(57)【要約】  転写基材上に支持された、炭素粒子及び疎水性重合体を含んでなるミクロ細孔質層であって、該ミクロ細孔質層上に重合体層が存在する、ミクロ細孔質層を開示する。ミクロ細孔質層を転写基材上に調製し、ミクロ細孔質層をガス拡散基材上に堆積させる方法も開示する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
転写基材上に支持されたミクロ細孔質層であって、
炭素粒子と、及び疎水性重合体とを備えてなり、
前記ミクロ細孔質層上に重合体層が存在してなる、ミクロ細孔質層。
【請求項２】
前記疎水性重合体が、ポリテトラフルオロエチレンまたはフッ素化エチレン-プロピレンである、請求項１に記載のミクロ細孔質層。
【請求項３】
炭素粒子と疎水性重合体の重量比が、20：1〜2：1である、請求項１または２に記載のミクロ細孔質層。
【請求項４】
前記ミクロ細孔質層の厚さが10μm〜40μmである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のミクロ細孔質層。
【請求項５】
前記重合体層が、接着剤の層からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のミクロ細孔質層。
【請求項６】
前記接着剤が熱可塑性接着剤である、請求項５に記載のミクロ細孔質層。
【請求項７】
前記重合体層が、疎水性重合体の層からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のミクロ細孔質層。
【請求項８】
転写基材上に支持されたミクロ細孔質層の製造方法であって、
重合体層が前記ミクロ細孔質層上に存在してなり、
a)溶剤中に炭素粒子及び疎水性重合体を含んでなる分散液を調製し、
b)前記分散液を転写基材に塗布し、ミクロ細孔質層を形成し、及び
c)重合体を塗布し、前記ミクロ細孔質層上に重合体層を形成する、各工程を含んでなる、製造方法。
【請求項９】
ミクロ細孔質層をガス拡散基材上に堆積させる方法であって、
a)転写基材上に支持されたミクロ細孔質層を用意し、
重合体層が前記ミクロ細孔質層上に存在してなり、
前記ミクロ細孔質層をガス拡散基材の次に配置し、前記重合体層が前記ガス拡散基材に隣接し、
b)前記ミクロ細孔質層を前記ガス拡散基材に圧迫し、前記重合体層が前記ガス拡散基材に結合し、
c)前記転写基材を除去し、及び
d)焼成する、各工程を含んでなる、方法。
【請求項１０】
ミクロ細孔質層をガス拡散基材上に堆積させる方法であって、
a)転写基材上に支持されたミクロ細孔質層を用意し、
前記ミクロ細孔質層をガス拡散基材の次に配置し、
重合体層が前記ミクロ細孔質層上に存在してなり、
前記ミクロ細孔質層が、前記ガス拡散基材の前記重合体層に隣接し、
b)前記ミクロ細孔質層を前記ガス拡散基材に圧迫し、前記重合層が前記ミクロ細孔質層に結合し、
c)前記転写基材を除去し、及び
d)焼成する、各工程を含んでなる、方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の方法により製造されたガス拡散基材。
【請求項１２】
請求項９または１０に記載のミクロ細孔質層をガス拡散基材上に堆積させる方法と、及び
電気触媒インクを前記ミクロ細孔質層に塗布し、電気触媒層を形成する別工程とを含んでなる、ガス拡散電極の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法により製造されたガス拡散電極。
【請求項１４】
メンブラン電極アセンブリーの製造方法であって、
請求項９または１０に記載のミクロ細孔質層をガス拡散基材上に堆積させる方法と、及び
前記ガス拡散基材と触媒作用を付与したメンブランとを組み合わせ、前記メンブランの前記触媒作用を付与した面が前記ミクロ細孔質層と接触させる別工程とを含んでなる、方法。
【請求項１５】
メンブラン電極アセンブリーの製造方法であって、
請求項１２に記載ガス拡散電極の製造方法と、及び
前記ガス拡散電極とメンブランとを組み合わせる別工程を含んでなる、方法。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の方法により製造された、メンブラン電極アセンブリー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のメンブラン電極アセンブリー中に取り入れるのに好適なミクロ細孔質層に関する。
【０００２】
燃料電池は、電解質により分離された２個の電極を備えてなる電気化学的電池である。燃料、例えば水素またはメタノール、がアノードに供給され、酸化体、例えば酸素または空気、がカソードに供給される。これらの電極で電気化学的反応が起こり、燃料及び酸化体の化学的エネルギーが電気的エネルギー及び熱に変換される。燃料電池は、清浄で効率的な動力供給源であり、固定型及び自動車用動力用途の両方で、伝統的な動力供給源、例えば内燃機関、に置き換えることができる。プロトン交換メンブラン(PEM)燃料電池では、電解質は、電気的には絶縁性であるが、イオン的には伝導性である、固体の重合体状メンブランである。
【０００３】
PEM燃料電池の主要構成要素は、メンブラン電極アセンブリー(MEA)と呼ばれ、実質的に5つの層から構成されている。中央層は重合体メンブランである。このメンブランの両側に、典型的には白金系電気触媒を含んでなる電気触媒層がある。電気触媒は、電気化学的反応の速度を加速する触媒である。最後に、各電気触媒層に隣接してガス拡散基材がある。ガス拡散基材は、反応物を電気触媒層に到達させる必要があり、電気化学的反応により発生した電流を伝える必要がある。従って、この基材は多孔質で、導電性でなければならない。
【０００４】
MEAは、幾つかの方法により構築することができる。電気触媒層をガス拡散基材に施し、ガス拡散電極を形成することができる。2個のガス拡散電極をメンブランの両側に配置し、一つに張り合わせ、５層MEAを形成することができる。あるいは、電気触媒層をメンブランの両面に施し、触媒被覆されたメンブランを形成することができる。続いて、ガス拡散基材を、触媒被覆されたメンブランの両面に付ける。最後に、片側が電気触媒層で被覆されたメンブラン、その電気触媒層に隣接したガス拡散基材、及びメンブランの反対側にあるガス拡散電極からMEAを形成することができる。
【０００５】
典型的なガス拡散基材には、炭素紙（例えばToray Industries、日本国、から市販のToray（商品名）紙）、織った炭素布地（例えばZoltek Corporation、米国、から市販のZoltek（商品名）PWB-3）または不織炭素繊維ウェブ（例えばFreudenberg、独国、から市販のH-2135）系の基材が挙げられる。炭素基材は、典型的には、基材の一方または両方の平らな面(通常は、電気触媒層と接触する平らな面のみ)上に被覆された粒子状材料で変性される。粒子状材料は、典型的にはカーボンブラックと重合体、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、の混合物である。粒子状材料の層は、ミクロ細孔質層と呼ばれる。ミクロ細孔質層には、幾つかの機能があり、水及びガスを触媒層へ、及び触媒から搬送することができ、触媒層を上に塗布できる平滑な表面を与える。この層は、導電性であり、電気化学的反応箇所から熱を遠くへ移動させることができる。
【０００６】
ミクロ細孔質層は、典型的には、スクリーン印刷のような技術的により、ガス拡散基材に直接塗布する。ミクロ細孔質層の製造方法は、米国特許出願第2003／0157397号明細書に開示されている。一方法では、剥離表面、例えばポリエステルまたはポリイミド被膜、を有する基材上に、ミクロ細孔質被覆を形成し、続いて炭素紙または布地に転写する。米国特許出願第2003／0157397号明細書のミクロ細孔質層は、炭素及び溶融処理可能なフッ素化重合体の混合物からなる。
【０００７】
本発明者らは、ミクロ細孔質層を製造するための別の方法を提供する。本発明者らは、明らかな不連続性または凹凸が無い、連続的で平らな層を製造できる方法を提供するための研究を行った。本発明者らは、薄い、例えば厚さが20μm以下のミクロ細孔質層を形成することができる方法を研究した。
【０００８】
従って、本発明は、転写基材上に支持された、炭素粒子及び疎水性重合体を含んでなるミクロ細孔質層であって、該ミクロ細孔質層上に重合体層が存在する、ミクロ細孔質層を提供する。
【０００９】
転写基材上に支持されたミクロ細孔質層は、ガス拡散基材上にミクロ細孔質層を施すために使用できる。本発明者らは、ミクロ細孔質層の表面上にある重合体の層が、ミクロ細孔質層をガス拡散基材に接着できることを見出した。重合体層中の重合体は、ミクロ細孔質層をガス拡散基材に施す時に分解し、燃料電池の機能に影響を及ぼさない不活性な炭素質残留物を残す接着剤でよい。あるいは、重合体層中の重合体は、疎水性重合体、例えばPTFE、でよい。そのような重合体は、ミクロ細孔質層をガス拡散基材に施す時に分解しないが、そのような重合体の存在は、燃料電池の機能に悪影響を及ぼさない。
【００１０】
用語「炭素粒子」は、炭素粉末、炭素フレーク、炭素ナノファイバーまたはミクロファイバー、及び粒子状グラファイトを包含する、全ての細かく分割した形態にある炭素(粒子の最長寸法は500μm未満が好適であり、好ましくは300μm未満、最も好ましくは50μm未満である)を説明するために使用する。炭素粒子は、好ましくはカーボンブラック粒子、例えばオイルファーネスブラックス、例えばVulcan(商品名) XC72R(Cabot Chemicals、米国、から市販)またはアセチレンブラック、例えばShawinigan(Chevron Chemicals、米国、から市販）またはDenka FX-35(Denka、日本国、から市販)、である。好適な炭素ミクロファイバーは、Pyrograf(商品名)PR19炭素ファイバー(Pyrograf Products、米国から市販)を包含する。
【００１１】
疎水性重合体は、フルオロ重合体、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)またはフッ素化エチレン-プロピレン(FEP)、が好適であり、PTFEが好ましい。
【００１２】
炭素粒子と疎水性重合体の重量比は、50：1〜1：1が好適であり、好ましくは20：1〜2：1、最も好ましくは約10：1である。疎水性重合体の量が増加すると、ミクロ細孔質層の気孔率及び伝導性が低下するのに対し、疎水性重合体の量が減少すると、ミクロ細孔質層中の疎水性通路の量が減少し、水及びガス輸送の効率が低下する。
【００１３】
ミクロ細孔質層の厚さは、5μm〜100μmが好適であり、好ましくは10μm〜40μmである。より薄い層は、十分に平滑な層を与えないことがあり(ガス拡散基材中の繊維が突き出ることがある)、より厚い層は、物質輸送効率の低下につながることがある。ミクロ細孔質層の厚さは、層の薄い部分が、層の厚い部分の少なくとも50％厚く、好ましくは層の厚い部分の少なくとも75％厚く、最も好ましくは少なくとも90％厚くなるように、層全体にわたって一様であるのが好適である。層の気孔率は、効果的な物質輸送を確保するために、70％を超えるのが好適である。ミクロ細孔質層の細孔径は、広範囲、例えば10μmから5 nmまで、にわたるのが好ましい。
【００１４】
ミクロ細孔質層は、転写基材の全体を覆うのが好適であり、ロールとして製造することができる。
【００１５】
転写基材は、当業者には公知の全ての好適な転写基材でよいが、好ましくは重合体状材料、例えばポリプロピレン(特に二軸延伸されたポリプロピレン、BOPP)または重合体被覆された紙、例えばポリウレタン被覆された紙、である。転写基材は、シリコーン剥離紙または金属ホイル、例えばアルミニウムホイル、でもよい。
【００１６】
本発明の一実施態様では、重合体層は、接着剤の層からなる。接着剤は、熱可塑性接着剤が好適である。接着剤は、その分解温度に加熱された時に不活性炭素質残留物を形成する燃焼特性を有するのが好適である。この不活性残留物は、燃料電池の機能に影響を及ぼさない。好ましくは、不活性残留物の質量は、接着剤の質量の20〜60％、より好ましくは30〜40％である。好ましい接着剤は、ポリ酢酸ビニルである。
【００１７】
本発明の別の実施態様では、重合体層が、疎水性重合体、例えばPTFE、の層からなる。接着剤層と異なり、PTFEは、ミクロ細孔質層が加熱された時に燃焼せず、PTFE層はガス拡散基材中に残る。この層は、燃料電池の機能に悪影響を及ぼさない。
【００１８】
ミクロ細孔質層上の重合体の量は、0.5 g/m２〜5 g/m２が好適であり、好ましくは1 g/m２〜2 g/m２である。重合体層は、ミクロ細孔質層の全表面上に存在するのが好適である。あるいは、ガス拡散基材に、ミクロ細孔質層に被覆されていない区域があるのが望ましい場合、重合体層は不完全でもよい。
【００１９】
本発明は、転写基材上に支持された、重合体層が上に存在するミクロ細孔質層の製造方法であって、
a)溶剤中に炭素粒子及び疎水性重合体を含んでなる分散液を調製する工程、
b)該分散液を転写基材に塗布し、ミクロ細孔質層を形成する工程、及び
c)重合体を塗布し、ミクロ細孔質層上に重合体層を形成する工程
を含んでなる、方法をさらに提供する。
【００２０】
本発明の好ましい実施態様では、工程(b)及び(c)を、多層カスケードコーティングまたはカーテンコーティング方法で同時に行う。
【００２１】
溶剤中に炭素粒子及び疎水性重合体を含んでなる分散液は、当業者には公知である。溶剤は、好ましくは水を含んでなり、好ましくは実質的に水からなる。分散液は、界面活性剤を含んでなることができる。分散液は、炭素粒子及び疎水性重合体を溶剤に加え、混合することにより、調製するのが好適である。そのような分散液の調製方法は、例えば米国特許出願第2003／0008195号及び第2004／0009389号明細書に開示されている。
【００２２】
分散液及び重合体を塗布した後、ミクロ細孔質層を、例えば60℃で乾燥させるのが好適である。
【００２３】
本発明は、ミクロ細孔質層をガス拡散基材上に堆積させる方法であって、
a)転写基材上に支持された、重合体層が上に存在するミクロ細孔質層を用意し、該ミクロ細孔質層をガス拡散基材の隣に、該重合体層が該ガス拡散基材に隣接するように配置する工程、
b)該ミクロ細孔質層を該ガス拡散基材に、該重合体が該ガス拡散基材に結合するように圧迫する工程、
c)該転写基材を除去する工程、及び
d)焼成する工程
を含んでなる、方法を提供する。
【００２４】
固相転写方法を使用してミクロ細孔質層を調製することの利点は、ある範囲の異なったガス拡散基材に転写できることである。対照的に、液相転写、例えばスクリーン印刷、は、様々なガス拡散基材に異なった処方物を必要とする。
【００２５】
ガス拡散基材は、当業者には公知の、どのような好適なガス拡散基材でもよい。典型的な基材には、炭素紙（例えばToray Industries、日本国、から市販のToray(商品名)紙)、織った炭素布地(例えばZoltek Corporation, Missouri、米国、から市販のZoltek(商品名)PWB-3）または不織炭素繊維ウェブ(例えばFreudenberg、独国、から市販のH-2135）を基材とする基材が挙げられる。ガス拡散基材の厚さは、100〜300μmであるのが好適である。
【００２６】
典型的には、ガス拡散基材は、ミクロ細孔質層を塗布する前に、疎水性重合体、例えばPTFE、で処理する。疎水性重合体は、基材の表面上に層として存在するのではなく、基材全体にわたって存在する。織った炭素布地または不織炭素繊維ウェブを基材とする基材は、ミクロ細孔質層を施す前に、炭素粒子及び疎水性重合体(例えばヨーロッパ特許第791974号明細書に記載されている)の混合物で充填することができる。炭素／重合体充填物は、典型的には基材の厚さ全体にわたって存在する。
【００２７】
圧迫工程の温度は、重合体層中に存在する重合体により決定される。重合体は、圧迫工程を、50〜150℃、好ましくは75〜100℃で行うことができるように選択するのが好適である。
【００２８】
重合体層が接着剤の層からなる場合、焼成工程は、接着剤を分解し、疎水性重合体をミクロ細孔質層中で焼結させる。重合体層が疎水性重合体の層からなる場合、焼成工程は、疎水性重合体をミクロ細孔質層中で焼結させ、疎水性重合体を重合体層中で焼結させる。焼成工程は、300℃を超える温度で行うのが好適である。
【００２９】
本発明の別の実施態様では、重合体層が、転写基材上に支持されたミクロ細孔質層上ではなく、ガス拡散基材上に存在することができる。ミクロ細孔質層は、重合体層がミクロ細孔質層上ではなく、基材上に存在することを除いて、上記のように基材に転写され、重合体は、基材に結合するのではなく、ミクロ細孔質層に結合する。重合体層は、上記のように、接着剤の層または疎水性重合体の層からなることができる。さらに、本発明は、ミクロ細孔質層をガス拡散基材上に堆積させる方法であって、
a)転写基材上に支持されたミクロ細孔質層を用意し、該ミクロ細孔質層を、重合体層が上に存在するガス拡散基材の隣に、該ミクロ細孔質層が、該ガス拡散基材の該重合体層に隣接するように配置する工程、
b)該ミクロ細孔質層を該ガス拡散基材に、該重合体が該ミクロ細孔質層に結合するように圧迫する工程、
c)該転写基材を除去する工程、及び
d)焼成する工程
を含んでなる、方法を提供する。
【００３０】
ミクロ細孔質層、転写基材、ガス拡散基材及び好ましい処理条件は、上記の通りである。
【００３１】
本発明の方法を使用して調製されたミクロ細孔質層を支持するガス拡散基材は、先行技術の方法により調製されたガス拡散基材と異なり、厚さがより一様である。さらに、重合体層が接着剤層からなる場合、ミクロ細孔質層は、接着剤の残留物を含む(但し、これらの残留物は、燃料電池の機能に影響を及ぼさない)。従って、本発明は、ミクロ細孔質層が本発明の方法により施されているガス拡散基材をさらに提供する。ミクロ細孔質層は、ガス拡散基材に堅く接着しており、ガス拡散基材の繊維を効果的に覆っているが、ガス拡散基材の中にはあまり浸透していない。ミクロ細孔質層は、ガス拡散基材の厚さの10％未満、好ましくは5％未満、最も好ましくは1％未満しか浸透していないのが好適である。
【００３２】
ガス拡散基材上にあるミクロ細孔質層の特性は、転写基材上に存在する場合のミクロ細孔質層の特性と実質的に等しい。ミクロ細孔質層の厚さは、5μm〜100μmが好適であり、好ましくは10μm〜40μmである。より薄い層は、十分に平滑な層を形成しない(ガス拡散基材中の繊維が突き出る)ことがあり、より厚い層は、物質輸送の低下を引き起こすことがある。ミクロ細孔質層の厚さは、全長にわたって一様であり、層の最も薄い部分が、層の最も厚い部分の少なくとも50％厚く、好ましくは層の最も厚い部分の少なくとも75％厚く、最も好ましくは少なくとも90％厚いのが好適である。層の気孔率は、効果的な物質輸送を確保するには、70％を超えるのが好適である。ミクロ細孔質層中の細孔径は、好ましくは広い範囲、例えば10μmから5 nmまで、にわたる。
【００３３】
本発明は、上記のミクロ細孔質層をガス拡散基材上に堆積させる方法、及び電気触媒インクを該ミクロ細孔質層に塗布し、電気触媒層を形成する別工程を含んでなる、ガス拡散電極の製造方法をさらに提供する。
【００３４】
好適な電気触媒インクは、例えばヨーロッパ特許第731520号明細書に記載されており、典型的には、電気触媒及び重合体、例えばプロトン伝導性重合体、を溶剤、例えば水、中に含んでなる。このインクを、当業者には公知の方法、例えばスクリーン印刷、スプレー、K-バー方法またはドクターブレード技術、により塗布することができる。
【００３５】
本発明は、メンブラン電極アセンブリーの製造方法をさらに提供する。第一の方法では、ミクロ細孔質層を上記のようにガス拡散基材の上に堆積させ、次いで該ガス拡散基材を、触媒作用を付与したメンブランと、該メンブランの該触媒作用を付与した面が該ミクロ細孔質層と接触するように組み合わせる。第二の方法では、ガス拡散電極を上記のように調製し、次いで該ガス拡散電極をメンブランと組み合わせる。
【００３６】
ここで本発明を、本発明を制限しない例として説明する。
【００３７】
比較例1
Shawinigan(商品名)カーボンブラック、ポリテトラフルオロエチレン(炭素の重量に対して10重量％)及びメチルセルロース(水の重量に対して2重量％)を含む水性インクを調製した。このインクを、Freudenbergから市販のH-2135 T10A炭素繊維基材上にスクリーン印刷した。この基材を、300℃を超える温度に加熱した。この基材及びミクロ細孔質層の断面顕微鏡写真を図1に示す。
【００３８】
例1
比較例1で使用した水性インクを、Surfynol(商品名)S465界面活性剤(カーボンブラックの重量に対して0.5重量％)を加えて変性させた。水性インクの層及び接着剤(National Starchから市販のVinamul(商品名)8481)の層を、BOPP重合体の175μm層にカスケードコーティング方法で塗布した(水性インク層をBOPP重合体に直接塗布し、接着剤層を水性インク層に塗布した)。接着剤の量は、1〜2 g/m２であった。
【００３９】
接着剤層を、Freudenbergから市販のH-2135 T10A炭素繊維基材に隣接して配置し、ミクロ細孔質層を基材に、75〜100℃でプレス加工することにより、張り合わせた。BOPP重合体層を除去した。基材を300℃より上に加熱した。
【００４０】
この基材及びミクロ細孔質層の断面顕微鏡写真を図2に示す。この層は、図1に示す、比較例1により製造したミクロ細孔質層よりも、一様な厚さを有する。
【００４１】
例2
炭素繊維基材が、PTFEで処理したTorayから市販のTGP-60基材である以外は、例1を繰り返した。
【００４２】
この基材及びミクロ細孔質層の断面顕微鏡写真を図3に示す。この層は、図1に示す、比較例1により製造したミクロ細孔質層よりも、一様な厚さを有する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、比較例1で調製したミクロ細孔質層の断面顕微鏡写真である。
【図２】図２は、例1で調製したミクロ細孔質層の断面顕微鏡写真である。
【図３】図３は、例2で調製したミクロ細孔質層の断面顕微鏡写真である。
【図１】
2009525576.tif 000002
【図２】
2009525576.tif 000003
【図３】
2009525576.tif 000004
【国際調査報告】
2009525576.tif 000005
2009525576.tif 000006
2009525576.tif 000007