JP2006294559A

JP2006294559A - 撥水ペースト及び燃料電池ガス拡散層並びにその製造方法

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Publication number: JP2006294559A
Application number: JP2005117264A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sugiura; 健二杉浦; Takayuki Uchiyama; 貴之内山; Tomonobu Hayashi; 知延林
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Chemical Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Chemical Co Ltd; Aisin Corp
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】導電性と撥水性を保持しつつ触媒層に均一にガスを供給することができ、電池性能を向上させることができる撥水ペースト及び燃料電池ガス拡散層、その製造方法の提供。
【解決手段】燃料電池ガス拡散層は、カーボンブラックを分散させたスラリー（１９％）とフッ素系樹脂ディスパージョン（６０％）を６：４の比率で攪拌・混合し、カーボンペーパーに含浸させて乾燥させたものをベース層として、このベース層上に、カーボンブラックを分散させたスラリー、フッ素系樹脂ディスパージョン、繊維状フィラー（気相成長炭素繊維：ＶＧＣＦ）スラリー（１２％）、生分解性高分子化合物（ポリ乳酸）造孔剤、増粘剤としての非イオン界面活性剤（ポリオキシエチレンアルキルエーテル）を混合した撥水ペーストを１００μｍの厚さに塗布して乾燥し、３５０℃で焼成して製造。繊維状フィラー、造孔剤を配合しなかったものと比較して電池性能の向上が見られた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池の触媒層に均一にガスを供給することができ、さらに電池性能を向上させることができる撥水ペースト及び燃料電池ガス拡散層並びにその製造方法に関するものである。

従来の固体高分子型燃料電池は高分子電解質を用いた燃料電池であって、水素を含有する燃料ガスと空気等酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。その構造は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に白金系の金属触媒を担持したカーボンブラックを触媒体とし、これに水素イオン伝導性高分子電解質を混合したもので触媒層を形成する。その外側に燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するガス拡散層が形成され、水素と酸素の電気化学的反応で生ずる水分によってガスの供給が妨げられないように、ガス拡散層の表面には撥水性を付与する撥水ペーストが塗布される。

特許文献１に開示された発明においては、固体高分子型燃料電池において固体高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とからなる電極を備え、触媒層と、カーボン粉末とフッ素樹脂とを含有するペーストから形成されたガス拡散層とは一体であり、さらに固体高分子電解質膜とも一体に構成している。
特開２００１−６６９９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された発明におけるカーボン粉末とフッ素樹脂とを含有するペースト（撥水ペースト）の塗工面には、乾燥条件によってはクラックが発生する場合があり、クラックが発生すると触媒層にガスが均一に供給されていない可能性があるという問題点があった。

そこで、本発明は、導電性と撥水性を保持しつつ触媒層に均一にガスを供給することができ、さらに電池性能を向上させることができる撥水ペースト及び燃料電池ガス拡散層並びにその製造方法の提供を課題とするものである。

請求項１の発明にかかる撥水ペーストは、導電性フィラー、フッ素系樹脂及び繊維状フィラーに加えて、さらに焼成によって熱分解する造孔剤粒子を均一に混合してなるものである。

請求項２の発明にかかる撥水ペーストは、請求項１の構成において、前記造孔剤粒子の粒径は約１μｍ〜約１００μｍであるものである。

請求項３の発明にかかる撥水ペーストは、請求項１または請求項２の構成において、前記繊維状フィラーは外径０．０１μｍ〜２０μｍ、長さ１μｍ〜１ｍｍであるものである。

請求項４の発明にかかる撥水ペーストは、請求項１乃至請求項３のいずれか１つの構成において、前記繊維状フィラーの添加量は０．５重量％〜５０重量％であるものである。

請求項５の発明にかかる撥水ペーストは、請求項１乃至請求項４のいずれか１つの構成において、前記造孔剤粒子の添加量は固形分に対して１重量％〜２００重量％であるものである。

請求項６の発明にかかる燃料電池ガス拡散層は、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の撥水ペーストを基材に塗布して乾燥・焼成してなるものである。

請求項７の発明にかかる燃料電池ガス拡散層の製造方法は、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の撥水ペーストを基材に塗布して乾燥・焼成するものである。

ここで、「繊維状フィラー」としてはカーボンナノチューブ、ＶＧＣＦ（気相成長炭素繊維）、ＶＧＮＦ（気相成長ナノ炭素繊維）、針状黒鉛、セルロース繊維、チタン酸カリウム等を用いることができる。また、焼成によって熱分解する造孔剤の材料としては、生分解性高分子化合物（コラーゲン、デンプン、ポリグリコール酸、ポリ乳酸、ポリエチレンスクシナート等）、撥水ペーストのホイップ、アゾ系発泡剤、マイクロカプセル、等を用いることができる。

このように、焼成時にガス拡散層内に均一に分散した孔が生じることによって、繊維状フィラーを撥水ペーストに添加することによって乾燥時にクラックが発生するのを防止したことと相俟って触媒層に均一にガスを供給することができ、また造孔により透気度を制御することが可能となり、さらに造孔により触媒層との密着性が向上し、またガス拡散層表面に生じた細孔がＭＥＡ（膜電極接合体）の水管理において有利に働く可能性があることから電池性能が向上する。

このようにして、導電性と撥水性を保持しつつ触媒層に均一にガスを供給することができ、さらに電池性能を向上させることができる燃料電池ガス拡散層を形成できる撥水ペーストとなる。

請求項２の発明にかかる撥水ペーストは、造孔剤粒子の粒径が約１μｍ〜約１００μｍ、さらに好ましくは約１μｍ〜約５０μｍである。本発明者らは撥水ペーストに添加する造孔剤粒子の粒径について鋭意実験研究を重ねた結果、造孔剤粒子の粒径が約１μｍ〜約１００μｍ、さらに好ましくは約１μｍ〜約５０μｍの場合に電池性能が向上することを見出し、この知見に基いて本発明を完成させたものである。

請求項３の発明にかかる撥水ペーストは、繊維状フィラーの外径が０．０１μｍ〜２０μｍ、長さが１μｍ〜１ｍｍの範囲内である。本発明者らは撥水ペーストに添加する繊維状フィラーのサイズについて、鋭意実験研究を重ねた結果、外径が０．０１μｍ〜２０μｍ、長さが１μｍ〜１ｍｍの範囲内の繊維状フィラーを添加した場合に顕著なクラック抑制効果が得られることを見出し、この知見に基いて本発明を完成したものである。

このようにして、導電性と撥水性を保持しつつ、クラックの発生を確実に防止して、触媒層に均一にガスを供給することができ、さらに電池性能を向上させることができる燃料電池ガス拡散層を形成できる撥水ペーストとなる。

請求項４の発明にかかる撥水ペーストは、繊維状フィラーの添加量が０．５重量％〜５０重量％、さらに好ましくは２重量％〜２０重量％である。本発明者らは撥水ペーストに添加する繊維状フィラーの添加量について、鋭意実験研究を重ねた結果、繊維状フィラーの添加量が０．５重量％未満ではクラック抑制効果が得られず、一方添加量が５０重量％を越えると均一なペーストにならないことを見出し、この知見に基いて本発明を完成したものである。さらに、繊維状フィラーの添加量を２重量％〜２０重量％の範囲内とすると、より均一性とクラック抑制効果に優れた撥水ペーストとなる。

請求項５の発明にかかる撥水ペーストは、造孔剤粒子の添加量が固形分に対して１重量％〜２００重量％、さらに好ましくは１０重量％〜１００重量％である。本発明者らは撥水ペーストに添加する造孔剤粒子の添加量について鋭意実験研究を重ねた結果、造孔剤粒子の添加量が固形分に対して１重量％〜２００重量％、さらに好ましくは１０重量％〜１００重量％の場合に電池性能が向上することを見出し、この知見に基いて本発明を完成させたものである。

このように繊維状フィラーを添加した撥水ペーストを基材に塗布することによって、乾燥時にクラックが発生するのを確実に抑えることができ、さらに焼成によって熱分解する造孔剤粒子を均一に混合することによって、クラックを防止したことと相俟って触媒層に均一にガスを供給することができ、また造孔により透気度を制御することが可能となり、さらに造孔により触媒層との密着性が向上し、またガス拡散層表面に生じた細孔がＭＥＡ（膜電極接合体）の水管理において有利に働く可能性があることから電池性能が向上する。

このようにして、導電性と撥水性を保持しつつ触媒層に均一にガスを供給することができ、さらに電池性能を向上させることができる燃料電池ガス拡散層となる。

このようにして、導電性と撥水性を保持しつつ触媒層に均一にガスを供給することができ、さらに電池性能を向上させることができる燃料電池ガス拡散層の製造方法となる。

以下、本発明の実施の形態にかかる撥水ペースト及び燃料電池ガス拡散層並びにその製造方法について説明する。

まず、本実施の形態にかかる撥水ペースト及び燃料電池ガス拡散層の製造方法について説明する。カーボンブラックを分散させたスラリー（１９％）とフッ素系樹脂ディスパージョン（６０％）を６：４の比率で攪拌・混合し、カーボンペーパーに含浸させて乾燥させたものをベース層とする。このベース層上に、カーボンブラックを分散させたスラリー、フッ素系樹脂ディスパージョン、繊維状フィラー（気相成長炭素繊維：ＶＧＣＦ）スラリー（１２％）、生分解性高分子化合物（ポリ乳酸）造孔剤、増粘剤としての非イオン界面活性剤（ポリオキシエチレンアルキルエーテル）を混合した撥水ペーストを１００μｍの厚さに塗布して、乾燥し、３５０℃で焼成して燃料電池ガス拡散層を製造した。

なお、繊維状フィラー（ＶＧＣＦ）の繊維長さは約１０μｍ〜約２０μｍ、繊維径は約０．１５μｍである。さらに、繊維状フィラーに加えて、繊維状フィラー以外のクラックを防止するフィラーを混合させることが好ましい。繊維状フィラー以外のクラックを防止するフィラーとしては、板状黒鉛、タルク等を用いることができる。

ここで、混合比等を変化させて、撥水ペーストの実施例１，実施例２，実施例３及び比較例１，比較例２，比較例３の配合について、試験を行った。実施例１，２，３、比較例１，２，３の配合を表１にまとめて示す。

表１に示されるように、実施例１，２，３は生分解性高分子化合物造孔剤の粒径が異なるだけで、その他の成分の配合比は同一である。これに対して、比較例１は造孔剤を入れず、増粘剤の配合比も少なくした。また、比較例２は繊維状フィラースラリーも配合せず、造孔剤も入れず、増粘剤の配合比も少なくした。さらに、比較例３は繊維状フィラースラリーを配合せず、その分カーボンブラックを分散させたスラリーの配合比を増やした以外は、実施例１と同じ配合とした。

繊維状フィラースラリーを配合した実施例１，２，３及び比較例１においては、乾燥時にクラックが生じないため、触媒層にガスが均一に供給される。また、造孔剤を配合した実施例１，２，３及び比較例３においては、焼成時に造孔剤が熱分解して粒径相当の孔がガス拡散層内に均一に形成される。

このようにして製造した各ガス拡散層を触媒層を塗布したイオン交換膜とプレスにより接合し、電池性能の評価を行った。結果を図１に示す。図１は本発明の実施の形態にかかる実施例１，２，３及び比較例１，２，３の配合によって製造した燃料電池ガス拡散層を用いた燃料電池の電池性能を示す図である。図１に示されるように、実施例１，２，３はほぼ同一の特性を示し、比較例１，２，３と比較して電池性能が明らかに向上している。

また、各ガス拡散層について法線方向透気度についても評価を行った。結果を図２に示す。図２は本発明の実施の形態にかかる実施例１，２，３及び比較例１，２，３の配合によって製造した燃料電池ガス拡散層の法線方向透気度を示す図である。図２に示されるように、実施例１，２，３及び比較例１においては、乾燥時にクラックが生じず、造孔剤を配合した実施例１，２，３及び比較例３においては、焼成時に造孔剤が熱分解して粒径相当の孔がガス拡散層内に均一に形成されることから、実施例１，２，３においては透気度が向上しているが、比較例１は透気度が小さい。また、比較例２，３においては乾燥時にクラックが発生するためそのクラックから透気して透気度が高くなっているが、均一にガスを供給することができない。

このようにして、本実施の形態にかかる実施例１，２，３の配合により製造した燃料電池ガス拡散層は、導電性と撥水性を保持しつつ触媒層に均一にガスを供給することができ、さらに電池性能を向上させることができる。

本実施の形態においては、繊維状フィラーを用いているが、乾燥時のクラックを防止できるものであれば、必ずしも繊維状フィラーに限定されない。また、繊維状フィラーとして気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）を用いた例について説明したが、この他にもカーボンナノチューブ、ＶＧＮＦ（気相成長ナノ炭素繊維）、針状黒鉛、セルロース繊維、チタン酸カリウム等を用いることができる。繊維状フィラーのサイズも外径０．０１μｍ〜２０μｍ、長さ１μｍ〜１ｍｍの範囲内であれば良く、繊維状フィラーの添加量も０．５重量％〜５０重量％の範囲内であれば良い。

また、本実施の形態においては、造孔剤粒子として生分解性高分子化合物の１種であるポリ乳酸からなる微粒子を用いたが、造孔剤粒子の材料としては、この他にもコラーゲン、デンプン、ポリグリコール酸、ポリエチレンスクシナート、ペーストのホイップ、アゾ系発泡剤、マイクロカプセル等を用いることができる。造孔剤粒子の粒径も約１μｍ〜約１００μｍの範囲内であれば良く、造孔剤粒子の添加量も固形分に対して１重量％〜２００重量％の範囲内であれば良い。

撥水ペーストまたは燃料電池ガス拡散層のその他の部分の構成、組成、成分、配合量、材質、形状、大きさ等についても、或いは燃料電池ガス拡散層の製造方法のその他の工程についても、本実施の形態に限定されるものではない。

図１は本発明の実施の形態にかかる実施例１，２，３及び比較例１，２，３の配合によって製造した燃料電池ガス拡散層を用いた燃料電池の電池性能を示す図である。図２は本発明の実施の形態にかかる実施例１，２，３及び比較例１，２，３の配合によって製造した燃料電池ガス拡散層の法線方向透気度を示す図である。

Claims

導電性フィラー、フッ素系樹脂及び繊維状フィラーに加えて、さらに焼成によって熱分解する造孔剤粒子を均一に混合してなることを特徴とする撥水ペースト。
前記造孔剤粒子の粒径は約１μｍ〜約１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の撥水ペースト。
前記繊維状フィラーは外径０．０１μｍ〜２０μｍ、長さ１μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撥水ペースト。
前記繊維状フィラーの添加量は０．５重量％〜５０重量％であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の撥水ペースト。
前記造孔剤粒子の添加量は固形分に対して１重量％〜２００重量％であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の撥水ペースト。
請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の撥水ペーストを基材に塗布して乾燥・焼成してなることを特徴とする燃料電池ガス拡散層。
請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の撥水ペーストを基材に塗布して乾燥・焼成することを特徴とする燃料電池ガス拡散層の製造方法。