固体高分子型燃料电池的制作方法

专利名称：固体高分子型燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用固体高分子电解质的固体高分子型燃料电池。
背景技术：
使用固体高分子电解质的燃料电池应用于携带式电源、电动机动车用 电源以及家庭内热电联供系统等。使用固体高分子电解质的燃料电池，通 过使含有氢的燃料气体和空气等含有氧的氧化剂气体进行电化学反应，同 时产生电能和热能。
使用固体高分子电解质的燃料电池基本上包含选择性地输送氢离子的 高分子电解质膜及夹着所述高分子电解质膜的一对电极。电极包含以承载 有铂族金属催化剂的碳粉末为主要成分的催化剂层，和在催化剂层的外侧 所形成的兼有通气性和电子传导性的气体扩散层。
为了不使所供给的燃料气体及氧化剂气体漏到外部或两种气体相互混 合，在电极的周围夹着高分子电解质配置有气体密封件或气体密封垫。将 密封件和密封垫与电极及高分子电解质膜一体化而预先进行组装。该组装
体称为MEA(电解质膜电极接合体)。
在MEA的两面配置有用于机械地保持MEA、同时将相邻的MEA彼此相 互串联地电连接的导电性的分离器。在分离器的与MEA的接触部分形成用 于向电极面供给反应气体、且将生成的水或剩余的气体排出的流路。流路 可以与分离器分别设置，但通常是将在分离器的表面所设置的槽作为流路。 另外，通常是通过将多个由MEA和一对分离器构成的电池单元层叠，并 将MEA彼此相互串联地电连接来提高电压，使其作为电池堆栈而实用化。
将MEA与一对分离器组合而制作电池单元时，若在MEA的电极面与分 离器的流路面产生位置偏移，则有效的反应面积变小，不能获得预定的电 压。此外，在层叠多个电池单元时，为了防止MEA与分离器之间的位置偏 移的发生，优选构成电池单元的MEA与一对分离器成为一体。
这样，提出了下述方案，为了决定并一体化电池单元的MEA和一对分离器的位置，在MEA及一对分离器的反应面以外的位置设置贯穿孔，穿过
定位销，并用挡圈部件固定穿过贯穿孔的定位销，从而防止定位销脱落(参 照专利文献l )。
此外，还提出以下等方案，用夹子状的部件将MEA和一对分离器的外 围端部夹着而使其一体化(参照专利文献2),或者使MEA夹于分离器中所 形成的树脂制的吸盘而与其他的分离器一体化(参照专利文献3 )。
专利文献l:(日本)特开2000-012067号公报
专利文献2:(日本)特开2004-241208号公报
专利文献3:(日本)特开2005 - 142000号公报
如上所述，由于以往使用定位销等连接部件或夹子等而决定MEA和一 对分离器的位置，所以存在需要的部件数量增加而使制作成本提高，组装 作业变得复杂而使制作交货期长期化的问题。
此外，在使用定位销等的情况下，需要用挡圈等来固定，所以分离器 需要有一定程度的厚度。另外，由于固定连接部件而产生由压力所引起的 负荷，所以这也需要分离器有一定程度的厚度。因此，通常难以适用于要 求小型化的燃料电池。
另外，在使用定位销固定的情况下，对于销的大小，需要带有一定程 度的余裕来设定插入的孔的大小，所以有时不能完全消除位置偏移。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种不使用决定位置用的专用部件而将 MEA和一对分离器一体化并决定位置的手段。由此，在层叠电池单元时也 能够抑制位置偏移，所以能够以简单的工序制作可产生稳定的电压的固体 高分子型燃料电池。
此外，在包含层叠了两个以上的电池单元的燃料电池堆栈中，若电池 单元彼此有位置偏移，相邻的分离器彼此的接触面积减少，由于接触阻抗 增大而不能获得预定的电压。因此，本发明的目的在于，提供不使用固定 用的专用部件而决定电池单元彼此的位置，并进一步时使燃料电池堆栈成 为一体的手段。
本发明的第一方面涉及如下所示的固体高分子型燃料电池的燃料电池 单元。[l]一种燃料电池单元，其为固体高分子型燃料电池单元，所述固体
高分子型燃料电池单元包含框体一体型MEA，其是将形成有气体流路口 的框体、配置在所述框体的内部的高分子电解质膜、夹着所述高分子电解 质膜的 一对电极以及包围着所述气体流路口和电极的密封件进行一体化而 形成的；分离器，其具有向所述一对电极中的一方供给排出燃料气体的流 路；分离器，其具有向所述一对电极中的另一方供给排出氧化剂气体的流 路，所述框体在其两面具有前端为钥匙状的多个突起，且所述的一对分离 器分别具有多个台阶部分，通过卡合所述框体的突起和所述一对分离器的 台阶部分而将该燃料电池单元一体化。如[1 ]所述的燃料电池单元，所述突起位于所述气体流路口的附近。如[1 ]所述的燃料电池单元，所述突起的前端的钥匙状部分朝 向框体的内侧。如[1 ]所述的燃料电池单元，流过所述燃料电池单元的一对分 离器的流路的燃料气体的压力与氧化剂气体之间的压力不同，与在较低的 压力的气体流过的分离器侧的框体的面上所形成的所述前端为钥匙状的多 个突起相比，在较高的压力的气体流过的分离器侧的框体的面上所形成的 所述前端为钥匙状的多个突起被配置到框的较内侧。
本发明的第二方面涉及包含层叠了两个以上的燃料电池单元的固体高 分子型燃料电池堆栈。 —种燃料电池堆栈，其是包含相互层叠的两个以上的燃料电池单 元的固体高分子型燃料电池堆栈，所述燃料电池单元分别包含框体一体 型MEA，其是将形成有气体流路口的框体、配置在所述框体的内部的高分 子电解质膜、夹着所述高分子电解质膜的一对电极以及包围着所述气体流 路口和电极的密封件进行一体化而形成的；分离器，其具有向所述一对电 极中的一方供给排出燃料气体的流路；分离器，其具有向所述一对电极中 的另一方供给排出氧化剂气体的流路，并且，所述框体在其两面具有前端 为钥匙状的多个突起，所述分离器具有多个台阶部分，通过卡合所述框体 的突起和所述一对分离器的台阶部分而将该燃料电池单元一体化。如[5]所述的燃料电池堆栈，所述燃津+电池堆栈包含彼此相邻 而层叠的燃料电池单元A及燃料电池单元B，所述燃料电池单元A及燃料电池单元B的框体具有前端为钥匙状的多个第二突起，且所述燃料电池单元B
的分离器具有多个第二台阶部分，通过卡合所述燃料电池单元A的框体的第 二突起和所述燃料电池单元B的分离器的第二台阶部分而将该燃料电池堆 栈一体化。如[5 ]所述的燃料电池堆栈，所述燃料电池堆栈包含纟皮此相邻 而层叠的燃料电池单元A及燃料电池单元B，所述燃料电池单元A及燃料电 池单元B的框体具有多个相互交替的第二突起和切口 ，所述燃料电池单元A 的第二突起和切口与所述燃料电池单元B的第二突起和切口相咬合。
本发明的燃料电池单元，由于构成电池单元的MEA和一对分离器在决 定位置的状态下被一体化，所以产生稳定的电压。并且，本发明的燃料电 池单元可以不使用专用部件而简单地制作，所以通过本发明能够提供价格 低廉且高性能的固体高分子型燃料电池。


图1A是实施方式1的燃料电池单元的分解立体图，并表示了框体一体型 MEA、阳极侧分离器以及阴极侧分离器；
图1B是组装实施方式1的燃料电池单元时的、框体的突起和分离器的带 台阶孔的附近的剖面放大图，突起的钥匙状部分朝向外侧；
图1 C是组装实施方式1的燃料电池单元时的、框体的突起和分离器的带 台阶孔的附近的剖面放大图，突起的钥匙状部分朝向内侧；
图2是组装实施方式2的燃料电池单元时的、框体的突起、销状突起、 以及分离器的带台阶孔和定位孔的附近的部分详细剖面立体图3是组装实施方式3的燃料电池单元时的、框体的突起和分离器的台 阶附近的部分详细剖面立体图4是实施方式4的燃料电池单元的分解立体图，并表示了框体一体型 MEA、阳极侧分离器以及阴极侧分离器；
图5是表示实施方式5的燃料电池堆栈的、层叠两个电池单元的状态的 剖面立体图，电池单元彼此净皮一体化。
图6是表示实施方式6的燃料电池堆栈的、层叠两个电池单元的状态的 剖面立体图，电池单元彼此被一体化，且突起彼此咬合来决定位置；
图7是实施方式7的燃料电池堆栈的剖面立体图，由集电板和气体供给排出歧管构成的端部单元与电池单元的层叠体一体化；
图8是比较例1的高分子电解质型燃料电池的分解立体图，并表示了框 体一体型MEA、阳极侧分离器、阴极侧分离器、以及端部模块、连接用螺 栓、螺母；图9是表示在实施例1制作的框体一体型MEA的框体的突起和分 离器的台阶的结构的图。
具体实施例方式
1.关于本发明的燃料电池
本发明的燃料电池单元的特征在于包含框体一体型MEA及一对分离 器，并且将它们一体化。详细内容将在后面叙述，通过将框体一体型MEA 的框体上设置的突起为钥匙状的前端部与分离器上设置的台阶部分卡合， 使框体一体型MEA和分离器一体化。
关于框体一体型MEA
框体一体型MEA包含包含气体流路口的框体、配置在框体内部的高 分子电解质膜、夹着高分子电解质膜的一对电极、以及包围着气体流路口 和电极的密封件，并且它们被一体成形。
在框体的框的部分形成有气体流路口 。流过气体流路口的气体包含燃
料气体和氧化剂气体，并形成用于各种气体的单独的流路口。此外也可以 在框体的框的部分形成冷却液流通的流路口 。
框体材料优选高耐药品性且溶出较少的蹄烃类树脂，烯烃类树脂的例
中包含聚丙烯或聚乙烯等。这是为了抑制溶解而延长电池的寿命。另外框 体材料也谋求高耐热性。这是因为燃料电池的使用环境例如约为6 0 8 (TC。因此，框体的材料更优选聚丙烯。
高分子电解质膜只要是氢离子通过、电子不通过的较薄的薄膜状的膜 即可，并无特别限定。 一般情况下使用氟树脂类的高分子膜。
一对电极由供给氧化剂的氧极(也称为阴极)和供给燃料气体的燃料 极(也称为阳极)构成。各个电极并无特别限定，只要是承载铂等催化剂 的碳等即可。
密封件是指防止流过气体流路口或电极的气体泄漏到外部、或者外部 的气体进入气体流路口或电极的部件。密封件的材料通常是橡胶等。
还具有的特征为在框体一体型MEA的框体的框的部分形成前端为钥匙状的突起。所谓"前端成钥匙状"包含"前端有钩爪"。在框的一面或两面(阳 极面和阴极面)上可以有突起，但优选在两面都有突起。只要突起的数量 在两个以上即可，并无特别限定。在框体的框的部分形成的突起的前端的 钥匙状部分能够与分离器的台阶部分(后面叙述)的台阶相嵌合。
通常使突起的高度小于分离器的厚度。在分离器较薄的情况下，框体 的突起有时从分离器突出。在层叠这样的燃料电池单元而形成电池堆栈的 情况下，也可以在相邻的电池单元的分离器上设置"避让孔"用于避开从一个 电池单元的分离器突出的突起。
如图9所示，突起的前端的钥匙状部分(即"钩爪")优选爪的高度Y1约为
突起的高度中的到钩爪为止的高度Y2的1/5。
突起的位置优选位于气体流路口的附近。此外，突起的前端的钥匙状 部分优选朝向邻近的密封件的方向，并且通常优选朝向框体的框内部。这
是为了提高密封件的密封效果。
此外，突起可配置在框体的框的内部(例如，外围部分的附近)(参照图l
的突起9)，或配置在框体的框的外围的边缘(参照图3的突起9)。
突起也可以仅配置在框体的框的外围的边缘的一部分。例如，如图4所 示，如果是四边形的框体，也可仅在框体的四边中的两边设置突起9(前端为 钥匙状的突起)。如果在剩余的两边配置定位用的高刚性的限位器(stopper), 则能够更牢固地将分离器固定于框体一体型MEA(在后面参照图4叙述其详 细内容)。
如上所述，突起配置在框体的一面或两面。在配置在两面的情况下， 突起的位置也可以彼此错开。在错开突起的位置的情况下，优选使在流过 流路的燃料气体及氧化剂气体中的压力较高的气体所流过的面上设置的突 起更接近于密封件(通常配置在框的更内侧)，。这是为了提高密封件的密封 效果。
另外也可以在框体一体型MEA的框体的框的部分形成销状的定位突起 (前端部无钥匙状)。销状的定位突起被插入在分离器上的定位孔(后面叙述)。 关于分离器
在本发明的电池单元所包含的一对分离器中，在一个分离器上形成流 通燃料气体的槽，通过该槽将燃料气体供给燃料极，或从燃料极排出。在 本发明的电池单元所包含的一对分离器中，在另一个分离器上形成流通氧
9化剂气体的槽，通过该槽将氧化剂气体供给空气极，或从空气极排出。
分离器只要是导电性材料形成即可，通常由碳材料形成，但也可以是 沖压的金属板等。在使用冲压的金属板作为分离器时，可以通过加以扭转 而形成台阶部分(后述)。
分离器的厚度为2 3mm左右，但是也可以更薄。
在分离器上设置用于与所述框体的突起的前端的钥匙状部分卡合的台 阶部分。台阶部分形成在与形成有槽的面相反的面上，该槽为分离器的用 于气体流路的槽。
在框体的框内部形成突起时，使分离器的台阶部分为"带台阶孔(参照图 1的带台阶孔10)"即可，而在框体的框的边缘形成突起时，使分离器的台阶 部分为"设置在边缘的台阶(参照图3的台阶15)"即可。
此外，在框体具有销状的定位突起时，在分离器上形成定位孔(参照图 2的定位孔14)。通过将框体的销状的定位突起插入分离器的定位孔，而使得 MEA和分离器的定位更加正确。
本发明的电池单元通过以下方法被一体化，准备所述的框体一体型 MEA和一对分离器；以一对分离器夹着框体一体型MEA的方式进行层叠； 通过向层叠方向推压，使框体的突起与分离器的台阶部分相嵌合而被一体 化。此时，如果框体有销状突起，分离器有定位孔，则将销状突起插入定 位孔。
这样，本发明的电池单元，使用框体一体型MEA的框上设置的突起来 与分离器一体化，所以不需要准备用于一体化的特殊部件，从而使一体化 的作业极为简单。另外，由于以一对分离器所夹着的框体的突起为中心进 行定位，所以分离器和框体的MEA之间的定位更加准确。
2.本发明的燃料电池堆栈
本发明的燃料电池堆栈的特征为包含层叠了多个本发明的燃料电池单 元。如上所述，本发明的燃料电池单元，将框体一体型MEA和一对分离器 一体化来决定位置，所以在层叠燃料电池单元时，在一个电池单元中框体 一体型MEA和一对分离器彼此之间的位置不会偏移。
另外，本发明的燃料电池堆栈也可以使层叠后的多个燃料电池单元彼
电池单元A及电池单元B)的框体也可以具有前端为钥匙状的多个第二突起，且分离器也可以具有多个第二台阶部分。
能够将燃料电池单元A的框体的第二突起和燃料电池单元B的分离器
的第二台阶部分卡合。因此，如果层叠多个电池单元并向层叠方向推压，
则通过燃料电池单元A的框体的第二突起和燃料电池单元B的分离器的第二 台阶部分的咬合，提供一体化的燃料电池堆栈(参照图5)。
此外，在层叠电池单元时，即使抑制了一个电池单元中的框体一体型 与 一 对分离器之间的位置偏移，也有可能出现电池单元彼此的位置偏移。 在发生电池单元彼此的位置偏移时，由于相邻的电池单元的分离器彼此的 接触面积减少，有可能会产生因接触阻抗增大而无法获得规定电压的问题。
及电池单元B)，也可以是电池单元A的框体在层叠方向上具有相互交替的第
起和切口进行咬合的相互交替的切口和第二突起。这里，也可以使第二突 起的前端为钥匙状。
由此，通过将相邻的电池单元的第二突起和切口相咬合，从而能够层 叠多个电池单元而不产生位置偏移(参照图6)。
本发明的燃料电池堆栈也可以包含端部单元，所述端部单元被配置在 层叠了多个本发明的燃料电池单元(层叠体)的两端。
端部单元包含组装为 一体的集电板及树脂制的气体供给排出歧管。优 选的是将预先组装的端部单元嵌入层叠体而构成燃料电池堆栈。
例如，在端部单元的气体供给排出歧管上形成相互交替的带台阶的切 口和突起，如果在层叠体的最外层的电池单元的框体上形成相互交替的带 台阶的切口和突起，则能够将端部单元嵌入层叠体而使其一体化(参照图7)。
以下，参照

发明的实施方式。 (实施方式l )
图1 A是从阴极的电极侧观察到的实施方式1的电池单元的分解立体图。 并表示了框体一体型MEA1 、阳极侧分离器11以及阴极侧分离器12。 框体一体型MEA1包含框体3和配置在框体3的框内部的MEA2。 MEA2的尺寸大约是，长为150mm，宽为150mm。 MEA2的周围配置有 框体3。框体3的外形尺寸大约是，长为220mm,宽为220mm。框体3的材料
为聚丙烯等树脂。将MEA2作为插入件，通过注入成形可制作框体3。此外，在框体3上，通过将氟橡胶两色成形而形成密封件4。
阴极面的密封件4包围在阴极侧电极和阴极侧气体流路口 5的周围，防 止气体的泄漏。但是，在连接向阴极侧电极供给排出氧化剂气体的气体流 路口 5和阴极侧电极的部分6不设置阴极面的密封件4。
同样，阳极面的密封件包围在阳极侧电极和阳极侧气体流路口 7的周 围，防止气体的泄漏。但是，在连接向阳极侧电极供给排出燃料气体的气 体流路口 7和阳极侧电极的部分不设置阳极面的密封件。
形成密封件，使其缠绕于冷却水的流路口8的开口部的周围，防止冷却 水泄漏到外部。
另外，在框体3上一体成形有四个前端为钥匙状的突起9(9-1 ~9-4)。优 选突起9被设置在气体流路口 (5或7)的附近。
在阳极侧分离器ll上设置槽ll-l，燃料气体流过槽ll-1。同样，阴极侧 分离器12上也设置槽，氧化剂气体流过该槽。
在分离器11及12上设置带台阶的孔10(10-1 ~ 10-4)。带台阶的孔10的位 置与框体上所形成的突起9的位置对应，且使孔10的形状为突起9能够插入 的形状。
夹着框体一体型MEA1而层叠阳极侧分离器11和阴极侧分离器12，并向 层叠方向推压时，前端为钥匙状的突起9嵌入带台阶的孔10,三者(框体一体 型MEA1、分离器11以及分离器12)成为一体而形成电池单元。图1B及图1C 表示成为一体的电池单元的突起9和带台阶的孔10的状态的局部放大图。如 图1B及图1C所示，将框体3的突起9的前端的钥匙状部分和分离器11及分离 器12的带台阶的孔10的台阶卡合而使其一体化。突起9的前端的钥匙状部分 也可以朝向框的外侧(图1B),但是如果朝向框的内侧(图1C)，则可以提高密 封件4的效果。
(实施方式2)
图2是实施方式2的电池单元(组装后)的部分详细剖面立体图。实施方式 的说明。
在框体一体型MEA1的框体3上设置了与实施方式l相同的前端为钥匙 状的突起9，另外， 一体成形有定位用的销状突起13。此外，在分离器ll及 12上设置有与实施方式1相同的带台阶的孔10，另外在与销状突起13相对的位置设置有定位孔14。
将突起9和带台阶的孔10卡合，而且，将销状突起13嵌入定位孔14,从 而形成MEA和分离器被固定在更加准确的位置的电池单元。突起9的前端的 钥匙状部分在图2中朝向外侧，但也可以朝向内侧。 (实施方式3 )
图3是实施方式3的电池单元(组装后)的部分详细剖面立体图。实施方式 3的电池单元的基本结构与实施方式1的电池单元相同，所以省略相同部件 的说明。
实施方式3的突起9与实施方式1的突起9不同，该突起被设置在框体一 体型MEA1的框体3的外围的边缘。此外，在实施方式3的分离器11及12上为 了与突起部9相对而将台阶15设置在外围，并且不设置实施方式l中的带台 阶孔。
通过将在框体3的边缘所形成的突起部9和分离器11及12的台阶15卡合 而使其成为一体，从而形成电池单元。框体3—般为树脂制。由此，提供用 树脂将外围整个覆盖的电池单元。如果以高隔热性部件作为框体提高了热 效率，则电池单元产生的热量难以逃逸，从而容易地再利用热能。此外， 通过隔断分离器部件，也能够防止电气短路。 (实施方式4)
图4是从阴极电极侧观察到的实施方式4的电池单元的分解立体图。
在框体一体型MEA1的框体3(为正四边形)的外围中的两个边3-A上连 续地配置多个前端为钥匙状的突起9。优选使用刚性较〗氐的材料制作突起9。
另一方面，在剩余的两边3-B上设置高刚性的突起16(具有]形的剖面)。 突起16接住并保持沿与层叠方向垂直的方向滑入的分离器。
另一方面，分离器11及分离器12的外围的边缘上设置台阶15,并使其 与框体的突起9和突起16的前端卡合。
层叠地组装电池单元时，1)将分离器11及分离器12推抵到框体3的高刚 性的突起16附近并进行位置固定，进而2)通过向层叠方向推压，使低刚性的 突起9发生弹性变形而将前端的钥匙状部分导入分离器11及分离器12的台 阶15，嵌入即可。由此，框体一体型MEA1的框体3和一对分离器11及12成 为一体，而形成电〉也单元。 (实施方式5)图5是使电池单元彼此层叠后的燃料电池堆栈的剖面立体图。在图5中，
层叠有两个电池单元(电池单元A和电池单元B)。电池单元A包含框体一体型 MEA的框体3A和一对分离器11A及12A;电池单元B包含框体一体型MEA的 框体3B和一对分离器11B及12B。
在电池单元各自的框体一体型MEA的框体3(3A及3B)的两面上设置有 一体成形的前端为钥匙状的突起9(9A及9B)，另外在框体3的边缘设置突起 17(17A及17B)。使突起17的前端也为钥匙状，但是与突起9的钥匙状部分相 比，突起17的钥匙状部分被配置得离框体3更远。另外，在各个框体3上设 置销状突起13(13A及13B)。
另一方面，在分离器11(11A及11B)或者分离器12(12A及12B)上设置带 台阶孔10(10A及10B),以及定位孑U4(14A及14B)。另外，在分离器ll的外 围的边缘设置台阶18( 18A及18B)。
框体3的突起9被插入分离器的带台阶孔10,并且将突起9的钥匙状部分 和带台阶孔10的台阶卡合。另一方面，框体3的销状突起13被插入分离器的 定^f立孔14。
另夕卜，图5所示的燃料电池堆栈，电池单元A的框体3A的突起17A的钥 匙状部分与相邻的电池单元B的分离器11B的边缘的台阶18B卡合。因此， 获得彼此一体化了的多个电池单元的燃料电池堆栈。 (实施方式6 )
图6是使电池单元彼此层叠而形成的燃料电池堆栈的剖面立体图。图6 所示的燃料电池堆栈与图5所示的燃料电池堆栈在基本结构上相同，所以省 略相同部件的说明。
在图6中，层叠有两个电池单元(电池单元A和电池单元B)。
在电池单元各自的框体一体型MEA的框体3(3A及3B)的两面上设置有 一体成形的前端为钥匙状的突起9(9A及9B)，另外在框体3的边缘设置突起 17(17A及17B)。使突起17的前端也为钥匙状，但是与突起9的钥匙状部分相 比，突起17的钥匙状部分被配置得离框体3更远。突起17从框体的两面突出， 且交替地一皮配置在正面和反面。
另外，在各个框体3上设置销状突起13(13A及13B)。
另一方面，在分离器U(11A及11B)或者分离器12(12A及12B)上设置带 台阶孔10(10A及10B)，以及定位孔14(14A及14B)。另外，在分离器11(11A及11B)的外围的边缘设置台阶18(18A及18B)。
框体3的突起9被插入分离器的带台阶孔10 ，并且将突起9的钥匙状部分 和带台阶孔10的台阶卡合。另一方面，框体3的销状突起13被插入分离器的 定位孔14。
图6所示的燃料电池堆栈，通过使电池单元A的框体3A的突起17A和电 池单元B的框体3B的突起17B咬合，进行电池单元彼此的定位。另夕卜，图6 的燃料电池堆栈与图5的燃料电池堆栈相同，电池单元A的框体3A的突起 17A的钥匙状部分与相邻的电池单元B的分离器11B的边缘的台阶18B卡合。 因此，彼此被定位的多个电池单元^皮一体化。
(实施方式7)
图7是燃料电池堆栈(组装后)的立体图。图7所示的燃料电池堆栈包含层 叠后的两个电池单元(电池单元A和电池单元B)和端部模块。层叠后的两个 电池单元(电池单元A和电池单元B)与图6所示的电池堆栈相同，所以省略其 说明。
端部模块包含气体供给排出歧管20和集电板21 。气体供给排出歧管20 与向各个电池单元供给排出燃料气体、氧化剂气体、冷却水等液体的配管 部20-l—体成形。能够从燃料电池通过集电板21，将电流提取到外部。
端部模块通过在气体供给排出歧管20上设置的前端为钥匙状的突起22 和在集电板21上设置的台阶23的卡合而被一体化。
其后，通过使由层叠的多个电池单元构成的 一体化的电池单元(电池单 元A及电池单元B)组的、电池单元B的框体3B的突起17B的前端的钥匙状部 分和在集电板21上设置的台阶25卡合，从而能够将端部模块和电池单元组 一体化为燃料电池堆栈。
实施例
以下，参照实施例更具体地说明本发明，本发明的范围不由实施例限 定及解释。 (实施例l )
在乙炔黑类碳粉末中，承载25重量％的平均颗粒度约为30A的铂颗粒而 获得阴极催化剂。此外，在乙炔黑类碳粉末中，承载25重量％的平均颗粒 度约为3 0A的铂-钌合金颗粒而获得阳极催化剂。
使阴极催化剂或阳极催化剂分散于异丙醇，并与全氟碳磺酸粉末的乙醇分散液混合而成为糊状。利用丝网印刷法将该糊剂涂敷在厚度为250^m的
碳无纺布的一面上而形成催化剂层。获得的各个电极的催化剂层中包含的
催化剂金属含量为0.3mg/cm2，全氟磺酸含量为1.2mg/cm2。 除催化剂材料以外，阴极电极和阳极电极为相同结构。 准备了将全氟磺酸类聚合体(polymer)薄膜化至30i^m厚的膜，并且其具 有比所获得的电极大一圏的面积的高分子电解质膜。
所获得的各个电极处于所述高分子电解质膜的两面的中心部。将切成 规定的大小的氟类橡胶薄片(厚度250(im)配置在高分子电解质膜的两面的 电极外部露出的部位。通过热冲压而使其接合成一体，从而制作MEA。
准备在实施方式1中说明的结构的框体一体型MEA和分离器在框体一 体型MEA的框体(聚丙烯制)上一体成形了前端为钥匙状的突起。在框体的4 边的中央各配置一个突起，合计配置了四个前端为钥匙状的突起。在分离 器(碳材料制厚3mm)上的与框体的突起相对的位置，设置相应大小的带台 阶的孔。图9表示框体的各个突起和分离器的台阶的具体结构。图9所示的 突起的进深为5.0mm。
以阳极侧分离器和阴极侧分离器夹着框体 一 体型ME A的状态下，向层 叠方向推压。其结果，框体的突起的前端的钥匙状部分被嵌入各个分离器 的带台阶的孔而与台阶卡合，从而获得一体化的电池单元。
将得到的电池单元的50单元层叠而获得层叠体。用由表面镀金的铜板 构成的集电板夹持所获得的层叠体，再用聚苯硫醚制的绝缘板进行夹持， 还用不锈钢制的端板进行夹持。用连接杆将两端板连接而获得电池堆栈。 此时，电极单位面积的连接压力设为100N/cm2。对所获得的燃料电池堆栈 进行了发电评价。 (比4交例1 )
图8是比较例1的燃料电池的立体图。表示了框体一体型MEAl，，阳极 侧分离器ll，，阴极侧分离器12',以及端部模块(包含集电板30、绝缘板31 以及带配管外端板32)。
以外形为基准将框体一体型MEA，、阳极侧分离器11，以及阴极侧分离器 12，进行层叠之后，用定位销35固定而制作出电池单元。这样制作出的多个 电池单元与集电板30、绝缘板31、带配管外端板32进行层叠之后，用螺栓 33和螺母34连接。等。然而，实施例l的情况与比较例l的情况相比，电池单元的组装作业时 间大约缩短到比较例l的三分之一。而且，由于不使用定位销、连接用的螺 栓和螺母和外端板来构成燃料电池堆栈，所以能够削减约10%的制作成本。 工业上的可利用性
本发明的高分子电解质型燃料电池的电池单元，由于构成电池单元的
MEA和 一对分离器在决定位置的状态下被一体化，所以能够产生稳定的电 压。进而，由于不需要用于使MEA和一对分离器一体化的连接专用部件， 所以能够提供制作工序简单且价廉的高分子电解质型燃料电池。
本申请主张基于2006年4月21日提交的申请号JP2006-117590的优先权。 该申请说明书及附图中所记载内容全部被本申请引用。
权利要求
1.一种燃料电池单元，其为固体高分子型燃料电池单元，所述固体高分子型燃料电池单元包含框体一体型MEA，其是将形成有气体流路口的框体、配置在所述框体的内部的高分子电解质膜、夹着所述高分子电解质膜的一对电极以及包围着所述气体流路口和电极的密封件进行一体化而形成的；分离器，其具有向所述一对电极中的一方供给排出燃料气体的流路；分离器，其具有向所述一对电极中的另一方供给排出氧化剂气体的流路，其中，所述框体在其两面具有前端为钥匙状的多个突起，且所述的一对分离器分别具有多个台阶部分，通过卡合所述框体的突起和所述一对分离器的台阶部分而将该燃料电池单元一体化。
2、 如权利要求l所述的燃料电池单元，其中，所述突起位于所述气体 流3各口的附近。
3、 如权利要求l所述的燃料电池单元，其中，所述突起的前端的钥匙 状部分朝向框体的内侧。
4、 如权利要求l所述的燃料电池单元，其中，流过所述燃料电池单元 的 一对分离器的流路的燃料气体的压力与氧化剂气体之间的压力不同，与在较低的压力的气体流过的分离器侧的框体的面上所形成的所述前 端为钥匙状的多个突起相比，在较高的压力的气体流过的分离器侧的框体 的面上所形成的所述前端为钥匙状的多个突起被配置到框的内侧。
5、 一种燃料电池堆栈，其是包含相互层叠的两个以上的燃料电池单元 的固体高分子型燃料电池堆栈，其中，所述燃料电池单元分别包含框体 一体型MEA,其是将形成有气体流路口的框体、配置在所述框体的内部的 高分子电解质膜、夹着所述高分子电解质膜的一对电极以及包围着所述气 体流路口和电极的密封件进行一体化而形成的；分离器，其具有向所述一 对电极中的一方供给排出燃料气体的流路；分离器，其具有向所述一对电 极中的另一方供给排出氧化剂气体的流路，并且，所述框体在其两面具有 前端为钥匙状的多个突起，所述分离器具有多个台阶部分，通过卡合所迷 框体的突起和所述一对分离器的台阶部分而将该燃料电池单元一体化。
6、 如权利要求5所述的燃料电池堆栈，其中，所述燃料电池堆栈包含 彼此相邻而层叠的燃料电池单元(A)及燃料电池单元(B),所述燃料电池单元(A)及燃料电池单元(B)的框体具有前端为钥匙状的多个第二突起， 且所述燃料电池单元B的分离器具有多个第二台阶部分，通过卡合所述燃料 电池单元(A)的框体的第二突起和所述燃料电池单元(B)的分离器的第 二台阶部分而将该燃料电池堆栈一体化。
7、如权利要求5所述的燃料电池堆栈，其中，所述燃料电池堆栈包含 彼此相邻而层叠的燃料电池单元(A)及燃料电池单元(B),所述燃料电池 单元(A)及燃料电池单元(B)的框体具有多个相互交替的第二突起和切 口，所述燃料电池单元(A)的第二突起和切口与所述燃料电池单元(B) 的第二突起和切口相咬合。
全文摘要
本发明的目的在于提供，不使用决定位置用的专用部件而将MEA和一对分离器一体化并进行决定位置的手段。具体而言，本发明提供如下的燃料电池单元，其为包含框体一体型MEA、具有供给排出燃料气体的流路的分离器以及具有供给排出氧化剂气体的流路的分离器的固体高分子型燃料电池单元，并且所述框体一体型MEA的框体在其两面具有前端为钥匙状的多个突起，所述一对分离器分别具有多个台阶部分，通过卡合所述框体的突起和所述一对分离器的台阶部分而将该燃料电池单元一体化。
文档编号H01M8/02GK101322269SQ20078000051
公开日2008年12月10日 申请日期2007年4月20日 优先权日2006年4月21日
发明者川畑德彦, 日下部弘树, 松本敏宏, 森本隆志, 长尾善辉 申请人:松下电器产业株式会社