JP6334870B2 - Seal composition for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池のセパレータに使用される燃料電池用シール組成物に関する。   The present invention relates to a fuel cell sealing composition used for a fuel cell separator.

近年開発されている固体高分子形燃料電池は、発電所で発電された電力を電力消費地域まで送電するのに比べ、ロスが少なくかつ発電効率が高く、排出されるガスがクリーンであって環境負荷が極めて少ないという利点がある。   The polymer electrolyte fuel cells that have been developed in recent years have less loss and higher power generation efficiency compared to transmitting the power generated at the power plant to the power consumption area, and the discharged gas is clean and environmentally friendly. There is an advantage that the load is extremely small.

図5に固体高分子形燃料電池の一例を示す。固体高分子形燃料電池は、図5(a)に示したようにガス拡散層12と触媒13、及び電解質膜14で構成される膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly,MEA)の両側をセパレータ11で積層されたものをセル10とし、複数のセル10を積層して燃料電池のスタック20として構成されている(図5(b))。スタック20で発電された電力は集電板15から外部に供給される。セパレータ11には、水素及び酸素のガスの流路や発電の際の発熱を冷却するための冷媒の流路が形成されている。また、電解質膜14はプロトン伝導性を保持するため、加湿環境下で使用する必要がある。したがって、ガス、水蒸気及び冷媒の漏れを防止及び保持する必要があり、そのためセパレータ内及びセパレータ間のシール性を確保することが重要となる。   FIG. 5 shows an example of a polymer electrolyte fuel cell. As shown in FIG. 5A, the polymer electrolyte fuel cell has separators on both sides of a membrane / electrode assembly (Mebrane Electrode Assembly, MEA) composed of a gas diffusion layer 12, a catalyst 13, and an electrolyte membrane 14. 11 is a cell 10, and a plurality of cells 10 are stacked to form a fuel cell stack 20 (FIG. 5B). The electric power generated by the stack 20 is supplied from the current collecting plate 15 to the outside. The separator 11 is formed with a hydrogen and oxygen gas flow path and a refrigerant flow path for cooling heat generated during power generation. The electrolyte membrane 14 needs to be used in a humidified environment in order to maintain proton conductivity. Therefore, it is necessary to prevent and maintain the leakage of gas, water vapor and refrigerant, and therefore it is important to ensure the sealing performance in and between the separators.

また、燃料電池の普及に伴い、極低温環境下での使用が求められるようになると、固体高分子形燃料電池を構成する部材には、燃料電池の作動温度から極低温環境下まで、幅広い温度環境下での性能が求められる。特に、シール部材には、燃料電池を構成する部材の熱収縮や、積層されている部材の寸法の公差による寸法のバラつきを吸収することが求められ、十分なシール性を確保するためには、セルを積層する際の圧縮率を高くし、かつ、極低温環境下でもゴムの弾性を維持できるシール部材の使用が求められる。   In addition, with the spread of fuel cells, when it is required to be used in a cryogenic environment, the members constituting the polymer electrolyte fuel cell have a wide range of temperatures from the operating temperature of the fuel cell to the cryogenic environment. Performance in the environment is required. In particular, the seal member is required to absorb the thermal shrinkage of the members constituting the fuel cell and the dimensional variation due to the tolerance of the dimensions of the laminated members, and in order to ensure sufficient sealing performance, There is a demand for the use of a seal member that can increase the compressibility when stacking cells and maintain the elasticity of rubber even in a cryogenic environment.

シール性を確保するガスケットの材料としては、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等が提案されている。   As a gasket material for ensuring sealing performance, ethylene-propylene rubber, ethylene-propylene-diene rubber, silicone rubber, fluorine rubber, and the like have been proposed.

例えば、特許文献1には、低温性能を向上させる目的で、EPDM等のゴム成分に流動点が−40℃以下の軟化剤が添加された燃料電池用接着性シール部材が記載されている。そして、特許文献2には、低温性能を向上させる目的で、特許文献1のEPDMのうちエチレン含有量の小さいもの(53%以下)のものを使用した燃料電池用接着性シール部材が記載されている。   For example, Patent Document 1 describes an adhesive seal member for a fuel cell in which a softening agent having a pour point of −40 ° C. or less is added to a rubber component such as EPDM for the purpose of improving low temperature performance. Patent Document 2 describes a fuel cell adhesive seal member using EPDM of Patent Document 1 having a low ethylene content (53% or less) for the purpose of improving low-temperature performance. Yes.

特開2012−226907号公報JP 2012-226907 A 特開2012−226908号公報JP 2012-226908 A

燃料電池の普及に伴い、様々な環境下での使用が求められるようになると、−40℃以下の極低温環境下から高温環境下まで幅広い温度で使用されるシール部材には、極低温環境下でもゴム弾性を維持することが求められる。   With the spread of fuel cells, when it is required to be used in various environments, seal members that are used in a wide range of temperatures from an extremely low temperature environment of -40 ° C. or lower to a high temperature environment are used in an extremely low temperature environment. However, it is required to maintain rubber elasticity.

例えば、特許文献1には、低温性能を向上させる目的で、流動点が−40℃以下の軟化剤が添加された燃料電池用接着性シール部材が記載されている。しかし、低温性を向上する技術として、流動点が−40℃以下の軟化剤を添加する技術は、低温環境下におけるシール反力の回復率が小さい領域では有効だが、ゴムの弾性成分が少なくなるため、シール反力の回復率が大きい領域においては効果が十分に発揮されない。   For example, Patent Document 1 describes an adhesive seal member for a fuel cell to which a softening agent having a pour point of −40 ° C. or lower is added for the purpose of improving low temperature performance. However, as a technique for improving the low temperature property, a technique of adding a softening agent having a pour point of −40 ° C. or lower is effective in a region where the recovery rate of the seal reaction force in a low temperature environment is small, but the elastic component of rubber is reduced. Therefore, the effect is not sufficiently exhibited in a region where the recovery rate of the seal reaction force is large.

さらに、極低温環境下では、部材の熱収縮により、シール部の圧縮率の低下が引き起こされるため、十分なシール反力を確保するためには、ゴム部材を高圧縮条件で使用することになる。しかしながら、高圧縮条件でゴムを使用する場合、極低温環境下でのシール性の維持は可能になるが、高温環境下では、ゴムの破断伸びと強度が低下するため、変形量に対してのゴムの追従性が乏しくなり、高圧縮されたガスケットが割れやすくなる。また特許文献1には、前述の極低温化でのシール性を維持する目的で、架橋点を増やし、結晶化を防ぐという技術が記載されているが、架橋点を増やした場合、さらに、ゴムの破断伸びの減少が起こるため、高温環境下での割れに対して不利になる。   Furthermore, in a cryogenic environment, the compression rate of the seal portion is reduced due to the thermal contraction of the member. Therefore, in order to ensure a sufficient seal reaction force, the rubber member is used under a high compression condition. . However, when rubber is used under high compression conditions, it is possible to maintain the sealing performance under a cryogenic environment, but under high temperature environment, the breaking elongation and strength of the rubber are reduced, so The followability of rubber becomes poor, and a highly compressed gasket tends to break. Patent Document 1 describes a technique for increasing the number of crosslinking points and preventing crystallization for the purpose of maintaining the sealing property at the above-mentioned cryogenic temperature. This is disadvantageous for cracking in a high-temperature environment.

高圧縮環境下での割れを防止する手段としては、加硫剤の減量、老化防止剤による架橋阻害等による加硫密度の減少、カーボン等の変更によるモジュラス(一定の伸びに対する応力)を下げる等によりゴム内部の応力を小さくする方法があるが、いずれの方法でも、低温環境下でシール反力を低下させる。その結果、極低温化でのシール反力の維持と高温環境下での割れを両立することができず、極低温化から高温まで幅広い温度領域におけるシール性能の維持が困難になる。   Possible measures to prevent cracking in a highly compressed environment include reducing the vulcanizing agent, reducing the vulcanization density by inhibiting crosslinking with an anti-aging agent, and reducing the modulus (stress against constant elongation) by changing carbon, etc. Although there is a method of reducing the stress inside the rubber, any method reduces the seal reaction force in a low temperature environment. As a result, it is impossible to achieve both maintenance of the seal reaction force at extremely low temperatures and cracking under high temperature environments, and it becomes difficult to maintain seal performance in a wide temperature range from extremely low temperatures to high temperatures.

また、燃料電池のスタック内の部材は、発電によって生じた水蒸気に、長期にわたり暴露される。そのため、ゴム部材の物性(伸び、引張り強度)が低下する。この物性の低下も高圧縮時の歪みに対するゴムの追従性を損なうため、ゴム部材の割れの原因につながる。   In addition, members in the fuel cell stack are exposed to water vapor generated by power generation for a long period of time. Therefore, the physical properties (elongation and tensile strength) of the rubber member are lowered. This decrease in physical properties also impairs the ability of the rubber to follow the strain during high compression, leading to cracking of the rubber member.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、極低温から高温の温度範囲下、及び水蒸気環境下での高圧縮でのシールが可能である燃料電池用シール組成物を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a fuel cell sealing composition capable of sealing at a high compression in a temperature range from an extremely low temperature to a high temperature and in a steam environment. For the purpose.

本発明は、上記課題を解決するため以下の構成を有する。   The present invention has the following configuration in order to solve the above problems.

(1)(a)ジエン含量7wt%以上、エチレン含量50wt%以下のエチレン−プロピレン−ジエンゴムから選択されるゴム成分と、
(b)2個以上の二重結合を有する多官能性不飽和化合物である共架橋剤と、
(c)有機過酸化物と、
(d)流動点が−40℃以下の軟化剤と、
(e)熱可塑性樹脂と、
を含有する架橋ゴム組成物からなることを特徴とする燃料電池用シール組成物。
(1) (a) a rubber component selected from ethylene-propylene-diene rubber having a diene content of 7 wt% or more and an ethylene content of 50 wt% or less;
(B) a co-crosslinking agent which is a polyfunctional unsaturated compound having two or more double bonds;
(C) an organic peroxide;
(D) a softener having a pour point of −40 ° C. or less;
(E) a thermoplastic resin;
A fuel cell sealing composition comprising a crosslinked rubber composition containing

(2)前記(e)熱可塑性樹脂は、炭化水素系であることを特徴とする前記(1)記載の燃料電池用シール組成物。   (2) The fuel cell sealing composition according to (1), wherein the thermoplastic resin (e) is a hydrocarbon-based one.

(3)前記(e)熱可塑性樹脂の配合量は、1phr以上30phr以下であることを特徴とする前記(1)または(2)に記載の燃料電池用シール組成物。   (3) The fuel cell sealing composition as described in (1) or (2) above, wherein the amount of the thermoplastic resin (e) is 1 phr or more and 30 phr or less.

(4)低温弾性回復試験におけるTR70が、−40℃以下であることを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれか1項に記載の燃料電池用シール組成物。   (4) The fuel cell sealing composition according to any one of (1) to (3), wherein TR70 in a low temperature elastic recovery test is −40 ° C. or lower.

なお、特許文献1、2の燃料電池用接着性シール部材には、ジエン含量、ムーニー粘度についての記載はなく、熱可塑性樹脂は含まれない。また、低温性能をゲーマン捻り試験により評価している。   In addition, the adhesive seal member for fuel cells of Patent Documents 1 and 2 has no description on the diene content and Mooney viscosity, and does not contain a thermoplastic resin. Moreover, the low temperature performance is evaluated by the Gehman torsion test.

本発明の燃料電池用シール組成物によれば、熱可塑性樹脂を少量添加することで、低温時の性能や物性を低下させることなく、高温における高圧縮条件でのゴム部材の割れを防ぐことができる。また、熱可塑性樹脂が炭化水素系のものであるとその疎水性により、ゴムの耐水性が向上するため、高圧縮時における変形量に対するゴムの追従性の損失を制御できる。   According to the fuel cell seal composition of the present invention, by adding a small amount of thermoplastic resin, it is possible to prevent cracking of the rubber member under high compression conditions at high temperatures without degrading performance and physical properties at low temperatures. it can. Further, if the thermoplastic resin is of a hydrocarbon type, the hydrophobicity of the rubber improves the water resistance of the rubber, so that it is possible to control the loss of rubber followability with respect to the amount of deformation during high compression.

実施例のTR試験の参考データを示すグラフThe graph which shows the reference data of TR test of an Example 実施例の比較サンプルと実施サンプルの配合、物性及び圧縮割れ試験結果を示す表Table showing the composition, physical properties, and compression cracking test results of the comparative sample and the working sample of the working example 実施例の圧縮割れ試験に用いる治具を示す図The figure which shows the jig | tool used for the compression cracking test of an Example 実施例の浸漬試験結果を示す表Table showing immersion test results of examples 一般的な固体高分子形燃料電池を示す図Diagram showing a general polymer electrolyte fuel cell

本発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ以下に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

本実施例の燃料電池用シール組成物は、以下の(a)〜(e)の構成成分から成るゴム組成の架橋物であり、高温環境下(100℃)、高圧縮率(50%)でも割れず、かつ、低温(−40℃)でのシール性能に優れるという特徴を有する。各構成成分につき、以下に説明する。   The fuel cell seal composition of this example is a crosslinked product of a rubber composition comprising the following components (a) to (e), even under a high temperature environment (100 ° C.) and at a high compression rate (50%). It has the characteristics that it is not cracked and has excellent sealing performance at low temperatures (−40 ° C.). Each component will be described below.

[構成成分]
(a)ゴム成分:EPDM
エチレン−プロピレン−ジエンの共重合体であり、エチレン量、ジエン量が異なる2種類以上のポリマーをブレンドして用いても良い。エチレン含有量が少ないほど、低温下で結晶化しにくく、50wt%以下がより好適である。ただ、シール部材に必要な伸びや引張り強さを確保するために40wt%以上が望ましい。
[Structural component]
(A) Rubber component: EPDM
It is a copolymer of ethylene-propylene-diene, and two or more kinds of polymers having different amounts of ethylene and diene may be blended and used. The smaller the ethylene content, the less likely it is to crystallize at low temperatures, and 50 wt% or less is more preferred. However, 40 wt% or more is desirable in order to ensure the elongation and tensile strength required for the seal member.

さらに、EPDMには、ジエン量が多く、分子量が大きいポリマーを選択すると、結晶化を阻害するだけではなく、架橋点の増加及びポリマーの主鎖構造による復元力により、回復し易くなり、低温下のゴム弾性の回復が促進される。特に、シール反力の回復率が大きい領域においては、この効果が顕著にみられる。   Furthermore, in EPDM, when a polymer having a large amount of diene and a large molecular weight is selected, it not only inhibits crystallization, but also becomes easy to recover due to an increase in the number of crosslinking points and a restoring force due to the main chain structure of the polymer. Recovery of rubber elasticity is promoted. In particular, this effect is noticeable in a region where the recovery rate of the seal reaction force is large.

ジエン含量は4%以上、さらに7%以上がより好適である。また、分子量が高いポリマーは高充填が可能になり、軟化剤等を多量に含む場合でもシール部材としての物性は損なわれない。分子量は、ムーニー粘度を指標として評価することができ、ムーニー粘度は、ML(1+4)125℃で50以上が好ましい。   The diene content is more preferably 4% or more, and more preferably 7% or more. In addition, a polymer having a high molecular weight can be highly filled, and physical properties as a sealing member are not impaired even when a large amount of a softening agent or the like is contained. The molecular weight can be evaluated using Mooney viscosity as an index, and the Mooney viscosity is preferably 50 or more at 125 ° C. ML (1 + 4).

(b)軟化剤
ポリαオレフィン、アジピン酸エステル、セバケート酸エステル、フタル酸エステル等を用いる。軟化剤には、流動点が−40℃以下(好ましくは、−50℃以下)のポリオレフィン、アルキル酸エステル等が良い。また、純度の高いものが良い。純度が低く、不純物に硫黄、リン、金属等を含む場合、燃料電池のスタックに使用される電解質膜や触媒等の性能を低下させ、電池性能を低下させる可能性があるからである。
(B) Softening agent Polyalphaolefin, adipic acid ester, sebacate acid ester, phthalic acid ester or the like is used. As the softening agent, polyolefin, alkyl acid ester and the like having a pour point of −40 ° C. or lower (preferably −50 ° C. or lower) are preferable. Moreover, a thing with high purity is good. This is because when the purity is low and impurities include sulfur, phosphorus, metal, etc., the performance of the electrolyte membrane, catalyst, etc. used in the fuel cell stack may be degraded, and the cell performance may be degraded.

(c)共架橋剤
マレイミド化合物、イソシアネート系化合物、イソシアヌレート化合物等を用いる。これらは、2個以上の二重結合を有する多官能性不飽和化合物である。
(C) Co-crosslinking agent A maleimide compound, an isocyanate compound, an isocyanurate compound, or the like is used. These are polyfunctional unsaturated compounds having two or more double bonds.

(d)有機過酸化物
一分間半減期温度160℃以上の有機過酸化物を使用する。純度が95%以上であることが望ましい。不純物が多い場合、電極となる電解質膜や触媒の劣化を招く可能性がある。
(D) Organic peroxide An organic peroxide having a one-minute half-life temperature of 160 ° C. or higher is used. The purity is desirably 95% or more. When there are many impurities, there exists a possibility of causing the deterioration of the electrolyte membrane used as an electrode or a catalyst.

有機過酸化物の配合量は2〜4phrが好ましい。2phr以下では、架橋点が少なく、低温環境下におけるシール反力を低下させる結果となり、4phr以上の場合には、ゴムの破断伸びの低下を引き起こるため、高温環境下での割れが起こりやすくなる。   The blending amount of the organic peroxide is preferably 2 to 4 phr. If it is 2 phr or less, the number of crosslinking points is small, resulting in a decrease in the seal reaction force in a low temperature environment, and if it is 4 phr or more, it causes a decrease in the elongation at break of the rubber, so that cracking is likely to occur in a high temperature environment. .

(e)熱可塑剤樹脂成分
熱可塑性樹脂成分には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ABS等を用いる。これらの成分は、燃料電池の使用環境温度以上の軟化点を有する。軟化点が低い場合には、樹脂自身の可塑化による、ゴム物性の低下を引き起こす。
(E) Thermoplastic resin component Polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), ABS, etc. are used for a thermoplastic resin component. These components have a softening point equal to or higher than the operating environmental temperature of the fuel cell. When the softening point is low, the rubber physical properties are lowered due to plasticization of the resin itself.

なお、低温環境下におけるポリマーの結晶化を抑制するため加硫密度を大きくする場合、伸びが小さくなり、高温環境下では高圧縮時(40%以上)で割れてしまう。熱可塑性樹脂を0.5phr〜10phrの範囲でゴムに添加することで、割れを抑制することができる。1phrはポリマー100gに対して1gの添加量であることを示す。また、炭化水素系のものは、構造が疎水性であるため、ゴム材料に疎水性を付加することが可能である。   Note that when the vulcanization density is increased in order to suppress crystallization of the polymer in a low temperature environment, the elongation is reduced, and in a high temperature environment, the polymer is cracked at high compression (40% or more). By adding the thermoplastic resin to the rubber in the range of 0.5 phr to 10 phr, cracking can be suppressed. 1 phr indicates an addition amount of 1 g per 100 g of the polymer. In addition, since the hydrocarbon type has a hydrophobic structure, it is possible to add hydrophobicity to the rubber material.

PE,PP等の熱可塑性樹脂の少量の添加は、架橋阻害等を引き起こさず、高圧縮時の割れを防止できるため、低温下及び高圧縮環境下でのシール性能の両者を両立することが可能である。熱可塑性樹脂の高圧縮時における効果は、高圧縮時における圧力と温度により、微視的に可塑化することで、応力を緩和し、割れを防止していると考えられる。そのため、加硫密度を小さくすることなく、割れを防止することが可能である。   Addition of a small amount of PE, PP, or other thermoplastic resin does not cause cross-linking inhibition, etc., and can prevent cracking during high compression, making it possible to achieve both sealing performance under low temperature and high compression environments. It is. The effect of the thermoplastic resin at the time of high compression is considered that the stress is relieved and cracking is prevented by microscopic plasticization by the pressure and temperature at the time of high compression. Therefore, it is possible to prevent cracking without reducing the vulcanization density.

また、燃料電池のスタック内の部材は、発電によって生じた水蒸気に長期にわたり暴露されるため、ゴムの物性低下を引き起こす。さらに、この水蒸気には、電極となる電解質膜や触媒等に起因する酸を含む場合もある。この酸の存在は、ゴムの物性低下を促進する。一方、PE,PP,PS等の炭化水素系の熱可塑性樹脂は疎水性の主鎖を持つため、前述の表面への水蒸気の侵入を防ぐ効果がある。そのため、少量の炭化水素系熱可塑性樹脂を添加することで、ゴムの耐水性を向上させ、ゴム物性の低下を抑制することができる。   In addition, since the members in the fuel cell stack are exposed to water vapor generated by power generation for a long time, the physical properties of the rubber are reduced. Further, the water vapor may contain an acid caused by an electrolyte membrane, a catalyst or the like serving as an electrode. The presence of this acid promotes deterioration of the physical properties of the rubber. On the other hand, hydrocarbon-based thermoplastic resins such as PE, PP, and PS have a hydrophobic main chain and thus have an effect of preventing water vapor from entering the surface. Therefore, by adding a small amount of a hydrocarbon-based thermoplastic resin, it is possible to improve the water resistance of the rubber and suppress the deterioration of the rubber physical properties.

なお、熱可塑性樹脂成分の配合量は、1phr以上30phr以下であることが望ましい。PP等の樹脂を1phr以上ゴムに添加することで、割れを抑制することができる。20%以上の添加はゴムの弾性成分が減り、長期のシールにおける圧縮永久歪特性が劣るため、5phr以上、10phr以下の添加が好ましい。   The blending amount of the thermoplastic resin component is desirably 1 phr or more and 30 phr or less. By adding 1 phr or more of resin such as PP to the rubber, cracking can be suppressed. Addition of 20% or more reduces the elastic component of the rubber and is inferior in compression set characteristics in a long-term seal, so addition of 5 phr or more and 10 phr or less is preferable.

[試験サンプル]
本実施例においては、サンプルとして比較サンプル1〜5と実施サンプル1,2を準備した。図2に示した、比較サンプル1〜5、実施サンプル1,2における各成分は以下の通りである。なお、実施サンプル1,2にのみ熱可塑性樹脂成分が含まれている。
[Test sample]
In this example, comparative samples 1 to 5 and working samples 1 and 2 were prepared as samples. The components in Comparative Samples 1 to 5 and Working Samples 1 and 2 shown in FIG. 2 are as follows. Only the working samples 1 and 2 contain the thermoplastic resin component.

(a)ゴム成分
図中におけるポリマー(1)〜(5)は、以下のEPDM(1)〜(5)にそれぞれ対応する。
EPDM(1):エチレン含量 51%、ジエン含量3.5%、
ムーニー粘度 82.5ML125℃(1+4)
EPDM(2):エチレン含量 45%、ジエン含量7.6%、
ムーニー粘度 30.1ML125℃(1+4)
EPDM(3):エチレン含量 48%、ジエン含量4.1%、
ムーニー粘度 28.2ML125℃(1+4)
EPDM(4):エチレン含量 48%、ジエン含量9.0%、
ムーニー粘度 68.3ML125℃(1+4)
EPDM(5):エチレン含量 48%、ジエン含量9.0%、
ムーニー粘度 98.4ML125℃(1+4)
(b)軟化剤
アジピン酸エステル(流動点−63℃)
(c)共架橋剤
トリアリルイソシアヌレート
(d)有機過酸化物
ジクミルパーオキサイド (1分間半減期温度 175.2℃)
(e)補強剤
カーボンブラック:MAF
(f)熱可塑性樹脂
ポリプロピレン(軟化点 156℃)
(A) Rubber component Polymers (1) to (5) in the figure correspond to the following EPDM (1) to (5), respectively.
EPDM (1): ethylene content 51%, diene content 3.5%,
Mooney viscosity 82.5ML125 ℃ (1 + 4)
EPDM (2): ethylene content 45%, diene content 7.6%,
Mooney viscosity 30.1ML125 ℃ (1 + 4)
EPDM (3): ethylene content 48%, diene content 4.1%,
Mooney viscosity 28.2ML125 ° C (1 + 4)
EPDM (4): ethylene content 48%, diene content 9.0%,
Mooney viscosity 68.3ML125 ° C (1 + 4)
EPDM (5): ethylene content 48%, diene content 9.0%,
Mooney viscosity 98.4ML125 ° C (1 + 4)
(B) Softener Adipic acid ester (pour point -63 ° C)
(C) Co-crosslinking agent triallyl isocyanurate (d) organic peroxide dicumyl peroxide (1 minute half-life temperature 175.2 ° C.)
(E) Reinforcing agent Carbon black: MAF
(F) Thermoplastic resin polypropylene (softening point 156 ° C.)

[燃料電池用極低温及び高圧縮対応シールの製造方法及び評価方法]
<ゴム材料の製造方法>
極低温及び高圧縮対応シールは、上記(a)〜(f)及び必要に応じて各種添加剤を含むゴム組成物を架橋して製造される。ゴム組成物は、次のように調整すればよい。
[Manufacturing method and evaluation method of seal for cryogenic and high compression for fuel cell]
<Method for producing rubber material>
The seal corresponding to cryogenic temperature and high compression is produced by crosslinking the rubber compositions containing the above (a) to (f) and various additives as required. The rubber composition may be adjusted as follows.

まず、EPDMに(c)共架橋剤、(d)有機過酸化物以外の材料を、熱可塑性樹脂の融点以上の温度で混合させる。得られた混合物を冷却して、(c)共架橋剤、(d)有機過酸化物を加える。混合物の調整には、例えばロール、ニーダー等、通常混練りに使用される混練機を用いることができる。調整されたゴム組成物を、コンプレッション成形、インジェクション成形、トランスファー成形などの方法で加熱して加硫することにより、シール部材を得ることができる。加硫は、例えば約150〜170℃の温度で約1〜15分程度の一次加硫を行う。また、必要に応じてオーブンで100〜150℃の温度で1〜4時間の二次加硫を行う。   First, materials other than (c) a co-crosslinking agent and (d) an organic peroxide are mixed with EPDM at a temperature equal to or higher than the melting point of the thermoplastic resin. The resulting mixture is cooled and (c) a co-crosslinking agent and (d) an organic peroxide are added. For adjusting the mixture, for example, a kneader usually used for kneading, such as a roll and a kneader, can be used. The adjusted rubber composition is heated and vulcanized by a method such as compression molding, injection molding, transfer molding, or the like, whereby a seal member can be obtained. For vulcanization, for example, primary vulcanization is performed at a temperature of about 150 to 170 ° C. for about 1 to 15 minutes. Further, secondary vulcanization is performed in an oven at a temperature of 100 to 150 ° C. for 1 to 4 hours as necessary.

<低温弾性回復試験>
低温弾性回復試験は、JIS K 6261(2006)に準じて行った。TR試験は温度収縮試験であって、試験するゴムを伸ばした状態で低温に保持した後、開放状態で温度を一定条件で上昇させると、ゴム分子が漸次動きを開始する。そして、元の伸ばした値の10%が回復した温度をTR10値という。図1にTR試験の参考データ(例)を示す。低温性を評価する指標として、多くの場合、回復率の小さいTR10値で評価される場合が多い。しかし、10%(TR10)〜50%(TR50)程度の回復率が小さい領域においては、ゴムの弾性が充分に発揮されないため、シール性能を発現することが難しい。TR70が−40℃以下であれば、極低温下(−40℃以下)でもゴム弾性が維持され、シール性を確保することができる。図2に低温弾性回復試験のTR10,TR30,TR60,TR70の各温度を示す。
<Low temperature elastic recovery test>
The low temperature elastic recovery test was conducted according to JIS K 6261 (2006). The TR test is a temperature shrinkage test. When a rubber to be tested is held at a low temperature in a stretched state, when the temperature is raised under a certain condition in an open state, the rubber molecules start to move gradually. The temperature at which 10% of the original extended value is recovered is referred to as TR10 value. FIG. 1 shows reference data (example) of the TR test. As an index for evaluating the low temperature property, in many cases, the TR10 value with a low recovery rate is often evaluated. However, in a region where the recovery rate is as small as about 10% (TR10) to 50% (TR50), the elasticity of rubber is not sufficiently exhibited, so that it is difficult to express the sealing performance. If TR70 is −40 ° C. or lower, rubber elasticity is maintained even at extremely low temperatures (−40 ° C. or lower), and sealing properties can be secured. FIG. 2 shows the temperatures of TR10, TR30, TR60, and TR70 in the low-temperature elastic recovery test.

<圧縮割れ試験>
高圧縮シールの確認は、試験片を圧縮率50%まで潰し、pH3の硫酸浸漬下、pH3の硫酸蒸気下で110℃×504h放置した後、解放後、割れの有無を確認した。図2に圧縮割れ試験結果を示す。図2の表において、「OK」は割れ発生なしを示し、「NG」は割れ発生を示す。試験結果には、24h,72h,168h,336h放置の場合の結果も示した。なお、圧縮割れ試験で使用した治具を図3に示す。試験片50は、上側圧縮治具30と下側圧縮治具40の間に挟まれた状態で圧縮される。
<Compression cracking test>
The high compression seal was confirmed by crushing the test piece to a compression rate of 50%, leaving it at 110 ° C. for 504 h under pH 3 sulfuric acid immersion and pH 3 sulfuric acid vapor, and then checking for cracks after release. FIG. 2 shows the compression crack test results. In the table of FIG. 2, “OK” indicates no occurrence of cracking and “NG” indicates occurrence of cracking. The test results also show the results when left for 24h, 72h, 168h, and 336h. The jig used in the compression cracking test is shown in FIG. The test piece 50 is compressed while being sandwiched between the upper compression jig 30 and the lower compression jig 40.

<浸漬試験>
耐水性の確認は、各水溶液での浸漬試験をJIS K6258(2003)に準じて90℃×168hまで試験を行い、各種物性、硬度、引張り強さ、伸び、体積及び重量変化率を測定した。図4に比較サンプル5と実施サンプル2についての浸漬試験結果を示す。
<Immersion test>
For confirmation of water resistance, the immersion test in each aqueous solution was tested up to 90 ° C. × 168 h in accordance with JIS K6258 (2003), and various physical properties, hardness, tensile strength, elongation, volume and weight change rate were measured. FIG. 4 shows the immersion test results for Comparative Sample 5 and Working Sample 2.

[効果の確認]
実施例の低温回復試験において、充分なシール性能を発現するには、ゴム弾性の回復率が70%以上であることが好ましい。したがって、−40℃環境下での回復率が70%以上を有するゴム材料であれば、−40℃でのシールが可能と考えられる。比較例サンプル4,5および実施サンプル1,2は、共にTR70が−40℃以下であり目標を達成していることがわかる。
[Confirmation of effect]
In the low temperature recovery test of the examples, it is preferable that the rubber elasticity recovery rate is 70% or more in order to exhibit sufficient sealing performance. Therefore, if the rubber material has a recovery rate of 70% or more in a -40 ° C environment, it is considered possible to seal at -40 ° C. It can be seen that the comparative samples 4 and 5 and the working samples 1 and 2 both achieved TR70 of −40 ° C. or less and achieved the target.

また、図2の圧縮割れ試験結果において、実施サンプル1,2は504h後でも圧縮割れは生じていないことから、樹脂成分の効果が十分に性能を満たしていることがわかる。なお、比較サンプル5は、TR70が−46℃であり低温弾性回復試験における性能は満たしているが、圧縮割れ試験において、72h後に割れが生じた。   Moreover, in the compression crack test result of FIG. 2, since the compression crack did not arise in the implementation samples 1 and 2 even after 504h, it turns out that the effect of the resin component has fully satisfy | filled performance. In Comparative Sample 5, TR70 was −46 ° C. and the performance in the low temperature elastic recovery test was satisfied, but in the compression cracking test, cracking occurred after 72 hours.

さらに、浸漬試験の結果より、熱可塑性樹脂の効果は、ゴムを可塑化するだけでなく、ゴムの耐水性を向上させることが確認できた。図4の結果において、比較例サンプル5は、168h後の引張り強さと伸びの変化率が大きく、物性が低下しているのに対して、熱可塑性樹脂を含む実施サンプル2は、168h後での引張り強さおよび伸びの変化率が少ないことが分かる。   Furthermore, from the results of the immersion test, it was confirmed that the effect of the thermoplastic resin not only plasticizes the rubber but also improves the water resistance of the rubber. In the result of FIG. 4, the comparative sample 5 has a large change rate of tensile strength and elongation after 168 h, and the physical properties are lowered, whereas the working sample 2 containing the thermoplastic resin has a decrease after 168 h. It can be seen that the rate of change in tensile strength and elongation is small.

したがって、本実施例によれば、熱可塑性樹脂を少量添加することで、ゴムの低温性を損なうことなく、高圧縮時におけるゴムの割れを防止できることができ、極低温下から高温、水蒸気環境下でのシールが可能となる燃料電池用シール組成物を提供することができる。   Therefore, according to the present example, by adding a small amount of thermoplastic resin, it is possible to prevent cracking of the rubber at the time of high compression without impairing the low temperature property of the rubber. It is possible to provide a fuel cell sealing composition that can be sealed with

10 セル
11 セパレータ
12 ガス拡散層
13 触媒
14 電解質膜
15 集電板
30 上側圧縮治具
40 下側圧縮治具
50 試験片
10 cell 11 separator 12 gas diffusion layer 13 catalyst 14 electrolyte membrane 15 current collector plate 30 upper compression jig 40 lower compression jig 50 test piece

Claims (1)

(a)ジエン含量7wt%以上、エチレン含量50wt%以下のエチレン−プロピレン−ジエンゴムから選択され、ムーニー粘度がML(1+4)125℃で50以上であるゴム成分と、
(b)2個以上の二重結合を有する多官能性不飽和化合物である共架橋剤と、
(c)有機過酸化物と、
(d)流動点が−40℃以下の軟化剤と、
(e)熱可塑性樹脂と、
(f)カーボンブラックと、
を含有し、
前記(e)熱可塑性樹脂が炭化水素系の熱可塑性樹脂であり、
前記(e)熱可塑性樹脂の配合量が1phr以上30phr以下である架橋ゴム組成物からなることを特徴とする燃料電池用シール組成物。
(A) a rubber component selected from ethylene-propylene-diene rubber having a diene content of 7 wt% or more and an ethylene content of 50 wt% or less, and having a Mooney viscosity of 50 or more at ML (1 + 4) 125 ° C .;
(B) a co-crosslinking agent which is a polyfunctional unsaturated compound having two or more double bonds;
(C) an organic peroxide;
(D) a softener having a pour point of −40 ° C. or less;
(E) a thermoplastic resin;
(F) carbon black;
Containing
(E) the thermoplastic resin is a hydrocarbon-based thermoplastic resin;
(E) A sealing composition for a fuel cell, comprising a crosslinked rubber composition having a thermoplastic resin content of 1 phr to 30 phr.
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