CN101076909A - 燃料电池用密封结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种为电池单元设计的密封结构。其密封结构中，用于构成密封唇圈的橡胶含浸在构成MEA的GDL圆周边缘部。如果能适当的控制GDL的圆周边缘部上含浸橡胶区域的幅度，就能达到抑制因MEA反应区域变窄产生的发电量低下的目的。为达到这个目的，本发明具有：配置在一对隔离器5之间的MEA2、在MEA 2外周侧的平面延长线上配置的橡胶垫6、与橡胶垫6两面一体化成型的、并和隔离器5紧密接触的垫圈形状的唇圈7。在MEA 2的圆周边缘部，设置有橡胶含浸部8，通过将构成橡胶垫6的一部分橡胶含浸在构成MEA 2的GDL 4中，使橡胶垫6一体化成型在MEA 2。在MEA 2所在平面内，紧接着橡胶含浸部8的内周侧，为了控制橡胶含浸区域，设有GDL收缩部9。

Description

燃料电池用密封结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池单元的构成要素——密封结构及其制造方法。
背景技术
燃料电池堆栈内的各个单元中，作为气体或冷却流路用的密封结构，使用液态橡胶等弹性体在隔离器上形成垫圈的结构是最常用的。(参照专利文件1、2)
另外，也有在一对分离器之间配置的MEA上形成垫圈的结构，该结构具有，
(1)在MEA的外圆周面附设树脂胶片，在这个树脂胶片上形成垫圈结构(参照专利文件3)，或者
(2)在构成MEA的GDL的两面，通过液态橡胶的射出成型以成型垫圈，并且一部分的液态橡胶含浸在多孔结构的GDL内。(参照专利文件4、5)
虽然使用这些已有的技术也能达到预期目的，可以充分发挥密封的效果。但前者(1)中必需树脂胶片，这样零件数和制造工序数都要增加，因而不合适；而后者(2)在组装电池堆栈时，垫圈压缩负荷也直接作用在GDL上，GDL负荷过度，因而不合适。
为了解决以上不合适的问题，较好的方法是，不在GDL即MEA的平面上，而在MEA外周侧的MEA平面延长线上通过液态橡胶的射出成型以形成橡胶垫，这时通过使一部分液态橡胶含浸在GDL的圆周边缘部分，使橡胶垫一体化成型在MEA，同时垫圈形的唇圈也一体化成型在橡胶垫的两面。通过这种MEA和橡胶垫及唇圈的横向并列结构，可以省去树脂胶片，又可以防止垫圈的压缩负荷直接作用在GDL上。
但是，这种横向并列结构的问题在于，制造过程中，在一部分液态橡胶含浸在GDL的圆周边缘部分时，因为很难控制含浸区域到适当幅度(深度)。液态橡胶会向GDL的平面方向进深深度含浸，结果有可能导致：在GDL平面中央，本应该设定为很宽的MEA的反应区域变窄，产生发电容量低下的问题。
专利文件1：特开2001-332275号公报
专利文件2：特开2004-63295号公报
专利文件3：特开2003-7328号公报
专利文件4：特开2003-68332号公报
专利文件5：PCT WO2002/043172号公报
发明内容
鉴于以上几点，本发明提供一种燃料电池用的密封结构及其制造方法。构成密封唇圈的橡胶含浸在构成MEA的GDL的圆周边缘部分的密封结构，其可以适当的控制橡胶含浸区域在GDL的圆周边缘部分的幅度，抑制因为MEA的反应区域变窄产生的发电容量低下问题。
另外，因为密封结构有自身控制唇圈压缩率的功能，可以使唇圈以合适的姿态和分离器紧密接触。
本发明的密封结构，其特征在于，为了达到上述目的，其具有：配置在一对分离器之间的MEA，在上述MEA的外周侧、在上述MEA的平面延长线上配置的橡胶垫，以及与上述橡胶垫的两面一体化成型的、与上述分离器紧密接触的、垫圈形状的唇圈；橡胶含浸部，其在上述MEA的圆周边缘部分，构成上述橡胶垫的一部分橡胶含浸在构成上述MEA的GDL中，使橡胶垫与上述MEA一体化成型；GDL收缩部，其在上述MEA的平面内，紧接着上述橡胶含浸部分的内周侧，控制上述橡胶含浸区域。
本发明的密封结构，其特征在于：橡胶垫的唇圈的内周侧和外周侧的至少一侧或两侧，与定位端一体化成型，该定位端在组装电池堆栈时被夹在一对分离器之间的、规定上述分离器间距。
本发明的密封结构的制造方法，其特征在于：在插入MEA的状态下射出成型橡胶垫用模具中，在分割型的对向部具有段差状加压部，该加压部在合模时压缩一部分GDL的厚度形成GDL收缩部；通过设置于上述模具的加压部，在压缩一部分GDL的厚度状态下实施上述射出成型工艺。
本发明的密封结构的制造方法，其特征在于：上述模具的加压部以外产生的GDL压缩量是0～20％，加压部产生的GDL压缩量是30～50％。
本发明的密封结构，其特征在于：在MEA平面内的橡胶含浸部内周侧紧接着控制橡胶含浸区域的GDL收缩部，这个GDL收缩部可以阻止橡胶含浸的溢出。本发明的制造方法中，通过预设于射出成型用模具分割型对向部的段差状的加压部，合模时压缩一部分GDL的厚度以形成该GDL收缩部，因此该部分的GDL多孔结构的空洞容积减少，对含浸的抵抗变大，从而使橡胶难以从多孔内通过。本发明的模具的加压部以外产生的GDL压缩量是0～20％，与之相比加压部产生的压缩量是30～50％，是比较大的。因此橡胶通过多孔内变的困难。如果不到30％，收缩效果无法充分发挥，与之相反，如果超过50％，有可能对GDL产生过度负担。
本发明的密封结构，其特征在于：与橡胶垫的两面一体成型的唇圈被夹在一对分离器之间，通过与分离器紧密接触，发挥密封的功能。但是如果仅有这个唇圈就会过度柔软，无法承受组装电池堆栈时一对分离器所产生的橡胶压缩负荷，结果可能是橡胶压缩量过大，唇圈破坏严重。因此本发明的密封结构中，橡胶垫的唇圈的内周侧和外周侧的至少一侧或两侧，与定位端一体化成型，该定位端在组装电池堆栈时，被夹在一对分离器之间，控制上述分离器间距，适当的控制橡胶压缩量。
上述本发明的密封结构和制造方法中，因为通过设置于GDL上的收缩部可以阻止橡胶含浸的溢出，所以可以实现适当的控制橡胶含浸区域在GDL的幅度。从而达到本发明的预期目的，提前防止了因MEA反应区域变窄导致的发电容量低下问题。
另外，本发明的密封结构和制造方法中，因为通过与唇圈并列设置的定位端，在组装电池堆栈时控制一对分离器之间的间距，所以可以实现适当的控制一对分离器产生的橡胶压缩量。从而达到本发明的预期目的，唇圈可以与分离器适当的紧密接触，发挥稳定的密封功能。
附图说明
图1是表示本发明的燃料电池用密封结构，第一实施例的平面图。
图2是表示同一密封结构重要部分的剖面放大图，在图1所示A-A剖面放大图。
图3是表示同一密封结构的制造方法的重要部分的剖面图(合模前)。
图4是表示同一密封结构的制造方法的重要部分的剖面图(合模后)。
图5是表示本发明的燃料电池用密封结构，第二实施例的重要部分的剖面图。
图6是表示同一密封结构组装状态的重要部分的剖面图。
符号说明
1  密封结构
2  MEA
3  电解质膜
4  GDL
5  分离器
6  橡胶垫
7  唇圈
8  橡胶含浸部
9  GDL收缩部
10 MEA反应区域
11、12 定位端
13、14 沟状空间部
21  射出成型用模具
22  上型(分割型)
23  下型(分割型)
24  空穴空间
25  加压部
26 注入门
27 成型空间
具体实施方式
本发明有以下形态：
(a)通过液态橡胶射出成型工艺、在MEA整个外周部全周范围、使厚度薄于电池单元组装时分离器间隙的橡胶垫与MEA端部含浸接着；在橡胶垫两面形成垫圈形状的唇圈。通过以上方式产生MEA一体化垫圈结构，并赋与其密封功能。该结构中，作为橡胶垫与GDL端部的含浸连接部，为了防止电池单元组装时橡胶垫与GDL剥离，必须确保GDL侧的含浸区域；然而，另一方面如果含浸区域到达MEA反应区域则有可能导致反应面积减少产生发电容量低下的问题。为解决上述问题，通过型结构，使成型时的GDL压缩量在含浸区域限度是0～20％，由于减小了橡胶含浸抵抗，得到可充分含浸的结构；同时从含浸区域到反应区域之间，由于设计成GDL压缩量限度是30～50％的区域，增大了橡胶含浸抵抗，得到防止橡胶含浸到反应区域的结构。
(b)在MEA外周部形成橡胶垫、垫上形成垫圈形状唇圈的MEA一体化垫圈结构中，橡胶垫和GDL含浸连接部的型构造，在含浸区域内是GDL压缩量限度0～20％，是容易含浸的结构；在含浸部到反面外侧是GDL压缩量30～50％的区域，是使含浸无法到达反应区域的结构。
(c)GDL端部开始3mm限度是含浸区域、该部分的GDL压缩量限度是0～20％。含浸区域到反应面之间限度2～5mm是GDL压缩量限度30～50％的区域，含浸无法到达反应区域的结构。
(d)通过上述(a)、(b)和(c)的构成，在MEA一体化垫圈结构，可以在确保MEA外圆周部橡胶垫和GDL的含浸接着强度的同时，防止橡胶含浸到反应区域，可以阻止发电容量低下。
下面对本发明实施例，结合图进行说明。
第一实施例
图1是表示在本发明的燃料电池用密封结构1，第一实施例的平面图，其A-A剖面放大图在图2表示。该实施例的密封结构1具有：
首先，如图2所示，电解质膜3的两侧(两面侧、在图2是上侧和下侧)与GDL(气体扩散层)4重叠、通过这些重叠结构形成MEA(膜电极复合体)2，这个MEA2夹在一对分离器5之间。
该实施例的密封结构具有一体化的：夹在这一对分离器之间的MEA2、MEA2外周侧(图2中的右侧)在MEA2平面延长线上(延长平面上)配置的橡胶垫6、与橡胶垫6的两面一体化成型并与分离器5紧密接触的垫圈形状的唇圈(也称为密封唇圈或垫圈)7。在MEA2的圆周边缘部分，构成橡胶垫6的一部分液态橡胶，在成型工艺中，含浸在构成MEA2的多孔结构的GDL4中，形成使橡胶垫6和MEA2一体化的橡胶含浸部(也称含浸区域)8，以设定宽度的区域a(例如a＝3mm)分布在全周范围。
另外，在MEA2的平面内紧接着橡胶含浸部8的内周侧(图2中的左侧)，为了控制液态橡胶的含浸区域而设的GDL收缩部(也称含浸控制区域)9，以设定宽度的区域b(例如b＝2～5mm)贯穿在整个圆周范围。这个收缩部9结构是，通过强压缩该部GDL4，使得该部GDL4的厚度，乃至MEA2的厚度大幅缩小，与厚度缩小相对应，GDL4的多孔结构的空洞容积相应缩小，成型时液态橡胶难以通过。
另外，在MEA2的平面内GDL收缩部9的内周侧是MEA反应区域10。
上述密封结构1，由以下方法制造。
首先，制造时使用如图3所示的射出成型用模具21。这个模具21，如图3到图4所示，在其内部插入MEA2并将液态橡胶作为成型材料射出成型橡胶垫6，其具有彼此组合的上型22和下型23，在其对向部设有空穴空间24。
另外，在这个空穴空间24的设定位置上插入的MEA2，在与上述收缩部9对应的位置上，为了在MEA2上形成收缩部9，设有段差状的加压部25。该加压部25是由一对彼此上下相对的突起组合而成，合模时通过强压缩夹在这个加压部25之间的GDL4，大幅缩小GDL4乃至MEA2的厚度，从而在MEA2上形成薄壁状的收缩部9。通过这个加压部25产生的GDL压缩量(率)设定为30～50％，与加压部25以外产生的GDL压缩量0～20％相比，压缩量较大。
另外，在空穴空间24设定位置插入MEA2，橡胶含浸部8对应的位置上，为了向空穴空间24注入液态橡胶，在上型22设有注入门26。
将MEA2插入上述构成的模具21合模时，如图4所示，通过加压部25在MEA2上形成收缩部9。然后，从门26注入液态橡胶，如上所述，由于与橡胶含浸部8相对应部位的GDL压缩量被设定为较小，液态橡胶顺利的含浸在GDL4中形成含浸部8，并且顺利充填于成型空间27内，成型外周侧的橡胶垫6和唇圈7。
与其相对，在位于橡胶含浸部8的内周侧的收缩部9的GDL压缩量，如上所述，由于被设定为较大，液态橡胶几乎不含浸在这个收缩部9中。从而，液态橡胶含浸区域的宽度基本可以达到设定的预期值(该实施例中即上述宽度a＝3mm)，防止橡胶含浸区域向内周侧扩大。
另外，成型结束后，收缩部9如上所述，多孔结构的空洞容积缩小，内部结构变得紧密而且坚硬。
第二实施例
图5是表示在本发明的燃料电池用密封结构1，第二实施例的重要部分的剖面图，该实施例的密封结构1具有：
首先，电解质膜3的两侧与GDL4重叠、通过这些重叠结构形成MEA2，这个MEA2夹在一对分离器5之间。
该实施例的密封结构1具有一体化的：夹在这一对分离器5之间的MEA2，MEA2外周侧、在MEA2平面延长线上配置的橡胶垫6，与橡胶垫6的两面一体化成型并与分离器5紧密接触的垫圈形状的唇圈7；在MEA2的圆周边缘部分，构成橡胶垫6的一部分液态橡胶，在成型工艺中，含浸在构成MEA2的多孔结构的GDL4中，形成使橡胶垫6和MEA2一体化的橡胶含浸部8，以设定宽度的区域a(例如a＝3mm)分布在整个圆周范围。
另外，在MEA2的平面内，紧接着橡胶含浸部8的内周侧(图5中的左侧)为了控制液态橡胶的含浸区域而设的GDL收缩部9，以设定宽度的区域b(例如b＝2～5mm)分布在整个圆周范围。这个收缩部9结构是，通过强压缩该部GDL4，使得该部GDL4的厚度，乃至MEA2的厚度大幅缩小，与厚度缩小相对应，GDL4的多孔结构的空洞容积就缩小，成型工艺时液态橡胶难以通过。
另外，在MEA2的平面内，GDL收缩部9的内周侧是MEA反应区域10。
还有，橡胶垫6的两面上，唇圈7的内周侧和外周侧分别一体化成型有定位端(也称为辅助唇或橡胶隔垫或负荷承受部)11、12，该定位端11、12在电池堆栈组装时夹在一对分离器5之间的、控制分离器间距。
上述唇圈7，为了达到预期的密封功能要求其有长期耐久性，要制作成在压缩时能产生高的平面压力的形状，具体来说就是有，断面呈山形或者三角形，具有尖锐的、尖端较细的顶端。而且设定其高度h1高于定位端11、12的高度h2(h1＞h2)。
另一方面，为了唇圈7达到所期望的压缩率，也就要求控制唇圈7达到与压缩负荷对应的期望高度，定位端11、12分别具有，对于压缩负荷几乎或者完全没有变形的、具体来说就是断面是梯形或者是正四边形的、平坦的顶端。而且设定其两面整体高度h2低于唇圈7的高度h1(h1＞h2)。两定位端11、12被设为相同高度h2，平坦的顶端被设置在同一平面上。
上述由液态橡胶的硬化物构成的橡胶弹性体的硬度，设定为较柔软的40～50度，唇圈7的压缩率设定为30～50％。从而，在唇圈7的内周侧和外周侧、与定位端11、12之间分别产生，可以容纳唇圈7压缩变形时弹性体平移部分的沟状空间部分13、14。这个沟状空间部分13、14的容积要尽可能的小，这样定位端11、12才有支撑功能，防止唇圈的偏倒。唇圈7的顶端与各个定位端11、12的标准距离d是2～5mm。
图5是表示燃料电池堆栈组装前的初期状态，从这个初期状态开始组装堆栈，沿密封结构体1的厚度方向施加压缩负荷，如图6所示唇圈7夹在一对分离器5之间压缩变形，其反作用力使唇圈7与分离器5的内面紧密接触。连续传递的压缩负荷累加在一起使分离器5和定位端11、12接触，因为这个定位端是对压缩负重不产生变形的形状，也就确定了分离器之间的间距c，其结果是，控制唇圈7的压缩率准确达到密封功能的要求。分离器5沿间距c变狭窄的方向移动，这时定位端11、12被夹一对分离器5之间，具有阻止该位移的隔垫功能。密封结构1因为具有定位端11、12，除了其自身可控制唇圈压缩率之外，还可能发挥以下效果。
(1)首先，从已有技术来看，是通过复杂化分离器5的断面形状来控制唇圈7压缩率。本发明采用更好的方法：分离器5的简单断面形状可以实现薄壁化。如图5所示分离器5的内面，沟状流路5a以外全部是平坦的。
(2)另外，已有技术是通过在一对分离器5之间、专用的隔垫控制分离器5之间的间距。本发明采用更好的方法：本发明的隔垫可以消除零件数和组装工序增多的问题。
同时，上述密封结构1还发挥以下效果。
(3)因为紧邻唇圈7设有定位端11、12，使定位端11、12有支撑功能，可以防止唇圈发生偏倒。
(4)因为定位端11、12与橡胶垫6一体化成型，形成橡胶弹性体，与用硬质树脂之类的硬材料成型定位端11、12的情况相比，定位时产生的应力上升程度是缓和的。这种缓冲效果产生的防止零件破损的效果正是所期望的。
(5)另外，电池堆栈组装后通过橡胶弹性可以产生期望的防震效果。防震效果是燃料电池在车载等恶劣环境下使用时极其重要的条件。
还有，上述第二实施例的密封结构1，在实现本发明目的的范围内，还有种种变化的可能。例如以下情况也是可以的。
(A)上述第二实施例，唇圈7的内周侧和外周侧两侧分别有定位端11、12，如果在内周侧或外周侧的任一侧单侧设定位端11、12也是可以的。
(B)上述第二实施例，定位端11、12分布在全周范围，如果在圆周上分割配置(在圆周上间隔开，配置多个)，也是可以的。
(C)上述第二实施例，MEA2的厚度与橡胶垫6的厚度相同，为了增加橡胶垫6的厚度，内外两面与唇圈7和定位端11、12一体化成型；设定MEA2厚度与定位端11、12厚度相同，唇圈7的厚度较其更大，唇圈7和定位端11、12间形成沟状空间13、14，也是可以的。
另外，上述第二实施例的密封结构1的制造方法中，使用的模具21，除了为了成型定位端11、12有成型空间以外，其他都与第一实施例相同。为了避免重复，省略了对其详细的说明。

Claims (4)

1.一种燃料电池用密封结构，其特征在于，具有：
配置在一对分离器(5)之间的MEA(2)，配置在上述MEA(2)的外周侧的、上述MEA(2)的平面延长线上的橡胶垫(6)，与上述橡胶垫(6)的两面一体化成型的、与上述分离器(5)紧密接触的垫圈形状的唇圈(7)；
橡胶含浸部(8)，其在上述MEA(2)的圆周边缘部，通过将构成上述橡胶垫(6)的一部分橡胶含浸在构成上述MEA(2)的GDL(4)中，使上述橡胶垫(6)一体化成型在上述MEA(2)；
GDL收缩部(9)，其在上述MEA(2)的平面内，紧接着橡胶含浸部(8)内周侧，目的是为了控制上述含浸区域。
2.如权利要求1所述的燃料电池用密封结构，其特征在于，
橡胶垫(6)的唇圈(7)的内周侧和外周侧的至少一侧或两侧，与定位端(11)(12)一体化成型；该定位端(11)(12)在组装电池堆栈时被夹在一对分离器(5)之间，用于规定上述分离器(5)的间距(c)。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池用密封结构的制造方法，其特征在于，
在插入MEA(2)的状态下射出成型橡胶垫(6)用的模具(21)，在其分割型(22)(23)的对向部具有段差状加压部(25)；该加压部(25)在合模时压缩一部分GDL(4)的厚度、形成GDL收缩部(9)；
通过设置于上述模具(21)的加压部(25)，在压缩一部分GDL(4)的厚度状态下实施上述射出成型工艺。
4.如权利要求3所述的燃料电池用密封结构的制造方法，其特征在于，
上述模具(21)的加压部(25)以外产生的GDL压缩量是0～20％，加压部(25)产生的GDL压缩量是30～50％。
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