JP2007311269A - 燃料電池用拡散層及びその製造方法、ならびに燃料電池用膜−電極接合体及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】貫通孔を複数有する燃料電池用拡散層において、内径が不均一である各貫通孔の最小径の位置における断面積の総和を総断面積X、最小径が0.1μm〜10μmの範囲にある貫通孔の最小径の位置における断面積の総和をY1としたときに、Xに対するY1の割合を所定の範囲とすることにより、排水性に優れる燃料電池用拡散層、燃料電池用膜−電極接合体及び燃料電池を提供することが出来る。
【選択図】なし
Description
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池用拡散層を備える燃料電池の概略構成図である。燃料電池1は、電解質膜11の一方の表面に酸素ガス等の酸化ガス(通常は、空気)が反応するカソード電極12Aを有し、他方の表面に水素ガス等の燃料ガスが反応するアノード電極12Bを有する膜−電極接合体10と、膜−電極接合体10のカソード電極12Aの表面に配置されるカソード側セパレータ20Aと、膜−電極接合体10のアノード電極12Bの表面に配置されるアノード側セパレータ20Bとを備える。膜−電極接合体10は、膜−電極アッセンブリ(Membrane-Electrode Assembly、MEA)とも称される。この膜−電極接合体10において、燃料ガスおよび酸化ガスが反応して電気が取り出される。
本実施形態に係る燃料電池用拡散層は、例えば以下のようにして製造することができる。
具体的には、導電性材料、撥水性樹脂、溶媒及び必要に応じて繊維状物質を含むペーストにおいて、全固形分中の撥水性樹脂の割合を制御する。すなわち、全固形分(導電性材料+撥水性樹脂+繊維状物質)中の撥水性樹脂の割合を30重量%以下、好ましくは20重量%以下とする。また、固形分濃度は5〜30重量%の範囲であることが好ましい。このペーストを多孔質基材表面に塗布して塗膜を形成する。その後、基材の表面上に塗布された塗膜を、例えば10〜30℃、好ましくは15〜25℃で2〜6時間乾燥し、更にその後、340〜380℃で2〜6時間焼成して、多孔質基材の表面上に表面層を形成する。
亀裂は、加熱手段及び亀裂形成手段のうち少なくとも1つにより形成する。具体的には、導電性材料、撥水性樹脂、溶媒、必要に応じて界面活性剤を含むペーストを多孔質基材表面に塗布して塗膜を形成する。その後、基材の表面上に塗布された塗膜を、例えば10〜30℃、好ましくは15〜25℃で2〜6時間乾燥し、更にその後、340〜380℃で2〜6時間焼成して、多孔質基材の表面上に表面層を形成する。
具体的には、導電性材料、撥水性樹脂、造孔剤、溶媒、必要に応じて繊維状物質、必要に応じて界面活性剤を含むペーストを多孔質基材表面に塗布して塗膜を形成する。その後、基材の表面上に塗布された塗膜を、例えば10〜30℃、好ましくは15〜25℃で2〜6時間乾燥し、更にその後、340〜380℃で2〜6時間焼成して、多孔質基材の表面上に表面層を形成する。
具体的には、撥水性樹脂、繊維状物質、溶媒、必要に応じて界面活性剤を含むペーストを多孔質基材表面に塗布して塗膜を形成する。その後、基材の表面上に塗布された塗膜を、例えば10〜30℃、好ましくは15〜25℃で2〜6時間乾燥し、更にその後、340〜380℃で2〜6時間焼成して、多孔質基材の表面上に表面層を形成する。
本実施形態に係る膜−電極接合体及び燃料電池は、例えば以下のようにして製造することができる。電解質膜の両面に、触媒として白金を担持したカーボン等を含むカソード側触媒層及びアノード側触媒層をスプレー法、転写法、浸漬法、スクリーン印刷法等により形成し、その後、各触媒層の表面上に上記拡散層を、熱プレス等により積層して、膜−電極接合体を得ることができる。更に、この膜−電極接合体を、1組のセパレータにより挟持して、燃料電池(単セル)とすることができる。
(拡散層の製造(1))
(基材の製造)
60重量部のカーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)と、ノニオン系界面活性剤(カーボンブラックに対して10重量%)と、40重量部(PTFEとして)のフッ素樹脂(PTFE、体積平均粒径0.2〜0.3μm、)の分散物と、600重量部の水とを混合して液状混合物を得た。この液状混合物の中に、カーボンペーパー(400mm×400mm、厚み200μm)を、ディッピングして、カーボンペーパーに液状混合物を含浸させた。液状混合物を含浸した後のカーボンペーパーを、常温25℃で6時間乾燥することにより、基材を得た。基材の貫通孔の平均孔径(最小径)は20μmであった。
48重量部のカーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)と、ノニオン系界面活性剤(カーボンブラックに対して10重量%)と、32重量部の炭素繊維(繊維径:0.15μm、繊維長:10μm〜20μm)と、20重量部(PTFEとして)のフッ素樹脂(PTFE、体積平均粒径0.2〜0.3μm、)の分散物と、600重量部の水とを混合することより、混合ペースト1を調製した。この混合ペースト1を、上記基材の一方の表面上に、塗工機(ダイコータ)により塗布した。その後、基材の表面上に塗布された塗膜を、常温25℃で6時間乾燥し、更にその後、350℃で5時間焼成して、基材の表面上に表面層(1)を形成した。表面層(1)の表面層貫通孔は、各材料(カーボンブラック、炭素繊維及びPTFE)のストラクチャによって生じたものである。表面層(1)の厚みは、50μmであった。表面層(1)の厚みは、膜厚測定装置(ミツトヨ製、ダイヤルゲージ)を使用して測定した。
〈拡散層の製造(2))
(基材の製造)
基材を上記実施例1と同様にして製造した。その基材の一方の表面に以下に示す表面層(2)を形成した。
60重量部のカーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)と、ノニオン系界面活性剤(カーボンブラックに対して10重量%)と、40重量部(PTFEとして)のフッ素樹脂(PTFE、体積平均粒径0.2〜0.3μm、)の分散物と、600重量部の水とを混合することより、混合ペースト2を調製した。この混合ペースト2を、上記基材の一方の表面上に、塗工機(ダイコータ)により塗布した。その後、基材の表面上に塗布された塗膜を、常温25℃で6時間乾燥し、更にその後、350℃で5時間焼成して、基材の表面上に表面層(2)を形成した。表面層(2)の表面層貫通孔は、乾燥、焼成工程において塗膜が収縮する際に生じる亀裂によって生じたものである。表面層(2)の厚みは、50μmであった。
(拡散層の製造(3))
(基材の製造)
基材を上記実施例1と同様にして製造した。その基材の一方の表面に以下に示す表面層(3)を形成した。
36重量部のカーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)と、ノニオン系界面活性剤(カーボンブラックに対して10重量%)と、24重量部の炭素繊維(繊維径:0.15μm、繊維長:10μm〜20μm)と、40重量部(PTFEとして)のフッ素樹脂(PTFE、体積平均粒径0.2〜0.3μm、)の分散物と、造孔剤として50重量部の発泡剤(アゾジカルボンアミド、ADCA)と、600重量部の水とを混合することより、混合ペースト3を調製した。この混合ペースト3を、上記基材の一方の表面上に、塗工機(ダイコータ)により塗布した。その後、基材の表面上に塗布された塗膜を、常温25℃で6時間乾燥し、更にその後、350℃で5時間焼成して、基材の表面上に表面層(3)を形成した。表面層(3)の表面層貫通孔は、発泡剤のADCAが焼成時において熱分解することにより生じたものである。表面層(3)の厚みは、50μmであった。
(拡散層の製造(4))
(基材の製造)
基材を上記実施例1と同様にして製造した。その基材の一方の表面に以下に示す表面層(4)を形成した。
80重量部の炭素繊維(繊維径:0.15μm、繊維長:10μm〜20μm)と、ノニオン系界面活性剤(炭素繊維に対して10重量%)と、20重量部(PTFEとして)のフッ素樹脂(PTFE、体積平均粒径0.2〜0.3μm、)の分散物と、600重量部の水とを混合することより、混合ペースト4を調製した。この混合ペースト4を、上記基材の一方の表面上に、塗工機(ダイコータ)により塗布した。その後、基材の表面上に塗布された塗膜を、常温25℃で6時間乾燥し、更にその後、350℃で5時間焼成して、基材の表面上に表面層(4)を形成した。表面層(4)の表面層貫通孔は、炭素繊維と炭素繊維との間に生じる隙間によるものである。表面層(4)の厚みは、50μmであった。
(拡散層の製造(5))
(基材の製造)
基材を上記実施例1と同様にして製造した。その基材の一方の表面に以下に示す表面層(5)を形成した。
36重量部のカーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)と、ノニオン系界面活性剤(カーボンブラックに対して10重量%)と、24重量部の炭素繊維(繊維径:0.15μm、繊維長:10μm〜20μm)と、40重量部(PTFEとして)のフッ素樹脂(PTFE、体積平均粒径0.2〜0.3μm、)の分散物と、600重量部の水とを混合することより、混合ペースト5を調製した。この混合ペースト5を、上記基材の一方の表面上に、塗工機(ダイコータ)により塗布した。その後、基材の表面上に塗布された塗膜を、常温25℃で6時間乾燥し、更にその後、350℃で5時間焼成して、基材の表面上に表面層(5)を形成した。表面層(5)の表面層貫通孔は、各材料(カーボンブラック、炭素繊維及びPTFE)のストラクチャによって生じたものである。表面層(5)の厚みは、50μmであった。
(拡散層の製造(6))
48重量部のカーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)と、ノニオン系界面活性剤(カーボンブラックに対して10重量%)と、32重量部の炭素繊維(繊維径:0.15μm、繊維長:10μm〜20μm)と、20重量部(PTFEとして)のフッ素樹脂(PTFE、体積平均粒径0.2〜0.3μm、)の分散物と、600重量部の水とを混合することより、混合ペースト6を調製した。この混合ペースト6に、カーボンペーパー(400mm×400mm、厚み200μm)をディッピングして、カーボンペーパーに混合ペースト6を含浸させ、撥水処理を行った。その後、基材を、常温25℃で6時間乾燥し、更にその後、350℃で5時間焼成して、拡散層を得た。
電解質膜(パーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質膜、ナフィオン、登録商標、デュポン社製)の両面に、触媒として白金を担持したカーボンを含む触媒層を形成し、その後、触媒層の表面上に実施例1で製造した拡散層を、熱プレスすることにより積層して、膜−電極接合体を得た。更に、この膜−電極接合体を、カーボンを圧縮成形して製造した1組のセパレータで挟持して、燃料電池(単セル)とした。
上記実施例1に係る燃料電池の出力(出力電圧)を測定した。測定条件としては、電流密度を1.0(A/cm2)に設定し、燃料電池の温度を60℃に保ち、燃料電池へ供給する水素ガスの流量を必要流量の1.2倍、空気の流量を必要流量の1.5倍とし、水素ガスのガス露点を45℃、空気のガス露点を55℃に設定した。結果は、図6に示した。また実施例2〜実施例4および比較例1,2に係る燃料電池においても同様にして、出力電圧を測定した。結果は、図6に示した。
上記実施例1に係る燃料電池を、−20℃の環境下にある燃料電池を起動して発電を行い、燃料電池の温度が60℃に達した後、発電を停止し、燃料電池が−20℃になるまで放置する工程を、合計20回繰り返し行った(低温サイクル試験)。その後、燃料電池の出力(出力電圧)を、上記出力電圧の測定条件と同じ条件で、測定した。低温サイクル試験を行った後、燃料電池の出力が、試験を行う前と比較してどの程度、低下したかを求めた。結果は図7に示した。また同様にして、実施例2〜実施例4および比較例1に係る燃料電池においても、低温サイクル試験を行い、どの程度、出力が低下するかを調べた。結果は図7に示した。
Claims (9)
- 内径が不均一な貫通孔を複数有する燃料電池用拡散層であって、
各貫通孔の最小径の位置における断面積の総和を総断面積X、最小径が0.1μm〜10μmである貫通孔の最小径の位置における断面積の総和を総断面積Y1としたとき、前記Xに対する前記Y1の割合が60%以上であることを特徴とする燃料電池用拡散層。 - 請求項1に記載の燃料電池用拡散層であって、
最小径が0.1μm〜1μmである貫通孔の最小径の位置における断面積の総和を総断面積Y2としたとき、前記Xに対する前記Y2の割合が70%以上であることを特徴とする燃料電池用拡散層。 - 請求項1または2に記載の燃料電池用拡散層であって、
前記燃料電池用拡散層は多孔質基材及び表面層を備え、
前記多孔質基材が有する基材貫通孔は、前記表面層が有する表面層貫通孔と比較して相対的に大きな最小径を有することを特徴とする燃料電池用拡散層。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
導電性材料、撥水性樹脂及び溶媒を含むペーストであって、全固形分中の前記撥水性樹脂の割合が30重量%以下であるペーストを多孔質基材表面に塗布した後、乾燥させて表面層を形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池用拡散層の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
導電性材料、撥水性樹脂及び溶媒を含むペーストを前記多孔質基材表面に塗布して塗膜を形成した後、加熱手段及び亀裂形成手段のうち少なくとも1つにより前記塗膜に亀裂を発生させて前記表面層を形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池用拡散層の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
導電性材料、撥水性樹脂、造孔剤及び溶媒を含むペーストを前記多孔質基材表面に塗布した後、前記造孔剤により気泡を発生させて前記表面層を形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池用拡散層の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用拡散層の製造方法であって、
撥水性樹脂、繊維状物質及び溶媒を含むペーストを前記多孔質基材表面に塗布した後、乾燥させて前記表面層を形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池用拡散層の製造方法。 - 電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された触媒層と、前記触媒層の表面上に形成された拡散層とを有する燃料電池用膜−電極接合体であって、
前記拡散層が請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用拡散層であることを特徴とする燃料電池用膜−電極接合体。 - 電解質膜と、前記電解質膜の両面に形成された触媒層と、前記触媒層の表面上に形成された拡散層とを有する燃料電池用膜−電極接合体を備える燃料電池であって、
前記拡散層が請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用拡散層であることを特徴とする燃料電池。
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