JP2015521786A - 電極/プロトン交換膜接合体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
アノードにおいて、水素分子はイオン化され、膜を透過するプロトンを生成する。この反応により生成された電子は流路板に移動し、セルユニットの外部にある電気回路を通過して電流を形成する。
膜/電極接合体の第1の類型の製造方法では、触媒インクがガス拡散層上に層状に堆積される。このインクが乾燥された後に、膜/電極接合体が熱圧着により作成される。電極と膜との間の接触抵抗を最大限減らし、MEAの性能を最適化するために、熱圧着は電極と膜との間の接触を最適化する。
これらの欠点のいくつかを克服するために、第2の類型の製造方法は、電極形成層を形成するためにプロトン交換膜上に電気触媒インクを直接堆積することを提案する。
膜上に触媒堆積により電極を形成することの他の問題は、インク中に存在する溶媒(例えば、エタノール又はイソプロパノール)によるこの膜へのダメージである。第2に、溶媒は、ガスに対する膜の透過性を増大させる。アノード及びカソードで生成したガスの一部は、したがって、拡散によりプロトン交換膜を透過する。これは、生成されたガスの純度の問題を第1に引き起こし、更に、安全性の問題を起こす。酸素中の水素の比率は絶対に酸素中の水素の爆発性の下限である4%未満に特に留まるべきである。そのうえ、溶媒による膜へのダメージはその耐用年数を減少させる。
特許文献2は、プロトン交換膜と、膜上に電気触媒インクの2層の堆積物を有する枠形状のマスクとをマスクの開口を介して熱接着するステップと、マスクを形成する層を除去するステップとを有する膜/電極接合体の製造方法を記述する。
この方法は、それを実行するときの膜及び/又は電極の劣化につながる。
膜/電極接合体は、膜100の両側に置かれこの膜100に固定された、カソード11及びアノード112を有する。
電解物質の層は、プロトン伝導を可能にし、一方で同時にセルに存在するガスに対して不透過性を有する半透過性の膜100を形成する。膜100はまたアノード112とカソード111との間の電子の通過を妨げる。
H2 → 2H+ + 2e− アノードのレベルで;
4H+ + 4e− + O2 → 2H2O カソードのレベルで
その動作中に、燃料電池のセルは一般にアノードとカソードとの間で1V程度の直流電圧を生成する。
したがって、製造方法において電極の取り扱い及び接着ステップの数は限定され、したがって、そのような方法のコストを削減し、膜及び/又は電極の劣化を限定する。
図2は、用意された支持体130の上面図である。支持体130は有利には平坦である。
図8は、ガス拡散層121及び122を配置した後の燃料電池1のセルユニットの部分の図である。ガス拡散層121はしたがってカソード111の露出した部分に接して配置される。この例では、ガス拡散層121の周辺部は支持体131の少なくとも一部分を覆う。ガス拡散層122はアノード112の露出した部分に接して配置される。この例では、ガス拡散層122の周辺部は支持体132の少なくとも一部分を覆う。
図1に示した燃料電池ユニット1を得るためには、ガス拡散層121及び122を設けた膜/電極接合体は次に2枚の金属製の流路案内板101及び102の間に入れられ得る。
ステップ301において、支持体130が用意される。
ステップ302において、プレカット輪郭線133が支持体130に形成される。
ステップ303において、電気触媒インクが支持体130の一方の面上に堆積される。
ステップ305において、電極110の中央部分を露出させるために、支持体130の一部分が除去される。
ステップ306において、電極110の露出した中央部分に対して、ガス拡散層が配置される。
ステップ307において、膜/電極接合体は2枚の流路案内板の間に入れられる。
電気触媒インクの堆積を受ける支持体130の面は、この堆積により形成される電極の組成及び厚さの均一性を良くし、この堆積により形成される電極との接着を制限するために有利には2μm以下、好ましくは1μm以下の粗さを有する。
有利には、形成された電極110は支持体130の周縁部にまで広がる。したがって、支持する縁部130は電極110の周辺部上に重なり、支持体130の中央部分を除去するときに、電極110が膜100にしっかりと取り付けられていることを助ける。
したがって形成された電極110は有利には2乃至20μmの、好ましくは5乃至10μmの厚さを有する。
電気触媒インクと支持体130との間の接着を制限するために、堆積されたインクは有利には支持体130の界面におけるエネルギーよりも大きな表面張力を有する。
熱圧着ステップにおいて膜100への電極110の接着を助けるために、膜100及び電極110は有利には同じ重合物質を有する。この重合物質は有利には熱圧着温度よりも低いガラス転移温度を有する。この重合物質を形成するために用いられる重合可能な物質は商業的な参照名Nafion DE2020で商業的に流通しているイオノマーであり得る。
記述した方法はプレカット輪郭線に対応する支持体の部分を除去するステップを用いているが、電極はいかなるプレカット輪郭線も用いることなく支持体130上に形成され得り、電極110の形成後に支持体130は一体的に切り抜かれる。
記述した例は、燃料電池に組み込まれる膜/電極接合体の製造を示しているが、本発明はそのような接合体の電気分解装置への組み込みにももちろん適用され得る。
Claims (14)
- 支持体上に電極(110)を形成するために、支持体(130)の一方の面に電気触媒インクを堆積するステップと、
支持体及び形成した電極を接着によりプロトン交換膜上にしっかりと取り付けるステップと、
形成した電極の少なくとも中央部分を露出させるために支持体の一部分を除去するステップと
を有する、膜/電極接合体の製造方法。 - 電気触媒インクを堆積するステップは、電気触媒物質と、プロトン伝導ポリマーに重合可能な製品とを含むインクを堆積することを有する
請求項1記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 電気触媒インクが堆積される前記支持体(130)はプレカット輪郭線(133)を有する
請求項1又は2記載の膜/電極接合体の製造方法。 - プレカット輪郭線(133)は1mm未満の間隔を有する個別化された凹部を有する
請求項3記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 支持体の一部分を除去するステップは、膜にしっかりと取り付けられて残っている支持体の部分が前記電極(110)の周辺部を覆うようになされる
請求項1乃至4のいずれか1項記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 支持体(130)及び形成された電極(110)をしっかりと取り付けるステップは、熱圧着による支持体及び電極のプロトン交換膜への接着を含む
請求項1乃至5のいずれか1項記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 前記支持体(130)は熱圧着温度よりも少なくとも30℃高いガラス転移温度を有する物質である
請求項6記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 熱圧着温度は、電極(110)に含まれる重合された物質のガラス転移温度よりも高い
請求項2又は7記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 膜は、電極(110)の重合された物質と同じ重合された物質を含む
請求項8記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 前記電気触媒インク(111)が堆積される支持体(131)は、少ないときでも20J/m2に等しい、多いときでも60J/m2に等しい、好ましくは30乃至50J/m2の範囲の界面エネルギーを有する
請求項1乃至9のいずれか1項記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 前記電気触媒インク(111)が堆積される支持体(131)は2μm以下の、好ましくは1μm以下の粗さを有する
請求項1乃至10のいずれか1項記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 支持体(130)の前記部分を除去するステップは、前記支持体の周辺部で貫通孔を切り抜くステップが先行する
請求項1乃至11のいずれか1項記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 電極の前記露出された部分と接してガス拡散層(121)を配置するステップ
を更に有する請求項1乃至12のいずれか1項記載の膜/電極接合体の製造方法。 - 前記電極及び前記支持体がしっかりと取り付けられる膜(100)を2枚の流路案内金属板の間に内包するステップ
を有する請求項1乃至13のいずれか1項記載の膜/電極接合体の製造方法。
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