DE60305267T2

DE60305267T2 - Separatorplatte für Polymerelektrolytbrennstoffzelle und diese verwendende Polymerelektrolytbrennstoffzelle

Info

Publication number: DE60305267T2
Application number: DE60305267T
Authority: DE
Inventors: Hideo Ohara; Kazuhito Hatoh; Nobuhiro Hase; Hiroki Kusakabe; Katsuzou Kokawa; Takayuki Urata; Toshihiro Matsumoto; Shinsuke Takeguchi; Soichi Shibata
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: ATE326773T1; JP2004139788A; DE60305267D1; EP1416556A1; US7220512B2; CN1497754A; CN1279631C; EP1416556B1; BR0304606A; CA2445037A1; US20040131918A1; JP4128844B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zur Verwendung in tragbaren Energiequellen, elektrischen Fahrzeugenergiequellen, häuslichen Kraftwärmekupplungssystemen oder dergleichen. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf eine leitende Separatorplatte gerichtet, die darin verwendet wird.
Eine Brennstoffzelle, die eine Polymerelektrolytmembran hat, generiert elektrische Energie und Wärme gleichzeitig durch elektrochemisches Reagieren eines Brennstoffgases, das Wasserstoff enthält, mit einem Oxidationsgas, das Sauerstoff enthält, wie beispielsweise Luft. Die Brennstoffzelle hat eine Polymerelektrolytmembran, die wahlweise Wasserstoffionen transportiert, und ein Paar Elektroden, die an beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran ausgebildet sind, das heißt eine Anode und eine Kathode. Die Elektrode besteht aus einer Katalysatorschicht, die an jeder Seite der Polymerelektrolytmembran ausgebildet ist, und einer Gasdiffusionsschicht, die an der äußeren Fläche der Katalysatorschicht ausgebildet ist. Die Katalysatorschicht besteht hauptsächlich aus Kohlenstoffpulver, das einen Metallkatalysator der Platingruppe trägt, und die Gasdiffusionsschicht hat eine außerordentliche Gaspermeabilität und elektronische Leitfähigkeit.
Um zu verhindern, dass das zugeführte Brennstoffgas und Oxidationsgas austreten, oder um zu verhindern, dass diese zwei Arten von Gasen miteinander vermischt werden, sind Gasdichtmaterialien oder Dichtungen um die Elektroden angeordnet, um die Polymerelektrolytmembran zwischen ihnen zwischengelegt anzuordnen, Die Gasdichtmaterialien oder Dichtungen werden im Voraus integral mit den Elektroden und der Polymerelektrolytmembran kombiniert. Dies wird „MEA" genannt (Elektrolytmembranelektrodenanordnung).
Außerhalb der MEA sind leitende Separatorplatten zum mechanischen Festmachen der MEA wird zum elektrischen Verbinden in Serie benachbarter MEAs angeordnet. Die Separatorplatten haben einen Gasdurchflusskanal zum Zuführen eines reaktiven Gases zu der Elektrodenoberfläche und Entfernen eines generierten Gases und eines überschüssigen Gases. Obwohl der Gasdurchflusskanal unabhängig von der Separatorplatte vorgesehen sein kann, sind gewöhnlich Nuten an der Oberfläche der Separatorplatte als der Gasdurchflusskanal ausgebildet.
Um das reaktive Gas zu den Nuten zuzuführen, ist es notwendig, eine Verrohrungsvorrichtung zu verwenden, die abhängig von der Zahl der Separatorplatten von der Zufuhrleitung des reaktiven Gases in die Nuten der Separatorplatten abzweigt. Diese Vorrichtung wird „Sammler" genannt und die vorstehend beschriebene Bauart, die die Zufuhrleitung des Kraftstoffgases von außerhalb der Separatorplatten mit den Separatorplatten verbindet, wird „äußerer Sammler" genannt. Ein Sammler der einen einfacheren Aufbau hat, wird „interner Sammler" genannt. Der interne Sammler hat Durchgangslöcher, die in den Separatorplatten mit dem Gasdurchflusskanal ausgebildet sind. Die Durchgangslöcher sind mit dem Einlass und dem Auslass des Gasdurchflusskanals verbunden, so dass das reaktive Gas direkt von diesen Löchern zu dem Durchflusskanal zugeführt wird.
Da die Brennstoffzelle während einem Betrieb Wärme generiert, ist es notwendig, die Brennstoffzelle mit Kühlwasser oder dergleichen zu kühlen, um die Zelle bei guten Temperaturbedingungen zu halten. Ein Kühlwasserdurchflusskanal wird gewöhnlich alle 1 bis 3 Zelleneinheiten vorgesehen. Normalerweise ist der Kühlwasserdurchflusskanal oft an der Rückseite der Separatorplatte vorgesehen, um einen Kühlabschnitt auszubilden. In einem allgemeinen Aufbau der Brennstoffzelle sind die MEAs und die Separatorplatten abwechselnd gestapelt, um einen Stapel mit 10 bis 200 Zelleneinheiten auszubilden, eine Stromsammlerplatte und eine isolierende Platte sind an jedem Ende des Zellenstapels angebracht, und der resultierende Stapel ist zwischen Endplatten zwischen geordnet und mit Klemmbolzen von beiden Enden verklemmt.
Die Separatorplatten einer derartigen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle müssen eine hohe Leitfähigkeit, eine hohe Gasdichtigkeit und eine hohe Korrosionswiderstandsfähigkeit gegenüber Elektrodenreaktionen haben. Daher sind herkömmliche Separatorplatten gewöhnlich aus leitenden Kohlenstoffmaterialien, wie beispielsweise Glaskohlenstoff und expandierter Graphit, und der Gasdurchflusskanal ist durch Schneiden oder Schleifen seiner Oberfläche oder durch Formen in dem Fall von expandiertem Graphit gemacht worden.
Kürzlich sind auch Separatorplatten, die aus einem Gemisch aus Graphit und Harz zur Kostenreduktion geformt sind, im Gebrauch. Ferner ist ein Versuch gemacht worden, spritzgegossene Separatorplatten aus einem Gemisch aus Graphit und Harz zu machen.
Als das Produktionsverfahren von Separatorplatten gibt es einen Vorschlag, Separatorplatten durch Schmelzen und Kneten eines Verbundstoffes aus einem Gemisch von Graphit und thermoplastischen Harz in einer Spritzgußmaschine und Einspritzen des Verbundstoffes in eine Form (Formwerkzeuge) spritzzugießen. Da die Separatorplatten eine hohe elektronische Leitfähigkeit haben müssen, wird jedoch das Verhältnis des leitenden Füllstoffs, der in dem Verbundstoff enthalten ist, hoch. In diesem Fall hat der Verbundstoff eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Fluidität, wenn sie geschmolzen wird, so dass die Formbarkeit signifikant beeinträchtigt ist, was zu derartigen Problemen wie unzureichendes Einfüllen des Verbundstoffes und Festigkeitsverminderung der geschweißten Teile führt. Ein weiteres Problem ist, dass die Leistung der Brennstoffzelle durch die Begrenzungen an der Durchflusskanalgestalt der Separatorplatte, der Verringerung der Festigkeit der Sammleröffnungen, die um den Durchflusskanal angeordnet sind, dem Sinken einer Gasdichtigkeit usw. verschlechtert ist.
Ferner ist die Druckschrift EP 1 020 941 A2 auf einen Separator für eine Brennstoffzellenbatterie gerichtet, die einen Sammlerabschnitt und einen Verteilerabschnitt hat. Der Sammlerabschnitt ist zwischen zwei Elemente geklemmt, die den Verteilerabschnitt ausbilden.
Ferner zeigt die Druckschrift WO 01/80339 A2 ein Verfahren zum Herstellen von Zellenplatten für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Die Zellenplatten sind durch ein leitendes Verbundmaterial in dem aktiven Bereich der Zelle und eine nicht leitende Polymerrand um diesen leitenden Bereich ausgebildet.
Ferner ist der Gegenstand der Druckschrift JP1 0074527 auf eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle gerichtet, die eine bipolare Platte hat. Die bipolare Platte ist durch ein leitendes Substrat gebildet, das durch einen Harzrahmenkörper umgeben ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Angesichts des vorstehenden ist die Aufgabe der Erfindung, eine Separatorplatte, wobei die Haftung zwischen einem elektronischen Leiterabschnitt und einem isolierenden Abschnitt verstärkt ist, und eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine derartige Separatorplatte hat, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Weitere Entwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Befund, dass die Verwendung von unterschiedlichen Verbundstoffen zum Formen des Abschnitts einer Separatorplatte, der elektronische Leitfähigkeit erfordert, und des Abschnitts, der keine elektronische Leitfähigkeit erfordert, es möglich macht, gleichzeitig eine herausragende Formbarkeit und elektronische Leitfähigkeit zu erhalten.
Eine Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat: einen elektronischen Leiterabschnitt, der leitenden Kohlenstoff enthält; und einen isolierenden Abschnitt, der den elektronischen Leiterabschnitt umgibt, wobei der elektronische Leiterabschnitt einen ersten Durchflusskanal eines Gases oder Kühlwassers auf der einen Seite hat und einen zweiten Durchflusskanal eines Gases oder eines Kühlwassers auf der anderen Seite hat.
Es ist bevorzugt, dass der elektronische Leiterabschnitt und der isolierende Abschnitt integral geformt werden und der isolierende Abschnitt ein Paar erster Sammleröffnungen hat, das mit dem ersten Durchflusskanal kommuniziert, und ein Paar zweiter Sammleröffnungen hat, die mit dem zweiten Durchflusskanal kommunizieren.
Es ist bevorzugt, dass die Separatorplatte ferner einen dritten Abschnitt zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt hat.
Es ist bevorzugt, dass der dritte Abschnitt ein klebendes Material hat.
Es ist bevorzugt, dass der dritte Abschnitt ein Gemisch aus einem Material, das in dem elektronischen Leiterabschnitt verwendet wird, und einem Material, das in dem isolierenden Abschnitt verwendet wird, hat.
Es ist bevorzugt, dass der elektronische Leiterabschnitt und der isolierende Abschnitt spritzgussgeformt sind.
Es ist bevorzugt, dass der elektronische Leiterabschnitt ein Gemisch aus einem nichtorganischen leitenden Füllstoff und einem Harz hat.
Es ist bevorzugt, dass der isolierende Abschnitt ein gasdichtes elastisches Material hat.
Es ist bevorzugt, dass der isolierende Abschnitt ein thermoplastisches Harz hat.
Es ist bevorzugt, dass der elektronische Leiterabschnitt und der isolierende Abschnitt ein Harz haben, das den gleichen Hauptmolekularaufbau hat.
Es ist bevorzugt, dass das Harz, das den gleichen Hauptmolekularaufbau hat, Polyphenylensulfid ist.
Es ist bevorzugt, dass die Verbindung zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt einen Querschnitt hat, der eine Kombination aus einem Vorsprung und einer Vertiefung aufweist.
Es ist bevorzugt, dass der Vorsprung an dem elektronischen Leiterabschnitt ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass der elektronische Leiterabschnitt und der isolierende Abschnitt durch Einführen eines von dem elektronischen Leiterabschnitt und dem isolierenden Leiterabschnitt in ein Loch, das in dem anderen Abschnitt ausgebildet ist, verbunden sind.
Es ist bevorzugt, dass das Loch in dem elektronischen Leiterabschnitt ausgebildet ist.
Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat einen Zellenstapel, wobei der Zellenstapel: eine Vielzahl von Membranelektrodenbaugruppen, die jede eine Wasserstoffionen leitende Polymerelektrolytmembran und eine Anode sowie eine Kathode haben, die die Elektrolytmembran dazwischen gelegt angeordnet haben; und eine Vielzahl von Separatorplatten hat, die abwechselnd mit den Membranelektrodenbaugruppen gestapelt sind, wobei jede der Separatorplatten: einen elektronischen Leiterabschnitt, der leitenden Kohlenstoff enthält; und einen isolierenden Abschnitt hat, der den elektronischen Leiterabschnitt umgibt, und der elektronische Leiterabschnitt einen ersten Durchflusskanal eines Gases oder eines Kühlwassers auf der einen Seite hat und einen zweiten Durchflusskanal eines Gases oder eines Kühlwassers auf der anderen Seite hat.
Während die neuen Merkmale der Erfindung insbesondere in den anhängenden Ansprüchen ausgeführt sind, wird die Erfindung hinsichtlich beidem, ihrer Struktur und ihrem Inhalt, besser zusammen mit ihren anderen Aufgaben und Merkmalen aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang genommen mit den Zeichnungen verstanden und gewürdigt.
Kurzbeschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht einer Spritzgussmaschine, die mit zwei Einspritzdüsen ausgestattet ist.
2 ist eine Seitenansicht der Spritzgussmaschine, die mit zwei Einspritzdüsen ausgestattet ist.
3 ist eine Vorderansicht einer Separatorplatte in dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Hinteransicht der Separatorplatte in dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Schnittansicht der Umgebung der Schnittstelle zwischen einem elektronischen Leiterabschnitt und einem isolierenden Abschnitt der Separatorplatte des Ausführungsbeispiels 1.
6 ist eine Schnittansicht der Umgebung der Schnittstelle zwischen einem elektronischen Leiterabschnitt und einem isolierenden Abschnitt einer zweiten Separatorplatte von Ausführungsbeispiel 1,
7 ist eine Schnittansicht der Umgebung der Schnittstelle zwischen einem elektronischen Leiterabschnitt und einem isolierenden Abschnitt einer dritten Separatorplatte von Ausführungsbeispiel 1.
8 ist eine Schnittansicht der Umgebung der Schnittstelle zwischen einem elektronischen Leiterabschnitt und einem isolierenden Abschnitt einer vierten Separatorplatte von Ausführungsbeispiel 1.
9 ist eine Vorderansicht einer kathodenseitigen Separatorplatte in Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine hintere Ansicht der kathodenseitigen Separatorplatte in Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Vorderansicht einer anodenseitigen Separatorplatte in Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine hintere Ansicht der anodenseitigen Separatorplatte in Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer Brennstoffzelle in Beispielen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
14 ist ein Graph, der die Ausgangseigenschaften einer Zelle A von Beispiel 1 mit einer Zelle B eines Vergleichsbeispiels zeigt.
15 ist ein Graph, der die Ausgangseigenschaften einer Zelle C von Beispiel 2 und einer Zelle B eines Vergleichsbeispiels zeigt.
16 ist eine Vorderansicht einer Separatorplatte in Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung.
17 ist eine hintere Ansicht der Separatorplatte in Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung.
18 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A – A' von 16.
19 ist ein Graph, der die Ausgangseigenschaften einer Zelle D von Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung und einer Zelle B eines Vergleichsbeispiels zeigt.
20 ist eine Vorderansicht einer Separatorplatte in Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung.
21 ist ein Teil einer Schnittansicht der Umgebung eines Plattenelements von 20.
22 ist ein Graph, der die Ausgangseigenschaften einer Zelle E von Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung und einer Zelle B eines Vergleichsbeispiels zeigt.
23 ist eine Draufsicht einer Spritzgussmaschine, die mit drei Einspritzdüsen ausgestattet ist.
24 ist eine Vorderansicht einer Separatorplatte in Ausführungsbeispiel 5 der vorliegenden Erfindung.
25 ist eine Schnittansicht der Umgebung eines dritten Abschnitts der Separatorplatte von Ausführungsbeispiel 5.
26 ist eine Schnittansicht der Umgebung eines dritten Abschnitts einer zweiten Separatorplatte von Ausführungsbeispiel 5.
27 ist eine Schnittansicht der Umgebung eines dritten Abschnitts einer dritten Separatorplatte von Ausführungsbeispiel 5.
28 ist eine Schnittansicht der Umgebung eines dritten Abschnitts einer vierten Separatorplatte von Ausführungsbeispiel 5.
29 ist ein Graph, der die Ausgangseigenschaften einer Zelle F von Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung und eine Zelle B eines Vergleichsbeispiels zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat einen elektronischen Leiterabschnitt, der leitenden Kohlenstoff und einen isolierenden Abschnitt enthält.
Beispiele des Harzes, das für den elektronischen Leiterabschnitt verwendet werden kann, umfassen Polyethylen, Polystyren, Polypropylen, Methacrylharz, Polyethylenterephthalat, Polycarbonat, Polyamid, Polyimid, Polyvinylalkohol, Polyvenylensulfid, Polyetherketon, Polyetherimid, Fluorkohlenstoffharz, Esterharz, Flüssigkristallpolymer, aromatischer Polyester, Polyacetal und Polyphenylenether.
Beispiele des Harzes, die für den isolierenden Abschnitt verwendet werden können, umfassen PPS-Harz, Polyethylen, Vinylchloridharz, Polystylen, AS-Harz, ABS-Harz, Methylmethacrylatharz, Polyamidharz, modifizierten Polyvinylenether, Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, Polymethylpenthen, syndiotactisches Polystyren, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyphthalamid, Polycyclohexylendimethylenterephthalat, Polyetherimid, Polyetheretherketon, Polyimid, Flüssigkristallpolymer, Fluorkohlenwasserstoffharz, thermoplastischen Elastomer der Styrenart, thermoplastischen Elastomer der Olefinart, thermoplastischen Elastomer der Polyurethanart, thermoplastischen Elastomer der Vinylchloridart, thermoplastischen Elastomer der Polyamidart, thermoplastischen Elastomer der Styrenbutadienart, Elastomer der Nitrilart und Elastomer der glasfaserverstärkten Polyesterart.
Es ist bevorzugt, einen dritten Abschnitt zwischen dem elektronischem Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt vorzusehen. Das Material des dritten Abschnitts ist bevorzugt ein Gemisch aus mindestens einem Material, wie beispielsweise einem Harz, das in dem elektronischen Leiterabschnitt verwendet wird, und einem Material, wie beispielsweise einem Harz, das in dem isolierenden Abschnitt verwendet wird. Es ist insbesondere bevorzugt, dass jeder von dem elektronischem Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt eins von den vorstehend aufgelisteten Harzen hat und dass der dritte Abschnitt ein Gemisch aus diesen drei Harzen hat.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
3 und 4 stellen eine Separatorplatte 10 dar, die als beides dient, als eine anodenseitige Separatorplatte und eine kathodenseitige Separatorplatte.
Die Separatorplatte 10 besteht aus: einem elektronischen Leiterabschnitt 10a, der einer Anode oder einer Kathode gegenüberliegt, und einem isolierenden Abschnitt 10b, der den elektronischen Leiterabschnitt 10a umgibt. Der isolierende Abschnitt 10b hat ein Paar Oxidationsgassammleröffnungen 5, ein Paar Brennstoffgassammleröffnungen 6 und ein Paar Kühlwassersammleröffnungen 7. Der elektronische Leiterabschnitt 10a hat auf der der Kathode zugewandten Seite einen Oxidationsgasdurchflusskanal 5a, der mit dem Paar Oxidationsgassammleröffnungen 5 kommuniziert, wie in 3 dargestellt ist. Auf der der Anode zugewandten Seite, die seine Hinterseite ist, hat der elektronische Leiterabschnitt 10a einen Brennstoffgasdurchflusskanal 6a, der mit dem Paar Brennstoffgassammleröffnungen 6 kommuniziert, wie in 4 dargestellt ist.
Der elektronische Leiterabschnitt 10a und der isolierende Abschnitt 10b sind in einer derartigen Form verbunden, wie in 5 dargestellt ist, in dem die zwei Abschnitte über eine gerade Linie durch eine Stoßverbindung verbunden sind. Das heißt, dass die Fläche senkrecht zu der Ebene der elektronischen Leiterplatte 10a und die Fläche senkrecht zu der Ebene der isolierenden Platte 10b verbunden sind. Zusätzlich ist es auch möglich, sie wie dargestellt in 6 bis 8 zu verbinden. In 6 greift der vorspringende Teil des elektronischen Leiterabschnitts mit dem vertieften Teil des isolierenden Abschnitts ein, um eine Verbindung auszubilden. In 7 ist der elektronische Leiterabschnitt teilweise perforiert, um eine Verbindung auszubilden. In diesem Fall ist der perforierte Abschnitt (Loch) des elektronischen Leiterabschnitts 10a mit der isolierenden Platte 10b gefüllt, um die Festigkeit der Verbindung zu verstärken. In 8 ist der Verbindungsabschnitt des elektronischen Leiterabschnitts hinterschnitten.
Ausführungsbeispiel 2
9 bis 12 stellen eine kathodenseitige Separatorplatte 20 und eine anodenseitige Separatorplatte 30 dar, die eine Verbundseparatorplatte ausbilden, die einen Kühlabschnitt hat.
Die kathodenseitige Separatorplatte 20 besteht aus: einem elektronischen Leiterabschnitt 20a, der einer Kathode zugewandt ist; und einem isolierenden Abschnitt 20b, der den elektronischen Leiterabschnitt 20a umgibt.
Der elektronische Leiterabschnitt 20a hat auf der der Kathode zugewandten Seite einen Oxidationsgasdurchflusskanal 5a, der mit einem Paar Oxidationsgassammleröffnungen 5 kommuniziert, wie in 9 dargestellt ist. An seiner Hinterseite hat der elektronische Leiterabschnitt 20a einen Kühlwasserdurchflusskanal 7a, der mit einem Paar Kühlwassersammleröffnungen 7 kommuniziert, wie in 10 dargestellt ist. Die Richtung des Oxidationsgasdurchflusskanals 5a und die Richtung des Kühlwasserdurchflusskanals 7a schneiden einander mit rechten Winkeln.
Die anodenseitige Separatorplatte 30 besteht aus: einem elektronischen Leiterabschnitt 30a, der einer Anode zugewandt ist; und einem isolierenden Abschnitt 30b, der den elektronischen Leiterabschnitt 30a umgibt.
Der elektronische Leiterabschnitt 30a hat auf der der Anode zugewandten Seite einen Brennstoffgasdurchflusskanal 6a, der mit einem Paar Brennstoffgassammleröffnungen 6 kommuniziert, wie in 12 dargestellt ist. An seiner Rückseite hat der elektronische Leiterabschnitt 30a einen Kühlwasserdurchflusskanal 7a, der mit einem Paar Kühlwassersammleröffnungen 7 kommuniziert, wie in 11 dargestellt ist. Die Richtung des Brennstoffgasdurchflusskanals 6a und die Richtung des Kühlwasserdurchflusskanals 7a schneiden einander mit rechten Winkeln.
Wenn die kathodenseitige Separatorplatte 20 und die anodenseitige Separatorplatte 30 miteinander kombiniert sind, so dass ihre Kühlwasserdurchflusskanäle einander zugewandt sind, bilden die kombinierten Kühlwasserdurchflusskanäle 7a einen Kühlwasserdurchflusskanal, so dass ein Kühlabschnitt innerhalb der Separatorplatten vorgesehen ist.
Wie in Ausführungsbeispielen 1 und 2 ist es durch Vorsehen des elektronischen Leiterabschnitts für den der Anode oder Kathode zugewandten Abschnitt, der Leitfähigkeit braucht, und durch Vorsehen des isolierenden Abschnitts für den Abschnitt, der keine Leitfähigkeit haben muss, möglich, eine außerordentliche Formbarkeit und Leitfähigkeit zu erhalten.
Ausführungsbeispiel 3
16 und 17 stellen eine Separatorplatte 40 dar, die als beides dient, als eine anodenseitige Separatorplatte und eine kathodenseitige Separatorplatte. Die Separatorplatte 40 hat Rippen, die jeweils Oxidationsgassammleröffnungen, Brennstoffgassammleröffnungen und Kühlwassersammleröffnungen an einer Seite umgeben, und hat korrespondierende Nuten zum Empfangen der Rippen an der anderen Seite. 18 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 16.
Die Separatorplatte 40 besteht aus: einem elektronischen Leiterabschnitt 40a, der einer Anode oder einer Kathode zugewandt ist; und einem isolierenden Abschnitt 40b, der den elektronischen Leiterabschnitt 40a umgibt. Auf der Kathodenseite des isolierenden Abschnitts 40b sind Rippen 5b, 6b und 7b um Oxidationsgassammleröffnungen 5, Brennstoffgassammleröffnungen 6 und Kühlwassersammleröffnungen 7 jeweils ausgebildet. An der Rückseite (Anodenseite) des isolierenden Abschnitts 40b sind Nuten 5c, 6c und 7c um die Oxidationsgassammleröffnungen 5, die Brennstoffgassammleröffnungen 6 bzw. die Kühlwassersammleröffnungen 7 ausgebildet.
Da der isolierende Abschnitt, der aus einem gasdichten elastischen Material gemacht ist, als eine Dichtung dient, ist der elektronische Leiterabschnitt 40a so konfiguriert, dass seine Höhe etwas niedriger als der isolierende Abschnitt 40b ist. Die Verwendung dieser Separatorplatte beseitigt das Erfordernis, Dichtungen zu verwenden. Ferner ist es durch Vorsehen der Rippen oder Nuten für die Teile des isolierenden Abschnitts, die gedichtet werden müssen und bewirken, dass sie an die Rippen oder Nuten der benachbarten Separatorplatte passen, möglich, die Dichteigenschaften der Separatorplatte sicherzustellen.
Ausführungsbeispiel 4
20 stellt eine Separatorplatte 50 dar, die Plattenelemente hat, und die als beides dient, als eine anodenseitige Separatorplatte und eine kathodenseitige Separatorplatte. Von einem Oxidations- oder Brennstoffgasdurchflusskanal, der mit einem Paar Oxidations- oder Brennstoffgassammleröffnungen kommuniziert, bedeckt jedes Plattenelement einen Teil des Durchflusskanals, der in dem isolierenden Abschnitt ausgebildet ist. Es wird angemerkt, dass der Gasdurchflusskanal mit dem Paar Sammleröffnungen über einen Verbindungskanal 70 verbunden ist, der an dem isolierenden Abschnitt ausgebildet ist, und jedes Plattenelement bedeckt einen Teil dieses Verbindungskanals. 21 ist ein Teil einer Schnittansicht der Umgebung des Plattenelements.
Die Separatorplatte 50 besteht aus: einem elektronischen Leiterabschnitt 50a, der einer Anode oder einer Kathode zugewandt ist; und einem isolierenden Abschnitt 50b, der den elektronischen Leiterabschnitt 50a umgibt. Von einem Oxidationsgasdurchflusskanal 5a, der mit einem Paar Oxidationsgassammleröffnungen 5 kommuniziert, ist ein Teil des Gasdurchflusskanals 5a in dem isolierenden Abschnitt 50b durch jedes der Plattenelemente 50c bedeckt. Ferner ist auf der Rückseite von einem Brennstoffgasdurchflusskanal, der mit einem Paar Brennstoffgassammleröffnungen kommuniziert, ein Teil der Kraftstoffgasdurchflusskanäle in dem isolierenden Abschnitt durch jedes der Plattenelemente bedeckt (dies ist nicht in 20 gezeigt).
Durch Einsetzen dieses Aufbaus werden die Dichtungen benachbart zu der Separatorplatte sogar in der Nähe des Oxidations- oder Brennstoffgasdurchflusskanals in dem isolierenden Abschnitt ausreichend gegen die Separatorplatte gedrückt. Daher sind die Dichteigenschaften verbessert.
Ausführungsbeispiel 5
24 stellt eine Separatorplatte 60 mit einem dritten Abschnitt dar, der Harz zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt hat. Die Separatorplatte 60 dient als beides, als eine anodenseitige Separatorplatte und eine kathodenseitige Separatorplatte.
Die Separatorplatte 60 besteht aus: einem elektronischen Leiterabschnitt 60a, der einer Anode oder einer Kathode zugewandt ist; einem isolierenden Abschnitt 60b, der den elektronischen Leiterabschnitt 60a umgibt; und einem dritten Abschnitt 60c zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt 60a und dem isolierenden Abschnitt 60b.
Durch Vorsehen des dritten Abschnitts zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt sind die Harze an der Schnittstelle zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt und dem dritten Abschnitt und an der Schnittstelle zwischen dem dritten Abschnitt und dem isolierenden Abschnitt geschmolzen und fest haftend, so dass die Verbindung zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt verbessert ist.
Der elektronische Leiterabschnitt 60a und der isolierende Abschnitt 60b sind mit dem dritten Abschnitt 60c verbunden, der zwischen ihnen in einer derartigen Form zwischen geordnet ist, wie in 25 dargestellt ist, in der die drei Abschnitte 60a, 60b und 60c in einer geraden Linie über eine Stoßverbindung verbunden sind. Zusätzlich ist es auch möglich, sie zu verbinden, wie in 26 bis 28 dargestellt ist. In 26 greift der vorspringende Teil des elektronischen Leiterabschnitts 60a mit dem vertieften Teil des isolierenden Abschnitts 60b ein, um eine Verbindung zwischen dem dritten Abschnitt 60c auszubilden, der dazwischen zwischen geordnet ist. In 27 ist der elektronische Leiterabschnitt 60a teilweise perforiert, um eine Verbindung zu bilden. In 28 ist der Verbindungsabschnitt des elektronischen Leiterabschnitts 60a hinterschnitten, um eine Verbindung auszubilden. Mit anderen Worten ist der dritte Abschnitt zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt 10a und dem isolierenden Abschnitt 10b in jeder von 5 bis 8 vorgesehen.
Beispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben.
Beispiel 1
(i) Herstellung der Separatorplatte
Ein Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und ein Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt werden in eine Spritzgussmaschine 2 eingeführt, wie in 1 und 2 dargestellt ist, die mit zwei Einspritzdüsen 1a und 1b ausgestattet worden ist, die fähig sind, die Verbundstoffe zu schmelzen und zu kneten. Separatorplatten mit einer vorgegebenen Gestalt, die jeweils aus einem elektronischen Leiterabschnitt und einem isolierenden Leiterabschnitt aufgebaut sind, wurden durch Formen des elektronischen Leiterabschnitts und nachfolgendes Formen des isolierenden Abschnitts hergestellt. Der Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt war ein Gemisch aus Graphit und PP (Polypropylen)-Harz mit einem Gewichtsverhältnis von 7:3. Der Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt war ein Gemisch aus PPS (Polyphenylensulfid)-Harz und Glasfüllstoff mit einem Gewichtsverhältnis von 10:3.
Eine Formeinheit 4 bestand aus: einer Form zum Formen des elektronischen Leiterabschnitts, der Durchflusskanäle von einem Brennstoffgas, einem Oxidationsgas oder Kühlwasser an vorgegebenen Positionen hat; und eine Form zum Formen des isolierenden Abschnitts, der Sammleröffnungen hat. Eine herkömmliche Form besteht im Allgemeinen aus einem Material, wie beispielsweise Kohlenstoffwerkzeugstahl (SK Material) hinsichtlich der Formtaktzeit und Festigkeit. Die Separatorplatten dieses Beispiels haben jedoch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und die Härtegeschwindigkeit des Verbundstoffs ist daher hoch, was zu einem schlechten Formen führt. Somit wurde als die Form SUS 630, ein Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, verwendet, um die Formbarkeit der Separatorplatten sicherzustellen.
Die Formbedingungen waren wie nachstehend.
Formtemperatur: 150°C
Einspritzdüsentemperatur: 260°C für den Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und 350°C für den Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt
Einspritzdruck: 1600 kgf/cm²
Einspritzrate: 100 mm/s für den Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt, und 50 mm/s für den Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt
Einspritzzeit: 20 Sekunden
Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen wurden drei Arten von Separatorplatten, das heißt die Separatorplatte 10 von Ausführungsbeispiel 1 und die Separatorplatten 20 und 30 von Ausführungsbeispiel 2 produziert.
Diese Separatorplatten hatten einen Durchflusskanal des Oxidationsgases, Brennstoffgas oder Kühlwasser in dem elektronischen Leiterabschnitt. Als der Durchflusskanal wurde eine Nut, die eine Breite von 1,5 mm und eine Tiefe von 1,1 mm hat, bei Abständen von 3 mm ausgebildet. Der elektronische Leiterabschnitt und der isolierende Abschnitt hatten eine Dicke von 3 mm. Ferner wurden der elektronische Leiterabschnitt und der isolierende Leiterabschnitt in einer derartigen Form verbunden, wie in 5 dargestellt ist, in der die zwei Abschnitte in einer geraden Linie durch eine Stoßverbindung verbunden sind.
(ii) Herstellung der MEA
Ein Elektrodenkatalysatorpulver wurde präpariert, indem Platinpartikel platziert wurden, die eine Durchschnittspartikelgröße von ungefähr 30 A auf einem schwarzen Acetylenkohlenstoffpulver in einem Gewichtsverhältnis von 1:4 hatten. Eine Dispersion dieses Katalysatorpulvers in Isopropanol wurde mit einer Dispersion aus Perfluorkohlenstoffsulfonsäurepulver in Ethylenalkohol gemischt, um eine Elektrodenpaste auszubilden. Unter Verwendung dieser Elektrodenpaste als ein Rohmaterial wurde eine Elektrodenkatalysatorschicht durch Siebdruck auf einer Seite eines 250 μm dicken nicht gewebten Kohlefaserstoffs ausgebildet, um eine Elektrode herzustellen. In der Elektrodenkatalysatorschicht betrug der Bestandteil von Platin 0,5 mg/cm² und der Bestandteil von Perfluorkohlenstoffsulfonsäure war 1,2 mg/cm².
Auf diese Weise wurde eine positive Elektrode und eine negative Elektrode erzeugt, so dass sie die gleiche Beschaffenheit hatten. Eine Wasserstoffionen leitende Polymerelektrolytmembran wurde zwischen die positive Elektrode und die negative Elektrode zwischen gelegt, so dass die gedruckten Elektrodenkatalysatorschichten inwärts gewandt waren, wobei die Dichtungen um die Elektroden gepasst sind. Die resultierende Baugruppe war heiß gepresst, um eine Elektrolytmembranelektrodenbaugruppe (MEA) herzustellen. Die Wasserstoffionen leitende Polymerelektrolytmembran war eine dünne Schicht aus Perfluorkohlenstoffsulfonsäure, die eine Dicke von 25 μm hat.
(iii) Herstellung der Brennstoffzelle
Unter Verwendung der drei Arten von Separatorplatten 10, 20 und 30 und der MEAs, die jede aus einer Wasserstoffionen leitenden Polymerelektrolytmembran 11, die zwischen einer Kathode 12 und einer Anode 13 zwischen geordnet ist, und Dichtungen 14 besteht, wurden eine Vielzahl von Zelleneinheiten in Serie verbunden, wie in 13 dargestellt ist. Beim Verbinden der Zelleneinheiten wurde ein Kühlabschnitt innerhalb der Separatorplatten durch Miteinanderverbinden der Separatorplatten 20 und 30 ausgebildet, so dass die Kühlwasserdurchflusskanäle 7a dieser zwei Separatorplatten einander zugewandt waren und einen Kühlwasserdurchflusskanal ausbildeten. Insbesondere wurde der Kühlabschnitt alle zwei Zelleneinheiten durch abwechselndes Anordnen der Separatorplatte 10 und der Kühlabschnitt ausbildenden Separatorplatten 20 und 30 zwischen den MEAs vorgesehen.
Auf die vorstehend beschriebene Weise wurden 50 Zelleneinheiten gestapelt, um einen Zellenstapel auszubilden. Danach wurde eine Stromsammlerplatte und eine isolierende Platte an jedes Ende des Zellenstapels angeschlossen und der resultierende Stapel wurde zwischen Edelstahlendplatten zwischen gelegt und mit Klemmstangen bei einem Druck von 10 kgf/cm² geklemmt. Diese Brennstoffzelle wurde Zelle A genannt.
Es wird angemerkt, dass ein Ändern des Klemmdrucks abhängig von der Konstruktion des Gasdurchflusskanals wichtig ist, da ein zu kleiner Klemmdruck zu einer geringeren Zellenleistung durch Leckage des Brennstoffgases und des Oxidationsgases nach außen und einen großen Kontaktwiderstand führt, wogegen zu großer Klemmdruck in Elektrodenbruch und Separatorplattenverformung resultiert.
Die Zelle A wurde auf eine Leckage überprüft. Die Leckageüberprüfung wurde durch Schließen der auslassseitigen Sammleröffnung des Paars Sammleröffnungen, Einführung von Heliumgas in die Zelle A von der einlassseitigen Sammleröffnung bei einem Druck von 0,5 kgf/cm² und Messen der Durchflussrate des Gases, das in die Zelle A strömt, ausgeführt. Als ein Ergebnis wurden keine Leckagen von Luft, Brennstoffgas und Kühlwasser beobachtet, was bestätigte, dass die Zelle A kein Problem in Bezug auf die Fluiddichteigenschaften als eine gestapelte Brennstoffzelle hat. Ferner gab es bei Fabrikation kein Problem in Bezug auf den Harz geschweißten Teil, der um die Sammleröffnungen hergestellt wurde.
Vergleichsbeispiel 1
Drei Arten von Separatorplatten, die die gleiche Gestalt wie diese des Beispiels 1 haben, wurden durch Schneiden einer Graphitplatte erzeugt, die eine gasdichte Isotropie hat. Eine herkömmliche Brennstoffzelle wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 mit Ausnahme der Verwendung dieser Separatorplatten hergestellt. Diese Brennstoffzelle wurde Zelle B genannt.
Jede von der Zelle A von Beispiel 1 und der Zelle B von dem Vergleichsbeispiel wurde bei 85°C gehalten und Wasserstoffgas, das befeuchtet und erwärmt wurde, so dass es einen Taupunkt von 83°C hatte, wurde zu einer der Elektroden zugeführt, während Luft, die befeuchtet und erwärmt wurde, so dass es einen Taupunkt von 78°C hatte, zu der anderen Elektrode zugeführt wurde. Als ein Ergebnis wiesen beide der Zellen eine Arbeitsspannung von 50 V zur Zeit ohne Last auf, wenn Strom nicht nach außerhalb ausgegeben wurde.
Ferner wurden die Ausgangseigenschaften dieser Zellen unter den Bedingungen einer Brennstoffausnutzung von 80%, einer Sauerstoffausnutzung von 40% und einer Stromdichte von 0,5 A/cm² bewertet. Als ein Ergebnis wurde bestätigt, dass die Zelle A von Beispiel 1 eine Leistung äquivalent zu der der Zelle B des Vergleichbeispiels hat, wie in 14 gezeigt ist.
Wenn die Separatorplatten unter Verwendung des gleichen Verbundstoffs für den isolierenden Abschnitt wie des Verbundstoffs für den elektronischen Leiterabschnitt geformt wurden, wurde der Verbundstoff unzureichend in die Form gefüllt, was in einer erfolglosen Produktion der Separatorplatten von vorgegebener Gestalt resultierte. Ferner wiesen, wenn die Separatorplatten unter Verwendung eines Verbundstoffs für den elektronischen Leiterabschnitt, dessen PPS-Bestandteil auf ein Niveau erhöht wurde, das zum ausreichenden Füllen des Verbundstoffs fähig war, geformt wurde, die resultierenden Separatorplatten einen hohen elektrischen Widerstand von 300 bis 500 mΩ·cm auf, was in einer geringeren Zellenleistung resultiert.
Beispiel 2
Drei Arten von Separatorplatten 10, 20 und 30 wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass ein Gemisch aus Graphit und PPS in einem Gewichtsverhältnis von 7:3 als der Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt verwendet wurde und dass die Einspritzdüsentemperatur 350°C für den Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt betrug. Eine Brennstoffzelle wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer der Verwendung dieser drei Arten von Separatorplatten. Dieses wurde Zelle C bezeichnet.
Die Zelle C von Beispiel 2 wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 auf eine Leckage überprüft. Keine Leckagen von Luft, Brennstoffgas und Kühlwasser wurden beobachtet, was bestätigte, dass die Zelle C kein Problem in Bezug auf die Fluiddichteigenschaften als eine gestapelte Brennstoffzelle hatte. Der Druck des Heliumgases, das in die Zelle A von Beispiel 1 strömte, betrug 3 kgf/cm², während der Druck des Heliumgases, das in die Zelle C vom Beispiel 2 strömte, 5 kgf/cm² betrug. Es wurde daher bestätigt, dass die Dichteigenschaften der Separatorplatten der Zelle C verbessert waren.
Die Zellen, die auf eine Leckage überprüft wurden, wurden beobachtet. Als ein Ergebnis wurde bestätigt, dass die Verbindung zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt in den Separatorplatten von Beispiel 2 besser als in diesen von Beispiel 1 waren. Ferner gab es kein Problem in Bezug auf die Harz geschweißten Teile, die um die Sammleröffnungen bei Fabrikation hergestellt wurden.
Die Zelle C von Beispiel 2 wurde mit den reaktiven Gasen unter den gleichen Bedingungen wie diesen von Beispiel 1 zugeführt. Als ein Ergebnis wies die Zelle C eine Arbeitsspannung von 50 V zur Zeit ohne Last auf, wenn Strom nicht nach außerhalb ausgegeben wurde.
Ferner wurden die Ausgangseigenschaften der Zelle C unter den gleichen Bedingungen wie diesen von Beispiel 1 bewertet. Die Bewertungsergebnisse der Zelle C ebenso wie der Zelle B des Vergleichsbeispiels sind in 15 gezeigt. Es wurde bestätigt, dass die Zelle C von Beispiel 2 eine Leistung äquivalent zu der der Zelle B des Vergleichsbeispiels hatte.
Beispiel 3
(i) Herstellung der Separatorplatte
Ein Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und ein Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt wurden in die Spritzgussmaschine 2, wie in 1 und 2 dargestellt ist, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 eingeführt, und Separatorplatten von vorgegebener Gestalt, die jeweils aus einem elektronischen Leiterabschnitt und einem isolierenden Abschnitt bestehen, wurden hergestellt. Der Verbundstoff für den elektronischen Abschnitt war ein Gemisch aus Graphit und PPS-Harz in einem Gewichtsverhältnis von 7:3. Der Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt war ein Gemisch aus Polystyrenharz und Glasfüllstoff in einem Gewichtsverhältnis von 10:3.
Die Formeinheit 4 bestand aus: einer Form zum Formen des elektronischen Leiterabschnitts, der Durchflusskanäle von einem Brennstoffgas, einem Oxidationsgas oder Kühlwasser bei vorgegebenen Positionen hat; und eine Form zum Formen des isolierenden Abschnitts, der Sammleröffnungen hat.
Die Formbedingungen waren wie nachstehend.
Formtemperatur: 150°C
Einspritzdüsentemperatur: 350°C für den Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und 250°C für den Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt
Einspritzdruck: 1600 kgf/cm²
Einspritzrate: 10 mm/s für den Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und 30 mm/s für den Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt
Einspritzzeit: 20 Sekunden
Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen wurde die Separatorplatte 40 von Ausführungsbeispiel 3, wie in 16 und 17 dargestellt ist, die Rippen hatte, die die Sammleröffnungen auf einer Seite des isolierenden Abschnitts umgeben, und korrespondierende Nuten hatte, um die Rippen auf der anderen Seite des isolierenden Abschnitts zu empfangen, hergestellt. Eine kathodenseitige Separatorplatte und eine anodenseitige Separatorplatte, die in Kombination mit der Separatorplatte 40 zu verwenden ist, wurde ebenso hergestellt. Wenn sie miteinander kombiniert werden, bilden die kathodenseitige und die anodenseitige Separatorplatte einen Kühlabschnitt und dienen als eine Verbundstoffseparatorplatte.
Die Kathodenseite der kathodenseitigen Separatorplatte hatte den gleichen Aufbau wie den der Kathodenseite der Separatorplatte 40 von Ausführungsbeispiel 3. Die Kühlabschnittsseite dieser kathodenseitigen Separatorplatte hatte den gleichen Aufbau wie den der Kühlabschnittsseite der kathodenseitigen Separatorplatte 20 von Ausführungsbeispiel 2 aber mit Nuten, die um die Oxidationsgassammleröffnungen 5, die Brennstoffgassammleröffnungen 6 und die Kühlwassersammleröffnungen 7 vorgesehen sind.
Die Anodenseite der anodenseitigen Separatorplatte hatte den gleichen Aufbau wie den der Anodenseite der Separatorplatte 40 von Ausführungsbeispiel 3. Die Kühlabschnittsseite dieser anodenseitigen Separatorplatte hatte den gleichen Aufbau wie den der Kühlabschnittsseite der anodenseitigen Separatorplatte 30 von Ausführungsbeispiel 2, aber mit Rippen, die um die Oxidationsgassammleröffnungen 5, die Brennstoffgassammleröffnungen 6 und die Kühlwassersammleröffnungen 7 vorgesehen sind.
(ii) Herstellung der Brennstoffzelle
Dichtungen wurden in diesem Beispiel nicht verwendet. Unter Verwendung der drei Arten von Separatorplatten, die auf die vorstehende Weise hergestellt wurden, und der MEAs von Beispiel 1, die jeweils aus der Kathode, der Anode und der Wasserstoffionen leitenden Polymerelektrolytmembran bestehen, wurde eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 in Serie verbunden. Beim Verbinden der Zelleneinheiten wurde ein Kühlabschnitt innerhalb der Separatorplatten durch Verbinden der kathodenseitigen Separatorplatte und der anodenseitigen Separatorplatte miteinander ausgebildet, so dass ihre Kühlwasserdurchflusskanäle zueinander gewandt waren und ein Kühlwasserdurchflusskanal ausgebildet wurde. Insbesondere wurde der Kühlabschnitt alle zwei Zelleneinheiten durch abwechselndes Anordnen der Separatorplatte 40 und der Kühlabschnitt ausbildenden kathodenseitigen und anodenseitigen Separatorplatten zwischen den MEAs vorgesehen.
In diesem Beispiel gab es kein Erfordernis, Dichtungen zu verwenden, da der isolierende Abschnitt jeder Separatorplatte, der aus dem gummiartigen, gasdichten elastischen Material gemacht wurde, das Polystyren enthält, fähig war als die Dichtung zu dienen.
Auf die vorstehend beschriebene Weise wurden 50 Zelleneinheiten gestapelt und eine Brennstoffzelle wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 zusammengebaut. Dieses wurde als Zelle D bezeichnet.
Die Zelle D wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 auf eine Leckage überprüft. Keine Leckagen der Luft, des Brennstoffgases und des Kühlwassers wurde beobachtet, was bestätigte, dass die Zelle D kein Problem in Bezug auf die Fluiddichteigenschaften als eine gestapelte Brennstoffzelle hatte. Es wurde ebenso bestätigt, dass das Harz des gasdichten elastischen Materials, das in dem isolierenden Abschnitt verwendet wurde, die gleiche Wirkung wie die herkömmlich verwendeten Dichtungen hatte. Ferner gab es kein Problem bei Fabrikation in Bezug auf die Harz-geschweißten Teile, die um die Sammleröffnungen hergestellt wurden.
Die Zelle D vom Beispiel 3 wurde mit den reaktiven Gasen unter den gleichen Bedingungen wie diesen von Beispiel 1 versorgt. Als ein Ergebnis wies die Zelle D eine Arbeitsspannung von 50 V zur Zeit ohne Last auf, wenn kein Strom zur Außenseite ausgegeben wurde.
Ferner wurden die Ausgangseigenschaften der Zelle D unter den gleichen Bedingungen wie diesen von Beispiel 1 ausgewertet. Die Auswertungsergebnisse der Zelle D ebenso wie der Zelle B des Vergleichsbeispiels sind in 19 gezeigt. Es wurde bestätigt, dass die Zelle D von Beispiel 3 eine Leistung äquivalent zu der der Zelle B des Vergleichsbeispiels hatte.
Beispiel 4
Ein Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und ein Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt wurden in die Spritzgussmaschine 2, wie in 1 und 2 dargestellt ist, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 eingeführt, und Separatorplatten mit vorgegebener Gestalt wurden hergestellt. Der Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt war ein Gemisch aus Graphit und PPS-Harz mit einem Gewichtsverhältnis von 10:3. Der Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt war ein Gemisch aus PPS-Harz und Glasfüllstoff in einem Gewichtsverhältnis von 10:3.
Die verwendeten Formen waren: eine Form zum Formen des elektronischen Leiterabschnitts, der Durchflusskanäle eines Brennstoffgases, eines Oxidationsgases oder eines Kühlwassers hat; und eine Form zum Formen des isolierenden Abschnitts, der Sammleröffnungen hat. Eine herkömmliche Form besteht hauptsächlich aus einem Material, wie beispielsweise Kohlenstoffwerkzeugstahl (SK Material) hinsichtlich Formtaktzeit und Festigkeit. Die Separatorplatten dieses Beispiels haben jedoch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und die Härtegeschwindigkeit des Verbundstoffes ist daher hoch, was zu einem schlechten Formen führt. Somit wurde als die Form SUS 630, ein Material, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit hat, verwendet, um die Formbarkeit der Separatorplatten sicherzustellen.
Die Formbedingungen waren wie nachstehend:
Formtemperatur: 150°C
Einspritzdüsentemperatur: 350°C für beide, den Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und den Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt
Einspritzdruck: 1600 kgf/cm²
Einspritzrate: 100 mm/s für den Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und 50 mm/s für den Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt
Einspritzzeit: 20 Sekunden
Das Spritzgießen wurde nach einem Montieren von Plattenelementen aus SUS 316 an die Form ausgeführt. Von dem Durchflusskanal, der mit dem Paar Sammleröffnungen kommuniziert, wurde ein Teil des Durchflusskanals, der in dem isolierenden Abschnitt ausgebildet ist, durch jedes Plattenelement bedeckt. Zusätzlich zu SUS 316 können korrosionswiderstandsfähiger Edelstahl, wie beispielsweise SUS 304L und SUS 316L, korrosionswiderstandsfähiges Metall, wie beispielsweise Titan und Harz als das Material des Plattenelements verwendet werden.
Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen wurde die Separatorplatte 50 des Ausführungsbeispiels 4, wie in 20 dargestellt ist, die als beides dient, als eine anodenseitige Separatorplatte und als eine kathodenseitige Separatorplatte, hergestellt. Eine kathodenseitige Separatorplatte und eine anodenseitige Saparatorplatte, die in Kombination mit der Separatorplatte 50 zu verwenden sind, wurde ebenso hergestellt. Miteinander kombiniert bilden die kathodenseitige und die anodenseitigen Separatorplatten einen Kühlabschnitt und dienen als eine Verbundseparatorplatte.
Die kathodenseitige Separatorplatte dieses Beispiels hatte den gleichen Aufbau wie den der kathodenseitigen Separatorplatte 20 des Ausführungsbeispiels 2, aber der Aufbau ihrer Kathodenseite wurde zu dem der Kathodenseite der Separatorplatte 50 von Ausführungsbeispiel 4 modifiziert. Die anodenseitige Separatorplatte dieses Beispiels hatte den gleichen Aufbau wie den in der anodenseitigen Separatorplatte 30 von Ausführungsbeispiel 2, aber der Aufbau ihrer Anodenseite wurde zu dem der Anodenseite der Separatorplatte 50 von Ausführungsbeispiel 4 modifiziert.
Eine Brennstoffzelle wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die drei Arten von Separatorplatten, die auf die vorstehende Weise hergestellt wurden, verwendet wurden. Dies wurde als Zelle E bezeichnet.
Die Zelle E wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 auf eine Leckage überprüft. Die Leckageüberprüfung wurde durch Schließen der auslassseitigen Sammleröffnung, Einführen von Heliumgas in die Zelle E von der einlassseitigen Sammleröffnung bei einem Druck von 0,7 kgf/cm² und Messen der Durchflussrate des Gases, das in die Zelle E strömte, ausgeführt. Keine Leckagen der Luft, des Brennstoffgases und des Kühlwassers wurden beobachtet, was bestätigte, dass die Zelle E kein Problem in Bezug auf die Fluiddichteigenschaften als eine gestapelte Brennstoffzelle hatte.
Zum Zwecke des Vergleichs wurde die Zelle C von Beispiel 2 ferner auf die gleiche Weise auf eine Leckage überprüft. Der Druck des Heliumgases, das in die Zelle C von Beispiel 2 strömte, betrug 5 kgf/cm², während der Druck des Heliumgases, das in die Zelle E von Beispiel 4 strömte, 7 kgf/cm² betrug. Es wurde daher bestätigt, dass die Dichteigenschaften der Separatorplatten der Zelle E verbessert wurden. Der Grund dieser Verbesserung ist wie nachstehend. Von dem Durchflusskanal, der mit dem Paar Sammleröffnungen der Separatorplatte kommuniziert, bedeckten die Plattenelemente die Teile des Durchflusskanals, die in dem dichtungsgegenüberliegenden isolierenden Abschnitt ausgebildet sind, so dass die Dichtungen ausreichend gegen die Separatorplatte gedrückt wurden, was in einer Verbesserung der Dichteigenschaften resultierte. Ferner gab es bei Fabrikation kein Problem in Bezug auf die Harz-geschweißten Teile, die um die Sammleröffnungen hergestellt wurden.
Die Zelle E von Beispiel 4 wurde mit den reaktiven Gasen unter den gleichen Bedingungen wie diesen von Beispiel 1 versorgt. Als ein Ergebnis wies die Zelle E eine Arbeitsspannung von 50 V zur Zeit ohne Last auf, wenn kein Strom zur Außenseite ausgegeben wurde.
Ferner wurden die Ausgangseigenschaften der Zelle E unter den gleichen Bedingungen wie diesen von Beispiel 1 bewertet. Die Bewertungsergebnisse der Zelle E ebenso wie der Zelle B des Vergleichsbeispiels sind in 22 gezeigt. Es wurde bestätigt, dass die Zelle E von Beispiel 4 eine Leistung äquivalent zu der der Zelle B des Vergleichsbeispiels hatte.
Beispiel 5
Ein Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt, ein Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt und ein Verbundstoff für den dritten Abschnitt wurde in eine Spritzgussmaschine 3 eingeführt, wie in 23 dargestellt ist, die mit drei Einspritzdüsen 1a, 1b und 1c ausgestattet war, die zum Schmelzen und Vermischen der Verbundstoffe fähig waren. Separatorplatten von vorgegebener Gestalt wurden durch mehrfarbiges Spritzgießen mit mehreren Materialien hergestellt. Der Verbundstoff des elektronischen Leiterabschnitts war ein Gemisch aus Graphit und PPS-Harz mit einem Gewichtsverhältnis von 7:3. Der Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt war ein Gemisch aus Polyamidharz und Glasfüllstoff mit einem Gewichtsverhältnis von 10:3, Ferner war der Verbundstoff für den dritten Abschnitt ein Gemisch aus PPS-Harz und Polyamidharz mit einem Gewichtsverhältnis von 1.1.
Eine Formeinheit 4 bestand aus: einer Form zum Formen des elektronischen Leiterabschnitts, der Durchflusskanäle für Brennstoffgas, Oxidationsgas oder Kühlwasser hat; und eine Form zum Formen des isolierenden Abschnitts, der Sammleröffnungen hat. Eine herkömmliche Form besteht im Allgemeinen aus einem Material, wie beispielsweise Kohlenstoffwerkstoffstahl (SK Material) hinsichtlich der Formtaktzeit und Festigkeit. Die Separatorplatten dieses Beispiels haben jedoch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und die Härtegeschwindigkeit des Verbundstoffes ist daher hoch, was zu einem schlechten Formen führt. Somit wurde als die Form SUS 630, ein Material, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit hat, verwendet, um die Formbarkeit der Separatorplatten sicherzustellen.
Die Formbedingungen waren wie nachstehend.
Formtemperatur: 150°C
Einspritzdüsentemperatur: 350°C für den Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und den Verbundstoff für den dritten Abschnitt und 280°C für den isolierenden Abschnitt
Einspritzdruck: 1600 kgf/cm²
Einspritzrate: 100 mm/s für den Verbundstoff für den elektronischen Leiterabschnitt und 50 mm/s für den Verbundstoff für den isolierenden Abschnitt und den Verbundstoff für den dritten Abschnitt
Einspritzzeit: 30 Sekunden
Unter den vorstehenden Bedingungen wurden drei Arten von Separatorplatten spritzgegossen, wobei der dritte Abschnitt zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt der Separatorplatten 10, 20 und 30 ausgebildet wurde. Der elektronische Leiterabschnitt, der isolierende Abschnitt und der dritte Abschnitt jeder Separatorplatte hatte eine Dicke von 3 mm. Der Aufbau der Separatorplatte 10 mit dem dritten Abschnitt ist der gleiche wie der der Separatorplatte 60 von Ausführungsbeispiel 5, wie in 24 dargestellt ist.
In diesem Beispiel wurden der elektronische Leiterabschnitt und der isolierende Abschnitt mit dem dritten Abschnitt verbunden, der zwischen ihnen in einer derartigen Form zwischen geordnet war, wie in 5 dargestellt ist, in der die drei Abschnitte in einer geraden Linie über eine Stoßverbindung verbunden sind.
Eine Brennstoffzelle wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die drei Arten von Separatorplatten, die auf die vorstehende Weise hergestellt wurden, verwendet wurden. Dies wurde als Zelle F bezeichnet.
Die Zelle F wurde auf eine Leckage überprüft. Die Leckageüberprüfung wurde durch Schließen der auslassseitigen Sammleröffnung, Einführen eines Heliumgases in die Zelle F von der einlassseitigen Sammleröffnung bei einem Druck von 7 kgf/cm² und Messen der Durchflussrate des Gases, das in die Zelle F strömte, ausgeführt. Keine Leckagen der Luft, des Brennstoffgases und des Kühlwassers wurden beobachtet, was bestätigte, dass die Zelle F kein Problem in Bezug auf die Fluiddichteigenschaften als eine gestapelte Brennstoffzelle hatte.
Zum Zwecke des Vergleichs wurde die Zelle C von Beispiel 2 ebenso auf eine Leckage überprüft. Der Druck des Heliumgases, das in die Zelle C von Beispiel 2 strömte, betrug 5 kgf/cm², während der Druck des Heliumgases, der in die Zelle F von Beispiel 5 strömte, 7 kgf/cm² betrug. Es wurde daher bestätigt, dass die Dichteigenschaften der Separatorplatten der Zelle F verbessert wurden.
Die Zelle F würde ferner auf eine Leckage auf die gleiche Weise überprüft, außer dass das Heliumgas bei einem Druck von 5 kgf/cm² von der einlassseitigen Sammleröffnung eingeführt wurde. Zum Vergleich wurde auf die gleiche Weise ebenso die Zelle A von Beispiel 1 auf eine Leckage überprüft. Der Druck des Heliumgases betrug 3 kgf/cm² bei der Zelle A von Beispiel 1, wogegen er 7 kgf/cm² bei der Zelle F von Beispiel 5 betrug. Es wurde daher bestätigt, dass die Dichteigenschaften der Separatorplatten der Zelle F verbessert wurden.
Die Separatorplatten von Beispiel 5, die der Leckageüberprüfung ausgesetzt wurden, wurden beobachtet. Die Verbindungsflächen des elektronischen Leiterabschnitts und des dritten Abschnitts und des isolierenden Abschnitts waren geschmolzen und gebunden. Es wurde daher bestätigt, dass die Separatorplatten von Beispiel 5 eine bessere Verbindung zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt und dem isolierenden Abschnitt hatte. Ferner gab es bei Fabrikation kein Problem in Bezug auf die Harz-geschweißten Teile, die um die Sammleröffnungen hergestellt wurden.
Die Zelle F von Beispiel 5 wurde mit den reaktiven Gasen unter den gleichen Bedingungen wie diesen von Beispiel 1 versorgt. Als ein Ergebnis wies die Zelle F eine Arbeitsspannung von 50 V zur Zeit ohne Last aus, wenn kein Strom zur Außenseite ausgegeben wurde.
Ferner wurden die Ausgangseigenschaften der Zelle F unter den gleichen Bedingungen wie diesen von Beispiel 1 bewertet. Die Bewertungsergebnisse der Zelle F ebenso wie der Zelle B des Vergleichsbeispiels sind in 29 gezeigt. Es wurde bestätigt, dass die Zelle F von Beispiel 5 eine Leistung äquivalent zu der der Zelle B des Vergleichsbeispiels hatte.
Wie vorstehend beschrieben ist, da die vorliegende Erfindung verschiedene Verbundstoffe für den elektronischen Leiterabschnitt und den isolierenden Abschnitt beim Spritzgießen einer Separatorplatte verwendet, kann die Separatorplatte eine außerordentliche Leitfähigkeit und Formbarkeit haben. Ferner macht es die Verwendung dieser Separatorplatte möglich, eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu erhalten, die außerordentliche Zelleneigenschaften aufweist.
Obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es zu verstehen, dass eine derartige Offenbarung nicht als begrenzend zu interpretieren ist. Verschiedene Veränderungen und Modifikationen werden ohne Zweifel dem Fachmann in den Sinn kommen, auf die die vorliegende Erfindung gerichtet ist, nachdem er die vorstehende Offenbarung gelesen hat.
Eine Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine außerordentliche Leitfähigkeit und Formbarkeit hat, wird vorgesehen. Die Separatorplatte wird spritzgegossen, in dem verschiedene Verbundstoffe zum Formen des Abschnitts, der eine Leitfähigkeit erfordert, und des Abschnitts, der keine Leitfähigkeit erfordert, verwendet werden. Die Separatorplatte hat: einen elektronischen Leiterabschnitt, der leitenden Kohlenstoff enthält; und einen isolierenden Abschnitt, der den elektronischen Leiterabschnitt umgibt. Der elektronische Leiterabschnitt hat einen ersten Durchflusskanal für Gas oder Kühlwasser auf einer Seite und hat einen zweiten Durchflusskanal für Gas oder Kühlwasser auf der anderen Seite.

Claims

Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit: einem elektronischen Leiterabschnitt (60a) der leitenden Kohlenstoff enthält; und einem isolierenden Abschnitt (60b), der den elektronischen Leiterabschnitt (60a) umgibt, wobei der elektronische Leiterabschnitt (60a) einen ersten Durchflusskanal eines Gases (5a, 6a) oder eines Kühlwassers (7a) auf einer Seite hat und einen zweiten Durchflusskanal eines Gases (5a, 6a) oder Kühlwasser (7a) auf der anderen Seite hat, gekennzeichnet durch einen dritten Abschnitt (60c) zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt (60a) und dem isolierenden Abschnitt (60b).
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der elektronische Leiterabschnitt (60a) und der isolierende Abschnitt (60b) integral geformt sind und der isolierende Abschnitt (60b) ein Paar erster Sammleröffnungen (5, 6, 7), die mit dem ersten Durchflusskanal (5a, 6a, 7a) kommunizieren, und ein Paar zweiter Sammleröffnungen (5, 6, 7) hat, die mit dem zweiten Durchflusskanal (5b, 6b, 7b) kommunizieren.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der dritte Abschnitt (60c) ein klebendes Material hat.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der dritte Abschnitt (60c) ein Gemisch aus einem Material, das in dem elektronischen Leiterabschnitt (60a) verwendet wird, und einem Material, das in dem isolierenden Abschnitt (60b) verwendet wird, hat.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der elektronische Leiterabschnitt (60a) und der isolierende Abschnitt (60b) spritzgussgeformt sind.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der elektronische Leiterabschnitt (60a) ein Gemisch aus einem nichtorganischen leitenden Füllstoff und einem Harz hat.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der isolierende Abschnitt (60b) ein gasdichtes elastisches Material hat.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der isolierende Abschnitt (60b) ein thermoplastisches Harz hat.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der elektronische Leiterabschnitt (60a) und der isolierende Abschnitt (60b) ein Harz haben, das den gleichen Hauptmolekularaufbau hat.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei das Harz, das den gleichen Hauptmolekularaufbau hat, Polyphenylensulfid ist.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Verbindung zwischen dem elektronischen Leiterabschnitt (60a) und dem isolierenden Abschnitt (60b) einen Querschnitt hat, der eine Kombination aus einem Vorsprung und einer Vertiefung aufweist.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei der Vorsprung an den elektronischen Leiterabschnitt ausgebildet ist.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der elektronische Leiterabschnitt (60a) und der isolierende Abschnitt (60b) durch Einführen eines von dem elektronischen Leiterabschnitt (60a) und dem isolierenden Abschnitt (60b) in ein Loch, das in dem anderen Abschnitt ausgebildet ist, verbunden sind.
Separatorplatte für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei das Loch in dem elektronischen Leiterabschnitt ausgebildet ist.
Polymerelektrolytbrennstoffzelle mit einem Zellenstapel, wobei der Zellenstapel: eine Vielzahl von Membranelektrodenbaugruppen (11), die jede eine Wasserstoffionen leitenden Polymerelektrolytmembran und eine Anode sowie ein Kathode haben, die die Elektrolytmembran dazwischen gelegt angeordnet haben; und eine Vielzahl von Separatorplatten (60) nach Anspruch 1 hat, die mit den Membranelektrodenbaugruppen (11) abwechselnd gestapelt sind.