专利名称：燃料电池端板和燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及燃料电池端板和燃料电池。特别是涉及适用于具有高分子电解质膜和电极一体化的膜/电极接合体的固体高分子型燃料电池或直接甲醇型燃料电池的燃料电池的端板。
背景技术：
燃料电池，因为是利用电化学方式直接从燃料取出电能，所以其能效高，另外，因为排放物主体是水，具有容易对环保有利等优点。因此，正在尝试应用于汽车、分散电源、信息电子机器等。燃料电池的主要课题之一是防止燃料泄漏。在专利文献1中记述有关于在燃料电池中使用密封垫片作为密封部件的内容。
(专利文献1)WO02/001659(摘要)发明内容我们通过研究发现在将多个单电池叠置而成的层叠型燃料电池时，燃料泄漏的主要原因在于歧管周围。例如，可以举出如下的例子，在层叠型燃料电池中，为了系统的方便，必须使燃料均匀地流过全部多个层叠分离器，由于使大量的燃料同时流入歧管，不仅对分离器的沟道方向，而且对其他方向也有压力，密封会破坏。另一方面，在一个平面内设置多个发电部的平面排列型燃料电池的场合，迄今尚未发现燃料泄漏的主要原因何在。然而，最近，我们通过研究发现，在平面排列型燃料电池的场合，在密封垫片及集电板和粘结集电板的树脂基板之间容易产生间隙，此间隙是引起燃料泄漏的主要原因之一。
本发明的目的为提供一种具有密封性优异的燃料电池端板的燃料电池，特别是适用于平面排列型燃料电池的端板。
本发明，由树脂基板、集电板和密封垫片形成燃料电池端板，并且设置有使集电板的端子连接部与膜/电极接合体不接触的部分。端子连接部，作为一例，为设置成为从树脂基板的侧面露出。这种结构的端板，例如，可以通过使集电板和端子连接部一体成形，将端子连接部弯曲通过树脂基板的内部而从树脂基板的侧面露出而制成。
另外，本发明的特征在于，在高分子电解质膜和电极一体化的膜/电极接合体的两侧具有集电功能的端板的燃料电池中，由树脂基板、集电板和密封垫片形成上述端板，并且设置有使集电板的端子连接部与膜/电极接合体不接触的部分。
根据本发明，可以提供密封性优异的燃料电池端板。
图1(a)、(b)、(c)是本发明的实施例1的燃料电池端板的平面及剖面斜视图。
图2(a)、(b)是根据本发明的实施例的单电池的概略图。
图3是为进行密封性研究而制作的实验装置的概略图。
图4是示出比较例的燃料电池端板的平面图。
图5是示出使用本发明的燃料电池端板的集电板的一例的斜视图。
图6是示出集电板的另一例的斜视图。
图7(a)、(b)是示出具有多个集电板的燃料电池端板的平面图。
图8是示出集电板的另一例的斜视图。
图9(a)、(b)是示出本发明的另一实施例的燃料电池的概略图。
图10(a)、(b)是燃料电池模块的概略图。
图11(a)、(b)是示出单电池间的连接方法的概略图。
图12(a)、(b)是示出关於单电池间的连接方法的另一示例的概略图。
(附图标记说明)1...集电板；2...密封垫片；3...树脂基板；4...燃料电池端板；5a...表面；5b...表面；6...端子连接部；7...沟道；8...贯通孔；9...阳极端板；10...阴极端板；11...膜/电极接合体；11a...电解质膜；11c...阴极催化层；11d...阴极扩散面；11e...阳极扩散层；17...单电池；26...集电板；26a...曲面；26b...曲面；27...沟道；28...端子连接部；29...集电板；29a...平面；29b...平面；30...沟道；31...端子连接部；32...集电板；33...密封垫片；34...树脂基板；35...外部端子连接部；36...燃料电池端板；37...端子连接部；38...沟道；39...贯通孔；40...阳极端板；41...阴极端板；42...MEA；42a...电解质膜 42a；42c...阴极催化层；42d...阴极扩散层；42e...阳极扩散层；50...集电用螺栓；51...集电用螺母具体实施方式
下面对本发明的实施例进行说明，但本发明并不限定于此。
在图1(a)、(b)、(c)中示出本发明的燃料电池端板。燃料电池端板4由集电板1和密封垫片2及树脂基板3构成，例如利用注射成形等进行一体成形。集电板1，由与膜/电极接合体相连接的表面5a和具有端子连接部6的另一表面5b组成。在表面5a上切割出沟道7，通过此沟道7向阳极供给燃料和排出二氧化碳，向阴极供给空气和排出水。另外，通过将端子连接到端子连接部6，可以将发出的电力取出。
燃料电池端板的成形分为两个阶段进行。在第一阶段中，使集电板1和树脂基板3一体化，而在第二阶段中使密封垫片2和树脂基板3一体化。集电板1的材料，优选是采用反应场稳定并且可以集电的物质，除了碳还可以考虑采用金、铂、不锈钢、钛等金属，在实施例1中使用的是钛。但是，由于钛本身会受到在其表面上形成的氧化膜的影响而具有很高的电阻，所以在其表面上施加数μm左右的镀金层。作为密封垫片2的材料，使用反应场稳定的物质并且由于在本实施例中是通过一体成形制作密封垫片2，优选是使用成形性良好的物质。作为一例，可以考虑使用EPDM(乙烯丙烯二烯烃三元共聚物)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、硅树脂等等，在实施例1中使用的是EPDM。树脂基板3的材料，使用反应场稳定、具有用来使燃料电池端板4的基板与电池紧固的适当的硬度，且由于在本实施例中是通过一体成形制作树脂基板3，优选是使用成形性良好的物质。作为一例，可以考虑使用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(聚对苯二甲酸丁二酯)等等，在实施例1中使用的是PBT。另外，在本实施例中，进行集电板1和树脂基板3的一体化，但因为集电板1和树脂基板3不是化学结合，可以预先想到依成形精度的不同在集电板1和树脂基板3之间产生间而使液体流过。另外，在液体流过的场合，优选是使硅树脂流入到间隙之中将间隙填埋。
图1(a)是从可以看到密封垫片一侧观察燃料电池端板的视图，图1(b)是从不能看到密封垫片一侧观察燃料电池端板的视图。从图1(a)、(b)可知，在不能看到密封垫片2一侧是与膜/电极接合体相接的表面5a不露出的结构。图1(c)是示出图1(a)的A-A剖面的斜视图。如图1(c)所示，集电板1，是将原本为一片的板材料通过弯曲而形成的，在树脂基板3的表面上露出的部分成为与膜/电极接合体相接的表面5a。通过树脂基板的内部露出到外部的部分成为具有端子连接部6的一个表面5b。密封垫片2，在树脂基板3上沿着表面5a的外周形成而不与集电板1相接触。在图2(a)、(b)中示出具有本发明的端板的燃料电池。将膜/电极接合体(以下称其为MEA)11夹持于阳极端板9和阴极端板10中间，使螺栓12通过贯通孔8，在阳极端板9的外侧安装燃料槽框架13、气液分离膜14、槽盖15，并利用螺母16紧固而构成单电池17。本实施例的MEA11是将由在电解质膜11a的一侧形成阳极催化层(未示出)和在另一侧形成的阴极催化层11c夹持于阴极扩散面11d和阳极扩散层11e之间而构成的。于是，在单电池17中，将未图示的管子与设置于燃料槽框架13上的管接头18相连接，并且该管子，例如，如同微管泵那样，通过与将燃料从外部送入的机械相连接而将燃料送入就可以发电。另外，气液分离膜14，是一种其特征为可以使气体通过，但液体不能通过的膜，其作用为将在燃料槽内产生的二氧化碳迅速从槽内排出。
为了确认本发明的效果的密封性，制作了如图3所示的结构的实验装置，测定了燃料泄漏与燃料槽内压的关系。另外，此处所谓的燃料槽，表示由阳极端板9、燃料槽框架13及气液分离膜14所围成的空间。实验装置将两根管子19与单电池17具有的两个管接头18相连接，管子19中的一根与压力表20连接，而另一根与加压部21连接。加压部21的结构包括液体保持部(未图示)和可以从外部向此液体保持部导入气体的外部配管(未图示)。于是，通过利用流量计(未图示)对气体流量进行调整可以对燃料槽的内压自由地进行操作。此时，为了进行比较，如图4所示，制作了由在与树脂基板24的表面，即与MEA相接触的表面，上设置端子连接部的集电板22、密封垫片23及树脂基板24组成的燃料电池端板25，以与本发明的装置相同的方式组装成单电池。
在表1中示出确认本发明的效果的密封性提高的结果。试验方法是调节导入到加压部21的气体的流量，在达到设定的压力值时中止气体的导入而使压力值不变，在该状态下保持2分钟，观察燃料槽的泄漏情况的方法。在表1中，在观察不到燃料槽泄漏的场合以○表示，而在观察到泄漏的场合以×表示。表1中的比较例1～3涉及的是图4的燃料电池25，其中的密封垫片的种类有改变。比较例1是将厚度为300μm的硅橡胶密封垫片在电解质膜的两侧各配置一片的场合。比较例2是将厚度为220μm(EPDM 95μm/PET 50μm/EPDM 75μm)的三层的密封垫片(硬度60°)在电解质膜的两侧各配置一片的场合。比较例3是将厚度为300μm的硅橡胶密封垫片在电解质膜的两侧各配置一片的场合。
在图5中示出本发明的燃料电池端板另一例。在此示例中，集电板26由曲面26a和26b构成。曲面26a与MEA直接接触，通过在曲面26a上形成的沟道27向阳极供给燃料和排出二氧化碳，向阴极供给空气和排出水。在曲面26b上有端子连接部28，通过将端子紧固到端子连接部28可以将发出的电力取出。这种结构的端板具有可以使MEA牢固紧固的效果。
图6示出本发明的燃料电池端板的集电板的另一形态。在此实施例中，集电板29由两个平面构成。两个平面中的一个平面29a与另一个平面29b的位置关系为垂直连接。平面29a与MEA直接接触，通过在平面29a上形成的沟道30向阳极供给燃料和排出二氧化碳，向阴极供给空气和排出水。平面29b与平面29a直接接触一侧的相反侧垂直连接，在面内有端子连接部31，通过将端子紧固到端子连接部31可以将发出的电力取出。
示出本发明的燃料电池端板和利用该燃料电池端板的燃料电池的一例。在图7(a)、(b)中示出燃料电池端板。燃料电池端板36，由集电板32和密封垫片33及树脂基板34构成，在集电板32的一部分上设置外部端子连接部35。外部端子连接部35在燃料电池端板36的侧面露出。图7(a)是从可以看到密封垫片33一侧观察燃料电池端板的视图，图7(b)是从图7(a)的相反侧观察的视图。从图7(a)、(b)可知，在不能看到密封垫片33一侧是集电板32不露出的结构。为了容易理解，将钻入树脂基板34中的集电板32和外部端子连接部35的部分以虚线表示。在一片燃料电池端板36中存在6片集电板32和6片密封垫片33，在构成电池时6个单电池串联。燃料电池端板36是通过一体成形而形成的。成形分为两个阶段进行。在第一阶段中，使集电板32和树脂基板34与外部端子连接部35一体化之后，在第二阶段中使密封垫片33和树脂基板34一体化。集电板32，如图8所示，是将原本为一片的板材料通过弯曲而形成的，具有面32a、面32b和面32c。面32a与MEA相接，面32b具有端子连接部37。另外，面32c是在一体成形时用于使集电板32和树脂基板34牢固啮合而形成的面。在面32a上切出沟道38，通过此沟道38向阳极供给燃料和排出二氧化碳，向阴极供给空气和排出水。密封垫片33，在树脂基板34上沿着面32a的外周形成而不与集电板32相接触。39是贯通孔。从图7(a)、(b)可知，燃料电池端板36的面积由集电板32的大小来左右。在本实施例中，研究的是以将来装载于便携式机器中为目标的小型化。由于集电板32的面32a的大小与得到的输出有关而不能很小，所以面32b应尽可能地小。另外，外部端子连接部35，是为了在电池组装之后连接外部端子从电池获得电力而导入，由于端子连接部37的存在而并非必需。但是，在本实施例中，是为了在后述的电池组装时在燃料电池端板的侧面存在连接外部端子的部分时与外部端子的连接容易而设置的。
集电板32和外部端子连接部35的材料，在本实施例中使用的是钛，在其表面上施加数μm左右的镀金层。密封垫片33使用EPDM。树脂基板34使用PBT。如图9(a)、(b)所示，将MEA42夹持于阳极端板40和阴极端板41中间，使螺栓43通过贯通孔39，在阳极端板40的外侧安装燃料槽框架44、气液分离膜45、槽盖46，并利用螺母47和垫圈48紧固而构成如图10(a)、(b)所示的燃料电池模块49。但是，在图9(a)中，省略了螺栓43、螺母47和垫圈48。各个单电池之间利用集电用螺栓50连接。在图11(a)、(b)中，为了理解单电池之间的连接情况，示出的是剖面图。剖面是图10(a)中表示的B-B剖面。但是，由于此图是以单电池之间的连接为重点，图中未示出螺栓43、燃料槽框架44、气液分离膜45、槽盖46、螺母47及垫圈48。此处，图11(a)是组装前、图11(b)是组装后的样子。另外，在图12(a)、(b)中，示出单电池间的另一种连接形态。由于此处也是以单电池之间的连接为重点，图中未示出螺栓43、燃料槽框架44、气液分离膜45、槽盖46、螺母47及垫圈48。此处，图12(a)是组装前、图12(b)是组装后的样子。两根集电用螺栓50从两片燃料电池端板36的两侧插入，以一个集电用螺母51连接单电池。在图11(a)、(b)中示出的单电池之间的连接方法与图12(a)、(b)中示出的单电池之间的连接方法相比较时，图12中示出的方法的连接可以更牢固，但由于图12所示的方法部件数目增加，其操作性差。所以在本实施例中采用图11所示的方法。本实施例的MEA42是将由在电解质膜42a的一侧形成阳极催化层(未示出)和在另一侧形成的阴极催化层42c夹持于阴极扩散层42d及阳极扩散层42e之间而构成的。于是，在单电池49中，将管子(未图示)与设置于燃料槽框架44上的管接头52相连接，并且该管子，例如，如同微管泵(未图示)那样，通过与将燃料从外部送入的机械相连接而将燃料送入就可以发电。
为了确认本发明的效果的密封性，组装了与图3相同的装置，测定了燃料泄漏与燃料槽内压的关系。
在表2中示出密封性的研究结果。试验方法与实施例1的方法相同，是调节导入到加压部的气体的流量，在达到设定的压力值时止住气体而使压力值不变，在该状态下保持2分钟，观察燃料槽的泄漏情况的方法。在观察不到燃料槽泄漏的场合以○表示，而在观察到泄漏的场合以×表示。表2中示出的本发明的燃料电池模块49的结果，比较例1～3使用的是图4结构的燃料电池端板的燃料电池模块，其中的密封垫片的形状，如在实施例1中所述，有改变。通常，随着单电池数目的增加燃料泄漏的风险增加，但如表2所示，采用本发明的燃料电池端板的燃料电池模块49与比较例相比，其压倒性的高密封性得到确认。
利用本发明，可以得到密封性优异的燃料电池端板，可以解决具有膜/电极接合体的固体高分子型燃料电池的燃料泄漏问题。
权利要求
1.一种燃料电池端板，是配置在把高分子电解质膜和电极一体化而成的膜/电极接合体的两侧的端板，其特征在于由树脂基板、集电板和密封垫片形成，上述集电板配置成在上述树脂基板的表面上与上述膜/电极接合体相接触，上述密封垫片配置成包围上述集电板的外周，在上述集电板的一部分上具有端子连接部，上述端子连接部设置在不与上述膜/电极接合体相接触的部分上。
2.如权利要求1所述的燃料电池端板，其特征在于上述端子连接部设置成从上述树脂基板的侧面露出。
3.如权利要求1所述的燃料电池端板，其特征在于上述集电板与上述端子连接部是一体的，上述端子连接部弯曲并通过上述树脂基板的内部而从上述树脂基板的侧面露出。
4.如权利要求1所述的燃料电池端板，其特征在于上述集电板的表面是曲面，且在成为此曲面的部分与上述膜/电极接合体相接触。
5.如权利要求1所述的燃料电池端板，其特征在于上述集电板、上述密封垫片和上述树脂基板是一体成形的。
6.如权利要求1所述的燃料电池端板，其特征在于在上述树脂基板的表面上配置有多个上述集电板。
7.一种燃料电池，在把高分子电解质膜和电极一体化而成的膜/电极接合体的两侧设置有具有集电功能的端板，其特征在于上述端板是由树脂基板和在其表面上配置的集电板和密封垫片形成的，上述集电板设置成与上述膜/电极接合体相接触，上述密封垫片配置成包围上述集电板的外周，在上述集电板的一端具有端子连接部，上述端子连接部设置在不与上述膜/电极接合体相接触的部分上。
8.如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于上述端子连接部设置成从上述树脂基板的侧面露出。
9.如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于上述集电板与上述端子连接部是一体的，上述端子连接部弯曲并通过上述树脂基板的内部而从上述树脂基板的侧面露出。
10.如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于上述集电板的表面是曲面，且在成为此曲面的部分与上述膜/电极接合体相接触。
11.如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于上述集电板、上述密封垫片和上述树脂基板是一体成形的。
12.如权利要求7所述的燃料电池，其特征在于在上述树脂基板的表面上配置有多个上述集电板。
全文摘要
一种燃料电池端板和燃料电池，可以在具有膜/电极接合体的平面排列型燃料电池中防止在密封垫片、集电板和粘结集电板的树脂基板之间产生间隙而抑制燃料泄漏。该燃料电池端板，是配置在把高分子电解质膜和电极一体化而成的膜/电极接合体的两侧的端板，是由树脂基板、集电板和密封垫片一体成形，在和集电板与膜/电极接合体相接触的面不同的部分，例如树脂基板的侧面上，设置集电板的外部端子连接部。密封垫片配置成包围集电板与膜/电极接合体相接触的部分的外周。
文档编号H01M8/02GK1783564SQ200510087688
公开日2006年6月7日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年11月29日
发明者久保田修, 加茂友一, 相马宪一 申请人:株式会社日立制作所