JP2005514732A - アミンオキシドコーティング組成物 - Google Patents

Abstract

カーボン粒子、１つ以上の高度にフッ素化されたポリマー、および典型的に
式（Ｉ）、
【化１】

（式中、ｎは９〜１９である）によって示されるアミンオキシド界面活性剤である１つ以上のアミンオキシド界面活性剤を含む、水性コーティング組成物が提供される。コーティング組成物は、ａ）導電性多孔性基材を水性コーティング組成物でコーティングするステップと、ｂ）導電性多孔性基材をアミンオキシド界面活性剤を分解するのに十分な温度に加熱するステップとを含む、電気化学セルのためのガス拡散層を製造する方法で有利に使用される。別の態様では、有利なことに界面活性剤を含まない、電気化学セルのためのガス拡散層が提供される。

Description

本発明は、ＤＯＥによって授与された共同契約ＤＥ−ＦＣ０２−９９ＥＥ５０５８２の下で政府の支援によって行われた。政府は本発明に対して、特定の権利を有する。

本発明は、燃料電池などの電気化学セルのためのガス拡散層を製造するのに有用で、その層が有利なことに界面活性剤残留物を含まない、水性コーティング組成物に関する。コーティング組成物は、カーボン粒子、１つ以上の高度にフッ素化されたポリマー、および１つ以上のアミンオキシド界面活性剤を含む。

米国特許第６，１２７，０５９号明細書は、電気化学セルで使用するためのガス拡散層をフッ素樹脂含有カーボンブラックでコーティングする際の界面活性剤としてのアルコールアルコキシレートであるトリトン（Ｔｒｉｔｏｎ）^TMＸ１００の使用について述べる。

簡潔に述べると、本発明は、カーボン粒子、１つ以上の高度にフッ素化されたポリマー、および典型的に、式Ｉ：

（式中、ｎは９〜１９である）によって示されるアミンオキシド界面活性剤である１つ以上のアミンオキシド界面活性剤を含む、水性コーティング組成物を提供する。

別の態様では、本発明は、ａ）導電性多孔性基材を本発明による水性コーティング組成物でコーティングするステップと、ｂ）導電性多孔性基材をアミンオキシド界面活性剤を分解するのに十分な温度に加熱するステップとを含む、電気化学セルのためのガス拡散層を製造する方法を提供する。

別の態様では、本発明は、本発明の方法に従って製造された電気化学セルのための典型的に界面活性剤を含有しないガス拡散層を提供する。

当該技術分野で記述されておらず、本発明によって提供されるのは、分解しているアミンオキシド界面活性剤を含有することによって、界面活性剤を含まないガス拡散層を提供できるコーティング組成物、および該組成物を使用する方法である。

本明細書での用法では、「ビヒクル」とは、分散体中に微粒子を運搬して典型的に水またはアルコールを含む流体を意味し、
「高度にフッ化された」とは、フッ素を４０重量％以上、しかし典型的には５０重量％以上、そしてより典型的には６０重量％以上の量で含有することを意味し、
「置換される」とは、化学種に対して、所望の生成物または工程を妨げない従来の置換基で置換されることを意味し、例えば置換基はアルキル、アルコキシ、アリール、フェニル、ハロ（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、シアノ、ニトロなどであることができる。

使用において短命であることによって、界面活性剤を含まないガス拡散層を提供できる効果的な界面活性剤を含有する、コーティング組成物および該組成物を使用する方法を提供することが、本発明の利点である。

本発明は、カーボン粒子、１つ以上の高度にフッ素化されたポリマー、および１つ以上のアミンオキシド界面活性剤を含む、水性コーティング組成物を提供する。

燃料電池は、水素などの燃料と、酸素などの酸化剤との触媒化合によって、使用できる電気を製造する電気化学セルである。典型的な燃料電池は、触媒的反応性部位に隣接してガス拡散層またはディフューザー／集電器層として知られる層を含有する。これらの層は導電性でありながら、反応物および生成物流体の通過を許さなくてはならない。典型的なガス拡散層は、触媒に隣接する表面でカーボン粒子およびフルオロポリマーの層で被覆される。

コーティング組成物には、あらゆる適切な水性ビヒクルを用いることができる。ビヒクルは水を含み、さらにアルコールを含んでも良く、より典型的には水またはアルコールのみを含む。最も典型的には、ビヒクルは水だけを含む。

あらゆる適切なアミンオキシド界面活性剤を使用しても良い。適切なアミンオキシドは式ＩＩ：Ｒ₃Ｎ→Ｏ、（式中、各Ｒは独立して、１〜２０個の炭素を含有し、任意にエーテルおよびアルコール基を含み、さらに置換されても良いアルキル基から選択される）に属しても良い。典型的にアミンオキシド界面活性剤は、式Ｉ、

（ｎは９〜１９以上、典型的には１１〜１５である）によって示されるアミンオキシドである。最も典型的には、ｎは１１または１３である。式Ｉによって示されるアミンオキシドは、任意に置換される。適切なアミンオキシド界面活性剤としては、ジェナミノックス（Ｇｅｎａｍｉｎｏｘ）（登録商標）、アドモックス（Ａｄｍｏｘ）（登録商標）、アンモニックス（Ａｍｍｏｎｙｘ）（登録商標）、およびニノックス（Ｎｉｎｏｘ）（登録商標）の商品名の下に入手できるものが挙げられる。アミンオキシド界面活性剤は、有利なことに、２００℃未満、より典型的には１８０℃未満、そして最も典型的には１６０℃未満の分解温度を有する。水性コーティング組成物は、典型的に０．１〜１５重量％、より典型的には０．１〜１０重量％、そして最も典型的には重量１〜５％のアミンオキシド界面活性剤を含む。

あらゆる適切なカーボン粒子が使用できる。「カーボン粒子」という用語は、本明細書での用法では、典型的に平均サイズ１〜１００ｎｍを有する一次粒子、典型的に平均サイズ．０１〜１μｍを有する一次粒子の一次凝集体、典型的に平均サイズ．１〜１０μｍを有する一次凝集体の二次凝集体、および典型的に１０μｍを超える平均サイズ有する凝集体のアグロメレートを指すことができるものと理解される。最も典型的には、「カーボン粒子」という用語は、一次粒子または一次凝集体を指す。典型的にマサチューセッツ州ビルリカのキャボット・コーポレーション、スペシャル・ブラックス・ディビジョン（Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐ．，Ｓｐｅｃｉａｌ Ｂｌａｃｋｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，（Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ，ＭＡ））からのヴァルカン（Ｖｕｌｃａｎ）ＸＣ−７２、テキサス州ベイタウンのシェブロン・フィリップス・ケミカル・カンパニー、ＬＰ、アセチレン・ブラック・ユニット（Ｃｈｅｖｒｏｎ Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，ＬＰ，Ａｃｅｔｙｌｅｎｅ Ｂｌａｃｋ Ｕｎｉｔ，（Ｂａｙｔｏｗｎ，ＴＸ））からのシャウィニガン・ブラック（Ｓｈａｗｉｎｉｇａｎ Ｂｌａｃｋ）Ｃ５５等級、あるいはイリノイ州シカゴのアクゾ・ノーベル・ケミカルズ・インコーポレーテッド（Ａｋｚｏ Ｎｏｂｅｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．，（Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩＬ））からのケトジェンブラック（Ｋｅｔｊｅｎｂｌａｃｋ）ＥＣ３００Ｊなどのカーボンブラックが使用される。黒煙粒子を使用しても良いが、典型的により大きな粒度を有する。水性コーティング組成物は、典型的に１〜５０重量％、より典型的には１〜２０重量％、そして最も典型的には５〜１５重量％のカーボン粒子を含む。典型的に、より小さい粒子が使用される場合、水性コーティング組成物のカーボン粒子重量％含量はより低い。カーボン粒子の最も高い重量％含量は、典型的により大きな粒度を有する、黒煙粒子の添加によって達成される。

あらゆる適切な高度にフッ素化されたポリマーを使用しても良い。高度にフッ素化されたポリマーは、典型的にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルキルアクリレート、ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン／フッ化ビニリデンターポリマーなどの過フッ素化されたポリマーである。水性コーティング組成物は、典型的に０．１〜１５重量％、より典型的には０．１〜１０重量％、そして最も典型的には１〜５重量％の高度にフッ素化されたポリマーを含む。

本発明による方法では、ａ）導電性多孔性基材を上述の水性コーティング組成物でコーティングするステップと、ｂ）導電性多孔性基材をアミンオキシド界面活性剤を分解するのに十分な温度に加熱するステップによって、電気化学セルのためのガス拡散層が製造される。

あらゆる適切な導電性多孔性基材が使用できる。典型的に、導電性多孔性基材は炭素繊維構造物である。典型的に炭素繊維構造物は、織布および不織布炭素繊維構造物から選択される。本発明の実施において有用かもしれない炭素繊維構造物としては、東レ（Ｔｏｒａｙ）^TMカーボン紙、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）^TMカーボン紙、ＡＦＮ^TM不織布炭素布、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）^TM炭素布などが挙げられる。多孔性基材はコーティングに先だって処理されても良い。典型的な処理としては、ＰＴＦＥなどのフルオロポリマーによる処理などの疎水性を増大させる、または与えるものが挙げられる。その他の典型的な処理は、疎水性を増大させる、または与えるかもしれない。

あらゆる適切なコーティング方法を使用しても良い。典型的な方法としては、手動刷毛塗り、ノッチバーコーティング、巻線ロッドコーティング、流体ベアリングコーティング、スロット送り込みナイフコーティング、および三本ロールコーティングをはじめとする手動および機械的方法の双方が挙げられる。コーティングはワンパス、または複数パスで達成されても良い。

加熱ステップは、あらゆる適切な方法によって達成されても良い。有利なことに、加熱ステップの温度および長さは全ての界面活性剤を分解するのに十分である。有利なことに加熱段階の温度および長さは、全ての界面活性剤および界面活性剤の分解生成物を分解して除去するのに十分である。さらに加熱ステップの温度および長さは、有利なことにフルオロポリマーを焼結するのに十分である。一実施態様では、分解温度は、高度にフッ素化されたポリマーの焼結温度よりも少なくとも５℃低い。このようにして界面活性剤は、実質的に基材上でのフルオロポリマーの焼結前に除去できる。より典型的には分解温度は焼結温度よりも少なくとも１０℃低く、最も典型的には分解温度は焼結温度よりも少なくとも２０℃低い。

本発明は、有利なことに実質的に界面活性剤を含有しない電気化学セルのためのガス拡散層を提供する。典型的に本発明によるガス拡散層は、実質的に界面活性剤または界面活性剤分解生成物を含有しない。

得られるガス拡散層は、その多くは当該技術分野で公知のあらゆる適切な方法によって、典型的に水素燃料電池などの電気化学セルで使用するための膜電極アセンブリーに組み込まれる。

本発明は、水素燃料電池などの電気化学セルで使用するためのガス拡散層の製造において有用である。

本発明の範囲と精神を逸脱することなく本発明の様々な変更と修正ができることは、当業者には明らかであり、本発明は上で述べた例証的な実施態様によって不当に制限されないものと理解されるべきである。

Claims (18)

1. カーボン粒子、１つ以上の高度にフッ素化されたポリマー、および１つ以上のアミンオキシド界面活性剤を含む水性コーティング組成物。
2. 前記アミンオキシド界面活性剤が２００℃未満の分解温度を有する、請求項１に記載の組成物。
3. 前記アミンオキシド界面活性剤が、式ＩＩ：
   Ｒ₃Ｎ→Ｏ （ＩＩ）
   （式中、各Ｒは独立して、エーテル酸素を含んでも良く、アルコール基で置換されても良く、さらに置換されても良い、１〜２０個の炭素を含有するアルキル基から選択される）によって示されるアルキルジメチルアミンオキシドである、請求項１に記載の組成物。
4. 前記アミンオキシド界面活性剤が２００℃未満の分解温度を有する、請求項３に記載の組成物。
5. 前記アミンオキシド界面活性剤が、式Ｉ：
   

   

   （式中、ｎは９〜１９であり、任意に置換される）
   によって示されるアルキルジメチルアミンオキシドである、請求項１に記載の組成物。
6. 前記アミンオキシド界面活性剤が２００℃未満の分解温度を有する、請求項５に記載の組成物。
7. ｎが１１〜１５である、請求項５に記載の組成物。
8. １〜５０重量％のカーボン粒子、
   ０．１〜１５重量％の高度にフッ素化されたポリマー、および
   ０．１〜１５重量％のアミンオキシド界面活性剤
   を含む、請求項７に記載の組成物。
9. 前記高度にフッ素化されたポリマーが焼結温度を有し、前記アミンオキシド界面活性剤が前記焼結温度よりも少なくとも５℃低い分解温度を有する、請求項１に記載の組成物。
10. ａ）導電性多孔性基材を請求項１に記載の水性コーティング組成物でコーティングするステップと、
    ｂ）導電性多孔性基材を前記アミンオキシド界面活性剤を分解するのに十分な温度に加熱するステップと
    を含む電気化学セルのためのガス拡散層を製造する方法。
11. 前記導電性多孔性基材が炭素繊維を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記高度にフッ素化されたポリマーが焼結温度を有し、前記アミンオキシド界面活性剤が前記焼結温度よりも少なくとも５℃低い分解温度を有する、請求項１０に記載の方法。
13. 導電性多孔性基材を加熱する前記ステップが、導電性多孔性基材を前記高度にフッ素化されたポリマーを焼結するのに十分な温度に加熱するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 導電性多孔性基材を加熱する前記ステップが、導電性多孔性基材を前記高度にフッ素化されたポリマーを焼結するのに十分な温度に加熱するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 請求項１０に記載の方法に従って製造された、電気化学セルのためのガス拡散層。
16. 本質的に界面活性剤を含まない、請求項１５に記載の電気化学セルのためのガス拡散層。
17. 請求項１５に記載のガス拡散層を含む、電気化学セルのための膜電極アセンブリー。
18. 請求項１６に記載のガス拡散層を含む、電気化学セルのための膜電極アセンブリー。