JP4450607B2 - Method for sealing fuel cell and forming rubber packing for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池のシール構造およびこれに用いるゴムパッキンの成形方法に関するものである。   The present invention relates to a sealing structure for a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell, and a method for molding a rubber packing used therefor.

固体高分子型燃料電池は、イオン導電性を有するイオン交換樹脂等の膜を高分子電解質膜として用い、この高分子電解質膜を挟んでその両側にカソード電極(正極)とアノード電極(負極)の両電極を配置し、例えば負極側に水素ガス等の燃料ガスを、一方正極側には酸素ガス又は空気等の酸化ガスを供給して電気化学反応を起こさせることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを電気量に変換して電気を発生させるものである。   A polymer electrolyte fuel cell uses a membrane such as an ion exchange resin having ionic conductivity as a polymer electrolyte membrane, and a cathode electrode (positive electrode) and an anode electrode (negative electrode) on both sides of the polymer electrolyte membrane. By arranging both electrodes, for example, by supplying a fuel gas such as hydrogen gas on the negative electrode side and an oxidizing gas such as oxygen gas or air on the positive electrode side to cause an electrochemical reaction, the chemical energy of the fuel gas is obtained. Is converted into an amount of electricity to generate electricity.

ところで、このような高分子電解質膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池では、燃料ガスや酸化ガスが高分子電解質膜の周縁部から漏出しないように気密にガスシールしなければならず、通常、圧縮成形、射出成形あるいはシートの打ち抜き等により成形された薄肉のゴムパッキンを高分子電解質膜の周縁部に配設したシール構造が採用されている。 By the way, in a polymer electrolyte fuel cell using such a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, it must be gas-tightly sealed so that fuel gas and oxidizing gas do not leak from the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane. A seal structure is employed in which a thin rubber packing formed by compression molding, injection molding, sheet punching, or the like is disposed on the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane.

しかしながら、上記のようなシール構造は、燃料ガスおよび酸化ガスに対するガスシールであり、そのシールは長期間に亘り厳重に保持する必要があるため、ゴムパッキンの精度及び耐久性を高めたものが要求されている。また、上記のゴムパッキンは極めて薄いフィルム状の薄膜体であり、圧縮成形、射出成形等により成形した場合には、厚みにばらつきがあり高精度のものが得られないほか、薄肉で柔軟なゴムパッキンを燃料電池の所定の位置に組み込む作業が困難であり、組み付け時に変形や位置ずれが生じて確実なシール性を確保できない問題点がある。 However, the seal structure as described above is a gas seal against the fuel gas and the oxidant gas, and the seal needs to be held strictly for a long period of time. Therefore, it is necessary to improve the accuracy and durability of the rubber packing. Has been. The above rubber packing is a very thin film-like thin film body, and when it is molded by compression molding, injection molding, etc., there is a variation in thickness and high accuracy cannot be obtained. Assembling the packing into a predetermined position of the fuel cell is difficult, and there is a problem that a reliable sealing performance cannot be ensured due to deformation or misalignment during assembly.

次の特許文献1には、固体電解質型燃料電池のセルとセパレータとの間をシールするためのシール材であって、前記固体電解質型燃料電池の運転温度より低い温度で軟化し、前記運転温度で結晶化して固相状態の結晶化ガラスとなるガラス材料であるシール材が開示されている。しかし、このようなシール材は、単電池とセパレータとの間の所定部位に位置決めしながら配設する必要があり、燃料電池を簡便かつ効率よく構築できない。
特開平10−92450号公報
The following patent document 1 is a sealing material for sealing between a cell and a separator of a solid oxide fuel cell, and is softened at a temperature lower than the operating temperature of the solid oxide fuel cell, and the operating temperature A sealing material, which is a glass material that is crystallized into a crystallized glass in a solid state by crystallization is disclosed. However, such a sealing material needs to be disposed while being positioned at a predetermined position between the unit cell and the separator, and the fuel cell cannot be constructed simply and efficiently.
JP-A-10-92450

従って、本発明の目的は、ゴムパッキンを所定位置に確実に配設でき、しかも緊密なシール性を確保できる燃料電池のシール構造、および前記シール構造に用いるゴムパッキンの成形方法を提供することにある。本発明の他の目的は、高精度で耐久性が高いゴムパッキンを形成できるとともに、薄肉であっても高い作業効率で燃料電池にゴムパッキンを組み込むことができる燃料電池のシール構造、および前記シール構造に用いるゴムパッキンの成形方法を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、ゴムパッキンの配設作業が不要であり、しかも確実にシールでき、高い生産性で燃料電池アセンブリを構築できる燃料電池のシール構造を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell seal structure capable of securely arranging a rubber packing at a predetermined position and ensuring a tight sealing property, and a rubber packing molding method used in the seal structure. is there. Another object of the present invention is to provide a fuel cell seal structure capable of forming a rubber packing with high accuracy and high durability, and capable of incorporating a rubber packing into a fuel cell with high working efficiency even if it is thin, and the seal. An object of the present invention is to provide a method for forming a rubber packing used in the structure. Still another object of the present invention is to provide a fuel cell sealing structure that does not require a rubber packing operation and that can be reliably sealed and can be constructed with high productivity.

本発明者らは、燃料電池のセパレータの周縁部に、ゴムパッキンとして、加硫又は架橋したゴム層を形成すると、ゴムパッキンを電極とセパレータとの間に配設することなく、薄層であってもゴムパッキンを所定位置に確実に配設でき、緊密なシール性を確保できることを見いだし、本発明を完成した。 The present inventors have formed a vulcanized or cross-linked rubber layer as a rubber packing at the periphery of the separator of the fuel cell, so that the rubber packing is a thin layer without being disposed between the electrode and the separator. However, the present inventors have found that the rubber packing can be surely disposed at a predetermined position and a tight sealability can be secured, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、高分子電解質膜、カソード電極およびアノード電極からなる燃料電池本体とセパレータとの間をシールする方法であって、成形型を用いずに、炭素質導電材で形成されたセパレータの周縁部表面にゴム溶液を塗布して未加硫ゴムコーティング層を形成し、この未加硫ゴムコーティング層を加硫することによりセパレータに接着一体化したゴムパッキンを形成し、その後、この加硫されたゴムパッキンが一体形成されたセパレータをカソード電極およびアノード電極に当接し単セルを組立てることにより高分子電解質膜の周縁部を前記ゴムパッキンでシールするようにしたことを特徴とするものである(請求項1)。
さらには、高分子電解質膜、カソード電極およびアノード電極からなる燃料電池本体とセパレータとの間に介在され、セパレータをカソード電極およびアノード電極に当接させて単セルを組み立てることにより高分子電解質膜の周縁部をシールできるようにセパレータに一体成形されたゴムパッキンの形成方法であって、成形型を用いずに、セパレータの周縁部表面にゴム溶液を塗布して未加硫ゴムコーティング層を形成する工程と、燃料電池本体と非接触の状態で未加硫ゴムコーティング層を加硫することによりセパレータに接着一体化したゴムパッキンを形成する工程を備えており、前記セパレータとして炭素質導電材で形成されたセパレータを用いることを特徴とするものである(請求項4)。

That is, the present invention is a method for sealing between a fuel cell body comprising a polymer electrolyte membrane, a cathode electrode and an anode electrode, and a separator, which is made of a carbonaceous conductive material without using a mold. the peripheral portion of the rubber solution was applied to form an unvulcanized rubber coating layer on the surface, to form a rubber packing which is bonded and integrated to the separator by vulcanizing the unvulcanized rubber coating layer, then, the pressurized A separator in which a sulfur rubber packing is integrally formed is brought into contact with a cathode electrode and an anode electrode to assemble a single cell so that a peripheral portion of a polymer electrolyte membrane is sealed with the rubber packing. (Claim 1).
Further, the polymer electrolyte membrane is interposed between a separator and a fuel cell body comprising a polymer electrolyte membrane, a cathode electrode and an anode electrode, and the separator is brought into contact with the cathode electrode and the anode electrode to assemble a single cell. A method for forming a rubber packing integrally formed on a separator so that the peripheral edge can be sealed, and without using a mold, a rubber solution is applied to the peripheral surface of the separator to form an unvulcanized rubber coating layer. And a step of forming a rubber packing bonded and integrated with the separator by vulcanizing the unvulcanized rubber coating layer in a non-contact state with the fuel cell body, and the separator is formed of a carbonaceous conductive material. In this case, the separator is used (claim 4).

また請求項1において、好ましくは、ゴム溶液インクジェット方式で塗布して未加硫ゴムコーティング層を形成する場合(請求項2)、ゴム溶液印刷法により塗布して未加硫ゴムコーティング層を形成する場合(請求項3)があり、請求項4において、好ましくは、未加硫ゴムコーティング層を形成する工程において、ゴム溶液をインクジェット方式で塗布する場合(請求項5)やゴム溶液を印刷法により塗布する場合(請求項6)がある
In claim 1, preferably , when an unvulcanized rubber coating layer is formed by applying a rubber solution by an ink jet method (claim 2), the rubber solution is applied by a printing method to form an unvulcanized rubber coating layer. There is a case of forming (Claim 3) , and in Claim 4, preferably, in the step of forming the unvulcanized rubber coating layer, the rubber solution is applied by an ink jet method (Claim 5) or the rubber solution is printed. (Claim 6) .

本発明では、単電池(燃料電池本体)とセパレータとの間に介在させるシール材を、予めセパレータの所定位置表面にゴムパッキンとして成形かつ接着一体化させているので、シール材単体を組み込む作業が不要になり、シール材の変形や位置ずれを生じることなく、ゴムパッキンを所定位置に確実に配設できる。しかも単電池(燃料電池本体)とセパレータ間におけるガスシールを容易かつ確実に行うことができ、緊密なシール性を確保できる。特に、薄肉であっても高い作業効率で燃料電池にゴムパッキンを組み込むことができ、高い生産性で燃料電池アセンブリを構築できる。   In the present invention, the sealing material interposed between the unit cell (fuel cell main body) and the separator is previously molded and bonded and integrated as a rubber packing on the surface of the separator at a predetermined position. The rubber packing can be reliably disposed at a predetermined position without any need for deformation and displacement of the sealing material. Moreover, gas sealing between the single cell (fuel cell main body) and the separator can be performed easily and reliably, and a tight sealing property can be secured. In particular, even if it is thin, rubber packing can be incorporated into the fuel cell with high work efficiency, and a fuel cell assembly can be constructed with high productivity.

また、本発明の前記シール構造のためのゴムパッキンの成形方法では、高精度で耐久性が高いゴムパッキンを形成できる。特に、微細な厚みのゴムシールであっても高い精度で歩留まりよく製造できる。さらに、ゴムパッキンを放射線架橋すると、セパレータを損傷する虞がなくさらにはゴムパッキンからの不純物の溶出を抑制でき、燃料電池の性能を低下させることがない。 Further, in the rubber packing molding method for the seal structure of the present invention, a rubber packing having high accuracy and high durability can be formed. In particular, even a fine rubber seal can be manufactured with high accuracy and good yield. Further, when the rubber packing is subjected to radiation crosslinking, there is no possibility of damaging the separator, and further, elution of impurities from the rubber packing can be suppressed, and the performance of the fuel cell is not deteriorated.

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図1は、固体高分子型燃料電池を構成する単位セル1の概略縦断面図であり、通常、燃料電池は、複数の前記単位セル1を積層した積層体(図示せず)として構成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a unit cell 1 constituting a solid polymer fuel cell. Usually, a fuel cell is configured as a laminate (not shown) in which a plurality of unit cells 1 are laminated. Yes.

図1において、単位セル1は、単電池(燃料電池本体)と単電池を挟持するセパレータとで構成されており、前記単電池は、高分子電解質膜2と、この高分子電解質膜2の両側に配設されたカソード電極3およびアノード電極4とで構成されている。また、単電池(又は燃料電池本体)の前記カソード電極3およびアノード電極4にはそれぞれセパレータ5,6が当接して設けられている。これらのセパレータ5,6は、ガス不透過性であるとともに、導電性の高い導電性材料(例えば、炭素質導電材)で形成されている。すなわち、前記セパレータ5,6はガス遮断性と導電性とを備えた集電体として機能している。前記セパレータ5のカソード電極3側には、図示しない酸化ガス供給管に連通した酸化ガス供給用の溝7が設けられ、前記セパレータ6のアノード電極4側には、図示しない燃料ガス供給管に連通した燃料ガス供給用の溝8が設けられている。 In FIG. 1, a unit cell 1 is composed of a unit cell (fuel cell body) and a separator that sandwiches the unit cell. The unit cell includes a polymer electrolyte membrane 2 and both sides of the polymer electrolyte membrane 2. The cathode electrode 3 and the anode electrode 4 are arranged. Further, separators 5 and 6 are provided in contact with the cathode electrode 3 and the anode electrode 4 of the unit cell (or fuel cell main body), respectively. These separators 5 and 6 are made of a conductive material (for example, carbonaceous conductive material) that is impermeable to gas and has high conductivity. That is, the separators 5 and 6 function as current collectors having gas barrier properties and conductivity. An oxidation gas supply groove 7 communicating with an oxidation gas supply pipe (not shown) is provided on the cathode electrode 3 side of the separator 5, and a fuel gas supply pipe (not shown) is connected on the anode electrode 4 side of the separator 6. The fuel gas supply groove 8 is provided.

上記単位セル1において、高分子電解質膜2、カソード電極3およびアノード電極4で構成された単電池(燃料電池本体)の周囲に燃料ガスおよび酸化ガスが漏洩するのを防止するとともに、カソード電極側セパレータ5とアノード電極側セパレータ6との間の絶縁を確保するため、単電池とセパレータ5,6との間に額縁状(ループ状)のゴムパッキン9,10が介在している。 In the unit cell 1, the fuel gas and the oxidizing gas are prevented from leaking around the unit cell (fuel cell main body) composed of the polymer electrolyte membrane 2, the cathode electrode 3 and the anode electrode 4, and the cathode electrode side In order to ensure insulation between the separator 5 and the anode electrode side separator 6, frame-like (loop-shaped) rubber packings 9, 10 are interposed between the unit cell and the separators 5, 6.

そして、本発明では、上記ゴムパッキン9,10は、予めセパレータ5,6の周縁部表面に直接成形され、かつ加硫工程で接着一体化している。すなわち、シール構造において、前記パッキン9,10は、かつセパレータ5(6)の周縁部に直接接着して密着(すなわち、セパレータ表面にループの形態で密着)し、均一な厚みの加硫又は架橋した薄肉ゴム層で構成されている。 And in this invention, the said rubber packings 9 and 10 are shape | molded directly on the peripheral part surface of the separators 5 and 6 beforehand, and are united and integrated by the vulcanization process. That is, in the seal structure, the packings 9 and 10 are directly adhered and closely adhered to the peripheral edge of the separator 5 (6) (that is, closely adhered to the separator surface in the form of a loop), and vulcanized or crosslinked with a uniform thickness. It consists of a thin rubber layer.

前記ゴムパッキン9,10は、図2および図3に示すように、セパレータ5(6)の表面を、額縁状の透孔12を有するマスク11で覆い、溶剤によりゴムコンパウンドを溶解させたゴム溶液をマスク上から塗布するスクリーン印刷法を利用して、所定回数(例えば、複数回)塗布し、前記透孔12を通じてその形状に合致した所定厚さの未加硫ゴムコーティング層13を形成し、上記溶剤を揮発させてから前記未加硫ゴムコーティング層13の加硫処理を行い、セパレータ5の周縁部に額縁状の薄肉ゴム層13(ゴムパッキン9)が加硫接着して一体に形成されている。 As shown in FIGS. 2 and 3, the rubber packings 9 and 10 cover the surface of the separator 5 (6) with a mask 11 having a frame-shaped through-hole 12, and a rubber solution in which the rubber compound is dissolved by a solvent. Is applied a predetermined number of times (for example, a plurality of times) by using a screen printing method for applying from a mask, and an unvulcanized rubber coating layer 13 having a predetermined thickness matching the shape is formed through the through holes 12, After the solvent is volatilized, the unvulcanized rubber coating layer 13 is vulcanized, and a frame-like thin rubber layer 13 (rubber packing 9) is vulcanized and bonded to the peripheral edge of the separator 5 to be integrally formed. ing.

予めゴムシールが接着一体化したセパレータを用いると、ゴムパッキンの配設作業が不要であり、ゴムシール層が薄くても、単電池の両側部にセパレータを配設するという簡単な操作により、確実かつ精度よく位置決めして前記単位セルを構築できるとともに、高い組立作業性および生産性で容易に固体高分子型燃料電池のシール構造を形成できる。 If a separator with a rubber seal bonded in advance is used, there is no need to install rubber packing, and even if the rubber seal layer is thin, the simple operation of placing the separator on both sides of the unit cell ensures reliable and accurate operation. The unit cell can be constructed by positioning well, and a sealing structure of a polymer electrolyte fuel cell can be easily formed with high assembly workability and productivity.

前記燃料電池の単電池を構成する電解質膜は、特に制限されず、固体高分子型電解質膜に限らず、リン酸型電解質膜などであってもよい。好ましい電解質膜は、固体電解質膜、特に固体高分子型電解質膜、例えば、スルホン酸基が導入されたフッ素樹脂で構成されたナフィオン膜などが使用できる。 The electrolyte membrane constituting the unit cell of the fuel cell is not particularly limited, and is not limited to a solid polymer electrolyte membrane but may be a phosphoric acid electrolyte membrane. As a preferable electrolyte membrane, a solid electrolyte membrane, particularly a solid polymer electrolyte membrane, for example, a Nafion membrane made of a fluororesin into which a sulfonic acid group is introduced can be used.

本発明におけるセパレータは、その周縁部に加硫又は架橋ゴム層が形成されており、燃料電池の単電池の両側に配されて単電池の周縁部をシールするものである。前記セパレータは、ガス遮断性又はガス不透過性を有していればよく、導電性を備えた集電体に限らず、非導電性であってもよい。セパレータとしては、通常、集電体を用いる場合が多く、導電性が高く及びガス透過性が低い材料、例えば、炭素材(カーボングラファイト複合材など)などが利用できる。 The separator according to the present invention has a vulcanized or crosslinked rubber layer formed on the peripheral edge thereof, and is disposed on both sides of the single cell of the fuel cell to seal the peripheral edge of the single cell. The separator only needs to have gas barrier properties or gas impermeability, and is not limited to a conductive current collector, and may be nonconductive. As the separator, a current collector is usually used, and a material having high conductivity and low gas permeability, for example, a carbon material (such as a carbon graphite composite material) can be used.

ゴム層を形成するゴムは加硫又は架橋可能であればよく、例えば、ジエン系ゴム[天然ゴム(NR)又はイソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレンーブタジエンゴム(SBR)、ニトリルゴム(アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR))、クロロプレンゴム(CR)など]、ブチルゴム(IIR)、シリコーンゴム(Q)(ポリジメチルシロキサンゴム(MQ)、メチルビニルシリコーンゴム(VMQ)、フェニルシリコーンゴム(PMQ)、フッ化シリコーンゴム(FVMQ)、フェニルビニルメチルシリコーンゴム(PVMQ)など)、オレフイン系ゴム(エチレン−プロピレンゴム(EPM)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)など)、アクリルゴム(アクリル酸エチル、アクリル酸ブチルなどのアクリル酸C2−8アルキルエステルを含む共重合体ゴム(ACM,ANMなど))、フッ素ゴム(FKM)、ウレタンゴム(U)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸エステル共重合体、ポリノルボルネンゴム、熱可塑性エラストマー(ポリオレフイン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリウレタン系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、スチレン系樹脂エラストマーなど)などが例示できる。ゴムとしては、液状又はぺ一スト状ゴム、例えば、液状ポリブタジエン、液状ポリイソプレン、液状ポリクロロプレン、液状又はぺ一スト状シリコーン(RTVシリコーンゴム,LTVシリコーンゴム)なども使用できる。これらのゴムは単独で又は2種以上組み合わせて使用できる。なお、ゴム溶液として液状シリコーンゴムのような液状ゴムを使用する場合には、溶剤で溶解することなく塗布することができる。ゴム層は、燃料ガス及び酸化剤に対して不活性なゴムで構成するのが好ましい。このようなゴムとしては、優れたクッション性を有する前記オレフイン系ゴム、シリコーンゴムなどが例示できる。 The rubber forming the rubber layer may be vulcanized or crosslinkable, such as diene rubber [natural rubber (NR) or isoprene rubber (IR), butadiene rubber (BR), styrene-butadiene rubber (SBR), nitrile. Rubber (acrylonitrile-butadiene rubber (NBR)), chloroprene rubber (CR), etc.], butyl rubber (IIR), silicone rubber (Q) (polydimethylsiloxane rubber (MQ), methyl vinyl silicone rubber (VMQ), phenyl silicone rubber ( PMQ), fluorinated silicone rubber (FVMQ), phenyl vinylmethyl silicone rubber (PVMQ), etc.), olefin rubber (ethylene-propylene rubber (EPM), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), etc.), acrylic rubber (acrylic acid) Ethyl, butyl acrylate Of the copolymer rubber containing acrylic acid C 2-8 alkyl ester (ACM, etc. ANM)), fluororubber (FKM), urethane rubber (U), ethylene - vinyl acetate copolymer, ethylene - acrylic ester copolymerization Examples thereof include coalescence, polynorbornene rubber, thermoplastic elastomer (polyolefin elastomer, polyester elastomer, polyurethane elastomer, polyamide elastomer, styrene resin elastomer, etc.). As the rubber, liquid or paste-like rubber, for example, liquid polybutadiene, liquid polyisoprene, liquid polychloroprene, liquid or paste-like silicone (RTV silicone rubber, LTV silicone rubber) and the like can be used. These rubbers can be used alone or in combination of two or more. In addition, when using liquid rubber like liquid silicone rubber as a rubber solution, it can apply | coat, without melt | dissolving with a solvent. The rubber layer is preferably made of rubber that is inert to fuel gas and oxidant. Examples of such rubber include the olefin rubber and silicone rubber having excellent cushioning properties.

ゴム層は、加硫剤、架橋剤、放射線照射などにより加硫又は架橋している。加硫剤としては、硫黄系加硫剤も使用できるが、例えば、ジクミルパーオキサイド、ジtブチルパオキサイド、2,5ジメチル−2,5ジ(tブチルベルオキシ)ヘキサンなどの有機過酸化物が好ましい。加硫剤の使用量は、ゴム100重量部に対して0.1〜20重量部、好ましくは1〜10重量部程度の範囲から選択できる。
The rubber layer is vulcanized or crosslinked by a vulcanizing agent, a crosslinking agent, radiation irradiation or the like. As the vulcanizing agent, but sulfur-based vulcanizing agent can be used, for example, dicumyl peroxide, di-t - Buchirupa over peroxide, 2,5 - dimethyl 2,5 - di (t - butyl Bell oxy) hexane, etc. The organic peroxide is preferred. The amount of the vulcanizing agent used can be selected from the range of about 0.1 to 20 parts by weight, preferably about 1 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of rubber.

好ましいゴム層は、過酸化物又は放射線照射により加硫又は架橋している。放射線架橋において、必要であれば、光重合開始剤(ベンゾフェノン系化合物、ベンゾイン系化合物、キサントン系化合物などのケトン類など)をゴム層に含有させてもよい。光重合開始剤の使用量は、例えば、重合性単量体(前記多官能性単量体、単官能性単量体)100重量部に対して1〜10重量部程度の範囲から選択できる。
特に、ゴム層は、加硫剤(架橋剤)および加硫助剤(架橋助剤)を実質的に含まず、放射線架橋により形成されているのが好ましい。放射線架橋によりゴム層(ゴム薄膜層)を形成すると、ゴム分子鎖間で直接C−C結合が形成され、ゴム層に硫黄や過酸化物等の加硫剤や加硫助剤を配合する必要がなく、燃料電池の性能が阻害されることがない。さらに、ゴム材料から燃料電池の性能を阻害する陽イオン不純物(例えば酸化亜鉛や酸化マグネシウム等の金属酸化物)が溶出することもない。なお、電池性能が低下する可能性を低減するため、ゴム層は光重合開始剤を含有していなくてもよい。
Preferred rubber layers are vulcanized or crosslinked by peroxide or radiation. In the radiation crosslinking, if necessary, a photopolymerization initiator (a ketone such as a benzophenone compound, a benzoin compound, or a xanthone compound) may be contained in the rubber layer. The usage-amount of a photoinitiator can be selected from the range of about 1-10 weight part with respect to 100 weight part of polymeric monomers (the said polyfunctional monomer, monofunctional monomer), for example.
In particular, the rubber layer is preferably substantially free of a vulcanizing agent (crosslinking agent) and a vulcanization auxiliary agent (crosslinking auxiliary agent) and formed by radiation crosslinking. When a rubber layer (rubber thin film layer) is formed by radiation crosslinking, a C—C bond is formed directly between the rubber molecular chains, and it is necessary to add a vulcanizing agent such as sulfur or peroxide, or a vulcanization aid to the rubber layer. The fuel cell performance is not hindered. Furthermore, cationic impurities (for example, metal oxides such as zinc oxide and magnesium oxide) that hinder the performance of the fuel cell are not eluted from the rubber material. In addition, in order to reduce possibility that battery performance will fall, the rubber layer does not need to contain the photoinitiator.

さらに、ゴム層は、補強用カーボンブラックを含有していてもよい。カーボンブラックとしては、ファーネスカーボンブラヅク、アセチレンカーボンブラック、チャンネルカーボンブラック、ランプカーボンブラック、ケッチェンカーボンブラック、サーマルカーボンブラックなどが例示できる。これらのカーボンブラックは単独で又は2種以上組み合わせて使用できる。 Furthermore, the rubber layer may contain reinforcing carbon black. Examples of the carbon black include furnace carbon black, acetylene carbon black, channel carbon black, lamp carbon black, ketjen carbon black, and thermal carbon black. These carbon blacks can be used alone or in combination of two or more.

好ましいカーボンブラックは不純物の少ないカーボンブラック、特にサーマルカーボンブラックである。このサーマルカーボンブラックは、サーマル(熱分解)法、すなわち燃料を燃焼させて熱分解温度以上に加熱した炉内に天然ガスを導入し、天然ガスの熱分解により生産されたカーボンブラックであり、他のオイルフアーネスカーボンブラックやアセチレンカーボンブラック等に比較して、大粒径で低ストラクチヤーの比表面積が非常に小さなカーボンブラックであり、電気絶縁性能に優れるとともに、完全燃焼法のため灰分や硫黄などの不純物含有量が極端に少ない特長を有している。したがって、このサーマルカーボンブラックが配合されたゴムパッキンは、燃料電池の発電に悪影響を及ぼす不純物をほとんど含有せず、燃料電池用セパレータユニットとして好適に使用できる。 The preferred carbon black is carbon black with few impurities, especially thermal carbon black. This thermal carbon black is a carbon black produced by the thermal (pyrolysis) method, that is, natural gas is introduced into a furnace heated to a temperature equal to or higher than the pyrolysis temperature by burning fuel, Compared to oil furnace carbon black, acetylene carbon black, etc., it is a carbon black with a large particle size and a very small specific surface area of low structur. It has the feature of extremely low impurity content. Therefore, the rubber packing blended with the thermal carbon black hardly contains impurities that adversely affect the power generation of the fuel cell, and can be suitably used as a fuel cell separator unit.

好ましいカーボンブラックであるサーマルカーボンブラックの平均粒子径は、通常、100〜500nm、好ましくは120〜500nm、さらに好ましくは150〜400nm、特に200〜350nm(例えば240〜310nm)程度である。また、サーマルカーボンブラックの窒素吸着比表面積は、例えば5〜20m/g、好ましくは7〜15m/g(例えば9〜9.5m/g)、ジブチルフタレート(DBP)吸油量は、例えば10〜50cm/100g、好ましくは20〜45cm/100g、さらに好ましくは25〜45cm/100g(例えば34〜40cm/100g)程度である。 The average particle size of thermal carbon black, which is preferable carbon black, is usually about 100 to 500 nm, preferably 120 to 500 nm, more preferably 150 to 400 nm, and particularly 200 to 350 nm (for example, 240 to 310 nm). Moreover, the nitrogen adsorption specific surface area of thermal carbon black is, for example, 5 to 20 m 2 / g, preferably 7 to 15 m 2 / g (for example, 9 to 9.5 m 2 / g), and dibutyl phthalate (DBP) oil absorption is, for example, It is about 10-50 cm < 3 > / 100g, Preferably it is 20-45 cm < 3 > / 100g, More preferably, it is about 25-45 cm < 3 > / 100g (for example, 34-40 cm < 3 > / 100g).

ゴム層中のカーボンブラックの含有量は、例えば、ゴム100重量部に対してカーボンブラック(特にサーマルカーボンブラック)10〜100重量部、好ましくは20〜80重量部、さらに好ましくは30〜70重量部程度である。
なお、前記ゴム層は、必要に応じて、慣用の配合剤、例えば、加硫促進剤、活性剤、加硫遅延剤、安定剤(酸化防止剤、紫外線吸収剤、熱安定剤、老化防止剤など)、可塑剤、充填剤(ホワイトカーボン、タルク、炭酸カルシウムなど)、軟化剤、滑剤、粘着付与剤、着色剤、硬化剤、補強剤などを添加してもよい。なお、これらの添加剤として、燃料電池の特性に悪影響を及ぼさない成分を選択するのが好ましい。
The content of carbon black in the rubber layer is, for example, 10 to 100 parts by weight, preferably 20 to 80 parts by weight, more preferably 30 to 70 parts by weight with respect to 100 parts by weight of rubber. Degree.
The rubber layer may contain a conventional compounding agent such as a vulcanization accelerator, an activator, a vulcanization retarder, a stabilizer (an antioxidant, an ultraviolet absorber, a heat stabilizer, an anti-aging agent, if necessary. Etc.), plasticizers, fillers (white carbon, talc, calcium carbonate, etc.), softeners, lubricants, tackifiers, colorants, curing agents, reinforcing agents and the like may be added. As these additives, it is preferable to select components that do not adversely affect the characteristics of the fuel cell.

前記ゴムは、前記のように、加硫剤、架橋剤などの添加剤と組み合わせることにより、ゴムコンパウンド組成物としてコーティング剤中に含有させてもよい。コーティング剤の溶媒としては、ゴムを溶解又は分散可能な種々の溶媒、例えば、炭化水素類(ヘキサン、オクタンなどの脂肪族炭化水素類、シクロヘキサンなどの脂環族炭化水素類、トルエンなどの芳香族炭化水素類)、ハロゲン化炭化水素類、アルコール類(エタノール、イソプロパノールなどの脂肪族アルコールなど)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソプチルケトンなど)、エステル類(酢酸エチル、酢酸ブチルなど)、エーテル類(ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフランなど)などが利用できる。これらの溶媒は、混合溶媒として使用してもよい。また、ゴムがエマルジョンなどの形態である場合、溶媒は水又は水溶性溶媒(アルコール類、セロソルブ類など)であってもよい。 As described above, the rubber may be contained in the coating agent as a rubber compound composition by combining with an additive such as a vulcanizing agent or a crosslinking agent. Examples of the solvent for the coating agent include various solvents that can dissolve or disperse rubber, for example, hydrocarbons (aliphatic hydrocarbons such as hexane and octane, alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane, and aromatics such as toluene. Hydrocarbons), halogenated hydrocarbons, alcohols (such as aliphatic alcohols such as ethanol and isopropanol), ketones (such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isoptyl ketone), esters (such as ethyl acetate and butyl acetate), Ethers (diethyl ether, dioxane, tetrahydrofuran, etc.) can be used. These solvents may be used as a mixed solvent. When the rubber is in the form of an emulsion or the like, the solvent may be water or a water-soluble solvent (alcohols, cellosolves, etc.).

ゴムコーティング剤(ゴム溶液)の23℃における粘度は、例えば、0.1〜40Pa・S、好ましくは0.5〜30Pa・S、さらに好ましくは1〜15Pa・S程度である。粘度が0.1Pa・S未満では、形成される未加硫ゴムコーティング層が薄肉で所定の厚みになるまで、塗布回数を多くしなければならず、40Pa・Sを越えると、流動性が悪く、マスクを通過し難く、コーティング層のムラが大きくなる。
The viscosity at 23 ° C. of the rubber coating agent (rubber solution) is, for example, about 0.1 to 40 Pa · S, preferably about 0.5 to 30 Pa · S, and more preferably about 1 to 15 Pa · S. When the viscosity is less than 0.1 Pa · S, the number of coatings must be increased until the unvulcanized rubber coating layer to be formed is thin and has a predetermined thickness. It is bad, it is difficult to pass through the mask, and the unevenness of the coating layer increases.

ゴム層は、インクジェット方式などを利用して形成してもよいが、生産性などの点から、特にスクリーン印刷などの慣用の印刷法により形成するのが有利である。スクリーン印刷は、慣用の方法、例えば、セパレータ表面をマスクで覆い、このマスクを通じて所定の厚さのゴムコーティング層をセパレータの周縁部に(例えば、ループ状に)形成させる。特に、ゴム層の形状に対応する領域に透孔を有するマスク又はスクリーンを用いることにより行うことができる。コーティング剤は、所定の厚みのゴム層を形成するため、複数回に亘りコーティング又は印刷してもよい。コーティングにより、通常、パッキンの平面形状に対応した閉ループの形態でゴム層が形成される。セパレータは、ゴム層との密着性などを改善するため、前処理してもよい。コーティング剤を、セパレータの表面に直接コーティングし、溶剤を除去して乾燥し、加硫又は架橋処理を施すことにより、前記セパレータと接着一体化した薄肉ゴム層を形成できる。薄肉ゴム層の厚みは、シール性を確保できる限り特に制限されず、例えば、30μm〜1mm、好ましくは50μm〜0.8mm、さらに好ましくは100μm〜500μm程度の範囲から適当に選択できる。 The rubber layer may be formed by using an ink jet method or the like, but it is advantageous to form the rubber layer by a conventional printing method such as screen printing from the viewpoint of productivity. In the screen printing, for example, the surface of the separator is covered with a mask, and a rubber coating layer having a predetermined thickness is formed on the peripheral edge of the separator (for example, in a loop) through the mask. In particular, it can be performed by using a mask or a screen having a through hole in a region corresponding to the shape of the rubber layer. The coating agent may be coated or printed multiple times to form a rubber layer with a predetermined thickness. By coating, a rubber layer is usually formed in the form of a closed loop corresponding to the planar shape of the packing. The separator may be pretreated to improve adhesion with the rubber layer. A thin rubber layer bonded and integrated with the separator can be formed by directly coating the surface of the separator with a coating agent, removing the solvent, drying, and performing vulcanization or crosslinking treatment. The thickness of the thin rubber layer is not particularly limited as long as the sealing property can be secured, and can be appropriately selected from the range of, for example, 30 μm to 1 mm, preferably 50 μm to 0.8 mm, and more preferably about 100 μm to 500 μm.

前記加硫剤や架橋剤を含むゴム層は、加熱プレスして加硫又は架橋させてもよい。加硫又は架橋は慣用の方法、例えば、100〜200℃程度の温度で加熱加圧(熱プレス)することにより行うことができる。放射線架橋において、ゴム層は紫外線照射により架橋させてもよいが、電子線、X線、γ線などの高エネルギー活性線により架橋させるのが好ましい。放射線架橋を利用すると、前記と同様に、より小型化が要求されるセパレータユニットを多数重ね合わせて燃料電池を構築する過程で、ゴムパッキンを組み込む作業が不要になることに加えて、加熱プレスすることなくゴムパッキンを架橋して成形できる。そのため、前記加熱加硫又は架橋に比べて、カーボングラファイトなどで形成されたセパレータに何ら損傷を加えることなく、セパレータの品質を劣化させる虞がない。
なお、ゴムパッキンの耐熱性や強度物性を考慮して、放射線照射による架橋は、その照射方法や照射条件を最適化できる。また、架橋方法を組み合わせてゴム層を架橋させてもよい。例えば、放射線架橋によるゴムの完全架橋に限らず、プレ架橋として放射線架橋を使用し、加熱処理やマイクロ波によるポスト架橋をすることができる。
The rubber layer containing the vulcanizing agent or the crosslinking agent may be vulcanized or crosslinked by heating and pressing. Vulcanization or crosslinking can be performed by a conventional method, for example, by heating and pressing (hot pressing) at a temperature of about 100 to 200 ° C. In the radiation cross-linking, the rubber layer may be cross-linked by ultraviolet irradiation, but is preferably cross-linked by a high energy active ray such as an electron beam, X-ray or γ ray. When radiation crosslinking is used, in the same way as described above, in the process of constructing a fuel cell by stacking a large number of separator units that require further miniaturization, the operation of incorporating a rubber packing becomes unnecessary, and heat pressing is performed. The rubber packing can be cross-linked without forming. Therefore, compared to the heat vulcanization or cross-linking, the separator formed of carbon graphite or the like is not damaged and there is no possibility of degrading the quality of the separator.
In view of the heat resistance and strength properties of the rubber packing, the irradiation method and irradiation conditions can be optimized for the crosslinking by radiation irradiation. Further, the rubber layer may be crosslinked by combining crosslinking methods. For example, not only complete crosslinking of rubber by radiation crosslinking but also radiation crosslinking can be used as pre-crosslinking, and post-crosslinking by heat treatment or microwave can be performed.

原料ゴムとして市販のエチレン−プロピレンターポリマーゴム(EPT)100重量部に対し、架橋剤として過酸化物ジクミルパーオキサイド(DCP/100)を3重量部、ステアリン酸1.0重量部、その他所望の配合剤とともに配合し、ミキシングロールで混練し、未加硫ゴムを調製した。この未加硫ゴムを約1cm角程度に細片化し、得られた細片をトルエンと共に真空脱泡装置付攪拌機に投入し、大気圧下で10時間攪拌し溶解後、真空脱泡装置を駆動し真空化で更に15分間攪拌脱泡した。なお、前記未加硫ゴムとトルエンとの割合を,前者/後者(重量比)=30/70とし、得られるゴム溶液の粘度を23℃において、5Pa・Sとなるようにした。 3 parts by weight of peroxide dicumyl peroxide (DCP / 100) as a crosslinking agent, 1.0 part by weight of stearic acid, 100 parts by weight of commercially available ethylene-propylene terpolymer rubber (EPT) as raw rubber The unvulcanized rubber was prepared by blending with the above compounding agents and kneading with a mixing roll. The unvulcanized rubber is cut into pieces of about 1 cm square, and the obtained pieces are put together with toluene into a stirrer equipped with a vacuum deaerator, stirred for 10 hours under atmospheric pressure and dissolved, and then the vacuum deaerator is driven. Then, the mixture was degassed by stirring for 15 minutes under vacuum. The ratio of the unvulcanized rubber and toluene was the former / the latter (weight ratio) = 30/70, and the viscosity of the resulting rubber solution was 5 Pa · S at 23 ° C.

次いで、上記の溶解脱泡したEPTゴム溶液をカーボングラファイト製集電体の所定表面にスクリーン印刷により塗布した後、熱風乾燥機(80℃)にて5分間乾燥させて溶剤を揮発させた。この塗布および乾燥の処理を繰り返し7回行い、集電体周縁部表面に厚み300μmの未加硫ゴムコーティング層を形成した。その後、集電体上のゴム層を電子線照射によって架橋することにより接着一体化したゴムシールを形成した。 Next, the dissolved and defoamed EPT rubber solution was applied to a predetermined surface of a carbon graphite current collector by screen printing, and then dried in a hot air dryer (80 ° C.) for 5 minutes to volatilize the solvent. This coating and drying process was repeated seven times to form an unvulcanized rubber coating layer having a thickness of 300 μm on the peripheral surface of the current collector. Thereafter, the rubber layer on the current collector was crosslinked by electron beam irradiation to form a rubber seal bonded and integrated.

原料ゴムとして市販のEPDM100重量部に対し、補強剤としてサーマルブラック(キャンカーブ社製、MTカーボンN990ウルトラピュア)40重量部を添加配合し、ミキシングロールで混練して未加硫ゴムを調製した。この未加硫ゴムを約1cm角程度に細片化し、得られた細片をトルエンと共に真空脱泡装置付攪拌機に投入し、大気圧下で10時間攪拌し溶解後、真空脱泡装置を駆動し真空化で更に15分間攪拌脱泡した。 To 100 parts by weight of commercially available EPDM as a raw rubber, 40 parts by weight of thermal black (manufactured by Cancarb, MT Carbon N990 Ultra Pure) was added and blended, and kneaded with a mixing roll to prepare an unvulcanized rubber. The unvulcanized rubber is cut into pieces of about 1 cm square, and the obtained pieces are put together with toluene into a stirrer equipped with a vacuum deaerator, stirred for 10 hours under atmospheric pressure and dissolved, and then the vacuum deaerator is driven. Then, the mixture was degassed by stirring for 15 minutes under vacuum.

次いで、上記の溶解脱泡したEPDMゴム溶液をカーボングラファイト製セパレータの所定表面にスクリーン印刷により塗布した後、熱風乾燥機(80℃)にて5分間乾燥させて溶剤を揮発させた。この塗布および乾燥の処理を繰り返し7回行い、セパレータ周縁部表面に厚み300μmの未架橋のゴム薄膜を形成した。その後、電子線照射装置に導入しセパレータ上のゴム薄膜を窒素雰囲気中において照射線量15〜80Mradの電子線を照射して架橋することにより、ゴムパッキンが直接成形され接着一体化された燃料電池用セパレータを得た。 Next, the dissolved and defoamed EPDM rubber solution was applied to a predetermined surface of a carbon graphite separator by screen printing, and then dried in a hot air dryer (80 ° C.) for 5 minutes to volatilize the solvent. This coating and drying process was repeated seven times to form an uncrosslinked rubber thin film having a thickness of 300 μm on the peripheral surface of the separator. Thereafter, the rubber thin film on the separator is introduced into an electron beam irradiation device and crosslinked by irradiating with an electron beam with an irradiation dose of 15 to 80 Mrad in a nitrogen atmosphere, so that the rubber packing is directly molded and bonded and integrated. A separator was obtained.

固体高分子型燃料電池を構成する単位セルの概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view of the unit cell which comprises a polymer electrolyte fuel cell. ゴムパッキンの成形工程の一部を示す概路断面図である。It is a general | schematic cross-sectional view which shows a part of shaping | molding process of rubber packing. ゴムパッキンが一体成形されたセパレータを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the separator by which rubber packing was integrally molded.

符号の説明Explanation of symbols

1 単位セル
2 高分子電解質膜
3 カソード電極
4 アノード電極
5 カソード電極側セパレータ
6 アノード電極側セパレータ
7,8 溝
9,10 ゴムパッキン
11 マスク
12 透孔
13 ゴムコーティング層
1 Unit cell 2 Polymer electrolyte membrane 3 Cathode electrode 4 Anode electrode 5 Cathode electrode side separator 6 Anode electrode side separator 7, 8 Groove 9, 10 Rubber packing 11 Mask 12 Through-hole 13 Rubber coating layer

Claims (6)

高分子電解質膜、カソード電極およびアノード電極からなる燃料電池本体とセパレータとの間をシールする方法であって、成形型を用いずに、炭素質導電材で形成されたセパレータの周縁部表面にゴム溶液を塗布して未加硫ゴムコーティング層を形成し、この未加硫ゴムコーティング層を加硫することによりセパレータに接着一体化したゴムパッキンを形成し、その後、この加硫されたゴムパッキンが一体形成されたセパレータをカソード電極およびアノード電極に当接し単セルを組立てることにより高分子電解質膜の周縁部を前記ゴムパッキンでシールするようにしたことを特徴とする燃料電池のシール方法。 A method of sealing between a separator and a fuel cell body composed of a polymer electrolyte membrane, a cathode electrode and an anode electrode, and without using a mold, on the peripheral surface of the separator made of a carbonaceous conductive material The solution is applied to form an unvulcanized rubber coating layer, and this unvulcanized rubber coating layer is vulcanized to form a rubber packing that is bonded and integrated with the separator. Thereafter, the vulcanized rubber packing is A fuel cell sealing method, wherein a separator formed integrally is brought into contact with a cathode electrode and an anode electrode to assemble a single cell so that a peripheral portion of a polymer electrolyte membrane is sealed with the rubber packing. ゴム溶液をインクジェット方式で塗布して未加硫ゴムコーティング層を形成した請求項1記載の燃料電池のシール方法。 2. The fuel cell sealing method according to claim 1, wherein the rubber solution is applied by an ink jet method to form an unvulcanized rubber coating layer. ゴム溶液を印刷法により塗布して未加硫ゴムコーティング層を形成した請求項1記載の燃料電池のシール方法。 2. The fuel cell sealing method according to claim 1, wherein the rubber solution is applied by a printing method to form an unvulcanized rubber coating layer. 高分子電解質膜、カソード電極およびアノード電極からなる燃料電池本体とセパレータとの間に介在され、セパレータをカソード電極およびアノード電極に当接させて単セルを組み立てることにより高分子電解質膜の周縁部をシールできるようにセパレータに一体成形されたゴムパッキンの形成方法であって、
成形型を用いずに、セパレータの周縁部表面にゴム溶液を塗布して未加硫ゴムコーティング層を形成する工程と、燃料電池本体と非接触の状態で未加硫ゴムコーティング層を加硫することによりセパレータに接着一体化したゴムパッキンを形成する工程を備えており、
前記セパレータとして炭素質導電材で形成されたセパレータを用いることを特徴とする燃料電池用ゴムパッキンの形成方法。
A polymer electrolyte membrane, a cathode electrode and an anode electrode are interposed between the fuel cell body and the separator, and the separator is brought into contact with the cathode electrode and the anode electrode to assemble the single cell so that the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane is A method of forming a rubber packing integrally formed with a separator so as to be sealed,
Applying a rubber solution to the peripheral surface of the separator to form an unvulcanized rubber coating layer without using a mold, and vulcanizing the unvulcanized rubber coating layer in a non-contact state with the fuel cell body A process of forming a rubber packing that is bonded and integrated with the separator.
A method of forming a rubber packing for a fuel cell, wherein a separator formed of a carbonaceous conductive material is used as the separator.
未加硫ゴムコーティング層を形成する工程において、ゴム溶液をインクジェット方式で塗布するようにした請求項4記載の燃料電池用ゴムパッキンの形成方法。 The method for forming a rubber packing for a fuel cell according to claim 4, wherein in the step of forming the unvulcanized rubber coating layer, the rubber solution is applied by an ink jet method. 未加硫ゴムコーティング層を形成する工程において、ゴム溶液を印刷法により塗布するようにした請求項4記載の燃料電池用ゴムパッキンの形成方法。 The method for forming a rubber packing for a fuel cell according to claim 4, wherein in the step of forming the unvulcanized rubber coating layer, the rubber solution is applied by a printing method.
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