CN102197527B - 燃料电池的密封构造 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过一体地设置于经由GDL配置于MEA的厚度方向两侧的隔离件上的垫片，而将MEA夹入的密封构造，有效地防止MEA的变形和GDL的移位。在MEA的厚度方向两侧依次层压第一GDL、第二GDL以及隔离件，在所述第一GDL以及第二GDL的外侧，通过垫片将MEA的端部夹入，其中，所述垫片分别一体地设置于位于所述MEA的厚度方向两侧的隔离件，并且由橡胶或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料制成，在该密封构造中，所述第一GDL的端部形成从所述第二GDL的外周伸出的大小，并且在所述垫片上形成支撑阶梯部，所述支撑阶梯部能够将所述第一GDL的端部定位，同时，能够将其支撑在与利用所述第二GDL的支撑高度大致相同的高度。

Description

燃料电池的密封构造
技术领域
本发明涉及一种在燃料电池中，通过一体地设置于经由GDL配置于MEA两侧的隔离件上的垫片，而将MEA夹入的密封构造。
背景技术
已知有一种燃料电池，是将在反应膜的两面设置有一对电极层的MEA(Membrane Electrode Assembly：膜-电极组件)和层压于其厚度方向两侧的多孔质的第一以及第二GDL(Gas Diffusion Layer：气体扩散层)、以及由碳或者金属制成的隔离件交替配置并层压，经由上述第一以及第二GDL使燃料气体或者氧化气体向MEA流通。即，燃料电池通过作为水的电解的逆反应的电化学反应，即由氢和氧生成水的反应，而产生电力。
在这种燃料电池中，对于燃料气体、氧化气体、通过其反应而生成的水、剩余的氧化气体、制冷剂等，需要进行密封，因此设置了垫片。已知有一种垫片，由橡胶或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料制成，一体地设置于隔离件的表面，并且密接于MEA的表面。
图7是以分离状态示出现有技术的燃料电池的密封构造的部分截面图，图8是以层压状态示出的部分截面图。
图7所示的燃料电池是在反应膜(离子交换膜)的两面设置有一对电极层的MEA101的厚度方向两侧，依次层压第一GDL102、103，第二GDL104、105以及隔离件106、107，在第一GDL102、103以及第二GDL104、105的外侧，将MEA101或者与该MEA101一体的加强框，通过分别一体地设置于位于MEA101的厚度方向两侧的隔离件106、107并且由橡胶材料或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料制成的垫片108、109夹持(例如参照下述的专利文献1)。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：日本特开2008-34383号公报
但是，在上述现有的密封构造中，在图8所示的层压状态下，由于在垫片108、109上的密封突条108a、109a和第一GDL102、103以及第二GDL104、105之间形成了空间S，因此MEA101有可能在该空间S中产生变形，最坏的情况是MEA101存在破损的危险。并且，由于空间S的存在，第一GDL102、103容易产生移位。
发明内容
(发明要解决的问题)
本发明鉴于以上问题，其技术课题在于提供一种通过一体地设置于经由GDL配置于MEA两侧的隔离件上的垫片，而将MEA夹入的密封构造，能有效地防止MEA的变形以及第一GDL的移位。
(解决技术问题的技术方案)
作为有效地解决上述技术问题的方法，本发明第1方面的燃料电池的密封构造为，在MEA的厚度方向两侧依次层压第一GDL、第二GDL以及隔离件，在所述第一GDL以及第二GDL的外侧，通过垫片将所述MEA或者与该MEA一体的加强框夹入，其中，所述垫片分别一体地设置于位于所述MEA的厚度方向两侧的隔离件，并且由橡胶或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料制成，在所述燃料电池的密封构造中，所述第一GDL的端部形成从所述第二GDL的外周伸出的大小，并且在所述垫片上形成支撑阶梯部，所述支撑阶梯部能够将所述第一GDL的端部定位，同时，能够将其支撑在与利用所述第二GDL的支撑高度大致相同的高度。
并且，本发明第2方面的燃料电池的密封构造为，在本发明第1方面中，MEA或者加强框的厚度方向两侧的垫片中至少一侧的垫片具有接合于隔离件的平坦的基部和从该基部立起的密封突条，并且支撑阶梯部通过所述基部和所述密封突条的裙部而形成。
本发明第3方面的燃料电池的密封构造为，在本发明第1方面中，MEA或者加强框的厚度方向两侧的垫片中至少一侧的垫片具有平坦的密封面，并且支撑阶梯部从所述密封面以相当于第一GDL的厚度的深度形成阶梯状。
(发明的效果)
根据本发明第1至3方面所涉及的燃料电池的密封构造，由于从第二GDL的端部伸出的第一GDL的端部能够通过形成于垫片的支撑阶梯部来定位，同时，以与第二GDL相同的高度被支撑在该支撑阶梯部上，因此，在垫片和第一GDL以及第二GDL之间没有形成将会产生MEA变形的空间，也不会产生第一GDL的移位。
附图说明
图1是以分离状态示出本发明所涉及的燃料电池的密封构造的第一实施方式的部分截面图。
图2是以层压状态示出本发明所涉及的燃料电池的密封构造的第一实施方式的部分截面图。
图3是以分离状态示出本发明所涉及的燃料电池的密封构造的第二实施方式的部分截面图。
图4是以层压状态示出本发明所涉及的燃料电池的密封构造的第二实施方式的部分截面图。
图5是以分离状态示出本发明所涉及的燃料电池的密封构造的第三实施方式的部分截面图。
图6是以层压状态示出本发明所涉及的燃料电池的密封构造的第三实施方式的部分截面图。
图7是以分离状态示出现有技术的燃料电池的密封构造的部分截面图。
图8是以层压状态示出现有技术的燃料电池的密封构造的部分截面图。
符号说明
1 MEA
2、3 第一GDL
4、5 第二GDL
6、7 隔离件
8、9 垫片
8a、9a 支撑阶梯部
81、91 基部
82、92 密封突条
83、93 密封面
84、94 按压面。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的燃料电池的密封装置的优选实施方式进行说明。首先，图1是以分离状态示出本发明所涉及的燃料电池的密封构造的第一实施方式的部分截面图，图2是以层压状态示出的部分截面图。
在图1中，附图标记1是具有在反应膜的两面设有一对电极层(未示出)的构造的MEA(Membrane Electrode Assembly：膜电极组件)，附图标记2、3是由层压于该MEA1的厚度方向两侧的金属多孔体或者碳多孔体制成的第一GDL，附图标记4、5是由层压于从MEA1所视的第一GDL2、3的外侧的金属多孔体或者碳多孔体制成的第二GDL，附图标记6、7是由层压于从MEA1所视的第二GDL4、5的外侧的金属或者碳制成的隔离件。此外，第一GDL2、3具有相同的形状和相同的大小，第二GDL4、5具有相同的形状和相同的大小，隔离件6、7具有相同的形状和相同的大小。
附图标记8、9是由橡胶材料或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料制成的垫片，优选是由从乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶(VMQ)、氟橡胶(FKM)、全氟橡胶(FFKM)等选择出来的弹性材料制成的垫片，并且分别一体地粘接于隔离件6、7。该垫片8、9具有相同的形状和相同的大小，并接合于隔离件6、7，具有高度h和第二GDL4、5的厚度t2大致相同的平坦的基部81、91、以及从该基部81、91的宽度方向中间位置高于第一GDL2、3的厚度t1而隆起的截面山形的密封突条82、92。
第一GDL2、3形成从第二GDL4、5的外周伸出的大小，MEA1形成从第一GDL2、3的外周伸出的大小。
如图2所示，从第一GDL2、3的外周伸出的MEA1的端部1a，被夹入在一体地设置于图中下侧的隔离件6的垫片8的密封突条82、和一体地设置于图中上侧的隔离件7的垫片9的密封突条92之间，由此，能够防止供应至MEA1的燃料气体(氢)以及氧化气体、由其电化学反应生成而排出的水和剩余气体、制冷剂等向外部泄漏。
在垫片8、9上，由朝向内周侧的基部81、91的上面和密封突条82、92的裙部(bottom portion)形成了支撑阶梯部8a、9a。密封突条82、92上内周侧的裙部延伸形成与第一GDL2、3的外周形状大致对应的平面形状，如之前所说明，由于基部81、91的高度h与第二GDL4、5的厚度t2大致相同，因此支撑阶梯部8a、9a能够将从第二GDL4、5的外周伸出的第一GDL2、3的端部2a、3a定位，同时，能够将其支撑在与第一GDL2、3的利用第二GDL4、5的支撑高度相同的高度h。
并且，垫片8、9上的基部81、91的内周缘，延伸形成与第二GDL4、5的外周形状对应的平面形状，并且通过第二GDL4、5松动配合于上述基部81、91的内周被定位。
在将上述构成的部件组作为一个单元(燃料电池单元)，并且将多个单元层压并通过未示出的螺栓、螺母紧固组装的状态下，如图2所示，垫片8、9的密封突条82、92在被适当地压缩的状态下，密接于MEA1的端部1a的两面。并且，第二GDL4、5定位于垫片8、9的基部81、91的内周，层压于第二GDL4、5的第一GDL2、3的从第二GDL4、5伸出的端部2a、3a，通过垫片8、9的支撑阶梯部8a、9a而定位，同时，将其支撑在与第一GDL2、3的利用第二GDL4、5的支撑高度大致相同的高度。因此，能够有效地防止第一GDL2、3以及第二GDL4、5的移位。
特别地，垫片8、9的密封突条82、92由于伴随着压缩而向横向的膨胀变形，形成其裙部(支撑阶梯部8a、9a)与第一GDL2、3的端部2a、3a基本密接嵌合的状态，因此在垫片8、9的密封突条82、92和第一GDL2、3以及第二GDL4、5之间，不会形成允许MEA1变形的空间，并且通过嵌合于垫片8、9的支撑阶梯部8a、9a的第一GDL2、3的端部2a、3a，能够在密封突条82、92的内周侧从厚度方向的两侧紧固地按压MEA1。因此，能够有效地防止MEA1的变形和破损。
接着，图3是以分离状态示出本发明所涉及的燃料电池的密封构造的第二实施方式的部分截面图，图4是以层压状态示出的部分截面图。
在该第二实施方式中，与上述第一实施方式的不同之处为，一体地设置于图中上侧的隔离件7的垫片9，形成具有平坦的密封面93的平面密封形状，支撑阶梯部9a形成从上述密封面93下降成阶梯状的形状。其他部分的构成，与图1以及图2所示的第一实施方式相同。
更详细地说，垫片9形成相当于第一GDL3的厚度t1和第二GDL5的厚度t2的和的高度，密接于MEA1的端部1a的平坦的密封面93的宽度大于垫片8的密封突条82的密接宽度(对于MEA1的密接宽度)，支撑阶梯部9a在密封面93的内周侧延伸形成与第一GDL3的外周形状大致对应的平面形状，其底面高度h与第二GDL5的厚度t2大致相同，并且从密封面93以相当于第一GDL3的厚度t1的深度d形成。因此，支撑阶梯部9a能够通过嵌合来定位从第二GDL5的外周伸出的第一GDL3的端部3a，同时，能够将其支撑在与第一GDL3的利用第二GDL5的支撑高度大致相同的高度h。
在像这样构成的第二实施方式中，在将图3以及图4所示的部件组作为一个单元(燃料电池单元)，并且将多个单元层压并通过未示出的螺栓、螺母紧固组装的状态下，垫片8的密封突条82和垫片9的平坦的密封面93密接于MEA1的端部1a的两面。在这里，如之前所说明的图1和图2所示，在垫片8、9通过密封突条82、92将MEA1的端部1a夹入的情况下，例如如果由于组装精度存在即使很小的移位(偏移)，则由于密封突条82、92产生的面压极大部的移位，存在MEA1的端部1a受到弯曲力矩而变形的危险，但是根据第二实施方式，由于一侧的垫片9的密封面93是平坦的，因此即使在MEA1的两侧的垫片8、9之间存在微小的移位，在MEA1的端部1a也不会产生上述的弯曲力矩。
而且，在该实施方式中，第二GDL4、5定位在垫片8、9的内周，并且层压在第二GDL4、5上的第一GDL2、3的从第二GDL4、5伸出的端部2a、3a通过垫片8、9的支撑阶梯部8a、9a而被定位，同时，将其支撑在与第一GDL2、3的利用第二GDL4、5的支撑高度大致相同的高度。因此，能够有效地防止第一GDL2、3以及第二GDL4、5的移位。
并且，由于形成垫片8、9的支撑阶梯部8a、9a与第一GDL2、3的端部2a、3a基本密接嵌合的状态，因此在垫片8、9和第一GDL2、3以及第二GDL4、5之间，没有形成允许MEA1变形的空间，并且通过嵌合于垫片8、9的支撑阶梯部8a、9a的第一GDL2、3的端部2a、3a，从厚度方向的两侧紧固地按压MEA1。因此，能够有效地防止MEA1的变形和破损。
接着，图5是以分离状态示出本发明所涉及的燃料电池的密封构造的第三实施方式的部分截面图，图6是以层压状态示出的部分截面图。
在该第三实施方式中，与上述第一实施方式的不同之处为，一侧的垫片8在外周侧具有形成相当于第一GDL2的厚度t1和第二GDL4的厚度t2的和的高度的平坦的密封面83，并具有从垫片8的内周侧的位置高于第一GDL2的厚度t1而隆起的截面山形的密封突条82，此外在垫片8的内周侧，具有形成与密封面83相同高度的平坦的按压面84。另一侧的垫片9在内周侧具有相当于第一GDL3的厚度t1和第二GDL5的厚度t2的和的高度、并且与垫片8的密封突条82以及按压面84对向的平坦的密封面93，并具有从垫片9的外周侧的位置高于第一GDL3的厚度t1而隆起的截面山形的密封突条92，此外在垫片9的外周侧，具有与垫片8的密封面83的外周部对向、形成与密封面93相同高度的平坦的按压面94。并且，MEA1、第一GDL2、3、第二GDL4、5以及隔离件6、7等，与图1以及图2所示的第一实施方式相同。
垫片8的密封面83的宽度大于与其对向的垫片9的密封突条92的密接宽度(对于MEA1的密接宽度)，支撑阶梯部8a形成从按压面84的内周侧下降成阶梯状的形状，并且延伸形成与第一GDL2的外周形状大致对应的平面形状，其底面高度h与第二GDL4的厚度t2大致相同，从按压面84(密封面83)以相当于第一GDL2的厚度t1的深度d形成。因此，支撑阶梯部8a能够通过嵌合来定位从第二GDL4的外周伸出的第一GDL2的端部2a，同时，能够将其支撑在与第一GDL2的利用第二GDL4的支撑高度大致相同的高度h。
同样，垫片9的密封面93的宽度大于与其对向的垫片8的密封突条82的密接宽度(对于MEA1的密接宽度)，支撑阶梯部9a形成从密封面93的内周侧下降成阶梯状的形状，并且延伸形成与第一GDL3的外周形状大致对应的平面形状，其底面高度h与第二GDL5的厚度t2大致相同，从密封面93以相当于第一GDL3的厚度t1的深度d形成。因此，支撑阶梯部9a能够通过嵌合来定位从第二GDL5的外周伸出的第一GDL3的端部3a，同时，能够将其支撑在与第一GDL3的利用第二GDL5的支撑高度大致相同的高度h。
此外，附图标记8b、9b分别是形成于密封突条82、92的裙部的退刀槽，用于允许密封突条82、92伴随着压缩而向横向的膨胀变形。
在像这样构成的第三实施方式中，在将图5以及图6所示的部件组作为一个单元(燃料电池单元)，并且将多个单元层压并通过未示出的螺栓、螺母紧固组装的状态下，相互对向的垫片8的密封突条82和垫片9的平坦的密封面93以及在其外周测相互对向的垫片9的密封突条92和垫片8的平坦的密封面83密接于MEA1的端部1a的两面。因此，即使由于组装精度存在很小的移位(偏移)，MEA1的端部1a也不会受到弯曲力矩而变形，并且由于形成多个密接密封部，因此能够发挥优良的密封性。
并且，在该实施方式中，第二GDL4、5定位在垫片8、9的内周，并且层压在第二GDL4、5上的第一GDL2、3的从第二GDL4、5伸出的端部2a、3a通过垫片8、9的支撑阶梯部8a、9a而被定位，同时，将其支撑在与第一GDL2、3的利用第二GDL4、5的支撑高度大致相同的高度。因此，能够有效地防止第一GDL2、3以及第二GDL4、5的移位。
并且，由于形成垫片8、9的支撑阶梯部8a、9a与第一GDL2、3的端部2a、3a基本密接嵌合的状态，因此在垫片8、9和第一GDL2、3以及第二GDL4、5之间，没有形成允许MEA1变形的空间，并且通过嵌合于垫片8、9的支撑阶梯部8a、9a的第一GDL2、3的端部2a、3a，从厚度方向的两侧紧固地按压MEA1。因此，能够有效地防止MEA1的变形和破损。
此外，由于垫片8的内周侧的按压面84和垫片9的平坦的密封面93、以及垫片9的外周侧的按压面94和垫片8的平坦的密封面83都密接于MEA1的端部1a的两面，因此利用垫片8、9能够提高在厚度方向的刚性，并且能够高精度地规定隔离件6、7之间的层压间隔。
此外，在上述各实施方式中，虽然对垫片8、9密接于MEA1的两面的情况进行了说明，但是本发明也可以适用于在MEA1的外周部一体地设置膜状的加强框，并且通过垫片8、9将该加强框夹入而使其密接的情况。

Claims (3)

1.一种燃料电池的密封构造，在MEA的厚度方向两侧依次层压第一GDL、第二GDL以及隔离件，在所述第一GDL以及第二GDL的外侧，通过垫片将所述MEA或者与该MEA一体的加强框夹入，其中，所述垫片分别一体地设置于位于所述MEA的厚度方向两侧的隔离件，并且由橡胶或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料制成，所述燃料电池的密封构造的特征在于，所述第一GDL的端部形成从所述第二GDL的外周伸出的大小，所述第二GDL被定位在所述垫片的内周，所述第一GDL的端部通过形成在所述垫片上的支撑阶梯部而被定位，同时，通过该支撑阶梯部，所述第一GDL的端部被支撑在与利用所述第二GDL的支撑高度相同的高度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的密封构造，其特征在于，MEA或者加强框的厚度方向两侧的垫片中至少一侧的垫片具有接合于隔离件的平坦的基部和从该基部立起的密封突条，并且支撑阶梯部通过所述基部和所述密封突条的裙部而形成，通过所述密封突条伴随着压缩而向所述裙部的横向膨胀变形，所述支撑阶梯部密接嵌合于所述第一GDL的端部。
3.根据权利要求1所述的燃料电池的密封构造，其特征在于，MEA或者加强框的厚度方向两侧的垫片中至少一侧的垫片具有平坦的密封面，并且支撑阶梯部从所述密封面以相当于第一GDL的厚度的深度形成阶梯状。
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