平面型高分子電解質型燃料電池用隔板以及燃料電池的製作方法
2023-06-26 07:18:21
專利名稱：平面型高分子電解質型燃料電池用隔板以及燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，特別是平面型高分子電解質型燃料電池用隔板以及使用該隔板的高分子電解質型燃料電池。
背景技術：
燃料電池，簡單地說，就是從外部連續供給燃料(還原劑)和氧氣或空氣(氧化劑)，使它們發生電化學反應而取出電能的裝置，按照其運行溫度、所用燃料的種類、用途等分類。而最近，主要按照所使用電解質的種類，一般分為固體氧化物型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、磷酸型燃料電池、高分子電解質型燃料電池、鹼水溶液型燃料電池等5大類。
這些燃料電池，是將由甲烷等生成的氫氣作為燃料的，但最近，作為燃料直接使用甲醇水溶液的直接用甲醇型燃料電池(以下也稱作DMFC)已經公知。
其中，將固體高分子膜夾在兩種電極之間，並將這些部件以隔板夾在中間而構成的固體高分子型燃料電池(以下也稱作PEFC)引人矚目。
該PEFC，一般採用的是，由固體高分子膜的兩側分別配置有電極的單元電池多個層疊而成的、根據其電動勢目標值相應地做得較大的組套結構。設置在單元電池之間的隔板，一般來說，在其一個面上，形成有用來向相鄰的單元電池供給燃料氣體的燃料氣體供給用槽。這種隔板，是沿著隔板面供給燃料氣體、氧化劑氣體的。
作為PEFC的隔板，已經公知的有，對石墨板進行切削而加工出槽而成的隔板、樹脂中混煉有碳的混合物的模壓隔板、以腐蝕等方法加工出槽的金屬製造的隔板、將金屬材料的表面部分以耐腐蝕性樹脂覆蓋而成的隔板等。這些隔板，均根據需要形成有燃料氣體供給用槽以及/或者氧化劑氣體供給用槽。
除了這種結構的燃料電池之外，人們有時還需要例如可攜式終端用的燃料電池等不需要很高電動勢的、平面型的、儘可能薄的燃料電池。但是，將多個單元電池平面排列、並將它們在電氣上串聯連接的平面型燃料電池，存在著在某些場合燃料及氧氣的供給不均勻等問題。
因此，為了改善該燃料供給不均勻性，有人提出這樣一種結構的隔板，即，在與膜電極複合體(MEA)相接觸的隔板的面上，沿垂直方向形成有多個通孔，從該通孔供給燃料及氧氣。
在這裡，將包括位於燃料電池的燃料供給側隔板和氧氣供給側隔板之間的電極部在內的複合體，比如說，由集電體層、燃料電極、高分子電解質、氧氣極、集電體層按照順序層疊而成的像膜那樣的複合體，稱作膜電極複合體(MEA)。
但是，在如上構成的隔板例如僅由金屬材料形成的場合，從強度考慮需要增加隔板的厚度，要減輕燃料電池的重量是困難的。
如上所述，近年來，燃料電池被廣泛使用的可能性在增大，作為PEFC，人們也要求製造出平面型的、儘可能薄的燃料電池。而作為隔板，要求其具有足夠的強度、重量進一步減輕，而且要求其在用於高分子電解質型燃料電池中時，能夠防止單元電池內部的燃料、水份等從燃料供給面之外洩漏到單元電池外部，具有密封功能。
發明的公開本發明是為滿足上述要求而提出的，其目的是，提供一種保證達到作為隔板所需要達到的強度的、滿足進一步減輕重量的要求的隔板，此外，提供一種除了保證達到作為隔板所需要達到的強度、滿足進一步減輕重量的要求的隔板之外，還能夠在用於高分子電解質型燃料電池時，防止單元電池內部的燃料、水份等從燃料供給面之外洩漏到單元電池外部的、具有密封功能的隔板。
同時，提供一種，使用這種隔板，並利用現有的雙面印刷線路板的正反面連接方法將單元電池簡便地連接起來，使得減輕重量和提高強度成為可能的高分子電解質型燃料電池。
為實現上述目的，本發明作為一種，單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池用的、燃料供給側或氧氣供給側的隔板，具有，將多個以金屬板為基體、對應於單元電池在所述基體的表面上直交地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔的隔板構件連接成一體而成的隔板構件連接體，以及，將多個具有與各隔板構件對應的燃料供給用或氧氣供給用開口並且是用於單元電池之間絕緣的框部連接成一體而成的、絕緣材料製成的框連接體；該框連接體成一對地將所述隔板構件連接體從其兩面進行夾持，並且，所述隔板構件連接體的正反面的框連接體中之一的各框部的開口內可嵌入燃料電池的膜電極複合體(MEA)。
此外，本發明作為一種，單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池用的、燃料供給側或氧氣供給側隔板，具有，將多個以金屬板為基體、對應於單元電池在所述基體的表面上直交地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔的隔板構件連接成一體而成的隔板構件連接體，將多個具有與各隔板構件對應的燃料供給用或氧氣供給用開口並且是用於單元電池之間絕緣的框部連接成一體而成的、絕緣材料製成的框連接體，以及，由絕緣材料構成的實心式板材或者在由絕緣材料構成的實心式板材上層疊導電性層而成的層疊基材；所述框連接體以及實心式板材或層疊基材成一對地將所述隔板構件連接體從其兩面進行夾持，並且，所述框連接體的各框部的開口內可嵌入燃料電池的膜電極複合體(MEA)。
另外，如前已說明的，在本發明中，將由集電體層、燃料電極、高分子電解質、氧氣極、集電極層按照順序層疊而成的像膜那樣的、包括位於燃料電池的燃料供給側隔板和氧氣供給側隔板之間的電極部在內的複合體，稱作膜電極複合體(MEA)。
由於上述本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板如上構成，因此，能夠提供一種保證達到作為隔板所需要達到的強度的、滿足重量進一步減輕的要求的隔板。此外，由於具有密封材料，因此，能夠提供一種，除了保證達到作為隔板所需要達到的強度、滿足重量進一步減輕的要求之外，還能夠在用於高分子電解質型燃料電池中時，防止各單元電池內部的燃料、水份等從燃料供給面之外洩漏到外部的、發揮密封功能的隔板。
此外，本發明作為一種單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池，這樣構成，即，具有隔板構件連接體以及將該隔板構件連接體從兩面進行夾持地設置的一對框連接體的一組隔板，中間介有燃料電池的膜電極複合體(MEA)地相向，並且，在所述框連接體的相向的面的開口內嵌入有所述膜電極複合體(MEA)，所述隔板構件連接體，由多個以金屬板為基體、對應於單元電池在所述基體的表面上直交地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔的隔板構件連接成一體而成，所述框連接體，具有與各隔板構件對應的燃料供給用或氧氣供給用的所述開口，並且是由將用於單元電池之間絕緣的框部多個一體地連接的絕緣材料構成。
此外，本發明作為一種單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池，這樣構成，即，具有隔板構件連接體、將該隔板構件連接體進行夾持地設置在其一個面上的框連接體、由設置在另一個面上的絕緣材料構成的實心式板材或者在由絕緣材料構成的實心式板材上層疊導電性層的層疊基材的一組隔板，中間介有燃料電池的膜電極複合體(MEA)地相向，並且，在所述框連接體的開口內嵌入有所述膜電極複合體(MEA)，所述隔板構件連接體，由多個以金屬板為基體、對應於單元電池在所述基體的表面上直交地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔的隔板構件連接成一體而成，所述框連接體，具有與各隔板構件對應的燃料供給用或氧氣供給用的所述開口，並且是由將用於單元電池之間絕緣的框部多個一體地連接的絕緣材料構成。
通過使本發明的高分子電解質型燃料電池如上構成，可使得在平面型PEFC中，能夠利用現有的雙面印刷線路板的正反面連接方法簡便地連接單元電池，實現重量的減輕與強度的提高。
附圖的簡要說明
圖1(a)是本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板的實施形式之第1例的俯視圖，圖1(b)是圖1(a)的A1-A2剖面圖，圖1(c)是圖1(a)的A3-A4-A5-A6剖面圖。
圖2(a)是圖1的框連接體從圖1(b)的A9一側進行觀察時的俯視圖，圖2(b)是圖1的隔板構件連接體從圖1(b)的A9一側進行觀察時的俯視圖，圖2(c)是圖1的框連接體從圖1(b)的A9一側進行觀察時的俯視圖。
圖3(a)是隔板構件連接體一實施形式例的俯視圖，圖3(b)是圖3(a)的B1-B2剖視圖，圖3(c)是圖3(a)的B3-B4剖視圖。
圖4是本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板的實施形式之第2例的剖視圖。
圖5(a)是本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板的實施形式之第3例的剖視圖，圖5(b)是第3例的另一個剖視圖。
圖6(a)是本發明的高分子電解質型燃料電池的實施形式之第1例的剖視圖，是圖6(b)的C1-C2剖面的剖視圖，圖6(b)是圖6(a)所示高分子電解質型燃料電池的立體圖，圖6(c)是展示圖6(b)的C3-C4-C5-C6-C7剖面上的配線狀態的剖視圖。
圖7是對配設有框架的狀態加以展示的燃料電池的剖視圖。
圖8是圖6所示燃料電池的製作方法的工序圖。
圖9(c)是圖6所示燃料電池的第1變型例的剖視圖，圖9(a)～圖9(c)是第1變型例燃料電池的製造工序圖。
圖10(d)是圖6所示燃料電池的第2變型例的剖視圖，圖10(a)～圖10(d)是第2變型例燃料電池的製造工序圖。
圖11示出圖1(a)中各部件相分離時的狀況。
圖12示出圖4中各部件相分離時的狀況。
圖13(a)是本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板的實施形式之第4例的俯視圖，圖13(b)是圖13(a)的F1-F2剖面圖。
圖14是使用圖13所示第4例隔板的本發明高分子電解質型燃料電池的剖視圖。
發明的最佳實施形式下面，對本發明的實施形式進行說明。
圖1～圖14中，10是隔板構件連接體，10A、10B是隔板構件連接體以各單元電池為單位分離後的部分(也稱作隔板群)，10a、10b是隔板構件，11是隔板構件連接體，11a、11b是隔板構件，12、12A、12B、13、13A、13B是框連接體，12a是框部，12b是開口，12c是突起部，13a是框部，13b是開口，13c是突起部，15是通孔，16是單元電池之間分離用通孔，17是槽部，17a是燃料供給槽或氧氣供給槽，18a、18b是密封材料，20、21、22是隔板，20a、21a、22a是隔板，30是膜電極複合體(MEA)，40是燃料電池，41、42是填充通過物，41a是通孔(隔板間連接用通孔)，42b是通孔(配線-隔板間連接用通孔)，43、43a是配線，45、45A是通孔，46、46A是孔，50是框架，61是銅箔，61a是配線，62、63是凸起，65是銅箔，70是電鍍部，110是隔板構件連接體，112、112A、112B是實心式板材，112c是突起部，113a是框部，113b開口，113、113A、113B是框連接體，115是通孔，120、121、122、125、126、127是隔板，130是導電性層(銅箔)。
另外，圖1(a)中的A0和圖3中的B0分別表示單元電池區域。
圖2、圖11、圖12中的A7、A8和圖3中的B7、B8是相連的部分(也稱作相連部)。
首先，對本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板的實施形式之第1例，結合圖1、圖2、圖11進行說明。
第1例的隔板20，是設置在單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池的燃料供給側或氧氣供給側的隔板。該隔板20，使得燃料或氧氣從垂直於隔板的方向供給，是用於製造裝設兩個單元電池的燃料電池的隔板。
上述隔板20，具有以金屬板為基體的隔板構件連接體10以及在該隔板構件連接體10的正反各面上以對隔板構件連接體10進行夾持的狀態設置的框連接體12、13。
隔板構件連接體10，是由對應於單元電池的多個隔板構件、圖中例子為兩個隔板構件10a、10b連接成一體而成。在該隔板構件連接體10上，對應於各單元電池，與表面相垂直地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔15。
此外，框連接體12、13由絕緣材料製成，由用來將單元電池之間絕緣的框部12a、13a連接成一體而成。該框連接體12、13，具有與各隔板構件10a、10b相對應的、燃料供給用或氧氣供給用的開口12b、13b。
框連接體12的突起部12c(參照圖2(a))以及框連接體13的突起部13c(參照圖2(c))，在將框連接體12、隔板構件連接體10、框連接體13層疊起來製作隔板20時，各自嵌入隔板構件連接體10的單元電池之間分離用通孔16內並彼此緊密接觸。
此外，設置在隔板構件連接體10的正反各面上的框連接體12、13的開口12b、13b之某一開口，具有燃料電池的膜電極複合體(MEA)可嵌入的形狀。
對於以金屬板為基體的隔板構件連接體10，也可以至少在基體的燃料電池電解質一側的表面上，設置由耐腐蝕性(耐弱酸性)、導電性樹脂層構成的保護層(未圖示)。
作為隔板構件連接體10，只要能夠耐受所使用的燃料，具有耐腐蝕性(耐弱酸性)、導電性，並能夠獲得既定的強度即可，對其並無特別限制。
隔板構件連接體10的金屬基體，是經過機械加工、採用照像平版印刷技術的腐蝕加工而加工成既定形狀的，在本例中，是以上述方法形成燃料供給用或氧氣供給用通孔15、單元電池之間分離用通孔16的。
單元電池之間分離用通孔16，在單元電池之間呈狹縫狀，以在製作燃料電池時可將相連的部分(相當於圖2(b)中所示的A7、A8)切開而構成。
本例的A7、A8部，在製作燃料電池時被切除，使得隔板構件連接體10的各隔板構件10a、10b以單元電池為單位分離。
隔板構件連接體10所使用的金屬基體的材質，以導電性良好、可得到既定強度、加工性良好者為宜，可列舉出不鏽鋼、冷軋鋼板、鋁等。
此外，作為在金屬基體的表面部分設置具有耐酸性且具有導電性的樹脂膜的方法，可列舉出，使用樹脂中混合有碳微粒、耐腐蝕性金屬等導電材料而成的材料通過電沉積形成膜，加熱使之固化的方法，以及，通過電解聚合形成導電性高分子所構成的樹脂中含有可提高導電性的摻雜劑的膜等方法等。
作為本發明，也可以在作為隔板構件連接體10的基體的金屬板的表面，實施鍍金等電鍍處理，從而在不降低隔板表面的導電性的情況下設置耐腐蝕性金屬層。
此外，作為本發明，也可以將隔板構件連接體10做成，在耐腐蝕性金屬層上還設置有具有耐酸性且具有導電性的樹脂膜的結構。
作為設置鍍金層等耐腐蝕性金屬層的方法，可以採用通常的電鍍處理方法，在這裡省略詳細說明。
上述電沉積，是將具有電沉積性的各種陰離子性或者陽離子性合成樹脂，作為旨在通過電沉積形成樹脂膜的電沉積液使用，並且在導電材料分散於電沉積液中的狀態下進行。
另外，雖然通過電沉積形成的樹脂膜的樹脂本身不具有導電性，但由於是在樹脂中混入有導電性材料的狀態下形成膜的，因此作為樹脂膜呈現出導電性。
作為可使用的陰離子性合成樹脂，可以單獨使用丙烯酸樹脂、聚酯樹脂、順丁烯二酸酐化油樹脂、聚丁二烯樹脂、環氧樹脂、聚醯胺樹脂、聚醯亞胺樹脂等樹脂，或者使用由這些樹脂任意組合而成的混合物。
還可以將上述陰離子性合成樹脂與三聚氰胺樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯樹脂等交聯性樹脂一起使用。
此外，作為可使用的陽離子性合成樹脂，可以單獨使用丙烯酸樹脂、環氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚丁二烯樹脂、聚醯胺樹脂、聚醯亞胺樹脂等樹脂，或者使用由這些樹脂任意組合而成的混合物。還可以將上述陽離子性合成樹脂與聚酯樹脂、聚氨酯樹脂等交聯性樹脂一起使用。
此外，為使上述樹脂具有粘附性，根據需要還可以添加松香類、萜烯類、石油樹脂等增加粘附性的樹脂。
上述樹脂，是經鹼性或酸性物質中和而以可溶化於水中的狀態或分散於水中的狀態進行電沉積的。即，對於陰離子性合成樹脂，以三甲胺、二乙胺、二甲基膽胺(dimethylethanolamine)、二異丙醇胺等胺類、氨、苛性鹼等無機鹼進行中和。對於陽離子性合成樹脂，以乙酸、甲酸、丙酸、乳酸等酸進行中和。之後，將經過中和的可溶化於水的樹脂，以分散於水中或溶解於水中的方式在以水稀釋的狀態下使用。
在採用電沉積法形成樹脂膜的場合，作為混合於樹脂中的導電性材料，可列舉出碳微粒、耐腐蝕性金屬等，但只要能夠得到耐酸性且導電性的樹脂層，並不限於這些材料。
而電解聚合，一般是將電極浸漬在作為單體含有芳香族化合物的電解液中並通電而進行，是以電化學方式進行氧化或還原而實現聚合的方法，這是一種廣為熟知的方法，故在這裡省略詳細的說明。
通過電解聚合，可以直接將導電性高分子合成為薄膜狀，但在本例中，使得電解聚合而成的樹脂中含有可提高導電性的摻雜劑。
要使這種電解聚合而成的樹脂中含有進一步提高導電性的摻雜劑，可採用在電解聚合時進行使之含有摻雜劑的電化學式雜質摻雜，或者，在電解聚合後，將通過電解聚合形成的導電性樹脂(高分子)浸漬在摻雜劑液體中、或浸漬在含有摻雜劑分子的溶液中進行液相雜質摻雜等方法。
另外，也可以在聚合後將陰極和陽極短路、或者施加反向電壓使該摻雜劑被除去或中和，還可以對電壓進行控制實施可逆性摻雜、脫摻雜來控制摻雜劑濃度。
在通過電解聚合形成樹脂膜時所能夠使用的摻雜劑之中，作為給予電子的施主型摻雜劑，可列舉出鹼金屬、烷基銨離子(alkylammonium ions)等。而作為吸收電子的受主型摻雜劑，可列舉出滷素類、路易斯酸(Lewisacid)、質子酸(protonic acid)、過渡性金屬滷化物、有機酸等。
作為設置在隔板構件連接體10的正反面上的框連接體12、13，其材質最好是，具有絕緣性、加工性良好、重量輕、機械強度大的材料。作為這種材料，可使用印刷線路板用底板材料等，例如可列舉出玻璃纖維增強環氧樹脂、聚醯亞胺等。
具有所希望形狀的框連接體12、13的形成，可採用機械加工、雷射加工等方法。
作為本例隔板20的製作方法，可列舉出，使採用前述方法單獨製作出來的隔板構件連接體10與框連接體12、13對好位置後，將它們壓接在一起的方法。
例如有，塗布環氧樹脂等粘接劑，在各部分重疊的狀態下使粘接劑固化而固定的方法。
作為可用於這種場合的粘接劑，只要在製造過程中不會對其它部件產生影響，而且，用在燃料電池中時，相對於燃料電池的運行條件具有優異的耐受性即可，並無特別限制。
此外還有，採用呈半固化狀態的預浸樹脂材料形成框連接體的局部或全部並施加壓力將其固定的方法。
另外，如圖1～圖2所示，第1例的隔板20，是用來製作裝設兩個單元電池的燃料電池的隔板，但用來製作裝設3個以上單元電池的燃料電池的隔板也是同樣的。
即，可列舉出，作為與第1例同樣的隔板，增加了隔板構件(相當於圖1的10a、10b)的、製作以與第1例同樣的結構裝設3個以上單元電池的燃料電池的隔板。
作為第1例的隔板20的變型例，可列舉出這樣一種隔板，即，使用圖3所示的、具有以半腐蝕法形成的垂直於通孔15的槽部17的隔板構件連接體11，以替代隔板構件連接體10。
在這種場合，燃料或氧氣是順沿於隔板20的方向供給的，因此，要通過燃料供給槽或氧氣供給槽17a供給。
該變型例也同樣，B7、B8部在製作燃料電池時被切除，使得隔板構件連接體11的各隔板構件11a、11b以單元電池為單位分離。
此外，對於上述實施形式的第1例、變型例，也可以列舉出，隔板構件連接體以單元電池為單位分離的形式。
這種形式例如是，將圖1、圖2的A7、A8切除的以及將圖3的B7、B8切除的等等。
此外，作為其它的變型例，可列舉出，隔板構件連接體10上不設置鍍金等耐腐蝕性金屬層而只設置由耐腐蝕性、導電性樹脂膜層構成的保護層的。
另外，在本例中，框連接體12上設有突起部12c、框連接體13上設有突起部13c，但作為變型例，也可以不設置這些突起部。在這種場合，比如說，是將與這些框連接體12、13相同材料的另外的部件，嵌入隔板構件連接體10的單元電池之間分離用通孔16內，並將該狀態下的隔板構件連接體10，以框連接體12、13從兩面進行夾持，從而得到隔板20的。
下面，列舉本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板的實施形式之第2例。
第2例，是在圖1所示實施形式的第1例中，將燃料供給用側或氧氣供給用側框連接體替換為實心式的而成，其俯視圖與圖1(a)相同，對應於圖1(a)的A3-A4-A5-A6處的剖面與圖1(c)相同，對應於圖1(a)的A1-A2處的剖面如圖4所示。此外，對圖4中各部分分離時的狀況加以展示的是圖12。
如圖4所示，第2例的隔板120，具有以金屬板為基體的隔板構件連接體110、設置在該隔板構件連接體110的一個面上的平板形狀的板材112以及設置在隔板構件連接體110的另一個面上的框連接體113。
板材112由絕緣材料構成。此外，框連接體113由絕緣材料構成，是由用來將單元電池之間絕緣的框部連接成一體而成。該框連接體113，具有與各隔板構件相對應的、燃料供給用或氧氣供給用的開口。
在將本例的隔板120用在燃料電池中時，要對實心式板材112進行加工，以形成燃料供給用或氧氣供給用開口。
作為框連接體113、實心式板材112，可採用與第1例的框連接體12、13同樣的材質，隔板構件連接體110也同樣，可採用與第1例的隔板構件連接體10同樣的材質。
作為該第2例的變型例，也可列舉出與上述第1例的變型例(參照圖3)同樣的例子。
下面，列舉本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板的實施形式之第3例。
第3例，是在第2例的隔板的實心式板材的整個面上再設置銅箔等導電性層而成。其俯視圖與圖1(a)相同，對應於圖1(a)的A1-A2處的剖面如圖5(a)所示，對應於圖1(a)的A3-A4-A5-A6處的剖面如圖5(b)所示。
如圖5所示，第3例的隔板125，具有以金屬板為基體的隔板構件連接體110、設置在該隔板構件連接體110的一個面上的框連接體113以及由按順序設置在隔板構件連接體110的另一個面上的平板形狀的板材112和導電性層130構成的層疊基材。
在將本例的隔板用於製作燃料電池時，導電性層130是用來進行電氣連接的，因而要根據需要將其去除。此外，對於實心式板材112，與第2例同樣，要進行形成燃料供給用或氧氣供給用開口的加工。
作為導電性層130，列舉了銅箔等材料，但並不受此限制。
特別是，作為由實心式板材112與導電性層130組合而成的層疊基材，可列舉出單面敷銅板等。
導電性層130之外的各個部分，基本上與第2例相同。
作為該第3例的變型例，也可列舉出與上述第1例的變型例(參照圖3)同樣的例子。
下面，列舉本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板的實施形式之第4例。
第4例的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板20a，是在圖1所示隔板20上設置密封材料而成。即，如圖13所示，在用於高分子電解質型燃料電池中時，為提高單元電池的氣密性，設置了將框連接體12、13的各開口12b、13b圍起來的密封材料18a、18b。
密封材料18b，用來將構成隔板20a的各層之間密封起來，密封材料18a用來將製作燃料電池時的隔板20a之間密封起來。
在第4例中，密封材料18a、18b，採用的是對框連接體12、13實施槽加工後，將O型環嵌入的方式。作為O型環，使用的是在燃料電池的運行條件下，具有充分的氣密性、耐溼性、耐熱性、耐酸性、彈性等的氟橡膠等。
作為密封材料18a、18b，也可以在框連接體12、13上通過分配器或絲網印刷塗布液狀密封劑而形成。在這種場合，例如可以將液狀密封劑塗布在槽加工部內，使之固化而形成密封材料18a、18b。
作為液狀密封劑，特開2000-12054號公報所記載的那種全氟橡膠的加硫物、添加有PTFE(聚四氟乙烯的縮寫)微粉的液狀全氟橡膠的加硫物以及特開2001-325972號公報所記載的異丁烯類共聚物等很適合使用。
密封材料18a、18b之外的各部分，與圖1所示第1例的隔板20相同，在此省略其說明。
而第4例的隔板20a的製作方法，也基本上與第1例相同，可列舉出，使單獨製作的隔板構件連接體10與框連接體12、13對好位置後將它們壓接在一起的製作方法。
當然，在圖4所示第2例和圖5所示第3例的隔板上設置密封材料而成的，也可作為本發明的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板的實施形式之一。
下面，對本發明燃料電池的實施形式之第1例，結合圖6進行說明。
為方便起見，電氣連接在圖6(a)、圖6(b)中省略，僅在圖6(c)中示出。
本例，是單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池，是將圖1所示第1例的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板(與圖6(a)的21、22相當)用於燃料供給側和氧氣供給側兩側而成。並且，是將燃料電池的膜電極複合體(MEA)30，嵌入設置在隔板構件10A、10B正反面的框連接體之一方的各框部(12A、12B)中進行設置而成的。
當然，在本例中，要將圖1所示隔板20的隔板構件連接體10的相連的部分A7、A8部分切除，使得以各單元電池為單位分離。
因此，在這種場合，隔板21，利用框連接體12A、13A對隔板構件連接體以各單元電池為單位分離後的部分(也稱作隔板群)進行夾持，隔板22，以框連接體12B、13B對隔板構件連接體以各單元電池為單位分離後的部分(也稱作隔板群)10B進行夾持。
隔板構件連接體以各單元電池為單位分離後的部分(也稱作隔板群)10A、10B之間的框連接體12A、12B加起來的厚度，與膜電極複合體(MEA)30的厚度相同，可將MEA設置成平板狀。
此外，本例中，在與圖2(b)的單元電池之間分離用通孔16區域相當的、使單元電池之間分離的部分C0處，只有框連接體呈緊密接觸的狀態存在。
另外，雖然單元電池的數量為兩個，但作為與本例同樣的燃料電池，還可列舉出，增加了隔板構件(相當於圖1的10a、10b)，並以與本例同樣的結構裝設3個以上單元電池的燃料電池。
其中的各個框連接體12A、13A以及框連接體12B、13B，不僅僅是在隔板構件的連接部之外將各單元電池絕緣起來，而且還發揮著，在對MEA進行夾持的狀態下，防止單元電池內部的燃料、水份等從燃料供給面之外洩漏到外部的密封材料的作用。
作為使隔板21、22緊密接觸並保持的方法，可列舉出以下方法。第1，在各部件之間使用絕緣性粘接劑的方法。第2，框連接體12A、12B的局部或全部採用預浸樹脂材料那樣半固化狀態的樹脂，將各部件重疊後進行一次性熱壓接的方法。另外，第3，可列舉出，將各層層疊之後，如圖7所示以框架50等從外部進行機械保持的方法。
第1方法，是例如塗布環氧樹脂等粘接劑，在各部件相重疊的狀態下，使粘接劑固化的方法。此時所使用的粘接劑，只要在製造過程中不會對其它部件產生影響，並且相對於燃料電池的運行條件具有優異的耐受性即可，對其並無特別限制。此外，也可以不是將粘接劑而是將印刷線路底板所使用的、預浸樹脂材料那樣半固化狀態的樹脂片夾入其中。
作為第2方法，通過將框連接體12A、12B的局部或全部改用預浸樹脂材料那樣半固化狀態的樹脂片，可使得工序進一步簡化。也就是說，是通過在各部件相重疊的狀態下進行熱壓接，從而將燃料電池的單元電池固定的方法。此時所使用的半固化狀態的樹脂片，只要在製造過程中不會對其它部件產生影響，並且相對於燃料電池的運行條件具有優異的耐受性即可，對其並無特別限制。
第3方法是最簡便的方法，只要使用旨在固定、保持燃料電池的單元電池的框架50等結構體組裝成電池本體即可。
對本例燃料電池的製造方法的一個例子進行簡單說明。
首先，對兩個與圖1所示隔板20相同的隔板，分別切除其隔板構件連接體10的相連的部分A7、A8(參照圖2(b))，以製備以單元電池為單位分離的隔板21、22。
並且，準備好膜電極複合體(MEA)30。
其次，將膜電極複合體(MEA)30放置在隔板21的框連接體12A的開口中。其次，以隔板22的框連接體12B位於膜電極複合體(MEA)30上的狀態，將隔板22重疊壓接在隔板21上。這樣，便能夠以隔板21和隔板22將膜電極複合體(MEA)30夾在中間進行夾持。
作為隔板21、22對膜電極複合體(MEA)30進行保持的方法，可採用前述第1方法～第3方法。
其次，進行旨在使單元電池之間串聯連接的隔板構件的電氣連接，製作成燃料電池。
本例的燃料電池，是採用作為線路板製造技術而已公知的、使用導電性塗膏的填充通過物形成法來實現隔板構件的電氣連接的，是如圖6(c)所示地實現該連接的。
另外，在本例中，使用的是預先將相連的部分A7、A8切除使之以單元電池為單位分離的隔板21、22。但是，在使用圖1所示的、具有相連的部分A7、A8未切除的框連接體的10的隔板20的場合，只要最終將框連接體10的每一單元電池的相連的部分A7、A8切斷即可，由此便能夠得到本例的高分子電解質型燃料電池。
在這裡，對本例燃料電池中單元電池之間的隔板構件的電氣連接，結合圖8進行說明。
圖8示出圖6的C3-C4-C5-C6-C7處的不同工序時的剖面。以將膜電極複合體(MEA)30夾住的狀態，將隔板21與隔板22重疊壓接在一起，使膜電極複合體(MEA)30嵌入於它們之間(圖8(a))。之後，用鑽頭或通過雷射照射，在C5-C6之間形成孔45，並在框連接體13A、13B上形成與隔板構件進行連接用的孔46(圖8(b))。
其次，採用分配器或絲網印刷等印刷法，將導電性塗膏填充到通孔45和孔46中形成填充通過物41、42(圖8(c))。之後，採用分配器或印刷法，再以導電性塗膏形成配線43(圖8(d))。
比如說，在向通孔45內進行填充的場合，可以採用絲網印刷等方法塗布導電性塗膏，並在已加工有孔的底板的相反一側裝設抽吸設備以產生負壓，從而將導電性塗膏填充到通孔45中。
之後，根據需要，進行乾燥、燒結等處理，隔板構件之間的電氣連接便完成。
作為導電性塗膏，可列舉出，銀塗膏、銅塗膏、金塗膏、鈀塗膏、鈀-銀塗膏等。
作為本例燃料電池的第1變型例，可列舉出，單元電池之間隔板構件的電氣連接如圖9(c)所示利用凸起(也稱作凸起電極)實現的例子。
圖9示出圖6的C3-C4-C5-C6-C7處的不同工序時的剖面。
下面，就該第1變型例燃料電池中單元電池之間隔板構件的電氣連接，結合圖9進行簡單說明。
第1變型例，與圖6所示實施形式例的燃料電池不同，是將實心式板材112設置在隔板構件連接體110的一個面上的第2例隔板120(參照圖4)用於燃料供給側和氧氣供給側兩側而成的。該例中，膜電極複合體(MEA)30，是嵌入於所使用的隔板121的框連接體113A和隔板122的框連接體113B的開口中而設置的。
下面，就該燃料電池中單元電池之間的隔板構件的電氣連接，結合圖9進行簡單說明。
預先對兩個與圖4所示隔板120相同的隔板，分別切除其隔板構件連接體110的相連的部分A7、A8(參照圖2(b))，以製備以單元電池為單位分離的隔板121、122。
並且，準備好膜電極複合體(MEA)30。
之後，以將膜電極複合體(MEA)30夾住的狀態，將隔板121和隔板122重疊壓接在一起，使膜電極複合體(MEA)30嵌入於它們之間。之後，將準備好的形成有導電性凸起62、63的銅箔61(圖9(a))層疊在其兩面上(圖9(b))。
使這些部件重疊而緊密接觸並加以保持的方法，可應用與上述實施形式例相同的方法。
作為凸起62、63，可採用多次進行導電性塗膏的印刷而形成的凸起，以及，金屬線凸起、用導電性塗膏再將金屬線凸起覆蓋而形成的凸起等。
另外，在製作凸起時，除了使凸起部具有既定高度之外，還要將其前端做得很尖。
之後，採用光蝕刻法對銅箔61進行腐蝕而形成配線61a，隔板構件之間的電氣連接便完成(圖9(c))。
最後，在實心式板材112A、112B上形成燃料供給用開口、氧氣供給用開口(未圖示)。
開口部的形成方法，可列舉出二氧化碳氣體雷射法、機械加工法等。
這樣，在製造過程中不必相對於外部環境對燃料供給部進行保護，提高了製造過程的自由度，還使操作變得容易。
作為本例燃料電池的第2變型例，可列舉出，如圖10(d)所示，單元電池之間隔板構件的電氣連接以通過電鍍形成的通孔實現的例子。
圖10也示出圖6的C3-C4-C5-C6-C7處的不同工序時的剖面。
第1變型例，與圖6所示實施形式例的燃料電池不同，是將如圖5所示的實心式板材112和由銅箔構成的導電性層130設置在隔板構件連接體110的一個面上的第3例隔板125(參照圖5)用於燃料供給側和氧氣供給側兩側而成的。該例中，膜電極複合體(MEA)30，是嵌入於所使用的隔板126的框連接體113A和隔板127的框連接體113B的開口中而設置的。
作為由實心式板材112和銅箔構成的導電性層130的層疊基材，可採用無開口部的單面敷銅玻璃纖維增強環氧樹脂板等。
下面，就該燃料電池中單元電池之間的隔板構件的電氣連接，結合圖10進行簡單說明。
預先對兩個與圖5所示隔板125相同的隔板，分別切除其隔板構件連接體110的相連的部分A7、A8(參照圖2(b))，以製備以單元電池為單位分離的隔板126、127。
並且，準備好膜電極複合體(MEA)30。
之後，以將膜電極複合體(MEA)30夾住的狀態，將隔板126和隔板127重疊壓接在一起，使膜電極複合體(MEA)30嵌入於它們之間。之後，將銅箔65層疊在其兩面上(圖10(a))。
使這些部件重疊而緊密接觸並加以保持的方法，可應用與上述實施形式例相同的方法。
其次，在應形成連接部的部位，利用鑽頭或雷射開設用來形成通孔連接部的通過部42A以及通孔45A(圖10(b))。
其次，進行去毛刺處理及催化劑活化處理之後，對包括通過部42A、通孔45A的表面部分在內的整個面進行非電解電鍍，以電鍍層70填充通孔，使正反面導通(圖10(c))。
作為非電解電鍍，適宜進行非電解鍍鎳、非電解鍍銅等。
非電解電鍍，是在以催化劑進行活化處理之後，在既定的電鍍液中進行的。通常是鍍銅。
其次，對整個正反面進行抗蝕劑製版，將露出於抗蝕劑之外的鍍層部分，以氯化亞鐵液等作為腐蝕液進行腐蝕，從而形成連接配線43a。之後，清除抗蝕劑，需要時進行清洗處理，便可得到本例的高分子電解質型燃料電池。
另外，在這裡，是以鍍層填充通孔的，但並不限於此。例如，也可以做成普通的通孔連接部，即，通孔做得較大，經過電鍍使正反面導通後，仍處於通孔正反面貫通的狀態。
其次，採用光蝕刻法，將鍍層70和銅箔65腐蝕成既定形狀而形成配線43a，隔板構件之間的電氣連接便完成(圖10(d))。
最後，在實心式板材112A、112B上形成燃料供給用開口、氧氣供給用開口(未圖示)。
開口部的形成方法，可列舉出二氧化碳氣體雷射法、機械加工法等。
這樣，在製造過程中不必相對於外部環境對燃料供給部進行保護，提高了製造過程的自由度，還使操作變得容易。
其次，對本發明燃料電池的實施形式之第2例，結合圖14進行說明。
為方便起見，圖中省略了電氣連接。
第2例，也是單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池。該例，是將圖13所示第4例的平面型高分子電解質型燃料電池用隔板21a、22a，用於燃料供給側、氧氣供給側兩側而成。此外，與第1例同樣，燃料電池的膜電極複合體(MEA)30，是嵌入於隔板構件連接體10A、10B的正反面的框連接體之一方(12A、12B)的開口中而設置的。
並且，是以如前所述的、圖8所示的填充通過物連接方式，使單元電池之間的隔板構件實現電氣連接的。
該第2例也與第1例同樣，圖13所示隔板20a的隔板構件連接體10的相連的部分(與圖2的A7、A8處相當)被切除而以各單元電池為單位分離。
如上所述，本例採用這樣一種結構，即，在圖6所示第1例平面型高分子電解質型燃料電池中，替代第1例的隔板20而使用了第4例的隔板20a(與圖14的21a、22a相當)。隔板21a、22a的各層之間被密封材料18b密封，而隔板21a、22a之間被密封材料18a密封。因此，與未設置密封材料的圖6所示第1例的平面型高分子電解質型燃料電池相比，單元電池的氣密性提高。
隔板20a之外的各部分基本上與第1例的平面型高分子電解質型燃料電池相同，製造方法也基本相同。
此外，作為第2例的平面型高分子電解質型燃料電池的變型例，可列舉出，單元電池之間的隔板構件的電氣連接，以前面所述的、圖9所示的前述凸起連接方式實現，或者，以圖10所示的通孔連接方式實現的例子。
當然，使用圖4所示第2例和圖5所示第3例的隔板中設置有密封材料的隔板的平面型高分子電解質型燃料電池，也可作為本發明的平面型高分子電解質型燃料電池的一個例子。
產業上利用的可能性如上所述，本發明的隔板可用於平面型高分子電解質型燃料電池，使用本發明隔板的平面型高分子電解質型燃料電池，可實現減輕重量、提高強度、並提高各單元電池氣密性的要求。
權利要求
1.一種單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池用的、燃料供給側或氧氣供給側的隔板，其特徵是，具有，將多個以金屬板為基體、對應於單元電池在所述基體的表面上直交地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔的隔板構件連接成一體而成的隔板構件連接體，以及，將多個具有與各隔板構件對應的燃料供給用或氧氣供給用開口並且是用於單元電池之間絕緣的框部連接成一體而成的、絕緣材料製成的框連接體；該框連接體成一對地將所述隔板構件連接體從其兩面進行夾持，並且，所述隔板構件連接體的正反面的框連接體中之一的各框部的開口內可嵌入燃料電池的膜電極複合體(MEA)。
2.如權利要求1所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，所述框連接體上設有槽，以設置在該槽內的O型環作為密封材料。
3.如權利要求1所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，在構成隔板的隔板構件連接體與框連接體之間以及框連接體的表面，設置有通過分配器設置的密封材料。
4.如權利要求1所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，在構成隔板的隔板構件連接體與框連接體之間以及框連接體的表面，設置有通過印刷設置的密封材料。
5.如權利要求1所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，所述隔板構件的一個面上具有與所述通孔連通的槽部。
6.如權利要求5所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，所述槽部是採用半腐蝕法形成的。
7.如權利要求1所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，隔板構件具有不損傷其表面導電性的耐腐蝕性金屬層。
8.如權利要求1所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，隔板構件至少在其作為燃料電池的電解質一側的表面具有耐腐蝕性(耐弱酸性)且導電性的樹脂膜層。
9.如權利要求8所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，所述樹脂膜層是通過電沉積、電解聚合或二者之組合而形成的樹脂膜層。
10.一種單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池用的、燃料供給側或氧氣供給側隔板，其特徵是，具有，將多個以金屬板為基體、對應於單元電池在所述基體的表面上直交地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔的隔板構件連接成一體而成的隔板構件連接體，將多個具有與各隔板構件對應的燃料供給用或氧氣供給用開口並且是用於單元電池之間絕緣的框部連接成一體而成的、絕緣材料製成的框連接體，以及，由絕緣材料構成的實心式板材或者在由絕緣材料構成的實心式板材上層疊導電性層而成的層疊基材；所述框連接體以及實心式板材或層疊基材成一對地將所述隔板構件連接體從其兩面進行夾持，並且，所述框連接體的各框部的開口內可嵌入燃料電池的膜電極複合體(MEA)。
11.如權利要求10所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，所述框連接體以及所述實心式板材上設有槽，以設置在該槽內的O型環作為密封材料。
12.如權利要求10所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，在構成隔板的隔板構件連接體與框連接體之間、隔板構件連接體與實心式板材之間、框連接體的表面、以及實心式板材的表面，設置有通過分配器設置的密封材料。
13.如權利要求10所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，在構成隔板的隔板構件連接體與框連接體之間、隔板構件連接體與實心式板材之間、框連接體的表面、以及實心式板材的表面，設置有通過印刷設置的密封材料。
14.如權利要求10所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，所述隔板構件的一個面上具有與所述通孔連通的槽部。
15.如權利要求14所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，所述槽部是採用半腐蝕法形成的。
16.如權利要求10所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，隔板構件具有不損傷其表面導電性的耐腐蝕性金屬層。
17.如權利要求10所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，隔板構件至少在其作為燃料電池電解質一側的表面具有耐腐蝕性(耐弱酸性)且導電性的樹脂膜層。
18.如權利要求17所述的高分子電解質型燃料電池用隔板，其特徵是，所述樹脂膜層是通過電沉積、電解聚合或二者之組合而形成的樹脂膜層。
19.一種單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池，其特徵是，具有隔板構件連接體以及將該隔板構件連接體從兩面進行夾持地設置的一對框連接體的一組隔板，中間介有燃料電池的膜電極複合體(MEA)地相向，並且，在所述框連接體的相向的面的開口內嵌入有所述膜電極複合體(MEA)，所述隔板構件連接體，由多個以金屬板為基體、對應於單元電池在所述基體的表面上直交地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔的隔板構件連接成一體而成，所述框連接體，具有與各隔板構件對應的燃料供給用或氧氣供給用的所述開口，並且是由將用於單元電池之間絕緣的框部多個一體地連接的絕緣材料構成。
20.如權利要求19所述的高分子電解質型燃料電池，其特徵是，各單元電池朝向相同地平面狀地多側設置，並且，既定的相鄰單元電池之間在電氣上串聯連接，從而將所述多個單元電池串聯起來。
21.如權利要求19所述的高分子電解質型燃料電池，其特徵是，在位於所述既定的相鄰單元電池之間的框連接體上，具有通孔連接部、填充通過連接部、凸起連接部的至少一種，通過上述連接部實現既定的相鄰單元電池之間的電氣連接。
22.一種單元電池平面排列的平面型高分子電解質型燃料電池，其特徵是，具有隔板構件連接體、將該隔板構件連接體進行夾持地設置在其一個面上的框連接體、由設置在另一個面上的絕緣材料構成的實心式板材或者在由絕緣材料構成的實心式板材上層疊導電性層的層疊基材的一組隔板，中間介有燃料電池的膜電極複合體(MEA)地相向，並且，在所述框連接體的開口內嵌入有所述膜電極複合體(MEA)，所述隔板構件連接體，由多個以金屬板為基體、對應於單元電池在所述基體的表面上直交地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔的隔板構件連接成一體而成，所述框連接體，具有與各隔板構件對應的燃料供給用或氧氣供給用的所述開口，並且是由將用於單元電池之間絕緣的框部多個一體地連接的絕緣材料構成。
23.如權利要求22所述的高分子電解質型燃料電池，其特徵是，各單元電池朝向相同地平面狀地多側設置，並且，既定的相鄰單元電池之間在電氣上串聯連接，從而將所述多個單元電池串聯起來。
24.如權利要求22所述的高分子電解質型燃料電池，其特徵是，在位於所述既定的相鄰單元電池之間的框連接體以及實心式板材或層疊基材上，具有通孔連接部、填充通過連接部、凸起連接部的至少一種，通過上述連接部實現既定的相鄰單元電池之間的電氣連接。
全文摘要
一種隔板，具有，由多個以金屬板為基體、對應於單元電池與所述基體的表面相垂直地排列設置有多個向燃料電池的電解質供給燃料用的通孔的隔板構件連接成一體而成的隔板構件連接體，以及，由多個具有與各隔板構件對應的燃料供給用或氧氣供給用開口並且是用來將單元電池之間絕緣的框部連接成一體而成的、絕緣材料製成的框連接體；該框連接體為一對，用來將所述隔板構件連接體從其兩面進行夾持，所述隔板構件連接體的正反面的框連接體之一方的各框部的開口內可嵌入燃料電池的膜電極複合體(MEA)。
文檔編號H01M8/02GK1533619SQ03800678
公開日2004年9月29日 申請日期2003年5月13日 優先權日2002年5月15日
發明者前田高德, 八木裕, 紀, 太田善紀 申請人:大日本印刷株式會社