JP2015041456A - 触媒層の製造装置及び触媒層の製造方法並びに固体高分子形燃料電池用膜・電極接合体 - Google Patents
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Abstract
Description
触媒層シートの触媒層には、製造工程で発生する触媒担体や高分子電解質の凝集物が異物として混入することや、気泡が混入することがある。また、触媒層形成時の条件によっては触媒層の厚みが面内で変わってしまい、特に端部が厚くなり過ぎることがある。
膜・電極接合体に発生したピンホールは、電池性能や耐久性の低下の原因となる。また、製造上の不良率が上がり、コストアップにつながることが懸念される。
また、ピンホールによる不具合を防ぐ別の方法としては、例えば特許文献2に記載されているように、まず触媒層シートの異物を除去してから、そこに出来た欠陥を触媒インクとほぼ同成分の修正インクで埋めて補修する方法がある。
また、特許文献2に記載の方法は、触媒層シートの欠陥を修正する方法であるが、欠陥部分の除去、修正インクの塗布、修正インクの乾燥の工程が増えることとなり、製造設備の複雑化やコストアップといった課題がある。
また、上記触媒層の製造装置は、前記除去手段に至る前記触媒層を冷却する冷却手段を、さらに備えることとしてもよい。
また、上記触媒層の製造装置は、前記触媒層の形成と、前記突出部の除去とを、前記基材を搬送しながら順次行なうための搬送手段を、さらに備えることとしてもよい。
また、本発明の一態様に係る固体高分子形燃料電池用膜・電極接合体は、上記製造装置で製造した触媒層を備えることを特徴とする。
また、上記触媒層の製造方法の前記除去工程では、前記触媒層を冷却しながら、前記突出部を除去することとしてもよい。
また、上記触媒層の製造方法は、前記触媒層形成工程と、前記除去工程とを、前記基材を搬送しながら順次行なうこととしてもよい。
また、本発明の一態様に係る固体高分子形燃料電池用膜・電極接合体は、上記製造方法で製造した触媒層を備えることを特徴とする。
また、本発明によれば、修正インク等を用いて触媒層シートに生じた欠陥を修正する必要が生じないため、新たに修正工程を加える必要がない。このため、本発明であれば、製造設備の複雑化を要しないので、低コストかつ高効率で膜・電極接合体を提供することができる。
また、清浄手段を備えた場合にが、除去した凝集異物が触媒層上に留まり触媒層に再付着することを防ぐことができる。
また、基材を搬送しながら順次各工程を行なうための搬送手段を備えた場合には、低コストかつ高効率で膜・電極接合体を提供することができる。
まず、本発明の一実施形態に係る膜・電極接合体について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る膜・電極接合体1の模式断面図である。膜・電極接合体1は、アノード側およびカソード側の触媒層12が高分子電解質膜11を挟んで配置され、接合しているものである。触媒層12には、少なくとも高分子電解質、触媒、担体が含まれている。
この場合、フッ素系高分子電解質としては、例えば、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)などを用いることが可能である。
特に、高分子電解質膜としてデュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることが可能である。
また、本実施形態で用いるこれらの触媒を担持する担体は、微粉末状で導電性を有し、触媒に侵されないものであれば良く、例えば、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブ、フラーレンなどを好ましく用いることが可能である。なお、本実施形態で用いる触媒の担体は、導電性を有し、触媒に侵されないものであれば、カーボンでなくても良い。
また、揮発性の液体有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましいが、溶剤として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高く、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。
また、塗布した触媒インク14を乾燥する乾燥手段としては、例えば、温風オーブン、IR乾燥、減圧乾燥などを用いることが可能である。
本実施形態における除去手段25としては、例えば、研磨ヘッドが回転または往復する研磨機やレーザーなどを用いることができる。
また、本実施形態における冷却手段27としては、基材21を設置するステージや除去手段25に冷却機構を設けたり、触媒層シートを冷却雰囲気に置いたりすることができる。
また、接合時の温度は、触媒層12中の高分子電解質のガラス転移点付近に設定するのが、高分子電解質膜11と触媒層12の界面の接合性が向上し、界面抵抗を抑えられる点で効果的であり、望ましい。
白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と水、エタノールの混合溶媒と高分子電解質(ナフィオン:Nafion、デュポン社の登録商標)溶液を混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調製した。そして、調整した触媒インクを、PTFEフィルムの表面にスリットダイコーターを用いて矩形に塗布した。続いて、触媒インクが塗布されたPTFEフィルムを80度の温風オーブンに入れて乾燥させ、カソード側触媒層シートを作製した。また、同様の方法により、アノード側触媒層シート作製した。
そして、アノード触媒層とカソード触媒層を、高分子電解質膜(ナフィオン212:登録商標、Dupont社製)の両面に対面するように配置し、この積層体をホットプレスした後にPTFEフィルムを剥離することで、実施例の膜・電極接合体を得た。
白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と水、エタノールの混合溶媒と高分子電解質(ナフィオン:Nafion、デュポン社の登録商標)溶液を混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調製した。そして、調整した触媒インクを、PTFEフィルムの表面にスリットダイコーターを用いて矩形に塗布した。続いて、触媒インクが塗布されたPTFEフィルムを80度の温風オーブンに入れて乾燥させ、カソード側触媒層シートを作製した。また、同様の方法により、アノード側触媒層シート作製した。
そして、アノード触媒層とカソード触媒層を、高分子電解質膜(ナフィオン212:登録商標、Dupont社製)の両面に対面するように配置し、この積層体をホットプレスした後にPTFEフィルムを剥離することで、比較例の膜・電極接合体を得た。
その結果、比較例の膜・電極接合体では、触媒インクの凝集異物が平均触媒層表面よりも突出した部分があったため、高分子電解質膜が押しつぶされて他の部分より薄膜化していることを確認した。
一方、実施例の膜・電極接合体では、平均触媒層表面よりも突出した部分がないため、高分子電解質膜が薄膜化していないことを確認した。
11…高分子電解質膜
12…触媒層
13…突出部
14…触媒インク
21…基材
22…触媒層形成手段
23…乾燥手段
24…観察手段
25…除去手段
26…清浄手段
27…冷却手段
28…基材巻き出し手段
29…触媒層シート
Claims (10)
- 固体高分子形燃料電池用膜・電極接合体を構成する触媒層の製造装置であって、
基材の一方の面に、少なくとも触媒と高分子電解質とを含む前記触媒層を形成する触媒層形成手段と、
前記触媒層形成手段で形成した前記触媒層のうち、平坦な正常部よりも突出した突出部を除去して前記正常部と同じ膜厚とする除去手段と、を備えることを特徴とする触媒層の製造装置。 - 前記除去手段に至る前記触媒層を冷却する冷却手段を、さらに備えることを特徴とする請求項1に記載の触媒層の製造装置。
- 前記突出部が除去された前記触媒層の表面を清浄する清浄手段を、さらに備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の触媒層の製造装置。
- 前記触媒層の形成と、前記突出部の除去とを、前記基材を搬送しながら順次行なうための搬送手段を、さらに備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の触媒層の製造装置。
- 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の触媒層の製造装置で製造した触媒層を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜・電極接合体。
- 固体高分子形燃料電池用膜・電極接合体を構成する触媒層の製造方法であって、
基材の一方の面に、少なくとも触媒と高分子電解質とを含む前記触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記触媒層形成工程で形成した前記触媒層のうち、平坦な正常部よりも突出した突出部を除去して前記正常部と同じ膜厚とする除去工程と、を備えることを特徴とする触媒層の製造方法。 - 前記除去工程では、前記触媒層を冷却しながら、前記突出部を除去することを特徴とする請求項6に記載の触媒層の製造方法。
- 前記除去工程では、前記突出部が除去された前記触媒層の表面を清浄することを特徴とする請求項6または請求項7に記載の触媒層の製造方法。
- 前記触媒層形成工程と、前記除去工程とを、前記基材を搬送しながら順次行なうことを特徴とする請求項6から請求項8のいずれか一項に記載の触媒層の製造方法。
- 請求項6から請求項9のいずれか一項に記載の触媒層の製造方法で製造した触媒層を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜・電極接合体。
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