燃料电池用密封垫的制作方法

1.本发明涉及一种燃料电池用密封垫，该燃料电池用密封垫由密封凸筋形成，该密封凸筋设在介设于多片反应电极部之间且相互接合的金属制的一对双极板。


背景技术：

2.作为燃料电池的现有结构，有以下结构：包括在电解质膜的两表面设有一对电极层的反应电极部(mea)，并在其厚度方向两侧层叠一对双极板来作为燃料电池单元，形成层叠多个该燃料电池单元的电池堆结构。这种燃料电池向反应电极部的阴极侧供给氧化气体(空气)，向阳极侧供给燃料气体(氢)，由此通过作为电解水的逆反应的电化学反应来产生电力。
3.在层叠的燃料电池单元内，设有用于供氧化气体(空气)、燃料气体(氢)、冷却水等介质通过的流路。这样的流路例如由双极板形成。双极板是使由铁、铝等金属材料构成的一对板状的构件接合而成的，并在这些一对构件之间、与其他构件之间形成用于介质通过的流路。
4.例如，在专利第4959190号公报(以下，专利文献1)中记载有一种燃料电池，该燃料电池通过利用一对双极板夹着反应电极部和气体扩散层(在专利文献1为“气体分散层”)来制作燃料电池单元，并将多片这样的燃料电池单元层叠紧固来进行制造。
5.基于利用一对双极板夹着反应电极部和气体扩散层这样的结构，相邻的燃料电池单元通过层叠使双极板彼此接合。接合着的两片双极板例如如图5b和图6b所示，分别包括全凸筋形态的密封凸筋。通过将这些密封凸筋的位置对齐并接合两片双极板，从而在相互面对面的密封凸筋的内部形成型腔。型腔的内外的空间用作使h2、水等介质流通的流路。
6.在专利文献1中，示出有两个歧管(参照专利文献1的图4)。这些歧管用作反应物质、冷却物质的流路。双极板利用密封凸筋来密封歧管的周围，并在与成为电化学活性区域的反应电极部对应的位置形成凸筋列。
7.如专利文献1的图5b所示，一个歧管被全凸筋形态的密封凸筋包围。该密封凸筋例如具有将h2或者水等介质供给至反应电极部的功能(参照文献1的段落[0054])。
[0008]
更详细地说，围绕上述一个歧管的两个密封凸筋在内部形成型腔。这些两个之中的一个密封凸筋包括孔洞状的孔部(参照专利文献1的图5b)。由此，能够沿专利文献1的图5a和图5b所示的箭头的方向、也就是说从型腔外经由孔部向型腔内，然后从型腔内经由相反侧的孔部向型腔外进行介质的供给(参照文献1的段落[0054])。
[0009]
如专利文献1的图6b所示，另一个歧管用于使冷却水在相互接合的两片双极板之间的空隙流动而使用。另一个歧管被全凸筋形态的密封凸筋包围。该密封凸筋具有使冷却水流动的功能(参照文献1的段落[0055])。
[0010]
更详细地说，围绕上述另一个歧管的两个密封凸筋在内部形成型腔。这些两个之中的一个密封凸筋在面向歧管的位置包括孔洞状的孔部，经由隧道将邻接的密封凸筋彼此连结(参照专利文献1的图6b)。基于这样的结构，从歧管供给的冷却水经由孔部流入最初的
型腔，并从该型腔经由隧道供给至接下来的型腔(参照文献1的段落[0062])。


技术实现要素：

[0011]
发明所要解决的技术问题
[0012]
在层叠燃料电池单元制作燃料电池之际，有时会在设于双极板的密封凸筋产生泄压。该现象是因密封凸筋受到的压力局部不足而产生的现象，由于会成为反应介质、冷却水等介质泄漏的原因，所以需要确实地防止。
[0013]
本技术的发明人等在探寻产生于密封凸筋的泄压的原因时，作为一个要因，查明与隧道的有无有关。也就是说，如专利文献1的图5a和图6a所示，在歧管的周边的密封凸筋有不具有隧道的密封凸筋(参照专利文献1的图5a)和具有隧道的密封凸筋(参照专利文献1的图6a)。当比较这两种密封凸筋时，可知压缩时的反作用力特性因有无隧道而不同。
[0014]
更详细地说，具有隧道的密封凸筋与不具有隧道的密封凸筋相比，线压力变低，这带来线压力的下降。产生于密封凸筋的泄压被推测为可能是成为这样的线压力的下降的原因。
[0015]
本发明的课题在于避免在设于双极板的密封凸筋产生泄压。
[0016]
用于解决技术问题的方案
[0017]
本发明的燃料电池用密封垫包括：金属制的一对双极板，介设于多片反应电极部之间，与所述反应电极部一起紧固且相互接合；密封凸筋，设于至少一个所述双极板；和隧道，架设于邻接的所述密封凸筋之间而使内部相连，在将所述密封凸筋的高度设为h1、所述隧道的高度设为h2的情况下，将h1/h2设定为1.6以上。
[0018]
发明效果
[0019]
根据本发明，能够抑制产生于密封凸筋的线压力的下降，因此能够避免在设于双极板的密封凸筋产生泄压。
附图说明
[0020]
图1是示出一实施方式的双极板的一部分的立体图。
[0021]
图2是图1的俯视图。
[0022]
图3是图2中的a
‑
a线剖视图。
[0023]
图4是图2中的b
‑
b线剖视图。
[0024]
图5是示出凸筋高度相对于隧道高度的比例与产生于凸筋的线压力的关系的图表。
具体实施方式
[0025]
本实施方式涉及用于构成燃料电池的燃料电池单元的双极板所具有的燃料电池用密封垫。
[0026]
如图1所示，本实施方式的燃料电池用密封垫51由形成于双极板101的密封凸筋111形成。图1中，一个双极板101a是形成燃料电池单元的一对双极板中的一个，另一个双极板101b是形成与双极板101a邻接的燃料电池单元的一对双极板中的一个。这些双极板101a、101b相互接合，且均在作为全凸筋形态的密封凸筋111的面对面部分形成型腔112。图
1中，也将位于左侧的型腔称为型腔112a，将位于右侧的型腔称为型腔112b。密封凸筋111被构图地形成于双极板101a、101b。
[0027]
作为一例，密封凸筋111具有在顶部111t的两端相连有倾斜着的侧壁111s的形状。侧壁111s的倾斜是从双极板101的基部以钝角立起的形状的倾斜。如图1、图3～图4所示，顶部111t虽然乍一看起来为平坦的形状，但是实际上，形成为朝向上方稍微弯曲的弯曲面。关于顶部111t的弯曲面形状，可以适当设定弯曲的曲面的曲率。曲率越大越接近平坦面，若曲率变小则强调曲面形状。当然在实施之际，并不限定于这样的形状，也可以使密封凸筋111拥有各种形状。例如，允许成为五边形等多边形形状。
[0028]
如图1、图2所示，在两个密封凸筋111之间设有隧道121。在位于左侧的密封凸筋111与进一步位于左侧的、未图示的密封凸筋111之间也设有隧道121。隧道121连结于两个密封凸筋111的侧壁111s。
[0029]
作为一例，隧道121形成为剖面矩形形状。当然在实施之际，并不限定于这样的形状，例如可以使隧道121拥有剖面梯形形状、在一部分具有曲面的形状等各种形状。
[0030]
如图3所示，在不设有隧道121的部分(图2中的a
‑
a线剖面)，除了设有密封凸筋111的区域以外，两片双极板101a、101b完全面接触，且仅在型腔112的部分形成空间。因此，划分型腔112的空间相对于其他空间被密封。
[0031]
如图4所示，在设有隧道121的部分(图2中的b
‑
b线剖面)，设有隧道121的区域也不进行面接触，且型腔112彼此通过隧道121而进行相连。
[0032]
在这样构成的燃料电池用密封垫51中，在密封凸筋111的表面层叠有密封件131。
[0033]
此处，作为双极板101的材料，作为一例，可使用钢板板厚0.05～0.2mm且维氏硬度300以下的低刚性基材。例如，适合使用奥氏体类不锈钢(sus316l、310s、303l、304l、304)、铁素体类不锈钢(sus430)、镍和镍合金(ni
‑
cu合金、哈氏合金、铬镍铁合金)、钛和钛合金(α
‑
、β
‑
、α
‑
β)等。
[0034]
紧固堆叠多片燃料电池单元之际的堆叠紧固线压力例如平均线压力为0.5～10n/mm。因为若低于0.5n/mm则面压力不足而产生泄漏，相反若超过10n/mm则产生因压曲而引起的泄漏。
[0035]
作为密封件131的材料，例如可以使用硅、液态全氟硅弹性体(sifel)、epdm(乙烯
‑
丙烯
‑
二烯烃橡胶)、fkm(氟橡胶)、pib(聚异丁烯)。这样的密封件131例如为100μm以下的厚度，并通过丝网印刷形成于密封凸筋111的表面。
[0036]
在本实施方式中重要的是密封凸筋111的高度h1与隧道121的高度h2的比率。如图4所示，在本实施方式中，h1/h2设定为1.6以上。
[0037]
如上所述，密封凸筋111由于在顶部111t具有弯曲形状，所以顶部111t的高度尺寸不一致。此处所说的密封凸筋111的高度h1是指顶部111t中最高的部分的高度尺寸。
[0038]
隧道121为剖面矩形形状，所以其顶部为具有一致高度的平坦面。因此，隧道的高度h2是其顶部的高度。当然，如前所述，在实施之际，隧道121可具有各种形状。在隧道121的顶部为弯曲面形状的情况下，与密封凸筋111的高度h1一样，隧道121的高度h2也是指顶部中最高的部分的高度尺寸。
[0039]
在这样的结构中，在本实施方式中，关于密封凸筋111的高度h1与隧道121的高度h2的关系，h1/h2设定为1.6以上。由此，产生于密封凸筋111的线压力的下降被抑制，能够避
免在密封凸筋111产生泄压。
[0040]
实施例
[0041]
本技术的发明人为了抑制产生于密封凸筋111的线压力的下降而制成试验品，且一边改变密封凸筋111的高度h1与隧道121的高度h2的比率一边反复进行实验。
[0042]
作为试验品，作为双极板101的材料，使用了板厚0.1mm的sus304l。并将其冲压加工，制作出具有密封凸筋111和隧道121的双极板101。此时，密封凸筋111的高度h1与隧道121的高度h2能够通过冲压模具来进行调整。实验之际准备的是h1/h2的组合为六种值的试验品。具体而言，准备了h1/h2的值为1.4弱、1.45、1.5强、1.6、然后1.8弱的值的试验品。为便于说明，称为：
[0043]
·
试验品1：h1/h2＝1.4弱(稍小于1.4)
[0044]
·
试验品2：h1/h2＝1.45
[0045]
·
试验品3：h1/h2＝1.5强(稍大于1.5)
[0046]
·
试验品4：h1/h2＝1.6
[0047]
·
试验品5：h1/h2＝1.8弱(稍大于1.5)。
[0048]
另外，用作密封件131的是橡胶硬度50
°
的硅材料。将其以40μm的厚度进行丝网印刷，作成密封件131。关于密封件131，从试验品1到试验品5都是通用的。
[0049]
实验针对成为上述六种h1/h2的组合的试验品确认了利用自动绘图仪以规定负载压缩密封凸筋111时的密封凸筋111与隧道121的交叉部分的线压力。线压力的确认通过压敏纸进行。
[0050]
图5所示的图表示出上述实验的结果。从该图表显而易见，在试验品3与试验品4之间线压力急剧上升。也就是说，试验品1的线压力为1.5n/mm左右，试验品2的线压力为1.6强，试验品3的线压力为1.7弱左右，且从试验品1到3看不出线压力有大的不同。对此，在试验品4中，线压力上升至2n/mm强。也就是说，对于试验品3，可看到0.3n/mm以上的线压力的上升。
[0051]
根据上述实验结果可知期望试验品4和5。也就是说，是h1/h2为1.6和1.8弱的值的试验品。通过这样的验证，在本实施方式中，针对密封凸筋111的高度h1与隧道121的高度h2关系，将各部分设定为h1/h2为1.6以上的尺寸关系。由此，抑制产生于密封凸筋111的线压力的下降，从而能够避免在密封凸筋111产生泄压。
[0052]
在实施之际，除上述以外也允许各种改变、变形。例如，对于密封凸筋111而言，可以仅形成于双极板101a或101b的任一个，而不是如本实施方式那样在双极板101a、101b都形成。能够进行其他所有的变形、改变。
[0053]
附图标记说明
54.51 燃料电池用密封垫
[0055]
101 双极板
[0056]
101a 双极板
[0057]
101b 双极板
[0058]
111 密封凸筋
[0059]
112 型腔
[0060]
112a 型腔
[0061]
112b 型腔
[0062]
121 隧道
[0063]
131 密封件