JP7390936B2 - ガスケットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、板状部材を成形して頂部が湾曲したビード部を形成してなる基材と、ビード部の頂部に配置された弾性部材と、を備えたガスケットの製造方法に関する。

板状部材を成形して頂部が湾曲したビード部を形成してなる基材と、ビード部の頂部に配置された弾性部材と、を備えたガスケットが従来から知られており、シール性が要求される部材間の接続箇所で用いられる。

こうしたガスケットでは、圧縮された時のビード部の反力により、ガスケットが接続箇所の部材に圧接したときに隙間が生じにくくなっている。さらに、弾性部材の弾性変形により、接続箇所の部材の表面性状（表面粗さ等）に弾性部材が追従して表面性状による微小な隙間が塞がれる。この結果、高いシール性が確保されることとなる。燃料電池の分野において、隣接する２つの膜／電極集合体（以下、ＭＥＡと呼ぶ）の間に配置されて、燃料電池用ガス（水素ガスや酸素ガス等）の流路のシール性を維持する燃料電池用セパレータは、こうしたガスケットの一具体例である（たとえば特許文献１および特許文献２参照）。

国際公開第２０１７／２１２７７５号公報 特開２０１８－１２５２５８号公報

こうしたガスケットの製造方法としては、まず、板状部材を成形して頂部が湾曲したビード部を形成することで基材を作成し、その次に、その基材上のビード部の頂部に弾性部材を配置する製造方法が一般的である。なお、弾性部材を配置する方法としては様々な方法が採用できるが、たとえばゴム材料や樹脂材料を塗布して硬化させる方法を採用することができる。

しかしながら、ビード部の頂部が湾曲しているため、頂部上の弾性部材の膜厚が頂部上の位置によって変化してしまい膜厚分布にばらつきが生じやすい。このように膜厚分布にばらつきが生じた状態では、膜厚が薄くなった箇所でシール性が低下するおそれがある。

上記の事情を鑑み、本発明では、ビード部に配置された弾性部材の膜厚分布のばらつきに起因するシール性の低下を抑えたガスケットの製造方法を実現する。

上述の課題を解決するため、本発明は、以下のガスケットの製造方法を提供する。

［１］ 板状部材を成形して該板状部材の一方の面から突出し頂部が湾曲したビード部を形成してなる基材と、前記ビード部の頂部に配置された弾性部材と、を備えたガスケットの製造方法において、頂部が平坦なビード部の形状に対応した型形状を有する１対の平坦ビード部用成形型の間に板状部材を挟み込んで加圧することで、該板状部材の一方の面から突出し頂部が平坦な平坦ビード部を形成するビード部形成工程と、前記ビード部形成工程により形成された前記平坦ビード部の平坦な前記頂部に弾性部材を配置する弾性部材配置工程と、頂部が湾曲したビード部の形状に対応した型形状を有する１対の湾曲ビード部用成形型の間に、前記弾性部材配置工程により前記弾性部材が配置された前記平坦ビード部を挟み込んで加圧することで、頂部が平坦な前記平坦ビード部を、頂部が湾曲した湾曲ビード部に変形するビード部変形工程と、を有するガスケットの製造方法。

ここで、「頂部が平坦なビード部の形状に対応した型形状」や「頂部が湾曲したビード部の形状に対応した型形状」の「ビード部の形状に対応した型形状」とは、加圧対象（加工対象）と接する側の成形型の外郭形状が、「ビード部の形状」を実現するような外郭形状を持つ型形状であることを意味する。このような型形状としては、たとえば、「ビード部の形状」とほぼ同じ外郭形状を持つ型形状を挙げることができる。あるいは別の型形状としては、角部が丸みを帯びた複数の段差で構成された全体的には山型の型形状であって板状部材が各角部に当接して変形すると「ビード部の形状」が実現するような型形状であってもよい。

［２］ 前記１対の平坦ビード部用成形型は、先端面が平坦な第１凸部を有する第１凸状成形型と、前記第１凸部を収容する、底面が平坦な第１凹部を有する第１凹状成形型とで構成されたものであって、前記第１凸部の平坦な前記先端面と前記第１凹部の平坦な前記底面との間に板状部材を挟み込んで加圧することで、頂部が平坦な前記平坦ビード部を形成するものであり、前記１対の湾曲ビード部用成形型は、先端面が湾曲した第２凸部を有する第２凸状成形型と、前記第２凸部を収容する第２凹部を有する第２凹状成形型とで構成されたものであって、前記平坦ビード部に配置された前記弾性部材から前記第２凹部の底面が離間した状態で、前記第２凸状成形型が、前記第２凸部の湾曲した前記先端面で、前記平坦ビード部の平坦な前記頂部を、前記一方の面とは反対側の前記板状部材の他方の面の側から前記第２凹部の前記底面の側に向かって押し上げることによって、頂部が平坦な前記平坦ビード部を、頂部が湾曲した湾曲ビード部に変形するものである［１］に記載のガスケットの製造方法。

［３］ 前記ガスケットは、燃料電池において、隣接する２つの膜／電極集合体（ＭＥＡ）の間に積層されて、燃料電池用ガス流路のシール性を維持する燃料電池用セパレータである［１］又は［２］に記載のガスケットの製造方法。

本発明のガスケットの製造方法では、ビード部形成工程で形成された平坦ビード部の平坦な頂部に弾性部材を配置した後で、ビード部変形工程により、頂部が平坦な平坦ビード部が、頂部が湾曲した湾曲ビード部に変形される。この結果、湾曲したビード部の頂部に弾性部材を配置する従来のガスケットの製造方法と比べ、本発明では、頂部上の弾性部材の膜厚分布にばらつきが生じにくく、膜厚分布のばらつきに起因するシール性の低下が抑えられる。

本発明の一実施形態の製造方法を用いて作製されるガスケットの一部分を表す平面図である。 図１のＡＡ’線に沿った面での図１のガスケットの断面図である。 ビード部形成工程を表した図である。 弾性部材配置工程を表した図である。 ビード部変形工程を表した図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

以下では、本実施形態で製造されるガスケットが、燃料電池において、隣接する２つの膜／電極集合体（ＭＥＡ）の間に配置されて、燃料電池用ガスの流路のシール性を維持する燃料電池用セパレータである場合を例にとって説明を行う。

図１は、本発明の一実施形態の製造方法を用いて作製されるガスケット１の一部分を表す平面図であり、図２は、図１のＡＡ’線に沿った面での図１のガスケット１の断面図である。

ガスケット１は、基材２と弾性部材３とを備えている。基材２は、平坦な板の形状を有する板状部材を成形加工することにより、板状部材の一方の面から突出し頂部が湾曲したビード部４が形成された部材である。一方、弾性部材３は、ビード部４の頂部に配置された、弾性材料で構成されている部材である。

ここで、図２の断面図には、ビード部４の突出方向が反対向きの２枚のガスケット１が重なっている状態が示されており、図１の平面図には、そのうちの１枚のガスケット１の平面的な状態が示されている。ガスケット１では、図１に示すように、酸素ガスや水素ガスといった燃料電池用ガスの流路の一部である通気孔５の周りにビード部４が配置されている。図２に示す２枚のガスケット１は、隣接する２つのＭＥＡ（不図示）の間に積層されて、通気孔５を通る燃料電池用ガスの流路のシール性を維持する役割を果たしている。具体的には、圧縮された時のビード部の反力により、２つのＭＥＡ（不図示）の間で２つのビード部が圧縮されたときに流路に隙間が生じにくくなっている。さらに、弾性部材の弾性変形により、ＭＥＡの表面性状（表面粗さ等）に弾性部材が追従して表面性状による微小な隙間が塞がれる。

基材２の材料（あるいは上述の板状部材の材料）としては、ＭＥＡとの圧接に対する耐久性やビード部を形成する際の加工性の観点、および、圧縮されたビード部からできるだけ大きな反力を得る観点から考えると、金属材料が好ましい。また、弾性部材３の材料としては、ＭＥＡの表面性状に追従できる十分な弾性を持つ材料であれば採用可能であるが、加工性の観点から考えると、流動性の高い状態から時間の経過とともに硬化して弾性を有する固体状態となる樹脂材料やゴム材料が好ましい。

一般に、図１や図２のガスケットの製造方法としては、まず、板状部材を成形して頂部が湾曲したビード部４を形成することで基材２を作成し、その次に、基材２上のビード部４の頂部に弾性部材３を配置するといった製造方法が従来から用いられる。ここで、弾性部材を配置する方法としては、たとえばゴム材料や樹脂材料を塗布して硬化させる方法を採用することができる。しかしながら、このような従来の製造方法では、図２に示すようにビード部４の頂部４０が湾曲しているため、頂部４０上の弾性部材３の膜厚が頂部上の位置によって変化してしまい膜厚分布にばらつきが生じやすい。このように膜厚分布にばらつきが生じた状態では、膜厚が薄くなった箇所でシール性が低下するおそれがある。

本実施形態のガスケットの製造方法では、このようなシール性が低下したガスケットが製造されてしまうのを回避する工夫が凝らされている。以下、この工夫について詳しく説明する。

本実施形態のガスケットの製造方法は、ビード部形成工程、弾性部材配置工程、およびビード部変形工程を有しており、この順に各工程が実行される。これらの工程により、当初、平坦な板の形状を有していた板状部材が加工されて最終的に図１および図２に示す基材２に成形される。ただし、形状が異なることを別にすれば、板状部材と基材２は、元々、同一の部材であるため、以下では、板状部材に対し、その形状にかかわらず基材２と同じ符号を付して説明を行う。同様に、ビード部４についても、後述するように、各工程でビード部の形状が変化しその形状に応じて平坦ビード部、湾曲ビード部のように名称が変わるが、符号についてはその形状にかかわらず図１および図２のビード部４と同じ符号を付して説明を行う。

図３は、ビード部形成工程を表した図、図４は、弾性部材配置工程を表した図、図５は、ビード部変形工程を表した図である。

ビード部形成工程では、図３に示すように、頂部が平坦なビード部の形状に対応した型形状を有する１対の平坦ビード部用成形型６の間に板状部材２を挟み込んで加圧する処理が行われる。このビード部形成工程により、板状部材２の一方の面２ａから突出し頂部４０が平坦な平坦ビード部４が形成される。なお、加圧処理の際には、平坦ビード部４となる部分を除いた板状部材２の残りの部分は、図３の平坦ビード部４の両側の部分のように、１対の平坦ビード部用成形型６の間に完全に挟み込まれて固定されている。

弾性部材配置工程では、図４に示すように、上述のビード部形成工程により形成された平坦ビード部４の平坦な頂部４０に弾性部材３が配置される。たとえば、時間の経過とともに硬化して弾性部材３となる樹脂材料やゴム材料が頂部４０に塗布される。

ビード部変形工程では、図５に示すように、頂部が湾曲したビード部の形状に対応した型形状を有する１対の湾曲ビード部用成形型７の間に、上述の弾性部材配置工程により弾性部材３が配置された平坦ビード部４が挟み込まれて加圧される。このビード部変形工程により、頂部４０が平坦な平坦ビード部４は、頂部４０が湾曲した湾曲ビード部４に変形する。この湾曲ビード部４が、最終製造物である図１および図２のガスケット１におけるビード部４である。なお、加圧処理の際には、湾曲ビード部４となる部分を除いた板状部材２の残りの部分は、図５の湾曲ビード部４の両側の部分のように、１対の湾曲ビード部用成形型７の間に完全に挟み込まれて固定されている。

本実施形態のガスケットの製造方法では、ビード部形成工程で形成された平坦ビード部４の平坦な頂部４０に弾性部材３を配置した後で、ビード部変形工程により、頂部４０が平坦な平坦ビード部４が、頂部４０が湾曲した湾曲ビード部４に変形される。この結果、湾曲したビード部の頂部に弾性部材を配置する従来のガスケットの製造方法と比べ、本実施形態では、頂部４０上の弾性部材３の膜厚分布にばらつきが生じにくく、膜厚分布のばらつきに起因するシール性の低下が抑えられる。

ここで、図３に示すように１対の平坦ビード部用成形型６は、先端面６１０ａが平坦な第１凸部６１０を有する第１凸状成形型６１と、第１凸部６１０を収容する、底面６２０ａが平坦な第１凹部６２０を有する第１凹状成形型６２とで構成されたものである。図３のビード部形成工程では、第１凸部６１０の平坦な先端面６１０ａと第１凹部６２０の平坦な底面６２０ａとの間に板状部材２が挟み込まれて加圧されることで、頂部４０が平坦な平坦ビード部４が形成される。なお、図３では、第１凹状成形型６２の角部６２１は丸みを帯びているが、本発明では、尖った角を持つ角部が採用されてもよい。

また、図５に示すように１対の湾曲ビード部用成形型７は、先端面７１０ａが湾曲した第２凸部７１０を有する第２凸状成形型７１と、第２凸部７１０を収容する第２凹部７２０を有する第２凹状成形型７２とで構成されたものである。図５のビード部変形工程では、第２凸状成形型７１が、第２凸部７１０の湾曲した先端面７１０ａで、平坦ビード部４の平坦な頂部４０を、上述の一方の面２ａとは反対側の板状部材２の他方の面２ｂの側から第２凹部７２０の底面７２０ａの側に向かって押し上げる。この第２凸部７１０の押し上げにより、頂部４０が平坦な平坦ビード部４は、頂部４０が湾曲した湾曲ビード部４に変形する。ここで、第２凸部７１０の押し上げの際には、第２凹部７２０の底面は、平坦ビード部４に配置された弾性部材３から離間している。なお、図５では、第２凹状成形型７２の角部７２１は少し丸みを帯びているが、本発明では、尖った角を持つ角部が採用されてもよい。

このように、第２凸部７１０の押し上げの際に第２凹部７２０の底面が弾性部材３から離間していることで、膜厚分布のばらつきが小さい状態で配置された弾性部材に対して
直接の加圧力は作用しないこととなる。この結果、ビード部変形工程においても、弾性部材の膜厚分布のばらつきが小さい状態が維持されることとなり、弾性部材の膜厚分布のばらつきに起因するシール性の低下が、より一層抑えられる。

以上が本実施形態の説明である。

以上では、本実施形態で製造されるガスケットが、燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータである場合を例にとって説明を行ったが、本発明のガスケットの製造方法は、燃料電池用セパレータ以外の製品の製造に適用されてもよい。

本発明では、弾性部材の膜厚分布のばらつきに起因するシール性の低下が抑えられる。

１：ガスケット、
２：基材、
２ａ：一方の面、
２ｂ：他方の面、
３：弾性部材、
４：ビード部、平坦ビード部、湾曲ビード部、
５：通気孔、
６：１対の平坦ビード部用成形型、
７：１対の湾曲ビード部用成形型、
４０：頂部、
６１：第１凸状成形型、
６２：第１凹状成形型、
７１：第２凸状成形型、
７２：第２凹状成形型、
６１０：第１凸部、
６１０ａ：先端面、
６２０：第１凹部、
６２０ａ：底面、
６２１：角部、
７１０：第２凸部、
７１０ａ：先端面、
７２０：第２凹部、
７２０ａ：底面、
７２１：角部。

Claims (3)

1. 板状部材を成形して該板状部材の一方の面から突出し頂部が湾曲したビード部を形成してなる基材と、前記ビード部の頂部に配置された弾性部材と、を備えたガスケットの製造方法において、
   頂部が平坦なビード部の形状に対応した型形状を有する１対の平坦ビード部用成形型の間に板状部材を挟み込んで加圧することで、該板状部材の一方の面から突出し頂部が平坦な平坦ビード部を形成するビード部形成工程と、
   前記ビード部形成工程により形成された前記平坦ビード部の平坦な前記頂部に弾性部材を配置する弾性部材配置工程と、
   頂部が湾曲したビード部の形状に対応した型形状を有する１対の湾曲ビード部用成形型の間に、前記弾性部材配置工程により前記弾性部材が配置された前記平坦ビード部を挟み込んで加圧することで、頂部が平坦な前記平坦ビード部を、頂部が湾曲した湾曲ビード部に変形するビード部変形工程と、を有するガスケットの製造方法。
2. 前記１対の平坦ビード部用成形型は、先端面が平坦な第１凸部を有する第１凸状成形型と、前記第１凸部を収容する、底面が平坦な第１凹部を有する第１凹状成形型とで構成されたものであって、前記第１凸部の平坦な前記先端面と前記第１凹部の平坦な前記底面との間に板状部材を挟み込んで加圧することで、頂部が平坦な前記平坦ビード部を形成するものであり、
   前記１対の湾曲ビード部用成形型は、先端面が湾曲した第２凸部を有する第２凸状成形型と、前記第２凸部を収容する第２凹部を有する第２凹状成形型とで構成されたものであって、前記平坦ビード部に配置された前記弾性部材から前記第２凹部の底面が離間した状態で、前記第２凸状成形型が、前記第２凸部の湾曲した前記先端面で、前記平坦ビード部の平坦な前記頂部を、前記一方の面とは反対側の前記板状部材の他方の面の側から前記第２凹部の前記底面の側に向かって押し上げることによって、頂部が平坦な前記平坦ビード部を、頂部が湾曲した湾曲ビード部に変形するものである請求項１に記載のガスケットの製造方法。
3. 前記ガスケットは、燃料電池において、隣接する２つの膜／電極集合体（ＭＥＡ）の間に積層されて燃料電池用ガスの流路のシール性を維持する燃料電池用セパレータである請求項１又は２に記載のガスケットの製造方法。

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