燃料电池单电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体高分子型燃料电池等的燃料电池的改良，涉及层叠多个而构成燃料电池堆的燃料电池单电池。
【背景技术】
[0002]以往，已知以含有氢的阳极气体和含有氧的阴极气体作为反应气体并通过电化学反应产生电能的燃料电池。这样的燃料电池根据电解质的不同而分为各种类型，作为其中之一，存在使用固体高分子膜的燃料电池。
[0003]在专利文献I中公开了一种燃料电池堆，该燃料电池堆是层叠多个燃料电池单电池而构成的，该燃料电池单电池具备在固体高分子膜的两侧配置阳极和阴极而成的膜电极接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)和配置在膜电极接合体的两侧的隔板。
[0004]专利文献1:日本特开2005 - 116404号公报
【发明内容】
_5] 发明要解决的问题
[0006]在专利文献I这样的燃料电池堆中，通过粘接剂将膜电极接合体、隔板等各元件粘接，来确保各元件间的密封性。但是，存在这样的问题:由于粘接剂配置在各元件的外缘、反应气体的岐管周围，所以当元件层叠时粘接剂向各元件的外侧、岐管孔溢出，由此，可能会降低密封性能。
[0007]本发明是着眼于上述以往的状况的问题而做成的，其目的在于提供一种能够实现密封性能的提高的燃料电池单电池。
_8] 用于解决问题的方案
[0009]本发明的燃料电池单电池具有这样的结构:由一对隔板夹持膜电极接合体，并且具备用于密封在膜电极接合体与各隔板之间形成的气体流路的密封材料。并且，燃料电池单电池构成为在隔板中的密封材料的配置部分设置有用于将密封材料积存在反应气体的受压侧的密封材料积存部，以该结构作为用于解决以往问题的方案。另外，在上述结构中，密封材料可使用也具有作为粘接剂的作用的材料。另外，反应气体的受压侧是反应气体的压力所作用的一侧，具体是气体流路、用于进行反应气体的供给及排出的岐管孔的内侧。
[0010]发明效果
[0011]本发明的燃料电池单电池通过采用上述结构，反应气体的压力作用于充满密封材料积存部的密封材料的端部，密封材料紧贴在隔板及膜电极接合体上，能够实现密封性能的提尚。
【附图说明】
[0012]图1是燃料电池堆的立体图⑷及立体分解图⑶。
[0013]图2是将燃料电池单电池形成分解状态进行说明的俯视图。
[0014]图3㈧是电池模块的岐管孔附近的剖视图，及图3(B)是用于说明密封材料的配置部分的放大剖视图。
[0015]图4(A)、(B)是说明本发明的燃料电池单电池的一实施方式的各个主要部分的剖视图。
[0016]图5(A)、(B)是说明本发明的燃料电池单电池的另一实施方式的各个主要部分的剖视图。
[0017]图6是说明密封材料的耐久性的各个曲线图，图6(A)是表示密封材料与框架的接触面积和耐久时间之间的关系的曲线图，图6(B)是形成在密封材料上的凹凸的数量和耐久时间之间的关系的曲线图，图6(C)是密封材料及框架的边界的耐久时间和腐蚀长度之间的关系的曲线图。
【具体实施方式】
[0018]对于图1所示的燃料电池堆FS而言，尤其如图1(B)所示，层叠多张燃料电池单电池C而构成电池模块M，层叠多个电池模块M，并且在电池模块M彼此间夹装密封板P。另夕卜，在图1 (B)中表示了两个电池模块M和一个密封板P，但实际上层叠大于或等于该数量的电池模块M和密封板P。
[0019]另外，燃料电池堆FS中，在电池模块M的层叠方向的两端部分别配置端板56A、56B，在燃料电池单电池C的作为长边侧的两个面(图1中为上表面和下表面)上设置有连结板57A、57B，并且在作为短边侧的两个面上设置有加强板58A、58B。各连结板57A、57B和加强板58A、58B通过未图示的螺栓连结在两个端板56A、56B上。
[0020]如此，燃料电池堆FS形成图1 (A)所示的外壳一体型结构，将各电池模块M和密封板P在层叠方向束缚和加压，对各个燃料电池单电池C施加规定的接触面压，良好地维持气密性、导电性等。
[0021]如图2所示，燃料电池单电池C具备膜电极接合体I和夹持膜电极接合体I的一对隔板2、2，并且在膜电极接合体I与各隔板2、2之间形成阴极气体和阳极气体各自的气体流路(GC、GA) ο
[0022]膜电极接合体I 一般被称作MEA(Membrane Electrode Assembly)，省略详细图不，但具有利用阴极层和阳极层夹持由固体高分子构成的电解质层的结构。另外，图示例的膜电极接合体I在其外周一体设置有树脂制的框架1A。
[0023]框架IA例如通过注塑成型而与膜电极接合体I 一体化，在该实施方式中，以膜电极接合体I为中央构成为长方形状。另外，框架IA在短边两侧分别各自排列有三个岐管孔Hl?H3、H4?H6，从各岐管孔组到膜电极接合体I的区域构成扩散部。该框架IA和两个隔板2、2都是具有大致同等纵横尺寸的长方形状。
[0024]另外，框架IA在扩散部纵横排列着圆形的多个突部1B。这些突部IB用于在因膜电极接合体I的经时变化等使燃料电池单电池C产生厚度方向的变位时与隔板2、2接触而维持反应用气体的流通空间。
[0025]各隔板2是具有正反对称形状(日文:表裏反転形状)的金属制的板元件，例如是不锈钢制的，能够通过冲压加工成形为适当的形状。图示例的隔板2的至少与膜电极接合体I对应的中央部分形成为截面凹凸形状。该隔板2在长边方向上连续具有截面凹凸形状，使波形凸部与膜电极接合体I接触，并且在波形凹部与膜电极接合体I之间形成阴极气体的气体流路和阳极气体的气体流路(GC、GA)。另外，各隔板2在两端部具有与框架IA同样的岐管孔Hl?H6。
[0026]如图3(A)所示，上述的框架IA及膜电极接合体I与两个隔板2、2重叠而构成燃料电池单电池C。另外，层叠多张(图3中为四张)燃料电池单电池C而形成电池模块M。这时，在相邻的燃料电池单电池C彼此之间形成冷却液(例如水)的流路F，在相邻的电池模块M彼此之间也形成冷却液的流路。
[0027]图2的左侧所示的各岐管孔Hl?H3从上侧开始分别是阳极气体供给用孔(Hl)、冷却液排出用孔(H2)和阴极气体排出用孔(H3)，它们在层叠方向上彼此连通而形成各自的流路。另外，图2的右侧所示的各岐管孔H4?H6从上侧开始分别是阴极气体供给用孔(H4)、冷却液供给用孔(H5)和阳极气体排出用孔(H6)，它们在层叠方向上彼此连通而形成各自的流路。各岐管孔Hl?H6的供给和排出的位置关系可以一部分或全部相反。
[0028]另外，如图2所示，燃料电池单电池C中，在框架IA与各隔板2的缘部彼此之间、岐管孔Hl?H6的周围设置有密封材料S1、S2。图2中以两个密封材料S1、S2的局部重合的状态表示。这些密封材料S1、S2也具有作为粘接剂的作用，在各个层之间将阴极气体的气体流路GC和阳极气体的气体流路GA分别气密地分离。另外，在岐管孔Hl?H6周围的适当部位设置开口，以使相应的流体在各层之间流动。另外，在燃料电池堆FS中，相邻的燃料电池单电池C的隔板2彼此通过将外周部彼此气密地接合而将冷却液的流路F密封。
[0029]密封板P与上述的燃料电池单电池C独立地形成，如图1 (B)所示，在板体基板50的两端部形成有与所述框架IA和隔板2同样的岐管孔Hl?H6。
[0030]板体基板50是对一张导电性金属板进行成形而成的，在俯视时以与上述的燃料电池单电池C大致相同的形状形成为相同大小。通过由导电性的金属板形成该板体基板50，从而能够进行经时稳定的通电。
[0031]另外，对于密封板P，在岐管孔Hl?H6的各周围沿整周环状地形成密封构件51，在该板体基板50的最外周缘部沿整周环状地形成外周密封构件52，在该密封构件52的内侧隔开所需间隔地沿整周环状地形成内周密封构件53。设置在各岐管孔Hl?H6的周围的各密封构件51彼此独立形成。该密封构件51?53与夹装在框架IA与隔板2之间的前述的密封材料S1、S2独立地形成。
[0032]如图3 (A)所示，密封板P利用内周密封构件53防止在电池模块M间的冷却液用流路中流通的冷却液漏出，利用外周密封构件52防止雨水从外部进入，并且实现了电绝缘。另外，在图3(A)中，附图标记9表不粘接剂。
[0033]上述的燃料电池堆FS中，层叠规定数量的燃料电池单电池C而构成电池模块M，相对电池模块M能够容易拆下密封板P。由此，在任一个燃料电池单电池C产生不良情况时，能够仅更换包含该燃料电池单电池C的电池模块M，能够继续使用其他燃料电池单电池C以及电池模块M。
[0034]构成上述燃料电池堆FS的燃料电池单电池C如前面所述是这样的结构:由一对隔板2、2夹持膜电极接合体1，并且具备用于密封在膜电极接合体I与各隔板2之间形成的气体流路(GC、GA)的密封材料S1、S2。另外，膜电极接合体I在其外周具有树脂制的框架IA0
[0035]如图3 (B)和图4所示，上述燃料电池单电池C在隔板2中的密封材料S的配置部分形成有用于将密封材料S1、S2积存在反应气体的受压侧的密封材料积存部2A。反应气体的受压侧是反应气体的压力所作用的一侧，例如是气体流路GC、GA的内侧、岐管孔Hl?H6的内侧。
[0036]S卩、对于配置在框架IA的缘部及隔板2的缘部的密封材料SI，在反应气体存在这一侧、即至少在气体流路GC、GA这一侧设置密封材料积存部2A。对于配置在岐管孔Hl?H6的周围的密封材料S2，由于有时在其两侧存在反应气体、冷却液，所以至少在压力高的一侧或在两侧设置密封材料积存部2A。
[0037]图3(B)所示的实施方式中，对于配置在框架IA的缘部及隔板2的缘部的密封材料SI，在隔板2中的密封材料SI的配置部分的两侧形成有密封材料积存部2A。具体地，隔板2的一部分向与膜电极接合体I分开的方向弯折形成，将该弯折部分作为密封材料积存部2A。另外，在隔板2中，将