JP2010170895A - Method and device for manufacturing membrane electrode assembly - Google Patents

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英之 植田
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崇 秋山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly excellent in joining property on the interface between a catalyst layer and a diffusion layer and high in durability when an electrolyte membrane in which a contraction percentage when dried from a swelling state to a dry state is 5% or more is used. <P>SOLUTION: A method for manufacturing the membrane electrode assembly includes the steps of: (a) forming a catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane; (b) moistening with water the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed; and (c) heat-joining a diffusion layer to the catalyst layer under the environment where the contraction percentage of the electrolyte membrane becomes 3% or less. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に含まれる膜電極接合体の製造方法およびその製造装置に関し、具体的には、膨潤および収縮が大きい電解質膜を用いた膜電極接合体の製造方法の改良に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a membrane electrode assembly and a manufacturing apparatus for the membrane electrode assembly included in a fuel cell. Specifically, the present invention relates to an improvement in a method for manufacturing a membrane electrode assembly using an electrolyte membrane having large swelling and shrinkage.

従来から、地球温暖化、大気汚染等の環境問題、ならびに資源枯渇の問題を解決し、持続可能な循環型社会を実現させる方策として、燃料電池を用いたエネルギーシステムが提案されている。   Conventionally, an energy system using a fuel cell has been proposed as a measure for solving environmental problems such as global warming, air pollution, and resource depletion, and realizing a sustainable recycling society.

燃料電池としては、工場や住宅等に設置する定置型のものだけではなく、自動車用や携帯電子機器用の非定置型のものがある。
特に、近年、ACアダプターからの充電が不要であり、燃料を補給すれば機器を継続して作動させることができるユビキタスモバイル電源として、燃料電池の早期実用化が期待されている。
As fuel cells, there are not only stationary types installed in factories, houses, etc., but also non-stationary types for automobiles and portable electronic devices.
Particularly, in recent years, an early practical application of a fuel cell is expected as a ubiquitous mobile power source that does not require charging from an AC adapter and can continue to operate the device when fuel is supplied.

このような燃料電池の中で、メタノール、ジメチルエーテル等の有機燃料を水素に改質せずにアノードに直接供給して酸化し発電する直接酸化型燃料電池が注目され、活発な研究開発が行われている。その理由として、有機燃料は理論エネルギー密度が高いこと、有機燃料を用いることにより燃料電池システムを簡素化できること、有機燃料は貯蔵が容易であることが挙げられる。   Among such fuel cells, direct oxidation fuel cells that generate electricity by directly supplying organic fuels such as methanol and dimethyl ether to the anode without reforming them to hydrogen have attracted attention, and active research and development has been conducted. ing. The reason is that the organic fuel has a high theoretical energy density, the fuel cell system can be simplified by using the organic fuel, and the organic fuel is easy to store.

直接酸化型燃料電池は、膜電極接合体(以下、MEAと称す)をセパレータで挟み込んだ単位セルを有している。一般的に、MEAは、固体高分子電解質膜と、その両面にそれぞれ配置されたアノードおよびカソードを含む。アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層と拡散層とを含む。この直接酸化型燃料電池は、アノードに燃料と水を供給し、カソードに酸化剤(例えば酸素)を供給することにより発電する。   A direct oxidation fuel cell has a unit cell in which a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) is sandwiched between separators. In general, the MEA includes a solid polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed on both sides of the membrane. The anode and the cathode each include a catalyst layer and a diffusion layer. This direct oxidation fuel cell generates power by supplying fuel and water to the anode and supplying an oxidant (for example, oxygen) to the cathode.

例えば、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池(以下、DMFCと称す)の電極反応は、以下の通りである。
アノード:CH3OH+H2O → CO2+6H++6e-
カソード:3/2O2+6H++6e- → 3H2
すなわち、アノードでは、メタノールと水が反応して、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。アノードで生成されたプロトンは電解質膜を通ってカソードに到達し、電子は外部回路を経由してカソードに到達する。カソードでは、酸素、プロトンおよび電子が結合して、水が生成される。
For example, the electrode reaction of a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) using methanol as a fuel is as follows.
Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O
That is, at the anode, methanol and water react to generate carbon dioxide, protons, and electrons. Protons generated at the anode reach the cathode through the electrolyte membrane, and electrons reach the cathode via an external circuit. At the cathode, oxygen, protons and electrons combine to produce water.

しかしながら、このDMFCの実用化には、いくつかの問題点が存在している。
その一つは、触媒層と拡散層との界面接合性に関する問題である。MEAは、例えば、電解質膜上に触媒層をスプレー塗布法等により直接塗布形成し、その後、触媒層と拡散層とをホットプレス法により熱接合する方法により作製されている。ここで、ホットプレス法とは、アノード触媒層およびカソード触媒層が形成された電解質膜をアノード拡散層とカソード拡散層とで挟み込み、触媒層と拡散層とを100〜160℃の高温下、50〜100kg/cm2程度の圧力で、熱接合する方法である。
However, there are some problems in the practical application of DMFC.
One of the problems is related to interfacial bonding between the catalyst layer and the diffusion layer. The MEA is produced, for example, by a method in which a catalyst layer is directly applied and formed on an electrolyte membrane by a spray coating method or the like, and then the catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded by a hot press method. Here, the hot press method is a method in which an electrolyte membrane in which an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer are formed is sandwiched between an anode diffusion layer and a cathode diffusion layer, and the catalyst layer and the diffusion layer are heated at a high temperature of 100 to 160 ° C. This is a method of thermal bonding at a pressure of about ˜100 kg / cm 2 .

しかしながら、上記方法で得られたMEAにおいては、プロトン伝導性を確保するために行われるMEA活性化処理(MEAを水に浸漬させる処理)、およびセル発電時の有機燃料の供給等により、拡散層の一部もしくは全部が触媒層から剥離するという問題が生じた。さらには、このMEAでは、発電時間とともに、カソードの触媒層と拡散層との界面剥離部分に、反応生成水およびアノードから移動してきた水が液体状態で蓄積し、この水により、酸化剤の拡散性が低下し(カソードの濃度過電圧が増加し)、耐久性が悪化するという問題も生じた。   However, in the MEA obtained by the above method, the diffusion layer is formed by the MEA activation process (a process in which MEA is immersed in water) performed to ensure proton conductivity, the supply of organic fuel at the time of cell power generation, and the like. There arises a problem that a part or all of the catalyst peels from the catalyst layer. Furthermore, in this MEA, the reaction product water and the water transferred from the anode accumulate in a liquid state at the interface separation portion between the catalyst layer and the diffusion layer of the cathode with the power generation time, and this water diffuses the oxidant. As a result, there was a problem that the durability deteriorated (the concentration overvoltage of the cathode increased) and the durability deteriorated.

その後の調査で、拡散層が触媒層から剥離する現象は、触媒層と拡散層との界面接合性が低下することが主原因であることが明確となった。具体的には、従来のホットプレス法では、電解質膜から水が蒸発して熱収縮した状態で、電解質膜上の触媒層と拡散層とが熱接合される。このため、MEAを水に浸漬するか、またはMEAが有機燃料と接触したときに、電解質膜が急激に膨潤する。しかし、拡散層は、電解質膜の膨潤に追従できないため、触媒層と拡散層との界面接合性が低下すると考えられる。   Subsequent investigation revealed that the phenomenon that the diffusion layer peeled off from the catalyst layer was mainly caused by a decrease in interfacial bonding between the catalyst layer and the diffusion layer. Specifically, in the conventional hot press method, the catalyst layer and the diffusion layer on the electrolyte membrane are thermally bonded in a state where water is evaporated from the electrolyte membrane and thermally contracted. For this reason, when MEA is immersed in water or when MEA comes into contact with organic fuel, the electrolyte membrane rapidly swells. However, since the diffusion layer cannot follow the swelling of the electrolyte membrane, it is considered that the interface bondability between the catalyst layer and the diffusion layer is lowered.

このような問題に対処するための関連提案として、触媒層を電解質膜に熱転写するときの電解質膜の変形を防止するために、電解質膜を予め湿潤させるとともに、触媒層が形成された転写フィルムの外周部に、前記転写フィルムと同様の厚さを有する保護フィルムを配置することが提案されている(特許文献1参照)。
さらには、固体高分子電解質の劣化を抑制して、膜電極接合体の耐久性を向上させるために、触媒層と電解質膜とを熱接合した後に、水蒸気を含む気体雰囲気下で膜電極接合体を熱処理することが提案されている(特許文献2参照)。
特開2007−141674号公報 特開2005−251419号公報
As a related proposal for dealing with such problems, in order to prevent deformation of the electrolyte membrane when the catalyst layer is thermally transferred to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is pre-wetted and a transfer film on which the catalyst layer is formed is provided. It has been proposed to arrange a protective film having the same thickness as the transfer film on the outer periphery (see Patent Document 1).
Furthermore, in order to suppress the deterioration of the solid polymer electrolyte and improve the durability of the membrane electrode assembly, the catalyst layer and the electrolyte membrane are thermally bonded, and then the membrane electrode assembly in a gas atmosphere containing water vapor. It has been proposed to heat-treat (see Patent Document 2).
JP 2007-141684 A JP 2005-251419 A

しかしながら、上記のような従来技術の構成を用いたとしても、触媒層と拡散層との界面接合性が良好で、耐久性に優れた膜電極接合体を得ることは困難である。
特許文献1に開示される技術においては、電解質膜のみをあらかじめ浸潤させている。このため、100℃を超える高温条件下で、電解質膜の水分蒸発(水蒸気散逸)を抑制しながら、触媒層と拡散層とを熱接合することは極めて困難である。
特許文献2に開示される技術においては、膜電極接合体を作製した後に、水蒸気を含む気体雰囲気下で、膜電極接合体の熱処理を行っている。よって、特許文献2に開示される技術では、電解質膜が熱収縮した状態で触媒層と熱接合する現象を抜本的に解決することはできない。
However, even if the above-described configuration of the prior art is used, it is difficult to obtain a membrane / electrode assembly having excellent interfacial bondability between the catalyst layer and the diffusion layer and excellent durability.
In the technique disclosed in Patent Document 1, only the electrolyte membrane is infiltrated in advance. For this reason, it is extremely difficult to thermally bond the catalyst layer and the diffusion layer while suppressing moisture evaporation (water vapor dissipation) of the electrolyte membrane under a high temperature condition exceeding 100 ° C.
In the technique disclosed in Patent Document 2, after the membrane / electrode assembly is manufactured, the membrane / electrode assembly is heat-treated in a gas atmosphere containing water vapor. Therefore, the technique disclosed in Patent Document 2 cannot drastically solve the phenomenon of thermal bonding with the catalyst layer in a state where the electrolyte membrane is thermally contracted.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、触媒層と拡散層との界面接合性が良好で、優れた耐久性を有する膜電極接合体を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly having excellent interfacial bondability between a catalyst layer and a diffusion layer and having excellent durability.

上記のように、触媒層と拡散層とを熱接合する際、電解質膜から水が蒸発し、電解質膜が熱収縮する。つまり、電解質膜が収縮した状態で、電解質膜上の触媒層と拡散層とが熱接合される。このため、MEA活性化処理においてMEAが水に浸漬されるか、または発電時の有機燃料の供給によりMEAが有機燃料と接触したときに、電解質膜が急激に膨潤する。しかし、拡散層は、電解質膜の膨潤に追従できないため、触媒層と拡散層との界面接合性が低下する。このことが主原因となり、拡散層が触媒層から剥離すると考えられる。そこで、本発明においては、電解質膜内部に水が存在している状態を維持したまま、触媒層と拡散層とを熱接合させている。   As described above, when the catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded, water is evaporated from the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane is thermally contracted. That is, the catalyst layer and the diffusion layer on the electrolyte membrane are thermally bonded with the electrolyte membrane contracted. For this reason, when the MEA is immersed in water in the MEA activation process or when the MEA comes into contact with the organic fuel by supplying the organic fuel during power generation, the electrolyte membrane rapidly swells. However, since the diffusion layer cannot follow the swelling of the electrolyte membrane, the interfacial bondability between the catalyst layer and the diffusion layer is reduced. This is considered to be the main cause and the diffusion layer is peeled off from the catalyst layer. Therefore, in the present invention, the catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded while maintaining the state where water is present inside the electrolyte membrane.

すなわち、本発明は、電解質膜と、触媒層と、拡散層とを有し、電解質膜を水で膨潤させた状態から乾燥状態まで変化させたときに、電解質膜の収縮率が5%以上である、膜電極接合体の製造方法であって、
(a)電解質膜の表面に、触媒層を形成する工程、
(b)触媒層が形成された電解質膜を、水で湿潤させる工程、
(c)触媒層の上に、拡散層を、電解質膜の収縮率が3%以下となる環境下で、熱接合する工程を有する、製造方法に関する。
That is, the present invention has an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a diffusion layer, and when the electrolyte membrane is changed from a swollen state with water to a dry state, the shrinkage rate of the electrolyte membrane is 5% or more. A method for producing a membrane electrode assembly,
(A) forming a catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane;
(B) a step of wetting the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed with water;
(C) The present invention relates to a production method comprising a step of thermally bonding a diffusion layer on a catalyst layer in an environment where the shrinkage rate of the electrolyte membrane is 3% or less.

前記工程(c)での熱接合は、温度100〜160℃、相対湿度50%R.H.以上の雰囲気中で行うことが好ましい。   The thermal bonding in the step (c) is performed at a temperature of 100 to 160 ° C. and a relative humidity of 50% R.D. H. It is preferable to perform in the above atmosphere.

前記工程(c)において、前記熱接合は、前記電解質膜に連通する水リザーバーが設けられたホットプレス手段を用いて行われ、かつ前記熱接合は、前記水リザーバー内に液体状態の水が収容された状態で行なわれることが好ましい。このとき、熱接合は、密閉空間内で行われることがさらに好ましい。   In the step (c), the thermal bonding is performed by using hot press means provided with a water reservoir communicating with the electrolyte membrane, and the thermal bonding is performed by storing liquid water in the water reservoir. It is preferable to be carried out in a state that has been performed. At this time, it is more preferable that the thermal bonding is performed in a sealed space.

また、本発明は、電解質膜と、触媒層と、拡散層とを有する膜電極接合体の製造装置であって、
(i)電解質膜の上に形成された触媒層と、拡散層とを熱接合するためのホットプレス手段、および
(ii)前記触媒層と前記拡散層とを熱接合するときに、前記電解質膜を加湿するための加湿手段
を備える、製造装置に関する。
Further, the present invention is an apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a diffusion layer,
(I) hot pressing means for thermally bonding the catalyst layer formed on the electrolyte membrane and the diffusion layer; and (ii) the electrolyte membrane when thermally bonding the catalyst layer and the diffusion layer. It is related with a manufacturing apparatus provided with the humidification means for humidifying.

前記ホットプレス手段は、前記電解質膜、前記触媒層および前記拡散層を挟み込む2つの板状部材を含み、前記加湿手段は、前記ホットプレス手段に設けられた水リザーバーを含み、かつ前記水リザーバーは、前記2枚の板状部材の間に配置される前記電解質膜に水を供給することが好ましい。   The hot press means includes two plate-like members that sandwich the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the diffusion layer, the humidifying means includes a water reservoir provided in the hot press means, and the water reservoir is Preferably, water is supplied to the electrolyte membrane disposed between the two plate-like members.

前記水リザーバーと、前記電解質膜が配置される前記2つの板状部材の間とは、連通していることが好ましい。   It is preferable that the water reservoir and the two plate-like members on which the electrolyte membrane is disposed communicate with each other.

前記触媒層と前記拡散層とを熱接合するとき、前記電解質膜が配置される前記2つの板状部材の間を、密閉することが好ましい。   When the catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded, it is preferable to seal between the two plate-like members on which the electrolyte membrane is disposed.

前記製造装置は、前記ホットプレス手段および前記加湿手段を収容する、密閉可能なチャンバーをさらに備えることが好ましい。   It is preferable that the manufacturing apparatus further includes a sealable chamber that houses the hot press unit and the humidification unit.

本発明は、電解質膜を水で膨潤させた状態での寸法を基準として、電解質膜の収縮率が3%以下となる環境下で触媒層と拡散層とを熱接合するものである。このため、本発明により、水に浸漬した場合または有機燃料と接触した場合でも、触媒層と拡散層との界面接合性が良好で、優れた耐久性を有する膜電極接合体を提供することができる。   In the present invention, the catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded in an environment in which the shrinkage rate of the electrolyte membrane is 3% or less on the basis of the dimensions of the electrolyte membrane swollen with water. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a membrane / electrode assembly having excellent durability and excellent durability of the interface between the catalyst layer and the diffusion layer even when immersed in water or in contact with an organic fuel. it can.

本発明の製造方法は、電解質膜と、触媒層と、拡散層とを有する膜電極接合体の製造方法であって、
(a)電解質膜の表面に、触媒層を形成する工程、
(b)触媒層が形成された電解質膜を、水で湿潤させる工程、
(c)触媒層の上に、拡散層を、電解質膜の収縮率が3%以下となる環境下で、熱接合する工程を有する。本発明は、水で膨潤させた状態から乾燥状態まで変化させたときの収縮率が5%以上である電解質膜を用いる場合に有効である。
The production method of the present invention is a production method of a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a diffusion layer,
(A) forming a catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane;
(B) a step of wetting the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed with water;
(C) A step of thermally bonding the diffusion layer on the catalyst layer in an environment where the shrinkage rate of the electrolyte membrane is 3% or less. The present invention is effective when an electrolyte membrane having a shrinkage rate of 5% or more when changed from a swollen state with water to a dry state is used.

図1に、本発明の製造方法により作製された膜電極接合体の一例の縦断面図を示す。
図1の膜電極接合体1は、電解質膜10と、電解質膜10を挟むアノード11およびカソード12とを含む。アノード11は、電解質膜10に接するアノード触媒層13と、アノード拡散層14とを含む。カソード12は、電解質膜10に接するカソード触媒層15と、カソード拡散層16を含む。
In FIG. 1, the longitudinal cross-sectional view of an example of the membrane electrode assembly produced by the manufacturing method of this invention is shown.
The membrane electrode assembly 1 in FIG. 1 includes an electrolyte membrane 10, and an anode 11 and a cathode 12 that sandwich the electrolyte membrane 10. The anode 11 includes an anode catalyst layer 13 in contact with the electrolyte membrane 10 and an anode diffusion layer 14. The cathode 12 includes a cathode catalyst layer 15 in contact with the electrolyte membrane 10 and a cathode diffusion layer 16.

上記のように、本発明において、電解質膜10としては、プロトン伝導性、耐熱性、化学的安定性等に優れているとともに、湿潤状態から乾燥状態まで乾燥させたときに、収縮率が5%以上であるものが用いられる。   As described above, in the present invention, the electrolyte membrane 10 is excellent in proton conductivity, heat resistance, chemical stability, etc., and has a shrinkage of 5% when dried from a wet state to a dry state. What is more is used.

アノード触媒層13は、アノード触媒金属微粒子を担持した導電性炭素粒子またはアノード触媒金属微粒子と、高分子電解質とを主成分とすることができる。アノード触媒金属微粒子には、例えば、白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金微粒子を用いることができる。高分子電解質は、プロトン伝導性、耐熱性、化学的安定性等に優れていれば、特に限定されない。アノード触媒層13に含まれる高分子電解質としては、例えば、電解質膜と同じ材料を用いることができる。
アノード触媒層13は、電解質膜10上に、例えば、スプレー塗布法等の湿式塗布技術を用いて直接形成することができる。
The anode catalyst layer 13 can be mainly composed of conductive carbon particles or anode catalyst metal fine particles carrying anode catalyst metal fine particles and a polymer electrolyte. As the anode catalyst metal fine particles, for example, platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy fine particles can be used. The polymer electrolyte is not particularly limited as long as it has excellent proton conductivity, heat resistance, chemical stability, and the like. As the polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer 13, for example, the same material as the electrolyte membrane can be used.
The anode catalyst layer 13 can be directly formed on the electrolyte membrane 10 by using, for example, a wet coating technique such as a spray coating method.

アノード拡散層14としては、燃料の拡散性、発電により発生した二酸化炭素の排出性および電子伝導性を併せ持つ導電性多孔基材を用いることができる。このような導電性多孔基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。前記導電性多孔基材には、公知技術に基づいて、撥水処理を施してもよい。さらには、導電性多孔基材のアノード触媒層13側の表面に撥水性のカーボン層(図示せず)を設けてもよい。   As the anode diffusion layer 14, a conductive porous substrate having both diffusibility of fuel, discharge of carbon dioxide generated by power generation, and electronic conductivity can be used. Examples of such a conductive porous substrate include carbon paper and carbon cloth. The conductive porous substrate may be subjected to water repellent treatment based on a known technique. Further, a water-repellent carbon layer (not shown) may be provided on the surface of the conductive porous substrate on the anode catalyst layer 13 side.

カソード触媒層15は、カソード触媒金属微粒子を担持した導電性炭素粒子と、高分子電解質とを主成分とすることができる。カソード触媒金属微粒子には、例えば、白金(Pt)微粒子を用いることができる。高分子電解質は、プロトン伝導性、耐熱性、化学的安定性等に優れていれば、特に限定されない。カソード触媒層15に含まれる高分子電解質としても、例えば、電解質膜と同じ材料を用いることができる。
カソード触媒層15は、電解質膜10上に、例えば、スプレー塗布法等の湿式塗布技術を用いて直接形成することができる。
The cathode catalyst layer 15 can be mainly composed of conductive carbon particles carrying cathode catalyst metal fine particles and a polymer electrolyte. For the cathode catalyst metal fine particles, for example, platinum (Pt) fine particles can be used. The polymer electrolyte is not particularly limited as long as it has excellent proton conductivity, heat resistance, chemical stability, and the like. For example, the same material as the electrolyte membrane can be used as the polymer electrolyte contained in the cathode catalyst layer 15.
The cathode catalyst layer 15 can be directly formed on the electrolyte membrane 10 by using, for example, a wet coating technique such as a spray coating method.

カソード拡散層16としては、酸化剤の拡散性、発電により発生した水やアノードから移動してきた水の排出性および電子伝導性を併せ持つ導電性多孔基材を用いることができる。このような導電性多孔基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。前記導電性多孔基材には、公知技術に基づいて、撥水処理を施してもよい。さらには、導電性多孔基材のカソード触媒層15側の表面に撥水性のカーボン層(図示せず)を設けてもよい。   As the cathode diffusion layer 16, it is possible to use a conductive porous substrate having both diffusibility of an oxidant, discharge of water generated by power generation and water discharged from the anode, and electronic conductivity. Examples of such a conductive porous substrate include carbon paper and carbon cloth. The conductive porous substrate may be subjected to water repellent treatment based on a known technique. Furthermore, a water repellent carbon layer (not shown) may be provided on the surface of the conductive porous substrate on the cathode catalyst layer 15 side.

本発明の製造方法においては、まず、(a)電解質膜の表面に、触媒層が形成される。具体的には、電解質膜の一方の面にアノード触媒層が形成され、電解質膜の他方の面にカソード触媒層が形成される。アノード触媒層およびカソード触媒層の形成は、上記のように、湿式塗布技術を用いて行うことができる。   In the production method of the present invention, first, (a) a catalyst layer is formed on the surface of the electrolyte membrane. Specifically, an anode catalyst layer is formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane. The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer can be formed using a wet coating technique as described above.

次いで、(b)アノード触媒層およびカソード触媒層を形成した電解質膜を、水で湿潤させる。この湿潤工程(b)は、触媒層を形成した電解質膜を、水に浸すことにより行うことができる。   Next, (b) the electrolyte membrane on which the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are formed is wetted with water. This wetting step (b) can be performed by immersing the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed in water.

次に、(c)触媒層の上に、拡散層を、湿潤後の電解質膜の収縮率が3%以下となる環境下で、熱接合させる。
湿潤後の電解質膜の収縮率が3%以下となる環境下で熱接合を行うことにより、電解質膜内部に水が存在している状態を維持したまま、触媒層と拡散層とを熱接合することができる。このため、電解質膜が水に浸漬されたり、有機燃料と接触したりして、電解質膜が再度膨潤した場合でも、触媒層と拡散層との界面接合性を確保することが可能となる。その結果、膜電極接合体の耐久性、つまり燃料電池の耐久性を向上させることができる。
Next, (c) the diffusion layer is thermally bonded on the catalyst layer in an environment where the shrinkage rate of the electrolyte membrane after wetting is 3% or less.
By performing thermal bonding in an environment where the shrinkage rate of the electrolyte membrane after wetting is 3% or less, the catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded while maintaining the state where water is present inside the electrolyte membrane. be able to. For this reason, even when the electrolyte membrane is immersed in water or comes into contact with the organic fuel, and the electrolyte membrane swells again, it is possible to ensure the interfacial bonding between the catalyst layer and the diffusion layer. As a result, the durability of the membrane electrode assembly, that is, the durability of the fuel cell can be improved.

湿潤後の電解質膜の収縮率が3%より大きい環境下で熱接合を行った場合、電解質膜が再度膨潤したときに、拡散層が、触媒層から剥がれてしまうことがある。   When heat bonding is performed in an environment where the shrinkage rate of the electrolyte membrane after wetting is greater than 3%, the diffusion layer may peel off from the catalyst layer when the electrolyte membrane swells again.

一方、電解質膜を加湿しながら、熱接合を行うことにより、湿潤後の電解質膜の収縮率を3%以下とすることができる。例えば、電解質膜の加湿は、電解質膜に水を供給することにより行うことができる。   On the other hand, by performing thermal bonding while humidifying the electrolyte membrane, the shrinkage rate of the electrolyte membrane after wetting can be reduced to 3% or less. For example, humidification of the electrolyte membrane can be performed by supplying water to the electrolyte membrane.

触媒層と拡散層とを熱接合するときの温度は、100〜160℃であることが好ましく、圧力は、50〜100kg/cm2であることが好ましく、時間は、1〜10分間であることが好ましい。 The temperature when the catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded is preferably 100 to 160 ° C., the pressure is preferably 50 to 100 kg / cm 2 , and the time is 1 to 10 minutes. Is preferred.

前記工程(c)において、熱接合は、温度100〜160℃、相対湿度50%R.H.以上の雰囲気中で行うことが特に好ましい。これにより、100℃以上の高温条件下において、電解質膜の水分蒸発(水蒸気散逸)を抑制しながら、触媒層と拡散層とを十分に熱接合することができる。   In the step (c), the thermal bonding is performed at a temperature of 100 to 160 ° C. and a relative humidity of 50% R.D. H. It is particularly preferable to carry out in the above atmosphere. Thereby, the catalyst layer and the diffusion layer can be sufficiently thermally bonded while suppressing moisture evaporation (water vapor dissipation) of the electrolyte membrane under a high temperature condition of 100 ° C. or higher.

なお、熱接合を行うときの温度が160℃を超えると、プロトン伝導に関与する電解質膜の分子構造が破壊されることがある。   If the temperature at which the thermal bonding is performed exceeds 160 ° C., the molecular structure of the electrolyte membrane involved in proton conduction may be destroyed.

本発明において、前記工程(c)は、例えば、図2に示すような製造装置(ホットプレス装置)を用いて行うことができる。図2に、本発明の一実施形態に係る製造装置の概略図を示す。
図2の製造装置20は、(i)電解質膜の上に形成された触媒層と、拡散層とを熱接合するためのホットプレス手段30、および(ii)触媒層と拡散層とを熱接合するときに、前記電解質膜を加湿するための加湿手段を含む。さらに、図2の製造装置20は、加圧子でもある上部ヒーターブロック21、基台でもある下部ヒーターブロック22、上部ヒーターブロック21および下部ヒーターブロック22の温度を制御する温度コントローラー23、チャンバー24、ならびに開閉可能なシャッター25を備える。
In the present invention, the step (c) can be performed using, for example, a manufacturing apparatus (hot press apparatus) as shown in FIG. FIG. 2 shows a schematic diagram of a manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
The manufacturing apparatus 20 of FIG. 2 includes (i) hot press means 30 for thermally bonding the catalyst layer formed on the electrolyte membrane and the diffusion layer, and (ii) thermal bonding of the catalyst layer and the diffusion layer. And a humidifying means for humidifying the electrolyte membrane. 2 includes an upper heater block 21 that is also a pressurizer, a lower heater block 22 that is also a base, a temperature controller 23 that controls the temperature of the upper heater block 21 and the lower heater block 22, a chamber 24, and A shutter 25 that can be opened and closed is provided.

ホットプレス手段30には、触媒層が形成された電解質膜と拡散層とが、触媒層と拡散層とが接するように、配置される。
ホットプレス手段30を、上部ヒーターブロック21と下部ヒーターブロック22との間に挟み、ホットプレス手段30を、所定の温度および所定の圧力で、加圧することにより、触媒層と拡散層とを熱接合することができる。
In the hot press means 30, the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed and the diffusion layer are arranged so that the catalyst layer and the diffusion layer are in contact with each other.
The catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded by sandwiching the hot press means 30 between the upper heater block 21 and the lower heater block 22 and pressurizing the hot press means 30 at a predetermined temperature and a predetermined pressure. can do.

図3および4に、ホットプレス手段30の一例を示す。図3は、本発明で用いられるホットプレス手段の一例の斜視図であり、図4は、図3のホットプレス手段の分解斜視図である。   An example of the hot press means 30 is shown in FIGS. FIG. 3 is a perspective view of an example of the hot press means used in the present invention, and FIG. 4 is an exploded perspective view of the hot press means of FIG.

図4に示されるように、ホットプレス手段30は、触媒層が形成された電解質膜および拡散層を挟み込む2つの板状部材、つまり、矩形の下板34および上板36を含む。下板34と上板36との間には、触媒層が形成された電解質膜および拡散層の位置決めのために、矩形の中板35、ならびに矩形の耐熱シート37および38が配置されている。なお、図4には、アノード触媒層(図示せず)およびカソード触媒層15が形成された電解質膜10、アノード拡散層14、およびカソード拡散層16も示している。アノード触媒層は、電解質膜10のカソード触媒層15が形成された面とは反対側の面に設けられている。
下板34、中板35、および上板36の構成材料としては、例えば、アルミニウムを用いることができる。
As shown in FIG. 4, the hot press means 30 includes two plate-like members that sandwich the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed and the diffusion layer, that is, a rectangular lower plate 34 and an upper plate 36. Between the lower plate 34 and the upper plate 36, a rectangular middle plate 35 and rectangular heat-resistant sheets 37 and 38 are arranged for positioning the electrolyte membrane and the diffusion layer on which the catalyst layer is formed. 4 also shows an electrolyte membrane 10, an anode diffusion layer 14, and a cathode diffusion layer 16 on which an anode catalyst layer (not shown) and a cathode catalyst layer 15 are formed. The anode catalyst layer is provided on the surface of the electrolyte membrane 10 opposite to the surface on which the cathode catalyst layer 15 is formed.
As a constituent material of the lower plate 34, the middle plate 35, and the upper plate 36, for example, aluminum can be used.

下板34の上面の周縁部には、固定ピン40および41が設けられている。中板35の固定ピン40および41に対向する位置には、貫通孔48および49が設けられ、上板36の固定ピン40および41に対向する位置には、貫通孔65および66が設けられている。固定ピン40が中板35の貫通孔48および上板36の貫通孔65に挿入され、固定ピン41が、中板35の貫通孔49および上板36の貫通孔66に挿入されることにより、下板34と中板35および上板36との位置ズレが防止される。   Fixing pins 40 and 41 are provided on the periphery of the upper surface of the lower plate 34. Through holes 48 and 49 are provided at positions facing the fixing pins 40 and 41 of the intermediate plate 35, and through holes 65 and 66 are provided at positions facing the fixing pins 40 and 41 of the upper plate 36. Yes. The fixing pin 40 is inserted into the through hole 48 of the intermediate plate 35 and the through hole 65 of the upper plate 36, and the fixing pin 41 is inserted into the through hole 49 of the intermediate plate 35 and the through hole 66 of the upper plate 36. Misalignment between the lower plate 34, the middle plate 35 and the upper plate 36 is prevented.

さらに、下板34の固定ピンが設けられた面の中央部には、矩形の台部42が設けられている。台部42の上に、耐熱シート37およびアノード拡散層14が配置される。アノード拡散層14は、耐熱シート37に設けられた開口部50に配置される。   Further, a rectangular base portion 42 is provided at the center of the surface of the lower plate 34 where the fixing pins are provided. A heat-resistant sheet 37 and the anode diffusion layer 14 are disposed on the base portion 42. The anode diffusion layer 14 is disposed in the opening 50 provided in the heat resistant sheet 37.

台部42の周縁部には、固定ピン43および44が設けられている。また、耐熱シート37の固定ピン43および44に対向する位置には、貫通孔51および52が設けられている。固定ピン43が貫通孔51に挿入され、固定ピン44が貫通孔52に挿入されることにより、耐熱シート37の位置ズレが防止される。   Fixing pins 43 and 44 are provided on the periphery of the base portion 42. Further, through holes 51 and 52 are provided at positions facing the fixing pins 43 and 44 of the heat-resistant sheet 37. Since the fixing pin 43 is inserted into the through hole 51 and the fixing pin 44 is inserted into the through hole 52, the heat-resistant sheet 37 is prevented from being displaced.

中板35の台部42と対向する部分は、開口部45となっており、開口部45に、台部42が嵌る。よって、台部42の厚さと中板35の厚さを同じとすることにより、下板34に中板35を積層したときに、台部42の上面の高さと、中板35の上面との高さを同じとすることができる。このため、下板34上に中板35を重ね合わせたときに、電解質膜10に形成されたアノード触媒層とアノード拡散層14とを隙間なく積層することができる。   A portion of the intermediate plate 35 that faces the pedestal 42 is an opening 45, and the pedestal 42 is fitted into the opening 45. Therefore, by making the thickness of the base portion 42 and the thickness of the intermediate plate 35 the same, when the intermediate plate 35 is stacked on the lower plate 34, the height of the upper surface of the base portion 42 and the upper surface of the intermediate plate 35 are The height can be the same. For this reason, when the intermediate plate 35 is overlaid on the lower plate 34, the anode catalyst layer and the anode diffusion layer 14 formed on the electrolyte membrane 10 can be laminated without a gap.

中板35の上板36に対向する面には、開口部45の長手方向に平行な第1の辺に沿って、複数の固定ピン46が設けられ、開口部45の長手方向に平行な第2の辺に沿って、複数の固定ピン47が設けられている。複数の固定ピン46および47は、開口部45に隣接するように設けられている。   A plurality of fixing pins 46 are provided on a surface facing the upper plate 36 of the middle plate 35 along a first side parallel to the longitudinal direction of the opening 45, and a first parallel to the longitudinal direction of the opening 45 is provided. A plurality of fixing pins 47 are provided along the two sides. The plurality of fixing pins 46 and 47 are provided adjacent to the opening 45.

電解質膜10の固定ピン46に対向する位置には、貫通孔56が設けられ、電解質膜10の固定ピン47に対向する位置には、貫通孔57が設けられている。さらに、電解質膜10の固定ピン43および44に対向する位置には、貫通孔58および59がそれぞれ設けられている。固定ピン43および44、ならびに固定ピン46および47が、電解質膜10の貫通孔58および59、ならびに貫通孔56および57に挿入されることにより、電解質膜10の位置ズレを防止することができる。   A through hole 56 is provided at a position facing the fixing pin 46 of the electrolyte membrane 10, and a through hole 57 is provided at a position facing the fixing pin 47 of the electrolyte membrane 10. Further, through holes 58 and 59 are provided at positions facing the fixing pins 43 and 44 of the electrolyte membrane 10, respectively. Since the fixing pins 43 and 44 and the fixing pins 46 and 47 are inserted into the through holes 58 and 59 and the through holes 56 and 57 of the electrolyte membrane 10, displacement of the electrolyte membrane 10 can be prevented.

電解質膜10の上には、耐熱シート38が配置される。耐熱シード38のカソード触媒層15と対向する部分には、開口部53が設けられている。耐熱シート38の固定ピン43および44と対向する位置には、貫通孔54および55が設けられている。固定ピン43および44が、貫通孔54および55に挿入されることにより、耐熱シート38の位置ズレが防止される   A heat resistant sheet 38 is disposed on the electrolyte membrane 10. An opening 53 is provided in a portion of the heat-resistant seed 38 that faces the cathode catalyst layer 15. Through holes 54 and 55 are provided at positions facing the fixing pins 43 and 44 of the heat-resistant sheet 38. Since the fixing pins 43 and 44 are inserted into the through holes 54 and 55, the heat-resistant sheet 38 is prevented from being displaced.

耐熱シート38の開口部53には、カソード拡散層16が、カソード触媒層15と直接接するように配置される。   The cathode diffusion layer 16 is disposed in the opening 53 of the heat-resistant sheet 38 so as to be in direct contact with the cathode catalyst layer 15.

なお、耐熱シート37の厚みはアノード拡散層の厚みよりも薄いことが好ましい。また、耐熱シート37の材質は耐熱性および機械的強度に優れていれば、特に限定されない。このことは、耐熱シート38についても同様である。   The heat-resistant sheet 37 is preferably thinner than the anode diffusion layer. The material of the heat-resistant sheet 37 is not particularly limited as long as it has excellent heat resistance and mechanical strength. The same applies to the heat resistant sheet 38.

カソード拡散層16および耐熱シート38の上には、上板36が積層される。上板36の中板35に対向する面には、下板34と同様に、台部60が設けられている。台部60を設けることにより、上記と同様に、中板35上に上板36を重ね合わせたときに、カソード触媒層15とカソード拡散層16とを隙間なく積層することが可能となる。   An upper plate 36 is laminated on the cathode diffusion layer 16 and the heat-resistant sheet 38. Similar to the lower plate 34, a base 60 is provided on the surface facing the middle plate 35 of the upper plate 36. By providing the pedestal portion 60, the cathode catalyst layer 15 and the cathode diffusion layer 16 can be stacked without a gap when the upper plate 36 is overlaid on the intermediate plate 35 as described above.

上板36の固定ピン46および47に対向する位置には、貫通孔61および62が設けられている。上板36の固定ピン43および44に対向する位置には、貫通孔63および64が設けられている。固定ピン46および47は、貫通孔61および62に挿入され、固定ピン43および44は、貫通孔63および64に挿入される。   Through holes 61 and 62 are provided at positions of the upper plate 36 facing the fixing pins 46 and 47. Through holes 63 and 64 are provided at positions of the upper plate 36 facing the fixing pins 43 and 44. The fixing pins 46 and 47 are inserted into the through holes 61 and 62, and the fixing pins 43 and 44 are inserted into the through holes 63 and 64.

上記のように、本発明の製造装置は、触媒層と拡散層とを熱接合するときに、前記電解質膜を加湿するための加湿手段を備える。例えば、図3および4に示されるホットプレス手段30の場合、前記加湿手段は、電解質膜10に連通する水リザーバーを含むことができる。   As described above, the manufacturing apparatus of the present invention includes humidifying means for humidifying the electrolyte membrane when the catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded. For example, in the case of the hot press means 30 shown in FIGS. 3 and 4, the humidifying means can include a water reservoir communicating with the electrolyte membrane 10.

触媒層を形成した電解質膜および拡散層を挟んだ状態で、下板34と上板36とを積層すると、上板36に設けられた貫通孔61、62、63および64は、電解質膜10と連通することとなる。つまり、図3および4に示されるホットプレス手段30の場合、貫通孔61、62、63および64が、水リザーバーとして機能する。このとき、貫通孔の直径は、それに挿入される固定ピンの直径よりも大きいことが好ましい。貫通孔の直径とは、下板34と上板36との積層方向に対して垂直な方向における貫通孔の最大径のことをいう。固定ピンの直径とは、下板34と上板36との積層方向に対して垂直な方向における固定ピンの最大径のことをいう。   When the lower plate 34 and the upper plate 36 are laminated with the electrolyte membrane and the diffusion layer formed with the catalyst layer interposed therebetween, the through holes 61, 62, 63, and 64 provided in the upper plate 36 are connected to the electrolyte membrane 10 with each other. You will communicate. That is, in the case of the hot press means 30 shown in FIGS. 3 and 4, the through holes 61, 62, 63 and 64 function as a water reservoir. At this time, the diameter of the through hole is preferably larger than the diameter of the fixing pin inserted therein. The diameter of the through hole refers to the maximum diameter of the through hole in a direction perpendicular to the stacking direction of the lower plate 34 and the upper plate 36. The diameter of the fixing pin refers to the maximum diameter of the fixing pin in a direction perpendicular to the stacking direction of the lower plate 34 and the upper plate 36.

図3および4に示されるホットプレス手段30を用いる場合、電解質膜10に連通する水リザーバー内に液体状態の水が収容された状態で、触媒層と拡散層との熱接合が行われることが好ましい。触媒層が形成された電解質膜および拡散層が配置されたホットプレス手段の内部の空気が水蒸気で置換され、水蒸気雰囲気中でホットプレスを行うことが可能となる。このため、電解質膜が乾燥し熱収縮する前に、触媒層と拡散層とを熱接合することができる。つまり、前記構成により、湿潤後の電解質膜の収縮率が3%以下となる環境下で、熱接合を行うことができる。   When the hot press means 30 shown in FIGS. 3 and 4 is used, thermal bonding between the catalyst layer and the diffusion layer may be performed in a state where water in a liquid state is accommodated in a water reservoir communicating with the electrolyte membrane 10. preferable. The air inside the hot press means in which the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed and the diffusion layer are arranged is replaced with water vapor, and hot pressing can be performed in a water vapor atmosphere. For this reason, the catalyst layer and the diffusion layer can be thermally bonded before the electrolyte membrane is dried and thermally contracted. That is, with the above configuration, thermal bonding can be performed in an environment where the shrinkage rate of the electrolyte membrane after wetting is 3% or less.

なお、ホットプレスの行う前に、液体状態の水が外部に漏れないように、ホットプレス手段30の2つの板状部材の間を密閉することが好ましい。つまり、本発明の製造装置は、2つの板状部材の間を密閉する手段を備えることが好ましい。例えば、ホットプレス手段30の側面部32を、耐熱テープ、耐熱ゴム等の耐熱部材33で被覆することにより、2つの板状部材34および36の間を密閉することができる。   In addition, before performing hot press, it is preferable to seal between the two plate-like members of the hot press means 30 so that liquid water does not leak to the outside. That is, it is preferable that the manufacturing apparatus of the present invention includes means for sealing between two plate-like members. For example, the two plate-like members 34 and 36 can be sealed by covering the side surface portion 32 of the hot press means 30 with a heat-resistant member 33 such as a heat-resistant tape or heat-resistant rubber.

水リザーバーに収容しておく水の量は、熱接合を行う温度にもよるが、例えば、30cc以上とすることが好ましい。   The amount of water stored in the water reservoir is preferably, for example, 30 cc or more, although it depends on the temperature at which thermal bonding is performed.

本発明において、前記工程(c)での熱接合は、密閉された空間内で、前記ホットプレス手段を用いて行われることが好ましい。つまり、本発明の製造装置は、ホットプレス手段および加湿手段を収容する、密閉可能なチャンバーを含むことが好ましい。
ホットプレス手段および加湿手段を収容するチャンバーを密閉可能とすることにより、ホットプレス手段の内部を、高水蒸気圧雰囲気(相対湿度100%R.H.)とすることができる。このため、電解質膜が乾燥して熱収縮することを十分に抑制しながら、触媒層と拡散層とを熱接合することができる。
さらには、密閉可能なチャンバーを用いることにより、温度100〜160℃、相対湿度50%R.H.以上の雰囲気を容易に実現することができる。
In the present invention, it is preferable that the thermal bonding in the step (c) is performed using the hot pressing means in a sealed space. That is, it is preferable that the manufacturing apparatus of the present invention includes a sealable chamber that accommodates the hot press means and the humidifying means.
By making the chamber containing the hot pressing means and the humidifying means sealable, the inside of the hot pressing means can be made into a high water vapor pressure atmosphere (relative humidity 100% RH). For this reason, it is possible to thermally bond the catalyst layer and the diffusion layer while sufficiently suppressing the electrolyte membrane from drying and thermally shrinking.
Furthermore, by using a sealable chamber, the temperature is 100 to 160 ° C. and the relative humidity is 50% R.D. H. The above atmosphere can be easily realized.

図2の製造装置20においては、上部ヒーターブロック21および下部ヒーターブロック22は、耐熱性および耐圧性を有する材料からなるチャンバー24内の空間26に配置されている。前記チャンバー24は、シャッター25を閉じることで、密閉することができる。   In the manufacturing apparatus 20 of FIG. 2, the upper heater block 21 and the lower heater block 22 are disposed in a space 26 in a chamber 24 made of a material having heat resistance and pressure resistance. The chamber 24 can be sealed by closing the shutter 25.

なお、ホットプレスが行われる雰囲気の相対湿度には、以下のような値を用いることができる。ホットプレスの最中に、ホットプレス手段30の側面部32に設置した湿度測定手段27を用いて、ホットプレス手段30の側面部32付近の雰囲気の相対湿度を計測する。得られた値を、ホットプレスが行われる雰囲気の相対湿度とすることができる。湿度測定手段27としては、例えば、高温ディジタル温湿度計を用いることができる。   In addition, the following values can be used for the relative humidity of the atmosphere in which hot pressing is performed. During the hot pressing, the relative humidity of the atmosphere in the vicinity of the side surface portion 32 of the hot press means 30 is measured using the humidity measuring means 27 installed on the side surface portion 32 of the hot press means 30. The obtained value can be the relative humidity of the atmosphere in which hot pressing is performed. As the humidity measuring means 27, for example, a high temperature digital thermohygrometer can be used.

本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、これらの実施例は、本発明を何ら限定するものではない。
《実施例1》
図1に示されるような膜電極接合体を作製した。
アノード触媒層を、以下のようにして作製した。アノード触媒として、平均粒径3nmのPt−Ru合金微粒子(Pt:Ruの重量比=2:1)を用いた。
The present invention will be described in detail based on examples, but these examples do not limit the present invention in any way.
Example 1
A membrane electrode assembly as shown in FIG. 1 was produced.
The anode catalyst layer was produced as follows. Pt—Ru alloy fine particles (Pt: Ru weight ratio = 2: 1) having an average particle diameter of 3 nm were used as the anode catalyst.

前記アノード触媒をイソプロパノールの水溶液中に超音波分散させた。得られた分散液に、高分子電解質を5重量%含有した水溶液を添加し、得られた混合物をディスパーで攪拌して、アノード触媒インクを調製した。この際、アノード触媒インク中のPt−Ru合金微粒子と高分子電解質との重量比を2:1とした。高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸イオノマー(旭硝子(株)製のFlemion)を用いた。   The anode catalyst was ultrasonically dispersed in an aqueous solution of isopropanol. An aqueous solution containing 5% by weight of a polymer electrolyte was added to the obtained dispersion, and the resulting mixture was stirred with a disper to prepare an anode catalyst ink. At this time, the weight ratio of the Pt—Ru alloy fine particles and the polymer electrolyte in the anode catalyst ink was set to 2: 1. As the polymer electrolyte, perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used.

次に、スプレー式塗布装置を用いて、アノード触媒層を電解質膜10上に6cm×6cmのサイズで形成した。アノード触媒層に含まれるPt−Ru触媒の量は、6.2mg/cm2であった。なお、Pt−Ru触媒の量は、アノード触媒層の投影単位面積(アノード触媒層の主面を法線方向から見た場合のアノード触媒層の単位面積)あたりに含まれるPt−Ru触媒の重量である。 Next, an anode catalyst layer having a size of 6 cm × 6 cm was formed on the electrolyte membrane 10 using a spray coating apparatus. The amount of the Pt—Ru catalyst contained in the anode catalyst layer was 6.2 mg / cm 2 . The amount of the Pt—Ru catalyst is the weight of the Pt—Ru catalyst contained per projected unit area of the anode catalyst layer (unit area of the anode catalyst layer when the main surface of the anode catalyst layer is viewed from the normal direction). It is.

電解質膜10としては、15cm×10cmのサイズに切断した炭化水素系電解質膜(ポリフューエル社製、膜厚62μm)を用いた。   As the electrolyte membrane 10, a hydrocarbon-based electrolyte membrane (polyfuel, 62 μm thickness) cut to a size of 15 cm × 10 cm was used.

カソード触媒層を、以下のようにして作製した。カソード触媒として、平均粒径3nmのPtを用いた。カソード触媒は、平均一次粒子径30nmの導電性炭素粒子に担持させた。前記導電性炭素粒子としては、カーボンブラック(三菱化学(株)製のケッチェンブラックEC)を用いた。導電性炭素粒子とPtとの合計重量に占めるPtの割合は46重量%とした。   The cathode catalyst layer was produced as follows. As the cathode catalyst, Pt having an average particle diameter of 3 nm was used. The cathode catalyst was supported on conductive carbon particles having an average primary particle diameter of 30 nm. Carbon black (Ketjen Black EC manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was used as the conductive carbon particles. The proportion of Pt in the total weight of the conductive carbon particles and Pt was 46% by weight.

前記カソード触媒をイソプロパノールの水溶液中に超音波分散させた。得られた分散液に、高分子電解質を5重量%含有した水溶液を添加し、ディスパーで攪拌して、カソード触媒インクを調製した。この際、カソード触媒インク中の導電性炭素粒子の重量に対する高分子電解質の重量の比率を0.45とした。高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸イオノマー(旭硝子(株)製のFlemion)を用いた。   The cathode catalyst was ultrasonically dispersed in an aqueous solution of isopropanol. An aqueous solution containing 5% by weight of a polymer electrolyte was added to the obtained dispersion and stirred with a disper to prepare a cathode catalyst ink. At this time, the ratio of the weight of the polymer electrolyte to the weight of the conductive carbon particles in the cathode catalyst ink was set to 0.45. As the polymer electrolyte, perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used.

次に、スプレー式塗布装置を用いて、電解質膜のアノード触媒層が形成されている面とは反対側の面上に、アノード触媒層に対向するように、6cm×6cmのサイズのカソード触媒層を形成した。カソード触媒層に含まれるPt触媒の量は1.25mg/cm2であった。なお、Pt触媒の量は、上記と同様に、カソード触媒層の投影単位面積(カソード触媒層の主面を法線方向から見た場合の触媒層の単位面積)あたりに含まれるPt触媒の重量である。 Next, using a spray coating apparatus, a cathode catalyst layer having a size of 6 cm × 6 cm is provided on the surface of the electrolyte membrane opposite to the surface where the anode catalyst layer is formed so as to face the anode catalyst layer. Formed. The amount of Pt catalyst contained in the cathode catalyst layer was 1.25 mg / cm 2 . The amount of Pt catalyst is the weight of the Pt catalyst contained per projected unit area of the cathode catalyst layer (unit area of the catalyst layer when the main surface of the cathode catalyst layer is viewed from the normal direction), as described above. It is.

アノード触媒層およびカソード触媒層が形成された電解質膜を、70℃のイオン交換水中に6時間浸漬させた。この後、前記電解質膜の表面に付着した水をキムワイプ(テックジャム製ケイドライ)で拭き取った。   The electrolyte membrane on which the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer were formed was immersed in ion exchange water at 70 ° C. for 6 hours. Thereafter, the water adhering to the surface of the electrolyte membrane was wiped off with Kimwipe (Tech Jam Kay Dry).

次に、触媒層を形成した電解質膜および拡散層を、上記で説明したように、ホットプレス手段30に挟み込んだ。
具体的には、中板35の固定ピン46および47に、触媒層が形成された電解質膜10を取り付けた。一方で、下板34の台部42上の固定ピン43および44に、耐熱シート37を取り付けた。この後、耐熱シート37の開口部50にアノード拡散層14を配置した。アノード拡散層14としては、カーボンペーパー(東レ(株)製のTGP−H090)を用いた。前記カーボンペーパーの片面には、撥水性のカーボン層(PTFE40%含有)を約30μmの厚さで設けておいた。アノード触媒層とアノード拡散層とは、アノード拡散層の撥水性のカーボン層がアノード触媒層に接するように積層した。
Next, the electrolyte membrane and the diffusion layer on which the catalyst layer was formed were sandwiched between the hot press means 30 as described above.
Specifically, the electrolyte membrane 10 on which the catalyst layer was formed was attached to the fixing pins 46 and 47 of the intermediate plate 35. On the other hand, a heat resistant sheet 37 was attached to the fixing pins 43 and 44 on the base portion 42 of the lower plate 34. Thereafter, the anode diffusion layer 14 was disposed in the opening 50 of the heat resistant sheet 37. As the anode diffusion layer 14, carbon paper (TGP-H090 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used. On one side of the carbon paper, a water repellent carbon layer (containing PTFE 40%) was provided with a thickness of about 30 μm. The anode catalyst layer and the anode diffusion layer were laminated so that the water-repellent carbon layer of the anode diffusion layer was in contact with the anode catalyst layer.

次に、下板34に中板35を重ね合わせて、アノード拡散層とアノード触媒層とを接触させた。この後、電解質膜10の貫通孔58および59から突出している固定ピン43および44に、耐熱シート38を取り付けた。耐熱シート38の開口部53に、カソード拡散層16を配置し、カソード触媒層とカソード拡散層とを接触させた。カソード拡散層16としては、片面に撥水性のカーボン層が付与されたカーボンクロス(E−TEK(株)製のLT2500W)を用いた。カソード触媒層とカソード拡散層とは、カソード拡散層の撥水性のカーボン層がカソード触媒層に接するように積層した。   Next, the middle plate 35 was placed on the lower plate 34 to bring the anode diffusion layer and the anode catalyst layer into contact with each other. Thereafter, the heat resistant sheet 38 was attached to the fixing pins 43 and 44 protruding from the through holes 58 and 59 of the electrolyte membrane 10. The cathode diffusion layer 16 was disposed in the opening 53 of the heat-resistant sheet 38, and the cathode catalyst layer and the cathode diffusion layer were brought into contact with each other. As the cathode diffusion layer 16, a carbon cloth (LT2500W manufactured by E-TEK Co.) provided with a water-repellent carbon layer on one side was used. The cathode catalyst layer and the cathode diffusion layer were laminated so that the water-repellent carbon layer of the cathode diffusion layer was in contact with the cathode catalyst layer.

次いで、中板35の固定ピン46および47が、上板36の貫通孔61および62に挿入され、固定ピン43および44が、上板36の貫通孔63および64に挿入されるように、中板35に上板36を重ね合わせた。   Next, the fixing pins 46 and 47 of the intermediate plate 35 are inserted into the through holes 61 and 62 of the upper plate 36, and the fixing pins 43 and 44 are inserted into the through holes 63 and 64 of the upper plate 36, so that An upper plate 36 was superimposed on the plate 35.

次に、下板34と上板36との間が密閉されるように、ホットプレス手段30の側面部32を、耐熱部材33(日東電工(株)製のニトフロン粘着テープ)で被覆した。この後、上板36の複数の貫通孔61および62、ならびに貫通孔63および64にイオン交換水を注入して、水リザーバーを設けた。注入したイオン交換水の合計量は、約40ccであった。   Next, the side surface portion 32 of the hot press means 30 was covered with a heat-resistant member 33 (Nitoflon adhesive tape manufactured by Nitto Denko Corporation) so that the space between the lower plate 34 and the upper plate 36 was sealed. Thereafter, ion exchange water was injected into the plurality of through holes 61 and 62 and the through holes 63 and 64 of the upper plate 36 to provide a water reservoir. The total amount of ion-exchanged water injected was about 40 cc.

このようにして組み立てたホットプレス手段30を、ホットプレス装置20の上部ヒーターブロック21および下部ヒーターブロック22との間に挿入し、温度120℃、圧力41kg/cm2、および3分間の条件で、電解質膜上の触媒層と拡散層とを熱接合した。この際、シャッター25は開放された状態とした。ホットプレス終了段階でのホットプレス手段30の側面部32付近の雰囲気の相対湿度は51%R.H.であった。 The hot press means 30 assembled in this manner is inserted between the upper heater block 21 and the lower heater block 22 of the hot press apparatus 20, and the temperature is 120 ° C., the pressure is 41 kg / cm 2 , and the condition is 3 minutes. The catalyst layer and the diffusion layer on the electrolyte membrane were thermally bonded. At this time, the shutter 25 was opened. The relative humidity of the atmosphere in the vicinity of the side surface portion 32 of the hot press means 30 at the end of the hot press is 51% RP. H. Met.

以上のような方法で得られた膜電極接合体を、膜電極接合体Aとした。   The membrane / electrode assembly obtained by the above method was designated as membrane / electrode assembly A.

次に、膜電極接合体Aを用いて、直接酸化型燃料電池を作製した。
まず、膜電極接合体Aのアノード11およびカソード12の周囲に、ぞれぞれ、ガスケットを、電解質膜10を挟み込むように設置した。ガスケットとしては、ポリエーテルイミド層を中間層として、その両側にシリコーンゴム層を設けた3層構造体を用いた。
Next, using the membrane electrode assembly A, a direct oxidation fuel cell was produced.
First, a gasket was installed around the anode 11 and the cathode 12 of the membrane electrode assembly A so as to sandwich the electrolyte membrane 10. As the gasket, a three-layer structure having a polyetherimide layer as an intermediate layer and silicone rubber layers on both sides thereof was used.

次に、膜電極接合体Aを、外寸がそれぞれ12cm×12cmのセパレータ、集電板、シート状のヒーター、絶縁板、ならびに端板で両側から挟み込み、締結ロッドで固定した。締結圧は、セパレータの単位面積あたり、12kgf/cm2とした。
セパレータとしては、厚さが4mmの樹脂含浸黒鉛材(東海カーボン(株)製のG347B)を用いた。前記樹脂含浸黒鉛材の電極と接する面には、幅1.5mm、深さ1mmのサーペンタイン型流路を形成しておいた。集電板としては、金メッキ処理を施したステンレス鋼板を使用した。シート状のヒーターには、サミコンヒーター(坂口電熱(株)製)を用いた。
Next, the membrane electrode assembly A was sandwiched from both sides by a separator, a current collector plate, a sheet-like heater, an insulating plate, and an end plate each having an outer dimension of 12 cm × 12 cm, and fixed with a fastening rod. The fastening pressure was 12 kgf / cm 2 per unit area of the separator.
As the separator, a resin-impregnated graphite material (G347B manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) having a thickness of 4 mm was used. A serpentine channel having a width of 1.5 mm and a depth of 1 mm was formed on the surface of the resin-impregnated graphite material in contact with the electrode. As the current collector plate, a stainless steel plate subjected to gold plating was used. As the sheet heater, a samicon heater (manufactured by Sakaguchi Electric Heat Co., Ltd.) was used.

以上のようにして得られた直接酸化型燃料電池を、燃料電池Aとした。   The direct oxidation fuel cell obtained as described above was designated as fuel cell A.

《実施例2》
ホットプレスを行うときの温度を130℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、膜電極接合体Bを作製した。ホットプレス終了段階でのホットプレス手段30の側面部32付近の雰囲気の相対湿度は35%R.H.であった。
Example 2
A membrane / electrode assembly B was produced in the same manner as in Example 1 except that the temperature at the time of hot pressing was 130 ° C. The relative humidity of the atmosphere near the side surface 32 of the hot press means 30 at the end of the hot press is 35% R.D. H. Met.

膜電極接合体Bを用い、実施例1と同様にして、燃料電池Bを作製した。   Using the membrane electrode assembly B, a fuel cell B was produced in the same manner as in Example 1.

《実施例3》
ホットプレス装置20のシャッター25を閉じることにより、ホットプレス手段および加湿手段を収容した空間26を密閉化したこと以外は、実施例1と同様にして、膜電極接合体Cを作製した。ホットプレス終了段階でのホットプレス手段30の側面部32付近の雰囲気の相対湿度は97%R.H.であった。
Example 3
A membrane / electrode assembly C was produced in the same manner as in Example 1 except that the space 26 containing the hot press means and the humidifying means was sealed by closing the shutter 25 of the hot press apparatus 20. The relative humidity of the atmosphere near the side surface portion 32 of the hot press means 30 at the end of the hot press is 97% R.D. H. Met.

膜電極接合体Cを用い、実施例1と同様にして、燃料電池Cを作製した。   Using the membrane electrode assembly C, a fuel cell C was produced in the same manner as in Example 1.

《比較例1》
ホットプレス手段30の水リザーバー内にイオン交換水を注入することなく、ホットプレスを行ったこと以外は、実施例1と同様にして、比較膜電極接合体1を作製した。ホットプレス終了段階でのホットプレス手段30の側面部32付近の雰囲気の相対湿度は2%R.H.であった。
<< Comparative Example 1 >>
A comparative membrane electrode assembly 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that hot pressing was performed without injecting ion exchange water into the water reservoir of the hot pressing means 30. The relative humidity of the atmosphere in the vicinity of the side surface portion 32 of the hot press means 30 at the end of the hot press is 2% RP. H. Met.

比較膜電極体1を用い、実施例1と同様にして、比較燃料電池1を作製した。   A comparative fuel cell 1 was produced in the same manner as in Example 1 using the comparative membrane electrode body 1.

《比較例2》
温度を130℃とし、ホットプレス手段30の水リザーバー内にイオン交換水を注入することなく、ホットプレスを行ったこと以外は、実施例1と同様にして、比較膜電極接合体2を作製した。ホットプレス終了段階でのホットプレス手段30の側面部32付近の雰囲気の相対湿度は1%R.H.であった。
<< Comparative Example 2 >>
A comparative membrane electrode assembly 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the temperature was set to 130 ° C. and hot pressing was performed without injecting ion exchange water into the water reservoir of the hot pressing means 30. . The relative humidity of the atmosphere in the vicinity of the side surface portion 32 of the hot press means 30 at the end of the hot press is 1% RP. H. Met.

比較膜電極接合体2を用い、実施例1と同様にして、比較燃料電池2を作製した。   A comparative fuel cell 2 was produced in the same manner as in Example 1 using the comparative membrane electrode assembly 2.

《比較例3》
温度を130℃とし、時間を8分間とし、ホットプレス手段30の水リザーバー内にイオン交換水を注入することなく、ホットプレスを行ったこと以外は、実施例1と同様にして、比較膜電極接合体3を作製した。ホットプレス終了段階でのホットプレス手段30の側面部32付近の雰囲気の相対湿度は1%R.H.であった。
<< Comparative Example 3 >>
Comparative membrane electrode in the same manner as in Example 1 except that the temperature was set to 130 ° C., the time was set to 8 minutes, and hot pressing was performed without injecting ion exchange water into the water reservoir of the hot pressing means 30. A joined body 3 was produced. The relative humidity of the atmosphere in the vicinity of the side surface portion 32 of the hot press means 30 at the end of the hot press is 1% RP. H. Met.

比較膜電極接合体3を用い、実施例1と同様にして、比較燃料電池3を作製した。   A comparative fuel cell 3 was produced in the same manner as in Example 1 using the comparative membrane electrode assembly 3.

実施例1〜3および比較例1〜3で用いた電解質膜の膨潤状態から乾燥状態まで変化させたときの収縮率は、以下の方法により算出した。
まず、電解質膜の表面に寸法測定の基準となる直線を引いた。次に、電解質膜を70℃のイオン交換水中に6時間浸漬させた後の基準直線の長さAを測定した。その後、上記電解質膜を70℃のヒーター上で2時間減圧乾燥させた直後の長さBを測定した。長さBの値を長さAの値で除すことで収縮率を算出した。その結果、実施例1〜3および比較例1〜3に使用した電解質膜の湿潤状態から乾燥状態まで乾燥させたときの収縮率は7.0%であった。
The shrinkage rate when the electrolyte membrane used in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 was changed from the swollen state to the dry state was calculated by the following method.
First, a straight line serving as a dimensional measurement reference was drawn on the surface of the electrolyte membrane. Next, the length A of the reference straight line after the electrolyte membrane was immersed in ion exchange water at 70 ° C. for 6 hours was measured. Thereafter, the length B immediately after the electrolyte membrane was dried under reduced pressure on a heater at 70 ° C. for 2 hours was measured. The shrinkage was calculated by dividing the value of length B by the value of length A. As a result, the shrinkage rate when the electrolyte membranes used in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were dried from a wet state to a dry state was 7.0%.

[評価]
実施例1〜3で作製した膜電極接合体A〜Cおよび比較例1〜3で作製した比較膜電極接合体1〜3について、熱接合時の電解質膜の収縮率の測定、および触媒層と拡散層との界面接合状態の観察を行った。さらに、燃料電池A〜Cおよび比較燃料電池1〜3の耐久特性についても評価した。
[Evaluation]
For the membrane electrode assemblies A to C produced in Examples 1 to 3 and the comparative membrane electrode assemblies 1 to 3 produced in Comparative Examples 1 to 3, measurement of the shrinkage rate of the electrolyte membrane during thermal bonding, and the catalyst layer and The state of interface bonding with the diffusion layer was observed. Furthermore, the durability characteristics of the fuel cells A to C and the comparative fuel cells 1 to 3 were also evaluated.

(熱接合時の電解質膜の収縮率)
まず、電解質膜表面の触媒層を形成する領域内に寸法測定の基準となる直線を引いた。次に、電解質膜を70℃のイオン交換水中に6時間浸漬させた後の基準直線の長さAを測定した。電解質膜の表面付着水をキムワイプ(テックジャム製のケイドライ)で拭き取った後、ホットプレス手段30の中板35に取り付けた。次に、アノード拡散層とカソード拡散層の代わりにポリテトラフルオロエチレンシート(ニチアス社製のナフロンPTFEシート)を設置した。前記以外は、実施例1と同様の手順にて、ホットプレス手段30を組み立てた。
(Shrinkage rate of electrolyte membrane during thermal bonding)
First, a straight line serving as a reference for dimensional measurement was drawn in a region where the catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane was formed. Next, the length A of the reference straight line after the electrolyte membrane was immersed in ion exchange water at 70 ° C. for 6 hours was measured. The water adhering to the surface of the electrolyte membrane was wiped off with a Kimwipe (Keidry made by Tech Jam), and then attached to the intermediate plate 35 of the hot press means 30. Next, instead of the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer, a polytetrafluoroethylene sheet (Naflon PTFE sheet manufactured by Nichias) was installed. Except for the above, the hot press means 30 was assembled in the same procedure as in Example 1.

その後、得られたホットプレス手段をホットプレス装置の上部ヒーターブロックと下部ヒーターブロックとの間に挿入し、実施例1と同一条件でホットプレスを行った。ホットプレス直後に、ホットプレス手段30を分解して、電解質膜表面の基準直線の長さBを測定した。長さBの値を長さAの値で除すことで収縮率を算出した。
得られた結果を表1に示す。表1において、収縮率は百分率値で表している。
Thereafter, the obtained hot press means was inserted between the upper heater block and the lower heater block of the hot press apparatus, and hot pressing was performed under the same conditions as in Example 1. Immediately after hot pressing, the hot pressing means 30 was disassembled, and the length B of the reference straight line on the electrolyte membrane surface was measured. The shrinkage was calculated by dividing the value of length B by the value of length A.
The obtained results are shown in Table 1. In Table 1, the shrinkage rate is expressed as a percentage value.

(触媒層と拡散層との界面接合状態)
実施例1〜3および比較例1〜3で作製した膜電極接合体を70℃のイオン交換水中に3時間浸漬させた後、触媒層と拡散層との界面接合状態を目視で観察した。結果を表1に示す。表1では、拡散層が触媒層から剥離していない場合を記号「○」、拡散層の一部が触媒層から剥離している場合を記号「△」、拡散層が触媒層から完全に剥離した場合を記号「×」で示す。
(Interface bonding state between catalyst layer and diffusion layer)
After the membrane electrode assemblies produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were immersed in ion exchange water at 70 ° C. for 3 hours, the interface bonding state between the catalyst layer and the diffusion layer was visually observed. The results are shown in Table 1. In Table 1, the symbol “◯” indicates that the diffusion layer is not peeled off from the catalyst layer, the symbol “Δ” indicates that a part of the diffusion layer is peeled off from the catalyst layer, and the diffusion layer is completely peeled from the catalyst layer This case is indicated by a symbol “x”.

(耐久特性)
実施例1〜3および比較例1〜3で作製した燃料電池を、以下のような評価に供した。
4Mメタノール水溶液を流量0.27cc/minでアノードに供給し、空気を流量0.26L/minでカソードに供給し、0.4Vの定電圧で、各燃料電池を連続発電させた。発電時の電池温度は60℃とした。発電開始から4時間経過した時点の電流密度値から電力密度値を算出した。得られた値を初期電力密度とした。さらに、発電開始から1000時間経過した時点の電流密度値から電力密度値を算出した。初期電力密度に対する1000時間経過したときの電力密度の比率を電力密度維持率とした。得られた結果を表1に示す。表1において、電力密度維持率は百分率値で表している。
(Durability)
The fuel cells produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to the following evaluation.
A 4M methanol aqueous solution was supplied to the anode at a flow rate of 0.27 cc / min, air was supplied to the cathode at a flow rate of 0.26 L / min, and each fuel cell was continuously generated at a constant voltage of 0.4V. The battery temperature during power generation was 60 ° C. The power density value was calculated from the current density value when 4 hours passed from the start of power generation. The obtained value was defined as the initial power density. Furthermore, the power density value was calculated from the current density value at the time when 1000 hours passed from the start of power generation. The ratio of the power density when 1000 hours passed with respect to the initial power density was defined as the power density maintenance rate. The obtained results are shown in Table 1. In Table 1, the power density maintenance rate is expressed as a percentage value.

Figure 2010170895
Figure 2010170895

表1に示されるように、実施例1〜3においては、熱接合時の電解質膜の収縮率は小さい値を示した。さらに、膜電極接合体A〜Cにおける触媒層と拡散層との界面接合性は良好な結果を示した。
本発明においては、触媒層が形成された電解質膜および拡散層を配置するホットプレス手段内部の空気が水蒸気で置換され、ホットプレス手段内部が水蒸気で満たされる。ホットプレス手段内部が水蒸気で満たされた状態で、触媒層と拡散層とのホットプレスを行うことが可能となるために、電解質膜が乾燥し熱収縮する前に、触媒層と拡散層とを熱接合することができる。このため、触媒層と拡散層との界面接合性を良好に維持できたと考えられる。
As shown in Table 1, in Examples 1 to 3, the shrinkage rate of the electrolyte membrane during thermal bonding showed a small value. Furthermore, the interfacial bondability between the catalyst layer and the diffusion layer in the membrane electrode assemblies A to C showed good results.
In the present invention, the air inside the hot press means for disposing the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed and the diffusion layer is replaced with water vapor, and the inside of the hot press means is filled with water vapor. In order that hot pressing of the catalyst layer and the diffusion layer can be performed while the inside of the hot press means is filled with water vapor, the catalyst layer and the diffusion layer are bonded before the electrolyte membrane is dried and thermally contracted. Thermal bonding can be performed. For this reason, it is considered that the interfacial bondability between the catalyst layer and the diffusion layer could be maintained well.

特に、実施例3のように、密閉された空間内でホットプレスを行った場合に、熱接合時の電解質膜の収縮率は最も小さい値を示した。この方法では、ホットプレス手段内部の空気を水蒸気で置換し、かつホットプレス手段内部の雰囲気における水蒸気の圧力をより高くすることができる。よって、ホットプレス時に、電解質膜が乾燥し熱収縮することが十分に抑制されたために、実施例3における熱接合時の電解質膜の収縮率が最も小さい値を示したと考えられる。   In particular, as in Example 3, when hot pressing was performed in a sealed space, the shrinkage rate of the electrolyte membrane during thermal bonding showed the smallest value. In this method, the air inside the hot press means can be replaced with water vapor, and the pressure of the water vapor in the atmosphere inside the hot press means can be increased. Therefore, it is considered that the shrinkage rate of the electrolyte membrane during thermal bonding in Example 3 showed the smallest value because the electrolyte membrane was sufficiently suppressed from being dried and thermally contracted during hot pressing.

以上のように、実施例1〜3においては、電解質膜内部に水が存在している状態を維持したまま、すなわち、電解質膜の収縮を抑制した状態で、触媒層と拡散層とを熱接合することができる。このため、MEA活性化処理およびセル発電時の電解質膜の寸法変化を低減でき、よって、触媒層と拡散層との界面接合性を確保することが可能となる。その結果、実施例1〜3で作製した燃料電池A〜Cは、優れた耐久特性を示したと考えられる。   As described above, in Examples 1 to 3, the catalyst layer and the diffusion layer are thermally bonded while maintaining the state where water is present inside the electrolyte membrane, that is, in a state in which the shrinkage of the electrolyte membrane is suppressed. can do. For this reason, the dimensional change of the electrolyte membrane at the time of MEA activation processing and cell power generation can be reduced, and thus it is possible to ensure interfacial bonding between the catalyst layer and the diffusion layer. As a result, it is considered that the fuel cells A to C produced in Examples 1 to 3 exhibited excellent durability characteristics.

一方、比較例1〜3においては、熱接合時の電解質膜の収縮率は大きな値を示した。さらに、比較膜電極接合体1〜3における触媒層と拡散層との界面接合性は悪化していた。
比較例1〜3の場合には、ホットプレス時に、電解質膜が加湿されないため、電解質膜から水が蒸発して熱収縮し、電解質膜が収縮した状態で、電解質膜上の触媒層と拡散層とが熱接合される。得られた膜電極接合体を水に浸漬した場合、電解質膜が、触媒層と拡散層との界面接合力に打ち勝って膨潤するため、触媒層と拡散層との界面接合性が悪化したと考えられる。
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, the shrinkage rate of the electrolyte membrane during heat bonding showed a large value. Furthermore, the interfacial bondability between the catalyst layer and the diffusion layer in the comparative membrane electrode assemblies 1 to 3 was deteriorated.
In the case of Comparative Examples 1 to 3, since the electrolyte membrane is not humidified during hot pressing, water is evaporated from the electrolyte membrane and thermally contracted, and the catalyst layer and the diffusion layer on the electrolyte membrane are in a contracted state. And are thermally bonded. When the obtained membrane / electrode assembly is immersed in water, the electrolyte membrane swells over the interfacial bonding force between the catalyst layer and the diffusion layer, so that the interfacial bondability between the catalyst layer and the diffusion layer has deteriorated. It is done.

さらに、比較例1〜3で作製した比較燃料電池1〜3は、耐久性が悪化していた。上記のように、これらの比較燃料電池に用いられる膜電極接合体は、触媒層と拡散層との間の接合性が低下している。このため、比較燃料電池1〜3においては、発電時間とともに、カソード触媒層とカソード拡散層との界面剥離部分に反応生成水およびアノードから移動してきた水が液体状態で蓄積する。この水により、酸化剤である酸素の拡散性が低下し、カソード過電圧が増加する。その結果、耐久性が悪化したと考えられる。   Further, the durability of the comparative fuel cells 1 to 3 produced in Comparative Examples 1 to 3 was deteriorated. As described above, in the membrane electrode assembly used in these comparative fuel cells, the bondability between the catalyst layer and the diffusion layer is lowered. For this reason, in the comparative fuel cells 1 to 3, the reaction product water and the water that has moved from the anode accumulate in a liquid state at the interface peeling portion between the cathode catalyst layer and the cathode diffusion layer with the power generation time. This water reduces the diffusibility of oxygen, which is an oxidant, and increases the cathode overvoltage. As a result, it is thought that durability deteriorated.

本発明の製造方法により作製された膜電極接合体は、触媒層と拡散層との界面接合性が良好で、優れた耐久性を有するため、前記膜電極接合体を含む直接酸化型燃料電池は、優れた耐久性を有する。よって、前記直接酸化型燃料電池は、例えば、携帯電話、ノートパソコン、ディジタルスチルカメラ等の携帯用小型電子機器用の電源として好適に用いることができる。さらに、前記直接酸化型燃料電池は、例えば、電動スクータ、自動車等の電源としても好適に用いることができる。   Since the membrane / electrode assembly produced by the production method of the present invention has good interfacial bonding between the catalyst layer and the diffusion layer and has excellent durability, the direct oxidation fuel cell including the membrane / electrode assembly is , Has excellent durability. Accordingly, the direct oxidation fuel cell can be suitably used as a power source for portable small electronic devices such as a mobile phone, a notebook computer, and a digital still camera. Furthermore, the direct oxidation fuel cell can be suitably used as a power source for, for example, an electric scooter or an automobile.

本発明の製造方法により作製された膜電極接合体の一例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows an example of the membrane electrode assembly produced by the manufacturing method of this invention. 本発明の一実施形態に係る膜電極接合体の製造装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing apparatus of the membrane electrode assembly which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の製造装置に含まれるホットプレス手段一例の斜視図である。It is a perspective view of an example of the hot press means contained in the manufacturing apparatus of this invention. 図3のホットプレス手段の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the hot press means of FIG.

1 膜電極接合体
10 電解質膜
11 アノード
12 カソード
13 アノード触媒層
14 アノード拡散層
15 カソード触媒層
16 カソード拡散層
20 ホットプレス装置
21 ヒーターブロック上部
22 ヒーターブロック下部
23 温度コントローラー
24 チャンバー
25 シャッター
26 チャンバー内の空間
27 湿度測定手段
30 ホットプレス手段
32 側面部
33 耐熱部材
34 下板
35 中板
36 上板
37、38 耐熱シート
40、41、43、44 下板に設けられた固定ピン
42、60 台部
45、50、53 開口部
46、47 中板に設けられた固定ピン
48、49 中板に設けられた貫通孔
51、52 耐熱シート37に設けられた貫通孔
54、55 耐熱シート38に設けられた貫通孔
56、57、58、59 電解質膜に設けられた貫通孔
61、62、63、64、65、66 上板に設けられた貫通孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Membrane electrode assembly 10 Electrolyte membrane 11 Anode 12 Cathode 13 Anode catalyst layer 14 Anode diffusion layer 15 Cathode catalyst layer 16 Cathode diffusion layer 20 Hot press apparatus 21 Heater block upper part 22 Heater block lower part 23 Temperature controller 24 Chamber 25 Shutter 26 In chamber Space 27 Humidity measuring means 30 Hot press means 32 Side surface portion 33 Heat-resistant member 34 Lower plate 35 Middle plate 36 Upper plate 37, 38 Heat-resistant sheet 40, 41, 43, 44 Fixed pins 42, 60 provided on the lower plate 45, 50, 53 Opening 46, 47 Fixing pins 48, 49 provided in the middle plate Through holes 51, 52 provided in the middle plate Through holes 54, 55 provided in the heat resistant sheet 37 Provided in the heat resistant sheet 38 Through-hole 56, 57, 58, 59 Electrolyte membrane Through hole provided in 61, 62, 63, 64, 65, 66 Through hole provided in upper plate

Claims (9)

電解質膜と、触媒層と、拡散層とを有し、前記電解質膜を膨潤状態から乾燥状態まで乾燥したときの前記電解質膜の収縮率が5%以上である膜電極接合体の製造方法であって、
(a)前記電解質膜の表面に、触媒層を形成する工程、
(b)前記触媒層を形成した電解質膜を、水で湿潤させる工程、および
(c)前記触媒層の上に、拡散層を、前記電解質膜の収縮率が3%以下となる環境下で、熱接合する工程
を有する、膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly, comprising an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a diffusion layer, wherein the electrolyte membrane has a shrinkage rate of 5% or more when the electrolyte membrane is dried from a swollen state to a dry state. And
(A) forming a catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane;
(B) a step of wetting the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed with water, and (c) a diffusion layer on the catalyst layer in an environment where the shrinkage rate of the electrolyte membrane is 3% or less, The manufacturing method of a membrane electrode assembly which has the process of heat-joining.
前記工程(c)において、前記熱接合が、相対湿度50%R.H.以上の雰囲気中、100〜160℃の温度で行われる、請求項1記載の膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein in the step (c), the thermal bonding is performed at a temperature of 100 to 160 ° C in an atmosphere having a relative humidity of 50% RH or higher. 前記工程(c)において、前記熱接合が、前記電解質膜に連通する水リザーバーが設けられたホットプレス手段を用いて行われ、かつ前記熱接合が、前記水リザーバー内に液体状態の水が収容された状態で行なわれる、請求項1または2記載の膜電極接合体の製造方法。   In the step (c), the thermal bonding is performed by using a hot press means provided with a water reservoir communicating with the electrolyte membrane, and the thermal bonding contains liquid water in the water reservoir. The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein the method is performed in a state of being performed. 前記工程(c)において、前記熱接合が、密閉空間内で行われる、請求項3記載の膜電極接合体の製造方法。   The manufacturing method of the membrane electrode assembly according to claim 3, wherein in the step (c), the thermal bonding is performed in a sealed space. 電解質膜と、触媒層と、拡散層とを有する膜電極接合体の製造装置であって、
(i)電解質膜の上に形成された触媒層と、拡散層とを熱接合するためのホットプレス手段、および
(ii)前記触媒層と前記拡散層とを熱接合するときに、前記電解質膜を加湿するための加湿手段
を備える、膜電極接合体の製造装置。
An apparatus for producing a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a diffusion layer,
(I) hot pressing means for thermally bonding the catalyst layer formed on the electrolyte membrane and the diffusion layer; and (ii) the electrolyte membrane when thermally bonding the catalyst layer and the diffusion layer. An apparatus for producing a membrane electrode assembly, comprising a humidifying means for humidifying the water.
前記ホットプレス手段は、前記電解質膜、前記触媒層および前記拡散層を挟み込む2つの板状部材を含み、
前記加湿手段は、前記ホットプレス手段に設けられた水リザーバーを含み、前記水リザーバーは、前記2枚の板状部材の間に配置される前記電解質膜に水を供給する、請求項5記載の膜電極接合体の製造装置。
The hot press means includes two plate-like members that sandwich the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the diffusion layer,
The said humidification means contains the water reservoir provided in the said hot press means, The said water reservoir supplies water to the said electrolyte membrane arrange | positioned between the said 2 plate-shaped members. Manufacturing apparatus for membrane electrode assembly.
前記水リザーバーと、前記電解質膜が配置される前記2つの板状部材の間とが、連通している、請求項6記載の膜電極接合体の製造装置。   The apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly according to claim 6, wherein the water reservoir and the two plate-like members on which the electrolyte membrane is disposed communicate with each other. 前記触媒層および前記拡散層を挟み込む2つの板状部材の間を密閉する手段をさらに備える、請求項6または7記載の膜電極接合体の製造装置。   The apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly according to claim 6 or 7, further comprising means for sealing between two plate-like members sandwiching the catalyst layer and the diffusion layer. 前記ホットプレス手段および前記加湿手段を収容する、密閉可能なチャンバーをさらに備える、請求項5〜8のいずれかに記載の膜電極接合体の製造装置。   The manufacturing apparatus of the membrane electrode assembly in any one of Claims 5-8 further equipped with the chamber which can seal the said hot press means and the said humidification means.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012074140A (en) * 2010-09-27 2012-04-12 Toppan Printing Co Ltd Gas diffusion layer for fuel cell and method for manufacturing the same
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JP2013118066A (en) * 2011-12-02 2013-06-13 Toyota Motor Corp Method for manufacturing membrane electrode assembly, membrane electrode assembly, and fuel cell

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