CN102428599B - 燃料电池的密封构造 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池的密封构造,将膜-电极复合体(10)用一体地设置于隔离体(20A)上的第一垫圈(30)和第二垫圈(40)夹入,其中,在膜-电极复合体(10)的两侧的垫圈(30、40)上即使存在由于组装精度所产生偏移也可确保稳定的密封性,同时使发电区域的发电性能稳定。因此,第一垫圈(30)具有顶部(32a)与膜-电极复合体(10)密接的河堤状的主唇(32),第二垫圈(40)具有与膜-电极复合体(10)密接的扁平密封部(42)、以及该扁平密封部(42)中在与主唇(32)相对向的位置上隆起形成的副唇(43),主唇(32)的顶部(32a)的宽度(w1)比设想的最大偏移量更宽并且比扁平密封部(42)的宽度(w2)更窄,副唇(43)与主唇(32)的顶部(32a)相比宽度(w3)更窄。
Description
技术领域
本发明涉及一种在燃料电池中将膜-电极复合体用一体地设置于隔离体上的垫圈夹入的密封构造,其中,所述隔离体配置于膜-电极复合体的厚度方向的两侧。
背景技术
燃料电池具有将膜-电极复合体(MEA)和多孔质的气体扩散层(GDL)与隔离体交替配置而叠层的构造,其中,所述膜-电极复合体在高分子电解质膜的两面上设置一对催化剂电极层,所述多孔质的气体扩散层叠层于膜-电极复合体厚度方向的两侧,所述隔离体由碳或者金属制成,并且,使燃料气体和氧化气体向膜-电极复合体的两面流通,通过作为水的电分解的逆反应的电化学反应,即由氢气和氧气生成水的反应,从而产生电力。
在这种燃料电池中,具备用于密封燃料气体和氧化气体、由其反应所生成的水和过剩的氧化气体、以及制冷剂等的密封构造。图8为在分离状态下示出利用现有技术的燃料电池的密封构造的部分剖面图,在该图8中,附图标记110为由高分子电解质膜及设置于其两侧的催化剂电极层等制成的膜-电极复合体,隔离体120分别叠层于该膜-电极复合体110的厚度方向的两侧。
一体地设置于膜-电极复合体110的厚度方向的两侧的隔离体120上的垫圈130与膜-电极复合体110的周缘密接。垫圈130由橡胶状弹性材料(橡胶或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料)制成,为了获得所需要的表面压力而形成密封突条131。
可是,由于膜-电极复合体110为薄壁且柔软,因此,例如当由于组装精度而产生偏移(偏差)δ时,由于密封突条131引起的表面压力最大部的偏差,因此,存在密封性不稳定的问题。此外,即使可确保所需要的密封性,由于垫圈130的反作用力因偏移δ而较大地变动,所以,由于对发电区域(未图示)的叠层压力的影响,而导致发电性能也不稳定。
因此,作为防止由这样的偏移所引起的不良情况的方法,如图9中在分离状态下示出的其他现有技术的燃料电池的密封构造,已知有将膜-电极复合体110的周缘用具有密封突条131的垫圈130、以及形成扁平密封部141的垫圈140夹入的方式(参照以下的专利文献1)。
可是,在该情况下,虽然可确保利用垫圈130的密封突条131的密封面所需要的表面压力,但是,因为在利用垫圈140的扁平密封部141的密封面中表面压力分散,并且与密封突条131侧相比较表面压力降低,所以存在得不到所需要的密封性的问题。因此,为了弥补这种密封性的降低,如图10中在分离状态下示出的另一其他现有技术的燃料电池的密封构造,考虑到将具有密封突条151和扁平密封部152的垫圈150相互呈旋涡状地设置于两侧的隔离体120上,并且在宽度方向上的两处进行利用密封突条151和扁平密封部152的膜-电极复合体110的夹入的方式,但是,该情况存在垫圈150的宽度变大的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2008-97899号公报
发明内容
(发明要解决的课题)
本发明是鉴于上述问题而作出的,其技术课题在于在燃料电池的密封构造中,在膜-电极复合体的两侧的垫圈上即使存在由于组装精度所产生的偏移也可确保稳定的密封性能,同时使发电区域的发电性能稳定。
(用于解决课题的方法)
作为用于有效地解决上述技术课题的方法,本发明第1方面所涉及的燃料电池的密封构造为,将膜-电极复合体用第一垫圈和第二垫圈夹入,其中所述第一垫圈一体地设置于在膜-电极复合体的厚度方向一侧配置的隔离体上并由橡胶状弹性材料制成,所述第二垫圈一体地设置于在膜-电极复合体的厚度方向另一侧的隔离体上并由橡胶状弹性材料制成,其中,所述第一垫圈具有顶部与所述膜-电极复合体密接的河堤状的主唇,所述第二垫圈具有与所述膜-电极复合体密接的扁平密封部、以及该扁平密封部中在与所述主唇相对向的位置上隆起形成的副唇,所述主唇的顶部的宽度比设想的最大偏移量更宽并且比所述扁平密封部的宽度更窄,所述副唇与所述主唇的顶部相比宽度更窄。
根据本发明所涉及的燃料电池的密封构造,膜-电极复合体夹入于第一垫圈的主唇的顶部与第二垫圈的扁平密封部以及副唇之间,对于膜-电极复合体的第二垫圈的扁平密封部的接触表面压力通过副唇而补偿,而且,由于第一垫圈中主唇的顶部的宽度比第二垫圈的扁平密封部的宽度更窄,因此,可确保对于膜-电极复合体的所需要的接触表面压力,同时由于该主唇的顶部的宽度比设想的最大偏移量更宽,因此,即使产生由于组装精度所产生的偏移,也能够将膜-电极复合体用第一垫圈的主唇的顶部与第二垫圈的扁平密封部以及副唇夹入。
此外,本发明第2方面所涉及的燃料电池的密封构造为,在第1方面记载的构成中,在主唇的顶部的宽度方向的两端上分别具有第二副唇。
根据本发明第2方面的构成,即使由于偏移变大而第二垫圈的副唇与第一垫圈的主唇的顶部中的宽度方向的端部相对向,由于用所述副唇与形成于所述主唇的顶部中的宽度方向的端部上的第二副唇夹入膜-电极复合体,因此,可确保充分的接触表面压力。
(发明的效果)
根据本发明所涉及的燃料电池的密封构造,由于膜-电极复合体的夹入在第一垫圈的主唇与第二垫圈的扁平密封部以及副唇之间进行,因此,可确保所需要的接触表面压力,为此不需要将垫圈的宽度加大,而且即使产生由于组装精度所产生的偏移,也可得到稳定的密封性能,同时能够使发电区域的发电性能稳定。
附图说明
图1为在分离状态下示出本发明的优选第一实施方式所涉及的燃料电池的密封构造的部分剖面图。
图2为在分离状态下示出在第一实施方式中产生偏移的状态的部分剖面图。
图3为在分离状态下示出在第一实施方式中将主唇的顶部的宽度小于图1所示的实例的实例的部分剖面图。
图4为在分离状态下示出本发明的优选第二实施方式所涉及的燃料电池的密封构造的部分剖面图。
图5为示出测定对于膜-电极复合体的垫圈的接触表面压力的结果的曲线图。
图6为用于说明图5曲线图中的实施例的垫圈的接触表面压力的测定部位的说明图。
图7为用于说明图5曲线图中的比较例的垫圈的接触表面压力的测定部位的说明图。
图8为在分离状态下示出利用现有技术的燃料电池的密封构造的部分剖面图。
图9为在分离状态下示出利用另一现有技术的燃料电池的密封构造的部分剖面图。
图10为在分离状态下示出利用又一现有技术的燃料电池的密封构造的部分剖面图。
符号说明
1 燃料电池单元
10 膜-电极复合体
20A、20B 隔离体
21、22 槽
30 第一垫圈
32 主唇
32a 顶部
33 第二副唇
40 第二垫圈
42 扁平密封部
43 副唇。
具体实施方式
以下,参照附图的同时对本发明所涉及的燃料电池的密封构造进行说明。图1为在分离状态下示出本发明的优选第一实施方式所涉及的燃料电池的密封构造的部分剖面图。
在图1中,附图标记10是具备高分子电解质膜以及以叠层状态设置于其两侧上的催化剂电极层的膜-电极复合体,通过隔离体20A、20B分别重叠于该膜-电极复合体10的两侧,从而构成燃料电池单元1。
由于膜-电极复合体10的周缘部10a夹入一体地设置于一侧的隔离体20A上并由橡胶状弹性材料(橡胶或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料)制成的第一垫圈30与一体地设置于另一侧的隔离体20B上并由橡胶状弹性材料制成的第二垫圈40之间,因此,能够以不会从各自流路泄漏的方式密封燃料气体(氢气)和氧化气体、由其电化学反应而生成并排出的水和过剩的氧化气体、以及制冷剂等。
第一垫圈30由与形成于一侧的隔离体20A的槽21内一体接合的基部31、以及从该基部31隆起的河堤状的主唇32构成,与膜-电极复合体10密接的主唇32的顶部32a形成扁平状。另一方面,第二垫圈40具有与形成于另一侧的隔离体20B的槽22内一体接合的基部41、以及从该基部41隆起的扁平密封部42、还有在该扁平密封部42隆起形成的副唇43。
第一垫圈30中的主唇32的顶部32a与膜-电极复合体10密接,其宽度w1为比设想的最大偏移量更宽,并且比第二垫圈40中的扁平密封部42的宽度w2更窄。此外,形成于扁平密封部42的副唇43为局部地提高与膜-电极复合体10的接触表面压力的部分,并且形成于与主唇32的顶部32a相对向的位置上,其宽度w3比主唇32的顶部32a的宽度w1更窄。
在上述构成中,在将多个燃料电池1叠层并用未图示的螺栓/螺母紧固而组装成燃料电池组的状态下,膜-电极复合体10的周缘部10a夹入第一垫圈30的主唇32与第二垫圈40的扁平密封部42之间。
并且,在第一垫圈30的主唇32中,由于与膜-电极复合体10密接的顶部32a的宽度w1比第二垫圈40的扁平密封部42的宽度w2足够窄,因此,可确保对于膜-电极复合体10的充分的接触表面压力。另一方面,对于膜-电极复合体10的第二垫圈40的扁平密封部42的接触表面压力由于副唇43而局部地变大。因此,发挥了利用第一垫圈30和第二垫圈40的良好的密封性。
在此,如图2所示,即使在隔离体20A与隔离体20B上,换言之在第一垫圈30与第二垫圈40上存在由于组装精度所产生的微小的偏移δ(作为主唇32的顶部32a的宽度方向的中心与扁平密封部42的副唇43的宽度方向的中心的偏差被表示),对于膜-电极复合体10的主唇32的顶部32a的密接区域也与比其宽度宽的扁平密封部42相对向,同时在该扁平密封部42上隆起形成的副唇43也与主唇32的顶部32a相对向。这是因为主唇32的顶部32a的宽度w1为比设想的最大偏移量更宽。
因此,即使存在偏移δ,因为膜-电极复合体10处于被第一垫圈30的主唇32的顶部32a与第二垫圈40的扁平密封部42以及副唇43夹入的状态,所以,可得到对于膜-电极复合体10的第一垫圈30以及第二垫圈40的稳定的接触表面压力,其结果是可确保稳定的密封性能,同时大的弯曲力矩不作用于膜-电极复合体10上,再者,垫圈30、40的反作用力因偏移δ而不会较大变动,因此,对存在于图1和图2中左侧的发电区域(未图示)的叠层压力的影响较少,其结果是也可确保稳定的发电性能。
另外,在设想的由于组装精度所产生的最大偏移量较小的情况下,对应于此,由于能够如图3所示将第一垫圈30中的主唇32的顶部32a的宽度w1变窄,因此,能够提高对于膜-电极复合体10的主唇32的接触表面压力。
接着,图4为在分离状态下示出本发明的优选第二实施方式所涉及的燃料电池的密封构造的部分剖面图。
在该第二实施方式中,与上述的第一实施方式不同之处在于在第一垫圈30中的主唇32的顶部32a的宽度方向的两端上分别具有第二副唇33。
根据这样的构成,由于对于膜-电极复合体10的接触表面压力的局部最大部分通过副唇43和第二副唇33、33而在多处形成,因此发挥了更好的密封性。
而且,即使第二垫圈40的副唇43由于组装精度所产生的偏移变大而偏移至与第一垫圈30的主唇32的顶部32a中宽度方向的端部相对向的位置,由于利用副唇43与第二副唇33夹入膜-电极复合体10,因此,可确保充分的接触表面压力。
图5为用实施例与比较例进行比较而示出测定对于膜-电极复合体的垫圈的接触表面压力的结果的曲线图。其中作为实施例,如图6所示,使用与作为第一实施方式的先前说明的图1相同的方法,测定在与副唇43相对向的部分的膜-电极复合体10与第一垫圈30的主唇32的接触表面压力A、以及膜-电极复合体10与副唇43的接触表面压力B。此外,作为比较例,如图7所示,使用与作为现有技术的先前说明的图10相同的方法,测定膜-电极复合体10与密封突条151的顶部的接触表面压力C、以及在与密封突条151的顶部相对向的部分的膜-电极复合体10与扁平密封部152的接触表面压力D。
从该测定结果可确认,在比较例中,由密封突条151所产生的C部的接触表面压力与由扁平密封部152所产生的D部的接触表面压力的差较大,与此对比,在本发明的实施例中,由主唇32所产生的A部的接触表面压力与由副唇43所产生的B部的接触表面压力的差较小,而且A部以及B部的接触表面压力双方都比比较例中的扁平密封部152的接触表面压力D更高。因此,根据本发明的实施例,可知由于A部与B部的接触表面压力的差小,因此,可抑制膜-电极复合体10的弯曲变形,而且,由于对于膜-电极复合体10的充分且稳定的接触表面压力,因此,可确保稳定的密封性能。
Claims (2)
1.一种燃料电池的密封构造,将膜-电极复合体用第一垫圈和第二垫圈夹入,其中所述第一垫圈一体地设置于在膜-电极复合体的厚度方向一侧配置的隔离体上并由橡胶状弹性材料制成,所述第二垫圈一体地设置于在膜-电极复合体的厚度方向另一侧的隔离体上并由橡胶状弹性材料制成,所述燃料电池的密封构造的特征在于,所述第一垫圈具有密接于所述膜-电极复合体的顶部形成扁平状的主唇,所述第二垫圈具有与所述膜-电极复合体密接的扁平密封部、以及该扁平密封部中在与所述主唇相对向的位置上隆起形成的副唇,所述主唇的顶部的宽度比设想的最大偏移量更宽并且比所述扁平密封部的宽度更窄,所述副唇与所述主唇的顶部相比宽度更窄。
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,在主唇的顶部的宽度方向的两端上分别具有第二副唇。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant |