JP2019509594A - 膜−電極接合体の製造方法、これから製造された膜−電極接合体およびこれを含む燃料電池 - Google Patents
膜−電極接合体の製造方法、これから製造された膜−電極接合体およびこれを含む燃料電池 Download PDFInfo
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Abstract
本明細書は、膜−電極接合体の製造方法、これから製造された膜−電極接合体およびこれを含む燃料電池に関する。
Description
本明細書は、２０１６年１１月３０日付で韓国特許庁に出願された韓国特許出願第１０−２０１６−０１６１９９５号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。
本明細書は、膜−電極接合体の製造方法、これから製造された膜−電極接合体およびこれを含む燃料電池に関する。
燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、電気化学反応によりメタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質中に含有されている水素と酸素の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
このような燃料電池の代表例としては、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）や、メタノールを燃料として用いる直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＤＭＦＣ）などが挙げられ、これらに関する開発および研究が活発に行われている。
特に、高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）は、作動温度が高くなく、エネルギー密度が高く、腐食性が少ないだけでなく、取り扱いが容易であるとの利点によって、移動型または固定型電源として使用可能な、綺麗で効率的なエネルギー変換装置であると受け止められている。
燃料電池システムは、例えば、膜−電極接合体（ＭＥＡ、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と発生した電気を集電し燃料を供給する両極板（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）などの連続的な複合体から構成される。
膜−電極接合体は、電解質膜に触媒層をコーティングして電極を形成して作られるが、一般的にアイオノマー（ｉｏｎｏｍｅｒ）と触媒を溶媒に入れて撹拌および分散して製造された触媒スラリーをスプレーする方法、または支持体上に触媒スラリーなどを先に塗布した後、生成された触媒層を高分子電解質膜に転写させる転写方法などがある。
燃料電池の性能を向上させるためには、触媒およびアイオノマー粒子の溶媒に対する分散性が重要であるが、従来の触媒を分散する方法である直接的な分散（ｂａｌｌ ｍｉｌｌ、ｂｉｄ ｍｉｌｌなど）と間接的な分散（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）は、ａｃｅｔｙｌ ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋベースの触媒であるか、Ｐｔ含有量が少ない触媒の場合、かたまり現象などの問題によって分散が難しい問題点がある。
また、触媒層の構造の最適化の中で最も重要な点は、アイオノマーが触媒粒子の間同士を連結して、気孔、触媒、およびアイオノマーの３相ネットワーク構造を最適化することであるが、既存の分散方法では、アイオノマーが触媒塊に付着したり、一方に傾いたりする現象が起こりやすく、クラック（ｃｒａｃｋ）が発生して気孔構造が不安定になって性能が低下する。
したがって、分散性が高い触媒スラリーおよびクラック現象が最大限に抑制されて気孔構造の安定性を確保することにより、燃料電池の性能を向上させることができる膜−電極接合体の開発が求められ続けている。
本明細書は、膜−電極接合体の製造方法、これから製造された膜−電極接合体およびこれを含む燃料電池を提供しようとする。
本明細書の一実施態様は、（ａ）白金がコーティングされた炭素粉末（Ｐｔ／Ｃ）触媒、アイオノマー（ｉｏｎｏｍｅｒ）、および溶媒Ａを含む触媒スラリー組成物を用意するステップと、（ｂ）前記触媒スラリー組成物を撹拌するステップと、（ｃ）前記ステップ（ｂ）を経た触媒スラリー組成物を超音波（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）処理して均一化（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ）するステップと、（ｄ）前記ステップ（ｃ）を経た触媒スラリー組成物を３０℃〜１００℃の温度で乾燥するステップと、（ｅ）前記ステップ（ｄ）を経た触媒スラリー組成物に溶媒Ｂを添加するステップと、（ｆ）前記ステップ（ｅ）を経た触媒スラリー組成物を超音波（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）処理して再均一化（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ）するステップと、（ｇ）前記ステップ（ｆ）を経た触媒スラリー組成物を基材上に塗布し、乾燥させた後、前記基材を電解質膜の一面または両面に転写して触媒層を形成するステップとを含む膜−電極接合体（ＭＥＡ）の製造方法を提供する。
また、本明細書の一実施態様は、前記膜−電極接合体の製造方法で製造された膜−電極接合体を提供する。
さらに、本明細書の一実施態様は、膜−電極接合体を含む燃料電池を提供する。
本明細書の一実施態様に係る膜−電極接合体の製造方法は、触媒スラリー組成物を乾燥した後に、溶媒Ｂを添加した後、超音波処理して再均一化するステップを追加することにより、アイオノマーの分散性を向上させることができる。
また、本明細書の一実施態様に係る膜−電極接合体の製造方法は、アイオノマーの分散性を向上させることにより、既存の製造方法に比べてアイオノマーのかたまり現象およびクラック現象を減少させることができる。
さらに、本明細書の一実施態様に係る膜−電極接合体の製造方法は、アイオノマーのかたまり現象およびクラック現象を減少させることにより、燃料の透過が減少して燃料電池の開回路電圧（ＯＣＶ、Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）が向上するので、燃料電池の性能を向上させることができる。
本明細書において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は種々の異なる形態に変形可能であり、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
本明細書の一実施態様は、（ａ）白金がコーティングされた炭素粉末（Ｐｔ／Ｃ）触媒、アイオノマー（ｉｏｎｏｍｅｒ）、および溶媒Ａを含む触媒スラリー組成物を用意するステップと、（ｂ）前記触媒スラリー組成物を撹拌するステップと、（ｃ）前記ステップ（ｂ）を経た触媒スラリー組成物を超音波（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）処理して均一化（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ）するステップと、（ｄ）前記ステップ（ｃ）を経た触媒スラリー組成物を３０℃〜１００℃の温度で乾燥するステップと、（ｅ）前記ステップ（ｄ）を経た触媒スラリー組成物に溶媒Ｂを添加するステップと、（ｆ）前記ステップ（ｅ）を経た触媒スラリー組成物を超音波（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）処理して再均一化（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ）するステップと、（ｇ）前記ステップ（ｆ）を経た触媒スラリー組成物を基材上に塗布し、乾燥させた後、前記基材を電解質膜の一面または両面に転写して触媒層を形成するステップとを含む膜−電極接合体（ＭＥＡ）の製造方法を提供する。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ａ）の触媒スラリー組成物は、白金がコーティングされた炭素粉末（Ｐｔ／Ｃ）触媒、アイオノマー（ｉｏｎｏｍｅｒ）、および溶媒Ａを含む。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ａ）の触媒は、白金がコーティングされた炭素粉末（Ｐｔ／Ｃ）である。
本明細書において、前記ステップ（ａ）の触媒は、炭素支持体の表面に金属が担持された触媒を用いることができる。
前記炭素支持体としては、これに限定されるものではないが、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラック、活性カーボン、メソポーラスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノリング、カーボンナノワイヤ、フラーレン（Ｃ６０）、およびスーパーＰからなる群より選択される１つまたは２つ以上の混合物が使用できる。
本明細書において、前記ステップ（ａ）の触媒スラリー組成物において、白金がコーティングされた炭素粉末（Ｐｔ／Ｃ）は、ｃａｒｂｏｎ対比、Ｐｔ担持量が１０〜８０ｗｔ％が好ましいが、これに限定されない。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ａ）のアイオノマーは、フッ素系高分子である。
具体的には、前記ステップ（ａ）のアイオノマーは、水素やメタノールのような燃料と触媒との間の反応により生成されたイオンが電解質膜に移動するための通路を提供する役割を果たすことができる。
本明細書において、前記ステップ（ａ）のアイオノマーは、パーフルオロスルホン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ：ＰＦＳＡ）系高分子またはパーフルオロカルボン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ：ＰＦＣＡ）系高分子であってもよい。パーフルオロスルホン酸系高分子としてはナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、Ｄｕｐｏｎｔ社）を、パーフルオロカルボン酸系高分子としてはフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ社）を用いることができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ステップ（ａ）のアイオノマーの重量平均分子量は、２４０ｇ／ｍｏｌ〜２００，０００ｇ／ｍｏｌ、具体的には２４０ｇ／ｍｏｌ〜１０，０００ｇ／ｍｏｌであってもよい。
本明細書において、前記ステップ（ａ）のアイオノマーの含有量は、ｃａｒｂｏｎ対比、５〜１５０ｗｔ％が好ましいが、これに限定されない。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ａ）の溶媒Ａは、水、メタノール、エタノール、ブタノール、１−プロパノール、およびイソプロパノールからなる群より選択された１つまたは２つ以上であってもよい。好ましくは、水またはプロパノールであってもよいが、これに限定されるものではない。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ａ）の溶媒Ａは、水である。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ａ）の溶媒Ａは、１−プロパノールである。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ａ）の溶媒Ａは、水および１−プロパノールを含む。
本明細書において、前記ステップ（ａ）の溶媒Ａの含有量は、全触媒スラリー組成物に対して、１０ｗｔ％〜９９ｗｔ％が好ましいが、これに限定されない。
本明細書において、前記ステップ（ａ）の溶媒Ａは、触媒を分散させられる溶媒であって、３０℃〜１００℃の範囲で蒸発可能な溶媒のみが使用可能である。したがって、水やメタノール、エタノール、およびプロパノールのようなアルコール系の溶媒が好適である。
また、グリセロールは、ＭＥＡ接合および残存溶媒維持の用途に用いられるため、前記ステップ（ａ）で溶媒Ａとして用いられるのは好適でない。しかも、グリセロールの沸点は２９０℃であるので、前記溶媒Ａに適した温度範囲を外れることから、溶媒Ａとしての使用は好適でない。
本明細書の一実施態様において、溶液中に触媒およびアイオノマーが分散した形態の触媒スラリー組成物自体は沈降状態を維持していて、安定した分散状態を維持できるようにするために、前記触媒スラリー組成物を撹拌するステップ（ｂ）を含む。
触媒スラリー組成物が沈降状態になって安定した分散状態をなし得ない場合、触媒の分布量が異なって各部分での触媒量および分布度に差が生じ、下部に沈んだ粒子の凝集によって粘度が一貫性なく増加して一定の物性を得にくい点があったが、前記撹拌するステップにより相対的に触媒粒子の分布度を狭くして粒子の凝集現象を防止し、触媒スラリーの分散状態を均一に維持することができる。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｂ）を経た触媒スラリー組成物を超音波（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）処理して均一化（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ）するステップ（ｃ）を行う。
本明細書において、前記ステップ（ｃ）の超音波処理は、チップ型（ｔｉｐ ｔｙｐｅ）またはバス型（ｂａｔｈ ｔｙｐｅ）からなってもよい。
本明細書において、超音波処理とは、２０ｋＨｚ以上の周波数を有するエネルギーを粒子に加えて分散させる行為を意味するが、前記バス型（ｂａｔｈ ｔｙｐｅ）は、比較的低く一定の大きさのエネルギーが使用され、前記チップ型（ｔｉｐ ｔｙｐｅ）は、バス型の約５０倍に達する高いエネルギーを可変的に加えることができる。
一般的に、アイオノマーは、溶媒内で互いに静電気的引力でかたまって粒径が０．０１μｍ〜１μｍの凝集体として存在し、このように溶媒内でアイオノマーがかたまって形成された単位粒子をアイオノマークラスター（Ｃｌｕｓｔｅｒ）という。これらを超音波処理、具体的には、前記チップ型（ｔｉｐ ｔｙｐｅ）またはバス型（ｂａｔｈ ｔｙｐｅ）超音波処理により分散させると、前記アイオノマークラスターの大部分は１０ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍの平均粒径を有するように均一に分散する。
前記チップ型超音波処理はこれに制限されるわけではないが、１０分〜３０分間行われる。前記バス型超音波処理は、２０分〜１２０分、好ましくは３０分〜６０分間行われる。
超音波処理が前記時間範囲内で行われる場合、局所的なアイオノマーかたまり現象の発生を防止することができる。前記時間範囲を超えて行われる場合、時間対比の分散効果が大きくなく非効率的でありうる。
均一な構造の触媒層を形成するためには、アイオノマーと触媒内の炭素支持体との間の十分な吸着力が重要であるが、このような超音波処理によりアイオノマーの粒径を小さく調節すると、アイオノマーが触媒内の炭素支持体に均一に吸着できる。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｃ）を経た触媒スラリー組成物は、３０℃〜１００℃の温度で乾燥するステップ（ｄ）を行う。より好ましくは、４０℃〜７０℃の温度で乾燥できる。３０℃以下では、乾燥速度が遅くアイオノマーと触媒とが再分離される可能性があって好適でなく、１００℃以上では、溶媒Ａがアルコール系溶媒の場合、触媒が発火する問題が発生することがある。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｄ）を経た触媒スラリー組成物に溶媒Ｂを添加するステップ（ｅ）を行う。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｅ）の溶媒Ｂは、水、メタノール、エタノール、ブタノール、１−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブチルアセテート、エチレングリコール、およびグリセロールからなる群より選択された１つまたは２つ以上であってもよい。好ましくは、グリセロールであってもよいが、これに限定されるものではない。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｅ）の溶媒Ｂは、グリセロールである。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｅ）の溶媒Ｂは、グリセロールおよび１−プロパノールである。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｅ）の溶媒Ｂは、グリセロール、水、および１−プロパノールを含む。
本明細書において、前記ステップ（ｅ）の溶媒Ｂの含有量は、全触媒スラリー組成物に対して、１０ｗｔ％〜９９ｗｔ％が好ましいが、これに限定されない。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｅ）を経た触媒スラリー組成物を超音波（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）処理して均一化（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ）するステップ（ｆ）を行う。
本明細書において、前記ステップ（ｆ）の超音波処理は、前記ステップ（ｃ）の超音波処理過程と同一であってよい。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｆ）を経た触媒スラリー組成物を基材上に塗布し、乾燥させた後、前記基材を電解質膜の一面または両面に転写して触媒層を形成するステップ（ｇ）を行う。
本明細書において、前記ステップ（ｇ）の塗布は、スプレーコーティング法（ｓｐｒａｙ ｃｏａｔｉｎｇ）、スクリーンプリンティング法（ｓｃｒｅｅｎ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、テープキャスティング法（ｔａｐｅ ｃａｓｔｉｎｇ）、ブラッシング法（ｂｒｕｓｈｉｎｇ）、スロットダイキャスティング法（ｓｌｏｔ ｄｉｅ ｃａｓｔｉｎｇ）、バーキャスティング法（ｂａｒ−ｃａｓｔｉｎｇ）、およびインクジェッティング（ｉｎｋｊｅｔｔｉｎｇ）からなる群より選択される１つの方法により行われる。
本明細書の一実施態様において、前記ステップ（ｇ）で形成される触媒層の厚さは、５μｍ〜１５μｍである。
前記膜電極接合体は、前記カソード触媒層の面のうち電解質膜が備えられた面の反対面に備えられたカソード気体拡散層と、前記アノード触媒層の面のうち電解質膜が備えられた面の反対面に備えられたアノード気体拡散層とをさらに含んでもよい。
前記アノード気体拡散層およびカソード気体拡散層は、触媒層の一面にそれぞれ備えられ、電流伝導体としての役割とともに反応ガスと水の移動通路になるもので、多孔性の構造を有する。
前記気体拡散層は、一般的に導電性および８０％以上の多孔度を有する基材であれば特別な制限がなく、カーボンペーパー、カーボンクロス、およびカーボンフェルトからなる群より選択される導電性基材を含んでなってもよい。基材の厚さは、３０μｍ〜５００μｍであってもよい。前記範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水の拡散性とのバランスが適切に制御できる。前記気体拡散層は、前記導電性基材の一面に形成される微細気孔層をさらに含んで形成され、前記微細気孔層は、炭素系物質およびフッ素系樹脂を含んで形成される。前記微細気孔層は、触媒層に存在する過剰水分の排出を促進させてフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象の発生を抑制することができる。
前記炭素系物質としては、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラック、活性カーボン、メソポーラスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノリング、カーボンナノワイヤ、フラーレン（Ｃ６０）、およびスーパーＰからなる群より選択される１つまたは２つ以上の混合物が使用できるが、これに限定されない。
前記フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶｄＦ）、ポリビニルアルコール、セルロースアセテート、ポリビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレンのコポリマー（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）、およびスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）からなる群より選択される１つまたは２つ以上の混合物が使用できるが、これに限定されない。
図１は、膜−電極接合体の構造を概略的に示す図であって、膜−電極接合体は、電解質膜１０と、この電解質膜１０を挟んで互いに対向して位置するカソード５０およびアノード５１とを備えることができる。具体的には、カソードには電解質膜１０から順次に備えられたカソード触媒層２０とカソード気体拡散層４０とを含み、アノードには電解質膜１０から順次に備えられたアノード触媒層２１とアノード気体拡散層４１とを含むことができる。
また、本明細書の一実施態様は、前記膜−電極接合体の製造方法で製造された膜−電極接合体を提供する。
さらに、本明細書の一実施態様は、膜−電極接合体を含む燃料電池を提供する。
以下、本明細書を具体的に説明するために実施例を挙げて詳細に説明する。しかし、本明細書に係る実施例は種々の異なる形態に変形可能であり、本明細書の範囲が以下に述べる実施例に限定されると解釈されない。本明細書の実施例は、当業界における平均的な知識を有する者に本明細書をより完全に説明するために提供されるものである。
＜実施例＞
＜実施例１＞
３Ｍ８２５アイオノマーを、水と１−プロパノール７：３の比率で混合された溶液に添加した。その後、Ｔａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｆ５０Ｅ触媒を、アイオノマーとＣａｒｂｏｎとの質量比率（アイオノマー／Ｃａｒｂｏｎ）を０．９に合わせて添加した。常温で１時間マグネチック撹拌器で撹拌した後、常温で１時間ｂａｔｈ型超音波分散器で分散をした後、５０℃以下の状態に減温して、ｔｉｐ型超音波分散器を用いて１５分間分散させた。そして、７０℃のオーブンで乾燥して、アイオノマーが分散している固体状態の触媒粒子を得た。
３Ｍ８２５アイオノマーを、水と１−プロパノール７：３の比率で混合された溶液に添加した。その後、Ｔａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｆ５０Ｅ触媒を、アイオノマーとＣａｒｂｏｎとの質量比率（アイオノマー／Ｃａｒｂｏｎ）を０．９に合わせて添加した。常温で１時間マグネチック撹拌器で撹拌した後、常温で１時間ｂａｔｈ型超音波分散器で分散をした後、５０℃以下の状態に減温して、ｔｉｐ型超音波分散器を用いて１５分間分散させた。そして、７０℃のオーブンで乾燥して、アイオノマーが分散している固体状態の触媒粒子を得た。
この粒子を１−プロパノールとグリセロールとが混合された溶液に添加した後、前記のように超音波分散して、電極スラリーを製造した。
前記用意された電極スラリーを用いて、ｃｌｅａｎ ｂｅｎｃｈ内のａｐｐｌｉｃａｔｏｒの水平板上で、ドクターブレードを用いてＰＴＦＥフィルム上に電極触媒層をキャスティングした後、３５℃で３０分間、１４０℃で３０分間乾燥して、最終的に電極を製造した。
＜実施例２＞
触媒としてＴａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｆ５０Ｅ−ＨＴ触媒を用いたことを除き、実施例１と同様に電極を製造した。
触媒としてＴａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｆ５０Ｅ−ＨＴ触媒を用いたことを除き、実施例１と同様に電極を製造した。
＜比較例１＞
３Ｍ８２５アイオノマーを、１−プロパノールとグリセロールとが混合された溶液に添加した。その後、Ｔａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｆ５０Ｅ触媒を、アイオノマーとＣａｒｂｏｎとの質量比率を０．９に合わせて添加した。その後、前記実施例１と同様に撹拌および超音波分散により電極スラリーを製造し、実施例１と同様に電極を製造した。
３Ｍ８２５アイオノマーを、１−プロパノールとグリセロールとが混合された溶液に添加した。その後、Ｔａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｆ５０Ｅ触媒を、アイオノマーとＣａｒｂｏｎとの質量比率を０．９に合わせて添加した。その後、前記実施例１と同様に撹拌および超音波分散により電極スラリーを製造し、実施例１と同様に電極を製造した。
＜比較例２＞
触媒としてＴａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｆ５０Ｅ−ＨＴ触媒を用いたことを除き、比較例１と同様に電極を製造した。
触媒としてＴａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｆ５０Ｅ−ＨＴ触媒を用いたことを除き、比較例１と同様に電極を製造した。
＜実験例１＞
実施例１および比較例１の電極触媒層を適用した膜電極接合体の評価を進行させた。電解質膜はｓＰＥＥＫ系炭化水素系膜を用い、ＧＤＬ（ガス拡散層）はＳＧＬ社の１０ＢＢを用い、厚さは３８０μｍ〜４２０μｍの範囲を有するものを用いた。ＧＤＬの圧縮率は２５％に設定し、これを維持させるためにｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｓｈｅｅｔを用いた。膜電極接合体の活性面積は２５ｃｍ２に製造して、単位電池セルの評価を進行させた。アノードとカソードに同一列の電極を用いて進行させた。
実施例１および比較例１の電極触媒層を適用した膜電極接合体の評価を進行させた。電解質膜はｓＰＥＥＫ系炭化水素系膜を用い、ＧＤＬ（ガス拡散層）はＳＧＬ社の１０ＢＢを用い、厚さは３８０μｍ〜４２０μｍの範囲を有するものを用いた。ＧＤＬの圧縮率は２５％に設定し、これを維持させるためにｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｓｈｅｅｔを用いた。膜電極接合体の活性面積は２５ｃｍ２に製造して、単位電池セルの評価を進行させた。アノードとカソードに同一列の電極を用いて進行させた。
評価装備はＳｃｒｉｂｎｅｒ社のＰＥＭＦＣ ｓｔａｔｉｏｎ装備を用い、セルの温度は７０℃に維持し、加湿条件をＲＨ５０％を維持して性能評価を進行させ、その結果を下記の表１および図２〜６に示した。
＜実験例２＞
実施例２および比較例２の電極触媒層を適用した膜電極接合体の評価を進行させた。アノードにはＴａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｖ５０Ｅ触媒を、比較例１の作製方法で製造された電極を同様に用いており、カソードにのみ該当する例の電極を用いた。その他の実験方法は、実施例１と同様に実験した。
実施例２および比較例２の電極触媒層を適用した膜電極接合体の評価を進行させた。アノードにはＴａｎａｋａ社販売のＴＥＣ１０Ｖ５０Ｅ触媒を、比較例１の作製方法で製造された電極を同様に用いており、カソードにのみ該当する例の電極を用いた。その他の実験方法は、実施例１と同様に実験した。
前記実験例１は、１０Ｆ５０Ｅ触媒をアノードおよびカソードにすべて適用し、前記実験例２は、１０Ｆ５０Ｅ−ＨＴ触媒をカソードにのみ適用し、アノードには１０Ｖ５０Ｅ触媒を適用した。
前記表１、表２および下記の図２〜６から分かるように、本明細書の膜−電極接合体の製造方法により製造された電極の場合、従来技術の比較例１および２に比べて、アイオノマーのかたまり現象が減少して、燃料電池の開回路電圧（ＯＣＶ、Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）が向上しつつ、燃料電池の性能を向上させたことを確認することができる。
１０：電解質膜
２０：カソード触媒層
２１：アノード触媒層
４０：カソード気体拡散層
４１：アノード気体拡散層
５０：カソード
５１：アノード
２０：カソード触媒層
２１：アノード触媒層
４０：カソード気体拡散層
４１：アノード気体拡散層
５０：カソード
５１：アノード
Claims (8)
- （ａ）白金がコーティングされた炭素粉末（Ｐｔ／Ｃ）触媒、アイオノマー（ｉｏｎｏｍｅｒ）、および溶媒Ａを含む触媒スラリー組成物を用意するステップと、
（ｂ）前記触媒スラリー組成物を撹拌するステップと、
（ｃ）前記ステップ（ｂ）を経た触媒スラリー組成物を超音波（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）処理して均一化（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ）するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）を経た触媒スラリー組成物を３０℃〜１００℃の温度で乾燥するステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）を経た触媒スラリー組成物に溶媒Ｂを添加するステップと、
（ｆ）前記ステップ（ｅ）を経た触媒スラリー組成物を超音波（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）処理して再均一化（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇ）するステップと、
（ｇ）前記ステップ（ｆ）を経た触媒スラリー組成物を基材上に塗布し、乾燥させた後、前記基材を電解質膜の一面または両面に転写して触媒層を形成するステップとを含む膜−電極接合体（ＭＥＡ）の製造方法。 - 前記ステップ（ａ）のアイオノマーは、フッ素系高分子である、請求項１に記載の膜−電極接合体の製造方法。
- 前記ステップ（ａ）の溶媒Ａは、水、メタノール、エタノール、ブタノール、１−プロパノール、およびイソプロパノールからなる群より選択された１つまたは２つ以上である、請求項１または２に記載の膜−電極接合体の製造方法。
- 前記ステップ（ｅ）の溶媒Ｂは、水、メタノール、エタノール、ブタノール、１−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブチルアセテート、エチレングリコール、およびグリセロールからなる群より選択された１つまたは２つ以上である、請求項１から３のいずれか一項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
- 前記ステップ（ｇ）の塗布は、スプレーコーティング法（ｓｐｒａｙ ｃｏａｔｉｎｇ）、スクリーンプリンティング法（ｓｃｒｅｅｎ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、テープキャスティング法（ｔａｐｅ ｃａｓｔｉｎｇ）、ブラッシング法（ｂｒｕｓｈｉｎｇ）、スロットダイキャスティング法（ｓｌｏｔ ｄｉｅ ｃａｓｔｉｎｇ）、バーキャスティング法（ｂａｒ−ｃａｓｔｉｎｇ）、およびインクジェッティング（ｉｎｋｊｅｔｔｉｎｇ）からなる群より選択される１つの方法により行われるものである、請求項１から４のいずれか一項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
- 前記ステップ（ｇ）の触媒層の厚さは、５μｍ〜１５μｍである、請求項１から５のいずれか一項に記載の膜−電極接合体の製造方法。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の膜−電極接合体の製造方法で製造された膜−電極接合体。
- 請求項７に記載の膜−電極接合体を含む燃料電池。
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