BR102020004097A2

BR102020004097A2 - Método para a fabricação de conjunto de eletrodo de membrana para célula de combustível

Info

Publication number: BR102020004097A2
Application number: BR102020004097-9A
Authority: BR
Inventors: Yoshito Endo; Katsuaki TSUJI; Noriaki KITAJIMA
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2020-10-20
Also published as: KR102325913B1; CN111799476A; EP3723177A1; JP2020173919A; JP7088117B2; US20200328444A1; US11569521B2; KR20200119203A; EP3723177B1; RU2734762C1; CN111799476B

Abstract

método para a fabricação de conjunto de eletrodo de membrana para célula de combustível. a presente invenção refere-se a um método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível na qual uma falha de transferência é suprimida. a presente invenção refere-se a um método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível, que compreende aplicar intermitentemente uma tinta de catalisador em uma folha de substrato e secar a tinta de catalisador para formar uma camada de catalisador na folha de substrato e transferir a camada de catalisador da folha de substrato sobre uma membrana eletrolítica. a tinta do catalisador contém partículas de catalisador, um ionômero, um álcool e água e um teor de água na tinta do catalisador é de 57% a 61% em peso de um peso total da tinta do catalisador.

Description

MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE CONJUNTO DE ELETRODO DE MEMBRANA PARA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL

PRECEDENTES Campo da técnica

[001] A presente revelação refere-se a um método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível.

Técnica precedente

[002] Uma célula de combustível converte diretamente energia química possuída por uma substância em energia elétrica, causando uma reação eletroquímica, fornecendo os respectivos gases de reação (gás combustível e gás oxidante) a um par de eletrodos catalíticos dispostos interpondo uma membrana eletrolítica.

[003] O conjunto de eletrodo de membrana como membro constituinte de uma célula de combustível de polímero sólido tem uma configuração na qual as camadas de catalisador são laminadas em ambas as superfícies de uma membrana eletrolítica de polímero. É conhecido, por exemplo, um método que transfere a camada de catalisador para a membrana eletrolítica, cobrindo e pressionando com calor uma folha de substrato na qual a camada de catalisador é formada na membrana eletrolítica como um dos métodos para a fabricação do conjunto de eletrodo de membrana. A camada de catalisador é, por exemplo, formada na folha de substrato aplicando uma tinta de catalisador na folha de substrato e secando-a.

[004] JP 2015-55555 A revela um método para inspecionar uma membrana revestida por catalisador de célula de combustível. Como revelado em JP 2015-55555 A, quando a camada de catalisador é transferida para a membrana eletrolítica vinda da folha de substrato, a camada de catalisador, em alguns casos, permanece na folha de substrato para causar uma falha na transferência.

[005] JP 2017-177679 A revela um filme de liberação que tem uma camada de liberação em pelo menos uma superfície de um filme de poliéster e tem um módulo de elasticidade de armazenamento dentro de um certo intervalo. JP 2017-177679 A revela que o uso deste filme de liberação garante a falha na transferência suprimida.

[006] Aqui, como tinta de catalisador usada na formação da camada de catalisador, por exemplo, é conhecida uma tinta de catalisador que contém um agregado de catalisador de suporte de carbono e um ionômero como o revelado em JP 2013-30286 A. No entanto, quando a camada de catalisador formada usando a tinta de catalisador contendo o ionômero é transferida na membrana eletrolítica vinda da folha de substrato, uma porção de extremidade da camada de catalisador, em alguns casos, permanece na folha de substrato sem ser transferida para causar a falha na transferência. É deduzido que, durante a secagem da tinta de catalisador aplicada na folha de substrato, a espessura da membrana torna-se fina na porção de extremidade da membrana de revestimento para aumentar uma velocidade de vaporização maior do que essa de uma porção central da membrana de revestimento, e isso faz com que o ionômero, que tem um efeito de cola, flua facilmente da porção central para a porção de extremidade seca anteriormente. Como resultado, o ionômero é segregado na porção de extremidade da membrana de revestimento para dificultar a separação da camada de catalisador.

SUMÁRIO

[007] Como descrito acima, o método convencional para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível, em alguns casos, causa a falha na transferência quando a tinta de catalisador que contém o ionômero é usada. Por conseguinte, a presente revelação fornece um método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível na qual a falha de transferência é suprimida.

[008] Como um resultado de vários estudos sobre os meios para resolver o problema, os inventores verificaram que fazer um teor de água na tinta de catalisador cair dentro de um determinado intervalo assegurava a supressão de uma falha de transferência em uma produção de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível e, portanto, completaram a presente revelação.

[009] Ou seja, a essência da presente revelação é a seguinte.

[0010] (1) Um método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível, o método compreendendo:

[0011] aplicar intermitentemente uma tinta de catalisador em uma folha de substrato e secar a tinta de catalisador para formar uma camada de catalisador na folha de substrato; e

[0012] transferir a camada de catalisador da folha de substrato para uma membrana eletrolítica,

[0013] em que a tinta de catalisador contém partículas de catalisador, um ionômero, um álcool e água e um teor de água na tinta de catalisador é de 57% a 61% em peso de um peso total da tinta de catalisador.

[0014] (2) O método para a fabricação um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível de acordo com (1), em que uma parte do ionômero é adsorvida nas partículas do catalisador na tinta do catalisador e uma quantidade do ionômero não adsorvida nas partículas do catalisador é igual ou inferior a 15 mg por 1 g de tinta de catalisador.

[0015] A presente revelação garante o fornecimento de um método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível na qual uma falha de transferência é suprimida.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0016] A figura 1 é um diagrama esquemático que ilustra uma modalidade de um método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana de acordo com a presente revelação;

[0017] A figura 2 é um desenho que ilustra resultados de medição de distribuições de espessura de camadas de catalisador para tintas de catalisador com diferentes teores de água no Exemplo;

[0018] A figura 3 é um desenho esquemático que ilustra uma porção de falha de transferência da camada de catalisador no Exemplo;

[0019] A figura 4 é um desenho que ilustra uma relação entre o teor de água na tinta do catalisador e uma quantidade de ionômero não adsorvente no Exemplo;

[0020] A figura 5 é um desenho que ilustra uma relação entre a quantidade de ionômero não adsorvente e uma largura média da porção de falha de transferência da camada de catalisador no Exemplo; e

[0021] A figura 6 é um desenho que ilustra uma relação entre um período de armazenamento das tintas de catalisador e as taxas de aumento das quantidades de ionômero não adsorvente no Exemplo.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0022] O seguinte descreve uma modalidade da presente revelação em detalhes.

[0023] A presente revelação refere-se a um método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível no qual uma camada de catalisador formada em uma folha de substrato é transferida para uma membrana eletrolítica. O conjunto de eletrodo de membrana tem uma configuração na qual as camadas de catalisador são laminadas em ambas as superfícies da membrana eletrolítica. A figura 1 ilustra uma modalidade do método para a fabricação do conjunto de eletrodo de membrana da presente revelação. Na uma modalidade da presente revelação, como ilustrado na figura 1, é preparada uma folha de substrato 2 na qual as camadas de catalisador 1 são formadas. Uma superfície desta folha de substrato 2 na qual as camadas de catalisador 1 são formadas é levada a fazer face com uma membrana eletrolítica 3, e elas são pressurizadas e aquecidas usando um rolo de aquecimento 4, transferindo assim as camadas de catalisador 1 formadas na folha de substrato 2 para a membrana eletrolítica 3. Após a transferência, uma barra de separação 5 separa as camadas de catalisador 1 da folha de substrato 2. Com o método de fabricação da presente revelação, nenhuma camada de catalisador permanece na folha de substrato após a separação, não causando assim falha na transferência.

[0024] Especificamente, o método para a fabricação do conjunto de eletrodo de membrana da presente revelação compreende uma primeira etapa de aplicação intermitente de uma tinta de catalisador na folha de substrato e secagem da tinta de catalisador para formar a camada de catalisador na folha de substrato e uma segunda etapa de transferência da camada de catalisador da folha de substrato para a membrana eletrolítica. Na presente revelação, fazer com que um teor de água da tinta do catalisador caia dentro de um certo intervalo garante a supressão da falha na transferência.

[0025] Na primeira etapa do método de fabricação da presente revelação, a tinta de catalisador é aplicada intermitentemente na folha de substrato e seca para formar as camadas de catalisador na folha de substrato.

[0026] A folha de substrato não é especificamente limitada e, por exemplo, um material de polímero sólido em forma de folha pode ser usado. Como o material de polímero sólido, pode ser utilizado um material de polímero com alta propriedade de liberação e alta resistência ao calor. Os exemplos do material de polímero sólido incluem, por exemplo, uma resina à base de olefina, tais como polietileno e polipropileno, politetrafluoroetileno, copolímero de éter vinílico tetrafluoroperfluoroalquil, copolímero de tetrafluoroetileno-hexafluoropropileno, copolímero de etileno-tetrafluoroetileno, tereftalato de polietileno e naftalato de polietileno e, em algumas modalidades, o material de polímero sólido é politetrafluoretileno (PTFE; Teflon (marca registrada)).

[0027] A folha de substrato pode ser preparada, por exemplo, como uma folha em forma de rolo com uma largura de aproximadamente 150 mm a 500 mm.

[0028] A tinta do catalisador contém partículas de catalisador, um ionômero, um álcool e água. A tinta do catalisador pode ser um líquido de dispersão no qual as partículas do catalisador e o ionômero são dispersos no álcool e na água como o meio de dispersão.

[0029] As partículas do catalisador não são especificamente limitadas e, por exemplo, platina, rutênio, paládio, irídio, ferro, níquel, cobalto, tungstênio, molibdênio e suas ligas podem ser usadas. Do aspecto das características de saída e durabilidade, uma liga de platina e cobalto pode ser usada.

[0030] As partículas de catalisador podem ser usadas em uma configuração como sendo suportadas por um transportador. O transportador que suporta as partículas de catalisador não é especificamente limitado e, por exemplo, um material à base de carbono pode ser usado. Os exemplos do material à base de carbono incluem, por exemplo, materiais de carbono, tais como negro de fumo, carbono ativado, nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, nanocornetas de carbono e bolas de carbono, compostos de carbono e similares tipificados por, por exemplo, carboneto de silício e sua mistura.

[0031] Quando as partículas de catalisador são usadas na configuração como sendo suportadas pelo transportador, uma proporção em peso das partículas de catalisador para o transportador é, por exemplo, 10:90 a 90:10 e pode ser de 20:80 a 40:60.

[0032] Um conteúdo das partículas de catalisador na tinta de catalisador é, por exemplo, 1% a 5% em peso do peso total da tinta de catalisador. Quando as partículas de catalisador são usadas na configuração como sendo suportadas pelo transportador, um conteúdo total das partículas de catalisador e do transportador é, por exemplo, 2% a 10% em peso do peso total da tinta do catalisador, e pode ser 5% a 7% em peso do peso total da tinta do catalisador.

[0033] O ionômero é uma resina sintética feita por elevadas moléculas agregadas usando força coesiva por íons metálicos. O ionômero pode ser um polieletrólito com condutividade de próton (H+). Especificamente, os exemplos do ionômero incluem, por exemplo, um material de fluororresina (por exemplo, Nafion (marca registrada)) contendo um grupo de ácido sulfônico, um eletrólito à base de plástico sulfonado, tais como acetona de poliéter sulfonado, polietersulfona sulfonada, sulfona de éter poliéter sulfonado, polissulfona sulfonada, polissulfeto sulfonado e polifenileno sulfonado e um eletrólito à base de plástico sulfoalquilado, tais como cetona de éter poliéter sulfoalquilada, polietersulfona sulfoalquilada, polieteretersulfona sulfoalquilada, polissulfona sulfoalquilada, polissulfeto sulfoalquilado e polifenileno sulfoalquilado. Do aspecto de durabilidade, um material de resina de ácido perfluorossulfônico pode ser usado.

[0034] Uma parte do ionômero pode ser adsorvida para as partículas de catalisador. Uma quantidade do ionômero não adsorvida para as partículas de catalisador (a seguir, também descrita como ionômero não-adsorvente) pode ser de 45 mg ou menos por 1 g da tinta do catalisador, e pode ser de 15 mg ou menos. A quantidade do ionômero não adsorvente pode ser determinada filtrando a tinta do catalisador com um filtro com um diâmetro de furo predeterminado (por exemplo, 0,3 μm a 0,5 μm) e medindo o peso do ionômero contido no filtrado por termogravimetria. No método convencional em que o teor de água na tinta do catalisador é, por exemplo, inferior a 57% em peso, era necessário tornar a quantidade do ionômero não adsorvente na tinta do catalisador igual ou inferior a 15 mg / 1 g da tinta do catalisador a fim de suprimir a falha na transferência. Enquanto isso, na presente revelação, fazer com que o teor de água na tinta do catalisador caia dentro de um certo intervalo reduz suficientemente a porção de membrana fina em uma porção de extremidade da camada de catalisador formada na folha para dificultar a segregação do ionômero na porção de extremidade da camada de catalisador. Portanto, mesmo quando a quantidade de ionômero não adsorvente na tinta do catalisador é aumentada até 45 mg / 1 g da tinta do catalisador, a falha na transferência pode ser suprimida. Por conseguinte, com o método da presente revelação, uma limitação do uso de ionômeros na tinta de catalisador pode ser substancialmente relaxada. Quando a quantidade do ionômero não adsorvente na tinta do catalisador é igual ou inferior a 15 mg / 1 g da tinta do catalisador, a quantidade do ionômero não adsorvente é suficientemente pequena, garantindo, assim, ainda a falha de transferência suprimida.

[0035] O conteúdo do ionômero na tinta do catalisador é, por exemplo, 2% a 10% em peso do peso total da tinta do catalisador e pode ser de 3,5% a 5,0% em peso do peso total da tinta do catalisador.

[0036] O álcool não está especificamente limitado, e os exemplos do álcool incluem, por exemplo, C1 a C4 álcool de alquila e suas misturas. O álcool pode ser etanol, 1-propanol, 2-propanol e suas misturas.

[0037] O teor de álcool é, por exemplo, 10% a 50% em peso do peso total da tinta de catalisador, e pode ser 29% a 33% em peso do peso total da tinta do catalisador.

[0038] O teor de água na tinta de catalisador é de 57% a 61% em peso do peso total da tinta de catalisador e pode ser de 58% a 60% em peso do peso total da tinta de catalisador. O teor de água na tinta do catalisador de 57% em peso ou mais garante a supressão do afinamento da espessura na porção de extremidade da camada de catalisador durante a secagem da tinta do catalisador aplicada na folha de substrato para diminuir a diferença entre as velocidades de vaporização na porção de extremidade e na porção central da camada de catalisador e a aceleração da adsorção do ionômero às partículas do catalisador. Essas garantem a supressão da segregação do ionômero na porção de extremidade da camada de catalisador e, portanto, a porção de extremidade da camada de catalisador é facilmente separada da folha de substrato, garantindo assim que a falha de transferência suprimida seja causada. Além disso, o teor de água na tinta do catalisador de 57% em peso ou mais garante a supressão do aumento do ionômero não adsorvente na tinta do catalisador ao longo do tempo, prolongando assim um período utilizável da tinta do catalisador. O teor de água na tinta do catalisador de 61% em peso ou menos garante a supressão da formação de espuma da tinta do catalisador, obtendo assim uma excelente capacidade de revestimento. Além disso, o teor de água na tinta do catalisador sendo de 57% a 61% em peso faz com que a viscosidade da tinta do catalisador caia dentro de um intervalo adaptado para obter a excelente capacidade de revestimento. Na presente revelação, a especificação do teor de água na tinta do catalisador dentro deste intervalo garante a obtenção tanto da falha de transferência suprimida quanto da excelente capacidade de revestimento ao mesmo tempo.

[0039] A tinta do catalisador pode conter qualquer outro componente, tais como um agente repelente de água, um agente auxiliar de dispersão, um melhorador de viscosidade e um agente formador de poros, conforme necessário, além dos componentes descritos acima. O conteúdo de qualquer outro componente na tinta de catalisador é geralmente 10% em peso ou menos do peso total da tinta de catalisador e pode ser 5% em peso ou menos do peso total da tinta de catalisador.

[0040] A tinta do catalisador pode ser preparada misturando, por exemplo, as partículas do catalisador, o ionômero, o álcool, a água e o outro componente, como necessário e dispersando as partículas do catalisador e o ionômero no álcool e na água.

[0041] A tinta do catalisador é aplicada intermitentemente na folha de substrato. Enquanto a tinta do catalisador pode ser aplicada intermitentemente em intervalos regulares ou pode ser aplicada intermitentemente em diferentes intervalos, do aspecto da eficiência da produção, a tinta do catalisador pode ser aplicada intermitentemente em intervalos regulares. A tinta do catalisador pode ser aplicada com um método que assegura uma aplicação uniforme de espessura e, por exemplo, pode ser aplicada com um método de revestimento de matriz, um método de revestimento de rolo ou semelhante. A tinta do catalisador é normalmente aplicada com uma espessura de 0,05 mm a 0,15 mm. A tinta do catalisador pode ser aplicada em uma forma retangular e geralmente é aplicada de forma intermitente com um tamanho de 150 mm a 250 mm × 250 mm a 350 mm.

[0042] Posteriormente, a tinta de catalisador aplicada na folha de substrato é seca para formar as camadas de catalisador na folha de substrato. A secagem é realizada, por exemplo, em 70°C a 150°C. O tempo de secagem pode ser ajustado adequadamente, dependendo da temperatura de secagem, e é, por exemplo, de um minuto a dez minutos.

[0043] A camada de catalisador formada pode ter uma forma retangular e geralmente tem um tamanho de 150 mm a 250 mm × 250 mm a 350 mm. A espessura da camada de catalisador é geralmente de 0,005 mm a 0,015 mm. No método de fabricação da presente revelação, uma vez que a diferença entre as espessuras da porção de extremidade e a porção central da camada de catalisador pode ser diminuída, a segregação do ionômero na porção de extremidade da camada de catalisador pode ser suprimida, garantindo assim que a supressão da falha na transferência seja causada. A largura da porção de membrana fina na porção de extremidade da camada de catalisador onde a espessura é mais fina do que a espessura da porção central da camada de catalisador pode ser de 5 mm ou menos, pode ser de 3 mm ou menos e é de 2 mm ou menos em algumas modalidades. Aqui, a largura da porção da membrana fina significa uma largura da camada de catalisador ao longo da direção do fluxo da folha de substrato. Quando existem duas ou mais das tais porções de membrana fina em uma camada de catalisador, a largura da porção de membrana fina é a largura maior entre aquelas.

[0044] Na segunda etapa do método de fabricação da presente revelação, a camada de catalisador é transferida para a membrana eletrolítica a partir da folha de substrato.

[0045] A membrana eletrolítica não é especificamente limitada e, por exemplo, é uma membrana eletrolítica de polímero sólida com condutividade protônica satisfatória no estado úmido. Como a membrana eletrolítica, por exemplo, pode ser utilizada uma membrana de troca iônica à base de resina de flúor, incluindo um grupo de ácido sulfônico, e Nafion (marca registrada) da DuPont de Nemours, Inc., Aciplex (marca registrada) da Asahi Kasei Corporation, FLEMION (marca registrada) de AGC Inc. e similares. Observe que a membrana eletrolítica não está limitada à membrana incluindo um grupo de ácido sulfônico e pode ser usada uma membrana que inclui outro grupo de troca iônica (componente de eletrólito), tais como um grupo de fosfato e um grupo de ácido carboxílico.

[0046] A transferência da camada de catalisador da folha de substrato para a membrana eletrolítica pode ser realizada, por exemplo, fazendo com que a superfície na qual a camada de catalisador da folha de substrato é formada confronte a membrana eletrolítica e aquecendo e pressurizando a partir de ambos os lados. Esta etapa pode ser realizada, por exemplo, por uma transferência de pressão de calor usando um rolo de aquecimento. Após a transferência, a folha de substrato é separada da camada de catalisador.

[0047] Só é necessário que o aquecimento e a pressurização sejam realizados a uma temperatura e uma pressão que garantam a transferência da camada de catalisador da folha de substrato para a membrana eletrolítica. A temperatura de aquecimento é geralmente de 100°C a 150°C, e a pressão é geralmente de 0,3 MPa a 1 MPa.

[0048] Embora na presente revelação seja necessário apenas executar o método, incluindo a primeira etapa e a segunda etapa descritas acima em pelo menos uma das superfícies da membrana eletrolítica, o método pode ser realizado em ambas as superfícies da membrana eletrolítica. Quando o método da presente revelação é realizado em uma superfície da membrana eletrolítica, uma membrana eletrolítica na qual a camada de catalisador foi formada preliminarmente em uma superfície pode ser usada e o método da presente revelação pode ser realizado na outra superfície da membrana eletrolítica, ou uma membrana eletrolítica na qual a camada de catalisador é formada através da realização do método da presente revelação pode ser utilizada e a camada de catalisador pode ser formada na outra superfície por outro método.

[0049] A presente revelação assegura a supressão da falha de transferência da camada de catalisador usando a tinta de catalisador com um teor de água de 57% a 61% em peso no método de fabricação do conjunto de eletrodo de membrana no qual a camada de catalisador formada na folha do substrato é transferida para a membrana eletrolítica. Por conseguinte, a presente revelação também inclui um método para suprimir a falha de transferência da camada de catalisador na produção do conjunto de eletrodo de membrana no qual a camada de catalisador formada na folha de substrato é transferida para a membrana eletrolítica caracterizada pelo uso da tinta do catalisador acima descrita. A presente revelação também se refere ao uso da tinta de catalisador acima descrita para suprimir a falha de transferência da camada de catalisador na produção do conjunto de eletrodo de membrana no qual a camada de catalisador formada na folha de substrato é transferida para a membrana eletrolítica.

[0050] A presente revelação também inclui um método para a fabricação de uma célula de combustível usando o conjunto de eletrodo de membrana fabricado no método acima descrito. O método para a fabricação da célula de combustível da presente revelação inclui a fabricação do conjunto de eletrodo de membrana pelo método acima descrito, a sobreposição do conjunto de eletrodo de membrana fabricado com uma camada de difusão de gás e a compressão do corpo laminado obtido com um separador de gás.

EXEMPLOS

[0051] O seguinte descreve a presente revelação em mais detalhes usando o Exemplo. No entanto, o escopo técnico da presente revelação não se limita a este exemplo.

PREPARAÇÃO DA TINTA DO CATALISADOR

[0052] Uma liga de platina e cobalto suportada por negro de fumo (a seguir também descrita como carbono suportado por catalisador) foi usada como o catalisador. Um líquido de dispersão de ionômeros (Nafion (marca registrada), MERCK, 20% de concentração) foi usado como o ionômero.

[0053] 6% em peso do carbono suportado por catalisador, 4% em peso do ionômero, 59% em peso de água e 31% em peso de etanol foram misturados e dispersos, e uma tinta de catalisador com um teor de água de 59% em peso foi preparada.

[0054] As tintas de catalisador com diferentes teores de água foram preparadas de maneira semelhante à tinta de catalisador com o teor de água de 59% em peso, ajustando as quantidades de água adicionadas. Ao ajustar a quantidade líquida adicionada de dispersão de ionômero, a quantidade do ionômero não adsorvente não adsorvido ao carbono suportado por catalisador foi ajustada para cair dentro do intervalo de 5 mg a 60 mg / 1 g da tinta do catalisador. A quantidade do ionômero não adsorvente na tinta do catalisador foi determinada filtrando a tinta do catalisador com um filtro com um diâmetro de orifício de 0,45 μm e medindo o peso do ionômero contido no filtrado pela termogravimetria.

[0055] A tinta do catalisador foi aplicada intermitentemente com um tamanho de 180 mm × 300 mm em uma folha de politetrafluoretileno (PTFE) para transferência, seca em 70 a 150°C, e um rolo aplicado na camada de catalisador no qual as camadas de catalisador foram formadas na folha de PTFE foi fabricado. Posteriormente, a superfície da camada de catalisador do rolo aplicado na camada de catalisador foi colocada em contato com a superfície da membrana eletrolítica (Nafion (marca registrada)), as camadas de catalisador e a membrana eletrolítica foram colocadas em contato, aquecimento a 130°C e pressurização em 0,6 MPa foram aplicados em ambos os lados e as camadas de catalisador foram transferidas para a membrana eletrolítica. Observe que a velocidade de produção foi constante a 5 m / minuto.

RELAÇÃO ENTRE O TEOR DE ÁGUA NA TINTA DO CATALISADOR E A PORÇÃO DE MEMBRANA FINA NA PORÇÃO DE EXTREMIDADE DA CAMADA DE CATALISADOR

[0056] Uma das camadas de catalisador formadas na folha de PTFE foi selecionada para medir uma distribuição de espessura da camada de catalisador com um dispositivo de medição de espessura de filme do tipo caneta. A distribuição de espessura da camada de catalisador foi medida ao longo da direção do fluxo da folha de PTFE. A figura 2 ilustra os resultados da medição das distribuições de espessura das camadas de catalisador para as tintas de catalisador com teores de água de 56%, 57%, 59% e 61% em peso. Note que, na figura 2, a espessura dentro da faixa de até 3 mm a partir da posição inicial de medição corresponde à espessura da folha de PTFE e a espessura dentro da faixa de 3 mm ou mais a partir da posição inicial de medição corresponde à espessura da camada de catalisador. Como ilustrado na figura 2, a espessura na porção de extremidade da camada de catalisador era mais fina do que a espessura da porção central. À medida que o teor de água na tinta do catalisador foi aumentado, a espessura na porção de extremidade da camada de catalisador ficou mais espessa.

[0057] A partir dos dados das distribuições de espessura das camadas de catalisador, foram medidas as larguras das porções de membrana fina nas porções de extremidade da camada de catalisador, cujas espessuras são mais finas do que 10 μm, o que corresponde à espessura da porção central. Os resultados são mostrados na Tabela 1. Como mostrado na Tabela 1, à medida que o teor de água na tinta do catalisador foi aumentado, a largura da porção da membrana fina diminuiu. O teor de água na tinta de catalisador de 57% em peso ou mais tornou a largura da porção de membrana fina igual ou inferior a 3 mm, que é um intervalo pretendido.

[0058] As falhas de transferência das camadas de catalisador, quando as respectivas tintas do catalisador tendo os teores de água de 56%, 57%, 58% e 59% em peso foram usadas, foram avaliadas. Especificamente, após a transferência da camada de catalisador da folha de PTFE para transferência para a membrana eletrolítica, as larguras (largura na direção do fluxo da folha) das porções de falha de transferência das camadas de catalisador que permaneceram na folha de PTFE para transferência foram medidas. A figura 3 ilustra um diagrama esquemático da porção de falha na transferência da camada de catalisador. Na figura 3, uma porção de falha de transferência 6 é uma parte da camada de catalisador que permaneceu em uma porção aplicada de camada de catalisador 8 em uma folha de PTFE para transferência 7 após a transferência. A largura da porção de falha de transferência 6 é uma largura da porção indicada pela seta na figura 3. A largura da porção da falha na transferência é um valor médio. A Tabela 2 mostra os resultados da medição das larguras médias das porções de falha de transferência das camadas de catalisador e as quantidades de ionômero não adsorvente nas tintas do catalisador em relação aos teores de água nas tintas do catalisador.

[0059] Como mostrado na Tabela 2, o teor de água na tinta do catalisador sendo de 57% em peso ou mais não causou falha na transferência. A figura 4 ilustra uma relação entre o teor de água na tinta do catalisador e a quantidade de ionômero não adsorvente. Como ilustrado na Tabela 2 e figura 4, indicou-se que, à medida que o teor de água foi aumentado na tinta de catalisador, a quantidade do ionômero não adsorvente foi diminuída, isto é, a quantidade do ionômero adsorvido ao carbono suportado por catalisador foi aumentada, para dificultar causar a falha na transferência.

RELAÇÃO ENTRE QUANTIDADE DE IONÔMERO NÃO ADSORVENTE E FALHA NA TRANSFERÊNCIA

[0060] Uma relação entre as quantidades de ionômero não adsorvente e as falhas de transferência foi examinada para tintas de catalisador com o teor de água de 59% em peso e diferentes quantidades de ionômero não adsorvente. A falha de transferência foi avaliada medindo a largura da porção de falha de transferência da camada de catalisador que permaneceu na folha de PTFE para transferência de maneira semelhante àquelas descritas acima. A figura 5 ilustra uma relação entre a quantidade de ionômero não adsorvente e a largura média da porção de falha de transferência da camada de catalisador. Embora a falha na transferência tenha sido causada com a quantidade de ionômero não adsorvente de 17 mg / 1 g da tinta do catalisador (consulte a Tabela 2) quando o teor de água na tinta do catalisador era de 56% em peso, quando o teor de água na tinta do catalisador era de 59% em peso, a porção de membrana fina na porção de extremidade da camada de catalisador foi suficientemente reduzida para dificultar a segregação do ionômero na porção de extremidade da camada de catalisador. Portanto, como ilustrado na figura 5, mesmo embora a quantidade de ionômero não adsorvente na tinta do catalisador tenha aumentado até 45 mg / 1 g da tinta do catalisador, nenhuma falha de transferência foi causada. Por conseguinte, foi indicado que fazer com que o teor de água na tinta do catalisador caia dentro de um certo intervalo relaxa substancialmente a limitação do uso de ionômero na tinta do catalisador.

AVALIAÇÃO DE FALHA NA TRANSFERÊNCIA

[0061] No Exemplo 1, foi utilizada a tinta de catalisador com o teor de água de 59% em peso, e no Exemplo Comparativo 1, foi usada a tinta de catalisador com o teor de água de 56% em peso, para a fabricação dos rolos aplicados na camada de catalisador nos quais as camadas de catalisador foram formadas nas folhas de PTFE para transferência, de uma maneira semelhante descrita acima. Utilizando estes rolos aplicados na camada de catalisador, as camadas de catalisador foram transferidas para as membranas eletrolíticas e as avaliações das falhas de transferência foram realizadas. Os resultados são mostrados na Tabela 3. Como mostrado na Tabela 3, nenhuma falha de transferência foi causada no Exemplo 1, e fazendo com que o teor de água na tinta do catalisador caísse dentro da faixa predeterminada da presente revelação, suprimiu substancialmente a falha de transferência.

TESTE DE FORMAÇÃO DE ESPUMA DA TINTA DO CATALISADOR

[0062] Foram realizados testes de formação de espuma para tintas do catalisador com diferentes teores de água. Os testes de formação de espuma foram realizados em conformidade com a Norma Industrial Japonesa K 2518. Os resultados são mostrados na Tabela 4.

[0063] Como mostrado na Tabela 4, o teor de água na tinta do catalisador sendo 62% em peso ou mais significativamente aumentou a formação de espuma da tinta do catalisador. Observe que, mesmo embora as quantidades de ionômero adicionadas à tinta do catalisador tenham sido diferentes, resultados semelhantes foram obtidos.

ALTERAÇÃO DA QUANTIDADE DE IONÔMERO NÃO ADSORVENTE AO LONGO DO TEMPO

[0064] As quantidades de ionômero não adsorvente nas tintas do catalisador quando armazenadas a 25°C foram medidas ao longo do tempo para tintas do catalisador com teores de água de 56% em peso e 59% em peso para obter taxas de aumento das quantidades de ionômero não adsorvente em relação ao momento em que a medição começou. As quantidades de ionômero não adsorvente foram medidas como descrito acima. A figura 6 ilustra uma relação entre o período de armazenamento das tintas do catalisador e as taxas de aumento das quantidades de ionômero não adsorvente. Como ilustrado na figura 6, a tinta de catalisador com o teor de água de 59% em peso teve a taxa de aumento da quantidade de ionômero não adsorvente significativamente pequena em comparação com a tinta de catalisador com o teor de água de 56% em peso e era estável ao longo do tempo.
DESCRIÇÃO DOS SÍMBOLOS

1 camada de catalisador
2 Folha de substrato
3 membrana eletrolítica
4 Rolo de aquecimento
5 Barra de separação
6 Porção da falha de transferência
7 Folha de PTFE para transferência
8 Porção aplicada da camada de catalisador

Claims

Método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível, o método caracterizado pelo fato de que compreende:
aplicar intermitentemente uma tinta de catalisador em uma folha de substrato e secar a tinta de catalisador para formar uma camada de catalisador na folha de substrato; e
transferir a camada de catalisador da folha de substrato para uma membrana eletrolítica,
em que a tinta de catalisador contém partículas de catalisador, um ionômero, um álcool e água e um teor de água na tinta de catalisador é de 57% a 61% em peso de um peso total da tinta de catalisador.
Método para a fabricação de um conjunto de eletrodo de membrana para uma célula de combustível de acordo com a reivindicação 1,
caracterizado pelo fato de que uma parte do ionômero é adsorvida nas partículas do catalisador na tinta do catalisador e uma quantidade do ionômero não adsorvido nas partículas do catalisador é igual ou inferior a 15 mg por 1 g da tinta do catalisador.