JP7263774B2 - マイクロポーラス層およびその製造方法、ガス拡散電極基材、燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、2-プロパノールと水とを1:2の比率で混合した液滴との接触角が80°以上であり、かつ、アスペクト比が20未満の導電材が含まれる、実質的にクラックのない、マイクロポーラス層である。
本発明において、マイクロポーラス層を構成する導電材は、アスペクト比が20未満のものが好ましい。アスペクト比が20以上になると、アスペクト比が20を下回る場合よりも相互に引っかかり易いため、乾燥時や焼結時にクラックを生じにくいものではあるが、それ以上に、アスペクト比が20以上の繊維状炭素は電解質膜に突き刺さり易く、局所的な短絡を生じ得る問題があることがある。また、アスペクト比が20以上の繊維状炭素を用いると、マイクロポーラス層内の細孔径が同体積の粒子形導電材を用いた場合よりも大きくなる傾向があり、マイクロポーラス層上に触媒塗液を塗布して触媒層を形成するプロセスを採用する場合は、触媒塗液が均一に塗布できないことがある。これらのことから、アスペクト比は15以下が好ましく、10以下がより好ましく、2以下がさらに好ましい。
また、本発明のマイクロポーラス層には、前述の導電材同士を接着するためのバインダー機能、水蒸気の凝集抑制、水の排水性、あるいは保湿性、熱伝導性のために、フッ素化合物をはじめとする撥水性物質が含まれることが好ましい。マイクロポーラス層に含まれるフッ素化合物としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)等の高分子物質が挙げられる。
本発明のマイクロポーラス層は、マイクロポーラス層だけでガス拡散電極基材として使用しても良いが、一般的には、導電性多孔質基材上にマイクロポーラス層を一体化して用いることが好ましい。ここで導電性多孔質基材としては、例えば、炭素繊維織物、炭素繊維抄紙体、炭素繊維不織布、カーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンクロスなどの炭素繊維を含む多孔質基材、発泡焼結金属、金属メッシュ、エキスパンドメタルなどの金属多孔質基材が好ましく例示される。中でも、耐腐食性が優れることから、炭素繊維を含むカーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンクロスなどの多孔質基材を用いることが好ましく、さらには、電解質膜の厚み方向の寸法変化を吸収する特性、すなわち「ばね性」に優れることから、炭素繊維抄紙体を炭化物で結着することで得られる、炭化物を含む基材、すなわちカーボンペーパーを用いることが好適である。
固体高分子形燃料電池の単セルは、典型的には、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両面に形成される触媒層と、この触媒層の外側に形成されるガス拡散電極基材、および、それらを挟み込む2つのセパレーターで構成される。本発明のマイクロポーラス層は、通常、ガス拡散電極基材の一部またはガス拡散電極基材そのものとして、触媒層と接する面に配置される。
本発明のマイクロポーラス層は、アスペクト比が20未満の導電材と、アスペクト比が2以上のクラック抑制材を含むインクを乾燥させた後、上記乾燥温度を上回る温度で熱処理して前記クラック抑制材を分解除去して製造する方法が好ましく例示される。
本発明のマイクロポーラス層を用いた燃料電池の製造方法には2つの好ましい態様がある。1つは、高分子電解質膜に、フィルム上で形成しておいた触媒層を転写して触媒層付高分子電解質膜を製造し、これを一方の表面にマイクロポーラス層が形成されたガス拡散電極基材で挟み込んで燃料電池を製造するものであり、触媒層を平滑に形成できる好ましい態様である(本発明ではCCM法と呼称する)。2つ目は、一方の表面にマイクロポーラス層が形成されたガス拡散電極基材上に触媒層インクを塗布して触媒層付ガス拡散電極基材を製造し、高分子電解質膜をこれで挟み込んで燃料電池を製造するものであり、転写工程を省けるため生産性に優れる態様である(本発明ではGDE法と呼称する)。
A.クラック数
デジタルマイクロスコープDMS1000(ライカマイクロシステムズ株式会社製)で100倍以上に拡大した1辺が1mmの正方形よりも大きい領域を観察し、100μm以上の長さの裂け目の個数を10箇所の視野で測定し、1cm2当たりの個数として個数を算出した。
温度20℃、湿度60%の環境で、マイクロポーラス層上の無作為に選択した10点の場所に、2-プロパノール水とを1:2の比率で混合した5μLの水滴を、それぞれ滴下して、各点の滴下ごとに自動接触角計DM-501(協和界面科学(株)社製)で測定した平均値を接触角とした。
PoreMaster(Quantachrome社製)で測定し、水銀の表面張力σを480dyn/cm、水銀とマイクロポーラス層との接触角を140°として計算した。
実施例、比較例で製造したガス拡散電極基材と、厚み25μmの高分子電解質膜を重ね合わせ、5MPaに加圧しながらその両側で2Vの電圧をかけて電流量を測定した。これを、サンプルを変更して10回繰り返し、その平均値を1回の測定面積で割った値を短絡電流密度とした。
電解質膜・触媒層一体化品(日本ゴア製の電解質膜“ゴアセレクト”(登録商標)に、日本ゴア製触媒層“PRIMEA”(登録商標)を両面に形成したもの)の両側に、触媒層とマイクロポーラス層が接するようにガス拡散電極基材を挟み、ホットプレスすることにより、膜電極接合体(MEA)を作製した。この膜電極接合体を燃料電池用単セルに組み込み、電池温度80℃、燃料利用効率を70%、空気利用効率を40%、アノード側の水素、カソード側の空気をそれぞれ露点が70℃、70℃となるように加湿して発電させ、電流密度が1.5A/cm2での電圧を測定した。
白金担持炭素(田中貴金属工業(株)製、白金担持量:50質量%)、精製水、“Nafion”(登録商標)溶液(Aldrich社製 “Nafion”(登録商標)5.0質量%)、イソプロピルアルコール(ナカライテスク社製)からなる触媒液をマイクロポーラス層上に塗布して触媒層付ガス拡散電極基材を得た。この触媒層付ガス拡散電極基材で電解質膜(デュポン社製、“Nafion”(登録商標))を挟み、ホットプレスすることにより、膜電極接合体(MEA)を作製した。この膜電極接合体を燃料電池用単セルに組み込み、電池温度80℃、燃料利用効率を70%、空気利用効率を40%、アノード側の水素、カソード側の空気をそれぞれ露点が70℃、70℃となるように加湿して発電させ、電流密度が1.5A/cm2での電圧を測定した。
炭化物の酸素/炭素元素比やフッ素/炭素元素比は以下のように求めた。イオンミリング装置により作製したガス拡散電極基材の厚さ方向の断面観察用サンプルを用い、加速電圧10kV、拡大倍率10万倍の条件で走査型電子顕微鏡(SEM)-EDX測定を行い、マイクロポーラス層の平均の平均フッ素/炭素元素比、炭化物上の酸素/炭素元素比、および炭化物上のフッ素/炭素元素比を得た。
導電材として1次粒径が35μmでアスペクト比が1.1のカーボンブラック(CB)と、撥水性物質として380℃における溶融粘度が5×103Pa・sであるFEPと、クラック抑制材としてアスペクト比が20を超える繊維径21μmのパルプ、さらに、界面活性剤と、分散媒として精製水を混合して、CB/撥水材/クラック抑制材/界面活性剤/精製水=7質量部/3質量部/1質量部/14質量部/75質量部となるように調整してマイクロポーラス層塗液を作製した。
撥水処理された基材密度0.4g/cm3のカーボンペーパーを用いたこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。
クラック抑制材としてアスペクト比が20を超える繊維径17μmのレーヨン繊維を用いたこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。
クラック抑制材としてアスペクト比が20を超える繊維径0.04μmのセルロースナノファイバーを用いたこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。
クラック抑制材としてアスペクト比が20を超える繊維径約15μmのPMMA繊維を用いたこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。
導電材として1次粒径が45μmのカーボンブラックを用いたこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。
撥水性物質として380℃における溶融粘度が1×1012Pa・sであるPTFEを用いたこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。
クラック抑制材としてポリエチレンオキサイド(PEO)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。なお、PEOは分散媒である水に溶解し、不定形だったため、アスペクト比と繊維径は測定できなかった。
クラック抑制材としてアスペクト比が1.1のポリイミド(PI)を用い、界面活性剤を用いずに、分散媒としてジメチルアセトアミドを用いたこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。
撥水性物質として380℃における溶融粘度が1×1014Pa・sである超高分子量PTFEを用い、クラック抑制材を用いなかったこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。
導電材として表に示すVGCFを用い乾燥後の加熱温度を350℃にしたこと以外は実施例1と同様にしてガス拡散電極基材を得た。
Claims (11)
- 5nm以上100nm以下の繊維径を持つアスペクト比10以上の繊維状炭化物が含まれるマイクロポーラス層であって、
前記炭化物の酸素/炭素元素比が0.02以上である、マイクロポーラス層が、導電性多孔質基材上に一体化されてなるガス拡散電極基材。 - 前記炭化物のフッ素/炭素元素比がマイクロポーラス層の平均フッ素/炭素元素比に比べ小さい、請求項1に記載のガス拡散電極基材。
- マイクロポーラス層の断面に前記炭化物が1000個/mm2以上含まれる、請求項1または2に記載のガス拡散電極基材。
- マイクロポーラス層が、カーボンブラックおよび撥水性物質を含む請求項1~3のいずれかに記載のガス拡散電極基材。
- 5nm以上100nm以下の繊維径を持つアスペクト比10以上の繊維状炭化物が含まれるマイクロポーラス層であり、前記炭化物の酸素/炭素元素比が0.02以上であって、2-プロパノールと水とを1:2の比率で混合した液滴との接触角が80°以上であり、かつ、アスペクト比が20未満の導電材とそのバインダーであるフッ素樹脂が含まれる、100μm以上の長さの裂け目の個数が50個/cm 2 以下である、マイクロポーラス層。
- 平均孔径が200nm以下である、請求項5に記載のマイクロポーラス層。
- 溶融粘度が109Pa・s以下の撥水性物質が含まれる、請求項5または6に記載のマイクロポーラス層。
- 請求項5~7のいずれかに記載のマイクロポーラス層が含まれる、ガス拡散電極基材。
- 請求項1~4のいずれかに記載のガス拡散電極基材が含まれる、燃料電池。
- 請求項5~7のいずれかに記載のマイクロポーラス層が含まれる、燃料電池。
- アスペクト比が20未満の導電材と、アスペクト比が2以上のクラック抑制材とが含まれるインクを導電性多孔質基材上に塗布して乾燥させた後、
前記乾燥の温度を上回る温度で熱処理を行い、前記クラック抑制材を分解除去する、マイクロポーラス層の製造方法。
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