JP4523571B2 - 触媒コーティング電解質膜、燃料電池及び触媒コーティング電解質膜の製造方法 - Google Patents

触媒コーティング電解質膜、燃料電池及び触媒コーティング電解質膜の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP4523571B2
JP4523571B2 JP2006155443A JP2006155443A JP4523571B2 JP 4523571 B2 JP4523571 B2 JP 4523571B2 JP 2006155443 A JP2006155443 A JP 2006155443A JP 2006155443 A JP2006155443 A JP 2006155443A JP 4523571 B2 JP4523571 B2 JP 4523571B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrolyte membrane
catalyst layer
catalyst
membrane
minutes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006155443A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2007214104A (ja
Inventor
之來 金
承宰 李
赫 張
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Samsung SDI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung SDI Co Ltd filed Critical Samsung SDI Co Ltd
Publication of JP2007214104A publication Critical patent/JP2007214104A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4523571B2 publication Critical patent/JP4523571B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/881—Electrolytic membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8892—Impregnation or coating of the catalyst layer, e.g. by an ionomer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8896—Pressing, rolling, calendering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H01M8/1086—After-treatment of the membrane other than by polymerisation
    • H01M8/1088—Chemical modification, e.g. sulfonation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Description

本発明は、触媒コーティング電解質膜とこの触媒コーティング電解質膜を含む燃料電池、および触媒コーティング電解質膜の製造方法に関する。
燃料電池は、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内に含ま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。
上記のような燃料電池システムは、基本的にシステムを構成するために燃料電池スタック、燃料処理装置（Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：ＦＰ）、燃料タンク、燃料ポンプなどを備える。スタックは、燃料電池の本体を形成し、膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）及びセパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒまたはｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）からなる単位セルが、数〜数十個積層された構造を有する。
膜−電極接合体は、アノード拡散電極、カソード拡散電極、及び触媒コーティング電解質膜（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＣＣＭ）で構成され、ここで、前記触媒コーティング電解質膜は、一般的に電解質膜の両面にカソード触媒層及びアノード触媒層をそれぞれ転写する工程によって製造される。
この過程で、それぞれの触媒層は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはカプトンのような高分子フィルムに塗布及び乾燥された触媒層形成用の組成物を、ホットプレス工程などを通じて電解質膜に転写することで形成される。
特開２００４−３０３６２７号公報 特開２００４−２８８３９１号公報 特開２００４−１３１７６８号公報 特開平１１−２２４６７９号公報
しかしながら、このようなホットプレス工程は、転写前後の電解質膜及び触媒層の状態が違って、転写された触媒層に多くの微細亀裂部を含むという問題点があった。
かかる微細亀裂部は、触媒と電解質膜間の抵抗の増加を招くだけてなく、燃料であるメタノールのカソード電極へのクロスオーバー現象を大きくして、膜−電極接合体の性能及び長期的な安定性に悪影響を及ぼす。
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料であるメタノールのカソード電極へのクロスオーバー現象を最小化でき、性能及び耐久性が向上した触媒コーティング電解質膜とこの触媒コーティング電解質膜を含む燃料電池、および触媒コーティング電解質膜の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、両面にそれぞれアノード触媒層及びカソード触媒層が形成された触媒コーティング電解質膜において、アノード触媒層またはカソード触媒層の微細亀裂部の面積は、アノード触媒層またはカソード触媒層の全体面積を基準として、０．０１面積％〜１面積％である触媒コーティング電解質膜が提供される。
上記課題を解決するために、本発明の第２の観点によれば、上記の触媒コーティング電解質膜を含む燃料電池が提供される。
上記課題を解決するために、本発明の第３の観点によれば、（ｉ）アノード触媒層形成用の組成物を支持膜に塗布及び乾燥して、アノード触媒層転写膜を製造する段階と、（ｉｉ）カソード触媒層形成用の組成物を支持膜に塗布及び乾燥して、カソード触媒層転写膜を製造する段階と、（ｉｉｉ）Ｎａ＋形態の電解質膜に前処理工程を加えて、Ｈ＋形態の電解質膜を製造する段階と、（ｉｖ）アノード触媒層転写膜、カソード触媒層転写膜、及び電解質膜を、常圧下でホットプレス工程と同じ温度に予熱する段階と、（ｖ）アノード触媒層転写膜、電解質膜、及びカソード触媒層転写膜を順次に積層し、ホットプレス工程によって、アノード触媒層及びカソード触媒層を電解質膜にそれぞれ転写する段階と、を含む触媒コーティング電解質膜の製造方法が提供される。
上記（ｉｉｉ）工程での前処理工程は、Ｎａ＋形態の電解質膜を、Ｈ２Ｏ２溶液、Ｈ２ＳＯ４溶液及び脱イオン水に順次浸漬させた後、乾燥させる工程であってもよい。
上記のＨ２Ｏ２溶液の濃度は、５体積％〜１５体積％であり、Ｈ２ＳＯ４溶液のＨ２ＳＯ４のモル数は、０．５ｍｏｌ〜２ｍｏｌであってもよい。
上記のＨ２Ｏ２溶液への浸漬時間は、１時間〜１時間３０分であり、Ｈ２ＳＯ４溶液への浸漬時間は、３０分〜１時間３０分であり、脱イオン水への浸漬時間は、１時間〜２時間であってもよい。
上記の乾燥は、５０℃〜７０℃の温度で３０分〜１時間行われてもよい。
上記の予熱を行う段階では、１００℃〜１４０℃の温度で２分〜１０分間予熱を行ってもよい。
上記のホットプレス工程は、１００℃〜１４０℃の温度で、単位面積あたり０．１ｔ／ｉｎｃｈ２〜１．５ｔ／ｉｎｃｈ２の圧力を加え、５分〜１０分間行われてもよい。
上記のホットプレス工程は、１００℃〜１４０℃の温度で、単位面積あたり０．１ｔ／ｉｎｃｈ２〜１．０ｔ／ｉｎｃｈ２の圧力を加え、５分〜１０分間行われてもよい。
本発明によれば、触媒コーティング電解質膜に形成された電極触媒層の微細亀裂部を最小化することによって、電極触媒層と電解質膜間の抵抗を最小化し、燃料であるメタノールのカソード電極へのクロスオーバー現象を最小化でき、性能及び耐久性が向上した触媒コーティング電解質膜を提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
本発明は、両面にそれぞれアノード触媒層及びカソード触媒層が形成された触媒コーティング電解質膜において、前記アノード触媒層またはカソード触媒層の微細亀裂部の面積が前記アノード触媒層またはカソード触媒層の全体面積を基準として０．０１面積％〜１面積％であることを特徴とする触媒コーティング電解質膜を提供する。
触媒コーティング電解質膜に形成された電極触媒層の微細亀裂部を最小化することによって、電極触媒層と電解質膜との抵抗を最小化し、燃料であるメタノールのカソード電極へのクロスオーバー現象を最小化できて、性能及び耐久性が向上した触媒コーティング電解質膜を得ることができる。
図１Ａ及び１Ｂには、従来の一般的な触媒コーティング電解質膜の写真が示されており、図１Ａ及び図１Ｂから分かるように、従来の一般的な触媒コーティング電解質膜は、その製造工程で瞬間的な高温及び高圧条件に露出されて表面に多くの微細亀裂部を含む。
図２には、このような微細亀裂部によって引き起こされうる問題点を概略的に示している。図２から分かるように、微細亀裂部は、触媒反応面積の損失を引き起こすだけでなく、未反応メタノール燃料が微細亀裂部を通路として電解質膜を通過することによって、クロスオーバー現象をさらに深化させる要因となる。
したがって、本発明では、従来技術に比べて微細亀裂部の面積が最小化した触媒コーティング電解質膜を提供する。
本明細書において微細亀裂部とは、触媒コーティング電解質膜の表面に形成された触媒層の亀裂部位であり、このような亀裂によって電解質膜が露出される部位を意味する。一般的に従来の触媒コーティング電解質膜は、幅０．１〜１ｍｍ、長さ１０μｍの微細亀裂部を含む。
また、本発明では、本発明が従来技術に比べてはるかに少ない量の微細亀裂部を含むという点を明確にするための基準として、触媒層の全体面積を基準とした微細亀裂部の面積％を使用する。本発明による触媒コーティング電解質膜は、触媒層の微細亀裂部の面積が触媒層の全体面積を基準として０．０１面積％〜１面積％である。これは、従来技術による触媒コーティング電解質膜の一般的な値である１面積％〜１０面積％に比べてはるかに小さな値である。
図３Ａ及び図３Ｂには、本発明に係る触媒コーティング電解質膜の写真が示されており、図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、本発明に係る触媒コーティング電解質膜は、従来技術による触媒コーティング電解質膜に比べて（図１Ａ及び図２Ｂ）、はるかに少ない量の微細亀裂部を含むことが分かる。
本発明は、また、上記の触媒コーティング電解質膜を含む燃料電池を提供する。
本発明による燃料電池は、前述したように触媒コーティング電解質膜、アノード拡散電極、及びカソード拡散電極を含む膜−電極接合体（ＭＥＡ）とセパレータとを含む単位セルが複数積層された構造を有し、それ以外に燃料電池システムを構成するための燃料処理装置（ＦＰ）、燃料タンク及び燃料ポンプなどを備えることができる。
本発明は、また、（ｉ）アノード触媒層形成用の組成物を支持膜に塗布及び乾燥してアノード触媒層転写膜を製造する段階と、（ｉｉ）カソード触媒層形成用の組成物を支持膜に塗布及び乾燥してカソード触媒層転写膜を製造する段階と、（ｉｉｉ）Ｎａ＋形態の電解質膜に前処理工程を加えてＨ＋形態の電解質膜を製造する段階と、（ｉｖ）アノード触媒層転写膜、カソード触媒層転写膜及び電解質膜を常圧下で予熱する段階と、（ｖ）アノード触媒層転写膜、電解質膜及びカソード触媒層転写膜を順次積層し、ホットプレス工程によって、アノード触媒層及びカソード触媒層を電解質膜にそれぞれ転写する段階と、を含む触媒コーティング電解質膜の製造方法を提供する。
図４には、本発明による触媒コーティング電解質膜の製造方法についての概略的な工程図を示した。
本発明による触媒コーティング電解質膜の製造方法では、まず触媒に溶媒及びバインダーを混合して触媒層形成用の組成物を準備し、これを支持膜に塗布及び乾燥してアノード触媒層転写膜を製造する。
上記の支持膜は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、カプトンなどの高分子物質のフィルムを使用し、上記のバインダーとしては、プロトン伝導性樹脂を使用することが望ましいが、例えば、撥水性を有するフッ素樹脂が望ましい。フッ素樹脂のうちでも融点が４００℃以下であることが望ましく、例えば、ナフィオン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体などが挙げられる。そして、バインダーの含量は、触媒１００質量部を基準として１０〜４０質量部であってもよい。
上記触媒の非制限的な例として、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）及び金（Ｐｔ）とその混合物、その合金またはこれらの金属がカーボンブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、活性炭及び黒鉛に分散された担持触媒等が挙げられ、具体的にはＰｔＲｕ／Ｃなどの触媒が挙げられる。
上記溶媒としては、１−プロパノール、エチレングリコール、２−プロパノールのようなアルコール類を利用し、これらの含量は、触媒１００質量部を基準として５〜２５０質量部であることが望ましい。さらに具体的に説明すれば、溶媒として水を使用する場合、水の含量は、例えば５〜１０質量部が適当であり、１−プロパノールの場合例えば１５０〜２５０質量部が適当であり、エチレングリコールの場合は例えば１００〜２００質量部であり、２−プロパノールの場合は例えば１５０〜２５０質量部である。
これとは別に、触媒、溶媒及びバインダーを混合してカソード触媒層形成用の組成物を準備する。ここで、バインダー、溶媒の種類及び含量、及び支持膜は、カソード触媒層形成用の組成物の製造時と同一であるか、似たようなものを使用できる。この組成物を支持膜にコーティングして、カソード形成用の組成物がコーティングされた支持膜を得る。
一方、Ｎａ＋形態の電解質膜に前処理工程を加えてＨ＋形態の電解質膜を製造するが、電解質膜としては、主に、フッ素化アルキレンから構成された主鎖と、末端にスルホン酸基を有するフッ素化ビニルエーテルから構成された側鎖を有するスルホン化された高フッ化ポリマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（Ｄｕｐｏｎ社の商標））のような陽イオン交換性ポリマー電解質が使われる。
上記の電解質膜は、前処理工程を経てＨ＋形態にした後に使用し、前処理工程は、Ｎａ＋形態の電解質膜をＨ２Ｏ２溶液、Ｈ２ＳＯ４溶液及び脱イオン水に順次に浸漬させた後に乾燥させることによって進行する。
望ましくは、Ｈ２Ｏ２溶液の濃度は、例えば５体積％〜１５体積％であり、Ｈ２ＳＯ４溶液のＨ２ＳＯ４のモル数は、例えば０．５ｍｏｌ〜２ｍｏｌである。
また、Ｈ２Ｏ２溶液への浸漬時間は、例えば１時間〜１時間３０分であり、Ｈ２ＳＯ４溶液への浸漬時間は、例えば３０分〜１時間３０分であり、脱イオン水への浸漬時間は、例えば１時間〜２時間であることが望ましい。
このような浸漬工程によってＨ＋形態の電解質膜を製造した後には、電解質膜に対する乾燥工程を行い、乾燥は、例えば５０℃〜７０℃で３０分〜１時間行われることが望ましい。このような乾燥工程によって、触媒コーティング電解質膜の製造時に電解質膜の収縮及び曲げが生じない。図５には、このような電解質膜の前処理工程についての概略的な工程図が示されている。
次に、前述のアノード触媒層転写膜、カソード触媒層転写膜及び電解質膜を常圧下で予熱する段階を行うが、このような予熱段階は、アノード触媒層及びカソード触媒層の電解質膜へのホットプレス工程による転写前に、その温度をホットプレス工程の温度と同じく合わせることによって、転写時に触媒層の微細亀裂を防止し、転写率を高めるのに核心的な役割を行う。また、本発明では、このような予熱段階において、温度及び圧力の上昇なしに、常圧下で進行するという特徴を有する。
望ましくは、上記の予熱段階は、ホットプレス工程の温度まで予め予熱させる段階であって、例えば１００℃〜１４０℃の温度で２〜１０分間行われる。予熱温度が１００℃未満である場合には、電解質膜に十分な熱が伝えられず、触媒層との接合が円滑でなく、結果的に界面抵抗が大きくなるという問題点がある。１４０℃を超える場合には、電解質膜のＴｇ以上の温度となって高分子体構造が分解される問題点がある。また、予熱時間が２分未満である場合には、電解質膜に十分な熱が伝えられないために触媒層との接合が円滑でなくなり、界面抵抗が大きくなるという問題点があり、１０分を超える場合には、電解質膜の高分子構造が分解されるという問題点があって望ましくない。
最後に、上記のアノード触媒層転写膜、電解質膜、及びカソード触媒層転写膜を順次積層し、ホットプレス工程によって、アノード触媒層及びカソード触媒層を電解質膜にそれぞれ転写する段階を行うことによって、本発明による触媒コーティング電解質膜を製造する。
望ましくは、上記のホットプレス工程は、例えば、１００℃〜１４０℃の温度で０．１〜１．５ｔ／ｉｎｃｈ２（１平方インチあたり０．１トン〜１．５トン）、望ましくは０．１〜１．０ｔ／ｉｎｃｈ２の圧力を加え、５分〜１０分間行われる。
前述のように製造された触媒コーティング電解質膜は、カーボンブラックにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂含有エマルジョンを均一に分散させたインキをスプレーして製造されたアノード拡散電極及びカソード拡散電極の間に介在されて、ホットプレス工程などによって膜電極接合体を形成する。
以下、本発明を具体的な実施例を挙げて説明するが、本発明が下記実施例にのみ限定されるものではない。
（実施例１）
アノード触媒金属として白金−ルテニウム合金を、超純粋蒸溜水及びエチレングリコール２０質量％ナフィオンイオノマー溶液（Ｄｕｐｏｎ社製造）を分散させた溶液に分散させて、スラリーを製造した後、５０μｍ厚さのカプトンフィルム上に塗布及び乾燥させてアノード触媒層転写膜を製造した。触媒の濃度は、白金−ルテニウム含量を基準として６ｍｇ／ｃｍ２になるようにアノード触媒層を形成した。
アノード触媒金属として白金を、超純粋蒸溜水及びエチレングリコール及び２０質量％ナフィオンイオノマー溶液（Ｄｕｐｏｎ社製造）を分散させた溶液に分散させて、スラリーを製造した後、５０μｍ厚さのカプトンフィルム上に塗布及び乾燥させてアノード触媒層転写膜を製造した。触媒の濃度は、白金含量を基準として２ｍｇ／ｃｍ２になるようにカソード触媒層を形成した。
一方、電解質膜として厚さ１２０μｍのナフィオン（Ｄｕｐｏｎ社製造）膜を使用し、これは、Ｈ２Ｏ２１０％溶液１リットルに１時間、Ｈ２ＳＯ４１ｍｏｌ溶液１リットルに１時間、脱イオン水に１時間浸漬させてＨ＋形態の電解質膜を製造し、これを６０℃で１時間乾燥させて使用した。
上記のように製造されたアノード触媒層転写膜、カソード触媒層転写膜、及び電解質膜を１３０℃で３分間予熱した。
予熱されたアノード触媒層転写膜、カソード触媒層転写膜、及び電解質膜に対して１３０℃の温度及び１．５ｔ／ｉｎｃｈ２の圧力で６分間ホットプレス工程を行うことによって、両面にそれぞれアノード触媒層及びカソード触媒層が転写された触媒コーティング電解質膜を製造した。製造された触媒コーティング電解質膜の表面写真を図３Ａに示した。
（実施例２）
アノード触媒層転写膜、カソード触媒層転写膜、及び電解質膜の予熱時間を６分としたことを除いては、実施例１と同じ方法により触媒コーティング電解質膜を製造した。製造された触媒コーティング電解質膜の表面写真を図３Ｂに示した。
（比較例）
アノード触媒層転写膜、カソード触媒層転写膜、及び電解質膜の予熱工程を実施しない点を除いては、実施例１と同じ方法により触媒コーティング電解質膜を製造した。製造された触媒コーティング電解質膜の表面写真を図１Ａ及び図１Ｂに示した。
また、図６及び図７には、それぞれ実施例１及び比較例によって製造された触媒コーティング電解質膜を含む燃料電池の日付別性能及び耐久性を示した。燃料電池の製造においては、拡散電極として３５０μｍ厚さのカーボン紙にカーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）エマルジョンを均一に分散させたインキをスプレーして製造されたアノード拡散電極及びカソード拡散電極を使用した。
図６及び図７を参照すれば、本発明による触媒コーティング電解質膜を含む燃料電池は、従来技術による触媒コーティング電解質膜を含む燃料電池に比べて同一電圧下で優れた電力密度値を示し、長時間経過後にもこのような電力密度値があまり減少することなく、維持することが分かる。
以上説明したように、本願発明に係る触媒コーティング電解質膜は、触媒コーティング電解質膜に形成された電極触媒層の微細亀裂部を最小化することによって、電極触媒層と電解質膜間の抵抗を最小化し、燃料であるメタノールのカソード電極へのクロスオーバー現象を最小化でき、性能及び耐久性を向上させることが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、燃料電池関連の技術分野に好適に用いられる。
従来の一般的な触媒コーティング電解質膜の表面写真を示した図面である。 従来の一般的な触媒コーティング電解質膜の表面写真を示した図面である。 従来の一般的な触媒コーティング電解質膜において、微細亀裂部によって引き起こされうる問題点を概略的に示した図面である。 本発明の実施例１による触媒コーティング電解質膜の表面写真を示した図面である。 本発明の実施例２による触媒コーティング電解質膜の表面写真を示した図面である。 本発明による触媒コーティング電解質膜の製造方法についての概略的な工程図である。 本発明による触媒コーティング電解質膜の製造方法において、電解質膜の前処理工程についての概略的な工程図である。 実施例１によって製造された触媒コーティング電解質膜を含む燃料電池の日付別性能及び耐久性を示したグラフ図である。 比較例によって製造された触媒コーティング電解質膜を含む燃料電池の日付別性能及び耐久性を示したグラフ図である。

Claims (10)

  1. アノード触媒層形成用の組成物を支持膜に塗布及び乾燥して、アノード触媒層転写膜を製造する段階と、
    カソード触媒層形成用の組成物を支持膜に塗布及び乾燥して、カソード触媒層転写膜を製造する段階と、
    Ｎａ＋形態の電解質膜に前処理工程を行い、Ｈ＋形態の電解質膜を製造する段階と、
    前記アノード触媒層転写膜、前記カソード触媒層転写膜、及び前記電解質膜を、常圧下で予熱する段階と、
    前記アノード触媒層転写膜、前記電解質膜、及び前記カソード触媒層転写膜を順次積層し、ホットプレス工程によって、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層を前記電解質膜にそれぞれ転写する段階と、
    を含み、
    前記常圧下で予熱する段階は、常圧下で前記ホットプレス工程と同じ温度に予熱する段階であることを特徴とする、触媒コーティング電解質膜の製造方法。
  2. 前記前処理工程は、前記Ｎａ＋形態の電解質膜を、Ｈ２Ｏ２溶液、Ｈ２ＳＯ４溶液及び脱イオン水に順次浸漬させた後、乾燥させる工程であることを特徴とする、請求項１に記載の触媒コーティング電解質膜の製造方法。
  3. 前記Ｈ２Ｏ２溶液の濃度は、５体積％〜１５体積％であり、
    前記Ｈ２ＳＯ４溶液のＨ２ＳＯ４のモル数は、０．５ｍｏｌ〜２ｍｏｌであることを特徴とする、請求項２に記載の触媒コーティング電解質膜の製造方法。
  4. 前記Ｈ２Ｏ２溶液への浸漬時間は、１時間〜１時間３０分であり、
    前記Ｈ２ＳＯ４溶液への浸漬時間は、３０分〜１時間３０分であり、
    前記脱イオン水への浸漬時間は、１時間〜２時間であることを特徴とする、請求項２に記載の触媒コーティング電解質膜の製造方法。
  5. 前記乾燥は、５０℃〜７０℃の温度で３０分〜１時間行われることを特徴とする、請求項２に記載の電解質膜の製造方法。
  6. 前記予熱を行う段階では、１００℃〜１４０℃の温度で２分〜１０分間予熱を行うことを特徴とする、請求項１に記載の触媒コーティング電解質膜の製造方法。
  7. 前記ホットプレス工程は、１００℃〜１４０℃の温度で、０．１ｔ／ｉｎｃｈ２〜１．５ｔ／ｉｎｃｈ２の圧力を加え、５分〜１０分間行われることを特徴とする、請求項１に記載の触媒コーティング電解質膜の製造方法。
  8. 前記ホットプレス工程は、１００℃〜１４０℃の温度で、０．１ｔ／ｉｎｃｈ２〜１．０ｔ／ｉｎｃｈ２の圧力を加え、５分〜１０分間行われることを特徴とする、請求項１に記載の触媒コーティング電解質膜の製造方法。
  9. 請求項１〜８に記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする、触媒コーティング電解質膜。
  10. 請求項９に記載の触媒コーティング電解質膜を含むことを特徴とする、燃料電池。

JP2006155443A 2006-02-08 2006-06-02 触媒コーティング電解質膜、燃料電池及び触媒コーティング電解質膜の製造方法 Expired - Fee Related JP4523571B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060012030A KR100659133B1 (ko) 2006-02-08 2006-02-08 촉매 코팅 전해질막, 이를 포함하는 연료전지 및 상기 촉매코팅 전해질막의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007214104A JP2007214104A (ja) 2007-08-23
JP4523571B2 true JP4523571B2 (ja) 2010-08-11

Family

ID=37814813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006155443A Expired - Fee Related JP4523571B2 (ja) 2006-02-08 2006-06-02 触媒コーティング電解質膜、燃料電池及び触媒コーティング電解質膜の製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8343672B2 (ja)
JP (1) JP4523571B2 (ja)
KR (1) KR100659133B1 (ja)
CN (1) CN100594629C (ja)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101483124B1 (ko) 2007-05-21 2015-01-16 삼성에스디아이 주식회사 다공성 전극 촉매층을 갖는 막 전극 접합체, 그 제조 방법및 이를 채용한 연료전지
KR100981132B1 (ko) 2008-06-20 2010-09-10 한국에너지기술연구원 수소이온전도성 멤브레인을 사용하는 연료전지 막전극접합체의 촉매 전사율을 향상하는 방법 및 이에 의해제조된 연료전지 막전극 접합체
JP5257589B2 (ja) * 2008-08-19 2013-08-07 トヨタ自動車株式会社 膜電極接合体の製造方法、及び該方法により製造される膜電極接合体、並びに該膜電極接合体を含む燃料電池
KR101155947B1 (ko) 2009-05-08 2012-06-18 한국과학기술연구원 막-전극 접합체의 제조방법, 이로부터 제조된 막-전극 접합체 및 이를 포함한 연료전지
KR101098411B1 (ko) 2009-05-08 2011-12-26 한국과학기술연구원 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법, 이로부터 제조된 막-전극 접합체 및 이를 포함한 연료전지
GB2471017B (en) * 2009-06-10 2012-02-15 Friedrich Wilhelm Wieland Improved fuel cell cathode and fuel cell
US20120003572A1 (en) * 2010-02-10 2012-01-05 Jun Matsumura Manufacturing method and manufacturing apparatus for catalyst-coated membrane assembly
US20130192750A1 (en) * 2010-03-08 2013-08-01 Shuji Kiuchi "membrane-electrode assembly producing apparatus and membrane-electrode assembly producing method"
WO2012081169A1 (ja) * 2010-12-16 2012-06-21 パナソニック株式会社 膜－触媒層接合体の製造方法
JP2012204272A (ja) * 2011-03-28 2012-10-22 Toppan Printing Co Ltd 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体、当該膜電極接合体の製造方法、固体高分子形燃料電池単セル、および固体高分子形燃料電池スタック
US9490488B2 (en) * 2011-03-29 2016-11-08 Council Of Scientific & Industrial Research Process for the preparation of membrane electrode assemblies (MEAs)
US9176085B2 (en) * 2011-09-15 2015-11-03 Bloom Energy Corporation Crack detection in ceramics using electrical conductors
WO2014007101A1 (ja) * 2012-07-02 2014-01-09 日産自動車株式会社 触媒層の転写方法および当該方法に用いる治具
JP5548296B1 (ja) * 2013-09-06 2014-07-16 ペルメレック電極株式会社 電解用電極の製造方法
JP5958597B2 (ja) * 2015-04-27 2016-08-02 凸版印刷株式会社 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法、固体高分子形燃料電池単セルの製造方法、および固体高分子形燃料電池スタックの製造方法
KR102283352B1 (ko) 2020-12-04 2021-07-29 (주)아이메카 연료전지용 막 전극접합체 롤투롤 제조장치 및 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10507305A (ja) * 1994-10-11 1998-07-14 イー・アイ・デユポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー 触媒的に活性な粒子を膜上に圧印する方法
JP2003132899A (ja) * 2001-10-30 2003-05-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用電極の形成方法及びその形成装置
JP2004524654A (ja) * 2001-01-29 2004-08-12 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 燃料電池用膜電極アセンブリを製造するデカール方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5945231A (en) 1996-03-26 1999-08-31 California Institute Of Technology Direct liquid-feed fuel cell with membrane electrolyte and manufacturing thereof
WO2002075834A1 (fr) * 2001-03-15 2002-09-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Procede de realisation de corps de connexion d'electrode a film electrolytique pour pile a combustible
JP2003017071A (ja) * 2001-07-02 2003-01-17 Honda Motor Co Ltd 燃料電池用電極およびその製造方法とそれを備える燃料電池
US20060057281A1 (en) * 2002-07-29 2006-03-16 Shintaro Izumi Method for manufacturing membrane electrode assembly for fuel cell
EP1492184A1 (de) 2003-06-27 2004-12-29 Umicore AG & Co. KG Verfahren zur Herstellung einer katalysatorbeschichteten Polymerelektrolyt-Membran
JP3889002B2 (ja) * 2004-01-07 2007-03-07 松下電器産業株式会社 燃料電池
CN1263189C (zh) 2004-02-20 2006-07-05 武汉理工大学 间接法合成质子交换膜燃料电池用超薄核心组件
US20070122667A1 (en) * 2005-11-28 2007-05-31 Kelley Richard H Fuel cell system with integrated fuel processor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10507305A (ja) * 1994-10-11 1998-07-14 イー・アイ・デユポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー 触媒的に活性な粒子を膜上に圧印する方法
JP2004524654A (ja) * 2001-01-29 2004-08-12 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 燃料電池用膜電極アセンブリを製造するデカール方法
JP2003132899A (ja) * 2001-10-30 2003-05-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用電極の形成方法及びその形成装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN100594629C (zh) 2010-03-17
US20070184331A1 (en) 2007-08-09
KR100659133B1 (ko) 2006-12-19
JP2007214104A (ja) 2007-08-23
US8343672B2 (en) 2013-01-01
CN101017901A (zh) 2007-08-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4523571B2 (ja) 触媒コーティング電解質膜、燃料電池及び触媒コーティング電解質膜の製造方法
JP4901313B2 (ja) 膜電極接合体、膜電極接合体の製造方法、および燃料電池
JP5196717B2 (ja) 触媒層転写シート、触媒層−電解質膜積層体の製造方法、電極−電解質膜接合体の製造方法、および燃料電池の製造方法
KR20050083660A (ko) 연료 전지 전극
KR101113377B1 (ko) 직접 메탄올 연료 전지용 멤브레인 전극 유닛 및 그의 생산방법
JP2022513631A (ja) 触媒、その製造方法、それを含む電極、それを含む膜－電極アセンブリー、及びそれを含む燃料電池
KR100832213B1 (ko) 직접 산화형 연료전지 및 그 제조방법
JP2007213988A (ja) 高分子電解質型燃料電池用電極触媒層、その製造方法および高分子電解質型燃料電池
WO2017154475A1 (ja) 触媒組成物、高分子電解質膜電極接合体の製造方法、および高分子電解質膜電極接合体
CN113381045A (zh) 一种燃料电池膜电极及其制备方法
CN211578891U (zh) 一种膜电极中间体
JP2008198437A (ja) 燃料電池用膜−電極接合体およびその製造方法ならびにそれを用いた燃料電池
KR101098676B1 (ko) 연료전지용 전극의 제조방법과 이로부터 제조된 전극을포함하는 막전극 접합체 및 연료전지
CN111384410B (zh) 具有裂纹的燃料电池用双层催化剂层及其应用
JP7127603B2 (ja) 燃料電池用電極触媒層の製造方法
KR20170112542A (ko) 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체 및 이의 제조방법
JP5609475B2 (ja) 電極触媒層、電極触媒層の製造方法、この電極触媒層を用いた固体高分子形燃料電池
KR100705553B1 (ko) 연료전지용 막전극접합체의 수소이온교환막 상에 촉매층을형성시키는 방법
KR102642597B1 (ko) 전극층의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 ｐｅｍ 수전해용 막전극접합체의 제조방법
JP2006107877A (ja) 液体燃料電池用発電素子及びその製造方法、並びに液体燃料電池
JP2005209402A (ja) 固体高分子型燃料電池の膜電極接合体の製造方法
JP2007128682A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池
JP4561086B2 (ja) 燃料電池用電極の製造方法
KR20240020154A (ko) 연료전지용 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 막-전극 접합체
CN118738429A (zh) 一种质子交换膜燃料电池膜电极亲水微孔层及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20091117

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100210

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20100210

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100330

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100401

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100518

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100527

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130604

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees