JP2006236671A - 固体高分子形燃料電池用シール材 - Google Patents

Abstract

【課題】従来必要であったシール材を設ける為のセパレータの加工を不要にし、また、シール材から溶出する不純物イオンを低減させ、従来よりも短時間の加熱で均一な接着を行えることによりシール性能の確保が可能な固体高分子形燃料電池用シール材を提供する。
【解決手段】本発明は、固体高分子形燃料電池における一対の電極及び該一対の電極に挟持された固体高分子電解質膜１１からなる複合体と、導電性セパレータ１４，１５との間を密封すべくシールする固体高分子形燃料電池用シール材１６であって、当該シール材は、スチレン系ブロック重合エラストマーと、テルペン系樹脂及び脂環族系樹脂から選択された少なくとも一種のタッキファイヤーとを含むものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の電極及び該一対の電極に挟持された固体高分子電解質膜からなる複合体と、一対の導電性セパレータとの間を密封すべくシールする固体高分子形燃料電池用シール材に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」という）は、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。図１に、一般的な燃料電池の構成単位であるセルの断面図を示す。

図１に示すように、セル１０は、湿潤状態で水素イオンを選択的に透過させる固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」という）１１とその両面に配置された一対の電極（アノード、カソード）１２，１３とからなる複合体（ＭＥＡ：Membrane and Electrode Assembly）、該複合体の両面に配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するためのガス流路（１４ａ，１５ａ）が形成されたセパレータ（１４，１５）、及び前記複合体とセパレータ（１４，１５）との間を密封すべくシールするシール材１６から構成される。

前記電極１２，１３は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層、及びその外面に形成される、通気性及び電子導電性を併せ持つガス拡散層から構成される。また、セパレータ１４，１５は、黒鉛系材料や金属系材料からなる導電性材料で構成され、金属系材料としては、ステンレス鋼やチタン等が用いられている。

そして、一般的な燃料電池は、このセル１０を数十〜数百セル積層し、その積層体を集電板及び絶縁板を介して端板で挟み、これらを締結ボルトで両端から締め付けることによって構成される。

このように構成された燃料電池は、セル１０内が８０〜１００℃の湿潤状態で稼働し、稼働初期にはｐＨ２程度の酸性となる。従って、このような条件に耐えうるために、シール材１６の性能は、耐湿熱性、耐酸性であることが前提であり、併せて水素ガスの透過性が低く、不純物イオンの含有量が少ないことも重要である。さらに、シール材１６は、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合を防止するとともに、セル１０内の湿潤状態を保つために電解質膜１１とセパレータ１４，１５間の気密性を確保することが重要となる。また、シール材１６としては、燃料電池の組み立てにおいて、簡単な手順で確実なシール性が得られ、しかも長期にわたって気密性を確保できるものが求められている。

従来より、気密性を確保するシール材としてＯリングを採用したり（例えば、特許文献１又は２参照）、あるいは接着剤により接着する方法や、電解質膜及びセパレータ間の面圧をほぼ均一にすることが可能な液状シール剤（例えば、特許文献３参照）等が採用されている。

特開平６−１１９９３０号公報 特開平６−６８８８４号公報 特開２００１−３５７８６１号公報

しかしながら、シール材としてＯリングを採用する場合、セパレータにＯリングを嵌め込むための溝を加工する必要があり、さらに気密性を確保するために大きな締め付け力が必要となる。従って、加工費の増加や大きな締め付け力によるセパレータの破損の問題があり、燃料電池の小型化・薄型化の妨げとなっていた。
また、接着剤によりシールする場合、接着剤中に含まれる不純物イオンの溶出により、電解質膜のプロトン伝導性に影響を与えて水素イオンの透過を阻害したり、電極の白金系の金属触媒を失活させることにより、起電力が低下するという問題がある。さらに、接着剤の層にムラがあると、電池の作動時の振動により、接着剤が剥がれ気密性が低下するので、接着剤を均一に塗布しなければならないという問題もある。
また、液状シール剤を使用する場合には、規定の硬化温度条件下で数時間以上の加熱が必要となり、さらに厚みを確保するためのスペーサ等の使用が必要なので、生産性が低いという問題がある。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、従来必要であったシール材を設ける為のセパレータの加工を不要にし、また、シール材から溶出する不純物イオンを低減させ、従来よりも短時間の加熱で均一な接着を行えることによりシール性能の確保が可能な固体高分子形燃料電池用シール材を提供することを課題とする。

そこで、本発明に係る固体高分子形燃料電池用シール材は、固体高分子形燃料電池における一対の電極及び該一対の電極に挟持された固体高分子電解質膜からなる複合体と、導電性セパレータとの間を密封すべくシールする固体高分子形燃料電池用シール材であって、当該シール材は、スチレン系ブロック重合エラストマーと、テルペン系樹脂及び脂環族系樹脂から選択された少なくとも一種のタッキファイヤーとを含むことを特徴とする。

上記固体高分子形燃料電池用シール材によれば、スチレン系ブロック重合エラストマーと、テルペン系樹脂及び脂環族系樹脂から選択された少なくとも一種のタッキファイヤーとを含むようにしたので、シール材から溶出する不純物イオンを低減させることができ、シール材を複合体と導電性セパレータとの間に介在させることにより、従来よりも短時間の加熱で接着することができる。
また、従来、複合体と導電性セパレータとの間にＯリングを介在させて密封する場合、Ｏリングが移動するのを防止するとともに、複合体と導電性セパレータとを積層させたときの位置ずれを防止するために、導電性セパレータにＯリングを固定させるための溝を加工していた。そして、該溝にＯリングを嵌め込み後、複合体を重ね合わせていた。さらに、複合体と導電性セパレータとの間からガスがリークするのを防止するために、大きな締め付け圧力によって気密性を確保する必要があった。しかし、本願発明によれば、シール材を複合体又は導電性セパレータの一方に塗布又は載置し、他方を重ね合わせることにより、シール材の粘着力によって、シール材が移動するのを防止することができる。従って、シール材を固定するために導電性セパレータに溝を加工する必要がなく、また、複合体と導電性セパレータとを積層させたときの位置ずれも防止することができる。さらに、シール材を加熱することにより、複合体及び導電性セパレータの接着力を向上させることができるので、小さな締め付け圧力で気密性を確保することができ、ガスがリークするのを防止することができる。

また、前記シール材は、シート状に成形したシート成形体であることが好ましい。これにより、該シート成形体は、複合体又は導電性セパレータの一方に載置すればよく、塗布の手間を省くことができるので、セルの組立を容易にすることができる。また、シート成形体は、シート状の均一な厚みにより複合体と導電性セパレータとの密着性を良好にし、より小さな締め付け圧力で気密性を確保することができる。

また、前記シート成形体の内部には、プラスチックフィルムが備えられていることが好ましい。これにより、シート成形体が取り扱いやすくなるため、シート成形体を燃料電池の部材に合わせて枠状に加工する場合や、複合体又は導電性セパレータの一方に接着する際の位置合わせなどにおいて、取り扱いが容易になり、作業性が向上する。

本発明に係る固体高分子形燃料電池用シール材は、スチレン系ブロック重合エラストマーと、テルペン系樹脂及び脂環族系樹脂から選択された少なくとも一種のタッキファイヤーとを含むようにしたので、従来必要であったシール材を設ける為のセパレータの加工を不要にし、また、シール材から溶出する不純物イオンを低減させ、従来よりも短時間の加熱で均一な接着を行えることによりシール性能の確保が可能となる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明に係る固体高分子形燃料電池用シール材は、一対の電極及び該一対の電極に挟持された固体高分子電解質膜からなる複合体と、前記一対の電極のうち、一方に燃料ガスを供給し、他方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有する一対の導電性セパレータとの間を密封すべくシールする固体高分子形燃料電池用シール材であって、当該シール材は、スチレン系ブロック重合エラストマーと、テルペン系樹脂及び脂環族系樹脂から選択された少なくとも一種のタッキファイヤーとを含むことを特徴とする。

スチレン系ブロック重合エラストマーとしては、ポリスチレン及びポリオレフィンのブロック重合エラストマーを使用することにより、耐湿熱性、低水素ガス透過性に対し特に優れているので好ましい。具体的には、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳポリマー）やスチレン−エチレン−プロピレン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＰＳポリマー）などが用いられる。

タッキファイヤーは、上記エラストマーに熱接着性を付与するために添加するものである。テルペン系樹脂としては、α−ピネン樹脂、β−ピネン樹脂、ジペンテン樹脂、芳香族変性テルペン樹脂、及びそれらの水素添加品が挙げられる。脂環族系樹脂としては、分子中に芳香族ではない環状の化合物を有するものであればよく、例えば、炭素原子数９の石油系樹脂あるいは炭素原子数５又は９の共重合石油系樹脂を水添したものが用いられる。

スチレン系ブロック重合エラストマーとタッキファイヤーの配合割合としては、スチレン系ブロック重合エラストマー１００重量部に対し、タッキファイヤーを３０〜２００重量部添加するのが好ましい。添加量が３０重量部未満では接着力が得られにくく、添加量が２００重量部を超えると物性の温度による変化が大きくなり、８０℃以上の高温度領域で柔らかくなり気密性が低下する虞がある。

次に、上記シール材を成形する方法について説明する。
まず、上記スチレン系ブロック重合エラストマー及びタッキファイヤーを有機溶剤に溶解し、この溶液を剥離用基材上に塗工装置を用いて所定の厚みで塗布した後、オーブンで加熱して、前記有機溶剤を乾燥させる。これにより、本発明のシール材をシート成形体に成形することができる。尚、有機溶剤として、トルエン、キシレン等を使用することができるが、スチレン系ブロック重合エラストマー及びタッキファイヤーを溶解できるものであれば何でもよい。前記剥離用基材は、例えば、ポリエステルフィルムの表面をシリコーン等により離型処理したものを使用することができる。また、塗工装置としては、バーコーター、ダイレクトグラビアコーター、ゲートロールコーター、ブレードコーター、エアーナイフコーター等が適宜使用される。

また、シール材を成形する方法は、上記以外にも、上記スチレン系ブロック重合エラストマー及びタッキファイヤーを混合して加熱溶融し、押し出し装置を使って所定の厚みに成型するようにしてもよい。この押し出し装置としては、スクリュー式など一般的に使用されるものを採用することができる。

このように、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池用シール材によれば、スチレン系ブロック重合エラストマーに、熱接着性を付与させるためにテルペン系樹脂及び脂環族系樹脂から選択された少なくとも一種のタッキファイヤーを添加するようにしたので、従来必要であったシール材を設ける為のセパレータの加工を不要にし、また、シール材から溶出する不純物イオンを低減させ、従来よりも短時間の加熱で均一な接着を行えることによりシール性能の確保が可能となる。さらに、シール材をシート状に成形することにより、均一な厚みにより複合体とセパレータとの密着性を良好にし、小さな締め付け圧力で気密性を確保することができる。

また、別の構成としてシート成形体は、その内部にプラスチックフィルムが備えられていてもよい。シート成形体は、燃料電池の部材に合わせて枠状に加工されるため、シート成形体中に、プラスチックフィルムなどの基材を含めた構成とすることで、打ち抜き加工や、接着の際の取り扱い、位置合わせなどの取り扱いやすさが向上する。
使用可能なプラスチックフィルムとしては、寸法安定性に優れており、上記シール成形体と同様に耐湿熱性、耐酸性、低ガス透過性、低不純物イオンに優れたもの、また上記塗工装置による塗工方法では、耐溶剤性、押し出し装置による塗工方法では耐熱性に優れたものであれば何でも良い。このようなプラスチックフィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルム等が挙げられるが、特に限定されるものではない。

上記シート成形体は、電極の厚みや電池全体の構成により適当な厚みに設定することができるが、通常は、数十μｍ〜数百μｍの範囲に設定することができる。

このように構成されたシート成形体を燃料電池の複合体とセパレータとの間に挟み込んだ状態で、８０〜１００℃の温度に熱して、５〜３０分間、１〜３ＭＰａの圧力で貼り合わせる。これにより、小さい締め付け圧力で気密性を確保でき、安定したシール性能を得ることができる。

尚、上記シール材は、シート状に成形した後、ブロック重合エラストマーのポリオレフィン部分を架橋してもよく、架橋剤によるハロゲンイオンや硫酸イオンの混入がなければ架橋方法は特に限定されるものではない。この架橋剤としては、パーオキサイドやキレート化合物が用いられ、例えば、電子線照射による架橋方法を採用することができる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

本実施例では、タッキファイヤーの種類を換えることにより、耐湿熱性、耐酸性等のシール性能について評価した。

（実施例１）
スチレン系ブロック重合エラストマーとして使用されるＳＥＢＳゴム（比重０．９１，スチレン含有量２９％、ＭＦＲ０．５）１００重量部に対して、タッキファイヤーとして使用される脂環族飽和炭化水素樹脂（荒川化学工業（株）製、アルコンＭ１００、軟化温度１００℃）７０重量部をトルエンに溶解して固形分３０％の溶液を調整した。
次に、ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面をシリコーン系離型剤で処理したセパレータ上に上記溶液を塗布し、乾燥後の厚みが１００μｍのシート成形体を得た。

（実施例２）
ＳＥＢＳゴム（比重０．９１、スチレン含有量２９％、ＭＦＲ０．５）１００重量部に対して、タッキファイヤーとして使用されるテルペン樹脂（ヤスハラケミカル（株）製、ＹＳレジンＰＸ１０００、軟化温度１００℃）６０重量部をトルエンに溶解して固形分３０％の溶液を調整し、実施例１と同様に１００μｍのシート成形体を得た。

（実施例３）
ＳＥＢＳゴム（比重０．９１、スチレン含有量２９％、ＭＦＲ０．１）１００重量部に対して、脂環族飽和炭化水素樹脂（荒川化学工業（株）製、アルコンＭ１００、軟化温度１００℃）７０重量部をトルエンに溶解して固形分３０％の溶液を調整し、実施例１と同様に１００μｍのシート成形体を得た。

（比較例１）
ＳＥＢＳゴム（比重０．９２、スチレン含有量２１％、ＭＦＲ１０）１００重量部に対して、タッキファイヤーとして使用されるロジンエステル樹脂（荒川化学工業（株）製、ペンセルＡ、軟化温度１００℃）６０重量部をトルエンに溶解して固形分３０％の溶液を調整し、実施例１と同様に１００μｍのシート成形体を得た。

（シート成形体の性能評価）
以上の各シート成形体について、接着性、耐熱水性（煮沸水中での重量変化）、耐酸性及びイオン不純物量について評価した。結果を表１に示す。

接着性については、各シート成形体を燃料電池用として使用されるステンレス系のセパレータに貼り合わせた後、１００℃の温度に設定したラミネータロールを通して剥離接着力を測定した。この時のロール速度は、０．３ｍ／ｍｉｎ．，圧力は１ＭＰａ（ゲージ圧）、測定温度は２０℃、剥離速度は５０ｍｍ／ｍｉｎ．である。

耐熱水性については、各シート成形体を９５℃の水中に１０００時間浸漬し、重量の変化を調べた。この耐熱水性試験は、燃料電池のセルがシールされることにより、内部の湿潤状態の維持が確実に行われているかを調べるものである。

耐酸性については、ｐＨ２の硫酸溶液に各シート成形体を浸漬し、９０℃の温度で１０００時間放置後の重量変化を調べた。

イオン不純物量については、５０ｃｃのイオン交換水に約１ｇを精秤した各シート成形体を投入し、１００℃のオーブン中で４８時間加温してイオン抽出を行った後、イオンクロマトグラフィ（ＤＩＯＮＥＸ社製、ＤＸ−１００）にてイオン分析を行った。下記表１中の数値は、１ｇのシート成形体から抽出されたハロゲンイオン、硫酸イオン、硝酸イオン、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、アンモニウムイオンの総量である。

（評価）
表１に示すように、実施例１〜３及び比較例１においては、何れのタッキファイヤーでも同等の剥離接着力を示した。

耐熱水性試験では、実施例１〜３のシート材では、熱水中に浸漬する前後で重量変化が少なく、湿潤状態でも性能変化が小さいことが確認できた。しかし、比較例１のシート材では、吸水による変化率が実施例１〜３よりもかなり大きかった。

また、耐酸性試験では、実施例２が実施例１及び３よりも重量変化がわずかに高かったものの、全体として、重量変化は小さいものであった。それに対し、比較例１では、実施例１〜３よりも大きな重量変化が見られた。

イオン不純物量の試験では、実施例１〜３のシート成形体からはわずかな量しか検出されなかった。それに対し、比較例１のシート成形体では、不純物イオンの検出量が多かった。

以上の実施例より、本発明のシート材は、耐湿熱性及び耐酸性に優れ、しかも不純物イオンの抽出が少ないことが分かった。また、タッキファイヤーとしては、テルペン系樹脂及び脂環族系樹脂を採用することが好ましいことが分かった。

一般的な燃料電池の構成単位であるセルの断面図を示す。

符号の説明

１０…セル
１１…電解質膜
１２，１３…電極
１４，１５…セパレータ
１４ａ，１５ａ…ガス流路
１６…シール材

Claims (4)

1. 固体高分子形燃料電池における一対の電極及び該一対の電極に挟持された固体高分子電解質膜からなる複合体と、導電性セパレータとの間を密封すべくシールする固体高分子形燃料電池用シール材であって、
   当該シール材は、スチレン系ブロック重合エラストマーと、テルペン系樹脂及び脂環族系樹脂から選択された少なくとも一種のタッキファイヤーとを含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池用シール材。
2. 前記シール材は、シート状に成形したシート成形体であることを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池用シール材。
3. 前記スチレン系ブロック重合エラストマーは、ポリスチレン及びポリオレフィンのブロック重合エラストマーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池用シール材。
4. 前記シート成形体の内部には、プラスチックフィルムが備えられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体高分子形燃料電池用シール材。

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