KR20160057313A

KR20160057313A - 막 전극 접합체 및 연료 전지

Info

Publication number: KR20160057313A
Application number: KR1020150152997A
Authority: KR
Inventors: 마사토 하마노; 히로오 요시카와; 츠네마사 니시다
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2016-05-23
Also published as: CA2909932A1; CN105609845A; JP6135644B2; US20160141695A1; DE102015118426A1; CN105609845B; DE102015118426B4; US9673467B2; JP2016095972A; KR101859257B1; CA2909932C

Abstract

본 발명의 과제는, 막 전극 접합체 전체의 두께가 커지는 것을 방지하는 것이다.
막 전극 접합체이다. 막 전극 접합체는, 전해질막과, 상기 전해질막의 면 상에 형성되고, 촉매와 아이오노머를 포함하는 촉매층과, 상기 전해질막의 면 상이며, 상기 촉매층과는 반대측의 면 상에 형성된 가스 확산층을 구비한다. 상기 촉매층은, 상기 전해질막과 접하는 제1층과, 상기 가스 확산층과 접하는 제2층을 갖는다. 상기 제1층에 있어서의 상기 전해질막과 접하는 제1 부분의 아이오노머량은, 상기 제1층에 있어서의 상기 제2층과 접하는 제2 부분의 아이오노머량보다도 많다. 상기 제2층에 있어서의 상기 가스 확산층과 접하는 제3 부분의 아이오노머량은, 상기 제1 부분의 아이오노머량보다도 많다.

Description

막 전극 접합체 및 연료 전지{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL}

본원은, 2014년 11월 13일에 출원된 출원 번호 제2014-230631호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 모두가 참조에 의해 본원에 포함된다.

본 발명은 막 전극 접합체와, 막 전극 접합체를 구비하는 연료 전지에 관한 것이다.

연료 전지는, 전해질막의 면 상에 촉매층과 가스 확산층이 이 순서로 적층된 막 전극 접합체를 구비한다. 종래, JP2010-251140A에 기재되어 있는 바와 같이, 촉매층을, 전해질막과 접하는 제1층 부분과, 가스 확산층과 접하는 제2층 부분과, 상기 제1과 제2층 부분의 사이에 위치하는 제3층 부분으로 나누었을 때에, 상기 제1과 제2층 부분의 각각의 아이오노머량을, 상기 제3층 부분의 아이오노머량보다도 많게 하는 기술이 알려져 있다. 이에 의해, 수소 이온(H^＋. 「프로톤」이라고도 함)의 이동 저항의 저감과 가스 확산성의 향상을 달성할 수 있는 것에 더하여, 전해질막 및 촉매층의 함수량의 저하를 방지할 수 있다.

그러나, 상기 종래의 기술에 따르면, 촉매층의 두께가 커지므로, 막 전극 접합체 전체의 두께가 커진다고 하는 과제가 있었다. 그 밖에, 저비용화, 자원 절약화, 제조의 용이화 등이 요망되고 있었다.

본 발명은 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.

(1) 본 발명의 일 형태는, 막 전극 접합체이다. 막 전극 접합체는, 전해질막과, 상기 전해질막의 면 상에 형성되고, 촉매와 아이오노머를 포함하는 촉매층과, 상기 촉매층의 면 상이며, 상기 전해질막의 면과는 반대측의 면 상에 형성된 가스 확산층을 구비하고 있어도 된다. 상기 촉매층은, 상기 전해질막과 접하는 제1층과, 상기 가스 확산층과 접하는 제2층을 갖고 있어도 된다. 상기 제1층에 있어서 상기 전해질막과 접하는 제1 부분의 아이오노머량은, 상기 제1층에 있어서 상기 제2층과 접하는 제2 부분의 아이오노머량보다도 많아도 된다. 상기 제2층에 있어서 상기 가스 확산층과 접하는 제3 부분의 아이오노머량은, 상기 제1 부분의 아이오노머량보다도 많아도 된다. 여기서, 「아이오노머량」이라 함은, 단위 체적(1㎤)당 아이오노머의 질량(g)을 의미한다. 예를 들어, 제1 부분의 체적이 Va1(㎤)이며, 제1 부분에 포함되는 아이오노머의 질량이 Ma1(g)인 경우, 제1 부분의 아이오노머량은 Ma1/Va1(g/㎤)이다. 또한, 아이오노머량의 산출에 있어서, 산출 대상으로 되는 부분을 복수개의 블록으로 분할하고, 블록마다 아이오노머량을 산출하고, 블록마다의 아이오노머량의 평균을 각각의 부분의 아이오노머량으로 한다. 특허 청구 범위 및 본 명세서에 있어서, 아이오노머량이라고 할 때에는, 마찬가지의 의미를 가리키는 것으로 한다.

상기 구성의 막 전극 접합체에 따르면, 제2층에 있어서 가스 확산층과 접하는 제3 부분의 아이오노머량이, 제1층에 있어서 전해질막과 접하는 제1 부분의 아이오노머량보다도 많다. 제1 부분의 아이오노머량은 제3 부분의 아이오노머량보다도 적으므로, 제1 부분과 제3 부분의 아이오노머량이 동일한 것에 비해, 촉매층 전체의 두께를 저감시킬 수 있다. 일반적으로 아이오노머의 양이 적을수록 인접하는 층과의 밀착력이 저하된다. 그러나, 제1 부분과 접하는 전해질막에 아이오노머가 포함되어 있다. 이로 인해, 제1 부분의 아이오노머량을 적게 해도, 전해질막에 포함되는 아이오노머가 수복 기능으로서 작용하므로, 전해질막과의 사이의 밀착력이 저감되는 일이 없다. 이로 인해, 제1 부분의 아이오노머량을 제3 부분의 아이오노머량보다도 적게 해도, 전해질막과의 사이의 밀착력을 유지한 상태에서, 촉매층 전체의 두께를 저감시키는 것이 가능해진다. 따라서, 이 막 전극 접합체는, 두께를 저감시킬 수 있다고 하는 효과를 발휘한다. 또한, 제1층에 있어서 전해질막과 접하는 제1 부분의 아이오노머량은, 제1층에 있어서 제2층과 접하는 제2 부분의 아이오노머량보다도 많으므로, 프로톤의 이동 저항을 저감시킬 수 있다.

(2) 상기 형태의 막 전극 접합체에 있어서, 상기 촉매층의 두께를 D로 하면, 상기 제2층의 두께는, 0.05·D 이하여도 된다. 이 막 전극 접합체에 따르면, 두께가 얇아진 분만큼, 아이오노머량을 적게 할 수 있고, 배수성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 제2층과 가스 확산층 사이의 함수량이 저감되고, 가스 확산 저항이 낮아지므로, 연료 전지의 발전 성능이 향상된다.

(3) 본 발명의 다른 형태는, 연료 전지이다. 연료 전지는, 상기 형태의 막 전극 접합체와, 상기 막 전극 접합체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비하고 있어도 된다. 이 구성에 따르면, 막 전극 접합체의 두께를 작게 할 수 있으므로, 연료 전지를 컴팩트화할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시 형태로서의 막 전극 접합체를 구비하는 단셀의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 1b는 본 발명의 일 실시 형태로서의 막 전극 접합체를 구비하는 단셀의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 2는 캐소드 촉매층의 상태를 모식적으로 도시하는 설명도.
도 3은 캐소드 촉매층의 구성과 아이오노머량의 분포를 나타내는 설명도.
도 4는 막 전극 접합체의 제조 방법을 나타내는 공정도.
도 5는 제2층의 두께와 가스 확산 저항의 관계를 나타내는 그래프.

다음으로, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

A. 전체 구성:

도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 막 전극 접합체(10)를 구비하는 단셀(1)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도 1a는 단셀(1)의 분해 사시도이다. 도 1b는 도 1a의 B-B 단면의 모식도이다. 단셀(1)을 복수 적층시켜 스택 구조를 구성함으로써 고체 고분자형 연료 전지(FC)가 구성된다. 고체 고분자형 연료 전지(FC)는, 단셀(1)을 복수 적층시킨 적층체의 양측을 2매의 엔드 플레이트로 끼움 지지함으로써 제작된다. 도 1a에 도시하는 바와 같이 단셀(1)은, 전해질막(11)의 양면 상에, 캐소드(12)와 애노드(13)를 각각 형성한 막 전극 접합체(10)와, 막 전극 접합체(10)를 끼움 지지하는 세퍼레이터(20, 22)를 구비한다. 도시의 사정상, 캐소드(12)는, 전해질막(11)에 숨겨진 위치에 존재한다. 도 1b에 도시하는 바와 같이, 캐소드(12)는, 전해질막(11)의 한쪽의 면 상에 형성된 캐소드 촉매층(15)과, 캐소드 촉매층(15) 상에 형성된 캐소드 가스 확산층(18)을 구비한다. 또한, 애노드(13)는, 전해질막(11)의 다른 쪽의 면 상에 형성된 애노드 촉매층(14)과, 애노드 촉매층(14) 상에 형성된 애노드 가스 확산층(16)을 구비한다. 또한, 본 명세서의 「막 전극 접합체」라 함은, 전해질막과 촉매층과 가스 확산층이 이 순서로 적층된 구조물을 가리킨다.

전해질막(11)은, 프로톤 전도성을 갖는 고체 고분자 전해질로 형성되어 있다. 구체적으로는, 불소계 술폰산 고분자 수지로부터 제작된 고체 고분자 전해질막[예를 들어, 나피온(듀퐁사의 등록 상표)]이 사용된다. 촉매층(14, 15)은, 촉매를 담지한 담체와, 담체의 주위를 덮는 아이오노머에 의해 형성된다. 구체적으로는, 예를 들어 백금을 담지한 카본 입자와, 아이오노머에 의해 형성된다. 촉매층(14, 15)의 구체적인 구성과 제작 방법에 대해서는 후술한다. 가스 확산층(16, 18)은, 가스 투과성을 가짐과 함께 도전성이 양호한 재료로 형성된다. 이러한 재료로서는, 예를 들어 카본 페이퍼나 카본 클로스가 사용된다.

세퍼레이터(20, 22)는, 수소 투과성이 낮고 도전성이 양호한 재료로 형성된다. 이러한 재료로서는, 예를 들어 수지에 도전 재료를 혼입하여 성형한 것이 사용된다. 세퍼레이터(20, 22)는, 단셀(1) 내에 배치되어 반응 가스(수소 가스를 함유하는 연료 가스 또는 산소를 함유하는 산화 가스)가 흐르는 가스 유로를 형성하는 부재이다. 세퍼레이터(20, 22)의 양면에는, 가스 유로를 형성하기 위해 홈(26, 28)이 형성되어 있다. 구체적으로는, 도 1a, 도 1b에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터(20)의 2개의 면 중, 애노드(13)와 접하는 면에 형성된 홈(28)에는 연료 가스가 흐르고, 세퍼레이터(22)의 2개의 면 중, 캐소드(12)와 접하는 면에 형성된 홈(26)에는 산화 가스가 흐른다. 또한, 세퍼레이터(20, 22)는 각각, 한쪽의 면에는 홈(26)이 형성됨과 함께, 다른 쪽의 면에는 홈(28)이 형성되어 있다.

세퍼레이터(20, 22)는, 그들의 외주 부근의 서로 대응하는 위치에, 관통 구멍(30, 31, 32, 34)을 구비하고 있다. 관통 구멍(30, 31, 32, 34)은, 단셀(1)을 복수 적층시켜 연료 전지를 조립한 경우에, 서로 겹쳐져, 단셀(1)의 적층 방향을 따라 연료 전지 내부를 관통하는 유로를 형성한다. 즉, 관통 구멍(30, 31, 32, 34)은, 홈(26, 28)에 대해 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 매니폴드와, 캐소드(12) 또는 애노드(13)를 통과한 반응 가스를 배출하는 반응 가스 배출 매니폴드를 형성한다. 본 실시 형태에서는, 홈(26)의 일단부와 연통되는 관통 구멍(32)은, 연료 전지의 외부로부터 공급된 산화 가스가 흐르는 산화 가스 공급 매니폴드를 형성한다. 홈(26)의 타단부와 연통되는 관통 구멍(34)은, 캐소드(12)를 통과한 산화 가스가 흐르는 산화 가스 배출 매니폴드를 형성한다. 또한, 홈(28)의 일단부와 연통되는 관통 구멍(30)은, 연료 전지의 외부로부터 공급된 연료 가스가 흐르는 연료 가스 공급 매니폴드를 형성한다. 홈(28)의 타단부와 연통되는 관통 구멍(31)은, 애노드(13)를 통과하는 연료 가스가 흐르는 연료 가스 배출 매니폴드를 형성한다. 또한, 도시는 생략하고 있지만, 스택 구조의 내부 온도를 조절하기 위해, 모든 인접하는 단셀(1)의 사이에, 혹은 소정수의 단셀(1)을 적층할 때마다, 냉매가 통과하는 냉매 유로를 형성해도 된다. 냉매 유로는, 인접하는 단셀(1) 사이에 있어서, 한쪽의 단셀(1)이 구비하는 세퍼레이터(20)와, 이것에 인접하여 설치되는 다른 쪽의 단셀의 세퍼레이터(22) 사이에 형성하면 된다.

B. 촉매층의 구성:

도 2는 캐소드 촉매층(15)의 상태를 모식적으로 도시하는 도면이다. 캐소드 촉매층(15)은, 복수의 카본 입자(150)와, 각 카본 입자(150)에 담지된 촉매로서의 백금(152)과, 카본 입자(150)와 백금(152)을 피복하는 아이오노머(154)를 구비한다. 도 2에 있어서, 카본 입자(150)는 큰 원으로 나타내고, 촉매(152)는 카본 입자(150)의 원보다도 직경이 작은 원으로 나타냈다. 캐소드 촉매층(15)은, 그 두께 방향(도 2의 상하 방향)에 있어서, 전해질막(11)측에 위치하는 제1층과, 캐소드 가스 확산층(18)측에 위치하는 제2층을 갖고, 각 층의 계면의 아이오노머량(g/㎤)을 서로 다르게 한 구성으로 되어 있다. 이 아이오노머량의 분포의 상세는 후술한다.

애노드(13)(도 1 참조)측에서 생성된 프로톤은, 전해질막(11)을 통과하여 캐소드 촉매층(15)에 달한다. 캐소드 촉매층(15)에 달한 프로톤은, 캐소드 촉매층(15) 중의 아이오노머(154)를 통해, 캐소드 촉매층(15) 중의 촉매(152)에 도달한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 캐소드 가스 확산층(18)으로부터 캐소드 촉매층(15)에 공급된 산화 가스 중의 산소는, 캐소드 촉매층(15) 중의 공극(156)을 통과함으로써 캐소드 촉매층(15) 중에 확산되고, 촉매(152)에 도달한다. 또한, 도시는 하지 않지만, 애노드측에서 생성된 전자는, 외부 회로를 통과하여 캐소드 촉매층(15)에 달하고, 캐소드 촉매층(15) 중의 카본 입자(150)를 통해 촉매(152)에 도달한다. 촉매(152)에 달한 프로톤과 전자와 산소가 반응하여 물이 생성된다. 또한, 특히 고온(예를 들어 연료 전지 내의 온도가 90℃ 이상)에서의 연료 전지의 운전 시에는, 전해질막(11)이나 캐소드 촉매층(15)에 포함되는 물이 증발하고, 증발한 물은 캐소드 가스 확산층(18)을 통과하여 캐소드 배기 가스와 함께 연료 전지 밖으로 배출된다.

도 3은 캐소드 촉매층(15)의 구성과 아이오노머량 분포 특성을 나타내는 설명도이다. 도면 중의 a는, 모식적으로 도시한 캐소드 촉매층(15)의 구성이다. 도면 중의 b는, 아이오노머량 분포 특성을 나타내는 그래프이다. 애노드 촉매층(14)의 구성은, 캐소드 촉매층(15)과 마찬가지의 구성이므로 설명은 생략한다. 도 3의 a에 도시하는 바와 같이, 캐소드 촉매층(15)은, 일체적으로 형성되어 있지만, 기능적으로는, 전해질막(11)과 접하는 제1층(C1)과, 캐소드 가스 확산층(18)과 접하는 제2층(C2)으로 나뉜다. 제1층(C1)과 제2층(C2)은, 아이오노머량이 급격하게 변화하는 부분을 계면으로 하여 나뉘어져 있다.

도 3의 b에 있어서, 그래프의 횡축은, 캐소드 촉매층(15)에 있어서의 두께 방향의 위치를 나타내고, 종축은, 아이오노머량을 나타낸다. 도 3의 b에 나타내는 바와 같이, 캐소드 촉매층(15)의 두께를 D로 하면, 제2층(C2)의 두께는 0.05·D이다. 또한, 캐소드 촉매층(15)의 두께를, 0.05·D 대신에, 0.02·D나 0.03D 등, 0.05·D 이하의 다른 값으로 해도 된다. 또한, 캐소드 촉매층(15)의 두께를, 0.05·D 대신에, 0.07·D나 0.10D 등, 0.05·D보다 큰 다른 값으로 해도 된다.

또한, 제1층(C1) 중 전해질막(11)과 접하는 부분을 제1 부분(P1)으로 하고, 제1층(C1) 중 제2층(C2)과 접하는 부분을 제2 부분(P2)으로 하고, 제2층(C2) 중 가스 확산층(18)과 접하는 부분을 제3 부분(P3)으로 하면, 제1 부분(P1)의 아이오노머량(V1)은 제2 부분(P2)의 아이오노머량(V2)보다도 많고, 제3 부분(P3)의 아이오노머량(V3)은 제1 부분(P1)의 아이오노머량(V1)보다도 많다. 즉, V3＞V1＞V2로 된다. 또한, 제2층(C2)에 있어서, 제3 부분(P3)으로부터 제2 부분(P2)을 향함에 따라 아이오노머량은 V3으로부터 V2로 점차 감소한다. 제1층(C1)에 있어서, 제2 부분(P2)으로부터 제1 부분(P1)을 향함에 따라 아이오노머량은 V2로부터 V1로 점차 증가한다.

「아이오노머량」이라 함은, 전술한 바와 같이, 단위 체적의 캐소드 촉매층당 아이오노머의 질량(g/㎤)을 말한다. 또한, 상기한 아이오노머량 대신에, 아이오노머 비율, 즉, 단위 체적의 캐소드 촉매층 중의 아이오노머의 비율에 의해, 아이오노머의 많음(적음)을 정할 수도 있다. 제1∼제3 부분(P1∼P3)의 아이오노머량은, 예를 들어 AFM(원자간력 현미경)/전류 동시 측정을 행함으로써(도전성 AFM에 의해) －50[㎁] 이하의 전류가 흐르는 부분의 면적을 측정함으로써, 산출할 수 있다. 또한, 각 부분(P1∼P3)에 있어서의 측정 개소는, 복수 개소로 한다. 1개의 부분(P1∼P3 중 어느 하나)에 포함되는 복수의 개소에 대해 아이오노머량을 측정하고, 개소마다의 아이오노머량의 산술 평균을, 그 부분(P1∼P3)에 있어서의 아이오노머량으로 한다.

이상과 같은 아이오노머량 분포 특성을 취함으로써, 제1 부분(P1)의 공극률은 제2 부분(P2)의 공극률보다도 작고, 제3 부분(P3)의 공극률은 제1 부분(P1)의 공극률보다도 작아진다. 촉매층의 각 부분의 공극률에는, 카본 입자의 양에 비해, 아이오노머량이 크게 기여하기 때문이다. 즉, 아이오노머량의 다소는, 산출한 공극률을 기초로 결정할 수 있다. 공극률이 큰 부분은 아이오노머량이 적고, 공극률이 작은 부분은 아이오노머량이 많은 것을 알 수 있다.

이와 같이, 제1층(C1)에 있어서의 전해질막(11)과 접하는 제1 부분(P1)은 제2 부분(P2)보다도 아이오노머량이 많고, 또한 공극률이 작으므로, 프로톤의 이동 저항을 저감시킬 수 있다. 또한, 제2층(C2)에 있어서의 가스 확산층(18)과 접하는 제3 부분(P3)은 제2 부분(P2)보다도 아이오노머량이 많고, 공극률이 작으므로, 증발한 물이 가스 확산층(18)을 통해 연료 전지 밖으로 유출되는 것을 억제할 수 있고, 전해질막(11) 및 촉매층(15)의 함수량의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 제1층(C1)과 제2층(C2) 사이의 제2 부분(P2)은, 제1과 제3 부분(P1, P3)보다도 아이오노머량이 적고, 공극률이 크므로, 촉매층(15) 중의 반응 가스의 확산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 막 전극 접합체(10)는, 전해질막(11) 및 촉매층(15)의 함수량의 저하를 방지할 수 있으므로, 막 전극 접합체(10)를 구비한 연료 전지는, 건조되기 쉬운 환경하(예를 들어, 연료 전지 내가 온도 90℃ 이상으로 되는 환경하)에 있어서의 성능 저하를 방지할 수 있다.

또한, 전해질막(11)과 애노드 가스 확산층(16) 사이에 위치하는 애노드 촉매층(14)(도 1b 참조)의 구성도, 전해질막(11)과 캐소드 가스 확산층(18) 사이에 위치하는 캐소드 촉매층(15)(도 1b 및 도 3 참조)과 대략 마찬가지의 구성을 갖는다. 이로 인해, 애노드 촉매층(14)도, 이상에서 설명한 캐소드 촉매층(15)과 마찬가지의 효과를 발휘한다. 단, 애노드 촉매층(14)에 대한 애노드 가스 확산층(16)이, 캐소드 촉매층(15)에 대한 캐소드 가스 확산층(18)에 상당한다.

또한, 촉매층(14, 15)의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 각각 2㎛ 이상 25㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 반응 가스의 확산성을 향상시키기 위해, 촉매층(14, 15)의 제1층(C1)의 복수의 공극(156)은 서로 연통되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 가스 확산층(16, 18)으로부터 공급되는 반응 가스를 전해질막(11)측에 위치하는 제1층(C1)에까지 확산시키기 위해, 촉매층(14, 15) 중의 공극(156)은 제2층(C2)으로부터 제1층(C1)까지 서로 연통되어 있는 것이 바람직하다.

C. 제조 방법:

도 4는 막 전극 접합체(10)의 제조 방법을 나타내는 공정도이다. 도시하는 바와 같이, 막 전극 접합체(10)의 제조에 있어서는, 우선, 캐소드 촉매층(15)용의 촉매 잉크를 제작한다(공정 S1). 상세하게는, 백금 촉매가 담지된 카본 재료와 아이오노머를 사용하고, 이들을, (아이오노머의 중량/카본 중량)의 비가 1∼1.2로 되도록, 물과 에탄올에 분산시킴으로써 촉매 잉크를 제작한다.

이어서, 공정 S1에서 얻어진 촉매 잉크를 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 시트에 도포 시공하고, 50℃∼150℃에서 2분 이상 건조시킴으로써, 캐소드 촉매층을 제작한다(공정 S2). 마찬가지로, 애노드 촉매층(14)에 대해서도, 공정 S1 및 공정 S2에 의해 제작한다.

계속해서, 공정 S2에서 얻어진 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층을 전해질막에 핫 프레스에 의해 전사함으로써, MEA(Membrane Electrode Assembly)를 제작한다(공정 S3). 이 핫 프레스에 의해 가열, 가압함으로써, 촉매층 중의 아이오노머를 전해질막측에 치우치게 할 수 있고, 도 3의 b에 나타낸 아이오노머량 분포 특성을 갖는 촉매층을 얻을 수 있다. 또한, 핫 프레스 대신에, 핫 롤 프레스 등의 다른 방법에 의해 가열·가압을 행하는 구성으로 해도 된다.

계속해서, MEA에 가스 확산층을 핫 프레스에 의해 접합함으로써, MEGA(Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly)로서의 막 전극 접합체(10)가 제조된다. 핫 프레스 대신에, 핫 롤 프레스 등의 다른 방법에 의해 가열·가압을 행하는 구성으로 해도 된다.

D. 실시 형태의 효과:

이상과 같이 구성된 본 실시 형태의 막 전극 접합체(10)에 따르면, 촉매층(15)에 있어서, 제1층(C1)에 있어서의 전해질막(11)과 접하는 제1 부분(P1)의 아이오노머량(V1)이, 제2층(C2)에 있어서의 가스 확산층(18)과 접하는 제3 부분(P3)의 아이오노머량(V3)보다도 적으므로, 촉매층(15) 전체의 두께를 저감시킬 수 있다. 일반적으로, 삼차원 공간 내에서, 위치에 따라, 단위 체적당 아이오노머의 양을, 소정량, 증대 또는 감소시키기 위해서는, 어느 정도의 거리를 필요로 한다. 또한, 일반적으로 아이오노머의 양이 적을수록 인접하는 층과의 밀착력이 저하된다. 그러나, 전해질막(11)과 접하는 제1 부분(P1)에는, 전해질막(11)에 아이오노머가 포함되어 있다. 제1 부분(P1)의 아이오노머량(V1)을 적게 해도, 전해질막(11)에 포함되는 아이오노머가 수복 기능으로서 작용하므로, 전해질막(11)과의 사이의 밀착력이 저감되는 일이 없다. 이로 인해, 가령, 제1 부분(P1)의 아이오노머량(V1)을 제3 부분(P3)의 아이오노머량(V3)보다도 적게 해도, 전해질막(11)과의 사이의 밀착력을 유지한 상태에서, 촉매층(15) 전체의 두께를 저감시키는 것이 가능해진다. 따라서, 이 막 전극 접합체(10)에 따르면, 두께를 작게 할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.

또한, 막 전극 접합체(10)에 따르면, 촉매층(15)의 두께를 D로 하면, 가스 확산층(18)과 접하는 제2층(C2)의 두께는, 0.05·D 이하이므로, 두께가 얇아진 분만큼, 아이오노머량을 적게 할 수 있고, 배수성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 제2층(C2)과 가스 확산층(18) 사이의 함수량이 저감되고, 가스 확산 저항이 낮아지므로, 연료 전지의 발전 성능이 향상된다. 전술한 바와 같이, 제3 부분(P3)의 아이오노머량을 제2 부분(P2)의 아이오노머량보다도 많게 함으로써 배수성을 약화시키면, 고온 운전 시의 건조를 억제할 수 있지만, 반대로, 저온 운전 시에는, 가스 확산층에 수분이 과도하게 체류해 버려, 오히려 발전 성능이 저하되어 버리는 경향이 있다. 이로 인해, 상술한 바와 같이, 제2층(C2)의 두께를 0.05·D 이하로 하여, 발전 성능을 향상시키는 것이 유효하다.

도 5는 제2층(C2)의 두께와 가스 확산 저항의 관계를 나타내는 그래프이다. 셀 온도를 55℃로 하고, 애노드측 및 캐소드측의 노점 온도를 60℃/60℃로 하고, 애노드 가스로서 수소 가스를 0.5L/min, 캐소드 가스로서 1％ 산소와 99％ 질소의 혼합 가스를 1.0L/min을 각각 공급하여, 한계 전류 밀도법에 의해 가스 확산 저항(단위:sec/m)을 구함으로써, 상기한 그래프를 얻었다. 이 그래프로부터도, 제2층(C2)의 두께가 0.05·D를 하회하면, 가스 확산 저항이 낮은 값에서 안정되는 것을 알 수 있다.

E. 변형예:

또한, 상기 실시 형태에 있어서의 구성 요소 중의, 특허 청구 범위의 독립항에 기재한 요소 이외의 요소는, 부가적인 요소이며, 적절히 생략 가능하다. 또한, 본 발명의 상기 실시예나 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 형태에서 실시하는 것이 가능하고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.

E-1. 제1 변형예:

상기 실시 형태에서는, 캐소드 촉매층(15)과 애노드 촉매층(14)은 모두 제1 및 제2층을 갖고 있었지만, 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 중 어느 한쪽의 촉매층만이 제1 및 제2층을 가져도 된다. 이 경우, 제1 및 제2층을 갖지 않는 촉매층은, 공지의 방법으로 제작할 수 있다. 예를 들어, 백금과 카본 입자와 아이오노머를 포함하는 촉매 형성 잉크를 전해질막면 상에 분무하고, 건조시킴으로써 촉매층을 제작한다.

E-2. 제2 변형예:

상기 실시 형태에서는, 제2층(C2)에 있어서, 제3 부분(P3)으로부터 제2 부분(P2)을 향함에 따라 아이오노머량은 V3으로부터 V2로 점차 감소하도록 하였지만, 이것 대신에, 제3 부분(P3)으로부터 제2 부분(P2)에 걸쳐, 전체적으로는 감소하지만, 일부에 증가하는 개소가 있는 구성으로 해도 된다. 또한, 제1층(C1)에 있어서, 제2 부분(P2)으로부터 제1 부분(P1)을 향함에 따라 아이오노머량은 V2로부터 V1로 점차 증가하도록 하였지만, 이것 대신에, 제2 부분(P2)으로부터 제1 부분(P1)에 걸쳐, 전체적으로는 증가하지만, 일부에 감소하는 개소가 있는 구성으로 해도 된다. 또한, 아이오노머량이 점차 감소 혹은 증가하는 구성 대신에, 아이오노머량이 단계적으로 감소 혹은 증가하는 구성으로 해도 된다. 요컨대, 제1 부분(P1)의 아이오노머량(V1)은 제2 부분(P2)의 아이오노머량(V2)보다도 많고, 제3 부분(P3)의 아이오노머량(V3)은 제1 부분(P1)의 아이오노머량(V1)보다도 많은 구성이면 된다.

E-3. 제3 변형예:

상기 실시 형태는, 촉매로서 백금을 사용하였지만, 이에 한정하지 않고, 전기 화학 반응을 촉진하는 다양한 촉매를 채용 가능하다. 예를 들어, 백금, 바나듐, 팔라듐 등의 귀금속, 혹은, 이러한 귀금속을 포함하는 합금 등을 채용 가능하다.

E-4. 제4 변형예:

상기 실시 형태에서는, 촉매를 담지하는 담체로서 카본 입자를 사용하였지만, 이에 한정하지 않고 도전성이 양호한 다양한 재료를 채용 가능하다. 예를 들어, 스테인레스 스틸 등의 금속을 채용해도 된다. 또한, 반드시 담체를 사용할 필요는 없고, 촉매와 아이오노머에 의해 촉매층을 구성해도 된다.

본 발명은 상술한 실시 형태나 변형예에 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절히 대체나 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 전술한 실시 형태 및 각 변형예에 있어서의 구성 요소 중의, 독립 청구항에서 기재된 요소 이외의 요소는, 부가적인 요소이며, 적절히 생략 가능하다.

1 : 단셀
10 : 막 전극 접합체
11 : 전해질막
12 : 캐소드
13 : 애노드
14 : 애노드 촉매층
15 : 캐소드 촉매층
16 : 애노드 가스 확산층
18 : 캐소드 가스 확산층
20 : 세퍼레이터
22 : 세퍼레이터
30∼34 : 관통 구멍
150 : 카본 입자
152 : 촉매(백금)
154 : 아이오노머
156 : 공극
C1 : 제1층
C2 : 제2층
P1 : 제1 부분
V1 : 아이오노머량
P2 : 제2 부분
V2 : 아이오노머량
P3 : 제3 부분
V3 : 아이오노머량

Claims

막 전극 접합체이며,
전해질막과,
상기 전해질막의 면 상에 형성되고, 촉매와 아이오노머를 포함하는 촉매층과,
상기 촉매층의 면 상이며, 상기 전해질막과는 반대측의 면 상에 형성된 가스 확산층을 구비하고,
상기 촉매층은, 상기 전해질막과 접하는 제1층과, 상기 가스 확산층과 접하는 제2층을 갖고,
상기 제1층에 있어서 상기 전해질막과 접하는 제1 부분의 아이오노머량은, 상기 제1층에 있어서 상기 제2층과 접하는 제2 부분의 아이오노머량보다도 많고,
상기 제2층에 있어서 상기 가스 확산층과 접하는 제3 부분의 아이오노머량은, 상기 제1 부분의 아이오노머량보다도 많은, 막 전극 접합체.
제1항에 있어서, 상기 촉매층의 두께를 D로 하면, 상기 제2층의 두께는, 0.05·D 이하인, 막 전극 접합체.
제1항 또는 제2항에 기재된 막 전극 접합체와, 상기 막 전극 접합체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비하는, 연료 전지.