JP2009226641A - ガスケット成形型 - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体周縁のガスケットを射出成形するに際し、ガスケットに使用されない余剰材料の発生を可及的に低く抑えることができ、製造歩留まりの高いガスケットの射出成形を実現することができるガスケット成形型を提供する。
【解決手段】成形型１０を構成する可動型１と固定型２で画成されるキャビティが、相互に連通する膜電極接合体を収容する第１のキャビティＣ１とガスケット補強体を収容する第２のキャビティＣ２とからなり、固定型２および可動型１の型閉め時の当接箇所には、第２のキャビティＣ２に連通するとともに該第２のキャビティＣ２の内空高さに比して相対的に内空高さの低い排出路３と、該排出路３に連通するとともに該排出路３を通る材料余剰分が溜められる溜め溝４と、が形成されており、型閉めされた際の第２のキャビティＣ２の内壁に補強体ＧＫ１の端部が当接されて位置決めされるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池を構成する膜電極接合体の周縁にガスケットを射出成形するためのガスケット成形型に関するものである。

固体高分子型燃料電池の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、もしくは、該電極層をガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス流路層およびセパレータを少なくとも備えている。なお、セパレータがガス流路層の作用をも兼ね備えたセル構造も従来一般に知られるところである。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ積層することによって形成されている。

上記構成の燃料電池スタックにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスと酸化ガスをシールするためのガスケットが膜電極接合体の周縁に形成される。このガスケットを形成するための従来技術として、たとえば特許文献１〜４を挙げることができる。具体的には、所定のキャビティを有する金型の該キャビティ内に上記する膜電極接合体をインサートし、その周縁に成形されるべきガスケット部成形用のキャビティにたとえば絶縁性樹脂材料が射出成形されるものである。

なお、射出成形以外にも層状の樹脂層を膜電極接合体およびセパレータの周縁に接着剤にて接着しながらガスシール構造を形成する方法もあるが、射出成形に比して工程増となり、ガスケット形成に時間を要することから、射出成形にて膜電極接合体（およびガス流路層）の周縁にガスケットを一体に成形する方法が多用されており、いわゆる電極一体ガスケット成形と称されている。

ところで、上記する射出成形の際には、図８で示すように、電解質膜Ｍをガス拡散層Ｇにて挟持してなる膜電極接合体ＭＥＧＡ側へ射出材料がはみ出さないように、ガスケット部のさらに外側に材料の余剰分を溜めるための溜め溝を形成する従来技術が存在する。この成形型Ａでは、可動型ａと固定型ｂを型閉めした際に形成されるキャビティが、膜電極接合体ＭＥＧＡを収容するための第１のキャビティＣ１と、膜電極接合体の側方に設けられた樹脂フィルムからなるガスケット補強材Ｈを収容してガスケットが成形される第２のキャビティＣ２と、からなるもので、この第２のキャビティＣ２のさらに外側には、これに連通して第２のキャビティＣ２に注入路ａ１を介して注入された材料の余剰分が流れてこれを溜めるための溜め溝Ｃ３が形成されている。なお、この成形型Ａでは、溜め溝Ｃ３の最外側ｄに上記する補強材Ｈの端部が当接して位置決めされるようになっている。なお、成形されるガスケットＧＫには、ガス供給用もしくはガス排気用のマニホールドを囲繞する無端状のリブＲも同時に成形される。

上記する成形型Ａを使用し、ガスケット用材料の余剰分を溜め溝Ｃ３に払い出すことで膜電極接合体ＭＥＧＡ側への材料のはみ出しを防止するようにしていたが、この成形型Ａを使用した場合には、ガスケットＧＫとして使用されない余剰材料が過度に発生するという課題があった。さらに、射出成形後に成形型Ａからワークを取り出し、次いで、余剰分（図８では、溜め溝Ｃ３内で硬化した部分）を打ち抜き加工する工程が必須となる等の課題もあった。なお、これらの課題は、上記する特許文献１〜４に開示の金型をもってしても解決され得ないものである。

特開２００７−２６８４７号公報 特開２００７−１８８８３４号公報 特開２００７−１４９４７２号公報 特開２００７−２６９３１号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池用の膜電極接合体（電極部）の周縁に設けられるガスケットを射出成形するに際し、ガスケットに使用されない余剰材料を可及的に低減することができ、さらには、脱型後の成形品から余剰分を打ち抜き加工することを要しない、ガスケット成形型を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるガスケット成形型は、少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の周縁に成形されるガスケットの内部に設けられる補強体と、から被収容体が形成され、可動型と固定型で画成されるキャビティが、相互に連通する第１のキャビティと第２のキャビティとからなり、前記第１のキャビティは前記膜電極接合体を、前記第２のキャビティは前記補強体をそれぞれ収容することによってキャビティ内に前記被収容体が収容されるものであり、該第２のキャビティにガスケット成形用の材料が注入される、ガスケット用成形型において、前記固定型および可動型の型閉め時の当接箇所、もしくは該固定型および該可動型のいずれか一方には、前記第２のキャビティに連通するとともに該第２のキャビティの内空高さに比して相対的に内空高さの低い排出路と、該排出路に連通するとともに該排出路を通る前記材料の余剰分が溜められる溜め溝と、が形成されており、前記型閉めされた際の第２のキャビティの内壁に前記補強体の端部が当接されて、前記被収容体がキャビティ内で位置決めされるものである。

本発明の成形型は、そのキャビティ内に膜電極接合体とガスケットの内部に介在して該ガスケットを補強する補強体とをキャビティ内に収容し、キャビティ内にガスケット成形材料である適宜の樹脂を射出成形するための成形型である。

このキャビティは、膜電極接合体を収容するための第１のキャビティと、これに連通して上記補強体が収容され、樹脂が充填されてガスケットが成形される第２のキャビティとからなり、さらに、この第２のキャビティに連通して、余剰樹脂を流すための排出路と排出路を通った樹脂を溜めるための溜め溝が形成されている。

この溜め溝および排出路は、固定型、可動型のいずれか一方に形成されていてもよいし、固定型と可動型が型閉めされた際の当接箇所、すなわち、型閉め面を挟む固定型、可動型の双方に形成されてもよい。尤も、樹脂が硬化し、型開きした際に効率的に溜め溝から余剰樹脂を廃棄する作業を勘案すれば、固定型と可動型が型閉めされた際の当接箇所に溜め溝と排出路が形成されているのが好ましい。

また、本発明の成形型では、上記補強体を収容する第２のキャビティの側面で補強体が当接されるようになっており、この当接姿勢で補強体の位置決めがなされるものである。なお、補強体が上記側面で当接して位置決めがなされることより、この補強体はある程度の硬さ（剛性）を備えた素材もしくは構造のものであるのが望ましい。

さらに、上記する成形型では、上記排出路の高さが第２のキャビティの高さよりも低く調整されており、これにより、過度の余剰材料が膜電極接合体側へ流れないことは勿論のこと、溜め溝にも必要以上に流れないようにするとともに、ガスケットとして使用されず、したがって最終的には切断廃棄される余剰樹脂量を可及的に低減することができる。より具体的な一形態として、第２のキャビティの上面と面一で排出路の上面が形成され、したがって、排出路の底面が第２のキャビティの側面途中レベルとなるようにし、該底面よりも下方に位置する該第２のキャビティの側面に上記補強体が当接して位置決めされる形態がある。

また、本発明によるガスケット成形型の好ましい実施の形態は、前記排出路の内空高さが高さ調整手段にて調整自在となっており、該高さ調整手段により、排出路の内空高さが前記第２のキャビティの内空高さよりも低く調整されるようになっているものである。

この高さ調整手段は特に限定されるものではないが、たとえば、第２のキャビティと同程度の高さの排出路を予め形成しておき、この排出路にシムもしくはスペーサを積層することで樹脂が流れる排出路の高さを低くしていく手動方式の形態がある。さらに他の形態として、排出路を比較的大きな空間に形成しておき、その下方にシリンダユニット機構を載置し、上下に伸縮自在なピストンをたとえば上方に移動させながら排出路の高さを低くしていく自動式の形態もある。

本実施の形態によれば、樹脂素材やその射出成形時の温度、充填量等により、溜め溝に流す樹脂量を微調整したい場合に有効である。

さらに、本発明によるガスケット成形型の好ましい実施の形態において、前記可動型および前記固定型のいずれか一方に形成されている前記材料を充填するための充填孔の内部に、材料充填流路を確保した姿勢で第１の可動部材が配設されており、前記充填孔を備えない他方の型のうち、前記充填孔に対応する位置には開口部が形成されるとともに該開口部内には第２の可動部材が配設されており、前記第１の可動部材を他方の型側に移動させることにより、該第１の可動部材が前記第２のキャビティ内の前記充填孔に対応する位置に形成されているガスケット部分を切断し、第２の可動部材とともに該切断された切断片を移動させて前記開口部に排出するようになっており、切断された該ガスケット部分が、ガス供給用もしくはガス排気用のマニホールドとなるものである。

本実施の形態は、成形樹脂が硬化した後にワーク（膜電極接合体とその周縁に成形されたガスケットからなるユニット）を脱型し、次いで成形されたガスケットからガス供給用もしくはガス排気用のマニホールド（のための貫通孔）を切断加工（パンチ加工）する手間を省略するべく、成形型内でマニホールド用貫通孔を形成することのできる成形型に関するものである。

そのための構成として、成形型内で成形されたガスケットにおいてマニホールドが形成される位置に対応する可動型もしくは固定型の部位に樹脂充填孔を設けておく。さらに、この充填孔にたとえばその先端が鋭角な、もしくはその先端にカッターを備えた管材等（第１の可動部材）を収容しておき、この第１の可動部材が充填孔内を摺動できるようにしておく。なお、この摺動は自動制御されるのが望ましい。

一方、充填孔を具備しない他方の型のうち、該充填孔に対応する位置には開口部が形成されており、該開口部内には移動自在な第２の可動部材が配設されている。

充填樹脂が硬化した段階で、第１の可動部材をガスケット側へ移動させて押し込むことにより、ガスケットの一部は切断されて切断片をなし、この切断片とともに第１の可動部材をさらに押し込むことで第２の可動部材もガスケットと反対側へ押し込まれ、上記開口部内に切断片を落とし込むことができる。

第１、第２の可動部材を元の位置に戻し、型開きすることにより、ガス供給用もしくはガス排気用のマニホールドが形成されたガスケットを有する膜電極接合体が得られる。

また、上記する成形型内に収容される膜電極接合体に、金属製の導電性多孔体、たとえばラスメタル等からなるガス流路層を取り付けておき、このガス流路層の端部を膜電極接合体の側方へ延ばした状態とし、この側方へ延びたラスメタルを上記するガスケットの補強体とすることもできる。

このガス流路層は、いわゆるフラットタイプのセパレータから分離されたものであり、いわゆるフラットタイプモジュールのセル構造に適用されている。

ラスメタルは、その剛性も比較的高いことから第２のキャビティ側面での位置決めにも有利であり、このラスメタル等からなるガス流路層を具備する膜電極接合体（ＭＥＧＡ）を本発明にかかる成形型にインサートして射出成形することにより、ガスケットの製作効率を格段に向上させることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明のガスケット成形型によれば、ガスケットを射出成形するに際し、ガスケットに使用されない余剰材料の発生を可及的に低く抑えることができ、製造歩留まりの高いガスケットの射出成形を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施の形態にかかる成形型内に膜電極接合体とガス流路層とからなる被収容体が収容され、型閉めされる前の状況を説明した縦断面図であり、図２は成形型内で射出成形がなされ、ガスケットが成形された状態を説明した縦断面図であり、図３は図２のIII−III矢視図である。

図示する成形型１０は、可動型１と固定型２とからなり、可動型１にはガスケット成形用の樹脂を充填するための充填孔１１が設けられている。また、可動型１および固定型２が型閉めされた際（可動型１をＸ１方向に移動させる）に形成されるキャビティは、膜電極接合体ＭＥＧＡ（電解質膜Ｍとこれを挟持するガス拡散層Ｇ，Ｇからなる）を収容する第１のキャビティＣ１と、これに連通して膜電極接合体ＭＥＧＡの周縁に形成されるガスケットＧＫの補強体を収容する第２のキャビティＣ２とから形成される。

ガスケットＧＫの補強体は、膜電極接合体ＭＥＧＡを挟持するガス流路層ＧＲ，ＧＲの一方のガス流路層ＧＲが外側に延びた部分からなり、図２で示すごとく、この補強体ＧＲ１の端部が、第２のキャビティＣ２の側面Ｃ２ａと当接することにより、キャビティ内における膜電極接合体ＭＥＧＡおよびガス流路層ＧＲからなる被収容体の位置決めがなされるようになっている。

このガス流路層ＧＲはたとえば多孔質体であるラスメタルから形成されており、したがって、キャビティ内での位置決めに必要なある程度の剛性を有するものである。なお、第２のキャビティＣ２のうち、充填孔１１が臨む領域の周囲には無端状のリブＲ形成用の溝が形成されており（図３参照）、このリブＲで囲まれた領域にガス供給用もしくはガス排気用のマニホールド用貫通孔Ｂが形成されるようになっている。

図２より、可動型１と固定型２の型閉め時の当接箇所には、第２のキャビティＣ２に連通する排出路３と、この排出路３に連通する溜め溝４がさらに形成されている。この排出路３の上面は第２のキャビティＣ２の上面と面一となっており、排出路３の高さは第２のキャビティＣ２のそれよりも低くなっている。この排出路３および溜め溝４にて硬化した樹脂硬化体はガスケットとして使用されずに廃棄されるものであり、排出路３と第２のキャビティＣ２の境界にて双方が切断されるものである。したがって、排出路３の高さは、硬化樹脂をたとえば作業員の手で簡易に切断できる程度の高さに調整されているのが好ましい。

図示する成形型１０では、膜電極接合体ＭＥＧＡおよびガス流路層ＧＲからなる被収容体がキャビティ内に収容され、型閉めされた際に、この被収容体には押圧力が作用しない状態で樹脂の射出成形がおこなわれる。

所定量の樹脂をキャビティ内に射出後、たとえば３０〜６０秒程度の硬化時間を待って型開きし、ワークを取り出し、その端部の排出路３および溜め溝４の部分の硬化体を切断することにより、膜電極接合体ＭＥＧＡの側方にラスメタルからなる補強体ＧＲ１を内部に埋め込んでなるガスケットＧＫが成形された単セルの構造体の一部を形成することができる。

図４は、成形型の他の実施の形態を示した図である。この成形型１０Ａは、固定型２Ａにおける第２のキャビティＣ２と溜め溝４の間に排出路３を形成するための高さ調整溝２１を備えたものである。この高さ調整溝２１の下方から複数枚のシム５を積層することにより、上方に高さの低い空間を形成し、この空間を排出路３とするものである。

また、図５は、成形型のさらに他の実施の形態を示した図である。この成形型１０Ｂは、固定型２Ｂにおける第２のキャビティＣ２と溜め溝４の間に高さ調整溝２２を備え、この内部にシリンダユニット機構６を収容したものである。このシリンダユニット機構６は上下方向に往復するピストンを上方に移動させることにより、上方に形成された隙間を排出路３とするとともに、該ピストンの側面にて不図示の補強体の端部を位置決めするようにしたものである。

なお、図５で示す形態では、シリンダユニット機構６が不図示のコンピュータに繋がっており、管理者がコンピュータにてピストンの伸張程度を自動制御することにより、所望の高さの排出路３を形成できるようになっている。

図６は、成形型のさらに他の実施の形態を示した図である。この成形型１０Ｃは、可動型１Ｃの充填孔１１の内部に第１の可動部材７（切断管路）が摺動自在に配設されており、固定型２Ｃにおいて、該充填孔１１に対応する位置に比較的広範な内空を有する開口部２３が設けられており、この内部で第２の可動部材８が移動自在に配設されたものである。キャビティＣ２への樹脂の充填は、第１の可動部材７の管路内を介しておこなわれる。

図７で示すように、ガスケットＧＫの成形後、第１の可動部材７を下方へ摺動させる（Ｘ２方向）と、リブで囲繞されたガスケット部分がこの第１の可動部材７で切断されて切断片Ｐを成し、この切断片Ｐをさらに下方へ押し込むことにより（Ｘ２方向）、その下方の第２の可動部材８が開口部２３内で下方に押し込まれることにより、切断片Ｐが開口部２３内に落とし込まれる。

開口部２３は固定型２Ｃの外側面の一部に連通しており、これを介して作業員が切断片Ｐを回収できるようになっている。

この成形型１０Ｃを使用することにより、型開き後のワークを別途の加工装置に移載してマニホールド用の貫通孔を切断加工する必要はなくなり、成形型１０Ｃにてガスケット成形とマニホールド用貫通孔Ｂの形成を一気におこなうことが可能となる。

上記する本発明の成形型１０〜１０Ｃを使用して膜電極接合体の周縁にガスケットを射出成形することにより、ガスケットに使用されない余剰樹脂量を従来の成形型に比して格段に低減することができる。また、被収容体を容易に位置決めすることができるため、ガスケット製造効率を高めることができる。特に、成形型１０Ｃによれば、マニホールド用貫通孔Ｂの形成も成形型にて一気に実行することができ、ガスケット製造効率の一層の向上を期待することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。たとえば、図２，４，５で示す成形型１０，１０Ａ，１０Ｂが図６で示す成形型１０Ｃの切断手段を備えた実施の形態であってもよい。

本発明の一実施の形態にかかる成形型内に膜電極接合体とガス流路層とからなる被収容体が収容され、型閉めされる前の状況を説明した縦断面図である。 成形型内で射出成形がなされ、ガスケットが成形された状態を説明した縦断面図である。 図２のIII−III矢視図である。 本発明の成形型の他の実施の形態の縦断面図である。 本発明の成形型のさらに他の実施の形態の縦断面図である。 本発明の成形型のさらに他の実施の形態の縦断面図である。 図６に示す成形型において、ガスケットにマニホールド用の貫通孔を形成している状況を説明する縦断面図である。 従来の成形型の縦断面図である。

符号の説明

１…可動型、１１…充填孔、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…固定型、２１，２２…高さ調整溝、２３…開口部、３…排出路、４…溜め溝、５…シム、６…シリンダユニット機構、７…切断管路（第１の可動部材）、８…第２の可動部材、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…成形型、Ｃ１…第１のキャビティ、Ｃ２…第２のキャビティ、Ｃ２ａ…側面、Ｍ…電解質膜、Ｇ…ガス拡散層、ＧＲ…ガス流路層、ＧＲ１…補強体、ＧＫ…ガスケット、Ｒ…リブ、Ｐ…切断片

Claims (4)

1. 少なくとも電解質膜とこれを挟持するアノード電極層およびカソード電極層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の周縁に成形されるガスケットの内部に設けられる補強体と、から被収容体が形成され、
   可動型と固定型で画成されるキャビティが、相互に連通する第１のキャビティと第２のキャビティとからなり、
   前記第１のキャビティは前記膜電極接合体を、前記第２のキャビティは前記補強体をそれぞれ収容することによってキャビティ内に前記被収容体が収容されるものであり、
   該第２のキャビティにガスケット成形用の材料が注入される、ガスケット用成形型において、
   前記固定型および可動型の型閉め時の当接箇所、もしくは該固定型および該可動型のいずれか一方には、前記第２のキャビティに連通するとともに該第２のキャビティの内空高さに比して相対的に内空高さの低い排出路と、該排出路に連通するとともに該排出路を通る前記材料の余剰分が溜められる溜め溝と、が形成されており、
   前記型閉めされた際の第２のキャビティの内壁に前記補強体の端部が当接されて、前記被収容体がキャビティ内で位置決めされる、ガスケット成形型。
2. 前記排出路の内空高さが高さ調整手段にて調整自在となっており、該高さ調整手段により、排出路の内空高さが前記第２のキャビティの内空高さよりも低く調整されるようになっている、請求項１に記載のガスケット成形型。
3. 前記可動型および前記固定型のいずれか一方に形成されている前記材料を充填するための充填孔の内部に、材料充填流路を確保した姿勢で第１の可動部材が配設されており、
   前記充填孔を備えない他方の型のうち、前記充填孔に対応する位置には開口部が形成されるとともに該開口部内には第２の可動部材が配設されており、
   前記第１の可動部材を他方の型側に移動させることにより、該第１の可動部材が前記第２のキャビティ内の前記充填孔に対応する位置に形成されているガスケット部分を切断し、第２の可動部材とともに該切断された切断片を移動させて前記開口部に排出するようになっており、切断された該ガスケット部分がガス供給用もしくはガス排気用のマニホールドとなる、請求項１または２に記載のガスケット成形型。
4. 前記被収容体は、前記膜電極接合体と、該膜電極接合体を挟持する金属製の導電性多孔体と、該導電性多孔体が該膜電極接合体の周縁から外側に延びてなる前記補強体と、から形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のガスケット成形型。

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