固体高分子电解质型燃料电池 本发明涉及在移动式电源、电动车用电源、家庭内协调(コ-ジエネレ-ション)系统等中所使用的常温动作型的固体高分子电解质型燃料电池。
固体高分子电解质型燃料电池，是利用气体扩散电极而使氢等的燃料与空气等的氧化剂气体电化学反应，同时产生电与热。
在有选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两面，紧密形成以载持铂类的金属催化剂的碳粉为主成分的催化层。在催化层的外面，紧密形成兼有通气性与导电性的一对扩散层，使其与催化层合在一起构成电极。
在电极地外侧，将这些电极及电解质的接合体机械性固定，并配置将邻接的接合体互相地电气串联连接用的导电性的隔板。在与隔板的电极接触的部分，形成向电极面供给反应气体、用来移走生成气体与剩余气体的气体流路。
现根据附图说明这种燃料电池的单电池的结构。
图11表示在用具有催化层2的一对电极1夹持高分子电解质膜3的同时用一对密封材料17夹持电解质膜的周缘部、并用一对隔板4夹持它们的单电池的结构。隔板4具有将燃料气体或氧化剂气体向电极1供给用的气体流路5。密封材料17是用来防止燃料的氢或氧化剂的空气向电池外泄漏或互相混合的。每单电池的2单元，使用了在隔板的一面具有气体流路在另一面具有供给冷却水的流路的结构。并且，为了防止冷却水的泄漏，在有冷却水流路的隔板间夹装有O型圈。
图12表示作为用来防止气体或冷却水泄漏的另外的密封方法而将由树脂或金属板构成的密封衬垫19做成与电极相同左右的厚度并配置在电极1的附近、然后用润滑脂20或粘接剂将与隔板的间隙予以密封的例子。具有冷却水流路的隔板间也同样地用润滑脂或粘接剂密封。
图13是将电极做成与高分子电解质膜同样大小并将与电解质膜接合的电解质膜-电极接合体(以下称MEA)与隔板层叠、在需要气密的部分预先使具有密封效果的树脂21渗入固化的例子。利用该固化后的树脂来保持MEA与隔板之间的气密性。
多数的燃料电池，采用重叠许多上述那样结构的单电池的重叠结构。在燃料电池工作时，发热与电力的生成一起产生。在层叠电池中，由于每单电池的1～2单元设有冷却板，故可将电池温度保持一定并以温水等的形式利用同时所产生的热能。作为冷却板，一般是冷却水等的热介质流经较薄的金属板的内部的结构。另外，如上所述，也有在构成单电池的隔板的背面，即在欲流过冷却水的面上加工流路而做成冷却板的。此时，也需要将冷却水等的热介质予以密封用的O型圈或密封衬垫。需要通过压缩该密封用的O型圈，在冷却板的上下间确保充分的导电性。
在这种层叠电池中，将称作歧管(マニホルド)的、向各单电池的气体供给孔或气体排出孔、及冷却水的供给排出孔确保在层叠电池内部的所谓内部歧管型是普遍的。但是，在用改质气体的电池工作的情况下，在各电池的燃料气体流路的下游区域CO浓度上升，其结果，有时因电极催化剂中毒而温度下降，其温度的下降往往又促进电极催化剂中毒。为缓和这种电池性能的下降现象，也可重新认识做成尽量扩大获取从歧管向各单电池的气体的供给排出部的范围的外部歧管型。
不管怎样，在一方向上重叠包含冷却部的许多单电池，在其两端配置2个端板，且必需用系紧杆将该2个端板间固定。作为系紧方式，最好尽量在面内均匀地系紧单电池，而从机械强度的观点看，对于端板或系紧杆，使用通常不锈钢等的金属材料。这些端板或系紧杆与层叠电池，被绝缘板等电气绝缘，成为电流通过端板而不漏到外部的结构。关于系紧杆，也提出了一种通过隔板内部的贯通孔之中、或在端板中间(端板越レ)用金属皮带将层叠电池整体系紧的改进后的方式。
而在采用图11～图13所示的任一方式的密封方法中，为维持密封性还需要恒定的系紧压力，并采用将螺旋弹簧或盘簧插入系紧杆与端板之间等的结构。再由该系紧压力来确保隔板或电极、电解质膜等电池的构成构件之间的电气接触。
为了氢气或空气等的气体密封，在电极周围配置密封材料或O型圈的方法中，需要相当大的面压力。因此，需要恒定地加上通过用上下的隔板夹住密封材料或密封部而可获得维持密封效果的结构的、较大的系紧力。因此，端板或系紧杆等的系紧机构往往增大，从重量的观点看也妨碍了电池整体的轻量化。
另外，由于在密封部或电极部长时间受到压力，故构成构件产生变形，其结果，在密封部或电极上所需的面压力下降，从而吸收变形量的机构需设成系紧机构，在系紧杆端部设置弹簧而获得系紧的结构。所以，妨碍了小型化。
为解决上述的问题，本发明的目的在于，提供一种既小型而结构简单的层叠电池的具有系紧机构的固体高分子电解质型燃料电池。
本发明还提供一种可抑制因长时间的加压而导致蠕变变形的层叠电池的具有系紧机构的、在长期稳定性方面优异的固体高分子电解质型燃料电池。
本发明涉及具有层叠多个单位电池的层叠体的系紧机构的固体高分子电解质型燃料电池，单位电池包括固体高分子电解质膜、将所述固体高分子电解质膜夹持的阳极与阴极、具有对所述阳极供给燃料气体的气体流路的阳极侧导电性隔板、以及具有对所述阴极供给氧化剂气体的气体流路的阴极侧导电性隔板。
本发明的所述系紧机构具有：配置在所述层叠体的一端部的第1端板；配置在层叠体的另一端部的第2端板；至少配置在第1端板外侧的辅助板；对包含所述层叠体、第1及第2端板及所述辅助板的位于装配体的一端部的构件与位于所述装配体另一端部的构件予以约束并限制两者离开的带状的至少1组约束构件；与所述辅助板的螺钉孔旋合、前端与第1端板接触的螺钉；以及通过将所述螺钉旋入所述辅助板的螺钉孔内而产生反抗力并为压缩所述层叠体而作用的弹簧装置。
在本发明的较佳的实施形态中，所述辅助板由具有弹性的金属板构成，兼作所述弹簧装置。
在本发明的另一较佳的实施形态中，还具有配置在所述第2端板外侧的第2辅助板，所述弹簧装置夹装在第2端板与第2辅助板之间。
在本发明的另一实施形态中，所述约束构件，由围绕所述装配体的、端部固定在所述辅助板上的带(バンド)所构成。
在本发明的又一实施形态中，所述约束构件，由在所述装配体的相对的侧面、与第1辅助板端部和第2端板端部相卡合的一对带所构成。
在本发明的实施形态中，所述约束构件，由在所述装配体的相对的侧面、与第1辅助板端部和第2辅助板端部相卡合的一对带所构成。
在本发明又一实施形态中，与同1组的约束构件卡合的所述辅助板，复数地被分割成互相平行，且各自的分割辅助板具有螺钉孔，在各螺钉孔内旋合着螺钉。
夹装在第2端板与第2辅助板之间的所述弹簧，最好是具有盘状的弹簧。
所述约束构件，最好具有隔热效果。
图1是本发明实施形态的固体高分子型燃料电池的俯视图。
图2是该电池的主视图。
图3是沿图2中III-III′线的剖视图。
图4是本发明另一实施形态的固体高分子型燃料电池的俯视图。
图5是该电池的主视图。
图6是沿图4中VI-VI′线的剖视图。
图7是本发明又一实施形态的固体高分子型燃料电池的俯视图。
图8是本发明再一实施形态的固体高分子型燃料电池的俯视图。
图9是将本发明实施形态的固体高分子型燃料电池的电池构件予以局部剖切后的立体图。
图10是本发明另一实施形态的隔板的立体图。
图11是表示固体高分子型燃料电池的电池构件的结构例主要部分的剖视图。
图12是表示固体高分子型燃料电池的电池构件的另一结构例主要部分的剖视图。
图13是表示固体高分子型燃料电池的电池构件的又一结构例主要部分的剖视图。
下面参照附图说明本发明较佳的实施形态。
实施形态1
图1～图3表示本实施形态的燃料电池的系紧结构。
30表示单位电池的层叠体。在层叠体30的上下配置有端板31、32。具有输出端子40、41的单位电池的层叠体30与端板31、32被绝缘装置电气绝缘，未图示。端板31、电池层叠体30及端板32在4个部位被系紧。即，利用由围绕它们的带状的带所构成的约束构件39、将所述带的端部固定的辅助板33、在与设在端板32底面上的凹部36对应设置的凸部37上安装盘弹簧38的辅助板34、及由与设在辅助板33上的螺钉孔旋合的螺钉35所构成的4组系紧构件，来系紧电池层叠体30及端板31、32。
当将螺钉35旋入辅助板33上时，辅助板33就向离开端板31的方向移动，因此，辅助板34靠带39而向将弹簧38予以压缩的方向移动。由此，层叠体30通过端板而被系紧，密封部或电极上受到所需的面压力。42、43及44表示用来将气体供给到电极上的气体供给口及冷却水供给口。它们的排出口设在与具有供给口的一侧相反侧的下面。
下面，对该实施形态1具体化的例子说明如下。
将粒径为几微米以下的碳粉浸渍于氯化铂酸水溶液(盐化白金酸水溶液)中，通过还原处理而在碳粉表面上载持铂催化剂。此时的碳与所载持的铂的重量比设为1∶1。接着，使载持这种铂的碳粉分散在高分子电解质的酒精溶液中，呈浆料化。
另一方面，将成为电极的厚度为400微米的碳纸含浸在氟树脂的水性悬浮液(ディスパ-ジョン)(大金工业(株)制的ネオフロン ND1)中，干燥后，按400℃进行30分钟热处理，使之具有防水性。
如图9所示，在防水处理后的碳纸电极1的单面上均匀地涂布包含所述碳粉的浆料，形成催化层2。在将形成催化层的面朝向内侧、并夹持固体高分子电解质膜3地使2张碳纸电极1重合后，将其干燥，从而制成电极电解质接合体(MEA)。2张碳纸电极1，其长度与宽度均做成10cm，配置在大一圈的长度、宽度均为12cm的高分子电解质膜3的中央。从其两面用具有气密性的碳制的隔板4将该MEA夹持，构成单电池。
隔板4的厚度为4mm，通过切削加工，在其表面上加工出许多宽度为2mm、深度为1mm的气体流路5，在其周边部，配设气体的歧管孔6与冷却水的歧管孔7。另外，在用隔板夹持MEA时，在电极1的周围配设与碳制的隔板相同尺寸的涤纶(PET)制薄板8。该PET薄板硬而无密封性，但用作碳制隔板4与电解质膜3之间的衬垫。将这种单电池层叠2单元后，层叠形成流通冷却水的冷却流路的隔板，反复层叠这种结构。在具有冷却流路的隔板间未使用密封用O型圈。
将这种电池构成单位层叠50单元，在两端部配设由金属制的集电板和电气绝缘材料构成的绝缘板而构成层叠体。
在该层叠体的上下配设端板，制成图1～图3所说明的实施形态1的系紧结构。即，做成用4根厚度为1mm、宽度为22mm的金属(SUS304-CSP)带39和端板31、32、辅助板33、34及盘簧38提供系紧力的结构。盘簧38的弹簧常数是500kg f/mm，压缩0.8mm每1个部位增加400kg的系紧压力，将装配时的系紧压力设成13kg f/cm2。用感应压力纸测试隔板的压力分布后，可确认在整个面上呈均匀的压力分布。根据本实施形态，与在现有的隔板外侧配置杆提供系紧力的方法相比，由于可从隔板的内侧施加系紧力，故大大减少端板的变形。因此，也可将端板的厚度设成5mm以下。
实施形态2
图4～图6表示本实施形态的燃料电池的系紧结构。
50表示单位电池的层叠体。在层叠体50的上下配设有端板51、52。在端板51的上面配设有将螺栓55旋合在螺钉孔内的辅助板53，而在端板52的下面配设有在与设在端板52底面上的凹部56对应设置的凸部57上安装盘簧58后的辅助板54。并且，辅助板53与54，通过由将与设在它们的周缘部上的凹部61相卡合的钩子设在上下的带59所构成的约束构件而被连接，通过使螺栓55旋入辅助板53来压缩弹簧57，由此，靠端板51、52来系紧层叠体50，在密封部或电极上受到所需的面压力。
在本例中，用2组由辅助板53、54及一对带59所构成的系紧构件将电池层叠体及端板系紧。并且，在1个辅助板53上安装有4个螺栓55。
在电池的上下配设该电池的输出端子62、63。所述输出端子62、63分别与通过绝缘板而配设在端板51及52内侧的集电板连接。端子62及63和分别由绝缘套环68及69绝缘的金属板66及67，利用焊接等方法安装在端板51及52上，由系紧力限制辅助板53及54向横向偏移。设有用来向电极供给气体的气体供给口及冷却水供给口的歧管64和设有气体排出口及冷却水排出口的歧管65安装在电池的侧面。歧管64及65还起到与所述金属板66及67相同的作用。
下面，说明将实施形态2具体化的例子。
在先前的实施形态中，作为MEA的结构，在电极的周围配设了PET薄板的衬垫，但在这里，尝试了如下的结构。即结构是：废除PET薄板，将涂布了催化层的碳纸电极设成与碳制隔板相同的尺寸，从而，层叠时电极端部露出电池的侧表面。作为此时的碳制隔板7，使用了如图10所示那样的外部歧管型的结构。即，每2单元使用的隔板4a，在一面上具有冷却水的流路22及其出入口12，在另一面上具有燃料气体或氧化剂气体、例如燃料气体的流路及其出入口10。与具有所述隔板4a的气体出入口10的面接触的电极极板(对極)接触而配设隔板4b。该隔板4b，在与所述极板接触的面上设有氧化剂气体的流路5及其出入口11，在相反侧的面上设有燃料气体的流路及其出入口10。另外，使隔板4b和单位电池介于中间而层叠的隔板4c，在其一面设有氧化剂气体的流路5及其出入口11，在相反侧的面设有冷却水的流路及其出入口12。
并且，在单位电池层叠体的一侧面上，在所述气体的出入口10、11及冷却水的出入口分别配设供给燃料气体、氧化剂气体及冷却水的歧管，在相反侧的侧面上，在所述气体的出入口10、11及冷却水的出入口分别配设将燃料气体、氧化剂气体及冷却水排出的歧管。
在以上的电池构成的层叠体的上下配设端板，制成图4～图6所说明的实施形态2的系紧结构。即，做成用2根厚度为1mm、宽度为75mm的金属(SUS304-CSP)带59和端板51、52、辅助板53、54、盘簧58及螺栓55提供系紧力的结构。盘簧58的弹簧常数是500kg f/mm，压缩0.8mm每1个部位增加400kg的系紧压力，将装配时的系紧压力设成13kg f/cm2。在本实施形态中，由于用焊接方法将钩子60与带59的端部接合而做成可装拆，故与实施形态1的带结构相比提高了装配性。
实施形态3
图7表示本实施形态的燃料电池的系紧结构。
在实施形态2中，做成了用2组系紧构件、用2组螺栓将各组的辅助板53系紧的结构。但在本实施形态中，做成了用4组系紧构件、用1组螺栓将各组的辅助板53a系紧的结构。其它结构与实施形态2相同。
下面说明将本实施形态具体化的例子。
在实施形态2中所用的类型的电池构成的层叠体的上下配设端板，制成图7中所说明的实施形态3的系紧结构。即，做成用4根厚度为1mm、宽度为75mm的金属(SUS304-CSP)带59和端板51、52、辅助板53a、54、盘簧58及螺栓55提供系紧力的结构。盘簧58的弹簧常数是500kg f/mm，压缩0.8mm每1个部位增加400kg的系紧压力，将装配时的系紧压力设成13kg f/cm2。此外，做成将实施形态2的系紧板分割成2个的结构。在实施形态2中，由于在1块系紧板上用4根螺栓来系紧，故一旦带的机械精度恶化，4根螺栓就不均等地受到负荷。对此，在本实施形态中，由于做成了在1块系紧板上用2根螺栓来系紧的结构，故必定可受到均等的负荷。用感应压力纸测试隔板的压力分布后，可确认在整个面上呈均匀的压力分布。
另外，在本实施形态中，虽然将螺栓侧的系紧板分割成2个，但也可将弹簧侧的系紧板分割成2个，可获得同样的效果。
实施形态4
图8表示本实施形态的燃料电池的系紧结构。在本例中，辅助板73兼作弹簧装置。
在单位电池的层叠体70的上下，分别使集电板84及86和绝缘板85及87介于中间地配置端板71及72。在端板71的上面，配置有将螺钉75旋合在螺钉孔内的辅助板73。辅助板73与端板72，通过具有与设在它们的端部上的凹部81相卡合的钩子80的带79而被连接。当使螺钉75旋入辅助板73的螺钉孔内时，螺钉75的前端按住端板71。辅助板73与端板72，由于通过约束构件79而被接合，故层叠体70随着螺钉75的旋入而被压缩。此时，由于辅助板73起到弹簧的作用，故层叠体70因该弹簧压力而被系紧。这样，被系紧的层叠体70虽然从其材质的特性来看产生时效性蠕变变形，但利用辅助板73的板弹簧功能来吸收这种蠕变变形，可恒定地将稳定的系紧力持续给予层叠体70。
电池的输出，由分别与集电板84及86连接的输出端子82及83供给到外部设备(未图示)。其它结构与实施形态3相同。
采用本发明，可使把系紧力给予层叠电池装配体的机构小型轻量化，可获得电池整体的轻量化。