JP7363645B2 - Fuel cell gas diffusion layer - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池ガス拡散層に関し、さらに詳しくは、耐フラッディング性に優れた燃料電池ガス拡散層に関する。 The present invention relates to a fuel cell gas diffusion layer, and more particularly to a fuel cell gas diffusion layer with excellent flooding resistance.
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極(触媒層)が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子形燃料電池において、触媒層の外側には、一般に、ガス拡散層が配置される。ガス拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層アイオノマ)との複合体からなる。 The basic unit of a polymer electrolyte fuel cell is a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes (catalyst layers) are bonded to both sides of a polymer electrolyte membrane. Furthermore, in polymer electrolyte fuel cells, a gas diffusion layer is generally arranged outside the catalyst layer. The gas diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, etc. are used for the gas diffusion layer. The catalyst layer is a reaction field for electrode reactions, and is generally made of a composite of carbon supporting an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (catalyst layer ionomer).
固体高分子形燃料電池のガス拡散層は、高いガス透過性に加えて、高い撥水性が求められる。そのため、ガス拡散層には、一般に、カーボンペーパーなどの多孔質基材の表面に、マイクロポーラス層(導電性粒子と撥水性粒子とを含み、微細な気孔を持つ層)が形成されたものが用いられる。マイクロポーラス層は、一般に、導電性粒子及び撥水性粒子を含むペーストを多孔質基材の表面に塗布し、乾燥及び焼成することにより形成されている。
しかしながら、従来のガス拡散層は、撥水性が不十分であるため、特に高負荷運転時においてはフラッディングが起きやすい。
The gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell is required to have high water repellency in addition to high gas permeability. Therefore, gas diffusion layers generally have a microporous layer (a layer containing conductive particles and water-repellent particles and having fine pores) formed on the surface of a porous base material such as carbon paper. used. A microporous layer is generally formed by applying a paste containing conductive particles and water-repellent particles to the surface of a porous base material, drying and firing.
However, since conventional gas diffusion layers have insufficient water repellency, flooding is likely to occur particularly during high-load operation.
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、
(a)カーボンペーパーの表面にシランカップリング剤を塗布し、乾燥させ、
(b)ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びアセチレンブラックを含む撥水処理液をカーボンペーパーの表面に塗布し、乾燥させ、
(c)350℃で8時間焼成する
ことにより得られる拡散層が開示されている。
同文献には、炭素繊維の表面をシランカップリング剤で処理すると、PTFEを含む撥水処理液との親和性が向上し、PTFEをカーボンペーパー全体にわたり均一に分散させることが可能となる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have been made in the past.
For example, in
(a) Apply a silane coupling agent to the surface of carbon paper, dry it,
(b) Applying a water repellent treatment liquid containing polytetrafluoroethylene (PTFE) and acetylene black to the surface of carbon paper and drying it,
(c) A diffusion layer obtained by firing at 350° C. for 8 hours is disclosed.
This document states that when the surface of carbon fibers is treated with a silane coupling agent, the affinity with the water repellent treatment liquid containing PTFE improves, and it becomes possible to uniformly disperse PTFE throughout the carbon paper. Are listed.
特許文献2には、
(a)カーボンペーパーからなる母材の表面にテトラエトキシシランを塗布し、水酸化ナトリウムで加水分解することにより、母材の表面にシリカからなる中間被膜を形成し、
(b)1H、1H、2H、2H-パーフルオロデシルトリエトキシシランを含む混合液にカーボンペーパーを浸漬し、中間被膜の表面に撥水被膜を形成する
ことにより得られる拡散層が開示されている。
同文献には、このようにして得られた拡散層は、母材-中間被膜間及び中間被膜-撥水被膜間が化学的に結合しているので、撥水耐久性が向上する点が記載されている。
In
(a) Applying tetraethoxysilane to the surface of a base material made of carbon paper and hydrolyzing it with sodium hydroxide to form an intermediate film made of silica on the surface of the base material,
(b) A diffusion layer obtained by immersing carbon paper in a mixed solution containing 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecyltriethoxysilane to form a water-repellent film on the surface of the intermediate film is disclosed. .
The same document states that the diffusion layer obtained in this way has improved water repellency durability due to chemical bonds between the base material and the intermediate coating and between the intermediate coating and the water-repellent coating. has been done.
さらに、特許文献3には、
(a)オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)及びシランカップリング剤の一種であるC6F13CH2CH2Si(OCH3)3のエタノール溶液にアンモニア水を滴下することにより、シリカ粒子の表面がシランカップリング剤で修飾された疎水性基修飾粒子を作製し、
(b)疎水性基修飾粒子を含む分散液に炭素繊維不織布を浸漬し、炭素繊維表面に疎水性基修飾粒子を付着させる
ことにより得られるガス拡散電極基材が開示されている。
同文献には、このようなガス拡散電極基材を用いることにより、湿度が高い発電条件においても排水性に優れ、発電性能も良好な燃料電池を作製することができる点が記載されている。
Furthermore, in Patent Document 3,
(a) By dropping ammonia water into an ethanol solution of tetraethyl orthosilicate (TEOS) and C 6 F 13 CH 2 CH 2 Si(OCH 3 ) 3 , which is a type of silane coupling agent, the surface of the silica particles becomes silane. Producing hydrophobic group-modified particles modified with a coupling agent,
(b) A gas diffusion electrode base material obtained by immersing a carbon fiber nonwoven fabric in a dispersion containing hydrophobic group-modified particles and attaching the hydrophobic group-modified particles to the surface of the carbon fibers is disclosed.
This document describes that by using such a gas diffusion electrode base material, it is possible to fabricate a fuel cell that has excellent drainage properties and good power generation performance even under high humidity power generation conditions.
燃料電池ガス拡散層は、電気化学反応により生成した水を効率よく排出する機能を担う。カーボンペーパー等からなるガス拡散層基材の表面に、PTFEなどのフッ素系高分子を含むマイクロポーラス層を形成すると、ガス拡散層の疎水性が向上する。その結果、ガス拡散層内部で凝集した水は、毛細管力でガス流路へ排出されやすくなる。
ガス拡散層内の細孔は、疎水性を有する細孔と、親水性を有する細孔が存在する。親水性を有する細孔が多いほど燃料電池性能が低下するため、撥水性材料は均一に分散していることが望まれる。しかし、PTFEはあらゆる溶媒に溶けず、PTFE溶液にならないため、マイクロポーラス層を作製する際にはPTFE分散液を用いている。そのため、PTFEの分布が不均一となり、撥水性が不十分となる。
The fuel cell gas diffusion layer has the function of efficiently discharging water generated by electrochemical reactions. When a microporous layer containing a fluorine-based polymer such as PTFE is formed on the surface of a gas diffusion layer base material made of carbon paper or the like, the hydrophobicity of the gas diffusion layer is improved. As a result, water condensed inside the gas diffusion layer is easily discharged to the gas flow path by capillary force.
The pores in the gas diffusion layer include hydrophobic pores and hydrophilic pores. The more hydrophilic pores there are, the lower the fuel cell performance will be, so it is desirable that the water-repellent material be uniformly dispersed. However, since PTFE does not dissolve in any solvent and does not form a PTFE solution, a PTFE dispersion is used when producing a microporous layer. Therefore, the distribution of PTFE becomes non-uniform, resulting in insufficient water repellency.
この問題を解決するために、特許文献1~3に記載されているように、種々の方法を用いて、ガス拡散層基材を構成する繊維表面を疎水化することも考えられる。しかしながら、繊維表面を疎水化するだけでは、撥水性材料の不均一分散に起因する撥水性の低下を抑制することはできない。また、撥水性を確保するために、ガス拡散層内の撥水性成分を増加させると、ガス拡散層の電子伝導性が低下する場合がある。
In order to solve this problem, it is possible to make the surface of the fibers constituting the gas diffusion layer base material hydrophobic using various methods, as described in
本発明が解決しようとする課題は、燃料電池ガス拡散層において、撥水性材料の不均一分散に起因する撥水性の低下を抑制することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、相対的に高い電子伝導性と、相対的に高い撥水性とを両立させた燃料電池ガス拡散層を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to suppress a decrease in water repellency caused by non-uniform dispersion of a water repellent material in a fuel cell gas diffusion layer.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell gas diffusion layer that has both relatively high electronic conductivity and relatively high water repellency.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池ガス拡散層は、
多孔質の導電性材料(A)からなる基材と、
前記基材の表面に形成された、導電性材料(B)からなる導電性粒子と、撥水性材料とを含むマイクロポーラス層と、
前記基材の表面及び前記導電性粒子の表面に形成された、疎水性基を有するシランカップリング剤に由来する撥水被膜と
を備えている。
In order to solve the above problems, the fuel cell gas diffusion layer according to the present invention includes:
a base material made of a porous conductive material (A);
A microporous layer formed on the surface of the base material and containing conductive particles made of a conductive material (B) and a water-repellent material;
A water-repellent coating derived from a silane coupling agent having a hydrophobic group is formed on the surface of the base material and the surface of the conductive particles.
基材の表面に、導電性粒子及び撥水性材料を含むマイクロポーラス層を形成すると、ガス拡散層の撥水性をある程度向上させることができる。しかし、マイクロポーラス層内での撥水性材料の分布は不均一になりやすいため、ガス拡散層の撥水性も不十分となりやすい。
これに対し、基材とマイクロポーラス層とを備えたガス拡散層において、基材の表面及び導電性粒子の表面の双方を、疎水性基を有するシランカップリング剤で修飾すると、撥水性材料の不均一分散に起因する撥水性の低下が緩和される。その結果、ガス拡散層の耐フラッディング性が向上する。また、シランカップリング剤による処理量を最適化することにより、電子伝導性の過度の低下も抑制できる。
When a microporous layer containing conductive particles and a water-repellent material is formed on the surface of the base material, the water repellency of the gas diffusion layer can be improved to some extent. However, since the distribution of the water-repellent material within the microporous layer tends to be uneven, the water-repellency of the gas diffusion layer also tends to be insufficient.
On the other hand, in a gas diffusion layer comprising a base material and a microporous layer, when both the surface of the base material and the surface of the conductive particles are modified with a silane coupling agent having a hydrophobic group, the water repellent material becomes Decrease in water repellency caused by non-uniform dispersion is alleviated. As a result, the flooding resistance of the gas diffusion layer is improved. Further, by optimizing the amount of treatment with the silane coupling agent, excessive decrease in electronic conductivity can be suppressed.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 燃料電池ガス拡散層]
本発明に係る燃料電池ガス拡散層は、
多孔質の導電性材料(A)からなる基材と、
前記基材の表面に形成された、導電性材料(B)からなる導電性粒子と、撥水性材料とを含むマイクロポーラス層と、
前記基材の表面及び前記導電性粒子の表面に結合している、疎水性基を有するシランカップリング剤に由来する撥水被膜と
を備えている。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Fuel cell gas diffusion layer]
The fuel cell gas diffusion layer according to the present invention includes:
a base material made of a porous conductive material (A);
A microporous layer formed on the surface of the base material and containing conductive particles made of a conductive material (B) and a water-repellent material;
A water-repellent coating derived from a silane coupling agent having a hydrophobic group, which is bonded to the surface of the base material and the surface of the conductive particles.
[1.1. 基材]
[1.1.1. 材料]
固体高分子形燃料電池において、膜-電極-ガス拡散層接合体(Membrane Electrode Gas Diffusion Layer Assembly,MEGA)の両側には、ガス流路を備えた集電体が配置される。ガス拡散層の基材には、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を触媒層に供給することが可能な程度のガス透過性(多孔性)と、触媒層と集電体との間で電子の授受を行うことが可能な程度の導電性が求められる。そのため、基材には、多孔質の導電性材料(A)が用いられる。
[1.1. Base material]
[1.1.1. material]
In a polymer electrolyte fuel cell, current collectors each having a gas flow path are arranged on both sides of a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA). The base material of the gas diffusion layer has enough gas permeability (porosity) to supply the reaction gas (fuel gas, oxidant gas) to the catalyst layer, and a gap between the catalyst layer and the current collector. A level of conductivity is required that allows the exchange of electrons. Therefore, a porous conductive material (A) is used for the base material.
導電性材料(A)としては、例えば、カーボン、グラファイトなどがある。
また、基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、グラファイトフォームなどがある。
基材は、特に、導電性繊維の集合体が好ましい。これは、繊維の隙間からなる細孔は連通性が高いため、良好なガス拡散性を得られるためである。
Examples of the conductive material (A) include carbon and graphite.
Furthermore, examples of the base material include carbon paper, carbon cloth, and graphite foam.
The base material is particularly preferably an aggregate of conductive fibers. This is because the pores formed by the gaps between the fibers have a high degree of communication, so that good gas diffusivity can be obtained.
[1.1.2. 基材の厚さ]
基材の厚さは、ガス拡散層の排水性及び保水性に影響を与える。一般に、基材の厚さが薄くなりすぎると、液体が凝縮しにくくなる。そのため、低湿度条件下においては、ドライアップが起きやすくなる。従って、基材の厚さは、90μm以上が好ましい。厚さは、好ましくは、120μm以上である。
一方、基材の厚さが厚くなりすぎると、水が凝縮し、液水が溜まりやすくなる。そのため、高湿度条件下においては、フラッディングが起きやすくなる。従って、基材の厚さは、250μm以下が好ましい。厚さは、好ましくは、220μm以下である。
[1.1.2. Base material thickness]
The thickness of the base material affects the drainage and water retention properties of the gas diffusion layer. Generally, if the thickness of the substrate becomes too thin, it becomes difficult for liquid to condense. Therefore, dry-up tends to occur under low humidity conditions. Therefore, the thickness of the base material is preferably 90 μm or more. The thickness is preferably 120 μm or more.
On the other hand, if the thickness of the base material becomes too thick, water will condense and liquid water will tend to accumulate. Therefore, flooding is likely to occur under high humidity conditions. Therefore, the thickness of the base material is preferably 250 μm or less. The thickness is preferably 220 μm or less.
[1.2. マイクロポーラス層]
マイクロポーラス層(MPL)は、触媒層で生成した水の排出を促進させるためのものであり、導電性材料(B)からなる導電性粒子と、撥水性材料とを含む。MPLは、基材の表面(すなわち、触媒層と基材の界面)に形成される。
[1.2. Microporous layer]
The microporous layer (MPL) is for promoting discharge of water generated in the catalyst layer, and includes conductive particles made of a conductive material (B) and a water-repellent material. The MPL is formed on the surface of the substrate (ie, at the interface between the catalyst layer and the substrate).
[1.2.1. 導電性粒子]
導電性粒子を構成する導電性材料(B)は、基材を構成する導電性材料(A)と同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。また、導電性粒子の形状は、特に限定されない。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、カーボンファイバー、黒鉛、活性炭などがある。
[1.2.1. Conductive particles]
The conductive material (B) constituting the conductive particles may be the same as or different from the conductive material (A) constituting the base material. Further, the shape of the conductive particles is not particularly limited. Examples of the conductive particles include carbon black, carbon fiber, graphite, and activated carbon.
[1.2.2. 撥水性材料]
撥水性材料は、MPLに撥水性を付与すると同時に、導電性粒子間を結着させるためのものである。撥水性材料は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
撥水性材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)などがある。撥水性材料は、これらのいずれか1種からなるものでも良く、あるいは、2種以上からなるものでも良い。
[1.2.2. Water repellent material]
The water-repellent material is used to impart water repellency to the MPL and at the same time bind the conductive particles. The water-repellent material is not particularly limited as long as it has such a function.
Examples of water-repellent materials include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), and polyhexafluoropropylene (FEP). The water-repellent material may be made of any one of these materials, or may be made of two or more of these materials.
[1.2.3. MPLの組成]
MPLの組成は、目的に応じて、最適な組成を選択する。一般に、MPLに含まれる撥水性材料の割合が多くなるほど、高い撥水性が得られる。一方、撥水性材料の割合が過剰になると、導電性が低下する。最適な撥水性材料の割合は、撥水性材料や導電性材料(B)の種類により異なるが、通常、1mass%~50mass%程度である。撥水性材料の割合は、好ましくは、3mass%~40mass%、さらに好ましくは、10mass%~30mass%である。
[1.2.3. Composition of MPL]
The optimum composition of MPL is selected depending on the purpose. Generally, the higher the proportion of water repellent material contained in MPL, the higher the water repellency. On the other hand, when the proportion of the water-repellent material becomes excessive, the conductivity decreases. The optimum proportion of the water-repellent material varies depending on the type of the water-repellent material and the conductive material (B), but is usually about 1 mass% to 50 mass%. The proportion of the water-repellent material is preferably 3 mass% to 40 mass%, more preferably 10 mass% to 30 mass%.
[1.2.4. MPLの厚さ]
MPLの厚さは、目的に応じて、最適な厚さを選択する。一般に、MPLの厚さが薄すぎると、十分な撥水性が得られない。従って、MPLの厚さは、10μm以上が好ましい。MPLの厚さは、好ましくは、20μm以上である。
一方、MPLの厚さが厚くなりすぎると、MPLのガス拡散性が低下し、あるいは、電子伝導性が低下する。従って、MPLの厚さは、60μm以下が好ましい。MPLの厚さは、好ましくは、50μm以下である。
[1.2.4. MPL thickness]
The optimal thickness of the MPL is selected depending on the purpose. Generally, if the thickness of MPL is too thin, sufficient water repellency cannot be obtained. Therefore, the thickness of MPL is preferably 10 μm or more. The thickness of MPL is preferably 20 μm or more.
On the other hand, if the thickness of the MPL becomes too thick, the gas diffusivity or electron conductivity of the MPL will decrease. Therefore, the thickness of MPL is preferably 60 μm or less. The thickness of MPL is preferably 50 μm or less.
[1.3. 撥水被膜]
撥水被膜は、疎水性基を有するシランカップリング剤に由来する膜からなる。撥水被膜は、ガス拡散層の基材の表面だけでなく、MPL内の導電性粒子の表面にも形成されている。この点が、従来とは異なる。
[1.3. Water repellent film]
The water-repellent film consists of a film derived from a silane coupling agent having a hydrophobic group. The water-repellent coating is formed not only on the surface of the base material of the gas diffusion layer but also on the surface of the conductive particles in the MPL. This point is different from the conventional method.
[1.3.1. シランカップリング剤]
疎水性基を有するシランカップリング剤は、一般式:R4-nSi(-OR")nで表される。但し、Rは疎水性基、-OR"はアルコキシ基、nは1以上3以下の整数である。また、Si原子に2個以上の疎水性基(R)が結合している場合、各Rは同一であっても良く、あるいは、互いに異なっていても良い。
また、Si原子に2個以上の-OR"が結合している場合、シランカップリング剤は、1個の-Si-O-結合を介して基材又は導電性粒子と結合していても良く、あるいは、2個以上の-Si-O-結合を介して結合していても良い。
[1.3.1. Silane coupling agent]
The silane coupling agent having a hydrophobic group is represented by the general formula: R 4-n Si(-OR") n . However, R is a hydrophobic group, -OR" is an alkoxy group, and n is 1 or more and 3 It is an integer below. Furthermore, when two or more hydrophobic groups (R) are bonded to the Si atom, each R may be the same or different from each other.
In addition, when two or more -OR'' are bonded to a Si atom, the silane coupling agent may be bonded to the base material or conductive particles via one -Si-O- bond. Alternatively, they may be bonded via two or more -Si-O- bonds.
本発明において、シランカップリング剤に含まれる疎水性基(R)の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
疎水性基(R)としては、例えば、フルオロアルキル基、アルキル基などがある。特に、フルオロアルキル基は、他の疎水性基に比べて疎水性が高いので、シランカップリング剤に含まれる疎水性基(R)として好適である。
In the present invention, the type of hydrophobic group (R) contained in the silane coupling agent is not particularly limited, and the most suitable one can be selected depending on the purpose.
Examples of the hydrophobic group (R) include a fluoroalkyl group and an alkyl group. In particular, a fluoroalkyl group has higher hydrophobicity than other hydrophobic groups, and is therefore suitable as the hydrophobic group (R) contained in the silane coupling agent.
本発明において、基材及び導電性粒子の表面を修飾するシランカップリング剤の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
シランカップリング剤としては、例えば、
1H,1H,2H,2H-ヘプタデカフルオロデシルトリメトキシシラン、
1,1,1-トリフルオロ-3-(トリメトキシシリル)プロパン、
1H,1H,2H,2H-ノナフルオロヘキシルトリメトキシシラン、
1H,1H,2H,2H-ノナフルオロヘキシルトリエトキシシラン、
トリメトキシ(1H,1H,2H,2H-ペルフルオロ-n-オクチル)シラン、
1,1,1-トリフルオロ-3-[ジメトキシ(メチル)シリル]プロパン
などがある。
In the present invention, the type of silane coupling agent that modifies the surfaces of the base material and conductive particles is not particularly limited, and the most suitable one can be selected depending on the purpose.
As the silane coupling agent, for example,
1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodecyltrimethoxysilane,
1,1,1-trifluoro-3-(trimethoxysilyl)propane,
1H,1H,2H,2H-nonafluorohexyltrimethoxysilane,
1H,1H,2H,2H-nonafluorohexyltriethoxysilane,
trimethoxy(1H,1H,2H,2H-perfluoro-n-octyl)silane,
Examples include 1,1,1-trifluoro-3-[dimethoxy(methyl)silyl]propane.
[1.3.2. 撥水被膜の含有量]
「撥水被膜の含有量」とは、燃料電池ガス拡散層の総質量に対する撥水被膜の質量の割合をいう。撥水被膜の含有量はガス拡散層の性能に影響を与える。一般に、撥水被膜の含有量が少なくなりすぎると、撥水性が不十分となる。従って、撥水被膜の含有量は、1mass%以上が好ましい。含有量は、好ましくは、3mass%以上、さらに好ましくは、5mass%以上である。
一方、撥水被膜の含有量が過剰になると、ガス拡散層の電気抵抗が過度に増大する。従って、撥水被膜の含有量は、20mass%以下が好ましい。含有量は、好ましくは、15mass%以下、さらに好ましくは、10mass%以下である。
[1.3.2. Content of water-repellent film]
The "content of the water-repellent coating" refers to the ratio of the mass of the water-repellent coating to the total mass of the fuel cell gas diffusion layer. The content of the water-repellent coating affects the performance of the gas diffusion layer. Generally, if the content of the water-repellent coating becomes too low, the water repellency will be insufficient. Therefore, the content of the water-repellent coating is preferably 1 mass% or more. The content is preferably 3 mass% or more, more preferably 5 mass% or more.
On the other hand, when the content of the water-repellent coating becomes excessive, the electrical resistance of the gas diffusion layer increases excessively. Therefore, the content of the water-repellent coating is preferably 20 mass% or less. The content is preferably 15 mass% or less, more preferably 10 mass% or less.
[2. 燃料電池ガス拡散層の製造方法]
本発明に係る燃料電池ガス拡散層は、
(a)基材の表面にMPLが形成されたガス拡散層前駆体を準備し、
(b)シランカップリング剤を含むエタノール溶液にガス拡散層前駆体を浸漬し、シランカップリング剤を加水分解及び縮重合させる
ことにより得られる。
[2. Manufacturing method of fuel cell gas diffusion layer]
The fuel cell gas diffusion layer according to the present invention includes:
(a) preparing a gas diffusion layer precursor in which MPL is formed on the surface of a base material,
(b) Obtained by immersing the gas diffusion layer precursor in an ethanol solution containing a silane coupling agent, and hydrolyzing and polycondensing the silane coupling agent.
[2.1. 第1工程]
まず、基材の表面にMPLが形成されたガス拡散層前駆体を準備する。ガス拡散層前駆体の製造方法は、特に限定されない。ガス拡散層前駆体は、通常、
(a)PTFE分散液でカーボンペーパー等からなる基材を撥水処理し、
(b)基材の表面に導電性粉末とPTFE粒子等の撥水性材料とを含むMPL形成用ペーストを塗布し、
(c)塗膜を乾燥及び焼成する
ことにより得られる。
[2.1. 1st process]
First, a gas diffusion layer precursor having an MPL formed on the surface of a base material is prepared. The method for producing the gas diffusion layer precursor is not particularly limited. The gas diffusion layer precursor is usually
(a) Water-repellent treatment of a base material made of carbon paper or the like with a PTFE dispersion,
(b) Applying an MPL forming paste containing conductive powder and a water-repellent material such as PTFE particles to the surface of the base material,
(c) Obtained by drying and baking the coating film.
[2.2. 第2工程]
次に、シランカップリング剤を含むエタノール溶液にガス拡散層前駆体を浸漬し、シランカップリング剤を加水分解及び縮重合させる(第2工程)。これにより、基材及び導電性粒子表面の親水性基とシランカップリング剤のアルコキシ基とが縮合し、基材及び導電性粒子の表面に、シランカップリング剤に由来する撥水被膜が形成される。
[2.2. 2nd process]
Next, the gas diffusion layer precursor is immersed in an ethanol solution containing a silane coupling agent, and the silane coupling agent is hydrolyzed and polycondensed (second step). As a result, the hydrophilic groups on the surfaces of the base material and conductive particles condense with the alkoxy groups of the silane coupling agent, and a water-repellent film derived from the silane coupling agent is formed on the surfaces of the base material and conductive particles. Ru.
撥水被膜は、具体的には、以下のようにして形成される。すなわち、シランカップリング剤を含むエタノール溶液にイオン交換水を滴下すると、アルコキシ基が加水分解し、シランカップリング剤がシラノール化する。次の式(1)に、シランカップリング剤がR-Si(OCH3)3である場合の加水分解反応の一例を示す。
R-Si(OCH3)3+3H2O → R-Si(OH)3+3CH3OH …(1)
Specifically, the water-repellent coating is formed as follows. That is, when ion-exchanged water is dropped into an ethanol solution containing a silane coupling agent, the alkoxy group is hydrolyzed and the silane coupling agent is converted into silanol. The following formula (1) shows an example of the hydrolysis reaction when the silane coupling agent is R-Si(OCH 3 ) 3 .
R-Si(OCH 3 ) 3 +3H 2 O → R-Si(OH) 3 +3CH 3 OH…(1)
次に、シランカップリング剤のシラノール基(-Si-OH)と、基材又は導電性粒子の表面にある親水基(例えば、ヒドロキシ基、カルボキシル基)とが縮合する。次の式(2)に、基材がR'-OHである場合の縮合反応の一例を示す。
R-Si(OH)3+3R'-OH → R-Si-(OR')3+3H2O …(2)
Next, the silanol group (-Si-OH) of the silane coupling agent and the hydrophilic group (eg, hydroxy group, carboxyl group) on the surface of the base material or conductive particles are condensed. The following formula (2) shows an example of the condensation reaction when the base material is R'-OH.
R-Si(OH) 3 +3R'-OH → R-Si-(OR') 3 +3H 2 O...(2)
なお、シランカップリング剤を含むエタノール溶液にイオン交換水を滴下すると、上述した式(1)及び式(2)の反応以外に、次の式(3)で表される反応(自己縮合)が起こる場合がある。自己縮合物は、ガス拡散層の撥水性の均一化にはほとんど寄与しないので、自己縮合を抑制するのが好ましい。このような自己縮合は、溶液中のpHを調整することにより抑制することができる。
2R-Si(OH)3 → R-Si(OH)2-O-Si(OH)2-R+H2O …(3)
Note that when ion-exchanged water is dropped into an ethanol solution containing a silane coupling agent, in addition to the reactions of formulas (1) and (2) described above, the reaction (self-condensation) represented by the following formula (3) occurs. It may happen. Self-condensation products hardly contribute to making the water repellency of the gas diffusion layer uniform, so it is preferable to suppress self-condensation. Such self-condensation can be suppressed by adjusting the pH in the solution.
2R-Si(OH) 3 → R-Si(OH) 2 -O-Si(OH) 2 -R+H 2 O...(3)
[3. 作用]
図1に、燃料電池ガス拡散層の模式図を示す。燃料電池ガス拡散層は、一般に、PTFE分散液で撥水処理したカーボンペーパー等の基材の表面に、導電性粉末と撥水性材料(例えば、PTFE粒子)を含むマイクロポーラス層形成用ペーストを塗布し、塗膜を乾燥及び焼成することにより製造されている。このようにして得られたガス拡散層内には、疎水性を有する細孔と、親水性を有する細孔が存在している。親水性を有する細孔が多くなるほど、燃料電池性能が低下するため、撥水性材料はガス拡散層内に均一に分散されていることが望ましい。
[3. Effect]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a fuel cell gas diffusion layer. A fuel cell gas diffusion layer is generally formed by applying a microporous layer-forming paste containing conductive powder and a water-repellent material (for example, PTFE particles) to the surface of a base material such as carbon paper that has been treated with a PTFE dispersion to make it water-repellent. It is manufactured by drying and baking the coating film. In the gas diffusion layer thus obtained, there are pores having hydrophobicity and pores having hydrophilicity. The more hydrophilic pores there are, the worse the fuel cell performance is, so it is desirable that the water-repellent material is uniformly dispersed within the gas diffusion layer.
しかし、PTFE等の撥水性材料は、通常、溶媒には溶けないため、微粒子分散液の状態で使用される。そのため、このような微粒子分散液を用いてカーボンペーパーの表面を撥水処理し、あるいは、導電性粒子及び撥水性材料からなる微粒子を含むペーストを用いてマイクロポーラス層を形成した場合、ガス拡散層内における撥水性材料の分布は不均一となりやすい。その結果、ガス拡散層内において部分的にフラッディングが発生し、燃料電池性能が低下する。一方、これを回避するために、撥水性材料の含有量を増加させると、ガス拡散層の電子伝導性が低下する。 However, water-repellent materials such as PTFE are usually insoluble in solvents and are therefore used in the form of fine particle dispersions. Therefore, when the surface of carbon paper is treated with water repellency using such a fine particle dispersion, or when a microporous layer is formed using a paste containing fine particles made of conductive particles and a water repellent material, the gas diffusion layer The distribution of the water-repellent material within the container tends to be non-uniform. As a result, flooding occurs locally within the gas diffusion layer, reducing fuel cell performance. On the other hand, if the content of the water-repellent material is increased in order to avoid this, the electronic conductivity of the gas diffusion layer will decrease.
これに対し、基材とマイクロポーラス層とを備えたガス拡散層において、基材の表面及び導電性粒子の表面の双方を、疎水性基を有するシランカップリング剤で修飾すると、撥水性材料の不均一分散に起因する撥水性の低下が緩和される。その結果、ガス拡散層の耐フラッディング性が向上する。また、シランカップリング剤による処理量を最適化することにより、電子伝導性の過度の低下も抑制できる。 On the other hand, in a gas diffusion layer comprising a base material and a microporous layer, when both the surface of the base material and the surface of the conductive particles are modified with a silane coupling agent having a hydrophobic group, the water repellent material becomes Decrease in water repellency caused by non-uniform dispersion is alleviated. As a result, the flooding resistance of the gas diffusion layer is improved. Further, by optimizing the amount of treatment with the silane coupling agent, excessive decrease in electronic conductivity can be suppressed.
(実施例1~4、比較例1)
[1. 試料の作製]
[1.1. ガス拡散層の作製]
[1.1.1. 実施例1~4]
図2に、ガス拡散層の疎水化プロセスの模式図を示す。ガス拡散層には、市販品(SGL社製、SIGRACET(登録商標)SGL29BC)を用いた。シランカップリング剤には、1H,1H,2H,2H-ヘプタデカフルオロデシルトリメトキシシラン(東京化成工業(株)製、T2917)を用いた。ガス拡散層を疎水化するための処理液には、上記のシランカップリング剤を含み、かつ、シランカップリング剤の濃度が異なる4種類のエタノール溶液を用いた。
(Examples 1 to 4, Comparative Example 1)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of gas diffusion layer]
[1.1.1. Examples 1 to 4]
FIG. 2 shows a schematic diagram of the hydrophobization process of the gas diffusion layer. A commercially available product (SIGRACET (registered trademark) SGL29BC manufactured by SGL) was used for the gas diffusion layer. 1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodecyltrimethoxysilane (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., T2917) was used as the silane coupling agent. Four types of ethanol solutions containing the above-mentioned silane coupling agent and having different concentrations of the silane coupling agent were used as the treatment liquid for hydrophobizing the gas diffusion layer.
処理液をビーカーに入れ、治具に固定されたガス拡散層を処理液中に浸漬した。シランカップリング剤の加水分解を促進させるために、処理液にイオン交換水を滴下した。また、シランカップリング剤の自己縮合を抑制するために、酢酸でpHを調整した。この状態で、処理液を60℃で4時間加熱した。加熱後、処理液からガス拡散層を取り出し、エタノールで洗浄し、乾燥させた。撥水被膜の含有量は、1.5mass%(実施例1)、3.0mass%(実施例2)、12.0mass%(実施例3)、又は、24.0mass%(実施例4)であった。 A treatment liquid was placed in a beaker, and a gas diffusion layer fixed to a jig was immersed in the treatment liquid. In order to promote hydrolysis of the silane coupling agent, ion-exchanged water was added dropwise to the treatment liquid. Further, in order to suppress self-condensation of the silane coupling agent, the pH was adjusted with acetic acid. In this state, the treatment liquid was heated at 60° C. for 4 hours. After heating, the gas diffusion layer was taken out from the treatment solution, washed with ethanol, and dried. The content of the water-repellent coating is 1.5 mass% (Example 1), 3.0 mass% (Example 2), 12.0 mass% (Example 3), or 24.0 mass% (Example 4). there were.
[1.1.2. 比較例1]
未処理のガス拡散層をそのまま試験に供した。
[1.1.2. Comparative example 1]
The untreated gas diffusion layer was subjected to the test as is.
[1.2. 燃料電池の作製]
ナフィオン(登録商標)膜の両面に、Pt触媒を含む触媒層が形成された膜電極接合体を作製した。次に、実施例2又は比較例1で得られたガス拡散層を膜電極接合体の空気極側に配置し、未処理のガス拡散層(市販品)を膜電極接合体の水素極側に配置し、MEGAを得た。さらに、MEGAの両面に、ストレート型溝流路を備えた集電体を配置し、燃料電池を得た。
[1.2. Production of fuel cell]
A membrane electrode assembly was produced in which catalyst layers containing a Pt catalyst were formed on both sides of a Nafion (registered trademark) membrane. Next, the gas diffusion layer obtained in Example 2 or Comparative Example 1 was placed on the air electrode side of the membrane electrode assembly, and the untreated gas diffusion layer (commercially available) was placed on the hydrogen electrode side of the membrane electrode assembly. The MEGA was obtained. Further, current collectors having straight groove channels were placed on both sides of the MEGA to obtain a fuel cell.
[2. 試験方法]
[2.1. 形態観察]
目視及び光学顕微鏡を用いて、ガス拡散層の表面及び基材内部を観察した。また、FIB-SEM((株)日立ハイテク製、NB5000)を用いて、マイクロポーラス層内部の観察を行った。FIB-SEMを用いてマイクロポーラス層内部を観察する際には、Gaイオンを加速電圧40kVで照射することにより試験片の断面を作製し、二次電子像(5kV)を取得した。
[2. Test method]
[2.1. Morphological observation]
The surface of the gas diffusion layer and the inside of the base material were observed visually and using an optical microscope. Furthermore, the inside of the microporous layer was observed using a FIB-SEM (NB5000, manufactured by Hitachi High-Tech Corporation). When observing the inside of the microporous layer using FIB-SEM, a cross section of the test piece was prepared by irradiating Ga ions at an accelerating voltage of 40 kV, and a secondary electron image (5 kV) was obtained.
[2.2. 電気抵抗測定]
図3に、電気抵抗測定法の模式図を示す。試験片の両面に電極を配置し、1.0MPaで加圧した。この状態で、テスターを用いて、試験片の電気抵抗を測定した。
[2.2. Electrical resistance measurement]
FIG. 3 shows a schematic diagram of the electrical resistance measurement method. Electrodes were placed on both sides of the test piece, and a pressure of 1.0 MPa was applied. In this state, the electrical resistance of the test piece was measured using a tester.
[2.3. 発電試験]
燃料電池の燃料極に純水素、空気極に窒素で希釈した酸素(1%、5%、又は10%)を、それぞれ500mL/min、2000mL/minの流量で加湿器を経由して供給し、発電性能を評価した。発電条件は、
(a)セル温度:60℃、相対湿度:80%RH、又は
(b)セル温度:45℃、相対湿度:165%RH
とした。
[2.3. Power generation test]
Pure hydrogen is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and oxygen diluted with nitrogen (1%, 5%, or 10%) is supplied to the air electrode at flow rates of 500 mL/min and 2000 mL/min, respectively, via a humidifier. The power generation performance was evaluated. The power generation conditions are
(a) Cell temperature: 60°C, relative humidity: 80%RH, or (b) Cell temperature: 45°C, relative humidity: 165%RH
And so.
[2.4. 蒸気導入X線CT測定]
図4(A)に、蒸気導入X線CT測定装置の模式図を示す。図4(B)に、サンプルステージ上端(図4(A)の破線で囲った領域)の拡大模式図を示す。図4において、蒸気導入X線CT測定装置10は、回転ステージ12と、ペルチェ素子14と、サンプルステージ16と、断熱材18と、上部カバー20とを備えている。
[2.4. Steam introduction X-ray CT measurement]
FIG. 4(A) shows a schematic diagram of a steam introduction X-ray CT measurement device. FIG. 4(B) shows an enlarged schematic diagram of the upper end of the sample stage (the area surrounded by the broken line in FIG. 4(A)). In FIG. 4, the steam introduction X-ray
回転ステージ12の上面には、試料を所定の温度に加熱するためのペルチェ素子14が載置されている。ペルチェ素子14の表面には、サンプルステージ16が立設され、サンプルステージ16の周囲は断熱材18で囲まれている。
上部カバー20は、サンプルステージ16の先端に向かって開口している内蓋22と、内蓋22の外周を覆うヒーター24と、内蓋22の開口部の先端に設置されたカプトン(登録商標)フィルム26とを備えている。上部カバー20には、内蓋22及びヒーター24を貫通する蒸気供給口28が設けられている。
A
The
基材の表面にマイクロポーラス層が形成されたガス拡散層を、マイクロポーラス層が上になるようにサンプルステージ16の先端に載せ、ガス拡散層の上面をPTFEワッシャー30で固定した(図4(B)参照)。ペルチェ素子14及びヒータ24を用いて、ガス拡散層を所定の温度に維持した状態で、蒸気供給口28からガス拡散層の上面に蒸気を供給した。カプトン(登録商標)フィルム26の外側からガス拡散層に向かってX線を照射し、X線カメラ32を用いて、マイクロポーラ層表面近傍の二次元CT画像を取得した。
A gas diffusion layer with a microporous layer formed on the surface of the base material was placed on the tip of the
[3. 結果]
[3.1. 形態観察]
シランカップリング剤を縮重合させる場合、副反応(自己縮合)によりダマが形成される場合がある。ガス拡散層の表面及び基材の内部に関しては、目視及び光学顕微鏡を用いて、ダマの形成がないことを確認した。
マイクロポーラス層内部については、断面SEM観察によりダマの有無を確認した。図5(A)に、比較例1で得られたガス拡散層の断面SEM画像(×1500)を示す。図5(B)に、実施例2で得られたガス拡散層の断面SEM画像(×1500)を示す。図5より、自己縮合により形成されるシランカップリング剤のダマは確認されず、上述した式(2)の反応のみが進行したことを示唆している。
[3. result]
[3.1. Morphological observation]
When a silane coupling agent is subjected to condensation polymerization, lumps may be formed due to side reactions (self-condensation). Regarding the surface of the gas diffusion layer and the inside of the base material, it was confirmed by visual inspection and using an optical microscope that no lumps were formed.
Regarding the inside of the microporous layer, the presence or absence of lumps was confirmed by cross-sectional SEM observation. FIG. 5(A) shows a cross-sectional SEM image (×1500) of the gas diffusion layer obtained in Comparative Example 1. FIG. 5(B) shows a cross-sectional SEM image (×1500) of the gas diffusion layer obtained in Example 2. From FIG. 5, no lumps of silane coupling agent formed by self-condensation were observed, suggesting that only the reaction of formula (2) described above proceeded.
[3.2. 電気抵抗測定]
図6に、実施例2及び比較例1で得られたガス拡散層の電気抵抗を示す。図6より、撥水被膜を形成した実施例2は、撥水被膜が形成されていない比較例1より電気抵抗が高くなることが分かる。
図7に、撥水被膜の含有量と電気抵抗との関係を示す。燃料電池において所望の発電性能を得るためには、ガス拡散層の抵抗値は13mΩ・cm2以下とするのが好ましい。図7より、撥水被膜の含有量(すなわち、シランカップリング剤の添加量)を20mass%以下にすると、ガス拡散層の抵抗値が13mΩ・cm2以下になることが分かる。
[3.2. Electrical resistance measurement]
FIG. 6 shows the electrical resistance of the gas diffusion layers obtained in Example 2 and Comparative Example 1. From FIG. 6, it can be seen that Example 2 in which a water-repellent film was formed had a higher electrical resistance than Comparative Example 1 in which a water-repellent film was not formed.
FIG. 7 shows the relationship between the content of the water-repellent coating and the electrical resistance. In order to obtain desired power generation performance in a fuel cell, the resistance value of the gas diffusion layer is preferably 13 mΩ·cm 2 or less. From FIG. 7, it can be seen that when the content of the water-repellent coating (that is, the amount of silane coupling agent added) is set to 20 mass% or less, the resistance value of the gas diffusion layer becomes 13 mΩ·cm 2 or less.
[3.3. 発電試験]
図8に、実施例2及び比較例1で得られた燃料電池の発電試験結果(45℃、165%RH)を示す。図9に、実施例2及び比較例1で得られた燃料電池の発電試験結果(60℃、80%RH)を示す。さらに、図10に、限界電流値の酸素濃度依存性を示す。なお、「限界電流値」とは、補正セル電圧が0.2Vの時の電流密度をいう。図8~図10より、以下のことが分かる。
[3.3. Power generation test]
FIG. 8 shows the power generation test results (45° C., 165% RH) of the fuel cells obtained in Example 2 and Comparative Example 1. FIG. 9 shows the power generation test results (60° C., 80% RH) of the fuel cells obtained in Example 2 and Comparative Example 1. Furthermore, FIG. 10 shows the oxygen concentration dependence of the limiting current value. Note that the "limit current value" refers to the current density when the corrected cell voltage is 0.2V. The following can be seen from FIGS. 8 to 10.
(1)実施例2は、比較例1よりも高い性能を示し、酸素濃度が高くなるほど出力性能が向上した。(図10参照)。酸素濃度が高いほど、膜電極接合体で生じる水が増えるため、燃料電池ガス拡散層における撥水性の違いが顕著に表れたと考えられる。
(2)高温低湿度条件下(60℃、80%RH)における実施例2と比較例1の限界電流値の差は、低温高湿度条件下(45℃、165%RH)におけるそれに比べて大きい。
(1) Example 2 showed higher performance than Comparative Example 1, and the output performance improved as the oxygen concentration increased. (See Figure 10). It is thought that the higher the oxygen concentration, the more water generated in the membrane electrode assembly, which is why the difference in water repellency in the fuel cell gas diffusion layer became more pronounced.
(2) The difference in limiting current values between Example 2 and Comparative Example 1 under high temperature and low humidity conditions (60°C, 80% RH) is larger than that under low temperature and high humidity conditions (45°C, 165% RH) .
[3.4. 蒸気導入X線CT測定]
燃料電池ガス拡散層の撥水性が高くなると、燃料電池発電性能が向上するメカニズムを理解するため、図4に示す蒸気導入X線CT測定装置10を用いて、燃料電池ガス拡散層に蒸気を導入しながら、X線CT測定を実施した。図11(A)に、蒸気導入下における比較例1の二次元CT画像を示す。図11(B)に、蒸気導入下における実施例2の二次元CT画像を示す。図11より、実施例2のマイクロポーラス層表面で生成した液滴のサイズは、比較例1のそれより小さいことが分かる。画像解析により液滴の直径を測定したところ、比較例1では2.5μmであるのに対し、実施例2では1.4μmであった。
[3.4. Steam introduction X-ray CT measurement]
In order to understand the mechanism by which fuel cell power generation performance improves when the water repellency of the fuel cell gas diffusion layer increases, steam was introduced into the fuel cell gas diffusion layer using the steam introduction X-ray
断面SEM像で確認したように、シランカップリング剤の偏析が生じていなかったことも鑑みると、マイクロポーラス層内部においても表面と同様に、シランカップリング剤処理により、小さいサイズの液滴が形成されるものと推察される。形成された液滴のサイズが小さいほど、マイクロポーラス層内部の孔を液滴が移動しやすくなる。実施例2の出力性能が比較例1より向上したのは、マイクロポーラス層付きガス拡散層をシランカップリング剤で処理することにより、ガス拡散層内部で生成する液滴のサイズが小さくなり、ガス拡散層外部に水が排出されやすくなるためと考えられる。 Considering that there was no segregation of the silane coupling agent as confirmed in the cross-sectional SEM image, small droplets were formed inside the microporous layer as well as on the surface due to the silane coupling agent treatment. It is assumed that this will be done. The smaller the size of the formed droplet, the easier it is for the droplet to move through the pores inside the microporous layer. The reason why the output performance of Example 2 was improved over Comparative Example 1 is that by treating the gas diffusion layer with a microporous layer with a silane coupling agent, the size of the droplets generated inside the gas diffusion layer became smaller, and the gas This is thought to be because water is more likely to be discharged outside the diffusion layer.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る燃料電池ガス拡散層は、固体高分子形燃料電池のガス触媒層として用いることができる。 The fuel cell gas diffusion layer according to the present invention can be used as a gas catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell.
Claims (3)
前記基材の表面に形成された、導電性材料(B)からなる導電性粒子と、撥水性材料とを含むマイクロポーラス層と、
前記基材の表面及び前記導電性粒子の表面に形成された、疎水性基を有するシランカップリング剤に由来する撥水被膜と
を備えた燃料電池ガス拡散層。 a base material made of a porous conductive material (A);
A microporous layer formed on the surface of the base material and containing conductive particles made of a conductive material (B) and a water-repellent material;
A fuel cell gas diffusion layer comprising a water-repellent coating derived from a silane coupling agent having a hydrophobic group and formed on the surface of the base material and the surface of the conductive particles.
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