JP2009026681A - 膜電極接合体製造方法及び膜電極接合体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池用の膜電極接合体の製造方法は、(a)ガス拡散層を形成するためのガス拡散層用粉体を、導電性部材を用いて生成する工程と、(b)電解質膜上に触媒層を形成する工程と、(c)前記触媒層上に前記ガス拡散層用粉体を堆積させてガス拡散層を形成する工程と、を備える。
【選択図】図1
Description
A.実施形態:
B.実施例:
C.変形例:
図1は、本発明の一実施形態におけるMEA製造方法の手順を示すフローチャートである。ステップS105では、ガス拡散層を形成するための粉体として、導電性部材と撥水部材とが複合化された複合粉体(ガス拡散層用粉体)を生成する。
図1に示した工程に従って、MEA24(図6)を製造し、このMEA24を用いて燃料電池100を製造した。ステップS105(図1)では、混合容器400(図2)にカーボンブラックとしてのデンカブラック(電気化学工業株式会社)と、撥水材としてのPVDFとを、NMPからなる溶媒に加えて拡散してガス拡散層用スラリー200を生成した。このとき、ガス拡散層用スラリー200の組成が以下となるように各部材を混合した。すなわち、カーボンブラック(デンカブラック)は2.5Wt%,PVDFは2.5Wt%,NMPは95Wt%であった。また、以下の噴霧条件で、ガス拡散層用スラリー200を噴霧乾燥させてガス拡散層用粉体300を生成した。すなわち、噴霧圧は0.1MPaであった。噴霧圧とは、アトマイザ414からチャンバー412内にガス拡散層用スラリー200を噴霧する際の圧力をいう。また、噴霧温度(入口部)は80℃であり、乾燥空気量は0.5m3/minであった。噴霧温度(入口部)とは、噴霧したガス拡散層用スラリー200を乾燥させるための乾燥空気をチャンバー412内に送り込む際の温度をいう。そして、アトマイザ414へのガス拡散層用スラリー200の送液量は、10ml/minであった。このようにして生成されたガス拡散層用粉体300の平均粒径は、およそ6μmであった。
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上述した実施形態では、ガス拡散層用粉体300(図5)をカソード側触媒層72に堆積させるのに静電スクリーン方式を用いていたが、これに代えて、他の任意の堆積方式を採用することができる。例えば、スプレーにより触媒粉体を吹き付けるスプレー方式や、帯電したガス拡散層用粉体300を所定パターンに帯電した感光ドラム上に静電付着させ、この感光ドラム上のガス拡散層用粉体300を電解質膜60に転写する電子写真方式などを採用することもできる。すなわち、一般には、ガス拡散層用粉体300を堆積させることが可能な任意の堆積方式を、本発明の膜電極接合体製造方法において採用することができる。
上述した実施形態では、ガス拡散層用スラリー200において、撥水材(バインダ)を用いていたが、撥水材を省略するようにしてもよい。この場合、カーボンブラック等の導電性部材同士を結着させて粉体を生成するのに、スプレードライ法に代えて、例えば、メカノケミカル法を採用することができる。メカノケミカル法では、導電性部材に機械的エネルギーを与えることで導電性部材同士を圧密結着させてガス拡散層用粉体を生成する。このようなメカノケミカル法を利用した粉体製造装置としては、例えば、ホソカワミクロン(株)のメカノフュージョンシステム(登録商標)や、(株)奈良機械製作所のメカノマイクロス(登録商標)等を用いることができる。以上の実施形態及び変形例からも理解できるように、一般には、導電性部材を用いてガス拡散層用粉体を生成可能な任意の粉体製造方法を採用することができる。なお、前述のメカノケミカル法は、撥水材を省略しない構成であっても、ガス拡散層用粉体300又は触媒粉体600を生成する方法として採用することもできる。
上述した実施形態では、触媒層の形成方法は、ガス拡散層の形成方法と同様に複合粉体を静電スクリーン方式で堆積させるものであったが、他の形成方法を採用してもよい。例えば、触媒層用ペーストを電解質膜60上に湿式塗布して乾燥させて形成するようにしてもよい。
上述した実施形態では、ガス拡散層を構成するガス拡散層用粉体は、1種類(ガス拡散層用粉体300)であったが、複数種類の粉体を用いて構成するようにしてもよい。具体的には、例えば、互いに粒径が異なる3種類の粉体(粒径が2μm程度の第1の粉体、粒径が6μm程度の第2の粉体、粒径が10μm程度の第3の粉体)を用いるようにしてもよい。この場合、触媒層上に第1の粉体を堆積させ、その上に、第2の粉体、第3の粉体を、この順番に堆積させるようにしてもよい。このようにすることで、ガス拡散層内において、触媒層に近づくに従って次第に気孔径が小さくなるので、反応ガスを触媒層全体に拡散し易くすることができる。なお、粒径に限らず、粉体の組成が互いに異なるような複数種類の粉体を用いるようにしてもよい。
上述した実施形態では、ガス拡散層用粉体の平均粒径は、触媒粉体の平均粒径に比べて大きくなるように構成されていたが、これに限らず、これら2種類の粉体の平均粒径がほぼ同じであってもよく、又はガス拡散層用粉体の平均粒径が、触媒粉体の平均粒径に比べて小さくなるように構成してもよい。このような構成においても、ガス拡散層用粉体を堆積させてガス拡散層を構成するので、ガス拡散層の厚みを薄くすることができる。
24…MEA
30…PVDF
40…電解質
50…白金担持カーボン
60…電解質膜
72…カソード側触媒層
73…アノード側触媒層
82…カソード側ガス拡散層
83…アノード側ガス拡散層
92…カソード側セパレータ
93…アノード側セパレータ
94…酸化ガス流路
95…燃料ガス流路
100…燃料電池
200…ガス拡散層用スラリー
300…ガス拡散層用粉体
350…気孔
400,401…混合容器
410…スプレードライヤ
412…チャンバー
414…アトマイザ
500…触媒層用スラリー
600…触媒粉体
650…気孔
S1,S2…スクリーン
Claims (5)
- 燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
(a)ガス拡散層を形成するためのガス拡散層用粉体を、導電性部材を用いて生成する工程と、
(b)電解質膜上に触媒層を形成する工程と、
(c)前記触媒層上に前記ガス拡散層用粉体を堆積させてガス拡散層を形成する工程と、
を備える膜電極接合体製造方法。 - 請求項1に記載の膜電極接合体製造方法において、
前記工程(b)では、触媒担持粒子と電解質とを含み触媒層を形成するための触媒粉体を、前記電解質膜上に堆積させて前記触媒層を形成する、膜電極接合体製造方法。 - 請求項2に記載の膜電極接合体製造方法において、
前記ガス拡散層用粉体の平均粒子径は、前記触媒粉体の平均粒子径よりも大きい、膜電極接合体製造方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の膜電極接合体製造方法において、
前記工程(a)では、前記導電性部材と撥水性部材とを含む混合材から前記ガス拡散層用粉体を生成する、膜電極接合体製造方法。 - 燃料電池用の膜電極接合体であって、
触媒担持粒子と電解質とを含む触媒層用粉体が、電解質膜上に堆積した触媒層と、
導電性部材を含むガス拡散層用粉体が、前記触媒層上に堆積したガス拡散層と、
を備える膜電極接合体。
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