(57)【要約】【課題】燃料電池の膜電極組及びその製造方法を提供する。【解決手段】主に電解質(プロトン交換膜)、陽極層、第一陰極触媒層、第二陰極触媒層、陰極微孔層、陰極気体拡散層を含む。該陽極層は該電解質(プロトン交換膜)の表面上に設置し、該第一陰極触媒層は該電解質(プロトン交換膜)の別の表面上に設置し、少なくとも疎水性材料を含む。該第二陰極触媒層は該第一陰極触媒層の表面上に設置し、少なくとも親水性材料を含み、該陰極微孔層は該第二陰極触媒層の表面上に設置する。該陰極気体拡散層は該陰極微孔層の表面上に設置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン交換膜、陽極層、第一陰極触媒層、第二陰極触媒層、陰極微孔層、陰極気体拡散層を含み、
該陽極層は該プロトン交換膜の表面上に設置し、
該第一陰極触媒層は該プロトン交換膜の別の表面上に設置し、少なくとも疎水性材料を含み、
該第二陰極触媒層は該第一陰極触媒層の表面上に設置し、少なくとも親水性材料を含み、該陰極微孔層は該第二陰極触媒層の表面上に設置し、
該陰極気体拡散層は該陰極微孔層の表面上に設置することを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記プロトン交換膜はNafion薄膜及び/或いはパーフルオスルファミン酸樹脂及び/或いはファミン酸化ポリエチルケトンなどの高分子材料により製造することを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陰極微孔層は少なくとも疎水性材料を含むことを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記第一陰極触媒層の成分は少なくとも貴金属のプラチナ(Pt)及びポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物、ポリパーシャルフルオロエチレンなどの疎水性材料であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記第二陰極触媒層の成分は少なくともプラチナ(Pt)及びパーフルオスルファミン酸樹脂、ファミン酸化ポリエチルケトンなどの親水性材料であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項６】
請求項３記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陰極微孔層の成分は少なくともカーボン粒及びポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物、ポリパーシャルフルオロエチレンなどの疎水性材料であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陰極気体拡散層は導電性材料で、しかも多孔状材料であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陽極層はさらに陽極触媒層を含み、該陽極触媒層は該燃料電池陽極端の電気化学反応の促進剤とし、該陽極気体拡散層は該陽極触媒層の表面上に設置することを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陽極触媒層の成分は少なくとも導水素イオン性の高分子材料及びプラチナ、ルビー、プラチナ/ルビー合金などの金属物質であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項１０】
請求項４記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記プラチナの重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物、ポリパーシャルフルオロエチレンなどの疎水性材料の濃度は10〜30wt%であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項１１】
請求項５記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記プラチナの重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、パーフルオスルファミン酸樹脂、ファミン酸化ポリエチルケトンなどの親水性材料の濃度は10〜30 wt%であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項１２】
請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記第二陰極触媒層の厚みは0.025〜0.1mmであることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項１３】
請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陰極微孔層の厚みは0.025〜0.1mmであることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項１４】
請求項１０記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陽極触媒層の厚みは0.05〜0.2mmであることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造。
【請求項１５】
主に以下のステップを含み、
Ａ．プロトン交換膜の表面上に陽極層を形成し、
Ｂ．プロトン交換膜の別の表面上に第一陰極触媒層を塗布し、該第一陰極触媒層は少なくとも疎水性材料を含み、
Ｃ．ステップＢで完成した該第一陰極触媒層の表面上に第二陰極触媒層を塗布し、該第二陰極触媒層は少なくとも親水性材料を含み、
Ｄ．陰極気体拡散層の表面上に陰極微孔層を塗布し、
Ｅ．ステップＣで完成したプロトン交換膜とステップＤで完成した陰極気体拡散層を圧合することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記製造方法はさらに、300〜500℃の高温環境下において該陰極気体拡散層の表面上の陰極微孔層に対して焼結するステップを加えることができることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項１７】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記ステップＥの圧合ステップでは、100〜300℃において1〜3分間の熱圧合を行うことを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項１８】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記プロトン交換膜はNafion薄膜及び/或いはパーフルオスルファミン酸樹脂及び/或いはファミン酸化ポリエチルケトンなどの高分子材料により製造することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項１９】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陰極微孔層は少なくとも疎水性材料を含むことを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２０】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記第一陰極触媒層の成分は少なくとも貴金属のプラチナ及びポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物、ポリパーシャルフルオロエチレンなどの疎水性材料であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２１】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記第二陰極触媒層の成分は少なくともプラチナ及びパーフルオスルファミン酸樹脂、ファミン酸化ポリエチルケトンなどの親水性材料であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２２】
請求項１９記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陰極微孔層の成分は少なくともカーボン粒及びポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物、ポリパーシャルフルオロエチレンなどの疎水性材料であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２３】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陰極気体拡散層は導電性材料で、しかも多孔状材料であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２４】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陽極層はさらに陽極触媒層を含み、該陽極触媒層は該燃料電池陽極端の電気化学反応の促進剤とし、該陽極気体拡散層は該陽極触媒層の表面上に設置することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２５】
請求項２４記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陽極触媒層の成分は少なくとも導水素イオン性の高分子材料及びプラチナ、ルビー、プラチナ/ルビー合金などの金属物質であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２６】
請求項２０記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記プラチナの重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物、ポリパーシャルフルオロエチレンなどの疎水性材料の濃度は10〜30wt%であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２７】
請求項２１記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記プラチナの重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、パーフルオスルファミン酸樹脂、ファミン酸化ポリエチルケトンなどの親水性材料の濃度は10〜30wt%であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２８】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記第二陰極触媒層の厚みは0.025〜0.1mmであることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項２９】
請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陰極微孔層の厚みは0.025〜0.1mmであることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項３０】
請求項２４記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陽極触媒層の厚みは0.05〜0.2mmであることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項３１】
主に以下のステップを含み、
Ａ．陰極気体拡散層の表面上に陰極微孔層を塗布し、
Ｂ．ステップＡで完成した該陰極微孔層の表面上に第二陰極触媒層を塗布し、該第二陰極触媒層は少なくとも親水性材料を含み、
Ｃ．ステップＢで完成した該第二陰極触媒層の表面上に第一陰極触媒層を塗布し、陰極層を形成し、該第一陰極触媒層は少なくとも疎水性材料を含み、
Ｄ．陽極層、プロトン交換膜、ステップＣで完成した陰極層を圧合することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項３２】
請求項３１記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記製造方法はさらに、陽極触媒層を陽極気体拡散層の表面に塗布し、陽極層を形成することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項３３】
請求項３１記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記製造方法はさらに、300〜500(℃)の高温環境下において陰極気体拡散層の表面上の陰極微孔層に対して焼結するステップを加えることができることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【請求項３４】
請求項３１記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記ステップＤの圧合プロセスでは、125〜135℃の高温環境下において、1〜3分間の熱圧合を行うことを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の燃料電池の膜電極組構造及びその製造方法に関する。特に一種の多層構造の燃料電池の膜電極組構造及びその製造方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤中に蓄えられる化学エネルギーを電極反応を通して直接電気エネルギーに転化する発電装置である。燃料電池の種類は非常に多く、しかも分類の方式もそれぞれ異なる。電解性質の差異により区分するなら、アルカリ性燃料電池、燐酸燃料電池、プロトン交換膜燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池の５種に分類される。内、プロトン交換膜燃料電池はいわゆる直接メチルアルコール燃料電池を含み、メチルアルコールを直接燃料とし、水素ガスに変化させる必要がない。現在開発されている中ではエネルギー効率が高い技術の一つで、大型発電所、自動車用発電機、携帯式電源などへの応用が期待されている。
【０００３】
公知の燃料電池の膜電極組構造の断面表示図である図１に示すように、異なる種類の燃料電池の作動原理はいくらか差異があるが、どれも例外なく燃料電池の陽極層１０のいて燃料の供給を持続し、陰極層１２において空気或いは酸素を継続し供給する。燃料を該陽極層１０に注入する時、陽極触媒層１００と反応し、電子とイオンを放出し、電子は外部回路にロードを経由した後、該陰極層１２に到達し、電解質１４のイオンと酸素を通過し化学反応を行う。
公知の燃料電池では、該陰極層１２の空気或いは酸素は通常はファン或いは圧縮器により強制的に循環させられている。ファンは強制空気循環の機能を備える他に、ある種の燃料電池(プロトン交換膜燃料電池、直接メチルアルコール燃料電池など)においては、過多の陰極生成水を持ち去るために設置されている。これにより、過多の水が酸素の該陰極触媒１２０に入り、該陰極層１２の性能を大幅に低下させることを防止する。
さらに、燃料電池の熱循環或いは熱管理も現在、業者が積極的に処理しようとしている問題である。その解決方法は同様に、ファンの数を増やし、或いはファンの回転速度を上げることにより達成を目指している。
【０００４】
公知技術では上記各種問題を解決するために、より高速のファン循環システムを開発しようとしているが、この一方で派生している新たな問題に気が付いていない。それは、公知の燃料電池の膜電極組中の陰極層１２は１層の陰極触媒層１２０だけを備え、しかも該陰極触媒層１２０は通常貴金属であるプラチナと疏水性を備えた高分子材料(ポリテトラフルオロエチレンpolytetrafluoroethylene, PTFE)により製造されるという点である。それ自身が既に疏水材料特性を備える陰極触媒層１２０はファンの空気流量が過大であれば、自身の水分が急速に流失し易く、脱水(Dehydration)現象を発生する。該電解質１４を通過するイオンは通常は水分子を伴い該陰極触媒層１２０に伝送されるため、該陰極触媒層１２０が適当な水分量を保持していなければ、イオンの伝導性は低下し、酸素と十分な化学反応を行うことができなくなり、燃料電池全体の性能に悪影響を及ぼしてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は燃料電池の膜電極組及びその製造方法を提供し、公知技術のファン空気流量の過大により陰極触媒層が過度に乾燥してしまう問題を解決し、
またそれは燃料電池の膜電極組及びその製造方法を提供し、陰極触媒層は適当な水分量を保持可能となり、酸素の陰極触媒層への進入を阻害する恐れはなく、よってイオンの伝導性を低下させることもなく、
すなわちそれは燃料電池の膜電極組及びその製造方法を提供し、電解質（プロトン交換膜）、陽極層、第一陰極触媒層、第二陰極触媒層、陰極微孔層、陰極気体拡散層を含み、
該陽極層は該電解質(プロトン交換膜)の表面上に設置し、
該第一陰極触媒層は該電解質(プロトン交換膜)の別の表面上に設置し、少なくとも疎水性材料を含み、
該第二陰極触媒層は該第一陰極触媒層の表面上に設置し、少なくとも親水性材料を含み、該陰極微孔層は該第二陰極触媒層の表面上に設置し、
該陰極気体拡散層は該陰極微孔層の表面上に設置することを特徴とする燃料電池の膜電極組及びその製造方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、プロトン交換膜、陽極層、第一陰極触媒層、第二陰極触媒層、陰極微孔層、陰極気体拡散層を含み、
該陽極層は該プロトン交換膜の表面上に設置し、
該第一陰極触媒層は該プロトン交換膜の別の表面上に設置し、少なくとも疎水性材料を含み、
該第二陰極触媒層は該第一陰極触媒層の表面上に設置し、少なくとも親水性材料を含み、該陰極微孔層は該第二陰極触媒層の表面上に設置し、
該陰極気体拡散層は該陰極微孔層の表面上に設置することを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記プロトン交換膜はNafion薄膜及び/或いはパーフルオスルファミン酸樹脂(perfluorinated sulfonic acid resin)及び/或いはファミン酸化ポリエチルケトン(sulfonated polyether ether ketone)などの高分子材料により製造することを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項３の発明は、請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陰極微孔層は少なくとも疎水性材料を含むことを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項４の発明は、請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記第一陰極触媒層の成分は少なくとも貴金属のプラチナ(Pt)及びポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物(copolymers of tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride)、ポリパーシャルフルオロエチレン(polyvinylidene fluoride)などの疎水性材料であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項５の発明は、請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記第二陰極触媒層の成分は少なくともプラチナ(Pt)及びパーフルオスルファミン酸樹脂(perfluorinated sulfonic acid resin)、ファミン酸化ポリエチルケトン(sulfonated polyether ether ketone)などの親水性材料であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項６の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記製造方法はさらに、300〜500℃の高温環境下において該陰極気体拡散層の表面上の陰極微孔層に対して焼結するステップを加えることができることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項７の発明は、請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陰極気体拡散層は導電性材料で、しかも多孔状材料であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項８の発明は、請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陽極層はさらに陽極触媒層を含み、該陽極触媒層は該燃料電池陽極端の電気化学反応の促進剤とし、該陽極気体拡散層は該陽極触媒層の表面上に設置することを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項９の発明は、請求項８記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陽極触媒層の成分は少なくとも導水素イオン性の高分子材料及びプラチナ、ルビー、プラチナ/ルビー合金などの金属物質であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項１０の発明は、請求項４記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記プラチナの重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物(copolymers of tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride)、ポリパーシャルフルオロエチレン(polyvinylidene fluoride)などの疎水性材料の濃度は10〜30wt%であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項１１の発明は、請求項５記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記プラチナの重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、パーフルオスルファミン酸樹脂(perfluorinated sulfonic acid resin)、ファミン酸化ポリエチルケトン(sulfonated polyether ether ketone)などの親水性材料の濃度は10〜30 wt%であることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項１２の発明は、請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記第二陰極触媒層の厚みは0.025〜0.1mmであることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項１３の発明は、請求項１記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陰極微孔層の厚みは0.025〜0.1mmであることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
請求項１４の発明は、請求項１０記載の燃料電池の膜電極組構造において、前記陽極触媒層の厚みは0.05〜0.2mmであることを特徴とする燃料電池の膜電極組構造としている。
【０００７】
請求項１５の発明は、主に以下のステップを含み、
Ａ．プロトン交換膜の表面上に陽極層を形成し、
Ｂ．プロトン交換膜の別の表面上に第一陰極触媒層を塗布し、該第一陰極触媒層は少なくとも疎水性材料を含み、
Ｃ．ステップＢで完成した該第一陰極触媒層の表面上に第二陰極触媒層を塗布し、該第二陰極触媒層は少なくとも親水性材料を含み、
Ｄ．陰極気体拡散層の表面上に陰極微孔層を塗布し、
Ｅ．ステップＣで完成したプロトン交換膜とステップＤで完成した陰極気体拡散層を圧合することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項１６の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記製造方法はさらに、300〜500℃の高温環境下において該陰極気体拡散層の表面上の陰極微孔層に対して焼結するステップを加えることができることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項１７の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記ステップＥの圧合ステップでは、100〜300℃において1〜3分間の熱圧合を行うことを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項１８の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記プロトン交換膜はNafion薄膜及び/或いはパーフルオスルファミン酸樹脂(perfluorinated sulfonic acid resin)及び/或いはファミン酸化ポリエチルケトン(sulfonated polyether ether ketone)などの高分子材料により製造することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項１９の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陰極微孔層は少なくとも疎水性材料を含むことを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２０の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記第一陰極触媒層の成分は少なくとも貴金属のプラチナ及びポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物(copolymers of tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride)、ポリパーシャルフルオロエチレンなどの疎水性材料であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２１の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記第二陰極触媒層の成分は少なくともプラチナ及びパーフルオスルファミン酸樹脂(perfluorinated sulfonic acid resin)、ファミン酸化ポリエチルケトンなどの親水性材料であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２２の発明は、請求項１９記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陰極微孔層の成分は少なくともカーボン粒及びポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物(copolymers of tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride)、ポリパーシャルフルオロエチレン(polyvinylidene fluoride)などの疎水性材料であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２３の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陰極気体拡散層は導電性材料で、しかも多孔状材料であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２４の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陽極層はさらに陽極触媒層を含み、該陽極触媒層は該燃料電池陽極端の電気化学反応の促進剤とし、該陽極気体拡散層は該陽極触媒層の表面上に設置することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２５の発明は、請求項２４記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陽極触媒層の成分は少なくとも導水素イオン性の高分子材料及びプラチナ、ルビー、プラチナ/ルビー合金などの金属物質であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２６の発明は、請求項２０記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記プラチナの重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物(copolymers of tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride)、ポリパーシャルフルオロエチレン(polyvinylidene fluoride)などの疎水性材料の濃度は10〜30wt%であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２７の発明は、請求項２１記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記プラチナの重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、パーフルオスルファミン酸樹脂(perfluorinated sulfonic acid resin)、ファミン酸化ポリエチルケトン(sulfonated polyether ether ketone)などの親水性材料の濃度は10〜30wt%であることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２８の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記第二陰極触媒層の厚みは0.025〜0.1mmであることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項２９の発明は、請求項１５記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陰極微孔層の厚みは0.025〜0.1mmであることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項３０の発明は、請求項２４記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記陽極触媒層の厚みは0.05〜0.2mmであることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
【０００８】
請求項３１の発明は、主に以下のステップを含み、
Ａ．陰極気体拡散層の表面上に陰極微孔層を塗布し、
Ｂ．ステップＡで完成した該陰極微孔層の表面上に第二陰極触媒層を塗布し、該第二陰極触媒層は少なくとも親水性材料を含み、
Ｃ．ステップＢで完成した該第二陰極触媒層の表面上に第一陰極触媒層を塗布し、陰極層を形成し、該第一陰極触媒層は少なくとも疎水性材料を含み、
Ｄ．陽極層、プロトン交換膜、ステップＣで完成した陰極層を圧合することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項３２の発明は、請求項３１記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記製造方法はさらに、陽極触媒層を陽極気体拡散層の表面に塗布し、陽極層を形成することを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項３３の発明は、請求項３１記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記製造方法はさらに、300〜500(℃)の高温環境下において陰極気体拡散層の表面上の陰極微孔層に対して焼結するステップを加えることができることを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
請求項３４の発明は、請求項３１記載の燃料電池膜電極組の製造方法において、前記ステップＤの圧合プロセスでは、125〜135℃の高温環境下において、1〜3分間の熱圧合を行うことを特徴とする燃料電池膜電極組の製造方法としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は燃料電池の陰極端に対して多層の構造設定を施し、この多層構造設計は疎水性材料である第一陰極触媒層と陰極微孔層を採用することで、両者の異なる疏水程度が異なる表面張力を生じ、水分は親水性材料特性を備える第二陰極触媒層において保留される。こうして陰極層の水分の拡散速度を減速し、水分の急速な流失を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明燃料電池の膜電極組構造の断面表示図である図２、図２の燃料電池の膜電極組構造の立体分解図である図３に示すように、本発明の燃料電池の膜電極組構造は、プロトン交換膜２４、陽極層２０、第一陰極触媒層２２０、第二陰極触媒層２２２、陰極微孔層２２４、陰極気体拡散層２２６を含む。
該陽極層２０は該プロトン交換膜２４の表面上に設置し、該陽極層２０はさらに、陽極触媒層２００、陽極気体拡散層２０２を含む。
該陽極触媒層２００は該燃料電池陽極端の電気化学反応の促進剤とし、該陽極気体拡散層２０２は該陽極触媒層２００の表面上に設置する。
該第一陰極触媒層２２０は該プロトン交換膜２４の別の表面上に設置し、しかも該第一陰極触媒層２２０は少なくとも疎水性材料を含む。
該第二陰極触媒層２２２は該第一陰極触媒層２２０の表面上に設置し、しかも該第二陰極触媒層２２２は少なくとも親水性材料を含む。
該陰極微孔層２２４は該第二陰極触媒層２２２の表面上に設置し、該陰極微孔層２２４は少なくとも疎水性材料を含む。
該陰極気体拡散層２２６は該陰極微孔層２２４の表面上に設置する。
該第一陰極触媒層２２０、該第二陰極触媒層２２２、該陰極微孔層２２４、該陰極気体拡散層２２６は電極組の陰極層２２を構成する。
【００１１】
さらに図２に示すように、該プロトン交換膜２４はNafion薄膜及び/或いはパーフルオスルファミン酸樹脂(perfluorinated sulfonic acid resin)及び/或いはファミン酸化ポリエチルケトンなどの高分子材料により製造する。
該第一陰極触媒層２２０の成分は少なくとも貴金属のプラチナ(Pt)及びポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物(copolymers of tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride)、ポリパーシャルフルオロエチレンなどの疎水性材料である。
該第二陰極触媒層２２２の成分は少なくともプラチナ(Pt)及びパーフルオスルファミン酸樹脂(perfluorinated sulfonic acid resin)、ファミン酸化ポリエチルケトンなどの親水性材料である。
該陰極微孔層２２４の成分は少なくともカーボン粒及びポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物(copolymers of tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride)、ポリパーシャルフルオロエチレン(polyvinylidene fluoride)などの疎水性材料である。
該陰極気体拡散層２２６は導電性材料で、しかも多孔状材料である。
該陽極触媒層２００の成分は少なくとも導水素イオン性の高分子材料及びプラチナ(Pt)、ルビー(Ru)、プラチナ/ルビー合金などの金属物質である。
【００１２】
続いて本発明各部品のサイズと使用材質の最適比率範囲は図２に示すように、該第二陰極触媒層２２２の厚みは0.025〜0.1mmで、該陰極微孔層２２４の厚みは0.025〜0.1mmで、該陽極触媒層２００の厚みは0.05〜0.2mmである。
該第一陰極触媒層２２０の成分においてプラチナ(Pt)の重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、疎水性材料(ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンポリパーシャルフルオロエチレン重合物、ポリパーシャルフルオロエチレンなど)の濃度は10〜30wt%である。
該第二陰極触媒層２２２の成分においてプラチナ(Pt)の重量パーセンテージ濃度は70〜90wt%で、親水性材料(パーフルオスルファミン酸樹脂、ファミン酸化ポリエチルケトンなど)の濃度は10〜30wt%である。
【００１３】
図２の燃料電池の膜電極組構造の製造方法のフローチャートである図４に示すように、本発明燃料電池膜電極組の製造方法は、ステップ３００、ステップ３０２、ステップ３０４、ステップ３０６、ステップ３０８を含む。
図２に合わせて示すように、ステップ３００ではプロトン交換膜２４の表面上に陽極層２０を形成する。
ステップ３０２では、該プロトン交換膜２４の別の表面上に第一陰極触媒層２２０を塗布する。該第一陰極触媒層２２０は少なくとも疎水性材料を含む。
ステップ３０４では、ステップ３０２で完成した該第一陰極触媒層２２０の表面上に第二陰極触媒層２２２を塗布する。該第二陰極触媒層２２２は少なくとも親水性材料を含む。
ステップ３００から３０４の完了により、半製品となった膜電極組構造の状態は、上から下へと順番に陽極層２０、プロトン交換膜２４、第一陰極触媒層２２０、第二陰極触媒層２２２となる。
続いてステップ３０６では、陰極気体拡散層２２６の表面上に陰極微孔層２２４を塗布する。
ステップ３０８では、ステップ３０４で完成したプロトン交換膜２４とステップ３０６で完成した陰極気体拡散層２２６を圧合する。ステップ３０８中の圧合ステップでは、本発明は熱圧合プロセスを採用し、100〜300(℃)において1〜3分間の熱圧合を行う。
本発明は燃料電池膜電極組構造の製造品質をさらに向上させるため、ステップ３０６中にさらに、300〜500(℃)の高温環境下において陰極気体拡散層２２６の表面上の陰極微孔層２２４に対して焼結するステップを加えることができる。
【００１４】
図２の燃料電池の膜電極組構造の別種の製造方法のフローチャートである図５に示すように、本発明燃料電池膜電極組の製造方法は、ステップ４００、ステップ４０２、ステップ４０４、ステップ４０６を含む。
図２に合わせて示すように、ステップ４００では陰極気体拡散層２２６の表面上に陰極微孔層２２４を塗布する。
ステップ４０２では、ステップ４００で完成した該陰極微孔層２２４の表面上に第二陰極触媒層２２２を塗布する。該第二陰極触媒層２２２は少なくとも親水性材料を含む。
ステップ４０４では、ステップ４０２で完成した該第二陰極触媒層２２２の表面上に第一陰極触媒層２２０を塗布し、陰極層２２を形成する。該第一陰極触媒層２２０は少なくとも疎水性材料を含む。
ステップ４０６では、該陽極層２０、該プロトン交換膜２４、ステップ４０４で完成した陰極層２２を圧合する。
本発明燃料電池膜電極組の製造方法はさらに、陽極触媒層２００を陽極気体拡散層２０２の表面に塗布し、陽極層２０を形成する。
さらにステップ４０６中に圧合プロセスでは、本発明は熱圧合プロセスを採用し、125〜135(℃)の高温環境下において、1〜3分間の熱圧合を行う。
本発明は燃料電池膜電極組構造の製造品質をさらに向上させるため、ステップ４００中にさらに、300〜500(℃)の高温環境下において陰極気体拡散層２２６の表面上の陰極微孔層２２４に対して焼結するステップを加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】公知の燃料電池の膜電極組構造の断面表示図である。
【図２】本発明燃料電池の膜電極組構造の断面表示図である。
【図３】図２の燃料電池の膜電極組構造の立体分解図である。
【図４】図２の燃料電池の膜電極組構造の製造方法のフローチャートである。
【図５】図２の燃料電池の膜電極組構造の別種の製造方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００１６】
１０  陽極層
１００  陽極触媒層
１２  陰極層
１２０  陰極触媒層
１４  電解質
２０  陽極層
２００  陽極触媒層
２０２  陽極気体拡散層
２２  陰極層
２２０  第一陰極触媒層
２２２  第二陰極触媒層
２２４  陰極微孔層
２２６  陰極気体拡散層
２４  プロトン交換膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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