JP2017054598A - 膜電極構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高分子電解質膜11の一方の面に少なくとも第1補強基材14Aを含む第1補強層13Aを額縁状に配置する第1工程と、前記第1補強層13Aで囲まれた開口部分に第1電極触媒層12Aを成膜する第2工程と、第2補強層13Cを含む転写用部材及び第2電極触媒層12Cとを有する層状体を前記高分子電解質膜11の他方の面に押し付けて、前記第2補強層13Cおよび前記第2電極触媒層12Cを圧着する第3工程と、を備える。
【選択図】図1
Description
図6は、固体高分子形燃料電池の構造の一例を示す分解斜視図である。図6に示されるように、膜電極構造体10として、高分子電解質膜11の両面に第1電極触媒層12A、第2電極触媒層12Cがそれぞれ形成されている(以下では第1電極触媒層12Aと第2電極触媒層12Cを合わせて電極触媒層12と呼ぶこともある)。固体高分子形燃料電池6は膜電極構造体10の第一電極触媒層12Aと対向するように配置される燃料極側のガス拡散層4と、第2電極触媒層12Cと対向するように配置される空気極側のガス拡散層5とを備える。
以下、図1を参照して、本発明の膜電極構造体10を構成する各部について説明する。図1は膜電極構造体10の断面構造を示している。高分子電解質膜11のアノード側の面には額縁状に形成された第1補強層13Aが、カソード側の面には額縁状に形成された第2補強層13Cがそれぞれ形成されている(以下では第1補強層13Aと第2補強層13Cを合わせて補強層13と呼ぶこともある)。第1補強層13Aは、第1接合層15Aを介して第1補強基材14Aが形成されている。また、第2補強層13Cは、第2接合層15Cを介して第2補強基材14Cが形成されている。額縁状の補強層13の開口部には電極触媒層12が形成されている。ここで、補強層13の額縁状とは、正方形や長方形、円形等の形状でも良い。
高分子電解質膜11は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜11の材料としては、例えば、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質が用いられる。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)が用いられる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜が用いられる。なお、第1電極触媒層12A及び第2電極触媒層12Cと高分子電解質膜11との密着性を高めるためには、第1電極触媒層12A及び第2電極触媒層12Cに含まれる高分子電解質と高分子電解質膜11を構成する高分子電解質とが同一の材料であることが好ましい。
電極触媒層12は、触媒とイオン交換樹脂とを含んでおり、触媒インクを用いて形成される。触媒インクは、高分子電解質と、触媒物質と、インク溶媒とを含む。触媒インクに含まれる高分子電解質としては、例えば、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質などのプロトン伝導性を有する高分子材料が用いられる。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)などが挙げられる。炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質が挙げられる。
なお、触媒インクには、分散媒としてインク溶媒が含まれているが、インク溶媒の材料については後述する。
第1補強層13Aの第1補強基材14A及び第2補強層13Cの第2補強基材14Cは、熱可塑性樹脂の中で固体高分子形燃料電池に一般的に使用される樹脂から形成される。例えば、第1補強基材14A、第2補強基材14Cの材料としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)などが用いられる。
第1接合層15A及び第2接合層15Cとしては、対象の接合に際して固化を要しない粘着層が用いられてもよいし、対象の接合に際して固化を要する接着層が用いられてもよい。第1接合層15A及び第2接合層15Cは、所望の剥離強度を有していればよく、材料は特に限定されない。第1接合層15A及び第2接合層15Cの材料としては、例えば、エポキシ樹脂や、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ゴムなどが用いられる。第1接合層15A及び第2接合層15Cのそれぞれの材料は同じであっても良いし、異なっていても良い。
図2から図5を参照して、本発明の膜電極構造体10の製造方法について説明する。
図2に示されるように、高分子電解質膜11の一方の面に第1補強層13Aが配置される。第1補強層13Aは第1接合層15Aを高分子電解質膜11に塗布後、予め額縁状に形成された第1補強基材14Aを圧着することで形成することができる。また、第1接合層15Aを第1補強基材14Aに塗布後、額縁状に形成し、高分子電解質膜11に圧着することで形成することも可能である。さらに、これらの方法に限定されず、その他公知の手法を採用することもできる。
白金担持量が50%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液であるNafion(登録商標、デュポン社製)を、混合比1:2の水−エタノール混合溶媒中で混合した。続いて、遊星ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調整した。
第2電極触媒層12Cを転写用部材16上に塗工し、乾燥した後にハーフカットすることで触媒層付多層体を作製した以外は実施例1と同様の操作を行い、実施例2の膜電極構造体10を得た。
第1補強層及び第2補強層を高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成した。その後、第2補強層上に保持基材を配置し、高分子電解質膜の第1補強層を備える側の面にドクターブレード法により触媒インクを塗布し乾燥することで第1電極触媒層を形成した。そして、第2補強層上の保持基材を除去し、作成した第1電極触媒層上に新たに保持基材を固定し、高分子電解質膜の第2補強層側の面に触媒インクを塗布、乾燥することで第2電極触媒層を形成した。その後、第1補強層上の保持基材を除去し、比較例1の膜電極構造体を得た。
実施例1において、第1電極触媒層及び第1補強層を転写法により形成した。その後、保持基材を第1電極触媒層上に設けて固定し、第2電極触媒層を塗布法により形成し、比較例2の膜電極構造体を得た。
比較例2において、第1電極触媒層及び第1補強層を転写法により形成後、保持基材を設けない状態で第2電極触媒層を塗布法により形成し、比較例3の膜電極構造体を得た。
作製された膜電極接合体10の電極触媒層12と補強層13を観察したところ、実施例1、2共に、電極触媒層12と補強層13の間に隙間は認められなかった。一方、比較例1、2では保持基材固定の際に使用した粘着物質が電極触媒層の一部に付着していることが確認された。また、比較例3では高分子電解質膜にしわが生じていることが確認された。高分子電解質膜や電極触媒層にしわや異物が存在する場合、燃料電池の発電性能に著しい低下が発生することになるので問題となる。
6 固体高分子形燃料電池
7 セパレーター
10 膜電極構造体
11 高分子電解質膜
12A 第1電極触媒層
12C 第2電極触媒層
13A 第1補強層
13C 第2補強層
14A 第1補強基材
14C 第2補強基材
15A 第1接合層
15C 第2接合層
16 転写用部材
17 支持基材
18A アノード側層状体
18C カソード側層状体
Claims (5)
- 高分子電解質膜の一方の面に少なくとも第1補強基材を含む第1補強層を額縁状に配置する第1工程と、
前記第1補強層で囲まれた開口部分に第1電極触媒層を成膜する第2工程と、
第2補強層を含む転写用部材及び第2電極触媒層を有する層状体を前記高分子電解質膜の他方の面に押し付けて、前記第2補強層および前記第2電極触媒層を圧着する第3工程と、
を含むことを特徴とする膜電極構造体の製造方法。 - 前記転写用部材は支持基材上に前記第2補強層、転写基材層、前記第2電極触媒層の順に位置するように配置され、
前記第2補強層は前記支持基材側から第2補強基材、接合層の順に配置されている
ことを特徴とする請求項1に記載の膜電極構造体の製造方法。 - 前記第3工程では、前記転写用部材に所望の形状を加工後、前記転写用部材上に前記第2電極触媒層を成膜し、加工外周側を剥離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の膜電極構造体の製造方法。
- 前記第3工程では、前記転写用部材上に前記第2電極触媒層を成膜後、前記転写用部材及び前記第2電極触媒層に所望の形状を加工し、加工外周側を剥離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の膜電極構造体の製造方法。
- 前記第3工程後に、前記高分子電解質膜の接触面に圧着されている前記第2補強層および前記第2電極触媒層以外の前記転写用部材を剥離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の膜電極構造体の製造方法。
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