JP4863721B2 - 膜電極接合体,膜電極接合体の製造方法,燃料電池 - Google Patents
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Description
まず,フィルム上に触媒層を形成し,この触媒層を乾燥させて触媒層単位体を製造する。フィルムは,テフロン(登録商標)フィルム,PETフィルム,キャップトンフィルム,テドラフィルム,アルミニウムホイル,マイラーフィルムを含むが,ここに限定されず,フィルム自身上に形成される触媒層を転写可能なフィルムであればよい。
次いで,触媒層単位体の製造と同様に,フィルム上に拡散層を形成し,この拡散層を焼結させて拡散層単位体を製造する。使用可能なフィルムは,触媒層単位体の製造時のように,例えば,テフロン(登録商標)フィルム,PETフィルム,キャップトンフィルム,テドラフィルム,アルミニウムホイル,マイラーフィルムを含むが,これらに限定されず,フィルム自身上に形成される拡散層を転写可能なフィルムであればよい。
次いで,上記で製造した触媒層単位体と拡散層単位体とを接合して電極単位体を製造する。電極単位体は,それ自体がアノードまたはカソードとして作用する単位体である。
触媒層単位体と拡散層単位体とを接合する方法は,当業界に周知された通常の方法とすることが可能である。特に,ホットプレッシング方法によることが望ましい。
次いで,上記のように製造された電極単位体(アノード単位体またはカソード単位体)を電解質膜と接合してMEAを完成する。
<触媒層単位体の製造>
触媒としては,アノード用としてPtRuブラックを,カソード用としてPtブラックを使用した。金属触媒を水,ナフィオン及びイソプロピルアルコールと1:1:0.15:2の重量比で混合し,超音波槽で2時間混合して触媒層スラリを製造した。上記のように製造した触媒層スラリをPETフィルム上にスクリーンプリンティング法を利用してコーティングし,70℃の温度で2時間乾燥させた。
カーボンブラック粉末をPVdF及びイソプロピルアルコールと0.7:0.3:10の重量比で混合し,超音波槽で2時間混合して拡散層スラリを製造した。上記のように製造した拡散層スラリをPETフィルム上にスクリーンプリンティング法を利用してコーティングし,170℃の温度で1時間焼結させた。上記のように焼結させて拡散層単位体を製造し,カッティングプロッタを利用して円形の穿孔部を形成するパターニングを実施した(図3B参照)。拡散層の面積で穿孔部が占める面積は15%であった。
上記のように製造された触媒層単位体と拡散層単位体とを80℃の温度で0.7トン/cm2の圧力で5分間ホットプレッシングして接合した。上記のように触媒層単位体と拡散層単位体とを接合した後,触媒層単位体のフィルムを除去した。上記のように,アノード単位体とカソード単位体とをそれぞれ製造した。
上記で製造したアノード単位体とカソード単位体との間に電解質膜を位置させて,120℃の温度で0.7トン/cm2の圧力で7分間ホットプレッシングして接合した。使用した電解質膜は,デュポン社製のナフィオン115メンブレンであった。上記のような過程を通じて製造したMEA(図4参照)を利用して,当業界に周知された通常の方法により単位電池を製造した。
上記実施例1と同じ方法で触媒層スラリを製造した。製造した触媒層スラリも,実施例1と同一にPETフィルム上にスクリーンプリンティング法を利用してコーティングし,70℃の温度で2時間乾燥させた。
上記のように製造された拡散層−カーボンペーパの間に上記で製造された触媒層−電解質膜の接合体を位置させ,100℃の温度で0.7トン/cm2の圧力で7分間ホットプレッシングして接合することによって,MEAを製造した。上記MEAを利用して,当業界に周知された通常の方法により単位電池を製造した。
Claims (16)
- (a)触媒層と,穿孔部が形成された拡散層とを備えるカソードと;
(b)触媒層と,穿孔部が形成された拡散層と,該拡散層の該触媒層とは他側の面に海島型に形成された含水層とを備えるアノードと;
(c)前記カソードと前記アノードとの間に位置する電解質膜と;
を備え,
前記含水層の素材は電気的不導体であることを特徴とする,膜電極接合体。 - 前記穿孔部の面積は,前記拡散層の面積の5〜85%であることを特徴とする,請求項1に記載の膜電極接合体。
- 前記穿孔部の面積は,前記拡散層の面積の30〜65%であることを特徴とする,請求項1または2に記載の膜電極接合体。
- 前記含水層は,SiO2,TiO2,リンタングステン酸,リンモリブデン酸またはこれらの任意の混合物を含むことを特徴とする,請求項1〜3のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
- (a)フィルム上に触媒層を形成し,前記触媒層を乾燥させて触媒層単位体を製造する工程と;
(b)他のフィルム上に拡散層を形成し,前記拡散層を焼結させて拡散層単位体を製造する工程と;
(c)前記(b)工程の拡散層単位体に穿孔部を形成する工程と;
(d)前記(a)工程の触媒層単位体の前記触媒層と,前記(b)の拡散層単位体の前記拡散層とが接するように,前記触媒層単位体と前記拡散層単位体とを接合して電極単位体を製造する工程と;
(e)高分子電解質膜の両側に前記(d)で製造した前記電極単位体をそれぞれ接合する工程と;
(f)前記(a)工程〜(d)工程のうちいずれか一つの工程後に,前記触媒層単位体から前記フィルムを除去する工程と;
(g)前記(a)工程〜(e)工程のうちいずれか一つの工程後に,前記拡散層単位体から前記他のフィルムを除去する工程と;
を含み,
前記(b)工程では,前記他のフィルムとアノード側の前記拡散層との間に,含水層を海島型に部分的に形成することを特徴とする,膜電極接合体の製造方法。 - 前記(a)工程では,前記触媒層を60〜120℃の温度で1〜4時間乾燥させることを特徴とする,請求項5に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記(b)工程では,前記拡散層を150〜350℃の温度で30分〜2時間焼結させることを特徴とする,請求項5または6に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記(d)工程では,ホットプレッシング方法により,前記触媒層単位体と前記拡散層単位体とを接合することを特徴とする,請求項5〜7のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記ホットプレッシング温度が,30〜200℃であることを特徴とする,請求項8に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記(e)工程では,ホットプレッシング方法により,前記高分子電解質膜の両側に前記電極単位体をそれぞれ接合することを特徴とする請求項5〜9のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記ホットプレッシング温度が,50〜200℃であることを特徴とする,請求項10に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記(a)工程では,前記触媒層単位体の単位面積当たり質量が,2〜8mg/cm2であることを特徴とする請求項5〜11のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記(b)工程では,前記拡散層単位体の単位面積当たり質量が,0.1〜4mg/cm2であることを特徴とする請求項5〜12のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記穿孔部の面積は,前記拡散層単位体の面積の5〜85%であることを特徴とする,請求項5〜13のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記含水層は,アノード電極の前記他のフィルムと前記拡散層との間にのみ形成されることを特徴とする,請求項5〜14のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法。
- 請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする,燃料電池。
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