WO2018230331A1 - ガスケット - Google Patents

Abstract

ガスケット（１）は、フレーム（１１）とガスケット本体（２１）とを共に樹脂によって二色成形するように二つの金型を用意し、一方の金型にはフレーム（１１）の成形を、もう一方の金型には成形されたフレーム（１１）に重ねるようにガスケット本体（２１）の成形を担わせて、一方の金型（１５１）で射出成形された樹脂製品であるフレーム（１１）と、もう一方の金型（２５１）で射出成形された熱可塑性エラストマーによる樹脂製品であるガスケット本体（２１）とを一体的に設ける。ガスケット本体（２１）はフレーム（１１）に重ねて射出成形されるので、互いの材料は接合面（ＢＳ）で相溶する。フレーム（１１）もガスケット本体（２１）も射出成形されるので、接合面（ＢＳ）に凹凸嵌合構造を作成するなど、様々な形状上のバリエーションが提供される。

Description

ガスケット

　本発明は、例えば燃料電池セルに用いられるガスケットに関する。

　燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた反応電極部（ＭＥＡ）を備え、反応電極部の厚み方向両側にセパレータを積層して燃料電池セルを構成している。燃料電池は、燃料電池セルを複数個積層したスタック構造を有し、反応電極部のカソード側に酸化ガス（空気）を供給し、アノード側に燃料ガス（水素）を供給することで、水の電気分解の逆反応である電気化学反応によって電力を発生する。

　積層された燃料電池セル内には酸化ガス（空気）や燃料ガス（水素）、冷却水などの媒体のための流路が形成されており、各流路をシールするためのシール構造が設けられている。このようなシール構造のために用いられるのがガスケットである。

　特許文献１には、燃料電池セルに用いられるガスケットとして、樹脂フィルム一体型のガスケットが開示されている。このガスケットは、貼着機能を一面側に備えた樹脂フィルム（シート状のガスケット取付部材）と、樹脂フィルムに接着されたゴム状弾性材製のガスケット本体とを備え、樹脂フィルムの貼着機能によって相手部材（相手取付部材）に取り付けることができるように構成されている。このようなガスケットは、例えば燃料電池セルのセパレータを相手部材として樹脂フィルムを貼り付けることで、反応電極部の周囲のような広い範囲を余すことなくシールすることが可能である。

特開２００３－０５６７０４号公報

　特許文献１に記載されている樹脂フィルム一体型のガスケットは、樹脂フィルムを設けたことにより保形性が向上し、取扱い性や組立作業性を向上させることができるといった利点を備えている（特許文献１の段落［０１０５］～［０１０８］）参照）。その反面、次の点で改善の余地がある。

　一つは、樹脂フィルムは平面形状をなしているので、二次元形状をもった相手部材にしか使用することができないという点である。

　もう一つは、接着固定する樹脂フィルムとガスケット本体（ゴム状弾性材）との相性によっては、十分な接着強度が得られなかったり、接着すること自体困難であったりすることがあるという点である。

　本発明の課題は、三次元形状をしている相手部材にも取り付けることができるガスケットを得ることである。

　本発明の別の課題は、ガスケット本体とこれを保形する部材との間の接合強度を保つことができるガスケットを得ることである。

　本発明のガスケットは、樹脂によって成形されたフレームと、前記フレームを成形する樹脂の硬度以下の硬度を有し、この樹脂と相溶して一体化された熱可塑性エラストマーによって成形されたガスケット本体と、を備える。

　本発明によれば、フレーム及びガスケット本体を様々な形状に成形することができるので、三次元形状をしている相手部材にも取り付けることができる。本発明によれば、ガスケット本体とこれを保形するフレームとを容易に相溶させることができるので、両者の間を強固に接合することができる。

第１の実施の形態を示す（Ａ）はフレームの平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ－Ａ線断面図。 フレームにガスケット本体が一体化されたガスケットの平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ－Ａ線断面図。 二色成形によるガスケットの製造方法として、（Ａ）はフレーム製作工程、（Ｂ）は金型入れ替え工程、（Ｃ）はフレーム及びガスケット製作工程、（Ｄ）は製品取り出し工程をそれぞれ示す模式図。 第２の実施の形態として、フレームとガスケット本体との一部（図２（Ａ）中のＡ－Ａ線断面に相当する部分）を分解して示す縦断正面図。 第３の実施の形態を示す図２（Ａ）におけるＡ－Ａ線断面に相当する部分の断面図。 第３の実施の形態の別の一態様を示す断面図。 第４の実施の形態を示す図２（Ａ）におけるＡ－Ａ線断面に相当する部分の断面図。

　実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、燃料電池セルを構成するセパレータに取り付けられて使用されるガスケット１の一例である。

［第１の実施の形態］
　第１の実施の形態を図１（Ａ）（Ｂ）ないし図３に基づいて説明する。

　本実施の形態のガスケット１は、矩形形状をしたフレーム１１とガスケット本体２１を一体化している（図２（Ｂ）参照）。これらのフレーム１１とガスケット本体２１とは共に、熱可塑性エラストマーを材料として二色成形されている（図３（Ａ）～（Ｄ）参照）。フレーム１１は０．５～１ｍｍ程度の厚みに、ガスケット本体２１は１ｍｍ程度の厚みに形成されている。

　図１（Ａ）に示すように、フレーム１１は中央部に開口１１１を有し、その周囲に凹部１１２を形成している。開口１１１は図示しない燃料電池セルの反応電極部を位置付けるために設けられている。凹部１１２はフレーム１１の外形に沿い、ガスケット本体２１を嵌合させるために設けられている。

　図１（Ｂ）に示すように、凹部１１２が設けられていることで、フレーム１１の表面側には、表面領域１１３と、この表面領域１１３から一段下がった底部領域１１４とが形成されている。表面領域１１３は、フレーム１１の外側面に沿った外側領域１１３ａと、開口１１１の内側面に沿った内側領域１１３ｂと、これらの外側領域１１３ａと内側領域１１３ｂとの間の四カ所に位置する中間領域１１３ｃとを有している。このような表面領域１１３と底部領域１１４とをつなぐ側壁１１５は、フレーム１１を含む平面と直交するように垂直に切り立っている。

　図２（Ａ）に示すように、底部領域１１４にはガスケット本体２１が嵌り込んでいる。ガスケット本体２１は、外側領域１１３ａに沿って矩形のシールリップ部２１１を形成している。

　図２（Ｂ）に示すように、ガスケット本体２１は、その表面をフレーム１１の表面領域１１３と同じ高さに位置づけ、この高さからシールリップ部２１１を突出させている。ガスケット本体２１はフレーム１１の底部領域１１４にまで回りこんでおり、底部領域１１４との間を接合面ＢＳとしている。接合面ＢＳにおいてフレーム１１とガスケット本体２１とは、互いに相溶している。

　このような構造のフレーム１１及びガスケット本体２１は、共に樹脂、より詳細には熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）を材料として成形されている。もっともガスケット本体２１の方は、フレーム１１を成形する材料の硬度以下の硬度で成形されている。

　一例として、フレーム１１及びガスケット本体２１は共に、オレフィン系の熱可塑性エラストマーによって成形されている。オレフィン系の熱可塑性エラストマーは、代表的にはポリプロピレン（ＰＰ）をハードセグメント（分子拘束成分）とし、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）をソフトセグメント（柔軟性成分）としている。熱可塑性エラストマーは充填する添加剤などによって硬度が変わるため、同じオレフィン系の熱可塑性エラストマーをフレーム１１とガスケット本体２１とに採用したとしても、ガスケット本体２１の硬度をフレーム１１の硬度以下にすることが可能である。

　熱可塑性エラストマーは常温で架橋ゴムと同様の性質を示し、高温で可塑化される高分子材料である。熱可塑性エラストマーは、ソフトセグメントとハードセグメントとよりなるポリマーに充填剤などを充填させている。ソフトセグメントはゴム弾性を示す成分であり、ハードセグメントは塑性変形を防止する成分である。常温ではハードセグメントが集まって架橋点や補強の役割を果たすため、熱可塑性エラストマーは架橋ゴムのような弾性を示す。これに対して高温になるとハードセグメントの集合が溶融するため、架橋点の役割が消失し、自由な流動が可能になる。そこで熱可塑性エラストマーを用いれば、例えば射出成形によって製品Ｐ（図３（Ｄ）参照）を製造することが可能となる。

　図３に例示するように、本実施の形態では、二色成形によってガスケット１を製造している。ただし図３に示す一例は、製造する製品Ｐを省略して示している。つまり本実施の形態のガスケット１そのものではなく、その一部の断面形状（図２（Ｂ）参照）と同じ形状のものを製造対象の製品Ｐとして図示している。図面の大きさの関係上、その方がシールリップ部２１１などの特徴的な形状が端的に表現され、よりわかりやすく示されるからである。以下、図３を用いて二色成形による製品Ｐの製造方法を説明する。

　二色成形による製品Ｐの製造は、二つの金型１５１，２５１を用いて実行される。一つはフレーム１１を製作するためのフレーム金型１５２であり、もう一つはガスケット本体２１を製作するためのガスケット金型２５２である。もっともこれらのフレーム金型１５２及びガスケット金型２５２は上型であり、これらの上型と組み合わされる下型５１は共に共通している。つまり下型５１も二つ設けられているが、これらの下型５１は同一物であり、キャビティＣを形成するための凹部形状を共通化している。

　フレーム金型１５２とガスケット金型２５２とはそれぞれ同じ場所で昇降動作する。これに対して二つの下型５１は、フレーム金型１５２とガスケット金型２５２との昇降位置で組み合わされ、型締め及び型開きが可能なように位置を入れ替えられる。下型５１の位置の入れ替えは、ターンテーブル３０１によって行われる。つまり二つの下型５１はターンテーブル３０１に載置され、ターンテーブル３０１が１８０度回転することによって位置を入れ替えられる。

　したがってフレーム金型１５２は、二つの下型５１と交互に組み合わされる。ガスケット金型２５２も、二つの下型５１と交互に組み合わされる。本実施の形態では、フレーム金型１５２がいずれの下型５１と組み合わされてもこれを金型１５１と呼び、ガスケット金型２５２がいずれの下型５１と組み合わされてもこれを金型２５１と呼ぶ。いずれの金型１５１，２５１も、フレーム金型１５２及びガスケット金型２５２にスプールＳ、ランナＲ、及びゲートＧを備えている。

　製品Ｐの製造工程は次のとおりである。

（フレーム製作工程）
　図３（Ａ）に示すように、二つの金型１５１，２５１を型締めした状態で、フレーム金型１５２の側の金型１５１のキャビティＣに、スプールＳから溶融したＴＰＥ１１ｍを流し込む。ＴＰＥ１１ｍは、フレーム１１の原材料である。

（金型入れ替え工程）
　図３（Ｂ）に示すように、二つの金型１５１，２５１を型開きし、ターンテーブル３０１を１８０度回転させる。型開きした金型１５１では、フレーム金型１５２の側の下型５１においてフレーム１１が製作されている。ターンテーブル３０１が１８０度回転することによって、製作済みのフレーム１１を残す下型５１がガスケット金型２５２に対面する（図３（Ｃ）に示す状態）。

（フレーム及びガスケット製作工程）
　図３（Ｃ）に示すように、二つの金型１５１，２５１を型締めした状態で、ガスケット金型２５２の側の金型２５１のキャビティＣに、スプールＳから溶融したＴＰＥ２１ｍを流し込む。ＴＰＥ２１ｍは、ガスケット本体２１の原材料である。このとき並行して、フレーム金型１５２の側の金型１５１のキャビティＣにも、スプールＳから溶融したＴＰＥ１１ｍを流し込む。

（製品取出し工程）
　図３（Ｄ）に示すように、二つの金型１５１，２５１を型開きする。型開きした金型２５１では、ガスケット金型２５２の側の下型５１においてフレーム１１にガスケット本体２１が積層されている。このときフレーム１１とガスケット本体２１とは接合面ＢＳが互いに相溶し、完全に一体化された状態になっている。そこで一体化されたフレーム１１とガスケット本体２１とを下型５１から取り出すことで、製品Ｐを得ることができる。

　図３（Ｄ）に示す状態のときには、フレーム金型１５２の側の下型５１においても、フレーム１１が製作されている。そこでターンテーブル３０１を１８０度回転させれば、製作済みのフレーム１１を残す下型５１をガスケット金型２５２に対面させることが可能となる（図３（Ｂ）に示す状態）。

　以後図３（Ｂ）に示す金型入れ替え工程、図３（Ｃ）に示すフレーム及びガスケット製作工程、そして図３（Ｄ）に示す製品取出し工程を繰り返すことで、次々と製品Ｐを得ることができる。そこで図２（Ａ）（Ｂ）に示すガスケット１を製造することができる金型１５１，２５１を用意し、図３（Ａ）～（Ｄ）に示す二色成形を実施することで、ガスケット１を製品Ｐとして次々に製造することが可能となる。

　以上説明したように、本実施の形態によれば、二色成形によってフレーム１１とガスケット本体２１とが一体化されたガスケット１を得ることができる。フレーム１１はガスケット本体２１の保形性を向上させ、ガスケット１の取扱い性や組立作業性の向上に貢献する。

　本実施の形態のガスケット１は、射出成型技術を用いた二色成形によって製造されるため、三次元形状にすることも容易である。このため取り付け対象となる相手部材、例えば燃料電池セルを構成するセパレータの取付面が平面でない三次元形状をしている場合であっても、このような取付面の三次元形状に容易にフレーム１１の形状を適合させることができる。

　フレーム１１とガスケット本体２１とは互いの接合面ＢＳが相溶しているので、比較的強い結合状態を維持する。とりわけ本実施の形態の場合、フレーム１１とガスケット本体２１とは共にポリプロピレン（ＰＰ）をハードセグメントとして含み、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）をソフトセグメントとして含むオレフィン系の熱可塑性エラストマーを原材料として用いているので、接合面ＢＳが良好に相溶する。このため例えば特許文献１に記載されたような構造のガスケットとの比較において、フレーム１１とガスケット本体２１との間の接合強度を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
　第２の実施の形態を図４に基づいて説明する。第１の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

　本実施の形態は、フレーム１１とガスケット本体２１との接合面ＢＳを凹凸嵌合させている。つまりフレーム１１が有する凹部１１２の底部領域１１４に嵌合凹部１１６を成形し、ガスケット本体２１の底面には嵌合凸部２１２を成形し、これらの嵌合凹部１１６と嵌合凸部２１２とを嵌合させるようにしている。このような嵌合凹部１１６と嵌合凸部２１２とは、図３（Ａ）に例示した二色成形のフレーム製作工程と図３（Ｃ）に例示したフレーム及びガスケット製作工程とにおいて、射出成形によって容易に製作することができる。

　本実施の形態においては、ガスケット本体２１の長手方向に沿って、嵌合凹部１１６と嵌合凸部２１２とを複数条、例えば三条設けている。

　このような構成において、嵌合凹部１１６と嵌合凸部２１２とはもとより接合面ＢＳとなるので、互いに相溶する接合面ＢＳの面積が拡大し、フレーム１１とガスケット本体２１との間の固着力が増大する。また嵌合凹部１１６と嵌合凸部２１２との嵌合によって、フレーム１１とガスケット本体２１との間の機械的な連結強度の向上も図られる。したがってフレーム１１とガスケット本体２１とをより強固に接合することができる。

［第３の実施の形態］
　第３の実施の形態を図５に基づいて説明する。第２の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

　本実施の形態では、フレーム１１とガスケット本体２１とは、嵌合凸部２１２の先端側が嵌合方向と直交する方向に拡がった形状で凹凸嵌合している。より詳細には、嵌合凸部２１２は先端に行くほど嵌合方向と直交する方向に拡がるテーパー形状を有しており、嵌合凹部１１６も嵌合凸部２１２に応じた形状に形成され、両者が嵌合している。

　このような凹凸嵌合構造は、アンダーカットの技術を用いることで、射出成形によって容易に製作が可能である。

　このような構成にすることで嵌合凹部１１６と嵌合凸部２１２との嵌合強度が増し、フレーム１１とガスケット本体２１との間の機械的な連結強度をより一層高めることができる。

　図６に示すものは、第３の実施の形態の別の一態様で、嵌合凹部１１６と嵌合凸部２１２とをガスケット本体２１の長手方向に沿って一条のみ設けた一例である。

［第４の実施の形態］
　第４の実施の形態を図７に基づいて説明する。第１の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

　本実施の形態では、フレーム１１の凹部１１２とここに嵌まり込むガスケット本体２１の側面とをテーパー形状にした一例である。つまり凹部１１２の側壁１１５は、フレーム１１の底部領域１１４にいくほど拡がるテーパー形状に成形されており、これに応じてガスケット本体２１の側面は、フレーム１１との接合面ＢＳに向かうほど拡がるテーパー形状に成形されている。

　このような構成において、フレーム１１の凹部１１２の側壁１１５とガスケット本体２１の側面とはテーパー面で接合し、相溶している。したがってこの部分の嵌合強度が増し、フレーム１１とガスケット本体２１との間の機械的な連結強度をより一層高めることができる。

［変形例］
　実施に際して、各種の変更や変形が可能である。

　例えば上記各実施の形態では、共通の成分を含む熱可塑性エラストマーによってフレーム１１とガスケット本体２１とを成形した一例を示したが、実施に際してはこれに限定されず、共通の成分を含まない熱可塑性エラストマーを用いてこれらのフレーム１１とガスケット本体２１とを製造するようにしても良い。またフレーム１１については、必ずしも熱可塑性エラストマーによって成形されている必要はない。互いに相溶する材料であれば、フレーム１１の材料としては各種の樹脂、例えばポリプロピレン（ＰＰ）などを用いることが可能であり、ガスケット本体２１の材料にも各種の熱可塑性エラストマーを用いることが可能である。例えば上記各実施の形態で紹介したオレフィン系の他、ジエン系、アミド系、エステル系などの熱可塑性エラストマーを用いてガスケット本体２１を生成するようにしてもよい。

　その他、あらゆる変形や変更が可能である。

　　１　　ガスケット
　１１　　フレーム
　２１　　ガスケット本体
　５１　　下型
１１１　　開口
１１２　　凹部
１１３　　表面領域
１１３ａ　外側領域
１１３ｂ　内側領域
１１４　　底部領域
１１５　　側壁
１５１　　金型
１５２　　フレーム金型
２１１　　シールリップ部
２１２　　嵌合凸部
２５１　　金型
２５２　　ガスケット金型
　ＢＳ　　接合面

Claims (6)

1. 　樹脂によって成形されたフレームと、
   　前記フレームを成形する樹脂の硬度以下の硬度を有し、この樹脂と相溶して一体化された熱可塑性エラストマーによって成形されたガスケット本体と、
   　を備えることを特徴とするガスケット。
2. 　前記フレームは、前記ガスケット本体と同じ材料を含む熱可塑性エラストマーによって成形されている、
   　ことを特徴とする請求項１に記載のガスケット。
3. 　前記フレームと前記ガスケット本体との接合面は、凹凸嵌合している、
   　ことを特徴とする請求項１に記載のガスケット。
4. 　嵌合凸部の先端側が嵌合方向と直交する方向に拡がった形状で凹凸嵌合している、
   　ことを特徴とする請求項３に記載のガスケット。
5. 　前記フレームと前記ガスケット本体との接合面は、凹凸嵌合している、
   　ことを特徴とする請求項２に記載のガスケット。
6. 　嵌合凸部の先端側が嵌合方向と直交する方向に拡がった形状で凹凸嵌合している、
   　ことを特徴とする請求項５に記載のガスケット。

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