CN113178595A - 燃料电池的密封构造 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够提高密封性能的燃料电池的密封构造。一种燃料电池的密封构造(1)，所述燃料电池是通过层叠多个燃料电池单元(10)而形成的，所述燃料电池单元是由相邻的金属隔板(21)夹持电解质膜(30)而形成的，金属隔板(21)具有板部(22)；筋肋密封部(23)，在板部(22)的表面侧突出形成；弹性体(24)，设置在筋肋密封部(23)的顶端的表面；以及挡块(25)，离开弹性体(24)而设置在板部(22)的表面，相邻的金属隔板(21)以弹性体(24)彼此对置的方式配置，电解质膜(30)由在层叠方向上相邻的弹性体(24)彼此夹持，并由在层叠方向上相邻的挡块(25)彼此夹持。

Description

燃料电池的密封构造
技术领域
本发明涉及燃料电池的密封构造。
背景技术
专利文献1公开了多个燃料电池单元层叠而成的燃料电池的密封构造。专利文献1记载的燃料电池单元包括电解质膜/电极构造体、以及夹着电解质膜/电极构造体的一对金属隔板。一对金属隔板分别包括筋肋(bead)密封部，通过各筋肋密封部对置地配置，形成有密封燃料气体、氧化剂气体等反应气体的密封区域。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-139218号公报。
发明内容
在以具有筋肋密封部的金属隔板夹持电解质膜或薄膜来构成燃料电池单元的情况下，通过筋肋密封部的筋肋反作用力确保密封性。因此，用于产生筋肋反作用力的燃料电池单元的间隙是重要的。但是，在使几百个燃料电池单元层叠的燃料电池的密封构造中，难以将各燃料电池单元的间隙保持固定。
图7是说明对专利文献1涉及的燃料电池的密封构造4施加压力时的筋肋密封部23的变形量的截面图。金属隔板21包括板部22、筋肋密封部23以及弹性体24。当向金属隔板21彼此接近的方向作用压力(载荷)时，金属隔板21的筋肋密封部23发生挠曲而变形。此时，由于施加给各个金属隔板21的压力不固定，因此筋肋密封部23的变形量不均匀，并且各燃料电池单元40的间隙也不均匀。
在图7中，表示筋肋密封部23的变形大小的电解质膜(或薄膜)30、30之间的距离W2、W3、W4、W5均不同。存在以下课题：接受了载荷时的筋肋密封部23的变形量之差变大，各燃料电池单元40的间隙不均匀时无法确保稳定的反作用力。
本发明是用于解决该课题而发明的，以提供能够提高密封性能的燃料电池的密封构造为课题。
为了解决所述课题，本发明是一种燃料电池的密封构造，所述燃料电池是通过层叠多个燃料电池单元而形成的，所述燃料电池单元是由相邻的金属隔板夹持电解质膜或薄膜而形成的，所述密封构造的特征在于，所述金属隔板具有：板部；筋肋密封部，在所述板部的表面侧突出形成；弹性体，设置在所述筋肋密封部的顶端的表面；以及挡块，离开所述弹性体而设置在所述板部的表面，相邻的所述金属隔板以各所述弹性体彼此对置的方式配置，所述电解质膜或薄膜由在层叠方向上相邻的所述弹性体彼此夹持，并且由在层叠方向上相邻的所述挡块彼此夹持。
根据该构成，通过相邻的弹性体夹持电解质膜或薄膜，形成密封区域。另外，能够通过在层叠方向上相邻的挡块接受载荷，因此能够减小各筋肋密封部的变形量之差，能够抑制燃料电池单元的间隙的偏差。由此，能够在各燃料电池单元中确保稳定的反作用力，因此能够提高密封性能。
根据本发明的燃料电池的密封构造，能够提高密封性能。
附图说明
图1是实施例1涉及的燃料电池的密封构造的主要部分截面图；
图2是实施例1涉及的金属隔板的俯视图；
图3是金属隔板的主要部分截面图；
图4是接合隔板的主要部分截面图；
图5是说明对实施例1涉及的燃料电池的密封构造施加压力时的筋肋密封部的变形量的截面图；
图6是实施例2涉及的金属隔板的俯视图；
图7是说明对专利文献1涉及的燃料电池的密封构造施加压力时的筋肋密封部的变形量的截面图。
具体实施方式
以下，对用于实施本发明的方式(本实施方式)进行说明。但本发明在以下的内容和图示的内容中不进行任何限定，在不明显有损本发明的效果的范围能够任意进行变形来实施。本发明能够将不同的实施方式之间组合来实施。在以下的记载中，在不同的实施方式中对相同的部件标注相同的符号，并省略重复的说明。另外，对于相同功能的部分使用相同的名称，并省略重复的说明。在以下所示的截面图中，为了简化图示，省略重复的部件的符号的一部分的图示。另外，以下的说明中的所谓“表面”是“背面”的相反侧的面的意思。
如图1所示，实施方式涉及的燃料电池的密封构造1是使燃料电池单元10在前后方向上层叠多个而成为堆积构造的结构。燃料电池单元10是由相邻的金属隔板21、21夹持电解质膜或薄膜(以下，也称为“电解质膜30”)而形成的。
金属隔板21具有板部22、在板部22的表面侧突出形成的筋肋密封部23、设置在筋肋密封部23的顶端的表面的弹性体24、以及离开弹性体24而设置在板部22的表面的挡块25。相邻的金属隔板21、21以弹性体24彼此对置的方式配置。电解质膜30由在层叠方向上相邻的弹性体24、24彼此夹持，并由在层叠方向相邻的挡块25、25彼此夹持。
根据这样的燃料电池的密封构造1，能够由在层叠方向上相邻的挡块25、25接受载荷，因此能够减小各筋肋密封部23的变形量之差，进而能够抑制燃料电池单元10的间隙的偏差。由此，能够在各燃料电池单元10中确保稳定的反作用力，因此能够提高密封性能。以下，对实施例进行详细地说明。
[实施例1]
(构造)
图1是实施例1涉及的燃料电池的密封构造的主要部分截面图。如图1所示，燃料电池单元10由一对金属隔板21、21夹持电解质膜30而形成。燃料电池单元10是通过从阳极侧提供的氢(燃料气体)与从阴极侧提供的氧(氧化剂气体)的化学反应而发电的部件。
如图1和图2所示，金属隔板21具有板部22、筋肋密封部23、弹性体24以及挡块25。金属隔板21的形状没有被特别限制，在本实施例中呈矩形。
如图2所示，板部22是金属隔板21的平坦的部位，在两端部形成有通孔11、12。通孔11中的通孔11a、11a是燃料气体在层叠方向上流通的孔。通孔11中的通孔11b、11b是氧化剂气体在层叠方向上流通的孔。
通孔12是制冷剂在层叠方向上通过的孔。在本实施例中，通孔11形成四个、通孔12形成有两个，但并不限定通孔的个数、形状、位置等。
如图1所示，筋肋密封部23在板部22的表面突出形成。板部22和筋肋密封部23例如能够对金属平板冲压成形而形成。如图2所示，筋肋密封部23包括外缘部23a、包围部23b。外缘部23a遍布板部22的外缘的周向整体而形成。包围部23b与外缘部23a连续、并沿着各通孔11a、11b的两边围绕周向而形成。
如图1所示，在筋肋密封部23的顶端的表面沿着其延长方向配置有弹性体24。弹性体24可以断续地设置，但在本实施例中在筋肋密封部23的延长方向整体上连续地设置。弹性体24只要由具有弹性的材料形成即可，例如能够使用三元乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶(VMQ)、氟橡胶(FKM)、聚异丁烯(PIB)、树脂等。
如图1所示，挡块25设置在板部22的表面。在本实施例中，挡块25设置在板部22的表面上的、筋肋密封部23的两侧或单侧。另外，挡块25是与弹性体24不同的部件，与弹性体24分离配置。如图2所示，挡块25沿着筋肋密封部23的延长方向与筋肋密封部23大致平行地配置。另外，挡块25在通孔11a、11b的周围遍布周向整体配置。
挡块25例如由橡胶或树脂构成。橡胶例如是硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶、丁基橡胶等。树脂例如是热塑性树脂、热固性树脂、工程塑料等。
如图1所示，挡块25的厚度在堆积状态下同板部22与电解质膜30之间的距离相等。另外，隔着筋肋密封部23的相邻的挡块25、25以及隔着电解质膜30的相邻的挡块25、25彼此厚度相等或者大致相等。
如图1所示，电解质膜30是构成电解质膜/电极构造体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)的，例如将固体电解质设为膜或薄膜状来形成。电解质膜/电极构造体在电解质膜30的两侧具有一对催化剂层和一对气体扩散层(均省略图示)。
如图1所示，燃料电池单元10的相邻的金属隔板21、21以弹性体24彼此对置的方式配置。由此，电解质膜30经由弹性体24、24由筋肋密封部23、23夹持，形成防止反应气体的漏出的密封区域M。另外，在层叠方向上相邻的挡块25、25夹持电解质膜30，并支承作用在燃料电池单元10上的载荷。
(制造方法)
接着，对燃料电池的密封构造(燃料电池堆)的制造方法进行说明。在该制造方法中，执行金属隔板形成工序、接合隔板形成工序以及层叠工序。
如图3所示，在金属隔板形成工序中，例如，在矩形的金属平板上分别形成通孔11a、11b、12(参照图2)。另外，在该金属平板上进行冲压成形，形成板部22以及筋肋密封部23。
接着，在金属隔板形成工序中，在筋肋密封部23的顶端的表面沿着延伸方向配置弹性体24。弹性体24例如能够在成形了弹性体24之后将该弹性体24贴附到筋肋密封部23而形成。此外，弹性体24可以在将板部22以及筋肋密封部23成形时一体成形。
另外，在金属隔板形成工序中，在筋肋密封部23的旁边的两侧或单侧沿着筋肋密封部23配置挡块25。挡块25例如通过注射成形、丝网印刷、分配器、喷墨等方法形成。在挡块25的厚度不足的情况下，能够适当地进行重叠涂布。
如图4所示，在接合隔板形成工序中，使筋肋密封部23、23彼此的位置对齐，并使金属隔板21、21的背面彼此重合而将两者接合。由此，形成接合隔板26。接合作业例如能够通过钎焊、铆接、焊接等进行。筋肋密封部23、23彼此向相反方向突出，由此形成中空部N。
如图5所示，在层叠工序中，在多个接合隔板26之间分别夹持电解质膜30而形成层叠体。最后，在构成该层叠体的各接合隔板26接近的方向上施加载荷而一体化。由此，完成燃料电池的密封构造1(燃料电池堆)。
(作用效果)
如图5所示，当对燃料电池的密封构造1施加压力(载荷)时，各筋肋密封部23一边挠曲一边变形。在燃料电池的密封构造1中，挡块25沿着筋肋密封部23配置在筋肋密封部23的旁边。由此，能够利用挡块25支承作用于层叠方向的载荷，因此，筋肋密封部23的变形被挡块25限制。其结果是，能够减小筋肋密封部23的变形的偏差，各燃料电池单元10的间隙变得均匀或大致均匀。在图示的例子中，表示筋肋密封部23的变形大小的电解质膜30、30之间的距离W1均为固定。
换而言之，根据本实施例，由于能够减小各筋肋密封部23的变形量之差，因此能够减小作用于筋肋密封部23的筋肋反作用力的偏差。由此，能够由设置在燃料电池的密封构造1的各筋肋密封部23以及弹性体24确保稳定的反作用力，因此能够将密封性能分别设为相同程度，能够使密封性能提高。
另外，金属隔板21的外缘侧容易作用较大的载荷。但是，根据本实施例，筋肋密封部23(外缘部23a)以及弹性体24沿着金属隔板21的外缘遍布全周配置，并且挡块25沿着筋肋密封部23(外缘部23a)而配置。由此，能够防止反应气体从燃料电池单元10的外部漏出，并且能够利用各筋肋密封部23以及弹性体24使密封性更稳定。
另外，反应气体经通孔11而流通，并且由于孔空着而载荷容易集中。但是，在本实施例中，筋肋密封部23(包围部23b)以及弹性体24以包围通孔11的方式配置，并且挡块25沿着该筋肋密封部23(包围部23b)配置。由此，能够防止反应气体从通孔11向外部漏出，并且，能够利用各筋肋密封部23以及弹性体24使密封性更稳定。
另外，通过连续地配置挡块25，能够容易通过挡块25抑制与对燃料电池的密封构造1的压力相伴的筋肋密封部23的大的变形。由此，能够提高基于筋肋密封部23以及弹性体24的密封性能的稳定性。另外，能够连续形成挡块25，因此能够容易形成挡块25。
另外，挡块25从分别设置于筋肋密封部23的顶端的弹性体24分离开配置。通过如此配置挡块25，能够抑制挡块25对弹性体24的干涉。另外，挡块25构成为与筋肋密封部23以及弹性体24不同的部件。由此，能够容易配置挡块25，能够提高设计的自由度。
此外，权利要求的“沿着筋肋密封部配置”是指在与筋肋密封部23的延伸方向相同的方向上延伸。“相同方向”不限于严格的平行，是大致平行方向、相对于该延伸方向具有例如5°以下的角度的方向等。
另外，挡块25沿着筋肋密封部23连续地配置在筋肋密封部23的旁边。所谓“筋肋密封部23的旁边”是指以在燃料电池的密封构造1中作用了通常假定的压力时的筋肋密封部23的变形量为允许值以下的程度接近筋肋密封部23的部分。
另外，挡块25的配置场所不限于图2的场所。挡块25例如根据筋肋密封部23的形状以及配置而配置在适当的场所即可。另外，挡块25的厚度优选比筋肋密封部23的突出高度低，但只要根据挡块25的材质、筋肋密封部23的形状适当设定即可。另外，挡块25的弹性率优选比筋肋密封部23的弹性率大，但只要根据挡块25的材质、筋肋密封部23的形状适当设定即可。
[实施例2]
图6是实施例2涉及的金属隔板的俯视图。实施例2涉及的金属隔板28除了代替实施例1涉及的金属隔板21(参照图2)中的挡块25而具有挡块27以外，与实施例1涉及的金属隔板21是相同的。因此，省略重复的说明。
在实施例2中，挡块27沿着筋肋密封部23断续地配置在筋肋密封部23的旁边。在图示的例子中，挡块27具有点形状，通过多个点在与筋肋密封部23的延伸方向相同的方向上配置，由此挡块27被断续地配置。通过断续地配置挡块27，例如能够使挡块27与筋肋密封部23的形状对应来容易配置挡块27，能够提高挡块27的配置自由度。
符号说明
1、4燃料电池的密封构造
10、40燃料电池单元
11、11a、11b通孔
12通孔
21、28金属隔板
22板部
23筋肋密封部
24弹性体
25、27挡块
26接合隔板
30电解质膜

Claims (4)

1.一种燃料电池的密封构造，所述燃料电池是通过层叠多个燃料电池单元而形成的，所述燃料电池单元是由相邻的金属隔板夹持电解质膜或薄膜而形成的，所述密封构造的特征在于，
所述金属隔板具有：板部；筋肋密封部，在所述板部的表面侧突出形成；弹性体，设置在所述筋肋密封部的顶端的表面；以及挡块，离开所述弹性体而设置在所述板部的表面，
相邻的所述金属隔板以各所述弹性体彼此对置的方式配置，
所述电解质膜或薄膜由在层叠方向上相邻的所述弹性体彼此夹持，并且由在层叠方向上相邻的所述挡块彼此夹持。
2.如权利要求1所述的燃料电池的密封构造，其特征在于，
所述筋肋密封部和所述弹性体沿着所述金属隔板的外缘配置，
所述挡块沿着该筋肋密封部配置。
3.如权利要求1所述的燃料电池的密封构造，其特征在于，
所述金属隔板具有燃料气体或氧化剂气体在层叠方向上流通的通孔，
所述筋肋密封部和所述弹性体以包围所述通孔的方式配置，
所述挡块沿着该筋肋密封部配置。
4.如权利要求1所述的燃料电池的密封构造，其特征在于，
所述挡块沿着所述筋肋密封部连续或断续地配置在所述筋肋密封部的旁边。
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