JP5300289B2 - ガス拡散層、膜電極接合、固体高分子型燃料電池、およびこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
前記疎水性化合物が付与された前記導電性多孔質体にUV光を照射して前記疎水性化合物を前記導電性多孔質体に固定する工程と、
を有することを特徴とするガス拡散層の製造方法である。
前記疎水性化合物がフッ素化合物であることが好ましい。
前記導電性多孔質体が支持層とマイクロポーラス層とを有することが好ましい。
ガス拡散層を構成する導電性多孔質体は、電子伝導性(導電性)を有し、かつ多孔質体である必要がある。これは、ガス拡散層が多孔質体であることによって、燃料ガスもしくは酸化剤ガスが触媒の反応領域へ均一かつ充分に供給されると共に、発電によって生じた過剰な生成水が触媒層から効率良く排出されるからである。また、導電性を有することにより、電極反応によって生じた電荷をセル外部に取り出す(集電する)ことが可能となる。なお、ここでの多孔質体とは多数の細孔を有する物質であり、多孔度(物質中の細孔の占める割合)が30%以上、好ましくは50%以上である。また、「導電性を有する」とは、電気抵抗率が1kΩ・cm以下、好ましくは1Ω・cm以下のものであるとする。なお、導電性多孔質体とは、前記規定を満たし、かつ疎水性材料が固定されて固体高分子型燃料電池のガス拡散層として機能するものである。したがって、導電性多孔質体は、導電性材料のみで構成されている必要はなく、表面に疎水性成分やプロトン伝導成分などが付着していても構わない。
ガス拡散層表面の少なくとも一部の領域である領域(a)とガス拡散層の内部の少なくとも一部の領域である領域(b)との疎水性の差は、領域(a)に存在する疎水性材料の量と領域(b)に存在する疎水性材料の量の差が異なることによって生じることが好ましい。ここで、「疎水性材料」とは、疎水性化合物によって形成される材料であり、疎水性化合物は、少なくとも一つの官能基を有し、疎水性を有する化合物である。疎水性材料は、該疎水性化合物が有する官能基によって導電性多孔質体の表面に固定される。このような官能基としては、例えば、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、エステル基、エーテル基、カーボネート基、アミド基などが挙げられる。
A)導電性多孔質体の表面に少なくとも一つの官能基を有する疎水性化合物を付与する工程と、
B)前記疎水性化合物が付与された前記導電性多孔質体にUV光を照射して前記疎水性化合物を前記導電性多孔質体に固定する工程と、
を有することを特徴とするガス拡散層の製造方法である。
<疎水性化合物>
導電性多孔質体の表面に付与する疎水性化合物は、前述した疎水性材料を形成する疎水性化合物である。
導電性多孔質体の表面に付与された疎水性化合物を固定する方法としては、UV光(紫外線)照射を用いる。UV光を照射する場合、ガス拡散層のUV光を照射した表面の疎水性をその他の部分(内部)に比べて特に高くすることができる。これは、UV光を照射した表面は、他の部分と比べて、より多くの疎水性化合物が固定されるためである。
本実施例は、導電性多孔質体にNovec EGC−1720(登録商標)(住友3M社製、分子量:約2000)を用いてフッ素化合物を付着させた後、UV光を照射することでガス拡散層を作製し、膜電極接合体を挟んで対向して設置させて燃料電池セルを作製した例について述べる。
実施例1において、導電性多孔質体LT1200NのノベックEGC−1720処理(ノベックEGC−1720の付与)を省略した以外は、同じ方法で燃料電池セルを作製し、実施例1と同様の条件でセル電圧の経時変化を測定した。
実施例1において、導電性多孔質体LT1200NのノベックEGC−1720処理の後、UV光の照射を省略した以外は、同じ方法で燃料電池セルを作製し、実施例1と同様の条件で燃料電池セル電圧の経時変化を測定した。
実施例1において、導電性多孔質体LT1200NのノベックEGC−1720処理の後、UV照射の代わりに200℃での熱処理を行った以外は、同じ方法で燃料電池セルを作製し、実施例1と同様の条件で燃料電池セルの電圧の経時変化を測定した。
本実施例は、導電性多孔質体に、フッ素化合物を付着させ、200℃で熱処理した後にUV光を照射してガス拡散層を形成し、酸素供給層とカソード側ガス拡散層に吸水層を設置して燃料電池セルを作製した例について述べる。
実施例2において、カソード触媒層側に未処理(ノベックEGC−1720の処理を行っていない)のLT1200Nを用いた以外は、すべて同様にして燃料電池セルを作製し、セル温度25℃、相対湿度50%の条件にて、0.4A/cm2の定電流駆動を行い、セル電圧の経時変化を測定した。
本実施例は、導電性多孔質体をノベックEGC−1720(3M社製)を用いてフッ素化合物を付着させた後、UV光を照射することでガス拡散層を作製し、その最表面の化学組成をEDX(Energy Dispersion X−ray Spectroscopy:エネルギー分散型X線分析)により分析した。
実施例3において、UV光を照射するプロセスを除いた以外は全て同じようにしてカーボンペーパーの撥水処理を行い、得られたカーボンペーパーを最表面EDX分析用サンプルとした。
11 固体高分子電解質膜
12 アノード触媒層
13 カソード触媒層
14 アノード側ガス拡散層
15 カソード側ガス拡散層
16 アノード側集電板
17 カソード側集電板
18 燃料供給層
19 酸素供給層
20、21 シール部材
22 支持層
23 マイクロポーラス層
24 膜電極接合体
25 開口部
26 吸水層
Claims (8)
- 導電性多孔質体の表面に少なくとも一つの官能基を有する疎水性化合物を付与する工程と、
前記疎水性化合物が付与された前記導電性多孔質体にUV光を照射して前記疎水性化合物を前記導電性多孔質体に固定する工程と、
を有することを特徴とするガス拡散層の製造方法。 - 前記疎水性化合物の分子量が10000以下であることを特徴とする請求項1に記載のガス拡散層の製造方法。
- 前記導電性多孔質体の表面に少なくとも一つの官能基を有する疎水性化合物を付与する工程が、前記疎水性化合物を溶媒に溶解させた溶液を前記導電性多孔質体の表面に付与する工程であることを特徴とする請求項1または2に記載のガス拡散層の製造方法。
- 前記疎水性化合物が付与された前記導電性多孔質体にUV光を照射して前記疎水性化合物を前記導電性多孔質体に固定する工程が、前記疎水性化合物が付与された前記導電性多孔質体に200℃以下の温度を付与し、かつUVを照射して前記疎水性化合物を前記導電性多孔質体に固定する工程であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のガス拡散層の製造方法。
- 前記疎水性化合物がフッ素化合物であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のガス拡散層の製造方法。
- 前記導電性多孔質体が支持層とマイクロポーラス層とを有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のガス拡散層の製造方法。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載のガス拡散層を製造する工程を有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載のガス拡散層を製造する工程を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
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