CN107851816B - 燃料电池的密封构造 - Google Patents

Abstract

支承体(19)具有：支承部(13)，其位于发电部，由多孔质层构成；以及密封部(17)，其位于发电部的外周侧，由致密层构成。密封部(17)具备：外侧壁部(17a)，其位于外周侧，并向下方突出；内侧壁部(17b)，其位于比外侧壁部(17a)靠发电部侧的位置，并向上方突出。在彼此相邻的单元(1)相互之间，在位于上部的单元(1)的外侧壁部(17a)与位于下部的单元(1)的内侧壁部(17b)之间设置有U字形状的弹性体(33)。在弹性体(33)与外侧壁部(17a)和内侧壁部(17b)之间配置有玻璃密封(35、37)。

Description

燃料电池的密封构造

技术领域

本发明涉及多个单元层叠而成的固体电解质形的燃料电池的密封构造。

背景技术

在下述专利文献1中公开有一种密封构造，在以隔离件夹在中间的方式层叠多个单元而构成的固体电解质形的燃料电池中，该密封构造在具备电解质、燃料极以及空气极的发电部的外周侧进行单元相互之间的气封。

专利文献1的密封构造在彼此相邻的隔离件相互之间设置有在比发电部靠外周侧的部分彼此啮合的凹部和凸部，在凹部与凸部相互之间配置有紧缩(日文：噛み潰し)用薄板。在紧缩用薄板的两面涂敷有玻璃密封糊剂。

在该情况下，在使燃料电池在高温环境下长期动作时即使单元等的尺寸减少，也在此时产生的力的作用下，紧缩用薄板被凹部和凸部按压而逐渐变形，确保了气封性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5113350号公报(参照段落0044～0054、图6～图8等)

发明内容

发明要解决的问题

对于上述的以往的密封构造，关于单元的层叠方向的位移，紧缩用薄板变形而对其进行吸收，但关于与单元的层叠方向交叉的、沿着发电部的面的方向的位移，难以吸收。因此，涂敷于紧缩用薄板的两面的玻璃密封受到由沿着发电部的面的方向的位移而产生的力(剪切力)并易于破损，导致密封性的恶化。

因此，本发明的目的在于能够针对沿着发电部的面的方向的位移确保密封性。

用于解决问题的方案

本发明在彼此相邻的密封部相互之间设置有：外侧壁部，其位于一个该密封部的外周侧；内侧壁部，其位于另一个该密封部的比外侧壁部靠发电部侧的位置。在外侧壁部与内侧壁部之间设置有弹性体，在外侧壁部和内侧壁部中的至少任一者与弹性体之间设置有密封件。

发明的效果

根据本发明，关于沿着发电部的面的方向的单元的位移，设置于外侧壁部与内侧壁部之间的弹性体通过沿着将密封件压缩的方向进行弹性变形而对其进行吸收，因此，密封件受到压缩方向的力，但抑制受到剪切方向的力的情况，抑制破损而能够确保密封性。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的固体电解质形的燃料电池的局部剖视图，相当于图2的A-A截面。

图2相当于从图1的上方观察的图，是表示燃料电池的一部分的俯视图。

图3是使用于图1的燃料电池的密封构造的弹性体的组装前的剖视图。

图4是表示使用了第2实施方式的弹性体的密封构造的剖视图。

图5是表示使用了第3实施方式的弹性体的密封构造的剖视图。

图6是将使用了第4实施方式的弹性体的密封构造简化来表示的剖视图。

图7是表示使用了第5实施方式的弹性体的密封构造的剖视图。

图8的(a)是表示使用于图7的密封构造的弹性体的组装前的剖视图，(b)表示组装后的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明用于实施本发明的形态。

图1所示的第1实施方式的固体电解质形的燃料电池是以将隔离件3夹在单元1之间的方式在图1中沿着上下方向层叠多个单元1并组套化而成的，抽出层叠方向上的一部分来表示。图1表示图2的左侧的端部附近，图2的右侧的端部附近是与图1左右对称的构造。

单元1具备：固体电解质5；燃料极7，其设置于固体电解质5的一侧(图1中的上部侧)；空气极9，其设置于固体电解质5的另一侧(图1中的下部侧)；以及支承体19，其设置于燃料极7的与设置固体电解质5的一侧相反的一侧(图1中的上部侧)。在固体电解质5的两侧分别形成有燃料极7和空气极9的区域成为发电部。

在具备发电部的区域，设置供燃料气体向燃料极7侧流通的由多孔质层构成的、支承体19的支承部13，设置供空气向空气极9侧流通的集电辅助层15。支承部13相当于支承发电部的部分，与位于支承部13的外周侧的由致密层构成的密封部17一起构成支承体19。支承体19由金属或者陶瓷等构成。支承部13和密封部17是一体构造，但也可以是分体而彼此接合的构造。

支承体19的支承部13使向燃料极7侧供给的燃料气体通过许多小孔而到达燃料极7。支承体19的密封部17是燃料气体无法通过那样的致密的构造。将这样的支承部13和密封部17设为一体的情况的支承体19以例如最初整体成为多孔质层的方式进行成形，之后利用加压仅对与密封部17相对应的部位进行压缩而对致密层进行成形。

在单元1的层叠方向上，与位于发电部的支承部13相比，沿着发电部的面的方向的外侧的密封部17以空气极9侧在图1中向上部侧突出的方式成为厚壁。即、具有支承部13和密封部17的支承体19在空气极9侧具备台阶19a。

对于支承体19的密封部17，在外周侧的端部一体地形成有在图1中向下方突出的下方凸部17a，在比外周侧的端部与内周侧(发电部侧)的端部之间的中间位置稍靠内周侧的位置一体地形成有向上方突出的上方凸部17b。下方凸部17a构成外侧壁部，上方凸部17b构成内侧壁部。即、通过层叠多个在支承体19的密封部17设置有下方凸部17a和上方凸部17b的单元1，形成于一个密封部17的下方凸部17a以及形成于另一个密封部17的上方凸部17b位于彼此相邻的密封部17相互之间。此外，下方凸部17a和上方凸部17b也可以是设为分体而与密封部17接合的构造。

前述的固体电解质5在与支承体19的密封部17的下表面接触了的状态下延伸设置到端部与下方凸部17a大致接触的位置，构成电绝缘层5a。此时，上方凸部17b的突出长度比下方凸部17a的突出长度稍长。

因而，在一个单元1的上方凸部17b的顶端与相邻的单元1的绝缘层5a接触了的状态下，在该相邻的单元1的下方凸部17a的顶端与上述一个单元1的密封部17之间形成有间隙21。上方凸部17b的顶端的与绝缘层5a接触的部位在多个单元1层叠起来的状态下构成支承体19彼此对接的对接部22。

隔离件3于在金属薄板形成有凹凸的状态下配置于单元1相互之间。由此，在隔离件3与支承部13之间形成有燃料气体流路23，在隔离件3与集电辅助层15之间形成有空气流路25。

隔离件3的图1中的左侧的端部3a利用焊接固定于支承体19的密封部17的上表面。隔离件3的图1中的右侧的端部以及图1中的与纸面正交的方向的各端部也与左侧的端部3a同样地利用焊接固定于支承体19的密封部17的上表面。

如图2所示，燃料电池的图2中的下部侧的端部附近的密封部17的上方凸部17b与设置有支承部13的发电部之间的间隔变宽。在该间隔变宽的密封部17设置有燃料供给孔27和空气排出孔29。燃料供给孔27和空气排出孔29设置于层叠起来的各单元1，分别构成沿着单元1的层叠方向贯通燃料电池的燃料供给通路和空气排出通路。

在燃料供给通路中流动的燃料在各单元1中从燃料供给孔27向图2所示的支承体19的支承部13的表面侧的燃料气体流路23分别供给。在各单元1的空气流路25中流动而未反应的剩余的空气分别向空气排出孔29流出，并经由空气排出通路向燃料电池的外部排出。

构成燃料排出通路的燃料排出孔和构成空气供给通路空气供给孔设置于燃料电池的图2中的上部侧的未图示的另一个端部附近的密封部17。图2所示的空气排出孔29的燃料极7侧(图2中的纸面表侧)的周围以燃料不混入的方式被密封构件28密封。另外，燃料供给孔27的空气极9侧(图2中的纸面背侧)的周围以空气不混入的方式被密封构件30密封。图2中的上部侧的未图示的另一个端部附近的燃料排出孔和空气供给孔的周围也被同样地密封。

支承体19的密封部17在燃料电池的整周上形成，与此同时，下方凸部17a和上方凸部17b也在燃料电池的整周上形成。因而，在某一个单元1的下方凸部17a和在图1中的下方与该一个单元1相邻的另一个单元1的上方凸部17b之间，在燃料电池的整周上形成有空间31。

在上述的空间31收纳有弹性体33。弹性体33在彼此相邻的密封部17相互之间的空间31内在燃料电池的整周上配置。弹性体33是不锈钢制的，如图1所示，以将截面形状设为上部开口的U字形状的方式利用冲压成形来制作。

图3表示组装前的弹性体33，在组装前的弹性体33的上部形成的开口部33a的开口宽度P比在图1所示的组装后的弹性体33的上部形成的开口部33a的开口宽度Q大(P>Q)。另外，开口部33a在层叠多个单元1的状态下在单元1的层叠方向上位于与支承体19彼此对接的对接部22相同的一侧、也就是说，在图1中位于上部侧。

U字形状的弹性体33具有：外板部33b，其位于下方凸部17a侧；内板部33c，其位于上方凸部17b侧；以及弯曲部33d，其将外板部33b和内板部33c相互的下端彼此相连。外板部33b和内板部33c各自的开口部33a侧的顶端(上端)与固体电解质5稍微分开。弯曲部33d的下端与密封部17稍微分开。

在外板部33b与下方凸部17a之间设置有成为密封件的玻璃密封35。同样地，在内板部33c与上方凸部17b之间设置有成为密封件的玻璃密封37。玻璃密封35、37均在燃料电池的整周上配置。

弹性体33利用外板部33b隔着玻璃密封35将下方凸部17a弹性地按压。同样地，弹性体33利用内板部33c隔着玻璃密封37将上方凸部17b弹性地按压。

在支承体19是不锈钢等导电性材料的情况下，玻璃密封35、37由电绝缘构件构成。此时，左右两个玻璃密封35、37中的至少任一者是电绝缘构件即可。在支承体19或者弹性体33是非导电性材料的情况下，无需将玻璃密封35、37设为电绝缘构件。总之，在相邻的单元1相互之间被电绝缘即可。

接着，说明作用。

图3所示的组装前的弹性体33在如图1那样组装到燃料电池时，在彼此相邻的单元1相互之间，被收纳于图1中的上侧的单元1的下方凸部17a与下侧的单元1的上方凸部17b之间的空间31。

弹性体33在组装前的状态下如图3那样增大开口宽度P，因此，在组装后，外板部33b和内板部33c分别隔着玻璃密封35、37按压下方凸部17a和上方凸部17b。由此，对发电部侧的空气流路25与燃料电池的外部之间进行密封。

弹性体33在组装前的状态下增大开口宽度P，从而能够从刚刚组装之后起对玻璃密封35、37赋予压缩方向的力。而且，在燃料电池的运转时，即使起因于热膨胀差的沿着燃料电池构成构件的发电部的面的方向的位移沿着使下方凸部17a与上方凸部17b之间的间隔扩大的方向产生，也由于组装前的开口宽度P较大，从而能够维持玻璃密封35、37被压缩了的状态。

在本实施方式中，即使由于发电时(运转时)的燃料电池构成构件的热膨胀差而在沿着发电部的面的方向产生位移，压缩应力也作用于玻璃密封35、37，能够抑制剪切应力起作用。玻璃密封35、37那样的脆性材料具有如下性质：针对拉伸应力、剪切应力易于由于龟裂的伸展而破坏，但针对压缩应力难以破坏。

因此，如本实施方式那样受到压缩应力的玻璃密封35、37能够抑制破损，作为密封构造能够提高密封功能的可靠性。另外，玻璃密封35、37不是被按压于固体电解质5(绝缘层5a)而进行密封的构造。因此，即使玻璃密封35、37破损，也能够抑制以玻璃密封35、37的破损部位为起点的向固体电解质5(绝缘层5a)的龟裂传播。

在本实施方式中，弹性体33由板材构成，具备：外板部33b，其按压下方凸部17a；内板部33c，其按压上方凸部17b；以及弯曲部33d，其将外板部33b和内板部33c相连。

在该情况下，利用外板部33b、内板部33c以及弯曲部33d而截面形状成为大致U字的简单的形状的弹性体33能够将玻璃密封35、37更可靠地沿着压缩的方向按压而进行密封。

在本实施方式中，在弹性体33的与弯曲部33d相反的一侧形成的开口部33a在层叠多个单元1的状态下在单元1的层叠方向上位于与支承体19彼此对接的对接部22相同的一侧。

在该情况下，若空气流路25内的压力提高，空气如以箭头S所示那样经由对接部22中的微小的间隙而向空间31侧流出，则该空气的压力作用于弹性体33的U字形状的内部。也就是说，空间31内的压力沿着将外板部33b和内板部33c分别按压于玻璃密封35、37的方向起作用。

由此，能够将玻璃密封35、37更有效地沿着压缩方向按压，更加提高密封功能的可靠性。

图4表示第2实施方式的弹性体33A。图4的弹性体33A是将两个与图3的弹性体33大致同样的U字形状部相连而设为大致W字形状。即、弹性体33A具有：外板部33Ab和内板部33Ac，其分别按压左右的玻璃密封35、37；外侧弯曲部33Ad1，其与外板部33Ab的下端连续；以及内侧弯曲部33Ad2，其与内板部33Ac的下端连续。

而且，弹性体33A具备将外侧弯曲部33Ad1和内侧弯曲部33Ad2相连的倒U字形状部33Ae。通过具备倒U字形状部33Ae，形成有外板部33Ab侧的外侧开口部33Aa1和内板部33Ac侧的内侧开口部33Aa2。其他的各部的构造与图1大致同样。此外，在图4中，设为将两个图3的弹性体33的U字形状部相连而成的形状，但也可以是将三个以上相连而成的形状。

在图4的弹性体33A中，外板部33Ab和内板部33Ac也将玻璃密封35、37分别沿着压缩方向按压，因此，抑制破损，能够提高密封功能的可靠性。此时，弹性体33A设为W字形状，从而能够更加提高弹性力，因此，即使燃料电池构成构件存在更大的位移，也能够应对。

另外，在图4的弹性体33A中，关于将外侧开口部33Aa1和内侧开口部33Aa2加起来的整体的开口宽度，组装前的该开口宽度比组装后的该开口宽度大，从而能够从刚刚组装之后起对玻璃密封35、37赋予压缩方向的力等，获得与图3的弹性体33同样的效果。将外侧开口部33Aa1和内侧开口部33Aa2加起来的开口宽度相当于外板部33Ab与内板部33Ac之间的间隔。

而且，若空气流路25内的空气向空间31侧流出，则与第1实施方式同样地，该空气的压力作用于弹性体33A的两个U字形状部的内部，沿着将外板部33Ab和内板部33Ac分别按压于玻璃密封35、37的方向起作用。通过使按压玻璃密封35、37的压力提高，更加提高密封性。

图5表示第3实施方式的弹性体33B。图5的弹性体33B设为将与图3的弹性体33大致同样的U字形状部33Bf和倒U字形状部33Bg相连而成的形状。在该情况下，弹性体33B的U字形状部33Bf的外板部33Bfb按压玻璃密封35。另一方面，倒U字形状部33Bg的内板部33Bgc焊接固定于上方凸部17b。

在图5的弹性体33B中，外板部33Bfb将玻璃密封35沿着压缩方向按压。由此，抑制玻璃密封35的破损，能够提高密封功能的可靠性。

在使用了图5的弹性体33B的情况下，作为脆弱的玻璃密封，凭外侧的玻璃密封35这一个就足够，因此，密封构造的可靠性提高。另外，若空气流路25内的空气向空间31侧流出，则该空气的压力作用于弹性体33B的U字形状部33Bf的内部，并沿着将外板部33Bfb按压于玻璃密封35的方向起作用。通过使按压玻璃密封35的压力提高，密封性更加提高。

图6表示第4实施方式的弹性体33C。图6的弹性体33C是图4的呈W字形状的弹性体33A与图5的弹性体33B那样的倒U字形状部33Cg相连而成的。在该情况下，外板部33Cb将玻璃密封35沿着压缩方向按压，倒U字形状部33Cg的内板部33Cgc焊接固定于上方凸部17b。

在使用了图6的弹性体33C的情况下，与图5的弹性体33B同样地，作为脆弱的玻璃密封，凭外侧的玻璃密封35这一个就足够，因此，密封构造的可靠性提高。另外，弹性体33C与图5的弹性体33B相比较，能够更加提高弹性力，因此，即使是燃料电池构成构件存在更大的位移，也能够应对。

图7表示第5实施方式的弹性体33D。图7的弹性体33D相对于图1的设为U字形状的弹性体33而言呈大致椭圆形状(或者大致O字形状)。弹性体33D于在与上部的固体电解质5(绝缘层5a)接触的一侧设置有开口部33Da的状态下，整体成为在单元1的层叠方向上较长的椭圆形状。

在该情况下，弹性体33D的外板部33Db和内板部33Dc以彼此相邻的支承体19相互之间的图7中的上下方向大致中央部位朝向下方凸部17a和上方凸部17b分别突出的方式弯曲。该弯曲的外板部33Db和内板部33Dc的上下方向大致中央部位与玻璃密封35、37分别接触。

弹性体33D在图7中的与下部的弯曲部33Dd相反的一侧的上部设置有开口部33Da。图8的(a)所示的组装前的状态的开口部33Da的开口宽度P比图7和图8的(b)所示的组装后的开口部33Da的开口宽度Q大(P>Q)。

图8的(a)所示的组装前的弹性体33D使沿着外板部33Db和内板部33Dc彼此分开的方向最突出的部分相互的间隔R比开口宽度P大。而且，弹性体33D使图8的(a)所示的组装前的高度尺寸X比图8的(b)所示的组装后的高度尺寸Y大(X>Y)。

由此，若图8的(a)所示的弹性体33D如图7那样组装于燃料电池，则如图8的(b)那样在相邻的单元1相互之间受到按压力F，以被压扁的方式进行压缩变形。弹性体33D被压缩而进行弹性变形，从而开口部33Da从较宽的开口宽度P成为较窄的开口宽度Q，成为上下方向较长的大致椭圆形状。

在该状态下，外板部33Db和内板部33Dc由于弹性变形后的反作用力而将玻璃密封35、37沿压缩方向分别按压。由此，能够抑制玻璃密封35、37的破损而提高密封功能的可靠性。

此外，弹性体33D也可以将外板部33Db和内板部33Dc的形成开口部33Da的一侧的端部彼此连接而整体呈O字形状。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只不过是为了容易地理解本发明而记载的例示而已，本发明并不限定于该实施方式。本发明的保护范围并不限于在上述实施方式中所公开的具体的技术事项，也包括能从其容易地导出的各种变形、变更、代替技术等。

例如，在上述的实施方式中，作为弹性体，使用了对板材进行冲压成形而制作成的构件，也可以使用压缩螺旋弹簧、橡胶。利用压缩螺旋弹簧、橡胶来按压图1所示的左右的玻璃密封35、37，或者按压图5所示的左侧的玻璃密封35来确保密封性。

产业上的可利用性

本发明适用于多个单元层叠而成的固体电解质形的燃料电池的密封构造。

附图标记说明

1、单元；5、固体电解质(电解质)；7、燃料极；9、空气极；13、支承体的支承部；17、支承体的密封部；19、支承体；17a、下方凸部(外侧壁部)；17b、上方凸部(内侧壁部)；22、对接部；33、33A、33B、33C、33D、弹性体；33a、33Da、开口部；33Aa1、外侧开口部；33Aa2、内侧开口部；33b、33Ab、33Bfb、33Cb、33Db、弹性体的外板部；33c、33Ac、33Bgc、33Cgc、33Dc、弹性体的内板部；33d、33Dd、弹性体的弯曲部；33Ad1、弹性体的外侧弯曲部；33Ad2、弹性体的内侧弯曲部；35、37、玻璃密封(密封件)。

Claims (4)

1.一种燃料电池的密封构造，其是层叠多个单元而成的燃料电池的密封构造，该单元分别具备电解质、燃料极、空气极以及支承体，其特征在于，

所述支承体具备：支承部，其支承所述单元的发电部；以及密封部，其位于所述发电部的外侧，并进行彼此相邻的单元相互之间的密封，

该燃料电池的密封构造具有：

外侧壁部和内侧壁部，所述外侧壁部和所述内侧壁部位于彼此相邻的所述密封部相互之间，所述外侧壁部位于一个该密封部的外周侧，所述内侧壁部位于另一个该密封部的比所述外侧壁部靠所述发电部侧的位置；

弹性体，其设置于所述外侧壁部与所述内侧壁部之间，将该两壁部向彼此分开的方向按压，通过进行弹性变形来吸收所述单元的沿着所述发电部的面的方向的位移；以及

密封件，其设置于所述外侧壁部和所述内侧壁部中的至少任一者与所述弹性体之间。

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，

所述弹性体由板材构成，具备：外板部，其按压所述外侧壁部；内板部，其按压所述内侧壁部；以及弯曲部，其将所述外板部和所述内板部相连。

3.根据权利要求2所述的燃料电池的密封构造，其特征在于，

在层叠所述多个单元的状态下，在所述弹性体的与所述弯曲部相反的一侧形成的开口部在所述单元的层叠方向上位于与所述支承体彼此对接的对接部相同的一侧。

4.根据权利要求2或3所述的燃料电池的密封构造，其特征在于，

所述弹性体的外板部和内板部以位于彼此相邻的所述支承体的密封部相互之间的中央的部位朝向所述外侧壁部和所述内侧壁部分别突出的方式弯曲。