JP2002081550A

JP2002081550A - シール材の装着方法とその装置

Info

Publication number: JP2002081550A
Application number: JP2000271082A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Murakami; 克哉村上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2002-03-22

Abstract

(57)【要約】【課題】複雑なシール材形状でもシール材の被シール
部材への装着を可能とする半固形性シール材の装着方法
とその装置の提供。【解決手段】（１）半固形のシール材材料７を一対の
加工型５、６間に供給して圧縮し、該一対の加工型を離
反させる際にシール材４となる部分を一方の加工型５に
保持させ残りの部分を他方の加工型６に残し、シール材
を保持した加工型５を被シール部材１または３に送って
シール材４を被シール部材１または３のシール面に転写
するシール材の装着方法。（２）接近・離反可能な一対
の加工型５、６を備え、一方の加工型５には被シール部
材のシール面のパターンの粗面が形成されており、他方
の加工型６には被シール部材のシール面のパターンと逆
のパターンの粗面が形成されている、シール材の装着装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シール材を成形し
て被シール部材のシール面に装着する方法とその装置に
関する。本発明は、たとえば固体高分子電解質型燃料電
池の、セパレータ間またはセパレータと電解質膜間のシ
ール材のセパレータへの装着方法とその装置に利用でき
る。ただし、燃料電池のシール材とその装置への適用に
限られるものではない。

【０００２】

【従来の技術】シール材の成形、装着方法には、液状材
を利用するものと、半固形材を利用するものがある。液
状材を利用する場合は、液状シリコーンゴムやウレタン
等を塗布または充填し、熱や湿度等で硬化させ、シール
材を形成する。半固形材を利用する場合は、半固形材
は、液状のシール材と比較し、流動性、成形性が悪く、
塗布やインジェクション成形によるシール材成形が不可
能であるため、通常、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレ
ート）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のフ
ィルム間に半固形シリコーンゴムをはさみ込み、ロール
プレス等で必要な膜厚に圧延した後、必要なシール材形
状に打抜きもしくは裁断し、手作業により被シール部材
に貼り付ける。特開平８−１４５１８１号公報は、自動
装着のために、シール材成形時にサブフレームを同時に
成形し、搬送、装着に利用することを開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のシール
材の装着方法には、つぎの問題がある。液状シール材の
場合は、硬化途中に加わる組み付け荷重等により、液状
シール材の荷重直角方向への流動により、被シール部材
同士が接触し、シール切れによる洩れの発生につながる
おそれがある。これを防止するために、被シール部材の
加工精度を上げたり定寸組み付けをしたり、あるいは液
状シール材の中にガラスビーズ等を混入することでクリ
アランスを保証する必要があるため、コストが高くな
る。また、液状シール材がはみ出した場合、バリ取り作
業が必要となる。半固形材または固形材の場合は、シー
ル材形状が複雑になると、たとえば離れ小島を有するよ
うな形状になると、打抜き型が成立しなくなる等、形状
上の制約が大きい。さらに、フィルムが用いられるた
め、打抜きや裁断によって生じる端切れの再利用が困難
である。また、特開平８−１４５１８１号公報のように
サブフレームを設ける場合は、シール材としては不要な
サブフレームを設けるため、無駄が多くなる。本発明の
目的は、複雑なシール材形状でもシール材の被シール部
材への装着を可能とする半固形性または固形性シール材
の装着方法とその装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。（１）半固形または固形のシール材材料を一対の加工
型間に供給して圧縮し、該一対の加工型を離反させる際
にシール材となる部分を一方の加工型に保持させ残りの
部分を他方の加工型に残し、シール材を保持した加工型
を被シール部材に送ってシール材を被シール部材のシー
ル面に転写するシール材の装着方法。（２）前記シール材は接着性を有しており、前記一方
の加工型には被シール部材のシール面のパターンの粗面
が形成されているとともに前記他方の加工型には被シー
ル部材のシール面のパターンと逆のパターンの粗面が形
成されており、一対の加工型の離反動作でシール材とな
る部分が残りの部分からちぎれて前記一方の加工型に保
持される（１）記載のシール材の装着方法。（３）接近・離反可能な一対の加工型を備え、一方の
加工型には被シール部材のシール面のパターンの粗面が
形成されており、他方の加工型には被シール部材のシー
ル面のパターンと逆のパターンの粗面が形成されてい
る、シール材の装着装置。

【０００５】上記（１）のシール材の装着方法では、シ
ール材となる部分を加工型に保持させて被シール部材に
送ってシール材を被シール部材のシール面に転写するの
で、シール材の形状が複雑であっても形状に無関係に、
かつサブフレーム等を必要とすることなく、被シール部
材への装着が可能である。また、半固形材または固形材
のため、シール材を被シール部材に装着して荷重をかけ
て締結した時に、液状シール材のようなシール切れや、
はみ出しや、電気的短絡が生じることがなく、バリ取り
も必要でない。上記（２）のシール材の装着方法では、
一方の加工型には被シール部材のシール面のパターンの
粗面が形成されているとともに他方の加工型には被シー
ル部材のシール面のパターンと逆のパターンの粗面が形
成されており、一対の加工型の離反動作でシール材とな
る部分が残りの部分からちぎれて（一種のトリミング機
能がある）一方の加工型に保持されるので、一対の加工
型を離反させるだけで材料はシール材形状となり、材料
をシール材形状へ特別にプレス打抜きまたは裁断する必
要がなく、また、シール材は一方の型に接着、保持され
て被シール部材まで送られるので、搬送において特別な
保持治具が必要でない。その結果、従来必要であったプ
レス打抜きまたは裁断装置や搬送における保持治具分、
装置の簡素化と設備のコストダウンをはかることができ
る。上記（３）のシール材の装着装置では、上記（２）
と同様の作用が得られる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のシール材の装着
方法とその装置を図１〜図８を参照して、説明する。図
１、図２は本発明の何れの実施例にも適用可能であり、
図３〜図６は、シール材として固体高分子電解質型燃料
電池のシール材を例にとった場合を示し、図７、図８は
シール材としてエンジンのヘッドカバーガスケットのシ
ール座を例にとった場合を示している。本発明の何れの
実施例にも共通する部分には、本発明の全実施例にわた
って同じ符号を付してある。

【０００７】まず、本発明の何れの実施例にも共通する
部分を図１、図２を参照して説明する。本発明のシール
材の装着方法は、半固形または固形のシール材材料７を
一対の加工型５、６間に供給して（図１の工程Ａ）圧縮
し（図１の工程Ｂ）、一対の加工型５、６を離反させる
際にシール材４となる部分を一方の加工型５に保持させ
残りの部分８を他方の加工型６に残し（図１の工程
Ｃ）、シール材４を保持した加工型５を被シール部材１
（または３）に送ってシール材４を被シール部材１（ま
たは３）のシール面に転写する（図１の工程Ｄ）シール
材の装着方法からなる。

【０００８】材料供給工程Ａにおけるシール材材料７
は、接着性を有する塊状の半固形樹脂材料または固形性
樹脂材料で、たとえばシリコーンゴム樹脂材からなる。
圧縮工程Ｂにおいて、シール材材料７は必要膜厚に圧縮
され膜状またはシート状とされる。膜厚ｃは、固体高分
子電解質型燃料電池のセパレータ間またはセパレータと
電解質膜間のシールの場合、約１００μｍである。加工
型は油圧によって作動するので、十分な圧縮力が得られ
る。一対の加工型５、６の離反工程Ｃにおいて、シール
材４となる部分を一方の加工型５に保持させ残りの部分
８を他方の加工型６に保持させて残すので、一対の加工
型５、６を離反させる際に、シール材４となる部分と残
りの部分８とは両者の境界で自動的にちぎれる。膜のち
ぎれ力より膜の型への密着力の方が強くかつ膜が薄いの
で、膜は裁断されたように綺麗にちぎれる。このため、
圧縮工程、離反工程において、膜状またはシート状材料
をシール材形状にプレス打抜きしたり裁断したりする必
要がなく、従来のプレス打抜き工程や裁断工程は本発明
では存在しない。シール材４を保持した加工型５は、そ
のまま、治具９に載せられた被シール部材１（または
３）に搬送され、加工型５はシール材４を被シール部材
９（または３）に向けて被シール部材１（または３）に
押し付けられ、シール材４が被シール部材１（または
３）のシール面に転写される。被シール部材１（または
３）のシール面には、この転写に先立って、予め、シリ
コーンゴムを硬化させる硬化液が塗布されているので、
シール材４が押し付けられた時シール材接触面を硬化し
始める。このため、加工型５を治具９上の被シール部材
１（または３）から離反させていくと、シール材４は、
被シール部材１（または３）のシール面に残り、加工型
から離れる。そして、加工型５は再び加工型６の上方に
戻され、つぎのシール材材料７供給工程Ａに備えられ
る。後はこの繰り返しとなる。

【０００９】シール材材料７は接着性を有している。ま
た、一方の加工型５（シール材４を保持する方の加工
型）には、図２に示すように、被シール部材１（または
３）のシール面のパターンの粗面が形成されているとと
もに、他方の加工型６には被シール部材のシール面のパ
ターンと逆のパターンの粗面が形成されている。加工型
５、６で粗面が形成されている部分以外の部分の面は滑
らかな面である。これによって、一対の加工型５、６の
離反動作でシール材４となる部分が残りの部分８からち
ぎれて一方の加工型５に保持され、残りの部分８は他方
の加工型６に保持されて残るようになる。すなわち、加
工型５においては、シール材４を保持する部分の表面粗
さａと残りの部分の表面粗さｂとを変えてあり（粗さに
差をつける）、ａの方をｂより粗くしてあり、加工型６
においては、加工型５の表面粗さａに対応する部分の表
面粗さをｂとし、加工型５の表面粗さｂに対応する部分
の表面粗さをａ（ｂより粗い）として、表面粗さの関係
を加工型５における関係と逆の関係としてある。シール
材４が粗面に接着し易くなるのは、粗面とすることによ
ってシール材との接触面積が増え、かつ粗面の微小凹部
にシール材が食い込むので、接着力が上がるからである
と考えられる。粗面の形成の仕方は、エッチング、ショ
ットブラスト、鑢掛けなどによる。

【００１０】シール材の装着装置は、図１、図２に示す
ように、接近・離反可能な一対の加工型５、６を備え、
一方の加工型５には被シール部材１（または３）のシー
ル面のパターンの粗面が形成されており、他方の加工型
６には被シール部材１（または３）のシール面のパター
ンと逆のパターンの粗面が形成されている。シール材４
を保持する加工型５は、被シール部材１（または３）を
載せた治具９と他方の加工型６間の間を搬送可能とされ
ており、離反工程Ｃで保持したシール材４を加工型５に
保持したまま治具９の所までシール材４を搬送すること
ができる。

【００１１】つぎに、上記のシール材の装着方法とその
装置の作用を説明する。上記のシール材４の装着方法で
は、シール材４となる部分を加工型５に保持させて被シ
ール部材１（または３）に送ってシール材４を被シール
部材１（または３）のシール面に転写するので、シール
材４の形状が複雑であっても（たとえば、離れ小島があ
る形状であっても）、形状に無関係に、かつサブフレー
ム等を必要とすることなく、シール材１の加工型５への
保持と、それをそのまま被シール部材１（または３）に
搬送して被シール部材１（または３）へ装着することが
可能である。また、シール材４が半固形材または固形材
のため、シール材４を被シール部材１（または３）に装
着して荷重をかけて締結した時に（たとえば、燃料電池
において、スタックに荷重をかけた時に）、液状シール
材のようなシール切れや、はみ出しや、電気的短絡（セ
パレータ間、またはセパレータと電解質膜の短絡）が生
じることがなく、バリ取りも必要でない。

【００１２】また、上記のシール材４の装着方法および
シール材４の装着装置では、一方の加工型５には被シー
ル部材１（または３）のシール面のパターンの粗面が形
成されているとともに他方の加工型６には被シール部材
１（または３）のシール面のパターンと逆のパターンの
粗面が形成されており、一対の加工型５、６の離反動作
でシール材４となる部分が残りの部分８からちぎれて一
方の加工型５に保持されるので、一対の加工型５を他方
の加工型６から離反させるだけで材料はシール材形状と
なり、材料をシール材形状へ特別にプレス打抜きまたは
裁断する必要がない。また、シール材４は一方の加工型
５に接着、保持されて被シール部材１（または３）まで
送られるので、搬送において特別な保持治具（たとえば
サブフレーム）が必要でない。その結果、従来必要であ
ったプレス打抜きまたは裁断装置や搬送における保持治
具分、装置の簡素化と設備のコストダウンをはかること
ができる。

【００１３】つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を
説明する。本発明の実施例１は、本発明の方法、装置が
燃料電池に適用された例である。本発明が適用される燃
料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。この
燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載され
る。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

【００１４】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図３
〜図６に示すように、イオン交換膜膜からなる電解質膜
１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２
および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料
極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５
および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気
極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membra
ne-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガ
ス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給
するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水
が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを
重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール
１９を構成し（たとえば、２セルから１モジュールを構
成し）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、
モジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端
に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレ
ート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２
３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池
積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テン
ションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５また
はナットで固定したものからなる。

【００１５】触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を含むカ
ーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はＣからな
る。セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガス
と冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとと
もに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流
れる電気の通路を形成している。セパレータ１８は、不
透過性で、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含む）
または金属または導電性樹脂の何れかからなる。以下で
は、セパレータ１８が、カーボン（黒鉛である場合を含
む）からなる場合を示すが、これに限るものではない。

【００１６】固体高分子電解質型燃料電池１０では、ア
ノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行
われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード側に移動
し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣り
のＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通し
てくる）から水を生成する反応が行われる。アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏこの反応が正常に行われるには、隣接するセパレータ１
８間、およびセパレータ１８と電解質膜１１間の、電気
的短絡を防止するとともに流体（水素、空気、冷却水）
のシールを行うことが必要である。このため、電気絶縁
性を有するシール材４でセパレータ１８間、およびセパ
レータ１８と電解質膜１１間をシールしている。

【００１７】シール材４は、固体高分子電解質型燃料電
池１０では、たとえば図３に示す中に複数（図示例では
３つ）の離れ小島の抜き部をもつフレーム形状を有して
いる。中央の抜き部が上記２式の反応が起こる反応部
で、その両側の抜き部が反応ガスや冷却水のマニホール
ドである。図３は簡略化して示してある。したがって、
マニホールドは１つのセパレータ１８内に、通常、図示
例より多数あって、一部が水素用、別の一部が空気用、
さらに別の一部が冷却水用として用いられる。

【００１８】シール材４が装着される被シール部材１、
３（図１の工程Ｄの被シール部材１、３）は、固体高分
子電解質型燃料電池１０において隣接するセパレータ１
８になる。そして、図１の工程Ａ〜Ｄで、固体高分子電
解質型燃料電池１０の隣接する２つのセパレータ１８の
うちの一方を治具９の上においてシール材４を転写し、
ついでつぎの図１の工程Ａ〜Ｄで、固体高分子電解質型
燃料電池１０の隣接する２つのセパレータ１８のうちの
他方を治具９の上においてシール材４を転写する。そし
て、隣接する、シール材４が貼付されたセパレータ１８
を、図４の工程Ｅに示すように、シール材４を向かい合
わせて配置するとともに、向かい合うシール材４の間に
電解質膜１１の端部を配置する。ついで、図４の工程Ｆ
に示すように、シリコーンゴムのシール材１１が硬化す
る前にセルを図５、図６のように積層してスタックと
し、スタックに組み付け荷重をかけて、電解質膜１１の
端部を挟み込んで、向かい合うシール材４同士を密着さ
せ圧縮する。その結果、シール材４同士の接触面が融合
して、図４の工程Ｇに示すようにシール材４は一体化
し、その中に電解質膜１１の端部が埋め込まれた形状と
なる。図５において、（見やすくするために、離して示
してあるが、）実際は、セパレータ１８の凹凸の凸の先
端は拡散層に押し付けられている。

【００１９】このようにシール材４が装着された固体高
分子電解質型燃料電池１０では、つぎの作用が得られ
る。半固形シリコーンゴム（シール材４）または固形材
の弾力性により、隣接セパレータ１８（被シール部材
１、３）間の短絡を防ぐことができる。半固形シリコー
ンゴム（シール材４）または固形材の弾力性により、セ
パレータ１８（被シール部材１または３）と電解質膜１
１（被シール部材２）間の短絡を防ぐことができる。半
固形シリコーンゴム（シール材４）または固形材の弾力
性により、セパレータ１８（被シール部材１または３）
と電解質膜１１（被シール部材２）を接着し、セパレー
タ１８（被シール材１）と電極１４（被シール部材２）
間を流れる水素、およびセパレータ１８（被シール材
３）と電極１４（被シール部材２）間を流れる酸素（実
際は純酸素に代えて空気を流す）をシールすることがで
きる。シール材４の形状としては、図３に示すような離
れ小島形状に対応できる。

【００２０】本発明は、固体高分子電解質型燃料電池１
０以外にも、自動車の、イ．エンジン・シリンダヘッドガスケットロ．エンジン・オイルパンガスケットハ．エンジン・チェーンケースガスケットニ．オーマチックトランスミッションバルブボディ用ガ
スケット等にも適用できる。図７、図８は、はエンジン・シリンダ
ヘッドガスケットに適用した場合を示している。そこで
は、エンジンシリンダヘッド３１（被シール部材１）と
シリンダヘッドカバー３２（被シール部材３）との間に
半固形シリコーンゴム製充填シール材４または固形シー
ル材が配置される。図８は組み付け後を示している。こ
の場合も、共通部分で述べたと同様の構成、作用が成立
する。

【００２１】

【発明の効果】請求項１のシール材の装着方法によれ
ば、シール材となる部分を加工型に保持させて被シール
部材に送ってシール材を被シール部材のシール面に転写
するので、シール材の形状が複雑であっても形状に無関
係に、かつサブフレーム等を必要とすることなく、被シ
ール部材への装着が可能である。また、半固形材または
固形材のため、シール材を被シール部材に装着して荷重
をかけた時に、シール切れや、はみ出しがなく、バリ取
りも必要でない。請求項２のシール材の装着方法によれ
ば、一方の加工型には被シール部材のシール面のパター
ンの粗面が形成されているとともに他方の加工型には被
シール部材のシール面のパターンと逆のパターンの粗面
が形成されているので、一対の加工型を離反させるだけ
で材料はシール材形状に切断されて保持され、従来必要
であったプレス打抜きまたは裁断装置や搬送における保
持治具が必要でなくなり、装置の簡素化と設備のコスト
ダウンをはかることができる。請求項３のシール材の装
着装置によれば、一方の加工型には被シール部材のシー
ル面のパターンの粗面が形成されているとともに他方の
加工型には被シール部材のシール面のパターンと逆のパ
ターンの粗面が形成されているので、一対の加工型を離
反させるだけで材料はシール材形状に切断されて保持さ
れ、従来必要であったプレス打抜きまたは裁断装置や搬
送における保持治具が必要でなくなり、装置の簡素化と
設備のコストダウンをはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例のシール材の装着方法の各工程と
その装置の側面図である。

【図２】本発明実施例のシール材の装着方法とその装置
の、一対の加工型の平面図である。

【図３】本発明実施例のシール材の装着方法とその装置
の、シール材の平面図である。

【図４】本発明を固体高分子電解質型燃料電池のシール
に適用した場合の、セパレータ間およびパレータと電解
質膜間のシール構造の、組み付けの各工程における断面
図である。

【図５】本発明を固体高分子電解質型燃料電池のシール
に適用した場合の、セルの断面図である。

【図６】本発明を固体高分子電解質型燃料電池のシール
に適用した場合の、燃料電池の全体正面図である。

【図７】本発明をエンジン・シリンダヘッドガスケット
のシールに適用した場合の、分解斜視図である。

【図８】本発明をエンジン・シリンダヘッドガスケット
のシールに適用した場合の、正面図である。

【符号の説明】

１、２、３被シール部材４シール材５、６加工型７シール材材料（塊状）８端切れ９治具１０（固体高分子電解質型）燃料電池１１電解質膜１２触媒層１３拡散層１４電極（アノード、燃料極）１５触媒層１６拡散層１７電極（カソード、空気極）１８セパレータ（燃料電池の場合の被シール材１、
３）１９モジュール２０ターミナル２１インシュレータ２２エンドプレート２３スタック２４締結部材（テンションプレート）２５ボルトまたはナット３１エンジンシリンダヘッド（被シール部材１）３２シリンダヘッドカバー（被シール部材３）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半固形または固形のシール材材料を一対
の加工型間に供給して圧縮し、該一対の加工型を離反さ
せる際にシール材となる部分を一方の加工型に保持させ
残りの部分を他方の加工型に残し、シール材を保持した
加工型を被シール部材に送ってシール材を被シール部材
のシール面に転写するシール材の装着方法。
【請求項２】前記シール材は接着性を有しており、前
記一方の加工型には被シール部材のシール面のパターン
の粗面が形成されているとともに前記他方の加工型には
被シール部材のシール面のパターンと逆のパターンの粗
面が形成されており、一対の加工型の離反動作でシール
材となる部分が残りの部分からちぎれて前記一方の加工
型に保持される請求項１記載のシール材の装着方法。
【請求項３】接近・離反可能な一対の加工型を備え、
一方の加工型には被シール部材のシール面のパターンの
粗面が形成されており、他方の加工型には被シール部材
のシール面のパターンと逆のパターンの粗面が形成され
ている、シール材の装着装置。