JP7102412B2 - 膜電極接合体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、米国政府機関の契約のもとになされた。米国政府機関の名称はエネルギー省(Golden Field Office)であり、米国政府契約番号はDE-FC36-08GO18052である。
本開示は高分子電解質膜(PEM)燃料電池用の膜電極接合体に関し、特に、水、水不溶性成分、触媒及びアイオノマーを含む水性混合物を基材上に堆積させ、電極又は微孔性構造を形成することを含む、膜電極接合体用の構成要素を製造する方法に関する。
膜電極接合体(MEA)は、高分子電解質膜(PEM)燃料電池のコア構成要素である。それは、一方の側にアノード電極を有し、他方の側にカソード電極を有するPEMを含む。最終的なMEAは、アノード層、PEM層及びカソード層を含む3層アセンブリであることができる。さらに、MEAはまた、典型的にカーボンペーパーを含み、各電極の外面に取り付けられているガス拡散層(GDL)を含むことができる。GDLが両方の電極に取り付けられている場合に、最終的なMEAは、第一のGDLの層、アノード層、PEM層、カソード層及び別のGDLの層を含む5層アセンブリであると考えられる。典型的には、PEM及びGDLは自立ウェブであるのに十分な機械的一体性を有するが、電極はそうではない。したがって、各電極は、典型的に、PEM、GDL又は剥離層であることができる基材上に形成される。次に、MEAの層は必要に応じて熱及び/又は圧力を用いて一緒に結合し、複合材シートを形成する。
1つの実施形態において、本開示は、燃料電池構成要素の製造方法であって、該方法は基材を提供すること、及び、該基材上に電極を形成することを含み、該形成は水、水不溶性成分、触媒及びアイオノマーを含む水性混合物を堆積させることを含み、該水不溶性成分は水不溶性アルコール、水不溶性カルボン酸又はそれらの組み合わせを含む、方法に関する。幾つかの実施形態において、水不溶性成分はC5~C10アルコール、C5~C10カルボン酸又はそれらの組み合わせを含む。幾つかの実施形態において、基材は、多孔質層、非多孔質層又はそれらの組み合わせを含む。
本発明は以下の非限定的な図面を見てよりよく理解されるであろう。
I.はじめに
膜電極接合体(MEA)は、一方の側にアノード電極を有し、他方の側にカソード電極を有する高分子電解質膜(PEM)を含む。最終的なMEAは、最終的なMEAにおいてアノード-PEM-カソードとして互いに隣接して配置された層を有する3層アセンブリであることができる。さらに、MEAは、各電極の外面に取り付けられたガス拡散層(GDL)も含むことができる。GDLが両方の電極に取り付けられている場合には、最終的なMEAは、最終的なMEAにおいてGDL-アノード-PEM-カソード-GDLとして互いに隣接して配置された層を有する5層アセンブリと考えられる。様々な実施形態によれば、層はいかなる順序で形成(例えば製造)されてもよく、例えばPEMはGDL、アノード又はカソードの前に形成することができる。
開示の方法は下記に記載されそして図1A~1Dに示された工程を含む。説明のための順次の工程として説明されているが、本開示は、実際上、いかなる順序で行われても又は同時に行われてもよいものと考えられる。図1A~図1Dに示すように、MEAの構成要素は、ロールフィード及び/又はロールワインダ100、堆積装置105及びドライヤ110を使用して連続的に処理することができる。ロールフィード及び/又はロールワインダ100はローラ又はウェブ輸送の代替手段であることができる。堆積装置105はスロットダイ又は薄膜コーティングの代替手段であることができる。ドライヤ110は対流式オーブン又は湿潤フィルム乾燥の代替手段であることができる。
Claims (66)
- 燃料電池構成要素の製造方法であって、該方法は、
基材を提供すること、及び、
前記基材上に電極を形成すること、
を含み、前記形成は水、水不溶性成分、触媒及びアイオノマーを含む水性混合物を堆積させることを含み、該水不溶性成分は水不溶性カルボン酸を含み、かつ、前記水不溶性成分は前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として20wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、方法。 - 前記基材は多孔質層、非多孔質層又はそれらの組み合わせを含み、前記水不溶性成分はC5~C10カルボン酸を含む、請求項1記載の方法。
- 該水不溶性成分は水不溶性アルコールをさらに含む、請求項1又は2記載の方法。
- 該水不溶性成分はC5~C10アルコールをさらに含む、請求項1又は2記載の方法。
- 多孔質層、非多孔質層又はそれらの組み合わせを前記電極及び前記基材の少なくとも一つとラミネート化することをさらに含む、請求項1記載の方法。
- 前記水性混合物は堆積工程中に単一相を含む、請求項1~5のいずれか1項記載の方法。
- 前記水性混合物は低網状組織を有する、請求項1~6のいずれか1項記載の方法。
- 前記電極の形成は前記水性混合物を乾燥させることをさらに含む、請求項1記載の方法。
- 前記基材は前記電極に対して反対側の基材の面上に別の電極を含む、請求項1~8のいずれか1項記載の方法。
- 前記電極の反対側の前記基材の面の上に別の電極を形成することをさらに含む、請求項1~8のいずれか1項記載の方法。
- 前記別の電極の形成は前記基材上に前記水性混合物を堆積させることを含む、請求項10記載の方法。
- 前記別の電極の形成は前記水性混合物を乾燥することをさらに含む、請求項11記載の方法。
- 前記電極を高分子電解質膜にラミネート化することをさらに含む、請求項1~12のいずれか1項記載の方法。
- 前記電極上で高分子電解質膜を形成することをさらに含む、請求項1~12のいずれか1項記載の方法。
- 燃料電池構成要素の製造方法であって、該方法は、
高分子電解質膜上に第一の電極を形成すること、ここで、該形成は前記高分子電解質膜上に水性混合物を堆積させることを含み、該水性混合物は水、水不溶性成分、触媒及びアイオノマーを含み、該水不溶性成分は水不溶性カルボン酸を含み、かつ、前記水不溶性成分は前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として20wt%未満の量で前記水性混合物中に存在し、及び、
前記高分子電解質膜上に第二の電極を形成し又は付着させること、
を含む、方法。 - 燃料電池構成要素の製造方法であって、該方法は、
ガス拡散層上に第一の電極を形成すること、ここで、該形成は前記ガス拡散層上に水性混合物を堆積させることを含み、該水性混合物は水、水不溶性成分、触媒及びアイオノマーを含み、該水不溶性成分は水不溶性カルボン酸を含み、かつ、前記水不溶性成分は前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として20wt%未満の量で前記水性混合物中に存在し、
前記第一の電極上に高分子電解質膜を形成し又は付着させること、及び、
前記高分子電解質膜上に第二の電極を形成し又は付着させることを含む、方法。 - 該水不溶性成分は水不溶性アルコールをさらに含む、請求項15又は16記載の方法。
- 前記ガス拡散層は多孔質層を含む、請求項16記載の方法。
- 前記多孔質層は空気透過性であるか又はガス拡散層を含む、請求項18記載の方法。
- 前記多孔質層は多孔質剥離層を含む、請求項18記載の方法。
- 前記多孔質剥離層は延伸ポリマーを含む、請求項20記載の方法。
- 前記延伸ポリマーは延伸ポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項21記載の方法。
- 前記ガス拡散層は非多孔質層を含む、請求項16記載の方法。
- 前記非多孔質層は非多孔質剥離層を含む、請求項23記載の方法。
- 前記非多孔質層は前記高分子電解質膜を含む、請求項24記載の方法。
- 前記高分子電解質膜はプロトン伝導性ポリマーを含む、請求項13、14、16又は25記載の方法。
- 前記高分子電解質膜は多孔質微細構造及び該多孔質微細構造に含浸されたアイオノマーを含む、請求項13、14、16又は25記載の方法。
- 前記多孔質微細構造は過フッ素化多孔質ポリマー材料を含む、請求項27記載の方法。
- 前記過フッ素化多孔質ポリマー材料は延伸ポリテトラフルオロエチレン膜を含む、請求項28記載の方法。
- 前記多孔質微細構造は炭化水素材料を含む、請求項27記載の方法。
- 前記炭化水素材料はポリエチレン、ポリプロピレン又はポリスチレンを含む、請求項30記載の方法。
- 前記アイオノマーはプロトン伝導性ポリマーである、請求項27記載の方法。
- 前記プロトン伝導性ポリマーはペルフルオロスルホン酸を含む、請求項26又は32記載の方法。
- 水は前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として35wt%を超え、場合により50wt%を超え、場合により70wt%を超え、場合により80wt%を超え、又は、場合により90wt%を超える量で前記水性混合物中に存在する、請求項1~33のいずれか1項記載の方法。
- 前記触媒は貴金属、遷移金属又はそれらの合金を含む、請求項1~34のいずれか1項記載の方法。
- 前記触媒は担持触媒である、請求項1~35のいずれか1項記載の方法。
- 前記担持触媒は炭素を含む、請求項36記載の方法。
- 前記触媒は前記水性混合物の合計質量を基準として、90wt%未満、場合により35wt%未満、場合により9wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、請求項35~37のいずれか1項記載の方法。
- 前記水不溶性成分はC5~C10アルコールを含む、請求項5~38のいずれか1項記載の方法。
- 前記水不溶性成分は1-ペンタノール、1-ヘキサノール、1,1-デカノール又はそれらの組み合わせを含む、請求項39記載の方法。
- 前記水不溶性成分はC5~C10カルボン酸を含む、請求項5~40のいずれか1記載の方法。
- 前記水不溶性成分はn-ペンタン酸、n-ヘキサン酸、n-ノナン酸又はそれらの組み合わせを含む、請求項41記載の方法。
- 前記水不溶性成分は前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として15wt%未満、場合により10wt%未満、場合により8wt%未満、場合により6wt%未満、又は、場合により4wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、請求項1~42のいずれか1項記載の方法。
- 前記アイオノマーはペルフルオロスルホン酸である、請求項1~43のいずれか1項記載の方法。
- 前記アイオノマーは前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として50wt%未満の量、場合により35wt%未満の量、場合により8wt%未満の量、又は、場合により0.5wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、請求項1~44のいずれか1項記載の方法。
- 前記水性混合物は水溶性化合物をさらに含む、請求項1~45のいずれか1項記載の方法。
- 前記水溶性化合物は前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として50wt%未満の量、場合により25wt%未満の量、場合により9wt%未満の量又は、場合により4wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、請求項46記載の方法。
- 前記水溶性化合物は水溶性アルコール又はグリコールエーテルである、請求項46又は47記載の方法。
- 前記水溶性化合物は水溶性アルコールであり、そして該水溶性アルコールはイソプロパノール又はtert-ブタノールを含む、請求項46記載の方法。
- 前記水溶性アルコールはグリコールエーテルを含み、該グリコールエーテルはジプロピレングリコール又はプロピレングリコールメチルエーテルを含む、請求項46記載の方法。
- 燃料電池用電極を形成するための水性混合組成物であって、前記組成物は、
a)水、
b)水不溶性カルボン酸を含む水不溶性成分、
c)触媒、及び、
d)アイオノマー、
を含み、かつ、前記水不溶性成分は前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として20wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、組成物。 - 前記触媒は貴金属、遷移金属又はそれらの合金を含む、請求項51記載の組成物。
- 前記触媒は担持触媒である、請求項51記載の組成物。
- 前記担持触媒は炭素を含む、請求項53記載の組成物。
- 前記触媒は前記水性混合物の合計質量を基準として90wt%未満、場合により35wt%未満、場合により9wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、請求項51~54のいずれか1項記載の組成物。
- 前記水不溶性成分はC5~C10カルボン酸を含む、請求項51~55のいずれか1項記載の組成物。
- 該水不溶性成分は水不溶性アルコールをさらに含む、請求項51又は56記載の組成物。
- 該水不溶性成分はC5~C10アルコールをさらに含む、請求項51又は56記載の組成物。
- 前記水不溶性成分は前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として15wt%未満、場合により10wt%未満、場合により8wt%未満、場合により6wt%未満、又は、場合により4wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、請求項51~58のいずれか1項記載の組成物。
- 前記アイオノマーはペルフルオロスルホン酸である、請求項51~59のいずれか1項記載の組成物。
- 前記アイオノマーは前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として50wt%未満の量、場合により35wt%未満の量、場合により8wt%未満の量、又は、場合により0.5wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、請求項51~60のいずれか1項記載の組成物。
- 前記組成物は水溶性化合物をさらに含む、請求項51~61のいずれか1項記載の組成物。
- 前記水溶性化合物は前記水性混合物中のアイオノマー及びビヒクルの合計質量を基準として50wt%未満の量、場合により25wt%未満の量、場合により9wt%未満の量、又は、場合により4wt%未満の量で前記水性混合物中に存在する、請求項62記載の組成物。
- 前記水溶性化合物は水溶性アルコールである、請求項62又は63記載の組成物。
- 前記水溶性アルコールはイソプロパノール、tert-ブタノール又はグリコールエーテルを含む、請求項64記載の組成物。
- 前記水溶性化合物はグリコールエーテルを含み、そして該グリコールエーテルはジプロピレングリコール(DPG)又はプロピレングリコールメチルエーテル(PGME)を含む、請求項65記載の組成物。
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