JP2007214101A - Electrolyte membrane-electrode assembly and its manufacturing method - Google Patents

Electrolyte membrane-electrode assembly and its manufacturing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane-electrode assembly in which corrosion of a cathode catalyst at starting and stopping and decomposition of an electrolyte membrane during holding an OCV can be suppressed effectively. <P>SOLUTION: This is the electrolyte membrane-electrode assembly which is provided with a polyelectrolyte membrane, a cathode catalyst layer arranged on one side of the polyelectrolyte membrane, an anode catalyst layer arranged on the other side of the polyelectrolyte membrane, and a first gasket layer formed at least at one part of the end part of the cathode catalyst layer so that the area of the effective anode catalyst layer will become larger than that of the effective cathode catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜−電極接合体(MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体およびその製造方法に関するものである。特に、本発明は、起動停止/連続運転におけるカソード触媒の腐食、及びアイドル停止運転を想定したOCV(Open Circuit Voltage)保持時の電解質膜の分解が抑制される電解質膜−電極接合体(MEA)およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), particularly to an electrolyte membrane-electrode assembly for a fuel cell and a method for producing the same. In particular, the present invention relates to an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) in which cathode catalyst corrosion during start / stop / continuous operation and decomposition of the electrolyte membrane during OCV (Open Circuit Voltage) holding assuming idle stop operation are suppressed. And a manufacturing method thereof.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体を、ガス拡散層さらにはセパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層により挟持されてなるものである。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. In general, the polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between a gas diffusion layer and a separator. The electrolyte membrane-electrode assembly is obtained by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers.

上記したようなMEAを有する固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H→4H+4e)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O+4H+4e→2HO)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell having the MEA as described above, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e ). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include a conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, a gas diffusion layer in contact with a side of the electrode catalyst layer different from the polymer electrolyte membrane, a separator, and an external circuit. To reach the cathode side electrocatalyst layer. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O). In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

このようなMEAでは、従来膜にかなり機械的ストレスがかかることによる膜の破損が生じ、電池の寿命が十分でないという問題があった。この問題を解決するために、MEAのエッジ領域をシールして膜を補強することが考えられている(特許文献1〜4)。これらのうち、特許文献1には、固体高分子電解質膜外縁部の機械的強度を高めて固体高分子電解質膜の破損を防止する目的で、固体高分子電解質膜の電極周縁部と電極の配置されない固体高分子電解質膜の外縁部とを補強膜で被覆し、さらにガスシール部を固体高分子電解質膜の外縁部に配置することが記載されている。また、特許文献2には、固体高分子電解質膜に加わる反応ガスの差圧や機械的ストレスによる固体高分子電解質膜の破損を防止する目的で、額縁状の保護膜を、ガスシール材及び電極周縁部双方を被覆するように固体高分子電解質膜の周縁部分に形成することが記載されている。特許文献3には、燃料極及び酸化剤極の膜と接する面積を、額縁状補強シートの配置によって変える(請求項4〜6)ことにより、膜を挟んで各触媒層が重合することを防止し、膜の破損を防止することが記載されている。当該方法によると、膜にかかる機械的ストレスによる膜の破損を防止し、また、生成水を良好に排出させることにより、電池寿命を向上できることが記載される。また、特許文献4には、電極を構成する多孔質カーボン部材のへたりを阻止することを目的として、触媒層の面積を変えた触媒層の外周縁部とセパレータとの間にシールを介装し、かつ当該触媒層の外周縁部には、シールの当接面に対応して予め圧縮処理を施すことが記載される。   In such an MEA, there has been a problem that the membrane is damaged due to a considerable mechanical stress applied to the conventional membrane, and the battery life is not sufficient. In order to solve this problem, it is considered to reinforce the membrane by sealing the edge region of the MEA (Patent Documents 1 to 4). Among these, Patent Document 1 discloses the arrangement of the electrode peripheral portion and the electrode of the solid polymer electrolyte membrane for the purpose of increasing the mechanical strength of the outer edge of the solid polymer electrolyte membrane and preventing damage to the solid polymer electrolyte membrane. It is described that an outer edge portion of a solid polymer electrolyte membrane not covered is covered with a reinforcing membrane, and a gas seal portion is arranged on the outer edge portion of the solid polymer electrolyte membrane. Patent Document 2 discloses a frame-shaped protective film, a gas sealing material and an electrode for the purpose of preventing damage to the solid polymer electrolyte film due to differential pressure of reaction gas applied to the solid polymer electrolyte film or mechanical stress. It describes that it forms in the peripheral part of a solid polymer electrolyte membrane so that both peripheral parts may be coat | covered. In Patent Document 3, the area of the fuel electrode and the oxidant electrode in contact with the film is changed depending on the arrangement of the frame-shaped reinforcing sheet (Claims 4 to 6), thereby preventing the polymerization of each catalyst layer across the film. And preventing damage to the membrane. According to this method, it is described that the membrane life can be improved by preventing the membrane from being damaged by the mechanical stress applied to the membrane and discharging the generated water satisfactorily. Further, in Patent Document 4, a seal is interposed between the outer peripheral edge of the catalyst layer and the separator, the area of the catalyst layer being changed, for the purpose of preventing the porous carbon member constituting the electrode from sagging. In addition, it is described that the outer peripheral edge portion of the catalyst layer is subjected to a compression process in advance corresponding to the contact surface of the seal.

また、酸を電解質とする燃料電池、特にリン酸型の燃料電池では、触媒層の劣化を抑制するために、カソード触媒層のエッジ領域に耐水性材料からなる層を配置したり、アノード触媒層の塗布面積をカソード触媒層の塗布面積より大きくすることによって、カソード触媒層のカーボンの腐食を抑制することが記載されている(特許文献5)。具体的には、当該公報には、電解質マトリクス上に、フルオロエチレンプロピレン(FEP)等の弗素系樹脂の粉末を単位体積当たり0.2g/cc担持させて、カソード触媒層側のエッジ領域に接するように層を形成することが記載されている(段落「0024」及び図1参照)。
特開平5−242897号公報 特開平5−21077号公報 特開平10−172587号公報 特開2004−39385号公報 特開平5−21077号公報
In addition, in a fuel cell using an acid as an electrolyte, particularly a phosphoric acid type fuel cell, in order to suppress deterioration of the catalyst layer, a layer made of a water-resistant material is arranged in the edge region of the cathode catalyst layer, or an anode catalyst layer It is described that the corrosion area of carbon in the cathode catalyst layer is suppressed by making the coating area of the coating layer larger than the coating area of the cathode catalyst layer (Patent Document 5). Specifically, in this publication, 0.2 g / cc of a fluororesin powder such as fluoroethylenepropylene (FEP) is supported on an electrolyte matrix per unit volume, and is in contact with the edge region on the cathode catalyst layer side. (See paragraph “0024” and FIG. 1).
JP-A-5-2442897 Japanese Patent Laid-Open No. 5-21077 Japanese Patent Laid-Open No. 10-172587 JP 2004-39385 A Japanese Patent Laid-Open No. 5-21077

上述したような固体高分子型燃料電池では、従来様々な問題があった。代表的かつ重要な問題としては、アイドル停止(OCV:Open Circuit Voltage)状態における電解質膜の劣化の問題がある。この劣化メカニズムを図2を参照しながら説明する。すなわち、電解質膜は完全にガスを遮断(不透過状態)するものではないため、酸素や水素ガスの濃度勾配(分圧)によっては、アノード側からカソード側に向かって水素が、カソード側からアノード側に向かって酸素や窒素が、僅かながら透過(溶解拡散)している(このような現象を「クロスリーク」とも称する)。特にOCV時は、カソードと電解質膜の界面における酸素濃度は、発電時に比べて高いため、電解質膜を介してカソード側からアノード側へ溶解拡散する酸素量も、発電時に比べて多くなる。このため、クロスリークにより酸素がカソード側からアノード側へ移行して、酸素がアノード側で水素と直接反応して、H+O→Hの反応が起こって、過酸化水素(H)が生成し、また、水素がアノード側からカソード側へ移行して、水素がカソード側で酸素と直接反応して、同様にして過酸化水素が生成する。この過酸化水素は、電解質膜またはアノード若しくはカソードに含まれる電解質成分(アイオノマー)を分解して、電解質膜を化学的に劣化させることが知られている。ここで、アノード触媒層とカソード触媒層の電位と過酸化水素の分解反応との関係を考慮すると、電解質電位に対して電位が比較的高い(0.6〜1V程度)カソード側では、カソード近傍の酸素と、アノード触媒層よりクロスリークしてきた水素が直接反応するため、生成する過酸化水素は、H→O+2H+2eの反応によって、比較的速やかに酸素とプロトンとに分解する。これに対して、アノード側では、電位が低いために上記したような過酸化水素の分解反応は生じにくい。このため、アノード側で多く発生する過酸化水素が、濃度拡散により電解質膜中に移動して、電解質膜を酸化劣化させたり、あるいは電解質膜中のカチオン(例えば、Fe2+、Cu2+)の存在により加速的に電解質膜成分を劣化させる。特にアノード触媒層とカソード触媒層の形成位置が完全に一致せずに位置ずれが生じている場合には、カソード触媒層が存在せずアノード触媒層のみ存在する領域では、カソード触媒層側に供給される酸素が直接アノード触媒層側に移動するため、酸素のクロスリーク量が多く、このような領域での過酸化水素が相対的に多くなるため、当該周囲部では、アノード触媒層が存在する領域(中央部)に比べて、電解質膜の劣化がさらに進んでしまう。 Conventionally, the polymer electrolyte fuel cell as described above has various problems. As a typical and important problem, there is a problem of deterioration of the electrolyte membrane in an idle stop (OCV: Open Circuit Voltage) state. This deterioration mechanism will be described with reference to FIG. In other words, since the electrolyte membrane does not completely block the gas (impermeability state), depending on the concentration gradient (partial pressure) of oxygen or hydrogen gas, hydrogen flows from the anode side to the cathode side, and from the cathode side to the anode side. Oxygen and nitrogen are slightly permeated (dissolved and diffused) toward the side (this phenomenon is also referred to as “cross leak”). In particular, at the time of OCV, the oxygen concentration at the interface between the cathode and the electrolyte membrane is higher than that at the time of power generation. Therefore, the amount of oxygen that dissolves and diffuses from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane is also larger than at the time of power generation. For this reason, oxygen moves from the cathode side to the anode side due to cross leak, and oxygen reacts directly with hydrogen on the anode side, causing a reaction of H 2 + O 2 → H 2 O 2 , resulting in hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated, hydrogen is transferred from the anode side to the cathode side, and hydrogen directly reacts with oxygen on the cathode side to similarly generate hydrogen peroxide. It is known that this hydrogen peroxide decomposes the electrolyte component (ionomer) contained in the electrolyte membrane or the anode or cathode to chemically deteriorate the electrolyte membrane. Here, considering the relationship between the potential of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer and the decomposition reaction of hydrogen peroxide, the potential is relatively high (about 0.6 to 1 V) with respect to the electrolyte potential. The hydrogen peroxide that cross-leaked from the anode catalyst layer directly reacts with the oxygen of the anode, so that the hydrogen peroxide that is produced becomes oxygen and proton relatively quickly by the reaction of H 2 O 2 → O 2 + 2H + + 2e −. Decompose. On the other hand, since the potential is low on the anode side, the above-described decomposition reaction of hydrogen peroxide hardly occurs. For this reason, hydrogen peroxide generated frequently on the anode side moves into the electrolyte membrane due to concentration diffusion, oxidatively degrades the electrolyte membrane, or the presence of cations (eg, Fe 2+ , Cu 2+ ) in the electrolyte membrane. As a result, the electrolyte membrane components are deteriorated at an accelerated rate. In particular, when the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are not completely aligned and misaligned, supply to the cathode catalyst layer in the area where the cathode catalyst layer does not exist and only the anode catalyst layer exists. Since the oxygen directly moves to the anode catalyst layer side, there is a large amount of oxygen cross-leakage, and hydrogen peroxide in such a region is relatively large. Therefore, there is an anode catalyst layer in the surrounding area. Compared to the region (center portion), the electrolyte membrane is further deteriorated.

上記問題は、比較的最近提起されたものであり、現在、解決手段が強く望まれているものの、有効な解決手段が見出されていない。実際、これらの問題に関しては、上記特許文献1〜4では、全く開示または示唆されていない。事実、特許文献1,2では、固体高分子電解質膜外縁部の機械的強度の向上を目的としており、特許文献1,2に記載されるような構造では、上記したような電解質膜の分解の抑制については考慮に入れていないため、触媒層がMEAの厚み方向に対して位置ずれがある場合には、上述の酸素のクロスリークに起因する電解質膜の劣化のみならず、特許文献5に記載の触媒の腐食も起こり、MEAの耐久性が低下するという問題は解消できない。また、特許文献3には、触媒層の面積を燃料極(アノード)及び酸化剤極(カソード)で変えることは記載されているものの、段落[0036]、並びに図6,7,12〜14をみると、触媒層の面積が燃料極(アノード)<酸化剤極(カソード)となっており、このような触媒層を有するMEAでは、上記したカソード触媒層でのカーボン担体の腐食の問題及びアイドル停止状態における電解質膜の劣化の問題は解消できない。さらに、特許文献4には、アノード触媒層の面積をカソード触媒層の面積より大きくすること(段落[0018])が記載されているものの、当該構成はMEAとセパレータとのシール性の向上であり、さらにアノード触媒層の面積とカソード触媒層の面積との面積比については何ら記載されていない。   The above problem has been raised relatively recently. Currently, although a solution is strongly desired, no effective solution has been found. In fact, the above Patent Documents 1 to 4 do not disclose or suggest these problems at all. In fact, Patent Documents 1 and 2 aim to improve the mechanical strength of the outer edge of the solid polymer electrolyte membrane. In the structures described in Patent Documents 1 and 2, the decomposition of the electrolyte membrane as described above can be performed. Since the suppression is not taken into consideration, when the catalyst layer is misaligned with respect to the thickness direction of the MEA, it is described in Patent Document 5 as well as the deterioration of the electrolyte membrane due to the oxygen cross leak described above. The problem that the corrosion of the catalyst also occurs and the durability of the MEA deteriorates cannot be solved. Although Patent Document 3 describes that the area of the catalyst layer is changed between the fuel electrode (anode) and the oxidant electrode (cathode), paragraph [0036] and FIGS. As seen, the area of the catalyst layer is the fuel electrode (anode) <the oxidant electrode (cathode). In the MEA having such a catalyst layer, the problem of the corrosion of the carbon support in the cathode catalyst layer described above and the idle The problem of deterioration of the electrolyte membrane in the stopped state cannot be solved. Further, although Patent Document 4 describes that the area of the anode catalyst layer is larger than the area of the cathode catalyst layer (paragraph [0018]), this configuration is an improvement in sealing performance between the MEA and the separator. Furthermore, there is no description about the area ratio between the area of the anode catalyst layer and the area of the cathode catalyst layer.

また、特許文献5には、確かに触媒層でのカーボン担体の腐食に関しては記載されているものの、燃料電池の中でも、特にリン酸のような酸を電解質として使用する燃料電池を対象としているため、電解質の劣化についてはなんら考慮されていない。このため、弗素系樹脂粉末をそのまま担持させて層を形成しているが、この層はガス透過性であり、ガスケットとして機能していないため、これを固体高分子型燃料電池の電解質膜−電極接合体に適用しても、OCV時に、カソード近傍からクロスリークした酸素が、アノード側に拡散して、アノード近傍の水素と直接反応して過酸化水素が多量に生成して、電解質膜の酸化劣化を誘発してしまう。つまり、当該担持層の存在によってカソード側からの酸素のクロスリークを十分抑制することができないため、過酸化水素の形成による電解質膜の酸化劣化も十分抑制・防止することはできない。   Further, although Patent Document 5 certainly describes the corrosion of the carbon support in the catalyst layer, it is particularly intended for fuel cells that use an acid such as phosphoric acid as an electrolyte among fuel cells. No consideration is given to electrolyte degradation. For this reason, a layer is formed by supporting the fluorine-based resin powder as it is, but since this layer is gas permeable and does not function as a gasket, it is used as an electrolyte membrane-electrode of a polymer electrolyte fuel cell. Even when applied to a joined body, during OCV, oxygen leaked from the vicinity of the cathode diffuses to the anode side and directly reacts with hydrogen in the vicinity of the anode to generate a large amount of hydrogen peroxide, which oxidizes the electrolyte membrane. It will induce degradation. That is, the presence of the carrier layer cannot sufficiently suppress oxygen cross-leakage from the cathode side, so that oxidative deterioration of the electrolyte membrane due to the formation of hydrogen peroxide cannot be sufficiently suppressed or prevented.

したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、OCV保持時の電解質膜の分解を有効に抑制できる電解質膜−電極接合体を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly that can effectively suppress decomposition of the electrolyte membrane during OCV holding.

また、本発明の他の目的は、所望の大きさのカソード触媒層及びアノード触媒層を、それぞれ、高分子電解質膜の所望の位置に容易にかつ正確に配置できる電解質膜−電極接合体の製造方法を提供するである。   Another object of the present invention is to produce an electrolyte membrane-electrode assembly in which a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer having a desired size can be easily and accurately arranged at desired positions of the polymer electrolyte membrane, respectively. Is to provide a way.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行なった結果、カソード触媒層の端部、好ましくはカソード触媒層及びアノード触媒層の端部にガスケット層を形成することによって、アノード触媒層及びカソード触媒層の大きさを容易に制御できると共に各触媒層の位置合わせが容易であることを見出した。また、このように触媒層の端部を、アノード触媒層のサイズがカソード触媒層より大きくなるように、ガス不透過性のガスケット層でシールすることによって、触媒として有効に働く、即ち、運転(発電)時にO+4H+4e→2HOの反応が起こるカソード触媒層(有効カソード触媒層)面積を、触媒として有効に働く、即ち、運転(発電)時に2H→4H+4eの反応が起こるアノード触媒層(有効アノード触媒層)面積より小さく規定し、さらに電解質膜の酸化劣化要因となるカソード触媒層側からアノード触媒層側への酸素のクロスリークが特に生じ易いカソード触媒層の端部領域をガス不透過性のガスケット層で覆うことによって、前記クロスリークが生じる領域を最小限の大きさにすることができ、全体の酸素クロスリーク量を最小限に抑制できるので、電解質膜の酸化劣化を有効に抑制することができることをも見出した。より具体的には、図3Aに示されるように、有効カソード触媒層のサイズが25cmでかつ有効アノード触媒層のサイズが26cmであるMEA(図3Aの上段)、及び有効カソード触媒層のサイズが26cmでかつ有効アノード触媒層のサイズが25cmであるMEA(図3Aの下段)は、双方とも、燃料電池スタックに組み込んだ場合の有効触媒層面積は、小さいほうの面積、即ち、上記場合では、25cmとなる。これに対して、酸素のクロスリークに関しては、酸素はカソード触媒層側からアノード触媒層側にクロスリークするので、酸素が供給される有効カソード触媒層の面積に依存する。すなわち、図3Bに示されるように、有効カソード触媒層のサイズが25cmでかつ有効アノード触媒層のサイズが26cmであるMEA(図3Bの上段)では酸素のクロスオーバー領域は25cmであるが、有効カソード触媒層のサイズが26cmでかつ有効アノード触媒層のサイズが25cmであるMEA(図3Bの下段)では酸素のクロスオーバー領域は26cmとなる。このため、有効触媒層面積と酸素のクロスオーバー領域の面積とが同じである図3A,B上段のMEAは、有効触媒層面積が酸素のクロスオーバー領域の面積よりも小さい図3A,B下段のMEAに比して、カソード触媒層側からアノード触媒層側への酸素のクロスリーク、ゆえに電解質膜の酸化劣化を有意に抑制することができる。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that an anode catalyst is formed by forming a gasket layer at the end of the cathode catalyst layer, preferably at the ends of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. It has been found that the size of each layer and the cathode catalyst layer can be easily controlled, and that the alignment of each catalyst layer is easy. Further, the end of the catalyst layer is effectively sealed as a catalyst by sealing the end of the catalyst layer with a gas-impermeable gasket layer so that the size of the anode catalyst layer is larger than that of the cathode catalyst layer. The area of the cathode catalyst layer (effective cathode catalyst layer) in which the reaction of O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O occurs during power generation effectively works as a catalyst, that is, 2H 2 → 4H + + 4e during operation (power generation) The cathode catalyst layer is defined to be smaller than the area of the anode catalyst layer where the reaction occurs (effective anode catalyst layer), and further, the cathode catalyst layer is particularly prone to oxygen cross-leakage from the cathode catalyst layer side to the anode catalyst layer side, which causes oxidative degradation of the electrolyte membrane. By covering the end region with a gas-impermeable gasket layer, the region where the cross leak occurs can be minimized, It has also been found that the amount of oxygen cross-leakage can be suppressed to a minimum, so that oxidative deterioration of the electrolyte membrane can be effectively suppressed. More specifically, as shown in FIG. 3A, an MEA (the upper stage in FIG. 3A) having an effective cathode catalyst layer size of 25 cm 2 and an effective anode catalyst layer size of 26 cm 2 , and an effective cathode catalyst layer In both cases, the MEA having a size of 26 cm 2 and an effective anode catalyst layer size of 25 cm 2 (lower part of FIG. 3A) has an effective catalyst layer area when incorporated in the fuel cell stack, that is, the smaller area, ie, In the above case, it is 25 cm 2 . On the other hand, oxygen cross-leakage depends on the area of the effective cathode catalyst layer to which oxygen is supplied because oxygen cross-leaks from the cathode catalyst layer side to the anode catalyst layer side. That is, as shown in FIG. 3B, in the MEA in which the size of the effective cathode catalyst layer is 25 cm 2 and the size of the effective anode catalyst layer is 26 cm 2 (the upper stage in FIG. 3B), the oxygen crossover region is 25 cm 2 . However, in the MEA in which the size of the effective cathode catalyst layer is 26 cm 2 and the size of the effective anode catalyst layer is 25 cm 2 (the lower stage in FIG. 3B), the oxygen crossover region is 26 cm 2 . For this reason, the MEA in the upper part of FIGS. 3A and 3B where the effective catalyst layer area and the area of the oxygen crossover region are the same, the MEA in the upper part of FIGS. 3A and 3B has a smaller effective catalyst layer area than the area of the oxygen crossover region. Compared with MEA, oxygen cross-leak from the cathode catalyst layer side to the anode catalyst layer side, and hence oxidative degradation of the electrolyte membrane, can be significantly suppressed.

さらに、本発明者らは、上記構成をとることによって、カソード触媒層が存在せずアノード触媒層のみが存在する周囲部をガス不透過性のガスケット層でシールして、特にカソード触媒層端部で顕著に起こっていたカソードからアノードへの酸素のクロスリークを抑制して、当該領域でのアノード側での過酸化水素の生成を有意に抑えることができ、これにより電解質膜の劣化を効果的に防止/抑制することができることをも見出した。   Further, the present inventors adopt the above-described configuration to seal the periphery where only the anode catalyst layer is present without the cathode catalyst layer with a gas-impermeable gasket layer, and particularly at the end of the cathode catalyst layer. It is possible to suppress the oxygen cross-leak from the cathode to the anode, which was prominent in the process, and to significantly suppress the production of hydrogen peroxide on the anode side in this region, thereby effectively degrading the electrolyte membrane. It has also been found that it can be prevented / suppressed.

上記知見に加えて、本発明者らは、触媒層の端部または周囲部にガスケット層を形成する際に、接着剤(特に、ホットメルト系接着剤)を用いることによってガスケット層によるシールとガスケット層の形成がより高精度に行われうることを見出した。   In addition to the above findings, the present inventors have used a gasket layer for sealing and gasketing by using an adhesive (especially a hot-melt adhesive) when forming a gasket layer at the end or periphery of the catalyst layer. It has been found that the layer formation can be performed with higher accuracy.

これらの知見に基づいて、本発明を完成するに至った。   Based on these findings, the present invention has been completed.

すなわち、上記目的は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の側に配置された、カソード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の側に配置された、アノード触媒層と、前記有効アノード触媒層の面積が前記有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように、前記カソード触媒層の端部に形成された、第一のガスケット層と、を有する、電解質膜−電極接合体によって達成される。   That is, the object is to provide a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer disposed on one side of the polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane, An electrolyte membrane-electrode assembly having a first gasket layer formed at an end of the cathode catalyst layer so that an area of the effective anode catalyst layer is larger than an area of the effective cathode catalyst layer Achieved by:

また、上記目的は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に配置された、カソード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の側に形成された、アノード触媒層と、前記カソード触媒層の端部または周囲部の少なくとも一部に形成された、第一のガス不透過層に第一の接着剤層が形成されてなる第一のガスケット層と、を有し、かつアノード触媒層の面積がカソード触媒層の面積よりも大きい、電解質膜−電極接合体によっても達成される。   Further, the object is to provide a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer formed on the other side of the polymer electrolyte membrane, A first gasket layer formed on at least a part of an end portion or a peripheral portion of the cathode catalyst layer and having a first adhesive layer formed on a first gas-impermeable layer; and It is also achieved by an electrolyte membrane-electrode assembly in which the area of the anode catalyst layer is larger than the area of the cathode catalyst layer.

本発明の電解質膜−電極接合体は、起動停止/連続運転中のカソード触媒のカーボン腐食やOCV保持時の電解質膜の分解が有効に防止/抑制できる。   The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can effectively prevent / suppress carbon corrosion of the cathode catalyst during start / stop / continuous operation and decomposition of the electrolyte membrane during OCV holding.

また、本発明の製造方法によれば、上記のような効果を奏する電解質膜−電極接合体を容易にかつ正確に製造しうる。   Moreover, according to the manufacturing method of this invention, the electrolyte membrane-electrode assembly which has the above effects can be manufactured easily and correctly.

本発明の第一は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の側に配置された、カソード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の側に配置された、アノード触媒層と、前記有効アノード触媒層の面積が前記有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように、前記カソード触媒層の端部に形成された、第一のガスケット層と、を有する、電解質膜−電極接合体に関する。なお、本明細書では、カソード触媒層の端部に形成・配置されるガスケット層を、単に「第一のガスケット層」と称する。   The first of the present invention is a polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer disposed on one side of the polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane, A first gasket layer formed at an end of the cathode catalyst layer so that an area of the effective anode catalyst layer is larger than an area of the effective cathode catalyst layer. About the body. In the present specification, the gasket layer formed and arranged at the end of the cathode catalyst layer is simply referred to as “first gasket layer”.

本明細書において、「有効アノード触媒層」とは、アノード触媒層のうち、運転(発電)時に2H→4H+4eの反応が起こる領域を意味し、具体的には、ガスケット層と重複しないアノード触媒層領域であり、単に「アノード触媒層」と称する場合には、高分子電解質膜上に形成されたすべてのアノード触媒層を意味し、即ち、上記有効アノード触媒層に加えて、以下で詳述するが第二のガスケット層との重複部分をも含む。また、アノード触媒層については、第二のガスケット層とアノード触媒層が重ならない場合も存在し、その場合は、「有効アノード触媒層」と「アノード触媒層」は等しくなる。このような例としては、例えば、図10に示されるような例が挙げられる。より詳細には、図10に示されるように、電解質膜上に、アノード触媒層及び第二のガスケット層が、対向する端部が離れた状態で配置される。このような場合には、電解質膜上に形成されたアノード触媒層がそのまま有効アノード触媒層となる。 In the present specification, the “effective anode catalyst layer” means a region in the anode catalyst layer where a reaction of 2H 2 → 4H + + 4e occurs during operation (power generation), and specifically, overlaps with the gasket layer. When the anode catalyst layer region is simply referred to as the “anode catalyst layer”, it means all anode catalyst layers formed on the polymer electrolyte membrane, that is, in addition to the effective anode catalyst layer, As will be described in detail below, an overlapping portion with the second gasket layer is also included. As for the anode catalyst layer, there is a case where the second gasket layer and the anode catalyst layer do not overlap each other. In this case, the “effective anode catalyst layer” and the “anode catalyst layer” are equal. As such an example, for example, an example shown in FIG. 10 is given. More specifically, as shown in FIG. 10, the anode catalyst layer and the second gasket layer are disposed on the electrolyte membrane in a state where the opposite end portions are separated from each other. In such a case, the anode catalyst layer formed on the electrolyte membrane becomes an effective anode catalyst layer as it is.

また、本明細書において、「有効カソード触媒層」とは、カソード触媒層のうち、運転(発電)時にO+4H+4e→2HOの反応が起こる領域を意味し、具体的には、ガスケット層と重複しないカソード触媒層領域であり、単に「カソード触媒層」と称する場合には、高分子電解質膜上に形成されたすべてのカソード触媒層を意味し、即ち、上記有効カソード触媒層に加えて、第一のガスケット層との重複部分をも含む。 Further, in this specification, the “effective cathode catalyst layer” means a region in the cathode catalyst layer where O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O reaction occurs during operation (power generation), specifically, The cathode catalyst layer region that does not overlap with the gasket layer, and simply referred to as “cathode catalyst layer” means all cathode catalyst layers formed on the polymer electrolyte membrane, that is, the effective cathode catalyst layer. In addition, an overlapping portion with the first gasket layer is also included.

本発明の電解質膜−電極接合体(以下、単に「MEA」とも記載する。)は、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きくなるように、少なくともカソード触媒層の端部、好ましくはカソード触媒層及びアノード触媒層双方の端部がガス不透過性のガスケット層でシールされることを特徴とするものである。なお、本明細書では、面積とは幾何学的な面積を意味し、触媒等の表面積を意味するわけではない。このような構成により、アノード下流の空気存在部に対向するカソード触媒層領域の面積を低減できる、即ち、カソード電位と電解質電位との差が大きい部分を有意に低減できるため、カソード触媒層のカーボンの腐食が効果的に防止/抑制できる。また、少なくともカソード触媒層の端部(好ましくはカソード触媒層及びアノード触媒層双方の端部)をガス不透過性のガスケット層でシールしているため、酸素のクロスリークが特に顕著に起こるカソード触媒層が存在しないあるいはこのようなカソード触媒層領域を有意に低減できる。したがって、本発明のMEAは、カソード触媒層のみが存在する周囲部がほとんどまたは全く存在せず、カソード触媒層端部でのカソードからアノードへの酸素のクロスリークがほとんどまたは全く起こらない構造をとることができる。したがって、従来重大な問題となっていた電解質膜の劣化をも効果的に防止/抑制することができる。したがって、本発明の電解質膜−電極接合体を用いた燃料電池は、起動停止/連続運転時及びOCV時の性能を長期間維持でき、また、燃費も向上できる。さらに、本発明のMEAは、ガスケット層が、ガス不透過性のガス不透過層に接着剤層が形成されてなる構成を有することを特徴とする。このような接着剤の採用によって、後述の製造方法の欄において詳細に説明するように、触媒層の端部とガスケット層との間がきっちり(低いガス透過率で)シールされうる。よって本発明によれば、信頼性の高いMEAが提供されうる。   The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention (hereinafter also simply referred to as “MEA”) has at least the end portion of the cathode catalyst layer so that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer, Preferably, both ends of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are sealed with a gas-impermeable gasket layer. In the present specification, the area means a geometric area and does not mean a surface area of a catalyst or the like. With such a configuration, the area of the cathode catalyst layer region facing the air existing portion downstream of the anode can be reduced, i.e., the portion where the difference between the cathode potential and the electrolyte potential is large can be significantly reduced. Can be effectively prevented / suppressed. In addition, since at least the ends of the cathode catalyst layer (preferably the ends of both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer) are sealed with a gas-impermeable gasket layer, the cathode catalyst in which oxygen cross-leak occurs particularly markedly. No cathode layer or such cathode catalyst layer region can be significantly reduced. Therefore, the MEA of the present invention has a structure in which there is little or no surrounding portion where only the cathode catalyst layer exists, and little or no oxygen cross leak from the cathode to the anode at the end of the cathode catalyst layer occurs. be able to. Therefore, it is possible to effectively prevent / suppress deterioration of the electrolyte membrane, which has been a serious problem in the past. Therefore, the fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can maintain the performance during start / stop / continuous operation and OCV for a long period of time, and can also improve fuel efficiency. Furthermore, the MEA of the present invention is characterized in that the gasket layer has a configuration in which an adhesive layer is formed on a gas-impermeable gas-impermeable layer. By adopting such an adhesive, as will be described in detail in the section of the manufacturing method described later, the end portion of the catalyst layer and the gasket layer can be tightly sealed (with a low gas permeability). Therefore, according to the present invention, a highly reliable MEA can be provided.

本発明において、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積よりも大きくなることが必須の要件であるが、この際、有効アノード触媒層と有効カソード触媒層との位置関係は、特に制限されないが、図32(a)のように、MEAの厚み方向に対して、有効アノード触媒層内に有効カソード触媒層が完全に含まれる場合;または図32(b)のように、MEAの厚み方向に対して、有効カソード触媒層が部分的に有効アノード触媒層内に含まれる場合のいずれであってもよいが、前者の場合がより好ましい。同様にして、各触媒層の位置関係に関しても、特に制限されないが、図32(a)のように、MEAの厚み方向に対して、アノード触媒層内にカソード触媒層が完全に含まれる場合;図32(b)のように、MEAの厚み方向に対して、カソード触媒層が部分的にアノード触媒層内に含まれる場合;または図32(c)のように、MEAの厚み方向に対して、カソード触媒層がアノード触媒層と同位置に配置される場合のいずれであってもよいが、カソード触媒層がアノード触媒層と同位置に配置される場合及びアノード触媒層内にカソード触媒層が完全に含まれる場合がより好ましく、アノード触媒層内にカソード触媒層が完全に含まれる場合が特に好ましい。   In the present invention, it is an essential requirement that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer. At this time, the positional relationship between the effective anode catalyst layer and the effective cathode catalyst layer is particularly limited. However, when the effective cathode catalyst layer is completely included in the effective anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. 32A; or the thickness of the MEA as shown in FIG. Any of the cases where the effective cathode catalyst layer is partially included in the effective anode catalyst layer with respect to the direction may be used, but the former case is more preferable. Similarly, the positional relationship between the catalyst layers is not particularly limited, but when the cathode catalyst layer is completely included in the anode catalyst layer in the MEA thickness direction as shown in FIG. 32A; When the cathode catalyst layer is partially included in the anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. 32B; or with respect to the thickness direction of the MEA as shown in FIG. The cathode catalyst layer may be disposed at the same position as the anode catalyst layer. However, when the cathode catalyst layer is disposed at the same position as the anode catalyst layer, the cathode catalyst layer is disposed in the anode catalyst layer. The case where the cathode catalyst layer is completely included is more preferable, and the case where the cathode catalyst layer is completely included in the anode catalyst layer is particularly preferable.

本発明において、第一のガスケット層は、カソード触媒層の周辺部と重複するまたは接するように、カソード触媒層の周辺部から外側に向かって高分子電解質膜上に形成される。このような構成により、高分子電解質膜の劣化を有効に防止/抑制することができる。また、カソード触媒層の端部と第一のガスケット層との位置関係は、カソード触媒層の端部でのガス、特に酸素ガスの透過を十分抑制できるような関係であれば特に制限されない。例えば、第一のガスケット層を、第一のガスケット層の端部がカソード触媒層の端部で被覆されるように、カソード触媒層と高分子電解質膜との間に挿入する、及び第一のガスケット層を、カソード触媒層の端部を被覆するように形成するなどの位置関係が好ましく使用できる。なお、本発明において、第一のガスケット層は、電解質膜の周辺部の少なくとも一部を被覆して形成されるが、アノード触媒層の端部での水素のクロスリーク抑制に伴う燃費向上の観点から、周辺部のガスシール性が保たれていることが好ましく、従って、第一のガスケット層は、電解質膜の全周辺部にわたって額縁状に形成されることが好ましい。   In the present invention, the first gasket layer is formed on the polymer electrolyte membrane from the periphery of the cathode catalyst layer toward the outside so as to overlap or be in contact with the periphery of the cathode catalyst layer. With such a configuration, deterioration of the polymer electrolyte membrane can be effectively prevented / suppressed. The positional relationship between the end of the cathode catalyst layer and the first gasket layer is not particularly limited as long as the permeation of gas, particularly oxygen gas, at the end of the cathode catalyst layer can be sufficiently suppressed. For example, the first gasket layer is inserted between the cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane such that the end of the first gasket layer is covered with the end of the cathode catalyst layer, and the first A positional relationship such as forming the gasket layer so as to cover the end of the cathode catalyst layer can be preferably used. In the present invention, the first gasket layer is formed so as to cover at least a part of the peripheral portion of the electrolyte membrane. From the viewpoint of improving fuel consumption due to suppression of hydrogen cross leak at the end of the anode catalyst layer. Therefore, it is preferable that the gas sealability of the peripheral portion is maintained, and therefore the first gasket layer is preferably formed in a frame shape over the entire peripheral portion of the electrolyte membrane.

本発明では、第一のガスケット層をカソード触媒層の端部に形成することを必須の構成要件とするが、アノード触媒層側の端部または周囲部にもガスケット層をさらに形成することが好ましい。ここで、「端部にガスケット層を形成する」とは、カソード/アノード触媒層と第一/第二のガスケット層が厚み方向に対して重なることまたはカソード/アノード触媒層の端部と第一/第二のガスケット層の端部とが隣接することを意味し、触媒層の内端部とガスケット層の端部との間には間隙を生じさせない。このような構造をとることによって、高分子電解質膜の劣化の防止/抑制効果が有効に達成できる。他方、「周囲部にガスケット層を形成する」とは、アノード触媒層と第二のガスケット層が厚み方向に対して重ならないことを意味する。すなわち、本発明のMEAの好ましい形態としては、カソード触媒層、高分子電解質膜及びアノード触媒層を有する電解質膜−電極接合体において、カソード触媒層の少なくとも一部に第一のガスケット層が形成されかつアノード触媒層の端部の少なくとも一部に第二のガスケット層が形成され、該第一及び第二のガスケット層は、第二のガスケット層が形成されないアノード触媒層領域の面積が第一のガスケット層が形成されないカソード触媒層領域の面積より大きくなるように、カソード触媒層及びアノード触媒層の端部に形成されることを特徴とする電解質膜−電極接合体がある。このように、アノード触媒層側の端部にもガスケット層を形成することで、有効カソード触媒層と有効アノード触媒層との位置合わせが正確にかつ容易に行なえ、起動停止/連続運転中のカソード触媒のカーボン腐食やOCV保持時の電解質膜の分解が有効に防止/抑制できるからである。なお、本明細書では、このアノード触媒層の端部に形成されるガスケット層を、単に「第二のガスケット層」と称する。   In the present invention, it is essential to form the first gasket layer at the end portion of the cathode catalyst layer, but it is preferable to further form a gasket layer at the end portion or the peripheral portion on the anode catalyst layer side. . Here, “the gasket layer is formed at the end” means that the cathode / anode catalyst layer and the first / second gasket layer overlap each other in the thickness direction or the end of the cathode / anode catalyst layer and the first / This means that the end of the second gasket layer is adjacent, and no gap is generated between the inner end of the catalyst layer and the end of the gasket layer. By taking such a structure, the effect of preventing / suppressing deterioration of the polymer electrolyte membrane can be effectively achieved. On the other hand, “form a gasket layer on the periphery” means that the anode catalyst layer and the second gasket layer do not overlap in the thickness direction. That is, as a preferred embodiment of the MEA of the present invention, in the electrolyte membrane-electrode assembly having the cathode catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the anode catalyst layer, the first gasket layer is formed on at least a part of the cathode catalyst layer. And a second gasket layer is formed on at least a part of the end of the anode catalyst layer, and the first and second gasket layers have an area of the anode catalyst layer region where the second gasket layer is not formed. There is an electrolyte membrane-electrode assembly formed on the end portions of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer so as to be larger than the area of the cathode catalyst layer region where the gasket layer is not formed. Thus, by forming a gasket layer also at the end on the anode catalyst layer side, the effective cathode catalyst layer and the effective anode catalyst layer can be accurately and easily aligned, and the cathode during start / stop / continuous operation can be obtained. This is because carbon corrosion of the catalyst and decomposition of the electrolyte membrane during OCV retention can be effectively prevented / suppressed. In the present specification, the gasket layer formed at the end of the anode catalyst layer is simply referred to as “second gasket layer”.

この際、第二のガスケット層は、アノード触媒層の端部のうち、少なくとも一部と重複するように、アノード触媒層の周辺部から外側に向かって高分子電解質膜上に形成することが望ましい。しかしながら、カソード触媒層とアノード触媒層との位置合わせの容易さやガス(水素や酸素)のシール性などを考慮すると、アノード触媒層の端部全域にわたって形成されることがより好ましい。また、アノード触媒層の端部と第二のガスケット層との位置関係は、アノード触媒層の端部でのガスの透過を十分抑制できるような関係であれば特に制限されない。例えば、第二のガスケット層を、第二のガスケット層の端部がアノード触媒層の端部で被覆されるように、アノード触媒層と高分子電解質膜との間に挿入する、及び第二のガスケット層を、アノード触媒層の端部を被覆するように形成するなどの位置関係が好ましく使用できる。なお、本発明において、第二のガスケット層は、電解質膜の周辺部の少なくとも一部を被覆して形成されるが、アノード触媒層の端部での水素のクロスリーク抑制に伴う燃費向上の観点から、周辺部のガスシール性が保たれていることが好ましく、したがって、第二のガスケット層もまた、第一のガスケット層の場合と同様、アノード触媒層の端部に形成される、すなわち、電解質膜の全周辺部にわたって額縁状に形成されることが好ましい。   At this time, the second gasket layer is preferably formed on the polymer electrolyte membrane from the periphery of the anode catalyst layer toward the outside so as to overlap at least a part of the end of the anode catalyst layer. . However, in consideration of the ease of alignment between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer and the gas (hydrogen or oxygen) sealability, it is more preferable that the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer be formed over the entire end portion of the anode catalyst layer. The positional relationship between the end of the anode catalyst layer and the second gasket layer is not particularly limited as long as the permeation of gas at the end of the anode catalyst layer can be sufficiently suppressed. For example, a second gasket layer is inserted between the anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane such that the end of the second gasket layer is covered with the end of the anode catalyst layer, and the second A positional relationship such as forming the gasket layer so as to cover the end of the anode catalyst layer can be preferably used. In the present invention, the second gasket layer is formed so as to cover at least a part of the periphery of the electrolyte membrane. From the viewpoint of improving fuel consumption due to suppression of hydrogen cross leak at the end of the anode catalyst layer. Therefore, it is preferable that the gas sealability of the peripheral part is maintained, and therefore the second gasket layer is also formed at the end of the anode catalyst layer as in the case of the first gasket layer, that is, It is preferable to form a frame shape over the entire periphery of the electrolyte membrane.

上記第一及び第二のガスケット層の形成の組み合わせは、特に制限されないが、上記好ましい例示のいずれの組み合わせであってもよい。好ましくは、(1)第一のガスケット層がカソード触媒層の端部で被覆されるようにカソード触媒層と高分子電解質膜との間に形成され、かつ第二のガスケット層がアノード触媒層の端部で被覆されるようにアノード触媒層と高分子電解質膜との間に形成される;(2)第一のガスケット層がカソード触媒層の端部を被覆するように形成され、かつ第二のガスケット層がアノード触媒層の端部を被覆するように形成される;または(3)第一のガスケット層がカソード触媒層の端部で被覆されるようにカソード触媒層と高分子電解質膜との間に形成され、かつ第二のガスケット層がアノード触媒層の端部を被覆するように形成される組み合わせが好ましい。上記組み合わせのうち、短絡(アノード/カソード両触媒層の接触)を有効に防止できる及びカーボンの腐食が起こり難いという意味では、アノード触媒層および/またはカソード触媒層と電解質膜との間に、第一または第二のガスケット層の少なくとも一方が挿入されていることが好ましい。この点では、(1)及び(3)の組み合わせが好ましい。また、カーボンの腐食の抑制効果はやや劣るものの、製造は容易であるという点では、上記(2)の組み合わせが好ましく使用される。   The combination of forming the first and second gasket layers is not particularly limited, and may be any combination of the preferred examples. Preferably, (1) the first gasket layer is formed between the cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane so that the first gasket layer is covered with the end of the cathode catalyst layer, and the second gasket layer is the anode catalyst layer. Formed between the anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane to be covered at the end; (2) a first gasket layer is formed to cover the end of the cathode catalyst layer; And (3) a cathode catalyst layer and a polymer electrolyte membrane so that the first gasket layer is covered with the end of the cathode catalyst layer. And a combination in which the second gasket layer is formed so as to cover the end of the anode catalyst layer. Among the above combinations, in the sense that the short circuit (contact between the anode / cathode catalyst layers) can be effectively prevented and the corrosion of the carbon hardly occurs, It is preferable that at least one of the first or second gasket layer is inserted. In this respect, the combination of (1) and (3) is preferable. Moreover, although the effect of suppressing the corrosion of carbon is somewhat inferior, the combination of the above (2) is preferably used in terms of easy production.

また、本発明では、カソード触媒層の端部に第一のガスケット層、及び好ましくはアノード触媒層の端部に第二のガスケット層を形成することによって有効アノード触媒層及び有効カソード触媒層を容易にかつ正確に調節できる。このため、各触媒層の端部が電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して同位置で終結するように、各触媒層を予め正確に位置合わせしなければいけない必要がないため、工業的な大量生産を考慮すると非常に望ましい。即ち、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部は、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結していてもよいが、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部の位置がずれていてもよい。このような場合であっても、ガスケット層を、各触媒層が所望の大きさ及び位置関係にあるように、触媒層端部に適宜形成すればよいからである。この際、アノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、カソード触媒層の端部を越えて終結することが好ましい。上述したように、本発明では、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きいことが必須であるため、このようにカソード触媒層を予めアノード触媒層の大きさより小さくしておくことにより、使用する触媒や電解質の量を少なく抑えられ、また、ガスケット層部分との重複も少なくできるため、経済的に好ましい。   In the present invention, the effective anode catalyst layer and the effective cathode catalyst layer can be easily formed by forming the first gasket layer at the end of the cathode catalyst layer, and preferably the second gasket layer at the end of the anode catalyst layer. Can be adjusted accurately and accurately. For this reason, it is not necessary to accurately align each catalyst layer in advance so that the end of each catalyst layer terminates at the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. This is highly desirable when considering mass production. That is, the end portion of the cathode catalyst layer and the end portion of the anode catalyst layer may be terminated at substantially the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. The position of the end of the catalyst layer may be shifted. This is because even in such a case, the gasket layer may be appropriately formed at the end of the catalyst layer so that each catalyst layer has a desired size and positional relationship. At this time, the end of the anode catalyst layer is preferably terminated beyond the end of the cathode catalyst layer in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. As described above, in the present invention, it is essential that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer, and thus the cathode catalyst layer is previously made smaller than the size of the anode catalyst layer. Therefore, the amount of the catalyst and electrolyte to be used can be reduced, and the overlap with the gasket layer portion can be reduced, which is economically preferable.

本発明の電解質膜−電極接合体においては、触媒層の端部とガスケット層、特に以下に詳述するガス不透過層の端部とがぴったり一致している必要はなく、ある程度の間隙が存在してもよい。かような場合であっても、ガス不透過性を示す接着剤層によって当該間隙が埋められれば、同様にガスケット層として機能し、本発明の作用効果が充分に発揮されうるためである。すなわち、本発明の電解質膜−電極接合体の好ましい形態においては、第一または第二のガス不透過層の内端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して触媒層の端部よりも外側に位置し、ガス不透過層の内端部と触媒層の外端部との間に接着剤層が配置される(請求項9)。   In the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention, the end of the catalyst layer and the gasket layer, in particular, the end of the gas-impermeable layer described in detail below, do not need to be exactly aligned, and a certain amount of gap exists. May be. Even in such a case, if the gap is filled with the gas-impermeable adhesive layer, it functions similarly as a gasket layer, and the effects of the present invention can be sufficiently exhibited. That is, in a preferred embodiment of the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention, the inner end portion of the first or second gas-impermeable layer is the end portion of the catalyst layer with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. And an adhesive layer is disposed between the inner end of the gas-impermeable layer and the outer end of the catalyst layer.

また、本発明において、第二のガスケット層がさらにアノード触媒層の端部に形成されることが好ましい。これにより、アノード触媒層及びカソード触媒層の大きさを容易に制御できる;各触媒層の位置合わせが容易である;触媒層の端部をガスケット層でシールするため、起動時におけるアノード触媒層下流の空気存在部に対向するカソード触媒層領域、並びに連続運転時においてアノード触媒層がなく水素が酸化されない領域に対向するカソード触媒層領域を低減でき、カソード電位と電解質電位との差が大きくなる部分を少なくすることができるため、カソード触媒層のカーボンの腐食を効果的に防止/抑制することができる;およびカソード触媒層が存在せずアノード触媒層のみが存在する周囲部をガスケット層でシールして、カソード触媒層端部で顕著に起こりやすいカソードからアノードへの酸素のクロスリークを抑制して、当該領域でのアノード側での過酸化水素の生成を有意に抑えることができるため、電解質膜の劣化を効果的に防止/抑制することができる;などの利点が達成できる。この際、触媒層の端部とガスケット層の端部は重複していることが好ましく、この場合のカソード触媒層側に関しては、カソード触媒層の端部と第一のガスケット層との重複部分の長さ[図7中のA(mm)]は0超である(A>0)ことが好ましい。より好ましくは、当該長さAは、0.2〜2.0mm、最も好ましくは0.5〜1.5mmである。また、アノード触媒層側に関しては、アノード触媒層の端部と第二のガスケット層との重複部分の長さ[図7中のB(mm)]は0を超えかつ2mm以下である(0<B≦2)ことが好ましい。より好ましくは、当該長さBは、0.2〜2.0mm、最も好ましくは0.5〜1.5mmである。さらに、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対する、カソード触媒層の外端部とカソード触媒層の外端部を越えて終結するアノード触媒層の外端部との距離[図7中のC(mm)]は、前記Bより大きい(B<C)ことが好ましい。より好ましくは、当該長さCは、2.1〜4.0mm、最も好ましくは2.5〜3.5mmである。上記A及びBが上記範囲にあれば、触媒層端部のシール性が十分確保できる。   In the present invention, it is preferable that the second gasket layer is further formed at the end of the anode catalyst layer. Thereby, the sizes of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer can be easily controlled; the alignment of each catalyst layer is easy; the end of the catalyst layer is sealed with the gasket layer, and the downstream of the anode catalyst layer at the start-up time The cathode catalyst layer region that faces the air-existing portion of the catalyst and the cathode catalyst layer region that faces the region where there is no anode catalyst layer and hydrogen is not oxidized during continuous operation can be reduced, and the difference between the cathode potential and the electrolyte potential increases. Therefore, it is possible to effectively prevent / suppress carbon corrosion of the cathode catalyst layer; and to seal the periphery where only the anode catalyst layer exists without the cathode catalyst layer with the gasket layer. This suppresses the cross-leakage of oxygen from the cathode to the anode, which tends to occur remarkably at the end of the cathode catalyst layer, and For the production of hydrogen peroxide on the anode side can be suppressed significantly, it is possible to effectively prevent / suppress the deterioration of the electrolyte membrane; benefits such as can be achieved. At this time, it is preferable that the end portion of the catalyst layer and the end portion of the gasket layer are overlapped. In this case, with respect to the cathode catalyst layer side, the overlapping portion of the end portion of the cathode catalyst layer and the first gasket layer is the same. The length [A (mm) in FIG. 7] is preferably more than 0 (A> 0). More preferably, the length A is 0.2 to 2.0 mm, most preferably 0.5 to 1.5 mm. Further, regarding the anode catalyst layer side, the length [B (mm) in FIG. 7] of the overlapping portion between the end portion of the anode catalyst layer and the second gasket layer is more than 0 and 2 mm or less (0 < B ≦ 2) is preferred. More preferably, the length B is 0.2 to 2.0 mm, most preferably 0.5 to 1.5 mm. Further, the distance between the outer end portion of the cathode catalyst layer and the outer end portion of the anode catalyst layer that terminates beyond the outer end portion of the cathode catalyst layer in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly [C in FIG. mm)] is preferably larger than B (B <C). More preferably, the length C is 2.1 to 4.0 mm, most preferably 2.5 to 3.5 mm. If A and B are within the above ranges, sufficient sealing performance at the end of the catalyst layer can be secured.

本発明の電解質膜−電極接合体において、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対する、カソード触媒層の外端部と第二のガスケット層の内端部との距離[図7中のX(mm)]は0超である(X>0)ことが好ましい。より好ましくは、当該長さXは、0.1〜3.8mm、最も好ましくは1.0〜3.0mmである。このような範囲にあれば、後に詳述するように、MEA各層を接合する際のホットプレスや電池を組み立てる際の締結圧(MEAをセパレータで挟持する際にかかる圧縮圧力)などによる電解質膜の経時的な劣化を有効に抑制・防止でき、また、圧縮応力により膜がつぶれてカソード触媒層とアノード触媒層が接触して短絡する現象をも有効に抑制・防止できる。   In the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention, the distance between the outer end portion of the cathode catalyst layer and the inner end portion of the second gasket layer with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly [X (mm in FIG. )] Is preferably greater than 0 (X> 0). More preferably, the length X is 0.1 to 3.8 mm, most preferably 1.0 to 3.0 mm. If it is in such a range, as will be described in detail later, a hot press when joining each layer of MEA, a fastening pressure when assembling a battery (compression pressure applied when MEA is sandwiched between separators), etc. The deterioration over time can be effectively suppressed / prevented, and the phenomenon that the film is crushed by the compressive stress and the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer come into contact with each other can be effectively suppressed / prevented.

さらに、本発明の電解質膜−電極接合体において、第一のガスケット層および/または第二のガスケット層は、カソード/アノード触媒層の端部と重複する部分またはカソード/アノード触媒層の端部と接する部分は少なくともガス透過性を抑制する機能を有することが好ましい。このようにガスケット層にガス透過抑制/阻害機能を付与することによって、ガスケット層端部と触媒層端部との重複部分でのガスシール性(特に、カソード側での酸素ガスに対するシール性)をより向上することができる。ガスケット層へのガス透過抑制/阻害機能の付与方法は、特に制限されないが、例えば、下記に詳述するように、ガスケット層をガス不透過層及び接着剤層から構成する方法において、(1)触媒層及び電解質膜をホットプレスにより接合する際に、触媒層端部とガスケット層との重複部分に選択的に所定の厚みを有するシートを配置した後、熱圧着を行ない、当該重複部分にかかる熱圧着による圧力によって重複部分に接着剤層の接着剤を十分しみこませる方法;(2)当該重複部分において、接着剤層の厚さ若しくは接着剤層中に含まれる接着剤の量を適宜設定することにより、重複部分に接着剤層の接着剤がしみこむ量を制御する方法;(3)当該重複部分のガスケット層(ガス不透過層および/または接着剤層)に予め樹脂を含浸させておく方法;(4)当該重複部分の触媒層を予め密に形成する方法などが好ましく使用される。しかしながら、ガスケット層へのガス透過抑制/阻害機能の付与方法は上記方法に限定されるものではなく、他の公知の方法を適用してもよい。   Further, in the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention, the first gasket layer and / or the second gasket layer may overlap with the end of the cathode / anode catalyst layer or the end of the cathode / anode catalyst layer. It is preferable that the contacting portion has at least a function of suppressing gas permeability. By providing the gas permeation suppressing / inhibiting function to the gasket layer in this manner, gas sealing performance at the overlapping portion of the gasket layer end portion and the catalyst layer end portion (especially sealing performance against oxygen gas on the cathode side) can be achieved. It can be improved further. The method for imparting the gas permeation suppression / inhibition function to the gasket layer is not particularly limited. For example, as described in detail below, in the method of forming a gasket layer from a gas impermeable layer and an adhesive layer, (1) When joining the catalyst layer and the electrolyte membrane by hot pressing, after selectively placing a sheet having a predetermined thickness on the overlapping portion between the end portion of the catalyst layer and the gasket layer, thermocompression bonding is performed and the overlapping portion is applied. (2) In the overlapping portion, the thickness of the adhesive layer or the amount of the adhesive contained in the adhesive layer is appropriately set in the overlapping portion. (3) A gasket layer (gas-impermeable layer and / or adhesive layer) of the overlapping portion is impregnated with a resin in advance. And keep methods; (4) a method of preliminarily densely form the catalyst layer of the overlapping portion is preferably used. However, the method for imparting the gas permeation suppression / inhibition function to the gasket layer is not limited to the above method, and other known methods may be applied.

本発明の電解質膜−電極接合体は、公知の方法と同様にしてあるいは適宜修飾した方法を使用することにより製造できる。具体的には、高分子電解質膜上に、カソード触媒層、アノード触媒層及び第一のガスケット層、ならびに必要であれば第二のガスケット層を、適当な配列、例えば、上記したような配列で順次形成する方法が使用できる。   The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention can be produced in the same manner as a known method or by using a suitably modified method. Specifically, on the polymer electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, a first gasket layer, and, if necessary, a second gasket layer are arranged in an appropriate arrangement, for example, the arrangement described above. A sequential forming method can be used.

したがって、本発明の第二は、高分子電解質膜のカソード触媒層側表面に、第一のガスケット層を形成した後、該ガスケット層の端部とカソード触媒層の端部とが重なるように、カソード触媒層をさらに形成する工程;および高分子電解質膜のアノード触媒層側表面に、第二のガスケット層を形成した後、該ガスケット層の端部とアノード触媒層の端部とが重なるように、アノード触媒層をさらに形成する工程を有し、かつ第一のガスケット層及び第二のガスケット層は、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きくなるように形成されることを特徴とする、本発明のMEAの製造方法に関するものである。   Accordingly, in the second aspect of the present invention, after the first gasket layer is formed on the cathode catalyst layer side surface of the polymer electrolyte membrane, the end of the gasket layer and the end of the cathode catalyst layer overlap. A step of further forming a cathode catalyst layer; and, after forming the second gasket layer on the surface of the polymer electrolyte membrane on the anode catalyst layer side, the end of the gasket layer and the end of the anode catalyst layer overlap each other. A step of further forming an anode catalyst layer, and the first gasket layer and the second gasket layer are formed so that an area of the effective anode catalyst layer is larger than an area of the effective cathode catalyst layer. The present invention relates to a method for manufacturing an MEA according to the present invention.

また、本発明の第三は、高分子電解質膜のカソード触媒層側表面に、カソード触媒層を形成した後、該カソード触媒層の端部を被覆するように第一のガスケット層をさらに形成する工程;および高分子電解質膜のアノード触媒層側表面に、アノード触媒層を形成した後、該アノード触媒層の端部を被覆するように第二のガスケット層をさらに形成する工程を有し、かつ第一のガスケット層及び第二のガスケット層は、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きくなるように形成されることを特徴とする、本発明のMEAの製造方法に関するものである。   In the third aspect of the present invention, a cathode catalyst layer is formed on the cathode catalyst layer side surface of the polymer electrolyte membrane, and then a first gasket layer is further formed so as to cover the end of the cathode catalyst layer. And, after forming the anode catalyst layer on the anode catalyst layer side surface of the polymer electrolyte membrane, further forming a second gasket layer so as to cover the end of the anode catalyst layer, and The first gasket layer and the second gasket layer are related to the MEA manufacturing method of the present invention, characterized in that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer. is there.

さらに、本発明の第四は、高分子電解質膜のカソード触媒層側表面に、第一のガスケット層を形成した後、該ガスケット層の端部とカソード触媒層の端部とが重なるように、カソード触媒層をさらに形成する工程;および高分子電解質膜のアノード触媒層側表面に、アノード触媒層を形成した後、該アノード触媒層の端部を被覆するように第二のガスケット層をさらに形成する工程を有し、かつ第一のガスケット層及び第二のガスケット層は、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きくなるように形成されることを特徴とする、本発明のMEAの製造方法に関するものである。   Furthermore, in the fourth aspect of the present invention, after the first gasket layer is formed on the surface of the polymer electrolyte membrane on the cathode catalyst layer side, the end of the gasket layer and the end of the cathode catalyst layer are overlapped. A step of further forming a cathode catalyst layer; and, after forming an anode catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane on the anode catalyst layer side, further forming a second gasket layer so as to cover the end of the anode catalyst layer And the first gasket layer and the second gasket layer are formed such that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer. The present invention relates to an MEA manufacturing method.

本発明の方法によると、カソード触媒層、第一のガスケット層、アノード触媒層、及び必要であれば第二のガスケット層を、所望の順番で正確にかつ容易に配置できる。また、第一のガスケット層及び第二のガスケット層を、カソード触媒層及びアノード触媒層の端部にそれぞれ配置することによって、有効カソード触媒層及び有効アノード触媒層が所望の面積になるように正確に規定することができる。   According to the method of the present invention, the cathode catalyst layer, the first gasket layer, the anode catalyst layer, and, if necessary, the second gasket layer can be accurately and easily arranged in a desired order. In addition, by disposing the first gasket layer and the second gasket layer at the ends of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, respectively, the effective cathode catalyst layer and the effective anode catalyst layer can be accurately adjusted to have desired areas. Can be specified.

本発明の方法において、カソード触媒層の端部に第一のガスケット層、及び好ましくはアノード触媒層の端部に第二のガスケット層を形成するため、各触媒層の位置合わせが正確である必要は必ずしもない。即ち、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結していてもよいが、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部の位置がずれていてもよい。このような場合であっても、ガスケット層を、各触媒層が所望の大きさ及び位置にあるように、触媒層端部に適宜形成すればよいからである。この際、アノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、カソード触媒層の端部を越えて終結することが好ましい。上述したように、本発明では、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きいことが必須であるため、このようにカソード触媒層を予めアノード触媒層の大きさより小さくしておくことにより、使用する触媒や電解質の量を少なく抑えられ、また、ガスケット層部分との重複も少なくできるため、経済的に好ましい。   In the method of the present invention, the first gasket layer is formed at the end of the cathode catalyst layer, and preferably the second gasket layer is formed at the end of the anode catalyst layer, so that the alignment of each catalyst layer needs to be accurate. Is not necessarily. That is, the end of the cathode catalyst layer and the end of the anode catalyst layer may end at substantially the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. The position of the end of the catalyst layer may be shifted. This is because even in such a case, the gasket layer may be appropriately formed at the end of the catalyst layer so that each catalyst layer is in a desired size and position. At this time, the end of the anode catalyst layer is preferably terminated beyond the end of the cathode catalyst layer in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. As described above, in the present invention, it is essential that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer, and thus the cathode catalyst layer is previously made smaller than the size of the anode catalyst layer. Therefore, the amount of the catalyst and electrolyte to be used can be reduced, and the overlap with the gasket layer portion can be reduced, which is economically preferable.

例えば、上記本発明の第二の方法において、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結した場合には、カソード触媒層及びアノード触媒層の端部は、図4に示されるような構造となる。このような場合には、カソード及びアノード触媒層間にガスケット層が存在するため、後にガス拡散層などをプレスする際や、燃料電池スタックとして積層する際に触媒層の端部同士が接触してエッジ部の短絡が起こることを防止できるという利点がさらにある。また、上記本発明の第三の方法において、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結した場合には、カソード触媒層及びアノード触媒層の端部は、図5に示されるような構造となる。このような方法は、触媒層を形成した後にガスケット層を設けているため、上記図4の方法に比べて製造工程が簡便であり、また、有効触媒層領域の制御が正確にかつ容易に行なうことができ、さらに、ガスケット層で触媒層の周囲部をきっちり(低いガス透過率で)シールすることができるという利点がある。さらに、上記本発明の第四の方法において、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結した場合には、カソード触媒層及びアノード触媒層の端部は、図6に示されるような構造となる。上記したような構造は、上記本発明の第二及び第三で示された構造を組み合わせたものであり、即ち、カソード及びアノード触媒層間にガスケット層が存在するため、後にガス拡散層などをプレスする際のエッジ部の短絡が防止できる上、さらにアノード触媒層側をガスケット層でシールしているため、アノード触媒層側の有効触媒層面積を容易に制御できるため有効アノード触媒層の面積をより確実に有効カソード触媒層の面積より大きく設定することができる。なお、上記図6の逆のパターン、即ち、第一のガスケット層をカソード触媒層の端部を被覆するように形成し、かつ第二のガスケット層をアノード触媒層の端部で被覆されるようにアノード触媒層と高分子電解質膜との間に形成する方法も可能ではある。しかしながら、このような方法では、第二のガスケット層とアノード触媒層との重複部分に対向しかつ電解質膜と接触するカソード触媒層部分が存在することになる。このため、カソード電位と電解質電位との差が大きくなり、カーボン腐食反応が起こり、カソード触媒層における導電性担体であるカーボンブラックの腐食が進行し、触媒活性が低下してしまうおそれがあるため、このような方法はあまり好ましくない。   For example, in the second method of the present invention, when the end portion of the cathode catalyst layer and the end portion of the anode catalyst layer are terminated at substantially the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly, The ends of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have a structure as shown in FIG. In such a case, since a gasket layer exists between the cathode and anode catalyst layers, the edges of the catalyst layers come into contact with each other when the gas diffusion layer is pressed later or when the fuel cell stack is laminated. There is a further advantage that short circuit of the part can be prevented. In the third method of the present invention, when the end of the cathode catalyst layer and the end of the anode catalyst layer are terminated at substantially the same position with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly, The ends of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have a structure as shown in FIG. In such a method, since the gasket layer is provided after the formation of the catalyst layer, the manufacturing process is simpler than the method of FIG. 4 and the control of the effective catalyst layer region is performed accurately and easily. Furthermore, there is an advantage that the periphery of the catalyst layer can be tightly sealed (with a low gas permeability) by the gasket layer. Furthermore, in the fourth method of the present invention, when the end of the cathode catalyst layer and the end of the anode catalyst layer are terminated at substantially the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly, The ends of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer have a structure as shown in FIG. The structure as described above is a combination of the structures shown in the second and third aspects of the present invention. That is, since a gasket layer exists between the cathode and anode catalyst layers, a gas diffusion layer or the like is pressed later. In addition, the edge of the anode catalyst layer can be prevented and the anode catalyst layer side is sealed with a gasket layer, so that the effective catalyst layer area on the anode catalyst layer side can be easily controlled, so that the effective anode catalyst layer area can be further increased. It can be surely set larger than the area of the effective cathode catalyst layer. The reverse pattern of FIG. 6, that is, the first gasket layer is formed so as to cover the end portion of the cathode catalyst layer, and the second gasket layer is covered with the end portion of the anode catalyst layer. It is also possible to form the anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane. However, in such a method, there is a cathode catalyst layer portion facing the overlapping portion of the second gasket layer and the anode catalyst layer and in contact with the electrolyte membrane. For this reason, the difference between the cathode potential and the electrolyte potential is increased, a carbon corrosion reaction occurs, and the corrosion of carbon black, which is a conductive carrier in the cathode catalyst layer, progresses, and the catalytic activity may be reduced. Such a method is less preferred.

また、上記本発明の第二の方法において、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部の位置が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ずれている場合には、カソード触媒層及びアノード触媒層の端部は、図7に示されるような構造となる。このような場合には、各触媒層の端部が正確に位置合わせされていない場合にも、ガスケット層の配置によって各有効触媒層の面積を自由に設定でき、製造工程がより簡便になるという利点がある上、カソード及びアノード触媒層間にガスケット層が存在するため、後にガス拡散層などをプレスする際や、燃料電池スタックとして積層する際のエッジ部の短絡が防止できるという利点がさらにある。また、上記本発明の第三の方法において、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部の位置が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ずれている場合には、カソード触媒層及びアノード触媒層の端部は、図8に示されるような構造となる。このような方法は、上記第二の方法で述べたのと同様、製造工程の簡便化の利点に加えて、触媒層を形成した後にガスケット層を設けているため、上記図4の方法に比べて製造工程が簡便であり、また、有効触媒層領域の制御が正確にかつ容易に行なうことができ、さらに、ガスケット層で触媒層をきっちり(低いガス透過率で)シールすることができるという利点がある。さらに、上記本発明の第四の方法において、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部の位置が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ずれている場合には、カソード触媒層及びアノード触媒層の端部は、図9に示されるような構造となる。上記したような構造は、上記第二の方法で述べたのと同様、製造工程の簡便化の利点に加えて、カソード及びアノード触媒層間にガスケット層が存在するため、後にガス拡散層などをプレスする際や、燃料電池スタックとして積層する際のエッジ部の短絡が防止できる上、さらにアノード触媒層側をガスケット層でシールしているため、アノード触媒層側の有効触媒層面積を容易に制御できるため有効アノード触媒層の面積をより確実に有効カソード触媒層の面積より大きく設定することができる。   Further, in the second method of the present invention, when the positions of the end portions of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are shifted with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly, The ends of the catalyst layer and the anode catalyst layer have a structure as shown in FIG. In such a case, even when the end portions of the catalyst layers are not accurately aligned, the area of each effective catalyst layer can be freely set by the arrangement of the gasket layer, and the manufacturing process is simpler. In addition to the advantages, since the gasket layer is present between the cathode and anode catalyst layers, there is an additional advantage that short-circuiting of the edge portion can be prevented when the gas diffusion layer or the like is later pressed or laminated as a fuel cell stack. In the third method of the present invention, when the position of the end of the cathode catalyst layer and the end of the anode catalyst layer are shifted with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly, The ends of the catalyst layer and the anode catalyst layer have a structure as shown in FIG. In the same way as described in the second method, in addition to the advantage of simplifying the manufacturing process, such a method is provided with a gasket layer after forming the catalyst layer. The manufacturing process is simple, the effective catalyst layer region can be controlled accurately and easily, and the catalyst layer can be tightly sealed (with low gas permeability) by the gasket layer. There is. Furthermore, in the fourth method of the present invention, when the positions of the end of the cathode catalyst layer and the end of the anode catalyst layer are shifted with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly, The ends of the catalyst layer and the anode catalyst layer have a structure as shown in FIG. As described in the second method, the structure as described above has an advantage of simplifying the manufacturing process and a gasket layer between the cathode and anode catalyst layers. In addition, it is possible to prevent a short circuit at the edge when stacking as a fuel cell stack, and the anode catalyst layer side is sealed with a gasket layer, so that the effective catalyst layer area on the anode catalyst layer side can be easily controlled. Therefore, the area of the effective anode catalyst layer can be set more reliably than the area of the effective cathode catalyst layer.

本発明の方法、特にカソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部の位置が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ずれている場合の本発明の第二〜第四の方法において、カソード触媒層の端部と有効アノード触媒層の端部との間のギャップは可能な限り存在しない(例えば、図7において、「X」が0に近い)ことが好ましい。これは、このようなギャップ部分が存在すると、この部分で発生した電子(e)とプロトン(H)がカソード触媒層側に移行しても、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きいので、このプロトンおよび電子はカソード側で酸素と効率よく反応することができずに、有効に触媒作用が働かないためである。このようなことを考慮すると、カソード触媒層の端部と有効アノード触媒層の端部との間のギャップ部分の幅(X)は、1cm以下、より好ましくは3mm以下であることが好ましい。 The method of the present invention, particularly the second to fourth aspects of the present invention when the positions of the end portions of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are shifted with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. In the method, it is preferred that there is as little gap as possible between the end of the cathode catalyst layer and the end of the effective anode catalyst layer (eg, “X” is close to 0 in FIG. 7). If such a gap portion exists, even if electrons (e ) and protons (H + ) generated in this portion move to the cathode catalyst layer side, the area of the effective anode catalyst layer is the effective cathode catalyst layer. This is because the protons and electrons cannot efficiently react with oxygen on the cathode side, and the catalytic action does not work effectively. In consideration of this, the width (X) of the gap portion between the end portion of the cathode catalyst layer and the end portion of the effective anode catalyst layer is preferably 1 cm or less, more preferably 3 mm or less.

本発明において、カソード触媒層に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、アノード触媒層に用いられる触媒成分もまた、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が30〜90原子%、合金化する金属が10〜70原子%とするのがよい。カソード触媒をして合金を使用する場合の合金の組成は、合金化する金属の種類などによって異なり、当業者が適宜選択できるが、白金が30〜90原子%、合金化する他の金属が10〜70原子%とすることが好ましい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、カソード触媒層に用いられる触媒成分及びアノード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択できる。以下の説明では、特記しない限り、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義であり、一括して、「触媒成分」と称する。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層用の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択される。   In the present invention, the catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxygen reduction reaction, and known catalysts can be used in the same manner. Further, the catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it is selected from platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and the like, and alloys thereof. Is done. Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. The composition of the alloy is preferably 30 to 90 atomic% for platinum and 10 to 70 atomic% for the metal to be alloyed, depending on the type of metal to be alloyed. The composition of the alloy when the alloy is used as a cathode catalyst varies depending on the type of metal to be alloyed and can be appropriately selected by those skilled in the art, but platinum is 30 to 90 atomic%, and other metals to be alloyed are 10 It is preferable to set it to -70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for an element obtained by adding one or more metal elements or non-metal elements to a metal element and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of component elements that form separate crystals, a component element that completely dissolves into a solid solution, and a component element that is an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be used in the present application. At this time, the catalyst component used for the cathode catalyst layer and the catalyst component used for the anode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the following description, unless otherwise specified, the description of the catalyst component for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer has the same definition for both, and is collectively referred to as “catalyst component”. However, the catalyst components for the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer do not need to be the same, and are appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状及び大きさが使用できるが、触媒成分は、粒状であることが好ましい。この際、触媒インクに用いられる触媒粒子の平均粒子径は、小さいほど電気化学反応が進行する有効電極面積が増加するため酸素還元活性も高くなり好ましいが、実際には平均粒子径が小さすぎると却って酸素還元活性が低下する現象が見られる。従って、触媒インクに含まれる触媒粒子の平均粒子径は、1〜30nm、より好ましくは1.5〜20nm、さらにより好ましくは2〜10nm、特に好ましくは2〜5nmの粒状であることが好ましい。担持の容易さという観点から1nm以上であることが好ましく、触媒利用率の観点から30nm以下であることが好ましい。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径あるいは透過型電子顕微鏡像より調べられる触媒成分の粒子径の平均値により測定することができる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be used, but the catalyst component is preferably granular. At this time, the smaller the average particle diameter of the catalyst particles used in the catalyst ink, the higher the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds, which is preferable because the oxygen reduction activity is also high, but in practice the average particle diameter is too small. On the other hand, a phenomenon in which the oxygen reduction activity decreases is observed. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles contained in the catalyst ink is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1.5 to 20 nm, still more preferably 2 to 10 nm, and particularly preferably 2 to 5 nm. It is preferably 1 nm or more from the viewpoint of easy loading, and preferably 30 nm or less from the viewpoint of catalyst utilization. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the average value of the particle diameter of the catalyst component determined from the crystallite diameter or transmission electron microscope image obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction. Can be measured.

本発明において、上述した触媒粒子は導電性担体に担持された電極触媒として触媒インクに含まれる。   In the present invention, the catalyst particles described above are included in the catalyst ink as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.

前記導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、本発明において「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   The conductive carrier may have any specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Preferably there is. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. In the present invention, “the main component is carbon” refers to containing a carbon atom as a main component, and is a concept including both a carbon atom only and a substantially carbon atom. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed.

前記導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gとするのがよい。前記比表面積が、20m/g未満であると前記導電性担体への触媒成分および高分子電解質の分散性が低下して十分な発電性能が得られない恐れがあり、1600m/gを超えると触媒成分および高分子電解質の有効利用率が却って低下する恐れがある。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Is good. If the specific surface area is less than 20 m 2 / g, the dispersibility of the catalyst component and the polymer electrolyte in the conductive support may be reduced, and sufficient power generation performance may not be obtained, and the specific surface area exceeds 1600 m 2 / g. In addition, the effective utilization rate of the catalyst component and the polymer electrolyte may decrease instead.

また、前記導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, the catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm. The thickness is preferably about 10 to 100 nm.

前記導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%とするのがよい。前記担持量が、80質量%を超えると、触媒成分の導電性担体上での分散度が下がり、担持量が増加するわりに発電性能の向上が小さく経済上での利点が低下する恐れがある。また、前記担持量が、10質量%未満であると、単位質量あたりの触媒活性が低下して所望の発電性能を得るために多量の電極触媒が必要となり好ましくない。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass with respect to the total amount of the electrode catalyst. Good. If the loading amount exceeds 80% by mass, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive support is lowered, and although the loading amount is increased, the improvement in power generation performance is small and the economic advantage may be lowered. On the other hand, if the loading amount is less than 10% by mass, the catalytic activity per unit mass is lowered, and a large amount of electrode catalyst is required to obtain the desired power generation performance, which is not preferable. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

本発明のカソード触媒層/アノード触媒層(以下、単に「触媒層」とも称する)には、電極触媒の他に、高分子電解質が含まれる。前記高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。この際使用できる高分子電解質は、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質とに大別される。   The cathode catalyst layer / anode catalyst layer (hereinafter also simply referred to as “catalyst layer”) of the present invention contains a polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited and a known one can be used, but any member having at least high proton conductivity may be used. The polymer electrolyte that can be used in this case is roughly classified into a fluorine-based electrolyte that contains fluorine atoms in the whole or a part of the polymer skeleton and a hydrocarbon-based electrolyte that does not contain fluorine atoms in the polymer skeleton.

前記フッ素系電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine electrolyte include perfluorocarbon sulfonic acids such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene A preferred example is a fluoride-perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer.

前記炭化水素系電解質として、具体的には、ポリスルホンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include polysulfone sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid, polybenzimidazole alkyl phosphonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyether ether ketone sulfonic acid, polyphenyl. A suitable example is sulfonic acid.

高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   The polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because of its excellent heat resistance and chemical stability. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) Fluorine electrolytes such as Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are preferred.

また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。   The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.

本発明の方法では、上記したような電極触媒、高分子電解質及び溶剤からなる触媒インクを、高分子電解質膜表面(あるいはガスケット層を部分的に被覆するような状態で高分子電解質膜表面)に塗布することによって、触媒層が形成される。この際、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノールやエタノールや2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できるが、触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30質量%、より好ましくは9〜20質量%となるような量で存在することが好ましい。   In the method of the present invention, the catalyst ink comprising the electrode catalyst, the polymer electrolyte and the solvent as described above is applied to the surface of the polymer electrolyte membrane (or the surface of the polymer electrolyte membrane with the gasket layer partially covered). By applying, a catalyst layer is formed. In this case, the solvent is not particularly limited, and usual solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, water, lower alcohols such as cyclohexanol, ethanol and 2-propanol can be used. Also, the amount of solvent used is not particularly limited, and the same amount as known can be used. In the catalyst ink, the electrode catalyst has a desired action, that is, hydrogen oxidation reaction (anode side) and oxygen reduction reaction. Any amount may be used as long as it can sufficiently exert the action of catalyzing (cathode side). It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by mass, more preferably 9 to 20% by mass.

本発明の触媒インクは、増粘剤を含んでもよい。増粘剤の使用は、触媒インクが転写用台紙上にうまく塗布できない場合などに有効である。この際使用できる増粘剤は、特に制限されず、公知の増粘剤が使用できるが、例えば、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などが挙げられる。これらのうち、プロピレングリコール(PG)が好ましく使用される。これは、プロピレングリコール(PG)を使用することにより、触媒インクの沸点が高まり溶媒蒸発速度が小さくなる。このため、例えば、転写法で電解質膜に触媒層を形成する上で、まず膜とは別の転写用台紙上にスクリーンプリンターなどを使用して触媒インクを塗布、乾燥する際に、触媒インク中にPGを添加することにより、塗布された触媒インク中の溶媒蒸発速度が抑制され、前記乾燥過程後の触媒層にひび割れ(クラック)が生じることを抑制・防止できる(図33参照)。このようにひび割れの少ない触媒層を膜に転写することで、OCV耐久性試験における膜への機械的応力集中が緩和され、その結果、MEAの耐久性が向上することができる。増粘剤を使用する際の、増粘剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されないが、触媒インクの全質量に対して、好ましくは5〜65質量%である。特に増粘剤としてPGを使用する際のPGの添加量は、触媒インクの全質量に対して、10〜30質量%とすることが好ましい。   The catalyst ink of the present invention may contain a thickener. The use of a thickener is effective when the catalyst ink cannot be successfully applied onto a transfer mount. The thickener that can be used in this case is not particularly limited, and a known thickener can be used. Examples thereof include glycerin, ethylene glycol (EG), polyvinyl alcohol (PVA), and propylene glycol (PG). Of these, propylene glycol (PG) is preferably used. By using propylene glycol (PG), the boiling point of the catalyst ink increases and the solvent evaporation rate decreases. For this reason, for example, when a catalyst layer is formed on an electrolyte membrane by a transfer method, first, when a catalyst ink is applied and dried using a screen printer or the like on a transfer mount different from the membrane, By adding PG to the solvent, the solvent evaporation rate in the applied catalyst ink is suppressed, and it is possible to suppress / prevent cracks from occurring in the catalyst layer after the drying process (see FIG. 33). By transferring the catalyst layer with few cracks to the film in this way, mechanical stress concentration on the film in the OCV durability test is alleviated, and as a result, the durability of the MEA can be improved. The amount of the thickener added when the thickener is used is not particularly limited as long as it does not interfere with the above effect of the present invention, but is preferably 5 to 65 with respect to the total mass of the catalyst ink. % By mass. In particular, the amount of PG added when using PG as a thickener is preferably 10 to 30% by mass with respect to the total mass of the catalyst ink.

本発明の触媒インクは、電極触媒、電解質及び溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。   The catalyst ink of the present invention is not particularly limited in its preparation method as long as an electrode catalyst, an electrolyte and a solvent, and if necessary, a water-repellent polymer and / or a thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution (for example, DuPont Nafion solution: Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) in which the electrolyte is previously prepared in the above other solvent is used as it is. May be used in the method.

上記したような触媒インクを、高分子電解質膜上に、あるいはガスケット層の一部を被覆しながら高分子電解質膜上に、塗布して、各触媒層が形成される。この際、高分子電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが5〜20μmになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。   Each catalyst layer is formed by applying the catalyst ink as described above on the polymer electrolyte membrane or on the polymer electrolyte membrane while covering a part of the gasket layer. At this time, the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or appropriately modified. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying is 5 to 20 μm, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.

また、本発明において、ガスケット層は、気体、特に酸素や水素ガスに対して不透過であればよいが、一般的には、高分子電解質膜やカソード/アノード触媒層の端部との接着を目的とする接着剤層及びガス不透過材料からなる不透過層から構成される。   In the present invention, the gasket layer may be impermeable to gas, particularly oxygen or hydrogen gas. In general, the gasket layer is not bonded to the end of the polymer electrolyte membrane or the cathode / anode catalyst layer. It is composed of a target adhesive layer and an impermeable layer made of a gas impermeable material.

この際、不透過層を構成する材料は、膜にした際に酸素や水素ガスに対して不透過性を示すものであれば特に制限されない。具体的には、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などが挙げられる。   At this time, the material constituting the impermeable layer is not particularly limited as long as it is impermeable to oxygen and hydrogen gas when formed into a film. Specific examples include polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinylidene fluoride (PVDF).

また、接着剤層に使用できる材料もまた、高分子電解質膜やカソード/アノード触媒層と、ガスケット層を密接に接着できるものであれば特に制限されないが、この接着剤層もまたガス透過性が低いことが好ましい。かような接着剤層を採用すれば、製造されたMEAにおいては接着剤層もガス不透過層として機能しうるため好ましい。具体的には、ポリオレフィン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー等のホットメルト系接着剤、アクリル系接着剤、ポリエステル、ポリオレフィン等のオレフィン系接着剤などが使用できる。これらのうち、接着剤層を構成する材料としては、ホットメルト型接着剤が好ましい。ホットメルト型接着剤は常温にて軟化しないことから、製造時のガスケット層配置工程における位置合わせが簡便であるという利点を有する。また、熱硬化型接着剤と比較して、短時間で容易に製造可能という利点をも有する。さらに、触媒層の端部にガスケット層を接着させるための接着剤層の種類によっては、ガスケット層のシール時に触媒層とガスケット層との間に隙間が生じる場合がある。例えばカソード側でかような隙間が生じると、この隙間から酸素ガスのクロスリークが起こり、過酸化水素の形成による電解質膜の酸化劣化が引き起こされてしまい、ガスケット層を設けた意味が薄れてしまう虞がある。これに対し、接着剤としてホットメルト型接着剤層を採用すると、シール時のホットプレス処理により軟化した当該接着剤層によって触媒層の端部が密封されうる。従って、ガスケット層による触媒層の端部のシール時に隙間が生じる虞が低減され、信頼性の高いMEAの製造が可能となる。この際、ホットメルト系接着剤の軟化点は、特に制限されず不透過層や触媒層に使用する材質などを考慮して適宜選択できる。好ましくは、ホットメルト系接着剤は、運転温度より高くかつ製造時に電解質膜や触媒層を損傷しない程度の温度範囲の軟化点を有する。これにより、実際に燃料電池に組み込んで運転を行なっても接着剤は軟化せず、触媒層の端部とガスケット層との間のきっちりしたシール性(低いガス透過率)を維持し、かつ下記に詳述するように、膜及び電解質膜などを組み込んでMEAを製造する際に熱をかけても、電解質膜や触媒層を損傷することなく(性能を低下させたり、破壊したりすることなく)MEAを製造できる。具体的には、ホットメルト系接着剤の融点は、50〜170℃、最も好ましくは90〜150℃である。   In addition, the material that can be used for the adhesive layer is not particularly limited as long as it can adhere the polymer electrolyte membrane or the cathode / anode catalyst layer and the gasket layer closely, but this adhesive layer also has gas permeability. Preferably it is low. Employing such an adhesive layer is preferable because the adhesive layer can also function as a gas-impermeable layer in the manufactured MEA. Specifically, hot melt adhesives such as polyolefin, polypropylene and thermoplastic elastomer, acrylic adhesives, olefin adhesives such as polyester and polyolefin can be used. Among these, as a material constituting the adhesive layer, a hot melt adhesive is preferable. Since the hot melt adhesive does not soften at room temperature, it has an advantage that the alignment in the gasket layer arranging step at the time of manufacture is simple. Moreover, compared with a thermosetting adhesive, it has the advantage that it can be easily manufactured in a short time. Further, depending on the type of the adhesive layer for adhering the gasket layer to the end portion of the catalyst layer, a gap may be formed between the catalyst layer and the gasket layer when the gasket layer is sealed. For example, if such a gap occurs on the cathode side, oxygen gas cross-leakage occurs from this gap, causing oxidation deterioration of the electrolyte membrane due to the formation of hydrogen peroxide, and the meaning of providing the gasket layer is diminished. There is a fear. On the other hand, when a hot-melt adhesive layer is employed as the adhesive, the end portion of the catalyst layer can be sealed with the adhesive layer softened by the hot press process during sealing. Therefore, the possibility that a gap is generated when the end of the catalyst layer is sealed by the gasket layer is reduced, and a highly reliable MEA can be manufactured. At this time, the softening point of the hot-melt adhesive is not particularly limited and can be appropriately selected in consideration of the material used for the impermeable layer and the catalyst layer. Preferably, the hot melt adhesive has a softening point in a temperature range that is higher than the operating temperature and does not damage the electrolyte membrane or the catalyst layer during production. As a result, the adhesive does not soften even when it is actually installed in a fuel cell, and maintains a tight seal (low gas permeability) between the end of the catalyst layer and the gasket layer. As described in detail below, even when heat is applied in the production of an MEA incorporating a membrane and an electrolyte membrane, the electrolyte membrane and the catalyst layer are not damaged (the performance is not degraded or destroyed). ) Can produce MEA. Specifically, the melting point of the hot melt adhesive is 50 to 170 ° C., most preferably 90 to 150 ° C.

ガスケット層の形成方法は、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、高分子電解質膜上に、あるいは触媒層の端部を被覆しながら高分子電解質膜上に、上記接着剤を、5〜30μmの厚みになるように塗布した後、上記したようなガス不透過材料を10〜200μmの厚みになるように塗布し、これを50〜170℃で、10秒〜10分間加熱することによって硬化させる方法が使用できる。または、予め、ガス不透過材料をシート状に成形した後に、この不透過膜に接着剤を塗布して、ガスケット層を形成した後、これを高分子電解質膜上に、あるいはガスケット層の一部を被覆しながら高分子電解質膜上に、貼り合わせてもよい。この際、不透過層の厚みは、特に制限されないが、15〜40μmが好ましく、また、接着剤層もまた、特に制限されないが、10〜25μmが好ましい。   The formation method in particular of a gasket layer is not restrict | limited, A well-known method can be used. For example, after applying the adhesive to a thickness of 5 to 30 μm on the polymer electrolyte membrane or on the polymer electrolyte membrane while covering the end portion of the catalyst layer, the gas non-existence as described above is applied. A method can be used in which a transparent material is applied to a thickness of 10 to 200 μm and cured by heating at 50 to 170 ° C. for 10 seconds to 10 minutes. Alternatively, after a gas-impermeable material is formed into a sheet in advance, an adhesive is applied to the impermeable film to form a gasket layer, which is then applied to the polymer electrolyte membrane or a part of the gasket layer. It may be bonded onto the polymer electrolyte membrane while coating. At this time, the thickness of the impermeable layer is not particularly limited, but is preferably 15 to 40 μm, and the adhesive layer is also not particularly limited, but is preferably 10 to 25 μm.

本発明のMEAに用いられる高分子電解質膜としては、特に限定されず、電極触媒層に用いたものと同様の高分子電解質からなる膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のNafion(デュポン社登録商標)やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。前記高分子電解質膜に用いられる高分子電解質と、各電極触媒層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよいが、各電極触媒層と高分子電解質膜との密着性を向上させる観点から、同じものを用いるのが好ましい。   The polymer electrolyte membrane used in the MEA of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a membrane made of the same polymer electrolyte as that used for the electrode catalyst layer. In addition, various Nafion (registered trademark of DuPont) manufactured by DuPont and perfluorosulfonic acid membranes represented by Flemion, ion exchange resins manufactured by Dow Chemical, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer resin membrane, trifluoro Fluoropolymer electrolytes such as resin membranes based on styrene, hydrocarbon resin membranes with sulfonic acid groups, and other commonly available solid polymer electrolyte membranes and polymer microporous membranes A membrane impregnated with a liquid electrolyte, a membrane in which a porous body is filled with a polymer electrolyte, or the like may be used. The polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte used for each electrode catalyst layer may be the same or different, but the adhesion between each electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane From the viewpoint of improving the properties, it is preferable to use the same one.

前記高分子電解質膜の厚みとしては、得られるMEAの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜100μmである。製膜時の強度やMEA作動時の耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、MEA作動時の出力特性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the properties of the obtained MEA, but is preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 to 200 μm, and particularly preferably 15 to 100 μm. From the viewpoint of strength during film formation and durability during MEA operation, it is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of output characteristics during MEA operation, it is preferably 300 μm or less.

また、上記高分子電解質膜としては、上記したようなフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂による膜に加えて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などから形成された多孔質状の薄膜に、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸したものを使用してもよい。   The polymer electrolyte membrane includes polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF) in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte and membranes made of hydrocarbon resins having sulfonic acid groups. For example, a porous thin film formed from a material impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid may be used.

本発明では、上述したように、第一のガスケット層、さらには好ましくは第二のガスケット層は、ガス不透過層に接着剤層が形成されるものであることが好ましいが、このような場合に特に好ましく使用できるMEAの製造方法としては、カソード触媒層およびアノード触媒層を、アノード触媒層の面積がカソード触媒層の面積よりも大きくなるように、高分子電解質膜のそれぞれの面に形成する触媒層形成工程;第一のガス不透過層に第一の接着剤層が形成されてなる第一のガスケット層を、前記第一の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合うように前記高分子電解質膜の周縁部の少なくとも一部に配置し、第二のガス不透過層に第二の接着剤層が形成されてなる第二のガスケット層を、前記第二の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合うように前記高分子電解質膜の端部または周囲部の少なくとも一部に配置するガスケット層配置工程;並びに、前記触媒層形成工程および前記ガスケット層配置工程により得られた積層体をプレスすることにより、前記第一のガスケット層および前記第二のガスケット層と前記高分子電解質膜とを接着させる接着工程、を有する、電解質膜−電極接合体の製造方法があり、当該方法は、本発明の第五の態様を構成する。   In the present invention, as described above, the first gasket layer, more preferably the second gasket layer, is preferably such that an adhesive layer is formed on the gas-impermeable layer. As an MEA production method that can be particularly preferably used, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are formed on the respective surfaces of the polymer electrolyte membrane so that the area of the anode catalyst layer is larger than the area of the cathode catalyst layer. Catalyst layer forming step; a first gasket layer in which a first adhesive layer is formed on a first gas-impermeable layer, the first adhesive layer and the polymer electrolyte membrane facing each other. A second gasket layer, which is disposed on at least a part of the periphery of the polymer electrolyte membrane and has a second adhesive layer formed on the second gas-impermeable layer, includes the second adhesive layer and the second adhesive layer. With polymer electrolyte membrane A gasket layer disposing step that is disposed on at least a part of an end portion or a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane so as to face each other; and by pressing the laminate obtained by the catalyst layer forming step and the gasket layer disposing step. There is a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, the method comprising the step of adhering the first gasket layer and the second gasket layer to the polymer electrolyte membrane. The fifth aspect is configured.

以下、上記本発明の第五の態様を説明する。   The fifth aspect of the present invention will be described below.

まず、カソード触媒層およびアノード触媒層を、アノード触媒層の面積がカソード触媒層の面積よりも大きくなるように、高分子電解質膜のそれぞれの面に形成する(触媒層形成工程)。当該工程において、各触媒層に使用される触媒インク(触媒成分、導電性担体及び高分子電解質など)、電解質膜、並びに電解質膜への触媒方法については、上記第二及び第三の態様と同様であるため、ここでは説明を省略する。   First, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are formed on each surface of the polymer electrolyte membrane so that the area of the anode catalyst layer is larger than the area of the cathode catalyst layer (catalyst layer forming step). In this step, the catalyst ink (catalyst component, conductive carrier, polymer electrolyte, etc.) used for each catalyst layer, the electrolyte membrane, and the catalyst method for the electrolyte membrane are the same as in the second and third aspects. Therefore, the description is omitted here.

本発明の製造方法では、次いで、ガスケット層を配置するガスケット層配置工程を行う。   Next, in the manufacturing method of the present invention, a gasket layer arranging step of arranging a gasket layer is performed.

なお、触媒層を形成する触媒層形成工程と、ガスケット層を配置するガスケット層配置工程とは、いずれが先に行われてもよい。場合によっては、触媒層形成工程およびガスケット層配置工程が同時に行われてもよい。   Note that either the catalyst layer forming step of forming the catalyst layer and the gasket layer arranging step of arranging the gasket layer may be performed first. In some cases, the catalyst layer forming step and the gasket layer arranging step may be performed simultaneously.

上記の本発明の製造方法の配置工程において、カソード触媒層の周囲部への第一のガスケット層の配置、およびアノード触媒層の周囲部への第二のガスケット層の配置は、どのような配置により行われてもよい。すなわち、当該配置工程において、ガスケット層の配置は、例えば、第一のガスケット層の端部とカソード触媒層の端部とが略一致し、かつ第二のガスケット層の端部とアノード触媒層の端部とが略一致するように行われてもよい(図11に示すパターン)。このような配置によれば、触媒層とガスケット層との間のシールが最も高精度に行われ、これらの間に生じる隙間が最小限に抑制されうる。なお、このように触媒層の端部とガスケット層の端部とが略一致するようにガスケット層を配置する場合には、ガスケット層に形成される接着剤層において、少なくとも一部に、厚さを他の部分よりも薄くした薄部を設けるとよい(図12に示すパターン)。かような形態によれば、接着剤層のガスケット層からのはみ出しが抑制され、MEA製造時の歩留まりが向上しうる。また、上述したような接着剤層のはみ出し抑制効果をより一層発揮させたい場合には、ガスケット層の少なくとも一部に、接着剤層が存在しない露出部を設けるとよい(図13に示すパターン)。   In the arrangement step of the production method of the present invention described above, any arrangement of the first gasket layer around the cathode catalyst layer and the second gasket layer around the anode catalyst layer is possible. May be performed. That is, in the arrangement step, for example, the arrangement of the gasket layer is such that the end of the first gasket layer and the end of the cathode catalyst layer substantially coincide with each other, and the end of the second gasket layer and the anode catalyst layer It may be performed so that the end portion substantially matches (the pattern shown in FIG. 11). According to such an arrangement, the seal between the catalyst layer and the gasket layer is performed with the highest accuracy, and the gap generated between them can be minimized. When the gasket layer is arranged so that the end of the catalyst layer and the end of the gasket layer substantially coincide with each other as described above, at least a part of the thickness of the adhesive layer formed on the gasket layer is reduced. It is preferable to provide a thin part that is thinner than other parts (pattern shown in FIG. 12). According to such a form, the protrusion of the adhesive layer from the gasket layer is suppressed, and the yield at the time of manufacturing the MEA can be improved. Moreover, when it is desired to further exert the effect of suppressing the protrusion of the adhesive layer as described above, an exposed portion where the adhesive layer is not present is preferably provided on at least a part of the gasket layer (pattern shown in FIG. 13). .

一方、ガスケット層の配置は、触媒層の端部との間にある程度の隙間をあけて行われてもよい。このように触媒層の端部との間にある程度の距離をおいてガスケット層を配置する場合には、例えば、ガスケット層に形成される接着剤層において、一部(特に、内端部(触媒層側))の厚さを他の部分と比較して厚くするとよい(図14に示すパターン)。かような形態によれば、配置工程においてガスケット層と触媒層の端部との間にある程度の隙間があったとしても、厚く形成された接着剤層が、接着工程においてこの隙間を塞ぐための接着剤層として確保され、ガスケット層と触媒層の端部との間の密封がより確実に行われうる。このような形態は、接着剤としてホットメルト型接着剤を採用した場合に特に効果的である。   On the other hand, the gasket layer may be disposed with a certain gap between the end of the catalyst layer. When the gasket layer is arranged with a certain distance from the end portion of the catalyst layer as described above, for example, a part of the adhesive layer formed on the gasket layer (in particular, the inner end portion (catalyst) The layer side)) may be thicker than the other parts (pattern shown in FIG. 14). According to such a form, even if there is a certain gap between the gasket layer and the end of the catalyst layer in the arrangement process, the thick adhesive layer is used to block this gap in the bonding process. As an adhesive layer, the sealing between the gasket layer and the end of the catalyst layer can be performed more reliably. Such a form is particularly effective when a hot melt adhesive is employed as the adhesive.

あるいは、接着剤層を、ガスケット層の外端部(MEAの外側)から内端部(触媒層側)へ向かう方向に凸状に複数形成してもよい(図15に示すパターン)。このような複数のホットメルト型接着剤層は、接着工程におけるホットプレス処理によって溶融し、一体化する。かような形態によってもまた、配置工程においてガスケット層と触媒層の端部との間にある程度の隙間があったとしても、ガスケット層と触媒層の端部との間の密封がより確実に行われうる。   Alternatively, a plurality of adhesive layers may be formed in a convex shape in the direction from the outer end portion (outside of the MEA) to the inner end portion (catalyst layer side) of the gasket layer (pattern shown in FIG. 15). Such a plurality of hot-melt adhesive layers are melted and integrated by hot pressing in the bonding process. Even with such a configuration, even if there is a certain gap between the gasket layer and the end of the catalyst layer in the arrangement process, the sealing between the gasket layer and the end of the catalyst layer is more reliably performed. It can be broken.

このように、たとえガスケット層配置工程において触媒層の端部とガスケット層との間に隙間があったとしても、この隙間は、接着工程でのプレス処理により接着剤(特に、ホットメルト型接着剤)によって塞がれ、触媒層の端部とガスケット層との間は密封されうる(図16を参照)。よって、かような製造方法によれば、ガスケット層と触媒層の端部とがきっちり一致するようにガスケット層を配置する必要がないため、より簡便な製造が可能となる。   As described above, even if there is a gap between the end of the catalyst layer and the gasket layer in the gasket layer arranging step, the gap is formed by an adhesive (particularly a hot-melt adhesive) by pressing in the bonding step. ) To seal between the end of the catalyst layer and the gasket layer (see FIG. 16). Therefore, according to such a manufacturing method, since it is not necessary to arrange | position a gasket layer so that the gasket layer and the edge part of a catalyst layer may correspond exactly, manufacture more simple is attained.

触媒層形成工程後にガスケット層配置工程を行う場合には、図17に示すように、触媒層形成工程とガスケット層配置工程との間に、ガスケット層配置工程におけるガスケット層の配置位置を合わせるためのガイド部材を配置するガイド部材配置工程をさらに行ってもよい。かようなガイド部材配置工程をさらに行うことにより、ガスケット層の配置がより精度よく行われ、信頼性の高いMEAが製造されうる。なお、ガイド部材配置工程において配置されたガイド部材は、ガスケット層配置工程においてガスケット層が配置された後、接着工程の前に除去される。   When the gasket layer arranging step is performed after the catalyst layer forming step, as shown in FIG. 17, the gasket layer arranging step in the gasket layer arranging step is aligned between the catalyst layer forming step and the gasket layer arranging step. You may further perform the guide member arrangement | positioning process which arrange | positions a guide member. By further performing such a guide member arranging step, the gasket layer can be arranged more accurately and a highly reliable MEA can be manufactured. The guide member arranged in the guide member arranging step is removed before the bonding step after the gasket layer is arranged in the gasket layer arranging step.

ガイド部材の構成材料などの具体的な形態は特に制限されない。ただし、高分子電解質膜や触媒層を被毒する虞が低い材料が採用されることが好ましく、かような材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシ(PFA)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのフッ素系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ポリ塩化ビニル、ガラス、木材、金属などが例示されうる。その他の材料によりガイド部材が構成されてもよいことは勿論である。   The specific form of the constituent material of the guide member is not particularly limited. However, it is preferable to use a material that is less likely to poison the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer. Examples of such a material include polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxy (PFA), and polyfluoride. Fluorine resin such as vinylidene chloride (PVDF), acrylic resin, epoxy resin, phenol resin, polyvinyl chloride, glass, wood, metal, etc. can be exemplified. Of course, the guide member may be made of other materials.

ガイド部材の厚みについても特に制限はなく、ガスケット層の配置のガイドが効率的に行われうる厚みが適宜設定されうる。一例を挙げると、ガイド部材の厚みは、好ましくは100μm〜2cm程度、より好ましくは100μm〜3mm程度である。ただし、場合によってはこの範囲を外れる厚みのガイド部材が用いられてもよい。   There is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a guide member, The thickness which can guide the arrangement | positioning of a gasket layer efficiently can be set suitably. As an example, the thickness of the guide member is preferably about 100 μm to 2 cm, more preferably about 100 μm to 3 mm. However, in some cases, a guide member with a thickness outside this range may be used.

本発明の製造方法においては、触媒層形成工程およびガスケット層配置工程の後に、接着工程が行われる。当該接着工程においては、触媒層形成工程および配置工程により得られた積層体をプレスする。これにより、ガスケット層の接着剤層を介して、ガスケット層と高分子電解質膜とを接着させる。   In the production method of the present invention, an adhesion step is performed after the catalyst layer forming step and the gasket layer arranging step. In the said adhesion process, the laminated body obtained by the catalyst layer formation process and the arrangement | positioning process is pressed. Thereby, a gasket layer and a polymer electrolyte membrane are adhere | attached through the adhesive bond layer of a gasket layer.

接着工程におけるプレス条件についても特に制限はなく、用いられる接着剤の種類等に応じて、従来公知の知見が適宜参照されうる。ただし、好ましい条件の一例を挙げると、プレス圧力は好ましくは0.05〜4.0MPa、より好ましくは0.1〜2.0MPaであり、プレス時間は好ましくは1秒〜10分間、より好ましくは10秒〜1分間である。また、接着剤としてホットプレス型接着剤を採用する場合には、接着工程においてホットプレスを行うことが好ましく、この際のプレス温度は好ましくは50〜170℃、より好ましくは90〜150℃である。   There is no restriction | limiting in particular also about the press conditions in an adhesion | attachment process, According to the kind etc. of the adhesive agent used, a conventionally well-known knowledge can be referred suitably. However, as an example of preferable conditions, the pressing pressure is preferably 0.05 to 4.0 MPa, more preferably 0.1 to 2.0 MPa, and the pressing time is preferably 1 second to 10 minutes, more preferably. 10 seconds to 1 minute. When a hot press type adhesive is employed as the adhesive, it is preferable to perform hot pressing in the bonding step, and the pressing temperature at this time is preferably 50 to 170 ° C, more preferably 90 to 150 ° C. .

なお、上記では、触媒インクを直接塗布することにより、高分子電解質膜に、直接アノード/カソード触媒層またはガスケット層を形成する方法について述べてきたが、本発明のMEAは、転写法などの他の方法によって製造されてもよい。このような場合の製造方法は、特に制限されず、公知の転写方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できるが、例えば、以下のような方法が使用できる。すなわち、上記で調製したような触媒インクを転写用台紙上に塗布・乾燥して、電極触媒層を形成する。この際、転写用台紙としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シート、PET(ポリエチレンテレフタレート)シート等の、ポリエステルシートなどの公知のシートが使用できる。なお、転写用台紙は、使用する触媒インク(特にインク中のカーボン等の導電性担体)の種類に応じて適宜選択される。また、上記工程において、電極触媒層の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)及び酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、電極触媒層の厚みは、1〜30μm、より好ましくは1〜20μmである。また、転写用台紙上への触媒インクの塗布方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、あるいはスプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、塗布された電極触媒層の乾燥条件もまた、電極触媒層から極性溶媒を完全に除去できる条件であれば特に制限されない。具体的には、触媒インクの塗布層(電極触媒層)を真空乾燥機内にて、室温〜100℃、より好ましくは50〜80℃で、30〜60分間、乾燥する。この際、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。次に、このようにして作製された電極触媒層で高分子電解質膜を挟持した後、当該積層についてホットプレスを行なう。この際、ホットプレス条件は、電極触媒層及び高分子電解質膜が十分密接に接合できる条件であれば特に制限されないが、100〜200℃、より好ましくは110〜170℃で、電極面に対して1〜5MPaのプレス圧力で行なうのが好ましい。これにより高分子電解質膜と電極触媒層との接合性を高めることができる。ホットプレスを行なった後、転写用台紙を剥がすことにより、電極触媒層と高分子電解質膜とからなるMEAを得ることができる。   In the above description, the method of directly forming the anode / cathode catalyst layer or the gasket layer on the polymer electrolyte membrane by directly applying the catalyst ink has been described. However, the MEA of the present invention is not limited to the transfer method or the like. It may be manufactured by this method. The production method in such a case is not particularly limited, and a known transfer method can be used in the same manner or with appropriate modification. For example, the following method can be used. That is, the catalyst ink as prepared above is applied and dried on a transfer mount to form an electrode catalyst layer. At this time, as the transfer mount, a known sheet such as a polyester sheet such as a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet or a PET (polyethylene terephthalate) sheet can be used. The transfer mount is appropriately selected according to the type of catalyst ink to be used (particularly, a conductive carrier such as carbon in the ink). In the above process, the thickness of the electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can sufficiently exhibit the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). Thickness can be used. Specifically, the thickness of the electrode catalyst layer is 1 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm. The method for applying the catalyst ink onto the transfer mount is not particularly limited, and a known method such as a screen printing method, a deposition method, or a spray method can be similarly applied. Also, the drying conditions of the applied electrode catalyst layer are not particularly limited as long as the polar solvent can be completely removed from the electrode catalyst layer. Specifically, the catalyst ink coating layer (electrode catalyst layer) is dried in a vacuum dryer at room temperature to 100 ° C., more preferably 50 to 80 ° C., for 30 to 60 minutes. At this time, if the thickness of the catalyst layer is not sufficient, the coating and drying process is repeated until a desired thickness is obtained. Next, after sandwiching the polymer electrolyte membrane between the electrode catalyst layers thus produced, hot pressing is performed on the laminate. At this time, the hot press conditions are not particularly limited as long as the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be sufficiently closely bonded, but are 100 to 200 ° C., more preferably 110 to 170 ° C. It is preferable to carry out at a press pressure of 1 to 5 MPa. Thereby, the bondability between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be enhanced. After performing the hot press, the MEA composed of the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the transfer mount.

上記の転写法により触媒層を形成する際に、転写用台紙に形成された触媒層の周囲部に上述のガス不透過層を配置し、さらに当該ガス不透過層上に接着剤を塗布することによって、触媒層と同時にガスケット層を転写用台紙に配置してもよい。かような形態によれば、触媒層の転写と同時に、ガスケット層が高分子電解質膜へと転写されうる。そして転写時のプレスが本発明の製造方法における接着工程を兼ねることができ、ガスケット層と触媒層の端部との間が密着された状態で、ガスケット層および触媒層が高分子電解質膜へと転写されうる。   When the catalyst layer is formed by the transfer method described above, the gas impermeable layer described above is disposed around the catalyst layer formed on the transfer mount, and an adhesive is applied on the gas impermeable layer. Thus, the gasket layer may be disposed on the transfer mount simultaneously with the catalyst layer. According to such a form, the gasket layer can be transferred to the polymer electrolyte membrane simultaneously with the transfer of the catalyst layer. The press at the time of transfer can also serve as an adhesion step in the production method of the present invention, and the gasket layer and the catalyst layer are converted into a polymer electrolyte membrane in a state where the gasket layer and the end of the catalyst layer are in close contact with each other. Can be transcribed.

なお、本発明によるMEAは、下記に詳述されるように、一般的にガス拡散層をさらに有してもよく、この際、ガス拡散層は、上記方法において、転写用台紙を剥がし、得られた接合体をさらにガス拡散層で挟持することによって、電極触媒層と高分子電解質膜との接合後にさらに各電極触媒層に接合することが好ましい。または、電極触媒層を予めガス拡散層表面上に形成して電極触媒層−ガス拡散層接合体を製造した後、上記したのと同様にして、この電極触媒層−ガス拡散層接合体で高分子電解質膜をホットプレスにより挟持・接合することもまた好ましい。   The MEA according to the present invention may generally further have a gas diffusion layer, as will be described in detail below. In this case, the gas diffusion layer is obtained by peeling off the transfer mount in the above method. It is preferable that the joined body is further sandwiched between gas diffusion layers to further join each electrode catalyst layer after joining the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane. Alternatively, after the electrode catalyst layer is formed on the surface of the gas diffusion layer in advance to produce the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly, the electrode catalyst layer-gas diffusion layer assembly is used in the same manner as described above. It is also preferable to sandwich and bond the molecular electrolyte membrane by hot pressing.

この際、MEAに用いられるガス拡散層としては、特に限定されず公知のものが同様にして使用でき、例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。前記基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。厚さが、30μm未満であると十分な機械的強度などが得られない恐れがあり、500μmを超えるとガスや水などが透過する距離が長くなり望ましくない。   At this time, the gas diffusion layer used in the MEA is not particularly limited, and a known one can be used in the same manner. For example, the conductive and porous properties such as carbon woven fabric, paper-like paper body, felt, and non-woven fabric are used. The thing which uses the sheet-like material which has as a base material etc. are mentioned. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness is less than 30 μm, sufficient mechanical strength or the like may not be obtained, and if it exceeds 500 μm, the distance through which gas or water permeates is undesirably increased.

電極触媒層をガス拡散層表面上に形成する方法は、特に制限されず、スクリーン印刷法、沈積法、スプレー法などの公知の方法が同様にして適用できる。また、電極触媒層のガス拡散層表面上への形成条件は、特に制限されず、上記したような具体的な形成方法によって従来と同様の条件が適用できる。   The method for forming the electrode catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer is not particularly limited, and known methods such as a screen printing method, a deposition method, and a spray method can be similarly applied. Moreover, the formation conditions in particular on the gas diffusion layer surface of an electrode catalyst layer are not restrict | limited, The conditions similar to the past can be applied with the above specific formation methods.

前記ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent in the base material for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon. Although it does not specifically limit as said water repellent, Fluorine-type, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), etc. Examples thereof include polymer materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、前記ガス拡散層は、前記基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層を有するものであってもよい。   Moreover, in order to improve water repellency more, the said gas diffusion layer may have a carbon particle layer which consists of an aggregate | assembly of the carbon particle containing a water repellent on the said base material.

前記カーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく挙げられる。前記カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. Of these, carbon blacks such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black are preferred because of their excellent electron conductivity and large specific surface area. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

前記カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、前記基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられる。   Examples of the water repellent used for the carbon particle layer include the same water repellents as those described above used for the substrate. Of these, fluorine-based polymer materials are preferably used because of their excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

前記カーボン粒子層における、カーボン粒子と撥水剤との混合比は、カーボン粒子が多過ぎると期待するほど撥水性が得られない恐れがあり、撥水剤が多過ぎると十分な電子伝導性が得られない恐れがある。これらを考慮して、カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、質量比で、90:10〜40:60程度とするのがよい。   In the carbon particle layer, the mixing ratio of the carbon particles to the water repellent may be insufficient to obtain water repellency as expected when there are too many carbon particles. If there are too many water repellents, sufficient electron conductivity may be obtained. There is a risk that it will not be obtained. Considering these, the mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is preferably about 90:10 to 40:60 in terms of mass ratio.

前記カーボン粒子層の厚さは、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The thickness of the carbon particle layer may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.

ガス拡散層に撥水剤を含有させる場合には、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。   When a water repellent is contained in the gas diffusion layer, a general water repellent treatment method may be used. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned.

ガス拡散層において基材上にカーボン粒子層を形成する場合には、カーボン粒子、撥水剤等を、水、パーフルオロベンゼン、ジクロロペンタフルオロプロパン、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒などの溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、前記スラリーを基材上に塗布し乾燥、もしくは、前記スラリーを一度乾燥させ粉砕することで粉体にし、これを前記ガス拡散層上に塗布する方法などを用いればよい。その後、マッフル炉や焼成炉を用いて250〜400℃程度で熱処理を施すのが好ましい。   When forming a carbon particle layer on a substrate in a gas diffusion layer, the carbon particles, water repellent, etc. are in a solvent such as water, alcohol solvents such as perfluorobenzene, dichloropentafluoropropane, methanol, ethanol, etc. A slurry is prepared by dispersing in a slurry, and the slurry is applied on a substrate and dried, or the slurry is dried and pulverized to form a powder, and this is applied to the gas diffusion layer. Use it. Then, it is preferable to heat-process at about 250-400 degreeC using a muffle furnace or a baking furnace.

なお、電極触媒層と電解質膜と、及び好ましくはガス拡散層を含む接合体の製造方法は、上述した方法に限定されない。すなわち、触媒インクを電解質膜上に塗布・乾燥させた後ホットプレスして、電極触媒層を固体高分子電解質膜と接合し、得られた接合体をガス拡散層で挟持して、MEAとする方法;触媒インクを、前記ガス拡散層上に塗布・乾燥させて電極触媒層を形成し、これを電解質膜とホットプレスにより接合する方法、などであってもよく各種公知技術を適宜用いて行えばよい。   In addition, the manufacturing method of the joined body including the electrode catalyst layer, the electrolyte membrane, and preferably the gas diffusion layer is not limited to the method described above. That is, after applying and drying the catalyst ink on the electrolyte membrane, hot pressing is performed, the electrode catalyst layer is joined to the solid polymer electrolyte membrane, and the obtained joined body is sandwiched between the gas diffusion layers to form an MEA. Method: A catalyst ink may be applied to the gas diffusion layer and dried to form an electrode catalyst layer, which may be joined to the electrolyte membrane by hot pressing, etc. Just do it.

本発明の電解質膜−電極接合体及び本発明の方法によって製造される電解質膜−電極接合体は、上述した通り、電解質膜−電極接合体に含まれる電解質成分の劣化を抑制することが可能となる。また、ガスケット層を設けることにより、触媒層の面積および配置を容易に決定することが可能となり、各触媒層を予め正確に位置合わせしなければいけない必要がないため、工業的な大量生産を考慮すると非常に望ましい。従って、かような電解質膜−電極接合体を用いることにより、製造工程が容易であり、耐久性にも優れる信頼性の高い燃料電池を提供することができる。   As described above, the electrolyte membrane-electrode assembly produced by the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention and the method of the present invention can suppress deterioration of the electrolyte components contained in the electrolyte membrane-electrode assembly. Become. In addition, by providing a gasket layer, it is possible to easily determine the area and arrangement of the catalyst layer, and it is not necessary to accurately align each catalyst layer in advance, so industrial mass production is considered. This is highly desirable. Therefore, by using such an electrolyte membrane-electrode assembly, it is possible to provide a highly reliable fuel cell that has a simple manufacturing process and excellent durability.

前記燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。なお、本発明のMEAは、アイドル停止(OCV)状態における電解質膜の劣化に特に効果を発揮できるため、当該電解質膜の劣化が問題となる高分子電解質型燃料電池、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池で有意な効果を発揮する。このため、このような電解質膜の劣化が問題視されないリン酸型燃料電池への適用は含まない。   The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example. In addition, an alkaline fuel cell, a direct methanol fuel cell, a micro cell, Examples include a fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. However, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be particularly preferably used. The MEA of the present invention is particularly effective for the deterioration of the electrolyte membrane in the idle stop (OCV) state. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell, the alkaline fuel cell, and the direct methanol in which the deterioration of the electrolyte membrane is a problem. Show significant effect in type fuel cell and micro fuel cell. For this reason, application to a phosphoric acid fuel cell in which such deterioration of the electrolyte membrane is not regarded as a problem is not included.

前記高分子電解質型燃料電池は、定置用電源の他、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されることによるカーボン担体の腐食、および、運転時に高い出力電圧が取り出されることにより高分子電解質の劣化が生じやすい自動車などの移動体用電源として用いられるのが特に好ましい。   The polymer electrolyte fuel cell is useful not only as a stationary power source but also as a power source for a moving body such as an automobile having a limited mounting space. In particular, moving bodies such as automobiles that are susceptible to corrosion of the carbon support due to the high output voltage required after a relatively long shutdown, and deterioration of the polymer electrolyte due to the high output voltage being taken out during operation. It is particularly preferred to be used as a power source.

前記燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用すればよいが、一般的にはMEAをセパレータで挟持した構造を有する。   The configuration of the fuel cell is not particularly limited, and a conventionally known technique may be used as appropriate. Generally, the fuel cell has a structure in which an MEA is sandwiched between separators.

前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。セパレータの厚さや大きさ、流路溝の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The separator can be used without limitation as long as it is conventionally known, such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate, and those made of metal such as stainless steel. The separator has a function of separating air and fuel gas, and a channel groove for securing the channel may be formed. The thickness and size of the separator, the shape of the flow channel, and the like are not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

また、各触媒層に供給されるガスが外部にリークするのを防止するために、ガスケット層上の触媒層が形成されていない部位にさらにガスシール部が設けられてもよい。前記ガスシール部を構成する材料としては、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリイソブチレンゴム等のゴム材料、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系の高分子材料、ポリオレフィンやポリエステル等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、ガスシール部の厚さとしては、2mm〜50μm、望ましくは1mm〜100μm程度とすればよい。   Further, in order to prevent the gas supplied to each catalyst layer from leaking to the outside, a gas seal portion may be further provided at a portion where the catalyst layer is not formed on the gasket layer. Examples of the material constituting the gas seal portion include rubber materials such as fluoro rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), polyisobutylene rubber, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoro. Fluorine polymer materials such as propylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and thermoplastic resins such as polyolefin and polyester. The thickness of the gas seal portion may be 2 mm to 50 μm, preferably about 1 mm to 100 μm.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

以下に、実施例および比較例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these.

実施例1
以下のようにして、図18に示されるMEAを作製した。
Example 1
The MEA shown in FIG. 18 was produced as follows.

[アノード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して4倍量の精製水を加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE520)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of anode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 4 times the amount of purified water to the mass of the product and performing degassing for 5 minutes under reduced pressure, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then 20 wt% Nafion (registered) that serves as the electrolyte (Trademark) -containing solution (DuPont Co., Ltd., DE520) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたアノード触媒層のサイズは、5.2cm×5.2cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness, and at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the anode catalyst layer produced from the screen printing method was 5.2 cm × 5.2 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 .

[カソード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して4倍量の精製水を加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE520)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of cathode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 4 times the amount of purified water to the mass of the product and performing degassing for 5 minutes under reduced pressure, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then 20 wt% Nafion (registered) that serves as the electrolyte (Trademark) -containing solution (DuPont Co., Ltd., DE520) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたカソード触媒層のサイズは、5.1cm×5.1cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness, and at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the cathode catalyst layer produced from the screen printing method was set to 5.1 cm × 5.1 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 .

[膜電極接合体(MEA)の作製]
固体高分子電解質膜として補強層を含まないフッ素系電解質膜(7.5cm×7.5cm、膜厚25μm)を用いて、ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたアノード触媒層の上に、この固体高分子電解質膜を重ね、さらにポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたカソード触媒層を重ねて積層した。その後、130℃、2.0MPaで10分間ホットプレスをした後、ポリテトラフルオロエチレンシートを剥がして膜電極接合体とした。
[Production of membrane electrode assembly (MEA)]
Using a fluorine-based electrolyte membrane (7.5 cm × 7.5 cm, film thickness 25 μm) that does not include a reinforcing layer as a solid polymer electrolyte membrane, on the anode catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet, A solid polymer electrolyte membrane was stacked, and a cathode catalyst layer formed on a polytetrafluoroethylene sheet was further stacked. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and then the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly.

固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層では、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は26cmであった。アノード触媒層は、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は27cmであった。 In the cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 26 cm 2 . The anode catalyst layer had a Pt loading of 0.4 mg per 1 cm 2 apparent electrode area and an electrode area of 27 cm 2 .

[アノード触媒層端部への第二のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状の第二のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.1cm×5.1cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmである開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of second gasket layer on end of anode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a second gasket layer having a frame shape with a width of 1.05 cm was prepared by punching an opening having a size of 5.1 cm × 5.1 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.1 cm × 5.1 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, Inc., thickness 1.5 mm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.1 cm at the center of the square sheet. An opening having a size of 5.1 cm was punched out to prepare a frame-like hypersheet having a width of 1.05 cm.

ここで、上記で作製したMEAを、アノード触媒層(5.2cm×5.2cm)が上となるようにセットした。次に、このアノード触媒層の端部周囲が均等(0.5mm)に見えるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.1cm×5.1cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第二のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第二のガスケット層を配置した。第二のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第二のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置し、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを作製した。   Here, the MEA produced above was set so that the anode catalyst layer (5.2 cm × 5.2 cm) was on top. Next, the square hypersheet (5.1 cm × 5.1 cm) prepared above was set at the center so that the periphery of the end of the anode catalyst layer could be seen uniformly (0.5 mm). In this state, the second gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the second gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After placing the second gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was placed so as to overlap the second gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet to produce a CCM-gasket layer-hypersheet. .

[カソード触媒層端部への第一のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.0cm×5.0cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.1cm幅の額縁状の第一のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.0cm×5.0cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.0cm×5.0cmである開口部を打ち抜いて、1.1cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of first gasket layer at the end of the cathode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a first gasket layer having a frame shape of 1.1 cm width was prepared by punching an opening having a size of 5.0 cm × 5.0 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.0 cm × 5.0 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, 1.5 mm thick) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.0 cm at the center of the square sheet. The opening part which is * 5.0cm was punched out, and the 1.1cm width frame-shaped hypersheet was prepared.

上記アノード触媒層への第二のガスケット層の形成で作製された、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを、ユニットとして裏返して、カソード触媒層(5.1cm×5.1cm)が上となるようにセットした。次に、上記「アノード触媒層への第二のガスケット層の形成」工程と同様にして、カソード触媒層の端部周囲が均等(0.5mm)に見えるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.0cm×5.0cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第一のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第一のガスケット層を配置した。第一のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第一のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置した。このようにして、MEAのアノード及びカソード側両方にガスケット層及び額縁状のハイパーシートが配置されたら、このユニットから各触媒層上に配置した正方形のハイパーシートを取り外し、残りのユニットをSUS板(寸法:7.4cm×7.4cm、厚さ1mm)で両側から挟持し、ホットプレス機を用いて、130℃、0.4MPa、1分間、熱圧着して、ガスケット層と重なる触媒層端部には、ガスが入らないように触媒層の気孔が十分に埋まる構造とした。   The CCM-gasket layer-hypersheet produced by forming the second gasket layer on the anode catalyst layer is turned over as a unit and set so that the cathode catalyst layer (5.1 cm × 5.1 cm) is on top. did. Next, in the same manner as in the “formation of the second gasket layer on the anode catalyst layer” step, the square hypersheet prepared above so that the periphery of the end portion of the cathode catalyst layer can be seen uniformly (0.5 mm). (5.0 cm × 5.0 cm) was set at the center. In this state, the first gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the first gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After the arrangement of the first gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was arranged so as to overlap the first gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet. In this way, when the gasket layer and the frame-like hypersheet are arranged on both the anode and cathode sides of the MEA, the square hypersheet arranged on each catalyst layer is removed from this unit, and the remaining unit is replaced with a SUS plate (dimensions: 7.4 cm x 7.4 cm, thickness 1 mm) and is hot-pressed at 130 ° C, 0.4 MPa for 1 minute using a hot press machine, and at the end of the catalyst layer that overlaps the gasket layer The pores of the catalyst layer are sufficiently filled to prevent gas from entering.

比較例1
以下のようにして、図19に示されるMEAを作製した。
Comparative Example 1
The MEA shown in FIG. 19 was produced as follows.

[アノード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して4倍量の精製水を加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE520)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of anode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 4 times the amount of purified water to the mass of the product and performing degassing for 5 minutes under reduced pressure, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then 20 wt% Nafion (registered) that serves as the electrolyte (Trademark) -containing solution (DuPont Co., Ltd., DE520) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたアノード触媒層のサイズは、5.1cm×5.1cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness, and at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the anode catalyst layer produced from the screen printing method was 5.1 cm × 5.1 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 .

[カソード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して4倍量の精製水を加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE520)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of cathode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 4 times the amount of purified water to the mass of the product and performing degassing for 5 minutes under reduced pressure, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then 20 wt% Nafion (registered) that serves as the electrolyte (Trademark) -containing solution (DuPont Co., Ltd., DE520) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたカソード触媒層のサイズは、5.0cm×5.0cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness, and at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the cathode catalyst layer produced from the screen printing method was 5.0 cm × 5.0 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 .

[膜電極接合体(MEA)の作製]
固体高分子電解質膜として補強層を含まないフッ素系電解質膜(7.5cm×7.5cm、膜厚25μm)を用いて、ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたアノード触媒層の上に、この固体高分子電解質膜を重ね、さらにポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたカソード触媒層を重ねて積層した。その後、130℃、2.0MPaで10分間ホットプレスをした後、ポリテトラフルオロエチレンシートを剥がして膜電極接合体とした。
[Production of membrane electrode assembly (MEA)]
Using a fluorine-based electrolyte membrane (7.5 cm × 7.5 cm, film thickness 25 μm) that does not include a reinforcing layer as a solid polymer electrolyte membrane, on the anode catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet, A solid polymer electrolyte membrane was stacked, and a cathode catalyst layer formed on a polytetrafluoroethylene sheet was further stacked. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and then the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly.

固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層では、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は25cmであった。アノード触媒層は、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は26cmであった。 In the cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . The anode catalyst layer had a Pt loading of 0.4 mg per 1 cm 2 apparent electrode area and an electrode area of 26 cm 2 .

比較例2
以下のようにして、図20に示されるMEAを作製した。
Comparative Example 2
The MEA shown in FIG. 20 was produced as follows.

[アノード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して4倍量の精製水を加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE520)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of anode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 4 times the amount of purified water to the mass of the product and performing degassing for 5 minutes under reduced pressure, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then 20 wt% Nafion (registered) that serves as the electrolyte (Trademark) -containing solution (DuPont Co., Ltd., DE520) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたアノード触媒層のサイズは、5.0cm×5.0cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness, and at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the anode catalyst layer produced from the screen printing method was 5.0 cm × 5.0 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 .

[カソード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して4倍量の精製水を加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE520)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of cathode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 4 times the amount of purified water to the mass of the product and performing degassing for 5 minutes under reduced pressure, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then 20 wt% Nafion (registered) that serves as the electrolyte (Trademark) -containing solution (DuPont Co., Ltd., DE520) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたカソード触媒層のサイズは、5.1cm×5.1cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness, and at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the cathode catalyst layer produced from the screen printing method was set to 5.1 cm × 5.1 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 .

[膜電極接合体(MEA)の作製]
固体高分子電解質膜として補強層を含まないフッ素系電解質膜(7.5cm×7.5cm、膜厚25μm)を用いて、ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたアノード触媒層の上に、この固体高分子電解質膜を重ね、さらにポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたカソード触媒層を重ねて積層した。その後、130℃、2.0MPaで10分間ホットプレスをした後、ポリテトラフルオロエチレンシートを剥がして膜電極接合体とした。
[Production of membrane electrode assembly (MEA)]
Using a fluorine-based electrolyte membrane (7.5 cm × 7.5 cm, film thickness 25 μm) that does not include a reinforcing layer as a solid polymer electrolyte membrane, on the anode catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet, A solid polymer electrolyte membrane was stacked, and a cathode catalyst layer formed on a polytetrafluoroethylene sheet was further stacked. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and then the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly.

固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層では、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は26cmであった。アノード触媒層は、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は25cmであった。 In the cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 26 cm 2 . The anode catalyst layer had a Pt loading of 0.4 mg per 1 cm 2 apparent electrode area and an electrode area of 25 cm 2 .

比較例3
以下のようにして、図21に示されるMEAを作製した。
Comparative Example 3
The MEA shown in FIG. 21 was produced as follows.

[アノード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して4倍量の精製水を加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE520)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of anode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 4 times the amount of purified water to the mass of the product and performing degassing for 5 minutes under reduced pressure, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then 20 wt% Nafion (registered) that serves as the electrolyte (Trademark) -containing solution (DuPont Co., Ltd., DE520) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたアノード触媒層のサイズは、5.1cm×5.1cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness, and at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the anode catalyst layer produced from the screen printing method was 5.1 cm × 5.1 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 .

[カソード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して4倍量の精製水を加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE520)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of cathode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 4 times the amount of purified water to the mass of the product and performing degassing for 5 minutes under reduced pressure, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then 20 wt% Nafion (registered) that serves as the electrolyte (Trademark) -containing solution (DuPont Co., Ltd., DE520) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.08mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたカソード触媒層のサイズは、5.2cm×5.2cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.4mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry was printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.08 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to the desired thickness, and at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the cathode catalyst layer produced from the screen printing method was set to 5.2 cm × 5.2 cm. Further, the coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the amount of Pt was 0.4 mg / cm 2 .

[膜電極接合体(MEA)の作製]
固体高分子電解質膜として補強層を含まないフッ素系電解質膜(7.5cm×7.5cm、膜厚25μm)を用いて、ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたアノード触媒層の上に、この固体高分子電解質膜を重ね、さらにポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたカソード触媒層を重ねて積層した。その後、130℃、2.0MPaで10分間ホットプレスをした後、ポリテトラフルオロエチレンシートを剥がして膜電極接合体とした。
[Production of membrane electrode assembly (MEA)]
Using a fluorine-based electrolyte membrane (7.5 cm × 7.5 cm, film thickness 25 μm) that does not include a reinforcing layer as a solid polymer electrolyte membrane, on the anode catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet, A solid polymer electrolyte membrane was stacked, and a cathode catalyst layer formed on a polytetrafluoroethylene sheet was further stacked. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and then the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly.

固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層では、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は27cmであった。アノード触媒層は、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は26cmであった。 In the cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 27 cm 2 . The anode catalyst layer had a Pt loading of 0.4 mg per 1 cm 2 apparent electrode area and an electrode area of 26 cm 2 .

[アノード触媒層端部への第二のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.0cm×5.0cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.1cm幅の額縁状の第二のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.0cm×5.0cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.0cm×5.0cmである開口部を打ち抜いて、1.1cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of second gasket layer on end of anode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a second gasket layer having a frame shape of 1.1 cm width was prepared by punching an opening having a size of 5.0 cm × 5.0 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.0 cm × 5.0 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, 1.5 mm thick) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.0 cm at the center of the square sheet. The opening part which is * 5.0cm was punched out, and the 1.1cm width frame-shaped hypersheet was prepared.

ここで、上記で作製したMEAを、アノード触媒層(5.1cm×5.1cm)が上となるようにセットした。次に、このアノード触媒層の端部周囲が均等(0.5mm)に見えるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.0cm×5.0cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第二のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第二のガスケット層を配置した。第二のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第二のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置し、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを作製した。   Here, the MEA produced above was set so that the anode catalyst layer (5.1 cm × 5.1 cm) was on top. Next, the square hypersheet (5.0 cm × 5.0 cm) prepared above was set at the center so that the periphery of the end of the anode catalyst layer could be seen uniformly (0.5 mm). In this state, the second gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the second gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After placing the second gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was placed so as to overlap the second gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet to produce a CCM-gasket layer-hypersheet. .

[カソード触媒層端部への第一のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状の第一のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.1cm×5.1cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmである開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of first gasket layer at the end of the cathode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, an opening having a size of 5.1 cm × 5.1 cm was punched out to prepare a first gasket layer having a frame shape having a width of 1.05 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.1 cm × 5.1 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, Inc., thickness 1.5 mm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.1 cm at the center of the square sheet. An opening having a size of 5.1 cm was punched out to prepare a frame-like hypersheet having a width of 1.05 cm.

上記アノード触媒層への第二のガスケット層の形成で作製された、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを、ユニットとして裏返して、カソード触媒層(5.2cm×5.2cm)が上となるようにセットした。次に、上記「アノード触媒層への第二のガスケット層の形成」工程と同様にして、カソード触媒層の端部周囲が均等(0.5mm)に見えるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.1cm×5.1cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第一のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第一のガスケット層を配置した。第一のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第一のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置した。このようにして、MEAのアノード及びカソード側両方にガスケット層及び額縁状のハイパーシートが配置されたら、このユニットから各触媒層上に配置した正方形のハイパーシートを取り外し、残りのユニットをSUS板(寸法:7.4cm×7.4cm、厚さ1mm)で両側から挟持し、ホットプレス機を用いて、130℃、0.4MPa、1分間、熱圧着した。   The CCM-gasket layer-hypersheet produced by forming the second gasket layer on the anode catalyst layer is turned over as a unit and set so that the cathode catalyst layer (5.2 cm × 5.2 cm) is on top. did. Next, in the same manner as in the “formation of the second gasket layer on the anode catalyst layer” step, the square hypersheet prepared above so that the periphery of the end portion of the cathode catalyst layer can be seen uniformly (0.5 mm). (5.1 cm × 5.1 cm) was set at the center. In this state, the first gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the first gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After the arrangement of the first gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was arranged so as to overlap the first gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet. In this way, when the gasket layer and the frame-like hypersheet are arranged on both the anode and cathode sides of the MEA, the square hypersheet arranged on each catalyst layer is removed from this unit, and the remaining unit is replaced with a SUS plate (dimensions: 7.4 cm × 7.4 cm, thickness 1 mm), and thermocompression bonded at 130 ° C., 0.4 MPa for 1 minute using a hot press machine.

比較例4
以下のようにして、図22に示されるMEAを作製した。
Comparative Example 4
The MEA shown in FIG. 22 was produced as follows.

まず、比較例1に記載の方法と同様にして、アノード触媒層及びカソード触媒層を作製した後、膜電極接合体(MEA)を作製した。   First, in the same manner as in the method described in Comparative Example 1, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer were produced, and then a membrane electrode assembly (MEA) was produced.

[アノード触媒層端部への第二のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.2cm×5.2cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.0cm幅の額縁状の第二のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.2cm×5.2cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.2cm×5.2cmである開口部を打ち抜いて、1.0cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of second gasket layer on end of anode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a second gasket layer having a frame shape having a width of 1.0 cm was prepared by punching an opening having a size of 5.2 cm × 5.2 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.2 cm × 5.2 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, thickness 1.5 mm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.2 cm in the center of the square sheet. The opening part which is x5.2 cm was punched out, and a 1.0 cm wide frame-shaped hypersheet was prepared.

ここで、上記で作製したMEAを、アノード触媒層(5.1cm×5.1cm)が上となるようにセットした。次に、このアノード触媒層の端部周囲から均等(0.5mm)にはみ出るように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.2cm×5.2cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第二のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第二のガスケット層を配置した。第二のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第二のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置した。   Here, the MEA produced above was set so that the anode catalyst layer (5.1 cm × 5.1 cm) was on top. Next, the square hypersheet (5.2 cm × 5.2 cm) prepared above was set at the center so as to protrude evenly (0.5 mm) from the periphery of the end of the anode catalyst layer. In this state, the second gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the second gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After the arrangement of the second gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was arranged so as to overlap the second gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet.

[カソード触媒層端部への第一のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状の第一のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.1cm×5.1cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmである開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of first gasket layer at the end of the cathode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, an opening having a size of 5.1 cm × 5.1 cm was punched out to prepare a first gasket layer having a frame shape having a width of 1.05 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.1 cm × 5.1 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, Inc., thickness 1.5 mm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.1 cm at the center of the square sheet. An opening having a size of 5.1 cm was punched out to prepare a frame-like hypersheet having a width of 1.05 cm.

上記アノード触媒層への第二のガスケット層の形成で作製された、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを、ユニットとして裏返して、カソード触媒層(5.0cm×5.0cm)が上となるようにセットした。次に、上記「アノード触媒層への第二のガスケット層の形成」工程と同様にして、カソード触媒層の端部周囲から均等(0.5mm)にはみ出るように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.1cm×5.1cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第一のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第一のガスケット層を配置した。第一のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第一のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置した。このようにして、MEAのアノード及びカソード側両方にガスケット層及び額縁状のハイパーシートが配置されたら、このユニットから各触媒層上に配置した正方形のハイパーシートを取り外し、残りのユニットをSUS板(寸法:7.4cm×7.4cm、厚さ1mm)で両側から挟持し、ホットプレス機を用いて、130℃、0.4MPa、1分間、熱圧着した。   The CCM-gasket layer-hyper sheet produced by forming the second gasket layer on the anode catalyst layer is turned over as a unit and set so that the cathode catalyst layer (5.0 cm × 5.0 cm) is on top. did. Next, in the same manner as in the “formation of the second gasket layer on the anode catalyst layer” step, the square hypersheet prepared above so as to protrude evenly (0.5 mm) from the periphery of the end portion of the cathode catalyst layer. (5.1 cm × 5.1 cm) was set at the center. In this state, the first gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the first gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After the arrangement of the first gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was arranged so as to overlap the first gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet. In this way, when the gasket layer and the frame-like hypersheet are arranged on both the anode and cathode sides of the MEA, the square hypersheet arranged on each catalyst layer is removed from this unit, and the remaining unit is replaced with a SUS plate (dimensions: 7.4 cm × 7.4 cm, thickness 1 mm), and thermocompression bonded at 130 ° C., 0.4 MPa for 1 minute using a hot press machine.

実施例2:OCV耐久試験
実施例1及び比較例1〜4で得られた膜電極接合体について、以下のようにしてそれぞれの性能を評価した。
Example 2: OCV durability test About the membrane electrode assembly obtained in Example 1 and Comparative Examples 1-4, each performance was evaluated as follows.

[評価方法]
膜電極接合体の両面側に、ガス拡散層としてカーボンペーパ(大きさ6.0cm×5.5cm、厚さ200μm)と、ガス流路付きガスセパレータとを各々配設し、さらに金メッキしたステンレス製集電板により挟持して、評価用単位セルとした。
[Evaluation methods]
On both sides of the membrane electrode assembly, carbon paper (size 6.0 cm × 5.5 cm, thickness 200 μm) as a gas diffusion layer and a gas separator with a gas flow path are disposed, and further gold-plated stainless steel The unit cell for evaluation was sandwiched between current collector plates.

評価用単位セルのアノード側に燃料として水素ガスを供給すると共に、カソード側に酸化剤として酸素を供給した。水素及び酸素の両ガスともに背圧は大気圧とし、セル温度は90℃に設定した。また、水素ガス流量500cm/分の温度61.2℃(対湿度30%@90℃)、酸素ガス流量500cm/分の温度61.2℃(相対湿度30%@90℃)に設定した。このような条件下で上記単位セルを運転した場合の、OCV(Open Circuit Voltage)の経時的な変化を測定し、その結果を図23に示す。なお、図23中、横軸は耐久時間(時間)、縦軸は開路電圧(OCV)(V)をそれぞれ表す。また、図中でOCVが急落した点は、MEAの電解質膜に孔が空いた時点であると考える。 Hydrogen gas was supplied as a fuel to the anode side of the evaluation unit cell, and oxygen was supplied as an oxidant to the cathode side. The back pressure was set to atmospheric pressure for both hydrogen and oxygen gas, and the cell temperature was set to 90 ° C. Also, the temperature was set to a temperature of 61.2 ° C. (30% @ 90 ° C.) relative to a hydrogen gas flow rate of 500 cm 3 / min, and a temperature of 61.2 ° C. (relative humidity 30% @ 90 ° C.) of 500 cm 3 / min. . When the unit cell is operated under such conditions, a change in OCV (Open Circuit Voltage) with time is measured, and the result is shown in FIG. In FIG. 23, the horizontal axis represents the endurance time (time), and the vertical axis represents the open circuit voltage (OCV) (V). In addition, it is considered that the point where the OCV suddenly dropped in the figure is the time when a hole is formed in the MEA electrolyte membrane.

図23から、ガスケット層を設けていない比較例1及び比較例2のMEAを有する単位セルは、28時間の耐久試験時間でOCVが急落した。一方、ガスケット層を設け触媒層端部とガスケット層を重ねた仕様で、有効カソード触媒層に対して有効アノード触媒層を大きくした実施例1のMEAを有する単位セルは、96時間でOCVが急落した。これから、触媒層端部にガスケット層を設けることによって、本発明のMEAは、ガスケット層を触媒層端部に設けないものに比して、OCV保持時の電解質膜の分解を有効に抑制できることが示される。また、同じくガスケット層を設け触媒層端部とガスケット層を重ねた仕様で、有効アノード触媒層に対して有効カソード触媒層を大きくした比較例3のMEAを有する単位セルは、60時間でOCVが急落した。これから、有効触媒層面積をアノード触媒層側を大きくすることによって、OCV耐久保持性を有意に向上できることが示される。さらに、有効カソード触媒層に対して有効アノード触媒層を大きくし、ガスケット層を設ける際にガスケット層の開口部側の内端部と触媒層の端部の間に隙間を設けた比較例4のMEAを有する単位セルについては、37時間でOCVが急落した。これから、本発明によるように、触媒層端部をガスが侵入しないよう構造としない場合には、単に有効触媒層面積をアノード触媒層側を大きくしただけではOCVが短時間で急落してしまい、優れたOCV耐久保持性が達成できないことが分かる。   From FIG. 23, in the unit cells having the MEAs of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in which no gasket layer was provided, the OCV dropped sharply in the endurance test time of 28 hours. On the other hand, the unit cell having the MEA of Example 1 in which the gasket layer is provided and the end portion of the catalyst layer is overlapped with the gasket layer and the effective anode catalyst layer is enlarged with respect to the effective cathode catalyst layer, the OCV drops sharply in 96 hours. did. From this, by providing the gasket layer at the end of the catalyst layer, the MEA of the present invention can effectively suppress the decomposition of the electrolyte membrane when holding the OCV, compared with the case where the gasket layer is not provided at the end of the catalyst layer. Indicated. Similarly, the unit cell having the MEA of Comparative Example 3 in which the gasket layer is provided and the end portion of the catalyst layer and the gasket layer are overlapped and the effective cathode catalyst layer is enlarged with respect to the effective anode catalyst layer has an OCV of 60 hours. It plummeted. From this, it is shown that the OCV durability retention can be significantly improved by increasing the effective catalyst layer area on the anode catalyst layer side. Further, the effective anode catalyst layer is made larger than the effective cathode catalyst layer, and when the gasket layer is provided, a gap is provided between the inner end portion on the opening side of the gasket layer and the end portion of the catalyst layer. For unit cells with MEA, OCV plummeted in 37 hours. From this, according to the present invention, when the end of the catalyst layer is not structured so that gas does not enter, simply by increasing the effective catalyst layer area on the anode catalyst layer side, the OCV rapidly drops in a short time, It can be seen that excellent OCV durability retention cannot be achieved.

上記結果及び考察に加えて、上記OCV耐久試験後、単位セルを分解してガス流路付きガスセパレータの片方を取り外し、代わりに所定形状のアクリルプレートを装着してMEAを固定し、残っているガスセパレータ側からヘリウムガスを供給して加圧(〜10kPa程度)して可視化リーク試験を行ない、電解質膜の孔あき個所を観察した。その結果、比較例1、比較例2、比較例4のMEAに関しては、触媒層の端部付近から比較的多くのヘリウムガスの気泡が発生したが、実施例1及び比較例3のMEAに関しては、端部ではなく触媒層の全般においてヘリウムガスの気泡の発生が確認された。   In addition to the above results and considerations, after the OCV endurance test, the unit cell is disassembled and one side of the gas separator with the gas flow path is removed, and instead the MEA is fixed by attaching an acrylic plate of a predetermined shape. A visualization leak test was performed by supplying helium gas from the gas separator side and pressurizing (about 10 kPa), and the perforated portion of the electrolyte membrane was observed. As a result, with respect to the MEAs of Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 4, a relatively large amount of helium gas bubbles were generated from the vicinity of the end of the catalyst layer, but with respect to the MEAs of Example 1 and Comparative Example 3, It was confirmed that bubbles of helium gas were generated not in the edges but in the entire catalyst layer.

以上の結果から、実施例1のMEAは、OCV耐久性が他のMEAに比して有意に向上したことが確認された。   From the above results, it was confirmed that the MEA of Example 1 has significantly improved OCV durability as compared with other MEAs.

実施例3
以下のようにして、図24に示されるMEAを作製した。
Example 3
The MEA shown in FIG. 24 was produced as follows.

[アノード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して3倍量の精製水と3倍量のプロピレングリコールを加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE2020)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of anode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 3 times the amount of purified water and 3 times the amount of propylene glycol with respect to the mass of the product, vacuum defoaming operation for 5 minutes, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then the electrolyte A solution containing 20 wt% Nafion (registered trademark) (DuPont Co., Ltd., DE2020) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.2mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたアノード触媒層のサイズは、5.1cm×5.1cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.05mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry is printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.2 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to a desired thickness, and then at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the anode catalyst layer produced from the screen printing method was 5.1 cm × 5.1 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.05 mg / cm 2 .

[カソード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して3倍量の精製水と3倍量のプロピレングリコールを加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE2020)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of cathode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 3 times the amount of purified water and 3 times the amount of propylene glycol with respect to the mass of the product, vacuum defoaming operation for 5 minutes, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then the electrolyte A solution containing 20 wt% Nafion (registered trademark) (DuPont Co., Ltd., DE2020) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.2mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたカソード触媒層のサイズは、5.0cm×5.0cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.35mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry is printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.2 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to a desired thickness, and then at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the cathode catalyst layer produced from the screen printing method was 5.0 cm × 5.0 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.35 mg / cm 2 .

[膜電極接合体(MEA)の作製]
固体高分子電解質膜として補強層を有するフッ素系電解質膜(7.5cm×7.5cm、膜厚30μm)を用いて、ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたアノード触媒層の上に、この固体高分子電解質膜を重ね、さらにポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたカソード触媒層を重ねて積層した。その後、130℃、2.0MPaで10分間ホットプレスをした後、ポリテトラフルオロエチレンシートを剥がして膜電極接合体とした。
[Production of membrane electrode assembly (MEA)]
Using a fluorine-based electrolyte membrane (7.5 cm × 7.5 cm, film thickness 30 μm) having a reinforcing layer as the solid polymer electrolyte membrane, this solid is formed on the anode catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet. A polymer electrolyte membrane was stacked, and a cathode catalyst layer formed on a polytetrafluoroethylene sheet was further stacked. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and then the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly.

固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層では、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は25cmであった。アノード触媒層は、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は26cmであった。 In the cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . The anode catalyst layer had a Pt loading of 0.4 mg per 1 cm 2 apparent electrode area and an electrode area of 26 cm 2 .

[アノード触媒層端部への第二のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状の第二のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.1cm×5.1cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmである開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of second gasket layer on end of anode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a second gasket layer having a frame shape with a width of 1.05 cm was prepared by punching an opening having a size of 5.1 cm × 5.1 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.1 cm × 5.1 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, Inc., thickness 1.5 mm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.1 cm at the center of the square sheet. An opening having a size of 5.1 cm was punched out to prepare a frame-like hypersheet having a width of 1.05 cm.

ここで、上記で作製したMEAを、アノード触媒層(5.1cm×5.1cm)が上となるようにセットした。次に、このアノード触媒層の端部周囲と重なるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.1cm×5.1cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第二のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第二のガスケット層を配置した。第二のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第二のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置し、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを作製した。   Here, the MEA produced above was set so that the anode catalyst layer (5.1 cm × 5.1 cm) was on top. Next, the square hypersheet (5.1 cm × 5.1 cm) prepared above was set at the center so as to overlap the periphery of the end of the anode catalyst layer. In this state, the second gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the second gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After placing the second gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was placed so as to overlap the second gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet to produce a CCM-gasket layer-hypersheet. .

[カソード触媒層端部への第一のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.0cm×5.0cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.1cm幅の額縁状の第一のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.0cm×5.0cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.0cm×5.0cmである開口部を打ち抜いて、1.1cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of first gasket layer at the end of the cathode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a first gasket layer having a frame shape of 1.1 cm width was prepared by punching an opening having a size of 5.0 cm × 5.0 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.0 cm × 5.0 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, 1.5 mm thick) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.0 cm at the center of the square sheet. The opening part which is * 5.0cm was punched out, and the 1.1cm width frame-shaped hypersheet was prepared.

上記アノード触媒層への第二のガスケット層の形成で作製された、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを、ユニットとして裏返して、カソード触媒層(5.0cm×5.0cm)が上となるようにセットした。次に、上記「アノード触媒層への第二のガスケット層の形成」工程と同様にして、カソード触媒層の端部周囲と重なるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.0cm×5.0cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第一のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第一のガスケット層を配置した。第一のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第一のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置した。このようにして、MEAのアノード及びカソード側両方にガスケット層及び額縁状のハイパーシートが配置されたら、このユニットから各触媒層上に配置した正方形のハイパーシートを取り外し、残りのユニットをSUS板(寸法:7.4cm×7.4cm、厚さ1mm)で両側から挟持し、ホットプレス機を用いて、130℃、0.4MPa、1分間、熱圧着して、ガスケット層と接する触媒層端部には、ガスが入らないように、ガスケット層端部と触媒層端部が十分に密着しあう構造とした。   The CCM-gasket layer-hyper sheet produced by forming the second gasket layer on the anode catalyst layer is turned over as a unit and set so that the cathode catalyst layer (5.0 cm × 5.0 cm) is on top. did. Next, in the same manner as in the “formation of the second gasket layer on the anode catalyst layer” step, the square hypersheet (5.0 cm × 5 .5) prepared above so as to overlap with the periphery of the end of the cathode catalyst layer. 0 cm) was set at the center. In this state, the first gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the first gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After the arrangement of the first gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was arranged so as to overlap the first gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet. In this way, when the gasket layer and the frame-like hypersheet are arranged on both the anode and cathode sides of the MEA, the square hypersheet arranged on each catalyst layer is removed from this unit, and the remaining unit is replaced with a SUS plate (dimensions: 7.4 cm × 7.4 cm, thickness 1 mm), and is hot-pressed at 130 ° C., 0.4 MPa for 1 minute using a hot press machine, and at the end of the catalyst layer in contact with the gasket layer The gasket layer end and the catalyst layer end are in close contact with each other so that gas does not enter.

実施例4
以下のようにして、図25に示されるMEAを作製した。
Example 4
The MEA shown in FIG. 25 was produced as follows.

[アノード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して3倍量の精製水と3倍量のプロピレングリコールを加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE2020)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of anode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 3 times the amount of purified water and 3 times the amount of propylene glycol with respect to the mass of the product, vacuum defoaming operation for 5 minutes, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then the electrolyte A solution containing 20 wt% Nafion (registered trademark) (DuPont Co., Ltd., DE2020) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.2mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたアノード触媒層のサイズは、5.2cm×5.2cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.05mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry is printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.2 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to a desired thickness, and then at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the anode catalyst layer produced from the screen printing method was 5.2 cm × 5.2 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.05 mg / cm 2 .

[カソード触媒層の作製]
Pt粒子をPt担持濃度50質量%として担持させた炭素担体(ケッチェン・ブラック・インターナショナル(株)社製ケッチェンブラックEC、BET表面積=800m/g)を用い、Pt粒子を担持させた炭素担体の質量に対して3倍量の精製水と3倍量のプロピレングリコールを加えて、5分間減圧脱泡操作をした後、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加えた後、さらに、電解質となる20wt%Nafion(登録商標)を含有した溶液(DuPont(株)社製、DE2020)を加えた。溶液中の電解質は、炭素担体の質量に対する固形分質量比(Carbon(炭素)/Ionomer(電解質))を1.0/0.9としたものを用いた。
[Preparation of cathode catalyst layer]
Carbon support on which Pt particles are supported using a carbon support (Ketjen Black EC, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) on which Pt particles are supported at a Pt support concentration of 50% by mass. After adding 3 times the amount of purified water and 3 times the amount of propylene glycol with respect to the mass of the product, vacuum defoaming operation for 5 minutes, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and then the electrolyte A solution containing 20 wt% Nafion (registered trademark) (DuPont Co., Ltd., DE2020) was added. The electrolyte in the solution used was a solid content mass ratio (Carbon (carbon) / Ionomer (electrolyte)) of 1.0 / 0.9 with respect to the mass of the carbon support.

得られた混合スラリを超音波ホモジナイザによって分散させて、減圧脱泡操作をして触媒スラリを作製した。作製した触媒スラリをポリテトラフルオロエチレンシート(7.5cm×7.5cm、厚さ0.2mm)の片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量を印刷し、60℃で24時間乾燥させた。スクリーン印刷法から製造されたカソード触媒層のサイズは、5.1cm×5.1cmとした。また、ポリテトラフルオロエチレンシート上の塗布層は、Pt量が0.35mg/cmとなるように調整した。 The obtained mixed slurry was dispersed by an ultrasonic homogenizer, and vacuum degassing was performed to prepare a catalyst slurry. The produced catalyst slurry is printed on one side of a polytetrafluoroethylene sheet (7.5 cm × 7.5 cm, thickness 0.2 mm) by a screen printing method in an amount corresponding to a desired thickness, and then at 60 ° C. for 24 hours. Dried. The size of the cathode catalyst layer produced from the screen printing method was set to 5.1 cm × 5.1 cm. The coating layer on the polytetrafluoroethylene sheet was adjusted so that the Pt amount was 0.35 mg / cm 2 .

[膜電極接合体(MEA)の作製]
固体高分子電解質膜として補強層を有するフッ素系電解質膜(7.5cm×7.5cm、膜厚30μm)を用いて、ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたアノード触媒層の上に、この固体高分子電解質膜を重ね、さらにポリテトラフルオロエチレンシート上に形成されたカソード触媒層を重ねて積層した。その後、130℃、2.0MPaで10分間ホットプレスをした後、ポリテトラフルオロエチレンシートを剥がして膜電極接合体とした。
[Production of membrane electrode assembly (MEA)]
Using a fluorine-based electrolyte membrane (7.5 cm × 7.5 cm, film thickness 30 μm) having a reinforcing layer as the solid polymer electrolyte membrane, this solid is formed on the anode catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet. A polymer electrolyte membrane was stacked, and a cathode catalyst layer formed on a polytetrafluoroethylene sheet was further stacked. Thereafter, hot pressing was performed at 130 ° C. and 2.0 MPa for 10 minutes, and then the polytetrafluoroethylene sheet was peeled off to obtain a membrane electrode assembly.

固体高分子電解質膜上に転写されたカソード触媒層では、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は25cmであった。アノード触媒層は、Pt担持量は見かけの電極面積1cmあたり0.4mg、電極面積は26cmであった。 In the cathode catalyst layer transferred onto the solid polymer electrolyte membrane, the amount of Pt supported was 0.4 mg per 1 cm 2 of the apparent electrode area, and the electrode area was 25 cm 2 . The anode catalyst layer had a Pt loading of 0.4 mg per 1 cm 2 apparent electrode area and an electrode area of 26 cm 2 .

[アノード触媒層端部への第二のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状の第二のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.1cm×5.1cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmである開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of second gasket layer on end of anode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a second gasket layer having a frame shape with a width of 1.05 cm was prepared by punching an opening having a size of 5.1 cm × 5.1 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.1 cm × 5.1 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, Inc., thickness 1.5 mm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.1 cm at the center of the square sheet. An opening having a size of 5.1 cm was punched out to prepare a frame-like hypersheet having a width of 1.05 cm.

ここで、上記で作製したMEAを、アノード触媒層(5.2cm×5.2cm)が上となるようにセットした。次に、このアノード触媒層の端部周囲が均等(0.5mm)に見えるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.1cm×5.1cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第二のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第二のガスケット層を配置した。第二のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第二のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置し、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを作製した。   Here, the MEA produced above was set so that the anode catalyst layer (5.2 cm × 5.2 cm) was on top. Next, the square hypersheet (5.1 cm × 5.1 cm) prepared above was set at the center so that the periphery of the end of the anode catalyst layer could be seen uniformly (0.5 mm). In this state, the second gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the second gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After placing the second gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was placed so as to overlap the second gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet to produce a CCM-gasket layer-hypersheet. .

[カソード触媒層端部への第一のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.0cm×5.0cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.1cm幅の額縁状の第一のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.0cm×5.0cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.0cm×5.0cmである開口部を打ち抜いて、1.1cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of first gasket layer at the end of the cathode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a first gasket layer having a frame shape of 1.1 cm width was prepared by punching an opening having a size of 5.0 cm × 5.0 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.0 cm × 5.0 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, 1.5 mm thick) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.0 cm at the center of the square sheet. The opening part which is * 5.0cm was punched out, and the 1.1cm width frame-shaped hypersheet was prepared.

上記アノード触媒層への第二のガスケット層の形成で作製された、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを、ユニットとして裏返して、カソード触媒層(5.1cm×5.1cm)が上となるようにセットした。次に、上記「アノード触媒層への第二のガスケット層の形成」工程と同様にして、カソード触媒層の端部周囲が均等(0.5mm)に見えるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.0cm×5.0cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第一のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第一のガスケット層を配置した。第一のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第一のガスケット層の上に重なるように、かつハイパーシートの外周部に沿うように配置した。このようにして、MEAのアノード及びカソード側両方にガスケット層及び額縁状のハイパーシートが配置されたら、このユニットから各触媒層上に配置した正方形のハイパーシートを取り外し、残りのユニットをSUS板(寸法:7.4cm×7.4cm、厚さ1mm)で両側から挟持し、ホットプレス機を用いて、130℃、0.4MPa、1分間、熱圧着して、ガスケット層と重なる触媒層端部には、ガスが入らないように触媒層の気孔が十分に埋まる構造とした。   The CCM-gasket layer-hypersheet produced by forming the second gasket layer on the anode catalyst layer is turned over as a unit and set so that the cathode catalyst layer (5.1 cm × 5.1 cm) is on top. did. Next, in the same manner as in the “formation of the second gasket layer on the anode catalyst layer” step, the square hypersheet prepared above so that the periphery of the end portion of the cathode catalyst layer can be seen uniformly (0.5 mm). (5.0 cm × 5.0 cm) was set at the center. In this state, the first gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the first gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After the arrangement of the first gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above was arranged so as to overlap the first gasket layer and along the outer periphery of the hypersheet. In this way, when the gasket layer and the frame-like hypersheet are arranged on both the anode and cathode sides of the MEA, the square hypersheet arranged on each catalyst layer is removed from this unit, and the remaining unit is replaced with a SUS plate (dimensions: 7.4 cm x 7.4 cm, thickness 1 mm) and is hot-pressed at 130 ° C, 0.4 MPa for 1 minute using a hot press machine, and at the end of the catalyst layer that overlaps the gasket layer The pores of the catalyst layer are sufficiently filled to prevent gas from entering.

実施例5:OCV耐久試験
実施例3,4で得られた膜電極接合体について、実施例2と同様の方法に従って、評価用単位セルを作製し、当該単位セルについて性能を評価した。その結果を図26に示す。
Example 5: OCV Durability Test For the membrane / electrode assembly obtained in Examples 3 and 4, an evaluation unit cell was prepared according to the same method as in Example 2, and the performance of the unit cell was evaluated. The result is shown in FIG.

図23及び図26の結果を比べると、実施例3,4で得られたMEAを有する単位セルは、実施例1で得られたMEAを有する単位セルや比較例1〜4で得られたMEAを有する単位セルに比べて、より長いOCV保持時間を示している。これは、実施例3,4では、補強層を有する電解質膜を使用しているため、当該補強層が電解質膜での孔の形成を有効に抑制・防止するためであると考察される。また、図27に示されるように、ガスケット層を設ける際にガスケット層の内端部と触媒層の端部との間に隙間や重複部分を設けずに隣接させた構造を有する、実施例3のMEAを有する単位セルは、およそ395時間でOCVが不安定となり始めた(即ち、孔あき)。一方、図28に示されるように、ガスケット層を設ける際にガスケット層の内端部が触媒層の端部に重なるように配置した、実施例4のMEAを有する単位セルは、およそ480時間でOCVが急落した。これらの結果から、触媒層の端部にはガスケット層の内端部との重複部分が存在することにより、OCV保持時間を有意に延長できることが示される。   Comparing the results of FIG. 23 and FIG. 26, the unit cell having the MEA obtained in Examples 3 and 4 is the same as the unit cell having the MEA obtained in Example 1 and the MEA obtained in Comparative Examples 1 to 4. The OCV retention time is longer than that of the unit cell having the. In Examples 3 and 4, since the electrolyte membrane having the reinforcing layer is used, it is considered that the reinforcing layer effectively suppresses and prevents the formation of holes in the electrolyte membrane. In addition, as shown in FIG. 27, when the gasket layer is provided, Example 3 has a structure in which a gap or an overlap portion is not provided between the inner end portion of the gasket layer and the end portion of the catalyst layer. Unit cells with the MEA began to become unstable in OCV in about 395 hours (ie, perforated). On the other hand, as shown in FIG. 28, when the gasket layer was provided, the unit cell having the MEA of Example 4 arranged so that the inner end of the gasket layer overlapped the end of the catalyst layer was approximately 480 hours. OCV plummeted. From these results, it is shown that the OCV holding time can be significantly extended by the presence of an overlapping portion with the inner end portion of the gasket layer at the end portion of the catalyst layer.

以上の結果から、実施例3,4のMEAは、OCV耐久性をさらに有意に向上できることが確認された。   From the above results, it was confirmed that the MEAs of Examples 3 and 4 can further significantly improve the OCV durability.

実施例6
実施例4と同様にして、アノード及びカソード触媒層を作製し、さらに膜電極接合体(MEA)を作製した。
Example 6
In the same manner as in Example 4, anode and cathode catalyst layers were produced, and a membrane electrode assembly (MEA) was further produced.

[アノード触媒層端部への第二のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状の第二のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.1cm×5.1cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.2cm×5.2cmである開口部を打ち抜いて、1.0cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of second gasket layer on end of anode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a second gasket layer having a frame shape with a width of 1.05 cm was prepared by punching an opening having a size of 5.1 cm × 5.1 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.1 cm × 5.1 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, thickness 1.5 mm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.2 cm in the center of the square sheet. The opening part which is x5.2 cm was punched out, and a 1.0 cm wide frame-shaped hypersheet was prepared.

ここで、上記で作製したMEAを、アノード触媒層(5.2cm×5.2cm)が上となるようにセットした。次に、このアノード触媒層の端部周囲が均等(0.5mm)に見えるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.1cm×5.1cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第二のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第二のガスケット層を配置した。第二のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状ハイパーシートを第二のガスケット層の上に重なるように、かつ正方形のハイパーシートの外周部に均等(0.5mm)に隙間があくように配置した。   Here, the MEA produced above was set so that the anode catalyst layer (5.2 cm × 5.2 cm) was on top. Next, the square hypersheet (5.1 cm × 5.1 cm) prepared above was set at the center so that the periphery of the end of the anode catalyst layer could be seen uniformly (0.5 mm). In this state, the second gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the second gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After placing the second gasket layer, place the frame-shaped hypersheet prepared above so that it overlaps the second gasket layer, and evenly (0.5 mm) on the outer periphery of the square hypersheet did.

[カソード触媒層端部への第一のガスケット層の形成]
ウレタン系ホットメルト接着層付PENフィルム(帝人デュポン製、PEN厚さ25μm、接着層25μm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のフィルムの中央部に、寸法が5.0cm×5.0cmとなるような開口部を打ち抜いて、1.1cm幅の額縁状の第一のガスケット層を用意した。続いて、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を外形寸法が5.0cm×5.0cmとなるように打ち抜き、正方形のハイパーシートを用意した。また、ハイパーシート(ジャパンゴアテックス社製、厚さ1.5mm)を、外形寸法が7.2cm×7.2cmとなるように打ち抜いた後、この正方形のシートの中央部に、寸法が5.1cm×5.1cmである開口部を打ち抜いて、1.05cm幅の額縁状のハイパーシートを用意した。
[Formation of first gasket layer at the end of the cathode catalyst layer]
After punching out a PEN film with urethane-based hot-melt adhesive layer (manufactured by Teijin DuPont, PEN thickness 25 μm, adhesive layer 25 μm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the center of this square film Then, a first gasket layer having a frame shape of 1.1 cm width was prepared by punching an opening having a size of 5.0 cm × 5.0 cm. Subsequently, a hyper sheet (manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 1.5 mm) was punched out so that the outer dimensions were 5.0 cm × 5.0 cm, and a square hyper sheet was prepared. Further, after punching out a hyper sheet (Japan Gore-Tex, Inc., thickness 1.5 mm) so that the outer dimensions are 7.2 cm × 7.2 cm, the dimension is 5.1 cm at the center of the square sheet. An opening having a size of 5.1 cm was punched out to prepare a frame-like hypersheet having a width of 1.05 cm.

上記アノード触媒層への第二のガスケット層の形成で作製された、CCM−ガスケット層−ハイパーシートを、ユニットとして裏返して、カソード触媒層(5.1cm×5.1cm)が上となるようにセットした。次に、上記「アノード触媒層への第二のガスケット層の形成」工程と同様にして、カソード触媒層の端部周囲が均等(0.5mm)に見えるように、上記で用意した正方形のハイパーシート(5.0cm×5.0cm)をその中心にセットした。この状態で、上記で用意した第一のガスケット層の開口部がハイパーシートの外周部に沿うように、接着層が下を向くように第一のガスケット層を配置した。第一のガスケット層の配置後、上記で用意した額縁状のハイパーシートを第一のガスケット層の上に重なるように、かつ正方形のハイパーシートの外周部に均等(0.5mm)に隙間があくように配置した。このようにして、MEAのアノード及びカソード側両方にガスケット層及び額縁状のハイパーシートが配置されたら、このユニットから各触媒層上に配置した正方形のハイパーシートを取り外し、残りのユニットをSUS板(寸法:7.4cm×7.4cm、厚さ1mm)で両側から挟持し、ホットプレス機を用いて、130℃、0.4MPa、1分間、熱圧着した。当該工程では、触媒層端部とガスケット層が重なる領域には熱圧着時に圧力がかからないため、ガスケット層と重なる触媒層端部では、気孔内部まで完全に接着剤が入り込まない構造となり、ガスが入る余地が残るような触媒層の気孔が完全に埋まらない構造となった。   The CCM-gasket layer-hypersheet produced by forming the second gasket layer on the anode catalyst layer is turned over as a unit and set so that the cathode catalyst layer (5.1 cm × 5.1 cm) is on top. did. Next, in the same manner as in the “formation of the second gasket layer on the anode catalyst layer” step, the square hypersheet prepared above so that the periphery of the end portion of the cathode catalyst layer can be seen uniformly (0.5 mm). (5.0 cm × 5.0 cm) was set at the center. In this state, the first gasket layer was disposed so that the adhesive layer faced downward so that the opening of the first gasket layer prepared above was along the outer periphery of the hypersheet. After arranging the first gasket layer, the frame-shaped hypersheet prepared above is overlaid on the first gasket layer, and the outer periphery of the square hypersheet is evenly spaced (0.5 mm). Arranged. In this way, when the gasket layer and the frame-like hypersheet are arranged on both the anode and cathode sides of the MEA, the square hypersheet arranged on each catalyst layer is removed from this unit, and the remaining unit is replaced with a SUS plate (dimensions: 7.4 cm × 7.4 cm, thickness 1 mm), and thermocompression bonded at 130 ° C., 0.4 MPa for 1 minute using a hot press machine. In this process, no pressure is applied to the region where the catalyst layer end and the gasket layer overlap during thermocompression bonding, so the catalyst layer end overlapping the gasket layer has a structure in which the adhesive does not completely enter the pores and gas enters. The structure was such that the pores of the catalyst layer were not completely filled, leaving room for it.

実施例7:OCV耐久試験
実施例4,6で得られた膜電極接合体について、実施例2と同様の方法に従って、評価用単位セルを作製し、当該単位セルについて性能を評価した。その結果を図29に示す。
Example 7: OCV Durability Test For the membrane / electrode assembly obtained in Examples 4 and 6, an evaluation unit cell was prepared according to the same method as in Example 2, and the performance of the unit cell was evaluated. The result is shown in FIG.

図23及び図29の結果を比べると、実施例4,6で得られたMEAを有する単位セルは、実施例1で得られたMEAを有する単位セルや比較例1〜4で得られたMEAを有する単位セルに比べて、より長いOCV保持時間を示している。これは、実施例4,6では、電解質膜内に補強層を配置したものを使用しているため、当該補強層が電解質膜での孔の形成を有効に抑制・防止するためであると考察される。また、図29からは、図30に示されるように、ガスケット層を設ける際にガスケット層の内端部が触媒層の端部に重なるように配置し、かつ重なる領域の触媒層の気孔が接着剤により十分埋められている構造を有する、実施例4のMEAを有する単位セルは、およそ480時間でOCVが急落した。一方、図31に示されるように、重なる領域の触媒層の気孔が接着剤により完全に埋められていない構造を有する、実施例6のMEAを有する単位セルは、およそ400時間と、実施例4のものに比して短い時間で、OCVが急落した。以上の結果から、ガスケット層の内端部と触媒層の端部との重複部分における触媒層の気孔は接着剤層の接着剤により十分埋められていることが、OCV保持の点で好ましいことが示される。   Comparing the results of FIG. 23 and FIG. 29, the unit cell having the MEA obtained in Examples 4 and 6 is the unit cell having the MEA obtained in Example 1 and the MEA obtained in Comparative Examples 1 to 4. The OCV retention time is longer than that of the unit cell having the. In Examples 4 and 6, since the one in which the reinforcing layer is arranged in the electrolyte membrane is used, it is considered that the reinforcing layer effectively suppresses / prevents the formation of pores in the electrolyte membrane. Is done. 29, as shown in FIG. 30, when the gasket layer is provided, the gasket layer is disposed so that the inner end portion of the gasket layer overlaps the end portion of the catalyst layer, and the pores of the catalyst layer in the overlapping region are bonded. In the unit cell having the MEA of Example 4 having a structure sufficiently filled with the agent, the OCV dropped sharply in about 480 hours. On the other hand, as shown in FIG. 31, the unit cell having the MEA of Example 6 having a structure in which the pores of the catalyst layer in the overlapping region are not completely filled with the adhesive is approximately 400 hours. OCV plummeted in a short time compared to the one. From the above results, it is preferable in terms of OCV retention that the pores of the catalyst layer in the overlapping portion between the inner end portion of the gasket layer and the end portion of the catalyst layer are sufficiently filled with the adhesive of the adhesive layer. Indicated.

以上の結果から、実施例4,6のMEAは、OCV耐久性をさらに有意に向上できることが確認された。   From the above results, it was confirmed that the MEAs of Examples 4 and 6 can further significantly improve the OCV durability.

上記試験に加えて、上記OCV耐久試験後、カソード触媒層側の第一のガスケット層の内端部とカソード触媒層端部とが重なる領域(接着剤の含浸度が異なる領域)の膜厚(図30及び31における「X」)を測定し、その結果を下記表1に示す。なお、下記表1において、初期品とは、OCV耐久試験前の相当する領域の膜厚である。   In addition to the above test, after the OCV endurance test, the film thickness of the region where the inner end portion of the first gasket layer on the cathode catalyst layer side and the end portion of the cathode catalyst layer overlap (regions with different degrees of impregnation of the adhesive) ( “X” in FIGS. 30 and 31) was measured, and the results are shown in Table 1 below. In Table 1 below, the initial product is the film thickness of the corresponding region before the OCV durability test.

Figure 2007214101
Figure 2007214101

上記表1から、カソード触媒層の端部とガスケット層の内端部とが重なる領域で、該領域のカソード触媒層に接着剤層の接着剤を意図的に含浸させた実施例4のMEAと、意図的に含浸させない実施例6のMEAとについて、耐久試験後の膜厚(それぞれ、図31及び32の「X」)を比較したところ、OCV保持(耐久)時間のより長い実施例4の方が膜厚は22μmと、実施例6に比して、より厚かった。これは、実施例6のMEAについては、該領域の触媒層にまでガス(酸素)が行き届いてしまうため、該領域のアノード触媒層で過酸化水素(H)が生成し、膜の劣化が起こり、薄膜化が進む。一方、実施例4のMEAについては、該領域は接着剤が浸透してガス不透過になっているため、該領域にはガス(酸素)が行き届かないため、Hの生成反応が抑制され、薄膜化の領域を緩和できるものと考察される。 From Table 1 above, in the region where the end of the cathode catalyst layer and the inner end of the gasket layer overlap, the MEA of Example 4 in which the cathode catalyst layer in this region was intentionally impregnated with the adhesive of the adhesive layer; When the film thickness after the durability test (“X” in FIGS. 31 and 32, respectively) was compared with the MEA of Example 6 that was not intentionally impregnated, the OCV retention (durability) time of Example 4 was longer. The film thickness was 22 μm, which was thicker than that of Example 6. This is because in the MEA of Example 6, gas (oxygen) reaches the catalyst layer in the region, so that hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated in the anode catalyst layer in the region, and the membrane Deterioration occurs, and thinning proceeds. On the other hand, in the MEA of Example 4, the region penetrates the adhesive and is impermeable to gas. Therefore, gas (oxygen) does not reach the region, so that the reaction of generating H 2 O 2 occurs. It is considered that the area of thinning can be mitigated.

本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、耐久性に優れかつ燃費効率のよい燃料電池に適用できる。   The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention can be applied to a fuel cell having excellent durability and good fuel efficiency.

長期放置後のアノード/カソードのガス雰囲気、ならびに長期放置後の起動時のアノード/カソードのガス雰囲気と局部電池状態、を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the gas atmosphere of the anode / cathode after leaving it for a long time, and the gas atmosphere and local battery state of the anode / cathode at the time of starting after leaving for a long time. OCV保持時の酸素のクロスリークを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cross leak of oxygen at the time of OCV holding | maintenance. 本発明によるOCV保持時の酸素のクロスリークの抑制効果を説明する図である。It is a figure explaining the inhibitory effect of the oxygen cross leak at the time of OCV holding | maintenance by this invention. 本発明によるOCV保持時の酸素のクロスリークの抑制効果を説明する図である。It is a figure explaining the inhibitory effect of the oxygen cross leak at the time of OCV holding | maintenance by this invention. 本発明の第一の実施態様によるMEAの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of MEA by the 1st embodiment of this invention. 本発明の第二の実施態様によるMEAの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of MEA by the 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三の実施態様によるMEAの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of MEA by the 3rd embodiment of this invention. 本発明の第四の実施態様によるMEAの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of MEA by the 4th embodiment of this invention. 本発明の第五の実施態様によるMEAの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of MEA by the 5th embodiment of this invention. 本発明の第六の実施態様によるMEAの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of MEA by the 6th embodiment of this invention. 本発明の第七の実施態様によるMEAの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of MEA by the 7th embodiment of this invention. 本発明の第五の態様における第一の実施態様によるMEAを製造する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that MEA by the 1st embodiment in the 5th aspect of this invention is manufactured. 本発明の第五の態様における第二の実施態様によるMEAを製造する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that MEA by the 2nd embodiment in the 5th aspect of this invention is manufactured. 本発明の第五の態様における第三の実施態様によるMEAを製造する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that MEA by the 3rd embodiment in the 5th aspect of this invention is manufactured. 本発明の第五の態様における第四の実施態様によるMEAを製造する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that MEA by the 4th embodiment in the 5th aspect of this invention is manufactured. 本発明の第五の態様における第五の実施態様によるMEAを製造する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that MEA by the 5th embodiment in the 5th aspect of this invention is manufactured. 図14または図15に示す製造方法により製造されるMEAを示す図である。It is a figure which shows MEA manufactured by the manufacturing method shown in FIG. 14 or FIG. 本発明の第六の実施態様によるMEAを製造する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that MEA by the 6th embodiment of this invention is manufactured. 実施例1のMEAの構造を示す図である。1 is a diagram illustrating a structure of an MEA of Example 1. FIG. 比較例1のMEAの構造を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a structure of an MEA of Comparative Example 1. 比較例2のMEAの構造を示す図である。6 is a view showing a structure of an MEA of Comparative Example 2. FIG. 比較例3のMEAの構造を示す図である。6 is a view showing a structure of an MEA of Comparative Example 3. FIG. 比較例4のMEAの構造を示す図である。6 is a view showing a structure of an MEA of Comparative Example 4. FIG. 実施例2におけるOCV耐久試験結果を示す。The OCV durability test result in Example 2 is shown. 実施例3のMEAの構造を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a structure of an MEA of Example 3. 実施例4のMEAの構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the structure of an MEA of Example 4. 実施例5におけるOCV耐久試験結果を示す。The OCV durability test result in Example 5 is shown. 実施例3のMEAの端部断面構造を示す図である。It is a figure which shows the edge part cross-section of MEA of Example 3. FIG. 実施例4のMEAの端部断面構造を示す図である。It is a figure which shows the edge part cross-section of MEA of Example 4. FIG. 実施例7におけるOCV耐久試験結果を示す。The OCV durability test result in Example 7 is shown. 実施例4のMEAの端部断面構造を示す図である。It is a figure which shows the edge part cross-section of MEA of Example 4. FIG. 実施例6のMEAの端部断面構造を示す図である。It is a figure which shows the edge part cross-section of MEA of Example 6. FIG. 本発明のMEAにおける有効カソード触媒層、有効アノード触媒層、カソード触媒層及びアノード触媒層の配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the effective cathode catalyst layer, effective anode catalyst layer, cathode catalyst layer, and anode catalyst layer in MEA of this invention. 本発明のMEAの触媒層にプロピレングリコールを含ませた場合のひび割れの抑制・防止効果を説明する図である。It is a figure explaining the suppression / prevention effect of a crack at the time of including propylene glycol in the catalyst layer of MEA of the present invention.

Claims (33)

高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一方の側に配置された、カソード触媒層と、
前記高分子電解質膜の他方の側に配置された、アノード触媒層と、
前記有効アノード触媒層の面積が前記有効カソード触媒層の面積よりも大きくなるように、前記カソード触媒層の端部に形成された、第一のガスケット層と、
を有する、電解質膜−電極接合体。
A polymer electrolyte membrane;
A cathode catalyst layer disposed on one side of the polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane;
A first gasket layer formed at an end of the cathode catalyst layer such that an area of the effective anode catalyst layer is larger than an area of the effective cathode catalyst layer;
An electrolyte membrane-electrode assembly comprising:
第一のガスケット層の端部は、カソード触媒層と高分子電解質膜との間に挿入される、またはカソード触媒層の端部を被覆する、請求項1に記載の電解質膜−電極接合体。   2. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein an end of the first gasket layer is inserted between the cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane or covers the end of the cathode catalyst layer. 第二のガスケット層がさらにアノード触媒層の端部または周囲部の少なくとも一部に形成される、請求項1または2に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the second gasket layer is further formed on at least a part of an end portion or a peripheral portion of the anode catalyst layer. (1)第一のガスケット層がカソード触媒層の端部で被覆されるようにカソード触媒層と高分子電解質膜との間に形成され、かつ第二のガスケット層がアノード触媒層の端部で被覆されるようにアノード触媒層と高分子電解質膜との間に形成される;(2)第一のガスケット層がカソード触媒層の端部を被覆するように形成され、かつ第二のガスケット層がアノード触媒層の端部を被覆するように形成される;または(3)第一のガスケット層がカソード触媒層の端部で被覆されるようにカソード触媒層と高分子電解質膜との間に形成され、かつ第二のガスケット層がアノード触媒層の端部を被覆するように形成される、請求項3に記載の電解質膜−電極接合体。   (1) The first gasket layer is formed between the cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane so that the first gasket layer is covered with the end portion of the cathode catalyst layer, and the second gasket layer is formed at the end portion of the anode catalyst layer. Formed between the anode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane to be coated; (2) a first gasket layer is formed to cover the end of the cathode catalyst layer, and a second gasket layer; Or (3) between the cathode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane so that the first gasket layer is coated at the end of the cathode catalyst layer. The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 3, wherein the electrolyte membrane-electrode assembly is formed and formed so that the second gasket layer covers an end portion of the anode catalyst layer. カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、ほぼ同位置で終結する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein an end portion of the cathode catalyst layer and an end portion of the anode catalyst layer terminate at substantially the same position with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. An electrode assembly. アノード触媒層の端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、カソード触媒層の端部を越えて終結する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   5. The electrolyte membrane-electrode according to claim 1, wherein the end of the anode catalyst layer terminates beyond the end of the cathode catalyst layer with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. Joined body. 第一のガスケット層は、第一のガス不透過層に第一の接着剤層が形成されてなる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the first gasket layer is formed by forming a first adhesive layer on a first gas-impermeable layer. 第一の接着剤層を構成する材料がホットメルト系接着剤である、請求項7に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 7, wherein the material constituting the first adhesive layer is a hot-melt adhesive. 第一のガス不透過層の内端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対してカソード触媒層の端部よりも外側に位置し、前記ガス不透過層の内端部と前記カソード触媒層の端部との間に前記第一の接着剤層が配置される、請求項7または8に記載の電解質膜−電極接合体。   The inner end portion of the first gas impermeable layer is located outside the end portion of the cathode catalyst layer with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly, and the inner end portion of the gas impermeable layer and the cathode The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 7 or 8, wherein the first adhesive layer is disposed between the ends of the catalyst layer. 第二のガスケット層が、第二のガス不透過層に第二の接着剤層が形成されてなる、請求項3〜9のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 3 to 9, wherein the second gasket layer is formed by forming a second adhesive layer on the second gas impermeable layer. 前記第二の接着剤層を構成する材料がホットメルト系接着剤である、請求項10に記載の電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 10, wherein the material constituting the second adhesive layer is a hot-melt adhesive. 前記第二のガス不透過層の内端部が、電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して前記アノード触媒層の端部よりも外側に位置し、前記ガス不透過層の内端部と前記アノード触媒層の端部との間に前記第二の接着剤層が配置される、請求項10または11に記載の電解質膜−電極接合体。   The inner end of the second gas impermeable layer is located outside the end of the anode catalyst layer with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly, and the inner end of the gas impermeable layer, The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 10 or 11, wherein the second adhesive layer is disposed between an end portion of the anode catalyst layer. 第二のガスケット層がさらにアノード触媒層の端部に形成され、この際、カソード触媒層の端部と第一のガスケット層との重複部分の長さ[A(mm)]は0超であり(A>0)、アノード触媒層の端部と第二のガスケット層との重複部分の長さ[B(mm)]は0を超えかつ2mm以下であり(0<B≦2)、かつ電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、カソード触媒層の外端部とカソード触媒層の外端部を越えて終結するアノード触媒層の外端部との距離[C(mm)]は前記Bより大きい(B<C)、請求項1〜12のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The second gasket layer is further formed at the end of the anode catalyst layer. At this time, the length [A (mm)] of the overlapping portion between the end of the cathode catalyst layer and the first gasket layer is more than 0. (A> 0), the length [B (mm)] of the overlapping portion between the end of the anode catalyst layer and the second gasket layer is more than 0 and 2 mm or less (0 <B ≦ 2), and the electrolyte The distance [C (mm)] between the outer end portion of the cathode catalyst layer and the outer end portion of the anode catalyst layer that ends beyond the outer end portion of the cathode catalyst layer with respect to the thickness direction of the membrane-electrode assembly is The electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 12, which is larger than B (B <C). 電解質膜−電極接合体の厚み方向に対して、カソード触媒層の外端部と第二のガスケット層の内端部との距離[X(mm)]は0超である(X>0)、請求項13に記載の電解質膜−電極接合体。   The distance [X (mm)] between the outer end portion of the cathode catalyst layer and the inner end portion of the second gasket layer with respect to the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly is more than 0 (X> 0). The electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 13. 第一のガスケット層において、カソード触媒層の端部と重複する部分またはカソード触媒層の端部と接する部分は少なくともガス透過性を抑制する機能を有する、請求項1〜14のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The part which overlaps with the edge part of a cathode catalyst layer in the 1st gasket layer, or the part which contact | connects the edge part of a cathode catalyst layer has a function which suppresses gas permeability at least. The electrolyte membrane-electrode assembly according to the description. 第二のガスケット層において、アノード触媒層の端部と重複する部分またはアノード触媒層の端部と接する部分は少なくともガス透過性を抑制する機能を有する、請求項3〜15のいずれか1項に記載の電解質膜−電極接合体。   The part which overlaps with the edge part of an anode catalyst layer in the 2nd gasket layer, or the part which contact | connects the edge part of an anode catalyst layer has a function which suppresses gas permeability at least, Any one of Claims 3-15 The electrolyte membrane-electrode assembly according to the description. 高分子電解質膜のカソード触媒層側表面に、第一のガスケット層を形成した後、該ガスケット層の端部とカソード触媒層の端部とが重なるように、カソード触媒層をさらに形成する工程;および
高分子電解質膜のアノード触媒層側表面に、第二のガスケット層を形成した後、該ガスケット層の端部とアノード触媒層の端部とが重なるように、アノード触媒層をさらに形成する工程
を有し、かつ第一のガスケット層及び第二のガスケット層は、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きくなるように形成されることを特徴とする、電解質膜−電極接合体の製造方法。
Forming a first gasket layer on the cathode catalyst layer side surface of the polymer electrolyte membrane, and further forming a cathode catalyst layer so that an end of the gasket layer and an end of the cathode catalyst layer overlap; And forming a second gasket layer on the anode catalyst layer side surface of the polymer electrolyte membrane, and further forming an anode catalyst layer so that the end of the gasket layer and the end of the anode catalyst layer overlap each other And the first gasket layer and the second gasket layer are formed such that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer. Body manufacturing method.
高分子電解質膜のカソード触媒層側表面に、カソード触媒層を形成した後、該カソード触媒層の端部を被覆するように第一のガスケット層をさらに形成する工程;および
高分子電解質膜のアノード触媒層側表面に、アノード触媒層を形成した後、該アノード触媒層の端部を被覆するように第二のガスケット層をさらに形成する工程
を有し、かつ第一のガスケット層及び第二のガスケット層は、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きくなるように形成されることを特徴とする、電解質膜−電極接合体の製造方法。
Forming a cathode catalyst layer on the cathode catalyst layer side surface of the polymer electrolyte membrane, and further forming a first gasket layer so as to cover an end of the cathode catalyst layer; and an anode of the polymer electrolyte membrane Forming an anode catalyst layer on the surface of the catalyst layer, and further forming a second gasket layer so as to cover an end of the anode catalyst layer, and the first gasket layer and the second gasket layer The method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, wherein the gasket layer is formed so that an area of the effective anode catalyst layer is larger than an area of the effective cathode catalyst layer.
高分子電解質膜のカソード触媒層側表面に、第一のガスケット層を形成した後、該ガスケット層の端部とカソード触媒層の端部とが重なるように、カソード触媒層をさらに形成する工程;および
高分子電解質膜のアノード触媒層側表面に、アノード触媒層を形成した後、該アノード触媒層の端部を被覆するように第二のガスケット層をさらに形成する工程
を有し、かつ第一のガスケット層及び第二のガスケット層は、有効アノード触媒層の面積が有効カソード触媒層の面積より大きくなるように形成されることを特徴とする、電解質膜−電極接合体の製造方法。
Forming a first gasket layer on the cathode catalyst layer side surface of the polymer electrolyte membrane, and further forming a cathode catalyst layer so that an end of the gasket layer and an end of the cathode catalyst layer overlap; And a step of forming an anode catalyst layer on the anode catalyst layer side surface of the polymer electrolyte membrane, and further forming a second gasket layer so as to cover an end of the anode catalyst layer, and The method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly is characterized in that the gasket layer and the second gasket layer are formed such that the area of the effective anode catalyst layer is larger than the area of the effective cathode catalyst layer.
該カソード触媒層及びアノード触媒層は、カソード触媒層の端部とアノード触媒層の端部が電解質膜−電極接合体の厚み方向に対してほぼ同位置で終結するように形成される、請求項17〜19のいずれか1項に記載の方法。   The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are formed such that an end portion of the cathode catalyst layer and an end portion of the anode catalyst layer are terminated at substantially the same position in the thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. The method of any one of 17-19. 該カソード触媒層及びアノード触媒層は、アノード触媒層の端部が電解質膜−電極接合体の厚み方向に対してカソード触媒層の端部を越えて終結するように形成される、請求項17〜19のいずれか1項に記載の方法。   The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are formed so that an end portion of the anode catalyst layer is terminated beyond an end portion of the cathode catalyst layer with respect to a thickness direction of the electrolyte membrane-electrode assembly. 20. The method according to any one of items 19. カソード触媒層およびアノード触媒層を、アノード触媒層の面積がカソード触媒層の面積よりも大きくなるように、高分子電解質膜のそれぞれの面に形成する触媒層形成工程;
第一のガス不透過層に第一の接着剤層が形成されてなる第一のガスケット層を、前記第一の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合うように前記高分子電解質膜の周縁部の少なくとも一部に配置し、第二のガス不透過層に第二の接着剤層が形成されてなる第二のガスケット層を、前記第二の接着剤層と前記高分子電解質膜とが向かい合うように前記高分子電解質膜の端部または周囲部の少なくとも一部に配置するガスケット層配置工程;並びに、
前記触媒層形成工程および前記ガスケット層配置工程により得られた積層体をプレスすることにより、前記第一のガスケット層および前記第二のガスケット層と前記高分子電解質膜とを接着させる接着工程、
を有する、電解質膜−電極接合体の製造方法。
A catalyst layer forming step of forming the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer on each surface of the polymer electrolyte membrane so that the area of the anode catalyst layer is larger than the area of the cathode catalyst layer;
A first gasket layer in which a first adhesive layer is formed on a first gas impermeable layer is formed on the polymer electrolyte membrane so that the first adhesive layer and the polymer electrolyte membrane face each other. A second gasket layer disposed on at least a part of the peripheral edge and having a second gas-impermeable layer and a second adhesive layer formed thereon, the second adhesive layer and the polymer electrolyte membrane; A gasket layer disposing step of disposing at least a part of an end portion or a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane so as to face each other;
An adhesion step of bonding the first gasket layer and the second gasket layer to the polymer electrolyte membrane by pressing the laminate obtained by the catalyst layer forming step and the gasket layer arranging step;
A method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, comprising:
前記接着剤層を構成する材料がホットメルト系接着剤であり、前記接着工程におけるプレスがホットプレスである、請求項22に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 22, wherein a material constituting the adhesive layer is a hot-melt adhesive, and a press in the bonding step is a hot press. 前記触媒層形成工程後に、前記カソード触媒層または前記アノード触媒層の少なくとも一方の面上に、前記第一のガスケット層または前記第二のガスケット層の配置位置を合わせるためのガイド部材を配置するガイド部材配置工程をさらに含み、前記ガイド部材配置工程後に前記ガスケット層配置工程が行われる、請求項23に記載の製造方法。   A guide for arranging a guide member for aligning the arrangement position of the first gasket layer or the second gasket layer on at least one surface of the cathode catalyst layer or the anode catalyst layer after the catalyst layer forming step. The manufacturing method according to claim 23, further comprising a member arranging step, wherein the gasket layer arranging step is performed after the guide member arranging step. 前記ガスケット層配置工程が、前記第一のガスケット層の端部および前記カソード触媒層の端部、または前記第二のガスケット層の端部および前記アノード触媒層の端部の少なくとも一方が略一致するように行われる、請求項22〜24のいずれか1項に記載の製造方法。   In the gasket layer disposing step, at least one of an end portion of the first gasket layer and an end portion of the cathode catalyst layer, or an end portion of the second gasket layer and an end portion of the anode catalyst layer substantially matches. The manufacturing method of any one of Claims 22-24 performed as follows. 前記第一のガスケット層または前記第二のガスケット層の少なくとも一方の接着剤層が、一部の厚さが他の部分と比較して薄い薄部を有する、請求項22〜25のいずれか1項に記載の製造方法。   The adhesive layer of at least one of said 1st gasket layer or said 2nd gasket layer has a thin part with a thin part compared with another part in any one of Claims 22-25. The production method according to item. 前記第一のガスケット層または前記第二のガスケット層の少なくとも一方が、接着剤層が存在しない露出部を有する、請求項22〜26のいずれか1項に記載の製造方法。   27. The manufacturing method according to any one of claims 22 to 26, wherein at least one of the first gasket layer or the second gasket layer has an exposed portion where no adhesive layer is present. 前記ガスケット層配置工程が、前記第一のガスケット層の端部と前記カソード触媒層の端部との間、または前記第二のガスケット層の端部と前記アノード触媒層の端部との間の少なくとも一方に間隙が存在するように行われる、請求項22〜27のいずれか1項に記載の製造方法。   The gasket layer disposing step is performed between an end portion of the first gasket layer and an end portion of the cathode catalyst layer, or between an end portion of the second gasket layer and an end portion of the anode catalyst layer. The production method according to any one of claims 22 to 27, wherein the production is performed so that at least one of the gaps exists. 前記接着工程が、前記接着工程におけるプレスによって前記間隙に移動した前記接着剤層により埋められるように行われる、請求項28に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 28, wherein the bonding step is performed so as to be filled with the adhesive layer moved to the gap by a press in the bonding step. 前記第一のガスケット層または前記第二のガスケット層の少なくとも一方の前記接着剤層において、前記接着剤層の一部の厚さが他の部分と比較して厚い、請求項28または29に記載の製造方法。   30. In the adhesive layer of at least one of the first gasket layer or the second gasket layer, the thickness of a part of the adhesive layer is thicker than the other part. Manufacturing method. 前記接着剤層の一部が前記接着剤層の内端部である、請求項30に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 30, wherein a part of the adhesive layer is an inner end portion of the adhesive layer. 前記第一のガスケット層または前記第二のガスケット層の少なくとも一方において、前記ホットメルト系接着剤層が、前記ガスケット層の外端部から内端部へ向かう方向に凸状に複数形成されており、複数の前記ホットメルト系接着剤層は、前記接着工程において溶融して一体化する、請求項23〜31のいずれか1項に記載の製造方法。   In at least one of the first gasket layer and the second gasket layer, a plurality of the hot-melt adhesive layers are convexly formed in a direction from the outer end portion to the inner end portion of the gasket layer. The manufacturing method according to any one of claims 23 to 31, wherein the plurality of hot-melt adhesive layers are melted and integrated in the bonding step. 請求項1〜16のいずれかに記載の電解質膜−電極接合体または請求項17〜32のいずれかに記載の方法によって製造される電解質膜−電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 16 or the electrolyte membrane-electrode assembly produced by the method according to any one of claims 17 to 32.
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