JP5177619B2 - 燃料電池用ガスケット一体部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックの各燃料電池セル間に形成される流路をシールするためのガスケットと、前記燃料電池セルの発電体における厚さ方向両側のＧＤＬが一体化されたガスケット一体部品を製造する方法に関するものである。

燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極複合体）の厚さ方向両側にＧＤＬ（Gas Diffusion Layer：ガス拡散層）を配置した発電体、あるいは電解質膜の両面に、触媒電極層とＧＤＬからなるガス拡散電極層を配置した発電体を、セパレータで挟持して燃料電池セルとし、更にこの燃料電池セルを多数積層した、スタック構造を有する。

そして、酸化ガス（空気）が、各セパレータの一方の面に形成された酸化ガス流路から、一方のＧＤＬを介して発電体のカソード側に供給され、燃料ガス（水素）が、各セパレータの他方の面に形成された燃料ガス流路から、他方のガス拡散層を介して発電体のアノード側に供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって、電力を発生するものである。このため、各燃料電池セルには、燃料ガスや酸化ガス、上述の電気化学反応により生成された水や、余剰空気等をシールするためのガスケットが設けられる。

ガスケットとしては、例えばラバーオンリーで別部材として成形した後で、セパレータに形成された溝に嵌め込むもの、あるいはセパレータに接着するものなどが一般的であるが、組立作業が煩雑で時間がかかる問題がある。

そこで近年は、セパレータ間の発電体の外周部に、合成樹脂フィルムからなる補強枠体を熱圧着等の方法で取り付け、この補強枠体の両面に、両側のセパレータと密接されるガスケットを液状ゴム等で成形することにより、ガスケットを発電体（ＭＥＡ）と一体化して、スタック組立の簡略化を図る方法が採用されている（下記の特許文献参照）。

特許第３０５２５３６号 ＷＯ００／６４９９５ ＷＯ２００２／０４３１７２

しかし、このような方法では、補強枠体の熱圧着に際して発電体が熱的及び機械的ダメージを受ける懸念があり、また、補強枠体と発電体の線膨張係数の差によって、両者間の界面で剥離を生じるおそれもある。しかも、発電体に補強枠体を直接一体化するため、この補強枠体は電気絶縁性である必要があった。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題とするところは、スタック組立の簡略化を図るために、燃料電池セルにおける発電体に補強枠体と共に一体化したガスケットを、補強枠体の熱圧着等による不都合を生じることなく提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池用ガスケット一体部品の製造方法は、厚さ方向両側のＧＤＬを含む発電体を金型内に挟持し、前記発電体の外周部と前記金型の内面との間に画成されたガスケット成形用キャビティ内に、補強枠体を、前記発電体と離間した状態で、前記補強枠体の両面に予め一体に成形されたゴム状弾性材料からなる弾性突部を介して位置決め固定し、前記ガスケット成形用キャビティ内に液状ゴムを充填してその一部を前記ＧＤＬの外周部に含浸させ、この液状ゴムを硬化させると共に前記補強枠体と接着させるものである。なお、ここでいう発電体とは、電解質膜の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極複合体）の厚さ方向両側にＧＤＬを配置したもの、あるいは電解質膜の両面に、触媒電極層とＧＤＬからなるガス拡散電極層を配置したものを総称し、また、ＧＤＬとはガス拡散層（Gas Diffusion Layer）のことであり、触媒電極層が一体化されたガス拡散電極層も含めていう。

請求項１の発明に係る燃料電池用ガスケット一体部品の製造方法によれば、燃料電池セルの発電体における厚さ方向両側のＧＤＬと、その外周側に離間配置された補強枠体が、この補強枠体で補強されるガスケットを介して一体化された構成を備える燃料電池用ガスケット一体部品を得ることができるため、燃料電池スタックの組立を簡素化することができる。また、補強枠体は、発電体の外周側に離間配置され、両者間に絶縁体である液状ゴムの硬化物からなるガスケットが介在しているため、これら発電体と補強枠体との線膨張係数の差による不具合は発生せず、補強枠体の電気特性も問題にならない。

そして金型によるガスケットの成形の際に、補強枠体が、この補強枠体の両面に予め一体に成形されたゴム状弾性材料からなる弾性突部によりガスケット成形用キャビティ内に厚さ方向に対して位置決め固定されるので、ガスケット成形用キャビティへの液状ゴムの射出圧力による補強枠体の変位や変形が抑制され、品質の高い製品を得ることができ、しかも前記弾性突部は、ガスケット成形用キャビティ内で液状ゴムが硬化することにより成形されるガスケットに埋設一体化され、このガスケットの一部となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。まず図１は、本発明に係る燃料電池用ガスケット一体部品の製造方法により製造された燃料電池用ガスケット一体部品を示す部分断面図である。なお、以下の各図では、図中の右側を外周側、左側を内周側とする。

図１に示される燃料電池用ガスケット一体部品において、参照符号１は、燃料電池セルの発電体で、電解質膜１１と、その一方の面に設けられたアノードＧＤＬ１２と、他方の面に設けられたカソードＧＤＬ１３とからなる。アノードＧＤＬ１２及びカソードＧＤＬ１３は、カーボン繊維等からなる多孔質構造のＧＤＬに白金等からなる触媒電極層が一体に形成されたガス拡散電極層であって、請求項１に記載のＧＤＬに相当し、それぞれ触媒電極層が電解質膜１１に密接され、ＧＤＬが燃料電池セルにおけるセパレータに当接される。

発電体１の外周側には補強枠体２が離間配置されている。この補強枠体２は、低硬度のゴム状弾性材料で成形されたガスケット３に埋設されて、このガスケット３を補強するもので、その材質としては、上述のゴム状弾性材料の成形温度（１００〜１５０℃）に耐えられる程度の耐熱性を有するＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）又はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の合成樹脂フィルムや、あるいは薄肉の鋼板（ＳＵＳ）が採用可能である。

ガスケット３は、補強枠体２にその全体を覆うように接合された板状基部３１と、その厚さ方向両側から山形に***し、不図示のセパレータに適当な圧縮状態で密接されるシールリップ３２，３３からなる。そしてこのガスケット３は、前記板状基部３１の内周部におけるゴム状弾性材料の一部が、発電体１のアノードＧＤＬ１２及びカソードＧＤＬ１３の外周部に含浸されており、このゴム含浸部１２ａ，１３ａによって、発電体１（アノードＧＤＬ１２及びカソードＧＤＬ１３）と一体化されている。

以上の構成を備える燃料電池用ガスケット一体部品は、その厚さ方向両側に積層される不図示のセパレータと共に燃料電池セルを構成し、更にこの燃料電池セルが多数積層されて、燃料電池スタックとなる。そして、各燃料電池セルにおいて、発電体１の一側のアノードＧＤＬ１２とこれに対向するセパレータの間に形成されるガス流路には燃料ガス（水素）が供給され、他側のカソードＧＤＬ１３とこれに対向するセパレータの間に形成されるガス流路には酸化ガス（酸素）が供給される。そして、燃料ガスが供給されるアノード側では、水素分子を水素イオンと電子に分解する反応が行われ、酸化ガスが供給されるカソード側では、酸素と水素イオンと電子により水を生成する反応が行われ、これによって起電力を発生するようになっている。

そして、図１の燃料電池用ガスケット一体部品によれば、発電体１に対して流通される燃料ガス、酸化ガスあるいは発電体１における電気化学反応により生成された水や、余剰空気等をシールするためのガスケット３を、発電体１（アノードＧＤＬ１２及びカソードＧＤＬ１３）と一体化したため、燃料電池スタックの組み立てを簡素化することができる。

また、低硬度のガスケット３を補強するために、このガスケット３に埋設一体化された補強枠体２は、発電体１と離間していて、補強枠体２と発電体１の間は、ガスケット３を構成するゴム状弾性材料を介して絶縁されているのであるから、補強枠体２には、合成樹脂フィルムだけでなく、薄肉の鋼板（ＳＵＳ）などのような導電性を有する金属板を用いても問題はない。しかも、発電体１と補強枠体２の線膨張係数の差による歪は、両者間に介在するゴム状弾性材料によって吸収されるから、ガスケット３と補強枠体２の接着面の界面剥離なども生じない。したがって、補強枠体２の材料選択の自由度が広がる。

図２、図３及び図４は、図１の燃料電池用ガスケット一体部品を製造する方法を示すものである。このうち、図２は、補強枠体２の両面に弾性突部４を一体に成形した状態を示す部分断面図である。

すなわち、まず図２に示されるように、既述の合成樹脂フィルムあるいは薄肉の金属板で製作した補強枠体２の両面に、低粘度の液状ゴムＡを用いて、シルクスクリーン印刷法、ディスペンサー法、あるいはブレード法により、ゴム状弾性材料からなる断続した弾性突部４を所定間隔で成形する。この場合、液状ゴムＡとしては、硬化によって補強枠体２に対する接着性を発現するものが用いられるが、そうでない場合は、補強枠体２に予め接着剤を塗布しておけば良い。なお、液状ゴムＡに用いられる材料としては、液状ＥＰＤＭ、液状フッ素ゴム、液状シリコーンゴム、液状アクリルゴムなどが挙げられ、このうち、補強枠体２に対する接着性を発現する液状ゴムとしては、液状シリコーンゴム（例えば選択接着性液状シリコーンゴム Ｘ−３４シリーズ：信越化学工業）や、液状フッ素ゴム（例えば自己接着性液状フッ素ゴム ＳＩＦＥＬ６００シリーズ：信越化学工業）、あるいは液状ＥＰＤＭを用いることができる。

また、補強枠体２の両面に、必要に応じて例えばシルクスクリーン印刷法などにより接着剤層を設け、この接着剤層上に、ゴムインク（未加硫ゴムコンパウンドを有機溶媒に分散させたもの）を、シルクスクリーン印刷法などによって塗布し、これを乾燥・加硫することによっても、弾性突部４を成形することができる。なお、補強枠体２からの弾性突部４の突出高さｈは、図１に示されるガスケット３の板状基部３１のゴム厚さｔより僅かに大きいものとする。

次に図３は、金型内に、発電体及び補強枠体をセットした状態を示す部分断面図、図４は、金型内に液状ゴムを充填して、ガスケットを発電体及び補強枠体と一体的に成形する過程を示す部分断面図である。

図３において、参照符号５は上型５１と下型５２からなる金型である。互いに接離される上型５１と下型５２の対向面間には、発電体１を型締めによって挟持可能な挟持面５１ａ，５２ａが形成されると共に、その外周側に、発電体１の外周部との間でガスケット成形用キャビティ５３が画成されるようになっている。また、上型５１には、ガスケット成形用キャビティ５３へ液状ゴムを充填するためのゲート５４が、ガスケット成形用キャビティ５３の基部成形部５３１へ向けて開設されている。

ガスケット成形用キャビティ５３は、図１の燃料電池用ガスケット一体部品におけるガスケット３と対応する形状であって、すなわち、ガスケット３の板状基部３１と対応する形状の扁平な基部成形部５３１と、ガスケット３のシールリップ３２，３３と対応する形状のシールリップ成形部５３２，５３３とからなる。そして型締め時には、挟持面５１ａ，５２ａ間からその外周側へはみ出した発電体１（アノードＧＤＬ１２及びカソードＧＤＬ１３）の外周部が、ガスケット成形用キャビティ５３の基部成形部５３１における上型５１と下型５２の内面に、僅かな隙間Ｇ１，Ｇ２を介して対向されるようになっている。

上述の金型５によって、図１の燃料電池用ガスケット一体部品を一体成形するに際しては、まず、下型５２の挟持面５２ａ上に、電解質膜１１とその両面に積層されたアノードＧＤＬ１２及びカソードＧＤＬ１３からなる発電体１を位置決めセットすると共に、その外周側の、型締めによってガスケット成形用キャビティ５３となる位置に、図２に示される工程によって両面に弾性突部４を形成した補強枠体２を、発電体１と離間した状態で位置決めセットする。そしてこの状態で、上型５１と下型５２を型締めすることによって、発電体１が、挟持面５１ａ，５２ａ間に挟持されると共に、この発電体１の外周部と上型５１及び下型５２の内面との間に画成されるガスケット成形用キャビティ５３内に、補強枠体２が位置決め固定される。

先に説明したように、予め補強枠体２に成形された弾性突部４の突出高さｈ（図２参照）は、図１に示されるガスケット３の板状基部３１のゴム厚さｔより僅かに大きく、言い換えれば、図３に示されるガスケット成形用キャビティ５３の基部成形部５３１の厚さ方向の寸法ｔ’より僅かに大きいため、型締め状態では、各弾性突部４が、適当に圧縮された状態で上型５１及び下型５２の内面に接触する。このため、補強枠体２は、ガスケット成形用キャビティ５３の基部成形部５３１内における厚さ方向中間位置に、両側の弾性突部４を介して位置決めされた状態に支持される。

次に図４に示されるように、上型５１に開設されたゲート５４を介して、ガスケット成形用キャビティ５３へ液状ゴムＢを射出・充填する。液状ゴムＢとしては、硬化によって補強枠体２に対する接着性を発現するものが用いられるが、そうでない場合は、補強枠体２を金型５内にセットする前に、この補強枠体２に予め接着剤を塗布しておけば良い。なお、液状ゴムＢとしては、液状ＥＰＤＭ、液状フッ素ゴム、液状シリコーンゴム、液状アクリルゴムなどが挙げられ、このうち、補強枠体２に対する接着性を発現する液状ゴムとしては、液状シリコーンゴム（例えば選択接着性液状シリコーンゴム Ｘ−３４シリーズ：信越化学工業）や、液状フッ素ゴム（例えば自己接着性液状フッ素ゴム ＳＩＦＥＬ６００シリーズ：信越化学工業）、あるいは液状ＥＰＤＭを用いることができる。

ガスケット成形用キャビティ５３内の補強枠体２は、その両面に予め所定間隔で一体に設けられた弾性突部４によって基部成形部５３１の厚さ方向中間位置に支持されているので、ゲート５４から流れ込む液状ゴムＢの流圧等による撓みや変位が有効に抑制される。また、弾性突部４は断続して形成されているので、液状ゴムＢは成形用キャビティ５３内の全域に流れ込んで賦形される。

ゲート５４から流れ込む液状ゴムＢは低粘度であるため、一部は射出圧力によって、発電体１におけるアノードＧＤＬ１２及びカソードＧＤＬ１３の外周部へ、その端面から直接、及び図３に示される隙間Ｇ１，Ｇ２を介して含浸される。そして、この液状ゴムＢは、ガスケット成形用キャビティ５３内で硬化することによって、その内面形状と対応する形状のガスケット３となるものであり、補強枠体２を埋設した状態に接着一体化すると共に、内周部が、発電体１のアノードＧＤＬ１２及びカソードＧＤＬ１３の外周部に含浸された状態で硬化した部分（ゴム含浸部１２ａ，１３ａ）を介して発電体１と一体化される。また、補強枠体２に予め成形された弾性突部４は、硬化する液状ゴムＢと接合一体化され、ガスケット３の一部となる。

そして、上述のように、ガスケット３の成形過程における補強枠体２の撓みや変位が有効に抑制されるので、この補強枠体２の厚さ方向両側のゴム厚が略同等になり、安定したシール性を発揮するガスケット３を成形することができる。

なお、先に説明したように、補強枠体２の両面に予め所定間隔で一体に設けられた弾性突部４は、図３に示される型締め状態において適宜圧縮されるため、ガスケット３の成形後に金型５の上型５１と下型５２を型開きすると、ガスケット３の板状基部３１のうち弾性突部４に相当する部分４’が、圧縮反力によって***しようとする。そして、上述のようにして得られた燃料電池用ガスケット一体部品を、不図示のセパレータと共に積層して燃料電池スタックとして組み立てたときに、前記部分４’による***部がセパレータと接触した場合は、それによってシールリップ３２，３３の反発特性が損なわれるおそれがある。

したがって、燃料電池スタックとして組み立てた状態において、各セルのプレートクリアランスの大きさが、想定される最小値の場合でも、ガスケット３の板状基部３１のうち弾性突部相当部分４’による***部がセパレータと接触することのないように、図２に示される弾性突部４の成形高さｈを規定し、同様の理由から、この弾性突部４の成形に用いられる液状ゴムＡは、その硬化物が、キャビティ５３内へ射出される液状ゴムＢの硬化物よりも低硬度となるものが望ましい。

また、弾性突部４の形成間隔は、液状ゴムＢの流圧等による撓みや変位を有効に防止する観点から、１０〜２０ｍｍ程度とすることが望ましい。

本発明に係る燃料電池用ガスケット一体部品の製造方法により製造された燃料電池用ガスケット一体部品を示す部分断面図である。 図１の燃料電池用ガスケット一体部品を製造する方法において、補強枠体の両面に弾性突部を一体に成形した状態を示す部分断面図である。 図１の燃料電池用ガスケット一体部品を製造する方法において、金型内に、発電体及び補強枠体をセットした状態を示す部分断面図である。 図１の燃料電池用ガスケット一体部品を製造する方法において、金型内に液状ゴムを充填して、ガスケットを発電体及び補強枠体と一体的に成形する過程を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 発電体
１１ 電解質膜
１２ アノードＧＤＬ（ＧＤＬ）
１２ａ，１３ａ ゴム含浸部
１３ カソードＧＤＬ
２ 補強枠体
３ ガスケット
４ 弾性突部
５ 金型
５１ 上型
５１ａ，５２ａ 挟持面
５２ 下型
５３ ガスケット成形用キャビティ
５４ ゲート
Ａ，Ｂ 液状ゴム
Ｇ１，Ｇ２ 隙間

Claims (1)

1. 厚さ方向両側のＧＤＬ（１２，１３）を含む発電体（１）を金型（５）内に挟持し、前記発電体（１）の外周部と前記金型（５）の内面との間に画成されたガスケット成形用キャビティ（５３）内に、補強枠体（２）を、前記発電体（１）と離間した状態で、前記補強枠体（２）の両面に予め一体に成形されたゴム状弾性材料からなる弾性突部（４）を介して位置決め固定し、前記ガスケット成形用キャビティ（５３）内に液状ゴム（Ｂ）を充填してその一部を前記ＧＤＬ（１２，１３）の外周部に含浸させ、この液状ゴム（Ｂ）を硬化させると共に前記補強枠体（２）と接着させることを特徴とする燃料電池用ガスケット一体部品の製造方法。

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