专利名称：燃料电池用复合隔板及应用其的高分子电解质型燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用于便携式电源，电动汽车用电源，家庭内发电及废热供暖系统等的高分子电解质型燃料电池。更详细的说，本发明涉及构成该电池的导电性隔板。
背景技术：
采用高分子电解质膜的燃料电池通过使含有氢的燃料气体和空气等的含有氧气的氧化剂气体产生电化学反应来同时产生电力和热。该燃料电池由选择性地输送氢离子的高分子电解质膜以及形成在高分子电解质膜的两面的一对电极，即阳极和阴极构成。前述电极以载持铂金类的金属触媒的碳粉末为主成分并由在高分子电解质膜的两面形成的触媒层以及形成在前述触媒层的外面的具有优良透气性和电子导电性的气体扩散层构成。
接着，在电极的周围夹持高分子电解质膜配置气体密封件和密封垫，以使供给的燃料气体和氧化剂气体不外漏且两种气体互相不混合。该气体密封件和密封垫由电极和高分子电解质膜一体化形成并预先组装好，称之为MEA(电解质膜·电极接合体)。
在MEA的外侧机械地固定MEA的同时，将邻接的MEA互相串联地电连接，向电极面供给反应气体，配置具有用于将生成气体和剩余气体运送出去的气体通路的导电性隔板。虽然气体通路也可与隔板分别设计，但一般来说在隔板表面设有槽来作为气体通路。
为了向该槽供给反应气体，有必要将供给反应气体的配管按照使用隔板的个数分路并需要将其分路的前端直接连入隔板上的槽的配管夹具。该夹具称为歧管，将上述燃料气体的供给配管从隔板的外侧连入该隔板的类型称为外部歧管。此外，在该歧管中还有比外部歧管结构更为简单的内部歧管。所谓内部歧管是指在形成气体通路的隔板设有贯通孔，气体通路的出入口通到该孔，从该孔直接供给反应气体。
因为燃料电池在运转中发热，为了将电池维持在良好的温度状态，有必要用冷却水等进行冷却。因此通常每隔1～3节单电池就设有冷却水用的通路。通常多在隔板的背面设有冷却水用的通路来作为冷却部。一般的层叠电池的构造为这些的MEA和隔板交叉重叠，在层叠10～200单元单电池后，经由集电板和绝缘板并用端板夹持该层叠体，用紧固螺栓从两端固定。
这样的高分子电解质型燃料电池的隔板要求具有高导电性和高气密性以及相对电池反应的高耐腐蚀性。因此，现有技术的隔板通常由玻璃碳或膨胀石墨等的具有导电性的碳材料构成，气体通路通过其表面的切削而形成，而在膨胀石墨的场合则通过模具成形而制成气体通路。
此外，最近为了实现低成本化也使用将混合了石墨与树脂的材料放入模具通过压缩成形而制成的隔板。进而，也尝试将混合了石墨与树脂的材料通过注射成形而制作隔板的方法。
发明内容
作为隔板的制作方法，提出了将石墨与热塑性树脂混合得到的复合物在注射成形机中熔融混均并将其注射到金属模具内的注射成形的方法。可是，因为隔板需要高的电子导电性，复合物中含有导电性填料的比例变高。在这种情况下，因为复合物的热传导率变高且熔融时的流动性降低，所以成形性大幅降低，并产生了填充不良及接合部的强度不足等的问题。此外，由于相对于隔板的通路形状的制约及配置在通路周边部的歧管孔的强度降低和气密性的降低，也产生了燃料电池的性能降低的问题。
本发明目的在于提供为了解决上述问题具有优良的导电性和成形性的高分子电解质型燃料电池用复合隔板。此外目的还在于提供通过使用具有优良的导电性和成形性的高分子电解质型燃料电池用复合隔板而电池特性优良的高分子电解质型燃料电池。
本发明提供一种高分子电解质型燃料电池用复合隔板，由含有导电性碳的电子传导性部分和包围前述电子传导性部分周围的绝缘性部分构成，在前述电子传导性部分的两面分别具有使气体或冷却水流通的第一槽和第二槽。
优选地为前述电子传导性部分与前述绝缘性部分一体地成形，前述绝缘性部分具有与前述第一槽连通的第一歧管孔以及与前述第二槽连通的第二歧管孔。
优选地为在前述电子传导性部分与前述绝缘性部分之间具有第三部分。
优选地为前述第三部分由粘接材料构成。
此外，优选地为前述第三部分由构成前述电子传导性部分的材料与构成前述绝缘性部分的材料的复合物构成。
此外，优选地为前述电子传导性部分与前述绝缘性部分分别通过注射成形而被成形。
优选地为前述电子传导性部分由无机导电性填料与树脂的复合物构成。
优选地为前述绝缘性部分由气密弹性体构成。
优选地为前述绝缘性部分含有热塑性树脂。
优选地为前述电子传导性部分和前述绝缘性部分含有具有相同的主要分子结构的树脂。
优选地为具有前述相同的主要分子结构的树脂是聚苯硫醚。
优选地为以凹凸状的组合构成前述电子传导性部分与前述绝缘性部分的接合断面。
优选地为在前述接合断面中，前述电子传导性部分为凸状。
此外，优选地为在前述电子传导性部分与前述绝缘性部分的接合部中，在一方设有孔部，另一方插入前述孔部。
优选地为前述孔部设置在前述电子传导性部分。
进而本发明提供一种高分子电解质型燃料电池，在具备电池组的高分子电解质型燃料电池中，前述电池组包含多个电解质膜·电极接合体和与前述电解质膜·电极接合体交替叠层而成的多个隔板，前述电解质膜·电极接合体包含夹持氢离子传导性高分子电解质膜和前述电解质膜的阳极和阴极，其中前述隔板由含有导电性碳的电子传导性部分和包围前述电子传导性部分周围的绝缘性部分构成，在前述电子传导性部分的两面分别具有使气体或冷却水流通的第一槽和第二槽。
根据本发明，因为隔板的注射成形时在电子传导部分与绝缘性部分所使用的化合物不同，隔板能够同时得到优良的导电性和成形性。此外，通过使用该隔板，能够得到电池特性优良的高分子电解质型燃料电池。
图1是备有两根注射喷嘴的注射成形机的俯视图。
图2是备有两根注射喷嘴的注射成形机的侧视图。
图3是本发明的实施方式1的隔板的表面图。
图4是本发明的实施方式1的隔板的背视图。
图5是实施方式1的隔板的电子传导性部分与绝缘性部分的边界附近的剖面图。
图6是实施方式1的第2隔板的电子传导性部分与绝缘性部分的边界附近的剖面图。
图7是实施方式1的第3隔板的电子传导性部分与绝缘性部分的边界附近的剖面图。
图8是实施方式1的第4隔板的电子传导性部分与绝缘性部分的边界附近的剖面图。
图9是本发明的实施方式2的阴极侧隔板的表面图。
图10是本发明的实施方式2的阴极侧隔板的背视图。
图11是本发明的实施方式2的阳极侧隔板的表面图。
图12是本发明的实施方式2的阳极侧隔板的背视图。
图13表示本发明的实施例1和2的层叠电池的构成。
图14表示实施例1的电池A和比较例的电池B的输出特性。
图15表示实施例2的电池C和比较例的电池B的输出特性。
图16表示本发明的实施方式3的隔板的表面图。
图17表示本发明的实施方式3的隔板的背视图。
图18是图16的A-A’剖面图。
图19表示本发明的实施例3的电池D和比较例的电池B的输出特性。
图20表示本发明的实施方式4的隔板的表面图。
图21表示设有图20的板状部件的附近的剖面的一部分。
图22表示本发明的实施例4的电池E和比较例的电池B的输出特性。
图23是备有3根注射喷嘴的注射成形机的俯视图。
图24本发明的实施方式5的隔板的表面图。
图25是实施方式5的隔板的第三部分附近的剖面图。
图26是实施方式5的第2隔板的第三部分附近的剖面图。
图27是实施方式5的第3隔板的第三部分附近的剖面图。
图28是实施方式5的第4隔板的第三部分附近的剖面图。
图29表示本发明的实施例5的电池F和比较例的电池B的输出特性。
具体实施例方式
本发明的高分子电解质型燃料电池用复合隔板由含有导电性碳的电子传导性部分和绝缘性部分构成。
作为用于前述电子传导性部分的树脂可以列举聚乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯，异丁烯树脂，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚酰胺，聚酰亚胺，聚乙烯醇，聚苯硫醚，聚醚酮，聚醚亚胺，含氟树脂，酯树脂，液晶聚合物，芳香族聚酯，聚缩醛，聚苯乙醚等。
作为用于前述绝缘性部分的树脂可以列举聚苯硫醚(PPS)树脂，聚乙烯，氯乙烯树脂，聚苯乙烯，丙烯腈-苯乙烯(AS)树脂，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂，异丁烯酸甲基树脂，聚酰胺树脂，变性聚苯乙醚，超高分子量聚乙烯，聚甲基戊烯，间规聚苯乙烯，聚砜，聚醚砜，聚邻苯二甲酰胺，聚亚环己基二亚甲基对苯二甲酯，聚醚亚胺，聚醚醚酮，聚酰亚胺，液晶聚合物，含氟树脂，苯乙烯类热可塑性弹性体，烯烃类热可塑性弹性体，聚氨酯类热可塑性弹性体，氯乙烯类热可塑性弹性体，聚酰胺类热可塑性弹性体，苯乙烯-丁二烯类热可塑性弹性体，腈类弹性体，玻璃增强的聚酯类弹性体等。
优选地为在前述电子传导性部分与前述绝缘性部分之间具有第三部分。优选地为至少使用前述电子传导性部分所使用的树脂等的材料与前述绝缘性部分所使用的树脂等的材料的复合物作为前述第三部分使用的材料。更理想的是，在电子传导性部分和绝缘性部分分别使用上述列举的树脂，在第三部分使用混合这些树脂得到的复合物。
以下，参照
本发明的实施方式。
实施方式1图3～图4表示了兼任阳极侧隔板和阴极侧隔板的隔板10。
隔板10由与阳极或阴极对置的电子传导性部分10a和包围其周围的绝缘性部分10b构成。在绝缘性部分10b分别具有一对的氧化剂气体用歧管孔5，燃料气体用歧管孔6以及冷却水用歧管孔7。在与电子传导性部分10a的阴极对置的面上具有如图3所示的连结一对氧化剂气体用歧管孔5的氧化剂气体通路5a，在与其背面的阳极对置的面上具有如图4所示的一对连结燃料气体用歧管孔6的燃料气体通路6a。
另外，电子传导性部分10a和绝缘性部分10b的接合形状除了如图5所示的垂直于板面方向的面之间的对接形状接合之外，也可如图6～图8所示，以电子传导性部分的凸形状与绝缘性部分的凹形状的啮合而形成接合(图6)，以在电子传导性部分周边设置薄的部分并在其薄的部分开孔的形状而形成接合(图7)，或者从绝缘性部分看使电子传导性部分以下部凹陷的状态而形成接合(图8)。特别是在图7的场合，电子传导性部分的孔部被绝缘性部分填充，接合强度显著提高。
实施方式2图9～图12分别表示了构成具有冷却部的复合隔板的阳极侧隔板30和阴极侧隔板20。
阴极侧隔板20其与阴极对置的部分由电子传导性部分20a构成，其周围由绝缘性部分20b构成。
在与电子传导性部分20a的阴极对置的面上具有如图9所示的连结一对氧化剂气体用歧管孔5的氧化剂气体通路5a，在其背面的电子传导性部分20a上具有如图10所示的连结一对冷却水用歧管孔7的冷却水通路7a。另外，氧化剂气体通路5a的方向与冷却水通路7a的方向互相垂直。
另一方面，阳极侧隔板30其与阳极对置的部分由电子传导性部分30a构成，其周围由绝缘性部分30b构成。
在与电子传导性部分30a的阳极对置的面上具有如图11所示的连结一对燃料气体用歧管孔6的燃料气体通路6a，在其背面的电子传导性部分30a上具有如图12所示的连结一对冷却水用歧管孔7的冷却水通路7a。另外，燃料气体通路6a的方向与冷却水通路7a的方向互相垂直。
通过将具有上述阳极侧隔板30及阴极侧隔板20的冷却水的通路的面相对而接合，冷却水的通路7a重合而形成一个冷却水的通路，从而成为在隔板内部设有冷却部的构成。
如实施方式1和2所述，在与需要导电性并与阳极或阴极对置的部分设置电子传导性部分，在不需要导电性的部分设置绝缘性部分，由此得到优良的成形性和导电性。
实施方式3图16和图17表示包围氧化剂气体用歧管孔，燃料气体用歧管孔及冷却水用歧管孔的肋板和在其背面设有与肋板对应凹部的兼任阳极侧隔板和阴极侧隔板的隔板40。此外，在图18表示了图16的A-A剖面图。
隔板40由与阳极或阴极对置的电子传导性部分40a和包围其周围的绝缘性部分40b构成。在绝缘性部分40b的阴极侧的氧化剂气体用歧管孔5，燃料气体用歧管孔6及冷却水用歧管孔7周围分别设有肋板5b，6b，7b。此外，在其背面的绝缘性部分40b的阳极侧的氧化剂气体用歧管孔5，燃料气体用歧管孔6及冷却水用歧管孔7周围分别设有与肋板对应的凹部5c，6c，7c。
绝缘性部分是气密弹性体，同时也兼任密封垫的功能，因此电子传导性部分40a成为比绝缘性部分40b低一级的结构。
通过使用上述结构的隔板，就不需要密封垫。此外，通过在绝缘性部分的需要气密性的部位设置肋板或凹部并与邻接的隔板中绝缘性部分的肋板或凹部卡合，能够确保隔板的气密性。
实施方式4图20表示用板状部件覆盖连结绝缘性部分的氧化剂气体或燃料气体用歧管孔的氧化剂气体或燃料气体通路的上方的兼任阳极侧隔板和阴极侧隔板的隔板50。此外，在图21表示设有其板状部件的附近剖面的一部分。
隔板50由与阳极或阴极对置的电子传导性部分50a和包围其周围的绝缘性部分50b构成。用板状部件50c覆盖绝缘性部分50b的氧化剂气体通路5a的上方。此外，在其背面用板状部件覆盖阳极侧的绝缘性部分的燃料气体通路的上方(未图示)。
通过这种构成，因为与隔板邻接的密封垫在隔板的绝缘性部分的氧化剂气体及燃料气体的通路的附近被充分压接，从而提高了密封性。
实施方式5图24表示在电子传导性部分与绝缘性部分之间设有树脂构成的第三部分的兼任阳极侧隔板和阴极侧隔板的隔板60。
隔板60由与阳极或阴极时置的电子传导性部分60a，包围其周围的绝缘性部分60b，以及设在电子传导性部分60a与绝缘性部分60b之间的第三部分60c构成。
通过在电子传导性部分与绝缘性部分之间设有第三部分，在电子传导性部分与第三部分，第三部分与绝缘性部分的各自的界面中，树脂热粘合，电子传导性部分与绝缘性部分的接合性变好。
另外，经由第三部分60c的电子传导性部分60a与绝缘性部分60b的接合形状除了如图25所示的垂直于板厚方向的面之间的对接形状接合之外，也可如图26～图28所示，以电子传导性部分的凸形状与绝缘性部分的凹形状的啮合而形成接合，以在绝缘性部分周边部分地开孔的形状而形成接合，或者从绝缘性部分看以下部凹陷的状态而形成接合。即，也可在图5～图8的电子传导性部分10a与绝缘性部分10b之间夹有第三部分。
实施例(1)隔板的制作将电子传导性部分用的复合物与绝缘性部分用的复合物分别投入图1和图2所示的能够熔融混均的具有2根注射喷嘴1a和1b的注射成形机2中，在电子传导性部分成形后，通过使绝缘性部分成形而制成由电子传导性部分与绝缘性部分构成的规定形状的隔板。采用石墨与PP(聚丙烯)树脂以重量比7∶3的比例混合而得的复合物作为电子传导性部分用的复合物。采用PPS(聚苯硫醚)树脂与玻璃填料以重量比10∶3的比例混合而得的复合物作为绝缘性部分用的复合物。
此时，在金属模具单元4设置在规定的位置形成燃料气体，氧化剂气体和冷却水通路的金属模具以及形成含有歧管的其它部分的金属模具。作为金属模具的材料一般来说从成形生产节拍及强度的方面考虑采用碳素工具钢(SK材料)等。可是，本实施例所使用的隔板因为热传导率高，硬化速度快而产生成形不良。因此，金属模具采用热传导率低的材料SUS630来确保隔板的成形性。
使金属模具温度为150℃，对于电子传导性部分用复合物的注射喷嘴温度为260℃，对于绝缘性部分用复合物的注射喷嘴温度为350℃。此外，使注射压力为1600kgf/cm2，对于电子传导性部分用的复合物的注射速度为100mm/sec，对于绝缘性部分用的复合物的注射速度为50mm/sec，成形时间为20秒。
在上述的条件下制作与实施方式1的隔板10，实施方式2的隔板20和30同样的3种隔板。
上述隔板的电子传导性部分中的氧化剂气体，燃料气体和冷却水通路以3mm的间距设有宽1.5mm，深1.0mm的槽。使电子传导性部分和绝缘性部分的厚度为3mm。此外，电子传导性部分和绝缘性部分的边界形状为如图5所示的垂直于板厚方向的面之间的对接形状。
(2)MEA的制作在乙炔碳黑类的石墨粉末以重量比4∶1的比例载持平均粒径为30的铂金粒子而得到电极用的触媒粉末。将在异丙醇中分散该触媒粉末得到的物质与在酒精中分散全氟化碳磺酸的粉末而得到的物质混合，从而得到电极用糊剂。通过丝网印刷法，以该电极用糊剂为原料在厚250μm的碳非织造织物的一面形成电极触媒层，得到电极。此时，进行调整使触媒层形成后的电极触媒层中含有铂金量为0.5mg/cm2，全氟化碳磺酸的量为1.2mg/cm2。
使这些电极其正极和负极为相同构成。印刷的电极触媒层位于内侧，用上述得到的一对电极和包围电极的密封垫夹持氢离子传导性高分子电解质膜，通过热压制作电解质膜·电极接合体(MEA)。采用将全氟化碳磺酸薄膜化得到的25μm厚的薄膜作为氢离子传导性高分子电解质膜。
(3)层叠电池的制作接着，如图13所示，用3种隔板10，20，30夹持由氢离子传导性高分子电解质膜11和夹持前述电解质膜11的阴极12，阳极13以及密封垫构成的MEA，由此使多个单电池串联连接。此时，通过将具有隔板20和30的冷却水通路7a的面相对而接合，冷却水的通路7a重合而形成一个冷却水的通路，从而成为在隔板内部设有冷却部的结构。即，通过在MEA间将隔板10与构成冷却部的隔板20和30交替配置而成为每层叠两个单电池就设有冷却部的结构。
在层叠50个以上所示的单电池后，在该层叠体的两端经由集电板和绝缘板配置不锈钢制的端板，通过紧固荷载以10kgf/cm2的压力紧固层叠体来制作层叠电池。该层叠电池为电池A。
另外，紧固压力过小时，燃料气体和氧化剂气体向外部泄漏，接触阻力大使电池性能降低，相反地紧固压力过大时，因为电极破损或隔板变形，与气体流通槽的设计相对应改变紧固压力是很重要的。
对这样制作的电池A进行泄漏检查。泄漏检查是指将一对歧管孔中出口侧歧管孔关闭，以0.5kgf/cm2的压力从入口侧的歧管孔流入He气，用此时的流入气体量来进行评价。在空气侧，燃料气体侧，冷却水侧都没有气体泄漏的情况下，确认作为层叠电池的流体密封性没有问题。此外，确认在组装时在歧管孔产生树脂的接合部也没问题。
比较例通过切削加工气密各向同性石墨板，分别制作与实施例1同形状的3种隔板。除了采用这些隔板，以与实施例1同样的方法制作现有技术的层叠电池。该电池为电池B。
将上述制作的实施例1的电池A和比较例的电池B分别保持在85℃，向一方的电极侧供给加湿·加温的氢气以达到83℃的露点，向另一方的电极侧供给加湿·加温的空气以达到78℃的露点。其结果，在电流不向外部输出的无荷载情况下，两电池都得到50V的电池开路电压。
此外，在燃料利用率80％，氧气利用率40％，电流密度0.5A/cm2的条件下，评价这些电池的输出特性。其结果如图14所示，能够确认实施例的电池A与比较例的电池B具有同等的性能。
在绝缘性部分和电子传导性部分使用相同的复合物来制作隔板的场合，向金属模具内的材料填充变得不完全，不能制作规定形状的隔板。此外，在使用将电子传导性部分用复合物的PPS比率提高到能够进行材料填充的程度的材料来制作隔板的场合，隔板的电阻增高为300～500mω·cm，电池性能降低。
实施例2采用石墨与PPS以重量比7∶3的比例混合而得的复合物作为电子传导性部分用的复合物。除了使注射成形时的电子传导性部分用的复合物的注射喷嘴温度为350℃之外，以与实施例1相同的方法制作3种隔板10，20和30。在采用上述得到的3种隔板之外，以与实施例1相同的方法制作层叠电池。该电池为电池C。
对这样制作的实施例2的电池C以与实施例1相同的方法进行泄漏检查。在空气侧，燃料气体侧，冷却水侧都没有气体泄漏的情况下，确认作为层叠电池的流体密封性没有问题。流入He气的压力在实施例1的电池A中为3kgf/cm2，与之相对，在实施例2的电池C中为5kgf/cm2，能够确认隔板的密封性提高。
观察进行泄漏检查的样品的结果为确认实施例2的隔板中电子传导性部分与绝缘性部分的界面的接合性优于实施例1。此外，确认在组装时在歧管孔产生树脂的接合部也没问题。
在与实施例1同样的条件下向这样制作的实施例2的电池C供给反应气体。其结果，在电流不向外部输出的无荷载情况下，得到50V的电池开路电压。
在与实施例1同样的条件下评价电池C的输出特性。该评价结果与比较例的电池B一起如图15所示，能够确认实施例2的电池C与比较例的电池B具有同等性能。
实施例3(1)隔板的制作通过与实施例1相同的方法将电子传导性部分用的复合物与绝缘性部分用的复合物分别投入图1和图2的注射成形机2中，制作由电子传导性部分与绝缘性部分构成的规定形状的隔板。采用石墨与PPS树脂以重量比7∶3的比例混合而得的复合物作为电子传导性部分用的复合物。采用聚苯乙烯树脂与玻璃填料以重量比10∶3的比例混合而得的复合物作为绝缘性部分用的复合物。
此时，在金属模具单元4设置在规定的位置形成燃料气体，氧化剂气体和冷却水通路的金属模具以及形成含有歧管孔的其它部分的金属模具。
使金属模具温度为150℃，对于电子传导性部分用复合物的注射喷嘴温度为350℃，对于绝缘性部分用复合物的注射喷嘴温度为250℃。此外，使注射压力为1600kgf/cm2，对于电子传导性部分用的复合物的注射速度为100mm/sec，对于绝缘性部分用的复合物的注射速度为30mm/sec，成形时间为20秒。
在上述的条件下注射成形，制作图16和图17表示的设有包围具有与实施方式3同样结构的绝缘性部分的歧管孔的肋板和在其背面与肋板对应的凹部的隔板40。
此外，还制作构成复合隔板的阴极侧隔板和阳极侧隔板，该复合隔板具有与隔板40组合使用的冷却部。
阴极侧隔板的阴极侧与实施方式3的隔板40的阳极侧为相同的结构。此外，阴极侧隔板的冷却部侧成为在实施方式2的阴极侧隔板20的冷却部侧的氧化剂气体用歧管孔5，燃料气体用歧管孔6以及冷却水用歧管孔7的周围设有凹部的结构。
阴极侧隔板的阴极侧与实施方式3的隔板40的阳极侧为相同的结构。此外，阴极侧隔板的冷却部侧成为在实施方式2的阳极侧隔板30的冷却部侧的氧化剂气体用歧管孔5，燃料气体用歧管孔6以及冷却水用歧管孔7的周围设有凹部的结构。
(2)层叠电池的制作以与实施例1同样的方法，在不用密封垫的情况下，用与实施例1相同的阴极，阳极以及氢离子传导性高分子电解质膜构成的MEA和上述得到的3种隔板使多个单电池串联连接。此时，通过将具有阴极侧隔板和阳极侧隔板的冷却水通路的面相对而接合，冷却水的通路重合而形成一个冷却水的通路，从而成为在隔板内部设有冷却部的结构。即，通过在MEA间将隔板40与构成冷却部的阴极侧隔板和阳极侧隔板交替配合而成为每层叠两个单电池就设有冷却部的结构。
各隔板的绝缘性部分为聚苯乙烯构成的橡胶状的气密弹性体，所以绝缘性部分能够兼任密封垫的功能，不需要使用密封垫。
在层叠50个以上所示的单电池后，以与实施例1同样的方法来制作层叠电池。该层叠电池为电池D。
对这样制作的电池D以与实施例1相同的方法进行泄漏检查。在空气侧，燃料气体侧，冷却水侧都没有气体泄漏的情况下，确认作为层叠电池的流体密封性没有问题。此外，确认用于绝缘性部分的气密弹性体的树脂与现有技术使用的密封垫具有同样的效果。此外，确认在组装时在歧管孔产生树脂的接合部也没问题。
在与实施例1同样的条件下向这样制作的实施例3的电池D供给反应气体。其结果，在电流不向外部输出的无荷载情况下，得到50V的电池开路电压。
在与实施例1同样的条件下评价电池D的输出特性。该评价结果与比较例的电池B一起如图19所示，能够确认实施例3的电池D与比较例的电池B具有同等的性能。
实施例4
通过与实施例1同样的方法将电子传导性部分用的复合物与绝缘性部分用的复合物分别投入图1和图2所示的注射成形机2中，制作规定形状的隔板。采用石墨与PPS树脂以重量比7∶3的比例混合而得的复合物作为电子传导性部分用的复合物。采用PPS树脂与玻璃填料以重量比10∶3的比例混合而得的复合物作为绝缘性部分用的复合物。
此时，使用形成氧化剂气体，燃料气体和冷却水通路的金属模具以及形成含有歧管孔的其它部分的金属模具来作为金属模具。作为金属模具的材料一般来说从成形生产节拍及强度方面考虑采用碳素工具钢(SK材料)等。可是，本实施例所使用的隔板因为热传导率高，硬化速度快而产生成形不良。因此，金属模具采用热传导率低的材料SUS630来确保隔板的成形性。
使金属模具温度为150℃，电子传导性部分用的复合物与绝缘性部分用的复合物的注射喷嘴温度都为350℃。此外，使注射压力为1600kgf/cm2，对于电子传导性部分用的复合物的注射速度为100mm/sec，对于绝缘性部分用的复合物的注射速度为50mm/sec，成形时间为20秒。
此外，在金属模具的连结形成在绝缘性部分的一对歧管孔的通路的上方预先配置SUS316的板状部件之后进行注射成形。作为板状部件的材料，除了SUS316之外，还可以采用SUS304L，SUS316L等的耐腐蚀性不锈钢，钛等的耐腐蚀性金属，树脂等。
在上述的条件下注射成形，制作兼任阳极侧隔板和阴极侧隔板的隔板50，该阳极侧隔板和阴极侧隔板具有与图20所示实施方式4相同的结构。
此外，也制作构成复合隔板的阴极侧隔板和阳极侧隔板，该复合隔板具有与隔板50组合使用的冷却部。
阴极侧隔板，其实施方式4的隔板50的阴极侧的结构与实施方式2的阴极侧隔板20的阴极侧的结构相同。
阳极侧隔板，其实施方式4的隔板50的阳极侧的结构与实施方式2的阳极侧隔板30的阳极侧的结构相同。
除了采用上述得到的3种隔板之外，以与实施例1同样的方法来制作层叠电池。该电池为电池E。
对这样制作的电池E进行泄漏检查。泄漏检查是指将通路出口侧歧管孔关闭，以7kgf/cm2的压力从入口侧的歧管孔流入He气，用此时的流入气体量来进行评价。在空气侧，燃料气体侧，冷却水侧都没有气体泄漏的情况下，确认作为层叠电池的流体密封性没有问题。
作为比较在对实施例2的电池C进行同样的泄漏检查时，流入He气的压力在实施例2的电池C中为5kgf/cm2，与之相对，在实施例4的电池E中为7kgf/cm2，能够确认隔板的密封性提高。这是因为在连结形成于隔板的一对歧管孔的通路中，通过用板状部件覆盖在与密封垫对置的绝缘性部分形成的部分，密封垫与隔板充分压接，提高了密封性。此外，确认在组装时在歧管孔产生树脂的接合部也没问题。
在与实施例1同样的条件下向这样制作的实施例4的电池E供给反应气体。其结果，在电流不向外部输出的无荷载情况下，得到50V的电池开路电压。
在与实施例1同样的条件下评价电池E的输出特性。该评价结果与比较例的电池B一起如图22所示，能够确认实施例4的电池E与比较例的电池B具有同等的性能。
实施例5将电子传导性部分用的复合物，绝缘性部分用的复合物以及第三部分用的复合物分别投入图23所示的能够熔融混均的具有3根注射喷嘴1a，1b和1c的注射成形机3中，通过多色注射成形而制成规定形状的隔板。采用石墨与PPS树脂以重量比7∶3的比例混合而得的复合物作为电子传导性部分用的复合物。采用聚酰胺树脂与玻璃填料以重量比10∶3的比例混合而得的复合物作为绝缘性部分用的复合物。进而，采用聚酰胺树脂与PPS树脂以重量比1∶1的比例混合而得的复合物作为第三部分用的复合物此时，采用在规定的位置形成燃料气体，氧化剂气体和冷却水用的通路的金属模具以及形成含有歧管的其它部分的金属模具来作为金属模具单元4。作为金属模具的材料一般来说从成形生产节拍及强度的方面考虑采用碳素工具钢(SK材料)等。可是，本实施例所使用的隔板因为热传导率高，硬化速度快而产生成形不良。因此，金属模具采用热传导率低的材料SUS630来确保隔板的成形性。
使金属模具温度为150℃，对于电子传导性部分用的复合物的注射喷嘴温度为350℃，对于绝缘性部分用的复合物的注射喷嘴温度为280℃。此外，使注射压力为1600kgf/cm2，对于电子传导性部分用的复合物的注射速度为100mm/sec，对于绝缘性部分用的复合物的注射速度为50mm/sec，成形时间为30秒。
在上述的条件下通过注射成形制作在隔板10，20和30的电子传导性部分与绝缘性部分之间分别设有第三部分的规定的3种隔板。各隔板的电子传导性部分，绝缘性部分，第三部分的厚度分别为3mm。另外，在隔板设有第三部分的结构与图24所示的实施方式5的隔板60的结构相同。
另外，在本实施例中，加装了第三部分的电子传导性部分和绝缘性部分的边界形状为如图25所示的垂直于板面方向的面之间的对接形状。
接着，除了采用上述得到的具有第三部分的3种隔板之外，以与实施例1同样的方法制作层叠电池。该电池为电池F。
对实施例5的电池F进行泄漏检查。泄漏检查是指将通路出口侧的歧管孔关闭，以7kgf/cm2的压力从入口侧的歧管孔流入He气，用此时的流入气体量来进行评价。在空气侧，燃料气体侧，冷却水侧都没有气体泄漏的情况下，确认作为层叠电池的流体密封性没有问题。
作为比较在对实施例2的电池C也进行泄漏检查时，流入He气的压力在实施例2的电池C中为5kgf/cm2，与之相对，在实施例5的电池F中为7kgf/cm2，能够确认隔板的密封性提高。
进而，从入口侧歧管孔以5kgf/cm2的压力流入He气，进行与上述同样的泄漏检查。作为比较在对实施例1的电池A也进行泄漏检查时，流入He气的压力在实施例1的电池A中为3kgf/cm2，与之相对，在实施例5的电池F中为7kgf/cm2，能够确认隔板的密封性提高。
对进行泄漏检查的实施例5的隔板进行观察的结果为能够确认电子传导性部分与第三部分的界面以及第三部分与绝缘性部分的界面分别熔接，实施例5的隔板其界面的接合性优良。此外，确认在组装时在歧管孔产生树脂的接合部也没问题。
在与实施例1同样的条件下向这样制作的实施例5的电池F供给反应气体。其结果，在电流不向外部输出的无荷载情况下，得到50V的电池开路电压。
在与实施例1同样的条件下评价电池F的输出特性。该评价结果与比较例的电池B一起如图29所示，能够确认实施例5的电池F与比较例的电池B具有同等的性能。
产业上可利用性若采用本发明的复合隔板，能够得到电池特性优良的高分子电解质型燃料电池。此外，相关燃料电池也能够适用于发电装置或发电及废热供暖系统。
符号说明1a电子传导性部分用的注射喷嘴1b绝缘性部分用的注射喷嘴1c第三部分用的注射喷嘴2，3注射成形机4金属模具单元5氧化剂气体用歧管孔5a氧化剂气体的通路6燃料气体用歧管孔6a燃料气体的通路7冷却水用歧管孔7a冷却水的通路5b，6b，7b肋板5c，6c，7c凹部10，40，50，60隔板11氢离子传导性高分子电解质膜12阴极13阳极14密封垫20阴极侧隔板30阳极侧隔板10a，20a，30a，40a，50a，60a电子传导性部分10b，20b，30b，40b，50b，60b绝缘性部分50c板状部件60c第三部分
权利要求
1.一种高分子电解质型燃料电池用复合隔板，由含有导电性碳的电子传导性部分和包围前述电子传导性部分周围的绝缘性部分构成，在前述电子传导性部分的两面分别具有使气体或冷却水流通的第一槽和第二槽。
2.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，前述电子传导性部分与前述绝缘性部分一体地成形，前述绝缘性部分具有与前述第一槽连通的第一歧管孔以及与与前述第二槽连通的第二歧管孔。
3.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，在前述电子传导性部分与前述绝缘性部分之间具有第三部分。
4.如权利要求3所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，在前述电子传导性部分与前述绝缘性部分之间的第三部分由粘接材料构成。
5.如权利要求3所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，在前述电子传导性部分与前述绝缘性部分之间的第三部分由构成前述电子传导性部分的材料与构成前述绝缘性部分的材料的复合物构成。
6.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，前述电子传导性部分与前述绝缘性部分分别通过注射成形而被成形。
7.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，前述电子传导性部分由无机导电性填料与树脂的复合物构成。
8.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，前述绝缘性部分由气密弹性体构成。
9.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，前述绝缘性部分含有热塑性树脂。
10.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，前述电子传导性部分和前述绝缘性部分含有树脂，其树脂具有相同的主要分子结构。
11.如权利要求10所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，前述具有相同的主要分子结构的树脂是聚苯硫醚。
12.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，以凹凸状的组合构成前述电子传导性部分与前述绝缘性部分的接合断面。
13.如权利要求12所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，在前述接合断面中，前述电子传导性部分为凸状。
14.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，在前述电子传导性部分与前述绝缘性部分的接合部中，在一方设有孔部，另一方插入前述孔部。
15.如权利要求14所述的高分子电解质型燃料电池用复合隔板，前述孔部设置在前述绝缘性部分。
16.一种高分子电解质型燃料电池，是具有电池组的高分子电解质型燃料电池，前述电池组包含多个电解质膜·电极接合体和与前述电解质膜·电极接合体交替叠层而成的多个隔板，前述电解质膜·电极接合体包含氢离子传导性高分子电解质膜和夹持前述电解质膜的阳极和阴极，其中，前述隔板由含有导电性碳的电子传导性部分和包围前述电子传导性部分周围的绝缘性部分构成，在前述电子传导性部分的两面分别具有使气体或冷却水流通的第一槽和第二槽。
全文摘要
本发明目的在于提供一种具有优良导电性和成形性的高分子电解质型燃料电池用复合隔板。得到的高分子电解质型燃料电池用复合隔板结构如下由通过注射成形，在需要导电性和不需要导电性的部分分别用不同的复合物形成的含有导电性碳的电子传导性部分和包围前述电子传导性部分周围的绝缘性部分构成，在前述电子传导性部分的两面分别具有使气体或冷却水流通的第一槽和第二槽。
文档编号H01M2/14GK1497754SQ20031010139
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月16日 优先权日2002年10月16日
发明者小原英夫, 仁, 羽藤一仁, 启, 长谷伸启, 弘树, 日下部弘树, 粉川胜藏, 藏, 浦田隆行, 行, 宏, 松本敏宏, 介, 竹口伸介, 一, 柴田础一 申请人:松下电器产业株式会社