專利名稱：固體高分子型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用固體高分子電解質(zhì)膜的燃料電池。
背景技術(shù)：
使用固體高分子電解質(zhì)膜的燃料電池，通過使含有氫的燃料氣體和空 氣等含有氧的氧化劑氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生電能及熱能。所述燃 料電池通常具有選擇性地輸送氫離子的高分子電解質(zhì)膜及夾著高分子電解 質(zhì)膜的 一對電極。各電極由以碳粉末和碳粉末搭載的鉑族金屬催化劑為主 要成分的催化劑層、及配置在催化劑層外側(cè)的兼有通氣性和電子傳導(dǎo)性的 氣體擴(kuò)散層組成。
使用固體高分子電解質(zhì)膜的燃料電池，為不使供給的燃料氣體及氧化 劑氣體漏到外部或相互混合，在電極的周圍夾著高分子電解質(zhì)膜配置有氣 體密封材料或氣體密封墊。氣體密封材料或氣體密封墊通常與高分子電解
質(zhì)膜或電極一體化而進(jìn)行組裝，該組裝體稱為MEA(電解質(zhì)膜電極接合體)。 MEA被導(dǎo)電性的分離器夾持，分離器機(jī)械地固定MEA,層疊的MEA彼此 相互串聯(lián)地電連接。在分離器的與MEA接觸的接觸部形成流路，通過該流 路將反應(yīng)氣體供給電極，將生成的水或剩余的氣體排出。該流路通常形成 在分離器上，但也有在別處形成的。
在所述燃料電池上設(shè)置有氣體配管，該氣體配管用于將反應(yīng)氣體供給 分離器上形成的流路或從流路將氣體排出。該氣體配管對應(yīng)分離器的數(shù)量 而被分支，其分支前端與在分離器上形成的流路連接。將用于該連接的配 管件稱為歧管。
高分子電解質(zhì)膜的材料一般為全氟磺酸類樹脂。高分子電解質(zhì)膜在含 有水分的狀態(tài)下表現(xiàn)出離子傳導(dǎo)性。因此，通常需要供給被加濕的燃料氣 體或氧化劑氣體，而且，為了燃料電池的高性能化，優(yōu)選這些氣體的相對 濕度接近100%或者100%以上。但是，由于在燃料電池的陰極側(cè)通過反應(yīng) 生成水，因此，若為了具有比電池的動(dòng)作溫度高的露點(diǎn)而對氣體加濕并進(jìn)
行供給時(shí)，在電池內(nèi)部的流路或電極的內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露，由于水堵塞等現(xiàn)象， 產(chǎn)生電池性能不穩(wěn)定、低下的問題。
這樣，由過度濕潤(產(chǎn)生結(jié)露)而產(chǎn)生的電池性能的不穩(wěn)定化或低下 一般稱為"溢流現(xiàn)象"。當(dāng)溢流現(xiàn)象在陽極側(cè)產(chǎn)生時(shí)，燃料氣體的供給變得困 難，達(dá)不到所需的量。若在燃料氣體不足的狀態(tài)下強(qiáng)制地獲取負(fù)載電流， 則為了生成電子和質(zhì)子，陽極側(cè)的搭載有催化劑的碳與周圍的水反應(yīng)。其 結(jié)果，催化劑層的碳溶解而破壞催化劑層。若這種狀態(tài)持續(xù)，則與陽極相
比正電位的陰極變?yōu)?V以下的電位。這種狀態(tài)稱為"轉(zhuǎn)極"，對電池來i兌是
致命的狀態(tài)。
這樣，在通常運(yùn)行時(shí)，為了防止由于具有100%或100%以上的相對濕
度的供給氣體在流路的上游結(jié)露的溢流現(xiàn)象而產(chǎn)生的氣體不足，提出幾種 方案(參照專利文獻(xiàn)1 )。例如有以下方案等。
1) 在來自外部的氣體供給側(cè)的歧管的截面、歧管與氣體流路的連接部
與氣體配管之間形成蜂腰部；
2) 將與歧管連接的氣體配管延長到歧管內(nèi)部，在延長的氣體配管的上 面設(shè)置氣體供給用的孔；
3) 將與歧管連接的氣體配管延長到歧管內(nèi)部，在延長的氣體配管的上 面設(shè)置氣體供給用的孔，該氣體供給用的孔彼此的間隔隨著自與歧管連接 的連接部遠(yuǎn)離而變窄。
另一方面，在固體高分子型燃料電池中，防止反應(yīng)氣體的串氣是重要 的。因此，通過使在分離器上形成的歧管為格柵狀等形態(tài)，無需在框架(框 體)上形成流路槽，使結(jié)構(gòu)簡單化。由此，具有抑制框架的變形、抑制串 氣的方案(參照專利文獻(xiàn)2)。
專利文獻(xiàn)1:(日本)特開2004 - 327425號公報(bào)
專利文獻(xiàn)2:(日本)特開2004 - 165043號公報(bào)
燃料電池在上述的通常狀態(tài)下運(yùn)行以外，在起動(dòng)或停止、負(fù)載變化等 運(yùn)行狀態(tài)頻繁變化時(shí)產(chǎn)生的過渡狀態(tài)下也能夠運(yùn)行。即使在過渡狀態(tài)下的 運(yùn)行，也謀求穩(wěn)定的運(yùn)行切換和防止由切換動(dòng)作自身產(chǎn)生的性能劣化。
使用固體高分子電解質(zhì)膜的燃料電池，為了防止停止時(shí)的催化劑的劣 化， 一般使氮或13A等改質(zhì)前的原燃料等的氣體作為封入氣體而充滿到流 路中并進(jìn)行保持。在起動(dòng)時(shí)若投入通常的氣體則封入氣體被排出，催化劑
活性化。然后，將質(zhì)子填充到陽極，使陰極電位相對陽極成為充分高的電 位。由此，負(fù)載電流的獲取變?yōu)榭赡?。燃料電池組所包含的層疊的電池單 元中的 一些單元雖然在可獲取負(fù)載電流的狀態(tài)之前，但若獲取負(fù)載電流， 則該電池單元變?yōu)樗?轉(zhuǎn)極"狀態(tài)。因此，在層疊的全部電池單元成為獲取^ 負(fù)載電流的狀態(tài)之前，不會(huì)開始發(fā)電。
但是，燃料電池組中包含的電池單元各自到達(dá)可開始發(fā)電狀態(tài)的時(shí)刻 根據(jù)電池單元的層疊方向而有偏差。最初變?yōu)榭砂l(fā)電的電池單元與其他的 電池單元相比，陰極長時(shí)間保持為高電位的狀態(tài)。若該狀態(tài)持續(xù)，則促使 催化劑劣化。因此，啟動(dòng)時(shí)投入的通常的氣體優(yōu)選盡量同時(shí)遍布到整個(gè)電 池單元。但是，準(zhǔn)確地測定從氣體投入到最初的電池單元可發(fā)電的時(shí)間是 困難的，因此，事實(shí)上，謀求使啟動(dòng)時(shí)投入的通常的氣體以盡量短的時(shí)間 遍布到整個(gè)電池單元。
另外，在從通常運(yùn)行狀態(tài)停止的情況下，停止負(fù)載電流的取出后，將
氮或13A等改質(zhì)前的原燃料作為封入氣體而投入。在這種情況下，也謀求 以盡量短的時(shí)間使封入氣體遍布到整個(gè)電池單元。
另外，還有使氣體流量變化而改變?nèi)〕鲐?fù)載電流的情況。例如，負(fù)載 電流變小時(shí)，改變負(fù)載電流后使氣體量改變，負(fù)載電流變大時(shí)，改變氣體 量后使負(fù)載電流改變。以與起動(dòng)或停止的情況相同的理由，也謀求使改變 流量的氣體以盡量短的時(shí)間遍布到整個(gè)電池單元。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種燃料電池，在固體高分子型燃料電池組中，不僅在通 常運(yùn)行時(shí)、即使在起動(dòng)、停止、負(fù)載變化等過渡運(yùn)行狀態(tài)下，也能夠在短 時(shí)間內(nèi)將均勻的氣體供給被層疊的全部電池單元。由此，提供一種穩(wěn)定的 運(yùn)行切換和防止由切換動(dòng)作自身產(chǎn)生的性能劣化的固體高分子型燃料電池。
供給的方案。根據(jù)該方案，公開了以下內(nèi)容通過轉(zhuǎn)移溝道(transition channel)將歧管分割成流體供給(fluid supply)歧管和流體分布(fluid distribution)歧管，使氣體的流動(dòng)穩(wěn)定化。但是，僅僅由這些方案難以將均 勻的氣體在短時(shí)間內(nèi)供給到全部電池單元。
本發(fā)明的第 一 方面涉及如下的燃料電池組。
1. 一種燃料電池組，該燃料電池組是包含直列層疊的多個(gè)燃料電池單
元的固體高分子型燃料電池組，所述燃料電池單元各自包括高分子電解 質(zhì)膜； 一對電極，其夾著所述高分子電解質(zhì)膜、由燃料極與氧極組成；一 對分離器，其由與所述燃料極連接且具有燃料氣體流通的流路的分離器和 與氧極連接且具有氧化劑氣體流通的流路的分離器組成；燃料氣體的進(jìn)氣 歧管及排氣歧管，其對所述燃料氣體流通的分離器流路供給燃料氣體、排 出燃料氣體；氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧管，其對所述氧化劑氣體流 通的分離器流路供給氧化劑氣體、排出氧化劑氣體，所述進(jìn)氣歧管或排氣 歧管中的至少 一個(gè)的內(nèi)部空間通過其內(nèi)壁上設(shè)置的突起部或橋梁部被分割 成相互連通的與所述分離器流路連接的空間和另 一個(gè)空間，所述突起部或 橋梁部控制氣體向與所述分離器流路連接的空間流入，而且，對于各個(gè)所 述層疊的多個(gè)燃料電池單元，所述氣體流入的控制不是一定的，與層疊方 向兩端部的燃料電池單元相比，內(nèi)部層的燃料電池單元被控制為氣體最難 流入。
2. 在第1方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，所述被控制為氣體最難流入的 燃料電池單元是層疊的燃料電池單元中、距離來自外部的氣體供給側(cè)、位 于所有層疊單元中的一半以下的內(nèi)部層燃料電池單元。
3. 在第1方案或第2方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，向所述燃料氣體流 通的流路供給燃料氣體的進(jìn)氣歧管、及排出燃料氣體的排氣歧管和對所述 氧化劑氣體流通的流路供給氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管、及排出氧化劑氣體的 排氣歧管成形在框體上，在所述框體中收納有所述高分子電解質(zhì)膜和一對 電極，該一對電極夾著所述高分子電解質(zhì)膜、由燃料極與氧極組成。
4. 在第3方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，在所述框體中還一體地成形有 用于從外部密封所述分離器流路的密封件。
5. 在第1~第4任一方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，所述層疊的多個(gè)燃 料電池單元的各個(gè)歧管的與分離器流路連接的空間相互連通。
6. 在第1~第5任一方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，所述歧管的與分離 器流路連接的空間相對于重力方向比所述另一個(gè)空間靠上方配置。
7. 在第1~第6任一方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，所述突起從所述燃 料電池單元的外周側(cè)朝向電極側(cè)。8. 在第1~第7任一方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，各個(gè)所述層疊的多 個(gè)燃料電池單元所包含的突起部或橋梁部的尺寸不是一定的，內(nèi)部層的燃 料電池單元的突起部或橋梁部的尺寸最大。
9. 在第1~第7任一方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，各個(gè)所述層疊的多 個(gè)燃料電池單元所包含的突起部的高度不是一定的，內(nèi)部層的燃料電池單 元的突起部的高度最大。
10. 在第1~第7任一方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，各個(gè)所述層疊的多 個(gè)燃料電池單元所包含的突起部或橋梁部為板狀的整流板，該整流板各自 的角度不是一定的，內(nèi)部層的燃料電池單元的整流板的長軸方向與燃料電 池單元的層疊方向的角度最小。
11. 在第1 ~第7任一方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，各個(gè)所述層疊的多 個(gè)燃料電池單元所包含的突起部或橋梁部的一部分在層疊方向比其他部分 厚，而且，所述一部分為在側(cè)方具有吹氣口的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述一部分4皮此 緊密接合而形成配管，所述形成的配管上連接有來自外部的氣體供給配管， 所述吹氣口各自的面積不是 一 定的，內(nèi)部層的燃料電池單元的吹氣口的面 積最小。
12. 在第11方案的燃料電池組的基礎(chǔ)上，所述吹氣口朝向與所述分離 器流路連接的空間相反的方向。
本發(fā)明第二方面涉及如下的用于燃料電池單元的框體以及其制造方法。
13. —種框體，其收納有高分子電解質(zhì)膜和一對電極，該一對電極夾著 所述高分子電解質(zhì)膜、由燃料極與氧極組成，所述框體成形有燃料氣體的 進(jìn)氣歧管及排氣歧管和氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧管，所述燃料氣體 的進(jìn)氣歧管及排氣歧管對所述燃料氣體流通的分離器流路供給燃料氣體、 排出燃料氣體，所述氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧管對所述氧化劑氣體 流通的分離器流路供給氧化劑氣體、排出氧化劑氣體，所述進(jìn)氣歧管或排 氣歧管的至少任一個(gè)的內(nèi)部空間通過其內(nèi)壁上設(shè)置的突起部被分割成與所 述分離器流路連接的空間和另 一個(gè)空間，所述突起部具有一個(gè)或兩個(gè)以上 的切口，在所述切口處可以切斷。
14. 一種框體的制造方法，其中，該框體收納有高分子電解質(zhì)膜和一對 電極，該一對電極夾著所述高分子電解質(zhì)膜、由燃料極與氧極組成，所述
框體成形有燃料氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧管和氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管及排 氣歧管，該燃料氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧管對所述燃料氣體流通的分離器 流路供給燃料氣體、排出燃料氣體，所述氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧 管對所述氧化劑氣體流通的分離器流路供給氧化劑氣體或排出氧化劑氣 體，所述進(jìn)氣歧管或排氣歧管的至少任一個(gè)的內(nèi)部空間通過其內(nèi)壁上設(shè)置 的突起部或橋梁部被分割成與所述分離器流路連接的空間和另 一個(gè)空間， 所述框體的制造方法包括通過澆注口將樹脂注入模具中而進(jìn)行注塑成形的 步驟，在所述突起部或橋梁部設(shè)置所述澆注口。
根據(jù)本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池組，不僅在正常運(yùn)行時(shí)，即使 在起動(dòng)、停止、負(fù)載變化等過渡運(yùn)行狀態(tài)下，也能夠在短時(shí)間內(nèi)將均勻的 氣體供給被層疊的全部電池單元。因此，可以進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)行切換、抑制 由切換動(dòng)作自身造成的性能劣化，可以提高燃料電池的耐用性。


圖1A是實(shí)施方式1的燃料電池組所使用的框體一體型MEA的從陰極 面?zhèn)龋姴斓降恼鎴D，圖1B為陽^ l面?zhèn)葋V見察到的正面圖2A是實(shí)施方式1的燃料電池組所使用的框體一體型MEA的陰極側(cè) 分離器的陰極側(cè)正面圖，圖2B為陽極側(cè)的正面圖3是實(shí)施方式1的燃料電池組的立體圖4是實(shí)施方式2的燃料電池所使用的框體一體型MEA的從陰極面?zhèn)?觀察到的正面圖5是實(shí)施方式2的燃料電池組的立體圖6是實(shí)施方式3的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的立體放大圖； 圖7是實(shí)施方式4的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的立體放大圖； 圖8是實(shí)施方式5的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的立體放大圖； 圖9是實(shí)施方式6的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的立體放大圖； 圖10是實(shí)施方式7的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的立體放大圖； 圖11是實(shí)施方式8的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的立體放大圖； 圖12是實(shí)施方式9的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的立體放大圖； 圖13是實(shí)施方式10的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的立體放大圖； 圖14是實(shí)施方式11的框體一體型MEA的立體放大圖15是實(shí)施方式11的框體一體型MEA的立體放大圖16是比較例1的燃料電池組的進(jìn)氣歧管的立體放大圖17是比較例2的燃料電池組的進(jìn)氣歧管的立體放大圖18是比較例3的燃料電池組的框體一體型MEA的正面圖19是表示比較例1的燃料電池組起動(dòng)時(shí)、從供給氣體配管開始流入
空氣兩秒后的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管內(nèi)的濃度分布的模擬結(jié)果的圖20是表示比較例2的燃料電池組起動(dòng)時(shí)、從供給氣體配管開始流入
空氣兩秒后的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管內(nèi)的濃度分布的模擬結(jié)果的圖21是表示實(shí)施例1的燃料電池組起動(dòng)時(shí)、從供給氣體配管開始流入
空氣兩秒后的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管內(nèi)的濃度分布的模擬結(jié)果的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的燃料電池組是固體高分子型的燃料電池組，包含層疊的多個(gè) 燃料電池單元。層疊的多個(gè)燃料電池單元優(yōu)選相互直列連接。
在各個(gè)燃料電池單元中，優(yōu)選包括1)高分子電解質(zhì)膜；2) —對電 極，其夾著所述高分子電解質(zhì)膜、由燃料極與氧極組成；3)—對分離器， 其由與所述燃料極連接且具有燃料氣體流通的流路的分離器和與氧極連接 且具有氧化劑氣體流通的流路的分離器組成；4 )燃料氣體的進(jìn)氣/排氣歧管， 其對所述燃料氣體流通的分離器流路供給燃料氣體、排出燃料氣體；5)氧 化劑氣體的進(jìn)氣/排氣歧管，其對所述氧化劑氣體流通的分離器流路供給氧 化劑氣體、排出氧化劑氣體。另外，各個(gè)燃料電池單元可以具有其他的任 意的部件。
高分子電解質(zhì)膜只要是氫離子通過、電子不通過的薄的薄膜狀的膜即 可，并無特別限定。 一般情況下使用氟樹脂類的高分子膜。
夾著高分子電解質(zhì)膜的 一對電極由供給氧化劑的氧極(也稱為陰極) 和供給燃料氣體的燃料極(也稱為陽極)組成。各個(gè)電極并無特別限定， 只要是負(fù)載鉑等催化劑的碳等即可。
使分離器接觸一對電極的每一個(gè)而配置，經(jīng)由分離器供給反應(yīng)氣體。 即，優(yōu)選在配置于燃料極的分離器上形成有燃料氣體流動(dòng)的流路，在配置 于氧極的分離器上形成有氧化劑氣體流動(dòng)的流路。在分離器上形成的流路 (以下也稱為"分離器流路")的形狀并無特別限定，例如為螺旋狀。
分離器優(yōu)選具有導(dǎo)電性，只要是熱固性樹脂、熱塑性樹脂的成形物、 沖壓的金屬板等即可。在將沖壓的金屬板用作為分離器時(shí)，可以擰上突起 部或橋梁部(后述)而形成。
在形成氣體流路的各個(gè)分離器上連接有用于供給氣體的進(jìn)氣歧管及用 于排出氣體的排氣歧管(也總稱為"進(jìn)排氣用的歧管")。來自外部的氣體供 給管連接在進(jìn)氣歧管上，向外部的氣體排出管連接在排氣歧管上。
在本發(fā)明中，用于供給、排出燃料氣體的歧管及用于供給、排出氧化 劑氣體的歧管中的至少 一個(gè)歧管的內(nèi)部空間被分割成"與分離器流路連接的 空間"和"另一個(gè)空間"。但是，二者相互連通，氣體可在其中移動(dòng)。
"與分離器流路連接的空間"只要是包含歧管的與分離器流路連接的部
分的空間即可。"另一個(gè)空間"為1 )沿著外部的氣體供給管的軸線的空間 或沿著向外部的氣體排出管的軸線的空間(也稱為"供給/排出配管部")；或 者2 )使從外部供給的氣體不直接進(jìn)入與分離器流路連接的空間的延緩部的 空間或使從分離器流路排出的氣體不直接進(jìn)入到向外部的排出管的延緩部 的空間(也稱為"延緩部")。
該分割通過在歧管的內(nèi)部空間的內(nèi)壁上設(shè)置的"突起部"或"橋梁部"而 進(jìn)行。突起部不橫跨內(nèi)部空間，是從內(nèi)壁局部突出的部位。橋梁部是4黃跨 內(nèi)部空間的部4立。
所述突起部只要形成在歧管內(nèi)壁的任意位置即可，也可以形成一個(gè)或 兩個(gè)以上的突起部。若在相對的位置分別設(shè)置突起部，則形成"蜂腰"。優(yōu)選 突起部形成在歧管內(nèi)壁中、電池單元外周側(cè)的內(nèi)壁上。也就是說，優(yōu)選突 起部從外周側(cè)朝向電極側(cè)。若在外周側(cè)的內(nèi)壁上設(shè)置突起部，則與在內(nèi)周 側(cè)的內(nèi)壁上設(shè)置突起部的情況相比，由燃料電池的反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量難以 向外部排放。因此，該熱量能有效地回收，有助于熱電聯(lián)合化。
所述橋梁部是橫跨歧管內(nèi)部空間的部位，但與分離器流路連接的空間 并沒有與另一個(gè)空間完全斷開，具有用于使二者連通的部分(氣體通過部 分)。
所述突起部或橋梁部控制從外部供給的氣體向歧管內(nèi)部空間中的"與 分離器流路連接的空間"的流入。所述流入的控制根據(jù)突起部或橋梁部的結(jié) 構(gòu)而進(jìn)行。例如可以考慮以下方式，并無特別限定。
1)突起部或橋梁部通過調(diào)整大小(例如突起部的高度)，進(jìn)而調(diào)整通
過與分離器流路連接的空間的部分的面積，控制所述流入(參照圖3、圖5、 圖7等)
"橋梁部的大小"例如是指"與長度方向垂直的剖面面積的大小"，"突起 部的大小"例如是指"從歧管突出的突起的體積"，"突起部的高度"例如是指 "從歧管內(nèi)壁向突出方向的突起的長度"，無論哪一種、只要調(diào)整與分離器流 路連接的空間的通過部分的面積的大小，其方式?jīng)]有限定。
2) 通過將突起部或橋梁部形成為板狀的整流板并調(diào)整其配置角度，從 而控制所述流入(參照圖8 ~圖9等)。
3) 將突起部或橋梁部的一部分增厚，使其增厚的一部分形成為側(cè)方具 有吹氣口的管狀結(jié)構(gòu)。將增厚的一部分彼此連接作為配管，連接來自外部 的氣體管。通過調(diào)整所述側(cè)方的吹氣口的面積，控制所述流入(參照圖10 ~ 圖13等)。
突起部或橋梁部優(yōu)選形成在用于供給氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管和供給燃 料氣體的進(jìn)氣歧管的任一方或雙方上，但也可以形成在用于排出氧化劑氣 體或燃料氣體的排氣歧管上。若在排氣歧管上設(shè)置突起部或橋梁部，則可 以使各個(gè)電池單元的從分離器流路排出氣體的時(shí)刻偏差降低。
突起部或橋梁部可以設(shè)置在分離器上形成的歧管上，但優(yōu)選設(shè)置在形 成于收納MEA的"框體"的歧管上。MEA是包含高分子電解質(zhì)膜和一對電 極的復(fù)合體，該一對電極夾著高分子電解質(zhì)膜、由燃料極和氧極組成。MEA 被收納在框體中，優(yōu)選被框體包圍。在框體中收納的MEA的兩面上配置分 離器。
下面，將MEA與收納其的框體一體化的部件稱為"框體一體型MEA"。 框體通常為樹脂制造的，樹脂的例中包含聚丙烯等。在框體上形成有
用于供給、排出燃料氣體的歧管和用于供給、排出氧化劑氣體的歧管。進(jìn)
而，在框體上也可以形成用于使冷卻液流動(dòng)的歧管等。
優(yōu)選在收納MEA的框體上形成的歧管中的用于供給、排出燃料氣體的
歧管(優(yōu)選進(jìn)氣歧管)和用于供給、排出氧化劑氣體的歧管(優(yōu)選進(jìn)氣歧
管)至少一個(gè)歧管的內(nèi)部空間，通過設(shè)置在其內(nèi)壁上的突起部或橋梁部而
被分割。
突起部可以具有一個(gè)或兩個(gè)以上的切口 (參照圖6)，在該切口處切斷 而可將突起部前端除去。如后所述，本發(fā)明的燃料電池組根據(jù)層疊的電池。因此，在突起部形成切口，通過適當(dāng)調(diào)整突起 的高度進(jìn)行層疊，可以容易地制造本發(fā)明的燃料電池組。
優(yōu)選在框體一體型MEA的框體上一體地形成密封材料。密封材料包圍 歧管和MEA,防止歧管中流動(dòng)的流體物漏到外部。
框體一體型MEA的框體只要不損害本發(fā)明的效果，可以用任意的方法 進(jìn)行制造，但優(yōu)選用注塑成形法進(jìn)行制造。注塑成形法是將從澆注口流入 到模具的熔融樹脂固化而得到所希望的成形物的方法。在所述框體的歧管 的內(nèi)壁上形成突起部或橋梁部時(shí)，優(yōu)選在該突起部或橋梁部的一部分上設(shè) 置澆注口。關(guān)于注塑成形，由于流入到模具的樹脂的流動(dòng)限定在一個(gè)方向 就可以穩(wěn)定成形，因此，優(yōu)選在突起部上設(shè)置澆注口的方式。
一般，在注塑成形后的成形物上形成殘留澆注口，因此，需要除去該 殘留澆注口。但是，若將澆注口設(shè)置在所述突起部或橋梁部上，則即Y吏在 所述突起部或橋梁部上殘留澆注口也沒有問題，因此，不再需要該除去工 序，可以縮筒工序數(shù)、縮短制作時(shí)間。
本發(fā)明的燃料電池組包含層疊的多個(gè)電池單元，但在各個(gè)電池單元的 進(jìn)氣歧管上形成的突起部或橋梁部的結(jié)構(gòu)不同。即，每個(gè)電池單元中，反 應(yīng)氣體流入進(jìn)氣歧管的"與分離器流路連接的空間"的難易程度不同。
優(yōu)選在本發(fā)明的燃料電池組所包含的層疊的電池單元中、所述流入最 難的電池單元是在內(nèi)部層疊的電池單元。在內(nèi)部層疊的電池單元優(yōu)選為從 自外部的反應(yīng)氣體(燃料氣體或氧化劑氣體)供給側(cè)到整個(gè)層疊單元中一 半之間的電池單元，更加理想的是為從供給側(cè)到四分之一 附近的內(nèi)部層的 電池單元。
對于包含層疊的多個(gè)電池單元的燃料電池組，本發(fā)明者有如下的發(fā)現(xiàn) 即，從外部氣體供給管向進(jìn)氣歧管供給的氣體在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)自供給側(cè)到 二分之一的內(nèi)部層的電池單元的進(jìn)氣歧管，特別是，以最短時(shí)間到達(dá)自供 給側(cè)到四分之一附近的電池單元?；谠撘娊?，通過使從供給側(cè)到二分之 一的內(nèi)部層的電池單元的向"與分離器流路連接的空間"的氣體流入變得困 難，可以在短時(shí)間內(nèi)將均勻的氣體供給到全部電池單元。
本發(fā)明的燃料電池組顯然是層疊的各個(gè)電池單元的進(jìn)排氣歧管各自的 供給/排出配管部相互連通，但更加理想的是，進(jìn)排氣歧管各自的"與分離器 流路連接的空間"也相互連通。若使"與分離器流^各連接的空間"相互連通，
則能夠進(jìn)一步促進(jìn)供給的氣體的均勻化、整流化。
行，另一方面，優(yōu)選將各個(gè)電池單元的平面不設(shè)置成與鉛垂線垂直。進(jìn)而， 燃料電池組優(yōu)選設(shè)置成使形成所述突起部或橋梁部的歧管的"與分離器流路 連接的空間"相對于重力方向比"另一個(gè)空間(例如供給/排出配管部)"更靠 上方而設(shè)置。從外部供給的反應(yīng)氣體所含有的水分在歧管處結(jié)露時(shí)，抑制 其水分流入到分離器流路，防止在分離器流路中存留水分。 下面，參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。 (實(shí)施方式1 )
在圖1中表示框體一體型MEA的例子。圖1A是從陰極面?zhèn)扔^察到的 框體一體型MEA1的正面圖，圖1B是從陽極面?zhèn)扔^察到的框體一體型 MEA1的正面圖。
在圖1A及圖1B中，在MEA2的周圍成形有框體3。在框體3上形成 有密封件4 (圖1A )及密封件4'(圖IB )。密封件4包含供給/排出氧化劑 氣體的陰極側(cè)歧管5/5'和MEA2而形成，但不形成在將陰才及側(cè)歧管5/5'與 MEA2連接的部分6上(圖1A)。另外，密封件4'包含供給/排出燃料氣體 的陽極側(cè)歧管7/7'和MEA2而形成，但不形成在將陽極側(cè)歧管7/7'與MEA2 連接的部分6'上(圖1B)。密封件4/4'防止氣體泄漏。另外，纏繞冷卻水歧 管8、 8'而形成密封件，抑制冷卻水向外部泄漏。
在陰極側(cè)進(jìn)氣歧管5的內(nèi)面壁的一部分上設(shè)有突起部9A,突起部9A 從外周側(cè)向MEA2側(cè)突出。突起部9A將歧管5的內(nèi)部空間分割成與分離器 流路連接的空間5B和供給/排出配管部5A而配置。
在陽極側(cè)進(jìn)氣歧管7的內(nèi)面壁的一部分上也設(shè)置突起部9B，突起部9B 從外周側(cè)向MEA2側(cè)突出。突起部9B將歧管7的內(nèi)部空間分割成與分離器 流路連接的空間7B和供給/排出配管部7A而配置。
所述MEA2的大小例如為縱向150mm、橫向150mm?？蝮w3的大小例 如為縱向220mm、橫向220mm,其材料為聚丙烯等樹脂。密封件4由兩色 成形氟橡"交而形成。
圖2A是陰極側(cè)分離器IO的陰極側(cè)正面圖，圖2B是陽極側(cè)分離器10' 的陽極側(cè)正面圖，在10及10'上形成氣體流路11、 11'。
使圖2A的陰極側(cè)分離器10的陰極面與圖1A中表示的框體一體型MEA1的陰極面抵接，進(jìn)而，使圖2B的陽極側(cè)分離器10'的陽極面與圖1B 中表示的框體一體型MEA1的陽極面抵接，制成電池單元。
圖3表示層疊有多個(gè)電池單元的燃料電池組100。層疊的電池單元的各 突起部9A的高度不是一定的，而是具有梯度。即，突起部9A的高度在某 內(nèi)部層的電池單元最大，隨著接近各表面層的電池單元而變小。即，氣體 從歧管的供給/排出配管部5A向與分離器流路連接的空間5B通過的部分隨 著從來自外部的氣體供給配管12的連接位置向電池單元的層疊方向前進(jìn)而 逐漸變小，在某內(nèi)部層的電池單元變得最小，若進(jìn)一步向前則逐漸地變大。
層疊的電池單元的各突起部9B的高度也不是一定的，同樣具有梯度。 (實(shí)施方式2)
圖4是框體一體型MEA1的另 一 實(shí)施例的陰極側(cè)的正面圖。
在陰極側(cè)進(jìn)氣歧管5的內(nèi)面壁上設(shè)有向框體的外側(cè)突出的突起部9A。 突起部9A將進(jìn)氣歧管5分割成供給/排出配管部5A和與分離器流路連接的 空間5B而配置。同樣地，在陽極側(cè)進(jìn)氣歧管7的內(nèi)面壁上也設(shè)有向框體的 外側(cè)突出的突起部9B。其他的標(biāo)記與圖1的標(biāo)記對應(yīng)。
在圖5中表示含有圖4所示的框體一體型MEA的電池單元被層疊的燃 料電池組IOO。層疊的電池單元的各個(gè)突起部9A的高度不是一定的，而是 具有梯度。即，突起部9A的高度在某內(nèi)部層的電池單元最大，隨著接近各 自表面層的電池單元而變小。即，氣體從歧管的供給/排出配管部5A向與 分離器流路連接的空間5B通過的部分隨著從來自外部的氣體供給配管12 的連接位置向電池單元的層疊方向前進(jìn)而逐漸變小，在某內(nèi)部層的電池單 元變得最小，若進(jìn)一步向前則逐漸地變大。
層疊的電池單元的各突起部9B的高度也不是一定的，同樣具有梯度。 (實(shí)施方式3 )
圖6是供給氣體的進(jìn)氣歧管的例的放大圖。
在突起部9A上設(shè)有多個(gè)切口 9C。在切口 9C處，可以將突起部的前端 切斷。若在框體一體型MEA的框體的突起部9A上設(shè)置切口 9C,則可4艮據(jù) 層疊的電池單元的層疊順序，將切口 9的一個(gè)切斷來調(diào)整突起部的長度。
因此，對氣體從供給/排出配管部5A向與分離器流路連接的空間5B通 過的部分進(jìn)行調(diào)整變得容易，如圖3或圖5所示，容易形成梯度。 (實(shí)施方式4 )
圖7是層疊含有框體一體型MEA的電池單元的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn) 氣歧管的放大圖。在圖7中，框體一體型MEA的框體的歧管與分離器的歧 管相互緊密接合?？蝮w一體型MEA的框體具有橋梁部9D,分離器具有橋
梁部9E。
橋梁部9D和橋梁部9E將歧管分割成供給/排出配管部5A、及與分離 器流路連接的空間5B (在與分離器流路連接的空間5B中具有分離器流路 與歧管的連接部6 )。在橋梁部9D上具有氣體流路9F，使供給/排出配管部 5A和與分離器流路連接的空間5B連通。
形成在橋梁部9D的氣體流路9F的面積不是一定的，而是具有梯度。 使某內(nèi)部層的電池單元的氣體流路9F的面積最小，隨著接近各表面層的電 池單元而變大。即，隨著從來自外部的氣體供給配管的連接位置向電池單 元的層疊方向前進(jìn)，氣體流路9F的面積逐漸變小，在某內(nèi)部層的電池單元 最小，若進(jìn)一步前進(jìn)則逐漸地變大。 (實(shí)施方式5 )
圖8是層疊含有框體一體型MEA的電池單元的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)
氣歧管的放大圖。
形成在框體一體型MEA的框體上的突起部9G形成截面為板狀的整流 板。整流板的長軸方向14與電池單元的層疊方向15的角度16根據(jù)層疊的 電池單元而不一定，具有梯度。即，角度16在某內(nèi)部層的電池單元最小， 隨著接近各表面層的電池單元而變大。即，隨著從來自外部的氣體供給配 管的連接位置向電池單元的層疊方向前進(jìn)，角度16逐漸變小，在某內(nèi)部層 的電池單元最小，若進(jìn)一步向?qū)盈B方向前進(jìn)時(shí)則逐漸地變大。 (實(shí)施方式6 )
圖9是層疊含有框體一體型MEA的電池單元的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn) 氣歧管的放大圖。
形成在框體一體型MEA的框體上的橋梁部9H形成截面為板狀的整流 板。整流板的長軸方向14與電池單元的層疊方向15的角度16根據(jù)層疊的 電池單元而不一定，具有梯度。即，角度16在某內(nèi)部層的電池單元最小， 隨著接近各表面層的電池單元而變大。即，隨著從來自外部的氣體供給配 管的連接位置向電池單元的層疊方向前進(jìn)，角度16逐漸變小，在某內(nèi)部層 的電池單元最小，若進(jìn)一步向?qū)盈B方向前進(jìn)則逐漸地變大。
(實(shí)施方式7)
圖IO是層疊含有框體一體型MEA的電池單元的燃料電池組的陰極側(cè) 進(jìn)氣歧管的放大圖。
形成在框體一體型MEA的框體上的突起部91的前端在層疊方向上比 前端以外的部分厚，在中央具有孔9J。孔9J的截面為大致圓形。突起部91 的前端部彼此緊密接合而形成配管9K,在形成的配管9K的層疊方向末端 連接有來自外部的氣體供給配管。5A的空間作為緩沖部起作用，該緩沖部 用于使來自外部的供給氣體不急速地進(jìn)入5B。
另夕卜，在形成的配管9K的側(cè)面設(shè)有氣體的吹氣口 9L。吹氣口 9L的面 積根據(jù)層疊的電池單元而不一定，具有梯度。即，吹氣口9L的面積在某內(nèi) 部層的電池單元最小，隨著接近各表面層的電池單元而變大。即，隨著從 來自外部的氣體供給配管的連接位置向電池單元的層疊方向前進(jìn)，吹氣口 9L的面積逐漸變小，在某內(nèi)部層的電池單元最小，若進(jìn)一步向?qū)盈B方向前 進(jìn)則逐漸地變大。
(實(shí)施方式8)
圖11是層疊含有框體一體型MEA的電池單元的燃料電池組的陰極側(cè) 進(jìn)氣歧管的放大圖。
形成在框體一體型MEA的框體上的橋梁部9M的中央部在層疊方向上 比中央部以外的部分厚，在中央具有孔9J?？?J的截面為大致圓形。橋梁 部9M的中央部彼此緊密接合而形成配管9N,在形成的配管9N的層疊方 向的末端連接有來自外部的氣體供給管。5A的空間作為緩沖部起作用，該 緩沖部用于使來自外部的供給氣體不急速地進(jìn)入5B。
另外，在形成的配管9N的側(cè)面設(shè)有氣體的吹氣口 9L。吹氣口 9L的面 積根據(jù)層疊的電池單元而不一定，具有梯度。即，吹氣口9L的面積在某內(nèi) 部層的電池單元最小，隨著接近各表面層的電池單元而變大。即，隨著氣 體供給配管的連接位置向電池單元的層疊方向前進(jìn)，吹氣口 9L的面積逐漸 變小，在某內(nèi)部層的電池單元最小，若進(jìn)一步向?qū)盈B方向前進(jìn)則逐漸地變 大。
(實(shí)施方式9)
圖12是層疊含有框體一體型MEA的電池單元的燃料電池組的陰極側(cè) 進(jìn)氣歧管的放大圖。
形成在框體一體型MEA的框體上的突起部91的前端部在層疊方向上 比前端部以外的部分厚，在中央具有孔9J?？?J的截面為大致圓形。突起 部91的中央部彼此緊密接合而形成配管9K，在形成的配管9K的層疊方向 的末端連接有來自外部的氣體供給管。
另外，在形成的配管9K的側(cè)面i殳有氣體的吹氣口 9L，吹氣口 9L朝向 圖中下側(cè)、即、與分離器連接的空間5B相反的方向。來自外部的供給氣體 一旦進(jìn)入5A (緩沖部)之后，向5B移動(dòng)，因此，整流效果好。吹氣口 9L 的面積根據(jù)層疊的電池單元而不是一定的，具有梯度。即，吹氣口9L的面 積在某內(nèi)部層的電池單元最小，隨著接近各表面層的電池單元而變大。即， 隨著氣體供給配管的連接位置向電池單元的層疊方向前進(jìn)，吹氣口 9L的面 積逐漸變小，在某內(nèi)部層的電池單元最小，若進(jìn)一步向?qū)盈B方向前進(jìn)則逐 漸地變大。
(實(shí)施方式10)
圖13是層疊含有框體一體型MEA的電池單元的燃料電池組的陰極側(cè) 進(jìn)氣歧管的放大圖。
形成在框體一體型MEA的框體上的橋梁部9P的中央部在層疊方向上 比中央部以外的部分厚，具有孔9J?？?J的截面為大致圓形。橋梁部9P 的中央部彼此緊密接合而形成配管9Q,在形成的配管9Q的層疊方向的末 端連接有來自外部的氣體供給管。
另外，在形成的配管9Q的側(cè)面設(shè)有氣體的吹氣口 9L。吹氣口 9L朝向 圖形下側(cè)、即、與分離器流路連接的空間5B (含有與分離器流路連接的連 接部6)相反的方向。來自外部的供給氣體一旦進(jìn)入5A (緩沖部)之后， 向5B移動(dòng)，因此，整流效果好。吹氣口 9L的面積^4居層疊的電池單元而 不一定，具有梯度。即，吹氣口 9L的面積在某內(nèi)部層的電池單元最小，隨 著接近各表面層的電池單元而變大。即，隨著從來自外部的氣體供給配管 的連接位置向電池單元的層疊方向前進(jìn)，吹氣口 9L的面積逐漸變小，在某 內(nèi)部層的電池單元最小，若進(jìn)一步前進(jìn)則逐漸地變大。 (實(shí)施方式11 )
圖14及圖15表示框體一體型MEA的例子。在圖14的框體一體型MEA 的歧管的內(nèi)壁上形成突起部9R，在圖15的框體一體型MEA的歧管的內(nèi)壁
上形成橋梁部9T。
如前所述，框體3通過注塑成形法而制作，但優(yōu)選將注塑成形的淺注
口作為歧管的突起部9R的前端9S，將樹脂注入到模具內(nèi)(參照圖14)。同 樣地，優(yōu)選將注塑成形的澆注口作為歧管的橋梁部9T的中央部9S，將樹脂 注入到模具內(nèi)(參照圖15)。
這時(shí)，優(yōu)選澆注口 9S的層疊方向的高度hl與框體的厚度大致為相同 的尺寸，而且，不超過陽極側(cè)分離器與陰極側(cè)分離器的厚度之和。
實(shí)施例 (實(shí)施例1 )
在乙炔黑類碳粉末中，負(fù)載25重量％的平均顆粒度約為30A的鉑顆粒， 作為陰極催化劑。另外，在乙炔黑類碳粉末中，負(fù)載25重量％的平均顆粒 度約為30A的柏-釕合金顆粒，作為陽極催化劑。
使這些粉末分別分散到異丙醇中，與全氟碳磺酸樹脂粉末的乙醇分散 液混合而得到糊劑。利用網(wǎng)板印刷法將得到的糊劑分別涂敷在厚度為250|mi 的碳不織造布的各個(gè)面上而形成催化劑層。得到的各個(gè)電極的催化劑層中 包含的催化劑金屬的量為0.3mgc/m2，全氟碳磺酸樹脂的量為1.2mgc/m2。
這些電極(陰極、陽極)除催化劑材料以外都為相同的結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)備具 有比這些電極大一 圏的面積的高分子電解質(zhì)膜。高分子電解質(zhì)膜為薄膜化 至30pm厚的全氟碳磺酸樹脂。
在高分子電解質(zhì)膜的中央部的各個(gè)面上分別配置有所述電極(陰極、 陽極)。將切成所規(guī)定的大小的厚度為250pm的氟橡膠薄片夾著在電極外周 部露出的電解質(zhì)膜而配置在兩側(cè)，通過熱沖壓使其接合成一體化，從而制
作m];a。
制作圖1所示的框體一體型MEA和圖2所示的分離器。 框體一體型MEA的框體的陰極側(cè)歧管形成為寬度為10mm、長度為 30mm、四個(gè)拐角的R為15的長圓形，陽^l側(cè)^支管形成為寬度為10mm、 長度為20mm、四個(gè)拐角的R為15的長圓形。將這些進(jìn)氣歧管配置成在重 力方向縱向伸長。
另外，在進(jìn)氣歧管的外側(cè)內(nèi)壁上，在歧管與電極的連接部分6的最下 位置，形成朝向電極側(cè)的突起部9A、 9B。突起部的寬度為1.5mm。突起部 以每隔2mm的方式制成長度為3mm、 5mm、 7mm、 9mm的四種。
將導(dǎo)電性陰極分離器、框體一體型MEA、導(dǎo)電性陽極分離器層疊而組
裝電池單元。層疊50個(gè)電池單元。從來自外部的氣體供給配管的連接部朝 向?qū)盈B方向、使全部層疊體的四分之一 的電池單元的歧管的突起部的長度 為最大而具有梯度。
利用由表面鍍金的銅板構(gòu)成的集電板夾持得到的層疊體，進(jìn)而，利用 聚苯硫醚制的絕緣板進(jìn)行夾持，進(jìn)一步，利用不銹鋼制的端板進(jìn)行夾持。 利用連接棒將兩端板連接而得到電池組。此時(shí)，電極單位面積的連接壓力 為100N/cm2。在集電板上連接電纜而能夠得到電能。不銹鋼板的端板確保 電池組的強(qiáng)度。
使分離器的板面與垂直方向平行，且冷卻水的入口歧管8相對于重力 方向靠上方而設(shè)置電池組。反應(yīng)氣體在分離器上形成的螺旋型氣體流路(由 水平方向的直線部與拐彎部構(gòu)成)中、沿重力方向向下流動(dòng)。
(比專支例1 )
除了實(shí)施例1的燃料電池組的框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管及陽 極側(cè)進(jìn)氣歧管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成為圖16所示的結(jié)構(gòu)以外，通過相同的方法制 作燃料電池組。即，在比較例1的燃料電池組的歧管的內(nèi)壁上沒有突起或 橋梁部。反應(yīng)氣體沿著軸線13從紙面前方朝向后方供給，通過電極與歧管 的連接部6 ，被分配供給到各個(gè)電池單元的電極。 (t匕專交如j 2 )
除了實(shí)施例1的燃料電池組的框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管及陽 極側(cè)進(jìn)氣歧管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成為圖17所示的結(jié)構(gòu)以外，通過相同的方法制 作燃料電池組。即，在比較例2的燃料電池組的歧管的內(nèi)壁上設(shè)有突起部 9A。全部的電池單元的突起部9A的長度均為7mm。反應(yīng)氣體沿著軸線13 從紙面前方朝向后方而被供給到供給/排出配管部5A，供給到5A的氣體向 與分離器流路連接的空間5B移動(dòng)，進(jìn)而從電極與歧管的連接部6被分配供 給到電極。
(t匕舉交侈'j 3 )
除了比較例2的燃料電池組的框體一體型MEA的結(jié)構(gòu)形成為圖18所 示的結(jié)構(gòu)以外，通過相同的方法制作燃料電池組。即，與分離器流路連接 的空間5B在重力方向上配置在比供給/排出側(cè)5A更靠下方的位置。反應(yīng)氣 體從紙面前方向后方被供給到供給/排出配管5A的部分，通過突起部9A移 動(dòng)到與分離器流路連接的空間5B，進(jìn)而從電極與歧管的連接部6被分配供
給到電極。
由露點(diǎn)為75。C的100%的氮充滿比較例1、比較例2及實(shí)施例1的高分 子電解質(zhì)膜型燃料電池的陰極側(cè)進(jìn)氣/排氣歧管及陰極側(cè)分離器流路。從保 持75。C的狀態(tài)，使露點(diǎn)為75。C的空氣從氣體供給配管流入。將經(jīng)過兩秒之 后的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管中的濃度分布的模擬結(jié)果表示在圖19 (比較例1 )、圖 20 (比較例2 )、圖21 (實(shí)施例1 )中。
圖19 (比較例1)的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管中，從氣體供給配管入口 (圖中 左邊)朝向?qū)盈B方向進(jìn)深側(cè)(圖中右邊)、在大約四分之一的部位流入空氣 集中流入，在氣體供給配管入口附近(圖中左端)與層疊方向進(jìn)深側(cè)(圖 中右端)產(chǎn)生渦流，空氣的流入產(chǎn)生停滯，特別是在層疊方向進(jìn)深側(cè)(圖 中右端)依然滯留有高濃度的氮。
圖20 (比較例2)的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管中，看不到在比較例1中看到的 空氣的集中流入。這是由于通過在歧管內(nèi)壁上設(shè)置的突起部9A,在重力方 向的下方部分(供給/排出配管部)充分地進(jìn)行供給空氣的靜壓恢復(fù)之后， 空氣從9 A彼此的間隙流入到重力方向的下方部分(與分離器流路連接的空 間)，故而抑制在層疊方向的偏流產(chǎn)生。但是，在氣體供給配管入口附近(圖 中左端)、層疊方向進(jìn)深側(cè)(圖中右端)以及層疊方向中央部附近(圖中中 央)產(chǎn)生渦流，依然可以看到濃度的偏差。
比較例3的模擬結(jié)果(未圖示)也與圖20相同。但是，在發(fā)電實(shí)驗(yàn)中， 在氣體供給配管的連接位置附近的電池單元，電壓不穩(wěn)定，特別是在流量 少的低負(fù)載運(yùn)行時(shí)，確認(rèn)到該現(xiàn)象顯著出現(xiàn)。這是由于連接氣體供給配管 的軸線自放電部分離開而導(dǎo)致歧管內(nèi)壁的溫度變得比氣體溫度低，由此容 易產(chǎn)生結(jié)露水。另外，由于與分離器流路連接的空間5B在重力方向上位于 氣體供給/排出管側(cè)5A的下方，故而產(chǎn)生的結(jié)露水的一部分容易浸入到分 離器流路中，使流路堵塞。
圖21 (實(shí)施例1)的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管中，看不到在比較例1中看到的 空氣的集中流入，另外，也幾乎看不到在比較例2中看到的氣體供給配管 入口附近(圖中左端)和層疊方向進(jìn)深側(cè)(圖中右端)的濃度偏差。
這是由于通過在歧管內(nèi)壁上設(shè)置的突起部9A,在重力方向的下方部分 (供給/排出配管部)充分地進(jìn)行供給空氣的靜壓恢復(fù)，進(jìn)而抑制由各個(gè)電 池單元產(chǎn)生的被靜壓的空氣向分離器流路連接部移動(dòng)的時(shí)間偏差。
該時(shí)間偏差的抑制是由于在最容易受到動(dòng)壓的部位、即在從氣體供給 配管入口 (圖中左側(cè))朝向?qū)盈B方向進(jìn)深側(cè)(圖中右側(cè))大約四分之一的
部位、突起部9A的長度為最長而朝向前邊或里邊成梯度變化。從這些結(jié)果 確認(rèn)了本發(fā)明的有效性。 (實(shí)施例2 )
在實(shí)施例2中，除了框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的突起部為下 面所示的突起部以外，與實(shí)施例l相同而制作燃料電池組。
在歧管內(nèi)壁的歧管與電極的連接部分6的最下位置形成有朝向外側(cè)的 突起部9A、 9B(參照圖4)。突起部的9A、 9B的寬度為1.5mm。該突起部 以每隔2mm的方式制成長度為3mm、 5mm、 7mm、 9mm的四種。
從來自外部的氣體供給配管入口向?qū)盈B方向、使全部層疊體的四分之 一的電池單元的歧管的突起部的長度最大并成梯度變化。 (實(shí)施例3 )
在實(shí)施例3中，除了框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的突起部為下 面所示的突起部以外，與實(shí)施例l相同而制作燃料電池組。
在歧管內(nèi)壁的歧管與電極的連接部分6的最下位置形成朝向外側(cè)的突 起部9A、 9B。突起部的9A、 9B的寬度為1.5mm。該突起部的長度為9mm， 在從突起前端起2mm、4mm及6mm的位置形成寬度為0.3mm、深度為0.5mm 的楔形切口 (參照圖6)。
在層疊電池組時(shí)，根據(jù)層疊的順序，選擇上述切口中的0個(gè)或一個(gè)， 乂人該處將前端切除，將突起部的長度調(diào)整為為9mm、 7mm、 5mm或3mm。
這樣，電池單元的層疊體的從氣體供給配管入口向?qū)盈B方向、使全部 層疊體的四分之一的電池單元的歧管的突起部的長度為最大并成梯度變化。
在實(shí)施例3的燃料電池組的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管內(nèi)的濃度分布的模擬中， 確認(rèn)到與實(shí)施例2同樣地歧管內(nèi)的濃度大致均勻。若與實(shí)施例1相比，則 實(shí)現(xiàn)了模具制作費(fèi)用的大幅削減和包含模具的更換時(shí)間等的制作時(shí)間的大 幅縮短。
(實(shí)施例4 )
在實(shí)施例4中，除了框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的突起部為以 下所示的橋梁部以外，與實(shí)施例l相同而制作燃料電池組。
在歧管內(nèi)壁的連接歧管與電極的部分6的下方設(shè)有寬度為1.5mm的橋 梁部。在該橋梁部上形成有進(jìn)深為1.5mm的矩形孔9F (參照圖7)。矩形孔 9F的長度為2mm、 4mm、 6mm或8mm。
并且，從來自外部的氣體供給配管入口向?qū)盈B方向、使全部層疊體的 四分之一的電池單元的歧管的橋梁部的矩形孔長度為最小并成梯度變化。 在實(shí)施例4中確認(rèn)到與實(shí)施例2相比，已封入的氮與空氣的交換時(shí)間變 長，但是，歧管內(nèi)的濃度分布變得更加均勻。 (實(shí)施例5 )
在實(shí)施例5中，除了框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的突起部為如 下所示的突起部以外，與實(shí)施例1相同地制作燃料電池組。
在歧管內(nèi)壁形成有朝向外側(cè)的突起部9G (參照圖8)。突起部9G的截 面形成長軸為1.5mm、短軸為0.5mm的橢圓。橢圓的長軸與層疊方向形成 的角度為卯度、60度、30度、0度。
并且，從來自外部的氣體供給配管入口朝向?qū)盈B方向、使全部層疊體 的四分之一的電池單元的歧管的突起部的所述角度為最小并成梯度變化。
在實(shí)施例5中確認(rèn)到利用具有橢圓截面的突起的整流作用，不會(huì)產(chǎn) 生如實(shí)施例4所述地已封入的氮與空氣的交換的延遲，而且，歧管內(nèi)的濃 度分布比實(shí)施例1更加均勻。 (實(shí)施例6)
在實(shí)施例6中，除了框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的突起部為如 下所示的橋梁部以外，與實(shí)施例l相同地制作燃料電池組。
在歧管內(nèi)壁的連接電極與歧管的部分6的下部設(shè)有橋梁部9H (參照圖 9)。橋梁部9H的截面形成長軸為1.5mm、短軸為0.5mm的橢圓，寬度為 1.5mm。橢圓的長軸與層疊方向形成的角度為90度、60度、30度、0度。
并且，從來自外部的氣體供給配管入口朝向?qū)盈B方向、全部層疊體的 四分之一的電池單元的歧管的突起部的所述角度為最小，具有坡度。
在實(shí)施例6中確認(rèn)到利用橢圓截面的突起的整流作用，不會(huì)產(chǎn)生如 實(shí)施例5那樣已封入的氮與空氣的交換的延遲，而且，歧管內(nèi)的濃度分布 比實(shí)施例1更加均勻。另外，在實(shí)施例6中，與實(shí)施例5相比，橋梁部的 剛性高，框體一體型MEA成形后的變形小，可以防止組裝時(shí)的錯(cuò)位。 (實(shí)施例7)
在實(shí)施例7中，除了框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的突起部為如 下所示的突起部以外，與實(shí)施例l相同地制作燃料電池組。
在歧管內(nèi)壁形成朝向外側(cè)的寬度為1.5mm的突起部91 (參照圖10)。 在突起部91的前端形成管，該管的外徑為5mm，內(nèi)徑為3mm,長度大約比 框體一體型MEA與分離器的厚度之和(9mm )短0.05mm。
在該管的上面設(shè)置矩形的孔9L,該孔9L的寬度為3mm,長度為7mm、 5mm、 3mm或lmm。
使這些管大致連接而層疊各個(gè)電池單元。并且，從來自外部的氣體供 給配管入口朝向?qū)盈B方向、全部層疊體的四分之一的電池單元的歧管的孔 的長度為最小，具有坡度。
在實(shí)施例7中確認(rèn)到利用管孔9J的分配作用，已封入的氮與空氣以 比實(shí)施例1更短的時(shí)間進(jìn)行交換，而且，與實(shí)施例1同樣地歧管內(nèi)的濃度 分布變得更加均勻。 (實(shí)施例8 )
在實(shí)施例8中，除了框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的突起部為如 下所示的橋梁部以外，與實(shí)施例l相同地制作燃料電池組。
在歧管內(nèi)壁的連接電極與歧管的部分6的下部形成寬度為1.5mm的橋 梁部9M(參照圖11)。在橋梁部9M的中央部形成管。該管的外徑為5mm， 內(nèi)徑為3mm，長度大約比框體一體型MEA與分離器的厚度之和(9mm ) 短0.05mm。
在該管的上面設(shè)置矩形的孔9L,該孔9L的寬度為3mm，長度為7mm、 5mm、 3mm或lmm。
使這些管大致連接而層疊各個(gè)電池單元。并且，從來自外部的氣體供 給配管入口朝向?qū)盈B方向、全部層疊體的四分之一的電池單元的歧管的孔 的長度為最小，具有坡度。
在實(shí)施例8中確認(rèn)到與實(shí)施例6同樣地，利用管孔9J的整流作用， 已封入的氮?dú)馀c空氣以比實(shí)施例1更短的時(shí)間完成交換，而且，與實(shí)施例1 同樣地歧管內(nèi)的濃度分布變得更加均勻。另外，在實(shí)施例8中，與實(shí)施例7 相比，橋梁部的剛性高，框體一體型MEA成形后的變形小，可以防止組裝 時(shí)的錯(cuò)位。
(實(shí)施例9 )
在實(shí)施例9中，除了框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的突起部為如 下所示的突起部以外，與實(shí)施例1同樣地制作燃料電池組。
在歧管內(nèi)壁的連接電極與歧管的部分6的下方形成有寬度為1.5mm的 突起部91 (參照圖12)。在突起部91的前端形成管。該管的外徑為5mm, 內(nèi)徑為3mm，長度大約比框體一體型MEA與分離器的厚度之和(9mm ) 短0.05mm。在該管的下面設(shè)置矩形的孔9L，該孔9L的寬度為3mm,長度 為7mm、 5mm、 3mm或lmm。
使這些管連接而層疊各個(gè)電池單元。并且，從來自外部的氣體供給配
管入口朝向?qū)盈B方向、^吏全部層疊體的四分之一 的電池單元的》支管的孔的 長度為最小并成梯度變化。
在實(shí)施例9中確認(rèn)到與實(shí)施例6同樣地，利用管孔9J的分配作用， 已封入的氮與空氣以比實(shí)施例1更短的時(shí)間完成交換，而且，與實(shí)施例1 同樣地歧管內(nèi)的濃度分布變得更加均勻。另外，在實(shí)施例9中確認(rèn)到與 實(shí)施例7相比，通過利用供給氣體的動(dòng)壓將在橋梁部下面滯留的氣體排出 的作用，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)供給到各個(gè)電池單元的氣體濃度變化減小，可以 抑制電壓的波動(dòng)、能夠更加穩(wěn)定地運(yùn)行。 (實(shí)施例10)
在實(shí)施例10中，除了框體一體型MEA的陰極側(cè)進(jìn)氣歧管的突起部為 如下所示的橋梁部以外，與實(shí)施例1同樣地制作燃料電池組。
在歧管內(nèi)壁的連接電極與歧管的部分6的下方形成寬度為1.5mm的橋 粱部9P(參照圖13)。在橋梁部9P的中央形成管。該管的外徑為5mm，內(nèi) 徑為3mm,長度大約比框體一體型MEA與分離器的厚度之和(9mm )短 0.05mm。在該管的下面設(shè)置矩形的孔9L,該孔9L的寬度為3mm，長度為 7mm、 5mm、 3mm或lmm。
使這些管大致連接而層疊各個(gè)電池單元。并且，從來自外部的氣體供 給配管入口朝向?qū)盈B方向、使全部層疊體的四分之一的電池單元的歧管的 孔的長度為最小并成梯度變化。
在實(shí)施例10中確認(rèn)到與實(shí)施例6同樣地，利用管孔9J的分配作用， 已封入的氮與空氣以比實(shí)施例1更短的時(shí)間完成交換，而且，與實(shí)施例1 相同地歧管內(nèi)的濃度分布變得更加均勻。
進(jìn)而，在實(shí)施例10中確認(rèn)到與實(shí)施例8相比，通過利用供給氣體的
動(dòng)壓將在橋梁部下方滯留的氣體排出的作用，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)供給到各個(gè) 電池單元的氣體濃度變化減小，可以抑制電壓的波動(dòng)、能夠更加穩(wěn)定地運(yùn)行。
(實(shí)施例11 )
實(shí)施例11的框體一體型MEA的框體以聚丙烯(PP)樹脂為原料、使 用注塑成形法而形成。使向模具內(nèi)注入樹脂的樹脂注入位置(澆注口 )對 應(yīng)一圓柱(直徑為5mm)的底面(參照圖14)，該圓柱形成在從陰極側(cè)進(jìn) 氣歧管的內(nèi)壁朝向外側(cè)突出的突起部9R (寬度為1.5mm)的前端。殘留的 澆注口 9S的高度與圓柱的高度hl之和比框體一體型MEA的框體3的厚度 與分離器(圖14中未圖示)的厚度之和(9mm)小。
通過使向模具內(nèi)注入樹脂的樹脂注入位置為突起部9R的前端，不需要 除去殘留澆注口的工序，可以縮短工序數(shù)量和制作時(shí)間。另外，在通過實(shí) 施例11制作的框體一體型MEA上形成中央的管孔和噴出用矩形孔，也可 以制作實(shí)施例7或?qū)嵤├? (參照圖10或圖12 )的框體一體型MEA。 (實(shí)施例12)
實(shí)施例12的框體一體型MEA的框體以聚丙烯(PP)樹脂為原料、使 用注塑成形法而形成。使向模具內(nèi)注入樹脂的樹脂注入位置(澆注口 )對 應(yīng)一圓柱(直徑為5mm)的底面(參照圖15),該圓柱在從陰極側(cè)進(jìn)氣歧 管內(nèi)壁的連接電極與歧管的部分6的下部形成的橋梁部9T(寬度為1.5mm) 的中央部。殘留的澆注口 9S的高度與圓柱的高度hl之和比框體一體型MEA 的框體3的厚度與分離器(圖14中未表示)的厚度之和(9mm)小。
通過使向模具內(nèi)注入樹脂的樹脂注入位置為橋梁部9T的中央部，不需 要除去殘留澆注口的工序，可以縮短工序數(shù)量和制作時(shí)間。另外，在通過 實(shí)施例12制作的框體一體型MEA上形成中央的管孔和噴出用矩形孔，也 可以制作實(shí)施例8或?qū)嵤├?0 (參照圖11或圖13)的框體一體型MEA。
在以上的實(shí)施例中，在陰極側(cè)進(jìn)氣歧管上形成突起部或橋梁部，但也 可以在陽極側(cè)進(jìn)氣歧管上形成同樣的突起部或橋梁部，也可以在兩者的進(jìn) 氣歧管上形成。使燃料電池起動(dòng)時(shí)或者燃料氣體流量需要變化而使輸出變 化時(shí)，能以短時(shí)間進(jìn)行氣體的更換。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
根據(jù)本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池組，不僅在通常運(yùn)行時(shí)能將均
勻的氣體供給層疊的全部電池單元，而且，在起動(dòng)、停止、負(fù)載變化時(shí)等 的過渡狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)，可以在短時(shí)間內(nèi)供給均勻的氣體。因此，能夠穩(wěn)定 地進(jìn)行運(yùn)行切換、抑制由切換動(dòng)作自身而產(chǎn)生的性能劣化，可以提高燃料 電池的可靠性。該燃料電池非常適于家庭用熱電聯(lián)供系統(tǒng)或機(jī)動(dòng)車用燃料 電池的應(yīng)用。
2005年11月25日申請的(日本)特愿2005-339944的日本專利申請 中包含的說明書、附圖及摘要公開的內(nèi)容全部在本發(fā)明中引用。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組，該燃料電池組是包含直列層疊的多個(gè)燃料電池單元的固體高分子型燃料電池組，其中，所述燃料電池單元各自包括高分子電解質(zhì)膜；一對電極，其夾著所述高分子電解質(zhì)膜、由燃料極與氧極組成；一對分離器，其由與所述燃料極連接且具有燃料氣體流通的流路的分離器和與氧極連接且具有氧化劑氣體流通的流路的分離器組成；燃料氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧管，其對所述燃料氣體流通的分離器流路供給燃料氣體、排出燃料氣體；氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧管，其對所述氧化劑氣體流通的、分離器流路供給氧化劑氣體、排出氧化劑氣體，所述進(jìn)氣歧管或排氣歧管的至少一個(gè)的內(nèi)部空間通過其內(nèi)壁上設(shè)置的突起部或橋梁部被分割成相互連通的與所述分離器流路連接的空間和另一個(gè)空間，所述突起部或橋梁部控制氣體向與所述分離器流路連接的空間流入，而且，相對各個(gè)所述層疊的多個(gè)燃料電池單元，所述氣體流入的控制不是一定的，與層疊方向兩端部的燃料電池單元相比，內(nèi)部層的燃料電池單元被控制成氣體最難流入。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中，所述被控制成氣體最難流 入的燃料電池單元是層疊的燃料電池單元中、距離來自外部的氣體供給側(cè)、 位于所有層疊單元中的一半以下的內(nèi)部層燃料電池單元。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中，向所述燃料氣體流通的流 路供給燃料氣體的進(jìn)氣歧管、及排出燃料氣體的排氣歧管和對所述氧化劑 氣體流通的流路供給氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管、及排出氧化劑氣體的排氣歧 管成形在框體上，在所述框體中收納有所述高分子電解質(zhì)膜和一對電極，該一對電極夾 著所述高分子電解質(zhì)膜、由燃料極與氧極組成。
4. 如權(quán)利要求3所述的燃料電池組，其中，在所述框體中還一體地成 形有用于從外部密封所述分離器流路的密封件。
5. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中，所述層疊的多個(gè)燃料電池 單元的各個(gè)歧管的與分離器流路連接的空間相互連通。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中，所述歧管的與分離器流路 連接的空間相對于重力方向比所述另一個(gè)空間靠上方配置。
7. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中，所述突起從所述燃料電池 單元的外周側(cè)朝向電極側(cè)。
8. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中，各個(gè)所述層疊的多個(gè)燃料電池單元所包含的突起部或橋梁部的尺寸不是一定的，內(nèi)部層的燃料電池 單元的突起部或橋梁部的尺寸最大。
9. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中，各個(gè)所述層疊的多個(gè)燃料 電池單元所包含的突起部的高度不是一定的，內(nèi)部層的燃料電池單元的突 起部的高度最大。
10. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中，各個(gè)所述層疊的多個(gè)燃料 電池單元所包含的突起部或橋梁部為板狀的整流板，該整流板各自的角度 不是一定的，內(nèi)部層的燃料電池單元的整流板的長軸方向與燃料電池單元 的層疊方向的角度最小。
11. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其中，各個(gè)所述層疊的多個(gè)燃料 電池單元所包含的突起部或橋梁部的一部分在層疊方向比其他部分厚，而 且，所述一部分為在側(cè)方具有吹氣口的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述一部分彼此緊密接 合而形成配管，所述形成的配管上連接有來自外部的氣體供給配管，所述 吹氣口各自的面積不是 一 定的，內(nèi)部層的燃料電池單元的吹氣口的面積最
12. 如權(quán)利要求11所述的燃料電池組，其中，所述吹氣口朝向與所述 分離器流路連接的空間相反的方向。
13. —種框體，其中，收納有高分子電解質(zhì)膜和一對電極，該一對電極 夾著所述高分子電解質(zhì)膜、由燃料極與氧極組成，所述框體成形有燃料氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧管和氧化劑氣體的進(jìn)氣通的分離器流路供給燃料氣體、排出燃料氣體，所述氧化劑氣體的進(jìn)氣歧 管及排氣歧管對所述氧化劑氣體流通的分離器流路供給氧化劑氣體、排出 氧化劑氣體，所述進(jìn)氣歧管或排氣歧管的至少任一 個(gè)的內(nèi)部空間通過其內(nèi)壁上設(shè)置 的突起部被分割成與所述分離器流路連接的空間和另 一個(gè)空間， 所述突起部具有一個(gè)或兩個(gè)以上的切口 ，在所述切口處可以切斷。 14. 一種框體的制造方法，其中，該框體收納有高分子電解質(zhì)膜和一對 電極，該一對電極夾著所述高分子電解質(zhì)膜、由燃料極與氧極組成，所述框體成形有燃料氣體的進(jìn)氣歧管及排氣歧管和氧化劑氣體的進(jìn)氣的分離器流路供給燃料氣體、排出燃料氣體，所述氧化劑氣體的進(jìn)氣歧管 及排氣歧管對所述氧化劑氣體流通的分離器流路供給氧化劑氣體或排出氧 化劑氣體，所述進(jìn)氣歧管或排氣歧管的至少任一個(gè)的內(nèi)部空間通過其內(nèi)壁上設(shè)置 的突起部或橋梁部被分割成與所述分離器流路連接的空間和另 一個(gè)空間，所述框體的制造方法包括通過澆注口將樹脂注入模具中而進(jìn)行注塑成 形的步驟，在所述突起部或橋梁部設(shè)置所述澆注口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固體高分子型燃料電池組。通過本發(fā)明，可提供一種燃料電池，其不僅在正常的運(yùn)行時(shí)、即使在起動(dòng)、停止、負(fù)載變化等過渡運(yùn)行狀態(tài)下，也能夠在短時(shí)間內(nèi)將均勻的氣體供給被層疊的所有電池單元。具體地，在固體高分子型燃料電池組所包含的各個(gè)電池單元中，在進(jìn)氣歧管上形成突起部或橋梁部，將進(jìn)氣歧管分割成與分離器流路連接的空間和另一個(gè)空間，而且，對應(yīng)各個(gè)電池單元調(diào)整所述突起部或橋梁部的構(gòu)造。
文檔編號H01M8/10GK101107742SQ200680003168
公開日2008年1月16日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月25日
發(fā)明者川畑德彥, 日下部弘樹, 松本敏宏, 森本隆志, 長尾善輝 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社