CN105047957B - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池，包括：膜电极组件；框架(140)，其被配置成从膜电极组件的外边缘支撑膜电极组件；以及一对隔板，其被配置成将膜电极组件和框架(140)夹在其间。该对隔板中的第一隔板(150)包含朝与框架相反的侧伸出的能够弹性变形的突出部(152)，框架(140)具有面对第一隔板的突出部的凹入的腔部，并且比构成框架的材料软的弹性体(180)被放置在腔部的至少一部分中。在第二隔板的与框架相反的侧上或者在突出部的顶部上放置有橡胶片。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池。
背景技术
日本专利申请公开第2006-54058号(JP2006-54058A)描述燃料电池的隔板。隔板由具有密封突起的金属板制成。密封突起设置有聚合物弹性层，并且聚合物弹性层与聚合物膜邻接以执行密封。
在隔板由具有较大伸长率的材料(例如钛、SUS、铝等)制成时，隔板、MEA等的厚度公差能够被密封突起的变形所吸收，但可能难以将密封部的压力保持在较大的值。
发明内容
本发明的一个方面涉及燃料电池，其包含：膜电极组件；框架，其被配置成从它的外边缘支撑膜电极组件；以及第一隔板和第二隔板，其被配置成将膜电极组件和框架夹在其间。这样成对设置的隔板中第一隔板包含朝与框架相反的侧伸出的能够弹性变形的突出部。框架具有面对第一隔板的突出部的凹入的腔部。燃料电池包含放置在腔部的至少一部分中的弹性体。在第二隔板的与框架相反的侧上或者在突出部的顶部上放置有橡胶片。根据该燃料电池，弹性体引起的反作用力被添加到隔板的突出部的弹性变形引起的反作用力，从而使得能够增加燃料电池之间的密封线的线性压力(密封压力)。
弹性体可以是橡胶材料或聚氨酯材料。这使得能够低成本地制备具有必要的弹性的弹性体。
腔部可以包含底部和侧面部。弹性体可以被设置在腔部的底部上。根据这种构造，在隔板与弹性体接触之前在低线性压力(低密封压力)状态下隔板和框架的制造公差引起的改变能够被吸收。所以，在隔板与弹性体接触之后在高线性压力状态(弹性体反作用力产生状态)下，能够保证必要的线性压力(密封压力)。
在第一隔板没有被外力变形的状态下，弹性体可以与第一隔板和框架两者接触。根据这种构造，在压缩以形成燃料电池堆时，能够在整个区域中实现大线性压力(密封压力)。
腔部可以包含底部和侧面部。弹性体可以被设置在腔部的侧面部上。这使得能够减轻要被施加至框架的腔的侧表面的应力。
弹性体可以被设置在腔部的第一隔板侧上。这使得能够减轻对突出部的应力。
注意，能够在多种方面实现本发明。例如，除了燃料电池之外，能够以用于燃料电池等的框架的形式实现本发明。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例实施方式的技术、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的附图标记指代相同的元件，其中：
图1是示意性图解燃料电池堆的外观的解释性视图；
图2是图解第一隔板的解释性视图；
图3是图解框架和膜电极组件的解释性视图；
图4是图解燃料电池的密封线的截面的解释性视图；
图5是图解燃料电池在层叠方向被层叠并被轻微压缩的状态的解释性视图；
图6是图解从图5中图解的状态起燃料电池在层叠方向上被进一步压缩的状态的解释性视图；
图7是解释性视图，其用……于在紧固燃料电池堆时压缩量(行程)和线性压力(密封压力)之间的关系的方面比较设置了弹性体的情况和没有设置弹性体的情况；
图8是图解第二实施方式的燃料电池的密封线的截面的解释性视图；
图9是图解第二实施方式中压缩量(行程)和线性压力(密封压力)之间的关系的解释性视图；
图10是图解第三实施方式的燃料电池的密封线的截面的解释性视图；以及
图11是图解第四实施方式的燃料电池的密封线的截面的解释性视图。
具体实施方式
第一实施方式：图1是示意性图解燃料电池堆10的外观的解释性视图。燃料电池堆10包含燃料电池100(在下文中也被称为“单个电池”)、端子板200、210、绝缘板220和端板230、240。燃料电池100包含框架140和一对隔板(第一隔板150和第二隔板160)。框架140是由树脂制成的框架形构件。膜电极组件(MEA)被设置在框架140之内。第一隔板150和第二隔板160将框架140夹在其间。以层叠的方式设置多个燃料电池100。端子板200、210被放置在这样层叠的燃料电池100的相反侧上，端子板200、210被用来从燃料电池100取出电压和电流。绝缘板220被放置在端子板200之外。注意，取决于燃料电池堆10和其中设置有燃料电池堆10的车辆的本体之间的固定部分，绝缘板可以被放置在端子板210之外。端板230、240被放置在燃料电池堆10的相反侧上，以紧固燃料电池100、端子板200、210和绝缘板220。
燃料电池100、端子板200、绝缘板220和端板230每个都具有多个开口，并且通过开口形成歧管310、315、320、325、330、335。歧管310被用来向燃料电池100供应氧化剂气体，所以歧管310也被称为“氧化剂气体供应歧管310”。在下文中，从各自的作用的角度来说，歧管315、320、325、330、335分别被称为“氧化剂气体排出歧管315”、“燃料气体供应歧管320”、“燃料气体排出歧管325”、“制冷剂供应歧管330”和“制冷剂排出歧管335”。
图2是图解第一隔板150的解释性视图。第一隔板150是具有大致矩形形状且由金属制成的板形构件。开口1501、1502、1503、1504、1505、1506被形成在第一隔板150的相反侧上，且开口1501、1502、1503、1504、1505、1506分别用来形成歧管310、315、320、325、330、335(图1)。第一隔板150在其中央部分中包含具有不规则形状的流路形成部分156。流路形成部分156的膜电极组件110侧是反应气体流过的区域，并且流路形成部分156的与膜电极组件110侧相反的那侧是制冷剂流过的区域。第一隔板150包含分别围绕开口1501、1502、1503、1504的突出部152，并且突出部152围绕开口1505、1506和流路形成部分156。突出部152被第二隔板160挤压，以形成密封线。
图3是图解框架140和膜电极组件110的解释性视图。框架140具有由诸如酚醛树脂或环氧树脂的热固性树脂制成的大致矩形框架形状。这里所使用的树脂可以是蜜胺树脂、脲醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺树脂等，以代替酚醛树脂和环氧树脂。框架140从膜电极组件110的外边缘支撑膜电极组件110。膜电极组件包含具有质子导电性的电解质膜和形成在电解质膜的两表面上的催化剂层。注意，膜电极组件110可以是还包括催化剂层上的气体扩散层的膜电极和气体扩散层组件(MEGA)。开口1401、1402、1403、1404、1405、1406被形成在框架140的相反侧上，且开口1401、1402、1403、1404、1405、1406分别用来形成歧管310、315、320、325、330、335(图1)。
在对应于第一隔板150的突出部152的位置处，框架140包含以凹入的形状形成的凹入部141，使得框架140的第一隔板侧成为腔部142。由橡胶材料制成的弹性体180被放置在凹入部141的至少一部分中。弹性体180应比形成框架140的材料软。如果弹性体180比形成框架140的材料软，则弹性体180首先变形以产生反作用力。除了橡胶材料外，弹性体180可以由聚氨酯材料制成。这使得能够低成本地制备具有必要的弹性的弹性体180。注意，与聚氨酯材料一样，能够使用柔性聚氨酯泡沫或低弹性聚氨酯泡沫。
图4是图解燃料电池100的密封线的截面的解释性视图。图4图解沿图2、图3中的线IV-IV取得的燃料电池100的局部截面结构。第一隔板150和第二隔板160将框架140夹在其间。第一隔板150包含朝与框架140相反的侧伸出的突出部152。在对应于突出部152的背面的位置处，框架140包含凹入部141，凹入部141被形成为使得框架140的第一隔板侧凹入以形成腔部142。凹入部141包含底部141a和侧表面141b。在本实施方式中，在凹入部141的底部141a上放置有弹性体180。从框架140的在第一隔板侧的表面到弹性体180的间隔是h1。在第二隔板160的与框架140相反的侧上放置有橡胶片170。邻近的电池(单个燃料电池100)的第二隔板160经由该邻近的电池的橡胶片170按压第一隔板150的突出部152，使得形成密封线。相应地，可以在突出部152的顶部上放置橡胶片170。
图5是图解燃料电池100被层叠并且在层叠方向被轻微压缩的状态的解释性视图。当燃料电池100被层叠并且在层叠方向上被压缩时，与一个燃料电池100邻近的另一电池(另一单个燃料电池100)的第二隔板160经由该另一电池的橡胶片170按压该一个燃料电池100的突出部152。此时，来自第二隔板160的反作用力使第一隔板150的突出部152和突出部152的两侧部弹性变形，以使它们朝框架140的腔部142弯曲。注意，在图5中图解的状态下，第一隔板150不与弹性体180接触。由于在第一隔板150与弹性体180接触之前的状态下没有产生弹性体180的反作用力，因此该状态被称为“非弹性体反作用力状态”。
图6是图解燃料电池100从图5中图解的状态在层叠方向进一步被压缩的状态的解释性视图。在该状态下，突出部152的根部与弹性体180接触。相应地，弹性体180的反作用力被添加到由第一隔板150的弹性变形产生的反作用力。换言之，在设置了弹性体180时，即使在相同的压缩量(行程)处，也能够获得更强的反作用力。注意，在第一隔板150与弹性体180接触之后获得的状态被称为“弹性体反作用力产生状态”。
图7是解释性视图，其用于在紧固燃料电池堆10时压缩量(行程)和线性压力(密封压力)之间的关系的方面比较设置了弹性体的情况和没有设置弹性体的情况。压缩量对应于第一隔板150的变形量。在压缩量达到h1(图4的间隔h1)之前，即使设置了弹性体，突出部152的根部也不与弹性体180接触，使得没有从弹性体180接收到反作用力。相应地，与没有设置弹性体的情况类似地，第一隔板像弹簧那样弹性地变形。由于由弹性变形产生的反作用力，所以产生线性压力(密封压力)。该状态被称为如上所描述的非弹性体反作用力状态。在非弹性体反作用力状态下，线性压力(密封压力)低且没有达到密封所必要的量值。另外，在具有低线性压力的状态(非弹性体反作用力状态)下，第一隔板150、第二隔板160和框架140的制造公差能够被吸收。
在设置了弹性体的情况下，在压缩量大于h1时，突出部152的根部与弹性体180接触，使得弹性体180变形。在这种情况下，由弹性体180的变形产生的反作用力被添加到由第一隔板的弹性变形产生的反作用力，使得与弹性变形的反作用力相比线性压力(密封压力)整体上骤增。同时，在没有设置弹性体180的情况下，即使压缩量(行程)增加大于h1，线性压力(密封压力)也以与h1相同的斜率增加。注意，在设置了弹性体和没有弹性体180设置的情况中的任何一种的情况下，在第一隔板150的变形量超过给定幅度时，第一隔板150超出弹性限度地塑性地变形。
在没有设置弹性体180的情况下，没有添加弹性体180引起的反作用力。相应地，即使变形量超过弹性限度，在某些情况下也不能保证必要的密封压力。具体地，在隔板150由具有小杨氏模量的材料(钛、SUS、铝等)制成的情况下，在某些情况下不能保证必要的密封压力。在设置了弹性体180的情况下，因为添加了弹性体180引起的反作用力，在第一隔板150的变形量超过弹性限度之前，即，在第一隔板150能够弹性变形时，能够保证必要的密封压力。
因而，在本实施方式中，燃料电池100包含包括能够弹性变形的突出部152的第一隔板150、包含凹入部141(腔部142)的框架140和放置在凹入部141的底部141a上的弹性体180。相应地，在线性压力(密封压力)低的状态(非弹性体反作用力状态)下，制造公差引起的变化被吸收，并且在线性压力(密封压力)高的状态(弹性体反作用力产生状态)下，能够保证必要的线性压力(密封压力)。
此外，在本实施方式中，如果在层叠燃料电池100时第一隔板150变形h1或更多，则添加弹性体180引起的反作用力。结果，即使在相同的变形量下，也能够增加要由第一隔板150的弹性变形获得线性压力(密封压力)。此外，在第一隔板150塑性地变形之前，能够保证必要的线性压力(密封压力)。
第二实施方式：图8是图解第二实施方式的燃料电池100的密封线的截面的解释性视图。在第一实施方式中，弹性体180被放置在凹入部141的底部141a上。然而，在第二实施方式中，腔部142完全被弹性体180填充。在本实施方式中，在压缩以形成燃料电池堆时，能够在压缩量(行程)的整个区域中实现大线性压力(密封压力)。
图9是图解第二实施方式中压缩量(行程)和线性压力(密封压力)之间的关系的解释性视图。如从图9明显的是，在压缩量(行程)的整个区域中线性压力(密封压力)被增加。
注意，在图8中，腔部142完全被弹性体180填充。然而，如果在没有施加用于紧固燃料电池堆10的外力的状态下弹性体180与第一隔板150和框架140两者接触，则腔部142可以不被弹性体180完全填充。即使在这种情况下，也能够在压缩量(行程)的整个区域中实现大线性压力(密封压力)。
第三实施方式：图10是图解第三实施方式的燃料电池100的密封线的截面的解释性视图。在第一实施方式中，在凹入部141的底部141a上放置有弹性体180。然而，在第三实施方式中，沿着凹入部141的侧表面141b放置有弹性体180。由于第一隔板150的变形，应力容易被集中在侧表面141b的框架侧141c上。在本实施方式中，通过沿着凹入部141的侧表面141b放置弹性体180，被施加至侧表面141b的框架侧上的框架侧面部141c的应力被减轻。此外，在第三实施方式中，添加了弹性体180引起的反作用力，其不像第二实施方式中一样大。相应地，在压缩以形成燃料电池堆10时，能够在压缩量(行程)的整个区域中实现大线性压力(密封压力)。
第四实施方式：图11是图解第四实施方式的燃料电池100的密封线的截面的解释性视图。在第一实施方式中，在凹入部141的底部141a上放置有弹性体180。然而，在第四实施方式中，弹性体180被放置在腔部142的第一隔板侧上。在第四实施方式中，通过使用弹性体180，突出部152的应力能够被减轻。此外，在第四实施方式中，添加了弹性体180引起的反作用力，其不像第二实施方式中一样大。相应地，能够在压缩量(行程)的整个区域中实现大线性压力(密封压力)。
因而，如在第一至第四实施方式中所描述的，弹性体180应被放置在腔部142的至少一部分中。这使得能够增加线性压力(密封压力)。
上面基于一些示例描述了本发明的实施方式，但本发明的上述实施方式意在便于对本发明的理解，而不是意在限制本发明。
Claims (6)
1.一种燃料电池，包括：
膜电极组件；
框架，其被配置成从所述膜电极组件的外边缘支撑所述膜电极组件；以及
第一隔板和第二隔板，其被配置成将所述膜电极组件和所述框架夹在所述第一隔板和所述第二隔板间，其中：
所述第一隔板包含朝与所述框架相反的侧伸出的能够弹性变形的突出部；
所述框架具有面对所述第一隔板的所述突出部的凹入的腔部；
在所述腔部的至少一部分中放置有弹性体；并且
在所述第二隔板的与所述框架相反的侧上或者在所述突出部的顶部上放置有橡胶片。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中：
所述弹性体是橡胶材料或聚氨酯材料。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中：
所述腔部包含底部和侧面部，并且
所述弹性体被设置在所述腔部的所述底部上。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中：
在所述第一隔板没有被外力变形的状态下，所述弹性体与所述第一隔板和所述框架两者接触。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中：
所述腔部包含底部和侧面部，并且
所述弹性体被设置在所述腔部的所述侧面部上。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中：
所述弹性体被设置在所述腔部的第一隔板侧上。
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