JP2006216382A - Manufacturing method of membrane-catalyst layer assembly and manufacturing method of membrane-electrode assembly - Google Patents

Manufacturing method of membrane-catalyst layer assembly and manufacturing method of membrane-electrode assembly Download PDF

Info

Publication number
JP2006216382A
JP2006216382A JP2005028004A JP2005028004A JP2006216382A JP 2006216382 A JP2006216382 A JP 2006216382A JP 2005028004 A JP2005028004 A JP 2005028004A JP 2005028004 A JP2005028004 A JP 2005028004A JP 2006216382 A JP2006216382 A JP 2006216382A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst layer
membrane
catalyst
polymer electrolyte
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2005028004A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4511965B2 (en
Inventor
Masaki Yamauchi
将樹 山内
Yoshihiro Hori
堀  喜博
Mikiko Yoshimura
美貴子 吉村
Takehiro Okanishi
岳太 岡西
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2005028004A priority Critical patent/JP4511965B2/en
Publication of JP2006216382A publication Critical patent/JP2006216382A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4511965B2 publication Critical patent/JP4511965B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a membrane-catalyst layer assembly capable of reducing a time required for manufacturing it and of suppressing damage of a polymer electrolyte membrane; and to provide a membrane-electrode assembly using it. <P>SOLUTION: This manufacturing method of a membrane-catalyst layer assembly comprises: a step for forming a first catalyst layer 2C1 on at least either of principal surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 by spraying catalyst layer-forming ink thereto; and a step for forming a second catalyst layer 2C2 on the first catalyst layer 2C1 by transcription. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、膜−触媒層接合体の製造方法及びそれを用いた膜−電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane-catalyst layer assembly and a method for producing a membrane-electrode assembly using the same.

従来の高分子電解質型燃料電池において、膜−電極接合体(MEA;Membrane-Electrode-Assembly)(以下MEAと略称する)は、例えば、高分子電解質膜の両主面に付着した状態で形成される触媒層の外面にガス拡散層が形成された構成を有している。また、高分子電解質膜の両主面に触媒層が形成され構成を有するもの一般に膜−触媒層接合体(例えば、上記MEAのうちのガス拡散層を除いた構成のもの)と呼ぶ。そして、この膜−触媒層接合体は、一般的には高分子電解質膜表面に触媒層形成インクを噴霧、塗布、濾過転写するなどして製造されている(例えば、特許文献5段落[0046]乃至[0050]参照)。   In a conventional polymer electrolyte fuel cell, a membrane-electrode assembly (MEA) (hereinafter abbreviated as MEA) is formed, for example, in a state of adhering to both main surfaces of the polymer electrolyte membrane. The gas diffusion layer is formed on the outer surface of the catalyst layer. In addition, a structure in which catalyst layers are formed on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane is generally called a membrane-catalyst layer assembly (for example, a structure excluding the gas diffusion layer in the MEA). The membrane-catalyst layer assembly is generally produced by spraying, applying, filtering and transferring the catalyst layer forming ink onto the surface of the polymer electrolyte membrane (for example, paragraph [0046] in Patent Document 5). Thru [0050]).

また、この触媒層の形成に際しては、高分子電解質型燃料電池の性能を向上させるために、触媒層を複層構造とする高分子電解質型燃料電池も提案されている(例えば、特許文献1乃至4参照)。この場合、複層構造の触媒層を形成する方法として、触媒層形成インクを複数回にわたって塗布する方法が開示されている。さらに、各触媒層の厚さについては、各触媒層の機能に基づいて調整すべき旨が開示されている(例えば、特許文献2段落乃至[0052]参照)。
特開2001−338654号公報 特開2002−8677号公報 特開2002−8678号公報 特開2002−15743号公報 特開2002−110202号公報
Further, in the formation of this catalyst layer, a polymer electrolyte fuel cell having a multilayer structure of the catalyst layer has been proposed in order to improve the performance of the polymer electrolyte fuel cell (for example, Patent Documents 1 to 4). 4). In this case, as a method of forming a catalyst layer having a multilayer structure, a method of applying the catalyst layer forming ink a plurality of times is disclosed. Furthermore, it is disclosed that the thickness of each catalyst layer should be adjusted based on the function of each catalyst layer (see, for example, paragraphs 2 to [0052] of Patent Document 2).
JP 2001-338654 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-8679 JP 2002-8678 A JP 2002-15743 A JP 2002-110202 A

一方で、高分子電解質膜上に触媒層を形成する方法、すなわち膜−触媒層接合体の製造方法については、作業の簡便性からは塗布による方法が望ましいとされているものの、特に、大量生産を想定した製造上の所要時間や歩留まりの向上の点からの検討は十分にはなされていない(例えば、特許文献5段落[0048]参照)。つまり、膜−触媒層接合体の製造方法については、製造に係る所要時間、製造方法に伴う高分子電解質膜の損傷や触媒層の不良形成といった問題が十分には考慮されておらず、改善の余地がある。   On the other hand, the method for forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane, that is, the method for producing a membrane-catalyst layer assembly, is considered to be a coating method from the viewpoint of simplicity of operation. However, the study has not been sufficiently conducted from the viewpoint of improving the required time and yield in manufacturing (for example, see paragraph [0048] of Patent Document 5). In other words, the manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly does not sufficiently take into account the time required for manufacturing, damage to the polymer electrolyte membrane accompanying the manufacturing method, and defective formation of the catalyst layer. There is room.

そこで、本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、製造に係る所要時間を短縮することができるとともに、高分子電解質膜の損傷を抑制することができる、膜−触媒層接合体の製造方法及びそれを用いた膜−電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and can reduce the time required for production and can suppress damage to the polymer electrolyte membrane. It aims at providing the manufacturing method of a layered assembly, and the manufacturing method of a membrane-electrode assembly using the same.

本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、高分子電解質膜の主面に触媒層形成インクを噴霧して触媒層を形成する方法(以下、噴霧法という。)は、予め形成された触媒層を高分子電解質膜の主面上に転写して触媒層を形成する方法(以下転写法という。)、ドクターブレード(Doctor Blade)法等他の方法に比べ、高分子電解質型燃料電池の内部電気抵抗が小さくなるということを見出した。この結果が得られることついての詳細については明確に解明されていないが、本発明者らは、噴霧中にインク中溶媒の一部が適量蒸発することにより、高分子電解質膜の膨潤が抑制され、高分子電解質膜への触媒層の密着性が良くなるとともに、高分子電解質膜と触媒層との界面におけるプロトン伝導の抵抗が小さくなっていることが内部電気抵抗の低減に寄与しているものと推察している。しかし、噴霧法は、時間当たりの触媒層形成量が少なく、所定の厚さにまで触媒形成インクを積層させるには、かなりの時間を要する。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have made a method for forming a catalyst layer by spraying a catalyst layer forming ink on the main surface of a polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as a spray method). Compared with other methods such as a method of forming a catalyst layer by transferring a pre-formed catalyst layer onto the main surface of the polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as a transfer method), a doctor blade method, etc. It has been found that the internal electrical resistance of the electrolyte fuel cell is reduced. Although the details of obtaining this result have not been clearly elucidated, the present inventors have suppressed the swelling of the polymer electrolyte membrane by evaporating a suitable amount of the solvent in the ink during spraying. In addition to improving the adhesion of the catalyst layer to the polymer electrolyte membrane, the reduced proton conduction resistance at the interface between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer contributes to the reduction of internal electrical resistance. I guess. However, the spray method has a small amount of catalyst layer formation per hour, and it takes a considerable time to stack the catalyst-forming ink to a predetermined thickness.

他方、転写法は、例えば、触媒層を高分子電解質膜上に載置してホットプレスする工程であるので、噴霧法、ドクターブレード(Doctor Blade)法等他の方法に比べ、短い時間で高分子電解質膜に触媒層を形成することができるので、大量生産の観点から見た場合有効である。しかし、本発明者の検討によれば、噴霧法のような高分子電解質膜と触媒層との高い密着性は得られず、かつ高分子電解質膜の絶縁性が低下することが見出された。この結果が得られることついての詳細についても明確に解明されていないが、本発明者らは、転写時に高分子電解質膜が若干なりとも損傷することが原因と推察している。   On the other hand, the transfer method is, for example, a process in which a catalyst layer is placed on a polymer electrolyte membrane and hot-pressed. Therefore, compared with other methods such as a spray method and a doctor blade method, the transfer method can be performed in a shorter time. Since a catalyst layer can be formed on the molecular electrolyte membrane, it is effective from the viewpoint of mass production. However, according to the study of the present inventor, it has been found that high adhesion between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer as in the spray method cannot be obtained, and the insulation property of the polymer electrolyte membrane is lowered. . Although the details of obtaining this result are not clearly elucidated, the present inventors presume that the polymer electrolyte membrane is slightly damaged during transfer.

これらの検討結果を踏まえ、上記課題を解決するために、本発明の膜−触媒層接合体の製造方法は、高分子電解質膜の少なくともいずれかの主面に、触媒層形成インクを噴霧して第1の触媒層を形成するステップと、前記第1の触媒層の上に転写により、第2の触媒層を形成するステップと、を有する(請求項1)。このような構成(製造手順)とすることにより、触媒層形成インクを噴霧して第1の触媒層を形成するステップによって高分子電解質膜の損傷を抑制することができ、かつ、第1の触媒層の上に転写により第2の触媒層を形成するステップによって製造に係る所要時間を短縮することができる。すなわち、本発明は、転写法、噴霧法及びドクターブレード法等の従来の膜−触媒層接合体の製造方法のデメリットを十分に低減し、特に、膜−触媒層接合体の大量生産に有利である。   Based on these examination results, in order to solve the above-mentioned problems, the method for producing a membrane-catalyst layer assembly of the present invention comprises spraying catalyst layer forming ink on at least one main surface of the polymer electrolyte membrane. Forming a first catalyst layer, and forming a second catalyst layer on the first catalyst layer by transfer (claim 1). With such a configuration (manufacturing procedure), it is possible to suppress damage to the polymer electrolyte membrane by the step of spraying the catalyst layer forming ink to form the first catalyst layer, and the first catalyst. The time required for production can be shortened by the step of forming the second catalyst layer by transfer on the layer. That is, the present invention sufficiently reduces the disadvantages of conventional membrane-catalyst layer assembly production methods such as the transfer method, spray method, and doctor blade method, and is particularly advantageous for mass production of membrane-catalyst layer assemblies. is there.

また、本発明においては、前記第1の触媒層の方が前記第2の触媒層よりも水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい(請求項2)。ここで、本発明において、「触媒層における水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」とは、[(当該触媒層に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の全質量WP)/(当該触媒層の全質量WL)]で表される値をいう。このような構成とすることにより、高分子電解質膜近傍において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜から離れるに従い排水性を高くすることができるので、高分子電解質型燃料電池の性能を向上させることができる。 In the present invention, it is preferable that the content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte is higher in the first catalyst layer than in the second catalyst layer. Here, in the present invention, the “content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte in the catalyst layer” refers to [(total mass W P of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte contained in the catalyst layer) / (the catalyst Total mass of layer W L )]. By adopting such a configuration, the density of reaction sites can be increased in the vicinity of the polymer electrolyte membrane, and the drainage can be increased as the distance from the polymer electrolyte membrane increases, so the performance of the polymer electrolyte fuel cell can be improved. Can be improved.

また、本発明においては、前記第1の触媒層の厚さが1μm以上6μm以下であることが好ましい(請求項3)。このように構成とすると、触媒層の不良形成をより確実に抑制することができる。このように、第1の触媒層の厚さが1μm以上であれば、転写時に高分子膜の絶縁性をより確実に確保できる。また、第1の触媒層の厚さが6μm以下とすると、、転写時に転写用基材の剥離をより容易にできる傾向が大きくなる。また、この場合、第1触媒層を作製する時間をより確実に短縮でき、大量生産に有利となる。   In the present invention, it is preferable that the thickness of the first catalyst layer is 1 μm or more and 6 μm or less. With this configuration, it is possible to more reliably suppress defective formation of the catalyst layer. Thus, if the thickness of the 1st catalyst layer is 1 micrometer or more, the insulation of a polymer film can be ensured more reliably at the time of transcription. Further, when the thickness of the first catalyst layer is 6 μm or less, the tendency that the transfer substrate can be more easily peeled during transfer increases. Moreover, in this case, the time for producing the first catalyst layer can be more reliably shortened, which is advantageous for mass production.

更に、本発明においては、前記第1の触媒層の厚さが前記第2の触媒層全体の厚さの略10分の1以上3分の1以下であることが好ましい(請求項4)。このように構成とすると、触媒層の不良形成をより確実に抑制することができる。このとき、第1の触媒層の厚さが前記第2の触媒層全体の厚さの略10分の1以上であれば、転写時に高分子膜の絶縁性をより確実に確保できる。また、3分の1以下であると、転写時に転写用基材の剥離をより容易にできる傾向が大きくなる。また、この場合、触媒層全体が厚くならずに、ガス拡散性をより確実に確保できる。   Furthermore, in the present invention, it is preferable that the thickness of the first catalyst layer is not less than 1/10 and not more than 1/3 of the entire thickness of the second catalyst layer. With this configuration, it is possible to more reliably suppress defective formation of the catalyst layer. At this time, if the thickness of the first catalyst layer is approximately one-tenth or more of the total thickness of the second catalyst layer, the insulating property of the polymer film can be more reliably ensured during transfer. Further, when the ratio is 1/3 or less, a tendency that the transfer substrate can be easily peeled at the time of transfer increases. In this case, the entire catalyst layer does not become thick, and the gas diffusibility can be ensured more reliably.

また、本発明においては、第1の触媒層を形成するステップにおいて、2以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる第1の触媒層を形成してもよい(請求項5)。このような構成とすると、触媒層形成インクの「水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」等種々の性状を調節することができ、よりきめ細やかに第1の触媒層の性状を調節することができる。ここで、触媒層形成インクの「水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」とは、[(当該触媒形成インクに含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の全質量WP)/(当該触媒形成インクの全質量WI)]で表される値をいう。 In the present invention, in the step of forming the first catalyst layer, two or more catalyst layer forming inks may be sequentially sprayed to form a first catalyst layer composed of a plurality of layers. . With such a configuration, various properties such as “content ratio of hydrogen ion conductive polymer electrolyte” of the catalyst layer forming ink can be adjusted, and the properties of the first catalyst layer can be adjusted more finely. Can do. Here, the “content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte” of the catalyst layer forming ink is [(total mass W P of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte contained in the catalyst forming ink) / (the catalyst formation). The total ink mass W I )].

更に、本発明においては、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる前記第1の触媒層を形成するステップにおいて、下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい(請求項6)。   Furthermore, in the present invention, in the step of forming the first catalyst layer composed of a plurality of layers by sequentially spraying two or more types of inks for forming the catalyst layer, the content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte is lower in the lower layer. It should be high (claim 6).

ここで、本発明において、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる前記第1の触媒層を形成する場合の「下層」とは、第1の触媒層が、2種類以上の触媒層形成インクが順次噴霧されて形成されることを前提として、高分子電解質膜に近い側の層を言う。   Here, in the present invention, the “lower layer” in the case of forming the first catalyst layer composed of a plurality of layers by sequentially spraying two or more types of catalyst layer forming inks means that the first catalyst layer has two types. The layer on the side close to the polymer electrolyte membrane is assumed on the assumption that the above catalyst layer forming ink is formed by spraying sequentially.

また、「下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い」状態とは、第1の触媒層が2種類以上の触媒層形成インクが順次噴霧されて形成されることを前提として、触媒形成インクの水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合(WP/WI)が当該触媒層の高分子電解質膜に近い側に用いられる触媒層形成インクの方が高分子電解質膜に遠い側に用いられる触媒層形成インクよりも最終的に小さくなっている状態を示す。つまり、形成された第1の触媒層を全体としてみた場合に、質量比(WP/WI)が高分子電解質膜に近い側から遠い側にかけて概略的に減少している状態を示す。例えば、高分子電解質膜に近い側から遠い側にかけて質量比(WP/WI)が単調に減少している状態をいう。また、3種類以上の触媒形成インクが用いられる場合には、最下層と最上層との間に用いられる触媒形成インクが、前後に用いられる触媒形成インクのいずれかの質量比(WP/WI)と同じ値の質量比(WP/WI)であってもよい。さらに、当該触媒層全体として高分子電解質膜に近い側に用いられる触媒層形成インクの方が高分子電解質膜に遠い側に用いられる触媒層形成インクよりも最終的に小さくなっているものの、一部の触媒形成インクにおいて、上層側に用いられる触媒形成インクの質量比(WP/WI)が下層側に用いられる触媒形成インクの質量比(WP/WI)よりも大きい場合があってもよい。ただし、ガス拡散性あるいは排水性の観点からは、最下層から最上層にかけて質量比(WP/WI)が減少するようにして触媒形成インクが用いられること、または、最下層と最上層との間に用いられる触媒形成インクが、前後に用いられる触媒形成インクのいずれかの質量比(WP/WI)と同じ値の質量比(WP/WI)であることの方が好ましい。このように構成すると、第1の触媒層内において高分子電解質膜近傍において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜から離れるに従いガス拡散性あるいは排水性を高くすることができるので、高分子電解質型燃料電池の性能を向上させることができる。 In addition, the state that “the lower the content of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte is higher in the lower layer” is based on the premise that the first catalyst layer is formed by sequentially spraying two or more types of catalyst layer forming inks. The catalyst layer forming ink used on the side closer to the polymer electrolyte membrane of the catalyst layer where the hydrogen ion conductive polymer electrolyte content ratio (W P / W I ) of the catalyst forming ink is farther from the polymer electrolyte membrane The state is finally smaller than the catalyst layer forming ink used in the above. That is, when the formed first catalyst layer is viewed as a whole, the mass ratio (W P / W I ) is generally reduced from the side closer to the polymer electrolyte membrane to the side farther from the polymer electrolyte membrane. For example, the mass ratio (W P / W I ) is monotonically decreasing from the side closer to the polymer electrolyte membrane to the side farther from the polymer electrolyte membrane. When three or more types of catalyst-forming inks are used, the catalyst-forming ink used between the lowermost layer and the uppermost layer has a mass ratio (W P / W) of any of the catalyst-forming inks used before and after. a I) and the mass ratio of the same value (W P / W I) may be. Furthermore, although the catalyst layer forming ink used on the side closer to the polymer electrolyte membrane as a whole is smaller than the catalyst layer forming ink used on the side far from the polymer electrolyte membrane, In some catalyst-forming inks, the mass ratio (W P / W I ) of the catalyst-forming ink used on the upper layer side may be larger than the mass ratio (W P / W I ) of the catalyst-forming ink used on the lower layer side. May be. However, from the viewpoint of gas diffusibility or drainage, the catalyst-forming ink should be used so that the mass ratio (W P / W I ) decreases from the lowermost layer to the uppermost layer, or the lowermost layer and the uppermost layer It is more preferable that the catalyst forming ink used during the period is the same mass ratio (W P / W I ) as the mass ratio (W P / W I ) of any of the catalyst forming inks used before and after. . With this configuration, the density of reaction sites can be increased in the vicinity of the polymer electrolyte membrane in the first catalyst layer, and the gas diffusibility or drainage can be increased as the distance from the polymer electrolyte membrane increases. The performance of the molecular electrolyte fuel cell can be improved.

また、本発明においては、前記第2の触媒層の上に1以上の第3の触媒層を形成するステップをさらに有してもよい(請求項7)。ここで、本発明においては、「第3の触媒層」としては、例えば、触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、水素イオン伝導性高分子電解質及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、撥水材及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、撥水材、水素イオン伝導性高分子電解質及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層などがあげられる。更に、本発明においては、「第3の触媒層」としては、撥水材及び導電性カーボン(触媒を担持していないカーボン)からなる層も含むものとする。このような構成とすると、膜−触媒層接合体の触媒層の電極反応面積の調節、並びに、ガス拡散性、撥水性及び電子伝導性等種々の性状を調節することができ、よりきめ細やかに触媒層の性状を調節することができる。特に、撥水材及び導電性カーボン(触媒を担持していないカーボン)からなる層を第3の層として配置する場合には、ガス拡散層と第2の触媒層との密着性向上、ガス拡散層の表面粗さ(凹凸の存在)による第2の触媒層及び又はその奥の高分子電解質膜の損傷の防止を図ることができる。またこの場合、触媒を含まないので電極反応生成水が生成されないため、ガス拡散性(特に第2の触媒層のガス拡散性)の向上も図ることができる。また、上述の撥水材としては、化学的安定性が高い物質が好ましく、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)がある。   Moreover, in this invention, you may further have the step of forming one or more 3rd catalyst layers on the said 2nd catalyst layer (Claim 7). Here, in the present invention, as the “third catalyst layer”, for example, a catalyst layer containing at least a catalyst (such as Pt) -supporting carbon (conductive carbon), a hydrogen ion conductive polymer electrolyte, and a catalyst (such as Pt) ) Catalyst layer containing at least supported carbon (conductive carbon), water repellent material and catalyst (such as Pt) Catalyst layer containing at least supported carbon (conductive carbon), water repellent material, hydrogen ion conductive polymer electrolyte and catalyst ( Pt and the like) and a catalyst layer containing at least supported carbon (conductive carbon). Furthermore, in the present invention, the “third catalyst layer” includes a layer made of a water repellent material and conductive carbon (carbon not supporting a catalyst). With such a configuration, the electrode reaction area of the catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly can be adjusted, and various properties such as gas diffusibility, water repellency, and electron conductivity can be adjusted. The properties of the catalyst layer can be adjusted. In particular, when a layer composed of a water repellent material and conductive carbon (carbon not supporting a catalyst) is disposed as the third layer, the adhesion between the gas diffusion layer and the second catalyst layer is improved, and the gas diffusion It is possible to prevent damage to the second catalyst layer and / or the polymer electrolyte membrane behind it due to the surface roughness (existence of irregularities) of the layer. In this case, since no electrode reaction product water is generated because no catalyst is contained, gas diffusibility (particularly, gas diffusibility of the second catalyst layer) can be improved. Moreover, as the above-mentioned water repellent material, a substance having high chemical stability is preferable, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) or tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP).

さらに、本発明においては、前記第2の触媒層の上に1以上の第3の触媒層を形成するステップをさらに有する場合には、下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい(請求項8)。   Furthermore, in this invention, when it further has the step of forming one or more 3rd catalyst layers on the said 2nd catalyst layer, the content rate of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte is so high that it is a lower layer. (Claim 8).

ここで、本発明において、前記第2の触媒層の上に1以上の第3の触媒層を形成するステップをさらに有する場合の「下層」とは、3層以上の触媒層が形成されることを前提として、高分子電解質膜に近い側の触媒層を言う。また、「下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い」状態とは、3層以上の触媒層が形成されることを前提として、形成された触媒層の水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合(WP/WL)が高分子電解質膜に近い側の触媒層の方が高分子電解質膜に遠い側の触媒層よりも最終的に小さくなっており、膜−触媒層接合体の触媒層全体としてみた場合に各触媒層の質量比(WP/WL)が高分子電解質膜に近い側から遠い側にかけて概略的に減少している状態を示す。例えば、高分子電解質膜に近い側から遠い側にかけて質量比(WP/WL)が単調に減少している状態であってもよい。また、例えば、一部の隣り合う触媒層の質量比(WP/WL)が同じ値をとる状態であってもよい。さらに、一部の隣り合う触媒層同士の質量比(WP/WL)を比較した場合、上層側の触媒層の質量比(WP/WL)が下層側の触媒層の質量比(WP/WL)よりも大きい場合があってもよい。ただし、ガス拡散性あるいは排水性の観点から、最下層から最上層にかけて質量比(WP/WL)が単調に減少している状態、または、最下層と最上層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の質量比(WP/WL)が同じ値をとる状態が好ましい。このように構成すると、高分子電解質膜近傍において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜から離れるに従いガス拡散性あるいは排水性を高くすることができるので、高分子電解質型燃料電池の性能を向上させることができる。また、「第2の触媒層の上に1以上の第3の触媒層を形成する」ことによって、ガス拡散性等膜−電極接合体の性能を調節することもできる。 Here, in the present invention, the “lower layer” in the case of further comprising the step of forming one or more third catalyst layers on the second catalyst layer means that three or more catalyst layers are formed. Is the catalyst layer on the side close to the polymer electrolyte membrane. In addition, “the lower layer has a higher hydrogen ion conductive polymer electrolyte content” state means that three or more catalyst layers are formed, and the hydrogen ion conductive polymer of the formed catalyst layer. The catalyst content rate (W P / W L ) near the polymer electrolyte membrane is finally smaller than the catalyst layer far from the polymer electrolyte membrane, and the membrane-catalyst layer junction When viewed as a whole catalyst layer, the mass ratio (W P / W L ) of each catalyst layer is generally reduced from the side closer to the polymer electrolyte membrane to the side farther from the polymer electrolyte membrane. For example, the mass ratio (W P / W L ) may be monotonically decreasing from the side closer to the polymer electrolyte membrane to the side farther from the polymer electrolyte membrane. For example, the mass ratio (W P / W L ) of some adjacent catalyst layers may be in the same value. Furthermore, when comparing the mass ratio (W P / W L ) between some adjacent catalyst layers, the mass ratio (W P / W L ) of the upper catalyst layer is equal to the mass ratio of the lower catalyst layer (W P / W L ). It may be larger than (W P / W L ). However, from the viewpoint of gas diffusibility or drainage, the mass ratio (W P / W L ) decreases monotonically from the bottom layer to the top layer, or is disposed between the bottom layer and the top layer Among the layers, it is preferable that the mass ratio (W P / W L ) between some adjacent layers has the same value. With this configuration, the density of reaction sites in the vicinity of the polymer electrolyte membrane can be increased, and the gas diffusibility or drainage can be increased as the distance from the polymer electrolyte membrane increases. Can be improved. The performance of the gas-diffusible membrane-electrode assembly can also be adjusted by “forming one or more third catalyst layers on the second catalyst layer”.

また、本発明の膜−電極接合体の製造方法は、請求項1に記載の膜−触媒層接合体の製造方法によって製造された膜―触媒層接合体の第2の触媒層の上方に、ガス拡散層を配置する(請求項9)。   Further, the method for producing a membrane-electrode assembly of the present invention is provided above the second catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly produced by the method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to claim 1. A gas diffusion layer is disposed (claim 9).

ここで、「膜―触媒層接合体の第2の触媒層の上方に、ガス拡散層を配置する」とは、上述の第3の触媒層を形成しない場合には、ガス拡散層を第2の触媒層上に密着させた状態で配置することを示す。第3の触媒層を形成する場合には、第2の触媒層とガス拡散層との間に第3の触媒層が配置されるようにする。つまり、ガス拡散層を第3の触媒層上に密着させた状態で配置することを示す。なお、ここで「配置する」とは、熱処理などにより接着する場合と、接着せずに、載置して押圧することにより密着させる場合とを意味する。   Here, “disposing the gas diffusion layer above the second catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly” means that when the above-described third catalyst layer is not formed, the gas diffusion layer is the second catalyst layer. It arrange | positions in the state closely_contact | adhered on the catalyst layer. In the case of forming the third catalyst layer, the third catalyst layer is disposed between the second catalyst layer and the gas diffusion layer. In other words, this indicates that the gas diffusion layer is disposed in close contact with the third catalyst layer. Here, “arrange” means a case where adhesion is performed by heat treatment or the like, and a case where adhesion is performed by placing and pressing without adhesion.

本発明の膜−電極接合体の製造方法は、上述の本発明の膜−触媒層接合体の製造方法によって製造された膜―触媒層接合体を用いて膜−電極接合体を製造するため、膜−電極接合体の製造に係る所要時間を短縮することができるとともに、高分子電解質膜の損傷を抑制することができる。   In order to produce a membrane-electrode assembly using the membrane-catalyst layer assembly produced by the above-described method for producing a membrane-catalyst layer assembly of the present invention, The time required for manufacturing the membrane-electrode assembly can be shortened, and damage to the polymer electrolyte membrane can be suppressed.

以上のように、本発明の膜−触媒層接合体の製造方法及びそれを用いた膜−電極接合体の製造方法は、製造に係る所要時間を短縮することができるとともに、高分子電解質膜の損傷を抑制することができるという効果を奏する。   As described above, the method for producing a membrane-catalyst layer assembly of the present invention and the method for producing a membrane-electrode assembly using the same can reduce the time required for production, and the polymer electrolyte membrane. There is an effect that damage can be suppressed.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の膜−触媒層接合体の製造方法及び膜−電極接合体の製造方法の好適な一実施形態により作製した高分子電解質型燃料電池の要部の構造を示す部分分解斜視図である。   FIG. 1 is a partially exploded perspective view showing the structure of a main part of a polymer electrolyte fuel cell produced by a preferred embodiment of a method for producing a membrane-catalyst layer assembly and a method for producing a membrane-electrode assembly of the present invention. FIG.

図1に示すように、高分子電解質型燃料電池100は、セル10が積層されて構成されている。   As shown in FIG. 1, a polymer electrolyte fuel cell 100 is configured by stacking cells 10.

なお、図示しないが、セル10の両端の最外層には集電板、絶縁板、エンドプレートが取り付けられ、セル10は両端から、ボルト孔11を挿通される締結ボルト(図示せず)とナットとで締結されて構成されている。   Although not shown, a current collector plate, an insulating plate, and an end plate are attached to the outermost layers at both ends of the cell 10, and the cell 10 has a fastening bolt (not shown) and a nut inserted through the bolt hole 11 from both ends. It is constructed by fastening with.

セル10は、MEA−ガスケット接合体(以下MEA接合体と略称する)7を一対のアノードセパレータ9A及びカソードセパレータ(両者をセパレータと総称する)9Cで挟んで構成されている。セパレータは、導電性材料で構成されていて、カソード側あるいはアノード側の電極の一部を構成している。   The cell 10 is configured by sandwiching an MEA-gasket assembly (hereinafter abbreviated as MEA assembly) 7 between a pair of an anode separator 9A and a cathode separator (both are collectively referred to as a separator) 9C. The separator is made of a conductive material and constitutes a part of the cathode side or anode side electrode.

MEA接合体7は、MEA5の周縁部に拡がる高分子電解膜が一対のフッ素ゴム製のガスケット6で挟まれて構成されている。したがって、ガスケット6の中央開口部の両面にはMEA5が露出している。   The MEA assembly 7 is configured by sandwiching a polymer electrolyte membrane extending around the peripheral edge of the MEA 5 between a pair of fluororubber gaskets 6. Therefore, the MEA 5 is exposed on both surfaces of the central opening of the gasket 6.

そして、セパレータ9A,9C及びMEA接合体7の周縁部には、還元剤ガス及び酸化剤ガスが流通するそれぞれ一対のマニフォルドを形成する、還元剤ガスマニフォルド孔12、22、32、及び酸化剤ガスマニフォルド孔13、23、33が穿たれている。また、水が流通する一対のマニフォルドを形成する水マニフォルド孔14,24,34も穿たれている。   In the peripheral portions of the separators 9A and 9C and the MEA assembly 7, a reducing agent gas manifold holes 12, 22, 32 and an oxidizing agent gas are formed to form a pair of manifolds through which the reducing agent gas and the oxidizing agent gas circulate. Manifold holes 13, 23, 33 are formed. In addition, water manifold holes 14, 24, and 34 that form a pair of manifolds through which water flows are also drilled.

そして、アノードセパレータ9Aの内側の主面には、一対の還元剤ガスマニフォルド孔22、22間を結ぶようにして溝状の還元剤ガス流路21が形成されている。   A groove-like reducing agent gas passage 21 is formed on the inner main surface of the anode separator 9A so as to connect the pair of reducing agent gas manifold holes 22 and 22 together.

カソードセパレータ9Cの内側の主面には、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔33、33間を結ぶようにして溝状の酸化剤ガス流路31が形成されている。   On the inner main surface of the cathode separator 9C, a groove-like oxidant gas flow path 31 is formed so as to connect the pair of oxidant gas manifold holes 33, 33.

また、セパレータ9A,9Cの外側の主面、すなわち背面には、還元剤ガス流路21あるいは酸化剤ガス流路31と同様にして、一対の水マニフォルド孔24,34間を結ぶようにして溝状の水流路(図示せず)が形成されている。これによって、セル10積層時には、これらマニフォルド孔はそれぞれ積層して、酸化剤ガス、還元剤ガス及び水の一対のマニフォルドが形成される。そして、酸化剤ガス、還元剤ガス及び水の流路は、それぞれ一方のマニフォルド、すなわち供給側のマニフォルドから、セパレータに形成された流路21、31、水流路(図示せず)に分岐しながら、それぞれの他方のマニフォルド、すなわち排出側のマニフォルドに流通するように構成される。そして、酸化剤ガスと還元剤ガスとは、それぞれ還元剤ガス流路21あるいは酸化剤ガス流路31においてMEA接合体7の中央部に露出しているMEA5に曝露され、電気化学反応を起こす。また、セパレータ9A,9Cの背面、すなわち隣接するセル10の間には、水が流通するので、水の伝熱能力により高分子電解質型燃料電池を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。   Further, in the same manner as the reducing agent gas passage 21 or the oxidizing gas passage 31, grooves are formed on the outer main surface, that is, the rear surface of the separators 9A and 9C so as to connect the pair of water manifold holes 24 and 34. A water channel (not shown) is formed. As a result, when the cell 10 is stacked, these manifold holes are stacked to form a pair of manifolds of oxidant gas, reductant gas, and water. The flow paths of the oxidant gas, the reductant gas, and the water are branched from one manifold, that is, from the supply side manifold to the flow paths 21 and 31 formed in the separator and a water flow path (not shown). , Each of the other manifolds, ie, the discharge side manifold. The oxidant gas and the reductant gas are exposed to the MEA 5 exposed at the center of the MEA assembly 7 in the reductant gas flow path 21 or the oxidant gas flow path 31, respectively, and cause an electrochemical reaction. Further, since water flows between the back surfaces of the separators 9A and 9C, that is, between the adjacent cells 10, the polymer electrolyte fuel cell is maintained at a predetermined temperature suitable for the electrochemical reaction by the heat transfer capability of water. Can do.

ここで、図2(a)はMEAの側面図であり、図2(b)はMEAの平面図である。
MEA5は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を挟むように形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対のアノード側触媒層2A及びカソード側触媒層2Cと、この一対の触媒層2A,2Cの外面に配設された一対の及びアノード側ガス拡散層4A及びカソード側ガス拡散層4Cとを備えて構成されている。このガス拡散層4A,4Cは、通気性と電子伝導性を併せ持つように構成されている。例えば、多孔性構造を有している。
そして、カソード側触媒層2C,カソード側ガス拡散層4C及びカソードセパレータ9Cがカソードを構成している。
Here, FIG. 2A is a side view of the MEA, and FIG. 2B is a plan view of the MEA.
The MEA 5 is mainly composed of a polymer electrolyte membrane 1 made of an ion exchange membrane that selectively permeates hydrogen ions and a carbon powder carrying a platinum group metal catalyst formed so as to sandwich the polymer electrolyte membrane 1. A pair of anode-side catalyst layer 2A and cathode-side catalyst layer 2C, and a pair of anode-side gas diffusion layer 4A and cathode-side gas diffusion layer 4C disposed on the outer surfaces of the pair of catalyst layers 2A, 2C are provided. It is configured. The gas diffusion layers 4A and 4C are configured to have both air permeability and electronic conductivity. For example, it has a porous structure.
The cathode side catalyst layer 2C, the cathode side gas diffusion layer 4C and the cathode separator 9C constitute the cathode.

また、アノード側触媒層2A,アノード側ガス拡散層4A及びアノードセパレータ9Aがアノードを構成している。   Further, the anode side catalyst layer 2A, the anode side gas diffusion layer 4A and the anode separator 9A constitute an anode.

次に以上のように構成された高分子電解質型燃料電池100の動作を説明する。酸化剤ガスが酸化剤流路30を経由して各セル10に分岐して供給される。各セル10では、酸化剤ガスがカソードに供給される。ここでは、カソード側ガス拡散層4Cに曝露される。また、水素、あるいは水素を含む還元剤ガスも同様にして、アノードに供給される。ここでは、還元剤流路40を経由してアノード側ガス拡散層4Aに曝露される。そして、酸化剤ガスは、カソード側ガス拡散層4Cを透過し、カソード側触媒層2Cに到達する。同様にして、還元剤ガスも、アノード側ガス拡散層4Aを透過し、アノード側触媒層2Aに到達する。   Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell 100 configured as described above will be described. An oxidant gas is branched and supplied to each cell 10 via the oxidant flow path 30. In each cell 10, oxidant gas is supplied to the cathode. Here, the cathode side gas diffusion layer 4C is exposed. Similarly, hydrogen or a reducing agent gas containing hydrogen is supplied to the anode. Here, the anode side gas diffusion layer 4 </ b> A is exposed via the reducing agent channel 40. The oxidant gas passes through the cathode side gas diffusion layer 4C and reaches the cathode side catalyst layer 2C. Similarly, the reducing agent gas also passes through the anode side gas diffusion layer 4A and reaches the anode side catalyst layer 2A.

ここで、カソードセパレータ9C、アノードセパレータ9A、集電板(図示せず)及び外部の電気回路(図示せず)を経由してカソード側触媒層2Cとアノード側触媒層2Aとの電気的な接続回路が構成されると、アノード側触媒層2Aにおいて、水素がイオン化する。水素イオンは高分子電解質膜1を透過してカソード側触媒層2Cにおいて、酸素イオンと結合し、水を生成する。また、水素のイオン化に伴いアノード側触媒層2Aにおいて発生した電子は、アノード側ガス拡散層4Aを経由して外部の電気回路(図示せず)を流れ、電気出力を生じさせる。   Here, the cathode-side catalyst layer 2C and the anode-side catalyst layer 2A are electrically connected via the cathode separator 9C, the anode separator 9A, a current collector (not shown), and an external electric circuit (not shown). When the circuit is configured, hydrogen is ionized in the anode catalyst layer 2A. Hydrogen ions permeate the polymer electrolyte membrane 1 and combine with oxygen ions in the cathode side catalyst layer 2C to generate water. Further, electrons generated in the anode side catalyst layer 2A due to hydrogen ionization flow through an external electric circuit (not shown) via the anode side gas diffusion layer 4A to generate an electric output.

ここで、高分子電解質膜1に触媒層2A,2Cを形成する方法、すなわち膜−触媒層接合体3の製造方法(本発明の膜−触媒層接合体の製造方法の好適な一実施形態)について説明する。なお、ここでは、便宜上、カソード側触媒層2Cの製造工程を示して説明する。アノード側触媒層2Aもカソード側触媒層2Cの形成と同様にして形成されるが、ここでは説明を省略する。   Here, a method for forming the catalyst layers 2A and 2C on the polymer electrolyte membrane 1, that is, a method for producing the membrane-catalyst layer assembly 3 (a preferred embodiment of the method for producing the membrane-catalyst layer assembly of the present invention). Will be described. Here, for the sake of convenience, the manufacturing process of the cathode side catalyst layer 2C is shown and described. The anode side catalyst layer 2A is also formed in the same manner as the cathode side catalyst layer 2C, but the description thereof is omitted here.

図3(a)乃至図3(d)は、膜−触媒層接合体のカソード触媒層の製造工程を模式的に示す図である。   FIG. 3A to FIG. 3D are diagrams schematically showing a manufacturing process of the cathode catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly.

ここで、高分子電解質膜1には、水素イオンを選択的に透過するイオン交換機能を有する膜が好適に挙げられる。更にこのような膜としては、−CF2−を主鎖骨格として、スルホン酸基が側鎖の末端に導入された構造を有する高分子電解質膜が好適に挙げられる。このような構造を有する膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜{例えば、DUPONT社製 Nafion112(登録商標)}が好適に挙げられる。 Here, the polymer electrolyte membrane 1 preferably includes a membrane having an ion exchange function of selectively permeating hydrogen ions. Further, as such a membrane, a polymer electrolyte membrane having a structure in which —CF 2 — is a main chain skeleton and a sulfonic acid group is introduced at the end of a side chain is preferably exemplified. As a membrane having such a structure, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane {for example, Nafion 112 (registered trademark) manufactured by DUPONT} is preferably exemplified.

また、触媒層形成インクは、次のようにして調製される。カソード側触媒層2C用の触媒形成インクに混合される電極触媒粉末には、例えば、ケッチェンブラックEC(AKZO Chemie社製,商品名)に、平均粒径約3nmの白金粒子を25wt%担持した触媒粉末を用いる。なお、アノード側触媒層2A用の触媒形成インクに混合される電極触媒粉末には、例えば、ケッチェンブラックEC(AKZO Chemie社製,商品名)に、平均粒径約3nmの白金−ルテニウム合金粒子(例えば、質量比でPt:Ru=1:1)を25wt%担持した触媒粉末が用いられる。そして、これら電極触媒粉末が、イソプロパノールに分散され、次いで、水素イオン伝導性高分子電解質(例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末)のエチルアルコール分散液(例えば、旭硝子社製商品名「Flemion FSS−1」)と混合される。   Further, the catalyst layer forming ink is prepared as follows. The electrode catalyst powder mixed with the catalyst-forming ink for the cathode side catalyst layer 2C, for example, carries 25 wt% of platinum particles having an average particle diameter of about 3 nm on Ketjen Black EC (manufactured by AKZO Chemie). Use catalyst powder. Examples of the electrode catalyst powder mixed with the catalyst-forming ink for the anode side catalyst layer 2A include, for example, ketjen black EC (manufactured by AKZO Chemie, trade name), platinum-ruthenium alloy particles having an average particle diameter of about 3 nm. A catalyst powder supporting 25 wt% (for example, Pt: Ru = 1: 1 by mass ratio) is used. These electrode catalyst powders are dispersed in isopropanol, and then an ethyl alcohol dispersion (for example, trade name “Flemion FSS-1” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte (for example, perfluorocarbon sulfonic acid powder). ).

次に、図3(a)に示すように、触媒層形成インクを、噴霧装置200によって噴霧塗工されて高分子電解質膜1の主面に第1の触媒層2C1が形成される。なお、図示しないが、噴霧塗工に際しては、高分子電解質膜5Aに第1の触媒層2C1の平面形状に一致する形状の開口部をもつマスクが被せられ、所要の部分以外には触媒層形成インクが付着しないように保護される。これによって、噴霧状の触媒層形成インクは、転写やドクターブレード法による方法に比べて、高分子電解質膜1表面への密着性が良いので、高分子電解質膜1と第1の触媒層2C1とのプロトン移動の界面性能を良くすることができる。   Next, as shown in FIG. 3A, the catalyst layer forming ink is spray-coated by the spray device 200 to form the first catalyst layer 2 </ b> C <b> 1 on the main surface of the polymer electrolyte membrane 1. Although not shown, when spray coating is performed, the polymer electrolyte membrane 5A is covered with a mask having an opening having a shape corresponding to the planar shape of the first catalyst layer 2C1, and the catalyst layer is formed except for the required portion. It is protected from ink sticking. As a result, the sprayed catalyst layer forming ink has better adhesion to the surface of the polymer electrolyte membrane 1 as compared with the transfer and doctor blade methods, so the polymer electrolyte membrane 1 and the first catalyst layer 2C1 The proton transfer interface performance can be improved.

他方、図3(b)に示すように、転写用基材P上に触媒形成インクが塗工されて、第2の触媒層2C2が形成される。第2の触媒層2C2は、第1の触媒層2C1と同じ平面形状に形成される。転写用基材Pとしては、PPシート、あるいはPTEFシートを好適に用いることができるが、その他にも触媒層の付着やホットプレスによって成分が触媒層に溶出せず、転写後の剥離性が良い材料を用いることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 3B, the catalyst-forming ink is applied onto the transfer substrate P to form the second catalyst layer 2C2. The second catalyst layer 2C2 is formed in the same planar shape as the first catalyst layer 2C1. As the transfer substrate P, a PP sheet or a PTEF sheet can be suitably used. In addition, the components do not elute into the catalyst layer due to adhesion of the catalyst layer or hot pressing, and the peelability after transfer is good. Materials can be used.

次に、図3(c)に示すように、第1の触媒層2C1の上に第2の触媒層2C2を重ねて、ホットプレス(例えば、圧力1MPa、温度140℃、時間30分の条件)されて、カソード側触媒層2Cが形成される。   Next, as shown in FIG. 3 (c), the second catalyst layer 2C2 is overlaid on the first catalyst layer 2C1, and hot pressing (for example, pressure 1 MPa, temperature 140 ° C., time 30 minutes) Thus, the cathode side catalyst layer 2C is formed.

そして、図3(d)に示すように、転写用基材Pが剥離されて第2の触媒層2C2が第1の触媒層2C1の上に転写される。これにより、第1の触媒層2C1と第2の触媒層2C2とが接合した触媒層2Cが形成される。   Then, as shown in FIG. 3D, the transfer substrate P is peeled off, and the second catalyst layer 2C2 is transferred onto the first catalyst layer 2C1. Thereby, the catalyst layer 2C in which the first catalyst layer 2C1 and the second catalyst layer 2C2 are joined is formed.

以上によって、第2の触媒層2C2を第1の触媒層2C1に転写して形成する工程(ステップ)に要する時間は、噴霧塗工によって触媒層2C全体を形成する工程に要する時間に比べて短時間で済むので、膜−触媒層接合体3を製造する時間を短縮することができる。   As described above, the time required for the step of forming the second catalyst layer 2C2 by transferring it to the first catalyst layer 2C1 is shorter than the time required for the step of forming the entire catalyst layer 2C by spray coating. Since time is sufficient, the time for manufacturing the membrane-catalyst layer assembly 3 can be shortened.

なお、カソード側第1の触媒層2C1と、カソード側第2の触媒層2C2との触媒層形成インクの性状は同一でなくともよい。例えば、カソード側第1の触媒層2C1の水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合がカソード側第2の触媒層2C2のそれよりも高くなるように触媒層形成インクが調製されるとよい。つまり、カソード側第2の触媒層2C2の形成に用いられた触媒層形成インクよりも水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液の混合率を高めた触媒層形成インクをカソード側第1の触媒層2C1形成に用いると良い。これによって、カソード側第1の触媒層2C1の反応サイトの密度を高くして、カソード側第2の触媒層2C2の排水性を高くすることができ(特許文献2参照)、高分子電解質型燃料電池100の性能が向上する。   The properties of the ink for forming the catalyst layer of the cathode-side first catalyst layer 2C1 and the cathode-side second catalyst layer 2C2 may not be the same. For example, the catalyst layer forming ink may be prepared so that the content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte in the cathode-side first catalyst layer 2C1 is higher than that in the cathode-side second catalyst layer 2C2. That is, the catalyst layer forming ink in which the mixing ratio of the alcohol dispersion of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte is increased as compared with the catalyst layer forming ink used for forming the cathode side second catalyst layer 2C2. It may be used for forming the layer 2C1. As a result, the density of the reaction sites of the cathode-side first catalyst layer 2C1 can be increased, and the drainage of the cathode-side second catalyst layer 2C2 can be increased (see Patent Document 2). The performance of the battery 100 is improved.

また、アノード側では、電気化学反応による反応生成水が生じないので、カソード側ほど排水性の高さが必要とはならない。したがって、アノード側では、アノード側第1の触媒層2A1と、アノード側第2の触媒層2A2との触媒層形成インクの性状は同一のままでもよい。   Moreover, since no reaction water is generated on the anode side due to electrochemical reaction, the drainage performance is not required to be as high as that on the cathode side. Therefore, on the anode side, the properties of the catalyst layer forming ink of the anode side first catalyst layer 2A1 and the anode side second catalyst layer 2A2 may remain the same.

次に、MEA5の製造方法(本発明の膜−電極接合体の製造方法の好適な一実施形態)について説明する。   Next, a method for manufacturing MEA 5 (a preferred embodiment of a method for manufacturing a membrane-electrode assembly of the present invention) will be described.

本発明のMEA5は、上述の膜−触媒層接合体3を用いて製造される。すなわち、図2(a)に示すように、MEA5は、触媒層2A,2Cの上にガス拡散層4A,4Cが形成されて製造される。   The MEA 5 of the present invention is manufactured using the membrane-catalyst layer assembly 3 described above. That is, as shown in FIG. 2A, the MEA 5 is manufactured by forming the gas diffusion layers 4A and 4C on the catalyst layers 2A and 2C.

ガス拡散層4A、4Cは、微細な孔部を多数有する多孔質体によって構成されている。これによって、ガスが孔部に侵入することによって、ガスが拡散して、触媒層2A、2Cに到達しやすくなる。本実施の形態においては、撥水処理されたカーボンペーパー(TORAY社製 商品名(TGP-H-090),厚さ:270μm)が用いられる。撥水処理は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョンにカーボンペーパーが浸漬され、次いで、乾燥処理されることにより行われる。また、カーボンペーパーの代わりに、カーボンクロス、あるいは、カーボン繊維、カーボン粉末、有機バインダー等からなるカーボンフェルトをガス拡散層として用いてもよい。そして、このカーボンペーパーが触媒層2A、2C上に接合するようにしてホットプレス(例えば、圧力0.5MPa、温度135℃、時間5分間の条件)されて、ガス拡散層4A、4Cが形成される。これによって、高分子電解質膜1上への触媒層2A、2Cの形成に要する時間を短くすることができるので、MEA5の製造に係る時間を短縮することができる。   The gas diffusion layers 4A and 4C are made of a porous body having a large number of fine pores. As a result, when the gas enters the hole, the gas diffuses and easily reaches the catalyst layers 2A and 2C. In the present embodiment, water-repellent carbon paper (trade name (TGP-H-090) manufactured by TORAY, thickness: 270 μm) is used. The water repellent treatment is performed, for example, by immersing the carbon paper in an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) and then performing a drying treatment. Further, instead of carbon paper, carbon cloth or carbon felt made of carbon fiber, carbon powder, organic binder or the like may be used as the gas diffusion layer. Then, the carbon paper is hot-pressed (for example, pressure 0.5 MPa, temperature 135 ° C., time 5 minutes) so as to be bonded onto the catalyst layers 2A and 2C to form gas diffusion layers 4A and 4C. . As a result, the time required for forming the catalyst layers 2A and 2C on the polymer electrolyte membrane 1 can be shortened, so that the time for manufacturing the MEA 5 can be shortened.

以上、本発明は、触媒層形成インクを噴霧して第1の触媒層を形成するステップによって高分子電解質膜の損傷を抑制することができ、かつ、第1の触媒層の上に転写により第2の触媒層を形成するステップによって製造に係る所要時間を短縮することができる。すなわち、本発明は、転写法、噴霧法及びドクターブレード法等の従来の膜−触媒層接合体の製造方法のデメリットを十分に低減し、特に、膜−触媒層接合体の大量生産に有利である。   As described above, the present invention can suppress damage to the polymer electrolyte membrane by the step of spraying the catalyst layer forming ink to form the first catalyst layer, and transfer the first catalyst layer onto the first catalyst layer. The time required for production can be shortened by the step of forming the second catalyst layer. That is, the present invention sufficiently reduces the disadvantages of conventional membrane-catalyst layer assembly production methods such as the transfer method, spray method, and doctor blade method, and is particularly advantageous for mass production of membrane-catalyst layer assemblies. is there.

以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第1の触媒層2C1を形成するステップにおいて、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる第1の触媒層2C1を形成してもよい。このように構成すると、触媒層形成インクの「水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」等種々の性状を調節することができ、よりきめ細やかに第1の触媒層の性状を調節することができる。ここで、触媒層形成インクの「水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」とは、[(当該触媒形成インクに含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の全質量WP)/(当該触媒形成インクの全質量WI)]で表される値をいう。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment. For example, in the step of forming the first catalyst layer 2C1, two or more types of catalyst layer forming inks may be sequentially sprayed to form the first catalyst layer 2C1 composed of a plurality of layers. With this configuration, various properties such as “content ratio of hydrogen ion conductive polymer electrolyte” of the catalyst layer forming ink can be adjusted, and the properties of the first catalyst layer can be adjusted more finely. it can. Here, the “content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte” of the catalyst layer forming ink is [(total mass W P of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte contained in the catalyst forming ink) / (the catalyst formation). The total ink mass W I )].

そして、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる第1の触媒層2C1を形成するステップにおいて、下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい。ここで、「下層」とは、第1の触媒層2C1が、2種類以上の触媒層形成インクが順次噴霧されて形成されることを前提として、高分子電解質膜1に近い側の層を言う。また、「下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い」状態とは、触媒形成インクの水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合(WP/WI)が当該触媒層の高分子電解質膜1に近い側に用いられる触媒層形成インクの方が高分子電解質膜1に遠い側に用いられる触媒層形成インクよりも最終的に小さくなっている状態を示す。つまり、形成された第1の触媒層2C1を全体としてみた場合に、質量比(WP/WI)が高分子電解質膜1に近い側から遠い側にかけて概略的に減少している状態を示す。例えば、高分子電解質膜1に近い側から遠い側にかけて質量比(WP/WI)が単調に減少している状態をいう。また、3種類以上の触媒形成インクが用いられる場合には、最下層と最上層との間に用いられる触媒形成インクが、前後に用いられる触媒形成インクのいずれかの質量比(WP/WI)と同じ値の質量比(WP/WI)であってもよい。さらに、当該触媒層全体として高分子電解質膜1に近い側に用いられる触媒層形成インクの方が高分子電解質膜1に遠い側に用いられる触媒層形成インクよりも最終的に小さくなっているものの、一部の触媒形成インクにおいて、上層側に用いられる触媒形成インクの質量比(WP/WI)が下層側に用いられる触媒形成インクの質量比(WP/WI)よりも大きい場合があってもよい。ただし、ガス拡散性あるいは排水性の観点からは、最下層から最上層にかけて質量比(WP/WI)が減少するようにして触媒形成インクが用いられること、または、最下層と最上層との間に用いられる触媒形成インクが、前後に用いられる触媒形成インクのいずれかの質量比(WP/WI)と同じ値の質量比(WP/WI)であることの方が好ましい。このように構成すると、上述と同様にして、第1の触媒層内2C1において、高分子電解質膜1近傍において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜1から離れるに従いガス拡散性あるいは排水性を高くすることができるので、高分子電解質型燃料電池100の性能を向上させることができる。 In the step of forming the first catalyst layer 2C1 composed of a plurality of layers by sequentially spraying two or more types of catalyst layer forming inks, the lower the layer, the higher the content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte is. Here, the “lower layer” refers to a layer on the side close to the polymer electrolyte membrane 1 on the assumption that the first catalyst layer 2C1 is formed by sequentially spraying two or more types of catalyst layer forming inks. . In addition, the state where “the lower the hydrogen ion conductive polymer electrolyte content ratio is higher in the lower layer” means that the hydrogen ion conductive polymer electrolyte content ratio (W P / W I ) of the catalyst forming ink is higher in the catalyst layer. The state in which the catalyst layer forming ink used on the side closer to the molecular electrolyte membrane 1 is finally smaller than the catalyst layer forming ink used on the side far from the polymer electrolyte membrane 1 is shown. That is, when the formed first catalyst layer 2C1 is viewed as a whole, the mass ratio (W P / W I ) is generally reduced from the side closer to the polymer electrolyte membrane 1 to the side farther from it. . For example, the mass ratio (W P / W I ) is monotonously decreasing from the side closer to the polymer electrolyte membrane 1 to the side farther from it. When three or more types of catalyst-forming inks are used, the catalyst-forming ink used between the lowermost layer and the uppermost layer has a mass ratio (W P / W) of any of the catalyst-forming inks used before and after. a I) and the mass ratio of the same value (W P / W I) may be. Furthermore, although the catalyst layer forming ink used on the side closer to the polymer electrolyte membrane 1 as a whole is finally smaller than the catalyst layer forming ink used on the side far from the polymer electrolyte membrane 1, In some catalyst forming inks, the mass ratio (W P / W I ) of the catalyst forming ink used on the upper layer side is larger than the mass ratio (W P / W I ) of the catalyst forming ink used on the lower layer side There may be. However, from the viewpoint of gas diffusibility or drainage, the catalyst-forming ink should be used so that the mass ratio (W P / W I ) decreases from the lowermost layer to the uppermost layer, or the lowermost layer and the uppermost layer It is more preferable that the catalyst forming ink used during the period is the same mass ratio (W P / W I ) as the mass ratio (W P / W I ) of any of the catalyst forming inks used before and after. . With this configuration, in the same manner as described above, in the first catalyst layer 2C1, the density of reaction sites is increased in the vicinity of the polymer electrolyte membrane 1, and gas diffusibility or drainage is increased as the distance from the polymer electrolyte membrane 1 increases. Therefore, the performance of the polymer electrolyte fuel cell 100 can be improved.

さらには、第2の触媒層2C2の上に1以上の第3の触媒層(図示せず)を転写、噴霧あるいは塗布によって形成するステップをさらに有してもよい。ここで、「第3の触媒層」としては、例えば、触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、水素イオン伝導性高分子電解質及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、撥水材及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、撥水材、水素イオン伝導性高分子電解質及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層などがあげられる。更に、「第3の触媒層」としては、撥水材及び導電性カーボン(触媒を担持していないカーボン)からなる層とすることもできる。このような構成とすると、膜−触媒層接合体の触媒層の電極反応面積の調節、並びに、ガス拡散性、撥水性及び電子伝導性等種々の性状を調節することができ、よりきめ細やかに触媒層の性状を調節することができる。特に、撥水材及び導電性カーボン(触媒を担持していないカーボン)からなる層を第3の層として配置する場合には、ガス拡散層と第2の触媒層との密着性向上、ガス拡散層の表面粗さ(凹凸の存在)による第2の触媒層2C2及び又はその奥の高分子電解質膜1の損傷の防止を図ることができる。またこの場合、触媒を含まないので電極反応生成水が生成されないため、ガス拡散性(特に第2の触媒層のガス拡散性)の向上も図ることができる。また、上述の撥水材としては、化学的安定性が高い物質が好ましく、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)がある。   Furthermore, you may further have the step of forming one or more 3rd catalyst layers (not shown) on the 2nd catalyst layer 2C2 by transcription | transfer, spraying, or application | coating. Here, examples of the “third catalyst layer” include a catalyst layer containing at least a catalyst (such as Pt) -supporting carbon (conductive carbon), a hydrogen ion conductive polymer electrolyte, and a catalyst (such as Pt) -supporting carbon (conductive). Catalyst layer containing at least a conductive carbon), a water repellent material and a catalyst layer containing a catalyst (such as Pt) supported carbon (conductive carbon), a water repellent material, a hydrogen ion conductive polymer electrolyte, and a catalyst (such as Pt) supported carbon Examples thereof include a catalyst layer containing at least (conductive carbon). Furthermore, the “third catalyst layer” may be a layer composed of a water repellent material and conductive carbon (carbon not supporting a catalyst). With such a configuration, the electrode reaction area of the catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly can be adjusted, and various properties such as gas diffusibility, water repellency, and electron conductivity can be adjusted. The properties of the catalyst layer can be adjusted. In particular, when a layer composed of a water repellent material and conductive carbon (carbon not supporting a catalyst) is disposed as the third layer, the adhesion between the gas diffusion layer and the second catalyst layer is improved, and the gas diffusion It is possible to prevent damage to the second catalyst layer 2C2 and / or the polymer electrolyte membrane 1 in the back thereof due to the surface roughness (existence of irregularities) of the layer. In this case, since no electrode reaction product water is generated because no catalyst is contained, gas diffusibility (particularly, gas diffusibility of the second catalyst layer) can be improved. Moreover, as the above-mentioned water repellent material, a substance having high chemical stability is preferable, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE) or tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP).

そして、第2の触媒層2C2の上に1以上の第3の触媒層を形成するステップをさらに有する場合には、下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい。ここで、第2の触媒層2C2の上に1以上の第3の触媒層を形成するステップをさらに有する場合の「下層」とは、3層以上の触媒層が形成されることを前提として、高分子電解質膜1に近い側の触媒層を言う。また、「下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い」状態とは、3層以上の触媒層が形成されることを前提として、形成された触媒層の水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合(WP/WL)が高分子電解質膜1に近い側の触媒層の方が高分子電解質膜1に遠い側の触媒層よりも最終的に小さくなっており、膜−触媒層接合体3の触媒層全体としてみた場合に各触媒層の質量比(WP/WL)が高分子電解質膜1に近い側から遠い側にかけて概略的に減少している状態を示す。例えば、高分子電解質膜1に近い側から遠い側にかけて質量比(WP/WL)が単調に減少している状態であってもよい。また、例えば、一部の隣り合う触媒層の質量比(WP/WL)が同じ値をとる状態であってもよい。さらに、一部の隣り合う触媒層同士の質量比(WP/WL)を比較した場合、上層側の触媒層の質量比(WP/WL)が下層側の触媒層の質量比(WP/WL)よりも大きい場合があってもよい。ただし、ガス拡散性あるいは排水性の観点から、最下層から最上層にかけて質量比(WP/WL)が単調に減少している状態、または、最下層と最上層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の質量比(WP/WL)が同じ値をとる状態が好ましい。このように構成すると、高分子電解質膜1近傍において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜1から離れるに従いガス拡散性あるいは排水性を高くすることができるので、高分子電解質型燃料電池100の性能を向上させることができる。また、「第2の触媒層の上に1以上の第3の触媒層を形成する」ことによって、ガス拡散性等膜−電極接合体5の性能を調節することもできる。 And when it further has the step of forming one or more 3rd catalyst layers on the 2nd catalyst layer 2C2, it is good that the content rate of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte is so high that it is a lower layer. Here, the “lower layer” in the case of further including the step of forming one or more third catalyst layers on the second catalyst layer 2C2 is based on the premise that three or more catalyst layers are formed. The catalyst layer on the side close to the polymer electrolyte membrane 1 is said. In addition, “the lower layer has a higher hydrogen ion conductive polymer electrolyte content” state means that three or more catalyst layers are formed, and the hydrogen ion conductive polymer of the formed catalyst layer. The catalyst content ratio (W P / W L ) of the electrolyte is finally smaller in the catalyst layer closer to the polymer electrolyte membrane 1 than in the catalyst layer farther from the polymer electrolyte membrane 1, and the membrane-catalyst When viewed as the entire catalyst layer of the layered assembly 3, the mass ratio (W P / W L ) of each catalyst layer is schematically reduced from the side closer to the polymer electrolyte membrane 1 to the side farther from it. For example, the mass ratio (W P / W L ) may be monotonically decreasing from the side closer to the polymer electrolyte membrane 1 to the side farther from it. For example, the mass ratio (W P / W L ) of some adjacent catalyst layers may be in the same value. Furthermore, when comparing the mass ratio (W P / W L ) between some adjacent catalyst layers, the mass ratio (W P / W L ) of the upper catalyst layer is equal to the mass ratio of the lower catalyst layer (W P / W L ). It may be larger than (W P / W L ). However, from the viewpoint of gas diffusibility or drainage, the mass ratio (W P / W L ) decreases monotonically from the bottom layer to the top layer, or is disposed between the bottom layer and the top layer Among the layers, it is preferable that the mass ratio (W P / W L ) between some adjacent layers has the same value. With this configuration, the density of reaction sites in the vicinity of the polymer electrolyte membrane 1 can be increased, and the gas diffusibility or drainage can be increased as the distance from the polymer electrolyte membrane 1 increases, so that the polymer electrolyte fuel cell 100 performance can be improved. Moreover, the performance of the gas diffusible membrane-electrode assembly 5 can be adjusted by “forming one or more third catalyst layers on the second catalyst layer”.

以下、実施例を挙げて本発明の膜−電極接合体の製造方法をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, although the Example is given and the manufacturing method of the membrane-electrode assembly of this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples at all.

触媒層2Cの厚さt1+t2が20μmである膜−触媒層接合体3を、第1触媒層2C1の厚さt1と第2触媒層2C2の厚さt2とをパラメータとして、実施例S1乃至S7まで製造した。また、比較例T1として、転写法のみ、つまり第1の触媒層2C1を形成せずに第2の触媒層2C2のみから形成される膜−触媒接合体を製造した。   The membrane-catalyst layer assembly 3 in which the thickness t1 + t2 of the catalyst layer 2C is 20 μm is used in Examples S1 to S7 using the thickness t1 of the first catalyst layer 2C1 and the thickness t2 of the second catalyst layer 2C2 as parameters. Manufactured. Further, as Comparative Example T1, a membrane-catalyst assembly formed only by the transfer method, that is, by forming only the second catalyst layer 2C2 without forming the first catalyst layer 2C1 was manufactured.

そして、実施例S1乃至S7及び比較例T1をそれぞれ10サンプルずつを用いて性能試験を行った。   Then, performance tests were conducted using 10 samples each of Examples S1 to S7 and Comparative Example T1.

図4は、本実施例の膜−触媒層接合体の性能試験結果を示す表である。表中、評価項目のNは、触媒層2Cから転写用基材Pを剥離する際に、転写用基材Pに触媒層2Cの一部が付着し、不完全な剥離によって不良製造となった回数、つまり転写用基材Pの剥離困難性を示す数字である。また、評価項目のEは、それぞれの実施例の中から抽出した膜−触媒層接合体3に対してクロノアンペアメトリック法(CA法)によって計測した膜−触媒層接合体を通る0.2Vの電圧を印加して10分後の単位面積当たりの電流値、つまり、高分子電解質膜の損傷の大きさに応じて増大する膜−触媒層接合体3の単位面積当たりのクロスリーク電流を示す数字である。   FIG. 4 is a table showing the performance test results of the membrane-catalyst layer assembly of this example. In the table, the evaluation item N is that when the transfer substrate P was peeled from the catalyst layer 2C, a part of the catalyst layer 2C was adhered to the transfer substrate P, resulting in defective production due to incomplete peeling. It is a number indicating the number of times, that is, the difficulty of peeling off the transfer substrate P. The evaluation item E is a voltage of 0.2 V passing through the membrane-catalyst layer assembly measured by the chronoamperometric method (CA method) for the membrane-catalyst layer assembly 3 extracted from each example. Is a numerical value indicating the current value per unit area 10 minutes after application of, that is, the cross-leakage current per unit area of the membrane-catalyst layer assembly 3 that increases in accordance with the degree of damage of the polymer electrolyte membrane. is there.

表に示すように、厚さ比t1/(t1+t2)が1/10以上1/3以下である膜−触媒層接合体3の実施例S1乃至S5は、転写用基材Pの剥離困難性Nにおいて不具合の発生頻度が低く、かつクロスリーク電流Eにおいては絶縁性の低下はほとんど出現せず、膜−触媒層接合体3の製造方法として、より好適であることがわかった。あるいは、第1の触媒層2C1の厚さt1は、1μm以上6μm以下であれば、膜−触媒層接合体の製造方法として、より好適であることがわかった。   As shown in the table, Examples S1 to S5 of the membrane-catalyst layer assembly 3 having a thickness ratio t1 / (t1 + t2) of 1/10 or more and 1/3 or less are difficult to peel off the transfer substrate P. The occurrence frequency of defects was low, and in the cross-leakage current E, there was almost no decrease in insulation, which proved more suitable as a method for manufacturing the membrane-catalyst layer assembly 3. Alternatively, it was found that the thickness t1 of the first catalyst layer 2C1 is more preferably 1 μm or more and 6 μm or less as a method for producing a membrane-catalyst layer assembly.

また、比較例T1の場合、つまり従来の転写法の場合、転写用基材Pの剥離困難性Nには不具合の発生が出現しなかったものの、クロスリーク電流Eにおいて、絶縁性が低下していることがわかった。これは、第2の触媒層2C2の転写時における圧力が、高分子電解質膜1に影響を及ぼし高分子電解質膜1に若干の損傷が生じているものと推察された。   Further, in the case of the comparative example T1, that is, in the case of the conventional transfer method, the occurrence of a defect did not appear in the separation difficulty N of the transfer substrate P, but the insulation performance decreased in the cross leak current E. I found out. This is presumed that the pressure at the time of transfer of the second catalyst layer 2C2 affects the polymer electrolyte membrane 1, and the polymer electrolyte membrane 1 is slightly damaged.

また、厚さ比t1/(t1+t2)=1/15の場合、つまり実施例S6の場合は、第1の触媒層2C1が薄いので、転写用基材Pの剥離困難性Nには不具合の発生が出現しなかったものの、クロスリーク電流Eにおいて、絶縁性が低下していることがわかった。これは、第1の触媒層2C1が薄いので、第2の触媒層2C2の転写時における圧力が、高分子電解質膜1に影響を及ぼし高分子電解質膜1に若干の損傷が生じているものと推察された。   Further, in the case of the thickness ratio t1 / (t1 + t2) = 1/15, that is, in Example S6, the first catalyst layer 2C1 is thin, and thus there is a problem in the separation difficulty N of the transfer substrate P. However, in the cross leakage current E, it was found that the insulating property was lowered. This is because, since the first catalyst layer 2C1 is thin, the pressure during the transfer of the second catalyst layer 2C2 affects the polymer electrolyte membrane 1, and the polymer electrolyte membrane 1 is slightly damaged. Inferred.

さらに、厚さ比t1/(t1+t2)=1/2の場合、つまり実施例S7の場合は、第1の触媒層2C1が厚いので、クロスリーク電流Eにおいては絶縁性の低下は出現しなかったものの、転写用基材Pの剥離困難性Nにおいて、不具合の発生頻度が高いことがわかった。これは、第1の触媒層2C1が厚いので、厚さのばらつきが大きくなり、転写時における圧力が均一に加わらなくなり、第2の触媒層2C2の剥離時において、第1の触媒層2C1と第2の触媒層2C2との接合性が悪くなり、剥がれやすくなっているものと推察された。   Further, in the case of the thickness ratio t1 / (t1 + t2) = 1/2, that is, in the case of Example S7, the first catalyst layer 2C1 is thick, so that no decrease in the insulation property appears in the cross leak current E. However, it was found that the occurrence frequency of defects was high in the separation difficulty N of the transfer substrate P. This is because since the first catalyst layer 2C1 is thick, the thickness variation becomes large, and the pressure during the transfer is not uniformly applied. When the second catalyst layer 2C2 is peeled off, the first catalyst layer 2C1 is separated from the first catalyst layer 2C1. It was inferred that the bondability with the catalyst layer 2C2 of No. 2 deteriorated and was easily peeled off.

本発明の膜−触媒層接合体の製造方法及びそれを用いた膜−電極接合体の製造方法は、製造に係る所要時間を短縮することができるとともに、高分子電解質膜の損傷を抑制することができる、膜−触媒層接合体の製造方法及びそれを用いた膜−電極接合体の製造方法として有用である。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly of the present invention and the method for producing a membrane-electrode assembly using the same can reduce the time required for production and suppress damage to the polymer electrolyte membrane. It is useful as a method for producing a membrane-catalyst layer assembly and a method for producing a membrane-electrode assembly using the same.

本発明の膜−触媒層接合体の製造方法及び膜−電極接合体の製造方法の好適な一実施形態により作製した高分子電解質型燃料電池の要部の構造を示す部分分解斜視図である。1 is a partially exploded perspective view showing a structure of a main part of a polymer electrolyte fuel cell produced by a preferred embodiment of a method for producing a membrane-catalyst layer assembly and a method for producing a membrane-electrode assembly of the present invention. 図2(a)はMEAの側面図であり、図2(b)はMEAの平面図である。2A is a side view of the MEA, and FIG. 2B is a plan view of the MEA. 図3(a)乃至図3(d)は、膜−触媒層接合体のカソード触媒層の製造工程を模式的に示す図である。FIG. 3A to FIG. 3D are diagrams schematically showing a manufacturing process of the cathode catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly. 本実施例の膜−触媒層接合体の性能試験結果を示す表である。It is a table | surface which shows the performance test result of the membrane-catalyst layer assembly of a present Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 高分子電解質膜
2A アノード側触媒層
2C カソード側触媒層
2A1 (アノード側)第1の触媒層
2A2 (アノード側)第2の触媒層
2C1 (カソード側)第1の触媒層
2C2 (カソード側)第2の触媒層
3 膜−触媒層接合体
4A アノード側ガス拡散層
4C カソード側ガス拡散層
5 膜−電極接合体(MEA)
6 ガスケット
7 MEA−ガスケット接合体
9A アノードセパレータ
9C カソードセパレータ
10 セル
11 ボルト孔
12、22、32 還元剤ガスマニフォルド孔
13、23、33 酸化剤ガスマニフォルド孔
14,24,34 水マニフォルド孔
21 還元剤ガス流路
31 酸化剤ガス流路
100 高分子電解質型燃料電池
200 噴霧装置
S1〜S7 実施例
T1 比較例
t1 第1の触媒層の厚さ
t2 第2の触媒層の厚さ
N 転写用基材の剥離困難性
E クロスリーク電流
P 転写用基材
1 polymer electrolyte membrane 2A anode side catalyst layer 2C cathode side catalyst layer 2A1 (anode side) first catalyst layer 2A2 (anode side) second catalyst layer 2C1 (cathode side) first catalyst layer 2C2 (cathode side) Second catalyst layer 3 Membrane-catalyst layer assembly 4A Anode side gas diffusion layer 4C Cathode side gas diffusion layer 5 Membrane-electrode assembly (MEA)
6 Gasket 7 MEA-Gasket Assembly 9A Anode Separator 9C Cathode Separator 10 Cell 11 Bolt Hole 12, 22, 32 Reductant Gas Manifold Hole 13, 23, 33 Oxidant Gas Manifold Hole 14, 24, 34 Water Manifold Hole 21 Reducing Agent Gas channel 31 Oxidant gas channel 100 Polymer electrolyte fuel cell 200 Spraying device S1 to S7 Examples T1 Comparative example t1 First catalyst layer thickness t2 Second catalyst layer thickness N Transfer substrate Peeling difficulty E Cross leak current P Substrate for transfer

Claims (9)

高分子電解質膜の少なくともいずれかの主面に、触媒層形成インクを噴霧して第1の触媒層を形成するステップと、
前記第1の触媒層の上に転写により、第2の触媒層を形成するステップと、を有する、膜−触媒層接合体の製造方法。
Spraying a catalyst layer forming ink on at least one main surface of the polymer electrolyte membrane to form a first catalyst layer;
Forming a second catalyst layer by transfer on the first catalyst layer. A method for producing a membrane-catalyst layer assembly.
前記第1の触媒層の方が前記第2の触媒層よりも水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い、請求項1に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to claim 1, wherein the first catalyst layer has a higher content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte than the second catalyst layer. 前記第1の触媒層の厚さが1μm以上6μm以下である、請求項1又は2に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the first catalyst layer is 1 µm or more and 6 µm or less. 前記第1の触媒層の厚さが前記第2の触媒層全体の厚さの略10分の1以上3分の1の以下である、請求項1〜3のうちの何れか1項に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The thickness of the said 1st catalyst layer is any one of Claims 1-3 whose thickness of the said whole 2nd catalyst layer is about 1/10 or less and 1/3 or less. A method for producing a membrane-catalyst layer assembly. 第1の触媒層を形成するステップにおいて、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる第1の触媒層を形成する、請求項1〜4のうちの何れか1項に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   In the step of forming the first catalyst layer, two or more types of catalyst layer forming inks are sequentially sprayed to form a first catalyst layer consisting of a plurality of layers. The manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly of description. 下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い、請求項5に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to claim 5, wherein the lower the layer, the higher the content of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte. 前記第2の触媒層の上に1以上の第3の触媒層を形成するステップをさらに有する、請求項1〜6のうちの何れか1項に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 6, further comprising a step of forming one or more third catalyst layers on the second catalyst layer. 下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い、請求項7に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to claim 7, wherein the lower layer has a higher content of hydrogen ion conductive polymer electrolyte. 請求項1〜6のうちの何れか1項に記載の膜−触媒層接合体の製造方法によって製造された膜−触媒層接合体の第2の触媒層の上方に、ガス拡散層を配置する、膜−電極接合体の製造方法。

A gas diffusion layer is disposed above the second catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly produced by the method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 6. The manufacturing method of a membrane-electrode assembly.

JP2005028004A 2005-02-03 2005-02-03 Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly Expired - Fee Related JP4511965B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005028004A JP4511965B2 (en) 2005-02-03 2005-02-03 Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005028004A JP4511965B2 (en) 2005-02-03 2005-02-03 Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006216382A true JP2006216382A (en) 2006-08-17
JP4511965B2 JP4511965B2 (en) 2010-07-28

Family

ID=36979417

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005028004A Expired - Fee Related JP4511965B2 (en) 2005-02-03 2005-02-03 Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4511965B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010251140A (en) * 2009-04-16 2010-11-04 Toyota Motor Corp Membrane electrode assembly, fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assembly
JP2013161736A (en) * 2012-02-08 2013-08-19 Panasonic Corp Method and apparatus for manufacturing membrane electrode assembly for fuel cell
WO2017037929A1 (en) * 2015-09-03 2017-03-09 日産自動車株式会社 Membrane catalyst layer joined body production method, membrane catalyst layer joined body production device, and membrane catalyst layer joined body

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11288727A (en) * 1998-04-02 1999-10-19 Asahi Chem Ind Co Ltd Solid high polymer fuel cell film/electrode junction body
JP2002015744A (en) * 2000-06-30 2002-01-18 Asahi Glass Co Ltd Solid polymer fuel cell
JP2003263999A (en) * 2002-03-07 2003-09-19 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Membrane electrode assembly and fuel cell and electrolytic cell having the same
JP2006173028A (en) * 2004-12-20 2006-06-29 Toyota Motor Corp Catalyst layer for fuel cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11288727A (en) * 1998-04-02 1999-10-19 Asahi Chem Ind Co Ltd Solid high polymer fuel cell film/electrode junction body
JP2002015744A (en) * 2000-06-30 2002-01-18 Asahi Glass Co Ltd Solid polymer fuel cell
JP2003263999A (en) * 2002-03-07 2003-09-19 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Membrane electrode assembly and fuel cell and electrolytic cell having the same
JP2006173028A (en) * 2004-12-20 2006-06-29 Toyota Motor Corp Catalyst layer for fuel cell

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010251140A (en) * 2009-04-16 2010-11-04 Toyota Motor Corp Membrane electrode assembly, fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assembly
JP2013161736A (en) * 2012-02-08 2013-08-19 Panasonic Corp Method and apparatus for manufacturing membrane electrode assembly for fuel cell
WO2017037929A1 (en) * 2015-09-03 2017-03-09 日産自動車株式会社 Membrane catalyst layer joined body production method, membrane catalyst layer joined body production device, and membrane catalyst layer joined body
JPWO2017037929A1 (en) * 2015-09-03 2018-05-31 日産自動車株式会社 Membrane catalyst layer assembly manufacturing method, membrane catalyst layer assembly manufacturing apparatus, and membrane catalyst layer assembly
US10756354B2 (en) 2015-09-03 2020-08-25 Nissan Motor Co., Ltd. Membrane catalyst layer assembly production method and membrane catalyst layer assembly production device

Also Published As

Publication number Publication date
JP4511965B2 (en) 2010-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9083012B2 (en) Membrane electrode assembly having an adhesive layer impregnating through an electrocatalyst layer and into a first gas diffusion substrate
EP2722918B1 (en) Microporous layer sheet for fuel cells and method for producing same
JP5551215B2 (en) Method for producing polymer electrolyte fuel cell
JP4738350B2 (en) Method of manufacturing a durable membrane electrode assembly in which the catalyst-coated diffusion medium is not bonded to the membrane
US7285354B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell, fuel cell electrode, method for producing electrode catalyst layer, and method for producing polymer electrolyte fuel cell
KR102084568B1 (en) Component for fuel cell including graphene foam and functioning as flow field and gas diffusion layer
JP5532630B2 (en) Membrane electrode assembly, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell
JP2003178780A (en) Polymer electrolyte type fuel cell system and operating method of polymer electrolyte type fuel cell
KR100832213B1 (en) Direct oxidation fuel cell and production method thereof
JP2005032681A (en) Junction body of electrolyte film for fuel cell and electrode, as well as its manufacturing method
JP4511965B2 (en) Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly
JP2003303596A (en) Polymer electrolyte type fuel cell and manufacturing method thereof
JP4486540B2 (en) Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly
JP4965833B2 (en) Solid polymer electrolyte membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell
US20180145342A1 (en) Flow field for fuel cell including graphene foam
JP5326458B2 (en) Membrane electrode assembly, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell
JP2009170387A (en) Manufacturing method of membrane-electrode assembly
JP2006147522A (en) Manufacturing method for membrane electrode assembly, fuel cell and manufacturing method for conductive particle layer
US8481225B2 (en) Membrane electrode assembly, manufacturing method thereof and fuel cell
JP2010170895A (en) Method and device for manufacturing membrane electrode assembly
JP2009009916A (en) Electrolyte membrane with catalyst layer
JP6356436B2 (en) Electrolyte membrane / electrode structure
EP4068433B1 (en) Membrane electrode assembly with gas diffusion layer and manufacturing method for membrane electrode assembly with gas diffusion layer
JP2005011590A (en) Membrane electrode junction, and manufacturing method of membrane electrode junction intermediate body using the same
EP4303966A1 (en) Membrane electrode assembly and solid-polymer fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080110

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20091215

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100115

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100413

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100507

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130514

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees