JP2008181889A - 燃料電池用セパレータ一体型シール及びシール付き膜電極接合体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池用セパレータと、前記セパレータの少なくとも一方の端部の表裏に一体成形されたシールとから構成された燃料電池用セパレータ一体型シールであって、前記シールは、前記セパレータをインサートしてから一体成形し、前記シールは、前記セパレータの表裏で種類が異なり前記セパレータの表面または裏面を流れる空気、水素または冷媒に対して耐久性を少なくとも有するゴム材からなる。
【選択図】図1
Description
単セルは、図8(b)に示すように高分子電解質膜M、電極触媒層C,C、ガス拡散層D,D、セパレータSA,SH等により構成される。なお、高分子電解質膜Mの一面側に電極触媒層Cとガス拡散層D、他面側に電極触媒層Cとガス拡散層Dを設けた構造体を膜電極接合体MEAということもある。また、図8(b)の符号RSは、ゴムシール材である。
(1)燃料電池スタック100内で水素や空気をセルに供給する供給通路を確保する機能。
(2)燃料電池スタック100を冷却するための冷却液の供給通路を確保する機能。
(3)電流(電子)を集めて取り出す機能。
まず、セパレータの表裏面は、ガス(水素、酸素)流路に面する面であったり、あるいは冷媒通路に面する面であったりとそれぞれ環境が異なるため、求める耐久性が異なるにもかかわらず、同一の環境性しか提供していないという問題があった。
また、シールの荷重特性をそれぞれの環境に適するように変えたい場合であっても、形状の変更によるしか方法がない、という問題があった。
さらに、単一種類のゴム材では、高い絶縁性等特別な機能を部分的に付与させることもできないという問題があった。
本発明の別の課題は、絶縁不良の少ないシールを有する燃料電池用セパレータ一体型シールを提供することである。
本発明の更に別の課題は、それぞれの部位における環境に適するようなシールを有するシール付き膜電極接合体を提供することである。
燃料電池用セパレータと、前記セパレータの少なくとも一方の端部の表裏に一体成形されたシールとから構成された燃料電池用セパレータ一体型シールであって、前記シールは、前記セパレータをインサートしてから一体成形し、前記シールは、前記セパレータの表裏で種類が異なり前記セパレータの表面または裏面を流れる空気、水素または冷媒に対して耐久性を少なくとも有するゴム材からなることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2の発明において、前記シールは、前記セパレータの水素ガス通路側の面には水素に対して耐久性を少なくとも有するゴム材、前記セパレータの冷媒通路側の面には冷媒に対して耐久性を少なくとも有するゴム材からなることを特徴とするものである。
なお、請求項4にいうセパレータの表裏方向に対して垂直な孔とは、燃料電池用セパレータ一体型シールを一体成形する際に使用する型に設けられた支持部材に由来するものである。
請求項5に記載の発明は、請求項4の発明において、前記孔を絶縁材料により埋めたことを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、請求項6の発明において、前記膜電極接合体の空気通路側の面は空気に対して耐久性を少なくとも有するゴム材、前記膜電極接合体の水素通路側の面は水素に対して耐久性を少なくとも有するゴム材からなることを特徴とするものである。
請求項8に記載の発明は、請求項6又は請求項7の発明において、前記シールを、シールに金型から突出した少なくとも1個の支持部材を設け、前記セパレータと前記シールとを一体成形する際に、前記膜電極接合体を前記支持部材により保持して成形したことを特徴とするものである。
請求項9に記載の発明は、請求項8の発明において、前記シールに残存する前記支持部材の跡孔を絶縁材料により穴埋めしたことを特徴とするものである。
請求項2または請求項3に記載の発明によれば、セパレータの表裏それぞれの面には、それぞれの環境に適した酸素または水素に耐久性のあるゴム材、あるいは、冷媒に耐久性のあるゴム材からシールが形成されていることから、燃料電池用セパレータ一体型シールのシール部分の耐久性を全体として上げることができる。
請求項6から9に記載の発明によれば十分な絶縁機能を有する高精度の膜電極構造体を提供可能となる。
以下、本発明の第1実施形態を、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
参照する図面において、図1は、積層された単セルの断面図である。
1ユニットとなる単セル1は、高分子電解質膜、電極触媒層、ガス拡散層(図示せず)を有する膜電極接合体MEAを挟むように、燃料電池用セパレータ(燃料電池用セパレータ一体型シール)10,10を配置して構成される。
燃料電池用セパレータ10は、板状のセパレータSA(またはSH)と、セパレータSA(またはSH)の両端部の表裏に配置される一対のシール12A,12C(または12B,12C)とを一体成形して形成されるものである。
本発明に用いられる組成物とは、加硫することによりシール材を組成するための組成物であり、一般に、ゴム成分、加硫化剤、加硫促進剤から主として構成され、所望に応じて従来公知の各種添加剤を添加できる。
これらのゴム成分は、形成されるシールの性質に応じて適宜選択することができる。
具体的には、シール12Aには、酸素に耐久性のあるゴム成分として、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロピレンゴム、ハイパロン、二トリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、多硫化ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、エピクロルヒドリンゴム等が好適に用いられる。
また、シール12Bには、水素に耐久性のあるゴム成分として、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロピレンゴム、ハイパロン、アクリルゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム等が好適に用いられる。
シール12Cには、冷媒(水等)に耐久性のあるゴム成分として、二トリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、四フッ化エチレン樹脂等が好適に用いられる。
なお、電気絶縁性を持たせたい場合には、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、ハイパロン、多硫化ゴム、シリコーンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、フッ素ゴム等を適宜選択できる。
さらに、その他の成分として、着色剤、例えば、酸化チタン、弁柄、群青、カーボンブラック等を添加して、シール12A,12B,12Cを色分けしてもよい。
このような成分から構成される組成物は、一般には加温することにより、粘性のある流体となる。
図2は、第1実施形態における燃料電池用セパレータの製造工程について説明する図であって、(a)は、ゴム組成物を仮成形して仮成形シールとする図、(b)は、仮成形シール間にセパレータをインサートする図、(c)は、シールおよびセパレータを保持して仮成形シールを本加硫する図、(d)は、成形品の図である。
なお、ここで、「仮成形シール」とは、本発明に係る方法により加硫して所望の性能を有するシール材を意味する。また、「仮成形」とは、ゴム組成物からなるシールを所定の形状を保持できる状態であり、なおかつ、さらに硬化可能な状態で硬化(半硬化)させることができる状態をいう。
仮成形工程は、ゴム組成物12a,12a’を所定の形状を有する仮成形シール12b,12b’に成形することを目的とする工程であり、完全に加硫化させて最終シール12A,12Cを形成するものではない。
仮成形シール12b,12b’は、セパレータSAの表裏に形成するものであるため、表面に形成されるものと裏面に形成されるものを別個に成形するようにする。
選択されたゴム組成物12a,12a’における成分に応じて、ゴム組成物12a,12a’がそれぞれ所定の形状となる程度の条件で、従来公知のゴム成分の成形法、例えば、トランスファ成形により、ゴム組成物12a,12a’を仮成形シール12b,12b’に成形する。
例えば、ゴム組成物12aにおいて、選択されたゴム成分がエチレンプロピレンゴム(EPDM)であり、これをトランスファ成形により成形する場合、60〜170℃程度の温度で2分間程度成形を行う。このようにして、ゴム組成物12aは所定のゴム形状を有する仮成形シール12bとなる。
狭持工程では、仮成形工程において成形された表面用(または裏面用)仮成形シール12b上にセパレータSAを載置して、裏面用(または表面用)仮成形シール12b’を上から覆うようにセットする。
なお、次工程において、セパレータ上に形成するシールの位置ズレを防止する目的で、インサートする際に、仮成形シール12b,12b’またはセパレータSA、あるいは両者に従来公知の接着剤を塗布してもよい。
本加硫工程では、加硫型内で仮成形シール12b,12b’およびセパレータSAを保持しながら仮成形シール12b,12b’の本加硫を行う。
例えば、ゴム成分が、前記同様のエチレンプロピレンゴム(EPDM)であり、これをトランスファ成形により成形する場合、セパレータSAがインサートされた仮成形シール12bを加圧化(例えば、7.8〜14.7MPa)、150〜180℃程度の温度で加硫が終わるまで加硫する。このように本加硫することによって、所望の性質を有するシール12AをセパレータSAに形成することができる。
二次加硫工程は、必ずしも必要な工程ではなく、所望に応じて適宜行うことができる。
二次加硫工程を行う場合、前記した本加硫工程では所望の性質を有するシール12A,12Cとなるまで加硫を行わず、セパレータSAの表裏にシールが形成される程度(仮成形シール12b,12b’とシール12A,12Cの間くらい)に加硫を行う。次いで、二次加硫工程において、所望とする最終形状を有するシール12A,12CをセパレータSAの表裏に形成する(例えば、図2(d)に示す例においては、オーブン中、150〜180℃程度の温度で加硫が終わるまで加硫を行う。)。
なお、セパレータSHも同様の製造方法により製造できる。
セパレータSA,SHの表裏それぞれの面には、それぞれの環境に適した酸素または水素に耐久性のあるゴム材、あるいは、冷媒に耐久性のあるゴム材からシール12A,12B,12Cが形成されていることから、燃料電池用セパレータ一体型シールの耐久性を全体として上げることができる。
また、シール12A,12B,12Cをそれぞれ色分けすることにより、組付け時の位置決めを容易にすることができる。
さらに、部分的に異なる特性を有するシールを所望の場所に形成することができるため、圧縮荷重特性、絶縁性、耐環境性等、様々な特性を持たせることが可能になる。
なお、二次加硫工程を含むことにより、仮成形工程における時間を短縮でき、時間的に加硫型を有効活用でき、大量生産しやすくなる点で利点がある。
また、二次加硫工程を含むことにより、加硫を完全に行い、不純物を揮発させることができる。
さらに、例えば、本発明を電子製品の部品等、一般のシール付き金属板の製造にも適用することができる。なお、シールまたはセパレータの形状、厚み、高さ等は適宜変更可能であることはいうまでもない。
また、本発明の燃料電池用セパレータ一体型シールは、例えば図3に示す通り、セパレータとシールとを一体成形するのではなく、膜電極接合体とシールとを一体成形することもできる。
従って、第1実施形態は、シールと膜電極接合体から構成されたシール付き膜電極接合体にまで拡張できる。
以下、第1実施形態の変更実施形態であるシール付き膜電極接合体について、図3を参照しながら説明する。なお、本実施形態は、第1実施形態を一部変形したものであるので、同一の構成要素については同一の符号を付して、説明を省略する。
燃料電池用セパレータ10は、板状のセパレータ11と、セパレータ11の両端部の表裏に配置される一対のシール12A,12Bと、高分子電解質膜Mと対向する位置に配置されるシール12C,12D(または、12G,12H)とを一体成形して形成されるものである。
このように前記した第1実施形態と同様の方法で、高分子電解質膜Mにシールを一体成形することができる。
次に、本発明の第2実施形態を図4〜図7に基づいて説明する。図4は、第2実施形態における燃料電池用セパレータ一体型シールの製造工程について説明する図であって、図4(a)は、ゴム組成物を仮成形して仮成形シールとする図、図4(b)は、仮成形シール間にセパレータをインサートする図、図4(c)は、シールおよびセパレータを保持して仮成形シールを本加硫する図、図4(d)は、成形品の図である。図5は、図4に示す工程で得られたセパレータの一例を示す図であって、図5(a)及び(b)は燃料電池用セパレータ一体型シールの上面図であり、図5(c)は、図5(a)におけるA−A断面と図5(b)におけるB−B断面とを積層した際の燃料電池用セパレータ一体型シールを積層した際の断面図である。図6は、図4に示す工程で得られたセパレータの他の例を示す図であって、図6(a)及び(b)は燃料電池用セパレータ一体型シールの上面図であり、図6(c)は、図6(a)におけるC−C断面と図6(b)におけるD−D断面とを積層した際の燃料電池用セパレータ一体型シールを積層した際の断面図である。
このような形状の相違は、製造時において、成形する型(従って、製造方法)の相違によるものである。すなわち、図4(d)に示す通り、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ一体型シールは、ゴム組成物12に所定のピン孔P’を有している。
このように金型にピンPを設けるのは、一体成形の際に形成されるシールの位置決めを行い、シールによる絶縁被覆の精度を向上させる目的である。
支持部材として使用できる支持部材は、このような目的を達成されるものであり、なおかつ一体成形の際にセパレータに損傷を与えないものであれば特に限定されるものでない。例えば、直径0.2〜1.5mm程度の金属製のピン等を使用することができる。また、このピンPの高さは、一体成形時に圧力が加わった際にセパレータ11に強く当たらないような高さであることが好ましい。更に、ピンPの位置は、図4(a)〜(c)に示す通り、シールを構成するゴム成形物12を貫通してセパレータ11の表面に至る位置であってもよく、セパレータ11が存在しない位置(端部)であってもよい。なお、後記するようにシールを構成するゴム成形物12を貫通してセパレータ11表面に至る位置にピンPを配置した場合は、燃料電池用セパレータ一体型シールの積層方法によっては、ピン孔P’を絶縁材料で塞ぐ必要がなく、一方シールを貫通する場合においては、ピン孔P’を絶縁材料で塞ぐことが必須となるので、前者の位置にピンPを配置することが好ましい。
そのため、精度よく燃料電池用セパレータ一体型シールを成形することが可能となる。
このようにして製造した第2実施形態に係る燃料電池用セパレータ一体型シールは、図4(d)に示す通り、シール12がピンPに由来するピン孔P’を有する構成となる。
図5に示す実施形態は、図4で製造したシール12においてピンPに由来するピン孔P’を有する第2実施形態の燃料電池用セパレータ一体型シールは、積層する場合、図5(a)に示す第1のセパレータ、例えば空気側のセパレータSAと図5(b)に示す第2のセパレータ、例えば水素側セパレータSHとを交互に積層していく。これらのセパレータを積層した状態は、図5(c)に示す通りである。
この際に、ピン孔P’にシリコーン樹脂等の絶縁材料で絶縁処理を行い金属部分の絶縁性を確保する必要がある。
このような場合には、図5に示す場合と異なり、ピン孔P’にシリコーン樹脂等の絶縁材料で絶縁処理を行い金属部分の絶縁性を確保することは必須ではない。
また、セパレータ11とシール12と一体成形する代わりに、図5で示す通り、膜電極接合体MEAとシール12とを一体成形することも可能である。なお、このような膜電極接合体MEAとシール12とを一体成形することは、図3で説明したものと同様であるので詳細は省略する。
さらに、第2実施形態において絶縁材料で孔を塞ぐ構成としたが、例えば、セパレータを積層する際に、一方のセパレータの孔部分と他方のセパレータの孔部分に絶縁性の充填材料から構成されたピンを挿入して固定することも本発明の範囲内である。
また、前記実施形態で説明した下記の燃料電池用セパレータ一体型シールの製造方法及びシール付き膜電極接合体の製造方法も本発明の範囲内である。
(1) セパレータと、前記セパレータの少なくとも一方の端部の表裏にシールを有する燃料電池用セパレータ一体型シールの製造方法であって、
金型内で表面シールを構成するゴム組成物と裏面シールを構成する前記表面シールを構成するゴム組成物とは材質の異なるゴム組成物を仮成形して仮形成シールとする工程、
前記仮成形シールの所定位置にセパレータをインサートする工程、及び
前記仮成形シールを本加硫してシールとセパレータとを一体成形する工程
を含むことを特徴する燃料電池用セパレータ一体型シールの製造方法。
(2) セパレータと、前記膜セパレータの少なくとも一方の端部の表裏にシールを有する燃料電池用セパレータ一体型シールの製造方法であって、
シールを保持し位置決めするための少なくとも1個の支持部材を有する金型内でシールを構成するゴム組成物を仮成形して仮形成シールとする工程、
前記仮成形シールの所定位置にセパレータをインサートする工程、及び
前記仮成形シールを本加硫してシールとセパレータとを一体成形する工程
を含むことを燃料電池用セパレータ一体型シールの製造方法。
また、支持部材を工夫し例えば垂直方向にピストン運動を行うことが可能なピンを支持部材として使用し、仮成形時には支持部材として使用し、本加硫後には孔を設けないあるいは貫通させないような構成とすることも可能である。
10 燃料電池用セパレータ(燃料電池用セパレータ一体型シール)
SA,SH,S1,S2 セパレータ
12A,12B,12C シール
12a,12a’ ゴム組成物
12b,12b’ 仮成形シール
20 空気通路
21 水素ガス通路
22 冷媒通路
P ピン
P’ ピン孔
Claims (9)
- 燃料電池用セパレータと、前記セパレータの少なくとも一方の端部の表裏に一体成形されたシールとから構成された燃料電池用セパレータ一体型シールであって、
前記シールは、前記セパレータをインサートしてから一体成形し、
前記シールは、前記セパレータの表裏で種類が異なり前記セパレータの表面または裏面を流れる空気、水素または冷媒に対して耐久性を少なくとも有するゴム材からなることを特徴とする燃料電池用セパレータ一体型シール。 - 前記シールは、前記セパレータの空気通路側の面には空気に対して耐久性を少なくとも有するゴム材、前記セパレータの冷媒通路側の面には冷媒に対して耐久性を少なくとも有するゴム材からなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータ一体型シール。
- 前記シールは、前記セパレータの水素ガス通路側の面には水素に対して耐久性を少なくとも有するゴム材、前記セパレータの冷媒通路側の面には冷媒に対して耐久性を少なくとも有するゴム材からなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池用セパレータ一体型シール。
- 前記シールが、燃料電池用セパレータ一体型シールを一体成形する際に使用する型に設けられた前記セパレータに当接する支持部材に由来し、前記セパレータの表面または裏面に対して垂直な少なくとも1個の孔をシールにのみ有していることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータ一体型シール。
- 前記孔を絶縁材料により埋めたことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用セパレータ一体型シール。
- 燃料電池用セパレータに挟持され、固体高分子電解質膜の両面を一対の電極で挟んで構成されるシール付き膜電極接合体であって、
前記シールは、前記固体高分子電解質膜をインサートしてから成形し、
前記シールは、前記膜電極接合体の表裏で種類が異なり前記膜電極接合体の表面を流れる空気、水素または冷媒に対して少なくとも耐久性を有するゴム材からなることを特徴とするシール付き膜電極接合体。 - 前記膜電極接合体の空気通路側の面は空気に対して耐久性を少なくとも有するゴム材、前記膜電極接合体の水素通路側の面は水素に対して耐久性を少なくとも有するゴム材からなることを特徴とする請求項6に記載のシール付き膜電極接合体。
- 前記シールを、シールに金型から突出した少なくとも1個の支持部材を設け、前記セパレータと前記シールとを一体成形する際に、前記膜電極接合体を前記支持部材により保持して成形したことを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のシール付き膜電極接合体。
- 前記シールに残存する前記支持部材の跡孔を絶縁材料により穴埋めしたことを特徴とする請求項8に記載のシール付き膜電極接合体。
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