JP2002543578A - 無定形フロロポリマ−の電気化学的使用 - Google Patents
無定形フロロポリマ−の電気化学的使用Info
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Abstract
Description
用することに関するものである。
の重要性を有する。例えば、 Ullman´s Encyclopedia
of Industrial Chemistry, 5thed. Vol.
12A,pp.55ff, VCH,New York,1989、を参照され
たい。これらの燃料電池を開発するアプロ−チの一つは、固体ポリマー電解質膜
を触媒層およびガス拡散性支持体層(GDB)と組合せて膜電極アッセンブリー
(MEA)を作ることである。触媒層は典型的には白金、パラヂウムまたはルテ
ニウムのような細かく砕かれた金属、白金−ルテニウムのような複数金属の組合
せ、または酸化ルテニウムのような金属酸化物を、通常はバインダーとの組合せ
で、含むものである。水素燃料電池においては、触媒は通常炭素上に担持されて
おり、メタノール燃料電池においては、触媒は担持されていないのが通常である
。ガス拡散支持体は、典型的には高度に多孔性の炭素シ−トまたは繊維である。
このような電池の例としては、イエーガーら,米国特許第4,975,172号
を参照されたい。
れに流量制限を持ち込み、それによって燃料電池の性能を低下させる過剰の水の
氾濫に弱いことである。触媒層およびガス拡散性支持体層にフロロポリマーを混
合して、そうしなければ親水性であるものを疎水性にするのが一般的なやり方に
なっている。例えば、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)またはそれとヘキサフ
ロロプロピレンまたはパーフロロビニルエーテルとの共重合体が使用される。(
ブランチャート,米国特許第4,447,505号、イエーガーら、op.ci
t.、およびセルピコら,米国特許第5,677,074号参照)。
使用されるフロロポリマーを焼結する必要がある。既知のフロロポリマーは結晶
性であって200℃を優に越える融点を持ち、300℃以上の温度で焼結を行う
必要がある。そこに組み込まれる加熱サイクルは長く複雑である。さらに、高温
はMEAの他の構成要素を劣化させる傾向があるため、実際にはMEAが組立て
られる前に焼結を行うことが要求される。典型的な焼結サイクルが第1図に示さ
れている。
セルピコ,上掲(op.cit.)、は触媒層中に好適には15−30%のPT
FEを含む触媒層を有する多孔性のガス拡散電極を開示している。得られた触媒
層は固体ポリマー電解質膜と組合せる前に不活性雰囲気下380℃に加熱される
。
その膜の表面に結合された触媒電極からなる、酸化電極に湿潤防止された集電炭
素紙を持つ燃料電池のような電気化学電池について開示している。20−35m
g/cm2のPTFEを含む湿潤防止された伝導体は590−650゜Fの温度
で焼結されている。さらに、15−30重量%のPTFE粒子が触媒粒子と混合
された触媒組成物が、MEAを作る前に、同じ様にして焼結されている。
E)膜と多孔性電極支持体の間に薄い触媒層を入れた気体反応燃料電池を開示し
ている。触媒層は好ましくは約10μmの厚さであり、約0.35mgPt/c
m2以下のカ−ボンに担持された白金触媒である。フィルムはインクのように形
成され、フィルム剥離性の台紙上で広げられ硬化させられる。硬化されたフィル
ムは次いでSPE膜に移され、表面にホットプレスされて、制御された厚みと触
媒分布を有する触媒層を形成する。もしくは、触媒層は、Na+型のパ−フロロ
スルフォンサン塩アイオノマ−を膜に直接張り付け、そのフィルムを高温で乾燥
させ、次いでフィルムをアイオノマ−のプロトン型に戻すことによって形成され
る。この層は電池の性能が影響されない適度のガス透過性を有しており、触媒へ
の水素のアクセスを最適化するのに有効な密度と粒子分布を有しており、触媒上
で起るhalf−cell反応からの電子の流れのための電気的連続性も有して
いる。
ており、SPE膜への触媒層の設置(deposition)が100℃で行わ
れることを除きウイルソン,上掲、のそれと類似の方法である。このような条件
下でPTFEは不連続な粉末粒子として組成物中に残り、使用中に非常に飛び出
し易いかまたは単純にこぼれ落ち易いものである。
生成またはガス消費電気化学電池を開示している。電極は、それぞれのガスおよ
び電解質接触表面を限定する導電性の電気化学的に活性な多孔質体を、電解質接
触表面をカバーするアイオノマーイオン導電性のガス不透過層と共に含んでいる
。その層は電解質接触表面に直接張り付けられている親水性のイオンポリマー層
およびそのポリマー層の上にある親水性イオン交換樹脂膜を含むものである。
たフロロポリマーの望ましくない高温での長い複雑な焼結を必要としない方法で
製造されるMEAを提供するものである。
方法が提供される。その方法とは、少なくとも一つの実質的にフッ素化された固
体ポリマー電解質膜、貴金属触媒と実質的にフッ素化されたアイオノマー樹脂バ
インダーを含む少なくとも一つの触媒層、および少なくとも一つの炭素繊維製ガ
ス拡散性支持体層、そしてこれら少なくとも一つの触媒層または少なくとも一つ
の炭素繊維製ガス拡散性支持体層はさらに無定形フロロポリマーからなっている
、を含む多層構造体を形成し、その多層構造体を約200℃より低い温度に加熱
し、そしてその加熱された多層構造体を加圧して、触媒層が固体ポリマー電解質
膜とイオン的導電性接触を有し、かつガス拡散支持体層が触媒層と電子的導電性
接触を有している一体化された(consolidated)膜電極アッセンブ
リーを製造するものである。
ち実質的にフッ素化された非イオン性高分子アイオノマーのプリカーサー樹脂と
触媒とを合せて均一混合物を形成し、その混合物を固体ポリマー電解質膜の表面
に塗って被覆膜を形成し、その被覆膜をアルカリ金属塩基と接触させて非イオン
性高分子アイオノマーのプリカーサー樹脂を加水分解してそれからアイオノマー
を形成させ、そしてそのアイオノマーを鉱酸と接触させることからなる方法であ
る。
、実質的にフッ素化された固体ポリマー電解質膜分離層(separator)、該分離層
とイオン的導電性接触しており、触媒と実質的にフッ素化されたアイオノマー樹
脂バインダーからなる触媒層、該触媒層と電子的導電性接触している炭素繊維製
ガス拡散性支持体層、およびこれらの触媒層および支持体の一つかまたは両方に
含まれているフロロポリマー、そのフロロポリマーは無定形フロロポリマーであ
る、からなる膜電極アッセンブリーである。
かになるであろう。
的な焼結サイクルを図式的に示すものである。
験アッセンブリーを示す図である。
圧対電流密度曲線を図示する。ただしMEAは実施例1および2の態様であり、
比較対象は比較例1である。
て、第2図に示す単一セル試験アッセンブリーから85℃で取られたものを図示
する。
て、第2図に示す単一セル試験アッセンブリーから50℃で取られたものを図示
する。
燃料電池で取られた電圧対電流密度曲線を図示する。
み入れた燃料電池で取られた電圧対電流密度曲線を図示する。
等のこれらの欠点を有さない代替物を見出そうと言うかなりの誘因を作り出す。
公知のフロロポリマーの欠点はその高い結晶性と大きく関係していると考えられ
る。本発明においては、公知の高結晶性フロロポリマーは非晶性のフロロポリマ
ーによって置き換えられる。本発明での使用に適した非晶性フロロポリマーは、
実質的にフッ素化されたポリマー、好ましくはパーフロロポリマーであって、示
差熱計,ASTM D−4591によって測定される吸熱が1J/gより大きく
ないことを特徴としている。本発明の目的のためには、「実質的にフッ素化され
た」とは、対応する非フッ素化ポリマーの水素の少なくとも約90%がフッ素置
換されていることを言う。好ましいフロロポリマーは、四フッ化エチレン(TF
E)の共重合体であって共重合モノマーは、ヘキサフロロプロピレン(HFP)
、パーフロロビニルエーテル、2,2−ビスフロロメチル−4、5−ジフロロ−
1、3−ジオキソール(PDD),およびその混合物から選ばれる。好ましくは
、TFEモノマー単位の濃度は80mol%またはそれ以下であり共重合モノマ
ーの濃度は少なくとも20mol%である。最も好ましいのは、60mol%の
TFE、26mol%のパーフロロメチルビニルエーテル、および14mol%
のパーフロロエチルビニルエーテルからなる三元共重合体、および67mol%
のPPDからなるTFEとPDDとの共重合体である。
ビニルエーテルとの共重合体およびその製造法については、アノリックらの米国
特許第5,663,255号に記載されている。またTFEとPDDとの共重合
体およびその製造法については、スクアイアーの米国特許第4,754,009
号に記載されている。両者を引用によって全てここに含める。
00℃より低い温度、好ましくは160℃より低い温度で融着する。本発明の実
施に適した溶媒はパーフロロオクタンおよびその誘導体、パーフロロデカリンお
よびその誘導体、パーフロロベンゼン、パーフロロメチルシクロヘキサン、パー
フロロジメチルシクロヘキサン、パーフロロ(n−ブチルテトラハイドロフラン
)、(C4F9)3N、(C4F9)2S、(C2F5)2SO2、C8F17SO2Fを含む
。好ましい溶媒は、パーフロロ(n−ブチルテトラハイドロフラン)、(C4F9 )3N、およびパーフロロオクタンを含む。 その外、本発明の実施に適したフロロポリマーの水性分散液が製造され本発明の
組成物を作るのに使用されるかもしれないが、それらは好ましいカーボン基材を
濡らすのにより効果的ではなく、より好ましいものではない。
67mol%のPDD含有率のもの(”テフロン”AF1600としてデラウエ
ア州ウイルミントンのデユポン社から購入できる)が、重合済みのポリマーパウ
ダー粉末の形で、室温またはそれ以上の温度でパーフロロオクタン(PF508
0としてミネソタ州ミネアポリスの3M社から購入できる)に溶解され、固形分
1−30重量%無定型フロロポリマー溶液が調製される。固形分5−10重量%
無定型フロロポリマー溶液が好ましい。
媒組成物が作られる。公知技術の教えるところに従って選ばれる、金属、金属合
金および/または金属酸化物触媒、好ましくは白金(Pt)が、カーボン粉末と
結合され担持された触媒を形成する。触媒の濃度はカーボンの重量に対し約5−
60重量%、好ましくは20−40重量%である。カーボンは好ましくは中ない
し高表面積粉末である(約100から約2000m2/g).マサチュセッツ州
ビレリカのキャボット社から購入できるVulcan(R)XC72カーボンブラ
ックが非常に好適であることが見出だされている。
パーフロロ化されたアイオノマーの、水、アルコール、または、好ましくは水/
アルコール混合物(SE−5112としてデユポンから購入できる)分散液中に
固形分5−10重量%でスラリー化され、触媒分散液が調製される。好ましいア
イオノマーは、PTFEと次式で表されるペンダント基を有するモノマーとのパ
ーフロロ共重合体である。
ルキル基、a=0,1または2、b=0ないし6、そしてMは水素または一価の
金属である。好ましくは,Rはトリフロロメチル基、R´はフッ素、a=0また
は1、b=1、そしてMは水素またはアルカリ金属である。最も好ましいのは、
a=1、Mは水素である。Mが水素でない場合は、追加的なイオン交換工程をこ
こで概略説明されるプロセスの適当な段階に導入して、MをHに変換する必要が
ある。アイオノマーを適当な方法で鉱酸と接触させるので十分である。好ましい
アイオノマーは700−2000EWの当量重量(equivalent we
ight)を有する。
物中で無定型フロロポリマーが1−20重量%となるように)スラリー化され、
上で述べたように均一な触媒ペーストまたはインクを調製する。公知技術の中で
一般的に使用されているいかなる追加的な添加剤もこのスラリーに加えて良い。
基材上に塗布される。塗布する方法は本発明の実施において臨界的ではない。数
多くの方法が公知技術の中で実施されている。
なく本発明のGDBと、次いで続く工程でSPE膜と結合する。PTFEに必要
な第1図に示されるような焼結プロセスによる熱一体化工程は、フロロポリマー
の高温一体化が最早必要ではないために除外される。その代わりに、一体化はM
EAの一体化と同時に、200℃より高くない、好ましくは140−160℃の
範囲の温度で行われる。
膜の上に配置された無定型フロロポリマーを含む薄い触媒層からなる。触媒層は
好ましくは約10μmの厚さであり、約0.35mgPt/cm2以下のカーボ
ン上に担持された触媒からなる。一つの製造方法において触媒フィルムは、「カ
プトン」(R)ポリイミドフィルム(デユポン社から購入できる)のような平坦な
剥離性の基材の上に広げることにより、転写膜(decal)として製造される
。インクが乾く前に、転写膜は圧力と必要な熱を加えることによりSPE膜の表
面に移され、次いで剥離性の基材を取り去ることによって、一定の厚さと触媒分
布を有する触媒層を持つCCMが形成される。もしくは、無定型フロロポリマー
を含む触媒層はプリント法のようなやり方で膜に直接張り付けられ、次いで触媒
フィルムは200℃を越えない温度で乾燥される。好ましくは触媒インクはSP
E膜を形成するのに用いられるアルカリ金属型のアイオノマー樹脂からなり、S
PE膜と一体化された後に触媒層を鉱酸と接触させてプロトン型のアイオノマー
に変換する。このようにして形成されたCCMはGDB、好ましくは本発明のG
DBと結合され本発明のMEAが製造される。
合わせ、触媒インクおよびGDBの少なくとも一つ、好ましくは両方が一体化さ
れていない無定型フロロポリマーからなり、次いで構成体全体を200℃を越え
ない温度、好ましくは140−160℃の範囲の温度で加熱、加圧することによ
って一体化する。MEAの両側を同じ方法で同時に形成することができる。また
、触媒層のおよびGDBの組成はMEAの二つの側面で相違し得る。
するモノマーとのパーフロロ共重合体からなるアイオノマーである。
ルキル基、a=0,1または2、b=0ないし6、である。好ましくは,Rはト
リフロロメチル基、R´はフッ素、a=0または1、b=1、である。最も好ま
しいのは、a=1である。
膜の第二側面に、同じ成分からなる同じ方法で形成された第二のコーテイング層
が張り付けられる。
、触媒組成物は上述の方法で調製されるがカーボン触媒担体は除外される。その
ように調製される担持されていない触媒組成物は、上記のCCMおよびMEA製
造方法においてカーボン担持触媒組成物の代わりに使用される。
(好ましくは公知技術で使用される通常のグラファァイト紙または布(例えば、
東レ製TGPH−090およびTGPH−060))を、TFE、PMVEおよ
びPEVEの最も好ましい三元共重合体の固形分5%以下のPF5080溶液に
、室温で少なくとも30秒間、浸すことによって形成される。(しかしながら、
当業者はガス拡散支持体が金属やポリマーを含む多くの他の物質から作られても
よいことを認識している。)好ましくは、紙または布はフロロポリマーの炭素紙
中の濃度が約3重量%になるまで浸されてから溶液から取り出され、残留する溶
媒が上述のように蒸発によって除去される。本発明の実施において、MEAの性
能は、本発明の無定型フロロポリマーの量が約5−6重量%を越えると低下する
ことが見出だされた。スプレイコーテイングを含む他の公知の方法も、本発明の
フロロポリマーをガス拡散支持体に適用するのに使用され得る。
しくは140−160℃の温度で熱的に一体化される。GDBは公知のいかなる
タイプのものでも良いし、もしくは本発明のGDBでも良い。本発明の触媒層は
、SPE膜の表面に,GDBとの一体化の前に、デポジットさせても良い。その
方法は公知のいかなる方法でも良い。また、本発明の触媒層は、SPE膜との一
体化の前に、最初に公知の方法でGDB上にデポジットされても良い。
40−160℃の温度で熱的に一体化される。触媒層は本発明のそれであっても
良いが、そうである必要はない。触媒層はSPE膜の表面に、GDBとの一体化
の前に、デポジットされても良い。デポジットの方法は公知のいかなる方法でも
良い。また、触媒層は、SPE膜との一体化の前に、最初に公知の方法で本発明
のGDB上に設置(deposit)されてもよい。
どちらかが必須である。好ましくは、触媒層およびGDBの両方が本発明のもの
であっても良く、触媒層とSPE膜は上述のように最初にCCMに作り込まれる
。本発明の実施において、溶媒が除去され、無定型フロロポリマーが凝固し、そ
してMEAが、室温と200℃の間、好ましくは140−160℃にゆっくりと
加熱することにより、一工程で形成されるのである。僅か約3重量%の無定形フ
ロロポリマーを含む本発明のGDB支持体を組み込んだMEAは、約10−30
%の半結晶性フロロポリマーを必要とする公知のMEAと同様のまたはより優れ
た、高度に効率的な電気化学的な性能を示す。
融点を示さない比較的新しいクラスの無定形フロロポリマーにより半結晶性フロ
ロポリマーを置き換えることに加えて、本発明の無定形フロロポリマーは、より
結晶性の高い公知のポリマーが分散液を形成するのに対し、むしろ容易に溶液を
形成するのである。このことは、本発明のフロロポリマーの触媒組成物およびガ
ス拡散支持体への応用を改良しかつ単純化する。
された疎水性による適切な水管理能力(water management)と
結合するものである。さらに、本発明においては公知技術によって教えられてい
るよりも50−80%低いフロロポリマー濃度で効率的な性能が実現されている
。
味でも限定的に考えられるべきではない。
えることの効果を記載する。これらの実施例および比較実施例においてGDBは
公知の方法によって作られる。実施例1−4および比較実施例1−3において、
触媒ペーストは次の処方で調製された:白金20重量%を含むカーボン担持白金
触媒(マサチュセッツ州、ウオードヒルのジョンソンマセイ社)15gを氷冷さ
れたガラス製広口瓶に入れた。窒素雰囲気中で5重量%のNafion(R)アル
コール/水−溶液(デユポン社、SE5112)60gおよび1−メトキシ−2
−プロパノール(アルドリッチケミカル社)48gが加えられ、Tempset
Virti Shear撹拌機により、設定1で、30−45分間よく撹拌し
た。撹拌後、混合物全体をボールミル(オハイオ州、イーストペイルステイン、
ストーンウエアボールミル社製)に移し、サイズ1/2”×1/2”のBuru
ndamシリンダーを使用して18時間擂り潰した。混合物をフィルターペーパ
ーを通して注いでボールを除去し、ボウルは追加の1−メトキシ−2−プロパノ
ールで洗浄した。グラインドゲイジ#5252(オハイオ州、プレシジョンケイ
ジアンドトウール社)で粒子サイズを測定したところ3−4μmであった。溶媒
は温和な温度(50−60℃)で窒素ガスを吹き込んで30分間蒸発させ触媒ペ
ーストを得た。このようにして調製された触媒ペーストは、”Nafion”(R ) バインダーを除きフロロポリマーを全く含んでいない。
は、ニューメキシコ州のフューエルセルテクノロジー社から得られた単一セル試
験アッセンブリーを使って行なった。第2図に示されるようにNafion(R)
パーフロロ化イオン交換樹脂膜1が、カ−ボン粒子上に担持された白金とNaf
ion(R)バインダーからなる触媒層2、および炭素紙とフロロポリマーからな
るガス拡散支持体3と結合され、膜電極アッセンブリー(MEA)が作られた。
試験アッセンブリーは、陽極ガス入口4、陽極ガス出口5、陰極ガス入口6、陰
極ガス出口7、アルミニウム製エンドブロック8、シーリングのためのガスケッ
ト9、電気絶縁層10、ガス流通のための流動フィールド(flow fiel
d)を備えたグラファイト製集電ブロック11、および金メッキされた集電層1
2から成っている。
素(1000cc/分)ガスが圧力30psiで燃料電池の陽極および陰極側か
らそれぞれ送り込まれた。膜を湿った状態に保つために、これらのガスは燃料電
池に入る直前に加湿器を通過させた。電流は一定温度でセルの電圧を変化させて
調べられた。単位面積あたりの電流は得られた総電流から計算された。種々の温
度でのセルの電圧対電流密度曲線は第3−5図に示される。
に6−8分間浸漬された。テフロン(R)を吸収した炭素紙は取り出され、乾燥さ
れ、そして第1図に示されるサイクルに従って焼結された。この焼結されたPT
FE被覆された炭素紙は、80部のVulcan(R)XC−72カーボンを20
部のテフロン(R)T−30に加え高いせん断力をかけて混合することによって調
製したスラリーで、さらに被覆された。スラリー被覆された紙はさらに第1図に
示される第2の加熱サイクルによって焼結され、既知のGDBが形成された。乾
燥されたカーボンスラリーの最終的な付着量は約2mg/cm2であった。形成さ
れたGDBに約10ml部の上記のように調製された触媒ペーストがスクリーン
プリンター(MPM社、モデルTF−100)を使用して張り付けられた。
℃で1時間オーブンで乾燥された。上記の方法で作られた電極は25cm2サイ
ズであった。二つの乾燥された25cm電極が取り上げられ、それぞれ150m
gの5重量%Nafion(R)溶液(SE5112,デユポン社)で塗布された。
それらは20−30分間風乾され、さらに60分90℃でオーブン乾燥された。
乾燥された被覆電極を、湿ったNafion(R)N115パーフロロスルフォン
酸膜(デラウエア州、ウイルミントンのデユポン社)のどちらかの面の上に置いて
、一体化されていないMEAを形成した。
ン社)の層の間に置かれ、そのアッセンブリーは二層のシリコンゴムシートの間
に、そして最終的には二枚の平らなスチール板の間に置かれた。アッセンブリー
全体を135℃に予熱された水圧プレスにかけ、接触圧のみで3分間加熱せしめ
た後、ピストン圧(ram force) 3000lbを2分間かけた。プレ
スは室温に冷却されその間MEAアッセンブリーは圧力下に維持された。そして
次いでMEAは取り出され、使用されるまで湿った状態に保つため水中で保存さ
れた。
用して1.5ft−lbsトルクで締め付けられた。このセルアッセンブリーは
、Test Station GT120(GlobeTech社、テキサス州
)に接続され,成極(polarization)データ(電流―電圧曲線)が7
0℃で取られた。第3図にテフロン(R)AF0%に対応する点として、0.2ボ
ルトにおける電流密度が0.8A/cm2であったと言う結果が図示されている。
にして調製された0.85gのPt/Cを含む触媒ペーストおよび0.1703
gのNafion(R)に加えた。得られた混合物は2時間攪拌され、8.6重量
%のテフロン(R)AFを含む触媒組成物が調製された。
に作られたMEAは、比較実施例1に於けるように70℃でテストされた。第3
図に8.6重量%テフロン(R)AFと表示された点で結果が図示されている。0
.2ボルトでの電流密度0.89A/cm2は、比較実施例1と比べて有意に高い
ものであった。
にして調製された0.43gのPt/Cを含む触媒ペーストおよび0.086gの
Nafion(R)に加えた。得られた混合物は2時間攪拌され、15.3重量%
のテフロン(R)AFを含む触媒組成物が調製された。
に作られたMEAは、比較実施例1に於けるように70℃でテストされた。第3
図に15.3重量%テフロン(R)AFと表示された点で結果が図示されている。
約0.92A/cm2の電流密度は、比較実施例1と比べて有意に高いものであっ
た。
0%テフロン(R)AFと表示された点で結果が図示されている。0.2ボルトで
の電流密度は約1.091A/cm2であった。
3%テフロン(R)AFと表示された点で結果が図示されている。0.2ボルトで
の電流密度約1.22A/cm2は、比較実施例2と比べて高いものであった。
に0%テフロン(R)AFと表示された点で結果が図示されている。
3%テフロン(R)AFと表示された点で結果が図示されている。0.2ボルトで
の電流密度は、比較実施例3と同等であった。しかしながら、より高い電圧下で
は実施例2のMEAに生じる電流に明らかな増加が認められた。
物への添加効果を述べる。Nafion(R)バインダー以外はフロロポリマーを
含まない触媒層がここに述べるようにSPE膜に張り付けられた。
マー樹脂(デラウエア州ウィルミントンのデュポン社)の固形分3.5%溶液が
、攪拌機と水冷リフラックスコンデンサーを備えた12Lの丸底フラスコ中で5
86gのNafion(R)を16,455gのFluorinert(R)FC−4
0パーフロロ化溶媒(ミネソタ州ミネアポリスの3M社)とを一緒にすることに
よって調製された。混合物は500rpmで室温、16時間攪拌され、次いで1
45℃で4時間リフラックスされた。得られた溶液は冷却され5ガロンのプラス
ティック製バケツにろ過された。5グラムのサンプルが固形分の決定のために乾
燥された。
ーセッツ州、ネイティックのEtec社)と合わされ、触媒ペーストが調製され
た。カーボンはVulcan(R)XC−72カーボンブラックパウダー(マサチ
ューセッツ州、ビレリカのCabot社)であった。混合物は2時間、室温で、
1.0−1.25mmのジルコニア製ビーズを含む Eiger MiniTM1
00ボールミル(イリノイ州、モンデラインの Eiger Machiner
y社)によって粉砕された。粉砕の後で粒子径が1μm以下であることがグライ
ンドゲージ Model 5252(オハイオ州、デイトンのPrecisio
n Gauge and Tool社)を使用して決定された。固形分%は13
.56−13.8の範囲であった。
ム(デラウエア州、ウィルミントンのデュポン社)が、その重量を記録した後、
平坦な吸着板(vacuum board)の上に置かれた。7.1cm×7.
1cmの窓が切り抜かれたもう一枚の厚さ76μmのカプトン(R)ポリイミドフ
ィルムが、その窓が中央にくるように前者の上に置かれた。後者は前者より少し
大きくその少なくとも一部が吸着板に直接接触した。使い捨てのピペットを使っ
て少量(〜10cc)の触媒ペーストが後者のカプトン(R)フィルム上、開口窓
の真上に置かれた。ペーストが開口窓の範囲を満たすようにドクターナイフで押
し広げられた。次いで、上のフィルムは注意深く取り除けられ、前者のフィルム
上に設置(deposit)された被覆は、全ての溶媒が完全に蒸発し触媒被覆
転写紙(decal)が形成されるまで、数時間風乾された。約76μm厚の湿
った被覆は典型的には、最終CCM中0.3mgPt/cm2の触媒装填量になっ
た。
112パーフロロアイオノマー膜(デラウエア州、ウイルミントンのデュポン社
)が上で述べたように形成された二枚の触媒被覆転写紙の間にサンドイッチされ
た。二枚の転写紙上の被覆が相互に正しく揃えられ、膜に面して位置付けられる
ように注意を払った。このように形成されたアッセンブリーは、145℃に予熱
された水圧プレスの20.3cm×20.3cmの圧力板の間に挿入された。プ
レスは閉じられピストン圧22000Nで加圧された。サンドイッチアッセンブ
リーは〜2分間、加圧下に保たれ、次いで加圧されたままで〜2分間冷却された
。アッセンブリーはプレスから取り出され、カプトン(R)ポリイミドフィルム片
がゆっくりと剥がされて全ての触媒コーティングが膜に移行された。このように
して形成されたCCMは室温水のトレイに浸され(膜を完全に湿らせるように)
そして注意深く保存と将来の使用のためにジッパー付の袋に移された。
、上で形成されたCCMは二枚のPTFEラボマット(イリノイ州、バーノンヒ
ルのCole−Parmer Instrument社から得られる、カタログ
番号E−09406−00)層の間に置かれ、そして30重量%のNaOH溶液に80
℃で30分間浸漬された。溶液は均一な加水分解を確実にするために攪拌された
。浴中30分の後CCMは取り出され、新鮮な脱イオン水で完全に洗浄して全て
のNaOHを除去した。
いで15重量%硝酸に65℃の温度で45分間浸漬した。溶液は均一な酸交換を
確実にするために攪拌された。この処理は15重量%硝酸を含む第2の浴で65
℃45分間繰り返された。次いでCCMは室温で15分間脱イオン水の流れの中
で洗浄され、全ての残留する酸が除去された。次いでそれらはすぐ使えるよう湿
った状態で包装された。
エア州ウィルミントンのデュポン社)が、ガラス製のトレイ中で、469mlの
脱イオン水で薄められた。7.5cm×7.5cm片のタイプTGP090炭素紙
(東レ社製)がその分散液に1分間浸漬され、2時間風乾された。乾燥されたフ
ィルムはオーブン(フィッシャーサイエンティフィック、プログラム可能な加熱
炉、モデル497)に入れられ、窒素雰囲気中で第1図に示された焼結サイクル
に従って焼結され、PTFE被覆されたGDBが形成された。2枚組の炭素紙が
、別々の希釈されたPTFE分散液を使ってこのように処理された。PTFE濃
度は8.6―9.5%の範囲にあることが認められた。各々のPTFE被覆され
たGDBの片面が600グリット(grit)のサンドペーパーでこすることに
よって粗面化され、単一セルアッセンブリーがテストのために組み立てられた。
ここにSPE膜1、および触媒層2が、上述のようにCCMを形成する。(第2
図参照)。そのCCMは、上述のように作られたPTFE被覆GDB3の粗面の
間に置かれ、MEAが形成された。このCCMおよびGDBは熱で一体化される
ことなく組み立てられた。単一セルアッセンブリーは、ロスアラモス国立研究所
のGM/DOE燃料電池開発センターから入手された燃料電池試験アッセンブリ
ーに接続された。
分散液で処理されたガス拡散支持体を使用したセルの性能曲線を示す。0.5ボ
ルトでの電流密度は約1.2A/cm2であった。
三元共重合体に置き換えられたことおよび第1図の焼結サイクルが真空下140
℃のオーブン加熱と1時間その温度に保持することに置き換えられたのを除き、
そのまま行なわれた。アノーリックらの米国特許第5,663,255号の教え
るところに従って製造される、60mol%のTFE、26mol%のパーフロ
ロメチルビニルエーテル、および14mol%のパーフロロエチルビニルエーテ
ルからなる無定形三元共重合体が、ミネソタ州、ミネアポリスの3M社から購入
できるPF5080パーフロロオクタンに表1に示された濃度で溶解され、炭素
紙が30秒間浸され、乾燥後の無定形フロロポリマーの装填率が同様に示される
。
5化学量論@1A/cm2とは、燃料電池測定における水素と空気の流速を意味す
る。水素ガスは燃料電池の陽極側に1A/cm2で運転するセルに必要とされる量
の1.2倍の流速で導入され、空気は陰極側に1A/cm2で運転するセルに必要
とされる量の2.5倍の流速で導入された。これらの流量は流通セル(curr
ent cell)中で毎分417ccの水素および毎分2072ccの空気に
相当した。両方の気体は、水素と空気にそれぞれ0.08cc/minおよび0
.176cc/minの水を加えることによって、それぞれ100%RHおよび
50%RHに加湿された。
て従来のPTFEよりも少ない使用量で、同様の燃料電池性能が得られることが
示される。このことは、第7図に見られるように新しいフロロポリマーの最も低
い装填率(〜3.2重量%)において事実である。
イクルを図式的に示すものである。
ブリーを示す図である。
度曲線を図示する。ただしMEAは実施例1および2の態様であり、比較対象は
比較例1である。
に示す単一セル試験アッセンブリーから85℃で取られたものを図示する。
に示す単一セル試験アッセンブリーから50℃で取られたものを図示する。
取られた電圧対電流密度曲線を図示する。
料電池で取られた電圧対電流密度曲線を図示する。
Claims (15)
- 【請求項1】 少なくとも一つの実質的にフッ素化された固体ポリマ−電解
質膜、触媒と実質的にフッ素化されたアイオノマ−樹脂バインダーを含む少なく
とも一つの触媒層、および少なくとも一つの炭素繊維製ガス拡散性支持体層、こ
れらの層のうちの少なくとも一つはさらに無定形フロロポリマーからなっている
、を含む多層構造体を形成し; その多層構造体を約200℃より低い温度に加熱し;そして その加熱された多層構造体を加圧して、触媒層が固体ポリマ−電解質膜とイオ
ン的導電性接触を有し、かつガス拡散支持体層が触媒層と電子的導電性接触を有
している一体化された膜電極アッセンブリーを製造することを特徴とする膜電極
アッセンブリ−の製造方法。 - 【請求項2】 実質的にフッ素化された非イオン性高分子アイオノマーのプ
リカーサー樹脂と触媒を合わせて均一混合物を形成し; その混合物を固体ポリマー電解質膜の表面に塗って被覆膜を形成し; その被覆膜をアルカリ金属塩基と接触させて非イオン性高分子アイオノマーの
プリカーサー樹脂を加水分解してそれからアイオノマーを形成させ;そして そのアイオノマーを鉱酸と接触させることを特徴とする触媒被覆された膜を製
造する方法。 - 【請求項3】 触媒層とガス拡散支持体層の両方がさらに無定形フロロポリ
マ−からなることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 均一混合物がさらに無定形フロロポリマーからなることを特
徴とする請求項2に記載の方法。 - 【請求項5】 固体ポリマ−電解質膜が四フッ化エチレンのモノマー単位お
よび2〜20モル%の次式、 −(O−CF2CFR)aO−CF2(CFR´)bSO3 -H+ 式中,RおよびR´は独立にフッ素、塩素または炭素数1から10のパーフ ロロアルキル基から選択され、a=0、1または2、b=0から6である で表されるモノマー単位からなるアイオノマ−からなることを特徴とする請求項
1に記載の方法。 - 【請求項6】 a=1、Rがトリフロロメチル基、R´がフッ素、b=1、
そしてSPE膜の当量重量が700−2000の範囲にあることを特徴とする請
求項5に記載の方法。 - 【請求項7】 無定形フロロポリマーが四フッ化エチレン(TFE)から誘
導されるモノマ−単位とヘキサフロロプロピレン(HFP)、パーフロロアルキ
ルビニルエーテル、2,2−ビストリフロロメチル−4,5−ジフロロ−1,3
−ジオキソール(PDD)およびその混合物から誘導される少なくとも20モル
%のモノマ−単位からなる共重合体であることを特徴とする請求項1または請求
項4に記載の方法。 - 【請求項8】 無定形フロロポリマーが約60モル%のTFEから誘導され
るモノマー単位、約26モル%のパーフロロメチルビニルエーテルから誘導され
るモノマー単位、および約14モル%のパーフロロエチルビニルエーテルから誘
導されるモノマー単位からなる三元共重合体、またはPPD67モル%のTFE
・PDD共重合体であることを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 【請求項9】 無定形フロロポリマーが15重量%より少ない濃度でガス拡
散支持体層に存在することを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項10】 実質的にフッ素化された固体ポリマー電解質膜分離層; 該分離層とイオン的導電性接触しており、触媒と実質的にフッ素化されたアイ
オノマー樹脂バインダーからなる触媒層; 該触媒層と電子的導電性接触している炭素繊維製ガス拡散性支持体層; からなり、これらの層のうちの少なくとも一つに含まれているフロロポリマーが
無定形フロロポリマーからなっていることを特徴とする膜電極アッセンブリー。 - 【請求項11】 固体ポリマー電解質膜が四フッ化エチレンのモノマー単位
および2−20モル%の次式、 −(O−CF2CFR)aO−CF2(CFR´)bSO3 -H+ 式中,RおよびR´は独立にフッ素、塩素、または炭素数1から10のパー フロロアルキル基から選択され、a=0、1または2、b=0から6である
によって表されるモノマー単位からなるアイオノマーからなることを特徴とする
請求項10に記載の膜電極アッセンブリー。 - 【請求項12】 a=1、Rがトリフロロメチル基、R´がフッ素、b=1
、そしてSPE膜の当量重量が700−2000の範囲にあることを特徴とする
請求項11に記載の膜電極アッセンブリー。 - 【請求項13】 無定形フロロポリマ−がTFEから誘導されるモノマー単
位とヘキサフロロプロピレン(HFP)、パーフロロアルキルビニルエーテル、
2,2−ビストリフロロメチル−4,5−ジフロロ−1,3−ジオキソール(P
DD)およびその混合物からなる群から選ばれたモノマーから誘導される少なく
とも20モル%のモノマー単位からなる共重合体であることを特徴とする請求項
10に記載の膜電極アッセンブリー。 - 【請求項14】 無定形フロロポリマーが約60モル%のTFEから誘導さ
れるモノマー単位、約26モル%のパーフロロメチルビニルエーテルから誘導さ
れるモノマー単位、および約14モル%のパーフロロエチルビニルエーテルから
誘導されるモノマー単位からなる三元共重合体、またはPDD67モル%のTF
E・PDD共重合体であることを特徴とする請求項13に記載の膜電極アッセン
ブリー。 - 【請求項15】 無定形フロロポリマーが15重量%より少ない濃度でガス
拡散支持体層に存在することを特徴とする請求項10に記載の膜電極アッセンブ
リー。
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