JP2007005026A

JP2007005026A - 基板一体型ガスケット及びその製造方法

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Publication number: JP2007005026A
Application number: JP2005180966A
Authority: JP
Inventors: Shotaro Koga; 正太郎古賀; Yoshihiro Kurano; 慶宏蔵野
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】燃料電池のセパレータ等のような基板３に、接着剤によって一体に設けられた基板一体型ガスケットにおいて、ガスケット本体１と基板３の接着耐久性を向上させることによって、シール耐久性を向上させる。
【解決手段】基板３の表面に接着剤２０をガスケット本体１の底面１１ａの幅Ｗ_１より大きい幅Ｗ_２で塗布し、その塗布された接着剤２０に前記底面１１ａを圧着するか、ガスケット本体１の底面１１ａにおける幅方向両端角部に、予めアール面又は面取りを形成し、基板３の表面又はガスケット本体１の底面１１ａに接着剤２０を塗布してから、前記底面１１ａを接着剤２０を介して基板３側へ押し付けることにより、前記接着剤２０の一部２１を前記底面１１ａの両側へはみ出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルを構成するセパレータに一体に接着されたガスケット等、基板に接着剤によって一体に設けられた基板一体型ガスケット、及びこれを製造する方法に関するものである。

燃料電池は、高分子電解質膜（イオン交換膜）の両面に一対の触媒電極層を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）の厚さ方向両側を、セパレータで挟持した燃料電池セルを多数積層したスタック構造を有する。そして、酸化ガス（空気）が各セパレータの一方の面に形成された酸化ガス流路から一方の触媒電極層に供給され、燃料ガス（水素）が各セパレータの他方の面に形成された燃料ガス流路から他方の触媒電極層に供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって、電力を発生するものである。

この種の燃料電池においては、燃料ガスや酸化ガス、カソード面から排出される水や余剰空気をシールするための、ゴム状弾性材料からなるガスケットを有する。一般に、このガスケットは、例えば特許文献１に記載のように、セパレータの表面に一体に接着されており、膜電極複合体の表面に密接されるか、あるいはガスケット同士が密接されることによって、密封機能を奏するものである。
特開２００３−５６７０４号公報（図２〜図４）

近年、燃料電池スタックの超寿命化の要求が高まっており、そのためにガスケットの耐久性の向上が重要になって来ている。ガスケットの耐久性を阻害する要因のひとつとしては、セパレータからのガスケットの剥離が挙げられ、したがって、ガスケットの耐久性を向上させるためには、ガスケットとセパレータの接着耐久性を向上させることが重要である。しかしながら、従来の技術によるガスケットは、接着剤によるセパレータとの接着耐久性が十分ではなかった。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題とするところは、燃料電池のセパレータ等のような基板に、接着剤によってガスケット本体が一体に設けられた基板一体型ガスケットにおいて、ガスケット本体と基板の接着耐久性を向上させることによって、基板一体型ガスケットのシール耐久性を向上させることにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る基板一体型ガスケットは、基板に接着剤層を介してガスケット本体の底面が一体的に接着されており、前記基板の表面における前記接着剤層の幅が、前記底面の幅よりも大きいことを特徴とするものである。

本発明の発明者の研究によれば、燃料電池のセパレータ等のような基板に、接着剤を介して接着されたガスケット本体は、シールのためのつぶしを与えられ圧縮されたときに、ガスケット本体の底面から接着剤層に対して剪断応力が発生し、この剪断応力によって基板からの剥離が誘発されるものであり、また、剥離は殆どの場合、接着剤層と基板との界面で生じることがわかった。したがって、接着剤層の幅をガスケット本体の底面の幅より大きくすることによって、接着剤層と基板との界面をガスケット本体の底面の幅方向両端位置より外側へ延ばすことで、前記剪断応力の影響を小さくし、接着耐久性を向上させるものである。

請求項２の発明に係る基板一体型ガスケットの製造方法は、請求項１に係る基板一体型ガスケットを製造するため、基板の表面に接着剤をガスケット本体の底面の幅より大きい幅で塗布し、その塗布された接着剤に前記底面を圧着することを特徴とするものである。これによって、接着剤層の幅をガスケット本体の底面の幅より大きくした基板一体型ガスケットを得ることができる。

請求項３の発明に係る基板一体型ガスケットの製造方法は、請求項１に係る基板一体型ガスケットを製造するため、ガスケット本体の底面における幅方向両端角部に、予めアール面又は面取りを形成し、基板の表面又は前記ガスケット本体の底面に接着剤を塗布してから、前記底面を前記接着剤を介して前記基板側へ押し付けることにより、前記接着剤の一部を前記底面の両側へはみ出させ、接着剤層の幅をガスケット本体の底面の幅より大きくした基板一体型ガスケットを得るものである。そして、ガスケット本体の底面における幅方向両端角部にアール面又は面取りを形成しておくことによって、接着剤のはみ出し量を均一にして安定した接着状態となる。

請求項１の発明に係る基板一体型ガスケットによれば、接着剤層の幅をガスケット本体の底面の幅より大きくすることによって、接着剤層と基板との界面が、ガスケット本体の底面からの剪断応力を受ける位置より外側で密封対象流体に露出するので、ガスケット本体と基板との接着耐久性が向上し、その結果、シール寿命の向上を図ることができる。

請求項２の発明に係る基板一体型ガスケットの製造方法によれば、請求項１による効果に加え、接着剤を基板の表面に塗布することによって、ガスケット本体と基板との接着耐久性を一層向上することができる。

請求項３の発明に係る基板一体型ガスケットの製造方法によれば、請求項１による効果に加え、ガスケット本体の底面の両側への接着剤のはみ出し量が均一になるので、安定した接着状態が得られ、ガスケット本体の全周で接着耐久性を均一にすることができる。

以下、本発明に係る基板一体型ガスケットの好ましい形態として、燃料電池セルを構成するセパレータに一体に接着されたガスケットを、図面を参照しながら説明する。まず図１は、第一の形態を示す部分断面図である。

図１に示される基板一体型ガスケットは、ゴム状弾性材料からなるガスケット本体１を、接着剤層２を介して、燃料電池セルのセパレータ３の表面に、一体的に接着したものである。セパレータ３は、請求項１に記載された基板に相当するものであって、不図示の電極と高分子電解質膜とで構成される膜電極複合体（ＭＥＡ）を機械的に固定すると共に、積層方向に隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するものである。

ガスケット本体１は、ＶＭＱ（シリコーンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、あるいはＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等から選択されたゴム状弾性材料で成形されたものであって、扁平な基部１１と、この基部１１の幅方向中央部から断面山形をなすように隆起形成されたシールリップ部１２を有し、基部１１の平坦な底面１１ａが、接着剤層２を介してセパレータ３に接着されている。

セパレータ３には、ＭＥＡの電極部に反応ガスを供給し、あるいは反応により発生した水蒸気や余剰ガスを排出するためのガス流路（不図示）や、燃料電池の温度を一定に保つための冷却水を供給するための冷却水流路（不図示）が形成されている。そして、ガスケット本体１は、燃料電池セルの積層状態において、シールリップ部１２が不図示のＭＥＡに適当なつぶし代をもって密接し、あるいはシールリップ部１２同士が互いに適当なつぶし代をもって密接することによって、前記ガスや冷却水の漏れを防止するものである。

本発明の発明者らの研究によると、ガスケット本体１とセパレータ３との接着耐久性を向上させるには、セパレータ３の表面における接着剤層２の幅Ｗ_２を、ガスケット本体１における基部１１の底面１１ａの幅Ｗ_１よりも大きくすることが有効である。したがって、この形態においては、接着剤層２（接着剤２０の一部２１）が、前記基部１１の底面１１ａの幅方向両側へはみ出した状態（はみだし量ΔＷ＞０）としてある。すなわち、図示の形態による基板一体型ガスケットは、接着剤層２の幅Ｗ_２がガスケット本体１の底面１１ａの幅Ｗ_１よりも大きくなるように、セパレータ３に予め接着剤２０を塗布した後、その塗布された接着剤２０（接着剤層２）にガスケット本体１の底面１１ａを圧着することにより製作されたものである。

ここで図２は、接着剤層２による接着耐久性を確認するために、ガスケット本体１とセパレータ３を接着剤層２の幅を変えて接着した状態を示す部分断面図で、（Ａ）は、接着剤層２の幅を、ガスケット本体１における基部１１の底面１１ａの幅より小さくした接着状態を示しており、（Ｂ）は、接着剤層２の幅を、ガスケット本体１における基部１１の底面１１ａの幅と同等とした接着状態を示しており、（Ｃ）は、接着剤層２の幅を、ガスケット本体１における基部１１の底面１１ａの幅より大きくした接着状態を示している。

試験の結果、ガスケット本体１とセパレータ３との接着耐久性は、（Ａ）＜（Ｂ）＜（Ｃ）であった。これは、接着剤層２の幅をガスケット本体１の底面１１ａの幅より大きくすることによって、接着剤層２とセパレータ３との接着界面が、前記底面１１ａからの剪断応力を受ける領域の幅方向両端位置より外側で密封対象流体に露出するため、密封対象流体による剥離力に対する前記剪断応力の影響が小さくなるからであると考えられる。以下、上記試験について、詳しくは、以下のとおりであった。

比較例１：接着剤層２の幅がガスケット本体１の底面１１ａの幅よりも狭くなるように（ΔＷ＝−Ｗ_１/６）、セパレータ３に予め接着剤を塗布した後、その塗布された接着剤（接着剤層２）にガスケット本体１の底面１１ａを圧着することにより、図２（Ａ）のような基板一体型ガスケットを製作した。次に、ガスケット本体１を圧縮した状態で、この基板一体型ガスケットを摂氏80度の熱水に浸漬した。その結果、浸漬後120時間で剥離の発生が認められた。

比較例２：ガスケット本体１の底面１１ａに予め接着剤を塗布した後、その塗布された接着剤（接着剤層２）をセパレータ３に圧着することにより、接着剤層２の幅がガスケット本体１の底面１１ａの幅と同等になるようにし（ΔＷ＝０）、図２（Ｂ）のような基板一体型ガスケットを製作した。次に、ガスケット本体１を圧縮した状態で、この基板一体型ガスケットを摂氏80度の熱水に浸漬した。その結果、浸漬後120時間で剥離の発生が認められた。

比較例３：接着剤層２の幅がガスケット本体１の底面１１ａの幅と同等となるように（ΔＷ＝０）、セパレータ３に予め接着剤を塗布した後、その塗布された接着剤（接着剤層２）にガスケット本体１の底面１１ａを圧着することにより、図２（Ｂ）のような基板一体型ガスケットを製作した。次に、ガスケット本体１を圧縮した状態で、この基板一体型ガスケットを摂氏80度の熱水に浸漬した。その結果、浸漬後120時間では剥離が認められず、浸漬後240時間で剥離の発生が認められた。したがって、比較例２との比較から明らかなように、接着剤層２の幅が同じであれば、接着剤はセパレータ３に塗布したほうが、接着耐久性が良くなることがわかった。

実施例１：図２（Ｃ）における接着剤層２の幅がガスケット本体１の底面１１ａの幅Ｗ_１よりもＷ_１/４だけ大きくなるように（ΔＷ＝Ｗ_１/４）、セパレータ３に予め接着剤を塗布した後、その塗布された接着剤（接着剤層２）にガスケット本体１の底面１１ａを圧着することにより、図２（Ｃ）のような基板一体型ガスケットを製作した。次に、ガスケット本体１を圧縮した状態で、この基板一体型ガスケットを摂氏80度の熱水に浸漬した。その結果、浸漬後120時間でも、浸漬後240時間でも、剥離の発生が認められなかった。

実施例２：図２（Ｃ）における接着剤層２の幅がガスケット本体１の底面１１ａの幅Ｗ_１よりもＷ_１/２だけ大きくなるように（ΔＷ＝Ｗ_１/２）、セパレータ３に予め接着剤を塗布した後、その塗布された接着剤（接着剤層２）にガスケット本体１の底面１１ａを圧着することにより、図２（Ｃ）のような基板一体型ガスケットを製作した。次に、ガスケット本体１を圧縮した状態で、この基板一体型ガスケットを摂氏80度の熱水に浸漬した。その結果、浸漬後120時間及び240時間で、剥離の発生が認められなかった。

したがって、接着剤層２の幅をガスケット本体１の底面１１ａの幅Ｗ_１よりも大きくすることによって、比較例１〜３よりも接着耐久性が著しく向上することが確認された。なお、ΔＷ＞Ｗ_１/２としても、接着耐久性の向上効果は変わらないため、０＜ΔＷ≦Ｗ_１/２とすることが好ましい。

次に、図３は、本発明に係る基板一体型ガスケットの第二の形態を示す部分断面図、図４は、第二の形態において、ガスケット本体１がセパレータ３に対して微小な傾斜をもって接着された状態を示す部分断面図である。図３の形態において、ガスケット本体１は、基本的には図１と同様の断面形状を有するものであるが、基部１１の底面１１ａにおける幅方向両端角部に、アール面１１ｂ，１１ｂが形成されている点で、図１と相違している。

すなわち、この基板一体型ガスケットは、予めガスケット本体１が、基部１１の底面１１ａにおける幅方向両端角部がアール面１１ｂ，１１ｂをなすように成形されたものであって、ガスケット本体１の底面１１ａに所定量の接着剤２０を塗布してから、ガスケット本体１の底面１１ａを、前記接着剤２０を介してセパレータ３へ押し付けることにより、接着剤２０の一部２１を前記底面１１ａの両側へはみ出させ、これによって、接着剤層２の幅Ｗ_２をガスケット本体１の底面１１ａの幅Ｗ_１より大きくしたものである。

この形態のように、ガスケット本体１の底面１１ａにおける幅方向両端角部にアール面１１ｂ，１１ｂを形成しておくと、接着剤２０の塗布後にガスケット本体１の底面１１ａをセパレータ３へ圧着する過程で、図４のように、ガスケット本体１が微小傾斜したような場合、この傾斜によってセパレータ３との距離が相対的に狭まった端部でも、接着剤２０の一部２１のはみ出しが良好に行われるので、安定した接着状態が得られる。

次に、図５は、本発明に係る基板一体型ガスケットの第三の形態を示す部分断面図、図６は、第三の形態において、ガスケット本体１がセパレータ３に対して微小な傾斜をもって接着された状態を示す部分断面図である。この形態においても、ガスケット本体１は、基本的には図１と同様の断面形状を有するものであるが、基部１１の底面１１ａにおける幅方向両端角部に、面取り１１ｃ，１１ｃが形成されている点で、図１あるいは図３と相違している。

すなわち、この基板一体型ガスケットは、予めガスケット本体１が、基部１１の底面１１ａにおける幅方向両端角部に面取り１１ｃ，１１ｃを有するように成形されたものであって、図３のものと同様、ガスケット本体１の底面１１ａに所定量の接着剤２０を塗布してから、ガスケット本体１の底面１１ａを、前記接着剤２０を介してセパレータ３へ押し付けることにより、接着剤２０の一部２１を前記底面１１ａの両側へはみ出させ、これによって、接着剤層２の幅Ｗ_２をガスケット本体１の底面１１ａの幅Ｗ_１より大きくしたものである。

したがって、この形態も、ガスケット本体１の底面１１ａにおける幅方向両端角部に形成された面取り１１ｃ，１１ｃによって、接着剤２０の塗布後にガスケット本体１の底面１１ａをセパレータ３へ圧着する過程で、図６のようにガスケット本体１が微小傾斜したような場合、この傾斜によってセパレータ３との距離が相対的に狭まった端部でも、接着剤２０の一部２１のはみ出しが良好に行われるので、安定した接着状態が得られる。

ここで、図７は、底面１１ａにおける幅方向両端角部に図３のようなアール面１１ｂ又は図５のような面取り１１ｃのないガスケット本体１が、セパレータ３に対して微小な傾斜をもって接着された状態を示す部分断面図である。この例のように、ガスケット本体１の底面１１ａにおける幅方向両端角部が尖っていると、接着剤２０の塗布後にガスケット本体１の底面１１ａをセパレータ３へ圧着する過程で、ガスケット本体１が微小傾斜したような場合、この傾斜によってセパレータ３との距離が相対的に狭まった端部では、接着剤２０のはみ出しが良好に行われにくく、安定した接着状態が得られない。したがって、接着剤２０をはみ出させることによって、接着剤層２の幅Ｗ_２をガスケット本体１の底面１１ａの幅Ｗ_１より大きくするには、ガスケット本体１の底面１１ａにおける幅方向両端角部に、図３のようなアール面１１ｂ又は図５のような面取り１１ｃを形成することが有効である。

なお、図３あるいは図５の形態では、接着剤２０をガスケット本体１の底面１１ａに塗布すると説明したが、接着剤２０をセパレータ３に塗布してから、ガスケット本体１の底面１１ａを、前記接着剤２０を介してセパレータ３へ押し付けるようにしても良い。

本発明に係る基板一体型ガスケットの第一の形態を示す部分断面図である。接着剤層２の接着耐久性を確認するために、ガスケット本体１とセパレータ３を接着剤層２の幅を変えて接着した状態を示す部分断面図である。本発明に係る基板一体型ガスケットの第二の形態を示す部分断面図である。第二の形態において、ガスケット本体１がセパレータ３に対して微小な傾斜をもって接着された状態を示す部分断面図である。本発明に係る基板一体型ガスケットの第三の形態を示す部分断面図である。第三の形態において、ガスケット本体１がセパレータ３に対して微小な傾斜をもって接着された状態を示す部分断面図である。底面にアール面又は面取りのないガスケット本体１が、セパレータ３に対して微小な傾斜をもって接着された状態を示す部分断面図である。

符号の説明

１ガスケット本体
１１基部
１１ａ底面
１１ｂアール面
１１ｃ面取り
１２シールリップ部
２接着剤層
２０接着剤
２１接着剤の一部
３セパレータ（基板）

Claims

基板（３）に接着剤層（２）を介してガスケット本体（１）の底面（１１ａ）が一体的に接着されており、前記基板（３）の表面における前記接着剤層（２）の幅（Ｗ_２）が、前記底面（１１ａ）の幅（Ｗ_１）よりも大きいことを特徴とする基板一体型ガスケット。
請求項１に記載された基板一体型ガスケットを製造するため、基板（３）の表面に接着剤（２０）をガスケット本体（１）の底面（１１ａ）の幅（Ｗ_１）より大きい幅（Ｗ_２）で塗布し、その塗布された接着剤（２０）に前記底面（１１ａ）を圧着することを特徴とする基板一体型ガスケットの製造方法。
請求項１に記載された基板一体型ガスケットを製造するため、ガスケット本体（１）の底面（１１ａ）における幅方向両端角部に、予めアール面（１１ｂ）又は面取り（１１ｃ）を形成し、基板（３）の表面又は前記ガスケット本体（１）の底面（１１ａ）に接着剤（２０）を塗布してから、前記底面（１１ａ）を前記接着剤（２０）を介して前記基板（３）側へ押し付けることにより、前記接着剤（２０）の一部（２１）を前記底面（１１ａ）の両側へはみ出させることを特徴とする基板一体型ガスケットの製造方法。