(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を形成するための方法であって、
燃料電池部品を提供するステップ、
キャビティを有する化学線に対して透明なモールド型を提供するステップ、
前記キャビティが前記燃料電池部品と流体連通するように前記モールド型を位置決めするステップ、
前記キャビティ中に化学線硬化性液状シーラント組成物を付与するステップ、および
前記化学線硬化性液状シーラント組成物を硬化するステップを含み、
ただし、前記化学線硬化性液状シーラント組成物を硬化する前記ステップが、２００ｎｍ〜１，０００ｎｍの波長を有する化学線を提供して前記化学線硬化性液状シーラント組成物を室温において現場で５分以内に硬化することを含み、
ただし、該化学線硬化性液状シーラント組成物は、分岐ポリイソブチレンオリゴマー、ペンダントアルケニルまたは末端に実質的にはアルケニルもしくはアリル基がない他の官能基を有する直鎖または分岐ポリイソブチレン、分岐オリゴマー骨格を有するアルケニル終端炭化水素オリゴマー、ポリイソブチレンと別のモノマーとのコポリマー、Ｓｉ−Ｈ末端基を有する直鎖または分岐ポリイソブチレンポリマーまたはコポリマー組成物、脂環式エポキシド末端基を有する直鎖または分岐ポリイソブチレンポリマーまたはコポリマー組成物、ビニルエーテル末端基を有する直鎖または分岐ポリイソブチレンポリマーまたはコポリマー組成物、ならびにこれらの組合せからなる群から選択される重合可能なオリゴマーを含む、
方法。
【請求項２】
前記化学線が、ＵＶＡ（３２０ｎｍ〜４１０ｎｍ）、ＵＶＢ（２９０ｎｍ〜３２０ｎｍ）、ＵＶＣ（２２０ｎｍ〜２９０ｎｍ）、および、これらの組合せから選ばれる紫外線である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記化学線が、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長を有する可視光である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記重合可能なオリゴマーが、エポキシ、アリル、ビニル、（メタ）アクリレート、イミド、アミド、ウレタンおよびこれらの組合せからなる群から選択される官能基を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池部品が、カソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、樹脂フレーム、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、膜電極アセンブリフレームおよびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料電池部品が、ガス拡散層を備える膜電極アセンブリである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記化学線硬化性液体シーラント組成物を付与する前記ステップが、
前記化学線硬化性液体シーラント組成物が前記ガス拡散層に浸透するように、前記化学線硬化性液体シーラント組成物に圧力を加えることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記化学線硬化性液体シーラント組成物を付与する前記ステップが、
前記膜電極アセンブリの縁部が完全に前記化学線硬化性液体シーラント組成物で覆われるように、前記化学線硬化性液体シーラント組成物を付与することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記化学線硬化性液体シーラント組成物を３０秒以内に硬化する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記化学線硬化性液体シーラント組成物が、（メタ）アクリレート、ウレタン、ポリエーテル、ポリオレフィン、ポリエステル、これらのコポリマーおよびこれらの組合せからなる群から選択される化学線硬化性材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記化学線硬化性液体シーラント組成物が、テレケリック官能性ポリイソブチレンと、少なくとも２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル架橋剤と、白金触媒と、光開始剤とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記化学線硬化性液体シーラント組成物が、
アルケニル終端炭化水素オリゴマーと、
多官能性アルケニルモノマーと、
少なくとも２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル硬化剤と、
ヒドロシリル化触媒とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アルケニル終端炭化水素オリゴマーが、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記化学線硬化性液体シーラント組成物が、
多官能性アルケニルモノマーと、
少なくとも２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル硬化剤と、
ヒドロシリル化触媒と、
過酸化物架橋剤とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００６年１０月１３日出願の米国特許出願第１１／５４９，３３１号の一部継続出願であり、参照によりそれら全ての内容が本明細書中に援用される２００６年１月１７日出願の米国仮特許出願第６０／７５９，３８０号、２００６年１月１７日出願の米国仮特許出願第６０／７５９，４５２号、および２００６年１月１７日出願の米国仮特許出願第６０／７５９，４５６号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、燃料電池などの電気化学電池の部品を接着し封止するための方法、組成物およびシステム、ならびにこれらにより形成される電気化学電池に関する。より詳細には、本発明は、膜電極アセンブリ、流体流れプレート、プロトン交換膜およびこれらの組合せなどの燃料電池部品を接着し封止するための方法、組成物およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
様々な公知のタイプの電気化学電池があるが、１つの一般的なタイプは、ポリマー電解質膜燃料電池とも称されるプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）燃料電池などの燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、２枚の流れ場または二極性プレート間に設けられる膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を含む。二極性プレートとＭＥＡとの間にガスケットを使用して、その場でシールを提供する。加えて、個々のＰＥＭ燃料電池は通常比較的低い電圧または出力を提供するため、複数のＰＥＭ燃料電池を積み重ねて、得られた燃料電池アセンブリの電気出力全体を増大させる。個々のＰＥＭ燃料電池間には封止も必要となる。さらには、燃料電池内の温度を制御するために、冷却プレートも通常設けられる。このようなプレートも、燃料電池アセンブリ内での漏れを防止するために封止される。組み立てた後、燃料電池スタックをクランプしてアセンブリを固定する。
【０００４】
米国特許第６０５７０５４号に記載されているように、膜電極アセンブリ上に成形するための液状シリコーンゴムが提案されている。しかしながら、シリコーン組成物は、燃料電池の所望の動作寿命を達成する前にしばしば劣化することがある。また、このようなシリコーンゴムは、燃料電池を汚染する物質を放出し、それにより燃料電池の性能に悪影響が及ぼされる。セパレータプレート上への液状シリコーンゴムの成形も、米国特許第５２６４２９９号に記載されている。燃料電池の動作寿命を増大させるために、燃料電池部品の表面を接着するための、米国特許第６１６５６３４号に記載されているようなフルオロエラストマー類などより耐久性のあるエラストマー類、および米国特許第６１５９６２８号に記載されているようなポリオレフィン炭化水素が提案されている。しかしながら、これらの組成物は、ガス拡散層などの多孔質構造に十分には含浸されない。これらの熱可塑性およびフルオロエラストマー組成物の粘度はまた、基板に損傷を与えることなく射出成形するまたは多孔質構造に含浸させるためには高すぎる。
【０００５】
米国特許出願公開第２００５／０２６３２４６号Ａ１には、融点またはガラス転移温度が約１００℃である熱可塑性フィルム膜を用いてガス拡散層に含浸させる縁部シールを電極アセンブリ上に作製するための方法が記載されている。このような方法は、プロトン交換膜をさらすことができる最高温度により溶融加工温度が制限されることになるため問題となる。このシールによりその後、燃料電池の動作温度の上限が制限されることになる。たとえば、プロトン交換膜は通常１３０℃の最高温度にさらすことしかできないが、一方で少なくとも９０℃の温度で通常は動作する。したがって、この開示の接着方法によって燃料電池の通常動作温度および最高動作温度が制限されることになる。
【０００６】
米国特許第６８８４５３７号には、燃料電池部品を封止するためのシーリングビーズを備えたゴムガスケットを使用することが記載されている。接着剤の層を使用することによりガスケットを燃料電池部品に固定して、ガスケットの動きまたは滑り（ｓｌｉｐｐａｇｅ）を防止する。同様に、国際特許公開第ＷＯ２００４／０６１３３８号Ａ１および第ＷＯ２００４／０７９８３９号Ａ２には、燃料電池部品を封止するために複数部品および単一部品のガスケットを使用することが記載されている。そのように記載されているガスケットは、接着剤を使用することにより燃料電池部品に固定される。これらの接着材およびガスケットの設置は時間がかかるだけでなく、ずれ（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）により燃料電池の漏れおよび性能損失が生じることがあるため問題となる。
【０００７】
米国特許第６８７５５３４号には、燃料電池のセパレータプレートの周縁を封止するための現場硬化型（ｃｕｒｅｄ−ｉｎ−ｐｌａｃｅ）組成物が記載されている。この現場硬化型組成物は、各末端に終端アリルラジカルを有するポリイソブチレンポリマーと、有機ポリシロキサンと、各々がシリコン原子と結合している少なくとも２つの水素原子を有する有機水素ポリシロキサンと、白金触媒とを含む。米国特許第６４５１４６８号には、燃料電池のセパレータ、電極またはイオン交換膜を封止するための現場形成型（ｆｏｒｍｅｄ−ｉｎ−ｐｌａｃｅ）組成物が記載されている。この現場形成型組成物は、各末端に終端アルケニル基を有する線状ポリイソブチレンペルフルオロポリエーテルと、各々がシリコン原子と結合している少なくとも２つの水素原子を有する架橋剤または硬化剤と、ヒドロシリル化触媒とを含む。これらの組成物の架橋密度および得られる特性は、アリルまたはアルケニル二官能性基を有する線状ポリイソブチレンオリゴマー類を使用することによって制限される。これらの組成物における官能性は、ヒドロシリル官能基を変えることによって変更されるが、これにより得られる組成物の特性が制限される。
【０００８】
国際特許公開第ＷＯ２００４／０４７２１２号Ａ２には、燃料電池の流体輸送層またはガス拡散層を封止するためにフォームラバーガスケット、液状シリコーンシーラントまたは固体フッ素プラスチックを使用することが記載されている。固体ガスケット、すなわち、フォームラバーおよび／または固体フッ素プラスチックテープもしくはフィルムを使用すると、これらの材料の設置ならびにその後に続く燃料電池部品およびガスケットの位置合わせに時間がかかり、問題となる。
【０００９】
米国特許出願公開第２００３／００５４２２５号には、燃料電池電極に電極材料を塗布するためにドラムやローラなどの回転装置を使用することが記載されている。この公報には、燃料電池電極を形成するための自動プロセスが記載されているが、この公報は形成された燃料電池の封止の問題を扱っていない。
【００１０】
欧州特許出願第１５９４７７号Ａ１には、イソブチレン、イソプレンおよびパラメチルスチレンの過酸化物硬化性ターポリマーが記載されている。この組成物を燃料電池で使用することは言及されているが、用途、加工またはデバイスの詳細については提供されていない。
【００１１】
米国特許第６９４２９４１号には、異なるシートを接着して二極性セパレータプレートを形成するための導電性接着剤を使用することが記載されている。まず、導電性プライマを２枚のプレート上に塗布し、約１００℃に加熱することによって部分的に硬化する。その後、２枚のプレート間に接着剤を塗布し、これらのプレートを押し付けた後、約２６０℃まで加熱することによって接着剤を硬化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
最先端の技術があるにもかかわらず、現場硬化型または現場形成型ガスケット組成物として電気化学電池部品と共に使用するために適したシーラント組成物、ならびに燃料電池部品にシーラントを適用する方法およびシステムの必要性が依然としてある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
単一電池配置においては、流体流れ場プレートが、アノード側およびカソード側のそれぞれに設けられる。これらのプレートは電流コレクタとして働き、電極を支持し、アノード表面およびカソード表面それぞれへの燃料および酸化剤のアクセスチャネルを提供し、電池の動作時に形成される水を除去するために一部の燃料電池設計においてチャネルを提供する。複数の電池の配列においては、構成部品を積層して、複数の個別の燃料電池を有する燃料電池アセンブリが提供される。２つ以上の燃料電池を一般的には直列に、時折並列に互いに接続して、アセンブリの全出力を増大させることができる。直列配置においては、あるプレートの一方の側が１つの電池のアノードプレートとして働き、そのプレートのもう一方の側は隣接する電池のカソードプレートとして働くことができる。このような直列接続の複数の燃料電池の配列は、燃料電池スタックと称され、通常その組み立てられた状態でタイロッドおよびエンドプレートによって一緒に保持される。このスタックは、典型的には、燃料および酸化剤をアノードおよびカソード流れ場チャネルに方向づけるためのマニホルドおよび流入ポートを備える。
【００１４】
燃料電池の中央の要素は、ガス拡散層（「ＧＤＬ」）とイオン伝導性ポリマー電解質との間に配置された２つの電極（アノード、カソード）を備えるＭＥＡである。各電極層は、白金、パラジウム、ルテニウムおよび／またはニッケルなどの電気化学触媒を含む。ＧＤＬは、電極材料へのガス輸送および電極材料からのガス輸送を容易にし、電流を伝導するために、電極の上に配置する。燃料（水素）および酸化剤（酸素）を供給すると、２つの電気化学半電池反応が起こる。アノードに供給された水素が酸化されて、触媒の存在下プロトンおよび電子を生成する。得られたプロトンは、水環境内で電解質を越えてカソードへと輸送される。外部回路中を移動してからカソードに到達することが可能となる電子によって、有用な電気エネルギーが利用される。カソードでは、空気からの気体酸素が還元され、プロトンおよび電子と結合する。電池反応全体により、水素１モルおよび酸素１／２モル当たり１モルの水がもたらされる。
【００１５】
燃料電池を組み立てると、膜電極アセンブリが、セパレータプレート、典型的には二極性または単極性プレート間に押し込まれる。これらのプレートは、反応ガス用の流れチャネルを内蔵し、熱伝達用の導管も含むことができる。したがって、本発明は、電池内に水和反応ガスを密閉するための方法を提供する。このプロセスの第１のステップは、膜電極アセンブリの縁部上への液状シーラントの圧縮成形を含む。望ましくは、非電導性シーラントがガス拡散層に浸透して、燃料電池内における電気的短絡を防止する。この成形プロセスの結果、容易に取り扱うことができる縁部シールを備えた膜電極アセンブリを提供することができる。いったんアセンブリが提供されると、この成形された膜電極アセンブリをセパレータプレートと併せて配置して、単電池（ｕｎｉｔ  ｃｅｌｌ）を提供する。燃料電池スタックは通常、複数の単電池で構成される。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、液状射出成形（ｌｉｑｕｉｄ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｍｏｌｄｉｎｇ）プロセスにおいて、１液型の熱硬化性炭化水素シーラントを使用することができる。このシーラントは、モールド型の形状をとることが可能となるように、その未硬化状態において吸出し可能な（ｐｕｍｐａｂｌｅ）粘度を有する。このシーラントは、アリル終端炭化水素、反応性希釈剤、有機水素ポリシロキサン、禁止剤および触媒を含むことができる。反応性希釈剤は、硬化シールの架橋密度がもたらされるように、一官能性であっても、二官能性であっても、三官能性であっても、または多官能性であってもよい。触媒および禁止剤の適当量が、高温でシーラントが硬化されるように選択される。典型的な硬化温度は、５０〜２００℃の範囲内である。硬化温度は、望ましくは、シーラントが時宜に即して完全に硬化されるように、また膜と適合するように選択される。たとえば、典型的なペルフルオロスルホン酸ＰＥＭを１３０℃よりも高く加熱することはできない。本発明による成形プロセスでは、膜を電極およびＧＤＬと共に射出成形機のモールド型内に設置し、クランプして閉じた。１液型の炭化水素シーラントを適当な温度で加熱したモールド型、すなわちダイ内に注入し、硬化してＭＥＡに縁部シールを設けた。
【００１７】
本発明の炭化水素シーラント材料により、シリコーン、エチレンプロピレンジエンモノマー（「ＥＰＤＭ」）ゴム、フルオロエラストマー類など他の典型的なシールおよびガスケット材料を超えるいくつかの利点がもたらされる。シリコーンは通常、燃料電池の攻撃的な酸性および熱条件においては長時間安定であることはなく、有機汚染物質に対する必要な感度も提供しない。ＥＰＤＭゴムは、燃料電池内で組み立てられた後、電気的短絡を防止するためのガス拡散層への必要な含浸を提供しない。フルオロエラストマーは一般的に高価で、プロトン交換膜の劣化温度よりも高い温度で硬化する必要がある。
【００１８】
本発明の成形ＭＥＡ設計により、他のシール構成を超えるいくつかの利点がもたらされる。５層のＭＥＡ上に直接シールを射出成形することによって、縁部シールを設けて反応ガスのＭＥＡからの漏れを防止する。硬化シールにより、ＭＥＡ（ＰＥＭ、電極、ＧＤＬ）の後に続く部品をまとめて保持するための方法がもたらされる。シーラントは、射出成形プロセス中にＧＤＬに含浸させる。これにより、ＭＥＡへのシールの付着力が向上し、短絡をもたらすことになるＧＤＬの接触が防止される。この一段階シーリングプロセスにより組立て時間が低減され、燃料電池スタック中のシールの数が低減される。
【００１９】
本発明の一態様においては、液状射出成形シーラントを使用して、膜電極アセンブリのガス拡散層に含浸させることができ、また重合させて、膜電極アセンブリがシーラントの付与温度を上回る温度で動作することができるように膜電極アセンブリの縁部に沿ってシールを作り出すことができる。ＰＥＭ燃料電池の通常の動作温度は、約９０℃である。典型的なＭＥＡの温度上限は約１３０℃である。したがって、公知の熱可塑性シーラントは通常、９０℃〜１３０℃の温度範囲内で加工される。熱可塑性シーラントは、９０℃未満では溶融してはならない。というのは、そうでなければ燃料電池が動作しているときに流出してしまうからである。さらに、より速い製造時間を得るために、熱可塑性物質の加工温度を１３０℃よりも高く上昇させることはできない。というのは、ＭＥＡが劣化してしまうからである。本発明の一態様においては、熱硬化性シーラントの使用が有利である。熱硬化性シーラントは、低温でモールド型および／またはＭＥＡの部品、すなわちＧＤＬに流れ込むことができ、また９０℃〜１３０℃の温度範囲内で硬化して、燃料電池の動作温度においてだけでなく、通常の動作温度をはるかに上回る温度においても安定な架橋材料を提供することができる。有用な組成物には、官能性炭化水素および官能性フッ素含有ポリマーを含めることができる。
【００２０】
本発明の別の態様においては、液状射出成形プロセスにおいて硬化性炭化水素シーラントを使用する。このシーラントは、官能性炭化水素、反応性希釈剤、有機水素ポリシロキサン、禁止剤および触媒を含むことができる。触媒および禁止剤の量は、短時間、たとえば約１５分以内に１３０℃以下でシーラントが硬化されるように望ましくは選択される。成形プロセスにおいて、このシーラントを、適当な温度でモールド型またはダイを介して膜電極アセンブリ上に直接射出することができ、また硬化して膜電極アセンブリに縁部シールを提供することができる。
【００２１】
本発明の別の態様においては、特定の電磁放射、たとえば紫外線に対して透明または透過性であるモールド型またはダイにポリマー組成物を射出する。この組成物を射出し、所与の波長の電磁放射にダイを介してさらし、重合させてシールを形成する。
【００２２】
本発明の別の態様においては、Ｂステージ組成物を膜電極アセンブリへと溶融含浸させ、重合させて機能性シールを提供する。
【００２３】
本発明の一態様においては、燃料電池を形成するための方法が、ガス拡散層を備える膜電極アセンブリを提供するステップ、キャビティを有するモールド型を提供するステップ、キャビティが膜電極アセンブリと流体連通するようにモールド型を位置決めするステップ、キャビティ中に硬化性液状シーラント組成物を付与(塗布)するステップ、および組成物を硬化するステップを含む。シーラントを付与(塗布)するステップは、シーラントがガス拡散層に浸透するようにシーラントに圧力を加えるステップおよび／または膜電極アセンブリの縁部が完全にシーラントで覆われるようにシーラントを付与(塗布)するステップをさらに含むことができる。組成物を硬化するステップは、約１３０℃以下の温度で、望ましくは約１００℃以下の温度で、より望ましくは約室温を含めた約９０℃以下の温度でシーラントを熱硬化することをさらに含むことができる。この硬化ステップは、化学線を提供してシーラントを約室温で硬化するステップを含むことができる。望ましくは、硬化性シーラント組成物は、（メタ）アクリレート、ウレタン、ポリエーテル、ポリオレフィン、ポリエステル、これらのコポリマーおよびこれらの組合せから選択される化学線硬化性材料を含む。有用な熱硬化性シーラント組成物は、アルケニル終端炭化水素オリゴマーと、多官能性アルケニルモノマーと、少なくとも約２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル硬化剤と、ヒドロシリル化触媒とを含む。望ましくは、アルケニル終端炭化水素オリゴマーはアルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーを含む。
【００２４】
本発明の別の態様においては、燃料電池を形成するためのシステムは、対向する合わせ面を有する第１および第２のモールド型部材であって、合わせ面の少なくとも１つがガスケットの形のキャビティおよびキャビティと流体連通するポートを有し、それらの少なくとも１つが化学線を透過させる第１および第２のモールド型部材と、化学線の線源であって、そこから発生した化学線が、対向する合わせ面が実質的な当接関係に配置されたときに、キャビティに透過可能（伝達可能）である線源とを備える。望ましくは、燃料電池部品が、第１および第２モールド型部材間に固定的に配置可能であり、キャビティは燃料電池部品と流体連通する。あるいは、モールド型部材の一方が膜電極アセンブリなどの燃料電池部品であってもよく、その上に現場硬化型ガスケットを形成して一体ガスケットを提供することができる。
【００２５】
本発明の別の態様においては、燃料電池を形成するためのシステムが、対向する合わせ面を有する第１および第２のモールド型部材を備え、合わせ面の少なくとも１つがガスケットの形のキャビティおよびキャビティと流体連通するポートを有し、対向する合わせ面が実質的な当接関係に配置されたときに、熱エネルギーがキャビティに透過可能となるように、モールド型部材の少なくとも１つが加熱可能である。望ましくは、燃料電池部品が、第１および第２モールド型部材間に固定的に配置可能であり、キャビティは燃料電池部品と流体連通する。あるいは、モールド型部材の一方が膜電極アセンブリなどの燃料電池部品であってもよく、その上に現場硬化型ガスケットを形成して一体ガスケットを提供することができる。
【００２６】
本発明の別の態様においては、硬化シーラント組成物がアセンブリの周縁部の上に配置されたＭＥＡが提供され、硬化シーラント組成物は、アルケニル終端ジアリルポリイソブチレンオリゴマーと、約１個の水素原子のみがシリコン原子と結合している少なくとも約２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル硬化剤と、ヒドロシリル化触媒とを含む。硬化した組成物は、多官能性アルケニルモノマーを含むことができる。
【００２７】
本発明の別の態様においては、硬化シーラント組成物がアセンブリの周縁部の上に配置されたＭＥＡが提供され、硬化シーラント組成物は、（メタ）アクリレート、ウレタン、ポリエーテル、ポリオレフィン、ポリエステル、これらのコポリマーおよびこれらの組合せから選択される化学線硬化性材料を含む。
【００２８】
本発明の別の態様において、燃料電池が提供される。この燃料電池は、硬化シーラントを有する燃料電池部品を備え、硬化シーラントは、テレケリック官能性ポリイソブチレンと、有機水素ポリシロキサン架橋剤と、白金触媒と、光開始剤とを含む。テレケリック官能性ポリイソブチレンは、アルケニル終端ジアリルポリイソブチレンオリゴマーを含むことができる。燃料電池部品は、カソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、樹脂フレーム、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、膜電極アセンブリフレームおよびこれらの組合せであってよい。
【００２９】
本発明の別の態様において、燃料電池を形成するための方法は、基板を備える燃料電池部品を提供すること、キャビティを有するモールド型を提供すること、キャビティが基板と流体連通するようにモールド型を位置決めすること、テレケリック官能性ポリイソブチレンと、少なくとも約２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル架橋剤と、白金触媒と、光開始剤とを含む硬化性液状シーラント組成物をキャビティ内に付与(塗布)すること、および組成物を化学線で硬化することを含む。テレケリック官能性ポリイソブチレンは、アルケニル終端ジアリルＰＩＢオリゴマーを含むことができる。燃料電池部品は、カソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、樹脂フレーム、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、膜電極アセンブリフレームおよびこれらの組合せであってよい。
【００３０】
本発明の別の態様において、燃料電池を形成するための方法は、基板を含む燃料電池部品を提供すること、キャビティを有するモールド型を提供すること、キャビティが基板と流体連通するようにモールド型を位置決めすること、（メタ）アクリレート、ウレタン、ポリエーテル、ポリオレフィン、ポリエステル、これらのコポリマーおよびこれらの組合せから選択される化学線硬化性材料を含む硬化性液状シーラント組成物をキャビティ中に付与(塗布)すること、および組成物を化学線で硬化することを含む。硬化性組成物は、アルケニル終端ジアリルＰＩＢオリゴマーなどのテレケリック官能性ＰＩＢを含むことができる。燃料電池部品は、カソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、樹脂フレーム、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、膜電極アセンブリフレームおよびこれらの組合せであってよい。
【００３１】
本発明の別の態様において、燃料電池を形成するための方法は、基板を含む第１の燃料電池部品および基板を含む第２の燃料電池部品を提供すること、その第１の部分がテレケリック官能性ポリイソブチレンおよび有機水素ポリシロキサンを、第２の部分が光開始剤を含む２液型の化学線硬化性液状シーラントを提供すること、第１の燃料電池部品の基板にシーラントの第１の部分を付与(塗布)すること、第２の燃料電池部品の基板にシーラントの第２の部分を付与(塗布)すること、第１および第２の燃料電池部品の基板を近接して並置して位置合わせすること、およびシーラントを化学線で硬化することを含む。同一であっても異なっていてもよい第１または第２の燃料電池部品は、カソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、樹脂フレーム、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、ＭＥＡフレームおよびこれらの組合せであってよい。基板を位置合わせするステップは、キャビティを有するモールド型を提供すること、およびキャビティが基板と流体連通するようにモールド型を位置決めすることをさらに含むことができる。望ましくは、モールド型が、紫外線などの化学線に対して透過性である。
【００３２】
本発明は、燃料電池部品を接着し封止するための方法、組成物およびシステムも提供する。燃料電池の部品を接着し封止するために使用するシーラント組成物は、別々には安定であるが、組み合わせるまたはエネルギー源にさらすと硬化性となる２つ以上の成分を含む。２成分シーラントの系では、シーラントの第１の部分を第１の燃料電池部品基板に付与(塗布)することができ、第２の部分を第２の燃料電池基板に付与(塗布)することができる。これらの基板を接合し、シーラントを硬化して接着した燃料電池部品アセンブリを形成する。
【００３３】
本発明の別の態様において、燃料電池部品を形成するための方法は、第１の部分が開始剤を含み、第２の部分が重合可能な材料を含む２液型のシーラントを提供すること、第１の燃料電池部品の基板に、シーラントの第１の部分を付与(塗布)すること、第２の燃料電池部品の基板に、シーラントの第２の部分を付与(塗布)すること、第１および第２の燃料電池部品の基板を近接して並置して位置合わせすること、およびシーラントを硬化して、第１および第２の燃料電池部品を互いに接着することを含む。望ましくは、開始剤は化学線開始剤であり、それによりシーラントが化学線によって硬化される。重合可能な材料は、重合可能なモノマー、オリゴマー、テレケリックポリマー、官能性ポリマーおよびこれらの組合せでよい。望ましくは、官能基はエポキシ、アリル、ビニル、（メタ）アクリレート、イミド、アミド、ウレタンおよびこれらの組合せである。接着しようとする有用な燃料電池部品には、カソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、樹脂フレーム、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、膜電極アセンブリフレームおよびこれらの組合せが含まれる。
【００３４】
本発明の別の態様において、燃料電池部品を形成するための方法は、第１の部分が開始剤を含み、第２の部分が重合可能な材料を含む２液型のシーラントを提供すること、第１および第２のセパレータプレートならびに第１および第２の樹脂フレームを提供すること、第１のセパレータプレートの一方の側面または両側面、望ましくは両側面をシーラントの第１の部分でコーティングすること、第１のセパレータプレート上のシーラントの第１の部分を、化学線で活性化すること、第１の樹脂フレームの一方の側面または両側面、望ましくは一側面をシーラントの第２の部分でコーティングすること、第１のセパレータプレートと第１の樹脂フレームとを近接して並置して整合させること、シーラントを硬化して、第１のセパレータプレートと第１の樹脂フレームとを互いに接着すること、第２のセパレータプレートの一方の側面または両側面、望ましくは両側面をシーラントの第２の部分でコーティングすること、第２の樹脂フレームの一方の側面または両側面、望ましくは一側面をシーラントの第１の部分でコーティングすること、第２の樹脂フレーム上のシーラントの第１の部分を、化学線で活性化すること、第２のセパレータプレートと第２の樹脂フレームとを近接して並置して整合させること、シーラントを硬化して、第２のセパレータプレートと第２の樹脂フレームとを互いに接着すること、第１および第２のセパレータプレートを近接して並置して整合させること、シーラントを硬化して前記第１および第２のセパレータプレートを互いに接着させて、二極性セパレータプレートを形成することを含む。望ましくは、開始剤は化学線開始剤であり、それによりシーラントが化学線によって硬化される。重合可能な材料は、重合可能なモノマー、オリゴマー、テレケリックポリマー、官能性ポリマーおよびこれらの組合せでよい。望ましくは、官能基はエポキシ、アリル、ビニル、（メタ）アクリレート、イミド、アミド、ウレタンおよびこれらの組合せである。接着しようとする有用な燃料電池部品には、カソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、樹脂フレーム、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、膜電極アセンブリフレームおよびこれらの組合せが含まれる。
【００３５】
本発明の別の態様においては、燃料電池部品を形成するためのシステムが、２液型のシーラントの、開始剤を含む第１の部分を提供するための第１のディスペンサと、２部構成のシーラントの、重合可能な材料を含む第２の部分を提供するための第２のディスペンサと、第１の燃料電池部品の基板にシーラントの第１の部分を付与(塗布)するための第１のステーションと、第２の燃料電池部品の基板にシーラントの第２の部分を付与(塗布)するための第２のステーションと、第１および第２の燃料電池部品の基板を近接して並置して位置合わせするための第３のステーションと、シーラントを硬化して、第１および第２の燃料電池部品を互いに結合するための硬化ステーションとを備える。望ましくは、開始剤は化学線開始剤であり、それによりシーラントが化学線によって硬化される。重合可能な材料は、重合可能なモノマー、オリゴマー、テレケリックポリマー、官能性ポリマーおよびこれらの組合せでよい。望ましくは、官能基はエポキシ、アリル、ビニル、（メタ）アクリレート、イミド、アミド、ウレタンおよびこれらの組合せである。接着しようとする有用な燃料電池部品には、カソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、樹脂フレーム、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、膜電極アセンブリフレームおよびこれらの組合せが含まれる。
【００３６】
本発明は、漏れに対する封止が改善された、燃料電池などの電気化学電池も対象とする。この電気化学電池は、（ａ）合わせ面を有する第１の電気化学電池部品と、（ｂ）第１の電気化学電池部品の合わせ面の上に配置された硬化シーラント組成物と、（ｃ）その場所でシールを提供する硬化シーラント組成物の上に当接して配置された合わせ面を有する第２の電気化学電池部品とを備える。硬化シーラント組成物は有利には、重合可能なポリイソブチレンの反応生成物、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマー、約１つの水素原子のみがシリコン原子と結合している少なくとも約２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル硬化剤、およびヒドロシリル化触媒を含む。さらに、このシーラント組成物は、第１の電気化学電池部品の合わせ面に接着接合させることができる。
【００３７】
この硬化シーラント組成物は、第２の電池部品の合わせ面に接着結合していてもしていなくてもよい。組成物が第２の電池の合わせ面に接着結合している場合、組成物は現場形成型ガスケットとして働く。組成物が第２の電池の合わせ面に接着結合していない場合、組成物は現場硬化型ガスケットとして働く。第１の電池部品は様々で、典型的にはカソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、膜電極アセンブリフレームおよびこれらの組合せである。同様に、第２の電池部品も、第１の電池部品とは異なることを条件に、典型的にはカソード流れ場プレート、アノード流れ場プレート、ガス拡散層、アノード触媒層、カソード触媒層、膜電解質、膜電極アセンブリフレームおよびこれらの組合せである。
【００３８】
望ましくは、硬化シーラント組成物は、１，９−デカジエン、ＴＶＣＨおよびその組合せから選択される硬化性多官能性アルケニルモノマーを含む。
【００３９】
本発明の別の態様においては、電気化学電池に現場硬化型組成物が備わっている。この電気化学電池は、（ａ）合わせ面を有する第１の電気化学電池部品と、（ｂ）第１の電気化学電池部品の合わせ面の上に配置された硬化シーラント組成物と、（ｃ）その場所でシールを提供する硬化シーラント組成物の上に当接して配置された合わせ面を有する第２の電気化学電池部品とを備える。硬化シーラント組成物は有利には、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマー、多官能性アルケニルモノマー、少なくとも約２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル硬化剤、およびヒドロシリル化触媒を含む。望ましくは、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーは、アルケニル終端ジアリルポリイソブチレンオリゴマーである。望ましくは、約１つの水素原子のみが、シリル硬化剤中の任意のシリコン原子と結合している。
【００４０】
燃料電池などの電気化学電池を形成するための方法も提供される。本発明の一態様においては、電気化学電池を形成するための方法は、（ａ）各々が合わせ面を有する第１および第２の電気化学電池部品を提供するステップと、（ｂ）アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーと、多官能性アルケニルモノマーと、少なくとも約２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル硬化剤と、ヒドロシリル化触媒とを含む硬化性シーラント組成物を、第１の電気化学電池部品または第２の電気化学電池部品の少なくとも一方の合わせ面に付与(塗布)するステップと、（ｃ）シーラント組成物を硬化するステップと、（ｄ）第２の電気化学電池部品の合わせ面を第１の電気化学電池部品の合わせ面と位置合わせするステップとを含む。望ましくは、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーが、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーである。望ましくは、約１つの結合水素原子のみが、シリル硬化剤中の任意のシリコン原子と結合している。
【００４１】
本発明の別の態様においては、電気化学電池を形成するための方法は、（ａ）合わせ面を有する第１の電気化学電池部品を提供するステップと、（ｂ）第２の電気化学電池部品の合わせ面を第１の電気化学電池部品の合わせ面と整合させるステップと、（ｃ）アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーと、少なくとも約２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル硬化剤と、ヒドロシリル化触媒とを含む硬化性シーラント組成物を、第１または第２の電気化学電池部品の少なくとも一方の合わせ面の少なくとも一部に付与(塗布)するステップと、（ｄ）シーラント組成物を硬化して第１および第２の合わせ面を接着結合するステップとを含む。望ましくは、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーが、アルケニル終端ジアリルポリイソブチレンオリゴマーである。望ましくは、約１つの水素原子のみが、シリル硬化剤中の任意のシリコン原子と結合している。
【００４２】
本発明の別の態様においては、追加の硬化性ポリイソブチレン含有組成物中におけるポットライフを向上させるための方法が提供される。この方法は、組成物へのＴＶＣＨの添加を含む。望ましくは、全組成に基づき、約０．１〜約４０重量パーセントのＴＶＣＨ、より望ましくは約１〜約２０重量パーセントのＴＶＣＨを添加する。望ましくは、この方法は、全組成に基づき少なくとも約１５モルｐｐｍ（ｍｏｌａｒ−ｐａｒｔｓ−ｐｅｒ−ｍｉｌｌｉｏｎ：ｍｐｐｍ）までヒドロシリル化触媒を添加するステップをさらに含む。
【００４３】
本発明の別の態様においては、追加の硬化性組成物が提供される。この組成物は、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーと、多官能性アルケニルモノマーと、少なくとも約２つの水素化ケイ素官能基を有するシリル硬化剤と、ヒドロシリル化触媒とを含む。望ましくは、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマーがジアリルポリイソブチレンオリゴマーである。望ましくは、約１つの水素原子のみが、シリル硬化剤中の任意のシリコン原子と結合している。望ましくは、組成物の水素化ケイ素対アルケニルモル比が少なくとも１．２：１またはそれ以上である。望ましくは、多官能性アルケニルモノマーが、１，９−デカジエン、ＴＶＣＨおよびこれらの組合せから選択される。望ましくは、シリル硬化剤が、１，９−デカジエンと２，４，６，８−テトラメチルシクロテトラシロキサンとの反応生成物である二環式化合物を含む。
【００４４】
本発明のこれらの、また他の目的、態様、特徴および利点が、添付の図面と併せて読むべき本発明の例示的な諸実施形態についての以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。図面中、同様の参照文字は、異なる図を通して同じ部分または要素を指す。図面は必ずしも原寸に比例しておらず、代わりに本発明の原理の説明に重きを置いている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
本発明は、電気化学電池の部品を接着するための方法および組成物を対象とする。本明細書中で使用する電気化学電池は、化学反応および化学的燃焼を含むがこれらに限定されない化学的な源から電気を生成する装置である。有用な電気化学電池には、燃料電池、乾電池、湿電池等が含まれる。以下により詳細に説明する燃料電池は、化学反応物の燃焼を使用して電気を生成する。湿電池は液状電解質を有する。乾電池は多孔質媒体中に吸収されているか、またはそうでなければ流動性であることが抑制されている電解質を有する。
【００４６】
図１は、燃料電池１０などの電気化学燃料電池の基本的要素の断面図を示す。電気化学燃料電池は、燃料および酸化剤を電気および反応生成物に変換する。燃料電池１０は、片側に開口冷却剤チャネル１４を有し第２の側にアノード流れチャネル１６を有するアノード流れ場プレート１２と、ガス拡散層１８と、アノード触媒２０、プロトン交換膜２２と、カソード触媒２４と、第２のガス拡散層２６と、片側に開口冷却剤チャネル３０を有し第２の側にカソード流れチャネル３２を有するカソード流れ場プレート２８で構成され、これらは図１に示すように相互に関連している。アノード触媒２０、プロトン交換膜２２およびカソード触媒２４の組合せ、また場合によりガス拡散層１８および２６は、しばしば膜電極アセンブリ３６と称される。ガス拡散層１８および２６は、典型的には炭素繊維紙などの多孔質導電性シート材料で形成されている。しかしながら、本発明は炭素繊維紙の使用に限定されず、他の材料を適切に使用することもできる。しかしながら、燃料電池は、部品のこのような図示した配置に限定されない。アノードおよびカソード触媒層２０および２４は、典型的には細かく粉砕した形の白金である。アノード３４およびカソード３６を電気的に結合して（図示せず）、外部負荷（図示せず）へ電極間の電子を伝導するための経路を提供する。流れ場プレート１２および２８は、典型的には黒鉛含浸プラスチック、圧縮および剥離黒鉛、多孔質黒鉛、ステンレス鋼または他の黒鉛組成物で形成される。これらのプレートは、表面ぬれなどの表面特性をもたらすために処理することができるが、未処理のままでもよい。しかしながら、本発明は、流れ場プレートとして使用するためのこのような材料の使用に限定されず、他の材料を適切に使用することができる。さらに、本発明は、図１に示す燃料電池部品およびそれらの配置に限定されない。たとえば、一部の燃料電池では、流れ場プレートが、金属または金属含有材料、限定されないが典型的にはステンレス鋼から作製される。これらの流れ場プレートは、図１に示すように、二極性プレート、すなわち、対向するプレート表面に流れチャネルを有するプレートでよい。あるいは、これらの二極性プレートを、単極性プレートを互いに固定することによって作製することもできる。
【００４７】
さらに、図１８に示すように、一部の燃料電池の設計では、膜電極アセンブリ１３６とセパレータプレート１１２との間、また膜電極アセンブリ１３６とセパレータプレート１１８との間の樹脂フレーム１１５を利用して、膜電極アセンブリ１３６の耐久性を向上させ、また燃料電池の組立て時に、膜電極アセンブリ１３６とセパレータプレート１１２との間、また膜電極アセンブリ１３６とセパレータプレート１２８との間に正確な間隔（ｓｐａｃｉｎｇ）を提供する。このような設計においては、セパレータプレート１１２と樹脂フレーム１１５との間、セパレータプレート１２８と樹脂フレーム１１５との間にシールを設けることが必要である。
【００４８】
さらに、本発明は、図１に示す燃料電池部品およびそれらの配置に限定されない。たとえば、直接メタノール型燃料電池（「ＤＭＦＣ」）は、冷却剤チャネル以外は図１に示す同じ部品で構成することができる。さらに、燃料電池１０は、内部または外部マニホルド（図示せず）を用いて設計することもできる。
【００４９】
本発明をＰＥＭ燃料電池に関して説明してきたが、本発明は任意のタイプの燃料電池に適用可能であることを理解されたい。本発明における概念は、リン酸型燃料電池、アルカリ燃料電池、固体電解質型燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池などの高温型燃料電池、ならびに他の電気化学装置に適用することができる。
【００５０】
アノード３４では、アノード流れチャネル１６を通って移動する燃料（図示せず）が、ガス拡散層１８に浸透し、アノード触媒層２０で反応して水素カチオン（プロトン）を形成し、これら水素カチオンがプロトン交換膜２２の中を通ってカソード３８へと移動する。プロトン交換膜２２は、アノード３４からカソード３８への水素イオンの移動を容易にする。水素イオンを伝導することに加えて、プロトン交換膜２２は、酸素含有酸化剤流から水素含有燃料流を分離する。
【００５１】
カソード３８では、空気や実質的な純酸素などの酸素含有ガスが、プロトン交換膜２２を横断したカチオンまたは水素イオンと反応して、反応生成物として液状水を形成する。水素／酸素燃料電池におけるアノードおよびカソード反応を以下の式に示す。
【００５２】
アノード反応：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  （Ｉ）
カソード反応：１／２Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ  （ＩＩ）
【００５３】
単一電池配置においては、流体流れ場プレートが、アノード側およびカソード側のそれぞれに設けられる。これらのプレートは電流コレクタとして働き、電極を支持し、アノード表面およびカソード表面それぞれへの燃料および酸化剤のアクセスチャネルを提供し、電池の動作時に形成される水を除去するために一部の燃料電池設計においてチャネルを提供する。複数の電池の配列においては、複数の個別の燃料電池を有する燃料電池アセンブリが提供されるように部品を積層する。２つ以上の燃料電池１０を一般的には直列に、時折並列に互いに接続して、アセンブリの全出力を増大させることができる。直列配置においては、所与のプレートの一方の側がある電池のアノードプレートとして働き、そのプレートのもう一方の側は隣接する電池のカソードプレートとして働くことができる。このような直列接続の複数の燃料電池の配列は、燃料電池スタック（図示せず）と称され、通常その組み立てられた状態でタイロッドおよびエンドプレートによって一緒に保持される。このスタックは、典型的には、燃料および酸化剤をアノードおよびカソード流れ場チャネルに方向づけるためのマニホルドおよび流入ポートを備える。
【００５４】
図２は、燃料電池１０の基本的要素の断面図を示し、電池アセンブリ１０’が提供されるように隣接する要素の一部がそれらの間に硬化したまたは硬化性の組成物４０を有する。図２に示すように、組成物４０は、アノード場プレート１２を封止し、かつ／またはガス拡散層１８に接着する。カソード場プレート２８も封止されかつ／またはガス拡散層２６に接着される。この実施形態では、燃料電池アセンブリ１０’は、アノード触媒２０およびカソード触媒２４がその上に配置された、事前に形成された膜電池アセンブリ３６を有することが多い。燃料電池アセンブリ１０’の様々な部品間に配置される組成物４０は、同じ組成物であっても異なる組成物であってもよい。加えて、図２に示すように、組成物４０は、アノード流れ場プレート１２を封止し、かつ／または第２のカソード流れプレート２８’など第２の燃料電池の部品に接着することができる。さらに、図２に示すように、組成物４０は、カソード流れ場プレート２８を封止し、かつ／または第２のアノード流れプレート１２’など第３の燃料電池の部品に接着することができる。このようにして、部品が封止接合および／または接着接合された複数の燃料電池で燃料電池アセンブリ１０’を形成して、複数電池電気化学装置を提供する。
【００５５】
図３は、電池アセンブリ１０’’の基本的要素の断面図を示し、隣接する要素の一部がそれらの間に、同じであっても異なっていてもよい硬化したまたは硬化性の組成物４０を有する。本発明のこの実施形態においては、ガス拡散層１８がアノード流れ場プレート１２の延在する末端壁１３間に配置され、ガス拡散層２６がカソード流れ場プレート２８の延在する末端壁２７間に配置される。組成物４０を使用して、アノード流れ場プレート１２を封止し、かつ／またはアノード触媒２０に接着すると共に、カソード流れプレートを封止し、かつ／またはカソード触媒２４に接着する。
【００５６】
図４は、電池アセンブリ１０’’’の基本的要素の断面図を示し、隣接する要素の一部がそれらの間に、同じであっても異なっていてもよい硬化したまたは硬化性の組成物４０を有する。本発明のこの実施形態においては、ガス拡散層１８およびアノード触媒２０がアノード流れ場プレート１２の延在する末端壁１３間に配置され、ガス拡散層２６およびカソード触媒２４がカソード流れ場プレート２８の延在する末端壁２７間に配置される。組成物４０を使用して、アノード流れ場プレート１２を封止し、かつ／またはプロトン交換膜２２に接着すると共に、カソード流れプレートを封止し、かつ／またはプロトン交換膜２２に接着する。
【００５７】
図５は、電池アセンブリ１０’’’’の基本的要素の断面図を示し、隣接する要素の一部がそれらの間に、同じであっても異なっていてもよい硬化したまたは硬化性の組成物４０を有する。本発明のこの実施形態においては、ガス拡散層１８およびアノード触媒２０が膜電池アセンブリ３６の膜電池アセンブリフレーム４２間に配置され、ガス拡散層２６およびカソード触媒２４が膜電池アセンブリ３６の膜電池アセンブリフレーム４２間に配置される。組成物４０を使用して、アノード流れ場プレート１２を封止し、かつ／または膜電極アセンブリフレーム４２に接着すると共にカソード流れプレートを封止し、かつ／または膜電極アセンブリフレーム４２に接着する。
【００５８】
組成物４０は現場硬化型または現場形成型組成物でよく、それにより現場硬化型または現場形成型ガスケットとして働く。本明細書中で使用する語句「現場硬化型」およびその変形は、ある部品の表面に付与(塗布)されその場所で硬化される組成物を指す。封止は、ある部品と別の部品との組立て時に硬化材料を圧縮することにより実現される。この組成物は、典型的には、トレーシング（ｔｒａｃｉｎｇ）、スクリーン印刷等によって精密なパターンで付与(塗布)される。さらには、組成物を被膜として基板上に付与(塗布)することもできる。このような付与(塗布)技法は、大規模または大量生産が可能である。本明細書中で使用する語句「現場形成型」およびその変形は、２つの組み立てられた部品間に配置され両方の部品に対して硬化される組成物を指す。現場形成型および／または現場硬化型ガスケットとして重合可能な組成物を使用すると、モジュール式または統合式の燃料アセンブリスタック設計が可能となる。望ましくは、この組成物は、燃料アセンブリスタック設計の組立て時に封止が容易となるように圧縮性組成物である。
【００５９】
図６〜図９には、隣接する燃料電池部品がカソード流れ場プレート２８およびアノード流れ場プレート１２’として示してあるが、他の隣接する燃料電池部品も本発明と共に適切に使用することができる。本明細書中で使用する語句「合わせ面」およびその変形は、両者の間にシールを形成することができるように別の基板と近位で位置合わせ可能な基板の表面を指す。
【００６０】
図６に示すように、組成物４０を現場硬化型ガスケットとして形成することができ、この場合アノード流れ場プレート１２’上に組成物４０を配置し硬化するが、カソード流れ場プレート２８上には硬化のためには配置しない。図７に示すように、燃料アセンブリを組み立てると、流れ場プレート１２’とカソード流れ場プレート２８とは互いに圧迫し合い、それにより組成物４０が現場硬化型ガスケットとして働く。組成物４０は流れ場プレート１２’に接着接合および封止接合されるが、カソード流れ場プレート２８を封止係合するだけである。したがって、燃料電池アセンブリを容易にこの接合部で解体することができる。というのは、組成物４０はカソード流れ場プレート２８とは接着接合していないからである。
【００６１】
図８に示すように、組成物４０は現場形成型組成物であってもよく、この場合組成物４０は流れ場プレート１２’にカソード流れ場プレート２８を封止接合および接着接合する。図６〜図８に示すように、組成物４０は平らな平面ストリップとして示してある。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
【００６２】
図９に示すように、組成物４０は現場硬化型ガスケットで、アノード流れ場プレート１２’上にビードとして配置される。組成物４０は、燃料電池部品の組立て時にカソード流れ場プレート２８を封止係合する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、突起および／または切り欠きを有する合わせ面など、他の形状を適切に使用することもできる。
【００６３】
さらに、組成物４０は、燃料電池部品の周縁または周縁部に付与(塗布)することもできる。望ましくは、組成物４０は燃料電池部品の周縁を覆うだけでなく、燃料電池部品の周囲または周縁端部を超えて延在する。このように、その周縁またはその周縁の一部分付近に組成物４０が配置されているまたは延在している燃料電池部品を、別の燃料電池部品と合わせるように位置合わせして、これらの２つの部品を封止係合させることができる。言い換えると、燃料電池部品の周縁面は、燃料電池部品を封止係合させるためにそこに本発明の組成物を付与(塗布)することができる合わせ面であってもよい。
【００６４】
図１８は、膜電極アセンブリ１３６の耐久性を向上させ、また燃料電池の組立て時に膜電極アセンブリ１３６とセパレータプレート１１２との間および膜電極アセンブリ１３６とセパレータプレート１２８との間に正確な間隔を提供するために、膜電極アセンブリ１３６とセパレータプレート１１２との間、また膜電極アセンブリ１３６とセパレータプレート１２８との間の樹脂フレーム１１５を有する燃料電池を示す。このような設計においては、セパレータプレート１１２と樹脂フレーム１１５との間、セパレータプレート１２８と樹脂フレーム１１５との間にシールを設けることが必要である。
【００６５】
図１９は、膜電池アセンブリ１３６の周縁部１３３に、または周縁部１３３付近に硬化したまたは硬化性組成物１４０を有する膜電池アセンブリ１３６を示す。以下に説明するように、組成物１４０は、燃料電池の異なる部品を互いに封止および／または接着するために有用である。
【００６６】
しかしながら、本発明は、膜電極アセンブリ１３６などの燃料電池部品を有し、膜電極アセンブリ１３６の周縁部１３３に、または周縁部１３３付近に組成物１４０を有する構成に限定されない。たとえば、図２０に示すように、硬化したまたは硬化性組成物１４０は、膜電極アセンブリ１３６の周縁部１３３に、または周縁部１３３付近に配置し、かつ膜電極アセンブリ１３６の周縁端部１３５を覆うこともできる。
【００６７】
図２１は、燃料電池１１０の基本的要素の断面図を示し、燃料電池アセンブリ１１０’が提供されるように、隣接する要素の一部がそれらの間に硬化したまたは硬化性の組成物１４０を有する。図２１に示すように、組成物１４０はアノード流れ場プレート１１２を封止し、かつ／またはガス拡散層１１８または膜電極アセンブリ１３６に接着する。カソード場プレート１２８も封止され、かつ／またはガス拡散層１２６または膜電極アセンブリ１３６に接着される。本実施例において、燃料電池アセンブリ１１０’は、アノード触媒１２０およびカソード触媒１２４がその上に配置された、事前に形成された膜電池アセンブリ１３６を有することが多い。燃料電池アセンブリ１１０’の様々な部品間に配置される組成物１４０は、同じ組成物であっても異なる組成物であってもよい。加えて、図２１に示すように、組成物１４０は、カソード流れプレート１２８を封止し、かつ／または第２のアノード流れプレート１１２’など第２の燃料電池の部品に接着することができる。さらに、図２１に示すように、組成物１４０は、第２のアノード流れプレート１１２’を封止し、かつ／または第２の膜電極アセンブリ１３６’など第２の燃料電池の部品に接着することができる。このようにして、部品が封止接合および／または接着接合された複数の燃料電池で燃料電池アセンブリ１１０’を形成して、複数電池電気化学装置を提供する。
【００６８】
図２２は、本発明による現場硬化型ガスケットの形成に有用なモールド型４８の斜視図である。モールド型４８は、図のように相互に間連する上部モールド型部材５０と、下部モールド型部材１３６’と、注入ポート５２とを備える。この実施形態では、組成物１４０を下部モールド型部材１３６’上に配置して、その場所でまたはその上にガスケットを形成する。本発明のこの実施形態では、下部モールド型部材１３６’が望ましくは燃料電池部品、たとえば、膜電極アセンブリ１３６である。しかしながら、本発明は、下部モールド型部品として膜電極アセンブリ１３６を使用することに限定されず、他の燃料電池部品が下部モールド型部品であってもよい。図２５に示すように、注入ポート５２は、モールド型キャビティ５４と流体連通している。
【００６９】
図２３は、軸２３−２３に沿った図２２のモールド型４８の断面図である。図２３に示すように、上部モールド型部材５０はモールド型キャビティを備える。液状のガスケット形成組成物を、注入ポート５２を通してモールド型キャビティ５４に導入することができる。
【００７０】
図２４は、図２３のモールド型４８の部分分解図である。モールド型部材５０は合わせ面５６を備え、モールド型部材１３６’は合わせ面５８を備える。モールド型部材５０および１３６’は、合わせ面５６および５８が互いに実質的に近接して並置されるよう、図２３に示すように互いに整合させることができる。図２４に示すように、ガスケット１４０は、モールド型キャビティ５４が取り除かれ、合わせ面５８に接合される。
【００７１】
図２５に示すように、モールド型キャビティ５４は閉周囲設計の形をしている。図２５にはモールド型キャビティ５４が丸みを帯びた矩形として示してあるが、本発明はこれに限定されず、他の形状のキャビティを適切に使用することができる。さらに、図２４には、モールド型キャビティ５４の断面形状が矩形または方形として示してあるが、本発明はこれに限定されず、円、楕円、封止の改善のための延長部を有する幾何学的形状など、他の断面形状を適切に使用することができる。
【００７２】
図２５に示すように、モールド型５０は第２のポート６０を備えることができる。第２のポート６０は、モールド型キャビティ５４と流体連通している。第２のポート６０を使用して、ガスケット形成材料で満たされているキャビティ５４のガス抜きをすることができる。ポート５２を通してキャビティ５４にガスケット形成材料を導入するため、第２のポート６０を通って空気が逃げて、モールド型キャビティ５４のガス抜きをすることができる。第２のポート６０の寸法が本発明を限定することはない。望ましくは、第２のポート６０の寸法、すなわち、断面の範囲は、空気の脱出が可能となるように最小限に抑えるが、そこを流れるガスケット形成材料の液体の流れを制限するように十分に小さい。言い換えると、第２のポート６０は、その中を空気は流れることができるが液状ガスケット形成材料の実質的な流れは阻止されるピンホールの大きさでよい。さらに、本発明は、単一ポート５２または単一ポート６０を使用することに限定されず、ガスケット材料の導入および／または空気の放出のために複数のポートを使用することができる。
【００７３】
図２６は、図２５の軸２６−２６に沿ったモールド型部材５０の断面図である。図２６に示すように、注入ポート５２は、適切にはモールド型部材５０のキャビティまたは穴でよい。注入ポート５２の一部がネジ山（図示せず）を有していても、その中を通してガスケット形成材料を送り届けることができるバルブ（図示せず）またはチューブもしくはホース（図示せず）を有していてもよい。
【００７４】
図２７は、図２５の軸２７−２７に沿ったモールド型部材５０の断面図である。図２７に示すように、ポート６０は、適切にはモールド型部材５０のキャビティまたは穴でよい。ポート６０の一部が、空気および／またはガスケット形成材料の脱出を制御するためのバルブ（図示せず）を有していてもよい。
【００７５】
図２８は、図２５の軸２８−２８に沿ったモールド型部材５０の断面図である。モールド型キャビティ５４は、モールド型部材５０中にその合わせ面５６で延在するものとして示してある。
【００７６】
図２９は、本発明による現場硬化型ガスケットの形成に有用なモールド型４８’’の斜視図である。モールド型４８’’は、上部モールド型部材５０、下部モールド型部材７０を備える。図３０Ａおよび図３０Ｂに示すように、モールド型部材５０および７０は上述のようにして互いに当接可能で（ｆｉｔｔａｂｌｅ）、それらの間に膜電極アセンブリ１３６などの燃料電池部品を配置することができるように構成される。図３０Ａに示すように、本発明のモールド型４８’’を使用して、燃料電池部品１３６の対向する側面の周縁部上にガスケット１４０を形成することができる。図３０Ｂに示すように、本発明のモールド型４８’’を使用して、燃料電池部品１３６の対向する側面上に、また燃料電池部品１３６の周縁側面を覆ってガスケット１４０を形成することもできる。
【００７７】
図３１は、モールド型部材５０、７０を透明材料で作製することができること、またはモールド型部材５０、７０が透明材料を含むことができることを示す、モールド型部材５０、７０の斜視図である。望ましくは、モールド型部材５０、７０は透明である、すなわち、化学線、たとえば、紫外線に対して透過性または実質的に透過性である。透明なモールド型部材５０、７０の断面図を図３２に示す。
【００７８】
本発明のこの態様の方法は、液状の化学線硬化性ガスケット形成組成物の注入前に、または注入時にキャビティのガス抜きをするステップをさらに含むことができる。望ましくは、このガス抜きをするステップは、キャビティ５４と流体連通している第２のポート６０を通してガス抜きをすることを含む。
【００７９】
キャビティ５４のガス抜きにより、また上述の流体特性により、液状組成物が、過度の液状処理圧力を必要とすることなく十分にキャビティ５４を満たす。望ましくは、液状組成物は、６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉｇ）以下の流体処理圧力でキャビティ５４を十分に満たす。
【００８０】
組成物を硬化したまたは少なくとも部分的に硬化した後、モールド型部材５０、１３６’または５０、７０を互いに解除してガスケットを露出させることができ、その後、ガスケット１４０をモールド型キャビティ５４から取り外すことができる。ガスケット１４０を、望ましくは、燃料電池部品、たとえば、膜電極アセンブリ１３６に配置および／または固定する。
【００８１】
上部モールド型部材５０、７０が溝またはモールド型キャビティ５４を有するものとして本発明を説明してきたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、下部モールド型部材１３６’、７０および／または膜電極アセンブリ１３６などの燃料電池部品が、上部モールド型部材のモールド型キャビティ５４に加えて、または上部モールド型部材のモールド型キャビティ５４の代わりに、シールの設置および形成用の溝またはモールド型キャビティを有することもできる。
【００８２】
さらに、本発明の燃料電池の流れ場プレートは、二極性プレート、すなわち、対向するプレート表面に流れチャネルを有するプレートでよい。たとえば、図３３〜図３４に示すように、二極性流れ場プレート１１９を、片側だけに流れチャネルを有する単極性プレート１１２、１２８から作製することができる。単極性プレート１１２、１２８を互いに固定して二極性プレート１１９を形成することができる。本発明の一態様では、本発明の組成物で、また本発明の方法によって、プレート１１２および１２８の封止も行う。
【００８３】
燃料電池バリアシーラントの物理的特性要件の要求があるため、ポリイソブチレンなど表面エネルギーが低いポリマー類が望ましい。架橋結合をもたらすためには、ビニル終端ポリイソブチレンなどのテレケリック官能性ポリイソブチレン類がより望ましい。これらテレケリック官能性ポリイソブチレン類は、適切な可溶性有機水素ポリシロキサン架橋剤と反応して硬化シーラントを形成することができる。典型的には、本発明の前に、白金触媒の存在下、以下のように架橋を行った。
【００８４】
【化１】
0005594967.tif 000002
ヒドロシリル化により硬化した有機ベースの配合物を、典型的には白金触媒を用いて熱硬化するが、このような硬化は通常、高温で少なくとも１時間を要する。しかしながら、このような硬化条件により、連続製造プロセスが制限される。
【００８５】
本発明の一態様においては、本発明の液状シーラント組成物を、室温または室温付近で短時間内に、たとえば、約５分以内に硬化することができる。より望ましくは、この液状組成物を１分以内に硬化する、たとえば、３０秒以内に硬化する。
【００８６】
望ましくは、本発明で使用する硬化シーラント組成物は、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマー、たとえば、アルケニル終端ジアリルポリイソブチレンオリゴマーと、任意に多官能性アルケニルモノマーと、少なくとも１つの水素原子がシリコン原子に結合しているシリル硬化剤または架橋剤と、ヒドロシリル化触媒とを含むことができる。望ましくは、約１個の水素原子だけが、シリル硬化剤中の任意のシリコン原子と結合している。
【００８７】
本発明の組成物は改質されら分子構造を有し、その結果機械的特性、架橋密度および反応熱が高まる。本発明の組成物は式（Ａ−Ａ  ＋  Ａｆ  ＋  Ｂｆ）によって表すことができ、式中、「Ａ−Ａ」はアルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマー、たとえば、ジアリルポリイソブチレンのアルケニル基を示し、「Ａ」はアルケニル基を示し、「Ｂ」はＳｉ−Ｈ基を示し、「ｆ」は対応する官能基の数を指す。
【００８８】
アルケニルと水素化物が共に二官能性である場合、重合により直線構造がもたらされる。しかしながら、このような直線構造における官能性水素化物基の数により、反応ネットワークの全体としての官能性および架橋密度が限定される。単一のモノマーまたはオリゴマーに３つ以上のアルケニル基を組み込むことによって、架橋密度が増大し、機械的特性が向上する。
【００８９】
３つ以上のアルケニル基を有する１つの有用な多官能性アルケニルモノマーは、下記化学式のＴＶＣＨである。
【００９０】
【化２】
0005594967.tif 000003
【００９１】
ＴＶＣＨは、低粘度（１．３ｍＰａｓ）の三官能性モノマーである。ＴＶＣＨのモル質量は、１モル当たり１６２．３グラムである。しかしながら、本発明は、三官能性モノマーの使用に限定されず、４つ以上のアルケニル基を有するモノマー類を、本発明の組成物と共に適切に使用することもできる。
【００９２】
アルケニル基を２つ有する有用な１つの多官能性アルケニルモノマーは、１，９−デカジエン（ＣＡＳ  Ｎｏ．１６４７−１６−１）であり、その分子量は１モル当たり１３８．２５グラムである。
【００９３】
多官能性アルケニルモノマーまたはアルケニルモノマー類の組合せは、全組成に基づく約０．０１重量パーセント〜約９０重量パーセントの量で存在することができる。望ましくは、多官能性アルケニルモノマーまたはアルケニルモノマー類の組合せは、全組成に基づく約０．１重量パーセント〜約５０重量パーセントの量で存在することができる。より望ましくは、多官能性アルケニルモノマーまたはアルケニルモノマー類の組合せは、全組成に基づく約１重量パーセント〜約１０重量パーセントの量を含めた、全組成に基づく約１重量パーセント〜約２０重量パーセントの量で存在することができる。
【００９４】
相溶性も重量な問題であり、本発明の二官能性オリゴマーと適合する多官能性モノマー類のみを組み込むことが望ましい。２相に分離した多官能性モノマー類は適合しない。ＴＶＣＨは、本発明のポリイソブチレン樹脂と完全に適合している。重量百分率が最大約２０重量パーセントのＴＶＣＨでは、得られる本発明の組成物により、アルケニル樹脂と混合した場合に透明な単一相溶液が形成される。
【００９５】
有用なジアルケニル終端線状ポリ（イソブチレン）オリゴマー類は、日本の大阪にある株式会社カネカから、ＥＰ２００Ａ、ＥＰ４００ＡおよびＥＰ６００Ａとして市販されている。これら３種のオリゴマー類は、同じ官能性を有するが、分子量が異なる。ＥＰ２００Ａ、ＥＰ４００ＡおよびＥＰ６００Ａの近似分子量（Ｍｎ）は、それぞれ５，０００、１０，０００および２０，０００である。これら３種のオリゴマー類は、それぞれ２５℃で９４４，３００センチポアズ（「ｃｐｓ」）から１，５００，０００ｃｐｓ、２，７１１，０００ｃｐｓと粘度も異なる。
【００９６】
本発明の組成物は、反応性水素化ケイ素官能基を少なくとも２つ、すなわち、Ｓｉ−Ｈ基を少なくとも２つ有するシリコーンを含むこともできる。この成分は、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマー向けの硬化剤または架橋剤として機能する。ヒドロシリル化触媒の存在下、架橋成分中のシリコンと結合した水素原子が、ヒドロシリル化と称される、反応性オリゴマー中の不飽和基との付加反応を受ける。この反応性オリゴマーは不飽和基を少なくとも２つ含むため、シリコーン架橋成分は、硬化生成物中で最終的な架橋構造を実現するために、望ましくは少なくとも２つのシリコンと結合した水素原子を含むことができる。シリコーン架橋成分中に存在するシリコンと結合した有機基は、実質的にエチレン不飽和またはアセチレン不飽和でないということ以外は、反応性シリコーン成分について上に記載したような置換または非置換の一価炭化水素ラジカルと同じ群から選択することができる。シリコーン架橋剤は、直鎖構造、分岐した直鎖構造、環状構造またはネットワーク構造でよい分子構造を有することができる。
【００９７】
シリコーン架橋成分は、望ましくは下記式に従う幅広い化合物から選択することができる。
【００９８】
【化３】
0005594967.tif 000004
式中、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３のうち少なくとも２つはＨであり、そうでなければＲ１、Ｒ２およびＲ３は同一であっても異なってもよく、アルキル、アルケニル、アリール、アルコキシ、アルケニルオキシ、アリールオキシ、（メタ）アクリルまたは（メタ）アクリルオキシを含めた炭化水素ラジカルなど、Ｃ１−２０からの置換または非置換炭化水素ラジカルでよく、したがってＳｉＨ基は末端で結合していても、ペンダント基としてシロキサン骨格に沿って結合していても、またはその両方でもよく、Ｒ４は、Ｃ１−２０のアルキル、アルケニル、アリール、アルコキシ、アルケニルオキシ、アリールオキシ、（メタ）アクリルまたは（メタ）アクリルオキシを含めた炭化水素ラジカルなど、Ｃ１−２０からの置換または非置換炭化水素ラジカルでよく、望ましくはメチルなどのアルキル基であり、ｘは１０〜１，０００の整数であり、ｙは１〜２０の整数である。望ましくは、Ｒ２およびＲ３が共に水素ではない、たとえば、Ｒ１がＨで、Ｒ２およびＲ３の両方ではなくいずれか一方がＨである。望ましくは、ＨではないＲ基はメチルである。水素化ケイ素架橋剤は、所望の量の架橋を実現するのに十分な量で、望ましくは組成物の約０．５〜約４０重量パーセントの量で、より望ましくは、組成物の約１〜約２０重量パーセントの量で存在すべきである。
【００９９】
二環式架橋化合物を一段階反応で調製したが、本発明の官能性炭化水素エラストマー類と適合した。２モルの２，４，６，８−テトラメチルシクロテトラシロキサンを、触媒の存在下１モルの１，９−デカジエンと反応させて液状水素化物を生成した。この液状水素化物は炭化水素オリゴマー類と適合し、またアルケニルオリゴマー類と反応して、燃料電池等の封止に有用なエラストマー類を形成する。このような有用な二環式架橋化合物は、本発明の実施に際して有用である。しかしながら、本発明はこれに限定されず、フルオロエーテル類など他の二環式化学構造を適切に使用することもできる。この二環式架橋剤は、所望の量の架橋を実現するのに十分な量で、望ましくは組成物の約０．５〜約４０重量パーセントの量で、より望ましくは、組成物の約１〜約２０重量パーセントの量で存在すべきである。
【０１００】
本発明の二環式架橋剤の構造は、以下に示すような、１，９−デカジエンと２，４，６，８−テトラメチルシクロテトラシロキサンとの反応生成物である。
【０１０１】
【化４】
0005594967.tif 000005
【０１０２】
有用な白金触媒には、米国特許第３１５９６０１号および第３１５９６６２号に記載されている白金炭化水素錯体、米国特許第３２２０９７２号に記載されている白金アルコラート触媒、米国特許第３８１４７３０号に記載されている白金錯体、および米国特許第３５１６９４６号に記載されている塩化白金−オレフィン錯体などの白金または白金含有錯体が含まれる。白金または白金含有触媒に関するこれらの特許のそれぞれは、参照により本明細書中に明示的に援用される。望ましくは、白金または白金含有錯体はジカルボニル白金シクロビニル錯体、白金シクロビニル錯体、白金ジビニル錯体またはこれらの組合せである。
【０１０３】
白金触媒は、組成物が約１３０℃以下の温度で、望ましくは約１００℃以下の温度で、より望ましくは約９０℃以下の温度で硬化するように十分な量であってよい。より望ましくは、本発明の組成物を紫外線なとの化学線によって硬化することができるように、以下に記載する光開始剤のうちの１つまたは複数などの光開始剤。望ましくは、室温で、または室温付近で約５分以内に液状組成物を硬化することができる。より望ましくは、液状組成物を１分以内に硬化する、たとえば、３０秒以内に硬化する。
【０１０４】
本発明の一態様において、液状のガスケット形成材料としては、化学線硬化性（メタ）アクリレート類、ウレタン類、ポリエーテル類、ポリオレフィン類、ポリエステル類、これらのコポリマーおよびこれらの組合せを挙げることができる。望ましくは、この硬化性材料は、少なくとも２つの（メタ）アクリロイルペンダント基を有する（メタ）アクリロイル終端材料を含む。望ましくは、（メタ）アクリロイルペンダント基は一般式−ＯＣ（Ｏ）Ｃ（Ｒ１）＝ＣＨ２で表され、式中、Ｒ１は水素またはメチルである。より望ましくは、液状ガスケット形成材料は（メタ）アクリロイル終端ポリ（メタ）アクリレートである。この（メタ）アクリロイル終端ポリ（メタ）アクリレートは、望ましくは約３，０００〜約４０，０００の、より望ましくは約８，０００〜約１５，０００の分子量を有することができる。さらに、この（メタ）アクリロイル終端ポリ（メタ）アクリレートは、２５℃（７７°Ｆ）で望ましくは約２００Ｐａｓ（２００，０００ｃＰｓ）〜約８００Ｐａｓ（８００，０００ｃＰｓ）の、より望ましくは約４５０Ｐａｓ（４５０，０００ｃＰｓ）〜約５００Ｐａｓ（５００，０００ｃＰｓ）の粘度を有することができる。このような硬化性（メタ）アクリロイル終端材料の詳細は、Ｎａｋａｇａｗａらの欧州特許出願第１０５９３０８号Ａ１に見ることができ、また日本の株式会社カネカから市販されている。
【０１０５】
本発明の別の態様においては、硬化性シーラントを液状射出成形プロセスで使用することができる。セパレータプレートおよび樹脂フレームを、モールド型内で積み重ね整合させることができる。これらの部品を、たとえばカソード樹脂フレーム、カソードセパレータ、アノードセパレータおよびアノード樹脂フレームの順に下から上へ積み重ねる。これらの燃料電池部品は、１つまたは複数の連続的な経路またはゲートを含むことができ、これらの経路またはゲートにより、シーラントが、上面、下面および／または縁部に成形シールを提供しながら各部品中を通過し部品を接着することが可能となる。このシーラントは、モールド型の形状をとることが可能となるように、その未硬化状態において吸出し可能な粘度を有する。この硬化性シーラントを、適当な温度の加熱したモールド型、すなわちダイに注入して、燃料電池部品を接着し封止する。
【０１０６】
本発明の別の態様においては、硬化性シーラントを液状射出成形プロセスで使用する。２つのセパレータプレートを、セパレータの冷却剤経路側が互いに向かい合うように、モールド型内で積み重ね整合させる。これらのセパレータは、１つまたは複数の連続的な経路を含むことができ、これらの経路により、シーラントが、各端部および／または縁部に成形シールを提供しながら各部品を接着することが可能となる。このシーラントは、モールド型の形状をとることが可能となるように、その未硬化状態において吸出し可能な粘度を有する。この硬化性シーラントを、適当な温度の加熱したモールド型、すなわちダイに注入して、セパレータを接着し封止する。連続的な経路がない場合には、縁部が封止された二極性プレートを製造する。
【０１０７】
本発明の別の態様においては、硬化性シーラントを液状射出成形プロセスで使用する。１つまたは複数のゲートまたはホールを有することができる、樹脂フレームなどの燃料電池部品を、モールド型、すなわちダイ内に設置する。このシーラントは、モールド型の形状をとることが可能となるように、その未硬化状態において吸出し可能な粘度を有する。この硬化性シーラントを、適当な温度の加熱したモールド型、すなわちダイに注入してシーラントを硬化する。一体化したシールを両側に、また場合によっては縁部に有する樹脂フレームが提供される。
【０１０８】
選択した部品を別のプロセスにおいて接着し、その後接着し封止するために本発明で説明した方法に進むことができることも想定される。一例として、ＭＥＡおよび接着アセンブリを、成形プロセスにおいて積み重ね整合させる。接着アセンブリは、一例として、樹脂フレームおよびセパレータで構成することができる。これらＭＥＡおよび接着アセンブリは、１つまたは複数の連続的な経路を含むことができ、これらの経路により、シーラントが、各端部および／または縁部に成形シールを提供しながら各部品を接着することが可能となる。このシーラントは、モールド型の形状をとることが可能となるように、その未硬化状態において吸出し可能な粘度を有する。この硬化性シーラントを、適当な温度の加熱したモールド型、すなわちダイに注入して、セパレータを接着し封止する。
【０１０９】
本発明の一態様において、本発明で使用する硬化シーラント組成物は、アルケニル終端ポリイソブチレンオリゴマー、たとえば、アルケニル終端ジアリルポリイソブチレンオリゴマーと、場合により多官能性アルケニルモノマーと、シリコン原子に結合した水素原子を少なくとも１つ有するシリル硬化剤または架橋剤と、ヒドロシリル化触媒とを含む。望ましくは、約１個の結合水素原子だけが、シリル硬化剤中の任意のシリコン原子と結合している。
【０１１０】
望ましくは、この液状組成物は光開始剤を含むこともできる。上で言及した本発明の利益および利点を提供するために、複数の光開始剤を組成物中に採用することもできる。光開始剤により、光硬化性組成物全体を化学線などの電磁放射にさらした場合に、硬化プロセスの速度が高まる。本発明で使用するための適切な光開始剤の例には、「ＩＲＧＡＣＵＲＥ」および「ＤＡＲＯＣＵＲ」の商品名でＣｉｂａ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから市販されている光開始剤、特に、「ＩＲＧＡＣＵＲＥ」１８４（１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン）、９０７（２−メチル−１−［４−（メチルチオ）フェニル］−２−モルホリノプロパン−１−オン）、３６９（２−ベンジル−２−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ−１−（４−モルホリノフェニル）−１−ブタノン）、５００（１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンとベンゾフェノンとの組合せ）、６５１（２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン）、１７００（ビス（２，６−ジメトキシベンゾイル−２，４，４−トリメチルペンチル）ホスフィンオキシドと２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−プロパン−１−オンとの組合せ）、および８１９［ビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）フェニルホスフィンオキシド］、ならびに「ＤＡＲＯＣＵＲ」１１７３（２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−１−プロパン−１−オン）および４２６５（２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニル−ホスフィンオキシドと２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−プロパン−１−オンとの組合せ）、ならびに可視光［青］光開始剤、ｄｌ−カンファーキノンおよび「ＩＲＧＡＣＵＲＥ」７８４ＤＣが含まれるが、これらに限定されない。もちろん、これらの材料の組合せを本発明で採用することもできる。
【０１１１】
本発明において有用な他の光開始剤には、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、ピルビン酸プロピル、ピルビン酸ブチルなどのピルビン酸アルキル、およびフェニル、ベンジルなどのピルビン酸アリール、ならびに適宜置換されたこれらの誘導体が含まれる。本発明における使用に特に適している光開始剤には、紫外線光開始剤、例えば２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン（たとえば、「ＩＲＧＡＣＵＲＥ」６５１）、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−１−プロパン（たとえば、「ＤＡＲＯＣＵＲ」１１７３）、ビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）フェニルホスフィンオキシド（たとえば、「ＩＲＧＡＣＵＲＥ」８１９）、および紫外線／可視光開始剤の組合せのビス（２，６−ジメトキシベンゾイル−２，４，４−トリメチルペンチル）ホスフィンオキシドと２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−プロパン−１−オン（たとえば、「ＩＲＧＡＣＵＲＥ」１７００）、ならびに可視光開始剤のビス（η５−２，４−シクロペンタジエン−１−イル）−ビス［２，６−ジフルオロ−３−（１Ｈ−ピロール−１−イル）フェニル］チタン（たとえば、「ＩＲＧＡＣＵＲＥ」７８４ＤＣ）が含まれる。有用な化学線には、紫外光、可視光およびこれらの組合せが含まれる。望ましくは、液状ガスケット形成材料を硬化するために使用する化学線は、約２００ｎｍ〜約１，０００ｎｍの波長を有する。有用な紫外線には、ＵＶＡ（約３２０ｎｍ〜約４１０ｎｍ）、ＵＶＢ（約２９０ｎｍ〜約３２０ｎｍ）、ＵＶＣ（約２２０ｎｍ〜約２９０ｎｍ）およびこれらの組合せが含まれるが、これらに限定されない。有用な可視光には、青色光、緑色光およびこれらの組合せが含まれるが、これらに限定されない。このような有用な可視光は、約４５０ｎｍ〜約５５０ｎｍの波長を有する。
【０１１２】
しかしながら、本発明は紫外線の使用だけに限定されず、熱、圧力、紫外線、マイクロ波、超音波、電磁放射など他のエネルギー源を使用して、組成物の１種または複数種の重合を開始することができる。加えて、活性化剤なしで開始剤が活性となることもある。さらに、この開始プロセスは、組立て前、組立て時、および／または組立て後に適用することができる。
【０１１３】
場合により、液状組成物の導入前に、キャビティ５４に離型剤を付与(塗布)することができる。必要に応じて、離型剤は、モールド型キャビティから硬化ガスケットの容易な取り外しに役立つ。有用な離型組成物には、ポリテトラフルオロエチレンなどの乾燥スプレー、ならびにシリコーンや有機油などのスプレー式油（ｓｐｒａｙ−ｏｎ−ｏｉｌｓ）またはふき取り式油（ｗｉｐｅ−ｏｎ−ｏｉｌｓ）が含まれるが、これらに限定されない。有用な離型組成物には、化学的および／または物理的に金属表面と反応するベタイン基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アンモニウム塩基、これらの組合せなどの有機親水基で少なくとも１つの末端が末端置換されたＣ６〜Ｃ１４のペルフルオロアルキル化合物を含む組成物が含まれるが、これらに限定されない。Ｈｅｎｋｅｌ’ｓ  Ｆｒｅｋｏｔｅの銘柄で販売されているものなど、様々な離型剤が利用可能である。加えて、離型剤は、モールド型形状に成形することができる熱可塑性フィルムであってもよい。
【０１１４】
上記（メタ）アクリロイル終端ポリ（メタ）アクリレート組成物に加えて、組成物はさらに、（メタ）アクリロイル終端ポリエーテル、（メタ）アクリロイル終端ポリオレフィン、（メタ）アクリロイル終端ポリウレタン、（メタ）アクリロイル終端ポリエステル、（メタ）アクリロイル終端シリコーン、これらのコポリマーおよびこれらの組合せから選択される少なくとも２つの（メタ）アクリロイルペンダント基を有する（メタ）アクリロイル終端化合物を含むことができる。
【０１１５】
この組成物はさらに、単官能性（メタ）アクリレートを含むことができる。有用な単官能性単官能性（メタ）アクリレート類は、一般構造ＣＨ２＝Ｃ（Ｒ）ＣＯＯＲ２に包含され、式中、ＲはＨ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５またはＣｌなどのハロゲンであり、Ｒ２はＣ１−８のモノシクロアルキルまたはビシクロアルキル、複素環中に最大２個の酸素原子を有する３〜８員環の複素環ラジカル、Ｈ、アルキル、アルキル部分がＣ１−８の直鎖または分岐の炭素原子鎖であるヒドロキシアルキルまたはアミノアルキルである。具体的な単官能性（メタ）アクリレートモノマー類の中でも、ヒドロキシプロピルメタクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、メチルメタクリレート、テトラヒドロフルフリルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、２−アミノプロピルメタクリレートおよびこれらの対応するアクリレート類が特に望ましく、上記構造の一部に対応する。
【０１１６】
本発明の別の態様においては、本発明のポリ（メタ）アクリレート組成物は、場合により、ポリ（メタ）アクリレートポリマーまたはコポリマーを約０％〜９０％、少なくとも２（メタ）アクリレート官能基を含むポリ（メタ）アクリレートポリマーまたはコポリマーを約０％〜約９０％、単官能性および／または多官能性（メタ）アクリレートモノマー類を約０重量％〜約９０重量％、光開始剤を約０重量％〜約２０重量％、酸化防止剤などの添加剤を約０重量％〜約２０重量％、ヒュームドシリカなどの充填剤を約０重量％〜約２０重量％、レオロジー調整剤を約０重量％〜約２０重量％、接着促進剤を約０重量％〜約２０重量％、および／または蛍光剤もしくは顔料を約０重量％〜約２０重量％含むことができる。
【０１１７】
本発明の別の態様においては、シーラント組成物４０が、末端アルケニルもしくはアリル基を有する線状ＰＩＢオリゴマーに基づかない重合可能な材料、および／または、それぞれシリコン原子と結合している少なくとも２つの水素原子を有していない架橋剤を含むことができる。たとえば、本発明の組成物は、分岐ＰＩＢオリゴマー骨格を含むことができる。さらに、この線状のまたは分岐したＰＩＢオリゴマー骨格は、内部もしくはペンダント型のアルケニル、または場合により末端にアルケニルもしくはアリル末端基がない他の官能基を含むことができる。さらに、このオリゴマー骨格は、ＰＩＢと別のモノマー、たとえばスチレンとのコポリマーを含むこともできる。コポリマーは、ランダムまたはブロックコポリマーでよい。
【０１１８】
さらに、アルケニルおよび／またはアリル末端基がないまたは実質的にない線状のまたは分岐したＰＩＢポリマーまたはコポリマー組成物を、本発明において適切に使用することもできる。たとえば、１つまたは複数の末端にＳｉ−ＣＨ３末端および／またはペンダント基を１つまたは複数有するこのような線状のまたは分岐したＰＩＢポリマーまたはコポリマー組成物を、本発明において使用することができる。たとえば、１つまたは複数の末端またはペンダントＳｉ−ＣＨ３基は、以下のように表すことができる。
【０１１９】
【化５】
0005594967.tif 000006
式中同一であっても異なっていてもよいＲ５、Ｒ６およびＲ７はアルキルであり、同一であっても異なっていてもよく、Ｃ１−２０からの置換または非置換炭化水素ラジカルでよく、このような炭化水素ラジカルにはアルキル、アルケニル、アリール、アルコキシ、アルケニルオキシ、アリールオキシ、（メタ）アクリルまたは（メタ）アクリルオキシが含まれる。ただし、Ｒ５、Ｒ６およびＲ７のうち少なくとも１つはメチルなどのアルキル基である。ラジカル開始剤の使用を利用して、アルキル基、たとえばメチル基から水素を取り去ることができる。得られたアルキルまたはメチルラジカルは、アルケンまたはビニル官能基を有する化合物と反応する。アルケンまたはビニル官能基を有する適切な化合物には、ＴＶＣＨおよび／または１，９−デカジエンなど上述の多官能性アルケニルモノマー類が含まれるが、これらに限定されない。このようなラジカル開始重合の前、この線状または分岐したＰＩＢポリマーまたはコポリマー組成物に実質的にはＳｉ−Ｈ基がない。
【０１２０】
別の非限定的な例として、線状または分岐したＰＩＢポリマーまたはコポリマー組成物の１つまたは複数の末端を、以下のように表されるテトラアルキルジシロキサン、望ましくはテトラメチルジシロキサンでキャップすることができる。
【０１２１】
【化６】
0005594967.tif 000007
式中同一であっても異なっていてもよいＲ８、Ｒ９、Ｒ１０およびＲ１１は、アルキルであり、同一であっても異なっていてもよく、アルキル、アルケニル、アリール、アルコキシ、アルケニルオキシ、アリールオキシ、（メタ）アクリルまたは（メタ）アクリルオキシが含まれる炭化水素ラジカルなど、Ｃ１−２０からの置換または非置換炭化水素ラジカル、望ましくはメチルなどのアルキル基でよい。このような組成物は、上述のヒドロシリル化触媒により硬化することができ、また場合により、ＴＶＣＨや１，９−デカジエンなど上述の多官能性アルケニルモノマー類を含むこともできる。
【０１２２】
本発明の有用な組成物の追加の例には、エポキシドおよび／またはビニルエーテル末端基を有する線状または分岐したＰＩＢポリマーまたはコポリマー組成物が含まれる。非限定的な例には、ＰＩＢ脂環式エポキシドおよびＰＩＢビニルエーテルが含まれる。有用な脂環式エポキシド基には、下記が含まれる。
【０１２３】
【化７】
0005594967.tif 000008
式中、Ｒ１２はＣ１−２０のアルキルまたはＨである。有用なＰＩＢビニルエーテル基には下記が含まれる。
【０１２４】
【化８】
0005594967.tif 000009
【０１２５】
さらに、過酸化剤により本発明の組成物を硬化させるか、または硬化を開始させることができる。特に、１つまたは複数のペンダントまたは末端Ｓｉ−ＣＨ３を有する上記化合物は、ペルオキシ剤により開始することができる。ペルオキシ架橋剤および開始剤を含めた有用なペルオキシ剤には、ヒドロペルオキシ重合開始剤、たとえば、式ＲＯＯＨの有機ヒドロペルオキシド開始剤が含まれ、式中、Ｒは一般に、最大約１８個の炭素を含む炭化水素ラジカル、望ましくは最大約１２個の炭素原子を含むアルキル、アリールまたはアラルキルラジカルである。このようなヒドロペルオキシド類の典型的な例には、クメンヒドロペルオキシド、メチルエチルケトンヒドロペルオキシド、ならびにメチルブテン、セタン、シクロヘキサンなど様々な他の炭化水素の酸素化（ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ）によって形成されるヒドロペルオキシド類が含まれる。過酸化水素など他のペルオキシ開始剤、あるいは加水分解または分解してヒドロペルオキシド類を形成する有機ペルオキシド類または過酸エステルなどの材料を使用することもできる。
【０１２６】
本発明の一態様においては、２液型シーラントを使用してセパレータプレート１２、１１２、２８、１２８と樹脂フレーム１５、１１５とを接着する。シーラントの部分Ａ（Ａ液）は紫外線により活性化される開始剤を含むことができ、この紫外線により活性化される開始剤は、酸、塩基、ラジカル、アニオン性および／またはカチオン性開始剤でよい。シーラントの部分Ｂ（Ｂ液）は、重合可能なモノマー、オリゴマー、テレケリックポリマーおよび／または官能性ポリマーを含むことができる。官能基は、一例として、エポキシ、アリル、ビニル、（メタ）アクリレート、イミド、アミドまたはウレタンでよい。樹脂フレーム１５、１１５は、燃料電池アセンブリ１０、１１０内に間隔をあけるために使用する。セパレータ１２、１１２、２８、１２８のガス経路側に樹脂フレーム１５、１１５を設置し、各要素間にシールを提供する。第１の製造ラインでは、セパレータプレート１２、１１２、通常ステンレス鋼などの金属シートを、望ましくはその両側をシーラントの部分Ａでコーティングし、切断し、型打ちして反応ガスおよび冷却剤用経路のために必要なチャネルを生成し、紫外線で活性化する。樹脂フレーム１５、１１５の少なくとも片側をシーラントの部分Ｂでコーティングし、コーティングしたセパレータプレート１２、１１２と共に組み立てて、フレームを接着させたアノードセパレータを提供する。第２の製造ラインでは、第２のセパレータプレート１２、１１２、通常ステンレス鋼のシートを、望ましくはその両側をシーラントの部分Ｂでコーティングし、切断し、型打ちして反応ガスおよび冷却剤用経路のために必要なチャネルを生成して、セパレータプレート２８、１２８を形成する。少なくとも片側をシーラントの部分Ａでコーティングし紫外線を照射した第２の樹脂フレーム１５、１１５を、セパレータプレート２８、１２８と共に組み立てて、フレームを接着させたカソードセパレータを提供する。最後に、その一方の側にシーラントの部分Ａのコーティングが露出している接着アノードセパレータと、その一方の側にシーラントの部分Ｂのコーティングが露出している接着カソードセパレータとが位置を合わせられるようにこれら２つの製造ラインが出会い、シーラントの部分Ａおよび部分Ｂが反応し、燃料電池界面を封止して接着アセンブリを形成する。
【０１２７】
本発明の別の態様においては、２液型のシーラントを使用してセパレータプレート１２、１１２、２８、１２８を接着する。シーラントの部分Ａは紫外線により活性化される開始剤を含むことができ、この紫外線により活性化される開始剤は、酸、塩基、ラジカル、アニオン性および／またはカチオン性開始剤でよい。シーラントの部分Ｂは、重合可能なモノマー、オリゴマー、テレケリックポリマーおよび／または官能性ポリマーで構成される。官能基は、一例として、エポキシ、アリル、ビニル、（メタ）アクリレート、イミド、アミドまたはウレタンでよい。部分Ａを第１のセパレータプレートに付与(塗布)し、部分Ｂを第２のセパレータプレートに付与(塗布)する。アノードセパレータ１２、１１２の冷却剤経路側に部分Ａを付与(塗布)する。カソードセパレータ２８、１２８の冷却剤経路側に部分Ｂを付与(塗布)する。アノードセパレータ１２、１１２上で、部分Ａは紫外線を受けて開始剤を活性化し、その後カソードセパレータ２８、１２８と共に圧縮により組み立てる。部分Ａと部分Ｂとが反応し部品を封止して二極性プレート１１９を形成するように、セパレータ１２、１１２、２８、１２８を接合する。
【０１２８】
本発明の別の態様においては、１液型のシーラントを使用してセパレータプレート１２、１１２、２８、１２８と樹脂フレーム１５、１１５とを接着する。紫外線により活性化される酸、塩基、ラジカル、アニオン性および／またはカチオン性開始剤ならびに重合可能なモノマー、オリゴマー、テレケリックポリマーおよび／または官能性ポリマーで構成することができるシーラントを一方の基板に付与(塗布)し、このシーラントに紫外線を照射し、第２の基板で押し付けてシールを形成することができる。
【０１２９】
本発明の別の態様においては、２液型の組成物を使用して接着封止する。部分Ａを第１の基板に付与(塗布)する。部分Ｂを第２の基板に付与(塗布)する。これら２つの基板を組合せ固定する。これら２つの基板を互いに合わせることよって、またはこれらの基板を組み合わせ、圧力、熱、超音波、マイクロ波、これらの任意の組合せなど何らかの形の追加のエネルギーを使用することによって、その最も簡単な形で重合を実現することができる。
【０１３０】
図３５は、本発明に従って燃料電池や接着燃料電池部品などの接着アセンブリを形成するためのシステム８０を示す。システム８０は、異なる燃料電池部品を処理するための異なるステーション８２、８４を備える。このシステムは、２液型のシーラント組成物の第１および第２の部分をそれぞれ分配して異なる燃料電池部品をコーティングするためのディスペンサ８６および８８を備える。このシステムは、化学線などのエネルギー源９０をさらに備える。
【０１３１】
本発明の別の態様においては、モジュール型アセンブリおよびガスケットから燃料電池スタックを作製することができる。第１のステップにおいて、樹脂フレームを有するＭＥＡを生成する。紫外線により活性化される単一成分のシーラントで、アノードおよびカソード樹脂フレームについて樹脂フレームの片側をコーティングする。このシーラントを紫外線照射で活性化し、ＭＥＡの両側に樹脂フレームを固定する。第２のステップにおいて、２液型シーラントを用いて樹脂フレームにセパレータを接着する。２成分系では、部分Ａを基板１に付与(塗布)し、部分Ｂを基板２に付与(塗布)することになる。部分ＡおよびＢは、組み合わせると、本発明の一形態で重合することができる。樹脂フレームを有するＭＥＡの樹脂フレームを部分Ａでコーティングし、その後紫外線照射により活性化する。同時に、セパレータの反応ガス側を部分Ｂでコーティングする。樹脂フレームを有するＭＥＡを、アノードおよびカソードセパレータと共に固定して、単電池（アノードセパレータ、アノード樹脂フレーム、ＭＥＡ、カソード樹脂フレーム、カソードセパレータ）を生成する。次のステップにおいて、２部構成のシーラントで単電池を互いに接着して、たとえば１０個など選択した数の単電池を含むモジュールを形成する。単電池のコーティング操作を継続し、１つまたは複数の基板の表面に未硬化ポリマーを付与(塗布)する操作を行う。アノードセパレータの冷却剤経路側を部分Ａでコーティングし、紫外線照射により活性化することができる。カソードセパレータの冷却剤経路側を部分Ｂでコーティングすることができる。これらの電池を積み重ね固定して、部分Ａを部分Ｂと反応させ、モジュールの冷却剤経路を封止する。モジュール両端のセパレータは、上述のプロセスにおいてコーティングしなくてもよい。別個の製造ラインにおいて、シートメタルおよび紫外線により活性化されるシーラントからガスケットを生成する。ロール状のシートメタルを切断し、紫外線により活性化される単一成分のシーラントでコーティングし、紫外線下に設置する。所望の数の電池を実現するまでガスケットとモジュールとを交互に積み重ねることによって、燃料電池スタックを組み立てることができる。樹脂フレームおよびセパレータの両側を適当なシーラントでコーティングし、第１の部品に固定し、その後第２の部品に固定することができることも考えられる。
【０１３２】
本発明の別の態様においては、モジュール型アセンブリおよびガスケットから燃料電池スタックを作製することができる。第１のステップにおいて、樹脂フレームを有するＭＥＡを生成する。紫外線により活性化される単一成分のシーラントで、２種の樹脂フレームについて樹脂フレームの片側をコーティングする。このシーラントを紫外線照射により活性化し、ＭＥＡのどちらかの片側に樹脂フレームを固定する。第２のステップにおいて、樹脂フレームを有するＭＥＡに、２部構成のシーラントを用いて接着セパレータを封止する。２成分系では、シーラントの部分Ａを第１の基板に付与(塗布)し、シーラントの部分Ｂを第２の基板に付与(塗布)することになる。シーラントの部分ＡおよびＢは、組み合わせると、重合して本発明の一態様による接着アセンブリを形成する。たとえば、アノード樹脂フレームを、シーラントの部分Ａでコーティングし、その後紫外線照射により活性化することができる。樹脂フレームを有するＭＥＡを、接着セパレータと共に固定して、単電池（カソードセパレータ、アノードセパレータ、アノード樹脂フレーム、ＭＥＡおよびカソード樹脂フレーム）を生成することができる。アノードおよびカソードセパレータは、２部構成のシーラントを用いて別の製造ラインにおいて接着する。アノードセパレータの冷却剤経路側をシーラントの部分Ａでコーティングし、その後紫外線照射により活性化する。カソードセパレータの冷却剤経路側をシーラントの部分Ｂでコーティングし、アノードセパレータに固定してシーラントの部分Ａを部分Ｂと反応させる。次のステップにおいて、２部構成のシーラントで単電池を互いに接着して、一例として１０個など、選択した数の単電池を含むモジュールを形成する。単電池にコーティング操作を行う。カソードセパレータのガス経路側をシーラントの部分Ａでコーティングし、紫外線照射により活性化することができる。カソード樹脂フレームをシーラントの部分Ｂでコーティングすることができる。これらの単電池を積み重ね固定して、シーラントの部分Ａをシーラントの部分Ｂと反応させて、接着単電池のモジュールを生成する。モジュール両端のセパレータおよび樹脂フレームは、上述のプロセスにおいてコーティングしなくてもよい。別個の製造ラインにおいて、シートメタルおよび紫外線により活性化されるシーラントからガスケットを生成する。ロール状のシートメタルを切断し、紫外線により活性化される単一成分のシーラントでコーティングし、紫外線下に設置する。スタック内の所望の数の電池を実現するまでガスケットとモジュールとを交互に積み重ねることによって、燃料電池スタックを組み立てることができる。樹脂フレームおよびセパレータの両側を適当なシーラントでコーティングし、第１の部品に固定し、その後第２の部品に固定することができる。
【０１３３】
以下の非限定的な実施例は、本発明をさらに説明するためのものである。
【実施例】
【０１３４】
＜実施例１＞
【０１３５】
粘度データ
ＴＶＣＨは、アルケニル官能性ポリイソブチレン樹脂の粘度の低減に非常に効果的であった。数平均分子量（Ｍｎ）が５，０００、１０，０００および２０，０００のアルケニル官能性ポリイソブチレンにおいて、粘度の低減が観測された。本発明の組成物Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４およびＮｏ．６〜Ｎｏ．８用の、また比較組成物Ｎｏ．１およびＮｏ．５用の、Ｍｎが１０，０００および２０，０００のアルケニル官能性ポリイソブチレンについて、詳細を図１１および図１２、表１および表２に示す。
【０１３６】
【表１】
0005594967.tif 000010
【０１３７】
【表２】
0005594967.tif 000011
【０１３８】
ＴＶＣＨは、これらのアルケニル官能性ポリイソブチレン樹脂の粘度の低減に効果的であった。得られた本発明の組成物が分離することはなく、これらのアルケニル官能性ポリイソブチレン樹脂を伴う最大約２０重量パーセントのＴＶＣＨ濃度により、透明な単一相の溶液または組成物が形成された。
【０１３９】
＜実施例２＞
【０１４０】
ＤＳＣおよび安定性の結果
アルケニル基に対するＳｉ−Ｈのモル比およびアルケニル基に対する白金のモル比を一定に維持しながら、ＴＶＣＨありおよびなしの調合物を調製した。以下の表３に示す比較組成物Ｎｏ．９は、ＴＶＣＨなしで調製し、硬化した。この組成物の反応熱は、１グラム当たり２９ジュールであった。白金触媒の量が異なる本発明の組成物Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１４は、アルケニルポリイソブチレン１００グラムに基づき、５重量パーセントのＴＶＣＨを含んでいた。ＴＶＣＨを含む本発明の組成物については、１グラム当たり約８３ジュールまで反応熱が増大した。
【０１４１】
【表３】
0005594967.tif 000012
【０１４２】
ＴＶＣＨの添加により、表３に示すように、反応のピーク発熱が９６℃から１３７℃まで上昇した。ビニル基は通常アリル基よりも反応性が高いため、このことは予期せぬことであった。ＴＶＣＨの添加により、以下で検討する一部非常に望ましいが予期せぬ結果がもたらされた。低温（１００℃未満）で動作するＰＥＭ燃料電池については１３０℃を下回る、好ましくは１１０℃を下回る硬化温度を保持することが望ましいため、白金触媒濃度を変えることによってピーク発熱温度を下げることが可能であるかどうかを決定するために、一連の実験を行った。それらの実験、すなわち、本発明の組成物Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１４により、図１２に示すように、アルケニル基の濃度に基づき白金の量を２０ｍｐｐｍから６０ｍｐｐｍに増大させることによって、ピーク発熱温度を１３７℃から約９２℃まで下げることができた。ピーク発熱温度のこの低下は、活性化エネルギーは高いままであったが活性化温度が著しく低下したことを示していた。したがって、これらの実験は、反応熱を増大させることができ、またスクリーン印刷、液体分配、液体成形操作および他のタイプの付与(塗布)法に有用な粘度を維持しながらピーク発熱温度を下げることができることを示していた。ピーク発熱の変化率は、この一連の実験においては６０ｍｐｐｍを上回り劇的に減少したが、触媒濃度を増大させることによりもたらすことができる利益には実際には限界がある。
【０１４３】
ＴＶＣＨなしの比較組成物Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．１８において触媒の濃度を１５ｍｐｐｍに増大させることによって、表４に示すように、混合操作中数分以内にゲル化が観測された。表４に示すように組成物内の触媒の量を低減させることによってこれに影響を及ぼすことが可能であった。ＴＶＣＨの添加なしでより高い触媒濃度を用いると、単一成分組成物として材料を作製し、ゲル化を観測することなく組成物を付与(塗布)することが困難であった。
【０１４４】
【表４】
0005594967.tif 000013
【０１４５】
禁止剤を使用すると、時間の関数としての粘度の変化を低減する手助けをすることができる。しかしながら、禁止剤は、燃料電池内で使用した場合、組成物から拡散するまたは抽出され、電池の性能に望ましくない影響を引き起こす可能性がある。これらの変化として、装置の出力全体の減少に反映される疎水性／親水性バランスおよび燃料電池触媒の変化を挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１４６】
ＴＶＣＨの予期しなかった安定化効果により、より高濃度の白金触媒を使用すること、ゲル化なしで組成物を作製すること、および架橋してポリマーネットワークになる部分を用いて安定性を向上させることが可能となり、それにより最終用途における種の拡散または抽出が低減される。架橋して最終的なネットワークとなることはない低濃度の禁止剤と共にＴＶＣＨを使用することもできる。
【０１４７】
本発明の組成物にＴＶＣＨを添加した場合、本発明の混合組成物の貯蔵寿命に予期せぬ改善が観測された。このことは、本発明の組成物Ｎｏ．２０〜Ｎｏ．２４を比較組成物Ｎｏ．１９と比較することによって表５において強調される。ＴＶＣＨを有する本発明の組成物Ｎｏ．２０〜Ｎｏ．２４は、ＴＶＣＨを含んでいない比較組成物Ｎｏ．１９と比較した場合、時間の関数として粘度がよりゆっくりと増加した。たとえば、表５に示すＴＶＣＨなしの比較組成物Ｎｏ．１９は、数分以内に室温で混合プロセス中にゲル化した。同じ触媒充填レベルおよびより高い触媒充填レベルでＴＶＣＨを添加すると、組成物はより長時間液状のままであったため、基板上に材料を付与(塗布)するまたは成形するための実用的な時間が提供された。
【０１４８】
【表５】
0005594967.tif 000014
＜実施例３＞
【０１４９】
定式化物理的特性データ（圧縮永久ひずみ、硬度＆機械的特性）
ポリアルキル水素シロキサンの含量を変えることによってアルケニル基の総数に対するＳｉ−Ｈの量を変えながら、アルケニル終端ＰＩＢに対して一定比率のＴＶＣＨを用いて本発明の組成物２５〜３０を調製して、物理的特性、機械的特性および熱力学特性の変化を測定した。「Ａ」官能基（「ＮＡ」）の数の「Ｂ」官能基（「ＮＢ」）の数に対する比は、化学量論的不均衡（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ  ｉｍｂａｌａｎｃｅ）（ｒ＝ＮＡ／ＮＢ）と称される。表６および表７ならびに図１３は、化学量論的不均衡が増大するにつれて、アルケニル基に対するＳｉ−Ｈの比が増大し、機械的特性が増大する一方で圧縮永久ひずみ値が減少したことを示している。最適な特性は、約１．４対１．０（Ｓｉ−Ｈ対アルケニル基）の化学量論的不均衡で得られた。圧縮永久ひずみの絶対値は、劇的に８％まで減少したが、この値はエラストマーでは非常に低く、予期せぬものである。
【０１５０】
アルケニル基の総数に対するＳｉ−Ｈのモル比１．５：１でアルケニル終端ＰＩＢおよびポリアルキル水素シロキサンを用いて比較組成物Ｎｏ．３１を調製した。比較組成物Ｎｏ．３１は、ＴＶＣＨを含んでいなかった。比較組成物Ｎｏ．３１に禁止剤−−３，５−ジメチル−１−ヘキシン−オール−−を添加して、圧縮試験を行うことができるように組成物の硬化速度を抑制した。禁止剤なしでは、組成物が２〜３分以内にゲル化した。比較組成物Ｎｏ．３１は、圧縮永久ひずみが２２％であると観測された。表６に示すように、本発明の組成物Ｎｏ．３０は、比較組成物Ｎｏ．３１と比較して大幅に向上した圧縮永久ひずみ特性を有していた。本発明の組成物Ｎｏ．３０および比較組成物Ｎｏ．３１についてのＳｉ−Ｈ対アルケニルモル比は、同じ１．５：１であった。
【０１５１】
【表６】
0005594967.tif 000015
【０１５２】
引張強度、弾性率、硬度の増大および対応する破断点伸びの減少は、アルケニル基に対するＳｉ−Ｈが増大するにつれて架橋密度の増大と一致していた。
【０１５３】
【表７】
0005594967.tif 000016
【０１５４】
表７および図１４に示すように、反応熱の最大値近くで最適な機械的特性が生じることが観測された。化学量論比１：１で、温度の関数としてプロットした反応熱からのエンタルピーが温度上限１８０℃では二峰性であることも観測された（図１５参照）。化学量論的不均衡に基づく本発明の組成物が、温度上限約１４０℃では単一の非対称曲線を有していた（図１６参照）。１００℃未満で動作する燃料電池には、より低温がより良い。反応の大部分は１２０℃未満で完了した。このことは、低温ＰＥＭ燃料電池には望ましい。高温ではＰＥＭの性能が重度に劣化することがあるため、１２０℃未満など、１３０℃未満の硬化温度を維持することが望ましい。
【０１５５】
数学的減算法を用いて化学量論比が１：１および１．５：１の組成物について赤外スペクトルを比較して、化学量論的なネットワークと比較して過剰な量のＳｉ−Ｈを含む硬化ネットワーク中には過剰な濃度のＳｉ−Ｈが存在することを確認した。この減算スペクトルは、４０００ｃｍ−１から１２００ｃｍ−１までのきちんとした架橋剤についてのスペクトルと一致していた。
【０１５６】
＜実施例４＞
【０１５７】
１，９−デカジエンを有する本発明の組成物
１，９−デカジエンおよび二環式デカジエン架橋剤を用いて以下の表８に示すような本発明の組成物Ｎｏ．３２を調製した。この組成物は、優れた反応データ、たとえば、発熱データおよび反応熱を示した。
【０１５８】
【表８】
0005594967.tif 000017
＜実施例５＞
【０１５９】
表９に示す成分から以下のように本発明の基本調合物を調製した。
【０１６０】
【表９】
0005594967.tif 000018
【０１６１】
混合手順
１．全ての成分を添加する。
【０１６２】
２．均一になるまで１５分間Ｃｏｗｌｅｓブレードで混合する。
【０１６３】
紫外線により活性化される白金錯体を使用し、またヒドロシリル化反応を照射により開始し、放射の除去後も継続する（後硬化）。
【０１６４】
試験した紫外線で変わりやすい錯体には、以下が含まれる。
【０１６５】
【化９】
0005594967.tif 000019
【０１６６】
【化１０】
0005594967.tif 000020
【０１６７】
以下に示すように、潜在的に有害な熱の除去を伴って硬化時間の実質的な削減を実現した。
【０１６８】
＜実施例６＞
【０１６９】
紫外線硬化ポリイソブチレン／シラン
実施例５で使用した本発明の基本調合物Ａ、すなわち、フェニルシラン架橋剤を有する不飽和ＰＩＢを本実施例で使用した。
【０１７０】
以下の触媒の組合せを、本発明の基本調合物Ａにおいて評価した。
【０１７１】
ａ．ＣＨ２Ｃｌ２中で本発明の基本調合物Ａ１００ｇを３％のＰｔ（ａｃａｃ）２０．６８ｇと混合することによって、本発明の組成物Ｎｏ．３３（Ｐｔ（ａｃａｃ）２、（４９．６％Ｐｔ）＠１００ｐｐｍのＰｔ）を調製した。
【０１７２】
ｂ．ＥｔＯＡｃ中で本発明の基本調合物Ａ１００ｇを５％のＴＭＭＣＰ０．１６ｇと混合することによって、本発明の組成物Ｎｏ．３４（ＴＭＭＣＰ、（６１．１％Ｐｔ）＠５０ｐｐｍのＰｔ）を調製した。
【０１７３】
ｃ．ＥｔＯＡｃ中で本発明の基本調合物Ａ１００ｇを５％のＴＭＭＣＰ０．３２ｇと混合することによって、本発明の組成物Ｎｏ．３５（ＴＭＭＣＰ、（６１．１％Ｐｔ）＠１００ｐｐｍのＰｔ）を調製した。
【０１７４】
本発明の組成物Ｎｏ．３３〜３５の５グラム試料を、小さいアルミニウム製のパンに設置し、以下の表１０に示すように、８ｍＷ／ｃｍ２ＵＶ−ＢでＯｒｉｅｌランプを、または１００ｍＷ／ｃｍ２ＵＶ−ＢでＺｅｔａ７２１６を照射した。
【０１７５】
【表１０】
0005594967.tif 000021
【０１７６】
上記結果により、紫外線により活性化される白金硬化の実現可能性が確認され、硬化時間は熱硬化から大幅に削減される。Ｏｒｉｅｌランプで硬化した本発明の組成物Ｎｏ．３５は、熱硬化した対照と同じまたは熱硬化した対照よりも優れた表面特性を示した。データが示すように、より高い強度をより短時間照射するよりも、より低い強度をより長時間照射することがより望ましいようである。
【０１７７】
＜実施例７＞
【０１７８】
紫外線硬化ポリイソブチレン／シラン、２００ｐｐｍのＰｔ
実施例５による本発明の基本調合物Ａ、すなわち、フェニルシラン架橋剤を有する不飽和ＰＩＢを本実施例で使用した。
【０１７９】
以下の触媒の組合せを評価した。
【０１８０】
ａ．ＣＨ２Ｃｌ２中で本発明の基本調合物Ａ５０ｇを３％のＰｔ（ａｃａｃ）２０．６８ｇと混合することによって、本発明の組成物Ｎｏ．３６（Ｐｔ（ａｃａｃ）２、（４９．６％Ｐｔ）＠２００ｐｐｍのＰｔ）を調製した。
【０１８１】
ｂ．ＥｔＯＡｃ中で本発明の基本調合物Ａ５０ｇを５％のＴＭＭＣＰ０．３２ｇと混合することによって、本発明の組成物Ｎｏ．３７（ＴＭＭＣＰ、（６１．１％Ｐｔ）＠２００ｐｐｍのＰｔ）を調製した。
【０１８２】
本発明の組成物Ｎｏ．３６およびＮｏ．３７の５グラム試料を、小さいアルミニウム製のパンに設置し、以下の表１１に示すように、８ｍＷ／ｃｍ２ＵＶ−ＢでＯｒｉｅｌランプを照射した。
【０１８３】
【表１１】
0005594967.tif 000022
【０１８４】
以上に示すように、最適な硬化は３分の照射後に得られ、後硬化は２４時間後に著しく明白で、またＰｔ（ａｃａｃ）２の系で最も顕著である。
【図面の簡単な説明】
【０１８５】
【図１】アノード流れ場プレート、ガス拡散層、アノード触媒、プロトン交換膜、カソード触媒、第２のガス拡散層およびカソード流れ場プレートを有する燃料電池の断面図である。
【図２】カソード流れ場プレートとアノード流れ場プレートとの間、アノード流れ場プレートとガス拡散層との間、ガス拡散層と第２のカソード流れ場プレートとの間、また第２のカソード流れ場プレートと第２のアノード流れ場プレートとの間に配置されたシーラントを有する燃料電池の断面図である。
【図３】カソード流れ場プレートとアノード流れ場プレートとの間、アノード流れ場プレートとアノード触媒との間、カソード触媒と第２のカソード流れ場プレートとの間、また第２のカソード流れ場プレートと第２のアノード流れ場プレートとの間に配置されたシーラントを有する燃料電池の断面図である。
【図４】カソード流れ場プレートとアノード流れ場プレートとの間、アノード流れ場プレートとプロトン交換膜との間、プロトン交換膜と第２のカソード流れ場プレートとの間、また第２のカソード流れ場プレートと第２のアノード流れ場プレートとの間に配置されたシーラントを有する燃料電池の断面図である。
【図５】カソード流れ場プレートとアノード流れ場プレートとの間、アノード流れ場プレートと膜電極アセンブリとの間、膜電極アセンブリと第２のカソード流れ場プレートとの間、また第２のカソード流れ場プレートと第２のアノード流れ場プレートとの間に配置されたシーラントを有する燃料電池の断面図である。
【図６】対向する合わせ面を有し、合わせ面の一方に現場硬化型シーラント組成物が配置された、隣接する燃料電池部品の部分断面図である。
【図７】現場硬化型シーラント組成物が合わせ面の両方を封止している、図６の隣接する燃料電池部品の部分断面図である。
【図８】対向する合わせ面を有し、合わせ面の一方にビード状の現場硬化型シーラント組成物が配置された、隣接する燃料電池部品の部分断面図である。
【図９】対向する合わせ面を有し、現場形成型シーラント組成物が合わせ面の両方を封止している、隣接する燃料電池部品の部分断面図である。
【図１０】Ｍｎ１０，０００のアルケニル官能性ポリイソブチレン組成物におけるＴＶＣＨ量の変化に対する粘度効果のグラフである。
【図１１】Ｍｎ２０，０００のアルケニル官能性ポリイソブチレン組成物におけるＴＶＣＨ量の変化に対する粘度効果のグラフである。
【図１２】ピーク発熱温度への触媒濃度の影響のグラフである。
【図１３】異なるＳｉ−Ｈ対アルケニル基比における圧縮永久ひずみデータのグラフである。
【図１４】ＴＶＣＨありおよびなしの組成物についての反応熱グラフである。
【図１５】化学量論比１：１で温度上限１８０℃の場合の二峰性の示差走査熱量計（「ＤＳＣ」）データのグラフである。
【図１６】化学量論比１．５：１で温度上限１４０℃未満の場合の非対称曲線を有する二峰性のＤＳＣデータのグラフである。
【図１７】過剰なＳｉ−Ｈを有するネットワーク中のＳｉ−Ｈの存在を確認するＦＴＩＲ−ＡＴＲデータのグラフである。
【図１８】アノード流れ場プレート、樹脂プレート、ガス拡散層、アノード触媒、プロトン交換膜、カソード触媒、第２のガス拡散層、第２の樹脂プレートおよびカソード流れ場プレートを有する燃料電池の断面図である。
【図１９】アセンブリの周縁部に配置されたシーラントを有する図１８の燃料電池の膜電極アセンブリの断面図である。
【図２０】アセンブリの周縁部に、またアセンブリの周縁端部の上に配置されたシーラントを有する図１８の燃料電池の膜電極アセンブリの断面図である。
【図２１】スタック燃料電池アセンブリを形成するために、図１８の燃料電池の膜電極アセンブリと流れ場プレートとの間にシーラントが配置された燃料電池の断面図である。
【図２２】本発明によるガスケットを形成するための上部モールド型部材および下部モールド型部材を有するモールド型の斜視図である。
【図２３】軸２３−２３に沿った図２２のモールド型の断面図である。
【図２４】上部モールド型部材および下部モールド型部材を示す図２３のモールド型の分解組立図である。
【図２５】軸２５−２５に沿った図２４の上部モールド型部材の下面図である。
【図２６】軸２６−２６に沿った図２５の上部モールド型部材の左正面図である。
【図２７】軸２７−２７に沿った図２５の上部モールド型部材の右正面図である。
【図２８】軸２８−２８に沿った図２５の上部モールド型部材の断面図である。
【図２９】本発明による代替のモールド型の斜視図である。
【図３０Ａ】モールド型内に配置された燃料電池部品を示す、軸３０−３０に沿った図２９のモールド型の断面図である。
【図３０Ｂ】モールド型内に配置された燃料電池部品を示す、軸３０−３０に沿った図２９のモールド型の断面図である。
【図３１】透明材料を有する上部モールド型部材を示す、図２２または図２９の上部モールド型部材の斜視図である。
【図３２】軸３２−３２に沿った図３１の透明な上部モールド型部材の断面図である。
【図３３】本発明による組み立てられたセパレータプレートと樹脂フレームとのアセンブリの断面図である。
【図３４】図３３のセパレータプレートと樹脂フレームとのアセンブリの分解断面図である。
【図３５】本発明の接着燃料電池部品を形成するためのアセンブリの図である。
【図１】
0005594967.tif 000023
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005594967.tif 000029
【図８】
0005594967.tif 000030
【図９】
0005594967.tif 000031
【図１０】
0005594967.tif 000032
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0005594967.tif 000040
【図１９】
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【図２０】
0005594967.tif 000042
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
0005594967.tif 000050
【図２９】
0005594967.tif 000051
【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
0005594967.tif 000053
【図３１】
0005594967.tif 000054
【図３２】
0005594967.tif 000055
【図３３】
0005594967.tif 000056
【図３４】
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【図３５】
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