JP2002231264A - シール一体型セパレータの製造方法 - Google Patents

シール一体型セパレータの製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 シール材の位置精度に優れると共に燃料電池
組立時の工数削減に有効なシール一体型セパレータの製
造方法を提供する。 【解決手段】 例えばプレス成形してなるセパレータ本
体を、その一方の面に設けられる第2及び第4のシール
材42,44に対応した位置に凹溝92,94を有する
上型81と、他方の面に設けられる第1及び第3のシー
ル材41,43に対応した位置に凹溝91,93を有す
る下型82とで挟持する。この状態において、これら凹
溝91〜94に溶融シール材を射出成形し、セパレータ
本体の表裏両面に第1〜第4のシール材91〜94を一
体化してなるシール一体型セパレータ14を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用のセパ
レータ本体にシール材が一体成形されてなるシール一体
型セパレータの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池には、固体高分子電解質膜とそ
の両側のアノード側拡散電極及びカソード側拡散電極と
で構成された電極膜構造体を、一対のセパレータで挟持
して構成されたものがある。この燃料電池では、アノー
ド側拡散電極に対向配置されるアノード側セパレータの
一面に燃料ガス(例えば、水素)の流路を設け、カソー
ド側拡散電極に対向配置されるカソード側セパレータの
一面に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)の流路を
設け、隣接するセパレータ間に冷却媒体の流路を設けて
いる。
【0003】そして、アノード側拡散電極の電極反応面
に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、
固体高分子電解質膜を介してカソード側拡散電極に移動
する。この間に生じた電子は外部回路に取り出され、直
流の電気エネルギーとして利用される。カソード側拡散
電極においては酸化剤ガスが供給されているため、水素
イオン,電子,及び酸素が反応して水が生成される。セ
パレータの電極反応面と反対側の面は、セパレータ間に
流れる冷却媒体によって冷却される。
【0004】これら燃料ガス,酸化剤ガス,及び冷却媒
体は、各々独立した流路に通す必要があるため、各流路
間を仕切るシール技術が重要となる。シール部位として
は、例えば、燃料ガス,酸化剤ガス,及び冷却媒体を、
燃料電池スタックの各燃料電池に分配供給するために貫
通形成された連通孔の周囲,電極膜構造体の外周,セパ
レータの冷媒流路面外周,及びセパレータの表裏面の外
周等があり、シール材としては、有機ゴム等の柔らかく
適度に反発力のある採用される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記電極膜
構造体の外周は、図17に示すように、2枚の同じ寸法
の拡散電極1a,1bの間にこれら拡散電極1a,1b
の外寸よりも大きな固体高分子電解質膜2を挟むことに
より、拡散電極1a,1bから外側へはみ出した固体高
分子電解質膜2のはみ出し部2aにおいてシールされ
る。
【0006】このようなシール構造においては、固体高
分子電解質膜2の表裏に配設される2つのシール材3
a,3bが、固体高分子電解質膜2を挟んで互いに向き
合う対称位置にないと、シール性が損なわれる。例え
ば、図18に示すように、2つのシール材3a,3bが
紙面横方向にずれて配設されていると、シール材3aと
シール材3bとで固体高分子電解質膜2を挟持する面積
(以下、「シール面積」という。)が減少してシール性
が損なわれる。
【0007】また、図19に示すように、固体高分子電
解質膜2の表裏に配設されるシール材3a,3bを対称
位置からずらして段差で配位した構造を採用した場合、
固体高分子電解質膜2のはみ出し部2aにおいて、内側
と外側とでシール材3a,3bが2層存在することにな
るので、はみ出し部2aが上下に引っ張られて余計なシ
ワが入り、シワがヨレた状態で固体高分子電解質膜2が
圧縮される。このため、シワ部から漏れが生じ易くな
る。
【0008】また、はみ出し部2aが上下に引っ張られ
た状態は、固体高分子電解質膜2の耐久性を低下させ、
冷熱繰り返し下において、短期間での破損を招き得る。
以上説明したように、固体高分子電解質膜2に無理な歪
みを与えないようにするためには、積層時にシール材3
a,3bを高精度に位置決めすることが重要であり、特
に、シール幅が細くなればなるほど、要求される位置精
度は厳しいものとなる。
【0009】この対策として、図20に示すように、一
方のシール幅を他方のシール幅よりも広くし、ある程度
の横方向の組付誤差を許容し得るようにしたシール構造
も考えられる。このシール構造によれば、シール面積の
減少は防げるものの、幅の広いシール材3c側で圧縮応
力が分散して面圧が低下するので、幅の広いシール材3
c側のシール性の低下を招き、好ましくない。
【0010】また、燃料電池、あるいは燃料電池を複数
組積層してなる燃料電池スタックを組み立てる際には、
アノード側拡散電極とアノード側セパレータとの間,カ
ソード拡散電極とカソード側セパレータとの間,及び互
いに隣接するアノード側及びカソード側セパレータ間の
それぞれにシール材を介在させなければならないが、こ
れらセパレータと別体をなすシート状のシール材を組み
付ける方法、あるいはセパレータにペースト状のシール
材を塗布する方法では、組付工数が多くなり、量産時の
コスト上昇を招く。
【0011】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、シール材の位置精度
に優れると共に燃料電池組立時の工数削減に有効なシー
ル一体型セパレータの製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、以下の構成を採用した。請求項1に記載
した発明は、電極反応面(例えば、実施の形態における
カソード側拡散電極25及びアノード側拡散電極27の
固体高分子電解質膜18に面する面)又は連通孔(例え
ば、実施の形態における入口側酸化剤ガス連通孔61
a,出口側酸化剤ガス連通孔61b,入口側燃料ガス連
通孔62a,出口側燃料ガス連通孔62b,入口側冷却
媒体連通孔63a,出口側冷却媒体連通孔63b,)の
外側を囲むように配設されるシール材(例えば、実施の
形態における第1〜第6のシール材41〜45)が、燃
料電池用セパレータ本体(例えば、実施の形態における
プレス成形により作製されたカソード側のセパレータ本
体)の両面に一体化されてなるシール一体型セパレータ
(例えば、実施の形態におけるカソード側セパレータ1
4)の製造方法であって、前記セパレータ本体を、その
一方の面に設けられるシール材(例えば、実施の形態に
おける第2,第4,及び第6のシール材42,44)に
対応した位置に凹溝(例えば、実施の形態における第
2,第4,及び第6の凹溝92,94)を有する上型
(例えば、実施の形態における上型81,91,11
0,120,130,140,150)と、他方の面に
設けられるシール材(例えば、実施の形態における第
1,第3,及び第5のシール材41,43,45)に対
応した位置に凹溝(例えば、実施の形態における第1,
第3,及び第5の凹溝91,93)を有する下型(例え
ば、実施の形態における下型82,92,111,12
1,131,141,151)とで挟持しつつ、これら
上型の凹溝と下型の凹溝に別々のゲート(例えば、実施
の形態におけるゲート85a,85b)から溶融シール
材を射出成形する工程を備えることを特徴とする。
【0013】このような構成によれば、シール材がセパ
レータ本体の表裏両面に同時に一体成形されるので、シ
ール一体型のセパレータを一工程で製造できる。従っ
て、セパレータ本体の表裏両面に該セパレータ本体とは
別体のシール材を配設したり、シール材を塗布する場合
と比較して、シール材を高精度に位置決めできると共
に、組付工数も大幅に低減する。
【0014】請求項2に記載した発明は、請求項1に記
載した発明において、上記一方の型のゲートは、他方の
型のゲートから分岐したランナー(例えば、実施の形態
における84a,84b)により型合わせ面(例えば、
実施の形態における型合わせ面200)を介して他方の
型のゲートに連通することを特徴とする。このような構
成によれば、シングルインジェクションでセパレータ本
体の表裏面に同時にシール材を成形できるため、低コス
トで製造できる。
【0015】請求項3に記載した発明は、請求項2に記
載した発明において、セパレータ本体の外周と各型との
間に形成された回り込み部(例えば、実施の形態におけ
る回り込み部132)からシール材を各型の凹溝に供給
することを特徴とする。このような構成によれば、各型
の凹溝への射出圧を下げることができるため、シール材
の成形性が向上する。
【0016】請求項4に記載した発明は、少なくとも電
極反応面(例えば、実施の形態におけるカソード側拡散
電極25及びアノード側拡散電極27の固体高分子電解
質膜18に面する面)の外側を二重に囲むように配設さ
れるシール材(例えば、実施の形態における第1〜第4
のシール材41〜44)が、燃料電池用セパレータ本体
(例えば、実施の形態におけるプレス成形により作製さ
れたカソード側のセパレータ本体)の両面に一体化され
てなるシール一体型セパレータ(例えば、実施の形態に
おけるカソード側セパレータ14)の製造方法であっ
て、前記セパレータ本体を、その一方の面に設けられる
シール材(例えば、実施の形態における第2及び第4の
シール材42,44)に対応した位置に凹溝(例えば、
実施の形態における第2及び第4の凹溝92,94)を
有する上型(例えば、実施の形態における上型81,9
1,110,120,130,140,150)と、他
方の面に設けられるシール材(例えば、実施の形態にお
ける第1及び第3のシール材41,43)に対応した位
置に凹溝(例えば、実施の形態における第1及び第3の
凹溝91,93)を有する下型(例えば、実施の形態に
おける下型82,92,111,121,131,14
1,151)とで挟持しつつ、これら凹溝に各型のゲー
トから溶融シール材を供給して溶融シール材を射出成形
する工程を備えることを特徴とする。このような構成に
よれば、電極反応面の外側を二重に囲むシール材が互い
に独立して機能し、電極反応面でのシール切れ等のない
二重シール一体型のセパレータを一工程で容易に製造で
きる。また、二重シール一体型のセパレータは、二重の
シール材を高精度に位置決めしなければならないため、
その製造はより困難性を極めるが、上記構成によれば、
製造が容易になる。
【0017】請求項5に記載した発明は、請求項4に記
載した発明において、上記一方の型のゲートは、他方の
型のゲートから分岐したランナーにより型合わせ面を介
して他方の型のゲートに連通することを特徴とする。こ
のような構成によれば、ゲートを少なくでき、かつ、各
型に対して同様の条件でシール材を供給することができ
るため、低コストで製造できる。
【0018】請求項6に記載した発明は、請求項4に記
載した発明において、上記二重に配置されたシール材に
連結シール材層(例えば、実施の形態における連結シー
ル材層101,102)を設けたことを特徴とする。こ
のような構成によれば、連結シール材層により連結され
た各シール材のセパレータ本体に対する密着性が高めら
れるため、脱型時におけるセパレータ本体との剥離防止
性が向上する。また、射出された溶融シール材の一部が
連結シール材層を形成する連結部に供給されるため、溶
融シール材のはみ出し精度管理を緩めることができる。
さらに、連結シール材層が絶縁層として機能して、短
絡、及び結露短絡を有効に防止できる。
【0019】請求項7に記載した発明は、請求項4に記
載した発明において、上記凹溝にシール材のはみ出しを
許容するはみ出し許容部(例えば、実施の形態における
はみ出し許容部97,98)を設けたことを特徴とす
る。このような構成によれば、射出された溶融シール材
の一部が、はみ出し許容部に供給されるため、溶融シー
ル材のはみ出し精度管理を緩めることができる。
【0020】請求項8に記載した発明は、請求項6に記
載した発明において、上記一方の型のゲートは、他方の
型のゲートから分岐したランナーにより型合わせ面を介
して他方の型のゲートに連通することを特徴とする。こ
のような構成によれば、シングルインジェクションでセ
パレータ本体の表裏面に同時にシール材を成形できるた
め、低コストで製造できる。
【0021】請求項9に記載した発明は、請求項6に記
載した発明において、セパレータ本体の外周と各型との
間に形成された回り込み部からシール材を各型の凹溝に
供給することを特徴とする。このような構成によれば、
各型の凹溝への射出圧を下げることができるため、シー
ル材の成形性が向上する。
【0022】請求項10に記載した発明は、請求項9に
記載した発明において、上記一方の型のゲートは、他方
の型のゲートから分岐したランナーにより型合わせ面を
介して他方の型のゲートに連通することを特徴とする。
このような構成によれば、シングルインジェクションで
セパレータ本体の表裏面に同時にシール材を成形できる
ため、低コストで製造できる。
【0023】請求項11に記載した発明は、請求項4に
記載した発明において、上記二重に配置されたシール材
に連結シール材層を設け、上記一方の型から型合わせ面
を介して各型の凹溝に連通するスプルー(例えば、実施
の形態におけるスプルー83a,83b)を設けたこと
を特徴とする。このように構成することで、一方の型の
スプルーから型合わせ面を介して凹溝に溶融シール材が
供給されるため、シール面に余分な供給痕が残ることは
なく製品品質を高めることができる。
【0024】請求項12に記載した発明は、請求項11
に記載した発明において、各凹溝のシール面を形成しな
い部位(例えば、実施の形態における側部91a,93
a,92a,94a)に各型のスプルーに連通するゲー
トを設けたことを特徴とする。このような構成によれ
ば、各型のスプルーからゲートを介して凹溝のシール面
を形成しない部位にゲートから凹溝に溶融シール材が供
給されるため、シール面には供給痕が残ることはなく、
製品品質を高めることができる。また、上記型合わせ面
を介して溶融シール材を供給する場合に、前記凹溝に対
応するスプルーからの溶融シール材の供給を併用するこ
とで成形性を向上することができる。
【0025】請求項13に記載した発明は、請求項1に
記載した発明において、上記供給口を凹溝のシール面を
形成しない部位に接続したことを特徴とする。このよう
な構成によれば、各型の凹溝のシール面を形成しない部
位に供給口から凹溝に溶融シール材が供給されるため、
シール面には供給痕が残ることはなく、製品品質を高め
ることができる。
【0026】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明に
よって製造されるシール一体型セパレータを備えた燃料
電池を示す分解斜視図であり、また、図2は図1に示す
シール一体型セパレータ(カソード側セパレータ14)
のA矢視図である。図1中、シール材の図示は省略して
いる。
【0027】燃料電池10は、電極膜構造体12と、こ
れを挟持するカソード側セパレータ14及びアノード側
セパレータ16とを備えてなる。そして、これら燃料電
池10が複数組積層され、例えばボルト,ナット等の締
付機構により一体化されることで、車両用の燃料電池ス
タックが構成される。
【0028】電極膜構造体12は、例えばペルフルオロ
スルホン酸ポリマーで構成された固体高分子電解質膜1
8と、この固体高分子電解質膜18を挟んで配設される
カソード電極20及びアノード電極22と、これらカソ
ード電極20及びアノード電極22の固体高分子電解質
膜18と反対側の面にそれぞれ配設されたカソード側ガ
ス拡散層24及びアノード側ガス拡散層26とを備えて
構成されている。
【0029】カソード電極20及びアノード電極22は
例えばPtを主体にして、また、カソード側ガス拡散層
24及びアノード側ガス拡散層26は例えば多孔質カー
ボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなり、これ
らカソード電極20とカソード拡散層24とでカソード
側拡散電極25が構成されると共に、アノード電極22
とアノード側ガス拡散層26とでアノード側拡散電極2
7が構成されている。そして、カソード側拡散電極25
及びアノード側拡散電極27の固体高分子電解質膜18
に面する面が電極反応面となる。
【0030】図3は燃料電池10の横断面図、図4は図
3に示す燃料電池10を3組積層してなる燃料電池スタ
ックの横断面図である。図3に示すように、固体高分子
電解質膜18は、これを挟んで配設されるカソード電極
20とカソード側ガス拡散層24及びアノード電極22
とアノード側ガス拡散層26の外周から僅かにはみ出す
はみ出し部18aを有する。
【0031】また、アノード電極22とアノード側ガス
拡散層26は固体高分子電解質膜18よりも表面積が小
さく、更にカソード電極20とカソード側ガス拡散層2
4はアノード電極22とアノード側ガス拡散層26より
も表面積が小さく形成されている。
【0032】カソード側及びアノード側の拡散電極2
5,27にそれぞれ対向配置されるカソード側及びアノ
ード側のセパレータ14,16は、いずれも板厚0.2
〜0.5mmのステンレス製板材をプレス成形すること
により、一定の高さを有する凹部30,31が一定のピ
ッチで多数形成されてなる波板部32,33と、各波板
部32,33よりも外側に位置する端部において、シー
ル材44を介して互いに接触する平面部34,35とを
備えて構成されている。以下、このプレス成形体をセパ
レータ本体という。
【0033】このカソード側セパレータ14について
は、セパレータ本体の波板部32において最も外側に位
置する凹部30a(以下、「最外周側凹部30a」とい
う。)の表裏面に第1及び第2のシール材41,42が
対称位置に一体成形されていると共に、平面部34の表
裏面にも第3及び第4のシール材43,44が対称位置
に一体成形されてなる、シール一体型セパレータとして
構成されている。これら第1〜第4のシール材41〜4
4,及び後述する第5及び第6のシール材45のセパレ
ータ本体への一体成形方法については、後で詳述する。
【0034】一の燃料電池10内では、カソード側セパ
レータ14の最外周側凹部30aの表面(電極反応面
側)と、固体高分子電解質膜18におけるはみ出し部1
8aとの間に第1のシール材41が挟装されると共に、
カソード側セパレータ14における平面部34の表面
(電極反応面側)と、アノード側セパレータ16におけ
る平面部35の表面(電極反応面側)との間に第3のシ
ール材43が挟装される。
【0035】また、図4に示すように、隣接する燃料電
池10間では、カソード側セパレータ14における最外
周側凹部30aの裏面(電極反応面とは逆側の面)と、
アノード側セパレータ16における平面部35の裏面
(電極反応面とは逆側の面)との間に第2のシール材4
2が狭装されると共に、カソード側セパレータ14にお
ける平面部34の裏面(電極反応面とは逆側の面)と、
アノード側セパレータ16における平面部35の裏面
(電極反応面とは逆側の面)との間に第4のシール材4
4が挟装される。
【0036】そして、一の燃料電池10を構成するカソ
ード側セパレータ14における凹部30の裏面と、他の
燃料電池10を構成するアノード側セパレータ16にお
ける凹部31の裏面とを順次突き合わせると(図4)、
カソード側セパレータ14の波板部32における凹部3
0と、カソード側拡散電極25との間に形成される図示
台形断面の空間が、酸素含有ガス又は空気である酸化剤
ガスを流通させるための酸化剤ガス流路51になる。
【0037】また、アノード側セパレータ16の波板部
33における凹部31と、アノード側拡散電極27との
間に形成される図示台形断面の空間が、水素含有ガス等
の燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路52にな
る。さらに、カソード側セパレータ14の波板部32の
凹部30と、アノード側セパレータ16の波板部33の
凹部31との間に形成される図示六角形断面の空間が、
純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を流通
させるための冷却媒体流路53になる。
【0038】以下、説明の便宜上、図2の左右方向を水
平方向、上下方向を垂直方向と定義して説明する。図2
に示すように、カソード側セパレータ14は、その平面
内であって外周縁部に位置する水平方向両端上部側に酸
化剤ガスを通過させるための入口側酸化剤ガス連通孔6
1aと、燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連
通孔62aとを備えており、また、水平方向両端中央側
には、冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通
孔63aと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための
出口側冷却媒体連通孔63bとが設けられている。
【0039】さらに、カソード側セパレータ14には、
その平面内であって外周縁部に位置する水平方向両端下
部側に、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガ
ス連通孔61bと、燃料ガスを通過させるための出口側
燃料ガス連通孔62bとが、入口側酸化剤ガス連通孔6
1a及び入口側燃料ガス連通孔62aとそれぞれ対角位
置となるように設けられている。
【0040】カソード側セパレータ14の表面には、第
1のシール材41が波板部32の外側を取り囲むように
配設されている。第1のシール材41は、波板部32の
水平方向右端及び左端よりもさらに外側に所定の隙間が
形成されるように配設されており、これら隙間は、入口
側酸化剤ガス連通孔61aからの酸化剤ガスを各酸化剤
ガス流路51へ導くための酸化剤ガス導入部71a,及
び各酸化剤ガス流路51からの酸化剤ガスを出口側酸化
剤ガス連通孔61bへ導くための酸化剤ガス導出部71
bとなっている。
【0041】また、第3のシール材43は、第1のシー
ル材41,入口側酸化剤ガス連通孔61a,入口側燃料
ガス連通孔62a,出口側酸化剤ガス連通孔61b,及
び出口側燃料ガス連通孔62bの外側を取り囲むように
配設されている。なお、符号45は、入口側冷却媒体連
通孔63a,及び出口側冷却媒体連通孔63bの外側を
取り囲むように配設された第5のシール材である。
【0042】ここで、入口側酸化剤ガス連通孔61aと
酸化剤ガス導入部71aとの間、及び出口側酸化剤ガス
連通孔61bと酸化剤ガス導出部71bとの間に配設さ
れる第1及び第2のシール材41,43は、これら連通
孔61a,61bと導入部71a又は導出部71bとを
複数箇所にて連通させる連結流路72a,72bを形成
すべく、断続的に配設されている。
【0043】なお、カソード側セパレータ14の裏面に
は、第2のシール材42,第4のシール材44,及び図
示しない第6のシール材が、表面に配設された第1のシ
ール材41,第3のシール材43,及び第5のシール材
45とセパレータ本体を挟んで対称位置となるように配
設されている。すなわち、カソード側セパレータ14
は、第1〜第4のシール材41〜44が電極反応面の外
側を二重に囲むことにより、シール切れ等を有効に防止
し得る二段シール構造になっている。
【0044】他方のアノード側セパレータ16にも、カ
ソード側セパレータ14に形成された入口側酸化剤ガス
連通孔61a,入口側燃料ガス連通孔62a,入口側冷
却媒体連通孔63a,出口側酸化剤ガス連通孔61b,
出口側燃料ガス連通孔62b,及び出口側冷却媒体連通
孔63bに対応する位置に、これらと同様の連通孔61
a,62a,63a,61b,62b,63bが形成さ
れている。この場合において、第1〜第6のシール材4
1〜45は配設されていない。
【0045】ただし、本発明は、このような実施の形態
に限らず、アノード側セパレータ16に第5及び第6の
シール材45のみを配設した構成であってもよい。ま
た、カソード側拡散電極25とアノード側拡散電極27
の大きさが上記実施の形態と逆の場合には、アノード側
セパレータ16に第1〜第6のシール材41〜45を配
設してもよい。
【0046】次に、図5を用いて、上記構成からなるカ
ソード側セパレータ14の製造方法に用いられる射出成
形用金型の第1構成例を説明する。上型81及び下型8
2のキャビティ形成面の外周縁部81a,82aは、セ
パレータ本体の平面部34及び最外周側凹部30aをそ
の表裏両面から密着状態に挟持し得る波形をなすと共
に、セパレータ本体の表裏面に設けられる第1〜第4の
シール材41〜44に対応する位置に第1〜第4の凹溝
91〜94が形成されると共に、第5及び第6のシール
材45に対応する位置に第5及び第6の凹溝(図示略)
が形成されてなる。
【0047】他方、上型81及び下型82のキャビティ
形成面の中央部には、カソード側セパレータ14の平面
部34及び最外周側凹部30aを上型81及び下型82
の前記外周縁部81a,82aにて挟持した際に、挟持
したセパレータ本体の波板部32をその表面及び裏面の
いずれに対しても所定のクリアランスを隔てて内包する
ような凹所81b,82bが形成されている。そして、
上型81及び下型82には、外部から供給される溶融シ
ール材を第1〜第6の凹溝91〜94に導くためのスプ
ルー83a,83b、ランナー84a,84b、及びゲ
ート85a,85bが形成されている。
【0048】次に、図5の金型を用いたカソード側セパ
レータ14の製造方法を説明するが、ここでは、本発明
の特徴部分である、プレス成形されてなるセパレータ本
体に第1〜第6のシール材41〜45を一体成形する工
程についてのみ説明する。まず、下型82のキャビティ
形成面の外周縁部82aにセパレータ本体の平面部34
及び最外周側凹部30aを載置し、上型81と下型82
とを型閉めする。
【0049】これにより、上型81と下型82とでセパ
レータ本体を挟持すると共に、該セパレータ本体の平面
部34及び最外周側凹部30aの表裏両面にキャビティ
空間が形成される。そして、溶融シール材を上型81及
び下型82のスプルー83a,83bから注入し、それ
ぞれのランナー84a,84b及びゲート85a,85
bを介して第1〜第6の凹溝91〜94へ射出する。
【0050】この時の射出成形条件は、例えば、以下の
通りに設定する。 射出圧(kg/cm2) :80〜120 型温(℃) :200℃ 成形時間(min) :3 型締圧力(ton) :35 シール材料 :硬度50゜のシリコンゴム
【0051】そして、成形終了後に型開きすれば、セパ
レータ本体の平面部34及び最外周側凹部30aの表裏
面に第1〜第6のシール材41〜45が一体化されてな
るシール一体型のカソード側セパレータ14が得られ
る。この製造方法によれば、射出成形によって第1〜第
6のシール材41〜45をセパレータ本体の表裏両面に
同時に一体成形するので、これらシール材41〜45を
セパレータ本体を挟む対称位置に高精度に配設し得て、
シール性の向上を図ることができる。
【0052】また、シール一体型のカソード側セパレー
タ14を一工程で製造できるので、燃料電池10の組立
工数を削減できることはもとより、該燃料電池10を複
数組積層してなる燃料電池スタックにおいてはその組立
工数を大幅に削減し得て、量産時のコスト上昇を有効に
回避することが可能になる。
【0053】また、燃料電池スタックを組み立てる際
に、アノード側セパレータ16についてはシール材が不
要になると共に、カソード側セパレータ14については
その全てのシール材配置が統一されるので、射出成形用
の金型が1種類だけで済むようになり、低コスト化を図
ることができる。
【0054】次に、図6を用いて、カソード側セパレー
タ14の製造方法に用いられる射出成形用金型の第2構
成例について、図5との相違を中心に説明する。図6
中、図5と同一の構成要素については同一符号を付し
た。この金型は、下型89にスプルー83bを形成しな
い代わりに、上型92のランナー83aと下型89のラ
ンナー84bとを連結するバイパス部86を形成したも
のである。
【0055】この構成においては、溶融シール材を上型
88のスプルー83aから注入すると、溶融シール材の
一部が上型88のランナー84aからゲート85aを介
して第2,第4,及び第6の凹溝92,94に射出され
ると共に、上型88のランナー84aからバイパス部8
6に分流した溶融シール材が型合わせ面200を経て下
型89のランナー84b及びゲート85bを介して第
1,第3,及び第5の凹溝91,93に射出される。
【0056】従って、この第2構成による金型を用いた
場合においても、セパレータ本体の表裏面に第1〜第6
のシール材41〜45を同時に一体成形することができ
る。また、射出圧を第1構成例の場合よりも高めに設定
する必要があるものの、上型88からのみからのシング
ルインジェクションで済むため、成形コストの削減が可
能である。
【0057】次に、図7を用いて、カソード側セパレー
タ14の製造方法に用いられる射出成形用金型の第3構
成例について、図5との相違を中心に説明する。図7
中、図5と同一の構成要素については同一符号を付し
た。この金型には、セパレータ本体の同一面側におい
て、第1及び第3の凹溝91,93同士と、第2及び第
4の凹溝92,94同士を連結するための連結部95,
96が形成されている。
【0058】また、この金型には、第1及び第2の凹溝
91,92よりもセパレータ中央側と、第3及び第4の
凹溝93,94よりもセパレータ外周側に、これら第1
〜第4の凹溝91〜94から溶融シール材がはみ出るこ
とを許容し、これにより、薄いはみ出しシール材層10
3〜106を形成する、はみ出し許容部97〜100も
形成されている。
【0059】この構成において、溶融シール材を上型1
10及び下型111のスプルー83a,83bから注入
すると、溶融シール材がそれぞれのランナー84a,8
4bからゲート85a,85bを介して第1〜第6の凹
溝91〜94に射出されると共に、これら凹溝91〜9
4に射出された溶融シール材の一部が、セパレータ本体
の表面及び裏面側にそれぞれ形成された連結部95,9
6及びはみ出し許容部97〜100にも供給される。
【0060】これにより、セパレータ本体の表裏各同一
面側における凹溝91〜94同士、すなわち、第1の凹
溝91と第3の凹溝93、及び第2の凹溝92と第4の
凹溝94とが連結部95,96を介して連結されるの
で、これら凹溝91〜94からの溶融シール材のはみ出
し精度管理を緩めることができる。
【0061】また、連結シール材層101,102によ
って、セパレータ本体に対する第1〜第4のシール材4
1〜44の密着性が高められるので、脱型時におけるセ
パレータ本体と第1〜第4のシール材41〜44との剥
離防止性が向上する。さらに、この連結シール材層10
1,102が絶縁層にもなるので、燃料電池積層時にお
ける近接状態でのカソード側セパレータ14とアノード
側セパレータ16との短絡、及び結露短絡を有効に防止
できる。
【0062】次に、図8を用いて、カソード側セパレー
タ14の製造方法に用いられる射出成形用金型の第3構
成例の他の態様について、図7との相違を中心に説明す
る。なお、図8中、図6及び図7と同一の構成要素につ
いては同一符号を付した。この金型は、上型150のス
プルー83aから上型150と下型151との型合わせ
面200を介して、下型151の第1の凹溝91と第3
の凹溝93、及び上型150の第2の凹溝92と第4の
凹溝94とに溶融シール材を供給するものである。ま
た、下型151の第1の凹溝91と第3の凹溝93、及
び上型150の第2の凹溝92と第4の凹溝94には、
各々の側部91a,93a,92a,94a、つまりシ
ール面を形成しない部位にゲート85aが接続され、こ
のゲート85aが上型150と下型151のスプルー8
3a,83bに接続されている。
【0063】この構成によれば、上型150のスプルー
83aから上型150と下型151との型合わせ面20
0を介して、下型151の第1の凹溝91と第3の凹溝
93、及び上型150の第2の凹溝92と第4の凹溝9
4とに溶融シール材を供給するため、前記凹溝91,凹
溝93、凹溝92,凹溝94に対応して成形された第1
のシール材41、第3のシール材43、第2のシール材
42、第4のシール材44の各々の頂部(シール面)4
1a,43a,42a,44aにはシール性に悪影響を
与えるような供給痕が残らず製品品質を向上できる。つ
まり、成形によって発生するバリはシール性に影響を及
ぼさない場所、前記側部91a,93a,92a,94
aなどに生ずるのである。また、上記型合わせ面を介し
て溶融シール材を供給する場合には、前記凹溝91,凹
溝93、凹溝92,凹溝94に対応する各スプルー83
a,83bからの溶融シール材の供給を併用することで
成形性を向上することができる。また、この型合わせ面
200において生じた供給痕もシール性に何ら悪影響を
与えるようなことがないため、製品品質を向上できる。
【0064】次に、図9を用いて、カソード側セパレー
タ14の製造方法に用いられる射出成形用金型の第4構
成例について、図7との相違を中心に説明する。なお、
図9中、図6及び図7と同一の構成要素については同一
符号を付した。この金型は、下型121にスプルー83
bを形成しない代わりに、上型120のランナー84a
と下型121のランナー84bとを連結するバイパス部
86が形成されたものである。
【0065】この構成によれば、溶融シール材を上型1
20のスプルー83aから注入すると、溶融シール材の
一部が上型120のランナー84aからゲート85aを
介して第2,第4,及び第5の凹溝92,94に射出さ
れると共に連結部96及びはみ出し許容部98,100
に供給され、かつ、上型120のランナー84aからバ
イパス部86に分流した溶融シール材が下型121のラ
ンナー84b及びゲート85cを介して第1,第3,及
び第5の凹溝91,93に射出されると共に連結部95
及びはみ出し許容部97,99に供給される。
【0066】従って、この第4構成例による金型を用い
た場合には、第2構成例による金型を用いた場合の効果
と、第3構成例による金型を用いた場合の効果を同時に
得ることができる。
【0067】次に、図10を用いて、カソード側セパレ
ータ14の製造方法に用いられる射出成形用金型の第5
構成例について、図7との相違を中心に説明する。な
お、図10において、図7と同一の構成要素については
同一符号を付した。この金型は、下型131にスプルー
83b,ランナー84b,及びゲート85bを形成しな
い代わりに、第3の凹溝93と第4の凹溝94とをセパ
レータ本体の外周端部を回り込んで相互に連結する回り
込みシール材層133を形成するための回り込み部13
2を形成したものである。
【0068】この構成において、溶融シール材を上型1
30のスプルー83aから注入すると、溶融シール材が
上型130のランナー84aからゲート85aを介して
第2,第4,及び第6の凹溝92,94に射出されると
共に、これら凹溝92,94に射出された溶融シール材
の一部が、セパレータ本体の裏面側に形成された連結部
96,はみ出し許容部98,及び回り込み部132にも
供給される。
【0069】さらに、第4の凹溝94に射出された溶融
シール材の一部は、セパレータ本体の外周端部よりも外
側に形成された回り込み部132を介して表面側に回り
込み、第3の凹溝93,連結部95,第1の凹溝91,
及びはみ出し許容部97に供給される。すなわち、セパ
レータ本体の表面への溶融シール材の供給を、第1〜第
4構成例のようにランナー84bを介す代わりに、回り
込み部132を介して行う。
【0070】この構成によれば、シングルインジェクシ
ョンによる成形コストの削減に加え、連結部95,96
や回り込み部132のクリアランスが大きければ大きい
ほど、射出圧を下げることができるので、第1〜第6の
シール材41〜45の成形性が向上する。また、カソー
ド側セパレータ14の外周端部も絶縁される。
【0071】次に、図11を用いて、カソード側セパレ
ータ14の製造方法に用いられる出成形用金型の第6構
成例について、図10との相違を中心に説明する。図1
1中、図6及び図10と同一の構成要素については同一
符号を付した。この金型は、下型141にランナー84
b,及びゲート85bを有すると共に、上型140及び
下型141のランナー84a,84b同士を連結するバ
イパス部86が形成されたものである。
【0072】この構成において、溶融シール材を上型1
40のスプルー83aから注入すると、溶融シール材の
一部が上型140のランナー84aからゲート85aを
介して第2,第4,及び第6の凹溝92,94に射出さ
れると共に、上型140のランナー84bからバイパス
部86に分流した溶融シール材が、下型141のランナ
ー84b及びゲート85bを介して第1,第3,及び第
5の凹溝91,93に射出される。
【0073】さらに、これら第2及び第4の凹溝92,
94に射出された溶融シール材と、第1及び第3の凹溝
91,93に射出された溶融シール材は、それぞれセパ
レータ本体の裏面側に形成された連結部96,はみ出し
許容部94,及び回り込み部132と、表面側に形成さ
れた連結部95及びはみ出し許容部97,及び回り込み
部132とに供給される。この構成によれば、第5構成
例の効果に加え、回り込みシール材層133、連結シー
ル材層101,102、及びはみ出しシール材層10
3,104を高精度に成形できる。
【0074】なお、本発明は上記実施の形態に限られる
ものではなく、また、前述した各具体的数値は、一例で
あって、これに限られるものではない。例えば、上記実
施の形態では、第1及び第2のシール材41,42と、
第3及び第4のシール材43,44とから構成される2
段シール構造を有するシール一体型セパレータの製造方
法について説明したが、第2の実施の形態である図12
〜図16に示すような1段シール構造とされたシール一
体型セパレータの製造方法にも適用可能である。
【0075】なお、図12は、本発明の第2実施形態の
実施に使用する金型の第1構成例であって、第1実施形
態の図5に相当する断面図、図13は、図12に示す第
2実施形態の実施に使用する金型の第1構成例の他の態
様であって、第1実施形態の図8に相当する断面図、図
14は、本発明の第2実施形態の実施に使用する金型の
第2構成例であって、第1実施形態の図6に相当する断
面図、図15は、本発明の第2実施形態の実施に使用す
る金型の第3構成例であって、第1実施形態の図9に相
当する断面図、図16は、本発明の第2実施形態の実施
に使用する金型の第4構成例であって、第1実施形態の
図11に相当する断面図である。これら図12〜図16
において、図5〜図11と同一の構成要素には同一符号
を付した。尚、図12においては、スプルー83a,8
3bがゲート85a,86bでもあるため、対応箇所に
は双方の番号を付す。
【0076】また、上記実施の形態では、セパレータ本
体をステンレス鋼から構成したが、その他の金属材料や
炭素質材料から構成してもよい。さらに、シール材とし
ては、加熱加硫又は硬化を要するエラストマー系(加硫
ゴム,熱硬化型液状シール材等)材料や、加熱を要しな
い熱可塑性エラストマー又は常温硬化型液状シール材の
採用が可能である。
【0077】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、以下の効果を得る。 (1)請求項1記載の発明によれば、シール材をセパレ
ータ本体の表裏両面に同時に一体成形することにより、
シール一体型のセパレータを一工程で製造できるように
したので、燃料電池の組立時にセパレータ本体の表裏両
面にこれとは別体をなすシール材を積層させる場合やシ
ール材を塗布する場合に比して、シール材を高精度に位
置決めできると共に、組付工数も大幅に低減する。これ
により、シール性に優れた燃料電池を低コストにて量産
できる。
【0078】(2)請求項2記載の発明によれば、請求
項1に記載した発明の効果に加え、シングルインジェク
ションでセパレータ本体の表裏面に同時にシール材を成
形できるため、低コストで製造できる。
【0079】(3)請求項3記載の発明によれば、請求
項2に記載した発明の効果に加え、各型の凹溝への射出
圧を下げることができるため、シール材の成形性が向上
する。
【0080】(4)請求項4記載の発明によれば、電極
反応面の外側を二重に囲むシール材が互いに独立して機
能し、電極反応面でのシール切れ等のない二重シール一
体型のセパレータを一工程で容易に製造できる。また、
二重のシール材を高精度に位置決めしなければならない
二重シール一体型のセパレータの製造が容易になる。
【0081】(5)請求項5記載の発明によれば、請求
項4に記載した発明の効果に加え、ゲートを少なくで
き、かつ、各型に対して同様の条件でシール材を供給す
ることができるため、低コストで製造できる。
【0082】(6)請求項6記載の発明によれば、請求
項4に記載した発明の効果に加え、連結シール材層によ
り連結された各シール材のセパレータ本体に対する密着
性が高められるため、脱型時におけるセパレータ本体と
の剥離防止性が向上する。また、射出された溶融シール
材の一部が連結シール材層を形成する連結部に供給され
るため、溶融シール材のはみ出し精度管理を緩めること
ができる。さらに、連結シール材層が絶縁層として機能
して、短絡、及び結露短絡を有効に防止できる。
【0083】(7)請求項7記載の発明によれば、請求
項4に記載した発明の効果に加え、射出された溶融シー
ル材の一部が、はみ出し許容部に供給されるため、溶融
シール材のはみ出し精度管理を緩めることができる。
【0084】(8)請求項8記載の発明によれば、請求
項6に記載した発明の効果に加え、シングルインジェク
ションでセパレータ本体の表裏面に同時にシール材を成
形できるため、低コストで製造できる。
【0085】(9)請求項9記載の発明によれば、請求
項6に記載した発明の効果に加え、各型の凹溝への射出
圧を下げることができるため、シール材の成形性が向上
する。
【0086】(10)請求項10記載の発明によれば、
請求項9に記載した発明の効果に加え、シングルインジ
ェクションでセパレータ本体の表裏面に同時にシール材
を成形できるため、低コストで製造できる。
【0087】(11)請求項11記載の発明によれば、
請求項6に記載した発明の効果に加え、一方の型のスプ
ルーから型合わせ面を介して凹溝に溶融シール材が供給
されるため、シール面に余分な供給痕が残ることはなく
製品品質を高めることができる。
【0088】(12)請求項12記載の発明によれば、
請求項11に記載した発明の効果に加え、各型のスプル
ーからゲートを介して凹溝のシール面を形成しない部位
にゲートから凹溝に溶融シール材が供給されるため、シ
ール面には供給痕が残ることはなく、製品品質を高める
ことができる。また、上記型合わせ面を介して溶融シー
ル材を供給する場合に、前記凹溝に対応するスプルーか
らの溶融シール材の供給を併用することで成形性を向上
することができる。
【0089】(13)請求項13記載の発明によれば、
請求項1に記載した発明の効果に加え、各型のスプルー
からゲートを介して凹溝のシール面を形成しない部位に
ゲートから凹溝に溶融シール材が供給されるため、シー
ル面には供給痕が残ることはなく、製品品質を高めるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明により製造されるシール一体型セパレ
ータを備えてなる燃料電池の分解斜視図である。
【図2】 図1のA矢視図である。
【図3】 図1の要部概略断面図である。
【図4】 図1の燃料電池を3組積層してなる燃料電池
スタックの要部概略断面図である。
【図5】 本発明の第1実施形態の実施に使用する金型
の第1構成例を示す断面図である。
【図6】 本発明の第1実施形態の実施に使用する金型
の第2構成例を示す断面図である。
【図7】 本発明の第1実施形態の実施に使用する金型
の第3構成例を示す断面図である。
【図8】 本発明の第1実施形態の実施に使用する金型
の第3構成例の他の態様を示す断面図である。
【図9】 本発明の第1実施形態の実施に使用する金型
の第4構成例を示す断面図である。
【図10】 本発明の第1実施形態の実施に使用する金
型の第5構成例を示す断面図である。
【図11】 本発明の第1実施形態の実施に使用する金
型の第6構成例を示す断面図である。
【図12】 本発明の第2実施形態の実施に使用する金
型の第1構成例であって、第1実施形態の図5に相当す
る断面図である。
【図13】 本発明の第2実施形態の実施に使用する金
型の第1構成例の他御態様であって、第1実施形態の図
8に相当する断面図である。
【図14】 本発明の第2実施形態の実施に使用する金
型の第2構成例であって、第1実施形態の図6に相当す
る断面図である。
【図15】 本発明の第2実施形態の実施に使用する金
型の第3構成例であって、第1実施形態の図10に相当
する断面図である。
【図16】 本発明の第2実施形態の実施に使用する金
型の第4構成例であって、第1実施形態の図11に相当
する断面図である。
【図17】 シール材が固体高分子電解質膜を挟む対称
位置に配置された燃料電池の一従来例を示す要部断面図
である。
【図18】 シール材が固体高分子電解質膜を挟む対称
位置から僅かに横ズレして配置された燃料電池の一従来
例を示す要部断面図である。
【図19】 シール材が固体高分子電解質膜を挟んで内
周側と外周側とに配置された燃料電池の一従来例を示す
要部断面図である。
【図20】 固体高分子電解質膜を挟んで配置されるシ
ール材の一方が他方よりも幅広に設定された燃料電池の
一従来例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
14 カソード側セパレータ 16 アノード側セパレータ 20 カソード電極 22 アノード電極 41 第1のシール材 42 第2のシール材 43 第3のシール材 44 第4のシール材 61a 入口側酸化剤ガス連通孔 61b 出口側酸化剤ガス連通孔 62a 入口側燃料ガス連通孔 62b 出口側燃料ガス連通孔 63a 入口側冷却媒体連通孔 63b 出口側冷却媒体連通孔 91、92、93、94 凹溝 81、88、110、120、130、140、150
上型 82、89、111、121、131、141 、15
1 下型 83a、83b スプルー 84a、84b ランナー 85a、85b ゲート 91a、93a、92a、94a 側部(凹溝のシール
面を形成しない部位) 101,102 連結シール材層 97、98 はみ出し許容部 132 回り込み部 200 型合わせ面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 晋朗 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 安藤 敬祐 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電極反応面又は連通孔の外側を囲むよう
    に配設されるシール材が、燃料電池用セパレータ本体の
    両面に一体化されてなるシール一体型セパレータの製造
    方法であって、 前記セパレータ本体を、その一方の面に設けられるシー
    ル材に対応した位置に凹溝を有する上型と、他方の面に
    設けられるシール材に対応した位置に凹溝を有する下型
    とで挟持しつつ、これら上型の凹溝と下型の凹溝に別々
    のゲートから溶融シール材を射出成形する工程を備える
    ことを特徴とするシール一体型セパレータの製造方法。
  2. 【請求項2】 上記一方の型のゲートは、他方の型のゲ
    ートから分岐したランナーにより型合わせ面を介して他
    方の型のゲートに連通することを特徴とする請求項1に
    記載のシール一体型セパレータの製造方法。
  3. 【請求項3】 セパレータ本体の外周と各型との間に形
    成された回り込み部からシール材を各型の凹溝に供給す
    ることを特徴とする請求項2に記載のシール一体型セパ
    レータの製造方法。
  4. 【請求項4】 少なくとも電極反応面の外側を二重に囲
    むように配設されるシール材が、燃料電池用セパレータ
    本体の両面に一体化されてなるシール一体型セパレータ
    の製造方法であって、 前記セパレータ本体を、その一方の面に設けられるシー
    ル材に対応した位置に凹溝を有する上型と、他方の面に
    設けられるシール材に対応した位置に凹溝を有する下型
    とで挟持しつつ、これら凹溝に各型のゲートから溶融シ
    ール材を供給して射出成形する工程を備えることを特徴
    とするシール一体型セパレータの製造方法。
  5. 【請求項5】 上記一方の型のゲートは、他方の型のゲ
    ートから分岐したランナーにより型合わせ面を介して他
    方の型のゲートに連通することを特徴とする請求項4に
    記載のシール一体型セパレータの製造方法。
  6. 【請求項6】 上記二重に配置されたシール材に連結シ
    ール材層を設けたことを特徴とする請求項4に記載のシ
    ール一体型セパレータの製造方法。
  7. 【請求項7】 上記凹溝にシール材のはみ出しを許容す
    るはみ出し許容部を設けたことを特徴とする請求項4に
    記載のシール一体型セパレータの製造方法。
  8. 【請求項8】 上記一方の型のゲートは、他方の型のゲ
    ートから分岐したランナーにより型合わせ面を介して他
    方の型のゲートに連通することを特徴とする請求項6に
    記載のシール一体型セパレータの製造方法。
  9. 【請求項9】 セパレータ本体の外周と各型との間に形
    成された回り込み部からシール材を各型の凹溝に供給す
    ることを特徴とする請求項6に記載のシール一体型セパ
    レータの製造方法。
  10. 【請求項10】 上記一方の型のゲートは、他方の型の
    ゲートから分岐したランナーにより型合わせ面を介して
    他方の型のゲートに連通することを特徴とする請求項9
    に記載のシール一体型セパレータの製造方法。
  11. 【請求項11】 上記二重に配置されたシール材に連結
    シール材層を設け、上記一方の型から型合わせ面を介し
    て各型の凹溝に連通するスプルーを設けたことを特徴と
    する請求項4に記載のシール一体型セパレータの製造方
    法。
  12. 【請求項12】 上記各凹溝のシール面を形成しない部
    位に各型のスプルーに連通するゲートを設けたことを特
    徴とする請求項11に記載のシール一体型セパレータの
    製造方法。
  13. 【請求項13】 上記供給口を凹溝のシール面を形成し
    ない部位に接続したことを特徴とする請求項1に記載の
    シール一体型セパレータの製造方法。
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