JP4056928B2

JP4056928B2 - 燃料電池用シール材の形成方法

Info

Publication number: JP4056928B2
Application number: JP2003142849A
Authority: JP
Inventors: 雄三中村; 治人高尾
Original assignee: Tigers Polymer Corp
Current assignee: Tigers Polymer Corp
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: JP2003303601A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池特に固体高分子型燃料電池用のシール材形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、イオン導電性を有するイオン交換樹脂等の膜を高分子電解質膜として用い、この高分子電解質膜を挟んでその両側にカソード電極(正極)とアノード電極(負極)の両電極を配置し、例えば負極側に水素ガス等の燃料ガスを、一方正極側には酸素ガス又は空気等の酸化ガスを供給して電気化学反応を起こさせることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを電気量に変換して電気を発生させるものである。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池は単セルを複数積層して構成されるが、隣接する単セル間には、電極との間で燃料ガス流路および酸化ガス流路を形成しかつ燃料ガスと酸化ガスを仕切るセパレータが設けられている。そして、電極とセパレータ間は、燃料ガスや酸化ガスが高分子電解質膜の周縁部から漏出しないように気密にガスシールしなければならず、通常、圧縮成形、射出成形あるいはシートの打ち抜き等により成形された薄肉のゴムパッキンを燃料電池の組み立て時に介在させる作業が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のゴムパッキンは、燃料ガスおよび酸化ガスに対するガスシールであり、そのシールは長期間に亘り厳重に保持する必要があり、当該ゴムパッキンとしては、圧縮永久歪、耐熱性、電気絶縁性等の物性が優れたものが要求されている。また、上記のゴムパッキンは極めて薄いフィルム状の薄膜体であり、圧縮成形、射出成形等により成形した場合には、厚みにばらつきがあり高精度のものが得られないほか、薄肉で柔軟なゴムパッキンを電極とセパレータ間の所定の位置に組み込む作業が困難であり、組み付け時に変形や位置ずれが生じて確実なシール性を確保できない間題点があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、ゴムパッキンを組み込む作業が不要となり、ゴムパッキンが所定位置に確実に配設されてシール性に完全を期すとともに、ゴムパッキンの成分が燃料電池の性能を阻害しないことを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、単セルを組立てる以前にあらかじめゴムシール材を架橋してセパレータに直接成形一体化しておくことを基本的手段とし、請求項１に係る発明は、高分子電解質膜、カソード電極およびアノード電極からなる燃料電池本体とセパレータとの間に介在させる、ゴムパッキンからなるシール材の形成方法であって、セパレータの所定位置表面にゴム溶液を塗布して未架橋のゴム薄膜を形成する工程、未架橋のゴム薄膜を架橋することによりセパレータに成形一体化させる工程、架橋ゴム薄膜が成形一体化されたセパレータをカソード電極およびアノード電極に当接し単セルを組立てることにより、高分子電解質膜の周縁部をシールする工程、を備えており、前記ゴム薄膜形成工程において、前記セパレータの周縁部表面にスクリーン印刷によりゴム溶液を塗布して未架橋のゴム薄膜を形成する燃料電池用シール材の形成方法を要旨とするものである。
【０００７】
すなわち、請求項１に係る発明は、形成すべきゴム薄膜の平面形状に合致した透孔を有するマスクをセパレータの表面に被覆したうえ、例えばゴムコンパウンドを溶剤により溶解させてなるゴム溶液を前記マスク上から複数回塗布し、前記透孔を通じて所定の厚さのゴム薄膜を形成するものである。したがって、本発明では、より小型化が要求されるセパレータを多数重ね合わせて燃料電池を構成する際にゴムパッキンを組み込む作業が不要になる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載のゴムパッキンのゴム基材として、シリコーンゴムを用い、請求項３に係る発明は、請求項１記載のゴムパッキンのゴム基材として、エチレンプロピレンゴムまたはエチレンプロピレンジエンゴムを用い、請求項４に係る発明は、請求項１記載のゴムパッキンのゴム基材として、フッ素ゴムを用い、請求項５に係る発明は、請求項１記載のゴムパッキンのゴム基材として、天然ゴム , アクリロニトリルブタジエンゴム , クロロプレンゴムおよびアクリルゴムのいずれかのゴムを用いたことを要旨とするものである。
【０００９】
なお、前記ゴム薄膜を架橋剤を配合することなく放射線架橋により成形する場合、架橋の際にはゴム分子鎖間を直接Ｃ−Ｃ結合させるので燃料電池の性能を阻害する陽イオン不純物（例えば酸化亜鉛や酸化マグネシウム等の金属酸化物）が溶出することがない。また、放射線架橋としては、電子線やγ線等のような高エネルギーの活性線による架橋が好ましい。さらに加熱プレスすることなくゴム薄膜を架橋成形するので、カーボングラファイト等で形成されたセパレータに何ら損傷を加えることなくその品質を劣化させる虞がない。
【００１０】
さらに、本発明においては、ゴムパッキンの補強用カーボンブラックとして、前記ゴム薄膜にサーマルブラックを配合することができる。このサーマルブラックとは、サーマル（熱分解）法、すなわち燃料を燃焼させて熱分解温度以上に加熱した炉内に天然ガスを導入し、天然ガスの熱分解によりカーボンブラックを生産したもので、他のオイルファーネスブラックやアセチレンブラック等に比較して、大粒径で低ストラクチャーの比表面積が非常に小さいカーボンブラックであり、電気絶縁性能に優れるとともに、完全燃焼法のため灰分や硫黄等の不純物含有量が極端に少ない特長を有し、その窒素吸着比表面積は９．０〜９．５ｍ／ｇ，ＤＢＰ吸油量は３４〜４０ｃｍ ^３／１００ｇ、平均粒子径は２４０〜３１０ｎｍの範囲にあるものである。したがって、このサーマルブラックが配合されたゴムパッキンは、燃料電池の発電に悪影響を及ぼす不純物をほとんど含有せず、燃料電池用ゴムパッキンとして好適に使用できる。
【００１１】
また、セパレータに成形一体化されるゴムパッキンのゴム基材としては、天然ゴム（ＮＲ），シリコーンゴム（Ｑ），エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ），エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ），アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ），クロロプレンゴム（ＣＲ），アクリルゴム（ＡＣＭ），フッ素ゴム（ＦＫＭ）等の任意のゴムまたはこれらの混合物により形成されるが、好ましくは優れたクッション性を有するＥＰＭやＥＰＤＭが選択される。なお、前記ゴム基材には必要に応じて可塑剤、その他の一般配合剤を添加してもよいが、燃料電池の発電に悪影響を及ぼさない成分を含むものを選択するのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、固体高分子型燃料電池を構成する単セル１の概略縦断面図であり、通常燃料電池はこの単セル１を複数積層した積層体（図示せず）として構成されている。図１において、単セル１は、高分子電解質膜２とこの高分子電解質膜２を挟んで両側に配設されるカソード電極３およびアノード電極４とからなる燃料電池本体と、カソード電極３およびアノード電極４にそれぞれ当接するように設けられたセパレータ５，６とにより構成されている。
また、カソード電極側セパレータ５の電極３側には酸化ガス供給用の溝７が設けられ、アノード電極側セパレータ６の電極４側には燃料ガス供給用の溝８が設けられ、溝７は図示しない酸化ガス供給管に、溝８は図示しない燃料ガス供給管にそれぞれ連通している。上記単セル１には、高分子電解質膜２，カソード電極３およびアノード電極４からなる燃料電池本体の周囲に、燃料ガスおよび酸化ガスの漏洩を防止するとともに、カソード電極側セパレータ５とアノード電極側セパレータ６との間の絶縁を確保する額縁状のゴムパッキン９，１０をセパレータ５，６との間に介在させている。
【００１３】
本発明においては、上記ゴムパッキン９，１０が、あらかじめセパレータ５，６の周縁部表面に直接成形されたうえ、架橋工程で一体化されたものである。すなわち、ゴムパッキン９，１０は、図２および図３に示すように、セパレータ５（６）の表面に額縁状の透孔１２を有するマスク１１を装填したうえで、マスク上からゴムコンパウンドを溶剤により溶解させたゴム溶液を塗布するスクリーン印刷を所定の回数行い、透孔１２を通じてその形状に合致した未架橋のゴム薄膜１３を形成し、乾燥して上記溶剤を揮発させてから前記ゴム薄膜１３を加熱加圧することなく電子線照射により架橋処理を行い、セパレータ５の周縁部に額縁状のゴム薄膜１３（ゴムパッキン９）が架橋して一体に形成された状態を示すものである。このように、あらかじめゴムパッキンが成形一体化されたセパレータを用いて前記単セルが構成され、組立作業の容易な固体高分子型燃料電池が構成されている。なお、ゴム溶液として液状シリコーンゴムのような液状ゴムを使用する場合には、溶剤で溶解することなく塗布することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳述する。原料ゴムとして市販のＥＰＤＭｌ００重量部に対し、補強剤としサーマルブラック（キャンカーブ社製、ＭＴカーボンＮ９９０ウルトラピュア）４０重量部を添加配合し、ミキシングロールで混練してなる未加硫ゴムを約１ｃｍ角程度に細片化し、得られた細片をトルエンと共に真空脱泡装置付き攪拌機に投入し、大気圧下で１０時間撹絆し溶解後、真空脱泡装置を駆動し真空化で更に１５分間攪拌脱泡した。次いで、上記の溶解脱泡したＥＰＤＭゴム溶液をカーボングラファイト製セパレータの所定表面にスクリーン印刷により塗布した後、熱風乾燥機（８０℃）にて５分間乾燥させて溶剤を揮発させた。この塗布および乾燥の処理を繰り返し７回行い、セパレータ周縁部表面に厚み３００μｍの未架橋のゴム薄膜を形成した。その後、電子線照射装置に導入しセパレータ上のゴム薄膜を窒素雰囲気中において照射線量１５〜８０Ｍｒａｄの電子線を照射して架橋することにより、ゴムパッキンが直接成形され接着一体化された燃料電池用セパレータを得た。
【００１５】
なお、ゴムパッキンの耐熱性や強度物性を考慮して、放射線照射による架橋は、その照射方法や照射条件を最適化できるほか、ゴムの完全架橋に限らず、プレ架橋として使用し加熱処理やマイクロ波によるポスト架橋をすることができる。
【００１６】
また、前記実施例では、セパレータを備える燃料電池として固体高分子型燃料電池としたが、使用環境に耐えるならば他種の燃料電池にも適用することができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明に係るシール材形成方法によれば、燃料電池本体とセパレータとの間に介在させるシール材を、あらかじめセパレータの所定位置表面に成形一体化させたゴムパッキンで構成したので、ゴムパッキンを組み込む作業が不要になり、ゴムパッキンの変形や位置ずれを生じることなく、燃料電池本体とセパレータ間におけるガスシールを容易かつ確実に行うことができる。また、請求項２ないし５に係る発明では、任意のゴムによりゴムパッキンを形成でき、特に、ＥＰＭやＥＰＤＭを選択すれば、優れたクッション性のゴムパッキンを形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池を構成する単セルの概略縦断面図である。
【図２】ゴムパッキンの成形工程の一部を示す図である。
【図３】セパレータにゴムパッキンが一体成形された状態を示す図である。
【符号の説明】
１単セル
２高分子電解質膜
３カソード電極
４アノード電極
５カソード電極側セパレータ
６アノード電極側セパレータ
７、８溝
９、１０ゴムパッキン
１１マスク
１２透孔
１３ゴム薄膜

Claims

高分子電解質膜、カソード電極およびアノード電極からなる燃料電池本体とセパレータとの間に介在させる、ゴムパッキンからなるシール材の形成方法であって、
セパレータの所定位置表面にゴム溶液を塗布して未架橋のゴム薄膜を形成する工程、
未架橋のゴム薄膜を架橋することによりセパレータに成形一体化させる工程、
架橋ゴム薄膜が成形一体化されたセパレータをカソード電極およびアノード電極に当接し単セルを組立てることにより、高分子電解質膜の周縁部をシールする工程、
を備えており、
前記ゴム薄膜形成工程において、前記セパレータの周縁部表面にスクリーン印刷によりゴム溶液を塗布して未架橋のゴム薄膜を形成する
ことを特徴とする燃料電池用シール材の形成方法。
ゴムパッキンのゴム基材として、シリコーンゴムを用いた請求項１記載の燃料電池用シール材の形成方法。
ゴムパッキンのゴム基材として、エチレンプロピレンゴムまたはエチレンプロピレンジエンゴムを用いた請求項１記載の燃料電池用シール材の形成方法。
ゴムパッキンのゴム基材として、フッ素ゴムを用いた請求項１記載の燃料電池用シール材の形成方法。
ゴムパッキンのゴム基材として、天然ゴム , アクリロニトリルブタジエンゴム , クロロプレンゴムおよびアクリルゴムのいずれかのゴムを用いた請求項１記載の燃料電池用シール材の形成方法。