JP5044203B2 - 燃料電池用ゴムシール材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を構成するゴムシール材の成形方法に関するものである。

従来、燃料電池において、単位セルの気密性を高めるためにセパレータの各層間あるいはセパレータ同士の間にシール材を形成することが知られている。例えば、特許文献１には、セパレータを構成する溝加工を施した枠連結体にディスペンサー法やスクリーン印刷法によって液状のシール剤を塗布して、シール材を成形する方法が記載されている。

しかしながら、ディスペンサー法やスクリーン印刷法によって成形されたシール材には次のような問題を生じる恐れがある。
ディスペンサー法によりシール材を成形した場合、例えば、セパレータ５上においてシール剤９’’’の塗布開始部と終了部が過度にオーバーラップしてしまうと、シール剤９’’’が重なる部分ができ、その部分が厚肉になってしまいシール材表面に凸部９１ａができてしまう（図９（ａ））。また、例えば、セパレータ５上においてシール剤９’’’の塗布終了部と開始部のオーバーラップが不足した場合は、シール材表面に凹部９１ｂができてしまう（図９（ｂ））。
メタルマスク版等を用いてスクリーン印刷によりシール材を成形した場合、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、メタルマスク版を介してセパレータ５上にシール剤９’’’を塗布して成形されたシール材表面にはブリッジ部に対応する部分に凹部９１ｃができてしまう（図９（ｃ））。
これらシール材表面にできた凹部や凸部によって、この部分からガス漏れが生じ易く、また、ゴムシール材全体に亘って均一な圧力がかからず、良好なシール性能を得ることが困難となる。
特開２００４−４７３９７号公報

そこで、本発明は上記の問題に鑑み、シール材表面に生じてしまった凹部や凸部をなくし、表面を平滑に形成した燃料電池用ゴムシール材の成形方法を提供することを目的とする。

したがって、本発明は、燃料電池の単電池と、この単電池を挟持するセパレータとの間に介在させるゴムシール材をセパレータと一体に成形する成形方法であって、
ディスペンサー法またはメタルマスク版を用いたスクリーン印刷法によってセパレータの周縁部にゴム溶液を塗布して、表面に凸部または凹部を有する基部層を成形する工程と、
前記基部層の表面にメッシュ印刷版を用いたスクリーン印刷法によって、基部層表面の凸部や凹部を埋めるようにゴム溶液を塗布して、ゴムシール材においてシール面となる表面が平滑な平滑層を成形する工程と、
を含むことを特徴とする（請求項１）。
基部層を平滑層より厚肉になるようにゴム溶液を厚塗りして成形してもよい（請求項２）。
基部層を形成するゴム溶液の粘度が平滑層を形成するゴム溶液の粘度と比較して高粘度であってもよい（請求項３）。
平滑層の幅を基部層の幅より幅狭に形成してもよい（請求項４）。

本発明に係る燃料電池用ゴムシール材の成形方法においては、ディスペンサー法やスクリーン印刷法を用いるため、簡単な作業で基部層を成形することができる。また、凹部または／および凸部を表面に生じてしまった基部層の表面にメッシュ印刷版を用いたスクリーン印刷法によってゴム溶液を塗布することで、簡単な作業で基部層表面に平滑層を成形することができる。この平滑層を形成することでシール材の全体に亘って均一に圧力をかけることが可能となり、ガス漏れを防止できる優れたシール性を発揮することができる。

また、平滑層より厚肉になるようにゴム溶液を厚塗りすることによって基部層を成形することで、繰り返し塗布して厚肉の基部層を成形する必要がなく、成形サイクルを向上することができる。

また、基部層を形成するゴム溶液の粘度を平滑層を形成するゴム溶液の粘度より高粘度にすることで、ゴム溶液の垂れを防止することができ、ゴム溶液を塗布した初期の形状を長時間保持することができる。

また、基部層の表面に塗布して成形される平滑層の幅を基部層の幅より幅狭に形成することで、平滑層を形成するゴム溶液が基部層の側面へ垂れることを防止することができる。

本発明の方法ではゴムシール材全体に亘って均一な圧力をかけることができ、ガス漏れを防止でき、優れたシール性能を発揮できる燃料電池用ゴムシール材を成形することができる。

以下、本発明に係る燃料電池用ゴムシール材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。

図１に、本発明に係る成形方法を適用してゴムシール材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には基部層９ａと平滑層９ｂからなるゴムシール材９が圧縮された状態で設けられている。このゴムシール材９は先端部が高分子電解質膜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。なお、平滑層９ｂは基部層９ａの幅より幅狭に成形している。

図２は、セパレータ５のシール溝６にゴムシール材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。ゴムシール材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、ゴムシール材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。なお、セパレータ５にシール溝６を設けることは任意であり、シール溝６は設けなくてもよい。

前記ゴムシール材９は以下に詳述する基部層を成形する工程、平滑層を形成する工程及び架橋工程にて成形される。そこで、まず、基部層を成形する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、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は上記シール溝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。

以上の構成のメタルマスク版１０を用いて基部層を成形する。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。この時、スペーサ１３，１４はシール溝６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からスペーサ１３，１４を挿入したシール溝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、液状シリコーンゴムのゴム溶液９’がシール溝６に残される。その後、ゴム溶液９’は架橋されてセパレータと一体化された基部層が成形される。なお、ゴム溶液９’は上記液状シリコーンゴムに限定するものではなく、例えば、液状エチレンプロピレンゴム、液状クロロプレンゴム、液状ニトリルゴム、液状フッ素ゴム、液状シリコーンゴム、液状イソプレンゴム等の液状ゴムを使用することもできる。また、上記のようにゴム溶液９’を架橋してセパレータと一体化した基部層を成形する場合のほかに、乾燥によってセパレータと一体化した基部層を成形することもできる。この場合、例えば、エチレンプロピレンゴムとキシレンを混合したゴム溶液９’を用いて行うことができる。なお、上記ゴムおよび溶剤はエチレンプロピレンゴムおよびキシレンに限定するものではない。

図７は基部層を成形する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ていないので、ブリッジ部１２に対応する部分が凹部９１として残される。この凹部９１を埋めるために基部層９ａ上に平滑層を成形する工程が行われる。

平滑層を成形する工程は、図８（Ａ）に示すように、メッシュ印刷版２０を用いて行われる。このメッシュ印刷版２０は基部層９ａ上に基部層９ａの幅より幅狭の開口部２１を有するものである。このメッシュ印刷版２０を基部層９ａが一体化されたセパレータ５の表面に配置する。そして、スキージＳを用いて基部層９ａを形成したゴム溶液より粘度の低いゴム溶液９’’をメッシュ印刷版２０の開口部２１を介して基部層９ａ上に塗布して、平滑層９ｂが成形される（図８（Ｂ）、図１）。

その後、平滑層９ｂを形成したゴム溶液９’’を基部層９ａと共に架橋して、基部層９ａと一体化し、セパレータ５と一体化されたゴムシール材９が完成される。（図８（Ｂ））架橋工程については、電子照射などの放射線架橋の他、種々の架橋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、簡単な作業でゴムシール材９をセパレータ５のシール溝６に成形できる。しかも、基部層を成形する工程では、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、基部層を成形する工程でブリッジ部１２に対応する部分として残された凹部９１を含む基部層９ａ上に平滑層を成形する工程によってメッシュ印刷版を用いてゴム溶液を塗布することにより、基部層の表面に形成された凹凸部を確実にゴム溶液で埋め、シール面を平坦、平滑にした平滑層を成形することができる。また、この平滑層によりシール材全体に亘って均一に圧力をかけることができる。

凹部９１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、平滑層を成形する工程ではメッシュ印刷版２０を用いても凹部９１をゴム溶液にて充分に埋めることができる。

なお、上記実施例では基部層をメタルマスク版を用いたスクリーン印刷法により成形し、平滑層をメッシュ印刷版を用いたスクリーン印刷法により成形したゴムシール材の成形方法について説明したが、基部層はディスペンサー法により成形することもできる。この時、平滑層の成形は上記実施例と同様の方法で成形することができるが、図９（ａ）のような凸部９１ａが基部層の表面に生じている場合は、図１０（Ａ）に示すように凸部９１ａにメッシュ印刷版２０が当って傾かないように、メッシュ印刷版２０の高さを調節して凸部９１ａとメッシュ印刷版２０の間に隙間を空けて、基部層上にメッシュ印刷版２０を配置し、上記実施例と同様、スキージを用いて基部層上にゴム溶液を塗布して、平滑層９ｂを成形し、その後、架橋により、基部層９ａと平滑層９ｂを一体化し、セパレータ５と一体化されたゴムシール材９を完成すればよい（図１０（Ｂ））。

また、上記実施例ではセパレータの周縁部にシール溝を形成しているが、シール溝は任意に形成することができる。

また、上記実施例では基部層として塗布されたゴム溶液の形状を長時間保持するため、基部層を平滑層のゴム溶液よりも粘度の高いゴム溶液を用いて成形されているが、基部層を形成するゴム溶液の粘度は平滑層のゴム溶液の粘度と同じであってもよい。

また、上記実施例ではゴム溶液の垂れを防止するため平滑層の幅を基部層の幅より幅狭に形成しているが、平滑層の幅と基部層の幅は同じ幅であっても良い。

また、上記実施例では基部層と平滑層の各層が成形される毎に架橋を行っているが、基部層の成形後、基部層を架橋せずに続けて基部層上に平滑層を成形し、その後、基部層と平滑層を一緒に架橋してもよい。また、上記実施例のように、ゴム溶液にシリコーンゴムなどの液状ゴムを使用する場合は、基部層の成形が架橋によって行われている。一方、ゴム溶液には有機溶剤とゴムを混合したゴム溶液を使用することもでき、この場合、基部層は塗布後に乾燥することによって成形することができ、平滑層成形後の架橋により、基部層と平滑層を一体化したゴムシール材を得ることができる。

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。 基部層を成形する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。 基部層を成形する工程を示す説明断面図。 基部層を成形する工程を示す説明断面図。 基部層を成形する工程を示す説明断面図。 セパレータのシール溝に基部層を成形する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。 平滑層を成形する工程を示す説明断面図。 従来のゴムシール材を示す拡大断面図。 他の実施例の平滑層を成形する工程を示す説明断面図。

符号の説明

１ 単位セル
２ 高分子電解質膜
３ カソード電極
４ アノード電極
５ セパレータ
６ シール溝
６ａ，６ｂ 空隙
７，８ 溝
９ ゴムシール材
９’，９’’，９’’’ ゴム溶液
９ａ 基部層
９ｂ 平滑層
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
９１，９１ｂ，９１ｃ 凹部
９１ａ 凸部
Ｓ スキージ

Claims (4)

1. 燃料電池の単電池と、この単電池を挟持するセパレータとの間に介在させるゴムシール材をセパレータと一体に成形する成形方法であって、
   ディスペンサー法またはメタルマスク版を用いたスクリーン印刷法によってセパレータの周縁部にゴム溶液を塗布して、表面に凸部または凹部を有する基部層を成形する工程と、
   前記基部層の表面にメッシュ印刷版を用いたスクリーン印刷法によって、基部層表面の凸部や凹部を埋めるようにゴム溶液を塗布して、ゴムシール材においてシール面となる表面が平滑な平滑層を成形する工程と、
   を含むことを特徴とする燃料電池用ゴムシール材の成形方法。
2. 基部層を平滑層より厚肉になるようにゴム溶液を厚塗りして成形していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用ゴムシール材の成形方法。
3. 基部層を形成するゴム溶液の粘度が平滑層を形成するゴム溶液の粘度と比較して高粘度であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用ゴムシール材の成形方法。
4. 平滑層の幅を基部層の幅より幅狭に形成していることを特徴とする請求項１または２または３記載の燃料電池用ゴムシール材の成形方法。

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