JP2010257597A

JP2010257597A - 燃料電池に用いられる膜電極接合体

Info

Publication number: JP2010257597A
Application number: JP2009103117A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyasu Kawahara; 光泰川原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2010-11-11

Abstract

【課題】電解質膜の両面にそれぞれ触媒層とガス拡散層とを接合してなる膜電極接合体において、各層間の接合力を向上させる。
【解決手段】電解質膜１０の両面に触媒インクを塗布することによって、第１の触媒層２０ａを形成する。ガス拡散層３０を構成する基材の表面に触媒インクを塗布することによって、第２の触媒層２０ｂを形成する。第１の触媒層２０ａと第２の触媒層２０ｂとを接触させてホットプレス接合することによって、膜電極接合体１００を製造する。第１および第２の触媒層２０ａ，２０ｂを形成するために用いられ触媒インクは、触媒金属を担持したカーボンブラックと粒子状のアイオノマ樹脂とを含む。触媒インクに含まれるアイオノマ樹脂として、その平均粒径が、カーボンブラックの平均粒径よりも大きいものを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体に関するものである。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、一般に、電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極として、触媒層と、ガス拡散層とを接合してなる膜電極接合体が用いられる。

そして、膜電極接合体の製造方法としては、例えば、電解質膜の両面にいわゆる触媒インクを塗布して触媒層を形成し、さらに、その表面にガス拡散層を構成する基材をホットプレス接合する方法や、ガス拡散層を構成する基材の表面に触媒インクを塗布して触媒層を形成し、これを電解質膜の両面にホットプレス接合する方法が挙げられる。

特開２００４−２１４０４５号公報

しかし、前者の方法では、触媒層とガス拡散層とを均一に接合することが比較的困難だった。また、後者の方法では、電解質膜のガラス転移温度が比較的高い場合に、電解質膜と触媒層とを均一に接合することが比較的困難だった。そして、膜電極接合体における発電分布や、内部抵抗を含む燃料電池の電池性能を向上させるため、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層との接合性を向上させることが望まれていた。

上記特許文献１では、触媒層とガス拡散層との間に、導電性カーボンと水素イオン伝導性を有する接着層を形成する構成が提案されている。しかし、上記特許文献１に記載された技術では、接着層の存在によって、ガス拡散層から触媒層へのガスの拡散性が低下するおそれがあった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層とガス拡散層とを接合してなる膜電極接合体において、各層間の接合力を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを備える膜電極接合体であって、前記電解質膜の両面に、触媒金属を担持した粒子状のカーボン担体と粒子状のアイオノマとを含む第１の触媒層をそれぞれ形成してなる第１のシート状部材と、前記ガス拡散層を構成する基材の表面に、前記カーボン担体と前記アイオノマとを含む第２の触媒層を形成してなる第２のシート状部材とを、前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とを接触させて、ホットプレス接合することによって製造された膜電極接合体であり、前記第１および第２の触媒層において、前記アイオノマの平均粒径が、前記カーボン担体の平均粒径よりも大きいことを特徴とする膜電極接合体。

本願発明者は、上述した課題を解決するためには、膜電極接合体の製造方法として、電解質膜の両面に、触媒金属を担持した粒子状のカーボン担体と粒子状のアイオノマとを含む触媒インクを塗布して第１の触媒層をそれぞれ形成し、ガス拡散層を構成する基材の表面に上記触媒インクを塗布して第２の触媒層を形成し、第１の触媒層と第２の触媒層とを接触させて、これらをホットプレス接合する方法が有効であると考えた。そして、電解質膜の表面に触媒インクを塗布して第１の触媒層を形成することによって、電解質膜と第１の触媒層との間の接合力については、十分な接合力が得られた。また、ガス拡散層を構成する基材の表面に触媒インクを塗布して第２の触媒層を形成することによって、この基材と第２の触媒層との間の接合力についても、十分な接合力が得られた。

次に、本願発明者は、第１の触媒層と第２の触媒層とをホットプレス接合したときの、第１の触媒層と第２の触媒層との間の接合力について検討した。具体的には、第１および第２の触媒層に含まれる上記カーボン担体および上記アイオノマの各平均粒径と上記接合力との関係に着目した。そして、本願発明者は、上記触媒インクに含まれる上記アイオノマとして、その平均粒径が、上記カーボン担体の平均粒径よりも大きいものを用いることによって、上記第１の触媒層と上記第２の触媒層との接合力が向上することを実験的に見出した。

適用例１の膜電極接合体では、膜電極接合体を製造する際に、上記第１および第２の触媒層において、上記アイオノマの平均粒径が、上記カーボン担体の平均粒径よりも大きいので、電解質膜の表面に形成された第１の触媒層とガス拡散層を構成する基材の表面に形成された第２の触媒層との接合力を向上させることができる。したがって、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層とガス拡散層とを接合してなる膜電極接合体において、各層間の接合力を向上させることができる。

発明の一実施例としての膜電極接合体１００の構成を示す説明図である。比較例および実施例の触媒インクにそれぞれ含まれるアイオノマの平均粒径とカーボンブラックの平均粒径とを示す説明図である。比較例および実施例の膜電極接合体に対する引張−せん断試験の結果を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
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の構成を示す説明図である。図示するように、膜電極接合体１００は、電解質膜１０と、触媒層２０と、ガス拡散層３０とを備えている。また、触媒層２０は、電解質膜１０側に配置された第１の触媒層２０ａと、ガス拡散層３０側に配置された第２の触媒層２０ｂからなる。なお、図１では、図示の都合上、第１の触媒層２０ａと第２の触媒層２０ｂとを別個に描いたが、膜電極接合体１００において、第１の触媒層２０ａと第２の触媒層２０ｂとの間には、明確な境界はない。

Ｂ．膜電極接合体の製造工程：
上述した膜電極接合体１００は、以下に説明する製造工程によって製造される。

まず、電解質膜１０と、ガス拡散層３０を構成する基材とを用意する。本実施例では、電解質膜１０として、ガラス転移温度が２００（℃）以上の芳香族系電解質膜（ＢＰＳＨ）を用いるものとした。また、ガス拡散層３０を構成する基材として、カーボンペーパを用いるものとした。

次に、触媒層２０（第１の触媒層２０ａ、および、第２の触媒層２０ｂ）を形成するための触媒インクを作製する。本実施例では、平均粒径が１５（ｎｍ）のカーボンブラックに、平均粒径が３（ｎｍ）の白金系触媒粒子を４５（ｗｔ％）担持したカーボン担体と、平均粒径が２３．６（ｎｍ）のパーフルオロスルホン酸樹脂（アイオノマ）を含むパーフルオロスルホン酸樹脂溶液とを、カーボンブラックとパーフルオロスルホン酸樹脂との重量比が１：１となるように混合し、この混合溶液に、さらに、エタノールを添加して、超音波洗浄装置を用いて各粒子を所定時間分散させることによって、触媒インクを作製するものとした。なお、カーボンブラックの平均粒径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）によって確認した。また、パーフルオロスルホン酸樹脂の平均粒径は、動的光散乱法（ＤＬＳ：Dynamic Light Scattering）によって測定した。

次に、電解質膜１０の両面に、触媒インクをスプレー塗工することによって、第１の触媒層２０ａを形成する（第１のシート状部材）。また、ガス拡散層３０を構成する基材（カーボンペーパ）の表面に、触媒インクをスプレー塗工することによって、第２の触媒層２０ｂを形成する（第２のシート状部材）。

次に、第１のシート状部材における第１の触媒層２０ａと、第２のシート状部材における第２の触媒層２０ｂとを接触させ、これらをホットプレス接合する。本実施例では、加熱温度が１５０（℃）、加圧圧力が３（ＭＰａ）の条件で４分間、ホットプレスするものとした。

以上の製造工程によって、膜電極接合体１００は完成する。

Ｃ．実施例の膜電極接合体による効果：
本願発明者は、上述した膜電極接合体１００の製造工程において、触媒インクに含まれるカーボンブラックの平均粒径とパーフルオロスルホン酸樹脂の平均粒径との関係を変化させることによって、第１の触媒層２０ａと第２の触媒層２０ｂとの接合力が変化することを実験的に見出した。以下、触媒インクに含まれるカーボンブラックの平均粒径とパーフルオロスルホン酸樹脂の平均粒径との関係を変化させときの第１の触媒層２０ａと第２の触媒層２０ｂとの接合力の変化について説明する。

本実験では、先に説明した製造工程によって製造された本実施例の膜電極接合体１００と、比較例の膜電極接合体とを用意した。なお、比較例の膜電極接合体は、その製造工程で用いられる触媒インクが、実施例の膜電極接合体１００と異なっていること以外は、実施例の膜電極接合体１００と同じである。

図２は、比較例および実施例の触媒インクにそれぞれ含まれるアイオノマの平均粒径とカーボンブラックの平均粒径とを示す説明図である。図示するように、比較例の触媒インクでは、パーフルオロスルホン酸樹脂の平均粒径（アイオノマ粒径）を、１０．４（ｎｍ）とし、カーボンブラックの平均粒径（カーボン粒径）を、実施例の触媒インクにおけるカーボンブラックの平均粒径と同じの１５（ｎｍ）とした。

そして、上述した比較例の膜電極接合体と実施例の膜電極接合体１００とに対して、第１の触媒層２０ａと第２の触媒層２０ｂとの接合性の評価を行った。本実験では、比較例の膜電極接合体と実施例の膜電極接合体１００とをそれぞれ短冊状に切り出し、それぞれに対して、引張−せん断試験を行った。

図３は、比較例および実施例の膜電極接合体に対する引張−せん断試験の結果を示す説明図である。図示するように、比較例の膜電極接合体では、応力が約５×１０^-3（ＭＰａ）だった。これに対し、実施例の触媒インクを用いて製造した膜電極接合体１００では、応力が約１．５×１０^-2（ＭＰａ）だった。つまり、実施例の膜電極接合体１００では、筆比較例の膜電極接合体と比較して、第１の触媒層２０ａと第２の触媒層２０ｂとの間の接合力が、約３倍となった。

以上の実験結果から、触媒インクに含まれるアイオノマとして、その平均粒径が、カーボンブラックの平均粒径よりも大きいものを用いることによって、第１の触媒層２０ａと第２の触媒層との接合力が向上することが分かった。これは、アイオノマの平均粒径がカーボンブラックの平均粒径よりも大きいことによって、第１の触媒層２０ａと第２の触媒層２０ｂの接合面におけるアイオノマの露出面積が、アイオノマの平均粒径がカーボンブラックの平均粒径よりも小さい場合、あるいは、アイオノマの平均粒径がカーボンブラックの平均粒径と同じ場合よりも増加するために、第１の触媒層２０ａと第２の触媒層２０ｂとの接合力が高くなったものと考えられる。

以上説明した本実施例の膜電極接合体１００では、触媒層２０を形成するために用いられる触媒インクにおいて、アイオノマの平均粒径が、カーボンブラックの平均粒径よりも大きいので、電解質膜１０の表面に形成された第１の触媒層２０ａとガス拡散層３０を構成する基材の表面に形成された第２の触媒層２０ｂとの間の接合力を向上させることができる。したがって、本実施例の膜電極接合体１００によれば、各層間の接合力を向上させることができる。

１００…膜電極接合体
１０…電解質膜
２０…触媒層
２０ａ…第１の触媒層
２０ｂ…第２の触媒層
３０…ガス拡散層

Claims

燃料電池に用いられ、電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを備える膜電極接合体であって、
前記電解質膜の両面に、触媒金属を担持した粒子状のカーボン担体と粒子状のアイオノマとを含む第１の触媒層をそれぞれ形成してなる第１のシート状部材と、前記ガス拡散層を構成する基材の表面に、前記カーボン担体と前記アイオノマとを含む第２の触媒層を形成してなる第２のシート状部材とを、前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とを接触させて、ホットプレス接合することによって製造された膜電極接合体であり、
前記第１および第２の触媒層において、前記アイオノマの平均粒径が、前記カーボン担体の平均粒径よりも大きいことを特徴とする
膜電極接合体。