JP5273369B2 - シール構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、板状又はシート状の基材にゴム状弾性材料からなるガスケットを一体接合したシール構造体の製造方法であって、例えば、燃料電池セルのセパレータに、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が一体化されたガスケット一体部品を製造するのに有用な方法に関するものである。

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積層したスタックとなっている。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。

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、冷媒など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（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなるものであって、セパレータの表面に一体に設けられ、膜−電極複合体（ＭＥＡ）の表面に密接されるものがよく知られている。

図５は、この種のシール構造体の製造方法を示す概略的な断面図である。そしてこのうち、図５（Ａ）に示される方法は、カーボンあるいは金属からなるセパレータ１０１の表面に、ゴム状弾性材料からなるガスケット１０２を金型２００によって一体成形するものであり、図５（Ｂ）に示される方法は、裏面に接着層１０４を有する合成樹脂フィルム１０３の表面に、ゴム状弾性材料からなるガスケット１０２を不図示の金型で一体成形した後、ガスケット１０２と一体の合成樹脂フィルム１０３を、セパレータ１０１の表面に、接着層１０４を介してヒートプレスにより密着させるものである（例えば下記の特許文献１参照）。
特開２００３−５６７０４

しかしながら、図５（Ａ）に示される方法によれば、不図示の金型によってガスケット１０２をセパレータ１０１に一体成形する時に、予めセパレータ１０１の表面１０１ａに加硫接着材を塗布する必要があり、しかもセパレータ１０１の表面１０１ａの平面度が悪かったり、あるいは表面粗さが粗いと、金型２００による押さえが効かず、セパレータ１０１と金型２００の間に微小隙間が形成されて、金型キャビティへ射出された成形材料の漏れによる薄バリが発生するため、このようなバリを後工程で除去する必要があった。また、アノードとカソード間の絶縁のためにセパレータ１０１の表面に絶縁層を設ける場合、このような絶縁層は、スクリーン印刷によるゴム薄膜の塗布といった方法によって形成されるため、工数がかかる問題があった。

一方、図５（Ｂ）に示される方法によれば、合成樹脂フィルム１０３の表面にガスケット１０２を一体成形した後、セパレータ１０１への合成樹脂フィルム１０３のヒートプレス工程が必要であり、工程数が多いという問題があった。

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、板状又はシート状の基材にゴム状弾性材料からなるガスケットを一体接合したシール構造体の製造において、バリの発生を有効に防止すると共に、別工程による絶縁層などの形成を不要とすることにある。

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、板状又はシート状の基材と金型との間に、裏面に加熱及び圧力により基材に対する粘着力を発現する粘着剤からなる接着層を有する合成樹脂フィルムを前記接着層が前記基材側となるように介装して型締めし、前記金型と前記合成樹脂フィルムとの間に画成されたキャビティに成形材料を充填して硬化させることにより、前記合成樹脂フィルムを前記金型からの熱及び型締め圧力で前記基材に接合すると同時にガスケットを前記合成樹脂フィルムと一体に成形するものである。

上述の方法によれば、基材への合成樹脂フィルムの接合と、この合成樹脂フィルムへのガスケットの一体成形が同時に行われるため、少ない工程数で製造可能である。また、基材の平面度や面粗さによる金型と基材との間の微小間隙は、型締め圧力で合成樹脂フィルム及び接着層が変形することによって吸収されるので、キャビティからの成形材料漏出による薄バリの発生が有効に抑制される。また、合成樹脂フィルムが絶縁層の役目を果たすため、基材間で電気的に絶縁する必要がある場合でも、基材の表面や、基材間の部材（例えば燃料電池における膜−電極複合体）に別工程で絶縁層を形成する必要がなくなる。また、成形時の金型の熱及び型締め圧力によって、成形と同時に合成樹脂フィルムが基材の表面にヒートプレスされ、成形材料の硬化により成形されたガスケットが、この合成樹脂フィルムを介して前記基材に一体化されるので、後工程によるヒートプレスを不要とすることができる。

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、接着剤が内添された成形材料を用いるものである。

このようにすれば、請求項１の発明による効果に加え、仮に薄バリが発生しても、この薄バリは、成形材料に内添の接着剤によって合成樹脂フィルムに強固に接着されることから、脱落の恐れが無く、後処理工程の大幅な軽減を図ることができる。

本発明に係るシール構造体の製造方法によれば、基材への合成樹脂フィルムの接合と、この合成樹脂フィルムへのガスケットの一体成形が同時に行われるばかりでなく、バリ除去工程や絶縁層形成工程が不要となるので、生産性の向上を図ることができる。しかも、基材の表面状態のバラツキが、合成樹脂フィルム及び接着層により吸収できることから、基材の加工精度の要求値を緩和することができ、この点でもコストの低減や、生産性の向上を図ることができる。

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詳細に説明する。まず図１は、基材としてのセパレータを示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ方向の矢視図、図２は、基材としてのセパレータに合成樹脂フィルムを添設した状態を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ方向の矢視図、図３は、合成樹脂フィルムにガスケットを成形した状態を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ方向の矢視図、図４は、ガスケットの成形工程を順を追って示す説明図である。

すなわち図示の形態は、本発明に係るシール構造体の製造方法を燃料電池のシール構造体の製造に適用したものであって、まず図１において、参照符号１は燃料電池のセパレータである。このセパレータ１は、請求項１に記載された基材に相当するものであって、カーボンあるいは金属からなる板状又はシート状を呈し、その表面には、発電領域と対応する範囲で多数の流路溝１１が形成されると共に、複数の開口部（マニホールド孔）１２，１３が開設されている。

次に図２に示されるように、セパレータ１の表面に合成樹脂フィルム２を添設する。この合成樹脂フィルム２は、後述のゴム状弾性材料との良好な接着性を有する材料であれば特に限定されないが、成形時の耐熱性や使用時の加水分解性を考慮すると、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＩ（ポリイミド）等が好適である。また、この合成樹脂フィルム２は、セパレータ１の表面に添設した状態において、セパレータ１における流路溝１１が形成された領域（発電領域）及び前記流路溝１１部の両端に位置する開口部１２を取り囲むように延びる部分２ａと、この部分２ａから分岐して、他の開口部１３を取り囲むように延びる部分２ｂからなる。

合成樹脂フィルム２は、図４の（Ａ）に示されるように、裏面に接着層３を有するものである。接着層３は、燃料電池の発電環境下で接着力を維持できるものであれば特に材質の限定はないが、ここでは常温で適度な付着性を有し、加熱しながら所定の圧力を短時間加えることによって相手表面に密着して所要の粘着力を発現する粘着剤が好適に用いられる。したがって、合成樹脂フィルム２は、接着層３がセパレータ１側となるように位置決めして添設することによって、図４（Ｂ）及び図２に示されるように、接着層３の付着性によってセパレータ１上に仮止めされる。

次にセパレータ１とこれに仮止め状態で添設した合成樹脂フィルム２との積層物を、図４の（Ｃ）に示されるように金型４に位置決めしてセットし、型締めする。したがって、セパレータ１と金型４との間に合成樹脂フィルム２が介装された状態となる。また、金型４の内面には、合成樹脂フィルム２の各部分２ａ,２ｂの幅方向中間部と対応するように延びる溝４ａと、この溝４ａ内へ向けて貫通した注入ゲート４ｂが形成されているので、前記積層物をセットし型締めした状態では、合成樹脂フィルム２と金型４の内面との間に、前記溝４ａによるキャビティ５が画成される。

次に上述の型締め状態において、注入ゲート４ｂを通じてキャビティ５内に成形材料を充填する。この成形材料は、合成樹脂フィルム２に一体成形可能な自己接着性を有する接着剤内添型の成形材料であれば特に限定されないが、好ましくは低温加硫の可能な液状ゴムが用いられ、具体的には燃料電池の使用環境下に耐え得るＶＭＱ（シリコーンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＩＩＲ（ブチルゴム）等が好適である。

ここで、セパレータ１の表面に僅かな歪があったり、あるいはその表面粗さが比較的粗いものであっても、このセパレータ１と金型４の内面との間には、前記歪や面粗さに馴染んで柔軟に変形可能な接着層３及び合成樹脂フィルム２が介在しているため、金型４の内面と合成樹脂フィルム２との間にはキャビティ５からの成形材料の漏れを生じる微小隙間が形成されにくく、しかも型締めによるセパレータ１のダメージも緩和される。

キャビティ５内の成形材料は、不図示の熱盤によって所定の成形温度に加熱されている金型４の熱によって架橋硬化して行く。一方、セパレータ１と合成樹脂フィルム２との間に介在する粘着剤からなる接着層３は、金型４からの熱及び型締め圧力が加えられる（ヒートプレスされる）ことによって全面がセパレータ１に隙間なく密着し、所要の粘着力を発現する。したがって、合成樹脂フィルム２（接着層３）のヒートプレスが型締めによって同時に行われることから、従来のような後工程によるヒートプレス工程が不要となり、工程数を削減することができる。

次に、所定の成形時間が経過した後、金型４を離型することによって、図４の（Ｄ）及び図３に示されるように、成形材料の架橋硬化によって合成樹脂フィルム２に一体成形されたガスケット６が、前記合成樹脂フィルム２及び接着層３を介してセパレータ１に一体化されたシール構造体１０が得られる。ガスケット６は、金型４の内面に形成された溝４ａ（キャビティ５）と対応する断面形状を有するものであって、図３に示されるように、セパレータ１における流路溝１１が形成された領域（発電領域）及び前記流路溝１１部の両端に位置する開口部１２を取り囲むように延びる部分６ａと、この部分６ａから分岐して、他の開口部１３を取り囲むように延びる部分６ｂからなる。

そして先に説明したように、成形過程でキャビティ５からの成形材料の漏れが抑制されるため、薄バリの発生が有効に防止される。また、仮に薄バリを発生した場合でも、この薄バリは内添接着剤の自己接着機能によりセパレータ１へ強固に貼り付いているため、使用時のバリ脱落による不具合が発生するおそれがない。このためバリ除去工程をなくし、この点でも工程数を削減することができる。

また、上述の製造方法で得られたシール構造体１０は、セパレータ１と合成樹脂フィルム２が接着層３により一体化されており、合成樹脂フィルム２とガスケット６はガスケット６の自己接着機能により一体化されているので、先に説明した図５の（Ａ）のように、セパレータ１０１の表面に成形材料を直接射出してガスケット１０２を一体成形する場合に必要だったセパレータへの接着剤の塗布工程が不要となり、この点でも工程数を削減することができる。

また、セパレータ１の表面に一体化された合成樹脂フィルム２は電気絶縁性であるため、セパレータ１の表面に別工程で絶縁層を形成する必要がなくなり、あるいはガスケット６が密接されるＭＥＡ（膜−電極複合体）に絶縁層を形成する必要がなくなる。

更に、上述の製造方法で得られたシール構造体１０によれば、ガスケット６が経年的に劣化しても、合成樹脂フィルム２は接着層３を介してセパレータ１に粘着しているものであることから、容易に取り外すことでき、セパレータ１の再利用が容易となる。

本発明に係るシール構造体の製造方法において、基材としてのセパレータを示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ方向の矢視図である。 本発明に係るシール構造体の製造方法において、基材としてのセパレータに合成樹脂フィルムを添設した状態を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ方向の矢視図である。 本発明に係るシール構造体の製造方法において、合成樹脂フィルムにガスケットを成形した状態を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ方向の矢視図である。 本発明に係るシール構造体の製造方法において、ガスケットの成形工程を、順を追って示す説明図である。 従来の技術によるシール構造体の製造方法を示す概略的な断面図である。

符号の説明

１ セパレータ（基材）
２ 合成樹脂フィルム
３ 接着層
４ 金型
５ キャビティ
６ ガスケット

Claims (2)

1. 板状又はシート状の基材と金型との間に、裏面に加熱及び圧力により基材に対する粘着力を発現する粘着剤からなる接着層を有する合成樹脂フィルムを前記接着層が前記基材側となるように介装して型締めし、前記金型と前記合成樹脂フィルムとの間に画成されたキャビティに成形材料を充填して硬化させることにより、前記合成樹脂フィルムを前記金型からの熱及び型締め圧力で前記基材に接合すると同時にガスケットを前記合成樹脂フィルムと一体に成形することを特徴とするシール構造体の製造方法。
2. 接着剤が内添された成形材料を用い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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