JP5056141B2 - 膜電極接合体の製造方法 - Google Patents
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Description
[形態1]燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜と触媒層と保湿層とガス拡散層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、前記電解質膜の両面にそれぞれ前記触媒層を形成する触媒層形成工程と、前記保湿層を形成するための溶液であって、炭素繊維またはカーボンブラックの少なくとも一方と、電解質溶液とが混合された保湿層形成溶液を準備する工程と、前記保湿層形成溶液を、少なくともカソード側の前記触媒層上に塗布する塗布工程と、前記保湿層上に前記ガス拡散層を構成するガス拡散層基材を接合する接合工程とを備える製造方法。
[形態2]燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜と触媒層と保湿層とガス拡散層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、前記電解質膜の両面にそれぞれ前記触媒層を形成する触媒層形成工程と、前記保湿層を形成するための溶液であって、炭素繊維またはカーボンブラックの少なくとも一方と、電解質溶液とが混合された保湿層形成溶液を準備する工程と、前記保湿層形成溶液であって、撥水剤を含む保湿層形成溶液を、アノード側の前記触媒層上のみに塗布する塗布工程と、前記保湿層上に前記ガス拡散層を構成するガス拡散層基材を接合する接合工程と、を備える製造方法。
A.実施例:
A1.膜電極接合体の構成:
図1は、本発明の一実施例としての膜電極接合体100の概略構成を示す説明図である。膜電極接合体100の断面図を示した。この膜電極接合体100は、燃料電池に用いられる。
図2は、膜電極接合体100の製造工程を示す説明図である。まず、電解質膜110の両面に、それぞれ、アノード側触媒層120a、および、カソード側触媒層120cを形成する(ステップS100)。アノード側触媒層120a、および、カソード側触媒層120cは、電解質膜110の両面に、それぞれ触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。触媒インクは、例えば、白金(Pt)等の水素と酸素との電気化学反応を促進する触媒金属を担持したカーボンと、電解質溶液としてのナフィオン分散溶液と、溶媒(例えば、水、エタノール、ポリエチレングリコール)とを混合したものである。これらの混合割合は、任意に設定可能である。
上述した製造工程によって膜電極接合体100を製造することによる効果を示すため、以下、本実施例の製造工程と比較例の製造工程との差異、および、本実施例の製造工程によって製造された膜電極接合体100と比較例の製造工程によって製造された膜電極接合体を燃料電池に適用したときの発電特性の差異について説明する。
図3は、本実施例の膜電極接合体100の製造工程と、比較例の膜電極接合体の製造工程との差異を示す説明図である。3つの比較例(比較例A〜C)の製造工程の差異を示した。なお、比較例A〜Cにおいても、電解質膜110の両面に、それぞれアノード側触媒層120a、および、カソード側触媒層120cを形成する工程は、本実施例の製造工程と同じである(図2のステップS100参照)。また、比較例A〜Cの製造工程によって製造される膜電極接合体100A,100B,100Cにおいても、本実施例の製造工程によって製造される膜電極接合体100と同様に、カソード側触媒層120cとカソード側ガス拡散層130cとの間に、保湿層を備えている。ただし、比較例の製造工程では、保湿層形成溶液の成分、および、保湿層の形成位置のうちの少なくとも一方が、本実施例の製造工程とは異なっている。
図4は、比較例A〜Cの製造工程によって製造された膜電極接合体100A,100B,100C、および、本実施例の製造工程によって製造された膜電極接合体100を燃料電池に適用したときの、燃料電池の発電特性をそれぞれ示す説明図である。横軸をカソードストイキ比とし、縦軸をセル電圧としたグラフを示した。カソードストイキ比とは、(カソードに供給される酸素の量)/(発電に利用される酸素の量)である。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
上記実施例では、膜電極接合体100の製造工程において、保湿層形成溶液に撥水ポリマを含むものとしたが、本発明は、これに限られない。先に図3、および、図4を用いて説明した比較例Aの燃料電池と比較例Cの燃料電池との比較から分かるように、保湿層を、カソード側ガス拡散層130cを構成するガス拡散層基材上ではなく、カソード側触媒層120c上に形成することによって、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
上記実施例では、膜電極接合体100の製造工程のステップS120において、保湿層形成溶液に含まれる溶媒が乾燥して固化する前に、アノード側触媒層120a、および、保湿層122の表面に、それぞれ、アノード側ガス拡散層130a、および、カソード側ガス拡散層130cを、ホットプレス接合するものとしたが、保湿層形成溶液に含まれる溶媒が乾燥して固化した後に、ホットプレス接合するようにしてもよい。ただし、上記実施例によれば、保湿層形成溶液の一部を、カソード側ガス拡散層130cを構成するガス拡散層基材側にも浸透させることができるので、この膜電極接合体を適用した燃料電池の発電性能を向上させることができる。なお、先に図3、および、図4を用いて説明した比較例の製造工程、および、燃料電池の発電特性において、撥水ポリマを含む保湿層形成溶液をカソード側触媒層120c上に塗布し、保湿層形成溶液に含まれる溶媒が乾燥して固化した後に、ホットプレス接合した膜電極接合体については、図示、および、説明を省略しているが、この場合には、実施例の燃料電池と、比較例Cの燃料電池との間の発電特性が得られる。
上記実施例では、膜電極接合体100は、保湿層122を、カソード側触媒層120c上にのみ形成するものとしたが、本発明は、これに限られず、さらにアノード側触媒層120a上にも形成するものとしてもよい。
上記実施例では、膜電極接合体100の製造工程において、撥水剤としての撥水ポリマを含む保湿層形成溶液を、カソード側触媒層120c上のみに形成するものとしたが、本発明は、これに限られず、撥水ポリマを含む保湿層形成溶液をカソード側触媒層120c上のみに形成するものとしてもよい。こうすることによっても、上記実施例と同様に、この膜電極接合体を適用した燃料電池の発電性能を向上させることができる。また、保湿層形成溶液には、撥水ポリマが含まれているので、保湿層おけるガス拡散性を向上させ、フラッディングを抑制することができる。
110…電解質膜
120a…アノード側触媒層
120c…カソード側触媒層
122…保湿層
130a…アノード側ガス拡散層
130c…カソード側ガス拡散層
Claims (5)
- 燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜と触媒層と保湿層とガス拡散層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
前記電解質膜の両面にそれぞれ前記触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記保湿層を形成するための溶液であって、炭素繊維またはカーボンブラックの少なくとも一方と、電解質溶液とが混合された保湿層形成溶液を準備する工程と、
前記保湿層形成溶液を、少なくともカソード側の前記触媒層上に塗布する塗布工程と、
前記保湿層上に前記ガス拡散層を構成するガス拡散層基材を接合する接合工程と、
を備える製造方法。 - 請求項1記載の製造方法であって、
前記接合工程は、前記塗布工程後、前記保湿層形成溶液に含まれる溶媒が乾燥して固化する前に、前記ガス拡散層基材を接合する工程を含む、製造方法。 - 請求項1または2記載の製造方法であって、
前記接合工程は、前記電解質膜と前記触媒層と前記保湿層と前記ガス拡散層とを、ホットプレス接合によって接合する工程を含む、製造方法。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の製造方法であって、
前記保湿層形成溶液は、撥水剤を含む、製造方法。 - 燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜と触媒層と保湿層とガス拡散層とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
前記電解質膜の両面にそれぞれ前記触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記保湿層を形成するための溶液であって、炭素繊維またはカーボンブラックの少なくとも一方と、電解質溶液と、撥水剤とが混合された保湿層形成溶液を準備する工程と、
前記保湿層形成溶液を、アノード側の前記触媒層上のみに塗布する塗布工程と、
前記保湿層上に前記ガス拡散層を構成するガス拡散層基材を接合する接合工程と、
を備える製造方法。
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