JP4826717B2 - Manufacturing method of gasket for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池において、積層された燃料電池セル間のガス流路を密封するためのガスケットの製造方法であって、特に、多孔質材からなるガス拡散層と一体のガスケットを製造する方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a gasket for sealing a gas flow path between stacked fuel cells in a fuel cell, and in particular, a method of manufacturing a gasket integrated with a gas diffusion layer made of a porous material. It is about.
燃料電池は、高分子電解質膜(イオン交換膜)の両面に一対の触媒電極層を設けた膜電極複合体(MEA)の厚さ方向両側を、セパレータで挟持した燃料電池セルを多数、多い場合は数百枚積層したスタック構造をとっている。そして、酸化ガス(酸素)が各セパレータの一方の面に形成された酸化ガス流路から一方の触媒電極層に供給され、燃料ガス(水素)が各セパレータの他方の面に形成された燃料ガス流路から他方の触媒電極層に供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって、電力を発生するものである。 Many fuel cells have a large number of fuel cell cells sandwiched between separators on both sides in the thickness direction of a membrane electrode assembly (MEA) in which a pair of catalyst electrode layers are provided on both sides of a polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) Has a stack structure in which several hundred sheets are stacked. Then, an oxidizing gas (oxygen) is supplied to one catalyst electrode layer from an oxidizing gas passage formed on one surface of each separator, and a fuel gas (hydrogen) is formed on the other surface of each separator. Electric power is generated by an electrochemical reaction that is the reverse reaction of water electrolysis, that is, a reaction that generates water from hydrogen and oxygen, which is supplied from the flow path to the other catalyst electrode layer.
この種の燃料電池においては、燃料ガスや酸化ガス、カソード面から排出される水や余剰の酸化ガスをシールする必要があり、そのためのガスケットが各燃料電池セルに設けられている。ガスケットは、ゴム状弾性材料からなるものであって、セパレータの表面に一体に設けられて膜電極複合体の表面に密接されるものが一般的であるが、膜電極複合体の両側に配置されるガス拡散層(GDL)の表面に一体に設けてセパレータの表面に密接させるものもある。 In this type of fuel cell, it is necessary to seal fuel gas, oxidizing gas, water discharged from the cathode surface, and excess oxidizing gas, and a gasket for that purpose is provided in each fuel cell. The gasket is generally made of a rubber-like elastic material, and is generally provided on the surface of the separator so as to be in close contact with the surface of the membrane electrode assembly, but is disposed on both sides of the membrane electrode assembly. Some of them are integrally provided on the surface of the gas diffusion layer (GDL) to be in close contact with the surface of the separator.
図6は、従来技術によるガス拡散層と一体のガスケットを示す部分断面図で、この図に示されるように、ガスケット101を液状ゴムの射出成形等により成形する際に、材料の一部を、多孔質のガス拡散層100に含浸させることで、ガス拡散層100と一体化させている。図中の参照符号102は、ガス拡散層100におけるゴム含浸部を示しており、このゴム含浸部102はガスケット101と連続するものである。
FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a gasket integrated with a gas diffusion layer according to the prior art. As shown in this figure, when molding the
ガス拡散層100は、カーボンペーパー、カーボン織布等の導電性を有する多孔質材料からなるものであるが、このようなガス拡散層100にガスケット101を一体に形成し、このガスケット101に沿った位置に液状ゴムを含浸させることによって、セパレータへのガスケットの成形を不要とし、セル構造の簡素化を図ると共に、ガス拡散層100の無数の微小間隙(連続孔)を通してガスの透過漏れが発生するのを防止することができる(例えば特許文献1参照)。
ここで、ガス拡散層100を含むセルを積層して締結した状態では、ガス拡散層100及びガスケット101は適当に圧縮されるが、このガス拡散層100は、ゴム含浸部102では弾性を失って剛性が高くなるため、積層してスタックを組み立てる際に、圧縮力に対する過大な反力(応力)が発生し、適切な圧縮を与えることができなくなる問題があった。
Here, in the state where the cells including the
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、ゴム材料の含浸によるガス拡散層の剛体化を来すことなく、ガス拡散層と一体のガスケットを製造する方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and its technical problem is to provide a gasket integral with the gas diffusion layer without causing the gas diffusion layer to become rigid due to impregnation of the rubber material. It is to provide a method of manufacturing.
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項1の発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法は、多孔質材からなる燃料電池用ガス拡散層と一体のガスケットの製造において、前記ガス拡散層の表面に、液状ゴムからなるコーティング材をスクリーン印刷法により塗布して加硫することによってゴム状弾性材料からなる被膜をコーティングした後、この被膜の表面に、ゴム状弾性材料からなるシールリップ部を成形することを特徴とする。 As a means for effectively solving the technical problem described above, a method for manufacturing a gasket for a fuel cell according to the first aspect of the present invention provides a method for manufacturing a gasket integral with a gas diffusion layer for a fuel cell made of a porous material. The surface of the gas diffusion layer is coated with a coating material made of a rubber-like elastic material by applying a coating material made of liquid rubber by screen printing and vulcanized , and then the surface of the coating is made of a rubber-like elastic material. A sealing lip portion is formed.
この方法において、多孔質材からなるガス拡散層の表面に、液状ゴムからなるコーティング材をスクリーン印刷法により塗布して加硫することによってゴム状弾性材料からなる被膜をコーティングする過程では、その液状材料が、ガス拡散層の内部に殆ど含浸されない。そしてその後のシールリップ部の成形過程では、前記被膜によって成形材料の含浸が防止され、成形されたシールリップ部は、前記被膜を介して、ガス拡散層に一体化される。 In this method, in the process of coating a coating film made of a rubber-like elastic material by applying a coating material made of liquid rubber to the surface of a gas diffusion layer made of a porous material by a screen printing method and vulcanizing it, The material is hardly impregnated inside the gas diffusion layer. In the subsequent molding process of the seal lip portion, the coating film prevents impregnation of the molding material, and the molded seal lip portion is integrated with the gas diffusion layer via the coating film.
請求項1の発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法によれば、多孔質材からなるガス拡散層へのゴムの含浸が被膜によって防止されるので、ガス拡散層の弾性が損なわれることがなく、したがって、積層して燃料電池を組み立てる際に、積層に伴う圧縮力に対する局部的な過大な反力(応力)が発生するのを防止することができる。 According to the fuel cell gasket manufacturing method of the first aspect of the present invention , the impregnation of the rubber into the gas diffusion layer made of the porous material is prevented by the coating, so that the elasticity of the gas diffusion layer is not impaired. Therefore, when a fuel cell is assembled by stacking, it is possible to prevent a local excessive reaction force (stress) from being generated against the compressive force accompanying the stacking.
また、ガス拡散層への被膜のコーティングが、液状ゴムからなるコーティング材をスクリーン印刷法により塗布して加硫することによって行われるので、ゴムの含浸を殆ど生じることなく、薄い被膜を容易に形成することができる。 In addition, the coating of the coating on the gas diffusion layer is performed by applying a coating material made of liquid rubber by screen printing and vulcanization, so that a thin coating can be easily formed with almost no rubber impregnation. can do.
以下、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。まず図1は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法によってガスケットを一体に成形したガス拡散層を有する膜電極複合体を示す部分断面図である。 Hereinafter, preferred embodiments of a method for producing a gasket for a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a membrane electrode assembly having a gas diffusion layer in which a gasket is integrally formed by the method for manufacturing a fuel cell gasket according to the present invention.
図1に示される膜電極複合体(MEA)は、高分子電解質膜(イオン交換膜)1と、これを厚さ方向両側から挟む一対の触媒電極2,2(カソード電極及びアノード電極)と、更にその厚さ方向外側に配置した一対のガス拡散層3,3と、このガス拡散層3,3に一体的に設けられたガスケット4,4からなる。ガスケット4は、VMQ(シリコーンゴム)、FKM(フッ素ゴム)、あるいはEPDM(エチレンプロピレンゴム)等から選択されたゴム状弾性材料からなるものであって、ガス拡散層3の表面における、発電領域の周縁部やマニホールドの周縁部に沿ってコーティングされた被膜41と、その表面に断面山形をなすように成形されたシールリップ部42からなる。
A membrane electrode assembly (MEA) shown in FIG. 1 includes a polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) 1 and a pair of
ガスケット4は、断面山形のシールリップ部42において、膜電極複合体(ガス拡散層3)に積層される不図示のセパレータに適当なつぶし代をもって密接されることにより、燃料ガス又は酸化ガスに対する優れた密封性を奏するものである。また、このガスケット4において、ガス拡散層3の表面にコーティングされた被膜41は、幅Wがシールリップ部42の底面42aより十分に広く形成されており、燃料ガス又は酸化ガスが、多孔質のガス拡散層3へ透過することにより漏れるのを有効に防止する。
The gasket 4 has an excellent resistance to fuel gas or oxidizing gas by being brought into close contact with a not-shown separator laminated on the membrane electrode assembly (gas diffusion layer 3) at a
図2は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、ガスケット未成形のガス拡散層3を示す部分断面図である。すなわちガス拡散層3は、水素又は酸素を触媒電極2に導くための通気性と、水素と酸素の電気化学反応により発生した電力を不図示のセパレータに導くための導電性とを有するもので、例えばカーボン繊維等の多孔質体からなる。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a
図3は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、被膜41をコーティングしたガス拡散層3を示す部分断面図、図4は、スクリーン印刷による被膜41のコーティング工程を示す説明図である。すなわち、被膜41はスクリーン印刷によって、ガス拡散層3の表面にコーティングされたものである。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the
図4に示されるスクリーン印刷装置5は、水平な枠に張られたスクリーン孔版51と、その上側に配置されて不図示の駆動部によって移動可能なスクィージ52及び不図示のドクターとを備える。スクリーン孔版51は、ステンレスメッシュスクリーンに、ビニル又はアクリル等の乳剤からなるマスク51aによって印刷パターン51bが形成されたものである。
The screen printing apparatus 5 shown in FIG. 4 includes a
すなわち、このスクリーン印刷装置5は、スクリーン孔版51の下に、印刷(コーティング)対象のガス拡散層3をセットし、スクリーン孔版51上に、液状ゴムからなる十分な量のコーティング材Pを供給し、不図示のドクターをスクリーン孔版51上で水平移動させることによって、コーティング材Pを、スクリーン孔版51の印刷パターン51bに均一な厚さの膜状に充填してから、スクリーン孔版51をスクィージ52でガス拡散層3に押し付けながら、このスクィージ52を水平移動させることによって、コーティング材Pを印刷パターン51bから押し出し、ガス拡散層3の表面に、印刷パターン51bと対応するパターンで塗布膜41’を形成するものである。
That is, the screen printing apparatus 5 sets the
上述のスクリーン印刷工程によって、液状ゴムからなる塗布膜41’が形成されたガス拡散層3は、乾燥工程を経て加硫工程へ送られ、ここで加熱により塗布膜41’が架橋硬化すると共に、ガス拡散層3に一体的に加硫接着されて、先の図3に示される被膜41となる。
The
具体的な例としては、ガス拡散層3は、肉厚t1(図3参照)が2mmであり、スクリーン孔版51は、ステンレスメッシュスクリーン51aが60-120 35のメッシュで、マスク51bの厚さが150μmのものを用い、コーティング材Pの液状ゴムとしては液状シリコーンKE-1950-40(信越化学工業製)を用いた。また、印刷後の硬化条件は、150℃×1時間とした。これによって、膜厚t2(図3参照)が50〜100μmの被膜41が形成された。
As a specific example, the
図5は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、シールリップ部42が成形されたガス拡散層3を示す部分断面図である。すなわち、上述の工程によって被膜41が形成されたガス拡散層3を不図示の金型にセットし、図4に示されるコーティング材Pと同材質の液状ゴムを成形材料として、射出成形により被膜41の表面にシールリップ部42を一体成形する。
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the
具体的な例としては、電動LIM成形機ISV 50-1b(東芝製)を使用し、射出圧は2MPa、成形温度は140℃、成形時間は1分とし、成形されるシールリップ部42の高さhを3mmとした。 As a specific example, an electric LIM molding machine ISV 50-1b (manufactured by Toshiba) is used, the injection pressure is 2 MPa, the molding temperature is 140 ° C., the molding time is 1 minute, The length h was 3 mm.
以上の製造方法によれば、ガス拡散層3の表面に、図4に示されるスクリーン印刷によって膜厚t2が50〜100μm程度のコーティング材P(液状ゴム)による塗布膜41’を形成する過程では、塗布されるコーティング材Pには射出成形のような圧力が殆ど加わらないため、ガス拡散層3の内部には、コーティング材Pは殆ど含浸されない。そして、この塗布膜41’を加硫することによって被膜41が形成されてしまえば、その後、2MPaといった射出圧力でシールリップ部42を成形しても、射出された成形材料(液状ゴム)を塗布膜41’で受けるので、ガス拡散層3の内部に液状ゴムが含浸されることはない。したがって、ガス拡散層3におけるシールリップ部42の形成部分が、ゴムの含浸により弾性を失って剛体化することはなく、積層してスタックを組み立てる際に、圧縮に対する過大な応力が発生しない。
According to the above manufacturing method, the surface of the
厳密には、図4に示されるスクリーン印刷過程で、ガス拡散層3における塗布膜41’との界面では、液状ゴムの微量の含浸を生じるが、この含浸は、塗布膜41’(被膜41)の全域で均一に生じるので、シールリップ部42と対応する部分に局部的な応力集中が生じることはない。
Strictly speaking, in the screen printing process shown in FIG. 4, a slight amount of liquid rubber is impregnated at the interface of the
1 高分子電解質膜
2 触媒電極
3 ガス拡散層
4 ガスケット
41 被膜
41’ 塗布膜
42 シールリップ部
42a 底面
5 スクリーン印刷装置
51 スクリーン孔版
51a マスク
51b 印刷パターン
52 スクィージ
P コーティング材
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