射出成形用金型およびその射出成形用金型を用いたシール一体型膜電極接合体の製造方法、射出成形装置
【課題】膜電極接合体の外周にシール部を形成するための射出成形工程において、膜電極接合体の電極に担持された触媒の劣化を抑制する技術を提供する。
【解決手段】射出成形装置１００は、燃料電池用の膜電極接合体２０の外周にシール部３０を射出成形する。射出成形装置１００は、シール部３０を成形するためのキャビティ２３１を形成する外周成形部２１０と、触媒を担持する電極２２を固定的に保持するための中央電極保持部２１５とを有する金型と、外周成形部２１０を加熱する加熱部３５０とを備える。射出成形装置１００は、中央電極保持部２１５が外周成形部２１０より低温となるように、中央電極保持部２１５と、外周成形部２１０とが分離した別部材として構成されている。
【解決手段】射出成形装置１００は、燃料電池用の膜電極接合体２０の外周にシール部３０を射出成形する。射出成形装置１００は、シール部３０を成形するためのキャビティ２３１を形成する外周成形部２１０と、触媒を担持する電極２２を固定的に保持するための中央電極保持部２１５とを有する金型と、外周成形部２１０を加熱する加熱部３５０とを備える。射出成形装置１００は、中央電極保持部２１５が外周成形部２１０より低温となるように、中央電極保持部２１５と、外周成形部２１０とが分離した別部材として構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられる膜電極接合体には、燃料電池の外部への反応ガスの漏洩を抑制するためのシール部が、膜電極接合体の発電領域の外周に、射出成形によって設けられたものが知られている（特許文献１等）。
【０００３】
ところで、膜電極接合体の電極には、通常、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ）等）が担持されている。一般に、触媒は、高温（例えば１５０℃〜１６０℃程度）において劣化してしまう可能性がある。従って、上記の射出成形の工程において、膜電極接合体が金型内に配置され、加熱された場合には、触媒が劣化してしまう可能性があった。しかし、これまでこうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２３８８３号公報
【特許文献２】特開２００８−２６２８９３号公報
【特許文献３】特開２００８−１４７８６号公報
【特許文献４】特開２００８−２８００５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、膜電極接合体の外周にシール部を形成するための射出成形工程において、膜電極接合体の電極に担持された触媒の劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池用の膜電極接合体の外周にシール部を射出成形するために用いられる射出成形用金型であって、前記膜電極接合体の外周において、前記シール部を成形するためのキャビティを形成する外周成形部と、前記膜電極接合体の触媒を担持する電極を固定的に保持するための電極保持部とを備え、前記電極保持部が前記外周成形部より低温となるように、前記電極保持部と、前記外周成形部とが別部材で構成されている、射出成形用金型。
この射出成形用金型によれば、電極保持部が外周成形部より低温となるため、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の射出成形用金型であって、さらに、前記電極保持部部と、前記外周成形部との間には、クリアランスが設けられている、射出成形用金型。
この射出成形用金型によれば、電極保持部と外周成形部との間のクリアランスが断熱層として機能するため、外周成形部から電極保持部への熱の移動を抑制でき、電極保持部が外周成形部より低温である状態を維持できる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載の射出成形用金型であって、前記電極保持部には、冷媒のための冷媒流路が設けられている、射出成形用金型。
この射出成形用金型によれば、射出成形時に電極保持部の冷媒流路に冷媒を供給することにより、電極保持部を外周成形部より低温にすることができる。従って、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１０】
［適用例４］
膜電極接合体の外周にシール部が射出成形されたシール一体型膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）適用例２記載の射出成形用金型内に前記膜電極接合体を配置する工程と、
（ｂ）前記クリアランスによって形成される内部空間を真空引きしつつ、前記シール部を射出成形する工程と、を備える、製造方法。
この製造方法によれば、射出成形時に、外周成形部と電極保持部との間のクリアランスによって形成される空間を真空断熱層として機能させることができる。従って、外周成形部から電極保持部への熱の移動を抑制でき、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１１】
［適用例５］
膜電極接合体の外周にシール部が射出成形されたシール一体型膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）適用例３記載の射出成形用金型に前記膜電極接合体を配置する工程と、
（ｂ）前記冷媒流路に前記冷媒を供給しつつ、前記シール部を射出成形する工程と、
を備える、製造方法。
この製造方法によれば、射出成形時に、冷媒によって電極保持部を冷却することができる。従って、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１２】
［適用例６］
燃料電池用の膜電極接合体の外周にシール部を射出成形するための射出成形装置であって、前記膜電極接合体の外周において、前記シール部を成形するためのキャビティを形成する外周成形部と、前記膜電極接合体の触媒を担持する電極を固定的に保持するための電極保持部とを有する射出成形用金型と、前記外周成形部を加熱する加熱部とを備え、前記電極保持部が前記外周成形部より低温となるように、前記電極保持部と、前記外周成形部とが別部材で構成されている、射出成形装置。
この射出成形装置によれば、射出成形用金型において、電極保持部が外周成形部より低温となるため、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、膜電極接合体に対して射出成形することができる。
【００１３】
［適用例７］
適用例６に記載の射出成形装置であって、前記電極保持部と前記外周成形部との間には、クリアランスが設けられており、前記射出成形装置は、さらに、前記シール部を射出成形するときに、前記クリアランスによって形成される空間を真空引きする真空ポンプ部を備える、射出成形装置。
この射出成形装置によれば、射出成形実行時に、外周成形部と電極保持部との間のクリアランスによって形成される空間を真空断熱層として機能させることができる。従って、外周成形部から電極保持部への熱の移動を抑制でき、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１４】
［適用例８］
適用例６または適用例７に記載の射出成形装置であって、前記電極保持部には、冷媒のための冷媒流路が形成されており、前記射出成形装置は、さらに、前記シール部を射出成形するときに、前記冷媒流路に前記冷媒を供給する冷媒供給部を備える、射出成形装置。
この射出成形装置によれば、射出成形実行時に、冷媒によって電極保持部を冷却することができる。従って、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１５】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、射出成形に用いられる金型、その金型を用いた射出成形の方法、その金型を備え、その方法を実行する射出成形装置、当該射出成形装置の制御方法および制御装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】シール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図２】第１実施例の射出成形装置における射出成形工程を説明するための概略図。
【図３】第１実施例の射出成形装置における金型の上型の構成を示す概略図。
【図４】第１実施例の射出成形装置の射出成形時における温度分布を説明するための模式図。
【図５】射出成形工程後の第１実施例の射出成形装置を示す概略図。
【図６】射出成形工程における金型内の熱の移動を説明するための模式図。
【図７】熱の移動量計算のための模式図。
【図８】第２実施例における射出成形装置の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
A．第１実施例：
図１（Ａ），（Ｂ）は本発明の一実施例としての射出成形装置（後述）によって製造されるシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図である。図１（Ａ）は、シール一体型膜電極接合体を電極面に垂直な方向に沿って見たときの正面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断におけるシール一体型膜電極接合体の概略断面図である。このシール一体型膜電極接合体１０は、２枚の導電性の板状部材であるセパレータ５２（図１（Ｂ）において破線で図示）によって狭持されることにより、水素と酸素（反応ガス）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池を構成する。
【００１８】
シール一体型膜電極接合体１０は、膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０に一体的に成形されたシール部３０とを備えている。膜電極接合体２０は、電解質膜２１の両面に電極２２が設けられた発電体である。なお、電極２２の外周端は、電解質膜２１の外周端より内側に位置するように設けられている。
【００１９】
電解質膜２１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成することができる。電極２２は、カーボンペーパなどの導電性および通気性を有する多孔質部材によって構成することができる。なお、電極２２の電解質膜２１と接する面側には、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金等）が担持されている。以後、電極２２において触媒が担持された領域を「触媒担持領域２３」と呼ぶ。
【００２０】
ところで、固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）を構成する際には、電極２２とセパレータ５２との間には、ガス流路部材５５（図１（Ｂ）において破線で図示）が配置される。ガス流路部材５５は、いわゆるエキスパンドメタルやパンチングメタルを含む導電性を有する多孔質部材によって構成される部材である。ガス流路部材５５は、反応ガスを電極２２全体に行き渡らせるための流路として機能するとともに、セパレータ５２と電極２２との間の導電パスとして機能する。
【００２１】
シール部３０は、膜電極接合体２０の外周において、電解質膜２１の外周端および電極２２の外周端をそれぞれ被覆するように、射出成形によって設けられる。シール一体型膜電極接合体１０が燃料電池を構成する際には、セパレータ５２は、このシール部３０を直接的に狭持する。シール部３０としては、例えばシリコンゴムなどの熱硬化性樹脂によって構成することができる。
【００２２】
シール部３０には、燃料電池を構成したときに外部から供給される反応ガスや冷媒が流入するマニホールド４１〜４６が貫通孔として設けられている。具体的には、水素供給用マニホールド４１および水素排出用マニホールド４２が電極２２を挟んで対角する位置に設けられている。また、同様に、酸素供給用マニホールド４３および酸素排出用マニホールド４４が電極２２を挟んで対角する位置に設けられている。冷媒供給用マニホールド４５および冷媒排出用マニホールド４６は、電極２２を挟んで対向する位置に設けられている。なお、マニホールド４１〜４６は、他の配置構成であっても良い。
【００２３】
また、シール部３０には、リップ３２（突起部３２）が形成されている。リップ３２は、シール部３０がセパレータ５２に狭持されたときに押圧され、各マニホールド４１〜４６および電極２２を囲むシールラインを形成する。
【００２４】
ところで、セパレータ５２の内部には、反応ガスのための各マニホールド４１〜４４と電極２２とを接続するためのガス流路（図示せず）が設けられる。これによって、水素および酸素がそれぞれ、当該ガス流路を介して、各供給用マニホールド４１，４３からシールラインで囲まれた電極２２を含む領域（発電領域）へと供給される。また、燃料電池反応に供されることのなかったガスを含む排ガスが、当該ガス流路を介して、発電領域から各排出用マニホールド４２，４４へと排出される。セパレータ５２の内部には、さらに、冷媒のためのマニホールド４５，５６同士を接続する冷媒流路（図示せず）が設けられている。これによって、燃料電池の発電の際に、発電領域を冷却することが可能となる。
【００２５】
図２は、膜電極接合体２０の外周にシール部３０を射出成形するための射出成形装置１００の構成を示す概略図である。射出成形装置１００は、金型である上型２００および下型２５０と、冷媒供給部３００と、真空ポンプ３２０と、加熱部３５０とを備える。上型２００と下型２５０とは、射出成形の際に閉じられるが、このとき、予め準備された膜電極接合体２０が、上型２００と下型２５０とによって狭持される。なお、膜電極接合体２０は、電解質膜２１の外周端および電極２２の外周端が、後述するキャビティ２３１内に突出するように、金型内に配置される。
【００２６】
上型２００と下型２５０とが閉じられたとき、上型２００と下型２５０との間には、上型２００および下型２５０の互いに対向する面のそれぞれに設けられた凹部によって、シール部３０を型取ったキャビティ２３１が形成される。また、上型２００と下型２５０との間には、シール部３０の各マニホールド４１〜４６（図１）を形成するための領域に、キャビティ２３１に連通する、樹脂材料を流入させるための樹脂流路２３２が形成される。なお、下型２５０には、下型２５０のキャビティ２３１を形成するための面を上下方向に位置調整することが可能な駆動部が設けられるものとしても良い。
【００２７】
図３は、図２に示すＡ−Ａ切断における上型２００の断面を示す概略断面図である。なお、図３には、上型２００に設けられたキャビティ２３１を形成するための凹部が破線で図示されている。上型２００は、外周成形部２１０と、中央電極保持部２１５とを有している。外周成形部２１０は、膜電極接合体２０の外周においてキャビティ２３１を形成するための凹部を有するとともに、その中央部に、中央電極保持部２１５を配置するための中空部を有している。中央電極保持部２１５は、射出成形の際に、膜電極接合体２０の電極２２を押圧して膜電極接合体２０を固定的に保持する。外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間には、クリアランスが設けられており、これによって、中央電極保持部２１５を囲む外周空間２３５が形成される。
【００２８】
ここで、射出成形の際には、外周成形部２１０が、加熱部３５０（図２）によって加熱される。このとき、外周空間２３５は、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間の熱の移動を抑制するための断熱層として機能する。なお、加熱部３５０は、例えば電熱線などによって構成され、外周成形部２１０の外部に設けられているものとしても良いし、外周成形部２１０の内部に設けられているものとしても良い。
【００２９】
外周成形部２１０と中央電極保持部２１５の上方には、平板状の断熱材で構成された断熱板２０２と、上型冷却板２０１とが積層されている（図２）。断熱板２０２は、外周成形部２１０と、中央電極保持部２１５と、上型冷却板２０１との間の直接的な接触による伝熱を抑制する。上型冷却板２０１の内部には、上型冷却板２０１全体に渡って、冷媒供給部３００と接続された冷媒流路３０１（一点鎖線で図示）が形成されている。これによって、上型冷却板２０１は、射出成形の際に、外周成形部２１０よりも低温に維持される。
【００３０】
上型２００には、さらに、断熱板２０２と、上型冷却板２０１と、外周成形部２１０とを貫通する樹脂流入口２０７が、シール部３０の各マニホールド４１〜４６（図１）を形成するための領域に設けられている。射出成形の際には、加熱され溶融した樹脂材料が、射出装置（図示せず）から、樹脂流入口２０７へと射出され、樹脂流路２３２を介して、キャビティ２３１に流入する。上型冷却板２０１は、樹脂流入口２０７に流入した樹脂材料を、その入口側において一旦冷却することにより、樹脂材料がキャビティ２３１に到達する前に過度に昇温して硬化してしまうことを抑制する。
【００３１】
ところで、中央電極保持部２１５の内部には、冷媒流路３０５が設けられている。冷媒流路３０５は、上型冷却板２０１に設けられた冷媒流路３０１と接続されており、冷媒供給部３００から供給される冷媒が流入する。これによって、中央電極保持部２１５は、上型冷却板２０１と同様に冷却される。中央電極保持部２１５を冷却する理由は後述する。
【００３２】
外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間に形成された外周空間２３５は、配管３２１を介して真空ポンプ３２０と接続されている。真空ポンプ３２０は、射出成形の際に、外周空間２３５を真空引きする。この真空引きによって、射出成形時における外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間の熱の移動が、さらに抑制される。
【００３３】
なお、真空ポンプ３２０と外周空間２３５とを接続する配管３２１には分岐配管３２３が設けられており、分岐配管３２３には開閉バルブ３２４が設けられている。この開閉バルブ３２４は、真空ポンプ３２０によって真空引きが行われている時には閉じられる。一方、上型２００と下型２５０とを開くときなど、真空状態を解消する場合には、開閉バルブ３２４は開かれ、外周空間２３５に空気が流入する。なお、図では、配管３２３を破線で図示することにより、配管３２１への空気の流入が遮断されていることを示している。
【００３４】
図４は、射出成形装置１００の出成形時における温度分布を説明するための模式図である。図４は、断熱板２０２以外の部位に付されたハッチングの種類が異なる点以外は、図２とほぼ同じである。図４では、射出成形時に比較的高温となる領域にクロスハッチングを付し、比較的低温となる領域に斜線ハッチングを付してある。
【００３５】
この射出成形装置１００では、射出成形時において、キャビティ２３１に流入した樹脂材料を硬化させるため、外周成形部２１０は、加熱部３５０によって高温（例えば１５０℃〜１６０℃程度）まで加熱される。一方、中央電極保持部２１５は、冷媒流路３０５の冷媒によって冷却されるとともに、外周空間２３５によって、外周成形部２１０からの熱の移動が抑制されているため、外周成形部２１０より低温（例えば１３０℃程度）に維持される。また、上型冷却板２０１も、冷媒流路３０１の冷媒によって冷却されるとともに、断熱板２０２により外周成形部２１０からの熱の移動が抑制されているため、中央電極保持部２１５と同様に、比較的低温に維持される。さらに、下型２５０も、図示せざる冷却部などによって比較的低温に維持される。
【００３６】
ここで、一般に、膜電極接合体２０の電極２２に担持される触媒は、高温（例えば１５０℃〜１６０℃程度）において劣化してしまうことが知られている。しかし、本実施例の射出成形装置１００によれば、電極２２と直接接触する中央電極保持部２１５および下型２５０を、外周成形部２１０よりも低温に維持して射出成形を実行できる。従って、触媒が劣化する可能性がある高温にまでキャビティ２３１を加熱して射出成形を実行した場合であっても、電極２２に担持された触媒の熱による劣化を抑制することができる。
【００３７】
ところで、金型全体を、触媒の劣化が抑制される比較的低温（例えば１３０℃）に維持した場合であっても、樹脂材料を硬化させることは可能である。しかし、１３０℃の温度でキャビティ２３１を加熱する場合には、１２０秒程度の硬化時間を設けることが好ましいのに対し、１５０℃〜１６０℃の高温で加熱した場合には、約３０秒程度の硬化時間でも良い。このように、本実施例の射出成形装置１００によれば、外周成形部２１０を局所的に高温にできるため、膜電極接合体２０の触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形における樹脂の硬化時間を短縮することが可能である。
【００３８】
図５は、射出成形後における射出成形装置１００を示す概略図である。図５は、上型２００と下型２５０とが開かれている点と、膜電極接合体２０にシール部３０が形成されている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、図５では、加熱部３５０による外周成形部２１０の加熱が停止されていることを、加熱部３５０と外周成形部２１０との間の矢印を破線で図示することにより示している。
【００３９】
樹脂材料の硬化が終了した後、真空ポンプ３２０を停止させて、開閉バルブ３２４を開き、外周空間２３５に空気を流入させる。そして、上型２００と下型２５０とを開き、シール部３０が形成された膜電極接合体２０を取り出す。なお、このとき、シール部３０の各マニホールド４１〜４６には、樹脂流路２３２の樹脂材料が硬化した余剰樹脂３４が存在する。この余剰樹脂３４を削除することにより、シール一体型膜電極接合体１０が完成する。
【００４０】
ここで、一般に、射出成形装置１００では、射出成形工程が連続的に繰り返し実行される。即ち、射出成形後の膜電極接合体２０が取り出された後、射出成形装置１００の金型には、新たな膜電極接合体２０が配置され、続けて次の射出成形工程が開始される。このとき、次の射出成形工程へと移行するまでの間の時間帯において、上型２００では、外周成形部２１０の熱が中央電極保持部２１５へと移動し、中央電極保持部２１５が昇温してしまう可能性がある。
【００４１】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、射出成形装置１００において射出成形工程が繰り返し実行された場合の、外周成形部２１０と、中央電極保持部２１５との間の熱の移動を説明するための模式図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）では、図４の上型２００における外周成形部２１０および中央電極保持部２１５、外周空間２３５をそれぞれ、長方形によって模式的に図示してある。なお、外周成形部２１０および中央電極保持部２１５には、図４と同様なハッチングを付してある。一方、外周空間２３５は、真空状態であるときには無地とし、空気が流入している場合には網点を付してある。
【００４２】
図６（Ａ）は、ｎ回目（ｎは自然数）の射出成形工程実行時の状態を示している。この時には、上述したように、外周空間２３５が真空断熱層として機能し、外周成形部２１０と、中央電極保持部２１５との間の熱の移動は抑制される。図６（Ｂ）は、ｎ回目の射出成形実行後に、上型２００と下型２５０とが開かれたときの状態を示している。この時には、外周空間２３５には空気が流入する。そのため、この空気を媒体として外周成形部２１０から中央電極保持部２１５へと熱が移動する。図６（Ｃ）は、ｎ＋１回目の射出成形実行時の状態を示している。この時には、図６（Ｂ）の状態のときに加熱された空気が、真空ポンプ３２０によって外周空間２３５から排出されて、外周空間２３５は再び真空状態となる。
【００４３】
図７は、図６（Ｂ）の状態における外周成形部２１０から中央電極保持部２１５への熱の移動量の計算を説明するための模式図である。図７では、図６（Ｂ）の状態のときの外周成形部２１０と中央電極保持部２１５と外周空間２３５とをそれぞれ、略直方体として模式的に図示している。なお、図７では、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５と外周空間２３５とにそれぞれ、図６（Ｂ）と同様なハッチングが付してある。また、図７では、便宜上、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５と外周空間２３５とがそれぞれ分離しているかのように図示されている。
【００４４】
ここで、外周成形部２１０の温度をＴ1とし、中央電極保持部２１５の温度をＴ2とする。また、外周成形部２１０および中央電極保持部２１５のそれぞれと、外周空間２３５との間の接触面積をＳとし、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間のクリアランスの距離をＬとする。このとき、金型が開かれ、外周空間２３５に空気が存在する時間ｔの間に、この外周空間２３５の空気層を媒介にして、外周成形部２１０から中央電極保持部２１５へと移動する熱量Ｑは下記の式（１）によって求めることができる。
Ｑ＝ｋ×Ｓ×ｔ×（Ｔ2−Ｔ1）／Ｌ …（１）
なお、ｋは、空気の熱伝導率である。
【００４５】
また、この熱量Ｑによる中央電極保持部２１５の昇温量ΔＴは、下記の式（２）によって求めることができる。
ΔＴ＝Ｑ／ｍ×ｃ …（２）
なお、ｍは中央電極保持部２１５の重量であり、ｃは中央電極保持部２１５の比熱である。
【００４６】
ここで、温度Ｔ1，Ｔ2をそれぞれ、１６０℃（−１１３．１５Ｋ）、１３０℃（−１４３．１５Ｋ）とし、面積Ｓを０．００８３ｍ2、クリアランスの距離Ｌを０．００１ｍ、時間ｔを６０秒、空気の熱伝導率ｋを０．０２Ｗ／ｍ・Ｋとする。このとき、熱量Ｑは、上記（１）式より、Ｑ＝２９８．８Ｊとなる。また、このとき、中央電極保持部２１５の重量ｍを１２００ｇとし、その比熱ｃを０．５４Ｊ／ｇ・Ｋとすると、上記（２）式より、中央電極保持部２１５の昇温量ΔＴは、０．４６Ｋとなる。即ち、射出成形工程が１００回繰り返され、熱量Ｑの全てが中央電極保持部２１５に移動したとすると、射出成形工程が繰り返される間に、中央電極保持部２１５を４６Ｋ昇温させることができる程度の熱量が移動することとなる。
【００４７】
しかし、本実施例の射出成形装置１００では、再び金型が閉じられたときに（図６（Ｃ））、その熱の一部が外周空間２３５の空気とともに排出される。そのため、それだけ、中央電極保持部２１５への熱の移動量が低減され、中央電極保持部２１５の昇温が抑制される。即ち、射出成形装置１００において、射出成形工程が連続的に繰り返し実行されたときには、外周空間２３５の真空引きによって、外周空間２３５における空気の入れ替えがなされ、外周空間２３５を介した中央電極保持部２１５への熱の移動量が低減される。従って、射出成形工程において、中央電極保持部２１５を外周成形部２１０より低温に維持することが、より容易になる。
【００４８】
このように、本実施例の射出成形装置１００では、射出成形実行時に、外周成形部２１０より中央電極保持部２１５が低温となるように、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５とが分離した別部材として構成されている。これによって、金型に配置された膜電極接合体２０の触媒の熱による劣化を抑制しつつ、外周成形部２１０を局所的に高温化して射出成形を実行することが可能である。
【００４９】
B．第２実施例：
図８は、本発明の第２実施例としての射出成形装置１００Ａの構成を示す概略図である。図８は、外周成形部２１０および中央電極保持部２１５に換えて、キャビティ形成板２１６と、電極保持断熱板２１８とが設けられている点と、真空ポンプ３２０や、配管３２１，３２３、開閉バルブ３２４が省略されている点以外は、図２とほぼ同じである。
【００５０】
キャビティ形成板２１６は、上型２００Ａの断熱板２０２の下層に配置された板状部材であり、シール部３０を形成するためのキャビティ２３１を形成するための凹部が形成されている。加熱部３５０は、射出成形の際に、このキャビティ形成板２１６を加熱する。電極保持断熱板２１８は、キャビティ形成板２１６の中央領域の下層に配置される断熱板であり、金型が閉じたときに、膜電極接合体２０の電極２２を押圧して固定的に保持する。電極保持断熱板２１８は、キャビティ形成板２１６から膜電極接合体２０の電極２２への熱の移動を抑制する。
【００５１】
このように、第２実施例の射出成形装置１００Ａでは、キャビティ形成板２１６より電極保持断熱板２１８の方が低温となるように、キャビティ形成板２１６と電極保持断熱板２１８とが、熱伝達率の異なる別部材によって構成されている。これによって、電極２２に担持された触媒の熱による劣化を抑制しつつ、シール部３０を射出成形することができる。ただし、この射出成形装置１００Ａでは、射出成形工程を繰り返し連続的に実行した場合に、キャビティ形成板２１６から移動する熱量の蓄積により、徐々に電極保持断熱板２１８が高温となる可能性がある。従って、断熱層として機能する外周空間２３５を有するとともに、外周空間２３５の空気の入れ換えによって中央電極保持部２１５への熱の移動が抑制されている第１実施例の射出成形装置１００の方が、より電極２２の昇温を抑制できるため好ましい。
【００５２】
C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５３】
C1．変形例１：
上記第１実施例において、真空ポンプ３２０は省略されるものとしても良い。この場合であっても、外周空間２３５を、断熱層として機能させることができるため、中央電極保持部２１５への熱の移動を抑制できる。また、上記第１実施例において、外周空間２３５や中央電極保持部２１５の冷媒流路３０５が省略されるものとしても良い。この場合には、中央電極保持部２１５を外周成形部２１０より熱伝達率の低い別部材によって構成するものとしても良い。
【００５４】
C2．変形例２：
上記実施例では、上型２００において、電極２２と直接的に接触して電極２２を保持する部位（電極保持部）と、膜電極接合体２０の外周においてキャビティ２３１を形成するための部位（外周成形部）とを別部材によって構成していた。しかし、下型２５０においても同様に、電極保持部と外周成形部とを別部材によって構成するものとしても良い。また、下型２５０において、電極保持部と外周成形部との間に外周空間２３５を設けるなど、上型２００と同様な、電極保持部を比較的低温とするための機構が設けられるものとしても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１０…シール一体型膜電極接合体
２０…膜電極接合体
２１…電解質膜
２２…電極
２３…触媒担持領域
３０…シール部
３２…リップ(突起部)
３４…余剰樹脂
４１〜４６…マニホールド
５２…セパレータ
５５…ガス流路部材
１００，１００Ａ…射出成形装置
２００，２００Ａ…上型
２０１…上型冷却板
２０２…断熱板
２０７…樹脂流入口
２１０…外周成形部
２１５…中央電極保持部
２１６…キャビティ形成板
２１８…電極保持断熱板
２３１…キャビティ
２３２…樹脂流路
２３５…外周空間
２５０…下型
３００…冷媒供給部
３０１…冷媒流路
３０５…冷媒流路
３２０…真空ポンプ
３２１…配管
３２３…分岐配管
３２４…開閉バルブ
３５０…加熱部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられる膜電極接合体には、燃料電池の外部への反応ガスの漏洩を抑制するためのシール部が、膜電極接合体の発電領域の外周に、射出成形によって設けられたものが知られている（特許文献１等）。
【０００３】
ところで、膜電極接合体の電極には、通常、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ）等）が担持されている。一般に、触媒は、高温（例えば１５０℃〜１６０℃程度）において劣化してしまう可能性がある。従って、上記の射出成形の工程において、膜電極接合体が金型内に配置され、加熱された場合には、触媒が劣化してしまう可能性があった。しかし、これまでこうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２３８８３号公報
【特許文献２】特開２００８−２６２８９３号公報
【特許文献３】特開２００８−１４７８６号公報
【特許文献４】特開２００８−２８００５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、膜電極接合体の外周にシール部を形成するための射出成形工程において、膜電極接合体の電極に担持された触媒の劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池用の膜電極接合体の外周にシール部を射出成形するために用いられる射出成形用金型であって、前記膜電極接合体の外周において、前記シール部を成形するためのキャビティを形成する外周成形部と、前記膜電極接合体の触媒を担持する電極を固定的に保持するための電極保持部とを備え、前記電極保持部が前記外周成形部より低温となるように、前記電極保持部と、前記外周成形部とが別部材で構成されている、射出成形用金型。
この射出成形用金型によれば、電極保持部が外周成形部より低温となるため、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の射出成形用金型であって、さらに、前記電極保持部部と、前記外周成形部との間には、クリアランスが設けられている、射出成形用金型。
この射出成形用金型によれば、電極保持部と外周成形部との間のクリアランスが断熱層として機能するため、外周成形部から電極保持部への熱の移動を抑制でき、電極保持部が外周成形部より低温である状態を維持できる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載の射出成形用金型であって、前記電極保持部には、冷媒のための冷媒流路が設けられている、射出成形用金型。
この射出成形用金型によれば、射出成形時に電極保持部の冷媒流路に冷媒を供給することにより、電極保持部を外周成形部より低温にすることができる。従って、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１０】
［適用例４］
膜電極接合体の外周にシール部が射出成形されたシール一体型膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）適用例２記載の射出成形用金型内に前記膜電極接合体を配置する工程と、
（ｂ）前記クリアランスによって形成される内部空間を真空引きしつつ、前記シール部を射出成形する工程と、を備える、製造方法。
この製造方法によれば、射出成形時に、外周成形部と電極保持部との間のクリアランスによって形成される空間を真空断熱層として機能させることができる。従って、外周成形部から電極保持部への熱の移動を抑制でき、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１１】
［適用例５］
膜電極接合体の外周にシール部が射出成形されたシール一体型膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）適用例３記載の射出成形用金型に前記膜電極接合体を配置する工程と、
（ｂ）前記冷媒流路に前記冷媒を供給しつつ、前記シール部を射出成形する工程と、
を備える、製造方法。
この製造方法によれば、射出成形時に、冷媒によって電極保持部を冷却することができる。従って、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１２】
［適用例６］
燃料電池用の膜電極接合体の外周にシール部を射出成形するための射出成形装置であって、前記膜電極接合体の外周において、前記シール部を成形するためのキャビティを形成する外周成形部と、前記膜電極接合体の触媒を担持する電極を固定的に保持するための電極保持部とを有する射出成形用金型と、前記外周成形部を加熱する加熱部とを備え、前記電極保持部が前記外周成形部より低温となるように、前記電極保持部と、前記外周成形部とが別部材で構成されている、射出成形装置。
この射出成形装置によれば、射出成形用金型において、電極保持部が外周成形部より低温となるため、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、膜電極接合体に対して射出成形することができる。
【００１３】
［適用例７］
適用例６に記載の射出成形装置であって、前記電極保持部と前記外周成形部との間には、クリアランスが設けられており、前記射出成形装置は、さらに、前記シール部を射出成形するときに、前記クリアランスによって形成される空間を真空引きする真空ポンプ部を備える、射出成形装置。
この射出成形装置によれば、射出成形実行時に、外周成形部と電極保持部との間のクリアランスによって形成される空間を真空断熱層として機能させることができる。従って、外周成形部から電極保持部への熱の移動を抑制でき、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１４】
［適用例８］
適用例６または適用例７に記載の射出成形装置であって、前記電極保持部には、冷媒のための冷媒流路が形成されており、前記射出成形装置は、さらに、前記シール部を射出成形するときに、前記冷媒流路に前記冷媒を供給する冷媒供給部を備える、射出成形装置。
この射出成形装置によれば、射出成形実行時に、冷媒によって電極保持部を冷却することができる。従って、電極に担持された触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形することができる。
【００１５】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、射出成形に用いられる金型、その金型を用いた射出成形の方法、その金型を備え、その方法を実行する射出成形装置、当該射出成形装置の制御方法および制御装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】シール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図２】第１実施例の射出成形装置における射出成形工程を説明するための概略図。
【図３】第１実施例の射出成形装置における金型の上型の構成を示す概略図。
【図４】第１実施例の射出成形装置の射出成形時における温度分布を説明するための模式図。
【図５】射出成形工程後の第１実施例の射出成形装置を示す概略図。
【図６】射出成形工程における金型内の熱の移動を説明するための模式図。
【図７】熱の移動量計算のための模式図。
【図８】第２実施例における射出成形装置の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
A．第１実施例：
図１（Ａ），（Ｂ）は本発明の一実施例としての射出成形装置（後述）によって製造されるシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図である。図１（Ａ）は、シール一体型膜電極接合体を電極面に垂直な方向に沿って見たときの正面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断におけるシール一体型膜電極接合体の概略断面図である。このシール一体型膜電極接合体１０は、２枚の導電性の板状部材であるセパレータ５２（図１（Ｂ）において破線で図示）によって狭持されることにより、水素と酸素（反応ガス）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池を構成する。
【００１８】
シール一体型膜電極接合体１０は、膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０に一体的に成形されたシール部３０とを備えている。膜電極接合体２０は、電解質膜２１の両面に電極２２が設けられた発電体である。なお、電極２２の外周端は、電解質膜２１の外周端より内側に位置するように設けられている。
【００１９】
電解質膜２１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成することができる。電極２２は、カーボンペーパなどの導電性および通気性を有する多孔質部材によって構成することができる。なお、電極２２の電解質膜２１と接する面側には、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金等）が担持されている。以後、電極２２において触媒が担持された領域を「触媒担持領域２３」と呼ぶ。
【００２０】
ところで、固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）を構成する際には、電極２２とセパレータ５２との間には、ガス流路部材５５（図１（Ｂ）において破線で図示）が配置される。ガス流路部材５５は、いわゆるエキスパンドメタルやパンチングメタルを含む導電性を有する多孔質部材によって構成される部材である。ガス流路部材５５は、反応ガスを電極２２全体に行き渡らせるための流路として機能するとともに、セパレータ５２と電極２２との間の導電パスとして機能する。
【００２１】
シール部３０は、膜電極接合体２０の外周において、電解質膜２１の外周端および電極２２の外周端をそれぞれ被覆するように、射出成形によって設けられる。シール一体型膜電極接合体１０が燃料電池を構成する際には、セパレータ５２は、このシール部３０を直接的に狭持する。シール部３０としては、例えばシリコンゴムなどの熱硬化性樹脂によって構成することができる。
【００２２】
シール部３０には、燃料電池を構成したときに外部から供給される反応ガスや冷媒が流入するマニホールド４１〜４６が貫通孔として設けられている。具体的には、水素供給用マニホールド４１および水素排出用マニホールド４２が電極２２を挟んで対角する位置に設けられている。また、同様に、酸素供給用マニホールド４３および酸素排出用マニホールド４４が電極２２を挟んで対角する位置に設けられている。冷媒供給用マニホールド４５および冷媒排出用マニホールド４６は、電極２２を挟んで対向する位置に設けられている。なお、マニホールド４１〜４６は、他の配置構成であっても良い。
【００２３】
また、シール部３０には、リップ３２（突起部３２）が形成されている。リップ３２は、シール部３０がセパレータ５２に狭持されたときに押圧され、各マニホールド４１〜４６および電極２２を囲むシールラインを形成する。
【００２４】
ところで、セパレータ５２の内部には、反応ガスのための各マニホールド４１〜４４と電極２２とを接続するためのガス流路（図示せず）が設けられる。これによって、水素および酸素がそれぞれ、当該ガス流路を介して、各供給用マニホールド４１，４３からシールラインで囲まれた電極２２を含む領域（発電領域）へと供給される。また、燃料電池反応に供されることのなかったガスを含む排ガスが、当該ガス流路を介して、発電領域から各排出用マニホールド４２，４４へと排出される。セパレータ５２の内部には、さらに、冷媒のためのマニホールド４５，５６同士を接続する冷媒流路（図示せず）が設けられている。これによって、燃料電池の発電の際に、発電領域を冷却することが可能となる。
【００２５】
図２は、膜電極接合体２０の外周にシール部３０を射出成形するための射出成形装置１００の構成を示す概略図である。射出成形装置１００は、金型である上型２００および下型２５０と、冷媒供給部３００と、真空ポンプ３２０と、加熱部３５０とを備える。上型２００と下型２５０とは、射出成形の際に閉じられるが、このとき、予め準備された膜電極接合体２０が、上型２００と下型２５０とによって狭持される。なお、膜電極接合体２０は、電解質膜２１の外周端および電極２２の外周端が、後述するキャビティ２３１内に突出するように、金型内に配置される。
【００２６】
上型２００と下型２５０とが閉じられたとき、上型２００と下型２５０との間には、上型２００および下型２５０の互いに対向する面のそれぞれに設けられた凹部によって、シール部３０を型取ったキャビティ２３１が形成される。また、上型２００と下型２５０との間には、シール部３０の各マニホールド４１〜４６（図１）を形成するための領域に、キャビティ２３１に連通する、樹脂材料を流入させるための樹脂流路２３２が形成される。なお、下型２５０には、下型２５０のキャビティ２３１を形成するための面を上下方向に位置調整することが可能な駆動部が設けられるものとしても良い。
【００２７】
図３は、図２に示すＡ−Ａ切断における上型２００の断面を示す概略断面図である。なお、図３には、上型２００に設けられたキャビティ２３１を形成するための凹部が破線で図示されている。上型２００は、外周成形部２１０と、中央電極保持部２１５とを有している。外周成形部２１０は、膜電極接合体２０の外周においてキャビティ２３１を形成するための凹部を有するとともに、その中央部に、中央電極保持部２１５を配置するための中空部を有している。中央電極保持部２１５は、射出成形の際に、膜電極接合体２０の電極２２を押圧して膜電極接合体２０を固定的に保持する。外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間には、クリアランスが設けられており、これによって、中央電極保持部２１５を囲む外周空間２３５が形成される。
【００２８】
ここで、射出成形の際には、外周成形部２１０が、加熱部３５０（図２）によって加熱される。このとき、外周空間２３５は、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間の熱の移動を抑制するための断熱層として機能する。なお、加熱部３５０は、例えば電熱線などによって構成され、外周成形部２１０の外部に設けられているものとしても良いし、外周成形部２１０の内部に設けられているものとしても良い。
【００２９】
外周成形部２１０と中央電極保持部２１５の上方には、平板状の断熱材で構成された断熱板２０２と、上型冷却板２０１とが積層されている（図２）。断熱板２０２は、外周成形部２１０と、中央電極保持部２１５と、上型冷却板２０１との間の直接的な接触による伝熱を抑制する。上型冷却板２０１の内部には、上型冷却板２０１全体に渡って、冷媒供給部３００と接続された冷媒流路３０１（一点鎖線で図示）が形成されている。これによって、上型冷却板２０１は、射出成形の際に、外周成形部２１０よりも低温に維持される。
【００３０】
上型２００には、さらに、断熱板２０２と、上型冷却板２０１と、外周成形部２１０とを貫通する樹脂流入口２０７が、シール部３０の各マニホールド４１〜４６（図１）を形成するための領域に設けられている。射出成形の際には、加熱され溶融した樹脂材料が、射出装置（図示せず）から、樹脂流入口２０７へと射出され、樹脂流路２３２を介して、キャビティ２３１に流入する。上型冷却板２０１は、樹脂流入口２０７に流入した樹脂材料を、その入口側において一旦冷却することにより、樹脂材料がキャビティ２３１に到達する前に過度に昇温して硬化してしまうことを抑制する。
【００３１】
ところで、中央電極保持部２１５の内部には、冷媒流路３０５が設けられている。冷媒流路３０５は、上型冷却板２０１に設けられた冷媒流路３０１と接続されており、冷媒供給部３００から供給される冷媒が流入する。これによって、中央電極保持部２１５は、上型冷却板２０１と同様に冷却される。中央電極保持部２１５を冷却する理由は後述する。
【００３２】
外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間に形成された外周空間２３５は、配管３２１を介して真空ポンプ３２０と接続されている。真空ポンプ３２０は、射出成形の際に、外周空間２３５を真空引きする。この真空引きによって、射出成形時における外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間の熱の移動が、さらに抑制される。
【００３３】
なお、真空ポンプ３２０と外周空間２３５とを接続する配管３２１には分岐配管３２３が設けられており、分岐配管３２３には開閉バルブ３２４が設けられている。この開閉バルブ３２４は、真空ポンプ３２０によって真空引きが行われている時には閉じられる。一方、上型２００と下型２５０とを開くときなど、真空状態を解消する場合には、開閉バルブ３２４は開かれ、外周空間２３５に空気が流入する。なお、図では、配管３２３を破線で図示することにより、配管３２１への空気の流入が遮断されていることを示している。
【００３４】
図４は、射出成形装置１００の出成形時における温度分布を説明するための模式図である。図４は、断熱板２０２以外の部位に付されたハッチングの種類が異なる点以外は、図２とほぼ同じである。図４では、射出成形時に比較的高温となる領域にクロスハッチングを付し、比較的低温となる領域に斜線ハッチングを付してある。
【００３５】
この射出成形装置１００では、射出成形時において、キャビティ２３１に流入した樹脂材料を硬化させるため、外周成形部２１０は、加熱部３５０によって高温（例えば１５０℃〜１６０℃程度）まで加熱される。一方、中央電極保持部２１５は、冷媒流路３０５の冷媒によって冷却されるとともに、外周空間２３５によって、外周成形部２１０からの熱の移動が抑制されているため、外周成形部２１０より低温（例えば１３０℃程度）に維持される。また、上型冷却板２０１も、冷媒流路３０１の冷媒によって冷却されるとともに、断熱板２０２により外周成形部２１０からの熱の移動が抑制されているため、中央電極保持部２１５と同様に、比較的低温に維持される。さらに、下型２５０も、図示せざる冷却部などによって比較的低温に維持される。
【００３６】
ここで、一般に、膜電極接合体２０の電極２２に担持される触媒は、高温（例えば１５０℃〜１６０℃程度）において劣化してしまうことが知られている。しかし、本実施例の射出成形装置１００によれば、電極２２と直接接触する中央電極保持部２１５および下型２５０を、外周成形部２１０よりも低温に維持して射出成形を実行できる。従って、触媒が劣化する可能性がある高温にまでキャビティ２３１を加熱して射出成形を実行した場合であっても、電極２２に担持された触媒の熱による劣化を抑制することができる。
【００３７】
ところで、金型全体を、触媒の劣化が抑制される比較的低温（例えば１３０℃）に維持した場合であっても、樹脂材料を硬化させることは可能である。しかし、１３０℃の温度でキャビティ２３１を加熱する場合には、１２０秒程度の硬化時間を設けることが好ましいのに対し、１５０℃〜１６０℃の高温で加熱した場合には、約３０秒程度の硬化時間でも良い。このように、本実施例の射出成形装置１００によれば、外周成形部２１０を局所的に高温にできるため、膜電極接合体２０の触媒の劣化を抑制しつつ、射出成形における樹脂の硬化時間を短縮することが可能である。
【００３８】
図５は、射出成形後における射出成形装置１００を示す概略図である。図５は、上型２００と下型２５０とが開かれている点と、膜電極接合体２０にシール部３０が形成されている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、図５では、加熱部３５０による外周成形部２１０の加熱が停止されていることを、加熱部３５０と外周成形部２１０との間の矢印を破線で図示することにより示している。
【００３９】
樹脂材料の硬化が終了した後、真空ポンプ３２０を停止させて、開閉バルブ３２４を開き、外周空間２３５に空気を流入させる。そして、上型２００と下型２５０とを開き、シール部３０が形成された膜電極接合体２０を取り出す。なお、このとき、シール部３０の各マニホールド４１〜４６には、樹脂流路２３２の樹脂材料が硬化した余剰樹脂３４が存在する。この余剰樹脂３４を削除することにより、シール一体型膜電極接合体１０が完成する。
【００４０】
ここで、一般に、射出成形装置１００では、射出成形工程が連続的に繰り返し実行される。即ち、射出成形後の膜電極接合体２０が取り出された後、射出成形装置１００の金型には、新たな膜電極接合体２０が配置され、続けて次の射出成形工程が開始される。このとき、次の射出成形工程へと移行するまでの間の時間帯において、上型２００では、外周成形部２１０の熱が中央電極保持部２１５へと移動し、中央電極保持部２１５が昇温してしまう可能性がある。
【００４１】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、射出成形装置１００において射出成形工程が繰り返し実行された場合の、外周成形部２１０と、中央電極保持部２１５との間の熱の移動を説明するための模式図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）では、図４の上型２００における外周成形部２１０および中央電極保持部２１５、外周空間２３５をそれぞれ、長方形によって模式的に図示してある。なお、外周成形部２１０および中央電極保持部２１５には、図４と同様なハッチングを付してある。一方、外周空間２３５は、真空状態であるときには無地とし、空気が流入している場合には網点を付してある。
【００４２】
図６（Ａ）は、ｎ回目（ｎは自然数）の射出成形工程実行時の状態を示している。この時には、上述したように、外周空間２３５が真空断熱層として機能し、外周成形部２１０と、中央電極保持部２１５との間の熱の移動は抑制される。図６（Ｂ）は、ｎ回目の射出成形実行後に、上型２００と下型２５０とが開かれたときの状態を示している。この時には、外周空間２３５には空気が流入する。そのため、この空気を媒体として外周成形部２１０から中央電極保持部２１５へと熱が移動する。図６（Ｃ）は、ｎ＋１回目の射出成形実行時の状態を示している。この時には、図６（Ｂ）の状態のときに加熱された空気が、真空ポンプ３２０によって外周空間２３５から排出されて、外周空間２３５は再び真空状態となる。
【００４３】
図７は、図６（Ｂ）の状態における外周成形部２１０から中央電極保持部２１５への熱の移動量の計算を説明するための模式図である。図７では、図６（Ｂ）の状態のときの外周成形部２１０と中央電極保持部２１５と外周空間２３５とをそれぞれ、略直方体として模式的に図示している。なお、図７では、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５と外周空間２３５とにそれぞれ、図６（Ｂ）と同様なハッチングが付してある。また、図７では、便宜上、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５と外周空間２３５とがそれぞれ分離しているかのように図示されている。
【００４４】
ここで、外周成形部２１０の温度をＴ1とし、中央電極保持部２１５の温度をＴ2とする。また、外周成形部２１０および中央電極保持部２１５のそれぞれと、外周空間２３５との間の接触面積をＳとし、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５との間のクリアランスの距離をＬとする。このとき、金型が開かれ、外周空間２３５に空気が存在する時間ｔの間に、この外周空間２３５の空気層を媒介にして、外周成形部２１０から中央電極保持部２１５へと移動する熱量Ｑは下記の式（１）によって求めることができる。
Ｑ＝ｋ×Ｓ×ｔ×（Ｔ2−Ｔ1）／Ｌ …（１）
なお、ｋは、空気の熱伝導率である。
【００４５】
また、この熱量Ｑによる中央電極保持部２１５の昇温量ΔＴは、下記の式（２）によって求めることができる。
ΔＴ＝Ｑ／ｍ×ｃ …（２）
なお、ｍは中央電極保持部２１５の重量であり、ｃは中央電極保持部２１５の比熱である。
【００４６】
ここで、温度Ｔ1，Ｔ2をそれぞれ、１６０℃（−１１３．１５Ｋ）、１３０℃（−１４３．１５Ｋ）とし、面積Ｓを０．００８３ｍ2、クリアランスの距離Ｌを０．００１ｍ、時間ｔを６０秒、空気の熱伝導率ｋを０．０２Ｗ／ｍ・Ｋとする。このとき、熱量Ｑは、上記（１）式より、Ｑ＝２９８．８Ｊとなる。また、このとき、中央電極保持部２１５の重量ｍを１２００ｇとし、その比熱ｃを０．５４Ｊ／ｇ・Ｋとすると、上記（２）式より、中央電極保持部２１５の昇温量ΔＴは、０．４６Ｋとなる。即ち、射出成形工程が１００回繰り返され、熱量Ｑの全てが中央電極保持部２１５に移動したとすると、射出成形工程が繰り返される間に、中央電極保持部２１５を４６Ｋ昇温させることができる程度の熱量が移動することとなる。
【００４７】
しかし、本実施例の射出成形装置１００では、再び金型が閉じられたときに（図６（Ｃ））、その熱の一部が外周空間２３５の空気とともに排出される。そのため、それだけ、中央電極保持部２１５への熱の移動量が低減され、中央電極保持部２１５の昇温が抑制される。即ち、射出成形装置１００において、射出成形工程が連続的に繰り返し実行されたときには、外周空間２３５の真空引きによって、外周空間２３５における空気の入れ替えがなされ、外周空間２３５を介した中央電極保持部２１５への熱の移動量が低減される。従って、射出成形工程において、中央電極保持部２１５を外周成形部２１０より低温に維持することが、より容易になる。
【００４８】
このように、本実施例の射出成形装置１００では、射出成形実行時に、外周成形部２１０より中央電極保持部２１５が低温となるように、外周成形部２１０と中央電極保持部２１５とが分離した別部材として構成されている。これによって、金型に配置された膜電極接合体２０の触媒の熱による劣化を抑制しつつ、外周成形部２１０を局所的に高温化して射出成形を実行することが可能である。
【００４９】
B．第２実施例：
図８は、本発明の第２実施例としての射出成形装置１００Ａの構成を示す概略図である。図８は、外周成形部２１０および中央電極保持部２１５に換えて、キャビティ形成板２１６と、電極保持断熱板２１８とが設けられている点と、真空ポンプ３２０や、配管３２１，３２３、開閉バルブ３２４が省略されている点以外は、図２とほぼ同じである。
【００５０】
キャビティ形成板２１６は、上型２００Ａの断熱板２０２の下層に配置された板状部材であり、シール部３０を形成するためのキャビティ２３１を形成するための凹部が形成されている。加熱部３５０は、射出成形の際に、このキャビティ形成板２１６を加熱する。電極保持断熱板２１８は、キャビティ形成板２１６の中央領域の下層に配置される断熱板であり、金型が閉じたときに、膜電極接合体２０の電極２２を押圧して固定的に保持する。電極保持断熱板２１８は、キャビティ形成板２１６から膜電極接合体２０の電極２２への熱の移動を抑制する。
【００５１】
このように、第２実施例の射出成形装置１００Ａでは、キャビティ形成板２１６より電極保持断熱板２１８の方が低温となるように、キャビティ形成板２１６と電極保持断熱板２１８とが、熱伝達率の異なる別部材によって構成されている。これによって、電極２２に担持された触媒の熱による劣化を抑制しつつ、シール部３０を射出成形することができる。ただし、この射出成形装置１００Ａでは、射出成形工程を繰り返し連続的に実行した場合に、キャビティ形成板２１６から移動する熱量の蓄積により、徐々に電極保持断熱板２１８が高温となる可能性がある。従って、断熱層として機能する外周空間２３５を有するとともに、外周空間２３５の空気の入れ換えによって中央電極保持部２１５への熱の移動が抑制されている第１実施例の射出成形装置１００の方が、より電極２２の昇温を抑制できるため好ましい。
【００５２】
C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５３】
C1．変形例１：
上記第１実施例において、真空ポンプ３２０は省略されるものとしても良い。この場合であっても、外周空間２３５を、断熱層として機能させることができるため、中央電極保持部２１５への熱の移動を抑制できる。また、上記第１実施例において、外周空間２３５や中央電極保持部２１５の冷媒流路３０５が省略されるものとしても良い。この場合には、中央電極保持部２１５を外周成形部２１０より熱伝達率の低い別部材によって構成するものとしても良い。
【００５４】
C2．変形例２：
上記実施例では、上型２００において、電極２２と直接的に接触して電極２２を保持する部位（電極保持部）と、膜電極接合体２０の外周においてキャビティ２３１を形成するための部位（外周成形部）とを別部材によって構成していた。しかし、下型２５０においても同様に、電極保持部と外周成形部とを別部材によって構成するものとしても良い。また、下型２５０において、電極保持部と外周成形部との間に外周空間２３５を設けるなど、上型２００と同様な、電極保持部を比較的低温とするための機構が設けられるものとしても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１０…シール一体型膜電極接合体
２０…膜電極接合体
２１…電解質膜
２２…電極
２３…触媒担持領域
３０…シール部
３２…リップ(突起部)
３４…余剰樹脂
４１〜４６…マニホールド
５２…セパレータ
５５…ガス流路部材
１００，１００Ａ…射出成形装置
２００，２００Ａ…上型
２０１…上型冷却板
２０２…断熱板
２０７…樹脂流入口
２１０…外周成形部
２１５…中央電極保持部
２１６…キャビティ形成板
２１８…電極保持断熱板
２３１…キャビティ
２３２…樹脂流路
２３５…外周空間
２５０…下型
３００…冷媒供給部
３０１…冷媒流路
３０５…冷媒流路
３２０…真空ポンプ
３２１…配管
３２３…分岐配管
３２４…開閉バルブ
３５０…加熱部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の膜電極接合体の外周にシール部を射出成形するために用いられる射出成形用金型であって、
前記膜電極接合体の外周において、前記シール部を成形するためのキャビティを形成する外周成形部と、
前記膜電極接合体の触媒を担持する電極を固定的に保持するための電極保持部と、
を備え、
前記電極保持部が前記外周成形部より低温となるように、前記電極保持部と、前記外周成形部とが別部材で構成されている、射出成形用金型。
【請求項２】
請求項１記載の射出成形用金型であって、さらに、
前記電極保持部部と、前記外周成形部との間には、クリアランスが設けられている、射出成形用金型。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の射出成形用金型であって、
前記電極保持部には、冷媒のための冷媒流路が設けられている、射出成形用金型。
【請求項４】
膜電極接合体の外周にシール部が射出成形されたシール一体型膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）請求項２記載の射出成形用金型内に前記膜電極接合体を配置する工程と、
（ｂ）前記クリアランスによって形成される内部空間を真空引きしつつ、前記シール部を射出成形する工程と、
を備える、製造方法。
【請求項５】
膜電極接合体の外周にシール部が射出成形されたシール一体型膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）請求項３記載の射出成形用金型に前記膜電極接合体を配置する工程と、
（ｂ）前記冷媒流路に前記冷媒を供給しつつ、前記シール部を射出成形する工程と、
を備える、製造方法。
【請求項６】
燃料電池用の膜電極接合体の外周にシール部を射出成形するための射出成形装置であって、
前記膜電極接合体の外周において、前記シール部を成形するためのキャビティを形成する外周成形部と、前記膜電極接合体の触媒を担持する電極を固定的に保持するための電極保持部とを有する射出成形用金型と、
前記外周成形部を加熱する加熱部と、
を備え、
前記電極保持部が前記外周成形部より低温となるように、前記電極保持部と、前記外周成形部とが別部材で構成されている、射出成形装置。
【請求項７】
請求項６に記載の射出成形装置であって、
前記電極保持部と前記外周成形部との間には、クリアランスが設けられており、
前記射出成形装置は、さらに、前記シール部を射出成形するときに、前記クリアランスによって形成される空間を真空引きする真空ポンプ部を備える、射出成形装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の射出成形装置であって、
前記電極保持部には、冷媒のための冷媒流路が形成されており、
前記射出成形装置は、さらに、前記シール部を射出成形するときに、前記冷媒流路に前記冷媒を供給する冷媒供給部を備える、射出成形装置。
【請求項１】
燃料電池用の膜電極接合体の外周にシール部を射出成形するために用いられる射出成形用金型であって、
前記膜電極接合体の外周において、前記シール部を成形するためのキャビティを形成する外周成形部と、
前記膜電極接合体の触媒を担持する電極を固定的に保持するための電極保持部と、
を備え、
前記電極保持部が前記外周成形部より低温となるように、前記電極保持部と、前記外周成形部とが別部材で構成されている、射出成形用金型。
【請求項２】
請求項１記載の射出成形用金型であって、さらに、
前記電極保持部部と、前記外周成形部との間には、クリアランスが設けられている、射出成形用金型。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の射出成形用金型であって、
前記電極保持部には、冷媒のための冷媒流路が設けられている、射出成形用金型。
【請求項４】
膜電極接合体の外周にシール部が射出成形されたシール一体型膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）請求項２記載の射出成形用金型内に前記膜電極接合体を配置する工程と、
（ｂ）前記クリアランスによって形成される内部空間を真空引きしつつ、前記シール部を射出成形する工程と、
を備える、製造方法。
【請求項５】
膜電極接合体の外周にシール部が射出成形されたシール一体型膜電極接合体の製造方法であって、
（ａ）請求項３記載の射出成形用金型に前記膜電極接合体を配置する工程と、
（ｂ）前記冷媒流路に前記冷媒を供給しつつ、前記シール部を射出成形する工程と、
を備える、製造方法。
【請求項６】
燃料電池用の膜電極接合体の外周にシール部を射出成形するための射出成形装置であって、
前記膜電極接合体の外周において、前記シール部を成形するためのキャビティを形成する外周成形部と、前記膜電極接合体の触媒を担持する電極を固定的に保持するための電極保持部とを有する射出成形用金型と、
前記外周成形部を加熱する加熱部と、
を備え、
前記電極保持部が前記外周成形部より低温となるように、前記電極保持部と、前記外周成形部とが別部材で構成されている、射出成形装置。
【請求項７】
請求項６に記載の射出成形装置であって、
前記電極保持部と前記外周成形部との間には、クリアランスが設けられており、
前記射出成形装置は、さらに、前記シール部を射出成形するときに、前記クリアランスによって形成される空間を真空引きする真空ポンプ部を備える、射出成形装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の射出成形装置であって、
前記電極保持部には、冷媒のための冷媒流路が形成されており、
前記射出成形装置は、さらに、前記シール部を射出成形するときに、前記冷媒流路に前記冷媒を供給する冷媒供給部を備える、射出成形装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２６９４８３（Ｐ２０１０−２６９４８３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２２０６１（Ｐ２００９−１２２０６１）
【出願日】平成２１年５月２０日（２００９．５．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２０日（２００９．５．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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