JP2006024386A - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 設計値通りのガスケットの高さを実現し、シール性能の向上を図った燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】 ガスケットが一体成形される前の燃料電池用セパレータ２’に、ガスケットの成形時に金型が押し当てられる部分（領域Ｓ）に、金型によって圧縮される分だけ、金型が押し当てられない部分（領域Ｔ）よりも出っ張った凸部２２を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。

一般的に、燃料電池は、単電池（セル）を何層にも重ね合わせた燃料電池スタックとして用いられる。単電池は、水素イオンを透過する電解質膜と、この電解質膜を挟み込むように設けられる一対のセパレータとを備える構成である。また、燃料電池には、燃料ガスや冷却水をシールするためにガスケットが設けられている。そして、ガスケットの組み込みを容易にするために、このガスケットをセパレータに一体成形する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ガスケットをセパレータに一体成形する場合には、セパレータを金型内に組み込み、ガスケットの材料（例えば、エラストマー）を射出成形する。これにより、ガスケットが一体となったセパレータが製造される。

ここで、セパレータは、水素や酸素などの燃料ガスを遮断する機能を備え、かつ、導電性を備えなければならない。そこで、セパレータの材料としては、一般的に、主として炭素粉体に樹脂を混合したものが用いられる。そのため、セパレータの強度は一般的に低い。従って、用いる材料によっては、セパレータの強度がかなり低くなり、上記のようにガスケットを一体成形する際に、セパレータにおける金型の当接部分が圧縮してしまい、シール性能が低下してしまうという不具合が発生している。この点について、図６を参照して、更に詳しく説明する。図６は従来例に係るセパレータの一部模式的断面図である。

図中、１０１は燃料電池に備えられるセパレータであり、１０２はセパレータ１０１に一体成形されるガスケットである。なお、図示の例では、セパレータ１０１にガスケット１０２が配設される溝１０１ａが形成されている。ガスケット１０２をセパレータ１０１に一体成形する場合には、上述のように、まず、セパレータ１０１を金型内に組み込む。そして、金型によりセパレータ１０１の両面を挟み込んだ状態で、ガスケット１０２の材料を、溝１０１ａと金型との間でできた空間（キャビティ）内に流し込む（図中、Ｋはガスケット成形側の金型がセパレータ１０１から少し離れている状態での金型の表面を示している）。その後、流し込んだ材料が固まることにより、ガスケット１０２が一体成形されたセパレータ１０１が完成する。

このように、ガスケット１０２を一体成形する際に、セパレータ１０２の一部に金型が押し当てられる。図中、Ｓで示す領域は金型が押し当てられる領域であり、Ｔで示す領域は金型が押し当てられない領域である。そして、上述のように、セパレータ１０２の強度がかなり低い場合には、金型の挟み込みにより、セパレータ１０２の一部が圧縮してしまう。そのため、金型が押し当てられる領域Ｓの面が、金型が押し当てられない領域Ｔの面に対して凹んでしまう。このようにガスケット１０２の周囲の面（金型が押し当てられる領域Ｓの面）が、金型が押し当てられない領域Ｔの面に対して深さｘ分だけ凹んでしまうことにより、ガスケット１０２の実質的な高さは、ガスケット１０２の高さの設計値Ｈ（金型のキャビティ部の高さに等しい）よりもｘだけ低い、（Ｈ−ｘ）となってしまう。なお、一対のセパレータ間には上記の通り、電解質膜等が挟み込まれるため、ガスケット１０２の実質的な高さは、電解質膜等が当接する部分の面（すなわち、金型が押し当てられない領域Ｔの面）からの高さとなる。以上のように、ガスケット１０２の実質的な高さが、設計値よりも低くなってしまうことから、シール性が低下してしまうことがある。
特開２００１−１８５１７４号公報

本発明の目的の一つとして、設計値通りのガスケットの高さを実現することが挙げられる。

また、本発明の目的の一つとして、シール性能の向上を図ることが挙げられる。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の燃料電池用セパレータは、
ガスケットが一体成形される燃料電池用セパレータにおいて、
ガスケット成形時に金型が押し当てられる部分に、金型によって圧縮される分だけ、金型が押し当てられない部分よりも出っ張った凸部が設けられていることを特徴とする。

本発明の構成によれば、ガスケット成形時に、凸部が金型により押し当てられて圧縮し、金型が押し当てられる部分と金型が押し当てられない部分が同一平面となる。これにより、ガスケットが成形される部分を含む領域が、金型が押し当てられない部分の面よりも凹んでしまうことはない。従って、ガスケットの実質的な高さが設計値よりも低くなってしまうことはなく、安定したシール性能を得ることができる。

また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、
金型が押し当てられる部分に凸部が設けられた燃料電池用セパレータを金型内に組み込む工程と、
金型を前記凸部に押し当てた状態で、金型とセパレータとの間に形成されたキャビティ内にガスケットの材料を流し込む工程と、を含み、
セパレータにガスケットを一体成形すると共に、金型により前記凸部を圧縮して、セパレータにおける金型が押し当てられる部分の面と金型が押し当てられない部分の面を同一平面とすることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、設計値通りのガスケットの高さを実現することができ、シール性能の向上を図ることができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１〜図３を参照して、本発明の実施例１に係る燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。図１は本発明の実施例１に係るガスケット成形前の燃料電池用セパレータの一部模式的断面図である。図２は本発明の実施例１に係るガスケット成形後の燃料電池用セパレータの一部模式的断面図である。図３は本発明の実施例１に係る燃料電池（単電池）の一部模式的断面図である。

＜燃料電池全体の説明＞
図３を参照して、燃料電池について説明する。固体高分子形燃料電池は、水素と酸素（空気）の反応により水が生成される過程で電気を取り出す原理を用いて発電する電池である。このような燃料電池は、一般的に、図３に示す単電池（セル）１を何層にも重ね合わせて構成される燃料電池スタックとして用いられる。単電池１の発電力は、一般的に０．７Ｖ程度である。そして、この単電池１が複数積層された燃料電池スタックは、導電材料からなるセパレータ２を介して、複数の単電池１が直列に接続されるような構造となり、全体で大きな発電力が得られる。なお、単電池１を複数積層するといっても、必ずしも上下方向に重ねられた状態で使用されることを意味するものではなく、水平方向に並べられた状態で使用される場合もある。

単電池１の基本的な構成は、図３に示すように、一対のセパレータ２と、これらのセパレータ２間に設けられるＭＥＡ４と、単電池内部を密閉するガスケット３とを備える構成である。ＭＥＡ４は、電解質膜４１と、その両面側にそれぞれ設けられる多孔質触媒層４２とを備える構成である。そして、一対の多孔質触媒層４２のうちの一方がアノード電極（燃料極）として機能し、他方がカソード電極（空気極）として機能するように用いられる。すなわち、一対の多孔質触媒層４２間で、電解質膜４１によってイオンの交換が行われることにより発電する仕組みである。なお、アノード電極側には燃料（通常、水素）が供給され、カソード電極側には空気（酸素）と水が供給される。従って、これらが外部に漏れてしまわないように、上記の通り、ガスケット３によって密封領域が形成される。このガスケット３はセパレータ２に一体成形されており、セパレータ２と電解質膜４１との間をシールする。

＜セパレータの詳細説明＞
図１及び図２を参照して、セパレータについて更に詳細に説明する。なお、図１はガスケット３が一体成形される前のセパレータについて示しており、図２はガスケット３が一体成形された後のセパレータについて示している。

図１に示すように、ガスケット３の成形前のセパレータ２’は、ガスケット３が配設される溝２１と、溝２１に沿って設けられる凸部２２とを備える。ここで、図中、領域Ｓはガスケット３を一体成形する場合に不図示の金型が押し当てられる領域を示しており、領域Ｔは当該金型が押し当てられない領域を示している。上記の凸部２２は、金型が押し当てられる領域Ｓに設けられている。

ガスケット３をセパレータ２’に一体成形する場合には、セパレータ２’を金型内に組み込む。そして、金型によりセパレータ２’の両面を挟み込んだ状態で、ガスケット３の材料を、溝２１と金型との間でできた空間（キャビティ）内に流し込む（図２中、Ｋはガスケット成形側の金型がセパレータ２から少し離れている状態での金型の表面を示している）。その後、流し込んだ材料が固まることにより、ガスケット３が一体成形されたセパレータ２が完成する。

そして、本実施例においては、ガスケット３の成形前のセパレータ２’には、金型が押圧される部分に凸部２２が設けられていることから、ガスケット３の成形後のセパレータ２は、金型の押圧により凸部２２が圧縮されることで、図２に示すように、金型が押し当てられる領域Ｓの面と金型が押し当てられない領域Ｔの面が同一平面となる。

以上のように、本実施例においては、ガスケット３が一体成形されたセパレータ２は、金型が押し当てられる領域Ｓの面と金型が押し当てられない領域Ｔの面が同一平面となる。従って、ガスケット３の高さ（実質的な高さ、すなわち、ＭＥＡ４が当接する面を基準とする高さ）は、設計値通りの高さ（つまり、金型のキャビティ部の高さ）となる。従って、優れたシール性能が発揮される。

なお、上述したガスケット３の成形前のセパレータ２’における凸部２２の形状及び高さは、金型による圧縮後に、金型が押し当てられる領域Ｓの面と金型が押し当てられない領域Ｔの面が同一平面となるように設定される。従って、この凸部２２の形状及び高さは、セパレータの材料やガスケットの成形条件（温度や金型圧）に応じて、適宜、設定すればよい。例えば、セパレータの材料として一般的なものを用い、かつ、一般的な成形条件を採用した場合には、図１に示すように、凸部２２の形状を断面が略三角形となる形状とし、このときの高さαを、２０〜２００μｍ程度に設定することができる。

また、本実施例に係るセパレータの材料としては、軟質系の材料を好適に用いることができる。そのような材料の例として、膨張黒鉛を配合した樹脂カーボン混合材，各種導電性樹脂や熱可塑性樹脂をバインダーとする樹脂カーボン混合材を挙げることができる。また、その他にも、熱硬化性樹脂をバインダーとする樹脂カーボン混合材も用いることができる。ただし、焼成カーボンは、硬質で割れ易いため、本実施例に係るセパレータの材料としては好ましくない。

図４及び図５には、本発明の実施例２が示されている。上記実施例１では、セパレータにガスケットを配設するための溝を設ける場合の構成を示したが、本実施例では、セパレータにそのような溝を設けることなく、セパレータの平坦な面上に、ガスケットを配設する場合の構成を示す。その他の構成および作用については実施例１と同一なので、同一の構成部分については、その説明は省略する。

図４は本発明の実施例２に係るガスケット成形前の燃料電池用セパレータの一部模式的断面図である。図５は本発明の実施例２に係るガスケット成形後の燃料電池用セパレータの一部模式的断面図である。

図４に示すように、ガスケット３ａの成形前のセパレータ２ａ’には、ガスケット３ａが配設される領域（以下、ガスケット配設領域２１ａと称する）に沿って凸部２２ａが設けられている。ここで、図中、領域Ｓはガスケット３ａを一体成形する場合に不図示の金型が押し当てられる領域を示しており、領域Ｔは当該金型が押し当てられない領域を示している。上記の凸部２２ａは、金型が押し当てられる領域Ｓに設けられている。

ガスケット３ａをセパレータ２ａ’に一体成形する場合には、セパレータ２ａ’を金型内に組み込む。そして、金型によりセパレータ２ａ’の両面を挟み込んだ状態で、ガスケット３ａの材料を、セパレータ２ａ’のガスケット配設領域２１ａの面と金型との間でできた空間（キャビティ）内に流し込む（図５中、Ｋはガスケット成形側の金型がセパレータ２ａから少し離れている状態での金型の表面を示している）。その後、流し込んだ材料が固まることにより、ガスケット３ａが一体成形されたセパレータ２ａが完成する。

そして、本実施例においては、ガスケット３ａの成形前のセパレータ２ａ’には、金型が押圧される部分に凸部２２ａが設けられていることから、ガスケット３ａの成形後のセパレータ２ａは、金型の押圧により凸部２２ａが圧縮されることで、図５に示すように、金型が押し当てられる領域Ｓの面と金型が押し当てられない領域Ｔの面が同一平面となる。

以上のように、本実施例においても、上記実施例１と同様に、ガスケット３ａが一体成形されたセパレータ２ａは、金型が押し当てられる領域Ｓの面と金型が押し当てられない領域Ｔの面が同一平面となる。従って、ガスケット３ａの高さ（実質的な高さ、すなわち、ＭＥＡ４が当接する面を基準とする高さ）は、設計値通りの高さ（つまり、金型のキャ
ビティ部の高さ）となる。従って、優れたシール性能が発揮される。

なお、燃料電池全体の構成、凸部２２ａの形状や高さ、セパレータ２ａの材料については、上記実施例１で説明したものと同様であるので、その説明は省略する。

図１は本発明の実施例１に係るガスケット成形前の燃料電池用セパレータの一部模式的断面図である。 図２は本発明の実施例１に係るガスケット成形後の燃料電池用セパレータの一部模式的断面図である。 図３は本発明の実施例１に係る燃料電池（単電池）の一部模式的断面図である。 図４は本発明の実施例２に係るガスケット成形前の燃料電池用セパレータの一部模式的断面図である。 図５は本発明の実施例２に係るガスケット成形後の燃料電池用セパレータの一部模式的断面図である。 図６は従来例に係るセパレータの一部模式的断面図である。

符号の説明

１ 単電池
２，２ａ セパレータ（ガスケット成形後）
２’，２ａ’ セパレータ（ガスケット成形前）
２１ 溝
２１ａ ガスケット配設領域
２２，２２ａ 凸部
３，３ａ ガスケット
４ ＭＥＡ
４１ 電解質膜
４２ 多孔質触媒層
Ｓ 金型が押し当てられる領域
Ｔ 金型が押し当てられない領域

Claims (2)

1. ガスケットが一体成形される燃料電池用セパレータにおいて、
   ガスケット成形時に金型が押し当てられる部分に、金型によって圧縮される分だけ、金型が押し当てられない部分よりも出っ張った凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 金型が押し当てられる部分に凸部が設けられた燃料電池用セパレータを金型内に組み込む工程と、
   金型を前記凸部に押し当てた状態で、金型とセパレータとの間に形成されたキャビティ内にガスケットの材料を流し込む工程と、を含み、
   セパレータにガスケットを一体成形すると共に、金型により前記凸部を圧縮して、セパレータにおける金型が押し当てられる部分の面と金型が押し当てられない部分の面を同一平面とすることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。

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