专利名称：燃料电池密封件以及燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明的目的在于提供减少燃料泄漏的燃料电池密封件以及燃料电池。
背景技术：
近几年，OA设备、声频设备、无线设备等各种设备，随着半导体技术的发展，也要求实现小型化和轻便性。满足上述要求的电源使用简便的一次电池和二次电池等。但是，一次电池和二次电池在功能上有使用时间的限制，使用了这些电池的OA设备等当然也限定了使用时间。
使用一次电池时，电池放电结束后，虽然可以通过更换电池使OA设备等运转，但与其重量相对而言，使用时间短，不适合轻便的设备。另外，二次电池放电结束后可以充电，但需要用于充电的电源，所以使用场所上有限制，并且充电需要时间。尤其是安装了二次电池的OA设备等，在电池放电结束后难以更换电池，所以设备使用时间上免不了受到限制。如上述，若要使各种小型设备长时间运转，用以往的一次电池和二次电池的延长难以实现，所以要求适合更长时间运转的电池。
作为解决上述问题的一个方法，最近燃料电池受到关注。燃料电池的优点在于，只提供燃料和氧化剂就能发电，并且只更换燃料就能连续发电，因此，如果能实现小型化，就可以说是对耗电小的OA设备等小型设备运转极为有利的系统。特别是使用酒精等烃类液体作为燃料的燃料电池，由于能够输送安全的高能量密度的燃料，所以有望成为电子设备使用的燃料电池。
这里，使用图9来说明燃料电池的结构。燃料容器101上依次层叠了多孔膜a102、燃料极105、固体电解质膜106、氧化剂极107、多孔膜b108。另外，燃料电池的端部，在多孔膜a102和固体电解质膜106之间、没有燃料极105的部分上设置了燃料极侧密封件103。并且，燃料电池的端部，在多孔膜b108和固体电解质膜106之间、没有氧化剂极107的外周部分上设置了氧化剂极侧密封件104。
燃料电池形成膜状的层时，燃料容易泄漏。燃料泄漏后，不但成本增加，还有可能会引发电子设备的故障。因此，通过燃料极侧密封件103和氧化剂极侧密封件104上下功夫来减少泄漏。密封件形状的以往的一例如图10和图11的密封件结构(图10如参照专利文献1)。
特开2004-303727号公报发明内容但是，以往的密封件结构中，密封件之间容易错位，导致燃料泄漏。
本发明的目的在于提供减少燃料泄漏的燃料电池。
作为本发明的燃料电池密封件的一个方式，其特征在于，具有主面上有凸部的第1构件，主面上有能够与上述凸部的至少一部分相互嵌合的凹部的第2构件。
作为本发明的燃料电池的一个方式，具有固体电解质膜，与上述固体电解质膜的主面相对设置的第1及第2燃料电池密封件，设置在上述多个燃料电池密封件主面中与固体电解质膜相反的一侧的燃料极，设置在与上述燃料极相反的一侧的上述燃料电池主面上的氧化剂极；其特征在于，上述燃料电池密封件由主面上有凸部的第1构件和主面上有与上述凸部的至少一部分相互嵌合的凹部的第2构件构成。
本发明的目的在于提供减少燃料泄漏的燃料电池。
图1是本发明第1、第2实施方式的燃料电池密封件的平面图。
图2是本发明第1实施方式中、图1所示Z-Z’线的燃料电池密封件的剖面图。
图3是本发明第2实施方式中、图1所示Z-Z’线的燃料电池密封件的剖面图。
图4是以往的燃料电池密封件的表面压力分布图。
图5是本发明第1实施方式中燃料电池密封件的表面压力分布图。
图6是本发明第2实施方式中燃料电池密封件的表面压力分布图。
图7表示本发明第1实施方式中燃料电池密封件凹部高度与密封件高度之比与表面压力的关系。
图8是本发明第1实施方式中橡胶硬度与表面压力的关系图。
图9是一般的燃料电池的剖面图。
图10是燃料电池中以往燃料电池密封件部分的剖面图。
图11是以往燃料电池密封件的剖面图。
具体实施例方式
下面参照附图来说明本发明的实施方式。本发明的方式中，燃料电池的基本结构与图9相同。因此，相同的结构部分使用与图9中相同的符号。本实施方式中燃料电池的基本结构是，在燃料容器101上依次层叠多孔膜a102、燃料极105、固体电解质膜106、氧化剂极107、多孔膜b108。另外，该燃料电池的端部，在多孔膜a102和固体电解质膜106之间、没有燃料极105的部分上设置了燃料极侧密封件。并且，该燃料电池的端部，在多孔膜b108和固体电解质膜106之间、没有氧化剂极107的外周部分上设置了氧化剂极侧密封件。本实施方式1、2中使用的燃料电池密封件适用于这些氧化剂极侧、燃料极侧的密封件，能够安装在与图9相同形态的燃料电池中。
首先说明本发明的第1实施方式。
图1是表示本实施方式的燃料电池密封构件、即燃料电池密封件[燃料极侧密封件11、(氧化剂极侧密封件12)]的平面图。这里，作为一例，燃料电池密封件形状为与燃料电池外周形状相同的框状。
图2为燃料电池密封件的Z-Z’的剖面图的一例。这里，燃料极侧密封件11和氧化剂极侧密封件12隔着固体电解质膜106相对设置。
这里，燃料极侧密封件11有一个在框状周围方向上连续的凸部11a。另外，氧化剂极侧密封件12有在框状周围方向上连续的凹部12a，该凹部12a能够与燃料极侧密封件11的凸部11a相互嵌合。凹部12a的中央有凸部12b，这是为了提高与固体电解质膜106的密封性，有减少接触面积、增加表面压力的作用。如图2所示，从上下方向向固体电解质膜106加压使燃料极侧密封件11和氧化剂极侧密封件12压缩时，这些密封件隔着固体电解质膜106相互嵌合，燃料极侧密封件11和氧化剂极侧密封件12难以错位，能够减少燃料泄漏。图2表示了燃料极侧密封件11、氧化剂极侧密封件12的剖面形状的一例。这里，表示了在氧化剂极侧密封件12的剖面形状中构成密封件形状要素的密封件高度、密封件宽度和凹部高度。
作为密封件形状要素的(凹部高度/密封件高度)在0.01～0.5范围内比较合适。具体数据由图7来说明。图7表示凹部高度与密封件高度之比(凹部高度/密封件高度)和表面压力的关系。通过该曲线图可以得知，(凹部高度/密封件高度)＝0.2或者是其附近的数值时能够得到很高的表面压力。本实施方式中，密封件高度与密封件宽度的比为0.3。
本实施方式的燃料极侧密封件11和氧化剂极侧密封件12是有弹性的材质，可以使用对燃料电池的燃料有耐性的物质[如乙丙非共轭二烯橡胶(EPDM)等橡胶]。硬度如图8所示，在20～80度的范围内，硬度约在35度以上时，密封性较好。另外，硬度过大时，密封件反作用力变大，使其他构件变形损坏的可能性变大，所以硬度不宜在60度以上。由此可以得知，硬度在50度左右时密封性较好，且不会使其他构件变形损坏。
下面说明本发明的第2实施方式。本实施方式的燃料电池的结构与第1实施方式结构相同，密封件与图2所示的相同。但是密封件形状与图2的Z-Z’剖面形状等不同。
图3是表示燃料电池中燃料电池密封件的剖面图。燃料极侧密封件21和氧化剂极侧密封件22隔着固体电解质膜106相对设置。燃料极侧密封件21的表面上有多个凹凸形状。另外，氧化剂极侧密封件22的表面上也有多个凹凸形状。这里，凹部(或者凸部)的间隔是相同的(即凹凸按照一定的图案重复)。燃料极侧密封件21、氧化剂极侧密封件22的凹凸在这些密封件的框状周围方向上是连续或者断续地设置的。燃料极侧密封件21表面上的凹凸形状和氧化剂极侧密封件22表面上的凹凸形状隔着固体电解质膜6相互嵌合，所以与上述第1实施方式一样加压而压缩时，这些密封件难以互相错位。由此能够减少燃料泄漏。
使用图4～图6来说明本实施方式1、2的效果。斜线密度越大，表示表面压力越大。另外，相同密度的斜线中，受压方向上越长，表示表面压力越大。
图4表示以往的密封件形状中上下密封件互相压缩时的(a)设计位置、(b)从设计位置上错位10％时、(c)从设计位置上错位20％时的表面压力的分布。
图5表示第1实施方式的密封件形状中压缩密封件时的(a)设计位置、(b)从设计位置上错位10％时、(c)从设计位置上错位20％时的表面压力的分布。
图6表示第2实施方式的密封件形状中压缩密封件时的(a)设计位置、(b)从设计位置上错位10％时、(c)从设计位置上错位20％时的表面压力的分布。这里所说的错位比例是指相对密封件宽度的比例。
图4(a)(b)中发生表面压力时，集中到密封件中嵌合面的中央部附近，其中表面压力高的范围较小。与之相比，图5(a)(b)、图6(a)(b)中，表面压力高的部分的范围较大。而且最高表面压力在图4、图5中都增加了30％。另外，图4(c)中，上下密封件没有相互嵌合，互相没有产生表面压力。这是由于初期压缩是在错位位置为20％的情况下进行的，因此导致错位量变得更大。但是图5(c)、图6(c)中一部分上下密封件相互嵌合，互相产生表面压力，能够防止燃料泄漏。
因此，使用本实施方式1、2能够在大范围内对密封件赋予高的表面压力，由两密封件不吻合而带来的影响小，能够有效防止燃料泄漏。另外，特别是第2实施方式等中，与设计位置错位时还可以在其他凹部及凸部上相互嵌合，所以不吻合的影响小，能够有效减少燃料泄漏。
第1实施方式中的凹部和凸部可以调换。即可以是燃料极侧密封件11、21具有凹部，氧化剂极侧密封件12、22具有凸部。
另外，第2实施方式中凹凸间隔可以是图3所示的等间隔，但并不限定于此。燃料极侧密封件21和氧化剂极侧密封件22可以同时在周围方向上具有混合的凸部和凹部。另外，燃料极侧密封件21的凸部或凹部以及氧化剂极侧密封件22的凹部或凸部可以是图3所示的相同相位的状态，但并不限定于此。
第2实施方式中，燃料极侧密封件和氧化剂极侧密封件可以使用与第1实施方式中相同的材质。
只要不脱离本发明的宗旨，本实施方式可以进行适当变更。
权利要求
1.一种燃料电池密封件，其特征在于具有主面上有凸部的第1密封构件，和主面上有能够与上述凸部的至少一部分嵌合的凹部的第2密封构件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池密封件，其特征在于，上述第1密封构件和第2密封构件由弹性体构成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池密封件，其特征在于，上述第1密封构件以及上述第2密封构件为框状。
4.根据权利要求1所述的燃料电池密封件，其特征在于，上述凹部的凹部高度与上述第2密封构件高度之比大于等于0.01、小于等于0.5。
5.根据权利要求1所述的燃料电池密封件，其特征在于，上述第1密封构件以及上述第2密封构件分别具有多个上述凹部及上述凸部。
6.一种燃料电池，具有固体电解质膜，分别在上述固体电解质膜的两个主面侧相对设置的第1及第2密封构件，设置在上述第1密封构件上的与上述固体电解质膜相反的一侧的燃料极，设置在上述第2密封构件上的与上述固体电解质膜相反的一侧的氧化剂极；其特征在于，上述第1、第2密封构件中的一个具有凸部，上述第1、第2密封构件中的另一个具有与上述凸部的至少一部分相互嵌合的凹部，上述第1及第2密封构件隔着上述固体电解质膜相互嵌合。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，上述第1、第2密封构件由弹性体构成。
8.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，上述第1、第2密封构件为框状。
9.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，上述第1、第2密封构件中任何一方中，上述凹部的凹部高度与上述第1、第2密封构件任何一方的高度之比大于等于0.01、小于等于0.5。
10.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，上述第1、第2密封构件分别具有多个上述凹部及上述凸部。
全文摘要
本发明提供减少燃料泄漏的燃料电池密封件以及燃料电池。燃料电池密封件的特征在于，由主面上有凸部的第1密封构件(11)和主面上有与上述凸部的至少一部分相互嵌合的凹部的第2密封构件(12)构成。燃料电池具有固体电解质膜(106)，分别在上述固体电解质膜(106)的两主面侧相对设置的第1及第2密封构件，设置在上述第1密封构件(11)中与上述固体电解质膜(106)相反的一侧的燃料极(105)，设置在上述第2密封构件(12)中与上述固体电解质膜(106)相反侧的氧化剂极(107)；其特征在于，上述第1、第2密封构件中一个有凸部，上述第1、第2密封构件中另一个有与上述凸部的至少一部分相互嵌合的凹部，上述第1及第2密封构件隔着上述固体电解质膜(106)相互嵌合。
文档编号H01M8/10GK101093879SQ20071008587
公开日2007年12月26日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年6月20日
发明者寺田贵洋, 中川泰忠, 笹木裕司, 吉田勇一 申请人:株式会社东芝