JP6651928B2 - コーティング用組成物、それを使用するコート層付セパレータ及び燃料電池 - Google Patents
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Description
このため、さらなる改善により、耐食性や耐酸化性を備え、長期安定性を有する、安価で量産性に優れた燃料電池用セパレータの開発が望まれている。
即ち、炭素材料(A)と、水性樹脂型分散剤(B)と、オレフィン系エマルションバインダー(C)と、水性液状媒体(D)とを含有し、
炭素材料(A)、水性樹脂型分散剤(B)およびオレフィン系エマルションバインダー(C)の固形分の合計100質量%中、炭素材料(A)の含有量が、1質量%以上、85質量%以下である燃料電池用コート層付セパレータに使用するコーティング用組成物に関する。
ここで、本発明で用いられるコート層を形成するコーティング用組成物について説明する。コーティング用組成物は、炭素材料(A)と水性樹脂型分散剤(B)と、オレフィン系エマルションバインダー(C)と、水性液状媒体(D)とを含有する。
炭素材料(A)と水性樹脂型分散剤(B)とオレフィン系エマルションバインダー(C)と水性液状媒体(D)とを含有する、コーティング用組成物の場合を例にとって説明する。
例えば、
(X−1) 炭素材料(A)と水性樹脂型分散剤(B)と水性液状媒体(D)とを含有する炭素材料の水性分散体を得、該水性分散体にオレフィン系エマルションバインダー(C)とを加え、コーティング用組成物を得ることができる。
(X−2) 炭素材料(A)と水性樹脂型分散剤(B)とオレフィン系エマルションバインダー(C)と水性液状媒体(D)と含有する炭素材料の水性分散体を得、コーティング用組成物を得ることができる。
(X−3) 水性樹脂型分散剤(B)とオレフィン系エマルションバインダー(C)と水性液状媒体(D)とを含有する溶液を得、さらに炭素材料(A)を加え、コーティング用組成物を得ることができる。
ここでいう分散粒径とは、体積粒度分布において、粒子径の細かいものからその粒子の体積割合を積算していったときに、50%となるところの粒子径(D50)であり、一般的な粒度分布計、例えば、動的光散乱方式の粒度分布計(日機装社製「マイクロトラックUPA」)等で測定される。
、Conductex 975 ULTRA等、PUER BLACK100、115、2
05等(コロンビヤン社製、ファーネスブラック)、#2350、#2400B、#2600B、#3050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B等(三菱化学社製、ファーネスブラック)、MONARCH1400、1300、900、VulcanXC−72R、BlackPearls2000等(キャボット社製、ファーネスブラック)、Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、SuperP−Li(TIMCAL社製)、ケッチェンブラックEC−300J、EC−600JD(アクゾ社製)、デンカブラック、デンカブラックHS−100、FX−35(電気化学工業社製、アセチレンブラック)等、グラファイトとしては、例えば人造黒鉛や燐片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛などの天然黒鉛が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、2種以上を組み合わせて用いても良い。
次に、オレフィン系エマルションバインダー(C)について説明する。本発明で用いられるオレフィン成分としては、エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブチレン、イソブテン、1−ペンテン、4−メチル−1−ペンテン、3−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン、1−ノネン等の炭素数2以上、好ましくは炭素数2〜9のオレフィン化合物が挙げられ、これらオレフィン成分の単一の重合体あるいは2成分以上の共重合体を用いることが出来る。また、本発明のオレフィン系エマルションバインダーは、これらオレフィン化合物を40質量%以上、好ましくは60質量%以上含有しており、その他の構成成分としては、不飽和カルボン酸またはその無水物、(メタ)アクリル酸エステル類、マレイン酸エステル類、ビニルエステル類、(メタ)アクリルアミド類等を用いることが出来る。
本発明に使用する水性液状媒体(D)としては、水を使用することが好ましいが、必要に応じて、例えば、セパレータへの塗工性向上のために、水と相溶する液状媒体を使用しても良い。
水と相溶する液状媒体としては、アルコール類、グリコール類、セロソルブ類、アミノアルコール類、アミン類、ケトン類、カルボン酸アミド類、リン酸アミド類、スルホキシド類、カルボン酸エステル類、リン酸エステル類、エーテル類、ニトリル類等が挙げられ、水と相溶する範囲で使用しても良い。
本発明のコーティング用組成物を得る際に用いられる装置としては、顔料分散等に通常用いられている分散機、混合機が使用できる。
本発明のコート層付セパレータは、セパレータと、前記のコーティング用組成物から形成されたコート層を具備する。
燃料電池用のセパレータは、その形状が、通常、シート状もしくは板状であり、その片面もしくは両面に凹凸状の溝が形成されている。燃料電池用のセパレータの該溝部は、後述する燃料電池用電極膜接合体の導電性支持体と密着することで、該溝部をガス流路として、燃料ガス(水素)や酸化剤ガス(酸素)等の反応ガスの供給を行う。通常、溝の深さは0.05〜2.0mmであり、溝の幅やリブ幅も同様である。セパレータの厚さとしては、燃料電池の大きさや用途に応じて特に制限されるものではないが、通常0.1〜3.0mm程度である。
セパレータ上にコーティング用組成物を塗工する方法としては、特に制限はなく公知の方法を用いることができる。
具体的には、グラビアコーティング法、ダイコーティング法、ディップコーティング法、ロールコーティング法、ドクターコーティング法、ナイフコーティング法、スプレーコティング法、スクリーン印刷法または静電塗装法等が挙げる事ができる。
乾燥方法としては放置乾燥、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、遠赤外線加熱機などが使用できるが、特にこれらに限定されるものではない。
又、塗布後に平版プレスやカレンダーロール等による圧延処理を行っても良い。
燃料電池は使用する電解質により、いくつかのタイプに分類することができるが、本発明の燃料電池としては、固体高分子形燃料電池がより好ましく、前記のコート層付セパレータも好適に使用することができる。
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質4を挟むように、対向配置されたセパレータ1、ガス拡散層2、負極触媒層(燃料極)3、正極触媒層(空気極)5、ガス拡散層6、及びセパレータ7とから構成される。
上記セパレータ1、7は、燃料ガス(水素)や酸化剤ガス(酸素)等の反応ガスの供給、排出を行う。そして、負極及び正極触媒層3、5に、ガス拡散層2、6を通じてそれぞれ均一に反応ガスが供給されると、両電極に備えられた触媒と固体高分子電解質4との境界において、気相(反応ガス)、液相(固体高分子電解質膜)、固相(両電極が持つ触媒)の三相界面が形成される。そして、電気化学反応を生じさせることで直流電流が発生する。
正極側:O2+4H++4e-→2H2O
負極側:H2→2H++2e-
の反応が起こり、負極側で生成されたH+イオン(プロトン)は固体高分子電解質4中を正極側に向かって移動し、e-(電子)は外部の負荷を通って正極側に移動する。
燃料電池用触媒材料は、公知もしくは市販のものを使用することができる。例えば、触媒粒子が、触媒担持体としての炭素粒子、酸化物粒子、あるいは窒化物粒子上に担持してなるものが挙げられる。
触媒担持体としては、例えば、下記のものが挙げられる。
炭素粒子としては、炭素材料(A)と同様のものが挙げられる。
酸化物粒子としては、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン、シリカ、アルミナ等が挙げられる。
窒化物粒子としては、例えば、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化バナジウム等が挙げられる。
これら触媒担持体は、要求性能に合わせて最適な材料を選択することができる。
TEC10E50E、TEC10E70TPM、TEC10V30E、TEC10V50E、TEC66E50等の白金担持炭素粒子;
TEC66E50、TEC62E58等の白金−ルテニウム合金担持炭素粒子;
をいずれも田中貴金属工業社より購入することができるが、これらに限定されるものではない。
燃料電池用のバインダーとしては、プロトン伝導性ポリマーが好ましい。プロトン伝導性ポリマーとしては、親水性官能基を有するバインダーを指し、プロトン伝導度として100%RH、25℃で10-3Scm-1以上を示すものが好ましい。
ここで、親水性官能基としては、スルホ基、カルボキシル基、りん酸基等の酸性官能基、水酸基、アミノ基等の塩基性官能基が挙げられるが、プロトン解離性の観点から、スルホ基、カルボキシル基、りん酸基、及び水酸基がより好ましい。
プロトン伝導性を示すポリマーとしては、スルホ基を導入した、オレフィン系樹脂(ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸等)、ポリイミド系樹脂、フェノール樹脂、ポリエーテルケトン系樹脂、ポリベンズイミダゾール系樹脂、及びポリスチレン系樹脂、スチレン・エチレン・ブチレン・スチレン共重合体のスルホン酸ドープ品、パーフルオロスルホン酸系樹脂等のスルホン酸を有する樹脂;
ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース等のカルボン酸を有する樹脂;
ポリビニルアルコール等の水酸基を有する樹脂;
ポリアリルアミン、ポリジアリルアミン、ポリジアリルジメチルアンモニウム塩、イミダゾール部分で酸と塩形成したポリベンズイミダゾール系樹脂等のアミノ基を有する樹脂;
ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルイミダゾール等の、その他の親水性官能基を有する樹脂が挙げられる。特に、パーフルオロスルホン酸系樹脂は、電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホ基の解離度が高く、高いプロトン導電性が実現できる。このようなプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、デュポン社製の「Nafion」等が挙げられる。通常、プロトン伝導性ポリマーは、ポリマーを5〜30質量%程度含むアルコール水溶液として使用される。アルコールとしては、例えば、メタノール、プロパノール、エタノールジエチルエーテル等が使用される。
燃料電池用触媒インキ組成物は、一般的には燃料電池用触媒材料、燃料電池用バインダー、溶剤を主として構成され、必要に応じて、分散剤等の添加剤を含むものである。
後述する燃料電池用電極膜接合体に使用される燃料電池用触媒層は、燃料電池用触媒インキ組成物を、例えば、後述の転写基材等に塗布・乾燥することで製造することができる。
燃料電池用電極膜接合体とは、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の片面もしくは両面に、燃料電池用触媒層が密着して形成され、さらに、その片面もしくは両面に、ガス拡散性の導電性支持体が密着して具備したものである。
固体高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホ基の解離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。具体例としてはデュポン社製の「Nafion」、旭硝子社製の「Flemion」、旭化成社製の「Aciplex」、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」等が挙げられる。電解質膜の膜厚としては、通常20〜250μm、好ましくは10〜80μmである。
転写基材は触媒インキ組成物を塗布することで燃料電池用触媒層を形成し、転写基材上にある触媒層をナフィオンなどの固体高分子電解質膜に転写するためのフィルム基材である。転写基材としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。具体例としてはテフロン(登録商標)シート等が挙げられる。
導電性支持体は、負極又は正極を構成する各種の導電性支持体を使用できるが、固体高分子形燃料電池に代表される多くの燃料電池では、正極側では空気中の酸素を取り入れ、負極側では水素を取り込めるように、気体が通過および拡散できるような多孔質または繊維状の支持体であることが好ましい。更に電子の出し入れが必要なため導電性を有する材料を用いらなければならない。好ましくは炭素素材からなるカーボンペーパや、カーボンフェルト、カーボンクロスなどがよい。具体例としては東レ社製の「TGP−H−090」等が挙げられる。これら導電性支持体は、燃料電池ではガス拡散層あるいはGDLとも呼ばれる。
(実施例1)
導電性の炭素材料としてアセチレンブラック(A−1:デンカブラックHS−100)
10部、水性樹脂型分散剤(B)であるポリアリルアミン20%水溶液(B−1)を7部(固形分として1.4部)、オレフィン系エマルションバインダーであるハイテックS−3121(C−1)を87.7部(固形分として21.9部)、水41.5部、イソプロパノール(IPA)12.5部をミキサーに入れて混合し、更にサンドミルに入れて分散を行い、コーティング用組成物(1)を得た。得られた分散体の分散度をグラインドゲージによる判定(JISK5600−2−5に準ず)より求めた。評価結果を表1に示す。表中の数字は粗大粒子の大きさを示し、数値が小さいほど分散性に優れ、均一で良好な状態であることを示している。
表1に示す組成比で、コーティング用組成物(1)と同様の方法により、それぞれ実施例及び比較例のコーティング用組成物(2)〜(16)を得た。
IPA:イソプロパノール(2−プロパノール)(キシダ化学社製)
〈導電性の炭素材料(A)〉
A−1:デンカブラックHS−100(電気化学工業社製)
A−2:ミツビシカーボン#3050B(三菱化学社製)
A−3:デンカブラック粒状品(電気化学工業社製)
〈水性樹脂型分散剤(B)〉
B−1:ポリアリルアミンPAA−05(20%水溶液)(日東紡績社製)
B−2:カルボキシルメチルセルロース(和光純薬工業社製)
B−3:ポリアクリル酸(和光純薬工業社製、平均分子量5000)
〈オレフィン系エマルションバインダー(C)〉
C−1:ハイテックS−3121(固形分25%水分散液) (東邦化学社製)
C−2:ケミパールW4005(固形分40%水分散液) (三井化学社製)
[実施例A−1:コート層付セパレータ(1)]
容器中に燃料電池セパレータコーティング用組成物(1)を加え、その中にセパレータを一定時間浸漬して引き上げた後、120℃で30分間乾燥し、コート層付セパレータ(1)を得た。コート層の厚みは18μmであった。得られたコート層付セパレータのコート層の密着性を後述の方法にて評価した。評価結果を表2の実施例A−1に示す。使用したセパレータは、SUS304を材質とする大きさ8cm角の基材の中心に、5cm角の範囲でサーペンタイン型の一本流路(流路幅1.0mm、リブ幅1.0mm、流路深さ0.6mm)が片面に形成されたものを使用した。
表2に記載の構成で、コート層付セパレータ(1)と同様の方法により、それぞれコート層付セパレータ(2)〜(16)を得た。密着性の評価結果を表2の実施例A−2〜A−12及び比較例B−1〜B−4に示す。
上記で作製したコート層付セパレータ(1)〜(16)を100℃、pH=1の硫酸水溶液中で72時間浸漬後、イオン交換水で十分に洗浄し、100℃、1時間で乾燥した。
その後、ナイフを用いてコート層表面からセパレータに達する深さまでの切込みを2mm間隔で縦横それぞれ6本の碁盤目の切込みを入れた。この切り込みに粘着テープを貼り付けて直ちに引き剥がし、コート層の脱落の程度を目視にて判定した。評価基準を下記に示す。
○△:「わずかに剥離。全く問題なし。」
△:「半分程度剥離。実用上問題あり。使用を避けるほうが好ましい。」
×:「ほとんどの部分で剥離。使用不可。」
触媒材料として白金触媒担持カーボン4質量部(田中貴金属社製、白金量46%、TEC10E50E)、溶剤として2−プロパノール56質量部、およびイオン交換水20質量部をディスパーにて攪拌混合することで触媒ペースト組成物(固形分濃度4質量%)を調製した後、プロトン伝導性ポリマーとして20質量%ナフィオン(Nafion)分散溶液(デュポン社製、CStypeDE2020)20質量部を添加し、ディスパーにて攪拌混合することで燃料電池用触媒インキ組成物(固形分濃度8質量%、触媒インキ組成物100質量%としたときの触媒材料とプロトン伝導性ポリマーの合計した割合)を作製した。
上述の燃料電池用触媒インキ組成物を、白金触媒の目付け量が0.1mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム上に塗布し、加熱真空乾燥することにより、燃料電池用触媒層が形成されたテフロン(登録商標)フィルムを得た。
続いて、燃料電池用触媒層が形成されたテフロン(登録商標)フィルムから5cm角の打ち抜き片を2枚作製し、8cm角の固体高分子電解質膜(Nafion NR−212、デュポン社製、膜厚51μm)の中心に両面から密着して、150℃、5MPaの条件で狭持した後、テフロン(登録商標)フィルムを剥離することで、固体高分子電解質膜上へ触媒層を転写形成した。更に、触媒層の表面へ、5cm角の炭素繊維からなるカーボンペーパ基材(SGL24−BCH、SGLカーボン社製)を密着することで、電極面積が5cm角の燃料電池用電極膜接合体を作製した。
[実施例13]
上述の燃料電池用電極膜接合体の電極部を、ガスケットを用いて取り囲み、次いでコート層付セパレータ(1)のガス流路部が電極面積と重なるように両面から挟み込んだ。最後に、集電板2枚を両側に装着して燃料電池用評価セルを作製した。
[比較例5]
コーティング用組成物によるコーティングを実施していないセパレータを使用した以外は、実施例13と同様にして燃料電池用評価セルを作製した。
コート層付セパレータ(2)〜(16)を使用した以外は、実施例13と同様にして燃料電池用評価セルを作製した。
得られた燃料電池用評価セルを用いて、セル温度を80℃とし、正極側から温度60℃、相対湿度42%で加湿した空気を流量800mL/minで供給し、負極側から温度77℃、相対湿度88%で加湿した水素ガスを流量550mL/min供給し、電流密度500mA/cm2で3時間保持した後の抵抗値と、72時間保持後の抵抗値を記録し、それら抵抗値の変化率(72時間後の抵抗値/3時間後の抵抗値の比の百分率)を算出した(値が小さいほど良好)。評価基準を下記に示す。測定はすべてAutoPEMシリーズ「PEFC評価システム」(東陽テクニカ社製)を用いて実施した。評価結果を表3に示す。
○△:「変化率が102%より高く、106%以下。全く問題なし。」
△:「変化率が106%より高く、130%以下。問題はあるが使用可能なレベル。」
×:「変化率が130%以上。実用上問題あり、使用不可。」
2 ガス拡散層
3 負極電極触媒(燃料極)
4 固体高分子電解質
5 正極電極触媒(空気極)
6 ガス拡散層
7 セパレータ
Claims (5)
- 炭素材料(A)と、水性樹脂型分散剤(B)と、オレフィン系エマルションバインダー(C)と、水性液状媒体(D)とを含有し、
炭素材料(A)、水性樹脂型分散剤(B)およびオレフィン系エマルションバインダー(C)の固形分の合計100質量%中、炭素材料(A)の含有量が、1質量%以上、85質量%以下である燃料電池用コート層付セパレータに使用するコーティング用組成物。 - 炭素材料(A)、水性樹脂型分散剤(B)およびオレフィン系エマルションバインダー(C)の固形分の合計100質量%中、炭素材料(A)の含有量が、20質量%以上、65質量%以下である請求項1に記載のコーティング用組成物。
- 水性樹脂型分散剤(B)およびオレフィン系エマルションバインダー(C)の固形分の合計100質量%中、水性樹脂型分散剤(B)の含有量が、1質量%以上、40質量%未満である請求項1または2に記載のコーティング用組成物。
- 請求項1〜3いずれか記載のコーティング用組成物から形成されたコート層を有する燃料電池用コート層付セパレータ。
- 請求項4に記載の燃料電池用コート層付セパレータを使用した、燃料電池。
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