CN101335356A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

构成燃料电池(10)的单位电池(12)用第一金属隔板(16)及第二金属隔板(18)夹持电解质膜·电极结构体(14)。电解质膜·电极结构体(14)在外周具有框部(26)，在所述框部(26)上形成有密封部件(50)。密封部件(50)具有作为燃料气体用密封的第一密封部(52a)、作为冷却介质用密封的第二密封部(52b)、和作为氧化剂气体用密封的第三密封部(52c)，并且，所述第一密封部(52a)、所述第二密封部(52b)及所述第三密封部(52c)在层叠方向上相互错开而配置。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及具备用第一隔板及第二隔板夹持在电解质的两侧配设有一对电极的电解质·电极结构体的电池单元的燃料电池。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池采用由高分子离子交换膜构成的固体高分子电解质膜。在该燃料电池中，通过将在固体高分子电解质膜的两侧分别配设了由电极催化剂层和多孔碳构成的阳极侧电极及阴极侧电极的电解质膜·电极结构体(电解质·电极结构体)用隔板(双极性板)夹持而构成单位电池。通常，使用层叠了规定数目程度的该单位电池的燃料电池堆。
通常，燃料电池构成有在隔板的层叠方向上设置有贯通的入口连通孔及出口连通孔的所谓的内部分流器。还有，燃料气体、氧化剂气体及冷却介质分别从入口连通孔供给于燃料气体流路、氧化剂气体流路及冷却介质流路后，分别向各自的出口连通孔排出。
例如，在特开2001-102072号公报中公开的燃料电池如图10所示，依次层叠有隔板1A、电极单元2、隔板1B、电极单元2及隔板1C。在电极单元2中，用氧化剂极2b及燃料极2c夹住固体高分子电解质膜2a而接合。在固体高分子电解质膜2a的外周缘部利用注射模塑成形一体地成形有气垫3。
隔板1A、1B在与燃料极2c对置的面上设置有燃料气体供给通路4a，同时隔板1B、1C在与氧化剂极2b对置的面上设置有空气供给通路4b。在隔板1A、1C之间形成有冷却水供给通路4c。
在隔板1A、1B及1C和气垫3，在层叠方向上贯通而形成有空气供给孔(燃料气体供给孔、冷却水供给孔)5a及空气排出孔(燃料气体排出孔、冷却水排出孔)5b，并且，所述空气供给孔5a及所述空气排出孔5b与空气供给通路4b连通。在气垫3的表背面上设置有用于密封燃料气体、空气及冷却水的珠状突起部6。
然而，在上述燃料电池中，需要为了可靠地密封燃料气体、空气及冷却水而增大设定突起部6的高度(层叠方向的尺寸)。从而，气垫3相应地形成为厚壁，导致不能实现燃料电池整体的薄壁化(小型化)。
尤其，在车载用燃料电池堆中，由于层叠数百个单位电池，因此，要求薄壁化。由此，在这种燃料电池堆中不能使用上述燃料电池。
发明内容
本发明是为了解决这种问题而做成的，其目的在于提供能够容易且可靠地实现层叠方向的薄壁化，并且能够确保期望的密封性的燃料电池。
本发明涉及具有用第一隔板及第二隔板夹持在电解质的两侧配设有一对电极的电解质·电极结构体的电池单元的燃料电池。
电解质·电极结构体在外周具有框部，在所述框部上，围绕电极的外周设置有第一密封部、第二密封部及第三密封部，并且，所述第一密封部、所述第二密封部及所述第三密封部在层叠方向上相互错开而配置。
在本发明中，在电解质·电极结构体设置有第一密封部、第二密封部及第三密封部，因此，不需要在第一隔板及第二隔板设置密封部件。从而，能够削减第一隔板及第二隔板的制造成本，并且，能够有效地制造所述第一隔板及所述第二隔板，能够经济地得到燃料电池整体。
而且，第一密封部、第二密封部及第三密封部在层叠方向上互相错开而配置。因此，能够有效地确保密封高度，能够阻止燃料电池在层叠方向上长尺寸化，并且，能够实现密封耐久性及密封性的提高。
进而，第一隔板及第二隔板能够具有与电解质·电极结构体的发电区域对应的外形尺寸，能够容易地实现小型轻量化，并且，将燃料电池整体有效地轻量化。
通过附图和协作的接下来的适当的实施方式例的说明，上述目的、特征及优点将变得更明确。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池的分解立体说明图。
图2是所述燃料电池的图1中II-II线剖面图。
图3是构成所述燃料电池的第二金属隔板的正面说明图。
图4是构成所述燃料电池的电解质膜·电极结构体的正面说明图。
图5是本发明的第二实施方式的燃料电池的分解立体说明图。
图6是所述燃料电池的图5中VI-VI线剖面图。
图7是本发明的第三实施方式的燃料电池的分解立体说明图。
图8是所述燃料电池的图7中VIII-VIII线剖面图。
图9是本发明的第四实施方式的燃料电池的概略剖面说明图。
图10是以往技术的燃料电池的说明图。
具体实施方式
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池10的分解立体说明图，图2是所述燃料电池10的图1中II-II线剖面图。
燃料电池10在箭头A方向上(水平方向)上层叠多个单位电池而构成。在单位电池12中，用第一金属隔板16及第二隔板18夹持电解质膜·电极结构体(电解质·电极结构体)14。
电解质膜·电极结构体14例如具有：水浸渍于全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜(电解质)20、和夹持所述固体高分子电解质膜20的阴极侧电极22及阳极侧电极24(参照图2)。
固体高分子电解质膜20设定为比阴极侧电极22及阳极侧电极24大的表面积。在该固体高分子电解质膜20的外周缘部上，例如利用注射模塑成形一体地成形有树脂制框部26。作为树脂材料，除了通用塑料之外，采用工程塑料或超级工程塑料(super engineering plastics)等。
阴极侧电极22及阳极侧电极24具有：由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)、和将在表面担载有白金合金的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层(未图示)。
如图1所示，在框部26的箭头B方向的一端缘部，沿箭头C方向(铅垂方向)排列设置有：用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔28a；用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔30a；及用于排出燃料气体例如含氢气体的燃料气体出口连通孔32b。
在框部26的箭头B方向的另一端缘部沿箭头C方向排列设置有：用于供给燃料气体的燃料气体入口连通孔32a；用于排出冷却介质的冷却介质出口连通孔30b；及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔28b。
第一金属隔板16及第二隔板18的外周部配置于氧化剂气体入口连通孔28a、冷却介质入口连通孔30a、燃料气体出口连通孔32b、燃料气体入口连通孔32a、冷却介质出口连通孔30b及氧化剂气体出口连通孔28b(以下，还简称为流体连通孔)的内侧，并且，所述第一金属隔板16设定为小于所述第二金属隔板18的外形尺寸(参照图2)。
第一金属隔板16如图1所示，在面向电解质膜·电极结构体14的面16a上形成有燃料气体流路34。燃料气体流路34通过将在面16a侧突出且在箭头B方向上延伸的凸部34a和凹部34b沿箭头C方向交替设置，在箭头B方向上形成为直线状。在燃料气体流路34的两侧形成有压花部34c。
在第一金属隔板16的箭头B方向两端设置有对应于燃料气体入口连通孔32a及燃料气体出口连通孔32b而突出的突起部36a、36b。在突起部36a上以波状形成有使燃料气体入口连通孔32a与燃料气体流路34连通的入口流路38a，另一方面，在突起部36b上以波状形成有使燃料气体出口连通孔32b与所述燃料气体流路34连通的出口流路38b。
如图3所示，第二金属隔板18在面向电解质膜·电极结构体14的面18a上形成有氧化剂气体流路40。氧化剂气体流路40通过将向面18a侧突出且在箭头B方向上延伸的凸部40a和凹部40b沿箭头C方向交替设置，在箭头B方向上形成为直线状。在氧化剂气体流路40的两侧形成有压花部40c。
在第二金属隔板18的箭头B方向两端设置有对应于氧化剂气体入口连通孔28a及氧化剂气体出口连通孔28b而突出的突起部42a、42b。在突起部42a以波状形成有使氧化剂气体入口连通孔28a和氧化剂气体流路40连通的入口流路44a，另一方面，在突起部42b以波状形成有使氧化剂气体出口连通孔28b和所述氧化剂气体流路40连通的出口流路44b。
在第一金属隔板16的面16b和第二金属隔板18的面18b之间，通过分别使构成燃料气体流路34及氧化剂气体流路40的凹凸形状倒置，一体地形成冷却介质流路46(参照图1)。
在第二金属隔板18的箭头B方向两端的各自的箭头C方向大致中间部向外方突出而设置有突起部46a、46b。如图1及图3所示，突起部46a向冷却介质入口连通孔30a侧突出，在该突起部46a上形成有将所述冷却介质入口连通孔30a与冷却介质流路46连通的波状的入口流路48a。突起部46b向冷却介质出口连通孔30b侧突出，在该突起部46b上形成有将所述冷却介质出口连通孔30b与冷却介质流路46连通的波状的出口流路48b。
在电解质膜·电极结构体14的框部26上，一体地成形有密封部件50。该密封部件50如图2及图4所示，在第一金属隔板16的面50a上设置有围绕所述第一金属隔板16的外周缘部而滑接的第一密封部52a、和围绕构成邻接的其他单位电池12的第二金属隔板18的外周缘部而滑接的第二密封部52b。
在密封部件50的第二金属隔板18侧的面50b上，设置有第三密封部52c，该第三密封部52c位于所述第二金属隔板18的外周部外方，且与在构成邻接的其他的单位电池12的电解质膜·电极结构体14的框部26上形成的密封部件50的面50a滑接。
第一密封部52a、第二密封部52b及第三密封部52c围绕阴极侧电极22及阳极侧电极24的外周，并且，在层叠方向上相互错开而配置。
如图4所示，第一密封部52a构成将燃料气体入口连通孔32a及燃料气体出口连通孔32b与燃料气体流路34连通的燃料气体用密封。
第二密封部52b如图2所示，围绕在相互邻接的第一金属隔板16和第二金属隔板18之间形成的冷却介质流路46，构成冷却介质用密封。
第三密封部52c如图1所示，将氧化剂气体入口连通孔28a及氧化剂气体出口连通孔28b与氧化剂气体流路40连通，构成氧化剂气体用密封。还有，第一密封部52a、第二密封部52b及第三密封部52c有选择地构成燃料气体用密封、氧化剂气体用密封及冷却介质用密封即可。
密封部件50例如由EPDM(乙烯-丙烯橡胶)、硅酮橡胶、丁腈橡胶或丙烯酸橡胶构成，例如，使用将硅酮树脂加热至规定温度(例如，160℃～170℃)的熔融树脂进行注射模塑成形而得到。
对于这样构成的燃料电池10的动作，说明如下。
如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔28a供给含氧气体等氧化剂气体，同时向燃料气体入口连通孔32a供给含氢气体等燃料气体。进而，向冷却介质入口连通孔30a供给纯水或乙二醇等冷却介质。
在各单位电池12中，供给于氧化剂气体入口连通孔28a的氧化剂气体经由在第二金属隔板18的突起部42a上形成的入口流路44a供给于面18a侧。因此，氧化剂气体供给于与入口流路44a连通的氧化剂气体流路40(参照图1及图3)。
供给于氧化剂气体流路40的氧化剂气体被供给于电解质膜·电极结构体14的阴极侧电极22后，剩余的氧化剂气体从出口流路44b向氧化剂气体出口连通孔28b排出。
另一方面，供给于燃料气体入口连通孔32a的燃料电池导入在第一金属隔板16的突起部36a上形成的入口流路38a，沿着面16a供给于燃料气体流路34(参照图1)。供给于该燃料气体流路34的燃料气体被供给于构成电解质膜·电极结构体14的阳极侧电极24后，剩余的燃料气体从出口流路38b向燃料气体出口连通孔32b排出。
由此，在电解质膜·电极结构体14中，供给于阴极侧电极22的氧化剂气体、和供给于阳极侧电极24的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗，进行发电。
另外，供给于冷却介质入口连通孔30a的冷却介质通过在第二金属隔板18的突起部46a上形成的入口流路48a被供给于冷却介质流路46。供给于该冷却介质流路46的冷却介质冷却电解质膜·电极结构体14后，从出口流路48b向冷却介质出口连通孔30b排出。
在这种情况下，在第一实施方式中，在电解质膜·电极结构体14的外周缘部设置框部26，并且，在该框部26上成形有密封部件50。还有，密封部件50具有作为燃料气体用密封的第一密封部52a、作为冷却介质用密封的第二密封部52b及作为氧化剂气体用密封的第三密封部52c。
因此，在第一金属隔板16及第二金属隔板18不需要密封部件，不需要在所述第一金属隔板16及第二隔板18进行注射模塑成形(LIMS成形)。
而且，在第一金属隔板16及第二金属隔板18上未设置流体连通孔。由此，具有能够有效且经济地制造第一金属隔板16及第二金属隔板18的优点。
进而，第一密封部52a、第二密封部52b及第三密封部52c在层叠方向上相互错开而配置。从而，得到如下效果，即：能够有效确保第一密封部52a、第二密封部52b及第三密封部52c的密封高度，阻止燃料电池10整体在层叠方向上长尺寸化，并且，能够实现密封耐久性及密封性的提高。
进而，如图1所示，第一金属隔板16及第二金属隔板18设定为配置于多个流体连通孔的内侧的形状，因此，与电解质膜·电极结构体14相比，构成为相当小的外形尺寸。
因此，第一金属隔板16及第二金属隔板18能够具有与电解质膜·电极结构体14的发电区域相对应的外形尺寸，从而得到容易地实现小型轻量化，并且有效地轻量化燃料电池10整体的效果。
进而，在电解质膜·电极结构体14中，在固体高分子电解质膜20的外周缘部上一体地成形有树脂制框部26，在该框部26上形成有各流体连通孔。从而，金属面不露出在流体连通孔中，容易地实现整个制造作业的简单化。
图5是本发明的第二实施方式的燃料电池60的分解立体说明图，图6是所述燃料电池60的图5中VI-VI线剖面图。
还有，对与第一实施方式的燃料电池10相同的结构要件标注相同的参照符号，省略其详细的说明。另外，在以下说明的第三及第四实施方式中也同样省略其详细的说明。
燃料电池60层叠多个单位电池(电池单元)62而构成，并且，所述单位电池62中，用第一金属隔板66及第二金属隔板68夹持电解质膜·电极结构体64。
第一金属隔板66及第二金属隔板68配置于流体连通孔的内侧，并且，所述第一金属隔板66设定为大于所述第二金属隔板68的外形尺寸。
在第一金属隔板66的面向电解质膜·电极结构体64的面66a上形成有氧化剂气体流路40，并且，在第二金属隔板68的面向所述电解质膜·电极结构体64的面68a上形成有燃料气体流路34。在第一金属隔板66的面66b和第二金属隔板68的面68b之间形成冷却介质流路46。
如图6所示，在电解质膜·电极结构体64的框部26的与第二金属隔板68对置的面侧一体地成形有密封部件70。密封部件70具有：与第二金属隔板68的外周缘部抵接的第一密封部72a；位于所述第二金属隔板68的外周部外方，且与构成邻接的其他单位电池62的第一金属隔板66的外周缘部抵接的第二密封部72b；与构成所述邻接的其他单位电池62的电解质膜·电极结构体64的框部26抵接的第三密封部72c。
第一密封部72a构成将燃料气体入口连通孔32a及燃料气体出口连通孔32b与燃料气体流路34连通的燃料气体用密封，第二密封部72b构成将冷却介质入口连通孔30a及冷却介质出口连通孔30b与冷却介质流路46连通的冷却介质用密封，第三密封部72c构成与电解质膜·电极结构体64抵接的氧化剂气体用密封。
在该第二实施方式中，在电解质膜·电极结构体64的框部26的一面上成形的密封部件70设置第一密封部72a、第二密封部72b及第三密封部72c。因此，得到能够小型且经济地制造第一金属隔板66及第二金属隔板68，并且能够经济地得到燃料电池60整体等与第一实施方式相同的效果。
图7是本发明的第三实施方式的燃料电池80的分解立体说明图，图8是所述燃料电池80的图7中VIII-VIII线剖面图。
燃料电池80相对于第二实施方式的燃料电池60，采用按多个例如，每两个电解质膜·电极结构体64上形成冷却介质流路46的所谓的间拔冷却结构。
燃料电池80具备在箭头A方向上层叠的多个电池单元82。电池单元82在箭头A方向上层叠第一金属隔板66、电解质膜·电极结构体64a、中间金属隔板84、电解质膜·电极结构体64及第二金属隔板68而构成。
中间金属隔板84在面向电解质膜·电极结构体64a的面84a上设置燃料气体流路34。该燃料气体流路34经由入口流路38a及出口流路38b与燃料气体入口连通孔32a及燃料气体出口连通孔32b连通。
在中间金属隔板84的面向电解质膜·电极结构体64的面84b上形成氧化剂气体流路40。该氧化剂气体流路40经由入口流路44a及出口流路44b与氧化剂气体入口连通孔28a及氧化剂气体出口连通孔28b连通。
电解质膜·电极结构体64a在面向框部26的中间金属隔板84的面上成形密封部件70a。该密封部件70a如图8所示，具有：与中间金属隔板84的外周缘部滑接的第一密封部72a、和与邻接的电解质膜·电极结构体64的框部26滑接的第三密封部72c。
在该第三实施方式中，采用所谓的间拔冷却结构，因此，能够有效地削减燃料电池80整体的部件件数。由此，得到能够进一步轻量化燃料电池80，并且，能够经济地构成的效果。
图9是本发明的第四实施方式的燃料电池90的概略剖面说明图。
燃料电池90在箭头A方向上层叠多个单位电池(电池单元)92而构成。单位电池92中，用第一碳隔板94及第二碳隔板96夹持电解质膜·电极结构体64。
燃料电池90基本上与第二实施方式的燃料电池60相同地构成。第一碳隔板94与第一金属隔板66相同地构成，另一方面，第二碳隔板96与第二金属隔板68相同地构成。第一碳隔板94设定为大于第二碳隔板96的外形尺寸。
在电解质膜·电极结构体64的框部26上成形密封部件98。该密封部件98具有：与第二碳隔板96的外周缘部滑接的第一密封部100a、与构成邻接的单位电池92的第一碳隔板94的外周缘部滑接的第二密封部100b、和与构成邻接的单位电池92的电解质膜·电极结构体64的框部26滑接的第三密封部100c。
在该第四实施方式中，代替第一金属隔板66及第二金属隔板68，使用第一碳隔板94及第二碳隔板96，并且，在所述第一碳隔板94及所述第二碳隔板96上没有形成流体连通孔。
由此，得到能够实现第一碳隔板94及第二碳隔板96的小型轻量化，有效地轻量化燃料电池90整体等与第一～第三实施方式相同的效果。还有，在第一实施方式及第三实施方式中也同样地使用碳隔板也可。

Claims (5)

1.一种燃料电池，具有用第一隔板(16)及第二隔板(18)夹持在电解质(20)的两侧配设有一对电极(22、24)的电解质·电极结构体(14)的电池单元(12)，其特征在于，
所述电解质·电极结构体(14)在外周具有框部(26)，
在所述框部(26)上，围绕所述电极(22、24)的外周设置有第一密封部(52a)、第二密封部(52b)及第三密封部(52c)，并且，
所述第一密封部(52a)、所述第二密封部(52b)及所述第三密封部(52c)在层叠方向上相互错开而配置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
在所述框部(26)上，在层叠方向上将包含反应气体入口连通孔(32a)、反应气体出口连通孔(32b)、冷却介质入口连通孔(30a)及冷却介质出口连通孔(30b)的流体连通孔贯通而形成，并且，
所述第一隔板(16)及所述第二隔板(18)的外周部配置于所述流体连通孔的内侧。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述第一密封部(52a)、所述第二密封部(52b)及所述第三密封部(52c)有选择地构成燃料气体用密封、氧化剂气体用密封及冷却介质用密封。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述第一隔板(16)被设定为比所述第二隔板(18)小的外形尺寸，并且，
在所述框部(26)的所述第一隔板(16)侧的面上，设置有与所述第一隔板(16)的外周缘部滑接的所述第一密封部(52a)、和与邻接的其他电池单元(12)的所述第二隔板(18)的外周缘部滑接的所述第二密封部(52b)，
在所述框部(26)的所述第二隔板(18)侧的面上，设置有位于所述第二隔板(18)的外周部外方且与邻接的其他电池单元(12)的框部(26)滑接的所述第三密封部(52c)。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述第一隔板(66)被设定为比所述第二隔板(68)大的外形尺寸，并且，
在所述框部(26)的所述第二隔板(68)侧的面上设置有：
与所述第二隔板(68)的外周缘部滑接的所述第一密封部(72a)、
位于所述第二隔板(68)的外周部外方且与邻接的其他电池单元(62)的所述第一隔板(66)的外周缘部滑接的所述第二密封部(72b)、和
与所述邻接的电池单元(62)的框部(26)抵接的所述第三密封部(72c)。
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