JP7280166B2 - ガス拡散層一体ガスケットの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ガス拡散層一体ガスケット（ＧＤＬ一体ガスケット）の製造方法に関する。
燃料電池では、セル内部の燃料ガスが外部へ漏洩しないよう、またセル外部の異物が内部へ侵入しないようにガスケットが装着される。
図５（Ａ）はその一例を示すもので、一対のセパレータ１１１Ａ，１１１Ｂの間に内部積層体１２１が挟み込まれ、そのセル外側（図では左方）に位置してガスケット１３１が同じく一対のセパレータ１１１Ａ，１１１Ｂの間に挟み込まれる。
内部積層体１２１は、電解質膜１２３および一対の電極１２４Ａ，１２４Ｂよりなる膜電極複合体（ＭＥＡ）１２２を一対のガス拡散層（ＧＤＬ）１２５Ａ，１２５Ｂによって挟み込んだ構造とされ、これらの構成要素のうちで電解質膜１２３だけがその平面積を大きく形成されてガスケット１３１のほうへ突出している。
ガスケット１３１は、ゴム状弾性体よりなるガスケット本体１３２を有し、これ単独では取り扱い性に難点があることから、ガスケット本体１３２をシート状のガスケット取付部材１３３によって保持する構造とされている。ガスケット本体１３２は、ガスケット取付部材１３３に接着固定されるガスケット基部１３２ａと、断面三角形状のシールリップ１３２ｂとを一体に備えている。
内部積層体１２１とガスケット１３１は、燃料電池のスタッキング時に電解質膜１２３とガスケット取付部材１３３とを接着剤１４１によって接着することにより一体化される。
特開２０１７－１５２２８１号公報
しかしながら上記構造によるとスタッキング時、同一平面上に配置される一方のガス拡散層１２５Ａとガスケット取付部材１３３との間に所定の幅ｗ０を備える隙間ｃが形成されるため、図５（Ｂ）に示すように接着剤硬化時の熱によって線膨張する電解質膜１２３がこの隙間ｃに入り込んで破損することが懸念される。
本発明は、ガス拡散層とガスケット取付部材との間に隙間が残らず、よって電解質膜が隙間に入り込んで破損するのを防止することができるガス拡散層一体ガスケットの製造方法を提供することを課題とする。
本発明のガス拡散層一体ガスケットの製造方法は、燃料電池セルにおけるシート状のガスケット取付部材とガス拡散層とを前記両者の間に隙間を設定した状態で同一平面上に並べる工程と、前記ガスケット取付部材の平面上にガスケット本体を形成する印刷部ならびに前記隙間を埋め前記ガスケット取付部材および前記ガス拡散層を一体化する隙間埋め部材を形成する印刷部を備えるスクリーン印刷用のスクリーンを前記ガスケット取付部材および前記ガス拡散層に被せる工程と、前記スクリーンを被せた前記ガスケット取付部材に対し前記ガスケット本体を形成する成形材料を塗布する工程と、前記スクリーンを被せた前記隙間に対し前記隙間埋め部材を形成する成形材料を充填する工程と、前記塗布または充填した成形材料を固化させる工程と、を備える。
本発明によれば、ガス拡散層とシート状ガスケット取付部材との間に隙間が残らず、よって電解質膜が隙間に入り込んで破損するのを防止することができる。
実施の形態の製造方法によって製造するガス拡散層一体ガスケットの平面図 同ガス拡散層一体ガスケットの一部拡大断面図であって図１におけるＥ－Ｅ線拡大断面図 同ガス拡散層一体ガスケットを組み込んだ燃料電池セルの一部断面図 同製造方法の工程説明図 （Ａ）は背景技術で説明した燃料電池セルの要部断面図、（Ｂ）はその不具合発生状態を示す燃料電池セルの要部断面図
図１および図２は、実施の形態の製造方法によって製造するガス拡散層一体ガスケット３１を単体で示し、図３はこのガス拡散層一体ガスケット３１を燃料電池セルに組み込んだ状態を示している。
図１および図２に示すように、ガス拡散層一体ガスケット３１は、一対のガス拡散層４１Ａ，４１Ｂ（図３）のうちの一方のガス拡散層４１Ａと、このガス拡散層４１Ａと同一平面上に配置され、ガス拡散層４１Ａの周囲を囲むよう枠状に形成され、ガス拡散層４１Ａとの間に所定の幅ｗ１の隙間ｃを形成するシート状のガスケット取付部材５１と、ガスケット取付部材５１の平面上に接着固定され、ガス拡散層４１Ａの周囲を囲むよう枠状に形成されたガスケット本体６１と、前記隙間ｃを埋めるようガスケット取付部材５１およびガス拡散層４１Ａ間に配置され、両者５１，４１Ａに接着固定され両者５１，４１Ａを一体化した隙間埋め部材７１とを一体的に備えている。
ガス拡散層４１Ａは、所定の厚みを備える平板状に形成され、図１に示すように平面長方形状に形成されている。ガス拡散層４１Ａは、カーボンペーパー等によって形成されている。
ガスケット取付部材５１は、これも所定の厚みを備える平板状に形成され、上記したようにガス拡散層４１Ａの周囲を囲むように枠状に形成されている。また、その四隅それぞれに、スタック組立て時にマニホールド穴とされる厚み方向に貫通する透孔５２が設けられている。ガスケット取付部材５１は、ＰＰ、ＰＥＮ、ＰＩ、ＰＰＳ、ＰＳＰまたはＰＥＮ等よりなるフィルム材によって形成されている。ガスケット取付部材５１はガスケット本体６１を保持しその取り扱い性を向上させることからフィルム状ガスケット保持部材とも称され、或いはガスケット基材または単に基材とも称される。
ガスケット本体６１は、これも所定の厚みを備える平板状に形成され、上記したようにガス拡散層４１Ａの周囲を囲むように枠状に形成されている。また、前記各透孔５２の周囲を囲むようにしてマニホールド用シール部６２が一体に設けられている。ガスケット本体６１は上記図５（Ａ）（Ｂ）に示したガスケット本体１３２と異なり断面三角形状のシールリップ１３２ｂを備えておらず、その代わりとして平面状のシール面６３を備えている。ガスケット本体６１は、ＶＭＱ、ＥＰＤＭまたはＦＫＭ等よりなるゴム状弾性材によって形成されている。
隙間埋め部材７１は、前記隙間ｃを埋め、かつガスケット取付部材５１およびガス拡散層４１Ａに対しそれぞれ接着固定されてガス拡散層４１Ａとガスケット取付部材５１とをこの隙間埋め部材７１を介して一体化するために設けられており、隙間ｃがガス拡散層４１Ａの周囲の全周に亙って設けられているので、この隙間埋め部材７１もガス拡散層４１Ａの周囲の全周に亙って設けられている。
また、隙間埋め部材７１は図２に示すように、隙間ｃ内に充填される隙間充填部７２と、この隙間充填部７２の厚み方向一方（図では上方）に重ねられ、隙間充填部７２の幅ｗ１（隙間ｃの幅ｗ１と同じ）よりも大きな幅ｗ２を備え、幅方向一方の端部７３ａをシート状ガスケット取付部材５１の平面上に重ねられ、他方の端部７３ｂをガス拡散層４１Ａの平面上に重ねられた隙間被覆部７３とを一体に備える形状とされ、これによりガスケット取付部材５１およびガス拡散層４１Ａに対する接着面積が拡大されている。ガス拡散層４１Ａの厚みとガスケット取付部材５１の厚みが同じまたは略同じである場合、隙間被覆部７３の厚みｔ１はガスケット本体６１の厚みｔ２と同じまたは略同じに形成されても良い。隙間埋め部材７１全体としての厚みｔ３はガスケット取付部材５１の厚みおよびガスケット本体６１の厚みの和ｔ４と同じまたは略同じに形成されても良い。隙間埋め部材７１は、ＶＭＱ、ＥＰＤＭまたはＦＫＭ等よりなるゴム状弾性材によって形成されている。隙間埋め部材７１はガスケット本体６１と同一種類の成形材料によって形成されているが、ガスケット本体６１と異なる種類の成形材料によって形成されても良い。
上記構成のガス拡散層一体ガスケット３１は図３に示すように、電解質膜２２および一対の電極２３Ａ，２３Ｂよりなる膜電極複合体２１や他方のガス拡散層４１Ｂとともに一対のセパレータ１１Ａ，１１Ｂの間に挟み込まれる。一対のセパレータ１１Ａ，１１Ｂのうち一方のセパレータ１１Ａはガス拡散層一体ガスケット３１と全面的に接触し、これを保持する。他方のセパレータ１１Ｂには、この他方のセパレータ１１Ｂに対しガスケット本体６１を接触させるため、ガスケット本体６１のほうへ向けて屈曲した屈曲部１２が設けられている。セパレータ１１Ｂが金属セパレータである場合、屈曲部１２はプレス加工によって容易に形成される。
つぎに、上記ガス拡散層一体ガスケット３１の製造方法を説明する。製造に際してはスクリーン印刷法を実施し、スクリーン印刷機を使用し、すなわちガスケット取付部材５１およびガス拡散層４１Ａをスクリーン印刷機にセットし、隙間埋め部材７１を形成するゴム材料にて両者５１，４１Ａを接合する。工程としては、以下のようになる。
すなわち先ず、図４（Ａ）に示すように、あらかじめ製品形状に形成したシート状のガスケット取付部材５１およびガス拡散層４１Ａを両者５１，４１Ａの間に隙間ｃを設定した状態で同一平面上（作業台８１上）に並べて配置する。これにより枠状を呈するガスケット取付部材５１の内側（内周側）に隙間ｃを介してガス拡散層４１Ａが配置され、ガス拡散層４１Ａの外側（外周側）に隙間ｃを介してガスケット取付部材５１が配置されることになる。
次いで、図４（Ｂ）に示すように、ガスケット取付部材５１およびガス拡散層４１Ａにスクリーン印刷用のスクリーン（マスク）８２を被せる。スクリーン８２にはあらかじめ、ガスケット本体６１を形成すべく成形材料を透過させる印刷部（ガスケット取付部材５１の平面上にガスケット本体６１を形成する印刷部）８２ａと、隙間埋め部材７１を形成すべく成形材料を透過させる印刷部（隙間ｃを埋めガスケット取付部材５１およびガス拡散層４１Ａを一体化する隙間埋め部材７１を形成する印刷部）８２ｂが設けられている。
次いで、図４（Ｃ）に示すように、スクリーン８２を被せたガスケット取付部材５１およびガス拡散層４１Ａに対しスクレーパ８３等を作動させてペースト状の成形材料Ｇを塗布し、固化させる。尚、ここでは、ガスケット本体６１と隙間埋め部材７１とを同一種類の成形材料によって形成することを前提としているため、スクリーン８２を被せたガスケット取付部材５１に対しガスケット本体６１を形成する成形材料Ｇを塗布する工程とスクリーン８２を被せた隙間ｃに対し隙間埋め部材７１を形成する成形材料Ｇを充填する工程とを一度の塗布作業で行っている。これに対しガスケット本体６１と隙間埋め部材７１とを異なる種類の成形材料によって形成する場合には、スクリーン８２を被せたガスケット取付部材５１に対しガスケット本体６１を形成する成形材料Ｇを塗布する工程とスクリーン８２を被せた隙間ｃに対し隙間埋め部材７１を形成する成形材料Ｇを充填する工程とを個別に行うことも考えられる。
次いで、スクリーン８１を取り外すと図４（Ｃ）に示すように、ガスケット取付部材５１の平面上にガスケット本体６１が形成され、ガスケット取付部材５１とガス拡散層４１Ａとの間に隙間埋め部材７１が形成される。接着剤は事前に塗布され、よってガスケット取付部材５１の平面上にガスケット本体６１が接着固定されるとともに、ガスケット取付部材５１とガス拡散層４１Ａの双方に対し隙間埋め部材７１が接着固定され、両者５１，４１Ａが一体化される。
上記構成のガス拡散層一体ガスケット３１およびその製造方法によれば、ガスケット取付部材５１およびガス拡散層４１Ａ間に形成される隙間ｃが隙間埋め部材７１によって埋められ、結果、隙間ｃが消失して隙間ｃが残されないことになる。したがって電解質膜２２が隙間ｃに入り込んで破損したり変形したりするのを未然に防止することが可能とされる。
また、上記製造方法によれば、ガスケット本体６１および隙間埋め部材７１を同時に成形することが可能とされる。ガスケット本体６１および隙間埋め部材７１はこれらを一体に形成することにしても良い。
１１Ａ，１１Ｂ セパレータ
１２ 屈曲部
２１ 膜電極複合体
２２ 電解質膜
２３Ａ，２３Ｂ 電極
３１ ガス拡散層一体ガスケット
４１Ａ，４１Ｂ ガス拡散層
５１ ガスケット取付部材
５２ 透孔
６１ ガスケット本体
６２ マニホールド用シール部
６３ シール面
７１ 隙間埋め部材
７２ 隙間充填部
７３ 隙間被覆部
７３ａ，７３ｂ 端部
８１ 作業台
８２ スクリーン
８２ａ，８２ｂ 印刷部
８３ スクレーパ
ｃ 隙間
Ｇ 成形材料

Claims (4)

  1. 燃料電池セルにおけるシート状のガスケット取付部材とガス拡散層とを前記両者の間に隙間を設定した状態で同一平面上に並べる工程と、
    前記ガスケット取付部材の平面上にガスケット本体を形成する印刷部ならびに前記隙間を埋め前記ガスケット取付部材および前記ガス拡散層を一体化する隙間埋め部材を形成する印刷部を備えるスクリーン印刷用のスクリーンを前記ガスケット取付部材および前記ガス拡散層に被せる工程と、
    前記スクリーンを被せた前記ガスケット取付部材に対し前記ガスケット本体を形成する成形材料を塗布する工程と、
    前記スクリーンを被せた前記隙間に対し前記隙間埋め部材を形成する成形材料を充填する工程と、
    前記塗布または充填した成形材料を固化させる工程と、
    を備えることを特徴とするガス拡散層一体ガスケットの製造方法。
  2. 請求項１記載の製造方法において、
    前記ガスケット本体と前記隙間埋め部材とを同一種類の成形材料によって形成することを特徴とするガス拡散層一体ガスケットの製造方法。
  3. 請求項１記載の製造方法において、
    前記スクリーンを被せた前記ガスケット取付部材に対し前記ガスケット本体を形成する成形材料を塗布する工程と前記スクリーンを被せた前記隙間に対し前記隙間埋め部材を形成する成形材料を充填する工程とを一度の塗布作業で行うことを特徴とするガス拡散層一体ガスケットの製造方法。
  4. 請求項１、２または３記載の製造方法において、
    前記隙間埋め部材は、前記隙間内に充填される隙間充填部と、前記隙間充填部の厚み方向一方に重ねられ、前記隙間充填部よりも大きな幅を備え、幅方向一方の端部を前記シート状ガスケット取付部材に重ね、他方の端部を前記ガス拡散層に重ねる隙間被覆部とを一体に備えることを特徴とするガス拡散層一体ガスケットの製造方法。
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