JP2670141B2 - 撥水化方法 - Google Patents

撥水化方法

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池構成材料等を容易にかつ該材料の
表面全体をほぼ均一に撥水化するための方法に関する。
（従来技術とその問題点） 触媒層と該触媒層に接するガス拡散層から成る燃料電
池等のガス拡散電極の前記ガス拡散層は、例えばカーボ
ンブラック等と撥水性のポリテトラフルオロエチレン
（以下PTFEという）の微粉体の混合物を塗布又は圧着す
るなどした後、あるいはカーボンペーパーにPTFEを付着
シンターした後、使用されている。しかし前記ガス拡散
層は、長時間に渡ってガス供給能を維持するために多量
のPTFEの添加を必要とし、その結果カーボンブラック粒
子間の細孔が前記PTFEにより閉塞されてガス供給能の低
下を招き、その結果電池などに使用した際に性能低下を
来すことがある。
他方、前記触媒層はガス流通路と電解液流通路として
の機能を有し、前記ガス拡散層から供給された反応ガス
は前記触媒層中のガス流通路中を拡散し、これと接する
電解液中に溶解して該電解液中の触媒上で電極反応を行
うようになっている。
しかしながら触媒層中においても、例えばリン酸型燃
料電池等で見られるように、長時間運転により前記ガス
流通路中に電解液が浸入し、ガス供給能が低下すると、
電池性能の極端な低下を招来する。これを回避すべく撥
水剤の量を増加させると触媒層中に電解液が入りにくく
なり、触媒が反応に関与できなくなり、やはり電池性能
の低下を来すことになる。
本出願人らは、該問題点を解決するために微粉末又は
細い繊維のほぼ全表面に、平均粒径が前記微粉末の粒径
等以下である撥水性粒子等をそのモノマーの直接重合に
より合成被覆して撥水化処理する撥水化方法を提案した
（特願昭63−231997号（特開平２−82455号）。
該方法により製造される撥水性材料はそのほぼ全面が
重合した撥水性粒子で被覆されているため、卓越した性
能を有し特に長時間使用しても電解液が浸入しないとい
う特性を有している。しかしながら、該方法は前記撥水
性粒子のモノマーを撥水性材料表面で重合させるという
比較的実施しにくい操作を必要とするため、本発明者ら
はより容易な操作による前記撥水性材料の製造法を探求
し、本発明に到達したものである。
（発明の目的） 従って本発明の目的は、より容易な操作で卓越した性
能を有する撥水性材料、特に燃料電池構成材料を製造す
るための方法を提供することである。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、炭化水素系高分子化合物溶液を被処理材料
表面に被覆し、該溶液中の溶媒を揮発させた後、前記高
分子化合物をフッ素化して前記被処理材料上にフッ素化
高分子化合物を被覆することを特徴とする撥水化方法で
ある。
以下本発明を詳細に説明する。
本発明は、前述した本発明者らの方法つまり被処理材
料表面でモノマーを重合させ、該被処理材料上に重合さ
せた撥水性被覆を形成する方法に換えて、既に重合させ
た炭化水素系高分子化合物溶液を被覆し溶媒を揮発除去
した後、前記高分子化合物をフッ素化して撥水性を向上
させることを特徴とする。
本発明方法による撥水化の対象としては、例えば燃料
電池の電極材料となるカーボンブラック、カーボンペー
パーや、他のカーボン板、前記燃料電池スタックの金属
マニホールド等があり、更に工業用反応装置等の内面耐
食処理、民生用品の耐食・撥水化処理にも本発明を使用
することができる。
従って被処理材料もこれらを使用すればよく、その形
態も粉末、ペーパー状、板状、筒状等特に限定されな
い。
炭化水素系高分子化合物としては、溶媒に溶解するも
のであれば特に限定されないが、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン等の重合体あるいはこれらの共重合体を使用す
ることが、溶解性及び価格等の面からして好都合であ
る。その溶媒も該化合物を溶解できるものであれば特に
限定されないが、揮発性の面及び非毒性の面からヘプタ
ン等の炭化水素系溶媒が好ましい。
該溶媒に溶解させた前記炭化水素系高分子化合物を前
記被処理材料上に被覆する方法は特に限定されず、刷毛
等で溶液を塗布しても、スプレーにより被覆してもある
いは被処理材料自体を前記溶液中に浸漬してもよい。次
いで形成された溶液層から溶媒を加熱によりあるいは室
温で乾燥して揮発させて前記化合物の被覆層を形成す
る。該被覆層の厚さは平均で0.1μｍ以下とすることが
経済性及び透過性の面から好ましい。一回の被覆及び乾
燥操作で所定の厚さが得られないときは、同様の操作を
複数回繰り返せばよい。
このように炭化水素系高分子化合物の被覆層を形成し
た被処理材料表面に次いでフッ素ガスを導入して前記化
合物の水素原子のフッ素化（フッ素置換）を行い、該フ
ッ素化により高度の撥水性を得る。導入するフッ素ガス
は該ガスが反応性が極めて高いことを考慮して、その反
応を制御する観点からアルゴンガス等の不活性ガスで希
釈し、より効果的にフッ素化に使用することが好まし
い。該フッ素化反応は加熱下で行ってもよいが、通常は
室温で導入すればフッ素化反応は十分に進行する。
前記炭化水素系高分子化合物はその全ての水素原子が
フッ素で置換される必要はなく、通常約50％程度の置換
で必要な撥水性を得ることができる。しかし、耐食性の
観点からは約100％の置換が望ましい。
このような本発明方法により撥水化処理された燃料電
池構成材料あるいはその他の部品等は、高分子化合物が
溶液状態でその表面に被覆されるため、ほぼ均一に被覆
層が形成され、表面全体がほぼ均一な撥水性を有し、従
って例えば燃料電池の陽極として長期間使用しても電解
液が撥水性被覆が形成されていない部分を通して浸入す
るといったことがなく、ガス流通路が閉塞されてガス供
給能が低下したりすることがない。
更に比較的安価に撥水化処理を行うことができるた
め、工業用反応装置や他の民生用品の表面処理にも適用
することができる。
（実施例） 以下本発明を、本発明方法を燃料電池材料であるグラ
ッシーカーボン、ガス拡散電極のカーボンペーパー基材
及びカーボンブラックのそれぞれに関する実施例によ
り、より詳細に説明するが、本発明は該実施例により限
定されるものではない。
実施例１ 平均分子量250,000のポリエチレン3gをヘプタン100ml
に溶解して膜形成用溶液とした。
市販のカーボンペーパー基材（縦100mm、横100mm、厚
さ0.4mm、平均細孔径15μｍ）を前記膜形成用溶液に浸
漬した後乾燥して前記ヘプタンを揮発させる操作を繰り
返し、前記基材に対して５重量％のポリエチレン被膜を
形成させた。これをステンレス製反応器に入れ、アルゴ
ンガスで10％に希釈したフッ素ガスを30分間室温で導入
し反応させて前記ポリエチレンをフッ素化させ撥水化基
材を得た（実施例）。
一方、同一のカーボンペーパー基材を、溶剤にPTFEを
分散させて成る分散剤で含浸処理して前記基材に対して
５重量％のPTFEを付着させた後、330℃で30分間加熱処
理を行い撥水性基材を得た（比較例）。
両撥水化基材を100％リン酸上に浮遊させ、200℃に50
時間維持したところ、実施例の基材には何の変化も生ず
ることがなく浮遊していたが、比較例の基材中にはリン
酸が浸入しリン酸中に沈んだ。
（実施例２） 市販のグラッシーカーボン表面に、ヘプタン希釈した
前記膜形成用溶液を膜厚が約0.2μｍとなるように塗布
し、ヘプタンを蒸発除去後、ステンレス製反応器に入れ
アルゴンガスで５％に希釈したフッ素ガスを30分間導入
し反応させ撥水化グラッシーカーボンを得た。
生成した撥水化カーボンは強い撥水性を示し、水との
接触角は110゜にも達し、公表されているPTFEの接触角1
18゜に近い値を示した。ESCAで表面分析したところ、フ
ッ素化合物の生成が確認できた。
（実施例３） 市販のカーボンブラック（比表面積250m2/g）に前記
膜形成用溶液を加えかつ乾燥して、10重量％のポリエチ
レン被膜を形成させた。これをステンレス製反応器中に
入れ、アルゴンガスで３％に希釈したフッ素ガスを室温
で１時間導入し、次いで10％に希釈したフッ素ガスを２
時間導入してフッ素化を行い、撥水化カーボンブラック
を得た。
（発明の効果） 本発明は被処理材料の撥水化を行うに際し、炭化水素
系高分子化合物溶液を前記被処理材料表面に被覆し、次
いで前記高分子化合物をフッ素して前記被処理材料上に
フッ素化高分子化合物を被覆することにより前記被処理
材料の撥水化を行うようにしている。
このように撥水化処理された材料は、ポリエチレンや
ポリプロピレン等の高分子化合物が溶液状態でその表面
に被覆された後フッ素化されるため、被処理材料表面の
全体にほぼ均一に被覆層が形成される。従って例えば該
処理済材料を燃料電池の陽極として長期間使用しても電
解液が撥水性被覆が形成されていない部分を通して浸入
するといったことがなく、ガス流通路が閉塞されてガス
供給能が低下したりすることがない。
更に比較的安価に撥水化処理を行うことができるた
め、工業用反応装置や他の民生用品の表面処理にも適用
することができる。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭化水素系高分子化合物溶液を被処理材料
    表面に被覆し、該溶液中の溶媒を揮発させた後、前記高
    分子化合物をフッ素化して前記被処理材料上にフッ素化
    高分子化合物を被覆することを特徴とする撥水化方法。
  2. 【請求項２】炭化水素系高分子化合物が、ポリエチレ
    ン、ポリプロピレン、又はそれらの共重合体である請求
    項１に記載の撥水化方法。
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