JP2008282645A - 燃料電池に用いられる膜電極接合体、および、その製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】膜電極接合体は、電解質膜の少なくとも一方の表面に形成された第1の触媒層と、第1の触媒層の電解質膜と反対側の表面に形成された第2の触媒層とを備える。第1の触媒層は、互いに異なる特性を有する複数種類の触媒層からなる。そして、この複数種類の触媒層は、電解質膜の表面に沿って、互いに並んで形成される。第2の触媒層は、第1の触媒層において、並んで形成された複数種類の触媒層の境界に生じる隙間を埋めるように形成される。
【選択図】図1
Description
A.膜電極接合体の構成:
図1は、本発明の一実施例としての膜電極接合体100の概略構成を示す説明図である。図1(a)に、膜電極接合体100の断面図を示した。また、図1(b)に、図1(a)において、破線で示した領域Rの拡大図を示した。この膜電極接合体100は、電解質膜110として、プロトン伝導性を有する固体高分子膜(例えば、ナフィオン(登録商標))を備えており、固体高分子型の燃料電池に用いられる。電解質膜110として、固体高分子とは異なる他の材料を用いるものとしてもよい。図1(a)中に、燃料電池(膜電極接合体100)のアノードに供給される燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスの流れ方向と、燃料電池(膜電極接合体100)のカソードに供給される酸化剤ガスとしての空気、および、カソードから排出されるカソードオフガスの流れ方向とを、矢印で示した。
カソード側触媒層120cにおいて、触媒層120c1と、触媒層120c2と、触媒層120c3とは、触媒を担持した担体と、電解質とを含んでいる。本実施例では、触媒として、白金(Pt)を用いるものとした。また、触媒を担持する担体として、カーボンブラックを用いるものとした。また、電解質として、ナフィオン(登録商標)を用いるものとした。
図4は、膜電極接合体100の製造工程を示す説明図である。まず、電解質膜110の一方の表面に、アノード側触媒層120aを形成し(ステップS100)、電解質膜110の他方の表面に、第1のカソード側触媒層として、先に説明した触媒層120c1、および、触媒層120c2を、電解質膜110の表面に沿って、互いに並んで形成する(ステップS110)。アノード側触媒層120a、および、カソード側の触媒層120c1,120c2は、電解質膜110の両面に、アノード側触媒層120a用、触媒層120c1用、触媒層120c2用に用意された各触媒インクを塗布して乾燥させることによって、それぞれ形成される。本実施例では、触媒インクは、触媒金属としての白金(Pt)を担持したカーボンブラックと、電解質(ナフィオン)と、溶媒とを含む溶液である。これらの混合割合等は、各触媒層に要求される特性に応じて、任意に設定可能である。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
上記実施例では、カソード側触媒層120cにおける第1のカソード側触媒層として、2種類の触媒層(触媒層120c1,触媒層120c2)を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。カソード側触媒層120cにおける第1のカソード側触媒層を、3種類以上の触媒層によって構成するものとしてもよい。また、上記実施例では、カソード側触媒層120cを2層構造としたが、本発明は、これに限られず、3層構造以上としてもよい。
上記実施例では、カソード側触媒層120cを構成する各触媒層120c1,120c2,120c3について、触媒層の特性を規定するパラメータとして、触媒を担持した担体に対する電解質の重量比率、および、触媒を担持した担体における触媒の割合(重量パーセント)を適用したが、本発明は、これに限られない。触媒を担持した担体に対する電解質の重量比率、触媒の種類、触媒を担持した担体における触媒の比表面積、触媒を担持した担体における触媒の割合のうちの少なくとも1つを適用するようにすればよい。
上記実施例では、カソード側触媒層120cにおける触媒層120c1、触媒層120c2、触媒層120c3について、N/C比率、および、触媒の割合を、先に説明した値に設定するものとしたが、本発明は、これに限られない。各触媒層の特性を規定する種々のパラメータの各値は、各触媒層に要求される特性、例えば、ガス拡散性や、排水性や、触媒性能等に基づいて、それぞれ任意に設定可能である。
上記実施例では、本発明をカソード側触媒層120cに適用した場合について説明したが、アノード側触媒層120aに適用してもよい。
上記実施例では、触媒層120c3は、触媒層120c3のほぼ全面に亘ってほぼ同一の特性を有する触媒層からなるものとしたが、本発明は、これに限られない。触媒層120c3を、複数種類の触媒層によって構成するようにしてもよい。
110…電解質膜
120a…アノード側触媒層
120c…カソード側触媒層
120c1,120c2…第1のカソード側触媒層
120c3…第2のカソード側触媒層
Claims (7)
- 燃料電池に用いられ、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層を形成した膜電極接合体であって、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に形成された第1の触媒層と、
前記第1の触媒層の前記電解質膜と反対側の表面に形成された第2の触媒層と、を備え、
前記第1の触媒層は、互いに異なる特性を有する複数種類の触媒層からなり、
前記複数種類の触媒層は、前記電解質膜の表面に沿って、互いに並んで形成されており、
前記第2の触媒層は、前記並んで形成された前記複数種類の触媒層の境界に生じる隙間を埋めるように形成されている、
膜電極接合体。 - 請求項1記載の膜電極接合体であって、
前記第2の触媒層は、該第2の触媒層のほぼ全面に亘ってほぼ同一の特性を有する触媒層からなる、膜電極接合体。 - 請求項1または2記載の膜電極接合体であって、
前記第1の触媒層は、触媒を担持した担体と、電解質と、を含み、
前記第1の触媒層における前記複数種類の触媒層は、前記特性を規定するパラメータとして、前記担体に対する前記電解質の重量比率、前記触媒の種類、前記担体における前記触媒の比表面積、前記担体における前記触媒の重量パーセントのうちの少なくとも1つが互いに異なる、膜電極接合体。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の膜電極接合体であって、
前記第1の触媒層における前記複数種類の触媒層は、前記膜電極接合体を燃料電池に適用したときの、前記燃料電池による発電に供する反応ガスの入口、および、出口のうちの少なくとも一方からの距離に基づいて、前記電解質膜上に設定された複数の領域に、それぞれ配置されている、膜電極接合体。 - 請求項4記載の膜電極接合体であって、
前記第1の触媒層における前記複数種類の触媒層は、前記特性を規定するパラメータとして、少なくとも前記担体に対する前記電解質の重量比率が互いに異なる触媒層からなり、
前記複数種類の触媒層のうちの、前記反応ガスの出口側に配置された触媒層における前記担体に対する前記電解質の重量比率は、前記反応ガスの入口側に配置された触媒層における前記担体に対する前記電解質の重量比率よりも低く設定されている、膜電極接合体。 - 請求項5記載の膜電極接合体であって、
さらに、前記第2の触媒層における前記担体に対する前記電解質の重量比率は、前記第1の触媒層における前記複数種類の触媒層のうちの、いずれの触媒層における前記担体に対する前記電解質の重量比率よりも低く設定されている、膜電極接合体。 - 燃料電池に用いられ、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層を形成した膜電極接合体の製造方法であって、
前記電解質膜の少なくとも一方の表面に、第1の触媒層を形成する第1触媒層形成工程と、
前記第1の触媒層の前記電解質膜と反対側の表面に、第2の触媒層を形成する第2触媒層形成工程と、を備え、
前記第1触媒層形成工程は、互いに異なる特性を有する複数種類の触媒層を、前記電解質膜の表面に沿って、互いに並べて形成する工程を含み、
前記第2触媒層形成工程は、前記第2の触媒層を、前記並べて形成された前記複数種類の触媒層の境界に生じる隙間を埋めるように形成する工程を含む、
製造方法。
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