CN101364648A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

构成本发明的燃料电池(10)的发电单元(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)。第一金属隔板(16)中，在面(16a)上设置有氧化剂气体流路(32)，并且，在面(16b)上设置有冷却介质流路(36)。第一金属隔板(16)具备以波形状成形的金属板(38)，在所述金属板(38)的一侧的面上设置有树脂框构件(40)，并且在所述金属板(38)的另一侧的面上设置有橡胶密封(42)。将金属板(38)、树脂框构件(40)及橡胶密封(42)一体地贯通而形成氧化剂气体入口连通孔(26a)、氧化剂气体出口连通孔(26b)、冷却介质入口连通孔(28a)、冷却介质出口连通孔(28b)、燃料气体入口连通孔(30a)及燃料气体出口连通孔(30b)。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及将在电解质的两侧配设有电极的电解质·电极结构体用第一金属隔板及第金属二隔板夹持的燃料电池。
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，具有：将在固体高分子电解质膜的两侧分别配设有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)夹持而构成的发电单元。通常使用仅层叠有规定数目的该发电单元的燃料电池堆。
在燃料电池中，在与阳极侧电极对置的隔板面上形成有用于使燃料气体(以下称反应气体)流动的流路，另一方面，在与阴极侧电极对置的隔板面上设置有用于使氧化剂气体(以下称反应气体)流动的流路。并且，按每个发电单元或按规定数目的发电单元，在隔板间形成有用于使冷却媒体流动的流路。
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。
此时，使用金属隔板作为隔板的情况下，由于不能在该金属隔板上直接形成入口连通孔及出口连通孔，进行了各种研究。
例如，在特开2005—267912号公报中公开的燃料电池用隔板如图12所示，具有：由金属制构件构成的中央部1；由树脂制构件构成设置于所述中央部1的外周的外周部2；以及由树脂制构件构成介于所述中央部1及所述外周部2之间，且至少覆盖所述中央部1的外周缘部1a及所述外周部2的内周缘部2a的附近的结合部3。在外周部2上形成有氧气和生成水的通路4，并且在结合部3上以包围所述通路4的方式形成有凸缘5。
然而，在上述现有技术中，例如通过硅酮橡胶等的热固化性树脂构件的结合部3使例如工程塑料等的热塑性树脂制构件的外周部2结合在中央部1的外周上。因此，在金属制构件的中央部1的外周上设置有树脂制构件的外周部2及结合部3的树脂制结合构件。由此，对应于树脂制结合构件有隔板强度降低并且耐久性降低的可能性。
发明内容
本发明是为了解决这种问题而做成的，其目的在于提供有效地提高强度及耐久性，并且能够提高生产性的燃料电池。
本发明涉及将在电解质的两侧配设有电极的电解质·电极结构体用第一金属隔板及第二金属隔板夹持的燃料电池。至少第一金属隔板具备金属板，在该金属板的一侧的面设置有树脂框构件，并且在所述金属板的另一侧的面设置有橡胶密封。
在本发明中，金属板的一侧的面上设置有树脂框构件，并且在所述金属板的另一侧的面上设置有橡胶密封。因此，通过金属板及树脂框构件，能够有效提高金属隔板整体的强度，并且，能够提高耐久性。
并且，由于只在金属板的一侧的面上设置橡胶密封，所以能有效削减对于该金属板的橡胶密封成形，例如，LIMS(Liquid Injection MoldingSystem)成形的次数。因此，可实现制造费的削减，并且能够有效率地制造金属隔板整体。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的构成燃料电池的发电单元的分解立体说明图。
图2是构成所述发电单元的第一金属隔板的主视说明图。
图3是所述燃料电池的图1中III—III线剖面说明图。
图4是所述燃料电池的图1中VI—VI线剖面说明图。
图5是所述燃料电池的图1中V—V线剖面说明图。
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池的局部剖面说明图。
图7是本发明的第三实施方式的构成燃料电池的发电单元的分解立体说明图。
图8是构成所述发电单元的第一金属隔板的主视说明图。
图9是所述燃料电池的主要部位的剖面说明图。
图10是本发明的第四实施方式的构成燃料电池的发电单元元件的分解立体说明图。
图11是所述燃料电池的主要部位剖面说明图。
图12是现有技术的隔板的说明图。
具体实施方式
参考附图进行详细地说明，从以下的本发明的具体实施方式中，能够更加明确上述目的、特征及优点。
如图1所示，本发明的第一实施方式的燃料电池10在箭头A方向上上层叠多个发电单元而构成。各发电单元12中，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(电解质·电极结构体)14。
电解质膜·电极结构体14具有：例如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。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在所述气体扩散层的表面上一样地涂敷而形成的电极催化剂层(未图示)。阳极侧电极24具有比阴极侧电极22及固体高分子电解质膜20小的表面积。
在发电单元12的箭头B方向的一端缘部沿箭头A方向相互连通，并沿箭头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26a；用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔28a；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30b。
在发电单元12的箭头B方向的另一端缘部沿层叠方向的箭头A方向互相连通，并沿箭头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30a；用于排出冷却介质的冷却介质出口连通孔28b；及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔26b。
如图2所示，第一金属隔板16的面向电解质膜·电极结构体14的面16a上形成有氧化剂气体流路32。氧化剂气体流路32通过将在面16a侧突出且在箭头B方向上延伸的凸部32a和凹部32b、沿箭头C方向交替设置，从而在箭头B方向上形成为直线状，并且在所述氧化剂气体流路32的两侧形成有压花部32c。
如图1所示，第二金属隔板18的面向电解质膜·电极结构体14的面18a上形成有燃料气体流路34。燃料气体流路34通过将在面18a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，从而在箭头B方向上形成为直线状，并且在所述燃料气体流路34的两侧形成有压花部34c。
在第一金属隔板16的面16b和第二金属隔板18的面18b之间，通过分别使构成氧化剂气体流路32及燃料气体流路34的凹凸形状部反转，从而一体地形成冷却介质流路36。
如图2及图3所示，第一金属隔板16上具有以波形状形成的金属板38，在该金属板38的一侧的面(面16a侧)上设置有覆盖所述金属板38的端部的树脂框构件40，并且在所述金属板38的其他的面(面16b侧)上设置有橡胶密封42。
树脂框构件40，除了例如使用聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)等通用塑料以外，还使用聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)等的工程塑料，或者聚酰胺酰亚胺(PAI)、氟树脂或液晶聚合物(LCP)等的超级工程塑料等。该树脂框构件40在金属板38的一侧的面侧使用成型模型(未图示)通过注射成形而一体化。
橡胶密封42使用了例如EPDM(乙烯—丙烯橡胶)、NBR、氟橡胶、硅酮橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯橡胶等密封材料。该橡胶密封42在金属板38的另一侧的面上进行作为前处理的底漆(primer)涂敷工序后，通过注射成形而进行一体化。
如图2所示，树脂框构件40围绕氧化剂流路32设置于第一金属隔板16的面16a上，并形成有面向氧化剂气体入口连通孔26a及氧化剂气体出口连通孔26b延伸的、入口流路44a及出口流路44b。
如图1所示，橡胶密封42围绕氧化剂气体入口连通孔26a、氧化剂气体出口连通孔26b、燃料气体入口连通孔30a及燃料气体出口连通孔30b，并且具有使冷却介质入口连通孔28a及冷却介质出口连通孔28b连通到冷却介质流路36的凸状密封部46。
在第一金属隔板16中，由氧化剂气体入口连通孔26a、冷却介质入口连通孔28a、燃料气体出口连通孔30b、燃料气体入口连通孔30a、冷却介质出口连通孔28b、以及氧化剂气体出口连通孔26b，贯通金属板38、树脂框构件40及橡胶密封42而形成。并且，在以下说明的第二金属隔板18中也是同样的。
第二金属隔板18具备以波形状形成的金属板48。在该金属板48的一侧的面(面18b侧)上设置有树脂框构件50，并且在所述金属板48的另一侧的面(面18a侧)上设置有橡胶密封52(参考图1及图3)。树脂框构件50和树脂框构件40为同样的构成，橡胶密封52和橡胶密封42为同样的构成。
如图1所示，橡胶密封52围绕燃料气体流路34设置，并且具有：使所述燃料气体流路34和燃料气体入口连通孔30a及燃料气体出口连通孔30b连通的第一凸状密封部54a；和围绕氧化剂气体入口连通孔26a、氧化剂气体出口连通孔26b、冷却介质入口连通孔28a、冷却介质出口连通孔28b进行密封的第二凸状密封部54b。
燃料气体入口连通孔30a和燃料气体流路34之间形成有入口流路56a，并且在燃料气体出口连通孔30b和所述燃料气体流路34之间形成有出口流路56b。
对该燃料电池10的动作进行以下说明。
如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔26a供给含氧气体等氧化剂气体，同时向燃料气体入口连通孔30a供给含氢气体等燃料气体。进而，向冷却介质入口连通孔28a供给纯水或乙二醇等冷却介质。
供给于氧化剂气体入口连通孔26a的氧化剂气体，如图3所示，通过设置于第一金属隔板16的入口流路44a供给于氧化剂气体流路32。氧化剂气体沿氧化剂气体流路32向箭头B方向移动后，从出口流路44b向氧化剂气体出口连通孔26b排出(参考图1)。
供给于燃料气体入口连通孔30a的燃料气体，如图4所示，通过设置于第二金属隔板18的入口流路56a供给于燃料气体流路34。燃料气体沿燃料气体流路34向箭头B方向移动后，从出口流路56b向燃料气体出口连通孔30b排出(参考图1)。
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28a的冷却介质被导入到形成在第一金属隔板16和第二金属隔板18之间的冷却介质流路36(参考图5)。因此，冷却介质向箭头B方向移动并将电解质膜·电极结构体14冷却后，向冷却介质出口连通孔28b排出。
在这种情况下，在第一实施方式中，在构成第一金属隔板16的金属板38的一侧的面上设置有树脂框构件40，并且在所述金属板38的另一侧的面上设置有橡胶密封42。因此，第一金属隔板16隔着金属板38及树脂框构件40使作为该第一金属隔板16整体的强度有效地提高，并且能够提高耐久性。
而且，在第一金属隔板16中，由于只在金属板38的一个面上设置有橡胶密封42，所以能有效削减对应于该金属板38的LIMS成形次数。因此，特别是如果可以只在一侧的面上进行前处理的底漆涂敷工序，能够减掉一半橡胶密封成形处理所需的时间。进而，涂敷费及材料费也减掉一半，因此可使第一金属隔板16的制造费有效地削减，并且能够有效地制造所述第一金属隔板16整体。
进而，例如，第一金属隔板16中，由氧化剂气体入口连通孔26a、冷却介质入口连通孔28a、燃料气体出口连通孔30b、燃料气体入口连通孔30a、冷却介质出口连通孔28b、以及氧化剂气体出口连通孔26b，贯通金属板38、树脂框构件40及橡胶密封42而形成。由此，可有效阻止连通孔周边部的强度降低，有效地提高第一金属隔板16整体的刚性。并且，在第二金属隔板18中能够得到和上述第一金属隔板16同样地效果。
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池60的局部剖面说明图。
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沿箭头A方向层叠多个发电单元62，所述发电单元62中，用第一金属隔板64及第二金属隔板66夹持电解质膜·电极结构体14。第一金属隔板64设定为比所述第二金属隔板66大的外形尺寸。
第一金属隔板64具有金属板68，在该金属板68的一侧的面(面向构成邻接的发电单元62的第二金属隔板66的面)上设置有树脂框构件70。金属板68的另一侧的面(面向电解质膜·电极结构体14的面)上设置有橡胶密封72。
该橡胶密封72具有：在构成电解质膜·电极结构体14的阳极侧电极24的外方且与固体高分子电解质膜20直接相接的第一凸状密封部74a；位于所述电解质膜·电极结构体14的外方并与第二金属隔板66抵接的第二凸状密封部74b；以及位于所述第二金属隔板66的外周，并与构成邻接的发电单元62的第一金属隔板64的树脂框构件70抵接的第三凸状密封部74c。
第一凸状密封部74a构成燃料气体用密封部，第二凸状密封部74b构成氧化剂气体用密封部，第三凸状密封部74c构成冷却介质用密封部，这些相对于层叠方向互相错开设置。
该第二实施方式中，设置于第一金属隔板64的一个面侧的橡胶密封72在同一面内具有：第一凸状密封部74a、第二凸状密封部74b及第三凸状密封部74c。因此，能够有效保持密封高度，提高密封橡胶72的耐久性。
图7是本发明的第三实施方式的构成燃料电池80的发电单元82的分解立体说明图。
发电单元82中，用第一金属隔板86及第二金属隔板88夹持电解质膜·电极结构体84。电解质膜·电极结构体84具备：固体高分子电解质膜20a、夹持所述固体高分子电解质膜20a的阴极侧电极22a及阳极侧电极24a。阴极侧电极22a及阳极侧电极24a设定为比固体高分子电解质膜20a小的表面积。
第一金属隔板86具备以波形状形成的金属板90。在该金属板90的一侧的面，即形成冷却介质流路36的面上设置有树脂框构件92，并且在所述金属板90的另一侧的面，即形成氧化剂气体流路32的面上设置有橡胶密封94(参考图7～图9)。
如图8及图9所示，橡胶密封94使氧化剂气体入口连通孔26a及氧化剂气体出口连通孔26b连通于氧化剂气体流路32，并且具有将燃料气体入口连通孔30a、冷却介质出口连通孔28b、冷却介质入口连通孔28a及燃料气体出口连通孔30b进行周围密封的凸状密封部96。
第二金属隔板88具备金属板98，并且，在所述金属板98的两面上一体成形有橡胶密封100。该橡胶密封100的一侧的面设置有将燃料气体入口连通孔30a及燃料气体出口连通孔30b连通于燃料气体流路34的第一凸状密封部102a，并且，在另一侧的面设置有将冷却介质入口连通孔28a及冷却介质出口连通孔28b连通于冷却介质流路36的第二凸状密封部102b。
在该第三实施方式中，第一金属隔板86中，在金属板90的一侧的面上设置有树脂框构件92，并且，在另一侧的面上设置有橡胶密封94，能够得到和上述第一实施方式同样的效果。
图10是本发明的第四实施方式的构成燃料电池110的发电单元元件112的分解立体说明图，图11是所述燃料电池110的主要部位剖面说明图。
燃料电池110相对于第一实施方式的燃料电池10，采用按多个例如，每两个电解质膜·电极结构体14上形成冷却介质流路36的所谓的间拔冷却结构。发电单元元件112在箭头A方向上层叠第二金属隔板18、电解质膜·电极结构体14a、中间金属隔板114、电解质膜·电极结构体14b及第一金属隔板16。
中间金属隔板114在面向电解质膜·电极结构体14a的面上设置有氧化剂气体流路32，并且，在面向电解质膜·电极结构体14b的面上设置有燃料气体流路34。中间金属隔板114具备金属板116，并且在该金属板116的氧化剂气体流路32侧的面上设置有树脂框构件118，并且在所述金属板116的燃料气体流路34侧的面上设置有橡胶密封120。
橡胶密封120构成燃料橡胶用密封部，具有：抵接电解质膜·电极结构体14b固体高分子电解质膜20的外周缘部的第一凸状密封部122a；位于所述电解质膜·电极结构体14b的外周，抵接第一金属隔板16的树脂框构件40的第二凸状密封部122b。
由此，在第四实施方式中，第一金属隔板16、第二金属隔板18及中间金属隔板114，在一侧的面上设置有树脂框构件40、50及118，在另一侧的面上设置有橡胶密封42、52及120，能够得到和上述第一实施方式同样的效果。

Claims (5)

1.一种燃料电池，其特征在于，其是将在电解质(20)的两侧配设有电极(22、24)的电解质·电极结构体(14)用第一金属隔板(16)及第二金属隔板(18)夹持的燃料电池(10)，其中
至少所述第一金属隔板(16)具备金属板(38)，
在所述金属板(38)的一侧的面上设置有树脂框构件(40)，同时
在所述金属板(38)的另一侧的面上设置有橡胶密封(42)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
在所述第一金属隔板(16)上，使反应气体及冷却介质在层叠方向上流动的流体连通孔(26a)贯通所述金属板(38)、所述树脂框构件(40)及所述橡胶密封(42)而形成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述橡胶密封(72)具有相对于层叠方向相互错开而配置的燃料气体用密封部(74a)、氧化剂气体用密封部(74b)及冷却介质用密封部(74c)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述第二金属隔板(18)具备金属板(48)，
在所述金属板(48)的一侧的面上，与邻接的所述第一金属隔板(16)的所述橡胶密封(42)相对置地设置有树脂框构件(50)，并且，
在所述金属板(48)的另一侧的面上，与邻接的其他的所述第一金属隔板(16)的所述树脂框构件(40)相对置地设置有橡胶密封(52)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，
所述橡胶密封(42、52)具有与对置的所述树脂框构件(50、40)相接的凸状密封部(46、54b)。
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