JP7424877B2 - ゴムシールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ゴムシールの製造方法に関する。

燃料電池は、アノード電極、固体高分子電解質膜及びカソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟持するバイポーラ板である一対の金属セパレータとを備える。金属セパレータは、ＭＥＡとの接触箇所の間に、発電に使用する反応ガスを流通するための流路を有し、またＭＥＡとの間でシールを形成して反応ガスの漏れを防止する。

この種の金属セパレータの中には、上記のシールを形成するために、セパレータ面から一体でメタルビード（ビードベース）を突出させたものがある（特許文献１参照）。また、特許文献１に開示されている金属セパレータのビードベースには、スクリーン印刷によりマイクロシール（ゴムシール）が設けられる。

米国特許出願公開第２０１８／０２１２２５９号明細書

スクリーン印刷では、ビードベース形成後のワークをスクリーンの下方にセットしてスクリーンの開口をビードベースに対向させた後、ゴム形成用の液状材料をスクリーン上に充填し、スクリーンの面方向にスキージを移動させる。スクリーンの開口は、複数の金属細線が交差したメッシュを露出している。スキージは、開口の通過時にメッシュの開孔を通して液状材料を下方に押し出すことで、ビードベースに液状材料を塗布する。

ところで、メッシュは、通常、複数の金属細線が均等的に配置されて交差していることで、複数の略同じ形状の開孔が並んだ網目となっている。しかしながら液状材料を厚く塗布しようとすると、メッシュは、スキージの通過時の押圧や撓み等の要因によって金属細線にずれが生じることがある。これにより、正常な開孔の形状が変形し、開孔形状にばらつきが発生して各開孔を通る液状材料の量に差が生じ、塗布されるゴムシールの厚みや形状が不安定となる不都合が生じていた。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、簡単な構成によってスクリーン印刷時のメッシュの正常な形状を維持して、厚み及び形状の安定性が改善されたゴムシールを効率的に製造することができるゴムシールの製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、凸部を有するワークの上方に、開口を有するスクリーンを配置して、前記開口を通してゴムシール形成用の液状材料を前記凸部の頂部に塗布するゴムシールの製造方法であって、前記スクリーンは、前記開口にて露出したメッシュを有し、前記開口から露出した前記メッシュは、互いに交差した複数の金属細線からなるメッシュ本体と、前記複数の金属細線の交差箇所で当該金属細線同士を固着した固着部とを有する。

上記のゴムシールの製造方法は、簡単な構成によってスクリーン印刷時のメッシュの正常な形状を維持して、厚み及び形状の安定性が改善されたゴムシールを効率的に製造することができる。

本発明の一実施形態に係るゴムシールの製造方法が適用される金属セパレータ及び、金属セパレータが適用される燃料電池の分解斜視図である。 ゴムシールを有するシール用ビードの断面図である。 ゴムシールを形成するスクリーン印刷装置の部分断面図である。 図４Ａは、スクリーンのメッシュを拡大して示す部分平面図である。図４Ｂは、図４ＡのＩＶＢ－ＩＶＢ線の概略断面図である。 図５Ａは、金属セパレータの製造方法を示すフローチャートである。図５Ｂは、スクリーンの製造方法を示すフローチャートである。 図６Ａは、第１凸部形成工程の動作を示す説明図である。図６Ｂは、ビードベース上に第１凸部が形成された状態を示す説明図である。 図７Ａは、第２凸部形成工程の動作を示す説明図である。図７Ｂは、ビードベース上に第２凸部が形成された状態を示す説明図である。 比較例に係るスクリーンを使用した際のメッシュを拡大して示す部分平面図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係るゴムシール７０の製造方法として、図１及び図２に示すように、燃料電池１２（発電セル）の金属セパレータ１０のシール用ビード５０に対してゴムシール７０を形成する場合について説明する。なお、本発明は、金属セパレータ１０のゴムシール７０の製造方法に限定されず、凸部を有し、当該凸部の頂部にゴムシール７０が形成される種々のワークに対して適用することができる。

燃料電池１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４（以下、樹脂枠付きＭＥＡ１４という）を一対の金属セパレータ１０（１１Ａ、１１Ｂ）で挟み込むことにより構成される。燃料電池１２は、一方の金属セパレータ１１Ａと樹脂枠付きＭＥＡ１４の間に水素等の燃料ガスを流通する一方で、他方の金属セパレータ１１Ｂと樹脂枠付きＭＥＡ１４の間に酸素等の酸化剤ガスを流通し、これら燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う。

例えば、燃料電池１２は、矢印Ｂ方向に沿って横長（又は縦長）の長方形状を呈している。また燃料電池１２は、矢印Ｂ方向に横長（又は縦長）の長方形状に形成されている。この燃料電池１２は、複数用意されて、矢印Ａ方向に積層されることにより、図示しない燃料電池スタックに構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用として燃料電池車両に搭載される。

金属セパレータ１０と共に燃料電池１２を構成する樹脂枠付きＭＥＡ１４は、電解質膜・電極構造体２０（以下、「ＭＥＡ２０」という）と、ＭＥＡ２０の矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向の外周部に接合されて当該外周部を周回する樹脂枠部材２８とを備える。なお、燃料電池１２は、樹脂枠部材２８を用いることなく、後記の電解質膜２２を電極２４、２６の外方（矢印Ｂ方向且つ矢印Ｃ方向）に突出させた構成でもよい。

ＭＥＡ２０は、電解質膜２２と、電解質膜２２の一方面に設けられるアノード電極２４と、電解質膜２２の他方面に設けられるカソード電極２６とを有する。電解質膜２２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜２２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

アノード電極２４及びカソード電極２６の各々は、電解質膜２２の一方面に接合される電極触媒層と、電極触媒層に積層されるガス拡散層とを有する（共に不図示）。電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダと共にガス拡散層の表面に一様に塗布されることで形成される。ガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。

樹脂枠部材２８は、一定の厚さを有するフィルムから形成される。樹脂枠部材２８の内周は、アノード電極２４の外周部とカソード電極２６の外周部との間に挟持される。樹脂枠部材２８は、電解質膜２２の形成範囲を小さくすることで製造コストを低廉化すると共に、金属セパレータ１０と樹脂枠部材２８との間の接触圧を適切に調整する。樹脂枠部材２８を構成する材料としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン、フッ素、又はｍ－ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等が適用される。

金属セパレータ１０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、又はその金属表面に防食用の表面処理を施した金属プレートをプレスして断面を凹凸に形成して構成される。金属セパレータ１０（金属プレート）の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば５０μｍ～５００μｍの範囲に設定されるとよく、本実施形態では略１００μｍとしている。

一対の金属セパレータ１０は、上記したように、樹脂枠付きＭＥＡ１４の面方向に沿って反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を流通させる反応ガス流路１６を形成する。以下、樹脂枠付きＭＥＡ１４の一方面に積層される金属セパレータ１０を第１セパレータ１１Ａともいい、樹脂枠付きＭＥＡ１４の他方面に積層される金属セパレータ１０を第２セパレータ１１Ｂともいう。一の燃料電池１２の第１セパレータ１１Ａと、他の燃料電池１２の第２セパレータ１１Ｂとは、燃料電池１２の積層に伴って相互に接触し合う。そのため、複数の燃料電池１２の積層時に、第１及び第２セパレータ１１Ａ、１１Ｂは、その外周同士が溶接、ろう付け、かしめ等により接合されて一体的な接合セパレータに構成され、樹脂枠付きＭＥＡ１４に積層される。

第１セパレータ１１Ａは、燃料ガスを流動させる燃料ガス流路３０（反応ガス流路１６）を、樹脂枠付きＭＥＡ１４のアノード電極２４に対向する面１１Ａａに備える。燃料ガス流路３０は、第１セパレータ１１Ａの矢印Ｂ方向（水平方向）に延在する複数本の突条部３１間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。

第２セパレータ１１Ｂは、酸化剤ガスを流動させる酸化剤ガス流路３２（反応ガス流路１６）を、樹脂枠付きＭＥＡ１４のカソード電極２６に対向する面１１Ｂａに備える（図１中では、便宜的にカソード電極２６上に酸化剤ガスの流通方向を図示している）。酸化剤ガス流路３２は、第２セパレータ１１Ｂの矢印Ｂ方向（水平方向）に延在する複数本の突条部３３間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。

また、第１セパレータ１１Ａと第２セパレータ１１Ｂとが接触し合う面１１Ａｂ、１１Ｂｂの間には、冷媒（例えば、水）を流通させる冷媒流路３４が形成される。冷媒流路３４は、第１セパレータ１１Ａの燃料ガス流路３０の裏面形状と、第２セパレータ１１Ｂの酸化剤ガス流路３２の裏面形状とが重なり合うことで形成される。

さらに、燃料電池１２（第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材２８）には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を矢印Ａ方向に流通させる流体連通孔３６が複数設けられる。燃料電池１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、流体連通孔３６として１つの燃料ガス入口連通孔３８ａ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び２つの冷媒入口連通孔４２ａが設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び２つの冷媒入口連通孔４２ａは、第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材２８の各々を矢印Ａ方向に貫通している。

燃料ガス入口連通孔３８ａは、上下方向（矢印Ｃ方向）に５つ並ぶ流体連通孔３６の真中に形成されている。燃料ガス入口連通孔３８ａは、第１セパレータ１１Ａの燃料ガス流路３０に連通し、燃料ガス流路３０に燃料ガスを流入させる。

２つの冷媒入口連通孔４２ａは、燃料ガス入口連通孔３８ａの上下に隣接し、この燃料ガス入口連通孔３８ａを間に挟む位置に形成されている。各冷媒入口連通孔４２ａは、第１及び第２セパレータ１１Ａ、１１Ｂ間の冷媒流路３４に連通し、冷媒流路３４に冷媒を流入させる。

２つの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂは、上側の冷媒入口連通孔４２ａよりも上側位置と、下側の冷媒入口連通孔４２ａよりも下側位置とに配置され、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び２つの冷媒入口連通孔４２ａを間に挟んでいる。各酸化剤ガス出口連通孔４０ｂは、第２セパレータ１１Ｂの酸化剤ガス流路３２に連通し、酸化剤ガス流路３２から酸化剤ガスを流出させる。

燃料電池１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部には、流体連通孔３６として１つの酸化剤ガス入口連通孔４０ａと、２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂと、２つの冷媒出口連通孔４２ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び２つの冷媒出口連通孔４２ｂは、第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材２８の各々を矢印Ａ方向に貫通している。

酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、矢印Ｃ方向に５つ並ぶ流体連通孔３６の真中に形成されている。酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、第２セパレータ１１Ｂの酸化剤ガス流路３２に連通し、酸化剤ガス流路３２に酸化剤ガスを流入させる。

２つの冷媒出口連通孔４２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａの上下に隣接し、酸化剤ガス入口連通孔４０ａを間に挟んでいる。各冷媒出口連通孔４２ｂは、第１及び第２セパレータ１１Ａ、１１Ｂ間の冷媒流路３４に連通し、冷媒流路３４から冷媒を流出させる。

２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂは、上側の冷媒出口連通孔４２ｂよりも上側位置と、下側の冷媒出口連通孔４２ｂよりも下側位置とに配置され、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び２つの冷媒出口連通孔４２ｂを間に挟んでいる。各燃料ガス出口連通孔３８ｂは、第１セパレータ１１Ａの燃料ガス流路３０に連通し、燃料ガス流路３０から燃料ガスを流出させる。

なお、流体連通孔３６（燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、冷媒入口連通孔４２ａ、冷媒出口連通孔４２ｂ）の位置や数、形状等は、要求される仕様に応じて適宜設定されればよい。また、燃料電池１２は、他の流体連通孔３６として、第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材２８の各々を矢印Ａ方向に貫通する第１ドレン孔４４及び第２ドレン孔４６を備える。第１ドレン孔４４は、燃料電池１２の発電時に、カソード側に生じた生成水を排出する。第２ドレン孔４６は、燃料電池１２の発電時に、アノード側に生じた生成水を排出する。

そして、第１セパレータ１１Ａは、基部４８と、基部４８から一体で突出した第１ビード部５２（シール用ビード５０）とを備える。第１ビード部５２は、面１１Ａａから樹脂枠部材２８に向かって突出し、当該樹脂枠部材２８に接触してシールを形成する。第１ビード部５２は、第１セパレータ１１Ａの外縁近くを周回する外側ビード５２ａと、この外側ビード５２ａの内側で燃料ガス流路３０、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲う内側ビード５２ｂとを有する。また、第１ビード部５２は、外側ビード５２ａと内側ビード５２ｂの間で、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、冷媒入口連通孔４２ａ、冷媒出口連通孔４２ｂ、第１ドレン孔４４、第２ドレン孔４６を各々囲う連通孔ビード５２ｃを有する。

第２セパレータ１１Ｂは、基部４８と、基部４８から一体で突出した第２ビード部５４（シール用ビード５０）とを備える。第２ビード部５４は、面１１Ｂａから樹脂枠付きＭＥＡ１４に向かって突出し、当該樹脂枠部材２８に接触してシールを形成する。第２ビード部５４は、第２セパレータ１１Ｂの外縁近くを周回する外側ビード５４ａと、この外側ビード５４ａの内側で酸化剤ガス流路３２、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂを囲う内側ビード５４ｂとを有する。また、第２ビード部５４は、外側ビード５４ａと内側ビード５４ｂの間で、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔４２ａ、冷媒出口連通孔４２ｂ、第１ドレン孔４４、第２ドレン孔４６を各々囲う連通孔ビード５４ｃを有する。

シール用ビード５０（第１及び第２ビード部５２、５４）は、図２に示すように金属セパレータ１０の厚み方向に沿った断面視で、基部４８から突出する略台形状に形成されている。基部４８は、金属セパレータ１０の基準の平面（プレート面）を構成する薄板部である。シール用ビード５０は、この基部４８に連なる（金属セパレータ１０に一体成形された）ビードベース６０と、ビードベース６０上に設けられるゴムシール７０（マイクロシール）とを有する。

具体的には、ビードベース６０は、金属セパレータ１０に連なる一対の傾斜部６２と、一対の傾斜部６２の上端を架橋する頂部６４とを有し、頂部６４の幅方向中央部を中心に対称形状に形成されている。一対の傾斜部６２及び頂部６４の厚みは、金属セパレータ１０の基部４８の厚み（本実施形態では１００μｍ）と略一致している。

本実施形態において、頂部６４は、金属セパレータ１０の面１１Ａａ、１１Ｂａに略平行な平坦部６４ａと、平坦部６４ａの幅方向両側で一対の傾斜部６２にそれぞれ連なる一対の湾曲部６４ｂとを有する。なお、ビードベース６０は、頂部６４を円弧状に形成した構成でもよく、またビードベース６０（一対の傾斜部６２及び頂部６４）全体を円弧状に形成した構成でもよい。ビードベース６０は、断面視で非対称形状に形成されていてもよい。

ビードベース６０の根元部分の幅Ｗｂ（各傾斜部６２が基部４８に接続している箇所間の距離）は、例えば、２．０ｍｍ～４．０ｍｍの範囲に設定される。ビードベース６０の頂部６４の幅Ｗａ（各傾斜部６２が頂部６４に接続している箇所間の距離）は、例えば、１．０ｍｍ～３．５ｍｍの範囲に設定される。またビードベース６０の突出高さＨは、ビードベース６０の根元部分の幅Ｗｂに対して１０％～３５％の範囲に設定される。このビードベース６０は、金属セパレータ１０の反応ガス流路１６がプレス成形される際に、同時にプレス成形される。なお、ビードベース６０は、反応ガス流路１６の形成工程とは別の工程で形成されてもよい。

一方、ゴムシール７０は、金属セパレータ１０の厚み方向に沿った断面視で、成形後のビードベース６０の頂部６４よりも突出するように設けられる。ゴムシール７０は、スクリーン印刷によってゴムシール形成用の液状材料（ゲル状、半固形状を含む）がビードベース６０に塗布されて硬化することにより、適宜の厚み（膜厚）を持った略台形状に形成される。

ゴムシール７０の膜厚は、第１及び第２ビード部５２、５４のシール性を高めるために、通常の凸版印刷等により塗布されるインキの厚み（１０μｍ以下）よりも充分に厚く形成される。例えば、ゴムシール７０の膜厚（ビードベース６０の頂部６４から突出端面７８の最頂部までの距離）は、４０μｍ～１５０μｍの範囲に設定されるとよく、より好ましくは６０μｍ～９０μｍの範囲であるとよい。本実施形態に係るゴムシール７０は略７２μｍの厚みに設定されている。

そして、本実施形態に係るゴムシール７０は、金属セパレータ１０（ゴムシール７０）の厚み方向に沿った断面視で、断面形状として頂部６４の幅方向中央部に第１凸部７２（下層）を有すると共に、第１凸部７２の外側で当該第１凸部７２を覆う第２凸部７４（上層）を有する。つまり、ゴムシール７０は、ビードベース６０に対して第１凸部７２を先に形成した後、第１凸部７２を有するビードベース６０に対して第２凸部７４を形成することで多層構造に構成される。

第１凸部７２は、頂部６４の上面との接触部分（根元部分７２ａ）が幅広で、この根元部分７２ａから突出方向に向かって幅狭となり、頂点７２ｂの周囲が円弧状を呈して形成される。例えば、第１凸部７２の膜厚（頂部６４の上面から頂点７２ｂまでの高さ）は、ゴムシール７０全体の膜厚に対して２／３～９／１０の割合に設定されることが好ましい。第１凸部７２の具体的な膜厚としては、例えば、４０μｍ～７０μｍの範囲であるとよく、本実施形態では略６０μｍに設定している。また、第１凸部７２の根元部分７２ａの幅は、頂部６４の幅に対して１５％～８５％の割合に設定されることが好ましい。根元部分７２ａの具体的な幅としては、０．５ｍｍ～０．９ｍｍの範囲に設定されるとよく、本実施形態では０．７ｍｍに設定している。

第２凸部７４は、第１凸部７２に塗布されて当該第１凸部７２よりも幅広に形成されることで、その内側が第１凸部７２の表面全体に密着した形状となる。第２凸部７４は、ゴムシール７０の外観を構成し、その膜厚は上記したゴムシール７０の膜厚に一致する。断面視において、第２凸部７４を構成するゴム材料の量は、第１凸部７２を構成するゴム材料よりも多い。

第２凸部７４の外面は、一対の傾斜側面７６と、一対の傾斜側面７６の上端の間を延在する突出端面７８とを有する。突出端面７８は、幅方向中央部にビードベース６０側に僅かに窪む窪み部７８ａと、幅方向両側の各々に僅かに***する***部７８ｂとを有するが、概ね平坦状に形成される。すなわち、ゴムシール７０は、第１凸部７２が第２凸部７４の幅方向中央部を支持することで、窪み部７８ａの最底部と一対の***部７８ｂの最頂部との高低差が充分に小さく（ゴムシール７０の膜厚に対して約５％以下に）形成される。また、一対の***部７８ｂにおける最頂部間の間隔（第２凸部７４の突出端面７８の幅）は、１．７ｍｍ～３．０ｍｍに範囲に設定され、この区間が略平坦となっている。一対の傾斜側面７６と突出端面７８とは湾曲部により滑らかに接続される。

第１凸部７２と第２凸部７４は、同じ弾性率を有するゴム材料により構成される。ゴムシール７０を構成するゴム材料（樹脂材料）としては、シリコーン、ウレタン、フッ素等の熱硬化性エラストマー、熱可塑性エラストマー、又は他のエラストマー、或いは合成ゴム、天然ゴム等があげられ、本実施形態ではシリコーンを適用している。

また、第１凸部７２を構成するゴム形成用の液状材料と、第２凸部７４を構成するゴム形成用の液状材料は、異なる粘度（物性）に設定されている。第１凸部７２は、第１粘度を有する第１液状材料で塗布される一方で、第２凸部７４は、第１粘度よりも粘度が低い第２の粘度を有する第２液状材料で塗布される。第１液状材料と第２液状材料は、ゴムシール７０を構成するメインのゴム材料（シリコーン）に対して粘度調整剤（ゼラチン等の増粘剤、シンナー等の希釈剤）の量を適宜調整することで、相互に相違するように構成される。例えば、第１凸部７２の高粘度樹脂材料の粘度は、回転粘度計で測定して１０ＰａＳ～５０ＰａＳの範囲に設定されるとよい。その一方で、第２凸部７４の低粘度樹脂材料の粘度は、回転粘度計で測定して５ＰａＳ～２０ＰａＳの範囲で設定されるとよい。

次に図３を参照して、ビードベース６０上にゴムシール７０を形成するスクリーン印刷装置８０について説明する。なお、ゴムシール７０は、上記したように第１凸部７２の塗布後に第２凸部７４を塗布して形成される。このためスクリーン印刷装置８０も、第１凸部７２を形成する第１スクリーン印刷装置８０Ａと、第２凸部７４を形成する第２スクリーン印刷装置８０Ｂとで異なる装置を適用している（図３は代表的に第１スクリーン印刷装置８０Ａを示している）。

スクリーン印刷装置８０は、ワークＷ（ビードベース６０が形成されている一方で、ゴムシール７０が形成されていない凹凸プレートを有する金属セパレータ１０）を配置及び固定する印刷台８２を備える。また、スクリーン印刷装置８０は、印刷台８２上にセットされたワークＷの上方に配置するスクリーン８４（製版）と、このスクリーン８４上を移動するスキージ８６とを備える。

スクリーン８４は、ワークＷの形状に対応した長方形状の枠体（不図示）の内側に、ワークＷを覆う覆い部８８を有すると共に、シール用ビード５０の対向位置に開口９０（印刷パターン）を有する。覆い部８８は、枠体の内側に張られたメッシュ９２（紗）と、メッシュ９２の網目を埋めるように塗布された乳剤９４とで構成される。開口９０は、乳剤９４が塗布されていないことでメッシュ９２を露出させている。スクリーン８４は、移動中のスキージ８６の押圧に伴って下方向に弾性変形し、スキージ８６の通過後に弾性復元するように構成される。

第１凸部７２を形成する第１スクリーン印刷装置８０Ａは、スクリーン８４として第１スクリーン８４Ａを有する。第１スクリーン８４Ａの開口９０は、厚みが第１凸部７２の膜厚に略一致し、幅が第１凸部７２（根元部分７２ａ）の幅に略一致する。一方、第２凸部７４を形成する第２スクリーン印刷装置８０Ｂは、スクリーン８４として第２スクリーン８４Ｂを有する。第２スクリーン８４Ｂの開口９０は、厚みが第２凸部７４の膜厚に略一致し、幅が第２凸部７４（一対の傾斜側面７６の下端部）の幅に略一致する（図７Ｂも参照）。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、メッシュ９２は、複数の金属細線９６を織り込んだ格子状のメッシュ本体９３を有する。詳細には、メッシュ本体９３は、第１方向に沿って等間隔に並ぶ複数の金属細線９６（第１金属線９６ａ）と、第１方向に直交する第２方向に沿って等間隔に並ぶ複数の金属細線９６（第２金属線９６ｂ）とを交差して構成される。各金属細線９６は、断面円形状に形成され、枠体内を略直線状に延在して、その両端部がスクリーン８４の枠体に固定される。なお、各金属細線９６の延在方向は、スクリーン８４の辺（枠体）の延在方向に対して傾斜してもよい。

メッシュ本体９３の金属細線９６の織パターンは、特に限定されず、平織、綾織等を適宜採用してよい。本実施形態のメッシュ本体９３は平織を採用している。各金属細線９６の線径は、２０μｍ～４０μｍ程度の範囲に設定されることが好ましい。また、第１スクリーン８４Ａの金属細線９６の線径は、第２スクリーン８４Ｂの金属細線９６の線径よりも大きいことが好ましい。金属細線９６を構成する金属材料は、特に限定されるものではないが、ステンレス鋼、アルミ、真鍮、鉄、ニッケル、チタン、タングステン、モリブデン等を適用するとよい。

複数の金属細線９６同士が格子を形成することで、各金属細線９６の間には方形状の開孔９７（網目）が形成されている。各開孔９７は互いに同じ大きさに設定されている。メッシュ９２（メッシュ本体９３）の開口率（メッシュ９２全体の面積に対する各開孔９７の面積の割合）は、５０％～８０％の範囲に設定されることが好ましい。メッシュ９２のメッシュ数（１インチ間の開孔９７の数）は、金属細線９６の線径や開口率にもよるが、１５０～３００の範囲に設定されることが好ましい。

また、第１スクリーン８４Ａを構成する第１メッシュ９２Ａの開口率は、第２スクリーン８４Ｂを構成する第２メッシュ９２Ｂの開口率よりも大きく設定されている。すなわち、第１メッシュ９２Ａの各開孔９７の面積は、第２メッシュ９２Ｂの各開孔９７の面積よりも大きい。

そして、本実施形態に係るスクリーン８４（第１及び第２スクリーン８４Ａ、８４Ｂ）は、第１方向の複数の第１金属線９６ａと第２方向の複数の第２金属線９６ｂとの交差箇所に固着部９８を有する。固着部９８は、適宜の固着方法により、交差している第１金属線９６ａと第２金属線９６ｂを互いに固定することで相対移動を規制する。

固着部９８は、各第１金属線９６ａと各第２金属線９６ｂの交差状態（格子状に織り込んだ状態）でメッキ処理を実施することで形成するとよい。例えば、メッキ処理としては、無電解メッキがあげられる。無電解メッキは、還元剤を含むメッキ液（例えば、ニッケル）にメッシュ本体９３を浸漬させて第１金属線９６ａと第２金属線９６ｂの各々の表面にメッキ被膜９６ａ１、９６ｂ１を析出させる。この際、各第１金属線９６ａと各第２金属線９６ｂの交差箇所は、各第１金属線９６ａのメッキ被膜９６ａ１と各第２金属線９６ｂのメッキ被膜９６ｂ１とが連続した状態となる。これにより各第１金属線９６ａと各第２金属線９６ｂ同士が適宜の接合力で固着される。

なお、固着部９８の形成手段（金属細線９６の固着方法）は、種々の方法を採ることが可能であり、電気メッキ等の他のメッキ処理を実施してもよい。また例えば、固着部９８は、メッキ処理以外の固着方法を採ってもよく、この固着方法としては、溶接、ろう接、接着等があげられる。さらに、固着部９８は、複数の第１金属線９６ａと複数の第２金属線９６ｂの交差箇所の全てに設けられる必要はなく、一部の交差箇所に設けられているだけでもよい。当然に、覆い部８８（乳剤９４により開孔９７が埋められる部分）のメッシュ９２には、固着部９８がなくてもよいことは勿論である。

図３に戻り、スクリーン印刷装置８０のスキージ８６は、スクリーン８４上をスライドしてゴムシール形成用の液状材料を押し出す押出部材である。スキージ８６は、スクリーン８４の短辺方向（図１中の矢印Ｃ方向）に延在し、スクリーン８４に接触しつつ当該スクリーン８４の長辺方向（図１中の矢印Ｂ方向）に沿って移動する。スキージ８６は、スクリーン８４との接触部分に所定の肉厚を有する弾性部材（不図示）を有し、この弾性部材は、スクリーン８４の面方向に対して所定角度傾斜した姿勢で支持されている。スキージ８６の傾斜角度は、液状材料の粘度に応じて適宜調整すればよい。

傾斜した弾性部材は、移動中に、スクリーン８４上に充填された液状材料を進行方向且つ下方向に押圧する。従って、スキージ８６は、覆い部８８上において液状材料を進行方向に押し出しながらスライドし、開口９０上をスライドする際にメッシュ９２を透過してスクリーン８４の下方に液状材料を吐出させる。

本実施形態に係るゴムシール７０及びスクリーン印刷装置８０は、基本的には以上のように構成され、以下、ゴムシール７０の製造方法について説明する。

図５Ａに示すように、金属セパレータ１０の製造方法では、プレート加工工程（ステップＳ１）、連通孔形成工程（ステップＳ２）、ゴムシール形成工程（ステップＳ３）を順に実施する。また、ゴムシール形成工程では、第１凸部形成工程（ステップＳ３－１）、第２凸部形成工程（ステップＳ３－２）を順に実施してゴムシール７０を形成する。

プレート加工工程では、金属セパレータ１０を構成する図示しないプレートを用意して、このプレートをプレス装置（不図示）の金型にセットする。プレス装置は、セット後に金型を動作させることで、金属セパレータ１０の反応ガス流路１６及びシール用ビード５０のビードベース６０をプレス成形する。これにより、プレス後のプレートは、反応ガス流路１６及びビードベース６０を構成する凹凸を有する凹凸プレートとなる。

連通孔形成工程では、プレート加工工程後の凹凸プレートを切断装置（不図示）にセットする。切断装置は、セット後に、ピアス金型により凹凸プレートに対して流体連通孔３６を貫通形成する。なお、金属セパレータ１０の製造では先に流体連通孔３６を形成した後に反応ガス流路１６及びビードベース６０を形成してもよく、或いはプレス（凹凸の形成）と切断（流体連通孔３６の形成）を同時に実施してもよい。

そして、ゴムシール形成工程では、スクリーン印刷装置８０によりスクリーン印刷を実施することで、ビードベース６０の頂部６４にゴムシール７０を形成していく。このためゴムシール７０の製造方法では、ゴムシール形成工程の実施前に、図５Ｂに示す手順に沿って、使用するスクリーン８４（第１及び第２スクリーン８４Ａ、８４Ｂ）を形成する。

具体的には、スクリーン８４の製造では、メッシュ準備工程（ステップＳ１１）、固着工程（ステップＳ１２）、乳剤塗布工程（ステップＳ１３）、露光工程（ステップＳ１４）、仕上工程（ステップＳ１５）を順に行う。

メッシュ準備工程において、作業者は、所定の線径からなる複数の金属細線９６を枠体に貼ることで、メッシュ本体９３を形成する。すなわち、枠体の長辺方向に沿って等間隔に並び且つ短辺方向に直線状に延在する第１金属線９６ａと、枠体の短辺方向に沿って等間隔に並び且つ長辺方向に直線状に延在する第２金属線９６ｂとを織り込んだ格子を枠体の内側に構築する。この際、第１スクリーン８４Ａ用のメッシュ本体９３は、第２スクリーン８４Ｂ用のメッシュ本体９３よりも大きな開口率に形成される。なおメッシュ準備工程は、格子状に予め形成されている複数の金属細線９６を枠体に固定してメッシュ本体９３を構成してもよい。

次の固着処理工程において、作業者は、メッシュ準備工程で形成したメッシュ本体９３を、メッキ液が貯留された貯留槽（不図示）に浸漬することで無電解メッキを行う。これにより、各第１及び第２金属線９６ａ、９６ｂの表面にメッキ被膜９６ａ１、９６ｂ１が形成される。また、各第１金属線９６ａと各第２金属線９６ｂが交差する箇所には、メッキ被膜９６ａ１、９６ｂ１同士が連なることで、交差箇所の金属細線９６が固着した固着部９８が形成される。

そして乳剤塗布工程において、作業者は、固着部９８を有するメッシュ９２全体に対して、感光性の乳剤９４を一様に塗布する。このため、メッキが施されたメッシュ９２は、開孔９７に乳剤９４が一旦埋められた被覆体（不図示）となる。

その後、露光工程では、作業者は、被覆体における金属セパレータ１０のビードベース６０の頂部６４に対向する箇所を、所定の遮光フィルム（不図示）によりマスキングし、マスキング後の被覆体全体を図示しない露光装置により露光する。マスキングにおいて、第１スクリーン８４Ａの形成用の遮光フィルムは、第２スクリーン８４Ｂの形成用の遮光フィルムよりも幅狭に設定されている。露光によって、被覆体は、マスキング箇所の乳剤９４が感光しない一方で、マスキング箇所以外の乳剤９４が感光して硬化した状態となる。

最後の仕上工程において、作業者は、被覆体のマスキング箇所の遮光フィルムを外し、この箇所の硬化していない乳剤９４を洗い落してメッシュ９２を露出させる。これによりメッシュ９２を乳剤９４で覆った覆い部８８と、メッシュ９２を露出させた開口９０とを有するスクリーン８４（第１及び第２スクリーン８４Ａ、８４Ｂ）が完成する。

そして、第１凸部形成工程では、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、凹凸及び流体連通孔３６を有するワークＷ１（ゴムシール７０が形成されていない金属セパレータ１０の凹凸プレート）を、第１スクリーン印刷装置８０Ａの印刷台８２上にセットする。このセットによって、ワークＷ１の上方には、上記の製造工程によって製造された第１スクリーン８４Ａが配置される。

セット後に、第１スクリーン印刷装置８０Ａは、第１凸部７２を構成するゴム形成用の第１液状材料を第１スクリーン８４Ａの上面に充填する。そして第１スクリーン印刷装置８０Ａは、第１スクリーン８４Ａ上で当該第１スクリーン８４Ａの面方向（図１中の矢印Ｂ方向）に沿ってスキージ８６移動させる。

スキージ８６は、移動時に、第１スクリーン８４Ａを下方に押圧しつつスライドし、開口９０において第１メッシュ９２Ａをビードベース６０の頂部６４に接触させつつ、第１メッシュ９２Ａを通して第１液状材料を押し出す。これにより第１スクリーン８４Ａがビードベース６０の頂部６４から離間すると、第１液状材料がビードベース６０の頂部６４に塗布された状態となる。すなわち、第１凸部形成工程後のワークＷ１は、ビードベース６０の頂部６４上に第１凸部７２を有した状態となる。なお、第１凸部形成工程では、第１液状材料の充填や第１スクリーン８４Ａの面方向に沿ったスキージ８６の移動を複数回実施してもよい。

そして、第２凸部形成工程では、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第１凸部形成工程後のワークＷ２を、第２スクリーン印刷装置８０Ｂの印刷台８２上にセットする。このセットによって、ワークＷ２の上方には、上記の製造工程によって製造された第２スクリーン８４Ｂが配置される。

セット後に、第２スクリーン印刷装置８０Ｂは、第２凸部７４を構成するゴム形成用の第２液状材料を第２スクリーン８４Ｂの上面に充填する。そして第２スクリーン印刷装置８０Ｂは、第２スクリーン８４Ｂ上で当該第２スクリーン８４Ｂの面方向（例えば、図１中の矢印Ｃ方向）に沿ってスキージ８６を移動させる。

スキージ８６は、移動時に、第２スクリーン８４Ｂを下方に押圧しつつスライドし、開口９０において第２メッシュ９２Ｂをビードベース６０の頂部６４に接触させつつ、第２メッシュ９２Ｂを通して第２液状材料を押し出す。これにより第２スクリーン８４Ｂがビードベース６０の頂部６４から離間すると、第２液状材料がビードベース６０の頂部６４に塗布された状態となる。

粘度が低い第２液状材料は、ビードベース６０の幅方向に容易に広がって、ビードベース６０及び第１凸部７２上に満遍なく塗布される。第２１凸部形成工程後のワークＷ２は、第２液状材料の硬化により第２凸部７４を有したゴムシール７０となる。なお、第２凸部形成工程でも、第２液状材料の充填や第２スクリーン８４Ｂの面方向に沿ったスキージ８６の移動を複数回実施してよい。

ここで、ゴムシール形成工程（第１及び第２凸部形成工程）では、異なる複数のワークＷ、Ｗ２に対して１つのスクリーン８４（第１及び第２スクリーン８４Ａ、８４Ｂ）を何度も使用してゴムシール７０（第１及び第２凸部７２、７４）を形成する。このため図８に示す比較例のスクリーン８５のように、第１金属線９６ａと第２金属線９６ｂの交差箇所に固着部９８を備えないメッシュ１００を有する場合は、スキージ８６の押圧等により第１金属線９６ａ（又は第２金属線９６ｂ）がずれる可能性がある。このメッシュ１００は、開孔９７の形状が変形することになる。特に、膜厚が厚いゴムシール７０を形成するために線径が小さい一方で開口率が大きいメッシュ１００を用いる場合は、金属細線９６のずれが生じ易い。これにより、例えば金属細線９６同士が近づいた開孔９７から液状材料が通過し難くなる一方で、金属細線９６同士が離れた開孔９７から液状材料が多量に通過して、液状材料の吐出後の形状が不安定となる。

これに対し本実施形態に係るスクリーン８４は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１金属線９６ａと第２金属線９６ｂの交差箇所を固着した固着部９８を有する。このためスクリーン８４は、スキージ８６の押圧等による第１金属線９６ａ又は第２金属線９６ｂのずれを抑制することができる。従って、スクリーン８４を何度も使用しても、メッシュ９２の開孔９７の形状が良好に維持されて、開口９０を通した液状材料の吐出量を安定化させることが可能となり、所望の形状のゴムシール７０を効率的に形成することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、ゴムシール７０は、２回のスクリーン印刷により２層（第１及び第２凸部７２、７４）に形成されることに限定されず、１層又は３層以上に形成されてよい。すなわち、１回のスクリーン印刷によって所定の膜厚のゴムシール７０を形成してもよく、３回以上のスクリーン印刷によって所定の膜厚のゴムシール７０を形成してもよい。

上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。

本発明の一態様は、凸部（ビードベース６０）を有するワークＷ１、Ｗ２の上方に、開口９０を有するスクリーン８４を配置して、開口９０を通してゴムシール形成用の液状材料を凸部の頂部６４に塗布するゴムシール７０の製造方法であって、スクリーン８４は、開口９０にて露出したメッシュ９２を有し、開口９０から露出したメッシュ９２は、互いに交差した複数の金属細線９６からなるメッシュ本体９３と、複数の金属細線９６の交差箇所で当該金属細線９６同士を固着した固着部９８とを有する。

上記のゴムシール７０の製造方法は、複数の金属細線９６同士を固着した固着部９８を有するという簡単な構成によって、スクリーン印刷時に金属細線９６に外力がかかっても金属細線９６のずれを抑制することができる。これにより、複数のワークＷ１、Ｗ２に対して同じスクリーン８４を使用してスクリーン印刷を行っても、メッシュ９２の形状を良好に維持して、凸部（ビードベース６０）に液状材料を安定的に吐出することができる。従って、ゴムシール７０の製造方法は、厚み及び形状の安定性が改善されたゴムシール７０を効率的に製造することが可能となる。

また、メッシュ９２は、複数の金属細線９６に被覆されたメッキ被膜９６ａ１、９６ｂ１を有し、メッキ被膜９６ａ１、９６ｂ１によって固着部９８が形成されている。これにより、ゴムシール７０の製造方法では、金属細線９６同士を適宜な接合力により固着した固着部９８を簡単に製造することができる。

また、メッキ被膜９６ａ１、９６ｂ１は、メッシュ本体９３に無電解メッキを施すことで形成されたものである。このように、ゴムシール７０の製造方法では、メッシュ本体９３に無電解メッキを施すことによって、複数の固着部９８を一層効率的に形成することができる。

また、スクリーン８４は、開口９０の外側に、メッキ被膜９６ａ１、９６ｂ１を有するメッシュ９２の開孔９７に乳剤９４が埋め込まれてなる覆い部８８を有する。これにより、ゴムシール７０の製造方法では、メッシュ本体９３に対して複数の固着部９８を先に形成して、その後に覆い部８８を形成することができ、製造がより一層効率化する。

また、ゴムシール７０の製造方法では、凸部（ビードベース６０）の頂部６４に第１凸部７２を形成する第１凸部形成工程を実施した後、第１凸部７２の外側に当該第１凸部７２を覆う第２凸部７４を形成する第２凸部形成工程を実施し、第１凸部形成工程で使用するスクリーン８４である第１スクリーン８４Ａの第１メッシュ９２Ａの開口率は、第２凸部形成工程で使用するスクリーン８４である第２スクリーン８４Ｂの第２メッシュ９２Ｂの開口率よりも大きい。これにより、第１凸部形成工程において粘度が高い第１液状材料を塗布しても第１メッシュ９２Ａの詰まりを抑制して第１凸部７２を形成することができる。また、第２凸部形成工程では、第１メッシュ９２Ａよりも開口率が小さい第２メッシュ９２Ｂによって、粘度が低い第２液状材料を安定的に塗布することが可能となる。

また、複数の金属細線９６の線径は、２０μｍ～４０μｍの範囲に設定されている。これにより、ゴムシール７０の製造方法では、細い金属細線９６によりメッシュ９２を形成している場合でも、固着部９８によって金属細線９６のずれを良好に抑制することができる。

また、メッシュ９２の開口率は、５０％～８０％の範囲に設定されている。これによりゴムシール７０の製造方法では、開口率が大きいメッシュ９２を形成している場合でも、固着部９８によって金属細線９６のずれを良好に抑制することができる。

また、ワークＷ１、Ｗ２は、燃料電池１２に適用される金属セパレータ１０であり、金属セパレータ１０は、当該金属セパレータ１０の基部４８から突出し且つ当該金属セパレータ１０に一体成形された凸部であるビードベース６０上に、ゴムシール７０が形成される。これにより、ゴムシール７０の製造方法は、金属セパレータ１０の製造において、ゴムシール７０のシール性能を大幅に高めることができる。

１０…金属セパレータ １２…燃料電池
４８…基部 ６０…ビードベース
６４…頂部 ７０…ゴムシール
７２…第１凸部 ７４…第２凸部
８０…スクリーン印刷装置 ８４…スクリーン
８４Ａ…第１スクリーン ８４Ｂ…第２スクリーン
８８…覆い部 ９０…開口
９２…メッシュ ９２Ａ…第１メッシュ
９２Ｂ…第２メッシュ ９３…メッシュ本体
９４…乳剤 ９６…金属細線
９７…開孔 ９８…固着部
Ｗ１、Ｗ２…ワーク

Claims (6)

1. 凸部を有するワークの上方に、開口を有するスクリーンを配置して、前記開口を通してゴムシール形成用の液状材料を前記凸部の頂部に塗布するゴムシールの製造方法であって、
   前記ワークは、燃料電池に適用される金属セパレータであり、
   前記金属セパレータは、当該金属セパレータの基部から突出し且つ当該金属セパレータに一体成形された前記凸部であるビードベース上に、前記ゴムシールが形成され、
   前記スクリーンは、前記開口にて露出したメッシュを有し、
   前記開口から露出した前記メッシュは、互いに交差した複数の金属細線からなるメッシュ本体と、前記複数の金属細線の交差箇所で当該金属細線同士を固着した固着部とを有し、
   当該ゴムシールの製造では、前記凸部の前記頂部に第１凸部を形成する第１凸部形成工程を実施した後、前記第１凸部の外側に当該第１凸部を覆う第２凸部を形成する第２凸部形成工程を実施し、
   前記第１凸部形成工程で使用する前記スクリーンである第１スクリーンの第１メッシュの開口率は、前記第２凸部形成工程で使用する前記スクリーンである第２スクリーンの第２メッシュの開口率よりも大きい
   ゴムシールの製造方法。
2. 凸部を有するワークの上方に、開口を有するスクリーンを配置して、前記開口を通してゴムシール形成用の液状材料を前記凸部の頂部に塗布するゴムシールの製造方法であって、
   前記スクリーンは、前記開口にて露出したメッシュを有し、
   前記開口から露出した前記メッシュは、互いに交差した複数の金属細線からなるメッシュ本体と、前記複数の金属細線の交差箇所で当該金属細線同士を固着した固着部とを有し、
   当該ゴムシールの製造では、前記凸部の前記頂部に第１凸部を形成する第１凸部形成工程を実施した後、前記第１凸部の外側に当該第１凸部を覆う第２凸部を形成する第２凸部形成工程を実施し、
   前記第１凸部形成工程では、前記頂部の幅方向中央部に前記第１凸部を形成し、
   前記第１凸部形成工程で使用する前記スクリーンである第１スクリーンの第１メッシュの開口率は、前記第２凸部形成工程で使用する前記スクリーンである第２スクリーンの第２メッシュの開口率よりも大きい
   ゴムシールの製造方法。
3. 請求項１又は２記載のゴムシールの製造方法において、
   前記メッシュは、前記複数の金属細線に被覆されたメッキ被膜を有し、
   前記メッキ被膜によって前記固着部が形成されている
   ゴムシールの製造方法。
4. 請求項３記載のゴムシールの製造方法において、
   前記メッキ被膜は、前記メッシュ本体に無電解メッキを施すことで形成されたものである
   ゴムシールの製造方法。
5. 請求項４記載のゴムシールの製造方法において、
   前記スクリーンは、前記開口の外側に、前記メッキ被膜を有する前記メッシュの開孔に乳剤が埋め込まれてなる覆い部を有する
   ゴムシールの製造方法。
6. 請求項２記載のゴムシールの製造方法において、
   前記ワークは、燃料電池に適用される金属セパレータであり、
   前記金属セパレータは、当該金属セパレータの基部から突出し且つ当該金属セパレータに一体成形された前記凸部であるビードベース上に、前記ゴムシールが形成される
   ゴムシールの製造方法。

Images