JP4394935B2 - 燃料電池用構成部品の製造方法 - Google Patents

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の製造方法に関するものである。

燃料電池は、水素と酸素（空気）を水の電気分解と逆の反応をさせて電気を取り出す機構である。この反応はセルと呼ばれるユニットで行なわれ、電気出力に合わせてセルを多数（多い場合は数百枚）積層したスタック構造をとっている。

セルは一般に、セパレータ、ガスケット、電極（カーボンシート）、イオン交換膜、電極、ガスケットおよびセパレータという組み合わせよりなり、かつセルはまとめて端部に板を設けてボルトにて固定される。

水素と酸素は交互にイオン交換膜を介して導入されるため、各セルには４つの流路穴が設けられ、通常は対角に並ぶ２つが入口と出口の対になる。流体はセパレータに設けられた溝状の流体流路域を流れる構造になり、外部と流体を遮断するためにガスケットが設けられる。

ここで、セパレータに求められる機能または特性として、導電性と薄さがあり、この面から金属材料は有利であるが、燃料電池は燃料がカチオンに変換されるときに強い酸に変化することが多く、よって金属は腐食の問題から採用しにくい。そこで、金属の表面を金等でメッキしたりして腐食を防ぐが、腐食しにくい貴金属は高価であり、またメッキでは完全に腐食を防ぐことができない。

また、金属プレートの表面の腐食を有効に防止するには、例えば特開２００１−５７２２０号公報の図２等に記載されているように、金属プレートの表面のうち腐食防止を必要とする表面全体をゴム状弾性体でラミネートすることが考えられ、この場合、その製造方法としては、ゴム状弾性体を成形するゴム成形型のキャビティ内に金属プレートを挿入した状態でゴム状弾性体を成形する所謂インサート成形を実施するのが適している。

しかしながら、このようにインサート成形を実施すると、金属プレートが薄板部品であることから、キャビティ内で片持ち状態に支持される金属プレートの周縁部が成形圧力により歪んでしまい（厚さ方向一方に偏ってしまう）、その結果、本来ゴム状弾性体によってラミネートされるべき金属プレートの表面の一部が外部に露出（金属露出）してしまう虞がある。

特開２００１−５７２２０号公報（図２）

本発明は以上の点に鑑みて、上記インサート成形によって金属プレートよりなるセパレータをゴム状弾性体よりなる被覆部でラミネートする際にセパレータの周縁部が成形圧力によって歪むのを抑えることが可能であり、もって優れた成形性を発揮することができる燃料電池用構成部品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の製造方法は、平面中央に流体流路域を設け、前記流体流路域の周りにセパレータ周縁部を設け、前記周縁部に厚さ方向に貫通する流路穴を設けた金属プレートよりなるセパレータと、前記セパレータの周縁部が腐食することのないように前記周縁部の上下両面および外周端面ならびに前記流路穴の内面をラミネートしたゴム状弾性体薄膜よりなる被覆部と、前記セパレータの上下両面にそれぞれ設けられるとともに前記被覆部に前記被覆部よりも厚く一体成形されたガスケット部とを有する燃料電池用構成部品を製造する方法であって、前記被覆部およびガスケット部を成形する成形型のキャビティ内面に、前記セパレータの周縁部を定位置に保持する突起状のセパレータ保持部を設け、前記突起状のセパレータ保持部は、一方の分割型に設けられた突起と、前記突起に対応して他方の分割型に設けられた突起との組み合わせよりなり、前記両突起間に前記セパレータの周縁部を挟み込んで保持するものであって、このように一対の突起の組み合わせよりなるものがセパレータの平面形状における周縁部の周方向に沿って多数並べられており、前記セパレータ保持部によって前記セパレータの周縁部を定位置に保持した状態で、前記被覆部およびガスケット部の成形を行なう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の製造方法は、上記した請求項１記載の燃料電池用構成部品の製造方法において、セパレータ保持部はガスケット部成形部の外周側に位置する被覆部成形部に設けられていることを特徴とするものである。

上記構成を備えた燃料電池用構成部品においては、金属プレートよりなるセパレータの周縁部がゴム状弾性体薄膜よりなる被覆部によってラミネートされていることから、このラミネートされた部分においては、セパレータが流体に接して腐食するのを抑えることが可能とされており、また被覆部とガスケット部とを一体成形するようにしたために、両者を別々に成形する場合と比較して、当該構成部品の成形性を向上させることが可能とされている。尚、セパレータの平面中央の流体流路域は、被覆部でラミネートすることなく金属面を露出させたままとしておくことにより、セパレータに要求される機能である導電性を確保し、またプレス成形等により金属プレートに形成された流路を有利に利用できる構造となっている。

また、金属プレートよりなるセパレータの周縁部をゴム状弾性体薄膜よりなる被覆部によってラミネートするとともに被覆部とガスケット部とを一体成形するには、被覆部およびガスケット部を成形する成形型のキャビティ内にセパレータを挿入した状態で被覆部およびガスケット部を成形するのが好適であるが、このように所謂インサート成形を実施すると、セパレータが薄板部品であることから、キャビティ内で片持ち状態に支持されるセパレータの周縁部が成形圧力によって歪んでしまい、その結果として、セパレータの周縁部の一部が被覆部から露出してしまう虞がある。

そこで、本発明の製造方法においては、被覆部およびガスケット部を成形する成形型のキャビティ内面に予めセパレータの周縁部を定位置に保持するための突起状のセパレータ保持部を設けて、この保持部によってセパレータの周縁部を定位置に保持した状態で被覆部およびガスケット部の成形を行なうことにした。そして、このようにすれば保持部によってセパレータの周縁部が定位置に保持されるため、セパレータの周縁部が成形圧力によって歪むのを抑えることが可能となる。保持部の構造としては、セパレータをその厚さ方向両側から挟み込む突起を並べて設けるのが好適であり、またこのような突起をセパレータの周縁部に沿って多数並べて設けるのが好適である。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明の燃料電池用構成部品の製造方法においては、被覆部およびガスケット部を成形する成形型のキャビティ内面にセパレータの周縁部を定位置に保持する突起状のセパレータ保持部を設け、この保持部によってセパレータの周縁部を定位置に保持した状態で被覆部およびガスケット部の成形を行なうようにしたために、セパレータの周縁部が成形圧力によって歪むのを抑えることができ、セパレータの周縁部が被覆部から露出するのを抑えることができる。したがって、セパレータの周縁部が被覆部から露出して腐食するのを有効に防止することができ、また上記短絡問題などが発生するのを有効に防止することができる。

１） 本発明は、燃料電池用セル内にて使用する金属セパレータ、または燃料電池部品用ガスケットの製造方法に関するものでもある。
２） 金属セパレータは、その平面中央に流体流路域を設け、流体流路域の周りにセパレータ周縁部を設け、周縁部に流路穴を設けたものであって、周縁部をゴムでラミネートして被覆部分とし、流体流路域は金属が露出したままの露出部分としている。ゴムラミネート部には、シール作用をなすガスケット部を一体成形する。
３） 射出成形または圧縮成形時の金型に突起を設け、金属セパレータを固定して成形する。
４） 突起の部分は金属が露出するため突起周辺にガスケットを形成し、腐食流体から保護する構造とする。ガスケットは突起痕による金属露出部を流体から遮蔽できれば良く、これが可能な限りその形状や配置は問わない。
５） 本発明によれば、薄い金属セパレータにガスケット一体成形を行なうときに金属セパレータを片寄りなし（金属を露出することなし）にゴムでラミネートすることが可能となる。また、ゴムラミネートによって電気絶縁性を施すことができる。

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製造方法によって製造される燃料電池用構成部品１の平面を示している。また、図２は同燃料電池用構成部品１の要部拡大断面を示しており、すなわち図２（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ線拡大断面、図２（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ線拡大断面をそれぞれ示している。

当該燃料電池用構成部品１は先ず、金属プレートよりなる平板状のセパレータ２を有しており、このセパレータ２の平面中央に流体流路域３が設けられ、流体流路域３の周りにセパレータ周縁部４が設けられ、周縁部４に流路穴５とボルト穴６とが設けられている。また、セパレータ２の周縁部４が燃料等の流体に直接接触して腐食することがないように、このセパレータ２の周縁部４にゴム状弾性体薄膜よりなる被覆部１１がラミネート（被覆）されており、このゴム状弾性体薄膜よりなる被覆部１１に、同じゴム状弾性体によってこの被覆部１１よりも厚く形成されたガスケット部２１が一体成形されている。

セパレータ２は、ステンレス鋼板等の金属プレートによって平面略矩形状を呈する平板状に形成されており、その平面中央に、表面に流路溝となる溝加工（図示せず）等を施された流体流路域３が設けられている。流体流路域３は一般にセパレータ２の上下両面にそれぞれ設けられている。また、流体流路域３はその周りを全周に亙って周縁部４によって囲まれており、この周縁部４の四隅にそれぞれ流路穴５がセパレータ２を厚さ方向に貫通するように設けられている。流体流路域３と周縁部４との境は、符号７で示す実線である。またこのセパレータ２はその厚さが０．１〜０．５ｍｍ程度、好ましくは０．１〜０．２ｍｍの金属プレートによって形成されている。

被覆部１１は、上記セパレータ２の周縁部４をこの部分に限ってラミネートすべく周縁部４の表面に膜状に被着されており、被着された被覆部１１は、周縁部４の上下両面、外周端面および流路穴５の内面を遍く覆っている（但し、後記するように成形型３１の保持部３７による保持痕部８を除く）。上記流体流路域３は、被覆部１１でラミネートされることなく金属面を露出させたままとされており、これによりセパレータ２に要求される機能である導電性を確保し、またプレス成形等により金属プレートに形成された流路を有利に利用できる構造となっている。

ガスケット部２１は、上記流体流路域３を当該構成部品１の平面方向に流れる流体が周縁部４の方へ漏れることがないように流体流路域３の周りを囲む部分２２と、各流路穴５を当該構成部品１の厚さ方向に流れる流体が流路穴５から漏れることがないように流路穴５の回りを囲む部分２３と、流体流路域３の周りを囲む部分２２および流路穴５の回りを囲む部分２３を繋ぐ部分２４と、流路穴５の回りを囲む部分２３同士を繋ぐ部分２５とを一体に有しており（但し図示はしないが、流路穴５と流路域３との連通部分がある場合はこの部分を除く）、セパレータ２の上下両面にそれぞれ設けられている。また、このガスケット部２１は断面山形を呈するリップ状に形成されており、そのシール作用について方向性をもたないものとされている。

この被覆部１１およびガスケット部２１を構成するゴム状弾性体の材質は特に限定されないが、例として、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、シリコーンゴム、フッ素ゴムまたはブチルゴム等を挙げることができ、また成形性の面を考慮すると、低圧成形が可能な液状ゴムであることが一層望ましい。被覆部１１の厚さは０．２〜１ｍｍ程度、好ましくは０．２〜０．５ｍｍに形成されており、ガスケット部２１の高さはこれよりも大きく形成されている。

上記構成の燃料電池用構成部品１を製造するに際しては、被覆部１１およびガスケット部２１を成形するゴム成形型のキャビティ内にセパレータ２を挿入した状態で被覆部１１およびガスケット部２１を射出成形または圧縮成形することにより成形の終了と同時に被覆部１１およびガスケット部２１をセパレータ２に被着するが、このようにして所謂インサート成形を実施すると、セパレータ２が薄板部品であることから、キャビティ内で片持ち状態に支持されるセパレータ２の周縁部４が成形圧力によって歪んでしまい（厚さ方向一方に偏ってしまう）、その結果として、比較例として示す図３のように、被覆部１１によってラミネートされるべき周縁部４の一部４ａが被覆部１１から外部に露出（金属露出）してしまう虞がある。

そこで、これを防止するため当該実施例では、以下のようにして上記燃料電池用構成部品１を製造する。

すなわち、図４は、上記被覆部１１およびガスケット部２１を成形するための成形型３１の要部断面を示しており、すなわち図４（Ａ）は図２におけるＣ部を成形する部分、図４（Ｂ）は図２におけるＤ部を成形する部分をそれぞれ示している。また、この図４は、成形型３１のキャビティ３４内にセパレータ２を挿入して型締めした状態を示している。

成形型３１を型締めしたとき、セパレータ２はその一部（図示せず）が成形型３１の上型（一方の分割型）３２および下型（他方の分割型）３３間に挟まれることによって位置決めされるが、上記成形型３１にはこのほか特に、図４（Ｂ）に示すように、成形型３１のキャビティ３４内面に、セパレータ２の周縁部４をその定位置に保持するためのセパレータ保持部３７が設けられており、この保持部３７によってセパレータ２の周縁部４を定位置に保持した状態で、被覆部１１およびガスケット部２１の成形が行なわれる。保持部３７は、キャビティ３４内において、ガスケット部成形部３５の外周側に位置する被覆部成形部３６に設けられており、この後者の被覆部成形部３６の厚さ方向中央部がセパレータ２の周縁部４の定位置とされている。

また、この保持部３７は、上型３２に設けられた下向き突起３８と、この下向き突起３８に対応して下型３３に設けられた上向き突起３９との組み合わせよりなり、両突起３８，３９間にセパレータ２の周縁部４を挟み込んでこれを保持するものであって、このように上下一対の突起３８，３９の組み合わせよりなるものが、セパレータ２の平面形状における周縁部４の周方向に沿って多数並べられている（当該実施例では、図１に示したように全周３２箇所に突起３８，３９が設けられている（但し、図１は製品図面であるため、突起３８，３９が保持痕部８として描かれており、すなわち全周３２箇所に保持痕部８が形成されている））。

突起３８，３９の高さは、被覆部１１の厚さに応じて０．２〜１ｍｍ程度、好ましくは０．２〜０．５ｍｍに形成されており、突起３８，３９の大きさはφ０．５〜２ｍｍ程度、好ましくはφ０．８〜１．２ｍｍに形成されている。突起３８，３９は円盤状のものとして形成されているが、特にその形状を限定されるものではない。また、突起３８，３９のピッチ（平面方向のピッチ）は通常２０〜５０ｍｍに設定されるが、このピッチについては、ゴムの流動性やセパレータ２の強度等により必要に応じて適宜調整する必要がある。

したがって以上のようにして、突起状の保持部３７によってセパレータ２の周縁部４を挟み込んで保持した状態で被覆部１１およびガスケット部２１の成形を行なうと、セパレータ２の周縁部４に成形圧力が作用してもセパレータ２の周縁部４が定位置に保持され続けるために、セパレータ２の周縁部４が成形圧力によって歪むのを抑えることができ、よってセパレータ２の周縁部４が被覆部１１から露出するのを抑えることができる。

尚、この製造方法によると、図１および図２（Ｂ）に示すように、成形品の周縁部に保持部３７による保持痕部８が形成されて、この保持痕部８においてはセパレータ２が金属露出することになるが、この保持痕部８への流体の接触を防止するようにガスケット部２１が配置されているために、保持痕部７における金属露出は弊害となることがない。

本発明の実施例に係る製造方法によって製造される燃料電池用構成部品の平面図 同燃料電池用構成部品の要部拡大断面図であって、（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ線拡大断面図、（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ線拡大断面図 比較例に係る燃料電池用構成部品の要部断面図 本発明の実施例に係る製造方法の実施に用いる成形型の要部断面図であって、（Ａ）は図２におけるＣ部を成形する部分の断面図、（Ｂ）は図２におけるＤ部を成形する部分の断面図

符号の説明

１ 燃料電池用構成部品
２ セパレータ
３ 流体流路域
４ セパレータ周縁部
４ａ 一部（金属露出部）
５ 流路穴
６ ボルト穴
７ 境界線
８ 保持痕部
１１ 被覆部
２１ ガスケット部
２２，２３，２４，２５ ガスケット部分
３１ 成形型
３２ 上型
３３ 下型
３４ キャビティ
３５ ガスケット部成形部
３６ 被覆部成形部
３７ セパレータ保持部
３８，３９ 突起

Claims (2)

1. 平面中央に流体流路域（３）を設け、前記流体流路域（３）の周りにセパレータ周縁部（４）を設け、前記周縁部（４）に厚さ方向に貫通する流路穴（５）を設けた金属プレートよりなるセパレータ（２）と、前記セパレータ（２）の周縁部（４）が腐食することのないように前記周縁部（４）の上下両面および外周端面ならびに前記流路穴（５）の内面をラミネートしたゴム状弾性体薄膜よりなる被覆部（１１）と、前記セパレータ（２）の上下両面にそれぞれ設けられるとともに前記被覆部（１１）に前記被覆部（１１）よりも厚く一体成形されたガスケット部（２１）とを有する燃料電池用構成部品を製造する方法であって、
   前記被覆部（１１）およびガスケット部（２１）を成形する成形型（３１）のキャビティ（３４）内面に、前記セパレータ（２）の周縁部（４）を定位置に保持する突起状のセパレータ保持部（３７）を設け、
   前記突起状のセパレータ保持部（３７）は、一方の分割型（３２）に設けられた突起（３８）と、前記突起（３８）に対応して他方の分割型（３３）に設けられた突起（３９）との組み合わせよりなり、前記両突起（３８）（３９）間に前記セパレータ（２）の周縁部（４）を挟み込んで保持するものであって、このように一対の突起（３８）（３９）の組み合わせよりなるものがセパレータ（２）の平面形状における周縁部（４）の周方向に沿って多数並べられており、
   前記セパレータ保持部（３７）によって前記セパレータ（２）の周縁部（４）を定位置に保持した状態で、前記被覆部（１１）およびガスケット部（２１）の成形を行なうことを特徴とする燃料電池用構成部品の製造方法。
2. セパレータ保持部（３７）はガスケット部成形部（３５）の外周側に位置する被覆部成形部（３６）に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用構成部品の製造方法。

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