JP7291295B2 - 燃料電池の逆電圧耐久性を向上させることができる膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池 - Google Patents

燃料電池の逆電圧耐久性を向上させることができる膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
JP7291295B2
JP7291295B2 JP2022523369A JP2022523369A JP7291295B2 JP 7291295 B2 JP7291295 B2 JP 7291295B2 JP 2022523369 A JP2022523369 A JP 2022523369A JP 2022523369 A JP2022523369 A JP 2022523369A JP 7291295 B2 JP7291295 B2 JP 7291295B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
anode
catalyst layer
membrane
oer catalyst
electrode assembly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022523369A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2022552741A (ja
Inventor
ナクウォン コン
キョンシク ナム
カヨン ソン
ジュンヨン キム
Original Assignee
コーロン インダストリーズ インク
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by コーロン インダストリーズ インク filed Critical コーロン インダストリーズ インク
Publication of JP2022552741A publication Critical patent/JP2022552741A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7291295B2 publication Critical patent/JP7291295B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8817—Treatment of supports before application of the catalytic active composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/9083—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8684—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Description

本発明は、燃料電池用膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池に関し、より具体的には、燃料電池の出力性能の低下なしにも、水素ガスの供給減少及び／又は供給中断による炭素系担体の腐食及びそれによる白金消失を防止することによって燃料電池の逆電圧耐久性（ｒｅｖｅｒｓａｌ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）を向上させることができる膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池に関する。
膜－電極アセンブリー（Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ： ＭＥＡ）とセパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）［‘バイポーラプレート（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）’ともいう。］とからなる単位セル（ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ）の積層構造を用いて電気を発生させる高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は、高いエネルギー効率性と環境にやさしい特徴から、化石エネルギーを代替できる次世代エネルギー源として注目されている。
前記膜－電極アセンブリーは、一般に、アノード（ａｎｏｄｅ）（‘燃料極’ともいう。）、カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）（‘空気極’ともいう。）、及びそれらの間における高分子電解質膜（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を含む。
水素ガスのような燃料がアノードに供給されると、アノードでは水素の酸化反応によって水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）が生成される。生成された水素イオンは、高分子電解質膜を通じてカソードに伝達され、生成された電子は、外部回路を通じてカソードに伝達される。カソードに供給される酸素が前記水素イオン及び前記電子と結合して還元されることによって水が生成される。
炭素系担体上に多数の金属粒子（ｍｅｔａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）（例えば、白金系ナノ粒子）が分散されている触媒が、アノードとカソードの製造に最も一般的に用いられている。
前記アノードで発生する反応には、（ｉ）水素ガスの正常供給中に起きる下記の反応式１の水素酸化反応（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＨＯＲ）と、（ｉｉ）燃料不足などに起因して水素ガスの供給が減少又は中断する際に起きる下記の反応式２及び／又は反応式３の炭素酸化反応（Ｃａｒｂｏｎ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＣＯＲ）がある。
［反応式１］
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ－
［反応式２］
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－
［反応式３］
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ－
前記炭素酸化反応（ＣＯＲ）は前記炭素系担体を腐食させてしまい、前記水素酸化反応（ＨＯＲ）のための触媒（以下、‘ＨＯＲ触媒’）における金属の消失及びそれによるアノードの劣化を招く。
炭素酸化反応（ＣＯＲ）を抑えるための一方案として、下記の反応式４の酸素生成反応（Ｏｘｙｇｅｎ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＯＥＲ）を誘導することによって前記炭素酸化反応（ＣＯＲ）を抑えることができる触媒（以下、‘ＯＥＲ触媒’）を用いることが提案された。ＯＥＲ触媒は、アノードの電圧を低く維持することにより、炭素系担体の腐食及びそれによる触媒金属の消失を防止することができる。
［反応式４］
２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－
ＯＥＲ触媒の導入を提案した従来技術によれば、（ｉ）前記ＯＥＲ触媒がアノード内でＨＯＲ触媒と共に存在する、（ｉｉ）前記ＯＥＲ触媒がアノードと高分子電解質膜との間に配置される別個の層内に存在する、或いは（ｉｉｉ）前記ＯＥＲ触媒がアノードとガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ：ＧＤＬ）との間に配置される別個の層内に存在する。
しかしながら、前記ＯＥＲ触媒がアノード内でＨＯＲ触媒と共に存在する場合には、前記ＨＯＲ触媒の金属（例えば、Ｐｔ）の周辺にＯＥＲ触媒の金属（例えば、Ｉｒ、Ｒｕなど）が位置し、前記ＨＯＲ触媒の金属の触媒活性に悪影響を及ぼしてしまう。結果的に、アノードにおける水素酸化反応（ＨＯＲ）が弱化するため、アノードで水素が酸化する際にアノードに過電圧がかかり、燃料電池の出力性能が低下する。特に、前記ＯＥＲ触媒が酸化物である場合には、電気伝導度の低下を引き起こし、燃料電池の出力性能がさらに低下する。
アノードと高分子電解質膜との間又はアノードとＧＤＬとの間に別個のＯＥＲ触媒層を配置することも、ＯＥＲ触媒層のため、陽子伝達抵抗（ｐｒｏｔｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が増加するか（ＯＥＲ触媒層がアノードと高分子電解質膜との間に配置される場合）或いは電子伝達抵抗が増加してしまい（ＯＥＲ触媒層がアノードとＧＤＬとの間に配置される場合）、燃料電池の出力が低下せざるをえないという点で好ましくない。
したがって、本発明は、上述のような関連技術の制限及び欠点に起因する問題点を防止できる膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池に関する。
本発明の一観点は、燃料電池の出力性能の低下なしにも、水素ガスの供給減少及び／又は供給中断による炭素系担体の腐食及びそれによる白金消失を防止することによって燃料電池の逆電圧耐久性を向上させることができる膜－電極アセンブリーを提供することである。
本発明の他の観点は、燃料電池の出力性能の低下なしにも、水素ガスの供給減少及び／又は供給中断による炭素系担体の腐食及びそれによる白金消失を防止することによって燃料電池の逆電圧耐久性を向上させることができる膜－電極アセンブリーを製造する方法を提供することである。
本発明のさらに他の観点は、高い出力性能及び優れた逆電圧耐久性を有する燃料電池を提供することである。
上に言及された本発明の観点の他にも、本発明の別の特徴及び利点が以下に説明されるか、それらの説明から、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるであろう。
上のような本発明の一観点によって、第１面及び該第１面の反対側の第２面を有する電解質膜；前記第１面上のアノード；前記第１面上のＯＥＲ触媒層；及び、前記第２面上のカソードを含み、前記ＯＥＲ触媒層は、酸素生成反応触媒を含み、前記ＯＥＲ触媒層は、前記アノードと接触し、前記ＯＥＲ触媒層の少なくとも一部は、前記ＯＥＲ触媒層の厚さ方向に前記アノードと重ならない、膜－電極アセンブリーが提供される。
前記酸素生成反応触媒は、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ＴｉＯ２、ＩｒｘＳｎ１－ｘＯ２（ｘは０超過１未満の実数）、ＰｔＩｒ、ＩｒＲｕ、ＰｔＲｕＩｒ、又はこれらの２以上の混合物を含むことができる。
前記酸素生成反応触媒は、炭素系担体に担持されていてよい。
前記アノードは、前記酸素生成反応触媒を含まなくてよい。
前記アノードは、前記カソードに対応する大きさ及び形態を有してよい。
前記ＯＥＲ触媒層の全体がその厚さ方向に前記アノードと重ならなくてよい。
前記ＯＥＲ触媒層は、前記第１面上で前記アノードと並んで配置されてよい。
前記ＯＥＲ触媒層は、前記第１面上で前記アノードを取り囲むことができる。
本発明の他の観点によって、第１面及び該第１面の反対側の第２面を有する電解質膜を準備する段階；前記第１面上にアノードを形成する段階；前記第１面上にＯＥＲ触媒層を形成する段階；及び、前記第２面上にカソードを形成する段階を含み、前記ＯＥＲ触媒層は、酸素生成反応触媒を含み、前記ＯＥＲ触媒層は、前記アノードと接触し、前記ＯＥＲ触媒層の少なくとも一部は、前記ＯＥＲ触媒層の厚さ方向に前記アノードと重ならない、膜－電極アセンブリー製造方法が提供される。
前記第１面上に前記アノードを形成する段階は、第１離型フィルム上に前記アノードを形成する段階；及び、前記第１離型フィルム上に形成された前記アノードを、前記第１面の第１領域上に転写する段階を含むことができ、前記第１面上に前記ＯＥＲ触媒層を形成する段階は、第２離型フィルム上に前記ＯＥＲ触媒層を形成する段階；及び、前記第２離型フィルム上に形成された前記ＯＥＲ触媒層を、前記第１面の第２領域上に転写する段階を含んでよく、前記第２面上に前記カソードを形成する段階は、第３離型フィルム上に前記カソードを形成する段階；及び、前記第３離型フィルム上に形成された前記カソードを前記第２面上に転写する段階を含むことができる。
前記アノードの転写、前記ＯＥＲ触媒層の転写、及び前記カソードの転写は、同時に行われてよい。
本発明のさらに他の観点によって、上述した膜－電極アセンブリー；及び、前記アノードと前記ＯＥＲ触媒層上に配置されるセパレーターを含み、前記セパレーターは、燃料流入口（ｆｕｅｌ ｉｎｌｅｔ）、燃料排出口（ｆｕｅｌ ｏｕｔｌｅｔ）、及び前記燃料流入口と前記燃料排出口との間の流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）を有し、前記ＯＥＲ触媒層は、前記燃料流入口及び前記燃料排出口の少なくとも一方と重なる、燃料電池が提供される。
上のような本発明に関する一般的な叙述は、本発明を例示又は説明するためのもので、本発明の権利範囲を制限するものではない。
本発明によれば、酸素生成反応（ＯＥＲ）を誘導することによってアノードにおける炭素酸化反応（ＣＯＲ）を抑えることができるＯＥＲ触媒層を、前記アノードと接触する一方で、前記ＯＥＲ触媒層の大部分が前記アノードと重ならないようにして形成することにより、燃料電池の出力性能の低下なしにも、水素ガスの供給減少及び／又は供給中断による炭素系担体の腐食及びそれによる白金消失を防止し、燃料電池の逆電圧耐久性を顕著に向上させることができる。
添付の図面は、本発明の理解を助け、本明細書の一部を構成するためのものであり、本発明の実施例を例示し、発明の詳細な説明と一緒に本発明の原理を説明する。
（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリーの平面図及び断面図である。
本発明の一実施例に係る燃料電池の製造工程を示す断面図である。
（ａ）及び（ｂ）は、本発明の他の実施例に係る膜－電極アセンブリーの平面図及び断面図である。
本発明の他の実施例に係る燃料電池の製造工程を示す断面図である。
本発明のさらに他の実施例に係る膜－電極アセンブリーの平面図である。
本発明のさらに他の実施例に係る膜－電極アセンブリーの平面図である。
以下では添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。ただし、下に説明される実施例は、本発明の明確な理解を助けるための例示的な目的で提示されるだけで、本発明の範囲を制限しない。
図１の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例に係る膜－電極アセンブリー１００の平面図及び断面図である。
図１に例示するように、本発明の膜－電極アセンブリー１００は、第１面及び該第１面の反対側の第２面を有する電解質膜１１０、前記第１面上のアノード１２０、前記第１面上のＯＥＲ触媒層１３０、及び前記第２面上のカソード１４０を含む。
前記電解質膜１１０は、イオノマーで形成された単一膜タイプ（ｓｉｎｇｌｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｔｙｐｅ）、又はイオノマーで含浸された多孔性支持体を含む強化複合膜タイプ（ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｔｙｐｅ）であってよい。
両タイプの電解質膜１１０とも、前記イオノマーはフッ素系イオノマー又は炭化水素系イオノマーであってよく、スルホン酸基、カルボキシル基、ボロン酸基、リン酸基、イミド基、スルホンイミド基、スルホンアミド基、及びスルホン酸フルオリド基からなる群から選ばれる一つ以上のイオン伝導性基を有することができる。
例えば、前記イオノマーは、ポリ（ペルフルオロスルホン酸）、ポリ（ペルフルオロカルボン酸）などのようなフッ素系イオノマーでよい。
代案として、前記イオノマーは、スルホン化したポリイミド（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ：Ｓ－ＰＩ）、スルホン化したポリアリールエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ：Ｓ－ＰＡＥＳ）、スルホン化したポリエーテルエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ：ＳＰＥＥＫ）、スルホン化したポリベンズイミダゾール（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ：ＳＰＢＩ）、スルホン化したポリスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ：Ｓ－ＰＳＵ）、スルホン化したポリスチレン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ：Ｓ－ＰＳ）、スルホン化したポリホスファゼン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｏｓｐｈａｚｅｎｅ）、スルホン化したポリキノキサリン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｑｕｉｎｏｘａｌｉｎｅ）、スルホン化したポリケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｋｅｔｏｎｅ）、スルホン化したポリフェニレンオキシド（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ）、スルホン化したポリエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｓｕｌｆｏｎｅ）、スルホン化したポリエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ）、スルホン化したポリフェニレンスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｏｎｅ）、スルホン化したポリフェニレンスルフィド（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ）、スルホン化したポリフェニレンスルフィドスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ ｓｕｌｆｏｎｅ）、スルホン化したポリフェニレンスルフィドスルホンニトリル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ ｓｕｌｆｏｎｅ ｎｉｔｒｉｌｅ）、スルホン化したポリアリーレンエーテル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ）、スルホン化したポリアリーレンエーテルニトリル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ ｎｉｔｒｉｌｅ）、スルホン化したポリアリーレンエーテルエーテルニトリル（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ ｅｔｈｅｒ ｎｉｔｒｉｌｅ）、ポリアリーレンエーテルスルホンケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ ｓｕｌｆｏｎｅ ｋｅｔｏｎｅ）などのような炭化水素系イオノマーであってよい。
強化複合膜タイプの電解質膜１１０に使用可能な多孔性支持体は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で形成されてもよく、テトラフルオロエチレンとＣＦ２＝ＣＦＣｎＦ２ｎ＋１（ｎは１～５の実数）又はＣＦ２＝ＣＦＯ－（ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ）ｍＣｎＦ２ｎ＋１（ｍは０～１５の実数、ｎは１～１５の実数）の共重合体で形成されてもよい。例えば、ＰＴＦＥを潤滑剤の存在下でテープ上に圧出成形後に延伸工程及び熱処理工程を行うことによって延伸フィルム（ｅｘｐａｎｄｅｄ ｆｉｌｍ）形態のｅ－ＰＴＦＥ多孔性支持体を形成することができる。前記熱処理工程後に追加の延伸工程及び熱処理工程をさらに行うこともできる。前記延伸及び熱処理工程を制御することによって様々な微細構造のｅ－ＰＴＦＥ多孔性支持体を形成することができる。例えば、前記ｅ－ＰＴＦＥ多孔性支持体は、フィブリル（ｆｉｂｒｉｌｓ）によってノード（ｎｏｄｅｓ）が互いに連結された微細構造、又はフィブリルのみからなる微細構造を有してよい。
代案として、前記多孔性支持体は、不織ウェブ（ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｗｅｂ）であってよい。前記不織ウェブは、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンなど）、ポリエステル（例えば、ＰＥＴ、ＰＢＴなど）、ポリアミド（例えば、ナイロン－６、ナイロン－６，６、アラミドなど）、ポリアミド酸（ウェブに成形された後にイミド化工程を経てポリイミドに変換される。）、ポリウレタン、ポリブテン、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリスルホン、流体結晶質重合体、ポリエチレン－コ－ビニルアセテート、ポリアクリロニトリル、環状ポリオレフィン、ポリオキシメチレン、及びポリオレフィン系熱可塑性弾性重合体からなる群から選ばれる一つ以上の炭化水素系高分子を含む支持体形成液で形成されてよい。
前記不織ウェブは、抄紙法（ｗｅｔ－ｌａｙｉｎｇ）、電解紡糸法（ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ）、カーディング（ｃａｒｄｉｎｇ）、ガーネッティング（ｇａｒｎｅｔｉｎｇ）、エアレイング（ａｉｒ－ｌａｙｉｎｇ）、メルトブローイング（ｍｅｌｔ ｂｌｏｗｉｎｇ）、スパンボンディング（ｓｐｕｎｂｏｎｄｉｎｇ）、及びステッチボンディング（ｓｔｉｔｃｈ ｂｏｎｄｉｎｇ）からなる群から選ばれるいずれか一つの方法によって製造されてよい。
前記アノード１２０は、水素酸化反応（ＨＯＲ）のための触媒（すなわち、ＨＯＲ触媒）をイオノマーと共に分散媒に分散させることによって製造された電極形成用分散液（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－ｆｏｒｍｉｎｇ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）を用いて形成されてよい。
前記ＨＯＲ触媒は、担体、及び該担体上に分散されている多数の金属粒子を含むことができる。
前記担体は、（ｉ）炭素系担体、（ｉｉ）ジルコニア、アルミナ、チタニア、シリカ、及びセリアのような多孔性無機酸化物担体、又は（ｉｉｉ）ゼオライト担体であってよい。
前記炭素系担体は、黒鉛、スーパーＰ（ｓｕｐｅｒ Ｐ）、炭素繊維（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、炭素シート（ｃａｒｂｏｎ ｓｈｅｅｔ）、カーボンブラック（ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、ケッチェンブラック（Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ）、デンカブラック（Ｄｅｎｋａ ｂｌａｃｋ）、アセチレンブラック（ａｃｅｔｙｌｅｎｅ ｂｌａｃｋ）、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｔｕｂｅ，ＣＮＴ）、炭素球体（ｃａｒｂｏｎ ｓｐｈｅｒｅ）、炭素リボン（ｃａｒｂｏｎ ｒｉｂｂｏｎ）、フラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）、活性炭素（ａｃｔｉｖｅ ｃａｒｂｏｎ）、カーボンナノファイバー（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｆｉｂｅｒ）、カーボンナノワイヤー（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅ）、カーボンナノボール（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｂａｌｌ）、カーボンナノホーン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｈｏｒｎ）、カーボンナノケージ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｃａｇｅ）、カーボンナノリング（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｒｉｎｇ）、規則性ナノ多孔性炭素（ｏｒｄｅｒｅｄ ｎａｎｏ－／ｍｅｓｏ－ｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、カーボンエアロゲル（ｃａｒｂｏｎ ａｅｒｏｇｅｌ）、メソポーラスカーボン（ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、安定化カーボン（ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、活性化カーボン（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、又はそれらの２以上の組合せであってよい。
前記金属粒子は、白金（Ｐｔ）粒子又は白金系合金粒子であってよい。
前記白金系合金は、Ｐｔ－Ｐｄ、Ｐｔ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｓｎ、Ｐｔ－Ｍｏ、Ｐｔ－Ｗ、Ｐｔ－Ｒｕ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｗ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｍｏ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｒｈ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｓｎ－Ｗ、Ｐｔ－Ｒｕ－Ｉｒ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｃｏ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｓ、Ｐｔ－Ｃｏ－Ｐ、Ｐｔ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｓ、Ｐｔ－Ｆｅ－Ｐ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｃｏ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｆｅ、Ｐｔ－Ａｕ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｎｉ、Ｐｔ－Ｎｉ－Ｉｒ、Ｐｔ－Ｃｒ、又はＰｔ－Ｃｒ－Ｉｒであってよい。
前記ＨＯＲ触媒と共に前記分散媒に分散されるイオノマーは、陽イオン伝達のためのものであり、アノード１２０と電解質膜１１０との接着力の向上のためのバインダーとしての機能も有する。
前記電解質膜１１０の形成に使用可能な上述したイオノマーが前記アノード１２０の形成にも使用されてよい。前記電解質膜１１０のイオノマーと前記アノード１２０のイオノマーとが同じ種類のイオノマーであることが好ましいが、本発明はこれで制限されず、異なる種類のイオノマーが前記電解質膜１１０及びアノード１２０の製造にそれぞれ使用されてもよい。
前記電極形成用分散液の分散媒は、エタノール、蒸留水、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコール、ブタノール、又はそれらの２以上の混合物であってよい。
上述したＨＯＲ触媒は、酸素還元反応（ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）のための触媒としても使用されてよいので、前記アノード１２０の形成に使用可能な電極形成用分散液が前記カソード１４０の形成にも使用されてよい。
前記アノード１２０及び前記カソード１４０は、デカル転写（ｄｅｃａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ）又は直接コーティングによって前記電解質膜１１０の第１及び第２面の上にそれぞれ形成されてよい。
本発明の一実施例によれば、前記アノード１２０と前記カソード１４０のそれぞれが全体的に電気発生に活用され得るように、前記アノード１２０は前記カソード１４０に対応する大きさ及び形態を有してよく、好ましくは、前記アノード１２０と前記カソード１４０とが実質的に完全に重なり合うとよい。
本発明の前記ＯＥＲ触媒層１３０は、酸素生成反応触媒（すなわち、ＯＥＲ触媒）を含む。前記酸素生成反応触媒は、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ＴｉＯ２、ＩｒｘＳｎ１－ｘＯ２（ｘは０超過１未満の実数）、ＰｔＩｒ、ＩｒＲｕ、ＰｔＲｕＩｒ、又はそれらの２以上の混合物を含むことができる。
前記酸素生成反応触媒は粒子形態を有し、炭素系担体に担持されていてよい。前記炭素系担体は、黒鉛、スーパーＰ（ｓｕｐｅｒ Ｐ）、炭素繊維（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、炭素シート（ｃａｒｂｏｎ ｓｈｅｅｔ）、カーボンブラック（ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、ケッチェンブラック（Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ）、デンカブラック（Ｄｅｎｋａ ｂｌａｃｋ）、アセチレンブラック（ａｃｅｔｙｌｅｎｅ ｂｌａｃｋ）、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｔｕｂｅ，ＣＮＴ）、炭素球体（ｃａｒｂｏｎ ｓｐｈｅｒｅ）、炭素リボン（ｃａｒｂｏｎ ｒｉｂｂｏｎ）、フラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）、活性炭素（ａｃｔｉｖｅ ｃａｒｂｏｎ）、カーボンナノファイバー（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｆｉｂｅｒ）、カーボンナノワイヤー（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅ）、カーボンナノボール（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｂａｌｌ）、カーボンナノホーン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｈｏｒｎ）、カーボンナノケージ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｃａｇｅ）、カーボンナノリング（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｒｉｎｇ）、規則性ナノ多孔性炭素（ｏｒｄｅｒｅｄ ｎａｎｏ－／ｍｅｓｏ－ｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、カーボンエアロゲル（ｃａｒｂｏｎ ａｅｒｏｇｅｌ）、メソポーラスカーボン（ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、安定化カーボン（ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、活性化カーボン（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、又はそれらの２以上の組合せであってよい。
前記ＯＥＲ触媒層１３０は、前記酸素生成反応触媒をイオノマーと共に分散媒に分散させることによって製造されたＯＥＲ触媒層形成用分散液を用いて形成されてよい。
前記酸素生成反応触媒と共に前記分散媒に分散されるイオノマーは、陽イオン伝達のためのものであり、ＯＥＲ触媒層１３０と電解質膜１１０との接着力の向上のためのバインダーとしての機能も有する。
電解質膜１１０の形成に使用可能な上述したイオノマーが前記ＯＥＲ触媒層１３０の形成にも使用されてよい。前記電解質膜１１０のイオノマーと前記ＯＥＲ触媒層１３０のイオノマーとが同じ種類のイオノマーであることが好ましいが、本発明はこれで制限されず、異なる種類のイオノマーが前記電解質膜１１０及びＯＥＲ触媒層１３０の製造にそれぞれ使用されてもよい。
前記ＯＥＲ触媒層形成用分散液の分散媒は、エタノール、蒸留水、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコール、ブタノール、又はそれらの２以上の混合物であってよい。
前記ＯＥＲ触媒層１３０は、デカル転写又は直接コーティングによって前記電解質膜１１０の第１面上に形成されてよい。
図１に例示するように、本発明のＯＥＲ触媒層１３０は、前記アノード１２０と接触するが、その少なくとも一部は、その厚さ方向に前記アノード１２０と重ならないように前記電解質膜１１０の前記第１面上に配列される。
本発明によれば、酸素生成反応（ＯＥＲ）を誘導することによってアノードにおける炭素酸化反応（ＣＯＲ）を抑制できる前記ＯＥＲ触媒層１３０を前記アノード１２０と接触するように形成することにより、燃料不足などに起因して水素ガスの供給が減少又は中断する場合にも、炭素系担体の腐食及びそれによる白金消失を引き起こす炭素酸化反応（ＣＯＲ）が前記アノード１２０で発生することを防止することができる。
また、本発明によれば、前記ＯＥＲ触媒層１３０の全体がその厚さ方向に前記アノードと実質的に重ならないように前記電解質膜１１０の前記第１面上に配列されることにより、前記アノード１２０に前記酸素生成反応触媒が含まれることを防止し、前記酸素生成反応触媒による前記アノード１２０のＨＯＲ触媒の活性低下を防止又は最小化でき、前記ＯＥＲ触媒層１３０による前記膜－電極アセンブリー１００の陽子／電子伝達抵抗の増加を防止することができる。結果的に、本発明によれば、出力性能の低下なしにも燃料電池の逆電圧耐久性を顕著に向上させることができる。
前記ＯＥＲ触媒層１３０の全体が前記アノードと実質的に重ならないということは、前記ＯＥＲ触媒層１３０がその厚さ方向に前記アノード１２０と一切重ならないことはもとより、工程誤差によって前記ＯＥＲ触媒層１３０が意図せずに前記アノード１２０とやや（ｓｌｉｇｈｔｌｙ）重なることも含む概念である。
例えば、図１、図３及び図５にそれぞれ例示するように、単一のＯＥＲ触媒層１３０又は互いに離隔形成された第１及び第２ＯＥＲ触媒層１３０ａ，１３０ｂは、前記電解質膜１１０の前記第１面上で前記アノード１２０と並んで配置されてよい。
代案として、図６に例示するように、本発明のＯＥＲ触媒層１３０は、前記電解質膜１１０の前記第１面上で前記アノード１２０を取り囲むように配置されてよい。
以下、本発明の実施例に係る膜－電極アセンブリー１００の製造方法を具体的に説明する。
本発明の方法は、第１面及び該第１面の反対側の第２面を有する電解質膜１１０を準備する段階、前記第１面上にアノード１２０を形成する段階、前記第１面上にＯＥＲ触媒層１３０を形成する段階、及び前記第２面上にカソード１４０を形成する段階を含む。
前記ＯＥＲ触媒層１３０は、上述した酸素生成反応触媒を含み、前記アノード１２０と接触しながらも少なくとも一部は前記アノード１２０と重ならないように前記電解質膜１１０の前記第１面上に形成される。
前述したように、前記アノード１２０、前記ＯＥＲ触媒層１３０、及び前記カソード１４０のそれぞれは、デカル転写又は直接コーティングによって前記電解質膜１１０の第１又は第２面の上に形成されてよい。
本発明の一実施例によれば、前記アノード１２０は、デカル転写によって前記電解質膜１１０の第１面上に形成される。例えば、上述した電極形成用分散液を第１離型フィルム上に塗布及び乾燥させ、前記アノード１２０を形成する。この際、開口（ｏｐｅｎｉｎｇ）を有するマスクフィルムが用いられてよく、前記アノード１２０の大きさ及び形態は、前記マスクフィルムの開口の大きさ及び形態によって決定される。次に、前記第１離型フィルム上に形成された前記アノード１２０を、前記電解質膜１１０の第１面の第１領域上に転写できる。
本発明の一実施例によれば、前記ＯＥＲ触媒層１３０もデカル転写によって前記電解質膜１１０の第１面上に形成される。例えば、上述したＯＥＲ触媒層形成用の分散液を第２離型フィルム上に塗布及び乾燥させ、前記ＯＥＲ触媒層１３０を形成する。同様に、前記ＯＥＲ触媒層形成用の分散液を第２離型フィルム上に塗布する際にマスクフィルムが用いられてよく、前記ＯＥＲ触媒層１３０の大きさ及び形態は、前記マスクフィルムの開口の大きさ及び形態によって決定される。次に、前記第２離型フィルム上に形成された前記ＯＥＲ触媒層１３０を、前記電解質膜１１０の第１面の第２領域上に転写できる。
本発明の一実施例によれば、前記カソード１４０もデカル転写によって前記電解質膜１１０の第２面上に形成される。例えば、上述した電極形成用の分散液を第３離型フィルム上に塗布及び乾燥させ、前記カソード１４０を形成する。同様に、マスクフィルムが用いられてよい。次に、前記第３離型フィルム上に形成された前記カソード１４０を、前記電解質膜１１０の第２面上に転写できる。
本発明の一実施例によれば、前記アノード１２０の転写、前記ＯＥＲ触媒層１３０の転写、及び前記カソード１４０の転写は同時に行われてよい。
本発明の他の実施例によれば、前記アノード１２０の転写及び前記カソード１４０の転写を同時に行った後、前記ＯＥＲ触媒層１３０の転写を行うことができる。
本発明のさらに他の実施例によれば、前記ＯＥＲ触媒層１３０の転写をまず行った後、前記アノード１２０の転写及び前記カソード１４０の転写を同時に行うことができる。
以下では、本発明の実施例に係る燃料電池を具体的に説明する。
図２に例示するように、本発明の燃料電池は、図１の膜－電極アセンブリー１００と、前記アノード１２０及び前記ＯＥＲ触媒層１３０上に配置される第１セパレーター４１０とを含む。
前記第１セパレーター４１０は、燃料流入口（ｆｕｅｌ ｉｎｌｅｔ）４１１、燃料排出口（ｆｕｅｌ ｏｕｔｌｅｔ）４１２、及び前記燃料流入口４１１と前記燃料排出口４１２との間における流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）４１３を有する。
本発明によれば、前記膜－電極アセンブリー１００のＯＥＲ触媒層１３０が前記燃料流入口４１１及び前記燃料排出口４１２の少なくとも一つと重なることにより、前記ＯＥＲ触媒層１３０に供給される水分量を極大化でき、結果的に前記ＯＥＲ触媒層１３０による逆電圧耐久性を極大化できる。
例えば、（ｉ）図２に例示しているように、前記ＯＥＲ触媒層１３０が前記燃料流入口４１１と重なるように配列され、（ｉｉ）図４に例示しているように、前記ＯＥＲ触媒層１３０が前記燃料排出口４１２と重なるように配列され、（ｉｉｉ）図５に例示しているように、互いに離隔形成された第１ＯＥＲ触媒層１３０ａ及び第２ＯＥＲ触媒層１３０ｂが前記燃料流入口４１１及び前記燃料排出口４１２とそれぞれ重なるように配列され、或いは（ｉｖ）図６に例示するように、アノード１２０を取り囲むように形成されたＯＥＲ触媒層１３０が前記燃料流入口４１１及び前記燃料排出口４１２の両方とも重なるように配列され、てよい。
図２及び図４にそれぞれ例示するように、本発明の燃料電池は、前記アノード１２０とＯＥＲ触媒層１３０を取り囲むように前記電解質膜１１０の第１面上に形成された第１サブガスケット２１０、前記カソード１４０を取り囲むように前記電解質膜１１０の第２面上に形成された第２サブガスケット２２０、前記アノード１２０の全体及び前記ＯＥＲ触媒層１３０の少なくとも一部を覆う第１ガス拡散層３１０、前記カソード１４０の全体を覆う第２ガス拡散層３２０、前記第１ガス拡散層３１０上の第１セパレーター４１０、及び前記第２ガス拡散層３２０上の第２セパレーター４２０をさらに含むことができる。前記第２セパレーター４２０は、空気流入口４２１、空気排出口４２２、及び前記空気流入口４２１と前記空気排出口４２２との間における流動チャネル４２３を有する。
以下、具体的実施例を用いて本発明を具体的に説明する。ただし、下記の実施例は、本発明の理解を助けるためのものに過ぎず、これらに本発明の権利範囲が制限されてはならない。
実施例１
Ｐｔ／Ｃ触媒を用いて一般の方法で電極形成用の分散液を準備し、ＩｒＯ２ ＯＥＲ触媒を用いてＯＥＲ触媒層形成用の分散液を準備した。
前記電極形成用の分散液を第１離型フィルム上に９ｃｍ２の面積で塗布（０．１ｍｇＰｔ／ｃｍ２）した後、６０℃オーブンで８時間乾燥させることによって正方形のアノードを形成し、前記ＯＥＲ触媒層形成用の分散液を第２離型フィルム上に２ｃｍ２の面積で塗布（０．１５ｍｇＩｒ／ｃｍ２）した後、６０℃オーブンで８時間乾燥させることによって長方形のＯＥＲ触媒層を形成し、前記電極形成用の分散液を第３離型フィルム上に９ｃｍ２の面積で塗布（０．４ｍｇＰｔ／ｃｍ２）した後、６０℃オーブンで８時間乾燥させることによって正方形のカソードを形成した。
次に、前記アノード、ＯＥＲ触媒層、及びカソードを、ペルフルオロスルホン酸で形成された電解質膜の第１又は第２面に図１に例示のように積層後に熱圧着することで、膜－電極アセンブリーを完成した。この際、前記ＯＥＲ触媒層が燃料流入口に位置するように配置された。
実施例２
前記ＯＥＲ触媒層が燃料排出口に位置するように配置された以外は、前記実施例１と同じ方法で膜－電極アセンブリーを製造した。
比較例１
前記ＯＥＲ触媒層を形成していない以外は、前記実施例１と同じ方法で膜－電極アセンブリーを製造した。
比較例２
Ｐｔ／Ｃ触媒とＩｒＯ２ ＯＥＲ触媒を“Ｐｔ：Ｉｒ＝３：１”の重量比で含有する電極形成用の分散液を第１離型フィルム上に９ｃｍ２の面積で塗布（０．１２ｍｇ（Ｐｔ＋Ｉｒ）／ｃｍ２）後に６０℃オーブンで８時間乾燥させることによって正方形のアノードを形成したし、ＯＥＲ触媒層を形成していない以外は、前記実施例１と同じ方法で膜－電極アセンブリーを製造した。
比較例３
前記ＯＥＲ触媒層形成用の分散液を第２離型フィルム上に９ｃｍ２の面積で塗布（０．０３ｍｇＩｒ／ｃｍ２）した後に６０℃オーブンで８時間乾燥させることによって正方形のＯＥＲ触媒層を形成したし、前記ＯＥＲ触媒層を前記電解質膜の第１面上に転写した後に前記アノードを前記ＯＥＲ触媒層上に、そして前記カソードを前記電解質膜の第２面上にそれぞれ転写することによって前記ＯＥＲ触媒層を前記アノードと前記電解質膜との間に位置させている以外は、前記実施例１と同じ方法で膜－電極アセンブリーを製造した。
前記実施例及び比較例によって得られた膜－電極アセンブリーの逆電圧耐久性及び電圧損失を次のような方法によってそれぞれ評価し、その結果を表１に示した。
＊逆電圧耐久性評価
逆電圧発生実験（ｃｅｌｌ ｒｅｖｅｒｓａｌ ｔｅｓｔ）によって膜－電極アセンブリーの逆電圧耐久性を評価した。具体的に、カソードに空気（５０％ＲＨ）を供給し、アノードに窒素（５０％ＲＨ）を供給し、０．２Ａ／ｃｍ２の電流を印加しながら－２．０Ｖまで到達するのにかかる時間である逆電位時間（ｃｅｌｌ ｒｅｖｅｒｓａｌ ｔｉｍｅ：ＴＣＲ、－２．０Ｖ）を測定した。逆電位時間が長いほど高い逆電位耐久性を有することを意味する。
＊電圧損失評価
実際の燃料電池運転条件で出力性能を確認するために、膜－電極アセンブリーを燃料電池単位セル評価装置に結び付け、温度を６５℃に保たせた。アノードとカソードに水素（５０％ＲＨ）と空気（５０％ＲＨ）をＳｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ １．２／２．０に応じた量でそれぞれ供給した。０．１Ａ／ｃｍ２及び１Ａ／ｃｍ２の陰極電流密度がそれぞれ印加された時の電圧をそれぞれ測定した。測定された電圧が高いほど優れた性能を示す。
Figure 0007291295000001
表１に示すように、比較例１の膜－電極アセンブリーはＯＥＲ触媒を含んでいないため、非常に短い逆電位時間を示しているのに対し、ＯＥＲ触媒が含まれている実施例１、実施例２、比較例２、及び比較例３の膜－電極アセンブリーは、３時間以上の逆電位時間を示す程度に優れた逆電位耐久性を有することが分かる。
また、比較例２及び比較例３の膜－電極アセンブリーは、ＯＥＲ触媒によって相当な電圧損失が引き起こされているのに対し、実施例１及び実施例２の膜－電極アセンブリーはＯＥＲ触媒を含んでいるにもかかわらず、それによる電圧損失がほとんど誘発されていないことが分かる。

Claims (12)

  1. 第１面及び該第１面の反対側の第２面を有する電解質膜；
    前記第１面上のアノード；
    前記第１面上のＯＥＲ触媒層；及び
    前記第２面上のカソード
    を含み、
    前記ＯＥＲ触媒層は、酸素生成反応触媒を含み、
    前記ＯＥＲ触媒層は、前記アノードと接触し、
    前記ＯＥＲ触媒層の少なくとも一部は、前記ＯＥＲ触媒層の厚さ方向に前記アノードと重ならない、膜－電極アセンブリー。
  2. 前記酸素生成反応触媒は、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ＴｉＯ２、ＩｒｘＳｎ１－ｘＯ２（ｘは０超過１未満の実数）、ＰｔＩｒ、ＩｒＲｕ、ＰｔＲｕＩｒ、又はこれらの２以上の混合物を含む、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
  3. 前記酸素生成反応触媒は、炭素系担体に担持されている、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
  4. 前記アノードは、前記酸素生成反応触媒を含まない、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
  5. 前記アノードは、前記カソードに対応する大きさ及び形態を有する、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
  6. 前記ＯＥＲ触媒層の全体がその厚さ方向に前記アノードと重ならない、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
  7. 前記ＯＥＲ触媒層は、前記第１面上で前記アノードと並んで配置されている、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
  8. 前記ＯＥＲ触媒層は、前記第１面上で前記アノードを取り囲む、請求項１に記載の膜－電極アセンブリー。
  9. 第１面及び該第１面の反対側の第２面を有する電解質膜を準備する段階；
    前記第１面上にアノードを形成する段階；
    前記第１面上にＯＥＲ触媒層を形成する段階；及び
    前記第２面上にカソードを形成する段階を含み、
    前記ＯＥＲ触媒層は、酸素生成反応触媒を含み、
    前記ＯＥＲ触媒層は、前記アノードと接触し、
    前記ＯＥＲ触媒層の少なくとも一部は、前記ＯＥＲ触媒層の厚さ方向に前記アノードと重ならない、膜－電極アセンブリー製造方法。
  10. 前記第１面上に前記アノードを形成する段階は、第１離型フィルム上に前記アノードを形成する段階；及び、前記第１離型フィルム上に形成された前記アノードを、前記第１面の第１領域上に転写する段階を含み、
    前記第１面上に前記ＯＥＲ触媒層を形成する段階は、第２離型フィルム上に前記ＯＥＲ触媒層を形成する段階；及び、前記第２離型フィルム上に形成された前記ＯＥＲ触媒層を、前記第１面の第２領域上に転写する段階を含み、
    前記第２面上に前記カソードを形成する段階は、第３離型フィルム上に前記カソードを形成する段階；及び、前記第３離型フィルム上に形成された前記カソードを、前記第２面上に転写する段階を含む、請求項９に記載の膜－電極アセンブリー製造方法。
  11. 前記アノードの転写、前記ＯＥＲ触媒層の転写、及び前記カソードの転写は、同時に行われる、請求項１０に記載の膜－電極アセンブリー製造方法。
  12. 請求項１の膜－電極アセンブリー；及び
    前記アノードと前記ＯＥＲ触媒層上に配置されるセパレーターを含み、
    前記セパレーターは、燃料流入口（ｆｕｅｌ ｉｎｌｅｔ）、燃料排出口（ｆｕｅｌ ｏｕｔｌｅｔ）、及び前記燃料流入口と前記燃料排出口との間の流動チャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）を有し、前記ＯＥＲ触媒層は、前記燃料流入口及び前記燃料排出口の少なくとも一方と重なる、燃料電池。
JP2022523369A 2019-12-31 2020-12-23 燃料電池の逆電圧耐久性を向上させることができる膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池 Active JP7291295B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2019-0179673 2019-12-31
KR20190179673 2019-12-31
PCT/KR2020/019002 WO2021137517A1 (ko) 2019-12-31 2020-12-23 연료전지의 역전압 내구성을 향상시킬 수 있는 막-전극 어셈블리, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 연료전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022552741A JP2022552741A (ja) 2022-12-19
JP7291295B2 true JP7291295B2 (ja) 2023-06-14

Family

ID=76686005

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022523369A Active JP7291295B2 (ja) 2019-12-31 2020-12-23 燃料電池の逆電圧耐久性を向上させることができる膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4086993A1 (ja)
JP (1) JP7291295B2 (ja)
KR (1) KR20210086509A (ja)
CN (1) CN114830388A (ja)
WO (1) WO2021137517A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220049690A (ko) * 2020-10-15 2022-04-22 코오롱인더스트리 주식회사 우수한 성능과 높은 내구성의 두 가지 요구들을 모두 만족시킬 수 있는 막-전극 어셈블리 및 그것을 포함하는 연료전지

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006134629A (ja) 2004-11-04 2006-05-25 Honda Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池の電極構造体
JP2007287415A (ja) 2006-04-14 2007-11-01 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2008010386A (ja) 2006-06-01 2008-01-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び燃料電池積層体
JP2008016356A (ja) 2006-07-06 2008-01-24 Nissan Motor Co Ltd ガス拡散電極およびそれを用いてなる燃料電池
US20100178582A1 (en) 2009-01-12 2010-07-15 Gm Global Technology Operations, Inc. Ionic layer with oxygen evolution reaction catalyst for electrode protection
JP2019532460A (ja) 2016-09-08 2019-11-07 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトＤａｉｍｌｅｒ ＡＧ 燃料電池システムのための氷点下始動方法
CN114204056A (zh) 2021-12-10 2022-03-18 南华大学 一种抗反极优化设计膜电极组件结构及优化方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7132191B2 (en) * 2003-09-17 2006-11-07 General Motors Corporation Addressing one MEA failure mode by controlling MEA catalyst layer overlap
US7955750B2 (en) * 2006-02-21 2011-06-07 GM Global Technology Operations LLC Controlled electrode overlap architecture for improved MEA durability
US8617770B2 (en) * 2007-09-12 2013-12-31 GM Global Technology Operations LLC Electrodes containing oxygen evolution reaction catalysts
CN100593877C (zh) * 2008-11-18 2010-03-10 哈尔滨工业大学 一种直接硼氢化物燃料电池的复合膜电极
GB201302014D0 (en) * 2013-02-05 2013-03-20 Johnson Matthey Fuel Cells Ltd Use of an anode catalyst layer
JP6229925B2 (ja) * 2013-02-27 2017-11-15 高砂熱学工業株式会社 充放電システムおよび充放電システムの乾燥方法
JP2015162309A (ja) * 2014-02-26 2015-09-07 凸版印刷株式会社 膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体、及び固体高分子形燃料電池
JP6662286B2 (ja) * 2014-03-25 2020-03-11 凸版印刷株式会社 膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池
KR20170095296A (ko) * 2014-12-15 2017-08-22 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니 막 전극 접합체
JP6809897B2 (ja) * 2016-12-20 2021-01-06 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー 膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池
KR101913124B1 (ko) * 2017-01-24 2018-12-28 한국과학기술연구원 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006134629A (ja) 2004-11-04 2006-05-25 Honda Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池の電極構造体
JP2007287415A (ja) 2006-04-14 2007-11-01 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2008010386A (ja) 2006-06-01 2008-01-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び燃料電池積層体
JP2008016356A (ja) 2006-07-06 2008-01-24 Nissan Motor Co Ltd ガス拡散電極およびそれを用いてなる燃料電池
US20100178582A1 (en) 2009-01-12 2010-07-15 Gm Global Technology Operations, Inc. Ionic layer with oxygen evolution reaction catalyst for electrode protection
JP2019532460A (ja) 2016-09-08 2019-11-07 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフトＤａｉｍｌｅｒ ＡＧ 燃料電池システムのための氷点下始動方法
CN114204056A (zh) 2021-12-10 2022-03-18 南华大学 一种抗反极优化设计膜电极组件结构及优化方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP4086993A1 (en) 2022-11-09
JP2022552741A (ja) 2022-12-19
CN114830388A (zh) 2022-07-29
US20220393211A1 (en) 2022-12-08
KR20210086509A (ko) 2021-07-08
WO2021137517A1 (ko) 2021-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10923752B2 (en) Membrane-electrode assembly, method for manufacturing same, and fuel cell comprising same
KR102246525B1 (ko) 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 그리고 이를 포함하는 연료 전지
US9362567B2 (en) Electrode for fuel cell, method of preparing same, membrane-electrode assembly and fuel cell system including same
CN113228354A (zh) 燃料电池用膜电极接合体以及固体高分子型燃料电池
US20220393212A1 (en) Membrane-electrode assembly, method for manufacturing same, and fuel cell comprising same
JP7291295B2 (ja) 燃料電池の逆電圧耐久性を向上させることができる膜－電極アセンブリー、その製造方法、及びそれを含む燃料電池
JP2023158222A (ja) 優れた性能及び高い耐久性の両要求条件を満たすことができる膜電極アセンブリー及びそれを含む燃料電池
KR20130114921A (ko) 연료 전지용 전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
US20230006232A1 (en) Method for manufacturing polymer electrolyte membrane, and electrolyte membrane manufactured by same
KR101351392B1 (ko) 연료 전지용 전극, 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
US12027736B2 (en) Membrane-electrode assembly capable of improving reverse voltage durability of fuel cell, method for manufacturing same, and fuel cell including same
KR20190086392A (ko) 연료전지용 기체확산층, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 연료전지용 기체확산층의 제조방법
EP4053950A1 (en) Method for manufacturing polymer electrolyte membrane, and electrolyte membrane manufactured by same
WO2023096229A1 (ko) 선형의 다공성 실리카 나노입자를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지
CN115039262B (zh) 聚合物电解质膜和包括该聚合物电解质膜的膜-电极组件
WO2023096230A1 (ko) 판상의 다공성 실리카를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지
US20230253581A1 (en) Membrane-electrode assembly and manufacturing method therefor
KR102248997B1 (ko) 막-전극 어셈블리의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지
KR20210086529A (ko) 고분자 전해질막의 함수량을 증가시킬 수 있는 막-전극 어셈블리 및 그것을 포함하는 연료전지
KR20230080750A (ko) 패턴화된 금속 박막을 포함한 고분자 전해질 막 복합체 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리
JP2014160671A (ja) 膜電極接合体
KR20230143051A (ko) 고분자 전해질막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전기 화학 장치
KR20230001895A (ko) 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 막 전극 어셈블리

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220419

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230426

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230531

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230602

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7291295

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150