DE10041209A1

DE10041209A1 - Thermoplastic composition useful in an electrically conducting member, e.g. electrical connector, comprises a fully cured thermoplastic vulcanizate and electrically conducting solid fillers in specified amount

Info

Publication number: DE10041209A1
Application number: DE10041209A
Authority: DE
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2001-08-02
Also published as: JP2001089668A; CA2317059A1

Abstract

A thermoplastic composition comprises a fully cured thermoplastic vulcanizate and electrically conducting solid fillers (5 - 75 wt.%). Independent claims are included for the following: (1) a bipolar plate comprising a flat planar member formed of a thermoplastic elastomer containing the thermoplastic composition; and (2) an electrically conductive body comprising a member containing the thermoplastic composition.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrisch leitende Glieder, die aus Zusammensetzungen hochleitfähiger thermoplastischer Elastomere bestehen.The present invention relates to electrically conductive members consisting of Compositions of highly conductive thermoplastic elastomers exist.

Elektrisch leitende Glieder werden bei zahlreichen Anwendungen verwendet, zum Beispiel in elektrischen Steckvorrichtungen, in Verkleidungen für Drähte oder Kabel und in Fußbodenbelägen, und bei Anwendungen, für die minimale statische Elektrizität gefordert ist, wie beispielsweise bei der Herstellung von Computerchips und magnetischen Bauteilen. Ein anderer neuerer Verwendungsbereich für elektrisch leitende Glieder sind Vorrichtungen, die chemisch zwei oder mehr Substanzen in der Anwesenheit von Membrankatalysatoren verbinden, um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, zum Beispiel in Brennstoffzellen.Electrically conductive members are used in numerous applications, for example Example in electrical plug-in devices, in coverings for wires or cables and in floor coverings, and in applications for which minimal static Electricity is required, such as in the manufacture of computer chips and magnetic components. Another recent area of use for Electrically conductive members are devices that chemically two or more Combine substances in the presence of membrane catalysts to to convert chemical energy into electrical energy, for example in Fuel cells.

Eine Brennstoffzelle erzeugt kontinuierlichen elektrischen Strom direkt aus der Oxidation eines Brennstoffs ohne Verbrennung, zum Beispiel aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. Es befinden sich verschiedene Arten von Brennstoffzellen in Entwicklung, wozu Phosphorsäure-, Karbonatschmelze-, Festoxid-, Protonenaustauschmembran- (Proton Exchange Membran = PEM), alkalische und direkte Methanol-Systeme zählen. Von diesen sind es die PEM- Brennstoffzellen, an deren Entwicklung zum potentiell führenden elektrochemischen Kraftwerk für umweltfreundliche mobile Anwendungen von Automobilherstellern aktiv gearbeitet wird. Der Grund hierfür liegt in dem Vermögen der PEM-Brennstoffzelle zu einer relativ hohen Energiedichte und nahezu null Emissionen.A fuel cell generates continuous electric current directly from the Oxidation of a fuel without combustion, for example from the chemical Reaction of hydrogen with oxygen. There are different types of Fuel cells under development, including phosphoric acid, molten carbonate, Solid oxide, proton exchange membrane (PEM), include alkaline and direct methanol systems. Of these, it is the PEM Fuel cells, in their development to the potentially leading electrochemical Power plant for environmentally friendly mobile applications of car manufacturers active is working. The reason for this lies in the ability of the PEM fuel cell to a relatively high energy density and almost zero emissions.

Eine PEM-Brennstoffzelle besteht im allgemeinen aus einer Membran-Elektroden- Anordnung (MEA) und einem Fließfeld, das in bipolaren Platten auf der MEA gegenüberliegenden Seiten ausgebildet ist. Die MEA besteht aus einer protonenleitenden Elektrolytmembran, zum Beispiel aus Nation®, ein Warenzeichen von DuPont in Wilmington, Delaware. Die Elektrolytmembran ist zwischen zwei Elektroden eingeschoben. Zwischen den Elektroden und der Membran befinden sich zwei dünne Katalysator-Schichten. Die PEM-Brennstoffzelle verwandelt die chemische Energie der reagierenden Substanzen in elektrische Energie. Ein typisches Beispiel einer PEM-Brennstoffzelle ist in dem U.S.-Patent 5,260,143 beschrieben, dessen technische Tatbestände durch Literaturhinweis hierin eingefügt werden.A PEM fuel cell generally consists of a membrane-electrode Arrangement (MEA) and a flow field in bipolar plates on the MEA is formed opposite sides. The MEA consists of a proton-conducting electrolyte membrane, for example from Nation®, a trademark from DuPont in Wilmington, Delaware. The electrolyte membrane is between two Electrodes inserted. Between the electrodes and the membrane are two thin catalyst layers. The PEM fuel cell transforms the chemical energy of the reacting substances into electrical energy. On A typical example of a PEM fuel cell is in U.S. Patent 5,260,143 whose technical facts are incorporated by reference herein become.

Der elektrische Strom einer PEM-Brennstoffzelle ist, unter anderem, eine Funktion der Größe seiner aktiven bzw. der elektrischen Strom erzeugenden Oberfläche der MEA. Bipolare Platten haben typischerweise Kanäle, die in die flache ebene Oberfläche der Platten gepreßt oder hineingearbeitet oder geprägt werden, so daß gasförmiger Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, durch die Kanäle auf der Anodenseite der MEA fließt, und gasförmiges Oxidans, typischerweise Luft (oder Sauerstoff), durch die Kanäle auf der Kathodenseite fließt. Auf der Anodenseite dissoziiert der Wasserstoff in freie Elektronen und Protonen. Die freien Elektronen stellen die Grundlage für den elektrischen Strom bereit, indem sie von der Anodenseite zur Kathodenseite durch die bipolaren Platten oder Strömungsseparatorplatten wandern. Die Protonen fließen durch die MEA und verbinden sich mit Sauerstoff und den freien Elektronen, um Wasser zu bilden. Es ist sehr wichtig, daß die freien Elektronen mit minimalem Widerstand durch die bipolare Platte fließen können, um den elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu maximieren. Derzeit bekannte bipolare Platten können aufgrund der Notwendigkeit extrem hoher Feststoff-Beladungen in den Materialien zum Erzeugen von minimalem elektrischen Widerstand nicht ohne Probleme aus Verbundstoffen gepreßt werden.The electric current of a PEM fuel cell is, among other things, a function the size of its active or the electric current generating surface of the MEA. Bipolar plates typically have channels in the flat plane Surface of the plates are pressed or worked or embossed, so that gaseous fuel, typically hydrogen, through the channels on the Anode side of the MEA flows, and gaseous oxidant, typically air (or Oxygen) flowing through the channels on the cathode side. On the anode side the hydrogen dissociates into free electrons and protons. The free electrons Provide the basis for the electric current by being supplied by the Anode side to the cathode side through the bipolar plates or Wander flow separator plates. The protons flow through the MEA and combine with oxygen and the free electrons to form water. It It is very important that the free electrons with minimal resistance through the bipolar plate can flow to the electrical efficiency of the Maximize fuel cell. Currently known bipolar plates may be due the need for extremely high solids loading in the materials Do not create minimal electrical resistance without problems Composite materials are pressed.

Eine andere Einschränkung bekannter Brennstoffzellen ist die Notwendigkeit eines Einarbeitens oder Einprägens von Kanälen in die aus chemisch inerten Materialien bestehenden Fließfeldplatten. Somit besteht ein Bedarf an bipolaren Platten, die kostengünstig zu bereiten und einfach zu fertigen sind, Korrosion widerstehen und elektrisch hochleitfähig sind.Another limitation of known fuel cells is the need for a Incorporating or embossing channels into those of chemically inert materials existing flow field plates. Thus, there is a need for bipolar plates that cost-effective to prepare and easy to manufacture, resist corrosion and are electrically highly conductive.

Elektrisch leitende Materialien werden bei weiteren Anwendungen verwendet, zum Beispiel bei elektrischen Steckverbindungen, Drähten/Kabel und bei Fußbodenbelägen. Für diese Anwendungen wird ebenfalls gefordert, daß die Materialien kostengünstig zu bereiten, einfach herzustellen oder zu pressen sind, Korrosion widerstehen und elektrisch hochleitfähig sind. Dieser Bedarf wird durch den Stand der Technik ebenfalls nicht erfüllt.Electrically conductive materials are used in other applications, for Example for electrical connectors, wires / cables and at Floor coverings. For these applications is also required that the To make materials cost-effective, easy to manufacture or to press, Resist corrosion and are highly electrically conductive. This need is going through the prior art also not met.

Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, wird ein thermoplastisches elastomeres Material verwendet, das hochleitfähig und leicht verarbeitbar ist, Korrosion widersteht und kostengünstig zu bereiten ist, um elektrisch leitende Glieder herzustellen. Genauer gesagt wird das Problem durch die Verwendung eines elektrisch leitenden thermoplastischen Vulkanisats (TPV) gelöst. Der Fachmann weiß, daß thermoplastische Harze, das heißt, Materialien, die entweder kristallin oder teilkristallin sind bzw. relativ hohe Glasübergangstemperaturen aufweisen, durch Zumischen elektrisch leitender Füllstoffe, wie zum Beispiel Graphitpulver, Rußpulver, metallische Pulver, Kohlefasern oder metallische Faserstoffe, in das thermoplastische Harz elektrisch leitend gemacht werden können (siehe zum Beispiel das englische Patent Nr. 1,495,275; U.S.-Patent 4,179,341; U.S.-Patent 4,510,078; U.S.-Patent 5,207,949; U.S.-Patent 5,322,874; U.S.-Patent 5,707,699).To solve the problems described above, a thermoplastic is used uses elastomeric material that is highly conductive and easy to process, Resists corrosion and is cost-effective to prepare electrically conductive To produce links. More specifically, the problem is through the use an electrically conductive thermoplastic vulcanizate (TPV) solved. The skilled person knows that thermoplastic resins, that is, materials that either crystalline or partially crystalline or relatively high Have glass transition temperatures, by admixing more electrically conductive Fillers, such as graphite powder, carbon black powder, metallic powder, Carbon fibers or metallic fibers in the thermoplastic resin electrically can be made conductive (see, for example, the English patent no. 1,495,275; U.S. Patent 4,179,341; U.S. Patent 4,510,078; U.S. Patent 5,207,949; U.S. Patent 5,322,874; U.S. Patent 5,707,699).

Es besteht jedoch eine Grenze für die Füllstoffmenge, die eingearbeitet werden kann, bis sowohl die mechanischen als auch die Verarbeitungseigenschaften des Materials nachteilig beeinflußt werden. In dem U.S.-Patent 4,569,786 wird speziell dieses Problem diskutiert, indem offenbart wird, daß nicht mehr als 20 Gewichtsprozent einer Kombination aus Metallfaserstoffen und Kohlefasern in ein thermoplastisches Material gemischt werden können, bevor es nicht mehr problemlos schmelzeverarbeitbar wird. Diese Menge in Gewichtsprozent ist viel mehr als wenn diese Fasern durch leitfähige pulverförmige Füllstoffe desselben Typs ersetzt würden. Zusammensetzungen mit einer so hohen Metallfaserbeladung sind zur Verwendung in elektrochemischen Brennstoffzellen und anderen elektrisch leitenden Gliedern aufgrund von Korrosionsproblemen nicht geeignet. U.S.-Patent 4,937,015 versucht, sich des Problems ungenügender Verarbeitungs- und Materialeigenschaften von elektrisch leitenden Thermoplasten anzunehmen, die mit hohen Mengen von Füllstoff beladen sind. Bei der Verwendung von Druck zum Formen von Platten lehrt der Stand der Technik eine Verwendung von thermoplastischen Partikeln und bis zu 20 Gewichtsprozent fester elektrisch leitender Stoffe zum Formen des Materials. Auf diese Weise hergestellte Materialien leiden jedoch unter spezifischen Durchgangswiderständen, die nicht unter 10³ Ohm/cm liegen.However, there is a limit to the amount of filler that can be incorporated until both the mechanical and processing properties of the material are adversely affected. U.S. Patent 4,569,786 specifically discusses this problem by disclosing that no more than 20 percent by weight of a combination of metal fiber and carbon fibers can be blended into a thermoplastic material before it becomes melt-processible. This amount in weight percent is much more than if these fibers were replaced by conductive powdery fillers of the same type. Compositions with such a high metal fiber loading are not suitable for use in electrochemical fuel cells and other electrically conductive members due to corrosion problems. U.S. Patent 4,937,015 attempts to address the problem of insufficient processing and material properties of electrically conductive thermoplastics loaded with high levels of filler. In using pressure to form sheets, the prior art teaches use of thermoplastic particles and up to 20 weight percent solid electroconductive materials to form the material. However, materials produced in this way suffer from volume resistivities not lower than 10 ³ ohm / cm.

Um die mechanischen Eigenschaften von stark gefüllten, elektrisch leitenden Thermoplasten zu verbessern, werden elektrisch leitende Füllstoffe in Vermischungen aus kristallinen und amorphen elastomeren Materialien eingearbeitet, das heißt, nichtkristalline Materialien mit einem niedrigen Glasumwandlungspunkt. In U.S.-Patent 4,265,789 und in U.S.-Patent 4,321,162 sind flexible und schmelzeverarbeitbare, elektrisch leitende Materialien auf der Grundlage von Vermischungen aus einem elastomeren Material mit niedrigem Tg- Wert und einem kristallinen Material mit hohem Tg-Wert beschrieben. Die Zielanwendungen sind elektrische Steckverbindungen, Kabel und andere elektrisch leitende Preßteile. In beiden Fällen ist keine Polymerphase chemisch vernetzt. U.S.- Patent 5,484,838 beschreibt auch die Zugabe von Ruß zu Vermischungen aus kristallinen und amorphen Materialien, wobei diese Anwendung jedoch auf Verbindungen zielt, die sich für elektrostatische Anstriche eignen. Der spezifische Durchgangswiderstand dieser Materialien wird als mindestens 10⁵ Ohm/cm beschrieben, und keine polymere Phase ist chemisch vernetzt.To improve the mechanical properties of highly filled, electrically conductive thermoplastics, electrically conductive fillers are incorporated into blends of crystalline and amorphous elastomeric materials, that is, non-crystalline materials having a low glass transition point. U.S. Patent 4,265,789 and U.S. Patent 4,321,162 describe flexible and melt-processable electrically conductive materials based on blends of a low Tg elastomeric material and a high Tg crystalline material. The target applications are electrical connectors, cables and other electrically conductive parts. In both cases, no polymer phase is chemically crosslinked. U.S. Patent 5,484,838 also describes the addition of carbon black to blends of crystalline and amorphous materials, but this application is directed to compounds that are suitable for electrostatic paints. The volume resistivity of these materials is described as at least 10 ⁵ ohms / cm, and no polymeric phase is chemically crosslinked.

Ein Steuern der Verarbeitungsbedingungen ist ein weiterer Ansatz zum Kontrollieren der spezifischen elektrischen Widerstände von Ruß-Polymer-Vermischungen. U.S.- Patent 3,823,217 beschreibt das Verringern der spezifischen Widerstände von Vermischungen aus Ruß und kristallinem Polymer bei Raumtemperatur durch thermische Wechselbeanspruchung der Vermischung. U.S.-Patent 4,534,889 beschreibt ein Verfahren zur Abstimmung von Zusammensetzungen aus elektrisch leitenden Füllstoffen und Polymervermischungen zur Herstellung von Materialien, die kontrollierte elektrische Eigenschaften haben, insbesondere bei Temperatur, und die aus diesen Zusammensetzungen hergestellten Vorrichtungen. Eine Schlüsselkomponente dieser Offenbarung ist das Beladen der elastomeren Phase mit Füllstoff und ein darauffolgendes Kontrollieren der elektrischen Eigenschaften durch Verarbeitungsbedingungen und Härtezyklen. In dem U.S.-Patent 5,844,037 werden die elektrischen Eigenschaften einer Zusammensetzung aus einer Polymervermischung und Ruß durch Kontrollieren der Phasenmorphologie und der Art und Weise, wie der Ruß zwischen den Phasen dispergiert wird, gesteuert. In all diesen Offenbarungen zum Stand der Technik wird der leitfähige Füllstoff in jedem Bestandteil der Polymervermischung dispergiert.Controlling the processing conditions is another approach to controlling the electrical resistivities of carbon black polymer blends. U.S. U.S. Patent 3,823,217 describes reducing the resistivities of Mixtures of carbon black and crystalline polymer at room temperature by thermal cycling of mixing. U.S. Patent 4,534,889 describes a method for tuning compositions of electrical conductive fillers and polymer blends for making materials, which have controlled electrical properties, especially at temperature, and the devices made from these compositions. A Key component of this disclosure is the loading of the elastomeric phase with filler and then checking the electrical properties through processing conditions and hardening cycles. In U.S. Patent 5,844,037 become the electrical properties of a composition of a Polymer blending and carbon black by controlling the phase morphology and the How the carbon black is dispersed between the phases controlled. In all In these prior art disclosures, the conductive filler in each Part of the polymer mixture dispersed.

Keines dieser Patente zum Stand der Technik hat das Problem einer Bereitstellung eines einfach verarbeitbaren und hochleitfähigen Materials für bipolare Platten oder andere elektrisch leitende Glieder gelöst, so daß nach wie vor Bedarf an einem kostengünstigen, hochleitfähigen thermoplastischen Material zur Verwendung bei bipolaren Brennstoffplatten und bei anderen elektrisch leitenden, gepreßten Produkten besteht.None of these prior art patents has the problem of providing a readily processable and highly conductive material for bipolar plates or solved other electrically conductive members, so that there is still a need for a inexpensive, highly conductive thermoplastic material for use in bipolar fuel plates and other electrically conductive, pressed Products.

Die vorliegende Erfindung will das obige Problem lösen, indem thermoplastische Zusammensetzungen verwendet werden, die durch Einarbeitung leitfähiger Füllstoffe in vollständig ausgehärtete thermoplastische Vulkanisate (TPV) für bipolare Brennstoffzellenplatten und andere elektrisch leitende gepreßte Produkte geformt werden. Es werden TPV verwendet, um den Füllstoff von der diskreten, chemisch vernetzten elastomeren Phase des TPV auszuschließen. Dabei verweilt der elektrisch leitende Füllstoff hauptsächlich in der kontinuierlichen thermoplastischen Phase des Materials, wodurch die zum Bilden elektrisch leitender Pfade in dem Material erforderliche Füllstoffmenge reduziert wird.The present invention seeks to solve the above problem by using thermoplastic Compositions that are more conductive by incorporation Fillers in fully cured thermoplastic vulcanizates (TPV) for bipolar fuel cell plates and other electrically conductive pressed products be formed. TPV are used to remove the filler from the discrete, exclude chemically crosslinked elastomeric phase of the TPV. It lingers the electrically conductive filler mainly in the continuous thermoplastic phase of the material, which makes the electrically conductive Paths in the material required filler amount is reduced.

Bei dieser Erfindung verwendetes thermoplastisches Vulkanisat kann mit oder ohne elektrisch leitende Füllstoffe an sich hergestellt werden, wobei ein Bestandteil des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung jedoch die Zugabe von leitfähigen Füllstoffen nach der Synthese des TPV umfaßt, um die elektrisch leitenden Füllstoffe in die kontinuierliche thermoplastische Matrixphase des TPV aufzunehmen und mit diesen zu besetzen. Dadurch, daß elektrisch leitende Füllstoffe nach der Bildung des TPV zugegeben werden, wird eine kleinere Füllstoffmenge benötigt, um das Material elektrisch leitend zu machen, als die, die erforderlich wäre, wenn die elektrisch leitenden Füllstoffe vor der Bildung des TPV zugegeben werden würden. Die elektrisch leitenden Füllstoffe werden in Mengen zugegeben, die ausreichen, um den spezifischen Durchgangswiderstand des Materials auf unter 10⁸ Ohm/cm, besser noch auf unter 10³ Ohm/cm und vorzugsweise auf unter 10¹ Ohm/cm zu verringern.Thermoplastic vulcanizate used in this invention may be prepared with or without electroconductive fillers per se, but one aspect of the present invention involves the addition of conductive fillers after the synthesis of the TPV to introduce the electroconductive fillers into the continuous thermoplastic matrix phase of the TPV TPV record and to occupy with them. By adding electrically conductive fillers after the formation of the TPV, a smaller amount of filler is needed to render the material electrically conductive than would be required if the electrically conductive fillers were added prior to forming the TPV. The electroconductive fillers are added in amounts sufficient to reduce the volume resistivity of the material to below 10 ⁸ ohm / cm, more preferably below 10 ³ ohm / cm, and preferably below 10 ¹ ohm / cm.

Indem elektrisch leitende Füllstoffe nach der Bildung des TPV zugegeben werden, wird vermutet, daß die Füllstoffe aufgrund der Anwesenheit eines Netzes aus chemischen Vernetzungen von einem Eintreten in die diskrete elastomere Phase des TPV ausgeschlossen werden. Daher wird eine kleinere Menge an Füllstoffen benötigt, um die erforderlichen leitfähigen Pfade zu bilden und den spezifischen Widerstand des Materials zu verringern.By adding electrically conductive fillers after the formation of the TPV, It is believed that the fillers due to the presence of a network of chemical crosslinks from entering the discrete elastomeric phase be excluded from the TPV. Therefore, a smaller amount of fillers needed to form the required conductive paths and the specific ones Reduce resistance of the material.

Die vorliegende Erfindung stellt ein elektrisch leitendes Glied bereit, das folgendes umfaßt: ein aus einem thermoplastischen Elastomer geformtes Glied, wobei das thermoplastische Elastomer ein thermoplastisches Vulkanisat und elektrisch leitende feste Füllstoffe enthält, und diese Füllstoffe in einem Bereich von 5 bis 75 Gewichtsprozent vorliegen, wodurch der spezifische Durchgangswiderstand des thermoplastischen Elastomers weniger als 10⁸ Ohm/cm beträgt.The present invention provides an electrically conductive member comprising: a member molded from a thermoplastic elastomer, wherein the thermoplastic elastomer contains a thermoplastic vulcanizate and electroconductive solid fillers, and these fillers are in a range of 5 to 75% by weight the volume resistivity of the thermoplastic elastomer is less than 10 ⁸ ohms / cm.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein thermoplastisches Elastomer für elektrisch leitende Glieder mit einem spezifischen Durchgangswiderstand des Materials unter 10⁸ Ohm/cm bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide a thermoplastic elastomer for electrically conductive members having a volume resistivity of the material below 10 ⁸ ohms / cm.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektrisch leitendes Glied bereitzustellen, das ein thermoplastisches Vulkanisat und elektrisch leitende Füllstoffe in dem Bereich von 5 bis 75 Gewichtsprozent enthält und leicht zu verarbeiten ist.It is another object of the present invention to provide an electrically conductive member to provide a thermoplastic vulcanizate and electrically conductive Fillers in the range of 5 to 75 weight percent and easy to is process.

Es ist auch ein weiteres Ziel der Erfindung, elektrisch leitende gepreßte Glieder bereitzustellen, die ein thermoplastisches Vulkanisat verwenden und wo elektrisch leitende Füllstoffe der thermoplastischen Phase des Materials hinzugegeben werden, um die zum Formen der erforderlichen leitenden Pfade und zum Verringern des spezifischen Widerstands des Materials benötigte Füllstoffmenge zu verringern. Ein anderes Ziel der Erfindung ist auch die Bereitstellung eines thermoplastischen Elastomers, das einen dynamisch vulkanisierten Thermoplast enthält und wo der thermoplastischen Phase des Materials elektrisch benötigte leitfähige Füllstoffe zugegeben werden, um die Füllstoffmenge zum Formen der erforderlichen leitenden Pfade zu verringern und den spezifischen Widerstand des Materials zu reduzieren. Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus den folgenden Beschreibungen und Zeichnungen ersichtlich.It is also another object of the invention to provide electrically conductive pressed members to provide a thermoplastic vulcanizate and where electrical conductive fillers are added to the thermoplastic phase of the material to form the necessary conductive paths and to reduce reduce the amount of filler required for the resistivity of the material. Another object of the invention is also to provide a thermoplastic Elastomers containing a dynamically vulcanized thermoplastic and where the thermoplastic phase of the material electrically required conductive fillers be added to the amount of filler to form the required conductive Reduce pathways and reduce the resistivity of the material. These and other features of the present invention will become apparent from the following Descriptions and drawings visible.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bipolaren Platte gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 shows a perspective view of a bipolar plate according to the present invention;

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle; Fig. 2 is a cross-sectional view of a fuel cell;

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fußbodenbelagselements gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 shows a perspective view of a floor covering element according to the present invention;

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektrischen Verbindung gemäß der vorliegenden Verbindung, und Fig. 4 shows a cross-sectional view of an electrical connection according to the present invention, and

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines elektrischen Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 shows a cross-sectional view of an electric cable according to the present invention.

Der Klarheit halber wird ein thermoplastisches Vulkanisat als ein mehrphasiges Material definiert, das aus einem kontinuierlichen oder kokontinuierlichen kristallinen, teilkristallinen oder amorphen Polymer besteht, und eine hohe Glasübergangstemperatur, thermoplastische Phase und eine diskrete Teilchenphase aufweist. Die diskrete Phase ist ein vollständig vulkanisiertes amorphes Elastomer, das typischerweise eine niedrige Glasübergangstemperatur hat.For the sake of clarity, a thermoplastic vulcanizate will be considered a multiphase Material defined, that of a continuous or cocontinuous crystalline, semi-crystalline or amorphous polymer, and a high Glass transition temperature, thermoplastic phase and a discrete particle phase having. The discrete phase is a fully vulcanized amorphous elastomer, which typically has a low glass transition temperature.

Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung sind geeigneterweise elektrisch leitfähig und können zu gepreßten oder extrudierten Artikeln verarbeitet werden. Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung bedient sich des hochleitfähigen Materials für elektrisch leitende Glieder. Zu elektrisch leitenden Gliedern zählen flache ebene Glieder, zum Beispiel bipolare Platten für elektrochemische Brennstoffzellen und Fußbodenbeläge, und ringförmige Glieder, zum Beispiel elektrische Steckverbindungen, Drähte und Kabel, die alle während der Herstellung und/oder Verwendung Bedingungen mit niedriger elektrischer Statik erfordern. Ein Nutzen, der sich aus den geringeren Füllstoffmengen ergibt, die benötigt werden, um die angestrebten elektrischen Leitfähigkeiten zu erreichen, beinhaltet überlegene thermoplastische Verarbeitung. Ferner behalten die Materialien der vorliegenden Erfindung ihre Verarbeitbarkeit selbst dann, wenn sie mit elektrisch leitenden Füllstoffen in den Mengen beladen werden, die zum Erreichen extrem niedriger spezifischer Durchgangswiderstände erforderlich sind (d. h. spezifische Durchgangswiderstände unter 1 Ohm/cm).Compositions of the present invention are suitably electrical Conductive and can be processed into pressed or extruded articles. The preferred embodiment of the present invention makes use of the highly conductive Materials for electrically conductive members. To include electrically conductive members flat planar limbs, for example bipolar plates for electrochemical Fuel cells and floor coverings, and annular members, for example electrical connectors, wires and cables, all during manufacture and / or use conditions with low electrical static require. A benefit resulting from the lower levels of filler needed are included to achieve the desired electrical conductivities included superior thermoplastic processing. Furthermore, the materials retain the The present invention, their processability even if they are electrically conductive fillers are loaded in amounts that are extremely extreme low volume resistivities are required (i.e. Volume resistances below 1 ohm / cm).

Beispiele für thermoplastische Vulkanisate bzw. TPV zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung umfassen, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein, diejenigen, die in U.S.-Patent 4,130,535 und U.S.-Patent 4,311,628 beschrieben sind, und die technischen Tatbestände beider Patente werden durch Literaturhinweis hierin eingefügt. Diese sind Vermischungen aus Ofefinkautschuk und thermoplastischem Olefinharz, wobei der Kautschuk während des Prozesses der dynamischen Vulkanisation vollständig ausgehärtet wird. Das Produkt aus diesem Verfahren ist ein TPV, welches ein Zweiphasenmaterial ist, in dem der vulkanisierte Kautschuk eine diskrete Teilchenphase umfaßt, während der Thermoplast die kontinuierliche Phase umfaßt und die thermoplastische Verarbeitung des Materials ermöglicht. Kommerzielle Beispiele dieser Arten von Materialien sind der thermoplastische Kautschuk Santoprene®, ein Warenzeichen der Advanced Elastomer Systems of Akron, Ohio, und der thermoplastische Kautschuk Sarlink®, ein Warenzeichen der DSM Thermoplastic Elastomers of Leominister, Massachusetts. TPV auf der Basis anderer geeigneter thermoplastischer Harze und Elastomersysteme werden bei der Herstellung der vorliegenden Erfindung ebenso gut funktionieren. Hierzu zählen, ohne auf diese beschränkt zu sein, die polyestervernetzten Kautschuksysteme, die in dem U.S.- Patent 4,141,863 beschrieben sind, das in dem U.S.-Patent 5,003,003 und in dem EP 0 915 121 A1 beschriebene Polyamid-EPDM-System, die in dem U.S.-Patent 5,300,537 beschriebenen Polyester-Acrylat-Kautschuk-Systeme sowie das in dem U.S.-Patent 5,591,798 beschriebene Polyamid-Acrylat-Kautschuk-System, deren technische Tatbestände durch Literaturhinweis hierin eingefügt werden.Examples of thermoplastic vulcanizates or TPV for use in the present invention include, but are not limited to, those described in U.S. Patent 4,130,535 and U.S. Patent 4,311,628 are, and the technical facts of both patents are by Reference incorporated herein. These are mixtures of Ofefinkautschuk and thermoplastic olefin resin, wherein the rubber during the process the dynamic vulcanization is fully cured. The product out This method is a TPV, which is a two-phase material in which the vulcanized rubber comprises a discrete particle phase, during the Thermoplastic comprises the continuous phase and the thermoplastic Processing of the material allows. Commercial examples of these types of Materials are the thermoplastic rubber Santoprene®, a trademark the Advanced Elastomer Systems of Akron, Ohio, and the thermoplastic Sarlink® rubber, a trademark of DSM Thermoplastic Elastomers of Leominister, Massachusetts. TPV based on other appropriate thermoplastic resins and elastomer systems are used in the production of present invention work equally well. This includes, without this to be limited, the polyester-crosslinked rubber systems described in U.S. Pat. Patent 4,141,863, which is described in U.S. Patent 5,003,003 and U.S. Patent No. 5,003,003 EP 0 915 121 A1 describes the polyamide-EPDM system disclosed in U.S. Patent 5,300,537 described polyester-acrylate rubber systems and in the U.S. Patent 5,591,798 describes polyamide-acrylate rubber system whose technical facts are incorporated by reference herein.

Bei der vorliegenden Erfindung beziehen sich elektrisch leitende Füllstoffe auf feste Füllstoffe mit spezifischen Durchgangswiderständen unter 1 Ohm/cm. Hierzu gehören, ohne auf diese beschränkt zu sein, sowohl pulverförmige als auch fasrige Formen von Kohlenstoff, wie beispielsweise Ruß und Graphit, und Fasern auf der Basis von Pech und Polyacrylnitril (PAN). Ebenfalls dazu zählen pulvrige, flockenartige und fasrige Formen von Metallen wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Gold, Nickel, Silber, Stahl, Wolfram, Zink und andere ähnliche Materialien. Zusätzlich mit eingeschlossen sind Teilchenformen von Metallegierungen wie zum Beispiel Messing, Zinn und Edelstahl, sowie metallbeschichtete Teilchen wie zum Beispiel nickel- und silberbeschichtete Glasfasern und -kugeln. Ebenso gehören dazu Teilchenformen von eigenleitenden Polymeren wie zum Beispiel elektrisch leitende Salze von Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen und andere ähnliche Materialien, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein. Die bevorzugten Füllstoffe für die vorliegende Erfindung sind ruß- und graphitartige Füllstoffe.In the present invention, electrically conductive fillers refer to solid Fillers with volume resistivities below 1 ohm / cm. For this include, but are not limited to, both powdered and fibrous Forms of carbon, such as carbon black and graphite, and fibers on the Base of pitch and polyacrylonitrile (PAN). Also included are powdery, flake-like and fibrous forms of metals such as aluminum, copper, Gold, nickel, silver, steel, tungsten, zinc and other similar materials. Additionally included are particulate forms of metal alloys such as Example brass, tin and stainless steel, and metal-coated particles such as Example of nickel- and silver-coated glass fibers and balls. Likewise belong to particle shapes of intrinsic polymers such as electric conductive salts of polypyrrole, polyaniline, polythiophene and other similar Materials without, however, being limited to them. The preferred fillers for the present invention are carbon black and graphite type fillers.

Bei der vorliegenden Erfindung haben die elektrisch leitenden Ruße eine Agglomeratgröße, die vor dem Mischverfahren größer ist als nach dem Mischen. Die Ausgangsgröße des Rußagglomerats ist nicht kritisch, jedoch sind im allgemeinen im wesentlichen alle der Teilchen kleiner als 5 Mikrometer, noch besser kleiner als 3 Mikrometer und vorzugsweise kleiner als 1 Mikrometer.In the present invention, the electrically conductive carbon blacks have a Agglomerate size larger before mixing than after mixing. The Initial size of the carbon black agglomerate is not critical, but are generally essentially all of the particles are less than 5 microns, even better less than 3 Micrometer, and preferably less than 1 micron.

Der in die TPV eingearbeitete elektrisch leitende Ruß hat vorzugsweise ein Porenvolumen von 150 ml/100 g, wie durch Dibutylphthalat-(DBP)-Absorption bestimmt, oder darüber, wie nach ASTM D 2414-97 gemessen. Ruße mit DBP- Werten von 400 ml/100 g bzw. von 0,05 Mikrometern oder darunter werden bevorzugt. Spezielle Beispiele für Ruße, die für diese Erfindung geeignet sind, wenngleich nicht auf diese beschränkt, sind Ketjenblack® EC-300J (DBP- Absorption: 380) von Akzo Nobel Chemicals, Printex® XE-2 von Degussa-Hüls (DBP-Absorption: 175 ml/100 g) und Conductex® 975U von der Columbian Chemicals Company (DBP-Absorption: 165 ml/100 g). Ketjenblack® ist ein eingetragenes Warenzeichen von Akzo Nobel Chemicals, Amersfoort, Niederlande; Printex® ist ein eingetragenes Warenzeichen von Degussa-Hüls, Frankfurt, Deutschland, und Conductex® ist ein eingetragenes Warenzeichen der Colombian Chemicals Company, Marietta, Georgia.The electrically conductive carbon black incorporated in the TPV preferably has a Pore volume of 150 ml / 100 g, as by dibutyl phthalate (DBP) absorption or as measured according to ASTM D 2414-97. Carbon black with DBP Values of 400 ml / 100 g or 0.05 micrometres or less prefers. Specific examples of carbon blacks suitable for this invention although not limited to these, Ketjenblack® EC-300J (DBP Absorbance: 380) from Akzo Nobel Chemicals, Printex® XE-2 from Degussa-Huls (DBP absorption: 175 ml / 100 g) and Conductex® 975U from Columbian Chemicals Company (DBP absorption: 165 ml / 100 g). Ketjenblack® is a registered trademark of Akzo Nobel Chemicals, Amersfoort, The Netherlands; Printex® is a registered trademark of Degussa-Hüls, Frankfurt, Germany Germany, and Conductex® is a registered trademark of Colombian Chemicals Company, Marietta, Georgia.

Einzelne Arten von Rußklassen können alleine in einem TPV verwendet werden, oder es können Vermischungen aus zwei oder mehr Arten eingearbeitet werden. Ungeachtet der Art der verwendeten Ruße liegen diese, wenn sie in der TPV- Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, in der Menge von 5 bis insgesamt 75 Gewichtsprozent vor, vorzugsweise jedoch zwischen 20 und 60 Gewichtsprozent. Die Menge wird abhängig von der Art der Ruße, der zum Einarbeiten der Ruße verwendeten Verarbeitungsbedingungen und dem gewünschten Grad elektrischer Leitfähigkeit unterschiedlich sein.Individual types of carbon black classes can be used alone in a TPV, or mixtures of two or more species can be incorporated. Regardless of the nature of the carbon blacks used, they are, if they are present in the TPV Composition of the present invention can be used in the amount of 5 to a total of 75 weight percent before, but preferably between 20 and 60 Weight. The amount will depend on the type of carbon blacks, the Incorporation of the carbon black used processing conditions and the desired degree of electrical conductivity to be different.

Der Graphitfüllstoff kann ein synthetischer oder natürlicher sein. Aufgrund ihrer lamellenartigen kristallinen Struktur weisen synthetische Graphite eine höhere Leitfähigkeit auf als natürliche Graphite und werden bevorzugt. Graphitpartikel werden in gleicher Weise wie Rußpartikel vor dem Mischen größer sein und während des Mischens eine Größenreduzierung erfahren. Die Größe der Ausgangsgraphitpartikel ist nicht kritisch, wobei jedoch im allgemeinen alle Partikel im wesentlichen kleiner als 50 Mikrometer, besser noch kleiner als 5 Mikrometer und vorzugsweise kleiner als 1 Mikrometer sind. Die guten Schmiereigenschaften des Graphits begünstigen die Gründlichkeit und Homogenität des Einmischens der Partikel in das TPV ohne wesentlichen Leitfähigkeitsverlust. Zu den bevorzugten Graphiten zählen Graphit 3120 (mittlere Partikelgröße: 3 bis 5 Mikrometer), Graphit A99 (mittlere Partikelgröße: 25 Mikrometer) und Micro 450 (mittlere Partikelgröße: 3 bis 5 Mikrometer), alle von Asbury Carbons, Asbury, New Jersey.The graphite filler can be a synthetic or natural one. Because of your lamellar crystalline structure, synthetic graphites have a higher Conductivity on as natural graphites and are preferred. graphite particles will be larger in the same way as soot particles before mixing and experience a size reduction during mixing. The size of the Starting graphite particles are not critical, but generally all particles essentially less than 50 microns, better still less than 5 microns and preferably smaller than 1 micrometer. The good lubricating properties of the Graphites favor the thoroughness and homogeneity of the interference of the Particles in the TPV without significant loss of conductivity. Among the preferred Graphites include graphite 3120 (average particle size: 3 to 5 microns), graphite A99 (mean particle size: 25 microns) and Micro 450 (mean particle size: 3 to 5 microns), all from Asbury Carbons, Asbury, New Jersey.

Einzelne Arten von Graphiten können alleine in einem TPV verwendet werden, oder es können Vermischungen aus zwei oder mehr Arten von Graphitfüllstoffen eingearbeitet werden. Ungeachtet der Art der verwendeten Graphite liegen diese, wenn sie in der TPV-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie Ruß in der Menge von 5 bis insgesamt 75 Gewichtsprozent vor, vorzugsweise jedoch zwischen 20 und 60 Gewichtsprozent. Die Menge wird abhängig von der Art des Graphitfüllstoffs, der zum Einarbeiten des Graphitfüllstoffs verwendeten Verarbeitungsbedingungen und dem gewünschten Grad elektrischer Leitfähigkeit unterschiedlich sein.Individual types of graphites may be used alone in a TPV, or Mixtures of two or more types of graphite fillers can be used be incorporated. Regardless of the type of graphite used, these are when used in the TPV composition of the present invention such as carbon black in the amount of 5 to 75 percent by weight in total, but preferably between 20 and 60 weight percent. The crowd will depending on the type of graphite filler used to incorporate the graphite filler used processing conditions and the desired level of electrical Conductivity be different.

Zusätzlich können andere Füllstoffarten in Kombination bei der Herstellung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zu diesen Füllstoffmischungen zählen Graphit- und Kohlepulver, oder Graphit, Kohlepulver und Kohlefasern oder Graphit- und Kohlefasern oder Graphit, Kohlepulver, Silberpuder und andere ähnliche Materialien, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein. Alle Kombinationen elektrisch leitender Füllstoffe fallen in den Umfang der vorliegenden Erfindung.In addition, other types of fillers may be used in combination in the manufacture of the can be used in the present invention. These include filler mixtures Graphite and carbon powder, or graphite, carbon powder and carbon fibers or graphite and carbon fibers or graphite, carbon powder, silver powder and other similar ones Materials without, however, being limited to them. All combinations electrically conductive fillers are within the scope of the present invention.

Special examples

Die folgenden speziellen Beispiele werden zur Verdeutlichung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung vorgelegt. Es ist davon auszugehen, daß diese Beispiele nur der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen und in keinerlei Weise zur Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung gedacht sind.The following specific examples are given to clarify the features and Advantages of the present invention presented. It can be assumed that this Examples only serve to illustrate the present invention and in no way of limiting the scope of the present invention are meant.

Die physikalischen Eigenschaften Härte, Zugfestigkeit (UTS = Ultimate Tensile Strength) und Reißdehnung wurden jeweils nach den folgenden ASTM-Normen geprüft: ASTM D 2240-97, ASTM D 412-98a und ASTM D 412-98a. The physical properties hardness, tensile strength (UTS = Ultimate Tensile Strength) and elongation at break were each according to the following ASTM standards Tested: ASTM D 2240-97, ASTM D 412-98a and ASTM D 412-98a.

example 1

Zwei unterschiedliche Arten von Graphit wurden separat mit unterschiedlichen Konzentrationen in ein TPV auf Olefinbasis eingemischt, um nachzuweisen, daß hohe spezifische elektrische Leitfähigkeiten unter Beibehaltung der Verarbeitbarkeit erreichbar sind. Das TPV ist ein TPV der Klasse 91 Shore A auf Olefinbasis mit dem Handelsnamen Santoprene® 101-87 von Advanced Elastomers Systems, Akron, Ohio. Die verwendeten Graphite stammten von Asbury Carbons, Asbury, New Jersey, und enthalten Graphit 3210, bei dem es sich um natürlichen Graphit mit einer Partikelgröße von 3 bis 8 Mikrometer handelt, und Graphit A99, der ein synthetischer Graphit mit einer Partikelgröße von 25 Mikrometern ist. Die Materialien wurden 7,5 Minuten bei 190°C in einem 1,6 Liter-Banbury-Mischer gemischt, abgeworfen und gemahlen, und dann weitere 6 Minuten erneut in dem Banbury- Mischer gemischt. Alle Proben waren formgepreßt. Die Probenzusammensetzungen und die Testergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Probenzusammensetzungen sind in Gewichtsprozent angegeben. Dementsprechend besteht Probe B aus 96 Gewichtsprozent TPV und 4 Gewichtsprozent Graphit 3120.Two different types of graphite were made separately with different Concentrations are mixed into an olefin-based TPV to demonstrate that high specific electrical conductivities while maintaining processability are reachable. The TPV is a class 91 Shore A TPV based on olefin Tradenames Santoprene® 101-87 from Advanced Elastomers Systems, Akron, Ohio. The graphites used were from Asbury Carbons, Asbury, New Jersey, and contain graphite 3210, which is natural graphite with a particle size of 3 to 8 microns, and graphite A99, the one synthetic graphite with a particle size of 25 microns. The materials were mixed for 7.5 minutes at 190 ° C in a 1.6 liter Banbury mixer, discarded and ground, and then another 6 minutes in the Banbury Mixer mixed. All samples were molded. The sample compositions and the test results are shown in Table 1. The sample compositions are given in weight percent. Accordingly, sample B consists of 96 Percent by weight TPV and 4 percent by weight graphite 3120.

Die Messungen des spezifischen Durchgangswiderstands an den Proben A bis F wurden anhand von ASTM D 257-93 durchgeführt, und an den Proben G bis J anhand von ASTM D 4496-87 (Neuzulassung 1993)The measurements of the volume resistivity on samples A to F were performed on the basis of ASTM D 257-93, and on the samples G to J based on ASTM D 4496-87 (new approval 1993)

TABLE 1

Probesample A B (. . .)A B (...) AL=L<Santoprene® 101-87AL = L <Santoprene® 101-87

Example 2

Dieses Beispiel veranschaulicht, daß äußerst leitfähige und dennoch verarbeitbare Materialien durch Vermischen leitfähiger Füllstoffe mit einem TPV bereitet werden können. Bei diesem Beispiel wird ein Santoprene®-TPV von Advanced Elastomer Systems, Akron, Ohio, mit zwei unterschiedlichen Graphit-Qualitäten von Asbury Carbons, Asbury, New Jersey, und einer elektrisch leitfähigen Ruß-Qualität von Cabot Corporation, Boston, Massachusetts, gemischt. Diese Materialien wurden 30 Minuten in einem Moriyama-Mischer bei 200°C gemischt, was einer Temperatur über der Schmelztemperatur des Santoprene-TPV entspricht.This example illustrates that highly conductive yet processable Materials are prepared by mixing conductive fillers with a TPV can. This example uses a Santoprene® TPV from Advanced Elastomer Systems, Akron, Ohio, with two different graphite grades from Asbury Carbons, Asbury, New Jersey, and an electrically conductive carbon black grade of Cabot Corporation, Boston, Massachusetts, mixed. These materials became 30 Minutes mixed in a Moriyama mixer at 200 ° C, giving a temperature above corresponds to the melting temperature of Santoprene TPV.

Ungefähr 2 mm dicke Testtafeln des vermischten Materials wurden durch 4-minütige Formpressung bei 200°C und 8-minütige Abkühlung hergestellt. Die an den Testtafeln vorgenommenen Messungen des spezifischen Durchgangswiderstands wurden mit einem Vierpunkt-Inline-Widerstandsfühler von der Lucas-Signatone Corporation durchgeführt. Die allgemeine Theorie und der Betrieb eines Vierpunkt- Inline-Widerstandsfühlers kann nachgesehen werden in: L.B. Valdes, "Resistivity Measurements on Germanium for Transistors" [Widerstandsmessung an Germanium für Transistoren], Proc. Inst. Radio Eng., 42 S. 420-7 (1954), dessen technische Tatbestände durch Literaturhinweis hierin eingefügt werden.Approximately 2 mm thick test panels of the mixed material were run through 4 minutes Compression molding made at 200 ° C and 8 minutes cooling. The Andes Test panels measurements of volume resistivity were using a four-point inline resistance sensor from the Lucas Signatone Corporation performed. The general theory and operation of a four-point Inline resistance sensor can be checked in: L.B. Valdes, "Resistivity Measurements on germanium for transistors "[Resistance measurement of germanium for transistors], Proc. Inst. Radio Eng., 42 pp. 420-7 (1954), whose technical Facts will be incorporated by reference herein.

TABELLE 2 TABLE 2

Example 3

Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung einer Kombination aus Graphit, Ruß und silberbeschichteten Glaskugeln (Conduct-o-Fil) vom Hersteller Potters Industries, Valley Forge, Pennsylvania, in einem Santoprene®-TPV zur Herstellung hochleitfähiger Materialien. Weiterhin zeigt das Beispiel, daß dem Material große Mengen Öl hinzugefügt werden können, das zum Verbessern der Schmelzeverarbeitbarkeit eingearbeitet wurde.This example illustrates the use of a combination of graphite, Carbon black and silver-coated glass spheres (Conduct-o-Fil) from the manufacturer Potters Industries, Valley Forge, Pennsylvania, in a Santoprene® TPV for manufacturing highly conductive materials. Furthermore, the example shows that the material is large Quantities of oil can be added to improve the Melt processability was incorporated.

Die Materialien dieses Beispiels wurden compoundiert und in einer der des Beispiels 1 ähnlichen Weise in 1,5 mm dicke Tafeln gepreßt. Ebenso wurde der spezifische Durchgangswiderstand wie in Beispiel 2 mit Hilfe eines Vierpunkt-Inline- Widerstandsfühlers gemessen. The materials of this example were compounded and in one of the example 1 pressed in 1.5 mm thick sheets. Likewise, the specific Volume resistance as in Example 2 with the aid of a four-point inline Resistance sensor measured.

TABELLE 3 TABLE 3

Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine bipolare Platte, die mit dem Bezugszeichen 100 versehen ist, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Die Platte 10 ist ein dünnes ebenes Glied mit einer ersten ebenen Fläche 12 und einer gegenüberliegenden zweiten ebenen Fläche 16. Auf einer oder auf beiden Flächen 12 bzw. 16 sind Fließkanäle 20 ausgebildet. Die Platte 10 enthält Öffnungen 22 zum Zuführen von Gasen zu dem Fließkanal 20 und Öffnungen 24 zum Ableiten von Abgasen aus den Fließkanälen. Eine einzelne Brennstoffzelle umfaßt eine festen Membran-Elektroden-Anordnung bzw. MEA 28 und eine bipolare Platte 10 sowie eine andere gleichartige bipolare Platte 10'. Jede Seite der MEA ist mit einem dünnen Platinkatalysator beschichtet, und durch die Kanäle von einer des Paars bipolarer Platten auf der Anodenseite fließt Wasserstoffgas, während Luft durch die Kanäle der anderen des Paars bipolarer Platten auf der Kathodenseite fließt. Somit besteht die MEA aus einer polymeren Elektrolytmembran, einer katalytischen Schicht und einer reaktiven Elektrodenschicht. Die polymeren Elektrolytmembranen bestehen aus Fluorpolymeren, zum Beispiel aus Teflon® oder Nation®, die Warenzeichen von DuPont sind, oder aus anderen gleichartigen Materialien, die sich für Brennstoffzellenanwendungen eignen, wie sie zum Beispiel von W. L. Gore, Newark, Delaware, hergestellt werden. The preferred embodiment of the present invention is a bipolar plate which is provided with the reference numeral 100, as shown in FIG. 1 and FIG. 2. The plate 10 is a thin planar member having a first planar surface 12 and an opposing second planar surface 16 . On one or both surfaces 12 and 16 flow channels 20 are formed. The plate 10 includes openings 22 for supplying gases to the flow channel 20 and openings 24 for discharging exhaust gases from the flow channels. A single fuel cell comprises a solid membrane electrode assembly or MEA 28 and a bipolar plate 10 and another similar bipolar plate 10 '. Each side of the MEA is coated with a thin platinum catalyst, and through the channels of one of the pair of bipolar plates on the anode side, hydrogen gas flows while air flows through the channels of the other of the pair of bipolar plates on the cathode side. Thus, the MEA consists of a polymer electrolyte membrane, a catalytic layer and a reactive electrode layer. The polymeric electrolyte membranes are made of fluoropolymers, such as Teflon® or Nation®, which are trademarks of DuPont, or other similar materials suitable for fuel cell applications, such as those manufactured by WL Gore, Newark, Delaware.

Das Wasserstoffgas zerfällt in der Anwesenheit des Platinkatalysators in freie Elektronen und Protonen auf der Anodenseite. Die freien Elektronen werden in Form von elektrischem Strom von der bipolaren Platte 10 zu einem externen Kreis geleitet, der nicht dargestellt ist.The hydrogen gas decomposes in the presence of the platinum catalyst into free electrons and protons on the anode side. The free electrons are conducted in the form of electric current from the bipolar plate 10 to an external circuit, which is not shown.

Die Protonen wandern durch die MEA zur Kathodenseite, wo Sauerstoff aus der Luft, Elektronen von dem externen Kreis, die durch eine daneben befindliche bipolare Platte passieren, vorhanden sind, und die Protonen bilden Wasser und Wärme. Die bipolare Platte 10' ist mit der bipolaren Platte 10 identisch, außer daß sich die Platte 10' auf der der Platte 10 gegenüberliegenden Seite der MEA befindet. Die bipolaren Platten 10 bzw. 10' werden gebildet, indem ein TPV nach der dynamischen Vulkanisation des TPV mit einem elektrisch leitenden Füllstoff zusammengebracht wird, um die kontinuierlichen thermoplastischen Phasen des TPV zu besetzen, wie vorstehend hierin beschrieben. Dies führt zu verbesserter elektrischer Leitfähigkeit und zu einer Verringerung des spezifischen Durchgangswiderstands des Materials. Durch Verringern des Widerstands des Materials arbeitet die Brennstoffzelle bei einer geringeren Temperatur und der Elektronenfluß trifft auf weniger Widerstand, was einen wirksameren elektrochemischen Prozeß ergibt. Weiterhin ergibt die Elastizität der bipolaren Platte eine Platte, die flexibel ist und einfacher in Brennstoffzellen einzubauen ist und während der Handhabung weniger bruchanfällig ist. Ferner sorgt die Elastizität der bipolaren Platte auch für eine Fähigkeit zur Abdichtung zwischen angrenzenden bipolaren Platten. Der Fachmann wird erkennen, daß es notwendig ist, eine isolierende Stufe oder Schicht zwischen Platten vorzusehen, um die Abdichtungs- und elektrischen Trennfunktionen gegenüber der MEA zu realisieren, wie dies für eine Brennstoffzelle erforderlich ist.The protons travel through the MEA to the cathode side, where oxygen from the air, electrons from the external circuit passing through a bipolar plate next to it, are present, and the protons form water and heat. The bipolar plate 10 'is identical to the bipolar plate 10 except that the plate 10 ' is on the side of the MEA opposite the plate 10 . The bipolar plates 10 and 10 ', respectively, are formed by contacting a TPV after dynamic vulcanization of the TPV with an electrically conductive filler to occupy the continuous thermoplastic phases of the TPV as described hereinabove. This leads to improved electrical conductivity and to a reduction of the volume resistivity of the material. By decreasing the resistance of the material, the fuel cell operates at a lower temperature and the electron flow encounters less resistance, resulting in a more efficient electrochemical process. Furthermore, the elasticity of the bipolar plate results in a plate that is flexible and easier to install in fuel cells and less susceptible to breakage during handling. Furthermore, the elasticity of the bipolar plate also provides a capability for sealing between adjacent bipolar plates. Those skilled in the art will recognize that it is necessary to provide an insulating step or layer between plates to realize the sealing and electrical isolation functions over the MEA, as required for a fuel cell.

Eine erste alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Fußbodenfliese 200 ist ein dünnes ebenes Glied mit ein Paar ebener Flächen 210, wobei eine ebene Fläche der anderen gegenüberliegt. Die Fliese 200 hat auch eine Kante 220. Die Fußbodenfliese 200 ist vorzugsweise ein Quadrat oder sie ist alternativ von beliebiger anderer geeigneter Form, wozu rechteckige, dreieckige, vieleckige, runde und ovale Formen zählen. Die Fußbodenfliese 200 ist aus einem elektrisch leitenden Material geformt, gepreßt oder extrudiert, das gemischt wird, indem ein TPV nach der dynamischen Vulkanisation des TPV mit einem elektrisch leitenden Füllstoff kombiniert wird, um die kontinuierlichen Phasen des TPV wie hierin beschrieben zu besetzen. Dies ergibt eine verbesserte spezifische elektrische Leitfähigkeit und eine Verringerung des spezifischen Durchgangswiderstands des Materials. Somit wird jegliche statische Elektrizität, die durch die Schuhe von auf der Fußbodenfliese 200 in einem Arbeitsbereich gehenden Menschen erzeugt wird, an einen (nicht dargestellten) Boden geleitet und so die statische Elektrizität von dem unmittelbaren Bereich zur Fertigung elektrisch empfindlicher Bauteile durch die Fußbodenfliese weggeführt.A first alternative embodiment of the present invention is shown in FIG . The floor tile 200 is a thin planar member having a pair of planar surfaces 210 with a flat surface opposite the other. The tile 200 also has an edge 220 . The floor tile 200 is preferably a square, or alternatively it is of any other suitable shape, including rectangular, triangular, polygonal, round and oval shapes. The floor tile 200 is molded, pressed or extruded from an electrically conductive material that is mixed by combining a TPV after the dynamic vulcanization of the TPV with an electrically conductive filler to occupy the continuous phases of the TPV as described herein. This results in an improved specific electrical conductivity and a reduction of the volume resistivity of the material. Thus, any static electricity generated by the shoes of people walking on the floor tile 200 in a work area is directed to a floor (not shown), thus dissipating the static electricity from the immediate area for manufacturing electrically sensitive components through the floor tile.

Eine zweite alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Steckverbindung, die durch das Bezugszeichen 300 bezeichnet ist, wie in Fig. 4 dargestellt. Die elektrische Steckverbindung 300 hat ein Steckerteil 310 und ein Buchsenteil 350. Das Steckerteil hat einen Außenkörperabschnitt 312 und einen Innenkörperabschnitt 314, der darin mindestens einen und vorzugsweise zwei oder mehr Drähte 320 hält. Die Drähte 320 haben Stifte 330, die nach außen aus dem Außenkörperabschnitt der Steckverbindung 300 vorstehen.A second alternative embodiment of the present invention is an electrical connector, designated by reference numeral 300 , as shown in FIG . The electrical plug connection 300 has a plug part 310 and a socket part 350 . The male part has an outer body portion 312 and an inner body portion 314 holding therein at least one and preferably two or more wires 320 . The wires 320 have pins 330 protruding outward from the outer body portion of the connector 300 .

Das Buchsenteil 350 hat einen Außenkörperabschnitt 352 und einen Innenkörperabschnitt 354. Der Innenkörperabschnitt besitzt darin mindestens einen und vorzugsweise zwei oder mehr Drähte 360. Das Buchsenteil 350 hat mindestens eine Fassung 370 und vorzugsweise zwei oder mehr Fassungen zum gegenseitigen Einrasten der Drähte 320 des Steckerteils 310. In zusammengesetzter Form werden die Stifte 330 des Steckerteils 310 in die Fassung 370 eingerastet und durch eine (nicht dargestellte) mechanische Verriegelung zusammengehalten.The female part 350 has an outer body portion 352 and an inner body portion 354 . The inner body portion has therein at least one and preferably two or more wires 360 . The socket 350 has at least one socket 370, and preferably two or more sockets for latching the wires 320 of the plug 310 together . In assembled form, the pins 330 of the male part 310 are snapped into the socket 370 and held together by a mechanical lock (not shown).

Die elektrische Steckverbindung 300 ist aus einem elektrisch leitenden Material geformt, gepreßt oder extrudiert, das gemischt wird, indem ein TPV nach der dynamischen Vulkanisation des TPV mit einem elektrisch leitenden Füllstoff kombiniert wird, um die kontinuierlichen Phasen des TPV zu besetzen, wie an früherer Stelle hierin beschrieben. Dies ergibt eine verbesserte spezifische elektrische Leitfähigkeit und eine Verringerung des spezifischen Durchgangswiderstands des Materials. Durch die Verringerung des spezifischen Durchgangswiderstands der Materialien arbeitet die elektrische Steckverbindung bei einer geringeren Temperatur und der Elektronenfluß trifft weniger Widerstand an. Weiterhin ergibt die Elastizität des TPV mit einem elektrisch leitenden Füllstoff eine Steckverbindung, die flexibel und einfacher zusammenzubauen ist und bei der Handhabung eine geringere Anfälligkeit für Beschädigungen aufweist, und zudem eine, die die Möglichkeit der Entstehung einer statischen elektrischen Ladung auf der Steckverbindung 300 verringert und zur Bereitstellung einer Abdichtungsfunktion hergestellt werden kann.The electrical connector 300 is molded, pressed or extruded from an electrically conductive material that is mixed by combining a TPV after dynamic vulcanization of the TPV with an electrically conductive filler to occupy the continuous phases of the TPV, as in the past described herein. This results in an improved specific electrical conductivity and a reduction of the volume resistivity of the material. By reducing the volume resistivity of the materials, the electrical connector operates at a lower temperature and the electron flow encounters less resistance. Furthermore, the elasticity of the TPV with an electrically conductive filler provides a connector that is flexible and easier to assemble and has a lower susceptibility to damage during handling, and also that reduces the possibility of creating a static electrical charge on the connector 300 and can be made to provide a sealing function.

Die dritte alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein elektrischer Draht oder ein elektrisches Kabel, das durch das Bezugszeichen 400 bezeichnet ist, wie in Fig. 5 gezeigt. Das Kabel 400 hat einen Außenmantel 410 und einen Innenkörper 415. Der Innenkörper 415 umhüllt wenigstens einen Draht 420, vorzugsweise jedoch zwei oder mehr Drähte. Der Außenmantel 410 und der Innenkörper 415 des elektrischen Kabels 400 ist aus einem elektrisch leitenden Material geformt, gepreßt oder extrudiert, das gemischt wird, indem ein TPV nach der dynamischen Vulkanisation des TPV mit einem elektrisch leitenden Füllstoff kombiniert wird, um die kontinuierlichen Phasen des TPV zu besetzen, wie hierin beschrieben. Dies ergibt eine verbesserte spezifische elektrische Leitfähigkeit und eine Verringerung des spezifischen Durchgangswiderstands des Materials. Durch die Verringerung des spezifischen Durchgangswiderstands des Materials arbeitet das Kabel bei einer geringeren Temperatur und der Elektronenfluß trifft weniger Widerstand an. Weiterhin ergibt die Elastizität des TPV mit einem elektrisch leitenden Füllstoff ein Kabel, das flexibel ist und einfacher zu fertigen ist und bei der Handhabung eine geringere Anfälligkeit für Beschädigungen aufweist, und zudem die Möglichkeit der Entstehung einer statischen elektrischen Ladung auf dem Kabel 400 verringert.The third alternative embodiment of the present invention is an electrical wire or cable designated by reference numeral 400 , as shown in FIG . The cable 400 has an outer sheath 410 and an inner body 415 . The inner body 415 encloses at least one wire 420 , but preferably two or more wires. The outer jacket 410 and the inner body 415 of the electric cable 400 are molded, pressed or extruded from an electrically conductive material which is mixed by combining a TPV with an electrically conductive filler after the dynamic vulcanization of the TPV to form the continuous phases of the TPV to occupy, as described herein. This results in an improved specific electrical conductivity and a reduction of the volume resistivity of the material. By reducing the volume resistivity of the material, the cable operates at a lower temperature and the electron flow encounters less resistance. Furthermore, the elasticity of the TPV with an electrically conductive filler results in a cable that is flexible, easier to manufacture and less susceptible to damage during handling, and also reduces the possibility of creating a static electrical charge on the cable 400 .

Der Fachmann wird erkennen, daß das unter Anwendung der Grundsätze der offenbarten Erfindung hergestellte Material auch Anwendung in anderen elektrisch leitfähigen gepreßten Produkten findet und diese in den Umfang der Erfindung fallen.It will be apparent to those skilled in the art that by applying the principles of the material produced in accordance with the invention also have application in others electrically conductive pressed products and these are within the scope of the invention fall.

Wenngleich die Erfindung anhand einer bevorzugten und mehreren alternativen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung auf die offenbarten Ausführungsformen beabsichtigt, sondern sie umfaßt alle Variationen, die in den Umfang der angehängten Ansprüche fallen.Although the invention is based on a preferred and several alternative Embodiments has been described is not limiting the scope of Invention intended to the disclosed embodiments, but includes them all variations that fall within the scope of the appended claims.

Claims

A bipolar plate for use in fuel cells, comprising: a flat planar member formed of a thermoplastic elastomer, the thermoplastic elastomer containing a thermoplastic vulcanizate and electrically conductive solid fillers, and the fillers in a range of 5 to 75 Percent by weight, whereby the volume resistivity of the thermoplastic elastomer is below 10 ⁸ ohm / cm.

2. A bipolar plate according to claim 1, wherein the volume resistivity is less than 10 ³ ohms / cm.

3. The bipolar plate of claim 1, wherein the volume resistivity is less than 10 ⁰ ohm / cm.

4. A bipolar plate according to claim 1, wherein the elastomer is by compression molding is processable.

5. A bipolar plate according to claim 1, wherein the elastomer is injection molded is processable.

6. A bipolar plate according to claim 1, wherein the elastomer by molding is processable.

A bipolar plate according to claim 1, wherein the elastomer is extruded is processable.

8. A bipolar plate according to claim 1, wherein the thermoplastic vulcanizate a polyolefin elastomer and a polyolefin thermoplastic is formed.

9. A bipolar plate according to claim 1, wherein the thermoplastic vulcanizate a polar thermosetting rubber and a polar technical Thermoplastic is formed.

10. A bipolar plate according to claim 1, wherein the electrically conductive filler is a Carbon-based filler is.

11. Bipolar plate according to claim 1, wherein the electrically conductive fillers Metallic fillers are.

12. A bipolar plate according to claim 1, wherein the electrically conductive filler a Filler is based on intrinsic polymers.

13. A bipolar plate according to claim 1, wherein the thermoplastic vulcanizate an EPDM rubber and polypropylene thermoplastic is formed.

14. A bipolar plate according to claim 9, wherein the thermoplastic vulcanizate an acrylate rubber and polyester thermoplastic is formed.

15. A bipolar plate according to claim 9, wherein the thermoplastic vulcanizate an acrylate rubber and polyamide thermoplastic is formed.

16. A bipolar plate according to claim 10, wherein the fillers from a group selected from carbon black, graphite, PAN-based carbon fibers and carbon fibers consists of pitch.

17. The bipolar plate according to claim 11, wherein the fillers from a group selected from powders of aluminum, copper, gold, nickel, silver, steel, Tungsten, zinc, brass, tin, stainless steel or nickel-, silver-coated Glass fibers and silver-coated glass balls consists.

18. A bipolar plate according to claim 12, wherein the fillers from a group selected from electrically conductive salts of polypyrrole, polyaniline and Polythiophene exists.

19. Bipolar plate according to claim 11, wherein the fillers from a group selected from flakes of aluminum, copper, gold, nickel, silver, steel, Tungsten, zinc, brass, tin, stainless steel or nickel-, silver-coated Glass fibers and silver-coated glass balls consists.

20. Bipolar plate according to claim 11, wherein the fillers from a group made of fibers of aluminum, copper, gold, nickel, silver, steel, Tungsten, zinc, brass, tin, stainless steel or nickel-, silver-coated Glass fibers and silver-coated glass balls consists.

21. A bipolar plate according to claim 1, wherein the flat planar member is light workable, flexible and less prone to break during handling.

22. An electrically conductive thermoplastic composition consisting of:
a fully cured thermoplastic vulcanizate and
electrically conductive solid fillers, wherein the fillers are present in a range of 5 to 75 weight percent, whereby the volume resistivity of the thermoplastic composition is below 10 ⁸ ohm / cm.

23. The composition of claim 21, wherein the volume resistivity is less than 10 ³ ohms / cm.

24. The composition of claim 21, wherein the volume resistivity is less than 10 ⁰ ohm / cm.

25. The composition of claim 22, wherein the composition comprises Thermoplastic processing equipment is processable.

26. The composition of claim 22, wherein the thermoplastic Vulkanisat contains a polyolefin elastomer and polyolefin thermoplastic.

27. The composition of claim 22, wherein the thermoplastic Vulcanisate contains EPDM rubber and polypropylene thermoplastic.

28. The composition of claim 22, wherein the thermoplastic Elastomer is a polar thermosetting rubber and a polar technical Contains thermoplastic.

29. The composition of claim 25, wherein the processing means be selected from a group that includes compression molding, injection molding, blow molding and Extruding includes.

30. The composition of claim 28, wherein the thermoplastic Elastomer contains an acrylate rubber and a polyester thermoplastic.

31. The composition of claim 28, wherein the thermoplastic Elastomer contains an acrylate rubber and a polyamide thermoplastic.

32. The composition of claim 22, wherein the electrically conductive filler is a coal-based filler.

33. The composition of claim 22, wherein the fillers are powders, fillers and flakes.

34. The composition of claim 33, wherein the fillers are selected from a group made of aluminum, copper, gold, nickel, silver, steel, tungsten, Zinc, brass, tin, stainless steel or nickel, silver coated glass fibers and consists of silver-coated glass balls.

35. The composition of claim 22, wherein the filler is on a intrinsic polymer based on metal.

36. The composition of claim 35, wherein the polymer is electrically conductive Contains salts.

37. The composition of claim 36, wherein the salts are selected from a group can be selected, which consists of polypyrrole, polyaniline and polythiophene.

38. An electrically conductive body comprising an electrically conductive member formed of the following:
a thermoplastic vulcanate;
electrically conductive solid fillers ranging from 5 to 75 percent by weight, whereby the volume resistivity of the thermoplastic elastomer is less than 10 ⁸ ohm / cm.

39. The electrically conductive body according to claim 38, wherein the electrically conductive Link is an electrical connector.

40. The electrically conductive body according to claim 38, wherein the electrically conductive Link is an electrical cable.

41. The electrically conductive body according to claim 38, wherein the electrically conductive Link is a floor covering element.

42. The electrically conductive body according to claim 38, wherein the electrically conductive Link is a bipolar plate.