JP4062133B2 - Method for producing gas diffusion layer of membrane-electrode assembly, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロトン交換膜と電極触媒層とガス拡散層とを積層する膜−電極接合体のガス拡散層を製造する方法、膜−電極接合体、及びそれを用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池には、用いられる電解質の種類により、固体高分子型、リン酸型、固体酸化物型、溶融炭酸塩型、アルカリ型などの種類がある。なかでも固体高分子型燃料電池は、他の燃料電池に比べて、運転温度が低温で起動時間が短く、高出力が得やすい、小型軽量化が見込める、振動に強いなどの特徴を有し移動体の電力供給源に適している。
【0003】
固体高分子型燃料電池は、将来の新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。電解質として高分子からなるイオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池(PEFCまたはPEMFC)は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴から、自動車などの移動体および民生用携帯機器への適用が検討されている。特に、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車は究極のエコロジーカーとして社会的な関心が高まっている。
【0004】
固体高分子電解質は、高分子鎖中にスルホン酸基等の電解質基を有する固体高分子材料であり、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有している。特に、パーフルオロスルホン酸膜に代表されるフッ素系電解質膜は、化学的安定性が非常に高いことから、過酷な条件下で使用される燃料電池用イオン交換膜として賞用されている。
【0005】
例えば、改質ガス燃料電池は、プロトン伝導性のイオン交換膜の両面に一対の電極を設け、メタン、メタノール等、低分子の炭化水素を改質することにより得られる水素ガスを燃料ガスとして一方の電極(燃料極)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を酸化剤として異なる電極(空気極)へ供給し、起電力を得るものである。
【0006】
燃料電池の場合、イオン交換膜と電極の界面に形成された電極触媒層において過酸化物が生成し、生成した過酸化物が拡散しながら過酸化物ラジカルとなって劣化反応を起こすので、耐酸化性に乏しい炭化水素系電解質膜を使用することができない。そのため、燃料電池や水電解においては、一般に、高いプロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸膜が用いられている。
【0007】
現在、固体高分子型燃料電池に使用されるイオン交換膜としては、デュポン社のナフィオン(登録商標)、旭硝子社のフレミオン(登録商標)、旭化成社のアシプレックス(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が用いられている
これらのイオン交換膜を固体高分子型燃料電池に適用するには、燃料の酸化能、酸化剤の還元能を有する電極触媒層を、前記イオン交換膜の両面にそれぞれ配置し、その外側にガス拡散層を配置した構造の膜−電極接合体を用いる。
【0008】
即ち、その構造は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜からなるイオン交換膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする電極触媒層を形成する。次に、電極触媒層の外面に、燃料ガスの通気性と電子伝導性を併せ持つ、ガス拡散層を形成する。一般的にガス拡散層には、カーボンペーパーまたはカーボンクロスの基材に、フッ素樹脂、シリコン、カーボン等の粉体を含むペーストが成膜されている。前述した電極触媒層とガス拡散層とを併せて電極と呼ぶ。
【0009】
次に、供給する燃料ガスのリーク、及び二種類の燃料ガスの混合防止に、ガスシール材やガスケットを電極周囲にイオン交換膜を挟む形で配置する。このガスシール材やガスケットと、電極及びイオン交換膜と一体化して予め組み立て、膜−電極接合体(MEA:Membrane−Electrode−Assembly)と呼ぶ。
【0010】
MEAの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したMEAを互いに電気的に直列で接続するための導電性と気密性を有するセパレータを配置する。セパレータのMEAと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方法が一般的である。この一対のセパレータでMEAを固定した構造を基本単位である単電池とする。
この単電池を直列に複数連結し、燃料ガスを供給する配管治具であるマニホールドを配置し、燃料電池が構成される。
【0011】
前記ガス拡散層には、カーボンペーパーまたはカーボンクロス等の基材に、フッ素樹脂、シリコン、カーボン等の粉体を用いるが、フッ素樹脂、シリコン、カーボン等の粉体は、本来、撥水性を有するものであり、このままでは、ペーストとして成膜することができない。そのため、これら粉体を水になじませ、均一なペーストにして、基材上に成膜するために、これら粉体を含むペーストを親水性にする必要がある。
【0012】
このため、ガス拡散層ペーストに、界面活性剤を添加することにより、フッ素樹脂、シリコン、カーボン等の粉体を親水化処理することが行われている。下記特許文献1には、ガス拡散層に界面活性剤をスプレーすることにより、ガス拡散層の表面を親水化することが開示されている。
【0013】
このような方法で、ペーストを親水化すると、ガス拡散層の撥水性が不足し、フラッデイング(水詰まり)現象により、燃料電池の性能を低下させることになる。つまり、ガス拡散層は、水素ガスや空気の通り道であるとともに、生成した水分子を効率良く逃がすための通り道である必要があり、残存する界面活性剤によって、ガス拡散層が親水性であることは好ましくない状態である。
【特許文献1】
特開平7−161359号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献1に開示された方法の場合、ガス拡散層ペーストに親水性を付与するため、界面活性剤を用いていた。このため、この界面活性剤を取り除く必要があった。例えば、加熱して分解させる方法があるが、完全に分解させることは困難である上に、長時間の加熱処理を要し、生産性を低下させることになる。
そこで、本発明は、ペーストとしては親水性であるが、成膜後は撥水性を示すガス拡散層を製造することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、界面活性剤を用いないガス拡散層の製造方法を見出し、本発明に至った。
即ち、第1に、本発明は、プロトン交換膜と電極触媒層とガス拡散層を積層してなる膜−電極接合体のガス拡散層を製造する方法において、粉体に親水化処理を施す工程と、前記親水化処理された粉体を高分子電解質と溶媒と共に混合してペーストとする工程と、前記ペーストを基材シート上に成膜する工程と、成膜されたペースト表面に撥水化処理を施す工程と、を含む膜−電極接合体のガス拡散層の製造方法である。
【0016】
粉体に対する親水化処理としては、プラズマ照射、過酸化水素水への浸漬、無機酸水溶液への浸漬などが挙げられる。この中で、プラズマ照射が作業性、及び効率の点で好ましい。
成膜されたペースト中の粉体に対する撥水化処理として、赤外線照射、特に遠赤外線照射が挙げられる。遠赤外線の中でも波長が約2μmのものが粉体に付着した水分子のH−OH結合を切るので好ましい。
本発明で用いられる粉体は、ガス拡散層の製造に用いられるものが用いられる。特に、フッ素樹脂、シリコン、カーボンのいずれか1つ、またはこれらの混合物から選択されるものの粉体が好ましい。
【0017】
第2に、本発明は、プロトン交換膜と電極触媒層とガス拡散層を積層してなる膜−電極接合体において、親水化処理を施された粉体と高分子電解質と溶媒とが混合されたペーストが基材シート上に成膜され、成膜されたペースト表面が撥水化処理を施されたものであるガス拡散層を含むことを特徴とする膜−電極接合体である。
第1の発明と同様に、親水化処理としては、プラズマ照射が好ましく、撥水化処理としては、遠赤外線照射が好ましく、粉体としては、フッ素樹脂、シリコン、カーボンのいずれか1つ、またはこれらの混合物から選択されるものの粉体が好ましい。
本発明に用いられるプロトン交換膜としては、パーフルオロスルホン酸基を有するものが好ましい。
【0018】
第3に、本発明は、上記第2の発明の膜−電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池である。
図1に、本発明のガス拡散層の粉体に対する親水化処理及び撥水化処理の模式図を示す。図1(a)は、ペースト化のための、粉体表面の親水化(濡れ性改善)を示す。水等の液体になじみ難い粉体表面に対し、酸素ガス等の雰囲気下でプラズマ処理を行う。このプラズマ処理により、粉体1表面に酸素分子2が付与される。図1(b)は、粉体1表面に付与された酸素分子2と親和性を有する水分子3がなじむ様子を示す。図1(c)は、粉体1から水分子3が除去される様子を示す。つまり、酸素分子2を介して粉体1になじんでいた水分子3のH−OH結合が、遠赤外線が照射されることで分解し、また遠赤外線が照射されることで粉体1と酸素分子2との結合も切れる。その結果、粉体1から酸素分子2と水分子3が除去される。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明におけるガス拡散層(電極基材)としては、燃料電池に一般に用いられるガス拡散層が特に限定されることなく用いられる。例えば、導電性物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどが挙げられる。この導電性物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。導電性物質の形態は繊維状あるいは粒子状など特に限定されないが、燃料電池などのように電極活物質に気体を用いる電気化学装置に用いる場合、ガス透過性の点から繊維状導電性無機物質(無機導電性繊維)特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートとしては、織布あるいは不織布いずれの構造も使用可能である。本発明における多孔質導電シートには、特に限定されないが、導電性向上のために補助剤としてカーボンブラックなどの導電性粒子や、炭素繊維などの導電性繊維を添加することも好ましい実施態様である。
【0020】
ガス拡散層には、上記のガス拡散層以外にも、実質的に二次元平面内において無作為な方向に配向された炭素短繊維を高分子物質で結着してなる炭素繊維紙を含む。また、炭素短繊維を高分子物質で結着することにより、圧縮や引張りに強くなり、炭素繊維紙の強度、ハンドリング性を高め、炭素短繊維が炭素繊維紙から外れたり、炭素繊維紙の厚み方向を向くのを防止できる。
【0021】
固体高分子型燃料電池は、カソード(空気極、酸素極)において、電極反応生成物としての水や、電解質を透過した水が発生する。また、アノード(燃料極)においては、プロトン交換膜の乾燥防止のために燃料を加湿して供給する。これらの水の結露と滞留、水による高分子物質の膨潤が電極反応物を供給する際の妨げになるので、高分子物質の吸水率は低いほうがよい。
【0022】
ガス拡散層における高分子物質の含有率は、0.1〜50重量%の範囲にあるのが好ましい。炭素繊維紙の電気抵抗を低くするためには、高分子物質の含有率は少ないほうがよいが、0.1重量%未満ではハンドリングに耐える強度が不足し、炭素短繊維の脱落も多くなる。逆に、50重量%を超えると炭素繊維紙の電気抵抗が増えてくるという問題が生じる。より好ましくは、1〜30重量%の範囲である。
【0023】
炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などが例示される。なかでも、PAN系炭素繊維が好ましい。
【0024】
本発明に用いられるガス拡散層は、柔軟性を有する導電粒子がシート状に配列されてなる多孔質導電シートを用いてなることも好ましい。これにより構成成分の脱落が少ない、あるいは、機械的力が作用しても壊れ難く、電気抵抗が低く、かつ、安価なガス拡散層を提供するという目的が可能となる。特に、柔軟性を有する導電粒子として、膨張黒鉛粒子を用いることで上記目的が達成可能である。ここで、膨張黒鉛粒子とは、黒鉛粒子が、硫酸、硝酸などにより層間化合物化された後、急速に加熱することにより膨張せしめられて得られる黒鉛粒子をいう。
【0025】
本発明のガス拡散層に用いられる多孔質導電シートは、柔軟性を有する導電性微粒子に加えて、他の導電性粒子や導電性繊維を含むことも好ましい実施態様であるが、この導電性繊維と導電性粒子の双方が、無機材料からなることにより、耐熱性、耐酸化性、耐溶出性に優れた電極基材が得られる。
【0026】
本発明に用いられるプロトン交換膜としては特に限定されるものではない。具体的には、プロトン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などを有するものが例示され、この中で、スルホン酸基が燃料電池性能を発現する上で好ましく用いられる。
【0027】
プロトン交換膜としては、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体などの炭化水素系プロトン交換膜、また、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換膜が好ましく用いられる。これらは燃料電池が用いられる用途や環境に応じて適宜選択されるべきものであるが、パーフルオロ系が燃料電池寿命の点から好ましい。また、炭化水素系については、部分的にフッ素原子置換した部分フッ素膜も好ましく用いられる。パーフルオロ系プロトン交換膜では、デュポン社製ナフィオン、旭化成製アシプレックス、旭硝子製フレミオン、ジャパンゴアテックス社製ゴア−セレクト等が例示され、部分フッ素膜では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したものなどがある。
【0028】
プロトン交換膜は1種のポリマーばかりでなく、2種以上のポリマーの共重合体やブレンドポリマー、2種以上の膜を貼り合わせた複合膜、プロトン交換膜を不織布や多孔フィルムなどで補強した膜なども用いることができる。
【0029】
本発明における電極触媒層は、少なくとも触媒または触媒坦持媒体(例えば触媒坦持カーボンが好適、以下、触媒坦持カーボンを例に挙げて説明するが何らこれに限定されるものではない)を有してなる。特に限定されるものではないが、例えば、本発明における電極触媒層は、触媒担持カーボンと、触媒担持カーボン同士あるいは触媒担持カーボンと電極基材あるいは触媒担持カーボンとプロトン交換膜とを結着し、触媒層を形成するポリマからなるものである。
【0030】
触媒担持カーボンに含まれる触媒は特に限定されるものではないが、触媒反応における活性化過電圧が小さいことから、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、これらの貴金属触媒の合金、混合物など、2種以上の元素が含まれていても構わない。
【0031】
触媒担持カーボンに含まれるカーボンは特に限定されるものではないが、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましいものである。オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製デンカブラックなどが挙げられる。
【0032】
電極触媒層に含まれるポリマーは特に限定されるものではないが、燃料電池内の酸化−還元雰囲気で劣化しないポリマーが好ましい。このようなポリマーとしては、フッ素原子を含むポリマーが挙げられ、特に限定されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)など、あるいはこれらの共重合体、これらモノマ単位とエチレンやスチレンなどの他のモノマとの共重合体、さらには、ブレンドなども用いることができる。
【0033】
電極触媒層に含まれるポリマーは、電極触媒層内のプロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマーも好ましいものである。このようなポリマーに含まれるプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などがあるが特に限定されるものではない。また、このようなプロトン交換基を有するポリマも、特に限定されることなく選ばれるが、プロトン交換基の付いたフルオロアルキルエーテル側鎖を有するフルオロアルキル共重合体が好ましく用いられる。例えば、デュポン社製のナフィオン等も好ましいものである。また、プロトン交換基を有する上述のフッ素原子を含むポリマや、エチレンやスチレンなどの他のポリマ、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。
【0034】
電極触媒層に含まれるポリマーは、上記のフッ素原子を含むポリマーやプロトン交換基を含むポリマーを共重合あるいはブレンドして用いることも好ましいものである。特にポリフッ化ビニリデン、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン)共重合体などと、プロトン交換基にフルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖を有するナフィオン等のポリマーを、ブレンドすることは電極性能の点から好ましいものである。
【0035】
電極触媒層の主たる成分は、好適には触媒担持カーボンとポリマーであり、それらの比率は必要とされる電極特性に応じて適宜決められるべきもので特に限定されるものではないが、触媒担持カーボン/ポリマーの重量比率で5/95〜95/5が好ましく用いられる。特に固体高分子型燃料電池用電極触媒層として用いる場合には、触媒担持カーボン/ポリマー重量比率で40/60〜85/15が好ましいものである。
【0036】
電極触媒層には、触媒担持カーボンを担持している前述のカーボンのほか、電子伝導性向上のために種々の導電剤を添加することも好ましい。このような導電剤としては、前述の触媒担持カーボンに用いられるカーボンと同種のカーボンブラックに加えて、種々の黒鉛質や炭素質の炭素材、あるいは金属や半金属が挙げられるが特に限定されるものではない。このような炭素材としては、前述のカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などがある。これらの炭素材の形態としては、粒子状のほか繊維状も用いることができる。また、これら炭素材を後処理加工した炭素材も用いることが可能である。これら導電材の添加量としては、電極触媒層に対する重量比率として1〜80%が好ましく、5〜50%がさらに好ましい。
【0037】
本発明において、電極触媒層のガス拡散層またはプロトン交換膜への形成方法は特に限定されるものではない。触媒担持カーボンと電極触媒層に含まれるポリマとをペースト状に混練し、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、スクリーン印刷、スプレー塗布などの方法で、電極触媒層をガス拡散層またはプロトン交換膜に直接付加・形成してもよいし、他の基材(転写基材)上に電極触媒層をいったん形成した後、ガス拡散層またはプロトン交換膜に転写しても良い。この場合の転写基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のシート、あるいは表面をフッ素やシリコーン系の離型剤処理したガラス板や金属板なども用いられる。
【0038】
本発明において、膜−電極接合体の接合時に加える圧力は、1〜10MPaであることが好ましく、2〜10MPaであることがより好ましい。加える圧力が1MPa以下であると、プロトン交換膜と電極触媒層または電極触媒層とガス拡散層とが十分に接合されず、プロトン交換膜と電極触媒層との界面のイオン抵抗が高くなるか、あるいは電極触媒層と電極基材との界面の電子抵抗が高くなって好ましくなく、また、加える圧力が10MPa以上であると、電極触媒層がつぶれ、反応ガスの電極触媒層中での拡散性が阻害されて好ましくない。
【0039】
また、加熱及び加圧する処理時間は、温度や圧力により種々変動し得る。概ね、温度が高い程、圧力が高い程、処理時間は短い。好ましくは10分以上、より好ましくは30分以上、更に好ましくは60分以上である。
【0040】
本発明のプロトン交換膜、電極触媒層、ガス拡散層から構成される膜−電極接合体は、さまざまな電気化学装置に適応することができる。中でも、燃料電池が好ましく、さらに燃料電池の中でも、固体高分子型燃料電池に好適である。燃料電池には、水素を燃料とするものとメタノールなどの炭化水素を燃料とするものがあるが、特に限定されることなく用いることができる。
【0041】
本発明の膜−電極接合体を用いた燃料電池の用途としては、特に限定されることなく考えられるが、固体高分子型燃料電池において有用な用途である自動車の電力供給源が好ましいものである。
【0042】
【実施例】
以下、実施例により、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[実施例1]
粉体としてフッ素樹脂とカーボンブラックを用い、撹拌しながら、酸素雰囲気下で1〜2kW・sec、30〜60sec、プラズマを照射した。
上記のプラズマで親水化処理された粉体100gを、水400g中に入れ、撹拌羽を有する撹拌機で撹拌し、ペースト化した。
【0043】
このようにして得られたペーストをローラ上を連続して進むカーボンシート上に塗布した。ペーストが塗布されたカーボンペーストを波長2μmの遠赤外線が照射される乾燥装置中を連続的に通過させた。
得られたガス拡散層を用いて膜−電極接合体(MEA)を作製した。この膜−電極接合体(MEA)を用いた燃料電池は、ガス拡散層が十分な撥水性を有するため、運転中にフラッデイング(水詰まり)現象は発生せず、燃料電池の性能は低下しなかった。
【0044】
[比較例1]
比較のために、粉体にプラズマを照射して親水化処理は行ったが、遠赤外線による撥水化処理を行わない点を除いて、実施例1と同様にしてガス拡散層を作製した。このガス拡散層を用いて膜−電極接合体(MEA)を作製した。この膜−電極接合体(MEA)を用いた燃料電池は、ガス拡散層が撥水性を有しないため、運転中にフラッデイング(水詰まり)現象が発生し、燃料電池の性能が低下した。
【0045】
[比較例2]
粉体に約3%の界面活性剤を添加して親水化処理は行ってペーストを作成した。このペーストを基材に塗布した後、約30分間焼成してガス拡散層を作製した。このガス拡散層を用いて膜−電極接合体(MEA)を作製した。この膜−電極接合体(MEA)を用いた燃料電池は、ガス拡散層に界面活性剤が残留しているため、運転中にフラッデイング(水詰まり)現象が発生し、燃料電池の性能が低下した。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、親水化処理された粉体と、撥水処理されたガス拡散層を用いているので、このガス拡散層を用いて作製された膜−電極接合体(MEA)を用いた燃料電池は、ガス拡散層が十分な撥水性を有するため、運転中にフラッデイング(水詰まり)現象は発生せず、燃料電池の性能を維持することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガス拡散層の粉体に対する親水化処理及び撥水化処理の模式図を示す。図1(a)は、粉体に対するプラズマ処理を、図1(b)は、粉体に酸素分子を介して水分枝がなじむ様子を、図1(c)は、遠赤外線処理により、水分子が解離する様子を示す。
【符号の説明】
1:粉体、2:酸素分子、3:水分子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a gas diffusion layer of a membrane-electrode assembly in which a proton exchange membrane, an electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer are laminated, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell using the same. It is about.
[0002]
[Prior art]
There are various types of fuel cells such as a solid polymer type, a phosphoric acid type, a solid oxide type, a molten carbonate type, and an alkaline type depending on the type of electrolyte used. In particular, solid polymer fuel cells have features such as lower operating temperatures, shorter start-up times, higher output, easier downsizing and weight reduction, and resistance to vibration than other fuel cells. Suitable for body power supply.
[0003]
Solid polymer fuel cells are expected as one of the pillars of future new energy technologies. A polymer electrolyte fuel cell (PEFC or PEMFC) using an ion exchange membrane made of a polymer as an electrolyte can be operated at a low temperature and can be reduced in size and weight. The application of is being considered. In particular, fuel cell vehicles equipped with polymer electrolyte fuel cells are gaining social interest as the ultimate ecological car.
[0004]
A solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group in a polymer chain, and has a property of binding firmly to a specific ion or selectively transmitting a cation or an anion. Have. In particular, a fluorine-based electrolyte membrane typified by a perfluorosulfonic acid membrane is awarded as an ion exchange membrane for fuel cells used under severe conditions because of its very high chemical stability.
[0005]
For example, a reformed gas fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton-conductive ion exchange membrane and hydrogen gas obtained by reforming low-molecular hydrocarbons such as methane and methanol as fuel gas. Is supplied to the other electrode (fuel electrode), and oxygen gas or air is supplied as an oxidizing agent to a different electrode (air electrode) to obtain an electromotive force.
[0006]
In the case of a fuel cell, peroxide is generated in the electrode catalyst layer formed at the interface between the ion exchange membrane and the electrode, and the generated peroxide diffuses into peroxide radicals to cause a degradation reaction. It is not possible to use a hydrocarbon-based electrolyte membrane having poor chemical properties. Therefore, perfluorosulfonic acid membranes having high proton conductivity are generally used in fuel cells and water electrolysis.
[0007]
Currently, ion-exchange membranes used in polymer electrolyte fuel cells include perfons represented by DuPont Nafion (registered trademark), Asahi Glass Flemion (registered trademark), and Asahi Kasei Aciplex (registered trademark). In order to apply these ion exchange membranes using a fluorocarbon sulfonic acid membrane to a polymer electrolyte fuel cell, an electrode catalyst layer having a fuel oxidizing ability and an oxidizing agent reducing ability is provided on both surfaces of the ion exchange membrane. And a membrane-electrode assembly having a structure in which a gas diffusion layer is arranged on the outside.
[0008]
That is, the structure forms an electrode catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst on both surfaces of an ion exchange membrane made of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. Next, a gas diffusion layer having both fuel gas permeability and electron conductivity is formed on the outer surface of the electrode catalyst layer. In general, in the gas diffusion layer, a paste containing a powder of fluororesin, silicon, carbon or the like is formed on a carbon paper or carbon cloth substrate. The electrode catalyst layer and the gas diffusion layer described above are collectively referred to as an electrode.
[0009]
Next, in order to prevent leakage of the fuel gas to be supplied and to prevent mixing of the two types of fuel gas, a gas seal material and a gasket are arranged around the electrode with an ion exchange membrane interposed therebetween. This gas seal material or gasket is integrated with an electrode and an ion exchange membrane and assembled in advance, and is called a membrane-electrode assembly (MEA).
[0010]
On the outside of the MEA, a separator having electrical conductivity and airtightness for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series is disposed. In the portion of the separator that contacts the MEA, a reaction gas is supplied to the electrode surface to form a gas flow path for carrying away the generated gas and surplus gas. Although the gas channel can be provided separately from the separator, a method of providing a gas channel by providing a groove on the surface of the separator is generally used. A structure in which the MEA is fixed by the pair of separators is referred to as a unit cell as a basic unit.
A plurality of the unit cells are connected in series, and a manifold which is a piping jig for supplying fuel gas is arranged to constitute a fuel cell.
[0011]
For the gas diffusion layer, a base material such as carbon paper or carbon cloth uses a powder of fluororesin, silicon, carbon, etc., but the powder of fluororesin, silicon, carbon, etc. originally has water repellency. In this state, it is impossible to form a film as a paste. Therefore, it is necessary to make the paste containing these powders hydrophilic in order to make these powders familiar with water to form a uniform paste and form a film on the substrate.
[0012]
For this reason, hydrophilization of powders such as fluororesin, silicon, and carbon is performed by adding a surfactant to the gas diffusion layer paste.
[0013]
When the paste is hydrophilized by such a method, the water repellency of the gas diffusion layer is insufficient, and the performance of the fuel cell is lowered due to the flooding phenomenon. In other words, the gas diffusion layer must be a passage for hydrogen gas and air, and must be a passage for efficiently releasing generated water molecules, and the gas diffusion layer is hydrophilic due to the remaining surfactant. Is an undesirable condition.
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-161359
[Problems to be solved by the invention]
In the case of the method disclosed in
Therefore, an object of the present invention is to produce a gas diffusion layer that is hydrophilic as a paste but exhibits water repellency after film formation.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The inventor has found a method for producing a gas diffusion layer that does not use a surfactant, and has reached the present invention.
That is, first, the present invention provides a process for subjecting powder to a hydrophilization treatment in a method for producing a gas diffusion layer of a membrane-electrode assembly formed by laminating a proton exchange membrane, an electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer. A step of mixing the hydrophilized powder together with a polymer electrolyte and a solvent to form a paste, a step of forming the paste on a base material sheet, and water repellency on the surface of the formed paste And a step of applying a treatment. A method for producing a gas diffusion layer of a membrane-electrode assembly.
[0016]
Examples of the hydrophilic treatment for the powder include plasma irradiation, immersion in hydrogen peroxide solution, immersion in an inorganic acid aqueous solution, and the like. Among these, plasma irradiation is preferable in terms of workability and efficiency.
Examples of the water repellency treatment for the powder in the paste formed into a film include infrared irradiation, particularly far infrared irradiation. Among far-infrared rays, those having a wavelength of about 2 μm are preferable because they break the H—OH bond of water molecules attached to the powder.
As the powder used in the present invention, those used for producing a gas diffusion layer are used. In particular, a powder selected from any one of fluororesin, silicon, and carbon, or a mixture thereof is preferable.
[0017]
Second, the present invention relates to a membrane-electrode assembly formed by laminating a proton exchange membrane, an electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer, wherein a hydrophilized powder, a polymer electrolyte, and a solvent are mixed. The film-electrode assembly includes a gas diffusion layer in which the paste is formed on a substrate sheet, and the surface of the formed paste is subjected to water repellency treatment.
As in the first invention, the hydrophilic treatment is preferably plasma irradiation, the water repellent treatment is preferably far infrared irradiation, and the powder is one of fluororesin, silicon, carbon, or Powders selected from these mixtures are preferred.
The proton exchange membrane used in the present invention preferably has a perfluorosulfonic acid group.
[0018]
3rdly, this invention is a polymer electrolyte fuel cell using the membrane-electrode assembly of the said 2nd invention.
In FIG. 1, the schematic diagram of the hydrophilic treatment and water-repellent treatment with respect to the powder of the gas diffusion layer of this invention is shown. FIG. 1 (a) shows the hydrophilization (improvement of wettability) of the powder surface for making a paste. Plasma treatment is performed in an atmosphere of oxygen gas or the like on the surface of the powder that is difficult to adapt to a liquid such as water. By this plasma treatment,
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
As the gas diffusion layer (electrode substrate) in the present invention, a gas diffusion layer generally used in a fuel cell is used without any particular limitation. For example, a porous conductive sheet containing a conductive substance as a main constituent material can be used. Examples of the conductive material include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, a carbon material such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum, and titanium. The form of the conductive material is not particularly limited, such as a fiber shape or a particulate shape. However, when used in an electrochemical device using a gas as an electrode active material such as a fuel cell, a fibrous conductive inorganic material (from the viewpoint of gas permeability) Inorganic conductive fibers) Carbon fibers are particularly preferred. As the porous conductive sheet using inorganic conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. The porous conductive sheet in the present invention is not particularly limited, but it is also a preferred embodiment to add conductive particles such as carbon black or conductive fibers such as carbon fiber as an auxiliary agent for improving conductivity. .
[0020]
In addition to the gas diffusion layer described above, the gas diffusion layer includes carbon fiber paper formed by binding carbon short fibers oriented in a random direction in a substantially two-dimensional plane with a polymer substance. In addition, by binding carbon short fibers with a polymer substance, it becomes strong against compression and tension, and the strength and handling properties of carbon fiber paper are improved, so that the carbon short fibers come off from the carbon fiber paper, and the thickness of the carbon fiber paper. It can be prevented from facing the direction.
[0021]
In a polymer electrolyte fuel cell, water as an electrode reaction product or water that has passed through an electrolyte is generated at a cathode (air electrode, oxygen electrode). In the anode (fuel electrode), fuel is humidified and supplied to prevent drying of the proton exchange membrane. Since the condensation and stagnation of water and swelling of the polymer material by water hinder the supply of the electrode reactant, the water absorption rate of the polymer material should be low.
[0022]
The content of the polymer substance in the gas diffusion layer is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. In order to reduce the electrical resistance of the carbon fiber paper, it is better that the content of the polymer substance is small. However, if the content is less than 0.1% by weight, the strength to withstand handling is insufficient, and the short carbon fibers drop off. Conversely, if it exceeds 50% by weight, there arises a problem that the electrical resistance of the carbon fiber paper increases. More preferably, it is in the range of 1 to 30% by weight.
[0023]
Examples of the carbon fiber include polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, phenol-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, and rayon-based carbon fiber. Of these, PAN-based carbon fibers are preferable.
[0024]
The gas diffusion layer used in the present invention is also preferably made of a porous conductive sheet in which conductive particles having flexibility are arranged in a sheet shape. As a result, it is possible to provide a gas diffusion layer that has less dropout of constituent components or is less likely to be broken even when mechanical force is applied, has low electrical resistance, and is inexpensive. In particular, the above object can be achieved by using expanded graphite particles as conductive particles having flexibility. Here, the expanded graphite particles refer to graphite particles obtained by making graphite particles intercalated with sulfuric acid, nitric acid or the like and then expanding them by rapid heating.
[0025]
The porous conductive sheet used in the gas diffusion layer of the present invention is also a preferred embodiment including other conductive particles and conductive fibers in addition to the conductive fine particles having flexibility. When both the conductive particles and the conductive particles are made of an inorganic material, an electrode substrate excellent in heat resistance, oxidation resistance, and elution resistance can be obtained.
[0026]
The proton exchange membrane used in the present invention is not particularly limited. Specific examples of the proton exchange group include those having a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, and the like. Among these, a sulfonic acid group is preferably used in order to express fuel cell performance.
[0027]
Proton exchange membranes include hydrocarbon proton exchange membranes such as styrene-divinylbenzene copolymers, and perfluoro proton exchange membranes of fluoroalkyl copolymers having fluoroalkyl ether side chains and perfluoroalkyl main chains. Preferably used. These should be appropriately selected according to the use and environment in which the fuel cell is used, but a perfluoro type is preferable from the viewpoint of the life of the fuel cell. For hydrocarbons, a partial fluorine film partially substituted with fluorine atoms is also preferably used. Examples of perfluoro proton exchange membranes include DuPont Nafion, Asahi Kasei Aciplex, Asahi Glass Flemion, Japan Gore-Tex Gore-Select, etc. There are those in which a sulfonic acid group is introduced into vinylidene chloride.
[0028]
Proton exchange membranes are not only one type of polymer, but also a copolymer or blend polymer of two or more types of polymers, a composite membrane in which two or more types of membranes are bonded together, and a membrane in which the proton exchange membrane is reinforced with a nonwoven fabric or porous film Etc. can also be used.
[0029]
The electrode catalyst layer in the present invention has at least a catalyst or a catalyst-carrying medium (for example, catalyst-carrying carbon is preferable. Hereinafter, the catalyst-carrying carbon will be described as an example, but the invention is not limited thereto). Do it. Although not particularly limited, for example, the electrode catalyst layer in the present invention binds the catalyst-carrying carbon and the catalyst-carrying carbon to each other or the catalyst-carrying carbon and the electrode substrate or the catalyst-carrying carbon and the proton exchange membrane, It consists of a polymer that forms the catalyst layer.
[0030]
The catalyst contained in the catalyst-supported carbon is not particularly limited, but a precious metal catalyst such as platinum, gold, palladium, ruthenium and iridium is preferably used because the activation overvoltage in the catalytic reaction is small. Two or more elements such as alloys and mixtures of these noble metal catalysts may be contained.
[0031]
The carbon contained in the catalyst-supported carbon is not particularly limited, but carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred from the viewpoints of electron conductivity and specific surface area. It is. Oil furnace black includes Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, Lion Ketjen Black EC, Mitsubishi Chemical Corporation # 3150. , # 3250, etc., and acetylene black includes Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.
[0032]
The polymer contained in the electrode catalyst layer is not particularly limited, but a polymer that does not deteriorate in an oxidation-reduction atmosphere in the fuel cell is preferable. Examples of such polymers include polymers containing fluorine atoms, and are not particularly limited. For example, polyvinyl fluoride (PVF), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), poly Tetrafluoroethylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA), or the like, copolymers thereof, copolymers of these monomer units with other monomers such as ethylene and styrene, and blends can also be used.
[0033]
The polymer contained in the electrode catalyst layer is also preferably a polymer having a proton exchange group in order to improve proton conductivity in the electrode catalyst layer. Proton exchange groups contained in such polymers include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups, but are not particularly limited. The polymer having such a proton exchange group is also selected without any particular limitation, but a fluoroalkyl copolymer having a fluoroalkyl ether side chain with a proton exchange group is preferably used. For example, Nafion manufactured by DuPont is also preferable. Further, it may be a polymer containing the above-described fluorine atom having a proton exchange group, another polymer such as ethylene or styrene, a copolymer or a blend thereof.
[0034]
As the polymer contained in the electrode catalyst layer, it is also preferable to use a polymer containing a fluorine atom or a polymer containing a proton exchange group by copolymerization or blending. In particular, blending a polymer such as polyvinylidene fluoride, poly (hexafluoropropylene-vinylidene fluoride) copolymer and a polymer such as Nafion having a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain in the proton exchange group is From the point of view, it is preferable.
[0035]
The main components of the electrode catalyst layer are preferably catalyst-supported carbon and polymer, and the ratio thereof should be appropriately determined according to the required electrode characteristics and is not particularly limited. A weight ratio of 5/95 to 95/5 is preferably used. In particular, when used as an electrode catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, the catalyst-supporting carbon / polymer weight ratio is preferably 40/60 to 85/15.
[0036]
In addition to the above-mentioned carbon supporting the catalyst-supporting carbon, it is also preferable to add various conductive agents to the electrode catalyst layer in order to improve electronic conductivity. Examples of such a conductive agent include, in addition to carbon black of the same type as the carbon used for the catalyst-supporting carbon described above, various graphite and carbonaceous carbon materials, metals and metalloids, but are particularly limited. It is not a thing. Examples of such a carbon material include artificial graphite and carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, and furan resin in addition to the above-described carbon black. As the form of these carbon materials, not only particles but also fibers can be used. It is also possible to use carbon materials obtained by post-processing these carbon materials. The addition amount of these conductive materials is preferably 1 to 80%, more preferably 5 to 50% as a weight ratio with respect to the electrode catalyst layer.
[0037]
In the present invention, the method for forming the electrode catalyst layer on the gas diffusion layer or proton exchange membrane is not particularly limited. The catalyst-supporting carbon and the polymer contained in the electrode catalyst layer are kneaded into a paste, and the electrode catalyst layer is formed into a gas diffusion layer by methods such as brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, screen printing, and spray coating. Alternatively, it may be directly added to and formed on the proton exchange membrane, or an electrode catalyst layer may be once formed on another substrate (transfer substrate) and then transferred to the gas diffusion layer or proton exchange membrane. As the transfer substrate in this case, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet, or a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a fluorine or silicone release agent is also used.
[0038]
In this invention, it is preferable that it is 1-10 MPa, and, as for the pressure applied at the time of joining of a membrane-electrode assembly, it is more preferable that it is 2-10 MPa. When the applied pressure is 1 MPa or less, the proton exchange membrane and the electrode catalyst layer or the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer are not sufficiently joined, and the ionic resistance at the interface between the proton exchange membrane and the electrode catalyst layer is increased. Alternatively, the electronic resistance at the interface between the electrode catalyst layer and the electrode substrate is undesirably high, and when the applied pressure is 10 MPa or more, the electrode catalyst layer is crushed and the diffusibility of the reaction gas in the electrode catalyst layer is reduced. It is not preferable because it is inhibited.
[0039]
Also, the processing time for heating and pressurization can vary depending on the temperature and pressure. In general, the higher the temperature and the higher the pressure, the shorter the processing time. Preferably it is 10 minutes or more, More preferably, it is 30 minutes or more, More preferably, it is 60 minutes or more.
[0040]
The membrane-electrode assembly comprising the proton exchange membrane, electrode catalyst layer, and gas diffusion layer of the present invention can be applied to various electrochemical devices. Among these, a fuel cell is preferable, and among the fuel cells, a solid polymer fuel cell is preferable. Fuel cells include those using hydrogen as fuel and those using hydrocarbons such as methanol as fuel, but can be used without any particular limitation.
[0041]
The application of the fuel cell using the membrane-electrode assembly of the present invention is not particularly limited, but an automobile power supply source that is useful in a polymer electrolyte fuel cell is preferable. .
[0042]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these.
[Example 1]
Fluorine resin and carbon black were used as powders, and plasma was irradiated for 1 to 2 kW · sec and 30 to 60 sec in an oxygen atmosphere while stirring.
100 g of the powder hydrophilized with the above plasma was put in 400 g of water and stirred with a stirrer having stirring blades to make a paste.
[0043]
The paste thus obtained was applied onto a carbon sheet that continuously traveled on the roller. The carbon paste coated with the paste was continuously passed through a drying apparatus irradiated with far infrared rays having a wavelength of 2 μm.
A membrane-electrode assembly (MEA) was produced using the obtained gas diffusion layer. In the fuel cell using this membrane-electrode assembly (MEA), since the gas diffusion layer has sufficient water repellency, no flooding phenomenon occurs during operation, and the performance of the fuel cell is reduced. There wasn't.
[0044]
[Comparative Example 1]
For comparison, a gas diffusion layer was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder was irradiated with plasma to perform the hydrophilic treatment, but the water repellent treatment with far infrared rays was not performed. A membrane-electrode assembly (MEA) was produced using this gas diffusion layer. In the fuel cell using this membrane-electrode assembly (MEA), since the gas diffusion layer does not have water repellency, a flooding (water clogging) phenomenon occurred during operation, and the performance of the fuel cell was deteriorated.
[0045]
[Comparative Example 2]
About 3% of a surfactant was added to the powder and a hydrophilic treatment was performed to prepare a paste. After applying this paste to the substrate, it was fired for about 30 minutes to produce a gas diffusion layer. A membrane-electrode assembly (MEA) was produced using this gas diffusion layer. In the fuel cell using this membrane-electrode assembly (MEA), since the surfactant remains in the gas diffusion layer, a flooding phenomenon occurs during operation, and the performance of the fuel cell is lowered. did.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the hydrophilized powder and the water-repellent gas diffusion layer are used, the membrane-electrode assembly (MEA) produced using this gas diffusion layer was used. In the fuel cell, since the gas diffusion layer has sufficient water repellency, a flooding (water clogging) phenomenon does not occur during operation, and the performance of the fuel cell can be maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrophilic treatment and a water repellency treatment for a powder of a gas diffusion layer according to the present invention. Fig. 1 (a) shows plasma treatment of powder, Fig. 1 (b) shows how water branches are adapted to the powder via oxygen molecules, and Fig. 1 (c) shows water molecules by far infrared treatment. Shows the state of dissociation.
[Explanation of symbols]
1: powder, 2: oxygen molecule, 3: water molecule.
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