JP2011258397A - 燃料電池の触媒層の製造 - Google Patents

燃料電池の触媒層の製造 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池の触媒層のプロトン伝導性を向上させる。
【解決手段】燃料電池の触媒層の製造方法は、(a)基材シートと、触媒を含む触媒基材であって基材シート上に配置された触媒基材と、を有する一次転写用シートにおける触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを生成する工程と、(b)燃料電池用の電解質膜に、触媒層転写シート上の触媒基材を転写する工程と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池の触媒層の製造に関する。
燃料電池として、電解質膜の面上に触媒層とガス拡散層とがこの順番で積層された構成を有する燃料電池が知られている。このような燃料電池の触媒層の製造方法として、2つの薄いポリマーフィルム間に触媒スラリーを充填し、触媒スラリーが充填されたポリマーフィルムを2つのローラー間に配置してプレスする方法が提案されている(特許文献1)。この方法では、触媒層の厚みの低減により、触媒層のプロトン伝導性の向上(プロトン抵抗の低減)を実現できる。
特表2009−512145号公報
しかしながら、触媒スラリーが充填されたポリマーフィルムを2つのローラー間に配置してプレスすることにより触媒層を製造する方法によると、触媒層を薄く延ばすことは可能であるが、触媒層における空隙率を低下させることはできなかった。したがって、触媒層におけるプロトン伝導物質(例えば、アイオノマ)の体積比率に変化がないため、触媒層のプロトン伝導性を大きく向上させることはできなかった。その結果、燃料電池の発電効率を大きく向上させることができなかった。
本発明は、燃料電池の触媒層のプロトン伝導性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]燃料電池の触媒層の製造方法であって、
(a)基材シートと、触媒を含む触媒基材であって前記基材シート上に配置された触媒基材と、を有する一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを生成する工程と、
(b)前記燃料電池用の電解質膜に、前記触媒層転写シート上の前記触媒基材を転写する工程と、
を備える、方法。
適用例1の方法によると、一次転写用シートの空隙率を低減させるので、燃料電池の触媒層におけるプロトン伝導物質の体積率を向上させることができ、プロトン伝導性を向上させることができる。加えて、一次転写用シートの空隙率を低減させる工程(すなわち、工程(a)を、触媒基材を電解質膜に転写する工程(すなわち、工程(b))とは別工程として実行するので、一次転写用シートの空隙率を低減する際における電解質膜の劣化を抑制できる。
[適用例2]適用例1に記載の方法において、
前記工程(a)では、前記一次転写用シートの面方向の変形を抑制しながら、前記一次転写用シートを圧縮することにより、前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させる、方法。
このような構成により、一次転写用シートの厚みを低減させつつ、触媒基材の空隙率を低減させることができる。したがって、空隙率に加えて触媒基材の厚みも低減できるので、燃料電池の触媒層のプロトン伝導性を向上させることができる。加えて、一次転写用シートを圧縮する(すなわち、工程(a)を実行する)際には、電解質膜を圧縮せずに済むため、圧縮に伴う電解質膜の劣化を抑制できる。
[適用例3]適用例2に記載の方法において、
前記工程(a)において、前記触媒層転写シートにおける前記触媒基材の厚みが、前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の厚みの55%以上かつ75%以下の範囲内となるように、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
このような構成により、触媒層における空隙の低減に起因するフラッディングの発生に伴う発電効率の劣化よりも、触媒層における空隙の低減に起因するプロトン導電性の向上に伴う発電効率の向上を大きくすることができ、燃料電池全体として、発電効率を向上させることができる。
[適用例4]適用例2または適用例3に記載の方法において、
前記一次転写用シートは平面の周縁形状が四角形であり、
前記工程(a)において、前記周縁形状の少なくとも一辺の近傍に設けられた変形抑制部を有する圧縮装置を用いて、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
このような構成により、一次転写用シートの面方向の変形を確実に抑制することができる。
[適用例5]適用例2ないし適用例4のいずれかに記載の方法において、
前記触媒基材は、さらにアイオノマを含み、
前記工程(a)において、前記アイオノマのガラス転移温度以上の温度環境下で、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
このような構成により、一次転写用シートを圧縮する際に、アイオノマを柔らかくすることができる。したがって、一次転写用シートを圧縮する際の圧力を比較的小さくすることができ、圧縮に伴う一次転写用シートの劣化を抑制できる。
[適用例6]燃料電池の触媒層を形成するための触媒層転写シートの製造方法であって、
(c)触媒を含む触媒基材を、基材シートに塗布して一次転写用シートを生成する工程と、
(d)前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを得る工程と、
を備える、方法。
適用例6の方法によると、一次転写用シートの空隙率を低減させるので、燃料電池の触媒層におけるプロトン伝導物質の体積率を向上させることができ、プロトン伝導性を向上させることができる。加えて、一次転写用シートの空隙率を低減させる工程(すなわち、工程(d))は、触媒転写シート上の触媒基材を燃料電池用の電解質膜に転写する工程とは別に実行するので、一次転写用シートの空隙率を低減する際における電解質膜の劣化を抑制できる。
本発明の実施形態における単セルの製造方法の手順を示すフローチャート。 ステップS125における加熱圧縮に用いられる圧縮治具を模式的に示す断面図である。 第1圧縮部の第1突出部の表面に一次転写用シートを配置した状態を示す斜視図である。 本実施形態の単セル製造手順に従って製造された単セルを示す断面図である。 第1ないし第3実施例における評価試験の結果を示す説明図である。 比較例及び第1実施例におけるステップS125での圧縮圧力を変えて得られた一次転写用シート(一次触媒層)の圧縮率を示す説明図である。
A.実施形態:
図1は、本発明の実施形態における単セルの製造方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態では、図1に示す手順に従って、燃料電池スタック等に用いられる燃料電池(すなわち、単セル)を製造する。なお、本実施形態において製造される単セルは、固体高分子型燃料電池である。
まず、電解質を、水およびアルコール類(例えば、エタノール等)を溶媒として溶解させて電解質溶液を生成する(ステップS105)。電解質としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなるフッ素系樹脂材料を用いることができる。このようなフッ素系樹脂材料としては、例えば、デュポン社のナフィオン(登録商標)を用いることができる。
ステップS105で生成された電解質溶液を、高分子フィルム上に塗布して乾燥させて電解質膜を生成する(ステップS110)。高分子フィルムとしては、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等のポリエステル系、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル(硬質)、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、熱硬化性ガラス充填シリコーン等を採用することができる。また、塗布の方法としては、例えば、スクリーン印刷法、スプレー法、ダイ塗工法、ドクターブレード法、インクジェット法、ディスペンサ法等を用いることができる。
触媒担持カーボンとステップS105で生成された電解質溶液とを混合して、触媒層用インクを生成する(ステップS115)。触媒担持カーボンに含まれる触媒としては、例えば、白金や、白金とルテニウムや鉄等の金属との合金を用いることができる。触媒担持カーボンに含まれるカーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラックや、サーマルブラックや、カーボンナノファイバや、カーボンナノチューブ(CNT)や、カーボンナノホーン(CNH)などを採用することもできる。
ステップS115で生成された触媒層用インクを基材シートに塗布した後乾燥させ、一次転写用シートを生成する(ステップS120)。基材シートとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製のシート(例えば、テフロンシート(テフロンはデュポン社の登録商標))を採用することができる。なお、この段階において、一次転写用シート上の触媒層用インクには十分な空隙(例えば、空隙率50〜60%)が存在する。
ステップS120において得られた一次転写用シートを、面方向の変形を抑制しながら加熱圧縮して触媒層転写シートを生成する(ステップS125)。
図2は、ステップS125における加熱圧縮に用いられる圧縮治具を模式的に示す断面図である。本実施形態では、図2に示す圧縮治具100を用いてステップS125における加熱圧縮を実現する。圧縮治具100は、一対の圧縮部(第1圧縮部11a及び第2圧縮部11b)と、変形抑制部12とを備えている。
第1圧縮部11aは、SUS(ステンレススチール)等の金属製板状部材で構成され、中央部に第1突出部21aを備えており、凸形の断面形状を有している。同様に、第2圧縮部11bは、SUS等の金属板状部材で構成され、中央に第2突出部21bを備えており、凸形の断面形状を有している。圧縮部11a,11bは、いずれも平面視外観は四角形であり、互いに同じ大きさである。また、突出部21a,21bも平面視外観は四角形であり、互いに同じ大きさである。ここで、突出部21a,21bの平面の大きさは、ステップS120で用いられる基材シートの平面の大きさにほぼ等しい。
第1圧縮部11aは、第1突出部21aが配置されている面とは反対の面において、図示しない圧縮装置の下方圧縮部10aに固定されている。同様に、第2圧縮部11bは、第2突出部21bが配置されている面とは反対の面において、図示しない圧縮装置の上方圧縮部10bに固定されている。下方圧縮部10a及び上方圧縮部10bは、互いに鉛直方向に所定の距離だけ離れて平行となるように配置されている。2つの圧縮部11a,11bは、加熱圧縮を行っていない状態において、互いに突出部21a,21bが対向するように、鉛直方向に所定の距離だけ離れて配置されている。
変形抑制部12は、平面視外観が四角形の板状部材であり、中央部に平面視四角形の貫通穴を有する。変形抑制部12としては、例えば、SUS等の金属製板状部材で構成することができる。変形抑制部12の有する貫通穴は、第1圧縮部11aの第1突出部21aよりも若干大きく、変形抑制部12は、貫通穴に第1突出部21aが挿入された状態で配置される。
以上の構成を有する圧縮治具100を用いて、以下のようして加熱圧縮が行われる。まず、基材シートB1と、基材シートB1上に塗布された触媒層用インクの層(以下、「一次触媒層」と呼ぶ)A1とからなる一次転写用シートS1を、第1突出部21aの表面に載せて、第2圧縮部11bの第2突出部21bと対向するように配置する。
図3は、第1圧縮部の第1突出部の表面に一次転写用シートを配置した状態を示す斜視図である。図3では、説明の便宜上、第1圧縮部11aと、第2圧縮部11bと、下方圧縮部10aと、上方圧縮部10bとは省略している。第1圧縮部11aの第1突出部21aに一次転写用シートS1を載せた場合、図3に示すように、一次触媒層A1は、一次触媒層A1の各辺が貫通穴M1の各辺と平行となるように貫通穴M1に嵌って配置されている。このとき、一次触媒層A1の各辺と、貫通穴M1を形成する変形抑制部12の各壁面との間の隙間は非常に小さい。
第1圧縮部11aの第1突出部21aに一次転写用シートS1を載せた後、図2に示すように、第2圧縮部11bの第2突出部21bの表面に基材シートB2を配置する。基材シートB2としては、基材シートB1と同じ組成のシートを採用することができる。基材シートB1を配置するのは、圧縮後の型離れ性を向上させる(第2突出部21bから剥がし易くする)ためである。
次に、図示しない圧縮装置を駆動して、一次転写用シートS1及び基材シートB2を、第1圧縮部11a及び第2圧縮部11bで挟持した状態で鉛直方向に圧力を加えて圧縮して、一次転写用シートS1(一次触媒層A1)の厚み(鉛直方向の長さ)を減縮させて、触媒層用転写シートを生成する。このとき、図示しないヒーターにより、圧縮部11a,11b、及び変形抑制部12を加熱する。圧縮圧力としては、例えば、1.0MPa〜200MPaとすることができる。なお、後述するように、一次触媒層A1の圧縮率(圧縮後の厚み/圧縮前の厚み)が0.55(55%)〜0.75(75%)となるように、圧縮圧力を決定することが好ましい。
図3に示すように、一次触媒層A1の各辺と、貫通穴M1を形成する変形抑制部12の各壁面との間の隙間は非常に小さい。したがって、一次触媒層A1を厚み方向に圧縮した場合に、一次触媒層A1の面方向(一次触媒層A1の中央部から周縁部に向かう方向)への変形は抑制される。このように、圧縮する際に一次触媒層A1(一次転写用シートS1)の面方向の変形を抑制しているのは、圧縮により一次触媒層A1内の空隙をつぶして、一次触媒層A1における電解質(アイオノマ)の体積比を向上させるためである。なお、「面方向への変形を抑制する」とは、換言すると「厚さ方向の変形に比べて面方向の変形が小さい」ことを意味する。また、換言すると、一次転写用シートS1を第1突出部21aに載せた状態で、一次触媒層A1の各辺が貫通穴M1を形成する変形抑制部12の各壁面に接する状態においては、「厚さ方向のみ変形させる」ことを意味する。
以上のステップS120,S125を2回実行することにより、アノード側及びカソード側の2枚の触媒層転写シートを生成する。なお、ステップS120,S125の処理は、請求項における触媒層転写シート製造方法に相当する。
図1に示すように、触媒層転写シートが生成されると、ステップS110で生成された電解質膜の両面に、それぞれ触媒層転写シートを重ねて加熱圧縮することにより、触媒層を電解質膜に転写させてMEA(Membrane Electrode Assembly)を生成する(ステップS130)。このときの圧縮圧力としては、ステップS125における圧縮圧力よりも低い圧力(例えば、10MPa程度)が好ましい。これは、比較的低い圧力を加えることにより、電解質膜の損傷を抑制できるからである。なお、上述したステップS115〜S130は、請求項における触媒層製造方法に相当する。
ステップS130により得られたMEAを、2枚のガス拡散層部材で挟持し、さらに、2枚のセパレータで挟持することで、単セルを得る(ステップS140)。ガス拡散層部材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体により構成することができる。また、セパレータとしては、例えば、ガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。
図4は、本実施形態の単セル製造手順に従って製造された単セルを示す断面図である。単セル200は、電解質膜30と、カソード側触媒層31cと、カソード側ガス拡散層32cと、カソード側セパレータ33cと、アノード側触媒層31aと、アノード側ガス拡散層32aと、アノード側セパレータ33aとを備えている。
カソード側触媒層31cは、電解質膜30に接して配置されている。カソード側ガス拡散層32cは、カソード側触媒層31cの外側面(電解質膜30とは反対面)において、カソード側触媒層31cに接している。カソード側セパレータ33cは、カソード側ガス拡散層32cの外側面(カソード側触媒層31cとは反対面)において、カソード側ガス拡散層32cに接している。カソード側セパレータ33cは、凹凸形状を有しており、カソード側セパレータ33cとカソード側ガス拡散層32cとが接することにより、カソード側セパレータ33cとカソード側ガス拡散層32cとの間に酸化剤ガス流路34cが形成される。この酸化剤ガス流路34cは、外部から供給される空気をカソード側ガス拡散層32cに導くと共に、カソード側ガス拡散層32cから排出されるガス(余剰空気及び水蒸気)を外部へと排出する。
アノード側の構成は、カソード側の構成と同様である。すなわち、アノード側触媒層31aは、カソード側触媒層31cと同じ構成を有している。また、アノード側ガス拡散層32aはカソード側ガス拡散層32cと、アノード側セパレータ33aはカソード側セパレータ33cと、それぞれ同じ構成を有している。なお、アノード側セパレータ33aとアノード側ガス拡散層32aとの間に形成された燃料ガス流路34aは、燃料ガス(例えば、水素ガス)をアノード側ガス拡散層32aに導くと共に、アノード側ガス拡散層32aから排出されるガス(例えば、余剰水素ガス)を外部に排出する。
以上の実施形態によると、一次転写用シートS1(一次触媒層A1)を加熱圧縮する際に、面方向の変形を抑制しつつ一次転写用シートS1(一次触媒層A1)を圧縮するので、一次触媒層A1内部の空隙をつぶして一次触媒層A1における電解質(アイオノマ)の体積比率を向上させることができる。また、一次転写用シートS1(一次触媒層A1)を加熱圧縮する際に比較的高い圧力で圧縮するが、電解質膜とは異なる部材である一次転写用シートS1を圧縮するので、圧縮に伴う電解質膜の劣化を抑制できる。
なお、一次触媒層A1は請求項における触媒基材に相当する。また、圧縮治具100は請求項における圧縮装置に相当する。
B.実施例:
B1.第1実施例:
図1に示した手順に従い、図4に示す単セル200を製造した。ステップS110では、電解質溶液を10μmの厚さとなるように塗布して乾燥させた。ステップS115では、触媒担持カーボンとして、白金を触媒とし全重量に対する白金の重量比が50%である触媒担持カーボンを用いた。また、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比を、1.0:0.8とした。ステップS120では、触媒層用インクを9μmの厚さとなるように基材シートに塗布した。ステップS125では、120℃で加熱圧縮を行った。また、圧縮率が異なる複数の触媒層転写シートを生成した。ステップS130では、転写圧力を10MPaとした。このようにして得た単セル200(すなわち、圧縮率が異なる触媒層転写シートを用いた複数の単セル200)を、以下の条件下で発電運転して、電流密度が1.0A/平方センチメートルにおける電圧を測定し、従来の方法により製造した単セルと発電効率を比較する評価試験を行った。下記運転条件における「カウンターフロー」とは、酸化剤ガス(空気)と、燃料ガス(水素ガス)とを、それぞれ単セル200の電解質膜30と平行な方向であって、互いに逆向きとなる方向に流すことを意味する。
<運転条件>
・反応ガス(空気及び水素ガス)の流し方:カウンターフロー
・単セル温度:80℃
・カソード側ストイキ比:1.5
・アノード側ストイキ比:1.5
なお、従来の方法とは、すなわち、ステップS125を実行せず、ステップS130において、ステップS120で生成された一次転写用シートを用いて転写してMEAを生成する点で図1に示す手順と異なり、他の手順は上記実施形態と同じ手順である方法を意味する。なお、第1実施例により得られた単セル200の触媒層における空隙率は30%〜40%であった。従来の方法で得られた単セルの触媒層における空隙率は50%〜60%であるので、第1実施例により空隙率をおよそ半分に低減させることができた。
B2.第2実施例:
図1に示した手順に従い、図4に示す単セル200を製造した。なお、ステップS115において、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比を、1.0:0.6とした点を除き、単セル製造時の各手順におけるパラメータ及び評価条件(発電運転条件)は、第1実施例と同じである。
B3.第3実施例:
図1に示した手順に従い、図4に示す単セル200を製造した。なお、ステップS115において、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比を、1.0:0.9とした点を除き、単セル製造時の各手順におけるパラメータ及び評価条件(発電運転条件)は、第1実施例と同じである。
第2,3実施例において、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比のみを第1実施例と異なる値としたのは、以下の理由による。プロトン伝導性は、触媒層における電解質の体積比と強い相関関係を有する。すなわち、触媒層における電解質の体積比が大きいほどプロトン伝導性は高い。この触媒層における電解質の体積比は、上記実施形態の加熱圧縮(ステップS125)における圧縮率に加えて、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比により変化し得るからである。そして、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比が異なるケースごとに、圧縮率を変えて評価を行うことにより、各質量比ごとに最適な圧縮率の範囲を求めるためである。
図5は、第1ないし第3実施例における評価試験の結果を示す説明図である。図5において、横軸は、ステップS125における一次転写用シートS1(一次触媒層A1)の圧縮率を示す。また、縦軸は、従来の方法で得られた単セルと比べて、電流密度が1.0A/平方センチメートルにおける電圧の向上分(向上電圧:mV)を示す。図5において、黒色の円形は、第1実施例の評価試験により得られた測定ポイントを意味する。また、白色の三角形は第2実施例の評価試験により得られた測定ポイントを、白色の四角形は第3実施例の評価試験により得られた測定ポイントを、それぞれ示す。
ここで、第1実施例の測定ポイントP1は、圧縮率1.0であり、向上電圧0mVである。すなわち、かかる測定ポイントP1は、従来の方法により得られた単セルについての測定ポイントであり、ステップS125を実行していないことから、圧縮率は1.0である。また、かかる測定ポイントP1における電圧が基準となるため、測定ポイントP1における向上電圧は0mVとなっている。
第1実施例では、圧縮率がおよそ0.55〜1.00の範囲では、圧縮率がより低いほど(圧縮度合いがより高いほど)、向上電圧はより大きくなる。これは、以下の理由によるものと推測される。ステップS125の加熱圧縮により、触媒層内の空隙はつぶされて減少し、電解質の体積比率が上昇する。また、圧縮により触媒層の厚みが小さくなる。このとき、電解質の体積比率向上及び触媒層の厚みの低減によるプロトン伝導性の向上によって電圧は増加し得る。しかしながら、触媒層内の空隙が減少することにより、単セル内の電気化学反応により生じた水による空隙の閉塞が短期間のうちに発生し、いわゆるフラッディングが発生して発電効率が低下するため、電圧は減少し得る。すなわち、ステップS125の加熱圧縮による向上電圧は、プロトン伝導性向上に伴う電圧増加分と、触媒層内の空隙減少に伴う電圧減少分とを足し合わせて決定されることとなる。そして、圧縮率が0.55〜1.00の範囲では、圧縮率がより低くなるほど(圧縮度合いがより高くなるほど)、プロトン伝導性向上に伴う電圧増加分が、触媒層内の空隙減少に伴う電圧減少分に比べてより大きくなるため、向上電圧がより大きくなると推測される。特に、圧縮率が0.55〜0.75の範囲においては、向上電圧が大きく、発電効率が高いことが理解できる。
第1実施例において、圧縮率がおよそ0.55未満の範囲では、圧縮率がより低いほど(圧縮度合いがより高いほど)、向上電圧はより小さくなる。これは、かかる圧縮率の範囲では、圧縮率がより低くなるほど(圧縮度合いがより高くなるほど)、プロトン伝導性向上に伴う電圧増加分が、触媒層内の空隙減少に伴う電圧減少分に比べてより小さくなるため、向上電圧がより小さくなると推測される。
第2実施例においても、第1実施例と同様な結果が得られた。すなわち、圧縮率がおよそ0.55〜1.00の範囲では、圧縮率がより低いほど(圧縮度合いがより高いほど)、向上電圧はより大きくなり、圧縮率がおよそ0.55未満の範囲では、圧縮率がより低いほど(圧縮度合いがより高いほど)、向上電圧はより小さくなる。これらの傾向の理由も上述した理由と同じであると推測される。また、第3実施例においても第1,2実施例と同様な結果が得られた。
以上から、触媒担持カーボン中のカーボンブラックと電解質との質量比に関わらず、圧縮率が0.55〜0.75の範囲において、高い向上電圧を得ることができ、発電効率を向上させることが理解できる。
C.比較例:
図1に示した手順に従い、比較例としての単セル200を製造した。なお、ステップS125において、常温(25℃)で圧縮した点を除き、単セル製造時の各手順におけるパラメータは、第1実施例と同じである。そして、圧縮圧力を変えてステップS125を実行し、それぞれ、一次転写用シートS1(一次触媒層A1)の圧縮率を求めた。なお、予め第1実施例においても、圧縮圧力を変えてステップS125を実行し、それぞれ圧縮率を求めておいた。
図6は、比較例及び第1実施例における、ステップS125での圧縮圧力を変えて得られた一次転写用シート(一次触媒層)の圧縮率を示す説明図である。図6において、横軸は圧縮圧力(MPa)を示し、縦軸は圧縮率を示す。また、図6において、黒色の四角形は第1実施例の測定ポイントを示し、黒色の三角形は比較例の測定ポイントを示す。
図6に示すように、いずれの圧縮圧力においても、第1実施例の圧縮率は比較例の圧縮率よりも高い。換言すると、同じ圧縮率を得るために要する第1実施例の圧縮圧力は、比較例の圧縮圧力に比べて低い。これは、以下の理由によると推測される。第1実施例では、一次触媒層A1に含まれる電解質(アイオノマ)のガラス転移温度Tg(105℃)よりも高い120℃で圧縮するので、一次触媒層A1に含まれる電解質を柔らかくした上で圧縮することができる。したがって、ガラス転移温度Tgよりも低い常温(25℃)で圧縮する比較例に比べて、より小さな圧縮圧力で同じ圧縮率を得ることができるものと推測される。
このように、第1実施例及び比較例からも理解できるように、ステップS125における加熱圧縮においては、一次転写用シートS1(一次触媒層A1)に含まれる電解質(アイオノマ)のガラス転移温度Tgよりも高い温度で加熱することが好ましい。このようにすることで、ステップS125における圧縮圧力をより小さくすることができるので、圧縮に伴う一次転写用シートS1(一次触媒層A1)の損傷を抑制できる。ただし、電解質(アイオノマ)のガラス転移温度Tgよりも低い温度環境下でステップS125を実行しても、一次触媒層A1内の空隙率を低減できるので、単セル200の触媒層におけるプロトン伝導性を向上させることができる。
D.変形例:
なお、上記実施形態及び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。
D1.変形例1:
上記実施形態及び各実施例で用いる圧縮治具100において、変形抑制部12は、図3に示すように、一次触媒層A1の周縁をすべて囲むように構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、変形抑制部を、一次触媒層A1の各周縁のうち、対向する2つの縁を囲む(挟む)構成とすることもできる。また、例えば、一次触媒層A1の各周縁のうち、1つの縁の近傍のみに配置する構成とすることもできる。一次触媒層A1は粘性を有するため、少なくとも1つの縁の近傍に配置することにより、ステップS125による加熱圧縮の際に、一次触媒層A1の面方向の変形を抑制することができる。
D2.変形例2:
各実施例からも理解できるように、ステップS125における圧縮圧力は、一次転写用シートS1(一次触媒層A1)の圧縮率が0.55〜0.75となるような圧力が好ましいが、本発明は、かかる範囲に限定されるものではない。図5の例からも理解できるように、ステップS125では、一次転写用シートS1(一次触媒層A1)の圧縮率が、1.00よりも小さい任意の圧縮率となるような圧縮圧力を採用することにより、ステップS125を実行しない構成に比べて発電効率を向上させることができる。
D3.変形例3:
上記実施形態及び各実施例では、ステップS110において電解質膜を生成していたが、これに代えて、予め生成されている電解質膜を用いることもできる。このような既成の電解質膜としては、例えば、デュポン社のナフィオン(登録商標)や、旭化成(株)のアシプレックス(登録商標)や、旭硝子(株)のフレミオン(登録商標)等を用いることができる。
D4.変形例4:
上記実施形態及び各実施例では、ステップS130において、電解質膜に触媒層を転写していたが、本発明はこれに限定されるものではない。電解質膜に代えて、ガス拡散層部材に触媒層を転写することもできる。この構成では、ステップS140において、触媒層が転写された2枚のガス拡散層部材で電解質膜を挟持してMEAを生成することができる。
D5.変形例5:
上記実施形態及び各実施例では、ステップS125において、基材シートB2を第2圧縮部11bに配置していたが、基材シートB2を省略することもできる。
D6.変形例6:
上記実施形態及び各実施例では、図示しない圧縮装置と、圧縮治具100とは別体であったが、これらを一体に構成することもできる。この構成では、一体に構成された装置が、請求項における圧縮装置に相当する。
D7.変形例7:
上記実施形態及び各実施例では、圧縮装置は、一次転写用シートS1を直接加圧することにより一次触媒層A1を圧縮していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、圧縮装置としてエアコンプレッサ等を用いた減圧装置を採用することもできる。減圧装置を採用する場合、例えば、一次転写用シートS1を気密な可撓性容器の内部に配置し、減圧装置を用いて可撓性容器内部を負圧にすることにより、大気圧との圧力差を利用して一次触媒層A1を圧縮することができる。上記実施形態,各実施例,及び変形例からも理解できるように、一次転写用シートS1における一次触媒層A1の空隙率を低減させて触媒転写シートを生成する任意の方法を、本発明の方法として採用することができる。
10a…下方圧縮部
10b…上方圧縮部
11a…第1圧縮部
11b…第2圧縮部
12…変形抑制部
21a…第1突出部
21b…第2突出部
30…電解質膜
31a…アノード側触媒層
31c…カソード側触媒層
32a…アノード側ガス拡散層
32c…カソード側ガス拡散層
33a…アノード側セパレータ
33c…カソード側セパレータ
34a…燃料ガス流路
34c…酸化剤ガス流路
100…圧縮治具
200…単セル
S1…一次転写用シート
A1…一次触媒層
M1…貫通穴
B1,B2…基材シート

Claims (6)

  1. 燃料電池の触媒層の製造方法であって、
    (a)基材シートと、触媒を含む触媒基材であって前記基材シート上に配置された触媒基材と、を有する一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを生成する工程と、
    (b)前記燃料電池用の電解質膜に、前記触媒層転写シート上の前記触媒基材を転写する工程と、
    を備える、方法。
  2. 請求項1に記載の方法において、
    前記工程(a)では、前記一次転写用シートの面方向の変形を抑制しながら、前記一次転写用シートを圧縮することにより、前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させる、方法。
  3. 請求項2に記載の方法において、
    前記工程(a)において、前記触媒層転写シートにおける前記触媒基材の厚みが、前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の厚みの55%以上かつ75%以下の範囲内となるように、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
  4. 請求項2または請求項3に記載の方法において、
    前記一次転写用シートは平面の周縁形状が四角形であり、
    前記工程(a)において、前記周縁形状の少なくとも一辺の近傍に設けられた変形抑制部を有する圧縮装置を用いて、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
  5. 請求項2ないし請求項4のいずれかに記載の方法において、
    前記触媒基材は、さらにアイオノマを含み、
    前記工程(a)において、前記アイオノマのガラス転移温度以上の温度環境下で、前記一次転写用シートを圧縮する、方法。
  6. 燃料電池の触媒層を形成するための触媒層転写シートの製造方法であって、
    (c)触媒を含む触媒基材を、基材シートに塗布して一次転写用シートを生成する工程と、
    (d)前記一次転写用シートにおける前記触媒基材の空隙率を低減させて、触媒層転写シートを得る工程と、
    を備える、方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015201254A (ja) * 2014-04-04 2015-11-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層の製造方法
US9673442B2 (en) 2014-12-08 2017-06-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of manufacturing membrane electrode assembly

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