JP2020173919A - 燃料電池用膜電極接合体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)触媒インクを基材シートに間欠的に塗布し、乾燥して基材シート上に触媒層を形成する工程と、前記触媒層を前記基材シートから電解質膜に転写する工程とを含む、燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、前記触媒インクが、触媒粒子、アイオノマー、アルコール及び水を含み、前記触媒インク中の水分含有量が、前記触媒インクの全重量に対して57重量%〜61重量%である、燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
(2)前記触媒インクにおいて、前記アイオノマーの一部が前記触媒粒子に吸着しており、前記触媒粒子に吸着していない前記アイオノマーの量が、前記触媒インク1g当たり15mg以下である、前記(1)に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
本発明は、基材シート上に形成された触媒層を電解質膜に転写する、燃料電池用膜電極接合体の製造方法に関する。膜電極接合体は、電解質膜の両面に触媒層が積層された構成になっている。図1に、本発明の膜電極接合体の製造方法の一実施形態を示す。本発明の一実施形態において、図1に示すように、触媒層1が形成された基材シート2を準備し、この基材シート2の触媒層1が形成された面と、電解質膜3を対向させ、加熱ロール4を用いて加圧及び加熱し、基材シート2上に形成された触媒層1を電解質膜3に転写する。転写後、剥離用バー5により、触媒層1を基材シート2から剥離する。本発明の製造方法では、剥離後の基材シート上に触媒層は残っておらず、転写不良が生じない。
触媒として、カーボンブラックに担持した白金とコバルトの合金(以下、触媒担持カーボンとも記載する)を用いた。アイオノマーとして、アイオノマー分散液(ナフィオン(登録商標)、MERCK、濃度20%)を用いた。
PTFEシート上に形成された触媒層の1つを選択し、触媒層の厚み分布を触針式膜厚計で測定した。触媒層の厚み分布は、PTFEシートの流れ方向に沿って測定した。図2に、水分含有量が56重量%、57重量%、59重量%及び61重量%の触媒インクについて、触媒層の厚み分布の測定結果を示す。なお、図2において、測定開始位置から3mmまでの範囲の厚みは、PTFEシートの厚みに相当し、測定開始位置から3mm以上の範囲の厚みは、触媒層の厚みに相当する。図2に示されるように、触媒層の端部では、中央部よりも厚みが薄くなっていた。また、触媒インク中の水分含有量が多くなるにつれて、触媒層の端部の厚みが厚くなっていた。
水分含有量が59重量%であり、非吸着アイオノマー量が異なる触媒インクについて、非吸着アイオノマー量と転写不良の関係を調べた。転写不良は、前記と同様にして、転写用PTFEシート上に残存した触媒層の転写不良部分の幅を測定することによって評価した。図5に、非吸着アイオノマー量と、触媒層の転写不良部分の平均幅の関係を示す。触媒インク中の水分含有量が56重量%である場合には、非吸着アイオノマー量が17mg/触媒インク1gで転写不良が発生した(表2参照)が、触媒インク中の水分含有量が59重量%の場合、触媒層の端部の薄膜部が十分に少なくなり、触媒層端部におけるアイオノマーの偏析が起こり難くなるため、図5に示すように、触媒インク中の非吸着アイオノマー量が45mg/触媒インク1gまで増加しても転写不良が発生しなかった。よって、触媒インク中の水分含有量を特定の範囲にすることにより、触媒インク中のアイオノマー使用量の制限が大幅に緩和されることが示された。
実施例1では、水分含有量59重量%の触媒インクを用い、また、比較例1では、水分含有量56重量%の触媒インクを用いて、前記と同様にして、触媒層が転写用PTFEシート上に形成された触媒層塗布ロールを作製し、この触媒層塗布ロールを用いて、触媒層を電解質膜に転写し、転写不良の評価を行った。結果を表3に示す。表3に示すように、実施例1では、転写不良が発生しておらず、触媒インク中の水分含有量を本発明の所定の範囲内にすることにより、転写不良が大幅に抑制された。
水分含有量の異なる触媒インクについて、泡立ち試験を行った。泡立ち試験は、JIS K 2518に準じて行った。結果を表4に示す。
水分含有量56重量%及び59重量%の触媒インクについて、25℃で保管した際の触媒インク中の非吸着アイオノマー量を経時的に測定し、測定開始時に対する非吸着アイオノマー量の増加割合を求めた。非吸着アイオノマー量は前記の通りにして測定した。図6に、触媒インクの保管時間と、非吸着アイオノマー量の増加割合の関係を示す。図6に示すように、水分含有量59重量%の触媒インクは、水分含有量56重量%の触媒インクと比較して、非吸着アイオノマー量の増加割合が有意に小さく、経時的に安定であった。
2 基材シート
3 電解質膜
4 加熱ロール
5 剥離用バー
6 転写不良部分
7 転写用PTFEシート
8 触媒層塗布部
Claims (2)
- 触媒インクを基材シートに間欠的に塗布し、乾燥して基材シート上に触媒層を形成する工程と、
前記触媒層を前記基材シートから電解質膜に転写する工程と
を含む、燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記触媒インクが、触媒粒子、アイオノマー、アルコール及び水を含み、前記触媒インク中の水分含有量が、前記触媒インクの全重量に対して57重量%〜61重量%である、燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 - 前記触媒インクにおいて、前記アイオノマーの一部が前記触媒粒子に吸着しており、前記触媒粒子に吸着していない前記アイオノマーの量が、前記触媒インク1g当たり15mg以下である、請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
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