JP2009230877A - 燃料電池用構成部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータ基材またはセパレータ等のプレートと金属多孔体またはＧＤＬ等の多孔体を予め一体化してなり、もってセル組立時の作業性を向上させるとともに多孔体の位置精度を向上させることができる燃料電池用構成部品を提供する。
【解決手段】プレート、多孔体およびガスケットの組み合わせよりなる燃料電池用構成部品であって、ガスケットはその成形と同時にプレートおよび多孔体に被着または含浸され、この被着または含浸によりプレート、多孔体およびガスケットが一体化されている。例えばプレートは溝無し形状のセパレータ基材、多孔体はセパレータ基材とともにセパレータを構成する金属多孔体である、またプレートは溝付き形状のセパレータ、多孔体はＧＤＬである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の構成要素をなす燃料電池用構成部品とその製造方法に関するものである。

燃料電池セルの構成要素であるセパレータにはその種類として、図７（Ａ）に示すカーボン製のセパレータ５１と、図７（Ｂ）または（Ｃ）に示す金属製のセパレータ５２とがあり、それぞれＭＥＡに対してガスを供給するための流路５３を有している。後者の金属セパレータ５２においては、その流路５３をプレス成形により溝として形成するもの（図７（Ｂ）、下記特許文献１参照）と、平板状のセパレータ基材５４に金属多孔体５５を組み合わせて金属多孔体５５内の気孔（図示せず）を流路とするもの（図７（Ｃ））とが知られている。このうち後者のセパレータ基材５４と金属多孔体５５との組み合わせ品では、図８に示すようにセル組立時、ＭＥＡ５６の両側に、流路を構成する金属多孔体５５を固定する必要があることから、組立工数および組付精度上の問題を有している。

特開２００４−５５４２７号公報

本発明は以上の点に鑑みて、セパレータ基材またはセパレータ等のプレートと金属多孔体またはＧＤＬ等の多孔体を予め一体化してなり、もってセル組立時の作業性を向上させるとともに多孔体の位置精度を向上させることができる燃料電池用構成部品とその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１による燃料電池用構成部品は、プレート、多孔体およびガスケットの組み合わせよりなる燃料電池用構成部品であって、前記ガスケットはその成形と同時に前記プレートおよび多孔体に被着または含浸され、前記被着または含浸により前記プレート、多孔体およびガスケットが一体化されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２による燃料電池用構成部品は、上記した請求項１記載の燃料電池用構成部品において、プレートは溝無し形状のセパレータ基材であり、多孔体は前記セパレータ基材とともにセパレータを構成する金属多孔体であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３による燃料電池用構成部品は、上記した請求項１記載の燃料電池用構成部品において、プレートは溝付き形状のセパレータであり、多孔体はＧＤＬであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４による製造方法は、上記した請求項１記載の燃料電池用構成部品を製造する方法であって、金型に多孔体を位置決めしてセットし、次いでプレートを位置決めしてセットし、次いで型締めし、前記金型の内面、多孔体およびプレートに囲まれるガスケット成形空間へ予めプレートに設けた貫通穴からガスケット成形材料を充填してガスケットを成形し、成形と同時に前記プレートおよび多孔体に被着または含浸させることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５による製造方法は、上記した請求項４記載の製造方法において、プレートは溝無し形状のセパレータ基材であり、多孔体は前記セパレータ基材とともにセパレータを構成する金属多孔体であることを特徴とするものである。

更にまた、本発明の請求項６による製造方法は、上記した請求項４記載の製造方法において、プレートは溝付き形状のセパレータであり、多孔体はＧＤＬであることを特徴とするものである。

燃料電池セルにはその構成要素としてプレートおよび多孔体のほかにガスケットが備えられているので、このガスケットを利用してプレートおよび多孔体を一体化する。すなわちガスケットをその成形と同時にプレートおよび多孔体の双方に被着または含浸し、これによりゴム状弾性体製のガスケットをバインダーとしてプレートおよび多孔体を一体化する。したがって本発明のこの構成によればセル組立時、すでにプレート、多孔体およびガスケットが一体化されているので１つの部品として取り扱うことができ、セルの組立工数を削減することが可能となるとともに、多孔体単独での位置合わせ作業を省略することも可能となる。

上記特徴を有する本発明は、セパレータ基材および金属多孔体の組み合わせよりなるセパレータに適用される。この場合、燃料電池用構成部品は、プレートとしての溝無し形状のセパレータ基材、多孔体としての金属多孔体およびガスケットにより構成される。

また、本発明は、溝付き形状のセパレータおよびＧＤＬの組み合わせに適用される。この場合、燃料電池用構成部品は、プレートとしての溝付き形状のセパレータ基材、多孔体としてのＧＤＬおよびガスケットにより構成される。

上記いずれの組み合わせの場合も、プレートは多孔体よりも平面形状が大きく設定され、プレートの一面上に多孔体が重ねられ、多孔体よりも平面方向に突出するプレート周縁部の平面上であって多孔体の外周側にガスケットが配置される。したがってガスケットは、プレート周縁部および多孔体の外周部に被着・含浸される。

ガスケットをその成形と同時にプレート周縁部および多孔体外周部に被着・含浸するには、ガスケット成形用金型にプレートおよび多孔体をインサートし、型締めし、ガスケット成形材料を充填してガスケットを成形し、成形と同時にプレートおよび多孔体に被着・含浸させる。金型にプレートをインサートするについては金型に対してプレートを平面方向に正確に位置決めする必要があるので、金型には、インサートするプレートを位置決めするための位置決め構造が掘り込み凹部や段差部等により設定され、これによりプレートが金型に対して正確に位置決めされる。しかしながらこのようにして金型にプレートをセットしてから多孔体をセットする手順とすると、多孔体はこれをただ単にセット済みのプレートの上に載せることになって多孔体は何処に対しても位置決めされないことから、位置精度に誤差が生じやすく、精度を上げるには多大な手間がかかる。

そこで、本発明の製造方法では、金型に先ず多孔体を位置決めしてセットし、次いでプレートを位置決めしてセットし、次いで金型の内面、多孔体およびプレートに囲まれるガスケット成形空間へガスケット成形材料を充填してガスケットを成形し、成形と同時にプレートおよび多孔体に被着または含浸させることにした。この手順によれば、多孔体およびプレートがそれぞれ金型に対して位置決めされることから、多孔体の位置精度を向上させることが可能となる。

上記特徴を有する本発明の製造方法は、セパレータ基材および金属多孔体の組み合わせよりなるセパレータに適用される。この場合、燃料電池用構成部品は、プレートとしての溝無し形状のセパレータ基材、多孔体としての金属多孔体およびガスケットにより構成される。

また、本発明の製造方法は、溝付き形状のセパレータおよびＧＤＬの組み合わせに適用される。この場合、燃料電池用構成部品は、プレートとしての溝付き形状のセパレータ基材、多孔体としてのＧＤＬおよびガスケットにより構成される。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明の燃料電池用構成部品においては、ガスケットをその成形と同時にプレートおよび多孔体の双方に被着または含浸し、これによりガスケットをバインダーとしてプレートおよび多孔体を一体化するようにしたために、この構成によればセル組立時、すでにプレート、多孔体およびガスケットが一体化されている。したがってセルの組立工数を削減してセルの組立性を向上させることができる。また予めの一体化により多孔体の位置精度が安定することから、セル間における性能のバラツキを軽減することができる。また製造方法としても、多孔体が金型に対して位置決めされることから、多孔体の位置精度を向上させることができる。

本発明には、以下の実施形態が含まれる。

（１−１）本発明は、金属多孔体をガスケットと一緒にセパレータ基材に一体化することで、組立性および組付精度を向上させ、品質の安定化が図れるプレート一体シールの構造を提案する。
（１−２）一体化を実施するうえで、金属多孔体は金型による型締め等で容易に締め付けることが困難なため、事前にゴムまたは樹脂を含浸する目留めを実施し、流路部にゴムが回り込まないようにして一体化を図る。
（１−３）ガスケットを一体成形することにより、セパレータ基材と金属多孔体を一体化することで、組立性を向上することができる。また金属多孔体の位置精度が安定することから、セル間の性能バラツキを軽減することができる。
（１−４）本発明のガスケットに用いるゴム材料は、成形可能な材料であれば特に規定はないが、好ましくは低粘度ゴム材料、液状ゴム材料が適する。
（１−５）材料の種類としては、燃料電池の使用環境下に耐え得る、シリコーン、フッ素ゴム、ＥＰＤＭゴム、ブチルゴム等が候補として挙げられる。
（１−６）目留めに関しては、樹脂であればエポキシ樹脂やウレタン等が挙げられ、ゴム材料であれば上記のガスケットを構成するゴム材料が挙げられる。
（１−７）セパレータ基材には予めゴムを一体化するために接着剤処理をするか、スルーホール、切欠等の構成で機械的に固定する手段を設ける。
（１−８）目留めに関しては、スクリーン印刷、ディッピング、ディスペンサー、圧入等の方法が考えられるが、ガスケット成形時にゴムが回り込まなければ、製法に関しては特に規定しない。

（２−１）燃料電池用ＧＤＬ、ＭＥＡ一体シールにおいて、セパレータプレートの反応面にＧＤＬまたはＭＥＡを固定して一体成形を行なうことで一体化を図る場合、従来技術では、プレートの上にＧＤＬまたはＭＥＡを位置決めした後、型締めを行ない、一体化するのが一般的となる。この場合、プレートの上にＧＤＬまたはＭＥＡをセットする際の位置決めが難しく、一体化の際の位置ズレが発生する可能性が高い。また、ＧＤＬまたはＭＥＡをセットするのに非常に時間を要する。
（２−２）そこで、本発明では、ＧＤＬまたはＭＥＡを先に金型にセットし、その後にプレートをセットし、プレート背面より、貫通穴を設けてそれを利用してゴムを成形することで、作業性が良く、品質安定する一体成形方式を提案する。
（２−３）上記構成によると、発電面とＧＤＬまたはＭＥＡの位置精度が向上することから、ＧＤＬまたはＭＥＡの面積を小さくすることが可能となり、不適合率も下がる。また、位置決めに必要な工数が大幅に縮小し、生産性の向上に寄与する。また、一体化されることで、管理上、品質管理面、流通面の負担が軽減される。
（２−４）本発明に用いるゴム材料は、成形可能な材料であれば特に規定はないが、好ましくは低粘度ゴム材料、液状ゴム材料が適する。
（２−５）材料の種類としては、燃料電池の使用環境下に耐え得る、シリコーン、フッ素ゴム、ＥＰＤＭゴム、ブチルゴム等が候補として挙げられる。
（２−６）金型には、ＧＤＬまたはＭＥＡを所定の位置にセットできるように、掘り込みが加工されており、更に、セパレータプレートをセットするための掘り込みが設けられている。
（２−７）通常の金型構造では、セパレータとＧＤＬまたはＭＥＡとの一体化の場合、ガスケット成形面を上にもってくるのが一般的と考えられるが、本発明では位置決め精度、作業性を考慮してセット順を逆にしている。
（２−８）この状態で下面側より成形できれば問題は解決されるが、それでは成形機自体が複雑な構成となるか、金型を複雑な構成にする必要があり、コスト面で問題がある。このため、プレートに貫通穴を設け、プレート背面より射出成形しガスケットを一体成形する方式を提案する。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第一および第二実施例・・・
図１は、本発明の第一実施例に係る燃料電池用構成部品１を含む燃料電池セルの要部断面を示しており、当該燃料電池用構成部品１は、プレートとしての溝無し形状のセパレータ基材２と、多孔体としての金属多孔体３と、ガスケット４とにより構成されている。セパレータ基材２と金属多孔体３は互いに組み合わされてセパレータを構成している。セル全体としては、当該構成部品１が一対向かい合わせに配置され、その間にＭＥＡ５およびＧＤＬ６が配置されている。

当該構成部品１において、セパレータ基材２の一面上に、金属多孔体３が非接着で重ねられている。平板状を呈するセパレータ基材２は同じく平板状を呈する金属多孔体３よりも平面形状が大きく設定されているので、その面積差に応じてセパレータ基材２の周縁部２ａは金属多孔体３の周縁部３ａよりも平面方向（図では左方向）に突出している。金属多孔体３よりも平面方向に突出するセパレータ基材２の周縁部２ａ平面上であって金属多孔体３の外周側に所定の幅寸法Ｗ_１を有するゴム状弾性体製のガスケット４が配置されている。ガスケット４はその金型による成形と同時にセパレータ基材２および金属多孔体３に被着（接着）され、この被着構造によってセパレータ基材２、金属多孔体３およびガスケット４が一体化されている。

尚、金属多孔体３の周縁部３ａには、その気孔率を低下させて過度に及ぶゴム含浸を抑制すべく予め樹脂またはゴムよりなる目留め材が充填されて所定の幅寸法Ｗ_２を有する目留め部７が形成されているので、ガスケット４の成形材料は金属多孔体３に殆んど含浸せず目留め部７の周面に被着されている。

また、ガスケット４の一体成形に先立ってセパレータ基材２には予めゴムを一体化するため接着剤処理が施されるが、この接着剤処理はこれに代えて、第二実施例として図２に示すようにセパレータ基材２に貫通穴８を設けてこれに一部のゴムを充填・係合させる機械的固定構造としても良い。貫通穴８はこれに代えて切欠等であっても良い。

上記構成を有する燃料電池用構成部品１においては、ガスケット４がその成形と同時にセパレータ基材２および金属多孔体３の双方に被着され、これによりガスケット４をバインダーとしてセパレータ基材２および金属多孔体３が一体化されているために、この構成によれば図１に示したように、セル組立時、すでにセパレータ基材２、金属多孔体３およびガスケット４が一体化されている。したがってセルの組立工数を削減してセルの組立性を向上させることができ、また予めの一体化により金属多孔体３の位置精度が安定することから、セル間における性能のバラツキを軽減することができる。

第三実施例・・・
図３は、本発明の第三実施例に係る燃料電池用構成部品１１を含む燃料電池セルの要部断面を示しており、当該燃料電池用構成部品１１は、プレートとしての流路溝１３付き形状のセパレータ１２と、多孔体としてのＧＤＬ１４と、ガスケット１５とにより構成されている。セル全体としては、当該構成部品１１が一対向かい合わせに配置され、その間にＭＥＡ１６が配置されている。

当該構成部品１１において、セパレータ１２の一面（反応面）上に、ＧＤＬ１４が非接着で重ねられている。平板状を呈するセパレータ１２は同じく平板状を呈するＧＤＬ１４よりも平面形状が大きく設定されているので、その面積差に応じてセパレータ１２の周縁部１２ａはＧＤＬ１４の周縁部１４ａよりも平面方向（図では左方向）に突出している。ＧＤＬ１４よりも平面方向に突出するセパレータ１２の周縁部１２ａ平面上であってＧＤＬ１４の外周側に所定の幅寸法Ｗ_１を有するゴム状弾性体製のガスケット１５が配置されている。ガスケット１５はその金型による成形と同時にセパレータ１２に被着（接着）されるとともにＧＤＬ１４の気孔内に含浸し、この被着・含浸構造によってセパレータ１２、ＧＤＬ１４およびガスケット１５が一体化されている。符号１７は、所定の幅寸法Ｗ_３を有する含浸部を示している。

上記構成を有する燃料電池用構成部品１１においては、ガスケット１５がその成形と同時にセパレータ１２およびＧＤＬ１４の双方に被着・含浸され、これによりガスケット１５をバインダーとしてセパレータ１２およびＧＤＬ１４が一体化されているために、この構成によれば図３に示したように、セル組立時、すでにセパレータ１２、ＧＤＬ１４およびガスケット１５が一体化されている。したがってセルの組立工数を削減してセルの組立性を向上させることができ、また予めの一体化によりＧＤＬ１４の位置精度が安定することから、セル間における性能のバラツキを軽減することができる。

つぎに上記第三実施例に係る燃料電池用構成部品１１の製造方法を説明する。

図４に示すように、製造には、金型２１を用い、金型２１にセパレータ１２およびＧＤＬ１４をインサートし、型締めし、ガスケット成形材料を充填してガスケット１５を成形し、成形と同時にガスケット１５をセパレータ１２およびＧＤＬ１４に被着・含浸させる。

図示する金型２１は、セパレータ１２およびＧＤＬ１４をセットする下型（一方の型）２２と、これに重ねられる中型（他方の型）２３とを有している。下型２２の対向面には、セパレータ１２を位置決め保持するための掘り込み凹部２４が設けられ、更にその底面に位置して、ＧＤＬ１４を位置決め保持するための掘り込み凹部２５と、ガスケット１５を成形するためのキャビティ空間２６が設けられている。一方、中型２３には、ランナ２７およびゲート２８等が設けられている。尚、ゲート２８とキャビティ空間２６を連通させるため、セパレータ１２には貫通穴１８を設けておくことにする。

成形は、以下の手順でこれを行なう。

すなわち先ず、図４に示したように、下型２２にＧＤＬ１４をセットし、次いでセパレータ１２をセットする。ＧＤＬ１４は掘り込み凹部２５に位置決め保持されるので、下型２２に対して平面上位置精度良くセットされる。セパレータ１２は掘り込み凹部２４に位置決め保持されるので、下型２２に対して平面上位置精度良くセットされる。ＧＤＬ１４とセパレータ１２は非接着で互いに重ね合わされる。

次いで、図５に示すように、型締めし、下型２２の内面、ＧＤＬ１４およびセパレータ１２に囲まれるガスケット成形空間２９へランナ２７およびゲート２８から貫通穴１８を介してガスケット成形材料を充填してガスケット１５を成形し、成形と同時にガスケット１５をセパレータ１２およびＧＤＬ１４に被着・含浸させる。

したがって当該製造方法によれば、セパレータ１２およびＧＤＬ１４がいずれも下型２２に対して平面上位置精度良く保持された状態でガスケットの一体成形が行なわれるので、セパレータ１２およびＧＤＬ１４とも成形時の位置精度を向上させることができる。

尚、比較例として図６に示すように、セパレータ１２およびＧＤＬ１４の位置関係を上下反対として、下型２２にセパレータ１２を位置決め保持する掘り込み凹部２４のみを設け、対する中型２３にランナ２７およびゲート２８等とともにＧＤＬ１４を位置決め保持する掘り込み凹部２５と、ガスケット１５を成形するキャビティ空間２６とを設ける構造にすると、ＧＤＬ１４はただ単にセット済みのセパレータ１２の上に載せられることになって何処にも位置決めされないことから、位置精度に誤差が生じやすく、精度を上げるには多大な手間がかかる。これに対して上記本発明実施例に係る製造方法は、このような不都合を解消することができるものである。

また、上記本発明実施例に係る製造方法は、第三実施例に係る構成部品１１のみでなく、上記第一・第二実施例に係る構成部品１等の製造にも利用することができる。

本発明の第一実施例に係る燃料電池用構成部品を含む燃料電池セルの要部断面図 本発明の第二実施例に係る燃料電池用構成部品を含む燃料電池セルの要部断面図 本発明の第三実施例に係る燃料電池用構成部品を含む燃料電池セルの要部断面図 同燃料電池用構成部品の製造工程を示す説明図 同燃料電池用構成部品の製造工程を示す説明図 比較例に係る燃料電池用構成部品の製造工程を示す説明図 従来のセパレータの構造例を示す要部断面図 従来例に係る燃料電池用構成部品を含む燃料電池セルの要部断面図

符号の説明

１，１１ 燃料電池用構成部品
２ セパレータ基材
２ａ，３ａ 周縁部
３ 金属多孔体
４，１５ ガスケット
５，１６ ＭＥＡ
６，１４ ＧＤＬ
７ 目留め部
８，１８ 貫通穴
１２ セパレータ
１３ 流路溝
１７ 含浸部
２１ 金型
２２ 下型
２３ 中型
２４，２５ 掘り込み凹部
２６ キャビティ空間
２７ ランナ
２８ ゲート
２９ ガスケット成形空間

Claims (6)

1. プレート、多孔体およびガスケットの組み合わせよりなる燃料電池用構成部品であって、
   前記ガスケットはその成形と同時に前記プレートおよび多孔体に被着または含浸され、前記被着または含浸により前記プレート、多孔体およびガスケットが一体化されていることを特徴とする燃料電池用構成部品。
2. 請求項１記載の燃料電池用構成部品において、
   プレートは溝無し形状のセパレータ基材であり、多孔体は前記セパレータ基材とともにセパレータを構成する金属多孔体であることを特徴とする燃料電池用構成部品。
3. 請求項１記載の燃料電池用構成部品において、
   プレートは溝付き形状のセパレータであり、多孔体はＧＤＬであることを特徴とする燃料電池用構成部品。
4. 請求項１記載の燃料電池用構成部品を製造する方法であって、
   金型に多孔体を位置決めしてセットし、次いでプレートを位置決めしてセットし、次いで型締めし、前記金型の内面、多孔体およびプレートに囲まれるガスケット成形空間へ予めプレートに設けた貫通穴からガスケット成形材料を充填してガスケットを成形し、成形と同時に前記プレートおよび多孔体に被着または含浸させることを特徴とする燃料電池用構成部品の製造方法。
5. 請求項４記載の製造方法において、
   プレートは溝無し形状のセパレータ基材であり、多孔体は前記セパレータ基材とともにセパレータを構成する金属多孔体であることを特徴とする燃料電池用構成部品の製造方法。
6. 請求項４記載の製造方法において、
   プレートは溝付き形状のセパレータであり、多孔体はＧＤＬであることを特徴とする燃料電池用構成部品の製造方法。

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