JP3678024B2

JP3678024B2 - 燃料電池用カーボン材

Info

Publication number: JP3678024B2
Application number: JP30719998A
Authority: JP
Inventors: 和久仙田; 修長井; 重夫若松; 理安藤; 正藤本
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: JP2000133288A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用カーボン材に関する。更に詳しくは、平面プレート状カーボン材の表面にガスケットを形成させた燃料電池用カーボン材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の集電極(セパレータ)、イオン交換膜、反応電極等は平面プレート状カーボン材からなっており、それらを組合せて燃料電池セルが形成されている。ここで、カーボン材としては、カーボンの他にグラファイト等も用いられる。
【０００３】
かかる燃料電池用セルおよびその各構成要素間のシールに関しては、ガスケットを用いるもの(特開平9-231987号公報、同7-263004号公報、同7-226220号公報、同7-153480号公報)やゴム板に発泡スポンジ層を配してガスケットとして利用するもの(同7-312223号公報)等があるが、これらはいずれもシール部の薄肉化、組立性の向上、位置ずれの防止、低面圧化、面圧の均一化等の課題の解決を図ったものではない。すなわち、通常の別体型ガスケットを用いた場合には、シールの薄肉化、組立性、位置ずれ等を十分満足させることができないのが実情である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、集電極、イオン交換膜、反応電極等と組合せて用いられる平面プレート状カーボン材であって、それを用いてセルを構成したとき、シール部の薄肉化、低面圧化等を達成させ得るものを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる本発明の目的は、平面プレート状カーボン材の表面に施された加工溝に硬さ(JIS A)20 〜 60 の液状ゴム硬化物よりなり、リップ状凸部を有するガスケットを形成させた燃料電池用カーボン材によって達成される。
【０００６】
平面プレート状カーボン材、例えばその中心部に穿孔部が設けられた平面プレート状カーボン材には、その周縁、一般には外周縁に沿って、深さが約0.05〜3mm、好ましくは約0.1〜1mm程度、幅が約1〜10mm、好ましくは約2〜5mm程度の寸法で溝加工が施されており、そこにリップ状凸部を有するガスケットが形成されている。
【０００７】
ガスケットは、硬さ(JIS A)が20 〜 60 、好ましくは20 〜 40の液状ゴム硬化物から形成される。かかる硬さを有する液状ゴム硬化物は、未硬化時の粘度が約500Pa・s以下、好ましくは約300〜30Pa・s(25℃)の液状シリコーンゴム、10⁵ポアズ以下、好ましくは10⁴ポアズ以下(室温)の液状パーフルオロゴム、更には液状ニトリルゴム、液状EPDM、液状フッ素ゴム等を硬化させることによって形成される。
【０００８】
これらの液状ゴムとしては、市販品をそのまま用いることができ、例えば液状シリコーンゴムとしては信越化学製品KE1950-20(A・B)、 X-70-706BK等が、また液状パーフルオロゴムとしては、同社製品SIFEL3500(熱硬化性2液混合タイプ)等が用いられる。
【０００９】
液状ゴムの硬化は、平面プレート状カーボン材の加工溝対応部分に、ガスケット形状形成リップ状凸部に対応する凹部を有する金型を用い、そこに液状ゴムを注入し、射出成形することによって行われる。その成形圧は、液状の原料が用いられているため、約100〜300Kgf/cm²程度と低くて済む。
【００１０】
このようにして液状ゴム硬化物をガスケットとして加工溝部分に形成させた平板プレート状カーボン材は、集電極(セパレータ)、イオン交換膜、反応電極等を組合せて燃料電池セルを形成させる。ガスケット部分は、集電極とイオン交換膜との間、イオン交換膜を挟着した集電極同志の端部などを有効にシールする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係るガスケットを一体に形成させた平板プレート状カーボン材は、それを組立てて燃料電池用セルとしたとき、シール性、リップ接触性などにすぐれ、また低面圧、換言すれば位置ずれ防止性の点でもすぐれたものを与えることができる。
【００１２】
【実施例】
次に、実施例について本発明を説明する。
【００１３】
実施例１
燃料電池用セパレータとして適した形状および厚み(2mm)に切削加工した樹脂含浸タイプの非多孔質カーボン材(東洋炭素製品IKC-33)の表面へ溝加工(幅3.0mm、深さ0.3mm)を施し、その溝加工部分に所定の形状を施した金型を用いて液状シリコーンゴムを射出成形し(成形圧200Kgf/cm²)、カーボン材表面にシリコーンゴムが連続して接合した状態のガスケット形成カーボン材Ａ〜Ｄを得た。
ガスケット形成カーボン材Ａ：
標準形状でリップがそのまま下方に圧縮されるガスケットを有するカーボン材
ガスケット形成カーボン材Ｂ：
圧縮時にリップを強制的に一方側に倒れるようにしたガスケットを有するカーボン材
ガスケット形成カーボン材Ｃ：
リップを平行に２つ設け、面圧を高めずにシール性を確保したガスケットを有するカーボン材
ガスケット形成カーボン材Ｄ：
二重リップでそれぞれのリップを強制的に倒れる方向を決めたガスケットを有するカーボン材
【００１４】
ここで用いられた液状シリコーンゴムは、未硬化時の粘度が150Pa・s(25℃)の半透明体で、硬化後硬さ(JIS A)20の値を与える信越化学製品KE1950-20(A・B)であり、射出成形は150℃の金型温度に60秒間保持することによって行われた。
【００１５】
比較例１
実施例１において、液状シリコーンゴムとして未硬化時の粘度が60Pa・s(25℃)の半透明体で、硬化後硬さ(JIS A)13の値を与える信越化学製品KE-1950-10(A・B)が用いられた。
【００１６】
実施例２
実施例１において、液状シリコーンゴムとして未硬化時の粘度が30Pa・s(25℃)の半透明体で、硬化後硬さ(JIS A)35の値を与える信越化学製品X-70-706BKが用いられた。
【００１７】
比較例２
実施例１において、液状シリコーンゴムとして未硬化時の粘度が750Pa・s(25℃)の半透明体で、硬化後硬さ(JIS A)68の値を与える信越化学製品KE1950-70(A・B)が用いられた。
【００１８】
上記各実施例および比較例で用いられた硬化シリコーンゴム(150℃、10分間のプレス架橋 - 200℃、４時間のポスト架橋)の硬さ以外の性状は、次の表１に示される。
表１
液状シリコーンゴム KE1950-20 KE1950-10 X-70-706 KE1950-70
[硬化物]
引張強さ (MPa) 6.4 3.9 5.9 7.8
引裂強さ (KN/m) 30 13 10 49
伸び (%) 900 700 400 350
比重 (-) 1.10 1.08 1.88 1.15
【００１９】
以上の実施例 1 〜 2 および比較例 1 〜 2で得られたガスケット形成カーボン材Ａ〜Ｄについて、次の各項目の測定を行ない、表２に示されるような結果を得た。
シール性：ガスケットのゴムが連続して接合した面に対して、平面カーボンプ
レートを相手材として、25%のゴム圧縮率で、Heリーク試験(2Kgf/c
m²)を行ない、漏れの有無を調べ、漏れなしを○、不安定を△、漏
れありを×と評価
面圧(変位)：ガスケットのゴムが連続して接合した面に対して、平面カーボン
プレートを相手材として40%圧縮し、そのときシールが受ける面
圧をオートグラフで測定し、単位長さ当りの荷重が2N/mm以下を
○、2〜5N/mmを△、5N/mm以上を×と評価
リップ接触：ガスケットのゴムが連続して接合した面に対して、透明のガラス
板を25〜40%の圧縮率で接触させ、ガラス面側からシール接触部
を観察し、良好を○、やや偏りありを△、偏りありを×と評価
表２
評価項目実施例 1 比較例 1 実施例 2 比較例 2
[ガスケットＡ形成カーボン材]
シール性 ○ ○ ○ ○
面圧(変位) ○ ○ ○ △
リップ接触 ○ △ ○ ○
[ガスケットＢ形成カーボン材]
シール性 ○ ○ ○ ○
面圧(変位) ○ ○ ○ △
リップ接触 ○ ○ ○ ○
[ガスケットＣ形成カーボン材]
シール性 ○ ○ ○ ○
面圧(変位) ○ ○ ○ △
リップ接触 ○ ○ ○ ○
[ガスケットＤ形成カーボン材]
シール性 ○ ○ ○ ○
面圧(変位) ○ ○ ○ △
リップ接触 ○ ○ ○ ○
【００２０】
比較例３
黒色粘土状のフッ素ゴム(デュポン社製品E60CにMTカーボンブラック、Ca(OH)₂およびMgOを配合したもの)製の断面円形ガスケットを、カーボンプレートとカーボンプレートとの間に挟着したものについて、前記と同様の評価を行ない、シール性は○、面圧(変位)は×、リップ接触は△という結果を得た。
【００２１】
比較例４
黒色粘土状の発泡ニトリルゴム製の断面円形ガスケットを、カーボンプレートとカーボンプレートとの間に挟着したものについて、前記と同様の評価を行ない、シール性は△、面圧(変位)は△、リップ接触は△という結果を得た。
【００２２】
なお、比較例３〜４で用いられたフッ素ゴムまたは発泡ニトリルゴムの硬化後の特性は、次の表３に示される。
表３
硬化後特性フッ素ゴム発泡ニトリルゴム
硬さ (JIS A) 70 35
引張強さ (MPa) 14.5 1.4
引裂強さ (KN/m) 26 -
伸び (%) 230 160
比重 (-) 1.85 0.82
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスケットＡを設けたカーボン材の部分断面図である。
【図２】ガスケットＢを設けたカーボン材の部分断面図である。
【図３】ガスケットＣを設けたカーボン材の部分断面図である。
【図４】ガスケットＤを設けたカーボン材の部分断面図である。
【符号の説明】
１カーボン材
２ガスケット

Claims

平面プレート状カーボン材の表面に施された加工溝に硬さ(JIS A)20 〜 60 の液状ゴム硬化物よりなり、リップ状凸部を有するガスケットを形成せしめてなる燃料電池用カーボン材。
液状ゴム硬化物の形成が射出成形によって行われた請求項１記載の燃料電池用カーボン材。
平面プレート状カーボン材が集電極(セパレータ)と組合せて用いられる請求項１記載の燃料電池用カーボン材。
平面プレート状カーボン材がイオン交換膜と組合せて用いられる請求項１記載の燃料電池用カーボン材。
平面プレート状カーボン材が反応電極と組合せて用いられる請求項１記載の燃料電池用カーボン材。
請求項３、４または５記載の燃料電池用カーボン材を組合せて構成された燃料電池セル。