DE102016012405A1

DE102016012405A1 - Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016012405A1
Application number: DE102016012405.9A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Nishikawa; Kenji Yamamoto
Original assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-10-18
Also published as: US10680256B2; US20170288237A1; DE102016012405B4

Abstract

Es wird ein Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die ein Aufbauelement einer Brennstoffzelle und das Abdichtungselement umfasst, die durch dazwischen Anordnen einer Haftmittelschicht aneinander gebunden sind, oder welche die Abdichtungselemente umfasst, die durch dazwischen Anordnen einer Haftmittelschicht aneinander gebunden sind, wobei das Abdichtungselement ein vernetztes Produkt einer Kautschukzusammensetzung umfasst, wobei die Kautschukzusammensetzung die folgenden Komponenten (A) bis (C) enthält: (A) mindestens eine Kautschukkomponente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Ethylen-Propylen-Kautschuk, einem Ethylen-Propylen-Dien-Kauschuk und einem Ethylen-Buten-Dien-Kautschuk, (B) ein Vernetzungsmittel, das ein organisches Peroxid umfasst, und (C) mindestens eines von einem Fettsäure-Kalium oder einem Fettsäure-Natrium.

Description

HINTERGRUND
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle, das zum Abdichten eines Aufbauelements einer Brennstoffzelle verwendet werden soll.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion von Gasen, weisen eine hohe Energieerzeugungseffizienz auf und haben einen extrem geringen Einfluss auf die Umwelt, da sie ein sauberes Gas abgeben. Von den Brennstoffzellen kann eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle bei einer relativ niedrigen Temperatur betrieben werden und weist eine hohe Energiedichte auf. Daher wird erwartet, dass die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle in verschiedenen Anwendungen verwendet wird, wie z. B. als Energiequelle für eine Energieerzeugung und eine Energiequelle für ein Kraftfahrzeug.
Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle umfasst als eine Energieerzeugungseinheit eine Zelle, die Separatoren und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) oder dergleichen, die zwischen den Separatoren sandwichartig angeordnet ist, umfasst. Die MEA ist aus einer Polymermembran (Elektrolytmembran), die als Elektrolyt dient, und einem Paar von Elektrodenkatalysatorschichten (einer Brennstoffelektroden(Anoden)-Katalysatorschicht und einer Sauerstoffelektroden(Kathoden)-Katalysatorschicht) ausgebildet, die auf beiden Oberflächen der Elektrolytmembran in ihrer Dickenrichtung angeordnet sind. Ferner ist eine poröse Schicht zum Verteilen bzw. Diffundieren eines Gases auf jeder der Oberflächen des Paars von Elektrodenkatalysatorschichten angeordnet. Ein Brennstoffgas, wie z. B. Wasserstoff, wird einer Brennstoffelektrodenseite zugeführt und ein Oxidationsmittelgas, wie z. B. Sauerstoff oder Luft, wird einer Sauerstoffelektrodenseite zugeführt. Energie wird durch eine elektrochemische Reaktion an einer Dreiphasen-Grenzfläche zwischen dem zugeführten Gas, dem Elektrolyten und der Elektrodenkatalysatorschicht erzeugt. Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle wird durch Befestigen eines Zellenstapels, in dem eine Mehrzahl der Zellen gestapelt ist, mit Endplatten oder dergleichen, die auf der obersten Zelle und der untersten Zelle des Zellenstapels angeordnet sind, in einer Zellenstapelrichtung ausgebildet.
Die Separatoren umfassen jeweils einen Strömungsdurchgang für das Gas, das jeder der Elektroden zugeführt werden soll, und einen Strömungsdurchgang für ein Kühlmedium zum Abführen der Wärme, die während der Energieerzeugung erzeugt wird. Wenn beispielsweise die Gase, die den jeweiligen Elektroden zugeführt werden sollen, miteinander gemischt werden, tritt ein Problem wie z. B. eine Verminderung der Energieerzeugungseffizienz auf. Darüber hinaus weist die Elektrolytmembran eine Protonenleitfähigkeit in einem Zustand auf, in dem sie Wasser enthält. Demgemäß ist es erforderlich, die Elektrolytmembran im Betrieb in einem feuchten bzw. nassen Zustand zu halten. Um zu verhindern, dass die Gase miteinander gemischt werden, eine Leckage der Gase und des Kühlmediums zu verhindern und ein Inneres der Zelle in einem feuchten bzw. nassen Zustand zu halten, ist es wichtig, eine Abdichtungseigenschaft an einem Umfang der MEA und der porösen Schichten oder eine Abdichtungseigenschaft zwischen angrenzenden Separatoren sicherzustellen. Als ein Abdichtungselement zum Abdichten eines solchen Aufbauelements wurde z. B. ein Abdichtungselement (Kautschukdichtung) vorgeschlagen, das aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymerkautschuk (EPDM), einem Ethylen-Propylen-Copolymerkautschuk (EPM) oder dergleichen ausgebildet ist (vgl. JP-A-2009-94056 und JP-A-2010-146781 ).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wenn Schwefel als Vernetzungsmittel in einer Kautschukzusammensetzung verwendet wird, die als Material für das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle dient, wie es vorstehend beschrieben worden ist, besteht das Risiko, dass die Energieerzeugung der Brennstoffzelle gehemmt werden kann. Demgemäß wird im Allgemeinen ein organisches Peroxid als Vernetzungsmittel in der Kautschukzusammensetzung verwendet. Anders als Schwefel weist das organische Peroxid jedoch die Eigenschaft der Zersetzung eines Kautschuks zu einem Produkt mit einem niedrigen Molekulargewicht auf. Darüber hinaus neigt der Kautschuk mit einem niedrigen Molekulargewicht, der in der vorstehend beschriebenen Weise durch eine Zersetzung gebildet worden ist, zu einem Anhaften an der Oberfläche eines Formwerkzeugs (Innenumfangsfläche des Formwerkzeugs) während des Formwerkzeugformens des Abdichtungselements für eine Brennstoffzelle, was zu einem Problem wie z. B. einer Verschmutzung des Formwerkzeugs führt.
Eine mögliche Lösung des Problems einer Formwerkzeugverunreinigung, wie es vorstehend beschrieben ist, ist z. B. das Aufbringen eines Trennmittels auf die Oberfläche des Formwerkzeugs. Das Formwerkzeugformen des Abdichtungselements für eine Brennstoffzelle wird jedoch vorzugsweise ohne die Verwendung des Trennmittels (oder mit einer schlechten Trennbarkeit) durchgeführt, um die Energieerzeugungseigenschaften der Brennstoffzelle, das Haftvermögen des Abdichtungselements oder die Abmessungsgenauigkeit des Abdichtungselements nicht negativ zu beeinflussen.
Ferner wurden auch Untersuchungen bezüglich des Zusatzes einer Verbindung mit einer Eigenschaft des Verbesserns der Formwerkzeugtrennbarkeit zu der Kautschukzusammensetzung, die als das Material für das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle dient, durchgeführt. Es müssen jedoch noch ausreichende Untersuchungen in Bezug auf eine Verbindung durchgeführt werden, welche die Formwerkzeugtrennbarkeit verbessern kann, während die mechanischen Eigenschaften (z. B. die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung) und die Setzbeständigkeit, die für das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle erforderlich sind, aufrechterhalten werden. Ferner neigt die Verbindung, die eine Eigenschaft des Verbesserns der Formwerkzeugtrennbarkeit aufweist, zu einem Ausbluten und es besteht somit eine Tendenz dahingehend, dass sie einen Faktor beim Beeinträchtigen des Haftvermögens des Abdichtungselements darstellt. D. h., eine derartige Verbindung weist das Risiko auf, dass sie ein Versagen bei der Integration des Abdichtungselements mit einem Element, wie z. B. einem Separator (Aufbauelement einer Brennstoffzelle), durch Vulkanisationsbinden oder ein anschließendes Binden des Abdichtungselements durch dazwischen Anordnen einer Haftmittelschicht verursacht. Daher besteht nach wie vor Raum für eine Verbesserung bei der Untersuchung des Zusetzens der Verbindung, welche die Eigenschaft des Verbesserns der Formwerkzeugtrennbarkeit aufweist, zu der Kautschukzusammensetzung, die als das Material für das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle dient.
Die vorliegende Offenbarung beruht auf diesen Umständen. Es wird ein Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, das eine hervorragende Formwerkzeugtrennbarkeit aufweist, während es die mechanischen Eigenschaften und die Setzbeständigkeit aufrechterhält, die für das Abdichtungselement erforderlich sind, ohne das Haftvermögen an einem Aufbauelement einer Brennstoffzelle zu beeinträchtigen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, das zum Abdichten eines Aufbauelements einer Brennstoffzelle verwendet werden soll, wobei das Abdichtungselement ein vernetztes Produkt einer Kautschukzusammensetzung umfasst, welche die folgenden Komponenten (A) bis (C) enthält:

(A) mindestens eine Kautschukkomponente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Ethylen-Propylen-Kautschuk, einem Ethylen-Propylen-Dien-Kauschuk und einem Ethylen-Buten-Dien-Kautschuk,
(B) ein Vernetzungsmittel, das ein organisches Peroxid umfasst, und
(C) mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Fettsäure-Kalium und einem Fettsäure-Natrium.

Die Erfinder haben Untersuchungen in Bezug auf die Verwendung einer Kautschukkomponente als Kautschukkomponente eines Abdichtungselements für eine Brennstoffzelle, die hervorragende Eigenschaften aufweist, wie z. B. eines Ethylen-Propylen-Kautschuks, eines Ethylen-Propylen-Dien-Kauschuks oder eines Ethylen-Buten-Dien-Kautschuks, und die Verwendung eines organischen Peroxids als Vernetzungsmittel dafür zum Verhindern der Hemmung der Energieerzeugung einer Brennstoffzelle durchgeführt. Das Problem einer Formwerkzeugverschmutzung, wie es vorstehend beschrieben worden ist, findet jedoch aufgrund der Kombination der spezifischen Kautschukkomponente und des organischen Peroxids statt. Im Hinblick darauf haben die Erfinder weitere Untersuchungen durchgeführt. Als Ergebnis haben die Erfinder herausgefunden, dass dann, wenn das mindestens eine des Fettsäure-Kaliums oder des Fettsäure-Natriums (C) in die Kautschukzusammensetzung eingemischt wird, die als das Material für das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle dient, die Formwerkzeugtrennbarkeit verbessert wird, ohne dass ein Trennmittel auf die Oberfläche eines Formwerkzeugs aufgebracht wird. Ferner wurden Verschlechterungen von mechanischen Eigenschaften und der Setzbeständigkeit des Abdichtungselements für eine Brennstoffzelle im Zusammenhang mit dem Zumischen der Komponente (C) kaum festgestellt und ein Problem, wie z. B. dass die Komponente (C) das Haftvermögen des Abdichtungselements nachteilig beeinflusst, wurde ebenfalls kaum festgestellt.
Das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung umfasst das vernetzte Produkt der Kautschukzusammensetzung, enthaltend: die mindestens eine Kautschukkomponente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus dem Ethylen-Propylen-Kautschuk, dem Ethylen-Propylen-Dien-Kauschuk und dem Ethylen-Buten-Dien-Kautschuk (A), das Vernetzungsmittel, welches das organische Peroxid umfasst (B), und das mindestens eine, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus dem Fettsäure-Kalium und dem Fettsäure-Natrium (C). Folglich weist das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung einen hervorragenden Effekt auf die Formwerkzeugtrennbarkeit auf, während die mechanischen Eigenschaften und die Setzbeständigkeit, die für das Abdichtungselement erforderlich sind, ohne Beeinträchtigen des Haftvermögens an einem Aufbauelement einer Brennstoffzelle aufrechterhalten werden.
Insbesondere wenn die Komponente (C) nur das Fettsäure-Kalium ist, weist das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle einen noch besseren Effekt auf die Formwerkzeugtrennbarkeit auf.
Darüber hinaus weist das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle, wenn der Gehalt der Komponente (C) in der Kautschukzusammensetzung in einem Bereich von 0,5 Gewichtsteilen bis 10 Gewichtsteilen in Bezug auf 100 Gewichtsteile der Kautschukkomponente (A) liegt, einen noch besseren Effekt auf die Formwerkzeugtrennbarkeit auf, während die mechanischen Eigenschaften und die Setzbeständigkeit, die für das Abdichtungselement erforderlich sind, ohne Beeinträchtigen des Haftvermögens an dem Aufbauelement einer Brennstoffzelle aufrechterhalten werden.
Darüber hinaus wird ein Ausbluten stärker unterdrückt, wenn das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle ein vernetztes Produkt einer Kautschukzusammensetzung umfasst, die (D) mindestens eines von einem Paraffinöl oder einer Poly-α-olefinverbindung zusätzlich zu den Komponenten (A) bis (C) umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Beispiels eines abgedichteten Körpers einer Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Beispiels der Verwendung eines Abdichtungselements für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Ein Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung (nachstehend manchmal einfach als „Abdichtungselement” bezeichnet) wird zum Abdichten eines Aufbauelements einer Brennstoffzelle verwendet und umfasst, wie es vorstehend beschrieben worden ist, ein vernetztes Produkt einer Kautschukzusammensetzung, welche die folgenden Komponenten (A) bis (C) enthält:

Die Kautschukkomponente (A) ist eine Hauptkomponente der Kautschukzusammensetzung und macht im Allgemeinen über die Hälfte der gesamten Kautschukzusammensetzung aus. Darüber hinaus werden als die Kautschukkomponente (A), wie es vorstehend beschrieben ist, der Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM), der Ethylen-Propylen-Dien-Kauschuk (EPDM) und der Ethylen-Buten-Dien-Kautschuk allein oder in einer Kombination von zwei oder mehr Arten verwendet.
Der Gehalt von Ethylen in der spezifischen Kautschukkomponente (A) beträgt im Hinblick auf die Verbesserung der Abdichtungseigenschaften bei einer extrem niedrigen Temperatur vorzugsweise 60 Gew.-% oder weniger, besonders bevorzugt 53 Gew.-% oder weniger. Im Gegensatz dazu werden dann, wenn der Gehalt von Ethylen zu gering ist, die physikalischen Eigenschaften des Kautschuks verschlechtert und es wird schwierig, Dehnungseigenschaften oder Zugeigenschaften sicherzustellen, die für das Abdichtungselement erforderlich sind. Daher beträgt der Gehalt von Ethylen vorzugsweise 40 Gew.-% oder mehr.
Darüber hinaus ist es im Hinblick auf die Säurebeständigkeit und die Wasserbeständigkeit einer Brennstoffzelle in deren Betriebsumgebung bevorzugt, EPDM als Kautschukkomponente (A) zu verwenden. Insbesondere wenn die Menge des Diens in dem EPDM größer wird, wird die Vernetzungsdichte in dem Abdichtungselement, das ein vernetztes Produkt ist, proportional höher, was zu einer weiteren Verbesserung der Niedertemperatur-Abdichtungseigenschaften führt. Im Hinblick auf das Vorstehende liegt die Menge des Diens in dem EPDM (Massenanteil einer Dienkomponente) in einem Bereich von vorzugsweise 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, mehr bevorzugt von 3 Gew.-% bis 15 Gew.-%.
Ein bevorzugtes Beispiel für die Dienkomponente des EPDM ist ein Monomer auf Dienbasis, das 5 bis 20 Kohlenstoffatome aufweist. Spezifische Beispiele dafür umfassen 1,4-Pentadien, 1,4-Hexadien, 1,5-Hexadien, 2,5-Dimethyl-1,5-hexadien, 1,4-Octadien, 1,4-Cyclohexadien, Cyclooctadien, Dicyclopentadien (DCP), 5-Ethyliden-2-norbornen (ENB), 5-Butyliden-2-norbornen, 2-Methallyl-5-norbornen und 2-Isopropenyl-5-norbornen.
Das Vernetzungsmittel (B) der spezifischen Kautschukkomponente (A) umfasst ein organisches Peroxid. Beispiele für das organische Peroxid umfassen ein Peroxyketal, einen Peroxyester, ein Diacylperoxid, ein Peroxydicarbonat, ein Dialkylperoxid und ein Hydroperoxid. Diese organischen Peroxide werden allein oder in einer Kombination von zwei oder mehr Arten verwendet. Von diesen organischen Peroxiden wird z. B. ein organisches Peroxid mit einer 1 Stunde-Halbwertszeittemperatur von 160°C oder weniger bevorzugt verwendet. Zum Binden des Abdichtungselements und einer Elektrolytmembran aneinander wird ein organisches Peroxid mit einer 1 Stunde-Halbwertszeittemperatur von 130°C oder weniger bevorzugt verwendet. Ferner ist im Hinblick auf eine einfache Vernetzung bei einer Temperatur von etwa 130°C und eine hervorragende Handhabbarkeit der Kautschukzusammensetzung nach dem Kneten, der ein solches Vernetzungsmittel zugesetzt worden ist, mindestens eines von einem Peroxyketal oder einem Peroxyester mit einer 1 Stunde-Halbwertszeittemperatur von 100°C oder mehr bevorzugt. Mindestens eines von einem Peroxyketal oder einem Peroxyester mit einer 1 Stunde-Halbwertszeittemperatur von 110°C oder mehr ist besonders bevorzugt. Darüber hinaus kann die Vernetzung in einem kürzeren Zeitraum unter Verwendung des Peroxyesters erreicht werden.
In der vorliegenden Offenbarung bezieht sich in Bezug auf das Vernetzungsmittel (B) die „Halbwertszeit” des organisches Peroxids mit einer 1 Stunde-Halbwertszeittemperatur von 160°C oder weniger auf einen Zeitraum, in dem die Konzentration des organischen Peroxids (Menge an aktivem Sauerstoff) auf die Hälfte von deren ursprünglichem Wert vermindert wird. Daher wird die „Halbwertszeittemperatur” als Indikator der Zersetzungstemperatur des organischen Peroxids verwendet. Die „1-Stunde-Halbwertszeittemperatur” bezieht sich auf eine Temperatur, bei der die Halbwertszeit 1 Stunde beträgt. D. h., wenn die 1-Stunde-Halbwertszeittemperatur niedriger wird, wird das organische Peroxid bei einer niedrigeren Temperatur zersetzt. Beispielsweise kann, wenn das organische Peroxid, das eine 1-Stunde-Halbwertszeittemperatur von 160°C oder weniger aufweist, verwendet wird, das Vernetzen bei einer niedrigeren Temperatur (insbesondere 150°C oder weniger) und in einem kürzeren Zeitraum erreicht werden. Daher kann ein abgedichteter Brennstoffzellenkörper der vorliegenden Offenbarung z. B. selbst in der Umgebung der Elektrolytmembran einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle verwendet werden.
Beispiele für das Peroxyketal umfassen n-Butyl-4,4-di(t-butylperoxy)valerat, 2,2-Di(t-butylperoxy)butan, 2,2-Di(4,4-di(t-butylperoxy)cyclohexyl)propan, 1,1-Di(t-butylperoxy)cyclohexan, 1,1-Di(t-hexylperoxy)cyclohexan, 1,1-Di(t-hexylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexan und 1,1-Di(t-butylperoxy)-2-methylcyclohexan.
Beispiele für den Peroxyester umfassen t-Butylperoxybenzoat, t-Butylperoxyacetat, t-Hexylperoxybenzoat, 2,5-Dimethyl-2,5-di(benzoylperoxy)hexan, t-Butylperoxy-2-ethylhexylmonocarbonat, t-Butylperoxylaurat, t-Butylperoxyisopropylmonocarbonat, t-Butylperoxy-3,5,5-trimethylhexanoat, t-Butylperoxymaleinsäure und t-Hexylperoxyisopropylmonocarbonat.
Von diesen ist 1,1-Di(t-butylperoxy)cyclohexan, t-Butylperoxyacetat oder t-Butylperoxyisopropylmonocarbonat aufgrund einer relativ schnellen Reaktion desselben mit der spezifischen Kautschukkomponente (A) bevorzugt. Von diesen kann die Vernetzung durch die Verwendung von t-Butylperoxyisopropylmonocarbonat in einem kürzeren Zeitraum erreicht werden.
Die Menge des spezifischen Vernetzungsmittels (B) (in dem Fall eines aktiven Bestandteils mit einer Reinheit von 100%), das zugemischt werden soll, liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,4 Gewichtsteilen bis 12 Gewichtsteilen in Bezug auf 100 Gewichtsteile der spezifischen Kautschukkomponente (A). Wenn die Menge des spezifischen Vernetzungsmittels (B), das zugemischt werden soll, zu klein ist, besteht eine Tendenz dahingehend, dass es schwierig ist, eine Vernetzungsreaktion ausreichend ablaufen zu lassen. Wenn die Menge des spezifischen Vernetzungsmittels (B), das zugemischt werden soll, zu groß ist, besteht eine Tendenz dahingehend, dass in der Vernetzungsreaktion die Vernetzungsdichte zunimmt und dadurch die Dehnung vermindert wird.
Zusätzlich zu der spezifischen Kautschukkomponente (A) und dem Vernetzungsmittel (B) wird das mindestens eine des Fettsäure-Kaliums und des Fettsäure-Natriums (C) in die Kautschukzusammensetzung eingemischt, die für das Abdichtungselement der vorliegenden Offenbarung verwendet werden soll. Insbesondere ist die Komponente (C) vorzugsweise nur aus dem Fettsäure-Kalium ausgebildet, da bezüglich der Formwerkzeugtrennbarkeit ein noch besserer Effekt erhalten wird.
Die Anzahl von Kohlenstoffatomen von jedem des Fettsäure-Kaliums und des Fettsäure-Natriums ist nicht speziell beschränkt, jedoch liegt die Anzahl von Kohlenstoffatomen im Hinblick auf die Formwerkzeugtrennbarkeit vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 8 bis 22, und die Anzahl von Kohlenstoffatomen liegt in entsprechender Hinsicht mehr bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 12 bis 18. Im Hinblick auf die Formwerkzeugtrennbarkeit kann die „Fettsäure” in jedem des Fettsäure-Kaliums und des Fettsäure-Natriums eine gesättigte Fettsäure sein oder es kann sich um eine ungesättigte Fettsäure handeln.
Spezifische Beispiele für das Fettsäure-Kalium umfassen Kaliumcaprylat (Salz einer gesättigten C8-Fettsäure), Kaliumcaprat (Salz einer gesättigten C10-Fettsäure), Kaliumlaurat (Salz einer gesättigten C12-Fettsäure), Kaliummyristat (Salz einer gesättigten C14-Fettsäure), Kaliumpalmitat (Salz einer gesättigten C16-Fettsäure), Kaliumstearat (Salz einer gesättigten C18-Fettsäure), Kaliumoleat (Salz einer ungesättigten C18-Fettsäure) und Kaliumbehenat (Salz einer gesättigten C22-Fettsäure). Eine Art davon kann allein verwendet werden oder zwei oder mehr Arten davon können in einer Kombination verwendet werden. Darüber hinaus umfassen spezifische Beispiele des Fettsäure-Natriums Natriumcaprylat (Salz einer gesättigten C8-Fettsäure), Natriumcaprat (Salz einer gesättigten C10-Fettsäure), Natriumlaurat (Salz einer gesättigten C12-Fettsäure), Natriummyristat (Salz einer gesättigten C14-Fettsäure), Natriumpalmitat (Salz einer gesättigten C16-Fettsäure), Natriumstearat (Salz einer gesättigten C18-Fettsäure), Natriumoleat (Salz einer ungesättigten C18-Fettsäure) und Natriumbehenat (Salz einer gesättigten C22-Fettsäure). Eine Art davon kann allein verwendet werden oder zwei oder mehr Arten davon können in einer Kombination verwendet werden. Das Symbol „C**” stellt die Anzahl von Kohlenstoffatomen dar.
Der Gehalt des mindestens einen des Fettsäure-Kaliums oder des Fettsäure-Natriums (C) in der Kautschukzusammensetzung, die für das Abdichtungselement der vorliegenden Offenbarung verwendet werden soll, liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,5 Gewichtsteilen bis 10 Gewichtsteilen, mehr bevorzugt von 1 Gewichtsteil bis 3 Gewichtsteilen in Bezug auf 100 Gewichtsteile der spezifischen Kautschukkomponente (A). Dies ist deshalb so, da dann, wenn der Gehalt innerhalb eines solchen Bereichs liegt, das Abdichtungselement einen noch besseren Effekt auf die Formwerkzeugtrennbarkeit aufweist, während die mechanischen Eigenschaften und die Setzbeständigkeit, die für das Abdichtungselement erforderlich sind, ohne Beeinträchtigen des Haftvermögens an einem Aufbauelement einer Brennstoffzelle aufrechterhalten werden können.
In die Kautschukzusammensetzung, die für das Abdichtungselement der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, können zusätzlich zu den Komponenten (A) bis (C) verschiedene Additive eingemischt werden, wie z. B. mindestens eines von einem Paraffinöl oder einer Poly-α-olefinverbindung (D), einem Erweichungsmittel (Weichmacher), einem Vernetzungshilfsmittel, einem Verstärkungsmittel, einem Antioxidationsmittel, einem Klebrigmacher und einem Verarbeitungshilfsmittel.
Darüber hinaus beträgt in dem Fall der Verwendung der Poly-α-olefinverbindung im Hinblick auf eine Niedertemperatur-Abdichtungseigenschaft dessen kinematische Viskosität bei 100°C vorzugsweise 8 mm²/s oder weniger. Ferner liegt im Hinblick auf eine Niedertemperatur-Abdichtungseigenschaft die kinematische Viskosität bei 100°C der Poly-α-olefinverbindung mehr bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 2 mm²/s bis 8 mm²/s. Die kinematische Viskosität der Poly-α-olefinverbindung wird gemäß JIS K 2283 gemessen.
Im Hinblick auf das Unterdrücken eines Ausblutens ist es bevorzugt, dass die Mischmenge der Komponente (D) 5 Gewichtsteile bis 40 Gewichtsteile in Bezug auf 100 Gewichtsteile der spezifischen Kautschukkomponente (A) beträgt.
Beispiele für das Erweichungsmittel umfassen: Ein Erweichungsmittel auf Erdölbasis, wie z. B. ein Weichmacheröl, ein Schmieröl oder Vaseline, ein Erweichungsmittel auf der Basis eines fetten Öls, wie z. B. Rizinusöl, Leinsamenöl, Rapsöl oder Kokosnussöl, ein Wachs, wie z. B. Tallöl, Ölkautschuk, Bienenwachs, Carnaubawachs oder Lanolin, Linolsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure und Laurinsäure. Jedwedes derartige Erweichungsmittel wird vorzugsweise in einer Menge zugemischt, so dass ein Ausbluten unterdrückt werden kann.
Die Menge des Erweichungsmittels, das zugemischt werden soll, liegt im Allgemeinen innerhalb des Bereichs von 5 Gewichtsteilen bis 40 Gewichtsteilen in Bezug auf 100 Gewichtsteile der spezifischen Kautschukkomponente (A).
Beispiele für das Vernetzungshilfsmittel umfassen eine Maleimidverbindung, Triallylcyanurat (TAC), Triallylisocyanurat (TAIC) und Trimethylolpropantrimethacrylat (TMPT). Diese Vernetzungshilfsmittel werden allein oder in einer Kombination von zwei oder mehr Arten verwendet. Von diesen Vernetzungshilfsmitteln wird eine Maleimidverbindung aufgrund ihrer starken Wirkungen auf die Verbesserung der Vernetzungsdichte und der Festigkeit bevorzugt verwendet.
Die Menge des Vernetzungshilfsmittels, die zugemischt werden soll, liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,1 Gewichtsteilen bis 3 Gewichtsteilen in Bezug auf 100 Gewichtsteile der spezifischen Kautschukkomponente (A). Wenn die Menge des Vernetzungshilfsmittels, die zugemischt werden soll, zu gering ist, besteht eine Tendenz dahingehend, dass es schwierig ist, die Vernetzungsreaktion ausreichend ablaufen zu lassen. Wenn die Menge des Vernetzungshilfsmittels, die zugemischt werden soll, zu groß ist, besteht eine Tendenz dahingehend, dass die Vernetzungsdichte übermäßig zunimmt und dadurch die Haftkraft vermindert wird.
Beispiele für das Verstärkungsmittel umfassen Ruß und Siliziumdioxid. Die Qualität des Rußes ist nicht speziell beschränkt und kann in einer geeigneten Weise aus z. B. SAF-Qualität, ISAF-Qualität, HAF-Qualität, MAF-Qualität, FEF-Qualität, GPF-Qualität, SRF-Qualität, FT-Qualität und MT-Qualität ausgewählt werden.
Die Menge des Verstärkungsmittels, die zugemischt werden soll, liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von im Allgemeinen 10 Gewichtsteilen bis 150 Gewichtsteilen in Bezug auf 100 Gewichtsteile der spezifischen Kautschukkomponente (A).
Beispiele für das Antioxidationsmittel umfassen ein Antioxidationsmittel auf Phenolbasis, ein Antioxidationsmittel auf Imidazolbasis und ein Wachs. Die Menge des Antioxidationsmittels, die zugemischt werden soll, liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von im Allgemeinen 0,5 Gewichtsteilen bis 10 Gewichtsteilen in Bezug auf 100 Gewichtsteile der spezifischen Kautschukkomponente (A).
<Herstellung eines Abdichtungselements für eine Brennstoffzelle>
Das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung kann z. B. durch Herstellen bzw. Vorbereiten der Kautschukzusammensetzung, welche die Komponenten (A) bis (C) enthält, und gegebenenfalls verschiedener Additive, wie z. B. der Komponente (D), und dann Vernetzen der Kautschukzusammensetzung hergestellt werden. Das Vernetzen und Formen des Abdichtungselements werden im Allgemeinen in einem Formwerkzeug durchgeführt. In der vorliegenden Offenbarung liegt eine zufrieden stellende Formwerkzeugtrennbarkeit ohne das Aufbringen eines Trennmittels auf die Oberfläche des Formwerkzeugs vor, jedoch kann gegebenenfalls ein Trennmittel aufgebracht werden.
Es ist bevorzugt, dass das Abdichtungselement zu einer vorgegebenen Form geformt wird, die der Form eines abzudichtenden Elements entspricht. Beispielsweise kann das Abdichtungselement, das zu einer Filmform geformt worden ist, durch Anbringen an verschiedene Aufbauelemente einer Brennstoffzelle mit einem Haftmittel verwendet werden. Das Abdichtungselement der vorliegenden Offenbarung kann in einem Modus verwendet werden, in dem das Abdichtungselement zwischen verschiedenen Aufbauelementen einer Brennstoffzelle angeordnet ist, ohne daran gebunden zu sein. Darüber hinaus können, wie es später beschrieben ist, das Abdichtungselement der vorliegenden Offenbarung und ein Aufbauelement einer Brennstoffzelle, wie z. B. eine MEA oder ein Separator, in einem Formwerkzeug durch ein Vulkanisationsformen (Vulkanisationsbinden) des Abdichtungselements der vorliegenden Offenbarung auf eine Oberfläche, auf der ein Haftmittel aufgebracht ist, integriert geformt werden, und zwar anstatt des Anbringens (anschließendes Binden) eines vulkanisationsgeformten Produkts des Abdichtungselements der vorliegenden Offenbarung mit dem Haftmittel.
<Abgedichteter Körper der Brennstoffzelle>
Als abgedichteter Körper der Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung gibt es z. B. einen abgedichteten Körper der Brennstoffzelle, der ein Aufbauelement einer Brennstoffzelle und ein Abdichtungselement zum Abdichten des Aufbauelements umfasst (Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung), die durch dazwischen Anordnen einer Haftmittelschicht aneinander gebunden sind.
Während das Aufbauelement einer Brennstoffzelle, das mit dem Abdichtungselement der vorliegenden Offenbarung abgedichtet werden soll, abhängig von der Art, der Struktur und dergleichen der Brennstoffzelle variiert, umfassen Beispiele für das Aufbauelement einen Separater (Metallseparator oder dergleichen), eine Gasdiffusionsschicht (GDL) und eine MEA (eine Elektrolytmembran, eine Elektrode).
Ein Beispiel für den abgedichteten Körper der Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung ist in der 1 gezeigt. In der 1 ist im Wesentlichen eine einzelne Zelle 1 in einer Brennstoffzelle gezeigt, in der eine Mehrzahl von Zellen gestapelt sind. Die Zelle 1 umfasst eine MEA 2, Gasdiffussionsschichten (GDL) 3, Abdichtungselemente 4a, Separatoren 5 und Haftmittelschichten 6.
Als abgedichteten Körper der Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung gibt es beispielsweise einen abgedichteten Körper, der den Separater 5 und das Abdichtungselement 4a umfasst, die durch dazwischen Anordnen der Haftmittelschicht 6 aneinander gebunden sind, wie es in der 1 gezeigt ist, einen abgedichteten Körper, der die MEA 2 und das Abdichtungselement 4a umfasst, die durch dazwischen Anordnen der Haftmittelschicht 6 aneinander gebunden sind, einen abgedichteten Körper, der die Gasdiffusionsschicht 3 und das Abdichtungselement 4a umfasst, die durch dazwischen Anordnen der Haftmittelschicht 6 aneinander gebunden sind, und einen abgedichteten Körper, der die angrenzenden Abdichtungselemente 4a umfasst, die durch dazwischen Anordnen der Haftmittelschicht 6 aneinander gebunden sind.
Die MEA 2 umfasst eine Elektrolytmembran und ein Paar von Elektroden, die auf beiden Seiten der Elektrolytmembran derart in einer Stapelrichtung angeordnet sind, dass sie die Elektrolytmembran sandwichartig umgeben (nicht gezeigt). Die Elektrolytmembran und das Paar von Elektroden weisen jeweils eine rechteckige dünne Plattenform auf. Die Gasdiffusionsschichten 3 sind auf beiden Seiten der MEA 2 derart in der Stapelrichtung angeordnet, dass sie die MEA 2 sandwichartig umgeben. Die Gasdiffusionsschichten 3 sind jeweils eine poröse Schicht, die eine rechteckige dünne Plattenform aufweist.
Es ist bevorzugt, dass jeder der Separatoren 5 aus einem Metall, wie z. B. Titan, hergestellt ist. Der Separator 5 ist im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Leitung besonders bevorzugt ein Metallseparator, der einen Kohlenstoffdünnfilm umfasst, wie z. B. einen diamantartigen Kohlenstofffilm (DLC-Film) oder einen Graphitfilm. Der Separator 5 weist eine rechteckige dünne Plattenform auf und umfasst insbesondere sechs konkave Rillen, die sich jeweils in der Längsrichtung erstrecken. Der Separator 5 weist aufgrund der Rillen einen Abschnitt mit einer konkav-konvexen Form auf. Die Separatoren 5 sind derart auf beiden Seiten der Gasdiffusionsschichten 3 in der Stapelrichtung angeordnet, dass sie einander gegenüberliegen. Gasströmungsdurchgänge 7 zum Zuführen von Gasen zu den Elektroden sind durch die Gasdiffusionsschicht 3 und den Separator 5 durch Nutzen der konkav-konvexen Form festgelegt.
Jedes der Abdichtungselemente 4a weist eine rechteckige Rahmenform auf. Durch dazwischen Anordnen der Haftmittelschicht 6 ist das Abdichtungselement 4a an Umfangsabschnitte der MEA 2 und der Gasdiffusionsschicht 3 sowie den Separator 5 gebunden. Folglich dichtet das Abdichtungselement 4a die Umfangsabschnitte der MEA 2 und der Gasdiffusionsschicht 3 ab. Während in dem Beispiel von 1 zwei Teile der Abdichtungselemente 4a verwendet werden, die in einen oberen und einen unteren Teil getrennt sind, kann auch ein einzelnes Abdichtungselement verwendet werden, in dem die zwei Abdichtungselemente kombiniert sind.
Im Betrieb einer Brennstoffzelle, wie z. B. einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, werden ein Brennstoffgas und ein Oxidationsmittelgas durch die Gasströmungsdurchgänge 7 zugeführt. In diesem Fall wird der Umfangsabschnitt der MEA 2 mit dem Abdichtungselement 4a mittels dazwischen Anordnen der Haftmittelschicht 6 abgedichtet. Daher wird verhindert, dass die Gase miteinander gemischt werden oder austreten.
Beispielsweise kann der abgedichtete Körper der Brennstoffzelle in der nachstehend beschriebenen Weise hergestellt werden. Als erstes wird das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle so hergestellt, wie es vorstehend beschrieben ist.
Als nächstes wird ein Material (Haftmittel) zur Bildung der Haftmittelschicht auf eines oder beide der Aufbauelemente einer Brennstoffzelle, wie z. B. einen Metallseparator, und das Abdichtungselement zum Abdichten des Aufbauelements aufgebracht. Folglich kann der abgedichtete Körper der Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung, der das Aufbauelement einer Brennstoffzelle, wie z. B. einen Metallseparator, und das Abdichtungselement umfasst, die durch dazwischen Anordnen der Haftmittelschicht aneinander gebunden sind, erhalten werden.
Als Material (Haftmittel) zur Bildung der Haftmittelschicht wird z. B. ein Kautschukklebstoff, eine Kautschukzusammensetzung in einer bei Raumtemperatur (23°C) flüssigen Form oder ein Haftvermittler verwendet. Als Kautschukzusammensetzung in einer flüssigen Form kann eine Kautschukzusammensetzung genannt werden, die eine Kautschukkomponente, ein organisches Peroxid (Vernetzungsmittel) und dergleichen enthält. Ein Beispiel für die Kautschukkomponente ist ein Kautschuk in einer flüssigen Form und insbesondere werden ein flüssiger EPM, ein flüssiger EPDM, ein flüssiger Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (flüssiger NBR), ein flüssiger hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (flüssiger H-NBR) und dergleichen allein oder in einer Kombination von zwei oder mehr Arten verwendet. Als Haftvermittler kann z. B. ein Haftvermittler genannt werden, der ein copolymerisiertes Oligomer aus einem Aminogruppe-enthaltenden Silankopplungsmittel und einem Vinylgruppe-enthaltenden Silankopplungsmittel enthält.
Als Verfahren zum Aufbringen des Materials zur Bildung der Haftmittelschicht kann z. B. ein Aufbringverfahren genannt werden, bei dem ein Zerstäuber („dispenser”) verwendet wird. Das Material zur Bildung der Haftmittelschicht kann allgemein bei Raumtemperaturbedingungen aufgebracht werden.
Die Dicke der Haftmittelschicht in dem abgedichteten Körper der Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung beträgt in dem Fall der Verwendung der Kautschukzusammensetzung in einer flüssigen Form im Allgemeinen von 0,01 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,05 mm bis 0,3 mm. Alternativ beträgt in dem Fall der Verwendung des Haftvermittlers die Dicke der Haftmittelschicht im Allgemeinen von 10 nm bis 500 nm, vorzugsweise von 30 nm bis 200 nm.
Darüber hinaus kann, wenn der abgedichtete Körper der Brennstoffzelle durch Integrieren des Aufbauelements einer Brennstoffzelle und des Abdichtungselements durch Vulkanisationsbinden des Abdichtungselements hergestellt wird, die Herstellung in der nachstehend beschriebenen Weise durchgeführt werden. D. h., es kann ein Herstellungsverfahren eingesetzt werden, bei dem das Aufbauelement einer Brennstoffzelle, auf dem die Haftmittelschicht ausgebildet ist, in einem Formwerkzeug zum Formen des Abdichtungselements angeordnet wird, und die Kautschukzusammensetzung zum Bilden des Abdichtungselements in einem Zustand, bei dem sie mit dem Aufbauelement einer Brennstoffzelle in dem Formwerkzeug in Kontakt gebracht ist, vernetzt und geformt wird.
Ferner ist ein weiteres Beispiel der Verwendung des Abdichtungselements für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung in der 2 gezeigt. Die 2 ist eine Darstellung eines Elements, umfassend: den Separator 5, der vorstehend beschrieben worden ist, der ingesamt sechs konkave Rillen umfasst, die sich jeweils in der Längsrichtung erstrecken, und der eine rechteckige dünne Plattenform mit einem Querschnitt einer konkav-konvexen Form aufweist, und eine Lippe 4b, die eine rechteckige Form mit einem Querschnitt mit einer konvexen Form aufweist, die in einem Umfangsabschnitt des Separators 5 durch dazwischen Anordnen der Haftmittelschicht 6 angeordnet ist. Das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung wird als die Lippe 4b verwendet. Ein Material zum Bilden des Separators 5 und ein Material zum Bilden der Haftmittelschicht 6 sind mit denjenigen identisch, wie sie vorstehend beschrieben worden sind.
BEISPIELE
Als nächstes werden Beispiele zusammen mit Vergleichsbeispielen beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt, ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen.
Als erstes wurden vor der Durchführung der Beispiele und Vergleichsbeispiele die folgenden Materialien für Kautschukzusammensetzungen bereitgestellt.
[EPDM (Komponente A)]

Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (hergestellt von JSR Corporation, EP342)

[EPM (Komponente A)]

Ethylen-Propylen-Kautschuk mit einem Ethylengehalt von 51 Gew.-% (hergestellt von Mitsui Chemicals, Inc., EPT 0045)

[EBT (Komponente A)]

Ethylen-Buten-Dien-Kautschuk mit einem Ethylengehalt von 50 Gew.-% und einem Diengehalt von 7,6 Gew.-% (hergestellt von Mitsui Chemicals, Inc., K-4030M)

[Ruß]

SEAST 116 hergestellt von Tokai Carbon Co., Ltd.

[Paraffinöl (Komponente D)]

Sunper 110 hergestellt von Japan Sun Oil Company, Ltd.

[PAO (Komponente D)]

Poly-α-olefinverbindung mit einer kinematischen Viskosität bei 100°C von 8 mm²/s (hergestellt von Chevron Phillips Chemical Company, Synfluid PAO 8cSt)

[Kaliumcaprylat (Komponente C)]

Kaliumcaprylat hergestellt von NOF Corporation

[Kaliumlaurat (Komponente C)]

NONSAL LK-2 hergestellt von NOF Corporation

[Kaliumstearat (Komponente C)]

NONSAL SK-1 hergestellt von NOF Corporation

[Kaliumoleat (Komponente C)]

NONSAL OK-2 hergestellt von NOF Corporation

[Kaliumbehenat (Komponente C)]

Kaliumbehenat hergestellt von NOF Corporation

[Natriumstearat (Komponente C)]

NONSAL SN-1 hergestellt von NOF Corporation

[Magnesiumstearat]

Magnesiumstearat hergestellt von NOF Corporation

[Zinkstearat]

Zinkstearat hergestellt von NOF Corporation

[Calciumstearat]

Calciumstearat hergestellt von NOF Corporation

[Peroxid (Komponente B)]

PERHEXA C-40 hergestellt von NOF Corporation

[Beispiele 1 bis 12 und Vergleichsbeispiele 1 bis 7]
(Herstellung eines vulkanisierten Kautschuks für ein Abdichtungselement)
Komponenten, die in den nachstehenden Tabelle 1 bis Tabelle 5 gezeigt sind, wurden in Verhältnissen gemischt, die in den Tabellen gezeigt sind, und unter Verwendung eines Banbury-Mischers und einer offenen Walze geknetet. Auf diese Weise wurde eine Kautschukzusammensetzung hergestellt. Dann wurde die erhaltene Kautschukzusammensetzung dadurch vulkanisiert, dass sie für 10 Minuten bei 160°C gehalten wurde. Auf diese Weise wurde ein vulkanisierter Kautschuk mit einer vorgegebenen Dicke hergestellt.
Die in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltenen vulkanisierten Kautschuke wurden bezüglich verschiedener Eigenschaften auf der Basis der folgenden Standards bewertet. Die Ergebnisse sind auch in den nachstehenden Tabelle 1 bis Tabelle 5 gezeigt.
<Zugfestigkeit>
Die erhaltenen vulkanisierten Kautschuke wurden jeweils verwendet und bezüglich der Zugfestigkeit (TS) in der nachstehend beschriebenen Weise gemessen. Insbesondere wurde ein JIS Nr. 5-Hantelprüfkörper aus dem vulkanisierten Kautschuk ausgestanzt und bezüglich der Zugfestigkeit (MPa) gemäß JIS K 6251 gemessen.
In der Tabelle 1 und der Tabelle 2 ist die Zugfestigkeit jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der Zugfestigkeit des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 1 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 3 die Zugfestigkeit jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der Zugfestigkeit des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 5 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 4 die Zugfestigkeit jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der Zugfestigkeit des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 6 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 5 die Zugfestigkeit jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der Zugfestigkeit des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 7 als Bezugswert (100) angegeben.
D. h., der Index der Zugfestigkeit wurde durch die folgende Gleichung berechnet. Index der Zugfestigkeit = (Zugfestigkeit jedes vulkanisierten Kautschuks (MPa))/(Zugfestigkeit von vulkanisiertem Kautschuk, die als Bezugswert dient (MPa)) × 100
In den nachstehenden Tabelle 1 bis Tabelle 5 wurde ein Fall, bei dem der Index der Zugfestigkeit 90 oder mehr betrug, als „o” bewertet.
<Bruchdehnung>
Die erhaltenen vulkanisierten Kautschuke wurden jeweils verwendet und bezüglich der Bruchdehnung (Eb) in der nachstehend beschriebenen Weise gemessen. Insbesondere wurde ein JIS Nr. 5-Hantelprüfkörper aus dem vulkanisierten Kautschuk ausgestanzt und bezüglich der Bruchdehnung (%) gemäß JIS K 6251 gemessen.
In der Tabelle 1 und der Tabelle 2 ist die Bruchdehnung jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der Bruchdehnung des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 1 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 3 die Bruchdehnung jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der Bruchdehnung des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 5 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 4 die Bruchdehnung jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der Bruchdehnung des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 6 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 5 die Bruchdehnung jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der Bruchdehnung des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 7 als Bezugswert (100) angegeben.
D. h., der Index der Bruchdehnung wurde durch die folgende Gleichung berechnet. Index der Bruchdehnung = (Bruchdehnung jedes vulkanisierten Kautschuks (%))/(Bruchdehnung von vulkanisiertem Kautschuk, die als Bezugswert dient (%)) × 100
In den nachstehenden Tabelle 1 bis Tabelle 5 wurde ein Fall, bei dem der Index der Bruchdehnung 90 oder mehr betrug, als „o” bewertet.
<Bleibende Verformung>
Die erhaltenen vulkanisierten Kautschuke wurden jeweils einem Test bezüglich der bleibenden Verformung bei hoher Temperatur gemäß JIS K 6262 unterzogen. D. h., der vulkanisierte Kautschuk wurde mit einer Kompressionsrate von 25% komprimiert, im komprimierten Zustand für 24 Stunden bei 150°C erwärmt und dann freigegeben. Nach 30 Minuten bei Raumtemperatur (25°C) wurde die Dicke des vulkanisierten Kautschuks gemessen und die bleibende Verformung (%) wurde berechnet.
In der Tabelle 1 und der Tabelle 2 ist die bleibende Verformung jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der bleibenden Verformung des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 1 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 3 die bleibende Verformung jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der bleibenden Verformung des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 5 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 4 die bleibende Verformung jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der bleibenden Verformung des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 6 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 5 die bleibende Verformung jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der bleibenden Verformung des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 7 als Bezugswert (100) angegeben. D. h., der Index der bleibenden Verformung wurde durch die folgende Gleichung berechnet. Index der bleibenden Verformung = (Bleibende Verformung jedes vulkanisierten Kautschuks (%))/(bleibende Verformung von vulkanisiertem Kautschuk, die als Bezugswert dient (%)) × 100
In den nachstehenden Tabelle 1 bis Tabelle 5 wurde ein Fall, bei dem der Index der bleibenden Verformung 110 oder weniger betrug, als „o” bewertet, und ein Fall, bei dem der Index der bleibenden Verformung mehr als 110 betrug, wurde als „x” bewertet.
<Trennkraft>
Eine aus Eisen hergestellte Platte wurde als Ersatz für ein Formwerkzeug vorbereitet und die Kautschukzusammensetzung zur Bildung des vulkanisierten Kautschuks wurde auf der Platte vulkanisiert (160°C × 10 min), so dass eine Probe (vulkanisierter Kautschuk) mit Abmessungen einer Breite von 25 mm mal einer Dicke von 5 mm hergestellt wurde. Dann wurde gemäß JIS K 6256-2 der vulkanisierte Kautschuk zum Ablösen in einem Winkel von 90° in einem Zustand gezogen, bei dem die Platte fixiert war, und die maximale Stärke (N) von dessen Trennkraft wurde gemessen.
In der Tabelle 1 und der Tabelle 2 ist die maximale Stärke der Trennkraft jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der maximalen Stärke der Trennkraft des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 1 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 3 die maximale Stärke der Trennkraft jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der maximalen Stärke der Trennkraft des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 5 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 4 die maximale Stärke der Trennkraft jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der maximalen Stärke der Trennkraft des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 6 als Bezugswert (100) angegeben. Darüber hinaus ist in der Tabelle 5 die maximale Stärke der Trennkraft jedes vulkanisierten Kautschuks als ein Index auf der Basis der maximalen Stärke der Trennkraft des vulkanisierten Kautschuks von Vergleichsbeispiel 7 als Bezugswert (100) angegeben.
D. h., der Index der maximalen Stärke der Trennkraft wurde durch die folgende Gleichung berechnet. Index der Trennkraft = (Maximale Stärke der Trennkraft jedes vulkanisierten Kautschuks (N))/(maximale Stärke der Trennkraft von vulkanisiertem Kautschuk, die als Bezugswert dient (N)) × 100
In den nachstehenden Tabelle 1 bis Tabelle 5 wurde ein Fall, bei dem der Index der Trennkraft weniger als 90 betrug, als „o” bewertet, und ein Fall, bei dem der Index der Trennkraft 90 oder mehr betrug, wurde als „x” bewertet.
<Haftvermögen>
Eine aus Eisen hergestellte Platte wurde als Ersatz für einen Separator vorbereitet und ein Haftvermittler (25 mm × 25 mm quadratisch) wurde auf die Platte aufgebracht und ferner wurde darauf die Kautschukzusammensetzung zur Bildung des vulkanisierten Kautschuks vulkanisiert (160°C × 10 min), so dass eine Probe (vulkanisierter Kautschuk) mit Abmessungen einer Breite von 25 mm mal einer Dicke von 5 mm hergestellt wurde. Dann wurde gemäß JIS K 6256-2 der vulkanisierte Kautschuk zum Ablösen in einem Winkel von 90° in einem Zustand gezogen, bei dem die Platte fixiert war. Dann wurde ein Fall, bei dem der vulkanisierte Kautschuk beim Ablösen zerriss, als „o” bewertet, und ein Fall, bei dem der vulkanisierte Kautschuk und die aus Eisen hergestellte Platte an deren Grenzfläche voneinander abgelöst wurden, wurde als „x” bewertet,
<<Gesamtbewertung>>

Ein Fall, bei dem alle der vorstehend genannten Eigenschaften als „o” bewertet wurden, erhielt eine Gesamtbewertung von „o”, und ein Fall, bei dem mindestens eine der Eigenschaften als „x” bewertet wurde, erhielt eine Gesamtbewertung von „x”. Tabelle 1

Tabelle 2

	(Gewichtsteil(e))
	Vergleichsbeispiel
	1	2	3	4
EPDM	100	100	100	100
EPM	-	-	-	-
EBT	-	-	-	-
Ruß	50	50	50	50
Paraffinöl	15	15	15	15
PAO	-	-	-	-
Kaliumcaprylat		-	-	-
Kaliumlaurat	-	-	-	-
Kaliumstearat	-	-	-	-
Kaliumoleat	-	-	-	-
Kaliumbehenat	-	-	-	-
Natriumstearat	-	-	-	-
Magnesiumstearat	-	3	-	-
Zinkstearat	-	-	3	-
Calciumstearat	-	-	-	3
Peroxid	7	7	7	7
Zugfestigkeit (Index)	100	98	96	91
(Bewertung)	o	o	o	o
Bruchdehnung (Index)	100	105	115	100
(Bewertung)	o	o	o	o
Bleibende Verformung (Index)	100	108	116	120
(Bewertung)	o	o	x	x
Trennkraft (Index)	100	98	225	110
(Bewertung)	x	x	x	x
Haftvermögen (Index)	o	x	o	o
Gesamtbewertung	x	x	x	x

Tabelle 3

	(Gewichtsteil(e))
	Beispiel	Vergleichsbeispiel
	10	5
EPDM	100	100
EPM	-	-
EBT	-	-
Ruß	50	50
Paraffinöl	-	-
PAO	15	15
Kaliumcaprylat	-	-
Kaliumlaurat	-	-
Kaliumstearat	3	-
Kaliumoleat	-	-
Kaliumbehenat	-	-
Natriumstearat	-	-
Magnesiumstearat	-	-
Zinkstearat	-	-
Calciumstearat	-	-
Peroxid	7	7
Zugfestigkeit (Index)	96	100
(Bewertung)	o	o
Bruchdehnung (Index)	105	100
(Bewertung)	o	o
Bleibende Verformung (Index)	104	100
(Bewertung)	o	o
Trennkraft (Index)	18	100
(Bewertung)	o	x
Haftvermögen (Index)	o	o
Gesamtbewertung	o	x

Tabelle 4

	(Gewichtsteil(e))
	Beispiel	Vergleichsbeispiel
	11	6
EPDM	-	-
EPM	100	100
EBT	-	-
Ruß	50	50
Paraffinöl	15	15
PAO	-	-
Kaliumcaprylat	-	-
Kaliumlaurat	-	-
Kaliumstearat	3	-
Kaliumoleat	-	-
Kaliumbehenat	-	-
Natriumstearat	-	-
Magnesiumstearat	-	-
Zinkstearat	-	-
Calciumstearat	-	-
Peroxid	7	7
Zugfestigkeit (Index)	100	100
(Bewertung)	o	o
Bruchdehnung (Index)	105	100
(Bewertung)	o	o
Bleibende Verformung (Index)	104	100
(Bewertung)	o	o
Trennkraft (Index)	22	100
(Bewertung)	o	x
Haftvermögen (Index)	o	o
Gesamtbewertung	o	x

Tabelle 5

	(Gewichtsteil(e))
	Beispiel	Vergleichsbeispiel
	12	7
EPDM	-	-
EPM	-	-
EBT	100	100
Ruß	50	50
Paraffinöl	15	15
PAO	-	-
Kaliumcaprylat	-	-
Kaliumlaurat	-	-
Kaliumstearat	3	-
Kaliumoleat	-	-
Kaliumbehenat	-	-
Natriumstearat	-	-
Magnesiumstearat	-	-
Zinkstearat	-	-
Calciumstearat	-	-
Peroxid	7	7
Zugfestigkeit (Index)	98	100
(Bewertung)	o	o
Bruchdehnung (Index)	105	100
(Bewertung)	o	o
Bleibende Verformung (Index)	108	100
(Bewertung)	o	o
Trennkraft (Index)	25	100
(Bewertung)	o	o
Haftvermögen (Index)	o	o
Gesamtbewertung	o	x

Wie es aus den Ergebnissen ersichtlich ist, die in der Tabelle 1 und der Tabelle 2 gezeigt sind, nutzt jeder der vulkanisierten Kautschuke (Abdichtungselemente) der Beispiele EPDM als Polymer, ist mit einem Peroxid (organisches Peroxid) vernetzt und enthält ferner ein Fettsäure-Kalium oder ein Fettsäure-Natrium in dessen Material. Demgemäß ist jeder dieser vulkanisierten Kautschuke in Bezug auf die bleibende Verformung (Setzbeständigkeit) zufrieden stellend, während die mechanischen Eigenschaften (TS und Eb) aufrechterhalten werden, und weist darüber hinaus eine geringe Trennkraft auf und kann somit das Problem der Formwerkzeugtrennbarkeit beseitigen. Ferner ist auch das Haftvermögen zufrieden stellend, wenn der Haftvermittler verwendet wird.
Im Gegensatz dazu nutzt der vulkanisierte Kautschuk (Abdichtungselement) des Vergleichsbeispiels 1 EPDM als Polymer und ist mit einem Peroxid (organisches Peroxid) vernetzt, enthält jedoch kein Fettsäure-Kalium oder Fettsäure-Natrium in dessen Material und weist eine große Trennkraft auf. Demgemäß trat ein Problem bei der Formwerkzeugtrennbarkeit auf.
Jeder der vulkanisierten Kautschuke (Abdichtungselemente) der Vergleichsbeispiele 2 bis 4 nutzt ebenfalls EPDM als Polymer und ist mit einem Peroxid (organisches Peroxid) vernetzt, enthält jedoch Magnesiumstearat, Zinkstearat, Calciumstearat oder dergleichen anstelle eines Fettsäure-Kaliums oder eines Fettsäure-Natriums in dessen Material. Darüber hinaus trat in jedem dieser Fälle das Problem bei der Formwerkzeugtrennbarkeit aufgrund einer großen Trennkraft auf. Darüber hinaus wurde im Vergleichsbeispiel 2 aufgrund eines Ausblutens von Magnesiumstearat ein zufrieden stellendes Haftvermögen selbst dann nicht erhalten, wenn der Haftvermittler verwendet wurde. In jedem der Vergleichsbeispiele 3 und 4 war das Ergebnis der Bewertung der bleibenden Verformung (Setzbeständigkeit) ebenfalls schlecht.
Wie es aus den in der Tabelle 3 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, wurden selbst in dem Fall der Verwendung des PAO anstelle des Paraffinöls als Öl, das als die Komponente (D) dient, Bewertungsergebnisse auf im Wesentlichen den gleichen Niveaus wie denjenigen erhalten, wie sie in der Tabelle 1 und der Tabelle 2 gezeigt sind.
Darüber hinaus wurden, wie es aus den in der Tabelle 4 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, selbst in dem Fall der Verwendung des EPM anstelle des EPDM in der Kautschukzusammensetzung, die als das Material zur Bildung des Abdichtungselements dient, Bewertungsergebnisse auf im Wesentlichen den gleichen Niveaus wie denjenigen erhalten, wie sie in der Tabelle 1 und der Tabelle 2 gezeigt sind.
Darüber hinaus wurden, wie es aus den in der Tabelle 5 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, selbst in dem Fall der Verwendung des Ethylen-Buten-Dien-Kautschuks anstelle des EPDM in der Kautschukzusammensetzung, die als das Material zur Bildung des Abdichtungselements dient, Bewertungsergebnisse auf im Wesentlichen den gleichen Niveaus wie denjenigen erhalten, wie sie in der Tabelle 1 und der Tabelle 2 gezeigt sind.
Das Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Offenbarung wird in einem abgedichteten Körper der Brennstoffzelle als ein Kautschuk-Abdichtungselement zum Abdichten eines Aufbauelements einer Brennstoffzelle, wie z. B. eines Metallseparators, verwendet, wobei der abgedichtete Körper der Brennstoffzelle das Aufbauelement und das Abdichtungselement umfasst, die mittels einer dazwischen angeordneten Haftmittelschicht aneinander gebunden sind, oder die Abdichtungselemente umfasst, die mittels einer dazwischen angeordneten Haftmittelschicht aneinander gebunden sind.
Obwohl spezifische Formen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben worden sind und in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, so dass sie klarer verständlich sind, ist die vorstehende Beschreibung lediglich beispielhaft angegeben und soll den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken. Es ist vorgesehen, dass verschiedene Modifizierungen, die dem Fachmann geläufig sind, durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2009-94056 A [0004]
JP 2010-146781 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS K 2283 [0034]
JIS Nr. 5 [0064]
JIS K 6251 [0064]
JIS Nr. 5 [0068]
JIS K 6251 [0068]
JIS K 6262 [0072]
JIS K 6256-2 [0075]
JIS K 6256-2 [0079]

Claims

Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle, umfassend: ein vernetztes Produkt einer Kautschukzusammensetzung, welche die folgenden Komponenten (A) bis (C) umfasst: (A) mindestens eine Kautschukkomponente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Ethylen-Propylen-Kautschuk, einem Ethylen-Propylen-Dien-Kauschuk und einem Ethylen-Buten-Dien-Kautschuk, (B) ein Vernetzungsmittel, das ein organisches Peroxid umfasst, und (C) mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Fettsäure-Kalium und einem Fettsäure-Natrium.
Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei dem die Komponente (C) nur das Fettsäure-Kalium ist.
Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kautschukzusammensetzung einen Gehalt der Komponente (C) innerhalb eines Bereichs von 0,5 Gewichtsteilen bis 10 Gewichtsteilen in Bezug auf 100 Gewichtsteile der Kautschukkomponente (A) aufweist.
Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kautschukkomponente (A) einen Ethylengehalt von 60 Gew.-% oder weniger aufweist.
Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Vernetzungsmittel (B) mindestens ein Vernetzungsmittel umfasst, das aus der Gruppe, bestehend aus einem Peroxyketal, einem Peroxyester, einem Diacylperoxid, einem Peroxydicarbonat, einem Dialkylperoxid und einem Hydroperoxid, ausgewählt ist.
Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das mindestens eine, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus dem Fettsäure-Kalium und dem Fettsäure-Natrium (C), eine Anzahl von Kohlenstoffatomen aufweist, die in einem Bereich von 8 bis 22 liegt.
Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Fettsäure-Kalium mindestens eines umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kaliumcaprylat, Kaliumcaprat, Kaliumlaurat, Kaliummyristat, Kaliumpalmitat, Kaliumstearat, Kaliumoleat und Kaliumbehenat.
Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Fettsäure-Natrium mindestens eines umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Natriumcaprylat, Natriumcaprat, Natriumlaurat, Natriummyristat, Natriumpalmitat, Natriumstearat, Natriumoleat und Natriumbehenat.
Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Kautschukzusammensetzung ferner die folgende Komponente (D) umfasst: (D) mindestens eines von einem Paraffinöl oder einer Poly-α-olefinverbindung.
Abdichtungselement für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 9, bei dem die Poly-α-olefinverbindung eine kinematische Viskosität bei 100°C von 8 mm²/s oder weniger aufweist.