CN100452508C

CN100452508C - 固体高分子型燃料电池

Info

Publication number: CN100452508C
Application number: CNB2006100908036A
Authority: CN
Inventors: 八木哲也; 冈田达典
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: CN1921207A; JP2007059330A; DE102006039794A1; US20070048587A1

Abstract

本发明提供使密封面压力均匀化同时供给氧化剂极和燃料极上的气体量一定的固体高分子型燃料电池。该固体高分子型燃料电池是具备多个电池元件，所述多个电池元件具有由氧化剂极和燃料极从两面夹持除外周缘部以外的部分的电解质膜的膜电极接合体、和由从两面夹持上述膜电极接合体而在中央部设气体流路的2枚隔板，在上述2枚隔板的相互相对的面之间和与上述2枚隔板的上述外周缘部相对的面之间设密封部，在与上述密封部对面的上述隔板的密封面上按照围绕上述气体流路那样沿上述密封面方向排列独立的多个凹部。

Description

固体高分子型燃料电池

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池的密封结构。

背景技术

历来的固体高分子型燃料电池为了从外部密封氧化剂极和燃料极，在围绕相对的隔板的、与氧化剂极和燃料极相对的部分的外缘部分之间设密封部，在密封部的内周侧部分插入电解质膜。而且，施加连接荷重时，由隔板夹住电解质膜的区域的密封部被过大地挤压，其蠕动增大以及蠕动速度增加。其结果使氧化剂极和燃料极不能确保必要的面压，发生所谓电池性能劣化的问题。

因此，通过在夹持电解质膜处对向的2个隔板中的至少1方的密封面上形成密封材料积存沟，在过大的荷重施加到密封材料上时，多余的密封材料进入密封材料积存沟内，相反，密封材料上施加的荷重小的场合，密封材料不进入密封材料积存沟中，可以使密封面压力均匀化。由此，不再发生只在有电解质膜的区域密封面压力过大、密封材料的蠕动增加或者蠕动速度增大的情况，电池性能可以在长期内稳定(例如，参照专利文献1)。

[专利文献1]日本国特开2002-367631号公报

为了使施加到隔板的密封面上的面压均匀，该密封材料积存沟成为沿密封面方向连续的沟。而且，由于是连续的沟，所以形成密封部时密封材料比规定的量少的场合，在密封材料积存沟内产生空间。

另一方面，设在隔板上的气体流路因形成复杂的形状而压力损失增大。而且，由于密封材料积存沟设在这样的气体流路的外周，所以密封材料积存沟内生成空间时，其空间成为气体流动的通路。由于该通路中流动的气体与电池反应无关地通过，所以使供给氧化剂极和燃料极的气体量减少，存在电池性能降低或者电池元件面内的温度分布恶化的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供使密封面压均匀化同时供给氧化剂极和燃料极的气体量一定的固体高分子型燃料电池。

本发明的固体高分子型燃料电池具备多个电池元件，所述多个电池元件具有由氧化剂极和燃料极从两面夹持除外周缘部以外的部分的电解质膜而构成的膜电极接合体、和从两面夹持上述膜电极接合体而在中央部设气体流路的2枚隔板，在上述2枚隔板的相互相对的面之间和与上述2枚隔板的上述外周缘部相对的面之间设密封部，在相对于上述密封部的上述隔板的密封面上按照围绕上述气体流路那样沿密封面方向设独立的多个凹部。

本发明的固体高分子型燃料电池的效果在于，即使由构成密封部的密封材料不充满凹部，由于凹部沿气体流动的方向独立，所以流入未充满的凹部的气体仅流动凹部的长度而再次返回氧化剂极和燃料极中，可以防止气体在与氧化剂极或者燃料极无关的部分中流动。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的固体高分子型燃料电池的部分剖面图。

图2是实施方式1的隔板的平面图。

图3是图2的A-A剖面图。

图4是表示相对于图2的隔板的密封材料涂布区域的图。

图5是本发明实施方式2的隔板的平面图。

图6是本发明实施方式3的隔板的平面图。

符号说明

1 固体高分子型燃料电池 2 电解质膜

3、5 催化剂层 4 燃料极

6 氧化剂极 7 膜电极接合体

8 燃料气体流路 9、11 隔板

10 氧化剂气体流路 12 电池元件

13 冷却水流路 15 燃料供给歧管

16 燃料排出歧管 17 氧化剂供给歧管

18 氧化剂排出歧管 19 冷却水供给歧管

20 冷却水排出歧管 23、24、26 凹部

25 外周缘部 27 A密封面

28 B密封面 30、35 密封部

32 层叠片 37 密封材料涂布区域

具体实施方式

(实施方式1)

图1是本发明实施方式1的涉及的固体高分子型燃料电池的部分剖面图。图2是实施方式1涉及的隔板的平面图。图3是图2的A-A剖面图。图4是表示与图2的隔板相对的密封材料涂布区域的图。

如图1所示，本发明的实施方式1涉及的固体高分子型燃料电池1具备如图1所示的包括以下部分的膜电极接合体7：由离子交换膜构成的电解质膜2；按照催化剂层3与电解质膜2的一个面的中央部连接那样配置的催化剂层3的单面形成的燃料极4；按照催化剂层5与电解质膜2的另一个面的中央部连接那样配置的催化剂层5在单面形成的氧化剂极6。

另外，固体高分子型燃料电池1具备包括以下部分的电池元件12：膜电极接合体7；按照在膜电极接合体7的一侧的面上面对着向燃料极4供给燃料气体的燃料气体流路8那样配置的燃料气体流路8在单面的中央部形成的燃料气体用隔板9；按照在膜电极接合体7的另一侧的面上面对着向氧化剂极6供给氧化剂气体的氧化剂气体流路10那样配置的氧化剂气体流路10在单面的中央部形成的氧化剂气体用隔板11。

燃料气体用的隔板9在形成燃料气体流路8的面的相反面的中央部形成冷却水流路13。另外，冷却水流路13在燃料气体用的隔板9上形成，但是也可以在氧化剂气体用的隔板11上形成，也可以在两者上都形成。

另外，如图2所示，燃料气体用隔板9设沿厚度方向贯通燃料气体用隔板9的燃料供给歧管(manifold)15、燃料排出歧管16、氧化剂供给歧管17、氧化剂排出歧管18、冷却水供给歧管19、冷却水排出歧管20。而且，在形成了燃料气体用的隔板9的燃料气体流路8的面上，燃料供给歧管15和燃料排出歧管16与燃料气体流路8的两端连接。

另外，燃料气体用的隔板9在形成了燃料气体流路8的面上形成围绕燃料气体流路8的多个凹部23。如图3所示，该凹部23的隔板9的厚度方向的断面形状是矩形，密封面方向的平面形状是椭圆。而且，该凹部23由于密封面关闭开口时与邻接的凹部23之间没有流体流动，所以相对于其它的凹部23而独立。在多孔体表现中与所用的独立空孔相同的意义上使用。

另外，对于独立的凹部23其厚度方向的断面形状是矩形、密封面方向的平面形状是椭圆形进行了说明，但是断面形状也可以是半圆、三角形或者弯曲状，平面形状也可以是矩形状或者圆形。

另外，燃料气体用的隔板9在形成了冷却水流路13的面上，冷却水供给歧管19和冷却水排出歧管20与冷却水流路13的两端连接。另外，燃料气体用隔板9在形成了冷却水流路13的面上形成围绕冷却水流路13的多个凹部24。该凹部24与凹部23同样也是独立的。另外，燃料气体用隔板9刻入围绕凹部24的外周缘部25，其厚度比其它的薄。

另外，氧化剂气体用的隔板11，虽然没有图示，但是作为电池元件12组合起来时，在与燃料气体用隔板9相同的位置上设沿厚度方向贯通的氧化剂供给歧管、氧化剂排出歧管、燃料供给歧管、燃料排出歧管、冷却水供给歧管、冷却水排出歧管。而且，在形成了氧化剂气体用的隔板11的氧化剂气体流路10的面上，氧化剂供给歧管和氧化剂排出歧管与氧化剂气体流路10的两端连接。另外，氧化剂气体用的隔板11与燃料气体用的隔板9同样，在形成了氧化剂气体流路10的面上形成围绕氧化剂气体流路10的多个凹部26。该凹部26与凹部23同样也是独立的。

该实施方式1的电池元件12在燃料气体用的隔板9和氧化剂气体用的隔板11直接相对的各自的A密封面27之间、及燃料气体用的隔板9和氧化剂气体用的隔板11介于电解质膜2之间而相对的各自的B密封面28之间设密封部30。而且，通过密封部30防止氧化剂气体和燃料气体的直接接触，并且防止氧化剂气体和燃料气体向外部的泄漏。

该密封部30也包括在设计密封部30的过程中构成密封部30的密封材料流入凹部23、26中时埋住全部或者一部分的部分。

该实施方式1的固体高分子型燃料电池1具备包括多个电池元件12的层叠片(stack)32。而且，在电池元件12的燃料气体用隔板9的外缘部25和与该外缘部25对面的邻接于该电池元件12的电池元件12的氧化剂气体用隔板11的面之间设冷却水用的密封部35。通过该冷却水用的密封部35防止冷却水在间隙中传递而泄漏。

该冷却水用密封部35也包括在形成冷却水用密封部35的过程中构成冷却水密封部35的密封材料流入凹部24中时埋住全部或者一部分的部分。

以下说明形成密封部30的方法。另外，说明电池元件12的组合，由于层叠片32的组合也是同样的，所以省略其说明。

在图4所示的燃料气体用隔板9的密封材料涂布区域37内涂布密封材料。该密封材料涂布区域37围住凹部23、燃料供给歧管15、燃料排出歧管16、氧化剂供给歧管17、氧化剂排出歧管18、冷却水供给歧管19、冷却水排出歧管20。同样，在氧化剂气体用隔板11的密封材料涂布区域内也涂布密封材料。该氧化剂气体用隔板11的密封材料涂布区域也是与燃料气体用隔板9的密封材料涂布区域37同样的。

然后，从水平配置的膜电极接合体7的上下使涂布密封材料的燃料气体用隔板9和氧化剂气体用隔板11按照涂布密封材料的面相对那样重合。

然后，使这样重合的燃料气体用隔板9、膜电极接合体7、氧化剂气体用隔板11从上下加压而进行压制。此时，密封材料的高度降低的部分的面积扩展，向凹部23和凹部26扩展的密封材料流入凹部23和凹部26中。

然后，进行压制同时进行加热，使密封材料固化而完成密封部30的形成。

由于这样形成的密封部30通过流入凹部23和凹部26的密封材料的量来吸收密封材料涂布量和构成构件的尺寸的波动，密封材料不从凹部23和凹部26向内侧扩展，所以密封材料不会堵塞燃料气体流路8和氧化剂气体流路10。

另外，由于只有一部分由密封材料埋住的凹部23和凹部26，其各自的凹部23和凹部26独立，在凹部23和凹部26中流动的气体可以在凹部23、26的边界返回到密封面内，所以供给的气体中一旦流到凹部23、26的气体也返回到氧化剂极6和燃料极4内，有助于电池反应，可以达到电池性能的稳定化。

本发明的固体高分子型燃料电池1的效果在于，即使在凹部23、26不被构成密封部30的密封材料充满，由于凹部23、26沿气体的流动方向是独立的，所以流到没有被密封材料充满的凹部23、26中的气体仅流动凹部23、26的长度而再次返回到氧化剂极6或者燃料极4中，可以防止气体在与氧化剂极6或者燃料极4无关的部分中流动。

另外，由于在设冷却水流路13的面上设围绕冷却水流路13的多个凹部24，所以可以吸收密封材料的扩展的波动，同时由于没有被密封材料充满的凹部24独立，所以流到凹部24内的冷却水也返回到冷却水流路13中，可以从正下方冷却由电池反应产生热的燃料极4和氧化剂极6。

另外，通过设凹部23、26，在密封部30施加过大荷重的区域内多余的密封材料进入凹部23、26中，相反在密封部30施加的荷重少的区域内密封材料不进入凹部23、26内，因而密封面压力可以均匀化。

另外，在实施方式1中，说明了在燃料气体用隔板9和氧化剂气体用隔板11上设凹部23、26，但是即使设在膜电极接合体7上，也具有与实施方式1的固体高分子型燃料电池1同样的效果。

另外，即使在燃料气体用隔板9和氧化剂气体用隔板11及膜电极接合体7的两方上都设凹部23、26，也具有与实施方式1的固体高分子型燃料电池1同样的效果。

另外，由于对于无平行的气体流路的密封材料涂布区域37密封材料不流入气体流路中，所以在该位置也可以不设凹部。

另外，在实施方式1中燃料气体用隔板9和氧化剂气体用隔板11是2枚隔板，但是即使是在两面设燃料气体流路和氧化剂气体流路的1枚隔板，通过围绕这些流路设凹部，也可以得到与实施方式1同样的效果。

(实施方式2)

图5是本发明实施方式2的燃料气体用隔板的平面图。

本发明的实施方式2的固体高分子型燃料电池，其燃料气体用隔板9B与实施方式1的固体高分子型燃料电池1不同，除此以外是同样的，因而赋予同样的部分以相同的符号，并省略其说明。

如图5所示，实施方式2的燃料气体用隔板9B，其凹部23的排列的方式与实施方式1的燃料气体用隔板9不同，除此以外是同样的，因而赋予同样的部分以相同的符号，并省略其说明。

在燃料气体用隔板9B中，独立的多个凹部23并列而设为多列，按照相邻的列的凹部23交替配置那样并列，由并列的凹部23围绕燃料气体流路8。

这样的固体高分子型燃料电池将凹部23并列而设为多列，按照相邻的列的凹部23交替配置那样并列，即使密封材料向燃料气体流路8流动，由于沿着所向的方向有凹部23存在，所以可以防止密封材料向燃料气体流路8的流入。

另外，在实施方式2的燃料气体用隔板9B中，独立的多个凹部23并列而设为多列，按照相邻的列的凹部23交替配置那样并列，因形成3列、4列等多列，所以可以更可靠地防止密封材料向燃料气体流路8的流入。

另外，在实施方式2的固体高分子型燃料电池中，使燃料气体用隔板9B的凹部23并列为2列，而通过使氧化剂气体用隔板的凹部并列为多列，可以防止密封材料向氧化剂气体流路10的流入。

另外，通过使燃料气体用隔板9B的凹部24并列为多列，可以防止密封材料向冷却水流路13的流入。

(实施方式3)

图6是本发明实施方式3的燃料气体用隔板的平面图。

本发明的实施方式3的固体高分子型燃料电池，其燃料气体用隔板9C与实施方式1的固体高分子型燃料电池1不同，除此以外是同样的，因而赋予同样的部分以相同的符号，并省略其说明。

如图6所示，实施方式3的燃料气体用隔板9C，其设凹部23的位置与实施方式1的燃料气体用隔板9不同，除此以外是同样的，因而赋予同样的部分以相同的符号，并省略其说明。

在燃料气体用的隔板9C中，在并行的2个燃料气体流路8之间发生压力差的部分没设凹部23。

这样的固体高分子型燃料电池由于在压力损失大的燃料气体流路8的部分的附近不设凹部23，所以可以使燃料气体照原样流入燃料气体流路8内。

另外，在实施方式3的固体高分子型燃料电池中，除了压力损失大的燃料气体流路8的部分的附近以外设燃料气体用隔板9C的凹部23，而通过除压力损失大的氧化剂气体流路10的部分的附近以外设氧化剂气体用隔板11的凹部26，可以使氧化剂气体照原样流入氧化剂气体流路10内。

另外，通过除压力损失大的冷却水流路13的部分的附近以外设燃料气体用隔板9的凹部24，可以使冷却水照原样流入冷却水流路13内。

Claims

1.一种固体高分子型燃料电池，具备多个电池元件，所述多个电池元件具有由氧化剂极和燃料极从两面夹持除外周缘部以外的部分的电解质膜而构成的膜电极接合体、和从两面夹持上述膜电极接合体而在中央部设气体流路的2枚隔板，在上述2枚隔板的相互相对的面之间和上述2枚隔板的、与上述外周缘部相对的面之间设密封部，其特征在于，

在相对于上述密封部的上述隔板的密封面上按照围绕上述气体流路那样沿密封面方向设独立的多个凹部。

2.根据权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于，至少1枚上述隔板在设上述气体流路的面的相反面的中央部设冷却水流路和在设上述冷却水流路的面上设围绕上述冷却水流路的独立的多个凹部。

3.根据权利要求1或2所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于，围绕上述气体流路的凹部和围绕上述冷却水流路的凹部中至少一方的凹部并列而设多列，相邻列上的上述凹部交替地配置。

4.根据权利要求1或2所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于，除了上述气体流路的压力差大的部分的附近以外在上述密封面上设围绕上述气体流路的凹部。