JP2009193687A

JP2009193687A - シール構造体の製造方法

Info

Publication number: JP2009193687A
Application number: JP2008030197A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Horimoto; 隆之堀本
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP5224035B2

Abstract

【課題】板状又はシート状の多孔質体１に、この多孔質体１とゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料との複合体からなる含浸部を介してガスケットを一体接合したシール構造体の製造において、前記多孔質体１に損傷を与えることなく、成形材料の含浸を適切に制限することの可能な方法を提供する。
【解決手段】多孔質体１におけるガスケット接合対象領域１ａと隣接する位置に低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料を多孔質体１の肉厚全体に含浸させ硬化させて目止め部１１を形成する工程と、前記多孔質体１を金型４内にセットし、前記ガスケット接合対象領域１ａと前記金型４の内面との間に画成されたキャビティ４３に、低粘度又は液状の成形材料を充填すると共にその一部を前記ガスケット接合対象領域１ａに含浸させ硬化させる工程からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、板状又はシート状の多孔質体にゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケットを一体接合したシール構造体の製造方法であって、例えば、燃料電池セルのＧＤＬに、各燃料電池セル間に形成される流路をシールするためのガスケットが一体化されたガスケット一体部品を製造するのに有用な方法に関するものである。

図８は、従来技術としてのシール構造体の一部を示す説明図である。この図８に示されるシール構造体は、燃料電池セルの一部を構成するものであって、参照符号１００は、電解質膜（イオン交換膜）１１１及びその両面に設けられた一対の電極層１１２からなるＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極複合体）１１０と、その両側に設けられた多孔質のＧＤＬ（ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ：ガス拡散層）１２０からなる発電体で、この発電体１００には、ゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケット１３０が一体的に成形されている。そして、発電体１００は、両側からセパレータ２００で挟持されることによって燃料電池セルが構成される。

ガスケット１３０は、その成形に際して、低粘度又は液状の成形材料の一部をカーボン繊維等の多孔質体からなるＧＤＬ１２０に含浸させることによって、このＧＤＬ１２０とゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料との複合体からなる含浸部（図中に多数の点々を付して示される部分）１２１をガスケット１３０と連続して形成し、このため、ガスケット１３０がＧＤＬ１２０にしっかり接合されると共に、ＧＤＬ１２０からの透過漏れのない構造となっている。

しかしながら、カーボン繊維等の多孔質体からなるＧＤＬ１２０の気孔率にはバラツキがあるため、図８に示されるシール構造体は、低粘度又は液状の成形材料を用いて金型でガスケット１３０を成形する際に、ＧＤＬ１２０への成形材料の含浸を適切に制限することが難しい。このため、成形材料の充填圧力や粘度等を一定にしても、ＧＤＬ１２０の気孔率等によっては、含浸部１２１の領域が必要以上に大きくなり、その分、発電体１００における発電領域が狭まってしまうおそれがある。

図９は、このようなＧＤＬ１２０における含浸部１２１の領域を適切に制限するための従来の方法を示す説明図である。すなわちこの方法では、不図示のガスケット成形用金型に発電体１００をセットして型締めする際に、まず図９（Ａ）に示されるように、前記金型の内面に形成された押圧突起で発電体１００におけるガスケット接合対象領域１００ａと隣接する部分を挟圧することによって、ＧＤＬ１２０の一部を圧縮した絞り部１２２を形成する。

そして次に、発電体１００におけるガスケット接合対象領域１００ａと金型内面との間に画成されたキャビティに、低粘度又は液状の成形材料を充填すると共にその一部をＧＤＬ１２０に含浸させ、この状態で前記成形材料を架橋硬化させることによって、図９（Ｂ）に示されるように、ガスケット１３０が発電体１００に一体的に成形される。そして、予めＧＤＬ１２０に形成された絞り部１２２では気孔率が減少して、成形材料が含浸しにくくなっているため、含浸部１２１の領域が必要以上に大きくならず、発電体１００における発電領域が狭まってしまうのを有効に防止することができるとされている（例えば下記の特許文献１参照）。
特開２００７−２６８４７号公報

しかしながら、上記従来の方法によれば、ＧＤＬ１２０の一部を圧縮して絞り部１２２を形成する際に、圧縮量が大き過ぎるとＧＤＬ１２０が損傷や破損を来たしてしまうおそれがあり、圧縮量が小さ過ぎるとガスケット成形の際にＧＤＬ１２０への成形材料の含浸を適切に制限することが困難になる。また、ガスケット１３０が良好に成形されたように見える場合でも、圧縮による絞り部１２２の形成の影響により、微小なクラックが発生しているおそれも懸念される。

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、燃料電池のＧＤＬなど板状又はシート状の多孔質体に、この多孔質体とゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料との複合体からなる含浸部を介してガスケットを一体接合したシール構造体の製造において、前記多孔質体に損傷を与えることなく、成形材料の含浸を適切に制限することの可能な方法を提供することにある。

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の発明に係るシール構造体の製造方法は、板状又はシート状の多孔質体にゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケットを一体接合したシール構造体の製造において、前記多孔質体におけるガスケット接合対象領域と隣接する位置に低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料を前記多孔質体の肉厚全体に含浸させ硬化させて目止め部を形成する工程と、前記多孔質体を金型内にセットし、前記ガスケット接合対象領域と前記金型の内面との間に画成されたキャビティに、低粘度又は液状の成形材料を充填すると共にその一部を前記ガスケット接合対象領域に含浸させ、硬化させる工程からなるものである。

本発明の製造方法において、キャビティに充填された成形材料は硬化によってガスケットとなるものであり、この成形材料の一部が、多孔質体におけるガスケット接合対象領域に含浸された状態で硬化した部分は多孔質体とゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料との複合体からなる含浸部となるものであり、目止め部は、低粘度又は液状の成形材料がガスケット接合対象領域から更に含浸するのを遮断して、前記含浸部の不必要な拡大を防止するものである。

また、請求項２の発明に係るシール構造体の製造方法は、請求項１に記載の方法において、目止め部の形成後、その表面にゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなる隆起部を形成するものである。このようにすれば、ガスケットの成形時に、キャビティ側から多孔質体と金型内面との接触面間を通じて成形材料が漏れるのを、前記隆起部と金型内面との密接によって防止することができる。

また、請求項３の発明に係るシール構造体の製造方法は、請求項１に記載の方法において、多孔質体が燃料電池セルのＧＤＬであることを特徴とする。

本発明に係るシール構造体の製造方法によれば、ガスケットが多孔質体のガスケット接合対象領域に形成されたゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料の含浸部を介して多孔質体にしっかり接合されたシール構造体を得ることができる。そして、ガスケット成形過程での多孔質体への成形材料の含浸を、予めガスケット接合対象領域と隣接する位置に形成された目止め部によって、多孔質体の損傷を来たすことなく制限することができる。またこのため、前記多孔質体が燃料電池セルのＧＤＬである場合、含浸部の拡大によって発電領域が狭まってしまうのを有効に防止することができる。

以下、本発明に係るシール構造体の製造方法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、本発明の第一の形態において、多孔質体としてのＧＤＬに目止め部を形成する工程を示す説明図、図２は、多孔質体を金型内にセットし型締めした状態を示す説明図、図３は、本発明の第一の形態によって製造されたシール構造体を示す説明図である。

図１において、参照符号１はカーボン繊維等からなる板状又はシート状の多孔質体で、例えば燃料電池セルにおけるＧＤＬであって、その外周縁部や開口縁部などに沿ってガスケットが一体に成形されるものである。この多孔質体１には、ガスケットの成形に先立って、まず図１（Ａ）に示されるように、ガスケット接合対象領域１ａと隣接する位置に、例えばシルクスクリーン印刷法あるいはディスペンサー法によって、低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料２を前記多孔質体の肉厚全体に含浸させるのに必要かつ十分な量だけ塗布又は肉盛りする。

多孔質体１には無数の連続気孔が存在するため、塗布又は肉盛りされた低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料２は、毛細管現象によって多孔質体１の肉厚全体に、内部の無数の連続気孔を埋めるように、適当な幅で含浸される。そして含浸された低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料２は、多孔質体１をオーブンなどで加熱することによって架橋硬化し、これによって図１（Ｂ）に示されるように、ガスケット接合対象領域１ａと隣接する位置に、目止め部１１が形成される。

目止め部１１が形成された多孔質体１は、図２に示されるように、金型４内にセットされる。金型４は分割型４１，４２を備えるものであって、この分割型４１，４２は、型締めによって、多孔質体１における目止め部１１の表面に適当な面圧をもって密接される密接面４１ａ，４２ａを有し、多孔質体１におけるガスケット接合対象領域１ａとの間にガスケット成形空間であるキャビティ４３が画成されるようになっており、一方の分割型４１にはキャビティ４３へ低粘度又は液状の成形材料を充填するためのゲート４４が開設されている。

次に、図２に示される型締め状態で、不図示の成形機からゲート４４を通じて、低粘度又は液状の成形材料を、所要の圧力でキャビティ４３内へ充填すると、この成形材料の一部は、前記ガスケット接合対象領域１ａへ、内部の無数の連続気孔を埋めるように含浸される。

多孔質体１のガスケット接合対象領域１ａに含浸された成形材料は、目止め部１１によって、ガスケット接合対象領域１ａ以外への含浸が遮断される。このため、多孔質体１への成形材料の含浸が、ガスケット接合対象領域１ａのみに制限されることになる。

金型４内に充填された成形材料は、加熱によって架橋硬化する。成形材料の架橋硬化後は、分割型４１，４２を離間させて型開きを行い、製品としてのシール構造体を取り出す。このシール構造体は、図３に示されるように、ゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケット３が、前記ゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料と多孔質体１の複合体である含浸部１２を介して多孔質体１にしっかりと一体接合された構造を有する。ガスケット３は、キャビティ４３内で成形材料が硬化することによって成形されたものであり、含浸部１２は、多孔質体１のガスケット接合対象領域１ａに含浸されたゴム材料が硬化することによってガスケット３と連続して形成されたものである。また、含浸部１２は目止め部１１に達することによって、この目止め部１１とも連続している。

本発明に係るシール構造体の製造方法は、図４に示されるような燃料電池用シール構造体の製造に好適に実施することができる。

この燃料電池用シール構造体は、電解質膜５１及びその両面に設けられた電極層５２からなるＭＥＡ５の両側に、多孔質体（ＧＤＬ）１が設けられた発電体１０に、その外周縁部あるいは開口縁に沿ってゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケット３が一体的に成形された構造を有するものであって、燃料電池スタックとしての組立状態において、ガスケット３のシールリップ３ａが、図中一点鎖線で示される両側のセパレータ６に適当に圧縮された状態で密接することにより、燃料ガスや酸化ガス等に対するシールを行うものである。また、多孔質体１におけるガスケット３との接合部には、このガスケット３を形成しているゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料と多孔質体１との複合体からなる含浸部１２が形成されており、この含浸部１２によって、ガスケット３がしっかり接合されると共に、多孔質体１からの前記燃料ガスや酸化ガス等の透過漏れがない構造となっている。

そして、図４に示される燃料電池用シール構造体の製造においては、予めＭＥＡ５の多孔質体１におけるガスケット接合対象領域（含浸部１２となる領域）と隣接する位置に、低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料を多孔質体１の肉厚全体に適当な幅で含浸させ、これを加熱して架橋硬化させることによって目止め部１１を形成してから、ＭＥＡ５を金型内にセットし、多孔質体１におけるガスケット接合対象領域と前記金型の内面との間に画成されたキャビティに、低粘度又は液状の成形材料を充填すると共にその一部を前記ガスケット接合対象領域に含浸させ、加熱により架橋硬化させる。含浸された低粘度又は液状の成形材料は目止め部１１によって堰き止められるため、ＭＥＡ５の発電領域が含浸部１２によって狭まってしまうのを有効に防止することができる。

図５〜図７は、本発明に係るシール構造体の製造方法の第二の形態を示すもので、このうち図５は、目止め部の表面にゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなる隆起部を形成した状態を示す説明図、図６は、多孔質体を金型内にセットし型締めした状態を示す説明図、図７は、製造されたシール構造体を示す説明図である。

この形態においても、先に説明した図１と同様、まずガスケット接合対象領域１ａと隣接する位置に、例えばシルクスクリーン印刷法あるいはディスペンサー法によって低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料２を塗布又は肉盛りし、多孔質体１の肉厚全体に適当な幅で含浸させてから、オーブンなどで加熱して架橋硬化させることによって、目止め部１１を形成する。

次に目止め部１１の表面に、例えばシルクスクリーン印刷法あるいはディスペンサー法によって低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料を塗布又は肉盛りしてから、オーブンなどで加熱して架橋硬化させる。目止め部１１の表面に塗布又は肉盛りされた低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料は、目止め部１１に浸透することはないので、図５に示されるように、架橋硬化によって目止め部１１の表面にゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなる隆起部１３が形成される。

次に図６に示されるように、目止め部１１及び隆起部１３が形成された多孔質体１は、金型４内にセットされる。金型４における分割型４１，４２は、型締めによって、多孔質体１のガスケット接合対象領域１ａとの間にガスケット成形空間であるキャビティ４３が画成されるようになっており、多孔質体１の目止め部１１の表面に形成された隆起部１３は、前記キャビティ４３の端部に位置して分割型４１，４２の内面に適当な圧縮状態で密接されるようになっている。なお、目止め部１１が多孔質体１とゴム材料との複合体である場合は、隆起部１３を介して目止め部１１も適当な圧縮を受けることになる。

次に、図６に示される型締め状態で、一方の分割型４１に開設されたゲート４４から、低粘度又は液状の成形材料をキャビティ４３内へ充填すると、この成形材料の一部は、ガスケット接合対象領域１ａへ、内部の無数の連続気孔を埋めるように含浸される。

多孔質体１のガスケット接合対象領域１ａに含浸された成形材料は、目止め部１１によって、ガスケット接合対象領域１ａ以外への含浸が遮断される。このため、多孔質体１への成形材料の含浸が、ガスケット接合対象領域１ａのみに制限される。また、キャビティ４３内から、金型４における分割型４１，４２の内面と目止め部１１の表面との間を介しての、多孔質体１におけるガスケット接合対象領域１ａ以外の部分の表面への成形材料の通過は、隆起部１３と分割型４１，４２の内面との密接部によって遮断される。このため、多孔質体１の表面への薄バリの発生が防止される。

金型４内に充填された成形材料は、加熱によって架橋硬化する。成形材料の架橋硬化後は、分割型４１，４２を離間させて型開きを行い、製品としてのシール構造体を取り出す。このシール構造体は、図７に示されるように、ゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケット３が、前記ゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料と多孔質体１の複合体である含浸部１２を介して多孔質体１にしっかりと一体接合された構造を有する。ガスケット３は、キャビティ４３内で成形材料が硬化することによって成形されたものであり、含浸部１２は、多孔質体１のガスケット接合対象領域１ａに含浸されたゴム材料が硬化することによってガスケット３と連続して形成されたものである。また、含浸部１２は目止め部１１に達することによって、この目止め部１１とも連続しており、ガスケット３の端部が、ゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなる隆起部１３とも連続した構造となる。

なお、この実施の形態による製造方法は、図４に示される燃料電池用シール構造体の製造にも適用することができる。

本発明に係るシール構造体の製造方法の第一の形態において、多孔質体としてのＧＤＬに目止め部を形成する工程を示す説明図である。本発明に係るシール構造体の製造方法の第一の形態において、多孔質体を金型内にセットし型締めした状態を示す説明図である。本発明に係るシール構造体の製造方法の第一の形態によって製造されたシール構造体を示す説明図である。本発明に係るシール構造体の製造方法の第一の形態によって製造された燃料電池用シール構造体を示す説明図である。本発明に係るシール構造体の製造方法の第二の形態において、目止め部の表面にゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなる隆起部を形成した状態を示す説明図である。本発明に係るシール構造体の製造方法の第二の形態において、多孔質体を金型内にセットし型締めした状態を示す説明図である。本発明に係るシール構造体の製造方法の第二の形態によって製造された燃料電池用シール構造体を示す説明図である。従来技術としてのシール構造体の一部を示す説明図である。ガスケットと連続した含浸部の領域を適切に制限するための従来の方法を示す説明図である。

符号の説明

１多孔質体
１ａガスケット接合対象領域
１１目止め部
１２含浸部
１３隆起部
２低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料
３ガスケット
４金型
４３キャビティ
５ＭＥＡ
６セパレータ
１０発電体

Claims

板状又はシート状の多孔質体にゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケットを一体接合したシール構造体の製造において、
前記多孔質体におけるガスケット接合対象領域と隣接する位置に低粘度又は液状のゴム材料又は合成樹脂材料を前記多孔質体の肉厚全体に含浸させ硬化させて目止め部を形成する工程と、
前記多孔質体を金型内にセットし、前記ガスケット接合対象領域と前記金型の内面との間に画成されたキャビティに、低粘度又は液状の成形材料を充填すると共にその一部を前記ガスケット接合対象領域に含浸させ、硬化させる工程からなることを特徴とするシール構造体の製造方法。
目止め部の形成後、その表面にゴム材料あるいはゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなる隆起部を形成することを特徴とする請求項１に記載のシール構造体の製造方法。
多孔質体が燃料電池セルのＧＤＬであることを特徴とする請求項１に記載のシール構造体の製造方法。