專利名稱：燃料電池端板和燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及燃料電池端板和燃料電池。特別是涉及適用于具有高分子電解質(zhì)膜和電極一體化的膜/電極接合體的固體高分子型燃料電池或直接甲醇型燃料電池的燃料電池的端板。
背景技術(shù)：
燃料電池，因?yàn)槭抢秒娀瘜W(xué)方式直接從燃料取出電能，所以其能效高，另外，因?yàn)榕欧盼镏黧w是水，具有容易對(duì)環(huán)保有利等優(yōu)點(diǎn)。因此，正在嘗試應(yīng)用于汽車(chē)、分散電源、信息電子機(jī)器等。燃料電池的主要課題之一是防止燃料泄漏。在專利文獻(xiàn)1中記述有關(guān)于在燃料電池中使用密封墊片作為密封部件的內(nèi)容。
(專利文獻(xiàn)1)WO02/001659(摘要)發(fā)明內(nèi)容我們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在將多個(gè)單電池疊置而成的層疊型燃料電池時(shí)，燃料泄漏的主要原因在于歧管周?chē)＠?，可以舉出如下的例子，在層疊型燃料電池中，為了系統(tǒng)的方便，必須使燃料均勻地流過(guò)全部多個(gè)層疊分離器，由于使大量的燃料同時(shí)流入歧管，不僅對(duì)分離器的溝道方向，而且對(duì)其他方向也有壓力，密封會(huì)破壞。另一方面，在一個(gè)平面內(nèi)設(shè)置多個(gè)發(fā)電部的平面排列型燃料電池的場(chǎng)合，迄今尚未發(fā)現(xiàn)燃料泄漏的主要原因何在。然而，最近，我們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在平面排列型燃料電池的場(chǎng)合，在密封墊片及集電板和粘結(jié)集電板的樹(shù)脂基板之間容易產(chǎn)生間隙，此間隙是引起燃料泄漏的主要原因之一。
本發(fā)明的目的為提供一種具有密封性優(yōu)異的燃料電池端板的燃料電池，特別是適用于平面排列型燃料電池的端板。
本發(fā)明，由樹(shù)脂基板、集電板和密封墊片形成燃料電池端板，并且設(shè)置有使集電板的端子連接部與膜/電極接合體不接觸的部分。端子連接部，作為一例，為設(shè)置成為從樹(shù)脂基板的側(cè)面露出。這種結(jié)構(gòu)的端板，例如，可以通過(guò)使集電板和端子連接部一體成形，將端子連接部彎曲通過(guò)樹(shù)脂基板的內(nèi)部而從樹(shù)脂基板的側(cè)面露出而制成。
另外，本發(fā)明的特征在于，在高分子電解質(zhì)膜和電極一體化的膜/電極接合體的兩側(cè)具有集電功能的端板的燃料電池中，由樹(shù)脂基板、集電板和密封墊片形成上述端板，并且設(shè)置有使集電板的端子連接部與膜/電極接合體不接觸的部分。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供密封性優(yōu)異的燃料電池端板。


圖1(a)、(b)、(c)是本發(fā)明的實(shí)施例1的燃料電池端板的平面及剖面斜視圖。
圖2(a)、(b)是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的單電池的概略圖。
圖3是為進(jìn)行密封性研究而制作的實(shí)驗(yàn)裝置的概略圖。
圖4是示出比較例的燃料電池端板的平面圖。
圖5是示出使用本發(fā)明的燃料電池端板的集電板的一例的斜視圖。
圖6是示出集電板的另一例的斜視圖。
圖7(a)、(b)是示出具有多個(gè)集電板的燃料電池端板的平面圖。
圖8是示出集電板的另一例的斜視圖。
圖9(a)、(b)是示出本發(fā)明的另一實(shí)施例的燃料電池的概略圖。
圖10(a)、(b)是燃料電池模塊的概略圖。
圖11(a)、(b)是示出單電池間的連接方法的概略圖。
圖12(a)、(b)是示出關(guān)於單電池間的連接方法的另一示例的概略圖。
(附圖標(biāo)記說(shuō)明)1...集電板；2...密封墊片；3...樹(shù)脂基板；4...燃料電池端板；5a...表面；5b...表面；6...端子連接部；7...溝道；8...貫通孔；9...陽(yáng)極端板；10...陰極端板；11...膜/電極接合體；11a...電解質(zhì)膜；11c...陰極催化層；11d...陰極擴(kuò)散面；11e...陽(yáng)極擴(kuò)散層；17...單電池；26...集電板；26a...曲面；26b...曲面；27...溝道；28...端子連接部；29...集電板；29a...平面；29b...平面；30...溝道；31...端子連接部；32...集電板；33...密封墊片；34...樹(shù)脂基板；35...外部端子連接部；36...燃料電池端板；37...端子連接部；38...溝道；39...貫通孔；40...陽(yáng)極端板；41...陰極端板；42...MEA；42a...電解質(zhì)膜 42a；42c...陰極催化層；42d...陰極擴(kuò)散層；42e...陽(yáng)極擴(kuò)散層；50...集電用螺栓；51...集電用螺母具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明并不限定于此。
在圖1(a)、(b)、(c)中示出本發(fā)明的燃料電池端板。燃料電池端板4由集電板1和密封墊片2及樹(shù)脂基板3構(gòu)成，例如利用注射成形等進(jìn)行一體成形。集電板1，由與膜/電極接合體相連接的表面5a和具有端子連接部6的另一表面5b組成。在表面5a上切割出溝道7，通過(guò)此溝道7向陽(yáng)極供給燃料和排出二氧化碳，向陰極供給空氣和排出水。另外，通過(guò)將端子連接到端子連接部6，可以將發(fā)出的電力取出。
燃料電池端板的成形分為兩個(gè)階段進(jìn)行。在第一階段中，使集電板1和樹(shù)脂基板3一體化，而在第二階段中使密封墊片2和樹(shù)脂基板3一體化。集電板1的材料，優(yōu)選是采用反應(yīng)場(chǎng)穩(wěn)定并且可以集電的物質(zhì)，除了碳還可以考慮采用金、鉑、不銹鋼、鈦等金屬，在實(shí)施例1中使用的是鈦。但是，由于鈦本身會(huì)受到在其表面上形成的氧化膜的影響而具有很高的電阻，所以在其表面上施加數(shù)μm左右的鍍金層。作為密封墊片2的材料，使用反應(yīng)場(chǎng)穩(wěn)定的物質(zhì)并且由于在本實(shí)施例中是通過(guò)一體成形制作密封墊片2，優(yōu)選是使用成形性良好的物質(zhì)。作為一例，可以考慮使用EPDM(乙烯丙烯二烯烴三元共聚物)、PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二酯)、硅樹(shù)脂等等，在實(shí)施例1中使用的是EPDM。樹(shù)脂基板3的材料，使用反應(yīng)場(chǎng)穩(wěn)定、具有用來(lái)使燃料電池端板4的基板與電池緊固的適當(dāng)?shù)挠捕?，且由于在本?shí)施例中是通過(guò)一體成形制作樹(shù)脂基板3，優(yōu)選是使用成形性良好的物質(zhì)。作為一例，可以考慮使用AS(丙烯腈苯乙烯共聚物)、PEEK(聚醚醚酮)、PC(聚碳酸酯)、VC(氯乙烯)、PBT(聚對(duì)苯二甲酸丁二酯)等等，在實(shí)施例1中使用的是PBT。另外，在本實(shí)施例中，進(jìn)行集電板1和樹(shù)脂基板3的一體化，但因?yàn)榧姲?和樹(shù)脂基板3不是化學(xué)結(jié)合，可以預(yù)先想到依成形精度的不同在集電板1和樹(shù)脂基板3之間產(chǎn)生間而使液體流過(guò)。另外，在液體流過(guò)的場(chǎng)合，優(yōu)選是使硅樹(shù)脂流入到間隙之中將間隙填埋。
圖1(a)是從可以看到密封墊片一側(cè)觀察燃料電池端板的視圖，圖1(b)是從不能看到密封墊片一側(cè)觀察燃料電池端板的視圖。從圖1(a)、(b)可知，在不能看到密封墊片2一側(cè)是與膜/電極接合體相接的表面5a不露出的結(jié)構(gòu)。圖1(c)是示出圖1(a)的A-A剖面的斜視圖。如圖1(c)所示，集電板1，是將原本為一片的板材料通過(guò)彎曲而形成的，在樹(shù)脂基板3的表面上露出的部分成為與膜/電極接合體相接的表面5a。通過(guò)樹(shù)脂基板的內(nèi)部露出到外部的部分成為具有端子連接部6的一個(gè)表面5b。密封墊片2，在樹(shù)脂基板3上沿著表面5a的外周形成而不與集電板1相接觸。在圖2(a)、(b)中示出具有本發(fā)明的端板的燃料電池。將膜/電極接合體(以下稱其為MEA)11夾持于陽(yáng)極端板9和陰極端板10中間，使螺栓12通過(guò)貫通孔8，在陽(yáng)極端板9的外側(cè)安裝燃料槽框架13、氣液分離膜14、槽蓋15，并利用螺母16緊固而構(gòu)成單電池17。本實(shí)施例的MEA11是將由在電解質(zhì)膜11a的一側(cè)形成陽(yáng)極催化層(未示出)和在另一側(cè)形成的陰極催化層11c夾持于陰極擴(kuò)散面11d和陽(yáng)極擴(kuò)散層11e之間而構(gòu)成的。于是，在單電池17中，將未圖示的管子與設(shè)置于燃料槽框架13上的管接頭18相連接，并且該管子，例如，如同微管泵那樣，通過(guò)與將燃料從外部送入的機(jī)械相連接而將燃料送入就可以發(fā)電。另外，氣液分離膜14，是一種其特征為可以使氣體通過(guò)，但液體不能通過(guò)的膜，其作用為將在燃料槽內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳迅速?gòu)牟蹆?nèi)排出。
為了確認(rèn)本發(fā)明的效果的密封性，制作了如圖3所示的結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)定了燃料泄漏與燃料槽內(nèi)壓的關(guān)系。另外，此處所謂的燃料槽，表示由陽(yáng)極端板9、燃料槽框架13及氣液分離膜14所圍成的空間。實(shí)驗(yàn)裝置將兩根管子19與單電池17具有的兩個(gè)管接頭18相連接，管子19中的一根與壓力表20連接，而另一根與加壓部21連接。加壓部21的結(jié)構(gòu)包括液體保持部(未圖示)和可以從外部向此液體保持部導(dǎo)入氣體的外部配管(未圖示)。于是，通過(guò)利用流量計(jì)(未圖示)對(duì)氣體流量進(jìn)行調(diào)整可以對(duì)燃料槽的內(nèi)壓自由地進(jìn)行操作。此時(shí)，為了進(jìn)行比較，如圖4所示，制作了由在與樹(shù)脂基板24的表面，即與MEA相接觸的表面，上設(shè)置端子連接部的集電板22、密封墊片23及樹(shù)脂基板24組成的燃料電池端板25，以與本發(fā)明的裝置相同的方式組裝成單電池。
在表1中示出確認(rèn)本發(fā)明的效果的密封性提高的結(jié)果。試驗(yàn)方法是調(diào)節(jié)導(dǎo)入到加壓部21的氣體的流量，在達(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí)中止氣體的導(dǎo)入而使壓力值不變，在該狀態(tài)下保持2分鐘，觀察燃料槽的泄漏情況的方法。在表1中，在觀察不到燃料槽泄漏的場(chǎng)合以○表示，而在觀察到泄漏的場(chǎng)合以×表示。表1中的比較例1～3涉及的是圖4的燃料電池25，其中的密封墊片的種類有改變。比較例1是將厚度為300μm的硅橡膠密封墊片在電解質(zhì)膜的兩側(cè)各配置一片的場(chǎng)合。比較例2是將厚度為220μm(EPDM 95μm/PET 50μm/EPDM 75μm)的三層的密封墊片(硬度60°)在電解質(zhì)膜的兩側(cè)各配置一片的場(chǎng)合。比較例3是將厚度為300μm的硅橡膠密封墊片在電解質(zhì)膜的兩側(cè)各配置一片的場(chǎng)合。

在圖5中示出本發(fā)明的燃料電池端板另一例。在此示例中，集電板26由曲面26a和26b構(gòu)成。曲面26a與MEA直接接觸，通過(guò)在曲面26a上形成的溝道27向陽(yáng)極供給燃料和排出二氧化碳，向陰極供給空氣和排出水。在曲面26b上有端子連接部28，通過(guò)將端子緊固到端子連接部28可以將發(fā)出的電力取出。這種結(jié)構(gòu)的端板具有可以使MEA牢固緊固的效果。
圖6示出本發(fā)明的燃料電池端板的集電板的另一形態(tài)。在此實(shí)施例中，集電板29由兩個(gè)平面構(gòu)成。兩個(gè)平面中的一個(gè)平面29a與另一個(gè)平面29b的位置關(guān)系為垂直連接。平面29a與MEA直接接觸，通過(guò)在平面29a上形成的溝道30向陽(yáng)極供給燃料和排出二氧化碳，向陰極供給空氣和排出水。平面29b與平面29a直接接觸一側(cè)的相反側(cè)垂直連接，在面內(nèi)有端子連接部31，通過(guò)將端子緊固到端子連接部31可以將發(fā)出的電力取出。
示出本發(fā)明的燃料電池端板和利用該燃料電池端板的燃料電池的一例。在圖7(a)、(b)中示出燃料電池端板。燃料電池端板36，由集電板32和密封墊片33及樹(shù)脂基板34構(gòu)成，在集電板32的一部分上設(shè)置外部端子連接部35。外部端子連接部35在燃料電池端板36的側(cè)面露出。圖7(a)是從可以看到密封墊片33一側(cè)觀察燃料電池端板的視圖，圖7(b)是從圖7(a)的相反側(cè)觀察的視圖。從圖7(a)、(b)可知，在不能看到密封墊片33一側(cè)是集電板32不露出的結(jié)構(gòu)。為了容易理解，將鉆入樹(shù)脂基板34中的集電板32和外部端子連接部35的部分以虛線表示。在一片燃料電池端板36中存在6片集電板32和6片密封墊片33，在構(gòu)成電池時(shí)6個(gè)單電池串聯(lián)。燃料電池端板36是通過(guò)一體成形而形成的。成形分為兩個(gè)階段進(jìn)行。在第一階段中，使集電板32和樹(shù)脂基板34與外部端子連接部35一體化之后，在第二階段中使密封墊片33和樹(shù)脂基板34一體化。集電板32，如圖8所示，是將原本為一片的板材料通過(guò)彎曲而形成的，具有面32a、面32b和面32c。面32a與MEA相接，面32b具有端子連接部37。另外，面32c是在一體成形時(shí)用于使集電板32和樹(shù)脂基板34牢固嚙合而形成的面。在面32a上切出溝道38，通過(guò)此溝道38向陽(yáng)極供給燃料和排出二氧化碳，向陰極供給空氣和排出水。密封墊片33，在樹(shù)脂基板34上沿著面32a的外周形成而不與集電板32相接觸。39是貫通孔。從圖7(a)、(b)可知，燃料電池端板36的面積由集電板32的大小來(lái)左右。在本實(shí)施例中，研究的是以將來(lái)裝載于便攜式機(jī)器中為目標(biāo)的小型化。由于集電板32的面32a的大小與得到的輸出有關(guān)而不能很小，所以面32b應(yīng)盡可能地小。另外，外部端子連接部35，是為了在電池組裝之后連接外部端子從電池獲得電力而導(dǎo)入，由于端子連接部37的存在而并非必需。但是，在本實(shí)施例中，是為了在后述的電池組裝時(shí)在燃料電池端板的側(cè)面存在連接外部端子的部分時(shí)與外部端子的連接容易而設(shè)置的。
集電板32和外部端子連接部35的材料，在本實(shí)施例中使用的是鈦，在其表面上施加數(shù)μm左右的鍍金層。密封墊片33使用EPDM。樹(shù)脂基板34使用PBT。如圖9(a)、(b)所示，將MEA42夾持于陽(yáng)極端板40和陰極端板41中間，使螺栓43通過(guò)貫通孔39，在陽(yáng)極端板40的外側(cè)安裝燃料槽框架44、氣液分離膜45、槽蓋46，并利用螺母47和墊圈48緊固而構(gòu)成如圖10(a)、(b)所示的燃料電池模塊49。但是，在圖9(a)中，省略了螺栓43、螺母47和墊圈48。各個(gè)單電池之間利用集電用螺栓50連接。在圖11(a)、(b)中，為了理解單電池之間的連接情況，示出的是剖面圖。剖面是圖10(a)中表示的B-B剖面。但是，由于此圖是以單電池之間的連接為重點(diǎn)，圖中未示出螺栓43、燃料槽框架44、氣液分離膜45、槽蓋46、螺母47及墊圈48。此處，圖11(a)是組裝前、圖11(b)是組裝后的樣子。另外，在圖12(a)、(b)中，示出單電池間的另一種連接形態(tài)。由于此處也是以單電池之間的連接為重點(diǎn)，圖中未示出螺栓43、燃料槽框架44、氣液分離膜45、槽蓋46、螺母47及墊圈48。此處，圖12(a)是組裝前、圖12(b)是組裝后的樣子。兩根集電用螺栓50從兩片燃料電池端板36的兩側(cè)插入，以一個(gè)集電用螺母51連接單電池。在圖11(a)、(b)中示出的單電池之間的連接方法與圖12(a)、(b)中示出的單電池之間的連接方法相比較時(shí)，圖12中示出的方法的連接可以更牢固，但由于圖12所示的方法部件數(shù)目增加，其操作性差。所以在本實(shí)施例中采用圖11所示的方法。本實(shí)施例的MEA42是將由在電解質(zhì)膜42a的一側(cè)形成陽(yáng)極催化層(未示出)和在另一側(cè)形成的陰極催化層42c夾持于陰極擴(kuò)散層42d及陽(yáng)極擴(kuò)散層42e之間而構(gòu)成的。于是，在單電池49中，將管子(未圖示)與設(shè)置于燃料槽框架44上的管接頭52相連接，并且該管子，例如，如同微管泵(未圖示)那樣，通過(guò)與將燃料從外部送入的機(jī)械相連接而將燃料送入就可以發(fā)電。
為了確認(rèn)本發(fā)明的效果的密封性，組裝了與圖3相同的裝置，測(cè)定了燃料泄漏與燃料槽內(nèi)壓的關(guān)系。
在表2中示出密封性的研究結(jié)果。試驗(yàn)方法與實(shí)施例1的方法相同，是調(diào)節(jié)導(dǎo)入到加壓部的氣體的流量，在達(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí)止住氣體而使壓力值不變，在該狀態(tài)下保持2分鐘，觀察燃料槽的泄漏情況的方法。在觀察不到燃料槽泄漏的場(chǎng)合以○表示，而在觀察到泄漏的場(chǎng)合以×表示。表2中示出的本發(fā)明的燃料電池模塊49的結(jié)果，比較例1～3使用的是圖4結(jié)構(gòu)的燃料電池端板的燃料電池模塊，其中的密封墊片的形狀，如在實(shí)施例1中所述，有改變。通常，隨著單電池?cái)?shù)目的增加燃料泄漏的風(fēng)險(xiǎn)增加，但如表2所示，采用本發(fā)明的燃料電池端板的燃料電池模塊49與比較例相比，其壓倒性的高密封性得到確認(rèn)。


利用本發(fā)明，可以得到密封性優(yōu)異的燃料電池端板，可以解決具有膜/電極接合體的固體高分子型燃料電池的燃料泄漏問(wèn)題。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池端板，是配置在把高分子電解質(zhì)膜和電極一體化而成的膜/電極接合體的兩側(cè)的端板，其特征在于由樹(shù)脂基板、集電板和密封墊片形成，上述集電板配置成在上述樹(shù)脂基板的表面上與上述膜/電極接合體相接觸，上述密封墊片配置成包圍上述集電板的外周，在上述集電板的一部分上具有端子連接部，上述端子連接部設(shè)置在不與上述膜/電極接合體相接觸的部分上。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池端板，其特征在于上述端子連接部設(shè)置成從上述樹(shù)脂基板的側(cè)面露出。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池端板，其特征在于上述集電板與上述端子連接部是一體的，上述端子連接部彎曲并通過(guò)上述樹(shù)脂基板的內(nèi)部而從上述樹(shù)脂基板的側(cè)面露出。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池端板，其特征在于上述集電板的表面是曲面，且在成為此曲面的部分與上述膜/電極接合體相接觸。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池端板，其特征在于上述集電板、上述密封墊片和上述樹(shù)脂基板是一體成形的。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池端板，其特征在于在上述樹(shù)脂基板的表面上配置有多個(gè)上述集電板。
7.一種燃料電池，在把高分子電解質(zhì)膜和電極一體化而成的膜/電極接合體的兩側(cè)設(shè)置有具有集電功能的端板，其特征在于上述端板是由樹(shù)脂基板和在其表面上配置的集電板和密封墊片形成的，上述集電板設(shè)置成與上述膜/電極接合體相接觸，上述密封墊片配置成包圍上述集電板的外周，在上述集電板的一端具有端子連接部，上述端子連接部設(shè)置在不與上述膜/電極接合體相接觸的部分上。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其特征在于上述端子連接部設(shè)置成從上述樹(shù)脂基板的側(cè)面露出。
9.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其特征在于上述集電板與上述端子連接部是一體的，上述端子連接部彎曲并通過(guò)上述樹(shù)脂基板的內(nèi)部而從上述樹(shù)脂基板的側(cè)面露出。
10.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其特征在于上述集電板的表面是曲面，且在成為此曲面的部分與上述膜/電極接合體相接觸。
11.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其特征在于上述集電板、上述密封墊片和上述樹(shù)脂基板是一體成形的。
12.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其特征在于在上述樹(shù)脂基板的表面上配置有多個(gè)上述集電板。
全文摘要
一種燃料電池端板和燃料電池，可以在具有膜/電極接合體的平面排列型燃料電池中防止在密封墊片、集電板和粘結(jié)集電板的樹(shù)脂基板之間產(chǎn)生間隙而抑制燃料泄漏。該燃料電池端板，是配置在把高分子電解質(zhì)膜和電極一體化而成的膜/電極接合體的兩側(cè)的端板，是由樹(shù)脂基板、集電板和密封墊片一體成形，在和集電板與膜/電極接合體相接觸的面不同的部分，例如樹(shù)脂基板的側(cè)面上，設(shè)置集電板的外部端子連接部。密封墊片配置成包圍集電板與膜/電極接合體相接觸的部分的外周。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1783564SQ200510087688
公開(kāi)日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月29日
發(fā)明者久保田修, 加茂友一, 相馬憲一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所