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JPWO1999053559A1 - Sealant for fuel cells - Google Patents

Sealant for fuel cells

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Publication number
JPWO1999053559A1
JPWO1999053559A1 JP2000-544024A JP2000544024A JPWO1999053559A1 JP WO1999053559 A1 JPWO1999053559 A1 JP WO1999053559A1 JP 2000544024 A JP2000544024 A JP 2000544024A JP WO1999053559 A1 JPWO1999053559 A1 JP WO1999053559A1
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JP
Japan
Prior art keywords
exchange resin
sealant
main chain
ion
membrane
Prior art date
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Application number
JP2000-544024A
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Japanese (ja)
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JP4482743B2 (en
Inventor
守 足立
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ThreeBond Co Ltd
Original Assignee
ThreeBond Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by ThreeBond Co Ltd filed Critical ThreeBond Co Ltd
Priority claimed from PCT/JP1999/001730 external-priority patent/WO1999053559A1/en
Publication of JPWO1999053559A1 publication Critical patent/JPWO1999053559A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4482743B2 publication Critical patent/JP4482743B2/en
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Abstract

(57)【要約】 燃料電池の単セル(20)のセパレーター(24)(25)と一対の電極(22)(23)と固体電解質のイオン交換樹脂(21)とのシールを、A)分子中の主鎖は直鎖状のポリイソブチレン構造もしくはパーフルオロポリエーテル構造であって、少なくともその両端にアルケニル基を有する付加重合性オリゴマー、B)分子中に少なくとも珪素原子に結合した水素原子を少なくとも2個以上を含有する硬化剤と、C)ヒドロシリル化反応触媒からなる液状樹脂組成物(26)を三次元架橋させてシール層を形成させて、前記単セルの薄型化および小型化を図り、燃料電池の高出力を可能する。 (57) [Abstract] The separators (24) (25) of a single cell (20) of a fuel cell, a pair of electrodes (22) (23), and a solid electrolyte ion exchange resin (21) are sealed by forming a sealing layer through three-dimensional crosslinking of a liquid resin composition (26) comprising: A) an addition-polymerizable oligomer whose main chain in the molecule is a linear polyisobutylene structure or a perfluoropolyether structure and which has alkenyl groups at least on both ends; B) a curing agent whose molecule contains at least two hydrogen atoms bonded to at least one silicon atom; and C) a hydrosilylation reaction catalyst, thereby making it possible to make the single cell thinner and more compact and enabling a high output of the fuel cell.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

技術分野 本発明は、燃料電池の単セルにおいてセパレーターと一対の電極と固体電解質
のイオン交換樹脂膜との接合面で、三次元架橋してガス低透過性の弾性体のシー
ル層を形成してこれら部品間での完全な気密を行うことができる液状樹脂組成物
のシール剤に関する。 背景技術 燃料電池とは、燃料がもっているエネルギーを直接的に電気エネルギーに変換
する装置のことをいい、例えば、水素を含む燃料ガスをアノードに供給し、酸素
を含む酸化ガスをカソードに供給して、両極で起こる電気化学反応によって起電
力を得ることができる。 この電気化学反応は、アノードにおける式(1)の反
応、カソードにおける式(2)の反応、電池全体で起こる式(3)の反応によっ
て示すことができる。 H→2H+2e 式(1) (1/2)O+2H+2e→HO 式(2) H+(1/2)O→HO 式(3) 燃料電池の一般的な形態は、固体電解質膜を挟んで一対の電極を配し、アノー
ド電極に水素を含む燃料ガスを、カソード電極には酸素を含む酸化ガスを別々に
隔離して供給する。しかし、隔離が不十分で一方のガスが他方のガスと混合する
と、発電効率の低下を起こしてしまう。 一般に、燃料電池は一対の電極を基本単位とする単セルを積層したスタック構
造にとっている。単セルでは、一対の電極が固体電解質膜を狭持したサンドイッ
チ構造を形成し、さらにガス不透過なセパレーターがこのサンドイッチ構造体を
狭持する。 セパレーターは隣接する単セル間でのガスの混合を防止する働きをする。固体
電解質膜は単セル内に供給される燃料ガスと酸化ガスを隔離する役割をする。 従来の気密方法として、セパレーターの端部に溝を設けこの溝にOリングを設
置して固体電解質膜の両側に供給される各ガスの混合を防止する技術を特開平6
−119930号公報、特開平6−68884号公報で開示している。 小型の燃料電池に使用される固体電解質として、イオン交換樹脂膜が使用され
ている。このイオン交換樹脂膜は湿潤状態で電気伝導性の挙動をするので、作動
中の燃料電池のセル内に水分を供給して、イオン交換樹脂膜の湿潤状態が保持さ
れている。つまり、イオン交換樹脂膜は燃料ガスと酸化ガスとを隔離する機能と
、湿潤状態を保持する機能の2つの機能をもっていなければならない。このよう
な機能をもつ好ましいイオン交換樹脂膜として、フッ素系樹脂のイオン交換樹脂
膜がある。 前述のOリングに代えて、接着剤でこれらを気密する技術が特開平7−249
417号公報に開示され、イオン交換樹脂膜を熱圧着させる技術が特開平6−1
19928号公報に開示されている。しかし、フッ素系樹脂の当該膜は一般に接
着力が非常に低く、これらの技術では確実な気密を得られなかった。 そこで、エポキシ樹脂系接着剤を用いて接着をする場合において、イオン交換
樹脂膜の接合面を予めにイオン交換処理してその接着性を改善する技術が特開平
9−199145号公報に開示されている。しかし、この前処理によって接着力
は向上するが電気伝導性は低下してしまい、燃料電池の起電力は低下する。 ヒドロシリル化反応で付加重合するシール剤組成物については、特開平8−2
69317号公報においてパーフルオロポリエーテル系組成物が、特開平6−2
79691号においてポリイソブチレン系組成物がそれぞれ開示されている。 発明の開示 燃料電池の各構成要素が薄膜化されて単セルが薄くなれば、僅かなスペースで
より多くの単セルを積層すると、燃料電池の高出力化を図ることができる。しか
し、Oリングでセパレーターとイオン交換樹脂膜とを気密する場合では、セパレ
ーターにはOリング溝を設置するための厚みが必要となり、燃料電池の薄型化と
高出力化に対しては障害となる。さらに、Oリングによる締め付け力でイオン交
換樹脂膜を圧縮しなければ気密効果は発揮されないので、当該膜の寸法はOリン
グ溝より必ず大きくしなければならい。 逆に、電極の近接箇所をOリングで締め付けることはできない。なぜなら、ガ
スが電極自体の中を拡散できるように電極は多孔質体であって非常に脆弱な材質
になっているので、Oリングで強く締め付けると電極が壊れるからである。 結局、Oリングによる気密方法はイオン交換樹脂膜の面積を大きくする必要が
あり、燃料電池の小型化を妨げている。また、イオン交換樹脂膜は非常に高価で
あり、セパレーターのOリング溝の切削加工もコストがかかり、燃料電池全体の
コストが高くなってしまう。 次にエポキシ樹脂系接着剤を用いる気密する方法では、イオン交換樹脂膜の接
合面を事前にイオン交換処理をして接着力を向上させる前処理が必要となる。さ
らにエポキシ樹脂からの塩素イオン等の不純物イオンの溶出も問題となる。当該
膜がエポキシ樹脂から溶出した不純物イオンで汚染されると、当該膜の電気伝導
性の低下により単セルの起電力の低下する結果、単セルを直列に積層したスタッ
ク構造の燃料電池全体の総起電力も低下する。 同様にイオン交換樹脂膜を熱圧着して接合する場合も、当該膜に予めイオン交
換処理を行う必要があり、前述の同じ問題が生じる。また、熱圧着はイオン交換
樹脂膜を損傷させやすく、損傷した当該膜は燃料電池の運転時の内圧差によって
電気的短絡する恐れがある。 Oリングまたはエポキシ樹脂系接着剤でシールを行った燃料電池の気密性は前
述の理由により不完全のため、自動車などに搭載して使用する場合は運行時の振
動によりガス洩れを起こしやすい。 本発明のシール剤により、単セルのイオン交換樹脂膜の面積を最小限にしてか
つ薄膜化を実現する結果、燃料電池の小型化と起電力の低下防止を可能にする。
さらには、本発明はシール剤を使用すると、イオン交換樹脂膜、セパレーター、
一対の電極との接合面に弾性体のシール層を形成し、信頼性の高い気密性を発揮
させるともに当該膜の湿潤状態の維持を確実に行うことができる。 イオン交換樹脂膜を用いた燃料電池の製造において本発明のシール剤を使用す
れば、当該膜への接着性を改善するためのイオン交換処理などの前処理またはO
リングなどの別のシール部材が不要となる。また、エポキシ樹脂系接着剤から溶
出してくる不純物イオンによる当該膜への汚染の問題もない。 つまり、従来の技術に比べ、イオン交換樹脂膜をセパレーターまたは一対の電
極と確実に接着および気密させることができ、Oリングの方式に比べ薄型化およ
び小型化が可能になり、エポキシ樹脂系接着剤方式に比べ、接着性を向上させる
ための前処理を不要にして作業工程の短縮化およびコストの低減が可能となる。 本発明のシール剤は、a)ガスの透過率が非常に低い、b)イオン交換樹脂膜
との密着性・接着性が優れている、c)硬化後の不純物イオンの溶出が非常に少
い、d)透湿率が低い、等の特徴を持っているため、イオン交換樹脂膜の性能低
下を招くことなく、当該膜をセパレーターまたは一対の電極と確実に接着および
気密ができる。 本発明においては、セパレーターまたは一対の電極は、イオン交換樹脂膜との
接合面が粗面化されている方がよい。祖面化された凹凸の内部に入り込んだシー
ル剤のの接着面積が大きくなることで、より一層強固な接着力が得られるからで
ある。 本発明のシール剤は、ガス低透過性でかつ反応性の液状樹脂組成物であって、
単セルのセパレーターと一対の電極と固体電解質のイオン交換樹脂膜との接合面
への塗布後に三次元架橋して前記部品間を気密するものである。当該シール剤は
、分子中の主鎖は直鎖状のポリイソブチレン構造もしくはパーフルオロポリエー
テル構造のいずれかであって、少なくともその両端にアルケニル基を有する付加
重合性オリゴマーと、B)分子中に少なくとも珪素原子に結合した水素原子を少
なくとも2個以上を含有する硬化剤と、C)ヒドロシリル化反応触媒とからなる
。 前記A)の付加重合性オリゴマーの2種類のうちの一つは、分子中の主鎖が直
鎖状のポリイソブチレン構造であって少なくともその両端に反応基を有するもの
であって、好ましくはその分子量が500〜100000であって、イソブチレ
ンに起因する繰り返し単位の総量が50重量%以上である。当該付加重合性オリ
ゴマーは、全てイソブチレン単位で構成されていてもよいし、一分子中の50重
量%以下でポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィンまたはポリブタ
ジエン、ポリイソプレンなどのポリジエンの共重合体であってもよい。 前記A)の付加重合性オリゴマーのうちのも一種類は、分子中の主鎖が直鎖状
のパーフルオロポリエーテル構造であって少なくともその両端に反応基を有する
ものであって、以下の構造の繰り返し単位が3〜400のものである。 CFO−,CFCFO−,CFCFCFO−,CF(CF
CFO−,CFCFCFCFO−,C(CFO− このようなパーフルオロポリエーテル構造の付加重合性オリゴマーの粘度は、
25〜1,000,000mm/sの範囲となる。 前記B)の硬化剤とは、分子中に少なくとも珪素原子に結合した水素原子を少
なくとも2個以上を含有するものであれば特に限定するものでない。しかし、硬
化剤自体もガス低過性であって、付加重合性オリゴマーと相溶しやすい物質が好
ましい。つまり、付加重合性オリゴマーの主鎖がポリイソブチレン構造の場合で
は硬化剤の主鎖もポリイソブチレン構造が好ましく、付加重合性オリゴマーの主
鎖がパーフルオロポリエーテル構造の場合では硬化剤の主鎖もパーフルオロポリ
エーテル構造が最も好ましい組み合わせである。 なお、硬化剤中のヒドロシリル基は、付加重合性オリゴマーのアルケニル基1
モルに対しヒドロシリル基が0.5〜5モルとする量が好ましい。また硬化剤の
分子量は100〜30000の範囲が好ましい。 前記C)のヒドロシリル化反応触媒とは、一般に使われる白金、チタン、パラ
ジウム、ロジウムなどの塩化物であればよい。好ましい触媒の具体例としては、
塩化白金、自金−ビニルシロキサン錯体、白金−ホスフィン錯体、白金−ホスフ
ァイト錯体、白金−アルコラート錯体、白金−オレフィン錯体などを挙げること
ができる。 本発明シール剤は、必要に応じて充填材、体質顔料、老化防止剤、界面活性剤
等の周知材料を、不純物宇イオンの溶出が問題とならない程度で添加しても良い
。 本発明のシール剤の使用方法は、セパレータと一対の電極と固体電解質のイオ
ン交換樹脂の接合面に液状状態でシール剤を塗布し単セルを組み立てた後に、加
熱または常温放置で当該シール剤を三次元架橋させて、前記接合面に当該シール
剤の弾性シール層を形成させる。このようにして製造された単セルを、前記の架
橋工程における固定のための締め付け力より大きい圧縮力を加えて、複数の単セ
ルを積層してスタック構造にする。付加重合により架橋した当該シール剤は若干
の硬化収縮が生じるため、スタック構造にする際に圧縮しながら積層することで
その気密性を高めることができるからである。 以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明すると、燃料電池は単セルを積
層したスタック構造になっている。Fig1はこの単セル(20)の断面を模式
的に示したものである。燃料電池の基本単位である単セル(20)は、イオン交
換樹脂膜(21)と、アノード(22)およびカソード(23)と、セパレータ
ー(24)と(25)とから成っている。 アノード(22)とカソード(23)はイオン交換樹脂膜(21)を狭持し、
セパレーター(24)と(25)は、これらを更に両側から挟み込む構造となっ
ている。アノード(22)とカソード(23)の表面に、燃料ガスおよび酸化ガ
スの流路が形成されている。アノード(22)とセパレーター(24)の間に燃
料ガス流路(24a)、カソード(23)とセパレーター(25)との間には酸
化ガス流路(25a)が形成されている。 セパレーター(24),(25)は、電極間でガス流路を形成し、且つ隣接す
る単セル間での燃料ガスと酸化ガスを分離する役割を担っている。 イオン交換樹脂膜(21)は、固体電界質でフッ素系樹脂により形成されたイ
オン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で電気伝導性の挙動を示す。本発明
の中の実験では商品面;ナフィオン(デュポン社製)を使用した。 アノード(22)およびカソード(23)は、両者とも炭素繊維糸で織成した
カーボンクロスに形成されており、イオン交換樹脂膜(21)とは120〜13
0℃で加熱圧着されている。 発明を実施するための最良の形態 本発明のシール剤を使用して、アノード(22)、カソード(23)の一対の
電極、セパレーター(24)、(25)とイオン交換樹脂膜(21)との接合に
ついて説明する。 実施例の1で使用するシール剤(26)は、付加重合オリゴマーおよび硬化剤
の双方の主鎖がパーフルオロポリエーテルである加熱硬化型シール剤(商品名;
ThreeBond11X−058、スリーボンド社製)である。アノード(2
2)を取り付けたセパレーター(24)、およびカソード(23)を取り付けた
セパレーター(25)の各接合面に、当該シール剤(26)を塗布し、前記セパ
レーター(24)、(25)を所定位置で係合させて単セル(20)を組み立て
ると、イオン交換樹脂膜(21)を覆って未架橋の液状状態のシール層が形成さ
れる。 イオン硬化樹脂膜(21)は、材料によっては150℃以上で熱的な処理を行
うと膜の性質が変化し疎水性が強くなり導電性が低下するので、前記単セル(2
0)を100℃以下で加熱してイオン交換樹脂膜(21)が熱によるダメージを
受けることなく、未架橋シール層を三次元架橋させて弾性体のシール層を形成す
ることができた。 使用した当該シール剤(26)の特性は、、A)分子中に少なくとも2個のア
ルケニル基を有し、且つ主鎖にパーフルオロポリエーテル構造を有し、25℃に
おける粘度が10,000〜1,000,000mm/sである付加重合性オ
リゴマー、B)分子中に少なくとも珪素原子に結合した水素原子を少なくとも2
個以上を含有し、かつ主鎖にパーフルオロポリエーテル構造を有し、25℃の粘
度が10,000〜500,000mm/sである硬化剤、C)触媒量の白金
族化合物を含有し、且つA)の付加重合性オリゴマー中のアルケニル基1モルに
対しヒドロシリル基が0.5〜5モルとする量でB)の硬化剤を配合した液状樹
脂組成物である。 当該シール剤は以下の性質を持つ。 1)80〜150℃の温度範囲において30〜60分で架橋し、得られるゴム弾
性体は優れた伸びを有する。 2)架橋後のシール剤は、燃料ガスおよび酸化ガスに対し優れたガスバリア性を
有する。 3)架橋後のシール剤の透湿性は低い。 4)架橋後のシール剤から溶出する不純物イオンは極めて少ない。 5)架橋後のシール剤はメタノールなどに対し優れた耐性を有する。 6)架橋後のシール剤はフッ素樹脂系のイオン交換性樹脂膜に対しても優れた密
着性を有する。 実施例2では、前述のシール剤11X−058を付加重合オリゴマーおよび硬
化剤の双方の主鎖がイソブチレン構造である加熱硬化型シール剤(商品名;Th
reeBond11X−066、スリーボンド社製)に代えて、同様な操作で単
セル(20)を製作した。 使用した当該シール剤の11X−066の特性は、A)分子中に少なくとも2
個のアルケニル基を有し、且つ主鎖にポイソブチレン構造を有し、25℃におけ
る粘度が25〜100,000mm/sである付加重合性オリゴマー、B)分
子中に少なくとも珪素原子に結合した水素原子を少なくとも2個以上を含有し、
かつ主鎖にパーフルオロポリエーテル構造を有し、25℃の粘度が10〜10,
000mm/sである硬化剤、C)触媒量の白金族化合物を含有し、且つA)
の付加重合性オリゴマー中のアルケニル基1モルに対しヒドロシリル基が0.5
〜5モルとする量でB)の硬化剤を配合した液状樹脂組成物である。 当該シール剤は以下の性質を持つ。 1)70〜100℃の温度範囲において20〜60分で架橋し、得られるゲル状
物質は極めて優れた伸びを有する。 2)架橋後のシール剤は、燃料ガスおよび酸化ガスに対し優れたガスバリア性を
有する。 3)架橋後のシール剤の透湿性は低い。 4)架橋後のシール剤から溶出する不純物イオンは極めて少ない。 5)シール剤の粘度が低く、塗布作業が容易である。 6)架橋後のシール剤はイオン交換樹脂膜に対し優れた密着性を有する。 比較のために、従来の2種類のシール剤で単セルを製作した。一つは、本発明
のシール剤(26)に代えてRTVシリコーン(商品名;ThreeBond1
220D、スリーボンド社製)を使用して、25℃、55%RHで7日間の硬化
条件で単セル(20)を製作した。他の一つは、1液性加熱硬化型エポキシ樹脂
(商品名;ThreeBond2282、スリーボンド社製)を使用して、10
0℃、60分の硬化条件で単セル(20)を製作した。 本発明のシール剤を使用した実施例1及び実施例2の両方とも、燃料ガス、酸
化ガスとの気密および単セル内の湿潤状態を保つことができた。比較例の前記R
TVシリコーンを使用した単セルでは、単セル内の湿潤状態を充分に保つことが
できなかった。一方の比較例である前記加熱硬化型エポキシ樹脂を使用した単セ
ルでは、シールおよび湿潤状態の維持していたが、イオン交換樹脂膜(21)は
不純物イオンの溶出による変色が観察された。 運転終了後に単セル(20)を分解する際に、実施例1の11X−058およ
び実施例2の11X−066を用いた単セルでは、イオン交換樹脂膜(21)に
対する接着力が良好で凝集破壊をした。一方、比較例の前記RTVシリコーンお
よび前記1液性加熱硬化型エポキシ樹脂を用いた単セルは界面剥離をした。 上記実施例1、実施例2においては、イオン交換質樹脂膜の膜厚は100μm
で行った。一般に、より薄膜のイオン交換樹脂膜の方が導電性の向上をもたらし
、単セルの性能向上に寄与すると云われている。そこで、膜厚50μmのイオン
交換樹脂膜についても、前記シール剤の11X−057および11X−066で
単セルを製作し、前記実施例1及び実施例2と同様な試験を行い、同様な作用効
果を奏することを確認した。 イオン交換樹脂膜を熱圧着する方法では、当該膜を損傷させるケースが多く、
通常は膜厚300μmのイオン交換樹脂膜が用いられ、膜厚100μmの膜は用
いられることはなかった。なぜなら、損傷した当該膜は、燃料電池の作動中に電
気的短絡を起こす危険性があるからである。 本発明のシール剤は、イオン交換樹脂膜(21)とセパレーター(24),(
25)との間に弾性体のシール剤層を形成することから、熱圧着または燃料電池
の作動中においてイオン交換樹脂膜(21)を損傷させることなく、電気的短絡
を防ぐことができる。 産業上の利用可能性 以上説明したとおり、本発明のシール剤を用いた燃料電池は、イオン交換樹脂
膜とセパレータの固着において、当該イオン交換樹脂膜に前処理を施す必要がな
く、運転時の湿潤状態を保ち、燃料ガスと酸化ガスとを隔離して気密することが
できる。従って、自動車用の燃料電池を考慮した場合、振動等動きに対し良好な
シール性能を発揮することができる。また、2mm程度の所定の厚みを有するO
リングを組み込む必要がないので燃料電池10全体の薄型化を図ることができ、
積層する単セル数を増やすことによって電池容量を増大させることが可能となる
。加えて、本発明で用いた接着剤は機械による自動塗布が可能であり、作業上の
短縮化、効率化、コストの低減を図ることも可能である。 本発明のシール剤は、固体電解質であるイオン交換樹脂膜をイオン種で汚染さ
れることなく接着およびシールすることができるので、Oリングを不要にして燃
料電池の小型化または薄膜化を可能にすることができる。また、当該シール剤は
ガス不透過性を有するのでイオン交換樹脂膜とセパレーター体とのガス密封性に
優れ、電解質膜の湿潤状態の維持できる。 その結果、本発明のシール剤でイオン交換樹脂膜とセパレーターと一対の電極
とを接着および気密した燃料電池は、薄い小型で起電力の高い性能をもつことで
き、かつ振動に対しても耐性をもち、自動車用の燃料電池としての用途に適して
いる。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a liquid resin composition sealant that can be three-dimensionally crosslinked to form a low-gas-permeable elastic seal layer at the interface between a separator, a pair of electrodes, and a solid electrolyte ion-exchange resin membrane in a single fuel cell, thereby ensuring complete airtightness between these components. BACKGROUND ART A fuel cell is a device that directly converts the energy contained in a fuel into electrical energy. For example, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode, generating electromotive force through electrochemical reactions occurring at both electrodes. This electrochemical reaction can be represented by the reaction of formula (1) at the anode, the reaction of formula (2) at the cathode, and the reaction of formula (3) occurring throughout the entire cell. H2 → 2H + + 2e- Equation (1) (1/2) O2 + 2H+ 2e-H2O Equation (2) H2 + (1/2) O2H2O Equation (3) A typical fuel cell configuration consists of a pair of electrodes sandwiching a solid electrolyte membrane. A hydrogen-containing fuel gas is supplied to the anode, and an oxygen-containing oxidizing gas is supplied to the cathode. However, if the separation is insufficient and one gas mixes with the other, power generation efficiency decreases. Generally, fuel cells have a stack structure in which unit cells, each consisting of a pair of electrodes as a basic unit, are stacked. In a unit cell, a pair of electrodes form a sandwich structure sandwiching a solid electrolyte membrane, and a gas-impermeable separator further sandwiches this sandwich structure. The separator prevents gases from mixing between adjacent unit cells. The solid electrolyte membrane serves to separate the fuel gas and oxidizing gas supplied within the unit cell. As a conventional airtight method, a groove is provided at the end of the separator and an O-ring is placed in this groove to prevent the gases supplied to both sides of the solid electrolyte membrane from mixing.
These are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-68884 and Japanese Patent Laid-Open No. 6-119930. Ion-exchange resin membranes are used as solid electrolytes in small fuel cells. Since these ion-exchange resin membranes behave electrically conductive in a wet state, moisture is supplied to the inside of the fuel cell during operation to maintain the ion-exchange resin membrane in a wet state. In other words, the ion-exchange resin membrane must have two functions: to separate the fuel gas from the oxidizing gas, and to maintain a wet state. A preferred ion-exchange resin membrane with these functions is a fluorine-based resin ion-exchange resin membrane. A technology for sealing these membranes with an adhesive instead of the O-ring described above is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-249.
The technology for thermocompression bonding of ion exchange resin membranes is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-1
However, the adhesive strength of such fluorine-based resin membranes is generally very low, and these techniques have not been able to provide reliable airtightness. Therefore, a technique for improving adhesive strength by previously subjecting the joining surface of the ion-exchange resin membrane to an ion-exchange treatment when bonding using an epoxy resin adhesive is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-199145. However, although this pretreatment improves adhesive strength, it also reduces electrical conductivity, resulting in a decrease in the electromotive force of the fuel cell. A sealing agent composition that undergoes addition polymerization via a hydrosilylation reaction is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-2000.
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 69317, a perfluoropolyether composition was disclosed.
No. 79691 discloses polyisobutylene-based compositions. Disclosure of the Invention: If the individual components of a fuel cell are made thinner, the individual cells can be stacked in a small space, thereby increasing the fuel cell's output. However, when an O-ring is used to seal the separator and ion-exchange resin membrane, the separator must be thick enough to accommodate the O-ring groove, which hinders the achievement of thinner and higher-output fuel cells. Furthermore, the ion-exchange resin membrane must be compressed by the O-ring's clamping force to achieve airtightness, so the membrane dimensions must be larger than the O-ring groove. Conversely, O-rings cannot be clamped close to the electrodes. This is because the electrodes are porous and made of a very fragile material to allow gas to diffuse through them, and excessive clamping with an O-ring would damage the electrodes. Ultimately, the O-ring seal requires a larger ion-exchange resin membrane area, hindering the miniaturization of fuel cells. Furthermore, ion-exchange resin membranes are very expensive, and the cost of machining the separator's O-ring grooves is also high, increasing the overall cost of the fuel cell. Next, airtight methods using epoxy resin adhesives require pretreatment of the ion-exchange resin membrane bonding surface, such as ion exchange treatment, to improve adhesive strength. Furthermore, the elution of impurity ions, such as chloride ions, from the epoxy resin is also a problem. Contamination of the membrane with impurity ions eluted from the epoxy resin reduces the membrane's electrical conductivity, resulting in a decrease in the electromotive force of the individual cells, and thus a decrease in the total electromotive force of the entire fuel cell stack, in which the individual cells are stacked in series. Similarly, when ion-exchange resin membranes are bonded by thermocompression, the membrane must be pre-treated with ion exchange, which results in the same problems described above. Furthermore, thermocompression bonding is prone to damage to the ion-exchange resin membrane, and a damaged membrane may cause an electrical short circuit due to internal pressure differences during fuel cell operation. Because the airtightness of fuel cells sealed with O-rings or epoxy resin adhesives is incomplete for the reasons described above, when used in vehicles, vibrations during operation can easily cause gas leakage. The sealing agent of the present invention minimizes the area of the ion exchange resin membrane of the single cell and makes it possible to make it thinner, thereby making it possible to reduce the size of the fuel cell and prevent a decrease in electromotive force.
Furthermore, the present invention provides a sealing agent that can be used to seal ion exchange resin membranes, separators,
The sealing agent of the present invention forms an elastic seal layer on the bonding surface of a pair of electrodes, thereby providing highly reliable airtightness and ensuring the maintenance of a moist state of the membrane. When the sealing agent of the present invention is used in the production of a fuel cell using an ion-exchange resin membrane, pretreatment such as ion exchange treatment to improve adhesion to the membrane or O treatment can be avoided.
This eliminates the need for separate sealing members such as rings. Furthermore, there is no problem with membrane contamination due to impurity ions leaching from epoxy resin adhesives. In other words, compared to conventional technologies, this method reliably bonds and airtightly the ion-exchange resin membrane to the separator or a pair of electrodes, enabling thinner and more compact designs compared to O-ring systems, and eliminating the need for pretreatment to improve adhesion compared to epoxy resin adhesive systems, thereby shortening the work process and reducing costs. The sealant of the present invention has the following characteristics: a) extremely low gas permeability; b) excellent adhesion and adhesion to the ion-exchange resin membrane; c) very little leaching of impurity ions after curing; and d) low moisture permeability. Therefore, the membrane can be reliably bonded and airtightly to the separator or a pair of electrodes without degrading the performance of the ion-exchange resin membrane. In the present invention, it is preferable that the surface of the separator or a pair of electrodes that is bonded to the ion-exchange resin membrane be roughened. This is because the larger adhesive area of the sealant that penetrates into the roughened surface provides even stronger adhesion. The sealing agent of the present invention is a liquid resin composition having low gas permeability and being reactive,
The sealant is applied to the joining surfaces of a separator, a pair of electrodes, and an ion-exchange resin membrane of a solid electrolyte in a single cell, and then three-dimensionally crosslinks the components to provide an airtight seal. The sealant comprises: (A) an addition-polymerizable oligomer having a linear polyisobutylene or perfluoropolyether main chain and alkenyl groups at at least both ends; (B) a curing agent containing at least two hydrogen atoms bonded to silicon atoms in the molecule; and (C) a hydrosilylation reaction catalyst. One of the two types of addition-polymerizable oligomers (A) has a linear polyisobutylene main chain and reactive groups at at least both ends, preferably with a molecular weight of 500 to 100,000, and with a total of 50% or more repeating units derived from isobutylene. The addition-polymerizable oligomer may be composed entirely of isobutylene units, or may be a copolymer of a polyolefin such as polyethylene or polypropylene or a polydiene such as polybutadiene or polyisoprene, with 50% or less of the molecule being isobutylene units. One of the addition-polymerizable oligomers A) has a main chain in the molecule that is a linear perfluoropolyether structure and has reactive groups at least at both ends, and has 3 to 400 repeating units of the following structure: CF2O- , CF2CF2O- , CF2CF2CF2O- , CF( CF3 )
CF 2 O—, CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 O—, C(CF 3 ) 2 O— The viscosity of such an addition-polymerizable oligomer having a perfluoropolyether structure is
The range of the viscosity is 25 to 1,000,000 mm2 /s. The curing agent of B) is not particularly limited as long as it contains at least two hydrogen atoms bonded to at least silicon atoms in the molecule. However, it is preferable that the curing agent itself is gas permeable and is a substance that is easily compatible with the addition polymerizable oligomer. In other words, when the main chain of the addition polymerizable oligomer is a polyisobutylene structure, the main chain of the curing agent is preferably a polyisobutylene structure, and when the main chain of the addition polymerizable oligomer is a perfluoropolyether structure, the main chain of the curing agent is also preferably a perfluoropolyether structure, which is the most preferable combination. It should be noted that the hydrosilyl group in the curing agent is a 1/2-thickness mixture of the alkenyl group of the addition polymerizable oligomer.
The amount of hydrosilyl groups is preferably 0.5 to 5 moles per mole of the curing agent. The molecular weight of the curing agent is preferably in the range of 100 to 30,000. The hydrosilylation reaction catalyst C) may be any commonly used chloride of platinum, titanium, palladium, rhodium, etc. Specific examples of preferred catalysts include:
Examples of suitable sealants include platinum chloride, platinum-vinylsiloxane complexes, platinum-phosphine complexes, platinum-phosphite complexes, platinum-alcoholate complexes, and platinum-olefin complexes. The sealant of the present invention may optionally contain fillers, extender pigments, antioxidants, surfactants, and other well-known materials, provided that the elution of impurity ions is not a problem. The sealant of the present invention is used by applying the sealant in a liquid state to the joining surfaces of the separator, a pair of electrodes, and the ion exchange resin of the solid electrolyte to assemble a single cell. The sealant is then three-dimensionally crosslinked by heating or leaving at room temperature to form an elastic sealing layer of the sealant on the joining surfaces. The single cells thus manufactured are stacked to form a stack structure by applying a compressive force greater than the clamping force used for fixing in the crosslinking process. Since the sealant crosslinked by addition polymerization undergoes slight cure shrinkage, compressing the stack structure during stacking enhances its airtightness. The following describes an embodiment of the present invention based on examples. The fuel cell has a stack structure in which single cells are stacked. Fig. 1 shows a schematic cross section of a single cell (20). The single cell (20), which is the basic unit of a fuel cell, consists of an ion-exchange resin membrane (21), an anode (22), a cathode (23), and separators (24) and (25). The anode (22) and cathode (23) sandwich the ion-exchange resin membrane (21).
Separators (24) and (25) further sandwich the anode (22) and cathode (23) from both sides. Fuel gas and oxidant gas flow paths are formed on the surfaces of the anode (22) and cathode (23). A fuel gas flow path (24a) is formed between the anode (22) and separator (24), and an oxidant gas flow path (25a) is formed between the cathode (23) and separator (25). The separators (24) and (25) form gas flow paths between the electrodes and also serve to separate the fuel gas and oxidant gas between adjacent single cells. The ion-exchange resin membrane (21) is an ion-conductive membrane made of a solid electrolyte and a fluorine-based resin, and exhibits electrical conductivity in a wet state. In the experiments conducted in this invention, commercial Nafion (manufactured by DuPont) was used. Both the anode (22) and cathode (23) were made of carbon cloth woven with carbon fiber threads, and the ion-exchange resin membrane (21) was 120 to 130 mm thick.
The sealing agent (26) used in Example 1 is a heat-curable sealing agent (trade name: ) in which the main chains of both the addition polymerization oligomer and the curing agent are perfluoropolyether.
ThreeBond 11X-058, manufactured by ThreeBond Co., Ltd.) Anode (2
The sealant (26) is applied to the joining surfaces of the separator (24) to which the cathode (23) is attached and the separator (25) to which the cathode (23) is attached, and when the separators (24) and (25) are engaged at predetermined positions to assemble the unit cell (20), a non-crosslinked liquid sealing layer is formed covering the ion exchange resin membrane (21). Depending on the material, the ion-cured resin membrane (21) changes its properties when subjected to thermal treatment at 150°C or higher, becoming more hydrophobic and decreasing its conductivity.
The sealing agent (26) used was heated at 100°C or less, and the uncrosslinked sealing layer was three-dimensionally crosslinked to form an elastic sealing layer without thermal damage to the ion exchange resin membrane (21). The properties of the sealing agent (26) used were: A) an addition polymerizable oligomer having at least two alkenyl groups in the molecule and a perfluoropolyether structure in the main chain, and having a viscosity of 10,000 to 1,000,000 mm2 /s at 25°C; B) an addition polymerizable oligomer having at least two hydrogen atoms bonded to at least silicon atoms in the molecule;
The liquid resin composition comprises: (A) a curing agent containing at least one of the following groups, having a perfluoropolyether structure in its main chain, and having a viscosity of 10,000 to 500,000 mm2 /s at 25°C; (B) a curing agent containing a catalytic amount of a platinum group compound, and (C) a curing agent in an amount such that 0.5 to 5 moles of hydrosilyl groups are present per mole of alkenyl groups in the addition-polymerizable oligomer of (A). The sealant has the following properties: 1) it crosslinks in 30 to 60 minutes at a temperature range of 80 to 150°C, and the resulting rubbery elastic body has excellent elongation; 2) the crosslinked sealant has excellent gas barrier properties against fuel gases and oxidizing gases; 3) the crosslinked sealant has low moisture permeability; 4) the amount of impurity ions eluted from the crosslinked sealant is extremely small; 5) the crosslinked sealant has excellent resistance to methanol and the like; and 6) the crosslinked sealant has excellent adhesion to fluororesin-based ion-exchange resin membranes. In Example 2, the above-mentioned sealing agent 11X-058 was replaced with a heat-curable sealing agent (trade name: Th
A single cell (20) was fabricated in the same manner as above, using a sealant (TriBond 11X-066, manufactured by ThreeBond Co., Ltd.) instead of the sealant. The properties of the sealant 11X-066 used are: A) there are at least two
(B) an addition-polymerizable oligomer having at least two alkenyl groups and a polyisobutylene structure in the main chain, and having a viscosity of 25 to 100,000 mm 2 /s at 25°C; (C) an addition-polymerizable oligomer having at least two hydrogen atoms bonded to at least one silicon atom in the molecule;
It also has a perfluoropolyether structure in the main chain, and has a viscosity of 10 to 10 at 25°C.
C) a curing agent having a viscosity of 1000000 mm 2 /s, C) a catalytic amount of a platinum group compound, and A)
The ratio of hydrosilyl groups to alkenyl groups in the addition polymerizable oligomer is 0.5
The sealant has the following properties: 1) It crosslinks in 20 to 60 minutes at a temperature range of 70 to 100°C, and the resulting gel-like substance has excellent elongation. 2) The sealant after crosslinking has excellent gas barrier properties against fuel gases and oxidizing gases. 3) The sealant after crosslinking has low moisture permeability. 4) The amount of impurity ions eluted from the sealant after crosslinking is extremely small. 5) The sealant has low viscosity, making it easy to apply. 6) The sealant after crosslinking has excellent adhesion to the ion exchange resin membrane. For comparison, single cells were fabricated using two types of conventional sealants. One was an RTV silicone (trade name: ThreeBond1) instead of the sealant (26) of the present invention.
The other was a single cell (20) made using a one-component heat-curing epoxy resin (product name: ThreeBond 220D, manufactured by ThreeBond Co., Ltd.) at 25°C and 55% RH for 7 days.
The single cell (20) was fabricated under the conditions of 0°C and 60 minutes of curing. In both Example 1 and Example 2, in which the sealant of the present invention was used, it was possible to maintain airtightness against fuel gas and oxidizing gas, and a moist state inside the single cell.
In the single cell using the RTV silicone, it was not possible to maintain a sufficient moist state within the single cell. On the other hand, in the single cell using the heat-curing epoxy resin as a comparative example, the sealing and moist state were maintained, but discoloration of the ion exchange resin membrane (21) due to the elution of impurity ions was observed. When the single cell (20) was disassembled after operation was completed, the single cells using 11X-058 of Example 1 and 11X-066 of Example 2 had good adhesive strength to the ion exchange resin membrane (21) and underwent cohesive failure. On the other hand, the single cells using the RTV silicone and the one-component heat-curing epoxy resin as comparative examples underwent interfacial peeling. In the above-mentioned Examples 1 and 2, the thickness of the ion exchange resin membrane was 100 μm.
It is generally said that thinner ion exchange resin membranes improve conductivity and contribute to improved performance of single cells. Therefore, single cells were also produced using the sealants 11X-057 and 11X-066 for ion exchange resin membranes with a thickness of 50 μm, and tests similar to those in Examples 1 and 2 were carried out, confirming that similar effects were achieved. The method of thermocompression bonding ion exchange resin membranes often damages the membrane,
Usually, an ion exchange resin membrane having a thickness of 300 μm is used, and a membrane having a thickness of 100 μm is not used. This is because a damaged membrane may cause an electrical short circuit during the operation of the fuel cell. The sealing agent of the present invention is a sealing agent for sealing the ion exchange resin membrane (21) and the separator (24), (
Since an elastic sealant layer is formed between the separator (25) and the ion exchange resin membrane (21), electrical short circuits can be prevented without damaging the ion exchange resin membrane (21) during thermocompression bonding or fuel cell operation. Industrial Applicability As explained above, a fuel cell using the sealant of the present invention does not require pretreatment of the ion exchange resin membrane when fixing the ion exchange resin membrane to the separator, and can maintain a moist state during operation, isolating the fuel gas and the oxidizing gas, and providing an airtight seal. Therefore, when considering fuel cells for automobiles, it can exhibit good sealing performance against movements such as vibrations. In addition, an O sealant having a predetermined thickness of about 2 mm can be used.
Since there is no need to incorporate a ring, the entire fuel cell 10 can be made thinner.
Increasing the number of stacked unit cells makes it possible to increase battery capacity. Additionally, the adhesive used in the present invention can be applied automatically by machine, shortening the work process, improving efficiency, and reducing costs. The sealant of the present invention can bond and seal the ion-exchange resin membrane, which is a solid electrolyte, without contaminating it with ionic species, thereby eliminating the need for O-rings and enabling fuel cells to be made smaller or thinner. Furthermore, the sealant is gas-impermeable, providing excellent gas-tight sealing between the ion-exchange resin membrane and the separator body, thereby maintaining the electrolyte membrane in a moist state. As a result, a fuel cell in which the ion-exchange resin membrane, separator, and pair of electrodes are bonded and airtight with the sealant of the present invention is thin and compact, has high electromotive force, and is resistant to vibration, making it suitable for use as a fuel cell for automobiles.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawings]

Fig1は、燃料電池の単セルの断面図である。 図中において、(21)はイオン硬化樹脂膜、(22)はアノード電極、(2
3)はカソード電極、(24)および(25)はセパレーター、(24a)は燃
料ガス流路、(25a)は酸化ガス流路を示す。(26)が本発明のシール剤で
ある。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a single fuel cell. In the figure, (21) is an ion-cured resin film, (22) is an anode electrode, (2
3) is a cathode electrode, (24) and (25) are separators, (24a) is a fuel gas flow path, (25a) is an oxidizing gas flow path, and (26) is the sealing agent of the present invention.

【手続補正書】特許協力条約第19条補正の写し提出書(職権)[Procedure Amendment] Submission of a copy of amendments under Article 19 of the Patent Cooperation Treaty (Official)

【提出日】平成11年9月13日(1999.9.13)[Submission date] September 13, 1999 (1999.9.13)

【手続補正1】[Procedural Correction 1]

【補正対象書類名】明細書[Name of document to be corrected] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Item to be amended] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of the amendment]

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── (注)この公表は、国際事務局(WIPO)により国際公開された公報を基に作 成したものである。 なおこの公表に係る日本語特許出願(日本語実用新案登録出願)の国際公開の 効果は、特許法第184条の10第1項(実用新案法第48条の13第2項)に より生ずるものであり、本掲載とは関係ありません。───────────────────────────────────────────────────── (Note) This publication is based on the publication published internationally by the International Bureau of Patents (WIPO). The effect of the international publication of the Japanese patent application (Japanese utility model registration application) related to this publication arises pursuant to Article 184-10, Paragraph 1 of the Patent Act (Article 48-13, Paragraph 2 of the Utility Model Act) and is unrelated to this publication.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】燃料電池の単セル(20)のセパレーター(24)(25)と一対
の電極(22)(23)と固体電解質のイオン交換樹脂膜(21)とをガス低透
過性でかつ反応性の液状樹脂組成物(26)を三次元架橋させてシールする場合
において、当該樹脂組成物が、A)分子中の主鎖は直鎖状のポリイソブチレン構
造もしくはパーフルオロポリエーテル構造であって、少なくともその両端にアル
ケニル基を有する付加重合性オリゴマー、B)分子中に少なくとも珪素原子に結
合した水素原子を少なくとも2個以上を含有する硬化剤と、C)ヒドロシリル化
反応触媒からなる、付加重合で三次元架橋することを特徴とする燃料電池用のシ
ール剤。
[Claim 1] A sealant for fuel cells, characterized in that when a separator (24) (25), a pair of electrodes (22) (23), and a solid electrolyte ion exchange resin membrane (21) of a single cell (20) of a fuel cell are sealed by three-dimensional crosslinking with a low gas permeability and reactive liquid resin composition (26), the resin composition is three-dimensionally crosslinked by addition polymerization, and is composed of A) an addition-polymerizable oligomer whose main chain in the molecule is a linear polyisobutylene structure or a perfluoropolyether structure and has alkenyl groups at at least both ends, B) a curing agent whose molecule contains at least two hydrogen atoms bonded to at least one silicon atom, and C) a hydrosilylation reaction catalyst.
【請求項2】前記A)の付加重合性オリゴマーの主鎖がポリイソブチレン構造の
場合にあっては、前記B)の硬化剤の主鎖がポリイソブレン構造であることを特
徴とする請求項1に記載の燃料電池用のシール剤。
[Claim 2] A sealing agent for fuel cells as described in Claim 1, characterized in that when the main chain of the addition-polymerizable oligomer A) is a polyisobutylene structure, the main chain of the curing agent B) is a polyisoprene structure.
【請求項3】前記A)の付加重合性オリゴマーの主鎖がパーフルオロポリエーテ
ル構造の場合にあっては、前記B)の硬化剤の主鎖がパーフルオロポリエーテル
構造であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用のシール剤。
[Claim 3] A sealing agent for fuel cells as described in Claim 1, characterized in that when the main chain of the addition-polymerizable oligomer A) is a perfluoropolyether structure, the main chain of the curing agent B) is a perfluoropolyether structure.
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