JP5142080B2 - シール構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シート状部材の縁部にガスケットを一体に有するシール構造体の製造方法であって、例えば燃料電池スタックの各燃料電池セル間に形成される流路をシールするためのガスケットを一体に有する燃料電池用シール構造体の製造に有用な方法に関するものである。

燃料電池は、電解質膜（イオン交換膜）の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ（膜−電極複合体）の厚さ方向両側にＧＤＬ（ガス拡散層）を配置した発電体、あるいは電解質膜の両面に、多孔質のガス拡散電極層を配置したＭＥＡからなる発電体を、セパレータで挟持して燃料電池セルとし、更にこの燃料電池セルを多数積層したスタック構造を有する。そして、酸化ガス（空気）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ＧＤＬを介して発電体のカソード側に供給され、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、他方のガス拡散層を介して発電体のアノード側に供給され、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。このため、各燃料電池セルには、燃料ガスや酸化ガス、上述の電気化学反応により生成された水や、余剰空気等をシールするためのガスケットが設けられる。

燃料電池用のガスケットは、断面積が非常に小さく、したがってラバーオンリーのガスケットではハンドリング性に問題があるため、シート状部材の縁部にガスケットを一体に有するシール構造体とすることが提案されている。

図８は、従来の技術によるシール構造体を示す斜視図、図９は、図８のシール構造体を製造するための従来の技術を示す金型の断面図で、図８に示されるシール構造体１００は、ＰＩ（ポリイミド）等、電気絶縁性を有する合成樹脂材料からなるシート状部材１０１の縁部に、ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケット１０２を一体に成形したものである。

このシール構造体１００は、図９に示されるように、シート状部材１０１を、上型２０１と下型２０２からなる金型２００内にセットし、上型２０１及び下型２０２に形成された挟持部２０１ａ，２０２ａ間でシート状部材１０１を挟持した状態で型締めする。そして、挟持部２０１ａ，２０２ａから張り出したシート状部材１０１の縁部と上型２０１及び下型２０２の内面とで画成されたキャビティ２０３内に、上型２０１に開設された注入ゲート２０１ｂから成形用材料を充填して架橋硬化させることによって、図８のようなシール構造体１００が得られるのである（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−５０３６８号公報

ここで、シート状部材１０１にガスケット１０２を接着剤を用いずに一体する方法としては、自己接着型のゴム材料を用いることが考えられるが、自己接着型のゴム材料は種類が限られており、これに適応するシート状部材１０１の材質も限定され、その表面性状によっても接着強度がばらつき、長期間使用した場合の耐久強度が不明確であるといった問題が指摘される。

したがって、接着剤や自己接着型の成形用材料を用いずに、シート状部材１０１にガスケット１０２を確実に一体化する方法としては、シート状部材１０１の縁部に沿ってスルーホール１０１ａを所定のピッチで開設し、このスルーホール１０１ａを通じて成形用材料を賦形させることにより、シート状部材１０１の厚さ方向両側でスルーホール１０１ａを通じてガスケット１０２が結合された形状とすることが有効である。

ところがこの場合、スルーホール１０１ａによってシート状部材１０１の剛性が低下するので、成形用材料の射出圧やキャビティ２０３内での成形用材料の流れによって、図１０に示されるようにシート状部材１０１が撓んだり破損したりするおそれがあり、本来の接着強度が得られない問題があった。

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、その技術的課題とするところは、縁部に沿ってスルーホールが所定のピッチで開設されたシート状部材を、挟持手段を介して金型の内面間に挟持し、このシート状部材の縁部と金型の内面及び前記挟持手段との間に画成されたキャビティに成形用材料を充填して硬化させることによって、シート状部材の縁部にガスケットを一体に有するシール構造体を製造する方法において、成形用材料の射出圧やキャビティ内での成形用材料の流れによってシート状部材が撓んだり破損したりするのを防止して、品質の高いシール構造体を提供することにある。

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の発明に係るシール構造体の製造方法は、縁部に沿ってスルーホールが所定のピッチで開設されたシート状部材を、挟持手段を介して金型の内面間に挟持し、前記挟持手段の外周側で前記シート状部材の縁部と金型の内面との間に画成されたキャビティに成形用材料を充填して硬化させることによって、シート状部材の縁部にガスケットを一体に有するシール構造体を製造する方法において、前記挟持手段が、前記各スルーホールを塞がないように凹んだ凹部と、前記各スルーホール間へ突出する突出部を交互に有するものである。

また、請求項２の発明に係るシール構造体の製造方法は、請求項１に記載の方法において、挟持手段が金型に一体に形成されたものとする。

また、請求項３の発明に係るシール構造体の製造方法は、請求項１に記載の方法において、挟持手段が金型の内面とシート状部材との間に介在される挟持プレートからなるものとする。

請求項１〜３の発明に係るシール構造体の製造方法によれば、縁部に沿ってスルーホールが所定のピッチで開設されたシート状部材を、挟持手段を介して金型の内面間に挟持したときに、このシート状部材の縁部が、挟持手段に形成されて各スルーホール間へ突出した突出部によって挟持され、キャビティに充填される成形用材料は、挟持手段に形成された凹部からスルーホールへ流れ込むので、成形用材料の射出圧やキャビティ内での成形用材料の流れによってシート状部材が撓んだり破損したりするのを有効に防止しつつ、シート状部材の縁部にガスケットを一体に有するシール構造体を成形することができる。

以下、本発明に係るシール構造体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。図１は、本発明に係るシール構造体の製造方法により製造された燃料電池用シール構造体の一部を示す斜視図、図２は平面図、図３は断面図で、（Ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。

すなわち、これら図１〜図３に示されるシール構造体１は、ＰＩ（ポリイミド）等、電気絶縁性を有する合成樹脂フィルムからなるシート状部材１１の縁部に、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ＶＭＱ（シリコンゴム）、あるいはフッ素ゴム（ＦＫＭ）等、ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料からなるガスケット１２を一体に成形したものである。

詳しくは、シート状部材１１の外周部１１ａには、その縁部に沿って所定のピッチＰで円形の多数のスルーホール１１ｂが開設されており、ガスケット１２は、扁平なベース１２１と、そこからシート状部材１１の外周部１１ａにおける厚さ方向両側の、各スルーホール１１ｂと対応する位置へ延びると共にこのスルーホール１１ｂを介して互いに連続することによってシート状部材１１に結合された多数の舌状部１２２と、前記ベース１２１の厚さ方向両側に山形に突出形成されたシールリップ１２３，１２３とからなる。

なお、スルーホール１１ｂの形状は円形に限定されるものではなく、多角形、楕円形、星形など、種々のものが考えられる。

上記構成のシール構造体１は、燃料電池セルにおける不図示のＭＥＡ（膜−電極複合体）の電極層の外周側に位置して、燃料電池セルにおける不図示のセパレータの外周部間に介在され、燃料ガス、酸化ガスあるいは冷却水などの漏れを防止するものである。

図４は、本発明に係るシール構造体の製造方法として図１〜図３に示されるシール構造体１を製造するための第一の形態を示すもので、（Ａ）は図２のＡ−Ａと対応する部分で金型を切断した断面図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂと対応する部分で金型を切断した断面図である。

すなわちこの図４において、参照符号２は上型２１と下型２２からなる金型である。互いに接離される上型２１と下型２２の分割面間には、図示の型締め状態においてシート状部材１１を厚さ方向両側から挟持する挟持部２１１，２２１が形成されている。この挟持部２１１，２２１は、請求項１に記載された挟持手段に相当するもので、シート状部材１１より一回り小さく、すなわち挟持部２１１，２２１間に挟持されたシート状部材１１は、スルーホール１１ｂが開設された外周部１１ａが挟持部２１１，２２１の外周側へ張り出すようになっている。

上型２１及び下型２２における挟持部２１１，２２１の外周には、シート状部材１１に開設された各スルーホール１１ｂを塞がないように、ガスケット１２の舌状部１２２と対応する形状をなして凹んだ凹部２１１ａ，２２１ａと、前記各スルーホール１１ｂ，１１ｂの間の位置へ向けて突出した突出部２１１ｂ，２２１ｂが交互に形成されている。

上述の構成によりシート状部材１１にガスケット１２を一体に成形するには、まずシート状部材１１を金型２内に位置決めセットし、上型２１及び下型２２の挟持部２１１，２２１間に挟持した状態で型締めする。

次に、この型締めによって金型２の挟持部２１１，２２１の外周側でシート状部材１１の縁部と上型２１及び下型２２の内面との間に画成されたキャビティ２３に、上型２１に開設された注入ゲート２１２から成形用材料（液状ゴム）を充填して加硫する。このとき、挟持部２１１，２２１からキャビティ２３内に張り出したシート状部材１１の外周部１１ａは、スルーホール１１ｂの開設によって剛性が小さいものとなっているが、この外周部１１ａは挟持部２１１，２２１から前記スルーホール１１ｂ，１１ｂの間の位置へ向けて突出した突出部２１１ｂ，２２１ｂによって挟持されているので、成形用材料の射出圧やキャビティ２３内での成形用材料の流れによって前記シート状部材１１の外周部１１ａが撓んだり破損したりすることはない。

そして、キャビティ２３に充填された成形用材料が架橋硬化することによって、図１〜図３に示されるように、シート状部材１１にガスケット１２が一体化されたシール構造体１が得られる。このとき、挟持部２１１，２２１の外周に形成された凹部２１１ａ，２２１ａからスルーホール１１ｂへ流れ込んだ成形用材料は、架橋硬化によってガスケット１２の舌状部１２２となり、この舌状部１２２において、シート状部材１１の外周部１１ａと一体に結合される。

次に図５は、本発明に係るシール構造体の製造方法として図１〜図３に示されるシール構造体１を製造するための第二の形態を示すもので、（Ａ）は図２のＡ−Ａと対応する部分で金型を切断した断面図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂと対応する部分で金型を切断した断面図、図６は、第二の形態において使用される挟持プレートの一部を示す平面図である。

この第二の形態において上述した図４の第一の形態と異なるところは、金型２の上型２１及び下型２２に挟持部を形成する代わりに、前記上型２１及び下型２２の内面とシート状部材１１との間にそれぞれ図６に示されるような挟持プレート２４を介在するようにしたことにある。すなわち、挟持プレート２４は請求項１に記載された挟持手段に相当するものであって、その他の部分は基本的に第一の形態と同様に構成することができる。

挟持プレート２４はシート状部材１１より一回り小さく、したがって、シート状部材１１は、スルーホール１１ｂが開設された外周部１１ａが挟持プレート２４，２４の外周側へ張り出すようになっている。

図６に示されるように、挟持プレート２４の外周には、シート状部材１１に開設された各スルーホール１１ｂを塞がないように、ガスケット１２の舌状部１２２と対応する形状をなして凹んだ凹部２４ａと、前記各スルーホール１１ｂ，１１ｂの間の位置へ向けて突出した突出部２４ｂが交互に形成されている。

したがって、上述の構成によってシート状部材１１にガスケット１２を一体に成形するには、まずシート状部材１１を金型２内に位置決めセットし、すなわちシート状部材１１を厚さ方向両側から挟持プレート２４，２４を介して上型２１と下型２２の間に挟持した状態で型締めする。

次に、この型締めによって挟持プレート２４，２４の外周側でシート状部材１１の縁部と上型２１及び下型２２の内面との間に画成されたキャビティ２３に、上型２１に開設された注入ゲート２１２から成形用材料（液状ゴム）を充填して加硫する。このとき、挟持プレート２４，２４からキャビティ２３内に張り出したシート状部材１１の外周部１１ａは、スルーホール１１ｂの開設によって剛性が小さいものとなっているが、この外周部１１ａは挟持プレート２４，２４から前記スルーホール１１ｂ，１１ｂの間の位置へ向けて突出した突出部２４ｂ，２４ｂによって挟持されているので、成形用材料の射出圧やキャビティ２３内での成形用材料の流れによって前記シート状部材１１の外周部１１ａが撓んだり破損したりすることはない。

そして、キャビティ２３に充填された成形用材料が架橋硬化することによって、図１〜図３に示されるように、シート状部材１１にガスケット１２が一体化されたシール構造体１が得られる。このとき、挟持プレート２４，２４の外周に形成された凹部２４ａ，２４ａからスルーホール１１ｂへ流れ込んだ成形用材料は、架橋硬化によってガスケット１２の舌状部１２２となり、この舌状部１２２において、シート状部材１１の外周部１１ａと一体に結合される。

成形用材料として液状シリコーンゴム（NOK S994 Hs40）、シート状部材として端部にスルーホールを開設したＰＩ（ポリイミド）フィルムを用意し、このシート状部材に前記液状シリコーンゴムによる成形体を一体に成形した試料を作製した。その際、スルーホールの径φ（図２参照）を０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，０．７ｍｍ，０．８ｍｍの４種類とし、スルーホールのピッチＰ（図２参照）を１．５ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍ，４ｍｍとし、それぞれの組み合わせによる計１６条件で試料を作製した。

各試料について引張試験を実施し、スルーホールの径φとピッチＰの違いによる結合強度への影響を確認した。その結果を表１に示す。なお、スルーホールの径φを０．３ｍｍとした試料は、径が小さすぎて成形用材料が十分に充填されなかったため、作製不可能であった。

図７は、ピッチＰに占める径φの長さの割合（φ／Ｐ）に対して結合強度（引張強度）をプロットした図である。この図から明らかなように、φ／Ｐが大きいほど強度が大きくなる傾向があることが確認された。また、スルーホールの径φによらずφ／Ｐに対して直線的な相関関係がみられることから、φ／Ｐが結合強度を決める最も重要なファクターであることがわかった。すなわち、液状シリコーンゴムはＰＩフィルムからなるシート状部材に対して自己接着性がないので、ゴムとシート状部材が互いに密着している部分の単位面積あたりの接合強度は無視できるほど小さく、単位面積においてスルーホールの占める面積が結合強度に影響する。これは、スルーホールに充填された部分のゴムの破断強度の影響が大きいからであると考えられる。

したがって、スルーホールのピッチＰを狭くし、かつスルーホールの径φを大きくすることによって、シート状部材とガスケットとの機械的結合強度を増大させることが可能であることがわかった。但し、スルーホールの径φは成形可能な０．５ｍｍ以上を目安とする。

本発明に係るシール構造体の製造方法により製造された燃料電池用シール構造体の一部を示す斜視図である。 図１の燃料電池用シール構造体の一部を示す平面図である。 図１の燃料電池用シール構造体の一部を示す断面図で、（Ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。 本発明に係るシール構造体の製造方法の第一の形態を示すもので、（Ａ）は図２のＡ−Ａと対応する部分で金型を切断した断面図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂと対応する部分で金型を切断した断面図である。 本発明に係るシール構造体の製造方法の第二の形態を示すもので、（Ａ）は図２のＡ−Ａと対応する部分で金型を切断した断面図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂと対応する部分で金型を切断した断面図である。 第二の形態において使用される挟持プレートの一部を示す平面図である。 ピッチＰに占める径φの長さの割合（φ／Ｐ）に対して結合強度（引張強度）をプロットした図である。 従来の技術によるシール構造体を示す斜視図である。 図８のシール構造体を製造するための従来の技術を示す金型の断面図である。 シート状部材が撓んだ状態でガスケットが成形されたシール構造体を示す断面図である。

符号の説明

１ シール構造体
１１ シート状部材
１１ａ 外周部
１１ｂ スルーホール
１２ ガスケット
１２２ 舌状部
２ 金型
２１ 上型
２２ 下型
２１１，２２１ 挟持部（挟持手段）
２１１ａ，２２１ａ，２４ａ 凹部
２１１ｂ，２２１ｂ，２４ｂ 突出部
２３ キャビティ
２４ 挟持プレート（挟持手段）

Claims (3)

1. 縁部に沿ってスルーホールが所定のピッチで開設されたシート状部材を、挟持手段を介して金型の内面間に挟持し、前記挟持手段の外周側で前記シート状部材の縁部と金型の内面との間に画成されたキャビティに成形用材料を充填して硬化させることによって、シート状部材の縁部にガスケットを一体に有するシール構造体を製造する方法において、前記挟持手段が、前記各スルーホールを塞がないように凹んだ凹部と、前記各スルーホール間へ突出する突出部を交互に有することを特徴とするシール構造体の製造方法。
2. 挟持手段が金型に一体に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のシール構造体の製造方法。
3. 挟持手段が金型の内面とシート状部材との間に介在される挟持プレートからなることを特徴とする請求項１に記載のシール構造体の製造方法。

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