JP2008277094A - Diffusion layer for fuel cell and method for producing the same, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【目的】膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる燃料電池用拡散層、膜−電極接合体、及びそれを用いた燃料電池を提供する。
【構成】本発明の燃料電池用拡散層1は、導電性及びガス透過性を有する拡散層基材10の両面にカーボンと撥水性樹脂とを含む多孔性のマイクロポーラス層11a、11bが形成されており、さらにマイクロポーラス層11a上に反応層12が形成されている。マイクロポーラス層11a、11bに含まれているカーボンは、有機湿潤ゲル化物を得る工程S1と、該有機湿潤ゲル化物を粉砕してゲル粉末とする粉砕工程S2と、該ゲル粉末を水溶性有機溶媒と接触させて溶媒置換を行う溶媒置換工程S3と、溶媒置換された該ゲル粉末を超臨界乾燥してゲル乾燥粉末を得る超臨界乾燥工程S4と、該ゲル乾燥粉末を熱分解してカーボンエアロゲル粉末とする熱分解工程S5とを経て得られたカーボンエアロゲル粉末である。
【選択図】図1[Objective] To provide a diffusion layer for a fuel cell that can highly prevent the membrane-electrode assembly from drying, a membrane-electrode assembly, and a fuel cell using the same.
[Structure] The fuel cell diffusion layer 1 of the present invention has porous microporous layers 11a and 11b containing carbon and a water repellent resin on both surfaces of a diffusion layer substrate 10 having conductivity and gas permeability. Further, a reaction layer 12 is formed on the microporous layer 11a. The carbon contained in the microporous layers 11a and 11b includes a step S1 for obtaining an organic wet gelled product, a pulverizing step S2 for crushing the organic wet gelled product to obtain a gel powder, and the gel powder as a water-soluble organic solvent. A solvent replacement step S3 in which the solvent replacement is performed by contacting the gel, a supercritical drying step S4 in which the solvent-substituted gel powder is supercritically dried to obtain a gel dry powder, and the gel aerogel is obtained by pyrolyzing the gel dry powder. It is the carbon airgel powder obtained through thermal decomposition process S5 made into powder.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は燃料電池用拡散層及びその製造方法、膜−電極接合体並びに燃料電池に関し、固体高分子燃料電池に用いて好適である。 The present invention relates to a diffusion layer for a fuel cell, a production method thereof, a membrane-electrode assembly, and a fuel cell, and is suitable for use in a solid polymer fuel cell.
固体高分子型燃料電池は、高分子電解質からなる膜が触媒層で挟まれ、さらにその触媒層の外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層で挟まれた膜−電極接合体を備えている。触媒層は、白金等の触媒を担持してなるカーボン粒子と、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupont社製)、以下同じ)等の高分子固体電解質が混合されている。そして、膜−電極接合体の両面は、空気や水素のガス流路を備えたセパレータで挟持されて単位セルが構成され、さらにこの単位セルが複数積層されたスタックが形成されている。 A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane-electrode assembly in which a membrane made of a polymer electrolyte is sandwiched between catalyst layers, and the outside of the catalyst layer is sandwiched between diffusion layers that play a role of current collection and gas diffusion. ing. The catalyst layer is a mixture of carbon particles carrying a catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte such as Nafion (registered trademark, Nafion (manufactured by Dupont), hereinafter the same). The both surfaces of the membrane-electrode assembly are sandwiched by separators having air or hydrogen gas flow paths to form unit cells, and a stack in which a plurality of unit cells are stacked is formed.
この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
アノード側:H2 → 2H++2e−
カソード側:1/2O2+2H++2e− → H2O
全反応 :H2+1/2O2 → H2O
すなわち、水素がアノード側のセパレータのガス流路に供給され、拡散層を通って触媒層に供給される。そして、触媒層での電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら触媒層および高分子固体電解質内を移動し、カソード側に達する。
一方、カソード側に供給された酸素は、オキソニウムイオンと結合し、水が生成する。
In this polymer electrolyte fuel cell, the following electrochemical reaction is performed.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
Total reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
That is, hydrogen is supplied to the gas flow path of the separator on the anode side, and supplied to the catalyst layer through the diffusion layer. Then, hydrogen is oxidized by the electrochemical reaction in the catalyst layer to generate protons and electrons. The protons thus generated move in the catalyst layer and the polymer solid electrolyte while drawing water in the form of oxonium ions, and reach the cathode side.
On the other hand, oxygen supplied to the cathode side combines with oxonium ions to generate water.
以上のように、固体高分子型燃料電池では、アノード側からカソード側に向かって水が移動するため、アノード側では膜−電極接合体が乾燥しやすくなり、燃料電池の内部抵抗が大きくなり、燃料電池の出力の低下原因となる。一方、カソード側ではアノード側から水が供給されるが、燃料電池自体の発熱によって水の蒸気圧は高くなっており、セパレータのガス流路を流れる酸化ガスによって蒸発した水が多量に持ち去られるため、カソード側においても膜−電極接合体が乾燥状態になることがある。 As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, since water moves from the anode side toward the cathode side, the membrane-electrode assembly is easily dried on the anode side, and the internal resistance of the fuel cell increases. This will cause a decrease in the output of the fuel cell. On the other hand, water is supplied from the anode side on the cathode side, but the vapor pressure of water is increased due to the heat generation of the fuel cell itself, and a large amount of water evaporated by the oxidizing gas flowing through the gas flow path of the separator is taken away. Even on the cathode side, the membrane-electrode assembly may be in a dry state.
膜−電極接合体を構成する固体高分子電解質膜が乾燥した場合には、プロトン導電性が低下し、燃料電池の内部抵抗が大きくなる。また、電極反応には水が必要とされるため、反応層が乾燥した場合には、電極反応が困難となる。このため、膜−電極接合体を冷却して水の蒸気圧を小さくしたり、反応ガスを加湿したりして、膜−電極接合体の乾燥を防ぐことが行われている。しかし、このためには冷却装置や加湿装置が必要となるため、構造が複雑化、大型化し、製造コストも高騰化するという問題があった。また、燃料電池によって発電された電力の一部で冷却装置や加湿装置を作動させるため、エネルギー効率が悪くなるという問題もあった。 When the solid polymer electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly is dried, proton conductivity is lowered and the internal resistance of the fuel cell is increased. Moreover, since water is required for the electrode reaction, the electrode reaction becomes difficult when the reaction layer is dried. For this reason, the membrane-electrode assembly is cooled to reduce the vapor pressure of water, or the reaction gas is humidified to prevent the membrane-electrode assembly from drying. However, this requires a cooling device and a humidifying device, which has the problem that the structure becomes complicated and large, and the manufacturing cost increases. Further, since the cooling device and the humidifying device are operated by a part of the electric power generated by the fuel cell, there is a problem that the energy efficiency is deteriorated.
この点、空冷式無加湿の固体高分子型燃料電池であれば、酸化ガスとして供給する空気で冷却も行うため、冷却装置が不要となる。しかし、空冷式の固体高分子型燃料電池では、酸化ガスの流量を大きくすることによって膜−電極接合体を冷却するため、酸化ガスによって持ち去られる水の量が増加し、膜−電極接合体が乾燥状態となりやすい。 In this regard, in the case of an air-cooled non-humidified solid polymer fuel cell, cooling is also performed with air supplied as an oxidizing gas, so that a cooling device is not necessary. However, in the air-cooled polymer electrolyte fuel cell, the membrane-electrode assembly is cooled by increasing the flow rate of the oxidizing gas, so that the amount of water carried away by the oxidizing gas increases, and the membrane-electrode assembly is Easily dry.
また、固体高分子型燃料電池における膜−電極接合体の乾燥を防止する方法として、拡散層の反応層と接する側又は拡散層の両面に導電性の撥水層を設けることも提案されている(特許文献1)。この導電性撥水層付き拡散層を用いた燃料電池では、反応層に存在する水が導電性撥水層によってはじかれて通過が困難となるため、乾燥し難く、酸化ガスを加湿しなくても、発電効率がそれほど低下しないとされている。 In addition, as a method for preventing the membrane-electrode assembly from drying in a polymer electrolyte fuel cell, it has also been proposed to provide a conductive water-repellent layer on the side of the diffusion layer that contacts the reaction layer or on both sides of the diffusion layer. (Patent Document 1). In the fuel cell using the diffusion layer with the conductive water-repellent layer, the water present in the reaction layer is repelled by the conductive water-repellent layer, making it difficult for the water to pass through. However, it is said that the power generation efficiency does not decrease so much.
一方、本発明に関連する背景技術として、ジヒドロキシベンゼンとホルムアルデヒドとの重合物を出発物質として製造されるカーボンエアロゲルが知られている(特許文献2)。このカーボンエアロゲルは、図19に示す工程によって製造される。すなわち、まず重合工程S91として、レゾルシノールやカテコール等のジヒドロキシベンゼンとホルムアルデヒドとを炭酸ナトリウムの存在下で重合して有機湿潤ゲル化物を得る。次に、溶媒置換工程S92として、ゲル化物をメタノールやアセトン等の水溶性有機溶媒で洗浄し、ゲル化物に含まれている水分を水溶性溶媒と溶媒置換する。さらに、超臨界乾燥工程S93として、溶媒置換されたゲル化物をステンレス製の圧力容器に入れ、CO2を導入し、超臨界状態となるよう圧力と温度を調節し、その後ゆっくりとCO2を排出させることによって、CO2を気相条件へ移行させて超臨界乾燥を行う。こうして乾燥したゲル化物は、網目構造を形成している一次粒子の粒子径が0.1μm以下の粒子からなり、嵩密度も100mg/mlと極めて小さくなっている。これは、超臨界乾燥では通常の乾燥と異なり、毛管力による収縮を伴わずに乾燥するため、重合工程S1におけるホルムアルデヒドによる架橋によって形成された細孔構造が、破壊されることなくそのままの状態で残るからと考えられる。そして、熱分解工程S94として、上記の乾燥されたゲル化物を窒素雰囲気下で高温にして炭化物の塊を得る。こうして得られた炭化物は、炭化する前の細孔構造が保たれている。最後に、粉砕工程S95として上記炭化物の塊を粉砕機で粉砕し、カーボンエアロゲル粉末を得る。 On the other hand, as a background art related to the present invention, a carbon aerogel produced using a polymer of dihydroxybenzene and formaldehyde as a starting material is known (Patent Document 2). This carbon aerogel is manufactured by the process shown in FIG. That is, as polymerization step S91, dihydroxybenzene such as resorcinol and catechol and formaldehyde are polymerized in the presence of sodium carbonate to obtain an organic wet gelled product. Next, as a solvent replacement step S92, the gelled product is washed with a water-soluble organic solvent such as methanol or acetone, and the water contained in the gelled product is replaced with a water-soluble solvent. Furthermore, as a supercritical drying step S93, the solvent-substituted gelled product is put into a stainless steel pressure vessel, CO 2 is introduced, the pressure and temperature are adjusted so as to be in a supercritical state, and then CO 2 is slowly discharged. In this way, CO 2 is transferred to gas phase conditions to perform supercritical drying. The gelled product thus dried is composed of particles whose primary particles forming a network structure have a particle size of 0.1 μm or less, and the bulk density is as extremely low as 100 mg / ml. This is because in supercritical drying, unlike normal drying, drying does not involve shrinkage due to capillary force, so that the pore structure formed by crosslinking with formaldehyde in the polymerization step S1 remains intact without being destroyed. It is thought that it remains. Then, as the pyrolysis step S94, the dried gelled product is heated to a high temperature under a nitrogen atmosphere to obtain a carbide lump. The carbide thus obtained maintains the pore structure before carbonization. Finally, in the pulverization step S95, the above-mentioned carbide mass is pulverized by a pulverizer to obtain a carbon airgel powder.
こうして得られた、カーボンエアロゲル粉末は、粒子径を極めて小さくすることができるため、高分子電解質型燃料電池における電極として使用した場合、電極の厚さを薄くすることができる。また、乾燥したゲル化物の熱分解によって得られた炭化物は細孔構造を有しているため、これを粉砕して得られたカーボンエアロゲルも優れたガス透過性を有することが期待される。このため、カーボンエアロゲルを高分子電解質型燃料電池の電極として用いることも提案されている(特許文献3)。 Since the carbon airgel powder thus obtained can have a very small particle size, when used as an electrode in a polymer electrolyte fuel cell, the thickness of the electrode can be reduced. Further, since the carbide obtained by pyrolysis of the dried gelled product has a pore structure, the carbon aerogel obtained by pulverizing the carbide is expected to have excellent gas permeability. For this reason, it has also been proposed to use carbon aerogel as an electrode of a polymer electrolyte fuel cell (Patent Document 3).
さらには、カーボンエアロゲル粉末の製造方法として、重合工程S91で得られた有機湿潤ゲル化物を粉砕してから乾燥することを特徴とするカーボンエアロゲル粉末の製造法に関する技術も知られている(特許文献4)。この方法で製造されたカーボンエアロゲル粉末は、カーボンエアロゲルの細孔分布が保たれているという特性を有している。
上記特許文献1に記載の燃料電池は、加湿器を必要としないとされているが、それにはメタノール改質器を備えていることが要件とされている。メタノール改質器から得られる水素には多量の水蒸気が含まれているため、たとえ反応ガスを加湿器で加湿しなかったとしても、水素と一緒に供給される水蒸気によって膜−電極接合体に水が供給される。
The fuel cell described in
しかし、メタノール改質器を備えるためには、やはり装置が複雑化、大型化し、製造コストも高騰化することとなる。このため、加湿器や冷却装置やメタノール改質器がなくても駆動可能な、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる拡散層が求められていた。 However, in order to provide a methanol reformer, the apparatus becomes complicated and large, and the manufacturing cost increases. For this reason, there has been a demand for a diffusion layer that can be driven without a humidifier, a cooling device, or a methanol reformer and can highly prevent drying of the membrane-electrode assembly.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる燃料電池用拡散層、膜−電極接合体、及びそれを用いた燃料電池を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and is a fuel cell diffusion layer capable of highly preventing the drying of the membrane-electrode assembly, the membrane-electrode assembly, and a fuel using the same. Providing a battery is an issue to be solved.
発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を行った。その結果、導電性及びガス透過性を有する拡散層基材の両面にカーボンと撥水性樹脂とを含む多孔性のマイクロポーラス層が形成された燃料電池用拡散層において、カーボンエアロゲルの細孔構造がそのまま保たれたカーボンエアロゲル粉末(特許文献4参照)を用いることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, in the diffusion layer for a fuel cell in which a porous microporous layer containing carbon and a water-repellent resin is formed on both surfaces of a diffusion layer base material having conductivity and gas permeability, the pore structure of the carbon airgel is The present inventors have found that the above problems can be solved by using a carbon airgel powder kept as it is (see Patent Document 4), and have completed the present invention.
すなわち、本発明の第1の局面の燃料電池用拡散層は、
導電性及びガス透過性を有する拡散層基材の両面にカーボンと撥水性樹脂とを含む多孔性のマイクロポーラス層が形成された燃料電池用拡散層であって、
前記カーボンは、
有機湿潤ゲル化物を得る工程と、
該有機湿潤ゲル化物を粉砕してゲル粉末とする粉砕工程と、
該ゲル粉末を水溶性有機溶媒と接触させて溶媒置換を行う溶媒置換工程と、
溶媒置換された該ゲル粉末を超臨界乾燥してゲル乾燥粉末を得る超臨界乾燥工程と、
該ゲル乾燥粉末を熱分解してカーボンエアロゲル粉末とする熱分解工程とを経て得られたカーボンエアロゲル粉末であることを特徴とする。
That is, the fuel cell diffusion layer according to the first aspect of the present invention comprises:
A diffusion layer for a fuel cell in which a porous microporous layer containing carbon and a water repellent resin is formed on both surfaces of a diffusion layer base material having conductivity and gas permeability,
The carbon is
Obtaining an organic wet gelled product;
A pulverizing step of pulverizing the organic wet gelled product to form a gel powder;
A solvent replacement step of contacting the gel powder with a water-soluble organic solvent to perform solvent replacement;
A supercritical drying step of obtaining a gel dry powder by supercritical drying the solvent-substituted gel powder;
It is a carbon aerogel powder obtained through a pyrolysis step in which the gel dry powder is pyrolyzed to obtain a carbon aerogel powder.
かかるカーボンエアロゲル粉末は、有機湿潤ゲル化物を粉砕工程において粉砕してから溶媒置換される。このため、ゲル化物の細孔に水が含まれた状態で粉砕されることとなり、乾燥状態での粉砕に比べて、水のクッション効果によって細孔が保護され、破壊され難くなる。このため、こうして得られたカーボンエアロゲル粉末は、ゲル化物の細孔構造を反映した細孔構造が保たれており、優れたガス透過性を有する。このため、拡散層基材の両面に、このカーボンエアロゲル粉末と撥水性樹脂とを混合して多孔性のマイクロポーラス層を形成して燃料電池用拡散層とした場合、マイクロポーラス層は優れたガス透過性を有する。
その一方、このマイクロポーラス層は、以下に示す理由から、水が透過し難いものとなる。すなわち、水がマイクロポーラス層を通過する場合に必要とされる水圧ΔPは、次式(1)で示される。
On the other hand, this microporous layer is difficult to permeate water for the following reasons. That is, the water pressure ΔP required when water passes through the microporous layer is expressed by the following equation (1).
第2の局面の発明によれば、有機湿潤ゲル化物をポリヒドロキシベンゼンとホルムアルデヒドとを塩基触媒存在下で重合させて得られるものとした。
ここに、ポリヒドロキシベンゼンとは、ベンゼン環に2個以上の水酸基を有する化合物を意味する。このような化合物は、ホルムアルデヒドと容易に重合して網目状の構造をとり、細孔構造を形成することができる。
According to the invention of the second aspect, the organic wet gelled product is obtained by polymerizing polyhydroxybenzene and formaldehyde in the presence of a base catalyst.
Here, polyhydroxybenzene means a compound having two or more hydroxyl groups in the benzene ring. Such a compound can be easily polymerized with formaldehyde to form a network structure and form a pore structure.
第3の局面の発明によれば、ポリヒドロキシベンゼンとしてジヒドロキシベンゼン及び/又はジヒドロキシベンゼン誘導体を採用する。
ポリヒドロキシベンゼンの中でもジヒドロキシベンゼンやジヒドロキシベンゼン誘導体は、比較的安定な化合物であるため、取り扱いやすく好適である。
ジヒドロキシベンゼンとして特に好適なのはレゾルシノールである。よって、第4の局面の発明として、ジヒドロキシベンゼンとしてレゾルシノールを採用した。
According to the invention of the third aspect, dihydroxybenzene and / or a dihydroxybenzene derivative is employed as the polyhydroxybenzene.
Among polyhydroxybenzenes, dihydroxybenzene and dihydroxybenzene derivatives are relatively stable compounds, and are therefore easy to handle and suitable.
Particularly preferred as dihydroxybenzene is resorcinol. Therefore, as the invention of the fourth aspect, resorcinol was adopted as dihydroxybenzene.
第5の局面の発明によれば、溶媒置換工程において用いる水溶性有機溶媒は、メタノール、アセトン、酢酸アミルの1種又は2種以上の混合溶媒を採用した。
溶媒置換工程において用いる水溶性有機溶媒は、メタノール、アセトン、酢酸アミルの1種又は2種以上の混合溶媒であることが好ましい。こうであれば、ゲル化物に含まれている水を溶媒と容易に置換することができる。
According to the fifth aspect of the invention, the water-soluble organic solvent used in the solvent replacement step employs one or more mixed solvents of methanol, acetone, and amyl acetate.
The water-soluble organic solvent used in the solvent replacement step is preferably a mixed solvent of one or more of methanol, acetone and amyl acetate. In this case, water contained in the gelled product can be easily replaced with a solvent.
第6の局面の発明によれば、粉砕工程における有機湿潤ゲル化物の粉砕はメディアを用いた粉砕方法て行うこととした。
本発明者らの試験結果によれば、メディアを用いて有機湿潤ゲル化物の粉砕を行えば、メディアの径や粉砕時間等の粉砕条件を適宜選択することによって、カーボンエアロゲルの粒子径を制御し、細孔構造を保持することができる。このため、用途に応じた、所望の特性のカーボンエアロゲルを得ることができる。
なお、メディアを用いて粉砕工程を行う前に、前もってメディアを用いない他の粉砕方法(例えば、ホモジナイザーやメディアを用いない回転式粉砕機による粉砕方法等)を行うことももちろん可能である。粉砕工程の最終段階でメディアを用いて粉砕工程を行えば、カーボンエアロゲルの粒子径を制御し、細孔構造を保持することはできるからである。
また、メディアの材料について特に限定はなく、安定化ジルコニア、アルミナ、メノウ、石英等を用いることができる。メディアの微粉末がカーボンエアロゲル粉末の中に不純物として入るおそれもあるため、カーボンエアロゲル粉末の用途に応じて、悪影響を与えることのないメディア材料を適宜選択することが好ましい。
According to the invention of the sixth aspect, the pulverization of the organic wet gelled product in the pulverization step is performed by a pulverization method using a medium.
According to the test results of the present inventors, when the organic wet gelled material is pulverized using a medium, the particle diameter of the carbon aerogel is controlled by appropriately selecting the pulverization conditions such as the diameter of the medium and the pulverization time. , The pore structure can be retained. For this reason, the carbon airgel of the desired characteristic according to a use can be obtained.
Of course, other pulverization methods that do not use media in advance (for example, a pulverization method using a rotary pulverizer that does not use a homogenizer or media) can be performed before performing the pulverization step using media. This is because if the pulverization process is performed using media at the final stage of the pulverization process, the particle size of the carbon airgel can be controlled and the pore structure can be maintained.
Moreover, there is no limitation in particular about the material of media, Stabilized zirconia, an alumina, agate, quartz etc. can be used. Since the fine powder of media may enter the carbon airgel powder as an impurity, it is preferable to appropriately select a media material that does not have an adverse effect depending on the use of the carbon airgel powder.
第7の局面の発明によれば、メディアの径を5mm以下とした。
本発明者らの試験結果によれば、メディアの径を5mm以下とすれば、粒子径が小さいゲル粉末を得ることができ、その細孔構造も破壊されにくい。このため、最終的に得られるカーボンエアロゲル粉末の粒子径も小さく、かつ有機湿潤ゲル化物の細孔構造が保たれたものとすることができる。さらに好ましいのは、0.65mm以下の径のメディアである。
According to the seventh aspect of the invention, the diameter of the media is 5 mm or less.
According to the test results of the present inventors, when the diameter of the media is 5 mm or less, a gel powder having a small particle diameter can be obtained, and the pore structure is not easily destroyed. For this reason, the particle diameter of the carbon airgel powder finally obtained can be small, and the pore structure of the organic wet gelled product can be maintained. More preferable is a medium having a diameter of 0.65 mm or less.
第8の局面の発明によれば、粉砕工程は少なくともメディアの径及び粉砕時間を制御して行うこととした。
本発明者らの試験結果によれば、本発明で得られるカーボンエアロゲル粉末の粒子径及び細孔分布は、メディアの径及び粉砕時間と密接に関係することが見出されている。このため、メディアの径及び粉砕時間を制御して粉砕工程を行えば、用途に応じた、所望の特性のカーボンエアロゲルを再現性良く得ることができる。
According to the invention of the eighth aspect, the pulverization step is performed by controlling at least the diameter of the media and the pulverization time.
According to the test results of the present inventors, it has been found that the particle diameter and pore distribution of the carbon airgel powder obtained by the present invention are closely related to the diameter of the media and the grinding time. For this reason, if the grinding | pulverization process is performed by controlling the diameter and grinding | pulverization time of a medium, the carbon airgel of the desired characteristic according to a use can be obtained with sufficient reproducibility.
第9の局面の発明によれば、マイクロポーラス層の細孔径は2〜30nmであることとした。細孔径が2〜30nmであれば、水がマイクロポーラス層を通過する場合に必要とされる水圧ΔPはきわめて大きくなり、マイクロポーラス層の水の通過が極めて困難となり、膜−電極接合体の乾燥を確実に防止することができる。 According to the ninth aspect of the invention, the microporous layer has a pore diameter of 2 to 30 nm. If the pore diameter is 2 to 30 nm, the water pressure ΔP required when water passes through the microporous layer becomes very large, making it very difficult to pass water through the microporous layer, and drying the membrane-electrode assembly. Can be reliably prevented.
第10の局面の発明によれば、マイクロポーラス層はカーボンエアロゲル粉末を5〜95重量%含有することとした。カーボンエアロゲル粉末の含有量が5%未満ではマイクロポーラス層の導電性が低下して、燃料電池の内部抵抗が上昇し、発熱による無駄なエネルギーを消費することとなる。また、カーボンエアロゲル粉末を95重量%以上とすると、撥水性樹脂のバインダーとしての役割が不十分となり、マイクロポーラス層の形成が困難となる。 According to the invention of the tenth aspect, the microporous layer contains 5 to 95% by weight of the carbon airgel powder. If the content of the carbon airgel powder is less than 5%, the conductivity of the microporous layer is lowered, the internal resistance of the fuel cell is increased, and wasted energy due to heat generation is consumed. On the other hand, when the carbon airgel powder is 95% by weight or more, the role as a binder of the water repellent resin becomes insufficient, and it becomes difficult to form a microporous layer.
第11の局面の発明によれば、マイクロポーラス層は撥水性樹脂を5〜95重量%含有することとした。
撥水性樹脂の含有量が5%未満では撥水性樹脂のバインダーとしての役割が不十分となり、マイクロポーラス層の形成が困難となる。また、撥水性樹脂が95重量%以上とすると、カーボンエアロゲル粉末の含有量が5%未満となり、マイクロポーラス層の導電性が低下して、燃料電池の内部抵抗が上昇し、無駄なエネルギーを消費することとなる。
According to the eleventh aspect of the invention, the microporous layer contains 5 to 95% by weight of the water-repellent resin.
If the content of the water repellent resin is less than 5%, the role of the water repellent resin as a binder becomes insufficient, and it becomes difficult to form a microporous layer. If the water-repellent resin is 95% by weight or more, the content of the carbon airgel powder is less than 5%, the conductivity of the microporous layer is lowered, the internal resistance of the fuel cell is increased, and wasted energy is consumed. Will be.
本発明の燃料電池用拡散層に反応層を設け、固体高分子電解質膜を挟持させることによって、膜−電極接合体を得ることができる。さらに、この膜−電極接合体の両側にガス流路を設け、それらのガス流路に燃料ガスを供給する手段及び酸化ガスを供給する手段を設けることにより、燃料電池とすることができる。こうして構成された燃料電池は、上述したように、高度に乾燥し難い膜−電極接合体を有するため、加湿器や冷却装置やメタノール改質器がなくても良好なエネルギー効率で発電することができる。 A membrane-electrode assembly can be obtained by providing a reaction layer in the fuel cell diffusion layer of the present invention and sandwiching the solid polymer electrolyte membrane. Furthermore, by providing gas flow paths on both sides of the membrane-electrode assembly and providing means for supplying fuel gas and means for supplying oxidizing gas to these gas flow paths, a fuel cell can be obtained. As described above, the fuel cell configured as described above has a membrane-electrode assembly that is highly difficult to dry, and therefore can generate power with good energy efficiency even without a humidifier, a cooling device, or a methanol reformer. it can.
(実施例1)
図1に示すように、実施例1の拡散層1は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等からなる拡散層基材10の両面に、カーボンエアロゲル粉末とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを含む多孔性のマイクロポーラス層11a、11bが形成されており、さらにその一面側に白金触媒が担持されたカーボンとナフィオン(登録商標)とを含有する反応層12が形成されている。この拡散層1は、以下に示す方法によって製造した。
Example 1
As shown in FIG. 1, the
<カーボンエアロゲル粉末の調製>
マイクロポーラス層11a、11bに含まれるカーボンエアロゲル粉末は、図2に示す工程図に従い、以下のようにして調製した。
・重合工程S1
重合工程S1としてレゾルシノール4gとホルムアルデヒド37%水溶液5.5mlと炭酸ナトリウム99.5%粉末0.019gとを混合し、3時間撹拌を行った後、室温−24h、50°C−24h、90°C−72hエージングする事によりゲル化物を得た。
<Preparation of carbon airgel powder>
The carbon airgel powder contained in the microporous layers 11a and 11b was prepared as follows according to the process diagram shown in FIG.
・ Polymerization process S1
As polymerization step S1, 4 g of resorcinol, 5.5 ml of 37% formaldehyde aqueous solution and 0.019 g of sodium carbonate 99.5% powder were mixed and stirred for 3 hours, and then room temperature −24 h, 50 ° C. −24 h, 90 °. A gelled product was obtained by aging C-72h.
・粉砕工程S2
上記のゲル化物をイオン交換水でデカンテーションした後、水の存在下、2時間の粉砕を行いゲル粉末スラリーとした。
・ Crushing step S2
The gelled product was decanted with ion-exchanged water, and then pulverized for 2 hours in the presence of water to obtain a gel powder slurry.
・溶媒置換工程S3
そして、溶媒置換工程S3として、上記ゲル粉末スラリーを吸引ろ過法によりアセトンで5回洗浄した後、スラリーをケーキ層型とした。
-Solvent replacement step S3
And as solvent substitution process S3, after wash | cleaning the said
・超臨界乾燥工程S4
さらに、超臨界乾燥工程S4として、溶媒置換されたゲル粉末をステンレス製の圧力容器に入れ、CO2を導入し、超臨界状態となるよう圧力と温度を調節し、その後ゆっくりとCO2を排出させることによって、CO2を気相条件へ移行させて超臨界乾燥を行いゲル乾燥粉末を得た。
・ Supercritical drying process S4
Furthermore, in the supercritical drying step S4, the solvent-substituted gel powder is put into a stainless steel pressure vessel, CO 2 is introduced, the pressure and temperature are adjusted so as to be in a supercritical state, and then CO 2 is slowly discharged. As a result, CO 2 was transferred to gas phase conditions and supercritical drying was performed to obtain a gel dry powder.
・熱分解工程S5
最後に、熱分解工程S5として、上記ゲル乾燥粉末を電気炉内に入れ、窒素雰囲気下、1000°Cにて4時間の加熱を行った後、冷却してカーボンエアロゲル粉末を得た。
得られたカーボンエアロゲル粉末の特性は次の通りである。
BET比表面積: 629m2/g
細孔容積: 2.00cm3/g
・ Pyrolysis step S5
Finally, as the pyrolysis step S5, the gel dry powder was put in an electric furnace, heated in a nitrogen atmosphere at 1000 ° C. for 4 hours, and then cooled to obtain a carbon airgel powder.
The characteristics of the obtained carbon airgel powder are as follows.
BET specific surface area: 629 m 2 / g
Pore volume: 2.00 cm 3 / g
・マイクロポーラス層形成工程S6
ポリテトラフルオロエチレンの微粉末を上記カーボンエアロゲル粉末に対して35重量部%となるように混合し、界面活性剤を添加した水を加えて分散液とする。この分散液を吸引ろ過し、プレス機で圧着して自立膜とし、さらに不活性ガス中で300°Cで2時間加熱溶着させる。そして、平織りのカーボンクロスを用意し、上記の溶着した自立膜2枚で挟んで345°Cで熱圧着させて一体化する。
次に、市販の白金担持カーボン(白金含有量60wt%)1gに、ナフィオン(登録商標)溶液(5wt%水/イソプロパノール溶液)2g〜200gを加え、ハイブリッドミキサーで撹拌し、触媒ペーストとし、上記の方法によって一体化した膜の表面にPt担持量が0.01〜2mg/cm2となるように印刷して、乾燥する。こうして実施例1の拡散層1を得た。
なお、拡散層の上に印刷して反応層を形成する替わりに、ポリテトラフルオロエチレン製のシート上に上記触媒ペーストで印刷し、乾燥後、剥離させて自立した反応層膜を作製し、これを拡散層と熱圧着させて反応層を形成してもよい。
・ Microporous layer forming step S6
A fine powder of polytetrafluoroethylene is mixed at 35 parts by weight with respect to the carbon airgel powder, and water added with a surfactant is added to obtain a dispersion. The dispersion is subjected to suction filtration, pressed with a press machine to form a self-supporting film, and further heated and welded in an inert gas at 300 ° C. for 2 hours. Then, a plain weave carbon cloth is prepared, and is sandwiched between the two self-supported films that have been welded together and thermocompression bonded at 345 ° C. to be integrated.
Next, 2 g to 200 g of Nafion (registered trademark) solution (5 wt% water / isopropanol solution) is added to 1 g of commercially available platinum-supported carbon (
Instead of printing on the diffusion layer to form the reaction layer, the catalyst paste is printed on a polytetrafluoroethylene sheet, dried, and peeled to produce a self-supporting reaction layer film. The reaction layer may be formed by thermocompression bonding with a diffusion layer.
<燃料電池単層セルの作製>
上記のようにして調製した拡散層1を用いて、図3に示す燃料電池単層セルを作成した。すなわち、拡散層1を2枚用意し、ナフィオン(登録商標)からなる高分子電解質膜13の両側に反応層12側を挟み、ホットプレスによって圧着する。さらに、その外側に酸素及び水素のガス供給路となるセパレータ14a、14bを図示しない取付治具により圧接する。こうして、燃料電池単層セル20を作製し、さらに、この燃料電池単層セル20を積層させることにより、燃料電池スタックが完成する。
<Fabrication of fuel cell single layer cell>
Using the
(比較例1)
比較例1では、マイクロポーラス層に用いるカーボンとして、実施例1における粉砕工程S2を行わず、熱分解工程S5を行った後、得られた塊状のカーボンエアロゲルを遊星回転ボールミルによって公転300rpm、自転300rpmで2時間粉砕を行って得られたカーボン粉末を用いた。
得られたカーボンエアロゲル粉末の特性は次の通りである。
BET比表面積: 105m2/g
細孔容積: 0.25cm3/g
その他については、実施例1と同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, as the carbon used in the microporous layer, the pulverization step S2 in Example 1 was not performed, and the pyrolysis step S5 was performed. Then, the obtained bulk carbon airgel was revolved at 300 rpm and rotated at 300 rpm by a planetary rotating ball mill. The carbon powder obtained by grinding for 2 hours was used.
The characteristics of the obtained carbon airgel powder are as follows.
BET specific surface area: 105 m 2 / g
Pore volume: 0.25 cm 3 / g
About others, it is the same as that of Example 1, and description is abbreviate | omitted.
(比較例2)
比較例2では、マイクロポーラス層に用いるカーボンとして、細孔径0.15μmのカーボンブラックを用いた。その他については、実施例1と同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, carbon black having a pore diameter of 0.15 μm was used as the carbon used for the microporous layer. About others, it is the same as that of Example 1, and description is abbreviate | omitted.
(比較例3)
比較例3では、マイクロポーラス層に用いるカーボンとして、細孔径0.07μmのカーボンブラックを用いた。その他については、実施例1と同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, carbon black having a pore size of 0.07 μm was used as the carbon used for the microporous layer. About others, it is the same as that of Example 1, and description is abbreviate | omitted.
(比較例4)
比較例4では、マイクロポーラス層に用いるカーボンとして、細孔径0.015μmのカーボンブラックを用いた。その他については、実施例1と同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, carbon black having a pore diameter of 0.015 μm was used as the carbon used for the microporous layer. About others, it is the same as that of Example 1, and abbreviate | omits description.
(比較例5)
比較例5では、マイクロポーラス層に用いるカーボンとして、細孔径0.15μmのカーボンブラックを用い、平織りのカーボンクロスの片面のみにマイクロポーラス層を形成した。そして、マイクロポーラス層側がナフィオン(登録商標)膜に密着するようにして両側から挟んだ。その他については、実施例1と同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 5)
In Comparative Example 5, carbon black having a pore diameter of 0.15 μm was used as the carbon used for the microporous layer, and the microporous layer was formed only on one side of the plain weave carbon cloth. And it pinched | interposed from both sides so that the microporous layer side might closely_contact | adhere to a Nafion (trademark) film | membrane. About others, it is the same as that of Example 1, and abbreviate | omits description.
図4に実施例1、比較例2及び比較例5に用いたマイクロポーラス層の細孔分布曲線(窒素吸着測定法による)を示す。また、図5に比較例2〜5で用いたマイクロポーラス層の細孔分布曲線(水銀ポロシメータ法による)を示す。 FIG. 4 shows pore distribution curves (by the nitrogen adsorption measurement method) of the microporous layers used in Example 1, Comparative Example 2 and Comparative Example 5. FIG. 5 shows the pore distribution curve (by mercury porosimeter method) of the microporous layer used in Comparative Examples 2-5.
<評 価>
上記実施例1及び比較例1〜5の燃料電池単層セルについて、無加湿条件下、セル温度を60°Cとし、導入空気の露点とセル電圧との関係を調べた。電流を2Aとした場合の測定結果を図6に、電流を6Aとした場合の測定結果を図7に示す。図6及び図7から、実施例1の燃料電池単層セルでは、無加湿条件下であるにもかかわらず、高いセル電圧を示した。これに対し、比較例1の燃料電池単層セルでは、実施例1と同様、カーボンエアロゲル粉末を用いているにもかかわらず、セル電圧が低く、特に電流が6Aと大きい場合や、導入空気の露点が低い場合に、セル電圧の低下が特に著しかった。これは、カーボンエアロゲル粉末の製造方法の違いに起因するものであり、後述するように、実施例1のカーボンエアロゲル粉末は粉砕工程S2において細孔が保持されているのに対し、比較例1では細孔が破壊されており、マイクロポーラス層におけるガスの通過が困難になったためであると考えられる。また、比較例2〜5についても、実施例1よりセル電圧が低く、その中でも細孔径が大きいものほど低かった。これは、細孔径が大きいと、液体としての水がマイクロポーラス層を移動し易くなり、ガス流路側に水が持ち去られて膜−電極接合体が乾燥しやすくなるためであると考えられる。また、比較例5ではセル電圧が低く、6Aでの測定では、セル電圧が0となった。これは、比較例5の拡散層のガス流路側にマイクロポーラス層が形成されておらず、カーボンクロスが剥き出しとなっているため、カーボンクロスに含まれている水がガス流路を流れる空気中に蒸発し、迅速に持ち去られたためである。
<Evaluation>
For the fuel cell single-layer cells of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, the cell temperature was set to 60 ° C. under non-humidifying conditions, and the relationship between the dew point of the introduced air and the cell voltage was examined. The measurement result when the current is 2A is shown in FIG. 6, and the measurement result when the current is 6A is shown in FIG. From FIG.6 and FIG.7, in the fuel cell single layer cell of Example 1, although it was under non-humidified conditions, the high cell voltage was shown. On the other hand, in the fuel cell single-layer cell of Comparative Example 1, as in Example 1, although the carbon airgel powder was used, the cell voltage was low, particularly when the current was as large as 6A, The cell voltage drop was particularly significant when the dew point was low. This is due to the difference in the manufacturing method of the carbon airgel powder. As will be described later, the carbon airgel powder of Example 1 retains pores in the pulverization step S2, whereas in Comparative Example 1, This is probably because the pores were destroyed and it was difficult for gas to pass through the microporous layer. Moreover, also in Comparative Examples 2 to 5, the cell voltage was lower than that of Example 1, and among them, the larger the pore diameter, the lower. This is considered to be because when the pore diameter is large, water as a liquid easily moves through the microporous layer, and water is taken away to the gas flow path side, so that the membrane-electrode assembly is easily dried. In Comparative Example 5, the cell voltage was low, and the cell voltage was 0 in the measurement at 6A. This is because the microporous layer is not formed on the gas flow path side of the diffusion layer of Comparative Example 5 and the carbon cloth is exposed, so that the water contained in the carbon cloth flows in the air flowing through the gas flow path. It was because it was evaporated and quickly taken away.
<製造条件の違いによるカーボンエアロゲル粉末の特性の変化>
カーボンエアロゲル粉末の製造条件を変えて、その特性の変化を調べた。
(試験例1)
試験例1では、粉砕工程S2における粉砕時間を4時間とした。他の条件は実施例1と同じであり、説明を省略する。
得られたカーボンエアロゲル粉末の特性は次の通りである。
BET比表面積: 632m2/g
細孔容積: 1.83cm3/g
<Changes in carbon airgel powder characteristics due to differences in manufacturing conditions>
Changes in the characteristics of the carbon airgel powder were investigated by changing the production conditions.
(Test Example 1)
In Test Example 1, the grinding time in the grinding step S2 was 4 hours. Other conditions are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
The characteristics of the obtained carbon airgel powder are as follows.
BET specific surface area: 632 m 2 / g
Pore volume: 1.83 cm 3 / g
(試験例2)
試験例2では、実施例1における粉砕工程S2を行わず、熱分解工程S5を行った後、得られた塊状のカーボンエアロゲルを測定試料とした。他の条件は実施例1と同じであり、説明を省略する。得られたカーボンエアロゲル粉末の特性は次の通りである。
BET比表面積: 670m2/g
細孔容積: 2.17cm3/g
(Test Example 2)
In Test Example 2, the pulverization step S2 in Example 1 was not performed, and the pyrolysis step S5 was performed, and then the obtained bulk carbon airgel was used as a measurement sample. Other conditions are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted. The characteristics of the obtained carbon airgel powder are as follows.
BET specific surface area: 670 m 2 / g
Pore volume: 2.17 cm 3 / g
<評 価>
上記実施例1及び試験例2のカーボンエアロゲルについて、BET吸着法により細孔分布を測定した。その結果、図8に示すように、実施例1のカーボンエアロゲルは、まったく粉砕を行っていない試験例2と比較しても、細孔分布についてほとんど差はなく、細孔構造が壊れることなく保たれていることが分かった。
<Evaluation>
For the carbon aerogels of Example 1 and Test Example 2, the pore distribution was measured by the BET adsorption method. As a result, as shown in FIG. 8, the carbon airgel of Example 1 has almost no difference in pore distribution even when compared with Test Example 2 in which no pulverization is performed, and the pore structure is not broken. I found out that I was leaning.
これに対し、比較例1では、図9に示すように、細孔が減少しており、細孔構造がほとんど破壊されていることが分かる。 On the other hand, in Comparative Example 1, as shown in FIG. 9, it can be seen that the pores are reduced and the pore structure is almost destroyed.
また、実施例1及び試験例1における、超臨界乾燥を行った直後のゲル乾燥粉末及び熱分解直後のカーボンエアロゲルの粒度分布を測定した。その結果、図10及び図11に示すように、粉砕工程S2における粉砕時間を制御することによって、カーボンエアロゲルの粒度分布を制御できることが分かった。また、ゲル粉末スラリーとカーボンエアロゲル粉末とは、ほとんど同じ粒度分布を示すことが分かった。 Moreover, the particle size distribution of the gel dry powder immediately after performing supercritical drying and the carbon aerogel immediately after pyrolysis in Example 1 and Test Example 1 was measured. As a result, as shown in FIGS. 10 and 11, it was found that the particle size distribution of the carbon airgel can be controlled by controlling the pulverization time in the pulverization step S2. It was also found that the gel powder slurry and the carbon airgel powder showed almost the same particle size distribution.
さらに、実施例1及び試験例1のカーボンエアロゲル粉末について、BET吸着法により細孔分布を測定した。その結果、図12に示すように、実施例1と試験例1とでは、細孔分布に差ができ、粉砕工程S2における粉砕時間を制御することによって、カーボンエアロゲルの細孔分布を制御できることがさらに確かめられた。 Furthermore, the pore distribution of the carbon airgel powders of Example 1 and Test Example 1 was measured by the BET adsorption method. As a result, as shown in FIG. 12, there is a difference in the pore distribution between Example 1 and Test Example 1, and the pore distribution of the carbon airgel can be controlled by controlling the pulverization time in the pulverization step S2. Further confirmed.
(試験例4〜試験例15)
試験例4〜試験例15では、ゲル化物の粉砕条件と、得られたカーボンエアロゲル粉末の特性との関係を検討した。粉砕工程は図13に示すように3段階で行った。すなわち、まず第1粉砕工程として、実施例1における重合工程S1で得られたゲル化物をホモジナイザーによって粉砕する(回転数2000rpm、粉砕時間15分)。次に第2粉砕工程として、遊星回転ボールミルの容器内に第1粉砕工程で得られた粉砕物を入れ、さらに5mm径の安定化ジルコニア製のメディアを入れて粉砕を行う(公転255rpm、自転550rpm、粉砕時間2時間)。そして、さらに第3粉砕工程として、各種の径の安定化ジルコニア製メディアを用い、遊星回転ボールミルによる粉砕を行いゲル粉末スラリーを得た。第3粉砕工程における試験例4〜試験例15の粉砕条件を表1に示す。こうして第1〜第3粉砕工程を行った後、実施例1及び試験例1と同様の溶媒置換工程S2、超臨界乾燥工程S3及び熱分解工程S4を行い、カーボンエアロゲル粉末を得た。
(Test Example 4 to Test Example 15)
In Test Example 4 to Test Example 15, the relationship between the pulverization condition of the gelled product and the characteristics of the obtained carbon airgel powder was examined. The grinding process was performed in three stages as shown in FIG. That is, as a first pulverization step, the gelled product obtained in the polymerization step S1 in Example 1 is pulverized with a homogenizer (rotation speed 2000 rpm,
(メディア径と任意粒子径の関係)
第3粉砕工程で得られた試験例4〜試験例15に係るゲル粉末スラリーについて、レーザー回折・散乱方式による粒度分布測定を行った。結果を図14に示す。この図から、第3粉砕工程で用いたメディアの径を小さくすると、任意%粒子径が小さくなることが分かった。また、第3粉砕工程の粉砕時間を長くすると、任意%粒子径が小さくなることが分かった。以上の結果から、粉砕時間及びメディアの径を制御することにより、目的に応じた所望の粒子径のカーボンエアロゲル粉末を得られることが分かった。
(Relationship between media diameter and arbitrary particle diameter)
About the gel powder slurry which concerns on Test Example 4-Test Example 15 obtained at the 3rd grinding | pulverization process, the particle size distribution measurement by a laser diffraction and a scattering system was performed. The results are shown in FIG. From this figure, it was found that when the diameter of the media used in the third pulverization step was reduced, the arbitrary% particle size was reduced. Further, it was found that the arbitrary% particle size is reduced when the pulverization time of the third pulverization step is increased. From the above results, it was found that a carbon airgel powder having a desired particle size according to the purpose can be obtained by controlling the pulverization time and the media diameter.
(メディア径と全細孔容積及びBET比表面積との関係)
試験例4〜実施例15で得られたカーボンエアロゲル粉末について、窒素吸着法によって全細孔容積及びBET比表面積を測定した(図15)。その結果、第3粉砕工程の違いによる差異はあまり生じなかった。
(Relationship between media diameter, total pore volume and BET specific surface area)
About the carbon airgel powder obtained by Test Example 4-Example 15, the total pore volume and the BET specific surface area were measured by the nitrogen adsorption method (FIG. 15). As a result, there was little difference due to the difference in the third pulverization process.
(ゲル粉末スラリーの平均粒子径と細孔容積分率との関係)
試験例4〜実施例15で得られたゲル粉末スラリーについて、その平均粒子径と10〜30nmの細孔容積分率(窒素吸着等温線の脱着側から求めたメソ細孔容積に対する10〜30nmの細孔容積の割合)をプロットした。その結果、図16及び図17に示すように、ゲル粉末スラリーの平均粒子径が1μm未満で細孔容積分率が急激に低下することが分かった。このことから、ゲル粉末スラリーの粒子径が1μm未満とならないように粉砕条件を適宜制御すれば、細孔構造にダメージを与え難くなることが分かる。また、図16から、第3粉砕工程における粉砕時間に応じて細孔容積分率が減少することが分かる。さらに、図17から、メディアの径が5mm以下であれば、粉砕時間を調整することによって細孔容積を保持することができることが分かる。また、メディアの径が0.65mm以下であれば、さらに細孔容積を保持しやすいことが分かる。
(Relationship between average particle size and pore volume fraction of gel powder slurry)
About the gel powder slurry obtained in Test Example 4 to Example 15, the average particle diameter and the pore volume fraction of 10-30 nm (10-30 nm relative to the mesopore volume determined from the desorption side of the nitrogen adsorption isotherm) The ratio of pore volume) was plotted. As a result, as shown in FIGS. 16 and 17, it was found that the pore volume fraction rapidly decreases when the average particle size of the gel powder slurry is less than 1 μm. This shows that it is difficult to damage the pore structure if the pulverization conditions are appropriately controlled so that the particle size of the gel powder slurry does not become less than 1 μm. Further, it can be seen from FIG. 16 that the pore volume fraction decreases according to the pulverization time in the third pulverization step. Furthermore, it can be seen from FIG. 17 that if the diameter of the media is 5 mm or less, the pore volume can be maintained by adjusting the grinding time. It can also be seen that if the media diameter is 0.65 mm or less, it is easier to maintain the pore volume.
(ゲル粉末スラリーの平均粒子径とカーボンエアロゲル粉末の細孔容積分率との関係)
試験例4〜実施例15における第3粉砕工程で用いたメディアの径と、得られたカーボンエアロゲル粉末の細孔容積分率をプロットした結果を図18に示す。この図から、メディアの径が5mm以下では細孔容積分率がそれほど変化せず、細孔構造が保持されやすいことが分かる。また、メディアの径が0.3mm及び0.65mmの場合には、特によく細孔容積分率が保持されることが分かる。
(Relationship between average particle size of gel powder slurry and pore volume fraction of carbon airgel powder)
The result of having plotted the diameter of the medium used at the 3rd grinding | pulverization process in Test Example 4-Example 15, and the pore volume fraction of the obtained carbon airgel powder is shown in FIG. From this figure, it can be seen that when the media diameter is 5 mm or less, the pore volume fraction does not change so much and the pore structure is easily maintained. It can also be seen that the pore volume fraction is particularly well maintained when the media diameter is 0.3 mm and 0.65 mm.
上記の結果を総合すれば、カーボンエアロゲル粉末の粒子径及び細孔分布は、メディアの径及び粉砕時間と密接に関係していることが分かる。そして、メディアの径及び粉砕時間を制御して粉砕工程を行えば、用途に応じた、所望の特性のカーボンエアロゲル粉末を再現性良く得ることができることが分かる。 From the above results, it can be seen that the particle size and pore distribution of the carbon airgel powder are closely related to the media diameter and the grinding time. It can be seen that if the pulverization process is performed while controlling the diameter of the media and the pulverization time, a carbon airgel powder having desired characteristics according to the application can be obtained with good reproducibility.
この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims.
10…拡散層基材
11a、11b…マイクロポーラス層
1…燃料電池用拡散層
S1…重合工程
S2…粉砕工程
S3…溶媒置換工程
S4…超臨界乾燥工程
S5…熱分解工程
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記カーボンは、
有機湿潤ゲル化物を得る工程と、
該有機湿潤ゲル化物を粉砕してゲル粉末とする粉砕工程と、
該ゲル粉末を水溶性有機溶媒と接触させて溶媒置換を行う溶媒置換工程と、
溶媒置換された該ゲル粉末を超臨界乾燥してゲル乾燥粉末を得る超臨界乾燥工程と、
該ゲル乾燥粉末を熱分解してカーボンエアロゲル粉末とする熱分解工程とを経て得られたカーボンエアロゲル粉末であることを特徴とする燃料電池用拡散層。 A diffusion layer for a fuel cell in which a porous microporous layer containing carbon and a water repellent resin is formed on both surfaces of a diffusion layer base material having conductivity and gas permeability,
The carbon is
Obtaining an organic wet gelled product;
A pulverizing step of pulverizing the organic wet gelled product to form a gel powder;
A solvent replacement step of contacting the gel powder with a water-soluble organic solvent to perform solvent replacement;
A supercritical drying step of obtaining a gel dry powder by supercritical drying the solvent-substituted gel powder;
A diffusion layer for a fuel cell, which is a carbon airgel powder obtained through a thermal decomposition step of thermally decomposing the gel dry powder to obtain a carbon airgel powder.
該有機湿潤ゲル化物を粉砕してゲル粉末とする粉砕工程と、
該ゲル粉末を水溶性有機溶媒と接触させて溶媒置換を行う溶媒置換工程と、
溶媒置換された該ゲル粉末を超臨界乾燥してゲル乾燥粉末を得る超臨界乾燥工程と、
該ゲル乾燥粉末を熱分解してカーボンエアロゲル粉末とする熱分解工程と、
導電性及びガス透過性を有する拡散層基材の両面に該カーボンエアロゲル粉末と撥水性樹脂とを含む多孔性のマイクロポーラス層を形成するマイクロポーラス層形成工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用拡散層の製造方法。 Obtaining an organic wet gelled product;
A pulverizing step of pulverizing the organic wet gelled product to form a gel powder;
A solvent replacement step of contacting the gel powder with a water-soluble organic solvent to perform solvent replacement;
A supercritical drying step of obtaining a gel dry powder by supercritical drying the solvent-substituted gel powder;
A pyrolysis step of thermally decomposing the gel dry powder into a carbon aerogel powder;
A microporous layer forming step of forming a porous microporous layer containing the carbon airgel powder and the water repellent resin on both surfaces of a diffusion layer base material having conductivity and gas permeability;
A method for producing a diffusion layer for a fuel cell, comprising:
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