JP5124273B2 - メンブラン電極アセンブリー - Google Patents
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Description
第一および第二表面を有するイオン伝導性メンブラン、
第一および第二表面を有する第一電気触媒層、
第一および第二表面を有する第一電子伝導性多孔質ガス拡散基材、および
該メンブランの該第一表面と該第一電気触媒層の該第一表面との間に挿入された第一フィルム部材
を備えてなり、該第一電気触媒層の該第一表面が、該メンブランの該第一表面に面しており、該第一電気触媒層の該第一表面が、縁部区域および中央区域を有し、該第一基材の該第一表面が、該第一電気触媒層の該第二表面に面しており、該第一フィルム部材が、該第一電気触媒層の該第一表面の、該中央区域ではなく、該縁部区域と接触している、メンブラン電極アセンブリーを提供する。
第一および第二表面を有する第一電子伝導性多孔質ガス拡散基材、
第一および第二表面を有する第一電気触媒層、および
第一フィルム部材
を備えてなり、該第一電気触媒層の該第一表面が、縁部区域および中央区域を有し、該第一電気触媒層の該第二表面が、該第一基材の該第一表面に面しており、該第一フィルム部材が、該第一電気触媒層の該第一表面の、該中央区域ではなく、該縁部区域と接触している。
第一および第二表面を有するイオン伝導性メンブラン、
第一および第二表面を有する第一電気触媒層、および
該メンブランの該第一表面と該第一電気触媒層の該第一表面との間に挿入された第一フィルム部材
を備えてなり、該第一電気触媒層の該第一表面が、該メンブランの該第一表面に面しており、該第一電気触媒層の該第一表面が、縁部区域および中央区域を有し、該第一フィルム部材が、該第一電気触媒層の該第一表面の、該中央区域ではなく、該縁部区域と接触している。
(i)白金族金属(白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム)、
(ii)金または銀
(iii)卑金属
あるいは合金、またはこれらの金属の、もしくはそれらの酸化物の、一種以上を含んでなる混合物から選択される。好ましい電気触媒金属は白金であり、白金は、他の貴金属、例えばルテニウム、または卑金属、例えばモリブデンまたはタングステン、と合金化することができる。電気触媒が、担持された触媒である場合、金属粒子の炭素担体材料上への装填量は、10〜100重量%が好適であり、好ましくは15〜75重量%である。
a)第一および第二表面を有するイオン伝導性メンブラン、第一および第二表面を有し、該第一表面が縁部区域および中央区域を有する第一電気触媒層、第一および第二表面を有する第一電子伝導性多孔質ガス拡散基材、および第一フィルム部材を用意する工程、
b)該イオン伝導性メンブランを、該メンブランの該第一表面が、該第一電気触媒層の該第一表面に面するように配置する工程、
c)該第一基材を、該第一基材の該第一表面が、該第一電気触媒層の該第二表面に面するように配置する工程、および
d)該第一フィルム部材を、該第一フィルム部材が、該メンブランの該第一表面と該第一電気触媒層の該第一表面との間に挿入され、該第一フィルム部材が、該第一電気触媒層の該第一表面の、該中央区域ではなく、該縁部区域と接触するように配置する工程
を含んでなる、方法を提供する。
e)第一および第二表面を有し、該第一表面が縁部区域および中央区域を有する第二電気触媒層を用意し、該第二電気触媒層を、該第二電気触媒層の該第一表面が該メンブランの該第二表面に面するように配置する工程、
f)第二フィルム部材を用意し、該第二フィルム部材を、該第二フィルム部材が、該メンブランの該第二表面と該電気触媒層の該第一表面との間に挿入され、該第二フィルム部材が、該第二電気触媒層の該第一表面の、該中央区域ではなく、該縁部区域と接触するように配置する工程、および
g)第一および第二表面を有する第二電子伝導性多孔質ガス拡散基材を用意し、該第二ガス拡散基材を、該第二基材の該第一表面が該第二電気触媒層の該第二表面に面するように配置する工程
をさらに含んでなる。
(h)イオン伝導性メンブラン、電気触媒層、ガス拡散基材およびフィルム部材を一つに張り合わせる
最終工程を含んでなる。
m)第一および第二表面を有し、該第一表面が縁部区域および中央区域を有する第一電気触媒層、第一および第二表面を有する第一電子伝導性多孔質ガス拡散基材、および第一フィルム部材を用意する工程、
n)該第一基材を、該第一基材の該第一表面が該第一電気触媒層の該第二表面に面するように配置する工程、および
o)該第一フィルム部材を、該第一電気触媒層の該第一表面の、該中央区域ではなく、該縁部区域と接触させる工程
を含んでなる、方法を提供する。
t)第一および第二表面を有するイオン伝導性メンブラン、第一および第二表面を有し、該第一表面が縁部区域および中央区域を有する第一電気触媒層、および第一フィルム部材を用意する工程、
u)該イオン伝導性メンブランを、該第一電気触媒層の該第一表面が、該メンブランの該第一表面に面するように配置する工程、および
v)該第一フィルム部材を、該第一フィルム部材が、該メンブランの該第一表面と該第一電気触媒層の該第一表面との間に挿入され、該第一フィルム部材が、該第一電気触媒層の該第一表面の、該中央区域ではなく、該縁部区域と接触するように配置する工程
を含んでなる、方法を提供する。
w)第一および第二表面を有し、該第一表面が縁部区域および中央区域を有する第二電気触媒層を用意し、該第二電気触媒層を、該第二電気触媒層の該第一表面が該メンブランの該第二表面に面するように配置する工程、および
x)第二フィルム部材を用意し、該第二フィルム部材を、該第二フィルム部材が、該メンブランの該第二表面と該電気触媒層の該第一表面との間に挿入され、該第二フィルム部材が、該第二電気触媒層の該第一表面の、該中央区域ではなく、該縁部区域と接触するように配置する工程
をさらに含んでなる。
7個のMEAを製造した。ガス拡散基材は、カーボンブラックとPTFEの混合物で一方の表面を被覆したToray(商品名)紙であった。メンブランは、25μmのAciplex(商品名)ペルフルオロスルホン酸重合体メンブランであった。触媒層は、炭素触媒およびペルフルオロスルホン酸重合体上に白金40重量%を含む。触媒層は、ヨーロッパ特許第731520号明細書に記載されているようにして調製した触媒インクを使用し、ガス拡散基材の被覆した表面に塗布した。MEAの構成部品を、ホットプレス圧230〜250psiおよび温度150〜190℃により、一つに張り合わせた。MEA中のフィルム部材、フィルム部材をMEA中に取り入れる方法、およびMEA中のフィルム部材の位置は、下記の通りである。
フィルム部材 方法 位置
比較例1 無し 該当せず 該当せず
比較例1 無し 該当せず 該当せず
比較例3 12μm PETフィルムと ガス拡散電極、 フィルムは触媒層
30μmポリエチレン メンブランおよび に接触しなかった。
EVA 共重合体接着剤層 フィルムを1工程 接着剤を電極に
で張り合わせた 含浸させた
フィルム部材 方法 位置
例1 12μm PETフィルムと フィルムをガス拡散 フィルムを触媒層の
30μmポリエチレン 電極に張り合わせた。 2mm 縁部区域に接触
EVA 共重合体接着剤層 続いて電極をメンブ させた。
ランに張り合わせた。 接着剤を電極に
含浸させた。
例2 4.5 μmPVDFフィルム ガス拡散電極、 フィルムを触媒層の
メンブランおよび 2mm 縁部区域に接触
フィルムを1工程で させた。
張り合わせた。
例3 12μmPETフィルムと フィルムをガス拡散 フィルムを触媒層の
(例1 30μmポリエチレン 電極に張り合わせた。 2mm 縁部区域に接触
の繰り EVA共重合体 続いて電極をメンブ させた。
返し) 接着剤層 ランに張り合わせた。 接着剤を電極に
含浸させた。
例4 2枚の12μm ガス拡散電極、 フィルムを触媒層の
ポリエチレンEVA メンブランおよび 2mm 縁部区域に接触
共重合体接着剤層間 フィルムを1工程で させた。接着剤を
に12μmBOPフィルム 張り合わせた。 電極に含浸させ、
接着剤でフィルムを メンブランに接着 させた。
7個のMEAの耐久性を、単一燃料電池耐久性試験でメンブランのガス横断と時間の関係を測定することにより試験した。サイクル試験条件を使用し、電流密度を様々なレベルに一定時間維持した。ガス横断を、試験電池中の試料で電池から電流を引き出さずに測定した。ガス圧5psiを電池の片側にかけ、反対側には圧力をかけなかった。圧力をかけない方の側を重合体チューブの一端に接続し、他端をバケツに入れた水の中に浸漬した。最初に水を満たし、逆さにした測定シリンダーをチューブの浸漬した末端の上に配置し、MEAを通るガス横断の結果、チューブの末端から出る気泡を捕獲するのに使用した。ガスを数分間採取し、結果をml/分で表示した。ガス横断の量は、MEA中のメンブラン孔の程度を示し、アノードおよびカソードガス流を分離しているのはメンブランであるので、この量が多い程、悪い性能を示す。従って、ガス横断率は、実際のMEA耐久性の直接指数となる。MEAが低ガス横断で、より長く作動する程、そのMEAは耐久性が優れている。
Claims (11)
- メンブラン電極アセンブリーであって、
第一表面および第二表面を有するイオン伝導性メンブランと、
第一表面および第二表面を有する第一電気触媒層と、
前記第一電気触媒層の前記第一表面が、前記イオン伝導性メンブランの前記第一表面に面してなり、及び、前記第一電気触媒層の前記第一表面が、縁部区域および中央区域を有してなり、
第一表面および第二表面を有する第一電子伝導性多孔質ガス拡散基材と、及び
前記第一電子伝導性多孔質ガス拡散基材の前記第一表面が、前記第一電気触媒層の前記第二表面に面しており、
前記イオン伝導性メンブランの前記第一表面と前記第一電気触媒層の前記第一表面との間に挿入された第一フィルム部材とを備えてなり、
前記第一フィルム部材が、前記第一電気触媒層の前記第一表面の、前記中央区域ではなく、前記第一電気触媒層の前記第一表面の前記縁部区域と接触してなり、
接着剤層が、前記第一電気触媒層に面した前記第一フィルム部材の前記表面上に存在し、及び、
前記接着剤層が、前記第一フィルム部材を前記第一電気触媒層に接着させ、前記第一電気触媒層を通して含浸され、前記第一ガス拡散基材中に含浸されるものである、メンブラン電極アセンブリー。 - 第二接着剤層が、前記イオン伝導性メンブランに面した前記第一フィルム部材の表面上に存在し、及び
前記第二接着剤層が、前記第一フィルム部材を前記イオン伝導性メンブランに接着するものである、請求項1に記載のメンブラン電極アセンブリー。 - 第一表面および第二表面を有する第二電気触媒層と、及び
前記第二電気触媒層の前記第一表面が、前記イオン伝導性メンブランの前記第二表面に面しており、前記第二電気触媒層の前記第一表面が、縁部区域および中央区域を有し、
第一表面および第二表面を有する第二電子伝導性多孔質ガス拡散基材と、
前記第二基材の前記第一表面が前記第二電気触媒層の前記第二表面に面してなり、
前記イオン伝導性メンブランの前記第二表面と前記第二電気触媒層の前記第一表面との間に挿入された第二フィルム部材とを備えてなり、
前記第二フィルム部材が、前記第二電気触媒層の前記第一表面の、前記中央区域ではなく、前記縁部区域と接触してなり、
一個以上の接着剤層が、前記第二フィルム部材上に存在してなる、請求項1又は2に記載のメンブラン電極アセンブリー。 - 前記接着剤層が、前記イオン伝導性メンブランに面した前記第二フィルム部材の表面上に存在し、及び
前記接着剤層が、前記第一フィルム部材を前記イオン伝導性メンブランに接着するものである、請求項3に記載のメンブラン電極アセンブリー。 - 前記接着剤層が、前記第一電気触媒層に面した前記第二フィルム部材の前記表面上に存在し、及び
前記接着剤層が、前記第二フィルム部材を前記第二電気触媒層に接着させ、前記第二電気触媒層を通して含浸され、前記第二ガス拡散基材中に含浸される、請求項3又は4に記載のメンブラン電極アセンブリー。 - 前記電気触媒層の前記第一表面上の前記縁部区域が、前記電気触媒層の前記縁部の0.5〜10mmの区域である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のメンブラン電極アセンブリー。
- 第一表面および第二表面を有する第一電子伝導性多孔質ガス拡散基材と、
第一表面および第二表面を有する第一電気触媒層と、および
前記第一電気触媒層の前記第一表面が、縁部区域および中央区域を有し、前記第一電気触媒層の前記第二表面が、前記第一基材の前記第一表面に面しており、
第一電気触媒層の前記第一表面の、前記中央区域ではなく、前記縁部区域と接触している第一フィルム部材とを備えてなり、
接着剤層が、前記第一電気触媒層に面した前記第一フィルム部材の前記表面上に存在し、及び、
前記接着剤層が、前記第一フィルム部材を前記第一電気触媒層に接着させ、前記第一電気触媒層を通して含浸され、前記第一ガス拡散基材中に含浸される、ガス拡散電極。 - 第一表面および第二表面を有するイオン伝導性メンブランと、
第一表面および第二表面を有する第一電気触媒層と、および
前記第一電気触媒層の前記第一表面が、前記メンブランの前記第一表面に面しており、前記第一電気触媒層の前記第一表面が、縁部区域および中央区域を有し、
前記イオン伝導性メンブランの前記第一表面と前記第一電気触媒層の前記第一表面との間に挿入された第一フィルム部材とを備えてなり、
前記第一フィルム部材が、前記第一電気触媒層の前記第一表面の、前記中央区域ではなく、前記縁部区域と接触しているものであり、
接着剤層が、前記第一電気触媒層に面した前記第一フィルム部材の前記表面上に存在し、及び、
前記接着剤層が、前記第一フィルム部材を前記第一電気触媒層に接着させ、前記第一電気触媒層を通して含浸させ、前記第一ガス拡散基材中に含浸されるものである、触媒作用を付与したメンブラン。 - 第一表面および第二表面を有する第二電気触媒層と、及び
第二フィルム部材とをさらに備えてなり、
前記第二電気触媒層の前記第一表面が、前記イオン伝導性メンブランの前記第二表面に面しており、前記第二電気触媒層の前記第一表面が、縁部区域および中央区域を有し、
前記第二フィルム部材が、前記イオン伝導性メンブランの前記第二表面と、前記電気触媒層の前記第一表面との間に挿入され、前記第二フィルム部材が前記第二電気触媒層の前記第一表面の、前記中央区域ではなく、前記縁部区域と接触されてなり、
一個以上の接着剤層が、前記第二フィルム部材上に存在してなる、請求項8記載の触媒作用を付与したメンブラン。 - メンブラン電極アセンブリーの製造方法であって、
a)第一表面および第二表面を有するイオン伝導性メンブランと、第一表面および第二表面を有し、前記第一表面が縁部区域および中央区域を有する第一電気触媒層と、第一表面および第二表面を有する第一電子伝導性多孔質ガス拡散基材と、及び第一フィルム部材とを用意する工程と、
b)前記イオン伝導性メンブランを、前記イオン伝導性メンブランの前記第一表面が、前記第一電気触媒層の前記第一表面に面するように配置する工程と、
c)前記第一基材を、前記第一基材の前記第一表面が、前記第一電気触媒層の前記第二表面に面するように配置する工程と、
d)前記第一フィルム部材を、前記第一フィルム部材が、前記メンブランの前記第一表面と前記第一電気触媒層の前記第一表面との間に挿入され、前記第一フィルム部材が、前記第一電気触媒層の前記第一表面の、前記中央区域ではなく、前記縁部区域と接触するように配置する工程と、及び
e)前記イオン伝導性メンブランと、電気触媒層と、ガス拡散基材と、およびフィルム部材とを積層し、接着剤層が、前記第一電気触媒層を通して含浸され、前記第一ガス拡散基材中に含浸されるものである、請求項1〜6の何れか一項に記載のメンブラン電極アセンブリーの製造方法。 - f)第一表面および第二表面を有し、前記第一表面が縁部区域および中央区域を有する第二電気触媒層を用意し、前記第二電気触媒層を、前記第二電気触媒層の前記第一表面が前記メンブランの前記第二表面に面するように配置する工程と、
g)第二フィルム部材上に存在する一以上の接着剤層を有する第二フィルム部材を用意し、前記第二フィルム部材が、前記メンブランの前記第二表面と前記電気触媒層の前記第一表面との間に挿入され、前記第二フィルム部材が、前記第二電気触媒層の前記第一表面の、前記中央区域ではなく、前記縁部区域と接触するように、前記第二フィルム部材を配置する工程と、及び
h)第一表面および第二表面を有する第二電子伝導性多孔質ガス拡散基材を用意し、
前記第二基材の前記第一表面が前記第二電気触媒層の前記第二表面に面するように、前記第二ガス拡散基材を配置する工程をさらに含んでなる、請求項10に記載のメンブラン電極アセンブリーの製造方法。
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