CN104798233A

CN104798233A - 燃料电池单电池

Info

Publication number: CN104798233A
Application number: CN201380060192.9A
Authority: CN
Inventors: 影山和弘
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: JP5999529B2; US9812728B2; WO2014080761A1; US20150311560A1; CN104798233B; CA2889861A1; EP2924787B1; EP2924787A1; JPWO2014080761A1; CA2889861C; EP2924787A4

Abstract

本发明提供一种燃料电池单电池(C)，其由一对隔板(2)夹持膜电极接合体(1)，并且具备用于密封在膜电极接合体(1)与各隔板(2)之间形成的气体流路(GC、GA)的密封材料(S1、S2)，其中，设为在隔板(2)中的密封材料的配置部分设置有用于将密封材料(S1、S2)积存在反应气体的受压侧的密封材料积存部(2A)的结构，反应气体的压力作用于充满密封材料积存部(2A)的密封材料(S1、S2)的端部，使隔板(2)及膜电极接合体(1)与密封材料(S1、S2)紧贴，提高密封性能。

Description

燃料电池单电池

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池等的燃料电池的改良，涉及层叠多个而构成燃料电池堆的燃料电池单电池。

背景技术

以往，已知以含有氢的阳极气体和含有氧的阴极气体作为反应气体并通过电化学反应产生电能的燃料电池。这样的燃料电池根据电解质的不同而分为各种类型，作为其中之一，存在使用固体高分子膜的燃料电池。

在专利文献1中公开了一种燃料电池堆，该燃料电池堆是层叠多个燃料电池单电池而构成的，该燃料电池单电池具备在固体高分子膜的两侧配置阳极和阴极而成的膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)和配置在膜电极接合体的两侧的隔板。

专利文献1：日本特开2005－116404号公报

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1这样的燃料电池堆中，通过粘接剂将膜电极接合体、隔板等各元件粘接，来确保各元件间的密封性。但是，存在这样的问题：由于粘接剂配置在各元件的外缘、反应气体的岐管周围，所以当元件层叠时粘接剂向各元件的外侧、岐管孔溢出，由此，可能会降低密封性能。

本发明是着眼于上述以往的状况的问题而做成的，其目的在于提供一种能够实现密封性能的提高的燃料电池单电池。

用于解决问题的方案

本发明的燃料电池单电池具有这样的结构：由一对隔板夹持膜电极接合体，并且具备用于密封在膜电极接合体与各隔板之间形成的气体流路的密封材料。并且，燃料电池单电池构成为在隔板中的密封材料的配置部分设置有用于将密封材料积存在反应气体的受压侧的密封材料积存部，以该结构作为用于解决以往问题的方案。另外，在上述结构中，密封材料可使用也具有作为粘接剂的作用的材料。另外，反应气体的受压侧是反应气体的压力所作用的一侧，具体是气体流路、用于进行反应气体的供给及排出的岐管孔的内侧。

发明效果

本发明的燃料电池单电池通过采用上述结构，反应气体的压力作用于充满密封材料积存部的密封材料的端部，密封材料紧贴在隔板及膜电极接合体上，能够实现密封性能的提高。

附图说明

图1是燃料电池堆的立体图(A)及立体分解图(B)。

图2是将燃料电池单电池形成分解状态进行说明的俯视图。

图3(A)是电池模块的岐管孔附近的剖视图，及图3(B)是用于说明密封材料的配置部分的放大剖视图。

图4(A)、(B)是说明本发明的燃料电池单电池的一实施方式的各个主要部分的剖视图。

图5(A)、(B)是说明本发明的燃料电池单电池的另一实施方式的各个主要部分的剖视图。

图6是说明密封材料的耐久性的各个曲线图，图6(A)是表示密封材料与框架的接触面积和耐久时间之间的关系的曲线图，图6(B)是形成在密封材料上的凹凸的数量和耐久时间之间的关系的曲线图，图6(C)是密封材料及框架的边界的耐久时间和腐蚀长度之间的关系的曲线图。

具体实施方式

对于图1所示的燃料电池堆FS而言，尤其如图1(B)所示，层叠多张燃料电池单电池C而构成电池模块M，层叠多个电池模块M，并且在电池模块M彼此间夹装密封板P。另外，在图1(B)中表示了两个电池模块M和一个密封板P，但实际上层叠大于或等于该数量的电池模块M和密封板P。

另外，燃料电池堆FS中，在电池模块M的层叠方向的两端部分别配置端板56A、56B，在燃料电池单电池C的作为长边侧的两个面(图1中为上表面和下表面)上设置有连结板57A、57B，并且在作为短边侧的两个面上设置有加强板58A、58B。各连结板57A、57B和加强板58A、58B通过未图示的螺栓连结在两个端板56A、56B上。

如此，燃料电池堆FS形成图1(A)所示的外壳一体型结构，将各电池模块M和密封板P在层叠方向束缚和加压，对各个燃料电池单电池C施加规定的接触面压，良好地维持气密性、导电性等。

如图2所示，燃料电池单电池C具备膜电极接合体1和夹持膜电极接合体1的一对隔板2、2，并且在膜电极接合体1与各隔板2、2之间形成阴极气体和阳极气体各自的气体流路(GC、GA)。

膜电极接合体1一般被称作MEA(Membrane Electrode Assembly)，省略详细图示，但具有利用阴极层和阳极层夹持由固体高分子构成的电解质层的结构。另外，图示例的膜电极接合体1在其外周一体设置有树脂制的框架1A。

框架1A例如通过注塑成型而与膜电极接合体1一体化，在该实施方式中，以膜电极接合体1为中央构成为长方形状。另外，框架1A在短边两侧分别各自排列有三个岐管孔H1～H3、H4～H6，从各岐管孔组到膜电极接合体1的区域构成扩散部。该框架1A和两个隔板2、2都是具有大致同等纵横尺寸的长方形状。

另外，框架1A在扩散部纵横排列着圆形的多个突部1B。这些突部1B用于在因膜电极接合体1的经时变化等使燃料电池单电池C产生厚度方向的变位时与隔板2、2接触而维持反应用气体的流通空间。

各隔板2是具有正反对称形状(日文：表裏反転形状)的金属制的板元件，例如是不锈钢制的，能够通过冲压加工成形为适当的形状。图示例的隔板2的至少与膜电极接合体1对应的中央部分形成为截面凹凸形状。该隔板2在长边方向上连续具有截面凹凸形状，使波形凸部与膜电极接合体1接触，并且在波形凹部与膜电极接合体1之间形成阴极气体的气体流路和阳极气体的气体流路(GC、GA)。另外，各隔板2在两端部具有与框架1A同样的岐管孔H1～H6。

如图3(A)所示，上述的框架1A及膜电极接合体1与两个隔板2、2重叠而构成燃料电池单电池C。另外，层叠多张(图3中为四张)燃料电池单电池C而形成电池模块M。这时，在相邻的燃料电池单电池C彼此之间形成冷却液(例如水)的流路F，在相邻的电池模块M彼此之间也形成冷却液的流路。

图2的左侧所示的各岐管孔H1～H3从上侧开始分别是阳极气体供给用孔(H1)、冷却液排出用孔(H2)和阴极气体排出用孔(H3)，它们在层叠方向上彼此连通而形成各自的流路。另外，图2的右侧所示的各岐管孔H4～H6从上侧开始分别是阴极气体供给用孔(H4)、冷却液供给用孔(H5)和阳极气体排出用孔(H6)，它们在层叠方向上彼此连通而形成各自的流路。各岐管孔H1～H6的供给和排出的位置关系可以一部分或全部相反。

另外，如图2所示，燃料电池单电池C中，在框架1A与各隔板2的缘部彼此之间、岐管孔H1～H6的周围设置有密封材料S1、S2。图2中以两个密封材料S1、S2的局部重合的状态表示。这些密封材料S1、S2也具有作为粘接剂的作用，在各个层之间将阴极气体的气体流路GC和阳极气体的气体流路GA分别气密地分离。另外，在岐管孔H1～H6周围的适当部位设置开口，以使相应的流体在各层之间流动。另外，在燃料电池堆FS中，相邻的燃料电池单电池C的隔板2彼此通过将外周部彼此气密地接合而将冷却液的流路F密封。

密封板P与上述的燃料电池单电池C独立地形成，如图1(B)所示，在板体基板50的两端部形成有与所述框架1A和隔板2同样的岐管孔H1～H6。

板体基板50是对一张导电性金属板进行成形而成的，在俯视时以与上述的燃料电池单电池C大致相同的形状形成为相同大小。通过由导电性的金属板形成该板体基板50，从而能够进行经时稳定的通电。

另外，对于密封板P，在岐管孔H1～H6的各周围沿整周环状地形成密封构件51，在该板体基板50的最外周缘部沿整周环状地形成外周密封构件52，在该密封构件52的内侧隔开所需间隔地沿整周环状地形成内周密封构件53。设置在各岐管孔H1～H6的周围的各密封构件51彼此独立形成。该密封构件51～53与夹装在框架1A与隔板2之间的前述的密封材料S1、S2独立地形成。

如图3(A)所示，密封板P利用内周密封构件53防止在电池模块M间的冷却液用流路中流通的冷却液漏出，利用外周密封构件52防止雨水从外部进入，并且实现了电绝缘。另外，在图3(A)中，附图标记9表示粘接剂。

上述的燃料电池堆FS中，层叠规定数量的燃料电池单电池C而构成电池模块M，相对电池模块M能够容易拆下密封板P。由此，在任一个燃料电池单电池C产生不良情况时，能够仅更换包含该燃料电池单电池C的电池模块M，能够继续使用其他燃料电池单电池C以及电池模块M。

构成上述燃料电池堆FS的燃料电池单电池C如前面所述是这样的结构：由一对隔板2、2夹持膜电极接合体1，并且具备用于密封在膜电极接合体1与各隔板2之间形成的气体流路(GC、GA)的密封材料S1、S2。另外，膜电极接合体1在其外周具有树脂制的框架1A。

如图3(B)和图4所示，上述燃料电池单电池C在隔板2中的密封材料S的配置部分形成有用于将密封材料S1、S2积存在反应气体的受压侧的密封材料积存部2A。反应气体的受压侧是反应气体的压力所作用的一侧，例如是气体流路GC、GA的内侧、岐管孔H1～H6的内侧。

即、对于配置在框架1A的缘部及隔板2的缘部的密封材料S1，在反应气体存在这一侧、即至少在气体流路GC、GA这一侧设置密封材料积存部2A。对于配置在岐管孔H1～H6的周围的密封材料S2，由于有时在其两侧存在反应气体、冷却液，所以至少在压力高的一侧或在两侧设置密封材料积存部2A。

图3(B)所示的实施方式中，对于配置在框架1A的缘部及隔板2的缘部的密封材料S1，在隔板2中的密封材料S1的配置部分的两侧形成有密封材料积存部2A。具体地，隔板2的一部分向与膜电极接合体1分开的方向弯折形成，将该弯折部分作为密封材料积存部2A。另外，在隔板2中，将两侧的密封材料积存部2A、2A之间的平坦部分作为密封材料S1的保持部2B。另外，在图3(B)所示的实施方式中，对于配置在岐管孔H1～H6的周围的密封材料S2，不具备密封材料积存部2A。

此处，在本发明的燃料电池单电池C中，作为更优选的实施方式，能够在膜电极接合体1及隔板2的至少一者中的密封材料S1、S2的配置部分形成有凹凸。该实施方式中，由于膜电极接合体1具有框架1A，所以在该框架1A及隔板2的至少一者中形成有凹凸。

图3(B)所示的实施方式中，在框架1A上以规定间隔形成有多个凸部10A，从而在密封材料S1、S2的配置部分形成有凹凸。由此形成框架1A的凹凸与隔板2的保持部2B相对配置的结构。另外，在保持部2B的相反面(外表面)配置有密封板P的内周密封构件53、密封构件51。

在图4(A)及(B)所示的各实施方式中，对于配置在框架1A的缘部及隔板2的缘部以及岐管孔H1～H6的周围的各密封材料S1、S2，在隔板2的两侧设置有密封材料积存部2A和保持部2B。图4所示的各实施方式是不具备前述的凹凸的结构，但是都在保持部2B的相反面配置有密封板P的内周密封构件53，特别是在图4(A)所示的实施方式中，在保持部2B上形成有用于对密封板P的内周密封构件53进行定位的凹部2C。

另外，在图5(A)及(B)所示的各实施方式中，隔板2除了具有密封材料积存部2A及保持部2B以外，还在框架1A上以规定间隔形成有多个凹部10B，从而在密封材料S1、S2的配置部分形成有凹凸。图5(A)所示的实施方式中，框架1A的正反两面的凹部10B彼此同相位地配置。图5(B)所示的实施方式中，框架1A的正反两面的凹部10B彼此错开配置。

上述的燃料电池单电池C能够基于以下的方法制造。即、在制造下述燃料电池单电池C时，在隔板2中的密封材料S1、S2的配置部分形成在反应气体的受压侧积存密封材料S1、S2的密封材料积存部2A，该燃料电池单电池C由一对隔板2、2夹持膜电极接合体1、并具备用于密封在膜电极接合体1与各隔板2、2之间形成的气体流路CG、AG的密封材料S1、S2。

然后，在隔板2的密封材料的配置部分配置密封材料S1、S2之后，将隔板2与膜电极接合体1接合，在该两者之间形成由密封材料S1、S2密封的气体流路CG、Ag，并且形成以密封材料S1、S2承受反应气体的压力的方式将密封材料S1、S2积存在密封材料积存部2A的状态。

上述的燃料电池单电池C中，由于在隔板2中的密封材料S1、S2的配置部分设置有用于将密封材料S1、S2积存在反应气体的受压侧的密封材料积存部2A，所以如图3(B)、图4和图5所示，在密封材料积存部2A的部分以块状填充形成密封材料S1、S2的端部。

由此，燃料电池单电池C中，反应气体的压力作用于充满密封材料积存部2A的密封材料S1、S2的端部(端面)，密封材料S1、S2被压挤而紧贴在隔板2及膜电极接合体1的框架1A上，能够实现密封性能的提高。另外，根据燃料电池单电池C的制造方法，能够容易生产上述那样密封性较高的燃料电池单电池C。

进而，燃料电池单电池C中，由于在膜电极接合体1的框架1A及隔板2的至少一者中、即图3(B)及图5所示的实施方式中，在框架1A中的密封材料S1、S2的配置部分形成有凹凸，所以框架1A与密封材料S1、S2的接触面积增大，能够同时实现提高粘接强度的作用和沿层叠方向传递荷载的作用。在这种情况下，尤其如图3(B)所示，若由突部10A形成凹凸，则框架1A与隔板2的间隔变小，沿层叠方向传递荷载的作用进一步加强。

进而，在燃料电池单电池C中，通过如上所述在框架1A上形成凹凸，从而与密封材料S1、S2的接触面积增大的同时，能够较长地确保两者界面的腐蚀长度。即、这种燃料电池单电池在长时间使用下，由于受到反应气体的脉动等，密封材料S1、S2对框架1A的拉伸剪切粘接强度逐渐降低，会在两者的界面上出现由于反应气体、生成物造成的腐蚀。

相对于此，在燃料电池单电池C中，通过预先在框架1A与密封材料S1、S2之间利用凹凸充分确保从气体流路GC、GA侧至外部的界面的长度，能够形成为即使超过该燃料电池单电池C的寿命范围、反应气体、生成物也不会到达外部(不会发生气体泄漏)的结构。

图6是说明本发明的燃料电池单电池C中的密封材料S1、S2的耐久性的曲线图。即、如图6(A)所示，若在框架1A上形成凹凸而增大框架1A与密封材料S1、S2的接触面积，则能够延长耐久时间。另外，如图6(B)所示，若增加凹凸数量，则结果是框架1A与密封材料S1、S2的接触面积也增大，所以能够延长耐久时间。另外，如图6(C)所示，若增大框架1A与密封材料S1、S2的接触面积(凹凸数量)，则界面腐蚀长度也增大，能够延长耐久时间。

进而，如图3(B)及图5所示，在燃料电池单电池C中，由于使膜电极接合体1的框架1A的凹凸与隔板2的保持部2B相对配置，所以能够将密封材料S1、S2可靠地保持在固定位置上，并且在构成了燃料电池堆FS时，能够良好地进行沿层叠方向的荷载传递。

进而，如图3(B)及图4所示，燃料电池单电池C中，在保持部2B的外表面配置有密封板P的密封构件51～53。即、夹装在框架1A与隔板2之间的密封材料S1、S2与密封板P的密封构件51～53的层叠方向上的位置一致。由此，燃料电池单电池C中，能够可靠地将密封板P的密封构件51～53都保持在固定位置上，并且能够良好地进行包含密封板P在内的层叠方向上的荷载传递。

进而，燃料电池单电池C中，膜电极接合体1一体地具备树脂制的框架1A，在框架1A与隔板2之间夹装密封材料S1、S2，所以在膜电极接合体1的发电区域外侧能够得到良好的密封作用，并且不会对发电区域带来任何影响，而能够容易形成密封材料积存部2A、保持部2B及凹凸(突部10A和凹部10B)等加工部位。

进而，伴随上述燃料电池单电池C的耐久性提高等，层叠该燃料电池单电池C而成的燃料电池堆FS的耐久性也会提高，并且通过沿层叠方向的荷载传递的增强，能够实现燃料电池单电池C间的面压、接触电阻、乃至各燃料电池单电池C的发电功能的均匀化等。

本发明的燃料电池单电池的结构不只限于上述各实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内其结构的细节能够进行适当变更，或者能够适当组合上述各实施方式的结构，例如在上述各实施方式中，例示了在膜电极接合体1的框架1A中的密封材料的配置部分形成有凹凸的情况，但是也能够在隔板2一侧中的密封材料的配置部分形成凹凸。另外，凹凸除了是以物理方式形成的凹凸以外，还可以是通过表面改性(例如紫外线、等离子体、电晕等)以化学方式形成的凹凸。

附图标记说明：

C 燃料电池单电池

FS 燃料电池堆

GA 阳极气体的气体流路

GC 阴极气体的气体流路

S1、S2 密封材料

1 膜电极接合体

1A 框架

2 隔板

2A 密封材料积存部

2B 保持部

10A 凸部

10B 凹部

Claims

1.一种燃料电池单电池，其由一对隔板夹持膜电极接合体，并且具备用于密封在膜电极接合体与各隔板之间形成的气体流路的密封材料，其特征在于，

在隔板中的密封材料的配置部分设置有用于将密封材料积存在反应气体的受压侧的密封材料积存部。

2.如权利要求1所述的燃料电池单电池，其特征在于，

在膜电极接合体及隔板的至少一者中的密封材料的配置部分形成有凹凸。

3.如权利要求1所述的燃料电池单电池，其特征在于，

在膜电极接合体中的密封材料的配置部分形成有凹凸，并且在隔板中的密封材料的配置部分设置密封材料的保持部，使凹凸与保持部相对配置。

4.如权利要求1～3任一项所述的燃料电池单电池，其特征在于，

膜电极接合体在其外周一体地设置有树脂制的框架，

在所述框架与隔板之间夹装密封材料。

5.一种燃料电池堆，其特征在于，

其是层叠多个权利要求1～4中任一项所述的燃料电池单电池而构成的。

6.一种燃料电池单电池的制造方法，其特征在于，

在制造由一对隔板夹持膜电极接合体、并且具备用于密封在膜电极接合体与各隔板之间形成的气体流路的密封材料的燃料电池单电池时，

在隔板中的密封材料的配置部分形成用于将密封材料积存在反应气体的受压侧的密封材料积存部，

在隔板中的密封材料的配置部分上配置密封材料之后，

将隔板与膜电极接合体接合，在该隔板与膜电极接合体之间形成由密封材料密封的气体流路，并且

形成以密封材料承受反应气体的压力的方式将密封材料积存在密封材料积存部的状态。