CN107710483B - 燃料电池用电极构造体、金属隔板、燃料电池单元及燃料电池用电极构造体制作用模具 - Google Patents

燃料电池用电极构造体、金属隔板、燃料电池单元及燃料电池用电极构造体制作用模具 Download PDF

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Abstract

燃料电池用电极构造体具备：膜电极接合体，其在一对电极之间配设有电解质膜；框架，其与该膜电极接合体一体形成，从周围支承上述膜电极接合体。并且，上述膜电极接合体在表面设置有气体扩散层，对上述膜电极接合体的外缘进行密封的密封构件设置于上述框架上。上述密封构件具有唇部和至少一部分向上述膜电极接合体延伸的延伸部，上述延伸部比密封构件唇部薄，且端面与上述气体扩散层的端面抵接。

Description

燃料电池用电极构造体、金属隔板、燃料电池单元及燃料电池 用电极构造体制作用模具
技术领域
本发明涉及燃料电池用电极构造体，更详细而言，涉及防止了气体向膜电极接合体外缘部的密封空间的流通的燃料电池用电极构造体、金属隔板、使用了上述燃料电池用电极构造体和金属隔板的燃料电池单元、以及上述燃料电池用电极构造体制作用模具。
背景技术
燃料电池组是在两个端板之间层叠多个单个单元、利用紧固螺栓、壳体沿着层叠方向赋予紧固载荷而形成的，上述单个单元是利用具备波形的板的一对隔板夹持燃料电池用电极构造体而成的，所述燃料电池用电极构造体是膜电极接合体和框架一体形成的。
上述膜电极接合体由电解质膜和配置到该电解质膜的两面的一对电极构成，该电极由催化剂层和在该催化剂层的外表面形成的气体扩散层构成，作为该气体扩散层，可使用实施了例如憎水处理的碳纸等。
在上述膜电极接合体与波形板之间沿着反应面形成气体流路，为了防止向上述气体流路供给的燃料气体、氧化剂气体向外部泄漏、或燃料气体和氧化剂气体彼此混合，在上述膜电极接合体的外缘设置有密封构件。
在专利文献1公开了一种膜电极构造体，其是在电极的外周夹持电解质膜、将冲裁成与隔板的外周部大致相同的形状的垫片接合而成的。并且，记载有如下内容：通过使隔板的与电极接触的面比其周缘部的与垫片接触的面高，即使采用薄型的电极膜构造体，也能够充分地压缩上述垫片，能够防止气体向燃料电池外的泄漏。
另外，在专利文献2公开有如下内容：在设置于隔板的外周的槽部分涂敷液状密封，通过利用一对隔板夹持电极膜构造体，将液状密封压扁，使上述液状密封与电极膜构造体的气体扩散层的端面密合而防止反应气体在膜电极构造体的周围吹过。
发明内容
发明要解决的问题
然而，在专利文献1所记载的内容中，反应气体有时不通过反应面就在电极膜构造体的周围吹过，发电效率降低。即、隔板和电极相接触的面与隔板和垫片相接触的面具有高度差，因此，需要使上述垫片的形状与上述隔板的高度差、电极膜构造体的形状一致。不过，在使用金属制的隔板的情况下，难以将密封槽加工成直角，此外，对橡胶进行冲裁而成的垫片的尺寸精度较低，易于在膜电极构造体与垫片之间产生空隙。
近年来，将燃料电池的反应气体流路弄细而谋求性能提高成为趋势，在反应气体流路较细的燃料电池中，即使是在电极膜构造体与垫片之间产生的微小的空隙，吹过该空隙的反应气体的量也非常大，燃料效率性能降低。
在图1中示出电极膜构造体与密封构件之间的距离同无助于发电而在电极膜构造体的周围吹过的反应气体的流量之间的关系的一个例子。
另外，在专利文献2所记载的内容中，利用隔板将液状密封压扁，使其硬化，因此，装入燃料电池的密封材料的自由长度被限制，密封材料未被充分地压缩，难以防止气体向燃料电池外的泄漏。
本发明是鉴于这样的现有技术所具有的问题而做成的，其目的在于提供一种能够同时防止反应气体不在反应面流动、而是在膜电极接合体的周围流动而发电效率降低以及气体等向燃料电池外的泄漏的燃料电池用电极构造体、金属隔板、使用了上述燃料电池用电极构造体和金属隔板的燃料电池单元、以及上述燃料电池用电极构造体制作用模具。
用于解决问题的方案
本发明人为了达成上述目的，反复进行深入研究，结果发现了如下内容，以至于完成本发明：燃料电池用电极构造体的密封构件具有向膜电极接合体延伸的延伸部和比该延伸部厚的唇部，通过使上述延伸部的端面与膜电极接合体的气体扩散层的端面抵接，能够达成上述目的。
即、本发明的燃料电池用电极构造体具备：膜电极接合体，其在一对电极之间配设有电解质膜；框架，其与该膜电极接合体一体形成，从周围支承上述膜电极接合体，该燃料电池用电极构造体的特征在于，
上述膜电极接合体在表面设置有气体扩散层，
在上述框架上设置有对上述膜电极接合体的外缘进行密封的密封构件，上述密封构件在至少一部分具有向上述膜电极接合体延伸的延伸部，上述延伸部比密封构件的唇部薄，且端面与上述气体扩散层的端面抵接，
上述气体扩散层以延伸到上述框架上的方式设置。
另外，本发明的金属隔板的特征在于，具有夹持上述燃料电池用电极构造体的密封构件的延伸部与气体扩散层相抵接的抵接部的平面部。
另外，本发明的燃料电池单元具备：上述燃料电池用电极构造体；从两面侧夹持该燃料电池用电极的一对金属隔板，上述金属隔板具有将上述气体扩散层和上述密封构件的延伸部与该延伸部的端面相抵接的抵接部压缩的平面部，该燃料电池单元是利用一对上述金属隔板从两面侧夹持上述燃料电池用电极构造体而成的。
另外，本发明的燃料电池用电极构造体成形用模具用于对与膜电极接合体一体形成的框架赋予上述密封构件，其特征在于，其具备要与上述膜电极接合体的框架抵接的部位和要与上述气体扩散层抵接的部位，通过夹持上述膜电极接合体并压缩气体扩散层，利用框架和气体扩散层进行封口而形成上述密封构件形状的模腔。
而且，燃料电池用电极构造体的制造方法的特征在于，向利用上述燃料电池用电极构造体成形用模具夹持上述膜电极接合体而形成的模腔注射密封构件而对与上述膜电极接合体一体形成的框架赋予上述密封构件。
发明的效果
根据本发明的燃料电池用电极构造体，对膜电极接合体的外缘进行密封的密封构件具有从唇部向上述膜电极接合体延伸的延伸部，该延伸部比唇部薄，且端面与上述膜电极接合体的气体扩散层的端面抵接，因此，能够将在膜电极接合体的周围流动的反应气体的流路封闭。
根据本发明的金属隔板，具有将上述燃料电池用电极构造体的密封构件的延伸部与气体扩散层之间的抵接部压缩的平面部，因此，能够将在膜电极接合体的周围流动的反应气体的流路封闭。
另外，根据本发明的燃料电池单元，利用具有将上述燃料电池用电极构造体的密封构件的延伸部与气体扩散层之间的抵接部压缩的平面部的金属隔板从两面侧压缩夹持上述燃料电池用电极构造体，因此，在膜电极接合体的周围流动的反应气体的流路被封闭。因而，即使使气体流路窄条化(日文：細リブ化)，反应气体也在膜电极接合体的反应面上流动，能够提高燃料效率，并且，能够防止气体等自燃料电池泄漏。
而且，根据本发明的燃料电池用电极构造体成形用模具，夹持膜电极接合体并压缩气体扩散层，利用框架和气体扩散层进行封口，形成上述密封构件形状的模腔，因此，能够使密封构件与气体扩散层的端面可靠地抵接。
此外，根据燃料电池用电极构造体的制造方法，夹持膜电极接合体而形成模腔，注射密封构件，因此，使密封构件与气体扩散层的端面可靠地抵接，并且，密封构件不会流出到反应部。
附图说明
图1是表示电极膜构造体与密封构件间的距离同无助于发电而旁通的反应气体的流量之间的关系的一个例子的图表。
图2是表示本发明的燃料电池用电极构造体的一个例子的图。图2的(a)是俯视图、图2的(b)是X-X’剖视图。
图3是表示赋予密封构件的模具的一个例子的剖视图。
图4是以分解状态表示燃料电池单元的俯视图。
图5是燃料电池单元的主要部分剖视图。
具体实施方式
＜燃料电池用电极构造体>
详细地说明本发明的燃料电池用电极构造体。
将本发明的燃料电池用电极构造体100的一个例子表示在图2中。图2的(a)是燃料电池用电极构造体的俯视图，图2的(b)是图2的(a)的X-X’剖视图。
本发明的燃料电池用电极构造体100一体形成有膜电极接合体2和从周围支承该膜电极接合体2的框架1，在该膜电极接合体2的外缘的框架1上设置有密封构件3。
上述框架1是由例如聚酯树脂等的膜形成。上述膜电极接合体2是所谓的MEA(Membrane Electrode Assembly膜电极组件)，如图2的(b)所示，是在具有阳极侧电极层22和阴极侧电极层22的一对电极之间配设由固体高分子形成的电解质膜21而成的。上述电极层22在催化剂层23的表面设置有气体扩散层24。
上述气体扩散层24设定得比电解质膜21和催化剂层23大，优选具有延伸到框架1上的延伸部241。通过具有延伸部241，如后述那样，防止由于密封构件而反应面减少。
设置于上述膜电极接合体2的外缘的密封构件3设置于上述框架上，具有唇部31和从该唇部31向上述膜电极接合体2延伸的平坦的延伸部32。
上述延伸部32比唇部31薄，延伸部32的端面321在上述框架1上与上述气体扩散层的端面242抵接。
因而，膜电极接合体2的外缘与密封构件3之间的反应气体的流路被封闭，反应气体不会在膜电极接合体2的周围吹过。
此外，密封构件3只要在一部分具有延伸部32，就能够防止反应气体的吹过，未必需要在整体上具有延伸部32。
另外，上述密封构件3的唇部31比上述延伸部32厚，上述密封构件3具有充分的自由长度，因此，密封性提高，能够防止气体向燃料电池外泄漏。即、利用上述密封构件3，进行膜电极接合体的周围的气体流路的封闭和防止气体向燃料电池外泄漏。
此外，为了更完全地防止气体相对于燃料电池的泄漏，预备地设置设图2的(b)所示的左侧的密封构件。
作为上述密封构件3，能够使用例如乙烯-丙烯-二烯橡胶(EPDM)、腈橡胶(NBR)、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁橡胶、或丙烯酸橡胶等橡胶材料。
＜燃料电池用电极构造体的制作>
上述燃料电池用电极构造体能够通过对与膜电极接合体2一体形成的框架1赋予密封构件3来制作，优选上述密封构件3的赋予由注塑成型进行。
在图3中示出注塑成型所使用的燃料电池用电极构造体成形用模具的一个例子的剖视图。模具4用于对与上述膜电极接合体一体形成的框架赋予上述密封构件，以能够分割成两个以上的方式形成。
上述模具4具备要与上述膜电极接合体的框架抵接的部位以及要与上述气体扩散层抵接的部位。通过从与膜电极接合体的面正交的方向夹持上述膜电极接合体的端部而使膜电极接合体的端部压缩，如图3所示，模具4和框架1抵接，利用框架和膜电极接合体进行封口而形成截面呈L字型的上述密封构件形状的模腔41。
并且，通过将成为密封构件的上述橡胶材向上述模腔41注射并进行成型，密封构件被赋予，制作出密封构件的延伸部的端面与气体扩散层的端面相抵接的燃料电池用电极构造体。
优选的是，与上述气体扩散层抵接的部位夹持膜电极接合体2的气体扩散层延伸到上述框架上的延伸部241。上述延伸部241是不具有膜电极接合体2的反应部的部位、即、不具有电解质膜21和电极层22的部位，因此，即使密封构件进入气体扩散层，反应区域也不会减少，另外，不会给发电性能带来影响。
利用模具4夹持膜电极接合体2的压缩应力虽然也取决于气体扩散层的厚度等，但优选为0.3MPa～5.0MPa。若处于上述范围，则气体扩散层被充分压缩，因此，即使施加注射压力，密封构件也止于气体扩散层的端面，防止密封构件向膜电极接合体2的反应部进入，能够防止反应区域减少。
＜燃料电池单元>
如图4所示，本发明的燃料电池单元C具备：上述燃料电池用电极构造体100；一对金属隔板5A、5B，其从两面侧夹持该燃料电池用电极构造体。
上述一对金属隔板5A、5B是例如利用冲压加工形成的不锈钢等的金属板，具备表背翻转形状的波形板。因而，燃料电池单元内表面侧的凸部和凹部的部分反着成为凹部和凸部。
如图5所示，上述一对金属隔板5A、5B在作为反应部的膜电极接合体2侧的燃料电池单元内表面侧，利用凸部与膜电极接合体2抵接而利用凹部形成气体流路G，在燃料电池单元外面侧形成冷却介质流路。
并且，在上述膜电极接合体2的外缘，利用凹部形成供上述燃料电池用电极构造体的密封构件3配设的密封槽S，上述气体流路G与密封槽S之间的凸部形成平面部F。
该平面部F从两侧夹持上述密封构件的延伸部与上述气体扩散层之间的抵接部，将上述气体扩散层压缩而使上述延伸部的高度与上述气体扩散层的高度相同。
在本发明中，上述密封构件的延伸部与上述气体扩散层抵接，该抵接部被框架和金属隔板挟持，反应气体不会在电极膜构造体的周围吹过，能够使化学计量比-电压特性(SR特性)燃料效率性能提高。
附图标记说明
1、框架；2、膜电极接合体；21、电解质膜；22、电极层；23、催化剂层；24、气体扩散层；241、延伸部；242、端面；3、密封构件；31、唇部；32、延伸部；321、端面；4、模具；41、模腔；5A、5B、金属隔板；C、燃料电池单元；G、气体流路；S、密封槽；F、平面部；100、燃料电池用电极构造体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2003-163015号公报
专利文献2：日本国特开2001-319667号公报

Claims (6)

1.一种燃料电池用电极构造体，其具备：膜电极接合体，其在一对电极之间配设有电解质膜；框架，其与该膜电极接合体一体形成，从周围支承上述膜电极接合体，该燃料电池用电极构造体的特征在于，
上述膜电极接合体在表面设置有气体扩散层，
在上述框架上具有对上述膜电极接合体的外缘进行密封的密封构件，
上述密封构件具有唇部和在至少一部分向上述膜电极接合体延伸的延伸部，上述延伸部比密封构件的唇部薄，且端面与上述气体扩散层的端面抵接，
上述气体扩散层以延伸到上述框架上的方式设置。
2.一种金属隔板，其是夹持燃料电池用电极构造体的金属隔板，其特征在于，
上述燃料电池用电极构造体是权利要求1所述的燃料电池用电极构造体，
该金属隔板具备夹持上述密封构件的延伸部与上述气体扩散层相抵接的抵接部的平面部。
3.一种燃料电池单元，其具备燃料电池用电极构造体和从两面侧夹持该燃料电池用电极构造体的一对金属隔板，该燃料电池单元的特征在于，
上述燃料电池用电极构造体是权利要求1所述的燃料电池用电极构造体，
上述金属隔板具备夹持上述延伸部与上述气体扩散层之间的抵接部的平面部，
该燃料电池单元利用上述金属隔板的平面部从两面侧夹持上述抵接部。
4.一种燃料电池用电极构造体成形用模具，其是上述权利要求1所述的燃料电池用电极构造体的成形用模具，其特征在于，
该燃料电池用电极构造体成形用模具用于对与上述膜电极接合体一体形成的框架赋予上述密封构件，
该燃料电池用电极构造体成形用模具具备要与上述膜电极接合体的框架抵接的部位和要与上述气体扩散层抵接的部位，
该燃料电池用电极构造体成形用模具通过夹持上述膜电极接合体并压缩气体扩散层，利用框架和气体扩散层进行封口而形成上述密封构件形状的模腔。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用电极构造体成形用模具，其特征在于，
夹持上述膜电极接合体的压缩应力是0.3MPa～5.0MPa。
6.一种燃料电池用电极构造体的制造方法，其是上述权利要求1所述的燃料电池用电极构造体的制造方法，其特征在于，
利用上述权利要求4或5所述的燃料电池用电极构造体成形用模具夹持上述膜电极接合体，向所形成的模腔注射密封构件而对与上述膜电极接合体一体形成的框架赋予上述密封构件。
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