JP7344689B2 - 多層積層ガスケットとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用ガスケットとして好適に使用できる多層構造ガスケットと当該多層構造ガスケットの製造方法に関する。

燃料電池の単位構造はセルと呼ばれている。セルは、膜電極アセンブリー（ＭＥＡ、Membrane Electrode Assembly）の両側に水素や酸素を流す流路の役目のセパレータ、各種の流体の流れを整えるガス拡散層（ＧＤＬ、Gas Diffusion Layer）、水素や酸素及び冷却水をシールするガスケットで構成されている。

燃料電池スタックは、このセルを積層した構造となっている。この燃料電池スタックにおいて、各流体をシールする目的でゴム製のガスケット（シール材）が用いられている。

燃料電池スタックには、寸法ばらつきに伴う隙間のばらつきが存在したり、温度変化に伴うセパレータ間の隙間変化が生じたりする。そのため、ゴムガスケットは、低圧縮時から高圧縮時に至る環境下で各流体をシールする必要がある。しかしながら、高圧縮時ではゴムガスケットの反発力が著しく増大するため、相手部材を変形させてしまい、シール性が低下する場合がある。

燃料電池用ガスケットのシール性を改良するためには、既に多くの発明が開示されている。例えば、特許文献１には、燃料電池のセパレータに非接着でシール面に密接するガスケットであって、主リップと副リップと倒れ防止用突起を有するガスケットが開示されている。また、特許文献２には、ガスケットと基材とを接着層を介して接合したシール構造体であって、ヤング率が１～５０ＭＰａである接着層を用いたシール構造体が開示されている。

特開２００６－４８５１号公報 特開２００７－２６２２６１号公報

これらの発明は、主として、ガスケットの形状や構造に特徴を有するものであるが、ガスケットを構成するゴムの構成にさらなる検討の余地を残していた。

発泡ゴムは、未発泡ゴム（ソリッドゴム）と比較して軟らかいため、高圧縮時であっても反発力を低減させることが可能である。そのため、高圧縮時においても相手部材を変形させることなく、低い締め付け力で燃料電池スタックをシールすることが可能である。

また、ゴムガスケットは、一般にガス透過性が高いため、ガスの透過を防止するためには、断面形状を小面積にする必要がある。小面積の断面形状としては、薄膜形状などが挙げられる。

ゴムの賦形方法としては、射出成形や圧縮成形などが挙げられるが、小面積の薄膜形状の賦形においては、ゴムの流動性などの問題から、成形が難しい場合がある。しかし、適当な溶媒に溶解したゴムを、コーターやスクリーン印刷等を用いて塗布する方法は、小面積の断面形状（薄膜形状）の賦形が可能である。この場合、ゴムは、樹脂フィルムや金属板等の基材上に塗布され、オーブンで架橋（加硫）される。発泡ゴムを使用する場合は、架橋時に発泡するため、その表面は発泡の影響によって、凹凸のある粗い表面となる。

発泡ゴムの表面粗さが大きいと、低圧縮時にシール面に微小な隙間が多く発生し、ガスがリークするパス（通路）が発生し易くなるという問題がある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題は、高圧縮時において反発力が低く、かつ低圧縮時においてもガスがリークするパスの発生を抑制することができ、シール性に優れた多層構造ガスケットを提供することである。また、当該多層構造ガスケットを製造する方法を提供することである。

発泡ゴムの表面粗さを改善する方法として、発泡ゴムを熱プレスで押しつぶし、表面の粗さを除去する方法がある。しかしながら、熱プレスの温度やつぶし量の設定が適切でないと、粗さの除去が不十分となる場合がある。

そこで、本発明者は、燃料電池用のセパレータを基材として、その少なくとも一方の面上に、発泡ゴム層を形成し、その上に非発泡ゴム層を形成することによって、上記課題を解消し得ることを見出し、本発明に到達することができた。すなわち、本発明は以下のような構成を有している。

本発明は、燃料電池用のセパレータの少なくとも一方の面上に形成されたガスケットであり、前記セパレータの側から順に、発泡ゴム層、非発泡ゴム層を積層して備え、前記発泡ゴム層が露出しないように前記非発泡ゴム層で被覆されている多層構造ガスケットである。また、前記非発泡ゴム層の表面粗さＲｚは、５０μｍ以下であることが好ましい。

本発明の多層構造ガスケットは、高圧縮時において反発力が低く、かつ低圧縮時においてもガスがリークするパスの発生を抑制することができ、シール性に優れている。

比較例のガスケットの非圧縮時の模式的断面図である。 比較例のガスケットの低圧縮時の模式的断面図である。 本実施形態の多層構造ガスケットの非圧縮時の模式的断面図である。 本実施形態の多層構造ガスケットの低圧縮時の模式的断面図である。 比較例のガスケットの低圧縮時の模式的平面図である。 本実施形態の多層構造ガスケットの低圧縮時の模式的平面図である。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。尚、本発明の範囲は、以下に説明する具体例としての実施形態に限定されるわけではない。

本実施形態の多層構造ガスケットは、燃料電池用のセパレータを基材として、その少なくとも一方の面上に形成されたガスケットであり、基材の側から順に、発泡ゴム層、非発泡ゴム層を積層して備えている。以下、本実施形態の多層構造ガスケットを構成する各部材について説明する。

（基材）
基材は、多層構造ガスケット（発泡ゴム層および非発泡ゴム層）の支持体となる部材で、燃料電池用のセパレータである。基材を構成する素材としては、一般に、樹脂または金属が用いられる。金属としては、ステンレス鋼、チタン等が用いられる。樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド等が用いられる。基材は、通常、平板状であるので、樹脂板または金属板が用いられる。

基材は、多層構造ガスケットを形成する前に、プレス成形等により、三次元に成形加工されていてもよい。また、基材は、多層構造ガスケットを形成する前に、打ち抜き加工等で不要部分（マニホールド部など）を除去してあってもよい。

（多層構造ガスケット）
基材の所定の箇所に多層構造ガスケットが形成される。多層構造ガスケットは基材の少なくとも一方の面上に形成される。すなわち、多層構造ガスケットは、基材の片面だけに形成されてもよいし、基材の両面に形成されてもよい。また、多層構造ガスケットは、基材の少なくとも一方の面上の全体に形成してもよいし、基材の少なくとも一方の面上の一部分にパターン状に形成してもよい。

多層構造ガスケットは、基材の少なくとも一方の面上に、発泡ゴム層および非発泡ゴム層をこの順に積層して形成される。

（発泡ゴム層）
発泡ゴム層は、内部に気泡が存在するため、高圧縮時に反発力を著しく増大させることなく、反発力をある程度低減させることが可能である。そのため、高圧縮時においても比較的低い締め付け力によって燃料電池スタックをシールすることが可能である。

発泡ゴム層の気泡は、連続気泡よりも独立気泡であることが好ましい。発泡ゴムの気泡が独立気泡であると、ゴムとしての反発性を保持して、シール性を維持することができる。

発泡ゴム層の空隙率は、高圧縮時に反発力をある程度低減させるという観点から、３０～９０％であることが好ましく、４５～８０％であることがより好ましい。

発泡ゴム層を構成するゴムとしては、耐久性、耐薬品性、耐熱性等の観点から、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴムおよびフッ素ゴムから選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。これらの中では、シリコーンゴム、エチレンプロピレンジエンゴムがより好ましい。

発泡ゴム層の厚さは、３０μｍ以上が好ましく、３０～１０００μｍがより好ましい。

発泡ゴム層は、基材上に発泡ゴム層用塗工液を塗布し、架橋発泡させて形成される。基材上に発泡ゴム層用塗工液を塗布する方法には、コーターやスクリーン印刷等の公知の方法を用いることができる。全面に塗布するときはコーターを使用することが好ましく、パターン状に塗布するときはスクリーン印刷が好ましい。また、発泡ゴム層は、耐熱性、耐薬品性等の観点から、架橋されていることが好ましい。

発泡ゴム層用塗工液は、上記の発泡性のゴムを溶解または懸濁によって含有している。発泡ゴム層用塗工液は、ゴム以外に、溶剤、発泡剤、架橋剤および公知の各種添加剤を含有している。公知の添加剤としては、補強剤、無機充填剤、可塑剤、軟化剤、老化防止剤、加工助剤、架橋助剤、発泡助剤、着色剤、分散剤、粘度調整剤等が挙げられる。

基材がプレス加工されている場合は、発泡ゴム層は、発泡ゴム層用塗工液をスクリーン印刷によってパターン塗布することによって形成される。スクリーン印刷によってパターン塗布する場合、打ち抜き加工等で不要部分が除去された基材に塗布してもよい。

基材上に発泡ゴム層用塗工液を塗布した後、乾燥工程で塗工液中の余分な溶剤が除去される。乾燥工程に用いる乾燥装置は公知のものを用いることができる。その後、オーブン等の公知の方法で加熱することによって、ゴムは架橋発泡される。

図１は、比較例のガスケットの非圧縮時の模式的断面図である。基材１上には発泡ゴム層２が形成されている。発泡ゴム層２は、内部に気泡３を多数有しているため、その表面は、凹凸のある粗い表面となっている。

図２は、比較例のガスケットの低圧縮時の模式的断面図である。発泡ゴム層２の表面粗さが大きいと、相手部材４との間で低圧縮を付与した時に、シール面に微小な隙間５が多く発生する。

図５は、比較例のガスケットの低圧縮時の模式的平面図である。シール面に微小な隙間５が多く発生すると、ガスケットと相手部材４との接触面７において、微小な隙間５は、ガスがリークする複数のパス（通路）Ｐを形成することになる。また、局所的に面圧が低い箇所も多く発生する。その結果、ガスケットとしてのシール性が低下することとなる。

（非発泡ゴム層）
そこで、本発明者は、発泡ゴム層の上に非発泡ゴム層を形成することを検討した。図３
は、本実施形態の非圧縮時の多層構造ガスケットの模式的断面図である。基材１上には発泡ゴム層２と非発泡ゴム層６とが形成されている。発泡ゴム層２が露出しないように上に非発泡ゴム層６が形成されることによって、多層構造ガスケットの表面粗さが大きく改善され、非発泡ゴム層６の表面は、凹凸の少ない表面となっている。

図４は、本実施形態の多層構造ガスケットの低圧縮時の模式的断面図である。非発泡ゴム層６の表面粗さが小さいため、相手部材４との間で低圧縮を付与した時に、シール面には図２に見られた微小な隙間５がほとんど発生していない。すなわち、発泡ゴム層２の上に非発泡ゴム層６が形成されることによって、低圧縮時のシール面において、ガスをリークさせる微小な隙間５の発生を抑制することが可能となった。

図６は、本実施形態の多層構造ガスケットの低圧縮時の模式的平面図である。シール面における微小な隙間５の発生が抑制されるため、ガスケットと相手部材４との接触面７において、微小な隙間５が、ガスをリークさせるパスＰを形成することはない。また、局所的に面圧が低い箇所も低減する。その結果、ガスケットとしてのシール性が維持されることとなる。

ガスをリークさせる微小な隙間の発生を抑制する観点から、非発泡ゴム層６の表面粗さＲｚは、５０μｍ以下が好ましく、２５μｍ以下がより好ましく、１０μｍ以下がさらに好ましい。表面粗さＲｚとは、「最大高さ」と呼ばれる厚さ方向のパラメーターである。表面粗さ計で測定した粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定し、この値をマイクロメートル(μｍ)で表したものである。

非発泡ゴム層６を構成するゴムとしては、耐久性、耐薬品性、耐熱性、レべリング性等の観点から、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、フッ素ゴムおよびポリイソブチレンゴムから選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。特に、レべリング性が高いゴムが好ましい。これらの中では、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴムがより好ましい。

非発泡ゴム層６の厚さは、３０μｍ以上が好ましく、３０～１０００μｍがより好ましい。

非発泡ゴム層６は、発泡ゴム層２上に、発泡ゴム層２が露出しないように非発泡ゴム層用塗工液を塗布し、平準化処理後、架橋させて形成される。発泡ゴム層２上に発泡ゴム層用塗工液を塗布する方法は、コーターやスクリーン印刷等の公知の方法を用いることができる。非発泡ゴム層は、耐熱性、耐薬品性等の観点から、架橋されていることが好ましい。平準化処理（レべリング）の方法としては、塗工後に一定時間塗工膜を放置する方法等がある。

非発泡ゴム層用塗工液は、上記のゴムを溶解または懸濁によって含有している。非発泡ゴム層用塗工液は、ゴム以外に、溶剤、架橋剤および公知の各種添加剤を含有している。公知の添加剤としては、補強剤、無機充填剤、可塑剤、軟化剤、老化防止剤、加工助剤、架橋助剤、着色剤、分散剤、粘度調整剤等が挙げられる。

基材がプレス加工されている場合は、非発泡ゴム層６は、非発泡ゴム層用塗工液をスクリーン印刷によってパターン塗布することによって形成される。スクリーン印刷によってパターン塗布する場合、打ち抜き加工等で不要部分が除去された基材に塗布してもよい。

発泡ゴム層２上に非発泡ゴム層用塗工液を塗布した後、乾燥工程で塗工液中の余分な溶剤が除去される。乾燥工程に用いる乾燥装置は公知のものを用いることができる。その後、オーブン等の公知の方法で加熱することによって、ゴムは架橋される。

本実施形態の多層構造ガスケットは、高圧縮時においても比較的低い締め付け力によってシールすることが可能である。また、低圧縮時においてもガスがリークするパスの発生を抑制することができ、シール性に優れている。そのため、燃料電池用ガスケットとして好適に使用することができる。

１ 基材
２ 発泡ゴム層
３ 気泡
４ 相手部材
５ 隙間
６ 非発泡ゴム層
７ 接触面
Ｐ パス

Claims (9)

1. 燃料電池用のセパレータの少なくとも一方の面上に形成された多層構造ガスケットであって、
   前記セパレータの側から順に、発泡ゴム層、非発泡ゴム層を積層して備え、前記発泡ゴム層が露出しないように前記非発泡ゴム層で被覆されている多層構造ガスケット。
2. 前記非発泡ゴム層の表面粗さＲｚが５０μｍ以下である請求項１に記載の多層構造ガスケット。
3. 前記発泡ゴム層を構成するゴムが、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴムおよびフッ素ゴムから選ばれる少なくとも１つである請求項１または請求項２に記載の多層構造ガスケット。
4. 前記非発泡ゴム層を構成するゴムが、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、フッ素ゴムおよびポリイソブチレンゴムから選ばれる少なくとも１つである請求項１～３のいずれか１項に記載の多層構造ガスケット。
5. 前記発泡ゴム層の空隙率が、３０～９０％である請求項１～４のいずれか１項に記載の多層構造ガスケット。
6. 前記非発泡ゴム層の厚さが、３０μｍ以上である請求項１～５のいずれか１項に記載の多層構造ガスケット。
7. 前記発泡ゴム層および前記非発泡ゴム層は、架橋されている請求項１～６のいずれか１項に記載の多層構造ガスケット。
8. 前記セパレータが、樹脂または金属から構成される請求項１～７のいずれか１項に記載の多層構造ガスケット。
9. 燃料電池用のセパレータに多層構造ガスケットを形成する多層構造ガスケットの製造方法であって、
   前記セパレータの少なくとも一方の面上に、発泡ゴム層用塗工液を塗布し、架橋発泡させて発泡ゴム層を形成する工程と、
   前記発泡ゴム層の上に、当該発泡ゴム層が露出しないように非発泡ゴム層用塗工液を塗布し、平準化処理後、架橋させて非発泡ゴム層を形成する工程と、をこの順に行う多層構造ガスケットの製造方法。

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