JP2008218341A - Forming method for electrode layer and manufacturing method for film electrode structure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a forming method for an electrode layer capable of restraining flooding and improving its performance as an electrode layer, and a manufacturing method for a film electrode structure having the electrode layer manufactured by the manufacturing method. <P>SOLUTION: In the forming method for the electrode layer having a catalyst-carrying carrier for making a conductive carrier carry a catalyst and a proton conductive polymer, the forming method for the electrode layer having the catalyst-carrying carrier, the proton conductive carrier comprises a first process for producing a composition by mixing pure water, a second process for adding a water-repellent solvent into the composition produced in the first process and producing an ink-like composition by mixing the composition and a water-repellent solvent, and a third process for forming a layer by applying the ink-like composition produced in the second process. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に備えられる電極層の製造方法、及び、当該製造方法によって製造された電極層を備える膜電極構造体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing an electrode layer provided in a fuel cell, and a method for manufacturing a membrane electrode structure including an electrode layer manufactured by the manufacturing method.

燃料電池は、電解質層(以下、「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極(アノード及びカソード)とを備える膜電極構造体(以下、「MEA」ということがある。)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下、「PEFC」ということがある。)は、低温領域での運転が可能である。また、PEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。   A fuel cell has a membrane electrode structure (hereinafter referred to as “MEA”) including an electrolyte layer (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”) and electrodes (anode and cathode) respectively disposed on both sides of the electrolyte membrane. The electrical energy generated by the electrochemical reaction is taken out to the outside through current collectors arranged on both sides of the MEA. Among fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter, also referred to as “PEFC”) used in a home cogeneration system or an automobile can be operated in a low temperature region. In addition, PEFC has attracted attention as a power source and portable power source for electric vehicles because it exhibits high energy conversion efficiency, has a short start-up time, and is compact and lightweight.

PEFCの単セルは、電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるアノード及びカソードと、を含み、その理論起電力は1.23Vである。PEFCの運転時には、アノードに水素含有ガス(以下、「水素」という。)が供給され、カソードに酸素含有ガス(以下、「空気」という。)が供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層(以下、「アノード触媒層」という。)に含有される触媒金属(以下、「触媒」という。)の作用下で反応することによりプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層(以下、「カソード触媒層」という。)へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される空気に含まれる酸素とが、カソード触媒層に含有される触媒の作用下で反応することにより、水が生成される。   A single cell of PEFC includes an electrolyte membrane, an anode and a cathode provided with at least a catalyst layer, and has a theoretical electromotive force of 1.23V. During operation of the PEFC, a hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “air”) is supplied to the cathode. The hydrogen supplied to the anode reacts under the action of a catalyst metal (hereinafter referred to as “catalyst”) contained in the catalyst layer (hereinafter referred to as “anode catalyst layer”) of the anode, whereby protons and electrons are reacted. The protons generated from hydrogen pass through the anode catalyst layer and the electrolyte membrane and reach the cathode catalyst layer (hereinafter referred to as “cathode catalyst layer”). On the other hand, electrons reach the cathode catalyst layer through an external circuit, and through such a process, electric energy can be extracted. Then, protons and electrons that reach the cathode catalyst layer react with oxygen contained in the air supplied to the cathode catalyst layer under the action of the catalyst contained in the cathode catalyst layer, thereby generating water. Is done.

PEFCの運転時に生成された水は、単セルへと供給される水素又は空気(以下、「反応ガス」ということがある。)とともに単セル外へと排出され得る。ところが、排出可能な量よりも多くの水が生成されると、電極等に水が溜まり、水浸しの状態(以下、「フラッディング」ということがある。)となる。フラッディングになると、電極等における反応ガスの拡散が妨げられるため、発電性能が低下する。それゆえ、PEFCの発電性能を向上させるためには、電極等におけるフラッディングを抑制することが重要である。   The water generated during the operation of the PEFC can be discharged out of the single cell together with hydrogen or air (hereinafter sometimes referred to as “reactive gas”) supplied to the single cell. However, when more water is generated than can be discharged, water accumulates in the electrodes and the like, and the water is immersed (hereinafter sometimes referred to as “flooding”). When flooding occurs, the diffusion of the reaction gas in the electrode or the like is hindered, resulting in a decrease in power generation performance. Therefore, in order to improve the power generation performance of PEFC, it is important to suppress flooding in electrodes and the like.

一方で、上述のように、アノード触媒層やカソード触媒層(以下、これらをまとめて単に「触媒層」又は「電極層」ということがある。)における反応は、触媒の作用下で生ずる。それゆえ、当該反応を生じやすくすることで電極層の性能を向上させるためには、触媒の機能を発現させやすくすることが重要であり、触媒の機能を発現させやすくするには、反応ガスと界面を形成する触媒の表面積を増加させることが重要である。   On the other hand, as described above, reactions in the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer (hereinafter, these may be simply referred to as “catalyst layer” or “electrode layer”) occur under the action of the catalyst. Therefore, in order to improve the performance of the electrode layer by facilitating the reaction, it is important to make the function of the catalyst easy to express. To make the function of the catalyst easy to express, the reaction gas and It is important to increase the surface area of the catalyst that forms the interface.

PEFCの発電性能を向上させることを目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献1には、高分子電解質を付着させた触媒担持導電性炭素粉末と、高分子電解質と、分散媒とを含むことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用の電極インクに関する技術が開示されている。そして、当該電極インクは、高分子電解質を付着させた触媒担持導電性炭素粉末と高分子電解質と水で構成されているため、固形分や粘度管理が容易で、インク状態が安定で、発火などの危険のない電極インクを提供できる、としている。   Several techniques aimed at improving the power generation performance of PEFC have been disclosed so far. For example, Patent Document 1 relates to an electrode ink for a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising a catalyst-supporting conductive carbon powder to which a polymer electrolyte is attached, a polymer electrolyte, and a dispersion medium. Technology is disclosed. The electrode ink is composed of a catalyst-carrying conductive carbon powder to which a polymer electrolyte is attached, a polymer electrolyte, and water, so that the solid content and viscosity can be easily controlled, the ink state is stable, ignition, etc. The electrode ink can be provided without any danger.

また、特許文献2には、燃料電池単位体、その製造方法及び前記燃料電池単位体を採用した燃料電池に関する技術が開示されている。   Patent Document 2 discloses a technology relating to a fuel cell unit, a method for manufacturing the same, and a fuel cell employing the fuel cell unit.

特開2004−139899号公報JP 2004-139899 A 特開2003−272640号公報JP 2003-272640 A

しかし、特許文献1に開示されている技術では、分散媒が実質的に水だけであるため、特許文献1にかかる電極インクを用いて製造した電極層に備えられる細孔は、数が少なく、フラッディングが生じやすいという問題があった。また、特許文献2に開示されている技術では、触媒層形成用組成物を製造する際に極性有機溶媒を用いるため、触媒層形成用組成物を製造する際に発生する熱によって触媒が凝集しやすい。そのため、特許文献2にかかる技術によって製造された燃料電池単位体に備えられる触媒層は、触媒の表面積が低減しやすく、電極層としての性能が低下しやすいという問題があった。   However, in the technique disclosed in Patent Document 1, since the dispersion medium is substantially only water, the number of pores provided in the electrode layer manufactured using the electrode ink according to Patent Document 1 is small, There was a problem that flooding was likely to occur. Further, in the technique disclosed in Patent Document 2, since a polar organic solvent is used when producing the catalyst layer forming composition, the catalyst aggregates due to heat generated when the catalyst layer forming composition is produced. Cheap. Therefore, the catalyst layer provided in the fuel cell unit manufactured by the technique according to Patent Document 2 has a problem that the surface area of the catalyst is easily reduced and the performance as the electrode layer is easily lowered.

そこで本発明は、フラッディングを抑制することが可能であるとともに性能を向上させることが可能な、電極層の製造方法を提供すること、及び、当該製造方法によって製造された電極層を備える膜電極構造体の製造方法を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention provides an electrode layer manufacturing method capable of suppressing flooding and improving performance, and a membrane electrode structure including an electrode layer manufactured by the manufacturing method It is an object to provide a method for manufacturing a body.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第1の本発明は、導電性担体に触媒を担持させた触媒担持担体と、プロトン伝導性ポリマーと、を備える電極層を製造する方法であって、触媒担持担体と、プロトン伝導性ポリマーと、純水とを混合して組成物を作製する第1工程と、第1工程によって作製された組成物に、撥水性の溶媒を添加し、組成物と撥水性の溶媒とを混合してインク状組成物を作製する第2工程と、第2工程によって作製されたインク状組成物を塗布することにより、層を形成する第3工程と、を備えることを特徴とする、電極層の製造方法である。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
A first aspect of the present invention is a method for producing an electrode layer comprising a catalyst-carrying carrier in which a catalyst is carried on a conductive carrier and a proton-conductive polymer, the catalyst-carrying carrier, the proton-conductive polymer, A first step of preparing a composition by mixing pure water, adding a water-repellent solvent to the composition prepared by the first step, and mixing the composition and the water-repellent solvent to form an ink A method for producing an electrode layer, comprising: a second step of producing a composition; and a third step of forming a layer by applying the ink-like composition produced in the second step. is there.

ここに、「導電性担体」は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等に代表される炭素材料のほか、炭化ケイ素等に代表される炭素化合物等を用いることができる。さらに、「触媒」は、PEFCの電極層で生じる電気化学反応の触媒として機能する物質を意味する。当該触媒の具体例としては、Ptのほか、Co、Ru、Ir、Au、Ag、Cu、Ni、Fe、Cr、Mn、V、Ti、Mo、Pd、Rh、Wからなる群より選択される1以上の金属とPtとを有するPt合金等を挙げることができる。さらに、「プロトン伝導性ポリマー」とは、上記触媒の作用下で生じたプロトンを伝導させ得るポリマーを意味する。当該プロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーを挙げることができる。さらに、本発明において使用可能な「撥水性の溶媒」の具体例としては、フッ素系の溶媒等を挙げることができる。さらに、「純水」とは、実質的に不純物を含有しない水を意味し、不可避的不純物を含有する水も、本発明の純水として使用することができる。さらに、本発明の第3工程においてインク状組成物を塗布される対象物(被塗布材)は、電極層を形成可能なものであれば特に限定されるものではない。被塗布材の具体例としては、電解質膜やフッ素樹脂製の転写シートのほか、本発明によって製造された電極層を具備する燃料電池にガス拡散層が備えられる場合には、当該ガス拡散層等を挙げることができる。   Here, as the “conductive carrier”, a carbon compound typified by silicon carbide or the like can be used in addition to a carbon material typified by carbon black, carbon nanotube, carbon nanohorn or the like. Furthermore, the “catalyst” means a substance that functions as a catalyst for an electrochemical reaction occurring in the electrode layer of PEFC. Specific examples of the catalyst are selected from the group consisting of Pt, Co, Ru, Ir, Au, Ag, Cu, Ni, Fe, Cr, Mn, V, Ti, Mo, Pd, Rh, and W. Examples thereof include a Pt alloy having one or more metals and Pt. Furthermore, the “proton conductive polymer” means a polymer capable of conducting protons generated under the action of the catalyst. Specific examples of the proton conductive polymer include a fluorine-based polymer having at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group with a fluorine-containing polymer as a skeleton. Furthermore, specific examples of the “water-repellent solvent” that can be used in the present invention include fluorine-based solvents. Furthermore, “pure water” means water that does not substantially contain impurities, and water that contains inevitable impurities can also be used as the pure water of the present invention. Furthermore, the object (material to be applied) to which the ink-like composition is applied in the third step of the present invention is not particularly limited as long as the electrode layer can be formed. Specific examples of the material to be coated include an electrolyte membrane and a transfer sheet made of a fluororesin, and in the case where a gas diffusion layer is provided in a fuel cell including an electrode layer manufactured according to the present invention, the gas diffusion layer, etc. Can be mentioned.

上記第1の本発明において、撥水性の溶媒が、純水よりも揮発しやすい溶媒であることが好ましい。   In the first aspect of the present invention, the water-repellent solvent is preferably a solvent that volatilizes more easily than pure water.

また、撥水性の溶媒が、純水よりも揮発しやすい溶媒である、上記第1の本発明において、当該揮発しやすい溶媒が、フッ素系の溶媒であることが好ましい。   In the first aspect of the present invention, where the water-repellent solvent is more volatile than pure water, the volatile solvent is preferably a fluorine-based solvent.

ここに、本発明で使用可能な「フッ素系の溶媒」としては、ハイドロフルオロエーテルのほか、パーフルオロヘプタン、ヘキサフルオロベンゼン、パーフルオロメチルサイクロヘキサン等、パーフルオロアルカン、パーフルオロ芳香族で示される沸点が100℃以下の溶媒を例示することができる。   Here, as the “fluorine-based solvent” usable in the present invention, in addition to hydrofluoroether, perfluoroheptane, hexafluorobenzene, perfluoromethylcyclohexane, etc., perfluoroalkane and perfluoroaromatic are used. A solvent having a boiling point of 100 ° C. or lower can be exemplified.

また、上記第1の本発明(変形例も含む。)において、第2工程で、超音波振動法により、組成物と揮発性の溶媒とが混合されることが好ましい。   In the first aspect of the present invention (including modifications), the composition and the volatile solvent are preferably mixed in the second step by an ultrasonic vibration method.

第2の本発明は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成される第1電極層と、電解質膜の他方の面に形成される第2電極層と、を備える膜電極構造体を製造する方法であって、第1電極層及び/又は第2電極層が、上記第1の本発明にかかる電極層の製造方法によって製造されることを特徴とする、膜電極構造体の製造方法である。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a membrane electrode structure including an electrolyte membrane, a first electrode layer formed on one surface of the electrolyte membrane, and a second electrode layer formed on the other surface of the electrolyte membrane. A method for producing a membrane electrode structure, wherein the first electrode layer and / or the second electrode layer is produced by the method for producing an electrode layer according to the first aspect of the present invention. It is.

ここに、「電解質膜」は、プロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜であれば、その形態は特に限定されるものではない。電解質膜に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。上記フッ素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、Nafion(「Nafion」は米国デュポン社の登録商標。)やフレミオン(「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標)等を挙げることができる。一方、上記炭化水素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、セレミオン等(「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標)を挙げることができる。   The “electrolyte membrane” is not particularly limited as long as it is a solid polymer membrane containing a proton conducting polymer. Specific examples of the proton conductive polymer contained in the electrolyte membrane include a fluorine-based polymer having at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group with a fluorine-containing polymer as a skeleton, and a polyolefin. Examples thereof include hydrocarbon-based polymers having a hydrocarbon as a skeleton. Specific examples of the electrolyte membrane containing the fluorine polymer include Nafion (“Nafion” is a registered trademark of DuPont, USA) and Flemion (“Flemion” is a registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.). . On the other hand, as a specific example of the electrolyte membrane containing the hydrocarbon-based polymer, there can be mentioned Selemion and the like (“Selemion” is a registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.).

第1の本発明によれば、触媒担持担体、プロトン伝導性ポリマー、純水、及び、撥水性の溶媒を混合することにより作製される、インク状組成物を塗布することにより、電極層が形成される。当該インク状組成物には、純水と撥水性の溶媒とが含有されるので、これらを混合することにより作製されるインク状組成物には、プロトン伝導性ポリマーの疎水部が上記撥水性の溶媒側へと向くとともに、プロトン伝導性ポリマーの親水部が上記純水側へ向いた、ミセル構造のプロトン伝導性ポリマーが含有される。当該形態のプロトン伝導性ポリマーを含有するインク状組成物を塗布して電極層を形成することにより、多数の細孔を備える電極層を形成することができるので、第1の本発明によれば、細孔の数を積極的に増大させることにより多孔度を向上させた形態の電極層を製造することができる。このように、電極層に多数の細孔が備えられると、当該細孔を介して生成水を排出することができるので、フラッディングを抑制することができる。さらに、当該細孔を介して反応ガスを拡散させることができるので、電極層としての性能を向上させることができる。したがって、第1の本発明によれば、フラッディングを抑制することが可能であるとともに性能を向上させることが可能な、電極層の製造方法を提供できる。   According to the first aspect of the present invention, an electrode layer is formed by applying an ink-like composition prepared by mixing a catalyst-supporting carrier, a proton conductive polymer, pure water, and a water-repellent solvent. Is done. Since the ink-like composition contains pure water and a water-repellent solvent, the ink-like composition produced by mixing them contains a hydrophobic portion of the proton conductive polymer having the water-repellent property. It contains a proton-conductive polymer with a micelle structure that faces the solvent and has the hydrophilic portion of the proton-conductive polymer toward the pure water. According to the first aspect of the present invention, an electrode layer having a large number of pores can be formed by applying an ink-like composition containing the proton conductive polymer of this form to form an electrode layer. By actively increasing the number of pores, it is possible to manufacture an electrode layer having a form with improved porosity. Thus, when a large number of pores are provided in the electrode layer, the generated water can be discharged through the pores, so that flooding can be suppressed. Furthermore, since the reaction gas can be diffused through the pores, the performance as an electrode layer can be improved. Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide an electrode layer manufacturing method capable of suppressing flooding and improving performance.

第1の本発明において、撥水性の溶媒が純水よりも揮発しやすい溶媒であることにより、多数の細孔を備える電極層を容易に製造できる。   In the first aspect of the present invention, when the water-repellent solvent is more volatile than pure water, an electrode layer having a large number of pores can be easily produced.

また、第1の本発明において、純水よりも揮発しやすい溶媒として、入手しやすいフッ素系の溶媒を用いることにより、多数の細孔を備える電極層を容易に製造できる。   In the first aspect of the present invention, an electrode layer having a large number of pores can be easily produced by using a readily available fluorine-based solvent as a solvent that is more volatile than pure water.

また、第1の本発明において、超音波振動法で組成物と撥水性の溶媒とが混合される第2工程が備えられることにより、第3工程で塗布される前のインク状組成物から揮発する撥水性の溶媒の量を低減するために、蓋が備えられる容器に収容された組成物と撥水性の溶媒とを、容易に混合することができる。第3工程で塗布される前のインク状組成物から揮発する撥水性の溶媒の量を低減することで、細孔の数を積極的に増大させて多孔度を向上させた電極層を製造することが容易になるので、かかる形態とすることにより、多孔度を向上させた電極層をより一層容易に製造できる。   Further, in the first aspect of the present invention, the second step in which the composition and the water-repellent solvent are mixed by an ultrasonic vibration method is provided, so that the ink-like composition before being applied in the third step is volatilized. In order to reduce the amount of the water-repellent solvent, the composition contained in the container provided with the lid and the water-repellent solvent can be easily mixed. By reducing the amount of water-repellent solvent that volatilizes from the ink-like composition before being applied in the third step, the number of pores is positively increased to produce an electrode layer with improved porosity. Therefore, an electrode layer with improved porosity can be manufactured more easily by adopting such a configuration.

第2の本発明によれば、上記第1の本発明にかかる電極層の製造方法によって製造された電極層が備えられる膜電極構造体(MEA)を製造できる。したがって、第2の本発明によれば、フラッディングを抑制することが可能であるとともに、性能を向上させることが可能な、膜電極構造体の製造方法を提供できる。   According to the second aspect of the present invention, it is possible to manufacture a membrane electrode structure (MEA) provided with an electrode layer manufactured by the method for manufacturing an electrode layer according to the first aspect of the present invention. Therefore, according to the second aspect of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a membrane electrode structure capable of suppressing flooding and improving performance.

以下、図面を参照しつつ、本発明の電極層の製造方法、及び、本発明の膜電極構造体(MEA)の製造方法について、具体的に説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the electrode layer of the present invention and the manufacturing method of the membrane electrode structure (MEA) of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

1.電極層の製造方法
図1は、本発明の電極層の製造方法の工程を概略的に示すフローチャートである。図2は、本発明の電極層の製造方法に備えられる第2工程の形態を簡略化して示す概念図である。図2(a)は、第2工程で撥水性の溶媒を添加した直後の状態を、図2(b)は、第2工程で組成物と撥水性の溶媒とを混合した後の状態を、それぞれ概略的に示している。図3は、本発明の電極層の製造方法に備えられる第3工程の形態例を概略的に示す概念図である。図4は、本発明の電極層の製造方法によって製造された電極層の一部断面を拡大して示す概念図である。図5は、従来の電極層の製造工程を概略的に示す図である。図6は、従来の電極層の製造方法によって製造された電極層の一部断面を拡大して示す概念図である。以下、図1〜図6を参照しつつ、本発明の電極層の製造方法について説明する。
1. Electrode Layer Manufacturing Method FIG. 1 is a flowchart schematically showing the steps of an electrode layer manufacturing method of the present invention. FIG. 2 is a conceptual view showing a simplified form of the second step provided in the method for producing an electrode layer of the present invention. FIG. 2 (a) shows the state immediately after adding the water-repellent solvent in the second step, and FIG. 2 (b) shows the state after mixing the composition and the water-repellent solvent in the second step. Each is shown schematically. FIG. 3 is a conceptual diagram schematically showing an example of the third step provided in the method for producing an electrode layer of the present invention. FIG. 4 is a conceptual diagram showing an enlarged partial cross-section of the electrode layer manufactured by the electrode layer manufacturing method of the present invention. FIG. 5 is a diagram schematically showing a conventional electrode layer manufacturing process. FIG. 6 is a conceptual diagram showing an enlarged partial cross-section of an electrode layer manufactured by a conventional electrode layer manufacturing method. Hereafter, the manufacturing method of the electrode layer of this invention is demonstrated, referring FIGS.

図1に示すように、本発明の電極層の製造方法(以下、「本発明の電極製造方法」という。)には、第1工程(工程S11)と、第2工程(工程S12)と、第3工程(工程S13)と、が備えられる。   As shown in FIG. 1, the electrode layer manufacturing method of the present invention (hereinafter referred to as “the electrode manufacturing method of the present invention”) includes a first step (step S11), a second step (step S12), And a third step (step S13).

1.1.第1工程(工程S11)
工程S11は、触媒担持担体とプロトン伝導性ポリマーと純水とを混合して、組成物を作製する工程である。すなわち、導電性担体(炭素1、1、…)に触媒(白金2、2、…)を担持した触媒担持担体として白金担持カーボン3、3、…を、プロトン伝導性ポリマーとしてNafion4を、それぞれ用いる場合には、容器(例えば、ビーカー7等)に白金担持カーボン3、3、…、Nafion4、及び、主溶媒としての純水を入れ、これらを攪拌することにより組成物5を作製する工程が、工程S11である。
1.1. 1st process (process S11)
Step S11 is a step of preparing a composition by mixing a catalyst-supporting carrier, a proton conductive polymer, and pure water. That is, platinum-supporting carbon 3, 3,... Is used as a catalyst-supporting carrier having a catalyst (platinum 2, 2,...) Supported on a conductive carrier (carbon 1, 1,...), And Nafion 4 is used as a proton-conducting polymer. In this case, the steps of preparing the composition 5 by putting platinum-supported carbon 3, 3,..., Nafion 4 and pure water as a main solvent into a container (for example, a beaker 7) and stirring them. Step S11.

1.2.第2工程(工程S12)
工程S12は、上記工程S11で作製された組成物と、撥水性の溶媒とを混合することにより、インク状組成物を作製する工程である。例えば、撥水性の溶媒として純水よりも揮発しやすいフッ素系の溶媒(例えば、ハイドロフルオロエーテル等)6を用いる場合には、上記工程S11で用いた容器7に、さらに、副溶媒としてのフッ素系の溶媒6を添加して、上記工程S11で作製した組成物5と、添加したフッ素系の溶媒6とを混合することにより、インク状組成物8を作製する工程が、工程S12である。
1.2. Second step (Step S12)
Step S12 is a step of preparing an ink-like composition by mixing the composition prepared in step S11 and a water-repellent solvent. For example, when a fluorine-based solvent (for example, hydrofluoroether) 6 that is more volatile than pure water is used as the water-repellent solvent, the container 7 used in step S11 is further added with fluorine as a sub-solvent. The step of preparing the ink-like composition 8 by adding the system solvent 6 and mixing the composition 5 prepared in step S11 and the added fluorine-based solvent 6 is step S12.

工程S11で作製された組成物5へフッ素系の溶媒6を添加すると、工程S12で添加されたフッ素系の溶媒6は、工程S11で作製された組成物5に含有される純水をはじく。そのため、図2(a)に示すように、工程S11で作製された組成物5が入った容器7へ、フッ素系の溶媒6を添加すると、組成物5へと添加された直後のフッ素系の溶媒6は、組成物5と混ざり合わず、例えば、組成物5の中にフッ素系の溶媒6の塊が存在するような形態となる。   When the fluorine-based solvent 6 is added to the composition 5 prepared in step S11, the fluorine-based solvent 6 added in step S12 repels pure water contained in the composition 5 prepared in step S11. Therefore, as shown in FIG. 2A, when the fluorine-based solvent 6 is added to the container 7 containing the composition 5 prepared in step S11, the fluorine-based solvent immediately after being added to the composition 5 is added. The solvent 6 does not mix with the composition 5, for example, a form in which a lump of the fluorine-based solvent 6 exists in the composition 5.

本発明の電極製造方法に備えられる工程S12では、フッ素系の溶媒6を添加した後、組成物5とフッ素系の溶媒6とを混合する。容器7の中の組成物5とフッ素系の溶媒6とを、例えば、容器7に蓋をした状態で、超音波振動法等により混合すると、図2(b)に示すように、微小なフッ素系の溶媒6、6、…が組成物5の中に分散された形態となる。このようにして、微小なフッ素系の溶媒6、6、…が組成物5の中に分散されることにより、インク状組成物8が作製されると、当該インク状組成物8に含有されるNafion4の疎水部がフッ素系の溶媒6、6、…の方へ向くとともに、当該Nafion4の親水部がインク状組成物8に含有される純水の方へ向き、ミセル構造のNafion4となる。したがって、本発明の電極製造方法に備えられる工程S12によれば、微小なフッ素系の溶媒6、6、…と、ミセル構造のNafion4とを含有する、インク状組成物8を作製することができる。   In step S12 provided in the electrode manufacturing method of the present invention, after adding the fluorine-based solvent 6, the composition 5 and the fluorine-based solvent 6 are mixed. When the composition 5 in the container 7 and the fluorine-based solvent 6 are mixed by, for example, an ultrasonic vibration method in a state where the container 7 is covered, as shown in FIG. The system solvent 6, 6,... Is dispersed in the composition 5. In this manner, when the ink-like composition 8 is produced by dispersing the minute fluorine-based solvents 6, 6,... In the composition 5, it is contained in the ink-like composition 8. The hydrophobic part of Nafion 4 is directed toward the fluorine-based solvent 6, 6,..., And the hydrophilic part of the Nafion 4 is directed toward the pure water contained in the ink-like composition 8 to become Nafion 4 having a micelle structure. Therefore, according to step S12 provided in the electrode manufacturing method of the present invention, an ink-like composition 8 containing minute fluorine-based solvents 6, 6,... And micelle-structured Nafion 4 can be produced. .

1.3.第3工程(工程S13)
工程S13は、上記工程S12で作製されたインク状組成物を塗布することにより、電極層(触媒層)を形成する工程である。工程S13でインク状組成物が塗布される対象物(被塗布材)は、特に限定されるものではないが、被塗布材が電解質膜である場合には、例えば、上記工程S12で作製されたインク状組成物を、電解質膜へスプレー塗布法によって塗布することにより、電解質膜の表面に電極層を形成する形態とすることができる。
1.3. Third step (step S13)
Step S13 is a step of forming an electrode layer (catalyst layer) by applying the ink-like composition produced in step S12. The object (the material to be coated) to which the ink-like composition is applied in step S13 is not particularly limited. However, when the material to be coated is an electrolyte film, for example, the object is prepared in step S12. By applying the ink-like composition to the electrolyte membrane by a spray coating method, an electrode layer can be formed on the surface of the electrolyte membrane.

図3に示すように、上記工程S12で作製されたインク状組成物8を、電解質膜9へスプレー塗布法によって塗布すると、インク状組成物8に含有されるフッ素系の溶媒6、6、…は、当該インク状組成物8に含有される純水よりも揮発しやすいので、純水よりも先に、フッ素系の溶媒6、6、…が揮発する。フッ素系の溶媒6、6、…が揮発すると、フッ素系の溶媒6、6、…が存在していた箇所に空孔(以下、「細孔」という。)が形成される。したがって、電解質膜9へ塗布されたインク状組成物8が乾燥すると、細孔11、11、…の占める空間を積極的に増大させることにより多孔度を向上させた形態の電極層10を形成することができる(図3及び図4参照)。   As shown in FIG. 3, when the ink-like composition 8 produced in the step S12 is applied to the electrolyte membrane 9 by a spray coating method, the fluorine-based solvents 6, 6,. Is more volatile than the pure water contained in the ink-like composition 8, so that the fluorine-based solvents 6, 6, ... are volatilized before the pure water. When the fluorine-based solvents 6, 6,... Are volatilized, pores (hereinafter referred to as “pores”) are formed at locations where the fluorine-based solvents 6, 6,. Therefore, when the ink-like composition 8 applied to the electrolyte membrane 9 is dried, the electrode layer 10 having a form in which the porosity is improved by actively increasing the space occupied by the pores 11, 11,... (See FIGS. 3 and 4).

これに対し、図5に示すように、触媒担持担体(例えば、白金担持カーボン)とプロトン伝導性ポリマーとアルコールと純水とを混合することによりインク状組成物を作製し、当該インク状組成物を塗布することにより、電極層(触媒層)を形成すると、インク状組成物を作製する際の混合時に、白金上で酸素とアルコールとが反応することにより、局所的に熱が発生する。局所的に熱が発生すると、炭素に担持された白金が凝集し、白金の比表面積が減少する。したがって、従来の方法で作製したインク状組成物を用いて電極層を形成すると、当該電極層に含有される白金は比表面積が小さいので、性能の低い電極層が形成されるという問題がある。   In contrast, as shown in FIG. 5, an ink-like composition is prepared by mixing a catalyst-supporting carrier (for example, platinum-supporting carbon), a proton conductive polymer, alcohol, and pure water, and the ink-like composition. When an electrode layer (catalyst layer) is formed by coating, oxygen and alcohol react with each other on platinum during mixing in producing the ink-like composition, and heat is locally generated. When heat is generated locally, platinum supported on carbon aggregates and the specific surface area of platinum decreases. Therefore, when an electrode layer is formed using an ink-like composition produced by a conventional method, there is a problem that an electrode layer with low performance is formed because platinum contained in the electrode layer has a small specific surface area.

さらに、図5に示す工程で作製されたインク状組成物には、撥水性の溶媒が含有されていない。そのため、当該インク状組成物を用いて電極層を形成すると、多孔度が低い電極層12が形成される(図6参照)。多孔度が低い電極層12は、燃料電池の運転中に生成された水が排出されにくいので、多くの水が生成される状態(高電流密度状態)で運転されると、電極層12が水浸しの状態となり、フラッディングが生じやすい。フラッディングが生じると、供給された反応ガスが電極層12の内部へ拡散しにくくなるため、当該電極層12に含有される触媒2、2、…へ到達する反応ガスが減少し、電極層12の性能が低下する。したがって、従来の方法により製造された電極層12は、性能が低下しやすいという問題があった。   Furthermore, the ink-like composition produced in the step shown in FIG. 5 does not contain a water-repellent solvent. Therefore, when an electrode layer is formed using the ink-like composition, an electrode layer 12 having a low porosity is formed (see FIG. 6). Since the electrode layer 12 having a low porosity is difficult to discharge water generated during operation of the fuel cell, when the electrode layer 12 is operated in a state where a large amount of water is generated (high current density state), the electrode layer 12 is immersed in water. And flooding is likely to occur. When flooding occurs, the supplied reaction gas is less likely to diffuse into the electrode layer 12, so that the reaction gas reaching the catalysts 2, 2,. Performance decreases. Therefore, the electrode layer 12 manufactured by the conventional method has a problem that the performance is likely to deteriorate.

ところが、上述のように、本発明の電極製造方法に備えられる工程S11〜工程S13では、アルコール等の有機溶媒を使用しない。それゆえ、インク状組成物8の作製時に発生し得る局所的な熱を抑制することができ、その結果、触媒(白金2、2、…)の凝集を抑制して、白金2、2、…の比表面積の低下を抑制することができる。加えて、上述のように、本発明の電極製造方法では、工程S12で撥水性の溶媒(フッ素系の溶媒6)を添加するので、細孔11、11、…の占める空間を積極的に増大させた形態の電極層10を形成することができる。細孔11、11、…の占める空間を積極的に増大させることにより多孔度を向上させた形態の電極層10は、燃料電池の運転中に生成された水を容易に排出することができ、さらに、供給された反応ガスを電極層10の内部へ容易に拡散させることができるので、電気化学反応の発生頻度を向上させることができる。したがって、本発明の電極製造方法により製造された電極層10によれば、フラッディングを抑制することができ、かつ、性能を向上させることができる。   However, as described above, an organic solvent such as alcohol is not used in steps S11 to S13 included in the electrode manufacturing method of the present invention. Therefore, it is possible to suppress local heat that may be generated during the production of the ink-like composition 8, and as a result, aggregation of the catalyst (platinum 2, 2,...) Is suppressed and platinum 2, 2,. The reduction in the specific surface area can be suppressed. In addition, as described above, in the electrode manufacturing method of the present invention, since the water-repellent solvent (fluorine-based solvent 6) is added in step S12, the space occupied by the pores 11, 11,. It is possible to form the electrode layer 10 having the shape formed. The electrode layer 10 in a form in which the porosity is improved by actively increasing the space occupied by the pores 11, 11,... Can easily discharge water generated during operation of the fuel cell, Furthermore, since the supplied reaction gas can be easily diffused into the electrode layer 10, the frequency of occurrence of electrochemical reactions can be improved. Therefore, according to the electrode layer 10 manufactured by the electrode manufacturing method of the present invention, flooding can be suppressed and the performance can be improved.

本発明の電極製造方法に関する上記説明では、容器7に蓋をした状態で、超音波振動法により組成物5とフッ素系の溶媒(撥水性の溶媒6)とを混合することによりインク状組成物8を作製する形態の第2工程を例示したが、本発明の電極製造方法に備えられる第2工程は、当該形態に限定されるものではない。ただし、第2工程で添加した撥水性の溶媒の蒸発を抑制して、第3工程で塗布されたインク状組成物から蒸発する撥水性の溶媒の量を増やすことにより、多孔度を一層向上させた電極層を形成可能とする観点からは、容器に蓋をした状態で、組成物と撥水性の溶媒とを混合する形態の、第2工程が備えられることが好ましい。   In the above description regarding the electrode manufacturing method of the present invention, an ink-like composition is prepared by mixing the composition 5 and a fluorine-based solvent (water-repellent solvent 6) by an ultrasonic vibration method while the container 7 is covered. Although the 2nd process of the form which produces 8 was illustrated, the 2nd process with which the electrode manufacturing method of the present invention is provided is not limited to the form. However, by suppressing the evaporation of the water-repellent solvent added in the second step and increasing the amount of the water-repellent solvent evaporated from the ink-like composition applied in the third step, the porosity is further improved. From the viewpoint of enabling the formation of the electrode layer, it is preferable to include a second step in which the composition and the water-repellent solvent are mixed while the container is covered.

また、本発明の電極製造方法に関する上記説明では、触媒担持担体として白金担持カーボン3、3、…が用いられる形態を例示したが、本発明の電極製造方法は当該形態に限定されるものではない。本発明の電極製造方法では、PEFCの触媒層(電極層)に備えられ得る触媒担持担体を、適宜用いることができる。   Further, in the above description regarding the electrode manufacturing method of the present invention, the form in which platinum-supported carbon 3, 3,... Is used as the catalyst-supporting carrier is exemplified, but the electrode manufacturing method of the present invention is not limited to this form. . In the electrode manufacturing method of the present invention, a catalyst-supporting carrier that can be provided in the PEFC catalyst layer (electrode layer) can be appropriately used.

また、本発明の電極製造方法に関する上記説明では、プロトン伝導性ポリマーとしてNafion4が用いられる形態を例示したが、本発明の電極製造方法は当該形態に限定されるものではない。本発明の電極製造方法では、PEFCの触媒層(電極層)に備えられ得るプロトン伝導性ポリマーを、適宜用いることができる。   Moreover, in the said description regarding the electrode manufacturing method of this invention, although the form using Nafion4 as a proton conductive polymer was illustrated, the electrode manufacturing method of this invention is not limited to the said form. In the electrode manufacturing method of the present invention, a proton conductive polymer that can be provided in the catalyst layer (electrode layer) of PEFC can be used as appropriate.

また、本発明の電極製造方法に関する上記説明では、インク状組成物8が電解質膜9へ塗布されることにより電極層10が形成される形態の第3工程を例示したが、本発明の電極製造方法に備えられる第3工程は、当該形態に限定されるものではない。第2工程で作製したインク状組成物を塗布される対象物(被塗布材)は、インク状組成物を塗布することにより電極層を形成可能なものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、フッ素樹脂製の転写シートのほか、本発明によって製造された電極層を具備する燃料電池にガス拡散層が備えられる場合には、当該ガス拡散層等を挙げることができる。   Moreover, in the said description regarding the electrode manufacturing method of this invention, although the 3rd process of the form in which the electrode layer 10 is formed by apply | coating the ink-like composition 8 to the electrolyte membrane 9 was illustrated, the electrode manufacturing of this invention The third step provided in the method is not limited to this form. The object (material to be coated) to which the ink-like composition prepared in the second step is applied is not particularly limited as long as the electrode layer can be formed by applying the ink-like composition. For example, in addition to a fluororesin transfer sheet, when a gas diffusion layer is provided in a fuel cell including an electrode layer manufactured according to the present invention, the gas diffusion layer may be used.

加えて、本発明の電極製造方法に関する上記説明では、スプレー塗布法によってインク状組成物8を塗布することにより、電極層10を形成する形態の第3工程を例示したが、本発明の電極製造方法に備えられる第3工程は、当該形態に限定されるものではない。第3工程でインク状組成物を塗布する際に使用可能な他の方法としては、スクリーン印刷法、ドクターブレード法等を例示することができる。   In addition, in the above description regarding the electrode manufacturing method of the present invention, the third step of forming the electrode layer 10 by applying the ink-like composition 8 by the spray coating method is exemplified, but the electrode manufacturing of the present invention is illustrated. The third step provided in the method is not limited to this form. Examples of other methods that can be used when applying the ink-like composition in the third step include a screen printing method and a doctor blade method.

2.膜電極構造体の製造方法
図7は、本発明の膜電極構造体の製造工程を概略的に示すフローチャートである。図8は、本発明の膜電極構造体の製造方法によって製造されたMEAの形態を概略的に示す断面図である。図7及び図8において、図1〜図4に示す物質等と同様の構成を採るものには、図1〜図4で使用した符号と同符号を使用し、その説明を適宜省略する。以下、図1〜図4、図7、及び、図8を参照しつつ、本発明の膜電極構造体の製造方法について説明する。
2. Manufacturing Method of Membrane Electrode Structure FIG. 7 is a flowchart schematically showing manufacturing steps of the membrane electrode structure of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the form of MEA manufactured by the method for manufacturing a membrane electrode structure of the present invention. 7 and 8, the same reference numerals as those used in FIGS. 1 to 4 are used for those having the same configuration as the substances shown in FIGS. 1 to 4, and description thereof is omitted as appropriate. Hereinafter, the manufacturing method of the membrane electrode structure of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4, 7, and 8.

図7に示すように、本発明の膜電極構造体の製造方法(以下、「本発明のMEAの製造方法」という。)には、第1工程(工程S71)と、第2工程(工程S72)と、第3工程(工程S73)と、が備えられ、第3工程に、工程S31及び工程S32が備えられる。本発明のMEAの製造方法に備えられる工程S71及び工程S72は、上記本発明の電極製造方法に備えられる工程S11及び工程S12と同様の工程であるため、ここでは、工程S73に備えられる工程S31及び工程S32について説明する。   As shown in FIG. 7, the method for manufacturing a membrane electrode structure of the present invention (hereinafter referred to as “MEA manufacturing method of the present invention”) includes a first step (step S71) and a second step (step S72). ) And the third step (step S73), and the third step includes step S31 and step S32. Since step S71 and step S72 included in the MEA manufacturing method of the present invention are the same steps as step S11 and step S12 included in the electrode manufacturing method of the present invention, here, step S31 included in step S73. And process S32 is explained.

工程S31は、工程S72で作製したインク状組成物8を塗布して、電解質膜9の一方の面へ第1電極層10を形成する工程であり、工程S32は、工程S72で作製したインク状組成物8を塗布して、電解質膜9の他方の面へ第2電極層10’を形成する工程である。すなわち、本発明のMEAの製造方法では、例えば、工程S31で電解質膜9の一方の面へインク状組成物8をスプレー塗布法によって塗布して第1電極層10を形成し、工程S32で電解質膜9の他方の面へインク状組成物8をスプレー塗布法によって塗布して第2電極層10’を形成する。かかる工程を経ることにより、本発明のMEAの製造方法によれば、電解質膜9と、第1電極層10及び第2電極層10’とを備えるMEA13を製造することができる(図8参照)。   Step S31 is a step of applying the ink-like composition 8 produced in step S72 to form the first electrode layer 10 on one surface of the electrolyte membrane 9, and step S32 is an ink form produced in step S72. In this step, the composition 8 is applied to form the second electrode layer 10 ′ on the other surface of the electrolyte membrane 9. That is, in the MEA manufacturing method of the present invention, for example, the ink-like composition 8 is applied to one surface of the electrolyte membrane 9 by the spray coating method in step S31 to form the first electrode layer 10, and the electrolyte in step S32. The ink-like composition 8 is applied to the other surface of the film 9 by a spray coating method to form the second electrode layer 10 ′. Through this process, according to the MEA manufacturing method of the present invention, the MEA 13 including the electrolyte membrane 9, the first electrode layer 10, and the second electrode layer 10 ′ can be manufactured (see FIG. 8). .

インク状組成物8を塗布して形成される第1電極層10及び第2電極層10’は、従来の方法によって製造した電極層12よりも、細孔11、11、…の占める空間の比率が大きい。そのため、本発明のMEAの製造方法によって製造されたMEA13を備えるPEFCの運転時に、第1電極層10及び第2電極層10’に備えられる多数の細孔11、11、…を介して水を排出できるので、MEA13によれば、フラッディングを抑制できる。さらに、第1電極層10及び第2電極層10’に備えられる多数の細孔11、11、…を介して、触媒2、2、…へ多くの反応ガスを拡散させることができるので、MEA13によれば、電気化学反応の発生頻度を増大させることができ、その結果、MEA13の発電性能を向上させることができる。したがって、本発明のMEAの製造方法によれば、フラッディングを抑制することが可能であるとともに、性能を向上させることが可能な、MEA13を製造できる。   The first electrode layer 10 and the second electrode layer 10 ′ formed by applying the ink-like composition 8 have a space ratio occupied by the pores 11, 11,... Rather than the electrode layer 12 manufactured by the conventional method. Is big. Therefore, when operating the PEFC including the MEA 13 manufactured by the MEA manufacturing method of the present invention, water is supplied through the numerous pores 11, 11,... Provided in the first electrode layer 10 and the second electrode layer 10 ′. Since it can discharge | emit, according to MEA13, flooding can be suppressed. Further, since many reaction gases can be diffused to the catalysts 2, 2,... Through the numerous pores 11, 11,... Provided in the first electrode layer 10 and the second electrode layer 10 ′, the MEA 13 According to the above, the frequency of occurrence of the electrochemical reaction can be increased, and as a result, the power generation performance of the MEA 13 can be improved. Therefore, according to the MEA manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture the MEA 13 that can suppress flooding and improve performance.

本発明のMEAの製造方法に関する上記説明では、電解質膜9へインク状組成物8をスプレー塗布法によって塗布することにより、第1電極層10及び第2電極層10’を形成する形態を例示したが、本発明のMEAの製造方法は当該形態に限定されるものではない。スプレー塗布法のほか、スクリーン印刷法、ドクターブレード法等によって、インク状組成物を電解質膜へ塗布することにより、第1電極層及び第2電極層を形成することも可能である。   In the above description regarding the MEA manufacturing method of the present invention, the mode in which the first electrode layer 10 and the second electrode layer 10 ′ are formed by applying the ink-like composition 8 to the electrolyte membrane 9 by spray coating is illustrated. However, the MEA manufacturing method of the present invention is not limited to this mode. In addition to the spray coating method, the first electrode layer and the second electrode layer can be formed by applying the ink-like composition to the electrolyte membrane by a screen printing method, a doctor blade method, or the like.

また、本発明のMEAの製造方法に関する上記説明では、電解質膜9へインク状組成物8を直接塗布することにより、電解質膜9へ第1電極層10及び第2電極層10’を形成する形態を例示したが、本発明のMEAの製造方法は当該形態に限定されるものではない。本発明のMEAの製造方法によって製造されるMEAを備える燃料電池に、ガス拡散層が備えられる場合には、ガス拡散層の表面にインク状組成物を塗布することによりガス拡散層の表面に電極層を形成し、その後、当該電極層付きガス拡散層と電解質膜とを熱圧着することにより、電解質膜の一方の面及び他方の面へ、第1電極層及び第2電極層を形成することも可能である。このほか、フッ素樹脂製の転写シート等へインク状組成物を塗布することにより、当該転写シートの表面に電極層を形成し、その後、転写シートの表面に形成された電極層を電解質膜の一方の面及び他方の面へ転写することにより、電解質膜の一方の面及び他方の面へ電極層を形成することも可能である。   In the above description regarding the MEA manufacturing method of the present invention, the first electrode layer 10 and the second electrode layer 10 ′ are formed on the electrolyte membrane 9 by directly applying the ink-like composition 8 to the electrolyte membrane 9. However, the MEA manufacturing method of the present invention is not limited to this mode. When a gas diffusion layer is provided in a fuel cell including an MEA manufactured by the MEA manufacturing method of the present invention, an electrode composition is applied to the surface of the gas diffusion layer by applying an ink-like composition to the surface of the gas diffusion layer. Forming a first electrode layer and a second electrode layer on one side and the other side of the electrolyte membrane by forming a layer and then thermocompression bonding the gas diffusion layer with the electrode layer and the electrolyte membrane. Is also possible. In addition, an electrode layer is formed on the surface of the transfer sheet by applying the ink-like composition to a transfer sheet made of fluororesin, and the electrode layer formed on the surface of the transfer sheet is It is also possible to form an electrode layer on one surface and the other surface of the electrolyte membrane by transferring to the other surface and the other surface.

また、本発明のMEAの製造方法に関する上記説明では、本発明の電極製造方法によって形成した第1電極層10及び第2電極層10’を備えるMEA13が製造される形態を例示したが、本発明のMEAの製造方法は当該形態に限定されるものではない。上記形態のほか、第1電極層又は第2電極層の一方のみが、本発明の電極製造方法によって形成され、本発明の電極製造方法によって形成されない他方の電極層は、従来の方法により形成することも可能である。ただし、フラッディングを抑制するとともに反応ガスの拡散性を向上させることにより、高性能のMEAを製造するという観点からは、第1電極層及び第2電極層が、本発明の電極製造方法によって形成されることが好ましい。   In the above description regarding the MEA manufacturing method of the present invention, the MEA 13 including the first electrode layer 10 and the second electrode layer 10 ′ formed by the electrode manufacturing method of the present invention is illustrated. The manufacturing method of MEA is not limited to this form. In addition to the above embodiment, only one of the first electrode layer and the second electrode layer is formed by the electrode manufacturing method of the present invention, and the other electrode layer not formed by the electrode manufacturing method of the present invention is formed by a conventional method. It is also possible. However, from the viewpoint of producing a high-performance MEA by suppressing flooding and improving the diffusibility of the reaction gas, the first electrode layer and the second electrode layer are formed by the electrode production method of the present invention. It is preferable.

また、本発明のMEAの製造方法により、表面に電極層を形成される電解質膜は、プロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜であれば、その形態は特に限定されるものではない。電解質膜に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。   Moreover, the electrolyte membrane in which the electrode layer is formed on the surface by the MEA manufacturing method of the present invention is not particularly limited as long as it is a solid polymer membrane containing a proton conductive polymer. Specific examples of the proton conductive polymer contained in the electrolyte membrane include a fluorine-based polymer having at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group with a fluorine-containing polymer as a skeleton, and a polyolefin. Examples thereof include hydrocarbon-based polymers having a hydrocarbon as a skeleton.

1.単セルの作製
1.1.実施例
50質量部の導電性担体(カーボンブラック)に50質量部の触媒(白金)を担持させることにより作製された触媒担持担体を2[g]秤量し、当該2[g]の触媒担持担体を容器に入れた。その後、当該容器に20[ml]の純水を添加し、5分間に亘って遠心攪拌を行った。次いで、Nafionの質量Xと、容器に入れた上記触媒担持担体に含有される炭素の質量Yとの比X/Yが0.8となるように、Nafionを純水に分散させた電解質溶液を上記容器に添加し、スターラーにて6時間に亘って攪拌した後、ビーズミル(200rpm)にて15分間に亘って攪拌することにより、組成物を作製した。その後、組成物が入った上記容器へ、50[μl]のハイドロフルオロエーテルを添加し、超音波ホモジナイザーを用いて攪拌することにより、実施例にかかるインク状組成物を作製した。
その後、一方の面に第1電極層が形成された電解質膜の他方の面に、実施例にかかるインク状組成物をスプレー塗布法で塗布することにより、当該他方の面へ第2電極層を形成し、実施例にかかるMEAを作製した。そして、実施例にかかるMEAの一方の側及び他方の側へガス拡散層をそれぞれ配設して積層体を作製し、当該積層体の一方の側及び他方の側へカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、実施例にかかる単セルを作製した。
1. Production of single cell 1.1. Example 2 [g] of a catalyst-supported carrier prepared by loading 50 parts by mass of a conductive carrier (carbon black) with 50 parts by mass of a catalyst (platinum), and the 2 [g] catalyst-supported carrier was measured. In a container. Then, 20 [ml] pure water was added to the container, and centrifugal stirring was performed for 5 minutes. Next, an electrolyte solution in which Nafion is dispersed in pure water so that the ratio X / Y of the mass X of Nafion and the mass Y of carbon contained in the catalyst-carrying support in the container is 0.8. After adding to the said container and stirring for 6 hours with a stirrer, the composition was produced by stirring for 15 minutes with a bead mill (200 rpm). Thereafter, 50 [μl] of hydrofluoroether was added to the container containing the composition, and the mixture was stirred using an ultrasonic homogenizer to prepare an ink-like composition according to the example.
Then, the second electrode layer is applied to the other surface of the electrolyte membrane having the first electrode layer formed on one surface by applying the ink-like composition according to the example by a spray coating method. The MEA according to the example was formed. And a gas diffusion layer is arrange | positioned to one side and the other side of MEA concerning an Example, respectively, and a laminated body is produced, and a carbon separator is each arrange | positioned to the one side and the other side of the said laminated body. Thereby, the single cell concerning an Example was produced.

1.2.比較例
50質量部の導電性担体(カーボンブラック)に50質量部の触媒(白金)を担持させることにより作製された触媒担持担体を2[g]秤量し、当該2[g]の触媒担持担体を容器に入れた。その後、当該容器に10[ml]の純水を添加し、5分間に亘って遠心攪拌を行った。次いで、Nafionの質量Xと、容器に入れた上記触媒担持担体に含有される炭素の質量Yとの比X/Yが0.8となるように、Nafionを純水に分散させた電解質溶液を上記容器に添加し、さらに、10[ml]のエタノールを当該容器へ添加した。そして、スターラーにて6時間に亘って攪拌した後、ビーズミル(200rpm)にて15分間に亘って攪拌することにより、比較例にかかるインク状組成物を作製した。
その後、一方の面に第1電極層が形成された電解質膜の他方の面に、比較例にかかるインク状組成物をスプレー塗布法で塗布することにより、当該他方の面へ第2電極層を形成し、比較例にかかるMEAを作製した。そして、比較例にかかるMEAの一方の側及び他方の側へガス拡散層をそれぞれ配設して積層体を作製し、当該積層体の一方の側及び他方の側へカーボンセパレータをそれぞれ配設することにより、比較例にかかる単セルを作製した。
1.2. Comparative Example 2 [g] of a catalyst-supported carrier prepared by loading 50 parts by mass of a conductive carrier (carbon black) with 50 parts by mass of a catalyst (platinum) was weighed. In a container. Thereafter, 10 [ml] pure water was added to the container, and centrifugal stirring was performed for 5 minutes. Next, an electrolyte solution in which Nafion is dispersed in pure water so that the ratio X / Y of the mass X of Nafion and the mass Y of carbon contained in the catalyst-carrying support in the container is 0.8. In addition to the said container, 10 [ml] ethanol was further added to the said container. And after stirring for 6 hours with a stirrer, it stirred for 15 minutes with the bead mill (200 rpm), and the ink-like composition concerning a comparative example was produced.
Then, the second electrode layer is applied to the other surface by applying the ink-like composition according to the comparative example to the other surface of the electrolyte membrane having the first electrode layer formed on one surface by a spray coating method. The MEA according to the comparative example was formed. And a gas diffusion layer is arrange | positioned to one side and the other side of MEA concerning a comparative example, respectively, and a laminated body is produced, and a carbon separator is each arrange | positioned to the one side and the other side of the said laminated body. Thereby, the single cell concerning a comparative example was produced.

2.単セルの性能評価試験
上記工程を経て作製した実施例にかかる単セル及び比較例にかかる単セルを、それぞれ80℃に保ち、各単セルに備えられる第1電極層へ水素(80[℃]、相対湿度100%)を供給するとともに、同第2電極層へ空気(80[℃]、相対湿度100%)を供給することにより、各単セルを運転させ、性能を評価した。実施例にかかる単セルの結果、及び、比較例にかかる単セルの結果を、図9に併せて示す。図9の縦軸はセル電圧[V]、横軸は電流密度[A/cm]である。
2. Single Cell Performance Evaluation Test The single cell according to the example manufactured through the above steps and the single cell according to the comparative example are kept at 80 ° C., respectively, and hydrogen (80 [° C.]) is supplied to the first electrode layer provided in each single cell. In addition, by supplying air (80 [° C.], relative humidity 100%) to the second electrode layer, each single cell was operated and performance was evaluated. The result of the single cell concerning an Example and the result of the single cell concerning a comparative example are shown collectively in FIG. The vertical axis in FIG. 9 is the cell voltage [V], and the horizontal axis is the current density [A / cm 2 ].

3.結果
図9より、低電流密度領域では、実施例にかかる単セルの性能と比較例にかかる単セルの性能は同等であったが、高電流密度領域では、実施例にかかる単セルが比較例にかかる単セルよりも良好な性能を示し、電流密度が増すほど、性能の差が顕著になった。ここで、高電流密度領域の運転では、第2電極層で多くの水が生成される。実施例にかかる単セルは、本発明の電極製造方法によって形成された第2電極層を備え、本発明のMEAの製造方法によって製造されたMEAを備えていた。そのため、多数の細孔を介して水を排出することによりフラッディングを抑制し、さらに、当該細孔を介して触媒へ空気を拡散させることができた結果、高電流密度領域における発電性能の低下が抑制されたと考えられる。これに対し、比較例にかかる単セルは、従来の電極製造方法によって形成された第2電極層を備えていたため、フラッディングを抑制することができず、第2電極層の内部へ拡散する空気の量が低減した結果、高電流密度領域における発電性能の低下が顕著になったと考えられる。
以上より、本発明の電極製造方法によって製造された電極層、及び、本発明のMEAの製造方法によって製造されたMEAを備える構成とすることにより、フラッディングを抑制して性能を向上させることが可能になる。
3. Results From FIG. 9, in the low current density region, the performance of the single cell according to the example and the performance of the single cell according to the comparative example are equivalent, but in the high current density region, the single cell according to the example is a comparative example. As a result, the difference in performance became more remarkable as the current density increased. Here, in the operation in the high current density region, a lot of water is generated in the second electrode layer. The single cell according to the example includes the second electrode layer formed by the electrode manufacturing method of the present invention, and includes the MEA manufactured by the MEA manufacturing method of the present invention. Therefore, flooding is suppressed by discharging water through a large number of pores, and furthermore, air can be diffused to the catalyst through the pores, resulting in a decrease in power generation performance in a high current density region. It is thought that it was suppressed. On the other hand, since the single cell according to the comparative example was provided with the second electrode layer formed by the conventional electrode manufacturing method, flooding could not be suppressed, and air diffused into the second electrode layer could not be suppressed. As a result of the reduction in the amount, it is considered that the decrease in power generation performance in the high current density region becomes remarkable.
From the above, it is possible to suppress flooding and improve performance by using an electrode layer manufactured by the electrode manufacturing method of the present invention and an MEA manufactured by the MEA manufacturing method of the present invention. become.

本発明の電極製造方法の工程を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the electrode manufacturing method of this invention roughly. 本発明の電極製造方法に備えられる第2工程の形態を簡略化して示す概念図である。図2(a)は、第2工程で撥水性の溶媒を添加した直後の状態を概略的に示している。図2(b)は、第2工程で組成物と撥水性の溶媒とを混合した後の状態を概略的に示している。It is a conceptual diagram which simplifies and shows the form of the 2nd process with which the electrode manufacturing method of this invention is equipped. FIG. 2A schematically shows a state immediately after adding a water-repellent solvent in the second step. FIG. 2B schematically shows a state after the composition and the water-repellent solvent are mixed in the second step. 本発明の電極製造方法に備えられる第3工程の形態例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the example of a 3rd process with which the electrode manufacturing method of this invention is equipped. 本発明の電極製造方法によって製造された電極層の形態例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of the form of the electrode layer manufactured by the electrode manufacturing method of this invention. 従来の電極層の製造工程を概略的に示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the conventional electrode layer roughly. 従来の方法によって製造された電極層の形態例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of a form of the electrode layer manufactured by the conventional method. 本発明のMEAの製造方法の工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the manufacturing method of MEA of this invention. 本発明のMEAの製造方法によって製造されたMEAの形態例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of form of MEA manufactured by the manufacturing method of MEA of this invention. 単セルの性能評価試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the performance evaluation test of a single cell.

符号の説明Explanation of symbols

1…炭素(導電性担体)
2…白金(触媒)
3…白金担持カーボン(触媒担持担体)
4…Nafion(プロトン伝導性ポリマー)
5…組成物
6…フッ素系の溶媒(撥水性の溶媒)
7…ビーカー
8…インク状組成物
9…電解質膜
10…電極層(第1電極層)
10’…電極層(第2電極層)
11…細孔
12…電極層
13…MEA(膜電極構造体)
1 ... Carbon (conductive carrier)
2 ... Platinum (catalyst)
3 ... Platinum-supported carbon (catalyst-supported carrier)
4. Nafion (proton conductive polymer)
5 ... Composition 6 ... Fluorine-based solvent (water repellent solvent)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 ... Beaker 8 ... Ink-like composition 9 ... Electrolyte membrane 10 ... Electrode layer (1st electrode layer)
10 '... electrode layer (second electrode layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Pore 12 ... Electrode layer 13 ... MEA (membrane electrode structure)

Claims (5)

導電性担体に触媒を担持させた触媒担持担体と、プロトン伝導性ポリマーと、を備える電極層を製造する方法であって、
前記触媒担持担体と、前記プロトン伝導性ポリマーと、純水とを混合して組成物を作製する第1工程と、
前記第1工程によって作製された前記組成物に、撥水性の溶媒を添加し、前記組成物と前記撥水性の溶媒とを混合してインク状組成物を作製する第2工程と、
前記第2工程によって作製された前記インク状組成物を塗布することにより、層を形成する第3工程と、
を備えることを特徴とする、電極層の製造方法。
A method for producing an electrode layer comprising a catalyst-carrying carrier in which a catalyst is carried on a conductive carrier, and a proton-conducting polymer,
A first step of preparing a composition by mixing the catalyst-supporting carrier, the proton conductive polymer, and pure water;
A second step of adding a water-repellent solvent to the composition prepared in the first step, and mixing the composition and the water-repellent solvent to prepare an ink-like composition;
A third step of forming a layer by applying the ink-like composition produced in the second step;
A method for producing an electrode layer, comprising:
前記撥水性の溶媒が、前記純水よりも揮発しやすい溶媒であることを特徴とする、請求項1に記載の電極層の製造方法。 The method for producing an electrode layer according to claim 1, wherein the water-repellent solvent is a solvent that is more volatile than the pure water. 前記揮発しやすい溶媒が、フッ素系の溶媒であることを特徴とする、請求項2に記載の電極層の製造方法。 The method for producing an electrode layer according to claim 2, wherein the volatile solvent is a fluorine-based solvent. 前記第2工程で、超音波振動法により、前記組成物と前記揮発性の溶媒とが混合されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極層の製造方法。 The method for producing an electrode layer according to any one of claims 1 to 3, wherein in the second step, the composition and the volatile solvent are mixed by an ultrasonic vibration method. . 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成される第1電極層と、前記電解質膜の他方の面に形成される第2電極層と、を備える膜電極構造体を製造する方法であって、
前記第1電極層及び/又は前記第2電極層が、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電極層の製造方法によって製造されることを特徴とする、膜電極構造体の製造方法。
A method of manufacturing a membrane electrode structure comprising: an electrolyte membrane; a first electrode layer formed on one surface of the electrolyte membrane; and a second electrode layer formed on the other surface of the electrolyte membrane. And
The said 1st electrode layer and / or the said 2nd electrode layer are manufactured by the manufacturing method of the electrode layer of any one of Claims 1-4, The manufacturing method of the membrane electrode structure characterized by the above-mentioned. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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