平面型高分子电解质型燃料电池用隔板以及燃料电池的制作方法

文档序号:7145528阅读:182来源:国知局
专利名称:平面型高分子电解质型燃料电池用隔板以及燃料电池的制作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池,特别是平面型高分子电解质型燃料电池用隔板以及使用该隔板的高分子电解质型燃料电池。
背景技术
燃料电池,简单地说,就是从外部连续供给燃料(还原剂)和氧气或空气(氧化剂),使它们发生电化学反应而取出电能的装置,按照其运行温度、所用燃料的种类、用途等分类。而最近,主要按照所使用电解质的种类,一般分为固体氧化物型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、磷酸型燃料电池、高分子电解质型燃料电池、碱水溶液型燃料电池等5大类。
这些燃料电池,是将由甲烷等生成的氢气作为燃料的,但最近,作为燃料直接使用甲醇水溶液的直接用甲醇型燃料电池(以下也称作DMFC)已经公知。
其中,将固体高分子膜夹在两种电极之间,并将这些部件以隔板夹在中间而构成的固体高分子型燃料电池(以下也称作PEFC)引人瞩目。
该PEFC,一般采用的是,由固体高分子膜的两侧分别配置有电极的单元电池多个层叠而成的、根据其电动势目标值相应地做得较大的组套结构。设置在单元电池之间的隔板,一般来说,在其一个面上,形成有用来向相邻的单元电池供给燃料气体的燃料气体供给用槽。这种隔板,是沿着隔板面供给燃料气体、氧化剂气体的。
作为PEFC的隔板,已经公知的有,对石墨板进行切削而加工出槽而成的隔板、树脂中混炼有碳的混合物的模压隔板、以腐蚀等方法加工出槽的金属制造的隔板、将金属材料的表面部分以耐腐蚀性树脂覆盖而成的隔板等。这些隔板,均根据需要形成有燃料气体供给用槽以及/或者氧化剂气体供给用槽。
除了这种结构的燃料电池之外,人们有时还需要例如便携式终端用的燃料电池等不需要很高电动势的、平面型的、尽可能薄的燃料电池。但是,将多个单元电池平面排列、并将它们在电气上串联连接的平面型燃料电池,存在着在某些场合燃料及氧气的供给不均匀等问题。
因此,为了改善该燃料供给不均匀性,有人提出这样一种结构的隔板,即,在与膜电极复合体(MEA)相接触的隔板的面上,沿垂直方向形成有多个通孔,从该通孔供给燃料及氧气。
在这里,将包括位于燃料电池的燃料供给侧隔板和氧气供给侧隔板之间的电极部在内的复合体,比如说,由集电体层、燃料电极、高分子电解质、氧气极、集电体层按照顺序层叠而成的像膜那样的复合体,称作膜电极复合体(MEA)。
但是,在如上构成的隔板例如仅由金属材料形成的场合,从强度考虑需要增加隔板的厚度,要减轻燃料电池的重量是困难的。
如上所述,近年来,燃料电池被广泛使用的可能性在增大,作为PEFC,人们也要求制造出平面型的、尽可能薄的燃料电池。而作为隔板,要求其具有足够的强度、重量进一步减轻,而且要求其在用于高分子电解质型燃料电池中时,能够防止单元电池内部的燃料、水份等从燃料供给面之外泄漏到单元电池外部,具有密封功能。
发明的公开本发明是为满足上述要求而提出的,其目的是,提供一种保证达到作为隔板所需要达到的强度的、满足进一步减轻重量的要求的隔板,此外,提供一种除了保证达到作为隔板所需要达到的强度、满足进一步减轻重量的要求的隔板之外,还能够在用于高分子电解质型燃料电池时,防止单元电池内部的燃料、水份等从燃料供给面之外泄漏到单元电池外部的、具有密封功能的隔板。
同时,提供一种,使用这种隔板,并利用现有的双面印刷线路板的正反面连接方法将单元电池简便地连接起来,使得减轻重量和提高强度成为可能的高分子电解质型燃料电池。
为实现上述目的,本发明作为一种,单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池用的、燃料供给侧或氧气供给侧的隔板,具有,将多个以金属板为基体、对应于单元电池在所述基体的表面上直交地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔的隔板构件连接成一体而成的隔板构件连接体,以及,将多个具有与各隔板构件对应的燃料供给用或氧气供给用开口并且是用于单元电池之间绝缘的框部连接成一体而成的、绝缘材料制成的框连接体;该框连接体成一对地将所述隔板构件连接体从其两面进行夹持,并且,所述隔板构件连接体的正反面的框连接体中之一的各框部的开口内可嵌入燃料电池的膜电极复合体(MEA)。
此外,本发明作为一种,单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池用的、燃料供给侧或氧气供给侧隔板,具有,将多个以金属板为基体、对应于单元电池在所述基体的表面上直交地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔的隔板构件连接成一体而成的隔板构件连接体,将多个具有与各隔板构件对应的燃料供给用或氧气供给用开口并且是用于单元电池之间绝缘的框部连接成一体而成的、绝缘材料制成的框连接体,以及,由绝缘材料构成的实心式板材或者在由绝缘材料构成的实心式板材上层叠导电性层而成的层叠基材;所述框连接体以及实心式板材或层叠基材成一对地将所述隔板构件连接体从其两面进行夹持,并且,所述框连接体的各框部的开口内可嵌入燃料电池的膜电极复合体(MEA)。
另外,如前已说明的,在本发明中,将由集电体层、燃料电极、高分子电解质、氧气极、集电极层按照顺序层叠而成的像膜那样的、包括位于燃料电池的燃料供给侧隔板和氧气供给侧隔板之间的电极部在内的复合体,称作膜电极复合体(MEA)。
由于上述本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板如上构成,因此,能够提供一种保证达到作为隔板所需要达到的强度的、满足重量进一步减轻的要求的隔板。此外,由于具有密封材料,因此,能够提供一种,除了保证达到作为隔板所需要达到的强度、满足重量进一步减轻的要求之外,还能够在用于高分子电解质型燃料电池中时,防止各单元电池内部的燃料、水份等从燃料供给面之外泄漏到外部的、发挥密封功能的隔板。
此外,本发明作为一种单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池,这样构成,即,具有隔板构件连接体以及将该隔板构件连接体从两面进行夹持地设置的一对框连接体的一组隔板,中间介有燃料电池的膜电极复合体(MEA)地相向,并且,在所述框连接体的相向的面的开口内嵌入有所述膜电极复合体(MEA),所述隔板构件连接体,由多个以金属板为基体、对应于单元电池在所述基体的表面上直交地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔的隔板构件连接成一体而成,所述框连接体,具有与各隔板构件对应的燃料供给用或氧气供给用的所述开口,并且是由将用于单元电池之间绝缘的框部多个一体地连接的绝缘材料构成。
此外,本发明作为一种单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池,这样构成,即,具有隔板构件连接体、将该隔板构件连接体进行夹持地设置在其一个面上的框连接体、由设置在另一个面上的绝缘材料构成的实心式板材或者在由绝缘材料构成的实心式板材上层叠导电性层的层叠基材的一组隔板,中间介有燃料电池的膜电极复合体(MEA)地相向,并且,在所述框连接体的开口内嵌入有所述膜电极复合体(MEA),所述隔板构件连接体,由多个以金属板为基体、对应于单元电池在所述基体的表面上直交地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔的隔板构件连接成一体而成,所述框连接体,具有与各隔板构件对应的燃料供给用或氧气供给用的所述开口,并且是由将用于单元电池之间绝缘的框部多个一体地连接的绝缘材料构成。
通过使本发明的高分子电解质型燃料电池如上构成,可使得在平面型PEFC中,能够利用现有的双面印刷线路板的正反面连接方法简便地连接单元电池,实现重量的减轻与强度的提高。
附图的简要说明

图1(a)是本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板的实施形式之第1例的俯视图,图1(b)是图1(a)的A1-A2剖面图,图1(c)是图1(a)的A3-A4-A5-A6剖面图。
图2(a)是图1的框连接体从图1(b)的A9一侧进行观察时的俯视图,图2(b)是图1的隔板构件连接体从图1(b)的A9一侧进行观察时的俯视图,图2(c)是图1的框连接体从图1(b)的A9一侧进行观察时的俯视图。
图3(a)是隔板构件连接体一实施形式例的俯视图,图3(b)是图3(a)的B1-B2剖视图,图3(c)是图3(a)的B3-B4剖视图。
图4是本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板的实施形式之第2例的剖视图。
图5(a)是本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板的实施形式之第3例的剖视图,图5(b)是第3例的另一个剖视图。
图6(a)是本发明的高分子电解质型燃料电池的实施形式之第1例的剖视图,是图6(b)的C1-C2剖面的剖视图,图6(b)是图6(a)所示高分子电解质型燃料电池的立体图,图6(c)是展示图6(b)的C3-C4-C5-C6-C7剖面上的配线状态的剖视图。
图7是对配设有框架的状态加以展示的燃料电池的剖视图。
图8是图6所示燃料电池的制作方法的工序图。
图9(c)是图6所示燃料电池的第1变型例的剖视图,图9(a)~图9(c)是第1变型例燃料电池的制造工序图。
图10(d)是图6所示燃料电池的第2变型例的剖视图,图10(a)~图10(d)是第2变型例燃料电池的制造工序图。
图11示出图1(a)中各部件相分离时的状况。
图12示出图4中各部件相分离时的状况。
图13(a)是本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板的实施形式之第4例的俯视图,图13(b)是图13(a)的F1-F2剖面图。
图14是使用图13所示第4例隔板的本发明高分子电解质型燃料电池的剖视图。
发明的最佳实施形式下面,对本发明的实施形式进行说明。
图1~图14中,10是隔板构件连接体,10A、10B是隔板构件连接体以各单元电池为单位分离后的部分(也称作隔板群),10a、10b是隔板构件,11是隔板构件连接体,11a、11b是隔板构件,12、12A、12B、13、13A、13B是框连接体,12a是框部,12b是开口,12c是突起部,13a是框部,13b是开口,13c是突起部,15是通孔,16是单元电池之间分离用通孔,17是槽部,17a是燃料供给槽或氧气供给槽,18a、18b是密封材料,20、21、22是隔板,20a、21a、22a是隔板,30是膜电极复合体(MEA),40是燃料电池,41、42是填充通过物,41a是通孔(隔板间连接用通孔),42b是通孔(配线-隔板间连接用通孔),43、43a是配线,45、45A是通孔,46、46A是孔,50是框架,61是铜箔,61a是配线,62、63是凸起,65是铜箔,70是电镀部,110是隔板构件连接体,112、112A、112B是实心式板材,112c是突起部,113a是框部,113b开口,113、113A、113B是框连接体,115是通孔,120、121、122、125、126、127是隔板,130是导电性层(铜箔)。
另外,图1(a)中的A0和图3中的B0分别表示单元电池区域。
图2、图11、图12中的A7、A8和图3中的B7、B8是相连的部分(也称作相连部)。
首先,对本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板的实施形式之第1例,结合图1、图2、图11进行说明。
第1例的隔板20,是设置在单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池的燃料供给侧或氧气供给侧的隔板。该隔板20,使得燃料或氧气从垂直于隔板的方向供给,是用于制造装设两个单元电池的燃料电池的隔板。
上述隔板20,具有以金属板为基体的隔板构件连接体10以及在该隔板构件连接体10的正反各面上以对隔板构件连接体10进行夹持的状态设置的框连接体12、13。
隔板构件连接体10,是由对应于单元电池的多个隔板构件、图中例子为两个隔板构件10a、10b连接成一体而成。在该隔板构件连接体10上,对应于各单元电池,与表面相垂直地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔15。
此外,框连接体12、13由绝缘材料制成,由用来将单元电池之间绝缘的框部12a、13a连接成一体而成。该框连接体12、13,具有与各隔板构件10a、10b相对应的、燃料供给用或氧气供给用的开口12b、13b。
框连接体12的突起部12c(参照图2(a))以及框连接体13的突起部13c(参照图2(c)),在将框连接体12、隔板构件连接体10、框连接体13层叠起来制作隔板20时,各自嵌入隔板构件连接体10的单元电池之间分离用通孔16内并彼此紧密接触。
此外,设置在隔板构件连接体10的正反各面上的框连接体12、13的开口12b、13b之某一开口,具有燃料电池的膜电极复合体(MEA)可嵌入的形状。
对于以金属板为基体的隔板构件连接体10,也可以至少在基体的燃料电池电解质一侧的表面上,设置由耐腐蚀性(耐弱酸性)、导电性树脂层构成的保护层(未图示)。
作为隔板构件连接体10,只要能够耐受所使用的燃料,具有耐腐蚀性(耐弱酸性)、导电性,并能够获得既定的强度即可,对其并无特别限制。
隔板构件连接体10的金属基体,是经过机械加工、采用照像平版印刷技术的腐蚀加工而加工成既定形状的,在本例中,是以上述方法形成燃料供给用或氧气供给用通孔15、单元电池之间分离用通孔16的。
单元电池之间分离用通孔16,在单元电池之间呈狭缝状,以在制作燃料电池时可将相连的部分(相当于图2(b)中所示的A7、A8)切开而构成。
本例的A7、A8部,在制作燃料电池时被切除,使得隔板构件连接体10的各隔板构件10a、10b以单元电池为单位分离。
隔板构件连接体10所使用的金属基体的材质,以导电性良好、可得到既定强度、加工性良好者为宜,可列举出不锈钢、冷轧钢板、铝等。
此外,作为在金属基体的表面部分设置具有耐酸性且具有导电性的树脂膜的方法,可列举出,使用树脂中混合有碳微粒、耐腐蚀性金属等导电材料而成的材料通过电沉积形成膜,加热使之固化的方法,以及,通过电解聚合形成导电性高分子所构成的树脂中含有可提高导电性的掺杂剂的膜等方法等。
作为本发明,也可以在作为隔板构件连接体10的基体的金属板的表面,实施镀金等电镀处理,从而在不降低隔板表面的导电性的情况下设置耐腐蚀性金属层。
此外,作为本发明,也可以将隔板构件连接体10做成,在耐腐蚀性金属层上还设置有具有耐酸性且具有导电性的树脂膜的结构。
作为设置镀金层等耐腐蚀性金属层的方法,可以采用通常的电镀处理方法,在这里省略详细说明。
上述电沉积,是将具有电沉积性的各种阴离子性或者阳离子性合成树脂,作为旨在通过电沉积形成树脂膜的电沉积液使用,并且在导电材料分散于电沉积液中的状态下进行。
另外,虽然通过电沉积形成的树脂膜的树脂本身不具有导电性,但由于是在树脂中混入有导电性材料的状态下形成膜的,因此作为树脂膜呈现出导电性。
作为可使用的阴离子性合成树脂,可以单独使用丙烯酸树脂、聚酯树脂、顺丁烯二酸酐化油树脂、聚丁二烯树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂等树脂,或者使用由这些树脂任意组合而成的混合物。
还可以将上述阴离子性合成树脂与三聚氰胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂等交联性树脂一起使用。
此外,作为可使用的阳离子性合成树脂,可以单独使用丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、聚丁二烯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂等树脂,或者使用由这些树脂任意组合而成的混合物。还可以将上述阳离子性合成树脂与聚酯树脂、聚氨酯树脂等交联性树脂一起使用。
此外,为使上述树脂具有粘附性,根据需要还可以添加松香类、萜烯类、石油树脂等增加粘附性的树脂。
上述树脂,是经碱性或酸性物质中和而以可溶化于水中的状态或分散于水中的状态进行电沉积的。即,对于阴离子性合成树脂,以三甲胺、二乙胺、二甲基胆胺(dimethylethanolamine)、二异丙醇胺等胺类、氨、苛性碱等无机碱进行中和。对于阳离子性合成树脂,以乙酸、甲酸、丙酸、乳酸等酸进行中和。之后,将经过中和的可溶化于水的树脂,以分散于水中或溶解于水中的方式在以水稀释的状态下使用。
在采用电沉积法形成树脂膜的场合,作为混合于树脂中的导电性材料,可列举出碳微粒、耐腐蚀性金属等,但只要能够得到耐酸性且导电性的树脂层,并不限于这些材料。
而电解聚合,一般是将电极浸渍在作为单体含有芳香族化合物的电解液中并通电而进行,是以电化学方式进行氧化或还原而实现聚合的方法,这是一种广为熟知的方法,故在这里省略详细的说明。
通过电解聚合,可以直接将导电性高分子合成为薄膜状,但在本例中,使得电解聚合而成的树脂中含有可提高导电性的掺杂剂。
要使这种电解聚合而成的树脂中含有进一步提高导电性的掺杂剂,可采用在电解聚合时进行使之含有掺杂剂的电化学式杂质掺杂,或者,在电解聚合后,将通过电解聚合形成的导电性树脂(高分子)浸渍在掺杂剂液体中、或浸渍在含有掺杂剂分子的溶液中进行液相杂质掺杂等方法。
另外,也可以在聚合后将阴极和阳极短路、或者施加反向电压使该掺杂剂被除去或中和,还可以对电压进行控制实施可逆性掺杂、脱掺杂来控制掺杂剂浓度。
在通过电解聚合形成树脂膜时所能够使用的掺杂剂之中,作为给予电子的施主型掺杂剂,可列举出碱金属、烷基铵离子(alkylammonium ions)等。而作为吸收电子的受主型掺杂剂,可列举出卤素类、路易斯酸(Lewisacid)、质子酸(protonic acid)、过渡性金属卤化物、有机酸等。
作为设置在隔板构件连接体10的正反面上的框连接体12、13,其材质最好是,具有绝缘性、加工性良好、重量轻、机械强度大的材料。作为这种材料,可使用印刷线路板用底板材料等,例如可列举出玻璃纤维增强环氧树脂、聚酰亚胺等。
具有所希望形状的框连接体12、13的形成,可采用机械加工、激光加工等方法。
作为本例隔板20的制作方法,可列举出,使采用前述方法单独制作出来的隔板构件连接体10与框连接体12、13对好位置后,将它们压接在一起的方法。
例如有,涂布环氧树脂等粘接剂,在各部分重叠的状态下使粘接剂固化而固定的方法。
作为可用于这种场合的粘接剂,只要在制造过程中不会对其它部件产生影响,而且,用在燃料电池中时,相对于燃料电池的运行条件具有优异的耐受性即可,并无特别限制。
此外还有,采用呈半固化状态的预浸树脂材料形成框连接体的局部或全部并施加压力将其固定的方法。
另外,如图1~图2所示,第1例的隔板20,是用来制作装设两个单元电池的燃料电池的隔板,但用来制作装设3个以上单元电池的燃料电池的隔板也是同样的。
即,可列举出,作为与第1例同样的隔板,增加了隔板构件(相当于图1的10a、10b)的、制作以与第1例同样的结构装设3个以上单元电池的燃料电池的隔板。
作为第1例的隔板20的变型例,可列举出这样一种隔板,即,使用图3所示的、具有以半腐蚀法形成的垂直于通孔15的槽部17的隔板构件连接体11,以替代隔板构件连接体10。
在这种场合,燃料或氧气是顺沿于隔板20的方向供给的,因此,要通过燃料供给槽或氧气供给槽17a供给。
该变型例也同样,B7、B8部在制作燃料电池时被切除,使得隔板构件连接体11的各隔板构件11a、11b以单元电池为单位分离。
此外,对于上述实施形式的第1例、变型例,也可以列举出,隔板构件连接体以单元电池为单位分离的形式。
这种形式例如是,将图1、图2的A7、A8切除的以及将图3的B7、B8切除的等等。
此外,作为其它的变型例,可列举出,隔板构件连接体10上不设置镀金等耐腐蚀性金属层而只设置由耐腐蚀性、导电性树脂膜层构成的保护层的。
另外,在本例中,框连接体12上设有突起部12c、框连接体13上设有突起部13c,但作为变型例,也可以不设置这些突起部。在这种场合,比如说,是将与这些框连接体12、13相同材料的另外的部件,嵌入隔板构件连接体10的单元电池之间分离用通孔16内,并将该状态下的隔板构件连接体10,以框连接体12、13从两面进行夹持,从而得到隔板20的。
下面,列举本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板的实施形式之第2例。
第2例,是在图1所示实施形式的第1例中,将燃料供给用侧或氧气供给用侧框连接体替换为实心式的而成,其俯视图与图1(a)相同,对应于图1(a)的A3-A4-A5-A6处的剖面与图1(c)相同,对应于图1(a)的A1-A2处的剖面如图4所示。此外,对图4中各部分分离时的状况加以展示的是图12。
如图4所示,第2例的隔板120,具有以金属板为基体的隔板构件连接体110、设置在该隔板构件连接体110的一个面上的平板形状的板材112以及设置在隔板构件连接体110的另一个面上的框连接体113。
板材112由绝缘材料构成。此外,框连接体113由绝缘材料构成,是由用来将单元电池之间绝缘的框部连接成一体而成。该框连接体113,具有与各隔板构件相对应的、燃料供给用或氧气供给用的开口。
在将本例的隔板120用在燃料电池中时,要对实心式板材112进行加工,以形成燃料供给用或氧气供给用开口。
作为框连接体113、实心式板材112,可采用与第1例的框连接体12、13同样的材质,隔板构件连接体110也同样,可采用与第1例的隔板构件连接体10同样的材质。
作为该第2例的变型例,也可列举出与上述第1例的变型例(参照图3)同样的例子。
下面,列举本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板的实施形式之第3例。
第3例,是在第2例的隔板的实心式板材的整个面上再设置铜箔等导电性层而成。其俯视图与图1(a)相同,对应于图1(a)的A1-A2处的剖面如图5(a)所示,对应于图1(a)的A3-A4-A5-A6处的剖面如图5(b)所示。
如图5所示,第3例的隔板125,具有以金属板为基体的隔板构件连接体110、设置在该隔板构件连接体110的一个面上的框连接体113以及由按顺序设置在隔板构件连接体110的另一个面上的平板形状的板材112和导电性层130构成的层叠基材。
在将本例的隔板用于制作燃料电池时,导电性层130是用来进行电气连接的,因而要根据需要将其去除。此外,对于实心式板材112,与第2例同样,要进行形成燃料供给用或氧气供给用开口的加工。
作为导电性层130,列举了铜箔等材料,但并不受此限制。
特别是,作为由实心式板材112与导电性层130组合而成的层叠基材,可列举出单面敷铜板等。
导电性层130之外的各个部分,基本上与第2例相同。
作为该第3例的变型例,也可列举出与上述第1例的变型例(参照图3)同样的例子。
下面,列举本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板的实施形式之第4例。
第4例的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板20a,是在图1所示隔板20上设置密封材料而成。即,如图13所示,在用于高分子电解质型燃料电池中时,为提高单元电池的气密性,设置了将框连接体12、13的各开口12b、13b围起来的密封材料18a、18b。
密封材料18b,用来将构成隔板20a的各层之间密封起来,密封材料18a用来将制作燃料电池时的隔板20a之间密封起来。
在第4例中,密封材料18a、18b,采用的是对框连接体12、13实施槽加工后,将O型环嵌入的方式。作为O型环,使用的是在燃料电池的运行条件下,具有充分的气密性、耐湿性、耐热性、耐酸性、弹性等的氟橡胶等。
作为密封材料18a、18b,也可以在框连接体12、13上通过分配器或丝网印刷涂布液状密封剂而形成。在这种场合,例如可以将液状密封剂涂布在槽加工部内,使之固化而形成密封材料18a、18b。
作为液状密封剂,特开2000-12054号公报所记载的那种全氟橡胶的加硫物、添加有PTFE(聚四氟乙烯的缩写)微粉的液状全氟橡胶的加硫物以及特开2001-325972号公报所记载的异丁烯类共聚物等很适合使用。
密封材料18a、18b之外的各部分,与图1所示第1例的隔板20相同,在此省略其说明。
而第4例的隔板20a的制作方法,也基本上与第1例相同,可列举出,使单独制作的隔板构件连接体10与框连接体12、13对好位置后将它们压接在一起的制作方法。
当然,在图4所示第2例和图5所示第3例的隔板上设置密封材料而成的,也可作为本发明的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板的实施形式之一。
下面,对本发明燃料电池的实施形式之第1例,结合图6进行说明。
为方便起见,电气连接在图6(a)、图6(b)中省略,仅在图6(c)中示出。
本例,是单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池,是将图1所示第1例的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板(与图6(a)的21、22相当)用于燃料供给侧和氧气供给侧两侧而成。并且,是将燃料电池的膜电极复合体(MEA)30,嵌入设置在隔板构件10A、10B正反面的框连接体之一方的各框部(12A、12B)中进行设置而成的。
当然,在本例中,要将图1所示隔板20的隔板构件连接体10的相连的部分A7、A8部分切除,使得以各单元电池为单位分离。
因此,在这种场合,隔板21,利用框连接体12A、13A对隔板构件连接体以各单元电池为单位分离后的部分(也称作隔板群)进行夹持,隔板22,以框连接体12B、13B对隔板构件连接体以各单元电池为单位分离后的部分(也称作隔板群)10B进行夹持。
隔板构件连接体以各单元电池为单位分离后的部分(也称作隔板群)10A、10B之间的框连接体12A、12B加起来的厚度,与膜电极复合体(MEA)30的厚度相同,可将MEA设置成平板状。
此外,本例中,在与图2(b)的单元电池之间分离用通孔16区域相当的、使单元电池之间分离的部分C0处,只有框连接体呈紧密接触的状态存在。
另外,虽然单元电池的数量为两个,但作为与本例同样的燃料电池,还可列举出,增加了隔板构件(相当于图1的10a、10b),并以与本例同样的结构装设3个以上单元电池的燃料电池。
其中的各个框连接体12A、13A以及框连接体12B、13B,不仅仅是在隔板构件的连接部之外将各单元电池绝缘起来,而且还发挥着,在对MEA进行夹持的状态下,防止单元电池内部的燃料、水份等从燃料供给面之外泄漏到外部的密封材料的作用。
作为使隔板21、22紧密接触并保持的方法,可列举出以下方法。第1,在各部件之间使用绝缘性粘接剂的方法。第2,框连接体12A、12B的局部或全部采用预浸树脂材料那样半固化状态的树脂,将各部件重叠后进行一次性热压接的方法。另外,第3,可列举出,将各层层叠之后,如图7所示以框架50等从外部进行机械保持的方法。
第1方法,是例如涂布环氧树脂等粘接剂,在各部件相重叠的状态下,使粘接剂固化的方法。此时所使用的粘接剂,只要在制造过程中不会对其它部件产生影响,并且相对于燃料电池的运行条件具有优异的耐受性即可,对其并无特别限制。此外,也可以不是将粘接剂而是将印刷线路底板所使用的、预浸树脂材料那样半固化状态的树脂片夹入其中。
作为第2方法,通过将框连接体12A、12B的局部或全部改用预浸树脂材料那样半固化状态的树脂片,可使得工序进一步简化。也就是说,是通过在各部件相重叠的状态下进行热压接,从而将燃料电池的单元电池固定的方法。此时所使用的半固化状态的树脂片,只要在制造过程中不会对其它部件产生影响,并且相对于燃料电池的运行条件具有优异的耐受性即可,对其并无特别限制。
第3方法是最简便的方法,只要使用旨在固定、保持燃料电池的单元电池的框架50等结构体组装成电池本体即可。
对本例燃料电池的制造方法的一个例子进行简单说明。
首先,对两个与图1所示隔板20相同的隔板,分别切除其隔板构件连接体10的相连的部分A7、A8(参照图2(b)),以制备以单元电池为单位分离的隔板21、22。
并且,准备好膜电极复合体(MEA)30。
其次,将膜电极复合体(MEA)30放置在隔板21的框连接体12A的开口中。其次,以隔板22的框连接体12B位于膜电极复合体(MEA)30上的状态,将隔板22重叠压接在隔板21上。这样,便能够以隔板21和隔板22将膜电极复合体(MEA)30夹在中间进行夹持。
作为隔板21、22对膜电极复合体(MEA)30进行保持的方法,可采用前述第1方法~第3方法。
其次,进行旨在使单元电池之间串联连接的隔板构件的电气连接,制作成燃料电池。
本例的燃料电池,是采用作为线路板制造技术而已公知的、使用导电性涂膏的填充通过物形成法来实现隔板构件的电气连接的,是如图6(c)所示地实现该连接的。
另外,在本例中,使用的是预先将相连的部分A7、A8切除使之以单元电池为单位分离的隔板21、22。但是,在使用图1所示的、具有相连的部分A7、A8未切除的框连接体的10的隔板20的场合,只要最终将框连接体10的每一单元电池的相连的部分A7、A8切断即可,由此便能够得到本例的高分子电解质型燃料电池。
在这里,对本例燃料电池中单元电池之间的隔板构件的电气连接,结合图8进行说明。
图8示出图6的C3-C4-C5-C6-C7处的不同工序时的剖面。以将膜电极复合体(MEA)30夹住的状态,将隔板21与隔板22重叠压接在一起,使膜电极复合体(MEA)30嵌入于它们之间(图8(a))。之后,用钻头或通过激光照射,在C5-C6之间形成孔45,并在框连接体13A、13B上形成与隔板构件进行连接用的孔46(图8(b))。
其次,采用分配器或丝网印刷等印刷法,将导电性涂膏填充到通孔45和孔46中形成填充通过物41、42(图8(c))。之后,采用分配器或印刷法,再以导电性涂膏形成配线43(图8(d))。
比如说,在向通孔45内进行填充的场合,可以采用丝网印刷等方法涂布导电性涂膏,并在已加工有孔的底板的相反一侧装设抽吸设备以产生负压,从而将导电性涂膏填充到通孔45中。
之后,根据需要,进行干燥、烧结等处理,隔板构件之间的电气连接便完成。
作为导电性涂膏,可列举出,银涂膏、铜涂膏、金涂膏、钯涂膏、钯-银涂膏等。
作为本例燃料电池的第1变型例,可列举出,单元电池之间隔板构件的电气连接如图9(c)所示利用凸起(也称作凸起电极)实现的例子。
图9示出图6的C3-C4-C5-C6-C7处的不同工序时的剖面。
下面,就该第1变型例燃料电池中单元电池之间隔板构件的电气连接,结合图9进行简单说明。
第1变型例,与图6所示实施形式例的燃料电池不同,是将实心式板材112设置在隔板构件连接体110的一个面上的第2例隔板120(参照图4)用于燃料供给侧和氧气供给侧两侧而成的。该例中,膜电极复合体(MEA)30,是嵌入于所使用的隔板121的框连接体113A和隔板122的框连接体113B的开口中而设置的。
下面,就该燃料电池中单元电池之间的隔板构件的电气连接,结合图9进行简单说明。
预先对两个与图4所示隔板120相同的隔板,分别切除其隔板构件连接体110的相连的部分A7、A8(参照图2(b)),以制备以单元电池为单位分离的隔板121、122。
并且,准备好膜电极复合体(MEA)30。
之后,以将膜电极复合体(MEA)30夹住的状态,将隔板121和隔板122重叠压接在一起,使膜电极复合体(MEA)30嵌入于它们之间。之后,将准备好的形成有导电性凸起62、63的铜箔61(图9(a))层叠在其两面上(图9(b))。
使这些部件重叠而紧密接触并加以保持的方法,可应用与上述实施形式例相同的方法。
作为凸起62、63,可采用多次进行导电性涂膏的印刷而形成的凸起,以及,金属线凸起、用导电性涂膏再将金属线凸起覆盖而形成的凸起等。
另外,在制作凸起时,除了使凸起部具有既定高度之外,还要将其前端做得很尖。
之后,采用光蚀刻法对铜箔61进行腐蚀而形成配线61a,隔板构件之间的电气连接便完成(图9(c))。
最后,在实心式板材112A、112B上形成燃料供给用开口、氧气供给用开口(未图示)。
开口部的形成方法,可列举出二氧化碳气体激光法、机械加工法等。
这样,在制造过程中不必相对于外部环境对燃料供给部进行保护,提高了制造过程的自由度,还使操作变得容易。
作为本例燃料电池的第2变型例,可列举出,如图10(d)所示,单元电池之间隔板构件的电气连接以通过电镀形成的通孔实现的例子。
图10也示出图6的C3-C4-C5-C6-C7处的不同工序时的剖面。
第1变型例,与图6所示实施形式例的燃料电池不同,是将如图5所示的实心式板材112和由铜箔构成的导电性层130设置在隔板构件连接体110的一个面上的第3例隔板125(参照图5)用于燃料供给侧和氧气供给侧两侧而成的。该例中,膜电极复合体(MEA)30,是嵌入于所使用的隔板126的框连接体113A和隔板127的框连接体113B的开口中而设置的。
作为由实心式板材112和铜箔构成的导电性层130的层叠基材,可采用无开口部的单面敷铜玻璃纤维增强环氧树脂板等。
下面,就该燃料电池中单元电池之间的隔板构件的电气连接,结合图10进行简单说明。
预先对两个与图5所示隔板125相同的隔板,分别切除其隔板构件连接体110的相连的部分A7、A8(参照图2(b)),以制备以单元电池为单位分离的隔板126、127。
并且,准备好膜电极复合体(MEA)30。
之后,以将膜电极复合体(MEA)30夹住的状态,将隔板126和隔板127重叠压接在一起,使膜电极复合体(MEA)30嵌入于它们之间。之后,将铜箔65层叠在其两面上(图10(a))。
使这些部件重叠而紧密接触并加以保持的方法,可应用与上述实施形式例相同的方法。
其次,在应形成连接部的部位,利用钻头或激光开设用来形成通孔连接部的通过部42A以及通孔45A(图10(b))。
其次,进行去毛刺处理及催化剂活化处理之后,对包括通过部42A、通孔45A的表面部分在内的整个面进行非电解电镀,以电镀层70填充通孔,使正反面导通(图10(c))。
作为非电解电镀,适宜进行非电解镀镍、非电解镀铜等。
非电解电镀,是在以催化剂进行活化处理之后,在既定的电镀液中进行的。通常是镀铜。
其次,对整个正反面进行抗蚀剂制版,将露出于抗蚀剂之外的镀层部分,以氯化亚铁液等作为腐蚀液进行腐蚀,从而形成连接配线43a。之后,清除抗蚀剂,需要时进行清洗处理,便可得到本例的高分子电解质型燃料电池。
另外,在这里,是以镀层填充通孔的,但并不限于此。例如,也可以做成普通的通孔连接部,即,通孔做得较大,经过电镀使正反面导通后,仍处于通孔正反面贯通的状态。
其次,采用光蚀刻法,将镀层70和铜箔65腐蚀成既定形状而形成配线43a,隔板构件之间的电气连接便完成(图10(d))。
最后,在实心式板材112A、112B上形成燃料供给用开口、氧气供给用开口(未图示)。
开口部的形成方法,可列举出二氧化碳气体激光法、机械加工法等。
这样,在制造过程中不必相对于外部环境对燃料供给部进行保护,提高了制造过程的自由度,还使操作变得容易。
其次,对本发明燃料电池的实施形式之第2例,结合图14进行说明。
为方便起见,图中省略了电气连接。
第2例,也是单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池。该例,是将图13所示第4例的平面型高分子电解质型燃料电池用隔板21a、22a,用于燃料供给侧、氧气供给侧两侧而成。此外,与第1例同样,燃料电池的膜电极复合体(MEA)30,是嵌入于隔板构件连接体10A、10B的正反面的框连接体之一方(12A、12B)的开口中而设置的。
并且,是以如前所述的、图8所示的填充通过物连接方式,使单元电池之间的隔板构件实现电气连接的。
该第2例也与第1例同样,图13所示隔板20a的隔板构件连接体10的相连的部分(与图2的A7、A8处相当)被切除而以各单元电池为单位分离。
如上所述,本例采用这样一种结构,即,在图6所示第1例平面型高分子电解质型燃料电池中,替代第1例的隔板20而使用了第4例的隔板20a(与图14的21a、22a相当)。隔板21a、22a的各层之间被密封材料18b密封,而隔板21a、22a之间被密封材料18a密封。因此,与未设置密封材料的图6所示第1例的平面型高分子电解质型燃料电池相比,单元电池的气密性提高。
隔板20a之外的各部分基本上与第1例的平面型高分子电解质型燃料电池相同,制造方法也基本相同。
此外,作为第2例的平面型高分子电解质型燃料电池的变型例,可列举出,单元电池之间的隔板构件的电气连接,以前面所述的、图9所示的前述凸起连接方式实现,或者,以图10所示的通孔连接方式实现的例子。
当然,使用图4所示第2例和图5所示第3例的隔板中设置有密封材料的隔板的平面型高分子电解质型燃料电池,也可作为本发明的平面型高分子电解质型燃料电池的一个例子。
产业上利用的可能性如上所述,本发明的隔板可用于平面型高分子电解质型燃料电池,使用本发明隔板的平面型高分子电解质型燃料电池,可实现减轻重量、提高强度、并提高各单元电池气密性的要求。
权利要求
1.一种单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池用的、燃料供给侧或氧气供给侧的隔板,其特征是,具有,将多个以金属板为基体、对应于单元电池在所述基体的表面上直交地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔的隔板构件连接成一体而成的隔板构件连接体,以及,将多个具有与各隔板构件对应的燃料供给用或氧气供给用开口并且是用于单元电池之间绝缘的框部连接成一体而成的、绝缘材料制成的框连接体;该框连接体成一对地将所述隔板构件连接体从其两面进行夹持,并且,所述隔板构件连接体的正反面的框连接体中之一的各框部的开口内可嵌入燃料电池的膜电极复合体(MEA)。
2.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,所述框连接体上设有槽,以设置在该槽内的O型环作为密封材料。
3.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,在构成隔板的隔板构件连接体与框连接体之间以及框连接体的表面,设置有通过分配器设置的密封材料。
4.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,在构成隔板的隔板构件连接体与框连接体之间以及框连接体的表面,设置有通过印刷设置的密封材料。
5.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,所述隔板构件的一个面上具有与所述通孔连通的槽部。
6.如权利要求5所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,所述槽部是采用半腐蚀法形成的。
7.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,隔板构件具有不损伤其表面导电性的耐腐蚀性金属层。
8.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,隔板构件至少在其作为燃料电池的电解质一侧的表面具有耐腐蚀性(耐弱酸性)且导电性的树脂膜层。
9.如权利要求8所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,所述树脂膜层是通过电沉积、电解聚合或二者之组合而形成的树脂膜层。
10.一种单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池用的、燃料供给侧或氧气供给侧隔板,其特征是,具有,将多个以金属板为基体、对应于单元电池在所述基体的表面上直交地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔的隔板构件连接成一体而成的隔板构件连接体,将多个具有与各隔板构件对应的燃料供给用或氧气供给用开口并且是用于单元电池之间绝缘的框部连接成一体而成的、绝缘材料制成的框连接体,以及,由绝缘材料构成的实心式板材或者在由绝缘材料构成的实心式板材上层叠导电性层而成的层叠基材;所述框连接体以及实心式板材或层叠基材成一对地将所述隔板构件连接体从其两面进行夹持,并且,所述框连接体的各框部的开口内可嵌入燃料电池的膜电极复合体(MEA)。
11.如权利要求10所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,所述框连接体以及所述实心式板材上设有槽,以设置在该槽内的O型环作为密封材料。
12.如权利要求10所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,在构成隔板的隔板构件连接体与框连接体之间、隔板构件连接体与实心式板材之间、框连接体的表面、以及实心式板材的表面,设置有通过分配器设置的密封材料。
13.如权利要求10所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,在构成隔板的隔板构件连接体与框连接体之间、隔板构件连接体与实心式板材之间、框连接体的表面、以及实心式板材的表面,设置有通过印刷设置的密封材料。
14.如权利要求10所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,所述隔板构件的一个面上具有与所述通孔连通的槽部。
15.如权利要求14所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,所述槽部是采用半腐蚀法形成的。
16.如权利要求10所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,隔板构件具有不损伤其表面导电性的耐腐蚀性金属层。
17.如权利要求10所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,隔板构件至少在其作为燃料电池电解质一侧的表面具有耐腐蚀性(耐弱酸性)且导电性的树脂膜层。
18.如权利要求17所述的高分子电解质型燃料电池用隔板,其特征是,所述树脂膜层是通过电沉积、电解聚合或二者之组合而形成的树脂膜层。
19.一种单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池,其特征是,具有隔板构件连接体以及将该隔板构件连接体从两面进行夹持地设置的一对框连接体的一组隔板,中间介有燃料电池的膜电极复合体(MEA)地相向,并且,在所述框连接体的相向的面的开口内嵌入有所述膜电极复合体(MEA),所述隔板构件连接体,由多个以金属板为基体、对应于单元电池在所述基体的表面上直交地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔的隔板构件连接成一体而成,所述框连接体,具有与各隔板构件对应的燃料供给用或氧气供给用的所述开口,并且是由将用于单元电池之间绝缘的框部多个一体地连接的绝缘材料构成。
20.如权利要求19所述的高分子电解质型燃料电池,其特征是,各单元电池朝向相同地平面状地多侧设置,并且,既定的相邻单元电池之间在电气上串联连接,从而将所述多个单元电池串联起来。
21.如权利要求19所述的高分子电解质型燃料电池,其特征是,在位于所述既定的相邻单元电池之间的框连接体上,具有通孔连接部、填充通过连接部、凸起连接部的至少一种,通过上述连接部实现既定的相邻单元电池之间的电气连接。
22.一种单元电池平面排列的平面型高分子电解质型燃料电池,其特征是,具有隔板构件连接体、将该隔板构件连接体进行夹持地设置在其一个面上的框连接体、由设置在另一个面上的绝缘材料构成的实心式板材或者在由绝缘材料构成的实心式板材上层叠导电性层的层叠基材的一组隔板,中间介有燃料电池的膜电极复合体(MEA)地相向,并且,在所述框连接体的开口内嵌入有所述膜电极复合体(MEA),所述隔板构件连接体,由多个以金属板为基体、对应于单元电池在所述基体的表面上直交地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔的隔板构件连接成一体而成,所述框连接体,具有与各隔板构件对应的燃料供给用或氧气供给用的所述开口,并且是由将用于单元电池之间绝缘的框部多个一体地连接的绝缘材料构成。
23.如权利要求22所述的高分子电解质型燃料电池,其特征是,各单元电池朝向相同地平面状地多侧设置,并且,既定的相邻单元电池之间在电气上串联连接,从而将所述多个单元电池串联起来。
24.如权利要求22所述的高分子电解质型燃料电池,其特征是,在位于所述既定的相邻单元电池之间的框连接体以及实心式板材或层叠基材上,具有通孔连接部、填充通过连接部、凸起连接部的至少一种,通过上述连接部实现既定的相邻单元电池之间的电气连接。
全文摘要
一种隔板,具有,由多个以金属板为基体、对应于单元电池与所述基体的表面相垂直地排列设置有多个向燃料电池的电解质供给燃料用的通孔的隔板构件连接成一体而成的隔板构件连接体,以及,由多个具有与各隔板构件对应的燃料供给用或氧气供给用开口并且是用来将单元电池之间绝缘的框部连接成一体而成的、绝缘材料制成的框连接体;该框连接体为一对,用来将所述隔板构件连接体从其两面进行夹持,所述隔板构件连接体的正反面的框连接体之一方的各框部的开口内可嵌入燃料电池的膜电极复合体(MEA)。
文档编号H01M8/02GK1533619SQ03800678
公开日2004年9月29日 申请日期2003年5月13日 优先权日2002年5月15日
发明者前田高德, 八木裕, 纪, 太田善纪 申请人:大日本印刷株式会社
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