JP5581299B2

JP5581299B2 - 燃料電池用拡散電極の製造方法

Info

Publication number: JP5581299B2
Application number: JP2011258126A
Authority: JP
Inventors: 恵子森; 聖子上原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: JP2013114818A

Description

本発明は、燃料電池用拡散電極の製造技術に関する。

石油や天然ガス等の化石燃料の枯渇が心配される中、酸素と水素とを直接反応させて電気エネルギーを得る燃料電池が注目される。

燃料電池の構造が各種提案されてきた（例えば、特許文献１（図４）参照。）。

特許文献１を図に基づいて説明する。図５は従来の技術の基本構成を説明する図である。膜電極構造体１００は、高分子電解質膜１０１と、この高分子電解質膜１０１を挟むように配置される触媒層１０２、１０３と、これらの触媒層１０２、１０３の外に各々配置される微多孔質層（下地層）１０４、１０５と、これらの下地層１０４、１０５の外に各々配置されるカーボンペーパとからなる拡散層１０６、１０７とからなる。

触媒層１０２、１０３の一方に酸素を供給し、他方に水素を供給すると、水素は触媒層１０２、１０３の触媒作用で水素イオンと電子に分離され、水素イオンは酸素と反応して水になり、電子は電気エネルギーとして外部負荷に供給される。

拡散層１０６、１０７の片面に下地層１０４、１０５が付されたものが拡散電極１０８、１０９となる。一対の拡散電極１０８、１０９間に負荷Ｒを電気的に接続することで、膜電極構造体１００の電気出力が負荷Ｒへ供給される。

上記構成要素中、下地層１０４、１０５は、水素や酸素の供給路と、水の排出路の役割を果たす重要な構成要素である。このような下地層１０４、１０５の組成材料は、特許文献１に例示されている。

拡散電極１０８、１０９は、次に述べる製造方法で製造することができる。

図６は拡散電極の作成方法を説明する図である。（ａ）にて、容器１１０に、例えばエチレングリコールなどの有機溶媒１１１を満たし、この有機溶媒１１１へ、所定量の炭素繊維１１２と、所定量の撥水性樹脂１１３を投入する。そして、十分に混練するために、撹拌を実施する。すると、（ｂ）に示すようなスラリー１１４が得られる。なお、撥水性樹脂１１３は、撥水性樹脂の微細粒子が水中に分散した撥水性樹脂分散液の形態で扱われ、この液には撥水性樹脂の微細粒子同士の凝集を避けるために、さらに界面活性剤などの分散剤が添加されている。また、エチレングリコールなどの有機溶剤を用いるのは、多孔質の拡散層（カーボンペーパ）にスラリー１１４を塗布する際に、過度にスラリーが拡散層に浸透しないように、スラリー１１４に適切な粘度を保持させるためである。

次いで（ｃ）に示すように、拡散層（カーボンペーパ）１０６の上面に所定厚さにスラリー１１４を塗布する。次に、（ｄ）に示すように、スラリー１１４を乾燥させ、次いで（ｆ）に示すように、焼成炉１１６で焼成する。焼成により拡散層１０６の上面に下地層１０４が形成された拡散電極１０８が得られる。

特開２００４−２１４１７３公報

上述したとおり拡散電極１０８中の下地層１０４は、水素や酸素の供給路と、水の排出路の役割を果たす重要な構成要素である。燃料電池の発電の際に生成する水が下地層１０４内で結露し水滴として滞留すると、水素や酸素などのガスの触媒層１０２への供給が妨げられてしまうため、撥水性を有することが求められる。

しかし、上述のようにして作成した下地層１０４を観察すると、図６（ｆ）の要部拡大模式図である（ｇ）に示すように、撥水性樹脂が溶融した後に凝固し塊状となった撥水性樹脂塊１１７として炭素繊維１１２に付着しており、さらに乾燥後・焼成前のスラリー１１４を観察すると、図６（ｄ）の要部拡大模式図である（ｅ）に示すように、複数個の撥水性樹脂粒子１１３が凝集していることが分かった。

このように撥水性樹脂が複数個凝集した撥水性樹脂塊１１７の状態で存在すると、撥水性樹脂体積当たりの表面積が減少し、十分な撥水性能が得られず、発電の際の生成水が滞留する虞が生ずる。

本発明は、撥水性樹脂の凝集が抑制され、撥水性能が向上し、水が溜まりにくく且つガスの流れが円滑である拡散電極を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、多孔質材からなる拡散層の片面に、炭素繊維と撥水性樹脂からなる下地層を形成した燃料電池用拡散電極の製造方法であって、有機溶媒に前記炭素繊維を混合し、撹拌する第１撹拌工程と、前記第１撹拌工程で得られた混合物に撥水性樹脂分散液を添加し、プロペラ撹拌機を用いて毎分１０〜５０回転の条件で撹拌しスラリーを作成する第２撹拌工程と、得られた前記スラリーを前記多孔質材の片面に塗布するスラリー塗布工程と、前記多孔質材に塗布された前記スラリーを乾燥し、焼成する乾燥・焼成工程とからなることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、第１撹拌工程で、有機溶媒に炭素繊維を混合し、撹拌することで、炭素繊維の分散を図る。次に、第２撹拌工程で、混合物に撥水性樹脂を添加し、毎分１０〜５０回転で撹拌しスラリーを作成する。

撥水性樹脂分散液中の撥水性樹脂は、液中での凝集を防止するために、分散剤で覆われている。しかし、スラリー作成時に過度に撹拌速度を高くすると、撥水性樹脂を覆っている分散剤が撥水性樹脂から離れ、結果、撥水性樹脂は凝集する。一方、撹拌速度が低いと、炭素繊維の有機溶媒中への拡散が十分行われなかったり、時間がかかったりするという問題が生じる。
本発明では、先に炭素繊維を有機溶媒中で撹拌して拡散させておき、その後、撥水性樹脂分散液を添加し、毎分１０〜５０回転の低速で撹拌するため、撥水性樹脂の凝集を抑制するとともに、炭素繊維が十分に拡散したスラリーを得ることができる。

結果、炭素繊維及び撥水性樹脂が良好に分散している下地層が得られる。この下地層であれば、水が溜まりにくくなり、ガスの流れが円滑になる。

本発明方法を説明するフロー図である。実施例用サンプルと比較用サンプルを作製するためのフロー図である。通水試験装置の原理図である。通水試験の結果を示すグラフである。従来の技術の基本構成を説明する図である。従来の拡散電極の作成方法を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、（ａ）にて、容器１０に、有機溶媒１１を満たし、この有機溶媒１１へ、所定量の炭素繊維１２を投入する。そして、炭素繊維１２を十分に拡散させるために、撹拌を実施する（第１撹拌工程）。

図１（ｂ）に示すように、液体（水）に分散剤及び撥水性樹脂粒子１７を含んだ撥水性樹脂分散液１４を準備する。そして、有機溶媒１１に炭素繊維１２が良好に分散された混合物１３へ、撥水性樹脂分散液１４を投入する。

撥水性樹脂分散液１４が投入された混合物を、プロペラ撹拌機で撹拌する（第２撹拌工程）。プラペラ撹拌は、毎分１０〜５０回転の低速で実施する。

これで図１（ｃ）に示すようなスラリー１６が得られる。このスラリー１６には、炭素繊維１２及び撥水性樹脂粒子１７が、良好に分散されている。
図１（ｄ）に示すように、拡散層としてのカーボンペーパ１８の上面に所定厚さにスラリー１６を塗布する（スラリー塗布工程）。この塗布法はスクリーン印刷法が好適である。

次に、図１（ｅ）に示すように、スラリー１６を乾燥させる。乾燥が完了すると、図１（ｅ）の要部拡大模式図である図１（ｆ）に示すように、複数個の撥水性樹脂粒子１７が分散した形態で炭素繊維１２に付いた状態になる。

次に、図１（ｇ）に示すように、焼成炉１９で焼成する。焼成によりカーボンペーパ（拡散層）１８の上面に下地層２０が成膜された燃料電池用拡散電極２１ができあがる（乾燥・焼成工程）。

焼成後の下地層２０は、図１（ｇ）の要部拡大模式図である図１（ｈ）に示すように、溶融した後に凝固した撥水性樹脂粒２２が分散した形態で炭素繊維１２に付いた状態となる。

以上の製造方法で作製された燃料電池用拡散電極２１の性能を調べるために、次に述べる実験を行った。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。

○実施例用サンプルの作製：
図２（ａ）に示すように、有機溶媒としてのエチレングリコール１００重量部に、炭素繊維としての気相成長炭素繊維６重量部を混合し、十分撹拌して混合物を得た。

この混合物に、撥水樹脂としてのＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン重合体樹脂）水分散液（樹脂配合比５０重量％）１０重量部を混合し、２０ｒｐｍ（１分当たりの回転数）の条件でプロペラ撹拌を３０秒間実施して、スラリーを得た。
このスラリーをカーボンペーパの片面に塗布し、乾燥・焼成を経て、実施例用サンプルを作製した。

○比較例用サンプルの作製：
図２（ｂ）に示すように、有機溶媒としてのエチレングリコール１００重量部に、気相成長炭素繊維６重量部を混合し、さらに上記ＦＥＰ水分散液を混合し、１３００ｒｐｍの条件で撹拌を１０分間実施して、スラリーを得た。
このスラリーをカーボンペーパの片面に塗布し、乾燥・焼成を経て、比較例用サンプルを作製した。

○通水試験（水の浸透圧試験）：
図３で通水試験の原理を説明する。排水口２４を有する容器２５に、カーボンペーパ１８が下で、下地層２０が上になるようにして実施例用サンプル２６又は比較例用サンプル１２０を入れる。
このサンプル２６又は１２０上に水２７を張る。この水２７の上に蓋２８を載せ、この蓋２８に錘（ウエイト）２９を載せる。この錘２９を代えることにより、下地層２０に作用する圧力（水圧）を変化させることができる。

水２７は下地層２０を通過して、排水口２４から排出される。錘２９を重くすると圧力が上昇し、排水量が増加する。
実施例用サンプル２６と比較例用サンプル１２０で通水試験を実施したところ、図４に示す結果が得られた。

比較例に対して、実施例は格段に通水量が小さかった。
比較例は撥水性能が小さくて水が侵入しやすかった。一方、実施例は撥水性能が大きく、水が侵入し難かったと考えられる

尚、有機溶媒は、エチレングリコールに限るものではない。
また、撥水性樹脂は、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン重合体樹脂）の他、ポリ四フッ化エチレンであってよく、ＦＥＰに限るものではない。
さらに、炭素繊維は、気相成長炭素繊維に限るものではない。

本発明は、燃料電池用拡散電極に好適である。

１１…有機溶媒、１２…炭素繊維、１３…混合物、１４…撥水性樹脂分散液、１６…スラリー、１７…撥水性樹脂粒子、１８…拡散層（多孔質材、カーボンペーパ）、２０…下地層、２１…燃料電池用拡散電極。

Claims

多孔質材からなる拡散層の片面に、炭素繊維と撥水性樹脂からなる下地層を形成した燃料電池用拡散電極の製造方法であって、
有機溶媒に前記炭素繊維を混合し、撹拌する第１撹拌工程と、
前記第１撹拌工程で得られた混合物に撥水性樹脂分散液を添加し、プロペラ撹拌機を用いて毎分１０〜５０回転の条件で撹拌しスラリーを作成する第２撹拌工程と、
得られた前記スラリーを前記多孔質材の片面に塗布するスラリー塗布工程と、
前記多孔質材に塗布された前記スラリーを乾燥し、焼成する乾燥・焼成工程とからなることを特徴とする燃料電池用拡散電極の製造方法。