JP2018133160A - Membrane-electrode assembly, manufacturing method thereof, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒層のクラックから高分子電解質膜が劣化することを防止し、耐久性の高い膜電極接合体の提供。【解決手段】固体高分子電解質膜1と、固体高分子電解質膜1と隣接して配置された触媒層2a,2b及び触媒層2a,2bに隣接して配置されたガス拡散層3a,3bを含む、固体高分子電解質膜1の両面に配置された一対の電極層14a,14bと、を有する膜電極接合体20。ガス拡散層3a,3bが、多孔質材料を含み、触媒層2a,2bが、固体高分子電解質膜1に当接する領域にクラック部7a,7bを有し、クラック部7a,7bには前記多孔質材料が充填されている、膜電極接合体20。【選択図】図3The present invention provides a membrane electrode assembly having high durability by preventing deterioration of a polymer electrolyte membrane from cracks in a catalyst layer. SOLUTION: A solid polymer electrolyte membrane 1, catalyst layers 2a, 2b arranged adjacent to the solid polymer electrolyte membrane 1, and gas diffusion layers 3a, 3b arranged adjacent to the catalyst layers 2a, 2b are provided. A membrane electrode assembly 20 including a pair of electrode layers 14 a and 14 b disposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 1. The gas diffusion layers 3a and 3b include a porous material, and the catalyst layers 2a and 2b have crack portions 7a and 7b in regions where they contact the solid polymer electrolyte membrane 1, and the crack portions 7a and 7b include the porous material. A membrane electrode assembly 20 filled with a porous material. [Selection] Figure 3
Description
本開示は、燃料電池に関する。特に、当該燃料電池に用いる膜電極接合体、およびその製造方法に関する。 The present disclosure relates to fuel cells. In particular, the present invention relates to a membrane electrode assembly used in the fuel cell and a manufacturing method thereof.
燃料電池の一つである高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性の高分子電解質膜の一方の面を水素等の燃料ガスに、他方を酸素にそれぞれ暴露し、高分子電解質膜を介した化学反応によって水を合成し、これによって生じる反応エネルギーを電気的に取り出すことを基本原理としている。 One type of fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, in which one surface of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is exposed to a fuel gas such as hydrogen and the other is exposed to oxygen, via the polymer electrolyte membrane. The basic principle is to synthesize water by a chemical reaction and to electrically extract the reaction energy generated thereby.
高分子電解質型燃料電池の単電池は、膜電極接合体(以下、「MEA」とも記述する)と、MEAの両面に配置された一対の導電性のセパレータと、を有している。 A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) and a pair of conductive separators disposed on both sides of the MEA.
MEAは通常、水素イオン伝導性の高分子電解質膜と、この高分子電解質膜を挟む一対の電極層とを備えている。一対の電極層は、高分子電解質膜と当接するように配置された、例えば白金族触媒を担持したカーボン粉末およびイオン導電性樹脂を主成分とする触媒層と、当該触媒層上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層と、をそれぞれ有している。 The MEA usually includes a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a pair of electrode layers sandwiching the polymer electrolyte membrane. The pair of electrode layers is formed on the catalyst layer, for example, a catalyst layer mainly composed of a carbon powder supporting a platinum group catalyst and an ion conductive resin, which is disposed so as to contact the polymer electrolyte membrane, And a gas diffusion layer having both current collecting action, gas permeability and water repellency.
ここで、触媒層には、微少なクラックが多数存在している。触媒層の微少なクラックは、触媒層形成用組成物を高分子電解質膜、あるいは転写フィルムに塗工した後、当該塗膜から溶媒成分を除去する際に生じる。触媒層形成用組成物は、白金族触媒を担持したカーボン粉末とイオン導電性樹脂と溶媒との混合物であることが多く、溶媒成分を除去する際の体積収縮が触媒層のクラックの原因となる。つまり、触媒層の微小なクラックは、原理的に避けられないものである。 Here, many fine cracks exist in the catalyst layer. The minute cracks in the catalyst layer are generated when the solvent component is removed from the coating film after the catalyst layer forming composition is applied to the polymer electrolyte membrane or the transfer film. The composition for forming a catalyst layer is often a mixture of carbon powder carrying a platinum group catalyst, an ion conductive resin, and a solvent, and volume shrinkage when removing the solvent component causes cracks in the catalyst layer. . That is, minute cracks in the catalyst layer are inevitable in principle.
一方で、触媒層にクラックが存在すると、高分子電解質膜の膨潤収縮時、高分子電解質膜のうち、触媒層のクラックと当接する領域に機械的ストレスがかかりやすい。その結果、高分子電解質膜の機械的劣化を引き起こし、燃料電池の耐久性が低下するという問題がある。 On the other hand, when a crack exists in the catalyst layer, mechanical stress is likely to be applied to a region of the polymer electrolyte membrane that contacts the crack of the catalyst layer when the polymer electrolyte membrane swells and shrinks. As a result, there is a problem that the polymer electrolyte membrane is mechanically deteriorated and the durability of the fuel cell is lowered.
上記問題に対して、特許文献1には、クラックを有する触媒層が2層以上積層された膜電極接合体が開示されている。また、特許文献2には、表面が親水性の繊維状物質を触媒層に添加することで、触媒層の結合強度を向上させ、クラックを抑制した膜電極接合体が開示されている。特許文献3には、クラックが生じた触媒層に、電解質膜成分を含むペーストを塗布した膜電極接合体の製造方法が開示されている。
In order to solve the above problem,
しかしながら、特許文献1の方法によると、触媒層を2層以上形成する必要があるため、触媒層を薄く形成することが困難になる。触媒層が厚くなると、抵抗の増加とガス拡散の低下を引き起こし、電池性能が低下する。また、高分子電解質膜と当接する触媒層にクラックが残った状態であるため、高分子電解質膜の膨潤収縮に伴う機械的ストレスは避けられない。更に、触媒層の位置ずれが生じやすく、電極端部の劣化や工程の増加という課題も生じる。
However, according to the method of
また、特許文献2の方法では、触媒層に親水性の繊維状物質を添加することで、触媒層の結合強度を向上させている。しかし、繊維状物質はダマになりやすく、均一に分散させることが難しい。そのため、繊維状物質の濃度の薄い箇所からクラックが発生しやすい。また、繊維状物質の添加量を増やすと、触媒層を形成するための組成物の塗工性が悪くなり、触媒層を均一に形成することが難しくなる。 Further, in the method of Patent Document 2, the bonding strength of the catalyst layer is improved by adding a hydrophilic fibrous substance to the catalyst layer. However, fibrous materials are prone to lumps and are difficult to disperse uniformly. Therefore, a crack is likely to occur from a portion where the concentration of the fibrous substance is low. Moreover, when the addition amount of a fibrous substance is increased, the applicability | paintability of the composition for forming a catalyst layer will worsen, and it will become difficult to form a catalyst layer uniformly.
一方、特許文献3の方法では、触媒層のクラック部に電解質膜成分を含むペーストを塗布するため、触媒層のクラックはリペアされる。しかしながら、当該方法では、電解質膜成分を含むペーストを塗布し、別途、層を形成するため、触媒層の厚みが増加する。そのため、抵抗の増加、拡散性の低下により、電池性能が低下する。また、工程が複雑になるという課題もある。 On the other hand, in the method of Patent Document 3, since the paste containing the electrolyte membrane component is applied to the crack portion of the catalyst layer, the crack of the catalyst layer is repaired. However, in this method, since the paste containing the electrolyte membrane component is applied and a layer is separately formed, the thickness of the catalyst layer increases. Therefore, the battery performance decreases due to the increase in resistance and the decrease in diffusibility. There is also a problem that the process becomes complicated.
従って、本開示は上記課題を解決するものであり、触媒層のクラックによって、高分子電解質膜が劣化することを防止し、耐久性の高い膜電極接合体を提供することを目的とする。 Therefore, this indication solves the said subject and prevents a polymer electrolyte membrane from deteriorating by the crack of a catalyst layer, and it aims at providing a highly durable membrane electrode assembly.
上記目的を達成するために、本発明者らが鋭意検討した結果、高分子電解質膜に触媒層を形成した後、触媒層上にガス拡散層を構成する材料を塗工することにより、触媒層の厚みを増加させることなく、触媒層のクラック部を、ガス拡散層を構成する材料で埋めることができ、触媒層のクラック部と当接する高分子電解質膜の劣化が抑制され、耐久性の高い膜電極接合体が得られることを見出した。 As a result of intensive studies by the present inventors in order to achieve the above object, after forming a catalyst layer on the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer is coated on the catalyst layer with a material constituting the gas diffusion layer. Without increasing the thickness of the catalyst layer, the crack portion of the catalyst layer can be filled with the material constituting the gas diffusion layer, the deterioration of the polymer electrolyte membrane in contact with the crack portion of the catalyst layer is suppressed, and the durability is high It has been found that a membrane electrode assembly can be obtained.
前記目的を達成するために、本開示は以下の膜電極接合体を提供する。
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜と隣接して配置された触媒層および前記触媒層に隣接して配置されたガス拡散層を含む、前記固体高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極層と、を有し、前記ガス拡散層は、多孔質材料を含み、前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜に当接する領域にクラック部を有し、前記クラック部には前記多孔質材料が充填されている、膜電極接合体。
In order to achieve the above object, the present disclosure provides the following membrane electrode assembly.
Arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, comprising a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer arranged adjacent to the solid polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer arranged adjacent to the catalyst layer A pair of electrode layers, wherein the gas diffusion layer includes a porous material, the catalyst layer has a crack portion in a region in contact with the solid polymer electrolyte membrane, and the crack portion includes A membrane electrode assembly filled with the porous material.
また、本開示は、以下の膜電極接合体の製造方法も提供する。
固体高分子電解質膜上に、触媒粒子を担持した炭素材料、高分子電解質、および第1溶媒を含む触媒層形成用組成物を塗布・乾燥させて、触媒層を形成する工程と、前記触媒層を覆うように、導電性粒子、高分子樹脂、および第2溶媒を含むガス拡散層形成用組成物を塗布・乾燥させて、ガス拡散層を形成する工程と、を含む、膜電極接合体の製造方法。
The present disclosure also provides a method for producing the following membrane electrode assembly.
Applying a catalyst layer-forming composition comprising a carbon material carrying catalyst particles, a polymer electrolyte, and a first solvent on a solid polymer electrolyte membrane to form a catalyst layer; and Coating and drying a gas diffusion layer forming composition containing conductive particles, a polymer resin, and a second solvent so as to cover the film, and forming a gas diffusion layer. Production method.
さらに、本開示は、以下の膜電極接合体の製造方法も提供する。
固体高分子電解質膜上に、触媒粒子を担持した炭素材料、高分子電解質、および第1溶媒、を含む触媒層形成用組成物を塗布・乾燥させて、触媒層を形成する工程と、前記触媒層を覆うように、導電性粒子、高分子樹脂、および第2溶媒を含むマイクロポーラス層形成用組成物を塗布する工程と、前記マイクロポーラス層形成用組成物の塗膜に、基材を熱圧着し、基材およびマイクロポーラス層を含むガス拡散層を形成する工程と、を含む、膜電極接合体の製造方法。
Furthermore, this indication also provides the manufacturing method of the following membrane electrode assemblies.
Applying a catalyst layer forming composition containing a carbon material carrying catalyst particles, a polymer electrolyte, and a first solvent on a solid polymer electrolyte membrane to form a catalyst layer; and A step of applying a composition for forming a microporous layer containing conductive particles, a polymer resin, and a second solvent so as to cover the layer; and heating the substrate to the coating film of the composition for forming a microporous layer. Forming a gas diffusion layer including a base material and a microporous layer, and manufacturing the membrane electrode assembly.
本開示によれば、触媒層のクラック部が、ガス拡散層を構成する材料で埋められている。そのため、触媒層のクラック部と当接する高分子電解質膜の劣化が抑制され、耐久性の高い膜電極接合体とすることができる。 According to the present disclosure, the crack portion of the catalyst layer is filled with the material constituting the gas diffusion layer. Therefore, the deterioration of the polymer electrolyte membrane in contact with the crack portion of the catalyst layer is suppressed, and a highly durable membrane electrode assembly can be obtained.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1を用いて、本開示の第1実施形態にかかる燃料電池の基本構成について説明する。図1は、第1実施形態、および後述の第2実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池スタックの概略図である。なお、本開示の実施形態は、高分子電解質型燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。
(First embodiment)
The basic configuration of the fuel cell according to the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view of a polymer electrolyte fuel cell stack according to a first embodiment and a second embodiment described later. The embodiment of the present disclosure is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, and can be applied to various fuel cells.
図1に示すように、燃料電池は、基本単位である電池セル10を複数枚積層し、集電板11、絶縁板12、端板13で両側から所定の荷重で締結したものである。
As shown in FIG. 1, a fuel cell is formed by stacking a plurality of
集電板11の材料としては、ガス不透過性の導電性材料が用いられ、例えば、銅、真鍮などが使用される。集電板11には、電流取り出し端子部が設けられており、発電時には、当該電流取り出し端子部から電流を取り出す。
As the material of the
絶縁板12の材料としては、絶縁性樹脂が用いられ、例えばフッ素系樹脂、PPS樹脂などが使用される。
端板13の材料としては、剛性の高い金属材料が用いられ、例えば、鋼などが使用される。端板13は、複数枚積層された電池セル10と、集電板11と、絶縁板12とを、図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結、保持するための部材である。
As a material of the
As the material of the
以下、電池セル10について、図2を用いて説明する。図2は、本実施形態の電池セル10の断面図である。電池セル10は、膜電極接合体(MEA)20をアノード側セパレータ4a及びカソード側セパレータ4bで挟んで構成されている。
Hereinafter, the
なお、アノード側セパレータ4a及びカソード側セパレータ4bをまとめて、以下、セパレータ4とも記述する。他の構成要素も同様に、まとめて説明する場合は、a、bの記号を略する。
The
セパレータ4には、流体流路5が形成されており、アノード側セパレータ4aには、燃料ガスを流動させるための流体流路5が形成されている。一方、カソード側セパレータ4bには、酸化剤ガスを流動させるための流体流路5が形成されている。セパレータ4の材料としては、カーボン系、または金属系の材料を用いることができる。流体流路5は溝部であり、その周囲はリブ部6である。
A
MEA20には、固体高分子電解質膜1(以下、単に「高分子電解質膜」とも記述する)と、当該高分子電解質膜1の両側にそれぞれ配置された、一対の電極層14a、14bとが含まれる。また、電極層14には、それぞれ触媒層2およびガス拡散層3が含まれる。つまり、当該MEA20には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜1の両面にアノード触媒層2a、カソード触媒層2bが形成されており、更にその外側にアノード側ガス拡散層3a、カソード側ガス拡散層3bが配置されている。
The
本実施形態のMEA20を、図3を用いて更に詳細に説明する。高分子電解質膜1はプロトン伝導性を有する高分子電解質からなる膜であれば特に制限されない。高分子電解質膜1には、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸重合体等からなる膜が用いられる。パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子としては、例えばNafion(登録商標)が挙げられる。
The
触媒層2は、白金族粒子等の触媒粒子を担持した炭素材料および高分子電解質を含む層であり、一部にクラックが生じた部分(クラック部7)を有する。触媒層2のクラック部7には、ガス拡散層3を構成する多孔質材料が充填されている。
The catalyst layer 2 is a layer containing a carbon material supporting a catalyst particle such as a platinum group particle and a polymer electrolyte, and has a cracked part (crack part 7). The
ここで、触媒層2を構成する高分子電解質は、触媒粒子と高分子電解質膜1とを接続し、両者間においてプロトンを伝導する役割を果たす。この高分子電解質は、高分子電解質膜1を構成する高分子材料と同様の高分子材料からなるものとすることができる。触媒層2に含まれる高分子電解質の量は、触媒の量に応じて適宜選択され、通常、触媒層2中に含まれる触媒の質量に対して0.5〜2程度とすることができる。高分子電解質が、当該範囲含まれると、触媒層2のプロトン伝導性が良好になる。
Here, the polymer electrolyte constituting the catalyst layer 2 plays a role of connecting the catalyst particles and the
また、触媒層2を構成する触媒粒子としては、白金族の粒子を用いることができ、具体的には、Pt、Pt−Ru合金、またはPt−Co合金等を用いることができる。アノード触媒層2aには、触媒粒子が目付け量で0.01〜3mg/cm2程度含まれる。一方、カソード触媒層2bには、触媒粒子が目付け量で0.05〜0.5mg/cm2程度含まれる。触媒粒子が、当該範囲含まれると、燃料電池の発電性能が十分に高まりやすい。
In addition, platinum group particles can be used as the catalyst particles constituting the catalyst layer 2, and specifically, Pt, Pt—Ru alloy, Pt—Co alloy, or the like can be used. The
また、触媒粒子を担持する炭素材料としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンナノチューブ等を用いることができる。炭素材料の量は、触媒粒子の量に応じて適宜設定することができる。 As the carbon material for supporting the catalyst particles, acetylene black, ketjen black, furnace black, carbon nanotube, or the like can be used. The amount of the carbon material can be appropriately set according to the amount of the catalyst particles.
前述のように、触媒層2には、その形成時にクラック部7(アノード側触媒層クラック部7a、カソード側触媒層クラック部7b)が生じる。クラック部7の大きさは、通常1μm〜100μm程度であるが、本実施形態では、クラック部7が、後述するガス拡散層3の構成材料(多孔質材料)で埋められている。クラック部7が空洞となっている場合、発電中に生じた生成水で高分子電解質膜1が膨潤、すなわち高分子電解質膜1の厚みが厚くなった際、クラック部7のエッジ部と当接する高分子電解質膜1に高い応力がかかる。そして、高分子電解質膜1が膨潤収縮を繰り返すことで、高分子電解質膜1に繰返し応力がかかり、劣化していく。
As described above, the catalyst layer 2 has crack portions 7 (the anode side catalyst
これに対し、触媒層2に生じるクラック部7を、ガス拡散層3を構成する多孔質材料で埋めることで、高分子電解質膜1が膨潤収縮しても、応力集中する箇所が無くなる。そのため、高分子電解質膜1の劣化が抑制され、MEA20の耐久性、ひいては燃料電池全体の耐久性を向上させることができる。
On the other hand, by filling the
触媒層2に生じるクラック部7に、ガス拡散層3を構成する材料(多孔質材料)を充填する方法は特に制限されないが、クラック部7を埋めるためには、流動性のある材料を、触媒層2上に塗工する必要がある。具体的には、後述するMEAの製造方法で実現することができる。
The method for filling the
一方、本実施形態のガス拡散層3は、多孔質材料からなり、多孔質材料は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とする。なお、本明細書において、「多孔質材料が、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とする」とは、例えば炭素繊維等からなる基材(支持部材)を含まなくても、導電性粒子と高分子樹脂によって多孔質材料の形状が維持される(いわゆる自己支持体構造を有する)ことを意味する。 On the other hand, the gas diffusion layer 3 of the present embodiment is made of a porous material, and the porous material mainly contains conductive particles and a polymer resin. In the present specification, “the porous material is mainly composed of conductive particles and a polymer resin” means that the conductive material is conductive even if it does not include a base material (support member) made of carbon fiber or the like. It means that the shape of the porous material is maintained by the particles and the polymer resin (having a so-called self-supporting structure).
なお、導電性粒子と高分子樹脂とを用いて多孔質材料からなるガス拡散層3を形成する場合、後述するように界面活性剤や分散用溶媒を用いることがある。ガス拡散層3の形成時には、焼成により界面活性剤と分散用溶媒とを除去するが、これらがガス拡散層3中に残留することが有り得る。従って、多孔質材料には、導電性粒子と高分子樹脂によって形状維持が可能である限り、界面活性剤や分散用溶媒等が多少含まれていてもよい。また、本実施形態の目的を達成できる範囲内であれば、多孔質材料中に、導電性粒子や高分子樹脂、界面活性剤、分散用溶媒以外に、他の材料(例えば、炭素繊維など)が含まれていてもよい。なお、多孔質材料には、導電性粒子および高分子樹脂が、合計で70質量%以上含まれることが好ましい。 In addition, when forming the gas diffusion layer 3 which consists of porous materials using electroconductive particle and polymer resin, surfactant and the solvent for dispersion | distribution may be used so that it may mention later. During the formation of the gas diffusion layer 3, the surfactant and the dispersion solvent are removed by firing, but these may remain in the gas diffusion layer 3. Therefore, the porous material may contain a certain amount of a surfactant, a dispersion solvent, and the like as long as the shape can be maintained by the conductive particles and the polymer resin. In addition, within the range in which the object of the present embodiment can be achieved, in the porous material, in addition to the conductive particles, the polymer resin, the surfactant, and the dispersion solvent, other materials (for example, carbon fiber) May be included. The porous material preferably contains 70% by mass or more of conductive particles and polymer resin in total.
ガス拡散層3を構成する導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、グラファイト、活性炭などのカーボン材料が使用できる。これらの中でも、高い導電性と細孔容積が大きいカーボンブラックを使用するのが好ましい。また、カーボンブラックとしては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックを使用できる。これらの中でも、不純物量が少ないアセチレンブラック、あるいはアセチレンブラックを主成分とし、導電性の高いケッチェンブラックを5質量%以上50質量%以下含むものを使用することが好ましい。導電性粒子は、ガス拡散層3中に、60質量%以上95質量%以下含まれることが好ましい。 As the conductive particles constituting the gas diffusion layer 3, for example, a carbon material such as carbon black, graphite, activated carbon or the like can be used. Among these, it is preferable to use carbon black having high conductivity and a large pore volume. As carbon black, for example, acetylene black, ketjen black, and furnace black can be used. Among these, it is preferable to use acetylene black with a small amount of impurities, or acetylene black containing acetylene black as a main component and containing 5% by mass to 50% by mass of highly conductive ketjen black. The conductive particles are preferably contained in the gas diffusion layer 3 by 60% by mass or more and 95% by mass or less.
一方、ガス拡散層3を構成する高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有するものであれば特に制限されない。高分子樹脂は、撥水性を有することが好ましく、このような高分子樹脂を用いることで、ガス拡散層3内部の細孔に水が滞留し、ガス透過を阻害することを防ぐことができる。 On the other hand, the polymer resin constituting the gas diffusion layer 3 is not particularly limited as long as it has a function as a binder for binding the conductive particles. The polymer resin preferably has water repellency. By using such a polymer resin, it is possible to prevent water from staying in pores inside the gas diffusion layer 3 and inhibiting gas permeation.
高分子樹脂としては、例えばフッ素系の樹脂を用いることができる。具体的には、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(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)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(ポリフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)などを使用することができる。これらの中でも、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から、PTFEを高分子樹脂として使用することが好ましい。PTFEの原料形態として、ディスパージョン、粉末状などが挙げられる。それらの中でもディスパージョンが分散性に優れるため、好ましい。 As the polymer resin, for example, a fluorine-based resin can be used. Specifically, PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PCTFE (polyethylene) Chlorotrifluoroethylene), PFA (polyfluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) and the like can be used. Among these, it is preferable to use PTFE as a polymer resin from the viewpoints of heat resistance, water repellency, and chemical resistance. Examples of the raw material form of PTFE include dispersion and powder. Among these, a dispersion is preferable because of its excellent dispersibility.
また、ガス拡散層3は、基材として成立しない程度の炭素繊維を含んでいてもよい。このときガス拡散層3における炭素繊維の含有量は、20質量%以下であることが好ましい。また、ガス拡散層3における高分子樹脂の含有量は、10質量%以上20質量%以下であることが好ましい。炭素繊維や高分子樹脂の量が当該範囲であると、ガス拡散層3の抵抗を低減することが可能となる。 Further, the gas diffusion layer 3 may contain carbon fibers that are not formed as a base material. At this time, the carbon fiber content in the gas diffusion layer 3 is preferably 20% by mass or less. The content of the polymer resin in the gas diffusion layer 3 is preferably 10% by mass or more and 20% by mass or less. When the amount of the carbon fiber or the polymer resin is within the range, the resistance of the gas diffusion layer 3 can be reduced.
炭素繊維としては、気相成長法炭素繊維、ミルドファイバー、カットファイバー、チョップファイバーなどを使用することができる。これらの中でも、気相成長法炭素繊維が、繊維径が細く、高分子樹脂のバインダー効果を阻害しないので好ましい。 As the carbon fiber, vapor grown carbon fiber, milled fiber, cut fiber, chop fiber, or the like can be used. Among these, vapor grown carbon fiber is preferable because it has a small fiber diameter and does not hinder the binder effect of the polymer resin.
<MEA20の製造方法>
次に、本発明の第1実施形態にかかるMEA20の製造方法について図4と図5とを用いて説明する。
本実施形態のMEA20の製造方法は、高分子電解質膜1に触媒層形成用組成物を塗布する工程(工程1)と、乾燥処理により、触媒層形成用組成物中の溶媒(第1溶媒)を除去する工程(工程2)と、別途準備したガス拡散層形成用組成物を、触媒層2を覆うように塗布する工程(工程3)と、乾燥処理により、ガス拡散層形成用組成物中の溶媒(第2溶媒)を除去する工程(工程4)と、を含む。本実施形態のMEA20の製造方法では、工程2において、触媒層2に上述のクラックが発生する。また、工程3で触媒層2のクラック部7が、ガス拡散層形成用組成物で埋められる。
上記工程1〜4により、本開示の第1実施形態にかかる膜電極接合体20を製造することができる。
<Manufacturing method of MEA20>
Next, a method for manufacturing the
The
Through the
なお、本実施形態のMEA20の製造方法は、本実施形態の目的を損なわない限り、他の工程を含んでいてもよく、例えば以下に示すガス拡散層形成用組成物を準備する工程(サブ工程1〜4)を含んでいてもよい。またこの他に、触媒層形成用組成物を準備する工程等を含んでいてもよい。 In addition, unless the objective of this embodiment is impaired, the manufacturing method of MEA20 of this embodiment may include the other process, for example, the process (sub process) of preparing the composition for gas diffusion layer formation shown below, for example 1-4) may be included. In addition to this, a step of preparing a composition for forming a catalyst layer may be included.
ガス拡散層形成用組成物を準備する工程は、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散用溶媒とを混合する工程(サブ工程1)と、サブ工程1で得られた混合物を焼成して、界面活性剤および分散用溶媒を除去する工程(サブ工程2)と、サブ工程2で得られた焼成物を粉砕する工程(サブ工程3)と、粉砕した焼成物および第2溶媒を混合する工程(サブ工程4)と、を含む。
以下、本実施形態のMEA20の製造方法の各工程について説明する。
The step of preparing the gas diffusion layer forming composition includes a step of mixing conductive particles, a polymer resin, a surfactant, and a dispersion solvent (sub-step 1), and firing the mixture obtained in
Hereinafter, each process of the manufacturing method of MEA20 of this embodiment is demonstrated.
(工程1)
工程1に関して、図5(a)で詳細に説明する。なお、図5では、アノード側の触媒層2aおよびガス拡散層3aを形成する場合を示しているが、カソード側も同様に形成することができる。
(Process 1)
工程1では、高分子電解質膜1に触媒層形成用組成物を塗布し、触媒層形成用組成物からなる塗膜2a’を形成する。触媒形成用組成物は、白金族粒子等の触媒粒子を担持した炭素材料と、高分子電解質と、純水やアルコール等の溶媒(第1溶媒)との混合物とすることができる。触媒層形成用組成物は、上記成分を、スターラーやビーズミル、自公転ミキサー、プラネタリーミキサー等によって攪拌、分散させることで得られる。
In
触媒層形成用組成物の塗布方法は特に制限されず、例えば、高分子電解質膜1上にダイコート法や、スプレーコート法、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット法等により塗布する方法とすることができる。
The method for applying the catalyst layer forming composition is not particularly limited, and for example, a method of applying the composition on the
(工程2)
工程2に関して、図5(b)で詳細に説明する。
工程2では、工程1で形成した触媒層形成用組成物の塗膜2a’に含まれる、アルコールなどの溶媒(第1溶媒)を乾燥処理により除去する。乾燥方法としては、熱風式、IR式など、通常知られている方法を使用することができる。乾燥温度は、触媒層形成用組成物に含まれる高分子電解質に影響しない温度であればよく、40℃〜100℃とすることが好ましく、60℃〜90℃とすることがより好ましい。
(Process 2)
Step 2 will be described in detail with reference to FIG.
In step 2, the solvent (first solvent) such as alcohol contained in the
本工程で、塗膜2a’の乾燥を行うと体積収縮が生じ、得られる触媒層2aにクラック部7aが生じる。
When the
(工程3)
工程3に関して、図5(c)で詳細に説明する。
工程3では、別途準備したガス拡散層形成用組成物を、触媒層2aを覆うように塗布し、ガス拡散層形成用組成物からなる塗膜3a’を形成する。このとき、触媒層2aのクラック部7aは、ガス拡散層を構成する材料(多孔質材料)で埋められる。
(Process 3)
Step 3 will be described in detail with reference to FIG.
In step 3, a separately prepared gas diffusion layer forming composition is applied so as to cover the
ガス拡散層形成用組成物は、導電性粒子としてのカーボン材料と、高分子樹脂と、純水や低沸点のアルコール等の溶媒(第2溶媒)との混合物とすることができる。一般的なガス拡散層形成用組成物には、導電性粒子と高分子樹脂との結着性を高めるため、界面活性剤が含まれる。そして、ガス拡散層形成用組成物の塗布後、界面活性剤を除去するため、200℃以上の温度で塗膜を焼成することが必要である。これに対し、後述する方法(サブ工程1〜4)を経てガス拡散層形成用組成物を調製すると、導電性粒子と高分子樹脂とが既に結着されているため、ガス拡散層形成用組成物に界面活性剤を含める必要がない。つまり、後述の工程4において、ガス形成用組成物の塗膜を高温で焼成する必要がない。そのため、触媒層2aに過度な熱がかからず、触媒層2a中に含まれる高分子電解質に劣化等が生じ難くなる。なお、ガス拡散層形成用組成物に含まれる第2溶媒は、触媒層2a中の高分子電解質の劣化を抑制するとの観点から低沸点であることが好ましく、溶媒の沸点は、具体的には50〜150℃以下であることが好ましく、70〜130℃であることがより好ましい。溶媒の沸点が50℃より低いと、ガス拡散層形成用組成物の塗布時に溶媒の揮発によってガス拡散層形成用組成物の粘度が高まりやすく、均一にガス拡散層を形成することが難しくなる。一方、溶媒の沸点が150℃より高くなると、溶媒を乾燥させるため、高温まで加熱する必要が生じる。上記低沸点の溶媒としては、エタノール、イソプロピルアルコール(IPA)などのアルコール類と純水との混合溶媒等を用いることができる。ガス拡散層インクの製造方法は、後述する。
The gas diffusion layer forming composition can be a mixture of a carbon material as conductive particles, a polymer resin, and a solvent (second solvent) such as pure water or low-boiling alcohol. A general gas diffusion layer forming composition contains a surfactant in order to enhance the binding property between the conductive particles and the polymer resin. And in order to remove surfactant after application | coating of the composition for gas diffusion layer formation, it is necessary to bake a coating film at the temperature of 200 degreeC or more. On the other hand, when the composition for forming a gas diffusion layer is prepared through a method (
ガス拡散層形成用組成物の塗布方法は、スクリーン印刷法、ダイコート法、ロール圧延法などが用いられる。このような方法によれば、触媒層2aのクラック部7aに、ガス拡散層形成用組成物が入り込みやすい。
As a method for applying the gas diffusion layer forming composition, a screen printing method, a die coating method, a roll rolling method, or the like is used. According to such a method, the gas diffusion layer forming composition easily enters the
(工程4)
工程4に関して、図5(d)で詳細に説明する。
工程4では、工程3で形成したガス拡散層形成用組成物の塗膜3a’に含まれる、アルコール等の溶媒(第2溶媒)を乾燥処理により除去しガス拡散層3aを得る。乾燥には、熱風式、IR式など、通常知られている方法を使用することができる。乾燥温度は、触媒層2に含まれる高分子電解質に影響しない温度であれば良く、40℃〜160℃であることが好ましく、60℃〜130℃であることがより好ましい。
(Process 4)
Step 4 will be described in detail with reference to FIG.
In Step 4, a solvent such as alcohol (second solvent) contained in the
(サブ工程1)
サブ工程1では、導電性粒子と高分子樹脂と界面活性剤と分散用溶媒とを混合する。具体的には、導電性粒子としてのカーボン材料、界面活性剤、および分散用溶媒を投入し、攪拌、混合する。上記材料が均一に分散された後に、高分子樹脂を投入し、再度、均一に分散させ、混合物を得る。
(Sub process 1)
In
(サブ工程2)
サブ工程2では、サブ工程1で得られた混合物を焼成して、界面活性剤および分散用溶媒を除去する。混合物は、焼成前に10mm程度に裁断して焼成することが好ましい。それにより、界面活性剤と分散用溶媒を短時間で除去することが可能となる。
(Sub process 2)
In sub-step 2, the mixture obtained in
(サブ工程3)
サブ工程3では、サブ工程2で得られた界面活性剤と分散用溶媒を除去した焼成物を粉砕する。粉砕は、カッターミル、ロールクラッシャーを用いることができる。粉砕後の粒子径は、100μm〜3mmであることが好ましく、500μm〜1mmであることがより好ましい。
(Sub process 3)
In sub-step 3, the fired product from which the surfactant and the dispersion solvent obtained in sub-step 2 have been removed is pulverized. For the pulverization, a cutter mill or a roll crusher can be used. The particle diameter after pulverization is preferably 100 μm to 3 mm, and more preferably 500 μm to 1 mm.
(サブ工程4)
サブ工程4では、粉砕後の焼成物と前述の第2溶媒とを混錬し、ガス拡散層形成用組成物を得る。第2溶媒は、前述のように、上述の工程4において、触媒層2aに含まれる高分子電解質が劣化しないよう、沸点が低いことが好ましい。前述のように、第2溶媒としては、エタノール、イソプロピルアルコール(IPA)などのアルコール類と純水との混合溶媒等を用いることができる。
(Sub process 4)
In sub-step 4, the fired product after pulverization and the second solvent are kneaded to obtain a gas diffusion layer forming composition. As described above, the second solvent preferably has a low boiling point so that the polymer electrolyte contained in the
第2溶媒の添加量は、ガス拡散層形成用組成物の塗布方法により異なるが、例えば、ロール圧延法で塗布する場合は、固形分濃度40〜70質量%になるように調整することが好ましい。 The amount of the second solvent added varies depending on the method of applying the gas diffusion layer forming composition, but for example, when applied by a roll rolling method, it is preferable to adjust the solid content concentration to 40 to 70% by mass. .
なお、これまで示した例のように、本開示は上記第1実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。 In addition, like the example shown so far, this indication is not limited to the said 1st Embodiment, It can implement in another various aspect.
(第2実施形態)
本開示の第2実施形態にかかる燃料電池について説明する。本実施形態の燃料電池は、MEA200のガス拡散層30以外、第1実施形態にかかる燃料電池と同様である。図6に、本実施形態のMEA200の断面を示す。第2実施形態のガス拡散層30が、前記第1実施形態のガス拡散層3と異なる点は、ガス拡散層30が基材8およびマイクロポーラス層9(以下、「MPL層」とも記述する)で構成されている点である。それ以外の点については、前記第1実施形態と同様であるので、これらについては、同一の符号を付し、説明を省略する。
(Second Embodiment)
A fuel cell according to a second embodiment of the present disclosure will be described. The fuel cell of this embodiment is the same as the fuel cell according to the first embodiment except for the
ガス拡散層30は、基材8とMPL層9とから構成されている。
基材8は、MPL層9を支持する部材であり、例えば、耐食性が高く、かつ導電性を有する繊維不織布、撥水性の樹脂で撥水処理した織布等を使用することができる。基材8の材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルトなどが代表的なものとして挙げられる。基材8には、高い電子伝導性と高いガス拡散性とが求められる。
The
The
一方、MPL層9は、多孔質材料を含む層であり、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした層である。当該多孔質材料は、第1実施形態のガス拡散層を構成する多孔質材料と同様である。MPL層9は、電解質膜1及び触媒層2中の水分を保持するとともに、余分な水分は効率的に排出する役割をもつ。MPL層9は、第1実施形態のガス拡散層3と同じ組成のものを用いることができる。
On the other hand, the
本実施形態では、MPL層9を構成する材料、すなわち多孔質材料が、触媒層2に生じたクラック部7を埋める。そのため、本実施形態においても、高分子電解質膜1が触媒層2のクラック部7と当接する領域で機械的ストレスを受けることが無く、高分子電解質膜1の劣化が抑制され、燃料電池の耐久性が向上する。
In the present embodiment, the material constituting the
<MEA200の製造方法>
次に、本発明の第2実施形態にかかるMEA200の製造方法について説明する。本実施形態のMEA200の製造方法の工程図を図7に示す。MEA200の製造方法は、高分子電解質膜1に触媒層形成用組成物を塗布する工程(工程1)と、乾燥処理により、触媒層形成用組成物を乾燥させる工程(工程2)と、別途準備したマイクロポーラス層形成用組成物を、触媒層2を覆うように塗布する工程(工程3)と、マイクロポーラス層形成用組成物の塗膜に基材9を熱圧着する工程(工程4)と、を含む。本実施形態のMEA200の製造方法では、工程2において、触媒層2に上述のクラックが発生する。また、工程3で触媒層2のクラック部7が、マイクロポーラス層形成用組成物で埋められる。上記工程により、本開示の第2実施形態にかかる膜電極接合体200を製造することができる。
<Method for manufacturing
Next, the manufacturing method of MEA200 concerning 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 7 shows a process chart of a method for manufacturing the
ここで工程1および工程2については、第1実施形態にかかるMEA20の製造方法の工程1および工程2と同様である。また、本実施形態のMEA200の製造方法は、本実施形態の目的を損なわない限り、他の工程を含んでいてもよく、例えばマイクロポーラス層形成用組成物を準備する工程(サブ工程1〜4)を含んでいてもよい。またこのほかに、触媒層形成用組成物を準備する工程等を含んでいてもよい。なお、マイクロポーラス層形成用組成物の準備工程(サブ工程1〜4)は、第1実施形態のガス拡散層形成用組成物の準備工程と同様とすることができる。そこで、以下、工程3および工程4についてのみ説明する。
Here,
(工程3)
工程3では、別途準備したマイクロポーラス層形成用組成物を、触媒層2aを覆うように塗布し、マイクロポーラス層形成用組成物からなる塗膜を形成する。このとき、触媒層2aのクラック部7aは、マイクロポーラス層を構成する材料(多孔質材料)で埋められる。マイクロポーラス層形成用組成物は、第1実施形態のガス拡散層形成用組成物と同様とすることができる。また、その塗布方法も同様とすることができる。
(Process 3)
In step 3, a separately prepared composition for forming a microporous layer is applied so as to cover the
(工程4)
工程4では、工程3で形成したマイクロポーラス層形成用組成物の塗膜に、基材8を熱圧着する。熱圧着温度としては、40℃〜160℃であることが好ましく、60℃〜130℃であることがより好ましい。基材8を熱圧着することにより、マイクロポーラス層形成用組成物中の溶媒(第2溶媒)を除去し、MLP層9を形成すると共に、基材8とMPL層9とを接合することができる。
(Process 4)
In step 4, the
本実施形態では、上記製造方法により、触媒層のクラック部を、MPL層を構成する材料で埋めることができる。したがって、当該方法でMEA200を製造することで、高分子電解質膜1が触媒層2のクラック部で機械的ストレスを受けることが無く、高分子電解質膜の劣化が抑制され、燃料電池の耐久性が向上する。
In this embodiment, the crack part of a catalyst layer can be filled with the material which comprises an MPL layer with the said manufacturing method. Therefore, by manufacturing the
本開示の膜電極接合体により、燃料電池の耐久性向上を実現することが可能となる。当該膜電極接合体やこれを用いた燃料電池は、家庭用コージェネレーションシステム、自動車用燃料電池、モバイル用燃料電池、バックアップ用燃料電池などの用途にも適用できる。 With the membrane electrode assembly of the present disclosure, it is possible to improve the durability of the fuel cell. The membrane electrode assembly and the fuel cell using the membrane electrode assembly can be applied to uses such as a home cogeneration system, an automobile fuel cell, a mobile fuel cell, and a backup fuel cell.
1 高分子電解質膜
2a アノード触媒層
2b カソード触媒層
3a、30a アノード側ガス拡散層
3b、30b カソード側ガス拡散層
4a アノード側セパレータ
4b カソード側セパレータ
5 流体流路
6 リブ部
7a アノード側触媒層クラック部
7b カソード側触媒層クラック部
8 基材
9 マイクロポーラス層
10 電池セル
11 集電板
12 絶縁板
13 端板
14 電極層
20、200 MEA
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記固体高分子電解質膜と隣接して配置された触媒層および前記触媒層に隣接して配置されたガス拡散層を含む、前記固体高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極層と、
を有し、
前記ガス拡散層は、多孔質材料を含み、
前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜に当接する領域にクラック部を有し、前記クラック部には前記多孔質材料が充填されている、
膜電極接合体。 A solid polymer electrolyte membrane;
A pair of electrode layers disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, including a catalyst layer disposed adjacent to the solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer disposed adjacent to the catalyst layer;
Have
The gas diffusion layer includes a porous material,
The catalyst layer has a crack portion in a region in contact with the solid polymer electrolyte membrane, and the crack portion is filled with the porous material,
Membrane electrode assembly.
請求項1記載の膜電極接合体。 The porous material is mainly composed of conductive particles and a polymer resin.
The membrane electrode assembly according to claim 1.
請求項1または2に記載の膜電極接合体。 The gas diffusion layer has a base material, and a microporous layer that is disposed on the base material and includes the porous material.
The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
前記触媒層を覆うように、導電性粒子、高分子樹脂、および第2溶媒を含むガス拡散層形成用組成物を塗布・乾燥させて、ガス拡散層を形成する工程と、
を含む、膜電極接合体の製造方法。 Applying a catalyst layer-forming composition comprising a carbon material carrying catalyst particles, a polymer electrolyte, and a first solvent on a solid polymer electrolyte membrane to form a catalyst layer; and
Coating and drying a gas diffusion layer forming composition containing conductive particles, a polymer resin, and a second solvent so as to cover the catalyst layer, and forming a gas diffusion layer;
The manufacturing method of the membrane electrode assembly containing this.
前記導電性粒子、前記高分子樹脂、界面活性剤、および分散用溶媒を混合し、混合物を調製する工程と、
前記混合物を焼成し、前記界面活性剤および前記分散用溶媒を除去した焼成物を得る工程と、
前記焼成物を粉砕する工程と、
粉砕後の前記焼成物と前記第2溶媒とを混合し、前記ガス拡散層形成用組成物を得る工程と、
を含む、請求項5に記載の膜電極接合体の製造方法。 Before forming the gas diffusion layer,
Mixing the conductive particles, the polymer resin, a surfactant, and a dispersion solvent to prepare a mixture;
Firing the mixture to obtain a fired product from which the surfactant and the dispersion solvent have been removed;
Crushing the fired product;
Mixing the fired product after pulverization and the second solvent to obtain the gas diffusion layer forming composition;
The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 5 containing this.
前記触媒層を覆うように、導電性粒子、高分子樹脂、および第2溶媒を含むマイクロポーラス層形成用組成物を塗布する工程と、
前記マイクロポーラス層形成用組成物の塗膜に、基材を熱圧着し、基材およびマイクロポーラス層を含むガス拡散層を形成する工程と、
を含む、膜電極接合体の製造方法。 Applying a catalyst layer forming composition comprising a carbon material carrying catalyst particles, a polymer electrolyte, and a first solvent on a solid polymer electrolyte membrane to form a catalyst layer; and
Applying a composition for forming a microporous layer containing conductive particles, a polymer resin, and a second solvent so as to cover the catalyst layer;
A step of thermocompression bonding a base material to the coating film of the microporous layer forming composition to form a gas diffusion layer including the base material and the microporous layer;
The manufacturing method of the membrane electrode assembly containing this.
前記導電性粒子、前記高分子樹脂、界面活性剤、および分散用溶媒を混合し、混合物を調製する工程と、
前記混合物を焼成し、前記界面活性剤および前記分散用溶媒を除去して焼成物を得る工程と
前記焼成物を粉砕する工程と、
粉砕後の前記焼成物と、前記第2溶媒とを混合し、前記マイクロポーラス層形成用組成物を得る工程と、
を有する、請求項7に記載の膜電極接合体の製造方法。 Before applying the composition for forming a microporous layer,
Mixing the conductive particles, the polymer resin, a surfactant, and a dispersion solvent to prepare a mixture;
Firing the mixture, removing the surfactant and the dispersion solvent to obtain a fired product, and grinding the fired product;
Mixing the fired product after pulverization and the second solvent to obtain the microporous layer-forming composition;
The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 7 which has these.
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|---|---|---|---|---|
| CN116487609A (en) * | 2023-04-13 | 2023-07-25 | 苏州弗尔赛能源科技股份有限公司 | Catalytic layer for fuel cell and fuel cell |
| WO2025079699A1 (en) * | 2023-10-13 | 2025-04-17 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Gas diffusion layer and method for manufacturing same, powder for gas diffusion layer, membrane electrode assembly, and fuel cell |
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