JP5443413B2 - 固体高分子形燃料電池のガス拡散層、そのガス拡散層を含む固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体、および、そのガス拡散層の製造に用いるスラリー - Google Patents
固体高分子形燃料電池のガス拡散層、そのガス拡散層を含む固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体、および、そのガス拡散層の製造に用いるスラリー Download PDFInfo
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Description
ここで、上記ガス拡散層18、20に含まれる熱融着性有機繊維OFの相互融着により形成される多孔質骨材構造30の補強効果を確認するために、図5に示す種々の割合のガス拡散層構成材料を用いて図4に示す工程を経て作成した試験片1〜28について、以下の条件下で行った試験の評価結果、すなわち断面加圧抵抗、ガス透過性、バブルポイント細孔径、圧縮変形率、引張強度を説明する。なお、断面加圧抵抗、ガス透過性、バブルポイント細孔径測定用のガス拡散層試験片は、25mmφ×厚み0.2mmを有する円形シート状とし、引張強度測定用のガス拡散層試験片は、幅15mm×長さ45mm×厚み0.2mmを有する矩形シート状とした。
アズワン( 株) 製の小型熱プレス機AH-2003 を用いて前記ガス拡散層試験片を一対の金メッキ銅板で挟んだ状態で予め定められた一定の圧力( 1MPa)で加圧し、且つ、50(mA)の測定電流を通電させたときの上記一対の金メッキ銅板間の電圧を室温にて測定することにより断面加圧抵抗( mΩcm2)を求めた。
<1MPaIPガス透過性の試験条件>
PMI社製キャピラリフローポロメータ1200AEL を用い、図6に示すステンレス製の試験片固定治具にガス拡散層試験片を1MPaの圧力で挟圧し、そのガス拡散層試験片の一面に30(kPa) の圧力の空気を与えたとき、その拡散層試験片の外周端面から流出する単位時間当たりの空気流量を室温にて測定し、その空気流量に基づいてIPガス透過性( cc/sec)を求めた。
<TPガス透過性の試験条件>
PMI社製のキャピラリフローポロメータ1200AEL を用い、空気圧が30(kPa) のガスを、所定の透過性測定治具に固定されたガス拡散層試験片の片面に与えたときの他面へ透過する空気流量すなわち他面から流出する単位時間当たりの空気流量を室温にて測定し、その空気流量に基づいてTPガス透過性( ml・mm/cm2/min)を求めた。
<1MPaIPバブルポイント細孔径試験条件>
PMI社製キャピラリフローポロメータ1200AEL を用い、図7に示すステンレス製の試験片固定治具によって1MPa圧力でガス拡散層試験片を挟圧し、室温にて、そのガス拡散層試験片の一面に水を満たした状態で圧力の空気を与えたときその水を押し退けて外周端面へ通過してその外周端面からバブルが発生したときの空気圧を測定し、予め求められた細孔径と空気圧との関係から測定された空気圧に基づいてバブルポイント細孔径( μmφ)を算出し求めた。
<1MPa圧縮変形率試験条件>
所定の試験片厚み測定治具を用いて1MPaの圧力で前記ガス拡散層試験片を全面的に押圧したときのその押圧前後の膜厚みを室温にてそれぞれ求め、それら押圧前後の膜厚の変化率( %)を算出した。
<引張強度試験条件>
島津製作所製の小型卓上試験機EZ Testを用いて室温中にて前記ガス拡散層試験片( 幅15mm×長さ45mm×厚み0.2mm)を引っ張り、破壊したときの強度( N)を求めた。
次に、前記ガス拡散層18、20の厚みTとそれに含まれて多孔質骨材構造30を形成する熱融着性有機繊維OFの繊維長Lとの比( T/L)の変化による性能の変化を確認するために、以下の条件下で作成したガス拡散層試験片について行った評価試験2を説明する。
・炭素微粒子:キャボット社製の炭素微粒子XC-72 を、0.4 重量部
・炭素繊維:三菱樹脂株式会社製のカーボンファイバー(10 μm φ×200μm)を、4 .0 重量部
・溶媒 :日本アルコール販売社のアルコール混合溶媒ソルミックスAP-7を、27 重量部
・結合剤樹脂:住友ベークライト株式会社製のレゾール系樹脂を、2.4重量部
・熱融着性有機繊維:帝人ファイバー株式会社製の芯鞘型有機繊維TJ04CN(10μmφ) を、0.2 重量部
<ガス拡散層試験片の製造条件>
上記の基本調合の材料を有し、繊維長が5種類(0.4mm、0.6mm 、0.8mm 、1.0mm 、5.0mm)の繊維長の熱融着性有機繊維OFを含み、且つ、10種類( 0.15mm、0.2mm 、0.4mm 、0.6mm 、0.8mm 、1.0 mm、1.2mm 、1.4mm 、1.6mm 、1.8mm)の膜厚を有する形状の50種類の試験片と、熱融着性有機繊維OFを含まない試験片とを、図4に示す製造工程を用いてそれぞれ作成した。なお、断面加圧抵抗、ガス透過性、バブルポイント細孔径測定用のガス拡散層試験片は、25mmφ×厚み0.2mmを有する円形シート状とし、引張強度測定用のガス拡散層試験片は、幅15mm×長さ45mm×厚み0.2mmを有する矩形シート状とした。
12:電解質膜(固体高分子電解質層)
14、16:触媒層
18、20:ガス拡散層
22、24:ガス拡散電極
26:セパレータ
30:多孔質骨材構造
CF:炭素繊維
CP:炭素微粒子( 導電性微粒子)
R:結合剤樹脂
OF:熱融着性有機繊維
P4:成形工程
P5:熱処理工程(硬化工程)
Claims (6)
- 固体高分子形燃料電池の固体高分子電解質上にガス拡散電極を構成するために該固体高分子電解質上に触媒層を介して設けられる固体高分子形燃料電池のガス拡散層であって、
炭素繊維、結合剤樹脂、導電性微粒子、熱融着性有機繊維を含み、
該熱融着性有機繊維は、前記ガス拡散層の膜厚と繊維長の比が0.2乃至3の範囲の繊維長を有し、加熱により相互に熱融着させられて構成された多孔質骨材構造を構成し、
該多孔質骨材構造内において、該炭素繊維が該導電性微粒子と共に結合剤樹脂によって相互に結着されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池のガス拡散層。 - 前記熱融着性有機繊維は、40〜500の範囲内のアスペクト比( =繊維長/繊維径) を有していることを特徴とする請求項1の固体高分子形燃料電池のガス拡散層。
- 前記熱融着性有機繊維は、芯部樹脂と該芯部樹脂の外周を被覆し該芯部樹脂よりも融点或いは軟化点が低い鞘部樹脂とから構成されていることを特徴とする請求項1または2の固体高分子形燃料電池のガス拡散層。
- 前記熱融着性有機繊維の前記ガス拡散層に対する重量割合は、0.5〜8%の範囲内であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1の固体高分子形燃料電池のガス拡散層。
- 請求項1乃至4のいずれか1の多孔質且つ導電性のガス拡散層の製造に用いるスラリーであって、
炭素繊維、導電性微粒子、結合剤樹脂、および、加熱により相互に熱融着させられる熱融着性有機繊維が溶媒に分散させられていることを特徴とする固体高分子形燃料電池のガス拡散層の製造に用いるスラリー。 - 固体高分子電解質膜と、該固体電解質膜の一面および他面にそれぞれ設けられた触媒層と、それら触媒層の表面にそれぞれ設けられた請求項1乃至4のいずれか1のガス拡散層とを含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体。
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