CN101573819B - 燃料电池用绝热元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

抑制隔板(板状构件)由于发电时的发热而变形或者密封功能下降。为了实现该目的，在由1块或2块以上的板状构件(20)与密封构件(13)形成绝热层的燃料电池(1)用的绝热元件(4)中，在由将绝热层与该元件(4)的外部密封的密封构件(13)形成的密封线的至少一部分上具有将外部与该绝热层连通的连通部(11)。优选在1块或2块以上的板状构件(20)中的至少一个上的连通部(11)的形成部位具有凸部。优选绝热层由绝热构件(10)形成，在连通部(11)配置有该绝热构件(10)。

Description

燃料电池用绝热元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及燃料电池用绝热元件及其制造方法。如果更详细叙述，则本发明涉及燃料电池用绝热元件的构造的改良。

背景技术

一般来说，燃料电池(例如高分子电解质型燃料电池)是通过层叠多个通过隔板夹持电解质的元件(单电池)而构成的，但这样将元件层叠而成的层叠体(电池组)的层叠方向端部由于与大气的热交换而使温度容易降低。因此，已知下述的结构(例如参照专利文献1)：例如设置具有由闭塞空间构成的空气层等的所谓绝热元件而形成绝热层，以抑制由于与大气的热交换而温度降低。

专利文献1：日本特开2002-184449号公报

发明内容

然而，由于发电时的发热的影响，存在燃料电池用绝热元件的闭塞部的气体膨胀，隔板变形、周边的密封部的密封功能下降这样的危险。

因此，本发明的目的在于提供一种抑制隔板(板状构件)由于发电时的发热而变形或者密封功能下降的燃料电池用绝热元件及其制造方法。

为了解决该课题，本发明者进行了各种研究。上述那样的燃料电池用绝热元件采用与其他的元件相同的元件构造，除代替其他的元件中的膜-电极组件而夹持了绝热性优异的导电板以外的部分，例如使用了密封构件的密封构造等与其他元件相同或者近似的情况较多。此时，形成在元件层叠体(电池组)的端部的闭塞的空气层，具有所谓能够抑制污垢(污染)的优点，但在如上所述具有密封功能下降的危险这一点上不利。本发明者着眼于这一点进而不断地进行研究，结果得到了与该课题的解决有关的新的发现。

本发明基于该发现，一种燃料电池用绝热元件，该燃料电池用绝热元件由1块或2块以上的板状构件与密封构件形成绝热层，其中：在由将绝热层与该元件的外部密封的密封构件形成的密封线的至少一部分上，具有将外部与该绝热层连通的连通部。

如果是例如不能进行包含绝热构件的区域与外部的换气的以往那样的构造，则由于运行中的热膨胀收缩，内部的压力变化。在这样的情况下，由密封线所封闭的区域内的气体膨胀或者收缩，由于这样的变化影响波及到板状构件(隔板)而对在绝热构件与板状构件之间的接触表面压力引起变化，绝热元件整体的阻力必定会变化。另外，如果力产生变化，则板状构件本身会变位或者变形而使对相邻元件的表面压力变得不均匀。如果发生这样的情况，则具有电池层叠体的发电性能下降的危险，也会有绝热元件的绝热性能因使用温度而变化的危险。与此相对，根据本发明所涉及的燃料电池用绝热元件，在绝热层中的气体(空气)由于发电时的发热的影响而膨胀的情况下，该气体能够通过连通部向外部逸出。因此，能够一边确保绝热层的绝热功能，一边抑制由于发热的影响而使板状构件周边的密封部的密封功能下降。

本发明所涉及的燃料电池用绝热元件，在板状构件中的至少一个板状构件上的连通部的形成部位具有凸部。这样设置在连通部的形成部位的凸部，能够起到使形成在密封线的至少一部分上的连通部的宽度均匀化，使作为换气孔的区域的大小变为恒定的这样的功能。另外，这样的凸部，例如如果被形成为与其他的板状构件接触，则在该绝热元件的制造时板状构件也成为抑制板状构件变形的止动部，能够对密封构件在难以流动的状态下充分地加压而使其接合，从而提高密封性能。

优选，凸部由划定连通部的至少2处突起构成。此时，凸部可以被形成为不与另一个板状构件的一部分接触的程度的高度，也可以被形成为与另一个板状构件的一部分接触的程度的高度。

另外，也优选，绝热层由绝热构件形成，在连通部配置有该绝热构件。例如在设为绝热构件的一部分由1块或2块以上的板状构件夹持的构造的情况下，该被夹持的绝热构件的一部分能够起到抑制隔板由于外力的影响而变形的功能。

进而，也可以仅在反应气体或者制冷剂的歧管的外周形成有密封线。如果从仅在必要最低限度的部位形成密封线这样的观点出发，也能够省略绝热构件的周围的密封线。

另外，本发明是由1块或2块以上板状构件与密封构件形成绝热层的燃料电池用绝热元件的制造方法，其中：预先在板状构件中的至少一个上设置朝向另一个板状构件突出的凸部；通过该凸部在密封构件的至少一部分上构成中断部分；由该中断部分，形成使外部与绝热层连通的连通部。在这样的情况下，能够在制造时可靠地形成能够使由于发电时的发热的影响而膨胀的绝热层中的气体(空气)向外部逸出的流通部(排气流道)。

附图说明

图1是表示本实施方式中的燃料电池的构造例的侧视图。

图2是将在图1中通过II表示的范围放大进行表示的剖视图。

图3是表示本发明中的绝热元件的概略结构的俯视图。

图4是以本发明的第1实施方式中的连通部为中心进行表示的侧视图。

图5是以本发明的第2实施方式中的连通部为中心进行表示的侧视图。

图6是以本发明的第3实施方式中的连通部为中心进行表示的侧视图。

图7是以本发明的第4实施方式中的连通部为中心进行表示的侧视图。

图8是表示本发明的第4实施方式中的连通部的另外的例子的侧视图。

图9是表示本发明的第4实施方式中的连通部的又一个另外的例子的侧视图。

图10是表示本发明的第4实施方式中的连通部的又一个另外的例子的侧视图。

图11是表示本发明的第5实施方式中的绝热元件的概略结构的俯视图。

具体实施方式

下面，基于附图说明本发明的优选的实施方式。

图1～图11表示本发明中的燃料电池用绝热元件的实施方式。本实施方式中的燃料电池1用的绝热元件4构成为，由例如2块隔板(板状构件)20与密封构件13形成绝热层，并在由将绝热层与该绝热元件4的外部密封的密封构件形成的密封线的至少一部分上具有连通部11，该连通部11将外部与该绝热层连通。

在下面将说明的实施方式中，首先，对于包含单电池2、绝热元件4的燃料电池1的整体结构进行说明，然后，对于具有连通部11的构造的本实施方式中的绝热元件4的结构进行说明。

图1、图2中表示本实施方式中的燃料电池1的概略结构。另外，这样的燃料电池1，不仅限于在例如燃料电池车辆(FCHV；Fuel Cell HybridVehicle)的车载发电系统中能够利用的燃料电池，也能够应用在搭载于各种移动体(例如船舶、飞机等)、机器人等这样的能够自行的物体中的发电系统以及固定设置的发电系统中。

燃料电池1构成为，包括将多个单电池(下面，也称作发电元件)2而成的电池层叠体3，在位于该电池层叠体3的两端的端部单电池2的层叠方向的外侧，还包括带输出端子5a的终端板5、绝缘体(绝缘板)6以及端板7。相对于电池层叠体3，通过以连接两端板7的方式架设的张力板8施加朝向层叠方向的预定的压缩力。进而，在电池层叠体3的一端侧的端板7与绝缘体6之间设有压板(press plate)9与弹簧机构9a，吸收作用于发电元件2的载荷的变动。

发电元件2包括：包括由离子交换膜构成的电解质膜以及从两面夹持该电解质膜的一对电极的膜-电极组件(MEA；Membrane ElectrodeAssembly)，和从外侧夹持该膜-电极组件的一对隔板20。隔板20，是例如以金属为基材的导通体，具有用于向各电极供给空气等氧化气体以及氢气等燃料气体的流体流道，起到切断向相互相邻的发电元件2供给的不同种流体的混合的作用。通过该结构，能够在发电元件2的膜-电极组件内发生电化学反应而得到电动势。另外，由于该电化学反应为发热反应，所以在隔板20上设有用于使燃料电池冷却用的制冷剂(例如冷却水)流动的流体流道。

进而，在该隔板20的例如两端，形成有用于使氧化气体、燃料气体、制冷剂分别向电池层叠方向流动的歧管(氧化气体歧管15、燃料气体歧管16、制冷剂歧管17)(参照图3)。在本实施方式的燃料电池1中，将各流体(氧化气体、燃料气体、制冷剂)从设置在位于该燃料电池1的一端的端板7的各流体供给用的配管(未图示)向入口侧的各歧管15～17供给，在设置在各单电池2的隔板20上的各流体流道中流动。进而，将各流体从出口侧的各歧管15～17向设置在位于该燃料电池1的另一端的端板7的各流体排出用的配管(未图示)排出。

绝热元件4由例如2片隔板20与密封构件13形成绝热层，起到抑制伴随着发电而产生的热量向大气等释放的效果。即，一般来说，电池层叠体3的端部容易通过与大气的热交换而使温度变低，所以通过在该电池层叠体3的端部形成绝热层而进行抑制热交换(散热)。作为这样的绝热层，例如具有结构如下的类型：在与发电单体2的隔板同样的一对隔板20间，代替膜-电极组件而夹持导电板等的绝热构件10。此时所使用的绝热构件10，绝热性越优异越优选，具体地说，例如使用导电性多孔片等。另外，通过用密封构件13将这样的绝热构件10的周围密封由此形成空气层。进而各流体的歧管15～17通过密封构件13将其周围密封而与绝热层区分开来。另外，在这里说明的是绝热元件4的一般的构造部分，对于本实施方式中的绝热元件4的特征构造后述。

顺便，对于密封构件13，能够使用通过与相邻的构件(例如隔板20)的物理性地紧密接触而密封流体的弹性体(密封垫)、通过与相邻的构件的化学接合而粘接的粘接剂等。例如，在本实施方式中，作为密封构件13采用通过弹性物理性地进行密封的构件，但也能够采用上述的粘接剂那样的通过化学接合而进行密封的构件作为替代。但是具体例并不特别限定于这样的构件，除此以外，当然也能够采用例如被称作密封剂(sealant)的密封构件，也能够使用凝胶状的密封构件、液状填充材料等。

终端板5是作为集电板起作用的构件，由例如铁、不锈钢、铜、铝等金属形成为板状。在终端板5中的绝热元件4侧的表面上，实施了电镀处理等表面处理，通过该表面处理确保其与绝热元件4的接触阻力。作为电镀，能够列举金、银、氧化铝、镍、锌、锡等，例如在本实施方式中考虑导电性、加工性以及低廉性而实施镀锡处理。

绝缘体6是起到使终端板5与端板7电绝缘的功能的构件。为了起到这样的功能，该绝缘体6由例如聚碳酸酯等树脂材料形成为板状。

端板7与终端板5同样，由各种金属(铁、不锈钢、铜、铝等)形成为板状。例如，在本实施方式中使用铜形成该端板7，但这只是一例，也能够由其他的金属形成。

接下来，对本实施方式中的绝热元件4的结构进行说明。如上所述，本发明所涉及的燃料电池用绝热元件4，在将绝热层与该绝热元件4的外部密封的密封线(由密封构件13构成或者构成的预定的框状的密封部分，或者设置有密封构件13而形成为线状的部分)的至少一部分上具有将外部与该绝热层连通的连通部11(参照图3)。在下面，对于这样的构造的绝热元件4，列举第1～第5实施方式进行说明(参照图4～图11)。

<第1实施方式>

本实施方式的绝热元件4，具有通过将密封构件13的至少一部分局部断开而形成的连通部11(参照图4)。这样的连通部11，能够通过将例如长度不足以沿着密封线一周的密封构件(填充物、密封垫等)13夹于相对的隔板20之间而形成(参照图3、图4)。或者也可以：在涂布粘接剂时预先形成了作为换气孔的间隙，在用例如2片隔板20夹持时形成连通部11。

包括这样的连通部11的绝热元件4，能够一边确保由绝热层所产生的绝热功能，一边更可靠地抑制由于热的影响而使密封构件13的密封功能下降。即，在本实施方式的绝热元件4中，由于发电时的发热所产生的影响使在绝热层中的气体(空气)膨胀了的情况下，该气体能够通过连通部11向外部选出，在燃料电池1的运行结束后，在绝热层中的气体(空气)伴随着温度下降而收缩的情况下，外部的空气也能够通过连通部11流入该绝热层中。即，如果如以往那样设为不能进行包含绝热层的区域与外部的换气的构造，由密封线包围(封闭)的区域内的气体由于热的影响而膨胀或者收缩，由于这样的变化波及到隔板20使得绝热构件10与隔板20之间的接触表面压力会产生变化，但根据本实施方式的绝热元件4，能够一边确保由绝热层所实现的绝热功能，一边抑制由于热以及压力变化的影响而使密封功能下降。

<第2实施方式>

本实施方式的绝热元件4，将在密封构件13的至少一部分上所形成的连通部11的宽度均匀化，将作为换气孔的区域的大小设为恒定。具体地说，在相对的隔板20的一侧的连通部11的形成部位，预先设有形成该连通部11的例如一对突起(凸部)21(参照图5)。此时，一对突起21，由于其起到堤坝那样的作用，遮挡密封构件13使其不会流动等而进入连通部(或者连通部形成部位)11，所以与密封构件13的量、长度、厚度以及成形时的温度、压力等这样的条件无关，能够形成宽度均匀的连通部11。

根据包括这样均匀化了的连通部11的绝热元件4，能够一边确保由绝热层所实现的绝热功能，一边更可靠地抑制由于热的影响而使密封构件13的密封功能下降。另外，在抑制连通部11的形状、功能等这样的每个产品的偏差等方面也优选。另外，相对的隔板20彼此不直接接触，所以还具有容易确保绝热元件4的绝热性的优点。

<第3实施方式>

本实施方式的绝热元件4，在相对的隔板20的一方侧的连通部11的形成部位预先设有突起(凸部)21，这一点与上述的实施方式相同，但将该突起21设为与相对的隔板20的表面接触的程度的高度(参照图6)。此时的突起21，由于消除了连通部11的周边的间隙而减小了密封构件13进入的余地，所以起到可靠地抑制密封构件13的流动的功能。而且，即使在该绝热元件4的制造时充分地施加将隔板20彼此夹在内的压力，突起21也作为止动部也抑制该隔板20变形，能够一边充分压缩绝热构件10一边使密封构件13在难以流动的状态下接合而提高密封性能。

根据包括这样均匀化了的连通部11的绝热元件4，能够一边确保绝热层的绝热功能，一边更可靠地抑制由于热的影响而使密封构件13的密封功能下降。另外，在抑制形状、功能等这样的精度因每个产品而存在偏差等方面也优选。

<第4实施方式>

本实施方式的绝热元件4，在相对的隔板20之间具备密封构件13之外的连通部结构构件22(参照图7～图11)。该连通部结构构件22在连通部11的形成部位具备与上述同样的突起(凸部)21。

优选，上述的连通部结构构件22至少由绝热性比隔板20优异的构件(例如树脂框架等)形成。本实施方式的绝热元件4，除连通部结构构件22本身的绝热性以外，由于将该连通部结构构件22夹在隔板20之间而使绝热层的厚度增加，所以能够发挥高的绝热功能。另外，连通部结构构件22也可以是覆盖密封线的整个面的板状构件，也可以是以至少与密封线重叠的方式形成的框状构件。

下面对具体的构造进行说明，如图7所示的绝热元件4，将在两个面上分别形成有一对突起21的连通部结构构件22夹在隔板20之间(参照图7)。另外，密封构件13被分别设置在连通部结构构件22的两个面上。各面的突起21起到堤坝那样的作用，遮挡密封构件13使其不会流动等而进入连通部(或者连通部形成部位)11，与密封构件13的量、长度、厚度以及成形时的温度、压力等这样的条件无关，能够形成宽度均匀的连通部11。而且将该绝热元件4形成为至少在2个部位具备连通部11的构造，所以也具有膨胀或者收缩时空气容易流动这样的优点。

另外，图8所示的绝热元件4，将仅在单面上形成有一对突起21的连通部结构构件22夹在隔板20之间(参照图8)。将密封构件13分别设置在连通部结构构件22的两个面上。形成在单面上的突起21起到堤坝那样的作用，遮挡密封构件13使其不会流动等而进入连通部(或者连通部形成部位)11，与密封构件13的量、长度、厚度以及成形时的温度、压力等这样的条件无关，能够形成宽度均匀的连通部11。此时，突起21的背面侧的密封构件13在中途没有断开地连续地形成(参照图8)。

图9所示的绝热元件4，将在双面分别形成有一对突起21的连通部结构构件22夹在隔板20之间，另外，各突起21以与相对的隔板20的表面接触而将绝热层的厚度设为恒定的方式来确定高度(参照图9)。此时的突起21，由于消除了连通部11的周边的间隙而减小了密封构件13进入的余地，所以起到可靠地抑制密封构件13的流动的功能，能够形成宽度均匀的连通部11。而且，即使在该绝热元件4的制造时充分地施加将隔板20彼此夹在内的压力，突起21也作为抑制该隔板20变形的止动部，能够一边充分地压缩绝热构件10一边将密封构件13在难以流动的状态下接合而提高密封性能。而且将该绝热元件4形成为至少在2个部位具备连通部11的构造，所以也具有在膨胀或者收缩时空气容易流动这样的优点。

图10所示的绝热元件4，将仅在单面上形成有一对突起21的连通部结构构件22夹在隔板20之间，另外，各突起21以与相对的隔板20的表面接触而将绝热层的厚度设为一定的方式来确定高度(参照图10)。此时的突起21，由于消除了连通部11的周边的间隙而减小了密封构件13进入的余地，所以起到可靠地抑制密封构件13的流动那样的功能，与密封构件13的量、长度、厚度以及成形时的温度、压力等这样的条件无关，能够形成宽度均匀的连通部11。此时，突起21的背面侧的密封构件13在中途没有断开地连续地形成(参照图10)。

另外，在上述的第4实施方式中，例示了在连通部结构构件22的单面或者双面上形成有突起21的构造的绝热元件4(参照图7～图11)，但也能够通过与此不同的构造实现同样的功能。即，虽然没有特别图示，但也可以代替例如在连通部结构构件22上形成突起21，而在一方或者双方的隔板20上形成同样的突起21。或者，也可以在连通部结构构件22与隔板20双方上形成突起21。

<第5实施方式>

在此前所说明了的各实施方式中，例示了通过将密封构件(密封线)13的至少一部分局部切断(中途切断)而形成了连通部11的构造的绝热元件4，但不仅限于形成这样具体化的形状的连通部11，也能够设为气体(空气)能够实质性地流通换气的构造。如果表示具体例子，在图11所示的本实施方式的绝热元件4中，密封构件13没有设置在绝热构件10的周围，而是设置在需要密封线的歧管15～17的周围。

这样，在绝热层外周的密封线被所谓废止的构造的绝热元件4中，绝热层(包含绝热构件10)没有被密封线封闭，所以气体(空气)能够通过绝热构件10的侧部在绝热层与其外部之间出入(参照图11)。换言之，在本实施方式的绝热元件4中，形成为沿着隔板2的侧部(没有设置歧管15～17的两侧部)形成连通部11、在该连通部11上配置绝热构件10的构造，能够一边确保绝热层的绝热功能，一边抑制由于热的影响使气体(空气)膨胀或者收缩而使隔板20变形。

另外，作为绝热构件10，除上述的由树脂框架构成的导电性绝热材料以外，也可以使用绝热薄膜，也可以使用由特氟隆(注册商标)材料构成的板状构件。或者，也可以使用具有微小的通气孔的导电性绝热材料。另外，优选，绝热构件10为与发电单体2的膜-电极组件同等程度的大小，也优选，为超过假想密封线的程度的宽度形状(参照图11)。另外，这样的绝热构件10也被设置在隔板20之间以起到抑制该隔板20的变形的作用。

上面，此前在各实施方式中所说明的燃料电池用绝热元件4，包括气体能够流通的连通部11，所以能够以热膨胀或者收缩的量使内部气体(空气)与大气进行换气，抑制内部的压力变化。因此，能够抑制由于发电时的发热从而绝热元件4的密封功能下降。另外，在由突起21将连通部11划定为恒定宽度或者恒定区域时，能够消除产品之间的偏差，使气体稳定地连通。顺便，也是当然，上述的绝热元件4也充分发挥抑制各发电单体2的反应热向电池层叠体3的外部逸出、改善燃料电池1的低温起动性等这样的本来的绝热功能。

另外，上述的实施方式是一个本发明的优选的实施例，但并不限定于次，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种变形而实施。例如，在本实施方式中作为凸部的具体例表示了在左右并列2个的形状的突起21，但这只是优选例，重要的是，只要设为能够在将密封构件(密封线)13的至少一部分切断的状态(中途断开的状态)下形成气体的连通部11的即可。因此，凸部的形状并不限定于上述的形状，另外，个数、设置部位也并不限定。如果列举一例，如果通过前端圆的突起形成凸部，在与相对的隔板(板状构件)20接触了的情况下，则能够一边发挥其作为止动部的功能，一边使热量难以从一方的隔板20向另一方的隔板20传递。

另外，例如在第1实施方式中例示了比密封构件(密封线)13小的绝热构件10(参照图3)，但作为其他例子，也可以使用与密封构件(密封线)13同等程度的大小的绝热构件10，以该绝热构件与连通部11重叠的方式配置。例如在设为绝热构件的一部分由2块板状构件(隔板)夹持的构造时，该被夹持的绝热构件的一部分能够起到抑制隔板由于外力的影响而变形的功能。

产业上的利用可能性

根据本发明，能够抑制绝热元件的隔板(板状构件)由于发电时的发热而变形、密封功能下降。

因此，本发明能够广泛地应用于有这样的要求的燃料电池用绝热元件及其制造方法中。

Claims (7)

1.一种燃料电池用绝热元件，该燃料电池用绝热元件由2块以上的板状构件与密封构件形成绝热层，其中：

在由将所述绝热层与该燃料电池用绝热元件的外部密封的所述密封构件形成的密封线的至少一部分上，具有将外部与该绝热层连通的连通部，

在所述板状构件中的至少一个板状构件上的所述连通部的形成部位具有凸部。

2.如权利要求1所述的燃料电池用绝热元件，其中：所述凸部由划定所述连通部的至少2处突起构成。

3.如权利要求2所述的燃料电池用绝热元件，其中：所述凸部形成为不与另一个所述板状构件的一部分接触的程度的高度。

4.如权利要求2所述的燃料电池用绝热元件，其中：所述凸部形成为与另一个所述板状构件的一部分接触的程度的高度。

5.如权利要求1所述的燃料电池用绝热元件，其中：所述绝热层还包括绝热构件，在所述连通部配置有该绝热构件。

6.一种燃料电池用绝热元件，该燃料电池用绝热元件包括2块以上的板状构件，在所述板状构件之间形成有绝热层，其中：

在形成于所述板状构件的反应气体或者制冷剂的歧管的外周形成有密封线，

沿着所述板状构件中的没有形成所述歧管的部分，形成将该燃料电池用绝热元件的外部与所述绝热层连通的连通部，

所述绝热层还包括绝热构件，在所述连通部配置有该绝热构件。

7.一种燃料电池用绝热元件的制造方法，是由2块以上板状构件与密封构件形成绝热层的燃料电池用绝热元件的制造方法，其中：

预先在所述板状构件中的至少一个上设置朝向另一个板状构件突出的凸部；

通过该凸部在所述密封构件的至少一部分上构成中断部分；由该中断部分，形成使外部与所述绝热层连通的连通部。

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