专利名称：燃料电池堆和使用其的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池堆和使用其的燃料电池，特别是涉及一种紧 固燃料电池堆的结构。
背景技术：
近年来，电子设备的轻便化、无绳化急速发展，作为它们的驱动用电 源，对小型、轻量且具有高能量密度的二次电池的需求越来越强。另外， 不仅是小型民用，对用于电力储存或电动自动车等的、要求在长时间内具 有耐久性或安全性的大型二次电池的技术开发也在加速。此外，相比需要 充电的二次电池，通过燃料供给而能够长时间连续使用的燃料电池正在得 到重视。
燃料电池具有包含单电池堆的燃料电池堆、向该单电池堆供给燃料的 燃料供给部、供给氧化剂的氧化剂供给部。单电池堆将膜电极接合体和隔 板层叠，并且将端板配置在层叠方向两端而构成，上述膜电极接合体由阳 极电极、阴极电极、以及存在于这些电极之间的电解质膜构成。在单电池 堆中，需要将阳极电极、阴极电极、以及电解质膜相互紧密地层叠。这不 仅是为了均匀地进行电化学反应。在端板或隔板上，设置有使作为燃料和 氧化剂的氧(空气)流通的槽。因此，需要以燃料或氧不从端板或隔板和 阳极电极、阴极电极之间泄漏的方式紧密地层叠。 一般地，单电池堆以如 下方式紧固。与单电池堆的接触面比单电池堆大的背板重叠在单电池堆的 层叠两端。而且，将两背板的溢出部分的整个周面用多个螺栓和螺母的组 合夹紧(例如专利文献l)。
但是，在这样用螺栓和螺母夹紧背板的情况下，仅组合螺栓和螺母的 部分就使得燃料电池堆相对于单电池堆变大。因此，用于小型电子设备时 占用的体积变大。另外，由于在单电池堆的外侧通过螺栓和螺母夹紧背板， 所以，背板反过来，单电池堆中央部的夹紧力变小。为了防止这一点而使
5端板变厚，此时，燃料电池堆变得更大。
专利文献1日本特开2006—294366号公报
发明内容
本发明是一种占用体积小、并且均匀地紧固膜电极接合体或膜电极接 合体与隔板或端板的燃料电池堆。
本发明的燃料电池堆具有膜电极接合体、 一对端板、以及第1板簧。 膜电极接合体和端板构成燃料电池单电池。膜电极接合体层叠阳极电极、 阴极电极、夹在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜而构成。端板以从膜 电极接合体的层叠方向两侧夹住膜电极接合体的方式配置。第1板簧在层 叠方向上紧固膜电极接合体和端板。第1板簧的截面为C字型形状，并具 有推压端板的2个臂部和连结2个臂部的连结部。这样，通过以截面为C 字形形状的第1板簧紧固燃料电池单电池，从而，与通过螺栓和螺母紧固 的情况相比，能够减小燃料电池堆。另外，能够在膜电池接合体的面方向 上包含中央部地均匀地紧固燃料电池堆。根据这样的本发明，能够减小燃 料电池堆整体的占用面积，并且能够均匀地紧固燃料电池单电池。
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池的结构的框图。 图2是本发明的实施方式的燃料电池堆的立体图。 图3是图2所示的燃料电池堆的截面图。
图4是表示图2所示的燃料电池堆的主要部分的大致结构的放大截面图。
图5A是用于图2所示的燃料电池堆的第1板簧的侧视图。 图5B是图5A所示的第1板簧的连结部的放大图。 图5C是图5A所示的第1板簧的臂部的放大图。
图6是用于将第1、第2板簧嵌入本发明的实施方式的燃料电池堆的工 具的立体图。 符号说明 1燃料电池堆2正极端子 3负极端子4燃料箱5燃料泵6空气泵7控制部11第1板簧11A前端11B臂部11C连结部11D凸部11E弹簧材料11F绝缘层11G光滑层12第2板簧14、 15背板14A、 15A突起14B、 15B切口部16单电池堆17、 18端板20空间31阳极电极31A、 32A扩散层31B、 32B微多孔层(MPL)31C、 32C催化剂层32阴极电极33电解质膜34隔板35膜电极接合体(MEA) 41工具42爪部43A、 43B保持部 44驱动部 45支承部具体实施方式
接下来，参照附图，以直接甲醇型燃料电池(DMFC)为例对本发明的 实施方式进行说明。另外，本发明根据本说明书中记载的基本特征限定， 而不限定于以下所记载的内容。 (实施方式)图1是表示本发明的实施方式的燃料电池的结构的框图。图2、图3 分别是本发明的实施方式的燃料电池堆的立体图和截面图，图4是表示该 燃料电池堆的主要部分的大致结构的放大截面图。该燃料电池具有燃料电池堆1、燃料箱4、燃料泵5、空气泵6、和控 制部7。燃料电池堆1具有起电部，产生的电力从正极端子2和负极端子3 输出。燃料泵5将燃料箱4中的燃料供给到燃料电池堆1的阳极电极31 。 空气泵6将作为氧化剂的空气供给到燃料电池堆1的阴极电极32。控制部 7将电力供给到燃料泵5和空气泵6，并控制它们的驱动。即，燃料箱4、 燃料泵5、以及控制部7构成将燃料供给到燃料电池堆1内的阳极电极31 的燃料供给部。另一方面，空气泵6和控制部7构成将氧化剂供给到燃料 电池堆l内的阴极电极32的氧化剂供给部。如图4所示，作为燃料的甲醇 水溶液供给到阳极电极31，空气供给到阴极电极32。另外，燃料供给部和 氧化剂供给部不限定于上述结构。如图2、图3所示，燃料电池堆1具有单电池堆16、背板14、 15、第 1板簧11和第2板簧12。单电池堆16具有作为起电部的膜电极接合体 (MEA) 35、以夹住MEA35的方式配置的隔板34、一对端板17、 18。端 板17、 18从MEA35的层叠方向两端、即MEA35和隔板34的层叠方向两 端夹住MEA35和隔板34。如图4所示，MEA35层叠阳极电极31、阴极电 极32、以及存在于阳极电极31和阴极电极32之间的电解质膜33而构成。阳极电极31从隔板34 —侧开始顺次地层叠扩散层31A、微多孔层(MPL) 31B、催化剂层31C而构成。阴极电极32也从隔板34 —侧开始 顺次地层叠扩散层32A、微多孔层(MPL) 32B、催化剂层32C而构成。 正极端子2电气地连接于阴极电极32，负极端子3电气地连接于阳极电极 31。扩散层31A、 32A例如由碳纸、碳毡、以及碳布等构成。MPL31B、 32B 例如由聚四氟乙烯或四氟乙烯'六氟丙烯共聚物和碳构成。催化剂层31C、 32C通过以下方式形成，即，使白金或钌等适用于各电极反应的催化剂在 碳表面高分散，以粘合剂结合该催化剂体。电解质膜33由透过氢离子的离 子交换膜、例如全氟磺酸.四氟乙烯共聚物构成。端板17、 18、隔板34由 碳材料或不锈钢构成，并且设置有将燃料或空气供给到阳极电极31、阴极 电极32的槽。背板14配置于单电池堆16的阳极电极31顶U，背板15配置于阴极电 极32侦ij。背板14、 15由绝缘性的树脂或陶瓷、或者包含玻璃纤维的树脂、 覆盖绝缘膜的金属板等构成。第l板簧ll、第2板簧12经由背板14、 15并借助其弹力夹紧单电池 堆16。第2板簧12以面向第1板簧ll的方式配置。第l板簧ll、第2板 簧12由弹簧钢材料等构成。图5A是用于燃料电池堆1的第1板簧11的侧视图。第1板簧11具有 推压单电池堆16的2个臂部11B和连结它们的连结部IIC，截面为C字形 状。另外，第2板簧12具有与第1板簧11相同的形状，因此省略说明。接下来，对燃料电池堆l的动作进行简单的说明。如图l、图4所示， 含有甲醇的水溶液通过燃料泵5供给到阳极电极31。另一方面，通过空气 泵6加压的空气被供给到阴极电极32。作为供给到阳极电极31的燃料的甲 醇水溶液和由其产生的甲醇和水蒸气通过扩散层31A在MPL31B的整个面 上扩散。它们进一步通过MPL31B到达催化剂层31C。另一方面，供给到阴极电极32的空气中含有的氧通过扩散层32A在 MPL32B的整个面上扩散。氧进一步通过MPL32B到达催化剂层32C。到 达催化剂层31C的甲醇进行(1)式所示的反应，到达催化剂层32C的氧 进行(2)式所示的反应。<formula>formula see original document page 9</formula>其结果是产生电力，并且，作为反应生成物，分别在阳极电极31侧产生二氧化碳，在阴极电极32侧产生水。二氧化碳排出到燃料电池外。另外， 在阴极电极32不反应的氮等气体和未反应的氧也被再次排出到燃料电池 外。由于水溶液中的甲醇不会在阳极电极31侧完全反应，所以， 一般如图 1所示那样将排出的水溶液送回到燃料泵5。由于在阳极电极31的反应中 水被消耗，所以，如图1所示，也可以将在阴极电极32产生的水送回到阳 极电极31侧。在本实施方式中，使用第1板簧11和第2板簧12，经由背板14、 15 紧固单电池堆16。第1板簧11、第2板簧12如图3所示，沿着单电池堆 16的外形极其紧凑地紧固单电池堆16。 g口，在单电池堆16的侧面，无效 空间(dead space)极小，与以往的通过螺栓和螺母紧固的情况相比，能够 使燃料电池堆l变小。在以往的通过螺栓和螺母紧固的情况下，在单电池堆的外侧存在推压 点，将第1板簧11、第2板簧12、单电池堆16的比较靠近中央的位置作 为推压点。因此，在背板14、 15的面方向上，推压力均匀地作用在单电池 堆16上。通过这样的推压力，能够均匀地紧固单电池堆16整体，如(1) 式、(2)式所示的电化学反应在MEA35的面方向上均匀地进行。其结果是， 燃料电池堆1的电流电压特性提高。如图5A所示，优选第l板簧ll、臂部11B分别具有向截面C字形的 内侧突出的凸部IID。通过在凸部IID上从单电池堆16的层叠方向两侧推 压单电池堆16，与在臂部11B的整体的面上推压的情况相比，推压点确定。 因此，能够稳定地固定单电池堆16。与在臂部11B的前端推压的情况相比， 能够减小推压力的不均匀。另外，凸部11D的形状如图5A所示，优选圆 筒面。由此，嵌入第1板簧11时的作业性提高。具体为，当单电池堆16的层叠方向的长度为19.1mm、背板14、 15的 厚度为1.5mm时，以厚度0.5mm的弹簧钢材料构成第1板簧11和第2板 簧12。而且，如果它们的弯曲弹性模量为206，000MPa，则能够使平均 0.21MPa的推压力作用于MEA35上。另外，MEA35的面方向的压力不均 为4%以下。在该结构的单电池堆16中，如果MEA35的推压力为0.15MPa 以上，则实验可知发电特性不会降低。因此，通过使用这样的第l板簧ll、第2板簧12，能够确保必要的推压力。
接下来，使用图5A到图5C对第1板簧11、第2板簧12的优选形态 进行说明。图5B是第1板簧11的连结部11C的放大图，图5C是第1板 簧11的臂部11B的放大图。如上所述，第2板簧12与第1板簧11的结构 相同，所以，在这里以第l板簧ll为例并作为代表进行说明。
如图5A所示，优选第1板簧11的连结部11C在将第1板簧11从背 板14、 15取下的状态下具有平面形状。即，在使第1板簧11变形的初期 状态下，优选连结部11C具有平面形状。 一般地，由于截面C字形形状的 板簧的连结部在嵌入时容易弯曲，所以，在解放状态下构成曲面。与此相 对，在本实施方式中，连结部11C在从单电池堆16、背板14、 15取下的 状态下具有平面形状。这样形状的第l板簧ll容易制造。另外，嵌入背板 14、 15吋向连结部11C的内侧的突出变小。其结果是，连结部11C和臂部 11B之间的弯曲部分向外侧突出的尺寸变小。因此，能够进一步减小燃料 电池堆l的占用体积。
如图5B所示，优选至少在第1板簧11的截面C字形的内侧的连结部 IIC上，在弹簧材料IIE的上面设置绝缘层IIF。当对单电池堆16施加与 层叠方向不同方向的偏移力时，单电池堆16从背板14、 15偏离并接触第1 板簧ll，在单电池堆16内存在发生短路的可能性。与之相对，通过如上述 那样设置绝缘层IIF，能够防止这样的短路的发生。
如图5C所示，优选至少在第1板簧11的截面C字形的内侧的臂部11B 设置光滑层IIG。光滑层11G和背板14、 15的摩擦比构成第1板簧11的 弹簧材料IIE和背板14、 15的摩擦小。在设置凸部11D的情况下，如图 5C所示，至少在凸部IID上设置光滑层IIG即可。这样，通过设置光滑 层IIG，将第1板簧11嵌入单电池堆16时的作业性提高。另外，在嵌入 后，容易对第l板簧的位置进行微调。
接下来，使用图6对将第1板簧11、第2板簧12嵌入夹在背板14、 15间的单电池堆16的顺序进行说明。图6是用于将第1板簧11、第2板 簧12嵌入单电池堆16的工具的立体图。另外，在这里作为代表，仅对插 入第1板簧11的顺序进行说明。
工具41具有爪部42、分别具有爪部42的保持部43A、 43B、使保持部43A上下移动的驱动部44、以及支承部45。首先，通过驱动部44使保 持部43A下降，将第1板簧11的前端11A挂在2个爪部42上，并将第1 板簧11安装在支承部45上。接下来，通过驱动部44将保持部43A升起， 扩大第1板簧11的臂部IIB彼此之间的空间。
另一方面，压縮夹在背板14、 15之间的单电池堆16。由于扩散层31A、 32A由碳纸等体积大的材料构成，所以，通过压縮，隔板34紧密附着于 MEA35。在该状态下，使用工具41，使第1板簧11从臂部11B —侧覆盖 背板14、 15所夹的单电池堆16。然后，通过驱动部44使保持部43A下降， 由此，臂部11B分别抵接于背板14、 15。这样，能够对背板14、 15所夹 的单电池堆16嵌入第1板簧11。该作业与以往的使用螺栓和螺母的紧固作 业相比，能够以极短的时间进行。另外，不会因螺栓的拧入不均而产生推 压力的不均。
另外，在这样安装第1板簧11时，优选第1板簧11的臂部11B的前 端11A以从背板14、 15离开的方式形成。通过使用这样的形状的第1板簧， 在臂部11B分别抵接背板14、 15时，容易将前端11A从爪部42取下。因 此，作业性提高。
如图2、图3所示，优选背板14、 15分别具有突起14A、 15A,该突 起14A、15A向单电池堆16的MEA35与端板17、 18的层叠方向外侧突出。 而且，优选第1板簧11的前端IIA抵接于突起14A、 15A。当对单电池堆 16嵌入第1板簧11时，通过使第1板簧11的前端IIA抵接于设置在背板 14、 15上的突起14A、 15A，能够使第1板簧11对于单电池堆16的嵌入 位置稳定。特别是，在臂部11B上设置凸部11D的情况下，通过适当地设 计背板14、 15上设置的突起14A、 15A的尺寸和从前端11A开始到凸部 11D为止的尺寸，能够将凸部11D可靠地设置在最合适的推压位置。
如图2、图3所示，优选在设置于背板14、 15的突起14A、 15A上分 别设置有切口部14B、 15B。切口部14B、 15B在第2方向上延伸，并与第 2方向平行地设置在突起14A、 15A上，上述第2方向垂直于第1板簧11 和第2板簧12相对的第1方向。通过在突起14A、 15A上设置切口部14B、 15B，能够将保持部43A、 43B收容在切口部14B、 15B中。因此，将第1 板簧11和第2板簧12嵌入单电池堆16时的作业性提高。优选在第1板簧11的连结部11C和包含MEA35、端板17、 18的单电 池堆16之间设置空间20。空间20可以作为冷却单电池堆16的风道使用。
另外，在以上的说明中，对以下情况进行了说明，即，使用多个MEA35， 在MEA35彼此之间配置隔板34,在层叠方向两端配置端板17、 18并构成 单电池堆16,另外，在其外侧配置背板14、 15。但是，本发明不仅限定于 该结构。也可以将单个的MEA35从MEA35的层叠方向两侧用端板17、 18 夹住，并仅通过第1板簧11将MEA35和端板17、 18在层叠方向上紧固。 在该情况下，优选第1板簧11以推压端板17、 18的中央附近的方式构成。 当然，在该结构中也可以使用第2板簧12。另外，在图2中分别使用多个 第1板簧1和第2板簧12，但是，也可以对应于单电池堆6的大小一个 一个地使用。这样推压的对象可以是单电池也可以是单电池堆。板簧可以 是1个，也可以是多个，另外，可以是l组也可以是多组。
但是，通过在第1板簧11之外使用第2板簧12，能够不显著地增大燃 料电池堆1而可靠地在MEA35的面方向上均匀地紧固燃料电池单电池或单 电池堆。
优选设置背板14、 15，并以与端板17、 18不同的材料构成背板14、 15。由此，能够使直接受到第1板簧11的推压力的背板14、 15和兼作燃 料和氧化剂的流路的端板17、 18最优化。例如，通过以比端板17、 18硬 的材料构成背板14、 15，能够抑制由于第1板簧11的推压力而引起的背板 14、 15的变形。其结果是，在MEA35的面方向上，能够更均匀地紧固燃 料电池单电池或单电池堆。另外，通过以绝缘材料构成背板14、 15，不需 要再考虑第1板簧11的臂部11B引起的短路。
在不使用背板14、 15的情况下，第1板簧11 (以及第2板簧12)的 截面C字形的内侧形成绝缘膜，不会由于第1板簧11而产生短路。即，不 需要背板14、 15。在不使用背板14、 15的情况下，优选在端板17、 18上 设置相当于突起14A、 15A的突起或者与切口部14B、 15B相当的切口部。 另夕卜，优选至少在第l板簧ll (以及第2板簧12)的截面C字形的内侧的 臂部11B设置光滑层，该光滑层与构成第1板簧11的弹簧材料IIE相比， 与端板17、 18的摩擦小。该光滑层相当于光滑层IIG。另夕卜，优选第l板 簧ll (以及第2板簧12)的臂部11B的前端11A从端板17、 18分离。
13在本实施方式中，以DMFC为例进行说明，但是，只要是使用与单电 池堆16相同的发电元件的燃料电池，也可以适用本发明的结构。例如，能 够适用于以氢为燃料的所谓的高分子固体电解质燃料电池和甲醇改良型燃 料电池等。
另外，能够适用于作为发电元件的一次电池或作为蓄电元件的二次电 池，以及层叠形成电容器的各要素而构成的层叠体。另外，也可用于层叠 单位发电元件或单位蓄电元件而构成的层叠堆。
工业实用性
在本发明的燃料电池堆以及使用其的燃料电池中，以板簧紧固燃料电 池单电池或者单电池堆。通过这样的简单的结构，能够紧凑地构成燃料电 池堆，并且，能够均匀地紧固膜电极接合体、或者膜电极接合体与隔板或 者端板。这样的燃料电池堆以及使用其的燃料电池作为小型电子设备的电 源特别有效。
权利要求
1、一种燃料电池堆，具有膜电极接合体，该膜电极接合体层叠阳极电极、阴极电极、以及夹在上述阳极电极和上述阴极电极之间的电解质膜；一对端板，该一对端板从上述膜电极接合体的层叠方向两侧夹住上述膜电极接合体；第1板簧，该第1板簧在上述层叠方向上紧固上述膜电极接合体和上述端板，上述第1板簧的截面为C字形形状，并具有推压上述端板的2个臂部和连结上述2个臂部的连结部。
2、 如权利要求l所记载的燃料电池堆，其特征在于，具有多个上述膜 电极接合体，并且，在多个上述膜电极接合体彼此之间设置隔板而构成单 电池堆。
3、 如权利要求l所记载的燃料电池堆，其特征在于，上述第l板簧在 上述臂部具有向上述截面C字形的内侧突出的凸部。
4、 如权利要求l所记载的燃料电池堆，其特征在于，上述第l板簧的 上述臂部的前端从上述端板离开。
5、 如权利要求l所记载的燃料电池堆，其特征在于，上述端板具有向 上述膜电极接合体和上述端板的层叠方向外侧突出的突起，使上述第1板 簧的上述臂部的前端抵接于上述突起。
6、 如权利要求5所记载的燃料电池堆，其特征在于，在上述突起上设 置切口部。
7、 如权利要求l所记载的燃料电池堆，其特征在于，在上述第l板簧 的上述截面C字形的内侧设置绝缘层。
8、 如权利要求l所记载的燃料电池堆，其特征在于，至少在上述第l 板簧的上述截面C字形的内侧的上述臂部设置光滑层，与构成上述第1板 簧的弹簧材料相比，该光滑层与上述端板的摩擦小。
9、 如权利要求l所记载的燃料电池堆，其特征在于，在将上述第l板 簧从上述端板取下的状态下，上述第1板簧的上述连结部为平面形状。
10、 如权利要求1所记载的燃料电池堆，其特征在于，在上述第1板 簧的上述连结部和上述膜电极接合体、上述端板之间设有空间。
11、 如权利要求1所记载的燃料电池堆，其特征在于，还具有第2板 簧，该第2板簧以面对上述第1板簧的方式配置在相对于上述膜电极接合 体和上述端板的层叠方向垂直的方向上，上述第2板簧的截面为C字形形状，并具有推压上述端板的2个臂部 和连结上述2个臂部的连结部。
12、 如权利要求1所记载的燃料电池堆，其特征在于，在上述膜电极 接合体和上述端板的层叠方向上的上述端板的外侧，还具有一对背板，上 述第1板簧经由上述背板推压上述端板。
13、 如权利要求12所记载的燃料电池堆，其特征在于，上述第l板簧 的上述臂部的前端从上述背板离开。
14、 如权利要求12所记载的燃料电池堆，其特征在于，上述背板具有 向上述膜电极接合体和上述端板的层叠方向外侧突出的突起，使上述第1 板簧的上述臂部的前端抵接于上述突起。
15、 如权利要求14所记载的燃料电池堆，其特征在于，在上述突起上 设置切口部。
16、 如权利要求12所记载的燃料电池堆，其特征在于，至少在上述第 1板簧的上述截面C字形的内侧的上述连结部设置绝缘层。
17、 如权利要求12所记载的燃料电池堆，其特征在于，至少在上述第 1板簧的上述截面C字形的内侧的上述臂部设置光滑层，与构成上述第1 板簧的弹簧材料相比，该光滑层与上述背板的摩擦小。
18、 如权利要求12所记载的燃料电池堆，其特征在于，在将上述第l 板簧从上述背板取下的状态下，上述第l板簧的上述连结部为平面形状。
19、 如权利要求12所记载的燃料电池堆，其特征在于，还具有第2板 簧，该第2板簧以面对上述第1板簧的方式配置在相对于上述膜电极接合 体和上述端板的层叠方向垂直的方向上，上述第2板簧的截面为C字形形状，并具有推压上述背板的2个臂部 和连结上述2个臂部的连结部。
20、 一种燃料电池，具有权利要求1记载的燃料电池堆； 向上述阳极电极供给燃料的燃料供给部；和 向上述阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给部。
全文摘要
在燃料电池堆中，层叠膜电极接合体和隔板并以一对端板从层叠方向的两侧夹住而构成的单电池堆，通过第1板簧在层叠方向上夹紧并紧固。第1板簧的截面为C字形形状，并具有推压一对端板的2个臂部和连结这些臂部的连结部。
文档编号H01M8/24GK101682073SQ20088002030
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月12日 优先权日2007年6月18日
发明者福田真介, 高津克巳 申请人:松下电器产业株式会社