JP6339396B2 - 燃料電池用シール一体部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の構成部材であり、薄板とそれに一体化されたシール部材とを有するシール一体部材の製造方法に関する。

燃料電池においては、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を含む電極部材を、セパレータで挟持したセルが発電単位となる。燃料電池は、セルを多数積層して構成される。電極部材の周囲や、隣り合うセパレータの間には、ガスや冷媒に対するシール性と絶縁性とを確保するために、枠状のシール部材が配置される。

シール部材とセパレータおよび電極部材とが一体化された燃料電池セルアセンブリを製造する場合、例えば特許文献１に開示されているように、金型を用いてゴムの未架橋物製の予備成形体を成形し、該予備成形体を離型した後、セパレータおよび電極部材と共に金型内に配置して加熱することにより、予備成形体を架橋して他の部材と一体化している。また、特許文献２には、セパレータの厚さ方向両面にシール部材を成形する方法として、金型を用いてゴム組成物を仮成形して二つの仮成形シールを成形する工程と、二つの仮成形シールを離型せずに、仮成形シール間にセパレータをインサートする工程と、金型内で二つの仮成形シールを架橋する工程と、が開示されている。また、特許文献３には、セパレータの厚さ方向一面にシール部材を成形する方法として、金型を用いて基体の上面にゴムの未架橋物製の予備成形体を載置する配置工程と、基体および予備成形体を離型する離型工程と、予備成形体に放射線を照射して架橋する架橋工程と、が開示されている。

特開２０１２−２４３５８０号公報 特開２００４−１７８９７７号公報 特許第４２９０６５５号公報

セパレータに一体化されるシール部材は、極めて薄く微細な形状を有する。上記特許文献１、３に記載されている方法においては、シール部材の前駆体としての予備成形体を、金型を用いて予め成形する。予備成形体はゴムの未架橋物からなるため、軟らかく、粘着性を有する。このため、金型への密着度が大きい。よって、予備成形体を金型から取り出す際に、微細な形状を維持することが難しく、予備成形体が破壊するおそれがある。また、離型作業を慎重にせざるを得ないため、時間がかかる。ゴムの未架橋物は、放置しておくと、材料の反応成分が揮発したり変質するおそれがある。このため、シール部材の材質が安定しにくい。また、後の架橋工程を急ぐ必要があるなど、工程設計における制約が大きい。予備成形体をセパレータの表面に成形した場合、予備成形体とセパレータとの界面にあるエアが抜けきらないなどの理由から、セパレータに対する予備成形体の接着性は充分ではない。このため、金型からセパレータおよび予備成形体を取り出す際に、予備成形体が位置ずれしやすい。このように、従来の方法によると、シール部材の品質、すなわちシール部材の材質や寸法精度を維持しながら、作業効率を向上させることは難しい。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、シール部材の品質を維持することができ、かつ、作業性に優れる燃料電池用シール一体部材の製造方法を提供することを課題とする。

（１）本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法は、薄板と、該薄板の厚さ方向の少なくとも一面に配置されるゴムの架橋物製のシール部材と、を有する燃料電池用シール一体部材の製造方法であって、該ゴムの未架橋物をゴム材料として、金型内に、該薄板と、該ゴム材料からなる予備成形体と、を配置して型締めする配置工程と、該金型を加熱して、該予備成形体の架橋を次式（１）で算出される架橋度が４％以上４８％以下になるまで進行させて、該薄板の厚さ方向の少なくとも一面にゴムの仮架橋物を成形する仮架橋工程と、該ゴムの仮架橋物が成形された該薄板を該金型から取り出す離型工程と、該ゴムの仮架橋物を本架橋して該ゴムの架橋物とする本架橋工程と、を有することを特徴とする。
架橋度（％）＝（ゴムの仮架橋物の弾性率−予備成形体の弾性率）／（ゴムの架橋物の弾性率−予備成形体の弾性率）×１００・・・（１）
式（１）により算出される架橋度は、シール部材（ゴムの架橋物）を架橋度１００％として、ゴムの仮架橋物の架橋がどの程度進行しているかを示す指標である。仮架橋工程においては、ゴムの未架橋物からなる予備成形体の架橋を途中まで進行させて、ゴムの仮架橋物を成形する。ゴムの仮架橋物は、架橋が進行している点においてゴムの未架橋物（予備成形体）とは異なる。ゴムの仮架橋物は、予備成形体よりも硬く、薄板との接着性に優れる。このため、次の離型工程において、仮架橋物を金型から剥離しやすい。仮に、仮架橋物が金型に付着した場合でも、仮架橋物は適度な硬さを有するため、離型時における仮架橋物の形状変化や破壊を回避することができる。このように、予備成形体を仮架橋物にしておくことにより、次の離型工程における作業が容易になり、離型工程に要する時間を減らすことができる。また、離型作業をロボットなどで自動化することも可能になる。

ゴムを未架橋の状態ではなく、仮架橋の状態にすることにより、材料の反応成分の揮発や変質を抑制することができる。これにより、シール部材の材質を安定させることができる。また、次の離型工程、本架橋工程を急ぐ必要もない。このため、ゴムの仮架橋物を作り置きしておくことも可能になり、工程設計に自由度が生まれる。

ゴムの仮架橋物は、型締めされた金型内において、予備成形体を加熱して成形される。この際、金型により加圧され、予備成形体と薄板との界面にあるエアが抜けるため、成形されるゴムの仮架橋物は薄板との接着性に優れる。このため、離型時にゴムの仮架橋物が位置ずれしにくい。よって、予めゴムの仮架橋物を成形しても、薄板を扱いやすい。

このように、本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法によると、微細な形状を有するシール部材を、材質や寸法精度を維持しながら成形することができると共に、シール部材が薄板に一体化したシール一体部材を、効率良く製造することができる。架橋度の算出式（１）を含めて、本明細書における「弾性率」とは、ＪＩＳ Ｋ６２５１：２０１０に規定される伸び１００％時の引張応力（１００％モジュラス）を意味する。引張応力については、ダンベル状５号形を使用した引張試験により算出する。

ちなみに、上記特許文献２においては、金型を用いてゴム組成物を仮成形して二つの仮成形シールを成形する工程と、金型内で二つの仮成形シールを架橋する工程と、が開示されている。「仮成形」について、特許文献２には、「「仮成形」とは、ゴム組成物からなるシールを所定の形状を保持できる状態であり、なおかつ、さらに硬化可能な状態で硬化（半硬化）させることができる状態をいう。」と、記載されている。したがって、特許文献２における「仮成形シール」は、未架橋の状態で所定の形状を保持できる程度に成形されている状態を意味し、本発明における予備成形体に相当すると考えられる。特許文献２に記載された方法においては、金型から仮成形シールを取り出さない。すなわち、離型工程を行わない。このため、仮成形シールの離型性や形状保持性を考慮する必要はない。また、セパレータとの接着性も関係ない。したがって、特許文献２においては、予備成形体の離型時に発生する上記課題の検討はなされておらず、予備成形体の架橋を途中まで進行させることを示唆する記載はない。

（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記本架橋工程は、前記ゴムの仮架橋物に電子線またはガンマ線を照射して行う構成とするとよい。

本構成においては、ゴムの仮架橋物の架橋を完了させる本架橋を、電子線またはガンマ線を照射して行う。これにより、本架橋工程を、短時間で完了させることができる。したがって、加熱により本架橋させる場合と比較して、作業時間を短縮することができる。

（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記ゴムは、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素添加アクリロニトリル−ブタジエンゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）から選ばれる一種以上を含むソリッドゴムである構成とするとよい。

ソリッドゴムは、常温において固体である。また、ソリッドゴムは、常温において混練可能である。よって、ソリッドゴムの未架橋物を射出成形するなどして、容易に予備成形体を成形することができる。また、液状ゴムの架橋物の引張り強さ、伸びに対して、ソリッドゴムの架橋物の引張り強さ、伸びは、大きい。このため、本構成によると、シール部材は、水分などによる電解質膜の伸縮に追従しやすく、耐久性に優れる。

（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記ゴム材料は、架橋剤として有機過酸化物を含む構成とするとよい。

本構成によると、予備成形体およびゴムの仮架橋物の架橋を比較的短時間で進行させることができる。このため、仮架橋工程および本架橋工程を、比較的短時間で完了させることができ、作業時間を短縮することができる。また、有機過酸化物は、不純物、汚れなどにより硬化不良をおこしにくい。このため、作業時に周囲の環境の影響を受けにくく、取扱いが容易である。

（５）好ましくは、上記（２）の構成において、前記ゴム材料は、架橋助剤として不飽和結合を二つ以上有する化合物を含む構成とするとよい。

不飽和結合を二つ以上有する化合物は、本架橋を電子線またはガンマ線を照射して行う場合に、架橋を促進させる役割を果たす。したがって、本構成によると、架橋の進行を速めることができる。

実施形態の燃料電池セルアセンブリを備える燃料電池の斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 同燃料電池セルアセンブリの製造方法の配置工程において、射出成形に用いられる金型の型締め状態の上下方向断面図である。 同製造方法の配置工程で使用する金型の型締め前の状態の上下方向断面図である。 同製造方法の仮架橋工程における金型の上下方向断面図である。 同製造方法の本架橋工程における容器内に収容された第一セパレータの上下方向断面図である。 同製造方法の仮組付体準備工程で使用する金型の型締め状態の上下方向断面図である。 反転後の同金型の上下方向断面図である。 同製造方法の一体化工程で使用する金型の型締め状態の上下方向断面図である。

以下、本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法の実施の形態について説明する。実施の形態において、本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法は、燃料電池セルアセンブリの製造方法の一部として具現化されている。

［燃料電池の構成］
まず、本実施形態の燃料電池セルアセンブリ（以下、適宜「セルアセンブリ」と略称する。）を備える燃料電池の構成について説明する。図１に、本実施形態の燃料電池セルアセンブリを備える燃料電池の斜視図を示す。図１に示すように、燃料電池１は、セルアセンブリ２が多数積層されて構成されている。燃料電池１は、固体高分子型燃料電池である。多数のセルアセンブリ２の上下方向両端には、一対のエンドプレート１３、１４が配置されている。一対のエンドプレート１３、１４は、各々、ステンレス鋼製であって矩形板状を呈している。

燃料電池１の左縁には、後方から前方に向かって、空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給部材１０ａ、冷却水を供給する冷却水供給部材１２ａ、水素（燃料ガス）を供給する水素供給部材１１ａが接続されている。燃料電池１の右縁には、前方から後方に向かって、空気を排出する空気排出部材１０ｂ、冷却水を排出する冷却水排出部材１２ｂ、水素を排出する水素排出部材１１ｂが接続されている。多数のセルアセンブリ２には、各々、複数の連通孔が形成されている。各連通孔が積層方向に連なることにより、燃料電池１には、セルアセンブリ２の積層方向に空気、水素、冷却水の流路が形成されている。

［燃料電池セルアセンブリの構成］
次に、本実施形態の燃料電池セルアセンブリの構成について説明する。図２に、図１のＩＩ−ＩＩ断面図を示す。図２に示すように、セルアセンブリ２は、電極部材３と、第一セパレータ４Ｕと、第二セパレータ４Ｄと、第一シール部材５Ｕと、第二シール部材５Ｄと、を備えている。

（電極部材３）
電極部材３は、ＭＥＡ３０と、アノード多孔質層３１と、カソード多孔質層３２と、を備えている。ＭＥＡ３０は、電解質膜と、アノード触媒層と、カソード触媒層と、を備えている。電解質膜は、全フッ素系スルホン酸膜であって、矩形薄板状を呈している。アノード触媒層およびカソード触媒層は、各々、白金を担持したカーボン粒子を含んでいる。アノード触媒層およびカソード触媒層は、各々、矩形薄板状を呈している。アノード触媒層は電解質膜の下面に積層されている。カソード触媒層は電解質膜の上面に積層されている。

アノード多孔質層３１は、ガス拡散層である。アノード多孔質層３１は、焼結発泡金属製であって、矩形薄板状を呈している。アノード多孔質層３１は、ＭＥＡ３０の下面に積層されている。カソード多孔質層３２は、ガス拡散層である。カソード多孔質層３２は、焼結発泡金属製であって、矩形薄板状を呈している。カソード多孔質層３２は、ＭＥＡ３０の上面に積層されている。

（第一セパレータ４Ｕ）
第一セパレータ４Ｕは、ステンレス鋼製であって、矩形薄板状を呈している。第一セパレータ４Ｕは、電極部材３の上面に積層されている。第一セパレータ４Ｕは、上方から見て電極部材３と重なる領域に、凹凸部４０Ｕを有している。第一セパレータ４Ｕは、本発明の「薄板」の概念に含まれる。本実施形態においては、上下方向が、本発明の薄板の厚さ方向に対応している。

（第二セパレータ４Ｄ）
第二セパレータ４Ｄは、ステンレス鋼製であって、矩形薄板状を呈している。第二セパレータ４Ｄは、電極部材３の下面に積層されている。第二セパレータ４Ｄは、上方から見て電極部材３と重なる領域に、凹凸部４０Ｄを有している。

（第一シール部材５Ｕ）
第一シール部材５Ｕは、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）をゴム成分とするソリッドゴムの架橋物製である。第一シール部材５Ｕは、本発明の「シール部材」の概念に含まれる。第一シール部材５Ｕは、矩形枠状を呈している。第一シール部材５Ｕは、台座部５０Ｕと、第一山部５１Ｕと、第二山部５２Ｕと、を有している。台座部５０Ｕは、第一セパレータ４Ｕの上面の周縁部に接着されている。第一山部５１Ｕは、台座部５０Ｕの上面に突設されている。第一山部５１Ｕの上下方向断面は、略半円状を呈している。第二山部５２Ｕは、第一山部５１Ｕから突出するように配置されている。第二山部５２Ｕの上下方向断面は、略半円状を呈している。上下方向断面における第二山部５２Ｕの曲率半径は、第一山部５１Ｕの曲率半径よりも小さい。第一山部５１Ｕおよび第二山部５２Ｕは、燃料電池１を組み立てる際に、締結力により、積層方向（上下方向）に隣接する別のセルアセンブリ２の第二セパレータ４Ｄに弾接する。これにより、環状のシールラインが形成される。

（第二シール部材５Ｄ）
第二シール部材５Ｄは、ＥＰＤＭをゴム成分とするソリッドゴムの架橋物製である。第二シール部材５Ｄは、矩形枠状を呈している。第二シール部材５Ｄは、第一セパレータ４Ｕと第二セパレータ４Ｄとの間に介装されている。第二シール部材５Ｄの枠内には、電極部材３が収容されている。第二シール部材５Ｄは、第二セパレータ４Ｄの上面の周縁部、第一セパレータ４Ｕの下面の周縁部、および電極部材３の外周側面に接着されている。このようにして、第二シール部材５Ｄは、電極部材３を外部から封止している。

［燃料電池セルアセンブリの製造方法］
次に、本実施形態の燃料電池セルアセンブリの製造方法について説明する。本実施形態の燃料電池セルアセンブリの製造方法は、配置工程と、仮架橋工程と、離型工程と、本架橋工程と、仮組付体準備工程と、一体化工程と、を有している。この中で、配置工程、仮架橋工程、離型工程、本架橋工程は、順に、本発明の配置工程、仮架橋工程、離型工程、本架橋工程に対応している。

（配置工程）
本工程においては、まず、金型６Ａを用いて、第一シール部材５Ｕを成形するための第一予備成形体５ＵＦを射出成形し、第一予備成形体５ＵＦを下型６１内に配置する。図３に、射出成形に用いられる金型の型締め状態の上下方向断面図を示す。図３に示すように、金型６Ａは、上型６０と下型６１とを備えている。ＥＰＤＭをゴム成分とするソリッドゴムの未架橋物（ゴム材料）Ｇ１を、下型６１の凹部６１０（金型６Ａのキャビティ）に注入する。ゴム材料Ｇ１は、架橋剤としてジアルキルパーオキサイドを、架橋助剤としてマレイミド化合物を含んでいる。注入の際、ゴム材料Ｇ１は、８０℃に加熱されている。それから、金型６Ａの型開きを行い、上型６０を取り外す。下型６１の凹部６１０には、第一予備成形体５ＵＦが配置されている。第一予備成形体５ＵＦは、第一シール部材５Ｕと同じ形状を呈している。

次に、金型６Ｂ内に、第一セパレータ４Ｕと第一予備成形体５ＵＦとを配置して、型締めする。図４に、本工程で使用する金型の型締め前の状態の上下方向断面図を示す。図４に示すように、金型６Ｂは、上型６２と下型６１とを備えている。金型６Ｂの下型６１には、前工程の金型６Ａの下型６１をそのまま使用している。下型６１の凹部６１０には、第一予備成形体５ＵＦが配置されている。この状態において、下型６１の上面に、前出図２における第一セパレータ４Ｕの上面が下側になるように、第一セパレータ４Ｕを載置する。第一セパレータ４Ｕの上面（図４においては下面）において、第一予備成形体５ＵＦと接触する領域には、プライマーが塗布されている。それから、上型６２を配置して、金型６Ｂの型締めをする。この際、第一セパレータ４Ｕは、上型６２の凹部６２０に収容される。

（仮架橋工程）
本工程においては、金型６Ｂを加熱して、第一予備成形体５ＵＦの架橋を架橋度が４％以上４８％以下になるまで進行させる。図５に、本工程における金型の上下方向断面図を示す。図５に示すように、型締めされた金型６Ｂを１８０℃で０．５分間加熱する。これにより、第一予備成形体５ＵＦの架橋が途中まで進行して、仮架橋物５ＵＭになる。本実施形態においては、仮架橋物５ＵＭの架橋度（上記式（１）により算出）は、１７％である。このようにして、第一セパレータ４Ｕの上面（図５においては下面）に、仮架橋物５ＵＭを成形する。

（離型工程）
本工程においては、金型６Ｂの型開きを行い、仮架橋物５ＵＭが成形された第一セパレータ４Ｕを取り出す。

（本架橋工程）
本工程においては、仮架橋物５ＵＭを本架橋して第一シール部材５Ｕ（架橋物）にする。図６に、容器内に収容された第一セパレータの上下方向断面図を示す。図６に示すように、前工程において取り出された第一セパレータ４Ｕを、仮架橋物５ＵＭが上側になるように、箱状の容器６３の中に収容する。そして、図６中、白抜き矢印で示すように、仮架橋物５ＵＭに対して、線量１５０ｋＧｙの電子線を照射する。これにより、仮架橋物５ＵＭは架橋して第一シール部材５Ｕになると共に、第一セパレータ４Ｕに接着される。このようにして製造された第一シール部材５Ｕ付き第一セパレータ４Ｕは、本発明の燃料電池用シール一体部材の概念に含まれる。

（仮組付体準備工程）
本工程においては、第二予備成形体５ＤＦと、電極部材３と、第二セパレータ４Ｄと、からなる仮組付体７０を金型内に配置する。図７に、本工程で使用する金型の型締め状態の上下方向断面図を示す。図７に示すように、金型６Ｃは、上型６４と、中型６５と、下型６６と、を備えている。

まず、下型６６および中型６５に囲まれた凹部６６０に、第二予備成形体５ＤＦを配置する。第二予備成形体５ＤＦは、ＥＰＤＭをゴム成分とするソリッドゴムの未架橋物を射出成形して成形されている。第二予備成形体５ＤＦは、第二シール部材５Ｄと同じ形状を呈している。次に、第二予備成形体５ＤＦの枠内に、電極部材３を配置する。さらに、第二予備成形体５ＤＦ、電極部材３の上面に、前出図２における第二セパレータ４Ｄの上面が下側になるように、第二セパレータ４Ｄを載置する。第二セパレータ４Ｄの上面（図７においては下面）において、第二予備成形体５ＤＦと接触する領域には、プライマーが塗布されている。そして、上型６４を配置して、金型６Ｃの型締めをする。それから、金型６Ｃを上下反転させて、上側に配置される下型６６を取り外す。

図８に、反転後の金型の上下方向断面図を示す。図８に示すように、反転後の金型６Ｃにおいては、上型６４が下側に配置され、下型６６が取り外されている。上型６４および中型６５に囲まれた凹部６４０には、第二予備成形体５ＤＦと、電極部材３と、第二セパレータ４Ｄと、からなる仮組付体７０が配置されている。

（一体化工程）
本工程においては、金型６Ｄ内に、仮組付体７０と第一シール部材５Ｕ付き第一セパレータ４Ｕとを配置して、型締め後に金型６Ｄを加熱することにより、第一セパレータ４Ｕ、第二予備成形体５ＤＦ、電極部材３、および第二セパレータ４Ｄを一体化する。図９に、本工程で使用する金型の型締め状態の上下方向断面図を示す。図９に示すように、金型６Ｄは、上型６７と、中型６８と、下型６９と、を備えている。上型６７には、第一シール部材５Ｕを収容する凹部６７０が凹設されている。凹部６７０は、下方に開口している。中型６８、下型６９は、各々、金型６Ｃの中型６５、上型６４である。すなわち、下型６９および中型６８に囲まれた凹部６９０には、第二予備成形体５ＤＦと、電極部材３と、第二セパレータ４Ｄと、からなる仮組付体７０が配置されている。

まず、上面に第一シール部材５Ｕ付き第一セパレータ４Ｕを、第二予備成形体５ＤＦおよび電極部材３の上面に載置する。第一セパレータ４Ｕの下面において、第二予備成形体５ＤＦと接触する領域には、プライマーが塗布されている。次に、上型６７を配置して、金型６Ｄの型締めをする。それから、金型６Ｄを１５０℃で１０分間加熱する。これにより、第二予備成形体５ＤＦは架橋して第二シール部材５Ｄになると共に、電極部材３、第一セパレータ４Ｕ、および第二セパレータ４Ｄに接着される。このようにして、本実施形態のセルアセンブリ２は製造される。

［作用効果］
次に、本実施形態の燃料電池セルアセンブリの製造方法の作用効果について説明する。本実施形態のセルアセンブリ２の製造方法においては、本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法により、第一シール部材５Ｕ付き第一セパレータ４Ｕを製造する。すなわち、第一シール部材５Ｕを製造する際に、仮架橋工程において、第一予備成形体５ＵＦの架橋を途中まで進行させて、仮架橋物５ＵＭとしておく。仮架橋物５ＵＭは、第一予備成形体５ＵＦと比較して、硬く、第一セパレータ４Ｕとの接着性に優れる。このため、次の離型工程において、金型６Ｂから剥離しやすい。仮に、仮架橋物５ＵＭが金型６Ｂに付着した場合でも、仮架橋物５ＵＭは適度な硬さを有するため、離型時に形状が変化しにくく、破壊されにくい。このように、第一予備成形体５ＵＦを仮架橋物５ＵＭにしておくことにより、離型工程における作業が容易になり、離型工程に要する時間を減らすことができる。また、離型作業をロボットなどで自動化することも可能になる。

また、ゴム材料Ｇ１を未架橋の状態ではなく、仮架橋の状態にすることにより、ゴム材料Ｇ１の反応成分の揮発や変質を抑制することができる。これにより、第一シール部材５Ｕの材質を安定させることができる。また、仮架橋工程に続く離型工程、本架橋工程を急ぐ必要もない。このため、仮架橋物５ＵＭを作り置きしておくことも可能になり、工程設計に自由度が生まれる。

仮架橋物５ＵＭは、型締めされた金型６Ｂ内において、第一予備成形体５ＵＦを加熱して成形される。この際、金型６Ｂにより加圧され、第一予備成形体５ＵＦと第一セパレータ４Ｕとの界面にあるエアが抜けるため、成形される仮架橋物５ＵＭと第一セパレータ４Ｕとの接着性が向上する。このため、離型時に仮架橋物５ＵＭが位置ずれしにくい。よって、予め仮架橋物５ＵＭを成形しても、第一セパレータ４Ｕを扱いやすい。

このように、本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法によると、微細な形状を有する第一シール部材５Ｕを、材質や寸法精度を維持しながら成形することができると共に、第一シール部材５Ｕ付き第一セパレータ４Ｕを、効率良く製造することができる。

上記実施形態においては、仮架橋物５ＵＭの本架橋を電子線を照射して行うことにより、本架橋を比較的短時間で完了させることができる。したがって、加熱により本架橋させる場合と比較して、作業時間を短縮することができる。

上記実施形態においては、第一シール部材５Ｕおよび第二シール部材５Ｄを、ＥＰＤＭをゴム成分として含むソリッドゴムの架橋物製とした。ソリッドゴムは、常温において固体である。また、ソリッドゴムは、常温において混練可能である。よって、ソリッドゴムの未架橋物（ゴム材料Ｇ１）を射出成形して、容易に第一予備成形体５ＵＦおよび第二予備成形体５ＤＦを成形することができる。また、液状ゴムの架橋物の引張り強さ、伸びに対して、ソリッドゴムの架橋物の引張り強さ、伸びは、大きい。このため、第一シール部材５Ｕおよび第二シール部材５Ｄは、水分などによる電解質膜の伸縮に追従しやすく、耐久性に優れる。

また、ゴム材料Ｇ１は、架橋剤としてジアルキルパーオキサイドを、架橋助剤としてマレイミド化合物を含む。マレイミド化合物は、不飽和結合を二つ以上有する化合物であり、電子線照射による本架橋を促進させる役割を果たす。このため、第一予備成形体５ＵＦおよび仮架橋物５ＵＭの架橋を、比較的短時間で進行させることができる。すなわち、仮架橋工程および本架橋工程を、比較的短時間で完了させることができ、作業時間を短縮することができる。また、ジアルキルパーオキサイドなどの有機過酸化物は、不純物、汚れなどにより硬化不良をおこしにくい。このため、作業時に周囲の環境の影響を受けにくく、取扱いが容易である。

＜その他＞
以上、本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

上記実施形態においては、本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法を、燃料電池セルアセンブリの製造方法の一部として具現化した。しかし、本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法は、上記実施形態とは異なる構成の燃料電池セルアセンブリの製造方法、あるいは燃料電池アセンブリの構成が同じでも上記実施形態とは異なる製造方法などにおいて、実施することができる。薄板は、燃料電池の構成部材であればよく、セパレータに限定されない。

燃料電池セルアセンブリを構成する各部材の材質、形状などは、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、電極部材を構成するアノード多孔質層、カソード多孔質層の構造は、特に限定されない。上記実施形態のように、ガス拡散層のみの単層構造としてもよく、ガス拡散層およびガス流路層の二層構造としてもよい。上記実施形態においては、第二シール部材と第一シール部材とを、同じソリッドゴムの架橋物製とした。しかし、第二シール部材の材質は、特に限定されない。第二シール部材の材質は、第一シール部材の材質と異なってもよい。なお、第二シール部材においても、後述するゴム成分などを用いることができる。また、上記実施形態においては、上下方向を本発明の「薄板の厚さ方向」に対応させた。しかしながら、方向の対応については、特に限定されない。

燃料電池用シール一体部材を構成する部材の形状、材質などは、上記実施形態に限定されない。例えば、セパレータの形状は、凹凸部を有しない平板状でもよい。上記実施形態においては、セパレータのシール部材が配置される領域に、プライマーを塗布した。しかし、プライマーの塗布は必ずしも必要ではなく、セパレータ（薄板）に、予備成形体を直接接触させてもよい。

上記実施形態においては、シール部材（第一シール部材）を、ＥＰＤＭをゴム成分とするソリッドゴムの架橋物製とした。しかし、シール部材は、ゴムの架橋物製であればよく、ゴムの種類は特に限定されない。燃料電池のシール部材として好適なゴム成分としては、ＥＰＤＭの他、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素添加アクリロニトリル−ブタジエンゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）などが挙げられる。

ゴムの架橋物は、ゴム成分の他、架橋剤、架橋助剤、接着成分などを含んでいてもよい。架橋剤としては、ジアルキルパーオキサイドの他、パーオキシケタール、パーオキシエステル、ジアシルパーオキサイド、ハイドロパーオキサイド、パーオキシジカーボネートなどの有機過酸化物が好適である。架橋助剤としては、不飽和結合を二つ以上有する化合物が好適である。不飽和結合を二つ以上有する化合物は、電子線やガンマ線照射による架橋の場合に、架橋を促進する役割を果たす。不飽和結合を二つ以上有する化合物としては、マレイミド化合物、エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、１，３ブタンジオールジアクリレート、１，３ブタンジオールジメタクリレート、１，４ブタンジオールアクリレート、１，４ブタンジオールメタクリレート、１，６ヘキサンジオールジアクリレート、１，６ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、２，２′ビス（４−アクリロキシジエトキシフェニル）プロパン、２，２′ビス（４−メタクリロキシジエトキシフェニル）プロパン、グリセリンジメタクリレート、グリセリントリアクリレート、グリセリントリメタクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、ペンタエリスリトールジアクリレート、ペンタエリスリトールジメタクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールトリメタクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ペンタエリスリトールテトラメタクリレート、テトラメチロールメタンジアクリレート、テトラメチロールメタンジメタクリレート、テトラメチロールメタントリアクリレート、テトラメチロールメタントリメタクリレート、テトラメチロールテトラアクリレート、テトラメチロールテトラメタクリレート、ダイマージオールジアクリレート、ダイマージオールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、トリアリルイソシアヌレートなどが挙げられる。

上記実施形態においては、第一シール部材を、台座部、第一山部、および第二山部から構成したが、シール部材の形状は、特に限定されない。また、本発明の燃料電池用シール一体部材の製造方法においては、シール部材を、薄板の厚さ方向一面だけでなく両面に成形してもよい。

上記実施形態の配置工程においては、予備成形体を成形した後に一旦型開きをして、セパレータを配置した。しかし、配置工程においては、予め金型に薄板を配置した状態でゴム材料を射出成形してもよい。この場合、射出成形の後、型開きをせず、次の仮架橋工程を行うことができる。また、仮架橋工程、本架橋工程における架橋条件（温度、時間など）、架橋手法については、特に限定されない。本架橋工程においては、ガンマ線を照射したり、オーブン中で加熱してもよい。

次に、実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。

＜ゴム材料の調製＞
下記表１に示す原料を配合して、実施例および比較例の各々のゴム材料を調製した。具体的には、まず、ゴム成分および補強剤を、バンバリーミキサーを用いて１２０℃で５分間混練した。次に、混練物を冷却した後、架橋剤および架橋助剤を追加して、オープンロールを用いて５０℃で１０分間混練した。表１中、各原料については以下のものを使用した。なお、表１においては、後述するサンプルの製造工程および評価についても併せて示す。
［ゴム成分］
ＥＰＤＭ：住友化学（株）製「エスプレン（登録商標）５０５」。
ＥＰＭ：ＪＳＲ（株）製「ＥＰ１１」。
［補強剤］
カーボンブラック：キャボットジャパン（株）製「ショウブラック（登録商標）ＩＰ２００」。
［架橋剤］
ジアルキルパーオキサイド：日油（株）製「パーヘキシン（登録商標）２５Ｂ−４０」。
［架橋助剤］
マレイミド化合物：大内新興化学工業（株）製「バルノック（登録商標）ＰＭ」。

＜サンプルの製造＞
調製したゴム材料を用いて、以下のサンプルを製造した。

［物性測定用サンプル］
（１）予備成形体サンプル
ゴム材料を、表１中の予備成形工程の条件で圧縮成形して、厚さ２ｍｍのシート状のサンプルを製造した。このようにして製造したサンプルを、「予備成形体サンプル」と称す。

（２）仮架橋物サンプル
実施例については、ゴム材料を、表１中の予備成形工程、仮架橋工程の条件で順に圧縮成形して、厚さ２ｍｍのシート状のサンプルを製造した。このようにして製造したサンプルを、「仮架橋物サンプル」と称す。

（３）架橋物サンプル
実施例については、ゴム材料を、表１中の予備成形工程、仮架橋工程の条件で順に圧縮成形した後、本架橋工程の条件で架橋させて、厚さ２ｍｍのシート状のサンプルを製造した。比較例については、ゴム材料を、表１中の予備成形工程の条件で圧縮成形した後、本架橋工程の条件で架橋させて、厚さ２ｍｍのシート状のサンプルを製造した。このようにして製造したサンプルを、「架橋物サンプル」と称す。

［シール一体部材サンプル］
上記実施形態の第一シール部材５Ｕ（前出図２）と同じ形状のシール部材を薄板の表面に成形して、シール一体部材のサンプルを製造した。薄板には、１２０ｍｍ四方のステンレス鋼製平板を使用した。シール部材の台座部の幅（図２における前後方向長さ）は２ｍｍ、高さ（図２における上下方向長さ）は１ｍｍとした。また、以下においては、シール部材の第一山部と第二山部とをまとめて「リップ部」と称す。

（１）実施例のサンプル
まず、予備成形体製造用金型にゴム材料を配置し、表１中の予備成形工程の条件で圧縮成形して予備成形体を製造した。次に、型開きを行い、下型に配置された予備成形体の上面に薄板を載置した後、上型を被せて型締めした。そして、表１中の仮架橋工程の条件で圧縮成形して、薄板の表面に仮架橋物を成形した。この状態、すなわち仮架橋物が成形された薄板を、「中間サンプル」と称す。続いて、金型から中間サンプルを取り出して、表１中の本架橋工程の条件で、仮架橋物を架橋した。このようにして製造されたシール部材付き薄板を、「シール一体部材サンプル」と称す。

（２）比較例のサンプル
まず、予備成形体製造用金型に薄板とゴム材料とを配置し、表１中の予備成形工程の条件で圧縮成形して、薄板の表面に予備成形体を製造した。比較例においては、この状態、すなわち予備成形体が成形された薄板を、実施例に対応させて「中間サンプル」と称す。次に、比較例１、２については、金型から中間サンプルを取り出して、表１中の本架橋工程の条件で、予備成形体を架橋した。また、比較例３については、中間サンプルを離型せずにそのまま表１中の本架橋工程の条件で加圧加熱して、予備成形体を架橋した。このようにして製造されたシール部材付き薄板を、「シール一体部材サンプル」と称す。

＜サンプルの評価方法＞
［弾性率］
物性測定用サンプルについて、ＪＩＳ Ｋ６２５１：２０１０に規定される引張試験を行い、伸び１００％時の引張応力（１００％モジュラス）を測定した。引張試験の試験片としては、ダンベル状５号形を使用した。得られた１００％モジュラスの値を弾性率とした。そして、予備成形体サンプル、仮架橋物サンプル、および架橋物サンプルの弾性率を上記式（１）に代入して、仮架橋物サンプルの架橋度を算出した。

［中間サンプルの離型性］
金型から中間サンプルを取り出す際の離型性を評価した。離型性については、スムーズに離型できた場合を離型性良好（表１中、○印で示す）、仮架橋物（比較例においては予備成形体）の形状は維持できたが、離型がやや難しかった場合を離型性普通（表１中、△印で示す）、仮架橋物の形状を維持できなかった場合を離型性不良（表１中、×印で示す）と評価した。

［中間サンプルの密着性］
中間サンプルのリップ部をピンセットで摘まんで金型から剥離させて、薄板とシール部材との密着性を評価した。密着性については、シール部材が破壊した場合を密着性良好（表１中、○印で示す）、シール部材の破壊と界面剥離とが混在した場合を密着性普通（表１中、△印で示す）、界面で剥離した場合を密着性不良（表１中、×印で示す）と評価した。

［シール部材の接着性］
シール一体部材サンプルを試験片として、ＪＩＳ Ｋ６２５６−２：２０１３に規定される９０°剥離試験を行い、薄板に対するシール部材の接着性を評価した。剥離方向は、前出図２における紙面手前から奥方向（左右方向）とした。接着性については、剥離強さ（Ｔ_ｓ）が１．０Ｎ／ｍｍ以上の場合を接着性良好（表１中、○印で示す）、１．０Ｎ／ｍｍ未満の場合を接着性不良（表１中、×印で示す）と評価した。

［シール部材の耐へたり性］
シール一体部材サンプルのシール部材の耐へたり性を評価した。まず、シール部材を高さ方向に２５％圧縮した状態で、１００℃下で４８時間放置した。次に、圧縮を解放して、シール部材の高さ（リップ部の高さ）をレーザー変位計により測定した。耐へたり性については、次式（２）により算出されるへたり率が２５％以下である場合を耐へたり性良好（表１中、○印で示す）、２５％を超える場合を耐へたり性不良と評価した。また、所定の位置に形状を維持できず、へたり率を測定できなかった場合については、表１中、××印で示す。
へたり率（％）＝（圧縮前のリップ部高さ−圧縮後のリップ部高さ）／（圧縮前のリップ部高さ×０．２５）×１００・・・（２）
［生産性］
製造工程のうち、表１に示す予備成形工程から本架橋工程までの間において、金型を使用する時間が５分以内の場合を生産性が高い（表１中、○印で示す）、５分を超える場合を生産性が低い（表１中、×印で示す）と評価した。

＜サンプルの評価結果＞
表１に示すように、仮架橋を行った実施例１〜１０においては、ゴムの仮架橋物の架橋度が４％以上４８％以下であることが確認された。このため、実施例１〜１０の中間サンプルにおいては、離型性、密着性が良好であった。なお、実施例７、８の中間サンプルにおいては、離型性、密着性が若干低下した。これは、架橋剤および架橋助剤の配合量が少ないため、他の実施例と比較して架橋速度が小さくなり、同じ仮架橋時間では他の実施例ほど架橋が進行しなかったためである。このことは、実施例７、８におけるゴムの仮架橋物の架橋度が、４〜１４％と小さいことからもわかる。

実施例１〜１０においては、シール部材の接着性および耐へたり性も良好であった。また、製造工程における金型使用時間が短くて済む分だけ、生産性が向上した。実施例２〜８、１０のように、電子線照射により本架橋を行うと、製造工程全体に要する時間をより短くすることができる。

これに対して、比較例１、２においては、仮架橋を行わずにサンプルを製造した。このため、比較例１、２の中間サンプル（薄板に予備成形体が成形されたもの）においては、離型性、密着性のいずれも不良であった。また、シール部材の接着性および耐へたり性も不良であった。これは、仮架橋を行わなかった分、実施例と同じ本架橋時間では架橋が充分でなかったためと考えられる。また、比較例３のサンプルについては、予備成形体を成形後、離型せずにそのままの金型内で加圧加熱して架橋を行った。したがって、本架橋工程に要する時間が長くなり、生産性が低下した。

１：燃料電池、２：セルアセンブリ、３：電極部材、４Ｕ：第一セパレータ（薄板）、４Ｄ：第二セパレータ、５Ｕ：第一シール部材、５Ｄ：第二シール部材、５ＵＦ：第一予備成形体、５ＵＭ:仮架橋物、５ＤＦ：第二予備成形体、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ：金型、１０ａ：空気供給部材、１０ｂ：空気排出部材、１１ａ：水素供給部材、１１ｂ：水素排出部材、１２ａ：冷却水供給部材、１２ｂ：冷却水排出部材、１３、１４：エンドプレート、３０：ＭＥＡ、３１：アノード多孔質層、３２：カソード多孔質層、４０Ｕ、４０Ｄ：凹凸部、５０Ｕ：台座部、５１Ｕ：第一山部、５２Ｕ：第二山部、６０、６２、６４、６７：上型、６１、６６、６９：下型、６５、６８：中型、６３：容器、７０：仮組付体、６１０、６２０、６４０、６６０、６７０、６９０：凹部、Ｇ１：ゴム材料。

Claims (5)

1. 薄板と、該薄板の厚さ方向の少なくとも一面に配置されるゴムの架橋物製のシール部材と、を有する燃料電池用シール一体部材の製造方法であって、
   該ゴムの未架橋物をゴム材料として、
   金型内に、該薄板と、該ゴム材料からなる予備成形体と、を配置して型締めする配置工程と、
   該金型を加熱して、該予備成形体の架橋を次式（１）で算出される架橋度が４％以上４８％以下になるまで進行させて、該薄板の厚さ方向の少なくとも一面にゴムの仮架橋物を成形する仮架橋工程と、
   該ゴムの仮架橋物が成形された該薄板を該金型から取り出す離型工程と、
   該ゴムの仮架橋物を本架橋して該ゴムの架橋物とする本架橋工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池用シール一体部材の製造方法。
   架橋度（％）＝（ゴムの仮架橋物の弾性率−予備成形体の弾性率）／（ゴムの架橋物の弾性率−予備成形体の弾性率）×１００・・・（１）
2. 前記本架橋工程は、前記ゴムの仮架橋物に電子線またはガンマ線を照射して行う請求項１に記載の燃料電池用シール一体部材の製造方法。
3. 前記ゴムは、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素添加アクリロニトリル−ブタジエンゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）から選ばれる一種以上を含むソリッドゴムである請求項１または請求項２に記載の燃料電池用シール一体部材の製造方法。
4. 前記ゴム材料は、架橋剤として有機過酸化物を含む請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用シール一体部材の製造方法。
5. 前記ゴム材料は、架橋助剤として不飽和結合を二つ以上有する化合物を含む請求項２に記載の燃料電池用シール一体部材の製造方法。

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