CN116670869A - 用于密封双极板的密封材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于使用在燃料电池中用于密封双极板的密封材料，具有至少一种聚合物材料，其中，所述聚合物材料具有通式(A)：[F1‑Ar1‑F2‑A1]和通式(B)：[F3‑Ar2‑F4‑A2]的基本重复单元，其中，A1和A2代表烷基，F1，F2，F3，F4代表官能团，Ar1，Ar2代表芳香族系，并且其中，A1≠A2和/或Ar1≠Ar2。
Description
技术领域
本发明涉及根据独立产品权利要求类型的产品和根据独立应用权利要求类型的应用。
背景技术
用于在燃料电池中使用的密封材料由现有技术中已知。因此，例如已知使用聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)作为密封材料，用于密封燃料电池的部件。PEN在此尤其适用于在燃料电池运行时的高工作温度。然而，使用聚萘二甲酸乙二醇酯的一大缺点是高制造成本，该制造成本尤其在将燃料电池车辆建立为未来移动方案的过程中应最小化。
发明内容
本发明的内容是具有独立产品权利要求特征的产品以及根据独立应用权利要求类型的应用。本发明的另外的特征和细节由从属权利要求、说明书和示图得出。在此，与根据本发明的产品相关地描述的特征和细节当然也适用于根据本发明的方法，并且反之亦然，使得关于本发明各个方面的公开始终是相互引用的或能够相互引用。
根据独立权利要求，根据本发明的密封材料尤其用于密封燃料电池部件。在此，该产品的优点主要在于，由于其限定的或可限定的结构上的构造，可以实现有针对性地调整所希望的特性。此外，以这种方式可以在一方面成本有利的制造和另一方面所期望的特性之间作出有利的折衷。
根据本发明的密封材料可以优选地用于密封燃料电池的部件，尤其用于密封燃料电池的双极板。在此，密封材料可以整个面地或仅部分地施加到或能够施加到待密封的面上。
在此，根据本发明的密封材料具有至少一种聚合物材料，其中，聚合物材料具有通式(A)：[F1-Ar1-F2-A1]的基本重复单元和通式(B)：[F3-Ar2-F4-A2]的基本重复单元。在此，A1和A2分别代表烷基，F1、F2、F3、F4代表官能团，Ar1、Ar2代表芳香族系。根据本发明的密封材料的特点在于A1≠A2和/或Ar1≠Ar2。
在此，在本发明的范畴内已经认识到，在这种结构下，只要A1≠A2和/或Ar1≠Ar2，就能实现密封材料的成本低的制造，该密封材料尤其适用于在燃料电池中使用。
聚合物材料具体地尤其理解为由规则的基本重复单元、即所谓的结构重复单元组成或者说由其构成的大分子材料。这些基本重复单元或结构重复单元尤其可以被视为在聚合物内的最小的重复单元。
在本发明的范畴内，烷基优选理解为具有通式CnH2n+1的任何一价烃基团。根据本发明，官能团尤其可以理解为化合物的特征基团，该特征基团决定性地确定了所涉及的化合物的材料特性和反应行为。在本发明的范畴内，芳香族系尤其理解为具有4n+2π-电子总数的化合物。表述A1≠A2或Ar1≠Ar2具体地尤其理解为，烷基A1在化学上不同于烷基A2，或芳香族系Ar1在化学上不同于芳香族系Ar2。
关于在制造具体的密封材料时的有利的成本节约，根据本发明可以有利地设置，相对于通式(A)和(B)的基本重复单元之和的物质量份额而言，聚合物材料具有至少20％、优选至少50％、尤其大于50％的通式(B)的基本重复单元。
关于即使在如通常在燃料电池运行时出现的那样的较高温度下也具有可靠的密封性能，可以具体地尤其设置，密封材料具有大于78℃、优选大于90℃、尤其大于100℃的玻璃化点。优选地，聚合物的玻璃化点或者说玻璃化转变温度可以在78℃至120℃之间。在达到玻璃点或者说玻璃化转变温度时，聚合物过渡到不再能够保证可靠密封性能的橡胶状或粘性的状态中。为了确保尽可能高的弹性，还可以有利的是，密封材料在20℃时具有至少大于4GPa、优选大于4.25GPa、尤其大于4.5GPa的弹性模量(根据杨氏弹性模量)。在150℃的较高温度时，密封材料还可以有利地具有至少大于1GPa、优选大于1.5GPa、尤其大于2.5GPa的弹性模量(根据杨氏弹性模量)。关于有利的密封性能也可以考虑，密封材料在燃料电池中的例如150℃的工作温度时在30min之后与其在20℃时的体积相比具有小于0.1％、优选小于0.075％的材料收缩率。
关于尽可能有针对性地调整密封材料的特性，根据本发明有利地尤其设置，聚合物材料以由至少两种不同聚合物的混合材料的形式构成，其中，优选至少一种聚合物具有通式(A)的基本重复单元和至少另一种聚合物具有通式(B)的基本重复单元，其中，聚合物材料尤其构成为能够至少部分地混合。与此不同地，也可以考虑，聚合物材料构成为不能混合并且例如在其体积内具有不一致的物理特性。在密封材料构造为混合材料的范畴内，聚合物材料尤其可以具有至少两个不同的熔点和/或至少两个不同的玻璃化转变点。同样可以考虑，密封材料具有两个以上的不同熔点和/或两个以上的不同玻璃化转变点，例如当聚合物材料以由不同混合材料混合或由混合材料与共聚物混合的形式构成。
同样，关于尽可能有针对性地调整密封材料的特性，可以考虑聚合物材料具有共聚物，优选以共聚物的形式构成，其中，共聚物尤其由通式(A)和(B)的至少两个不同的基本重复单元组成。
为了能够进一步有针对性地适配密封材料的特性，还可以根据本发明设置，基本单元选择性地具有分支基或残基。
在此，分支基或残基可以采用完全不同的布置。因此，分支基或残基一方面可以具有随机的相互空间布置并且因此无规立构地布置。同样可以考虑，分支基或残基都在同一方向上布置并且因此全同立构地布置。最后也可以考虑，分支基或残基交替地在一个方向和另一方向上布置并且因此相互间同立构地布置。
在密封材料的尽可能广泛的可调整特性的范畴内，还可以考虑共聚物构成统计共聚物和/或梯度共聚物和/或交替共聚物和/或嵌段共聚物和/或接枝共聚物。在此，单体的顺序尤其可以是交替地、统计地或渐进地分布的。也可以考虑，共聚物构造为嵌段共聚物。
在关于密封材料特性适配的最大可能限度的范畴内，可以具体有利地设置，A1和/或A2是C1至C20烷基和/或是环烷基。在C1至C20烷基的范畴内可以理解，多个CH残基能够选择性地嵌入到烷基链中，其中，残基又可以无规立构、全同立构或间规立构地相互布置。此外，环烷基可以优选构造为环丁烷基或环己烷基。同样，也可以设置环丙烷基或环戊烷基。
关于密封材料的所希望特性的简单调整或可调整性，还可以考虑F1和/或F2和/或F3和/或F4是相同的官能团，其中，官能团优选具有羰基官能、尤其构造为酯。也可以设置，F1和/或F2和/或F3和/或F4至少部分地是不同的官能团。作为官能团可以优选地设置具有至少一个氧原子的基团，如酯一样也可以是醇、酚、醚、醛、酮、羧酸、过氧化物、过氧羧酸、酸酐等。同样，具有至少一个硫原子的官能团，如磺酸、硫酸、硫代羧酸、亚硫酸、硫醚酯、磺酸酯、磺酸卤化物、硫醇、硫醚、硫酮、硫脂、硫代醛或类似化合物，也适用于有针对性地调整密封材料的特殊特性。同样，具有至少一个氮原子的官能团，如酰胺、胺、酰亚胺、羧酸酰胺、羧酸酰肼、腈、肟、腙、肼、硝基化合物、亚硝基化合物、偶氮化合物、重氮化合物、异腈化合物、氰酸盐、异氰酸酯、硫氰酸盐、异硫氰酸酯等，也适合于有针对性地调整密封材料的特殊特性。此外，具有至少一个卤原子的官能团，如卤化物、卤烃、羧酸卤化物、磺酸卤化物或类似化合物，也适合于有针对性地调整密封材料的特殊特性。此外，其它官能团，例如烯烃或炔烃也适用于有针对性地调整密封材料的特殊特性。
关于即使在较高温度下也具有可靠的密封性能，可以具体地尤其设置，通式(A)具有萘酚作为芳香族系，其中，通式(A)优选构造为聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。也可以考虑，芳香族系以蒽、替曲辛、菲、三亚苯基、芘等的形式构成。
关于具体的密封材料的特别成本低的制造，根据本发明可以有利地尤其设置，通式(B)具有苯作为芳香族系，其中，通式(B)优选构造为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
同样可以考虑，聚合物材料以聚酯的形式构成，其中，Ar1和Ar2优选以苯基的形式构成，其中，A1和A2尤其以环烷基的形式构成。有利地，环烷基可以不同地构造，尤其构造为环己烷和环丁烷。这样的结构还称为“Tritanium(共聚酯基)”并且能够有利地用于作为密封材料在燃料电池系统中的使用。
此外，本发明的内容是前面所描述的密封材料在燃料电池内的使用，尤其用于密封双极板。因此，具体的应用具有与已经详细描述的关于根据本发明的密封材料的相同优点。
本发明的另外的优点、特征和细节由下面对本发明的各个实施例的描述得出。在此，在权利要求和说明书中提及的特征不但可以分别单独地而且以不同组合地对于本发明是重要的。
具体实施方式
根据下面所示的实施例示出根据本发明的密封材料的不同的示例性的聚合物材料。密封材料可以有利地大部分地包括聚合物材料，尤其，密封材料可以由所示的聚合物材料的一个或多个构成。当然，下面所示的聚合物材料仅用于解释说明并且不用于限制本发明。
1.实施例：
根据第一实施例，呈混合材料形式的聚合物材料由至少两种不同的聚合物构成，其中，优选至少一种聚合物具有通式(A)的基本重复单元，并且至少另一聚合物具有通式(B)的基本重复单元。通式(A)的聚合物当前以聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的形式构成并且作为官能团F1和F2具有酯，而芳香族系Ar1构造为萘，烷基A1构造为乙烷基。通式(B)的聚合物当前以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的形式构成并且作为官能团F3和F4同样具有各一个酯，而芳香族系Ar1构造为苯，烷基A2构造为乙烷基。
2.实施例：
根据第二实施例，聚合物材料又以由至少两种不同聚合物组成的混合材料的形式构成，其中，优选至少一种聚合物具有通式(A)的基本重复单元，并且至少另一聚合物具有通式(B)的基本重复单元。作为与根据第一实施例的混合聚合物的唯一区别，通式(A)的聚合物代替萘而具有蒽作为芳香族系Ar1。可以理解，各个组分F1、Ar1、F2、A1、F3、Ar2、F4、A2可以任意变化，以便有针对性地适配聚合物的特性和从而适配根据本发明的密封材料的特性。
3.实施例：
根据第三实施例，聚合物材料以通式(A)和通式(B)的基本重复单元的共聚物形式组成，其中，通式(A)的共聚物部分又以聚萘酸乙二醇酯(PEN)的形式构成并且具有酯作为官能团F1和F2、具有萘作为芳香族系Ar1并且具有乙烷基作为烷基A1，而通式(B)的共聚物部分以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的形式构成并且也具有各一个酯作为官能团F3和F4、具有苯作为芳香族系A r1和也具有乙烷基作为烷基A2。
应当理解，在聚合物作为共聚物的实施方式的范畴内，由通式(A)和(B)的基本重复单元构成的多种组合物是可能的(例如，除了A-B-A-B...，A-A-B-B-...，A-B-B-A...，B-A-A-B...等)。在此，共聚物例如可以构造为统计共聚物和/或梯度共聚物和/或交替共聚物和/或嵌段共聚物和/或接枝共聚物。
4.实施例：
根据第四实施例，聚合物材料又以通式(A)和(B)的基本重复单元的共聚物形式组成，其中，作为与根据第三实施例的共聚物的唯一区别，通式(A)的聚合物代替萘而具有蒽作为芳香族系Ar1。
5.实施例：
根据第五实施例，聚合物材料同样以通式(A)和通式(B)的基本重复单元的共聚物形式组成，其中，聚合物材料以聚酯的形式构成，其中，Ar1和Ar2以苯基的形式构成，A1和A2以环烷基的形式、即以环己烷和环丁烷的形式构成。这样的材料以“Tritanium(共聚酯基)”的名称已知，并且如在本发明的范畴内已经发现的那样是用于在燃料电池中使用的根据本发明的密封材料的聚合物的合适选项。
Claims (11)
1.一种用于使用在燃料电池中用于密封双极板的密封材料，具有：
-至少一种聚合物材料，
-其中，所述聚合物材料具有通式(A)：[F1-Ar1-F2-A1]和通式(B)：[F3-Ar2-F4-A2]的基本重复单元，
其中，
-A1和A2代表烷基，
-F1，F2，F3，F4代表官能团，
-Ar1，Ar2代表芳香族系，
其特征在于，
A1≠A2和/或Ar1≠Ar2。
2.根据权利要求1所述的密封材料，其特征在于，
所述密封材料具有大于78℃、优选大于90℃、尤其大于100℃的玻璃化点。
3.根据前述权利要求中任一项所述的密封材料，其特征在于，
所述聚合物材料以混合材料的形式由至少两种不同的聚合物构成，其中，优选至少一种聚合物具有通式(A)的基本重复单元并且至少另一聚合物具有通式(B)的基本重复单元，其中，所述聚合物材料尤其能够至少部分混合地构成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的密封材料，其特征在于，
所述聚合物材料具有共聚物，优选以共聚物的形式构成，其中，所述共聚物尤其由通式(A)和通式(B)的至少两个不同的基本重复单元组成。
5.根据权利要求4所述的密封材料，其特征在于，
所述共聚物构造为统计共聚物和/或梯度共聚物和/或交替共聚物和/或嵌段共聚物和/或接枝共聚物。
6.根据前述权利要求中任一项所述的密封材料，其特征在于，
A1和/或A2是C1至C20烷基和/或是环烷基。
7.根据前述权利要求中任一项所述的密封材料，其特征在于，
F1和/或F2和/或F3和/或F4是相同的官能团，其中，所述官能团优选具有羰基官能，尤其构造为酯。
8.根据前述权利要求中任一项所述的密封材料，其特征在于，
通式(A)具有萘作为芳香族系，其中，通式(A)优选构造为聚萘酸乙二醇酯(PEN)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的密封材料，其特征在于，
通式(B)具有苯作为芳香族系，其中，通式(B)优选构造为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的密封材料，其特征在于，
聚合物材料以聚酯的形式构成，其中，Ar1和Ar2优选以苯基的形式构成，其中，A1和A2尤其以环烷基的形式构成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的密封材料的使用，用在燃料电池内，尤其用于密封双极板。
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