燃料电池用气体扩散电极基材的制作方法_5

文档序号:8270075阅读:来源:国知局
: 20 μ m,纵横比:1300,线型碳的一种)
[0143] ?薄片石墨"xGnP"(注册商标)夕U -卜'、M(XG寸彳工 > 只社制,平均粒径:5 μ m, 平均厚度:〇· 006 μ m,纵横比:830)
[0144] D :纵横比不包括在30?5000的范围内的碳系填料
[0145] ?乙炔黑"尹>力7''歹7夕"(注册商标)(电气化学工业(株)制,平均粒径: 0· 035 μπι,纵横比:1,炭黑的一种)
[0146] ?炉法炭黑"只少力 > "(注册商标)XC72C ( ?々求7卜社制,平均粒径:0· 030 μ m, 纵横比:1,炭黑的一种)
[0147] F:防水材
[0148] *PTFE树脂(使用作为包含PTFE树脂60质量份的水分散液的"步y 7 口 > "(注 册商标)PTFE 只A - ',3 y D-IE(久? >工业(株)制))
[0149] G:其它
[0150] ?表面活性剂"TRITON"(注册商标)X-100 (于力歹彳亍只夕(株)制)
[0151] (催化剂层侧)
[0152] 使用缝模涂布机(Slit Die Coater)在电极基材上形成面状的微孔层。这里所使 用的碳涂液使用了采用碳系填料、防水材、表面活性剂、精制水,以成为表1?4所示的以质 量份记载了配合量的碳涂液的组成的方式调制而得的碳涂液。另外,表1?4所示的PTFE 树脂的配合量不是PTFE树脂的水分散液的配合量,而是PTFE树脂本身的配合量。使用模 涂机将碳涂液涂覆于电极基材,然后在120°C加热10分钟,在380°C加热10分钟,形成了微 孔层。在使用防水加工方法B的电极基材的情况下,在防水材分布的指标大的一侧的面形 成了微孔层。在隔板侧配置微孔部的情况下,形成隔板侧的微孔部并进行干燥后形成了催 化剂层侧的微孔层。
[0153] (隔板侧)
[0154] 使用线宽0· 5mm、线间隔2mm的直线正交的格子状图案部分以外被树脂掩蔽了的 网版印刷版,在电极基材的隔板侧形成了面积率36%的格子状图案样式的微孔部。这里 所使用的碳涂液使用了采用作为碳系填料的薄片石墨与乙炔黑、防水材、表面活性剂、精制 水,以薄片石墨/乙炔黑/防水材/表面活性剂/精制水=5. 8质量份/1. 9质量份/2. 5 质量份/14质量份/75. 8质量份的方式调制而得的碳涂液。使用网版印刷板将碳涂液涂覆 于电极基材,然后在120°C加热10分钟,形成了微孔部。
[0155] <固体高分子型燃料电池的发电性能评价>
[0156] 通过依次添加铂担载碳(田中贵金属工业(株)制,铂担载量:50质量% ) I. 00g、 精制水I. 00g、"Nafion"(注册商标)溶液(Aldrich社制"Nafion"(注册商标)5. 0质 量% )8. 00g、异丙醇(于力7 <亍只夕社制)18. 00g,从而制成催化剂液。
[0157] 接下来在切割成7cmX7cm的"于7 口 > "(注册商标)PTFE带"Τ0ΜΒ0"(注册商 标)No. 9001(二(株)制)上,通过喷射来涂布催化剂液,在室温下进行干燥,制作 出带有铂量为〇. 3mg/cm2的催化剂层的PTFE片。接着,将切割成IOcmX IOcm的固体高分子 电解质膜"Nafion"(注册商标)NRE-211CS(DuPont社制)用两片带有催化剂层的PTFE片 夹着,一边采用平板压制机加压至5MPa-边在130°C压制5分钟,将催化剂层转印至固体高 分子电解质膜。压制后,剥去PTFE片,制作出带有催化剂层的固体高分子电解质膜。
[0158] 接下来,将带有催化剂层的固体高分子电解质膜用切割成7cmX7cm的两片气体 扩散电极基材夹着,一边采用平板压制机加压至3MPa-边在130°C压制5分钟,制作出膜电 极接合体。另外,气体扩散电极基材以使具有微孔层的面与催化剂层侧相接的方式配置。
[0159] 将所得的膜电极接合体装入至燃料电池评价用单电池中,测定使电流密度变化时 的电压。这里,作为隔板,使用了槽宽度1.5mm、槽深度I. Omm、肋宽度I. Imm的一条流路的 蛇型隔板。此外,阳极侧供给未加压的氢气,阴极侧供给未加压的空气,进行评价。另外,氢 气、空气都通过设定于70°C的加湿罐进行加湿。此外,氢气、空气中的氧气的利用率分别为 80%、67%〇
[0160] 首先,测定将运转温度设置为65°C、加湿温度设置为70°C、电流密度设置为2. 2A/ cm2的情况下的输出电压,作为耐溢流性(低温性能)的指标使用。
[0161] 接下来,将加湿温度设置为70°C、电流密度设置为I. 2A/cm2,将运转温度从80°C开 始保持5分钟,经5分钟反复上升I°C同时测定输出电压,求出能够发电的极限温度,作为耐 干涸性(高温性能)的指标使用。
[0162] <电阻的测定>
[0163] 气体扩散电极基材的电阻如下求出:将切割成2. 23mmX 2. 23mm的气体扩散电极 基材夹在两片镀金板之间施加 I. OMPa的一样的面压时,流通I. OA的电流,测定电阻并乘以 面积来求出。如果面压高,则气体扩散电极基材的结构被破坏而不能准确地测定电阻值,因 此优选以较低面压测定电阻并进行比较。在作为燃料电池用的气体扩散电极基材使用时, 电阻优选为9.0m Ω · cm2以下,更优选为7.5m Ω · cm2以下。
[0164] <与面垂直的透气抵抗的测定>
[0165] 关于气体扩散电极基材的与面垂直的透气抵抗,使用由气体扩散电极基材切出的 直径4. 7cm的圆形样品,采用差压计测定从微孔侧的面向其相反面以58cC/min/cm2的流速 使空气透过时的、微孔侧的面和其相反面的差压,作为与面垂直的透气抵抗。
[0166] <防水材分布的指标的测定>
[0167] 电极基材的防水材分布的指标如下求出。首先,使用通过离子束截面加工装置制 作的电极基材的厚度方向的截面观察用样品,在加速电压10kV、放大倍率400倍的条件下 进行扫描型电子显微镜(SEM)-EDX测定,获得厚度方向的截面的碳和氟的元素分布像。接 下来,将获得的厚度方向的截面的元素分布像在电极基材的一侧的面和其相反侧的面的中 间进行二等分,在配置微孔层的侧(微孔层侧)和其相反侧(隔板侧),分别算出氟的信号 强度的平均值相对于碳的信号强度的平均值的比率(F/C比),然后,算出微孔层侧的F/C比 相对于隔板侧的F/C比的比率(微孔层侧/隔板侧),作为防水剂分布的指标。作为扫描型 电子显微镜,使用(株)日立制作所制S-4800,作为能量分散型X射线分析装置,使用(株) 堀场制作所EX-220SE。关于气体扩散电极基材,也通过上述方法求出防水分布的指标。气 体扩散电极基材的截面中的电极基材的部分的识别使用在加速电压10kV、放大倍率400倍 的条件下拍摄到的扫描型电子显微镜像来进行。
[0168] (实施例1)
[0169] 按照<电极基材的制作>和<微孔层、微孔部的形成> 中记载的方法,获得了表1 所示的在电极基材的催化剂层侧具有包含特定纵横比的气相生长碳纤维的面状微孔层的 气体扩散电极基材。评价该气体扩散电极基材的发电性能,结果是输出电压为〇. 39V(运转 温度65°C、加湿温度70°C、电流密度2. 2A/cm2)、极限温度为90°C (加湿温度70°C、电流密 度I. 2A/cm2)、电阻为8. 6πιΩ · cm2,耐溢流性、耐干涸性、导电性都良好。
[0170] (实施例2)
[0171] 按照<电极基材的制作>和<微孔层、微孔部的形成> 中记载的方法,获得了表 1所示的在电极基材的催化剂层侧具有包含特定纵横比的气相生长碳纤维、乙炔黑的面状 微孔层的气体扩散电极基材。评价该气体扩散电极基材的发电性能,结果是输出电压为 0. 39V (运转温度65°C、加湿温度70°C、电流密度2. 2A/cm2)、极限温度为91°C (加湿温度 70°C、电流密度I. 2A/cm2)、电阻为8. 5πιΩ · cm2,耐溢流性、耐干涸性、导电性都良好。
[0172] (实施例3)
[0173] 按照<电极基材的制作>和<微孔层、微孔部的形成> 中记载的方法,获得了表 1所示的在电极基材的催化剂层侧具有包含特定纵横比的气相生长碳纤维、乙炔黑的面状 微孔层的气体扩散电极基材。评价该气体扩散电极基材的发电性能,结果是输出电压为 0. 40V (运转温度65°C、加湿温度70°C、电流密度2. 2A/cm2)、极限温度为92°C (加湿温度 70°C、电流密度I. 2A/cm2)、电阻为7. 5m Ω · cm2,耐溢流性和导电性极其良好,耐干涸性也 良好。测定涂布碳涂液之前的电极基材的截面的防水材分布,结果是防水材分布的指标为 1。 测定将碳涂液涂布、干燥之后气体扩散电极基材的截面的防水材分布,结果是防水材分 布的指标为1. 2。
[0174] (实施例4)
[0175] 按照<电极基材的制作>和<微孔层、微孔部的形成> 中记载的方法,获得了表 1所示的在电极基材的催化剂层侧具有包含特定纵横比的气相生长碳纤维、乙炔黑的面状 微孔层的气体扩散电极基材。评价该气体扩散电极基材的发电性能,结果是输出电压为 0. 38V (运转温度65°C、加湿温度70°C、电流密度2. 2A/cm2)、极限温度为90°C (加湿温度 70°C、电流密度I. 2A/cm2)、电阻为9. ΟπιΩ · cm2,耐溢流性、耐干涸性、导电性都良好。
[0176] (实施例5)
[0177] 按照<电极基材的制作>和<微孔层、微孔部的形成> 中记载的方法,获得了表 1所示的在电极基材的催化剂层侧具有包含特定纵横比的气相生长碳纤维、乙炔黑的面状 微孔层的气体扩散电极基材。评价该气体扩散电极基材的发电性能,结果是输出电压为 0. 40V (运转温度65°C、加湿温度70°C、电流密度2. 2A/cm2)、极限温度为92°C (加湿温度 70°C、电流密度I. 2A/cm2)、电阻为7. 4m Ω ·〇ιι2,耐溢流性和导电性极其良好,耐干涸性也良 好。
[0178] (实施例6)
[0179] 按照<电极基材的制作>和<微孔层、微孔部的形成> 中记载的方法,获得了表 1所示的在电极基材的催化剂层侧具有包含特定纵横比的多层碳纳米管、乙炔黑的面状 微孔层的气体扩散电极基材。评价该气体扩散电极基材的发电性能,结果是输出电压为 0. 41V (运转温度65°C、加湿温度70°C、电流密度2. 2A/cm2)、极限温度为92°C (加湿温度 70°C、电流密度I. 2A/cm2)、电阻为7. 3m Ω 耐溢流性和导电性极其良好,耐干涸性也良 好。
[0180] (实施例7)
[0181] 按照<电极基材的制作>和<微孔层、微孔部的形成> 中记载的方法,获得了表 1所示的在电极基材的催化剂层侧具有包含特定纵横比的气相生长碳纤维、炉法炭黑的面 状微孔层的气体扩散电极基材。评价该气体扩散电极基材的发电性能,结果是输出电压为 0. 40V (运转温度65°C、加湿温度7
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