(57)【要約】【課題】  燃料電池またはバッテリーのガス拡散層（ＧＤＬ）用のコーティングを提供すること。【解決手段】  このコーティングは、カーボン・ブラック、フルオロポリマー、および黒鉛粒子および炭素粒子のうちの一方の分散液を含有する。粒子のサイズは、カーボン・ブラックの粒子のサイズより実質上大きく、コーティングに構造上の統合性を与え、そのひび割れを最小限度に低減する。カーボン・ブラックの粒子のサイズは、約１３〜９５ｎｍの範囲内にある。炭素粒子は、チョップト・カーボン・ファイバ、炭素または黒鉛のフレークまたは小プレート、カーボン・ナノチューブ、カーボン・フィブリル、またはカーボン・ホイスカーであってもよい。炭素粒子は、大きな長さ／直径比を有することができる。【選択図】  図２
2006179263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池またはバッテリーのガス拡散層のためのコーティングであって、カーボン・ブラック、フルオロポリマー、および黒鉛または炭素粒子のうちの一方を含み、前記粒子の一部が、前記カーボン・ブラックよりサイズが実質上大きく、前記コーティングに構造上の統合性を与え、そのひび割れを最小限度に低減するコーティング。
【請求項２】
カーボン・ブラックの粒子のサイズが、約１３〜９５ｎｍの範囲内にある、請求項１に記載のコーティング。
【請求項３】
前記粒子がチョップト・カーボン・ファイバである、請求項１に記載のコーティング。
【請求項４】
前記粒子が炭素または黒鉛のフレークまたは小プレートである、請求項１に記載のコーティング。
【請求項５】
前記粒子がカーボン・ナノチューブである、請求項１に記載のコーティング。
【請求項６】
前記粒子がカーボン・フィブリルである、請求項１に記載のコーティング。
【請求項７】
前記粒子がカーボン・ホイスカーである、請求項１に記載のコーティング。
【請求項８】
前記粒子が大きな長さ／直径比を有する、請求項１に記載のコーティング。
【請求項９】
燃料電池またはバッテリーのＧＤＬ基板をコーティングするための方法であって、
カーボン・ブラック、フルオロポリマー、および黒鉛または炭素粒子のうちの一方の分散液を調製するステップと、
前記分散液を前記基板をコーティングするために前記基板に塗布するステップとを含み、
前記粒子が、前記カーボン・ブラックよりサイズが実質上大きく、前記コーティングに構造上の統合性を与え、そのひび割れを最小限度に低減する方法。
【請求項１０】
カーボン・ブラックの粒子のサイズが、約１３〜９５ｎｍの範囲内にある、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記粒子がチョップト・カーボン・ファイバである、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記粒子が炭素または黒鉛のフレークまたは小プレートである、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記粒子がカーボン・ナノチューブである、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記粒子がカーボン・フィブリルである、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記粒子がカーボン・ホイスカーである、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記粒子が大きな長さ／直径比を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
燃料電池またはバッテリーで使用するための物品であって、前記物品が、カーボン・ブラック、フルオロポリマー、および黒鉛または炭素粒子のうちの一方を含む分散液でコーティングされている基板を有するＧＤＬであり、前記粒子の一部が、前記カーボン・ブラックよりサイズが実質上大きく、前記コーティングに構造上の統合性を与え、そのひび割れを最小限度に低減する物品。
【請求項１８】
カーボン・ブラックの粒子のサイズが、約１３〜９５ｎｍの範囲内にある、請求項１７に記載の物品。
【請求項１９】
前記粒子が、チョップト・カーボン・ファイバである、請求項１７に記載の物品。
【請求項２０】
前記粒子が炭素または黒鉛のフレークまたは小プレートである、請求項１７に記載の物品。
【請求項２１】
前記粒子がカーボン・ナノチューブである、請求項１７に記載の物品。
【請求項２２】
前記粒子がカーボン・フィブリルである、請求項１７に記載の物品。
【請求項２３】
前記粒子がカーボン・ホイスカーである、請求項１７に記載の物品。
【請求項２４】
前記粒子が大きな長さ／直径比を有する、請求項１７に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素または黒鉛粒子を含む燃料電池またはバッテリーのガス拡散層または電極の表面に塗布するコーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
織っていないまたは織った形の炭素繊維であってもよい燃料電池またはバッテリーのガス拡散層（「ＧＤＬ」）は、一般的に、燃料電池内のＧＤＬと膜またはバイポーラ・プレートとの間に電気接点を形成するために、１つまたはそれ以上の側面をある物質と一緒にコーティングされる。このようなコーティングは、カーボン・ブラック（アセチレン・ブラックまたは無定型ブラックとも呼ばれる）およびテフロン（登録商標）のようなフルオロポリマーの混合物から製造することができる。強化導電性のような所望の特性を制御し、触媒をサポートするための種々のサイズの粒子のような他の材料も含むことができる。
【０００３】
燃料電池またはバッテリーの燃料効率を高めるために、コーティングのサイズおよび多孔性を制御しなければならない。多孔性は、触媒および膜への燃料の流れを制御するもう１つの経路の形成、膜の近くの水の量の調整、触媒自身のサポートを含む種々の機能に影響を与える。
【０００４】
コーティングは、固体の含有量の少ない水性分散液により形成される。大量の流体を除去する場合には、ひび割れ（「泥ひび割れ」）が、ＧＤＬの表面上のコーティングで頻繁に発生する。典型的なひび割れは、裸の基板を露出している硬化膜の破損部分からなるコーティングの欠陥を含む。このコーティングの欠陥は、通常、コーティングが非常に脆いか、または基板への接着力が非常に弱い場合に、コーティングした基板の製造中に発生する。ＧＤＬ基板の表面上にもっと厚いコーティングを行う場合には、ひび割れはもっと顕著になる。ひび割れの程度がひどくなればなるほど、その機能のうちのいくつかを行うためのＧＤＬの効果が低減する。図１は、ＧＤＬの表面のコーティングのこのようなひび割れの一例を示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
バインダの増量、乾燥速度の制御、連続的な薄いパス・コーティングおよび固体の増量のようなコーティングのひび割れを除去するための方法が従来使用されてきたが成功しなかった。バインダを増量しても、この用途の場合ひび割れの防止に効果がなかった。当然効果があると思われる乾燥速度を実行するのは実際には不可能であった。パス・コーティングをあまり薄くすることもできなかったし、固体を増量することもできなかった。何故なら、そうするとコーティング・プロセスが阻害されるからである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ひび割れを最小限度に低減する燃料電池またはバッテリーのガス拡散層または電極に対するコーティングを提供する。このコーティングは、カーボン・ブラック、フルオロポリマー、および黒鉛粒子および炭素粒子のうちの一方の水性分散液からなる。ほとんどの粒子のサイズは、例えば、約１３〜９５ｎｍの範囲内のカーボン・ブラックの粒子のサイズより実質上大きい。炭素粒子は、切断またはチョップト・カーボン・ファイバ（ｃｈｏｐｐｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｆｉｂｅｒ）、炭素または黒鉛のフレークまたは小プレート（ｐｌａｔｅｌｅｔ）、カーボン・ナノチューブ、カーボン・フィブリル、またはカーボン・ホイスカーであってもよい。
【０００７】
炭素粒子の長さ対直径比は大きくてもよい。
【０００８】
対応する構成要素が同じ参照番号で示してある添付の図面を参照しながら、図の実施形態の下記の詳細な説明を読めば、本発明の他の特徴および利点を理解することができるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の場合、水性分散液が、バッテリーまたは燃料電池（メタノール・タイプの燃料電池など）のＧＤＬの基板にコーティングとして塗布される。この分散液は、カーボン・ブラック、フルオロポリマー、および炭素または黒鉛粒子を含むことができ、界面活性剤を含むこともできる。カーボン・ブラックに対するフルオロポリマーの比率は、重量で５／９５〜７０／３０の範囲内に入る。粒子は、全コーティング重量の２５％〜７０％を含むことができる。これらの粒子を追加すると、構造上の統合性を高め、粘度を増大しないで分散液の固体の含有量を増大することができる。その結果、本発明のコーティングはＧＤＬのコーティング層のひび割れを最小限度まで低減する。
【００１０】
カーボン・ブラックは、天然の炭化水素を熱分解することにより作られた黒くて無定型な炭素顔料である。一般的に、３つの異なるタイプのカーボン・ブラックがある（すなわち、ファーネス・ブラック、チャネル・ブラックおよびランプ・ブラックである）。その公称純度は、ほぼ９８．５％〜９９．６％である。カーボン・ブラック粒子のサイズは、１３ｎｍ〜９５ｎｍ程度である。カーボン・ブラックは球形のものであってもよい。
【００１１】
大部分の粒子のサイズは、カーボン・ブラックの粒子のサイズより実質上大きくてもよい。粒子は、その直径より大きい長さを有することができる。直径に対する長さの比率は１．５〜１００００の範囲内である。粒子は、切断した炭素または黒鉛の繊維、炭素または黒鉛のフレークまたは小プレート、炭素または黒鉛のナノチューブ、炭素または黒鉛のフィブリル、または炭素または黒鉛のホイスカーのような短い長さの繊維を含むことができる。繊維の直径は６〜２０ミクロンであり、繊維の長さは１０〜５００ミクロンである。フレークまたは小プレートの長さは１〜５００ミクロンである。ナノチューブ、フィブリルおよびホイスカーの直径は５〜１００ｎｍであり、長さは５から数百ミクロンである。コーティングの化合物としてこれらの繊維を導入すると、乾燥中の泥ひび割れは最小限度に低減する。
【００１２】
図２は、チョップト・カーボン・ファイバを含むＧＤＬの表面上のコーティングを示す。この図を見れば分かるように、コーティングには目に見えるひび割れは認められない。
【００１３】
コーティングでのひび割れの発生を防止する他に、粒子を導入するとコーティングの導電性を改善することができる。
【００１４】
ＧＤＬ基板は、長さが短くてもよい繊維状炭素プリフォーム、紙、一方向テープ、編んだものを含む織ったおよび織っていない組織（織布及び不織布）、およびスティッチ・ボンデド多軸組織から作ることができる。コーティングは、ディップ・コーティング、ドクター・ブレード、ナイフ、スプレー、ロールまたはスロットのような種々の技術で塗布することができる。
【００１５】
電極は、隣接するセル内に挿入することができる１つの曲がった片であってもよい。別の方法としては、電極を２つの片から作り、２つの接続した片が１つの電極として機能するように接続することもできる。イオンが膜を通過することができるように、電極間に膜を設けることができる。
【００１６】
図３は、燃料電池１００の略図である。燃料電池１００は、とりわけ、図３に示すように配置されている、電流収集装置１０２、ガス通路１０４、ＧＤＬ１０５、触媒層１０６、およびプロトン交換膜１０７を含むことができる。
【００１７】
それ故、粒子を導入すると、ＧＤＬ基板に対して調製したコーティングのひび割れの量を有意に低減することができる。これらの粒子により、３００ｇ／ｍ２までの全コーティング量を最小の数のひび割れで塗布することができる。メタノール燃料電池は、水素を燃料とする燃料電池より厚いコーティングを必要とするので、上記混合物は、メタノール燃料電池の場合に特に有利である。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態およびその変形形態について詳細に説明してきたが、本発明は、これらの実施形態そのものおよびその変形形態に限定されないこと、および当業者なら特許請求の範囲に記載する本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、他の種々の修正および変更を行うことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ひび割れを有するガス拡散層組織上のコーティングの図面である。
【図２】本発明のある実施形態によるガス拡散層組織上のコーティングの図面である。
【図３】本発明のコーティングを塗布することができる燃料電池の一例の図面である。
【符号の説明】
【００２０】
１００  燃料電池
１０２  電流収集装置
１０４  ガス通路
１０５  ＧＤＬ
１０６  触媒層
１０７  プロトン交換膜
【図１】
2006179263.tif 000003
【図２】
2006179263.tif 000004
【図３】
2006179263.tif 000005