(57)【要約】本発明は、ガス拡散電極を含むプロトン交換膜燃料電池の膜電極アセンブリの製造方法を開示する。ガス拡散電極の製造方法は、次の各工程を含む。導電性基材を製造し；炭素含有材料の層を導電性基材上に形成し；上記の炭素含有材料を有する導電性基材を所定の温度で圧力に供し；上記の炭素含有材料を有する導電性基材を圧力下に冷却して、上記の導電性基材上にガス拡散層を得；触媒含有材料の層を該ガス拡散層に塗布し；ガス拡散層及び導電性基材を有する触媒含有材料の層を別の所定の温度で圧力に供し；圧力下で冷却してガス拡散電極を形成する。従来技術に比べると、膜電極アセンブリ内のすべての層は、ともに堅く結合しており容易に分離しない。これらの製造方法は、単純で、実行が簡単であり、良好な再現性を有し、優れた総合的電気特性を有する電子膜を作り出す。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一炭素含有材料の層を導電性基材上に形成し；
前記第一炭素含有材料の層を有する前記導電性基材を、第一ホットプレス圧力及び第一ホットプレス温度で第一ホットプレスを行い；
第一冷却圧力で第一冷却を行ってガス拡散層を前記導電性基材上に形成し；
触媒材料の層を前記ガス拡散層上に塗布し；
第二ホットプレス圧力及び第二ホットプレス温度で第二ホットプレスを行い；そして
第二冷却圧力で第二冷却を行ってガス拡散電極を形成する
各工程を含む、ガス拡散電極を製造する方法。
【請求項２】
前記導電性基材を製造する方法が：
第二炭素含有材料を第一保持温度に保持し；そして
前記第二炭素含有材料を第二保持温度に保持して前記導電性基材を得る
各工程を含む、請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項３】
前記導電性基材を製造する方法が：
第二炭素含有材料を240℃〜290℃の温度に15分〜30分間保持し；そして
第二炭素含有材料を300℃〜360℃の温度に15分〜30分間保持して前記導電性基材を得る
各工程をさらに含む請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項４】
前記形成する工程が：
第三炭素含有材料の層を前記導電性基材上に塗布し；
前記第三炭素含有材料を第三保持温度に保持し；そして
前記第三炭素含有材料を第四保持温度に保持して前記第一炭素含有材料の層を前記導電性基材上に形成する
副工程をさらに含む、請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項５】
前記形成する工程が：
第三炭素含有材料の層を前記導電性基材上に塗布し；
前記第三炭素含有材料を240℃〜290℃の温度に15分〜30分間保持し；
前記第三炭素含有材料を300℃〜360℃の温度に15分〜30分間保持し；そして
冷却して前記第一炭素含有材料の層を前記導電性基材上に形成する
副工程をさらに含む、請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項６】
前記第一ホットプレス温度が20℃〜120℃であり、前記第一ホットプレス圧力が0.05Mpa〜5Mpaであり、前記第一冷却圧力が0.05Mpa〜5Mpaである請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項７】
前記第二ホットプレス温度が20℃〜120℃であり、前記第二ホットプレス圧力が0.05Mpa〜5Mpaであり、前記第二冷却圧力が0.05Mpa〜5Mpaである請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法。
【請求項８】
前記第一及び第二の冷却工程において、前記冷却が自然に又は水を用いて行われる請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法。
【請求項９】
前記ガス拡散層の厚さが、前記第一炭素含有材料の厚さの80%〜99%である請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法。
【請求項１０】
前記ガス拡散電極の厚さが、前記第二ホットプレス工程前の前記ガス拡散層と前記触媒材料の層とを有する前記導電性基材の厚さの80%〜99%である請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項１１】
前記触媒材料が、Pt/C触媒、溶剤、孔形成剤及びナフィオン溶液を含む混合物である請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項１２】
Pt/C触媒：溶剤：孔形成剤：ナフィオン溶液の比が1〜30：10〜100：3〜30：1〜10である請求項11に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項１３】
前記溶剤がイソプロピルアルコールと水との混液であり、前記孔形成剤が、重炭酸アンモニウム、ぎ酸アンモニウム、酢酸アンモニウム又はシュウ酸アンモニウムからなる群より選択される少なくとも1種のアンモニウム化合物である請求項11に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項１４】
前記第二炭素含有材料を製造する方法が：
第四炭素含有材料を、PTFE含量が2%〜35%である第一PTFE材料に浸漬させる
工程を含む請求項2に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項１５】
前記第三炭素含有材料が、第二PTFE材料とVXC-72カーボンブラック、アセチレンブラックからなる群より選択される炭素材料との混合物である請求項4に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項１６】
第一炭素含有材料の層を導電性基材上に形成し；
前記第一炭素含有材料の層を有する前記導電性基材を、第一ホットプレス圧力及び第一ホットプレス温度で第一ホットプレスを行い；
第一冷却圧力で第一冷却を行ってガス拡散層を前記導電性基材上に形成し；
触媒材料の層を前記ガス拡散層上に塗布し；
第二ホットプレス圧力及び第二ホットプレス温度で第二ホットプレスを行い；
第二冷却圧力で第二冷却を行ってガス拡散電極を形成し；
前記第二冷却工程の後に得られるガス拡散電極である2つのガス拡散電極間に膜を配置し；
第三ホットプレス圧力及び第三ホットプレス温度で第三ホットプレスを行い；そして
第三冷却圧力で第三冷却を行って膜電極アセンブリを得る
各工程を含む、プロトン交換燃料電池用の膜電極アセンブリを製造する方法。
【請求項１７】
前記第三冷却工程において、前記冷却が自然に又は水を用いて行われる請求項16に記載の膜電極アセンブリを製造する方法。
【請求項１８】
前記膜電極アセンブリの厚さが、前記第三ホットプレス工程前の、2つのガス拡散電極を有する前記膜の厚さの80%〜99%である請求項16に記載の膜電極アセンブリを製造する方法。
【請求項１９】
前記第三ホットプレス温度が100℃〜140℃であり、前記第三ホットプレス圧力が3Mpa〜10Mpaであり、前記第三冷却圧力が3Mpa〜10Mpaである請求項16に記載の膜電極アセンブリを製造する方法。
【請求項２０】
第四炭素含有材料を、PTFE濃度が2%〜35%である第一PTFE材料に浸漬し；そして
前記浸漬させた第四炭素含有材料を乾燥させて第二炭素含有材料を形成し；
前記第二炭素含有材料を240℃〜290℃の温度で15分〜30分間保持し；
前記第二炭素含有材料を300℃〜360℃の温度で15分〜30分間保持して導電性基材を形成し；
第三炭素含有材料を前記導電性基材上に塗布し；
第三炭素含有材料を240〜290℃の温度で15分〜30分間保持し；
前記第三炭素含有材料を300℃〜360℃の温度で15分〜30分間保持し；
冷却を行って第一炭素含有材料の層を前記導電性基材上に形成し；
前記第一炭素含有材料の層を有する前記導電性基材を、0.05Mpa〜5Mpaの圧力及び20℃〜120℃の温度で30秒〜300秒間第一ホットプレスを行い；
0.05Mpa〜5Mpaの圧力で第一冷却を行ってガス拡散層を前記導電性基材上に形成し；
触媒材料の層を前記ガス拡散層上に塗布し；
前記ガス拡散層及び前記触媒材料の層を有する前記導電性基材を、0.05Mpa〜5Mpaの第二圧力及び20℃〜120℃の温度で10秒〜300秒間第二ホットプレスを行い；
0.05Mpa〜5Mpaの圧力で第二冷却を行って前記ガス拡散電極を得て；
前記第二冷却工程の後で得られるガス拡散電極である2つのガス拡散電極間に膜を配置し；
前記2つのガス電極を有する前記膜を、3Mpa〜10Mpaの圧力及び100℃〜140℃の温度で30秒〜300秒間第三ホットプレスを行い；
3Mpa〜10Mpaでの第三冷却を行って膜電極アセンブリを得る；
各工程を含み、ここで：
前記第一、第二及び第三の冷却工程において、前記冷却が自然冷却又は水冷却により行われ；
前記ガス拡散層の厚さが、前記第一炭素含有材料の層の厚さの80%〜99%であり；
前記ガス拡散電極の厚さが、前記第二ホットプレス工程前の前記ガス拡散層と前記触媒材料の層とを有する前記導電性基材の厚さの80%〜99%であり；
前記触媒材料が、Pt/C触媒、溶剤、孔形成剤及びナフィオン溶液を含む混合物であり；
Pt/C触媒：溶剤：孔形成剤：ナフィオン溶液の比が1〜30：10〜100：3〜30：1〜10であり；
前記溶剤が、イソプロピルアルコールと水との混液であり、前記孔形成剤が、重炭酸アンモニウム、ぎ酸アンモニウム、酢酸アンモニウム又はシュウ酸アンモニウムからなる群より選択される少なくとも1種のアンモニウム化合物であり；そして
前記第三炭素含有材料が、第二PTFE材料とVXC-72カーボンブラック、アセチレンブラックからなる群より選択される炭素材料との混合物である
膜電極アセンブリを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
クロスリファレンス
本出願は、中国出願番号第200410027867.2号で2004年6月23日に出願された名称「プロトン交換膜燃料電池用膜電極アセンブリの製造方法」の中国特許出願から優先権を主張する。この中国出願は、本明細書中に参照として組み込まれる。
発明の分野
本発明は、燃料電池用の電極の製造方法に関する。特に、本発明は、プロトン交換膜燃料電池の膜電極アセンブリ及びガス拡散電極を含むその構成成分の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
プロトン交換膜燃料電池は、水素イオン発生燃料と酸素又は空気のような酸素含有ガスとの間の電気化学的反応から電気エネルギーを作り出す装置である。これらの燃料電池は、未来の電力源の一つである。なぜなら、これらのノイズレベルは低く、エネルギー変換効率が高く、かつ環境を汚染しないからである。これらは、小さい携帯型の電力供給装置、小さい家庭用発電機及び電気自動車における電力源として用いることができる。
【０００３】
プロトン交換膜燃料電池の核は、膜電極アセンブリである。ここで電気化学的反応が起こり、プロトン及び電子の同時の伝達機能が必要とされる。その構造及び特性は、プロトン交換膜燃料電池の総合的な電気特性にかなり影響する。
【０００４】
現在、これらの膜電極アセンブリを製造するためのいくつかの異なる方法が存在する。これらの方法により用いられる触媒の量も徐々に減少している。膜電極アセンブリを製造する従来の方法は、次のとおりである。触媒、所定量の溶剤、結合剤及びプロトン交換樹脂を混合し；超音波により均質に分散させ；触媒ペーストを導電性カーボンペーパー又はカーボンクロスに均質に塗布し(coat)；熱乾燥し；プロトン交換樹脂溶液の層を触媒層の表面にスプレー塗布して電極とプロトン交換膜との間の境界面を形成し；陰極、陽極及びプロトン交換膜を一緒に所定の温度及び圧力でホットプレスしてユニットを形成する。この膜電極製造方法は簡単であるが、カーボンペーパー上の拡散層及び触媒層の表面を常に均質に平滑にすることができない。乾燥後、これらの表面は粗く、一様でなくなり、触媒層の触媒の利用率を減少させる。さらに、粗い表面により、触媒層とプロトン交換膜との間の境界面での接触が乏しくなり、欠陥が容易に作り出され、膜電極の特性に影響を及ぼす。
【０００５】
中国特許CN1471186A号「燃料電池に用いられる電解質膜電極の組み合わせ、この型の燃料電池の使用及びその製造方法」は、転写を用いる膜電極の製造方法を開示した。この方法は、次の工程を含む。触媒を高分子電解質と混合し；混合物を薄片上に転写のために塗布し；触媒ペーストを熱乾燥し；触媒を含む薄片をプロトン交換膜と高温及び高圧でプレスすることにより一緒にし；薄片をはがし；そして触媒層を、3つの層を1つにして完全MEAを形成するように、ガス拡散層とホットプレスする。この製造方法は、触媒層と膜との間の境界面としてのより薄い触媒層が連続的である電極の製造を可能にする。しかし、この製造方法は、多段工程を含むので複雑である。さらに、転写の間、触媒層の一部分が薄片に容易に接着し、薄片とともにはがされ得る。よって、触媒層の転写が常に完全ではなく、触媒層の均質性が常に均質ではないので、電極の特性に影響する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
よって、従来技術の制限のために、簡便で、容易でかつ迅速であり、総合的な電気的特性に優れた膜電極を製造する膜電極アセンブリの新規な製造方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の要旨
本発明の目的は、簡便で、容易でかつ迅速なプロトン交換膜燃料電池の膜電極アセンブリの製造方法を提供することである。
本発明の別の目的は、優れた総合的電気特性を有する膜電極の製造方法を提供することである。
【０００８】
簡単に、本発明は、ガス拡散電極を含む、プロトン交換膜燃料電池の膜電極アセンブリの製造方法を開示する。ガス拡散電極の製造方法は、次の工程を含む。導電性基材を製造し；炭素含有材料の層を該導電性基材上に形成し；該炭素含有材料を有する該導電性基材を所定の温度で圧力下に供し；該炭素含有材料を有する該導電性基材を圧力下で冷却して該導電性基材上にガス拡散層を得て；該ガス拡散層上に触媒含有材料の層を塗布し；ガス拡散層及び導電性基材を有する該触媒含有材料の層を、別の所定の温度で圧力下に付し；圧力下で冷却してガス拡散電極を形成する。膜電極アセンブリの製造は、次の工程を含む。膜の2つの面上に2つのガス拡散電極を配置して整列させ、膜を有するこれらの2つのガス拡散電極を所定の温度で圧力下に供し、次いで該膜を有する該拡散電極を圧力下で冷却して膜電極アセンブリを得る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の利点は、本発明の製造方法は簡便で容易でかつ迅速であることである。
本発明の別の利点は、本発明の方法を用いて製造された膜電極は、優れた総合的電気特性を有することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
好ましい実施形態の詳細な説明
ガス拡散電極の実施形態の製造
ガス拡散電極の製造のための本発明の好ましい方法は、次の工程を含む。
導電性基材を製造し；
第一炭素含有材料の層を該導電性基材上に形成し；
第一ホットプレスを行い、すなわち、該第一炭素含有材料の層を有する該導電性基材を所定の温度(第一ホットプレス温度)で所定の圧力(第一ホットプレス圧力)に供し；
圧力(第一冷却圧力)下に第一冷却を行って、該導電性基材上にガス拡散層を得て；
該ガス拡散層上に触媒材料の層を塗布し；
第二ホットプレスを行い、すなわち、該ガス拡散層及び該触媒材料の層を有する該導電性基材を所定の温度(第二ホットプレス温度)で所定の圧力(第二ホットプレス圧力)に供し；そして
圧力(第二冷却圧力)下に第二冷却を行ってガス拡散電極を得る。
【００１１】
好ましい方法において、以下の条件の1つまたはそれより多くを選択することができる。
・上記の第一炭素含有材料の層との上記の導電性基材の第一ホットプレスは、20℃〜120℃の第一ホットプレス温度及び0.05〜5Mpaの第一ホットプレス圧力で30秒〜300秒間行う；
・第一冷却は、自然に(naturally)又は水を用いてのいずれかで行う；
・第一冷却圧力は、0.05Mpa〜5Mpaである。
【００１２】
・ホットプレス後のガス拡散層の厚さは、100〜600μmである；
・第一ホットプレス後のガス拡散層の厚さは、該第一ホットプレスの前の第一炭素含有材料の層の厚さより1%〜20%少ない。つまり、該第一ホットプレス後のガス拡散層の厚さは、該第一ホットプレス前の第一炭素含有材料の層の厚さの80%〜99%である；
・上記の触媒材料は、イソプロピルアルコールと水との混液である溶剤を含む；
・上記の触媒材料は、孔形成剤を含む。孔形成剤は、重炭酸アンモニウム、ぎ酸アンモニウム、酢酸アンモニウム又はシュウ酸アンモニウムであり得る；
【００１３】
・上記の触媒材料は、Pt/C触媒、溶剤、孔形成剤及びナフィオン溶液を含む混合物である；
・上記の触媒材料において、Pt/C触媒と溶剤と孔形成剤とナフィオン溶液の比は、1〜30：10〜100：3〜30：1〜10である；
・Pt/C触媒中のPt含量は、20〜40%の間である；
・上記の触媒材料は、ガス拡散層上に、スプレー塗布又は刷毛塗布により塗布される；
【００１４】
・第二ホットプレスは、20℃〜120℃の第二ホットプレス温度及び0.05Mpa〜5Mpaの第二ホットプレス圧力で、10秒〜300秒間行われ；
・第二冷却は、自然に又は水を用いてのいずれかで行われる；
・第二冷却圧力は、0.05Mpa〜5Mpaである。
【００１５】
・ホットプレス後のガス拡散電極の厚さは、150〜800ミクロンである；及び
・第二ホットプレス後の上記のガス拡散電極の厚さは、該第二ホットプレス前の上記の触媒材料の層及びガス拡散層を有する上記の導電性基材の厚さより1〜20%少ない。つまり、第二ホットプレス後の上記のガス拡散電極の厚さは、該第二ホットプレス前の上記の触媒材料の層及びガス拡散層を有する上記の導電性基材の厚さの80%〜99%である。
【００１６】
膜電極アセンブリの製造
本発明の好ましい膜電極アセンブリの製造方法は、次の各工程を含む。
2つのガス拡散電極の間に膜を配置して整列させ；
第三ホットプレスを行い、すなわち2つのガス拡散電極を有する該膜を所定の温度（第三ホットプレス温度）で所定の圧力（第三ホットプレス圧力）に供し；そして
圧力（第三冷却圧力）下に第三冷却を行って上記の膜電極アセンブリを形成する。
【００１７】
好ましい方法において、次の条件の1又はそれより多くを選択することができる。
・用いられる膜は、ナフィオン膜、好ましくはナフィオン112膜又はナフィオン115膜又は同じシリーズの別のナフィオン膜である；
・第三ホットプレスは、100℃〜140℃の第三ホットプレス温度及び3Mpa〜10Mpaの第三ホットプレス圧力で30秒〜300秒間行う；
・第三冷却は、自然に又は水を用いて行う；及び
・膜電極アセンブリの厚さは、350ミクロン〜1700ミクロンである。
【００１８】
導電性基材の製造
本発明の好ましい導電性基材の製造方法は、次の各工程を含む。
炭素含有材料（第二炭素含有材料）を所定の温度（第一保持温度）で保持し；
該第二炭素含有材料を所定の温度（第二保持温度）で保持し；そして
冷却して上記の導電性基材を得る。
【００１９】
本発明の好ましい該第二炭素含有材料の製造方法は、次の各工程を含む。
炭素含有材料（第四炭素含有材料）を、第一PTFE材料、例えば第一PTFE材料中に浸漬させ；
該第一PTFE材料から、浸漬した該第四炭素含有材料を取り出し；そして
浸漬した該第四炭素含有材料を乾燥させて上記の第二炭素含有材料を形成する。
【００２０】
好ましい方法において、1又はそれより多い次の条件を選択することができる。
・上記の第四炭素含有材料は、カーボンペーパー又はカーボンクロスのいずれかであり得る；
・上記の第一PTFE材料中のPTFEの濃度は2%〜35%である；
・上記の浸漬した第四炭素含有材料は、20℃〜80℃の温度で乾燥させる；
・第二保持温度は、上記の第一保持温度より高い；
・上記の第一保持温度は、240℃〜290℃である；
・上記の第二保持温度は、300℃〜360℃である；
・第一保持温度は、15分〜30分間保持される；及び
・第二保持温度は、15分〜30分間保持される。
【００２１】
第一炭素含有材料の層の製造
第一炭素含有材料を製造する好ましい方法は、次の各工程を含む。
第三炭素含有材料を上記の導電性基材上に塗布し；
乾燥させ；
上記の第三炭素含有材料を第三保持温度に保持し；
上記の第三炭素含有材料を第四保持温度に保持し；そして
冷却して上記の第一炭素含有材料の層を形成する。
【００２２】
好ましい方法において、次の1又はそれより多い条件が選択される。
・上記の第三炭素含有材料は、VXC-72カーボンブラックと第二PTFE材料、例えばPTFEペーストとのペースト混合物、又はアセチレンブラックと第二PTFE材料、例えばPTFEペーストとのペースト混合物のいずれかであり得る；
・上記の第二PTFE材料中のPTFEの含量は、5%〜40%である；
・上記の第三炭素含有材料は、ガス拡散電極上にスプレー塗布又は刷毛塗布により塗布される；
【００２３】
・上記の第二炭素含有材料の乾燥は、20℃〜80℃の温度で熱により行われる；
・第四保持温度は、第三保持温度より高い；
・上記の第三保持温度は、240℃〜290℃である；
・上記の第四保持温度は、300℃〜360℃である；
・上記の第三保持温度は、15分〜30分間保持される；
・上記の第四保持温度は、15分〜30分間保持される；及び
・上記の第三及び第四温度で保持した後の冷却工程において、冷却は自然に又は水を用いてのいずれかで室温まで行われる。
【００２４】
現行の技術に比べると、ガス拡散層、ガス拡散電極及び膜電極をプレスする本発明の3工程プレス(pressing)法は、拡散層間の接着を、これらの層が容易に分離しないようにより堅くする。ホットプレス後の圧力条件下での冷却から製造される電極は、容易にひずんだり又は欠陥を創ったりしない。さらに、これらの方法は、触媒層とプロトン交換膜との間の優れた接触をも創りだす。このことは、膜電極の特性を向上させる。これらの製造方法は、単純、簡単であり、良好な再現性を有する。
【００２５】
以下の方法は、本発明をさらに説明する。
実施形態1
本実施形態の膜電極アセンブリの製造方法は、導電性基材、ガス拡散電極、そして最後に膜電極アセンブリの製造を含む。導電性基材の製造は、次の各工程を含む。
炭素含有材料（第四炭素含有材料）、例えばカーボンペーパー又はカーボンクロスをPTFEペースト中に浸漬させ；
20℃〜80℃の温度で熱により乾燥させ；
浸漬させたカーボンペーパー又はカーボンクロスを炉に入れ；
炉の温度を240℃〜290℃に上昇させ；
該温度を15〜30分間保持し；
温度を300℃〜360℃に上昇させ；そして
温度を15〜30分間保持して導電性基材を得る。
【００２６】
ガス拡散電極のガス拡散層の製造は、次の各工程を含む。
VXC-72カーボンブラック又はアセチレンブラックをPTFEペーストと混合して、PTFEペースト中のPTFEの含量が5%〜40%であるペーストをつくり；
導電性基材に該ペーストをスプレー塗布又は刷毛塗布により塗布し；
上記のペーストを熱で20℃〜80℃の温度で乾燥させ；
乾燥させたペーストを有する上記の導電性基材を炉に入れ；
温度を240℃〜290℃に上昇させ；
該温度を15分〜30分間保持し；
温度を300℃〜360℃に上昇させ；
温度を15〜30分間保持し；
室温まで冷却して第一炭素含有材料の層を形成し；
カーボンブラック（第一炭素含有材料）を有する導電性基材を、20℃〜120℃の温度及び0.05MPa〜5MPaの圧力で30秒〜300秒間第一ホットプレスを行い；
圧力を0.05MPa〜5MPaに保ちながら自然に又は水を用いて第一冷却を行ってひずみを防ぎ、厚さ100〜600ミクロンのガス拡散層を得る。この厚さは、上記の第一炭素含有材料の層の厚さより1%〜20%少ない。
【００２７】
ガス拡散電極の製造は、次の各工程を含む。
Pt/C触媒、溶剤、孔形成剤及びナフィオン溶液を均質に混合して、Pt/C触媒中のPtの含量が20%〜40%であるペーストを形成し、該溶媒はイソプロピルアルコールと水の混液であり、該孔形成剤は、揮発性薬品、例えば重炭酸アンモニウム、ぎ酸アンモニウム、酢酸アンモニウム又はシュウ酸アンモニウムであり、上記の触媒：溶剤：孔形成剤：ナフィオン溶液の比は1〜30：10〜100：3〜30：1〜10であり；
上記の触媒ペーストを導電性基材を有するガス拡散層上にスプレー塗布又は刷毛塗布により塗布し；
20℃〜120℃の温度及び0.05MPa〜5Mpaの圧力で10〜300秒間第二ホットプレスを行い；そして
圧力を0.05MPa〜5MPaに保持しながら自然に又は水を用いて第二冷却を行ってひずみを防ぎ、ガス拡散電極を得る。上記の第二ホットプレス後のガス拡散電極の厚さは、150ミクロン〜800ミクロンである。この厚さは、上記の第二ホットプレス前のガス拡散層及び触媒材料の層を有する導電性基材の厚さより1%〜20%少ない。
【００２８】
三位一体（three-in-one）膜電極アセンブリの製造は、次の各工程を含む。
触媒層を有する2つのガス拡散電極の間にナフィオン膜を配置して整列させ、ここで、用いられるナフィオン膜は、ナフィオン112、ナフィオン115膜又は該シリーズの他の膜であり得；
100℃〜140℃の温度及び3MPa〜10MPaの圧力で30〜300秒間第三ホットプレスを行い；
3MPa〜10MPaの圧力で自然に又は水を用いて室温まで第三冷却を行って分離を防ぎ、膜電極アセンブリを得る。上記の第三ホットプレス後の三位一体膜電極アセンブリの厚さは、350ミクロン〜1700ミクロンである。
【００２９】
実施形態2
本実施形態の膜電極アセンブリの製造方法は、導電性基材、ガス拡散電極、そして最後に膜電極アセンブリの製造を含む。導電性基材の製造は、次の各工程を含む。
カーボンペーパーを、ペースト中のPTFEの含量が10%であるPTFEペーストに浸漬し；
50℃の温度で熱により乾燥させ；
上記の乾燥させたペーパーを炉に入れ；
該炉の温度を240℃に上昇させ；
その温度を30分間保持し；
温度を360℃に上昇させ；そして
その温度を30分間保持して導電性基材を得る。
【００３０】
ガス拡散電極の製造は、次の各工程を含む。
VXC-72カーボンブラックを、ペースト中のPTFEの含量が10%であるPTFEペーストと混合してペーストをつくり；
導電性基材に上記のペーストをスプレー塗布し；
上記の塗布された導電性基材を40℃で熱により乾燥させ；
上記の乾燥させた導電性基材を炉に入れ；
炉の温度を240℃に上昇させ；
その温度を30分間保持し；
温度を360℃に上昇させ；
その温度を30分間保持し；
室温まで冷却して、第一炭素含有材料の層を形成し；
カーボンブラック（第一炭素含有材料）の層を有する冷却した導電性基材を、120℃及び1MPaの圧力で100第一ホットプレスを行い；
【００３１】
1MPaの圧力で自然に第一冷却を行ってひずみを防ぎ、厚さ200ミクロンのガス拡散層を得て；
触媒、溶剤、孔形成剤及びナフィオン溶液を超音波を用いて均質に混合することにより触媒ペーストを処方し、ここで該触媒はPt/CでありかつPtの含量は20%であり、溶剤はイソプロピルアルコールと水との混液であり、孔形成剤は重炭酸アンモニウムであり、触媒：溶剤：孔形成剤：ナフィオン溶液の比は5：100：3：3であり；
触媒ペーストを拡散層上に塗布し、ここで塗布方法はスプレー塗布であり得；
80℃の温度及び0.5MPaの圧力で60秒間第二ホットプレスを行い；そして
0.5MPaの圧力で自然に第二冷却を行ってひずみを防ぎ、厚さ220ミクロンのガス拡散電極を形成する。
【００３２】
膜電極アセンブリを製造する方法は、次の各工程を含む：
処理したナフィオン115膜を、ホットプレスから得られた2つのガス拡散電極の間に配置して整列させ；
120℃の温度及び5MPaの圧力で100秒間第三ホットプレスを行い；
直ちに熱から移動させ；そして
5MPaの圧力で室温まで自然に第三冷却させて分離を防ぎ、厚さ470ミクロンの三位一体膜電極アセンブリを得る。
【００３３】
実施形態3
本実施形態の膜電極アセンブリの製造方法は、導電性基材、ガス拡散電極及び最後に膜電極アセンブリの製造を含む。導電性基材の製造は、次の各工程を含む。
カーボンペーパーを、ペースト中のPTFEの含量が5%であるPTFEペーストに浸漬し；
60℃の温度で熱により乾燥させ；
上記の乾燥させたペーパーを炉に入れ；
上記の炉の温度を250℃に上昇させ；
その温度を20分間保持し；
温度を350℃に上昇させ；そして
その温度を15分間保持して導電性基材を得る。
【００３４】
ガス拡散電極の製造は、次の各工程を含む。
アセチレンブラックを、ペースト中のPTFEの含量が20%であるPTFEペーストと混合してペーストをつくり；
導電性基材に上記のペーストをスプレー塗布し；
上記の塗布された導電性基材を80℃で熱により乾燥させ；
上記の乾燥させた導電性基材を炉に入れ；
炉の温度を250℃に上昇させ；
その温度を20分間保持し；
温度を350℃に上昇させ；
【００３５】
その温度を15分間保持し；
室温まで冷却して、第一炭素含有材料の層を形成し；
カーボンブラック（第一炭素含有材料）の層を有する冷却された導電性基材を100℃及び0.5MPaの圧力で30秒間第一ホットプレスを行い；
0.5MPaの圧力で水を用いて第一冷却を行ってひずみを防ぎ、ガス拡散層を得て、ここで、第一ホットプレス後のガス拡散層の厚さは、上記の第一ホットプレス前の第一炭素含有材料の層を有する導電性基材の厚さより10%少なく；
触媒、溶剤、孔形成剤及びナフィオン溶液を超音波を用いて均質に混合することにより触媒ペーストを処方し、ここで触媒はPt/CでありかつPtの含量は40%であり、溶媒はイソプロピルアルコールと水との混液であり、孔形成剤はシュウ酸アンモニウムであり、そして触媒：溶剤：孔形成剤：ナフィオン溶液の比は6：80：10：10であり；
【００３６】
触媒ペーストをガス拡散層上に塗布し、ここで塗布方法はプリンティングであり得；
100℃の温度及び1MPaの圧力で30秒間第二ホットプレスを行い；
1MPaの圧力で水を用いて第二冷却を行ってひずみを防ぎ、ガス拡散電極を得て、ここで、第二ホットプレス後のガス拡散電極の厚さは、第二ホットプレス前の上記のガス拡散層及び触媒材料の層を有する上記の導電性基材の厚さより12%少ない。
【００３７】
膜電極アセンブリを製造する方法は、次の各工程を含む。
処理したナフィオン112膜を、第一及び第二ホットプレスから得られた2つのガス拡散電極の間に配置して整列させ；
130℃の温度及び8MPaの圧力で200秒間第三ホットプレスを行い；
直ちに熱から移動させ；そして
8MPaの圧力で水を用いて室温まで第三冷却を行って分離を防ぎ、厚さ520ミクロンの三位一体膜電極アセンブリを得る。
【００３８】
実施形態4
本実施形態の膜電極アセンブリの製造方法は、導電性基材、ガス拡散電極及び最後に膜電極アセンブリの製造を含む。導電性基材の製造は、以下の各工程を含む。
カーボンペーパーを、ペースト中のPTFEの含量が35%であるPTFEペーストに浸漬し；
80℃の温度で熱により乾燥させ；
上記の乾燥させたペーパーを炉に入れ；
上記の炉の温度を290℃に上昇させ；
その温度を15分間保持し；
温度を340℃に上昇させ；そして
その温度を20分間保持して導電性基材を得る。
【００３９】
ガス拡散電極の製造は、次の各工程を含む。
アセチレンブラックを、ペースト中のPTFEの含量が40%であるPTFEペーストと混合してペーストをつくり；
導電性基材に上記のペーストをスプレー塗布し；
上記の塗布された導電性基材を20℃で熱により乾燥させ；
上記の乾燥させた導電性基材を炉に入れ；
炉の温度を290℃に上昇させ；
その温度を15分間保持し；
温度を340℃に上昇させ；
その温度を25分間保持し；
室温まで冷却させて第一炭素含有材料の層を得；
カーボンブラック（第一炭素含有材料）の層を有する、冷却した導電性基材を20℃及び5MPaの圧力で300秒間第一ホットプレスを行い；
【００４０】
5MPaの圧力で水を用いて第一冷却を行ってひずみを防ぎ、ガス拡散層を得、ここで第一ホットプレス後のガス拡散層の厚さが600ミクロンであり、上記の第一ホットプレス前の第一炭素含有材料の層の厚さより20%少なく；
触媒、溶剤、孔形成剤及びナフィオン溶液を超音波で均質に混合することにより触媒ペーストを処方し、ここで触媒はPtの含量が30%であるPt/Cであり、溶媒はイソプロピルアルコールと水との混液であり、孔形成剤はぎ酸アンモニウムであり、触媒：溶剤：孔形成剤：ナフィオン溶液の比は30：10：30：9であり；
拡散層上に触媒ペーストを塗布し、ここで塗布方法は刷毛塗布であり得；
120℃の温度及び5MPaの圧力で300秒間第二ホットプレスを行い；そして
5MPaの圧力で水を用いて第二冷却を行ってひずみを防ぎ、ガス拡散電極を得、ここで第二ホットプレス後のガス拡散電極の厚さは800ミクロンであり、第二ホットプレス前のガス拡散層及び触媒材料の層を有する導電性基材の厚さより20%少ない。
【００４１】
膜電極アセンブリを製造する方法は、次の各工程を含む。
処理したナフィオン115膜を、第一及び第二ホットプレスから得られた2つのガス拡散電極の間に配置して整列させ；
140℃の温度及び10MPaの圧力で300秒間第三ホットプレスを行い；
直ちに熱から移動させ；そして
10MPaの圧力で室温まで水を用いて冷却して、厚さ1700ミクロンの三位一体膜電極アセンブリを得る。
【００４２】
実施形態5
本実施形態の膜電極アセンブリの製造方法は、導電性基材、ガス拡散電極及び最後に膜電極アセンブリの製造を含む。導電性基材の製造は、次の各工程を含む。
カーボンペーパーを、ペースト中のPTFEの含量が2%であるPTFEペーストに浸漬し；
20℃の温度で熱により乾燥させ；
上記の乾燥させたペーパーを炉に入れ；
上記の炉の温度を260℃に上昇させ；
その温度に25分間保持し；
温度を300℃に上昇させ；そして
その温度を23分間保持して導電性基材を得る。
【００４３】
ガス拡散電極の製造は、次の各工程を含む。
アセチレンブラックを、ペースト中のPTFEの含量が5%であるPTFEペーストと混合してペーストをつくり；
導電性基材に上記のペーストをスプレー塗布し；
上記の塗布された導電性基材を50℃で熱により乾燥させ；
上記の乾燥させた導電性基材を炉に入れ；
炉の温度を250℃に上昇させ；
その温度で26分間保持し；
温度を300℃に上昇させ；
【００４４】
その温度を23分間保持し；
室温まで冷却して、第一炭素含有材料の層を形成し；
カーボンブラック（第一炭素含有材料）の層を有する冷却された導電性基材を60℃及び0.05MPaの圧力で100秒間第一ホットプレスを行い；
0.05MPaの圧力で水を用いて第一冷却を行ってひずみを防止し、ガス拡散層を得、ここで第一ホットプレス後のガス拡散層の厚さは100ミクロンであり、上記の第一ホットプレス前の第一炭素含有材料の層の厚さより1%少なく；
触媒、溶剤、孔形成剤及びナフィオン溶液を超音波を用いて均質に混合することにより触媒ペーストを処方し、ここで触媒はPtの含量が20%であるPt/Cであり、溶媒はイソプロピルアルコールと水との混液であり、孔形成剤は酢酸アンモニウムであり；触媒：溶剤：孔形成剤：ナフィオン溶液の比は1：15：5：1であり；
触媒ペーストを拡散層上に塗布し、ここで塗布方法はスプレー塗布であり得；
【００４５】
20℃の温度及び0.05MPaの圧力で10秒間第二ホットプレスを行い；そして
0.05MPaの圧力で水を用いて第二冷却を行ってひずみを防ぎ、ガス拡散電極を得、ここで第二ホットプレス後のガス拡散電極の厚さは150ミクロンであり、上記の第二ホットプレス前のガス拡散層及び触媒材料の層を有する導電性基材の厚さより1%少ない。
【００４６】
膜電極アセンブリを製造する方法は、次の各工程を含む。
処理したナフィオン112膜を、第一及び第二ホットプレスから得られた2つのガス拡散電極の間に配置して整列させ；
100℃の温度及び3MPaの圧力で30秒間第三ホットプレスを行い；
直ちに熱から移動させ；そして
3MPaの圧力で室温まで水を用いて第三冷却を行って分離を防ぎ、厚さ350ミクロンの三位一体膜電極アセンブリを得る。
【００４７】
本発明をある好ましい実施形態を用いて説明したが、本発明はこれらの特定の実施形態に限定されるものではないことが理解されるべきである。むしろ、本発明者らは、請求の範囲により反映される最も広い意味において本発明が理解されかつ解釈されることを主張する。よって、これらの請求の範囲は、本明細書に記載される好ましい実施形態だけでなく、当業者に明らかな他のさらなる変更及び修飾のすべてを組み込むように理解される。
【手続補正書】
【提出日】平成18年9月8日(2006.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一炭素含有材料の層を導電性基材上に形成し；
前記第一炭素含有材料の層を有する前記導電性基材を、第一ホットプレス圧力及び第一ホットプレス温度で第一ホットプレスを行い；
第一冷却圧力で第一冷却を行ってガス拡散層を前記導電性基材上に形成し；
触媒材料の層を前記ガス拡散層上に塗布し；
第二ホットプレス圧力及び第二ホットプレス温度で第二ホットプレスを行い；そして
第二冷却圧力で第二冷却を行ってガス拡散電極を形成する
各工程を含む、ガス拡散電極を製造する方法。
【請求項２】
前記導電性基材を製造する方法が：
第二炭素含有材料を第一保持温度に第一保持時間の間保持し；そして
前記第二炭素含有材料を第二保持温度に第二保持時間の間保持して前記導電性基材を得る
各工程を含む、請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項３】
前記第一炭素含有材料の層を導電性基材上に形成する工程が：
第三炭素含有材料の層を前記導電性基材上に塗布し；
前記第三炭素含有材料を第三保持温度に第三保持時間の間保持し；
前記第三炭素含有材料を第四保持温度に第四保持時間の間保持して前記第一炭素含有材料の層を前記導電性基材上に形成し；そして
任意に、冷却して前記第一炭素含有材料の層を前記導電性基材上に形成する
副工程を含む、請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項４】
前記第一保持時間、第二保持時間、第三保持時間及び第四保持時間が独立して、15分〜30分であり、前記第一保持温度及び第三保持温度が独立して、240℃〜290℃であり、かつ前記第二保持温度及び第四保持温度が独立して、300℃〜360℃である請求項2又は3に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項５】
前記第一ホットプレス温度及び第二ホットプレス温度が独立して、20℃〜120℃であり、前記第一ホットプレス圧力及び第二ホットプレス圧力が独立して、0.05Mpa〜5Mpaであり、前記第一冷却圧力及び第二冷却圧力が独立して0.05Mpa〜5Mpaである請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項６】
前記ガス拡散層の厚さが、前記第一ホットプレス工程前の前記第一炭素含有材料の厚さの80%〜99%であり、前記ガス拡散電極の厚さが、前記第二ホットプレス工程前の前記ガス拡散層と前記触媒材料の層とを有する前記導電性基材の厚さの80%〜99%である請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法。
【請求項７】
前記触媒材料が、Pt/C触媒、溶剤、孔形成剤及びナフィオン溶液を含む混合物である請求項1に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項８】
Pt/C触媒：溶剤：孔形成剤：ナフィオン溶液の比が1〜30：10〜100：3〜30：1〜10であり、前記溶剤がイソプロピルアルコールと水との混液であり、前記孔形成剤が、重炭酸アンモニウム、ぎ酸アンモニウム、酢酸アンモニウム又はシュウ酸アンモニウムからなる群より選択される少なくとも1種のアンモニウム化合物である請求項7に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項９】
前記第二炭素含有材料を製造する方法が：
第四炭素含有材料を、PTFE含量が2%〜35%である第一PTFE材料に浸漬させる
工程を含む請求項2に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項１０】
前記第三炭素含有材料が、第二PTFE材料とVXC-72カーボンブラック、アセチレンブラックからなる群より選択される炭素材料との混合物である請求項3に記載のガス拡散電極を製造する方法。
【請求項１１】
第一炭素含有材料の層を導電性基材上に形成し；
前記第一炭素含有材料の層を有する前記導電性基材を、第一ホットプレス圧力及び第一ホットプレス温度で第一ホットプレスを行い；
第一冷却圧力で第一冷却を行ってガス拡散層を前記導電性基材上に形成し；
触媒材料の層を前記ガス拡散層上に塗布し；
第二ホットプレス圧力及び第二ホットプレス温度で第二ホットプレスを行い；
第二冷却圧力で第二冷却を行ってガス拡散電極を形成し；
前記第二冷却工程の後に得られるガス拡散電極である2つのガス拡散電極間に膜を配置し；
第三ホットプレス圧力及び第三ホットプレス温度で第三ホットプレスを行い；そして
第三冷却圧力で第三冷却を行って膜電極アセンブリを得る
各工程を含む、プロトン交換燃料電池用の膜電極アセンブリを製造する方法。
【請求項１２】
前記膜電極アセンブリの厚さが、前記第三ホットプレス工程前の、2つのガス拡散電極を有する前記膜の厚さの80%〜99%である請求項11に記載の膜電極アセンブリを製造する方法。
【請求項１３】
前記第三ホットプレス温度が100℃〜140℃であり、前記第三ホットプレス圧力が3Mpa〜10Mpaであり、前記第三冷却圧力が3Mpa〜10Mpaである請求項11に記載の膜電極アセンブリを製造する方法。
【国際調査報告】
2007528105.tif 000002
2007528105.tif 000003