JP2014060133A - 射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット - Google Patents
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Abstract
【課題】流動性及び弾性に優れるため、薄板分離板上に射出成形して一体化する場合に分離板の変形が殆どなく、スタックの気密耐久性を増加させる、射出成形により一体化した高流動／高弾性の水素燃料電池用フッ素系ガスケットを提供する。
【解決手段】本発明による射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケットは、従来の商用フッ素系弾性体を基材とする化合物に比べてムーニー粘度が低くて流動性が増加し、架橋スコーチ時間が増加して射出成形性が向上すると共に圧縮永久歪みが低いことにより弾性がさらに増加してスタックの気密耐久性を向上させ、従来のフッ素系ガスケットと同等水準の繰り返し圧縮挙動、電気化学的セル性能及び接触抵抗特性を発現するため、既存の条件を変更することなく、同じスタック締結条件及び運転条件でも安定的にスタックを使用することを特徴とする。
【選択図】図６
【解決手段】本発明による射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケットは、従来の商用フッ素系弾性体を基材とする化合物に比べてムーニー粘度が低くて流動性が増加し、架橋スコーチ時間が増加して射出成形性が向上すると共に圧縮永久歪みが低いことにより弾性がさらに増加してスタックの気密耐久性を向上させ、従来のフッ素系ガスケットと同等水準の繰り返し圧縮挙動、電気化学的セル性能及び接触抵抗特性を発現するため、既存の条件を変更することなく、同じスタック締結条件及び運転条件でも安定的にスタックを使用することを特徴とする。
【選択図】図６
Description
本発明は、射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケットに関するものであって、より詳細には、流動性（Ｆｌｕｉｄｉｔｙ）及び弾性（Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ）に優れるため、薄板分離板（Ｔｈｉｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）上に射出成形して一体化する場合に分離板の変形が殆どなく、スタック（Ｓｔａｃｋ）の気密耐久性（Ｓｅａｌｉｎｇ Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ）を増加させる、射出成形により一体化した高流動／高弾性の水素燃料電池用フッ素系ガスケット（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｇａｓｋｅｔ）に関する。
通常、自動車用燃料電池として高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下、ＰＥＭＦＣと略すことがある）が広範囲に使用されている。この高分子電解質膜燃料電池は単位セル（Ｃｅｌｌ）を数百枚積層してスタックを製作し、これを車両に搭載する。このような高分子電解質膜燃料電池が多様な運転条件で約１００ｋＷ水準の高出力性能を正常に発現するためには、その車両が広い電流密度（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ）範囲で安定的に作動しなければならない（例えば、非特許文献１参照）。
燃料電池の電気生成反応について説明する。燃料電池の電解質膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：以下、ＭＥＡと略すことがある）内の酸化極のアノード（Ａｎｏｄｅ）に供給された水素は水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）と電子に分離し、水素イオンは電解質膜を介して還元極のカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）側に移動し、電子は外部回路を介してカソードに移動する。カソードでは酸素分子、水素イオン、及び電子が反応して電気と熱を生成すると共に反応副産物の水を生成する。
燃料電池の電気生成反応について説明する。燃料電池の電解質膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：以下、ＭＥＡと略すことがある）内の酸化極のアノード（Ａｎｏｄｅ）に供給された水素は水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）と電子に分離し、水素イオンは電解質膜を介して還元極のカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）側に移動し、電子は外部回路を介してカソードに移動する。カソードでは酸素分子、水素イオン、及び電子が反応して電気と熱を生成すると共に反応副産物の水を生成する。
燃料電池自動車に用いられる燃料電池スタックにおいて、反応気体の水素、空気及び水に対する気密性（Ｓｅａｌｉｎｇ）を維持するためには、一般的に各セルごとにガスケットを使用しなければならないが、このガスケットは、独立型として別途製作してセルの内部に装着するか、ＭＥＡとガスケットを一体化して使用するか（例えば、特許文献１参照）、または分離板上にガスケットを直接射出成形して一体化して使用することができる。
燃料電池スタックを効率的に大量生産するためには、これら構成部品（Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を速かに組み立てて積層しなければならない。水素燃料電池自動車（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）のような大型スタックシステムを備える場合は、取扱特性（Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ）及びガスケットの高温架橋（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ）に対する耐熱性などに優れた分離板一体型ガスケットを使用することが好ましい。
燃料電池スタックを効率的に大量生産するためには、これら構成部品（Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を速かに組み立てて積層しなければならない。水素燃料電池自動車（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）のような大型スタックシステムを備える場合は、取扱特性（Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ）及びガスケットの高温架橋（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ）に対する耐熱性などに優れた分離板一体型ガスケットを使用することが好ましい。
図１は、従来の分離板とガスケットが一体化していないスタックの組立工程を示す斜視図である。
図１に示したとおり、一般的に用いられるＭＥＡは、触媒コーティング電解質膜（Ｃａｔａｌｙｓｔ−Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＣＣＭ）型ＭＥＡ（以下、ＣＣＭ ＭＥＡと略すことがある）であって、電解質膜の両面にアノード及びカソードの２つの電極触媒をコーティング及び接合して構成される。
しかし、従来のスタック組立工程では、触媒コーティング電解質膜電極接合体（ＣＣＭ ＭＥＡ）１、気体拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）２、ガスケット３、及び分離板４をそれぞれ接合しなければならないため、作業工程及び時間が非常に増加する問題がある。また、これらスタック構成品は、一体化しているモジュール（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｏｄｕｌｅ）の形態ではないため、組立工程の大部分を手作業で行なわなければならない。そのため、各構成品間の配列が不正確あるいは不均一になり、燃料電池スタックを組み立てた場合、全体的なセルの性能及び耐久性が低下する虞がある。
図１に示したとおり、一般的に用いられるＭＥＡは、触媒コーティング電解質膜（Ｃａｔａｌｙｓｔ−Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＣＣＭ）型ＭＥＡ（以下、ＣＣＭ ＭＥＡと略すことがある）であって、電解質膜の両面にアノード及びカソードの２つの電極触媒をコーティング及び接合して構成される。
しかし、従来のスタック組立工程では、触媒コーティング電解質膜電極接合体（ＣＣＭ ＭＥＡ）１、気体拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）２、ガスケット３、及び分離板４をそれぞれ接合しなければならないため、作業工程及び時間が非常に増加する問題がある。また、これらスタック構成品は、一体化しているモジュール（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｏｄｕｌｅ）の形態ではないため、組立工程の大部分を手作業で行なわなければならない。そのため、各構成品間の配列が不正確あるいは不均一になり、燃料電池スタックを組み立てた場合、全体的なセルの性能及び耐久性が低下する虞がある。
図２は、ガスケットと分離板が一体化している本発明の燃料電池スタックのセル組立工程図である。
上記の従来のスタック組立工程の問題点を解決するために最近よく用いられる方法は、図２に示したとおり、スタックを組み立てる前にガスケット３と分離板４を予め一体化して成形する工程（３＋４）を経てスタックを組み立てる方法がある。
このようにガスケット３を分離板４上に直接射出成形により一体化して使用すると、個々のガスケットをスタックの組立時に別途に付着する必要がないため、スタックの組立工程がさらに簡単になり、量産性が向上する長所がある。
上記の従来のスタック組立工程の問題点を解決するために最近よく用いられる方法は、図２に示したとおり、スタックを組み立てる前にガスケット３と分離板４を予め一体化して成形する工程（３＋４）を経てスタックを組み立てる方法がある。
このようにガスケット３を分離板４上に直接射出成形により一体化して使用すると、個々のガスケットをスタックの組立時に別途に付着する必要がないため、スタックの組立工程がさらに簡単になり、量産性が向上する長所がある。
水素燃料電池用スタックに用いられるガスケットは、適正範囲の硬度（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）、優れた弾性または非常に低い圧縮永久歪み、優れた機械的物性（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ）、優れた耐酸性（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ Ａｃｉｄ）／耐加水分解性（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ）、水素／空気（または酸素）／冷却水（Ｃｏｏｌａｎｔ）に対する低拡散性（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、触媒被毒（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｐｏｉｓｏｎｉｎｇ）を誘発する不純物（Ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ）の低含量、優れた耐熱性（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、高電気絶縁性（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）、優れた生産性及び低コストなどの様々な要求物性を満足しなければならない（例えば、非特許文献２参照）。
通常、これら要求物性を全般的に満たして水素燃料電池自動車のスタック用ガスケットとしてよく用いられる高分子弾性体（Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）は、フッ素系（Ｆｌｕｏｒｏｅｌｓｔｏｍｅｒｓ）、シリコーン系（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）、及び炭化水素系弾性体（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）などで大きく分けることができる。
通常、これら要求物性を全般的に満たして水素燃料電池自動車のスタック用ガスケットとしてよく用いられる高分子弾性体（Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）は、フッ素系（Ｆｌｕｏｒｏｅｌｓｔｏｍｅｒｓ）、シリコーン系（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）、及び炭化水素系弾性体（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）などで大きく分けることができる。
フッ素系弾性体は、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）によりＦＫＭ（フッ化ビニリデン系）、ＦＦＫＭ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロビニルエーテル系）など、大きく分けられ、現在、自動車／建築／石油化学産業などの多様な用途に広範囲に適用されている（例えば、非特許文献３参照）。
シリコーン系弾性体は、ポリジメチルシロキサン（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）などの一般のシリコーン弾性体とフルオロシリコーン（Ｆｌｕｏｒｏｓｉｌｉｃｏｎｅ）のような改質シリコーン（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）とに大きく分けられる。また、シリコーン系弾性体は、固状（Ｓｏｌｉｄ）を使用してもよいが、燃料電池には精密射出成形のために液状シリコーンゴム（Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）がさらによく用いられてきた。
また、炭化水素系弾性体は、エチレン−プロピレンジエンモノマー（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｄｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ：ＥＰＤＭ）、エチレン−プロピレンゴム（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ：ＥＰＲ）などの弾性体が用いられてきた（例えば、非特許文献４参照）。
シリコーン系弾性体は、ポリジメチルシロキサン（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）などの一般のシリコーン弾性体とフルオロシリコーン（Ｆｌｕｏｒｏｓｉｌｉｃｏｎｅ）のような改質シリコーン（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）とに大きく分けられる。また、シリコーン系弾性体は、固状（Ｓｏｌｉｄ）を使用してもよいが、燃料電池には精密射出成形のために液状シリコーンゴム（Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）がさらによく用いられてきた。
また、炭化水素系弾性体は、エチレン−プロピレンジエンモノマー（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｄｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ：ＥＰＤＭ）、エチレン−プロピレンゴム（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ：ＥＰＲ）などの弾性体が用いられてきた（例えば、非特許文献４参照）。
このような様々な高分子弾性体の中で特に弾性、耐酸性、耐熱性などに優れたフッ素系弾性体は、苛酷な水素燃料電池自動車の運転条件で長時間使用可能なものと看做され、スタック用ガスケットとして大きな関心を集めている。
特に、フッ素系弾性体は、低極性（Ｐｏｌａｒｉｚａｂｉｌｉｔｙ）とフッ素原子の強い電気陰性度（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｅｇａｔｉｖｉｔｙ）に起因する独特の物性（Ｕｎｉｑｕｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を発現するが、フッ素含量が多い場合は、高い熱的（Ｔｈｅｒｍａｌ）／化学的（Ｃｈｅｍｉｃａｌ）／老化（Ａｇｅｉｎｇ）に対する抵抗性、耐候性（Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、溶媒／炭化水素／酸／アルカリなどに対する優れた耐化学性（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、低誘電率（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ）、低可燃性（Ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙ）、低い表面エネルギー及び水分吸水性（Ｍｏｉｓｔｕｒｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）などの特性を発現し、また、Ｃ−Ｆ結合は、高い耐酸化性（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）及び耐加水分解性（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ）の発現に大きな役割をする（例えば、非特許文献５参照）。
特に、フッ素系弾性体は、低極性（Ｐｏｌａｒｉｚａｂｉｌｉｔｙ）とフッ素原子の強い電気陰性度（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｅｇａｔｉｖｉｔｙ）に起因する独特の物性（Ｕｎｉｑｕｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を発現するが、フッ素含量が多い場合は、高い熱的（Ｔｈｅｒｍａｌ）／化学的（Ｃｈｅｍｉｃａｌ）／老化（Ａｇｅｉｎｇ）に対する抵抗性、耐候性（Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、溶媒／炭化水素／酸／アルカリなどに対する優れた耐化学性（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、低誘電率（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ）、低可燃性（Ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙ）、低い表面エネルギー及び水分吸水性（Ｍｏｉｓｔｕｒｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）などの特性を発現し、また、Ｃ−Ｆ結合は、高い耐酸化性（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）及び耐加水分解性（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ）の発現に大きな役割をする（例えば、非特許文献５参照）。
しかし、従来の商用フッ素系弾性体は、一般的に分子量（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｗｅｉｇｈｔ）及び溶融粘度（Ｍｅｌｔ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）が高いため、複雑な形状を迅速かつ容易に成形する場合には適しておらず、精密射出成形用よりは圧縮成形（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）、トランスファー成形（Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）、押出（Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）及びカレンダリング（Ｃａｌｅｎｄｅｒｉｎｇ）などへの適用が大部分である。
特に、上述したように水素燃料電池自動車用ガスケットを薄板分離板上に直接射出成形するオーバーモールド（Ｏｖｅｒ−Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形方式で製作しようとすると、フッ素系弾性体を基材とするフッ素系化合物（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）の射出成形性が非常に優れたものを使用しなければならない。
そのためには、フッ素系化合物の流動性（Ｆｌｕｉｄｉｔｙ）が高く、架橋時に早期硬化（Ｐｒｅ−Ｃｕｒｅ）やスコーチ（Ｓｃｏｒｃｈ）問題が発生してはならない。また、水素燃料電池自動車用として１０年ほどの耐久性を保障するためには、スタック用ガスケットが高弾性を発現して気密耐久性を確保することが必須である。
特に、上述したように水素燃料電池自動車用ガスケットを薄板分離板上に直接射出成形するオーバーモールド（Ｏｖｅｒ−Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形方式で製作しようとすると、フッ素系弾性体を基材とするフッ素系化合物（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）の射出成形性が非常に優れたものを使用しなければならない。
そのためには、フッ素系化合物の流動性（Ｆｌｕｉｄｉｔｙ）が高く、架橋時に早期硬化（Ｐｒｅ−Ｃｕｒｅ）やスコーチ（Ｓｃｏｒｃｈ）問題が発生してはならない。また、水素燃料電池自動車用として１０年ほどの耐久性を保障するためには、スタック用ガスケットが高弾性を発現して気密耐久性を確保することが必須である。
Ｋ．Ｈａｎ，Ｂ．Ｋ．Ｈｏｎｇ，Ｓ．Ｈ．Ｋｉｍ，Ｂ．Ｋ．Ａｈｎ，Ｔ．Ｗ．Ｗｏｎ， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ，３５，１２３１７（２０１０）；Ｓ．Ｐａｒｋ，Ｊ．Ｌｅｅ，Ｂ．Ｎ．Ｐｏｐｏｖ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，１７７，４５７（２００８）
Ｌ．Ｆｒｉｓｃｈ， Ｓｅａｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｓｓｕｅ ９３，７（２００１）；Ｒ．Ｂｉｅｒｉｎｇｅｒ，Ｍ．Ａｄｌｅｒ，Ｓ．Ｇｅｉｓｓ，Ｍ．Ｖｉｏｌ， Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２７１（２００９）；Ｍ．Ｄａｗｉｒ， Ｓｅａｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｓｓｕｅ ７，１０（２００８）
Ｂ．Ａｍｅｄｕｒｉ，Ｂ．Ｂｏｕｔｅｖｉｎ，Ｇ．Ｋｏｓｔｏｖ， Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２６，１０５（２００１）
Ｊｅａｎ−Ｍｉｃｈｅｌ Ｃｈａｒｒｉｅｒ， Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ： Ｐｌａｓｔｉｃｓ， Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ， Ｈａｎｓｅｒ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９１）；Ｃ．Ｗ．Ｌｉｎ，Ｃ．Ｈ．Ｃｈｉｅｎ，Ｊ．Ｔａｎ， Ｙ．Ｊ．Ｃｈａｏ，Ｊ．Ｗ．ＶａｎＺｅｅ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，１９６，１９５５（２０１１）
Ｂ．Ａｍｅｄｕｒｉ，Ｂ．Ｂｏｕｔｅｖｉｎ，Ｇ．Ｋｏｓｔｏｖ， Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２６，１０５（２００１）；Ｂ．Ａｍｅｄｕｒｉ，Ｂ．Ｂｏｕｔｅｖｉｎ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１２６，２２１（２００５）
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、既存の水素燃料電池用フッ素系ガスケットが有する諸問題を解決するためのものであって、従来の商用フッ素系弾性体（Ｆｌｕｏｒｏｅｌａｓｔｏｍｅｒ）を基材とするフッ素系化合物（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）に比べてムーニー粘度（Ｍｏｏｎｅｙ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）が低くて流動性及び架橋スコーチ時間（Ｓｃｏｒｃｈ Ｔｉｍｅ）が増加することにより射出成形性が向上すると共に圧縮永久歪み（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓｅｔ）が低いことにより弾性がさらに増加してスタックの気密耐久性を向上させる、射出成形により一体化した高流動／高弾性の水素燃料電池用フッ素系ガスケットを提供することにある。
上記の目的を達成するためになされた本発明の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケットは、フッ素系弾性体中にフッ素含量が６０ｗｔ％以上でかつ７５ｗｔ％以下のフッ素系化合物を厚さ２００μｍ以下の薄板分離板上に厚さ７５０μｍ以下に直接射出成形して架橋することにより一体化させることを特徴とする。
本発明の好ましい実施例では、分離板に一体に成形されたフッ素系化合物をスタック用ガスケットとして使用するために、２００℃以上の高温で２次の後架橋（Ｐｏｓｔ ＣｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇまたはＰｏｓｔ−Ｃｕｒｉｎｇ）を行うことを特徴とする。
好ましくは、フッ素系化合物は、ショアＡ硬度がＡＳＴＭ Ｄ２２４０に規定する条件で３５以上でかつ６５以下であることを特徴とする。
また、フッ素系化合物は、ムーニー粘度がＩＳＯ ２８９−１（２００５）に記載する方法で、ＭＬ（１＋４）／１２５℃の条件でムーニー粘度が１０以上でかつ２６以下であることを特徴とする。
また、フッ素系化合物は、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）のスコーチ時間（ｔｓ１）がＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）に記載する方法で、温度１８５℃／振幅０．５°／時間１０分の条件で１．７分以上でかつ３．０分以下であることを特徴とする。
好ましくは、フッ素系化合物は、ショアＡ硬度がＡＳＴＭ Ｄ２２４０に規定する条件で３５以上でかつ６５以下であることを特徴とする。
また、フッ素系化合物は、ムーニー粘度がＩＳＯ ２８９−１（２００５）に記載する方法で、ＭＬ（１＋４）／１２５℃の条件でムーニー粘度が１０以上でかつ２６以下であることを特徴とする。
また、フッ素系化合物は、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）のスコーチ時間（ｔｓ１）がＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）に記載する方法で、温度１８５℃／振幅０．５°／時間１０分の条件で１．７分以上でかつ３．０分以下であることを特徴とする。
また、フッ素系化合物は、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）の９０％架橋時間（９０％Ｃｕｒｅ Ｔｉｍｅ：ｔ’ｃ（９０））がＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）に記載する方法で、温度１８５℃／振幅０．５°／時間１０分の条件で３．５分以上でかつ５．０分以下であることを特徴とする。
また、フッ素系化合物は、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）の最高トルク（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＨ）と最小トルク（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＬ）の差（ΔＭ）がＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）に記載する方法で、温度１８５℃／振幅０．５°／時間１０分の条件で最小１０．５ｄＮ・ｍ以上であることを特徴とする。
また、フッ素系化合物は、スパイダー成形流動充填率が１．６ｍｍスプルー（Ｓｐｒｕｅ）を用いて温度１８０℃／圧力６ＭＰａ／時間７分の条件で７５％以上であることを特徴とする。
また、フッ素系化合物は、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）の最高トルク（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＨ）と最小トルク（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＬ）の差（ΔＭ）がＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）に記載する方法で、温度１８５℃／振幅０．５°／時間１０分の条件で最小１０．５ｄＮ・ｍ以上であることを特徴とする。
また、フッ素系化合物は、スパイダー成形流動充填率が１．６ｍｍスプルー（Ｓｐｒｕｅ）を用いて温度１８０℃／圧力６ＭＰａ／時間７分の条件で７５％以上であることを特徴とする。
好ましくは、分離板に一体に成形されたフッ素系化合物は、フッ素系ガスケットとしての圧縮永久歪みがＡＳＴＭ Ｄ３９５（Ｍｅｔｈｏｄ Ｂ、２５％Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、１５０℃／７２時間）に規定する条件で４％以下となるように提供されることを特徴とする。
さらに好ましくは、分離板に一体に成形されたフッ素系化合物は、フッ素系ガスケットとしての圧縮永久歪みがＡＳＴＭ Ｄ３９５（Ｍｅｔｈｏｄ Ｂ、２５％Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、１５０℃／３３６時間）に規定する条件で９％以下となるように提供されることを特徴とする。
さらに好ましくは、分離板に一体に成形されたフッ素系化合物は、フッ素系ガスケットとしての圧縮永久歪みがＡＳＴＭ Ｄ３９５（Ｍｅｔｈｏｄ Ｂ、２５％Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、１５０℃／３３６時間）に規定する条件で９％以下となるように提供されることを特徴とする。
一方、分離板に一体に成形されたフッ素系化合物はフッ素系ガスケットとしての薄板分離板の変形度を外形輪郭測定器を用いて１５箇所以上測定し、その平均値を６０μｍ以下にすることを特徴とする。
また、分離板に一体に成形されたフッ素系化合物は、フッ素系ガスケットとしての圧縮度が６５％以上でかつ８５％以下となるように提供されることを特徴とする。
本発明の好ましい実施例では、フッ素系弾性体は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）及びヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）を含有した二元共重合体であることを特徴とする。
また、分離板に一体に成形されたフッ素系化合物は、フッ素系ガスケットとしての圧縮度が６５％以上でかつ８５％以下となるように提供されることを特徴とする。
本発明の好ましい実施例では、フッ素系弾性体は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）及びヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）を含有した二元共重合体であることを特徴とする。
本発明は、次の効果を提供する。
水素燃料電池用高流動性／高弾性フッ素系化合物を分離板に一体に射出成形した本発明の水素燃料電池用フッ素系ガスケットは、従来のフッ素系化合物に比べてムーニー粘度が低くて流動性が増加し、スコーチ時間が長くて早期硬化を抑制でき、それによって射出成形性が非常に向上すると共に圧縮永久歪みが低いことにより弾性がさらに増加してスタックの気密耐久性を向上させることができる。
本発明のフッ素系ガスケットを水素燃料電池スタックに適用する時、上述した長所を持ちながらも従来のフッ素系ガスケットと同等水準の繰り返し圧縮挙動、電気化学的セル性能、及び接触抵抗性を発現できるため、既存の条件を変更することなく、同じスタック締結条件及び運転条件でも安定的にスタックを使用できる長所を提供することができる。
水素燃料電池用高流動性／高弾性フッ素系化合物を分離板に一体に射出成形した本発明の水素燃料電池用フッ素系ガスケットは、従来のフッ素系化合物に比べてムーニー粘度が低くて流動性が増加し、スコーチ時間が長くて早期硬化を抑制でき、それによって射出成形性が非常に向上すると共に圧縮永久歪みが低いことにより弾性がさらに増加してスタックの気密耐久性を向上させることができる。
本発明のフッ素系ガスケットを水素燃料電池スタックに適用する時、上述した長所を持ちながらも従来のフッ素系ガスケットと同等水準の繰り返し圧縮挙動、電気化学的セル性能、及び接触抵抗性を発現できるため、既存の条件を変更することなく、同じスタック締結条件及び運転条件でも安定的にスタックを使用できる長所を提供することができる。
以下、本発明を好ましい実施例について詳細に説明する。
フッ素系弾性体は、様々な単量体（Ｍｏｎｏｍｅｒ）を互いに共重合（Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）して共重合体（Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）を形成する。代表的な単量体には、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ：Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ：Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ：Ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｅｎｅ）、ペルフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＡＶＥ：Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ Ｖｉｎｙｌ Ｅｔｈｅｒ）などが挙げられる。
水素燃料電池自動車のスタック用フッ素系ガスケットの素材として、これら単量体で構成された二元（Ｂｉｎａｒｙ）または三元（Ｔｅｒｎａｒｙ）共重合体を単独使用するか、またはこの共重合体を他の一種以上の熱可塑性（Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ）／熱硬化性（Ｔｈｅｒｍｏｓｅｔ）／ゴム（Ｒｕｂｂｅｒ）高分子とブレンド（Ｂｌｅｎｄ）するか、または有機／無機物質と混合した混合材（Ｍｉｘｔｕｒｅ）の形態で使用することができる。
フッ素系弾性体は、様々な単量体（Ｍｏｎｏｍｅｒ）を互いに共重合（Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）して共重合体（Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）を形成する。代表的な単量体には、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ：Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ：Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ：Ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｅｎｅ）、ペルフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＡＶＥ：Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ Ｖｉｎｙｌ Ｅｔｈｅｒ）などが挙げられる。
水素燃料電池自動車のスタック用フッ素系ガスケットの素材として、これら単量体で構成された二元（Ｂｉｎａｒｙ）または三元（Ｔｅｒｎａｒｙ）共重合体を単独使用するか、またはこの共重合体を他の一種以上の熱可塑性（Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ）／熱硬化性（Ｔｈｅｒｍｏｓｅｔ）／ゴム（Ｒｕｂｂｅｒ）高分子とブレンド（Ｂｌｅｎｄ）するか、または有機／無機物質と混合した混合材（Ｍｉｘｔｕｒｅ）の形態で使用することができる。
本発明による射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケットは、フッ素系弾性体中にフッ化ビニリデン（Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ：ＶＤＦ）及びヘキサフルオロプロペン（Ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｅｎｅ：ＨＦＰ）を含有し、フッ素含量が６０ｗｔ％以上、７５ｗｔ％以下である二元共重合体化合物のフッ素系化合物を厚さ２００μｍ以下の薄板分離板上に厚さ７５０μｍ以下に直接射出成形し、これを架橋することにより一体化する点に特徴がある。
この際、フッ素系弾性体のフッ素含量は６０、７５ｗｔ％であることが好ましいが、その理由は、フッ素含量が６０ｗｔ％未満であれば上述した耐熱性、耐化学性、耐加水分解性などのフッ素系弾性体が有する固有の優れた特性が低下し、７５ｗｔ％を超えるとフッ素系弾性体の低温柔軟性（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）が低下して零下の低温では使用しにくいからである。
この際、フッ素系弾性体のフッ素含量は６０、７５ｗｔ％であることが好ましいが、その理由は、フッ素含量が６０ｗｔ％未満であれば上述した耐熱性、耐化学性、耐加水分解性などのフッ素系弾性体が有する固有の優れた特性が低下し、７５ｗｔ％を超えるとフッ素系弾性体の低温柔軟性（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）が低下して零下の低温では使用しにくいからである。
本発明の理解を助けるために、既存の比較例を説明し、本発明の実施例を説明する。
比較例
比較例では、従来の商用フッ素系弾性体中にフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）、ヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）、及びテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）を含有し、フッ素含量（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｃｏｎｔｅｎｔ）が６６ｗｔ％である三元共重合体化合物を使用した。
下記の実施例と同様に比較例においても、フッ素系化合物は、フッ素系弾性体を基材として各基材に架橋剤（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ Ａｇｅｎｔ）、架橋助剤（Ｃｏ−ａｇｅｎｔ）または促進剤（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）、酸捕捉剤（Ａｃｉｄ Ｓｃａｖｅｎｇｅｒ）、活性化剤（Ａｃｔｉｖａｔｏｒ）、充填剤（Ｆｉｌｌｅｒ）、及びその他の添加剤を添加して製造し、架橋剤としてビスフェノールを使用した。
比較例によるフッ素系ガスケットの製造例では、実際の水素燃料電池用ガスケットの射出成形機（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）における射出成形性を比較するために、実施例の製造例と同様にスタック用ガスケットを製造して使用した。
比較例
比較例では、従来の商用フッ素系弾性体中にフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）、ヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）、及びテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）を含有し、フッ素含量（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｃｏｎｔｅｎｔ）が６６ｗｔ％である三元共重合体化合物を使用した。
下記の実施例と同様に比較例においても、フッ素系化合物は、フッ素系弾性体を基材として各基材に架橋剤（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ Ａｇｅｎｔ）、架橋助剤（Ｃｏ−ａｇｅｎｔ）または促進剤（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）、酸捕捉剤（Ａｃｉｄ Ｓｃａｖｅｎｇｅｒ）、活性化剤（Ａｃｔｉｖａｔｏｒ）、充填剤（Ｆｉｌｌｅｒ）、及びその他の添加剤を添加して製造し、架橋剤としてビスフェノールを使用した。
比較例によるフッ素系ガスケットの製造例では、実際の水素燃料電池用ガスケットの射出成形機（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）における射出成形性を比較するために、実施例の製造例と同様にスタック用ガスケットを製造して使用した。
実施例
本発明の実施例によるフッ素系化合物として、フッ素系弾性体中にフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）及びヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）を含有し、フッ素含量が６６ｗｔ％である二元共重合体化合物を使用したが、これは比較例に比べてムーニー粘度が低くて流動性が高くなると共に架橋密度（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ Ｄｅｎｓｉｔｙ）も高くなって弾性がさらに増加するように設計されている。
本発明の実施例によるフッ素系化合物は、フッ素系弾性体を基材として各基材に架橋剤（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ Ａｇｅｎｔ）、架橋助剤（Ｃｏ−ａｇｅｎｔ）または促進剤（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）、酸捕捉剤（Ａｃｉｄ Ｓｃａｖｅｎｇｅｒ）、活性化剤（Ａｃｔｉｖａｔｏｒ）、充填剤（Ｆｉｌｌｅｒ）、及びその他の添加剤を添加して製造される。
このような本発明のフッ素系化合物は、一般的に架橋剤としてビスフェノール（Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ）／有機過酸化物（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｅｒｏｘｉｄｅ）／ジアミン（Ｄｉａｍｉｎｅ）のうち１種単独または２種以上を混合して使用できるが、本発明の実施例ではビスフェノールを架橋剤として使用した。
本発明の実施例によるフッ素系化合物として、フッ素系弾性体中にフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）及びヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）を含有し、フッ素含量が６６ｗｔ％である二元共重合体化合物を使用したが、これは比較例に比べてムーニー粘度が低くて流動性が高くなると共に架橋密度（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ Ｄｅｎｓｉｔｙ）も高くなって弾性がさらに増加するように設計されている。
本発明の実施例によるフッ素系化合物は、フッ素系弾性体を基材として各基材に架橋剤（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ Ａｇｅｎｔ）、架橋助剤（Ｃｏ−ａｇｅｎｔ）または促進剤（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）、酸捕捉剤（Ａｃｉｄ Ｓｃａｖｅｎｇｅｒ）、活性化剤（Ａｃｔｉｖａｔｏｒ）、充填剤（Ｆｉｌｌｅｒ）、及びその他の添加剤を添加して製造される。
このような本発明のフッ素系化合物は、一般的に架橋剤としてビスフェノール（Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ）／有機過酸化物（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｅｒｏｘｉｄｅ）／ジアミン（Ｄｉａｍｉｎｅ）のうち１種単独または２種以上を混合して使用できるが、本発明の実施例ではビスフェノールを架橋剤として使用した。
本発明の好ましい実施例では、実際の水素燃料電池自動車に使用する分離板は、制限されている空間内で高出力を出すために薄板であることが好ましく、その厚さが２００μｍ以下である。
また、分離板に一体に射出されるガスケットの厚さも気密性が維持される限度内で最大限に薄いことが良いが、水素燃料電池自動車量に搭載するためには７５０μｍ以下であることが好ましい。
したがって、本発明の実施例によるフッ素系ガスケットの製造例では、実際の水素燃料電池用ガスケットの射出成形機（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）における射出成形性を比較するために、フッ素系化合物を厚さ１００μｍの薄板金属分離板の外郭部位上に直接射出成形し、１次の架橋を行って分離板に一体化したフッ素系ガスケットを製造した。
この際、金属分離板上に射出成形したガスケットの最大厚さは６８０μｍを超えないように制御して薄膜ガスケット（Ｔｈｉｎ Ｇａｓｋｅｔ）を製造した。
このように金属分離板と一体化して成形されたフッ素系ガスケットは、最小２００℃以上の高温で十分に２次の後架橋（Ｐｏｓｔ−ＣｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇまたはＰｏｓｔ−Ｃｕｒｉｎｇ）を行うことによりスタック用ガスケットとして使用した。
また、分離板に一体に射出されるガスケットの厚さも気密性が維持される限度内で最大限に薄いことが良いが、水素燃料電池自動車量に搭載するためには７５０μｍ以下であることが好ましい。
したがって、本発明の実施例によるフッ素系ガスケットの製造例では、実際の水素燃料電池用ガスケットの射出成形機（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）における射出成形性を比較するために、フッ素系化合物を厚さ１００μｍの薄板金属分離板の外郭部位上に直接射出成形し、１次の架橋を行って分離板に一体化したフッ素系ガスケットを製造した。
この際、金属分離板上に射出成形したガスケットの最大厚さは６８０μｍを超えないように制御して薄膜ガスケット（Ｔｈｉｎ Ｇａｓｋｅｔ）を製造した。
このように金属分離板と一体化して成形されたフッ素系ガスケットは、最小２００℃以上の高温で十分に２次の後架橋（Ｐｏｓｔ−ＣｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇまたはＰｏｓｔ−Ｃｕｒｉｎｇ）を行うことによりスタック用ガスケットとして使用した。
試験例
既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系ガスケットに対する物性測定方法は次の通りである。
＊硬度（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）：ＡＳＴＭ Ｄ２２４０を基準としてショア（Ｓｈｏｒｅ）Ａ硬度を測定した。
＊ムーニー粘度（Ｍｏｏｎｅｙ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）：ＩＳＯ ２８９−１（２００５）により、ＭＬ（１＋４）／１２５℃の条件でフッ素系化合物のムーニー粘度を測定した。
＊圧縮永久歪み（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓｅｔ）：ＡＳＴＭ Ｄ３９５（Ｍｅｔｈｏｄ Ｂ、２５％Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）により標準試験試片をそれぞれ製作し、１５０℃で７２、１６８、及び３３６時間熱処理してそれぞれ測定した。
既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系ガスケットに対する物性測定方法は次の通りである。
＊硬度（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）：ＡＳＴＭ Ｄ２２４０を基準としてショア（Ｓｈｏｒｅ）Ａ硬度を測定した。
＊ムーニー粘度（Ｍｏｏｎｅｙ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）：ＩＳＯ ２８９−１（２００５）により、ＭＬ（１＋４）／１２５℃の条件でフッ素系化合物のムーニー粘度を測定した。
＊圧縮永久歪み（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓｅｔ）：ＡＳＴＭ Ｄ３９５（Ｍｅｔｈｏｄ Ｂ、２５％Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）により標準試験試片をそれぞれ製作し、１５０℃で７２、１６８、及び３３６時間熱処理してそれぞれ測定した。
＊スパイダー成形流動充填率（Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ Ｓｐｉｄｅｒ Ｍｏｌｄ Ｆｌｏｗ）：１．６ｍｍのスプルー（Ｓｐｒｕｅ）を用いて温度１８０℃／圧力６ＭＰａ／時間７分の条件で測定した。
＊架橋速度（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ ｏｒ Ｃｕｒｉｎｇ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ）：ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ：Ｍｏｖｉｎｇ Ｄｉｅ Ｒｈｅｏｍｅｔｅｒ）を用いてＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）により温度１８５℃／振幅（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）０．５°／時間１０分の条件で硬化曲線（Ｃｕｒｅ Ｃｕｒｖｅ）を測定して架橋速度を算出した。
＊金属分離板の変形度：フッ素体化合物を金属分離板上にそれぞれ射出成形して一体化ガスケットを製造した後、これらガスケットを金属分離板で除去して金属分離板自体の変形度（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を外形輪郭測定器（Ｃｏｎｔｏｕｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ：Ｃｏｎｔｒａｃｅｒ ＣＶ−３０００ Ｍｏｄｅｌ、Ｍｉｔｕｔｏｙｏ Ｃｏ．、Ｊａｐａｎ）を用いて３０ｍＮの測定力（Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ）を加えて定量的に測定した。
この際、比較例及び実施例によるフッ素系ガスケットが一体化している金属分離板をそれぞれ５枚ずつ用いて変形度を測定してその平均値を使用し、各金属分離板当たり総１６箇所で測定した。
＊架橋速度（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ ｏｒ Ｃｕｒｉｎｇ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ）：ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ：Ｍｏｖｉｎｇ Ｄｉｅ Ｒｈｅｏｍｅｔｅｒ）を用いてＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）により温度１８５℃／振幅（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）０．５°／時間１０分の条件で硬化曲線（Ｃｕｒｅ Ｃｕｒｖｅ）を測定して架橋速度を算出した。
＊金属分離板の変形度：フッ素体化合物を金属分離板上にそれぞれ射出成形して一体化ガスケットを製造した後、これらガスケットを金属分離板で除去して金属分離板自体の変形度（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を外形輪郭測定器（Ｃｏｎｔｏｕｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ：Ｃｏｎｔｒａｃｅｒ ＣＶ−３０００ Ｍｏｄｅｌ、Ｍｉｔｕｔｏｙｏ Ｃｏ．、Ｊａｐａｎ）を用いて３０ｍＮの測定力（Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ）を加えて定量的に測定した。
この際、比較例及び実施例によるフッ素系ガスケットが一体化している金属分離板をそれぞれ５枚ずつ用いて変形度を測定してその平均値を使用し、各金属分離板当たり総１６箇所で測定した。
＊ガスケットの繰り返し圧縮挙動：フッ素系化合物を十分に架橋させた後、Ｏリング（Ｏ−Ｒｉｎｇ）形態とほぼ同様の試験試片（幅３．０ｍｍ、面積７．２５７ｃｍ２）をそれぞれ製作し、この試験試片を商用圧縮試験機（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ Ｍａｃｈｉｎｅ、Ｄａｅ Ｋｙｕｎｇ Ｔｅｃｈ．、Ｋｏｒｅａ）を用いて圧縮圧力０．０〜６７．６ＭＰａの苛酷な圧縮条件で圧縮圧力の変化に伴う試片厚さの変化を測定した。
＊電気化学的セル性能（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）：先ず、比較例及び実施例のフッ素系ガスケットを金属分離板上にそれぞれ射出成形及び架橋して一体に製造し、５セルスタック（５−Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ）をそれぞれ製作した。その後、比較例及び実施例のスタックの製作時に同じＭＥＡと気体拡散層の製品を用いた。
＊電気化学的セル性能（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）：先ず、比較例及び実施例のフッ素系ガスケットを金属分離板上にそれぞれ射出成形及び架橋して一体に製造し、５セルスタック（５−Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ）をそれぞれ製作した。その後、比較例及び実施例のスタックの製作時に同じＭＥＡと気体拡散層の製品を用いた。
また、比較例及び実施例のフッ素系ガスケットが一体化している分離板を含むスタックの電圧−電流密度分極（Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）性能を従来の商用装備（５ｋＷ Ｔｅｓｔ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ、Ｗｏｎ−Ａ Ｔｅｃｈ Ｃｏ．、Ｋｏｒｅａ）を用いて測定した。
さらに、比較例及び実施例のフッ素系ガスケットが一体化している分離板を含むスタック内部の接触抵抗（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を比較するために、高周波数の抵抗（ＨＦＲ：Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を従来の商用装備（Ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔ、Ｚ＃ Ｎａｖｉｇａｔｏｒ Ｍｏｄｅｌ、Ｗｏｎ−Ａ Ｔｅｃｈ Ｃｏ．、Ｋｏｒｅａ）を用いて１４ｍＡ／ｃｍ２の振幅（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）及び１ｋＨｚ周波数の条件下で測定した。
さらに、比較例及び実施例のフッ素系ガスケットが一体化している分離板を含むスタック内部の接触抵抗（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を比較するために、高周波数の抵抗（ＨＦＲ：Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を従来の商用装備（Ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔ、Ｚ＃ Ｎａｖｉｇａｔｏｒ Ｍｏｄｅｌ、Ｗｏｎ−Ａ Ｔｅｃｈ Ｃｏ．、Ｋｏｒｅａ）を用いて１４ｍＡ／ｃｍ２の振幅（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）及び１ｋＨｚ周波数の条件下で測定した。
この際、５セルスタックの電気化学的セル性能及び接触抵抗は次のような運転条件で測定した。
−水素燃料電池セルの入口温度＝６５℃、
−反応気体（Ｒｅａｃｔａｎｔ Ｇａｓｅｓ） アノード／カソード＝水素／空気、
−気体圧力＝常圧（Ｎｅａｒ Ａｍｂｉｅｎｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、
−水素アノード／空気カソードの相対湿度（Ｒ．Ｈ．：Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ）＝１００％／１００％、
−水素アノード／空気カソードの化学量論比（Ｓ．Ｒ．：Ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｒａｔｉｏ）＝１．５／２．０。
−水素燃料電池セルの入口温度＝６５℃、
−反応気体（Ｒｅａｃｔａｎｔ Ｇａｓｅｓ） アノード／カソード＝水素／空気、
−気体圧力＝常圧（Ｎｅａｒ Ａｍｂｉｅｎｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、
−水素アノード／空気カソードの相対湿度（Ｒ．Ｈ．：Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ）＝１００％／１００％、
−水素アノード／空気カソードの化学量論比（Ｓ．Ｒ．：Ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｒａｔｉｏ）＝１．５／２．０。
このような試験例の結果として、既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系ガスケットに対する物性評価の結果を説明する。
硬度
既存の産業分野でよく使われてきたフッ素系ガスケットは、一般的にショアＡ硬度が６５超過、９０未満の高硬度の製品をたくさん使用したが、水素燃料電池自動車のスタック用ガスケットの場合、こういう高硬度の製品を適用すると、スタックの内部で数千個の繰り返し部品間の緊密な接触（Ｉｎｔｉｍａｔｅ Ｃｏｎｔａｃｔ）及び気密性を維持しにくくなるため、６５以下の硬度を有するガスケットを用いることが好ましい。
反面、硬度が低くなって３５未満であれば、架橋密度（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ Ｄｅｎｓｉｔｙ）が非常に低下してガスケットの弾性が減少し、弾性に反比例する圧縮永久歪みが適正水準以上に増加する。また、低硬度によるセルの過剰締結（Ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）問題が発生するため、３５以上の硬度を有するガスケットを用いることが好ましい。
硬度
既存の産業分野でよく使われてきたフッ素系ガスケットは、一般的にショアＡ硬度が６５超過、９０未満の高硬度の製品をたくさん使用したが、水素燃料電池自動車のスタック用ガスケットの場合、こういう高硬度の製品を適用すると、スタックの内部で数千個の繰り返し部品間の緊密な接触（Ｉｎｔｉｍａｔｅ Ｃｏｎｔａｃｔ）及び気密性を維持しにくくなるため、６５以下の硬度を有するガスケットを用いることが好ましい。
反面、硬度が低くなって３５未満であれば、架橋密度（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ Ｄｅｎｓｉｔｙ）が非常に低下してガスケットの弾性が減少し、弾性に反比例する圧縮永久歪みが適正水準以上に増加する。また、低硬度によるセルの過剰締結（Ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）問題が発生するため、３５以上の硬度を有するガスケットを用いることが好ましい。
したがって、水素燃料電池自動車のスタック用にはショアＡ硬度範囲が３５以上で、かつ６５以下のフッ素系ガスケットを用いることが好ましい。
既存の比較例及び本発明の実施例では、ショアＡ硬度が両方とも５１であるフッ素系ガスケットを製造することにより硬度を同一にし、他の諸物性及び性能を測定比較した。
既存の比較例及び本発明の実施例では、ショアＡ硬度が両方とも５１であるフッ素系ガスケットを製造することにより硬度を同一にし、他の諸物性及び性能を測定比較した。
流動性
ムーニー粘度は流動性を示す重要な指標であって、実際の射出成形前にその成形性を概略的に予め類推するために使用するが、このようなムーニー粘度が１０未満であれば、フッ素系ガスケットの機械的物性及び取扱特性（Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ）などの諸物性が非常に低下し、２６を超えると精密射出成形性が低下してガスケットの生産性が低下することになる。
したがって、水素燃料電池自動車のスタック用ガスケットはフッ素系化合物のムーニー粘度が１０以上でかつ２６以下であることが好ましい。
ムーニー粘度は流動性を示す重要な指標であって、実際の射出成形前にその成形性を概略的に予め類推するために使用するが、このようなムーニー粘度が１０未満であれば、フッ素系ガスケットの機械的物性及び取扱特性（Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ）などの諸物性が非常に低下し、２６を超えると精密射出成形性が低下してガスケットの生産性が低下することになる。
したがって、水素燃料電池自動車のスタック用ガスケットはフッ素系化合物のムーニー粘度が１０以上でかつ２６以下であることが好ましい。
表１に示したとおり、既存の比較例によるフッ素系化合物のムーニー粘度は２７と高いが、本発明の実施例によるフッ素系化合物のムーニー粘度は２１と低いため、流動性がより高いことが分かる。
フッ素系化合物の流動性を示すまた他の指標としてスパイダー成形流動充填率を用いてもよいが、ガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）を薄板分離板上に精密成形するためには少なくとも７５％以上であることが好ましい。
既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系化合物のスパイダー成形流動充填率を測定して比較した結果、表１に示したとおり、それぞれ７１％及び７８％と測定され、実施例のフッ素系化合物がさらに優れた流動性を発現することが分かる。これは実際のガスケットを用いて射出成形する場合、さらに精密で容易に射出成形できることを意味する。
既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系化合物のスパイダー成形流動充填率を測定して比較した結果、表１に示したとおり、それぞれ７１％及び７８％と測定され、実施例のフッ素系化合物がさらに優れた流動性を発現することが分かる。これは実際のガスケットを用いて射出成形する場合、さらに精密で容易に射出成形できることを意味する。
架橋速度の特性
上述したとおり、水素燃料電池自動車のスタック用ガスケットは、金属分離板の外郭部位上に直接射出成形及び１次の架橋を行って薄膜ガスケットとして製造した後、別途の２次の後架橋工程を行う。
したがって、薄膜ガスケットをモールド（Ｍｏｌｄ）内で射出成形する時、適切な架橋速度を維持することが大変重要である。その理由は、フッ素系化合物の射出成形時に架橋速度が速すぎると、ガスケットの形状を十分に成形する前に早期硬化（Ｐｒｅ−Ｃｕｒｅ）またはスコーチ（Ｓｃｏｒｃｈ）が過剰に発生してガスケットを成形できない問題があり、架橋速度が遅すぎると、射出成形後にモールド内に滞留する時間が長くなり、ガスケットの生産サイクル時間が増加して生産性が低下する問題があるからである。
上述したとおり、水素燃料電池自動車のスタック用ガスケットは、金属分離板の外郭部位上に直接射出成形及び１次の架橋を行って薄膜ガスケットとして製造した後、別途の２次の後架橋工程を行う。
したがって、薄膜ガスケットをモールド（Ｍｏｌｄ）内で射出成形する時、適切な架橋速度を維持することが大変重要である。その理由は、フッ素系化合物の射出成形時に架橋速度が速すぎると、ガスケットの形状を十分に成形する前に早期硬化（Ｐｒｅ−Ｃｕｒｅ）またはスコーチ（Ｓｃｏｒｃｈ）が過剰に発生してガスケットを成形できない問題があり、架橋速度が遅すぎると、射出成形後にモールド内に滞留する時間が長くなり、ガスケットの生産サイクル時間が増加して生産性が低下する問題があるからである。
このようなフッ素系化合物の実際の射出成形時の架橋速度は、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）技法を用いてシミュレーションすることができる。
ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）を用いたガスケット用フッ素系化合物のスコーチ時間（Ｓｃｏｒｃｈ Ｔｉｍｅ、単位：ｔｓ１）は１．７分以上で、かつ３．０分以下が好ましいが、１．７分未満であれば早期硬化の過剰発生により射出成形性が低下し、３．０分を超えるとガスケットの生産サイクル時間が増加する問題があるからである。
また、９０％架橋時間（９０％Ｃｕｒｅ Ｔｉｍｅ、単位：ｔ’ｃ（９０））は３．５分以上で、かつ５．０分以下が好ましいが、３．５分未満であれば早期硬化により射出成形性が低下し、５．０分を超えるとガスケットの生産サイクル時間が増加する問題があるからである。
ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）を用いたガスケット用フッ素系化合物のスコーチ時間（Ｓｃｏｒｃｈ Ｔｉｍｅ、単位：ｔｓ１）は１．７分以上で、かつ３．０分以下が好ましいが、１．７分未満であれば早期硬化の過剰発生により射出成形性が低下し、３．０分を超えるとガスケットの生産サイクル時間が増加する問題があるからである。
また、９０％架橋時間（９０％Ｃｕｒｅ Ｔｉｍｅ、単位：ｔ’ｃ（９０））は３．５分以上で、かつ５．０分以下が好ましいが、３．５分未満であれば早期硬化により射出成形性が低下し、５．０分を超えるとガスケットの生産サイクル時間が増加する問題があるからである。
比較例及び本発明の実施例に対するムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）測定結果は表２に示す通りである。
本発明の実施例では、比較例に比して射出成形に適するように架橋速度を適切に遅延して調節することにより、ｔｓ１及びｔ’ｃ（９０）がそれぞれ１．９分及び４．１分となって、フッ素系化合物がガスケットの形状として十分に成形されることが分かる。
射出成形性及び金属分離板の変形度
図３は、射出成形により一体化したガスケットを金属分離板（金属分離板の中央部位）で除去してから金属分離板の変形程度を比較した図面である。
薄板金属分離板上にガスケットを直接射出成形する時、金属分離板の変形度を定性的に官能テスト（Ｓｅｎｓｏｒｙ Ｔｅｓｔ）するために、実験条件で製造した射出成形により一体化したガスケットを金属分離板で除去してその形状を互いに比較し、図３のａ及びｂはそれぞれの既存の比較例及び本発明の実施例によるガスケットを分離板の中央部分で除去する前後状態を示した。
本発明の実施例では、比較例に比して射出成形に適するように架橋速度を適切に遅延して調節することにより、ｔｓ１及びｔ’ｃ（９０）がそれぞれ１．９分及び４．１分となって、フッ素系化合物がガスケットの形状として十分に成形されることが分かる。
図３は、射出成形により一体化したガスケットを金属分離板（金属分離板の中央部位）で除去してから金属分離板の変形程度を比較した図面である。
薄板金属分離板上にガスケットを直接射出成形する時、金属分離板の変形度を定性的に官能テスト（Ｓｅｎｓｏｒｙ Ｔｅｓｔ）するために、実験条件で製造した射出成形により一体化したガスケットを金属分離板で除去してその形状を互いに比較し、図３のａ及びｂはそれぞれの既存の比較例及び本発明の実施例によるガスケットを分離板の中央部分で除去する前後状態を示した。
比較例では、図３のａに示したとおり、ガスケットを金属分離板で除去する前の形状は、ガスケットの一部が成形されておらず、金属分離板の基材の一部が露出している成形不良部位が発生し（下方の拡大写真の円形表示部位）、また、このガスケットを金属分離板で完全に除去して金属分離板の状態を観察すると、金属分離板が非常に変形されていることが分かる。これは比較例のガスケットの製造時に用いたフッ素系化合物の流動性が低く、溶融粘度が高いため、薄板金属分離板に直接射出成形により一体化する時に金属分離板の変形に起因する。
本発明の実施例では、図３のｂに示したとおり、ガスケットを金属分離板で除去する前の形状は、ガスケットが金属分離板上に成形されていない部分がなく、均一に射出成形されており、また、このガスケットを金属分離板で完全に除去して金属分離板の状態を観察すると、金属分離板が殆ど変形することなく、本来の扁平形態を維持していることが分かる。これは比較例に比して実施例で用いたフッ素系化合物の流動性が高く、スコーチ時間が長いため、薄板金属分離板に直接射出成形により一体化する時に金属分離板を殆ど変形することがなく、またガスケットの形状を成形する時間を十分に付与するからである。
本発明の実施例では、図３のｂに示したとおり、ガスケットを金属分離板で除去する前の形状は、ガスケットが金属分離板上に成形されていない部分がなく、均一に射出成形されており、また、このガスケットを金属分離板で完全に除去して金属分離板の状態を観察すると、金属分離板が殆ど変形することなく、本来の扁平形態を維持していることが分かる。これは比較例に比して実施例で用いたフッ素系化合物の流動性が高く、スコーチ時間が長いため、薄板金属分離板に直接射出成形により一体化する時に金属分離板を殆ど変形することがなく、またガスケットの形状を成形する時間を十分に付与するからである。
図４は、射出成形により一体化したガスケットを金属分離板（金属分離板の最外郭部位）で除去してから金属分離板の変形程度を比較した図面である。図３とは別の部位での金属分離板の変形程度を観察した結果であって、ａ及びｂは、それぞれの既存の比較例及び本発明の実施例によるガスケットを分離板の最外郭から除去する前後写真を示した。
図４のａ及びｂに示した比較例及び実施例で観察したガスケット部位は、見かけ上で均一に金属分離板上に射出成形により一体化した部位であって、ガスケットを金属分離板で除去して観察する時、本来のガスケットで覆われていた金属分離板の表面が実際に変形されたか否かを比較評価した。
図４のａの比較例が示すとおり、ガスケットを金属分離板で除去してから金属分離板の状態を観察すると、金属分離板がガスケットの射出成形時に非常に変形されたことが分かる。
反面、図４のｂの実施例は射出成形時に金属分離板の変形が相対的に殆どないことが分かる。
図４のａ及びｂに示した比較例及び実施例で観察したガスケット部位は、見かけ上で均一に金属分離板上に射出成形により一体化した部位であって、ガスケットを金属分離板で除去して観察する時、本来のガスケットで覆われていた金属分離板の表面が実際に変形されたか否かを比較評価した。
図４のａの比較例が示すとおり、ガスケットを金属分離板で除去してから金属分離板の状態を観察すると、金属分離板がガスケットの射出成形時に非常に変形されたことが分かる。
反面、図４のｂの実施例は射出成形時に金属分離板の変形が相対的に殆どないことが分かる。
したがって、図３と図４に示した結果から、既存の比較例のフッ素系化合物を使用する場合、ガスケットの射出成形による金属分離板の変形が金属分離板で局部的に発生することではなく、大部分の部位で全般的に発生し、本発明の実施例のフッ素系化合物を用いてガスケットを製造する場合、金属分離板で全体的に変形があまり発生しないことが分かる。
既存の比較例及び本発明の実施例によるガスケットが一体化している金属分離板の変形度を定量的に比較するために、上述したようにそれぞれ５枚の金属分離板をその位置ごとに測定した。
既存の比較例及び本発明の実施例によるガスケットが一体化している金属分離板の変形度を定量的に比較するために、上述したようにそれぞれ５枚の金属分離板をその位置ごとに測定した。
図５は、射出成形により一体化したガスケットを金属分離板で除去してから金属分離板の変形程度を測定する分離板の１６箇所を説明する図面である。
図５に示したとおり、各金属分離板当たり総１６箇所で外形輪郭測定器を用いて変形度を測定し、金属分離板５枚を各位置ごとに測定した値の平均値を図６に示した。すなわち、図６は、射出成形により一体化したガスケットを金属分離板で除去してから測定した既存の比較例及び本発明の実施例による金属分離板の各位置ごとの変形図である。
図６に示したとおり、各位置ごとの射出成形フッ素系ガスケットによる金属分離板の変形度が比較例に比して実施例で大幅減少したことが分かる。
すなわち、１６箇所の金属分離板の変形度に対する全体平均値及び標準偏差値が既存の比較例では１４９±５９μｍであったが、本発明の実施例では２７±１８μｍに減少し、平均値を基準として約８２％の金属分離板の変形度が減少した効果が得られる。
このように、本発明の実施例のフッ素系弾性体化合物を用いて金属分離板一体化ガスケットを射出成形する時、薄板金属分離板の変形度を減少させてガスケットの生産性を大きく増加させると共に数百枚のセルをスタックに締結する時にスタックの締結安定性も画期的に高めることができる。
図５に示したとおり、各金属分離板当たり総１６箇所で外形輪郭測定器を用いて変形度を測定し、金属分離板５枚を各位置ごとに測定した値の平均値を図６に示した。すなわち、図６は、射出成形により一体化したガスケットを金属分離板で除去してから測定した既存の比較例及び本発明の実施例による金属分離板の各位置ごとの変形図である。
図６に示したとおり、各位置ごとの射出成形フッ素系ガスケットによる金属分離板の変形度が比較例に比して実施例で大幅減少したことが分かる。
すなわち、１６箇所の金属分離板の変形度に対する全体平均値及び標準偏差値が既存の比較例では１４９±５９μｍであったが、本発明の実施例では２７±１８μｍに減少し、平均値を基準として約８２％の金属分離板の変形度が減少した効果が得られる。
このように、本発明の実施例のフッ素系弾性体化合物を用いて金属分離板一体化ガスケットを射出成形する時、薄板金属分離板の変形度を減少させてガスケットの生産性を大きく増加させると共に数百枚のセルをスタックに締結する時にスタックの締結安定性も画期的に高めることができる。
弾性及び繰り返し圧縮挙動
ＰＥＭＦＣ用ガスケットの場合、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）の最高トルク（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＨ）と最小トルク（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＬ）の差のΔＭは、架橋密度と直接的に関係しているため、最小１０．５ｄＮ・ｍ以上であることが好ましい。
表３に示すとおり、既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系ガスケットが有するΔＭは、それぞれ９．９及び１１．１ｄＮ・ｍであって、実施例がさらに大きいことが分かる。これは実施例が比較例に比してさらに高い架橋密度を持ち、それによってより低い圧縮永久歪みを持つため、弾性に優れたことを意味する。
ＰＥＭＦＣ用ガスケットの場合、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）の最高トルク（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＨ）と最小トルク（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＬ）の差のΔＭは、架橋密度と直接的に関係しているため、最小１０．５ｄＮ・ｍ以上であることが好ましい。
表３に示すとおり、既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系ガスケットが有するΔＭは、それぞれ９．９及び１１．１ｄＮ・ｍであって、実施例がさらに大きいことが分かる。これは実施例が比較例に比してさらに高い架橋密度を持ち、それによってより低い圧縮永久歪みを持つため、弾性に優れたことを意味する。
既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系ガスケットの弾性を比較するために、それぞれの圧縮永久歪みを上述した評価条件で測定した結果を図７及び表４に示した。
図７は、既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系化合物を架橋した後に１５０℃で熱処理して測定した圧縮永久歪みを示すグラフである。
表４は比較例及び実施例によるフッ素系化合物の圧縮永久歪み及び圧縮挙動物性を比較して記載した。
図７及び表４に示したとおり、測定した全条件で比較例に比して実施例の圧縮永久歪みが小さくて実施例の弾性がさらに優れたことが分かり、このような実施例のフッ素系化合物を水素燃料電池自動車のスタック用ガスケットに適用する時、スタックの気密耐久性を増大できるため、結局水素燃料電池自動車の長期耐久性を増大させることができる。
水素燃料電池自動車のスタックは、上述のとおり数百枚のセルを積層、締結（Ａｓｓｅｍｂｌｙ）して製作するため、フッ素系ガスケットのスタックへの適用時に圧縮挙動を理解することが重要である。
図７は、既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系化合物を架橋した後に１５０℃で熱処理して測定した圧縮永久歪みを示すグラフである。
表４は比較例及び実施例によるフッ素系化合物の圧縮永久歪み及び圧縮挙動物性を比較して記載した。
水素燃料電池自動車のスタックは、上述のとおり数百枚のセルを積層、締結（Ａｓｓｅｍｂｌｙ）して製作するため、フッ素系ガスケットのスタックへの適用時に圧縮挙動を理解することが重要である。
特に、水素燃料電池自動車を長期間安定的に運転、維持するためには、時間の経過に伴って性能が急激に減少するセルまたは予想できない特異挙動を示すセルなどを間欠的に交換、修理（Ｒｅｐａｉｒ）する場合があるが、この場合、スタックが解体−締結（Ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を繰り返すため、スタック内の全てのセルが繰り返して圧縮それる。
図８は、フッ素系化合物を架橋した後に測定した５回繰り返し圧縮挙動を示すグラフである。このような繰り返し圧縮時のガスケットの圧縮挙動を理解するために、図８のａ及びｂにそれぞれ既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系化合物を十分に架橋させた後、それぞれ５回ずつ繰り返し圧縮し、その挙動を互いに測定比較した結果を示した。図８のａ及びｂに示したとおり、比較例及び実施例の繰り返し圧縮挙動がほぼ同等であることが明らかになった。
また、各試片の圧縮度（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ）を比較するために、１次圧縮時の圧縮圧力１０ＭＰａでの試片厚さを、０．３ＭＰａでの試片厚さで分けた比率を比較すると、比較例及び実施例の各試片が両方とも圧縮度が約７６％で、同等であることが分かる。
図８は、フッ素系化合物を架橋した後に測定した５回繰り返し圧縮挙動を示すグラフである。このような繰り返し圧縮時のガスケットの圧縮挙動を理解するために、図８のａ及びｂにそれぞれ既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系化合物を十分に架橋させた後、それぞれ５回ずつ繰り返し圧縮し、その挙動を互いに測定比較した結果を示した。図８のａ及びｂに示したとおり、比較例及び実施例の繰り返し圧縮挙動がほぼ同等であることが明らかになった。
また、各試片の圧縮度（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ）を比較するために、１次圧縮時の圧縮圧力１０ＭＰａでの試片厚さを、０．３ＭＰａでの試片厚さで分けた比率を比較すると、比較例及び実施例の各試片が両方とも圧縮度が約７６％で、同等であることが分かる。
通常、このような圧縮度は６５％以上で、かつ８５％以下が好ましいが、６５％未満であればスタックの過剰圧縮問題が発生して耐久性が低下し、８５％を超えると圧縮を容易に実施することができなく、適切なスタックの締結及び接触抵抗値を得にくい。
このような結果により、本発明の実施例のガスケットは適切な圧縮度を持つことが分かり、これは実施例のフッ素系化合物を基材としてガスケットを製造する時、既存の比較例に比して射出成形性及び弾性が増加すると共にスタックの締結時に既存と同じ圧縮条件を使用できるため、互換性が高いことを意味する。
このような結果により、本発明の実施例のガスケットは適切な圧縮度を持つことが分かり、これは実施例のフッ素系化合物を基材としてガスケットを製造する時、既存の比較例に比して射出成形性及び弾性が増加すると共にスタックの締結時に既存と同じ圧縮条件を使用できるため、互換性が高いことを意味する。
スタックの電気化学的セル性能及び接触抵抗
図９は、既存の比較例及び本発明の実施例による射出成形により一体化したガスケットを適用した５セルスタックの電気化学的セル性能を示すグラフである。
フッ素系ガスケットが実際の水素燃料電池の電気化学的セル性能及び接触抵抗に及ぼす影響を比較するために、上述した条件で５セルスタックを製作してその性能を比較し、５セルスタックの電気化学的セル性能を測定してその結果を示した。
図９に示したとおり、測定した全ての電流密度は比較例及び実施例が両方とも同等なセル性能を発現することが分かる。
図９は、既存の比較例及び本発明の実施例による射出成形により一体化したガスケットを適用した５セルスタックの電気化学的セル性能を示すグラフである。
フッ素系ガスケットが実際の水素燃料電池の電気化学的セル性能及び接触抵抗に及ぼす影響を比較するために、上述した条件で５セルスタックを製作してその性能を比較し、５セルスタックの電気化学的セル性能を測定してその結果を示した。
図９に示したとおり、測定した全ての電流密度は比較例及び実施例が両方とも同等なセル性能を発現することが分かる。
図１０は、既存の比較例及び本発明の実施例によるフッ素系ガスケットが適用された５セルスタックの高周波数の抵抗を示すグラフである。
図１０に示したとおり、測定した全ての電流密度は比較例及び実施例が両方とも同等な高周波数の抵抗値を示し、２つのスタックの接触抵抗が同等であることが分かる。
このように、図９及び図１０の水素燃料電池スタックのセル特性は、実施例のフッ素系化合物を用いてガスケットを製造すると、既存の比較例に比して射出成形性に優れ、精密射出が可能であり、成形不良率が少なく、また、圧縮永久歪みが低くて弾性がさらに高くなると共に従来のスタックの優れたセル性能と接触抵抗をそのまま維持できるため、特に条件を変更しなくても従来のスタックと同じ運転条件で安定的に使用することができる。
図１０に示したとおり、測定した全ての電流密度は比較例及び実施例が両方とも同等な高周波数の抵抗値を示し、２つのスタックの接触抵抗が同等であることが分かる。
このように、図９及び図１０の水素燃料電池スタックのセル特性は、実施例のフッ素系化合物を用いてガスケットを製造すると、既存の比較例に比して射出成形性に優れ、精密射出が可能であり、成形不良率が少なく、また、圧縮永久歪みが低くて弾性がさらに高くなると共に従来のスタックの優れたセル性能と接触抵抗をそのまま維持できるため、特に条件を変更しなくても従来のスタックと同じ運転条件で安定的に使用することができる。
以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって解釈されなければならない。また、この技術分野で通常の知識を有する者なら、本発明の技術的範囲内で多くの修正と変形ができることはいうまでもない。
１ 触媒コーティング電解質膜電極接合体（ＣＣＭ ＭＥＡ）
２ 気体拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）
３ ガスケット
４ 分離板
ＨＦＰ：ヘキサフルオロプロペン
ＭＤＲ：ムービングダイレオメータ
ＭＨ：最高トルク
ＭＬ：最小トルク
ΔＭ：最高トルクと最小トルクとの差
ＰＥＭＦＣ：高分子電解質膜燃料電池
ＴＦＥ：テトラフルオロエチレン
ＶＤＦ：フッ化ビニリデン
２ 気体拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）
３ ガスケット
４ 分離板
ＨＦＰ：ヘキサフルオロプロペン
ＭＤＲ：ムービングダイレオメータ
ＭＨ：最高トルク
ＭＬ：最小トルク
ΔＭ：最高トルクと最小トルクとの差
ＰＥＭＦＣ：高分子電解質膜燃料電池
ＴＦＥ：テトラフルオロエチレン
ＶＤＦ：フッ化ビニリデン
Claims (13)
- フッ素系弾性体中にフッ素含量が６０ｗｔ％以上でかつ７５ｗｔ％以下のフッ素系化合物を厚さ２００μｍ以下の薄板分離板上に厚さ７５０μｍ以下に直接射出成形して架橋することにより一体化させることを特徴とする射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記分離板に一体に成形されたフッ素系化合物をスタック用ガスケットとして使用するために、２００℃以上の高温で２次の後架橋を行うことを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記フッ素系化合物は、ショアＡ硬度がＡＳＴＭ Ｄ２２４０に規定する条件で３５以上でかつ６５以下であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記フッ素系化合物は、ＩＳＯ ２８９−１（２００５）に記載する方法で、ＭＬ（１＋４）／１２５℃の条件でムーニー粘度が１０以上でかつ２６以下であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記フッ素系化合物は、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）のスコーチ時間（ｔｓ１）がＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）に記載する方法で、温度１８５℃／振幅０．５°／時間１０分の条件で１．７分以上でかつ３．０分以下であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記フッ素系化合物は、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）の９０％架橋時間（９０％Ｃｕｒｅ Ｔｉｍｅ：ｔ’ｃ（９０））がＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）に記載する方法で、温度１８５℃／振幅０．５°／時間１０分の条件で３．５分以上でかつ５．０分以下であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記フッ素系化合物は、ムービングダイレオメータ（ＭＤＲ）の最高トルク（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＨ）と最小トルク（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｔｏｒｑｕｅ：ＭＬ）の差（ΔＭ）がＩＳＯ ６５０２：１９９９（Ｅ）に記載する方法で、温度１８５℃／振幅０．５°／時間１０分の条件で最小１０．５ｄＮ・ｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記フッ素系化合物は、スパイダー成形流動充填率が１．６ｍｍのスプルー（Ｓｐｒｕｅ）を用いて温度１８０℃／圧力６ＭＰａ／時間７分の条件で７５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記分離板に一体に成形されたフッ素系化合物は、フッ素系ガスケットとしての圧縮永久歪みがＡＳＴＭ Ｄ３９５（Ｍｅｔｈｏｄ Ｂ、２５％Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、１５０℃／７２時間）に規定する条件で４％以下となるように提供されることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記分離板に一体に成形されたフッ素系化合物は、フッ素系ガスケットとしての圧縮永久歪みがＡＳＴＭ Ｄ３９５（Ｍｅｔｈｏｄ Ｂ、２５％Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、１５０℃／３３６時間）に規定する条件で９％以下となるように提供されることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記分離板に一体に成形されたフッ素系化合物はフッ素系ガスケットとして、薄板分離板の変形度を外形輪郭測定器を用いて１５箇所以上測定し、その平均値を６０μｍ以下にすることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記分離板に一体に成形されたフッ素系化合物は、フッ素系ガスケットとしての圧縮度が６５％以上でかつ８５％以下となるように提供されることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
- 前記フッ素系弾性体は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）及びヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）を含有した二元共重合体であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形により一体化した水素燃料電池用フッ素系ガスケット。
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