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JP3809491B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複雑な形状や、小型化が可能なシリコーン樹脂−金属複合体よりなる燃料電池用セパレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からシリコーンゴムは、耐熱性や電気的絶縁性等の特性に優れていることから、上記クッション材やスペーサー等の各種用途に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のシリコーンゴム単体からなり、比較的肉厚の薄い薄膜のものを電気・電子部品等にそのまま組み入れようとすると、薄膜上にシワが生じたり、薄膜同志で密着し剥がしずらくなる等の作業性に問題があった。そこで、このような問題点を解消するためにシリコーンゴム単体と非伸縮性の金属薄板と複合一体化した積層体が知られている（例えば、特開平４−８６２５６号、実開平２−４７０号）。
【０００４】
上記複合一体化の方法としては、通常、金属薄板の少なくとも片面にシリコーンゴムシートを載置し、加熱加圧する方法が行われているが、部分的に載置する場合、位置合せが困難であったり、さらには金属薄板の表面に凹凸があるものでは、均一に貼り合わせることが困難という問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の問題点を解消できる燃料電池用セパレータを見出したものであり、その要旨とするところは、金属薄板の少なくとも片面に厚みが０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍで硬度（ＪＩＳＫ６３０１ スプリング式硬さ試験 Ａ型）が４０〜７０の範囲のシリコーン樹脂層を射出成形法により一体的に被着してなる燃料電池用セパレータにあり、特に前記金属薄板は表面が凹凸を有する金属薄板を使用したものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明に使用される金属薄板としては、鋼板、ステンレス鋼板、メッキ処理鋼板、アルミニウム板、銅板、チタン板等が好適であるが、これらには、限定されない。金属薄板の厚みは０．１〜２．０ｍｍの範囲のものが好適であり、表面に凹凸を有するものも使用できる。この凹凸は用途等によりその形状は異なるが、３次元的な構造であって、用途が燃料電池、特に固体高分子型燃料電池のセパレータでは、燃料ガスの流路用溝等が相当する。
【０００７】
なお、金属薄板のシリコーン樹脂層と接する面には、密着性の点から各種プライマー層を設けることが好ましい。このプライマー層はスプレー法やデイッピング法等の通常の方法により被覆すればよい。プライマー層の厚みは０．０１μｍ〜５．０μｍの範囲であることが好ましく、０．０１μｍ未満では、塗布厚さの調整が困難で有り、５．０μｍを越えるものでは、密着性の改良効果が少ない。
【０００８】
上記金属薄板の少なくとも片面には、シリコーン樹脂層を形成するが、使用するシリコーン樹脂は液状のシリコーン樹脂であって、通常の付加型液状シリコーン樹脂で二液タイプのものが使用でき、粘度が１０3 〜１０4 ポイズ（２５℃）の樹脂が好適に使用できる。粘度が１０3 ポイズ未満のものでは、柔らかすぎて取り扱いにくく、１０4 ポイズを越えるものでは、射出成形時の流動性に劣り易い傾向にある。
また、必要に応じて微粉末シリカ、ケイそう土、高熱伝導性無機フイラー等の充填剤を添加してもよい。
【０００９】
本発明ではシリコーン樹脂層を射出成形法により形成することに特徴があり、射出成形法としては金属薄板を金型内に保持して樹脂を射出する、いわゆるインサート成形法によればよく、金型温度として１３０〜１８０℃の範囲、射出圧として１５０〜５００Ｋｇｆ／ｃｍ2 の範囲で気泡やバリ等が発生しない条件を適宜決めて成形すればよい。
【００１０】
射出成形後のシリコーン樹脂層の厚みは０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲とする必要がある。０．０５ｍｍ未満では、正確な射出成形がしずらく、また弾力効果が出にくく、パッキング材としての利用性に劣り、１．０ｍｍを超えるものでは燃料電池、特に固体高分子型燃料電池のセパレータ用としての用途では小型化しずらく、またコスト高になるという問題がある。
【００１１】
さらに、射出成形後のシリコーン樹脂層の硬度を４０〜７０、好ましくは５０〜６０の範囲とする必要がある。硬度の測定方法はＪＩＳＫ６３０１ スプリング式硬さ試験 Ａ形に準拠して行なう。
この硬度が４０未満では柔らかすぎて取り扱いにくく、７０を超えると硬くなりすぎて弾力性に欠けるという問題がある。
【００１２】
本発明の如く、金属薄板の表面に射出成形法によりシリコーン樹脂層を一体的に被着させる技術を利用して製造されたシリコーン樹脂−金属複合体は、電気、電子部品等のクッション材、パッキン材、スペーサー材、Ｏリング等に使用できる。特に燃料電池（固体高分子型燃料電池）用セパレータの用途に好適に使用できる。このようなセパレータはより小型化が要求され、また多数のセパレータを重ね合わせて使用することから精度が優れ、生産性のよいセパレータが要求されており、金属薄板の表面にシリコーン樹脂層を射出成形法により一体的に被着してなる燃料電池用セパレータはこのような要求を満足することが容易である。
【００１３】
【実施例】
以下、実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１）
図２の断面概略図に示した射出成形用金型を使用し、図１の断面概略図に示したシリコーン樹脂−金属複合体のパッキン材を得た。図１のパッキン材は円盤状のものであって、円環状の凹凸部Ａを設けたステンレス鋼板からなる金属薄板１１（厚み０．３ｍｍ）と、この表面にリブ部２１を有するシリコーン樹脂層２が部分的に同心円状に形成されている。
【００１４】
パッキン材は外径が２００ｍｍで同心円状に部分的にリブ部を設けた円形のパッキンでシリコーン樹脂層２の厚みは６０〜１００μｍ、リブ部２１の形状は幅５００μｍ×高さ５００μｍのほぼ断面台形状のものをそれぞれ２本形成している。シリコーン樹脂層２の硬度は６０であった。
【００１５】
上記パッキン材は図２の断面概略図に示した射出成形用金型を用いた射出成形装置を使用して製造したものであり、図２に示すように凹凸部を設けたステンレス鋼板１１は雄型４に載置し保持され、雌型５のゲート３、３から液状シリコーン樹脂が射出される。
【００１６】
液状シリコーン樹脂として信越化学（株）製 ＫＥ−１９５０−６０を使用し、金型温度１６０℃、射出圧３００Ｋｇｆ／ｃｍ2 の条件で、ステンレス鋼板（表面プライマー処理 東芝シリコーン（株）製ＭＥ−２１）の片面に射出成形した。脱型した後、図１に示した断面概略図のパッキン材を得た。得られたパッキン材ではステンレス鋼板とシリコーン樹脂層との間の接着性が良好で剥離等がなく、またバリや気泡等の発生が見られずパッキン材としての性能上問題なかった。
【００１７】
（実施例２）次に、本発明であるシリコーン樹脂−金属複合体製の燃料電池セパレータについて図３〜１０に基づいて説明する。図３に示した射出成形金型３０に金属薄板からなる金属製のセパレータ本体３１をセットし、セパレータ本体３１の一側面３２にシリコーン樹脂層（硬度６０）からなるシール材３３ａを射出成形法により一体的に被着した後、セパレータ本体３１に図４に示した射出成形用金型３４にセットし、セパレータ本体３１の他側面３５にシリコーン樹脂層（硬度６０）からなるシール材３３ｂを射出成形法により一体的に被着し、図５〜６に示す燃料電池用セパレータ３６を形成した。
【００１８】
セパレータ本体３１の厚みは０．３ｍｍであり、中央部３７にはプレス成形又はエッチング処理により凹凸状のガス溝パターン３８が形成され、周縁部３９には反応ガス通路孔４０、ピン孔４１及び冷却媒体通路４２が穿孔され、反応ガス通路孔４０と中央部３７とは凹凸状の反応ガス通路部４３により連通されている。 セパレータ本体３１の凹凸状のガス溝パターン３８の頂面は電極接触部４４を形成し、電極接触部４４には耐蝕性かつ良導電性の表面処理が施されている。
【００１９】
図５及び図７に示すように、セパレータ本体３１の一側面３２の周縁部３９ａには、板状の基体部４５と凸条のリブ部４６とが形成されたシール材３３ａが一体的に被着されている。図６及び図７に示すように、他側面３５の周縁部３９ｂには板状の基体部４７のみからなるシール材３３ｂが一体的に被着されている。
【００２０】
反応ガス通路部４３にはセパレータ本体３１の両側面の周縁部３９ａ、３９ｂとシール材３３ａ、３３ｂとの間に薄板耐蝕性剛体板（ＳＵＳ３０４、厚さ０．１ｍｍ）４８が介設され、薄板耐蝕性剛体板４８はシール材３３ａ、３３ｂに一体的に被着され、反応ガス通路部４３中での反応ガスの流通が確保されている。シール材３３ａ、３３ｂの基体部４５、４７の厚みは好ましくは５０〜３５０μｍであり、特に好ましくは６０〜２００μｍである。
【００２１】
リブ部４６はシール材３３ａの内縁に沿って一周するように形成された第１リブ部４６ａと反応ガス通路孔４０の外周を一周するように形成された第２リブ部４６ｂと冷却媒休通路４２の外周を一周するように形成された第３リブ部４６ｃとから形成され、リブ部４６の断面形状は幅５００μｍ、高さ５００μｍの断面略半円状をなしている。
【００２２】
図７に示すように、燃料電池セパレータ３６、４９、５０、電極５１及びスペ一サ５２が組み合わされて単電池ユニット５３が構成される。
図８に示すように、燃料電池セパレータ４９は、リブ部５４が形成された側のシール材５５にセパレータ本体５６の中央部５７と冷却媒体通路５８とを連通する冷媒連通路５９が形成されている点を除いて燃料電池セパレータ３６と同様に形成されている。
【００２３】
図９に示すように、燃料電池セパレータ５０は、リブ部６０が形成されない側のシール材６１にセパレータ本体６２の中央部６３と冷却媒体通路６４とを連通する冷媒連通路６５が形成されている点を除いて燃料電池セパレータ３６と同様に形成されている。
【００２４】
図１０に示すように、複数の単電池ユニット５３をさらに積層し、それらの両側にターミナル６６、電気絶縁板６７及びプレッシャープレート６８を配設し、プレッシャープレート６８に押え荷重（図８中矢印で表示）を加えて電池スタック６９を構成する。
【００２５】
このように組付けられた電池スタック６９は窒素ガスにてゲージ圧力０．２９４ＭＰａにおいてもリークが極めて少なく、実際の発電状況においても、ゲージ圧力各０．１９６ＭＰａで改質ガス及び空気のリークは認めらず、耐久性も良好であった。
【００２６】
【発明の効果】
上述したように、本発明のシリコーン樹脂−金属複合体よりなる燃料電池用セパレータは、金属薄板の表面にシリコーン樹脂層を射出成形法により一体的に被着することにより、立体的な形状の複合体を正確にかつ効率的に製造できるという利点を有しており、特に燃料電池（固体高分子型燃料電池）用セパレータの用途に好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合体の一例であるパッキン材を示す断面概略図である。
【図２】図１のパッキン材を成形するための射出成形用金型の一例を示す断面概略図である。
【図３】本発明の複合体を用いた燃料電池セパレータを成形するための射出成形用金型の要部断面図である。
【図４】図３に示した射出成形用金型と別の射出成形用金型の要部断面図である。
【図５】本発明の実施例の燃料電池セパレータの一面側を示す図である。
【図６】図５の燃料電池セパレータの側面側を示す図である。
【図７】複数の燃料電池セパレータを積層して形成した単電池ユニットの要部拡大断面図である。
【図８】上記単電池ユニットを形成する別の燃料電池セパレータを示す図である。
【図９】上記単電池ユニットを形成するさらに別の燃料電池セパレータを示す図である。
【図１０】上記単電池ユニットを組み合わせて形成した電池スタックを示す図である。
【符号の説明】
１１ … 金属薄板
２… シリコーン樹脂層
２１… リブ部

Claims (2)

  1. 金属薄板の少なくとも片面に厚みが０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍで硬度（ＪＩＳＫ６３０１ スプリング式硬さ試験 Ａ型）が４０〜７０の範囲のシリコーン樹脂層を射出成形法により一体的に被着してなる燃料電池用セパレータ。
  2. 表面に凹凸を有する金属薄板を用いてなる請求項１記載の燃料電池用セパレータ 。
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