JP2008226791A - 膜−電極接合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体高分子電解質膜の破損を抑制しつつ固体高分子電解質膜を薄膜化することができる膜−電極接合体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】膜−電極接合体（１００）の製造方法は、ガス拡散層（１０）上に触媒層（２０）を形成する触媒層形成工程と、触媒層（２０）上に液状の高分子電解質膜を塗布する塗布工程と、電解質を固形化して固体高分子電解質膜（３０）を形成する電解質膜形成工程と、を含むことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、膜−電極接合体およびその製造方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等がある。このうち、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜をカソードとアノードとにより挟んだ膜−電極接合体をさらにセパレータによって挟んだセルが複数積層されたスタック構造を有する。固体高分子型燃料電池においては、燃料ガスがアノードに供給され、酸化剤ガスがカソードに供給される。その結果、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して水が生成される。この水が生成されるときに発生する電流が外部に取り出されることにより、発電が行われる。

固体高分子型燃料電池の発電性能向上のためには、固体高分子電解質膜は薄膜化されていることが好ましい。しかし、薄膜化された固体高分子電解質膜は、変形しやすい。そこで、薄膜化された固体高分子電解質膜の外周部に補強材料を塗布する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２４３２９２号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術では、固体高分子電解質膜のうち補強されていない領域において破損が生じるおそれがある。

本発明は、固体高分子電解質膜の破損を抑制しつつ固体高分子電解質膜を薄膜化することができる膜−電極接合体およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る膜−電極接合体の製造方法は、ガス拡散層上に触媒層を形成する触媒層形成工程と、触媒層上に液状の高分子電解質を塗布する塗布工程と、電解質を固形化して固体高分子電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る膜−電極接合体の製造方法によれば、固体高分子電解質膜がガス拡散層および触媒層に支持されることから、固体高分子電解質膜を薄膜化することができる。また、固体高分子電解質膜がガス拡散層および触媒層に支持されていることから、固体高分子電解質膜の破損を抑制することができる。

上記製造方法において、触媒層形成工程は、ガス拡散層の上面において外周部を除く内側の領域に触媒層を形成する工程であってもよい。この製造方法によれば、高分子電解質膜の塗布工程において、液状の高分子電解質がガス拡散層の外周部に含浸する。この場合、固体高分子電解質膜は外周部において大きい膜厚を有する。それにより、固体高分子電解質膜は補強される。その結果、固体高分子電解質膜の破損をより抑制することができる。また、ガス拡散層の外周部は、固体高分子電解質によってシールされる。それにより、反応ガスのリークを抑制することができる。

上記製造方法において、塗布工程の前に触媒層の外周部に親水処理を行う親水処理工程をさらに含むものであってもよい。この製造方法によれば、ガス拡散層の外周部に液状の高分子電解質を含浸させることができる。

上記製造方法において、触媒層形成工程の前にガス拡散層上面のうち触媒層が形成される領域の少なくとも一部に撥水処理を行う撥水処理工程をさらに含むものであってもよい。

上記製造方法において、ガス拡散層上面において、触媒層が形成されない領域には撥水処理を行わないものであってもよい。それにより、塗布工程において、触媒層が形成されない領域に液状の高分子電解質を含浸させることができる。

上記製造方法において、塗布工程においては、触媒層形成後のガス拡散層が台座の凹部に配置されており、触媒層上面から凹部の内壁とガス拡散層との間にかけて液状の高分子電解質が塗布されていてもよい。この製造方法によれば、固体高分子電解質膜のうちガス拡散層の側面を覆う部分は、固体高分子電解質膜を補強する補強材として機能する。それにより、固体高分子電解質膜の破損をより抑制することができる。また、ガス拡散層の側面は、固体高分子電解質膜によってシールされる。それにより、反応ガスのリークを抑制することができる。

本発明に係る膜−電極接合体は、ガス拡散層と、ガス拡散層上に形成された触媒層と、触媒層上に形成された固体高分子電解質膜とを備え、ガス拡散層の外周部分には、固体高分子電解質膜の外周部が含浸していることを特徴とするものである。本発明に係る膜−電極接合体においては、固体高分子電解質膜がガス拡散層および触媒層に支持されていることから、固体高分子電解質膜を薄膜化することができる。また、固体高分子電解質膜がガス拡散層および触媒層に支持されていることから、固体高分子電解質膜の破損を抑制することができる。さらに、ガス拡散層外周部にも固体高分子電解質膜が形成されていることから、固体高分子電解質膜は外周部において大きい膜厚を有する。それにより、固体高分子電解質膜は補強されている。その結果、固体高分子電解質膜の破損をより抑制することができる。また、ガス拡散層の外周部は、固体高分子電解質膜によってシールされる。それにより、反応ガスのリークを抑制することができる。

本発明によれば、固体高分子電解質膜の破損を抑制しつつ固体高分子電解質膜を薄膜化することができる膜−電極接合体およびその製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の第１実施例に係る膜−電極接合体１００の製造方法について説明する。図１（ａ）〜図１（ｅ）は、膜−電極接合体１００の製造方法を示す模式図である。まず、図１（ａ）に示すように、ガス拡散層１０を準備する。ガス拡散層１０は、後述する触媒層２０へ燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散させるための層である。ガス拡散層１０としては、例えば、カーボンペーパ等を用いることができる。ガス拡散層１０の層厚は、特に限定されないが、例えば２０μｍ程度である。

次に、図１（ｂ）に示すように、ガス拡散層１０の上面に撥水処理を行うことにより、撥水層１５を形成する。撥水処理としては、例えば、撥水性を有する溶剤をガス拡散層１０の上面に塗布する方法を用いることができる。例えば、粒子状のカーボンとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂とを混ぜたものをガス拡散層１０の上面に塗布することにより、撥水層１５を形成することができる。撥水層１５が形成された結果、ガス拡散層１０は、撥水性を有する導電性のカーボン層になる。

次に、図１（ｃ）に示すように、撥水層１５上に触媒層２０を形成する。触媒層２０は、水素のプロトン化またはプロトンと酸素との反応を促進するための触媒機能を有する。触媒層２０としては、例えば、白金担持カーボン等を用いることができる。触媒層２０の層厚は、特に限定されないが、例えば２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。

次に、図１（ｄ）に示すように、触媒層２０上に、液状かつプロトン伝導性を有する高分子電解質を塗布する。液状の高分子電解質としては、例えば、ナフィオン（登録商標）樹脂溶液等を用いることができる。ナフィオン（登録商標）樹脂溶液としては、例えば、５ｗｔ％の水およびアルコール系ナフィオン（登録商標）樹脂を含む溶液を用いることができる（粘度：１．３６８ｍ^２／ｓ）。液状の高分子電解質の塗布方法としては、例えば、液状の高分子電解質をスプレ−ノズル５０を用いて触媒層２０上に吹き付けるスプレ法等を用いることができる。

次に、図１（ｅ）に示すように、液状の高分子電解質を固形化させることにより、固体高分子電解質膜３０を形成する。固体高分子電解質膜３０は、例えば、液状の高分子電解質を自然乾燥させることにより形成することができる。以上の工程により、本実施例に係る膜−電極接合体１００が完成する。

本実施例に係る膜−電極接合体１００の製造方法によれば、固体高分子電解質膜３０がガス拡散層１０および触媒層２０に支持されることから、固体高分子電解質膜３０は自立膜でなくてもよい。したがって、固体高分子電解質膜３０を薄膜化することができる。また、固体高分子電解質膜３０がガス拡散層１０および触媒層２０に支持されていることから、固体高分子電解質膜３０の破損を抑制することができる。なお、本実施例に係る製造方法によれば、固体高分子電解質膜３０の膜厚を例えば５μｍ程度まで低下させることができる。

なお、図１（ｄ）に示す液状の高分子電解質を塗布する方法としては、液状の高分子電解質をコーティングできる方法であれば、スプレ法に限定されない。液状の高分子電解質を塗布する方法として、例えば、ガス拡散層１０を回転させながら液状の高分子電解質を滴下して塗布するスピンコート法、液状の高分子電解質をスクリーン印刷して塗布するスクリーン印刷法等の方法を用いてもよい。

続いて、本発明の第２実施例に係る膜−電極接合体１００ａの製造方法について説明する。図２（ａ）〜図２（ｅ）は、膜−電極接合体１００ａの製造方法を示す模式図である。まず、図２（ａ）に示すように、ガス拡散層１０を準備する。続いて、図２（ｂ）に示すように、ガス拡散層１０の上面において外周部を除く内側の領域に撥水層１５を形成する。撥水層１５の形成方法としては、例えば、ガス拡散層１０の上面において撥水層１５を形成しない部分にマスキングを施した後に、撥水処理を施す方法を用いることができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、ガス拡散層１０の上面において外周部を除く内側の領域に触媒層２０を形成する。図２（ｃ）においては、触媒層２０は、撥水層１５上に形成されている。

次に、図２（ｄ）に示すように、ガス拡散層１０および触媒層２０上に、液状の高分子電解質を塗布する。液状の高分子電解質の塗布方法としては、例えば、スピンコート法を用いることができる。この場合、ガス拡散層１０の触媒層２０が設けられていない領域に高分子電解質を含浸させることができる。

次に、図２（ｅ）に示すように、液状の高分子電解質を固形化して固体高分子電解質膜３０を形成する。この場合、ガス拡散層１０に含浸させた高分子電解質膜も固形化する。以上の工程により、本実施例に係る膜−電極接合体１００ａが完成する。

本実施例に係る膜−電極接合体１００ａにおいては、固体高分子電解質膜３０がガス拡散層１０および触媒層２０に支持されていることから、固体高分子電解質膜３０は自立膜でなくてもよい。したがって、固体高分子電解質膜３０を薄膜化することができる。また、固体高分子電解質膜３０がガス拡散層１０および触媒層２０に支持されていることから、固体高分子電解質膜３０の破損を抑制することができる。さらに、ガス拡散層１０外周部にも固体高分子電解質膜３０が形成されていることから、固体高分子電解質膜３０は外周部において大きい膜厚を有する。それにより、固体高分子電解質膜３０は補強されている。その結果、固体高分子電解質膜３０の破損をより抑制することができる。また、ガス拡散層１０の外周部は、固体高分子電解質膜３０によってシールされる。それにより、反応ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施例に係る製造方法によれば、固体高分子電解質膜３０の膜厚を例えば５μｍ程度まで低下させることができる。

なお、図２（ｄ）に示す液状の高分子電解質を塗布する方法としては、液状の高分子電解質をコーティングできる方法であれば、スピンコート法に限定されない。液状の高分子電解質を塗布する方法としては、例えばスプレ法、スクリーン印刷法等の方法を用いてもよい。

続いて、本発明の第３実施例に係る膜−電極接合体１００ｂの製造方法について説明する。図３（ａ）〜図３（ｆ）は、膜−電極接合体１００ｂの製造方法を示す模式図である。まず、図３（ａ）に示すように、ガス拡散層１０を準備する。

続いて、図３（ｂ）に示すように、ガス拡散層１０の上面のうち触媒層２０が形成される領域に撥水処理を行う。例えば、触媒層２０を形成しない領域にマスキングをした後に、撥水処理を行う。それにより、撥水層１５が形成される。図３（ｂ）においては、ガス拡散層１０の上面において外周部を除く内側の領域に撥水処理を行い、撥水層１５が形成されている。

次に、図３（ｃ）に示すように、ガス拡散層１０および撥水層１５上に触媒層２０を形成する。次に、図３（ｄ）に示すように、触媒層２０の外周部に親水処理を行う。親水処理としては、例えば、酸化チタン、酸化ケイ素等の親水剤を触媒層２０の外周部に塗布すればよい。

次に、図３（ｅ）に示すように、触媒層２０上に、液状の高分子電解質を塗布する。高分子電解質の塗布方法としては、例えば、スピンコート法を用いることができる。この場合、触媒層２０の親水処理された領域を介してガス拡散層１０の外周部に高分子電解質を含浸させることができる。

次に、図３（ｆ）に示すように、液状の高分子電解質を固形化して固体高分子電解質膜３０を形成する。この場合、ガス拡散層１０に含浸された高分子電解質も固形化する。以上の工程により、本実施例に係る膜−電極接合体１００ｂが完成する。

本実施例に係る膜−電極接合体１００ｂにおいては、固体高分子電解質膜３０がガス拡散層１０および触媒層２０に支持されていることから、固体高分子電解質膜３０は自立膜でなくてもよい。したがって、固体高分子電解質膜３０を薄膜化することができる。また、固体高分子電解質膜３０がガス拡散層１０および触媒層２０に支持されていることから、固体高分子電解質膜３０の破損を抑制することができる。さらに、ガス拡散層１０外周部にも固体高分子電解質膜３０が形成されていることから、固体高分子電解質膜３０は外周部において大きい膜厚を有する。それにより、固体高分子電解質膜３０は補強されている。その結果、固体高分子電解質膜３０の破損をより抑制することができる。また、ガス拡散層１０の外周部は、固体高分子電解質膜３０によってシールされる。それにより、反応ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施例に係る製造方法によれば、固体高分子電解質膜３０の膜厚を例えば５μｍ程度まで低下させることができる。

なお、図３（ｅ）に示す液状の高分子電解質を塗布する方法としては、液状の高分子電解質をコーティングできる方法であれば、スピンコート法に限定されない。液状の高分子電解質を塗布する方法としては、例えばスプレ法、スクリーン印刷法等の方法を用いてもよい。

続いて、本発明の第４実施例に係る膜−電極接合体１００ｃの製造方法について説明する。図４（ａ）〜図４（ｅ）は、膜−電極接合体１００ｃの製造方法を示す模式図である。まず、図４（ａ）に示すように、図１（ｃ）の工程で製造されたガス拡散層１０を準備する。ガス拡散層１０上には、撥水層１５と触媒層２０とが順に形成されている。

次に、図４（ｂ）に示すように、ガス拡散層１０を台座４０の凹部に配置する。台座４０としては、例えば、ステンレス、ＰＴＦＥ等を用いることができる。次に、図４（ｃ）に示すように、液状の高分子電解質を、触媒層２０上から台座４０の凹部の内壁とガス拡散層１０との間にかけて塗布する。高分子電解質の塗布方法としては、例えば、スプレ法を用いることができる。

次に、図４（ｄ）に示すように、液状の高分子電解質を固形化して固体高分子電解質膜３０を形成する。この場合、固体高分子電解質膜３０は、触媒層２０の上面から台座４０の凹部の内壁とガス拡散層１０との間にかけて形成される。次に、図４（ｅ）に示すように、台座４０から膜−電極接合体１００ｃを取り出す。以上の工程により、本実施例に係る膜−電極接合体１００ｃが完成する。

本実施例に係る膜−電極接合体１００ｃにおいては、固体高分子電解質膜３０がガス拡散層１０および触媒層２０に支持されていることから、固体高分子電解質膜３０は自立膜でなくてもよい。したがって、固体高分子電解質膜３０を薄膜化することができる。また、固体高分子電解質膜３０がガス拡散層１０および触媒層２０に支持されていることから、固体高分子電解質膜３０の破損を抑制することができる。さらに、固体高分子電解質膜３０のうちガス拡散層１０の側面を覆う部分は、固体高分子電解質膜３０を補強する補強材として機能する。それにより、固体高分子電解質膜３０の破損をより抑制することができる。また、ガス拡散層１０の側面は、固体高分子電解質膜３０によってシールされる。それにより、反応ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施例に係る製造方法によれば、触媒層２０上における固体高分子電解質膜３０の膜厚を例えば５μｍ程度まで低下させることができる。

なお、図４（ａ）の工程において、図１（ｃ）の工程で製造されたガス拡散層１０を準備する代わりに、図２（ｃ）の工程で製造されたガス拡散層１０、図３（ｃ）の工程で製造されたガス拡散層１０または図３（ｄ）の工程で製造されたガス拡散層１０のいずれかを準備してもよい。

なお、図４（ｃ）に示す液状の高分子電解質を塗布する方法としては、液状の高分子電解質をコーティングできる方法であれば、スプレ法に限定されない。液状の高分子電解質を塗布する方法としては、例えばスピンコート法、スクリーン印刷法等の方法を用いてもよい。

また、実施例１〜実施例４に係る製造方法において、液状の高分子電解質として、ナフィオン（登録商標）樹脂溶液の代わりに、プロトン伝導性を有する炭化水素系の高分子電解質溶液を用いてもよい。

本発明の第１実施例に係る膜−電極接合体の製造方法を示す模式図である。 第２実施例に係る膜−電極接合体の製造方法を示す模式図である。 第３実施例に係る膜−電極接合体の製造方法を示す模式図である。 第４実施例に係る膜−電極接合体の製造方法を示す模式図である。

符号の説明

１０ ガス拡散層
１５ 撥水層
２０ 触媒層
３０ 固体高分子電解質膜
４０ 台座
５０ スプレ−ノズル
１００ 膜−電極接合体

Claims (7)

1. ガス拡散層上に触媒層を形成する触媒層形成工程と、
   前記触媒層上に液状の高分子電解質を塗布する塗布工程と、
   前記電解質を固形化して固体高分子電解質膜を形成する電解質膜形成工程と、を含むことを特徴とする膜−電極接合体の製造方法。
2. 前記触媒層形成工程は、前記ガス拡散層の上面において外周部を除く内側の領域に前記触媒層を形成する工程であることを特徴とする請求項１記載の膜−電極接合体の製造方法。
3. 前記塗布工程の前に前記触媒層の外周部に親水処理を行う親水処理工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の膜−電極接合体の製造方法。
4. 前記触媒層形成工程の前に前記ガス拡散層上面のうち前記触媒層が形成される領域の少なくとも一部に撥水処理を行う撥水処理工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。
5. 前記ガス拡散層上面において、前記触媒層が形成されない領域には撥水処理を行わないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。
6. 前記塗布工程においては、前記触媒層形成後の前記ガス拡散層が台座の凹部に配置されており、前記触媒層上面から前記凹部の内壁と前記ガス拡散層との間にかけて前記液状の高分子電解質が塗布されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。
7. ガス拡散層と、
   前記ガス拡散層上に形成された触媒層と、
   前記触媒層上に形成された固体高分子電解質膜とを備え、
   前記ガス拡散層の外周部分には、前記固体高分子電解質膜の外周部が含浸していることを特徴とする膜−電極接合体。

Images