JP6043436B2 - 燃料電池用膜電極アセンブリの製造プロセス - Google Patents
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Description
本開示の内容は、主に燃料電池に関する。より詳細には、本開示の内容は、燃料電池用膜電極アセンブリの製造プロセスに関する。
燃料電池は発電に有用である。燃料電池の構成要素は水素や酸素などの反応物の間の電気化学反応を促進する。燃料電池は、このような電気化学反応が起こる膜電極アセンブリを典型的に含む。膜電極アセンブリは、典型的にアノード電極とカソード電極との間に膜を含む。
膜に触媒溶液を塗布することで形成される膜電極アセンブリを含む燃料電池もある。塗布される触媒材料の層は、膜の両側に電極を形成する。しかし、この方法は、所望の性能特性を有する膜電極アセンブリを経済的に得ることを妨げる種々の課題を有する。
触媒インクを処理する例示的な方法は、触媒インクを超音波処理することを含む。また、この例示的な方法は、触媒インクを高剪断混合することを含む。
膜電極アセンブリを製造する他の例示的な方法は、触媒インクを超音波処理することを含む。また、この例示的な方法は、触媒インクを高剪断混合することを含む。超音波処理および高剪断混合の後で、触媒インクは膜に触媒層を形成するように膜上に塗布される。
開示された例示的な実施例の種々の特徴および利点は、以下の詳細な説明によって当業者に明らかとなる。詳細な説明に伴う図面は、以下に簡単に説明される。
膜電極アセンブリは、膜と、膜の少なくとも一方の面に設けられる少なくとも１つの電極層と、を含む。電極層は、膜上に触媒インクを塗布（ｄｅｐｏｓｉｔ）することによって形成される。触媒インクは、結果として得られるアセンブリが広範囲の動作条件で有用な性能特性を提供し、比較的低い貴金属使用量でこれを達するように処理される。
図１は、例示的な方法の概要を示すフローチャート２０である。この例は、２２で触媒インクを超音波処理することを含む。触媒インクの例は、触媒相、アイオノマー相および緩衝液もしくは溶媒を含む。触媒インクの超音波処理は、凝集粒子の大きさを所望の範囲まで粉砕することで粒子の大きさを減少させる。一例は、凝集粒子の大きさが１ミクロン未満になるまで超音波処理を行うことを含む。
２４で高剪断混合が使用される。高剪断混合により、触媒粒子上に所望の量のアイオノマーコーティングが形成される。これにより、触媒インクは、種々の用途に使用できる状態となる。
図１の例は、２６で電極層を形成するように処理された触媒インクが基体に塗布される任意のステップを含む。
図２は、図１のフローチャートに概要が示されたプロセスを実行する装置を概略的に示す。この例では、超音波処理は、触媒インク３２を含む小瓶３０を超音波槽３４内に配置することによって行われる。この例では、超音波槽３４は、水などの液体３６で満たされる。３８として概略的に示す超音波振動が、小瓶３０内で触媒インク３２を超音波処理すなわち超音波混合するために使用される。一例は、１時間未満から５時間までの時間にわたって触媒インクを超音波処理することを含む。これにより、触媒粒子の大きさが所望の範囲の大きさまで粉砕される。
図２の例では、高剪断混合は、同心のシリンダ４２，４４を備える高剪断混合装置４０によって行われる。４６として概略的に示すシリンダの間の相対的な回転によって、混合時に高い剪断力が与えられる。高剪断混合は、触媒インク内の触媒粒子にアイオノマーを行き渡らせる。例によっては、必要な高剪断混合は数分間のみである。他の例は、１０分未満の高剪断混合を含む。
図２は、処理された触媒インクの任意のまたは可能な使用形態を含む。この例は、２６において、燃料電池構成要素などの製品を製造するための塗布技術を含む。噴霧器５０などの塗布装置が、基体５６上に層５４を形成するように５２として概略的に示した触媒インクを塗布する。一例では、基体５６は燃料電池用膜電極アセンブリとして有用なポリテトラフルオロエチレン製の膜、ガス拡散層およびデカルである。
説明したプロセスの超音波処理部分は、高剪断混合の前に行われる。液体の超音波処理の前に高剪断混合を行うこともできる。超音波処理を最初に行う場合には、高剪断混合時に起こるアイオノマーコーティングの前に粒子の大きさが粉砕される。触媒インクの超音波処理と高剪断混合との組み合わせにより、所望の特性を有する触媒インクが得られる。例えば、開示された技術により、優れた機能の膜電極アセンブリを製造するのに有用でかつ製造プロセスに関連する経済性を改善する触媒インクが得られる。
本発明は、超音波処理だけでは結果として触媒粒子をアイオノマーで充分に被覆することができないという発見を含む。充分な被覆は、良好な触媒効率のために必要である。超音波処理と高剪断混合との組み合わせにより、アイオノマーによって充分に被覆することが可能となる。超音波処理は、粒子を小さくし、高剪断混合は良好なアイオノマー分散を提供する。この組合せによって、触媒効率が予想以上に改善される。例えば、本発明の実施例によって作成された膜電極アセンブリは、他のプロセスで作成されたアセンブリに比べて小電流における触媒効率がより良好である。また、イオンの移動が中位の電流および大電流の動作条件で改善される。加えて、比較的薄いアイオノマーフィルム（比較的良好な限界電流）を有することにより、移動が改善される。
説明した実施例の１つの特徴は、超音波処理により、第１に触媒インク内で最大の粒子表面積が形成されることである。超音波処理に続く高剪断混合により、この表面積にわたるアイオノマーの被覆範囲が改善される。加えて、超音波処理の後で行われる高剪断混合は、粒子の再凝集を引き起こさない。換言すると、説明した例に従って超音波処理に続いて高剪断混合を行うことで、超音波処理で得られた粒子の大きさを超えて粒子の大きさが増加することはない。
開示された例の技術により、活性触媒でより少量の貴金属を使用することが可能となる。開示された技術は、比較的少量の白金などの貴金属でも性能特性が低くなるのを防ぐという予想外の利点を提供する。
開示された例示的技術は、従来のボールミリング法で生じうる触媒の損傷を防ぐ。開示された例示的な技術は、コアシェルベースの触媒や非常に小さい白金粒子を含む混合物などの損傷を受けやすい構造とともに使用するのに適している。また、開示された技術は、ローラミリングを含む低エネルギ法よりも時間がかからないので製造の経済性を提供する一方で、遊星型ボールミリングなどの他の比較的時間がかからない方法よりも強度が低い。触媒を損傷しない比較的時間がかからない方法により、製造の経済性が向上する。
上述の説明は、例示的なものであり、限定的なものではない。開示された実施例の当業者に明らかな変形および改良は、本発明の本質から必ずしも逸脱するものではない。本発明に与えられる法的保護の範囲は、以下の請求項の検討によってのみ判断することができる。
Claims (8)
- 触媒インクを超音波処理し、
前記触媒インクを高剪断混合装置によって混合するステップをそれぞれ含み、前記超音波処理は、前記高剪断混合装置による混合の前に行われ、
前記触媒インクは、触媒粒子、アイオノマーおよび緩衝液を含み、
前記高剪断混合装置は、混合時に相対的に回転して前記触媒インクに高い剪断力を与える同心のシリンダを備える、ことを特徴とする触媒インクの処理方法。 - 触媒粒子の大きさが１ミクロンとなるように前記超音波処理を行うことを含むことを特徴とする請求項１に記載の触媒インクの処理方法。
- １時間未満の時間にわたって前記超音波処理を行うことを含むことを特徴とする請求項１に記載の触媒インクの処理方法。
- ５時間未満の時間にわたって前記超音波処理を行うことを含むことを特徴とする請求項１に記載の触媒インクの処理方法。
- １０分未満の時間にわたって前記高剪断混合装置によって混合することを含むことを特徴とする請求項１に記載の触媒インクの処理方法。
- 前記触媒インクを基体上に塗布することを特徴とする請求項１に記載の触媒インクの処理方法。
- 塗布された前記触媒インクと前記基体は、燃料電池構成要素を構成することを特徴とする請求項６に記載の触媒インクの処理方法。
- 前記燃料電池構成要素は、膜電極アセンブリであることを特徴とする請求項７に記載の触媒インクの処理方法。
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