CN1388999A - 高分子电解质型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种高分子电解质型燃料电池,具备:由波形金属板构成的多个导电性隔板;插入上述隔板之间的电解质膜－电极接合体,该接合体是由周缘部以气封部覆盖的氢离子传导性高分子电解质膜,接合在上述电解质膜的一方的面上的正极和接合在上述电解质膜的另一方的面上的负极构成的电解质膜－电极接合体;以及分别向上述正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体的气体供应、排出机构,上述气体供应、排出机构通过上述波形金属板的一方的面上的槽向正极供应、排出燃料气体,通过上述波形金属板的另一方的面上的槽向负极供应、排出氧化剂气体。

Description

高分子电解质型燃料电池
技术领域
本发明涉及一种手提式电源、电动车用电源、家庭内小型发电系统等中使用的高分子电解质型燃料电池，特别是涉及其导电性隔板的改进。
背景技术
采用高分子电解质的燃料电池通过使含有氢的燃料气体和含有空气等氧的氧化剂气体发生电化学反应而同时产生电力和热。这种燃料电池基本上是由选择性地输送氢离子的电解质膜和在高分子电解质膜的两面上形成的一对电极、即正极和负极构成的。上述电极通常由以载持有铂族金属催化剂的碳粉为主要成分、形成在高分子电解质膜的表面上的催化剂层，和形成在该催化剂层的外表面上、同时具有透气性和电子传导性的扩散层构成。
为了不使向电极供应的燃料气体和氧化剂气体向外泄漏，或两种以上的气体相互混合，在电极的周围，夹着高分子电解质膜配置有气封部。气封部通常采用EPDM橡胶，硅弹性体、氟素弹性体等耐药品性高的橡胶或弹性体。该气封部通常是与电极和高分子电解质膜一体化地预先组装的。将其称为MEA(电解质膜-电极接合体)。在MEA的外侧上配置用于机械地将其固定，同时将相邻接的MEA串联地电连接、或并联地电连接的导电性隔板。隔板上与MEA相接触的部分上形成用于向电极面供应反应气体，并将生成的气体或剩余的气体运走的的气体流路。气体流路虽然可与隔板分别设置，但通常的方式是在隔板的表面上设置槽作为气体流路。
为了向这些槽供应燃料气体和氧化剂气体，要将分别供应燃料气体和氧化剂气体的配管分支成使用的隔板数量，并需要将其分支的一端直接连接到隔板的槽中的配管夹具。这种夹具称为多支管，将上述那样从燃料气体和氧化剂气体的供应配管直接连接式的称为外部多支管。在这种多支管中具有结构更为简单的称为内部多支管的形式。内部多支管是在形成了气体流路的隔板上设置贯通的孔，将气体流路的出入口通到该孔中，从该孔直接供应燃料气体和氧化剂气体。
燃料电池由于在使用中发热，所以为了将电池维持在良好的温度状态，必须要用冷却水等冷却。通常，按每1～3个原电池设置流通冷却水的冷却部。有将冷却部插入隔板和隔板之间的方式，和在隔板的背面上设置冷却水流路作为冷却部的方式，多采用后者。一般的电池结构是将这些MEA和隔板以及冷却部交替地重叠，将10～200个原电池叠层，经由集电板和绝缘板用端板夹持其叠层体，用紧固杆从两端固定。
这种高分子电解质型燃料电池要求隔板具有高导电性，并相对燃料气体有高的气密性，还要相对于对氢/氧进行氧化还原时的反应具有高的耐腐蚀性。基于这样的理由，以往的隔板通常是由グラツシ-カ-ボン或膨胀石墨等碳材构成，气体流路也是通过其表面上的切削、在膨胀石墨的情况下是通过模具制作的。但是，近年来，尝试了使用不锈钢等金属板代替以往使用的碳材。
在以往的碳板切削的方法中，难以降低碳板材料的成本以及对其进行切削的成本，而且采用膨胀石墨的方法材料成本也很高，可认为这是其实用化上的障碍。
在上述采用金属板的方法中，为降低成本而提出了压力加工的隔板。但是，在隔板上加工的气体流路图形上产生制约，从而不得不进行用于除去加压后的应变的后处理或采用富有伸展性的特殊材料，结果存在成本上的优点降低的问题。
发明的公开
本发明的基本目的在于提供一种采用波形金属板作为导电性隔板，将通过与气封部的组合在其表面上形成的槽用于气体的流路中，适于批量生产的气体供应、排出机构。
本发明提供一种高分子电解质型燃料电池，具备：由突条和槽交互平行地设置、在与一方的面上的突条和槽对应的背面上分别具有槽和突条的波形金属板构成的多个导电性隔板；插入上述隔板之间的电解质膜-电极接合体，该接合体由周缘部以气封部覆盖的氢离子传导性高分子电解质膜，接合在上述电解质膜的一方的面上的正极和接合在上述电解质膜的另一方的面上的负极构成的电解质膜-电极接合体；以及分别向上述正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体的的气体供应、排出机构，上述气体供应、排出机构通过上述波形金属板的一方的面上的槽向正极供应、排出燃料气体，通过上述波形金属板的另一方的面上的槽向负极供应、排出氧化剂气体。
在本发明的优选实施方式中，上述气体供应、排出机构包括气体的多支管，和连络上述多支管和上述波形金属板的槽地设置在上述电解质膜-电极接合体(以下称为MEA)的气封部上的诱导槽。
在本发明的优选实施方式中，上述气体供应、排出机构包括共同设置在上述波形金属板和上述MEA的气封部上的多支管孔，和设置在上述波形金属板上的密封件，通过上述多支管孔和波形金属板的槽分别向正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体。
在本发明的优选实施方式中，上述导电性隔板由上述波形金属板和覆盖其周缘部的第2气封部构成，上述气体供应、排出机构包括共同设置在上述MEA的气封部和第2气封部上的多支管孔，和设置在上述第2气封部上、连络上述多支管孔和上述波形金属板的槽的气体诱导槽。
包括上述第2气封部的导电性隔板具有埋在上述波形金属板的槽底的密封材料，上述波形金属板的槽的深度与连络上述多支管孔和波形金属板的槽的气体诱导槽的深度大致相同。
在本发明的优选实施方式中，2片波形金属板以其槽和突条相互对向地插入邻接的MEA之间，在这些波形金属板的槽之间形成的流路中冷却水从一方的开口朝向另一方的开口流动。
在本发明的优选实施方式中，在成为上述冷却水的流路的上述波形金属板的槽的两端部一侧上与其他波形金属板共同地形成有冷却水的多支管孔。
附图的简单说明
图1为表示构成本发明的导电性隔板的波形金属板一例的立体图。
图2为本发明的实施例中MEA主要部分的立体图。
图3为图2中3-3线的剖视图。
图4为表示原电池的叠层体的立体图。
图5为沿图2的5-5线剖开该叠层体的剖视图。
图6为包含该叠层体的电池装置的主视图。
图7为表示波形金属板其他实施例的立体图。
图8为表示MEA的其他实例的主要部分立体图。
图9为表示MEA另一实例的主视图。
图10为表示波形金属板另一实例的立体图。
图11为表示波形金属板另一实例的局部为剖面的主视图。
图12为图11中12-12线的剖视图。
图13为组合在该波形金属板上的密封件的立体图。
图14为用于说明气体和冷却水的流动的示意图。
图15为表示MEA另一实例的主视图。
图16为另一实例的导电性隔板的正极一侧的主视图。
图17为该隔板的负极一侧的主视图。
图18为图17中18-18线的剖视图。
图19为另一实例的导电性隔板的正极一侧的主视图。
图20为该隔板的后视图。
图21为其他实例的导电性隔板的负极一侧的主视图。
图22为该隔板的后视图。
图23为表示原电池叠层体的其他实例的剖视图。
图24为表示导电性隔板的另一实例的主要部分剖视图。
实施发明的优选方式
如上所述，本发明采用波形金属板作为导电性隔板，通过与具备MEA的气封部和/或具备隔板自身的气封部的组合，将在其正反面上形成的槽用作气体的流路，构成供应、排出气体的机构。
在本发明的代表性的导电性隔板的第1实施方式中，波形金属板的大小与MEA大致相同，将波形金属板与MEA交互地叠层构成原电池组。在第2实施方式中，在波形金属板上结合覆盖其周缘部的气封部，构成大小与MEA大致相同的导电性隔板，将该导电性隔板与MEA交互地叠层构成原电池组。
在第1和第2实施方式中，将适当的冷却部插入MEA之间。这种冷却部在第1实施方式中是使2片MEA以其槽相互对向地组合并插入MEA之间。冷却水的流路是通过上述波形金属板的对合形成的。在第2实施方式中，将正极侧导电性隔板和负极侧导电性隔板插入MEA之间，通过其波形金属板的槽在两导电性隔板之间形成冷却水的流路。
上述第1实施方式中优选的燃料电池具备由波形金属板构成的多个导电性隔板，和插入上述隔板之间的MEA。而且，MEA的气封部在其两面上分别具有封闭对向的上述波形金属板的槽的长度方向的两端部的肋。气封部还在其肋的内侧一方的面上朝向气封部的侧面开放地设置将燃料气体导入上述波形金属板的槽中的诱导槽，在另一方的面上朝向气封部的侧面开放地设置将氧化剂气体导入上述波形金属板的槽中的诱导槽。采用这种结构，通过使各自的燃料气体和氧化剂气体的多支管组合到上述诱导槽上，可构成向位于与上述波形金属板相对向位置的正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体的机构。
在上述的燃料电池中，封闭波形金属板的槽的端部的肋也可以通过注射成形等一体结合在波形金属板上，以取代设置在MEA的气封部上。在MEA之间设置冷却部的情况下，使2片波形金属板以其槽相互对合地组合，使冷却水在由上述槽构成的流路中流动。
在其他的变形例中，将燃料气体和氧化剂气体的多支管孔设置在波形金属板上，以取代设置在MEA上的气体诱导槽。这些多支管孔在每隔一个与MEA相面对的槽的部分上设置一个。而且，流入具有多支管孔的槽中的气体贯通位于两者之间的朝向相反一侧的槽的部分移动到没有多支管孔的槽中。上述的贯通部分设置具有缺口部的密封件，或在波形金属板上设置气体通过的孔，以使该气体不流入朝向相反一侧的槽中。通过这种包含密封件的气流控制机构，氧化剂气体和燃料气体分别从具有多支管孔的槽被分配到不具有多支管孔的槽中。
在上述第2实施方式中，由波形金属板和结合在其周缘部上的气封部构成导电性隔板。在这种隔板的代表性例子中，与碳板的切削加工制成的隔板同样地设置有多支管孔。另外，在气封部上还设置有将多支管孔和波形金属板的槽连络在一起的诱导槽。
在任一种实施方式中，由于采用单纯形状的波形金属板，适于批量生产量大，可大幅度降低成本。而且，由于可以减薄隔板的厚度，所以可使叠层电池紧凑化。
本发明的波形金属板的材料适于采用不锈钢、钛等导电性优良并且经压力加工等可很容易形成波形的厚度为0.05～0.3mm的薄板。这些金属薄板最好在其表面上形成有耐腐蚀的导电性覆膜。导电性覆膜最好由金、铂、导电性碳涂料、RuO2、加有铟的氧化锡Sn(In)O2、TiN、TiAlN、SiC等导电性无机氧化物、氮化物、碳化物等制成。这些导电性覆膜最好通过压力加工将原材料的金属板制成波形后形成。形成导电性覆膜采用真空蒸镀法、电子束法、喷镀法、高频辉光放电分解法等。
本发明的MEA和导电性隔板的气封部的材料采用热塑性树脂或热塑性弹性体。最好的材料是从三元乙丙橡胶(以下以EPDM表示)、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚缩醛、聚氨基甲酸酯、硅酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚邻苯二甲酸乙二醇酯、间同立构聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚醚酯酮、聚醚酮、液晶聚合物、氟树脂、聚醚硫酸氨、改性聚苯醚、聚砜、聚醚砜、多芳基化合物，聚酰胺-酰亚胺、聚醚酰亚胺和热塑性聚酰亚胺构成的组中选出。
以下，参照附图对本发明的实施方式加以详细说明。在此采用的附图是为了便于理解，各要素的相对大小或位置并不一定正确。
实施方式1
图1表示对不锈钢等金属板进行压力加工的波形金属板10。在本实施方式中，将这种波形金属板原封不动地用于导电性隔板上。波形金属板10在一方的面上交互地具有槽11和突条，在另一方的面上与上述槽11和突条对应地具有突条和槽12。
图2和图3表示构成与由上述波形金属板制成的导电性隔板交互层叠的原电池组的MEA20。MEA20如图3所示，由高分子电解质膜2，一体地覆盖膜2的周缘部的热塑性树脂或热塑性弹性体组成的气封部30，和由接合在膜1的露出面上的负极3以及正极4构成。负极和正极由电解质膜一侧的催化剂层和气体扩散层构成。电解质膜2因气封部30而具有自我支承性，容易进行处理。
此处所示的MEA20为大小与金属板10相同的长方形，在长度方向的两端部上设置有用于与金属板10协调动作、构成气体的供应、排出机构的要素。即，气封部30在负极一侧的面上具有朝向侧面开放的氧化剂气体的诱导槽33，在正极一侧的面上具有燃料气体的诱导槽34。气封部30还在负极一侧的面上较槽33靠近端部的一侧上具有嵌合在金属板10的槽中的肋32，在正极一侧的面上较槽34靠近端部的一侧上具有嵌合在金属板的槽中的同样的肋。
图2表示了MEA20长度方向上一方的端部一侧，但在另一方的端部一侧上也具有同样的气体诱导槽和肋。对此参照图9。
图4表示原电池组。在本例中，按每2个原电池设置冷却部。该冷却部使2片波形金属板组合成其槽之间相互对向。由上述的槽形成的空隙部35成为冷却水的流路。然后，冷却水从图4中原电池组的上方被导入流路35中，并从下方排出。
金属板10和MEA20交互叠层成MEA的肋32嵌合在金属板10的槽11或12中，构成原电池组。因此，在MEA20和其负极一侧上叠层的金属板10之间，通过金属板10的槽11形成氧化剂气体的流路。该流路在图4的上方由肋32封闭，在下方由同样的肋封闭。这样，朝向MEA20的侧面开放地设置的槽33与成为氧化剂气体流路的槽11连通。因此，在原电池组的侧面上，通过使氧化剂气体的多支管组合，氧化剂气体如图4中的箭头A所示，从气封部30的诱导槽33进入金属板的槽11中，从气封部30的另一方的诱导槽排出到多支管中。
另一方面，燃料气体如图4中的箭头B所示，从组合在原电池组的侧面上的多支管经由气封部30的诱导槽34进入金属板10的槽12中，从气封部30的诱导槽排出到多支管中。
这样，氧化剂气体和燃料气体在各波形金属板的槽11和12的部分上扩散到电极，参与反应。然后，剩余的气体和生成物从相同的槽的部分向出口侧的多支管排出。
如图5所示，夹持MEA的波形金属板可制成其槽11和12相互对向。因此，不会在电极部上施加过大的剪切力。
图6表示采用上述原电池组的燃料电池。40表示原电池组，图4中的气体入口侧和出口侧在图6中位于上下位置。原电池组40在其叠层方向的两端一侧上重合有集电板41、绝缘板42和端板43，进而在上下经由例如硅酮树脂构成的片材47结合有多支管46。然后，通过用杆件44将端板之间紧固，组装成燃料电池。45表示弹簧。
可将碳纸等透气性的多孔体设置在图2中所示的MEA20的气封部30上设置的诱导槽33和34上。在图2中，槽33和34内设有平行的2个肋33’和34’，因而气封部不会向金属板10的槽11或12内变形而阻碍气体的流通。在将多孔体设置在这些诱导槽33和34内时，可以省略上述的肋。也可以设置波形金属板作为隔件而取代上述的多孔体。这些多孔体、波形金属板的隔件最好是对其表面进行亲水性处理。这种亲水性处理是为了防止向电极供应的气体中的加湿水或从电极排出的生成水等在上述多孔体或隔件上结露而堵塞流路。
实施方式2
在实施方式1中，为了防止气体在金属板10和MEA之间泄漏，在MEA的气封部30上设置了肋31、32等。在实施方式2中，表示将这些肋的部分从气封部30移动到金属板10一侧。
在本实施方式中，如图7所示，通过注射成形等将与气封部相同的材料构成的密封件31a、32a一体结合在金属板10上而取代气封部30的肋31、32。这种与由金属板构成的导电性隔板组合的MEA20a如图8所示为平板状。而且，具有用于诱导气体的槽33a和34a。
实施方式3
图9中表示MEA20b。该MEA在设置了多支管这一点上与图2中所示的MEA不同，其他具有相同的结构。即，气封部30具有用于隔着电极部1的负极引导氧化剂气体的一对槽33b，和堵塞金属板10的槽11的端部的肋32b。同样地，在具有正极的面上具有用于堵塞引导燃料气体的一对槽(相当于图2中的槽34)和金属板10的槽12的端部的肋。
气封部30b在引导氧化剂气体的槽33b和引导燃料气体的槽的侧面部分上具有氧化剂气体的多支管37和燃料气体的多支管38，在两端部上还具有冷却水的多支管39。气封部30b在周缘部上还具有肋31b。
在采用这种MEA的原电池组中，从一对多支管37和槽33b的一方供应的氧化剂气体从在金属板10的槽11的部分上形成的气体流路向负极扩散，剩余的气体和反应生成物从槽33b和多支管37的另一方排出。
同样地，燃料气体从一对的多支管38的一方向正极供应，从另一方排出。而且，冷却水从多支管39的一方流入在一对金属板之间形成的水流路35中，从另一方的多支管排出。
实施方式4
在本实施方式中，如图10所示，在波形金属板10上设有冷却水的多支管孔39a。虽然图中未示出，但多支管孔也设置在金属板的另一方的端部一侧上。然后，在这些多支管孔39的外侧上设有用于堵塞由一对金属板形成的水的流路的端部的密封件。
上述的多支管孔，若以图2中的MEA20进行说明，则是以MEA的气封部的部分贯通堵塞气体流路的端部的肋32的部分的方式设置的。
在实施方式1中，水是从两端开口的流路中一方的端部上供应，从另一方排出。在本实施方式中，从一对的多支管孔39的一方向各流路35供应水，从多支管孔的另一侧排出。在多支管孔中流动的冷却水因肋32的作用而不会浸入氧化剂气体和燃料气体的流路内。
实施方式5
在本实施方式中，通过使波形金属板和与其组合的密封件调整气体和冷却水的流路。
图11为从正极一侧观察波形金属板10时的主视图。在波形金属板10上，在图11中的表面侧、即与正极相接触的突条的部分上靠近MEA的电极部1处夹持着电极部设置有一对冷却水的多支管孔15。在图11中朝向表面一侧开放的槽12的底部上交互地设置有燃料气体的多支管孔14和氧化剂气体的多支管孔13。多支管孔14位于波形金属板10的端部一侧，多支管孔13位于多支管孔14和15的中间。在槽12内，由于在多支管孔13的两侧上设置有密封件27和29，所以在多支管孔13中流动的氧化剂气体不会流入槽12内。
另一方面，在具有燃料气体的多支管孔14的槽12内，由于仅在多支管孔14的外侧部分上设置有密封件28。所以在供应侧的多支管孔14中流动的燃料气体在槽12内流动，从另一方的多支管孔14排出。另外，向槽12内流入的气体通过在设置于邻接的槽11内的密封件26的中央的缺口部26a和与其连络地设置在金属板上的孔28，并越过槽11向下一个槽12内流入。这种气体的流动从具有同样的密封件26的部分越过槽11进入原来的槽12内，从另一方的多支管孔14排出。这种气体的流动如图11中箭头所示。
这样一来，虽然在波形金属板10的面对正极的槽12的底部上每隔一个形成有燃料气体的多支管孔14，但利用位于槽12和槽12之间、朝向相反一侧开放的槽11的孔18和密封件26，可向不具有多支管孔的槽12内供应燃料气体用于反应。
一对多支管孔15使冷却水流通，在图示的波形金属板10上，槽11相对向地组合的金属板之间，向由槽11形成的流路供应、排出水。虽然图中未示出，但在槽11的孔15的外侧设置有用于防止水泄漏的密封件。
在经由MEA结合在图11的波形金属板10的表面上的波形金属板上，具有形成向MEA供应氧化剂气体的气体流路的槽11。而且，通过设置对上述燃料气体而言与已述的密封件26和孔18相当的部分设置在槽12一侧上，可将供应到一个槽11中的氧化剂气体贯通槽12的部分地分配到经由槽12与其邻接的槽11中。
图14分别由箭头A、B和C表示氧化剂气体、燃料气体和冷却水的流动。
实施方式6
在本实施方式中，采用由波形金属板50和结合在其周缘部上的气封部构成的导电性隔板。在此采用的波形金属板50具有与在实施方式1中采用的波形金属板10相同的结构，但在大小与MEA的电极部大致相同这一点上是不同的。
图15表示从正极一侧观察的MEA。该MEA60与实施方式1同样，由高分子电解质膜，支承其周缘部的气封部70，和结合在电解质膜的露出面上的正极以及负极构成。气封部70在MEA的长度方向的两端部上分别具有氧化剂气体的多支管孔73，一方为入口侧，另一方为出口侧。气封部70在两端部上还各具有3个燃料气体的多支管孔74和冷却水的多支管孔75。
图16和图17表示一方的面连接在正极上，另一方的面连接在负极上的导电性隔板80。这种隔板80由波形金属板50和结合在其周缘部上的气封部81构成，气封部81具有与MEA60共同的氧化剂气体的多支管孔83、燃料气体的多支管孔84和冷却水的多支管孔85。
隔板80在其正极一侧的面上具有由金属板50的槽54形成的燃料气体的流路，连络该流路的端部和多支管孔84的诱导槽88。同样地，在隔板80的负极一侧的面上具有由金属板50的槽53形成的氧化剂气体的流路，连络该流路的端部和多支管孔83的诱导槽87。
图18表示沿图17的18-18线剖开隔板80的剖视图。可知从多支管孔83供应的氧化剂气体通过诱导槽87被导入波形金属板50的槽53内。在此，金属板50上成为气体流路的槽53其约2/3的深度被与气封部81为一体的密封材料57埋没，因而金属板的气体流路53和气封部81的气体诱导槽87为相同深度，无台阶地连接在一起。因此，气体的供应、排出顺利，不会存留加湿蒸汽的水或反应生成物，不会产生液泛而使电池性能降低。
如图23所示，形成燃料气体的流路的波形金属板50的槽54同样地被密封材料58埋没其深度的约2/3，气体流路54和气封部81的气体诱导槽88无台阶地连接在一起。
图24为在与图17中18-18线相当的位置剖开其他实施方式的导电性隔板的剖视图。在本例中，波形金属板的槽未被密封材料埋没。因此，在气封部的诱导槽和波形金属板的槽之间产生台阶。
以下，对构成冷却部的隔板加以说明。
图19为正极侧隔板的主视图，图20为其后视图。该隔板80a在其气封部81a具有氧化剂气体、燃料气体和冷却水的各多支管孔，正极一侧的面上具有连络多支管孔84和金属板50的气体流路槽的诱导槽88这一点上与隔板80完全相同。不同之处在于背面上具有连络多支管孔85和金属板50的冷却水流路的诱导槽89。
与上述的隔板80a组合构成冷却部的负极侧隔板80b示于图21和图22。在具有氧化剂气体、燃料气体和冷却水的多支管孔，负极一侧上具有连络多支管孔83和金属板的气体流路的诱导槽87这一点上与隔板81相同，其背面与隔板80相同地具有连络多支管孔85和金属板的水流路的诱导槽89。在正极侧隔板80a和负极侧隔板80b上，其对向面上形成的水的诱导槽89的深度和波形金属板的水流路的深度也是相同的。这一点可从图23中看出。
在上述所示的诱导槽87、88、和89上设置在实施方式1中说明的多孔体或波形金属板的隔件，可防止气封部因电池的紧固压力向槽内变形而阻碍气体或冷却水的流通。
实施例1
调制在乙炔黑中以重量比为3∶1的比例载持有平均粒径约为30埃的铂粒子的催化剂粉末。将该催化剂粉末的异丙醇分散液和下式(式中m＝1、n＝2、5≤x≤13.5、y≈1000)所示的全氟碳磺酸粉末的乙醇分散液混合，制成浆料。在厚度为250μm的碳无纺布的一方的面上通过丝网印刷法涂敷浆料形成催化剂层。将上述浆料的涂敷量调整成电极中包含的铂量为0.5mg/cm2、全氟碳磺酸的量为1.2mg/cm2。
Figure A0180262100161
将这样获得的同一结构的负极和正极通过热压结合在面积比其大一圈的氢离子传导性高分子电解质膜中心部的两面上，组装成电解质膜-电极接合体(MEA)。作为氢离子传导性高分子电解质膜，采用将上式(其中，m＝2、n＝2、5≤x≤13.5、y≈1000)所示的全氟碳磺酸薄膜化成厚度为25μm的电解质膜。
导电性隔板是对厚度为0.1mm的不锈钢SUS304板进行压力加工，制成以3mm的间距具有深度约为1.5mm、宽度约为1.5mm的槽的波形。在波形金属板的表面上通过真空电子束蒸镀法形成厚度为0.01μm的金膜。蒸镀是在真空度为5×10-6托的氩气氛围、金属板的温度为200℃下进行的。
MEA在高分子电解质膜的周缘部上具有由EPDM构成的气封部。这种气封部是在接合电极之前以170℃的成形温度结合在电解质膜上的。从而制作出使气封部为一体的图2所示结构的MEA。
将上述的导电性隔板和MEA交互地叠层，按每2个原电池将2片波形金属板以其槽对合地组合并插入MEA之间。这样组装成图4～图6所示结构的50个原电池叠层的叠层电池。叠层电池的紧固压力为20kgf/cm2。
将这种燃料电池保持在85℃，将加湿、加热到83℃的露点的氢气供应到正极一侧，将加湿、加热到78℃的露点的空气供应到负极一侧。其结果，在电流不向外部输出的无负荷时，获得了50V的电池开路电压。在燃料利用率为80％、氧利用率为40％、电流密度为0.5A/cm2的条件下对该电池进行发电试验，确认保持在990W(22V-45A)的电池输出。
在本例中，诱导槽33、34是由多个平行的槽构成的。在这些槽部中设置亲水性处理的碳纸也获得了同样的效果。碳纸的亲水性处理是采用波长为365nm的超高压水银灯，以100mW/cm2的强度进行5分钟的紫外线照射而实施的。
实施例2
采用与实施例1相同的电极、电解质膜、和气封部材料，制作出图15所示的MEA。另一方面，导电性隔板在与实施例1相同的波形金属板的周缘部上成形出由硅酮橡胶构成的气封部。导电性隔板制作出实施方式6中所说明的3种，与上述MEA组合，组装成50个原电池叠层的燃料电池。每2个原电池中插入冷却部。导电性隔板是在其气封部的部分上，在其外周部和多支管孔外周部上设置高度为0.1mm的突部，在制成叠层电池时，确保导电性隔板和MEA之间的密封性。隔板上形成的成为气体流路的槽和气封部上形成的诱导槽的深度为0.5mm。
在与实施例1相同的条件下使这种燃料电池工作时，显示出与实施例1大致相同的特性。
工业上应用的可能性
根据本发明，由于能够取代以往的碳板切削加工方法，以不对不锈钢等金属材料进行切削加工地构成隔板，所以有利于批量生产，可大幅度降低成本。而且，由于使隔板更薄，可实现叠层电池的紧凑化。

Claims (11)

1.一种高分子电解质型燃料电池，具备：由突条和槽交互平行地设置、在与一方的面上的突条和槽对应的背面上分别具有槽和突条的波形金属板构成的多个导电性隔板；插入上述隔板之间的电解质膜-电极接合体，该接合体是由周缘部以气封部覆盖的氢离子传导性高分子电解质膜，接合在上述电解质膜的一方的面上的正极和接合在上述电解质膜的另一方的面上的负极构成的电解质膜-电极接合体；以及分别向上述正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体的气体供应、排出机构，上述气体供应、排出机构通过上述波形金属板的一方的面上的槽向正极供应、排出燃料气体，通过上述波形金属板的另一方的面上的槽向负极供应、排出氧化剂气体。
2.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，上述气体供应、排出机构包括燃料气体和氧化剂气体的各多支管，和连络各多支管和上述波形金属板的槽地设置在上述电解质膜-电极接合体的气封部上的诱导槽。
3.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，上述气体供应、排出机构包括共同设置在上述波形金属板和上述电解质膜-电极接合体的气封部上的燃料气体和氧化剂气体的各多支管孔，和设置在上述波形金属板上的密封件，通过上述各多支管孔和波形金属板的各槽分别向正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体。
4.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，上述导电性隔板由上述波形金属板和覆盖其周缘部的第2气封部构成，上述气体供应、排出机构包括共同设置在上述电解质膜-电极接合体的气封部和第2气封部上的燃料气体和氧化剂气体的各多支管孔，和设置在上述第2气封部上、连络上述各多支管孔和上述波形金属板的各槽的气体诱导槽，通过上述各多支管孔、各气体诱导槽和波形金属板的各槽分别向正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体。
5.根据权利要求4所述的高分子电解质型燃料电池，包括上述第2气封部的导电性隔板具有埋在上述波形金属板的槽底的密封材料，上述波形金属板的槽的深度与连络上述多支管孔和波形金属板的槽的气体诱导槽的深度大致相同。
6.根据权利要求2所述的高分子电解质型燃料电池，2片波形金属板以其槽和突条相互对向地插入邻接的电解质膜-电极接合体之间，在这些波形金属板的槽之间形成的流路中冷却水从一方的开口朝向另一方的开口流动。
7.根据权利要求6所述的高分子电解质型燃料电池，在成为上述冷却水的流路的上述波形金属板的槽的两端部一侧上与其他波形金属板共同地形成冷却水的多支管孔，从上述多支管孔向上述冷却水的流路供应、排出冷却水。
8.根据权利要求4所述的高分子电解质型燃料电池，上述气体诱导槽中设置有多孔体或波状的隔件。
9.一种高分子电解质型燃料电池，具备：突条和槽交互平行地设置、在与一方的面上的突条和槽对应的背面上分别具有槽和突条的波形金属板构成的多个导电性隔板；插入上述隔板之间的电解质膜-电极接合体，该接合体是由周缘部以气封部覆盖的氢离子传导性高分子电解质膜，接合在上述电解质膜的一方的面上的正极和接合在上述电解质膜的另一方的面上的负极构成的电解质膜-电极接合体，以及分别向上述正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体的气体供应、排出机构，上述气封部在其两面上具有堵塞分别对向的上述波形金属板的槽上长度方向的两端部的肋，上述气体供应、排出机构包括在上述气封部的上述肋的内侧上，朝向气封部的侧面开放地设置在气封部一方的面上、与上述金属板的槽连通的燃料气体的诱导槽，和朝向气封部的侧面开放地设置在气封部另一方的面上、连通上述金属板的槽的氧化剂气体的诱导槽。
10.一种高分子电解质型燃料电池，具备：突条和槽交互平行地设置、在与一方的面上的突条和槽对应的背面上分别具有槽和突条的波形金属板构成的多个导电性隔板；插入上述隔板之间的电解质膜-电极接合体，该接合体是由周缘部以气封部覆盖的氢离子传导性高分子电解质膜，接合在上述电解质膜的一方的面上的正极和接合在上述电解质膜的另一方的面上的负极构成的电解质膜-电极接合体；以及分别向上述正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体的气体供应、排出机构，上述气体供应、排出机构包括在上述波形金属板上面对电解质膜-电极接合体的槽的部分每隔一个设置的多支管孔，和流入具有该多支管孔的槽中的气体贯通两者之间朝向相反一侧的槽的部分移动到不具有多支管孔的槽中地构成的密封件。
11.一种高分子电解质型燃料电池，具备：多个导电性隔板；插入上述隔板之间的电解质膜-电极接合体，该接合体是由周缘部以第1气封部覆盖的氢离子传导性高分子电解质膜，接合在上述电解质膜的一方的面上的正极和接合在上述电解质膜的另一方的面上的负极构成的电解质膜-电极接合体；以及分别向上述正极和负极供应、排出燃料气体和氧化剂气体的气体供应、排出机构，上述导电性隔板由突条和槽交互平行地设置、在与一方的面上的突条和槽对应的背面上分别具有槽和突条的波形金属板和结合在其周缘部上的第2气封部构成，第1和第2气封部分别具有共同的燃料气体和氧化剂气体的各多支管孔，第2气封部在与正极相对向的面上具有连络上述燃料气体的多支管孔和上述波形金属板的槽的诱导槽，在与负极相对向的面上具有连络上述氧化剂气体的多支管孔和上述波形金属板的槽的诱导槽。
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