JP6255720B2 - 膜電極構造体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態について説明する前に、本発明に関連する固体高分子形燃料電池について、図1を参照してまず説明する。
図1に示すように、固体高分子形燃料電池の単電池セル100は、膜電極構造合体10と、この膜電極構造体10を挟持する一対のセパレータ17とを備える。膜電極構造体110は、電解質膜11の一方の面にアノード側触媒層12bとアノード側ガス拡散層13bとアノード側ガスケット層16bとを備え、他方の面にカソード側触媒層12aとカソード側ガス拡散層13aとカソード側ガスケット層16aとを備えている。
次に、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池における膜電極構造体20、30およびその製造方法について、図2乃至図4を用いて詳細に説明する。なお、図1において、膜電極構造体10はカソード側ガス拡散層13aとアノード側ガス拡散層13bとを含む構成として説明したが、図2乃至図4を用いて説明する本発明の実施形態に係る膜電極構造体20は、カソード側ガス拡散層とアノード側ガス拡散層とを含まない構成として説明する。
図3および図4に示すように、本発明の第一の実施形態に係る膜電極構造体20および第二の実施形態に係る膜電極構造体30は、電解質膜21と、この電解質膜21の一方の面(図3、4において上面)に配置されたカソード側触媒層22aと、電解質膜21の他面(図3、4において下面)に配置されたアノード側触媒層22bとを備える。図3および図4に示すように、これらカソード側触媒層22a、アノード側触媒層22bおよび電解質膜21の周囲には、複数層のガスケット26が配置されている。
すなわち、複数層のガスケット26は、カソード側ガスケット層26a、アノード側ガスケット層26b、電解質膜端部側ガスケット層26cの三層から構成され、複数層のガスケット26は、電解質膜21の端部を額縁状に覆う形状を有している。
本実施形態で用いられる電解質膜21は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、フッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜が好適に使用でき、特にフッ素系電解質膜が好ましい。フッ素系高分子電解質膜としては、例えば、Nafion(登録商標、デュポン社製)、Flemion(登録商標、旭硝子株式会社製)、Aciplex(登録商標、旭化成株式会社製)、Gore Select(登録商標、ゴア社製)等を用いることができる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。
カソード側触媒層22a、アノード側触媒層22bについても、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、白金または白金と他の金属(例えばルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、鉄(Fe)等)との合金の微粒子(平均粒径は10nm以下が好ましい)が、表面に担持されたカーボンブラックなどの導電性炭素微粒子(平均粒径:20nm以上100nm以下程度)と、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液などの高分子溶液とが、適当な溶剤(エタノールなど)中で均一に混合されたインクにより作製されるものが使用できる。
複数層のガスケット26を構成するカソード側ガスケット層26a、アノード側ガスケット層26b、電解質膜端部側ガスケット層26cは、熱可塑性樹脂であることが好ましい。例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、SPS(シンジオタクチックポリスチレン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PI(ポリイミド)等が使用できる。特に、弾性率の高い熱可塑性樹脂が好ましい。熱可塑樹脂として繊維強化されたものを用いてもよい。
カソード側ガスケット層26a、アノード側ガスケット層26b、電解質膜端部側ガスケット層26cは、繊維状材料の繊維間に粘着材料または接着材料を含浸させた粘着層または接着層28を介して積層され、複数層のガスケット26を構成する。
粘着層または接着層28に含まれる粘着材料または接着材料としては、主鎖骨格がポリシロキサン骨格やポリエーテル骨格、フルオロエーテル骨格、ポリオレフィン骨格等の材料が使用できる。また、電解質膜21上に配置されることから、粘着層または接着層28に含まれる溶媒によって電解質膜21が膨潤することを避けるために、粘着層または接着層28は、無溶媒系であることが好ましい。
繊維状材料は、粘着材料または接着材料を含浸させることから、粘着材料または接着材料との親和性が高いものが好ましい。さらに、2つのガスケット層同士を溶着させることから、溶融により溶着するものが好ましい。また、ガスケットとしての用途を考慮し、電気的短絡を防ぐために、電気絶縁性であることが求められることから、ガラスペーパー等のガラス繊維やアルミナ繊維が好ましい。
図3および図4に示すように、最初に、電解質膜21上にカソード側触媒層22a、アノード側触媒層22bを形成する。カソード側触媒層22a、アノード側触媒層22bを形成するにあたっては、まず、高分子電解質と、触媒物質と、触媒物質を担持するカーボン担体と、分散媒とを含むインクを調製する。調製された触媒インクを、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などの塗布法、噴霧法を用い電解質膜21上に塗布することで、カソード側触媒層22a、アノード側触媒層22bを形成する。また、転写基材を用いて転写基材上に触媒インクを塗布し、転写基材上に触媒層を一旦形成した後に、転写法により電解質膜21上にカソード側触媒層22a、アノード側触媒層22bを形成してもよい。
次に、アノード側ガスケット層26bを、アノード側触媒層22bの周囲である電解質膜21上に形成する。アノード側ガスケット層26bを形成するには、枠形状にカットした繊維状材料の繊維間に粘着材料または接着材料を含浸させた後、アノード側触媒層22bの周囲に配置することで、粘着層または接着層28を形成する。次いで、粘着層または接着層28の表面に、例えばフィルム状のアノード側ガスケット層26bを配置する。あるいは、粘着材料または接着材料が含浸された繊維状材料を、粘着材料または接着材料が固化しない状態で、アノード側触媒層22bの周囲に配置した後、その表面に、例えばフィルム状のアノード側ガスケット層26bを配置してもよい。
ここで、最初のガスケット層の形成は、図3に示す第一の実施形態に係る膜電極構造体20の場合、カソード側とアノード側のどちらから始めてもよい。一方、図4に示す第二の実施形態に係る膜電極構造体30の場合、電解質膜21の端部から0.5mm以上30mm以下の範囲ではみ出した大きさとなるガスケット層を配置する側から始めるのが好ましい。
ここで、図4に示す第二の実施形態に係る膜電極構造体30の場合、カソード側ガスケット層26aに形成する粘着層または接着層28は、電解質膜21と対向する面および電解質膜端部側ガスケット層26cと対向する面に形成することが好ましい。
10・・・膜電極構造体
11・・・電解質膜
12a・・・カソード側触媒層
12b・・・アノード側触媒層
13a・・・カソード側ガス拡散層
13b・・・アノード側ガス拡散層
14・・・カソード
15・・・アノード
16a・・・カソード側ガスケット層
16b・・・アノード側ガスケット層
17・・・セパレータ
20・・・膜電極構造体
21・・・電解質膜
22a・・・カソード側触媒層
22b・・・アノード側触媒層
26・・・ガスケット
26a・・・カソード側ガスケット層
26b・・・アノード側ガスケット層
26c・・・電解質膜端部側ガスケット層
28・・・粘着層または接着層
30・・・膜電極構造体
Claims (2)
- 電解質膜と、前記電解質膜を挟持した一対の触媒層と、前記触媒層および前記電解質膜の周囲に配置された複数層のガスケットとを備える膜電極構造体であって、
前記複数層のガスケットを構成する各層が、粘着層または接着層を介して積層され、
前記複数層のガスケットが、前記電解質膜の端部を額縁状に覆う形状を有し、
前記複数層のガスケットは、第一のガスケット層、第二のガスケット層、第三のガスケット層の三層から構成され、
前記第一のガスケット層は、前記一対の触媒層のうち一方の触媒層の周囲に配置され、前記電解質膜の端部までの大きさであり、
前記第二のガスケット層は、前記一対の触媒層のうち他方の触媒層の周囲に配置され、前記電解質膜の端部から0.5mm以上30mm以下の範囲ではみ出した大きさであり、
前記第三のガスケット層は、前記電解質膜および前記第一のガスケット層の周囲に配置されている
ことを特徴とする膜電極構造体。 - 電解質膜と、前記電解質膜を挟持した一対の触媒層と、前記触媒層および前記電解質膜の周囲に配置された複数層のガスケットとを備える膜電極構造体の製造方法であって、
前記電解質膜の両面に前記一対の触媒層を形成する工程と、
前記一対の触媒層のうち一方の触媒層の周囲から前記電解質膜の端部を越えた位置まで、枠形状に第一のガスケット層を配置する工程と、
前記電解質膜の周囲に第三のガスケット層を配置する工程と、
前記一対の触媒層のうち他方の触媒層の周囲から前記電解質膜の端部まで、枠形状に第二のガスケット層を配置し、前記第二のガスケット層と前記第三のガスケット層の一部を面接触させる工程と、
を備えることを特徴とする膜電極構造体の製造方法。
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