CN101946348A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有密封结构的燃料电池，该密封结构即使在密封垫存在如以往那样的加工误差(偏差)的情况下也具有高的气体密封性能，而且不会被截断通路而能够向膜电极接合体供给气体。在设置于膜电极接合体的周缘的密封垫(5)中，在歧管(6)的周围形成有第1密封用突条(51)，在气体流路层(3)的端部形成有切口(31)，密封垫(5)的端部具有闭塞该切口(31)、并且从气体流路层(3)表面突出而具有与第1密封用突条(51)相同或更低的高度的1条以上的第2密封用突条(52)，隔板(4)以将第1密封用突条(51)和第2密封用突条(52)压扁了的姿势与气体流路层(3)抵接，由第2密封用突条(52)和隔板(4)形成了1个以上的线状密封结构。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及固体高分子型燃料电池。
背景技术
固体高分子型燃料电池的单元电池(cell)，是由离子透过性的电解质膜和夹持该电解质膜的阳极电极层和阴极电极层形成膜电极接合体(膜电极组件；MEA：Membrane Electrode Assembly)，并在该膜电极接合体的外侧配置隔板从而形成单元电池。另外，还有下述形态：在电极层的外侧设置用于促进气体流动和提高集电效率的气体扩散层(GDL)，构成膜电极接合体(膜电极-气体扩散层组件；MEGA：Membrane Electrode&Gas Diffusion Layer Assembly)，并在该气体扩散层的外侧配置有隔板。该隔板，将单元电池之间分隔，并且通过具有凹凸形状而起到气体流路的作用，还具有集电作用，但是在最近的单元电池结构中还开发出了：与平板类型的隔板非一体地设置了气体流路层的结构。实际的燃料电池是根据发电能力将规定层数的这些单元电池层叠而形成电池组(stack)。
在上述燃料电池中，向阳极电极供给作为燃料气体的氢气等，向阴极电极供给作为氧化剂气体的氧气或空气，在各电极中，在固有的气体流路层中气体沿面内方向流动，接着，在气体扩散层中扩散了的气体被导入电极催化剂中，进行电化学反应。
然而，在燃料电池的单元电池结构中，在上述的MEA或MEGA的周缘形成有用于赋予密封气体作用的密封垫，例如可以举出专利文献1中公开的燃料电池(在此，为膜电极组件)。参照图8、图9对该膜电极组件中的密封垫的结构进行说明。在电解质膜a(或膜电极接合体)和夹持它的气体扩散层b1、b2的端部设置具有双重的突起c1、c2的密封垫c，用隔板d1、d2夹紧它们将双重的突起c1、c2压扁(压溃；crushing)，由此，提高对各种气体的密封性。另外，图8表示在用隔板d1、d2将双重的突起c1、c2压扁之前的状态，图9表示压扁之后的状态。
但是，在上述现有技术存在以下的课题。其一是：如图9所示，由于隔板d1、d2和密封垫c(的突起c1)之间存在间隙e，在气体扩散层b1、b2中沿箭头方向流动的气体不会被供给到电解质膜a、而是流向相对压力损失低的上述间隙e(有时将其称为截断通路(pass cut))。
作为其另一课题，是：气体扩散层b1、b2即使在压缩后在其厚度上也存在偏差，本发明人等特定出可产生±35μm左右的偏差，但作为起因于该厚度的偏差的课题，在压缩后的气体扩散层的厚度过厚的情况下和过薄的情况下，存在如下的各自所固有的课题。
首先，关于气体扩散层的厚度过薄的情况，作用在上述的突起c1的反作用力变大容易理解，但由此，相对地作用在电极(电解质膜a和气体扩散层b1、b2)的载荷变小。其结果，隔板d1、d2和气体扩散层b1、b2的接触电阻提高，从而成为发电性能降低的原因。而且，作用在突起c2的反作用力比所希望的值小，因此，还成为气体密封性降低的原因。
另一方面，在气体扩散层的厚度过厚的情况下，作用在突起c1的反作用力变小，结果气体密封性降低，气体容易从突起c1和隔板d1、d2之间泄漏。另外，由于相对地作用在突起c2的反作用力变大，因此电极变得容易短路，以至于突起c2断裂的可能性变高。
即使说构成燃料电池的每个单元电池的性能、气体的密封性由上述气体扩散层的的偏差左右也不过分，但其另一方面，容许上述偏差且保证所希望的密封性是非常困难的。另外，如上述那样在其相应部位使用了具有偏差的密封垫的情况下，将燃料电池作为电池组而制成一体时的压力、即作用在膜电极接合体的压力会存在偏差，这种情况将妨碍面内均匀发电，直接导致燃料电池的发电性能降低。
而且，与图8、9的单元电池结构相对，在图10中示出了在其中具有从已叙述的隔板分离了的气体流路层的结构。在图10中，该结构由电解质膜a和夹持它的气体扩散层b1、b2以及进而夹持该气体扩散层b1、b2的气体流路层f1、f2构成，在它们的周缘设置具有突起c1和形成在歧管M的周围的密封用突起c2的密封垫c，用隔板d1、d2夹持它们并将突起c1、c2压扁。另外，图10示出在形成了作为气体流路的歧管M的部位剖切后的纵向剖面。
在图10中所示的单元电池结构中，通过在气体流路层f1、f2和密封垫c(的突起c1)之间存在间隙e，如图中的箭头所示，通过歧管M在隔板d2间流动的气体不会被供给到气体流路层f2，而是流动至相对地压力损失低的上述间隙e。
专利文献1：日本特表2006-529049号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种具有如下密封结构的燃料电池，该密封结构即使在密封垫存在如以往那样的加工误差(偏差)的情况下也具有高的气体密封性能，而且不会截断通路而能够向膜电极接合体供给气体。
为了达成上述目的，本发明的燃料电池是包括膜电极接合体、夹持该膜电极接合体的气体流路层、夹持气体流路层的隔板、和密封垫的燃料电池，所述膜电极接合体至少包括电解质膜和夹持该电解质膜的阳极电极层以及阴极电极层，所述密封垫形成于该膜电极接合体以及该气体流路层的周缘，且具有成为气体流路的歧管，
在上述密封垫之中的歧管的周围形成有第1密封用突条，
在上述气体流路层的端部形成有切口，上述密封垫的端部具有1条以上的第2密封用突条，该第2密封用突条闭塞该切口，并且从气体流路层表面突出而具有与上述第1密封用突条相同或更低的高度，
上述隔板以将第1密封用突条和第2密封用突条压扁了的姿势与上述气体流路层抵接，由上述第2密封用突条和隔板形成了1个以上的线状密封结构。
本发明的燃料电池，通过提高夹持膜电极接合体(也可含有气体扩散层)的气体流路层和形成在它们的周缘的气体密封用的密封垫的密着性，可有效地向膜电极接合体供给气体，而且，还可容许气体扩散层等的制造误差且在膜电极接合体上作用面内均匀的压力，由此是发电效率和发电性能优异的燃料电池。
作为该燃料电池的构成是：在气体流路层的端部形成有切口，通过将密封垫的端部载置在该切口上而闭塞该切口，并且在载置在该切口上的密封垫的端部形成了从气体流路层表面突出的1条以上的密封用突条(第2密封用突条)。
在密封垫上形成有用于供给气体或排气的歧管，在该歧管的周围形成有公知的气体密封用的密封用突条(第1密封用突条)。
上述的第2密封用突条从气体流路层表面突出并且具有与第1密封用突条相同的高度或其以下的高度。这是因为：由于作用在第2密封用突条的压力会直接作用于膜电极接合体，所以假设其比第1密封用突条高，则会在膜电极接合体作用过大的压力，成为对膜电极接合体产生损伤、或阻碍面内均匀发电的要因。
如上所述，该第2密封用突条既可以是1条也可以是多条。例如在形成2条第2密封用突条的情况下，成为如下形态：在俯视例如为矩形的气体流路层的外周缘以框边形状形成切口，在该切口上隔着间隔载置2条环形矩形状的第2密封用突条。
从阳极侧和阴极侧用2个隔板夹持气体流路层，而且施加形成电池组时的压力，由此该隔板以压扁第1密封用突条和第2密封用突条的姿势与气体流路层抵接，并且，在第2密封用突条和隔板之间形成1个以上的线状密封结构。
根据上述的本发明的燃料电池，通过提高气体流路层和密封垫之间的密着性，不会如上述以往结构那样发生产生截断通路的间隙。而且，在形成在气体流路层的端部的切口上载置1条以上的突条，其与歧管周围的密封用突条一起在其与隔板之间形成密封结构，因此，可进一步提高气体密封性。
另外，本发明的燃料电池的另一实施方式，是包括膜电极接合体、夹持该膜电极接合体的气体流路层、夹持气体流路层的隔板、和密封垫的燃料电池，所述膜电极接合体至少包括电解质膜和夹持该电解质膜的阳极电极层以及阴极电极层，所述密封垫形成于该膜电极接合体以及该气体流路层的周缘，且具有成为气体流路的歧管，
在上述密封垫之中的歧管的周围形成有第1密封用突条，
在上述气体流路层的端部形成有切口，上述密封垫的端部具有相互交叉的多条的第2密封用突条，该第2密封用突条闭塞该切口，并且与气体流路层表面齐平或者从气体流路层表面突出，
上述隔板以将第1密封用突条压扁了的姿势与上述气体流路层抵接，由上述相互交叉的第2密封用突条和隔板形成了面状密封结构。
在本实施方式中，代替以线状形成第2密封用突条，使第2密封用突条相互交叉，例如形成为棋盘格形状，将该棋盘格形状的2条密封用突条载置在气体流路层的端部的切口上。
通过第2密封用突条相互交叉，即使第2密封用突条和气体流路层的高度相同(因此，形成电池组时的压力不会作用于第2密封用突条)，由于第2密封用突条相互交叉，其和隔板之间的对于气体流动的压力损失变得极高，可有效地抑制来自气体流路层的气体泄漏。
上述的燃料电池由于气体密封性优异，发电效率、发电性能优异，近年来其生产在扩大，对以发电性能高的车载用燃料电池为当前要务课题的混合动力车和电动车等是适用的。
如从以上说明可理解的那样，根据本发明的燃料电池，可提高气体流路层和密封垫之间的密着性，从而得到提高气体密封性的燃料电池。而且，即使在气体扩散层存在制造误差的情况下，也可容许该误差，并能在膜电极接合体上作用面内均匀的形成电池组时的压力，可得到发电性能优异的燃料电池。
附图说明
图1是气体流路层夹持着膜电极接合体的单元电池结构的俯视图。
图2是沿图1的II-II线的剖面图。
图3是图2的III部的放大图。
图4是表示在图2的剖面图中安装了阴极侧的隔板的状态的剖面图。
图5是表示密封垫的另一实施方式的图，是放大了膜电极接合体的端部和密封垫的连接部的俯视图。
图6是沿图5的VI-VI线的剖面图。
图7是表示在图6的剖面图中安装了阴极侧的隔板的状态的剖面图。
图8是说明在形成以往的膜电极接合体端部的采用了密封垫的密封结构之前的剖面图。
图9是说明以往的膜电极接合体端部的采用了密封垫的密封结构的剖面图。
图10是以往的膜电极接合体端部的采用了密封垫的密封结构的另一实施方式的剖面图。
附图标记说明
1：电解质膜(MEA)；2：气体扩散层(GDL)；3：气体流路层；31：切口；32：增强件；4：隔板；41：该单元电池用隔板；42：气体分配层；43：相邻单元电池用隔板；5、5A：密封垫；51：密封用突条(第1密封用突条)；52：线状密封用突条(第2密封用突条)；53：面状密封用突条(第2密封用突条)；54：沟槽；6：歧管。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是气体流路层夹持着膜电极接合体的单元电池结构的俯视图。图2是沿图1的II-II线的剖面图，图3是图2的III部的放大图。图4是表示在图2的剖面图中安装了阴极侧的隔板的状态的剖面图。另外，图示的线状密封用突条(第2密封用突条)与歧管周围的密封用突条(第1密封用突条)相比高度低，当然双方也可为相同的高度。
图1、图2中所示的单元电池结构，包括：膜电极接合体(MEA)和气体流路层3、3，该膜电极接合体(MEA)由作为离子交换膜的电解质膜1(MEA)和夹持它的阳极侧、阴极侧的气体扩散层2、2(GDL)形成，该气体流路层3、3为夹持该膜电极接合体的导电性多孔体；在其周缘一体地形成有例如橡胶等树脂制的密封垫5。另外，为了帮助对图1的理解，在图1中省略了图2中所示的密封垫5的图示。
电解质膜1包括作为高分子材料的氟系膜、HC膜等，气体扩散层2是在碳等上担载了包含铂和/或其合金的催化剂的多孔质材料，可由碳纸(复写纸)、碳布形成。另外，密封垫5可以通过将膜电极接合体(MEGA)收容在成形模内并向成形模内注射所希望的树脂的嵌入成形来形成。
在图示的实施例中，气体流路层3由多孔质的板网金属构成，例如阳极侧的板网金属的端部向阴极侧折曲，而且通过折曲并向歧管6侧延伸而成为密封垫5的增强件32。通过气体流路层3由比较硬质的板网金属形成，可以兼用作为所述增强件。
如图1的俯视图所示，在密封垫的增强件32上以用于供给氢气、氧气(或空气)的孔(歧管6)和用于排出反应后的气体的孔(歧管6)各自对应的基数穿孔，在实际的燃料电池中，以与发电能力相应的基数层叠单元电池，对应的孔在层叠方向连通，由此，形成气体供给用或排气用的歧管6。
如图2所示，在气体流路层3的端部形成有切口31，在该切口31上载置形成在密封垫5的端部的线状密封用突条52，该突条52与切口31完全密着而将该切口闭塞。另一方面，在密封垫5的歧管6的周围部位形成有另外的密封用突条51。回到图1，该密封用突条52沿俯视为矩形的膜电极接合体的端边形成为矩形轮廓的环状，密封用突条51以在各歧管6的周围将其围绕方式形成。
图3是放大了图2的III部的图。如图3所示，载置在切口31上的线状密封用突条52比气体流路层3的上表面突出h1，形成得低于突出比h1高的h2的量的密封用突条51。通过使密封用突条51形成得相对地较高，可以进一步提高歧管6的周围的密封性，而且，不会对线状密封用突条52的下方的膜电极接合体作用过大的压力。另外，作为该h1的设定范围，从气体密封性和作用在膜电极接合体的压力的关系来看，优选为0≤h1≤50μm的程度。在此，在线状密封用突条52为1条的情况下，优选将h1设定为大于0，在为2条以上的结构的情况下，从对于气体流动的压力损失变高的角度出发，也可将h1设定为0，即设定成与气体流路层3的上面相同的高度。
图4表示用隔板4、4夹持着图2中所示的结构的气体流路层3、3的状态。在此，图示的隔板4呈现如下结构：在扁平型的该单元电池用隔板41和相邻单元电池用隔板43之间介有用于将氧气分配到该单元电池用隔板41并将氢气分配到相邻单元电池用隔板43的气体分配层42。另外，该隔板4是金属制或碳制的隔板。
例如，通过供给氧气用的歧管6供给的氧气以图示的箭头方向流动，被供给到气体流路层3之后，扩散供给到膜电极接合体。
如从图4可明确的那样，形成在气体流路层3的端部的切口31上的线状密封用突条52与该切口31密着，在该姿势下线状密封用突条52由隔板4挤压从而被压扁，由此，不会形成导致气体被截断通路的间隙，全部供给气体可有效地通过气体流路层3供给到膜电极接合体。
图5表示载置在切口31上的密封用突条的另一实施方式的俯视图，图6是沿其VI-VI线的剖面图。而且，图7是表示在图6的构成中安装了阴极侧的隔板的状态的图。
图示的密封用突条53，是线状密封用突条交互地交叉呈现棋盘格状(形成了沟槽54)，而且以与图1的线状密封用突条52同样的平面配置来形成的。图2中所示的密封用突条52为线状，与此相对，该密封用突条53采用棋盘格状的密封用突条53的多个平顶面与隔板4抵接，即，与线状抵接相对，为面状抵接，因此，形成面状密封用突条53。
另外，在图6中示出了该面状密封用突条53比气体流路层3的上表面突出一些的形态，但该突条53与气体流路层3为相同高度也可以。这是因为：从面状密封用突条53呈棋盘格状来看，即使是其与隔板4的抵接面没有受到压力的状态，在该棋盘格状的接触结构中对于气体流动的压力损失也变高，因此，可以抑制经由隔板4和面状密封用突条53的接触面的气体泄漏。
呈上述的密封结构的单元电池层叠与发电能力相应的基数，形成电池组，而且，在该电池组的外周设置接线板、绝缘片和端面板，在该端面板之间施加所希望的压力使成为一体，由此制造出燃料电池。
该燃料电池呈上述的密封结构，因此成为发电效率和发电性能优异的燃料电池。该燃料电池可适用于飞机、船舶、移动机器人等移动体用途，还可适用于房屋等的定置用途等的多种用途，其中很适用于以发电性能高的车载用燃料电池为当前要务课题的混合动力车和电动车等。
以上使用附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但具体的构成并不限于该实施方式，还存在不脱离本发明要旨的范围的设计变更等，它们也包含在本发明中。

Claims (2)

1.一种燃料电池，是包括膜电极接合体、夹持该膜电极接合体的气体流路层、夹持气体流路层的隔板、和密封垫的燃料电池，所述膜电极接合体至少包括电解质膜和夹持该电解质膜的阳极电极层以及阴极电极层，所述密封垫形成于该膜电极接合体以及该气体流路层的周缘，且具有成为气体流路的歧管，
在所述密封垫中，在歧管的周围形成有第1密封用突条，
在所述气体流路层的端部形成有切口，所述密封垫的端部具有1条以上的第2密封用突条，该第2密封用突条闭塞该切口，并且从气体流路层表面突出而具有与所述第1密封用突条相同或更低的高度，
所述隔板以将第1密封用突条和第2密封用突条压扁了的姿势与所述气体流路层抵接，由所述第2密封用突条和隔板形成了1个以上的线状密封结构。
2.一种燃料电池，是包括膜电极接合体、夹持该膜电极接合体的气体流路层、夹持气体流路层的隔板、和密封垫的燃料电池，所述膜电极接合体至少包括电解质膜和夹持该电解质膜的阳极电极层以及阴极电极层，所述密封垫形成于该膜电极接合体以及该气体流路层的周缘，且具有成为气体流路的歧管，
在所述密封垫中，在歧管的周围形成有第1密封用突条，
在所述气体流路层的端部形成有切口，所述密封垫的端部具有相互交叉的多条第2密封用突条，该第2密封用突条闭塞该切口，并且与气体流路层表面齐平或者从气体流路层表面突出，
所述隔板以将第1密封用突条压扁了的姿势与所述气体流路层抵接，由所述相互交叉的第2密封用突条和隔板形成了面状密封结构。
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