JP5326185B2 - ガス拡散電極用材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この三相構造の電極触媒層については、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水材を電極触媒層に添加したり、疎水性の高いカーボンブラックや疎水化処理したカーボンブラックを使用したりして、排水性を向上することが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
このため、炭素材料として粒子径の異なる2種類を用いることによって、ガス拡散層の多孔質層(ミル層)の空孔径を制御し、排水性を向上させるガス拡散電極用材料が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
上記多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維は、密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位であり、
上記多孔質体は、厚みが5〜50μm、空隙率が70%以上、細孔径の最小値が0.5μmで最大値が45μmであり、
当該ガス拡散電極用材料は、空隙率が54〜80%であることを特徴する。
(1)上記多孔質体を一軸延伸又は二軸延伸して、該多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位となるようにした後、上記多孔質体の三次元連続微細細孔内に、界面活性剤を含有し親水基を持つ有機溶媒を充填して親水化し、
(2)親水化した多孔質体に、導電性材料を含有するスラリーを浸透、付着させ、
(3)導電性材料を付着させた多孔質体を熱処理する、
ことを特徴とする。
また、本発明のガス拡散電極の第2の製造方法は、連続及び不連続のポリテトラフルオロエチレン微細繊維で形成された三次元連続微細孔を有する多孔質体と、この多孔質体に保持された導電性材料を有するガス拡散電極用材料を製造するに当たり、
(1)上記多孔質体を一軸延伸又は二軸延伸して、該多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位となるようにした後、親水化し、
(2)親水化した多孔質体に、導電性材料を含有するスラリーを浸透、付着させ、
(3)導電性材料を付着させた多孔質体を300〜400℃で熱処理する、
ことを特徴とする。
更に、本発明のガス拡散電極の第3の製造方法は、連続及び不連続のポリテトラフルオロエチレン微細繊維で形成された三次元連続微細孔を有する多孔質体と、この多孔質体に保持された導電性材料を有するガス拡散電極用材料を製造するに当たり、
(1)上記多孔質体を一軸延伸又は二軸延伸して、該多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位となるようにした後、親水化し、
(2)親水化した多孔質体に、導電性材料を含有するスラリーを浸透、付着させ、
(3)導電性材料を付着させた多孔質体に対し、その表面に平行な方向に張力をかけた状態で熱処理する、
ことを特徴とする。
更に、本発明の他のガス拡散電極は、上述の如きガス拡散電極用材料を、電解質膜に支持した電極触媒層上に支持して成ることを特徴とする。
上述の如く、本発明のガス拡散電極用材料は、連続及び不連続のポリテトラフルオロエチレン微細繊維で形成された多孔質体と、この多孔質体に保持された導電性材料を有する。
この多孔質体は、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維で形成された三次元連続微細孔を有し、上記導電性材料は主としてこの三次元連続微細孔に含有される。
代表的な密集度合いの分布(傾斜)としては、例えば、PTFE微細繊維の密集度合いを、表面領域から裏面領域にかけて高→低としたり、表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、それぞれ低→高→低としたり、高→低→高とすることができる。
本発明のガス拡散電極用材料では、表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、それぞれ低→高→低とする。
図1(A)及び(B)から明らかなように、多孔質体の中間領域ではPTFE微細繊維が表面領域よりも密集している。なお、図1では多孔質体の裏面領域断面を示していないが、裏面領域断面の状態は表面領域断面の状態とほぼ同じである。
代表的な保持度合いの分布(傾斜)としては、例えば、PTFE微細繊維の密集度合いが表面領域から裏面領域にかけて高→低であるときに、低→高(片面だけに導電性材料を保持)とすることができる。また、PTFE微細繊維の密集度合いが表面領域、中間領域及び裏面領域においてそれぞれ低→高→低あるときに、高→低→高(両面に導電性材料を保持)とすることができる。
図2は、本発明のガス拡散電極用材料の一例の電子顕微鏡写真であり、シート状をなすガス拡散電極用材料の断面を観察したものである。
これにより、高加湿条件下でのフラッディングが抑制される。また、電極触媒層内の排水性を促進するため、起動停止(Start−Stop)、耐久性やOCV(Open Circuit Voltage)耐久性も向上する。また、低加湿条件下での電解質膜保持水の移動も容易になり高い発電性能が得られる。
この3D連続微細孔は、後述するように多孔質体の製造工程に起因するものであるが、かかる微細孔を有することにより、本発明のガス拡散電極用材料は、空隙率が高い拡散電極構造を実現し、高加湿条件下におけるフラッディングを抑制する。また、電極触媒層内の排水を促進するため、起動停止、耐久性やOCV耐久性も向上する。更に、低加湿条件下での電解質膜保持水の移動も容易になり高い発電性能が得られるという機能を発揮し得る。
また、PTFE微細繊維の繊維径は、特に限定されるものではないが、代表的には0.1〜5μm程度である。
(PTFE):(Conductor)=20〜80:80〜20…(1)
(式中のPTFEはポリテトラフルオロエチレン、Conductorは導電性材料を示す。)で表される関係を満足することが好ましい。
この点を勘案すると、ガス拡散電極用材料としては、上記(1)式の関係を満足することが好ましい。
また、かかる多孔質体が3D連続微細孔を有するため、本発明のガス拡散電極用材料は、圧縮強度、耐熱性及び耐久性などの物理特性にも優れる。
従って、本発明のガス拡散電極用材料とは異なり、通常のガス拡散電極のミル層は、カーボンペーパーなどの支持材に比し、ガス透過性(拡散性)が不十分であり、更には、ミル層と接触している電極触媒層中の水分除去も不十分になり易い。
また、このような多孔質膜のガス拡散性は、膜厚と空隙率と細孔径とに影響を受ける。
本発明のガス拡散電極用材料においては、上記多孔質体は、厚みが5〜50μm、空隙率が54〜80%、細孔径の最小値が0.5μmで最大値が45μmであり、これにより、適切なガス拡散性を確保できる。
粒径が0.5μm未満では、上記多孔質体の3D連続微細孔に進入できても通過してしまうことがあり、2μmを超えると、3D連続細孔に進入できないことがあり、多孔質体に導電経路を形成できないことがある。
また、導電性材料とこれらの添加成分も含めた固形分量としては、PTFE製の上記多孔質体の単位面積当たり、0.5〜3.0mg/cm2とすることが好ましい。
固形分量が0.5mg/cm2未満では、導電経路の形成が不十分になることがあり、3.0mg/cm2を超えると、ガス拡散性が低下することがある。
このガス拡散電極用材料は、上述したガス拡散電極用材料とほぼ同様の構成を有するが、特に以下の点が異なる。
即ち、多孔質体に形成されたスリット状の三次元連続微細孔に、少なくとも導電性材料を含有させて成る。この多孔質体は、ポリテトラフルオロエチレン製の薄膜を一軸延伸又は二軸延伸して得られる、連続な微細繊維、不連続な微細繊維のいずれか一方又は双方で形成される。
(PTFE):(Conductor)=20〜60:80〜40 …(2)
(式中のPTFEはポリテトラフルオロエチレン、Conductorは導電性材料を示す。)で表される関係を満足する。
なお、導電性材料の含有量が0.4(40%)未満であると導電性を十分に確保することができない。一方、導電性材料の含有量が0.8(80%)を超えると 空隙経路が狭まったりして、ガスの透過性が著しく低下し易い。
例えば、多孔質体の厚みが5〜50μm、空隙率が80%以上、孔径が0.5〜45μm 、透気度が1〜30L/min・cm2 である多孔質体を使用することが好ましい。例えば、ポアフロンメンブレン(商品名:住友電工ファインポリマー社製)のような多孔質膜などの中で、この物性値に相当するものが好適に使用できる。
なお、導電性材料の粒径が2μm超だと多孔質膜の細孔に引っ掛かって導電性経路が上手く形成されないことがある。なお、ここで言う細孔とは、丸い空孔が開いている形状ではなく、PTFE膜の一部が引き裂かれて形成されたスリット状の亀裂を示す。
このときの導電性材料の付着量(固形分量)としては、基材ポリテトラフルオロエチレンの単位面積当たり、0.3〜3.0mg/cm2の範囲であることが望ましい。0.3mg/cm2未満では、導電性経路の形成が不十分となり易い。3.0mg/cm2超では、ガス拡散性が低下することがある。
上述の如く、この製造方法は、上述の本発明のガス拡散電極用材料を製造する方法であって、下記の(1)〜(3)工程を含むものである。
(1)上記多孔質体を一軸延伸又は二軸延伸して、該多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位となるようにした後、親水化する工程
(2)親水化した多孔質体に、導電性材料を含有するスラリーを浸透、付着させる工程
(3)導電性材料を付着させた多孔質体を熱処理する工程
また、(1)工程は、PTFEの高い撥水性を勘案して、後のスラリー(インク状の水系スラリー)の浸透、付着((2)工程)を容易にするために行う。
この場合、有機溶媒としては、親水基(典型的には水酸基)と親油基を有するもの、例えば沸点が50〜150℃のアルコールが好ましく、エタノール(沸点78.5℃)、プロパノール(沸点97℃)、ブタノール(沸点108.1℃)及びヘキサノール(沸点136℃)を挙げることができる。
また、使用する界面活性剤としては、トライトンX−100(商品名)、ナロアクティーHN−100及び非イオン界面活性剤(エーテル型)などを挙げることができる。
具体的には、上記多孔質体の表面又は裏面のいずれか一方に、上記スラリーを接触させた後、加圧又は減圧してこのスラリーをこの多孔質体内部に浸透させ、次いで、スラリー中の界面活性剤や有機溶媒を常圧で乾燥し、導電性材料を多孔質体に固定することにより行われる。
このように、親水化処理((1)工程)とスラリーの浸透・付着((2)工程)をウェット‐ウェットで行うことで、導電性材料含有スラリーを均一に浸透させることが可能となり、スラリーの付着量を目標量に対してア10%内で制御できる。
具体的には、多孔質体の片面を親水化処理し導電性材料含有スラリーを付着させ、もう一方の面にも同様に親水化工程及びスラリー付着工程を行う。
このときは、導電性材料を含む多孔質体の導電性が向上し易く、10mΩ・cm2以下とすることができる。なお、片面からのスラリー浸漬のみでは、もう一方の面に多孔質体のポリテトラフルオロエチレン繊維が露出し、これが導電性を低下させることがある。
多孔質基材であるPTFEの融点以上の温度に加熱して固定化する。通常、PTFEの融点は約320℃で、多孔質体の融点は350℃程度になる。よって、かかる熱処理は、300〜400℃で行うことが好ましく、第2の製造方法においては当該温度範囲で熱処理を行う。
熱処理温度が300℃未満では、多孔質体が融解せず、導電性材料粒子を多孔質体に固定できないことがあり、400℃を超えると、多孔質体の融解が進行し過ぎて、3D連続微細孔に割れなどの変形を生じさせ、ガス拡散性が低下することがある。
上述のように、PTFE製多孔質体を熱処理すると、PTFEの溶融により多孔質体が体積収縮して3D連続微細孔が狭小化することがあり、この結果、ガス拡散性が低下することがある。
これに対し、面方向に平行な方向、例えば直交する2方向(X−Y方向)に張力をかけた状態で熱処理を行えば、かかる不具合を抑制することができる。
なお、このような張力の付与以外にも、多孔質体を型枠で固定したまま熱処理してもよい。
上述の如く、この電極触媒層材料は、上記本発明のガス拡散電極用材料に、電極触媒を担持して成るものである。
かかる電極触媒としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)又はこれらの混合物を含有するPt合金、コバルト、(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)又はこれらの混合物を含有するPt合金などの活性成分を導電性材料(カーボン担体)に担持した触媒を挙げることができる。
上述の如く、このガス拡散電極は、上記本発明のガス拡散電極用材料又は電極触媒層(材料)を、カーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス透過性の導電性支持材で支持して成る。
本発明のガス拡散電極用材料は、そのままでもガス拡散電極として使用することができるが、カーボンペーパーなどで支持すれば、剛性を向上でき、取り扱い性を更に向上できる。
また、カーボンペーパーやカーボンクロスとしては導電性を有すれば十分であり、黒鉛化度は低くてもよい。
なお、従来のガス拡散電極においては、カーボンペーパーやカーボンクロスに撥水処理を行うが、本発明ではこのような撥水処理は不要である。撥水処理に用いる撥水剤の経時劣化に伴いカーボンペーパーなども劣化することがあるので、本発明では撥水処理はむしろ行わない方がよい。
以下に、ガス拡散電極材料およびMEAの作製手順を示す。
[ガス拡散電極の作製]
1.ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜の準備
厚み30μm、スリット状の細孔0.5〜45μm(平均細孔径15μm)、空隙率88%のポリテトラフルオロエチレン多孔質膜シート(図1)から、10cm角の基材を切り出した。
界面活性剤(ダウケミカル社製Triotn X−100 )4gと、エタノール200gを混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌分散処理を行い、親水化処理液とした。
界面活性剤(ダウケミカル社製Triton X−100)3gと、純水200gを混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行った後、上記界面活性剤分散水溶液にデンカ社製アセチレンブラック(AB−6)20gを投入混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行った。
上記インクスラリーをジェットミルを用いて粉砕処理を行い、カーボン平均粒径を1μmとした。上記インクスラリーに、ダイキン工業製Polyflon D−1E(固形分64%)3gを投入混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行い、塗着用インクスラリーとした。
10cm角に切り出した基材を、中空部が8cm角のステンレス製治具に固定し、減圧吸引板上に設置した。基材(片面)の全面に親水化処理液25mlを浸漬した後、減圧吸引し、該基材内に親水化処理液を浸透させた。次いで、基材内に親水化処理液が十分に浸透した状態で減圧吸引操作を止め、基材内に親水化処理液が充填された状態とした。
基材内に親水化処理液が充填された状態で、上記調製した塗着用インクスラリー15mlを浸漬した後、減圧吸引し、該基材内の親水化処理溶液と塗着用インクスラリーとを置換させながら、浸透させた。インクスラリーを十分に浸透させた後、80℃の乾燥炉(空気雰囲気)で15分以上乾燥させた。片面を処理した基材a1を得た。
次に、この基材a1の未処理面を処理するため、先と同様にして、中空部が8cm角のステンレス製治具に固定し、減圧吸引板上に設置した。基材(もう一方の片面)の全面に親水化処理液25mlを浸漬した後、減圧吸引し、該基材内に親水化処理液を浸透させた。
次いで、基材内に親水化処理液が十分に浸透した状態で減圧吸引操作を止め、基材内に親水化処理液が充填された状態とした。
上記基材内に親水化処理液が充填された状態で、上記調製した塗着用インクスラリー15mlを浸漬した後、減圧吸引し、該基材内の親水化処理溶液と塗着用インクスラリーとを置換させながら、浸透させた。インクスラリーを十分に浸透させた後、80℃の乾燥炉(空気雰囲気)で15分以上乾燥させた。両面を処理した基材a2を得た。基材a2のインクスラリー固形分の総塗着量は1.0mg/cm2であった。
両面にインクスラリーを塗着させた基材a2を、350℃の焼成炉(空気雰囲気)で10分の熱処理を行い、基材a2内に含有されたPTFE分散粒子および骨格のPTFE繊維を溶融させて、基材内に含有されたカーボン粒子上にPTFEを分散させガス拡散電極用材料とした。こうして、(PTFE)0.7(Conductor)0.3、空隙率70%のガス拡散電極用材料A1(図2)を得た。
上記のガス拡散電極用材料a2を、10cm角の東レ製TGP−H−060カーボンペーパー上にセットし、ホットプレスにて130℃、2MPa、3分の接合処理を行った。
こうして得られたカーボンペーパーとガス拡散電極用材料a2の接合体を所定のサイズ(6.0cm×5.5cm)に切り出し、ガス拡散電極G1とした。
1.アノード電極触媒の調製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTM EC、BET表面積=800m2/g)4.0gを準備し、これにジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0%)400gを加えて1時間撹拌した。さらに、還元剤としてメタノール50gを混合し、1時間攪拌した。その後、30分で80℃まで加温し、80℃で6時間撹拌した後、1時間で室温まで降温した。
沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕し、アノード電極触媒(Pt粒子の平均粒径2.6nm、Pt担持濃度50質量%)を得た。
カーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTM EC)を、熱処理することにより、黒鉛化処理されたカーボンブラック(黒鉛化処理ケッチェンブラックEC、BET表面積=130m2/g)を得た。この黒鉛化処理されたケッチェンブラック4.0gに、ジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0%)400gを加えて1時間撹拌した。さらに、還元剤として蟻酸50gを混合し、1時間攪拌した。その後、30分で40℃まで加温し、40℃で6時間撹拌した。30分で60℃まで加温し、さらに、60℃で6時間撹拌した後、1時間で室温まで降温した。沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕し、カソード電極触媒(Pt粒子の平均粒径4.8nm、Pt担持濃度50質量%)を得た。
アノード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製20%Nafion(登録商標)含有)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、アノード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Carbon/Ionomer=1.0/0.9であるものを用いた。
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.2mg/cm2(アノード触媒層の平均厚みは6μm)となるように調整した。
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製20%Nafion(登録商標)含有)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、カソード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Carbon/Ionomer=1.0/0.9であるものを用いた。
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるカソード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm2(カソード触媒層の平均厚みは12μm)なるように調整した。
固体高分子電解質膜としてNafionTM NRE211(旧NE111)(膜厚25μm)と、先に作製したポリテトラフルオロエチレンシート上に形成された電極触媒層とを重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がしてMEAを得た。
固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層は、厚さが約12μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.4mg、電極面積は25cm2であった。アノード触媒層は、厚さが約6μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.2mg、電極面積は25cm2であった。
上記で得たMEAの両面に、上記で得たガス拡散電極G1(大きさ6.0cm×5.5cm、)およびガス流路付きガスセパレータを配置し、さらに金メッキしたステンレス製集電板で挟持して、評価用単セルとした。評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は58.6℃および相対湿度60%、空気は54.8℃および相対湿度50%、セル温度は70℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1.0A/cm2で発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。
続いて、60秒間発電した後、発電を停止した。停止後、水素及び空気の供給を停止し、空気で単セルを置換し50秒間待機した。その後、10秒間アノード側に水素ガスを上記利用率の1/5で供給した。その後、アノード側に水素ガス、カソード側に空気を上記と同様の条件で供給し、再度、1.0A/cm2の電流密度で60秒間発電した。また、この時の負荷電流は30秒間で0A/cm2から1A/cm2に増大させた。この発電・停止動作を実施し、セル電圧を測定して、発電性能を評価した。1.0A/cm2の電流密度でのセル電圧が0.45Vになったときのサイクル数を、耐久性の評価値として用いた。構成および結果を表1に示す。
実施例1と同様にして、塗着量1.0mg/cm2、(PTFE)0.2(Conductor)0.8、空隙率72%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G2を得た。
実施例1と同様にして、塗着量1.0mg/cm2、(PTFE)0.4(Conductor)0.6、空隙率70%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G3を得た。
実施例1と同様にして、塗着量1.0mg/cm2、(PTFE)0.5(Conductor)0.5、空隙率70%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G4を得た。
実施例1と同様にして、塗着量1.0mg/cm2、(PTFE)0.7(Conductor)0.3、空隙率69%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G5を得た。
実施例1と同様にして、塗着量0.5mg/cm2、(PTFE)0.3(Conductor)0.7、空隙率80%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G6を得た。
実施例1と同様にして、塗着量0.5mg/cm2、(PTFE)0.5(Conductor)0.5、空隙率78%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G7を得た。
実施例1と同様にして、塗着量1.5mg/cm2、(PTFE)0.3(Conductor)0.7、空隙率63%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G8を得た。
実施例1と同様にして、塗着量1.5mg/cm2、(PTFE)0.5(Conductor)0.5、空隙率62%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G9を得た。
実施例1と同様にして、塗着量2.0mg/cm2、(PTFE)0.3(Conductor)0.7、空隙率54%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G10を得た。
1.カソード電極触媒の調製
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTM EC、BET表面積=800m2/g)4.0gを準備し、これにジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0%)400gを加えて1時間撹拌した。さらに、還元剤としてメタノール50gを混合し、1時間攪拌した。その後、30分で80℃まで加温し、80℃で6時間撹拌した後、1時間で室温まで降温した。沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕し、アノード電極触媒(Pt粒子の平均粒径2.6nm、Pt担持濃度50質量%)を得た。
カソード電極触媒の質量に対して、5倍量の精製水を加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにプロトン伝導性高分子電解質を含む溶液(DuPont社製20%Nafion(登録商標)含有)を加えた。溶液中の高分子電解質の含有量は、アノード電極触媒のカーボン質量に対する固形分質量比が、Carbon/Ionomer=1.0/0.9であるものを用いた。
得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。形成されるアノード触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cm2(アノード触媒層の平均厚みは12μm)となるように調整した。
固体高分子電解質膜としてNafionTM NRE211(旧NE111)(膜厚25μm)と、実施例1で作製したアノード電極触媒層と、上記先カソード電極触媒層とを重ね合わせた。その際には、アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層させた。その後、130℃、2.0MPaで、10分間ホットプレスし、ポリテトラフルオロエチレンシートのみを剥がしてMEAを得た。
固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層は、厚さが約12μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.4mg、電極面積は25cm2であった。アノード触媒層は、厚さが約6μm、Pt担持量は見かけの電極面積1cm2あたり0.2mg、電極面積は25cm2であった。
このMEAを実施例1で作製した、ガス拡散電極G1と組合せて評価を行った。
実施例1のガス拡散電極材料を作製する際に、デンカ製アセチレンブラック(AB−6)の代わりに、Cabot社製カーボンブラック(VulcanXC−72)を用いた以外は、同様にして評価した。
実施例1のガス拡散電極材料を作製する際に、デンカ製アセチレンブラック(AB−6)の代わりに、ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製カーボンブラック(ケッチェンブラックTM EC)を用いた以外は、同様にして評価した。
実施例1のガス拡散電極材料を作製する際に、デンカ製アセチレンブラック(AB−6)の代わりに、黒鉛化処理したケッチェンブラックを用いた以外は、同様にして評価した。
実施例1で作製したMEAの両面に、実施例1で作製したガス拡散電極材料A1を所定のサイズ(6.0cm×5.5cm)に切り出し、先に作製したMEAと重ね合わせた。
その際には、ガス拡散電極材料A1、MEA(アノード触媒層、固体高分子電解質膜、カソード触媒層を、この順序で積層し接合したもの)、ガス拡散電極材料A1を、この順序で積層させた。
その後、ホットプレスにて130℃、2MPa、3分の接合処理を行った。こうして得られた、MEAの両側にガス拡散電極材料を配置したものに、カーボンペーパー(6.0cm×5.5cm)を重ね合わせて評価に用いた。
界面活性剤(ダウケミカル社製 Triton X−100)3gと、純水200gを混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行った後、上記界面活性剤分散水溶液にデンカ社製アセチレンブラック(AB−6)20gを投入混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行った。
上記スラリーをジェットミルを用いて粉砕処理を行い、カーボン平均粒径が1μmとした。上記インクスラリーに、ダイキン工業製Polyflon D−1E(固形分64%) 15gを投入混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行い、さらに、減圧脱泡操作を加え、スラリーを得た。
このスラリーを10cm角の東レ製TGP−H−060カーボンペーパーの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量のスラリーを印刷し、80℃で24時間乾燥させた。その後、350℃の焼成炉(空気雰囲気)で30分の熱処理を行い、スラリー中のPTFE分散粒子を溶融させて、カーボン粒子上に分散させガス拡散電極用材料とした。こうして、塗布量2.0mg/cm2、(PTFE)0.3(Conductor)0.7、空隙率40%、のガス拡散層(多孔質層(ミル層))を有すガス拡散電極g1を得た。
こうして得られたガス拡散電極g2の接合体を所定のサイズ(6.0cm×5.5cm)に切り出し、実施例1のMEAに組合せて評価を行った。
厚み50μm、細孔0.5〜45μm(平均細孔径15μm)、空隙率60%のポリテトラフルオロエチレン多孔質膜シート(図3参照)から、10cm角の基材を切り出した。
実施例1と同様にして、このポリテトラフルオロエチレン多孔質膜シートに、インクスラリーを含有させ、ガス拡散電極用材料を作製した。
これを実施例1と同様にして、塗着量1.0mg/cm2、(PTFE)0.3(Conductor)0.7、空隙率40%、のガス拡散電極用材料を支持したガス拡散電極G16とした(図4参照)。
実施例11で作製したMEAに、比較例2のガス拡散電極G16を組合せて評価した。
[ガス拡散電極の作製]
1.ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜の準備
平均空孔径10μm、厚み50μmのPTFE多孔質薄膜を10cm角に切断した。
界面活性剤(ダウケミカル社製:Triotn X−100)5gと、エタノール200gを混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌分散処理を行い、親水処理液とした。
界面活性剤(ダウケミカル社製:Triton X−100)3gと、純水200gを混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行った後、上記界面活性剤分散水溶液にカーボンブラック(Cabot社製:Vulcan XC−72R)20gを投入混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行った。
上記インクスラリーをジェットミルを用いて粉砕処理を行い、カーボン平均粒径が1μmとなった。上記インクスラリーに、ダイキン工業製Polyflon D−1E 13gを投入混合し、プロペラ攪拌装置にて150rpm、30分の攪拌処理を行い、塗着用インクスラリーとした。
工程1で準備したPTFE多孔質膜を中空部が8cm角のステンレス製治具に固定し、工程2で準備した親水処理液に浸漬後、減圧吸引した。
工程4で親水処理化されたPTFE多孔質膜が完全に乾燥する前に、工程3で準備したインクスラリーに浸漬後、減圧吸引し、70〜100℃の乾燥炉で乾燥させた。
工程5でインクスラリーを塗着させたPTFE多孔質膜を、320℃の焼成炉で20分の焼成処理を行い、ガス拡散電極用材料とした。
なお、得られたガス拡散電極用材料は、次の組成式(PTFE)0.3(Carbon)0.7で示すことができる。
上記のガス拡散電極用材料を、10cm角のカーボンペーパー(東レ製:TGP−H−060)上にセットし、ホットプレスにて熱接合処理を行った。
工程7で得られたカーボンペーパ+ガス拡散電極用材料を所定のサイズに切り出し、ガス拡散電極とした。
図6に示すように、得られたガス拡散電極7,9を用いた膜電極接合体(MEA)5を、燃料ガス流路12を有するセパレータ10と、冷却水流路13を有するセパレータ11とで挟持し、燃料電池単セル1を組立てた。
大気圧下で、アノード極に水素ガス/カソード極に空気を導入し、セル温度70℃、負荷電流密度1A/cm2で3時間エージング処理を行った後、セルの発電性能評価を行った。
2 固体高分子膜
3 燃料電極
4 酸化剤電極
5 膜電極接合体(MEA)
6 触媒層
7 ガス拡散層
8 触媒層
9 ガス拡散層
10 燃料電極側セパレータ
11 酸化剤電極側セパレータ
12 燃料ガス流路
13 冷却水流路
Claims (14)
- 連続及び不連続のポリテトラフルオロエチレン微細繊維で形成された三次元連続微細孔を有する多孔質体と、この多孔質体に保持された導電性材料を有するガス拡散電極用材料であって、
上記多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維は、密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位であり、
上記多孔質体は、厚みが5〜50μm、空隙率が70%以上、細孔径の最小値が0.5μmで最大値が45μmであり、
当該ガス拡散電極用材料は、空隙率が54〜80%であることを特徴するガス拡散電極用材料。 - 上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが低い部位では、上記導電性材料の保持度合いが高く、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが高い部位では、上記導電性材料の保持度合いが低いことを特徴とする請求項1に記載のガス拡散電極用材料。
- 上記三次元連続微細孔の形状がスリット状であることを特徴とする請求項1又は2に記載のガス拡散電極用材料。
- 上記ポリテトラフルオロエチレンと上記導電性材料との重量比が、次式(1)
(PTFE):(Conductor)=20〜80:80〜20…(1)
(式中のPTFEはポリテトラフルオロエチレン、Conductorは導電性材料を示す。)で表されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載のガス拡散電極用材料。 - 上記導電性材料が、平均粒径0.5〜2μm、比表面積30〜2000m2/gのカーボンブラックであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載のガス拡散電極用材料。
- 連続及び不連続のポリテトラフルオロエチレン微細繊維で形成された三次元連続微細孔を有する多孔質体と、この多孔質体に保持された導電性材料を有するガス拡散電極用材料を製造するに当たり、
(1)上記多孔質体を一軸延伸又は二軸延伸して、該多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位となるようにした後、上記多孔質体の三次元連続微細細孔内に、界面活性剤を含有し親水基を持つ有機溶媒を充填して親水化し、
(2)親水化した多孔質体に、導電性材料を含有するスラリーを浸透、付着させ、
(3)導電性材料を付着させた多孔質体を熱処理する、
ことを特徴とするガス拡散電極用材料の製造方法。 - 連続及び不連続のポリテトラフルオロエチレン微細繊維で形成された三次元連続微細孔を有する多孔質体と、この多孔質体に保持された導電性材料を有するガス拡散電極用材料を製造するに当たり、
(1)上記多孔質体を一軸延伸又は二軸延伸して、該多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位となるようにした後、親水化し、
(2)親水化した多孔質体に、導電性材料を含有するスラリーを浸透、付着させ、
(3)導電性材料を付着させた多孔質体を300〜400℃で熱処理する、
ことを特徴とするガス拡散電極用材料の製造方法。 - 連続及び不連続のポリテトラフルオロエチレン微細繊維で形成された三次元連続微細孔を有する多孔質体と、この多孔質体に保持された導電性材料を有するガス拡散電極用材料を製造するに当たり、
(1)上記多孔質体を一軸延伸又は二軸延伸して、該多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位となるようにした後、親水化し、
(2)親水化した多孔質体に、導電性材料を含有するスラリーを浸透、付着させ、
(3)導電性材料を付着させた多孔質体に対し、その表面に平行な方向に張力をかけた状態で熱処理する、
ことを特徴とするガス拡散電極用材料の製造方法。 - (1)工程において、ポリテトラフルオロエチレン膜を一軸延伸又は二軸延伸して、多孔質体断面の表面領域、中間領域及び裏面領域にかけて、上記ポリテトラフルオロエチレン微細繊維の密集度合いが、それぞれ低い部位、高い部位及び低い部位となる多孔質体を作製することを特徴とする請求項6〜8のいずれか1つの項に記載のガス拡散電極用材料の製造方法。
- (2)工程において、上記多孔質体の表面又は裏面のいずれか一方に、上記スラリーを接触させ、次いで、加圧又は減圧してこのスラリーをこの多孔質体内部に浸透させ、しかる後、常圧で乾燥することを特徴とする請求項6〜9のいずれか1つの項に記載のガス拡散電極用材料の製造方法。
- (2)工程において、上記多孔質体の裏面又は表面のいずれか一方に、上記スラリーを接触させ、次いで、加圧又は減圧してこのスラリーをこの多孔質体内部に浸透させ、しかる後、常圧で乾燥することを特徴とする請求項10に記載のガス拡散電極用材料の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1つの項に記載のガス拡散電極用材料に電極触媒を担持してなることを特徴とするガス拡散電極の電極触媒層。
- 請求項1〜5のいずれか1つの項に記載のガス拡散電極用材料又は請求項12に記載の電極触媒層を、ガス透過性の導電性支持材で支持して成ることを特徴とするガス拡散電極。
- 請求項1〜5のいずれか1つの項に記載のガス拡散電極用材料を、電解質膜に支持した電極触媒層上に支持して成ることを特徴とするガス拡散電極。
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