JP4873935B2 - 燃料電池用ゴムパッキンの成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用ゴムパッキンの成形方法、特に、固体高分子型燃料電池のセパレータにゴムパッキンを接着一体化する成形方法に関する。

従来、燃料電池において、単電池を挟持するセパレータの周縁部に形成した凹状のシール溝にシール材を設けるには、特許文献１，２に記載の方法が知られている。特許文献１には、セパレータとは別個に成形したシール材を、組付け時にセパレータ間に挟み込むか、シール材をセパレータに接着する方法、あるいは、金型にセパレータをセットし、該金型内のキャビティにシール材を射出して一体成形する方法が記載されている。また、特許文献２には、スクリーン印刷法を利用し、セパレータに形成したシール溝に印刷材料を充填して平坦面とし、該平坦面にゴム溶液を塗布してゴムパッキンを形成する方法が記載されている。しかし、特許文献１，２に記載の方法はいずれも工程が煩雑で面倒な作業を余儀なくされるという問題点を有していた。

そこで、本出願人は、特許文献３として、簡単な工程でセパレータにゴムパッキンを接着一体化でき、高いシール性能を発揮する成形方法を提案した。即ち、セパレータの周縁部に形成された凹状のシール溝の内周縁部及び外周縁部にそれぞれスペーサを挿入し、該スペーサ間に形成される空間にゴム溶液をスクリーン印刷法により充填して未加硫ゴムコーティング層を形成する工程、次いでこの未加硫ゴムコーティング層を加硫してセパレータに接着一体化する工程とを含む成形方法である。

ところで、ゴムパッキンによる密封効果を向上させるには、ゴムパッキンの背を高くすることが好ましく、そのためにはゴム溶液を深く充填させることが必要となる。しかし、特許文献３に記載の成形方法はスクリーン印刷版としてメッシュ印刷版を使用するため、メッシュ印刷版ではゴム溶液の通過量に限界を有し、充填深さが大きくなるとゴム溶液をシール溝の底部まで確実に充填できなくなるという問題点が見出された。
特許第３４００４１５号公報 特開２００２−１９０３０７号公報 特開２００５−２０９３５１号公報

そこで、本発明の目的は、スクリーン印刷法という簡便な充填方法を使用し、かつ、シール溝にゴム溶液を背を高く充填することのできる燃料電池用ゴムパッキンの成形方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、
燃料電池の単電池と該単電池を挟持するセパレータとの間に介在させるゴムパッキンであって、前記セパレータの周縁部に平面視で環状に形成された断面凹状のシール溝に、該シール溝の内周縁部及び外周縁部に連続した空隙部を有して収容されるゴムパッキンの成形方法であって、
前記シール溝の深さに対応する高さ寸法を有し、前記シール溝内の内周縁部及び外周縁部にそれぞれ挿入されるスペーサと、該スペーサ間にゴム溶液をスクリーン印刷法により充填するための開口部と、該開口部に橋渡しされた複数のブリッジ部とを備えたメタルマスク版を用いて、シール溝内の前記セパレータによって区画された空間部のみにゴム溶液を充填する第１のスクリーン印刷工程と、
前記第１スクリーン印刷工程の後に、前記セパレータから前記メタルマスク版と前記スペーサとを取り外す取外し工程と、
前記取外し工程の後、前記複数のブリッジ部に対応する開口部を備えた印刷版を用いて、前記メタルマスク版を用いて充填されたゴム溶液の段差部にゴム溶液を充填する第２のスクリーン印刷工程と、
前記第２のスクリーン印刷工程の後、前記シール溝内に充填されたゴム溶液を加硫して前記セパレータに接着一体化されたゴムパッキンとする工程と、
を含むことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用ゴムパッキンの成形方法においては、スクリーン印刷法を用いるため、簡単な作業でゴムパッキンをセパレータのシール溝に成形できることは勿論、第１のスクリーン印刷工程では、メッシュ印刷版ではなく、シール溝に対応した開口部を備えたメタルマスク版を用いるため、比較的深いシール溝であってもその底部まで確実にゴム溶液を充填することができる。但し、メタルマスク版には開口部に橋渡しされた複数のブリッジ部が形成されているため、第１のスクリーン印刷工程ではブリッジ部に対応する部分が段差部として残される。そして、この段差部は第２のスクリーン印刷工程によってゴム溶液にて埋められ、その後の加硫工程によって、セパレータに接着一体化された完全な形状のゴムパッキンが得られる。

以下、本発明に係る燃料電池用ゴムパッキンの成形方法の実施例について添付図面を参照して説明する。

（燃料電池の単位セルの概略構造、図１及び図２参照）
図１に、本発明に係る成形方法を適用してゴムパッキンを成形した固体高分子型燃料電池を構成する単位セル１の概略断面を示す。通常、燃料電池はこの単位セル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。

単位セル１は、高分子電解質膜２とこの高分子電解質膜２を挟んで両側に配置されたカソード電極３及びアノード電極４とからなる燃料電池本体と、カソード電極３及びアノード電極４に当接するように設けたセパレータ５，５にて構成されている。

セパレータ５，５には、酸化ガス供給用の溝７及び燃料ガス供給用の溝８がそれぞれカソード電極３及びアノード電極４に対向して複数本ずつ形成されている。また、セパレータ５，５の対向面の周縁部には凹状のシール溝６が環状に形成されており、シール溝６にはゴムパッキン９が圧縮された状態で設けられている。このゴムパッキン９は先端部が前記高分子電解質膜２に当接して燃料電池本体を密封し、燃料ガス及び酸化ガスの漏洩を防止するとともに、セパレータ５，５間の電気的絶縁性を確保している。

図２は、セパレータ５のシール溝６にゴムパッキン９が環状に設けられている状態を平面的に見た図である。ゴムパッキン９はシール溝６内にその内周縁部及び外周縁部に空隙部６ａ，６ｂを有して余裕を持って成形されている。この空隙部６ａ，６ｂの存在によって、ゴムパッキン９をシール溝６内で十分に圧縮変形させることができ、密封効果が向上する。

（ゴムパッキンの成形方法、図３〜図８参照）
前記ゴムパッキン９は以下に詳述する第１のスクリーン印刷工程、第２のスクリーン印刷工程及び加硫工程にて成形される。そこで、まず、第１のスクリーン印刷工程で用いられるメタルマスク版１０について説明する。

このメタルマスク版１０は、図３に示すように、版本体に前記シール溝６に対応した開口部１１を有し、該開口部１１の周囲にスペーサ１３，１４を設け、かつ、開口部１１に複数のブリッジ部１２を橋渡ししたものである。ブリッジ部１２は版本体の中央部分と周辺部分とを連結するために必要である。また、内側のスペーサ１３は前記シール溝６内の内周縁部に挿入される位置に、外側のスペーサ１４はシール溝６の外周縁部に挿入される位置に設けられ、それぞれの高さ寸法はシール溝６の深さに対応している。

以上の構成からなるメタルマスク版１０を用いて第１のスクリーン印刷を行う。即ち、図４に示すように、メタルマスク版１０をセパレータ５上に配置する。このとき、スペーサ１３，１４はシール溝６にその内周縁部と外周縁部に挿入される。この状態で図示しないスキージを用いてゴム溶液をメタルマスク版１０の開口部１１からシール溝６に充填する。

図５はゴム溶液９’がスペーサ１３，１４の間及び開口部１１に充填された状態を示している。その後、図６に示すように、メタルマスク版１０はセパレータ５から取り外され、ゴム溶液９’がシール溝６に残される。

図７は前記第１のスクリーン印刷工程が終了したセパレータ５を示し、メタルマスク版１０に形成された複数のブリッジ部１２からはゴム溶液が充填されないので、ブリッジ部１２に対応する部分が段差部９ａとして残される。この段差部９ａを埋めるために第２のスクリーン印刷工程が行われる。

第２のスクリーン印刷工程は、図８に示すように、印刷版２０を用いて行われる。この印刷版２０は、前記メタルマスク版１０のブリッジ部１２に対応する開口部２１を有するメッシュ印刷版であり、第１のスクリーン印刷工程を終了したセパレータ５の表面に該メッシュ印刷版２０を配置し、図示しないスキージを用いてゴム溶液をメッシュ印刷版２０の開口部２１から段差部９ａに充填する。

その後、シール溝６に充填されたゴム溶液を加硫してセパレータ５に接着一体化されたゴムパッキン９とする。加硫工程は、電子線照射などの放射線架橋の他、種々の加硫方法を採用することができる。

本実施例によれば、スクリーン印刷法を用いたため、簡単な作業でゴムパッキン９をセパレータ５のシール溝６に成形できる。しかも、第１のスクリーン印刷工程では、メッシュ印刷版ではなく、シール溝６に対応した開口部１１を備えたメタルマスク版１０を用いたため、比較的深いシール溝６であってもその底部まで確実にゴム溶液を充填することができる。そして、第１のスクリーン印刷工程でブリッジ部１２に対応する部分として残された段差部９ａを第２のスクリーン印刷工程によってゴム溶液にて埋めることにより、完全な形状のゴムパッキン９が得られる。

前記段差部９ａは、ブリッジ部１２に対応した深さの全てが未充填として残されることはなく、シール溝６の底部にはゴム溶液が周囲から回り込んで浅く残されている（図７（Ｂ）参照）。従って、第２のスクリーン印刷工程ではメッシュ印刷版２０を用いても、段差部９ａをゴム溶液にて充分に埋めることができる。
（他の実施例）
なお、本発明に係る燃料電池用ゴムパッキンの成形方法は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

例えば、セパレータのシール溝やゴムパッキン層の細部の構成、形状は任意である。また、第２のスクリーン印刷工程で使用される印刷版は必ずしもメッシュ印刷版である必要はない。

燃料電池を構成する単位セルの一例を示す概略断面図。 セパレータのシール溝にゴムパッキン層が成形された状態を示す概略平面図。 第１のスクリーン印刷工程に用いるメタルマスク版を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ−Ｘ断面図。 第１のスクリーン印刷工程を示す説明用断面図。 第１のスクリーン印刷工程を示す説明用断面図。 第１のスクリーン印刷工程を示す説明用断面図。 セパレータのシール溝に第１のスクリーン印刷工程にてゴム溶液が充填された状態を示し、（Ａ）は概略平面図、（Ｂ）はＹ−Ｙ断面図。 第２のスクリーン印刷工程を示す説明用断面図。

符号の説明

１…単位セル
５…セパレータ
６…シール溝
９…ゴムパッキン
９’…充填されたゴム溶液
９ａ…段差部
１０…メタルマスク版
１１…開口部
１２…ブリッジ部
１３，１４…スペーサ
２０…メッシュ印刷版
２１…開口部

Claims (2)

1. 燃料電池の単電池と該単電池を挟持するセパレータとの間に介在させるゴムパッキンであって、前記セパレータの周縁部に平面視で環状に形成された断面凹状のシール溝に、該シール溝の内周縁部及び外周縁部に連続した空隙部を有して収容されるゴムパッキンの成形方法であって、
   前記シール溝の深さに対応する高さ寸法を有し、前記シール溝内の内周縁部及び外周縁部にそれぞれ挿入されるスペーサと、該スペーサ間にゴム溶液をスクリーン印刷法により充填するための開口部と、該開口部に橋渡しされた複数のブリッジ部とを備えたメタルマスク版を用いて、シール溝内の前記セパレータによって区画された空間部のみにゴム溶液を充填する第１のスクリーン印刷工程と、
   前記第１スクリーン印刷工程の後に、前記セパレータから前記メタルマスク版と前記スペーサとを取り外す取外し工程と、
   前記取外し工程の後、前記複数のブリッジ部に対応する開口部を備えた印刷版を用いて、前記メタルマスク版を用いて充填されたゴム溶液の段差部にゴム溶液を充填する第２のスクリーン印刷工程と、
   前記第２のスクリーン印刷工程の後、前記シール溝内に充填されたゴム溶液を加硫して前記セパレータに接着一体化されたゴムパッキンとする工程と、
   を含むことを特徴とする燃料電池用ゴムパッキンの成形方法。
2. 前記第２のスクリーン印刷工程で用いられる印刷版はメッシュ印刷版であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ゴムパッキンの成形方法。

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