JP3456935B2 - 燃料電池用シール材の形成方法 - Google Patents
燃料電池用シール材の形成方法Info
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Description
高分子型燃料電池用のシール材形成方法に関するもので
ある。
を有するイオン交換樹脂等の膜を高分子電解質膜として
用い、この高分子電解質膜を挟んでその両側にカソード
電極(正極)とアノード電極(負極)の両電極を配置し、例
えば負極側に水素ガス等の燃料ガスを、一方正極側には
酸素ガス又は空気等の酸化ガスを供給して電気化学反応
を起こさせることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギ
ーを電気量に変換して電気を発生させるものである。
を複数積層して構成されるが、隣接する単セル間には、
電極との間で燃料ガス流路および酸化ガス流路を形成し
かつ燃料ガスと酸化ガスを仕切るセパレータが設けられ
ている。そして、電極とセパレータ間は、燃料ガスや酸
化ガスが高分子電解質膜の周縁部から漏出しないように
気密にガスシールしなければならず、通常、圧縮成形、
射出成形あるいはシートの打ち抜き等により成形された
薄肉のゴムパッキンを燃料電池の組立て時に介在させる
作業が行われている。
は、燃料ガスおよび酸化ガスに対するガスシールであ
り、そのシールは長期間に亘り厳重に保持する必要があ
り、当該ゴムパッキンとしては、圧縮永久歪、耐熱性、
電気絶縁性等の物性が優れたものが要求されている。ま
た、上記のゴムパッキンは極めて薄いフィルム状の薄膜
体であり、圧縮成形、射出成形等により成形した場合に
は、厚みにばらつきがあり高精度のものが得られないほ
か、薄肉で柔軟なゴムパッキンを電極とセパレータ間の
所定の位置に組み込む作業が困難であり、組み付け時に
変形や位置ずれが生じて確実なシール性を確保できない
問題点があった。
り、ゴムパッキンを組み込む作業が不要となり、ゴムパ
ッキンが所定位置に確実に配設されてシール性に完全を
期すとともに、ゴムパッキンの成分が燃料電池の性能を
阻害しない燃料電池用シール材の形成方法の提供を目的
とするものである。
成するために、単セルを組立てる以前にあらかじめゴム
シール材を架橋してセパレータに直接成形一体化してお
くことを基本的手段とし、請求項1に係る発明は、高分
子電解質膜、カソード電極およびアノード電極からなる
燃料電池本体とセパレータとの間に介在させるシール材
の形成方法であ って、セパレータの所定位置表面にゴム
溶液を塗布して未架橋のゴム薄膜を形成する工程、未架
橋のゴム薄膜を架橋することによりセパレータに成形一
体化させる工程、架橋ゴム薄膜が成形一体化されたセパ
レータをカソード電極およびアノード電極に当接し単セ
ルを組立てることにより、高分子電解質膜の周縁部をシ
ールする工程、を備えることを燃料電池用シール材の形
成方法を要旨とするものである。
載のゴム薄膜形成工程において、ゴム薄膜をスクリーン
印刷により形成するものである。すなわち、形成すべき
ゴム薄膜の平面形状に合致した透孔を有するマスクをセ
パレータの表面に被覆したうえ、例えばゴムコンパウン
ドを溶剤により溶解させてなるゴム溶液を前記マスク上
から複数回塗布し、前記透孔を通じて所定の厚さのゴム
薄膜を形成するものである。
求されるセパレータを多数重ね合わせて燃料電池を構成
する際に、ゴムパッキンを組み込む作業が不要になる。
載のゴム薄膜架橋工程において、ゴム薄膜を放射線架橋
により架橋するものである。すなわち、所定の厚さのゴ
ム薄膜を形成した後、溶剤を揮発させてから放射線の照
射により架橋処理を施してゴム薄膜をセパレータに成形
一体化するもので、加熱プレスすることなくゴムパッキ
ンを架橋成形するので、カーボングラファイト等で形成
されたセパレータに何ら損傷を加えることなくその品質
を劣化させる虞がない。さらに、前記ゴム薄膜を放射線
架橋により成形することから、架橋の際にはゴム分子鎖
間が直接C―C結合し、ゴム薄膜に硫黄や過酸化物等の
架橋剤や架橋助剤を配合する必要がなく、ゴム材料から
燃料電池の性能を阻害する陽イオン不純物(例えば酸化
亜鉛や酸化マグネシウム等の金属酸化物が溶出すること
がない。なお、放射線架橋としては、電子線やγ線等の
ような高エネルギーの活性線による架橋が好ましい。
用カーボンブラックとして、前記ゴム薄膜にサーマルブ
ラックを配合することができる。このサーマルブラック
とは、サーマル(熱分解)法、すなわち燃料を燃焼させて
熱分解温度以上に加熱した炉内に天然ガスを導入し、天
然ガスの熱分解によりカーボンブラックを生産したもの
で、他のオイルファーネスブラックやアセチレンブラッ
ク等に比較して、大粒径で低ストラクチャーの比表面積
が非常に小さいカーボンブラックであり、電気絶縁性能
に優れるとともに、完全燃焼法のため灰分や硫黄等の不
純物含有量が極端に少ない特長を有し、その窒素吸着比
表面積は9.0〜9.5m/g、DBP吸油量は34〜
40cm3 /100g、平均粒子径は240〜310
nmの範囲にあるものである。したがって、このサーマ
ルブラックが配合されたゴムパッキンは、燃料電池の発
電に悪影響を及ぼす不純物をほとんど含有せず、燃料電
池用として好適に使用できる。
ンのゴム基材としては、天然ゴム(NR),シリコーン
ゴム(Q),エチレンプロピレンゴム(EPM),エチ
レンプロピレンジエンゴム(EPDM),アクリロニト
リルブタジエンゴム(NBR),クロロプレンゴム(C
R),アクリルゴム(ACM),フッ素ゴム(FKM)等
の任意のゴムまたはこれらの混合物により形成される
が、好ましくは優れたクッション性を有するEPMやE
PDMが選択される。なお、前記ゴム基材には必要に応
じて可塑剤、その他の一般配合剤を添加してもよいが、
燃料電池の発電に悪影響を及ぼさない成分を含むものを
選択するのが好ましい。
参照しながら説明する。図1は、固体高分子型燃料電池
を構成する単セル1の概略縦断面図であり、通常燃料電
池はこの単セル1を複数積層した積層体(図示せず)とし
て構成されている。図1において、単セル1は、高分子
電解質膜2とこの高分子電解質膜2を挟んで両側に配設
されるカソード電極3およびアノード電極4とからなる
燃料電池本体と、カソード電極3およびアノード電極4
にそれぞれ当接するように設けられたセパレータ5,6
とにより構成されている。また、カソード電極側セパレ
ータ5の電極3側には酸化ガス供給用の溝7が設けら
れ、アノード電極側セパレータ6の電極4側には燃料ガ
ス供給用の溝8が設けられ、溝7は図示しない酸化ガス
供給管に、溝8は図示しない燃料ガス供給管にそれぞれ
連通している。上記単セル1には、高分子電解質膜2,
カソード電極3およびアノード電極4からなる燃料電池
本体の周囲に、燃料ガスおよび酸化ガスの漏洩を防止す
るとともに、カソード電極側セパレータ5とアノード電
極側セパレータ6との間の絶縁を確保する額縁状のゴム
パッキン9,10をセパレータ5,6との間に介在させ
ている。
10が、あらかじめセパレータ5,6の周縁部表面に直
接成形されたうえ、架橋工程で一体化されたものであ
る。すなわち、ゴムパッキン9,10は、図2および図
3に示すように、セパレータ5(6)の表面に額縁状の
透孔12を有するマスク11を装填したうえで、マスク
上からゴムコンパウンドを溶剤により溶解させたゴム溶
液を塗布するスクリーン印刷を所定の回数行い、透孔1
2を通じてその形状に合致した未架橋のゴム薄膜13を
形成し、乾燥して上記溶剤を揮発させてから前記ゴム薄
膜13を加熱加圧することなく電子線照射により架橋処
理を行い、セパレータ5の周縁部に額縁状のゴム薄膜1
3(ゴムパッキン9)が架橋して一体に形成された状態を
示すものである。このように、あらかじめゴムパッキン
が成形一体化されたセパレータを用いて前記単セルが構
成され、組立作業の容易な固体高分子型燃料電池が構成
されている。なお、ゴム溶液として液状シリコーンゴム
のような液状ゴムを使用する場合には、溶剤で溶解する
ことなく塗布することができる。
ゴムとして市販のEPDM100重量部に対し、補強剤
としてサーマルブラック(キャンカーブ社製、MTカー
ボンN990ウルトラピュア)40重量部を添加配合
し、ミキシングロールで混練してなる未加硫ゴムを約1
cm角程度に細片化し、得られた細片をトルエンと共に
真空脱泡装置付き攪拌機に投入し、大気圧下で10時間
攪拌し溶解後、真空脱泡装置を駆動し真空化で更に15
分間攪拌脱泡した。次いで、上記の溶解脱泡したEPD
Mゴム溶液をカーボングラファイト製セパレータの所定
表面にスクリーン印刷により塗布した後、熱風乾燥機
(80℃)にて5分間乾燥させて溶剤を揮発させた。こ
の塗布および乾燥の処理を繰り返し7回行い、セパレー
タ周縁部表面に厚み300μmの未架橋のゴム薄膜を形
成した。その後、電子線照射装置に導入しセパレータ上
のゴム薄膜を窒素雰囲気中において照射線量15〜80
Mradの電子線を照射して架橋することにより、ゴム
パッキンが直接成形され接着一体化された燃料電池用セ
パレータを得た。
考慮して、放射線照射による架橋は、その照射方法や照
射条件を最適化できるほか、ゴムの完全架橋に限らず、
プレ架橋として使用し加熱処理やマイクロ波によるポス
ト架橋をすることができる。
る燃料電池として固体高分子型燃料電池としたが、使用
環境に耐えるならば他種の燃料電池にも適用することが
できる。
ば、燃料電池本体とセパレータとの間に介在させるシー
ル材を、あらかじめセパレータの所定位置表面に成形一
体化させたゴムパッキンで構成したので、ゴムパッキン
を組み込む作業が不要になり、ゴムパッキンの変形や位
置ずれを生じることなく、燃料電池本体とセパレータ間
におけるガスシールを容易かつ確実に行うことができ
る。また、ゴムパッキンを放射線架橋する場合には、セ
パレータを損傷する虞がなくさらにはゴムパッキンから
の不純物の溶出を抑制でき燃料電池の性能を低下させる
ことがない。
略縦断面図である。
る。
を示す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 高分子電解質膜、カソード電極およびア
ノード電極からなる燃料電池本体とセパレータとの間に
介在させるシール材の形成方法であって、 セパレータの所定位置表面にゴム溶液を塗布して未架橋
のゴム薄膜を形成する工程、 未架橋のゴム薄膜を架橋することによりセパレータに成
形一体化させる工程、 架橋ゴム薄膜が成形一体化されたセパレータをカソード
電極およびアノード電極に当接し単セルを組立てること
により、高分子電解質膜の周縁部をシールする工程、 を備えることを特徴とする燃料電池用シール材の形成方
法。 - 【請求項2】 請求項1記載のゴム薄膜形成工程におい
て、ゴム薄膜をスクリーン印刷により形成した燃料電池
用シール材の形成方法。 - 【請求項3】 請求項1記載のゴム薄膜架橋工程におい
て、ゴム薄膜を放射線架橋により架橋した燃料電池用シ
ール材の形成方法。
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