JP5724164B2 - 燃料電池の膜−電極接合体、電極製造用転写シート及びこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
項1.発泡層/カーボン層/触媒層/イオン伝導性固体高分子電解質膜/触媒層/カーボン層/発泡層で構成される燃料電池用の膜−電極接合体であって、前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有しており、前記発泡層は導電性繊維を更に含有している、膜−電極接合体。
項2.発泡層/カーボン層/触媒層/イオン伝導性固体高分子電解質膜/触媒層/カーボン層/発泡層で構成される燃料電池用の膜−電極接合体であって、前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有しており、前記カーボン層は、導電性炭素粒子及びフッ素系樹脂を含有している、膜−電極接合体。
項3.前記導電性繊維は、導電性炭素繊維、金属繊維及び金属被覆合成繊維よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項1に記載の膜−電極接合体。
項4.前記カーボン層は導電性繊維を更に含有している、項2に記載の膜−電極接合体。
項5.前記導電性繊維は、導電性炭素繊維、金属繊維及び金属被覆合成繊維よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項4に記載の膜−電極接合体。
項6.項1〜5のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法であって、
(A)基材上に、離型層、発泡層、カーボン層及び触媒層が順次形成され、前記基材は、300℃における熱収縮率が0.5%以下の高分子フィルムであり、前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有している、燃料電池の電極製造用転写シートの触媒層面を、イオン伝導性固体高分子電解質膜の両面に触媒層が電解質膜を挟んで対面するように配置する工程、
(B)熱プレスにより、電極製造用転写シートとイオン伝導性固体高分子電解質膜とを接合する工程、
(C)電極製造用転写シートの基材を剥離する工程、
を備えた、膜−電極接合体の製造方法。
項7.項1〜5のいずれかに記載の膜−電極接合体を備えた燃料電池。
項8.基材上に、離型層、発泡層、カーボン層及び触媒層が順次形成された燃料電池の電極製造用転写シートであって、前記基材は、300℃における熱収縮率が0.5%以下の高分子フィルムであり、前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有している、電極製造用転写シート。
項9.基材上に、離型層、発泡層、及びカーボン層が順次形成された燃料電池の電極製造用転写シートであって、前記基材は、300℃における熱収縮率が0.5%以下の高分子フィルムであり、前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有している、電極製造用転写シート。
項10.前記発泡層は導電性繊維を更に含有している、項8又は9に記載の電極製造用転写シート。
項11.前記導電性繊維は、導電性炭素繊維、金属繊維及び金属被覆合成繊維よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項10に記載の電極製造用転写シート。
項12.前記カーボン層は、導電性炭素粒子及びフッ素系樹脂を含有している、項8〜11のいずれかに記載の電極製造用転写シート。
項13.前記カーボン層は導電性繊維を更に含有している、項12に記載の電極製造用転写シート。
項14.前記導電性繊維は、導電性炭素繊維、金属繊維及び金属被覆合成繊維よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項13に記載の電極製造用転写シート。
項15.項8、10〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層を形成する工程、
(3)カーボン層形成用ペースト組成物を発泡層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、発泡層上にカーボン層を形成する工程、並びに
(4)触媒層形成用ペースト組成物をカーボン層上に塗布し、乾燥することにより、カーボン層上に触媒層を形成する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。
項16.項9〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層を形成する工程、並びに
(3)カーボン層形成用ペースト組成物を発泡層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、発泡層上にカーボン層を形成する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。
項17.項8、10〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、更に該発泡層形成用ペースト組成物上にカーボン層形成用ペースト組成物を塗布する工程、
(3)塗布された発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層及びカーボン層を形成する工程、並びに
(4)触媒層形成用ペースト組成物をカーボン層上に塗布し、乾燥することにより、カーボン層上に触媒層を形成する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。
項18.項9〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、更に該発泡層形成用ペースト組成物上にカーボン層形成用ペースト組成物を塗布する工程、並びに
(3)塗布された発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を乾燥する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。
項19.項9〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、更に該発泡層形成用ペースト組成物上にカーボン層形成用ペースト組成物を塗布する工程、並びに
(3)塗布された発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層及びカーボン層を形成する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。
項20.項8〜14のいずれかに記載の電極製造用転写シートを使用して得られる膜−電極接合体。
項21.項20に記載の膜−電極接合体を備えた燃料電池。
本発明の燃料電池の電極製造用転写シートは、基材上に、離型層、発泡層、カーボン層及び触媒層が順次形成されている。
基材としては、300℃における熱収縮率が0.5%以下、好ましくは0.1〜0.3%の高分子フィルムが使用される。基材の熱収縮率が0.5%より大きい場合には、基材が変形するために、焼成時での撥水層の形成時に撥水層自体の構造が大きく変化し、発電性能に悪影響を及ぼす。
本発明の転写シートは、基材上に離型層が形成されている。離型層を形成させることにより、後述する触媒層、カーボン層及び発泡層を固体電解質膜上に容易に転写させることができる。
本発明において、発泡層及びカーボン層は、電池反応時に生成する水の排水性を高め、ガス拡散層の抵抗値を低減し、良好な電池特性を発揮するために設けられる。特に、発泡層は排水性の向上に寄与する。
導電性炭素粒子は、導電性を有しているものであれば限定的ではなく、公知又は市販のものを広く使用できる。例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等のカーボンブラック;黒鉛;活性炭等を1種又は2種以上で用いることができる。導電性炭素粒子を配合することにより発泡層及びカーボン層に優れた導電性を付与することができる。
本発明において熱硬化性樹脂は特に限定されず、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂、シリコーン樹脂等を適宜選択できる。これらの樹脂は耐熱性、機械的強度、柔軟性等を考慮して用途に応じて選択されるが、例えば、機械的強度及び耐熱性の観点ではフェノール樹脂が好ましい。
本発明で使用するフッ素系樹脂は、フッ素を含有し、重量平均分子量が10万〜1000万程度のポリマーであれば特に限定されない。フッ素系樹脂としては、公知又は市販のものを使用できる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、フッ化エチレンプロピレン樹脂(FEP)、パーフルオロアルコキシ樹脂(PFA)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(ETFE)等が挙げられる。これらのフッ素系樹脂は、1種又は2種以上を使用することができる。
導電性繊維としては、例えば、導電性炭素繊維、金属繊維、金属被覆合成繊維等が挙げられる。
本発明の転写シートは、基材上に離型層、発泡層及びカーボン層がこの順に形成され、更に該カーボン層の上に触媒層が形成されている。
本発明において、発泡層を形成するためのペースト組成物には、上記導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、気孔形成剤及びフッ素系樹脂が含まれている。
本発明において、発泡層形成用ペースト組成物に配合される気孔形成剤としては、加熱により発泡する加熱発泡剤及び昇華性を有する昇華性材料が好適に使用できる。
分散剤としては、例えば、水系分散剤等が好ましい。
本発明で用いる溶剤としては特に限定されず、公知または市販のものを広く使用することができる。例えば、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、3−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール等の炭素数1〜4程度の1価ないし3価のアルコール等が好適に挙げられる。これらの溶媒は1種単独または2種以上混合して使用できる。
本発明において、カーボン層を形成するためのペースト組成物には、上記導電性炭素粒子及びフッ素系樹脂が含まれていることが好ましい。
<離型層の形成>
本発明の転写シートは、基材上に離型層が形成されているものである。
本発明の転写シートは、基材上に形成された離型層上に発泡層が形成されている。発泡層は、発泡層形成用ペースト組成物を、基材上の離型層表面に塗工し、次いで乾燥及び焼成を行う工程を経ることにより得られる。これにより発泡層に高い撥水性を発現させることができ、生成水による細孔の閉塞を防ぐことができる。
1.発泡層を塗布・乾燥した後に焼成発泡し、その後、カーボン層を塗布して焼成する
2.発泡層を塗布・乾燥した上にカーボン層を塗布・乾燥し、その後焼成する
のいずれの順序で行ってもよい。
上記の方法で、基材上に離型層、発泡層及びカーボン層を形成した後、公知の触媒層形成用のペースト組成物を、カーボン層表面に塗工し、次いで乾燥工程を経ることにより、溶剤を除去し、触媒層を形成することができる。
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層を形成する工程、
(3)カーボン層形成用ペースト組成物を発泡層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、発泡層上にカーボン層を形成する工程、並びに
(4)触媒層形成用ペースト組成物をカーボン層上に塗布し、乾燥することにより、カーボン層上に触媒層を形成する工程
により本発明の電極製造用転写シートを製造でき、2.の方法を採用する場合には、例えば、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、更に該発泡層形成用ペースト組成物上にカーボン層形成用ペースト組成物を塗布する工程、
(3)塗布された発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層及びカーボン層を形成する工程、並びに
(4)触媒層形成用ペースト組成物をカーボン層上に塗布し、乾燥することにより、カーボン層上に触媒層を形成する工程
により本発明の電極製造用転写シートを製造できる。
本発明の膜−電極接合体は、発泡層/カーボン層/触媒層/イオン伝導性固体高分子電解質膜/触媒層/カーボン層/発泡層で構成される燃料電池用の膜−電極接合体であって、前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有するものである。この本発明の膜−電極接合体は、固体高分子電解質膜の片面又は両面に、本発明の転写シートを、触媒層と電解質膜とが対向するように配置し、電解質膜に触媒層、カーボン層及び発泡層を転写することにより得られるものである。
電解質膜は、公知又は市販のものを使用することができるが、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することによっても製造することができる。水素イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のC−H結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー(PFS系ポリマー)等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Nafion」(登録商標)、旭硝子(株)製の「Flemion」(登録商標)、旭化成(株)製の「Aciplex」(登録商標)、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」(登録商標)等が挙げられる。
本発明の膜−電極接合体は、二枚の転写シートを用い、これら転写シートの触媒層を固体高分子電解質膜を挟んで触媒層面が対面するように配置し、ホットプレス等の熱プレス処理をすることにより、製造することができる。なお、この熱プレス処理には、各種のプレス機を用いることができる。
本発明の膜−電極接合体に公知又は市販のセパレータを設けることにより、本発明の膜−電極接合体を具備する、固体高分子形燃料電池を得ることができる。
導電性炭素粒子:ファーネスブラック(バルカンxc72R:キャボット社製)、重量平均分子量1000〜3000
導電性炭素繊維:VGCF(登録商標)(標準品)(昭和電工(株)製)、平均繊維径150nm、平均繊維長10〜20μm、平均アスペクト比10〜500
金属繊維:ステンレススチールファイバー(X−SMF530AE−EP、JFEテクノリサーチ(株)製)、平均繊維径10〜15μm、平均繊維長50〜500μm、平均アスペクト比3.3〜50、アスペクト比30以下のものの割合は全体の80重量%、嵩密度0.95〜1.15g/cm3
非ポリマー系フッ素材料:フッ化ピッチ(オグソール FP−S:大阪ガス(株)製)、重量平均分子量3000程度、平均粒子径1.2〜30μm程度
フッ素系樹脂:ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)(ルブロンLDW−410:固形分40重量%:ダイキン工業(株)製)
分散剤:ポリオキシエチレンアルキレンアルキルエーテル(エマルゲンMS110:花王(株)製)
熱硬化性樹脂:PR50781(登録商標)(住友ベークライト(株)製)
加熱発泡剤:セルマイク−C2(登録商標)(三協化成(株)製)、分解温度:204℃、発生ガス量:270ml/g、平均粒子径3〜5μm)
発泡助剤:セルトンNP(三協化成(株)製)
昇華性材料:ナフタレン(C10H8)(キシダ化学(株)製、分子量128)
白金触媒担持炭素粒子:(TEC10E50E:田中貴金属工業(株)製)
イオン伝導性高分子電解質膜溶液:Nafion5wt%溶液(DE−520CS:デュポン社製)
まず、離型層付きポリイミドフィルムを、以下のように作製した。
成膜圧力:3.0×10−2mBar
導入ガス:ヘキサメチルジシロキサン:アルゴン:酸素=0.9:0.9:3.0(単位:slm)
印加電力:AC40kHz、8kW
搬送速度:40m/分
真空チャンバー内の真空度:1.5〜4.5×10−6Torr
蒸着チャンバー内の真空度:1.5〜3.75×10−6Torr
発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を塗工する際、発泡層形成用ペースト組成物の塗工量を40g/m2とし、カーボン層形成用ペースト組成物の塗工量を10g/m2としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の転写シートを作製した。このときの膜厚は、発泡層が200μm、カーボン層が10μmであった。
発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を塗工する際、発泡層形成用ペースト組成物の塗工量を10g/m2とし、カーボン層形成用ペースト組成物の塗工量を50g/m2としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の転写シートを作製した。このときの膜厚は、発泡層が50μm、カーボン層が51μmであった。
発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を塗工する際、発泡層形成用ペースト組成物の塗工量を10g/m2とし、カーボン層形成用ペースト組成物の塗工量を10g/m2としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例4の転写シートを作製した。このときの膜厚は、発泡層が51μm、カーボン層が10μmであった。
発泡層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維を添加しない以外は、実施例1と同様にして実施例5の転写シート(発泡層には導電性炭素繊維を含まないが、カーボン層には導電性炭素繊維を含む。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
カーボン層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維を添加しない以外は、実施例1と同様にして実施例6の転写シート(発泡層には導電性炭素繊維を含むがカーボン層には導電性炭素繊維を含まない。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
発泡層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維及び、カーボン層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維を添加しない以外は、実施例1と同様にして実施例7の転写シート(発泡層及びカーボン層には導電性炭素繊維を含まない。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
発泡層形成用ペースト組成物に含まれる加熱発泡剤4重量部、発泡助剤1重量部の代わりに、昇華性材料4重量部を用いた以外は、実施例1と同様にして実施例8の転写シートを作成した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
発泡層形成用ペースト組成物に加熱発泡剤4重量部、発泡助剤1重量部の代わりに、昇華性材料4重量部を用い、さらに、発泡層形成用ペーストに含まれる導電性炭素繊維を添加しない以外は、実施例1と同様にして実施例9の転写シート(発泡層には導電性炭素繊維を含まないが、カーボン層には導電性炭素繊維を含む。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
発泡層形成用ペースト組成物に加熱発泡剤4重量部、発泡助剤1重量部の代わりに、昇華性材料4重量部を用い、さらに、カーボン層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維を添加しない以外は、実施例1と同様にして実施例10の転写シート(発泡層には導電性炭素繊維を含むがカーボン層には導電性炭素繊維を含まない。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
発泡層形成用ペースト組成物に加熱発泡剤4重量部、発泡助剤1重量部の代わりに、昇華性材料4重量部を用い、さらに、発泡層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維及び、カーボン層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維を添加しない以外は、実施例1と同様にして実施例11の転写シート(発泡層及びカーボン層には導電性炭素繊維を含まない。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
導電性炭素粒子20重量部、導電性炭素繊維35重量部、金属繊維10重量部、PTFE100重量部、分散剤25重量部、加熱発泡剤4重量部、発泡助剤1重量部、熱硬化性樹脂6重量部及び水485重量部をプラネタリーミキサーにて60分攪拌し、発泡層形成用ペースト組成物を調製した。
実施例12の発泡層形成用ペースト組成物に含まれる加熱発泡剤4重量部、発泡助剤1重量部の代わりに昇華性材料4重量部とする以外は実施例12と同様にして発泡層形成用ペースト組成物を調製した。ポリイミドフィルム(カプトンHタイプ:東レ・デュポン(株)製、熱収縮率:300℃で0.1〜0.3%、膜厚:25μm)上に、アプリケーターにより、発泡層形成用ペースト組成物の塗工量が20g/m2となるように塗布し、更に発泡層形成用ペースト組成物上に実施例12で調製したカーボン層形成用ペースト組成物を塗工量が50g/m2となるように塗布した。
実施例12のカーボン層形成用ペースト組成物に含まれる金属繊維を添加しない以外は、実施例12と同様にして実施例14の転写シート(発泡層には金属繊維を含むがカーボン層には金属繊維を含まない。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
実施例12の発泡層形成用ペースト組成物に含まれる金属繊維を添加しない以外は、実施例12と同様にして実施例15の転写シート(発泡層には金属繊維を含まないが、カーボン層には金属繊維を含む。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
実施例12の発泡層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維及び、カーボン層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維及び金属繊維を添加しない以外は、実施例12と同様にして実施例16の転写シート(発泡層及びカーボン層には導電性炭素繊維を含まない。発泡層には金属繊維を含む。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
実施例12の発泡層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維及び金属繊維、カーボン層形成用ペースト組成物に含まれる導電性炭素繊維を添加しない以外は、実施例12と同様にして実施例17の転写シート(発泡層及びカーボン層には導電性炭素繊維を含まない。カーボン層には金属繊維を含む。)を作製した。この時の膜厚は発泡層が200μm、カーボン層が50μmであった。
ガス拡散基材として市販品のカーボンペーパ(TGP−H−030、東レ社製、110μm)を用い、実施例1で作製した触媒層形成用ペースト組成物を、カーボンペーパ上に塗工(塗工量:固形分換算で12〜15g/m2)し、95℃で乾燥し、比較例1の電極を形成した。
ガス拡散基材として市販品の撥水処理済カーボンペーパ(TGP−H−030、東レ社製、110μm)を用いた。予め、導電性炭素粒子20重量部及びPTFEディスパージョン((商品名L170J、旭硝子社製)35重量部をホモジナイザで60分攪拌してカーボン層形成用ペーストAを調製した。
ガス拡散基材として市販品の撥水処理済カーボンペーパ(TGP−H−030、東レ社製、110μm)を用いた。予め、導電性炭素粒子20重量部及びPTFEディスパージョン(商品名L170J、旭硝子社製)35重量部をホモジナイザで60分攪拌してカーボン層形成用ペーストAを調製した。
<膜−電極接合体の作製>
実施例1〜17の転写シートをプロトン伝導性電解質膜(デュポン社製「NRS−212CS」)の両面に、それぞれ電解質膜と触媒層とが対向するように配置し、6MPa、150℃の条件で120秒ホットプレスすることで一体化を行った。基材(ポリイミドフィルム)を剥離層と共に剥がすことにより、実施例1〜17の膜−電極接合体を作製した。
上記で作製した実施例1〜17及び比較例1〜3の膜−電極接合体を燃料電池セルに組み込むことにより、実施例1〜17及び比較例1〜3の固体高分子形燃料電池を製造した。
上記の膜−電極接合体を使用しての電池性能評価を、以下の条件により行った。
加湿温度:カソード65℃、アノード65℃
ガス利用率:カソード40%、アノード70%
Claims (21)
- 発泡層/カーボン層/触媒層/イオン伝導性固体高分子電解質膜/触媒層/カーボン層/発泡層で構成される燃料電池用の膜−電極接合体であって、
前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有しており、
前記発泡層は導電性繊維を更に含有している、
膜−電極接合体。 - 発泡層/カーボン層/触媒層/イオン伝導性固体高分子電解質膜/触媒層/カーボン層/発泡層で構成される燃料電池用の膜−電極接合体であって、
前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有しており、
前記カーボン層は、導電性炭素粒子及びフッ素系樹脂を含有している、
膜−電極接合体。 - 前記導電性繊維は、導電性炭素繊維、金属繊維及び金属被覆合成繊維よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1に記載の膜−電極接合体。
- 前記カーボン層は導電性繊維を更に含有している、請求項2に記載の膜−電極接合体。
- 前記導電性繊維は、導電性炭素繊維、金属繊維及び金属被覆合成繊維よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項4に記載の膜−電極接合体。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法であって、
(A)基材上に、離型層、発泡層、カーボン層及び触媒層が順次形成され、前記基材は、300℃における熱収縮率が0.5%以下の高分子フィルムであり、前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有している、燃料電池の電極製造用転写シートの触媒層面を、イオン伝導性固体高分子電解質膜の両面に触媒層が電解質膜を挟んで対面するように配置する工程、
(B)熱プレスにより、電極製造用転写シートとイオン伝導性固体高分子電解質膜とを接合する工程、
(C)電極製造用転写シートの基材を剥離する工程、
を備えた、膜−電極接合体の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の膜−電極接合体を備えた燃料電池。
- 基材上に、離型層、発泡層、カーボン層及び触媒層が順次形成された燃料電池の電極製造用転写シートであって、
前記基材は、300℃における熱収縮率が0.5%以下の高分子フィルムであり、
前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有している、
電極製造用転写シート。 - 基材上に、離型層、発泡層、及びカーボン層が順次形成された燃料電池の電極製造用転写シートであって、
前記基材は、300℃における熱収縮率が0.5%以下の高分子フィルムであり、
前記発泡層は、導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂及びフッ素系樹脂を含有している、
電極製造用転写シート。 - 前記発泡層は導電性繊維を更に含有している、請求項8又は9に記載の電極製造用転写シート。
- 前記導電性繊維は、導電性炭素繊維、金属繊維及び金属被覆合成繊維よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項10に記載の電極製造用転写シート。
- 前記カーボン層は、導電性炭素粒子及びフッ素系樹脂を含有している、請求項8〜11のいずれかに記載の電極製造用転写シート。
- 前記カーボン層は導電性繊維を更に含有している、請求項12に記載の電極製造用転写シート。
- 前記導電性繊維は、導電性炭素繊維、金属繊維及び金属被覆合成繊維よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項13に記載の電極製造用転写シート。
- 請求項8、10〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層を形成する工程、
(3)カーボン層形成用ペースト組成物を発泡層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、発泡層上にカーボン層を形成する工程、並びに
(4)触媒層形成用ペースト組成物をカーボン層上に塗布し、乾燥することにより、カーボン層上に触媒層を形成する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。 - 請求項9〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層を形成する工程、並びに
(3)カーボン層形成用ペースト組成物を発泡層上に塗布し、乾燥し、焼成することにより、発泡層上にカーボン層を形成する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。 - 請求項8、10〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、更に該発泡層形成用ペースト組成物上にカーボン層形成用ペースト組成物を塗布する工程、
(3)塗布された発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層及びカーボン層を形成する工程、並びに
(4)触媒層形成用ペースト組成物をカーボン層上に塗布し、乾燥することにより、カーボン層上に触媒層を形成する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。 - 請求項9〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、更に該発泡層形成用ペースト組成物上にカーボン層形成用ペースト組成物を塗布する工程、並びに
(3)塗布された発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を乾燥する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。 - 請求項9〜14のいずれかに記載の燃料電池用電極製造用転写シートの製造方法であって、
(1)基材上に離型層を形成する工程、
(2)導電性炭素粒子、熱硬化性樹脂、フッ素系樹脂、気孔形成剤及び溶剤を含有する発泡層形成用ペースト組成物を離型層上に塗布し、更に該発泡層形成用ペースト組成物上にカーボン層形成用ペースト組成物を塗布する工程、並びに
(3)塗布された発泡層形成用ペースト組成物及びカーボン層形成用ペースト組成物を乾燥し、焼成することにより、離型層上に発泡層及びカーボン層を形成する工程
を備えた、燃料電池の電極製造用転写シートの製造方法。 - 請求項8〜14のいずれかに記載の電極製造用転写シートを使用して得られる膜−電極接合体。
- 請求項20に記載の膜−電極接合体を備えた燃料電池。
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