JP2007283677A - 樹脂積層体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部に立体的で複雑な流路を形成でき、積層面での気密性、接合強度、寸法精度および外観形状等に優れる樹脂積層体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】溝状の流路を有する樹脂板２〜４を積層してなり、溝状の流路３ｂ等を組み合わせて構成される管状の流路を有する樹脂積層体１であって、上記積層された樹脂板は、少なくとも各樹脂板の溝状の流路を囲む部位で超音波溶着等により溶着して相互に接合され、超音波溶着される接合部の断面は、一方が凸形状で、他方が凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ凸形状の凸部先端幅が凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状で嵌合されつつ該凸部の側面で超音波溶着されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体として液体および気体の搬送に用いる立体的で複雑な流路を有する樹脂積層体に関し、例えば、燃料電池本体に付属するエンドプレートや液クロ分析等に用いられるマイクロアレイ等の樹脂積層体およびその製造方法に関する。

板状体等の立体物内部に、液体や気体等の流体搬送のため流路を形成する場合、通常の切削加工では、可能な流路形状に限界があり貫通孔等しか形成することができない。このため、従来、溝等を有する複数の金属製プレートを積層して立体的な流路を形成するものがある。例えば、積層式の熱交換器として溝状の流路が形成された流路プレート等を複数枚積み重ね、一対のエンドプレート間に配した構成としたものがある（特許文献１参照）。

一方、燃料（還元剤）と酸素（酸化剤）とを外部から連続的に供給して電気エネルギーを取り出す燃料電池は、発電効率に優れ、化石燃料を用いることなく発電ができ、排出ガスも水のみであるため、地球環境に優しいエネルギー源として開発が進められている。燃料電池は使用する電解質の種類により、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型に分類される。この中で特に固体高分子型燃料電池が約 80 ℃程度の低温で作動し比較的大電流を放電でき、かつ小型軽量化が可能なことから家庭用や電気自動車等の電源として注目されている。

固体高分子型燃料電池は、高分子膜の両側にアノードおよびカソードを配した膜／電極接合体と、この接合体の両外側に複数枚のガス拡散層とを備えた電極構造体を有し、この両外側に燃料となる水素を供給するアノード側流路基板および酸素を供給するカソード側流路基板を配して単位セルを構成している。これら単位セル同士がセパレータを介して積層されてセルスタックを構成し、セルスタックを両側から加圧し固定するためにエンドプレートが用いられる。エンドプレートは高強度が要求されるため、通常は金属製のものが用いられているが、燃料電池の軽量化・小型化等の要求に対応するため、樹脂材料からなるエンドプレートも開発されている（特許文献２参照）。

また、エンドプレートにはセルスタックへ、水素ガス、酸素ガスまたは空気といった反応ガス等を供給・排出するための複雑な流路が形成されている。これらの流路を形成する方法としては、上述の熱交換器と同様に、溝状の流路が形成されたプレートを複数枚積層し、各プレート同士は接着剤等により接着することで、一体化された立体的な流路を有するエンドプレートを形成する方法等がある。

他方、生体分野において、ＤＮＡ等の生体物質の同定や検出には、生体物質が複数部分に点着され固定されたマイクロアレイが用いられる。このようなマイクロアレイには、一般に樹脂製等のマイクロアレイ用基板が用いられている。この基板には、生体物質等の注入口、流路、キャビティおよび吐出口が形成されており、この流路は非常に微細な流路（例えば、φ0.3mm程度）である。この流路等の形成方法としては、切削加工により形成する他、上述の熱交換器、エンドプレート等と同様に溝状の流路を有するプレートを複数枚積層して形成する方法等がある。

しかしながら、上記各分野において、流体搬送のための流路を複数枚の樹脂プレートを積層して形成する場合、複雑な成形型を用いて一体に形成する場合よりも製造コスト等を抑えることができるが、その積層面で十分な接合がなされていないと流体の漏れ、気密性低下等の問題が起こる可能性がある。また、積層面同士を接着剤により接合すると、流路を流れる流体に接着剤が混入するおそれがある。
また、積層体全体として十分な接合強度が得られていても、流路周囲の箇所で十分な接合がなされていないと上記流体の漏れ等の問題が起こりやすい。特に、燃料電池のエンドプレートでは、流路を通過する反応ガスのガス圧が高く、水素ガス等は分子量が小さいため、わずかな隙間からでも漏れやすいという問題がある。また、マイクロアレイでは接合隙間から、わずかでも物質が漏れたり、気泡等が混入すると正確な同定・検出を行なうことができないという問題がある。
特開２００２−３４０４８８号公報 特開２００１−２３６９８２号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、内部に立体的で複雑な流路を形成でき、積層面での気密性、接合強度、寸法精度および外観形状等に優れる樹脂積層体およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の樹脂積層体は、溝状の流路を有する樹脂板を複数枚積層してなり、上記溝状の流路を組み合わせて構成される管状の流路を有する樹脂積層体であって、上記積層された複数枚の樹脂板は、少なくとも各樹脂板の溝状の流路を囲む部位で溶着して相互に接合されることを特徴とする。

上記溶着は、超音波溶着であることを特徴とする。また、上記超音波溶着される接合部の断面は、一方が凸形状で、他方が上記凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ上記凸形状の凸部先端幅が上記凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状で嵌合されつつ該凸部の側面で超音波溶着されてなることを特徴とする。
また、上記凹形状の凹部内側面の少なくとも一方の側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有することを特徴とする。

上記樹脂積層体が、燃料電池用のエンドプレートであることを特徴とする。また、上記樹脂積層体が、マイクロアレイ用基板であることを特徴とする。

本発明の樹脂積層体の製造方法は、溝状の流路を有する樹脂板を複数枚積層し、各樹脂板を相互に接合する積層工程を備えてなる樹脂積層体の製造方法であって、上記積層工程は、少なくとも各樹脂板の溝状の流路を囲む部位で、各樹脂板同士を溶着により相互に接合して、上記溝状の流路を組み合わせて管状の流路を形成する工程であることを特徴とする。

本発明の樹脂積層体は、少なくとも各樹脂板の溝状の流路を囲む部位で溶着して相互に接合するので、該溝状の流路を組み合わせて積層体内部に構成される管状流路の気密性に優れる。また、接着剤等を使用せず、超音波溶着により接合するため、流路内へのコンタミ等がなく、寸法精度および外観形状にも優れる。

特に超音波溶着される接合部の断面が、一方が凸形状で、他方が上記凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ上記凸形状の凸部先端幅が上記凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状で嵌合されつつ該凸部の側面で超音波溶着されてなるので、バリが発生せず、多種の樹脂材料において溶着が可能であり、樹脂板が相互に強固に溶着され、樹脂積層体の接合強度、気密性等に優れる。

本発明の樹脂積層体の製造方法は、少なくとも各樹脂板の溝状の流路を囲む部位で溶着により相互に接合して、溝状の流路を組み合わせて積層体内部に管状の流路を形成するので、気密性に優れる複雑な管状流路を容易に形成でき、接合強度、寸法精度および外観形状等にも優れる樹脂積層体を製造することができる。

本発明の樹脂積層体は、溝状の流路を有する樹脂板を複数枚積層してなり、溝状の流路を組み合わせて構成される管状の流路を有する樹脂積層体である。樹脂積層体を構成する樹脂板の個数は、少なくとも２個であり、形成する流路形状等に応じて適宜積層数を決定する。
各樹脂板の溝状の流路は、相互に積層される任意の２つの樹脂板において、それぞれの積層面の溝状流路を組み合わせて所望の管状流路となるように形成する。溝状流路の形状としては、樹脂板表面に形成される、断面長方形や断面半円形等の凹形状、樹脂板を貫通する円孔形状等が挙げられる。
積層された複数枚の樹脂板は、少なくとも各樹脂板の溝状の流路を囲む部位で溶着して相互に接合されて樹脂積層体が形成される。また、樹脂板同士の接合強度をさらに必要とする場合には、流路周囲以外の部位も同時に溶着する。

積層面の溶着方法としては、超音波溶着、レーザー溶着、熱溶着、拡散溶着等の任意の樹脂溶着手段を用いることができる。接着剤等を使用せず、溶着により樹脂板同士を接合するので、積層体内部に構成される流体流路への接着剤の混入を防止できる。
上記樹脂溶着手段の中で、後述する接合形状と組み合わせることにより溶融バリの発生がなく、寸法精度および外観形状にも優れるとともに、多種の樹脂材料において溶着が可能であり樹脂板が相互に強固に溶着され樹脂積層体の接合強度、気密性等に優れることから、超音波溶着を用いることが好ましい。

本発明の樹脂積層体を構成する樹脂板の樹脂材料としては、溶着が可能な樹脂であれば任意の樹脂材料を使用でき、樹脂積層体の用途に応じて適宜決定できる。特に、本発明では接合部を後述する凹凸の嵌め合い形状とすることで、一般的な形状同士では超音波溶着による溶着が困難であるフッ素樹脂等も用いることができる。

樹脂材料としては例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、脂肪族ポリケトン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ナイロン樹脂、ポリエチレンテレフタラート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリカーボネート（以下、ＰＣと記す）樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンスルフィド（以下、ＰＰＳと記す）樹脂、ポリアリーレンスルフィド樹脂、ポリスルホン（以下、ＰＳＦと記す）樹脂、ポリエーテルスルホン（以下、ＰＥＳと記す）樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（以下、ＰＥＥＫと記す）樹脂、液晶ポリマー、熱可塑性ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等が挙げられる。

また、フッ素樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと記す）樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体樹脂、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体樹脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂等が挙げられる。

各樹脂材料は、相溶性があるものであれば２種以上の混合物として用いることができる。また、上記各樹脂材料は、本発明の目的を阻害しない範囲で各種強化材、添加剤等の充填材を含有させて用いることができる。
本発明の樹脂積層体を燃料電池用のエンドプレートとして利用する場合、耐薬品性、ガスバリア性および機械的強度等に優れることから、ＰＰＳ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＶＤＦ樹脂等を用いることが好ましい。
本発明の樹脂積層体をマイクロアレイ用基板として利用する場合、透明性等が要求されることから、ポリオレフィン樹脂、ＰＣ樹脂、ＰＳＦ樹脂、ＰＥＳ樹脂等を用いることが好ましい。

本発明の樹脂積層体の一実施例として燃料電池用のエンドプレートを図１に基づいて説明する。図１は、３個の樹脂板を超音波溶着により溶着・積層して反応ガスの流路が内部に形成された燃料電池用エンドプレートの分解斜視図である。
図１に示すように、燃料電池用エンドプレート１は、３個の樹脂板２〜４を積層して形成されている。樹脂板２の表面２ｃ側に、単位セル同士がセパレータを介して積層されたセルスタックが配置される。
樹脂板２〜４には、それぞれ溝状の流路が形成されており、これらの溝状の流路が組み合わされてエンドプレート１内部に管状流路が形成されている。具体的には次のような流路が形成される。樹脂板２の溝状流路２ａは、樹脂板３の溝状流路３ａと繋がり、該流路３ａは樹脂板３の側口３ｂと繋がっている（図中流路ａ）。また、樹脂板２の溝状流路２ｂは、樹脂板３の溝状流路３ｂと繋がり、該流路３ｂは樹脂板４の溝状流路４ａと繋がり、さらに該流路４ａは樹脂板４の側口４ｂと繋がっている（図中流路ｂ）。
以上のような管状流路を介して、エンドプレート１からセルスタック内に、またはセルスタック内からエンドプレート外側に、水素ガスや酸素ガス等の反応ガスが供給・排出される。

エンドプレート１を構成する各樹脂板同士の接合部を図２および図３に基づいて説明する。図２は図１におけるＡ部拡大図を、図３は図１におけるＢ−Ｂ線一部断面図をそれぞれ示す。
図２および図３に示すように、超音波溶着される接合部５の断面は、一方（樹脂板２側）が凸形状で、他方（樹脂板３側）が凸形状の凸部に嵌合できる凹形状であり、該凸部または凹部が溝状の流路の周囲に形成される。この凸部側面または凹部側面に超音波振動を与えながら加圧して、相互に圧入して溶着する。このように少なくとも流路を囲む部位（接合部５）で樹脂板同士を溶着することで、該溝状流路を組み合わせて構成された管状流路６の気密性に優れる。

樹脂板同士の接合部を図４により詳細に説明する。図４は図３におけるＣ部拡大断面図を示す。
図４の拡大図に示すように、接合部５の断面は、樹脂板２の接合部断面が凸形状２ｃで、樹脂板３の接合部断面が凹形状３ｃであり、相互に嵌合できる形状をしており、かつ凸部先端幅Ｄが凹形状の凹部底面幅ｄ₂よりも大きい形状である。
詳細には、樹脂板３の凹形状３ｃが、内側面３ｄおよび３ｅと、凹部底面３ｆとから構成され、内側面３ｄに凹部の上部内幅ｄ₁を狭くする方向の傾斜面３ｇを有している。傾斜面３ｇを有する凹形状３ｃに凸形状２ｃを嵌合して超音波振動を印加することにより、接触部における変形歪の発熱が傾斜面３ｇと凸形状２ｃの端面および側面２ｄとで発生し該部位で溶着される。
具体的工程としては、樹脂板２の凸形状２ｃと樹脂板３の凹形状３ｃとを嵌合させ、超音波振動を発生させながら加圧して、相互に圧入する。この工程により、凹形状の凹部側面で超音波溶着する。ここで超音波溶着条件は、樹脂材料、凹凸形状等によって異なるが、超音波振動ホーンの振幅は、凹凸形状の嵌合上下方向に 25〜50μm 、周波数は、15〜40 kHz で行なうのが溶着強度および気密度を高めるので好ましい。なお、相互に接合する樹脂板のどちらに凹形状または凸形状を設けるかは任意に決定できる。

傾斜面３ｇは、凹部の内幅ｄ₁が底面３ｆ方向に向かって狭くなる形状であり、内側面３ｄまたは内側面３ｅの片方、あるいは内側面３ｄおよび内側面３ｅの両側面にあってもよい。
接合体の外観形状を維持するため、凹形状３ｃの深さを凸形状２ｃの長さより、余剰溶融物が溢れでない程度深くすることが好ましい。また、凸部の嵌合を容易とするため、凹部上部入口にテーパーを設けることが好ましい。
凸形状２ｃの形状は、その先端幅Ｄを凹部の上部内幅ｄ₁よりも約0.05mm程度のクリアランスをもたせた形状とすることが好ましい。該形状とすることにより、溶着振動をかける前に嵌合先端部の凹凸を誘い込ませて樹脂板２と樹脂板３とを押えて変形などを矯正させることができる。その押えを保持しながら溶着振動をかけることによって、流路を囲む全周を均一に溶着することが可能となる。

以上のように、樹脂板同士は凸形状と凹形状との側面で超音波溶着されることになり、溶着面積が増大し超音波溶着部の溶着（接合）強度が向上する。この結果、樹脂積層体の気密性、耐圧強度等が向上する。また、凹凸の嵌合を利用するため、接合部周囲でのバリ発生等を防止でき寸法精度、外観形状にも優れる。よって、本発明の樹脂積層体は、優れた寸法精度、気密性、コンタミレス等が要求される燃料電池用エンドプレートや、マイクロアレイ用基板として好適に利用できる。

実施例
図１に示す形状の燃料電池用エンドプレート（寸法：210×100×60mm）を、ＰＰＳ樹脂製の樹脂板を３個積層し超音波溶着により接合して作製した。なお接合部断面は図４に示す形状とした。超音波溶着は、超音波溶着機としてＢＲＡＮＳＯＮ２０００シリーズを使用し、周波数 15 kHz、振幅 50 μm、溶着時間 1.0秒の条件下で行なった。
得られた積層体について、流路全てに蓋をして水中でガスを加圧（0.3MPa）充填し、ガスの漏れを確認する気密確認試験を行なった。試験の結果、水素ガスの漏れは認められなかった。

本発明の樹脂積層体は、内部に立体的で複雑な流路を形成でき、積層面での気密性、接合強度、寸法精度および外観形状等に優れるので、燃料電池用エンドプレートや、マイクロアレイ用基板として好適に利用できる。

本発明の一実施例に係る燃料電池用エンドプレートの分解斜視図である。 図１におけるＡ部拡大図である。 図１におけるＢ−Ｂ線一部断面図である。 図３におけるＣ部拡大断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池用エンドプレート
２〜４ 樹脂板
５ 接合部
６ 管状流路

Claims (7)

1. 溝状の流路を有する樹脂板を複数枚積層してなり、前記溝状の流路を組み合わせて構成される管状の流路を有する樹脂積層体であって、
   前記積層された複数枚の樹脂板は、少なくとも各樹脂板の溝状の流路を囲む部位で溶着して相互に接合されることを特徴とする樹脂積層体。
2. 前記溶着は、超音波溶着であることを特徴とする請求項１記載の樹脂積層体。
3. 前記超音波溶着される接合部の断面は、一方が凸形状で、他方が前記凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ前記凸形状の凸部先端幅が前記凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状で嵌合されつつ該凸部の側面で超音波溶着されてなることを特徴とする請求項２記載の樹脂積層体。
4. 前記凹形状の凹部内側面の少なくとも一方の側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有することを特徴とする請求項３記載の樹脂積層体。
5. 前記樹脂積層体が、燃料電池用のエンドプレートであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の樹脂積層体。
6. 前記樹脂積層体が、マイクロアレイ用基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の樹脂積層体。
7. 溝状の流路を有する樹脂板を複数枚積層し、各樹脂板を相互に接合する積層工程を備えてなる樹脂積層体の製造方法であって、
   前記積層工程は、少なくとも各樹脂板の溝状の流路を囲む部位で、各樹脂板同士を溶着により相互に接合して、前記溝状の流路を組み合わせて管状の流路を形成する工程であることを特徴とする樹脂積層体の製造方法。

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