JP2006024556A - 燃料電池、電極−電解質膜接合体、触媒層付き電極基材、それらの製造方法及び転写シート - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 イオン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒層を形成し、少なくとも一方の触媒層の形成領域中に該触媒層を厚み方向に貫通する貫通孔を複数分散させ、且つ該貫通孔同士を連通させないようにした。
【選択図】 図1
Description
しかしながら、分割触媒部の間の隙間が互いに連通しているので、空気極の三相界面で発生する生成水が隙間を通ってある部分に集中的に溜まり、ガス拡散性が局所的に極端に低下するという問題があった。また、分割触媒部を小さくしようとした場合には該分割触媒部が割れ易くなり、電解質膜から剥離し易くなるという問題もあった。
1.本発明は、イオン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒層を形成し、少なくとも一方の触媒層の形成領域中に該触媒層を厚み方向に貫通する貫通孔を複数分散させ、且つ該貫通孔同士を連通させないようにしたことを特徴とする電極−電解質膜接合体を提供する。
2.前記貫通孔を前記触媒層の形成領域のほぼ全面にわたって形成したことを特徴とする前記1に記載の電極−電解質膜接合体を提供する。
3.反応ガスの下流側に行くほど前記貫通孔の開口寸法を大きくすることにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする前記1又は2に記載の電極−電解質膜接合体を提供する。
4.反応ガスの下流側に行くほど前記貫通孔の数を増やすことにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする前記1から3のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体を提供する。
5.前記貫通孔の奥の前記電解質膜と接する開口面積の総和が、前記貫通孔を含む前記触媒層の形成領域の総表面積の2%〜20%となるように設定したことを特徴とする前記1から4のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体を提供する。
6.前記貫通孔の開口面積を25μm2〜10,000μm2に設定したことを特徴とした前記1から5のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体を提供する。
7.前記1から6のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体を組み込んだことを特徴とする燃料電池を提供する。
8.電極−電解質膜接合体の触媒層を転写基材上に設けた電極−電解質膜接合体製造用の転写シートであって、前記触媒層の形成領域の中に前記触媒層を厚み方向に貫通する貫通孔を複数分散させ、且つ該貫通孔同士を連通させないようにしたことを特徴とする電極−電解質膜接合体製造用の転写シートを提供する。
9.前記貫通孔を前記触媒層の形成領域のほぼ全面にわたって形成したことを特徴とする前記8に記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シートを提供する。
10.反応ガスの下流側に行くほど前記貫通孔の開口寸法を大きくすることにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする前記8又は9に記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シートを提供する。
11.反応ガスの下流側に行くほど前記貫通孔の数を増やすことにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする前記8から10のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シートを提供する。
12.前記貫通孔の奥の前記電解質膜と接する開口面積の総和が、前記貫通孔を含む前記触媒層の形成領域の総表面積の2%〜20%となるように設定したことを特徴とする前記8から11のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シートを提供する。
13.前記貫通孔の開口面積を25μm2〜10,000μm2に定したことを特徴とする前記8から12のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シートを提供する。
14.前記8から13のいずれかに記載の転写シートを、前記触媒層が電解質膜に対面するように配置し、加熱プレスを施して前記転写シートの前記触媒質を電解質膜に転写することを特徴とする触媒層−電解質膜接合体の製造方法を提供する。
15.前記転写シートを前記電解質膜の両面に配置することを特徴とする前記14に記載の触媒層−電解質膜接合体の製造方法を提供する。
16.前記14又は15のいずれかの方法で製造される触媒層−電解質膜接合体の両面に電極基材を配置し、プレスを施して前記電極基材を前記電解質膜に接合することを特徴とする電極−電解質膜接合体の製造方法を提供する。
17.前記16の方法により電極−電解質膜接合体を製造し、該電極−電解質膜接合体を用いて燃料電池を得ることを特徴とする燃料電池の製造方法を提供する。
18.固体高分子形燃料電池に用いられる触媒層付き電極基材であって、電極基材と触媒層との間に、前記電極基材表面を平滑にする平坦化層を介在させ、該触媒層の厚み方向に貫通する貫通孔を前記触媒層の任意部分に形成したことを特徴とする触媒層付き電極基材を提供する。
19.前記平坦化層の厚み方向に貫通する貫通孔を前記触媒層の前記貫通孔に対応するようにして前記平坦化層に形成し、前記触媒層及び前記平坦化層のそれぞれの前記貫通孔を連通させたことを特徴とする前記18に記載の触媒層付き電極基材を提供する。
20.前記貫通孔の開口寸法を、前記固体高分子形燃料電池のガス供給口から流入する反応ガスの下流側に行くほど大きくすることにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする前記18又は19に記載の触媒層付き電極を提供する。
21.前記貫通孔の数を、前記固体高分子形燃料電池のガス供給口から流入する反応ガスの下流側に行くほど増加させることにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする前記18又は19に記載の触媒層付き電極基材を提供する。
22.前記貫通孔の総開口面積が、前記貫通孔を設けない前記触媒層の総面積の2%〜20%となるように設定したことを特徴とする前記18から21のいずれかに記載の触媒層付き電極基材を提供する。
23.前記貫通孔の開口面積を25μm2〜10,000μm2に設定したことを特徴とした前記18から22のいずれかに記載の触媒層付き電極基材を提供する。
24.前記18から23のいずれかに記載の触媒層付き電極基材を電解質膜の両面に配置したことを特徴とする電極−電解質膜接合体を提供する。
25.前記24の電極−電解質膜接合体を組み込んだことを特徴とする燃料電池を提供する。
26.固体高分子形燃料電池に用いられる触媒層付き電極基材の製造方法であって、電極基材に、該電極基材表面を平滑にする平坦化層を積層し、該平坦化層の表面に触媒ペーストを塗布することにより前記触媒層を形成し、該触媒層の厚み方向に貫通する貫通孔を前記触媒層の任意部分に形成することを特徴とする触媒層付き電極基材の製造方法を提供する。
27.前記触媒層及び前記平坦化層の二層にわたって貫通する貫通孔を形成することにより前記触媒層の前記貫通孔と連通する貫通孔を前記平坦化層に形成することを特徴とする前記26に記載の触媒層付き電極基材の製造方法を提供する。
28.前記貫通孔の開口寸法を前記固体高分子形燃料電池のガス供給口から流入する反応ガスの下流側に行くほど大きくすることにより、前記触媒層の開口面積を増加させることを特徴とする前記26又は27に記載の触媒層付き電極基材の製造方法を提供する。
29.前記貫通孔の数を前記固体高分子形燃料電池のガス供給口から流入する反応ガスの下流側に行くほど増加させることにより、前記触媒層の開口面積を増加させることを特徴とする前記26又は27に記載の触媒層付き電極基材の製造方法を提供する。
30.前記貫通孔の総開口面積は、前記貫通孔を設けない前記触媒層の総面積の2%〜20%であることを特徴とする前記26から29のいずれかに記載の触媒層付き電極基材の製造方法を提供する。
31.前記貫通孔の開口面積は、25μm2〜10,000μm2であることを特徴とした前記26から30のいずれかに記載の触媒層付き電極基材の製造方法。
32.前記9から12のいずれかの方法により製造される触媒層付き電極を電解質膜の両面に配置することを特徴とする電極−電解質膜接合体の製造方法。
33.前記32の方法により製造される電極−電解質膜を組み込むことを特徴とする燃料電池の製造方法を提供する。
図1のように電極−電解質膜接合体製造用の転写シート1は、転写基材2の上に触媒層3が形成されており、触媒層3を厚み方向に貫通することにより貫通孔31を形成し、該貫通孔31を複数分散させると共に貫通孔31同士を連通させないようにして貫通孔31を独立孔としている。
このようにして触媒層3の表面のほぼ全面に貫通孔31の開口部が複数分散して形成されるが、この開口部の総面積は、該貫通孔31を設けない触媒層3の総表面積の2%〜20%となるように設定されるものである。なお、貫通孔31の開口径が厚み方向において変化する場合には、後述の電解質膜5と接する側の開口面積に基づいて設定される。
触媒層3は公知の白金含有の触媒層3(カソード触媒層及びアノード触媒層)である。触媒層3は、触媒粒子を担持させた炭素粒子および水素イオン伝導性高分子電解質を含有する。触媒粒子としては、例えば、白金、白金化合物が挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる郡より選ばれる少なくとも一種の金属と白金との合金が挙げられる。
カソード触媒層に含まれる触媒は、通常、白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒は、通常、上記金属と白金との合金である。
触媒層−電解質膜接合体4は、図1に示す転写シート1を触媒層3が電解質膜5に対面するように配置し(図2)、転写シート1の背面側から加熱プレスを施して触媒層3を電解質膜5に転写した後(図3)、転写シート1の転写基材2を剥離することにより製造されるものであり(図4)、触媒層3には貫通孔31を分散して形成される(図4(a))。
加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常0.5〜20Mpa程度、好ましくは1〜10Mpa程度がよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜5の破損、変性等を避けるために、通常200℃以下、好ましくは150℃以下がよい。
外部刺激の方法としては、UV、Vis、IR、CO2、SR、エキシマレーザー、電子ビームなどのレーザー加工やその他熱や剣山のようなもので物理的に穴を開ける手法が上げられる。
電極−電解質膜接合体6は、触媒層−電解質膜接合体4の両面に、電極基材7をそれぞれ配置して加圧を施すことにより製造される(図7)。
燃料電池は、次のようにして製造される。
(1)上述のように基材上に触媒層3を形成して電極−電解質膜接合体製造用の転写シート1を得る工程(図1)、
(2)上記(1)工程で得られる転写シート1の触媒層3が電解質膜5の膜面に対面するように転写シート1を配置し(図2)、加熱プレスを施して触媒層3と電解質膜5を接合し(図3)、転写シート1の基材を触媒層3から剥離することにより触媒層−電解質膜接合体4(図4及び図5)を得る工程、
(3)上記(2)工程で得られる触媒層−電解質膜接合体4の両面に電極基材7を配置し、プレスを施すことにより電極−電解質膜接合体6(図7)を得る工程、
(4)上記(3)工程で得られる電極−電解質膜接合体6に図外のセパレータを固定して燃料電池を得る工程、を経て製造される。
図9のように触媒層付き電極基材8は、白金含有の触媒層3を平坦化層9を介して電極基材(ガス拡散電極)7に積層して成る。
また、PTFEのディスパージョン溶液を電極基材7に含浸させて加熱乾燥することにより電極基材7に撥水処理を施す。PTFEディスパージョン溶液としては、例えばダイキン工業株式会社製ポリフロンPTFEディスパージョンにノニオン型活性剤等を加え固形分を5〜10%にしたものがある。
本発明の触媒層付き電極基材8の製造方法は、多孔質の電極基材7を撥水処理する工程と、電極基材7上に、平坦化層用ペーストを塗布して平坦化層9を形成する工程と、平坦化層9に上に白金含有触媒層形成用ペーストを塗布して白金含有触媒層3を形成する工程とを備えている。
本発明の電極−電解質接合体6は、図13のように触媒層付き電極基材8を電解質膜5に熱プレスを施すことにより作成される。図14は、図10に示す触媒層付き電極基材8Aを用いて作成された電極−電解質接合体6Aを示す。
(1) 白金担持触媒(田中貴金属工業株式会社製)をNafion溶液(Dupont製)に分散させ触媒ペーストを調整した。12μmPETフィルム(東洋紡績株式会社製)に上記のように調整したペーストをドクターブレードにて塗布してこれを乾燥させた。これに触媒層表面積の4%になるように貫通孔を形成し、カソード極触媒層を形成した。貫通孔の孔径を200μm×200μm□とし、孔間の距離を1000μmに設定した。
(2) 白金ルテニウム合金担持触媒(田中貴金属工業株式会社製)をNafion溶液(Dupont製)に分散させ触媒ペーストを調整した。12μmPETフィルム(東洋紡紡績株式会社製)に上記で調整したペーストをドクターブレードにて塗布してこれを乾燥し、アノード極触媒層を形成した。
(3) (1)、(2)で作製したカソード・アノード極触媒層を用い水素イオン伝導性高分子電解質膜(Dupont製)に熱プレスを施して触媒層−電解質膜接合体を作製した。
比較例として、上記実施例の同じようにして形成されるカソード極触媒層には貫通孔を設けず、これを用いて触媒層−電解質膜接合体を作製した。
2 転写基材
3 触媒層
31 貫通孔
4 触媒層−電解質膜接合体
5 電解質膜
6 電極−電解質膜接合体
7 電極基材
Claims (33)
- イオン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒層を形成し、少なくとも一方の触媒層の形成領域中に該触媒層を厚み方向に貫通する貫通孔を複数分散させ、且つ該貫通孔同士を連通させないようにしたことを特徴とする電極−電解質膜接合体。
- 前記貫通孔を前記触媒層の形成領域のほぼ全面にわたって形成したことを特徴とする請求項1に記載の電極−電解質膜接合体。
- 反応ガスの下流側に行くほど前記貫通孔の開口寸法を大きくすることにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする請求項1又は2に記載の電極−電解質膜接合体。
- 反応ガスの下流側に行くほど前記貫通孔の数を増やすことにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体。
- 前記貫通孔の奥の前記電解質膜と接する開口面積の総和が、前記貫通孔を含む前記触媒層の形成領域の総表面積の2%〜20%となるように設定したことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体。
- 前記貫通孔の開口面積を25μm2〜10,000μm2に設定したことを特徴とした請求項1から5のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体。
- 請求項1から6のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体を組み込んだことを特徴とする燃料電池。
- 電極−電解質膜接合体の触媒層を転写基材上に設けた電極−電解質膜接合体製造用の転写シートであって、前記触媒層の形成領域の中に前記触媒層を厚み方向に貫通する貫通孔を複数分散させ、且つ該貫通孔同士を連通させないようにしたことを特徴とする電極−電解質膜接合体製造用の転写シート。
- 前記貫通孔を前記触媒層の形成領域のほぼ全面にわたって形成したことを特徴とする請求項8に記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シート。
- 反応ガスの下流側に行くほど前記貫通孔の開口寸法を大きくすることにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする請求項8又は9に記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シート。
- 反応ガスの下流側に行くほど前記貫通孔の数を増やすことにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする請求項8から10のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シート。
- 前記貫通孔の奥の前記電解質膜と接する開口面積の総和が、前記貫通孔を含む前記触媒層の形成領域の総表面積の2%〜20%となるように設定したことを特徴とする請求項8から11のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シート。
- 前記貫通孔の開口面積を25μm2〜10,000μm2に設定したことを特徴とする請求項8から12のいずれかに記載の電極−電解質膜接合体製造用の転写シート。
- 請求項8から13のいずれかに記載の転写シートを、前記触媒層が電解質膜に対面するように配置し、加熱プレスを施して前記転写シートの前記触媒質を電解質膜に転写することを特徴とする触媒層−電解質膜接合体の製造方法。
- 前記転写シートを前記電解質膜の両面に配置することを特徴とする請求項14に記載の触媒層−電解質膜接合体の製造方法。
- 請求項14又は15のいずれかの方法で製造される触媒層−電解質膜接合体の両面に電極基材を配置し、プレスを施して前記電極基材を前記電解質膜に接合することを特徴とする電極−電解質膜接合体の製造方法。
- 請求項16の方法により電極−電解質膜接合体を製造し、該電極−電解質膜接合体を用いて燃料電池を得ることを特徴とする燃料電池の製造方法。
- 固体高分子形燃料電池に用いられる触媒層付き電極基材であって、電極基材と触媒層との間に、前記電極基材表面を平滑にする平坦化層を介在させ、該触媒層の厚み方向に貫通する貫通孔を前記触媒層の任意部分に形成したことを特徴とする触媒層付き電極基材。
- 前記平坦化層の厚み方向に貫通する貫通孔を前記触媒層の前記貫通孔に対応するようにして前記平坦化層に形成し、前記触媒層及び前記平坦化層のそれぞれの前記貫通孔を連通させたことを特徴とする請求項18に記載の触媒層付き電極基材。
- 前記貫通孔の開口寸法を、前記固体高分子形燃料電池のガス供給口から流入する反応ガスの下流側に行くほど大きくすることにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする請求項18又は19に記載の触媒層付き電極。
- 前記貫通孔の数を、前記固体高分子形燃料電池のガス供給口から流入する反応ガスの下流側に行くほど増加させることにより前記触媒層の開口面積を増加させたことを特徴とする請求項18又は19に記載の触媒層付き電極基材。
- 前記貫通孔の総開口面積が、前記貫通孔を設けない前記触媒層の総面積の2%〜20%となるように設定したことを特徴とする請求項18から21のいずれかに記載の触媒層付き電極基材。
- 前記貫通孔の開口面積を25μm2〜10,000μm2に設定したことを特徴とした請求項18から22のいずれかに記載の触媒層付き電極基材。
- 請求項18から23のいずれかに記載の触媒層付き電極基材を電解質膜の両面に配置したことを特徴とする電極−電解質膜接合体。
- 請求項24の電極−電解質膜接合体を組み込んだことを特徴とする燃料電池。
- 固体高分子形燃料電池に用いられる触媒層付き電極基材の製造方法であって、電極基材に、該電極基材表面を平滑にする平坦化層を積層し、該平坦化層の表面に触媒ペーストを塗布することにより前記触媒層を形成し、該触媒層の厚み方向に貫通する貫通孔を前記触媒層の任意部分に形成することを特徴とする触媒層付き電極基材の製造方法。
- 前記触媒層及び前記平坦化層の二層にわたって貫通する貫通孔を形成することにより前記触媒層の前記貫通孔と連通する貫通孔を前記平坦化層に形成することを特徴とする請求項26に記載の触媒層付き電極基材の製造方法。
- 前記貫通孔の開口寸法を前記固体高分子形燃料電池のガス供給口から流入する反応ガスの下流側に行くほど大きくすることにより、前記触媒層の開口面積を増加させることを特徴とする請求項26又は27に記載の触媒層付き電極基材の製造方法。
- 前記貫通孔の数を前記固体高分子形燃料電池のガス供給口から流入する反応ガスの下流側に行くほど増加させることにより、前記触媒層の開口面積を増加させることを特徴とする請求項26又は27に記載の触媒層付き電極基材の製造方法。
- 前記貫通孔の総開口面積は、前記貫通孔を設けない前記触媒層の総面積の2%〜20%であることを特徴とする請求項26から29のいずれかに記載の触媒層付き電極基材の製造方法。
- 前記貫通孔の開口面積は、25μm2〜10,000μm2であることを特徴とした請求項26から30のいずれかに記載の触媒層付き電極基材の製造方法。
- 請求項9から12のいずれかの方法により製造される触媒層付き電極を電解質膜の両面に配置することを特徴とする電極−電解質膜接合体の製造方法。
- 請求項32の方法により製造される電極−電解質膜を組み込むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
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