JP2009043646A - シール部一体型の膜−電極接合体の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部一体型の膜−電極接合体を生産性良く成形する方法を提供する。
【解決手段】シール部一体型の膜−電極接合体を成形する方法において、膜−電極接合体３の最終外形に対応する製品形成部Ａとその外周側に余剰材料を収容可能な余剰部Ｂとを有するキャビティ１６に成形品材料３１を充填し、この成形品材料３１が製品形成部Ａ全体に行き渡って余剰部Ｂにはみ出した後に、余剰部Ｂにはみ出して気泡を含んだ余剰材料を、可動式の余剰材料除去部２３により除去する。
【選択図】図６

Description

本発明は、膜−電極接合体の外縁部にシール部を一体に成形する方法に関する。

一般に、固体高分子型の燃料電池は、電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態とされる。
特開２００２−４２８３６号公報

ＭＥＡとして、セパレータに密着して気密性および液密性を確保するためのガスケット（シール部）が電解質膜に一体に成形されたＭＥＡが用いられる場合がある。しかしながら、射出成形によりガスケットを一体成形する際に、金型内の空気を巻き込んでしまうことによって成形品内に気泡が生じる場合があった。そして、かかる場合には、成形後に気泡を含む領域をダンベルにて裁断しなければならないという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、シール部一体型の膜−電極接合体を生産性良く成形することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の成形方法は、互いに近接離間される一対の金型間に形成されるキャビティに、一対のセパレータ間に配置されて燃料電池を構成する膜−電極接合体を配置するとともに、この膜−電極接合体の外縁部の両面に前記セパレータとの間をシールするシール部を一体成形するための成形品材料を充填することにより、シール部一体型の膜−電極接合体を成形する方法であって、前記シール部一体型の膜−電極接合体の最終外形に対応する製品形成部とその更に面方向外側に余剰成形品材料を収容可能な余剰部とを有する前記キャビティに前記成形品材料を充填し、この成形品材料が前記製品形成部全体に行き渡って前記余剰部にはみ出した後に、前記余剰部にはみ出した余剰成形品材料を可動式の余剰材料除去部により除去するものである。

この成形方法によれば、キャビティ内に成形品材料を充填した後、製品形成部からその外周の余剰部へはみ出した成形品材料を除去するので、製品形成部全体に成形品材料を均一に行き渡らせることができるとともに、成形品材料に巻き込まれた気泡が製品形成部から余剰部へ送り出されて除去される。さらに余剰部を余剰材料除去部によって除去することにより、気泡の除去と同時に成形品への裁断が可能となる。

前記膜−電極接合体は、電解質膜の両面に電極部が配置されていると共に前記電解質膜の外縁部が前記電極部から面方向外側にはみ出してなり、前記成形品材料の充填前に、前記キャビティ内の前記面方向外側にはみ出した電解質膜の外縁部の両面に補強部材を配置し、この補強部材を前記シール部に内包するように当該シール部を一体成形するようにしてもよい。

また、前記膜−電極接合体は、電解質膜の両面に電極部が配置され、かつ、前記電解質膜の外縁部が前記電極部から面方向外側にはみ出していると共にこのはみ出した部分の両面に補強部材が配置されてなり、当該膜−電極接合体に対して前記補強部材を内包するように前記シール部を一体成形するようにしてもよい。

本発明によれば、成形品材料に巻き込まれた気泡を製品形成部から余剰部へ送り出し、余剰材料除去部によって除去することができる。これにより、シール部一体型の膜−電極接合体を金型から取り出してからダンベルにて裁断していた従来の成形方法と比較して工数を低減することができ、生産性が向上する。

以下、本発明に係る成形方法の実施形態及び当該成形方法に用いられる射出成形機の一例について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る成形方法に用いられる射出成形機の一例を示す概略断面図、図２は、射出成形機による成形範囲を説明する図である。また、図３は射出成形機により成形されるガスケット一体型（シール部一体型）の膜−電極接合体を備えた単セル（燃料電池）を示す図であり、同図に示した単セル２を多数積層して燃料電池スタックが構成される。
図３（ａ）は、単セル２の上面図、（ｂ）は側断面図である。図３（ｂ）に示すように、単セル２は、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ３）と、ＭＥＡ３の両面に配置される一対のセパレータ４ａ，４ｂとを備えて構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡ３および各セパレータ４ａ，４ｂは、略平面状の部品であり且つ平面視矩形の外形形状を有しており、ＭＥＡ３の外形は、各セパレータ４ａ，４ｂの外形よりも僅かに小さく形成されている。

ＭＥＡ３は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜５と、電解質膜５の両面に配置された一対の電極部４０とで構成され、全体として積層形態を有している。電極部４０は、電解質膜５の両面に配置されたカソードおよびアノードとしての触媒層６ａ，６ａと、更にその外側（電解質膜５とは反対側）に配置される拡散層６ｂ，６ｂとで構成され、電解質膜５には、これら触媒層６ａ，６ａ及び拡散層６ｂ，６ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３の外縁部は、全周にわたってガスケット（シール部）７により挟持されている。つまり、本実施形態のＭＥＡ３は、セパレータ４ａ，４ｂとの間をシールするガスケット７が一体成形されてなるガスケット一体型のＭＥＡ３である。
なお、本実施形態におけるＭＥＡ３の外縁部は、電極部４０から更に面方向外側にはみ出した電解質膜５だけでなく、電極部４０の最外周部から更に面方向内側に一定距離にある電極部４０の外縁部を含むものとする。

次に、このようなガスケット一体型のＭＥＡ３を製造するための射出成形機１１の一構成例について、図１を参照しながら説明する。図１に示すように、射出成形機１１は、固定金型１２及びこの固定金型１２に対して近接離間方向へ移動可能な可動金型１３を備えており、これら固定金型１２と可動金型１３との間に、成形空間であるキャビティ１６が形成される。

これら固定金型１２及び可動金型１３は、それぞれガスケット一体型のＭＥＡ３を成形する成形面１４、１５を有している。固定金型１２は、その成形面１４の中央部よりも面方向外側の部分に、成形品材料３１（図４等参照）が射出される射出ゲート２１を有しており、また、成形面１４の周囲には、全周にわたって凹部２２が形成されている。

可動金型１３は、成形面１５の周囲に、全周にわたって凹部２２に対応する余剰材料除去部２３を備えている。この余剰材料除去部２３は、成形面１５に対して固定金型１２側へ突出可能とされている。これら固定金型１２に対する可動金型１３の近接離間と、可動金型１３における余剰材料除去部２３の突没とは、不図示の駆動手段により実現される。

そして、上記射出成形機１１では、固定金型１２と可動金型１３とから形成されるキャビティ１６が、図２に示すように、固定金型１２及び可動金型１３の成形面１４、１５間の製品形成部Ａと、その周囲の凹部２２及び余剰材料除去部２３からなる余剰部Ｂとに区画される。

次に、上記射出成形機１１によってガスケット一体型のＭＥＡ３を成形する方法の一実施形態について説明する。

図４に示すように、キャビティ１６内の中央部に電解質膜５の両面に電極部４０を有するＭＥＡ３を配置し、当該ＭＥＡ３の電極部４０から面方向外側にはみ出た電解質膜５（電解質膜５の外縁）の両面に、例えばＰＥＴやＰＥＮ等からなる補強フィルム（補強部材）４１を配置する。このとき、射出ゲート２１は電極部４０よりも面方向外側に位置している。なお、キャビティ１６内に配置するＭＥＡ３は、電極部４０から面方向外側にはみ出た電解質膜５の両面に予め補強フィルム４１を有するものであってもよい。

次いで、可動金型１３を固定金型１２側へ所定位置まで移動させ、可動金型１３と固定金型１２との間の溶融成形品材料３１の充填空間であるキャビティ１６を閉空間とし、射出ゲート２１からキャビティ１６内へ成形品材料３１を充填する。成形品材料３１としては、例えばＬＩＭ（リキッド インジェクション モールディング）成形材であるシリコーン、イソブチレンゴム等が採用される。

また、この成形品材料３１は、キャビティ１６における製品形成部Ａの容積よりも多めに充填される。そして、キャビティ１６への成形品材料３１の充填が完了したら、可動金型１３を固定金型１２側へ向かってさらに移動させることにより、型締めを行う。

このようにすると、図５及び図６に示すように、キャビティ１６内の成形品材料３１が成形面１４、１５によって押圧されて所定の形状とされるとともに、キャビティ１６における製品形成部Ａの全体に広がり、その一部が、気泡ａを巻き込んだ状態で固定金型１２及び可動金型１３の各成形面１４、１５の外周側（面方向外側）の余剰部Ｂへはみ出す。

次に、図７に示すように、余剰材料除去部２３を固定金型１２側へ突出させる。このようにすると、余剰材料除去部２３によって、余剰部Ｂにはみ出した気泡ａを含んだ余剰な成形品材料３１が固定金型１２の凹部２２内に押し込まれるようにしてせん断される。その後、製品形成部Ａ内の成形品材料３１が冷却・硬化したら、可動金型１３を固定金型１２から離間させて型開きし、製品形成部Ａ内にて成形されたガスケット一体型のＭＥＡ３を可動金型１３から離型させて取り出す。

以上、説明したように、上記実施形態によれば、キャビティ１６内に成形品材料３１を充填し、製品形成部Ａからその外周の余剰部Ｂへはみ出した気泡を含んだ成形品材料３１を除去するので、製品形成部Ａの全体に成形品材料３１を均一に行き渡らせることができるとともに、成形品材料３１に巻き込まれた気泡を製品形成部Ａから余剰部Ｂへ送り出して除去することができる。

これにより、ガスケット一体型のＭＥＡ３におけるガスケット７への気泡の混入を抑制することができると共に、当該ガスケット一体型のＭＥＡ３の最終外形に対するガスケット部分の余剰部を金型１２，１３内で除去することができるので、ガスケット一体型のＭＥＡ３を金型１２，１３から取り出してから、ガスケット部分の余剰部をダンベルにて裁断していた従来の成形方法と比較して工数を低減することができ、生産性が向上する。

また、固定金型１２の電極部４０に対応する部分よりも面方向外側にそれぞれ設けた複数の射出ゲート２１からキャビティ１６内へ成形品材料３１を充填するので、製品形成部Ａへ満遍なく均一に成形品材料３１を行き渡らせることができる。したがって、射出成形品であるガスケット一体型のＭＥＡ３の寸法精度のばらつきを極力抑え、高品質なガスケット一体型のＭＥＡ３を成形することができる。

本実施形態に係る成形方法の実施に用いられる射出成形機の一例を示す概略断面図である。 図１に示す射出成形機による成形範囲を説明する図である。 図１に示す射出成形機により成形されるシール部一体型の膜−電極接合体を示した図であり、（ａ）は単セル上面図、（ｂ）は断面図である。 シール部一体型の膜−電極接合体の成形方法を説明する射出成形機の概略断面図である。 シール部一体型の膜−電極接合体の成形方法を説明する射出成形機の概略断面図である。 シール部一体型の膜−電極接合体の成形方法を説明する射出成形機の概略断面図である。 シール部一体型の膜−電極接合体の成形方法を説明する射出成形機の概略断面図である。

符号の説明

２…単セル（燃料電池）、３…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、４ａ，４ｂ…セパレータ、５…電解質膜、１１…射出成形機、１２…固定金型、１３…可動金型、１６…キャビティ、２２…凹部(余剰部)、２３…余剰材料除去部、３１…成形品材料、４０…電極部、４１…補強フィルム（補強部材）、Ａ…製品形成部、Ｂ…余剰部、ａ…気泡

Claims (3)

1. 互いに近接離間される一対の金型間に形成されるキャビティに、一対のセパレータ間に配置されて燃料電池を構成する膜−電極接合体を配置するとともに、この膜−電極接合体の外縁部の両面に前記セパレータとの間をシールするシール部を一体成形するための成形品材料を充填することにより、シール部一体型の膜−電極接合体を成形する方法であって、
   前記シール部一体型の膜−電極接合体の最終外形に対応する製品形成部とその更に面方向外側に余剰成形品材料を収容可能な余剰部とを有する前記キャビティに前記成形品材料を充填し、この成形品材料が前記製品形成部全体に行き渡って前記余剰部にはみ出した後に、前記余剰部にはみ出した余剰成形品材料を可動式の余剰材料除去部により除去することを特徴とする、シール部一体型の膜−電極接合体の成形方法。
2. 前記膜−電極接合体は、電解質膜の両面に電極部が配置されていると共に前記電解質膜の外縁部が前記電極部から面方向外側にはみ出してなり、
   前記成形品材料の充填前に、前記キャビティ内の前記面方向外側にはみ出した電解質膜の外縁部の両面に補強部材を配置し、この補強部材を内包するように前記シール部を一体成形する請求項１に記載のシール部一体型の膜−電極接合体の成形方法。
3. 前記膜−電極接合体は、電解質膜の両面に電極部が配置され、かつ、前記電解質膜の外縁部が前記電極部から面方向外側にはみ出していると共にこのはみ出した部分の両面に補強部材が配置されてなり、
   当該膜−電極接合体に対して前記補強部材を内包するように前記シール部を一体成形する請求項１に記載のシール部一体型の膜−電極接合体の成形方法。

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