JP2004507062A

JP2004507062A - Insulating and sealing compositions

Info

Publication number: JP2004507062A
Application number: JP2002521384A
Authority: JP
Inventors: ボウルト，ブレント，アール
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2004-03-04
Also published as: KR20030024905A; WO2002017421A3; EP1312126A2; AU2001285128A1; MXPA03001375A; WO2002017421A2; CA2420449A1

Abstract

対合する部品の間の表面を密封し、かつ絶縁する組成物および方法を開示している。開示している方法は、燃料電池プレートを絶縁し、かつ密封するのに使用することができ、燃料電池プレートの少なくとも１つの表面に塗膜前駆体を塗布すること、ならびに放射線への露光により塗膜前駆体を硬化させることを含む。開示している塗膜前駆体は、アクリレーテッドオリゴマーおよび光開始剤を含有する塗膜前駆体を含み、それらの塗膜前駆体は、紫外または電子ビーム放射線に応答して重合することができる。開示している塗膜前駆体は、例えばスクリーン印刷により、迅速に、かつ正確に燃料電池プレートに塗布することができるので、開示している方法および塗膜前駆体は、燃料電池プレートを絶縁し、かつ密封する従来の方法および設計に優る確実な利点を提供する。Disclosed are compositions and methods for sealing and insulating surfaces between mating components. The disclosed method can be used to insulate and seal a fuel cell plate, applying a coating precursor to at least one surface of the fuel cell plate, and applying the coating precursor by exposure to radiation. Curing the film precursor. The disclosed coating precursors include coating precursors containing an acrylated oligomer and a photoinitiator, which coating precursors can polymerize in response to ultraviolet or electron beam radiation. . The disclosed methods and coating precursors insulate the fuel cell plate because the disclosed coating precursor can be quickly and accurately applied to the fuel cell plate, for example, by screen printing. And provides certain advantages over conventional methods and designs of sealing.

Description

【０００１】
（発明の背景）
発明の分野
本発明は、表面を絶縁し、かつ密封するための反応性塗膜組成物に関する。
【０００２】
考察
ある製造された物品に対して、対合した部品表面間を密封し、かつ絶縁するため、層状の塗膜が塗布されている。近年では、そのような使用目的で急速硬化する塗膜媒質の必要性は、ますます競争が激化する製造スケジュールに対応するために比較的短い硬化時間を実現する紫外線硬化可能な塗膜の使用によって幾分充足されている。このような塗膜は、熱交換器、電気変圧器部品、エンジンガスケットなどの、対合した表面間を絶縁し、かつ密封する媒質を提供するために使用されている。他の領域では、進歩は遅々としている。１つのこのような領域が、燃料電池製造である。
【０００３】
燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーおよび熱に変換する装置である。その最も単純な形態において、燃料電池は、電解質で隔てられた２つの電極−陽極および陰極−を備えている。動作中には、ガス分配系が陽極および陰極に、それぞれ燃料および酸化剤を供給する。典型的には、燃料電池は酸化剤として空気中の酸素を、また燃料として水素ガス（炭化水素の改質により生成するＨ_２を含む）を使用する。他の実施可能な燃料には、改質ガソリン、メタノール、エタノール、および圧縮天然ガスなどが含まれる。燃料は陽極で酸化され、陽子および電子を生成する。陽子は、電解質を通って陰極まで拡散し、陰極で酸素および電子と結合して水および熱を生成する。電解質が電子流に対する障壁として作用するので、電子は陽極から陰極まで、燃料電池により発生した電力を消費するモータまたは他の電気的負荷を含む外部回路を経由して移動する。
【０００４】
現在、少なくとも５つの異なった燃料電池技術が存在し、それぞれ異なった電解質に基づいている。１つの種類の燃料電池は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池として知られており、その比較的低い動作温度（約６０℃から約１００℃）とその迅速な立ち上りのため、移動体発電（輸送機関用）向けに適切と思われる。ＰＥＭ燃料電池は、典型的にはポリペルフルオロスルホン酸である、固体有機ポリマーからなる電解質を使用する。他の燃料電池技術では、固体酸化ジルコニウムおよびイットリウム（固体酸化物燃料電池）、または液体電解質で飽和された固体マトリックス、から構成される電解質を含む。液体電解質には、水性水酸化カリウム（アルカリ燃料電池）、リン酸（リン酸燃料電池）、ならびに、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、および／または炭酸カリウムの混合物（溶融炭酸塩燃料電池）が含まれる。リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）は、ＰＥＭ燃料電池よりも高い温度で動作するが（約１７５℃から約２００℃）、ＰＡＦＣもまた、そのより高い効率、および燃料として低純度水素ガスを使用するその性能のため、車両向けに用途を見出している。
【０００５】
典型的なＰＥＭ燃料電池のコアは、３層の膜電解質アセンブリ（ＭＥＡ）である。ＭＥＡは、ポリマー電解質のシートから構成され、そのシートは厚さ約５０μから約１７５μであり、比較的薄い多孔質の電極（陽極および陰極）の間にはさまれている。それぞれの電極は通常、白金粒子に結合した多孔質の炭素からなり、白金粒子が、陽極における水素分子の陽子および電子への解離、ならびに陰極における酸素の水への還元に、触媒作用を及ぼす。両電極は多孔質であり、したがってガス（燃料および酸化剤）は触媒と接触できる。さらに、白金および炭素は、電子をよく伝導し、それにより電極全体にわたって電子は自由に移動する。
【０００６】
個々の燃料電池には一般に、裏当て層が含まれ、それらの裏当て層はＭＥＡの陽極層および陰極層の外側表面に対置してある。裏当て層により、電子は自由に電極層に入り、また電極層から出ることができ、したがって裏当て層はしばしば導電性の、通常は厚さ約１００μから約３００μの、カーボン紙またはカーボン布製である。裏当て層は多孔質なので、燃料ガスおよび酸化剤を、陽極層および陰極層中に、それぞれ均等に拡散させることができる。裏当て層はまた、燃料および酸化剤とともにＭＥＡに入る水蒸気量を調節することにより、また陰極で生成する液体水を燃料電池の外に導くことにより、水処理を助けている。
【０００７】
完成した燃料電池には、裏当て層の外側表面に押し付けてある１対のプレートが含まれる。機械的支持を提供するほかに、プレートは燃料電池内の流体の流動経路を画定し、また化学反応物の酸化および還元により発生する電流を集める。プレートはガス不透過性であり、裏当て層に面する一方の表面または両表面上に形成される導路（チャネル）または溝を有する。このチャネルにより、燃料電池に入り、また燃料電池から出る、燃料、酸化剤、水、およびなんらかの冷却剤または伝熱流体を含む、流体（ガスおよび液体）が分配される。下記において考察するように、それぞれのプレートはまた、プレートを通って伸びる１つまたは複数のすき間を有することもでき、それらのすき間によって、燃料、酸化剤、水、冷却剤、およびなんらかの他の流体は、一連の燃料電池全体にわたり分配される。それぞれのプレートは、グラファイト、アルミニウム、または他の金属、および、熱硬化性もしくは熱可塑性ポリマーマトリックス中に埋め込んだグラファイト粒子などの複合材料を含む、電子を伝導する材料製である。
【０００８】
大抵の用途について、個々の燃料電池は直列に接続され、または「積み重ねられ」て、燃料電池アセンブリを形成する。単一の燃料電池は典型的には、約１ボルト以下の電気的ポテンシャルを発生することができる。大抵の用途では遥かに高い電圧を必要とする（例えば、従来の電気モータは通常、約２００Ｖから約３００Ｖの範囲にある電圧で動作する）ので、個々の燃料電池を、直列に積み重ねて所要の電圧を達成する。燃料電池アセンブリの体積および質量を低減させるため、積み重ねたものの中で、単一のプレートにより、隣り合う燃料電池を分離している。このようなプレートは、バイポーラプレートとして知られるが、両方の主表面上に形成された流体流動チャネルを有し、プレートの一方の側で燃料を通すことができ、また他方の側で酸化剤を通すことができる。
【０００９】
特定の燃料電池内を流れる流体と、隣り合う燃料電池間を流れる流体とを分離しておかなければならないので、従来の燃料電池アセンブリでは、隣り合う燃料電池プレート間に配置した弾性ｏリング、または平面インサートを用いて、流動チャネル、およびすき間を密封している。さらに、従来の燃料電池アセンブリはまた、隣り合うプレート間に電気絶縁シートをも提供して、個々の燃料電池が短絡するのを防止している。このような密封体および絶縁体は、一般に満足されるものであるが、それらは、確実な欠点を有する。例えば、自立式のｏリングおよび平面インサートは、チャネル、およびすき間と注意深く心合わせして、適正な密封および絶縁を確保しなければならないが、それには時間を消費する。平面インサートの非標準的な大きさおよび形状のため、燃料電池アセンブリに使用される平面インサートは典型的には、射出成形、圧縮成形、またはトランスファ成形により製作されるが、それには高価な特別の工具を要する。その上、ｏリングおよび平面インサートを製作するのに使用する弾性材料の多くは、より高温で動作し、または炭化水素系伝熱流体および冷却剤を用いる燃料電池を適切に密封する、所要の耐薬品性および低モジュラスを有していない。
【００１０】
本発明は、１つまたは複数の上述の問題を克服する、または少なくとも緩和する助けとなるものである。
【００１１】
（発明の概要）
本発明は、２つ以上の燃料電池プレートから構成される燃料電池アセンブリを密封し、かつ絶縁する方法を提供する。この方法は、第１の表面および第２の表面を有する燃料電池プレートを提供すること、ならびに燃料電池プレートの少なくとも第１の表面上に塗膜前駆体を塗布することを含む。塗膜前駆体は、放射線に応答して重合する（硬化する）ことが可能なので、この方法はまた、燃料電池プレート上の塗膜前駆体を放射線に露光させて、重合を開始させることをも含む。有用な塗膜前駆体は、紫外線に応答して重合することができる塗膜前駆体を含む。このような塗膜前駆体は、アクリレーテッドオリゴマーおよび光開始剤を含有する塗膜前駆体を含む。
【００１２】
本発明はまた、第１の表面および第２の表面を有するプレートと、そのプレートの第１の表面および第２の表面の少なくとも１つに塗布した塗膜前駆体とから構成される、絶縁された燃料電池プレートをも提供する。この塗膜前駆体は一般に、アクリレーテッド脂肪族ウレタンオリゴマー、アクリレーテッドエポキシオリゴマー、塗膜前駆体の粘性を低下させるための単官能性モノマー、架橋密度を増加させるための多官能性モノマー、付着性増進剤、および光開始剤から構成されるアクリレート樹脂である。
【００１３】
さらに、本発明は、紫外線または電子ビームにより硬化可能な塗膜前駆体を提供する。この塗膜前駆体は、アクリレーテッド脂肪族ウレタンオリゴマー、アクリレーテッドエポキシオリゴマー、単官能性モノマー、多官能性モノマー、付着性増進剤、および光開始剤を含む。特定の有用な塗膜前駆体は、約２５重量％から約６５重量％のアクリレーテッド脂肪族ウレタンオリゴマー、約５重量％から約２０重量％のアクリレーテッドエポキシオリゴマー、約２０重量％から約４０重量％の単官能性モノマー、約１重量％から約５重量％の多官能性モノマー、約１重量％から約１５重量％の付着性増進剤、および約０．１重量％から約１０重量％の光開始剤を含む。
【００１４】
本発明は、燃料電池プレートおよび燃料電池アセンブリを絶縁し、かつ密封する従来の方法および設計に優る確実な利点を提供する。例えば、ｏリングおよび成形したインサートと異なり、開示している塗膜前駆体は、迅速に、かつ正確に燃料電池プレートに塗布することができ（例えば、スクリーン印刷により）、その結果コストの節約が得られる。その上、多くの従来の弾性材料とは異なり、開示した塗膜前駆体の多くは、硬化すると直ぐに、良好な耐薬品性を優れた機械的性質と結びつけている。
【００１５】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明は、製造された部品の対合した表面を絶縁し、かつ密封するための組成物に関する。内燃機関に使用する、燃料電池アセンブリおよび自動車ガスケットを含む、多くの異なった製品において、電気的絶縁体および熱的絶縁体としてこの塗膜を使用することができる。ＰＥＭ燃料電池アセンブリに関連して記述されてはいるが、この開示された塗膜前駆体は、アルカリ燃料電池およびリン酸燃料電池を含むが、それらに限定されない、他の種類の燃料電池を密封し、かつ絶縁するのに使用することができる。
【００１６】
図１は、代表的な燃料電池アセンブリ１００の、分解横断面図（一定の縮尺ではない）を示す。燃料電池アセンブリ１００は、所望の電圧によって燃料電池１０２の数は異なるが、６つの別個の燃料電池１０２を積み重ねたものを含む。それぞれの燃料電池１０２は、１組のバイポーラプレート１０６に、または単一のバイポーラプレート１０６とエンドプレート１０８とにはさまれた多層活性部分１０４を含む。それぞれの活性部分１０４は、１対の裏当て層１１２の間に配置された膜電解質アセンブリ（ＭＥＡ）１１０を含む。ＭＥＡ１１０は、陽極１１６と陰極１１８との間にはさまれた高分子電解質膜（ＰＥＭ）１１４を含む。
【００１７】
図２は、バイポーラプレート１０６のうちの１つについての平面図を示し、図１とともに、燃料電池アセンブリ１００内における流体流動経路を例示する。図１に示す、それぞれのプレート１０６、１０８は、プレート１０６、１０８の第１の主表面１２２と、第２の主表面１２４との間に広がるすき間１２０を有する。プレート１０６、１０８を積み重ねて、燃料電池アセンブリ１００を生産する場合、隣り合うプレート１０６、１０８のすき間１２０が整列し、燃料電池アセンブリ１００全体に広がる空洞（図示されない）を形成する。いくつかの空洞により、個々の燃料電池１０２に流体（燃料、酸化剤）が送られ、または個々の燃料電池１０２の間の冷却区域１２６に流体（冷却剤、伝熱流体）が送られる。他の空洞は、流体（反応生成物、冷却剤、伝熱流体）の収集領域としての役割を果たす。動作中、燃料、酸化剤、冷却剤、および反応生成物は、エンドプレート１０８上にある流体接続部１２８を通って空洞に入り、また空洞から出る。上記のように、プレート１０６、１０８はまた、第１の表面１２２、および第２の表面１２４のいずれか一方または両方上に形成される溝またはチャネル１３０をも有し、それらにより反応物または伝熱流体が、それぞれの燃料電池１０２の、活性部分１０４および冷却区域１２６にわたって、均一に分配される。
【００１８】
図１および図２において見ることができるように、プレート１０６、１０８は、プレート１０６、１０８の主表面１２２，１２４のいずれか一方または両方の上に塗布されている弾性塗膜１３２を含む。上記のように、塗膜１３２によって、燃料電池アセンブリ１００の動作中における異種の流体流れの混合が防止され、また隣り合うプレート１０６、１０８間の電気伝導が防止される。さらに、塗膜１３２は、種々の種類の燃料電池において使用される伝熱流体および電解質に対して耐薬品性があり、燃料電池の化学作用を実質的に妨害せず、動作温度において熱的に安定であり、かつプレート１０６、１０８への良好な付着性を示す。塗膜１３２の厚さおよび機械的性質は、それぞれの燃料電池１０２の、プレート１０６、１０８および活性部分１０４の寸法および性状によって決まるであろう。しかし、典型的には、塗膜１３２は、厚さ約５０μから２５０μであり、約５００ｐｓｉを超える引張り強さ、約１００パーセントを超える伸び、および約４５と約８５の間にあるショアＡ硬さを有する。
【００１９】
流体の状態でプレート１０６、１０８に塗布し、次いでその場所で固体化させる塗膜１３２は、その後重合し、かつ／または架橋する、１つまたは複数の反応性塗膜前駆体のブレンドを含む。ここで、「反応性」とは、塗膜１３２の成分が、互いに反応して、またはそれ自体反応して硬化（固体化）することを意味する。このような材料は、熱硬化性樹脂ともいう。使用する反応性成分の種類によって、塗膜１３２は、酸化性硬化、水分硬化、熱的硬化、高エネルギー放射線硬化（例えば、紫外線硬化、電子ビーム硬化）、縮合および付加重合などの、任意の数の機構を用い、架橋させ、かつ／または重合させることができる。
【００２０】
有用な反応性前駆体には、アクリレーテッドウレタン、ビニルアクリレート、アクリレーテッドエポキシ、アクリレーテッドポリエステル、アクリレーテッドアクリル樹脂、アクリレーテッドポリエーテル、アクリレーテッドオレフィン、アクリレーテッドオイル、およびアクリレーテッドシリコーンなどのアクリレート樹脂が含まれるが、これらに限定されない。これらの反応性前駆体は、上述の機構を用いて、典型的には４５分未満で硬化させることができる。約３０秒間未満、好ましくは約５秒間未満、の使用を要する、放射線の急速な作用形態が、特に有用である。有用な放射線の形態には、紫外（ＵＶ）線、赤外線、マイクロ波放射線、および電子ビーム放射線が含まれる。特定の硬化機構によって、塗膜１３２前駆体は、硬化を開始し、かつ／または促進する触媒、開始剤、または硬化剤を含むことができる。本開示において、「樹脂」または「樹脂系」とは、モノマー、オリゴマー、ポリマー、またはそれらを組み合わせたものを含む多分散系をいうことに注目されたい。
【００２１】
塗膜前駆体を高エネルギー放射線に露光させることは、塗膜前駆体の反応性成分を重合させる特定の有用な方法を示し、燃料電池塗膜１３２のために、熱的硬化した反応性塗膜前駆体に優るさらなる利点を提供する。例えば、放射線硬化させた塗膜前駆体は、熱硬化反応性塗膜前駆体よりもはるかに低温（例えば周囲温度）で架橋させることができる。これは、熱硬化塗膜に関連する温度で反る恐れがあるグラファイト複合燃料電池プレートを使用する場合に、利点となる。放射線硬化は、少なくとも２つの機構により進行させることができる。第１の機構において、放射線は、不飽和材料の重合を開始する高度に反応性の化学種（フリーラジカル）の、急速な、かつ制御された生成をもたらす。第２の機構において、放射線（ＵＶ／電子ビーム）は、ある種のカチオン光開始剤を活性化し、カチオン光開始剤が分解して酸触媒を生成し、酸触媒が架橋反応を伝播させる。
【００２２】
アクリレート樹脂
高エネルギー放射線（紫外線、電子ビームなど）を用い硬化させることができる反応性前駆体の例は、アクリレート樹脂を含むが、アクリレート樹脂に限定されない。これらの反応性前駆体には、アクリレートおよびメタクリレートが含まれ、モノマーまたは、種々の分子量（例えば、重量平均分子量１００〜２０００）のオリゴマー（すなわち、典型的には２〜１００モノマー単位、またしばしば２〜２０モノマー単位、を含有する、中程度に低い分子量のポリマー）とすることができる。有用な反応性塗膜前駆体には、アクリレーテッドウレタン、アクリレーテッドエポキシ、アクリレーテッドオレフィン、およびそれらの混合物が含まれるが、それらに限定されない。アクリレート樹脂は典型的には、塗膜前駆体の約３０重量％から約８０重量％を構成し、また好ましくは塗膜前駆体の約４５重量％から約６０重量％を構成する。
【００２３】
アクリレーテッドウレタンは、ヒドロキシ末端ＮＣＯ伸張ポリエステルまたはポリエーテルのジアクリレートエステルである。アクリレーテッド脂肪族ウレタンが、伝熱流体および電解質による侵食をより受け難いので、かつ、より良好な機械的性質（引張り、伸び、硬さ）をもたらすと思われるので、一般に燃料電池の用途において有用であるが、アクリレーテッドウレタンは脂肪族または芳香族とすることができる。アクリレーテッドウレタンは、硬化塗膜の「主鎖」を提供し、したがって、高過ぎる濃度により、不十分な耐熱および耐薬品性を示す受け入れ難い軟質の塗膜を生じる恐れがあるが、通常は最高濃度で存在する。アクリレーテッドウレタンは、典型的には、塗膜前駆体の約２５重量％から約６５重量％を構成し、また好ましくは塗膜前駆体の約４０重量％から約４７重量％を構成する。有用なアクリレーテッドウレタンの例には、Ｈｅｎｋｅｌ　Ｃｏｒｐ．から商標名ＰＨＯＴＯＭＥＲ（例えばＰＨＯＴＯＭＥＲ　６０１０）のもとに、またＵＣＢ　Ｒａｄｃｕｒｅ　Ｉｎｃ．から商標名ＥＢＥＣＲＹＬ（例えばＥＢＥＣＲＹＬ　２２０、２８４、４８２７、４８３０、６６０２、８４００および８４０２）、ＲＸＯ（例えばＲＸＯ　１３３６）、およびＲＳＸ（例えばＲＳＸ　３６０４、８９３５９、９２５７６）のもとに市販されているものが含まれる。他の有用なアクリレーテッドウレタンは、Ｓａｒｔｏｍｅｒ　Ｃｏ．から商標名ＳＡＲＴＯＭＥＲ（例えばＳＡＲＴＯＭＥＲ　９６３５、９６４５、９６５５、９６３−Ｂ８０および９６６−Ａ８０）のもとに、またＭｏｒｔｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌから商標名ＵＶＩＴＨＡＮＥ（例えばＵＶＩＴＨＡＮＥ　７８２）のもとに市販されている。
【００２４】
アクリレーテッドエポキシは、ビスフェノールＡエポキシ樹脂のジアクリレートエステルなどの、エポキシ樹脂のジアクリレートエステルであり、ペンダント型のニトリル部分を有するエポキシ樹脂を含む。アクリレーテッドエポキシ樹脂は一般に、燃料電池塗膜１３２の熱的安定性および耐薬品性を改良し、またその引張り強さを増加させる。しかし、過剰量のアクリレーテッドエポキシを含むことにより、プレート１０６、１０８への塗膜の付着性を劣化させる恐れがあり、またその密封性能に悪影響を及ぼす恐れもある。アクリレーテッドエポキシは、典型的には、塗膜前駆体の約５重量％から約２０重量％を構成し、また好ましくは塗膜前駆体の約８重量％から約１３重量％を構成する。有用なアクリレーテッドエポキシの例には、ＵＣＢ　Ｒａｄｃｕｒｅ　Ｉｎｃ．からＥＢＥＣＲＹＬおよびＲＸＯの商標名（例えばＥＢＥＣＲＹＬ　６００、６２９、８６０、および３７０８、ＲＸＯ　２０３４）のもとに、またＨｅｎｋｅｌ　Ｃｏｒｐ．からＰＨＯＴＯＭＥＲの商標名（例えばＰＨＯＴＯＭＥＲ　３０１６、３０３８および３０７１）のもとに市販されているものが含まれる。
【００２５】
アクリレーテッドアクリル樹脂は、その後の反応のためにフリーラジカルを形成することが可能な、反応性のペンダント型または末端アクリル酸基を有するアクリルオリゴマーまたはポリマーであり、ペンダント型ニトリル部分を有するアクリル樹脂が含まれる。アクリレーテッドエポキシと同様に、アクリレーテッドアクリル樹脂（特にペンダント型ニトリル基を有するもの）は、一般に、燃料電池塗膜１３２の熱的安定性を改良し、またその引張り強さを増加させる。アクリレーテッドアクリル樹脂は、典型的には、塗膜前駆体の約０重量％から約２５重量％を構成することができ、また好ましくは塗膜前駆体の約０重量％から約１３重量％を構成する。有用なアクリレーテッドアクリル樹脂の例には、ＵＣＢ　ＲａｄｃｕｒｅからＥＢＥＣＲＹＬの商標名（例えばＥＢＥＣＲＹＬ　７４５、７５４、７６７、１７０１、および１７５５）のもとに、Ｓａｒｔｏｍｅｒ　Ｃｏ．から商標表示ＮＴＸ４８８７（フルオロ変性アクリルオリゴマー）のもとに、またＢ．Ｆ．Ｇｏｏｄｒｉｃｈから商標名ＨＹＣＡＲ（例えばＨＹＣＡＲ　１３０Ｘ４３）のもとに市販されているものが含まれる。
【００２６】
同様に、アクリレーテッドオレフィンは、架橋または鎖伸張のためにフリーラジカルを形成することが可能な、反応性のペンダント型または末端アクリル酸基を有する不飽和オリゴマーまたはポリマー材料である。アクリレーテッドエポキシおよびアクリレーテッドアクリル樹脂と同様に、アクリレーテッドオレフィンは、一般に、燃料電池塗膜１３２の熱的安定性を改良し、またその引張り強さを増加させる。アクリレーテッドオレフィンは、典型的には、塗膜前駆体の約０重量％から約２０重量％を構成することができ、また好ましくは塗膜前駆体の約０重量％から約１３重量％を構成する。有用なアクリレーテッドオレフィンの例にはポリブタジエンアクリルオリゴマーが含まれ、それらは、Ｓａｒｔｏｍｅｒ　Ｃｏ．から商標名ＳＡＲＴＯＭＥＲ　ＣＮ３０２のもとに、またＲｉｃｏｎ．Ｒｅｓｉｎｓから商標名ＦＸ９００５のもとに市販されている。
【００２７】
反応性前駆体は普通、粘性を制御するため、架橋密度を増加させるため、かつ付着性を増進するため反応性希釈剤を含む。反応性希釈剤は、少なくとも１つの単官能性または多官能性モノマーを含む。ここで、「単官能性」とは、１つの炭素−炭素二重結合を含む化合物をいい、多官能性とは２つ以上の炭素−炭素二重結合、または、架橋することができる他の化学的に反応性の基を含む化合物をいう。反応性希釈剤は、モノマーがエチレン結合として不飽和である限り、ｎ−ビニルピロリドン、リモネン、およびリモネンオキシドなどの非アクリレートも使用することができるが、一般にアクリレートモノマーである。単官能性モノマーは、塗膜の性状を実質的に劣化させることなく、塗膜前駆体の粘性を低下させる。適正な比率で使用すると、単官能性モノマーは同様に、いくつかの場合に、バルクとしての機械的性質（付着性、引張り強さ、伸び）を改良することができる。単官能性モノマーは、典型的には、塗膜前駆体の約２０重量％から約４０重量％を構成し、また好ましくは塗膜前駆体の約２５重量％から約３５重量％を構成する。有用な単官能性モノマーの例には、アクリル酸エチル、メタクリル酸メチル、アクリル酸イソオクチル、オキシエチレーテッドフェノールアクリレート、アクリル酸２−エチルヘキシル、アクリル酸２−フェノキシエチル、アクリル酸２−（エトキシエトキシ）エチル、エチレングリコールメタクリレート、アクリル酸テトラヒドロキシフルフリル、アクリル酸カプロラクトン、およびメトキシトリプロピレングリコールモノアクリレートが含まれるが、それらに限定されない。特に有用な単官能性モノマーには、アクリル酸イソボルニルモノマーおよびアクリル酸オクチルデシルモノマーが含まれ、それらは、ＵＣＢ　Ｒａｄｃｕｒｅから、それぞれ商標名ＩＢＯＡおよびＯＤＡのもとに、入手可能である。
【００２８】
単官能性モノマーのように、多官能性モノマーは塗膜前駆体の粘性を低下させるが、また硬化速度を速め、かつ架橋密度を増加させ、それにより耐薬品性が増加し、かつ引張り強さが増進するが、一方伸びは低下する。多官能性モノマーは架橋密度を増加させるので、単官能性モノマーよりも低濃度において有用であり、典型的には、塗膜前駆体の約１重量％から約５重量％を構成し、また好ましくは塗膜前駆体の約２重量％から約４重量％を構成する。有用な多官能性モノマーの例には、トリエチレングリコールジアクリレ−ト、メトキシエトキシレーテッドトリメチルプロパンジアクリレート、ペンタエリトリトールトリアクリレート、グリセリントリアクリレート、グリセリントリメタクリレート、トリメチロールプロパンプロポキシレートトリアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、１，６−ヘキサンジオールジアクリレート、１，４−ブタンジオールジアクリレート、テトラメチレングリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ペンタエリトリトールテトラアクリレート、ペンタエリトリトールテトラメタクリレート、および１，６−ヘキサンジアクリレートが含まれるが、それらに限定されない。他の単官能性モノマーおよび多官能性モノマーには、酢酸ビニル、ｎ−ビニルホルムアミド、リモネンオキシド、およびｎ−ビニルピロリジノンが含まれる。特に有用な多官能性モノマーには、プロポキシレーテッドグリセリントリアクリレートモノマーおよびトリメチロールプロパンエトキシトリアクリレートモノマーが含まれ、それらは、ＵＣＢ　Ｒａｄｃｕｒｅから、それぞれ商標名ＯＴＡ−４８０、およびＴＭＰＥＯＴＡのもとに、入手可能である。
【００２９】
付着性増進剤には、単官能性もしくは多官能性モノマーまたはオリゴマーなどの、少なくとも１つの放射線硬化可能な材料が含まれる。１つの特に有用な付着性増進剤は、ＵＣＢ　Ｒａｄｃｕｒｅから、商標名ＥＢＥＣＲＹＬ　１６８のもとに入手可能な、メタクリレーテッド多価アルコール付着性増進剤である。典型的には、付着性増進剤は、塗膜前駆体の約１重量％から約１５重量％を構成し、また好ましくは塗膜前駆体の約７重量％から約１１重量％を構成する。大抵のこれらの開示された反応性の単官能性および多官能性アクリレートモノマーは、ＵＣＢ　ＲａｄｃｕｒｅからＥＢＥＣＲＹＬの商標名のもとに、Ｈｅｎｋｅｌ　Ｃｏｒｐ．からＰＨＯＴＯＭＥＲの商標名のもとに、またＳａｒｔｏｍｅｒ　Ｃｏｒｐ．からＳＡＲＴＯＭＥＲの商標名のもとに、市販されている。
【００３０】
通常は、反応性前駆体は、少なくとも１つの単官能性モノマー、少なくとも１つの多官能性モノマー、および少なくとも１つの多官能性オリゴマーを含む。典型的には、反応性前駆体は、高々約１０００（通常は約１００〜１０００の間）の分子量を有する単官能性および多官能性アクリレーテッドモノマーと、少なくとも約５００、しかし一般に約５００〜７０００の間、の重量平均分子量を有する多官能性オリゴマー質アクリレーテッドウレタンとを含む。上に示したように、単官能性モノマーの割合を増加させると、塗膜前駆体ブレンドの粘性を低下させ、プレート１０６、１０８の表面１２２、１２４上の濡れ性が改良されやすい。その上、多官能性モノマーおよびオリゴマー（例えばジアクリレートおよびトリアクリレート）の割合を増加させると、架橋を増加させやすく、その結果より強い付着、より高い引張り強さ、改良された耐薬品性、但しより低い伸び、が得られる。
【００３１】
塗膜前駆体は通常、紫外線で架橋させ、または重合させる場合、１つまたは複数の光開始剤を含む。光重合開始剤（光開始剤）の例には、有機過酸化物、アゾ化合物、キノン、ベンゾフェノン、ニトロソ化合物、ハロゲン化アクリル、ヒドラゾン、メルカプト化合物、ピリリウム化合物、トリアクリルイミダゾール、ビスイミダゾール、クロロアルキルトリアジン、ベンゾインエーテル、ベンジルケタール、チオキサントン、およびアセトフェノン誘導体、ならびにそれらの混合物が含まれるが、それらに限定されない。特定の例には、ベンジル、メチルｏ−ベンゾエート、ベンゾイン、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾフェノン第三級アミン、２，２−ジエトキシアセトフェノンなどのアセトフェノン、ベンジルメチルケタール、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、２−ベンジル−２−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ−１−（−４−モルホリノフェニル）−１−ブタノン、２，４，６−トリメチルベンゾイル−ジフェニルホスフィンオキシド、２−メチル−１−４（メチルチオ）、フェニル−２−モルホリノ−１−プロパノン、ビス（２，６−ジメトキシベンゾイル）（２，４，４−トリメチルペンチル）ホスフィンオキシドなどが含まれる。光開始剤の量は、所望の硬化速度を生じ、所要の塗膜性状を生成させるのに十分なものとすべきであり、典型的には、塗膜前駆体の約０．１重量％から約１０重量％を構成し、また好ましくは塗膜前駆体の約１重量％から約８重量％を構成する。特に有用な光開始剤のブレンドは、塗膜前駆体の約１重量％から約４重量％のベンゾフェノンと、約１．５重量％から約５重量％の１−フェニル−２−ヒドロキシ−２−メチル−１−プロパノンとを含む。ベンゾフェノンはＳａｒｔｏｍｅｒ　Ｃｏ．から市販され、またプロパノンは、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ　Ｃｏｒｐ．からＤＡＲＯＣＵＲ　１１７３の商標名のもとに市販されている。
【００３２】
塗膜前駆体は、充てん材、脱泡剤、平坦剤、湿潤剤、滑剤、安定剤、可塑剤、空気放出剤などの添加剤を含有できる。添加剤は反応性または非反応性とすることができるが、典型的には非反応性である。有用な非反応性空気放出剤の例には、Ｄｏｗ　Ｃｏｒｎｉｎｇから市販されている種々のＤＣシリーズなどのシリコーンオイル、およびＯＳＩ　Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓから市販されているＳＡＧ４７などの、ポリジメチルシロキサンが含まれる。典型的には、このような添加剤（空気放出剤を含む）は、所要の塗膜特性を達成するのに必要な量で使用し、それぞれ一般に、塗膜前駆体の合計重量の最高約５重量％までを構成する。
【００３３】
さらに、塗膜前駆体はまた、より高分子量の反応性樹脂（例えばアクリレーテッドオリゴマー）の溶解または膨潤を助けるため、反応性希釈剤モノマー以外の種々の溶剤をも含有できる。これらの溶剤は、反応性樹脂成分と顕著に重合し、または架橋しないので、非反応性希釈剤、または非反応性モノマーと呼ぶ。塗膜前駆体は溶剤を含有しないことが好ましいが、有用な溶剤には、ケトン溶剤、テトラヒドロフラン、キシレンなどが含まれる。塗膜はまた着色剤（すなわち顔料および染料）をも含有できる。適切な着色剤の例には、ＴｉＯ_２、フタロシアニンブルー、フタロシアニングリーン、カーボンブラック、塩基性炭酸塩鉛白、酸化亜鉛、硫化亜鉛、酸化アンチモン、酸化ジルコニウム、スルホクロム酸鉛、バナジン酸ビスマス、モリブデン酸ビスマス、酸化鉄磁鉄鉱Ｆｅ_３Ｏ_４、および酸化鉄（ＩＩＩ）Ｆｅ_２Ｏ_３などがある。顔料は、塗膜前駆体の約０重量％から約５重量％を構成することができる。
【００３４】
上述のように、アクリレート樹脂は、典型的には紫外光などの放射線を用い硬化させる。塗膜前駆体の用途に従って、燃料電池プレートを、１つまたは複数組の紫外ランプ下でプレートを移動させるコンベア上に置き、その結果、塗膜前駆体が紫外線に、連続的にインラインで露光される。紫外ランプのそれらの組は、同一である、または異なる公称放射波長を有する。露光の長さはコンベア速度により制御し、コンベア速度は典型的には１０から４０フィート／秒の範囲にあり、それぞれのランプの組について、約０．５から約５秒の範囲にある露光時間が得られる。紫外（ＵＶ）ランプは典型的には、約３００から約６００ワット／直線インチの定格電力を有する。有用なＵＶランプにはＤ型、Ｖ型、Ｈ型、またはＨ^＋型バルブを使用するものが含まれ、それらのバルブは、Ｆｕｓｉｏｎ　ＵＶ　Ｃｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓから市販され、それぞれ３７５ｎｍ、４２５ｎｍ、２５０ｎｍ、および２２０ｎｍの公称波長を有する。他の有用なＵＶランプには、Ｆｕｓｉｏｎ社Ｈ型バルブと同様な水銀スペクトルを有するアーク型ＵＶランプが含まれる。
【００３５】
１つの有用な硬化方法では、２組のアーク型ＵＶランプ、またはＨ型バルブを有するＵＶランプ、を用いる。他の有用な硬化方法では、Ｄ型バルブ（より長波長のＵＶ光）を有する第１の組のＵＶランプと、Ｈ型、またはＨ^＋型バルブ（より短波長のＵＶ光）を有する第２の組のＵＶランプとを使用する。なんら特定の理論に結びついているわけではないが、Ｄ型バルブを有するＵＶランプへの最初の露光は塗膜層の内側部分を硬化させ、塗膜を燃料電池プレートの表面に付着させると考えられる。Ｈ型またはＨ^＋型バルブを有するＵＶランプへの、次の露光は、塗膜層の外側部分を硬化させる。２段階の硬化方法により、満足の行く塗膜が生成するが、不活性窒素雰囲気のもとでの硬化は、塗膜性状を強化できる。硬化装置を通過する１分間当り２０立方フィートの窒素流量速度により、いくつかの例では、表面の硬化が改善されることが見出されている。
【００３６】
塗膜前駆体の塗布
それぞれの考察した反応性塗膜前駆体は、当分野の通常の技術者に知られている、ロールコーティング、浸し塗り、はけ塗り、吹付け塗り、ステンシル塗り、スクリ−ン印刷などを含む塗装技術を用い塗布することができる。しかし、これらの塗装技術については、スクリーン印刷の低コスト、速さ、および正確性のため、スクリーン印刷が好ましい。塗膜前駆体は、燃料電池プレートの片側もしくは両側に、また、燃料電池アセンブリの絶縁および密封の要求事項によって、全体を覆う塗装として、または選択された連続もしくは不連続パターンで、塗布できる。上述のように、燃料電池プレート向けの塗膜厚さは、典型的には約５０μから約２５０μである。
【００３７】
（実施例）
下記の実施例は、例示的かつ非限定であるものとして意図しており、かつ本発明の特定の実施形態を表している。
【００３８】
実施例Ａ〜Ｐ：アクリレート樹脂塗膜
第１表には燃料電池プレートを絶縁し、密封するための塗膜前駆体組成物（配合Ａ〜Ｐ）を掲げている。それぞれの組成物は、アクリレーテッド脂肪族または芳香族ウレタンオリゴマー、イソボルニルアクリレート単官能性モノマー、１対の光開始剤（１−フェニル−２−ヒドロキシ−２−メチル−１−プロパノンおよびベンゾフェノン）、およびポリジメチルシロキサン空気放出剤を含む。さらに、全ての配合物は、多官能性モノマー（プロポキシレーテッドグリセリントリアクリレート（配合物Ａ〜Ｉ、Ｋ〜Ｏ）、またはトリメチロールプロパンエトキシトリアクリレートモノマー（配合物Ｊ、Ｐ）のいずれか）を含む。いくつかの配合物はまた、アクリレーテッドオレフィンオリゴマー（配合物Ｂ〜Ｅ、Ｇ、Ｉ、Ｌ〜Ｏ）、アクリレーテッドエポキシオリゴマー（配合物Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｈ〜Ｏ）、アクリレーテッドエポキシモノマー（配合物Ｏ）、メタクリレーテッド多価アルコール付着増進剤（配合物Ａ〜Ｄ、Ｆ〜Ｈ、Ｊ〜Ｏ）、またはオクチルデシル単官能性モノマー（配合物Ｏ）をも含む。
【００３９】
ウレタンオリゴマーおよびポリジメチルシロキサン空気放出剤を容器中に導入することにより、第１表に掲げる配合物を調製した。加熱しながら混合物を撹拌して、混合物の粘性を低下させた。次いで、メタクリレーテッド多価アルコール付着増進剤（存在する場合）を混合物に添加した。付着増進剤が完全に分散すると直ぐに、非ウレタンオリゴマー、および単官能性モノマー（アクリル酸イソボルニルおよびアクリル酸オクチルデシルモノマー）を添加した（この順に）。別の容器中で、ベンゾフェノンを、１−フェニル−２−ヒドロキシ−２−メチル−１−プロパノン中に、および多官能性モノマー中に加熱しながら溶解した。次いで、得られた光開始剤および多官能性モノマーのブレンドを、他の塗膜前駆体成分と混合した。
【００４０】
スクリーン印刷（１１０メッシュポリエステル製スクリーン、パッド高さ公称０．００１インチおよび０．００５インチ）により、または注型（定クリアランスのドローダウンナイフ）により種々の基材上において試験試料を調製した。試験に応じて、公称塗膜厚さを０．００１インチ（付着性、マンドレル屈曲、冷却剤膨れ）、または０．００５〜０．００６インチ（引張り強さ、伸び、ショアＡ硬さ）とした。しかし、配合物ＨおよびＰの付着性試験試料の塗膜厚さは、０．００５〜０．００６インチであった。それぞれＦｕｓｉｏｎ社Ｄ型バルブ（３７５ｎｍ）、およびＨ^＋型バルブ（２２０ｎｍ）を有する３７５ワット／インチＵＶランプに、１５〜２５フィート／分のライン速度で、連続的に露光させることにより、それぞれの実施例配合物を硬化させた。試験試料を使用して、引張り強さ、伸び、ショアＡ硬さ、付着性（引っかき、膨れ）および温度耐性（マンドレル屈曲）を含む、種々の性質を測定した。
【００４１】
第１表では、燃料電池冷却剤（配合物Ｈ、Ｐ）、自動車冷却剤（Ａ〜Ｐ）、または自動車オイル（配合物Ｊ、Ｋ）中に浸漬した試験試料についての、引っかき付着性の結果を掲げる。配合物Ｈの試験試料は、３つの異なった伝熱流体中に、周囲温度で７０時間浸漬した。使用した伝熱流体は、Ｓｏｌｕｔｉａ　Ｉｎｃ．から商標名ＴＨＥＲＭＩＮＯＬ　Ｄ１２のもとに市販されているイソパラフィン流体、Ｄｙｎａｌｅｎｅ　Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｌｕｉｄｓから商標名ＤＹＮＡＬＥＮＥ　ＦＣ−１のもとに市販されているメーカ独自の流体、および３Ｍから商標名ＰＦ−５０８０のもとに市販されているフッ素化炭化水素流体であった。配合物Ａ〜Ｐの試験試料は、ＧＭ　ＬＯＮＧ　ＬＩＦＥ　ＣＯＯＬＡＮＴおよび水の５０：５０容積／容積混合物中に１００℃で７２時間浸漬した。試験試料ＪおよびＫは、アメリカ材料試験協会（ＡＳＴＭ）ＩＲＭ９０３オイル中に１５０℃で７２時間浸漬した。浸漬に続いて、ＲＰＭ５１６引っかき試験方法を用いて付着性を測定した。試験方法に従って、塗工した基材を並進可能なステージ上に固定して、塗工した基材表面上に「針」を下げて行った。試験の間、針の一端に５００グラムのおもり荷重を掛け、それにより針の他端が塗膜に貫入した。針は円形運動を行い、一方試験片は約２．５ｍｍ／サイクルで並進して、塗膜内に一連の直径１０ｍｍの、一部重なる円形の引っかき条痕を生成した。塗膜の外観を、１（付着性が悪い）から１０（最良の付着性）の尺度で等級付けした。第１表におけるそれぞれの記入値は、１流体当り３点の試験試料の平均を表している。表示「乾燥」は、引っかき試験の前に冷却剤またはオイルに浸漬しなかった試験試料を指している。
【００４２】
第１表はまた、それぞれの塗膜配合物について、引張り強さ、伸び、およびショアＡ硬さをも掲げている。引張り強さおよび伸びを測定するため、定クリアランスたれ下がりナイフを用いポリエステルフィルム上に注型した試料から、１インチ×４インチ試験片を型で切断した。フィルム上の多重点（試験片の中央付近の最小６箇所）において試料の厚さを測定し、またインストロン試験機上で、１分間当り０．２インチのクロスヘッド速度で周囲温度において試料を引っ張った。それぞれの配合物について、第１表は、５点の試料に基づく平均の引張り強さ、および破断伸びを報告している。ショアＡ硬さを測定するため、ポリエステルフィルム上に注型した試料から０．５インチ×１．５インチ試験片を切断した。単一の配合物からの試験片を積み重ねて、全体としての試料厚さ０．１２５インチが得られた。テーブルに取り付けたショアＡ硬さ試験機を用いて、「積み重ねた」試験試料の硬さを測定した。それぞれの配合物について、５点の硬さ測定値を求めた。
【００４３】
第１表はまた、温度耐性データ（「温度マンドレル」を指している）および粘性データをも掲げている。ＡＳＴＭ　Ｄ５７３の修正版を用いて、温度耐性を測定した。それぞれの試験用試験片（厚さ０．００８インチのステンレス鋼切取り片上のスクリーン印刷塗膜）を、１８５℃で２２時間熱老化させ、直径６インチのマンドレル周囲に屈曲させ、次いで塗膜中の割れについて、または切取り片と塗膜の間の結合減少について、目視検査した。塗膜の外観を、１（多くの割れ、結合の減少）から１０（割れが僅少または全くない、結合の減少が僅少または全くない）の尺度で等級付けした。第１表中のデータは、試験用試験片３点の平均を表している。粘性記入値は、塗膜前駆体の流動特性の主観的評価に基づく。等級付け１は、塗膜前駆体をスクリーン印刷するのが困難であろうことを示し、また等級付け１０は、塗膜前駆体をスクリーン印刷するのが容易であろうことを示している。
【表１】

【表２】

【表３】

【００４４】
上記の記述が例示的であることを意図し、限定的であることを意図するものではないことを理解されたい。上記の記述を読むことにより、多くの実施形態は、当分野の技術者には明白であろう。したがって、本発明の範囲は、上記の記述を参照することなく、その代わり添付する特許請求範囲を、このような特許請求範囲が権利を与えられる同等のものの全範囲とともに、参照して、決定されるべきである。特許出願および公開を含む、全ての論文および参考書類の開示は、全ての目的のため参照により本明細書に組み入れられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池アセンブリの分解横断面図のスケッチである（一定の縮尺ではない）。
【図２】図１の燃料電池アセンブリを密封し、かつ絶縁するための塗膜を有する燃料電池プレートのうち１つの平面図である。[0001]
(Background of the Invention)
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to reactive coating compositions for insulating and sealing surfaces.
[0002]
DISCUSSION A layered coating has been applied to certain manufactured articles to seal and insulate between mating component surfaces. In recent years, the need for fast-curing coating media for such uses has been driven by the use of UV-curable coatings that achieve relatively short cure times to meet increasingly competitive manufacturing schedules. Somewhat satisfied. Such coatings have been used to provide a medium to insulate and seal between mating surfaces, such as heat exchangers, electrical transformer components, engine gaskets, and the like. In other areas, progress has been slow. One such area is fuel cell manufacturing.
[0003]
A fuel cell is a device that directly converts the chemical energy of a fuel into electrical energy and heat. In its simplest form, a fuel cell comprises two electrodes separated by an electrolyte-an anode and a cathode. In operation, a gas distribution system supplies fuel and oxidant to the anode and cathode, respectively. Typically, fuel cells using hydrogen gas oxygen air as an oxidizing agent and as fuel (containing H ₂ produced by reforming hydrocarbons). Other possible fuels include reformed gasoline, methanol, ethanol, and compressed natural gas. The fuel is oxidized at the anode, producing protons and electrons. Protons diffuse through the electrolyte to the cathode where they combine with oxygen and electrons to produce water and heat. As the electrolyte acts as a barrier to electron flow, electrons travel from the anode to the cathode via an external circuit including a motor or other electrical load consuming power generated by the fuel cell.
[0004]
Currently, there are at least five different fuel cell technologies, each based on a different electrolyte. One type of fuel cell is known as a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, and because of its relatively low operating temperature (about 60 ° C. to about 100 ° C.) and its fast start-up, mobile power generation (PEM). For transportation). PEM fuel cells use an electrolyte consisting of a solid organic polymer, typically polyperfluorosulfonic acid. Other fuel cell technologies include electrolytes composed of solid zirconium oxide and yttrium (solid oxide fuel cells), or a solid matrix saturated with a liquid electrolyte. Liquid electrolytes include aqueous potassium hydroxide (alkali fuel cells), phosphoric acid (phosphate fuel cells), and mixtures of lithium carbonate, sodium carbonate, and / or potassium carbonate (molten carbonate fuel cells). Although phosphoric acid fuel cells (PAFCs) operate at higher temperatures than PEM fuel cells (about 175 ° C. to about 200 ° C.), PAFCs also have higher efficiency and their use of low-purity hydrogen gas as fuel. Due to its performance, it finds use in vehicles.
[0005]
The core of a typical PEM fuel cell is a three-layer membrane electrolyte assembly (MEA). The MEA consists of a sheet of polymer electrolyte, which is about 50μ to about 175μ thick, sandwiched between relatively thin porous electrodes (anode and cathode). Each electrode is typically composed of porous carbon bonded to platinum particles, which catalyze the dissociation of hydrogen molecules into protons and electrons at the anode and the reduction of oxygen to water at the cathode. Both electrodes are porous so that gases (fuel and oxidant) can contact the catalyst. In addition, platinum and carbon conduct electrons well, which allows them to move freely throughout the electrode.
[0006]
Individual fuel cells generally include a backing layer, which is opposed to the outer surfaces of the anode and cathode layers of the MEA. The backing layer allows electrons to freely enter and exit the electrode layer, so the backing layer is often made of conductive, usually about 100 to about 300, thick carbon paper or carbon cloth. is there. Since the backing layer is porous, the fuel gas and the oxidizing agent can be evenly diffused into the anode layer and the cathode layer, respectively. The backing layer also aids water treatment by adjusting the amount of water vapor entering the MEA with the fuel and oxidant, and by directing liquid water generated at the cathode outside the fuel cell.
[0007]
The completed fuel cell includes a pair of plates pressed against the outer surface of the backing layer. In addition to providing mechanical support, the plates define the flow path of the fluid in the fuel cell and collect current generated by oxidation and reduction of chemical reactants. The plate is gas impermeable and has channels or channels formed on one or both surfaces facing the backing layer. This channel distributes fluids (gases and liquids) into and out of the fuel cell, including fuel, oxidant, water, and any coolant or heat transfer fluid. As discussed below, each plate may also have one or more gaps extending through the plates, depending on the gaps, fuel, oxidizer, water, coolant, and any other fluids. Are distributed throughout the series of fuel cells. Each plate is made of a material that conducts electrons, including graphite, aluminum, or other metals, and composite materials such as graphite particles embedded in a thermoset or thermoplastic polymer matrix.
[0008]
For most applications, individual fuel cells are connected in series or "stacked" to form a fuel cell assembly. A single fuel cell can typically generate an electrical potential of less than about 1 volt. Since most applications require much higher voltages (e.g., conventional electric motors typically operate at voltages in the range of about 200 V to about 300 V), individual fuel cells can be stacked in series to achieve the required voltage. Achieve voltage. In order to reduce the volume and mass of the fuel cell assembly, a single plate separates adjacent fuel cells in the stack. Such a plate, known as a bipolar plate, has fluid flow channels formed on both major surfaces, allowing fuel to pass through on one side of the plate and oxidant on the other side. You can pass.
[0009]
In a conventional fuel cell assembly, a resilient o-ring disposed between adjacent fuel cell plates, or a fluid flowing between a specific fuel cell and a fluid flowing between adjacent fuel cells must be separated. A flat insert is used to seal the flow channels and gaps. In addition, conventional fuel cell assemblies also provide an electrically insulating sheet between adjacent plates to prevent individual fuel cells from shorting. While such seals and insulators are generally satisfactory, they have certain disadvantages. For example, free-standing o-rings and planar inserts must be carefully aligned with channels and gaps to ensure proper sealing and insulation, but that is time consuming. Due to the non-standard size and shape of the planar inserts, the planar inserts used in fuel cell assemblies are typically made by injection molding, compression molding, or transfer molding, but with expensive specialty Requires tools. Moreover, many of the resilient materials used to fabricate o-rings and planar inserts operate at higher temperatures or provide the required resistance to proper sealing of fuel cells using hydrocarbon-based heat transfer fluids and coolants. No chemical properties and low modulus.
[0010]
The present invention helps to overcome, or at least mitigate, one or more of the above-mentioned problems.
[0011]
(Summary of the Invention)
The present invention provides a method for sealing and insulating a fuel cell assembly composed of two or more fuel cell plates. The method includes providing a fuel cell plate having a first surface and a second surface, and applying a coating precursor on at least a first surface of the fuel cell plate. Since the coating precursor is capable of polymerizing (curing) in response to radiation, the method also involves exposing the coating precursor on the fuel cell plate to radiation to initiate polymerization. Including. Useful coating precursors include coating precursors that can polymerize in response to ultraviolet light. Such coating precursors include coating precursors containing an acrylated oligomer and a photoinitiator.
[0012]
The present invention also provides an insulated plate comprising a plate having a first surface and a second surface, and a coating precursor applied to at least one of the first and second surfaces of the plate. A fuel cell plate is also provided. The coating precursor is generally an acrylated aliphatic urethane oligomer, an acrylated epoxy oligomer, a monofunctional monomer to reduce the viscosity of the coating precursor, a polyfunctional monomer to increase the crosslink density, An acrylate resin composed of an adhesion promoter and a photoinitiator.
[0013]
Further, the present invention provides a coating precursor that can be cured by ultraviolet light or an electron beam. The coating precursor comprises an acrylated aliphatic urethane oligomer, an acrylated epoxy oligomer, a monofunctional monomer, a polyfunctional monomer, an adhesion promoter, and a photoinitiator. Certain useful coating precursors include from about 25% to about 65% by weight of an acrylated aliphatic urethane oligomer, from about 5% to about 20% by weight of an acrylated epoxy oligomer, from about 20% to about 20% by weight. 40% by weight of a monofunctional monomer, about 1% to about 5% by weight of a multifunctional monomer, about 1% to about 15% by weight of an adhesion promoter, and about 0.1% to about 10% by weight % Photoinitiator.
[0014]
The present invention provides certain advantages over conventional methods and designs for insulating and sealing fuel cell plates and fuel cell assemblies. For example, unlike o-rings and molded inserts, the disclosed coating precursors can be quickly and accurately applied to fuel cell plates (eg, by screen printing), resulting in cost savings. can get. Moreover, unlike many conventional elastomeric materials, many of the disclosed coating precursors, upon curing, combine good chemical resistance with excellent mechanical properties.
[0015]
(Detailed description of preferred embodiments)
The present invention relates to a composition for insulating and sealing the mating surfaces of a manufactured part. The coating can be used as an electrical and thermal insulator in many different products used in internal combustion engines, including fuel cell assemblies and automotive gaskets. Although described in connection with PEM fuel cell assemblies, the disclosed coating precursors seal other types of fuel cells, including but not limited to alkaline fuel cells and phosphoric acid fuel cells. And can be used to insulate.
[0016]
FIG. 1 shows an exploded cross-sectional view (not to scale) of a representative fuel cell assembly 100. The fuel cell assembly 100 includes a stack of six separate fuel cells 102, although the number of fuel cells 102 varies depending on the desired voltage. Each fuel cell 102 includes a multi-layered active portion 104 sandwiched between a set of bipolar plates 106 or a single bipolar plate 106 and an end plate 108. Each active portion 104 includes a membrane electrolyte assembly (MEA) 110 disposed between a pair of backing layers 112. MEA 110 includes a polymer electrolyte membrane (PEM) 114 sandwiched between an anode 116 and a cathode 118.
[0017]
FIG. 2 shows a plan view of one of the bipolar plates 106 and, together with FIG. 1, illustrates a fluid flow path within the fuel cell assembly 100. FIG. Each plate 106, 108 shown in FIG. 1 has a gap 120 that extends between a first major surface 122 and a second major surface 124 of the plates 106, 108. When the plates 106, 108 are stacked to produce the fuel cell assembly 100, the gaps 120 between adjacent plates 106, 108 are aligned to form a cavity (not shown) that extends throughout the fuel cell assembly 100. Some cavities deliver fluid (fuel, oxidant) to individual fuel cells 102 or fluid (coolant, heat transfer fluid) to cooling zones 126 between individual fuel cells 102. Other cavities serve as collection areas for fluids (reaction products, coolant, heat transfer fluid). In operation, fuel, oxidant, coolant, and reaction products enter and exit the cavity through fluid connections 128 on end plate 108. As described above, plates 106, 108 also have grooves or channels 130 formed on either or both of first surface 122 and second surface 124, thereby allowing reactants or transfer. The thermal fluid is evenly distributed over the active portion 104 and the cooling area 126 of each fuel cell 102.
[0018]
As can be seen in FIGS. 1 and 2, plates 106, 108 include a resilient coating 132 applied on one or both of major surfaces 122, 124 of plates 106, 108. As described above, the coating 132 prevents mixing of disparate fluid flows during operation of the fuel cell assembly 100 and prevents electrical conduction between adjacent plates 106, 108. Further, the coating 132 is chemically resistant to heat transfer fluids and electrolytes used in various types of fuel cells, does not substantially interfere with the chemistry of the fuel cell, and is thermally active at operating temperatures. It is stable and shows good adhesion to the plates 106,108. The thickness and mechanical properties of the coating 132 will depend on the dimensions and nature of the plates 106, 108 and active portion 104 of each fuel cell 102. However, typically, the coating 132 is about 50 to 250 microns thick, has a tensile strength of greater than about 500 psi, an elongation of greater than about 100 percent, and a Shore A hardness of between about 45 and about 85. Having.
[0019]
The coating 132 applied to the plates 106, 108 in a fluid state and then solidified in place comprises a blend of one or more reactive coating precursors that subsequently polymerize and / or crosslink. Here, “reactive” means that the components of the coating film 132 react with each other or react with themselves to be cured (solidified). Such a material is also called a thermosetting resin. Depending on the type of reactive components used, the coating 132 may be coated on any number of surfaces, including oxidative, moisture, thermal, high energy radiation (e.g., ultraviolet, electron beam), condensation and addition polymerization. Cross-linking and / or polymerization can be carried out using the mechanism described above.
[0020]
Useful reactive precursors include acrylated urethanes, vinyl acrylates, acrylated epoxies, acrylated polyesters, acrylated acrylics, acrylated polyethers, acrylated olefins, acrylated oils, and Includes, but is not limited to, acrylate resins such as acrylated silicone. These reactive precursors can be cured using the mechanisms described above, typically in less than 45 minutes. Particularly useful are rapid forms of radiation that require use of less than about 30 seconds, preferably less than about 5 seconds. Useful forms of radiation include ultraviolet (UV) radiation, infrared, microwave radiation, and electron beam radiation. Depending on the particular curing mechanism, the coating 132 precursor may include a catalyst, initiator, or curing agent that initiates and / or accelerates curing. Note that in the present disclosure, "resin" or "resin-based" refers to a polydisperse system including monomers, oligomers, polymers, or combinations thereof.
[0021]
Exposing the coating precursor to high energy radiation represents a particular useful method of polymerizing the reactive components of the coating precursor and, for the fuel cell coating 132, a thermally cured reactive coating. Provides additional advantages over precursors. For example, radiation cured coating precursors can be crosslinked at a much lower temperature (eg, ambient temperature) than thermoset reactive coating precursors. This is an advantage when using graphite composite fuel cell plates that can warp at temperatures associated with thermoset coatings. Radiation curing can proceed by at least two mechanisms. In the first mechanism, radiation results in a rapid and controlled generation of highly reactive species (free radicals) that initiate the polymerization of unsaturated materials. In the second mechanism, the radiation (UV / electron beam) activates certain cationic photoinitiators, which decompose to form an acid catalyst, which propagates the crosslinking reaction.
[0022]
Acrylate Resin Examples of reactive precursors that can be cured using high energy radiation (eg, ultraviolet light, electron beam) include, but are not limited to, acrylate resins. These reactive precursors include acrylates and methacrylates and include monomers or oligomers of various molecular weights (e.g., weight average molecular weights of 100-2000) (i.e., typically 2-100 monomer units, and often 2 And a moderately low molecular weight polymer containing ２０20 monomer units). Useful reactive coating precursors include, but are not limited to, acrylated urethanes, acrylated epoxies, acrylated olefins, and mixtures thereof. The acrylate resin typically comprises from about 30% to about 80% by weight of the coating precursor, and preferably from about 45% to about 60% by weight of the coating precursor.
[0023]
The acrylated urethane is a diacrylate ester of a hydroxy-terminated NCO-extended polyester or polyether. Generally, in fuel cell applications, acrylated aliphatic urethanes are less susceptible to erosion by heat transfer fluids and electrolytes, and are believed to provide better mechanical properties (tension, elongation, hardness). While useful, acrylated urethanes can be aliphatic or aromatic. Acrelated urethanes provide the "backbone" of the cured coating, and therefore too high a concentration can result in unacceptably soft coatings that exhibit insufficient heat and chemical resistance, but are usually Present at highest concentration. The acrylated urethane typically comprises from about 25% to about 65% by weight of the coating precursor, and preferably from about 40% to about 47% by weight of the coating precursor. Examples of useful acrylated urethanes include Henkel Corp. Under the trade name PHOTOMER (eg, PHOTOMER 6010) and UCB Radcure Inc. Commercially available under the trade names EBECRYL (eg, EBECRYL 220, 284, 4827, 4830, 6602, 8400 and 8402), RXO (eg, RXO 1336), and RSX (eg, RSX 3604, 89359, 92576). included. Other useful acrylated urethanes are available from Sartomer Co. It is commercially available under the trade name SARTOMER (e.g., SARTOMER 9635, 9645, 9655, 963-B80 and 966-A80), and from Morton International under the trade name UVITHANE (e.g., UVITHANE 782).
[0024]
Acreterated epoxy is a diacrylate ester of an epoxy resin, such as a diacrylate ester of a bisphenol A epoxy resin, and includes an epoxy resin having a pendant nitrile moiety. The acrylated epoxy resin generally improves the thermal stability and chemical resistance of the fuel cell coating 132 and increases its tensile strength. However, the inclusion of an excess amount of acrylated epoxy may degrade the adhesion of the coating to the plates 106, 108 and may adversely affect its sealing performance. The acrylated epoxy typically comprises from about 5% to about 20% by weight of the coating precursor, and preferably from about 8% to about 13% by weight of the coating precursor. Examples of useful acrylated epoxies include UCB Radcure Inc. Under the trade names of EBECRYL and RXO (eg, EBECRYL 600, 629, 860, and 3708, RXO 2034), and under Henkel Corp. And those marketed under the PHOTOMER trade names (eg, PHOTOMER 3016, 3038 and 3071).
[0025]
An acrylated acrylic resin is an acrylic oligomer or polymer having reactive pendant or terminal acrylate groups, capable of forming free radicals for subsequent reactions, and an acrylic resin having a pendant nitrile moiety. Is included. Like acrylated epoxies, acrylated acrylics (especially those with pendant nitrile groups) generally improve the thermal stability of fuel cell coating 132 and increase its tensile strength. The acrylated acrylic resin can typically comprise from about 0% to about 25% by weight of the coating precursor, and preferably from about 0% to about 13% by weight of the coating precursor. Is composed. Examples of useful acrylated acrylic resins include Sartomer Co. under the EBECRYL trade names from UCB Radcure (eg, EBECRYL 745, 754, 767, 1701, and 1755). Under the trademark designation NTX4887 (fluoro-modified acrylic oligomer); F. Goodrich is commercially available from Goodrich under the trade name HYCAR (eg, HYCAR 130X43).
[0026]
Similarly, acrylated olefins are unsaturated oligomeric or polymeric materials having reactive pendant or terminal acrylic acid groups capable of forming free radicals for crosslinking or chain extension. Like acrylated epoxies and acrylated acrylics, acrylated olefins generally improve the thermal stability of fuel cell coating 132 and increase its tensile strength. The acrylated olefin can typically comprise from about 0% to about 20% by weight of the coating precursor, and preferably from about 0% to about 13% by weight of the coating precursor. Constitute. Examples of useful acrylated olefins include polybutadiene acrylic oligomers, which are available from Sartomer Co. Under the trade name SARTOMER CN302, and from Ricon. It is commercially available from Resins under the trade name FX9005.
[0027]
Reactive precursors usually include a reactive diluent to control viscosity, increase crosslink density, and enhance adhesion. Reactive diluents include at least one monofunctional or multifunctional monomer. Here, “monofunctional” refers to a compound containing one carbon-carbon double bond, and “polyfunctional” refers to two or more carbon-carbon double bonds or other crosslinkable carbon-carbon double bonds. Refers to a compound containing a chemically reactive group. The reactive diluent is generally an acrylate monomer, although non-acrylates such as n-vinylpyrrolidone, limonene, and limonene oxide can be used, as long as the monomer is unsaturated as an ethylene linkage. Monofunctional monomers reduce the viscosity of the coating film precursor without substantially degrading the properties of the coating film. When used in the proper proportions, monofunctional monomers can also, in some cases, improve mechanical properties as a bulk (adhesion, tensile strength, elongation). The monofunctional monomer typically comprises from about 20% to about 40% by weight of the coating precursor, and preferably from about 25% to about 35% by weight of the coating precursor. Examples of useful monofunctional monomers include ethyl acrylate, methyl methacrylate, isooctyl acrylate, oxyethylated phenol acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, 2-phenoxyethyl acrylate, 2- (ethoxyethoxy acrylate) C) Ethyl, ethylene glycol methacrylate, tetrahydroxyfurfuryl acrylate, caprolactone acrylate, and methoxytripropylene glycol monoacrylate. Particularly useful monofunctional monomers include isobornyl acrylate monomer and octyldecyl acrylate monomer, which are available from UCB Radcure under the trade names IBOA and ODA, respectively.
[0028]
Like monofunctional monomers, multifunctional monomers reduce the viscosity of the coating precursor, but also increase the cure rate and increase the crosslink density, thereby increasing chemical resistance and tensile strength. Increase, while growth decreases. Polyfunctional monomers increase the crosslink density and are therefore useful at lower concentrations than monofunctional monomers, and typically comprise from about 1% to about 5% by weight of the coating precursor, and are preferably Comprises from about 2% to about 4% by weight of the coating precursor. Examples of useful multifunctional monomers include triethylene glycol diacrylate, methoxyethoxylated trimethylpropane diacrylate, pentaerythritol triacrylate, glycerin triacrylate, glycerin trimethacrylate, trimethylolpropane propoxylate triacrylate, Trimethylolpropane trimethacrylate, trimethylolpropane triacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate, 1,4-butanediol diacrylate, tetramethylene glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol dimethacrylate Acrylate, tetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate , Pentaerythritol tetraacrylate, pentaerythritol tetramethacrylate, and 1,6-hexanediol but diacrylate include, but are not limited to. Other monofunctional and polyfunctional monomers include vinyl acetate, n-vinylformamide, limonene oxide, and n-vinylpyrrolidinone. Particularly useful multifunctional monomers include propoxylated glycerin triacrylate monomer and trimethylolpropane ethoxy triacrylate monomer, which are available from UCB Radcure under the trade names OTA-480 and TMPEOTA, respectively. Available.
[0029]
Adhesion enhancers include at least one radiation-curable material, such as a monofunctional or polyfunctional monomer or oligomer. One particularly useful adhesion promoter is a methacrylated polyhydric alcohol adhesion promoter available from UCB Radcure under the trade name EBECRYL 168. Typically, the adhesion promoter comprises from about 1% to about 15% by weight of the coating precursor, and preferably from about 7% to about 11% by weight of the coating precursor. Most of these disclosed reactive monofunctional and multifunctional acrylate monomers are available from UCB Radcure under the trade name EBECRYL under the name Henkel Corp. Under the PHOTOMER brand name and from Sartomer Corp. It is commercially available under the trade name SARTOMER.
[0030]
Typically, the reactive precursor comprises at least one monofunctional monomer, at least one multifunctional monomer, and at least one multifunctional oligomer. Typically, the reactive precursor comprises at least about 500, but generally from about 500 to about 150, but generally about 500 to 1000 monofunctional and multifunctional activated monomers having a molecular weight of typically between about 100 and 1000. A polyfunctional oligomeric acrylated urethane having a weight average molecular weight of between 7000 and 7000. As indicated above, increasing the proportion of monofunctional monomer reduces the viscosity of the coating precursor blend and tends to improve wettability on the surfaces 122, 124 of the plates 106,108. Moreover, increasing the proportion of multifunctional monomers and oligomers (eg, diacrylates and triacrylates) tends to increase crosslinking, resulting in stronger adhesion, higher tensile strength, improved chemical resistance, Lower elongation is obtained.
[0031]
Coating precursors typically include one or more photoinitiators when crosslinked or polymerized with ultraviolet light. Examples of photopolymerization initiators (photoinitiators) include organic peroxides, azo compounds, quinones, benzophenones, nitroso compounds, halogenated acrylics, hydrazones, mercapto compounds, pyrylium compounds, triacrylimidazoles, bisimidazoles, chloroalkyls Including, but not limited to, triazine, benzoin ether, benzyl ketal, thioxanthone, and acetophenone derivatives, and mixtures thereof. Specific examples include benzyl, methyl o-benzoate, benzoin, benzoin ethyl ether, benzoin isopropyl ether, benzoin isobutyl ether, benzophenone tertiary amines, acetophenones such as 2,2-diethoxyacetophenone, benzyl methyl ketal, 1- Hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, 1- (4-isopropylphenyl) -2-hydroxy-2-methylpropan-1-one, 2-benzyl-2- N, N-dimethylamino-1-(-4-morpholinophenyl) -1-butanone, 2,4,6-trimethylbenzoyl-diphenylphosphine oxide, 2-methyl-1-4 (methylthio), phenyl-2-morpholino -1-propanone Bis (2,6-dimethoxybenzoyl) (2,4,4-trimethylpentyl) phosphine oxide include. The amount of photoinitiator should be sufficient to produce the desired cure rate and produce the required film properties, typically from about 0.1% by weight of the film precursor. It comprises about 10% by weight, and preferably from about 1% to about 8% by weight of the coating precursor. Particularly useful photoinitiator blends include from about 1% to about 4% by weight of the coating precursor of benzophenone and from about 1.5% to about 5% by weight of 1-phenyl-2-hydroxy-2-. Methyl-1-propanone. Benzophenone is available from Sartomer Co. And propanone is available from Ciba-Geigy Corp. Is commercially available under the trade name DAROCUR 1173.
[0032]
The coating film precursor can contain additives such as fillers, defoamers, leveling agents, wetting agents, lubricants, stabilizers, plasticizers, air release agents, and the like. Additives can be reactive or non-reactive, but are typically non-reactive. Examples of useful non-reactive air releasing agents include silicone oils such as the various DC series available from Dow Corning, and polydimethylsiloxanes such as SAG47 available from OSI Specialties. Typically, such additives (including air release agents) are used in the amounts required to achieve the required coating properties, each generally generally up to about 5 to about 5% of the total weight of the coating precursor. Make up to% by weight.
[0033]
In addition, the coating precursor may also contain various solvents other than the reactive diluent monomer to assist in dissolving or swelling higher molecular weight reactive resins (eg, acrylated oligomers). These solvents are called non-reactive diluents or non-reactive monomers because they do not significantly polymerize or crosslink with the reactive resin component. The coating precursor preferably does not contain a solvent, but useful solvents include ketone solvents, tetrahydrofuran, xylene, and the like. The coating can also contain colorants (ie, pigments and dyes). Examples of suitable colorants include TiO ₂ , phthalocyanine blue, phthalocyanine green, carbon black, basic carbonate lead white, zinc oxide, zinc sulfide, antimony oxide, zirconium oxide, lead sulfochromate, bismuth vanadate, molybdate Examples include bismuth, iron oxide magnetite Fe ₃ O ₄ , and iron (III) oxide Fe ₂ O ₃ . The pigment can comprise from about 0% to about 5% by weight of the coating precursor.
[0034]
As mentioned above, acrylate resins are typically cured using radiation such as ultraviolet light. According to the application of the coating precursor, the fuel cell plate is placed on a conveyor that moves the plate under one or more sets of ultraviolet lamps, so that the coating precursor is exposed to ultraviolet light continuously and in-line. You. Those sets of UV lamps have the same or different nominal emission wavelengths. The length of exposure is controlled by the conveyor speed, which is typically in the range of 10 to 40 feet / second, and for each set of lamps, an exposure time in the range of about 0.5 to about 5 seconds. Is obtained. Ultraviolet (UV) lamps typically have a power rating of about 300 to about 600 watts / linear inch. Useful UV lamps include those that use D, V, H, or H ⁺ type bulbs, which are commercially available from Fusion UV Curing Systems and are 375 nm, 425 nm, 250 nm, and 220 nm, respectively. Has a nominal wavelength of Other useful UV lamps include arc UV lamps having a similar mercury spectrum as Fusion H-bulbs.
[0035]
One useful curing method uses two sets of arc UV lamps, or a UV lamp with an H-bulb. Other useful curing methods include a first set of UV lamps having a D-type bulb (longer wavelength UV light) and a second set of H-type or H ⁺ type bulbs (short wavelength UV light). Sets of UV lamps are used. Without being bound to any particular theory, it is believed that the first exposure to a UV lamp with a D-shaped bulb cures the inner portion of the coating layer and deposits the coating on the surface of the fuel cell plate. . Subsequent exposure to a UV lamp with an H-type or H ⁺ -type bulb will cure the outer portions of the coating layer. Although a two-step curing method produces a satisfactory coating, curing under an inert nitrogen atmosphere can enhance the coating properties. It has been found that a nitrogen flow rate of 20 cubic feet per minute through the curing device improves the curing of the surface in some instances.
[0036]
Application of the Coating Precursor Each of the reactive coating precursors considered was roll coated, dipped, brushed, sprayed, stenciled, screened, known to those of ordinary skill in the art. It can be applied using a coating technique including printing. However, for these coating techniques, screen printing is preferred because of the low cost, speed, and accuracy of screen printing. The coating precursor may be applied to one or both sides of the fuel cell plate, and depending on the insulation and sealing requirements of the fuel cell assembly, as a blanket coating or in a selected continuous or discontinuous pattern. As mentioned above, the coating thickness for fuel cell plates is typically from about 50μ to about 250μ.
[0037]
(Example)
The following examples are intended to be illustrative and non-limiting, and represent particular embodiments of the present invention.
[0038]
Examples AP: Acrylic Resin Coatings Table 1 lists coating precursor compositions (Formulations AP) for insulating and sealing fuel cell plates. Each composition comprises an acrylated aliphatic or aromatic urethane oligomer, an isobornyl acrylate monofunctional monomer, a pair of photoinitiators (1-phenyl-2-hydroxy-2-methyl-1-propanone and benzophenone). ), And a polydimethylsiloxane air release agent. In addition, all formulations are polyfunctional monomers (either propoxylated glycerin triacrylate (formulations AI, KO) or trimethylolpropane ethoxy triacrylate monomers (formulations J, P)). including. Some formulations also include acrylated olefin oligomers (formulations BE, G, I, LO), acrylated epoxy oligomers (formulations B, C, E, F, HO), An acrylated epoxy monomer (formulation O), a methacrylated polyhydric alcohol adhesion promoter (formulations AD, FH, JO), or an octyldecyl monofunctional monomer (formulation O) may also be used. Including.
[0039]
The formulations listed in Table 1 were prepared by introducing a urethane oligomer and a polydimethylsiloxane air releasing agent into the container. The mixture was stirred while heating to reduce the viscosity of the mixture. The methacrylated polyhydric alcohol adhesion promoter, if present, was then added to the mixture. As soon as the adhesion promoter was completely dispersed, the non-urethane oligomer and monofunctional monomers (isobornyl acrylate and octyl decyl acrylate monomers) were added (in that order). In a separate vessel, benzophenone was dissolved in 1-phenyl-2-hydroxy-2-methyl-1-propanone and in the multifunctional monomer with heating. The resulting blend of photoinitiator and multifunctional monomer was then mixed with other coating precursor components.
[0040]
Test samples were prepared on various substrates by screen printing (110 mesh polyester screen, pad heights nominally 0.001 inch and 0.005 inch) or by casting (constant clearance drawdown knife). Depending on the test, the nominal coating thickness was 0.001 inch (adhesion, mandrel flex, coolant blister) or 0.005 to 0.006 inch (tensile strength, elongation, Shore A hardness). . However, the coating thickness of the adhesion test samples for Formulations H and P were 0.005-0.006 inches. Each run was continuously exposed to a 375 watt / inch UV lamp with a Fusion D-bulb (375 nm) and a H ⁺ -bulb (220 nm) at a line speed of 15 to 25 ft / min. The example formulation was cured. Various properties were measured using the test samples, including tensile strength, elongation, Shore A hardness, adhesion (scratch, blister) and temperature resistance (mandrel flexure).
[0041]
Table 1 shows the scratch adhesion results for test samples immersed in fuel cell coolants (formulations H, P), vehicle coolants (AP), or vehicle oils (formulations J, K). Is raised. Test samples of Formulation H were immersed in three different heat transfer fluids at ambient temperature for 70 hours. The heat transfer fluid used was Solutia Inc. An isoparaffin fluid commercially available under the trade name THERMINOL D12, a proprietary fluid commercially available under the trade name DYNALENE FC-1 from Dynalene Heat Transfer Fluids, and a PF-5080 brand fluid from 3M. And a commercially available fluorinated hydrocarbon fluid. Test samples of Formulations AP were immersed in a 50:50 volume / volume mixture of GM LONG LIFE COOOLANT and water at 100 ° C. for 72 hours. Test samples J and K were immersed in American Society for Testing and Materials (ASTM) IRM903 oil at 150 ° C. for 72 hours. Following immersion, adhesion was measured using the RPM516 scratch test method. According to the test method, the coated base material was fixed on a translatable stage, and the “needle” was lowered on the coated base material surface. During the test, one end of the needle was subjected to a 500 gram weight load so that the other end of the needle penetrated the coating. The needle performed a circular motion while the specimen translated at about 2.5 mm / cycle, producing a series of 10 mm diameter, partially overlapping circular scratches in the coating. The appearance of the coatings was rated on a scale of 1 (poor adhesion) to 10 (best adhesion). Each entry in Table 1 represents the average of three test samples per fluid. The designation "dry" refers to test samples that were not immersed in coolant or oil prior to the scratch test.
[0042]
Table 1 also lists the tensile strength, elongation, and Shore A hardness for each coating formulation. To measure tensile strength and elongation, a 1 inch × 4 inch specimen was cut from a sample cast on a polyester film using a constant clearance sagging knife. The thickness of the sample was measured at multiple points on the film (minimum 6 near the center of the specimen) and the sample was run on an Instron tester at ambient temperature at a crosshead speed of 0.2 inches per minute. I pulled. For each formulation, Table 1 reports the average tensile strength and elongation at break based on five samples. To measure Shore A hardness, a 0.5 inch × 1.5 inch specimen was cut from a sample cast on a polyester film. Specimens from a single formulation were stacked to give an overall sample thickness of 0.125 inches. The hardness of the "stacked" test samples was measured using a Shore A hardness tester mounted on a table. Five hardness measurements were determined for each formulation.
[0043]
Table 1 also lists temperature tolerance data (indicating "temperature mandrel") and viscosity data. Temperature resistance was measured using a modified version of ASTM D573. Each test specimen (screen printed coating on a 0.008 inch thick stainless steel coupon) was heat aged at 185 ° C. for 22 hours, bent around a 6 inch diameter mandrel, and then exposed Visual inspection was performed for cracks or for reduced bond between the coupon and the coating. The appearance of the coatings was rated on a scale of 1 (many cracks, loss of bonding) to 10 (little or no cracks, little or no loss of bond). The data in Table 1 represents the average of three test specimens. The viscosity entry is based on a subjective assessment of the flow properties of the coating precursor. A rating of 1 indicates that the coating precursor would be difficult to screen print, and a rating of 10 indicates that the coating precursor would be easy to screen print.
[Table 1]

[Table 2]

[Table 3]

[0044]
It should be understood that the above description is intended to be illustrative, not limiting. From reading the above description, many embodiments will be apparent to persons skilled in the art. The scope of the invention should, therefore, be determined without reference to the above description, but instead referring to the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled. Should be. The disclosures of all articles and references, including patent applications and publications, are incorporated herein by reference for all purposes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sketch (not to scale) of an exploded cross-sectional view of a fuel cell assembly.
FIG. 2 is a plan view of one of the fuel cell plates having a coating for sealing and insulating the fuel cell assembly of FIG. 1;

Claims

A method of sealing and insulating a fuel cell plate, comprising:
Providing a fuel cell plate having a first surface and a second surface;
Applying a coating precursor on at least a first surface of the fuel cell plate, wherein the coating precursor is configured to polymerize in response to ultraviolet light; and
A method comprising exposing a coating precursor on a fuel cell plate to radiation to initiate polymerization, wherein the coating precursor comprises an acrylated oligomer and a photoinitiator.

The method of claim 1, wherein the coating precursor further comprises a monofunctional monomer that reduces viscosity.

The method of claim 1, wherein the coating precursor further comprises a multifunctional monomer that increases crosslink density.

The method of claim 1, wherein the coating precursor further comprises an adhesion promoter.

The method of claim 1, wherein the coating precursor further comprises an air release agent.

A plate having a first surface and a second surface;
An insulated fuel cell plate comprising: a coating precursor applied on at least one of a first surface and a second surface of the plate, wherein the coating precursor comprises:
Acrylated aliphatic urethane oligomers,
Acrylated epoxy oligomer,
A monofunctional monomer for reducing the viscosity of the coating film precursor,
Polyfunctional monomers to increase the crosslink density,
A fuel cell plate comprising an adhesion promoter and a photoinitiator.

7. The insulated fuel cell plate of claim 6, wherein the monofunctional monomer is an isobornyl acrylate monomer.

7. The insulated fuel cell plate of claim 6, wherein the adhesion promoter is a methacrylated polyhydric alcohol.

7. The insulated fuel cell plate of claim 6, wherein the multifunctional monomer is a propoxylated glycerin triacrylate monomer.

7. The insulated fuel cell plate of claim 6, wherein the photoinitiator is a blend of 1-phenyl-2-hydroxy-2-methyl-1-propanone, and benzophenone.

7. The insulated fuel cell plate of claim 6, wherein the coating precursor further comprises an air release agent.

The insulated fuel cell plate of claim 11, wherein the air release agent is polydimethylsiloxane.

A UV-curable coating precursor,
An acrylated aliphatic urethane oligomer,
An acrylated epoxy oligomer,
A monofunctional monomer for reducing the viscosity of the coating film precursor,
A polyfunctional monomer for increasing the crosslink density,
An adhesion promoter;
A coating precursor comprising a photoinitiator;

14. The UV-curable coating precursor of claim 13, wherein the monofunctional monomer is an isobornyl acrylate monomer.

14. The UV curable coating precursor according to claim 13, wherein the adhesion promoter is a methacrylated polyhydric alcohol.

14. The UV-curable coating precursor according to claim 13, wherein the polyfunctional monomer is a propoxylated glycerin triacrylate monomer.

14. The UV-curable coating precursor of claim 13, wherein the photoinitiator is a blend of 1-phenyl-2-hydroxy-2-methyl-1-propanone and benzophenone.

14. The UV-curable coating precursor of claim 13, wherein the coating precursor further comprises an air release agent.

19. The UV curable coating precursor according to claim 18, wherein the air release agent is polydimethylsiloxane.

A UV-curable coating precursor,
About 25% to about 65% by weight of an acrylated aliphatic urethane oligomer;
About 5% to about 20% by weight of an acrylated epoxy oligomer;
From about 20% to about 40% by weight of a monofunctional monomer for reducing the viscosity of the coating precursor;
From about 1% to about 5% by weight of a polyfunctional monomer for increasing crosslink density;
About 1% to about 15% by weight of an adhesion promoter;
A coating precursor comprising from about 0.1% to about 10% by weight of a photoinitiator.

21. The UV curable coating precursor of claim 20, wherein the monofunctional monomer is an isobornyl acrylate monomer.

21. The UV curable coating precursor of claim 20, wherein the adhesion promoter is a methacrylated polyhydric alcohol.

21. The UV curable coating precursor according to claim 20, wherein the polyfunctional monomer is a propoxylated glycerin triacrylate monomer.

21. The UV curable coating precursor of claim 20, wherein the photoinitiator is a blend of 1-phenyl-2-hydroxy-2-methyl-1-propanone and benzophenone.

21. The UV curable coating precursor of claim 20, wherein the coating precursor further comprises an air release agent.

26. The UV curable coating precursor according to claim 25, wherein the air release agent is polydimethylsiloxane.