JP2011096419A

JP2011096419A - 燃料電池用シール構造体およびその製造方法

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Publication number: JP2011096419A
Application number: JP2009247228A
Authority: JP
Inventors: Morihiro Iju; 守裕伊集; Shigeru Watabe; 茂渡部; Kenichi Oba; 健一大場
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP5435224B2; US20110097647A1; US8609299B2

Abstract

【課題】ゴム含浸構造によりＧＤＬ周縁部にガスケットを一体化してなる燃料電池用シール構造体において、ＧＤＬ発電作用に係る反応面積を確保しつつＧＤＬ周縁部に反りなどの変形が発生するのを抑制し、もって成形不良が発生するのを抑制する。
【解決手段】本発明のシール構造体は、多孔質体よりなるＧＤＬと、ＧＤＬ周縁部に一体成形されたガスケットとを有する。ＧＤＬはゴム含浸部と含浸止め部を有する。ガスケットは、ＧＤＬに含浸せしめられる部位のほかに、ＧＤＬの厚み寸法よりも大きな厚み寸法のガスケット本体部を有するとともに、ＧＤＬと平面上重ねられるオーバーラップ部を一体に有する。ＧＤＬのゴム含浸部は、ガスケットのオーバーラップ部が平面上重ねられる外側部位と含浸止め部との間に、ガスケットが平面状重ねられない内側部位を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セルの構成要素をなすシール構造体およびその製造方法に関するものである。

燃料電池用のＧＤＬ（Gas Diffusion Layer（ガス拡散層））一体ガスケットの成形においては、金型にＧＤＬをインサートして射出成形を行なっている。その際、ＧＤＬ上にガスケットを成形する場合もあるが、裏面のシール性が必要な場合は、ＧＤＬの端部にガスケットを成形する必要がある。その際、ゴムとＧＤＬの接合強度もガスケットの耐久性を確保するうえで重要となる。充分な接合強度を得ながら安価な製品を得るために、ＧＤＬの一部にゴムを含浸させて成形する方法があるが、図３に示すようなＧＤＬ５１の外側にガスケット５２を配置する構成では、ＧＤＬの厚みが一般的に薄いために充分な締結力が得られない不都合がある。図３では、符号５１がＧＤＬ、５２がその周縁部に一体成形されたガスケット、５３がガスケット５２を形成する一部のゴムがＧＤＬ５１に含浸せしめられることによりガスケット５２をＧＤＬ５１に一体化したゴム含浸部を示している。

上記不都合を解消するには、図４および図５に示すように、ガスケット５２とＧＤＬ５１を一部オーバーラップさせて接合表面積を増大することにより接合強度を得る方法があるが、ＧＤＬ５１は空隙率の大きな弾性部材であるために剛性が低く、ゴムが流動してくる際にＧＤＬ５１が所定の位置に留まらず、その結果として、図６に示すようにＧＤＬ５１に反りＳ（図６（Ａ）参照）や折れＯ（図６（Ｂ）参照）などの変形が発生して成形不良となる問題が生じる。この際、ＧＤＬ５１が所定の位置に留まらないのは、ＧＤＬ５１が金型６１との締結部（図５のＴ部）で圧縮され大きく変形するために、その境界端部表面に発生する引っ張り応力でＧＤＬ５１が上方向へ反り、その状態でゴム射出圧がかかることによる。またＧＤＬ５１の圧縮率を低減させると成形後のＧＤＬ５１の反りが低減する傾向が認められるが、この場合にはゴム材料がＧＤＬ５１の内部側へ漏れてしまい、ＧＤＬ５１の発電作用に係る反応面積が減少する問題が発生する。ＧＤＬ５１は高空隙率のためゴム材料の流出を抑えるためには、３０〜５０％程度の高圧縮で型締めをする必要があり、ＧＤＬ５１の反りを抑制することは困難であった。

特開２００９−６４７６９号公報特開２００７−２６８４７号公報

本発明は以上の点に鑑みて、ゴム含浸構造によりＧＤＬの周縁部にガスケットを一体化してなる燃料電池用シール構造体において、ＧＤＬの発電作用に係る反応面積を確保しつつＧＤＬの周縁部に反りなどの変形が発生するのを抑制し、もって成形不良が発生するのを抑制することができる燃料電池用シール構造体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による燃料電池用シール構造体は、所定の厚み寸法を備える平板状の多孔質体よりなるＧＤＬと、前記ＧＤＬの周縁部に一体成形されたゴム状弾性体製のガスケットとを有し、前記ＧＤＬは、前記ガスケットを構成する一部のゴム状弾性体が前記ＧＤＬに含浸せしめられることにより前記ガスケットを前記ＧＤＬに一体化するゴム含浸部を前記ＧＤＬの周縁部に有するとともに、成形時の金型による押圧によって前記ＧＤＬの厚みが一部で圧縮されることにより前記ゴム状弾性体の含浸領域を規定する含浸止め部を前記ゴム含浸部の内側に有し、前記ガスケットは、前記ＧＤＬに含浸せしめられる部位のほかに、前記ＧＤＬの厚み寸法よりも大きな厚み寸法を備えるガスケット本体部を前記ＧＤＬの外側であって前記ＧＤＬとは平面上重ならない位置に有するとともに、前記ＧＤＬと平面上重ねられるオーバーラップ部を前記ガスケット本体部の内側に一体に有し、前記ＧＤＬのゴム含浸部は、前記ガスケットのオーバーラップ部が平面上重ねられる外側部位と前記含浸止め部との間に、前記ガスケットが平面状重ねられない内側部位を有することを特徴とする。

また、本発明の請求項２による燃料電池用シール構造体の製造方法は、上記した請求項１記載の燃料電池用シール構造体を製造する方法であって、ＧＤＬをインサートした状態でガスケットを射出成形する金型は、型締め時に前記ＧＤＬを一部で押圧して圧縮することにより前記含浸止め部を形成するための押圧部を分割型の対向部に有するとともに、同じく型締め時に前記ＧＤＬの内側部位を保持することにより前記ＧＤＬに反りなどの変形が発生するのを抑制するための保持部を前記分割型の対向部に有し、前記金型に設けた押圧部によって前記ＧＤＬを一部で圧縮しかつ前記金型に設けた保持部によって前記ＧＤＬの内側部位を保持した状態で、前記射出成形を実施することを特徴とする。

更にまた、本発明の請求項３による燃料電池用シール構造体の製造方法は、上記した請求項２記載の燃料電池用シール構造体の製造方法において、前記金型に設けた押圧部は突起状を呈し、前記金型に設けた保持部は段差状を呈し、前記段差状の保持部の立ち上がり面には面取り部が設けられていることを特徴とする。

上記構成を備えた本発明のシール構造体においては、ガスケットを構成する一部のゴム状弾性体がＧＤＬに含浸せしめられることによりガスケットをＧＤＬに一体化するゴム含浸部がＧＤＬの周縁部に設けられているために、先ずはこのゴム含浸部によってＧＤＬの周縁部にガスケットが一体化される。

また、成形時の金型による押圧によってＧＤＬの厚みが一部で圧縮されることによりゴム状弾性体の含浸領域を規定する含浸止め部がゴム含浸部の内側に設けられているために、この含浸止め部によってゴム状弾性体の含浸が堰き止められ、ＧＤＬの発電作用に係る反応面積が確保される。

また、ガスケットについて、ＧＤＬに含浸せしめられる部位のほかに、ＧＤＬの厚み寸法よりも大きな厚み寸法を備えるガスケット本体部がＧＤＬの外側であってＧＤＬとは平面上重ならない位置に設けられるとともに、ＧＤＬと平面上重ねられるオーバーラップ部がガスケット本体部の内側に一体に設けられているために、このガスケット本体部およびオーバーラップ部によってガスケットとＧＤＬとの接合表面積が大きく設定され、接合強度が確保される。

また、ＧＤＬのゴム含浸部について、ガスケットのオーバーラップ部が平面上重ねられる外側部位と含浸止め部との間に、ガスケットが平面状重ねられない内側部位が設けられているために、この内側部位を成形時に金型で保持することによって、ＧＤＬに射出圧による反りなどの変形が発生するのが抑制される。

また、本発明の製造方法において、上記ＧＤＬ一体ガスケットを成形する金型における分割型の対向部には押圧部が設けられており、この押圧部によって型締め時にＧＤＬを一部で押圧して圧縮することにより含浸止め部を形成する。また同じく分割型の対向部には保持部が設けられており、この保持部によって型締め時にＧＤＬの内側部位を保持することによりＧＤＬに反りなどの変形が発生するのを抑制する。押圧部はＧＤＬを局部的に押圧するので突起状を呈し、保持部は、ガスケットのオーバーラップ部を成形するキャビティ空間と押圧部との間に配置されるので、段差状を呈するのが一般となる。またこの段差状の保持部の立ち上がり面に面取り部を設けることにより、射出時にＧＤＬに発生する引っ張り応力を緩和することが可能となる。尚、押圧部がＧＤＬを押圧して圧縮するのに対し、保持部はＧＤＬを保持するのみであるため、押圧部によるＧＤＬ圧縮率は２０〜５０％程度、保持部によるＧＤＬ圧縮率は０〜１０％程度とするのが好適である。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、上記構成を備えた本発明の燃料電池用シール構造体およびその製造方法においては、ＧＤＬに設けられるゴム含浸部によってＧＤＬの周縁部にガスケットが一体化され、含浸止め部によってゴム状弾性体の含浸が堰き止められ、ＧＤＬの発電作用に係る反応面積が確保され、ガスケットに設けられるガスケット本体部およびオーバーラップ部によってガスケットとＧＤＬとの接合表面積が大きく設定され、接合強度が確保され、ＧＤＬに設けられる内側部位を成形時に金型で保持することによって、ＧＤＬに射出圧による反りなどの変形が発生するのが抑制される。したがって本発明所期の目的どおり、含浸構造によりＧＤＬの周縁部にガスケットを一体化してなるシール構造体において、ＧＤＬの発電作用に係る反応面積を確保しつつＧＤＬの周縁部に反りなどの変形が発生するのを抑制し、もって成形不良が発生するのを抑制することができる。また段差状の保持部の立ち上がり面に面取り部を設けることにより、射出時にＧＤＬに発生する引っ張り応力を緩和することが可能となり、一層有効に反りなどの変形が発生するのを抑制することができる。

本発明の実施例に係る燃料電池用シール構造体の要部断面図同シール構造体の製造方法を示す要部断面図従来例に係る燃料電池用シール構造体の要部断面図他の従来例に係る燃料電池用シール構造体の要部断面図同シール構造体の製造方法を示す要部断面図（Ａ）および（Ｂ）とも、同シール構造体の製造方法における不具合発生状態を示す要部断面図

尚、本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）ＧＤＬとガスケットを一体化する部分において、オーバーラップしている部分に段差を設ける。
（２）ゴムの流出を抑えるために強く型締めする部分と、そのガスケット側にＧＤＬを殆んど圧縮しない程度で反りかえしを防止する押さえ部の２段構成とすることで、型締め時に発生したＧＤＬの変形を抑える構成とする。
（３）ＧＤＬにガスケットを設置する際に、従来構造の型押さえではＧＤＬの反りが発生し、製品の品質が低下するという問題があったが、反り防止の段差を設置した本発明構造においては、反りの抑制が確認できた。ゴムの流出を抑える部分は、ＧＤＬの空隙率にもよるが、圧縮率２０〜５０％程度で締結する必要があり、２０〜４０％程度が理想となる。一方、ＧＤＬの反りかえりを抑えるためには、ＧＤＬの圧縮を１０％以下にすると効果がある。これらのことから、ゴム抑え部を３０％、反りかえし防止部を５％の圧縮とした２段押さえの構造とすることで、反りかえりも抑えた良好な一体品が得られた。
（４）また、特に反り防止部の段差の長さをＧＤＬの厚みに対して２〜１０倍程としたほうが良い。オーバーラップさせる寸法（型押さえから出ているＧＤＬの寸法）は、長くしたほうが締結強度の信頼性がアップするが、反りかえり防止の効果が薄れる。好ましくは、反り防止部の段差の長さをＧＤＬの厚みの３〜５倍程度とし、オーバーラップ寸法をＧＤＬ厚みの５〜１０倍程度にすると、反りかえりの効果を得ながらも、接合強度を確保しつつ、小スペースのガスケットを作成することが可能となる。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の実施例に係る燃料電池用シール構造体１の要部断面を示しており、その製造方法が同シール構造体１およびこれを成形する金型３１の要部断面として図２に示されている。当該実施例に係るシール構造体１は以下のように構成されている。

すなわち先ず、当該シール構造体１は、所定の厚み寸法ｔ_１を備える平板状の多孔質体よりなるＧＤＬ１１と、このＧＤＬ１１の周縁部に一体成形されたゴム状弾性体よりなるガスケット２１とを有している。ＧＤＬ１１には、ＭＥＡ（膜電極複合体、図示せず）など燃料電池セルの他の構成要素が重ねて設けられることがあり、また２枚のＧＤＬ１１の間にＭＥＡなどが重ねて設けられることもある。ガスケット２１は、燃料電池セルに供給される反応流体や冷却水などの密封流体をシールするものであって、ＧＤＬ１１平面上の反応領域を取り囲むようにＧＤＬ１１の周縁部に全周に亙って配置され、またマニホールド穴を取り囲むように配置されている。

ＧＤＬ１１には、ガスケット２１を構成する一部のゴム状弾性体がＧＤＬ１１の多孔質構造（空隙部）に含浸せしめられることによりガスケット２１をＧＤＬ１１に一体化するためのゴム含浸部１２が所定の幅寸法ｗ_１をもってＧＤＬ１１の周縁部に設けられている。図では、図中に細かな点々を付すことで、ゴム含浸構造を示している。

また、ＧＤＬ１１には、成形時の金型３１による押圧によってＧＤＬ１１の厚みが一部で圧縮されることによりゴム状弾性体の含浸領域を規定するための含浸止め部（ＧＤＬ絞り部）１３が所定の幅寸法ｗ_２をもってゴム含浸部１２の直ぐ内側（図では左側）に設けられている。この含浸止め部１３は、金型３１による圧縮によってその空隙率（気孔率）が低下することによりゴム状弾性体の含浸領域を規定するものである。含浸止め部１３の厚み寸法ｔ_２はＧＤＬ１１本来の厚み寸法ｔ_１よりも小さく形成され、その圧縮率（ｔ_２／ｔ_１）は２０〜５０％程度とされ、一層好ましくは２０〜４０％程度とされている。またこの含浸止め部１３は、ＧＤＬ１１の上面（一面）１１ａに凹部１４が形成されることによって形成され、含浸止め部１３の下面１３ｂはＧＤＬ１１の下面（他面）１１ｂと同一平面をなしている。

一方、ガスケット２１には、ＧＤＬ１１の多孔質構造に含浸せしめられる部位２２が設けられ、このほか、ＧＤＬ１１の厚み寸法ｔ_１よりも大きな厚み寸法ｔ_３を備える断面略矩形のガスケット本体部２３が所定の幅寸法ｗ_３をもってＧＤＬ１１の外側（図では右側）であってＧＤＬ１１と平面上重ならない位置に設けられている。このガスケット本体部２３の下面２３ｂはＧＤＬ１１の下面１１ｂと同一平面をなしており、ガスケット本体部２３の厚み割増し部２３ｃはＧＤＬ１１の上面１１ａ側のみに配置されている。またガスケット本体部２３の上面２３ａにはシールリップ２４が一体成形されているが、シールリップ２４はガスケット本体部２３の上面２３ａおよび下面２３ｂの双方にそれぞれ一体成形されるものであっても良い。

また、ガスケット２１には、ＧＤＬ１１と平面上重ねられる断面略矩形のオーバーラップ部２５が所定の幅寸法ｗ_４をもってガスケット本体部２３の直ぐ内側に一体に設けられている。このオーバーラップ部２５は、ＧＤＬ１１の上面１１ａ側に重ねられ、オーバーラップ部２５の上面２５ａはガスケット本体部２３の上面２３ａと同一平面をなし、よってオーバーラップ部２５の厚み寸法ｔ_４はガスケット本体部２３の厚み寸法ｔ_３からＧＤＬ１１の厚み寸法ｔ_１を減じた値に設定されている。またオーバーラップ部２５の幅寸法ｗ_４は上記部位２２の幅寸法すなわちゴム含浸部１２の幅寸法ｗ_１よりも小さく設定され、これによりＧＤＬ１１のゴム含浸部１２においてガスケット２１のオーバーラップ部２５が平面上重ねられる外側部位１５（この外側部位１５の幅寸法はオーバーラップ部２５の幅寸法と同じであるのでｗ_４である）と含浸止め部１３との間には、ガスケット２１が平面状重ねられていない内側部位１６が所定の幅寸法ｗ_５をもって設けられている。またガスケット２１におけるオーバーラップ部２５の内側の立ち上がり面には、当該シール構造体１の内側から外側へかけて高さ寸法が徐々に高くなる形状の断面略円弧形または斜面状（図では凹状の断面円弧形）をなす面取り部分２６が設けられている。

つぎに、上記構成のシール構造体１を成形する金型３１について説明する。

すなわち図２に示すように、この金型３１は、ＧＤＬ１１をインサートした状態で型締めしてガスケット２１を射出成形するものであって、上下の分割型（一対の分割型）３２，３３を有し、その対向部（パーティング部）に、ＧＤＬ１１をインサートするための空間３４と、ガスケット２１を成形するためのキャビティ空間３５とを有している。

また、上型（一方の分割型）３２の対向部に、型締め時にＧＤＬ１１を一部で押圧して圧縮することによりＧＤＬ１１に含浸止め部１３を形成するための押圧部３６が設けられるとともに、同じく型締め時にＧＤＬ１１の内側部位１６を保持することによりＧＤＬ１１に反りなどの変形が発生するのを抑制するための保持部３７が設けられている。

押圧部３６は、図上下向きに突出する突起状を呈し、その先端部と下型（他方の分割型）３３との間でＧＤＬ１１を押圧して圧縮することによりＧＤＬ１１に含浸止め部１３を形成する。押圧部３６によるＧＤＬ１１の厚みの圧縮率は２０〜５０％程度に設定され、一層好ましくは２０〜４０％程度に設定されている。

保持部３７は、キャビティ空間３５と押圧部３６との間に配置され、段差状を呈し、その先端部と下型３３との間でＧＤＬ１１の内側部位１６を保持することによりＧＤＬ１１に反りなどの変形が発生するのを抑制する。尚、押圧部３６がＧＤＬ１１を押圧して圧縮するのに対し、保持部３７はＧＤＬ１１を保持するのみであるため、保持部３７によるＧＤＬ１１の厚みの圧縮率は小さく、具体的には０〜１０％程度に設定されている。また保持部３７の立ち上がり面には面取り部３８が設けられ、この面取り部３８はシール構造体１の内側から外側へかけて高さ寸法が徐々に低くなる形状の断面略円弧形または斜面状（図では凸状の断面円弧形）を呈し、これによりガスケット２１に上記面取り部分２６が形成される。

当該実施例に係る製造方法は、上記金型３１を用い、押圧部３６によってＧＤＬ１１を圧縮しかつ保持部３７によってＧＤＬ１１の内側部位１６を保持した状態でガスケット２１の射出成形を実施するものであって、これにより図１に示した構造のシール構造体１が製造される。

上記構成のシール構造体１およびその製造方法においては、ＧＤＬ１１に設けられるゴム含浸部１２によってＧＤＬ１１の周縁部にガスケット２１を一体化することができ、また含浸止め部１３によってゴム状弾性体の含浸を堰き止めてＧＤＬ１１の発電作用に係る反応面積を確保することができる。また、ガスケット２１に設けられるガスケット本体部２３およびオーバーラップ部２５によってガスケット２１とＧＤＬ１１との接合表面積を大きく設定して接合強度を確保することができ、またＧＤＬ１１に設けられる内側部位１６を成形時に金型３１の保持部３７で保持することによってＧＤＬ１１に射出圧による反りなどの変形が発生するのを抑制することができる。したがって、ゴム含浸構造によりＧＤＬ１１の周縁部にガスケット２１を一体化してなるシール構造体１において、ＧＤＬ１１の発電作用に係る反応面積を確保しつつＧＤＬ１１の周縁部に反りなどの変形が発生するのを抑制することができ、よって成形不良が発生するのを抑制することができる。また、段差状の保持部３７の立ち上がり面に面取り部３８が設けられているために、射出時にＧＤＬ１１に発生する引っ張り応力を緩和することができ、よって一層有効に反りなどの変形が発生するのを抑制することができる。

１燃料電池用シール構造体
１１ＧＤＬ
１１ａ，２３ａ，２５ａ上面
１１ｂ，１３ｂ，２３ｂ下面
１２ゴム含浸部
１３含浸止め部
１４凹部
１５外側部位
１６内側部位
２１ガスケット
２２含浸せしめられる部位
２３ガスケット本体部
２３ｃ厚み割り増し部
２４シールリップ
２５オーバーラップ部
２６面取り部分
３１金型
３２，３３分割型
３４，３５空間
３６押圧部
３７保持部
３８面取り部

Claims

所定の厚み寸法を備える平板状の多孔質体よりなるＧＤＬと、前記ＧＤＬの周縁部に一体成形されたゴム状弾性体製のガスケットとを有し、
前記ＧＤＬは、前記ガスケットを構成する一部のゴム状弾性体が前記ＧＤＬに含浸せしめられることにより前記ガスケットを前記ＧＤＬに一体化するゴム含浸部を前記ＧＤＬの周縁部に有するとともに、成形時の金型による押圧によって前記ＧＤＬの厚みが一部で圧縮されることにより前記ゴム状弾性体の含浸領域を規定する含浸止め部を前記ゴム含浸部の内側に有し、
前記ガスケットは、前記ＧＤＬに含浸せしめられる部位のほかに、前記ＧＤＬの厚み寸法よりも大きな厚み寸法を備えるガスケット本体部を前記ＧＤＬの外側であって前記ＧＤＬとは平面上重ならない位置に有するとともに、前記ＧＤＬと平面上重ねられるオーバーラップ部を前記ガスケット本体部の内側に一体に有し、
前記ＧＤＬのゴム含浸部は、前記ガスケットのオーバーラップ部が平面上重ねられる外側部位と前記含浸止め部との間に、前記ガスケットが平面状重ねられない内側部位を有することを特徴とする燃料電池用シール構造体。
請求項１記載の燃料電池用シール構造体を製造する方法であって、
ＧＤＬをインサートした状態でガスケットを射出成形する金型は、型締め時に前記ＧＤＬを一部で押圧して圧縮することにより前記含浸止め部を形成するための押圧部を分割型の対向部に有するとともに、同じく型締め時に前記ＧＤＬの内側部位を保持することにより前記ＧＤＬに反りなどの変形が発生するのを抑制するための保持部を前記分割型の対向部に有し、
前記金型に設けた押圧部によって前記ＧＤＬを一部で圧縮しかつ前記金型に設けた保持部によって前記ＧＤＬの内側部位を保持した状態で、前記射出成形を実施することを特徴とする燃料電池用シール構造体の製造方法。
請求項２記載の燃料電池用シール構造体の製造方法において、
前記金型に設けた押圧部は突起状を呈し、前記金型に設けた保持部は段差状を呈し、前記段差状の保持部の立ち上がり面には面取り部が設けられていることを特徴とする燃料電池用シール構造体の製造方法。