JP6916034B2 - 膜電極ガス拡散層接合体、および、膜電極ガス拡散層接合体の製造方法 - Google Patents
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Description
[形態1]
形態1によれば燃料電池用の膜電極ガス拡散層接合体が提供される。この膜電極ガス拡散層接合体は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記アノード触媒層に接合されたアノード拡散層と、前記膜電極接合体の前記カソード触媒層に接合されたカソード拡散層と、を備え、前記アノード拡散層と前記カソード拡散層の少なくとも一方は、前記膜電極接合体と接するマイクロポーラス層を有し、前記マイクロポーラス層は、セリウム化合物を含み、前記電解質膜と前記アノード触媒層と前記カソード触媒層の少なくとも1つは、セリウムイオンを含む。この形態によれば、マイクロポーラス層がセリウム化合物を含むことで、焼成前のマイクロポーラス層を焼成するときに、焼成前のマイクロポーラス層中の分散剤と水分とをセリウム化合物との触媒反応によって安定して焼き飛ばすことができる。これにより、マイクロポーラス層がセリウム化合物を含まない場合に比べて、短時間でマイクロポーラス層を焼成できる。また、膜電極ガス拡散層接合体が組み付けられた燃料電池が発電している際に、マイクロポーラス層のセリウム化合物が発電によって生じた生成水中にセリウムイオンとして溶出する。これにより、溶出したセリウムイオンが膜電極接合体に供給されるので、燃料電池の発電時に生じる過酸化水素ラジカルをセリウムイオンによって安定して無害化できる。これにより、電解質膜が過酸化水素ラジカルによって分解(いわゆる、膜痩せ)することを抑制できる。またこの形態によれば、電解質膜とアノード触媒層とカソード触媒層の少なくとも1つは、セリウムイオンを含む。これにより、膜電極ガス拡散層接合体が組み付けられた燃料電池が発電を開始した後に、マイクロポーラス層から膜電極接合体へのセリウムイオンの移動が十分に行われる前の状態において、過酸化水素ラジカルをセリウムイオンによって無害化できる。
図1は、本開示の一実施形態としての膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)100の概略構成を示す図である。図1では、MEGA100の断面構造を模式的に示す。MEGA100は、膜電極接合体10と、アノード拡散層20と、カソード拡散層30とを備える。MEGA100は、両側にガスを流通させるセパレータが配置されることで単セルを形成する。また、単セルが複数積層されることで燃料電池が形成される。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記実施形態において、第1マイクロポーラス層21と第2マイクロポーラス層31の両方がセリウム化合物を含んでいたが、少なくとも一方のマイクロポーラス層21,31がセリウム化合物を含んでいればよい。また、第1マイクロポーラス層21と第2マイクロポーラス層31の一方を省略してもよい。このようにしても上記実施形態と同様に、溶出したセリウムイオンが膜電極接合体10に供給されるので、燃料電池の発電時に生じる過酸化水素ラジカルをセリウムイオンによって安定して無害化できる。これにより、電解質膜12が過酸化水素ラジカルによって分解(いわゆる、膜痩せ)することを抑制できる。
上記実施形態では、電解質膜12とアノード触媒層14とカソード触媒層16の全てがセリウムイオンを含んでいたが、電解質膜12とアノード触媒層14とカソード触媒層16の少なくとも一つがセリウムイオンを含んでいてもよい。このようにしても上記実施形態と同様に、マイクロポーラス層21,31から膜電極接合体10へのセリウムイオンの移動が十分に行われる前の状態において、過酸化水素ラジカルをセリウムイオンによって無害化できる。また、上記実施形態において、膜電極接合体10の作製時にセリウムイオンを含んでいなくてもよい。このようにしても上記実施形態と同様に、マイクロポーラス層21,31から溶出したセリウムイオンが膜電極接合体10に供給されるので、燃料電池の発電時に生じる過酸化水素ラジカルをセリウムイオンによって安定して無害化できる。これにより、電解質膜12が過酸化水素ラジカルによって分解(いわゆる、膜痩せ)することを抑制できる。
上記実施形態では、電解質膜12にセリウムイオンを含有させる方法として、硝酸セリウム溶液を含む触媒インクを電解質膜12上に塗布することで行ったが、これに限定されるものではない。電解質膜12にセリウムイオンを含有させる方法として、例えば、(1)高分子化合物の分散液中に分散液に溶解可能なセリウム化合物を混合した後に、得られた液を用いてキャスト製膜して電解質膜12を得る方法や、(2)電解質膜12をセリウムイオンが含まれる溶液中に浸漬する方法や、(3)セリウムの有機金属錯塩を高分子化合物からなる膜と接触させてセリウムイオンを含有させる方法のいずれかを採用してもよい。
12…電解質膜
14…アノード触媒層
16…カソード触媒層
20…アノード拡散層
20T…第1インク塗布拡散層基材
21…第1マイクロポーラス層
21T…焼成前マイクロポーラス層
22…第1拡散層基材
30…カソード拡散層
30T…第2インク塗布拡散層基材
31…第2マイクロポーラス層
31T…焼成前マイクロポーラス層
32…第2拡散層基材
100…膜電極ガス拡散層接合体
F…プレス圧
Claims (2)
- 燃料電池用の膜電極ガス拡散層接合体であって、前記燃料電池に組み込まれ発電に供される前の初期状態における膜電極ガス拡散層接合体であって、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード触媒層に接合されたアノード拡散層と、
前記膜電極接合体の前記カソード触媒層に接合されたカソード拡散層と、を備え、
前記アノード拡散層と前記カソード拡散層の少なくとも一方は、前記膜電極接合体と接するマイクロポーラス層を有し、
前記マイクロポーラス層は、セリウム化合物を含み、
前記電解質膜と前記アノード触媒層と前記カソード触媒層の少なくとも1つは、セリウムイオンを含む、膜電極ガス拡散層接合体。 - 燃料電池用の膜電極ガス拡散層接合体の製造方法であって、
(a)電解質膜の両面に触媒層を接合して膜電極接合体を作製する工程と、
(b)前記膜電極接合体の両面に拡散層を接合する工程と、を備え、
前記工程(b)は、
(b1)導電性粒子と分散剤と撥水剤とセリウム化合物とを水に分散させたマイクロポーラス層形成インクを、拡散層基材上に塗布することで焼成前マイクロポーラス層を前記拡散層基材上に形成してインク塗布拡散層基材を作製する工程と、
(b2)前記インク塗布拡散層基材を焼成することで、前記拡散層基材にマイクロポーラス層が接合された拡散層を作製する工程と、
(b3)2つの前記触媒層のうちで少なくとも一方の前記触媒層について、前記マイクロポーラス層を前記触媒層に向かい合わせて前記拡散層を前記触媒層に接合する工程と、を含み、
前記工程(a)は、前記電解質膜と前記2つの触媒層の少なくとも1つにセリウムイオンを含有させる工程を含む、膜電極ガス拡散層接合体の製造方法。
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