JP6620467B2 - 固体高分子形燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を、電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレーター板と、電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレーター板とで挟持した電池である。
電極触媒層に対しては、燃料電池の出力密度を向上させるため、ガス拡散性を高める取り組みがなされてきた。電極触媒層中の細孔は、セパレーター板のガス拡散層に通じ、複数の物質を輸送する通路の役割を果たす。燃料極では、酸化還元の反応場である三相界面に、燃料ガスを円滑に供給するだけでなく、生成したプロトンを高分子電解質膜内で円滑に伝導させるための水を供給する機能を果たす。空気極では、酸化剤ガスの供給と共に、電極反応で生成した水を円滑に除去する機能を果たす。
固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化(コスト削減)である。
低コスト化の手段の一つに、加湿器の削減が挙げられる。膜電極接合体の中心に位置する高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸膜や炭化水素系膜が広く用いられているが、優れたプロトン伝導性を得るためには飽和水蒸気圧雰囲気に近い水分管理が必要とされており、現在、加湿器によって外部から水分供給を行っている。そこで、低消費電力やシステムの簡略化のために、加湿器を必要としないような、低加湿条件下であっても、十分なプロトン伝導性を示す高分子電解質膜の開発が進められている。
例えば、特許文献5には、導電性炭素質粉末とポリテトラフルオロエチレンから構成された湿度調整フィルムが湿度調節機能を発揮して、ドライアップを防止する方法が記載されている。
特許文献7には、反応ガスの拡散性が高く、電極反応で生成した水の排水性と保水性が両立し、低加湿条件下でも高い発電特性を示す電極触媒層を備える膜電極接合体及びその膜電極接合体の製造方法が記載されている。
特許文献7に記載された膜電極接合体は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体であって、少なくとも一方の電極触媒層は、第1の電極触媒部と、高分子電解質膜の面内で第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部と、の少なくとも2つに分割されている。第1の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積と、前記第2の電極触媒部の直径1.0μm以下の細孔容積との差が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下になっている。
第1工程は、触媒を担持した粒子と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを塗布して、乾燥させることにより、第1の電極触媒部を形成する工程である。第2工程は、触媒を担持した粒子と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを塗布して、触媒インクを乾燥させることにより、第2の電極触媒部を形成する工程である。
第3工程は、高分子電解質膜の少なくとも一方の面に、第1工程で得られた第1の電極触媒部及び第2工程で得られた第2の電極触媒部を、高分子電解質膜に接合する工程である。接合方法としてはホットプレス法が例示されている。
また、第1の工程における触媒インクの塗工速度を、第2の工程における触媒インクの塗工速度よりも大きくすることで、ガス入口側に配置される第1の電極触媒部の細孔容積を、ガス出口側に配置される第2の電極触媒部の細孔容積よりも小さくすることが記載されている。
この発明の課題は、反応ガスの拡散性が高く、電極反応で生成した水の排水性と保水性が両立し、低加湿条件下でも高い発電特性を示す電極触媒層を備える膜電極接合体が、効率良く経済的に容易に得られる方法を提供することである。
(1) 高分子電解質膜の互いに反対側となる一面および他面に電極触媒層を有する膜電極接合体の製造方法である。
(2) 基材上に形成された第1の電極触媒層を、前記一面の一部に、前記第1の電極触媒層に圧力を付与して接合する工程と、基材上に形成された第2の電極触媒層を、前記一面の前記一部とは異なる部分に、前記第2の電極触媒層に圧力を付与して接合する工程と、を有する。
(3) 前記第2の電極触媒層を接合する工程は、前記第1の電極触媒層を接合する工程よりも低い圧力で行う。
(a) 高分子電解質膜の互いに反対側となる一面および他面に電極触媒層を有する膜電極接合体の製造方法である。
(b) 基材上に形成された第1の電極触媒層を、前記一面の一部に、前記第1の電極触媒層を加熱して接合する工程と、基材上に形成された第2の電極触媒層を、前記一面の前記一部とは異なる部分に、前記第2の電極触媒層を加熱して接合する工程と、を有する。
(c) 前記第2の電極触媒層を接合する工程は、前記第1の電極触媒層を接合する工程よりも低い温度で行う。
第一態様の膜電極接合体の製造方法は、上記構成(1) 〜(3) を有することにより以下の作用効果が得られる。
第2の電極触媒層を接合する工程を、第1の電極触媒層を接合する工程よりも低い圧力で行うことより、製造された膜電極接合体の一面側の電極触媒層は、第1の電極触媒層の細孔容積が第2の電極触媒層の細孔容積よりも小さくなる。つまり、第1の電極触媒層が第2電極触媒層よりも密な構造となる。
また、電極触媒層を基材上に形成する際の触媒インクの塗工速度を変えることにより、細孔容積が異なる第1の電極触媒層および第2の電極触媒層を形成した後に、これらの電極触媒層を高分子電解質膜の一面に接合する方法と比較して、第一態様の方法は、細孔容積が異なる第1の電極触媒層および第2の電極触媒層が一面に形成された膜電極接合体を効率良く経済的に容易に得ることができる。
(4) 基材上に形成された第3の電極触媒層を、前記他面に前記第3の電極触媒層に圧力を付与して接合する工程を有し、前記第3の電極触媒層を接合する工程は、前記第1の電極触媒層および前記第2の電極触媒層を接合する工程を行った後に、前記第2の電極触媒層を接合する工程よりも低い圧力で行う。
第一態様の方法は下記の構成(5) を有することが好ましい。
(5) 前記第1の電極触媒層を接合する工程で前記第1の電極触媒層に付与する圧力(P1)に対する、前記第2の電極触媒層を接合する工程で前記第2の電極触媒層に付与する圧力(P2)の比(P2/P1)は0.2以上0.8以下である。
(6) 前記一面に接合した後の前記第1の電極触媒層が有する直径1.0μm以下の細孔容積と、前記一面に接合した後の前記第2の電極触媒層が有する直径1.0μm以下の細孔容積との差を、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下とする。
第二態様の膜電極接合体の製造方法は、上記構成(a) 〜(c) を有することにより以下の作用効果が得られる。
第2の電極触媒層を接合する工程を、第1の電極触媒層を接合する工程よりも低い温度で行うことより、製造された膜電極接合体の一面側の電極触媒層は、第1の電極触媒層の細孔容積が第2の電極触媒層の細孔容積よりも小さくなる。つまり、第1の電極触媒層が第2電極触媒層よりも密な構造となる。
よって、この方法で製造された膜電極接合体を固体高分子形燃料電池に用い、第1の電極触媒層をガス入口側に配置し、第2の電極触媒層をガス出口側に配置することで、ガス入口側の電極触媒部で保水性が高く、ガス出口側の電極触媒部で排水性が高くなるため、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件での保水性が両立できる。
第二態様の方法は下記の構成(d) を有することができる。
(d) 基材上に形成された第3の電極触媒層を、前記他面に前記第3の電極触媒層を加熱して接合する工程を有する。前記第3の電極触媒層を接合する工程は、前記第1の電極触媒層および前記第2の電極触媒層を接合する工程を行った後に、前記第2の電極触媒層を接合する工程よりも低い温度で行う。
(e) 前記第1の電極触媒層を接合する工程で前記第1の電極触媒層に付与する温度(T1)と、前記第2の電極触媒層を接合する工程で前記第2の電極触媒層に付与する温度(T2)との差(T2−T1)は2℃以上20℃以下である。
第二態様の方法は下記の構成(f) を有することが好ましい。
(f) 前記一面に接合した後の前記第1の電極触媒層が有する直径1.0μm以下の細孔容積と、前記一面に接合した後の前記第2の電極触媒層が有する直径1.0μm以下の細孔容積との差を、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下とする。
以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下に記載の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
先ず、実施形態の方法で製造された膜電極接合体11について説明する。
図1は、膜電極接合体11を示す分解模式図である。図1に示すように、膜電極接合体11は、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を、高分子電解質膜1の上下各面から狭持する、図中上側に示す電極触媒層2及び図中下側に示す電極触媒層3を備える。
また、膜電極接合体11において、2つの電極触媒層2、3は、触媒物質担持粒子と高分子電解質を備える。更に、膜電極接合体11の電極触媒層2は、高分子電解質膜1の平面方向に2分割されている。より詳細には、図中上側に示す電極触媒層2は、ガスの入口側に位置する第1の電極触媒部2aと、ガスの出口側に位置する第2の電極触媒部2bとを有する。
膜電極接合体11では、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2aを、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2bと比較して密な構造にすることによって、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部2aで保水性を高め、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部2bで水の除去を促進している。このように、膜電極接合体11は、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性を両立している。
水銀圧入法で求められる、細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積については、第2の電極触媒部2bの細孔容積の値と、第1の電極触媒部2aの細孔容積の値との差が0.1mL/g以上1.0mL/g以下であることが好ましい。
また、第2の電極触媒部2bの細孔容積の値と、第1の電極触媒部2aの細孔容積の値との差が1.0mL/gを超える場合にあっても、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性を両立することが困難となる場合がある。
なお、膜電極接合体11において、各電極触媒層3の分割数は2つに限定されるものではない。各電極触媒層2の分割数が3つ以上であっても良い。各電極触媒層2の分割数を3つ以上にする場合、3つ以上の電極触媒層2の水銀圧入法で求められる、細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積が、ガスの上流側からガスの下流側に、段階的に変化する。言い換えると、電極触媒層の分割数が3つ以上の膜電極接合体であっても、ガスの上流側の部分の細孔容積の値よりも、ガスの下流側の部分の細孔容積の値が大きくなるように変化させる。
次に、実施形態の方法で製造された固体高分子形燃料電池12について説明する。
図2は、固体高分子形燃料電池12の分解模式図である。固体高分子形燃料電池12は、膜電極接合体11の2つの電極触媒層2、3と対向するように配置される空気極側のガス拡散層4と、燃料極側のガス拡散層5とを備える。電極触媒層2とガス拡散層4とは、空気極(カソード)6を形成する。電極触媒層3とガス拡散層5とは、燃料極(アノード)7を形成する。
また、ガス流通用のガス流路8と、冷却水流通用の冷却水流路9とを備えた、導電性でかつ不透過性の材料よりなる一組のセパレーター10、10が、ガス拡散層4及び5の外側にそれぞれ配置される。燃料極7側のセパレーター10のガス流路8からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。
固体高分子形燃料電池12は、一組のセパレーター10、10に、高分子電解質膜1と、2つの電極触媒層2、3と、ガス拡散層4及び5とが狭持されている。固体高分子形燃料電池12は単セル構造の燃料電池であるが、セパレーター10を介して複数のセルを積層して固体高分子形燃料電池としても良い。
次に、膜電極接合体11の製造方法について説明する。
この実施形態では、膜電極接合体11を以下の第1工程〜第4工程を含む方法で製造する。
(第1工程)触媒を担持した粒子と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程。
(第2工程)触媒インクを塗布して、基材上に第1の電極触媒層と、第2の電極触媒層を形成する工程。
(第3工程)第1の電極触媒層を高分子電解質膜に接合して第1の電極触媒部を形成する工程。
(第4工程)第2の電極触媒層を高分子電解質膜に接合して第2の電極触媒部を形成する工程。
(第5工程)第3の電極触媒層を、第1の電極触媒部と第2の電極触媒部の他方の高分子電解質膜の面に接合して電極触媒層を形成する工程。
電極触媒部は、触媒を担持した粒子と高分子電解質を溶媒に分散させた触媒インクを基材上に塗布し塗膜を形成し、該塗膜中の溶媒を除去し、電解質膜に接合することにより形成される。このとき、接合の圧力を大きくした場合、圧力を小さくした場合と比較して、形成される電極触媒部の細孔容積を小さくすることができる。また、接合の圧力を小さくした場合、圧力を大きくした場合と比較して、形成される電極触媒部の細孔容積を大きくすることができる。
第1の電極触媒部を形成する際の接合の圧力と、第2の電極触媒部を形成する際の接合の圧力の比率は1:0.2以上1:0.8以下の範囲内であることが好ましい。第1の電極触媒部を形成する際の接合の圧力と、第2の電極触媒部を形成する際の接合の圧力の比率が1:0.2に満たない場合は、形成する第1の電極触媒部と第2の電極触媒部との細孔容積の差が大きくなり、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。
また、第1の電極触媒部、第2の電極触媒部をそれぞれ形成する工程において、第1の電極触媒部を形成する接合温度よりも、第2の電極触媒部を形成する接合温度を低くすることで、細孔容積の異なる電極触媒部を形成することができる。
このとき、接合の温度を高くした場合、接合の温度を低くした場合と比較して、形成される電極触媒部の細孔容積を小さくすることができる。また、接合の圧力を低くした場合、接合の圧力を高くした場合と比較して、形成される電極触媒部の細孔容積を大きくすることができる。
第1の電極触媒部を形成する際の接合の温度と、第2の電極触媒部を形成する際の接合の温度の差は2℃以上20℃以下の範囲内であることが好ましい。第1の電極触媒部を形成する際の接合の温度と、第2の電極触媒部を形成する際の接合の温度の差が2℃に満たない場合は、形成する第1の電極触媒部と第2の電極触媒部との細孔容積の差が少なくなり、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。
第1の電極触媒部における直径1.0μm以下の細孔容積の値と、第2の電極触媒部における直径1.0μm以下の細孔容積の値との差が、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下であることが好ましい。
第2の電極触媒部の細孔容積の値と、第1の電極触媒部の細孔容積の値との差が0.1mL/gに満たない場合は、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。また、細孔容積の差が1.0mL/gを超える場合であっても、電極反応で生成した水の排水性と低加湿条件下における保水性とを両立することが困難となる場合がある。
以下、膜電極接合体11及び固体高分子形燃料電池12について更に詳細に説明する。
高分子電解質膜1としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を用いることができる。フッ素系高分子電解質膜の例として、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)等を用いることができる。
また、炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。特に、高分子電解質膜1として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。
上述の触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜と同様の材料を用いることができ、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質の例として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料等を用いることができる。
また、炭化水素系高分子電解質としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質を用いることができる。特に、フッ素系高分子電解質として、デュポン社製Nafion(登録商標)系材料を好適に用いることができる。なお、電極触媒層と、高分子電解質膜との密着性を考慮すると、高分子電解質膜1と同一の材料を用いることが好ましい。
また、上記の触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、触媒の粒径は0.5〜20nmが好ましい。更に好ましくは、1〜5nmが良い。また、触媒粒子が、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムから選ばれた1種又は2種以上の金属である場合、電極反応性に優れ、電極反応を効率良く安定して行うことができる。
上記の触媒物質を担持する電子伝導性の粉末としては、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであれば限定されるものではないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを用いることができる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなる。
触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒物質担持粒子や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解又は微細ゲルとして分散できるものあれば特に限定されるものではない。しかしながら、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれていることが望ましい。
メタノール、エタノール、1−プロパノ―ル、2−プロパノ―ル、1−ブタノ−ル、2−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノ−ル等のアルコール類。
アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトン等のケトン系溶剤。
テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤。
ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等の極性溶剤等。
また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒として、低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高いため、低級アルコールを用いる場合は、水との混合溶媒にするのが好ましい。更に、高分子電解質となじみが良い水(親和性が高い水)が含まれていても良い。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限されるものではない。
触媒物質担持粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤等を挙げることができる。
アルキルエーテルカルボン酸塩、エーテルカルボン酸塩、アルカノイルザルコシン、アルカノイルグルタミン酸塩、アシルグルタメート、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩。
ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム等のカルボン酸型界面活性剤、ジアルキルスルホサクシネート、スルホコハク酸ジアルキル塩、1,2−ビス(アルコキシカルボニル)−1−エタンスルホン酸塩、アルキルスルホネート、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホネート、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホン酸塩、ナフタレンスルホネート−ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホネート、アルカノイルメチルタウリド。
アルキルサルフェート、アルキルエーテルサルフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート、アルキルポリエトキシ硫酸塩、ポリグリコールエーテルサルフェート、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、硫酸化油、高度硫酸化油等の硫酸エステル型界面活性剤、リン酸(モノ又はジ)アルキル塩、(モノ又はジ)アルキルホスフェート、(モノ又はジ)アルキルリン酸エステル塩、リン酸アルキルポリオキシエチレン塩。
ベンジルジメチル{2−[2−(P−1,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキシ)エトキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド。
ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル−2−牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン。
上記両性界面活性剤の例としては、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω−フルオロアルカノイル−N−エチルアミノ]−1−プロパンスルホン酸ナトリウム、N−[3−(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]−N,N−ジメチル−N−カルボキシメチレンアンモニウムベタイン等が挙げられる。
ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン。
触媒インク中の高分子電解質の量を多くすると細孔容積は一般に小さくなる。一方、触媒インク中のカーボン粒子の量を多くすると、細孔容積は大きくなる。また、分散剤を使用すると、細孔容積は小さくなる。
一方、固形分のうち、触媒物質担持粒子の含有量を少なくすると、同じ固形分含有量でも粘度は低くなる。したがって、固形分に占める触媒物質担持粒子の割合は10〜80質量%が好ましい。また、触媒インクの粘度は、0.1〜500cP(0.0001〜0.5Pa・s)程度が好ましく、更に好ましくは5〜100cP(0.005〜0.1Pa・s)が良い。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。
酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム等の酸可溶性無機塩類、アルミナ、シリカゲル、シリカゾル等のアルカリ水溶液に可溶性の無機塩類、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、鉄等の酸又はアルカリに可溶性の金属類、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、リン酸一ナトリウム等の水溶性無機塩類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール等の水溶性有機化合物類等が挙げられる。
触媒インクを基材上に塗布する、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法等を採用することができる。
電極触媒層の製造における基材としては、転写シートを用いることができる。
基材として用いられる転写シートとしては、転写性が良い材質であれば良く、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂を用いることができる。
また、基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜1に電極触媒層を接合した後に転写シートを剥離することで、高分子電解質膜1に電極触媒層のみが接合される。つまり、基材から高分子電解質膜1に電極触媒層が転写される。
セパレーターとしては、カーボンタイプあるいは金属タイプのもの等を用いることができる。なお、ガス拡散層とセパレーターは一体構造となっていても良い。また、セパレーターもしくは電極触媒層が、ガス拡散層の機能を果たす場合は、ガス拡散層は省略しても良い。固体高分子形燃料電池12は、ガス供給装置、冷却装置等、その他付随する装置を組み立てることにより製造することができる。
<実施例1>
〔触媒インクの調整〕
白金担持量が50質量%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液(商品名:Nafion(登録商標)、デュポン社製)とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。このとき、分散時間を30分間とし、触媒インクを調整した。調整した触媒インクの出発原料の組成比は、カーボン担体と高分子電解質は質量比で1:1とした。触媒インクの溶媒は、超純水と1−プロパノ−ルを体積比で1:1とした。また、固形分含有量は12質量%とした。
転写シートであるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを、基材として用いた。
〔基材上への電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレード法により、上記で調整した触媒インクを基材上に塗布し、大気雰囲気中70℃で乾燥させた。触媒インクの塗布量は、アノードとなる電極触媒層は白金担持量0.1mg/cm2 に、カソードとなる電極触媒層は白金担持量0.3mg/cm2 になるようにそれぞれ調整した。
アノードとなる電極触媒層が基材に形成されたアノードシートを5cm×5cmに打ち抜いて、一枚のアノード片を得た。また、カソードとなる電極触媒層が基材に形成されたカソードシートを5cm×2.5cmに打ち抜いて、二枚のカソード片を得た。
次に、高分子電解質膜(商品名:Nafion(登録商標)、デュポン社製)の一面のガス入口側となる部分に、カソード片の電極触媒層を接触させ、135℃、8.0×106 Paの条件でホットプレスを行った後、電極触媒層から基材を剥離した。これにより、高分子電解質膜の一面のガス入口側となる部分に、第1の電極触媒層が接合されて第1の電極触媒部が形成された。
次に、高分子電解質膜の他面に、アノード片の電極触媒層を接触させ、135℃、4.0×106 Paの条件でホットプレスを行った後、電極触媒層から基材を剥離した。これにより、高分子電解質膜を挟んで第1および第2の電極触媒部の反対側となる部分に、第3の電極触媒層が接合された。
なお、135℃、8.0×106 Paの条件で熱処理した第1の電極触媒部と、135℃、5.0×106 Paの条件で熱処理した第2の電極触媒部の細孔測定を、水銀ポロシメータで行った結果、円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積が、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部の値よりも、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部の値が大きく、その差は0.20mL/gであった。
〔触媒インクの調整〕
実施例1の触媒インクと同様に調整した。
〔基材〕
実施例1の基材と同様にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを用いた。
〔基材上への電極触媒層の形成方法〕
実施例1の電極触媒層と同様に、アノードとなる電極触媒層と、カソードとなる電極触媒層を形成した。
アノードとなる電極触媒層が基材に形成されたアノードシートを5cm×5cmに打ち抜いて、一枚のアノード片を得た。また、カソードとなる電極触媒層が基材に形成されたカソードシートを5cm×2.5cmに打ち抜いて、二枚のカソード片を得た。
次に、高分子電解質膜(商品名:Nafion(登録商標)、デュポン社製)の一面のガス入口側となる部分に、カソード片の電極触媒層を接触させ、145℃、5.0×106 Paの条件でホットプレスを行った後、電極触媒層から基材を剥離した。これにより、高分子電解質膜の一面のガス入口側となる部分に、第1の電極触媒層が接合されて第1の電極触媒部が形成された。
次に、高分子電解質膜の一面のガス出口側となる部分(第1の電極触媒部の隣)に、カソード片の電極触媒層を接触させ、135℃、5.0×106 Paの条件でホットプレスを行った後、電極触媒層から基材を剥離した。これにより、高分子電解質膜の一面のガス出口側となる部分に、第2の電極触媒層が接合されて第2の電極触媒部が形成された。
なお、145℃、5.0×106 Paの条件で熱処理した第1の電極触媒部と、135℃、5.0×106 Paの条件で熱処理した第2の電極触媒部の細孔測定を、水銀ポロシメータで行った結果、円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積が、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部の値よりも、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部の値が大きく、その差は0.19mL/gであった。
〔触媒インクの調整〕
実施例1および実施例2の触媒インクと同様に調整した。
〔基材〕
実施例1および実施例2の基材と同様にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートを用いた。
〔基材上への電極触媒層の形成方法〕
実施例1および実施例2の電極触媒層と同様に、アノードとなる電極触媒層と、カソードとなる電極触媒層を形成した。
〔膜電極接合体の作製〕
電極触媒部を形成した基材を25cm2 (5cm×5cm)の正方形に打ち抜き、高分子電解質膜の両面に対面するように電極触媒部を配置させ、135℃、5.0×106 Paの条件でホットプレスを行い、膜電極接合体を得た。すなわち、カソードにおけるガスの上流側と下流側の電極触媒層との間に細孔容積の違いを形成しなかった。
〔発電特性〕
実施例および比較例で作製した膜電極接合体を挟持するように、ガス拡散層として用いるカーボンペーパーを貼りあわせ、発電評価セル内に設置した。燃料電池測定装置を用いて、セル温度80℃とし、以下に示す2つの運転条件で電流電圧測定を行った。燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用い、利用率一定による流量制御を行った。なお、背圧は100kPaとした。
〔運転条件〕
1.フル加湿:アノード100%RH、カソード100%RH
2.低加湿:アノード30%RH、カソード30%RH
実施例1および実施例2で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体よりも、低加湿の運転条件下で優れた発電性能を示した。また、実施例1および実施例2で作製した膜電極接合体は、低加湿の運転条件下においても、フル加湿の運転条件下と同等レベルの発電性能であった。特に電流密度0.5A/cm2 付近の発電性能が向上し、比較例で作製した膜電極接合体と比べて、実施例1で作製した膜電極接合体は、電流密度0.5A/cm2 のセル電圧が68mV高く、実施例2で作製した膜電極接合体は、電流密度0.5A/cm2 のセル電圧が46mV高い発電特性を示した。
また、フル加湿の運転条件下では、比較例で作製した膜電極接合体と比べて、実施例1で作製した膜電極接合体は、電流密度0.5A/cm2 のセル電圧が41mV高く、実施例2で作製した膜電極接合体は、電流密度0.5A/cm2 のセル電圧が35mV高い発電特性を示した。実施例1および実施例2で作製した膜電極接合体と、比較例で作製した膜電極接合体との発電特性の結果から、反応ガスの拡散性、電極反応で生成した水の除去等を阻害していないことが確認された。
本実施形態は、低加湿条件下で高い発電特性を示す膜電極接合体とその製造方法及びその膜電極接合体を備えた固体高分子形燃料電池に関するものである。
本実施形態に係る膜電極接合体は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体である。ここで、一方の電極触媒層は、第1の電極触媒部と、高分子電解質膜の面内で、第1の電極触媒部に隣接する第2の電極触媒部との少なくとも2つに分割されている。
上記の膜電極接合体の製造方法は、触媒インクを調整する工程と、触媒インクを基材上に塗布して電極触媒層を形成する工程と、電極触媒層を電解質膜に接合する工程とを有する。また、第1の電極触媒部を形成する際の圧力と、第2の電極触媒部を形成する際の圧力の比率は1:0.2以上1:0.8以下の範囲内にある。また、第1の電極触媒部を形成する際の温度と、第2の電極触媒部を形成する際の温度の差は2℃以上20℃以下の範囲内にある。
また、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池は、上述の膜電極接合体を備える。
本実施形態によれば、水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算での直径1.0μm以下の細孔容積が、ガスの入口側に設ける第1の電極触媒部の値と比べ、ガスの出口側に設ける第2の電極触媒部の値が大きくなっており、電極反応で生成した水の除去等を阻害せずに保水性を高め、低加湿条件下でも高い発電特性を示す電極触媒層を備える膜電極接合体及びそれを効率良く経済的に容易に製造できる製造方法を提供することができる。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、実際には、上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。
2…電極触媒層
3…電極触媒層
2a…第1の電極触媒部
2b…第2の電極触媒部
4…ガス拡散層
5…ガス拡散層
6…空気極(カソード)
7…燃料極(アノード)
8…ガス流路
9…冷却水流路
10…セパレーター
11…膜電極接合体
12…固体高分子形燃料電池
Claims (5)
- 高分子電解質膜の互いに反対側となる一面および他面に電極触媒層を有する膜電極接合体の製造工程を含む固体高分子形燃料電池の製造方法であって、
前記膜電極接合体の製造工程は、
基材上に形成された第1の電極触媒層を、前記一面の一部に、前記第1の電極触媒層に圧力を付与して接合する工程と、
基材上に形成された第2の電極触媒層を、前記一面の前記一部とは異なる部分に、前記第2の電極触媒層に圧力を付与して接合する工程と、
基材上に形成された第3の電極触媒層を、前記他面に前記第3の電極触媒層に圧力を付与して接合する工程と、
を有し、
前記第2の電極触媒層を接合する工程は、前記第1の電極触媒層を接合する工程を行った後に、前記第1の電極触媒層を接合する工程よりも低い圧力で行い、
前記第3の電極触媒層を接合する工程は、前記第2の電極触媒層を接合する工程を行った後に、前記第2の電極触媒層を接合する工程よりも低い圧力で行い、
前記第1の電極触媒層をガス入口側に配置し、前記第2の電極触媒層をガス出口側に配置する固体高分子形燃料電池の製造方法。 - 前記第1の電極触媒層を接合する工程で前記第1の電極触媒層に付与する圧力(P1)に対する、前記第2の電極触媒層を接合する工程で前記第2の電極触媒層に付与する圧力(P2)の比(P2/P1)は0.2以上0.8以下である請求項1記載の固体高分子形燃料電池の製造方法。
- 高分子電解質膜の互いに反対側となる一面および他面に電極触媒層を有する膜電極接合体の製造工程を含む固体高分子形燃料電池の製造方法であって、
前記膜電極接合体の製造工程は、
基材上に形成された第1の電極触媒層を、前記一面の一部に、前記第1の電極触媒層を加熱して接合する工程と、
基材上に形成された第2の電極触媒層を、前記一面の前記一部とは異なる部分に、前記第2の電極触媒層を加熱して接合する工程と、
基材上に形成された第3の電極触媒層を、前記他面に前記第3の電極触媒層を加熱して接合する工程と、
を有し、
前記第2の電極触媒層を接合する工程は、前記第1の電極触媒層を接合する工程を行った後に、前記第1の電極触媒層を接合する工程よりも低い温度で行い、
前記第3の電極触媒層を接合する工程は、前記第2の電極触媒層を接合する工程を行った後に、前記第2の電極触媒層を接合する工程よりも低い温度で行い、
前記第1の電極触媒層をガス入口側に配置し、前記第2の電極触媒層をガス出口側に配置する固体高分子形燃料電池の製造方法。 - 前記第1の電極触媒層を接合する工程で前記第1の電極触媒層に付与する温度(T1)と、前記第2の電極触媒層を接合する工程で前記第2の電極触媒層に付与する温度(T2)との差(T2−T1)は2℃以上20℃以下である請求項3記載の固体高分子形燃料電池の製造方法。
- 前記一面に接合した後の前記第1の電極触媒層が有する直径1.0μm以下の細孔容積と、前記一面に接合した後の前記第2の電極触媒層が有する直径1.0μm以下の細孔容積との差を、
水銀圧入法で求められる細孔の円筒近似による換算値で、0.1mL/g以上1.0mL/g以下とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池の製造方法。
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