专利名称：燃料电池的隔板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池的隔板。进一步详述，本发明涉及形成有用 于将反应气体或冷却用冷媒给排至各电池单元的歧管的隔板的结构以及形 状的改良。
背景技术：
一般，在燃料电池(例如固体高分子型燃料电池)中，成为通过一对
隔板夹持膜-电极组件(MEA: Membrane Electrode Assembly )构成电池
单元(燃料电池单元)，并将这样的电池单元层叠多层的结构。另外，在
隔板上形成有用于将反应气体(燃料气体、氧化气体)或冷却用冷媒供给 或排出至各电池单元的歧管。
在制造上述那样的燃料电池时，在在隔板上配置膜-电极組件进行模块 化的情况下，例如在组装膜-电极组件时，需要防止阳极、阴极的误组合， 或将膜-电极组件表里两面装反。以往，作为用于防止在模块化时发生这种 误组合或误组装的技术，提出了一种预先切割膜-电极组件的角部而形成非 对称形状，以切口部(切角)为标记的^支术方案(例如参照专利文献l)。
专利文献l:日本特开2003-331851号7>才艮
发明内容
但是，关于上述设有切角等标记的形状的膜-电极组件，就怎样使其与 隔板的结构相协同这方面的研究还不充分。因此，在隔板小型化方面还存 在不充分的方面。另外，只要实现了膜-电极组件合隔板的进一步协同，则 燃料电池内部的流体的流动也就会变得更顺畅。因此，本发明的目的在于提供一种隔板及燃料电池，其能够在在膜-
电极组件(MEA)上设有切口部的情况下实现小型化，另外，能够使流体 的流动更力。顺畅。
为了解决相关的课题，本发明的燃料电池的隔板，通过将其与膜-电极 组件一起层叠构成燃料电池单元，并且具有用于将反应气体和冷却用g 中的至少一方给排至各电池单元的歧管，其中，所述歧管的轮廓中的与所 述膜-电极组件的切口部相对应的部分被形成为沿该切口部的形状，经由该 沿切口部的形状的部分供给或排出所述反应气体或冷却用冷媒。
在该隔板中，歧管的轮廓的一部分成为沿膜-电极组件的切口部的形 状，能够使从歧管向电池单元的内部供给或从电池单元内部向歧管排出的 气体或冷^f某经由该沿切口部的部分进行给排。由此，能够更顺畅地进行反 应气体或 的给排。而且，利用这样的隔板，提高了与设有标记的形状 的膜-电极组件之间的协同，其结果就是作为整体实现更加紧凑的结构， 从而也能够实现进一步的小型化。
切口部，是例如设在膜-电极组件的角部上使该膜-电极组件成为非 对称形状的切角。另外，在该情况下，优选，歧管的轮廓中的与切角相对 的部分被形成为与该切角的缘部大致平行。在这样的情况下，在膜-电极
连接歧管和发电区域等的给排流路的长度通过哪个部位都可以成为最短， 所以，可以降低压力损失(差压)，能够实现进一步降低辅机等中的损失。
另外，本发明中的隔板，使具有反应气体的流路的框架部件介于该隔 板之间或该隔板与膜-电极组件之间。该情况下，优选，框部件的流路形成 在切角的缘部和歧管之间。另外，更优选，框部件的流路与切角的缘部垂 直。还优选，反应气体的流路为多条。
本发明的燃料电池具有上述隔板中的任意一个。
图l是表示燃料电池的结构的一例的侧视图。图2是表示本发明的一个实施方式的分解立体图，分解表示本实施方
式中的燃料电池的隔板的单元。
图3是表示MEA的切口部附近的隔板的形状例的局部俯视图。
图4是表示与图3所示的隔板对应的部分中的框架部件的形状例的局
部俯^L图。
具体实施例方式
下面基于
本发明的优选实施方式。
图1~图4表示本发明的燃料电池及其隔板的实施方式。该燃料电池1 的隔板20，是通过将其与膜-电极组件30 —起层叠构成电池单元2且具有 用于将反应气体和冷却用冷媒给排至各电池单元的歧管15、 16、 17的隔板。 在本实施方式中，关于这种隔板20，将歧管15、 16、 17的轮廓中的与膜-电极组件30的切口部30a相对应的部分形成为沿该切口部30a的形状，经 由该沿切口部30a的形状部分供给或排出反应气体或冷却用冷i某(参照图 3等)。
在以下说明的实施方式中，首先，说明燃料电池1的概要结构，以及 构成该燃料电池1的电池单元2的概要结构，之后，对形成在隔板上的歧 管的形状等进行说明。
燃料电池l，构成为具有层叠有多个电池单元2的而成电池单元层 叠体3，在位于该电池单元层叠体3的两端的端部电池单元2的层叠方向 外側还具有带输出端子5a的接线板5 (夕一 $于/k7 k—卜)、绝缘体(绝 ) 6以及端板7 (参照图1)。对于电池单元层叠体3，通过以连结两 端板7的方式架设的张紧件8施加向层叠方向的规定的压缩力。而且，在 电池单元层叠体3的一端侧的端板7和绝缘体6之间设有压板9和弹簧机 构9a，能够吸收作用在电池单元2上的负荷的变动。
接线板5是作为集电板发挥作用的部件，例如可以用铁、不锈钢、铜、 铝等金属形成为板状。在接线板5中的端部电池单元2—侧的表面实施电 镀等的表面处理，通过该表面处理能够确保其与端部电池单元2之间的接触阻力。作为电镀，能够列举出金、银、铝、镍、锌、锡等，例如在本实 施方式中，考察了导电性、加工性及低廉性而实施了镀锡处理。
绝缘体6是发挥使接线板5和端板7电绝缘功能的部件。为了发挥这 种功能，所述绝缘体6例如通过聚碳酸酯等树脂材料形成为板状。另外， 作为绝缘体6的材料，在采用耐热性优异的工程塑料的情况下，在坚固性 方面也较有利，且还能够实现燃料电池l的轻量化，因此适用。
端板7与接线板5—样，用各种金属(铁、不锈钢、铜、铝等)形成 为板状。例如，在本实施方式中，虽使用铜形成该端板7，但是这不过是 一例，也可以由其他的金属形成。
另外，这种燃料电池1能够作为燃料电池车辆(FCHV: Fuel Cell Hybrid Vehicle)的车栽发电系统进行利用，但是，并不限于此，其还能够 作为搭栽于各种移动体(例如船舶或飞机)或机器人等所谓的能够自行移 动的装置上的发电系统、进一步作为固定设置的燃料电池1进行使用。
图2表示本实施方式中的燃料电池1的电池单元2的概要结构。
电池单元2，由电解质、作为具体例的膜-电极组件(以下记作MEA， 称作Membrane Electrode Assembly ) 30、夹持MEA30的一对隔板20 (在 图2中分别标注符号20a、 20b进行表示)构成(参照图2 ) 。 MEA30及 各隔板20a、 20b形成为大致矩形的板状。另外，MEA30其外形形成为比 各隔板20a、 20b的外形小。而且，MEA30和各隔板20a、 20b,将它们 之间的周边部与第1框架部件13a、第2框架部件13b —起模制。
MEA30由通过高分子材料的离子交换膜构成的高分子电解质膜(以下 也简单地称作电解质膜)31和从两面夹持电解质膜31的一对电极32a、32b (阳极及阴极)构成。在这些中，电解质膜31被形成为比各电极32a、 32b 稍大。在该电解质膜31上，在留有周缘部33的状态下，例如通过热压接 法接合有各电极32a、 32b。
构成MEA30的电极32a、 32b，是由具有附着在其表面上的白金等触 媒的例如多孔的碳原材料(扩散层)构成的。向一方的电极(阳极)32a 供给作为燃料气体(反应气体)的氢气，向另一方的电极(阴极)32b供给空气或氧化剂等的氧化气体(反应气体)，通过该两种反应气体在MEA30 内产生电化学反应，得到电池单元2的电动势。
隔板20a、 20b是由不透气性的导电性材料构成的。作为导电性材料， 除了例如碳或具有导电性的硬质树脂以外，还能够列举出铝或不锈钢等金 属。本实施方式中的隔板20a、 20b的基材是由板状的金属形成的(金属隔 板)，在该基材的电极32a、 32b侧的面上形成有耐腐蚀性优异的膜(例如 通过镀金形成的保护膜)。
另外，在隔板20a、 20b的两面形成有由多个凹部构成的槽状的流路。 这些流路，例如在通it^状的金属形成基材的本实施方式的隔板20a、 20b 的情况下，能够通过冲压成形形成。这样形成的槽状的流路构成氧化气体 的气体流路34及氢气的气体流路35，或冷却水流路36。进一步具体说明 的话，在隔板20a的成为电极32a侧的内侧的表面上形成有多条氩气的气 体流路35，在其背面(外侧的面)上形成有多条冷却水流路36 (参照图2 )。
的气体流路34，在其背面(外侧的面)形成有多条冷却水流路36 (参照图 2)。例如，本实施方式的情况下，电池单元2中的这些流路34和气体流 路35相互平行地形成。而且，在本实施方式中，关于邻接的两个电池单元 2、 2，在将一侧的电池单元2的隔板20a的外表面和与其邻接的电池单元 2的隔板20b的外表面接合的情况下，两者的冷却水流路36成为一体，成 为形成有截面例如为矩形的流路的结构(参照图2)。此外，邻接的电池 单元2、 2的隔板20a和隔板20b，它们之间的周边的部分通过框架部件被 模制。
另外，在隔板20a、 20b的长度方向的端部附近(本实施方式的情况下 为图2左侧所示的一端部的附近)形成有氧化气体的入口侧歧管15a、氢 气的出口侧歧管16b以及冷却水的出口侧的歧管17b。例如，在本实施方 式的情况下，这些歧管15a、 16b、 17b通过设在各隔板20a、 20b上的透 孔形成(参照图2)。而且，在隔板20a、 20b中的相反侧的端部上形成有 氧化气体的出口侧的歧管15b、氢气的入口侧的歧管16a以及冷却水的入口側的歧管17a。在本实施方式的情况下，这些歧管15b、 16a、 17a也由 透孔形成(参照图2)。此外，在图2中由符号W表示冷却水。
在上述的各歧管中，隔板20a中的氢气用的入口侧歧管16a和出口侧 歧管16b，经由在隔板20a上形成为槽状的入口侧的连通通路61及出口侧 的连通通路62分别与氢气的气体流路35连通。同样，隔板20b中的氧化 气体用的入口侧歧管15a和出口侧歧管15b,经由在隔板20b上形成为槽 状的入口侧的连通通路63及出口侧的连通通路64分别与氧化气体的气体 流路34连通(参照图2)。而且，各隔板20a、 20b中的冷却水的入口侧 歧管17a和出口侧歧管17b，经由在各隔板20a、 20b上形成为槽状的入口 侧的连通通路65及出口侧的连通通路66分别与冷却水流路36连通。根据 以上说明的各隔板20a、20b的结构，变得能够向电池单元2供给氧化气体、 氢气及冷却水。在此列举具体例，例如，氢气从隔板20a的入口侧歧管16a 穿过连通通路61流入气体流路35，供MEA发电，之后，穿过连通通路 62流出到出口侧歧管16b。
第1框架部件13a、第2框架部件13b都为框状，且为形成为大致相 同形状的部件(参照图2)。其中，第l框部件13a为设在MEA30和隔板 20a之间的部件，更详细地说，第l框部件13a以介于电解质膜31的周缘 部33和隔板20a中的气体流路35的周围部分之间的方式设置。另外，第 2框部件13b为设在MEA30和隔板20b之间的部件，更详细地说，第2 框部件13b以介于电解质膜31的周缘部33和隔板20b中的气体流路34 的周围部分之间的方式设置。
而且，在邻接的电池单元2、 2的隔板20a和隔板20b之间，设有框状 的第3框架部件13c (参照图2 )。该第3框架部件13c，是以介于隔板20b 中的冷却水流路36的周围的部分和隔板20a中的冷却水流路36的周围的 部分之间的方式i殳置并对这些流路之间进行密封的部件。也就是说，在本 实施方式的电池单元2中，在隔板20a、 20b中的流体的各种通路(34~36、 15a、 15b、 16a、 16b、 17a、 17b、 61 ~ 66)中，各种流体的入口侧的歧管 15a、 16a、 17a及出口侧的歧管15b、 16b、 17b成为位于第3框架部件13c的外侧的通路(参照图2)。
在这里，在图2中，关于各歧管15a 17b的形状，及MEA30的形状 没有特别表示，下面说明其形状(参照图3、图4)。此外，以下简单地由 符号15、 16、 17表示各歧管(参照图3、图4)。
在本实施方式中，为了使MEA30作为整体成为非对称形状而在其一 部分上(例如角部)形成切口部30a (参照图4)。该切口部(切角)30a， 在将该MEA30配置在隔板20上进行模块化的情况下，能够起到标记的作 用，通过利用这一点，能够防止例如在MEA30的组装时阳极和阴极的误 组合或将MEA30表里两面装反、即发生误组合或误组装。
另夕卜，配置有这样的MEA30的隔板20形成为，其角部成为与该切口 部30a对应的形状(参照图3)。更具体地说，将配置有这样局部切口形 状的MEA30的面内气体流路(即氧化气体的气体流路34、氢气的气体流 路35)形成为与该MEA30相对应的形状。例如，如图3所示的隔板20, 其氧化气体的气体流路34的角部成为与MEA30相对应的形状(倾斜的形 状)。此外，在图中没有特别示出，但在与图3所示的隔板20邻接的隔板 中，氢气的气体流路34中的与切口部30a相对应的部分成为例如同样倾斜 的形状。
而且，在本实施方式中，将歧管15、 16、 17中的与MEA30的切口部 30a相对应的部分形成为沿该切口部30a的形状。更具体地i兌，将氧化气 体用的歧管15的轮廓中的与MEA30的切口部30a相对应的部分(成为切 口部30a附近的部分或与切口部30a相对应的部分等)形成为沿该切口部 30a的形状(参照图3)。此外，在图3中，将氧化气体用的歧管15的轮 廓中的沿切口部30a的形状部分用符号15c表示。
另夕卜，在本实施方式中，经由氧化气体用的歧管15的轮廓中的沿切口 部30a的形状部分15c供给氧化气体或排出氧化气体。具体说明如下。即， 设有用于对上述第2框部件13b中的、位于MEA30的切口部30a和歧管 15之间的部分供给或排出气体(该情况为氧化气体)的槽14b，经由该槽 14b给排气体(参照图4)。该情况下的槽14b不限于一条，例如，在考察了图4所示的框架部件13b的该部分的强度等情况下，优选，例如图4 所示设置多条。
在这里，进一步对第1框架部件13a及第2框架部件13b所进行的说 明如下。即，这些框架部件13a、 13b例如由树脂形成、成为非导电性，作 为隔板20之间的衬垫或用于增强隔板20的刚性的增强部件发挥作用，同 时根据情况还为确保更高的绝缘性而发挥作用。另外，框架部件13a、 13b 密封其与电池单元层叠方向上邻接的部件(隔板20或其他的框架部件)之 间，而且密封各歧管(氧化气体用的歧管15、氢气用的歧管16、冷却水用 的歧管17)之间。此外，在图2中，通过假想线概要地表示这些框部件13a、 13b，但这些框部件13a、 13b还可以例如如图4所示，形成为围绕MEA30 及各歧管15~17的中空的形状。
而且，在通过切角在MEA30上形成切口部30a的本实施方式的情况 下，将歧管15的轮廓中的沿切口部(切角)30a的形状部分15c形成为与 该切角的缘部平行(参照图3)。另外，关于框部件13b中的沿切口部(切 角)30a的形状的部分，同样平行地形成(参照图4)。在这种情况下，隔 板20中的在MEA30的切口部(切角)30a和该形状部分15c之间的部分 (或者，框架部件13b中形成有槽14b的部分)上，任何部位的宽度都相 等。
而且，优选，在切口部(切角)30a的缘部和歧管15之间的反应气体 (氧化气体)的流路，与切口部30a的缘部垂直。在本实施方式中，将形 成在框部件13b上的槽14b形成为与切口部30a的缘部垂直(参照图4)。 这样的情况下，统一连接歧管15和发电区域等的给排流路(槽14b)的长 度，通过哪个部位都可以成为最短，所以，可以降低压力损失(压差)， 具有能够实现进一步降低辅机等中的损失这样的优点。所谓的压力损失是 指由流体流路的形状、流体流路的表面的光滑程度等引起的、使该流体所 具有的压力等能量被消耗的现象。
此外，没有特别的详细图示，但M应气体(氧化气体)的流路与切 口部30a的缘部垂直的情况也包括图2所示的使各连通通路63、 64垂直于切口部30a的缘部的情况。
以上，根据目前为止说明的本实施方式的隔板20以及燃料电池l，在 MEA30上设有切口部30a那样的标记的情况下，在形成与该切口部30a 对应的形状以及结构的歧管15 (16、 17)的基础上，能够经由该部分给排 反应气体等。因此，如果使用这种隔板20就能够更顺畅地进行反应气体等 的给排。这样，根据本实施方式中说明的隔板20,提高了与设有标记的 MEA30之间的协同。由此，在确保了必要的密封性的同时，作为整体能够 实现更加紧凑的结构。
此外，上述实施方式为本发明的优选的一个实施例，但是并不限于此， 在不脱离本发明的技术思想的范围内能够进行各种变形实施。例如，在上 述实施方式中，例示了将氧化气体用歧管15的轮廓的一部分形成为沿切口 部30a的形状，但是，这不过是一例，并不限于这样的方式。即，如果为 设在MEA30上的切口部30a与此相反地形成在氢气用歧管16的附近的情 况，则也可以将该氩气用歧管16的轮廓的一部分形成为沿该切口部30a 的形状，在这样情况下也与上述情况同样，能够得到小型化、更顺畅的给 排这些优点。
另外，不仅AA应气体(氢气、氧化气体)，也适用于冷却水等的冷 却用冷媒的歧管17。即，在MEA30的切口部30a例如形成在冷却水的歧 管17的附近的情况下，可以将该歧管17的轮廓的一部分形成为沿该切口 部30a的形状，在这样情况下也与上述情况同样，能够实现隔板20的小型 化、冷却水的顺畅的给糸,。
而且，在上述实施方式中，例示了各流体的流路34 36为直流路的情 况(参照图2)，但并不限于此，例如蛇形流路也适用于本发明。
另外，在上述实施方式中，作为构成隔板20的不透气性的导电性材料， 例示了碳、具有导电性的硬质树脂、铝及不锈钢等金属等，但是，本发明 不限于材料为上述那些材料的情况，也能够适用于由其他的材料构成的情 况。
而且，在上述实施方式中，表示了 MEA30的切口部30a为直线状(切角)，使歧管15的轮廓中的沿该切口部30a的形状部分15c平行的情况， 但是，这仅是优选的一例。假设在切口部30a由曲线构成的情况下，只要 将歧管15 (16、 17)的轮廓的一部分沿该曲线形成，就能够得到与上述相 同的效果。因此，本发明，不仅适用于形状为直线的情况，还能够适用于 曲线、还有组合曲线与直线的形状的情况。 工业上的利用可能性
根据本发明，在在膜-电极组件(MEA)上设有切口部的情况下，能 够实现隔板及燃料电池l的小型化。另外，将歧管的一部分形成为沿膜-电极组件的切口部的形状，经由该部分给排反应气体等，因此，能够使这 些流体的流动更顺畅。
因此，本发明能够广泛地应用于具有这种要求的燃料电池1的隔板上。
权利要求
1. 一种燃料电池的隔板，通过将其与膜-电极组件一起层叠构成电池单元，并且具有用于将反应气体和冷却用冷媒中的至少一方给排至各电池单元的歧管，其特征在于所述歧管的轮廓中的与所述膜-电极组件的切口部相对应的部分被形成为沿该切口部的形状，经由该沿切口部的形状的部分供给或排出所述反应气体或冷却用冷媒。
2.如权利要求l所述的燃料电池的隔板，其特征在于所述切口部，是被设置在所述膜-电极组件的角部、使所述膜-电极组 件成为非对称形状的切角。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池的隔板，其特征在于大致平行。 一 '"，'、'一 ， ，-
4. 如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池的隔板，其特征在于 使具有所述反应气体的流路的框架部件介于该隔板之间或该隔板与所述膜-电才及组件之间。
5. 如权利要求4所述的燃料电池的隔板，其特征在于 所述框架部件的流路形成在所述切角的缘部和所迷歧管之间。
6. 如权利要求5所述的燃料电池的隔板，其特征在于 所述框架部件的流路垂直于所述切角的缘部。
7. 如权利要求4至6中任一项所述的燃料电池的隔板，其特征在于 所述反应气体的流路为多条。
8. —种燃料电池，其中， 具有如权利要求1 ~ 7中任一项所述的隔板。
全文摘要
在膜-电极组件(MEA)上设有切口部的情况下实现小型化、还使流体的流动更加顺畅进行。为了实现这一目的，本发明中的燃料电池的隔板(20)，形成在该隔板(20)上的歧管(15)的轮廓中的与膜-电极组件的切口部相对应的部分被形成为沿该切口部的形状，经由该沿切口部的形状的部分(15c)供给或排出所述反应气体或冷却用冷媒。切口部，是例如被设置在该膜-电极组件的角部、使该膜-电极组件成为非对称形状的切角。优选，歧管的轮廓中的与切角相对的部分被形成为与该切角的缘部大致平行。
文档编号H01M8/02GK101432918SQ20078001491
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月23日 优先权日2006年4月25日
发明者八神裕一, 合崎次郎, 山本佳位, 白滨淳一 申请人:丰田自动车株式会社