JP2009252627A - ガスケット付セパレータおよびその製造方法、積層部材ガスケット一体型セパレータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、燃料電池スタック形成時に隣り合うセパレータが電気的にショートするのを防止することができる、ガスケット付セパレータおよびその製造方法を提供することを目的とする。また、燃料電池スタック形成時に隣り合うセパレータが電気的にショートするのを防止することができる積層部材ガスケット一体型セパレータおよびその製造方法を提供することを他の目的とする。
【解決手段】金型５０、６０によってセパレータ本体１４の縁部８０を挟持しつつシール材料の注入によりガスケット１８を形成し、セパレータ本体１４とＭＥＧＡ１６を一体化する。その後、金型５０、６０により挟持されていたセパレータ本体１４の縁部８０を、セパレータ本体１４の端面とガスケット１８の端面とが揃うように切断する。
【選択図】図６

Description

この発明は、燃料電池用のガスケット付セパレータおよびその製造方法、並びに、燃料電池用の積層部材ガスケット一体型セパレータおよびその製造方法に関する。

従来、例えば、特開２００２−２３１２６４号公報に開示されているように、燃料電池スタックの構成部材の１つであるセパレータに、ガスケットを一体化する技術が知られている。上記従来の技術によれば、先ず金属製の板材に溝状のガス流路を形成したものが、セパレータ本体として準備される。このセパレータ本体を、一対の金型で挟持する。

金型には、予め、ガスケット形成位置と対応するように凹部が設けられている。セパレータ本体を金型で挟持した状態で、この凹部にシール材料を注入することにより、セパレータ本体とガスケットとを一体に形成することができる。特許文献１では、このような手法により、ガスケットの位置精度を高めたり、燃料電池組み付け時の工数削減を図ったりしている。

特開２００２−２３１２６４号公報 特開２００５−２３５６３０号公報 特開２００４−１２７６９９号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ガスケット形成時、セパレータ本体の縁の部分が金型によって挟持されている。その結果、ガスケット形成後、セパレータ本体の縁の部分が、ガスケット形成位置よりも外側に突き出て外部に露出する。このような場合、セパレータを重ね合わせて燃料電池スタックを形成する際に、隣り合うセパレータ間で、セパレータ本体の縁の突出部分が接触してしまうおそれがある。その結果、隣り合うセパレータが電気的にショートするおそれがある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池スタック形成時に隣り合うセパレータが電気的にショートするのを防止することができるガスケット付セパレータ、およびその製造方法を提供することを目的とする。

また、この発明の他の目的は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池スタック形成時に隣り合うセパレータが電気的にショートするのを防止することができる積層部材ガスケット一体型セパレータ、およびその製造方法を提供することを他の目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、ガスケット付セパレータであって、
燃料電池セパレータとして用いるための導電性の板材と、
前記板材の表面の外周側部分に、該板材の端面と並んでその端面が位置するように一体化された、絶縁材料からなるガスケットと、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、積層部材ガスケット一体型セパレータであって、
上記第１の発明のガスケット付セパレータと、
前記ガスケット付セパレータの前記ガスケットが一体化された側の面における該ガスケットの内側の領域に一体化され、燃料電池を構成するために前記板材に重ねて用いられる部材である積層部材と、
を備えることを特徴とする。

第３の発明は、上記の目的を達成するため、積層部材ガスケット一体型セパレータの製造方法であって、
燃料電池セパレータとして用いるための導電性の板材を準備する準備工程と、
その外形が前記板材よりも小さく、燃料電池を構成するために該板材に重ねて用いられる部材である積層部材を準備する工程と、
第１金型と第２金型が組み合わされてなり、該第１金型に、前記板材の外形よりも小さく、かつ前記積層部材の外形よりも大きな口径の凹部が設けられた金型を準備する工程と、
前記第１金型、前記積層部材、前記板材、前記第２金型の順にそれらを重ね、該第１金型の前記凹部の側面と該積層部材の端面とを離間しつつ該板材と該積層部材とを該第１、２金型に収納し、かつ、該凹部の縁と該第２金型とによって該板材の縁を挟持する収納工程と、
前記収納工程により前記第１、２金型に前記板材および前記積層部材が収納されている状態で、該積層部材の端面と前記凹部の側面との間の空間にシール材料を注入することにより、該積層部材の外周を囲うようにガスケットを形成するガスケット作成工程と、
前記ガスケット作成工程の後に、該ガスケット作成工程中に前記第１金型の前記凹部の縁と前記第２金型とによって挟持されていた前記板材の縁の部分を、該板材の端面と前記ガスケットの端面とが揃うように切断する端部除去工程と、
を有することを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、
前記端部除去工程が、前記板材の前記ガスケット外周側において露出する部位を、該ガスケットの外周側の一部分とともに切断する工程であることを特徴とする。

第５の発明は、上記の目的を達成するため、ガスケット付セパレータの製造方法であって、
燃料電池セパレータとして用いるための導電性の板材を準備する工程と、
前記板材の一方の面上に、該一方の面に設けられるガスケットに対応した位置に凹部を備える第１金型を配置し、該板材の他方の面上に第２金型を配置し、該第１金型と該第２金型とによって該板材の縁の部分を挟んだ状態で前記凹部にシール材料を注入することにより、該板材にガスケットを形成するガスケット作成工程と、
前記ガスケット作成工程の後に、前記板材の端面と前記ガスケットの端面とが揃うように、該板材の縁の部分を切断する端部除去工程と、
を有することを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、
前記端部除去工程が、前記板材の前記ガスケット外周側において露出する部位を、該ガスケットの外周側の一部分とともに切断する工程であることを特徴とする。

第１の発明によれば、導電性の板材の端面の位置まで、ガスケットが存在している。このため、第１の発明にかかるガスケット付セパレータが複数枚重ねられた時に、隣り合うセパレータ間のショートを防止することができる。

第２の発明によれば、隣り合うセパレータの縁の部分が接触して電気的にショートするのを防止可能な、積層部材ガスケット一体型セパレータが提供される。

第３の発明によれば、燃料電池用の積層部材と板材とをガスケットを介して板材に固定するとともに、このガスケットの作成工程に伴い発生してしまう板材の縁の露出部分を、板材の端面とガスケットの端面とが揃うように切断することができる。これにより、燃料電池スタック形成時に、隣り合うセパレータ間のショートを防止可能な、積層部材ガスケット一体型セパレータを製造することができる。

第４の発明によれば、板材の端面とガスケットの端面とを、それらの断面を揃えながら切断することができる。これにより、板材の縁の最端部まで確実にガスケットを設けることができる。

第５の発明によれば、ガスケット作成時に発生してしまう導電性の板材の縁の露出部分を、板材の端面とガスケットの端面とが揃うように切断することができる。これにより、燃料電池スタック形成時に隣り合うセパレータ間のショートを防止可能な、ガスケット付セパレータを製造することができる。

第６の発明によれば、板材の端面とガスケットの端面とを、それらの断面を揃えながら切断することができる。これにより、板材の縁の最端部まで確実にガスケットを設けることができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明にかかる実施の形態１のＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２を用いて構成した、燃料電池スタック１０の斜視図である。ここでは、燃料電池セパレータとして用いるために準備された導電性の板材（以下「セパレータ本体」とも称す）の片面に、膜電極接合体（MEA:Membrane Electrode Assembly）と、ガスケットとが一体化されたものを、「ＭＥＡガスケット一体型セパレータ」と呼称する。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が形成されたものである。

燃料電池スタック１０は、複数のＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２を図１紙面上下方向に積み重ねたものである。燃料電池スタック１０の紙面上下の端部にはそれぞれ図示しないエンドプレートが配置され、また、図示しないテンションシャフト等の部材によって燃料電池スタック１０に対して紙面上下方向に沿う押圧力が付与されている。これにより、複数のＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２が積層された状態で挟持され、燃料電池スタック１０が形成されている。

図２は、実施の形態１のＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２の断面図である。図２に示すように、１つのＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２は、セパレータ本体１４と、ＭＥＧＡ１６と、ガスケット１８により構成されている。ＭＥＧＡ１６は、膜電極接合体の各面に、さらにカーボンシート等のガス拡散層が一体化されたものである。セパレータ本体１４とＭＥＧＡ１６とは、ガスケット１８を介して一体化（接着固定）されている。

セパレータ本体１４は、実施の形態１では、３枚の金属の板材を重ねて構成したものである。複数枚の板材を重ねてセパレータを構成する技術に関しては既に多くの文献が公知となっているため、ここでは説明を省略する。また、実施の形態１では説明の簡略化のため省略するが、ＭＥＧＡ１６とセパレータ本体１４との間に多孔質体層をガス流路用の層として挿入しても良い。多孔質体層は、例えば、発泡金属やエキスパンドメタル等の多孔質体を用いて形成すればよい。また、セパレータ本体１４が、その表面に溝状のガス流路を有するタイプのセパレータであってもよい。

ガスケット１８は、弾性を有する絶縁材料、具体的にはゴムによって形成されている。ガスケット１８は、ＭＥＧＡ１６の端面に沿って、ＭＥＧＡ１６を囲うように設けられている。例えば、ガスケット１８は、図２の紙面奥行方向にも延びている。実施の形態１では、図２に示すように、セパレータ本体１４の端部までガスケット１８が存在している。このような構成によれば、隣り合うセパレータ本体１４が接触してそれらがショートするのを確実に防止することができる。

［実施の形態１の製造方法］
以下、図３乃至６を用いて、実施の形態１の製造方法について説明する。以下述べるように、実施の形態１では、セパレータ本体１４とＭＥＧＡ１６とを重ねて、ＭＥＧＡ１６の端面にシール材料を供給してガスケット１８を形成することにより、セパレータ本体１４とＭＥＧＡ１６とをガスケット１８を介して一体化させる。

先ず、図３に模式的に示すような、凹部５４とこの凹部５４に連通する樹脂注入経路５２とを備える、金型５０を準備する。また、金型５０と対になる金型６０も準備する。凹部５４の口径（開口断面積）は、セパレータ本体１４の外形よりは小さく、かつ、ＭＥＧＡ１６の外形よりは大きくされる。凹部５４の開口断面形状は、ＭＥＧＡ１６の外形と同様の形、例えば矩形とすることができる。これにより、図３に示すように金型５０、ＭＥＧＡ１６、セパレータ本体１４、金型６０の順にそれらを重ねることにより、図４に示すように、凹部５４の側面とＭＥＧＡ１６の端面とを離間した状態で、ＭＥＧＡ１６およびセパレータ本体１４を金型５０、６０内に収納することができる。

図４の状態となることで、金型５０、６０によりセパレータ本体１４の縁の部分が挟持される。また、ＭＥＧＡ１６の端面と金型５０の凹部５４側面との間に、空間７０が形成される。ここでは図示を省略するが、空間７０はＭＥＧＡ１６の端面に沿ってその外周を囲うように延びているものとする。実施の形態１では、樹脂注入経路５２から空間７０に絶縁性のシール材料を注入して、ガスケット１８を形成する。このように、実施の形態１の製造方法によれば、シール材料の注入工程によって、セパレータ本体１４とＭＥＧＡ１６の一体化と、ガスケット１８の形成とを、一括して行うことができる。

次に、図４で述べたシール材料の注入工程を経て一体化された構成（すなわちガスケット形成直後のＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２）を、金型５０、６０から取り出す。図５には、便宜上、取り出されたＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２を２つ重ねて図示している。図４に示したように、空間７０へのシール材料注入の際には、セパレータ本体１４の縁の部分が金型５０、６０で挟持されている。従って、シール材料注入終了後、金型５０、６０から取り出された時点では、セパレータ本体１４の縁の部分（以下符号８０を付して「縁部８０」とも称す）が、外部に露出（言い換えれば外側に突出）している。

実施の形態１では、この縁部８０を切断することにより、図６に示すようにガスケット１８の端面とセパレータ本体１４の端面とを揃える。具体的には、ＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２の最終外形寸法に合わせて予め準備された型に合わせて、縁部８０を裁断する。つまり、予め準備されるセパレータ本体１４は、裁断分を見越して、最終外形寸法に比してある程度大きなものとされる。なお、図５、６では便宜上２つのＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２に対して一括に縁部８０の切断を施したが、本発明はこれに限定されず、個々のＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２に対して１つずつ縁部８０の切断を行っても良い。

以上説明した製造方法によれば、ＭＥＧＡ１６とセパレータ本体１４とをガスケット１８を介して固定し、このガスケット１８の作成工程に伴い発生してしまう縁部８０を切断することができる。これにより、隣り合うセパレータ間のショートを防止可能な、ＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２を製造することができる。

その後、得られた複数のＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２を例えば数百枚程度積層する。この積層体をテンションシャフト等の押圧固定用構成部材で挟持することにより、燃料電池スタック１０を構成する。ＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２を用いることにより、セパレータ間の絶縁性に優れた燃料電池スタック１０を得ることができる。

尚、上述した実施の形態１では、セパレータ本体１４が前記第１の発明における「導電性の板材」に、ガスケット１８が前記第１の発明における「ガスケット」に、ＭＥＧＡ１６が前記第１の発明における「積層部材」に、それぞれ相当している。

また、実施の形態１の製造方法では、ＭＥＧＡ１６が前記第３の発明における「積層部材」に、金型５０が前記第３の発明における「第１金型」に、金型６０が前記第３の発明における「第２金型」に、凹部５４が前記第３の発明における「凹部」に、空間７０が前記第３の発明における「該積層部材の端面と前記凹部の側面との間の空間」に、それぞれ相当している。

［実施の形態１の比較例］
図９は、実施の形態１の効果説明のために示す比較例セパレータ２１２の断面図である。図９（ａ）の比較例セパレータ２１２では、セパレータ本体１４の縁がガスケット２１８の端面よりも外側に突出している。この場合、図９（ｂ）に模式的に示すように一部の比較例セパレータ２１２にズレや反りが生じると、隣り合うセパレータ同士のセパレータ本体１４が接触してしまう恐れがある。

この点、実施の形態１によれば、図２に示すようにセパレータ本体１４の端まで絶縁材料からなるガスケット１８が設けられている。このため、仮に図９（ｂ）に示すような事態が生じたとしても、隣り合うセパレータ本体１４が接触してそれらがショートしてしまう事態を防止できる。

［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、ＭＥＧＡ１６を、セパレータ本体１４に一体化した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。燃料電池を構成するために用いる積層部材としては、例えば膜電極接合体（ＭＥＡ）、ガス拡散層、多孔質体層などが挙げられる。これらの積層部材を挟持するようにセパレータが位置することで、燃料電池が形成される。

そこで、セパレータ本体１４に対して、ガス拡散層と多孔質体層のみを一体化したり、多孔質体層のみを一体化したりすることができる。また、多孔質体層を用いずにセパレータ本体に溝を設けるタイプの燃料電池では、セパレータ本体に直接ガス拡散層を一体化することもできる。具体的には、第１変形例として、ＭＥＧＡ１６に代えて、ガス拡散層として用いるカーボンシートのみを、セパレータ本体１４に一体化しても良い。また、多孔質体層として用いる種々のシート状の部材を、セパレータ本体１４に一体化してもよい。

第１変形例により得られる、積層部材とガスケットとをセパレータに一体化したもの（つまり積層部材ガスケット一体型セパレータ）と、膜電極接合体とを、交互に重ねることにより、燃料電池スタックを構成することができる。なお、この変形例は、図３におけるＭＥＧＡ１６を、カーボンシート等に交換することにより、実施の形態１と同様の製造方法により製造することができる。

（第２変形例）
図７は、実施の形態１の第２変形例にかかる製造方法を示す図である。第２変形例の製造方法では、実施の形態１の製造方法と同様の工程を経て、ＭＥＡガスケット一体型セパレータ１１２を作成する。但し、ＭＥＡガスケット一体型セパレータ１１２のガスケット１１８が、実施の形態１のガスケット１８に比して若干大きめに（図７の紙面右方に長めに）なるように、金型５０の凹部５４のサイズを変更しておく。その後、第２変形例の製造方法では、図７（ｂ）に示すように、セパレータ本体１４の縁部１８０を、ガスケット１１８の端部１８２ごと切断する。これにより、セパレータ本体１４の端面とガスケット１１８の端面とを精度良く揃えることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ＭＥＡガスケット一体型セパレータについて述べた。実施の形態２では、ＭＥＡは一体化されておらずガスケットとセパレータ本体が一体化された構成（以下、「ガスケット付セパレータ」と称す）を述べる。なお、実施の形態２では構成や製造方法について図示を省略し、実施の形態１の図面を適宜参照しながら説明する。

実施の形態２の構成は、図２に示したＭＥＡガスケット一体型セパレータ１２からＭＥＧＡ１６を除いたものと同じである。このような構成によっても、実施の形態１と同様に、燃料電池スタック形成時に、隣り合うセパレータ間のショートを防止することができる。燃料電池スタックを構成する際には、実施の形態２にかかるガスケット付セパレータと、ＭＥＧＡ１６とを、交互に積み重ねながら積層する。

図８を用いて、実施の形態２の製造方法について述べる。実施の形態２では、図８の金型１５０に、ガスケットの形状に対応させた凹部１５４を形成しておく。凹部１５４を有する金型１５０と金型６０とにより、実施の形態１と同様にセパレータ本体１４の縁を挟持して、当該凹部１５４が生じさせる空間１７０にシール材料を注入する。なお、ガスケットの形成位置に対応する凹部を設ける技術は、特開２００２−２３１２６４号公報にも記載されており、新規な事項ではないため、ここでは説明を省略する。

その後、シール材料注入の際に教示されていたセパレータ本体１４の縁の部分を、実施の形態１の図５、６で述べたのと同様に、裁断する。これにより、隣り合うセパレータ間のショートを防止しつつ燃料電池スタックを構成可能な、ガスケット付セパレータを得ることができる。

なお、実施の形態２において、実施の形態１の変形例と同様に、セパレータ本体の縁部をガスケットの端部ごと切断してもよい。

本発明にかかる実施の形態１のＭＥＡガスケット一体型セパレータを用いた、燃料電池スタックの斜視図である。 実施の形態１のＭＥＡガスケット一体型セパレータの断面図である。 実施の形態１の製造方法を説明する図である。 実施の形態１の製造方法を説明する図である。 実施の形態１の製造方法を説明する図である。 実施の形態１の製造方法を説明する図である。 実施の形態１の変形例を示す図である。 実施の形態２の製造方法を説明する図である。 実施の形態１に対する比較例を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１２、１１２ ＭＥＡガスケット一体型セパレータ
１４ セパレータ本体
１６ ＭＥＧＡ
１８、１１８ ガスケット
５０、６０、１５０ 金型
５２ 樹脂注入経路
５４、１５４ 凹部
７０、１７０ 空間
８０、１８０ 縁部
１８２ 端部
２１２ 比較例セパレータ
２１８ ガスケット

Claims (6)

1. 燃料電池セパレータとして用いるための導電性の板材と、
   前記板材の表面の外周側部分に、該板材の端面と並んでその端面が位置するように一体化された、絶縁材料からなるガスケットと、
   を備えることを特徴とするガスケット付セパレータ。
2. 請求項１に記載のガスケット付セパレータと、
   前記ガスケット付セパレータの前記ガスケットが一体化された側の面における該ガスケットの内側の領域に一体化され、燃料電池を構成するために前記板材に重ねて用いられる部材である積層部材と、
   を備えることを特徴とする、積層部材ガスケット一体型セパレータ。
3. 燃料電池セパレータとして用いるための導電性の板材を準備する準備工程と、
   その外形が前記板材よりも小さく、燃料電池を構成するために該板材に重ねて用いられる部材である積層部材を準備する工程と、
   第１金型と第２金型が組み合わされてなり、該第１金型に、前記板材の外形よりも小さく、かつ前記積層部材の外形よりも大きな口径の凹部が設けられた金型を準備する工程と、
   前記第１金型、前記積層部材、前記板材、前記第２金型の順にそれらを重ね、該第１金型の前記凹部の側面と該積層部材の端面とを離間しつつ該板材と該積層部材とを前記第１、２金型に収納し、かつ、該凹部の縁と該第２金型とによって該板材の縁を挟持する収納工程と、
   前記収納工程により前記第１、２金型に前記板材および前記積層部材が収納されている状態で、該積層部材の端面と前記凹部の側面との間の空間にシール材料を注入することにより、該積層部材の外周を囲うようにガスケットを形成するガスケット作成工程と、
   前記ガスケット作成工程の後に、該ガスケット作成工程中に前記第１金型の前記凹部の縁と前記第２金型とによって挟持されていた前記板材の縁の部分を、該板材の端面と前記ガスケットの端面とが揃うように切断する端部除去工程と、
   を有することを特徴とする、積層部材ガスケット一体型セパレータの製造方法。
4. 前記端部除去工程が、前記板材の前記ガスケット外周側において露出する部位を、該ガスケットの外周側の一部分とともに切断する工程であることを特徴とする請求項３に記載の積層部材ガスケット一体型セパレータの製造方法。
5. 燃料電池セパレータとして用いるための導電性の板材を準備する工程と、
   前記板材の一方の面上に、該一方の面に設けられるガスケットに対応した位置に凹部を備える第１金型を配置し、該板材の他方の面上に第２金型を配置し、該第１金型と該第２金型とによって該板材の縁の部分を挟んだ状態で前記凹部にシール材料を注入することにより、該板材にガスケットを形成するガスケット作成工程と、
   前記ガスケット作成工程の後に、前記板材の端面と前記ガスケットの端面とが揃うように、該板材の縁の部分を切断する端部除去工程と、
   を有することを特徴とするガスケット付セパレータの製造方法。
6. 前記端部除去工程が、前記板材の前記ガスケット外周側において露出する部位を、該ガスケットの外周側の一部分とともに切断する工程であることを特徴とする請求項５に記載のガスケット付セパレータの製造方法。

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