JP7254003B2 - ガスケットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スクリーン印刷を用いたガスケットの製造方法に関する。

従来、燃料電池に備えられるセパレータなどの基材上に、スクリーン印刷によりガスケットを製造する方法が知られている。また、このような技術において、密封性を高めるために、基材に凸部（ビード）を形成して、この凸部上にスクリーン印刷によってガスケットを設ける技術が知られている。

一般的に、スクリーン印刷においては、基材上に塗布された材料は、基材の引力及び材料の表面張力によって流動し、表面の凹凸がなだらかになるように変形する。しかしながら、粘性が高く、レベリング性が低い材料の場合には、流動し難いため、短手方向の幅の中央の厚みが薄く、両端の厚みが厚くなる現象（サドル現象と呼ばれる）が生じることが知られている。このような現象は、短手方向の幅が広いほど発生し易い。

図８は基材に形成された凸部上に設けたガスケットに、サドル現象が発生した様子を示している。なお、図８は、ガスケットが伸びる方向（長手方向）に対して垂直に、基材及びガスケットを切断した断面図である。図示のように、基材７００に形成された凸部７１０上に設けられたガスケット７５０は、短手方向の幅の中央の厚みが薄く、両端の厚みが厚くなっている。このような現象が発生してしまうと、ガスケット７５０における短手方向の幅の中央付近の厚みが薄いため、密封性が低下してしまうおそれがある。

特開２０１８－１２５２５８号公報 特開２０１７－１２０８号公報 特開２００２－２２８００１号公報

本発明の目的は、凸部上に形成されるガスケットの厚みを均一化することのできるガスケットの製造方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明のガスケットの製造方法は、
基材に形成された凸部上に、スクリーン印刷によって形成するゴム状弾性体製のガスケットの製造方法において、
材料が通過する開口部における短手方向の幅が、製造後のガスケットにおける短手方向の幅よりも狭い第１スクリーン版を用いて、スクリーン印刷により第１薄膜層を形成する第１工程と、
第１薄膜層が硬化した後に、材料が通過する開口部における短手方向の幅が、製造後のガスケットにおける短手方向の幅よりも狭い第２スクリーン版を用いて、スクリーン印刷により第２薄膜層を形成する第２工程と、
を有し、
第１薄膜層の短手方向の幅の中心と、第２薄膜層の短手方向の幅の中心がずれているこ
とを特徴とする。

本発明によれば、第１薄膜層と第２薄膜層は、いずれも、材料が通過する開口部における短手方向の幅が、製造後のガスケットにおける短手方向の幅よりも狭いスクリーン版を用いて形成される。これにより、いずれの薄膜層においても、短手方向の幅の中央の厚みが薄く、両端の厚みが厚くなってしまう現象の発生を抑制することができる。また、第１薄膜層の短手方向の幅の中心と、第２薄膜層の短手方向の幅の中心がずれるように、それぞれ形成されるため、ガスケットの短手方向の幅を広くすることができる。

第２工程においては、第１薄膜層の短手方向の片側の一部の表面に重ねつつ、該片側から前記凸部の表面にはみ出るように、第２薄膜層を形成するとよい。

これにより、第１薄膜層と第２薄膜層とが重なる部分の厚みが厚くなることで、ガスケットにおける短手方向の幅の中央の厚みが薄くなってしまうことを、抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、凸部上に形成されるガスケットの厚みを均一化することができる。

図１は本発明の実施例に係る密封構造の模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係るガスケットの平面図である。 図３は本発明の実施例に係るガスケットの模式的断面図である。 図４は本発明のガスケットの製造方法に用いられる第１スクリーン版の平面図である。 図５はスクリーン印刷方法を説明する説明図である。 図６は本発明のガスケットの製造方法に用いられる第２スクリーン版の平面図である。 図７は本発明の変形例に係るガスケットの模式的断面図である。 図８は従来例に係るガスケットの模式的断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１～図６を参照して、本発明の実施例に係るガスケットの製造方法について説明する。なお、本実施例においては、燃料電池におけるセパレータにガスケットを設ける場合について説明する。

＜密封構造＞
図１を参照して、本実施例に係る密封構造について説明する。図１は本発明の実施例に係る密封構造の模式的断面図であり、より具体的には、燃料電池の模式的断面図である。一般的に、燃料電池は、複数の単セルからなるセルスタックとして構成される。図１においては、単セル１０の模式的断面図を示している。単セル１０は、一対の基材としてのセパレータ１００と、これら一対のセパレータ１００の間に設けられるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とを備えている。ＭＥＡは、電解質膜
２００と、電解質膜２００の両面に備えられる一対のガス拡散層３００とを備えている。また、セパレータ１００は、金属などにより構成される板状の部材により構成される。このセパレータ１００には、燃料ガスや酸化剤ガスなどが流れる流路１２０が形成されている。

そして、単セル１０には、その外部に燃料ガスや酸化剤ガスなどが漏れるのを防ぐために、ゴム状弾性体製のガスケット１５０が設けられている。ガスケット１５０の材料としては、ＶＭＱ，ＥＰＤＭ，ＦＫＭなどを好適な例として挙げることができる。そして、ガスケット１５０は、セパレータ１００に形成された凸部（ビード）１１０上に設けられている。このガスケット１５０によって、セパレータ１００と電解質膜２００との間の隙間が封止される。なお、ガスケット１５０による電解質膜２００への面圧は、凸部１１０の弾性力とガスケット１５０の弾性力とが合わさることにより決定付けられる。

＜ガスケット＞
特に、図２及び図３を参照して、ガスケット１５０について、より詳細に説明する。図２は本発明の実施例に係るセパレータ１００に設けられたガスケット１５０の平面図である。なお、図２においては、セパレータ１００に設けられる流路１２０については省略して示している。図３は本発明の実施例に係るセパレータ１００に設けられたガスケット１５０の模式的断面図であり、図２中のＡＡ断面図に相当する。すなわち、図３においては、セパレータ１００における凸部１１０及びガスケット１５０が伸びる方向（長手方向）に対して垂直に、セパレータ１００及びガスケット１５０を切断した断面図の一部を示している。つまり、図３中のガスケット１５０は、その短手方向にガスケット１５０が切断された断面図である。

ガスケット１５０は、セパレータ１００の外縁の内側に、当該外縁に沿って形成された凸部１１０上に設けられている。なお、ガスケット１５０は、凸部１１０の表面のほぼ全体を覆うように設けられている。そして、本実施例に係るガスケット１５０は、凸部１１０の短手方向の一方側において長手方向に沿うように設けられる第１薄膜層１５１と、凸部１１０の短手方向の他方側において長手方向に沿うように設けられる第２薄膜層１５２とから構成される。このように、第１薄膜層１５１の短手方向の幅と、第２薄膜層１５２の短手方向の幅は、いずれも凸部１１０の短手方向の幅よりも狭い。また、第２薄膜層１５２の一部は、第１薄膜層１５１の短手方向の片側の一部の表面に重なるように設けられている。なお、本実施例に係るガスケット１５０は、短手方向の幅Ｓが全周に亘って一定となるように設けられている。

＜ガスケットの製造方法＞
特に、図４～図６を参照して、本実施例に係るガスケット１５０の製造方法について説明する。図４及び図６は本発明の実施例に係るガスケットの製造方法に用いられるスクリーン版の平面図である。図５はスクリーン印刷方法を説明する説明図である。なお、図５中のスクリーン版５００は、図４中のＢＢ断面図に相当する。

本実施例に係るガスケット１５０は、セパレータ１００に形成された凸部１１０上に、スクリーン印刷によって形成される。また、本実施例においては、２回のスクリーン印刷を行うことによって、ガスケット１５０が形成される。以下、１回目のスクリーン印刷による印刷工程を第１工程と称し、２回目のスクリーン印刷による印刷工程を第２工程と称する。

＜＜第１工程＞＞
第１工程においては、図４及び図５に示す第１スクリーン版５００を用いて、スクリーン印刷がなされる。第１スクリーン版５００は、マスク５１０と、マスク５１０の片面に
設けられるメッシュ状のスクリーン５２０とから構成される。マスク５１０には、ガスケット１５０の材料（ゴム材料）が通過する開口部５１１が設けられている。この開口部５１１における短手方向の幅Ｔ１は、製造後のガスケット１５０における短手方向の幅Ｓよりも狭く設定されている。図４中、太い点線で示す２つの矩形部のうち内側の矩形部が、製造後のガスケット１５０における内側の輪郭に相当し、外側の矩形部が、製造後のガスケット１５０における外側の輪郭に相当する。この図から分かるように、開口部５１１の内側は、製造後のガスケット１５０における内側の輪郭に一致するように設けられ、開口部５１１の外側は、製造後のガスケット１５０における短手方向の幅の中心よりも少し外側にずれた位置となるように設けられる。このように構成される第１スクリーン版５００を用いて、セパレータ１００の凸部１１０上に、スクリーン印刷により第１薄膜層１５１が形成される。

スクリーン印刷について、図５を参照して説明する。まず、マスク５１０がセパレータ１００側を向くように、第１スクリーン版５００がセパレータ１００上に被せられる。第１スクリーン版５００の表面側（スクリーン５２０の表面側）には、ガスケット１５０の材料１５０Ｘが供給される。そして、スキージ５５０が、セパレータ１００側に押圧されながら、スクリーン５２０の表面を摺動するように移動する（図中、矢印Ｍ方向に移動する）。これにより、スキージ５５０が開口部５１１上を通過する際に、材料１５０Ｘの一部が開口部５１１を通過して、セパレータ１００の凸部１１０上に押し出される。このようにして押し出された材料１５１Ｘが、その後、架橋により硬化することによって、第１薄膜層１５１が形成される。

＜＜第２工程＞＞
第２工程においては、図６に示す第２スクリーン版６００を用いて、スクリーン印刷がなされる。なお、第２工程は、上述した材料１５１Ｘが硬化した後に行われる。第２スクリーン版６００においても、マスク６１０と、マスク６１０の片面に設けられるメッシュ状のスクリーン６２０とから構成される。そして、マスク６１０には、ガスケット１５０の材料（ゴム材料）が通過する開口部６１１が設けられている。この開口部６１１における短手方向の幅Ｔ２は、製造後のガスケット１５０における短手方向の幅Ｓよりも狭く設定されている。図６中、太い点線で示す２つの矩形部のうち内側の矩形部が、製造後のガスケット１５０における内側の輪郭に相当し、外側の矩形部が、製造後のガスケット１５０における外側の輪郭に相当する。この図から分かるように、開口部６１１の内側は、製造後のガスケット１５０における短手方向の幅の中心よりも少し内側にずれた位置となるように設けられ、開口部６１１の外側は、製造後のガスケット１５０における短手方向の外側の輪郭に一致するように設けられる。

以上のように構成される第２スクリーン版６００を用いてスクリーン印刷を行うことによって、第２薄膜層１５２が形成される。なお、第２工程においては、第１薄膜層１５１の短手方向の片側の一部の表面に重ねつつ、該片側から凸部１１０の表面にはみ出るように、第２薄膜層１５２が形成される。

以上のような製造工程により、第１工程により形成される第１薄膜層１５１の短手方向の幅の中心と、第２工程により形成される第２薄膜層１５２の短手方向の幅の中心は、ずれた状態となる。

＜本実施例に係るガスケットの製造方法の優れた点＞
本実施例に係る製造方法によれば、第１薄膜層１５１と第２薄膜層１５２は、いずれも、材料が通過する開口部５１１，６１１における短手方向の幅Ｔ１，Ｔ２が、製造後のガスケット１５０における短手方向の幅Ｓよりも狭い第１スクリーン版５００，第２スクリーン版６００を用いて形成される。これにより、いずれの薄膜層においても、短手方向の
幅の中央の厚みが薄く、両端の厚みが厚くなってしまう現象の発生を抑制することができる。すなわち、背景技術の中で説明したように、粘性が高く、レベリング性が低い材料（ゴム材料）の場合には、スクリーン印刷により塗布された材料には、上記のような現象が発生し易い。しかしながら、短手方向の幅が狭いと、そのような現象の発生を抑制することができる。従って、ガスケット１５０の材料１５０Ｘの特性に応じて、開口部５１１，６１１における短手方向の幅Ｔ１，Ｔ２を適切に設定しておくことで、第１薄膜層１５１及び第２薄膜層１５２に、上記のような現象が発生してしまうことを抑制することができる。また、第１薄膜層１５１の短手方向の幅の中心と、第２薄膜層１５２の短手方向の幅の中心がずれるように、それぞれ形成されるため、ガスケット１５０の短手方向の幅を広くすることができる。

そして、第２工程においては、第１薄膜層１５１の短手方向の片側の一部の表面に重ねつつ、該片側から凸部１１０の表面にはみ出るように、第２薄膜層１５２が形成される。これにより、第１薄膜層１５１と第２薄膜層１５２とが重なる部分の厚みが厚くなることで、ガスケット１５０における短手方向の幅の中央の厚みが薄くなってしまうことを、抑制することができる。

以上のように、本実施例に係る製造方法によれば、粘性が高く、レベリング性が低い材料を用いた場合でも、凸部１１０上に形成されるガスケット１５０の厚みを均一化することができる。

ここで、上記の幅Ｔ１が１．０ｍｍの第１スクリーン版５００を用いてスクリーン印刷を行って第１薄膜層１５１を形成し、その後、上記の幅Ｔ２が１．０ｍｍの第２スクリーン版６００を用いてスクリーン印刷を行って第２薄膜層１５２を形成した。なお、第１薄膜層１５１の短手方向の幅の中心と第２薄膜層１５２の短手方向の幅の中心が０．４ｍｍずれるように、それぞれスクリーン印刷を行うことで、製造後のガスケット１５０の短手方向の幅が約１．６ｍｍとなるようにした。また、ガスケット１５０の厚み（高さ）については、シール機能及び省スペース化の観点から、２０μｍ以上１００μｍ以下となるようにした。

すると、第１薄膜層１５１は、その短手方向の幅の中央が最も厚く、その両側に向かうにつれて徐々に厚みが薄くなる形状であった。その後、第２薄膜層１５２を形成することによって、製造後のガスケット１５０については、その厚みを均一にすることができた。また、この製造方法により得られたガスケット１５０においては、短手方向の幅の中央付近の厚みを規格内に良好に収めることができ、短手方向の幅の両端付近は、中央付近の厚みよりも薄く、安定した密封性が得られることが確認できた。

これに対して、開口部における短手方向の幅が１．６ｍｍのスクリーン版を用いて、１回のみスクリーン印刷を行ってガスケットを製造した。その結果、この製造方法により得られたガスケットは、短手方向の幅の両端付近の厚みを規格内に収めることができたものの、短手方向の幅の中央付近は、両端付近の厚みよりも薄く、規格内に収めることができなかった。

（その他）
上記実施例においては、セパレータ１００に形成される凸部１１０は、その上面が平面により構成される場合を示した。しかしながら、本発明においては、このような凸部１１０に限定されることはなく、異なる形状の凸部に対して形成されるガスケットについても適用可能である。例えば、図７には、本発明の変形例に係るガスケットの模式的断面図を示している。図７に示すように、セパレータ１００Ｙに形成される凸部１１０Ｙの上面が、短手方向の幅の中央が平面で構成され、その両端側が傾斜面で構成される場合であって
も、この凸部１１０Ｙの上面に形成されるガスケット１５０Ｙに対して、本発明の製造方法を適用することができる。この場合においても、短手方向の幅が凸部１１０Ｙの短手方向の幅よりも狭い第１薄膜層１５１Ｙと、同じく短手方向の幅が凸部１１０Ｙの短手方向の幅よりも狭い第２薄膜層１５２Ｙとから構成されるガスケット１５０Ｙが製造される。

また、上記実施例においては、２回のスクリーン印刷によって、短手方向の幅方向にずれた２層構造のガスケット１５０を製造する場合について説明した。しかしながら、本発明においては、３回以上のスクリーン印刷によって、３層以上の構造により構成されるガスケットを製造する場合にも適用可能である。すなわち、開口部の位置が異なるスクリーン版を順次交換しながらスクリーン印刷を繰り返すことで、凸部の表面に形成する薄膜層の位置を短手方向に徐々にずらすことによって、３層以上の構造により構成されるガスケットを製造する場合も本発明に含まれる。これにより、ガスケットの短手方向の幅が広くても、その分だけスクリーン印刷の回数を増やせば、１回のスクリーン印刷で形成する薄膜層の短手方向の幅を狭くすることができる。従って、各薄膜層において、短手方向の幅の中央の厚みが薄く、両端の厚みが厚くなってしまう現象の発生を抑制することができる。なお、前のスクリーン印刷を終えてから、次のスクリーン印刷を行う場合には、上記第２工程で説明したように、前のスクリーン印刷により印刷された材料が硬化した後に行うことは言うまでもない。

更に、上記実施例においては、燃料電池のセパレータにガスケットを設ける場合を例にして説明した。しかしながら、本発明に係るガスケットは、そのような用途に限定されることはない。例えば、金属ガスケットにおける凸部（ビード）上にゴム状弾性体製のガスケットを設ける場合にも適用可能である。

１０ 単セル
１００，１００Ｙ セパレータ
１１０，１１０Ｙ 凸部
１２０ 流路
１５０，１５０Ｙ ガスケット
１５０Ｘ、１５１Ｘ 材料
１５１，１５１Ｙ 第１薄膜層
１５２，１５２Ｙ 第２薄膜層
２００ 電解質膜
３００ ガス拡散層
５００ 第１スクリーン版
５１０ マスク
５１１ 開口部
５２０ スクリーン
５５０ スキージ
６００ 第２スクリーン版
６１０ マスク
６１１ 開口部
６２０ スクリーン

Claims (2)

1. 基材に形成された凸部上に、スクリーン印刷によって形成するゴム状弾性体製のガスケットの製造方法において、
   材料が通過する開口部における短手方向の幅が、製造後のガスケットにおける短手方向の幅よりも狭い第１スクリーン版を用いて、スクリーン印刷により第１薄膜層を形成する第１工程と、
   第１薄膜層が硬化した後に、材料が通過する開口部における短手方向の幅が、製造後のガスケットにおける短手方向の幅よりも狭い第２スクリーン版を用いて、スクリーン印刷により第２薄膜層を形成する第２工程と、
   を有し、
   第１薄膜層の短手方向の幅の中心と、第２薄膜層の短手方向の幅の中心がずれていることを特徴とするガスケットの製造方法。
2. 第２工程においては、第１薄膜層の短手方向の片側の一部の表面に重ねつつ、該片側から前記凸部の表面にはみ出るように、第２薄膜層を形成することを特徴とする請求項１に記載のガスケットの製造方法。

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