JP2007080549A - 燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法及びその成型装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池用構成部材の一部材として構成される耐熱性の低いＰＥＭの損傷を防ぎ、且つ生産効率を向上させることができる燃料電池用構成部材Ａのガスケット一体成型方法及びその成型装置を提供する。
【解決手段】電解質膜８と、その両面に触媒担持層を介して積層一体とされたガス拡散層９、１０と、側辺部に形成された開口部１１とよりなる膜‐電極接合体２０の上記開口部１１の周縁部分及び外周縁部分にガスケット体１２、１３を一体架橋成型する燃料電池用構成部材Ａのガスケット一体成型方法であって、成型型２２は、ガスケット体形成部に対応するキャビティ２３と、燃料電池用構成部材Ａの発電機能部位に対応する断熱帯域とを備え、上記断熱帯域をして発電機能部位への成型熱の伝達が遮断されるようにして、上記キャビティ２３内に未架橋のガスケット材料を装填し且つ上記加熱手段により該ガスケット材料を加熱架橋成型することを特徴とする。
【選択図】図３
【解決手段】電解質膜８と、その両面に触媒担持層を介して積層一体とされたガス拡散層９、１０と、側辺部に形成された開口部１１とよりなる膜‐電極接合体２０の上記開口部１１の周縁部分及び外周縁部分にガスケット体１２、１３を一体架橋成型する燃料電池用構成部材Ａのガスケット一体成型方法であって、成型型２２は、ガスケット体形成部に対応するキャビティ２３と、燃料電池用構成部材Ａの発電機能部位に対応する断熱帯域とを備え、上記断熱帯域をして発電機能部位への成型熱の伝達が遮断されるようにして、上記キャビティ２３内に未架橋のガスケット材料を装填し且つ上記加熱手段により該ガスケット材料を加熱架橋成型することを特徴とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、燃料電池用の構成部材のガスケット一体成型方法及びその成型装置に係り、更に詳しくは、電解質膜と、その両面に電極を構成する触媒担持層を介して積層一体とされたガス拡散層と、側辺部に形成された開口部とよりなる燃料電池用構成部材の上記開口部の周縁部分及び外周縁部分に、加熱手段を備えた成型型によりガスケット体を一体架橋成型する燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法及びその成型装置に関する。
燃料電池本体（スタック）は、固体高分子形等のイオン交換膜からなる電解質膜（以下、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）という）と、その両面に炭素粉に白金系触媒が担持された電極（アノード、カソード）を介して積層一体とされる上記ガス拡散層（以下、ＧＤＬ（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）という）とで構成される膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）という）を２枚のセパレータに挟装して単位セルが構成され、この単位セルを多数重ね合わせ締結一体として構成されるものである。上記一方のセパレータとＧＤＬとの間には、水素ガスの流路が形成され、また他方のセパレータとＧＤＬとの間には、酸素ガス（空気）の流路が形成され、更に、隣接するセル同士のセパレータ間には冷媒（水、エチレングリコール等）の流路が形成される。水素ガスの流路が形成された側の電極がアノード（燃料極）となり、空気（酸素ガス）の流路が形成された側の電極がカソード（酸素極）となる。
上記スタックの側辺部分には、水素ガス、酸素ガス及び冷媒の供給用及び排出用の複数のマニホールドが貫設形成され、各マニホールドと、上記水素ガス流路、酸素ガス流路及び冷媒流路とが連通するよう構成される。上記ＭＥＡとセパレータ間及びセパレータ同士の間は、上記ガスや冷媒の外部への漏出を防止する為、各周辺部や上記ＭＥＡの側辺部に形成された開口部の周縁部分及び外周縁部分に配されたガスケットによりシールされ、当該ガスケットと上記ＭＥＡとは、接着剤により貼着一体とさせたり、加熱手段を備えた成型型によりゴム等のガスケット材が一体架橋成型される。
しかしながら、２枚のＧＤＬで挟装されて構成されるＰＥＭの耐熱温度は１３０℃程度であるため、架橋成型によりガスケットとＭＥＡとを一体とする場合には、ＰＥＭの損傷を防ぐため、架橋成型時の加熱温度を低く設定し長時間かけて成型を行わなければならないという問題があった。 ＭＥＡを構成するＧＤＬやＰＥＭは、厚さが薄いデリケートなフィルム体でなるもので、これらが損傷を受けると燃料電池としての発電機能が失われるため、取扱いには細心の注意が必要な部材である。しかしながら、上述のようにＰＥＭの損傷を防ぐために加熱温度を低く設定し、架橋成型に長時間を要することになると、生産効率が悪化し大量生産及び低コスト化を図ることができなくなってしまう。
通常、ゴム材でなるガスケットを鋼板等に加硫成型一体とする場合、加硫成型時の成型型の加熱温度は１５０〜２００℃に設定され、加熱温度を１０℃上昇すれば、加熱時間は約半分に短縮でき、加熱温度が１０℃下がると、加熱時間は約２倍に延びるとされている。よって、ＰＥＭのダメージを防ぐため、加熱温度を低くするとゴムが硬化するまでの時間が非常に長くなる。
すなわち加硫成型において、加熱温度が高いと短時間に加硫成型することができ、加熱温度が低いと加硫が長時間となってしまうといえ、生産効率を向上させ、大量生産及び低コスト化を図るには、加熱温度が非常に重要であるといえる。そこで、燃料電池用構成部材に用いられるガスケットをＭＥＡに一体成型する場合においても、加熱時間を１５０〜２００℃で成型することが望まれるところであった。
すなわち加硫成型において、加熱温度が高いと短時間に加硫成型することができ、加熱温度が低いと加硫が長時間となってしまうといえ、生産効率を向上させ、大量生産及び低コスト化を図るには、加熱温度が非常に重要であるといえる。そこで、燃料電池用構成部材に用いられるガスケットをＭＥＡに一体成型する場合においても、加熱時間を１５０〜２００℃で成型することが望まれるところであった。
そこで、上述のような耐熱温度の低い部材を架橋成型時の熱によって損傷を受けることなく、生産効率の向上を図ったものとして以下の特許文献がある。
下記特許文献１には、ゴムの加硫温度より低い熱変形温度のプラスチック成形物にゴムを加硫成形する際に、ゴムの加硫温度でプラスチックが変形しないよう、プラスチックの熱変形温度以下の温度に予熱した金型内に配置し、注入直前に加硫温度まで加熱したゴムを注入するものが開示されている。
下記特許文献１には、ゴムの加硫温度より低い熱変形温度のプラスチック成形物にゴムを加硫成形する際に、ゴムの加硫温度でプラスチックが変形しないよう、プラスチックの熱変形温度以下の温度に予熱した金型内に配置し、注入直前に加硫温度まで加熱したゴムを注入するものが開示されている。
次いで下記特許文献２には、耐熱温度が低い樹脂から成るインサート部品に、ゴムを加硫成形する際、インサート部品のインサート位置に型割り面を設定した型を用いてゴムを複数の分割品として成形し、次いで、この複数の分割品が未加硫のゴムのうちに、この分割品の間にインサート部品を挟み込んで、この分割品を一体のゴムとして成型する成型方法が開示されている。
また架橋成型する成型型に加熱及び冷却手段を設けたものとして、下記特許文献３には、型合わせしてキャビティを形成すべき成型型の加熱又は冷却用の流体回路を、成型製品型の背面を成型製品の形状に添って鋳ぐるまれるカーボンファイバー束を介し鋳出製造し、キャビティ内に注入される成型製品の溶融材料を成型製品型の背面から加熱又は冷却できるように配置構成した金型が開示されている。
特開平３‐４７７２１号公報
特開２００１−２１９４２８号公報
特開２００４−１７４６０６号公報
しかしながら、上記特許文献１では、金型内に設けられた細い注入路をゴムが通過する間、ゴムの温度が低下し、加硫が充分になされない恐れがあり、ましてやＭＥＡにガスケットを形成するものではない。
上記特許文献２では、ゴム分割品が未加硫とはいえ、加硫するに必要な熱を保有しているので、ゴムに接する部分のインサート部品は熱変形、溶融してしまう懸念がある上、インサート部品を挟み込むタイミングが難しいという問題もある。またここで開示されるものも、上記特許文献１と同様、ＭＥＡにガスケットを形成するものではない。
上記特許文献３では、主に金型へ注入される「溶融材料」を加熱又は冷却するために温度調節を可能としたものにすぎず、加硫成型時の加熱から耐熱温度の低い部材の損傷を防ぐという上記問題を解決するものではなかった。
上記特許文献２では、ゴム分割品が未加硫とはいえ、加硫するに必要な熱を保有しているので、ゴムに接する部分のインサート部品は熱変形、溶融してしまう懸念がある上、インサート部品を挟み込むタイミングが難しいという問題もある。またここで開示されるものも、上記特許文献１と同様、ＭＥＡにガスケットを形成するものではない。
上記特許文献３では、主に金型へ注入される「溶融材料」を加熱又は冷却するために温度調節を可能としたものにすぎず、加硫成型時の加熱から耐熱温度の低い部材の損傷を防ぐという上記問題を解決するものではなかった。
本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、燃料電池用構成部材の発電機能部位の一部材として構成される耐熱性の低いＰＥＭの損傷を防ぎ、且つ生産効率を向上させることができる燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法及びその成型装置を提供することを目的としている。
請求項１の発明に係る燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法は、電解質膜と、その両面に電極を構成する触媒担持層を介して積層一体とされたガス拡散層と、側辺部に形成された開口部とよりなる膜‐電極接合体の上記開口部の周縁部分及び外周縁部分に、加熱手段を備えた成型型によりガスケット体を一体架橋成型する燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法であって、上記成型型は、上記ガスケット体形成部に対応するキャビティと、燃料電池用構成部材の発電機能部位に対応する断熱帯域とを備え、上記断熱帯域をして発電機能部位への成型熱の伝達が遮断されるようにして、上記キャビティ内に未架橋のガスケット材料を装填し且つ上記加熱手段により該ガスケット材料を加熱架橋成型することを特徴とする。
ここで発電機能部位とは、ＭＥＡのうち、ガスケットが形成されない部位をいう。
ここで発電機能部位とは、ＭＥＡのうち、ガスケットが形成されない部位をいう。
請求項２では、請求項１に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、上記断熱帯域は、上記発電機能部位に対応して上記成型型に形成された凹部からなることを特徴とする。ここで凹部には空気を循環させて凹部内の温度上昇を抑制させるようにしてもよい。
請求項３では、請求項２に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、上記凹部の内壁面には断熱材が添設されていることを特徴とする。
請求項４では、請求項２又は３に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、上記凹部内には、冷却媒体流路を備え上記発電機能部位に接する冷却ブロックが配設されていることを特徴とする。
請求項５では、請求項３又は４に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、上記冷却ブロックは、上記断熱材と一体固着関係で配設されていることを特徴とする。
請求項６では、請求項２又は４に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、上記冷却ブロックは、上記凹部の内壁面にスプリングを介し空間部分が介在するよう支持され、このスプリングの弾性付勢によって上記発電機能部位に弾接されていることを特徴とする。
請求項３では、請求項２に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、上記凹部の内壁面には断熱材が添設されていることを特徴とする。
請求項４では、請求項２又は３に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、上記凹部内には、冷却媒体流路を備え上記発電機能部位に接する冷却ブロックが配設されていることを特徴とする。
請求項５では、請求項３又は４に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、上記冷却ブロックは、上記断熱材と一体固着関係で配設されていることを特徴とする。
請求項６では、請求項２又は４に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、上記冷却ブロックは、上記凹部の内壁面にスプリングを介し空間部分が介在するよう支持され、このスプリングの弾性付勢によって上記発電機能部位に弾接されていることを特徴とする。
請求項７の発明に係る燃料電池用構成部材のガスケット一体成型装置は、電解質膜と、その両面に電極を構成する触媒担持層を介して積層一体とされたガス拡散層と、側辺部に形成された開口部とよりなる膜‐電極接合体の上記開口部の周縁部分及び外周縁部分に、加熱手段を備えている成型型によりガスケット体を一体架橋成型する燃料電池用構成部材のガスケット一体成型装置であって、請求項１乃至６のいずれかに記載のガスケット一体成型方法によって、上記ガスケット体を一体架橋成型し得るようにしたことを特徴とする。
請求項１及び請求項７の発明に係る燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法及び成型装置によれば、燃料電池用構成部材の発電機能部位に対応する域に断熱帯域を備えた成型型によりガスケットを一体成型するので、ＭＥＡの発電機能部位への熱伝導が上記断熱帯域により遮断され、これによりＰＥＭの損傷（熱変形等）を防ぐことができ、ＭＥＡの発電機能に影響を与えることなくガスケットを一体成型することができる。またガスケット体形成部に対応するキャビティは、高温で加熱することができるので、成型硬化時間が短縮できる。よって生産効率を向上させることができ、大量生産及び低コスト化を図ることができる。
請求項２の発明のように、断熱帯域を成型型に凹部を形成して構成するようにすれば、発電機能部位と成型型との間に空間部が形成され、これが有効な断熱帯域として機能することになり、簡易な構成で断熱帯域を形成することができる。
請求項３の発明のように、上記凹部の内壁面に断熱材を添設すれば、簡易な構成でありながら、断熱効果をより一層向上させることができる。
請求項４の発明のように、上記凹部内に冷却媒体流路を備えた冷却ブロックを配設すれば、ＭＥＡの発電機能部位を冷却ブロックにより上下方向から押圧されることになるので、加熱手段による熱の発電機能部位への伝達が有効に遮断され、冷却によって熱変形も抑えられるため、成型圧によるＭＥＡの変形を抑えることができる。
請求項３の発明のように、上記凹部の内壁面に断熱材を添設すれば、簡易な構成でありながら、断熱効果をより一層向上させることができる。
請求項４の発明のように、上記凹部内に冷却媒体流路を備えた冷却ブロックを配設すれば、ＭＥＡの発電機能部位を冷却ブロックにより上下方向から押圧されることになるので、加熱手段による熱の発電機能部位への伝達が有効に遮断され、冷却によって熱変形も抑えられるため、成型圧によるＭＥＡの変形を抑えることができる。
請求項５の発明のように、冷却ブロックは断熱材と一体固着関係で配設させれば、断熱材により発電機能部位への熱伝導を遮断できると共に冷却ブロックの冷却作用が成型型に及ばず、成型型を適正な加熱温度に維持できる。また成型型内の温度が上昇しても、冷却ブロックにより発電機能部位の温度上昇を抑制することができる。さらに、冷却ブロックが配設されるので、ＭＥＡの発電機能部位を冷却ブロックにより上下方向から押圧され、成型圧によるＭＥＡの変形を抑えることができる。
請求項６の発明のように、冷却ブロックは上記凹部の内壁面にスプリングを介し、空間部分が介在するように支持され、このスプリングの弾性付勢によって発電機能部位に弾接させるようにすれば、空間部分で成型型からの熱伝導を遮断できると共に冷却ブロックの冷却作用が成型型に及ばず、成型型を適正な加熱温度に維持できる。また成型型内の温度が上昇しても、冷却ブロックにより発電機能部位の温度上昇を抑制することができる。さらに、冷却ブロックが配設されるので、ＭＥＡの発電機能部位を冷却ブロックにより上下方向から押圧され、成型圧によるＭＥＡの変形を抑えることができる。
請求項６の発明のように、冷却ブロックは上記凹部の内壁面にスプリングを介し、空間部分が介在するように支持され、このスプリングの弾性付勢によって発電機能部位に弾接させるようにすれば、空間部分で成型型からの熱伝導を遮断できると共に冷却ブロックの冷却作用が成型型に及ばず、成型型を適正な加熱温度に維持できる。また成型型内の温度が上昇しても、冷却ブロックにより発電機能部位の温度上昇を抑制することができる。さらに、冷却ブロックが配設されるので、ＭＥＡの発電機能部位を冷却ブロックにより上下方向から押圧され、成型圧によるＭＥＡの変形を抑えることができる。
以下に本発明の最良の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明のガスケット一体成型方法及びその成型装置によって得られた燃料電池用構成部材を用いて組み立てられた燃料電池の一例を示す概略的斜視図、図２は本発明のガスケット一体成型方法及びその成型装置によって得られた燃料電池用構成部材の斜視図、図３は本発明に係る燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法に採用される成型装置の縦断面図、図４は図３におけるＹ部の拡大図、図５乃至図７は図４の例の変形例を示す同様図、図８は別実施形態の図４と同様図、図９は図８の例の変形例を示す同様図である。
図１に示す燃料電池用構成部材Ａは、セパレータ１、２によって挟装されて１個の単位セルＣを構成し、この単位セルＣが多数重ね合わされて燃料電池本体（スタック）Ｓが形成される。このスタックＳの重ね合わせ方向両端には集電板３、４が配置され、この両端の集電板３、４と共に上記スタックＳがボルト・ナット（不図示）によって締結一体とされて燃料電池Ｂが構成される。そして、その長手方向（重ね合わせ方向）に沿ったマニホールドが複数貫設されている。このマニホールドは、図例では冷媒（水或いはエチレングリコール）の供給用マニホールド５、同排出用マニホールド５ａ、水素ガスの供給用マニホールド６、同排出用マニホールド６ａ及び酸素ガス（空気）の供給用マニホールド７、同排出用マニホールド７ａからなる。これら供給用マニホールド５、６、７から供給される冷媒、水素ガス及び酸素ガスは、各単位セルＣ毎に形成された流路（後記する）を経て排出用マニホールド５ａ、６ａ、７ａより排出される。
図１に示す燃料電池用構成部材Ａは、セパレータ１、２によって挟装されて１個の単位セルＣを構成し、この単位セルＣが多数重ね合わされて燃料電池本体（スタック）Ｓが形成される。このスタックＳの重ね合わせ方向両端には集電板３、４が配置され、この両端の集電板３、４と共に上記スタックＳがボルト・ナット（不図示）によって締結一体とされて燃料電池Ｂが構成される。そして、その長手方向（重ね合わせ方向）に沿ったマニホールドが複数貫設されている。このマニホールドは、図例では冷媒（水或いはエチレングリコール）の供給用マニホールド５、同排出用マニホールド５ａ、水素ガスの供給用マニホールド６、同排出用マニホールド６ａ及び酸素ガス（空気）の供給用マニホールド７、同排出用マニホールド７ａからなる。これら供給用マニホールド５、６、７から供給される冷媒、水素ガス及び酸素ガスは、各単位セルＣ毎に形成された流路（後記する）を経て排出用マニホールド５ａ、６ａ、７ａより排出される。
図１〜図９に示す燃料電池用構成部材Ａは、ＰＥＭ８及びその両面に電極を構成する触媒担持層を介して積層一体とされたＧＤＬ９、１０とからなるＭＥＡ２０の開口部１１の周縁部分及び外周縁部分に一体架橋成型されたガスケット１２、１３とよりなる。
ガスケット１２、１３は、シリコーンゴム、パーフルオロエラストマー、ブチルゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、ブタジエンゴム、ポリイソブチレン、フッ素ゴム、エチレン−プロピレンゴム等のゴム材でなり、加硫成形して、ＭＥＡ２０に位置するよう形成される。ガスケット１２、１３の山形部分１２ａ、１３ａは、前記締結時に、セパレータ１、２間で圧縮変形し、その復元弾力によって、セパレータ１、２との間でのシールが維持され、後記する流路或いはマニホールドを流れる冷媒、水素ガス及び酸素ガスの外部への漏出が防止される。
ガスケット１２、１３は、シリコーンゴム、パーフルオロエラストマー、ブチルゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、ブタジエンゴム、ポリイソブチレン、フッ素ゴム、エチレン−プロピレンゴム等のゴム材でなり、加硫成形して、ＭＥＡ２０に位置するよう形成される。ガスケット１２、１３の山形部分１２ａ、１３ａは、前記締結時に、セパレータ１、２間で圧縮変形し、その復元弾力によって、セパレータ１、２との間でのシールが維持され、後記する流路或いはマニホールドを流れる冷媒、水素ガス及び酸素ガスの外部への漏出が防止される。
ＧＤＬ９、１０は、炭素繊維又は金属繊維のシートからなり、そのＰＥＭ８に対面する側は白金系触媒が担持された触媒担持層（不図示）となし、この触媒担持層の内、酸素ガスが拡散される側の触媒担持層が酸素極（カソード）、水素ガスが拡散される側の触媒担持層が燃料極（アノード）とされている。ＰＥＭ８は、固体高分子形のイオン交換膜からなり、厚さが２５μｍ程度のものが採用されるが、これに限定されるものではない。
図３〜図５は上述のＭＥＡにガスケットを一体加硫成型する成型装置の一実施形態を示すものである。図例では、射出式の成型装置Ｄを示しているが加圧・加熱成型装置を除外するものではない。
成型装置Ｄはラム１８によって上下昇降する可動盤１７ｂと該可動盤１７ｂ上に設置される下金型（分割型）２２ｂと、該可動盤１７ｂの上方に支柱１７によって支持される固定盤１７ａと、該固定盤１７ａの下面に取り付けられる上金型（分割型）２２ａとよりなり、上金型２２ａの上方には上型ランナー２３を介して上熱盤２１ａを、また下金型２２ｂの下方には下熱盤２１ｂを備えている。また上熱盤２１ａと固定盤１７ａとの間及び下熱盤２１ｂと可動盤１７ｂとの間には断熱板１９が配されており、上金型２２ａの中央部分にはＭＥＡ２０に形成された開口部１１の周縁部分及び外周縁部分に一体成型されるガスケット１２、１３の形状に応じて形成されるキャビティ２３へと通じる未加硫ゴムの注入路１４が設けられる。加硫成型によりガスケット１２、１３となる該未加硫ゴムは、この注入路１４から注入口１４ａを通じてキャビティ２３内へ充填され、この注入口４ａは、未加硫ゴムがキャビティ２３内へと回り込み、いきわたるように適宜設けられるものである。よって、注入口１４ａの位置は図例のものに限定されない。その他、図示は省略するが、ラム１８の伸縮用駆動源、上熱盤２１ａ、下熱盤２１ｂの駆動手段等が周辺に配備される。ここで、上熱盤２１ａ、下熱盤２１ｂとしては埋め込み式のヒータ等の加熱手段が採用される。
成型装置Ｄはラム１８によって上下昇降する可動盤１７ｂと該可動盤１７ｂ上に設置される下金型（分割型）２２ｂと、該可動盤１７ｂの上方に支柱１７によって支持される固定盤１７ａと、該固定盤１７ａの下面に取り付けられる上金型（分割型）２２ａとよりなり、上金型２２ａの上方には上型ランナー２３を介して上熱盤２１ａを、また下金型２２ｂの下方には下熱盤２１ｂを備えている。また上熱盤２１ａと固定盤１７ａとの間及び下熱盤２１ｂと可動盤１７ｂとの間には断熱板１９が配されており、上金型２２ａの中央部分にはＭＥＡ２０に形成された開口部１１の周縁部分及び外周縁部分に一体成型されるガスケット１２、１３の形状に応じて形成されるキャビティ２３へと通じる未加硫ゴムの注入路１４が設けられる。加硫成型によりガスケット１２、１３となる該未加硫ゴムは、この注入路１４から注入口１４ａを通じてキャビティ２３内へ充填され、この注入口４ａは、未加硫ゴムがキャビティ２３内へと回り込み、いきわたるように適宜設けられるものである。よって、注入口１４ａの位置は図例のものに限定されない。その他、図示は省略するが、ラム１８の伸縮用駆動源、上熱盤２１ａ、下熱盤２１ｂの駆動手段等が周辺に配備される。ここで、上熱盤２１ａ、下熱盤２１ｂとしては埋め込み式のヒータ等の加熱手段が採用される。
上記下金型２２ｂと、上金型２２ａとにより成型型２２が構成され、両分割型２２ａ、２２ｂはラム１８の伸張に伴う可動盤１７ｂの上昇により合体し、両分割型２２ａ、２２ｂ間には図２に示すようなＭＥＡ２０及びＭＥＡ２０の開口部１１の形状に応じたガスケット１２、１３を一体成型するためのキャビティ２３が研削加工され形成される。
成型型２２は、上記キャビティ２３を備えるとともに、ＭＥＡ２０の発電機能部位に成型時の加熱によって損傷を与えないよう、上熱盤２１ａ及び下熱盤２１ｂからの熱の伝達を遮断すべく断熱帯域を備えており、この断熱帯域は、該発電機能部位に対応する上下金型２２ａ、２２ｂの合体面に形成された凹部１５からなる。図３、４は、断熱帯域である凹部１５の内壁面には、断熱材１５ａが添設されており、さらに凹部１５内には冷却ブロック１６が配設された例を示している。断熱材１５ａとしては、例えばＦＲＰ等のガラス繊維で強化され硬質の樹脂組成物断熱板等が用いられる。冷却ブロック１６は、ＭＥＡ２０の発電機能部位に接するように配設されるもので、加硫成型時には発電機能部位が冷却ブロック１６により上下方向から押圧され、ＭＥＡ２０全体を成型型２２で締めるようになるので、成型圧によるＭＥＡ２０の変形を抑えることができる。
成型型２２は、上記キャビティ２３を備えるとともに、ＭＥＡ２０の発電機能部位に成型時の加熱によって損傷を与えないよう、上熱盤２１ａ及び下熱盤２１ｂからの熱の伝達を遮断すべく断熱帯域を備えており、この断熱帯域は、該発電機能部位に対応する上下金型２２ａ、２２ｂの合体面に形成された凹部１５からなる。図３、４は、断熱帯域である凹部１５の内壁面には、断熱材１５ａが添設されており、さらに凹部１５内には冷却ブロック１６が配設された例を示している。断熱材１５ａとしては、例えばＦＲＰ等のガラス繊維で強化され硬質の樹脂組成物断熱板等が用いられる。冷却ブロック１６は、ＭＥＡ２０の発電機能部位に接するように配設されるもので、加硫成型時には発電機能部位が冷却ブロック１６により上下方向から押圧され、ＭＥＡ２０全体を成型型２２で締めるようになるので、成型圧によるＭＥＡ２０の変形を抑えることができる。
また図３、４に示すように、冷却ブロック１６のブロック内に、冷却媒体流路１６ａを設け、冷却媒体流路１６ａ内には低温油や水、或いは空気等の流体を循環させれば、より一層、ＭＥＡ２０の発電機能部位の損傷を抑えることができる。すなわち、上述の凹部１５は、発電機能部位への熱の伝達を遮断する役目を担い、冷却ブロック１６は発電機能部位を冷却することができるので、キャビティ２３から伝わってくる熱があっても、上記冷却ブロック１６により冷却することができると共に、冷却ブロック１６の冷却作用が成型型２２に及ばず、成型型を適正な加熱温度に維持できる。
加硫成型時の加熱による発電機能部位の損傷を防ぐための成型型２２の構造としては、図３、図４に示す例のように、冷却ブロック１６が凹部１５に添設されている断熱材１５ａと一体固着に配設されるものに限られず、図５のように、凹部１５の内壁面にスプリングＳを設け、空間部分１５ｂが介在するように該スプリングＳにより冷却ブロック１６を支持するものであってもよく、この場合は、スプリングＳの弾性付勢によって、発電機能部位に冷却ブロック１６が弾接されることとなる。この場合は、空間部分１５ｂが断熱層となり、熱の伝達はこの空間部分１５ｂで遮断されると共に、冷却ブロック１６の冷却作用が成型型２２に及ばず、成型型を適正な加熱温度に維持できる。
また、図３〜図５の例では、ガスケット１２、１３がＭＥＡ２０の片面側のみに形成したものを示しているが、これに限られず図６に示すようにＭＥＡ２０の両面に形成したものにも本願発明が適用可能であることは言うまでもない。この場合はＭＥＡ２０の両面に位置する箇所にキャビティ２３が形成される。
更に、図７に示すように、成型型２２のＭＥＡ２０の開口部１１とＭＥＡ２０の外周縁の間（端部のガスケット１２、１３間）に対応する域についても断熱帯域を備える構成とすることもできる。
これによれば、ＭＥＡ２０のより広い帯域に対して、熱による損傷を防ぐことができるので、発電機能部位として機能する帯域が広がり、燃料電池としての発電量の増加に寄与することができる。また上述のように、発電機能部位として機能する帯域が広がり発電量が増加するので、その増加分、ＭＥＡ２０のサイズの小型化が可能となる。
更に、図７に示すように、成型型２２のＭＥＡ２０の開口部１１とＭＥＡ２０の外周縁の間（端部のガスケット１２、１３間）に対応する域についても断熱帯域を備える構成とすることもできる。
これによれば、ＭＥＡ２０のより広い帯域に対して、熱による損傷を防ぐことができるので、発電機能部位として機能する帯域が広がり、燃料電池としての発電量の増加に寄与することができる。また上述のように、発電機能部位として機能する帯域が広がり発電量が増加するので、その増加分、ＭＥＡ２０のサイズの小型化が可能となる。
図８、図９は上述のＭＥＡにガスケットを一体加硫成型する成型装置の別の実施形態を示す。なお、実施例１と共通する部分には同一の符号を付し、その説明は割愛する。
本発明においては、実施例１のように冷却ブロック１６を配設させずに、図８に示すように、成型型２２に凹部１５を形成したものであってもよい。これによれば、簡易な構造であってもＭＥＡ２０の発電機能部位の熱による損傷を低減することができる。またその効果を挙げるために、空所部１５ｃには空気を循環させる構造とし、冷却するようにしてもよい。
更に、図９に示すように、凹部１５の内壁面に実施例１の場合と同様に断熱材１５ａを添設させる構造としてもよい。
なお、図８、図９の例では、ガスケット１２、１３がＭＥＡ２０の片面側のみに形成したものを示しているが、これに限られず実施例１の図６に示すように、ＭＥＡ２０の両面に形成したものにも本願発明が適用可能であることは言うまでもない。この場合はＭＥＡ２０の両面に位置する箇所にキャビティ２３が形成される。
また、実施例１の図７に示すように、ＭＥＡ２０の開口部１１とＭＥＡ２０の外周縁の間（端部のガスケット１２、１３間）に対応する域についても断熱帯域を備える構成とすることもできる点は実施例１の場合と同様である。
これによれば、ＭＥＡ２０のより広い帯域に対して、熱による損傷を防ぐことができるので、発電機能部位として機能する帯域が広がり、燃料電池としての発電量の増加に寄与することができる。また上述のように、発電機能部位として機能する帯域が広がり発電量が増加するので、その増加分、ＭＥＡ２０のサイズの小型化が可能となる。
本発明においては、実施例１のように冷却ブロック１６を配設させずに、図８に示すように、成型型２２に凹部１５を形成したものであってもよい。これによれば、簡易な構造であってもＭＥＡ２０の発電機能部位の熱による損傷を低減することができる。またその効果を挙げるために、空所部１５ｃには空気を循環させる構造とし、冷却するようにしてもよい。
更に、図９に示すように、凹部１５の内壁面に実施例１の場合と同様に断熱材１５ａを添設させる構造としてもよい。
なお、図８、図９の例では、ガスケット１２、１３がＭＥＡ２０の片面側のみに形成したものを示しているが、これに限られず実施例１の図６に示すように、ＭＥＡ２０の両面に形成したものにも本願発明が適用可能であることは言うまでもない。この場合はＭＥＡ２０の両面に位置する箇所にキャビティ２３が形成される。
また、実施例１の図７に示すように、ＭＥＡ２０の開口部１１とＭＥＡ２０の外周縁の間（端部のガスケット１２、１３間）に対応する域についても断熱帯域を備える構成とすることもできる点は実施例１の場合と同様である。
これによれば、ＭＥＡ２０のより広い帯域に対して、熱による損傷を防ぐことができるので、発電機能部位として機能する帯域が広がり、燃料電池としての発電量の増加に寄与することができる。また上述のように、発電機能部位として機能する帯域が広がり発電量が増加するので、その増加分、ＭＥＡ２０のサイズの小型化が可能となる。
尚、本発明の燃料電池用構成部材Ａが組込まれる燃料電池の全体形状、各マニホールド及びこれに対応する各マニホールド用透孔の形状、成型装置の構成等は図例のものに限定されないことは言うまでもない。またガスケット材としては、上述のゴムに限定されず、未架橋の軟質樹脂にも適用することができる。
８ 電解質膜（ＰＥＭ）
９ ガス拡散層（ＧＤＬ）
９ａ 触媒担持層（カソード）
１０ ガス拡散層（ＧＤＬ）
１０ａ 触媒担持層（アノード）
１１ 開口部
１２、１３ ガスケット体
１５ 凹部
１５ａ 断熱材
１５ｂ 空間部分
１６ 冷却ブロック
１６ａ 冷却媒体流路
２０ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
２２ 成型型
２３ キャビティ
Ａ 燃料電池用構成部材
Ｓ スプリング
９ ガス拡散層（ＧＤＬ）
９ａ 触媒担持層（カソード）
１０ ガス拡散層（ＧＤＬ）
１０ａ 触媒担持層（アノード）
１１ 開口部
１２、１３ ガスケット体
１５ 凹部
１５ａ 断熱材
１５ｂ 空間部分
１６ 冷却ブロック
１６ａ 冷却媒体流路
２０ 膜−電極接合体（ＭＥＡ）
２２ 成型型
２３ キャビティ
Ａ 燃料電池用構成部材
Ｓ スプリング
Claims (7)
- 電解質膜と、その両面に電極を構成する触媒担持層を介して積層一体とされたガス拡散層と、側辺部に形成された開口部とよりなる膜‐電極接合体の上記開口部の周縁部分及び外周縁部分に、加熱手段を備えた成型型によりガスケット体を一体架橋成型する燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法であって、
上記成型型は、上記ガスケット体形成部に対応するキャビティと、燃料電池用構成部材の発電機能部位に対応する断熱帯域とを備え、上記断熱帯域をして発電機能部位への成型熱の伝達が遮断されるようにして、上記キャビティ内に未架橋のガスケット材料を装填し且つ上記加熱手段により該ガスケット材料を加熱架橋成型することを特徴とする燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法。 - 請求項１に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、
上記断熱帯域は、上記発電機能部位に対応して上記成型型に形成された凹部からなることを特徴とする燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法。 - 請求項２に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、
上記凹部の内壁面には断熱材が添設されていることを特徴とする燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法。 - 請求項２又は３に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、
上記凹部内には、冷却媒体流路を備え上記発電機能部位に接する冷却ブロックが配設されていることを特徴とする燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法。 - 請求項３又は４に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、
上記冷却ブロックは、上記断熱材と一体固着関係で配設されていることを特徴とする燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法。 - 請求項２又は４に記載の燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法において、
上記冷却ブロックは、上記凹部の内壁面にスプリングを介し空間部分が介在するよう支持され、このスプリングの弾性付勢によって上記発電機能部位に弾接されていることを特徴とする燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法。 - 電解質膜と、その両面に電極を構成する触媒担持層を介して積層一体とされたガス拡散層と、側辺部に形成された開口部とよりなる膜‐電極接合体の上記開口部の周縁部分及び外周縁部分に、加熱手段を備えた成型型によりガスケット体を一体架橋成型する燃料電池用構成部材のガスケット一体成型装置であって、
請求項１乃至６のいずれかに記載のガスケット一体成型方法によって、上記ガスケット体を一体架橋成型し得るようにしたことを特徴とする燃料電池用構成部材のガスケット一体成型装置。
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