CN1274048C - 高分子电解质型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

在本发明的高分子电解质型燃料电池中，导电性隔板的两气体流通槽被配置成一方主面的气体流通槽与另一方主面的气体流通槽之间的凸棱相对应，由从凸棱表面到一方主面的气体流通槽底面的距离确定的凸棱厚度和一方主面的气体流通槽的深度的合计长度为导电性隔板的板厚，凸棱厚度大于与凸棱相邻的另一方主面的气体流通槽的深度，向电解质膜-电极接合体的阳极供应、排出燃料气体的气体流通槽和向同一电解质膜-电极接合体的阴极供应氧化剂气体的气体流通槽之间的凸棱按照以下方式位于相对应的位置，即一方隔板上的凸棱的两宽端部与另一方隔板上的两个凸棱的宽端部局部重合，各导电性隔板的一方主面的凸棱的宽度Wr1与气体流通槽的宽度Wf1，另一方主面的凸棱的宽度Wr2与气体流通槽的宽度Wf2分别满足以下公式，即1＜Wr1/Wf1≤1.4，1＜Wr2/Wf2≤1.4。

Description

高分子电解质型燃料电池
技术领域
本发明涉及一种高分子电解质型燃料电池，特别是涉及作为其结构要素的导电性隔板的改进。
背景技术
高分子电解质型燃料电池的基本原理是通过使含有氢的燃料气体和空气等含有氧元素的氧化剂气体进行化学反应而同时产生电力和热，并将该电力取出。这种燃料电池基本上是由有选择地输送氢离子的高分子电解质膜和在其两面上形成的一对电极、即阳极和阴极构成。电极是由以载持有铂族金属催化剂的碳粉为主要成分的催化剂层以及在该催化剂层的外表面上形成的同时具有透气性和导电性的气体扩散层构成的。
为了不使供应的燃料气体和氧化剂气体向外泄漏，或者两种其它相互混合，在电极的周围隔着高分子电解质膜地配置气封材料或垫圈。这种气封材料或垫圈是与电极和高分子电解质膜一体化而预先组装的。将其称为MEA(电解质-电极接合体)，在MEA的外侧上配置有用于将其机械地固定、同时相互电连接地串联连接相邻的MEA的导电性隔板。在隔板与MEA接触的部分上形成用于向电极面供应反应气体、同时将生成气体或剩余气体运走的气体流路。虽然气体流路可与隔板分别地设置，但通常的方式是在隔板的正反两个主面上设置多个槽，将其作为气体流通槽。另外，在同一主面上相邻的槽之间具有堤坝形状的部分称为凸棱。由这样的一对隔板和夹持在其间的MEA构成一个电池、即原电池。
为了将燃料气体供应到隔板的正反两个主面中一方主面上的气体流通槽中、同时将剩余气体等排出，将氧化剂气体供应到另一方主面上的气体流通槽中、同时将剩余气体等排出，通常的方法是在隔板上设置两个通孔，气体流通槽的出入口分别通到这些通孔中，从一个通孔将直接反应的气体分支到各气体流通槽中地进行供应，从另一个通孔排出各种气体。用于向各气体流通槽供应反应气体、或者从各气体流通槽中排出剩余气体等的通孔称为多支管孔。这种供应、排出气体的方法称为内部多支管方式。
除了这种内部多支管方式外，也有被称为外部多支管方式的方法。外部多支管方式是将用于供应反应气体的配管分支成所使用的隔板的个数，其分支的前端通过被称为多支管的配管夹具直接连接到隔板的槽上。
另外，燃料电池由于在运行中发热，所以通常由冷却介质冷却电池。通常，在每1～3个原电池上设置冷却介质流动的冷却部。在这种情况下，大多是将在一个主面上具有气体流通槽、在另一个主面上具有冷却介质流路的两个隔板以其另一个主面之间、即具有冷却介质流路的面之间相互接触地组合，作为冷却部。
将MEA和隔板、以及根据需要交错地重叠冷却部而叠层10～200个原电池。其叠层体称为电池组。通常的原电池叠层方式的燃料电池的结构是经由集电板和绝缘板而由端板夹持电池组，为了在电池组上施加压力，通过紧固螺栓将两端板紧固而加以固定。
在这种燃料电池上，现有技术(例如特开2000-133291)中，作为常识，是将其正反两个主面中的一个主面上的气体流通槽和另一个主面上的气体流路、即一个主面的凸棱和另一个主面的凸棱在相互对应的位置上形成。这样，作为常识，为了从电池组的一端到另一端，所有隔板的凸棱部分简单地成一直线，而且，隔板上所有的气体流通槽部分因而简单地成一直线，是将隔板叠层，通过其凸棱传递用于固定电池组的紧固力的结构。
但是，在这种现有的燃料电池的情况下，各隔板上正反两个主面上的两个气体流通槽所夹持的流通槽的底部将成为隔板的壁厚最薄的部分。其结果，由于制造电池组时的紧固螺栓产生的压力或者制造后使用燃料电池时施加在燃料电池上的压力等，槽底部上将产生龟裂或破损，在该部分上产生气体泄漏的可能性大。而且，反过来说，近年来，虽然要求燃料电池薄型化的呼声很强，但在现有的槽底部具有壁厚最薄部分的隔板的单纯叠层这种方法中由于槽底部的强度有限，所以薄型化也有限制。
另外，在为了低成本化，以采用模具的压缩成形或注射成形制造隔板的情况下，隔板用的材料难以流入模具中上述薄壁部的对应部分。因此也存在制造困难的问题。
发明内容
本发明的目的在于通过改进导电性隔板，提高其机械强度，从而抑制发生气体泄漏。
本发明提供一种高分子电解质型燃料电池，它具备包含多个导电性隔板和插入到所述导电性隔板之间的电解质膜-电极接合体的电池组，所述电解质膜-电极接合体具备氢离子传导性高分子电解质膜以及夹持所述氢离子传导性高分子电解质膜的阳极和阴极，所述各导电性隔板在一方的主面上具有向所述阳极供应、排出燃料气体的多个并行的气体流通槽，在另一方的主面上具有向所述阴极供应、排出氧化剂气体的多个并行的气体流通槽，在这里，导电性隔板的两气体流通槽配置成一方主面的气体流通槽与另一方主面的气体流通槽之间的凸棱相对应，由从所述凸棱的表面到所述一方的主面的所述气体流通槽底面的距离确定的凸棱厚度、和所述一方的主面的所述气体流通槽的深度的合计长度为导电性隔板的板厚，凸棱的厚度大于与所述凸棱相邻的所述另一方的主面的气体流通槽的深度，向电解质膜-电极接合体的阳极供应、排出燃料气体的气体流通槽和向同一电解质膜-电极接合体的阴极供应氧化剂气体的气体流通槽之间的凸棱按照以下方式位于相对应的位置，即一方隔板上的凸棱的两宽端部与另一方隔板上的两个凸棱的宽端部局部重合，各导电性隔板的所述一方的主面的凸棱的宽度Wr1与气体流通槽的宽度Wf1，以及另一方的主面的凸棱的宽度Wr2与气体流通槽的宽度Wf2分别满足以下公式，即1＜Wr1/Wf1≤1.4，1＜Wr2/Wf2≤1.4。
在这里，向上述MEA的阳极供应、排出燃料气体的气体流通槽同向同一MEA的阴极供应、排出氧化剂气体的气体流通槽之间的凸棱位于相对应的位置，这有利于维持电池组制造的容易性。在这种槽-MEA-凸棱相对应的情况下，优选地，实质上所有的上述导电性隔板具有相同的形状，相邻的导电性隔板是上述各导电性隔板的主面沿同一方向配置的。另外，在这种槽-MEA-凸棱相对应的情况下，优选地，上述各导电性隔板的上述两气体流通槽的底面宽度分别小于上述两气体流通槽的表面宽度，并为0.6倍以上。
另外，优选地，上述导电性隔板中配置在上述电池组的两端部上的导电性隔板的机械强度高于其它导电性隔板的机械强度。在这种情况下，配置在上述两端部上的导电性隔板的厚度大于其它导电性隔板的厚度，或者配置在两端部上的导电性隔板上附加了以碳材料或者金属材料为构成要素的加强部件有利于简便地提高机械强度。在本发明的高分子电解质型燃料电池中，通过在与导电性隔板的厚度相比较时使导电性隔板内壁厚最薄部分的比较厚度大于现有的导电性隔板时相同的比较厚度，可抑制以往存在问题的壁厚最薄部分处的龟裂或破损，同时容易制造壁厚最薄部分。其结果，能够维持燃料电池的机械强度或使其进一步提高，同时可降低成本、并使其小型化。
附图说明
图1为表示本发明实施方式1的燃料电池的主要叠层结构的示意剖视图，包括局部放大图。
图2A为用于本发明实施方式1的燃料电池中的导电性隔板上阴极一侧主面的俯视图。
图2B为该导电性隔板上阳极一侧主面的俯视图。
图3为表示用以往的导电性隔板两片夹持MEA而成的叠层结构的一部分的示意剖视图。
图4为表示用于本发明实施方式1的燃料电池中的用导电性隔板两片夹持MEA而成的叠层结构的一部分的示意剖视图。
图5为采用能够用于本发明实施方式1的燃料电池中的用其它形态的导电性隔板两片夹持MEA的叠层结构的一部分的示意剖视图。
图6为表示能够用于本发明实施方式1和2的燃料电池中的电池组两端部用的导电性隔板的电池组侧的一主面的俯视图。
图7为表示用于本发明实施方式2的燃料电池中的用导电性隔板两片夹持MEA而成的叠层结构的一部分的示意剖视图。
图8为表示采用能够用于本发明实施方式2的燃料电池中的用其它形态的导电性隔板两片的叠层结构的一部分的示意剖视图。
图9为表示实施例2中制作的6个燃料电池的凸棱宽/槽宽的比和平均电压的关系的曲线图。
图10为表示实施例4和比较例的燃料电池的耐久试验中平均原电池电压随时间变化的曲线图。
具体实施方式
本发明的特征为在上述的各导电性隔板上正反两个主面中一个主面上的气体流通槽是与另一个主面上的气体流通槽之间的凸棱相对应地配置的。这样一来，即使导电性隔板的厚度与现有的导电性隔板的厚度相同，也不会极端地减薄导电性隔板中壁厚最薄的部分，能够确保气体流通槽所必须的深度。其结果，能够抑制壁厚最薄部分的龟裂或破损产生的气体泄漏。
另外，由于能够使壁厚最薄部分具有一定程度的厚度，所以能够防止在上述的压缩成形或注射成形等时隔板用的原材料向壁厚最薄部分的流入恶化。即，根据本发明，可确保导电性隔板的壁厚最薄部分的必要的厚度，同时减薄导电性隔板的壁厚，能够提供小型、容易制造的燃料电池。
在准备多个这种导电性隔板，将MEA夹持在相邻的导电性隔板之间制作电池组的情况下，若使在MEA的阳极上供应、排出燃料气体的气体流通槽和在同一MEA的阴极上供应、排出氧化剂气体的气体流通槽为对应的位置、即槽-MEA-槽相对应，则能够使凸棱之间隔着MEA也相对应，因而容易克服施加在电池组上的紧固压力。而且，能够将两气体的反应效率维持得较高。
为了实现这种电池组的结构，制作出两种形状的导电性隔板作为相邻的导电性隔板，准备多个这种隔板，将其顺序叠层即可。另外，从电池组制造的容易性或者低成本的观点出发，优选的方法是，实际上准备一种形状的导电性隔板作为除了电池组的两端部用或冷却部用之外的所有导电性隔板，通过使相邻的导电性隔板以导电性隔板的主面交错地旋转180度地配置，实现槽-MEA-槽相对应。为此，要适当地设计各导电性隔板正反两个主面上两气体流通槽的图形。这种设计的一例表示在后述的实施方式1中。而且，在这种槽-MEA-槽相对应的结构中，各导电性隔板上两气体流通槽底面的宽度优选地分别小于两气体流通槽表面的宽度。这是由于通过制成槽壁、即凸棱壁随着朝向隔板的内部而变窄的结构，在压缩成形或者注射成形等隔板的制造上容易脱模的缘故。
而且，在同样地准备多个导电性隔板，将MEA夹持在相邻的导电性隔板之间而制作电池组的情况下，若使在MEA的阳极上供应、排出燃料气体的气体流通槽和在相同的MEA的阴极上供应、排出氧化剂气体的气体流通槽之间的凸棱相对应的位置，即槽-MEA-凸棱相对应，则实际上可准备一种形状的导电性隔板作为所有的导电性隔板，使相邻的导电性隔板以导电性隔板的主面沿同一方向配置，可维持电池组制作时的容易性。
在这种槽-MEA-凸棱相对应的情况下，优选地使夹持MEA的两片导电性隔板中的一个隔板上各凸棱的两宽端部为与另一个隔板上对应的两个凸棱的宽端部局部重合的关系。这是由于通过其凸棱群机械地传递紧固电池组的两端而制作燃料电池时的紧固压力，由其凸棱群克服紧固压力的缘故。由于这种理由，各导电性隔板上正反两个主面中的一个主面的气体流通槽之间凸棱的宽度和另一个主面的凸棱的宽度优选地分别大于一个主面的气体流通槽的宽度和另一个主面的气体流通槽的宽度。但是，当凸棱的宽度/槽的宽度之比大于1.4时，由于同一凸棱对MEA部分的推压，反应气体向MEA的扩散恶化，所得到的电池电压降低，所以最好为1.4倍以下。
而且，同样地，在这种槽-MEA-凸棱相对应的情况下，各导电性隔板上两气体流通槽的底面宽度优选地分别小于两气体流通槽的表面宽度。这是由于在施加了朝向电池组的紧固压力的情况下，进一步抑制导电性隔板中产生裂纹。但是，当槽的底面宽度/表面宽度之比小于0.6时，抑制裂纹产生的效果不会进一步增减，同时气体流通槽的截面积减小，气体的压力损失增加，即有损于气体的有效利用，所以槽的底面宽度/槽的表面宽度之比最好为0.6倍以上。
另外，在上述的记载和以下的实施方式或实施例中，是将槽-MEA-槽相对应的例子、槽-MEA-凸棱相对应的例子作为具体实现本发明的代表例表示的。但是，各隔板中，只要发挥了正反两个主面中的一个主面上的槽和另一个主面上的凸棱相对应这种本发明的特征，则夹持MEA而相邻的导电性隔板的关系不必仅限于这些代表例的情况。例如，在本发明中，也可以配置成面对MEA的一个电极侧的导电性隔板的槽的位置和面对同一MEA的另一个电极侧的导电性隔板的槽侧面、即凸棱侧面相对应。也就是说，可以是槽-MEA-槽、凸棱中间这样的对应关系。换句话说，经由MEA而相邻的两片导电性隔板上相对向的槽、凸棱的相对位置可根据需要而偏离。
上述导电性隔板中，配置在电池组的两端部上的导电性隔板的机械强度高于其它导电性隔板、即电池组中间部分的导电性隔板的强度有利于进一步提高电池组的强度。这样就解决了下述的问题。即，在用紧固杆等紧固电池组时，导电性隔板的面内压力分布不均匀时，在电池组两端部的导电性隔板上承受集中负荷的的部分的强度不足，其两端部的隔板自身破损，存在发生气体泄漏的问题。在这种情况下，使两端部的导电性隔板的厚度大于其它导电性隔板的厚度，或者在两端部的导电性隔板上添加以碳材料或金属材料作为结构要素的加强部件，以从作为提高两端部的导电性隔板的机械强度的简便方法为好。
实施方式1
本实施方式1制作的高分子电解质型燃料电池的主要叠层结构如图1所示。图1中虽然省略了叠层结构的一部分中间部分，但省略的部分也与图示的部分相同。在图1中，以添加了附图标记的结构要素为中心进行说明。未添加附图标记的结构要素也与图示相同，是与添加了附图标记的部分相同的结构要素。而且，图1为示意图，各结构要素的尺寸关系不一定正确，其它的示意图也同样。
首先，这种燃料电池的主要部分是以多个导电性隔板和夹持在相邻的导电性隔板之间的MEA(电解质膜-电极接合体)为主要结构要素的电池组，图1中，是两端部的导电性隔板从5ae到5be的部分，虽然在局部放大图中添加了附图标记，但1为选择性地输送氢离子的高分子电解质膜。在该高分子电解质膜1的两面上形成有一对电极2a、2b。这一对电极是一方为阳极，另一方为阴极。各电极由以载持了铂族金属催化剂的碳粉为主要成分的催化剂层，以及形成在该催化剂层的外表面上、同时具有透气性和导电性的气体扩散层构成。
为了使由后述的方法供应的燃料气体和氧化剂气体不向外泄漏或者两种气体相互混合，在电极2a、2b的周围夹持高分子电解质膜1地配置有气封材料或垫圈。图1中，作为其代表，以垫圈3进行了图示。这种气封材料或垫圈3是与电极2a、2b和高分子电解质膜1一体化而预先组装的。这样组装成一体的部件为一个MEA4。在MEA4的正反两个主面上配置有机械地对其进行固定、同时将相邻的MEA相互串联地电连接的导电性隔板5a、5b。导电性隔板5a、5b和MEA4构成一个电池、即原电池。
在导电性隔板5a、5b与MEA4相接触的主面上，相互对向地形成有向对应的电极2a、2b的电极面供应反应气体、即燃料气体和氧化剂气体，同时排出生成气体或剩余气体的多个并行的气体流通槽6ar、6bf。而且，在这些导电性隔板5a、5b相反一侧的主面上，形成有分别向下一个相邻的MEA供应、排出反应气体的气体流通槽6af、6br。在此，并行是指在图1中的截面部分上向与纸面垂直的方向延伸，但并不仅表示单纯地呈直线并行延伸的情况，也可以是例如后述的图2那样，以弯曲状蛇行、并行延伸。相邻的气体流通槽6af之间为限定同一气体流通槽的凸棱7af。同样地，相邻的气体流通槽6ar、6bf、6br之间分别为限定这些气体流通槽的凸棱7ar、7bf、7br。因此，凸棱7af、7ar、7bf、7br也与气体流通槽6af、6ar、6bf、6br同样地并行延伸。另外，配置成燃料气体供应到电极2a、2b中的阳极上，而氧化剂气体供应到阴极上。
本发明的特征为各导电性隔板的正反两个主面上的气体流通槽的位置、例如气体流通槽6af的位置和气体流通槽6ar的位置相互不对应，而是与各自的凸棱7ar、7af相对应。具体地说，在图1的纸面上，例如看到导电性隔板5a时，气体流通槽6ar和凸棱7af、进而气体流通槽6af和7ar分别沿上下成一直线。另外，如图1所示，在上端部的导电性隔板5ae上，仅在下侧的主面上形成气体流通槽，在下端部的导电性隔板5be上，仅在上侧的主面上形成气体流通槽。
在本实施方式1中，还具有配置成夹持MEA4的导电性隔板5a和5b在面对MEA4的主面上的流通槽6ar、6bf之间、或者凸棱7ar、7bf之间相对应。根据这一特征，由于隔着MEA4而凸棱之间相对应，所以容易通过这些凸棱组承受相对于最终的电池组的紧固压力。而且，容易将经由MEA4的反应气体的反应维持得较高。
采用图2进行了详述，但通过图1的电池组内所以的导电性隔板的正反两个主面的气体流通槽供应、排出燃料气体和氧化剂气体的多支管孔等形成在各导电性隔板上。而且，每隔1～3个原电池，在导电性隔板的背面上设置具有冷却介质流路的冷却部。这些MEA和导电性隔板、以及根据需要交互地叠层冷却部构成图1的电池组。这些电池组经由集电板8a、8b和绝缘板9a、9b由端板10a、10b夹持，对电池组施加压力地由紧固杆11a、11b和紧固螺栓12a、12b、12c、12d紧固而固定。这样制作的为本实施方式1的燃料电池。
图2A为本实施方式1的燃料电池中使用的导电性隔板、例如5a的负极侧主面的俯视图，图2B为相同的导电性隔板的阳极侧主面的俯视图，是图2A的背面图。图2A的6af和7af分别为氧化剂气体流通槽和其槽之间的凸棱，图2B的6ar和7ar分别为燃料气体流通槽和其槽之间的凸棱。而且，图2A和图2B中相同，13a为供应氧化剂气体的多支管孔，13b为将其排出的多支管孔。14a为供应燃料气体的多支管孔，14b是将其排出的多支管孔。15a为供应冷却介质的多支管孔，15b为将其排出的多支管孔。此处表示的槽、凸棱的图形为弯曲状，但只要是发挥本发明的特征的形状，则不是这样的弯曲状也可以。
而且，在此是将内部多支管方式的冷却部作为一例表示的，但即使采用外部多支管方式的冷却部，也可以发挥本发明的特征。
如图1所说明的，图2A、图2B中的导电性隔板的正反气体流通槽6af和6ar在与纸面垂直的方向看位置关系时，在大部分的部位上是错开一个间距的量、即仅错开一个流通槽的宽度量，其结果，基本上阴极侧的槽6af和阳极侧的凸棱7ar为对应的位置。当以相邻的导电性隔板是各自的主面交错地旋转180度配置的方式叠层这种导电性隔板时，如图1所示，隔着MEA对向的气体流通槽之间是对应的。导电性隔板每隔一片沿相同的方向配置。当根据图2A的导电性隔板5a的矩形俯视图说明这种旋转180度的配置时，是通过该矩形的中心点，将与纸面垂直的线作为旋转轴，使该矩形旋转180度配置。即，这种结构仅需准备一种相同形状的导电性隔板。另外，图1的截面图相当于将图2A、图2B的导电性隔板象上述那样叠层，在X-Y的面上切断的截面。
在实现这种槽-MEA-槽相对应结构的情况下，可以采用设计图2A、图2B中所示的那种槽、凸棱的图形，象上述那样交错180度旋转配置的方法，除此之外，也可以采用槽-MEA-槽相对应的两种导电性隔板，并将其顺序叠层。
本发明的第一特征为如上所述，将各导电性隔板上正反两个主面中的一个主面的气体流通槽配置成与另一个主面的气体流通槽相对应。关于这一点，基于图3、图4和图5进行说明。
图1、图4和图5的1、2a、2b分别为高分子电解质膜和一对电极，是MEA的主要构成要素。
图3为表示现有的导电性隔板两片夹持MEA的叠层结构一部分的示意图，是参考图。35a和35b分别为现有的导电性隔板，在各导电性隔板35a、35b上，所有的凸棱37af、37ar、37bf、37br上下对应，即成为一直线。但是，同样地，气体流通槽36af、36ar之间，以及气体流通槽36bf、36br之间为对应的位置，其结果，壁厚最薄处的槽底部38a、38b的厚度t变薄。该部分由于比较薄，容易因上述那样施加在电池组上的紧固压力等而发生破损或龟裂，因而容易发生气体泄漏。而且，因此减薄导电性隔板35a、35b比较困难。
图4是为了与图3比较而示出图1的本实施方式1中由导电性隔板两片夹持MEA的叠层结构相对应的一部分的示意剖视图。在导电性隔板45a、45b上，气体流通槽46af与凸棱47ar相对应。同样地，47af和46ar，47bf和46br，46bf和47br相对应。因此，不存在图3的38a或38b那样厚度为t的薄壁部。薄壁部比现有的壁厚要厚。因此，能够进一步减薄导电性隔板的厚度，同时在制造上也容易通过压缩成形或注射成形制造。
图5为改变图4的导电性隔板的各气体流通槽的截面形状，与各槽的表面宽度Wf相比，减小了各槽的底面宽度Wb。在导电性隔板55a、55b上，气体流通槽56ar与凸棱57ar相对应。同样地，57af和56ar，57bf和56br，56bf和57br相对应。因此，不存在图3的38a或38b那样厚度为t的薄壁部。薄壁部比现有的壁厚要厚。另外，在图5的结构的情况下，为了减小槽底部的宽度，在通过压缩成形或注射成形制造导电性隔板的情况下，通过提高一层的脱模，更容易实现制造。另外，是一种更耐电池组制造时的紧固压力或燃料电池使用时施加在燃料电池上的压力的结构，因此，也具有容易进一步减薄导电性隔板的厚度的特征。
这样一来，在具有本发明的特征的范围内，能够任意地设计导电性隔板上并行的气体流通槽和凸棱的形状。既可以如图4所示，使对应的槽、凸棱的宽度或深度、高度实质上相等，也可以象图5那样改变。而且，除此之外，还可以增加凸棱的宽度，提高机械强度。
本实施方式1的强化导电性隔板的目的中，还有一个特征是电池组两端部的导电性隔板的强化。即，如上所述，由于通过紧固杆等紧固电池组时产生不均匀的压力分布而引起的两端部的导电性隔板的破损。因此，如图1中所示，使两端部的导电性隔板4ea、4eb的厚度大于其它导电性隔板的厚度。作为增大厚度的方法，可以重叠两片以上的导电性隔板。
图6为用于电池组两端部上的导电性隔板的电池组一侧的一个主面的一例的俯视图，表示两端部的导电性隔板解决上述问题的对策的一例。图6表示一端板的导电性隔板、例如5a在其一个主面上具有图2B中所示的阳极侧气体流通槽时的对策。13a、14a、15a分别为供应氧化剂气体、燃料气体、冷却介质的多支管孔，13b、14b、15b分别为排出氧化剂气体、燃料气体、冷却介质的多支管孔。16a、16b为以碳材料或金属材料等作为结构要素的加强部件。这种加强部件16a、16b如图所示，粘附在多支管孔14a、15b、13b、13a、15a、14b的周边上，并且具有与六个多支管对应的通孔。根据这种结构，能够维持电池性能，抑制导电性隔板5a产生龟裂等损伤。
实施方式2
本发明的特征如图4的46af和47ar的关系那样，基本上是各导电性隔板的正反两个主面中的一个主面的气体流通槽和另一个主面上的凸棱位置对应。在实施方式1中，基本上是隔着MEA相邻的导电性隔板的气体流通槽之间、例如图4中46ar和46bf相对应。但是，可以使隔着MEA相邻的导电性隔板的槽、凸棱位置的对应关系在具有本发明的特征的范围内变化。将其作为本实施方式2加以说明。
图7为表示用于本发明实施方式2的燃料电池中的导电性隔板两片夹持MEA而成的叠层结构的一部分的示意剖视图。是由一对导电性隔板75a、75b夹持MEA的结构，导电性隔板75a具有气体流通槽76af、76ar、凸棱77af、77ar，导电性隔板75b具有气体流通槽76bf、76br、凸棱77bf、77br。在图7中，隔着MEA，例如76ar和77bf相对应。即，隔着MEA相邻的导电性隔板中的一个气体流通槽和另一个凸棱相对应。在这种结构中，两种反应气体也经由MEA充分反应。
这种结构与图5的情况相同，能够避免各导电性隔板上现有的薄壁部，同时具有制造容易的特征。而且，仅准备一种同一形状的导电性隔板即可将所有隔板沿同一方向叠层，具有制造容易的特征。另外，在图7中，与各槽的宽度Wf相比，增大了各凸棱的宽度Wr。虽然也可以使Wf和Wr相同，但最好Wr大于Wf。这是由于可使隔着MEA的两片导电性隔板上凸棱的两端部在位置上弯曲，通过其弯曲部分，使紧固电池组时的紧固压力传递到凸棱组上，容易克服紧固压力的缘故。但是，当Wr大于Wf的1.4倍时，抑制了反应气体向MEA的扩散，所以最好为1.4倍以下。
图8为表示采用能够用于本发明实施方式2的燃料电池中的其它形态的导电性隔板两片的叠层结构的一部分的示意剖视图。是由一对导电性隔板85a、85b夹持MEA的结构，导电性隔板85a具有气体流通槽86af、86ar、凸棱87af、87ar，导电性隔板85b具有气体流通槽86bf、86br、凸棱87bf、87br。图8中，隔着MEA，例如86ar和87bf相对应。即，与图7的情况相同，隔着MEA相邻的导电性隔板上一方的气体流通槽和另一方的凸棱相对应，在这种结构中，两种反应气体也可以经由MEA充分反应。而且，可维持耐泄漏性，同时可构成压力损失小的导电性隔板。
这种结构也与图7的情况相同，仅准备一种同一形状的导电性隔板即可将所有隔板沿同一方向叠层，具有容易制造的特征。另外，在图8中，与各槽的宽度Wf相比，增大了各凸棱的宽度Wr。虽然Wf也可以与Wr相同，但由于基于图7的上述Wf和Wr的关系同样的理由，最好Wr大于Wf。即，这是由于可使隔着MEA的两片导电性隔板上凸棱的两端部弯曲的缘故。而且，由于和Wf与Wr的关系相同的理由，最好是Wr为Wf的1.4倍以下。
而且，气体流通槽的底面宽度Wb最好小于气体流通槽的表面宽度Wf。这是由于在向电池组施加紧固压力的情况下，更好地抑制导电性隔板上发生龟裂的缘故。但是当Wb小于Wf的0.6倍时，不能进一步抑制龟裂的发生，同时气体流通槽的截面积减小，气体的压力损失增加，即可能有损于气体的有效利用，所以最好是0.6倍以上。
另外，在本实施方式2中，上述的导电性隔板的槽、凸棱的关系以外的电池组的结构、以及燃料电池的结构与采用图1在实施方式1中记载的结构相同。例如，能够原封不动地采用图6所示的电池组端部的导电性隔板的加强方法。因此，省略了与实施方式1中记载的部分相对应的记载。
实施例1
通过以下的方法制作出记载在实施方式1中图1所示的高分子电解质型燃料电池。
首先，采用具有30nm的平均一次粒子直径的导电性碳粒子的烟黑EC(荷兰，AKZO Chemie公司制)，并载持有50重量％平均粒子直径约为30埃的铂粒子的物作为阴极侧催化剂。而且，将在与上述相同的烟黑EC中分别载持有25％的平均粒子直径约为30埃的铂粒子和钌粒子的物质作为阳极侧催化剂。使这些催化剂粉末分散在异丙醇中。另一方面，使全氟碳璜酸的粉末分散在酒精中，将各种催化剂分散液与全氟碳璜酸的分散液混合，制成软膏状。通过丝网印刷将这些软膏涂敷在厚度为250μm的碳无纺布的一面上，分别形成阴极催化剂层和阳极催化剂层。形成后的反应电极中包含的催化金属的量为0.5mg/cm2，全氟碳璜酸的量为1.2mg/cm2。
阳极侧电极和阴极侧电极通过热压接合在具有面积比电极大一圈的质子传导性高分子电解质膜的中心部的两面上，使印刷的催化剂层与电解质膜一侧接触。在此，作为质子传导性高分子电解质，采用全氟碳璜酸薄膜化的物质(美国，杜邦公司制：ナフイオン112)。另外，在电极的外周上，隔着电解质膜，在其两侧上通过热压接合冲裁成与导电性隔板相同形状而制成的垫圈，制作出MEA。在此，导电性隔板是对各向同性石墨材料进行机械加工而制成的，垫圈是由异丁橡胶的片材制成的。
采用这种MEA作为图1的MEA4，如图1和图2所示，采用导电性隔板5a、5b、5ae、5be，集电板8a、8b，绝缘板9a、9b，端板10a、10b，紧固杆11a、11b，以及紧固螺栓12a、12b、12c、12d制作出本
实施例1的燃料电池。
为了比较，制作出将导电性隔板5a、5b替换成具有图3所示结构的现有例的导电性隔板35a、35b，其它与本实施例1相同的燃料电池。
向这两个燃料电池上施加负荷，并使负荷变化。将此时的导电性隔板上开始产生裂纹的最小负荷作为裂纹产生负荷，示于表1中。
表1
  导电性隔板的类型   裂纹产生负荷
  现有例   3.5t
  实施例1   5t
由表1可知，本实施例1的导电性隔板的耐裂纹强度大幅度提高。
实施例2
在本实施例2中，以与实施例1相同的方法，仅改变导电性隔板的形状，制作出燃料电池。在本实施例2中，采用图7所示截面结构的导电性隔板。
此时，准备六个凸棱宽度不同的导电性隔板。首先，采用一个凸棱宽度为Wr1的隔板制作出燃料电池。然后，采用凸棱宽度为Wr2的隔板制作出燃料电池。以下同样地，分别采用凸棱宽度为Wr3-Wr6的隔板，共制作出六种燃料电池。
使这些燃料电池运行，测定电池的电压，将结果示于图9。另外，为了运行，设定出以下的条件。即，将燃料电池保持在85℃，向一方的电极一侧供应加湿、加温到83℃的露点的氢气，向另一方的电极一侧供应加湿、加温到78℃的露点的空气，同时使燃料电池的燃料利用率为80％，氧利用率为40％，电流密度为0.3A/cm2。
图9中，横轴为凸棱的宽度Wr和槽的宽度Wf之比，其值越大表示凸棱的宽度越宽。从图9可知，随着凸棱的宽度增大，存在电池电压、即电池性能降低的倾向。这可认为是由于反应气体向由凸棱推压的MEA部分的扩散降低的缘故。特别是，Wr和Wf之比超过1.4时将显著降低。因此可知，最好将Wr和Wf之比设定在1.4倍以下。
实施例3
在本实施例3中，以与实施例1相同的方法，仅改变导电性隔板的形状，制作出燃料电池。在本实施例3中，采用图8所示截面结构的导电性隔板。
此时，准备四个槽底面宽度/槽表面宽度之比(Wb/Wf)不同的导电性隔板。首先，采用一个宽度之比为Wb1/Wf1的隔板制作出燃料电池。然后，采用宽度之比为Wb2/Wf2的隔板制作出燃料电池。以下同样地，分别采用宽度之比为Wb3/Wf3和Wb4/Wf4的隔板，共制作出四种燃料电池。
向这四种燃料电池上施加紧固负荷，并使其负荷变化，将此时导电性隔板上产生裂纹的最小负荷作为裂纹产生负荷，示于表2中。
表2
  槽底面的宽度/槽表面的宽度   裂纹发生负荷
  1   5t
  0.8   5.2t
  0.6   5.5t
  0.5   5.5t
从表2可知，在槽底面宽度/槽表面宽度之比小于0.6的范围内，裂纹产生负荷饱和。即，即使槽底面宽度/槽表面宽度之比小于0.6，也仅仅是气体流通槽的截面积减小，压力损失增加，未获得强度上的效果。因此，槽底面的宽度/槽表面的宽度之比最好为0.6以上。
实施例4
在本实施例4中，以与实施例1基本相同的方法，在以下方面使部分结构不同，制作出燃料电池。
即，按每两个原电池在MEA1上设置冷却介质流动的冷却部。各冷却部由将两片导电性隔板组合的复合隔板构成。即，首先制作出一片在一方的面上设置了使空气流通的槽、在另一方的面上设置了使冷却水流通的槽的阴极侧隔板。另外，制作出一片在一方的面上设置了使燃料气体流通的槽、在另一方的面上设置了使冷却水流通的槽的阳极侧隔板。使这两片隔板经由密封材料贴合成具有冷却介质用槽的一面之间相接触，构成冷却部。
然后，将MEA叠层成50个原电池，使位于电池组两端部上的导电性隔板5ae、5be的厚度为5mm，经由集电板8a、8b和绝缘板9a、9b，由不锈钢制的端板10a、10b和紧固杆11a、11b以及紧固螺栓等以20kgf/cm2的压力紧固，制作出本实施例4的燃料电池。
为了比较，制作出将这样制造的本实施例4的燃料电池两端部的导电性隔板的厚度替换成与除此之外中间部的导电性隔板的厚度相同的3mm，作为比较例的燃料电池。
将紧固后的各燃料电池再次分解，观察两端部的导电性隔板时，在比较例的燃料电池上产生了很少的龟裂，但并不是能引起气体泄漏的重大龟裂。这种龟裂是由于容易在多支管周边承受集中负荷的缘故。另一方面，在本实施例4的燃料电池上未发现龟裂。
将这样制造的本实施例4和比较例的燃料电池两种保持在85℃，向一方的电极一侧供应加湿、加温到83℃的露点的氢气，向另一方的电极一侧供应加湿、加温到78℃的露点的空气。在燃料电池的燃料利用率为80％，氧利用率为40％，电流密度为0.3A/cm2的条件下进行耐久试验，试验结果示于图10。
从图10可知，从试验开始到经过1000小时后起，比较例的燃料电池的平均原电池电压、即电池性能开始降低。在对这两种燃料电池进行了耐久试验后，消除紧固压力，观察两端上的导电性隔板的状态。其结果，在比较例中，在多支管孔的周边观察到发展成气体或冷却介质泄漏大小的龟裂。其产生的原因是由于初期的紧固时产生的龟裂在热等应变的作用下随时间的推移而加剧。而在本实施例4的燃料电池上，由于增大了端部的导电性隔板的厚度，提高了强度，所以根本没有龟裂等损伤，可确认提高了燃料电池的耐久性和安全性。
在本实施例4中，虽然是使两端部的导电性隔板的厚度从3mm加大到5mm进行了试验，作为其它的方法，将导电性隔板数片重叠也可以提高强度。因此，使两端部的导电性隔板的厚度和片数变化，对是否有与上述相同的龟裂进行了调查。其中，电池组中间部的导电性隔板的厚度为3mm。其结果示于表3。
表3
  两端部的导电性隔板   效果(有无龟裂)
  隔板厚度   3mm   有
  4mm   无
  5mm   无
  6mm   无
  隔板片数   1片   有
  2片   无
  3片   无
从表3可知，通过增大导电性隔板的厚度或者多片重叠，可获得抑制龟裂的效果。
实施例5
在本实施例5中，如图6中表示的一例所示，在两端部的导电性隔板的氧化剂气体用多支管孔13a、13b，燃料电池用多支管孔14a、14b，以及冷却介质用多支管孔15a、15b的周边上经由密封材料贴附以不锈钢为材料的加强部件16a、16b，除此之外的燃料电池的结构以及燃料电池的特性评价条件均和实施例4相同。
其结果，在2000小时的耐久试验中，未发现电池性能降低，即使在将燃料电池分解后观察两端部的导电性隔板，也没有发生龟裂等损伤的迹象，可确认改进了燃料电池的耐久性和提高了安全性。在此，作为加强部件16a、16b的材料是使用了不锈钢，但只要是能够加强的材料，则也可以是其它种类。在本实施例中，可以确认即使除了不锈钢之外采用铝、玻璃纤维、碳纤维、PPS树脂、酚醛树脂等材料，也可以改进燃料电池的耐久性和提高安全性。
在本实施例中，对在各多支管孔的周边上贴附加强部件进行了试验，但也可以在隔板的整个面上贴附导电性加强材料。
实施例6
本实施例6中，作为两端部的导电性隔板的材料，采用了厚度为3mm的不锈钢。导电性隔板的形状加工成与实施例1中对各方同性的石墨材料进行机械加工的形状。除此之外的燃料电池的结构以及燃料电池的特性评价条件均与实施例4相同。在此，虽然采用了不锈钢作为两端部的导电性隔板的材料，但只要是具有导电性的高强度材料，则也可以是其它种类。
其结果，在2000小时的耐久试验中，未发现电池性能降低，即使在将燃料电池分解后观察两端部的导电性隔板，也没有发生龟裂等损伤的迹象，可确认改进了燃料电池的耐久性和提高了安全性。
工业上的可利用性
如上所述，根据本发明，可简便地解决高分子电解质型燃料电池的导电性隔板的机械强度问题，能够实现燃料电池的品质提高、小型化和低成本化。

Claims (7)

1.一种高分子电解质型燃料电池，具备包含多个导电性隔板和插入到所述导电性隔板之间的电解质膜-电极接合体的电池组，所述电解质膜-电极接合体具备氢离子传导性高分子电解质膜以及夹持所述氢离子传导性高分子电解质膜的阳极和阴极，各所述导电性隔板在一方的主面上具有向所述阳极供应、排出燃料气体的多个并行的气体流通槽，在另一方的主面上具有向所述阴极供应、排出氧化剂气体的多个并行的气体流通槽，其特征是，
所述导电性隔板的两气体流通槽配置成一方主面的气体流通槽与另一方主面的气体流通槽之间的凸棱相对应，由从所述凸棱的表面到所述一方的主面的所述气体流通槽底面的距离确定的凸棱厚度、和所述一方的主面的所述气体流通槽的深度的合计长度为所述导电性隔板的板厚，所述凸棱的厚度大于与所述凸棱相邻的所述另一方的主面的气体流通槽的深度，
向所述电解质膜-电极接合体的阳极供应、排出燃料气体的气体流通槽和向同一电解质膜-电极接合体的阴极供应氧化剂气体的气体流通槽之间的凸棱按照以下方式位于相对应的位置，即一方隔板上的凸棱的两宽端部与另一方隔板上的两个凸棱的宽端部局部重合，
所述各导电性隔板的所述一方的主面的凸棱的宽度Wr1与所述气体流通槽的宽度Wf1，以及所述另一方的主面的凸棱的宽度Wr2与所述气体流通槽的宽度Wf2分别满足以下公式，即
1＜Wr1/Wf1≤1.4，
1＜Wr2/Wf2≤1.4。
2.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征是，各所述导电性隔板的所述两气体流通槽的底面宽度分别小于所述两气体流通槽的表面宽度。
3.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征是，实质上所有的所述导电性隔板具有相同的形状，相邻的所述导电性隔板是各所述导电性隔板的主面沿同一方向配置的。
4.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征是，各所述导电性隔板中的所述两个气体流通槽的底面的宽度分别小于所述两个气体流通槽的表面宽度并为0.6倍以上。
5.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征是，所述多个导电性隔板中配置在所述电池组的两端部上的导电性隔板的机械强度高于其它的导电性隔板的机械强度。
6.如权利要求5所述的高分子电解质型燃料电池，其特征是，所述多个导电性隔板中配置在所述两端部上的导电性隔板的厚度大于其它的导电性隔板的厚度。
7.如权利要求5所述的高分子电解质型燃料电池，其特征是，在配置在所述两端部上的所述导电性隔板上附加了以碳材料或者金属材料为构成要素的加强部件。
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