燃料电池用衬垫的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种燃料电池用衬垫，实现了燃料电池堆的低成本化。为了达成该目的，燃料电池用衬垫1（2）在位于隔板6（7）与MEA5之间的GDL3（4）的外周通过橡胶状弹性材料一体成形，与隔板6（7）紧密接触，在该衬垫1（2）的与隔板6（7）的对向面上，形成有气体导入槽1b，该气体导入槽1b以将开设于该衬垫1（2）的歧管孔1a（2a）和由MEA5形成的气体反应区域10A相互连通的方式延伸。由于该气体导入槽1b能够在通过橡胶状弹性材料成形衬垫1（2）的同时形成，并且在隔板6（7）侧不需要加工气体导入槽，因此能够降低成本。
【专利说明】燃料电池用衬垫
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使用于构成燃料电池的发电要素的燃料电池单元并且一体设置于⑶L (Gas Diffusion Layer:气体扩散层)的衬垫。
【背景技术】
[0002]如图11-13所示，燃料电池通过将由设置于电解质膜以及其两面的未图示的触媒电极层构成的MEA (Membrane Electrode Assembly:膜-电极复合体)101,从厚度方向两侦经由⑶L102、103利用隔板104、105夹持，构成作为发电的最小单位的燃料电池单元100。在GDL102U03的外周侧，由橡胶状弹性材料(橡胶材料或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料)构成的衬垫106、107在橡胶状弹性材料的一部分含浸于GDL102、103的缘部的状态下分别一体成形。
[0003]在隔板104、105以及衬垫106、107上，分别开设有多个歧管孔104a、105a、106a、107a，如图11以及图12所示，在隔板104、105中的与⑶L102、103的对向面上(图13所示由MEA101形成的气体反应区域100A)，形成燃料气体反应用槽104b以及氧化剂气体反应用槽105b，此外，在隔板104,105中的与衬垫106,107的对向面上，形成将歧管孔104a、105a与气体反应区域100A (燃料气体反应用槽104b以及氧化剂气体反应用槽105b)之间连通的气体导入槽104c以及气体导入槽105c。并且，在图13所示的层叠状态下，通过将隔板104、105的歧管孔104a、105a与衬垫106、107的歧管孔106a、107a相互重合(连通)，形成燃料气体、氧化剂气体或制冷剂的供应通道以及排出通道(歧管孔)。
[0004]也就是说，这种燃料电池在各燃料电池单元100中，在歧管孔流通的燃料气体(氢气)经由气体导入槽104c、燃料气体反应用槽104b以及一个⑶L102供应至MEA101的一个触媒电极层(阳极)侧，在其他歧管孔流通的氧化剂气体(空气)经由气体导入槽105c、氧化剂气体反应用槽105b以及另一个⑶L103供应至MEA101的另一个触媒电极层(阴极)侧，通过水的电解的逆反应，也就是由氢气和氧气生成水的反应产生电力。另外，虽然由各燃料电池单元100产生的电动势较低，但是通过将多个的燃料电池单元100层叠形成电性串联连接的电池堆，能够获得需要的电动势(例如参照专利文献1、2)。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2004-335453号公报
[0008]专利文献2:日本特开2007-026847号公报
【发明内容】
[0009](发明要解决的问题)
[0010]这种燃料电池实现了电池堆的进一步的小型化/低成本化，如上所述，将衬垫106、107 —体化于⑶L102U03而构成，提升了在电池堆组装等的可操作性，对于降低成本有效。然而，歧管孔和气体反应区域100A (燃料气体反应用槽104b以及氧化剂气体反应用槽105b)之间的气体导入槽104c以及气体导入槽105c通过隔板104、105的加工而形成，
加工成本较高。
[0011]本发明鉴于以上要点而完成，其技术课题是通过燃料电池用衬垫的改良，实现燃料电池堆的进一步的低成本化。
[0012](解决技术问题的技术方案)
[0013]作为有效地解决上述技术课题的方法，本发明技术方案的燃料电池衬垫，在位于隔板与MEA之间的GDL的外周通过橡胶状弹性材料一体成形，与所述隔板紧密接触，所述燃料电池用衬垫的特征在于，在该衬垫的与所述隔板的对向面上形成有气体导入槽，所述气体导入槽以将开设于该衬垫的歧管孔和由所述MEA形成的气体反应区域相互连通的方式延伸。
[0014]另外，本发明技术方案的燃料电池衬垫的特征在于，在上述的本发明技术方案所记载的燃料电池衬垫中，一体设置有加强板。
[0015]另外，本发明技术方案的燃料电池衬垫的特征在于，在上述的本发明技术方案所记载的燃料电池衬垫中，气体导入槽形成于加强板。
[0016](发明的效果)
[0017]根据本发明涉及的燃料电池用衬垫，通过形成于衬垫的气体导入槽，形成使反应气体(燃料气体以及氧化剂气体)在歧管孔和气体反应区域之间流通的流路，该气体导入槽能够在通过橡胶状弹性材料成形衬垫的同时形成，并且在隔板侧不需要加工气体导入槽，因此能够降低成本。
[0018]另外，通过一体设置于衬垫的加强板，能够防止由气体导入槽造成的衬垫的机械强度的降低，能够容易进行燃料电池堆的组装。
[0019]另外，通过气体导入槽在一体埋设于衬垫的加强板上形成，防止了由衬垫的压缩造成的气体导入槽的变形，并且补偿了气体导入槽的形成部分的机械强度，因此能够容易进行燃料电池堆的组装。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是与MEA以及隔板一起从层叠方向观察本发明涉及的燃料电池用衬垫的第一实施方式的分离状态的俯视图。
[0021]图2是与MEA以及隔板一起在图1的1_1线位置切断示出本发明涉及的燃料电池用衬垫的第一实施方式的分离状态的部分剖面图。
[0022]图3是与MEA以及隔板一起在图1的1_1线位置切断示出本发明涉及的燃料电池用衬垫的第一实施方式的层叠状态的部分剖面图。
[0023]图4是概略地示出燃料电池单元中的发电机理的说明图。
[0024]图5是与MEA以及隔板一起从层叠方向观察本发明涉及的燃料电池用衬垫的第二实施方式的分离状态的俯视图。
[0025]图6是与MEA以及隔板一起在图5的V_V线位置切断示出本发明涉及的燃料电池用衬垫的第二实施方式的分离状态的部分剖面图。
[0026]图7是与MEA以及隔板一起在图5的V_V线位置切断示出本发明涉及的燃料电池用衬垫的第二实施方式的其他的例子的分离状态的部分剖面图。[0027]图8是与MEA以及隔板一起从层叠方向观察本发明涉及的燃料电池用衬垫的第三实施方式的分离状态的俯视图。
[0028]图9是与MEA以及隔板一起在图8的VII1-VIII线位置切断示出本发明涉及的燃料电池用衬垫的第三实施方式的分离状态的部分剖面图。
[0029]图10是与MEA以及隔板一起在图8的VII1-VIII线位置切断示出本发明涉及的燃料电池用衬垫的第三实施方式的层叠状态的部分剖面图。
[0030]图11是与MEA以及隔板一起从层叠方向观察现有技术涉及的燃料电池用衬垫的一例的分离状态的俯视图。
[0031]图12是与MEA以及隔板一起在图11的X1-XI线位置切断示出现有技术涉及的燃料电池用衬垫的一例的分离状态的部分剖面图。
[0032]图13是与MEA以及隔板一起在图11的X1-XI线位置切断示出现有技术涉及的燃料电池用衬垫的一例的层叠状态的部分剖面图。
[0033]符号说明
[0034]1、2 衬垫
[0035]11,21 衬垫主体
[0036]12、13、22、23 加强板
[0037]la、2a、6a、7a 歧管孔
[0038]lb、2b 气体导入槽
[0039]3、4 ⑶ L
[0040]5 MEA
[0041]6、7 隔板
[0042]6b 燃料气体反应用槽
[0043]7b 氧化剂气体反应用槽
[0044]10A 气体反应区域。
【具体实施方式】
[0045]以下，参照附图对本发明涉及的燃料电池用衬垫的优选实施方式进行详细的说明。
[0046]首先，图1是与MEA以及隔板一起从层叠方向观察本发明涉及的燃料电池用衬垫的第一实施方式的分离状态的俯视图，图2是在图1的1-Ι线位置切断示出的分离状态的部分剖面图，图3是在图1的1-Ι线位置切断示出的层叠状态的部分剖面图。
[0047]这些图中的参照符号1、2是本发明涉及的衬垫，由橡胶状弹性材料(橡胶材料或者具有橡胶状弹性的合成树脂材料)，优选由从乙烯-丙烯橡胶(EPDM)、硅酮橡胶(VMQ)、氟橡胶(FKM)、全氟橡胶(FFKM)等中选择的材料成形为板状或者片状。
[0048]⑶L (Gas Diffusion Layer:气体扩散层)3、4由金属制的多孔体或碳纤维等具有允许气体流通的无数微细贯通空隙的多孔质的导电性材料构成，并且形成相同形状相同大小的板状或者片状，衬垫1、2通过将其橡胶状弹性材料的一部分浸透于GDL3、4的端缘部并进行硬化，以包围⑶L3、4的外周的方式一体成形于该⑶L3、4。
[0049]另外，参照符号5为MEA (Membrane Electrode Assembly:膜-电极复合体)，由电解质膜以及设置于其两面的未图示的触媒电极层构成，参照符号6、7为由碳或者导电性金属构成的隔板。
[0050]另外，在图3所示的层叠状态下，通过将MEA5从其厚度方向两侧经由⑶L3、4利用隔板6、7夹持，构成作为发电的最小单位的燃料电池单元10。此时，MEA5的外周部通过其两侧的衬垫1、2被紧密接触地夹持，该衬垫1、2中的与MEA5相反侧的面与隔板6、7紧密接触。
[0051]在衬垫1、2上分别开设有多对歧管孔la、2a，在隔板6、7上，在与衬垫1、2的歧管孔la、2a对应的位置开设有歧管孔6a、7a。从而，在图3所示的层叠状态下，通过将歧管孔la、2a和6a、7a相互重合(连通)，形成燃料气体、氧化剂气体或制冷剂的供应通路以及排出通路(歧管孔)。
[0052]在一个隔板6中的与⑶L3的对向面上形成有多个燃料气体反应槽6b，在另一个隔板7中的与GDL4的对向面上形成有多个氧化剂气体反应用槽7b，在图3所示的层叠状态下，MEA5、GDL3、4、燃料气体反应用槽6b以及氧化剂反应用槽7b相互重合的区域为气体反应区域10A，也就是发电区域，该气体反应区域10A的周围通过衬垫1、2被密封。
[0053]在衬垫1中的与隔板6的对向面上，形成有以将歧管孔la和气体反应区域10A中的燃料气体反应用槽6b相互连通的方式延伸的气体导入槽lb，同样地，在衬垫2中的与隔板7的对向面上，形成有以将歧管孔2a和气体反应区域10A中的氧化剂气体反应用槽7b相互连通的方式延伸的气体导入槽2b (在图2以及图3中气体导入槽2b未图示)。另外，如图2中符号3a所示，衬垫1的气体导入槽lb以到达⑶L3的端部的方式延伸，衬垫2的气体导入槽2b也同样地以到达GDL4的端部的方式延伸。
[0054]如图4所示，在如上所述构成的燃料电池单元10中，含有氢气Η 2的燃料气体经由燃料气体流路(气体导入槽lb以及燃料气体反应用槽6b)以及一个GDL3供应至MEA5中的一个触媒电极层(阳极)52，含有氧气0 2的氧化剂气体(空气)经由氧化剂气体流路(气体导入槽2b以及氧化剂气体反应用槽7b)以及另一个GDL4供应至MEA5中的另一个触媒电极层(阴极)53，通过由氢气Η 2和氧气0 2生成水Η 2 0的电化学反应产生电力。
[0055]也就是说，供应至ΜΕΑ5中的阳极52的燃料气体中的氢气Η 2，通过该阳极52的催化作用被分解成电子e _和氢离子H+，电子e _作为电流通过外部负载R流向MEA5中的阴极53。另外，由于通过从氢气Η 2分离出电子e _而产生的氢离子Η +被阴极53的电子e _吸弓丨，因此经由MEA5中的电解质膜51向阴极53移动。
[0056]另外，供应至MEA5中的阴极53的氧化剂气体中的氧气0 2通过该阴极53的催化作用接受电子e _，成为氧离子0_。而后，该氧离子0 _与从阳极52经由电解质膜51移动来的氢离子Η +结合生成水Η 2 0。
[0057]此时，如图3所示，在通过将歧管孔la、2a和6a、7a相互重合(连通)而形成的流路与气体反应区域10A中的燃料气体反应用槽6b或氧化剂气体反应用槽7b之间的燃料气体或氧化剂气体等的流通，经由气体导入槽lb或者2b进行。并且，由于气体导入槽lb、2b以到达GDL3、4的端部的方式延伸，因此在燃料气体反应用槽6b以及氧化剂气体反应用槽7b之间的流通流畅地进行。
[0058]另外，根据上述构成，由于气体导入槽lb、2b形成于衬垫1、2，因此，在由金属或者碳构成的隔板6、7侧不需要加工气体导入槽。并且，由于该气体导入槽lb、2b在利用橡胶状弹性材料将衬垫1、2向GDL3、4 一体成形时，在成形用模具内同时形成，因此能够降低成本。
[0059]另外，当气体导入槽lb、2b的设计变更时，不需要变更隔板6、7的设计就能够通过衬垫1、2的设计变更进行应对，从而能够有助于这样的设计变更时的成本降低。
[0060]接着，图5是与MEA以及隔板一起从层叠方向观察本发明涉及的燃料电池用衬垫的第二实施方式的分离状态的俯视图，图6是在图5的V-V线位置切断示出的分离状态的部分剖面图，图7是与MEA以及隔板一起在图5的V-V线位置切断示出第二实施方式的其他的例子的分离状态的部分剖面图。
[0061]在该第二实施方式中，与上述第一实施方式不同的是，衬垫1、2由衬垫主体11、21和加强板12、22构成，上述衬垫主体11、21由橡胶状弹性材料构成，上述加强板12、22 —体设置于该衬垫主体11、21，由比上述橡胶状弹性材料刚性高的材料，例如合成树脂或者金属等构成。加强板12、22的平面投影形状与衬垫主体11、21的平面投影形状大致相似。其他部分的构成基本与第一实施方式相同。
[0062]其中，图6所示的例子是，在加强板12、22的材质相对于燃料气体或氧化剂气体的化学稳定性不足的情况下，通过将加强板12、22在埋设于衬垫主体11、21的状态下一体成形，加强板12、22与燃料气体或氧化剂气体不接触。另外，图7所示的例子是，在加强板12、22的材质相对于燃料气体或氧化剂气体的化学稳定性不存在问题的情况下，将加强板12、22在半埋设状态，也就是一部分从衬垫主体11、21露出的埋设状态下一体成形。另外，MEA5的外周部通过与衬垫主体11、21的紧密接触而被密封。
[0063]根据第二实施方式，由于通过在衬垫主体11、21的全部区域一体设置的加强板12,22补偿了衬垫1、2的机械强度，也就是防止了由气体导入槽lb、2b的形成而造成的衬垫
1、2的强度降低，因此能够容易进行单元(电池堆)的组装。
[0064]接着，图8是与MEA以及隔板一起从层叠方向观察本发明涉及的燃料电池用衬垫的第三实施方式的分离状态的俯视图，图9是在图8的VII1-VIII线位置切断示出的分离状态的部分剖面图，图10是在图8的VII1-VIII线位置切断示出的层叠状态的部分剖面图。
[0065]在该第三实施方式中，衬垫1、2由衬垫主体11、21和加强板13、23构成，上述衬垫主体11、21由橡胶状的弹性材料构成，上述加强板13、23位于该衬垫主体11、21中的歧管孔la、2a和⑶L3、4之间，也就是气体导入槽lb、2b的形成区域一体设置，加强板13、23由比上述橡胶状弹性材料刚性高的材料，例如相对于燃料气体或氧化剂气体的化学稳定性不存在问题的合成树脂或者金属等构成，衬垫1、2的气体导入槽lb、2b形成于加强板13、23。另外，MEA5的外周部通过与衬垫主体11、21的紧密接触而被密封。其他的构成基本与第一实施方式相同。
[0066]根据该第三实施方式，由于补偿了衬垫1、2中的气体导入槽lb、2b的形成部分的机械强度，因此除了能够容易进行单元(电池堆)的组装之外，还防止了由图10所示的层叠状态下的衬垫主体11、21的压缩造成的气体导入槽lb、2b的流路截面的缩小。
[0067]另外，由于衬垫1、2通过将气体导入槽lb、2b预先形成于加强板13、23并将衬垫主体11、21 —体成形于该加强板13、23而获得，因此，当气体导入槽lb、2b的设计变更时，能够仅通过该加强板13、23的设计变更进行应对，从而能够有助于这样的设计变更时的成本降低。
【权利要求】
1.一种燃料电池用衬垫，在位于隔板与MEA之间的GDL的外周通过橡胶状弹性材料一体成形，与所述隔板紧密接触，所述燃料电池用衬垫的特征在于，在该衬垫的与所述隔板的对向面上形成有气体导入槽，所述气体导入槽以将开设于该衬垫的歧管孔和由所述MEA形成的气体反应区域相互连通的方式延伸。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用衬垫，其特征在于，一体设置有加强板。
3.根据权利要求2所述的燃料电池用衬垫，其特征在于，气体导入槽形成于加强板。
【文档编号】H01M8/02GK103688398SQ201280035047
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年7月19日 优先权日:2011年7月19日
【发明者】堀本隆之, 古贺正太郎 申请人:Nok株式会社