JP4826717B2 - 燃料電池用ガスケットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池において、積層された燃料電池セル間のガス流路を密封するためのガスケットの製造方法であって、特に、多孔質材からなるガス拡散層と一体のガスケットを製造する方法に関するものである。

燃料電池は、高分子電解質膜（イオン交換膜）の両面に一対の触媒電極層を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）の厚さ方向両側を、セパレータで挟持した燃料電池セルを多数、多い場合は数百枚積層したスタック構造をとっている。そして、酸化ガス（酸素）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触媒電極層に供給され、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触媒電極層に供給され、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。

この種の燃料電池においては、燃料ガスや酸化ガス、カソード面から排出される水や余剰の酸化ガスをシールする必要があり、そのためのガスケットが各燃料電池セルに設けられている。ガスケットは、ゴム状弾性材料からなるものであって、セパレータの表面に一体に設けられて膜電極複合体の表面に密接されるものが一般的であるが、膜電極複合体の両側に配置されるガス拡散層（ＧＤＬ）の表面に一体に設けてセパレータの表面に密接させるものもある。

図６は、従来技術によるガス拡散層と一体のガスケットを示す部分断面図で、この図に示されるように、ガスケット１０１を液状ゴムの射出成形等により成形する際に、材料の一部を、多孔質のガス拡散層１００に含浸させることで、ガス拡散層１００と一体化させている。図中の参照符号１０２は、ガス拡散層１００におけるゴム含浸部を示しており、このゴム含浸部１０２はガスケット１０１と連続するものである。

ガス拡散層１００は、カーボンペーパー、カーボン織布等の導電性を有する多孔質材料からなるものであるが、このようなガス拡散層１００にガスケット１０１を一体に形成し、このガスケット１０１に沿った位置に液状ゴムを含浸させることによって、セパレータへのガスケットの成形を不要とし、セル構造の簡素化を図ると共に、ガス拡散層１００の無数の微小間隙（連続孔）を通してガスの透過漏れが発生するのを防止することができる（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−９５５６５号公報

ここで、ガス拡散層１００を含むセルを積層して締結した状態では、ガス拡散層１００及びガスケット１０１は適当に圧縮されるが、このガス拡散層１００は、ゴム含浸部１０２では弾性を失って剛性が高くなるため、積層してスタックを組み立てる際に、圧縮力に対する過大な反力（応力）が発生し、適切な圧縮を与えることができなくなる問題があった。

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、その技術的課題は、ゴム材料の含浸によるガス拡散層の剛体化を来すことなく、ガス拡散層と一体のガスケットを製造する方法を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の製造方法は、多孔質材からなる燃料電池用ガス拡散層と一体のガスケットの製造において、前記ガス拡散層の表面に、液状ゴムからなるコーティング材をスクリーン印刷法により塗布して加硫することによってゴム状弾性材料からなる被膜をコーティングした後、この被膜の表面に、ゴム状弾性材料からなるシールリップ部を成形することを特徴とする。

この方法において、多孔質材からなるガス拡散層の表面に、液状ゴムからなるコーティング材をスクリーン印刷法により塗布して加硫することによってゴム状弾性材料からなる被膜をコーティングする過程では、その液状材料が、ガス拡散層の内部に殆ど含浸されない。そしてその後のシールリップ部の成形過程では、前記被膜によって成形材料の含浸が防止され、成形されたシールリップ部は、前記被膜を介して、ガス拡散層に一体化される。

請求項１の発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法によれば、多孔質材からなるガス拡散層へのゴムの含浸が被膜によって防止されるので、ガス拡散層の弾性が損なわれることがなく、したがって、積層して燃料電池を組み立てる際に、積層に伴う圧縮力に対する局部的な過大な反力（応力）が発生するのを防止することができる。

また、ガス拡散層への被膜のコーティングが、液状ゴムからなるコーティング材をスクリーン印刷法により塗布して加硫することによって行われるので、ゴムの含浸を殆ど生じることなく、薄い被膜を容易に形成することができる。

以下、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法の好ましい実施の形態について、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の製造方法によってガスケットを一体に成形したガス拡散層を有する膜電極複合体を示す部分断面図である。

図１に示される膜電極複合体（ＭＥＡ）は、高分子電解質膜（イオン交換膜）１と、これを厚さ方向両側から挟む一対の触媒電極２，２（カソード電極及びアノード電極）と、更にその厚さ方向外側に配置した一対のガス拡散層３，３と、このガス拡散層３，３に一体的に設けられたガスケット４，４からなる。ガスケット４は、ＶＭＱ（シリコーンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、あるいはＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等から選択されたゴム状弾性材料からなるものであって、ガス拡散層３の表面における、発電領域の周縁部やマニホールドの周縁部に沿ってコーティングされた被膜４１と、その表面に断面山形をなすように成形されたシールリップ部４２からなる。

ガスケット４は、断面山形のシールリップ部４２において、膜電極複合体（ガス拡散層３）に積層される不図示のセパレータに適当なつぶし代をもって密接されることにより、燃料ガス又は酸化ガスに対する優れた密封性を奏するものである。また、このガスケット４において、ガス拡散層３の表面にコーティングされた被膜４１は、幅Ｗがシールリップ部４２の底面４２ａより十分に広く形成されており、燃料ガス又は酸化ガスが、多孔質のガス拡散層３へ透過することにより漏れるのを有効に防止する。

図２は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、ガスケット未成形のガス拡散層３を示す部分断面図である。すなわちガス拡散層３は、水素又は酸素を触媒電極２に導くための通気性と、水素と酸素の電気化学反応により発生した電力を不図示のセパレータに導くための導電性とを有するもので、例えばカーボン繊維等の多孔質体からなる。

図３は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、被膜４１をコーティングしたガス拡散層３を示す部分断面図、図４は、スクリーン印刷による被膜４１のコーティング工程を示す説明図である。すなわち、被膜４１はスクリーン印刷によって、ガス拡散層３の表面にコーティングされたものである。

図４に示されるスクリーン印刷装置５は、水平な枠に張られたスクリーン孔版５１と、その上側に配置されて不図示の駆動部によって移動可能なスクィージ５２及び不図示のドクターとを備える。スクリーン孔版５１は、ステンレスメッシュスクリーンに、ビニル又はアクリル等の乳剤からなるマスク５１ａによって印刷パターン５１ｂが形成されたものである。

すなわち、このスクリーン印刷装置５は、スクリーン孔版５１の下に、印刷（コーティング）対象のガス拡散層３をセットし、スクリーン孔版５１上に、液状ゴムからなる十分な量のコーティング材Ｐを供給し、不図示のドクターをスクリーン孔版５１上で水平移動させることによって、コーティング材Ｐを、スクリーン孔版５１の印刷パターン５１ｂに均一な厚さの膜状に充填してから、スクリーン孔版５１をスクィージ５２でガス拡散層３に押し付けながら、このスクィージ５２を水平移動させることによって、コーティング材Ｐを印刷パターン５１ｂから押し出し、ガス拡散層３の表面に、印刷パターン５１ｂと対応するパターンで塗布膜４１’を形成するものである。

上述のスクリーン印刷工程によって、液状ゴムからなる塗布膜４１’が形成されたガス拡散層３は、乾燥工程を経て加硫工程へ送られ、ここで加熱により塗布膜４１’が架橋硬化すると共に、ガス拡散層３に一体的に加硫接着されて、先の図３に示される被膜４１となる。

具体的な例としては、ガス拡散層３は、肉厚ｔ_１（図３参照）が2ｍｍであり、スクリーン孔版５１は、ステンレスメッシュスクリーン５１ａが60-120 35のメッシュで、マスク５１ｂの厚さが150μｍのものを用い、コーティング材Ｐの液状ゴムとしては液状シリコーンKE-1950-40（信越化学工業製）を用いた。また、印刷後の硬化条件は、150℃×１時間とした。これによって、膜厚ｔ_２（図３参照）が50〜100μｍの被膜４１が形成された。

図５は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、シールリップ部４２が成形されたガス拡散層３を示す部分断面図である。すなわち、上述の工程によって被膜４１が形成されたガス拡散層３を不図示の金型にセットし、図４に示されるコーティング材Ｐと同材質の液状ゴムを成形材料として、射出成形により被膜４１の表面にシールリップ部４２を一体成形する。

具体的な例としては、電動ＬＩＭ成形機ISV 50-1b（東芝製）を使用し、射出圧は2ＭＰａ、成形温度は140℃、成形時間は1分とし、成形されるシールリップ部４２の高さｈを3ｍｍとした。

以上の製造方法によれば、ガス拡散層３の表面に、図４に示されるスクリーン印刷によって膜厚ｔ_２が50〜100μｍ程度のコーティング材Ｐ（液状ゴム）による塗布膜４１’を形成する過程では、塗布されるコーティング材Ｐには射出成形のような圧力が殆ど加わらないため、ガス拡散層３の内部には、コーティング材Ｐは殆ど含浸されない。そして、この塗布膜４１’を加硫することによって被膜４１が形成されてしまえば、その後、2ＭＰａといった射出圧力でシールリップ部４２を成形しても、射出された成形材料（液状ゴム）を塗布膜４１’で受けるので、ガス拡散層３の内部に液状ゴムが含浸されることはない。したがって、ガス拡散層３におけるシールリップ部４２の形成部分が、ゴムの含浸により弾性を失って剛体化することはなく、積層してスタックを組み立てる際に、圧縮に対する過大な応力が発生しない。

厳密には、図４に示されるスクリーン印刷過程で、ガス拡散層３における塗布膜４１’との界面では、液状ゴムの微量の含浸を生じるが、この含浸は、塗布膜４１’（被膜４１）の全域で均一に生じるので、シールリップ部４２と対応する部分に局部的な応力集中が生じることはない。

本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法によってガスケットを一体に成形したガス拡散層を有する膜電極複合体を示す部分断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、ガスケット未成形のガス拡散層を示す部分断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、被膜をコーティングしたガス拡散層を示す部分断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、スクリーン印刷による被膜のコーティング工程を示す説明図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法において、シールリップ部が成形されたガス拡散層を示す部分断面図である。 従来技術によるガス拡散層と一体のガスケットを示す部分断面図である。

符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ 触媒電極
３ ガス拡散層
４ ガスケット
４１ 被膜
４１’ 塗布膜
４２ シールリップ部
４２ａ 底面
５ スクリーン印刷装置
５１ スクリーン孔版
５１ａ マスク
５１ｂ 印刷パターン
５２ スクィージ
Ｐ コーティング材

Claims (1)

1. 多孔質材からなる燃料電池用ガス拡散層（３）と一体のガスケット（４）の製造において、前記ガス拡散層（３）の表面に、液状ゴムからなるコーティング材（Ｐ）をスクリーン印刷法により塗布して加硫することによってゴム状弾性材料からなる被膜（４１）をコーティングした後、この被膜（４１）の表面に、ゴム状弾性材料からなるシールリップ部（４２）を成形することを特徴とする燃料電池用ガスケットの製造方法。

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