JP2009205803A - Method of manufacturing membrane-electrode assembly for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, which can exhibit the same effect quickly as when carrying out running-in operation or the like. <P>SOLUTION: This invention relates to the method of manufacturing the membrane-electrode assembly for the fuel cell having: an electrolyte membrane composed of a solid polymer; a pair of catalyst layers arranged and installed on both face sides of the electrolyte membrane; and a pair of gas diffusion layers each arranged and installed outside the respective catalyst layers. The method includes: a gas diffusion layer treatment step of permeating pressurized water to at least one of the pair of the gas diffusion layers in the thickness direction of the gas diffusion layers; and a gas diffusion layer treatment step of immersing at least one of the pair of gas diffusion layers into boiled water. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、エージングに要する時間を短縮できる燃料電池用膜電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell that can shorten the time required for aging.

燃料電池において、本来有する性能を安定して引き出すためには、慣らし運転、コンディショニング、エージング処理、前運転(以下、「慣らし運転等」と称する)と言われる処理が行われている。   In a fuel cell, in order to stably bring out the inherent performance, processing called running-in operation, conditioning, aging treatment, and pre-operation (hereinafter referred to as “run-in operation”) is performed.

例えば、燃料電池を発電状態にする前に、燃料電池を外部回路に接続し、燃料電池及び外部回路に、発電時において外部負荷要求に基づき要求される所定の有効電極面積あたりの出力電流密度の設定値よりも高い有効電極面積あたりの電流密度値になるような電流を予め流すことによりコンディショニングする方法が開示されている(特許文献1)。   For example, before putting a fuel cell into a power generation state, the fuel cell is connected to an external circuit, and the output current density per predetermined effective electrode area required based on an external load requirement at the time of power generation is connected to the fuel cell and the external circuit. A method of conditioning is disclosed by flowing a current in advance that gives a current density value per effective electrode area higher than a set value (Patent Document 1).

また、燃料電池の予備運転時に燃料電池のセル内にフラッディングが発生するように、消費されるガスの利用率を向上させる方法が開示されている(特許文献2)。   In addition, a method for improving the utilization rate of consumed gas is disclosed (Patent Document 2) so that flooding occurs in the fuel cell during preliminary operation of the fuel cell.

そして、燃料電池スタックを通常の運転温度まで昇温した後、酸化剤ガス入口には、加湿器を介して加湿した空気、燃料ガス入口には加湿器を介して加湿した水素ガスを供給し、燃料電池スタックを所定時間発電させる。発電停止後、加湿器を介さない乾燥した空気及び水素でドライパージして水滴を除去する。ドライパージ後、燃料電池スタックの温度を零下まで降温し、スタックの水分を凝結させて固体高分子に含水させる。このような、昇温、発電、発電停止、ドライパージ、降温を繰り返す方法が開示されている(特許文献3)。   Then, after raising the fuel cell stack to the normal operating temperature, the humidified air is supplied to the oxidant gas inlet via the humidifier, and the humidified hydrogen gas is supplied to the fuel gas inlet via the humidifier. The fuel cell stack is generated for a predetermined time. After the power generation is stopped, water drops are removed by dry purging with dry air and hydrogen without using a humidifier. After the dry purge, the temperature of the fuel cell stack is lowered to zero, the moisture in the stack is condensed, and the solid polymer is hydrated. A method of repeating such temperature increase, power generation, power generation stop, dry purge, and temperature decrease is disclosed (Patent Document 3).

また、ダイレクトメタノール型燃料電池のアノード電極にメタノール水溶液等のアノード媒質を供給し、カソード電極に空気等のカソード媒質を供給して、それら電極間に燃料電池の発電時における通電と同じ方向へ強制通電を行う方法が開示されている(特許文献4)。
特開2002−319421号公報 特開2003−217622号公報 特開2005−259526号公報 特開2006−40869号公報
Also, an anode medium such as aqueous methanol solution is supplied to the anode electrode of the direct methanol fuel cell, and a cathode medium such as air is supplied to the cathode electrode, and the force is applied in the same direction as the energization during fuel cell power generation between these electrodes. A method of conducting electricity is disclosed (Patent Document 4).
JP 2002-319421 A JP 2003-217622 A JP 2005-259526 A JP 2006-40869 A

特許文献1〜3においては、電解質膜や触媒層のイオン交換樹脂への水の供給量は、燃料電池で発電する量によって制約を受ける。例えば、特許文献1に示される最大の電流値である2.0A/cmであっても、僅か、11mg/(cm・min)の水の供給しか行われない。更に、実際には、慣らし運転の初期段階では、発電量が非常に小さい為、発電により生成する水の量は非常に少ない。 In Patent Documents 1 to 3, the amount of water supplied to the ion exchange resin of the electrolyte membrane and the catalyst layer is restricted by the amount of power generated by the fuel cell. For example, even when the maximum current value shown in Patent Document 1 is 2.0 A / cm 2 , only 11 mg / (cm 2 · min) of water is supplied. Furthermore, in reality, at the initial stage of the break-in operation, the amount of power generation is very small, so the amount of water generated by power generation is very small.

一方、特許文献4のように、外部から強制的に電流を流す方法は、燃料電池の発電能力以上に強制的に電流を流すと、燃料電池内部に全面的又は局所的な電位の反転が発生し、水の電気分解が起こり、アノード側からは酸素が、カソード側からは水素がそれぞれ発生することになる。   On the other hand, as in Patent Document 4, the method of forcibly flowing current from the outside causes the entire or local potential reversal to occur inside the fuel cell when the current is forced to exceed the power generation capacity of the fuel cell. Then, electrolysis of water occurs, and oxygen is generated from the anode side and hydrogen is generated from the cathode side.

また、特許文献3のように、発電した後に、セルを降温させ、水を結露させる手順を併用する方法では、セルやスタックを冷却する為の装置が別途必要であるし、セルやスタックを冷却する為の時間も相当必要であると予想される。   In addition, as in Patent Document 3, a method that uses a procedure for lowering the temperature of a cell and dewing water after power generation requires a separate device for cooling the cell or stack, and cooling the cell or stack. It is expected that considerable time will be required.

本発明では上記実情に鑑みなされたものであり、慣らし運転等を行ったときと同等の効果を迅速に発揮できる燃料電池用膜電極接合体の製造方法を提供することを解決すべき課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object to be solved to provide a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell that can quickly exhibit the same effect as when performing a break-in operation or the like. .

これら従来技術では燃料電池における慣らし運転等が必要な理由として、電解質膜や触媒層が含有するイオン交換樹脂を水分で十分に湿らせることにより、電解質膜、触媒層及びガスから形成されるいわゆる三相界面を十分に形成できることを挙げている。つまり、電解質・触媒・ガス層からなるいわゆる三相界面を十分に形成する為に慣らし運転等を行う必要があると考えられてきた。   In these conventional techniques, the break-in operation in the fuel cell is necessary because the ion exchange resin contained in the electrolyte membrane and the catalyst layer is sufficiently moistened with moisture so as to be formed from the electrolyte membrane, the catalyst layer and the gas. It is mentioned that the phase interface can be sufficiently formed. In other words, it has been considered necessary to perform a break-in operation or the like in order to sufficiently form a so-called three-phase interface composed of an electrolyte, a catalyst, and a gas layer.

しかしながら、本発明者らが従来技術に基き慣らし運転を行い、安定して高い出力性能が得られるようになった燃料電池のセルを、真空乾燥機中に入れ、水を完全に除去した後に、再度、燃料電池を起動させ場合について検討したところ、慣らし運転を行っていないセルと比較して、起動時間は大幅に短縮される現象が観測された。この事から、従来考えられてきたように、慣らし運転の効果として、電解質膜や触媒層のイオン交換樹脂を水で十分湿らせることよりも、何らかの不可逆現象を伴う現象が生じていると考えた方が妥当であることが推測された。   However, after the inventors performed a break-in operation based on the prior art and put the cell of the fuel cell in which high output performance is stably obtained in a vacuum dryer and completely removed the water, When the case of starting the fuel cell was examined again, it was observed that the start-up time was significantly shortened as compared with the cell not running in. From this, as previously thought, it was thought that as a result of the running-in operation, a phenomenon accompanied by some irreversible phenomenon occurred rather than sufficiently moistening the ion exchange resin of the electrolyte membrane and the catalyst layer with water. It was speculated that this was more appropriate.

本発明者らは、慣らし運転が必要とされる主要因としては、製造直後のガス拡散層内に形成される細孔の構造が、燃料電池の発電により生成する水を膜電極接合体(以下、適宜「MEA」と称する)の系外へ排出する為の適正な構造になっていない為であると推測した。一般的に、燃料電池におけるガス拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロスと言ったカーボンファイバーシートに、カーボンブラック及び撥水性材料を含浸・塗工して製造されることが多い。ガス拡散層は、カーボンファイバーやカーボンブラックや撥水性材料間で形成される細孔構造を有しており、その細孔を介して、燃料/酸化ガスの供給や発電により生じた水(生成水)の排水が行われている。   The main factor that requires the break-in operation is that the structure of the pores formed in the gas diffusion layer immediately after the production generates water generated by the power generation of the fuel cell as a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “membrane electrode assembly”). It was presumed that this was not an appropriate structure for discharging out of the system of “MEA” as appropriate. In general, a gas diffusion layer in a fuel cell is often manufactured by impregnating and coating a carbon fiber sheet such as carbon paper or carbon cloth with carbon black and a water-repellent material. The gas diffusion layer has a pore structure formed between carbon fiber, carbon black, and a water-repellent material, and water (product water) generated by supplying fuel / oxidizing gas or generating power through the pores. ) Is drained.

しかしながら、製造直後(製造したままの)のガス拡散層の細孔は、表面から裏面まで、貫通されていなかったり、貫通していても、その細孔の内径が生成水を排出する為には、一部分(ネッキング状態)又は全部で細孔径が細かったり、細孔が屈曲したりしている状況にあると考えられる。   However, the pores of the gas diffusion layer immediately after production (as produced) are not penetrated from the front surface to the back surface, or even if the pores penetrate, It is considered that a part (necking state) or all of the pore diameter is small or the pore is bent.

そこで、従来技術(例えば、文献1)では、常時使用する(すなわち燃料電池の仕様として設定された)動作電流値以上の電流値で燃料電池を運転する事で、仕様設定された電流値で生成するよりも多くの水を発生させ、ガス拡散層の細孔を貫通させたり、細孔の細い部分を拡張したり、屈曲を解消する不可逆現象を発生させたりしているものと考えられる。その結果、仕様設定された電流値で運転した時の出力性能向上と安定化とが実現できると考えられる。   Therefore, in the prior art (for example, Document 1), the fuel cell is operated at a current value equal to or higher than the operating current value that is always used (that is, set as the fuel cell specification), and is generated at the current value set in the specification. It is considered that more water is generated than this, and the pores of the gas diffusion layer are penetrated, the narrow portions of the pores are expanded, or an irreversible phenomenon that eliminates bending is generated. As a result, it is considered that the output performance can be improved and stabilized when operating at the current value set in the specification.

上記仮説を検証する為に、図1に示す評価装置を用いて試験を行った。評価装置はガス拡散層Sを保持するホルダー10とシリンダー20とホルダー10及びシリンダー20の間を接続する接続管30とを有する。ホルダー10はガス拡散層Sの一面側を網目状乃至多孔質状の部材で保持し、ガス拡散層Sに対して局所的な力が加わらないようにしている。ホルダー10のガス拡散層Sの他面側に接する側には空間が設けられ、この空間内の圧力を測定する圧力計11が接続されている。シリンダー20内には定速で移動可能なピストン21が配設されている。ホルダー10内に触媒層側から処理液が透過されるようにガス拡散層Sを保持する。シリンダ20内に処理液としての水を入れ、ピストン21を一定速度で移動させることにより、一定流量でガス拡散層Sの触媒層面側からセパレータ面側へ水を強制的に透過させ、その時の水圧の時間変化を記録・評価した。図2には、典型的な測定結果を示す。   In order to verify the above hypothesis, a test was conducted using the evaluation apparatus shown in FIG. The evaluation apparatus includes a holder 10 that holds the gas diffusion layer S, a cylinder 20, and a connection pipe 30 that connects between the holder 10 and the cylinder 20. The holder 10 holds one side of the gas diffusion layer S with a mesh or porous member so that no local force is applied to the gas diffusion layer S. A space is provided on the side of the holder 10 that contacts the other surface side of the gas diffusion layer S, and a pressure gauge 11 that measures the pressure in the space is connected. A piston 21 that can move at a constant speed is disposed in the cylinder 20. The gas diffusion layer S is held in the holder 10 so that the treatment liquid is permeated from the catalyst layer side. Water as a processing liquid is put into the cylinder 20 and the piston 21 is moved at a constant speed, so that water is forcibly permeated from the catalyst layer surface side of the gas diffusion layer S to the separator surface side at a constant flow rate. Was recorded and evaluated. FIG. 2 shows a typical measurement result.

領域Iは、ガス拡散層Sに水が接触するまでを示している。最初、ガス拡散層Sと水とは接触しておらず(空気の層がある)、水が接触するまでの残留空気が排出される領域を示している。領域IIは、水がガス拡散層Sの触媒層側の面に接触し、ガス拡散層Sの細孔内へ水が進入して行く領域を示している。ガス拡散層Sの細孔は、撥水材により撥水化されており、細孔内へ水を挿入させる際は大きな水圧を必要とする。領域IIから領域IIIに至る間で、ガス拡散層Sの触媒層側に対して反対側の面から水滴の発生が目視で確認でき、水圧はピークを超えて減少していく。水滴の発生は、最初、1、2個の決まった細孔からのみ認められるが、領域IIIにおいて、水滴が発生する細孔の数は、徐々に増加し、水滴の排出も安定していき、それに伴い、水圧の低下が観測される。その後、領域IVにおいて水圧の変化は殆んど示さず、細孔からの水滴の排出も安定して行われるようになる。領域IIから領域IIIに向かう際の水圧のピーク高さや、領域IIIを経て、安定した排水を示すまでの時間や安定化した際の水圧の大きさは、ガス拡散層Sの製造条件、例えば、カーボンブラックや撥水材の組成や担持量や担持方法によって大きく変化する。   Region I shows the time until water contacts the gas diffusion layer S. Initially, the gas diffusion layer S and water are not in contact with each other (there is an air layer), and the region where residual air is discharged until the water contacts is shown. Region II indicates a region where water contacts the surface of the gas diffusion layer S on the catalyst layer side and water enters the pores of the gas diffusion layer S. The pores of the gas diffusion layer S are water repellent by a water repellent material, and a large water pressure is required when water is inserted into the pores. Between the region II and the region III, the generation of water droplets can be visually confirmed from the surface opposite to the catalyst layer side of the gas diffusion layer S, and the water pressure decreases beyond the peak. The occurrence of water droplets is initially recognized only from one or two fixed pores, but in region III, the number of pores where water droplets are generated gradually increases, and the discharge of water droplets also stabilizes, Along with this, a drop in water pressure is observed. Thereafter, little change in water pressure is shown in region IV, and water droplets are discharged stably from the pores. The peak height of the water pressure when going from the region II to the region III, the time until the stable drainage is shown through the region III, and the magnitude of the water pressure when the water pressure is stabilized are the manufacturing conditions of the gas diffusion layer S, for example, It varies greatly depending on the composition, loading amount and loading method of carbon black and water repellent material.

領域IVに到達したガス拡散層Sをホルダー10から取り出し、水分を乾燥させた後、水銀ポロシメトリーにより、ガス拡散層の細孔分布を測定すると、10μm以上の細孔容積の増大が確認できる(図3)。すなわち、図3から明らかなように、細孔径が10μm前後を境にして、それより大きな細孔径をもつ細孔の容積が大きくなっていることが分かる。そして、100μm以上の細孔径の領域では大幅な容積の増加(およそ2倍以上)が認められている。   When the gas diffusion layer S that has reached the region IV is taken out of the holder 10 and dried, and then the pore distribution of the gas diffusion layer is measured by mercury porosimetry, an increase in the pore volume of 10 μm or more can be confirmed ( FIG. 3). That is, as is clear from FIG. 3, it can be seen that the volume of pores having a pore diameter larger than that is about 10 μm. And in the area | region of a pore diameter of 100 micrometers or more, the big increase (about 2 times or more) is recognized.

領域IVに到達したガス拡散層Sを用いて、MEAを製造して放電評価を行うと、製造直後の従来の慣らし運転を行っていない状態でも十分に高く、且つ、安定した電池出力が得られる。   When the MEA is manufactured and the discharge evaluation is performed using the gas diffusion layer S that has reached the region IV, a sufficiently high and stable battery output can be obtained even in a state where the conventional break-in operation immediately after the manufacture is not performed. .

以上の実験事実に基き、検討を重ね、燃料電池の慣らし運転の時間短縮の為に、以下の発明をするに至った。   Based on the above experimental facts, investigations have been repeated and the following inventions have been made to shorten the time required for running-in of the fuel cell.

すなわち、上記課題を解決する請求項1に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法の特徴は、固体高分子よりなる電解質膜と、前記電解質膜の両面側に配設された一対の触媒層と、前記各触媒層の外側にそれぞれ配設された一対のガス拡散層とを有する燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方に対して、加圧した処理液を前記ガス拡散層の厚み方向に透過させるガス拡散層処理工程を有することにある。
That is, the feature of the method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1 that solves the above-described problem is that an electrolyte membrane made of a solid polymer and a pair of catalyst layers disposed on both sides of the electrolyte membrane And a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell having a pair of gas diffusion layers respectively disposed outside the catalyst layers,
The present invention has a gas diffusion layer treatment step in which at least one of the pair of gas diffusion layers transmits a pressurized treatment liquid in the thickness direction of the gas diffusion layer.

上記課題を解決する請求項2に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法の特徴は、請求項1において、前記ガス拡散層処理工程が、前記ガス拡散層を複数枚重ね合わせ、それら重ね合わせた前記ガス拡散層に対して前記処理液を透過させる工程であることにある。   A feature of the method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 2 that solves the above-described problem is that, in claim 1, the gas diffusion layer treatment step includes superposing a plurality of the gas diffusion layers, and superposing them. Further, it is a step of allowing the treatment liquid to permeate the gas diffusion layer.

上記課題を解決する請求項3に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法の特徴は、固体高分子よりなる電解質膜と、前記電解質膜の両側に配設された一対の触媒層と、前記各触媒層の外側にそれぞれ配設された一対のガス拡散層とを有する燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方を沸騰した処理液中に浸漬するガス拡散層処理工程を有することにある。
The feature of the method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 3 for solving the above-mentioned problem is that an electrolyte membrane made of a solid polymer, a pair of catalyst layers disposed on both sides of the electrolyte membrane, A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell having a pair of gas diffusion layers disposed on the outside of each catalyst layer,
The present invention has a gas diffusion layer treatment step in which at least one of the pair of gas diffusion layers is immersed in a boiled treatment liquid.

上記課題を解決する請求項4に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法の特徴は、請求項1〜3の何れか1項において、前記処理液が水であることにある。   The characteristic of the manufacturing method of the membrane electrode assembly for fuel cells which concerns on Claim 4 which solves the said subject is that the said process liquid is water in any one of Claims 1-3.

上記課題を解決する請求項5に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法の特徴は、請求項1〜4の何れか1項において、前記ガス拡散層処理工程の前後で前記ガス拡散層がもつ10μm以上の孔径をもつ細孔が増加することにある。   The characteristic of the manufacturing method of the membrane electrode assembly for fuel cells which concerns on Claim 5 which solves the said subject is the gas diffusion layer before and after the said gas diffusion layer process process in any one of Claims 1-4. The number of pores having a pore diameter of 10 μm or more is increased.

上記のように構成した請求項1に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法においては、ガス拡散層に対して処理液を透過させることにより、ガス拡散層内に形成されている細孔構造が適正化されて、燃料電池として運転した際に膜電極接合体内に生成する水を速やかに系外へ排出することが可能になるものである。その結果、燃料電池に適用したときに慣らし運転等の必要性を減少させたり、無くすことが可能になる。   In the manufacturing method of the fuel cell membrane electrode assembly according to claim 1 configured as described above, the pore structure formed in the gas diffusion layer by allowing the treatment liquid to permeate the gas diffusion layer. When the fuel cell is operated as a fuel cell, water generated in the membrane electrode assembly can be quickly discharged out of the system. As a result, it is possible to reduce or eliminate the need for break-in operation when applied to a fuel cell.

圧力を加えた処理液をガス拡散層の厚さ方向に強制的に透過させることで、ガス拡散層の細孔の容積の増加と屈曲度(tortuosity)を低下させることができる。この場合、従来技術のように、発電を行うよりも、多量の処理液(水)をガス拡散層の全面に渡り透過させる事が可能であり、このような処理を行ったガス拡散層を用いたMEAは、慣らし運転に要する時間の大幅な低下が可能となる。また、処理液をガス拡散層に強制的に透過させ、細孔の容積の増加と屈曲度とを低下出来たかどうかの判断は、前述したように処理液の圧力をモニターすることにより容易に確認することができる。   By forcibly permeating the treatment liquid to which pressure has been applied in the thickness direction of the gas diffusion layer, it is possible to increase the volume of the pores of the gas diffusion layer and reduce the tortuosity. In this case, it is possible to permeate a large amount of the processing liquid (water) over the entire surface of the gas diffusion layer rather than performing power generation as in the prior art, and the gas diffusion layer that has been subjected to such treatment is used. The MEA that has been used can significantly reduce the time required for the break-in operation. In addition, the process liquid can be forced to permeate through the gas diffusion layer, and the judgment of whether the increase in the volume of the pores and the bending degree can be reduced can be easily confirmed by monitoring the pressure of the treatment liquid as described above. can do.

上記のように構成した請求項2に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法においては、複数のガス拡散層を重ね合わせた状態で処理液を通過させているため、ガス拡散層の処理に要する時間が短縮できる。   In the method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly according to claim 2 configured as described above, the treatment liquid is allowed to pass in a state where a plurality of gas diffusion layers are overlapped. The time required can be shortened.

上記のように構成した請求項3に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法においては、沸騰した処理液中にガス拡散層を浸漬するといった簡便な方法にて、ガス拡散層内に形成されている細孔構造を適正化することができ、燃料電池として運転した際に膜電極接合体内に生成する水を速やかに系外へ排出することが可能になるものである。その結果、燃料電池に適用したときに慣らし運転等の必要性を減少させたり、無くすことが可能になる。   In the method of manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly according to claim 3 configured as described above, the fuel cell membrane electrode assembly is formed in the gas diffusion layer by a simple method such as immersing the gas diffusion layer in a boiled processing liquid. The pore structure can be optimized, and water generated in the membrane electrode assembly when operating as a fuel cell can be quickly discharged out of the system. As a result, it is possible to reduce or eliminate the need for break-in operation when applied to a fuel cell.

通常、ガス拡散層は撥水化処理されているため、ガス拡散層を水(処理液)中に浸漬しただけでは、その細孔内に水を透過することは困難であるが、水(液体)と水蒸気(気体)が平衡状態にある沸騰水中に拡散層を浸漬すると、水蒸気(気体)の状態でガス拡散層の細孔内に入り込み、細孔内での液体の凝集により、水(液体)への変化が起こることになる。細孔内に入り込んだ水も、細孔内で沸騰して気化するため、気化した際の水自身の体積膨張や細孔内で凝集した水を押出す効果により、ガス拡散層がもつ細孔の容積の増加と屈曲度を低下させる効果があり、特別な装置や治具を必要とせずに慣らし運転時間を短縮する事が可能である。但し、沸騰時の蒸気の凝集と再蒸発とを利用している為、請求項1に係る発明のような速度制御は十分にできないことがある。   Usually, since the gas diffusion layer has been subjected to water repellency treatment, it is difficult to permeate water into the pores only by immersing the gas diffusion layer in water (treatment liquid). ) And water vapor (gas) are immersed in boiling water, the water enters the pores of the gas diffusion layer in the state of water vapor (gas), and water (liquid ) Will occur. Since the water that has entered the pores also boils and vaporizes in the pores, the pores of the gas diffusion layer are affected by the volume expansion of the water itself when vaporized and the effect of extruding the aggregated water in the pores. This has the effect of increasing the volume and lowering the bending degree, and can reduce the break-in operation time without requiring a special device or jig. However, since the agglomeration and re-evaporation of steam at the time of boiling are used, speed control as in the invention according to claim 1 may not be sufficiently performed.

上記のように構成した請求項4に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法においては、処理液として水を採用することで、低コスト化が実現できると共に、水は燃料電池内における反応に悪影響を及ぼしがたいといった利点がある。   In the method for manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 4 configured as described above, the cost can be reduced by employing water as the treatment liquid, and the water is used for the reaction in the fuel cell. There is an advantage that it is difficult to adversely affect.

上記のように構成した請求項5に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法においては、10μm以上の孔径をもつ細孔が増加することにより、燃料電池内にて生成する水を効果的に排出することができる。   In the method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 5 configured as described above, water generated in the fuel cell is effectively generated by increasing pores having a pore diameter of 10 μm or more. Can be discharged.

本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造方法について、以下、具体的な実施形態に基づき詳細に説明する。本製造方法にて製造される燃料電池用膜電極接合体は電解質膜と一対の触媒層と一対のガス拡散層とを有する。触媒層は電解質膜の両面側から挟持するように配設され、ガス拡散層は更にその触媒層の外側から挟持するように配設される。   Hereinafter, the method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention will be described in detail based on specific embodiments. The fuel cell membrane electrode assembly produced by this production method has an electrolyte membrane, a pair of catalyst layers, and a pair of gas diffusion layers. The catalyst layer is disposed so as to be sandwiched from both sides of the electrolyte membrane, and the gas diffusion layer is disposed so as to be sandwiched from the outside of the catalyst layer.

電解質膜はイオン伝導性を有する材料である固体高分子から形成される。電解質膜は、特に湿潤状態において良好なイオン伝導性を示す材料から構成されることが望ましい。電解質膜は、燃料電池における、アノード側及びカソード側の触媒層の間でプロトンを移動させる陽イオン交換膜として機能する。この電解質膜は、含フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成することが可能であり、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(「Nafion」、デュポン社製、登録商標)などが挙げられる。   The electrolyte membrane is formed from a solid polymer that is a material having ion conductivity. The electrolyte membrane is preferably made of a material that exhibits good ionic conductivity, particularly in a wet state. The electrolyte membrane functions as a cation exchange membrane that moves protons between the anode-side and cathode-side catalyst layers in the fuel cell. The electrolyte membrane can be formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer. For example, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, a polysulfone resin, a phosphonic acid group, or a carboxylic acid group. Etc. can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (“Nafion”, a registered trademark of DuPont).

触媒層は、多孔膜であり、例えばイオン交換樹脂粒子と触媒活性物質を担持した導電性担体とから構成することができる。触媒層の形成はイオン交換樹脂粒子と導電性担体とを適正な分散媒中に分散させて形成したペーストを前述の電解質膜や後述するガス拡散層の表面に塗布、製膜する方法や、適正な基材上に塗布、製膜する方法など一般的な方法を採用可能である。イオン交換樹脂粒子は、電解質膜と同様の高分子材料から形成することが好ましい。触媒活性物質としては、白金、ルテニウムやロジウム等の貴金属粒子が例示される。触媒を担持する導電性担体としては、カーボンブラック、アセチレンブラックやカーボンナノチューブなどの炭素材料粒子が例示される。   The catalyst layer is a porous film, and can be composed of, for example, ion-exchange resin particles and a conductive carrier carrying a catalytically active substance. The catalyst layer is formed by applying and forming a paste formed by dispersing ion exchange resin particles and a conductive carrier in an appropriate dispersion medium on the surface of the electrolyte membrane or the gas diffusion layer described later, A general method such as a method of coating and forming a film on a simple substrate can be employed. The ion exchange resin particles are preferably formed from the same polymer material as the electrolyte membrane. Examples of the catalytically active substance include noble metal particles such as platinum, ruthenium and rhodium. Examples of the conductive carrier that supports the catalyst include carbon material particles such as carbon black, acetylene black, and carbon nanotubes.

ガス拡散層は、ガス流路に供給されるガスを触媒層に供給する機能をもつ。また、発電反応により生じる電子を外部回路に移動させる機能や、電池反応により生成する水や未反応ガス等を外部に放出する機能ももつ。ガス拡散層は、電子伝導性を有する多孔質体を基材として構成されることが好ましく、例えば、カーボン繊維よりなるカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン基材により構成することができる。このガス拡散層においては、必要に応じて、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)等を含浸させて撥水性を付与したり、さらにカーボンブラック等のカーボン粉末をPTFEとともに混練したカーボンペーストを塗布したりしてもよい。   The gas diffusion layer has a function of supplying the gas supplied to the gas flow path to the catalyst layer. In addition, it has a function of moving electrons generated by a power generation reaction to an external circuit and a function of releasing water, unreacted gas, and the like generated by a battery reaction to the outside. The gas diffusion layer is preferably composed of a porous body having electron conductivity as a base material, and can be composed of a carbon base material such as carbon paper or carbon cloth made of carbon fibers, for example. In this gas diffusion layer, if necessary, it is impregnated with polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like to impart water repellency, or a carbon paste such as carbon black or the like kneaded with PTFE is applied. May be.

本実施形態の燃料電池用膜電極接合体の製造方法では燃料電池用膜電極接合体が有するガス拡散層を処理するガス拡散層処理工程を有する。ガス拡散層処理工程は製造する燃料電池用膜電極接合体が有する一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方に対して適用される工程である。ガス拡散層処理工程は、電解質膜、触媒層及びガス拡散層から燃料電池用膜電極接合体を組み合わせる前後のいずれに行っても良いし、組み合わせる工程のいずれの前後においても行って良い。ガス拡散層処理工程について以下詳細に説明する。   The method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to this embodiment includes a gas diffusion layer treatment step for treating a gas diffusion layer included in the membrane electrode assembly for a fuel cell. The gas diffusion layer treatment step is a step applied to at least one of a pair of gas diffusion layers included in the fuel cell membrane electrode assembly to be manufactured. The gas diffusion layer treatment step may be performed before or after combining the fuel cell membrane electrode assembly from the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer, or may be performed before or after any of the combination steps. The gas diffusion layer processing step will be described in detail below.

(第1形態)
本形態のガス拡散層処理工程はガス拡散層に対して加圧した処理液をそのガス拡散層における厚み方向に透過させる工程である。本工程は加圧した処理液を透過させることにより、ガス拡散層中の細孔を適正なものにする方法である。ガス拡散層とその他の部材(電解質膜、触媒層)とは適正な細孔径分布が異なるものと推測されるところ、本形態の方法ではそれらに対して区別なく細孔径を拡大する作用を発揮するものと推測されるため、本形態のガス拡散層処理工程はガス拡散層に対して単独で処理を行うことが望ましい。つまり、ガス拡散層を形成した後、燃料電池用膜電極接合体を形成する前に本工程を適用することが望ましい。
(First form)
The gas diffusion layer treatment step of this embodiment is a step of allowing the treatment liquid pressurized against the gas diffusion layer to permeate in the thickness direction of the gas diffusion layer. This step is a method of making the pores in the gas diffusion layer appropriate by allowing the pressurized treatment liquid to permeate. The gas diffusion layer and other members (electrolyte membrane, catalyst layer) are presumed to have different proper pore size distributions, but the method of this embodiment exerts an effect of expanding the pore size without distinction to them. Therefore, it is desirable that the gas diffusion layer processing step of this embodiment be performed on the gas diffusion layer alone. In other words, it is desirable to apply this step after forming the gas diffusion layer and before forming the membrane electrode assembly for a fuel cell.

また、MEAを形成する前のガス拡散層に対して処理を行う場合には、1枚ずつ別々に処理を行うことができるのはもちろん、複数枚のガス拡散層を積層し、それら重ね合わせた複数枚のガス拡散層に対して同時に処理を行っても良い。   In addition, when processing the gas diffusion layer before forming the MEA, it is possible to perform the processing separately one by one, as well as stacking a plurality of gas diffusion layers and superimposing them. A plurality of gas diffusion layers may be processed simultaneously.

処理液としては特に限定しないが、ガス拡散層を構成する材料に対して悪影響が少ない液体を採用することが望ましい。例えば、悪影響としてはガス拡散層を構成する材料を溶出させたり、化学反応を生じて変質したりすることである。具体的に望ましい処理液としては水があげられる。また、処理液としては純物質の他、何らかの溶質が溶解している溶液を採用することもできる。例えば、pH、浸透圧などを調節する物質や、ガス拡散層に対して何らかの反応を生じて後処理を行うような物質を溶解させることができる。   Although it does not specifically limit as a processing liquid, It is desirable to employ | adopt the liquid with a little bad influence with respect to the material which comprises a gas diffusion layer. For example, the adverse effect is that the material constituting the gas diffusion layer is eluted, or a chemical reaction occurs to cause alteration. A particularly desirable treatment liquid is water. In addition to a pure substance, a solution in which some solute is dissolved may be employed as the treatment liquid. For example, a substance that adjusts pH, osmotic pressure, etc., or a substance that causes some reaction to the gas diffusion layer and performs post-treatment can be dissolved.

処理液を加圧する圧力としては特に限定しない。高圧とすることにより、ガス拡散層処理工程をより速やかに行うことができるが、あまりに高い圧力を採用すると、ガス拡散層に物理的な損傷を与えるおそれがある。従って、ガス拡散層の強度が許す限り高い圧力を採用することが望ましい。   The pressure for pressurizing the treatment liquid is not particularly limited. By using a high pressure, the gas diffusion layer treatment process can be carried out more rapidly, but if a too high pressure is employed, there is a risk of physical damage to the gas diffusion layer. Therefore, it is desirable to employ a pressure as high as the strength of the gas diffusion layer allows.

ガス拡散層処理工程を継続する時間としては特に限定しない。例えば、ガス拡散層処理工程前後におけるガス拡散層中の細孔径分布を測定した場合に10μm以上(より望ましくは100μm以上)の孔径をもつ細孔の量が増加する条件を採用することが望ましい。また、前述したように、所定の圧力にて処理液をガス拡散層に透過させる際に、一度、最大値になった後(図2の領域IIと領域IIIとの境界)、圧力は漸減していき(領域(III))、定常化する(領域(IV))が、その定常化したことをもって(又は定常化して、しばらく経過した後)本ガス拡散層処理工程の終了時とすることができる。この方法を採用する場合には、処理液について、圧力を一定にする制御を行う代わりに、ガス拡散層に向けて処理液を一定の量で送出する制御法を採用することが望ましい。その場合には処理液により加えることができる最大の圧力(ガス拡散層の強度から導出される値)よりも小さい値になるように制御する。   It does not specifically limit as time to continue a gas diffusion layer processing process. For example, it is desirable to adopt a condition in which the amount of pores having a pore diameter of 10 μm or more (more desirably 100 μm or more) is increased when the pore diameter distribution in the gas diffusion layer before and after the gas diffusion layer treatment step is measured. Further, as described above, when the processing liquid is allowed to permeate through the gas diffusion layer at a predetermined pressure, the pressure gradually decreases after reaching the maximum value once (the boundary between the region II and the region III in FIG. 2). (Region (III)) and become steady (Region (IV)) may be the end of the gas diffusion layer treatment process with the steady state (or after a while after steadying). it can. When this method is employed, it is desirable to employ a control method in which the treatment liquid is sent to the gas diffusion layer in a certain amount instead of performing the control to keep the pressure constant. In that case, control is performed so that the pressure is smaller than the maximum pressure (value derived from the strength of the gas diffusion layer) that can be applied by the treatment liquid.

(第2形態)
本形態のガス拡散層処理工程はガス拡散層を沸騰した処理液中に浸漬する工程である。本工程は処理液中でガス拡散層を煮沸することにより、ガス拡散層中の細孔を適正なものにする方法である。ガス拡散層とその他の部材(電解質膜、触媒層)とは適正な細孔径分布が異なるものと推測されるため、本形態のガス拡散層処理工程はガス拡散層に対して単独で処理を行うことが望ましい。つまり、ガス拡散層を形成した後、燃料電池用膜電極接合体を形成する前に本工程を適用することが望ましい。なお、本形態の方法では、処理液の組成などを調節することにより、ガス拡散層、電解質膜及び触媒層のそれぞれについての作用を調節することが可能であり、ガス拡散層を処理の主体として処理を行うことができることが考えられるため、MEAを形成した後に処理を行うことが望ましい場合も考えられる。
(Second form)
The gas diffusion layer processing step of this embodiment is a step of immersing the gas diffusion layer in a boiled processing liquid. This step is a method of making the pores in the gas diffusion layer appropriate by boiling the gas diffusion layer in the treatment liquid. The gas diffusion layer and other members (electrolyte membrane, catalyst layer) are presumed to have different proper pore size distributions, so the gas diffusion layer processing step of this embodiment performs processing on the gas diffusion layer alone. It is desirable. In other words, it is desirable to apply this step after forming the gas diffusion layer and before forming the membrane electrode assembly for a fuel cell. In the method of this embodiment, it is possible to adjust the operation of each of the gas diffusion layer, the electrolyte membrane, and the catalyst layer by adjusting the composition of the treatment liquid, and the gas diffusion layer is used as the main subject of the treatment. Since it is conceivable that processing can be performed, it may be desirable to perform processing after forming the MEA.

ガス拡散層処理工程を継続する時間としては特に限定しない。例えば、ガス拡散層処理工程前後におけるガス拡散層中の細孔径分布を測定した場合に10μm以上(より望ましくは100μm以上)の孔径をもつ細孔の量が増加する条件を採用することが望ましい。   It does not specifically limit as time to continue a gas diffusion layer processing process. For example, it is desirable to adopt a condition in which the amount of pores having a pore diameter of 10 μm or more (more desirably 100 μm or more) is increased when the pore diameter distribution in the gas diffusion layer before and after the gas diffusion layer treatment step is measured.

・ガス拡散層の作製手順
(1)まず、カーボンブラック(キャボット社製:Valcan XC−72R)とPTFEディスパージョン(ダイキン製:D1)とを混合し、カーボンブラックとPTFEの質量比率が1:1になるような、撥水化ペーストを作製した。
(2)その撥水化ペーストを市販のカーボンペーパー(東レ製:TGP−H60)に、デッピング法により浸漬しカーボンペーパー内に撥水化ペーストを含浸させた。
(3)室温で乾燥した後、大気中、380℃で1時間熱処理し、撥水化ペーストをカーボンペーパーに定着させ、ガス拡散層(GDL)とした。
・MEA(膜電極接合体)の作製手順
(1)白金触媒(ジョンソン・マッセイ製:HiSPEC4000)と高分子電解質溶液(旭化成製:5質量%Aciplex溶液)とを質量比で、1:15の割合になるように混合した触媒ペーストをPTFEフィルム上にアプリケータを用いてキャステイングし、室温で乾燥させ、触媒層シートを作製した。
(2)転写法(デカール法)を用いて、高分子電解質膜(DuPont製:Nafion112)の両面に、ホットプレスを用い、触媒層を転写し、触媒コート電解質膜(CCM)を作製する。
(3)ガス拡散層をφ36(S=10cm)に切り抜き、触媒コート電解質膜(CCM)に、ホットプレス法により接合し、MEAとした。
・燃料電池の起動性の評価方法
(1)作製したMEAを燃料電池の評価セルに組み込み、セルを窒素ガスでパージし、残留空気を置換した。評価用セルは、図4に示すように、電解質膜41とその電解質膜41の両側に配設された触媒層42A及び42Bと更にその外側に配設されたガス拡散層43A及び43Bとを有する燃料電池用膜電極接合体4とその燃料電池用膜電極接合体4を両面側から挟持すると共に燃料電池用膜電極接合体4と共にガス流路を形成する一対のセパレータ5とを有する。なお、図4は概略図であり、構成要素の大きさは図示の都合上、正確な大きさを反映していないことがある。
(2)セル温度を75℃に昇温保持した後、アノード側に、0.1MPaの加湿(露点温度70℃)純水素を100CCM、カソード側に、0.1MPaの加湿(露点温度70℃)空気300CCM流し、開回路状態(OCV)で、15分間保持を行った。
(3)セル温度、アノード及びカソードのガス流量を保持したまま、負荷電源装置を用いて、電流密度を0A/cm(OCV)から (1A/cm)/分の一定速度で、0.4 A/cmまで電流密度を上昇させた後、0.4A/cmに保持し、0.4A/cmおける燃料電池の出力電圧を5分おきに記録した。
・評価サンプルの作製方法
[実施例1]
(1)上記ガス拡散層の作製手順で作製したガス拡散層を図1に示す装置のホルダー10内に設置し、室温の水を1g/(cm・min)の速度(約179A/cmで燃料電池を運転した際の生成水量に相当)の流速で拡散層に貫通させた。
(2)上記拡散層サンプルの作製手順で作製した拡散層は、図2に示したような、水圧の変化を示し、水圧のピークを超え、領域IIIに入った後、約1.5分で、定常状態(領域IV)に入った。領域IVに入った後、更に2分間、水の貫通を継続させた後、水の供給を止め、拡散層サンプルを取り出した。
(3)水の貫通処理を施したガス拡散層を上記MEAの作製手順に従って、MEA化し、実施例1の試験試料とした。
-Gas diffusion layer production procedure (1) First, carbon black (Cabot: Valcan XC-72R) and PTFE dispersion (Daikin: D1) are mixed, and the mass ratio of carbon black and PTFE is 1: 1. A water repellent paste was prepared.
(2) The water-repellent paste was dipped in a commercially available carbon paper (manufactured by Toray: TGP-H60) by a dipping method to impregnate the water-repellent paste in the carbon paper.
(3) After drying at room temperature, heat treatment was performed in the air at 380 ° C. for 1 hour to fix the water-repellent paste to the carbon paper to form a gas diffusion layer (GDL).
-Production procedure of MEA (membrane electrode assembly) (1) Platinum catalyst (manufactured by Johnson Matthey: HiSPEC4000) and polymer electrolyte solution (manufactured by Asahi Kasei: 5 mass% Aciplex solution) in a mass ratio of 1:15 The catalyst paste thus mixed was cast on a PTFE film using an applicator and dried at room temperature to prepare a catalyst layer sheet.
(2) Using a transfer method (decal method), a catalyst layer is transferred onto both sides of a polymer electrolyte membrane (DuPont: Nafion 112) using a hot press to produce a catalyst coated electrolyte membrane (CCM).
(3) The gas diffusion layer was cut out to φ36 (S = 10 cm 2 ) and joined to the catalyst coated electrolyte membrane (CCM) by a hot press method to form MEA.
-Evaluation method of startability of fuel cell (1) The produced MEA was incorporated into an evaluation cell of the fuel cell, the cell was purged with nitrogen gas, and the residual air was replaced. As shown in FIG. 4, the evaluation cell has an electrolyte membrane 41, catalyst layers 42A and 42B disposed on both sides of the electrolyte membrane 41, and gas diffusion layers 43A and 43B disposed further outside. A fuel cell membrane electrode assembly 4 and a pair of separators 5 that sandwich the fuel cell membrane electrode assembly 4 from both sides and form a gas flow path together with the fuel cell membrane electrode assembly 4 are provided. Note that FIG. 4 is a schematic diagram, and the size of the component may not reflect the exact size for convenience of illustration.
(2) After holding the cell temperature at 75 ° C., humidification of 0.1 MPa on the anode side (dew point temperature of 70 ° C.) 100 CCM of pure hydrogen and humidification of 0.1 MPa on the cathode side (dew point temperature of 70 ° C.) Holding was performed for 15 minutes in an open circuit state (OCV) while flowing 300 CCM of air.
(3) While maintaining the cell temperature and the gas flow rates of the anode and cathode, using a load power supply device, the current density is changed from 0 A / cm 2 (OCV) to (1 A / cm 2 ) / min at a constant rate of 0. 4 after increasing the current density to a / cm 2, and held at 0.4 a / cm 2, and record the output voltage of 0.4 a / cm 2 definitive fuel cell every 5 minutes.
-Preparation method of evaluation sample [Example 1]
(1) The gas diffusion layer produced by the above gas diffusion layer production procedure is placed in the holder 10 of the apparatus shown in FIG. 1, and water at room temperature is supplied at a rate of about 1 g / (cm 2 · min) (about 179 A / cm 2 And corresponding to the amount of water produced when the fuel cell was operated in).
(2) The diffusion layer produced by the above-described procedure for producing the diffusion layer sample shows a change in water pressure as shown in FIG. 2, exceeds the water pressure peak, and enters the region III in about 1.5 minutes. Entered the steady state (region IV). After entering Region IV, water penetration was continued for another 2 minutes, then the water supply was stopped and the diffusion layer sample was removed.
(3) The gas diffusion layer subjected to the water penetration treatment was converted to MEA according to the above-described MEA production procedure, and the test sample of Example 1 was obtained.

[実施例2]
(1)上記ガス拡散層の作製手順で作製したガス拡散層を特別な前処理無しに、上記MEAの作製の手順に従い、MEAを作製した。
(2)MEAを沸騰した水の中に浸漬し、沸騰した状態を保ちながら、30分間浸漬保持したサンプルを実施例2の試験試料とした。
[Example 2]
(1) The MEA was produced according to the procedure for producing the MEA without any special pretreatment of the gas diffusion layer produced by the procedure for producing the gas diffusion layer.
(2) The MEA was immersed in boiling water, and a sample immersed and held for 30 minutes while keeping the boiling state was used as a test sample of Example 2.

[比較例1:ならし無し]
(1)上記ガス拡散層の作製手順で作製したガス拡散層を特別な前処理無しに、上記MEAの作製の手順に従い、MEAを作製し、比較例の試験試料とした。
[Comparative Example 1: No leveling]
(1) The MEA was produced according to the MEA production procedure without using any special pretreatment for the gas diffusion layer produced by the gas diffusion layer production procedure, and used as a test sample of a comparative example.

[比較慣2〜4:ならし有り]
従来技術の燃料電池の発電による慣らし運転との効果を比較するために、以下のような手順で確認を行った。
(1)使用したMEAは、比較例1と同様な手順で作製した。
(2)作製したMEAを上記燃料電池の起動性の評価方法の手順(1)及び(2)に従い運転に供した。
(3)セル温度、アノード及びカソードのガス流量を保持したまま、負荷電源装置を用いて、電流密度0A/cm(OCV)から(1A/cm)/分の一定速度で、0.7A/cmまで電流密度を上昇させた後、0.7A/cmで15分間(比較例2)、60分間(比較例3)及び120分間(比較例4)それぞれ保持した後、それぞれ開回路状態に戻した。
(4)上記燃料電池の起動性の評価方法の手順(3)に従い0.4A/cmにおける出力電圧の時間変化を記録した。
[Comparison practices 2 to 4: There is leveling]
In order to compare the effect with the running-in operation by the power generation of the fuel cell of the prior art, confirmation was performed in the following procedure.
(1) The MEA used was prepared in the same procedure as in Comparative Example 1.
(2) The produced MEA was subjected to operation in accordance with the procedures (1) and (2) of the fuel cell start-up evaluation method.
(3) While maintaining the cell temperature and the gas flow rate of the anode and cathode, using a load power supply device, a current density of 0 A / cm 2 (OCV) to (1 A / cm 2 ) / min at a constant rate of 0.7 A after increasing the current density up / cm 2, 0.7 a / cm 2 for 15 minutes (Comparative example 2), 60 minutes (Comparative example 3) and 120 minutes (Comparative example 4) after maintaining each respective open circuit Returned to the state.
(4) The time change of the output voltage at 0.4 A / cm 2 was recorded according to the procedure (3) of the fuel cell start-up evaluation method.

[結果]
上記実施例1及び2、比較例1(慣らし運転なし)と比較例2〜4(慣らし運転有り)とを上記燃料電池の起動性の評価方法の手順に従って評価を行い、その結果を図5に示した。
[result]
The above Examples 1 and 2, Comparative Example 1 (without running-in operation) and Comparative Examples 2 to 4 (with running-in operation) were evaluated according to the procedure of the fuel cell start-up evaluation method, and the results are shown in FIG. Indicated.

図5から明らかなように、比較例1の試験試料(慣らし運転なし)は、燃料電池の起動時の性能は非常に低く、電流密度0.4A/cmでの保持時間の経過と共に出力性能が向上し、やがて(約20分保持後)、一定の値へ落ち着いた。 As is clear from FIG. 5, the test sample of Comparative Example 1 (without running-in) has very low performance at the start of the fuel cell, and output performance with the lapse of holding time at a current density of 0.4 A / cm 2. After a while (after holding for about 20 minutes), it settled to a certain value.

それに対して、その他の比較例及び実施例の試験試料では運転直後から安定して高い出力特性を示すことが明らかになった。そして、比較例2(15分の慣らし運転)、比較例3(60分間の慣らし運転)、比較例4(120分の慣らし運転)、実施例2、そして実施例1の試験試料の順に出力性能が向上していることが分かった。   On the other hand, it was revealed that the test samples of other comparative examples and examples showed stable and high output characteristics immediately after operation. And the output performance in the order of Comparative Example 2 (15-minute break-in operation), Comparative Example 3 (60-minute break-in operation), Comparative Example 4 (120-minute break-in operation), Example 2, and the test sample of Example 1 Was found to have improved.

比較例1の試験試料における最初の出力性能の向上は、発電により生成した水により、ガス拡散層の細孔構造が変化し、生成水をMEA系外へ排出できる様になった為であると考えられる。しかしながら、0.4A/cmに相当する電流で安定的に運転が出来る様になれば(言い換えると、0.4A/cmに相当する生成水を処理できる細孔構造が形成出来れば)、電極全面で発電する必要は無いので、ガス拡散層の細孔変化がそれ以上拡がって電極全面まで広がらず、MEAの面内における局所のみで進行してその局所における細孔径が拡がるのみであり、その結果、出力が低い一定の値へ落ち着くものと考えられる。 The first improvement in output performance in the test sample of Comparative Example 1 is that the pore structure of the gas diffusion layer is changed by water generated by power generation, and the generated water can be discharged out of the MEA system. Conceivable. However, if it becomes possible to stably operate at a current corresponding to 0.4 A / cm 2 (in other words, if a pore structure capable of treating generated water corresponding to 0.4 A / cm 2 can be formed), Since it is not necessary to generate electricity on the entire surface of the electrode, the pore change of the gas diffusion layer further spreads and does not spread to the entire surface of the electrode, but only proceeds locally in the plane of the MEA, and the pore diameter in the local region only expands. As a result, the output is considered to settle to a low constant value.

このことは従来技術に従い、0.4A/cmでの定常運転前に、それより高い電流密度で比較慣らし運転を行った比較例2〜4の試験試料がより高い出力特性を示すことから明らかである。つまり、より高い電流密度の慣らし運転条件(0.7 A/cm)で、運転されたガス拡散層の細孔は、より多くの生成水を排出した履歴を有しており、それより低い電流密度では、安定して、高い出力が得られているものと考えられる。 This is evident from the fact that the test samples of Comparative Examples 2-4, which were subjected to comparative break-in operation at a higher current density before steady operation at 0.4 A / cm 2 according to the prior art, showed higher output characteristics. It is. That is, the pores of the gas diffusion layer operated at a higher current density break-in condition (0.7 A / cm 2 ) have a history of discharging more product water, and lower than that. It is considered that a high output is stably obtained at the current density.

そして慣らし運転を15分行った比較例2では、ガス拡散層の細孔構造の適正化が時間的に不十分であると考えられるが、慣らし運転を60分、120分行った比較例3及び4の試験試料は、出力特性がほぼ等しく、この運転範囲において慣らし運転の効果が飽和したものと推測される。   In Comparative Example 2 in which the break-in operation was performed for 15 minutes, it was considered that the optimization of the pore structure of the gas diffusion layer was insufficient in terms of time, but in Comparative Example 3 in which the break-in operation was performed for 60 minutes and 120 minutes, The test sample No. 4 has almost the same output characteristics, and it is estimated that the effect of the running-in operation is saturated in this operation range.

一方、実施例1及び2は、特別な事前の慣らし運転をしなくても、燃料電池の起動直後からの高い出力特性を安定して示している。これは、ガス拡散層の面内の全体に渡り、細孔構造を適正化することができたためであると推測できる。特に、実施例1及び2の試験試料では、慣らし運転などの自身の発電を利用する方法によっては実現出来ないような、大量の水をガス拡散層に透過させることにより、細孔の更なる容積増加と細孔の屈曲度の更なる低下とが生起して、ガス拡散層がもつ細孔構造の適正化が更に進行しているものと考えられる。特に、外部から圧力を印加してガス拡散層に水を透過させている実施例1の試験試料では実施例2の試験試料と比較しても更なる性能向上が認められていることが分かる。   On the other hand, Examples 1 and 2 stably show high output characteristics immediately after the start-up of the fuel cell without performing a special pre-running operation. This can be presumed to be because the pore structure could be optimized over the entire surface of the gas diffusion layer. In particular, in the test samples of Examples 1 and 2, a larger volume of pores can be obtained by allowing a large amount of water to permeate through the gas diffusion layer, which cannot be realized by a method using its own power generation such as a break-in operation. The increase and the further decrease in the degree of bending of the pores occur, and it is considered that the optimization of the pore structure of the gas diffusion layer is further progressing. In particular, it can be seen that the test sample of Example 1 in which water is allowed to permeate through the gas diffusion layer by applying pressure from the outside is further improved in performance as compared with the test sample of Example 2.

ガス拡散層に水を透過させる試験に用いた装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the apparatus used for the test which permeate | transmits water to a gas diffusion layer. 図1の装置によりガス拡散層に水を透過させる際の圧力変化を示すグラフである。It is a graph which shows the pressure change at the time of making water permeate | transmit a gas diffusion layer with the apparatus of FIG. 図1の装置により処理する前後におけるガス拡散層中の細孔の細孔径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the pore diameter distribution of the pore in the gas diffusion layer before and behind processing with the apparatus of FIG. 実施例にて用いた燃料電池評価用セルの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the cell for fuel cell evaluation used in the Example. 実施例における各試験試料を採用した燃料電池の出力電圧の運転時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the operating time dependence of the output voltage of the fuel cell which employ | adopted each test sample in an Example.

符号の説明Explanation of symbols

10…ホルダー 11…圧力計 20…シリンダー 21…ピストン 30…接続管
4…燃料電池用膜電極接合体 41…電解質膜 42A…触媒層(アノード側) 42B…触媒層(カソード側) 43A…ガス拡散層(アノード側) 43B…ガス拡散層(カソード側)
5…セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Holder 11 ... Pressure gauge 20 ... Cylinder 21 ... Piston 30 ... Connecting pipe 4 ... Fuel cell membrane electrode assembly 41 ... Electrolyte membrane 42A ... Catalyst layer (anode side) 42B ... Catalyst layer (cathode side) 43A ... Gas diffusion Layer (anode side) 43B ... Gas diffusion layer (cathode side)
5 ... Separator

Claims (5)

固体高分子よりなる電解質膜と、前記電解質膜の両面側に配設された一対の触媒層と、前記各触媒層の外側にそれぞれ配設された一対のガス拡散層とを有する燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方に対して、加圧した処理液を前記ガス拡散層の厚み方向に透過させるガス拡散層処理工程を有することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
A fuel cell membrane having an electrolyte membrane made of a solid polymer, a pair of catalyst layers disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers respectively disposed outside the catalyst layers A method for producing an electrode assembly,
A fuel cell membrane electrode assembly comprising a gas diffusion layer treatment step of allowing a pressurized treatment liquid to permeate in a thickness direction of the gas diffusion layer with respect to at least one of the pair of gas diffusion layers. Manufacturing method.
前記ガス拡散層処理工程は、前記ガス拡散層を複数枚重ね合わせ、それら重ね合わせた前記ガス拡散層に対して前記処理液を透過させる工程である請求項1に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法。   2. The fuel cell membrane electrode bonding according to claim 1, wherein the gas diffusion layer treatment step is a step of superposing a plurality of the gas diffusion layers, and allowing the treatment liquid to permeate the superposed gas diffusion layers. Body manufacturing method. 固体高分子よりなる電解質膜と、前記電解質膜の両側に配設された一対の触媒層と、前記各触媒層の外側にそれぞれ配設された一対のガス拡散層とを有する燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
前記一対のガス拡散層のうちの少なくとも一方を沸騰した処理液中に浸漬するガス拡散層処理工程を有することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
A fuel cell membrane electrode comprising an electrolyte membrane made of a solid polymer, a pair of catalyst layers disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers respectively disposed on the outside of the catalyst layers A method for manufacturing a joined body, comprising:
A method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising a gas diffusion layer treatment step in which at least one of the pair of gas diffusion layers is immersed in a boiled treatment liquid.
前記処理液は水である請求項1〜3の何れか1項に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the treatment liquid is water. 前記ガス拡散層処理工程の前後で前記ガス拡散層がもつ10μm以上の孔径をもつ細孔が増加する請求項1〜4の何れか1項に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein pores having a pore diameter of 10 µm or more included in the gas diffusion layer increase before and after the gas diffusion layer treatment step.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020250508A1 (en) * 2019-06-11 2020-12-17 パナソニックIpマネジメント株式会社 Electrochemical hydrogen pump
CN114142047A (en) * 2021-11-29 2022-03-04 同济大学 Preparation method of high-permeability gas diffusion layer for fuel cell

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