JP2008192592A - 燃料電池用シール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用シールにおけるシール面圧のばらつきやセパレータ等の破損を防止する。
【解決手段】 フィルム、シート又は板状のワーク１１０Ｗを金型にセットして、このワーク１１０Ｗに、ゴム状弾性材料からなるガスケット１２０及びこのガスケット１２０のベース１２１からワーク１１０Ｗの表面を覆うように延びるゴム状弾性材料からなる薄膜１３０を一体に成形し、ワーク１１０Ｗをガスケット１２０から所定幅の位置で薄膜１３０ごと所定の平面形状に打ち抜くことによって、燃料電池用シールを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックの各燃料電池セルに形成される流路をシールするための燃料電池用シールを製造する方法に関するものである。

燃料電池は、基本的には電解質膜の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極複合体）を含む発電体を、セパレータで挟持して燃料電池セルとし、更にこの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（酸素）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、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。

このため、各燃料電池セルには、燃料ガスや酸化ガス、上述の電気化学反応により生成された水や、余剰空気等の漏れを防止するための燃料電池用シールが設けられる。そしてこの種の燃料電池用シールとしては、例えばセパレータ間の発電体の外周部に取り付けられる合成樹脂フィルムからなる基枠に、両側のセパレータと密接されるガスケットを成形したものが知られている（例えば下記の特許文献参照）。
特許第３８２０８８３号

図８は、この種の燃料電池用シールを組み込んだ燃料電池セルの一部を示す断面図、図９は、従来の燃料電池用シールを示す平面図、図１０は、従来の燃料電池用シールの一部を示す斜視図、図１１は、従来の燃料電池用シールの製造方法を示す説明図である。

まず図８に示される燃料電池セルにおいて、参照符号２０は高分子電解質膜（プロトン膜）２１と、その両側に積層状態に設けた電極層又はガス拡散電極層２２からなるＭＥＡであり、このＭＥＡ２０の両側にそれぞれセパレータ３０が重ねられている。ＭＥＡ２０における高分子電解質膜２１の外周部は電極層又はガス拡散電極層２２の外周から張り出しており、その張り出し部分２１ａの両側にはそれぞれ燃料電池用シール１０が配置されている。言い換えれば、燃料電池用シール１０は、ＭＥＡ２０における高分子電解質膜２１と電極層又はガス拡散電極層２２との積層部分である発電領域の外周側に配置され、セパレータ３０，３０の外周部間で高分子電解質膜２１の張り出し部分２１ａと共に挟持されている。

燃料電池用シール１０は、図９に示されるような、ＭＥＡの発電領域と対応する窓部１１ａと、燃料電池の各マニホールドと対応する複数の通路孔１１ｂが開設された合成樹脂フィルムからなる基枠１１の表面に、図８及び図１０に示されるように、ゴム状弾性材料からなるガスケット１２を一体に成形したものであり、このガスケット１２が、セパレータ３０に形成されたシール用溝３１の底面に密接されるようになっている。

そしてこの燃料電池用シール１０は、合成樹脂フィルムからなる基枠１１を、不図示の金型内に位置決め固定し、この基枠１１と金型の内面との間に画成された、図１１に破線で示されるガスケット成形用キャビティ４０内に、液状の成形用ゴム材料を充填して架橋硬化させるといった方法で製造することができる。

この場合、成形用キャビティ４０は細長い迷路のように延びるものであるため、その複数箇所に開設されたゲート４１から、液状の成形用ゴム材料が充填されるようになっており、各ゲート４１から矢印で示される成形用ゴム材料の流れが合流する位置には、残存エアや揮発ガスの混入による成形不良を防止するためのエアベント部４２が形成されている。したがって、図８、図９及び図１０に示されるように、このような方法で製造された燃料電池用シール１０は、ガスケット１２に、各エアベント部４２と対応するバリ１２ａが形成されることになる。

ところが、エアベント部４２に形成されたバリ１２ａは、セパレータ３０に形成されたシール用溝３１内には収まらず、したがって図８のように、このバリ１２ａはセパレータ３０の溝肩間に介在することになる。このため、バリ１２ａが形成された部分では、このバリ１２ａがセパレータ３０と圧接することによる応力が発生するのに対し、ガスケット１２におけるその他の部分（バリ１２ａが存在しない部分）ではこのような応力が発生しないため、基枠１１やセパレータ３０などに、不均一な応力分布に起因する微小な歪が生じる。しかも、ガスケット１２は、積層される全ての燃料電池用シール１０において同一形状であり、バリ１２ａの形成位置も同じであるから、多数の燃料電池セルを積層したスタック状態では、バリ１２ａが積層方向へ多数並んで圧縮されることになる。したがって、その応力による面歪が大きくなって、ガスケット１２のシール面圧にもムラを生じてシール性が悪化したり、極端な場合は、セパレータ３０やＭＥＡ２０に破損を来すおそれがある。

またこのため、ガスケット１２の成形後に、バリ１２ａの除去工程が必要となるが、バリ１２ａは合成樹脂フィルムからなる基枠１１に強固に付着しているため、その除去作業に膨大な時間と労力を費やしていた。

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、燃料電池用シールにおけるシール面圧のばらつきやセパレータ等の破損を防止することにある。

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の発明に係る燃料電池用シールは、フィルム状、シート状又は板状の基枠に、ゴム状弾性材料からなるガスケットと、このガスケットのベースから前記基枠の表面を覆うように延びるゴム状弾性材料からなる薄膜が一体に設けられたものである。

この構成において、ガスケットは、例えばセパレータに形成されたシール用溝の底面に所要のつぶし代をもって密接され、ガスケットのベースから基枠の表面を覆うように延びる薄膜は、その全面がセパレータにおける前記シール用溝と隣接する面に密接されるものである。

また、請求項２の発明に係る燃料電池用シールの製造方法は、請求項１に記載の燃料電池用シールを製造するための方法であって、フィルム状、シート状又は板状のワークを金型にセットして、このワークに、ゴム状弾性材料からなるガスケット及びこのガスケットのベースから前記ワークの表面を覆うように延びるゴム状弾性材料からなる薄膜を一体に成形する工程と、前記ワークを前記ガスケットから所定幅の位置で前記薄膜ごと所定の平面形状に打ち抜く工程と、からなるものである。

すなわち、この製造方法において、ガスケットのベースから延びる薄膜を成形する部分は、ガスケットを、基枠となるワークに一体成形する過程で、液状の成形用ゴム材料が合流する位置に残存エアや揮発ガスの混入による成形不良を防止するためのエアベントを兼ねるものである。そして、ガスケット及び薄膜の成形後、前記ワークを、これに被着された薄膜ごと打ち抜くことによって、燃料電池用シールの基枠としての平面形状が得られる。

請求項１の発明に係る燃料電池用シールによれば、ガスケットのベースから延びるゴム状弾性材料からなる薄膜が、基枠の表面を覆うように設けられているので、スタックとして積層されたときに、この薄膜がセパレータと密接することによるセパレータの歪や、これに起因するガスケットのシール面圧のムラの発生を抑えることができる。しかも、薄膜自体も、セパレータとの密接によってシール機能を発揮するので、シール性を向上することができる。

請求項２の発明に係る燃料電池用シールの製造方法によれば、従来のようなバリ除去工程が不要となり、請求項１の発明に係る燃料電池用シールを容易に製造することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る燃料電池用シールの製造方法において、基枠にガスケット及び薄膜を成形する工程を示す断面図、図２は、ガスケット及び薄膜が成形されたワークを示す平面図、図３は、ガスケット及び薄膜が成形されたワークの一部を示す断面図である。

まず図１において、参照符号１１０Ｗは、電気絶縁性に優れ、かつガスケット成形時の熱に耐え得る例えばＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の合成樹脂フィルムからなるワークであって、後述する打ち抜き工程によって、燃料電池用シールの基枠となるものである。

参照符号２００は、ワーク１１０Ｗにガスケット及びこれに連続した薄膜を成形するための金型で、下型２１０と上型２２０からなる。下型２１０の内面（上面）における所定位置には、ワーク１１０Ｗがセットされるようになっており、上型２２０の内面（下面）には、図示の型締め状態（下型２１０と上型２２０との密接衝合状態）において、セットされたワーク１１０Ｗとの間に画成されるガスケット成形用キャビティ２２１と、その両側に位置する薄膜成形用キャビティ２２２と、このキャビティ２２１，２２２へ液状の成形用ゴム材料を充填するためのゲート２２３と、ワーク１１０Ｗを下型２１０との間で挟持するための押さえ部２２４が形成されている。

詳しくは、ガスケット成形用キャビティ２２１は、ワーク１１０Ｗ側のベース成形部２２１ａと、その上側のシールリップ成形部２２１ｂからなり、薄膜成形用キャビティ２２２は、ベース成形部２２１ａの延長方向全域からその幅方向両側へ向けて、ワーク１１０Ｗの表面との間に数十μｍ程度の微小隙間をなすように形成されている。また、ゲート２２３は、ガスケット成形用キャビティ２２１の延長方向に適当な間隔で設けられ、ベース成形部２２１ａに開口している。

すなわち、図１に示されるように金型２００にワーク１１０Ｗをセットして型締めし、ゲート２２３から液状の成形用ゴム材料を充填して、このゴム材料を架橋硬化させることによって、図２及び図３に示されるように、ワーク１１０Ｗに、ゴム状弾性材料からなるガスケット１２０及びこのガスケット１２０のベース１２１から両側へワーク１１０Ｗの表面を覆うように延びるゴム状弾性材料からなる薄膜１３０が一体に成形される。この場合、液状の成形用ゴム材料としては、合成樹脂フィルムからなるワーク１１０Ｗに対して接着性のあるものが好適に用いられる。

詳しくは、図３に示される断面において、ガスケット１２０は、図１に示されるベース成形部２２１ａと対応して成形されワーク１１０Ｗの表面に接着された帯状のベース１２１と、その上面から山形に突出し、図１に示されるシールリップ成形部２２１ｂと対応するシールリップ１２２からなる。また薄膜１３０は、ガスケット成形用キャビティ２２１から成形用ゴム材料の一部が薄膜成形用キャビティ２２２内へ押し出されることによって、ベース１２１の延長方向全域からその幅方向両側へ向けて、数十μｍ程度の肉厚で成形される。また、複数のゲート２２３から充填された成形用ゴム材料は、薄膜成形用キャビティ２２２内へ押し出されて合流し、合流部の残存空気などによる気泡もここへ押し出されるので、従薄膜成形用キャビティ２２２は、従来技術におけるエアベントとしての機能を有するものである。

図２及び図３において、参照符号１１０ａ，１１０ｂは、図１に示される上型２２０の押さえ部２２４が密接されることによって、ワーク１１０Ｗの表面に薄膜１３０が成形されなかった領域であり、参照符号１０１ａは、発電領域用の窓部を開設すべき領域であり、参照符号１０２ａは、通路孔を開設すべき領域であり、参照符号１０３ａは、製造される燃料電池用シールの外周縁となるべき領域である。すなわち、この図２からわかるように、薄膜１３０は、発電領域用の窓部を開設すべき領域１０１ａと通路孔を開設すべき領域１０２ａの内側、及び燃料電池用シールの外周縁となるべき領域１０３ａより外側に達するように成形される。

次に図４は、燃料電池用シールの一部を示す断面図、図５は、燃料電池用シールの一部を示す斜視図、図６は、燃料電池用シールを示す平面図である。

すなわち、上述の成形工程によって得られたワーク１１０Ｗとガスケット１２０及び薄膜１３０との一体成形物は、不図示の抜き型によって、ワーク１１０Ｗをガスケット１２０から所定幅の位置、すなわち図２及び図３に一点鎖線で示される部分（領域１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ）で薄膜１３０ごと打ち抜かれる。そしてこの打ち抜き工程によって、電気絶縁性に優れた合成樹脂フィルムからなる基枠１１０に、ゴム状弾性材料からなるガスケット１２０と、このガスケット１２０のベース１２１から基枠１１０の表面を覆うように延びるゴム状弾性材料からなる薄膜１３０が一体に設けられ、図６に示されるような発電領域用の窓部１０１と複数の通路孔１０２と外周縁１０３を有する燃料電池用シール１００が得られる。

次に図７は、上述の方法によって製造された本発明の燃料電池用シール１００を組み込んだ燃料電池セルの一部を示す断面図である。この図７において、参照符号２０は高分子電解質膜２１と、その両側に積層状態に設けた電極層又はガス拡散電極層２２からなるＭＥＡであり、このＭＥＡ２０の両側にそれぞれセパレータ３０が重ねられている。

ＭＥＡ２０における高分子電解質膜２１の外周部は電極層又はガス拡散電極層２２の外周から張り出しており、その張り出し部分２１ａの両側にはそれぞれ本発明の燃料電池用シール１００が配置されている。すなわち、燃料電池用シール１００は、ＭＥＡ２０における高分子電解質膜２１と電極層又はガス拡散電極層２２との積層部分である発電領域の外周側に配置され、前記発電領域は、燃料電池用シール１００に開設された窓部１０１に嵌め込まれている。

セパレータ３０，３０には、燃料電池用シール１００におけるガスケット１２０の延長形状と対応して延びるシール用溝３１と、ＭＥＡ２０における発電領域と対応する領域に形成された多数の流路溝３２が形成されている。そして、燃料電池用シール１００は、合成樹脂フィルムからなる基枠１１０がＭＥＡ２０における高分子電解質膜２１の張り出し部分２１ａに密接状態で配置されると共に、ガスケット１２０が前記シール用溝３１に収容され、シールリップ１２２が適宜圧縮された状態で前記シール用溝３１の底面に密接される。

この場合、好ましくは、図５に示されるように、基枠１１０におけるガスケット１２０及び薄膜１３０と反対側の面にはアクリル系またはシリコーン系の粘着剤１１１を塗布しておき、この粘着剤１１１の層の表面に、粘着剤１１１から容易に剥がすことのできる剥離フィルム１１２を貼着した構成とすることが考えられる。このような構成とすれば、剥離フィルム１１２を剥がすことによって、図７に示される高分子電解質膜２１の張り出し部分２１ａに、粘着剤１１１の粘着作用によって燃料電池用シール１００を密着固定することができる。

またこの場合、粘着剤１１１の塗布及び剥離フィルム１１２の貼着は、図１に示される金型２００による成形工程に移行する前に、ワーク１１０Ｗに対して行う。したがってこの場合、ワーク１１０Ｗへのガスケット１２０及び薄膜１３０の成形は粘着剤１１１の塗布面と反対側の面に対して行われ、その後、発電領域用の窓部１０１及び複数の通路孔１０２と外周縁１０３の打ち抜き工程では、粘着剤１１１の層及び剥離フィルム１１２ごと打ち抜かれることになる。

また、ガスケット１２０のベース１２１から基枠１１０の表面を覆うように延びる薄膜１３０は、その全面が、セパレータ３０におけるシール用溝３１と隣接する面に密接されている。このため、積層圧力によって薄膜１３０が厚さ方向の圧縮力を受けても、それに対する応力は、ガスケット１２０の延長方向全域でほぼ均一に発生することになるので、部分的な応力集中により、セパレータ３０や基枠１１０が変形してシール面圧が大きくばらついたり、セパレータ３０やＭＥＡ２０が破損するのを有効に防止することができる。しかもこの薄膜１３０も、セパレータ３０との密接によってシール機能を発揮するので、燃料電池用シール１００による密封性が向上する。

またこのため、薄膜１３０は、先に説明した燃料電池用シール１００の製造過程で、従来のバリのように基枠１１０（ワーク１１０Ｗ）から除去する必要はなく、余分な領域に形成された薄膜１３０は、発電領域用の窓部１０１及び複数の通路孔１０２と外周縁１０３の打ち抜き工程において除去されるので、製造コストの上昇を来さない。

本発明に係る燃料電池用シールの製造方法において、基枠にガスケット及び薄膜を成形する工程を示す断面図である。 本発明に係る燃料電池用シールの製造方法において、ガスケット及び薄膜が成形されたワークを示す平面図である。 本発明に係る燃料電池用シールの製造方法において、ガスケット及び薄膜が成形されたワークの一部を示す断面図である。 本発明に係る燃料電池用シールの一部を示す断面図である。 本発明に係る燃料電池用シールの一部を示す斜視図である。 本発明に係る燃料電池用シールを示す平面図である。 本発明に係る燃料電池用シールを組み込んだ燃料電池セルの一部を示す断面図である。 従来の燃料電池用シールを組み込んだ燃料電池セルの一部を示す断面図である。 従来の燃料電池用シールを示す平面図である。 従来の燃料電池用シールの一部を示す斜視図である。 従来の燃料電池用シールの製造方法を示す説明図である。

符号の説明

３０ セパレータ
３１ シール用溝
１００ 燃料電池用シール
１０１ 窓部
１０１ａ 窓部を開設すべき領域
１０２ 通路孔
１０２ａ 通路孔を開設すべき領域
１１０ 基枠
１１０Ｗ ワーク
１２０ ガスケット
１２１ ベース
１２２ シールリップ
１３０ 薄膜
２００ 金型
２１０ 下型
２２０ 上型
２２１ ガスケット成形用キャビティ
２２２ 薄膜成形用キャビティ
２２３ ゲート
２２４ 押さえ部

Claims (2)

1. フィルム状、シート状又は板状の基枠（１１０）に、ゴム状弾性材料からなるガスケット（１２０）と、このガスケット（１２０）のベース（１２１）から前記基枠（１１０）の表面を覆うように延びるゴム状弾性材料からなる薄膜（１３０）が一体に設けられたことを特徴とする燃料電池用シール。
2. 請求項１に記載の燃料電池用シールを製造するための方法であって、フィルム状、シート状又は板状のワーク（１１０Ｗ）を金型（２００）にセットして、このワーク（１１０Ｗ）に、ゴム状弾性材料からなるガスケット（１２０）及びこのガスケット（１２０）のベース（１２１）から前記ワーク（１１０Ｗ）の表面を覆うように延びるゴム状弾性材料からなる薄膜（１３０）を一体に成形する工程と、前記ワーク（１１０Ｗ）を前記ガスケット（１２０）から所定幅の位置で前記薄膜（１３０）ごと所定の平面形状に打ち抜く工程と、からなることを特徴とする燃料電池用シールの製造方法。

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