JP4954024B2 - 燃料電池パッキン及びシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池に使用されるパッキンやシール構造に関するものである。

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)の両電極を配置して単電池を構成し、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。

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、電極や高分子電解質膜とセパレータ間は、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、例えば特許文献１には、セパレータの所定位置表面にゴム溶液をスクリーン印刷により塗布して形成された未架橋のゴム薄膜を放射線架橋してゴムパッキンを成形一体化することが記載されている。

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、上記ゴムパッキンとしては耐熱性および圧縮永久歪が優れたゴムなどを主材料として使用する。
特開２００１−１９６０７８号公報

しかしながら、これらゴム材料により形成されたパッキンから有機化合物などの不純物が抽出されると、不純物がスタック内に蓄積し、電池寿命に悪影響を及ぼす虞があり、不純物が抽出されにくいゴム材料が希求されていた。

本発明は、上記問題点を解決するものであり、パッキンを組み込む作業が不要となり、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ことができるとともに、パッキンからの不純物の抽出量を低減することを目的とするものである

発明者らは、鋭意検討の結果、パッキンを形成するゴム材料として、反応基を有する水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合した組成物を使用すると、上記課題を解決できることを知見し、本発明を完成させた。

本発明は、燃料電池の単電池と、この単電池を挟持するセパレータとの間に介在されるパッキンであって、前記パッキンが、反応基を有する水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合した組成物からなるとともに、セパレータの周縁部に架橋接着して一体化されたことを特徴とする燃料電池用パッキンである。

パッキンはセパレータでなく単電池に接着一体化しても良い（請求項２）。また、単電池とセパレータの間を、反応基を有する水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合した組成物によって、架橋接着して一体化したシール構造としても良い（請求項３）。

本発明によれば、燃料電池の単電池とセパレータの間をシールするシール材として、反応基を有する水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合した組成物を用いて、該シール材により形成されるパッキンをセパレータや単電池の周縁部に架橋接着一体化したので、パッキンを組み込む作業が不要となり、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ことができるとともに、パッキンからの不純物の抽出量を低減することができるという効果が得られる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。

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。

上記単位セル１において、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で構成された単電池(燃料電池本体)の周囲に燃料ガスおよび酸化ガスが漏洩するの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ため、単電池とセパレータ５,６との間に額縁状(ループ状)のパッキン９,９が介在している。本実施形態においては、図２において一部を拡大して示すように、上記パッキン９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、接着一体化されたものである。上記パッキン９は、図２に示したように、比較的ゴム硬度の高い主体層１０とその表面に被覆した比較的ゴム硬度の低い被覆層１１との積層構造とすることができる。

本実施形態において、主体層１０と被服層１１とは、反応基を有する水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合して架橋した組成物からなる。

水素添加イソプレンゴムとしては、後述するイソシアネート化合物のイソシアネート基と反応するような反応基を有する水素添加イソプレンゴムが使用でき、例えば出光興産株式会社製のエポール（商品名）が例示できる。ゴムの特性を改善する目的で、その他のゴムを追加したゴム組成物とすることもできる。追加できるゴム成分としては、シリコーンゴム、フルオロシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、スチレンイソプレンゴム、アクリルゴム、エチレンアクリルゴム、フルオロアクリルゴム、スチレン系ゴムなどのゴムや、これらゴムに水素添加したゴムが例示できる。なお、他のゴム成分を追加せずに、水素添加イソプレンゴム単体で使用しても良い。

本発明に使用できるイソシアネート化合物としては、トリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）、ジフェニルメタン−４，４’−ジイソシアネート（ＭＤＩ）、ポリメリックＭＤＩ、ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）、キシリレンジイソシアネート（ＸＤＩ）、１，３ビス（イソシアナトメチル）シクロヘキサン（Ｈ6ＸＤＩ）を例示でき、これらのイソシアネート化合物のＴＭＰアダクト変性体、イソシアヌレート変性体、ビュレット変性体、アロファネート変性体も本発明に使用できる。特に、ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）およびその変性体が好ましい。イソシアネート化合物は、水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物１００重量部に対し、６〜２６重量部添加するのが好ましく、より好ましくは、１６〜２１重量部添加する。

イソシアネート化合物を添加すると、イソシアネート化合物は架橋時に分解することがなく、そのイソシアネート基が、水素添加イソプレンゴムの反応基に結合し、架橋後のゴム組成物中の分解物や、未結合の化合物を少なくすることができ、これら分解物や未結合の化合物が不純物として抽出されることを防止できる。

また、本発明のパッキンを、スクリーン印刷によって成形するためには、さらに、カーボンブラック（特にＭＴカーボン）と、ポリシロキサン（特にポリジメチルシロキサン）を配合することが好ましい。

以下、上記実施形態のパッキンの製造方法を説明する。まず主体層１０は、図３および図４に示すように、セパレータ５(６)の表面に額縁状の透孔１３を有する第１のマスク１２を装填したうえで、マスク上から液状の反応基を有する水素添加イソプレンゴム組成物とイソシアネート化合物を混合した上記液状ゴム組成物を塗布するスクリーン印刷を所定の回数行い、透孔１３を通じてその形状に合致した未加硫のゴム薄膜（パッキン前駆体）を形成し、その後、前記ゴム薄膜を架橋する。この架橋は、熱風や赤外線照射などの加熱処理によって行い、セパレータ５の周縁部に額縁状の主体層１０を接着一体化する。また、スクリーン印刷を繰り返す際に、都度架橋を行っても良い。

次いで、図５および図６に示すように、形成した主体層１０の表面に上記透孔１３より若干大きい寸法の額縁状の透孔１５を有する第２のマスク１４を装填したうえで、マスク上から液状の反応基を有する水素添加イソプレンゴム組成物とイソシアネート化合物を混合した液状ゴム組成物を塗布するスクリーン印刷を所定の回数行い、透孔１５を通じてその形状に合致した被覆層１１を形成し、被覆層１１を架橋する。この架橋も加熱処理により処理を行う事ができ、主体層１０の表面に被覆層１１を接着一体化できる。被覆層１１を構成するゴム組成物は、主体層を構成するゴム組成物よりも硬度の低いものを使用することが気密性向上の観点から好ましい。

このようにパッキン９が一体化されたセパレータ５，６を、単電池に積層して組立て、パッキン９によりセパレータ周縁部をシールされた燃料電池が得られる。

上記実施形態では、主体層１０と被覆層１１とからなる積層構造のパッキン９を、反応基を有する水素添加イソプレンゴム組成物とイソシアネート化合物を混合したゴム組成物によって形成し、該パッキンにより燃料電池単セルの周縁部をシールすることを説明したが、本発明は、積層構造のパッキンに限定されるものではなく、パッキン９は単層のパッキンとしても良い。その場合は、図３、図４に示した塗布工程完了後に、架橋を行えば、セパレータへのパッキン一体化を完了でき、図５以降の工程が不要となる。

また、積層構造のパッキンとする場合であっても、必ずしも主体層と被覆層として設ける必要はなく、比較的大きく（幅広に）形成された基材層の上に、比較的小さく（幅狭く）形成された上部層を積層した構造のパッキンとしても良い。

さらに、上記積層構造のパッキン９において、被服層１１だけを、水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合して架橋した組成物で構成し、主体層１０はシリコーンゴムや、他のゴム材料で構成しても良い。本発明にかかる被覆層は、低抽出性のものであるので、他のゴムで形成されたパッキンの被覆層として使用しても、パッキンからの不純物の抽出を低減できる。なお、被覆層１１だけを反応基を有する水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合して架橋した組成物で構成する場合には、図６に示されるように、主体層１０の側面部まで、被覆層１１で覆われるように、第２のマスクの透孔１５が第１のマスクの透孔１３よりも大きくなるように、その大きさを調整することが好ましい。

また、上記実施形態においては、スクリーン印刷によって、セパレータ上にパッキン９を形成する方法を説明したが、パッキン９の形成方法はスクリーン印刷に限定されるものではなく、他の塗布方法・成形方法によることができる。例えば、ディスペンサによって塗布した後に架橋したり、液状ゴム射出成形法（ＬＩＭＳ）によってパッキンを成形したりすることもできる。

また、パッキン９は、セパレータ側でなく、高分子電解質膜に一体に設けても良い。

上記実施の形態においては、セパレータや単電池にパッキンを架橋接着一体化し、それらを積層し組立することにより、燃料電池を構成するものであるが、以下に示す本発明の第２の実施の形態のように、単電池とセパレータを、それら周縁部がシールされるように互いに接着一体化するものであっても良い。すなわち、第２の実施形態は、セパレータ５，６と高分子電解質膜２との間に、周縁部がシールされるように、水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合した液状ゴム組成物を、ディスペンサにより所定のパターンに塗布して、その後、セパレータ５，６と高分子電解質膜２とを互いに積層し、積層状態で架橋してパッキン９を形成し、パッキン９によりセパレータ５，６と高分子電解質膜２とを互いに接着一体化し、その周縁部をシールしてなるものである。

第２の実施形態においては、セパレータと単電池（高分子電解質膜）とは、互いに接着一体化され、もはや分解不可能となるが、シールの確実性をより高めることができる。

液状の、反応基を有する水素添加イソプレンゴム（出光興産製、商品名エポール）１００重量部と、カーボンブラック（ＭＴカーボン）２０重量部と、ポリジメチルシロキサン０．５重量部を混合した後、更に、ヘキサメチレンジイソシアネートの変性体１８．１重量部を添加・混合して未架橋の液状ゴム組成物を得た。（実施例１）

前記液状ゴム組成物を使用してスクリーン印刷を行い、セパレータ上に額縁状の未架橋のパッキン前駆体たるゴム薄膜を形成し、形成されたパッキン前駆体とともにセパレータを１２０℃で１０分間ＨＡＶ加熱し、ゴム組成物を架橋してセパレータに接着一体化させた。この工程を３回繰り返し、セパレータに接着一体化された厚さ０．５ｍｍのパッキンを得ることができた。

比較例１として、ＥＰＤＭ１００重量部をキシレンで溶解させて粘度を調整したゴム溶液に過酸化物架橋剤２．５重量部を添加し、未架橋の液状ゴム組成物を得た。

実施例１および比較例１のゴム組成物によって、薄板状の架橋された試験片を作成し、有機化合物の抽出性の試験を行った。その結果、本発明の実施例１においては、有機化合物の抽出量（ＴＯＣ）が、比較例１と比較して少なくなっていることが確認された。

本発明によれば、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、不純物の低抽出性に優れた材料で構成するとともに、そのシール材をあらかじめセパレータや単電池の所定位置表面に架橋接着一体化させたパッキンを構成したので、パッキンを組み込む作業が不要になり、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、燃料電池の寿命が抽出不純物により短くなることを防止できる。

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。 図１の一部拡大断面図。 主体層の成形工程の一部を示す図。 セパレータに主体層が一体成形された状態を示す図。 被覆層の成形工程の一部を示す図。 主体層に被覆層が被覆された状態を示す図。

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
９,９ パッキン
１０ 主体層
１１ 被覆層
１２ 第１のマスク
１３ 透孔
１４ 第２のマスク
１５ 透孔

Claims (3)

1. 燃料電池の単電池と、この単電池を挟持するセパレータとの間に介在されるパッキンであって、前記パッキンが、反応基を有する水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合した組成物からなるとともに、セパレータの周縁部に架橋接着して一体化されたことを特徴とする燃料電池用パッキン。
2. 燃料電池の単電池と、この単電池を挟持するセパレータとの間に介在されるパッキンであって、前記パッキンが、反応基を有する水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合した組成物からなるとともに、単電池の周縁部に架橋接着して一体化されたことを特徴とする燃料電池用パッキン。
3. 燃料電池の単電池と、この単電池を挟持するセパレータとの間をシールするシール構造であって、反応基を有する水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合した組成物によって、単電池の周縁部とセパレータの周縁部とを架橋接着して一体化したことを特徴とする燃料電池のシール構造。

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