JP2005108837A - 燃料電池用電極拡散層 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電子伝導性粒子と疎水性バインダー樹脂とを含み、極性液体に濡れず気体の伝達通路の役割を担う、3次元網状構造を形成している疎水性多孔凝集体と、電子伝導性粒子を含み、極性液体の伝達通路の役割を担う、前記疎水性多孔凝集体が形成する網状構造間の空間を満たす3次元網状構造を形成している親水性多孔凝集体と、を含む燃料電池用電極拡散層である。
【選択図】 図1
Description
電極拡散層の製造
1.67gのPTFE懸濁液(60重量%水分散液)を、8.35gのIPA(イソプロピルアルコール)と8.35gの超純水との混合溶液に入れた後に撹拌器を利用して均一に混合することによって、PTFE希釈懸濁液を製造した。また、1gのカーボンブラック(Vulcan XC−72R)を15gのIPAと混合した後に、超音波ホモジェナイザーを利用して20分間撹拌させることによって、カーボンブラック分散液を製造した。
0.24gのPt−Ru粉末と脱イオン水0.2gとを撹拌器で混合して、Pt−Ru粉末の粒子間に脱イオン水が染み込むようにした。ここに3.6gのIPAを添加した後、約20分間超音波ホモジェナイザーで撹拌することによって、アノード触媒層形成用スラリーを製造した。アノード触媒層形成用スラリーを、既製造の電極拡散層上にスプレー方法でコーティングした後、約80℃のオーブンで約2時間乾燥させて残りの溶媒を除去することによってアノードを製造した。この時、アノードのPt−Ru触媒の担持量は4mg/cm2であった。
0.24gのPt粉末と0.3gの脱イオン水とを混合して、Pt粉末の粒子間に脱イオン水が十分に染み込むようにした。その次の工程は、前述したアノード製造過程と同様にして、カソードを製造した。この時、カソードのPt触媒の担持量は4mg/cm2であった。
電解質膜としてNafion115を使用した。上述のアノード、カソード及びNafion115膜をホットプレスして、MEA(Membrane&Electrode Assembly)を製造した。ホットプレスは125℃において5トンの圧力で3分間実行された。
実施例1ではPTFE/C複合粉末とカーボンブラックの量を、重量比で1:2とし、カーボンブラックを利用した親水性通路を相対的に多く配置させて、燃料の供給を相対的に円滑にした。一方、本実施例ではPTFE/C複合粉末とカーボンブラックとの比率を1:1としてカーボンブラックの量を、実施例1よりも減らした。それにより、実施例1に比べて、PTFE/C複合粉末よりなる疎水性通路を相対的に多く配置させることによって、気体生成物の排出に重点をおいた。その他の工程は、実施例1と同様にした。
1gのカーボンブラック(Vulcan XC−72R)を30gのIPAと混合した後、超音波ホモジェナイザーを利用して20分間撹拌した。次いで、さらに1.67gのPTFE懸濁液(60wt%水分散液)を、上記撹拌によって得られたカーボンブラック分散液に混合して10分間さらに撹拌した。このように撹拌させた拡散層スラリーは、スプレー方式を利用してカーボンペーパー上にコーティングされた。スプレー条件は実施例と同一にした。また、この時に使用したカーボンペーパーも実施例で使用したものと同じものを使用した。コーティングを終了した拡散層は、約80℃のオーブンで約2時間乾燥させて溶媒を完全に除去させた後、再び350℃の炉で約20分間焼結させた。これにより、比較例として使用するアノードの拡散層を製造した。その他の触媒層のコーティングは実施例1と同じ過程を通じて、電極拡散層、電極、燃料電池を製造した。
実施例1及び比較例で得た燃料電池に対して、アノードに供給される燃料として濃度2Mのメタノール水溶液を、実際に燃料電池で必要な燃料の量論比に対して約3倍の流量で使用し、カソードに供給される酸化剤として大気中の空気を量論比に対して約3倍の流量で使用し、作動温度は30〜50℃として分極曲線を測定した。結果を図5に示す。
Claims (11)
- 電子伝導性粒子と疎水性バインダー樹脂とを含み、極性液体に濡れず気体の伝達通路の役割を担う、3次元網状構造を形成している疎水性多孔凝集体と、
電子伝導性粒子を含み、極性液体の伝達通路の役割を担う、前記疎水性多孔凝集体が形成する網状構造間の空間を満たす3次元網状構造を形成している親水性多孔凝集体と、
を含む燃料電池用電極拡散層。 - 前記疎水性多孔凝集体における疎水性バインダー樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロ(アルコキシアルカン)(PFA)ポリマー、フッ素化エチレン−プロピレン(FEP)コポリマーまたはこれらの混合物であることを特徴とする請求項1に記載の拡散層。
- 前記疎水性多孔凝集体における疎水性バインダー樹脂の含有量は、20〜80重量%であることを特徴とする請求項1に記載の拡散層。
- 前記疎水性多孔凝集体における電子伝導性粒子は、球形または針状のカーボン粉末であることを特徴とする請求項1に記載の拡散層。
- 前記疎水性多孔凝集体におけるカーボン粉末の平均粒子サイズが、30〜300nmであることを特徴とする請求項4に記載の拡散層。
- 前記親水性多孔凝集体における電子伝導性粒子は、球形または針状のカーボン粉末であることを特徴とする請求項1に記載の拡散層。
- 前記親水性多孔凝集体におけるカーボン粉末の平均粒子サイズが30〜300nmであることを特徴とする請求項6に記載の拡散層。
- 前記疎水性多孔凝集体と前記親水性多孔凝集体との重量比が10:90〜90:10であることを特徴とする請求項1に記載の拡散層。
- 触媒層と、請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池用電極拡散層と、を含む燃料電池用電極。
- 触媒層と拡散層とを含むカソードと、触媒層と拡散層とを含むアノードと、前記カソードと前記アノード間に位置する電解質膜と、を含む燃料電池において、
前記カソードの拡散層及び前記アノードの拡散層のうち少なくとも一方が、請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池用電極拡散層であることを特徴とする燃料電池。 - 電子伝導性粒子、疎水性バインダー樹脂及び溶媒を混合し、得られた混合物を乾燥及び熱処理して、前記電子伝導性粒子と前記疎水性バインダー樹脂との複合粉末を製造する段階と、
前記複合粉末、電子伝導性粒子及び溶媒を混合して、拡散層形成用スラリーを製造する段階と、
前記スラリーを支持体上にコーティングし、乾燥及び熱処理する段階と、を含む燃料電池用電極拡散層の製造方法。
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