(57)【要約】【課題】      セパレータを破損させることなく、簡易にシール一体型セパレータを製造する方法を提供する。【解決手段】      燃料電池用のセパレータ１４０の製造方法において、セパレータ１４０の外周にその厚さが外側で薄くなる段差１７０を形成するステップと、セパレータ１４０を上型１５０と下型１６０内に配置して、段差１７０と上型１５０及び下型１６０との間に鋳型空間１７５を形成するステップと、鋳型空間１７５に段差１７０の側方からシール材を注入してシール部２６０を形成するステップと、を備える。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用のセパレータの製造方法において、
セパレータの外周にその厚さが外側で薄くなる段差を形成するステップと、
前記セパレータを上型と下型内に配置して、前記段差と前記上型及び前記下型との間に鋳型空間を形成するステップと、
前記鋳型空間に前記段差の側方からシール材を注入してシール部を形成するステップと、
を備えたことを特徴とするセパレータ製造方法。
【請求項２】
前記鋳型空間は、前記セパレータの外周と前記上型及び前記下型の内周との隙間と接続して形成されることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ製造方法。
【請求項３】
前記シール材は、前記上型に設けたシール材の注入ゲートと、これに連通して前記上型と前記下型の合わせ面に略平行な注入口から前記鋳型空間に注入されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセパレータ製造方法。
【請求項４】
前記上型には、前記段差に沿ってその上方に位置してシールリップを形成する凹溝が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のセパレータ製造方法。
【請求項５】
前記上型には、前記シールリップから外側へ傾斜する傾斜面を形成する傾斜部が設けられることを特徴とする請求項４に記載のセパレータ製造方法。
【請求項６】
前記上型には、前記シールリップから外側の位置にのみ前記シールリップの逃げ部を形成する凸条が形成されることを特徴とする請求項４に記載のセパレータ製造方法。
【請求項７】
前記段差には、前記注入口と対峙する面を設けることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載のセパレータ製造方法。
【請求項８】
前記上型は、前記凹溝の中心位置から前記注入口と対峙する面との長さを、前記セパレータの外周から前記注入口と対峙する面との長さの二分の一以下に形成することを特徴とする請求項６又は７に記載のセパレータ製造方法。
【請求項９】
前記段差は、表面が炭素繊維又はガラス繊維からなる補強材で覆われていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のセパレータ製造方法。
【請求項１０】
燃料電池用のセパレータ構造において、
セパレータの外周にその厚さが外側で薄くなるように形成した段差と、
前記セパレータの段差を埋め、かつその外周を取り囲んで形成されるシール部と、
を備え、
前記シール部が、前記段差に向けて前記セパレータと平行な方向からシール材を射出成型して形成される、
ことを特徴とするセパレータ構造。
【請求項１１】
前記段差は、表面が炭素繊維又はガラス繊維からなる補強材で覆われていることを特徴とする請求項１０に記載のセパレータ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池用のセパレータ製造方法に関する。特に、シール付き固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子型燃料電池用のセパレータ製造方法として、以下のようなものが知られている。
【０００３】
燃料電池用セパレータの少なくとも一方の端部の表裏にシールを有するシール付き燃料電池用セパレータの製造方法であって、ゴム組成物を仮成型して仮成型シールとする仮成型工程と、前記仮成型シールに前記セパレータをインサートするインサート工程と、前記仮成型シールおよび前記セパレータを加硫型内で保持して、前記仮成型シールを本加硫して成型品（シール）とする本加硫工程と、を含むように製造する（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１７８９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記背景技術における燃料電池は、シール一体型セパレータを製造する前に、まずシール部材だけを仮成型する必要がある。そのため、工数が多く加工工程が複雑となり、また、コストが増加するという問題があった。
【０００５】
そこで、表面に溝を設けたセパレータを、シール成型用の上型と下型とで狭持する。そして、上型に設けられた注入ゲートから溝内へシール材を注入して充填し、シール一体型セパレータを製造するという技術が採用されている。
【０００６】
しかし、上記のようなシール材注入用の溝を設けた場合、当該溝を形成した領域のセパレータの厚は０．２〜０．３ｍｍと極めて薄くなる。そのため、注入ゲートからのシール材の射出圧によって、セパレータが破損するという問題があった。
【０００７】
また、セパレータとシール成型用の上型とを締結する際、上型の表面から下方へ突出したシール材注入口等の凸部を溝内に挿入する。このとき、型とセパレータの位置がずれると、当該凸部とセパレータとの干渉により、セパレータを破損させるという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、セパレータを破損させることなく、簡易にシール一体型セパレータを製造する方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のセパレータ製造方法は、セパレータの外周にその厚さが外側で薄くなる段差を形成するステップと、前記セパレータを上型と下型内に配置して、前記段差と前記上型及び前記下型との間に鋳型空間を形成するステップと、前記鋳型空間に前記段差の側方からシール材を注入してシール部を形成するステップと、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
セパレータの外周縁部に段差を設け、シール材をセパレータの側面方向から注入することによってシール部を成型する。これにより、シール材注入の際の射出圧によるセパレータの破損を防止できる。また、シール成型用の型とセパレータとの位置ずれが生じた場合の、干渉によるセパレータの破損を防止できる。また、シール部の仮成型工程が不要なため、シール一体型セパレータを成型する工数及びコストを削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の実施形態について説明する。本実施形態は固体高分子型燃料電池のセパレータ構造に関するものであり、例えば燃料電池自動車に搭載する。ただし、自動車以外に用いてもよい。
【００１２】
図１に燃料電池１の概略構成を示す。ここでは、起電力を生じる単位燃料電池としてのセル１０を複数積層することにより燃料電池１を構成する。ただし、一つのセル１０により燃料電池１を構成してもよい。
【００１３】
燃料電池１を、複数のセル１０の積層方向両端に、それぞれ集電板２０、絶縁板３０、エンドプレート４０を配置して構成する。積層したセル１０、集電板２０、絶縁板３０及びエンドプレート４０は、燃料電池１の内部四隅に貫通した貫通孔に、図示しないタイロッドを挿通して、タイロッドの端部にナット５０を螺合することによって締結する。締結方法は、燃料電池１の内部にタイロッドを貫通する方法に限られず、積層した単位セル１０の外部において、エンドプレート４０の四隅を４本のタイロッドで縦貫してもよい。
【００１４】
集電板２０を、ガス不透過な導電性部材、例えば、緻密質カーボンや銅板などにより構成する。集電板２０にはそれぞれ、燃料電池１で生じた起電力の取り出し部となる出力端子２００を設ける。
【００１５】
絶縁板３０を、絶縁性部材、例えば、ゴムや樹脂などにより構成する。
【００１６】
エンドプレート４０を、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成する。エンドプレート４０は、燃料電池１内に燃料ガス（水素ガス又は水素含有ガス）を供給するための燃料ガス入口４１０ｉ、燃料電池１から燃料ガスを排出するための燃料ガス出口４１０ｏ、燃料電池１内に酸化剤ガス（酸素含有ガス又は空気）を供給するための酸化剤ガス入口４２０ｉ、燃料電池１から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口４２０ｏ、燃料電池１内に冷却媒体を導入するための冷却媒体入口４３０ｉ、及び、燃料電池１から冷却媒体を排出するための冷却媒体出口４３０ｏを備える。
【００１７】
図２は、燃料電池１を構成する固体高分子型燃料電池単位セル１０の概略的な構造を示す斜視図である。
【００１８】
セル１０は、電解質膜１１０の両側に、アノード側電極１２０ａ及びカソード側電極１２０ｃを配置してなる膜−電極接合体１３０を備える。
【００１９】
電解質膜１１０としては、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂よりなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いる。この電解質膜１１０は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２０】
アノード側電極１２０ａ及びカソード側電極１２０ｃを、電解質膜１１０側から電極触媒層及びガス拡散層とで構成する。
【００２１】
電極触媒層は、触媒、例えば、白金又は白金と他の金属からなる合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を、電極の表面に一様に塗布してなる。電極触媒層は、互いに電解質膜１１０を介装して対向するように、電解質膜１１０の両面に接合する。
【００２２】
ガス拡散層は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、又は、カーボンフエルト等からなる。
【００２３】
アノード側電極１２０ａ、カソード側電極１２０ｃの外側には、それぞれセパレータ１４０ａ、１４０ｃを配置する。セパレータ１４０ａ、１４０ｃを、十分な導電性、強度及び耐食性を有する材料、例えば、カーボン材料をプレスすることにより形成する。セパレータ１４０ａ、１４０ｃは、十分な耐食性が実現可能であれば、金属などの他の材料を用いてもよい。
【００２４】
セパレータ１４０ｃの外周縁部には、カソード側電極１２０ｃとの間に、セパレータ１４０ｃの中心部から縁部に向かって薄くなるような階段状の段差１７０ｃを設ける。段差１７０ｃは、セパレータ１４０ｃの外周を連続的に包囲して構成する。ここでは段差１７０ｃを均一な幅で構成するが、幅は均一に限らず、例えば、セパレータ１４０ｃの各辺で異なってよい。
【００２５】
また、同様に、セパレータ１４０ａの外周縁部には、アノード側電極１２０ａとの間に階段状の段差１７０ａを設ける。段差１７０ａの構成は段差１７０ｃの構成と同一であるため、説明を省略する。
【００２６】
セパレータ１４０ａの表面には、アノード側電極１２０ａとの間に燃料ガス（水素含有ガス）を供給するための、燃料ガス流路１４１ａ（図示省略）を設ける。セパレータ１４０ａのもう一方の表面には、必要に応じて冷却媒体流路１４２ａを設ける。
【００２７】
セパレータ１４０ｃの表面には、カソード側電極１２０ｃとの間に酸化剤ガス（酸素含有ガス又は空気）を供給するための、酸化剤ガス流路１４１ｃを設ける。セパレータ１４０ｃのもう一方の表面には、必要に応じて冷却媒体流路１４２ｃ（図示省略）を設ける。
【００２８】
なお、図２では、酸化剤ガス流路１４１ｃ及び冷却媒体流路１４２ａをサーペンタイン形状で図示するが、これらの流路形状はサーペンタイン形状に限られず、例えば、直線的な形状でもよい。また、燃料ガス流路１４１ａ及び酸化剤ガス流路１４１ｃを総称してガス流路１４１と呼称し、冷却媒体流路１４２ａ及び１４２ｃを総称して冷却媒体流路１４２と呼称する。
【００２９】
単位セル１０における発電反応は次のようになる。
【００３０】
燃料ガスを、燃料ガス入口４１０ｉから燃料電池１内に導入すると、導入した燃料ガスは、各セル１０のセパレータ１４０ａから燃料ガス流路１４１ａを介してアノード側電極１２０ａに供給される。そして、アノード側電極１２０ａにおける発電反応により、プロトン及び電子を生成する。プロトンは電解質膜１１０を透過してカソード側へ移動し、電子は外部回路へ流れる。反応に利用されなかった余剰の燃料ガスは、燃料ガス出口４１０ｏから排出される。
【００３１】
一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス入口４２０ｉから燃料電池１内に導入すると、導入した酸化剤ガスは、各セル１０のセパレータ１４０ｃから酸化剤ガス流路１４１ｃを介してカソード側電極１２０ｃに供給される。そして、アノード側の発電反応により生じたプロトン及び外部回路からの電子と、酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。反応に利用されなかった余剰の酸化剤ガスは、反応により生じた生成水とともに、酸化剤ガス出口４２０ｏから排出される。
【００３２】
次に、シール一体型セパレータの成型方法について説明する。
【００３３】
セパレータ１４０ａ、１４０ｃ（以後、セパレータ１４０と呼称）は、前述の通り、外周縁部にそれぞれ段差１７０ａ、１７０ｃ（以後、段差１７０と呼称）を備える。段差１７０には、シール材を固着させ、シール部２６０を形成する。シール部２６０は、燃料電池セル１０を構成する前記各部品を積層した際に、電解質膜１１０とセパレータ１４０の隙間を保持し、膜−電極接合体１３０とセパレータ１４０の間のガスをシールする役割を担う。
【００３４】
シール材としては、例えば、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ポリイソプレン、ブチルゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＮＢＲ（アクリロニトリルブタジエンゴム）、フロロシリコンゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴムなどを用いる。
【００３５】
図３は、従来のセパレータ１４の上面から垂直にシール材を注入する場合のシール成型用の型１５、１６の断面図である。なお、膜−電極接合体１３とセパレータ１４との接面をセパレータ１４の上面（上部）とし、以下同様とする。
【００３６】
図３（Ａ）は、セパレータ１４に設けられた溝１７の拡大断面図である。図３（Ｂ）は、シール成型用の型に狭持されたセパレータ１４の全体断面図である。図３（Ｃ）は、膜−電極接合体１３と圧着したセパレータ１４の断面図である。なお、図３（Ｃ）に示すように、積層後のシール部２６は、膜−電極接合体１３とセパレータ１４とで密封され、外部には露出されない。
【００３７】
セパレータ１４は、外周から僅かに内側へ入った位置（例えば、１〜２ｍｍ内側へ入った位置）に、外周面に沿って全周にわたり、所定幅を有する溝１７を設ける。セパレータ１４を、シール成型用の上型１５と下型１６とで狭持する。下型１６は、セパレータ１４と同一形状及び同一の厚さ（深さ）の凹所２４を備え、当該凹所２４にセパレータ１４を嵌入させる。上型１５は、溝１７との間に鋳型空間を形成する。
【００３８】
上型１５は、溝１７の幅方向中央と対応する位置に凹溝１９を設ける。凹溝１９は、溝１７にシール材を充填することによって、シール部にシールリップ部を形成する。
【００３９】
また、上型１５は、凹溝１９の溝幅方向外側に対応する位置に、セパレータ１４の上部から溝１７内へシール材を注入するための注入ゲート２１、及び、注入ゲート２１の先端に備えられた注入口２２を設ける。注入口２２は、上型１５の表面から下方へ突出している。
【００４０】
また、上型１５は、凹溝１９の溝幅方向内側に対応する位置に、凸条２３を設ける。凸条２３は、上型１５の表面から下方へ突出しており、溝１７にシール材を充填することによって、シール部に逃げ部を形成する。逃げ部は、膜−電極接合体１３とセパレータ１４との圧着の際に、セパレータ１４の表面から突出したシールリップ部が弾性的に逃げるのを許容する。そして、前述の注入口２２も、上型１５から下方へ突出して設けられているため、溝１７にシール材を充填することによって、シール部に逃げ部を形成する。
【００４１】
注入ゲート２１から溝１７内へ注入されたシール材は、溝１７と上型１５によって形成された鋳型空間を流動して、セパレータ１４の表面に設けた鋳型空間の全領域に充填される。上型１５は複数の注入ゲート２１を要所に設けるが、鋳型空間の全領域にシール材を充填させるためには、各注入ゲート２１からのシール材注入の射出圧を大きくする必要がある。しかし、セパレータ１４は一般的に１〜５ｍｍ程度の厚さであるため、溝１７を設けることによって、当該溝１７を設けた領域のセパレータ１４の厚が薄肉化し、０．２〜０．３ｍｍ程度の薄肉部１８が形成される。この薄肉部１８は、注入ゲート２１からの注入方向と対峙しているため、シール材注入の射出圧が直接加わり、破損しやすい。
【００４２】
また、上型１５は、注入口２２及び凸条２３が表面から下方へ突出している。そのため、上型１５と下型１６とでセパレータ１４を狭持する際に、上型１５の注入口２２又は凸条２３とセパレータ１４の溝１７との位置がずれると、注入口２２又は凸条２３とセパレータ１４との干渉によって、セパレータ１４が破損する可能性がある。この上型１５の位置ずれは、セパレータ１４の長さＬ１（図３（Ｂ））が長いほど生じやすい。
【００４３】
そこで、本実施形態では、図４に示すように構成することで、シール部２６０成型時のセパレータ１４０の破損を防止する。
【００４４】
図４（Ａ）は、本実施形態を実現するためのシール成型用の型の断面図である。
【００４５】
前述の通り、セパレータ１４０は、外周縁部に階段状の段差１７０を設ける。ここでは、段差１７０として段差を一段設けるが、セパレータ１４０の中心部から外周部に向かって薄くなる構成であれば、複数の段差を設けてもよい。このとき、セパレータ１４０の厚の薄肉化によって、段差１７０を設けた外周側の領域に薄肉部１８０が形成される。
【００４６】
セパレータ１４０を、シール成型用の上型１５０と下型１６０とで狭持する。上型１５０と下型１６０は、段差１７０との間に鋳型空間１７５を形成する。
【００４７】
下型１６０に、セパレータ１４０の外周から長さＬ３だけ大きい形状を有し、かつ、セパレータ１４０の厚さの略半分の深さを有する凹所２４０を設ける。下型１６０の凹所２４０にセパレータ１４０を嵌入させる。
【００４８】
凹所２４０をセパレータ１４０の外周から長さＬ３だけ大きい形状とすることによって、セパレータ１４０の長さＬ４に対して凹所２４０の幅に２×Ｌ３分のゆとりの領域ができる（図４（Ｂ）参照）。これにより、セパレータ１４０を下型１６０に嵌入させる際に、長さＬ３分だけ位置ずれが許容される。
【００４９】
セパレータ１４０の外周面と凹所２４０の内壁面との間で形成される鋳型空間１７５は、シール材が充填されることによって、燃料電池セル１０の積層時に外部に露出するシール部２６１（図４（Ｃ））を形成する。長さＬ３を、シール部２６１が磨耗によって破損しない程度の十分な厚さを確保できる長さとする。
【００５０】
前述のようにシール材としてフッ素ゴム等の絶縁性樹脂を用いるため、このようにセパレータ１４０の外周をシール部２６０で覆うことによって、外部に露出したシール部２６１がセパレータ１４０の絶縁性及び断熱性を確保する。つまり、絶縁又は断熱のための他の部材を設けたり、絶縁処理又は断熱処理を別途施したりする必要がないため、加工工数及びコストを削減できる。
【００５１】
また、セパレータ１４０を金属性の材料を用いて形成する場合、セパレータ１４０の露出面で腐食が発生しやすい。そこで、当該セパレータ１４０の外周をシール部２６１で覆うことで、セパレータ１４０の腐食を防止することができる。
【００５２】
一方、上型１５０は、セパレータ１４０の上部略半分を覆う構成とする。
【００５３】
上型１５０には、セパレータ１４０の外周よりも外側の位置に、シール材を注入するための注入ゲート２１０を設ける。また、注入ゲート２１０の底面には、注入ゲート２１０へのシール材の注入方向とは垂直方向に注入口２２０を設ける。シール材は、注入ゲート２１０を通じて上部から直下方向に注入され、注入口２２０によって方向をセパレータ方向へ９０度転換させて、セパレータ１４０の側面から鋳型空間１７５へ注入される。つまり、シール材の射出圧は、セパレータ１４０の側面から中心方向へ加わる。
【００５４】
このように注入口２２０をセパレータ１４０の側面から中心方向へ向けて設けることによって、上部から薄肉部１８０へ直接シール材の射出圧が加わることがなく、射出圧による薄肉部１８０の破損を防止することができる。なお、注入口２２０の設置角度は、注入ゲート２１０への注入方向と垂直方向に限られず、薄肉部１８０にシール材の射出圧が直接加わらなければ、例えば、上記注入方向と鋭角をなす角度に設けてもよい。
【００５５】
また、セパレータ１４０の上部からシール材を注入した場合、シール部２６０の表面の、注入口２２０と対応する位置にヒケが発生しやすい。ヒケは、膜−電極接合体１３０との圧着時に、シールリップ部２７０によって補填される。しかし、ヒケが大きい場合、シール部２６０に不自然な偏りが発生して、シール性を減退させる問題がある。本実施形態ではシール材をセパレータ１４０の側面から注入するため、シール部２６０の上部（膜−電極接合体１３０との接面）にヒケが発生せず、シール部２６０の形状精度を確保できる。これにより、シール部２６０のシール性を向上することができる。
【００５６】
また、上型１５０には、段差１７０を覆う位置に断面が三角形状の凹溝１９０を設ける。凹溝１９０は、鋳型空間１７５へシール材を充填することによって、シール部２６０にシールリップ部２７０を形成する。なお、ここでは、シールリップ部２７０として先端先細り形状を示すが、例えば、台形状、蒲鉾形状等の凸条を形成するように、凹溝１９０を構成してもよい。
【００５７】
凹溝１９０の外周側には、傾斜部１９１を設ける。傾斜部１９１は、鋳型空間１７５へシール材を充填することによって、後述するシールリップ部２７０の逃げ部２７５を形成する。
【００５８】
また、上型１５０には、セパレータ１４０の上面部を受け入れる凹所２５０が形成される。上型１５０によって形成されるシール部２６０の形状については、図５を用いて後述する。
【００５９】
また、本実施形態のセパレータ１４０は、アノード側電極１２０ａ又はカソード側電極１２０ｃとの接触による反応面積を、図３に示すセパレータ１４と比較して広くとることができる。具体的には、図３（Ｂ）に示すセパレータ１４は、一方の溝１７の内側から、対峙するもう一方の溝１７の内側までの領域（図３（Ｂ）のＬ２で示す領域）を反応領域とすることができる。しかし、各溝１７の外側の領域は反応領域として利用することができず、無駄な領域となる。
【００６０】
一方、本実施形態のセパレータ１４０は、図４（Ｂ）に示すように、一方の段差１７０の内側から、対峙するもう一方の段差１７０の内側までの領域（図４（Ｂ）のＬ５で示す領域）を反応領域とすることができ、段差１７０の外側に上記のような無駄な領域がない。
【００６１】
したがって、セパレータ１４の長さ（Ｌ１）とセパレータ１４０の長さ（Ｌ４）とを同一とし、溝１７と段差１７０の幅を同一に構成する場合、セパレータ１４０の反応領域を示すＬ５は、セパレータ１４の反応領域を示すＬ２と比較して広くなる。
【００６２】
次に、シール部の形状について説明する。
【００６３】
図５は、セパレータ１４０を用いてシール一体型セパレータを成型した場合を示す。
【００６４】
図５（Ａ）は、本実施形態における成型後のシール部２６０の断面図を示す。セパレータ１４０は、段差１７０を有する。段差１７０を、セパレータ１４０の外周側面２８０、注入口２２０からのシール材の注入方向と平行に形成された面２９０、及び、注入口２２０と対峙する面３００により構成する。これらの面２８０、２９０及び３００の表面にシール材を固着させて、シール部２６０を形成する。このとき、面３００は注入口２２０と対峙する位置に設けられているため、注入口２２０から射出したシール材は、面３００に直接衝突するので、その射出圧によってシール材の固着力が高くなる。
【００６５】
シール部２６０の上部には、シールリップ部２７０を設ける。シールリップ部２７０の外周側を、外周に向かうにしたがって低くなるように傾斜して逃げ部２７５を構成する。つまり、Ｌ６で示す高さ（シール部２６０の最も外周側の高さ）と比較して、Ｌ７で示す高さ（セパレータ１４０の厚さ（高さ））の方を高く構成する。このように構成することによって、シールリップ部２７０の外周側の傾斜が、膜−電極接合体１３０とセパレータ１４０との圧着時に、シールリップ部２７０の逃げ部２７５となる。これにより、図５（Ｂ）に示すように、膜−電極接合体１３０とセパレータ１４０との間を隙間なく密着させることができ、シール性を向上させることができる。
【００６６】
また、膜−電極接合体１３０とセパレータ１４０との圧着の際、シールリップ部２７０の中心位置は最も大きな負荷がかかる。そのため、シールリップ部２７０を外周に近い位置に設けた場合、薄肉部１８０の先端位置に大きな負荷がかかる。これにより、薄肉部１８０の付け根部分が曲折し、セパレータ１４０が破損する可能性がある。
【００６７】
また、シールリップ部２７０を外周に近い位置に設けた場合、膜−電極接合体１３０との圧着時に、シールリップ部１３０が外側に倒れやすく、シール性が損なわれる。
【００６８】
そこで、シールリップ部２７０の中心から面３００までの長さ（Ｌ９）を、段差１７０の幅（Ｌ８）の半分以下に構成する。これにより、シールリップ部２７０に対してかかる負荷が、シール部２６０を通じて、薄肉部１８０の付け根側にかかり、セパレータ１４０の破損を防止できる。また、シールリップ部２７０が外側に倒れるのを防止して、シール性を向上することができる。
【００６９】
図６は、金属製材料で形成されたセパレータ１４０の断面図である。
【００７０】
図６（Ａ）に示すセパレータ１４０は金属製平板からなり、断面が波型に形成されている。具体的には、溝部であるガス流路１４１とリブ部である冷却媒体流路１４２とが互いに平行になるように形成されている。また、ガス流路１４１の底面と冷却媒体流路１４２の頂面とはそれぞれ平坦に形成されている。
【００７１】
そして、最も外周側に形成された冷却媒体流路１４２から外周側に向かって、ガス流路１４１の底面の延長線上に薄肉部１８０を形成されている。この薄肉部１８０は、当該薄肉部１８０の平面に対して上方から垂直方向に圧力がかかると、圧力のかかった方向へ薄肉部１８０の付け根部分が曲折して変形しやすい。
【００７２】
そこで、このような金属製のセパレータ１４０を、図４（Ａ）に示すシール成型用の上型１５０と下型１６０とで狭持する。そして、注入ゲート２１０からシール材を注入する。これによって、薄肉部１８０の平面に対して直接シール材注入の射出圧が加わることがないため、シール材注入の際のセパレータ１４０の変形を防止できる。
【００７３】
また、図６（Ｂ）は、金属製材料で形成されたセパレータ１４０の変形例であって、薄肉部１８０が、ガス流路１４１の底面と冷却媒体流路１４２の頂面との中位に形成されている場合を示す。このような薄肉部１８０も、当該薄肉部１８０の平面に対して上方から垂直方向に圧力がかかると、圧力のかかった方向へ薄肉部１８０の付け根部分が曲折して変形しやすい。
【００７４】
この場合、セパレータ１４０を、図４（Ａ）に示すシール成型用の上型１５０と、薄肉部１８０の裏面側にシールリップ部２７０及び逃げ部２７５を形成可能な凹溝及び傾斜部を設けた下型とで狭持する。そして、注入ゲート２１０からシール材を注入する。これによって、薄肉部１８０の平面に対して直接シール材注入の射出圧が加わることがないため、シール材注入の際のセパレータ１４０の変形を防止できる。また、薄肉部１８０の表面及び裏面のいずれにもシールリップ部２７０及び逃げ部２７５が形成されるため、膜−電極接合体１３０とセパレータ１４０との間、及び、セパレータ１４０同士を隙間なく密着させることができ、シール性を向上させることができる。
【００７５】
次に、第１の実施形態の効果について説明する。
【００７６】
燃料電池用のセパレータ１４０の製造方法において、セパレータ１４０の外周にその厚さが外側で薄くなる段差１７０を形成するステップと、セパレータ１４０を上型１５０と下型１６０内に配置して、段差１７０と上型１５０及び下型１６０との間に鋳型空間１７５を形成するステップと、鋳型空間１７５に段差１７０の側方からシール材を注入してシール部２６０を形成するステップと、を備える。
【００７７】
これにより、シール材注入の際の射出圧によるセパレータ１４０の破損を防止できる。また、シール成型用の型１５０、１６０とセパレータ１４０との位置ずれが生じた場合の、干渉によるセパレータ１４０の破損を防止できる。また、シール部の仮成型工程が不要なため、シール一体型セパレータ１４０を成型する工数及びコストを削減できる。また、外周より内側に溝を設けてシール部を形成した場合と比較して、反応領域を広くとることができる。
【００７８】
また、セパレータ１４０の外部を、シール材で覆う。これにより、セパレータ１４０の絶縁性及び断熱性を確保することができる。また、絶縁又は断熱のための部品や処理を別途設ける必要がないため、コストを削減できる。
【００７９】
また、シール材の注入口２２０と対峙する位置に、段差１７０を構成する面３００を設ける。これにより、注入口２２０から射出するシール材の、セパレータ１４０への固着性を向上させることができる。
【００８０】
また、シール部２６０の最も外周側の厚さを、セパレータ１４０の厚さと比較して薄くする。これにより、シールリップ部２７０の逃げ部２７５を確保することができ、膜−電極接合体１３０とセパレータ１４０との密着性を向上させることができる。また、シール成型用の上型１６０に、逃げ部を形成するための凸条を設ける必要がないため、上型１６０とセパレータ１４０との位置ずれによるセパレータ１４０の破損を防止できる。
【００８１】
また、シールリップ部２７０の中心位置から段差１７０の構成面３００までの長さを、セパレータ１４０の外周側の面から段差１７０の構成面３００までの長さの半分以下に構成する。これにより、薄肉部１８０の先端に、膜−電極接合体１３０との圧着時にかかる負荷が集中することなく、セパレータ１４０の破損を防止できる。
【００８２】
次に第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８３】
図７は、シールリップ部２７０の外周側に逃げ部３１０を設けた場合を示す。
【００８４】
図７（Ａ）は、本実施形態を実現するためのシール成型用の型の断面図である。
【００８５】
本実施形態の上型１５０には、段差１７０を覆う位置に断面が三角形状の凹溝１９０を設ける。凹溝１９０は、鋳型空間１７５へシール材を充填することによって、シール部２６０にシールリップ部２７０を形成する。
【００８６】
凹溝１９０の外周側には、凸条１９２を設ける。凸条１９２は、鋳型空間１７５へシール材を充填することによって、後述するシールリップ部２７０の逃げ部３１０を形成する。凸条１９２は、上型１６０から下方へ突出して設けられる。
【００８７】
また、上型１５０には、セパレータ１４０の上面部を受け入れる凹所２５０が形成される。上型１５０によって形成されるシール部２６０の形状については、図７（Ｂ）を用いて説明する。
【００８８】
図７（Ｂ）は、本実施形態における成型後のシール部２６０の断面図を示す。シール部２６０の上部には、セパレータ１４０の上面から上方に突出するようにシールリップ部２７０を設ける。また、シールリップ部２７０の外周側には、シールリップ部２７０が弾性的に逃げるのを許容する逃げ部３１０を設ける。
【００８９】
このように逃げ部３１０を設けることによって、図７（Ｃ）に示すように、膜−電極接合体１３０との圧着時に、頭頂部から直下方向へ押しつぶされたシールリップ部２７０が、外周側に設けた逃げ部３１０へ逃げることができる。これにより、セパレータ１４０と膜−電極接合体１３０との間に、シール材の層が形成されることなく、密閉性が確保され、その結果、シール性が向上する。
【００９０】
逃げ部３１０を形成するために、上型１５０の凹溝１９０の外周側にのみ凸条１９２を設ける。これによって、上型１６０とセパレータ１４０との型締めの際に位置ずれが生じても、凸条１９２とセパレータ１４０との干渉による、セパレータ１４０ｍｐ破損を防止できる。
【００９１】
次に、第２の実施形態の効果について説明する。
【００９２】
シールリップ部２７０の外周側にのみ、逃げ部３１０を設ける。これにより、膜−電極接合体１３０との圧着時に、シールリップ部２７０が逃げ部３１０へ流れることが許容され、膜−電極接合体１３０とセパレータ１４０との密着性を向上させることができる。また、セパレータ１４０に段差１７０を設け、シールリップ部２７０の外側に逃げ部３１０を設ける。これにより、上型１６０とセパレータ１４０との位置ずれによるセパレータ１４０の破損を防止できる。
【００９３】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００９４】
図８は、セパレータ１４０に設けられた段差１７０に補強材１４５を塗布した場合を示す。段差１７０は、面２８０、２９０及び３００の表面に、補強材１４５を一様に塗布してなる。補強材１４５としては、炭素繊維、プリプレグ又はガラス繊維を用いる。そして、段差１７０の表面に補強材１４５を塗布したセパレータ１４０に、セパレータ１４０の側面方向からシール材を注入することによって、シール部２６０を形成する。
【００９５】
このように、段差１７０の表面に補強材１４５を一様に塗布することによって、面３００から面２８０までの表面が一体として補強されて機械的強度が向上し、セパレータ１４０の製造時やシール部２６０の成型時の薄肉部１８０の破損を防止することができる。そして、薄肉部１８０の破損を防止することによって、セパレータ１４０の製造における歩留まりやハンドリング性を向上させることができる。
【００９６】
なお、補強材１４５は、段差１７０の面２８０、２９０又は３００の表面に限られず、セパレータ１４０の上面又は底面（セパレータ１４０の上面の裏面に相当する面）の表面にかけても塗布するとよい。つまり、面２８０からセパレータ１４０の底面の一部にかけて、連続して一様に補強材１４５を塗布する。また、面３００からセパレータ１４０の上面の一部にかけて、連続して一様に補強材１４５を塗布する。これにより、段差１７０が、セパレータ１４０の上面から底面までを一体として補強され、セパレータ１４０の製造時やシール部２６０の成型時の薄肉部１８０の破損をさらに防止することができる。ただし、セパレータ１４０の上面又は底面に補強材１４５を塗布する場合、セパレータ１４０の上面又は底面に、塗布する補強材１４５の厚さに相当する厚さの段差１７１を設ける。この段差１７１を設けることによって、セパレータ１４０の上面又は底面から補強材１４５が隆起して、膜−電極説胴体１３０とセパレータ１４０との圧着時に、両者間に隙間ができるのを防止することができる。
【００９７】
また、補強材１４５として、絶縁性を有するガラス繊維を用いることができる。絶縁性を有するガラス繊維を用いることによって、燃料電池セル１０の積層時にセパレータ１４０の外周側がシール材及び前記ガラス繊維によって覆われるため、絶縁性を向上させることができる。
【００９８】
なお、第２の実施形態に示すシール成型用の型を用いてシール部２６０を成型する場合にあっても、セパレータ１４０の段差１７０の表面に補強材１４５を塗布することで、段差１７０の面３００から面２８０までが一体として補強されて機械的強度が向上し、セパレータ１４０の製造時やシール部２６０の成型時の薄肉部１８０の破損を防止することができる。
【００９９】
次に、第３の実施形態の効果について説明する。
【０１００】
段差１７０は、表面が炭素繊維又はガラス繊維からなる補強材１４５で覆われている。これにより、段差１７０が補強されて機械的強度が向上し、セパレータ１４０の製造時やシール部２６０の成型時の薄肉部１８０の破損を防止することができる。そして、薄肉部１８０の破損を防止することによって、セパレータ１４０の製造において歩留まりやハンドリング性を向上させることができる。
【０１０１】
なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、燃料電池に適用することができる。特に、簡易にシール部を成型して、また、シール性を確保する必要がある固体高分子型燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】燃料電池スタック示す斜視図である。
【図２】単位燃料電池セルの構造を示す斜視図である。
【図３】従来のシール成型用の型の構造を示す断面図である。
【図４】シール成型用の型の構造を示す断面図である。
【図５】第１の実施形態に用いるシール一体型セパレータの断面図である。
【図６】第１の実施形態に用いるシール一体型セパレータの変形例の断面図である。
【図７】第２の実施形態に用いるシール一体型セパレータの断面図である。
【図８】第３の実施形態に用いるシール一体型セパレータの断面図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１  燃料電池スタック
１０  単位燃料電池セル
１４０  セパレータ
１４５  補強材
１５０  シール成型用上型
１６０  シール成型用下型
１７０  セパレータ外周縁部段差
１８０  薄肉部
２１０  シール材注入ゲート
２２０  シール材注入口
２６０  シール部
２７０  シールリップ部
３１０  シールリップ逃げ部
３００  段差構成面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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