JP2010272223A - 膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池 - Google Patents

膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池 Download PDF

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Abstract

【課題】うねり曲線を有する電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合性を保ちつつ撥水性の良好な膜電極接合体を形成することができ、発電性能が向上した膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】一対の電極触媒層で高分子電解質膜を狭持した構造を備える膜電極接合体であって、一対の電極触媒層の一方の高分子電解質膜との接合面と反対側の表面が、一対の電極触媒層のどちらか一方の面内の一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが3μm以上15μm以下であることを特徴とする膜電極接合体。
【選択図】図1

Description

本発明は、膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池に関する。特に、発電性能が向上した膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池に関する。
固体高分子形燃料電池は、二つの電極(酸化極と還元極)で固体高分子電解質膜を挟んで接合した膜電極接合体を、ガス拡散層で挟んだ構造をしている。アノードとカソードに水素と酸素を流すことで電気化学反応を起こし、発電を起こすシステムである。燃料電池は従来の発電装置と異なり、発電状態において発生するのは水のみであり、近年問題となっている二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないクリーンな発電装置として期待されている。
一方、膜電極接合体の作製方法としては、触媒担持した導電性粒子と、イオン導電性を持つ高分子とを有機溶媒に分散させた燃料電池用電極触媒インクを、ガス拡散層に塗布して電極触媒層を形成し、形成した電極触媒層と固体高分子電解質膜とが接するように熱圧着する方法や、転写フィルムに上記電極触媒インクを塗布し電極触媒層を形成し、形成した電極触媒層と固体高分子電解質膜とが接するように熱圧着する方法が知られている。
このとき用いられる電極触媒層は、一般に固体高分子電解質膜との密着性の向上から平滑性が高いことが求められている。
また、撥水性を高める為に、グリセリンなどの造孔材を電極触媒インクに混ぜた後に、電極触媒層を形成し造孔材取り除き多孔性を高める方法や、フッ素樹脂などを電極触媒インクに混ぜる方法などが取られている。
特開2004−220979号公報 特開2008―218131号公報
しかしながら、単純に平滑性の高い電極触媒層では、特に高電流密度における発電状態において排水性の効果を十分に得ることができない。
また、電極触媒インクに造孔材や撥水剤を混ぜる方法では、電極触媒層の電気抵抗が高くなり、特に低電流側での出力が落ちてしまう問題があった。
本発明は、うねり曲線を有する電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合性を保ちつつ撥水性の良好な膜電極接合体を形成することができ、発電性能が向上した膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池を提供することである。
本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、上記課題を解決するため燃料電池膜電極接合体の電極触媒層のうねり曲線要素の平均高さを適正化することで触媒性能向上が可能であることが分かった。
本発明の請求項1に係る発明は、一対の電極触媒層で高分子電解質膜を狭持した構造を備える膜電極接合体であって、一対の電極触媒層の一方の高分子電解質膜との接合面と反対側の表面が、一対の電極触媒層のどちらか一方の面内の一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが3μm以上15μm以下であることを特徴とする膜電極接合体としたものである。
本発明の請求項2に係る発明は、一対の電極触媒層のどちらか一方をカソードとして用いることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体としたものである。
本発明の請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で狭持され、さらに、ガス拡散層はで狭持された膜電極接合体が一対のセパレータで狭持されることを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。
本発明の請求項4に係る発明は、請求項1または2に記載の膜電極接合体製造用の転写基材であって、転写基材の表面が、面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが3μm以上17μm以下であることを特徴とする膜電極接合体製造用の転写基材としたものである。
本発明の請求項5に係る発明は、膜電極接合体の電極触媒層を転写基材上に設けた膜電極接合体製造用の電極触媒塗工転写基材であって、転写基材上の触媒表面は面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが7μm以下であることを特徴とする、膜電極接合体製造用の電極触媒塗工転写基材としたものである。
本発明の請求項6に係る発明は、請求項4または5に記載の電極触媒塗工転写基材を用いて製造されることを特徴とする膜電極接合体としたものである。
本発明の請求項7に係る発明は、請求項6に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で狭持され、さらに、ガス拡散層はで狭持された膜電極接合体が一対のセパレータで狭持されることを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。
本発明によれば、うねり曲線を有する電極触媒層と固体高分子電解質膜との接合性を保ちつつ撥水性の良好な膜電極接合体を形成することができ、発電性能が向上した膜電極接合体、膜電極接合体製造用の転写基材、膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池を示す概略分解模式図である。 (a)〜(c)は、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を示す概略断面模式図である。 本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を示す概略模式図である。
以下に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体(MEA)11及び固体高分子形燃料電池13について説明する。なお、本発明は、以下に記載する各実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
まず、本発明の実施の形態において、うねり曲線要素の平均高さについて説明するが、これらはJIS B 0601:2001によって定義されている。
本発明の実施の形態に係る電極触媒層の表面には、通常、短い波長成分(粗さ)、長い波長成分(うねり)、及び更に長い波長成分が同時に含まれている。そこで、本発明の実施の形態では、電極触媒層の表面形状を限定するために、うねり成分を用いて、粗さ成分とうねり成分より更に長い波長成分を取り除いて測定する必要がある。本発明の実施の形態において、カットオフ値λfとは、うねり成分とそれより長い波長成分との境界を定義するフィルタであり、カットオフ値λcとは、粗さ成分とうねり成分との境界を定義するフィルタである。本発明の実施の形態ではカットオフ値λfとλcを用いて、うねりの成分以外の波長を取り除き電極触媒層の表面形状を限定した。
本発明の実施の形態において、うねり曲線要素の平均高さWcとは、測定した基準長での輪郭曲線要素の高さZtの平均のことであり、輪郭曲線要素の高さとは、一つの山+隣の谷、或いは一つの谷+隣の山との高さの差にあたる。
図1は、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池13を示す概略分解模式図である。図1に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池13は、固体高分子電解質膜1、電極触媒層2及び電極触媒層3を有する膜電極接合体(MEA)11、空気極側ガス拡散層4、燃料極側ガス拡散層5、ガス流路8及び冷却水流路9を有する一対のセパレータ10を備えている。
図1に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池13は、固体高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2及び電極触媒層3が接合され、狭持された膜電極接合体(MEA)11を備え、膜電極接合体11の電極触媒層2及び電極触媒層3と対向して空気極側ガス拡散層4及び燃料極側ガス拡散層5が配置される。これによりそれぞれ空気極6及び燃料極7が構成される。そしてガス流通用のガス流路8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる1組のセパレータ10が配置される。燃料極7側のセパレータ10のガス流路8からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極6側のセパレータ10のガス流路8からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。
また、一組のセパレータ10に固体高分子電解質膜1、電極触媒層2、電極触媒層3、空気極側ガス拡散層4、燃料極側ガス拡散層5が狭持された。いわゆる単セル構造の固体高分子形燃料電池13であるが、本発明の実施の形態にあっては、セパレータ10を介して複数のセルを積層して燃料電池とすることもできる。
次に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体11の電極触媒層2及び電極触媒層3について説明する。
本発明の実施の形態に係る電極触媒層2及び電極触媒層3を形成する触媒インクには、触媒担持した導電性粒子とイオン伝導性高分子と溶媒とを含み構成される。
触媒担持した導電性粒子は、導電性を持つ担体と、触媒能を持つ触媒金属から成り立つ。触媒金属には、カソードでは酸素の還元反応、アノードでは水素の酸化反応に触媒作用を有すれば特に限定するものではない。具体的には、例えば遷移金属単体、遷移金属群からなる合金、酸化物、複酸化物、炭化物、錯体を用いることができる。中でも特にPt、Pd、Ni、Ir、Rh、Co、Os、Ru、Fe、Au、Ag、Cu等が好ましく、この群からなる合金、酸化物、複酸化物、炭化物、錯体を用いることが好ましい。また、触媒担持した導電性粒子の粒径は、触媒金属の利用率、反応性及び安定性を考慮し、1nm〜10nm程度が好ましい。
導電性を持つ担体としては、特に制限されず公知のものが使用できるが、代表的なものとしてはカーボン粒子があり、具体的にはカーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、固体酸凝集体等の炭素粒子等が挙げられ、この中から一つ以上選べばよい。導電性を持つ担体の粒径としては10nm〜100nm程度が好ましい。
電極触媒インクには、触媒担持した導電性粒子以外にも、触媒を担持していない導電性粒子を混合させても良い。
電極触媒インクに含まれる高分子は、イオン伝導性を有するものであれば良いが、電極触媒層2及び電極触媒層3と固体高分子電解質膜1との密着性を考えると、固体高分子電解質膜1と同じ材料を選択することが好ましい。
本発明の実施の形態に係る電極触媒インクは、上記触媒担持した導電性粒子を予め水に馴染ませておく。担持された触媒により、アルコールなどの有機溶媒を加えた際に発火の恐れがあるためである。
更に有機溶媒として、メタノール、エタノール、エチレングリコール、1−プロパノール、2−プロパノール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、グリセリン、ブタノールなどのアルコール類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン極性溶媒など、イオン伝導性を有する高分子を溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、上記記述に関わらずいずれの溶媒でも構わない。溶媒は1種又は2種以上選択したものを用いる。
電極触媒インク中の触媒担持した導電性粒子とイオン伝導性を有する高分子とを含めた固形分は、水と有機溶媒を合わせた全溶媒に対し、5wt%以上45wt%以下にするのが好ましい。この範囲外である場合、インクとしての安定性に欠け、インクの印刷性が悪化してしまうからである。
電極触媒インクの粘度は25℃のインク温度で50mPa・s以上800mPa・s以下にするのが好ましい。固形分と粘度は印刷方法によって調整すればよいが、上記範囲内とすることにより塗工適性に優れた電極触媒インクとすることができる。
電極触媒インクには、適宜増粘材、分散剤を混ぜても構わない。カーボンの分散剤として好適なのは、スルホン酸基が導入された無定形炭素である、固体酸が代表的に挙げられるが、特に限定しない。
電極触媒インクに加えるイオン伝導性を持つ高分子溶液の固形分は1wt%〜30wt%が望ましい。
本発明の実施の形態に係る電極触媒インク製造方法における混合方法としては、遊星ボールミル、ビーズミル、ホモジナイザをはじめとする公知の方法が挙げられるが特に限定しない。溶媒が触媒により溶存酸素により酸化されるため、電極触媒インクの分散は不活性ガス下で行うのが好ましいが、大気雰囲気下で混合しても特に構わない。
本発明の実施の形態に係る固体高分子電解質膜1は、イオン伝導性を有するものを用いることが好ましい。例えば、フッ素系固体高分子電解質膜1としては、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)などが挙げられる。炭化水素系固体高分子電解質膜1としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の固体高分子電解質膜1が挙げられるが特に限定しない。膜厚は20μm〜100μm程度が好ましい。
次に、電極触媒層2及び電極触媒層3の形成方法及び膜電極接合体11の作製方法について説明する。
膜電極接合体11の作製方法は、固体高分子電解質膜1に電極触媒インクを塗布する方法、ガス拡散層に電極触媒インクを塗布しこれを固体高分子電解質膜1に挟持させ熱圧着する方法、転写基材に電極触媒層を一旦形成した後、固体高分子電解質膜1に挟持させ熱圧着する方法の大きく3つの方法が挙げられるがいずれの方法をとっても構わない。
調整された電極触媒インクの印刷方法は、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などの塗布法、噴霧法などの方法が挙げられるが特に限定しない。塗布基材により最適なものを選定すればよい。
転写基材、ガス拡散層、固体高分子電解質膜1に対し乾燥後の電極触媒層2または電極触媒層3の面内の一方向において、電極触媒層2または電極触媒層3の少なくとも一方の、固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の表面が、少なくとも電極触媒層2または電極触媒層3の面内の一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが3μm以上15μmとなるように塗布しても構わない。
うねり曲線要素の平均高さが3μm以上15μmを持つ電極触媒層2または電極触媒層3からなる膜電極接合体11は、電極触媒層2または電極触媒層3に造孔材や撥水材を混ぜることなく撥水性を高めることができる。うねり曲線要素の平均高さが3μm未満である場合、十分に撥水の効果が見られなくなってしまい、平均高さが15μmを超える場合、電極触媒層2または電極触媒層3の強度が保てなくなり、ガス拡散層との接合性が保てず、内部抵抗が高くなってしまう。
このような表面のうねり曲線を持つ電極触媒層2または電極触媒層3からなる膜電極接合体11は、とくに発電時における水の発生がカソードで顕著であるため、カソードとして用いることで撥水性の効果が高まる。
本発明の実施の形態において、電極触媒層2及び電極触媒層3を転写基材に塗布する場合、電極触媒層2及び電極触媒層3を転写基材に塗布してからこれを固体高分子電解質膜1に熱圧着する。転写基材としては特に限定しないが、電極触媒層2及び電極触媒層3が熱圧着により離型するものが良い。具体的にはPTFE、ETFE等のフッ素系樹脂、表面にシリコン樹脂等が塗布されている離型材、PETフィルム、ポリイミド、PEEKなどの高分子フィルム、SΜS等の金属板などが挙げられるが、電極触媒層2及び電極触媒層3が良好に印刷されかつ転写されれば特に限定しない。
転写基材に電極触媒層2及び電極触媒層3を塗布する場合には、電極触媒層2または電極触媒層3の少なくとも一方の、固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の表面が、少なくとも電極触媒層2または電極触媒層3の面内の一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが3μm以上17μmとして転写基材を用いることで、うねり曲線要素の平均高さが3μm以上15μmである膜電極接合体11を製造することができる。
うねり曲線要素の平均高さが3μm未満だと、十分に撥水効果をもつ電極触媒層2または電極触媒層3が製造できなくなってしまい、うねり曲線要素の平均高さが17μmを超えると、転写性が悪く転写基材上に電極触媒層2または電極触媒層3が一部残ってしまう上、作製された電極触媒層2または電極触媒層3の強度がもろくなってしまう。
転写基材は、エンボス処理、ブラスト処理、粗化などの処理を行うことで表面にうねりをつけてあってもよい。
電極触媒層2または電極触媒層3を転写基材上に設けた膜電極接合体製造用の電極触媒層の塗工転写基材は、転写基材上の電極触媒層2または電極触媒層3の表面は面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが7μm以下であることが好ましく、より好ましくは5μm以下である。このような条件を電極触媒層の塗工転写基材が満たすことで電極触媒層2または電極触媒層3の固体高分子電解質膜1への塗工性が良好となる。
うねり曲線要素の平均高さが7μmを超える大きい場合、固体高分子電解質膜1と電極触媒層2及び電極触媒層3との接合性が悪くなり、膜電極接合体11の内部抵抗が高くなってしまう。
また、固体高分子電解質膜1への電極触媒層2または電極触媒層3の転写は複数回にわたっても構わない。例えば転写基材に塗布した電極触媒層2または電極触媒層3を固体高分子電解質膜1に挟持させ転写し(膜電極接合体11)、更に膜電極接合体11に電極触媒層2または電極触媒層3を挟持させ転写しても構わない。これを複数回行う、片側だけ行う、交互に行うなど、その順番、回数などは問わない。
本発明の実施の形態における電極触媒層を塗布後の乾燥条件であるが、最適な乾燥温度は、40℃〜120℃である。乾燥時間は加える溶媒、塗布厚み、乾燥温度に依存するが、1分〜2時間程度が良い。乾燥温度・乾燥時間によっても、うねり曲線要素の平均高さが3μm以上15μmである電極触媒層を形成することができる。
本発明の実施の形態に係る熱圧着方法としては、ラミネータ、熱プレスなど、密着性が良好であればその手段を問わない。
本発明の実施の形態に係る熱圧着条件であるが、電極触媒層に含まれるイオン伝導性を持つ高分子と固体高分子電解質膜1とのガラス転移点程度で、かつ熱劣化する温度より低い必要がある。最適な条件は使用する電極触媒インクに含まれる高分子や、固体高分子電解質膜1にも依存するが、ガラス点移転付近の80℃〜160℃付近がよい。好ましくは、140℃以下がよい。
上記のようにして作製された膜電極接合体11のカソードは、固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の表面が、少なくとも電極触媒層の面内の一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さがが3μm以上15μm以下であればよい。より好ましくは、3μm以上12μm以下が好ましい。形状は、たとえば図2(a)〜(c)に示すような形状であればよい。アノードは運転条件によって形状を決めれば良いが、固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の表面が、少なくとも電極触媒層の面内の一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さがが15μm以下であることが好ましい。
また電極触媒層の形状は、電極触媒層の面内の一方向において上記うねり曲線要素の平均高さの条件を満たせばよく、図3に示すように蒲鉾形に数列並べたような形状、格子状、ハニカム状、ストライプ状、サーペンタイン状、円柱状など特に形状を限定しない。
本発明の実施の形態に係るガス拡散層としては、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられるが、特に限定しない。電極触媒層側にカーボンブラックなどの炭素粒子を塗布したり、PTFE溶液などで撥水処理したりするなどの処理を施しても構わない。
さらに本発明の実施の形態に用いられるセパレータ10としてはカーボン、金属等を用いることができる。また、燃料電池としては、ガス供給装置、冷却装置などその他付随する装置を組み立てることにより製造される。
本発明の実施の形態に係る膜電極接合体11は、カソード側にカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが3μm以上15μm以下である電極触媒層を用いることで、電極触媒層と固体高分子電解質膜1との接合性を保ちつつ撥水性を向上させることができる。
以下、実施例を挙げて本発明を説明する。なお、本発明は下記実施例によって制限されるものではない。なお、以下すべての実施例において、表面うねりは、サンプルを多孔室吸着板に吸着させた後、顕微鏡レーザ変位計(オプレンス製)を用いて求めた。
PTFEフィルムを転写基材として用い、これにブラスト処理を施し、フィルム表面を、カットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さを8μmとなるように粗化した。このフィルムに対し、アプリケータにて電極触媒インクを塗布した。このとき、触媒表面がカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは4μmであった。
この転写基材をNafion212膜(登録商標、デュポン社製)に対しその両面に140℃10分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。これより転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜1、膜電極接合体11を得た。このとき、固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは6μmであった。転写基材に電極触媒層が残ることはなかった。
PTFEフィルムを転写基材として用い、これにスクリーン印刷にてサーペンタイン状に電極触媒インクを塗布した。このとき固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは5μmであった。
この転写基材をNafion212膜(デュポン社製)に対し、その両面に140℃10分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。これより転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜1、膜電極接合体11を得た。このとき、固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは4μmであった。
PTFEフィルムを転写基材として用い、これにスクリーン印刷にて格子状に電極触媒インクを塗布した(これを転写基材21とする)のとき、固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは5μmであった。更に別のPTFEフィルムを転写基材として用いこれにバーコータにて電極触媒インクを塗布した(これを転写基材22とする)。このとき、転写基材22の電極触媒層の表面のカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは2μmであった。
転写基材22をNafion212膜(デュポン社製)に対し、その両面に140℃10分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。更に転写基材21を両面に転写させた。これより転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜1、膜電極接合体11を得た。このとき、固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは6μmであった。
PTFEフィルムを転写基材として用いこれにバーコータにて電極触媒インクを塗布した。このとき、触媒表面がカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは3μmであった。この転写基材をNafion212膜(デュポン社製)に対しその両面に140℃10分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。この膜電極接合体11にエンボス処理を施したところ、電極触媒層の表面がカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは7μmとなった。
[比較例1]
PTFEフィルムを転写基材として用いこれにバーコータにて電極触媒インクを塗布した。このとき、電極触媒層の表面がカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは3μmであった。この転写基材をNafion212膜(デュポン社製)に対しその両面に140℃10分で熱プレスを行い電極触媒層を転写させた。これより転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜1、膜電極接合体11を得た。このとき、固体高分子電解質膜1との接合面と反対側の電極触媒層の表面のカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さは2μmであった。
実施例1、2、3及び比較例1の膜電極接合体の両面に、ガス拡散層として一対のカーボンペーパで挟持し、固体高分子形燃料電池13を作製した。燃料電池測定装置(東陽テクニカ社製GFT−SG1)を用い、燃料として水素ガス、酸化剤として酸素を使用し、セル温度80℃、フル加湿条件下にて発電特性評価をおこなった。
フラッディングが始まるときの電流は、実施例1、2、3がそれぞれ0.95[A/cm]、0.92[A/cm]、0.97[A/cm]、0.92[A/cm]であったのに対し、比較例1は0.86[A/cm]であった。
実施例及び比較例で作製した固体高分子形燃料電池13を比較すると、実施例1乃至実施例3の電極触媒層がカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さを3μm以上15μm以下とすることにより発電効率が向上することがわかる。
1…固体高分子電解質膜、2…空気極側電極触媒層、3…燃料極側電極触媒層、4…空気極側ガス拡散層、5…燃料極側ガス拡散層、6…空気極、7…燃料極、8…ガス流路、9…冷却水流路、10…セパレータ、11…膜電極接合体

Claims (7)

  1. 一対の電極触媒層で高分子電解質膜を狭持した構造を備える膜電極接合体であって、
    前記一対の電極触媒層の一方の前記高分子電解質膜との接合面と反対側の表面が、前記一対の電極触媒層のどちらか一方の面内の一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが3μm以上15μm以下であることを特徴とする膜電極接合体。
  2. 前記一対の電極触媒層のどちらか一方をカソードとして用いることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。
  3. 請求項1または2に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で狭持され、さらに、前記ガス拡散層はで狭持された膜電極接合体が一対のセパレータで狭持されるし用いることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
  4. 請求項1または2に記載の膜電極接合体製造用の転写基材であって、
    前記転写基材の表面が、面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが3μm以上17μm以下であることを特徴とする膜電極接合体製造用の転写基材。
  5. 膜電極接合体の電極触媒層を転写基材上に設けた膜電極接合体製造用の電極触媒塗工転写基材であって、
    転写基材上の触媒表面は面内の少なくとも一方向においてカットオフ値λf4mm、λc0.8mmの輪郭曲線フィルタにより得られるうねり曲線要素の平均高さが7μm以下であることを特徴とする、膜電極接合体製造用の電極触媒塗工転写基材。
  6. 請求項4または5に記載の電極触媒塗工転写基材を用いて製造されることを特徴とする膜電極接合体。
  7. 請求項6に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で狭持され、さらに、前記ガス拡散層はで狭持された膜電極接合体が一対のセパレータで狭持されることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
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