CN105190975A - 燃料电池用隔板的密封保护 - Google Patents

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Abstract

以提高衬垫等密封部件的耐久性为解决课题。底部(23)是与夹在相邻的电池单体之间的衬垫(40)接触的密封面。冷却水歧管(411)是在厚度方向上贯通该燃料电池用隔板的冷却水用的流路。法兰(24)从第一隔板的一面沿厚度方向伸出，包围冷却水歧管(411)的一部分。作为法兰(24)两端部的端部(T1、T2)之间的区域是形成第一隔板的面方向的流路的开口部(K)。在法兰(24)中位于限制线(RL)上的斜面(22)为了限制相邻的电池单体的衬垫(40)的移动而与衬垫(40)相向。位于限制线(RL)上的端部(T1)与衬垫(40)相向的面被用于保护衬垫的保护膜(70)覆盖。

Description

燃料电池用隔板的密封保护
技术领域
本发明涉及燃料电池的密封。
背景技术
已知通过将对燃料电池单体之间进行密封的衬垫配置于形成于隔板的凹部而担保衬垫的压缩率的燃料电池单体。衬垫配置用的凹部利用使在隔板开口的歧管的周围突出的法兰而形成(例如专利文献1)。
专利文献1：日本特开2012-89387号公报
发明内容
发明要解决的课题
在利用使歧管的周围突出的法兰而形成衬垫配置用的凹部的情况下，由于将流体导入到燃料电池单体的面内的部分无法形成法兰，因此形成法兰中断的部位即法兰端部。在对使用了该隔板的燃料电池单体进行了层叠的燃料电池组中，在由于外力而燃料电池单体产生了偏移的情况下，有可能衬垫与该法兰端部发生干扰而损伤衬垫。
本发明的课题是考虑这种情况并提高密封部件的耐久性。
用于解决课题的方案
本发明用于解决上述课题，能够作为以下的形态而实现。
(1)根据本发明的一形态，提供用于燃料电池并与膜电极接合体相向地配置的隔板。该燃料电池用隔板具备：与上述膜电极接合体的发电区域相向的隔板中央区域、从上述隔板中央区域向外缘延伸的外缘部、设于上述外缘部的第一歧管孔及第二歧管孔、从上述第一歧管孔经由上述隔板中央区域朝向第二歧管孔而形成的流体流路、配置于上述流体流路、上述第一歧管孔及上述第二歧管孔的外周的衬垫、及法兰部，形成为包围上述第一歧管孔及上述第二歧管孔的区域的一部分在该隔板的厚度方向上突出，并沿着上述第一歧管孔及上述第二歧管孔的外周延伸，在上述法兰部的歧管外周方向端部且与上述衬垫相向的部分具备保护膜。根据该形态，能够提高密封部件的耐久性。通过由保护膜覆盖法兰部的歧管外周方向端部，即使密封部件与端部发生干扰，密封部件也难以产生损伤。
(2)作为其他形态，提供具备上述形态的燃料电池用隔板作为第一隔板的燃料电池单体。该燃料电池单体具备：第二隔板，在该第二隔板与上述第一隔板之间夹着膜电极接合体；及粘接部件，粘接上述第一隔板及上述第二隔板，上述保护膜的原材料与上述粘接部件的原材料相同。根据该形态，即使追加保护膜，也不会增加所需要的原材料的种类，因此制造容易。
(3)作为其他形态，提供制造上述形态的燃料电池单体的方法。该方法在通过上述粘接部件粘接上述第一隔板及上述第二隔板的粘接工序中形成上述保护膜。根据该形态，与粘接一起实现保护膜的形成，因此制造容易。
(4)在上述形态的制造方法的基础上，上述粘接工序包含以下工序：在上述第一隔板及上述第二隔板之间通过注射成形来形成上述粘接部件，上述保护膜由流入到上述第一隔板与用于上述注射成形的模具之间的原材料形成。根据该形态，为了形成保护膜，不需要准备新的模具，因此制造容易。
本发明能够实现上述以外的各种形态。例如能够实现为包含多个上述燃料电池单体的燃料电池组，包含该燃料电池组的燃料电池系统。
附图说明
图1是表示电池单体的俯视图。
图2是冷却水歧管附近的放大图。
图3是冷却水歧管附近的剖视图。
图4是表示电池单体的制造方法的工序图。
图5是第一制造工序的说明图。
图6是第二制造工序的说明图。
图7是保护膜的形成的说明图。
具体实施方式
图1是表示电池单体110的俯视图。通过多个电池单体110层叠固定于图1所示的Z方向，形成燃料电池组。电池单体110具有层叠有第一隔板20、膜电极接合体10、第二隔板30的结构(与图3一起在后文叙述)。图1表示的是第一隔板20。
电池单体110具备冷却水歧管411～416、燃料气体歧管511、512及空气歧管611～622。冷却水歧管411～413、燃料气体歧管511及空气歧管611～616用于供给。冷却水歧管414～416、燃料气体歧管512及空气歧管617～622用于排出。
如图1所示，在第一隔板20上形成有冷却水流路420。从冷却水歧管411～413供给的冷却水被肋430整流，在冷却水流路420中流动并从冷却水歧管414～416排出。
图1在第一隔板20上示出了密封线SL1～SL5。密封线SL1～SL5分别是表示以冷却水、燃料气体、空气不混合的方式对各流路进行密封的边界的假想线，是闭合曲线。本申请中的曲线不限定于可微分曲线，而包含如密封线SL1～SL5那样具有不可微分的部位的曲线。
图2是图1中的区域2(冷却水歧管411附近)的放大图。其中，省略了肋430的图示。图3关于层叠的两个电池单体110表示图2中的A-B-C截面。
如图3所示，在A-B截面的右侧(电池单体110的中央部)，膜电极接合体10与多孔体流路35夹于第一隔板20与第二隔板30之间。多孔体流路35由金属多孔体(例如膨胀合金)等具有气体扩散性及导电性的多孔质的材料形成。由于多孔体流路35的空孔率较高，因此作为反应气体流动的流路发挥作用。另一方面，在配置有上述各歧管的外缘部，密封粘接部件25夹于第一隔板20与第二隔板30之间。
密封粘接部件25粘接第一隔板20与第二隔板30，对各歧管进行密封而不与大气接触。与图1一起说明的密封通过图2、图3所示的衬垫40而实现。衬垫40由具有气体不透性、弹性、耐热性的材料形成。具体来说，使用橡胶、弹性体等，更具体来说使用硅基橡胶、丁基橡胶、丙烯酸橡胶、天然橡胶、氟橡胶、乙烯-丙烯橡胶、苯乙烯弹性体、含氟弹性体等中的任一个。当然，也可以采用其他材料。
如图2、图3所示，衬垫40配置于底部23。另外，如后所述，本实施方式的衬垫40粘接于第二隔板30，另一方面，与第一隔板20接触但不粘接。其中，在图2、图3中，为了方便说明，表示与第一隔板20接触的一侧的衬垫40。
如图3所示，底部23是第一隔板20沿Z方向凹下的部位。通过在第一隔板20凹下的部位配置衬垫40，决定衬垫40的配置(底部23与接触面21之间的高度距离)，因此能够使配置于各电池单体之间的衬垫40的压缩率恒定，能够提高燃料电池整体的密封性能。如图3所示，斜面22是倾斜地连接底部23与接触面21的面。另外，也可以代替斜面22而采用相对于底部23及接触面21垂直地形成的垂直面。
如图3所示，接触面21是与相邻的电池单体110接触的部位。接触面21及斜面22是下述法兰24的一部分。法兰24是沿电池单体110的厚度方向伸出的凸部，并形成有冷却水歧管411。
斜面22通过与衬垫40相向地配置，也具有限制衬垫40的XY平面上的移动的功能。例如，在衬垫40由于外力所引起的燃料电池单体的偏移等而在XY平面上移动的情况下，与斜面22接触而移动停止。通过斜面22的一部分发挥该功能。该一部分是沿着密封线SL1～SL5中的任一个密封线配置的部分。在图2所示的部位的情况下，相当于位于限制线RL上的斜面22。如图2所示，限制线RL是沿着密封线SL1的一部分的曲线。
如图2所示，法兰24以包围冷却水歧管411的一部分的方式形成。以包围一部分而不是全部的方式形成是因为需要确保冷却水向电池单体面内方向的导入部。在本实施方式的情况下，由于冷却水向大致X方向的正方向流动，因此在该方向上形成有作为冷却水的导入部的开口部K。开口部K是未形成有法兰24的部位。
通过形成有开口部K，法兰24具有两个端部T1、T2。端部T1是位于限制线RL上的端部。端部T2是不位于限制线RL上的端部。
端部T1、T2包含连接面26、27。连接面26连接接触面21与底部23。连接面27是连接接触面21、斜面22及连接面26的曲面。也能够将端部T1、T2作为开口部K的一部分。
如图2、图3所示，以覆盖斜面22的一部分与端部T1、T2的方式形成有保护膜70。被保护膜70覆盖的斜面的一部分是端部T1、T2的附近。
在本实施方式中，通过采用后述的制造方法，保护膜70的原材料与密封粘接部件25的原材料相同。本实施方式的密封粘接部件25及保护膜70的原材料与衬垫40的原材料相同。
如此，位于限制线RL上的端部即端部T1的附近被保护膜70覆盖，由此衬垫40难以受到损伤。这是因为，即使衬垫40由于外力而移动，与端部T1附近、尤其是斜面22与连接面27的边界接触，该边界也被弹性体的保护膜70覆盖。
与图2、图3一起进行的说明以冷却水歧管411为例。该说明内容也能够适用于全部冷却水歧管。在冷却水歧管413、414、416的情况下，与冷却水歧管411相同地，端部T1也能够与衬垫40接触。在冷却水歧管412的情况下，例如当法兰24仅在与接近的衬垫40平行的部位形成时，法兰24的两端部才能够与衬垫40接触。
图4是表示电池单体110的制造方法的工序图。电池单体110的制造工序能够大致分为第一制造工序(步骤S702～步骤S710)及第二制造工序(步骤S712～步骤S728)。第一制造工序是在第二隔板30上形成衬垫40的工序。第二制造工序是粘接第一隔板20与形成有衬垫40的第二隔板30而形成电池单体110的工序。
图5是用于对第一制造工序进行说明的图。首先，准备衬垫40成形用的成形模具300(步骤S702)。成形模具300如图5所示，由上模具310与下模具320构成。
上模具310具备平型面部311、衬垫成形部312及射出孔313。平型面部311是与第二隔板30的外侧面相接的平面。衬垫成形部312是用于在第二隔板30上形成衬垫40的凹部。射出孔313是用于对第二隔板30射出衬垫40的形成用材料的流路。下模具320具备平型面部321。平型面部321是与第二隔板30的内侧面相接的平面。
接着，对第二隔板30的外侧面的形成有衬垫40的部位涂布底漆(步骤S704)。为了形成衬垫40的粘接层而对第二隔板30涂布底漆。在本实施方式中，使用粘接剂作为底漆。
接着，在成形模具300上配置第二隔板30，并进行合模(步骤S706)。具体来说，相对于下模具320的平型面部321，以平型面部321与第二隔板30的内侧面相向的方向配置第二隔板30。然后，将上模具310相对于下模具320进行合模。
接着，从上模具310的射出孔313射出未硫化的衬垫40的形成用材料，而对衬垫40进行注射成形(步骤S708)。本实施方式的“未硫化的衬垫40的形成用材料”是对构成衬垫40的基底的橡胶、弹性体等弹性部件混合了硫磺的材料，例如液态橡胶、混合有硫化剂的固态橡胶等。
接着，经过硫化处理(加热)而形成衬垫40，对上模具310与下模具320进行开模，并对第二隔板30进行起模(步骤S710)。通过以上的第一制造工序，制造在平坦面31上形成有衬垫40的第二隔板30。
图6是用于对第二制造工序进行说明的图。首先，准备一体成形用的成形模具200(步骤S712)。如图6所示，成形模具200由上模具210与下模具220构成。
上模具210具备第一平型面部211、衬垫收容部212、歧管成形部214、第二平型面部215及射出孔216。
第一平型面部211是与第二隔板30的外侧面相接的平面。衬垫收容部212是用于收容形成于第二隔板30的衬垫40的凹部。歧管成形部214是在上模具210与下模具220合模时用于与下模具220抵接而形成冷却水歧管411的凸部。第二平型面部215是与第二隔板30的外侧面相接的平面。射出孔216是用于对第二隔板30射出密封粘接部件25的形成用材料的流路。
在准备了成形模具200之后，在第一隔板20的内侧面涂布底漆(步骤S714)。在涂布底漆后，对下模具220配置第一隔板20(步骤S716)。然后，对配置完成的第一隔板20配置膜电极接合体10(步骤S718)。
接下来，对第二隔板30的内侧面(形成有衬垫40的一侧的相反侧的面)涂布底漆(步骤S720)。
接下来，对于配置完成的膜电极接合体10，以膜电极接合体10与第二隔板30的内侧面相向的方向配置第二隔板30，在膜电极接合体10与第二隔板30之间配置多孔体流路35(步骤S722)。
接下来，将上模具210相对于下模具220进行合模(步骤S724)。在合模时，形成于第二隔板30的衬垫40收容在上模具210的衬垫收容部212中。
接下来，从上模具210的射出孔216射出未硫化的密封粘接部件25的形成用材料，从而对密封粘接部件25进行注射成形(步骤S726)。
接下来，经过硫化处理而形成密封粘接部件25，对上模具210与下模具220进行开模，从而对电池单体110进行起模(步骤S728)。通过以上的第二制造工序制造电池单体110。
图7是用于对保护膜70的形成进行说明的图，是在图3的A-B截面的放大图中追加了下模具220的图。保护膜70通过第二制造工序而形成。如图6、图7所示，下模具220被第一隔板20覆盖，由此防止密封粘接部件25的原材料流入到与下模具220的间隙。
其中，在本实施方式中，将尺寸设计为在斜面22与下模具220之间产生有较小的间隙，通过使密封粘接部件25的原材料流入到该间隙，对保护膜70进行注射成形。该流入由图2中的箭头F表示。另外，表示流入到端部T1的箭头为了方便图示而被省略。在图7中，流入的方向相当于从纸面前侧向里侧的方向。由于该间隙较小，因此原材料的流入停留在端部T1、T2附近。其结果是，保护膜70形成于端部T1、T2附近。
另外，实际产品存在尺寸公差，因此难以完全防止原材料流入到第一隔板20与下模具220之间。为了形成上述保护膜70而使原材料流入可以认为是通过反向思维而利用了该现象的方法。
此外，通过设置斜面22与下模具220之间的间隙，避免斜面22与下模具220的干扰，减少了第一隔板20与下模具220的配置不良。进一步减少了制造不良。
另外，根据以上所说明的制造方法，在冷却水歧管411、413、414、416的端部T2及冷却水歧管412、415的端部T1、T2也形成保护膜70。
本发明不限于本说明书的实施方式、实施例、变形例，在不脱离其主体的范围内能够以各种结构实现。例如，对于与在发明内容的部分记载的各形态中的技术特征对应的实施方式、实施例、变形例中的技术特征，为了解决上述课题的一部分或全部，或者为了达到上述效果的一部分或全部，能够适当地进行替换、组合。该技术特征只要没有在本说明书中作为必须的特征进行说明，则能够适当删除。例如可例示以下的结构。
保护膜的形成也可以通过与密封粘接部件的注射成形不同的工序来实现。例如可以采用涂布，也可以使用其他模具进行注射成形。
保护膜的原材料也可以与密封粘接部件、衬垫的原材料不同。其中，为了保护衬垫，优选的是具有柔软的性质的原材料。可以如实施方式那样通过弹性进行保护，也可以通过塑性变形进行保护(例如粘度)。
衬垫的硫化与密封粘接部件的硫化可以同时执行，也可以在密封粘接部件的硫化之后执行。
保护膜可以不仅形成于斜面的端部附近，也形成于距斜面的端部较远的部位，此外也可以形成于斜面整体。
保护膜也可以不形成于与衬垫没有干扰的可能性的部位的端部(例如，实施方式的端部T2、冷却水歧管412、415的端部)。
也可以不使用多孔体流路。在该情况下，也可以在第二隔板上设置槽流路。
附图标记说明
10…膜电极接合体
20…第一隔板
21…接触面
22…斜面
23…底部
24…法兰
25…密封粘接部件
26…连接面
27…连接面
30…第二隔板
31…平坦面
35…多孔体流路
40…衬垫
70…保护膜
110…电池单体
200…成形模具
210…上模具
211…第一平型面部
212…衬垫收容部
214…歧管成形部
215…第二平型面部
216…射出孔
220…下模具
221…平型面部
300…成形模具
310…上模具
311…平型面部
312…衬垫成形部
313…射出孔
320…下模具
321…平型面部
411～416…冷却水歧管
420…冷却水流路
430…肋
511，512…燃料气体歧管
611～617…空气歧管
K…开口部
T1、T2…端部
RL…限制线
SL1～SL6…密封线

Claims (5)

1.一种燃料电池用隔板，是用于燃料电池并与膜电极接合体相向地配置的隔板，
所述燃料电池用隔板具备：
与所述膜电极接合体的发电区域相向的隔板中央区域；
从所述隔板中央区域向外缘延伸的外缘部；
设于所述外缘部的第一歧管孔及第二歧管孔；
从所述第一歧管孔经由所述隔板中央区域朝向第二歧管孔而形成的流体流路；
配置于所述流体流路、所述第一歧管孔及所述第二歧管孔的外周的衬垫；及
法兰部，形成为包围所述第一歧管孔及所述第二歧管孔的区域的一部分在该隔板的厚度方向上突出，并沿着所述第一歧管孔及所述第二歧管孔的外周延伸，
在所述法兰部的端部且与所述衬垫相向的部分具备保护膜。
2.一种燃料电池单体，具备权利要求1所述的燃料电池用隔板作为第一隔板，
所述燃料电池单体具备：
第二隔板，在该第二隔板与所述第一隔板之间夹着所述膜电极接合体；及
粘接部件，粘接所述第一隔板及所述第二隔板，
所述保护膜的原材料与所述粘接部件的原材料相同。
3.一种燃料电池单体的制造方法，是制造权利要求2所述的燃料电池单体的方法，
在通过所述粘接部件粘接所述第一隔板及所述第二隔板的粘接工序中，形成所述保护膜。
4.根据权利要求3所述的燃料电池单体的制造方法，其中，
所述粘接工序包含以下工序：在所述第一隔板及所述第二隔板之间通过注射成形来形成所述粘接部件，
所述保护膜由流入到所述第一隔板与用于所述注射成形的模具之间的原材料形成。
5.一种燃料电池组，包含多个权利要求2所述的燃料电池单体。
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