JP2005011796A - 燃料電池用ガスケット及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】異なる硬度を有する二種のゴムを一定の大きさの第1、第2のゴム粉末に粉砕する段階;粉砕したゴム粉末を液状ゴムと共に混合する段階;リジッドプレートの表面に一定の厚さでゴム粉末をスプレー方式により噴射する段階;コーティング処理されたリジッドプレートを加硫する段階;リジッドプレートを剪断する段階からなることを特徴とする。
【代表図】図1
Description
その中で、高分子電解質燃料電池(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)は、水素イオン交換特性を有する高分子膜を電解質として使用する燃料電池であって、固体高分子電解質燃料電池(SPEFC, Solid Polymer Electrolyte Fuel Cells)、水素イオン交換膜燃料電池(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells)などの様々な呼称がある。
特に、電解質として高分子膜を使用するため、腐食及び電解質調節が不要で、反応気体の圧力変化にもあまり敏感ではない。
また、デザインが簡単で製作が容易であり、さらに多様な範囲の出力を出すことができるため、高分子電解質燃料電池は、無公害車両の動力源、現地設置形発電、移動用電源、軍事用電源など、非常に多様な分野に応用することができる。、現在全世界の自動車業界で活発な研究が進行中である。
水素が陰極(anode)側に流れると、触媒層で水素が電子と水素イオン(Proton)とに分解する。陽極(cathode)では電子と酸素から酸素イオンが発生し、水素イオンが燃料電池の中心に位置した高分子電解質膜(membrane)を通じて移動すると、水素イオンと結合して水が生成する。
陰極で発生した電子は、電解質膜を通じて移動できずに外部回路を通じて陽極に移動する。このような過程を経て電気と水が生成する。
分離板(separator)100は、外部から供給する燃料ガス(水素、酸素)を電極へ効果的に導入するよう流路を形成し、発生した電子を外部電気回路に移動させる役割をする。
気体拡散膜(Gas Diffusion Media)102は、導入した燃料ガスが電極膜101に均一に分散するようにして、電気化学反応により生成した生成水を効果的に排出する役割をする。
電解質膜(Membrane;図示せず)は、水素イオンの移動媒体となり、燃料ガスがクロス‐オーバー(cross−over)されることを防止し、電気的にショートサーキット(short circuit)が発生することを防止する。
ガスケット104は、燃料電池セル(Cell)を外部から保護し、セル内部の燃料ガス及びその他の有害物質が外部に流出することを防止する。
高分子電解質燃料電池は、単位セル内で燃料ガスの電気化学的反応により電力を発生させる装置であり、外部環境と断絶して異物の流入を防止するとともに、燃料ガスの水素が外部に流出することを防止するために確実なシーリング(Sealing)が必要である。
また、燃料電池用ガスケット104は、分離板100と電極膜101との間のギャップを一定に保持し、分離板上に流入する燃料ガスが均一に分配されるようにして、反応生成物の除去を容易にし、特に、気体拡散膜102と分離板100との電気的接触を一定に保持し、電気化学反応により生成された電子の流れを円滑にする役割を有す。
さらに、優れた耐久性能で長期間ギャップを常に一定に保持し、燃料電池の性能低下を防止する必要がある。
固体形ガスケットは、フッ素及びシリコン系のゴムを圧縮成形した後、分離板上に接着して適用され、液状形ガスケットは、分離板上または電極膜上に塗布して硬化した後、燃料電池に適用される形態であって、固体形ガスケットに比べ、生産工程が簡便で原価節減の効果があって、その適用が拡大傾向にある。
従来の固体形ガスケットの場合は、金型に一定厚さのゴムガスケットを製作した後脱去して、燃料電池分離板に付着する方式を適用している。
しかし、このような方式は、金型によるゴム製品製作時、公差0.011mm以下の精度確保が難しいため、厚さ0.5mm以下のゴムガスケット製作時、板厚誤差の影響が大きくなって、均一なシーリング性を得ることが難しい。
従って、固体形ガスケットの場合、硬すぎるため、締結時ソフトな分離板の変形を招き、締結圧力を高く維持するため、燃料電池スタッキング(stacking)の際、締結器具が大きくなり、燃料電池の出力密度が減少する。
また、シーリング性を向上させるために多様な形態の構造がガスケットの接触部位に導入されているが、このような場合、上下板ガスケットの配列にずれが発生し、燃料電池セルを数十ないし数百枚積層する際、各セル毎にシーリング性の差が発生してしまい、信頼性のある性能を得ることが難しい。
液状形ガスケットとしては、FIPG(Formed−in−place−gasket)の形態がよく適用される。分離板上に直接塗布した後、締結工程が簡単で工程単純化及び生産性は優秀であるが、下板の分離板に塗布した後、硬化されていない状態で気体拡散膜、電極膜などを積層する方式であるため、積層時格別の注意が要求されると共に、セル間隙を一定に保持することが難しく、また単位電池の形態として硬化がなされるため、高温硬化時、イオン交換膜の性能を低下させる問題点がある。
コンテナを通じて移動されるリジッドプレートの表面に一定の厚さで前記ゴム粉末をスプレー方式により噴射する段階;ゴム粉末がコーティング処理されたリジッドプレートを加硫する段階;及びゴム粉末の加硫されたリジッドプレートを剪断する段階からなることを特徴とする。
リジッドプレート表面に、各々異なる硬度と直径を有する第1のゴム粉末及び第2のゴム粉末と液状ゴムの混合物とがコーティング処理及び加硫処理されている構造からなることを特徴とする。
常に一定なセル間隙を保持することにより、セル別性能の偏差が発生しないため、燃料電池の各セル毎に信頼性のある性能を確保することができる。
締結力の低減が可能であるため、締結器具の軽薄簡素化が可能である。
硬度の調節が容易であるため、燃料電池の構成部品の設計自由度も高い。
ソフトな材質が、スタック圧縮締結の時、フィルムのような形態に変形されて広がるため、分離板及びその他の圧縮対象部品の表面扁平度要求値を下げることができる。
廃ゴム類及び非金属類が適用可能であるため、産業廃棄部品を再活用することができて、多様な形態の材質が適用可能であるため、製品の生産単価を節減することができる。
連続製作工程が可能であるため、生産性が優秀で、製品別偏差がほとんど発生しない。
リジッドプレートがガスケットの形状を維持させるため、スタック締結時、作業性が優秀である。
リジッドプレートがスペーサーの役割をするため、使用期間に係わらず常にセル間隙を一定に保持することのできる、優れた耐久性能の確保が可能である。
本発明による燃料電池用ガスケットは、図1に示すように、リジッドプレート2上にゴムを適用させる、一種の混合形態のガスケット(Gasket)6であって、二種以上の各々異なる硬度を有するゴム粉末3、4を液状ゴム5と共にスプレー(spray)方式でリジッドプレート(Rigid Plate)2に噴射した後、硬化して燃料電池に適用する技術である。
このため、作業性が悪く、また過剰な接着剤が電気化学反応の副反応を起こすことが頻発して性能低下を引き起こす問題があった。
リジッドプレート2としては、ガラス転移温度(Tg, Glass transition Temperature)が120〜150℃で、溶融温度(Tm, Melting Temperature)が200〜250℃の繊維からなるファブリック系統またはプラスチックフィルムまたはメタルプレートが使用可能であって、リジッドプレート2の厚さは、0.2〜0.3mmが好ましい。
即ち、吐出性は、液状ゴム5の粘度により左右されるため、本発明では、粘度(cp、centipoises)が1,000,000〜3,000,000である液状ゴム5を使用した。
液状ゴム5の粘度が1,000,000cpより低い場合は、射出及び吐出性はよくなるが、物性が劣る問題点があり、液状ゴム5の粘度が3,000,000cpより高い場合は、物性はよくなるが、射出及び吐出性が低下する問題点がある。
液状ゴム5の加硫後の硬度がショア硬度A 45(HS)未満である場合は、ゴム粉末3、4の形状を維持することができず、ショア硬度A 50(HS)を超える場合は、硬すぎて強い締結力が必要となり、分離板7の撓みが発生するだけでなく、締結器具が重くなり、スタック重量及び嵩当りの電流、即ち、電流密度の低下を招くことになる。
液状ゴム5の塗布厚さが0.05mm未満の場合は、ゴム粉末3、4が外に脱去される問題が発生し、液状ゴム5の塗布厚さが0.1mmを超える場合は、ゴム粉末3、4によるシーリング性より液状ゴム5によるシーリングの影響が大きくなり、本発明の意図する締結力対シーリング性の最適化を計ることができない。
しかし、第1のゴム粉末3が軟らかすぎる場合は、分離板7に対する反発弾性が劣り、分離板7とガスケット6との間に漏出が発生する恐れがあるため、本発明では、硬い材質の第2のゴム粉末4をソフトな材質の第1のゴム粉末3と共に使用して、ガスケット6に要求される反発弾性が調節できるようにした。
ソフトな第1のゴム粉末3は、ショア硬度A 25〜50(HS)の低硬度材質で、その直径は0.15〜0.3mmとしてスタック圧縮締結時、変形し易いようにした。
特に、第1のゴム粉末3の材質としては、ガラス転移温度(Tg)が室温(RT, Room Temperature)以下であるエラストマー(Elastomer、天然ゴム/合成ゴム)が好ましい。
特に、本発明では、第1のゴム粉末3と第2のゴム粉末4との嵩比を6〜7:4〜3として、最適のシーリング性が得られるようにした。
また、前述の内容では、本発明が単に二種の異なる材質のゴム粉末3、4を利用するとしているが、本発明は、二種以上の異なる材質を粉末形態として適用することが可能である。
また、本発明に使用されるゴム粉末3、4は、廃棄処理されるゴム及びその他の非金属類を粉砕して使用することができるため、これにより製品の生産原価を大幅に減らすことができる。
前記のような工程からなる本発明は、連続工程でガスケット6を製作することができるため、従来の圧縮成形を利用した製造方法に比べ、製造時間を短縮することができ、生産性を向上することができる。
また、前記のような生産工程の速度は、8〜15m/分が好ましく、オーブン23としては、UHF(Ultra High Frequency)類型の加硫ゾーンを適用して、加硫の速度を生産工程の速度に合わせて調節できるようにした。
この際、UHF加硫ゾーンの寸法は、L=3〜5m、H=30〜60cm、W=20〜50cmが好ましい。
3 第1のゴム粉末
4 第2のゴム粉末
5 液状ゴム
6 ガスケット
7 分離板
20 混合器
21 スプレー装置
22 スプレーガン
23 オーブン
24 製断機
Claims (8)
- 各々異なる硬度を有する二種のゴムを一定の大きさの第1、第2のゴム粉末に粉砕する段階;
前記粉砕したゴム粉末を液状ゴムと共に混合する段階;
コンテナを通じて移動されるリジッドプレートの表面に一定の厚さで前記ゴム粉末をスプレー方式により噴射する段階;
ゴム粉末がコーティング処理されたリジッドプレートを加硫する段階;及び
ゴム粉末の加硫されたリジッドプレートを剪断する段階からなることを特徴とする燃料電池用ガスケットの製造方法。 - 前記第1のゴム粉末は、ショア硬度A 25〜50の材質で0.15〜0.3mmの直径を有し、第2のゴム粉末は、ショア硬度A 60〜80の材質で0.1〜0.15mmの直径を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用ガスケットの製造方法。
- 前記リジッドプレートは、ガラス転移温度Tgが120〜150℃であり、溶融温度Tmが200〜250℃である繊維からなるファブリック系統またはプラスチックフィルムまたはメタルプレートが0.2〜0.3mmの厚さで適用されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用ガスケットの製造方法。
- 前記第1のゴム粉末と第2のゴム粉末とは、6〜7:4〜3の嵩比で混合されることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用ガスケットの製造方法。
- 前記液状ゴムは、粘度1,000,000〜3,000,000cpの材質であって、前記リジッドプレートに0.05〜0.1mmの厚さで塗布されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用ガスケットの製造方法。
- 前記第2のゴム粉末は、ショア硬度D 30〜60HSの材質を有するプラスチック粉末であることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用ガスケットの製造方法。
- 燃料電池用ガスケットにおいて、
リジッドプレート表面に、各々異なる硬度と直径を有する第1のゴム粉末及び第2のゴム粉末と液状ゴムの混合物とがコーティング処理及び加硫処理されている構造からなることを特徴とする燃料電池用ガスケット。 - 前記第1のゴム粉末は、ショア硬度A 25〜50HSの材質で0.15〜0.3mmの直径を有し、第2のゴム粉末は、ショア硬度A 60〜80HSの材質で0.1〜0.15mmの直径を有することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池用ガスケット。
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