专利名称：高分子电解质型燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及便携式电源、电动汽车用电源、家庭内小型发电系统等所使用的高分子电解质型燃料电池。
固体高分子型燃料电池是使氢等的燃料气体与空气等的氧化剂气体在气体扩散电极处发生电化学反应，同时产生电和热的电池。
首先使用图10，说明高分子电解质型燃料电池之一例。
在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜63的两侧面上，紧贴配置着以附载白金系金属催化剂的碳粉末为主要成分的催化剂反应层62。在该催化剂反应层62的外侧面上，紧贴配置有同时具有气体通气性和电子导电性的扩散层61。由该催化剂反应层62和扩散层61构成电极69。电极69及高分子电解质膜63预先形成为一体，构成电极电解质膜接合体(以下称MEA)70。此外，在电极69的周围，夹着高分子电解质膜63配置有气体密封件及密封垫片，以使供给的燃料气体及氧化剂气体不漏泄到燃料电池之外或相互混合。这也可以预先与MEA70形成为一体。
如图15所示，在上述这样的燃料电池中，为使氢气及空气不漏泄到外部及不相互混合，在电极69周围，夹着高分子电解质膜63，配置有密封件127及O型圈128。作为另外的密封方法，也有一种如图16所示，在电极69周围，配置由树脂或金属构成的、厚度与电极69相同的密封垫片129，并用润滑脂或粘接剂将隔板64与密封垫片129的间隙密封起来的结构。
另外，近年来还提出了如下一种保证气体密封性的方案，即，如图17所示，在MEA70中，预先使具有密封效果的树脂131渗入必需有密封性的部分，并使其固化，以保证与隔板之间的气体密封性。
在MEA的外侧，配置有将其机械固定并使相邻的MEA70相互电气串联用的导电性隔板64。在隔板64的与MEA70接触的部分，形成有向电极69的表面分别供给燃料气体和氧化剂气体并运走反应生成的气体及剩余气体用的气体流道65。气体流道65也可以与隔板64分开设置，但一般如图10及图15-图17所示，采用在隔板64的表面设置槽作为气体流道65的方式。
很多燃料电池采用将单个电池多个层叠的层叠结构。为了将当燃料电池运行时，与电同时产生的热排出到电池之外，在每1至2个单电池中配置有冷却板。作为冷却板，一般是在薄的金属板内部贯穿流过冷却水等的热介质这样的结构。由此，在使电池温度保持一定的同时，以温水等的形式利用所产生的热能。
此外，也有一种方法是在构成单个电池的隔板64的背面即欲使冷却水流过的面上形成流道，使隔板64本身具冷却板的功能。此时，为了密封冷却水等的热介质，也必需O型圈及密封垫片。但采用这样的密封方式，必需使O型圈完全填密等，确保冷却板上下间有充分的导电性。
在这样的层叠电池中必需有被称为分流器的对各单个电池的燃料气体及冷却水的供给排出孔。因这些分流器的配置形态的不同，可分成内部分流器型和外部分流器型两类。
一般是将燃料气体及冷却水的供给排出孔确保在层叠电池内部的所谓的内部分流器型。但是，运行将改质后的城市煤气作为燃料气体使用的电池时，在燃料气体流道的下游区域，CO浓度上升。因此，电极可能因CO而中毒，温度下降，会进一步促进电极中毒。为了减缓这样的电池性能的下降，将从分流器至各单个电池的气体的供给排出部的连接口做成尽可能大的、外部分流器型结构得到重新认识。
无论是使用内部分流器型还是外部分流器型，都是将含有冷却部的多个单个电池沿一个方向层叠，在其两端配置一对端板，并必须用连接杆将端板之间固定。在紧固时，对单个电池的面最好能尽可能均匀地紧固。换言之，对层叠电池的整个层叠面，最好能施加均匀的紧固力。因此，从机械强度角度考虑，端板及连接杆一般使用不锈钢等的金属材料。做成这些端板及连接杆通过绝缘板与层叠电池电绝缘，电流不会通过端板漏出到外部的结构。作为连接杆，已提出的方案有使杆贯穿隔板内部的通孔之中，或者，在其端部沿层叠方向用金属带勒紧整个层叠电池的方法。
此外，在图15、图16及图17所示的任一密封方式中，为了维持密封性且减小电极与隔板间及隔板相互间的接触电阻，必需稳定的勒紧压力。因此，采用在连接杆与端板之间插入螺旋弹簧或碟形弹簧等的结构。利用该勒紧压力，确保隔板、电极、电解质膜等电池的构成部件间的电接触。
另外，要使层叠电池稳定发挥功能，供给单个电池的燃料气体、氧化剂气体及冷却水必须均匀地分别分配给单个电池。一般情况下，增大供给的各流体所流过的分流器截面积，使各流体在分流器内流速降低，使因流体的动压力引起的压力梯度带来的影响降低。但是，若要想实现燃料电池的小型轻量化，则必须尽可能减小分流器的截面积。
此外，历来，层叠电池产生的电是由集电板集电，并输出到连接在其端部的外部设备。还有，使用集电板的一部分凸出于层叠电池外廓这样形状的集电板的层叠电池时，是从该凸出部分与外部设备连接。因此，电连接部位呈比层叠电池外廓还更向外凸出的形状。即，存在电池整体大型化，或设备装载性自由度低下这样的问题。
因此，本发明的目的在于，解决如上所述的问题，提供一种小型轻量且设备装载性自由度高的高分子电解质型燃料电池。
本发明涉及一种将单个电池夹着导电性隔板多个层叠而成的层叠电池所构成的高分子电解质型燃料电池，所述单个电池具有固体高分子电解质膜、夹着所述固体高分子电解质膜并有催化剂反应层的一对电极、以及向所述电极之一供给含有氢的燃料气体并向另一所述电极供给含有氧气的氧化剂气体的装置。本发明的燃料电池的特征在于，具有从所述层叠电池之中的一端部的单个电池起到另一端部的单个电池为止，按其层叠顺序，分别分配供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水的供给用分流器，以及，从所述另一端部的单个电池起按其层叠顺序，分别排出所述燃料气体、氧化剂气体及冷却水的排出用分流器。
另外，所述燃料电池具有在所述层叠电池两端面沿层叠方向向所述单个电池施加勒紧压力的端板，进行所述单个电池的集电的集电板的一部分贯穿所述端板，在所述集电板与所述端板之间最好夹装有绝缘部件。
此外，所述供给用分流器及排出用分流器在所述层叠电池的侧面最好沿单个电池的层叠方向平行配置。
另外，所述供给用分流器的截面积趋向下游变小，而所述排出用分流器的截面积趋向下游变大是有效的。
另外，所述排出用分流器配置在所述层叠电池的外周，具有将各单个电池相互压紧，降低所述单个电池间接触电阻的作用，是理想的。
在所述端板处，将所述燃料气体、所述氧化剂气体及冷却水的通道沿与所述单个电池的层叠方向垂直的方向配置更有效。
还有，本发明涉及含有多个所述层叠电池、设于各层叠电池的端板的燃料气体、氧化剂气体及冷却水的各通道通过流体密封机构而连接的高分子电解质型燃料电池。
再有，本发明涉及含有多个所述层叠电池、各层叠电池通过具有对所述层叠电池供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水用各通道的容器而连接的高分子电解质型燃料电池。
本发明涉及一种高分子电解质型燃料电池的设置方法，该高分子电解质型燃料电池由夹着导电性隔板将多个单个电池层叠而成的层叠电池构成，所述单个电池具有固体高分子电解质膜、夹着所述固体高分子电解质膜并具有催化剂反应层的一对电极、以及向所述电极之一供给含有氢气的燃料气体并向另一电极供给含有氧气的氧化剂气体的装置，并且，所述燃料电池的重心设置在最靠近设置面处。。
图1所示为本发明一实施形态的燃料电池的概略主视图。
图2所示为图1所示燃料电池的概略俯视图。
图3所示为沿图2中的X-Y线的概略剖视图。
图4所示为本发明一实施形态的燃料电池的概略立体图。
图5所示为沿图4中的P-Q线的局部概略剖视图。
图6所示为示出端板配置方法用的本发明燃料电池的概略侧视图。
图7所示为图6所示燃料电池的俯视图。
图8所示为示出端板另一配置方法用的本发明燃料电池的概略侧视图。
图9所示为图8所示燃料电池的概略俯视图。
图10所示为两个单个电池构成的单个电池层叠体的概略立体图。
图11所示为实施例1中制成的本发明燃料电池的概略立体图。
图12所示为实施例3中制成的本发明燃料电池的概略立体图。
图13所示为实施例3中所用隔板的概略立体图。
图14为示出实施例5中制成的燃料电池中分流器的热传导率与电池输出的稳定性之关系的图。
图15所示为说明传统密封方法用的层叠电池的概略局部纵剖视图。
图16所示为说明另一传统密封方法用的层叠电池的概略局部纵剖视图。
图17所示为说明又一传统密封方法用的层叠电池的概略局部纵剖视图。
本发明涉及一种将单个电池夹着导电性隔板多个层叠而成的层叠电池构成的高分子电解质型燃料电池，所述单个电池具有固体高分子电解质膜、夹着所述固体高分子电解质膜并有催化剂反应层的一对电极、以及向所述电极之一供给含有氢的燃料气体并向另一所述电极供给含有氧气的氧化剂气体的装置。本发明的燃料电池的特征在于，具有从所述层叠电池之中的一端部的单个电池起到另一端部的单个电池为止，按其层叠顺序，分别分配供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水的供给用分流器，以及，从所述另一端部的单个电池起按其层叠顺序，分别排出所述燃料气体、氧化剂气体及冷却水的排出用分流器。
另外，本发明的燃料电池无论是外部分流器还是内部分流器都可以采用。
首先，参照
使用外部分流器的本发明的燃料电池。图1所示为本发明一实施形态的燃料电池的概略主视图。图1所示的燃料电池在层叠电池1的一个侧面，设有沿层叠方向分别分配供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水的供给用分流器2。通过该供给用分流器2，燃料气体、氧化剂气体及冷却水从层叠电池2的一个侧面，从构成层叠电池1的一侧端部的单个电池至另一端部的电池，分配供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水。
此外，图1所示的燃料电池在层叠电池1的另一侧面，同样设有分别排出所述燃料气体、氧化剂气体及冷却水的排出用分流器3。通过该排出用分流器3，燃料气体、氧化剂气体及冷却水从层叠电池1的另一侧面(未配置有所述供给用分流器2的一侧)排出。从该排出用分流器3将来自构成层叠电池1的所有单个电池的燃料气体、氧化剂气体及冷却水排出。
又如图1所示，关于燃料气体、氧化剂气体及冷却水的流动方面，供给用分流器2的截面积最好随着趋向下游而变小，排出用分流器3的截面积最好随着趋向下游而变大。采用这样结构的优点是，能将燃料气体、氧化剂气体及冷却水分别均匀地分配给层叠的各单个电池。
又，作为参考，在图2示出了图1所示的燃料电池的概略俯视图。
在此，图3示出了沿图2中X-Y线的概略剖视图。如图3所示，在本发明的燃料电池中，在所述层叠电池1的两端面，在层叠方向设有对所述单个电池施加勒紧压力的端板5。对所述单个电池进行集电的集电板6的一部分贯穿所述端板5，并且在所述集电板6与所述端板5之间夹装绝缘部件7则更好。例如如图3所示，从集电板6向层叠电池1的层叠方向，延长作为集电板6的一部分的集电部件8。并采用集电部件8经上述绝缘部件7贯穿过端板5的结构。
用这样延长后的集电部件8构成进行集电的结构，就能将本发明的燃料电池在不超出层叠电池1外廓的范围内，与外部设备电连接。即，采用本发明，燃料电池本身能达到小型化，并能提高装载于各种设备时的自由度。
另外如图3所示，在层叠电池1的上面部分设有金属板4。该金属板4与供给用分流器2及排出用分流器3一起，起防止层叠电池1变形及扭曲的作用。
另外在图3中，在上述端板5的更上部，设有例如板弹簧等的辅助板9。该辅助板9最好使用板弹簧。若穿过所述金属板4拧紧顶紧螺钉，辅助板9和连接带10就将层叠电池1中的各单个电池相互勒紧。
在本发明的燃料电池中，为了降低因流体的动压力产生的压力梯度而使分流器截面积增大的传统的流体均匀分配法最好不使用。取而代之的是，将各流体(燃料气体、氧化剂气体及冷却水)供给在层叠电池1的侧面沿层叠方向配置的供给用分流器2。这样，使各流体从层叠电池1的位于层叠方向端部的单个电池流入，并将通过各单个电池后的所述流体在层叠电池1的侧面从沿层叠方向配置的排出用分流器3排出。即，本发明的燃料电池最好采用在层叠电池1的侧面，流入方向与排出方向做成相对结构的流体均匀分配法。也就是，最好将所述供给用分流器及排出用分流器在所述层叠电池的侧面沿单个电池的层叠方向平行配置。
换言之，在本发明的燃料电池中，最好使多个单个电池层叠而成的层叠电池运行所必需的燃料气体、氧化剂气体及冷却水等的各流体从层叠电池的层叠方向端部流入。并且使通过各单个电池后的各流体向着与流入层叠电池的方向相反的方向流出。
因此，可使各流体通过各单个电池的流道长度发生变化。这样，使因动压力在各流体中产生的压力梯度与因流道长度变化在各流体中产生的压力损失平衡，从而向各单个电池均匀供给各流体成为可能。该因动压力引起的压力梯度的调节可通过减小分流器截面积来进行，所以具有能获得轻量且小型结构的燃料电池的优点。另外还具有放出运转中的单个电池的电化学反应产生的热量的优点。
再有，在本发明中，不仅在层叠电池侧面，也可以如图4所示，绕着层叠电池1的外周配置分流器。即，除了供给用分流器10及排出用分流器11之外，也可以配置连接这两个分流器的连接用部件12。这样，将分流器本身用作连接部件，就能减少必需的部件数。此外，也能减小单个电池间的接触电阻。图4为本发明一实施形态的燃料电池的概略立体图。
图5为沿图4中的P-Q线的局部概略剖视图。如图4及图5所示，连接用部件12上设有孔12c。孔12c呈倒圆锥状，通过棋子状固定环12b将螺栓12a插入在孔12c内。同时，在供给用分流器10及排出用分流器11上设有旋入螺栓12a的螺孔。因此，一旦拧紧螺栓12a，由于棋子状固定环12b，连接用部件12就受到箭头方向的力。其结果是，由于供给用分流器10和排出用分流器11及连接用部件12，层叠电池1被紧密勒紧。另外，图4及图5中的10a和11a是密封件。又，在图4中，下部的连接用部件12中的螺栓12a省略了。
所述供给用分流器及排出用分流器也可以用弹性体构成。这样，能吸收层叠电池的层叠方向的厚度的蠕变，并吸收外部分流器的与密封面接触的层叠电池侧面的凹凸，能提高外部分流器的密封可靠性。
此外，在本发明的燃料电池中，所述供给用分流器及排出用分流器的气体密封面具有凸缘状的形状，使环状框体嵌合在凸缘面上，通过将框体向电池方向勒紧，进行所述分流器的密封，这样较合适。
此外，在本发明的燃料电池中，各单个电池的电极端部到达层叠电池的侧表面。因此，通过用气体气密性的非导电性材料覆盖层叠电池的侧面，来对电极及隔板附加气体密封性较合适。还有，用所述气体气密性的非导电性材料构成分流器较合适。这是因为，若这样做，外部分流器的密封面和与该密封面接触的层叠电池的侧面的材料是相同的，即使外部分流器与层叠电池接合，也不会因热膨胀系数的不同而影响接合性能，能提高外部分流器的密封的可靠性。
尤其是，作为如上所述的分流器与气体气密性的非导电性材料的接合方法，使用超声波焊接法较合适。因为这样能使外部分流器的密封面和与密封面接触的层叠电池的侧面可靠接合，能提高外部分流器的密封的可靠性。
再有，气体气密性的非导电性材料可以通过用注塑成形法等的成型来高精度地应用于层叠电池的侧面，能提高外部分流器的密封的可靠性。
尤其是，通过用注塑成形法等将分流器和配置在层叠电池侧面的气体气密性的非导电性材料一体成型，在外部分流器与层叠电池的侧面之间无接合面，能提高外部分流器的密封的可靠性。
而且，通过采用树脂或橡胶作为气体气密性的非导电性材料，能保证电气绝缘性。另外，在使用橡胶的场合，能吸收层叠电池层叠方向上的厚度蠕变，并吸收与外部分流器的密封面相接的层叠电池的侧面的凹凸，提高整体的密封可靠性。
接着进一步详细说明配置在所述层叠电池的端板。
在本发明的燃料电池中，有必要供给所述层叠电池的燃料气体、氧化剂气体及冷却水的各通道最好在所述端板处，相对层叠电池的勒紧方向成直角方向配置。通过用这样的端板连接层叠电池，能使多个相同形状的层叠电池连续接合，能获得含有多个层叠电池的燃料电池。此外，能容易地装在各种设备上，因为能使用相同形状的层叠电池，所以也能降低成本。
在此，参照附图对本发明中的端板进行说明。
图6为示出端板配置方法用的本发明燃料电池的概略侧视图。如图6所示，例如在将50个单个电池层叠而成的层叠电池20的两端，分别依次配置金属制成的集电板21和电绝缘材料构成的绝缘板22，并在其外侧配置端板23。并且如图6所示的燃料电池的概略俯视图即图7所示，用贯穿该层叠电池20的螺栓24和螺母连接端板23，做成一个燃料电池。
在端板23上，在与层叠电池20的层叠方向正交的方向，分别设有燃料气体、氧化剂气体及冷却水的各通道。即，在一个端板上配置从A1侧进入又从A2侧出去的各通道，并在另一个端板上配置从B1侧进入又从B2侧出去的各通道。并且，这些各通道与设于构成各单个电池的隔板的气体及冷却水的流道的出入口相通。
因此，使图6所示的燃料电池1个单独发电时，各气体及冷却水的入口设为A1，出口设为B2。堵塞A2及B1，就能对各单个电池并列供给各气体及冷却水。此外，将图6所示的燃料电池多个连接时，只要使A1及B1与分别相邻的燃料电池的A2及B2相通就行。
本发明的端板的配置方法的另一实施形态在图8中示出。图9为图8所示燃料电池的概略俯视图。
如图8所示，在层叠电池30的两端依次配置集电板31及绝缘板32，在其外侧配置端板33。并如图9所示，用贯穿该层叠电池30的螺栓53及螺母将端板33连接成一个燃料电池。在端板33上，与图6所示的相同，在与层叠电池30的层叠方向正交的方向，设有燃料气体、氧化剂气体及冷却水的各通道。
此外，图8及图9所示的燃料电池包括3个层叠电池30，连接成其端板33的各通道相通的状态。即，例如通过焊接将连接件34接合在端板33的上下部分，再用螺栓35和螺母36将这些连接件相互连接，并且，在端板33之间，夹入设有与氧化剂气体及冷却水通道相通的孔的密封件37，这样，就能防止气体及冷却水的泄漏。另外，54是将燃料电池固定在设置面上用的基座。
在图8及图9所示的燃料电池中，连接着3个燃料电池。因此，本发明也涉及含有夹着导电性隔板将单个电池多个层叠而成的层叠电池、设于各层叠电池端板的燃料气体、氧化剂气体及冷却水的各通道经液体密封机构相连接的固体高分子型燃料电池，所述单个电池具有固体高分子电解质膜，夹着所述固体高分子电解质膜设置并有催化剂反应层的一对电极，以及向所述电极之一供给含有氢气的燃料气体并向另一电极供给含有氧气的氧化剂气体的手段。
在图8所示的燃料电池中，位于左端的层叠电池的一个端板33的通道上，连接着与气体或冷却水的供给源连通的管子40、41及42，在另一端板33的通道上，用侧面板39按压着密封件38，将通道密封。另外，在燃料电池右端的一个端板33的通道上，用侧面板39按压着密封用的密封件38，在另一端板的通道上，连接着气体或冷却水的排出用管子50、51及52。这样，燃料气体、氧化剂气体及冷却水就能并列供给燃料电池的各层叠电池的单个电池。
另外，作为连接端板33用的连接装置，除了上述的螺栓、螺母之外，也可以使用例如堵塞填隙件、铆钉、夹子等。此时如图8所示，为了防止各流体流出，通过例如O型圈等的密封件，利用侧面板39将端板33的另一侧面密封。
图8及图9所示的本发明的燃料电池，因为将相同大小的层叠电池多个连接起来使用，所以可降低大量生产时的成本。此外，由于将具有燃料气体、氧化剂气体及冷却水的各通道的端板相连接，各流体的供给装置配置紧凑，所以具有可装在各种设备上且装载方便的优点。
另外，图8及图9所示的是用设有气体及冷却水通道的端板将多个层叠电池相连接的结构，但本发明不限于使用端板，也可以利用设有气体及冷却水通道的容器将多个层叠电池相连接。即，本发明也涉及含有多个所述层叠电池，并利用具有对各层叠电池供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水用各通道的容器，使各层叠电池相连接的固体高分子型燃料电池。采用本发明，能按用途自由选择层叠电池的连接数。
在上述本发明的实施形态中，单个电池的层叠方向与设置面平行，而一定层叠数的电池装置在横方向连接。因此，所获得的燃料电池的重心最靠近设置面。这样设置燃料电池，使其重心最接近接地面，装在各种设备上时，就能有效保证空间。另外，单个电池的结构也最好做成横向长的形状。
以下参照
本发明的实施例。
首先说明实施例1。
将粒径在数μm以下的碳粉末浸在氯化铂酸溶液中，通过还原处理使碳粉末表面载有铂催化剂。令此时的碳与载有的铂的重量比为1∶1。接着，使载有该铂的碳粉末分散在高分子电解质的乙醇溶液中，成为浆料。
另一方面，将成为电极的厚度为400μm的碳纸浸渍在氟树脂的水性分散体(daikin工业株式会社制的内奥氟隆ND-1)中，然后，使碳纸干燥，用400℃进行30分钟的加热处理，使其具有疏水性。接着如图10所示，在经疏水处理的碳纸的一个面上均匀涂上含有碳粉末的浆料，形成催化剂层62，获得电极69。
将获得的一对电极69重叠在高分子电解质膜63的两个面上，并使其具有催化剂层62的面分别与高分子电解质膜63相对置，然后使其干燥而获得MEA70。在此，硅橡胶作为防止供给燃料电池的气体发生泄漏或相互混和用的密封垫片起作用。
用具有气密性的碳制成的隔板64从所获得的MEA70的两个面夹住MEA70，组成单个电池。
隔板64厚度为4mm，其表面经切削加工刻有宽2mm、深1mm的气体流道65。并在其周边部分，配置有气体的分流器孔66和冷却水的分流器孔67。另外，在用隔板夹入MEA70时，在电极69的周围配置密封垫片68，该密封垫片68是在与碳制成的隔板64相同外形尺寸的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)片的两个面上粘贴EPDM片而制成的。
将这样的2组单个电池层叠之后，将设有流过冷却水的冷却流道的隔板64相层叠。这样就获得单个电池层叠体。另外，冷却流道的密封未使用O型圈。
将获得的由两个单个电池构成的单个电池层叠体多个层叠起来，组装成如图11所示的燃料电池。首先，将与上述相同的单个电池层叠体25个(即50个单个电池)层叠起来，再在其两端面配置金属制的集电板70、电气绝缘材料构成的绝缘板71及端板72。接着，用连接杆73将两端板72相连接，将夹在两端板之间的层叠电池固定。
燃料气体、氧化剂气体及冷却水等流体从分别设于上方的端板72上的燃料气体供给管74、氧化剂气体供给管75及冷却水供给管76，沿图中箭头方向供给燃料电池。这些供给管74、75及76与层叠电池的各分流器孔(未图示)相连接。各流体的分流器孔随着趋向下方，其截面积渐渐变小。
通过层叠电池内之后的各流体从燃料气体排出管77、氧化剂气体排出管78及冷却水排出管79，沿图中箭头方向排出到电池之外。在此，与各排出管77、78及79连接的各流体的分流器孔(未图示)随着趋向上方其截面积渐渐变大。
这样，从流入侧分流器通过各单个电池及各冷却板后的各流体又通过流出侧分流器，从各流体流入的端板侧排出到电池之外。
通过采取如上所述的结构，就可以使通过各单个电池的各流体的流道长度发生变化。这样，就能使因各流体所产生动压力的压力梯度与流道长度变化而产生的压力损失相平衡，就能均匀地将各流体供给各单个电池。还有，因为使分流器截面积减小来调节动压力的压力梯度，所以可减小外形尺寸。因此能制成轻量紧凑的燃料电池。
现说明实施例2。
使用与实施例1所用相同的由两个单个电池构成的单个电池层叠体50个层叠而成的层叠电池，组装成图3所示的燃料电池。
在层叠电池1的两层叠面上重叠金属制的集电板6及绝缘板7，再在其表面重叠端板5。一对端板5在其侧部分别有凹部。将连接带10卡住在该凹部，将层叠电池1固定。绝缘板7及端板5分别设有通孔(未图示)，一对集电部件8穿过该孔安装。集电部件8顶端与集电板6导通，作为输出端子起作用。另外，集电部件8与端板5由电器绝缘材料绝缘。对该端板5与集电部件8进行绝缘的电气绝缘材料与绝缘板7成一体的也有相同的效果。
采用这样的结构，当从层叠电池取出电能时，能防止连接层叠电池与设备的连接件凸出于层叠电池外廓。即，能获得小型紧凑的燃料电池，提高了装在各种设备上时的自由度。
以下说明比较例1及实施例3。
将粒径在数μm以下的碳粉末浸在氯化铂酸溶液中，通过还原处理使碳粉末表面载有铂催化剂。令此时的碳与载有的铂的重量比为1∶1。接着，使载有该铂的碳粉末分散在高分子电解质的乙醇溶液中，成为浆料。
另一方面，将成为电极的厚度为400μm的碳纸浸渍在氟树脂的水性分散体(daikin工业株式会社生产的内奥氟隆ND-1)中，然后，使碳纸干燥，用400℃进行30分钟的加热处理，使碳纸具有疏水性。接着在经疏水处理的碳纸的一个面上均匀涂上含有碳粉末的浆料，形成催化剂层62，获得电极69。
用如上所述获得的电极69，组装如图10所示的2个单个电池构成的单个电池层叠体。
将获得的电极69裁成长宽都为10cm。接着，将两片电极69重叠在长宽均为12cm的高分子电解质膜63的两个面上，并使两电极的具有催化剂层69的面与高分子电解质膜63相对置且位于高分子电解质膜63的中央。在电极69的周围，夹着高分子电解质膜63配置约350μm厚的硅橡胶片。接着，用100℃进行5分钟的热压，获得MEA70。在此，硅橡胶作为防止供给电池的气体泄漏或相互混和用的密封垫片起作用。
将获得的一对MEA70与隔板64交替重叠。隔板64是碳制成的，厚4mm，有气密性。并在其与MEA70接触的表面，经切削加工形成有宽2mm深1mm的气体流道65。此外，在隔板64的周边部分，正反面贯穿地形成有燃料气体或氧化剂气体的分流器孔66。又，分流器孔66与气体流道65的端部相通。此外，同样使冷却水循环用的分流器孔67也同样正反面贯穿地形成在隔板64上。
另外，用隔板64夹入MEA70时，在电极69周围配置与隔板64相同外形尺寸的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的片68。该PET片68用作MEA70周边部分的隔板64与高分子电解质膜63间的垫片。另外，冷却流道的密封中未使用O型圈。
将这样的单个电池层叠体25个，即50个单个电池层叠起来，在两端部分别依次层叠金属集电板、绝缘板及端板而获得层叠电池。接着，用连接杆将该层叠电池的两端板相连接来固定层叠电池，将此作为比较燃料电池(比较例1)。此时的连接压力对于隔板面积为10kgf/cm2。向该50个单个电池构成的燃料电池通入燃料气体和冷却水，但却从PET片与隔板的隙缝间漏出，未能发挥电池性能。
因此，在本实施例的电池中，不采用内部分流器方式，而用外部分流器方式取而代之，将它与层叠电池的长度方向即层叠电池外形尺寸的长边平行配置。图12示出这样获得的燃料电池的概略立体图。
将获得的MEA70分别夹入图13所示的隔板64a与64b之间及隔板64b与64c之间，获得单个电池层叠体。隔板64a、64b及64c均是厚4mm的碳制成的板，具有气密性。在其表面形成有气体流道65或冷却流道101。
如图13所示，在隔板64a的上表面及隔板64c的下表面，分别形成有冷却流道101。冷却流道101的供给排出口96在隔板64a及64c的侧面开口。在隔板64a的下表面、64b的两个面及64c的上表面，形成有燃料气体或氧化剂气体流通用的气体流道65。气体流道65是通过切削加工形成的，其宽2mm深1mm。燃料气体及氧化剂气体的气体流道65的供给排出口94及95也与冷却水的供给排出口96一样，开设在各隔板的侧面。隔板64a-64c不设置内部分流器方式的分流器，在整个面上仅配置气体流道65或冷却流道101。气体流道65的供给口和排出口即一对供给排出口94或95配置在互相相对的边上。另外，层叠单个电池时，配置氢气的供给排出口94、空气的供给排出口95及冷却水的供给排出口96，要使外部分流器位于相对的侧面。
在本实施例中，不使用PET片，使形成有催化剂反应层62的碳纸与碳隔板有相同的外形尺寸，制成层叠时电极端部达到电池侧面结构的电池。在将单个电池2个层叠后的单个电池层叠体上层叠冷却部的形式，组装出层叠了50个单个电池的层叠电池。冷却部的密封中未使用O型圈。因为是外部分流器方式，所以在集电板、绝缘板及端板上不必设置流体的供给排出口。层叠电池连接用的连接杆部设于未开设有气体的供给排出口的侧面。
接着，用作为密封材料的酚醛树脂覆盖层叠电池的侧表面。此时，气体的供给排出口94、95和冷却水的供给排出口96不用密封材料堵塞。此外，与外部分流器的密封面接触的部分涂敷酚醛树脂，要注意能获得尽量平滑的面。
接着如图12所示，将SUS制的半圆筒状外部分流器87沿层叠电池1的长度方向配置，从层叠电池侧面将各排成列的燃料气体的供给排出口94、氧化剂气体的供给排出口95以及冷却水的供给排出口96覆盖。另外，外部分流器87用端板部螺丝88固定。另外，外部分流器87与覆盖层叠电池1侧表面的密封件之间的分流器密封89，是将具有独立气泡的EPDM片切断成规定的外部分流器密封面的形状而成的。
对该50个单个电池构成的层叠电池通入氢气和空气，使冷却水循环，进行电池试验。在氢气利用率70％、氧气利用率20％、氢加湿起泡温度85℃、氧加湿起泡温度75℃、电池温度75℃的条件下，电池输出为1020W(30A-35V)。对外部分流器密封部的气体泄漏也进行了测定，但未能检测到泄漏，可知获得了良好的密封性。
在该实施例中，通过在燃料电池的整个侧面配置密封材料，就能容易地实现历来熔融碳酸盐型等的燃料电池所使用的外部分流器方式。
此外，若采用本实施例所示的结构，分流器部与层叠电池部可分别制造。因此，例如可以不考虑燃料电池的用途及输出规模，大量标准化生产由相同形状的隔板及MEA构成的单个电池层叠体。另外，可以根据用途及输出规模制造分流器部分，能达到成本的降低。
现说明实施例4。
在本实施例中，在与实施例3的分流器起相同作用的供给用分流器10及排出用分流器11之外，再如图5所示，在层叠电池1的外周配置连接用部件12。这样，通过将层叠电池1内的单个电池相互压紧，就能降低单个电池间的接触电阻，可减少零件数。另外，本实施例的电池的构成除了气体分流器的设置方法之外，全部与实施例3的电池相同。
对该构成的燃料电池用与实施例3相同的条件进行评价，结果获得1200W(30A-40V)的输出。从这可知，本实施例的燃料电池比实施例3的电池及使用PET片等垫片的电池显示出更高的性能。其原因可能是，通过将分流器配置在层叠电池的外周，并将单个电池相互压紧，降低了单个电池间的接触电阻。
以下说明实施例5。
在本实施例中，对与实施例4相同构成的燃料电池，当环境发生变化时，分流器对电池输出特性的稳定性的影响进行评价。
在本实施例中，对实施例4所使用的电池，使图5所示的供给用分流器10、排出用分流器11及连接用分流器12的安装面积发生变化。此外，改变分流器的材质，对分流器的热传导率与电池输出的稳定性关系进行评价。图14示出了该结果。
在图14中，纵轴表示电池组件的输出功率，横轴表示运行时间。在此所谓面积，是将安装分流器的层叠电池的侧面积设为100时的分流器的面积％。另外，图中的“SUS”，表示使用与实施例4相同的SUS的分流器时的情况，而“Ni/Cu”表示使用用镍镀过的铜时的情况。
在电池的性能评价中，将氢和空气通入燃料电池，使冷却水循环进行电池试验。此时，条件设定为氢利用率70％，氧利用率20％，氢加湿起泡温度85℃，氧加湿起泡温度75℃。此外，采用燃料电池在5℃的温度氛围下设置12小时后，再在40℃的温度氛围下设置12小时的环境变化循环。冷却水的温度设定为与外部氛围的气温温度同步，分别是5℃12小时，25℃12小时。
其结果，在设置燃料电池的环境温度发生变化的试验中，分流器的面积越大，长期稳定性越好。此外，其材质用热传导性良好的镍镀过的铜制成的，比SUS制成的要好。其原因是由于，外部环境较高温时，分流器起了散热作用。
以下说明实施例6。
将粒径在数μm以下的碳粉末浸在氯化铂酸溶液中，通过还原处理使碳粉末表面载有铂催化剂。令此时的碳与载有的铂的重量比为1∶1。接着，使载有该铂的碳粉末分散在高分子电解质的乙醇溶液中，成为浆料。另一方面，将成为电极的厚度为400μm的碳纸浸渍在氟树脂的水性分散体(daikin工业株式会社制的内奥氟隆ND-1)中再干燥后，用400℃进行30分钟的热处理，使其具有疏水性。
如图10所示，在经疏水处理后的碳纸电极61的一个面上均匀涂上含有上述碳粉末的浆料，形成催化剂层62。将两片碳纸电极61的形成有催化剂层的面朝向内侧并夹着固体高分子电解质膜63重叠之后，使其干燥作为MEA。用具有气密性的碳制成的隔板64从该MEA的两侧面夹着该MEA而构成单个电池。
隔板厚4mm，其表面通过切削加工，刻有多条宽2mm、深1mm的气体流道65，其周边部分设有气体的分流器孔66和冷却水的分流器孔67。另外，将MEA夹入隔板时，在电极61的周围配置密封垫片68，该密封垫片68是在与碳制隔板相同外形尺寸的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)片的两个面上，粘贴乙烯-丙烯-二烯烃三元异分子聚合物配合物(EPDM)的片而成的。
将这样的两个单个电池层叠之后，在其上层叠形成有冷却水流通的流道的隔板，重复进行该过程，制成层叠电池。在设有冷却水流道的隔板之间未使用密封用O型圈。即，将两个单个电池组成的单个电池层叠体50个层叠起来，制成具有图6及图7所示结构的燃料电池。
将这样制成的燃料装置装在例如车辆等上时，必须使车辆发生碰撞等时对燃料电池的损伤在最小限度内，确保安全性。因此，燃料电池最好设置在人员等乘坐的车内地板之下，尤其是从保证车内乘坐空间的角度考虑，安装时尽量使燃料电池的高度方向减薄很重要。故在本实施例中，设置时使电池装置的重心位置最靠近电池装置的设置面，能使电池离设置面的高度最小。
权利要求
1.一种将单个电池夹着导电性隔板多个层叠而成的层叠电池所构成的高分子电解质型燃料电池，所述单个电池具有固体高分子电解质膜、夹着所述固体高分子电解质膜并有催化剂反应层的一对电极、以及向所述电极之一供给含有氢的燃料气体并向另一所述电极供给含有氧气的氧化剂气体的装置，其特征在于，具有从所述层叠电池之中的一端部的单个电池起到另一端部的单个电池为止，按其层叠顺序，分别分配供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水的供给用分流器，以及，从所述另一端部的单个电池起按其层叠顺序，分别排出所述燃料气体、氧化剂气体及冷却水的排出用分流器。
2.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述燃料电池具有在所述层叠电池两端面沿层叠方向向所述单个电池施加勒紧压力的端板，进行所述单个电池的集电的集电板的一部分贯穿所述端板，在所述集电板与所述端板之间夹装有绝缘部件。
3.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述供给用分流器的截面积趋向下游变小，而所述排出用分流器的截面积趋向下游变大。
4.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述供给用分流器及排出用分流器在所述层叠电池的侧面沿单个电池的层叠方向平行配置。
5.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述供给用分流器及排出用分流器配置在所述层叠电池的外周，具有将各单个电池相互压紧，降低所述单个电池间接触电阻的作用。
6.根据权利要求3所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，在所述端板处，将所述燃料气体、所述氧化剂气体及冷却水的通道沿与所述单个电池的层叠方向垂直的方向配置。
7.一种高分子电解质型燃料电池，其特征在于，其含有多个将单个电池夹着导电性隔板多个层叠而成的层叠电池，所述单个电池具有固体高分子电解质膜、夹着所述固体高分子电解质膜并有催化剂反应层的一对电极、以及向所述电极之一供给含有氢的燃料气体且向另一电极供给含有氧的氧化剂气体的装置，设于所述各层叠电池的端板的燃料气体、氧化剂气体及冷却水的各通道通过流体密封机构而连接。
8.根据权利要求7所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述各层叠电池通过具有对所述各层叠电池供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水用各通道的容器而连接。
9.一种高分子电解质型燃料电池的设置方法，该高分子电解质型燃料电池由夹着导电性隔板将多个单个电池层叠而成的层叠电池组成，所述单个电池具有固体高分子电解质膜、夹着所述固体高分子电解质膜并具有催化剂反应层的一对电极、以及向所述电极之一供给含有氢气的燃料气体并向另一电极供给含有氧气的氧化剂气体的装置，其特征在于，所述燃料电池的重心设置在最靠近设置面处。
全文摘要
一种将单个电池夹着导电性隔板多个层叠而成的层叠电池所构成的高分子电解质型燃料电池,该单个电池具有固体高分子电解质膜、夹着该膜配置的一对电极和向一电极供给含氢的燃料气体并向另一电极供给含氧的氧化剂气体的装置,其具有:从层叠电池中一端部的单个电池至另一端部的单个电池,按层叠顺序,分别分配供给各种气体及冷却水的供给用分流器,及从另一端部的单个电池起按层叠顺序,分别排出各种气体及冷却水的排出用分流器。能提供小型紧凑的燃料电池。
文档编号H01M8/24GK1245982SQ9911805
公开日2000年3月1日 申请日期1999年8月18日 优先权日1998年8月20日
发明者小原英夫, 行天久朗, 羽藤一仁, 西田和史, 内田诚, 安本荣一, 菅原靖, 神原辉寿, 松本敏宏 申请人:松下电器产业株式会社