CN113728478A - 燃料电池单元用隔板的密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明得到一种密封结构，其不产生大的紧固力就能够追随一对燃料电池单元用隔板之间的间隙的变动。夹着作为对象构件的电解质膜而面对的一对隔板(11、11A、11B)具有与电解质膜紧密接触而在与该电解质膜之间形成流体的流路的凸筋(14、14A、14B)。密封一对隔板(11、11A、11B)的密封部件使该一对隔板11(11A、11B)的凸筋(14、14A、14B)呈嵌套状地重合，并在相互面对的凸筋(14、14A、14B)彼此的侧壁(15、15A、15B)之间设有具有弹性的密封件(203)。在一对隔板(11、11A、11B)之间的间隙变动时，密封件(203)沿剪切方向变形。

Description

燃料电池单元用隔板的密封结构
技术领域
本发明涉及一种燃料电池单元用隔板的密封结构。
背景技术
使反应气体进行电化学反应而发电的燃料电池正在迅速地普及。燃料电池由于发电效率高，且对环境的影响也小，所以作为优选的能源倍受注目。
燃料电池中的固体高分子型的燃料电池包括将多片燃料电池单元层叠而成的电池堆结构。每个燃料电池单元用一对隔板夹入膜电极接合体(MEA)。膜电极接合体是将电解质膜夹入于阳极电极(阳极)与阴极电极(阴极)之间而成的构造物，各个电极具有催化剂层与气体扩散层(GDL)的层叠结构。隔板与气体扩散层紧密接触，并在与气体扩散层之间形成氢和氧的流路。
这样的燃料电池单元利用形成于隔板的流路，向阳极电极供给氢，向阴极电极供给氧。由此通过与水的电解相逆的电化学反应进行发电。
如专利文献1的各图所示，膜电极接合体的电解质膜(文献1中，附图标记55)在端部被密封。作为密封部件，例如使用专利文献1所记载的那样的密封垫(密封垫主体21、31)。密封垫在与隔板的面正交的方向产生弹性变形，从而在一对隔板之间对膜电极接合体的电解质膜进行密封。这样的使用密封垫的密封结构发生某种程度的紧固力，因此适合对金属制的隔板使用。
作为将膜电极接合体的电解质膜密封的另一结构例，有时也使用粘合密封部件、粘接密封部件。这些密封部件不需要大的紧固力，因此也能够适用于碳制等那样的脆性的隔板。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-143479号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
燃料电池由于发电而使温度上升，因此夹入有膜电极接合体的一对隔板之间的间隙容易变动。因此，粘合密封部件、粘接密封部件那样的硬度比较高的密封部件无法追随间隙的变动，可能产生从隔板剥离、在为脆性的隔板的情况下会产生隔板破坏等情况。
另一方面，在使用硬度比较低的橡胶状弹性材料的密封垫的情况下，如前所述紧固力强，不适合对脆性的隔板应用。
本发明追求不产生大的紧固力就能够追随一对燃料电池单元用隔板之间的间隙的变动的密封结构。
用于解决技术问题的方案
燃料电池用隔板的密封结构的一方式包括：一对隔板，所述一对隔板夹着对象部件而面对，并具有凸筋，所述凸筋与所述对象部件紧密接触而在与所述对象构件之间形成流体的流路；和密封部件，使所述一对隔板的凸筋呈嵌套状地重合，并在相互面对的所述凸筋彼此的侧壁之间设有具有弹性的密封件。
发明效果
能够实现不产生大的紧固力就能够追随一对隔板之间的间隙的变动的密封结构。
附图说明
图1是概念性地示出层叠多片燃料电池单元而成的电池堆结构的示意图。
图2是密封一对隔板之间的间隙的密封结构的垂直剖视图。
图3是示出一对隔板的凸筋间的间隙从规定的状态向扩大的方向变动时的比较例的密封结构的状况的垂直剖视图。
图4是示出一对隔板的凸筋间的间隙从规定的状态向扩大的方向变动时的本实施方式的密封结构的状况的垂直剖视图。
图5是示出燃料电池用的隔板的另一例的垂直剖视图。
图6是示出燃料电池用的隔板的又一例的垂直剖视图。
图7是示出燃料电池用的隔板的再一例的垂直剖视图。
具体实施方式
关于燃料电池单元用隔板的密封结构，介绍实施方式。
[第一实施方式]
基于图1至图4对第一实施方式进行说明。
如图1所示，燃料电池1具有将多个燃料电池单元2层叠而成的层叠结构。燃料电池单元2使设有被称为MEA(Membrane Electrode Assembly)的膜电极接合体101的电解质膜102介于燃料电池用的一对隔板11之间。这样的燃料电池单元2隔着作为密封部件的冷却面密封部件201进行堆叠。在图1中虽然仅描绘了两组燃料电池单元2，但是实际是将数百组燃料电池单元2堆叠来构成燃料电池1。
膜电极接合体101是在电解质膜102的两面中央部分设有未图示的电极而成的构造物。电极包括具有在电解质膜102上成膜的催化剂层和在催化剂层上成膜的气体扩散层(GDL)的层叠结构(均未图示)。对于这样的电极，将电解质膜102一面侧用作阳极电极(阳极)，将其相反面侧用作阴极电极(阴极)。
燃料电池用隔板11作为一例是通过碳等树脂成型的平板状的构件。当然，并不限于这样的碳制的脆性的构件，作为另一例，也可以使用薄壁的不锈钢板等能够冲压加工的平板状的构件作为隔板11。
隔板11具有矩形的平面形状，并设有用于配置膜电极接合体101的配置区域12。在偏离配置区域12的两端侧的位置各设三个的开口是歧管13，该歧管13用于使为了发电而使用的或是因发电而产生的流体流通。在歧管13流通的流体为燃料气体(氢)、氧化气体(氧)、因发电时的电化学反应而生成的水、剩余的氧化气体、制冷剂等。
与设于隔板11的歧管13对齐位置地在电解质膜102也设有歧管103。这些歧管103为在偏离膜电极接合体101的两端侧的位置分别设有三个的开口。
燃料电池1利用歧管13、103，向与设有膜电极接合体101的电解质膜102的一面面对的隔板11A之间导入燃料气体(氢)，向与电解质膜102的一面的相反侧面对的隔板11B之间导入氧化气体(氧)。用作制冷剂的冷却水导入至被冷却面密封部件201密封的两组燃料电池单元2之间。此时，燃料气体、氧化气体以及冷却水在由组装燃料电池单元2的一对隔板11(11A、11B)形成的各自的流路流动。
一对隔板11夹着作为对象构件的电解质膜102而面对，从而形成燃料电池单元2。隔板11具有凸筋14，该凸筋14与电解质膜102紧密接触而在与该电解质膜102之间形成流体的流路。电解质膜102与隔板11A的凸筋14A之间的空间形成燃料气体的流路。电解质膜102与隔板11B的凸筋14B之间的空间形成氧化气体的流路。在一组燃料电池单元2的隔板11A和与其重合的燃料电池单元2的隔板11B之间设置的各自的凸筋14A、14B之间的空间形成冷却水的流路。
燃料电池单元2在隔板11、膜电极接合体101的外周缘及歧管13、103的周缘具有密封结构。密封结构包含：介于两组燃料电池单元2之间的冷却面密封部件201；以及设于隔板11与膜电极接合体101之间的作为密封部件的反应面密封部件202。这样的密封结构使燃料气体及剩余的燃料气体的流路、氧化气体及因发电时的电化学反应而生成的水的流路、以及作为制冷剂的冷却水的流路分别独立，从而防止不同种类的流体的混合。
如图2所示，在设有冷却面密封部件201及反应面密封部件202的部分，隔板11的凸筋14呈嵌套状地重合。作为一例，和与设有膜电极接合体101的电解质膜102的一面面对的隔板11A的凸筋14A相比，与电解质膜102的一面的相反侧的面面对的隔板11B的凸筋14B形成得大，凸筋14A以非接触状态进入凸筋14B。
形成冷却面密封部件201及反应面密封部件202的是具有弹性的密封件203。作为一例，密封件203例如使用由低硬度硫化橡胶那样的橡胶状弹性材料成型而成的密封垫。这样的密封件203通过呈嵌套状地重合而配置于互相面对的凸筋14(14A、14B)彼此的侧壁15之间并固定。
为了固定密封件203，允许使用各种实施方式。
允许的一实施方式是使密封件203拥有可粘接于凸筋14的侧壁15的粘接性的方式。作为用于此的方法，本实施方式的密封结构利用具有粘接性的橡胶的成型品而成型密封件203，从而使密封件203本身拥有粘接性。
作为具有粘接性的橡胶，例如能够使用以丁基橡胶、聚异丁烯橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶、天然橡胶等为基础聚合物的橡胶类粘接剂等。
也可以在成为密封件203的材料的橡胶中配合添加剂。能够配合的添加剂例如为交联剂、增粘剂、填充剂、抗老化剂等。
作为使密封件203拥有粘接于凸筋14的侧壁15的粘接性的另一实施方式，例如也可以使密封件203拥有低硬度硫化橡胶和粘接层的多层结构(参照第四实施方式)。作为在这样的情况下也具有粘接性的橡胶可以使用上述丁烯橡胶等，也能够为各种添加剂的配合。
为了固定密封件203而允许的另一实施方式为使隔板11的一侧拥有粘合性或粘接性从而固定密封件203的方式。
例如可以是将粘接剂赋形于隔板11A的凸筋14A的内侧的侧壁15A来固定密封件203，并使密封件203与隔板11B的凸筋14B的外侧的侧壁15B紧密接触的方式。也可以为将粘接剂赋形于隔板11B的凸筋14B的外侧的侧壁15B来固定密封件203，并使密封件203与隔板11A的凸筋14A的内侧的侧壁15A紧密接触。或者还可以为将粘接剂赋形于隔板11A及隔板11B的凸筋14A及凸筋14B的内侧的侧壁15A及15B来固定密封件203的方式。
这样在将粘接剂腑形于凸筋14的一侧的情况下，作为粘接剂，例如可以使用以丁基橡胶、聚异丁烯橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶、天然橡胶等为基础聚合物的橡胶类粘接剂等。另外，也可以配合交联剂、增粘剂、填充剂、抗老化剂等各种添加剂。
粘接剂向凸筋14的赋形例如能够通过基于点胶机进行的涂敷、由注塑成型、传递模塑的一体成型、由压缩成型等赋形了的粘接剂的后贴等方法来实现。
为了固定密封件203而允许的又一实施方式为将密封件203粘合于隔板11的方式。
可以为利用粘合剂将密封件203粘合固定于隔板11A的凸筋14A的内侧的侧壁15A，并使密封件203与隔板11B的凸筋14B的外侧的侧壁15B紧密接触的方式。也可以为利用粘合剂将密封件203粘合固定于隔板11B的凸筋14B的外侧的侧壁15B，并使密封件203与隔板11A的凸筋14A的内侧的侧壁15A紧密接触的方式。或者还可以为利用粘合剂将密封件203粘合固定于隔板11A及11B的凸筋14A及14B的内侧的侧壁15A及15B的方式。
在这样的结构中，本实施方式的密封结构通过介于呈嵌套状地重合的隔板11的凸筋14的侧壁15彼此之间的密封件203来实现流体的密封。因此，不产生大的紧固力，就能够使密封件203追随于因发电导致的温度上升等因素而引起的一对隔板11(11A、11B)之间的间隙的变动。以下，一边与比较例进行比较一边进行说明。
图3示出一对隔板S的凸筋B间的间隙从规定的状态向扩大的方向变动时的比较例的密封结构的状况。在该比较例的密封结构中，一对隔板S的凸筋B隔着密封件SM而使相互的顶部紧密接触。因此，在将凸筋B间的规定的间隙尺寸设为t1时，若凸筋B间的间隙扩大为尺寸t2，则密封件SM相应地伸长。虽未图示，但是在凸筋B间的间隙狭窄时，密封件SM相应地被压扁。
以上说明的比较例的密封结构通过密封件SM的压缩变形来产生密封作用。基于这样的结构，在一对隔板S的凸筋B间产生大的紧固力，且凸筋B间的间隙变动时，紧固力也大幅变动。因此，在使用以碳等树脂为材料的脆性的材料作为隔板S的情况下，有时导致隔板S被破坏。
图4示出一对隔板11的凸筋14间的间隙从规定的状态向扩大的方向变动时的本实施方式的密封结构的状况。与比较例的时候同样，即使一对隔板11间的间隙尺寸从t1变动到t2，密封件203所介在的、凸筋14的侧壁15之间的尺寸也不发生变动。维持初始尺寸t3与隔板11间的间隙发生变动时的侧壁15间的尺寸t4一致的状态。此时，在密封件203产生的是剪切力，与压缩力相比，难以有大的力作用于隔板11的凸筋14。因此，能够实现不产生大的紧固力就能够追随一对隔板11之间的间隙的变动的密封结构，也能够使用以碳等树脂为材料的脆性的隔板11。
[第二实施方式]
基于图5对第二实施方式进行说明。与第一实施方式相同部分用相同附图标记示出且省略说明。
如图4所示，本实施方式涉及一对隔板11的相互面对的凸筋14的侧壁15的从隔板11的立起角度θ。第一实施方式的侧壁15的从隔板11的立起角度θ为直角，也就是90°。这样的侧壁15的立起角度θ优选为5～90°的范围。本实施方式的侧壁15的立起角度θ为70左右。也就是说，一对隔板11的相互面对的凸筋14的侧壁15相对于隔板11倾斜。
密封件203为剖面呈平行四边形型，与和侧壁15相连的隔板11的面相接。这样的密封件203不仅粘接或粘合于凸筋14的侧壁15，还粘接或粘合于与侧壁15相连的隔板11的面。
这样的结构中，凸筋14的侧壁15相对于隔板11倾斜，因此在将一对隔板11层叠而组装燃料电池单元2之际，仅通过使凸筋14相互向接近方向移动就能够使密封件203介于这些凸筋14之间。因此，能够实现使燃料电池单元2及燃料电池1容易组装。
[第三实施方式]
基于图6对第三实施方式进行说明。与第一和第二实施方式相同部分用相同附图标记示出且省略说明。
对于本实施方式的密封结构而言，使粘接或者粘合于隔板11的凸筋14面的密封件203的长度比凸筋14的侧壁15之间的长度短。由此，在一对隔板11之间的间隙产生变动时，密封件203容易沿剪切方向变形，从而能够更加减小施加于隔板11的压力。
[第四实施方式]
基于图7对第四实施方式进行说明。与第一和第二实施方式相同部分用相同附图标记示出且省略说明。
本实施方式中，作为将密封件203固定于隔板11的结构，不是将粘接剂赋形于凸筋14的侧壁15，而是在密封件203设有粘接层204。密封件203为低硬度的硫化橡胶，粘接层204设置于密封件203的与凸筋14的侧壁15接合的面。
在这样的结构中，密封件203通过单侧的粘接层204与隔板11B的侧壁15B粘合。在该状态下，通过将隔板11A与隔板11B重合，从而使隔板11A的侧壁15A粘合于相反侧的粘接层204。这样，密封件203设于层叠的一对隔板11A、11B的侧壁15A、15B之间。
在本实施方式中，由于在密封件203本身设有粘接层204，所以不需要对隔板11实施用于粘合固定密封件203的加工，能够实现制造容易。
[变形例]
在实施之际允许各种变形、变更。
例如凸筋14相对于隔板11的角度不限于90°(第一实施方式)、70°左右(第二～四实施方式)。在5～90°的范围内能够设定为各种角度。另外，在构成燃料电池单元2的一对隔板11A、11B中，各个凸筋14A、14B的立起角度不需要一致，也可以以不同的角度立起。
在进行其他的实施之际，允许所有的变形、变更。
附图标记说明
1 燃料电池
2 燃料电池单元
11 隔板
11A 隔板
11B 隔板
12 配置区域
13 歧管
14 凸筋
14A 凸筋
14B 凸筋
15 侧壁
15A 侧壁
15B 侧壁
101 膜电极接合体
102 电解质膜(对象构件)
103 歧管
201 冷却面密封部件(密封部件)
202 反应面密封部件(密封部件)
203 密封件
204 粘接层
S 隔板
B 凸筋
SM 密封件

Claims (8)

1.一种燃料电池单元用隔板的密封结构，其中，包括：
一对隔板，所述一对隔板夹着对象构件而面对，并具有凸筋，所述凸筋与所述对象构件紧密接触而在与所述对象构件之间形成流体的流路；和
密封部件，使所述一对隔板的凸筋呈嵌套状地重合，并在相互面对的所述凸筋彼此的侧壁之间设有具有弹性的密封件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元用隔板的密封结构，其中，
所述一对隔板的相互面对的所述凸筋的侧壁以5～90°的角度从所述隔板立起。
3.根据权利要求2所述的燃料电池单元用隔板的密封结构，其中，
所述一对隔板的相互面对的所述凸筋的侧壁相对于所述隔板倾斜。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池单元用隔板的密封结构，其中，
所述密封件具有粘接于所述凸筋的侧壁的粘接性。
5.根据权利要求4所述的燃料电池单元用隔板的密封结构，其中，
所述密封件为具有粘接性的橡胶的成型品。
6.根据权利要求4所述的燃料电池单元用隔板的密封结构，其中，
所述密封件在相对于所述凸筋的侧壁的接触部分具有粘接层。
7.根据权利要求4～6中任一项所述的燃料电池单元用隔板的密封结构，其中，
所述密封件也粘接于与所述侧壁相连的所述隔板的面。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池单元用隔板的密封结构，其中，
所述密封件粘合于所述凸筋的侧壁。
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