JP5365075B2 - 燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物及びセパレータシール用材料 - Google Patents

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Description

本発明は、小型の燃料電池として使用できる固体高分子型燃料電池のセパレータシール用材料、特に電解質膜又は電解質膜及びその周縁部(セパレータ部材等)への接着が可能な固体高分子型燃料電池セパレータシール用材料として好適な燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物及び、この組成物からなるセパレータシール用材料に関する。
燃料電池は、資源の枯渇に留意する必要がある化石燃料を使用する必要が殆どない上に、発電において騒音を殆ど発生せず、エネルギーの回収率も他のエネルギー発電機関と比べて高くできる等の優れた性質を持つために、ビルや工場の比較的小型の発電プラントとして開発が進められ、一部実用化されている。中でも固体高分子型燃料電池は、他タイプの燃料電池と比べて低温で作動するので、電池を構成する部品について材料面での腐食の心配が少ないばかりか、低温作動の割に比較的大電流を放電可能といった特徴をもち、家庭のコージェネレーション用としてだけでなく、車載用の内燃機関の代替電源としても注目を集めている。この固体高分子型燃料電池を構成する部品の中で、セパレータは一般的に平板の両面又は片面に複数の並行する溝を形成してなるもので、燃料電池セル内のガス拡散電極で発電した電気を外部へ伝達すると共に、発電の過程で前記溝中に生成した水を排水し、当該溝を燃料電池セルへ流入する反応ガスの流通路として確保するという役割を担っている。このような電池用のセパレータとしては、より小型化が要求され、また多数のセパレータを重ね合わせて使用することから、耐久性が優れ、長期間使用できるセパレータ用シール材が要求されていた。また近年では、よりそのシール性を高めるために電解質膜そのものへシール材を配することも行われていた。この場合、シリコーンゴムはセパレータ基材だけでなく、電解質膜に対しても強い接着力が必要で、しかも耐酸、耐水、耐熱等の面でその接着性にも長期耐久性が求められていた。
一方、従来のセパレータへのシリコーンゴムの接着方法としては、成型時にプライマーを基材に成型後、上からシリコーンゴム組成物を成型しながら接着させるのが一般的ではあるが、プライマーの塗りムラや乾燥方法のバラつき等、工程が煩雑になるだけでなく、種々のトラブルの要因にもなってしまう。これを避ける手段として、シリコーンゴム組成物に予め接着助剤を混合したものを使用することにより、このプライマー処理を省くことができ、工数を大幅に低減する方法がある。例えば、特開平8−53661号公報(特許文献1)には、一分子中に少なくとも1個の珪素原子に結合した水素原子とフェニル骨格を有する接着助剤を付加硬化型シリコーンゴム組成物に添加することで、有機樹脂との接着性を得ている。また、特開2002−201454号公報(特許文献2)では、エポキシ基と芳香族環を有する有機化合物あるいはシリコーンにより有機樹脂との選択接着性を発現させている。しかし、これらの出願組成物は燃料電池用途ではなく、特に電解質膜、例えばフッ素系の膜等へは十分な接着性が得られていないのが現状であった。更に、燃料電池セパレータシール用途としては、特開2006−176688号公報(特許文献3)において、付加硬化型シリコーンゴム組成物に接着助剤を添加して自己接着タイプとすることが例示されている。しかしながら、これらの組成では、初期、電解質膜に対して接着はするが、耐温水試験等の環境試験で接着が短期間で破壊してしまうという問題があった。
特開平8−53661号公報 特開2002−201454号公報 特開2006−176688号公報
本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたもので、固体高分子型燃料電池の電解質膜又は電解質膜及びその周縁部(セパレータ部材等)に強固に接着する燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物及び、この組成物からなるセパレータシール用材料を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、接着助剤として、フェニル骨格、脂環式エポキシ基、珪素原子に直結した水素原子をそれぞれ少なくとも1個、一分子中に有する有機珪素化合物を添加することにより、従来難接着対象とされてきたナフィオンをはじめとする電解質膜又は電解質膜及びその周縁部(セパレータ部材等)に自己接着するシリコーンゴムが得られることを知見すると共に、固体高分子型燃料電池セパレータシール用材料として好適であることを見出し、本発明をなすに至ったものである。
従って、本発明は、下記の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物及びセパレータシール用材料を提供する。
請求項1:
固体高分子型燃料電池の電解質膜又は電解質膜及びその周縁部に接着するための材料であって、
(A)一分子中に珪素原子に結合したアルケニル基を2個以上含有するオルガノポリシロキサン 100質量部、
(B)一分子中に珪素原子に結合した水素原子を少なくとも2個含有し、エポキシ基を含有しないオルガノハイドロジェンポリシロキサン 0.5〜20質量部、
(C)ヒドロシリル化反応触媒 有効量、
(D)一分子中に、フェニル骨格を少なくとも1個有すると共に反応性基として少なくとも1個の脂環式エポキシ基及び少なくとも1個の珪素原子に結合した水素原子のみを有する有機珪素化合物 0.1〜50質量部
を含有することを特徴とする燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
請求項2:
(A)成分中の珪素原子結合アルケニル基に対する(B)成分中の珪素原子に結合した水素原子(Si−H基)のモル比が、Si−H基/アルケニル基=0.8〜3.0の範囲であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
請求項3:
(D)成分が、下記化合物群から選ばれるものであることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
Figure 0005365075

Figure 0005365075
請求項
更に、圧縮永久歪改良剤として、
(E)窒素含有化合物 0.1〜50質量部
を添加することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
請求項
(E)窒素含有化合物が、トリアゾール化合物及びイミダゾール化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の窒素含有化合物であることを特徴とする請求項記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
請求項
周縁部が金属製又は有機樹脂製のセパレータ部材である請求項1乃至のいずれか1項記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
請求項
請求項1乃至のいずれか1項記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物からなる固体高分子型燃料電池のセパレータシール用材料。
本発明によれば、接着性シリコーンゴム組成物と電解質膜及び/又はその周縁部としてのセパレータ部材との強固な一体成型体を得ることができる。
この場合、セパレータとしては、金属製あるいはカーボン等の導電性粉末をエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などのバインダー樹脂により一体成型された有機樹脂製の基板とするものなどが好適に使用される。
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明の(A)成分の一分子中に平均2個以上のアルケニル基を有するオルガノポリシロキサンとしては、下記平均組成式(1)で示されるものを用いることができる。
1 aSiO(4-a)/2 (1)
上記式(1)中、R1は互いに同一又は異種の炭素数1〜10、好ましくは炭素数1〜8の非置換又は置換一価炭化水素基であり、aは1.5〜2.8、好ましくは1.8〜2.5の範囲の正数である。ここで、R1で示される珪素原子に結合した非置換又は置換の一価炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等のアルキル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基、シクロヘキセニル基、オクテニル基等のアルケニル基や、これらの基の水素原子の一部又は全部をフッ素、臭素、塩素等のハロゲン原子、シアノ基等で置換したもの、例えばクロロメチル基、クロロプロピル基、ブロモエチル基、トリフルオロプロピル基、シアノエチル基等が挙げられ、全R1の90%以上がメチル基であることが好ましい。また、R1のうち少なくとも2個はアルケニル基(炭素数2〜8のものが好ましく、更に好ましくは炭素数2〜6であり、特に好ましくはビニル基である。)であることが必要である。
なお、アルケニル基の含有量は、オルガノポリシロキサン中5.0×10-6mol/g〜5.0×10-3mol/g、特に1.0×10-5mol/g〜1.0×10-3mol/gとすることが好ましい。アルケニル基の量が5.0×10-6mol/gより少ないとゴム硬度が低く、十分なシール性が得られなくなってしまい、また5.0×10-3mol/gより多いと架橋密度が高くなりすぎて、脆いゴムとなってしまうおそれがある。
このアルケニル基は、分子鎖末端の珪素原子に結合していても、分子鎖途中の珪素原子に結合していても、両者に結合していてもよい。このオルガノポリシロキサンの構造は基本的には直鎖状構造を有するが、部分的には分岐状の構造、環状構造等であってもよい。分子量については、特に限定がなく、粘度の低い液状のものから、粘度の高い生ゴム状のものまで使用できる。好ましくは、通常、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィ)分析におけるポリスチレン換算の重量平均重合度が、50〜2,000、特に100〜1,200、更には200〜700程度の液状のものや、重合度が2,000を超えて10,000以下、特に3,000〜10,000程度の生ゴム状のものなどを使用することができる。
(B)成分は、一分子中に珪素原子と結合する水素原子(Si−H基)を少なくとも2個、好ましくは3個以上有するオルガノハイドロジェンシロキサンであり、分子中のSi−H基が、前記(A)成分中の珪素原子に結合したアルケニル基とヒドロシリル化付加反応により架橋し、組成物を硬化させるための硬化剤として作用するものである。この(B)成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンは、下記平均組成式(2)
2 bHcSiO(4-b-c)/2 (2)
(式中、R2は炭素数1〜10の置換又は非置換の一価炭化水素基である。またbは0.7〜2.1、cは0.001〜1.0で、かつb+cは0.8〜3.0を満足する正数である。)
で示され、一分子中に少なくとも2個(通常、2〜300個)、好ましくは3個以上(例えば、3〜200個)、より好ましくは3〜100個、更に好ましくは4〜50個の珪素原子結合水素原子を有するものが好適に用いられる。ここでR2の一価炭化水素基としては、R1で例示したものと同様のものを挙げることができるが、脂肪族不飽和基を有しないものが好ましい。更に、エポキシ基も含有しない。また、bは好ましくは0.8〜2.0、cは好ましくは0.01〜1.0、b+cは好ましくは1.0〜2.5であり、オルガノハイドロジェンポリシロキサンの分子構造は、直鎖状、環状、分岐状、三次元網目状のいずれの構造であってもよい。この場合、一分子中の珪素原子の数(又は重合度)は2〜300個、特に4〜150個程度の室温(25℃)で液状のものが好適に用いられる。なお、珪素原子に結合する水素原子は分子鎖末端、分子鎖の途中のいずれに位置していてもよく、両方に位置するものであってもよい。
上記(B)成分のオルガノハイドロジェンポリシロキサンとしては、1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン、1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン、メチルハイドロジェンシクロポリシロキサン、メチルハイドロジェンシロキサン・ジメチルシロキサン環状共重合体、トリス(ジメチルハイドロジェンシロキシ)メチルシラン、トリス(ジメチルハイドロジェンシロキシ)フェニルシラン、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンポリシロキサン、両末端トリメチルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖ジメチルポリシロキサン、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン共重合体、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジフェニルシロキサン・ジメチルシロキサン共重合体、両末端トリメチルシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・メチルフェニルシロキサン・ジメチルシロキサン共重合体、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体、両末端ジメチルハイドロジェンシロキシ基封鎖メチルハイドロジェンシロキサン・ジメチルシロキサン・メチルフェニルシロキサン共重合体、(CH32HSiO1/2単位と(CH33SiO1/2単位とSiO4/2単位とからなる共重合体、(CH32HSiO1/2単位とSiO4/2単位とからなる共重合体、(CH32HSiO1/2単位とSiO4/2単位と(C653SiO1/2単位とからなる共重合体等や、上記各例示化合物においてメチル基の一部又は全部が、エチル基、プロピル基等の他のアルキル基やフェニル基等のアリール基で置換されたもの等が挙げられる。
このオルガノハイドロジェンポリシロキサンの配合量は、(A)成分100質量部に対して0.5〜20質量部、特に0.6〜15質量部であるが、上記オルガノポリシロキサンの珪素原子と結合する水素原子(Si−H基)と(A)成分中の珪素原子に結合したアルケニル基とのモル比はSi−H基/アルケニル基=0.8〜3.0、特に1.0〜2.0が好ましい。この比が0.8より小さくても、3.0より大きくても圧縮永久歪が大きくなってしまい、シール性が不十分となってしまうおそれがある。
(C)成分のヒドロシリル化反応触媒(付加反応触媒)としては、白金黒、塩化第2白金、塩化白金酸、塩化白金酸と一価アルコールとの反応物、塩化白金酸とオレフィン類との錯体、白金ビスアセトアセテート等の白金系触媒、パラジウム系触媒、ロジウム系触媒等が挙げられる。なお、この付加反応触媒の配合量は触媒量とすることができ、通常、白金族金属として(A),(B)成分の合計量に対し、0.5〜1000ppm、特に1〜500ppm程度である。
(D)成分は、本発明組成物中根幹を成すもので、フェニル骨格(特に、1価のフェニル基)、脂環式エポキシ基、珪素原子に直結した水素原子(Si−H基)をそれぞれ少なくとも1個、好ましくは1〜5個を一分子中に有する有機珪素化合物であり、この有機珪素化合物としては、オルガノシラン又は珪素原子数が2〜10個、特に4〜8個程度の直鎖状、環状又は分岐状のオルガノシロキサン(オリゴマー)であることが好ましい。エポキシ基としては、2,3−エポキシシクロヘキシル基、3,4−エポキシシクロヘキシル基等の脂環式エポキシ基等が挙げられ、例えば、β−(2,3−エポキシシクロヘキシル)エチル基、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチル基等の形態で珪素原子に結合したものを使用することができる。エポキシ基としてはこのように反応性の点から脂環式エポキシが用いられる。このような接着助剤の具体例としては次のような化合物を例示できる。
Figure 0005365075
Figure 0005365075
(なお、これらの各分子式は平均的な構造を示すものである。)
上記接着性付与成分は、上記成分を1種単独でも2種以上を組み合わせて用いてもよい。
接着性付与成分(D)の配合量は、(A)成分のオルガノポリシロキサン100質量部に対して0.1〜50質量部、好ましくは0.2〜30質量部である。配合量が0.1質量部未満では十分な接着性が得られず、50質量部を超えると物性低下を引き起こす可能性がある。
また、必要により、1個のアルケニル基とエステル基を少なくとも1個有する有機化合物あるいは有機珪素化合物、例えばアクリル酸、メタクリル酸、ビニル酢酸等の不飽和カルボン酸類、安息香酸アリルエステル、フタル酸ジアリルエステル、ピロメリット酸テトラアリルエステル、アクリル酸アリルエステル等のアリルエステル類等を含有した有機化合物あるいは有機珪素化合物を補助的な接着性付与成分(接着助剤)として、(D)成分と併用して更に任意に配合してもよい。
(E)成分は、本発明組成物に低圧縮永久歪特性を付与するもので、トリアゾール系化合物及びイミダゾール系化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の窒素含有化合物である。前記トリアゾール系化合物としては、例えば、1,2,3−トリアゾール、1,2,4−トリアゾール、ベンゾトリアゾール、N−トリメチルシリル−ベンゾトリアゾール等が挙げられる。前記イミダゾール系化合物としては、例えば、イミダゾール、1−メチルイミダゾール、ベンゾイミダゾール等が挙げられる。これらは1種単独でも2種以上を組み合わせても用いることができる。
圧縮永久歪改良剤の配合量は、(A)成分のオルガノポリシロキサン100質量部に対して0.1〜50質量部、好ましくは0.2〜30質量部である。配合量が0.1質量部未満では十分な効果が得られず、50質量部を超えると硬化不良を引き起こす可能性がある。
本発明のシール材は、上記成分を含有する付加反応硬化型シリコーンゴム組成物からなるものであり、該シリコーンゴム組成物における公知の方法により固体高分子型燃料電池セパレータや電解質膜に対し、シーリング適用することによって使用される。この場合、より具体的には本発明のシール材を用いて燃料電池用セパレータを得る方法は、上記のゴム組成物をディッピング、コーティング、スクリーン印刷、インサート成型等によりセパレータや電解質膜とシール材が一体化したものを得る方法等がある。これらの硬化条件としては、温度100〜300℃で10秒〜30分の範囲が好ましい。また、本発明に使用されるセパレータは、金属あるいはカーボン等の導電性粉末をエポキシ樹脂、フェノール樹脂等のバインダーにより一体成型されたものが好適に用いられる。電解質膜としてはフェニル系あるいはフッ素系の電解質膜が好適である。
以下、実施例と比較例の各配合を表1に示すが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、各例中の部はいずれも質量部である。
接着助剤1
1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン1モルに対してα−メチルスチレン、セロキサイド2000(ダイセル化学工業社製)を、白金触媒を用いてそれぞれ1モル滴下付加させて接着助剤1を得た。
Figure 0005365075
接着助剤2
1,1,1,3,5,7,9,11,11,11−デカメチルヘキサシロキサン1モルに対してα−メチルスチレンを1モル、セロキサイド2000(ダイセル化学工業社製)を2モル、白金触媒を用いて滴下付加させて接着助剤2を得た。
Figure 0005365075
接着助剤3,4(比較例)
1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン1モルに対してα−メチルスチレンのみ、あるいはセロキサイド2000(ダイセル化学工業社製)のみを、白金触媒を用いてそれぞれ1モル滴下付加させて接着助剤3,4を得た。
Figure 0005365075
[実施例1,2、比較例1〜3]
両末端がジメチルビニルシロキシ基で封鎖された平均重合度が500のジメチルポリシロキサン(1)68部、比表面積が200m2/gであるヒュームドシリカ(日本アエロジル社製、アエロジル200)32部、ヘキサメチルジシラザン5部、水2.0部を室温で30分混合後、150℃に昇温し、3時間撹拌を続けて冷却し、シリコーンゴムベースを得た。このシリコーンゴムベース100部に、両末端がジメチルビニルシロキシ基で封鎖された平均重合度が250のジメチルシロキサン40部を入れ、30分撹拌を続けた。ここに架橋剤として、両末端及び側鎖にSi−H基を有するメチルハイドロジェンポリシロキサン(重合度17、Si−H基量0.0060mol/g)を2.2部[Si−H基/アルケニル基=1.5]、反応制御剤としてエチニルシクロヘキサノール0.05部を添加し、15分撹拌を続けてシリコーンゴムベース1を得た。
このシリコーンゴムベース1を100部に対して接着助剤1〜4及び1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサンをそれぞれ5部添加後、白金触媒(Pt濃度1質量%)0.1部を混合、脱泡してシリコーンゴム組成物を得た。
次に、図1に示したように、幅25mm、長さ50mm、厚み0.1mm(補強用のPET膜含む)の電解質膜(ナフィオン117(ALDRICH社製品))1を用意し、その先端部20mmに上記ゴム2を分出しし、更にその上から同じ電解質膜1’で挟み込むようにして貼り付けた。これを120℃,10分でプレス成型、その後、150℃,1時間のポストキュアをした。次に、この試験片を圧力容器に純水と共に入れ、90℃,100時間の耐温水試験を行った。その後、耐温水試験前後でこの試験片の電解質膜部を試験機で上下に引っ張り、その破断面を観察した。評価方法としては、ゴムが破壊したものは接着力が強いとして○、ゴムが完全にどちらかの箔から取れたものは接着力が弱いとして×、一部ゴム破壊するものを△とした。
Figure 0005365075
接着助剤5(比較例)
1,3,5,7,9−ペンタメチルシクロペンタシロキサン1モルに対してアリルグリシジルエーテルのみを5モル、白金触媒を用いて滴下付加させて接着助剤5を得た。
Figure 0005365075
[比較例4]
実施例1において接着助剤1を接着助剤5に換えたものを作製し、同様な試験を行った。
Figure 0005365075
表1,2に示した本発明の接着性シリコーンゴム組成物は自己接着性であり、電解質膜と強固に接着した。
接着性を調べた試験片と接着試験の様子を示し、(1)は電解質膜にゴムを分出しした状態、(2)は2枚の電解質膜で分出ししたゴムを挟んだ状態、(3)は2枚の電解質膜を互いに上下に引っ張った状態の説明図である。
符号の説明
1,1’ 電解質膜
2 ゴム

Claims (7)

  1. 固体高分子型燃料電池の電解質膜又は電解質膜及びその周縁部に接着するための材料であって、
    (A)一分子中に珪素原子に結合したアルケニル基を2個以上含有するオルガノポリシロキサン 100質量部、
    (B)一分子中に珪素原子に結合した水素原子を少なくとも2個含有し、エポキシ基を含有しないオルガノハイドロジェンポリシロキサン 0.5〜20質量部、
    (C)ヒドロシリル化反応触媒 有効量、
    (D)一分子中に、フェニル骨格を少なくとも1個有すると共に反応性基として少なくとも1個の脂環式エポキシ基及び少なくとも1個の珪素原子に結合した水素原子のみを有する有機珪素化合物 0.1〜50質量部
    を含有することを特徴とする燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
  2. (A)成分中の珪素原子結合アルケニル基に対する(B)成分中の珪素原子に結合した水素原子(Si−H基)のモル比が、Si−H基/アルケニル基=0.8〜3.0の範囲であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
  3. (D)成分が、下記化合物群から選ばれるものであることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
    Figure 0005365075
    Figure 0005365075
  4. 更に、圧縮永久歪改良剤として、
    (E)窒素含有化合物 0.1〜50質量部
    を添加することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
  5. (E)窒素含有化合物が、トリアゾール化合物及びイミダゾール化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の窒素含有化合物であることを特徴とする請求項記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
  6. 周縁部が金属製又は有機樹脂製のセパレータ部材である請求項1乃至のいずれか1項記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物。
  7. 請求項1乃至のいずれか1項記載の燃料電池用接着性シリコーンゴム組成物からなる固体高分子型燃料電池のセパレータシール用材料。
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