CN1233081A - 固体高分子电解质型燃料电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固体高分子电解质型燃料电池,所述电池系通过内夹以导电性隔片、层叠多个单体电池而成,所述单体电池包括:具有夹合固体高分子电解质膜的一对催化剂反应层的电极;将含氢的燃料气体供给、分配至上述电极一面的输送机构;以及将含氧的氧化剂气体供给、分配至上述电极另一面的输送机构;其特征在于:在所述层叠的单体电池组侧面或内部设置有气密性电绝缘层,所述电极及所述隔片之间被赋于气体密封性。藉此,可提供一种具有优异的机械强度及气密性的小型化高分子电解质型燃料电池。

Description

固体高分子电解质型燃料电池 及其制造方法
本发明涉及一种可使用于移动式电源、电动汽车用电源和家庭内综合电源系统(cogenerotion system)等的常温使用型燃料电池、特别是涉及一种固体高分子电解质型燃料电池及其制造方法。
固体高分子电解质型(以下简称“固体高分子型”)燃料电池系通过气体扩散电极，使氢等的燃料气体和空气等的氧化剂气体起电化学反应，同时产生电和热。
这种固体高分子型燃料电池的一例示于图2。
在可选择地传输氢离子的固体高分子电解质膜(以下，有时，也简称为“电解质膜”)3的二面，密贴设置有以载持铂系金属催化剂的碳粉末为主成份的催化剂反应层2。再在催化剂反应层2的外面，密贴设置兼具通气性和导电性的一对扩散层1。由该扩散层1和催化剂反应层2构成电极23。
在电极23外侧，在对上述电极23和电解质膜3的电极电解质组合单体(以下简称为“MEA”)22作机械固定的同时，也设置有导电性隔板4，以便使相邻接的二块MEA22之间互作串联的电连接。隔板4与电极23接触部分上，形成有用于向电极供给反应气体、并将反应发生气体和剩余气体排出的气体通道5。气体通道5也可与隔板4分开设置。但其通常的设置方式是：在隔板表面设置沟槽，由此，形成气体通道。
为向上述沟槽供给燃料气体，需要这样一种配管模件，以便将供给燃料气体的配管分成与所使用的隔板块数相对应的管道数、且使所述分支管道的前端直接与隔板状的沟槽相连接。该模件称为多叉分支管，如上所述的、与燃料气体的供给配管直接连接形式的多叉分支管称为外部多叉分支管。
另一方面，也有一种可简化其内部结构的内部多叉分支管。所谓内部多叉分支管，是在形成了气体通道的隔板上设置贯通孔，使气体通道的进出口连通至该孔，从该孔直接供给燃料气体。
为保持电池温度恒定，在每隔两个电池单体设置的隔板4的另一个面上设有循环冷却水用的冷却通道24。藉由所述冷却水的循环，可以将反应发生的热能以温水等的形式利用。
又，在电极23的周围设有夹合电解质膜3的密封材料17及O型垫圈18，以使之不发生氢与空气泄漏于电池之外、或互相混合以及冷却水泄漏于电池之外的情况。有时，该密封材料17及密封垫圈18可与电极23及电解质膜3作成一体而预先组装。
又，作为其它的密封方法，也有如图3所示的结构。在电极周围设置具有与电极同样厚度、由树脂或金属板组成的密封垫圈19，在密封垫圈19和隔板4之间的空隙处，用润滑油或粘结剂等的密封材料17进行密封。
再有，近年来，也有人提出了如下所述的方法：使用其电极23的大小如同电解质膜3的MEA22，如图4所示，使具有密封效果的树脂21预先渗入须作空气密封的部分内，使其固化、密封。即，藉由树脂21的浸渗，确保其与隔板4之间的气密性。
如前所述，许多燃料电池采用层叠多层单体电池的叠层结构。为了在燃料电池的使用时，可将与电力同时产生的热排出于电池之外，在叠层结构的电池上每隔1～3个单体电池配有冷却板。作为冷却板，其结构通常是将冷却水等的热介质流经用薄金属板围成的空隙内。又，如图2～4所示，也有人提出了这样一种方法：在构成单体电池隔板4的背面，即，在隔板4的须流经冷却水的背面上形成冷却通道24，使隔板4自身成为一种冷却板。其时，为密封冷却水等的热介质，须使用O型垫圈或气密垫圈，由于在作这样的密封之时，O型垫圈会有完全崩坏等情况，在冷却板的上下之间需确保足够的导电性。
其次，前述的多叉分支管模通常是那种确保在叠层电池内部置有向各个单体电池供给气体的供气孔和排气孔、以及冷却水的供水孔和排水孔的内部多叉分支管。这里，作为内部多叉分支管型的固体高分子型燃料电池的一例，有如图5所示的、作部分剖切的斜视图。
如同图2所示结构一样，在图5中，层叠有扩散层1、催化剂反应层2、电解质膜3及隔板4，在隔板4上形成有气体通道5。而且，形成有对电池进行供气、或排气用的通气用多叉分支管8和将冷却电池用的冷却水供给或排出于电池的冷却水用多叉分支管8’。
然而，在上述内部多叉分支管型的结构中，在将改性气体用于电池时，在各个电池的燃料气体通道的下游侧的CO浓度增高。其结果，造成电极中毒，温度下降，下降的温度又进一步促进了电极中毒。
为控制上述电池性能的低下，人们开始重新审视外部多叉分支管型燃料电池，在所述外部多叉分支管结构中，多叉分支管模向各个单体电池供给、排出气体的供气或排气部的宽度被尽量扩大。
内部多叉分支管型燃料电池的场合，由于要在整个电池上施加恒定的紧固压力，所以，该电池通常对气密性要求较高。另一方面，在外部多叉分支管型燃料电池中，与多叉分支管模法兰面接触的叠层电池的侧面系MEA及隔片等薄板的层叠体，所以，难以得到平滑的密封面。即，在通常的内部多叉分支管型的层叠方式中，气密的可靠性较低。
然而，在内部多叉分支管型的场合，如电池的叠层数及电力输出功率增大，则必须通过该内部多叉分支管模孔供给、排出大量的流体，多叉分支管部分的压力损耗增大。因此，在叠层数小的燃料电池中，考虑到电池整体的小型化要求，须作成孔径较小的多叉分支管孔；而在叠层数大的燃料电池中，为抑止压力损耗，须作成孔径较大的多叉分支管孔。为此，在内部多叉分支管型电池中，在设计隔片及MEA时，常常须考虑到电池的叠层数。
不管如何，有必要将含有冷却部分的多个单体电池在一个方向上层叠，在其二端设置二块端板，藉由紧固件将该二端板间作固定。作为紧固方式最好是，使用使单体电池在其端面内尽可能作均匀紧固的方式。又，从机械强度观点来说，端板及紧固件通常使用不锈钢等材料。这些端板或紧固件藉由绝缘板等而与叠层电池电气绝缘，使电流不会通过端板流出于电池之外。关于紧固件，也有人提议采用如下所述的改良方式：使其通过形成于隔板上的通孔；或用金属带予跨越端板来对叠层电池作整体紧固。
再有，在如图2～4的任一密封方法中，为了维持密封性以及减小电极与隔片之间的接触电阻，有必要采用恒定的紧固压力，在紧固件和端板之间，插入螺旋弹簧及碟形弹簧。又，藉由所述紧固压力，可以确保隔片、电极、电解质膜等构成电池的电池构成部件之间的电接触。
另一方面，在如上所述的固体高分子型燃料电池中的隔片，须保持高的导电性、对燃料气体的高气密性以及对氢/氧氧化还原反应的高的耐蚀性。根据上述理由，传统的隔片通常是由碳粉末及膨胀石墨等的碳材料组成，其上的气体通道也是由对其表面进行切削制得；在所使用的隔片为膨胀石墨的场合，则通过模具成形形成气体通道。
然而，近年来，人们使用不锈钢等的金属板取代传统所使用的碳材料。图6及图7为至今已有的金属制隔板4的平面示意图。如图6所示，在隔板4的外缘部及内部多叉分支管孔的外周部，由树脂等形成凸缘6，藉由将例如金属网板7或金属制波纹状散热片插入电极和金属板之间，形成气体通道。或者，也有人提出了如图7所示的形成通道的方法：对一块金属板进行加压成形加工，藉此形成凹折部分9和外凸部分10，在从气体供给一侧的多叉分支管模至气体排出一侧的凹折部分9形成气体通道。
在以上所示的燃料电池中，为密封氢气及空气等气体，有必要在电极周围设置密封材料及O型垫圈。此时，MEA上须留有用于设置密封材料的10mm左右的部位。又，在将具有密封效果的树脂浸渗于MEA、构成密封部位的方法中，也必须有5mm左右的密封宽度。
为了实现燃料电池的小型化和节省空间，上述密封宽度须作得尽可能地小。再有，密封材料和密封部位有必要用上下隔片夹持，且，必须一直加有较大的紧固力。这样，成问题是，端板及紧固件等紧固用具的尺寸及重量就要增大，影响电池整体的小型化和轻量化。
在使用密封材料及O型垫圈的方法以及预先将树脂浸渗MEA进行密封的方法中，必须有密封部件及密封工序；为了实现低成本化，更需要作进一步研究。另外，在固体高分子型燃料电池中，电解质膜和电极之间、电极与隔板之间须作充分的加压接触。而在传统的方法中，来自端板的紧固压力是作用在电极部位和密封部位的两个部位上，所以，其存在问题是：很难形成进行充分加压接触所需的厚度、形状。
在内部多叉分支管型的电池方式中，在层叠数较少的燃料电池上，考虑到电池整体的小型化要求，作成孔径较小的多叉分支管模孔；而在层叠数较多的燃料电池中，为抑止压力损耗，须作成孔径较大的多叉分支管模孔。即，问题是：在隔片及MEA的设计中，须经常考虑到叠层数。
鉴于上述问题，本发明的目的在于：提供一种固体高分子型燃料电池，所述固体高分子型燃料电池在前述多叉分支管和叠层电池组(块)面之间且有优异的气密性。本发明的目的又在于：提供一种所述电池的制造方法。
另一方面，根据传统碳板的切削方法，很难在降低碳板材料成本的同时，也降低对其进行切削所需的成本。另外，使用膨胀石墨的方法的成本也很高。这些都是影响实用化的因素。
在使用上述金属板的方法中，例如，在使用如图6所示隔片的场合，出于减少燃料气体供给动力的目的，可减少气体流量，或是提高气体的利用率。然而，这却使得电极表面燃料气体的流速减小，生成水蒸气的排出困难。另外，为使气体在从供给气体一侧的多叉分支管至气体排出一侧的多叉分支管之间作同样的流动是困难的。
又，在如图7所示的隔片中，气体流速得到保持，又可以均一地流动气体。然而，由于多叉分支管部端面为波纹状结构，燃料气体的密封困难。又，金属板的加工也受到许多约束，很难自由设计气体流动。
因此，本发明的目的又在于：提供一种可解决上述问题的隔片。
本发明系有关一种固体高分子电解质型燃料电池，所述固体高分子电解质型燃料电池系通过内夹以导电性隔片层叠多个单体电池而成，所述单体电池包括：具有夹合固体高分子电解质膜的一对催化剂反应层的电极；将含氢的燃料气体供给、分配至上述电极一面的输送机构；以及将含氧的氧化剂气体供给、分配至上述电极另一面的输送机构组成；
其特征在于：在所述层叠的单体电池组的侧面或内部设置有气密性电绝缘层，所述电极及所述隔片被赋于气体密封性。
这里，所述电绝缘层较好的是由复合材料构成，所述复合材料由电绝缘材料及其抗拉强度大于上述电绝缘材料的材料构成。
又，较好的是，上述层叠的单体电池组的侧面通过所述电绝缘材料设置有多叉分支管模，通过所述多叉分支管模向单体电池组供给、分配燃料气体。
又，较好的是，所述单体电池组的电极端部到达上述层叠的单体电池组的侧面。
又，较好的是，上述多叉分支管由弹性体材料构成。
又，较好的是，构成上述多叉分支管的材料最好是与构成电绝缘层的材料相同。
又，较好的是，构成上述电绝缘层的材料是树脂或橡胶。
又，较好的是，所述隔片由具有气体流通沟槽的金属板构成，并且，所述气体流通沟槽和供给所述燃料气体的燃料气体输送机构通过气密性材料连接。
另外，较好的是，所述气体流通沟槽由互为平行的多个直线形状沟槽组成。
又，形成于上述金属板一面上的气体流通沟槽较好的是，其在所述金属板的另一面形成气体流通沟槽的凹部。
又，较好的是，所述隔片由多块金属板构成，在所述金属板的至少一块的整个面上具有气体流通沟槽。
又，较好的是，所述隔片由具有气体流通沟槽的金属板构成，并且，所述气体流通沟槽和供给所述燃料气体的燃料气体的输送机构通过气密性材料连接。
又，较好的是，在将上述气密性非金属材料对着上述金属板，以大于所定压力的压力进行挤压时，上述金属板和上述气密性非金属材料的接触面对于上述燃料气体具有气密性。
再有，本发明系有关一种固体高分子电解质型燃料电池的制造方法，所述固体高分子电解质型燃料电池系具有层叠多个单体电池而成的叠层电池，所述单体电池包括：具有夹合固体高分子电解质膜的一对催化剂反应层的电极，将含氢的燃料气体供给、分配至上述电极一面的输送机构；以及将含氧的氧化剂气体供给、分配至上述电极另一面的输送机构；
其特征在于，所述方法包括：通过内夹隔片层叠多个单体电池，使所述单体电池组从其二端面被机械连接、固定，形成叠层电池的工序；在所述层叠的单体电池组的侧面形成由气密性的电绝缘材料、或由其抗拉强度大子上述电绝缘材料的材料组成的复合材料构成的密封部的工序；以及通过密封部，在所述叠层电池上设置气体多叉分支管、使所述密封部和气体多叉分支管作气密接合的工序。
此时，较好的是，通过超声波熔焊接合所述密封部和气体多叉分支管。
又，较好的是，藉由注射成形，将所述叠层电池和气体多叉分支管作一体成形，藉此，通过密封部，在所述叠层电池上设置气体多叉分支管，使所述密封部和气体多叉分支管作气密接合。
又，上述隔片可藉由金属板的加压成形或弯曲成形加工，在其上形成气体流通沟槽。
再有，上述隔片可藉由加压或弯曲，在金属板的整个面上加工波纹状，形成具有互相平行的多个直线形状的气体流通沟槽。然后，再对一部分经过上述波纹状加工的金属板作平坦化处理，由此制得隔片。
又，也可藉由对金属板的粘结或烧焊，使气密性材料与形成有气体流通沟槽的金属板成一体。
图1为本发明实施例中的固体高分子型燃料电池的斜视示意图。
图2所示为传统固体高分子型燃料电池结构的部分剖视示意图。
图3所示为另一传统固体高分子型燃料电池结构的部分剖视示意图。
图4所示为又一传统固体高分子型燃料电池结构的部分剖视示意图。
图5所示为内部多叉分支管型固体高分子型燃料电池结构的局部剖切斜视图。
图6为传统金属制隔板的平面示意图。
图7为另一传统金属制隔板的平面示意图。
图8所示为本发明实施例中的固体高分子型燃料电池结构的部分剖视示意图。
图9所示为本发明实施例中所使用的隔板结构分解后的斜视示意图。
图10所示为本发明实施例中的固体高分子型燃料电池结构的部分剖视示意图。
图11所示为本发明实施例中所使用的隔板结构的斜视示意图。
图12所示为本发明实施例中所使用的隔板结构的平面示意图。
图13所示为本发明实施例中所使用的隔板结构的分解斜视示意图。
图14所示为本发明实施例中所使用的隔板结构的斜视示意图。
图15所示为本发明实施例中所使用的隔板结构的斜视示意图。
图16所示为本发明实施例中所使用的隔板结构的斜视示意图。
本发明系一种将密封材料设置于叠层电池组成部件之侧面部分的密封方法，用以取代将密封材料夹入于如隔片等的电池构成部件之间进行密封的传统方法。又，在MEA(电极电解质组合体)电极周围的密封部位，去除密封材料，构成其面积基本上与隔片等同的电极。又，配置于叠层电池侧面部位的密封材料上设置更具有抗拉强度的纤维状材料等。作为制造单体可分为共有隔膜MEA的电极叠层部以及多叉分支管部，所述多叉分支管部因层叠数及电池输出功率的不同而有不同的设计。
本发明的固体高分子型燃料电池系用气密性的电绝缘材料(以下，简称为“密封材料”)来包覆层叠有多个由固体高分子电解质膜、具有催化剂反应层的电极、隔片等电池组成部件所构成的单体电池的叠层电池的侧面，而赋于电池以气密性。再有，MEA电极周围无须密封材料，就可将电极构成至叠层电池的侧表面，使其整体结构小型化。
又，用例如纤维、织布、无纺布、网状物等其抗拉强度比密封材料高的材料包覆覆盖叠层电池侧表面的上述密封材料，可以形成复合材料。而且，可以用该复合材料形成这样的结构：使各个电池的组成部件在其周边部位作机械连接，其叠层电池二端部所需的紧固力限于最小的限度。
在叠层电池的侧面部位配置密封材料，可容易地形成电极层叠部和多叉分支管部分开的所谓的外部多叉分支管结构。作为制造单体可分为：共有隔片MEA的电极层叠部以及多叉分支管部，所述多叉分支管部因其层叠数及电池输出功率不同而有不同的设计，可以实现低成本化。
再有，作为本发明的电池的制造方法，可以在将MEA、隔片等组成部件对位、层叠、固定之后在其侧表面涂敷树脂及密封材料来构成电池，该方法可以大幅度地简化制造工序。
又，本发明的固体高分子型燃料电池系通过前述气密性电绝缘材料，设置气体多叉分支管。由此结构，可以将与外部多叉分支管密封面接触的叠层电池的侧面作成平滑状，从而提高外部多叉分支管和叠层电池侧面的气密性能。
这里，用弹性体构成上述气体多叉分支管，则可吸收叠层电池在层叠方向上厚度的蠕变，且可吸收叠层电池与外部多叉分支管密封面接触的侧面上的凹凸部分，从而提高外部多叉分支管和叠层电池侧面的密封性。
另外，气密性电绝缘材料以如硅树脂、酚醛树脂等热固性树脂、热塑性树脂等的树脂以及以硅橡胶、丁二烯橡胶等的橡胶为宜。因为，这些材料形成电绝缘材料，可以确保电绝缘性能。
特别是，在使用弹性体时，可吸收叠层电池层叠方向上厚度的蠕变，且可吸收叠层电池与外部多叉分支管密封面接触的侧面上的凹凸不平，从而提高整个密封的可靠性。所以最为适用。
构成上述气体多叉分支管的材料和上述气密性电绝缘材料以同一种材料为宜。因为，如其材料同一，则不会因热膨胀系数的不同而损伤外部多叉分支管和与之接触的叠层电池侧面的接合性能，从而可以提高外部多叉分支管和叠层电池侧面的密封性。
本发明的固体高分子电解质型燃料电池的制造方法由于包括对外部多叉分支管和电绝缘材料作气密性接合的工序，所以，可以提高外部多叉分支管和叠层电池侧面的密封性。所以，适合使用。特别是，最好以超声波熔焊进行上述工序，可提高接合性能。
又，由注射成形将叠层电池和外部多叉分支管的侧面作一体化的模铸成型，则在外部多叉分支管和叠层电池的侧面之间不产生接合面，可以提高密封性，所以优先使用。
接着是，关于隔片，为解决前述问题，在本发明中，对如图7所示的结构进行了很大的改进。即，由加压成形等形成气体流通沟槽的通道，但多叉分支管部则形成平坦的结构。而且，由加压成形所形成的气体流通沟槽和连接多叉分支管部的气体流通沟槽也可以使用与上述气密性电绝缘材料相同的气密性非金属材料构成。
通过金属板加工而形成的多个实质上平行的各个气体流通沟槽之间可由用气密性非金属材料所构成的弯曲的气体流通沟槽连接。在构成隔片的金属板中，也可以不用切削的方法在整个一块金属板上形成流道，将另一块平坦的金属板与设于其上的非金属材料构成的流通沟槽及凸部重合，形成隔片。
又，也可采用使一块金属板作塑性变形、在其二面形成气体流通沟槽的方法，在一块隔片的二面形成氢气气体流通沟槽和空气通道。
另外，作为仅在一块金属板的一部分形成气体流通沟槽的方法，也可对金属板的整个面(不是采用切削法)施以波纹状加工，其后，对其周边的气体密封部等须平坦表面的部分作压力加工等，进行平坦化处理。
在对形成气体流通沟槽的气密性非金属材料进行压缩之时，压缩面为具有气密性的表面，所以，也可使由气密性非金属材料所形成的气体流通沟槽和金属板实质上形成一体。
本发明的固体高分子型燃料电池中所使用的隔片都是在对不锈钢等金属平板作加压成形或弯曲加工后所形成的金属片上，组合使用由树脂等气密性非金属材料所构成的气体流通沟槽的隔片片，其所直接使用的材料成本低、具有优异的批量生产性，所以加工成本特别低。
为维持供给燃料气体的高利用率，且保持高的流速，则必须减小气体流通沟槽的截面积，使其成狭窄的沟槽。然而，为此在金属板上导入波纹状结构，作成气体流通沟槽的话，则气体流通沟槽的多叉分支管端面成波纹状结构，难以保持层叠时多叉分支管部的气密性。
藉由金属板的波纹状加工、将大部分电极所实际连接的隔片中央部作成气体流通沟槽，就可保持电极和隔片的导电性。另一方面，多叉分支管孔周边的金属板呈平面状，在该部分形成由树脂等气密性、非导电性材料构成的气体流通沟槽，则可在多叉分支管端部维持气密性。
又，藉由加压成形等方法成形弯曲的气体流通沟槽时，其可成形的形状受到限制，而且，在成形后也往往会有留有变形的问题。因此，将成形于金属板上的气体流通沟槽作成直线形平行的许多沟槽。另外，在与电极周边部接触的沟槽端部用树脂等形成连接邻接的沟槽、具有弯曲部的气体流通沟槽，在同样的气体利用率下也可维持大的气体流速。又，藉由改变树脂弯曲部的沟槽设计，也可以改变气体流速。
若在金属板的部分表面形成许多沟槽，则其可成形的形状受到限制。因此，为作成形成有气体流通沟槽的金属板，预先对多块金属板施以全面波纹状加工，最后将该施以全面波纹状加工的多块金属板进行组合。藉此，可以大幅度减轻加工上的问题。
再有，在其气体流通沟槽部分作了波纹状加工，在其二面具有气体流通沟槽的金属板结构中，由于隔着相邻接的一面上的气体流通沟槽凸部在其背面也形成气体流通沟槽，所以，隔片的厚度可以减薄至一侧的气体流通沟槽的深度和金属板的厚度之和。
构成气体流通沟槽的材料具有压接密封性，如与金属板作成一体，则就无须另配置密封材料，这使得叠层电池的组装也变为很容易。
以下，参照附图具体说明本发明的实施例，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
将粒径在数微米以下的碳粉末浸渍于氯铂酸的水溶液中，作还原处理使在碳粉末表面载持铂催化剂。此时，碳与载持的铂的重量比为1∶1。接着，将载持铂的碳粉末分散于高分子电解质的醇溶液中，作成糊膏。
另一方面，将成为电极扩散层的厚400μm的碳纸浸渍于含氟树脂的水性分散液(大金工业株式会社制的NeofuronND1)中之后，将之干燥，在400℃下作30分钟的加热处理，以赋于拒水性。其次，将含有碳粉末的上述糊膏均匀涂敷于上述施以拒水性处理的碳纸的一面，形成催化剂反应层，作成电极。
采用如图5所示的结构，用由上述方法制作的2块碳纸电极夹持电解质膜3，叠合，使其形成催化剂反应层2的一面朝向内侧后，干燥。碳纸的长及宽为10cm，设置于长及宽为12cm的电解质膜3的中央。电极之间夹有电解质膜3，配置约350μm厚的硅橡胶片作为密封材料，在100℃下热压5分钟，使其所供给的燃料气体不发生泄漏，或不相互混合，得到MEA。
将该MEA夹入其二面具有气密性的碳制隔板4，作成单体电池。
隔板厚4mm，其表面藉由切削加工刻有宽2mm、深1mm的气体通道5，其周边部设置有气体用多叉分支管8和冷却水用多叉分支管8’。又，在用隔片夹入MEA时，电极四周配置以与碳制隔片同样外部尺寸的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材料制的薄膜。该PET薄膜用作碳制隔片和电解质膜之间的隔离物。层叠二个所述单体电池之后，层叠形成于隔片上的冷却部，形成用于连通冷却水的冷却通道。重复层叠这样的通道图案。不使用冷却部密封用的O型垫圈。
层叠如上所述的电池组成单元50个，其二端部用金属制集流板和电绝缘材料的绝缘板以及端板和紧固件固定。此时的固定压力作成每单位面积隔片为10kgf/cm2。对该50个电池单体组成的电池组块，流通以燃料气体和冷却水，但这些气体及冷却水从PET薄膜和隔片之间的空隙泄漏，未得到应有的电池性能。
在本实施例中，将酚醛树脂粉末溶于有机溶剂中的溶液涂敷于所述层叠50个电池单体的电池组块侧表面后，使之干燥、固化。又，多叉分支管内部也从设置于端板上的流体供给、排出口注入酚醛树脂溶液，在多叉分支管内部表面涂敷酚醛树脂后，使之干燥。
使氢和空气流经该层叠50个电池单体的叠层电池，进行冷却水的循环，进行电池试验。在氢利用率为70％、氧利用率为20％。氢加湿起泡温度为85℃、氧加湿起泡温度为75℃、电池温度为75℃的条件下，电池输出功率为1050W(30A～35V)。
未发现电池侧表面及多叉分支管内部有气体泄漏和冷却水的泄漏。又，组装时的紧固压作成5kgf/cm2时，对电池性能也无影响。
在作了如上所述的泄漏评价之后，将电池分解开来，观察其内部情况。图8显示电池侧表面部分的剖视示意图。图中，可以充分观察到涂敷的酚醛树脂11覆盖其侧表面，碳制隔板4及PET薄膜12接合保持密封性的情况。作为涂敷于侧表面的树脂，除酚醛树脂织物以外也试用了丁二烯橡胶。将丁二烯橡胶溶于酯类溶剂中，可以得到几乎如同酚醛树脂般的密封效果。如此，不言而喻，在本发明中除了使用酚醛树脂之外，也可以使用为数众多的已知树脂。
实施例2
在实施例1制造的电池中，对多叉分支管涂敷树脂时须注意不要堵塞气体的分配供给口。为此，对树脂涂敷液的浓度、粘度及气体分配、供给口的孔径须有限制。在本实施例的电池中，采用了外部多叉分支管的形式，以取代内部多叉分支管形式。这里所使用的隔片结构示于图9。
在图9中，隔片上未设置多叉分支管，而是在整个面上仅设置以气体通道5。其结构是，气体通道5的供给口和排出口互相对向而置，设置于同一边。层叠单体电池时，设置氢气的供给排出口13、空气的供给排出口14及冷却水的供给排出口15，使其外部多叉分支管位于上述气体通道5的供给口和排出口互相对向设置的一边。
电极的结构如同图5所示。PET薄膜作为隔离物设置于电极周围。层叠二个单体电池后，用层叠冷却部形成的图案，组装成层叠50个单体电池而成的电池块。冷却部的密封未使用O型垫圈。集流板、绝缘板、端板与实施例1中的不同，也无必要设置流体的供给、排出口。用于紧固电池组块的紧固件部设置于与开有气体供给、排出口一侧不同的侧面。其次，如同实施例1中的电池，将酚醛树脂作为密封材料，从电池侧表面覆盖。此时，气体的供给、排出口、冷却水的供给排出口未有密封材料阻堵塞。
以下，如图1所示，设置酚醛树脂制半圆筒状的外部多叉分支管，使其从电池组块的侧面分别覆盖成列的空气供给排出口、氢气供给排出口及冷却水的供给排出口。该外部多叉分支管由小螺钉26固定于端板部。又，在外部多叉分支管和覆盖电池侧表面的密封材料之间，由硅树脂进行密封。
在层叠50个单体电池的电池组中，通以氢和空气、使冷却水循环来进行电池试验。在氢利用率为70％、氧利用率为20％。氢加湿起泡温度为85℃、氧加湿起泡温度为75℃，在电池温度为75℃，条件下的电池输出功率为1020W(30A～35V)。
又，在电池侧表面涂敷密封材料之前，固定酚醛树脂制外部多叉分支管，其后，涂敷、干燥密封材料。藉此方法，可在减少组装工序的同时，得到同样的性能。
再有，在本发明的电池中，使用了树脂制外部多叉分支管，但，不言而喻的是，如将多叉分支管与电池的连接处进行电绝缘，则也可使用金属制的多叉分支管。
在本实施例中，采用了将密封材料配置于整个固体高分子型燃料电池的侧面上，但该实施例也显示，以往用于熔融碳酸盐型等类型的燃料电池上的外部多叉分支管的方式更容易实现。
又，根据本实施例的结构，可以将多叉分支管部分和电池层叠部分分别制作。藉此，可以根据例如燃料电池的不同用途和输出功率，大量、规格化地生产出由同一形状的隔片、电极、电解质体组成的电池层叠部；可以根据不同的用途、功率输出规模制作多叉分支管部，可有利于削减成本。
实施例3
在实施例1及实施例2所示的电池中，是在电极周围配置了PET薄膜的隔离物来作成MEA的结构。在本实施例中则是制作如下的结构：不使用PET薄膜，而是将涂敷催化剂层的碳纸电极作成与碳隔片同样的尺寸，层叠单体电池时，使电极端板到达电池侧面。
如同实施例2的电池，将密封材料作成于电池层叠部侧面，接合外部多叉分支管。其它的结构部分作成如同实施例2的电池一样，组装成层叠50个单体电池的叠层电池。又，在进行电池试验之前的气密性试验中，确认到：若涂敷的酚醛树脂溶液的浓度高，粘度过大，则使其密封性能恶化。因此，在本实施例中，须注意树脂溶液的粘度不可太大。
对电池组块进行电池试验。其结果，在如同实施例1的条件下进行试验时，得到1080W(30A-36V)输出功率。该结果比具有如PET薄膜等隔离物的要高。其理由如图10所示，因为在电极端部适于从外部使用密封材料17，所以，实质上可以形成其面积与碳制隔片相同的电极。
如本实施例所示，可以确认，从叠层电池外部密封电池组成部件，可对电池的小型化产生极为有效的影响。
又，通过上述实施例1～3实施的叠层电池的制造方法，即按所定顺序层叠电池构成部件并用端板等固定之后、在其侧面配置密封材料的制造方法，与一面在层叠电池组成部件、一面又顺序将密封材料配置在其侧面的方法相比，可以大幅度地削减工序。
在本实施例中所使用的碳制隔片为在实施例2中所使用的外部多叉分支管型隔片，但也可使用内部多叉分支管作成同样的结构。
实施例4
为实现固体高分子型燃料电池的实用化，有必要使所述电池对于各种冲击力及热循环所产生的热应变具有可靠的耐受力。因此，用本实施例来进行下述评价。
本实施例电池的制作方法如同实施例3。但是，在用酚醛树脂密封其侧面后，再用由玻璃纤维组成的、厚约1mm的布覆盖其上，浸渍于酚醛树脂中，涂敷后固化成复合材料。
将实施例3的叠层电池从1m高处下落，则层叠结构开裂，发生气体泄漏。但本实施例的电池由于用玻璃纤维布强化了密封部，所以，在从3m高处的下落试验中，也未发生气体泄漏。
取代玻璃纤维布，使用具有更高抗拉强度的碳纤维布，则在从7m高处的下落试验中，也未发生气体泄漏。
在如同实施例1的条件下对电池组块进行电池试验，其结果得到了1080W(30A-36V)的输出功率。
如上所述，在本实施例的电池中是使用了织布，但如使用无纺布及网状物等也可获得同样的效果。
其理由可认为是：传统的电池是从远离的二个端板处施加紧固压力的，相比之下，在本发明方法中，除了来自端板的紧固压力(5kgf/cm2)之外，还可以直接固定各个相邻接的电池组成部件。
又，用于以往的实施例中的密封材料为酚醛树脂系树脂，该材料虽具有一定程度的耐热性，但固化后非常硬。将在本实施例中制作的电池在5℃-100℃之间反复进行5次加热循环，则在其侧面密封面上产生可能是起因于热应变的裂纹，发生气体和冷却水的泄漏。再将其伸缩性优于酚醛树脂的硅树脂用于密封面，其上再用酚醛树脂模压，则所述电池可耐受如上所述的热循环20次以上。在此基础上，再结合使用纤维布，则可制得兼备热循环耐受性和机械强度二方面特性的电池。
如上所述，通过合并使用弹性模量和抗拉强度等机械性质不同的二种以上的来作为密封材料，就可制得兼备优异的机械强度和热循环耐受性的叠层电池组块。
实施例5
在固体高分子型燃料电池的长期连续使用中，必须从电极二端外加以恒定的、相当的紧固压力。此时，如端板及紧固件等的部件尺寸过长过大，则会成为妨碍。因此，在本实施例中，使用碳纤维布，来进行如下的评价。
在组装叠层电池时，将来自固定端板的紧固压设定于10kgf/cm2，使用如同实施例4的电池同样的酚醛系树脂和碳纤维布，构成电池侧面的密封材料。使酚醛系树脂充分固化后，放松紧固件，来自端板的紧固压就减小下去了。其它的结构与实施例4的电池一样来制得本实施例的电池。
与上述实施例一样，对本实施例制得的电池作下落试验。可以看到，所述电池可以耐受从5m高处的下落。此外，还可以看到，即使将来自固定端板的紧固压降低至0.5kgf/cm2，所述电池仍可以耐受从5m高处的下落。
在本实施例中，使用了厚20mm的不锈钢制的端板，但即使在0.5kgf/cm2的紧固压下，使用厚5mm的不锈钢制端板，也可得到同样的强度。再有，使用强化塑料等的更轻的材料，取代不锈钢等金属，也可得到同样的效果。
又，将紧固压作成20kgf/cm2，然后，同样使酚醛系树脂充分固化之后，放松紧固件，取下端板。此时，可以确认，在此状态下，叠层电池组块仍处于被紧固连接的状态，具有足够的机械强度，在从3m高处下落的下落试验中，也不会发生气体的泄漏。
根据如本实施例所述的结构，可以去除端板，这样，可以实现大幅度的小型化、轻量化。
实施例6
将粒径在数微米以下的碳粉末浸渍于氯铂酸的水溶液中，作还原处理使在碳粉末表面载持铂催化剂。此时，碳与载持的铂的重量比为1∶1。接着，将载持铂的碳粉末分散于高分子电解质的醇溶液中，作成糊膏。
另一方面，将成为电极扩散层的厚400μm的碳纸浸渍于含氟树脂的水性分散液(大金工业株式会社制的NeofuronND1)中之后，将干燥，在400℃下作30分钟的加热处理，以赋于拒水性。
如图10所示，将含有碳粉末的上述糊膏均匀涂敷于上述施以拒水性处理的碳纸电极的一面，形成催化剂反应层2。
将碳纸电极1和电解质膜3裁成12×12cm大小。然后，把二块碳纸电极1，设置成朝向形成催化剂反应层2的一面、将电解质膜3夹持重叠合后，再将之干燥而制得MEA22。
将该MEA22用具有气密性的碳制隔板4从其二面夹持，构成单体电池。隔板4的厚度为4mm。
层叠2个上述的单体电池，制得电池组成单元。不使用冷却部的密封用O型垫圈。
如图9所示，电池组成单元的隔板由下述部件组成：其一面上设置冷却水道16、另一面上设置气体流道5的隔板4a，其一面上设置气体流道5、另一面上设置气体流道6的隔板4b，以及其一面上设置气体流道5、另一面上设置冷却水道16的隔板4c。所述气体流道5的氢气供给排出口13、空气的供给排出口以及冷却水道的冷却水的供给排出口15分别设置于互为对置的一边。
气体流道5及冷却水道16藉由切削加工形成于隔板表面。例如，本实施例中的气体流道5即以图9所示形状，在隔板表面切刻、形成宽为2mm、深为1mm的沟槽。
层叠50个如此形成的单体电池，在其二端部顺序层叠金属制的集流板、电绝缘材料制成的绝缘板以及端板，并用贯通该电池层叠部的螺栓和螺帽来紧固二端板而制得叠层电池。此时的紧固压取为每单位隔板面积为10kgf/cm2。用于紧固电池组块的紧固件部设置于不同于开有气体供给排出口侧面的侧面上。
其次，使用酚醛树脂作为密封材料，将其溶液涂敷于叠层电池侧面、使其干燥、覆盖住叠层电池的侧面，而成密封部20。此时，须注意气体的供给排出口、冷却水的供给排出口不要被密封材料所堵塞。又，外部多叉分支管与密封面的接触部位应涂敷以酚醛树脂，并注意尽可能得到平滑表面。
接着，设置多叉分支管，如图1所示，使不锈钢制半圆筒型状的外部多叉分支管25覆盖露出于叠层电池侧面的成列的氢气供给排出口13、空气供给排出口14及冷却水供给排出口15。这些外部多叉分支管25通过小螺钉17固定于端板部。
又，外部多叉分支管和覆盖电池侧表面的密封材料之间采用气密垫圈16进行密封，所述气密垫圈系将具有独立气泡的乙烯-丙烯-二烯三元共聚配合物(EPDM)薄片切制成所定的外部多叉分支管密封面形状。
对上述叠层电池通以氢和空气，并以冷却水循环，进行电池试验。在氢利用率为70％、氧利用率为20％、氢加湿起泡温度为85℃、氧加湿起泡温度为75℃、电池温度为75℃的条件下，电池输出功率为1020W(30A～35V)。
检测外部多叉分支管密封部的气体泄漏情况，未能检测到泄漏。可以确认，本实施例的电池具有良好的密封性。
在本实施例中，采用了将密封材料配置于整个高分子电解质型燃料电池的侧面上的方法，所以，容易实现传统上用于熔融碳酸盐型等的燃料电池的外部多叉分支管的方式。
又，采取本实施例所示的结构，可以将多叉分支管部分和电池层叠部分分别制作。藉此，可以不必根据例如燃料电池的不同用途和输出功率，大量地、规格化地生产出由同一形状的隔片、电极、电解质体组成的电池层叠部；又可以根据不同的用途和功率输出规模制作多叉分支管部，可有利于削减成本。
实施例7
在本实施例中，除了使酚醛树脂溶液的粘度作各种变化之外，其它如同实施例6一样来制作外部多叉分支管型燃料电池。又，在进行电池试验之前进行气密性试验。其结果，涂敷的酚醛树脂溶液的浓度高、粘度过大，则电池密封性能恶化。
在与实施例6相同的条件下对电池组块进行电池试验。在如同实施例1的条件下进行试验时，其结果，得到输出功率为1080W(30A-36V)。该结果比具有如PET薄膜等隔离物的燃料电池要高。其理由如图8所示，可以认为，这是因为电极端部的密封系从外部形成，所以，实质上可以形成其面积与碳制隔片相同的电极。
又，对叠层电池连续十次在作从常温至80℃的加热循环，同时进行启动、停止试验。其结果，可以确认，未检测出来自外部多叉分支管密封部位的气体泄漏，即使发生叠层电池厚度方向上的蠕变，仍然可以维持外部多叉分支管的密封性能。
如本实施例所示，从叠层电池外部进行密封对电池的小型化极为有利。
又，通过上述实施例6实施的叠层电池的制造方法，即按所定顺序层叠电池构成部件并用端板等固定之后在其侧面配置密封材料的制造方法，比起将电池组成部件层叠、同时再依次将密封材料配置在其侧面的方法来，可以大幅度地削减工序。
实施例8
为了使高分子电解质型燃料电池实用化，须使所述电池具有可靠的、耐受各种冲击力及加热循环所导致的热应变的性能。在本实施例中，制得如下那样的电池。
如同实施例6一样来制得叠层电池。在用聚异丁烯系橡胶取代酚醛树脂来密封其侧面之后，其上涂覆以约1mm厚的工程塑料的液晶聚合物，再使之固化。
将实施例7中制作的叠层电池从1m高处下落，则层叠结构开裂，发生气体泄漏。但本实施例的电池由于工程塑料强化了密封部，所以，在从5m高处的下落试验中，也未发生气体泄漏。
在如同实施例6的条件下进行电池试验，得到输出功率1080W(30A-36V)。
又，用于实施例6及7中密封材料的酚醛树脂虽具有一定程度的耐热性，但固化后非常硬。
将在本实施例及实施例7中制作的电池在常温～80℃之间反复进行10次加热循环。在实施例7中未检测出从外部多叉分支管密封面出来的气体泄漏，但在叠层电池侧面的密封面上产生了可能是起因于热应变的裂纹，发生了气体和冷却水的泄漏。
由于将其伸缩性优于酚醛树脂的异丁烯橡胶用于密封面，其上再用工程塑料模压、罩覆，所以，本实施例中制得的电池可耐受如上所述的热循环达100次以上。
如上所述，通过合并使用其弹性模量和抗拉强度等机械性质不同的二种以上材料来作为密封材料，就可制得兼具有优异的机械强度和热循环耐受性的叠层电池组块。
实施例9
在固体高分子型燃料电池的长期连续使用中，须从电极二端外一直持续施加相当的紧固压力。此时，如端板及紧固件等部件尺寸过于长大，则会妨碍紧固。因此，在本实施例中，使用粘结剂将电池侧面的气体密封部和外部多叉分支管粘结，由此制得燃料电池，再对其进行评价。
在组装叠层电池时，将来自固定端板的紧固压设定于10kgf/cm2，使用如同实施例8的电池同样的聚异丁烯系橡胶和工程塑料来构成电池侧面的密封材料及外部多叉分支管。由硅橡胶粘结剂粘合气体密封面。
接着，使粘结剂充分固化后，放松紧固件，减小来自端板的紧固压。其它的结构与实施例8的电池一样，制得本实施例的电池。
对本实施例制得的电池作下落试验。可以看到，所述电池可以耐受从5m高处的下落。又可以看到，即使将上述工序中来自固定端板的紧固压降低至0.5kgf/cm2，所述电池仍然可以耐受从5m高处的下落。
在本实施例中，是使用了厚20mm的不锈钢制端板，但即使在0.5kgf/cm2的紧固压下，使用厚5mm的不锈钢制端板，也可得到同样的强度。再有，使用强化塑料等更轻的材料取代不锈钢等金属，也可得到同样的效果。
又，将紧固压作成20kgf/cm2，然后，同样使酚醛系树脂充分固化之后，放松紧固件，取下端板。此时，可以确认，在此状态下，叠层电池组块仍处于被紧固连接的状态，具有足够的机械强度，在从3m高处下落的下落试验中，也不发生气体的泄漏。
采用本实施例所述的结构，可以去除端板，这样，就可以使电池大幅度小型化、轻量化。
实施例10
除了电池侧面的密封材料和外部多叉分支管的气体密封面的接合是以超声波熔焊来接合之外，其它如同实施例9一样来制得电池。
对本实施例制得的电池作如同实施例9的下落试验。可以看以，所述电池可以耐受从5m高处的下落。再有，即使将上述工序中来自固定端板的紧固压降低至0.5kgf/cm2，所述电池仍然可以耐受从5m高处的下落。
实施例11
使用聚异丁烯系橡胶和工程塑料，作注射成形，对实施例4制得的燃料电池的侧面进行一体化成形。
对本实施例制得的电池作如同实施例9的下落试验。可以看到，所述电池可以耐受从5m高处的下落。再有，即使将上述工序中来自固定端板的紧固压降低至0.5kgf/cm2，所述电池仍然可以耐受从5m高处的下落。
实施例12
将粒径在数微米以下的碳粉末浸渍于氯铂酸的水溶液中，作还原处理使在碳粉末表面载持铂催化剂。此时，碳与载持的铂的重量比为1∶1。接着，将载持铂的碳粉末分散于高分子电解质的醇溶液中，作成糊膏。
另一方面，将成为电极的厚400μm的碳纸浸渍于含氟树脂的水性分散液(大金工业株式会社制的NeofuronND1)中之后，使之干燥，在400℃下作30分钟的加热处理，赋于拒水性。其次，将含有碳粉末的上述糊膏均匀涂敷于上述施以拒水性处理的碳纸一面，形成催化剂反应层，作成电极。
用由上述方法制作的2块碳纸电极夹持固体高分子电解质膜，使之叠合，形成催化剂反应层的一面朝向内侧后，再将之干燥。上述碳纸电极的长及宽为10cm，置于长及宽为12cm的电解质膜的中央。电极周围夹有电解质膜2，配置约350μm厚的硅橡胶片作为密封材料，在100℃下热压5分钟，使其所供给的燃料气体不发生泄漏，或不相互混合，得到MEA(电极电解质膜接合体)。
隔板用金属板使用厚0.3mm的SUS316板，其中央10cm×9cm区域藉由压力加工形成有间距5.6mm(沟槽宽约2.8mm)的波纹状加工部分1。此时，沟槽2的深度(波峰3的高度)约为1mm。
如图11(a)所示，在隔片相对应的二边上分别设有氢气、冷却水及空气的供给排出用多叉分支管孔28。在图11(b)中，显示了图11(a)中的点划线部分的放大示意图。在氢气侧的隔片上，如图12(a)所示，在自多叉分支管至金属板加工形成的气体流通沟槽区域，设有由酚醛树脂形成的凸缘31构成的导引气体的沟槽29。还设有由酚醛树脂组成的凸缘31，所述树脂凸缘31使每2个沟槽相互邻接、弯曲相连而成。
所述酚醛树脂制凸部作成厚度约1mm、如同金属板的沟槽波峰的高度。SUS316材料制的金属板的外周部及多叉分支管孔的周围也作成同样的结构，形成相应于金属板形状的气密垫圈。成为空气一侧的隔片则如图12(b)所示，互相邻接的6个沟槽形成弯曲连续的气体流通沟槽。空气侧及氢气侧结构改变的原因，是因为空气侧和氢气侧气体流量之差达25倍的缘故。反言之，在上述结构中，可以通过相应于气体流量的、树脂制气体流通沟槽形状的改变，获得最合适的气体流速和将气压损耗降至最低。
在图13中，用二种此类隔片和气密垫圈夹持MEA22来作成电组成单元。如图13所示，做成氢气流通沟槽33和空气流通沟槽34的位置相对应的结构，以使在电极上不产生过剩的剪切力。在单体电池上，每层叠2个单体电池设置一供冷却水流通的冷却部35。冷却部使用SUS316制的金属网板7，以确保导电性和冷却水的流通性，。外周部和气体多叉分支管部通过设以酚醛树脂制气密垫圈19来作成密封部。对气密垫圈和MEA、金属板和金属板、气密垫圈和金属板之间须作气密密封的部分涂以薄薄的润滑脂36，藉此可在不降低导电性的同时，确保密封性。
层叠如上所述的MEA单体50个之后，插入集流板和绝缘板，用不锈钢制单板和紧固件在20kgf/cm2的压力下紧固。如紧固压力过小，则气体泄漏且其接触电阻也增大，故电池性能降低；反之，如紧固压力过大，则电极会损坏，或不锈钢板会变形，故须根据气体流通沟槽的设计来改变紧固压力这一点是很重要的。
对如上所制得的本实施例的固体高分子型燃料电池，流通以氢利用率为70％、氧利用率为20％的氢和空气，进行电池性能试验。此时，电池温度为75℃、氢侧加湿温度为80℃、空气侧加湿温度为75℃，其结果，得到电池输出功率为1050W(35V～30A)。
在本实施例中，气体流通沟槽系作成多个平行直线状结构，但也可采用如图14所示的结构：用气体流通沟槽，经过2个弯曲部37，连接从供给气体的多叉分支管至排出气体的多叉分支管的结构；或用气体流通沟槽，如卷贝贝壳状地连接中央部位的多叉分支管和外侧多叉分支管等形成的结构等各种结构。
实施例13
在实施例12中，是使用酚醛树脂作为对于燃料气体不具通气性的材料，形成气体流通沟槽的，但也可以使用容易成形的碳材料及橡胶状材料。在本实施例中，是使用了橡胶状材料。
将厚约1mm的异丁烯橡胶薄片切制成如同实施例12中所使用的酚醛树脂制气密垫圈同样的形状，与不锈钢板合并使用作隔片。在实施例12中所使用的酚醛树脂气密垫圈须在多个密封部使用润滑脂，但在本实施例中，除了金属板与金属板的密封部之外，无须使用润滑脂。又，在酚醛树脂制气密垫圈的场合，容易从金属板构成的气体流通沟槽和酚醛树脂制气体流通沟槽的接缝外(图12之32)泄漏气体。但值得注意的是：使用异丁烯橡胶薄片，则在该部分几乎不会发生气体泄漏。
用硅橡胶薄片及特氟隆(聚氟化乙烯系纤维)薄片等的树脂薄片试进行试验。其结果，对于在30kgf/cm2的压力下挤压金属面时可保持气密性的材料，一般不会发生气体泄漏。另外，预先以粘结剂固定异丁烯橡胶薄片组成的气密垫圈，使其与SUS制的金属板成一体化，可使叠层电池的组装简便。
对于以上述方法制得的本实施例的固体高分子型燃料电池组，以70％的氢利用率及20％的氧利用率，通以氢和空气，进行电池性能试验。此时，电池温度为75℃、氢侧加湿温度为80℃、空气侧加湿温度为75℃。其结果，得到电池输出功率为1040W(35V～30A)。
实施例14
实施例12和实施例13是藉由加压成形在金属板中央部位形成气体流通沟槽的。但是，如加压成形条件稍有变的，则发生翘曲及应变，其利用合格率仅50％。于是，尝试将须加压成形的金属板和用于全面密封的平坦金属板分开的试验。
即，将厚为0.3mm、宽9cm的SUS316板施以来自一侧方向的弯曲加工，作成台形风扇结构。折曲周期如同实施例1，作成5.6mm(沟槽宽2.8mm)。如图15所示，构成弯曲部37的气体流通沟槽的橡胶状凸缘31前端的密封结构是，其部分前端插入SUS316板30背面，藉此保持密封性能。
另外，在不便于通过燃料气体的SUS316板凸部背面，插入橡胶薄片38来封闭。如此，可构成如同实施例1的隔片相同的结构。进行电池试验，其结果，在如同实施例1的条件下，在层叠50个单体电池的电池组上，得到电池输出功率为1020W(34V～30A)。
实施例15
实施例12是藉由加压成形，在一块金属板的中央部位形成气体流通沟槽的。但是，如加压成形条件稍有变动，则发生翘曲及应变，其利用合格率低。于是，就实施例12的加压成形方法进行研究。
首先，藉由弯曲加工或加压成形，得到如同实施例14的台形风扇结构。其次，藉由加压(～500kgf/cm2)对除了其中央部位的10cm×9cm部分的其余部分作平坦化处理。所述平坦化处理可藉由温度的提高而容易地进行。最后，打开二侧多叉分支管的孔。在使用如铝等易产生塑性变形的材料的场合，用上述方法来加工金属板非常有效，但此时须采取预防腐蚀等的措施。
在与实施例12同样的条件下进行电池试验，其结果，在层叠50个单体电池的电池上得到功率输出为1010W(34V-30A)。
实施例16
以上所述实施例都是藉由非切削形成的沟槽来形成空气一侧或氢一侧的气体流通沟槽。在本实施例中，再研究了利用藉由一次沟槽形成工序可形成表里二侧沟槽来作为气体流通沟槽的方法。
即，如图16所示，SUS316制金属隔板4的周边部位39藉由压力加工形成沟槽，达到凸部和凹部的中间高度，并开设多叉分支管孔。又，作为凸缘，将异丁烯橡胶制的橡胶薄片28作成与金属凸部30同样的高度，配设于表里二面，藉此形成如同实施例1及实施例2的气体流通沟槽。此时，在构成叠层电池的场合，如图16所示，在空气侧及氢气侧形成对应的沟槽位置。在如图16所示的冷却部35也要作该沟槽位置的对应。冷却部35的结构如同实施例1。
在与实施例1同样的条件下进行电池试验，其结果，在层叠50个单体电池的电池上功率输出为得到1050W(34V-31A)。
如上所述，在一块金属板的二面形成气体流通沟槽，则由于隔着与氢气侧气体流通沟槽相邻接的沟槽的凸部可在里面形成空气侧的气体流通沟槽，在厚度方向上可采取共有一面的结构，所以，可以将每块隔片的厚度减至非常薄。此处，因将沟槽深取为0.8mm，板厚作成0.3mm，所以，可以实现1.1mm厚的隔片。
再有，由非金属材料所构成的、形成气体流通沟槽的凸部、设置于隔片周边端部的凸部以及形成多叉分支管孔周缘密封部的凸部也可使用不同的材料。例如，在需要更加正确排列具有均匀厚度的各个单体电池时，隔片的周边端部可由酚醛树脂构成，密封性要求较高的其它部位可由硅橡胶构成。
又，这里所谓的金属板使用了SUS316L及SUS304，但使用其它更容易加工的金属板也将是有效的。令人担心的是耐久性，SUS316L金属板在连续运转2000小时后的电压降低，在层叠50个单体电池的叠层电池的场合为2V左右。
根据本发明，无须预先在隔片和隔片之间设置密封材料，可降低成本。又，由于可以同时形成实质上等同于隔片的电极，所以，可以有助于小型化。再有，可增加机械强度，或简化端部等的紧固部。
根据本发明，可以提供一种使其外部多叉分支管和叠层电池侧面气密性提高的高分子电解质型燃料电池。还可使制造工序简化。
根据本发明，可以不必对不锈钢等金属隔片进行切削加工而应用，可以大幅度地降低批量生产的成本，并且，还可进一步降低隔片厚度，所以，有助于叠层电池的小型化。

Claims (16)

1．一种固体高分子电解质型燃料电池，所述固体高分子电解质型燃料电池系通过内夹以导电性隔片、层叠多个单体电池而成，所述单体电池包括：具有夹合固体高分子电解质膜的一对催化剂反应层的电极；将含氢的燃料气体供给、分配至上述电极一面的输送机构；以及将含氧的氧化剂气体供给、分配至上述电极另一面的输送机构；
其特征在于：在所述层叠的单体电池组的侧面和内部设置有气密性电绝缘层，所述电极及所述隔片之间被赋于气体密封性。
2．一种固体高分子电解质型燃料电池，所述固体高分子电解质型燃料电池系通过内夹以导电性隔片、层叠多个单体电池而成，所述单体电池包括：具有夹合固体高分子电解质膜的一对催化剂反应层的电极；将含氢的燃料气体供给、分配至上述电极一面的输送机构；及将含氧的氧化剂气体供给、分配至上述电极另一面的输送机构；
其特征在于：在所述层叠的单体电池组的侧面设置有气密性电绝缘层，所述电极及所述隔片之间被赋于气体密封性。
3．如权利要求1或2所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述电绝缘层由包括电绝缘材料及其抗拉强度大于上述电绝缘材料的复合材料构成。
4．如权利要求1～3之任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，上述层叠的单体电池组的侧面通过所述电绝缘层设置有多叉分支管，通过所述多叉分支管向单体电池组供给、分配燃料气体。
5．如权利要求1～4之任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述单体电池组的电极端部到达上述层叠的单体电池组的侧面。
6．如权利要求4或5所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，上述多叉分支管由弹性体材料构成。
7．如权利要求4～6之任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，上述多叉分支管由构成电绝缘层的材料构成。
8．如权利要求1～7之任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述构成电绝缘层的材料为树脂或橡胶。
9．如权利要求1所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述隔片由具有气体流通沟槽的金属板构成，且，所述气体流通沟槽和供给所述燃料气体的燃料气体输送机构通过气密性非金属材料连接。
10．如权利要求9所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述气体流通沟槽由互为平行的多个直线状沟槽组成。
11．如权利要求10所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，形成于上述金属板一面上的气体流通沟槽，其在所述金属板的另一面形成气体流通沟槽的凹部。
12．如权利要求9～11之任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述隔片由多块金属板构成，在所述金属板的至少一块的整个面上具有气体流通沟槽。
13．如权利要求9～12之任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池，其特征在于，在将上述气密性非金属材料对着上述金属板以大于所定压力的压力进行挤压时，上述金属板和上述气密性非金属材料的接触面对于上述燃料气体具有气密性。
14．一种如权利要求1～13之任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池的制造方法，所述固体高分子电解质型燃料电池具有层叠多个单体电池而成的叠层电池，所述单体电池包括：具有夹合固体高分子电解质膜的一对催化剂反应层的电极；将含氢的燃料气体供给、分配至上述电极一面的输送机构；以及将含氧的氧化剂气体供给、分配至上述电极另一面的输送机构；其特征在于，所述方法包括：
通过内夹隔片层叠多个单体电池，使所述单体电池组从其二端面被机械连接、固定，形成叠层电池的工序；在所述层叠的单体电池组的侧面形成由气密性的电绝缘材料、或由其抗拉强度大于上述电绝缘材料的材料组成的复合材料构成密封部的工序；以及通过密封部，在所述叠层电池上设置气体多叉分支管、使所述密封部和气体多叉分支管作气密接合的工序。
15．如权利要求14所述的固体高分子电解质型燃料电池的制造方法，其特征在于，通过超声波熔敷接合所述密封部和气体多叉分支管。
16．如权利要求14所述的固体高分子电解质型燃料电池的制造方法，其特征在于，通过注射成形，将所述叠层电池和气体多叉分支管作一体成形，藉此，通过密封部，在所述叠层电池上设置气体多叉分支管、使所述密封部和气体多叉分支管作气密接合。
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