JP5257589B2 - 膜電極接合体の製造方法、及び該方法により製造される膜電極接合体、並びに該膜電極接合体を含む燃料電池 - Google Patents
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Description
)4a、4bを、電解質膜2a´、2b´に付与し(この工程を、粒子付与工程とする。)、触媒電極部4a、4bが付与されたMEA10が作製される。
電解質膜の表面から露出するように埋設させる方法を見出した。
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明(以下、「請求可能発明」という場合がある。)の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。なお、(1)項ないし(12)項の各々が、請求項1ないし請求項12の各々に相当する。
さらに、本項に記載の方法によれば、溶融含浸成形と粒子付与の工程を同時に行うことができるため、工程を簡略化でき省力化に寄与することとなり、同時に、製造中に電解質膜の表層に外部からの粉塵が付着されにくくなった。
また、本項に記載の方法によれば、バックアップフィルム付きの状態でMEAが提供可能となり、次工程までの電解質膜から粉塵の付着を防止可能とした。そして、バックフィルム付きMEAでの製販を可能とした。
た触媒担持電極粒子を使用することが好ましい。これら粒子は、かならずしも一粒である必要はなく、複数粒子が集合した二次粒子の形態であってもよい。また、粒子をインク化して、それをインクジェットのような印刷法で点状に形成したようなものでもよい。
二枚のバックアップフィルムの各片面に、少なくとも、電極粒子及び触媒粒子、又は触媒担持電極粒子と、バインダー材料とを含む混合物を層状に付与し、電極触媒層を形成す
る電極触媒層形成工程と、前記二つの電解質層の外側面を、前記二枚のバックアップフィルムの該層状の粒子が付与された面で挟持して予備構造体を形成する電解質層挟持工程と、
前記電解質挟持工程で得られた前記予備構造体が有する前記二つの電解質層を溶融し、該溶融された電解質層の電解質材料を、前記多孔質膜の各孔に含浸し、各孔からオーバーフローした電解質材料からなる電解質層に、前記電極触媒層の少なくとも一部が該電解質層から露出して埋設されるように、前記二つの電解質層の外側面から挟持し、前記二枚のバックアップフィルムの外側面から加圧かつ加熱し、バックアップフィルム付き膜電極接合体を作製するホットプレス工程と、を含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
バインダー材料は、ホットプレス前又は最中に、電極触媒層を三次元的に保形するためのものであり、ホットプレス後は、PVAのような水溶性のバインダーを使用しそれを溶解することで、電極粒子及び触媒粒子、又は、触媒担持電極粒子の各粒子間にさらに孔(空間)を増やして、電極触媒の機能を果たす部分の表面積を増大させることできる。
電極粒子及び触媒粒子、又は、触媒担持電極粒子と、バインダー材料とを含む混合物は、フッ素系溶媒のような溶媒に溶解し、混合し、ペースト化して、電解質層に厚塗りで付与することが好ましい。
アイオノマーは、ホットプレス中及び後、予備構造体やMEAに強度をもたらす3次元的な骨格として機能する。アイオノマーは、熱劣化しにくいため、F型アイオノマー樹脂を用いることが好ましい。
本項に記載の方法では、さらに保水剤(撥水剤)や耐ラジカル剤(安定剤)を、上記ペーストに加えるようにしてもよい。
水は、温水を使用することが好ましい。温水の方がPVA等を溶かし易いためである。
本項に記載の方法は、(6)項の塩化物が、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムであることを規定したものである。水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムは、強アルカリ塩であり、加水分解を促進する際にイオン化し易いため好ましい。
本項に記載の膜電極接合体(MEA)は、(1)項から(8)項のいずれかの方法によって製造されるため、上記従来の方法のように、バックアップフィルムの電解質層(若しくはMEA)からの剥離作業を容易にする。また、溶融含浸成形に加えられる圧力と温度で、電極粒子及び触媒粒子、又は、触媒担持電極粒子が電解質層に埋設されるため、上記従来の方法に比べて、これら粒子を電解質層に強固に埋設させることができ、経年変化による粒子脱落を予防できる。そのため、燃料電池の耐久性に寄与でき、さらに、このMEAを含む燃料電池の発電性能を向上させることができる。
本項に記載の燃料電池の効果は上述と同様であるので説明を省略する。本項に記載の燃料電池は、好適には、固体高分子型燃料電池(PEFC)に適用可能であり、さらに、直接メタノール型燃料電池(DMFC)にも適用可能である。また、これらに限定されず、多孔質膜で補強された電解質を備えたMEAを含む燃料電池のいずれにも適用が可能である。
前記触媒材料及び電極材料、又は前記触媒担持電極材料の少なくとも一部が挟持され、もって、前記電解質層の前記表裏面から略均一の高さで露出するような構造とすることが可能であり、この構造によって、燃料電池セルの両面が平行となるため、当該MEAを含む燃料電池セルを直列にスタック化し易くなる。
上述の効果と同様の内容を得るので記載を省略する。
図1から図4は、本発明を実施する形態の一例を示すための図であって、図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成は図に示す従来のものと同様である。本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、各図の各構成要素、材料等はあくまでも概念的に示したものであり、実際のサイズや寸法比を反映したものではない。
第1実施形態は、MEAの製造方法に係り、電極触媒粒子が電解質層に散在し、かつ少なくとも電極触媒粒子の一部が電解質層から露出するように埋設する構造体の製造方法を提供することを特徴とする。この製造方法の各工程を、図1(a)から図1(h)を参照しながら、以下説明する。なお下記工程は、クリーンルームのような防塵室で行われることが望ましい(第2実施形態も同様)。
図1(a)で概略的に示される本電解質層形成工程は、MEAの補強用多孔膜となる多孔質膜1の表裏面1a、1bに電解質層2a、2bを形成する工程である(この工程で、多孔質膜1の各孔内への電解質の充填する必要はない)。
ート法、スクリーン印刷法又はインクジェット法等でコートする。若しくはこの多孔質膜1の表面1aと裏面1bに、フィルム状の電解質材料を、貼り付けるようにしてもよい。このとき、電解質材料は、多孔質膜1の孔の総容積と、多孔質膜1の表面1aと裏面1bに最終的に形成される電解質層2a´、2b´(図1(e)参照)の総体積(溶融含浸で孔からオーバーフローする分の電解質)との総和に相当する量を準備する。
図1(b)で概略的に示される電極触媒部形成工程は、当該MEA10を含む燃料電池の図示しない燃料極及び酸素極(空気極)にそれぞれ必要な電極粒子(電極材料)及び触媒粒子(触媒材料)、又は触媒担持電極粒子4a、4bを、ホットプレス工程で使用されるホットプレスの上パンチ及び下パンチの表面をカバー(保護)することになるバックアップフィルム3a、3bの表面に散布かつ付与する工程である。この工程は、上記の電解質層形成工程と別個に行われる工程であり、両者の工程は同時進行で行っても構わないし、順序も問わない。
性高分子は、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェンなどのほか、これらの誘導体が例示される。カーボン材料としては、カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラック等)、活性炭、人造黒鉛、天然黒鉛、炭素繊維、熱分解炭素、ガラス状炭素、不浸透炭素、特殊炭素、コークス等を例示することができる。カーボン材料の結晶構造も限定されず、ダイヤモンド構造、黒鉛構造等のいずれでも良い。また、カーボン材料としては、たとえばカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノリボン、カーボンナノコイル、カーボンナノカプセル等のナノカーボン材料も使用することが可能である。
図1(c)で概略的に示される電解質挟持工程は、電解質層形成工程(図1(a))で形成されたものを、電極触媒部形成工程(図1(b))で得られた粒子が散布されたバックアップフィルム面3a´3b´で挟持し予備構造体を形成する工程である。バックアップフィルム3a、3bは、静電気を帯び易いため、上記の二つの工程の終了後、直ちに行うか、事前にフィルム面に静電気防止処理を行っておくことが好ましい。無用な粉塵が挟持面に侵入しないようにするためである。バックアップフィルム3a、3bは、PTFE
、PP、ポリイミド等の耐熱性樹脂フィルム(少なくとも当該溶融含浸時のホットプレスの加熱温度より高い温度に耐えうるフィルム)であって、適度な靭性及び可撓性を持ち、表面粗さが低く、滑らかな面を持つものが好ましい。ただし、これらの物性を有する限り、セラミックス膜や、他の無機系材質の膜を使用することもできる。
図1(d)及び図1(e)で概略的に示されるホットプレス工程は、電解質層挟持工程(図1(c))で得られたものを、ホットプレス(不図示)の上パンチ5a及び下パンチ5bの押圧面5a´及び5b´を介して、加圧・加熱し、電解質層2a、2bを溶融し、該溶融された電解質層2a、2bの電解質材料を、前記多孔質膜の各孔に含浸し、各孔からオーバーフローした電解質材料からなる電解質層に、前記電極触媒部の少なくとも一部が該電解質層から露出して埋設されるようにしてバックアップフィルム付きMEAを作製する工程である。
図2(f)及び図2(g)に概略的に示されるバックアップフィルム剥離工程は、上記のホットプレス工程で形成されたバックアップフィルム付きMEA10から、バックアップフィルム3a、3bを剥離する工程である。ホットプレス工程で、粒子4a又は4bが、それぞれ、電解質層2a´、2b´に埋没しないように、少なくとも一部が露出しているので、両者の接合面に適度な空間があるため、密着強度を弱め、もって、バックアップフィルム3a、3bが、MEA10から容易に剥離される。そして、粒子4a又は4bが、電解質層2a´、2b´に固着して埋設され、安定した電極及び触媒の機能を果たす。
この後、図2(h)に示されるように、工程gで得られたMEA10を加水分解し、イオン交換機能を付与する。
第2実施形態は、第1実施形態の、電解質膜に付与された触媒粒子、電極粒子、又は触媒担持電極粒子が、少なくとも、これらの粒子とPVAやアイオノマー樹脂からなるバインダーにより形成される層(電極触媒層)である点において、第1実施形態と異なる。
したがって、第1実施形態と重複する説明は適宜省略し、異なる工程を中心に、図3(a)から図4(g−2)を参照しながら、以下説明する。
図3(a)で概略的に示される本電解質層形成工程は、図1(a)を参照しながら、既に説明した工程と同様であるので省略する。
図3(b)で概略的に示される電極触媒層形成工程は、MEA10を含む燃料電池の図示しない燃料極及び酸素極(空気極)にそれぞれ必要な電極粒子(電極材料)及び触媒粒子(触媒材料)、又は触媒担持電極剤粒子(触媒担持電極剤)に、PVAからなるバインダー、さらに適宜、造孔剤、加水分解促進剤、保水剤(撥水剤)、耐ラジカル剤(安定剤)を、溶媒(例えばF系溶媒)に溶解し、混合機を用いて混練し、ペーストを作製する。
図3(c)で概略的に示される電解質挟持工程は、電解質層形成工程(図3(a))で形成されたものを、電極触媒層形成工程(図3(b))で得られた層が形成されたバックアップフィルム面3a´3b´で挟持し予備構造体を形成する工程である。バックアップフィルム3a、3bは第1実施形態のものと同様であるのでその説明を省略する。ただし、図3(c)の上側のバックアップフィルムに形成された電極触媒層40aの電解質膜2aへ、図の方向で載置する際、電極触媒層40aの重量にもよるが、まず、MEAとなる構造体(1、2a、2b)を、バックアップフィルム3bに形成された電極触媒層40bへ載置し、両者を挟持しながら上下反転させて、電極触媒層4を電解質膜2bの上に付与するようにしてもよい。
図3(d)及び図3(e)で概略的に示されるホットプレス工程は、電解質層挟持工程(図3(c))で得られたものを、ホットプレス(不図示)の上パンチ5a及び下パンチ5bの押圧面5a´及び5b´を介して、加圧・加熱し、電解質層2a、2bを溶融し、該溶融された電解質層2a、2bの電解質材料を、前記多孔質膜の各孔に含浸し、各孔からオーバーフローした電解質材料からなる電解質層に、前記電極触媒部の少なくとも一部が該電解質層から露出して埋設されるようにしてバックアップフィルム付きMEAを作製する工程である。
図4(e)及び図4(f)に概略的に示されるバックアップフィルム剥離工程は、第1実施形態で、説明したものと同様であるので説明を省略する。
<実施例>
1.製造フロー:
電解質層形成工程、電極触媒層形成工程、電解質層挟持工程、ホットプレス工程、及びバックアップフィルム剥離工程の順で、MEAが製造される。
2.必要な材料および製造条件
多孔質膜補強材:気孔率;70%、膜厚;5μm
電解質膜:デュポン社製ナフィオン(商品名)、溶融含浸後の膜厚;20μm
触媒担持電極粒子:白金担持カーボン粒子、平均粒径;10nm〜500nm
粒子付与方法;ドクターブレード法
1.製造フロー:
電解質層形成工程、電解質層挟持工程、ホットプレス工程、バックアップフィルム剥離工程、及び電極触媒層形成工程の実施例とは異なる順序でMEAが製造される。
2.必要な材料および製造条件:
上記実施例の2.必要な材料、製造条件と同様である。
図6は、本発明に係る第1実施形態の製造方法(図1、図2)に従って作製されたMEA(「本MEA」とする。)を含む単セルを用いた場合の電圧-電流曲線(参照番号21の曲線)、従来の製造方法(図7)に従って作製されたMEA(「従来MEA」とする。)を含む単セルを用いた場合の電圧-電流曲線(参照番号20の曲線)を示すグラフであ
る。図6に示されるように、本MEAによれば、全域で発電性能が、従来MEAよりも向上していた。
Claims (12)
- 溶融含浸成形による、多孔質膜で補強された電解質膜を含む膜電極接合体の製造方法であって、
少なくとも電極粒子及び触媒粒子を、バックアップフィルムの片面に担持し、
該片面の裏面で、上パンチ及び下パンチのプレス面をカバーし、多孔質膜で補強される電解質膜に対して、ホットプレスを行い、
当該多孔質膜で補強された電解質膜に、前記電極粒子及び触媒粒子を、前記電解質膜の表面から露出するように埋設することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 - 表裏面を貫通する多数の孔を有する多孔質膜の該表裏面を、電解質材料で被覆し、二つの電解質層を形成する電解質層形成工程と、
二枚のバックアップフィルムの各片面に、少なくとも、電極粒子及び触媒粒子、又は、触媒担持電極粒子を散布し、電極触媒部を形成する電極触媒部形成工程と、
前記電解質形成工程で形成された二つの電解質層の外側面を、前記電極触媒部形成工程で得られた前記二枚のバックアップフィルムの前記電極触媒部が形成された面で挟持して予備構造体を形成する電解質層挟持工程と、
前記電解質挟持工程で得られた前記予備構造体について、前記二つの電解質層を溶融し、該溶融された電解質層の電解質材料を、前記多孔質膜の各孔に含浸し、各孔からオーバーフローした電解質材料からなる電解質層に、前記電極触媒部の少なくとも一部が該電解質層から露出して埋設するように、前記二つの電解質層の外側面から挟持しながら、前記二枚のバックアップフィルムの外側面から加圧かつ加熱し、バックアップフィルム付き膜電極接合体を作製するホットプレス工程と、
を含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 - 請求項2に記載の膜電極接合体の製造方法であって、
該ホットプレス工程後に、前記二枚のバックアップフィルムを、前記バックアップフィルム付き膜電極接合体から剥離するバックアップフィルム剥離工程をさらに含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 - 表裏面を貫通する多数の孔を有する多孔質膜の該表裏面を、電解質材料で被覆し、二つの電解質層を形成する電解質層形成工程と、
二枚のバックアップフィルムの各片面に、少なくとも、電極粒子及び触媒粒子、又は触媒担持電極粒子と、PVAからなるバインダーとを含む混合物を層状に付与し、電極触媒層を形成する電極触媒層形成工程と、
前記二つの電解質層の外側面を、前記二枚のバックアップフィルムの該層状の粒子が付与された面で挟持して予備構造体を形成する電解質層挟持工程と、
前記電解質挟持工程で得られた前記予備構造体が有する前記二つの電解質層を溶融し、該溶融された電解質層の電解質材料を、前記多孔質膜の各孔に含浸し、各孔からオーバーフローした電解質材料からなる電解質層に、前記電極触媒層の少なくとも一部が該電解質層から露出して埋設するように、前記二つの電解質層の外側面から挟持し、前記二枚のバックアップフィルムの外側面から加圧かつ加熱し、バックアップフィルム付き膜電極接合体を作製するホットプレス工程と、
を含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 - 該ホットプレス工程後、前記二枚のバックアップフィルムを、前記バックアップフィルム付き膜電極接合体から剥離するバックアップフィルム剥離工程をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記電極触媒層形成工程において、前記混合物に、造孔剤、F型アイオノマー樹脂、及
び塩化物をさらに加えたものを、溶媒に分散し、混合し、ペーストを作製し、このペーストを前記二枚のバックアップフィルムの各片面に付与することを含む請求項4又は請求項5に記載の膜電極接合体の製造方法。 - 前記バックアップフィルム剥離工程後に、前記膜電極接合体を、水又は有機溶媒に浸すことで、前記電極触媒部に空孔を形成する請求項6に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 前記塩化物は、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムであり、前記層の加水分解を促進する請求項6又は請求項7に記載の膜電極接合体の製造方法。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の膜電極接合体の製造方法によって製造される膜電極接合体。
- 請求項9に記載の膜電極接合体を含む燃料電池。
- 電解質材料が充填された表裏面を貫通する多数の孔を有する補強用多孔質膜と、該表裏面の上に形成された電解質材料からなる電解質層と、該電解質層の該表裏面に、少なくとも触媒材料及び電極材料、又は触媒担持電極材料が固着された触媒電極部と、を含む膜電極接合体において、
前記触媒材料及び電極材料、又は前記触媒担持電極材料の少なくとも一部が前記電解質層の前記表裏面から均一の高さで露出するように、前記電解質層に埋設されていることを特徴とする膜電極接合体。 - 請求項11に記載の膜電極接合体を含む燃料電池。
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