СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕМБРАННО-ЭЛЕКТРОДНОЙ СБОРКИ ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2020 года по МПК H01M4/88 H01M8/02 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к способу изготовления мембранно - электродной сборки для топливного элемента.

Предшествующий уровень техники

[0002] Топливный элемент непосредственно превращает химическую энергию, которой обладает вещество, в электрическую энергию, вызывая электрохимическую реакцию путем подачи соответствующих реакционных газов (топливного газа и газа-окислителя) к паре каталитических электродов, между которыми размещена электролитная мембрана.

[0003] Мембранно - электродная сборка, в качестве составного компонента твердополимерного топливного элемента выполнена таким образом, что каталитические слои нанесены на обе поверхности твердоэлектролитной мембраны. В качестве одного из способов изготовления мембранно - электродной сборки известен, например, способ, в котором каталитический слой переносят на электролитную мембрану путем наслаивания и горячего прессования листа-подложки, на котором сформирован каталитический слой, на электролитную мембрану. Каталитический слой формируют, например, на листе-подложке путем нанесения каталитических чернил на лист-подложку и его высушивания.

[0004] В JP 2015-55555 A раскрыт способ контроля покрытой катализатором мембраны топливного элемента. Как раскрыто в JP 2015-55555 A, когда каталитический слой переносят на электролитную мембрану с листа-подложки, в некоторых случаях каталитический слой остается на листе-подложке, что приводит к дефектному переносу.

[0005] В JP 2017-177679 A раскрыта снимаемая пленка, которая имеет снимаемый слой на, по меньшей мере, одной поверхности полиэфирной пленки и имеет модуль накопления упругой деформации в пределах определенного диапазона. JP 2017-177679 A раскрывает, что применение данной снимаемой пленки обеспечивает предотвращение дефектного переноса.

[0006] Здесь в качестве каталитических чернил, использованных для формирования каталитического слоя, известны, например, каталитические чернила, которые содержат комплекс катализатора на углеродном носителе и иономера, как единого целого, как раскрыто в JP 2013-30286 A. Однако когда каталитический слой, сформированный с использованием каталитических чернил, содержащих иономер, переносят с листа-подложки на электролитную мембрану, концевой участок каталитического слоя в некоторых случаях остается на листе-подложке, не будучи перенесенным, что приводит к дефектному переносу. Это означает, что в ходе сушки каталитических чернил, нанесенных на лист-подложку, толщина мембраны становится малой на концевом участке покрывающей мембраны, что увеличивает скорость испарения в большей степени, чем в центральном участке покрывающей мембраны, и это приводит к тому, что иономер, который действует как клей, легко перетекает из центрального участка к концевому участку, высохшему ранее. В результате иономер скапливается на концевом участке покрывающей мембраны, приводя к тому, что каталитический слой отделяется с трудом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Как описано выше, общеизвестный способ изготовления мембранно - электродной сборки для топливного элемента в некоторых случаях приводит к дефектному переносу при использовании каталитических чернил, содержащих иономер. Соответственно, настоящее изобретение предлагает способ изготовления мембранно - электродной сборки для топливного элемента, в котором такой дефектный перенос предотвращен.

[0008] В результате различных исследований способов решения проблемы авторы изобретения обнаружили, что поддержание содержания воды в каталитических чернилах в определенном диапазоне, обеспечивало предотвращение дефектного переноса при изготовлении мембранно - электродной сборки для топливного элемента и, таким образом, создали настоящее изобретение.

[0009] Таким образом, сущность настоящего изобретения заключается в следующем.

(1) Способ изготовления мембранно - электродной сборки для топливного элемента, причем способ содержит:

нанесение с промежутками каталитических чернил на лист-подложку и сушку каталитических чернил с формированием каталитического слоя на листе-подложке; и

перенос каталитического слоя с листа-подложки на электролитную мембрану,

в котором каталитические чернила содержат частицы катализатора, иономер, спирт и воду, а содержание воды в каталитических чернилах составляет от 57 % до 61 % по массе от общей массы каталитических чернил.

(2) Способ изготовления мембранно - электродной сборки для топливного элемента по п. (1), в котором часть иономера адсорбирована на частицах катализатора в каталитических чернилах, и количество иономера, не адсорбированного на частицах катализатора, равно или составляет менее 15 мг на 1 г каталитических чернил.

[0010] Настоящее изобретение предлагает способ изготовления мембранно - электродной сборки для топливного элемента, в которой предотвращен дефектный перенос.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011]

На ФИГ. 1 представлено схематичное изображение, иллюстрирующее один вариант осуществления способа изготовления мембранно - электродной сборки согласно настоящему изобретению;

На ФИГ. 2 представлено графическое изображение, иллюстрирующее результаты измерения распределений толщины каталитических слоев для каталитических чернил, имеющих разное содержание воды в примере;

На ФИГ. 3 представлен схематичный чертеж, иллюстрирующий участок дефектного переноса каталитического слоя в примере;

На ФИГ. 4 представлено графическое изображение, иллюстрирующее соотношение между содержанием воды в каталитических чернилах и количеством неадсорбированного иономера в примере;

На ФИГ. 5 представлено графическое изображение, иллюстрирующее соотношение между количеством неадсорбированного иономера и средней шириной участка дефектного переноса каталитического слоя в примере; и

На ФИГ. 6 представлено графическое изображение, иллюстрирующее соотношение между периодом хранения каталитических чернил и скоростью увеличения количества неадсорбированного иономера в примере.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Ниже подробно описан вариант осуществления настоящего изобретения.

Настоящее изобретение относится к способу изготовления мембранно - электродной сборки для топливного элемента, в котором каталитический слой, сформированный на листе-подложке, перенесен на электролитную мембрану. Мембранно - электродная сборка выполнена таким образом, что каталитические слои нанесены на обе поверхности электролитной мембраны. На ФИГ. 1 проиллюстрирован один вариант осуществления способа изготовления мембранно - электродной сборки согласно настоящему изобретению. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном на ФИГ. 1, подготавливают лист-подложку 2, на котором сформированы каталитические слои 1. Поверхность данного листа-подложки 2, на котором сформированы каталитические слои 1, размещают таким образом, что она обращена к электролитной мембране 3, и их прессуют и нагревают с использованием нагревательного валка 4, тем самым перенося каталитические слои 1, сформированные на листе-подложке 2, на электролитную мембрану 3. После переноса разделяющий стержень 5 разделяет каталитические слои 1 от листа-подложки 2. При использовании способа изготовления настоящего изобретения каталитический слой не остается на листе-подложке после отделения, предотвращая тем самым дефектный перенос.

[0013] Конкретнее, способ изготовления мембранно - электродной сборки по настоящему изобретению содержит первый этап нанесения с промежутками каталитических чернил на лист-подложку и сушки каталитических чернил с формированием каталитического слоя на листе-подложке, и второй этап переноса каталитического слоя с листа-подложки на электролитную мембрану. В настоящем изобретении поддержание содержания количества воды в каталитических чернилах в пределах определенного диапазона, обеспечивает предотвращение дефектного переноса.

[0014] На первом этапе способа изготовления настоящего изобретения каталитические чернила наносят с промежутками на лист-подложку и высушивают с формированием каталитических слоев на листе-подложке.

[0015] Для листа-подложки нет особых ограничений и, например, можно использовать твердый полимерный материал в форме листа. В качестве твердого полимерного материала можно использовать полимерный материал, обладающий высокими антиадгезивными свойствами и высокой термостойкостью. Примеры твердого полимерного материала включают в себя, например, полимер на основе олефинов, такой как полиэтилен и полипропилен, политетрафторэтилен, сополимер тетрафторалкилвинилового простого эфира, сополимер тетрафторэтилена-гексафторпропилена, сополимер этилена-тетрафторэтилена, полиэтилентерефталат и полиэтиленнафталат, и в некоторых вариантах осуществления твердый полимерный материал представляет собой политетрафторэтилен (ПТФЭ; Тефлон (зарегистрированный товарный знак)).

[0016] Лист-подложка может быть изготовлен, например, в виде сформованного валками листа с шириной приблизительно от 150 мм до 500 мм.

[0017] Каталитические чернила содержат частицы катализатора, иономер, спирт и воду. Каталитические чернила могут представлять собой дисперсионную жидкость, в которой частицы катализатора и иономер диспергированы в спирте и воде в качестве дисперсной среды.

[0018] Для частиц катализатора нет особых ограничений и, например, можно использовать платину, рутений, палладий, иридий, железо, никель, кобальт, вольфрам, молибден и их сплав. С точки зрения выходных характеристик и долговечности можно использовать сплав платины и кобальта.

[0019] Частицы катализатора можно использовать в нанесенной на носитель форме. На носитель, на который нанесены частицы катализатора, не накладываются особые ограничения, и, например, можно использовать материал на основе углерода. Примеры материала на основе углерода включают в себя, например, углеродные материалы, такие как сажа, активированный углерод, углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, углеродные нановыступы и углеродные шарики, соединения углерода и тому подобное, примером которых, например, является карбид углерода и их смеси.

[0020] Когда частицы катализатора используют в нанесенной на носитель форме, массовое отношение частиц катализатора к носителю составляет, например, от 10:90 до 90:10, и может составлять от 20:80 до 40:60.

[0021] Содержание частиц катализатора в каталитических чернилах составляет, например, от 1 % до 5 % по массе от общей массы каталитических чернил. Когда частицы катализатора используют в нанесенной на носитель форме, суммарное содержание частиц катализатора и носителя составляет, например, от 2 % до 10 % по массе от общей массы каталитических чернил, и может составлять от 5 % до 7 % по массе от общей массы каталитических чернил.

[0022] Иономер представляет синтетический полимер, образованный крупными молекулами, агрегированными за счет сил сцепления, создаваемых ионами металла. Иономер может представлять собой полиэлектролит, имеющий протонную (H⁺) проводимость. Конкретнее, примеры иономера включают в себя, например, фторкаучуковый материал (например, Нафион (зарегистрированный товарный знак)), содержащий группу сульфоновой кислоты, сульфированный пластмассовый электролит, такой как сульфированный полиэфиркетон, сульфированный полиэфирсульфон, сульфированный полиэфир-эфир-сульфон, сульфированный полисульфон, сульфированный полисульфид и сульфированный полифенилен, и сульфоалкилированный полимерный электролит, такой как сульфоалкилированный полиэфир-эфир-кетон, сульфоалкилированный полиэфирсульфон, сульфоалкилированный полиэфир-эфирсульфон, сульфоалкилированный полисульфон, сульфоалкилированный полисульфид и сульфоалкилированный полифенилен. С точки зрения долговечности можно использовать полимерный материал на основе перфторсульфоновой кислоты.

[0023] Часть иономера может быть адсорбирована на частицах катализатора. Количество иономера, неадсорбированного на частицах катализатора (здесь и далее также описываемого как неадсорбированный иономер) может составлять 45 мг или менее на 1 г каталитических чернил и может составлять 15 мг или менее. Количество неадсорбированного иономера можно определить фильтрованием каталитических чернил, используя фильтр, имеющий заранее заданный диаметр пор (например, от 0,3 мкм до 0,5 мкм), и измерением массы иономера, содержащегося в фильтрате посредством термогравиметрии. В общепринятом способе, в котором содержание воды в каталитических чернилах составляет, например, менее 57 % по массе, необходимо обеспечить количество неадсорбированного иономера в каталитических чернилах равным либо меньшим, чем 15 мг/1 г каталитических чернил, чтобы предотвратить дефектный перенос. Между тем, в настоящем изобретении поддержание содержания воды в каталитических чернилах в пределах определенного диапазона, в достаточной степени уменьшает участок тонкой мембраны на концевом участке каталитического слоя, сформированного на листе, что затрудняет скопление иономера на концевом участке слоя катализатора. Следовательно, даже когда количество неадсорбированного иономера в каталитических чернилах увеличивается до 45 мг/1 г каталитических чернил, дефектный перенос может быть предотвращен. Соответственно, применяя способ настоящего изобретения, ограничение по применению иономера в каталитических чернилах может быть существенно ослаблено. Когда количество неадсорбированного иономера в каталитических чернилах равно, либо меньше 15 мг/1 г каталитических чернил, количество неадсорбированного иономера достаточно мало, обеспечивая, тем самым, дополнительное предотвращение дефектного переноса.

[0024] Содержание иономера в каталитических чернилах составляет, например, от 2 % до 10 % по массе от общей массы каталитических чернил, и оно может составлять от 3,5 % до 5,0 % по массе от общей массы каталитических чернил.

[0025] На спирт не накладываются особые ограничения, и примеры спирта включают в себя, например, C₁-C₄-алкиловый спирт и их смеси. Спирт может представлять собой этанол, 1-пропанол, 2-пропанол и их смесь.

[0026] Содержание спирта составляет, например, от 10 % до 50 % по массе от общей массы каталитических чернил, и оно может составлять от 29 % до 33 % по массе от общей массы каталитических чернил.

[0027] Содержание воды в каталитических чернилах составляет, например, от 57 % до 61 % по массе от общей массы каталитических чернил, и оно может составлять от 58 % до 60 % по массе от общей массы каталитических чернил. Содержание воды в каталитических чернилах, равное 57 % по массе или более, обеспечивает предотвращение уменьшения толщины на концевом участке каталитического слоя в ходе сушки каталитических чернил, нанесенных на лист-подложку, за счет уменьшения разности в скоростях испарения на концевом участке и в центральном участке каталитического слоя, и ускоряет адсорбцию иономера на частицах катализатора. Это обеспечивает предотвращение скопления иономера на концевом участке каталитического слоя и, следовательно, концевой участок каталитического слоя легко отделяется от листа-подложки, обеспечивая, тем самым, предотвращение дефектного переноса. Более того, содержание воды в каталитических чернилах, равное 57 % по массе или более, обеспечивает предотвращение увеличения со временем количества неадсорбированного иономера в каталитических чернилах, продлевая, тем самым, срок пригодности для использования каталитических чернил. Содержание воды в каталитических чернилах, равное 61 % по массе или менее, обеспечивает предотвращение вспенивания каталитических чернил, позволяя получить, тем самым, превосходную способность к нанесению. Содержание воды в каталитических чернилах в диапазоне от 57 % до 61 % по массе обеспечивает такое значение вязкости каталитических чернил, которое находится в диапазоне, подходящем для получения превосходной наносимости чернил. В настоящем изобретении точное указание содержания воды в каталитических чернилах в данном диапазоне обеспечивает одновременное достижение как предотвращения дефектного переноса, так превосходной способности к нанесению.

[0028] Помимо вышеописанных компонентов, в случае необходимости, каталитические чернила могут содержать любые другие компоненты, такие как водоотталкивающее средство, добавки, способствующие диспергированию, присадки для улучшения вязкости и средство для порообразования. Содержание любого другого компонента в каталитических чернилах обычно составляет 10 % по массе или менее от общей массы каталитических чернил, и оно может составлять от 5 % по массе или менее от общей массы каталитических чернил.

[0029] Каталитические чернила могут быть получены, например, смешением частиц катализатора, иономера, спирта, воды и другого компонента, если необходимо, и диспергированием частиц катализатора и иономера в спирте и воде.

[0030] Каталитические чернила наносят с промежутками на лист-подложку. Хотя каталитические чернила можно наносить с промежутками через равные интервалы, или же можно наносить с промежутками через разные интервалы, с точки зрения производственной эффективности каталитические чернила можно наносить с промежутками через равные интервалы. Каталитические чернила можно наносить способом, который обеспечивает равномерную толщину нанесения, и, например, ее можно наносить способом, использующим устройство нанесения литьевого покрытия, устройство нанесения с валком или тому подобное. Каталитические чернила обычно наносят с толщиной от 0,05 мм до 0,15 мм. Каталитические чернила могут быть нанесены на прямоугольную форму и обычно их наносят с промежутками с размером от 150 мм до 250 мм × от 250 мм до 350 мм.

[0031] После этого каталитические чернила, нанесенные на лист-подложку, высушивают, чтобы сформировать каталитические слои на листе-подложке. Сушку проводят, например, при температуре от 70 °C до 150 °C. Время сушки может быть подходящим образом установлено в зависимости от температуры сушки, и оно составляет, например, от одной минуты до десяти минут.

[0032] Сформированный каталитический слой может иметь прямоугольную форму и обычно имеет размер от 150 мм до 250 мм × от 250 мм до 350 мм. Толщина каталитического слоя обычно составляет от 0,005 мм до 0,015 мм. В способе изготовления настоящего изобретения, поскольку разность между толщинами концевого участка и центрального участка каталитического слоя может быть уменьшена, скопления иономера на концевом участке каталитического слоя можно избежать, что тем самым обеспечивается предотвращение возникновения дефектного переноса. Ширина участка тонкой мембраны на концевом участке каталитического слоя, где толщина меньше, чем толщина центрального участка каталитического слоя, может составлять 5 мм или менее, может составлять 3 мм или менее, и в некоторых вариантах осуществления она составляет 2 мм или менее. Здесь ширина участка тонкой мембраны означает ширину каталитического слоя по ходу направления подачи листа-подложки. Когда имеется два или более таких участка тонкой мембраны в одном каталитическом слое, ширина участка тонкой мембраны представляет собой наибольшую ширину из указанных.

[0033] На втором этапе способа изготовления настоящего изобретения каталитический слой переносят с листа-подложки на электролитную мембрану.

[0034] На электролитную мембрану не налагаются особые ограничения и, например, она представляет собой мембрану из твердополимерного электролита, имеющую удовлетворительную протонную проводимость во влажном состоянии. В качестве электролитной мембраны можно использовать, например, ионообменную мембрану на основе фторсодержащего полимера, включающую в себя группу сульфоновой кислоты, и можно использовать Нафион (зарегистрированный товарный знак) от компании DuPont de Nemours, Inc., Асиплекс (Aciplex) (зарегистрированный товарный знак) от компании Asahi Kasei Corporation, ФЛЕМИОН (FLEMION) (зарегистрированный товарный знак) от компании AGC Inc., и тому подобное. Следует отметить, что электролитная мембрана не ограничена мембраной, включающей группу сульфоновой кислоты, и можно использовать мембрану, включающую в себя другую ионообменную группу (электролитный компонент), такую как фосфатная группа и карбоксильная кислотная группа.

[0035] Перенос слоя катализатора с листа-подложки на электролитную мембрану может быть осуществлен, например, путем размещения поверхности, на которой сформирован каталитический слой листа-подложки таким образом, чтобы она была обращена к электролитной мембране, нагревая и прикладывая давление с обеих сторон. Данный этап может быть выполнен, например, путем переноса с горячим прессованием, с использованием нагревательного валка. После переноса лист-подложку отделяют от каталитического слоя.

[0036] Необходимым является только то, чтобы нагрев и прессование осуществлялись при температуре и давлении, которые обеспечивают перенос каталитического слоя с листа-подложки на электролитную мембрану. Температура нагрева обычно составляет от 100 °C до 150 °C, а давление обычно составляет от 0,3 МПа до 1 МПа.

[0037] Хотя в настоящем изобретении необходимым является только осуществление способа, содержащего описанные выше первый этап и второй этап на, по меньшей мере, одной из поверхностей электролитной мембраны, способ может быть осуществлен на обеих поверхностях электролитной мембраны. Когда способ в соответствии с настоящим изобретением осуществляют на одной поверхности электролитной мембраны, тогда можно использовать электролитную мембрану, на одной поверхности которой был предварительно сформирован каталитический слой и способ в соответствии с настоящим изобретением может быть осуществлен на другой стороне электролитной мембраны, или же можно использовать электролитную мембрану, на которой каталитический слой был сформирован путем осуществления способа по настоящему изобретению, и на другой поверхности каталитический слой может быть сформирован другим способом.

[0038] Настоящее изобретение обеспечивает предотвращение дефектного переноса каталитического слоя путем использования каталитических чернил, имеющих содержание воды от 57 % до 61 % по массе, в способе изготовления мембранно - электродной сборки, в котором каталитический слой, сформированный на листе-подложке, перенесен на электролитную мембрану. Соответственно, настоящее изобретение также содержит способ предотвращения дефектного переноса каталитического слоя при изготовлении мембранно - электродной сборки, в которой каталитический слой, сформированный на листе-подложке, перенесен на электролитную мембрану, отличающийся использованием вышеописанных каталитических чернил. Настоящее изобретение также относится к применению вышеописанных каталитических чернил для предотвращения дефектного переноса каталитического слоя при изготовлении мембранно - электродной сборки, в которой каталитический слой, сформированный на листе-подложке, перенесен на электролитную мембрану.

[0039] Настоящее изобретение также включает в себя способ изготовления топливного элемента с применением мембранно - электродной сборки, изготовленной вышеописанным способом. Способ изготовления топливного элемента настоящего изобретения содержит изготовление мембранно - электродной сборки вышеописанным способом, нанесение на изготовленную мембранно - электродную сборку газодиффузионного слоя и прослаивание полученного многослойного тела газовым сепаратором.

ПРИМЕРЫ

[0040] Ниже настоящее изобретение описано подробнее с использованием примера. Однако технический объем настоящего изобретения не ограничен данным примером.

[0041]

[Приготовление каталитических чернил]

В качестве катализатора использовали сплав платины и кобальта, нанесенный на сажу (здесь и далее также описан как углерод с нанесенным катализатором). Дисперсионную жидкость иономера (Нафион (зарегистрированный товарный знак), МЕРК, концентрация 20 %) использовали в качестве иономера.

[0042] Смешивали и диспергировали 6 % по массе углерода с нанесенным катализатором, 4 % по массе иономера, 59 % по массе воды и 31 % по массе этанола и получали каталитические чернила, имеющие содержание воды 59 % по массе.

[0043] Каталитические чернила, имеющие другие значения содержания воды, получали аналогично каталитическим чернилам, имеющим содержание воды 59 % по массе, регулируя количество добавленной воды. Регулируя количество добавленной дисперсионной жидкости иономера, количество неадсорбированного иономера, который не был адсорбирован углеродом с нанесенным катализатором, регулировали таким образом, чтобы оно находилось в диапазоне от 5 мг до 60 мг/1 г каталитических чернил. Количество неадсорбированного иономера в каталитических чернилах определяли фильтрованием каталитических чернил, используя фильтр, имеющий диаметр пор 0,45 мкм и измерением массы иономера, содержащегося в фильтрате, посредством термогравиметрии.

[0044] Каталитические чернила наносили с промежутками, площадью размером 180 мм × 300 мм на лист для переноса из политетрафторэтилена (ПТФЭ), сушили при 70-150 °C и изготавливали рулон с нанесенным каталитическим слоем, в котором каталитические слои были сформированы на листе из ПТФЭ. После этого поверхность каталитического слоя рулона с нанесенным каталитическим слоем направляли таким образом, чтобы она была обращена к поверхности электролитной мембраны (Нафион (зарегистрированный товарный знак)), каталитические слои и электролитную мембрану приводили в контакт, нагревая при 130 °C и прикладывая давление в 0,6 МПа с обеих сторон и переносили каталитические слои на электролитную мембрану. Следует отметить, что производительность была постоянной и составляла 5 м в минуту.

[0045]

[Соотношение между содержанием воды в каталитических чернилах и участком тонкой мембраны на концевом участке каталитического слоя]

Один из каталитических слоев, сформированных на листе из ПТФЭ, выбирали для измерения распределения толщины каталитического слоя с использованием измерительного устройства толщины, снабженного наконечником. Распределение толщины каталитического слоя измеряли по ходу направления подачи листа из ПТФЭ. На ФИГ. 2 проиллюстрированы результаты измерения распределений толщины каталитических слоев для каталитических чернил, имеющих содержание воды 56 %, 57 %, 59 % и 61 % по массе. Следует отметить, что на ФИГ. 2 толщина в диапазоне до 3 мм от положения начала измерения соответствует толщине листа из ПТФЭ, а толщина в диапазоне от 3 мм или более от положения начала измерения соответствует толщине каталитического слоя. Как проиллюстрировано на ФИГ. 2, толщина на концевом участке каталитического слоя была меньше, чем толщина на центральном участке. С увеличением содержания воды в каталитических чернилах толщина на концевом участке каталитического слоя увеличивалась.

[0046] Из данных по распределениям толщины каталитических слоев были определены значения ширины участков тонкой мембраны на концевых участках каталитического слоя, значения толщины которых составляют менее 10 мкм, что соответствует толщине центрального участка. Результаты представлены в таблице 1. Как показано в таблице 1, с увеличением содержания воды в каталитических чернилах ширина участка тонкой мембраны уменьшалась. Содержание воды в каталитических чернилах, равное 57 % по массе или более, приводило к ширине участка тонкой мембраны, равной или меньшей 3 мм, что находится в требуемом диапазоне.

[0047]

[Таблица 1]

Содержание воды
(% по массе) Ширина участка тонкой мембраны
(мм) 40 7,9 45 7,3 50 7 56 6 57 2,7 59 2 61 1,4 62 1,4 65 1,4 70 1,2

[0048] Были оценены дефекты переноса каталитических слоев при использовании соответствующих каталитических чернил, имеющих значения содержания воды 56 %, 57 %, 58 % и 59 % по массе. Конкретнее, после переноса каталитического слоя с листа из ПТФЭ для переноса на электролитную мембрану измеряли значения ширины (ширина в направлении подачи листа) участков дефектного переноса каталитических слоев, оставшихся на листе из ПТФЭ для переноса. На ФИГ. 3 проиллюстрирован схематичный чертеж участка дефектного переноса каталитического слоя. На ФИГ. 3 участок 6 дефектного переноса представляет собой участок каталитического слоя, оставшийся после переноса на участке 8 нанесенного каталитического слоя на листе 7 из ПТФЭ для переноса. Ширина участка 6 дефектного переноса представляет собой ширину участка, указанную стрелкой на ФИГ. 3. Ширина участка дефектного переноса представляет собой среднее значение. В таблице 2 показаны результаты измерений значений средней ширины участков дефектного переноса каталитических слоев и количества неадсорбированного иономера в каталитических чернилах относительно значений содержания воды в каталитических чернилах.

[0049]

[Таблица 2]

Содержание воды
(% по массе) Средняя ширина участка дефектного переноса
(мм) Количество неадсорбированного иономера
(мг/1 г каталитических чернил) 56 0,22 17 57 0 13 59 0 10 61 0 9

[0050] Как показано в таблице 2, содержание воды в каталитических чернилах, составляющее 57 % по массе или более, не приводило к дефектному переносу. На ФИГ. 4 проиллюстрировано соотношение между содержанием воды в каталитических чернилах и количеством неадсорбированного иономера. Как проиллюстрировано в таблице 2 и на ФИГ. 4, было показано, что с увеличением содержания воды в каталитических чернилах количество неадсорбированного иономера уменьшалось, то есть количество иономера, адсорбированного углеродом с нанесенным катализатором, увеличивалось, что приводит к затруднению возникновения дефектного переноса.

[0051]

[Соотношение между количеством неадсорбированного иономера и дефектным переносом]

Соотношение между количествами неадсорбированного иономера и дефектными переносами исследовали для каталитических чернил, имеющих содержание воды 59 % по массе и разное количество неадсорбированного иономера. Дефектный перенос оценивали путем измерения ширины участка дефектного переноса каталитического слоя, оставшегося на листе из ПТФЭ для переноса, аналогично описанному выше. На ФИГ. 5 проиллюстрировано соотношение между количеством неадсорбированного иономера и средней шириной участка дефектного переноса каталитического слоя. Хотя дефектный перенос произошел при количестве неадсорбированного иономера 17 мг/1 г каталитических чернил (смотри Таблицу 2), когда содержание воды в каталитических чернилах составляло 56 % по массе, когда содержание воды в каталитических чернилах составляло 59 % по массе, участок тонкой мембраны на концевом участке каталитического слоя уменьшался в достаточной степени, чтобы затруднить скопление иономера на концевом участке каталитического слоя. Следовательно, как проиллюстрировано на ФИГ. 5, даже хотя количество неадсорбированного иономера в каталитических чернилах возрастало до 45 мг/1 г каталитических чернил, дефектный перенос не происходил. Соответственно, было продемонстрировано, что поддержание содержания воды в каталитических чернилах в определенном диапазоне, существенно ослабляет ограничение по использованию иономера в каталитических чернилах.

[0052]

[Оценка дефектного переноса]

В примере 1 использовали каталитические чернила, имеющие содержание воды 59 % по массе, и в сравнительном примере 1 использовали каталитические чернила, имеющие содержание воды 56 % по массе, для изготовления рулонов с нанесенным каталитическим слоем, в которых каталитические слои были сформированы на листе из ПТФЭ для переноса, аналогично описанному выше. Используя эти рулоны с нанесенным каталитическим слоем, каталитические слои переносили на электролитные мембраны и осуществляли оценку дефектных переносов. Результаты представлены в Таблице 3. Как показано в Таблице 3, дефектный перенос не был вызван в примере 1, и поддержание содержания воды в каталитических чернилах в заданном диапазоне в соответствии с настоящим изобретением, по существу, предотвращает дефектный перенос.

[0053]

[Таблица 3]

Суммарное число оценок (объект) Число вызванных дефектных переносов
(Объект) Степень дефектного переноса(%) Средняя ширина участка дефектного переноса
(мм) Максимальная ширина участка дефектного переноса
(мм) Пример 1 20000 0 0 0 0 Сравнительный
Пример 1 20000 18200 91 0,8 2

[0054]

[Испытание на вспенивание каталитических чернил]

Испытания на вспенивание проводили для каталитических чернил, имеющих разное содержание воды. Испытания на вспенивание проводили в соответствии с Японским Промышленным Стандартом K 2518. Результаты представлены в Таблице 4.

[0055]

[Таблица 4]

Содержание воды
(% по массе) Степень вспенивания в чернилах 40 1 45 1 50 1 56 1 57 1 59 1 61 1 62 1,1 65 1,5 70 2

[0056] Как показано в таблице 4, содержание воды в каталитических чернилах, составляющее 62 % по массе или более, значительно увеличивало вспенивание каталитических чернил. Следует отметить, что даже хотя количество иономера, добавленное к каталитическим чернилам, отличалось, были получены схожие результаты.

[0057]

[Изменение количества неадсорбированного иономера со временем]

Количество неадсорбированного иономера в каталитических чернилах при хранении при 25 °C измеряли во времени для каталитических чернил, имеющих содержание воды 56 % по массе и 59 % по массе, для получения скоростей увеличения количества неадсорбированного иономера относительно времени начала измерения. Количество неадсорбированного иономера измеряли как описано выше. На ФИГ. 6 проиллюстрировано соотношение между периодом хранения каталитических чернил и скоростями увеличения количества неадсорбированного иономера. Как проиллюстрировано на ФИГ. 6, каталитические чернила, имеющие содержание воды 59 % по массе, имели скорость увеличения количества неадсорбированного иономера, существенно меньшую по сравнению с каталитическими чернилами, имеющими содержание воды 56 % по массе, и была стабильна во времени.

ОПИСАНИЕ УСЛОВНЫХ ЗНАКОВ

[0058]

1 Каталитический слой

2 Лист-подложка

3 Электролитная мембрана

4 Нагревательный валок

5 Разделяющий стержень

6 Участок дефектного переноса

7 Лист ПТФЭ для переноса

8 Участок нанесенного каталитического слоя

Изобретение относится к способу изготовления мембранно-электродной сборки для топливного элемента. Техническим результатом является предотвращение дефектного переноса каталитического слоя на электролитную мембрану с листа-подложки. Способ изготовления мембранно-электродной сборки для топливного элемента содержит нанесение с промежутками каталитических чернил на лист-подложку и сушку каталитических чернил с формированием каталитического слоя на листе-подложке и перенос каталитического слоя с листа-подложки на электролитную мембрану. Каталитические чернила содержат частицы катализатора, иономер, спирт и воду, а содержание воды в каталитических чернилах составляет от 57% до 61% по массе от общей массы каталитических чернил. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 4 табл.

1. Способ изготовления мембранно-электродной сборки для топливного элемента, причем способ содержит:

нанесение с промежутками каталитических чернил на лист-подложку и сушку каталитических чернил с формированием каталитического слоя на листе-подложке; и

перенос каталитического слоя с листа-подложки на электролитную мембрану,

в котором каталитические чернила содержат частицы катализатора, иономер, спирт и воду, и содержание воды в каталитических чернилах составляет от 57% до 61% по массе от общей массы каталитических чернил.

2. Способ изготовления мембранно-электродной сборки для топливного элемента по п. 1,

в котором часть иономера адсорбирована на частицах катализатора в каталитических чернилах и количество иономера, не адсорбированного на частицах катализатора, равно или составляет менее 15 мг на 1 г каталитических чернил.