JP2013161737A - 膜電極接合体、燃料電池セル、および、膜電極接合体の製造方法 - Google Patents
膜電極接合体、燃料電池セル、および、膜電極接合体の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体は、電解質膜12と、電解質膜12の表面に形成された触媒層14と、を備える。触媒層14は、触媒層14の厚さ方向に貫通する複数のひび割れ14crkであって、電解質膜12側から触媒層14の表面側にかけて、開口幅Wが連続的に広くなる複数のひび割れ14crkを備える。
【選択図】図2
Description
固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の表面に形成された触媒層と、
を備え、
前記触媒層は、前記触媒層の厚さ方向に貫通する複数の微細貫通孔であって、前記電解質膜側から前記触媒層の表面側にかけて、開口幅が連続的に広くなる複数の微細貫通孔を備える、
膜電極接合体。
適用例1記載の膜電極接合体であって、
前記触媒層の表面における前記微細貫通孔の開口幅は、1〜10(μm)であり、
前記触媒層の表面における前記微細貫通孔の開口長さは、1〜500(μm)である、
膜電極接合体。
適用例1または2記載の膜電極接合体であって、
前記触媒層の厚さは、5〜15(μm)である、
膜電極接合体。
燃料電池セルであって、
適用例1ないし3のいずれかに記載の膜電極接合体を備える、
燃料電池セル。
固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
触媒を担持した導電性粒子とプロトン伝導性を有するアイオノマーとを分散溶媒に分散させてなる触媒インクを、電解質膜の表面に塗工する塗工工程と、
前記電解質膜側の温度が前記触媒インクの表面側の温度よりも高い状態で、前記電解質膜に塗工された触媒インクを乾燥させる乾燥工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法。
固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
触媒を担持した導電性粒子とプロトン伝導性を有するアイオノマーとを分散溶媒に分散させてなる触媒インクを、シート状の基材上に塗工する塗工工程と、
前記触媒インクの表面側の温度が前記基材側の温度よりも高い状態で、前記基材上に塗工された触媒インクを乾燥させる乾燥工程と、
前記乾燥工程によって作製された触媒層を、電解質膜に転写する転写工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法。
適用例5または6記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記触媒インクの粘度は、7〜12(Pa・s)である、
膜電極接合体の製造方法。
適用例5ないし7のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法であって、
レーザー回折散乱法によって測定された前記触媒インクの粒度分布における累積90体積%径は、5〜20(μm)である、
膜電極接合体の製造方法。
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池100の概略構成を示す説明図である。図1では、燃料電池100の断面構造を模式的に示した。図示するように、この燃料電池100は、膜電極接合体10の両面に、アノード側ガス拡散層20a、および、カソード側ガス拡散層20cを接合してなる膜電極ガス拡散層接合体を、アノード側セパレータ30a、および、カソード側セパレータ30cで挟持することによって構成されている。
図2は、膜電極接合体10の構成を示す説明図である。図2(a)に、膜電極接合体10における触媒層14の表面状態を示した。また、図2(b)に、触媒層14に形成されたひび割れ14crkを示した。また、図2(c)に、膜電極接合体10の断面構造を示した。本実施例の膜電極接合体10において、触媒層14の厚さは、5〜15(μm)であるものとした。
図3は、第1実施例としての膜電極接合体10の製造工程を示す説明図である。まず、電解質膜12の表面に触媒インクを塗工する(ステップS100)。本実施例では、触媒インクの粘度は、7〜12(Pa・s)であるものとした。また、レーザー回折散乱法によって測定された触媒インクの粒度分布における累積90体積%径(D90)は、5〜20(μm)であるものとした。触媒インクの粒径(D90)を、5〜20(μm)とする理由については、後から説明する。
図7は、第2実施例としての膜電極接合体10の製造工程を示す説明図である。まず、シート状の基材であるテフロンシート300(「テフロン」は登録商標)の表面に触媒インクを塗工する(ステップS200)。なお、触媒インクは、第1実施例と同じである。
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
上記第1実施例の膜電極接合体10の製造工程では、電解質膜12側に高温の熱板を配置し、触媒インク(触媒層14)の表面側に低温の熱板を配置して、触媒インクの乾燥を行うものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明では、電解質膜12側の温度が触媒インク(触媒層14)の表面側の温度よりも高い状態で、触媒インクを乾燥させればよい。したがって、例えば、触媒インク(触媒層14)の表面側からの加熱を行わないようにしてもよい。ただし、触媒インク(触媒層14)の表面側からの加熱も行うことによって、触媒インクの乾燥時間を短縮することができる。
上記第2実施例の膜電極接合体10の製造工程では、触媒インク(触媒層14)の表面側に高温の熱板を配置し、テフロンシート300側に低温の熱板を配置して、触媒インクの乾燥を行うものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明では、触媒インク(触媒層14)の表面側の温度がテフロンシート300側の温度よりも高い状態で、触媒インクを乾燥させればよい。したがって、例えば、テフロンシート300側からの加熱を行わないようにしてもよい。ただし、テフロンシート300側からの加熱も行うことによって、触媒インクの乾燥時間を短縮することができる。
上記実施例では、膜電極接合体10において、上述した複数のひび割れ14crkを備える触媒層14を、アノード側触媒層14a、および、カソード側触媒層14cに適用するものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側触媒層14a、および、カソード側触媒層14cのいずれか一方に、上述した複数のひび割れ14crkを備える触媒層14を適用するようにしてもよい。
上記実施例では、燃料電池100は、膜電極接合体10の両面に、アノード側ガス拡散層20a、および、カソード側ガス拡散層20cを接合してなる膜電極ガス拡散層接合体を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側ガス拡散層20a、および、カソード側ガス拡散層20cの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。
10…膜電極接合体
12…電解質膜
14,14R…触媒層
14crk,14crkR…ひび割れ
14a…アノード側触媒層
14c…カソード側触媒層
14r1…第1の層
14r2…第2の層
20a…アノード側ガス拡散層
20c…カソード側ガス拡散層
30a…アノード側セパレータ
30c…カソード側セパレータ
200…バックシート
300…テフロンシート
R…領域
W…開口幅
Claims (8)
- 固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の表面に形成された触媒層と、
を備え、
前記触媒層は、前記触媒層の厚さ方向に貫通する複数の微細貫通孔であって、前記電解質膜側から前記触媒層の表面側にかけて、開口幅が連続的に広くなる複数の微細貫通孔を備える、
膜電極接合体。 - 請求項1記載の膜電極接合体であって、
前記触媒層の表面における前記微細貫通孔の開口幅は、1〜10(μm)であり、
前記触媒層の表面における前記微細貫通孔の開口長さは、1〜500(μm)である、
膜電極接合体。 - 請求項1または2記載の膜電極接合体であって、
前記触媒層の厚さは、5〜15(μm)である、
膜電極接合体。 - 燃料電池セルであって、
請求項1ないし3のいずれかに記載の膜電極接合体を備える、
燃料電池セル。 - 固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
触媒を担持した導電性粒子とプロトン伝導性を有するアイオノマーとを分散溶媒に分散させてなる触媒インクを、電解質膜の表面に塗工する塗工工程と、
前記電解質膜側の温度が前記触媒インクの表面側の温度よりも高い状態で、前記電解質膜に塗工された触媒インクを乾燥させる乾燥工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法。 - 固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
触媒を担持した導電性粒子とプロトン伝導性を有するアイオノマーとを分散溶媒に分散させてなる触媒インクを、シート状の基材上に塗工する塗工工程と、
前記触媒インクの表面側の温度が前記基材側の温度よりも高い状態で、前記基材上に塗工された触媒インクを乾燥させる乾燥工程と、
前記乾燥工程によって作製された触媒層を、電解質膜に転写する転写工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法。 - 請求項5または6記載の膜電極接合体の製造方法であって、
前記触媒インクの粘度は、7〜12(Pa・s)である、
膜電極接合体の製造方法。 - 請求項5ないし7のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法であって、
レーザー回折散乱法によって測定された前記触媒インクの粒度分布における累積90体積%径は、5〜20(μm)である、
膜電極接合体の製造方法。
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