(57)【要約】      （修正有）【課題】発電性能の低下が抑制された膜電極ガス拡散層接合体の提供。【解決手段】電解質膜と、前記電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ形成された第１及び第２触媒層１２ｃと、前記第１触媒層の外側及び前記第２触媒層の外側に配置された第１及び第２ガス拡散層２２ｃと、前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との間、及び前記第２触媒層と前記第２ガス拡散層との間の少なくとも一方を接合している中間層１４ｃと、を備え、前記中間層は、導電性粒子を含有した熱可塑性樹脂製の多孔質体であり、前記熱可塑性樹脂の接触角は９０°以上であり、前記中間層の、前記第１及び第２触媒層側の表面層の融点は、１５０℃以下である、膜電極ガス拡散層接合体。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ形成された第１及び第２触媒層と、
前記第１触媒層の外側及び前記第２触媒層の外側に配置された第１及び第２ガス拡散層と、
前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との間、及び前記第２触媒層と前記第２ガス拡散層との間の少なくとも一方を接合している中間層と、を備え、
前記中間層は、導電性粒子を含有した熱可塑性樹脂製の多孔質体であり、
前記熱可塑性樹脂の接触角は９０°以上であり、
前記中間層の、前記第１及び第２触媒層側の表面層の融点は、１５０℃以下である、膜電極ガス拡散層接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極ガス拡散層接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池に用いられる膜電極ガス拡散層接合体が知られている。例えば特許文献１に開示されている膜電極ガス拡散層接合体では、触媒層とガス拡散層との間に中間層が設けられており、この中間層によってガス拡散層と触媒層との接合強度が確保されている。ここで、この中間層は、触媒層との接合強度を確保するために、触媒層と同じプロトン伝導性樹脂により形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３００３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、プロトン伝導性樹脂は親水性を有しているため、液水が多い発電環境下では、中間層の内部に水が滞留する可能性がある。この場合、ガス拡散層から触媒層にまでガスを十分に供給できずに、発電性能が低下する可能性がある。
【０００５】
また、このような膜電極ガス拡散層接合体の製造工程では、少なくとも電解質膜の表面に形成された触媒層と中間層とを熱プレスにより接合する必要がある。上述の特許文献１においては、中間層の材質が触媒層及びガス拡散層に含まれる材質と同じであるため、中間層を溶融させずに、融点よりも低い温度で軟化させることにより触媒層とガス拡散層を接合可能であった。一方、中間層の材質に触媒層やガス拡散層に含まれない材質を使用する場合には、中間層を融点以上に加熱して一旦溶融させることにより、触媒層とガス拡散層を接合する必要がある。この場合、中間層の融点が高いと、中間層のみならず電解質膜も高温に加熱され、発電性能に影響を与える可能性がある。
【０００６】
そこで本発明は、発電性能の低下が抑制された膜電極ガス拡散層接合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ形成された第１及び第２触媒層と、前記第１触媒層の外側及び前記第２触媒層の外側に配置された第１及び第２ガス拡散層と、前記第１触媒層と前記第１ガス拡散層との間、及び前記第２触媒層と前記第２ガス拡散層との間の少なくとも一方を接合している中間層と、を備え、前記中間層は、導電性粒子を含有した熱可塑性樹脂製の多孔質体であり、前記熱可塑性樹脂の接触角は９０°以上であり、前記中間層の、前記第１及び第２触媒層側の表面層の融点は、１５０℃以下である、膜電極ガス拡散層接合体によって達成できる。
【発明の効果】
【０００８】
発電性能の低下が抑制された膜電極ガス拡散層接合体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、燃料電池に使用される膜電極ガス拡散層接合体の断面図である。
【図２】図２Ａは、本実施例での中間層内での水の状態の説明図であり、図２Ｂは、比較例での中間層内での水の状態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、燃料電池に使用される膜電極ガス拡散層接合体２０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）の断面図である。燃料電池では、ＭＥＧＡ２０は一対のセパレータに挟持された状態で使用される。ＭＥＧＡ２０は、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１０と、アノード側中間層１４ａ及びカソード側中間層１４ｃ（以下、中間層と称する）と、アノード側ガス拡散層２２ａ及びカソード側ガス拡散層２２ｃ（以下、拡散層と称する）とを有している。ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、アノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。
【００１１】
電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。
【００１２】
触媒層１２ａ及び１２ｃは、それぞれ電解質膜１１の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成された第１及び第２触媒層の一例である。触媒層１２ａ及び１２ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性樹脂とを、電解質膜１１に塗布することにより形成される。
【００１３】
中間層１４ａ及び１４ｃは、導電性粒子を含有した熱可塑性樹脂製の多孔質体である。中間層１４ａ及び１４ｃの細孔径は、触媒層１２ａから拡散層２２ａ、及び触媒層１２ｃから拡散層２２ｃへの水の排出性を考慮すると、０．１μｍ〜５０μｍが好ましいがこれに限定されない。中間層１４ａ及び１４ｃの厚さは、ガス透過性の観点からは薄いほうが好ましく、触媒層１２ａ及び１２ｃの厚みのバラつきである±１μｍを吸収する観点から２μｍ以上が好ましいが、これに限定されない。
【００１４】
中間層１４ａ及び１４ｃの導電性粒子は、例えばカーボン製や金属製である。これにより、触媒層１２ａ及び拡散層２２ａ間の導電性、及び触媒層１２ｃ及び拡散層２２ｃ間の導電性が確保されている。
【００１５】
また、中間層１４ａ及び１４ｃの熱可塑性樹脂の主成分は、ポリプロピレンであり、その接触角は９４°であり、融点は１３５〜１５０℃である。中間層１４ａ及び１４ｃに熱可塑性樹脂が用いられ、触媒層１２ａ及び拡散層２２ａ間、触媒層１２ｃ及び拡散層２２ｃ間が接合され、膜電極接合体の強度が確保されている。また、中間層１４ａ及び１４ｃの材料は、その接触角は９０°以上であり融点は１５０℃以下となるのであれば、上記のポリプロピレン以外の樹脂材料やその他添加剤等を含んでいてもよい。
【００１６】
中間層１４ａ及び１４ｃは、例えば延伸法又はエレクトロスピニング法によりシート状に製造できる。中間層１４ａ及び１４ｃを延伸法で製造する場合、導電性粒子を含有した熱可塑性樹脂からなる予備成型物をペースト押出しし、その後に成型品を延伸することにより製造できる。また、中間層１４ａ及び１４ｃをエレクトロスピニング法で製造する場合には、導電性粒子を含有した熱可塑性樹脂からなる予備成型物を、高電圧が印加された紡糸口から樹脂溶液を一定速度で押し出すことにより製造できる。
【００１７】
拡散層２２ａ及び２２ｃは、それぞれ触媒層１２ａの外側及び触媒層１２ｃの外側に配置された第１及び第２ガス拡散層の一例である。拡散層２２ａ及び２２ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。上述したように、触媒層１２ａ及び拡散層２２ａ間、触媒層１２ｃ及び拡散層２２ｃ間に、それぞれ中間層１４ａ及び１４ｃが配置されている。このため、例えば拡散層２２ａ及び２２ｃの繊維が電解質膜１１に直接接触して電解質膜１１に傷がつくことが防止されている。
【００１８】
次に、中間層１４ａ及び１４ｃの撥水性について説明する。図２Ａは、本実施例での中間層１４ｃ内での水の状態の説明図である。図２Ｂは、比較例での中間層１４ｃｘ内での水の状態の説明図である。
【００１９】
比較例の中間層１４ｃｘは、中間層１４ｃとは異なり、熱可塑性樹脂ではなくプロトン伝導性樹脂が用いられている。プロトン伝導性樹脂は、親水性を有し、その接触角は３０°未満である。ここで、上述したように中間層１４ｃ及び１４ｃｘの何れも多孔質体であり、拡散層２２ｃから触媒層１２ｃへのカソードガスが通過する細孔が形成されている。しかしながら、プロトン伝導性樹脂の接触角は３０°未満と小さいため、図２Ｂに示すように、中間層１４ｃｘの樹脂繊維ｆｘに付着して中間層１４ｃｘ内で滞留した水ｗｘが、中間層１４ｃｘの細孔を塞ぐ可能性がある。これにより、中間層１４ｃｘを介して拡散層２２ｃから触媒層１２ｃに到達するカソードガスの流量が低下する可能性がある。
【００２０】
これに対して、熱可塑性樹脂の一例であるポリプロピレンの接触角は上述したように９４°であるため、撥水性がよく、図２Ａに示すように、中間層１４ｃの樹脂繊維ｆに付着して中間層１４ｃ内で滞留した水ｗは、上述の水ｗｘよりも径が小さい粒状になると考えられる。このため、中間層１４ｃのほうが、中間層１４ｃｘよりも細孔を塞ぐ可能性が低く、中間層１４ｃを介して拡散層２２ｃから触媒層１２ｃに到達するカソードガスの流量が確保されている。このため、本実施例では電解質膜１１の発電性能の低下が抑制されている。
【００２１】
次に、ＭＥＡ１０と、中間層１４ａ及び１４ｃと、拡散層２２ａ及び２２ｃとの接合手順の例について説明する。予めシート状に製造され中間層１４ａ及び１４ｃと、ＭＥＡ１０と、拡散層２２ａ及び２２ｃとを用意する。次に、ＭＥＡ１０を挟持するように中間層１４ａ及び１４ｃを配置し、中間層１４ａの外側に拡散層２２ａを配置し、中間層１４ｃの外側に拡散層２２ｃを配置する。このように配置された状態で、拡散層２２ａ及び２２ｃの両側から熱プレスにより挟持して中間層１４ａ及び１４ｃを加熱する。これにより、中間層１４ａ及び１４ｃの一部が溶融して、中間層１４ａはＭＥＡ１０の触媒層１２ａと拡散層２２ａとに接合され、中間層１４ｃはＭＥＡ１０の触媒層１２ｃと拡散層２２ｃとに接合される。
【００２２】
また接合手段の別の例では、例えば中間層１４ａと拡散層２２ａとを重ねた状態で拡散層２２ａ側から中間層１４ａに熱が伝わるように熱プレスにより中間層１４ａと拡散層２２ａとを接合する。次に、中間層１４ａにＭＥＡ１０の触媒層１２ａを重ね、触媒層１２ｃ側から中間層１４ａに熱が伝わるように熱プレスにより、拡散層２２ａと中間層１４ａとＭＥＡ１０とを接合する。次に、触媒層１２ｃに中間層１４ｃを重ね、中間層１４ｃに拡散層２２ｃを重ねた状態で、拡散層２２ｃ側から中間層１４ｃに熱が伝わるように熱プレスにより、ＭＥＡ１０と中間層１４ｃと拡散層２２ｃとを接合する。このような手順によってもＭＥＡ１０と、中間層１４ａ及び１４ｃと、拡散層２２ａ及び２２ｃとは接合される。
【００２３】
以上のように何れの接合手順であっても、中間層１４ａ及び１４ｃとＭＥＡ１０とを接合する際には、中間層１４ａ及び１４ｃのみならず電解質膜１１も加熱される。このため、中間層１４ａ及び１４ｃの融点が高い場合には、中間層１４ａ及び１４ｃを高温で加熱する必要があり、電解質膜１１も高温となり、電解質膜１１の発電性能に影響が生じる可能性がある。例えば、中間層１４ｃｘがポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の場合には、その融点が２００°以上であるため、中間層１４ｃｘと触媒層１２ｃとの接合の際に電解質膜１１も高温となり、電解質膜１１の発電性能に影響を与える可能性がある。
【００２４】
これに対して本実施例では、上述したように中間層１４ａ及び１４ｃの主材料として、融点が１５０℃以下と比較的低いポリプロピレンが用いられている。このため、比較的低温で中間層１４ａ及び１４ｃを溶融させることができ、接合時の熱による電解質膜１１の発電性能への影響を抑制できる。
【００２５】
上記実施例では、中間層１４ａ及び１４ｃの双方が設けられているが、これに限定されずに、一方のみが設けられていてもよい。
【００２６】
上記実施例では、中間層１４ａ及び１４ｃのそれぞれは一層であるが、中間層は多層から構成されていてもよい。中間層が多層から構成されている場合には、各層が導電性粒子を含有した多孔質体であり接触角が９０°以上であればよい。また、中間層が多層から構成される場合には、少なくとも触媒層に接合される側の表面層の融点が１５０℃以下の熱可塑性樹脂であればよい。中間層と触媒層とを比較的低温で短時間で接合でき、電解質膜への熱の影響を抑制できるからである。
【００２７】
中間層が２層で構成される場合には、例えばメインの層の主成分はポリプロピレンであり、触媒層に接合される側の表面層の主成分はポリエチレン又はポリスチレンとしてもよい。ポリエチレンは、接触角が９４°であり融点が９５〜１３０℃であり、ポリスチレンは接触角が９１°であり融点が１００℃である。このように、メインの層の主成分よりも、触媒層に接合される側の表面層の主成分の融点が低い場合には、より低い温度で中間層と触媒層とを接合でき、電解膜質への熱による影響を抑制できる。
【００２８】
また、２層の中間層は、例えばメインの層の一方の面に熱可塑性樹脂をスプレー塗布することにより形成してもよい。また、エレクトロスピニング法で中間層を形成する際に、途中で材料を切り替えてもよい。また、中間層が３層であって、メインの層の主成分はポリプロピレンであり、触媒層及びガス拡散層に接合される表面層の主成分はポリエチレン又はポリスチレンとしてもよい。
【００２９】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  膜電極接合体
１１  電解質膜
１２ａ  アノード側触媒層（第１触媒層）
１２ｃ  カソード側触媒層（第２触媒層）
１４ａ及び１４ｃ  中間層
２０  膜電極ガス拡散層接合体
２２ａ  アノード側ガス拡散層（第１ガス拡散層）
２２ｃ  カソード側ガス拡散層（第２ガス拡散層）
【図１】
2017147160.tif 000003
【図２】
2017147160.tif 000004