池組。
通過(guò)如上所述使多支管的大直徑部的D2和小直徑部D1的等效直徑的差為能夠使大直徑部D2中反應(yīng)氣體的流速實(shí)質(zhì)上降低的程度，可減小在位于多支管內(nèi)多處的氣體流路附近流動(dòng)的反應(yīng)氣體的壓力損失分布。
以下，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1首先，說(shuō)明具有催化劑層的電極的制作方法。使平均粒徑約為30埃的鉑粒子25重量％載持在乙炔黑粉末中。將其作為電極的催化劑。將這種粉末分散在異丙醇中，并在其中混合全氟碳璜酸粉末的乙醇分散液，獲得催化劑軟膏。
另一方面，將氟素樹(shù)脂的水性分散液(ダイキン(株)制的四氟乙烯-全氟丙烯共聚物ND1)含浸在外尺寸為16cm×20cm、厚度為360μm的碳無(wú)紡布(東レ(株)制的TGP-H-120)中后，通過(guò)將其干燥，在400℃下加熱30分鐘而賦予斥水性。采用絲網(wǎng)印刷法在該碳無(wú)紡布的一個(gè)面上涂敷上述的催化劑軟膏，形成了催化劑層。此時(shí)，催化劑層的一部分埋入碳無(wú)紡布中。將這樣制成的帶催化劑層的碳無(wú)紡布作為電極。電極中含有的鉑量為0.5mg/cm2，全氟碳磺酸的量為1.2mg/cm2。
然后，將一對(duì)電極以催化劑層與電解質(zhì)膜相接觸的方式熱壓接合在外尺寸為20cm×32cm的質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的正反兩面上，將其作為電解質(zhì)膜、電極接合體(MEA)。在此，作為質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)，采用了將全氟碳磺酸薄膜化成50μm厚的物質(zhì)。
以下，對(duì)導(dǎo)電性隔板進(jìn)行說(shuō)明。
首先，擠出平均粒徑約為10μm的人造石墨粉(日本石墨(株)制的高純度石墨ACB)50重量份，平均直徑為50μm、平均長(zhǎng)度為0.5mm的纖維狀石墨(ライオン(株)制的煙黑EC600JD)30重量份，以及熱固化性酚醛樹(shù)脂(住友ベ-クライト(株)制的スミライトレジンPR-51107)20重量份的混合物，用均混機(jī)均混，將這種均混粉末投入實(shí)施成形出以氣體流路用槽和冷卻水流路用槽為目的的多支管孔的加工的金屬模具中進(jìn)行熱壓。熱壓的條件為金屬模具的溫度為150℃，壓力為100kg/cm2，時(shí)間為10分鐘。得到的隔板是外尺寸為20cm×32cm，厚度為1.3mm，氣體流路和冷卻水流路的深度為0.5mm。在此采用的金屬模具是由熱間金屬模具用合金工具的5KD8制造的，上述流路部分是槽寬為1.5mm±5μm，槽深為0.5mm±5μm，間距為3mm±5μm，隔板厚度部為1.3mm，平面度為10μm，表面研磨度是在最大表面粗糙度為0.8S的條件下加工的。
這樣，制成圖1所示結(jié)構(gòu)的隔板。在此，圖2和圖3中17所示的毛刺是高為0.01mm～0.20mm。多支管孔的周緣部上形成的臺(tái)階部16的寬度為1.0mm。將這種隔板作為1A。通過(guò)研磨機(jī)除去在隔板1A的多支管孔的周緣部上產(chǎn)生的毛刺。因此，上述毛刺的高度為0.01mm以下。將其作為1B。
而且，作為比較例，以和上述相同的氣體流路形狀，采用多支管孔的截面形狀為圖13所示的金屬模具，在與上述相同的材料和加壓條件下制成隔板。如圖14中56所示，在多支管孔51的開(kāi)口部周緣部上產(chǎn)生的毛刺是高度為0.01mm～0.10mm。將其作為比較例A。而且，將在以上述方法制成的隔板的多支管部分上產(chǎn)生的毛刺研磨除去。此時(shí)，由于產(chǎn)生了毛刺的部分的形狀復(fù)雜，不能夠由自動(dòng)機(jī)械進(jìn)行研磨，所以采用銼刀進(jìn)行手工操作的加工。因此，上述毛刺的高度為0.01mm以下。將其作為比較例B。
然后，在制成的MEA的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜上形成冷卻水和燃料氣體以及氧化劑氣體的多支管孔。這些孔在與圖1所示的隔板相同的位置上大小相同。
用這樣制成的同一種類(lèi)的隔板兩片夾持MEA片材作為單電池。將這種單電池以每?jī)蓚€(gè)原電池上設(shè)置冷卻部的方式疊層出100個(gè)原電池，制成電池組。冷卻部是插入將在一個(gè)面上具有氧化劑氣體流路、在另一面上具有冷卻水流路的負(fù)極一側(cè)的隔板，和在一個(gè)面上具有燃料氣體流路、在另一面上具有冷卻水流路的正極一側(cè)的隔板以具有冷卻水流路的面對(duì)合的方式接合的復(fù)合隔板而形成的，以取代在一個(gè)面上具有氧化劑氣體流路、在另一面上具有燃料氣體流路的單一的隔板。使不銹鋼制成的集電板，電絕緣材料制成的絕緣板，以及端板重合在這種電池組的兩端部上，通過(guò)緊固螺栓結(jié)合兩端板。此時(shí)的緊固壓力是每單位面積的隔板上為15kgf/cm2。
將這樣制作的實(shí)施例和比較例的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在80℃，向正極一側(cè)供應(yīng)加濕、加熱的氫氣到75℃的露點(diǎn)，向負(fù)極一側(cè)供應(yīng)加濕、加熱的空氣到65℃的露點(diǎn)。其結(jié)果，在電流不向外部輸出的無(wú)負(fù)荷時(shí)，獲得了96V的電池開(kāi)路電壓。對(duì)這些電池在燃料利用率為85％，氧利用率為50％，電流密度為0.7A/cm2的條件下進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，檢測(cè)輸出特性的時(shí)間變化。其結(jié)果，確認(rèn)使用了實(shí)施例1A、1B和比較例B的隔板的電池在8000小時(shí)以上均維持約14kW(62V-224A)的電池輸出。采用了比較例A的隔板的電池在進(jìn)行連續(xù)工作時(shí)在初期的1～3小時(shí)左右維持了約12.8kW(57V-224A)的電池輸出，但之后電池的電壓開(kāi)始變動(dòng)，確認(rèn)有電池過(guò)度濕潤(rùn)的溢流現(xiàn)象。再經(jīng)過(guò)3～5小時(shí)后，100個(gè)原電池中至少一個(gè)原電池以上的發(fā)電電壓變動(dòng)到0V以下，不能夠繼續(xù)工作。
實(shí)施例2在本實(shí)施例中，除多支管孔之外與實(shí)施例1相同地制作出隔極。如圖6(b)所示，在壓力成形后通過(guò)金屬模具沖裁形成的多支管孔21a的負(fù)極一側(cè)的開(kāi)口邊緣部上產(chǎn)生了毛刺27。毛刺的高度為0.01mm～0.20mm。將這種隔板作為2A。而且，通過(guò)研磨機(jī)除去由上述方法制作的隔板的多支管孔部分上產(chǎn)生的毛刺。因此，使上述毛刺的高度為0.01mm以下。將這種隔板作為2B。
采用這些隔板組裝出與實(shí)施例1相同的高分子電解質(zhì)型燃料電池，在與實(shí)施例1相同的條件下使其工作。其結(jié)果，在電流不向外部輸出的無(wú)負(fù)荷時(shí)，獲得了96V的電池開(kāi)路電壓。而且，在連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)中，確認(rèn)使用了2A、2B的隔板的電池在8000小時(shí)之后均維持約14kW(62V-224A)的電池輸出。而且，確認(rèn)了在通過(guò)毛刺研磨使多支管孔的開(kāi)口邊緣部的截面為球面的情況下，也獲得了同樣的電池特性。
實(shí)施例3在本實(shí)施例中，除多支管孔之外與實(shí)施例1相同地制作出隔板。如圖7(b)所示，在壓力成形后通過(guò)金屬模具沖裁形成的多支管孔31a的負(fù)極一側(cè)的開(kāi)口邊緣部上產(chǎn)生了毛刺37。毛刺的高度為0.01mm～0.20mm。將這種隔板作為3A。而且，通過(guò)研磨機(jī)除去由上述方法制作的隔板的多支管孔部分上產(chǎn)生的毛刺。因此，使上述毛刺的高度為0.01mm以下。將這種隔板作為3B。
采用這些隔板組裝出與實(shí)施例1相同的高分子電解質(zhì)型燃料電池，在與實(shí)施例1相同的條件下使其工作。其結(jié)果，在電流不向外部輸出的無(wú)負(fù)荷時(shí)，獲得了96V的電池開(kāi)路電壓。而且，在連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)中，確認(rèn)使用了3A、3B的隔板的電池在8000小時(shí)之后均維持約14kW(62V-224A)的電池輸出。
實(shí)施例4在本實(shí)施例中，除多支管孔之外與實(shí)施例1相同地制作出隔板。如圖8(b)所示，在壓力成形后通過(guò)金屬模具沖裁形成的多支管孔41a的負(fù)極一側(cè)的開(kāi)口邊緣部上產(chǎn)生了毛刺47。毛刺的高度為0.01mm～0.20mm。將這種隔板作為4A。而且，通過(guò)研磨機(jī)除去由上述方法制作的隔板的多支管孔部分上產(chǎn)生的毛刺。因此，使上述毛刺的高度為0.01mm以下。將這種隔板作為4B。
采用這些隔板組裝出與實(shí)施例1相同的高分子電解質(zhì)型燃料電池，在與實(shí)施例1相同的條件下使其工作。其結(jié)果，在電流不向外部輸出的無(wú)負(fù)荷時(shí)，獲得了96V的電池開(kāi)路電壓。而且，在連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)中，確認(rèn)使用了4A、4B的隔板的電池在8000小時(shí)之后均維持約14kW(62V-224A)的電池輸出。
如以上詳細(xì)說(shuō)明的，根據(jù)本發(fā)明，在可采用能夠進(jìn)行成本低于切削或磨削的成形加工的膨脹石墨或石墨和樹(shù)脂的復(fù)合材料等的隔板制作中，不需要除去加工的過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺的工序，或者可通過(guò)自動(dòng)機(jī)械除去毛刺，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)時(shí)成本的大幅度降低。
權(quán)利要求
1.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征是，包括由高分子電解質(zhì)膜和夾著上述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極構(gòu)成的多個(gè)膜、電極接合體，與上述膜、電極接合體交互地疊層的多個(gè)隔板，以及向上述一方的電極供應(yīng)、排出燃料氣體、向另一方的電極供應(yīng)、排出氧化劑氣體的氣體供應(yīng)、排出機(jī)構(gòu)；上述氣體供應(yīng)、排出機(jī)構(gòu)包含共同設(shè)置在上述膜、電極接合體和隔板上的燃料氣體和氧化劑氣體用的各一對(duì)多支管孔，燃料氣體的流路，以及氧化劑氣體的流路，所述燃料氣體的流路由和在上述導(dǎo)電性隔板的與上述一方的電極對(duì)向的面上連絡(luò)上述燃料氣體用的一對(duì)多支管孔地設(shè)置的槽構(gòu)成，所述氧化劑氣體的流路在上述導(dǎo)電性隔板的與上述另一方的電極對(duì)向的面上連絡(luò)上述氧化劑氣體用的一對(duì)多支管孔地設(shè)置的槽構(gòu)成；在上述隔板上各多支管孔的上述氣體流路一側(cè)的開(kāi)口邊緣部上具有深度與上述氣體流路相同或比其深的臺(tái)階部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征是，上述隔板的臺(tái)階部具有在上述多支管孔一側(cè)變深的錐部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征是，上述隔板的多支管孔除去了上述氣體流路一側(cè)的開(kāi)口邊緣部的毛刺。
4.一種燃料電池用的隔板的制造方法，是具有成形出含有石墨粉末和粘接劑的混合物的第1工序和通過(guò)機(jī)械加工形成多支管孔的第2工序的燃料電池用的隔板的制造方法，其特征是，在第1工序中，成形出由槽構(gòu)成的流路和從形成上述多支管孔的位置到上述氣體流路的端部的部分的凹部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高分子電解質(zhì)型燃料電池及其隔板的制造方法，不會(huì)發(fā)生在隔板的多支管孔的開(kāi)口邊緣部上產(chǎn)生毛刺，阻礙氣體流路和多支管孔之間氣體的流通，使電池特性降低的不良情況。在隔板的各多支管孔的氣體流路一側(cè)的開(kāi)口邊緣部上設(shè)置深度與上述氣體流路相同或比其深的臺(tái)階部。上述臺(tái)階部具有在多支管孔一側(cè)深度變深的錐部。
文檔編號(hào)H01M8/24GK1471189SQ0314506
公開(kāi)日2004年1月28日 申請(qǐng)日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月2日
發(fā)明者柴田礎(chǔ)一, 弘樹(shù), 日下部弘樹(shù), 仁, 羽藤一仁, 啟, 長(zhǎng)谷伸啟, 介, 竹口伸介, 夫, 小林晉, 小原英夫 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社