JP6122726B2 - シール材 - Google Patents
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Description
この種の燃料電池は、反応空間を外部環境から隔離すべく環状のシール材を前記高分子電解質膜の外周部に沿って当接させて構成されており、該シール材としては下記特許文献1(段落0016参照)に示されているようにフッ素ゴムリングなどの弾性部材が用いられている。
また、燃料電離における前記シールは、下記特許文献2(段落0045参照)に示すようにホットメルト接着剤によって実施されたりもしている。
その反面、フッ素ゴムリングなどの弾性部材は、通常、高分子電解質膜に対して殆ど接着力を発揮することがないためにシール性能が十分に発揮され難い。
逆に、ホットメルト接着剤を用いる場合は、前記のように高分子電解質膜に熱ダメージを与えるおそれを有する一方で高分子電解質膜に対する接着力により優れたシール性能を発揮させ易いという利点を有する。
また、燃料電池においては、通常、水素と酸素とが発熱を伴って反応するために、シールを行う反応空間が高温高湿度な状態になっており、前記シール材には接着性のみならず耐湿熱性に優れることが求められる。
本発明は、上記要望を満足すべくなされたものであり、耐湿熱性と常温接着性とに優れたシール材を提供することを課題としている。
該シール材1は、ポリマーシートからなる基材層10と、該基材層10の両面に備えられた接着剤層20とを有する3層構造となっている。
即ち、本実施形態のシール材1は、一方の前記接着剤層20の表面が高分子電解質膜に接着されるシール面として機能するもので該シール面を構成する前記接着剤層20が結晶性ポリエステル樹脂(A)を主成分とする樹脂組成物によって形成されている。
以下に個々の成分についてより詳しく説明する。
本実施形態における前記結晶性ポリエステル樹脂としては、多価カルボン酸(a1)とポリオール(a2)とを脱水縮合させてなるものを採用することができる。
なお、一般に非晶性ポリエステル樹脂と称されているポリエステル樹脂が多価カルボン酸(a1)と前記ポリオール(a2)とのいずれか一方、又は両方に複数種のものを採用することにより結晶性の発現が抑制されており、例えば、示差走査熱量(DSC)分析によって明確な結晶化ピークや結晶融解ピークを示さないように調整されているのに対して該結晶性ポリエステル樹脂は、DSC分析を行った際に結晶化ピークや結晶融解ピークを明確に示すようにその合成に際して多価カルボン酸(a1)及びポリオール(a2)が選択されている。
従って、ポリエステル樹脂が結晶性ポリエステル樹脂か非晶性ポリエステル樹脂かを判別する必要がある場合には、DSC分析により結晶化ピークや結晶融解ピークを明確に示すか否かを確認すれば良い。
該結晶性ポリエステル樹脂を構成する前記多価カルボン酸としては、例えば、テレフタル酸、イソフタル酸、オルソフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸等の芳香族ジカルボン酸;p−オキシ安息香酸、p−(ヒドロキシエトキシ)安息香酸等の芳香族オキシカルボン酸;コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカンジカルボン酸等の飽和脂肪族ジカルボン酸;フマル酸、マレイン酸、イタコン酸等の不飽和脂肪族ジカルボン酸;テトラヒドロフタル酸等の不飽和脂環族ジカルボン酸;ヘキサヒドロフタル酸、1,2−シクロヘキサンジカルボン酸、1,3−シクロヘキサンジカルボン酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸等の脂環族ジカルボン酸;トリメリット酸、トリメシン酸、ピロメリット酸等のトリカルボン酸が挙げられる。
該結晶性ポリエステル樹脂を構成する前記ポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオール等の脂肪族グリコール;ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール等のオリゴアルキレングリコール;1,2−シクロヘキサンジメタノール、1,3−シクロヘキサンジメタノール、1,4−シクロヘキサンジメタノール等の脂環族グリコール;ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール等のポリアルキレンエーテルグリコール;トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、グリセリン、ペンタエリスリトールなどのトリオール;ビスフェノールAのエチレンオキサイド付加物やプロピレンオキサイド付加物、水素化ビスフェノールAのエチレンオキサイド付加物やプロピレンオキサイド付加物等が挙げられる。
従って、前記結晶性ポリエステル樹脂としては、融点が高く、結晶化度が高い方が接着剤層20を耐湿熱性に優れたものとし得る点において有利であるといえる。
その一方で、接着剤層20を形成させる樹脂組成物の主成分たる結晶性ポリエステル樹脂を過度に結晶化度が高い高融点なものとすると当該樹脂組成物を常温接着性に優れたものとすることが難しくなる。
従って、接着剤層20を優れた耐湿熱性と優れた常温接着性とを兼ね備えたものとし得る点において、前記結晶性ポリエステル樹脂は、融点が90℃を超え150℃未満であることが好ましく、融点が100℃を超え140℃未満であることがより好ましく、105℃を超え130℃未満であることが特に好ましい。
また、前記結晶性ポリエステル樹脂は、そのガラス転移温度(以下、「Tg」ともいう)が、−100℃以上30℃以下の範囲にあることが好ましく、特に、−80℃以上−20℃以下の範囲にあることが更に好ましい。
なお、結晶性ポリエステル樹脂のTgを30℃以下とすることにより、耐寒性に優れた接着剤層20を形成させ得る。
また、接着剤層20は、Tgが30℃以下の結晶性ポリエステル樹脂を主成分とすることにより、常温接着特性を良好なものとし得る。
このような好適な結晶性ポリエステル樹脂をシール材の接着剤層に含有させた場合には、該シール材を使って燃料電池の高分子電解質膜の周囲をシールする際に前記高分子電解質膜に熱ダメージを与えるおそれを抑制しつつ確実なシールを施すことができる。
しかも、上記のような結晶性ポリエステル樹脂を採用することで樹脂組成物全体としての軟化温度が低くなり過ぎることを抑制させることができるため、燃料電池が運転の停止している常温時や、燃料電池の運転中における加熱状況下においても前記接着剤層に高い接着強度を発揮させ得る。
より具体的には、予測される融点やガラス転移温度よりも30K以上低い温度から30K以上高い温度までの間、窒素ガスを流しながら5℃/minの昇温速度で試料(結晶性ポリエステル樹脂)を昇温させた際に得られるDSC曲線から融点やガラス転移温度を求めることができる。
なお、ガラス転移温度(Tg)については、JIS K7121:1987「プラスチックの転移温度測定方法」に記載されている方法に基づいて中間点ガラス転移温度を決定して求めることができる。
前記樹脂組成物の主成分たる結晶性ポリエステル樹脂がこのような分子量であることが好ましいのは、結晶性ポリエステル樹脂の分子量を10000以上とすることにより、接着剤層20が脆くなるおそれを抑制させることができ該接着剤層20に優れた靱性を発揮させ得るためである。
一方で結晶性ポリエステル樹脂として数平均分子量が50000以下のものを採用することにより、接着剤層20を常温接着性に優れたものとすることができる。
即ち、このような結晶性ポリエステル樹脂を採用することで、シール材を、燃料電池の高分子電解質膜に熱ダメージを与えるおそれが低く且つ優れたシール性を発揮可能なものとすることができる。
なかでも、テレフタル酸が25〜40mol%、イソフタル酸が10〜20mol%、ブタンジオールが35〜50mol%、平均繰り返し数が10〜20のポリオキシテトラメチレングリコールが5〜15mol%の割合で構成されている結晶性ポリエステル樹脂が好ましい。
本実施形態における前記エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂などが挙げられる。
このエポキシ樹脂は、前記接着剤層20を形成する樹脂組成物にタック性を発揮させるのに有効な成分である。
前記エポキシ樹脂は、分子量が3000〜5000でJIS K 7236により求められるエポキシ当量が2000〜3500g/eqであることが好ましい。
従って、その形成に用いられている樹脂組成物が湿熱劣化して接着力や引張強度などの物性が低下することをエポキシ基の存在によって抑制させ得る点において本実施形態の接着剤層20は、少なくとも一部のエポキシ基が未反応な状態で前記エポキシ樹脂を含有していることが好ましい。
なお、エポキシ基が開環されずに残存していることは、フーリエ変換赤外分光光度計(FTIR)を用いて確認することができ、具体的には、エポキシ基の存在を示すピークが925〜899cm-1に現れることで確認することができる。
また、925〜899cm-1に現れるピークがエポキシ基によるものかどうかについて確認が必要であれば、その樹脂組成物をエポキシ樹脂の軟化点以上に加熱した後に改めてFTIRによおる測定を実施すれば良く、当該ピーク高さと、3650〜3140cm-1に現れる水酸基によるピーク高さとが関連して変化することで前記ピークがエポキシ基によるものであると確認することができる。
前記イソシアネート系架橋剤は、結晶性ポリエステル樹脂が有する水酸基などの極性基との反応性を有するものを用いることができ、例えば、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、キシリレンジイソシアネート(XDI)などの脂肪族イソシアネートや、トリレンジイソシアネート(TDI)、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、トリジンジイソシアネート(TODI)などの芳香族イソシアネートを挙げることができる。
本実施形態の樹脂組成物には、上記に示した結晶性ポリエステル樹脂、及び、エポキシ樹脂以外の樹脂成分を本発明の効果を著しく損ねない範囲において含有させることができ、例えば、さらなる常温接着性が求められるような場合においては、テルペン系樹脂などの粘着性付与剤を添加することができる。
また、その他に老化防止剤、酸化防止剤、難燃剤、充填剤、着色剤、加工助剤などといった一般的なプラスチック配合剤を本発明の効果を損ねない範囲において適宜含有させることができる。
特に、平均粒子径(レーザー回折法によるメジアン径)が1〜10μmのタルク粉末は、安価に入手可能である点において好適である。
また、樹脂組成物に含有させるタルク粉末は、脂肪酸やシランカップリング剤などによって表面処理されたものであっても良いが、その表面の官能基を利用して樹脂組成物の凝集力を向上させる上においては無処理のものを用いることが好ましい。
また、第一接着剤層20aと第二接着剤層20bとは、通常、10μm以上200μm以下の厚みとすることができ両者は同じ厚みであっても異なる厚みであってもよい。
従って、少なくとも前記高分子電解質膜に接する側の接着剤層20は、高分子電解質膜に対する常温(例えば23℃)における優れた接着性を発揮させ得る上において40℃における貯蔵弾性率(G’)が2.5MPa以上5MPa以下であることが重要な要件となる。
<貯蔵弾性率(G’)の測定条件>
・使用機器:ティー・エー・インスツルメント・ジャパン社製、商品名「ARES−2 KFRT」
・測定モード:動的粘弾性の温度依存性試験、8mmパラレルプレートを使用
・測定温度範囲:30℃〜200℃
・昇温速度:10℃/min
・振動周波数:1Hz
・歪み:0.5%
なお、シール材が3N/10mm以上の剥離強度を有するかどうかについては、実施例に記載の方法によって、シール材の剥離強度を測定することにより判断することができる。
なかでも、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂からなるフィルムや不織布で、且つ厚みが10μm以上200μm以下のものが前記基材層10の構成材料として好適である。
なお、このようなポリエステル系樹脂シートのみならず、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などの他の樹脂、シリコーンゴムやフッ素ゴムなどのポリマーからなるポリマーシートを基材層10の構成材料として用いることも可能である。
さらに、異なる材質のものがラミネートされてなるラミネートシートを前記基材層10の形成材料として採用しても良い。
なお、前記結晶性ポリエステル樹脂の架橋については、前記塗工液の調整に際する加熱により、ポリエステル樹脂の水酸基と架橋剤のイソシアネート基とを反応させることで実施させることができる。
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は、例えば、以下の式(1)に示されるポリマー構造を有する樹脂である。
式(1)におけるm、nおよびxについて、例えば、前記の「ナフィオン」では、m≧1、n=2、x=5〜13.5であり、「アシプレックス」では、m=0,1、n=2〜5、x=1.5〜14であり、「フレミオン」では、m=0,1、n=1〜5である。
さらに、本発明のシール材は、その効果が著しく損なわれない範囲において上記例示された事項以外に、従来公知の技術事項を採用することができる。
(材料)
以下に評価に用いた材料と、その詳細を示す。
(A 結晶性ポリエステル樹脂)
(A1):
数平均分子量:30000
ガラス転移温度(Tg):−60℃
融点(Tm):107℃
の結晶性ポリエステル樹脂。
(A2):
数平均分子量:35000
ガラス転移温度(Tg):−70℃
融点(Tm):126℃
の結晶性ポリエステル樹脂。
(A3):
数平均分子量:35000
ガラス転移温度(Tg):8℃
融点(Tm):138℃
の結晶性ポリエステル樹脂。
(A4):
数平均分子量:35000
ガラス転移温度(Tg):−14℃
融点(Tm):100℃
の結晶性ポリエステル樹脂
(B エポキシ樹脂)
(B1):
数平均分子量(エポキシ当量):約1300(670〜770g/eq)
軟化点(Ts):89℃
のビスフェノールA型エポキシ樹脂。
(B2):
数平均分子量(エポキシ当量):約1650(875〜975g/eq)
軟化点(Ts):97℃
のビスフェノールA型エポキシ樹脂。
(B3):
数平均分子量(エポキシ当量):約3800(2400〜3300g/eq)
軟化点(Ts):144℃
のビスフェノールA型エポキシ樹脂。
(X イソシアネート系架橋剤)
(X1):キシリレンジイソシアネート
(Z その他の添加剤)
(Z1):タルク粉末
25μm厚みのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムの片面に、結晶性ポリエステル樹脂(A1)、エポキシ樹脂(B1,B2)、イソシアネート系架橋剤(X1)、及び、タルク粉末(Z1)を下記表1に示す割合で含有する樹脂組成物で厚み20μmの接着層を形成させてシート試料を作製した。
(常温接着力評価:試料の作製方法と評価)
前記シート試料から剥離試験用に、10mm幅×200mm長さの短冊状試料を切り出した。
また、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂シート(商品名「Nafion115CS」)を硬質板の片面に貼り付けた板状試料で、且つ前記短冊状試料と略同サイズのものを用意した。
該板状試料のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂シート面と前記短冊状試料の接着層形成面とを当接させる形で板状試料と短冊状試料とを重ね合わせ、この重ね合わせた試料を0.5m/minの周速で回転させた25℃のゴムローラに長手方向が移動方向となるように供給して当該ゴムローラを通過させた。
なお、この時のゴムローラの圧力(線圧)は、51.2MPa/cmとした。
また、上記の貼合せは、両者の接着区間が長手方向一端側から約40mmの区間となるように実施し、残りの約160mmの区間については、短冊状試料と板状試料とを接着させないようにして実施した。
そして、この接着されていない側の短冊状試料と板状試料とをそれぞれ引張試験機の上下チャックにチャッキングし180度ピール試験を実施して引張応力(N/cm)の平均値を求め、この試料の「常温接着力」として評価した。
(熱水接着試験:試料の作製方法と評価)
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂シート(商品名「Nafion115CS」)から22mm角の正方形のシート片(シート片A)を切り出した。
そして、これよりも一回り小さな20mm角の正方形のシート片(シート片B)を前記シート試料(20μm接着層/25μmPET)から2枚切り出した。
前記シート片Bの接着層が前記シート片Aに当接し、且つ、該シート片Aの周囲に約1mm幅で均等にシート片Bがはみ出した状態となるように2枚のシート片Bの間にシート片Aを挟み込んで積層体を作製した。
この積層体を、0.5m/minの周速で回転させた25℃のゴムローラに供給し、該ゴムローラによりに25.6MPa/cmの圧力(線圧)を加えてシート片Aとシート片Bとを常温接着させて熱水接着試験用試料とした。
該熱水接着試験用試料は、軽く沸騰した沸騰水中に3時間浸漬することにより評価した。
そして、評価の結果、シート片A、B間に全く剥離が無かった場合を「○」、一部剥離が見られた場合を「△」、剥離してしまった場合を「×」と判定した。
上記評価結果、及び、前記樹脂組成物の40℃における貯蔵弾性率を測定した結果を表1に示す。
接着剤層の形成に用いる樹脂組成物を表1に示す配合とした点以外は、実施例と同様に評価を実施した。結果を、表1に示す。
10 基材層
20 接着剤層
Claims (1)
- 水素と酸素との反応により発電される燃料電池の高分子電解質膜に当接させて用いられるシール材であって、
前記高分子電解質膜がパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂製で、少なくとも前記高分子電解質膜に接する表面が結晶性ポリエステル樹脂を主成分とする樹脂組成物からなり、該樹脂組成物は、40℃における貯蔵弾性率が2.5MPa以上5MPa以下で、エポキシ樹脂、及び、イソシアネート系架橋剤をさらに含有しており、且つ前記結晶性ポリエステル樹脂が該イソシアネート系架橋剤によって架橋されていることを特徴とするシール材。
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