JP2005264158A - フルオロエラストマーガスケット組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池シール用の改良されたガスケット用混合剤を提供する。
【解決手段】 フルオロエラストマー粒子、硬化剤、及び金属酸化物還元剤を、任意にミクロスフェア、不活性粒子、ＰＴＦＥ粒子のいずれかと混合したガスケット用エラストマー前駆物質。一実施形態では、本組成物を基材に塗布し、かつ硬化させて燃料電池ガスケットを提供する。本混合剤は、硬化したエラストマーで相互結合している内部的に分化した領域を有する硬化した混合剤を設計するための基礎を提供する。
【選択図】 なし

Description

（序文）
この発明は、ガスケット組成物に関する、特に、本発明は、燃料電池を含む用途で使用できるガスケットを形成するための特定エラストマーを含んでなる組成物に関する。

ガスケットは、２つの合わせ部品間のシールを与える。典型的に、２つの部品は、介在するガスケットを除いて本質的に隣接して配置されたそれぞれの（本質的に共面又はフラットな）合わせ面を有する。この点に関してガスケットの非存在下では、合わせ面が理想的に２面間に何らの空隙も生じずに一緒に締めつけられることはあまりなく、この空隙が２部品間の望ましくない漏れ経路を確立しかねない。ガスケット部品は、合理的に可撓性の接触面を与えて面間のいかなる空隙をも埋め、かつ多くの場合、２つの合わせ面間に圧縮機械バネを与えることによってこれを補う。ボルト又は同様の締結具は、２部品を一緒に圧縮的に連結し（合わせ）、かつ合わせ面間のガスケットを圧縮して（圧縮バネシールを形成する）。

燃料電池動力系は、燃料と酸化剤を電気に変換する。強い関心のある１つの燃料動力系は、プロトン交換膜（以後“ＰＥＭ”）の使用を利用して燃料（水素のような）と酸化剤（空気／酸素のような）の電気への反応を触媒的に促進する。ＰＥＭは、燃料電池動力系内に標準的に配置される燃料電池スタックの各個の燃料電池内におけるアノードからカソードへのプロトンの移動を促す固体ポリマー電解質である。

典型的な燃料電池スタック内では、個々の燃料電池は、種々の反応物にチャンネルを与え、かつ燃料電池スタック内で反応した流体を冷却して各電池中に流すバイポーラ流れ場プレートを有する。ガス拡散アセンブリー（プレート型）が、さらに反応流体を流れ場空間からプレート型膜アセンブリー内の反応性アノード及びカソードに分散させるための最終流体導管を与える。ガスケットは、燃料電池スタックの種々プレート間のシーリングと電気絶縁を与える。

多くのガスケットは、多層方向に積み重ねた数種のピースで構成されるので、いずれのアセンブリーでも必要な部品数の最小化が進行中の目標である。従って、単ピースガスケットが望ましい。多くのガスケットは、別個のガスケット型層としてよりも被覆剤として塗布されるシールを必要とする。このような被覆剤は、燃料電池を分解するとき除去する必要があり、これら操作は時間がかかりかねない。

燃料電池のいずれのプレートにガスケットを保持するためにも被覆剤が必要なく、かつ定期的に該ガスケットを除去して燃料電池の再構築で容易に再利用できる、燃料電池をシールするための長期間頑強な接触面を与えるために改良されたガスケットが必要である。

（概要）
本発明は、ガスケット組成物であって、以下の成分：
（ａ）フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロペン、及びテトラフルオロエチレンから誘導されるフルオロエラストマー粒子であって、該フルオロエラストマーが約２５〜約７５のムーニー粘度、約６５〜約６９原子量％のフッ素、少なくとも９０質量％のフルオロターポリマー、及びハロゲン化した架橋部位を有する、フルオロエラストマー粒子；
（ｂ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約１０〜約５０部の、約２５０メッシュ未満の粒径を有する不活性粒子；
（ｃ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部の、前記フルオロエラストマー粒子を架橋して硬化したフルオロエラストマーと水素イオンを生成する硬化剤；及び
（ｄ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約５〜約５０部の酸化マグネシウム還元剤粒子であって、該金属酸化物還元剤粒子が約２５０メッシュ未満の粒径を有し、該酸化マグネシウムが約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ（Brunauer、Emmett、及びTeller法）表面積を有する、酸化マグネシウム還元剤粒子；
を含んでなるガスケット組成物を提供する。

本発明のさらなる局面では、ガスケット組成物は、さらにミクロスフェア及びＰＴＦＥ粒子のような材料を含む。本発明は、この発明の組成物を含む単部品ガスケットをも提供する。

この発明の組成物は、１つ以上の優れた順応性、良い高温頑強性、電解液や水分攻撃に対する優れた耐性、低い透過率、弾性のある強度、耐摩耗性、耐溶剤性、良い引張り及び伸び特性、コスト低減、並びに金属、グラファイト、複合材、及び高い表面張力を有する他の材料に対する良い接着力を含め、技術的に周知のガスケット組成物を超える利点を与えることが分かった。

後述する詳細な説明から、さらなる分野の適用性が明らかになるだろう。詳細な説明及び特有の実施例は、本発明の実施形態を示すが、例示目的のためのみを意図しており、本発明の範囲を限定する意図でないことを理解すべきである。

本発明は、詳細な説明及び添付図面１及び２によってさらに完全に理解されるだろう。

本出願で示す図面は、本明細書の実施形態の説明の目的のため、この発明の装置、材料及び方法の一般的特徴を例示することを意図していることに留意すべきである。これら図面は、与えたいずれかの実施形態の特徴を正確に反映するものではなく、必ずしもこの発明の範囲内の特有の実施形態を定義又は限定することを意図しない。

（説明）
使用においては、ガスケットは機械設計と材料設計の両方に共通する考慮すべき事項を示す。この点に関して、材料の改良が機械設計の改良と絡み合うことが多い。ガスケットのような部品を少なくとも１種の追加材料で被覆した基礎材料で作る場合、材料を一緒に合体するというプロセスも関心がある。以下の議論は、いくつかの新しい材料に焦点を合わせることから始め、この新材料から利益を得る機械設計の考慮事項に焦点を移し、次にこの新材料の製造とその使用法に関連するプロセスの考察に焦点を合わせる。

本明細書で述べるこの発明の説明を精査するときは、以下の定義及び非限定的指針を考慮しなければならない。

本明細書で用いる表題（“序文”及び“概要”のような）は、本発明の開示内の話題の一般的構成のためのみを意図しており、かつ本発明又はそのいずれかの局面の開示を限定することを意図しない。特に、“序文”で開示する主題は、本発明の範囲内の技術の局面を包含することがあり、かつ先行技術の列挙を構成するものではない。“概要”で開示する主題は、本発明又はそのいずれかの実施形態の全範囲の排他的又は完全な開示でない。

本明細書における参考文献の引用は、当該参考文献が先行技術であり、或いは本明細書で開示する本発明の特許性に何らかの関連性を有するという承認を構成しない。この明細書の説明セクションで引用するすべての参考文献は、参照によってその全体が本明細書に取り込まれる。

説明及び特有の実施例は本発明の実施形態を示すが、例証目的のためだけを意図しており、本発明の範囲を限定することを意図しない。さらに、規定した特徴を有する複数の実施形態の列挙は、さらなる特徴を有する他の実施形態、又は規定した特徴の異なる組合せを取り入れた他の実施形態を排除する意図でない。

本明細書で使用する場合、用語“好ましい”及び“好ましくは”は、特定条件下で特定の利益を与える本発明の実施形態を指す。しかし、同一条件又は他の条件下で、他の実施形態が好ましいこともありうる。さらに、１又は複数の好ましい実施形態の列挙は、他の実施形態が有用でないことを意味せず、かつ本発明の範囲から他の実施形態を排除することを意図しない。

本明細書で使用する場合、語“挙げられる”及びその変形は、リスト中の項目の列挙がこの発明の材料、組成物、装置、及び方法でも有用でありうる他の同様の項目の排除にならないように、非限定的であることを意図する。

本発明は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロペン、及びテトラフルオロエチレンから誘導されるフルオロエラストマー粒子を含んでなるガスケット材料を提供する。一実施形態では、フルオロエラストマーは約２５〜約７５のムーニー粘度、約６５〜約６９原子量％のフッ素、少なくとも９０質量％のフルオロターポリマー、及びハロゲン化した架橋部位を有する。一実施形態では、Viton^TM B-600（E. I. du Pont de Nemours & Co.）が混合剤用のベースエラストマー粒子を提供する。エラストマー粒子を溶剤中に溶かすために必要な最終的な時間によって、エラストマー粒子の大きさは、小顆粒から数センチメートルの長さ及び／又は幅の小断片チップまで変化する。

また、フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約１０〜約５０部の量（濃度）の不活性粒子も、ガスケット混合剤のベースエラストマー粒子全体に分散している。不活性粒子は、約２５０メッシュ未満の粒径（すなわち、約２５０メッシュのスクリーンを通過する粒径）を有する。本明細書で有用な粒子としては、炭酸カルシウム、カーボンブラック、グラファイト、ヒュームドシリカ（シリカヒューム）、カオリン、及びその組合せから成る群より選択される当該粒子が挙げられる。一実施形態では、組成物が硬化（架橋）した後の該組成物のクリープ、順応性、結合力、及び鉛筆硬度のような特性を調節するため、組成物に不活性粒子を添加する。一実施形態では、カーボンブラックを添加して、ガスケットが硬化した後、ガスケットシールの３Ｈ（ＡＳＴＭ Ｄ-３３６３“鉛筆試験によるフィルム硬度の標準的試験方法(Standard Test Method For Film Hardness By Pencil Test)”より高い鉛筆硬度を与える。

本組成物は、フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部の濃度で硬化剤をも含む。この点に関して、硬化剤は、混合剤が硬化して連続エラストマー相を与え、かつその硬化混合剤中に水素イオンをも放出しながら、フルオロエラストマーの架橋を促進する。一実施形態では、本組成物は、-Ｃ=Ｎ-基を与えるアミン硬化剤を含む。この点に関し、n,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセンは、フルオロエラストマーを、フッ素化した架橋部位と結合するために特に好ましい硬化剤であり、その硬化したエラストマーは高温用途で使用される。いくつかの実施形態では、カルバミン酸ヘキサメチレンジアミン又はカルバミン酸エチレンジアミンが硬化剤として機能するアミンである。n,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセン、カルバミン酸ヘキサメチレンジアミン及びカルバミン酸エチレンジアミンのいずれかの混合物もさらに他の実施形態で使用する。

本組成物は、フルオロエラストマー１００質量部当たり約５〜約５０部の濃度の、燃料電池作動に有害でない金属酸化物粒子をも含む。金属酸化物粒子は、好ましくは約２５０メッシュ未満の粒径を有し、好ましくは水素イオン（混合剤の硬化時に硬化剤によって生成される）と化合すると同時に、架橋プロセスが所望のガスケット作動条件に適した結合力を有する硬化した被覆を与えるような量と活性に調節するためにも十分な量で混合剤中に存在する。この点に関して、金属酸化物粒子のＢＥＴ表面積は、約４０〜約７０m²/gである。燃料電池に好ましい金属酸化物粒子はＭｇＯである。一実施形態では、約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有するＭｇＯは、硬化後のガスケット中の残存ＭｇＯによって燃料電池作動が不利益に影響されない低い十分な活性を有する。ＭｇＯ粒子の例は、イリノイ州シカゴのC.P. Hall社製のMaglite^TMＹ（フルオロエラストマー硬化用の約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有する適度に活性な酸化マグネシウム）である。

さらに金属酸化物還元剤の活性レベルについて、特定実施形態では“減少した活性の”金属酸化物還元剤（約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有する）が、硬化時に水素イオンが生成される薄いフルオロエラストマー被覆剤（例えば、限定するものではないが、約２００ミクロン未満の厚さを有するフィルムとして塗布される被覆剤）を硬化するときに有用性を与える。特定の実施形態では、限られた活性の還元剤が、“高い活性の”還元剤を用いることによって水素イオン濃度が非常に低濃度に保持される場合より、該フィルム由来の縮合生成物（例えば、架橋時に生成されるＨＦのような）の拡散性移動でさらに調整されたペースで架橋速度を達成するように、硬化しているエラストマー内で十分な水素イオン濃度を維持する。特定の実施形態では、約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有する金属酸化物還元剤によって促がされる整調された架橋の結果、高活性の還元剤で生じると考えられる状況、すなわち架橋時の“より低い”水素イオン濃度が実際に架橋反応の平衡条件を急速架橋の持続にしむけ、結果として多数の“より短い”ポリマー鎖を助長する状況に比し、エラストマー内でフルオロエラストマーポリマーの“長い”鎖を架橋することができる。約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有する金属酸化物還元剤によって促された長いエラストマー鎖は、該被覆剤を塗布する基材に対する非常に付着力のある結合を可能にする。

一実施形態では、本組成物は、金属酸化物粒子とn,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセンのようなアミン硬化剤を含む。一実施形態では、金属酸化物粒子は、フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約１〜約３０部のＭｇＯで達成される。n,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセンがフルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約８部である一実施形態では、ＭｇＯはフルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約２０部である。

一実施形態では、本組成物は、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）粒子を好ましくはフルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約７５部までのレベルで含む。ポリ四フッ化エチレン粒子は、好ましくは約１０〜約５０ミクロンの平均粒径を有する。ＰＴＦＥ粒子は、好ましくは少なくとも２相のポリマー材料が与えられるように、連続的な硬化したフルオロエラストマー内に分散させる。ＰＴＦＥ粒子は、エンジンの振動によるガスケット上の摩耗の低減に役立ち、かつエンジン分解時のガスケットの放出も増加させる。

本組成物は、任意に、好ましくは約０．５〜約２０ミクロンの平均粒径を有し、かつ好ましくはフルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部の濃度の膨張性ミクロスフェアを含みうる。ミクロスフェアは、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルとポリ塩化ビニリデンのコポリマー、及びその組合せのいずれかから成る群より選択されるポリマーを含む殻を有する。ミクロスフェアは、硬化時にそれぞれ膨張し、硬化した材料内に膨張したミクロスフェアを与える。

本組成物は、任意に、好ましくは約２０〜約１２０ミクロンの平均粒径を有し、かつ好ましくはフルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部の濃度のミクロスフェアを含みうる。このミクロスフェアは、ポリマー、セラミック、ガラス、及びその組合せのいずれかの殻を有する。これらミクロスフェアは硬化時に膨張しない。

ミクロスフェアは連続的な硬化したフルオロエラストマー内に分散かつシールされた気相を確立するので、発泡ポリマー材料が与えられる。この点に関しては、ガスケットの局在化領域を操作して発泡性状を持たせることができるので、連続的なエラストマー相と相互結合した分化領域を有するガスケットの設計が可能である。このような実施形態では、ミクロスフェアによって、硬化したガスケットの可撓性、順応性、弾性、及び靱性に関連した特性を釣り合わせるための自由度（濃度、大きさ、及びミクロスフェアの組成特質）を与えることができる。

いくつかの実施形態では、フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．０５部〜約５部のロウ粒子を用いて、基材（金属又はグラファイトのような）への塗布用溶剤中に混合剤を混合するときの流動特性を向上させ、かつ混合剤の機械的撹拌時の粒子の相互混合を高める。ロウ粒子の例としては、パラフィン、カルナウバロウ、ポリプロピレンロウ及びその組合せが挙げられる。

一実施形態では、本組成物を約10,000センチポアズ〜約500,000センチポアズの混合剤粘度を与えるために十分な溶剤と共に流動化する。溶剤は、好ましくはケトン、アルコール、エステル溶剤、及びその組合せから成る群より選択される。好ましい溶剤として、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル、酢酸セロソルブ、酢酸ソルビトール、3,5,5-トリメチル-3-シクロヘキセネン-1-オン、シクロヘキセン-1-オン、酢酸ブチルセルロース、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、及びその混合物から成る群より選択されるものが挙げられる。一実施形態では、溶剤は、約２０質量％の3,5,5-トリメチル-3-シクロヘキセネン-1-オン、約２０質量％のシクロヘキセン-1-オン、及び約６０質量％の酢酸ブチルセルロースを含む。

一実施形態では、本発明は、以下の成分：
（ａ）フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロペン、及びテトラフルオロエチレンから誘導されるフルオロエラストマー粒子であって、該フルオロエラストマーが約２５〜約７５のムーニー粘度、約６５〜約６９原子量％のフッ素、少なくとも９０質量％のフルオロターポリマー、及びハロゲン化した架橋部位を有する、フルオロエラストマー粒子；
（ｂ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約１０〜約５０部のレベルのカーボンブラック（約２５０メッシュ未満の粒径を有する）；
（ｃ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約７５部未満のレベルのポリ四フッ化エチレン粒子（約１０〜約５０ミクロンの平均粒径を有する）；
（ｄ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部のレベルのn,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセン；
（ｅ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約５〜約５０部の酸化マグネシウム還元剤粒子であって、該金属酸化物還元剤粒子が約２５０メッシュ未満の粒径を有し、該酸化マグネシウムが約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有する、酸化マグネシウム還元剤粒子；
（ｆ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．０５部〜約５部のレベルのロウ粒子；及び
（ｇ）約10,000センチポアズ〜約500,000センチポアズの混合剤粘度を与えるために十分な、約２０質量％の3,5,5-トリメチル-3-シクロヘキセネン-1-オン、約２０質量％のシクロヘキセン-1-オン、及び約６０質量％の酢酸ブチルセルロースのブレンドである溶剤；
を含んでなるガスケット組成物を提供する。

いくつかの実施形態では、約３５部のカーボンブラック、約５部のポリ四フッ化エチレン粒子、約８部のn,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセン、及び約１０部のＭｇＯ（すべてフルオロエラストマー粒子１００質量部当たり）が存在する。これら実施形態のいくつかでは、フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約８部の濃度で約２０〜１２０ミクロンの予め膨張したミクロスフェア又は約０．５〜約２０ミクロンの膨張性ミクロスフェアも存在する。

以下、新規なフルオロエラストマー粒子ガスケット混合剤と関連する図面及び機械設計機会と考慮すべき事項について述べる。図１及び２は、本発明のガスケットの種々の実施形態を示す。まず図１を参照すると、燃料電池９０は第１流れ場プレート９２と第２流れ場プレート９２’、第１ガス拡散層９４と第２ガス拡散層９４’、及びプロトン交換膜９６とから成る。一実施形態の拡散層９４と９４’は、ポリマー膜９６に反して押圧されると電気をも伝導して膜電極アセンブリー、つまりＭＥＡを形成する。燃料電池９０をシールするため、２個の弾性ガスケット１００と１００’が必要である。当業者は、ガスケット１００と１００’が本質的に同一であり、ガスケット１００’を示すために用いる最初の数は同一要素であると認識する。同様に、第１ガス拡散層９４は本質的に第２ガス拡散層９４’と同一であり、第１流れ場プレート９２は第２流れ場プレート９２’と本質的に同一である。

第１ガス拡散層９４をイオン交換ポリマー膜９６の一面に配置する。第１流れ場プレート９２を静止ガスケット１００に対して配置し、第２流れ場プレート９２’を静止ガスケット１００’に対して配置して単一の燃料電池９０を形成する。

作動中、気体又は液体のどちらかである流体は、通常のように、流れ場プレート９２と９２’内の通路、チャンネル又は開口を通じて別々にサブアセンブリー９８の一面又は他面上に供給される。一方の流体（水素）が、サブアセンブリー９８の上側を第１流れ場プレート９２を経て、プロトン交換膜９６のアノード側に流れ、白金触媒が該流体のプロトンと電子中への流れの分離を促す。サブアセンブリー９８の反対の下側では、第２流体（酸素）が第２流れ場プレート９２’を経て、プロトン交換膜９６のカソード側に流れ、第２ガス拡散層９４’がサブアセンブリー９８の第１面からのプロトンを付着する。外部回路（図示せず）を通じて有用な電気エネルギーとして電子が捕獲される。ガスケット１００及び１００’は、サブアセンブリー９８からの流体の移動を防止する。

図示した例の弾性シールガスケット１００及び１００’用材料の例として、前述したような任意のミクロスフェアを有する硬化したフルオロエラストマーが挙げられる。ガスケット１００及び１００’は、（実施例では）スクリーン印刷法、直接被覆によってのような種々の方法で或いはデカル(decal)転写法によってでさえ形成される。

一実施形態では、本発明は、分化領域を有するこの発明の組成物のガスケットを提供する。この点に関し、一実施形態では、ミクロスフェアが混合されていない第１ガスケット領域は架橋性エラストマーの第１混合剤から導かれ、かつミクロスフェアが分散している第２ガスケット領域は架橋性エラストマーの第２混合剤から導かれる。一実施形態では、第２領域内のミクロスフェアの量（例えば、架橋性エラストマー１００部当たり少なくとも５部）が第２領域を“発泡”させ、それでもなお円滑に、硬化した連続エラストマー相を有する第１ガスケット領域との相互結合を可能にする。硬化した連続エラストマー相（第１領域と第２領域を相互結合している）は、両領域内の架橋性エラストマーの同時硬化から導かれる。このようにして、ミクロスフェアは、非発泡性のガスケット内の領域に“適所で発泡”する可能性を与えるガスケット材料の設計を可能にする。低装荷点では、柔順な発泡領域は優れたシールを助長し；かつ高負荷点で相補的に位置づけられると、ガスケットの非発泡領域が、圧縮ガスケット内のクリープと緩和に由来するクラッシュと負荷損を最小限にする。非発泡領域は、負荷が相当な場合、発泡部の負荷ストッパーとしても作用する。別の有益な局面では、ガスケット上の負荷を一様にし、かつ分散するように発泡領域を位置づけることによって、ガスケットの他領域（例えば、ビード部のような）の望ましくないクラッシュを最小にすることができる。

このさらなる例において、図２は、通常フラットであり、かつ輪郭を示さない、（便宜上本明細書で述べるフルオロエラストマーガスケットと共に用いる特定のガスケット設計特徴に焦点を合わせるため）一般的キャリヤー２０６上に図１のＡ-Ａにおける簡略化一部断面図を示す。ほとんどミクロスフェアのない第１フルオロエラストマー混合剤は、領域２０２Ａと２０２Ｂのところでキャリヤー２０６上に配置される。第１混合剤と本質的に同一のフルオロエラストマー粒子基剤を有するが、多数のミクロスフェア（ミクロスフェア２１５参照）を有する第２フルオロエラストマー混合剤は、領域２０３のところでキャリヤー２０６上に配置される。硬化後、領域２０３は、領域２０２ａ及び２０２ｂで硬化した混合剤の厚さ２０８に比べて隆起した厚さ２１０のガスケット内の弾性部を与える。

一実施形態では、ガスケット領域２０３の組成物中のミクロスフェアの濃度は、ガスケット２００を使用するときに望ましい特定のバネ力によって決まる。この点に関し、第２面に圧縮的に接合するとき、接合領域２０２ａ及び２０２ｂは、一実施形態では、第２面（ガスケット２００の上方からガスケット２００の上面に対して押圧している）にガスケット実施形態２００のシール面を圧縮的に接合させるための位置に配置される。このような圧縮状況では、締結具によって及ぼされる圧縮力から、また２つの合わせ部品中の固有の剛性からも得られる共面機械圧縮によって領域２０３の接合面が圧縮的に第２面と接合する。ガスケット２００が圧縮されると、圧縮されたガスケット２００内に、圧縮力と等価の内部抵抗力（圧縮力に対する古典バネによって及ぼされる反対力）がガスケット２００上の各点で存在する。ガスケット２００内に局在化した内部抵抗（バネ）力が領域２０３で最高である必要があるという推定の下、領域２０３内に分散したミクロスフェアの相対量は、ミクロスフェアの膨張と混合剤の硬化時に、厚さ２０８より十分大きい厚さ２１０を与えて、領域２０３のところで最大の所望の局在化内部抵抗力を与える量である。

ガスケット２００の第１及び第２フルオロエラストマー混合剤は、硬化の際、それぞれ領域２０２ａ、２０３、及び２０２ｂ間かつそのいたるところに架橋したエラストマー連続体を形成することに留意すべきである。このことが、全体的に結合した混合剤内の強度と可撓性を高めて、領域的に差別化された特性からそれぞれ組成的に差別化された領域に有利なガスケットシール内のマクロ特性を与える。

ここで、新規材料の製造及びその使用に関連した方法の考慮すべき事項に転じると、本明細書で前述したように、フルオロエラストマー粒子、不活性粒子、金属酸化物還元剤粒子、ロウ、及び任意に、ＰＴＦＥ粒子及び／又はミクロスフェアを混ぜ合わせ、成形しやすい集塊に混合するためのバンバリーミキサーのようなミキサーに運ぶ。一実施形態では、集塊を約１ｇの大粒子に細分化する。この大粒子を適切な溶剤（本明細書で前述した）に溶かして、所望粘度を有する貯蔵混合剤エラストマー前駆溶液を形成する。使用直前（好ましくは４８時間以内）に、選択した硬化剤（一実施形態では、アルコール溶液中）をエラストマー前駆溶液中に混ぜ合わせて形成基材に塗布するための混合剤エラストマー前駆物質を作る。

ガスケット混合剤の使用方法の一実施形態では、貯蔵混合剤エラストマー前駆物質をキャリヤー（例えば、ガスケット用キャリヤー）の本質的に平らな面に塗布する。そして、任意にキャリヤーを最終用途のためにさらに形成する。第２実施形態では、まずキャリヤーを、ガスケットの問題の面が全般に平らでない表面（非平面状の混合剤塗布面を有するキャリヤー）に形成し；この非平面状の表面にエラストマー前駆物質を塗布する。塗布すべき表面がグラファイトの場合、エラストマー前駆物質は、プライマーの恩恵を受けずにグラファイト上に沈着される。

エラストマー前駆物質をキャリヤーに塗布した後、いずれのミクロスフェアも膨張させ、かつエラストマー前駆物質を硬化させるため、必要に応じて約１９３℃〜約２１３℃（約３８０゜F〜約４１５゜F）にキャリヤーと混合剤を加熱する。

Viton^TMＢ ＦＫＭポリマーを用いて燃料電池内のバイポーラプレート用ガスケット試料を調製する。この組成は、以下のように列挙される。バンバリーミキサーを用いて以下の成分を混ぜ合わせる。そして、集塊をミルでシート型コンパウンドにブレンドしてから約１ｇの大塊にカットする。この断片を３：５（固体：溶剤）の質量比で酢酸ブチルセルロース溶剤中に溶かし、混合して被覆剤を調製する。被覆剤を塗布する直前に上記ポリマー溶液上に１：２３の質量比でn,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセン硬化剤を混合する。最終被覆剤について、ブルックフィールド粘度計によって約100,000センチポアズで粘度を測定する。スクリーン印刷法を用いてグラファイト基材上に選択的に被覆剤を塗布して燃料電池用ガスケットを作る。スクリーン印刷した部分をそれぞれ９０℃及び３９０℃でそれぞれ１５分間乾燥かつ硬化させる。

この被覆剤をシール及び電気絶縁のため使用する。試験は、このＦＫＭ被覆剤が、6.9×10⁴Pa(１０lb/in²)の負荷下で空気をシールし、かつ１５０μm厚の硬化したフィルムに十分な絶縁機能を与えることを示す。
ＦＫＭターポリマー（Viton^TMＢ） １００部
カーボンブラックMT990 ３０
ＭｇＯ（Maglite^TMＹ） １０
ロウ １．２
ＰＴＦＥ ５０

本明細書で述べた実施例及び他の実施形態は典型例であり、記述することでこの発明の組成物及び方法の全範囲を限定することを意図しない。本発明の範囲内で、実質的に同様の結果を有する、特有の実施形態、材料、組成物及び方法の等価な変更、修正及び変化を生じさせうる。

燃料電池アセンブリーの一部を示す。 ミクロスフェア補強領域と、ミクロスフェア補強のない他の２つの領域と、連続エラストマー相とを有する硬化した混合剤を有するガスケットキャリヤー部分の簡略化一部断面図を示す。

Claims (29)

1. 以下の成分：
   （ａ）フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロペン、及びテトラフルオロエチレンから誘導されるフルオロエラストマー粒子であって、該フルオロエラストマーが約２５〜約７５のムーニー粘度、約６５〜約６９原子量％のフッ素、少なくとも９０質量％のフルオロターポリマー、及びハロゲン化した架橋部位を有する、フルオロエラストマー粒子；
   （ｂ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約１０〜約５０部の、約２５０メッシュ未満の粒径を有する不活性粒子；
   （ｃ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部の、前記フルオロエラストマー粒子を架橋して硬化したフルオロエラストマーと水素イオンを生成する硬化剤；及び
   （ｄ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約５〜約５０部の酸化マグネシウム還元剤粒子であって、該金属酸化物還元剤粒子が約２５０メッシュ未満の粒径を有し、該酸化マグネシウムが約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有する、酸化マグネシウム還元剤粒子；
   を含んでなるガスケット混合剤。
2. さらに、前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約７５部未満の、約１０〜約５０ミクロンの平均粒径を有するポリ四フッ化エチレン粒子を含んでなる請求項１記載のガスケット混合剤。
3. さらに、前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部のレベルでミクロスフェアを含んでなる請求項１記載のガスケット混合剤。
4. さらに、前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．０５部〜約５部のロウ粒子を含んでなる請求項１記載のガスケット混合剤。
5. さらに、約10,000センチポアズ〜約500,000センチポアズの混合剤粘度を与えるために十分な溶剤を含んでなる請求項１記載のガスケット混合剤。
6. 前記溶剤が、ケトン、アルコール、若しくはエステル溶剤又はその混合物を含む、請求項５記載のガスケット混合剤。
7. 前記溶剤が、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル、酢酸セロソルブ、酢酸ソルビトール、3,5,5-トリメチル-3-シクロヘキセネン-1-オン、シクロヘキセン-1-オン、酢酸ブチルセルロース、エタノール、メタノール、イソプロパノール、及びその混合物から成る群より選択される、請求項５記載のガスケット混合剤。
8. 前記溶剤が、約２０質量％の3,5,5-トリメチル-3-シクロヘキセネン-1-オン、約２０質量％のシクロヘキセン-1-オン、及び約６０質量％の酢酸ブチルセルロースを含む、請求項５記載のガスケット混合剤。
9. 前記硬化剤がアミンを含む、請求項１記載のガスケット混合剤。
10. 前記アミン硬化剤が、n,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセン、カルバミン酸ヘキサメチレンジアミン、カルバミン酸エチレンジアミン、及びその組合せから成る群より選択される、請求項９記載のガスケット混合剤。
11. 前記金属酸化物還元剤粒子が、前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約１〜約３０部のＭｇＯを含む、請求項１記載のガスケット混合剤。
12. 前記不活性粒子が、炭酸カルシウム、カーボンブラック、グラファイト、ヒュームドシリカ、カオリン、及びその混合物から成る群より選択される、請求項１記載のガスケット混合剤。
13. 前記不活性粒子がカーボンブラックであり、前記硬化剤がn,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセンである請求項１２記載のガスケット混合剤であって、該混合剤が、さらに以下の成分：
    （ｅ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約７５部未満の、約１０〜約５０ミクロンの平均粒径を有するポリ四フッ化エチレン粒子；
    （ｆ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．０５部〜約５部のロウ粒子；及び
    （ｇ）約10,000センチポアズ〜約500,000センチポアズの混合剤粘度を与えるために十分な、約２０質量％の3,5,5-トリメチル-3-シクロヘキセネン-1-オン、約２０質量％のシクロヘキセン-1-オン、及び約６０質量％の酢酸ブチルセルロースのブレンドを含む溶剤；
    を含む、ガスケット混合剤。
14. 前記カーボンブラックが前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約３５部であり、前記ポリ四フッ化エチレン粒子が前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約５部であり、前記n,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセンが前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約８部であり、かつ前記ＭｇＯが前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約２０部である、請求項１３記載のガスケット混合剤。
15. さらに、前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約８部のミクロスフェアを含んでなる請求項１３記載のガスケット混合剤。
16. 以下の成分：
    （ａ）フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロペン、及びテトラフルオロエチレンから誘導されるフルオロエラストマー粒子であって、該フルオロエラストマーが約２５〜約７５のムーニー粘度、約６５〜約６９原子量％のフッ素、少なくとも９０質量％のフルオロターポリマー、及びハロゲン化した架橋部位を有する、フルオロエラストマー粒子；
    （ｂ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約１０〜約５０部の、約２５０メッシュ未満の粒径を有する不活性粒子；
    （ｃ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部の、前記フルオロエラストマー粒子を架橋して硬化したフルオロエラストマーと水素イオンを生成する硬化剤；及び
    （ｄ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約５〜約５０部の酸化マグネシウム還元剤粒子であって、該金属酸化物還元剤粒子が約２５０メッシュ未満の粒径を有し、該酸化マグネシウムが約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有する、酸化マグネシウム還元剤粒子；
    を混合する工程を含む、ガスケット混合剤の製造方法。
17. 以下の要素：
    （ａ）バイポーラプレート；
    （ｂ）膜電極アセンブリー；及び
    （ｃ）前記プレートと前記アセンブリーの間に介在するガスケットであって、下記成分：
    （１）フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロペン、及びテトラフルオロエチレンから誘導されるフルオロエラストマー粒子であって、該フルオロエラストマーが約２５〜約７５のムーニー粘度、約６５〜約６９原子量％のフッ素、少なくとも９０質量％のフルオロターポリマー、及びハロゲン化した架橋部位を有する、フルオロエラストマー粒子；
    （２）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約１０〜約５０部の、約２５０メッシュ未満の粒径を有する不活性粒子；
    （３）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部の、前記フルオロエラストマー粒子を架橋して硬化したフルオロエラストマーと水素イオンを生成する硬化剤；及び
    （４）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約５〜約５０部の酸化マグネシウム還元剤粒子であって、該金属酸化物還元剤粒子が約２５０メッシュ未満の粒径を有し、該酸化マグネシウムが約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有する、酸化マグネシウム還元剤粒子；
    の混合剤から硬化したガスケット；
    を含んでなる燃料電池。
18. 前記混合剤が、さらに前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約７５部未満の、約１０〜約５０ミクロンの平均粒径を有するポリ四フッ化エチレン粒子を含む、請求項１７記載の燃料電池。
19. 前記混合剤が、さらに前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部のミクロスフェアを含む、請求項１７記載の燃料電池。
20. 前記混合剤が、さらに前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．０５部〜約５部のロウ粒子を含む、請求項１７記載の燃料電池。
21. 前記不活性粒子が、炭酸カルシウム、カーボンブラック、グラファイト、ヒュームドシリカ、カオリン、及びその混合物から成る群より選択される請求項１７記載の燃料電池。
22. 前記硬化剤がアミンを含む、請求項１７記載の燃料電池。
23. 前記アミン硬化剤が、n,n’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキセン、カルバミン酸ヘキサメチレンジアミン、カルバミン酸エチレンジアミン、及びその組合せから成る群より選択される、請求項２２記載の燃料電池。
24. 前記金属酸化物還元剤粒子が、前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約１〜約３０部のＭｇＯを含む、請求項１７記載の燃料電池。
25. 前記混合剤が、さらに約10,000センチポアズ〜約500,000センチポアズの混合剤粘度を与えるために十分な溶剤を含む、請求項１７記載の燃料電池。
26. 前記溶剤が、ケトン、アルコール、若しくはエステル溶剤又はその混合物を含む、請求項２５記載の燃料電池。
27. 前記溶剤が、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル、酢酸セロソルブ、酢酸ソルビトール、3,5,5-トリメチル-3-シクロヘキセネン-1-オン、シクロヘキセン-1-オン、酢酸ブチルセルロース、エタノール、メタノール、イソプロパノール、及びその混合物から成る群より選択される、請求項２６記載の燃料電池。
28. 前記溶剤が、約２０質量％の3,5,5-トリメチル-3-シクロヘキセネン-1-オン、約２０質量％のシクロヘキセン-1-オン、及び約６０質量％の酢酸ブチルセルロースを含む、請求項２７記載の燃料電池。
29. 以下の成分：
    （ａ）フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロペン、及びテトラフルオロエチレンから誘導されるフルオロエラストマー粒子であって、該フルオロエラストマーが約２５〜約７５のムーニー粘度、約６５〜約６９原子量％のフッ素、少なくとも９０質量％のフルオロターポリマー、及びハロゲン化した架橋部位を有する、フルオロエラストマー粒子；
    （ｂ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約０．５〜約２０部の、前記フルオロエラストマー粒子を架橋して硬化したフルオロエラストマーと水素イオンを生成する硬化剤；及び
    （ｃ）前記フルオロエラストマー粒子１００質量部当たり約５〜約５０部の酸化マグネシウム還元剤粒子であって、該金属酸化物還元剤粒子が約２５０メッシュ未満の粒径を有し、該酸化マグネシウムが約４０〜約７０m²/gのＢＥＴ表面積を有する、酸化マグネシウム還元剤粒子；
    を含んでなるガスケット混合剤。

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