聚合物电解质燃料电池的制作方法

专利名称：聚合物电解质燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其是聚合物电解质燃料电池。
背景技术：
一般为人熟知的聚合物电解质燃料电池例如在日本特开平
b&/)2002-184422号公报和2005-317322号公报中有说明。常规的聚合物电 解质燃料电池利用电池结构体。在电池结构体中，膜电极组件(MEA)和具 有凸出物的金属板(或具有通道的集电极)放置在两个碳板之间(或两个隔 离板之间)；膜电极组件(MEA)包括电解质膜(电解质)、阳极和阴极； 密封件(框架)位于金属板(或集电极)周围。在电池结构体中，通过膜电 极组件(MEA)的表面，密封件(框架)的内壁和每个碳板(隔离板)的表 面围成一个空间。金属板(集电极)处于所形成的相应空间内，由此形成燃 料气体和氧化气体可从中流过的气体通道。
如上所述，为了形成燃料气体和氧化气体从中流过的空间，常规的 聚合物电解质电池需要使用密封件(框架)。这涉及燃料电池堆部件数 量上增加的问题，该电池堆通过堆叠大量的电池而形成。密封件(框架) 还具有防止引入的燃料气体和氧化气体泄露到电池外部的功能。部件数 量上的增加劣化组件的可用性。例如，组件如下进行操作在膜电极组 件(MEA)上放置密封件(框架)，然后将其与膜电极组件(MEA)连 接；之后，在密封件(框架)相应的接收部分接收金属板(集电极)； 随后，将碳板(隔离板)与密封件(框架)连接。如此破坏组件的可用 性使改善燃料电池的生产力变得困难。
一般为人熟知的，针对上述问题的聚合物电解质燃料电池例如在公 日本特开公开平(A:oA:a/)号2005-209607公报中有说明。在常规的聚合物电 解质燃料电池中，通过例如模内注塑(insert molding)整体形成外周为 导电性多孔构件的树脂部分。因此，这样可以如预期般解决上述问题； 如，降低部件数量并改善组件的可用性。

发明内容
但是， 一般当通过注入熔融树脂整体形成带有多孔构件的树脂部分时， 在注塑过程中熔融树脂会流入到多孔构件中，可能会填充多孔构件中的大量 孔。结果，引入的燃料气体和氧化气体可能不能顺利的供应到膜电极组件
(MEA)中，潜在地导致燃料电池发电效率的降低。有见及此，为了防止熔 融树脂流入到多孔构件中，日本特开平0^&/)2005-209607号公报中公开了 降低熔融树脂流动性的方法；例如，当使用热塑性树脂时，冷却与多孔构件 连接的模具表面；当使用热固性树脂时，加热模具表面。
但是，该公开的方法并不完美。具体而言，例如，在一些情况下， 当冷却或加热以降低流动性使温度出现变化时，所使用的树脂颗粒的众 多物理性质也会发生变化。还有，在一些情况下，所使用的多孔构件的 孔径也会变化。在该情况下，熔融树脂的流动性不能恰当地受到控制， 结果可能导致无法防止熔融树脂流入到多孔构件中。
本发明很好地解决了上述问题，本发明的目的是提供带有集电极的 聚合物电解质燃料电池，该集电极由多孔材料构成，这样整体形成的带 有多孔材料的树脂密封件，可可靠地防止熔融树脂流入到集电极中。
为了达到上述目的，根据本发明的特征，提供了聚合物电解质燃料 电池，其包括多个用以防止外部引入的燃料气体和氧化气体混合的隔离 板，和设置于隔离板中间的电极结构体。每个电极结构体都有膜电极组 件和集电极。膜电极组件设计成能整体形成带有预定的电解质膜的阳极 层和阴极层。集电极分别叠加在阳极层和阴极层上，使其适于将经由相 应隔离板引入的燃料气体以扩散方式供应给阳极层，将经由相应隔离板 引入的氧化剂气体以扩散方式供应给阴极层，并收集通过膜电极组件中 电极反应产生的电流。每个集电极由带有大量通孔的板状多孔材料构成， 且在集电极的端部(peripheral end portion)形成孔径縮小部分 (hole-diameter-reduced portion),其中所述通孔的直径变小。每个电极结 构体具有树脂密封件，适于密封引入的燃料气体和氧化剂气体。通过模
内注塑形成树脂密封件，使注入的熔融树脂包围集电极端部的孔径縮小 部分。在这种情况下，板状多孔材料可以是，例如，金属条板(metallath)，在该条板上形成大量排列成网状和梯状的通孔。
根据本发明，由带有大量通孔的板状多孔材料(如金属条板)构成 的每个集电极允许在其端部形成孔径縮小部分，在该部分中通孔的直径 变小。而且，通过模内注塑形成树脂密封件，使注入的熔融树脂包围孔 径縮小部分。由于在每个集电极上形成孔径縮小部分，可以可靠地防止 模内注塑期间熔融树脂从集电极端部流入集电极的中部。这样可靠地、 恰当地确保用于分别向阳极层和阴极层供应燃料气体和氧化剂气体的气 体通道。所以，这样能够可靠地避免发电性能的降低，不然，可由于在 燃料电池运行过程中缺乏燃料气体和氧化剂气体的供应而导致该性能降 低。值得注意的，板状多孔材料中的"板状"包括，例如，具有不平整 性的形状。
每个集电极孔径縮小部分可通过，例如，对集电极末端部位进行冲 压加工而形成。更特定地，每个集电极孔径縮小部分可通过，例如，对 集电极折叠状态下的末端部位进行冲压加工而形成。每个集电极孔径縮
小部分还可通过，例如，对集电极末端部位和叠加在端部的一截(a strip) 板状多孔材料进行冲压加工而形成。这些方法可以在每个集电极末端部 位形成孔径縮小部分而不必使用特殊的加工，所以极大改善生产力。
而且，每个集电极的孔径縮小部分还可以通过，例如，对集电极的 端部进行局部性线状冲压加工而形成。优选地，每个集电极的孔径縮小 部分还可以通过，例如，对集电极的端部进行交错配置的线状冲压加工 而形成。利用这些方法，例如，在每个集电极的端部形成带有凹形横截 面的孔径縮小部分。该孔径縮小部分可以防止熔融树脂的流入，并能够 减少在每个集电极上进行冲压加工的区域；结果，能够控制形成孔径縮
小部分时导致每个集电极厚度的变化(更具体地，集电极中部厚度的变 化)，由此能够有利地确保燃料气体和氧化剂气体的气体通道。
即使在模内注塑过程中在高温下注入熔融树脂，孔径縮小部分的交 错排列能够有效防止熔融树脂的流入。孔径縮小部分的交错排列还可以 控制燃料气体和氧化剂气体通过相应集电极横向流动(lateml flow)(更具 体地，没有与阳极层和阴极层直接接触的气体流动)。所以外部引入的 燃料气体和氧化剂气体可以有效地分别供应给阳极层和阴极层。根据本发明的另一个特征，每个集电极具有覆盖物，以防止模内注 塑过程中熔融树脂从集电极的端部流入集电极的中部，且每个集电极的
孔径縮小部分的形成与将覆盖物向集电极的端部压紧(caulking)有关。根 据这个特征，在每个集电极的端部提供覆盖物能够更可靠地防止熔融树 脂的流入，以及在每个集电极的端部形成孔径縮小部分可以控制如燃料 气体和氧化剂气体的横向流动。所以外部引入的燃料气体和氧化剂气体 可以有效地分别供应给阳极层和阴极层。
根据本发明的进一步的特征，通过模内注塑形成的树脂密封件的厚 度基本上等于每个集电极中部的厚度。这样有利于膜电极组件与带有整 体形成的树脂密封件的集电极一起进行组装(如连接)，且有利于集电 极与隔离板进行组装(如连接)。在这种情况下，更优选地，通过模内 注塑形成的树脂密封件的厚度略小于集电极中部的厚度。这样就建立了 膜电极组件和集电极之间，集电极和隔离板之间良好的接触状态。这样 减小每个集电极在收集膜电极组件中的电极反应产生的电流时形成的阻 力，以及减小收集的电流从每个集电极传导至相应的隔离板时形成的阻 力。结果，能够很好地保持燃料电池的输出。


图1是使用本发明实施方式的集电极的燃料电池堆的部分截面示意图。
图2是图1的隔离板的透视图。
图3是图1的电极结构体的截面图。
图4 (a)和4 (b)是说明使用金属板条形成集电极的视图。 图5 (a)和5 (b)是中止部分形成工序的示意图，所述工序用于形 成实施方式的集电极的中止部分，其中图5 (a)是折叠集电极端部的弯 曲步骤示意图；图5 (b)是冲压折叠的端部的冲压步骤示意图。 图6是树脂密封件进行模内注塑的树脂注塑工序示意图。 图7示意说明了本实施方式的一种变型。 图8示意说明了本发明第一个变型的集电极。 图9是用于说明第一个变型的中止部分形成工序的示意图。
图io是用于说明第一个变型的树脂注塑工序的示意图。图11是用于说明第一个变型的进一步变型示意图。
图12是用于说明与集电极连接的覆盖物的示意图，其涉及本发明的
第二个变型。
图13是用于说明图12的覆盖物的连接状态的示意图。
具体实施例方式
下面将参照附图对本发明的实施方式进行详细描述。图1是本发明的实 施方式的聚合物电解质燃料电池堆的部分截面示意图。燃料电池堆具有电池 T。每个电池T包括一对燃料电池隔离板IO (在下文中，专指隔离板IO)和 位于隔离板10之间的电极结构体20。燃料电池堆设计成使大量电池T堆叠 在一起，同时冷却水通道30夹在电池T中间。
在如此设计的燃料电池堆中，燃料气体如氢气和氧化剂气体如空气 从外部引入到电池T，由此通过电池结构体20中的电极反应产生电流。 在下文中，燃料气体和氧化剂气体统称为气体。
隔离板10适于将气体提供给电极结构体20，同时防止从燃料电池堆 外部引入的燃料气体和氧化剂气体混合，该隔离板还适于将电池结构体 20的电极反应中产生的电流输出到电池堆外部。所以，每个隔离板10 是由导电金属薄板(如不锈钢薄板)组成，并具有如图2所示，偏向一 端的梯状部分(stepped portion) 11 。
如图3中局部所示，电极结构体20包括MEA (膜电极组件)21， 该组件21利用外部引入的燃料气体和氧化剂气体进行电极反应。MEA21 的主要部件是电解质膜EF、阳极层AE和阴极层CE。通过向电解质膜 EF引入燃料气体的一面叠加一层预定的催化剂形成阳极层AE。通过向 电解质膜EF引入氧化剂气体的一面叠加一层预定的催化剂形成阴极层 CE。电解质膜EF，阳极层AE和阴极层CE的作用(如电极反应)是为 人熟知的，且不是本发明直接涉及的内容；因此，省略其中详细的描述。 阳极层AE的外面和阴极层CE外面分别覆盖有碳衣(carbon cloth)CC，该 碳衣是导电性纤维。如果需要，MEA21可以设计成不使用碳衣CC。
电极结构体20包括一对集电极22，在该对集电极之间夹有MEA21， 该集电极可适当地扩散经由隔离板10引入的燃料气体和氧化剂气体，并收集由电极反应产生的电流。如图4 (a)所示，每个集电极22由金属薄 板(下文中称作金属条板MR)组成，在该薄板中形成大量网状排列的小 直径通孔(每个都具有如图4 (a)所示的基本的六边形状)。金属条板 MR由，例如，厚约0.1mm的金属薄板(优选地，不锈钢薄板或类似物) 组成，在金属条板上形成的大量通孔的厚度为大约0.1 1 mm。如图4 (b) (该图是图4 (a)的左侧视图)所示，形成的各个通孔部分以连续交叠方 式连接，并如图所示以梯状形式排列。金属条板MR通过熟知的制造工 艺制成。所以，关于如何制成金属条板MR的描述被省略。
如图3所示，每个集电极22在其金属条板MR端部具有中止部分 22a，该金属条板是矩形形状并具有适合形成电池T的尺寸。中止部分22a 是孔径縮小部分，在该部分以网状排列的通孔被挤压(cmshed)，因此直 径变小。如下所述，在模内注塑树脂密封件23的过程中为了防止熔融树 脂流入集电极22的中部而制成中止部分22a，该树脂密封件23适于整体 地(unitarily)将MEA21和集电极22固定在一起并防止引入的燃料气体和 氧化剂气体的泄漏。形成中止部分22a的中止部分形成过程将在下文详 细描述。
如图5 (a)和5 (b)所示，中止部分形成过程包括弯曲步骤(其用 于折叠金属条板MR端部)和冲压步骤(其用于冲压折叠的端部和金属条 板MR的主要部分，以便挤压排列成网状的通孔)，由此形成中止部分 22a。如图5 (a)所示，为了折叠金属条板MR的端部，弯曲步骤主要使 用弯曲机器M，该机器具有带角形头的上层模具UE和用于接收上层模 具UE和金属条板MR的带V-型空腔的下层模具SE。
在弯曲步骤中，首先，将具有预定尺寸的矩形金属条板MR放置在 下层模具SE上。接下来，上层模具UE向放在下层模具SE上的金属条 板MR方向下降，直到上层模具UE的角形头接触到金属条板MR。在这 种条件下，上层模具UE进一步降低，以便将上层模具UE的角形头和部 分金属条板MR移入下层模具SE的空腔中。上层模具UE的角形头向金 属条板MR部分表面的冲压，使金属条板MR的一部分开始向下层模具 SE的空腔方向发生变形。因此，当上层模具UE下降时，金属条板MR 的端部精确地向上层模具UE弯曲。然后，为撤出(retreat)而升起上层模
9具UE。随后，金属条板MR的精确弯曲部位进一歩向金属条板MR的主 要部分弯曲，由此完成弯曲步骤。在以下的描述中，端部被折叠的金属 条板MR被称为折叠工件。
接下来，折叠工件被传送到冲压步骤。在冲压步骤中，如图5 (b) 所示，使用具有平板状(flat)上层模具UH和平板状下层模具SH的普通冲 压装置P制成中止部分22a。在冲压步骤中，当折叠工件放置在下层模具 SH上时，上层模具UH下降并选择性地冲压折叠工件的折叠部分以挤压 该部分。此时，上层模具UH冲压折叠工件的折叠部分致使所得到的金 属条板MR的端部的厚度略大于金属条板MR主要部分(中部)的厚度。 结果，在冲压部分中，即在金属条板MR的端部，通孔被挤压。因此形 成带有中止部分22a的集电极22。
然后，当MEA21夹在集电极22之间时(在下文中，所得到的组件 称作初级组件)，整体形成带有集电极22的中止部分22a的树脂密封件 23，由此形成电极结构体20。树脂密封件23具有从燃料电池堆外部将引 入的燃料气体和氧化剂气体供应到电池T的作用，并且如下所述，还具 有在电极结构体20和隔离板10之间的相应空间将引入的燃料气体和氧 化剂气体密封的作用，其中电极结构体20夹在隔离板IO之间。
如图l所示，树脂密封件23具有用以引入燃料气体的通孔23a和用 以引入氧化剂气体的通孔23b。虽然没有举例说明，在一些情况下，树脂 密封件23带有可将引入的气体释放到燃料电池外部的通孔(排出口， discharge ports)。如下所述，树脂密封件23的厚度基本上等于(更优选 地，略小于)初级组件的厚度，以确保将燃料气体和氧化剂气体引入电 极结构体20时的密封性，以及通过集电极22和隔离板10有效地将 MEA21中产生的电流输出到燃料电池外部。下面将描述制成树脂密封件 23的树脂注塑过程。
通过模内注塑，树脂注塑过程整体形成带有初级组件端部的树脂密 封件23;更特定地，整体带有集电极22的中止部分22a。如图6所示， 通过使用模内注塑模具，树脂注塑过程形成树脂密封件23，该注塑模具 具有在其上放置初级组件的下层模具SI，和将初级组件的端部插入其中 的上层模具UI，且通过该上层模具注入熔融树脂。特定地，在树脂注塑过程中，首先，初级组件放置在模内注塑模具的下层模具SI上。接下来，
降低模内注塑模具的上层模具UI，进行模具箝位(die clamping)，通过 上层模具UI形成的空腔壁使初级组件的端部发生变形，以这样的方式， 初级组件的端部具有比初级组件的主要部分略小的厚度。然后，在预定 的压力下通过形成于上层模具UI中的流槽(rimner)注入熔融树脂。注入 的树脂可以是能够密封外部引入的燃料气体(氢气)和氧化剂气体(空 气)，且能够承受电极反应所产生的热量的树脂。特定地，可以使用热 固性树脂(如玻璃环氧树脂)或是弹性体树脂。
在树脂密封件23形成过程中，中止部分22a有利地防止通过流槽注 入的熔融树脂流入到初级组件的中部(更特定地，集电极22的中部)。 如上所述，也就是说，冲压步骤挤压了集电极22端部的通孔，且模内注 塑的上层模具进一步使集电极22的端部变形；因此，集电极22中止部 分22a中的通孔被完全挤压。所以，能够防止注入到空腔的熔融树脂越 过中止部分22a而向内流动。
如上所述，通过中止部分形成过程和树脂注塑过程，初级组件具有 整体形成的树脂密封件23，由此产生电极结构体20。如图1所示，如此 形成的电极结构体20放置在两个隔离板IO之间，且，例如，通过使用 粘合剂，隔离板10与树脂密封件23被连接在一起，由此形成电池T。 此时，树脂密封件23的厚度基本上等于或略小于电极结构体20的厚度。 所以当隔离板10和树脂密封件23相连接时，隔离板10向MEA21挤压 相应的集电极22。这样确立了 MEA21与集电极22之间良好的接触状态 和集电极22与相应的隔离板10之间的良好接触状态。
堆叠预定数量的电池T，以使冷却水通道30放置在电池T之间；更 特定地，冷却水通道30放置在电池T之间通过彼此相对的隔离板10形 成的空间内，由此形成燃料电池堆。如图1所示，冷却水通道30是交替 反向的通道。冷却水通过入口 (未示出)引入，流过交替反向的通道， 经由出口 (未示出)流出。
通过在隔离板10之间设置的冷却水通道30，能够有效地将通过电极 结构体20的MEA21中的电极反应所产生的热量排出。具体地，通过 MEA21中的电极反应所产生的热量通过集电极22传导到隔离板10。同时，由于隔离板10通过冷却水通道30与流过的冷却水接触，所以通过 集电极22传导到隔离板10的反应热量能够被释放到冷却水中。所以， 电极反应产生的热量能有效地被去除，由此电极结构体20能被有效地冷却。
如图1所示，在如此形成的燃料电池堆中，外部提供的燃料气体通 过在树脂密封件23形成的通孔23a供应到电池T，外部提供的氧化剂气 体通过在树脂密封件23形成的通孔23b供应到电池T。燃料气体通过与 通孔23a相连的隔离板10的梯状部分11引入到电极结构体20的阳极层 AE —侧，氧化剂气体通过与通孔23b相连的隔离板10的梯状部分11引 入到电极结构体20的阴极层CE —侧。
如此引入的燃料气体和氧化剂气体流经形成于集电极22上的大量排 列成网状的通孔，因此气体可以适当地扩散并分别供应到阳极层AE和阴 极层CE。由于在形成树脂密封件23时，集电极22中止部分22a防止了 树脂的流入，集电极22的中间部分具有足够的空间供气体流动。结果， 有足够的燃料气体供应到阳极层AE，且有足够的氧化剂气体供应到阴极 层CE。所以，燃料电池能够表现出极好的发电性能。
而且，MEA21与集电极22之间处于良好的接触状态，集电极22与 相应的隔离板IO之间处于良好的接触状态；因此，在MEA21的电极反 应所产生的电流可有效地输出到燃料电池的外部。也就是说，集电极22 与MEA21和相应的隔离板IO之间良好的接触状态增加了构件之间接触 的面积。所以，极大地縮小了在收集MEA21生成的电流过程中所产生的 阻力(电流聚集阻力，electricity collection resistance)，因此能够有效地 收集所生成的电流；即，能够在改善了电流收集效率的情况下收集电流。
从上面的描述中所理解的，根据上述的实施方式，由具有大量通孔 的金属条板MR所形成的集电极22允许在其末端部位形成中止部分22a， 该中止部分22a可以作为孔径縮小部分。而且，通过模内注塑能够整体 形成带有中止部分22a的树脂密封件23，由此使中止部分22a插入到模 具空腔中。由于在集电极22上形成中止部分22a，能够可靠地防止模内 注塑过程中熔融树脂流入集电极22的中部。这样可靠地、恰当地确保了 分别向阳极层和阴极层提供燃料气体和氧化剂气体的气体通道。所以，
12这样可以可靠地避免发电性能的下降，否则该性能的下降可由于在燃料 电池运行过程中缺乏燃料气体和氧化剂气体的供应而发生。
通过对集电极22的端部的冲压加工制成中止部分22a。所以，能够 不使用特殊工艺在集电极22的端部形成中止部分22a，从而极大改善其 生产力。
利用具有基本相等或略小于集电极22厚度的树脂密封件23，能够在 MEA21与集电极22之间和集电极22与相应隔离板10之间确立良好的 接触状态。这样减小了通过集电极22收集MEA21的电极反应所生成的 电流时产生的接触阻力，并减小了从集电极22向相应的隔离板10传导 收集的电流时产生的接触阻力。结果，能够有利地保持燃料电池的输出。
根据上述实施方式，在中止部分形成过程中，对金属条板MR的端 部进行弯曲步骤和随后的冲压步骤，由此形成中止部分22a。但是，在形 成中止部分22a的中止部分形成过程中也可以省去弯曲步骤。特定地， 如图7所示，制备具有与中止部分22a相应尺寸的一截金属条板(在下 文中，称作中止金属条板MM)。中止金属条板MM叠加在金属条板 MR的端部。对层叠排列的中止金属条板MM和金属条板MR的端部进 行上述冲压步骤，由此形成类似上述实施方式中制成的中止部分22a。即 使在这种情况下，也可以预期得到与上述实施方式相似的效果，且集电 极22的生产力也可得到改善。
根据上述实施方式，在中止部分形成过程中，对金属条板MR的端 部进行弯曲步骤和随后的冲压步骤，由此形成中止部分22a。但是，例如， 对于用于形成树脂密封件23的某类型树脂，熔融树脂可能会在高注入压 力下注入到模具空腔中。在这种情况下，如果如上述实施方式的情况， 金属条板MR的通孔仅通过冲压加工进行挤压，高注入压力可能会导致 熔融树脂流过中止部分22a，导致熔融树脂流入集电极22的中部。所以， 理想的是形成能够更可靠的防止熔融树脂流入中止部分22a。下面将描述 用于形成能够更可靠的防止熔融树脂流入中止部分22a的第一个变型。 在第一个变型的描述中，类似于上述实施方式的特征用相同的参考数字 指示出来，对它们的详细描述将被省略。
在第一个变型中，集电极22由金属条板MR构成。如图8所示，第一个变型的中止部分22a由凹槽形成部分22al和挤压部分22a2组成。 凹槽形成部分22al形成于金属条板MR端部的邻近区域，并包括多个线 状凹口 (straight notches),每个凹口都有U-形横截面，并以交错方式 (staggered manner)进行排列。通过挤压金属条板MR端部的网状通孔， 在凹槽形成部分22al的外部，即金属条板MR的端部，形成挤压部分 22a2。
通过第一个变型的中止部分形成工艺，同时形成凹槽形成部分22al 和挤压部分22a2。如图9所示，通过使用冲压装置，第一个变型的中止 部分形成工艺同时形成了凹槽的形成部分22al和挤压部分22a2，该冲压 装置配有上层模具UE1 (其具有可在金属条板MR的上方形成凹槽形成 部分22al的凸出物和形成挤压部分22a2的突出部分)和下层模具SE1 (其具有可在金属条板MR的下方形成凹槽形成部分22al的凸出物)。
特定地，首先，将具有矩形形状和预定尺寸的金属条板MR放置在 下层模具SE1上。接下来，将上层模具UE1向放置在下层模具SE1上的 金属条板MR方向下降，直至上层模具UE1的突出部分接触到金属条板。 在这种条件下，上层模具UE1进一步降低，由此上层模具UE1的突出部 分冲压金属条板的端部，使端部的通孔开始被挤压。同时，当上层模具 UE1的突出部分冲压金属条板的端部，上层模具UE1的凸出物开始冲压 金属条板MR的上方，下层模具SE1的凸出物开始冲压金属条板MR的 下方。当上层模具UE1降到与下层模具SE1相应的预定位置，凹槽形成 部分22al和挤压部分22a2同时形成，由此生成具有中止部分22a的集 电极22。
如上述实施方式的情况，MEA21和两个各具有中止部分22a的集电 极22组成初级组件。整体形成带有初级组件的集电极22的中止部分22a 的树脂密封件23，由此生成电极结构体20。如下所述，第一个变型的树 脂注塑工艺略不同于上述实施方式进行的工艺。
如图10所示，第一个变型的树脂注塑工艺使用模内注塑模具，该模 具的下层模具SI1和上层模具UIl具有凸出物，该凸出物与在集电极22 的中止部分22a上方形成的凹槽形成部分22al的凹槽相应。当初级组件 被放置在下层模具SI1上，形成于下层模具SIl中的凸出物与下层集电极22的凹槽形成部分22al的相应凹槽相匹配。当上层模具UI1下降时，形 成于上层模具UI1的凸出物与上层集电极22的凹槽形成部分22al的相 应凹槽相匹配。在这种条件下，实施模具箝位。然后，通过上层模具UIl 形成的流槽在预定的注入压力下注入熔融树脂。
比较上述实施方式的情况，第一个变型的树脂密封件23的形成可以 有利地防止通过流槽注入的熔融树脂流入集电极22的中部。特定地，根 据第一个变型，如上所述，中止部分22a由凹槽形成部分22al和挤压部 分22a2组成。因此，如上述实施方式的情况，挤压部分22a2防止通过 上层模具UI1注入的熔融树脂流入集电极22的中部。而且，在凹槽形成 部分22al中以交错方式排列形成的凹槽也可以防止熔融树脂的流入。更 特定地，在上层模具和下层模具UIl和SIl的凸出物与凹槽形成部分22al 中的相应凹槽相匹配的条件下注入熔融树脂。所以，例如，即使在髙注 入压力下注入熔融树脂，上层模具和下层模具UI1和SI1的凸出物都可 阻挡熔融树脂；结果，可以更可靠地防止熔融树脂流入集电极22中部。
根据第一个变型，当上层和下层模具UI1和SI1的凸出物与形成于 金属条板MR的第一面的凹槽形成部分22al中的凹槽相匹配时，进行模 内注塑。在这种情况下，流过挤压部分22a2的部分熔融树脂在形成于金 属条板MR的第二面的凹槽中固化。正因为如此，例如，当气体从外部 引入到燃料电池堆的电池T中时，在凹槽中固化的树脂可防止横向流动 的气体流过集电极22。所以，即使在第一变型中，也能够获得上述实施 方式情中相似的效果。
根据上述第一个变型，每个凹槽的形成部分22al中的凹槽都具有基 本U-型的横截面。但是，如图11所示，每个凹槽可能还具有基本V-型 的横截面。即使在凹槽形成部分22al形成时，在其中形成的每个凹槽具 有基本V-型的横截面，仍然能够获得与上述第一个变型的情况相似的效 果。
根据上述第一个变型，在中止部分形成工艺中，形成凹槽形成部分 22al和挤压部分22a2，并在随后的树脂注塑过程中，在上层和下层模具 UI1和SI1的凸出物与相应的凹槽相匹配时，形成树脂密封件23。如上 所述，因为凹槽形成部分22al可以阻挡熔融树脂的流动，因此可以省去挤压部分22a2。在这种情况下，可以省去中止部分形成工序，能够在树 脂注塑工序中同时进行凹槽形成部分22al的形成和树脂密封件23的模 内注塑。值得注意的是，在这种情况下，能够在凹槽形成部分22al中形 成以较窄间隔排列的凹槽。
特定地，在树脂注塑工序中，初级组件放置在下层模具SI1上，在 该初级组件中，MEA21夹在具有预定尺寸的矩形金属条板MR之间；随 后，将上层模具UIl降低以进行模具箝位。结果，上层模具UI1的凸出 物挤压上层金属条板MR上方的相应部分，下层模具SIl的凸出物挤压 下层金属条板MR下方的相应部分，由此形成上述第一个变型中的凹槽 形成部分22al的凹槽。在这种状态下，注入熔融树脂，由此整体形成树 脂密封件23。所以，在这种情况下，能够获得与上述第一个变型相同的 效果；另外，由于能够省去中止部分形成工序，生产力得到极大的改善。 而且，由于在集电极22中仅形成凹槽形成部分22al的凹槽，所以不会 出现很大的变形。这样控制了在凹槽形成工序中集电极22厚度的变化， 因此能够良好地确保气体通道。
根据上述第一个变型，树脂密封件23已经由模内注塑模制到由 MEA21和一对集电极22组成的初级组件上。但是，下述方法也是可行 的将两个集电极22各自嵌入到由上层模具UI1和下层模具SI1围成的 空腔中，并将树脂密封件23模内注塑到每个集电极22上。所以，上层 和下层模具UIl和SI1的凸出物与凹槽形成部分22al中的凹槽相匹配， 该凹槽以交错排列的方式形成于金属条板MR的上方和下方，因此能够 更可靠地阻挡熔融树脂的流动。在这种情况下，MEA21能够夹在模制了 各自的模具密封件23的集电极22之间，由此形成电池T。
根据上述第一个变型，以交错排列形成凹槽，由此形成凹槽形成部 分22al。但是，例如，线状凹槽可以沿具有预定尺寸的金属条板MR的 一端连续形成。即使在这种情况下，能够获得如上述第一个变型中的相 似效果，这是由于直形形成的凹槽可以阻挡熔融树脂的流动。
上述实施方式使用集电极22，该集电极的中止部分22a通过挤压金 属条板MR端部的通孔而形成。通过模内注塑形成树脂密封件23时，中 止部分22a防止熔融树脂流入集电极22的中部。替代此种方式或另外的
16方式，能够向具有预定尺寸的矩形金属条板MR的端部连接用以防止熔
融树脂的流入的覆盖物。下面将对第二个变型进行详细描述。在第二个 变型的描述中，与上述实施方式相似的特征以相同的参考数字指示出来， 对它们的详细描述则被省略。
即使在第二个变型中，集电极22由金属条板MR制成。根据第二个 变型，如图12所示，在金属条板MR的端部连接覆盖物，由此形成集电 极22。覆盖物24由金属薄板(如不锈钢薄板)形成，并带有几乎成方形 的字母U的横截面。
覆盖物24进行与上述实施方式中的中止部分形成工序相应的覆盖物 连接工序，由此与金属条板MR连接。更特定地，对与金属条板MR的 端部连接的覆盖物24进行为人熟知的压紧，由此，如图13所示，使覆 盖物24与金属条板MR连接。此时，在覆盖物24向金属条板MR的压 紧过程中，金属条板MR的端部的通孔被挤压。
MEA21和两个各具有与其端部连接的覆盖物24的集电极22组成初 级组件。与初级组件中集电极22的覆盖物24整体形成树脂密封件23， 由此产生电极结构体20。即使在第二变型中，通过与上述实施方式相似 的树脂注塑工序，将树脂密封件23模内注塑到集电极22的端部。
根据第二个变型，覆盖物24与每个金属条板MR连接；因此，当树 脂密封件23形成时，能够完全防止从流槽注入的熔融树脂流入集电极22 的中部。而且，压紧过程挤压每个集电极22的端部的通孔，由此防止燃 料气体和氧化剂气体的横向流动。所以，即使在第二个变型中，也能够 获得与上述实施方式中的相似的效果。
本发明不局限于上述实施方式和变型，且能够以其他不同的方式实 施。例如根据上述实施方式和修改，在金属条板MR中形成基本为六边 形的通孔。然而，对于形成于金属条板MR上的通孔的形状没有任何限 制，只要该形状允许外部引入的气体适当的流动和扩散。例如，可以使 用菱形和其他不同的形状。
根据上述实施方式和变型，形成燃料电池堆，使冷却水通道30夹在 电池T中间；更特定地，夹在部分组成各自电池T的隔离板IO之间。但 是，例如，燃料电池堆可以如下述方式形成预先将冷却水通道30与两个隔离板10或单个隔离板10连接；然后，通过使用连接有冷却水通道 30的隔离板单独地形成电池T;最后，将如此形成的电池T堆叠在一起， 由此形成燃料电池堆。在这种情况下，可以通过使用例如，铜焊接工序
(brazing process)或扩散连接工序(diffusion bonding process)将隔离板10
和冷却水通道30用金属结合在一起。
而且，根据上述实施方式和变型，使用具有排列成网状的通孔的金 属条板MR形成集电极22。然而，当然，也可使用其它的多孔形材料(如 具有大量通孔的金属泡沫体)形成集电极22，只要该材料能够将从燃料 电池堆外部引入的燃料气体和氧化剂气体以适当的扩散方式供应到 MEA21。即使在这种情况下，如上所述，中止部分的形成也可以防止在 整体形成树脂密封件时熔融树脂流入多孔材料中。
权利要求
1.聚合物电解质燃料电池，其包括多个用以防止外部引入的燃料气体和氧化剂气体混合的隔离板和设置在隔离板之间的电极结构体，每个电极结构体具有膜电极组件和集电极，所述膜电极组件设计成能整体形成带有预定电解质膜的阳极层和阴极层，所述集电极分别叠加在阳极层和阴极层上，并将经由相应隔离板引入的燃料气体以扩散方式供应给阳极层，将经由相应隔离板引入的氧化剂气体以扩散方式供应给阴极层，以及收集通过膜电极组件中电极反应所产生的电流，其中每个集电极由具有大量通孔的板状多孔材料形成，且在集电极的端部形成孔径缩小部分，其中所述通孔的直径变小，且，每个电极结构体具有用以密封引入的燃料气体和氧化剂气体的树脂密封件，该密封件通过模内注塑而形成，使注入的熔融树脂包围着集电极端部的孔径缩小部分。
2. 根据权利要求l所述的聚合物电解质燃料电池，其中每个集电极的孔径縮小部分是通过对集电极端部进行冲压加工而形成。
3. 根据权利要求2所述的聚合物电解质燃料电池，其中每个集电极 的孔径縮小部分是通过对集电极折叠状态下的端部进行冲压加工而形 成。
4. 根据权利要求2所述的聚合物电解质燃料电池，其中每个集电极 的孔径縮小部分是通过对集电极端部和叠加在端部的一截板状多孔材料 进行冲压加工而形成。
5. 根据权利要求2所述的聚合物电解质燃料电池，其中每个集电极 的孔径縮小部分是通过对集电极端部进行局部性线状冲压加工而形成。
6. 根据权利要求5所述的聚合物电解质燃料电池，其中每个集电极 的孔径縮小部分是通过对集电极端部进行交错配置的线状冲压加工而形 成。
7. 根据权利要求l所述的聚合物电解质燃料电池，其中每个集电极 具有覆盖物，用以防止模内注塑期间，熔融树脂从集电极的端部流入集 电极的中部，且通过将覆盖物向集电极的端部压紧，形成每个集电极的孔径縮小部分。
8. 根据权利要求l所述的聚合物电解质燃料电池，其中通过模内注 塑形成的树脂密封件的厚度基本上等于每个集电极中部的厚度。
9. 根据权利要求l所述的聚合物电解质燃料电池，其中所述的板状多孔材料是金属条板，在该条板上形成大量排列成网状和梯状的通孔。
全文摘要
部分组成聚合物电解质燃料电池的电极结构体20的每个集电极22，由具有大量通孔的金属条板MR组成。在集电极22的端部形成缩小了通孔直径的中止部分22a。折叠集电极22的端部；随后，冲压折叠的端部，由此形成中止部分22a。通过模内注塑，整体地形成带有中止部分22a，用于密封引入的燃料气体和氧化剂气体的树脂密封件23，使得注入的熔融树脂包围中止部分22a。整体形成的带有中止部分22a的树脂密封件23可以可靠地防止熔融树脂流入集电极22的中部。
文档编号H01M8/02GK101542797SQ20088000020
公开日2009年9月23日 申请日期2008年2月28日 优先权日2007年3月7日
发明者加藤千智, 和田三喜男, 川尻浩右, 田中秀人, 篠崎善記, 金井伸夫, 饭塚和孝, 高村智之 申请人:丰田车体株式会社;丰田自动车株式会社