JP2008117563A - Water-repellent paste for fuel cell electrode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる電極の拡散層を形成する燃料電池電極用撥水ペーストに関し、特に気孔率を大きくすることによって固体高分子型燃料電池の高出力化を図ることができる燃料電池電極用撥水ペーストに関するものである。 The present invention relates to a water-repellent paste for a fuel cell electrode that forms a diffusion layer of an electrode used in a polymer electrolyte fuel cell, and particularly to increase the output of the polymer electrolyte fuel cell by increasing the porosity. The present invention relates to a water repellent paste for a fuel cell electrode.
固体高分子型燃料電池においては、高分子電解質膜の両面にカソード側電極及びアノード側電極を形成しており、通常、これらのカソード側電極及びアノード側電極は、白金等の触媒を担持したカーボンブラックとイオン交換樹脂からなる触媒層と、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン基材に導電性を付与するためのカーボンブラック粉末等の粒子状導電性フィラーと撥水性を付与するためのポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」という。)ディスパージョン等のフッ素系樹脂ディスパージョンを混練した撥水ペーストを塗布してなるガス拡散層によって構成されている。 In a polymer electrolyte fuel cell, a cathode side electrode and an anode side electrode are formed on both sides of a polymer electrolyte membrane. Usually, the cathode side electrode and the anode side electrode are carbon carrying a catalyst such as platinum. A catalyst layer made of black and ion exchange resin, a particulate conductive filler such as carbon black powder for imparting conductivity to a carbon substrate such as carbon cloth or carbon paper, and polytetrafluoro for imparting water repellency It is constituted by a gas diffusion layer formed by applying a water-repellent paste kneaded with a fluorine resin dispersion such as ethylene (hereinafter referred to as “PTFE”) dispersion.
ここで、粒子状導電性フィラーとフッ素系樹脂ディスパージョンの混合物を塗布しただけでは、ガス拡散層内の空間が目詰まりを起こし、ガス拡散性及び発生水分の除去能力(排水性)が低下して燃料電池の性能が低下することが判明した。 Here, simply applying a mixture of particulate conductive filler and fluororesin dispersion causes clogging of the space in the gas diffusion layer, reducing gas diffusibility and the ability to remove generated water (drainage). It has been found that the performance of the fuel cell deteriorates.
そこで、特許文献1に開示された発明においては、触媒層及び/またはガス拡散層の触媒層との界面の少なくとも一部に繊維状炭素を有することを特徴とする燃料電池について提案している。これによって、触媒層内の「ぬれ」を抑制し、電気抵抗を減少させることができるとともに、ガス流路を確保しガス透過性を向上させ、更に加湿コントロールを簡便に行うことができる燃料電池となるとしている。 In view of this, the invention disclosed in Patent Document 1 proposes a fuel cell characterized by having fibrous carbon in at least a part of the interface between the catalyst layer and / or the gas diffusion layer with the catalyst layer. As a result, the fuel cell can suppress “wetting” in the catalyst layer, reduce electric resistance, secure a gas flow path, improve gas permeability, and easily perform humidification control. It is going to be.
また、特許文献2に開示された発明においては、撥水層に繊維径1μm〜100μm、アスペクト比50以上の炭素繊維を、炭素粒子の含有量をMとしたとき0.1M〜0.2Mの割合で含有する触媒層及び/または拡散層とすることによって、内部に閉鎖空間を有することなく、かつガス透過性及び導電性に優れた触媒層及び/または拡散層を有する燃料電池となるとしている。
In the invention disclosed in
更に、特許文献3に開示された発明においては、ガス拡散層の撥水層に撥水性樹脂・導電性粉粒体及び選択的に疎水処理された繊維物を含み、疎水処理された繊維物が導電性粉粒体に対して10重量%〜50重量%含有されていることを特徴とする燃料電池について提案している。これによって、繊維物としてカーボン繊維のような親水性の繊維を用いた場合のように余剰の水分が溜まって排水性が不十分になることがなく、ガス拡散性及び排水性に優れたガス拡散層を有する燃料電池となるとしている。
しかしながら、上記特許文献1及び特許文献2に記載された技術においては、ガス透過用の通路を確保することはできても、撥水ペーストを塗布してガス拡散層の一部を構成する撥水層を形成する点には変わりがないことから、ガス拡散層の気孔率が小さくなってガス拡散性及び発生水分の除去能力が低下すること、特に発生水分の除去能力(排水性)が大幅に低下することは避けられないという問題点があった。
However, in the techniques described in Patent Document 1 and
また、上記特許文献3に記載された技術においては、繊維物を疎水処理しなければならないことから、フッ素ガス雰囲気において繊維物を加熱することによりその表面をフッ素化させるフッ素ガス処理や、PTFE等のフッ素系樹脂により繊維物表面を被覆するフッ素系樹脂コート処理等の疎水処理工程を付加しなければならず、製造工程が長くなって疎水処理工程を行うための装置も必要となり、燃料電池のコストアップになるという問題点があった。 Moreover, in the technique described in the above-mentioned patent document 3, since the fiber material must be subjected to a hydrophobic treatment, fluorine gas treatment for heating the fiber material in a fluorine gas atmosphere to fluorinate the surface, PTFE, etc. Hydrophobic resin coating treatment that coats the surface of the fiber with a fluororesin is required, a manufacturing process becomes longer, and an apparatus for performing the hydrophobic treatment process is also required. There was a problem of increased costs.
更に、本発明者らは、繊維物としてカーボン繊維のような親水性の繊維を用いた場合であっても、必ずしも排水性が劣化することはなく燃料電池としての性能が向上することを見出した。そこで、本発明は、繊維状フィラーを適量配合して燃料電池電極用撥水ペーストを製造することによって撥水層の気孔率を増大させ、もってガス拡散性及び発生水分の除去能力を向上させて燃料電池の特性を向上させることができる燃料電池電極用撥水ペーストの提供を課題とするものである。 Furthermore, the present inventors have found that even when a hydrophilic fiber such as carbon fiber is used as the fiber, the drainage performance is not necessarily deteriorated and the performance as a fuel cell is improved. . Therefore, the present invention increases the porosity of the water-repellent layer by producing a water-repellent paste for a fuel cell electrode by blending an appropriate amount of fibrous filler, thereby improving the gas diffusibility and the ability to remove generated water. An object of the present invention is to provide a water-repellent paste for a fuel cell electrode capable of improving the characteristics of the fuel cell.
請求項1の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層を形成するための撥水ペーストであって、粒子状導電性フィラーとフッ素系樹脂ディスパージョンと繊維状フィラーとを含有するものである。ここで、「粒子状導電性フィラー」としてはカーボンブラック等があり、「フッ素系樹脂ディスパージョン」としてはPTFEディスパージョン等があり、「繊維状フィラー」としては針状酸化チタン、酸化亜鉛ウィスカー、チタン酸カリ繊維等がある。 A water-repellent paste for a fuel cell electrode according to the invention of claim 1 is a water-repellent paste for forming a gas diffusion layer of a solid polymer fuel cell mainly composed of a polymer electrolyte membrane. It contains a conductive filler, a fluorine resin dispersion, and a fibrous filler. Here, the “particulate conductive filler” includes carbon black, the “fluorinated resin dispersion” includes PTFE dispersion, and the “fibrous filler” includes acicular titanium oxide, zinc oxide whisker, Examples include potassium titanate fiber.
請求項2の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、請求項1の構成において、前記繊維状フィラーは導電性を有する導電性繊維状フィラーとしたものである。ここで、「導電性を有する導電性繊維状フィラー」としては、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等がある。
The water repellent paste for a fuel cell electrode according to the invention of
請求項3の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、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の添加量は前記粒子状導電性フィラーと前記繊維状フィラーとを合わせたフィラー全体の20重量%〜100重量%であるものである。
The water repellent paste for a fuel cell electrode according to the invention of claim 3 is the structure of claim 1 or
請求項4の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層を形成するための撥水ペーストであって、フィラーとして導電性を有する導電性繊維状フィラーのみとフッ素系樹脂ディスパージョンとを含有するものである。ここで、「導電性繊維状フィラー」としては、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等がある。 A water-repellent paste for a fuel cell electrode according to a fourth aspect of the invention is a water-repellent paste for forming a gas diffusion layer of a solid polymer fuel cell mainly composed of a polymer electrolyte membrane. It contains only a conductive fibrous filler having conductivity and a fluororesin dispersion. Here, examples of the “conductive fibrous filler” include carbon fibers and carbon nanotubes.
請求項5の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、請求項1乃至請求項4のいずれか1つの構成において、更に造孔剤を添加したものである。ここで、「造孔剤」としては、ポリ乳酸粒子等がある。 The water-repellent paste for a fuel cell electrode according to the invention of claim 5 is the one according to any one of claims 1 to 4 further including a pore forming agent. Here, examples of the “pore-forming agent” include polylactic acid particles.
請求項6の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、請求項1乃至請求項5のいずれか1つの構成において、前記繊維状フィラー(導電性繊維状フィラーを含む)の径は0.1μm〜15μmの範囲内であり、長さは1μm〜1mmの範囲内であるものである。 The water repellent paste for a fuel cell electrode according to a sixth aspect of the present invention is the structure according to any one of the first to fifth aspects, wherein the fibrous filler (including the conductive fibrous filler) has a diameter of 0.1 μm. It is in the range of ˜15 μm, and the length is in the range of 1 μm to 1 mm.
請求項1の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層を形成するための撥水ペーストであって、粒子状導電性フィラーとフッ素系樹脂ディスパージョンと繊維状フィラーとを含有するものである。ここで、「粒子状導電性フィラー」としてはカーボンブラック等があり、「フッ素系樹脂ディスパージョン」としてはPTFEディスパージョン等があり、「繊維状フィラー」としては針状酸化チタン、酸化亜鉛ウィスカー、チタン酸カリ繊維等がある。 A water-repellent paste for a fuel cell electrode according to the invention of claim 1 is a water-repellent paste for forming a gas diffusion layer of a solid polymer fuel cell mainly composed of a polymer electrolyte membrane. It contains a conductive filler, a fluorine resin dispersion, and a fibrous filler. Here, the “particulate conductive filler” includes carbon black, the “fluorinated resin dispersion” includes PTFE dispersion, and the “fibrous filler” includes acicular titanium oxide, zinc oxide whisker, Examples include potassium titanate fiber.
このように、燃料電池電極用撥水ペーストに繊維状フィラーを含有させることによって、繊維状フィラーが互いに絡まったりして空間を形成するために、カーボンペーパー等の基材に燃料電池電極用撥水ペーストを塗布して焼成することによって、形成される撥水層の気孔率が大きくなる。したがって、触媒層と一体化させて燃料電池電極(アノード及びカソード)を形成して、更に燃料電池を構成して運転した場合に、ガス拡散性及び発生水分の除去能力が大きいために、優れた電力特性(発生電圧)を示すことになる。 In this way, by including the fibrous filler in the water repellent paste for the fuel cell electrode, the fibrous filler is entangled with each other to form a space, so that the water repellent for the fuel cell electrode is formed on a substrate such as carbon paper. By applying and baking the paste, the porosity of the formed water repellent layer is increased. Therefore, when the fuel cell electrode (anode and cathode) is formed integrally with the catalyst layer and the fuel cell is further configured and operated, the gas diffusibility and the ability to remove generated water are large, which is excellent. It shows power characteristics (generated voltage).
このようにして、繊維状フィラーを適量配合して燃料電池電極用撥水ペーストを製造することによって撥水層の気孔率を増大させ、もってガス拡散性及び発生水分の除去能力を向上させて燃料電池の特性を向上させることができる燃料電池電極用撥水ペーストとなる。 In this way, a water repellent paste for a fuel cell electrode is produced by blending an appropriate amount of fibrous filler to increase the porosity of the water repellent layer, thereby improving the gas diffusibility and the ability to remove generated water. It becomes the water-repellent paste for fuel cell electrodes which can improve the characteristic of a battery.
請求項2の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストにおいては、繊維状フィラーが導電性を有する導電性繊維状フィラーとした。ここで、「導電性を有する導電性繊維状フィラー」としては、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等がある。
In the water repellent paste for a fuel cell electrode according to the invention of
これによって、燃料電池電極用撥水ペーストに繊維状フィラーを含有させることで繊維状フィラーが互いに絡まったりして空間を形成するために、カーボンペーパー等の基材に燃料電池電極用撥水ペーストを塗布して焼成することによって、形成される撥水層の気孔率が大きくなる。更に、請求項1に記載の効果に加えて、繊維状フィラーが導電性を有するためにガス拡散層全体としても導電性が向上し、電力を効率良く取り出すことができる。 In this way, the water repellent paste for fuel cell electrodes is formed on a substrate such as carbon paper in order to form a space by including the fiber filler in the water repellent paste for fuel cell electrodes so that the fibrous fillers are entangled with each other. By applying and baking, the porosity of the formed water-repellent layer is increased. Furthermore, in addition to the effect of the first aspect, since the fibrous filler has conductivity, the conductivity of the gas diffusion layer as a whole is improved, and electric power can be taken out efficiently.
このようにして、導電性を有する導電性繊維状フィラーを適量配合して燃料電池電極用撥水ペーストを製造することによって、撥水層の気孔率を増大させるとともに導電性をも増大させ、もってガス拡散性及び発生水分の除去能力を向上させて燃料電池の特性を向上させることができる燃料電池電極用撥水ペーストとなる。 Thus, by producing a water repellent paste for a fuel cell electrode by blending an appropriate amount of conductive fibrous filler having conductivity, the porosity of the water repellent layer is increased and the conductivity is also increased. A water-repellent paste for a fuel cell electrode capable of improving the characteristics of the fuel cell by improving the gas diffusibility and the ability to remove generated water.
請求項3の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、繊維状フィラーの添加量が粒子状導電性フィラーと繊維状フィラーとを合わせたフィラー全体の20重量%〜100重量%である。この理由は、繊維状フィラーの添加量がフィラー全体の20重量%未満であると、撥水層の気孔率を増大させる効果が少ししか得られないためである。 In the water repellent paste for a fuel cell electrode according to the invention of claim 3, the addition amount of the fibrous filler is 20% by weight to 100% by weight of the total filler including the particulate conductive filler and the fibrous filler. This is because when the amount of the fibrous filler added is less than 20% by weight of the whole filler, only a small effect of increasing the porosity of the water repellent layer can be obtained.
また、繊維状フィラーの添加量がフィラー全体の100重量%である場合には、繊維状フィラーの少なくとも一部は導電性を有する導電性繊維状フィラーである必要がある。 Moreover, when the addition amount of a fibrous filler is 100 weight% of the whole filler, at least one part of a fibrous filler needs to be a conductive fibrous filler which has electroconductivity.
このようにして、導電性を有する導電性繊維状フィラーを適量配合して燃料電池電極用撥水ペーストを製造することによって、撥水層の気孔率を増大させるとともに導電性をも増大させ、もってガス拡散性及び発生水分の除去能力を向上させて燃料電池の特性を向上させることができる燃料電池電極用撥水ペーストとなる。 Thus, by producing a water repellent paste for a fuel cell electrode by blending an appropriate amount of conductive fibrous filler having conductivity, the porosity of the water repellent layer is increased and the conductivity is also increased. A water-repellent paste for a fuel cell electrode capable of improving the characteristics of the fuel cell by improving the gas diffusibility and the ability to remove generated water.
請求項4の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池のガス拡散層を形成するための撥水ペーストであって、フィラーとして導電性を有する導電性繊維状フィラーのみとフッ素系樹脂ディスパージョンとを含有するものである。ここで、「導電性繊維状フィラー」としては、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等がある。 A water-repellent paste for a fuel cell electrode according to a fourth aspect of the invention is a water-repellent paste for forming a gas diffusion layer of a solid polymer fuel cell mainly composed of a polymer electrolyte membrane. It contains only a conductive fibrous filler having conductivity and a fluororesin dispersion. Here, examples of the “conductive fibrous filler” include carbon fibers and carbon nanotubes.
導電性繊維状フィラーを用いた場合には、導電性繊維状フィラーによって撥水層の導電性を確保することができるため、カーボンブラック等の繊維状でない粒子状導電性フィラーを配合する必要がない。これによって、カーボン繊維等の導電性繊維状フィラーとPTFEディスパージョン等のフッ素系樹脂ディスパージョンのみを混合するだけで、カーボンペーパー等の基材に塗布して焼成することによって、形成される撥水層の気孔率が大きくなる燃料電池電極用撥水ペーストを得ることができる。 When the conductive fibrous filler is used, the conductivity of the water-repellent layer can be ensured by the conductive fibrous filler, so there is no need to blend a non-fibrous particulate conductive filler such as carbon black. . Thus, the water repellent formed by simply applying a conductive fibrous filler such as carbon fiber and a fluorine resin dispersion such as PTFE dispersion to a base material such as carbon paper and baking it. A water repellent paste for a fuel cell electrode in which the porosity of the layer is increased can be obtained.
このようにして、導電性繊維状フィラーを適量配合して燃料電池電極用撥水ペーストを製造することによって、撥水層の気孔率を増大させるとともに導電性をも増大させ、もってガス拡散性及び発生水分の除去能力を向上させて燃料電池の特性を向上させることができる燃料電池電極用撥水ペーストとなる。 Thus, by producing a water repellent paste for a fuel cell electrode by blending an appropriate amount of a conductive fibrous filler, the porosity of the water repellent layer is increased and the conductivity is also increased. The water repellent paste for a fuel cell electrode can improve the characteristics of the fuel cell by improving the ability to remove the generated water.
請求項5の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、更に造孔剤を添加したものである。ここで、「造孔剤」としては、ポリ乳酸粒子等がある。これによって、請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載の効果に加えて、造孔剤のあった位置にも焼成後に空間が生ずるので気孔率が一段と高くなる。 The water-repellent paste for a fuel cell electrode according to the invention of claim 5 is obtained by further adding a pore forming agent. Here, examples of the “pore-forming agent” include polylactic acid particles. Accordingly, in addition to the effect described in any one of claims 1 to 4, a space is generated after firing at the position where the pore-forming agent was present, so that the porosity is further increased.
このようにして、繊維状フィラーを適量配合して燃料電池電極用撥水ペーストを製造することによって撥水層の気孔率を増大させ、もってガス拡散性及び発生水分の除去能力を向上させて燃料電池の特性を向上させることができる燃料電池電極用撥水ペーストとなる。 In this way, a water repellent paste for a fuel cell electrode is produced by blending an appropriate amount of fibrous filler to increase the porosity of the water repellent layer, thereby improving the gas diffusibility and the ability to remove generated water. It becomes the water-repellent paste for fuel cell electrodes which can improve the characteristic of a battery.
請求項6の発明にかかる燃料電池電極用撥水ペーストにおいては、繊維状フィラー(導電性繊維状フィラーを含む)の径が0.1μm〜15μmの範囲内であり、長さが1μm〜1mmの範囲内、より好ましくは1μm〜50μmの範囲内である。 In the water repellent paste for a fuel cell electrode according to the invention of claim 6, the diameter of the fibrous filler (including the conductive fibrous filler) is in the range of 0.1 μm to 15 μm and the length is 1 μm to 1 mm. Within the range, more preferably within the range of 1 μm to 50 μm.
本発明者らは、燃料電池電極用撥水ペーストに配合する繊維状フィラー(導電性繊維状フィラーを含む)の大きさについて、鋭意実験研究を重ねた結果、繊維状フィラーの径が0.1μm〜15μmの範囲内であり、長さが1μm〜1mmの範囲内、より好ましくは1μm〜50μmの範囲内である場合に最も好ましい結果が得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。 The inventors of the present invention have conducted extensive experimental research on the size of the fibrous filler (including conductive fibrous filler) to be blended in the water-repellent paste for fuel cell electrodes. As a result, the diameter of the fibrous filler is 0.1 μm. It is found that the most preferable result is obtained when the length is in the range of ˜15 μm and the length is in the range of 1 μm to 1 mm, more preferably in the range of 1 μm to 50 μm, and the present invention is completed based on this finding. It has been made.
このようにして、適切な径及び長さを有する繊維状フィラーを適量配合して燃料電池電極用撥水ペーストを製造することによって撥水層の気孔率を増大させ、もってガス拡散性及び発生水分の除去能力を向上させて燃料電池の特性を向上させることができる燃料電池電極用撥水ペーストとなる。 Thus, the porosity of the water-repellent layer is increased by producing a water-repellent paste for a fuel cell electrode by blending an appropriate amount of fibrous filler having an appropriate diameter and length, thereby increasing gas diffusibility and generated moisture. The water repellent paste for a fuel cell electrode can improve the characteristics of the fuel cell by improving the removal ability of the fuel cell.
以下、本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極用撥水ペーストについて、図1及び図2を参照して説明する。図1は本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極用撥水ペーストを基材に塗布して焼成してなるガス拡散層の構造を示す断面図である。図2は本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極用撥水ペーストを用いて作製したMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)の電力特性を示すグラフである。 Hereinafter, a water-repellent paste for a fuel cell electrode according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a gas diffusion layer formed by applying a water repellent paste for a fuel cell electrode according to an embodiment of the present invention to a substrate and baking it. FIG. 2 is a graph showing power characteristics of an MEA (Membrane Electrode Assembly) produced using the water-repellent paste for fuel cell electrodes according to the embodiment of the present invention.
まず、本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極用撥水ペーストの作製方法、及び気孔率の評価方法について説明する。本実施の形態にかかる燃料電池電極用撥水ペーストは、粒子状導電性フィラーとしてのカーボンブラック、フッ素系樹脂ディスパージョンとしてのPTFEディスパージョン、繊維状フィラー(導電性繊維状フィラー)としてのカーボン繊維、造孔剤としてのポリ乳酸等を含有するペースト状混合物である。 First, a method for producing a water-repellent paste for a fuel cell electrode according to an embodiment of the present invention and a method for evaluating a porosity will be described. The water repellent paste for a fuel cell electrode according to the present embodiment includes carbon black as a particulate conductive filler, PTFE dispersion as a fluororesin dispersion, and carbon fiber as a fibrous filler (conductive fibrous filler). A paste-like mixture containing polylactic acid or the like as a pore-forming agent.
本実施の形態においては、燃料電池電極用撥水ペーストとして成分・配合を変えて実施例1乃至実施例4の燃料電池電極用撥水ペーストを作製し、また比較例1として従来の燃料電池電極用撥水ペーストをも作製した。実施例1乃至実施例4及び比較例1の配合を表1に示す。 In the present embodiment, the water-repellent paste for fuel cell electrodes of Examples 1 to 4 was prepared by changing the components and the composition as the water-repellent paste for fuel cell electrodes, and a conventional fuel cell electrode as Comparative Example 1 A water repellent paste was also prepared. The formulations of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 are shown in Table 1.
表1に示されるように、実施例1及び実施例2は、粒子状導電性フィラーとしてのカーボンブラックと、フッ素系樹脂ディスパージョンとしてのPTFEディスパージョンと、繊維状フィラー(導電性繊維状フィラー)としてのカーボン繊維とを含有する燃料電池電極用撥水ペーストであり、請求項1及び請求項2の発明に対応する。また、実施例3は、フィラーとして導電性を有する導電性繊維状フィラーとしてのカーボン繊維のみとフッ素系樹脂ディスパージョンとしてのPTFEディスパージョンとを含有する燃料電池電極用撥水ペーストであり、請求項4の発明に対応する。更に、実施例4は、カーボン繊維とPTFEディスパージョンと造孔剤としてのポリ乳酸を含有する燃料電池電極用撥水ペーストであり、請求項5の発明に対応するものである。
As shown in Table 1, Example 1 and Example 2 are carbon black as a particulate conductive filler, PTFE dispersion as a fluororesin dispersion, and fibrous filler (conductive fibrous filler). And a carbon fiber as a water-repellent paste for a fuel cell electrode, which corresponds to the inventions of claim 1 and
そして、繊維状フィラー(導電性繊維状フィラー)としてのカーボン繊維は径が0.15μmであり、長さが20μmであって、請求項6の発明に対応しているものである。更に、実施例1における繊維状フィラーとしてのカーボン繊維の含有率は、カーボンブラックと合わせたフィラー全体の20重量%であり、実施例2におけるカーボン繊維の含有率はフィラー全体の40重量%であり、実施例3及び実施例4においては100重量%であるので、いずれも請求項3の発明の条件を満たしている。 The carbon fiber as the fibrous filler (conductive fibrous filler) has a diameter of 0.15 μm and a length of 20 μm, and corresponds to the invention of claim 6. Furthermore, the carbon fiber content as the fibrous filler in Example 1 is 20% by weight of the total filler combined with carbon black, and the carbon fiber content in Example 2 is 40% by weight of the total filler. In Examples 3 and 4, since the content is 100% by weight, both satisfy the conditions of the invention of claim 3.
なお、表1に示される「その他」の成分は大部分が水であり、あとは少量の界面活性剤が含まれている。したがって、「その他」の成分は、カーボンブラック、PTFEディスパージョン、カーボン繊維、ポリ乳酸の各成分を混合してペースト化するための溶媒であり、焼成後においては消失するものである。 The “other” component shown in Table 1 is mostly water, and the rest contains a small amount of surfactant. Therefore, the “other” component is a solvent for mixing each component of carbon black, PTFE dispersion, carbon fiber, and polylactic acid into a paste, and disappears after firing.
これらの実施例1乃至実施例4及び比較例1の配合成分をそれぞれ十分に混合して、5種類の燃料電池電極用撥水ペーストを作製した。そして、各ペーストを350℃で焼成して、得られた焼成物の気孔率をポロシメーターで測定した。気孔率の測定結果を、表1の最下段に示す。表1に示されるように、従来の撥水ペーストであり、繊維状フィラーを含有していない比較例1においては気孔率が66%であったのに比べて、実施例1は気孔率が71%、実施例2は気孔率が75%、実施例3は気孔率が84%、実施例4は気孔率が87%、といずれも向上していることが分かる。 These blending components of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were mixed sufficiently to prepare 5 types of water-repellent pastes for fuel cell electrodes. And each paste was baked at 350 degreeC and the porosity of the obtained baked product was measured with the porosimeter. The measurement results of the porosity are shown in the bottom row of Table 1. As shown in Table 1, Example 1 has a porosity of 71 compared to Comparative Example 1 which is a conventional water-repellent paste and does not contain a fibrous filler, compared with a porosity of 66%. %, Example 2 has a porosity of 75%, Example 3 has a porosity of 84%, and Example 4 has a porosity of 87%.
特に、実施例1,実施例2,実施例3と、繊維状フィラーとしてのカーボン繊維の含有率が増えるにしたがって、気孔率も71%,75%,84%と急激に増大している。これによって、燃料電池電極用撥水ペースト内において、繊維状フィラーとしてのカーボン繊維が互いに絡まったりして空間を形成することによって、気孔率を増大させているものと考えられる。 In particular, as Example 1, Example 2 and Example 3 and the content rate of carbon fiber as a fibrous filler increased, the porosity also increased rapidly to 71%, 75% and 84%. Thus, it is considered that the porosity is increased by forming a space in the water repellent paste for a fuel cell electrode by entwining carbon fibers as fibrous fillers.
次に、これらの実施例1乃至実施例4及び比較例1に係る燃料電池電極用撥水ペーストを用いて、それぞれMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)を作製し、その電池性能を測定した。作製したMEAのうち、ガス拡散層の構造を図1に示す。図1に示されるように、基材となるカーボンペーパー5(厚さ約200μm)に燃料電池電極用撥水ペーストを塗布して焼成することによって、繊維状フィラーとしてのカーボン繊維3とフッ素樹脂としてのPTFE4からなる撥水層2(厚さ約100μm)が形成される。
Next, using these water-repellent pastes for fuel cell electrodes according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, MEA (Membrane Electrode Assembly) was respectively produced and the battery performance was measured. did. FIG. 1 shows the structure of the gas diffusion layer in the produced MEA. As shown in FIG. 1, by applying a water repellent paste for a fuel cell electrode to carbon paper 5 (thickness: about 200 μm) as a base material and baking it, carbon fibers 3 as a fibrous filler and fluororesin A water repellent layer 2 (thickness: about 100 μm) made of
なお、図1に示されるガス拡散層1は、本実施の形態のうち導電性繊維状フィラー100%からなる実施例3に係るものであり、実施例1及び実施例2の場合には、撥水層2に更にカーボンブラックが含有される。こうして形成された本実施の形態に係るガス拡散層1を、高分子電解質膜を挟んで両面に形成された触媒層にそれぞれ密着させて、MEA(膜電極接合体)を作製した。
The gas diffusion layer 1 shown in FIG. 1 relates to Example 3 made of 100% conductive fibrous filler in the present embodiment. In the case of Example 1 and Example 2, the gas diffusion layer 1 is repellent. The
MEAの運転条件は、水素利用率80%、エアー利用率45%、アノード加湿条件がバブラーで57℃、カソード加湿条件がバブラーで60℃、一気圧に換算すると(水/乾燥空気)の比が(0.21mol/0.25mol)である。その結果、図2に示されるように、気孔率が増加するにしたがって発生電圧も大きくなることが分かった。図2に示される実験結果は、左から順に、比較例1,実施例1,実施例2,実施例3,実施例4であり、電流値が0.8A/cm2 の場合の発生電圧を示すものである。
The operating conditions of MEA are:
比較例1は気孔率が66%であり、MEAの発生電圧は570mVであるのに対して、実施例1は気孔率が71%でMEAの発生電圧は600mV、実施例2は気孔率が75%でMEAの発生電圧は610mV、実施例3は気孔率が84%でMEAの発生電圧は630mV、実施例4は気孔率が87%でMEAの発生電圧は同じく630mVであった。 In Comparative Example 1, the porosity is 66% and the generated voltage of MEA is 570 mV, whereas in Example 1, the porosity is 71%, the generated voltage of MEA is 600 mV, and in Example 2, the porosity is 75. %, The generated voltage of MEA was 610 mV, in Example 3, the porosity was 84%, the generated voltage of MEA was 630 mV, in Example 4, the porosity was 87%, and the generated voltage of MEA was also 630 mV.
このように、繊維状フィラーとしてのカーボン繊維の含有率が増えるにしたがって撥水層の気孔率が増加し、気孔率が増加するにしたがって燃料電池(MEA)の発生電圧が大きくなる。このようにして、本実施の形態に係る燃料電池電極用撥水ペーストにおいては、繊維状フィラーを適量配合して燃料電池電極用撥水ペーストを製造することによって撥水層の気孔率を増大させ、もってガス拡散性及び発生水分の除去能力を向上させて燃料電池の特性を向上させることができる。 Thus, the porosity of the water repellent layer increases as the content of the carbon fiber as the fibrous filler increases, and the generated voltage of the fuel cell (MEA) increases as the porosity increases. Thus, in the water repellent paste for a fuel cell electrode according to the present embodiment, the porosity of the water repellent layer is increased by blending an appropriate amount of fibrous filler to produce a water repellent paste for a fuel cell electrode. As a result, the gas diffusibility and the ability to remove generated water can be improved, and the characteristics of the fuel cell can be improved.
本実施の形態においては、繊維状フィラーとして導電性を有する導電性繊維状フィラーとしてのカーボン繊維を用いた場合について説明したが、繊維状フィラーとしてはこれに限られるものではなく、針状酸化チタン、酸化亜鉛ウィスカー、チタン酸カリ繊維等の導電性を有しない繊維を用いることもできる。 In the present embodiment, the case where carbon fiber as conductive fibrous filler having conductivity is used as the fibrous filler has been described. However, the fibrous filler is not limited to this, and acicular titanium oxide. In addition, non-conductive fibers such as zinc oxide whiskers and potassium titanate fibers can also be used.
本発明を実施するに際しては、燃料電池電極用撥水ペーストのその他の構成、成分、材料、配合、形状、大きさ、製造方法等についても、本実施の形態に限定されるものではない。 In carrying out the present invention, other configurations, components, materials, blending, shapes, sizes, manufacturing methods, and the like of the water-repellent paste for fuel cell electrodes are not limited to the present embodiment.
1 ガス拡散層
2 撥水層
3 繊維状フィラー
4 フッ素樹脂
1
Claims (6)
粒子状導電性フィラーとフッ素系樹脂ディスパージョンと繊維状フィラーとを含有することを特徴とする燃料電池電極用撥水ペースト。 A water-repellent paste for forming a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell composed mainly of a polymer electrolyte membrane,
A water-repellent paste for a fuel cell electrode, comprising a particulate conductive filler, a fluororesin dispersion, and a fibrous filler.
フィラーとして導電性を有する導電性繊維状フィラーのみとフッ素系樹脂ディスパージョンとを含有することを特徴とする燃料電池電極用撥水ペースト。 A water-repellent paste for forming a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell composed mainly of a polymer electrolyte membrane,
A water repellent paste for a fuel cell electrode, comprising only a conductive fibrous filler having conductivity as a filler and a fluororesin dispersion.
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JP2010192425A (en) * | 2009-01-20 | 2010-09-02 | Dainippon Printing Co Ltd | Gas diffusion layer, and solid polymer fuel cell using the same |
CN111194497A (en) * | 2017-11-29 | 2020-05-22 | 东丽株式会社 | Microporous layer, method for producing same, gas diffusion electrode substrate, and fuel cell |
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2006
- 2006-11-01 JP JP2006297709A patent/JP2008117563A/en active Pending
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