JP2011165359A - 燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発電性能と耐久性を有する膜・電極・ガス拡散層接合体を提供する。
【解決手段】発明の膜・電極・ガス拡散層接合体は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両面上に、それぞれ、触媒電極層と、ガス拡散層と、触媒電極層およびガス拡散層の間に介挿された接合層と、を備える。接合層のせん断強度が、触媒電極層のせん断強度および接合層と触媒電極層との間の接合強度よりも小さいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体及びその製造方法に関する。

燃料電池には、高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）を用いた発電体として、電解質膜の両面上にそれぞれ、触媒電極層（以下、単に「電極」あるいは「触媒層」とも呼ぶ）とガス拡散層（以下、単に「ＧＤＬ」とも呼ぶ）とを接合させた膜・電極・ガス拡散層接合体が用いられている。

電解質膜は、発電体（以下、単に「セル」とも呼ぶ）の発電性能の高性能化のために、薄膜化、低ＥＷ値化（低イオン当量化）が進んでいる。この電解質膜の薄膜化はセルの機械的強度の低下を招くため、ＧＤＬと触媒層とを、導電性の部材を用いて接合して機械的強度を補う技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−２１４０４５号公報 特開２００８−２７７０１６号公報

ここで、近年、触媒層についても、低コスト化のために触媒金属である白金（Ｐｔ）の量を削減することによる薄膜化、ポーラス化による低ガス拡散抵抗化による高性能化が図られ、触媒層が薄く劣化の可能性が高くなってきている。

そして、上記のように触媒層とＧＤＬとの間が接合層を介して接合されている構造の場合、長期使用時における、乾湿の繰り返し、温度変化、氷点下時の氷の生成等によって発生する応力等が、触媒層内に集中する可能性が高く、触媒層内のせん断等の劣化による発電性能の低下が問題となる。

本発明は、高い発電性能と耐久性を有する膜・電極・ガス拡散層接合体を提供す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］
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面上に、それぞれ、触媒電極層と、ガス拡散層と、前記触媒電極層および前記ガス拡散層の間に介挿された接合層と、を備える膜・電極・ガス拡散層接合体であって、
前記接合層のせん断強度が、前記触媒電極層のせん断強度および前記接合層と前記触媒電極層との間の接合強度よりも小さいことを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体。
上記膜・電極・ガス拡散層接合体によれば、触媒電極層のせん断および接合層と触媒電極層との間の接合の剥離よりも、先に接合層のせん断が発生させて、触媒層のせん断や接合層と触媒電極層との間の接合の剥離による発電性能の低下を抑制することができる。これにより、高い発電性能と耐久性を確保することが可能となる。
［適用例２］
適用例１記載の膜・電極・ガス拡散層接合体であって、
前記接合層は複層化されており、前記接合層のせん断強度が前記触媒層のせん断強度および前記接合層と前記触媒層の接合強度よりも小さくなるように、前記複層の間の接着強度が調整されていることを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体。
このようにすれば、接合層のせん断強度を、容易に触媒層のせん断強度および接合層と触媒層の接合強度よりも小さくすることができる。

［適用例３］
適用例２記載の膜・電極・ガス拡散層接合体であって、
前記接合層の複層の中間には、フッ素樹脂により形成されている層が含まれることを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体。
このようにすれば、フッ素樹脂により形成されている層により、接合層のせん断強度を、容易に触媒層のせん断強度および接合層と触媒層の接合強度よりも小さくすることができる。

［適用例４］
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面上に、それぞれ、触媒電極層と、ガス拡散層と、前記触媒電極層および前記ガス拡散層の間に介挿された接合層と、を備える膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法であって、
前記高分子電解質膜の両面上に前記触媒電極層の形成用の触媒インクを塗布した触媒インク塗布済み電解質膜を用意する工程と、
前記接合層を形成するための４つの接合層部材を用意する工程と、
前記４つの接合層部材のうちの２つの接合部材の一方の面上に、粒状のフッ素樹脂を形成した２つのフッ素樹脂付接合部材を用意する工程と、
前記ガス拡散層を形成する２つのガス拡散層部材を用意する工程と、
前記触媒インク塗布済み電解質膜の両面に、それぞれ、前記接合部材と、前記フッ素樹脂が前記接合部材側を向くように配置した前記フッ素樹脂付接合部材と、ガス拡散層部材とを、順に積層した積層体を作製する工程と、
作製した前記積層体をホットプレスすることにより、前記高分子電解質膜に塗布された前記触媒インクと、前記接合層部材と、前記フッ素樹脂付接合部材と、ガス拡散層部材と、を接合する工程と、
を備えることを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法。
この膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法によれば、適用例１に記載した膜・電極・ガス拡散層接合体を製造することが可能である。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、膜・電極・ガス拡散層接合体、膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法、膜・電極・ガス拡散層接合体を備える燃料電池などの形態で実現することが可能である。

燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体の概略構造を示す説明図である。 燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体の製造工程を示す説明図である。

図１は、燃料電池に用いられる膜・電極・ガス拡散層接合体の概略構造を示す説明図である。この膜・電極・ガス拡散層接合体１００は、電解質膜（高分子電解質膜）２０の両面に、それぞれ、触媒層（触媒電極層）３０、接合層４０、ＧＤＬ（ガス拡散層）５０が接合された構造を有している。

電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。この電解質膜２０としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）が利用される。

触媒層３０は、電気化学反応を促進する触媒金属と、プロトン伝導性を有する電解質と、電子伝導性を有するカーボン粒子と、を備える。触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、あるいはＰｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルトやニッケルを混合したＰｔ合金）を用いることができる。また、電解質としては、電解質膜２０と同様に、スルホン酸基を介して水和プロトンを伝導するフッ素系樹脂、例えば、ナフィオン溶液を用いている。上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒電極では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在している。触媒金属を担持するためのカーボン粒子（以下、「担持用カーボン粒子」と呼ぶ。）は、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子が用いられる。

接合層４０は複層化されており、２つの接合層部４２と、２つの接合層部４２の間に介挿されているＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）層部４４により構成されている。２つの接合層部４２は、電解質が含浸されているカーボン層部材で構成されている。ＰＴＦＥ層部４４は、粒状のＰＴＦＥで構成されている。

ガス拡散層（ＧＤＬ）５０は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、あるいは、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。

図２は、上記膜・電極・ガス拡散層接合体の製造工程を示す説明図である。

［１］まず、電解質膜２０を用意し、この電解質膜２０の両面に触媒層３０となる触媒インクを塗布して触媒インク塗布済み電解質膜１０を用意する。
［２］次に、電解質膜２０や触媒層３０と同様な電解質を含浸した４つの接合層部４２用部材を用意する。これら４つの接合層４２用部材のうち２つの接合層４２用部材について、一方の面にＰＴＦＥディスパージョンを、ＰＴＦＥ目付けで２μｇ／ｃｍ^２（均一な膜厚として１μｍ程度）になるように塗布する。そして、接合層部４２表面にＰＴＦＥが粒状に固定化するように、３５０℃で焼成することにより、２つのＰＴＦＥ付の第１の接合層部材４０ａを用意する。なお、ＰＴＦＥを粒状化させることにより、ガス透過性を高めることが可能である。また、残りの２つの接合層４２用部材を第２の接合層部材４０ｂとする。
［３］また、２つのＧＤＬ（ガス拡散層）５０用部材を用意する。
［４］そして、触媒インク塗布済み電解質膜１０の両面に、それぞれ、第１の接合層部材４０ａと、第２の接合層部材４０ｂと、ガス拡散層（ＧＤＬ）５０と、を順に積層した積層体を作製する。なお、第１の接合層部材４０ａのＰＴＦＥが固定化された面が第２の接合層部材４０ｂ側を向くように配置する。
［５］以上のようにして作製された積層体を、テフロン（デュポン社の登録商標）等の保護シートを介して配置されたステンレス板で両側から挟んで、１００℃〜１５０℃、０．５ＭＰａ〜２．０ＭＰａでホットプレスする。これにより、電解質膜２０に塗布された触媒層３０となる触媒インクと、第１の接合層部材４０ａと、第２の接合層部材４０ｂと、ガス拡散層５０用部材とがそれぞれ接合され、膜・電極・ガス拡散層接合体が作製される。

上記の製造工程に従って作製した膜・電極・ガス拡散層接合体１００において、触媒層３０と接合層４０との間の剥離強度を測定したところ、０．０３Ｎ／ｃｍ以上であった。これに対し、２つの接合層部４２間の剥離強度は、０．０１Ｎ／ｃｍ〜０，０２Ｎ／ｃｍであった。以上のことから、本実施例の膜・電極・ガス拡散層接合体１００は、長期使用時において発生する機械的故障は接合層４０を構成する２つの接合層部４２の間であると考えられる。従って、本実施例の膜・電極・ガス拡散層接合体１００では、触媒層３０のせん断や触媒層３０と接合層４０との間の剥離を抑制して、高い発電性能と耐久性を維持することが可能である。なお、２つの接合層部４２の間の剥離強度は、ＰＴＦＥディスパージョンの濃度や、ＰＴＦＥディスパージョンを塗布する厚さによって調整することが可能である。

なお、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る。

上記実施例では、接合層４０を複層化した２つの接合層部４２の間に介挿されている部材として、粒状化して固定されたＰＴＦＥが用いられて入る場合を例に説明しているが、これに限定されるものではない。ＰＦＡやＦＥＰ等の種々のフッ素系樹脂を利用することが可能である。また、フッ素系樹脂に限らず、導電性およびガス透過性を有し、かつ、接合層部４２間の剥離強度が、接合層４０と触媒層３０の間の剥離強度や、触媒層３０内のせん断強度よりも小さくなるように調整可能な部材であれば種々の樹脂部材を利用することが可能である。

また、上記実施例では、ＰＴＦＥディスパージョンを塗布して焼成することにより、粒状化して固定させているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ＰＴＦＥの種類や膜厚等を調整することで、そのままガス透過性を確保することも可能性もある。

また、上記実施例では、接合層４０を２つの接合層部４２により複層化し、２つの接合層部４２間の剥離強度が接合層４０と触媒層３０の間の剥離強度や、触媒層３０内のせん断強度よりも小さくなるようにした実施例を示したがこれに限定するものではない。複層化していない接合層のせん断強度が、接合層と触媒層の間の剥離強度や、触媒層内のせん断強度よりも小さくなるような無に調整可能な部材であって、導電性およびガス透過性を有する部材を用いてもよい。

１０…触媒インク塗布済み電解質膜
２０…電解質膜（高分子電解質膜）
３０…触媒層（触媒電極層）
４０…接合層
４０ａ…第１の接合層部材
４０ｂ…第２の接合層部材
４２…接合層部
４４…ＰＴＦＥ層部
１００…ガス拡散層接合体

Claims (4)

1. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面上に、それぞれ、触媒電極層と、ガス拡散層と、前記触媒電極層および前記ガス拡散層の間に介挿された接合層と、を備える膜・電極・ガス拡散層接合体であって、
   前記接合層のせん断強度が、前記触媒電極層のせん断強度および前記接合層と前記触媒電極層との間の接合強度よりも小さいことを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体。
2. 請求項１記載の膜・電極・ガス拡散層接合体であって、
   前記接合層は複層化されており、前記接合層のせん断強度が前記触媒層のせん断強度および前記接合層と前記触媒層の接合強度よりも小さくなるように、前記複層の間の接着強度が調整されていることを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体。
3. 請求項２記載の膜・電極・ガス拡散層接合体であって、
   前記接合層の複層の中間は、フッ素樹脂により形成されている層が含まれることを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体。
4. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面上に、それぞれ、触媒電極層と、ガス拡散層と、前記触媒電極層および前記ガス拡散層の間に介挿された接合層と、を備える膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法であって、
   前記高分子電解質膜の両面上に前記触媒電極層の形成用の触媒インクを塗布した触媒インク塗布済み電解質膜を用意する工程と、
   前記接合層を形成するための４つの接合層部材を用意する工程と、
   前記４つの接合層部材のうちの２つの接合部材の一方の面上に、粒状のフッ素樹脂を形成した２つのフッ素樹脂付接合部材を用意する工程と、
   前記ガス拡散層を形成する２つのガス拡散層部材を用意する工程と、
   前記触媒インク塗布済み電解質膜の両面に、それぞれ、前記接合部材と、前記フッ素樹脂が前記接合部材側を向くように配置した前記フッ素樹脂付接合部材と、ガス拡散層部材とを、順に積層した積層体を作製する工程と、
   作製した前記積層体をホットプレスすることにより、前記高分子電解質膜に塗布された前記触媒インクと、前記接合層部材と、前記フッ素樹脂付接合部材と、ガス拡散層部材と、を接合する工程と、
   を備えることを特徴とする膜・電極・ガス拡散層接合体の製造方法。

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