JP2010010036A - Film-electrode assembly manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte film-electrode complex manufacturing method for preventing damages to a gas diffusion layer sheet, during thermocompression-bonding of an electrolyte film-catalyst layer complex and the gas diffusion layer sheet. <P>SOLUTION: When a complex 9 of the electrolyte film 1 and catalyst layers 4a, 4b is thermocompression-bonded to gas diffusion layer sheets 10a, 10b that constitute the gas diffusion layers 5a, 5b, or when the electrolyte film 1 is thermocompression-bonded to complexes 11a, 11b of the catalyst layers 4a, 4b and diffusion layers 5a, 5b, the polyelectrolyte film-electrode complex manufacturing method is applied, in advance, of the thermocompression bonding process, an annealing treatment to the electrolyte film 1. The temperature of the annealing treatment is higher than that of the thermocompression bonding during the thermocompression bonding process. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、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.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.

図1は、一般的な固体高分子電解質型燃料電池における単セルの一形態例を示す断面図である。単セル100は、燃料電池用固体高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ということがある)1の一面側に燃料極(アノード)2、及び酸化剤極(カソード)3が設けられた膜・電極接合体6を有している。燃料極2は電解質膜1側から順に燃料極側触媒層4a、燃料極側ガス拡散層5aが積層した構成となっている。酸化剤極3も同様に電解質膜1側から順に酸化剤極側触媒層4b、酸化剤極側ガス拡散層5bが積層された構成となっている。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a single cell in a general solid polymer electrolyte fuel cell. The unit cell 100 is a membrane in which a fuel electrode (anode) 2 and an oxidant electrode (cathode) 3 are provided on one surface side of a solid polymer electrolyte membrane for fuel cells (hereinafter sometimes simply referred to as an electrolyte membrane) 1. An electrode assembly 6 is provided. The fuel electrode 2 has a structure in which a fuel electrode side catalyst layer 4a and a fuel electrode side gas diffusion layer 5a are laminated in order from the electrolyte membrane 1 side. Similarly, the oxidant electrode 3 has a configuration in which an oxidant electrode side catalyst layer 4b and an oxidant electrode side gas diffusion layer 5b are laminated in order from the electrolyte membrane 1 side.

各触媒層4(4a、4b)には、各電極(2、3)における電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒が少なくとも備えられる。電極触媒としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているもの、例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン等の金属と白金との合金(白金合金)などが用いられている。電極触媒は、通常、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素粒子に担持された状態で触媒層に含有される。触媒層には、電極触媒のバインダー成分として、また、触媒層にプロトン伝導性を付与する成分として、高分子電解質が含有される。高分子電解質以外にも、触媒層の撥水性向上を目的として、撥水性樹脂が含有されることもある。
一方、ガス拡散層は、触媒層への反応ガスの供給性や触媒層の排水性、集電性等を高める機能を有しており、カーボンシートやカーボンペーパー等の導電性多孔質体から構成される。
Each catalyst layer 4 (4a, 4b) is provided with at least an electrode catalyst having catalytic activity for the electrode reaction in each electrode (2, 3). The electrode catalyst has a catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel at the fuel electrode or the reduction reaction of the oxidant at the oxidant electrode, for example, platinum, or a metal such as ruthenium, iron, nickel, manganese, etc. An alloy with platinum (platinum alloy) or the like is used. The electrode catalyst is usually contained in the catalyst layer in a state where it is supported on carbon particles such as carbon black or conductive carbon particles such as carbon fibers. The catalyst layer contains a polymer electrolyte as a binder component of the electrode catalyst and as a component that imparts proton conductivity to the catalyst layer. In addition to the polymer electrolyte, a water repellent resin may be contained for the purpose of improving the water repellency of the catalyst layer.
On the other hand, the gas diffusion layer has the function of improving the supply capability of the reaction gas to the catalyst layer, the drainage property of the catalyst layer, the current collecting property, etc., and is composed of a conductive porous body such as carbon sheet or carbon paper. Is done.

膜・電極接合体6は、二つのセパレータ7a、7bで狭持され、単セル100が構成される。各セパレータ7a、7bの片面には、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を形成する溝が設けられており、これらの溝と燃料極2、酸化剤極3の外面とで燃料ガス流路8a、酸化剤ガス流路8bが画成されている。尚、図1において、各電極(燃料極、酸化剤極)は、共に、触媒層とガス拡散層とが積層した構造を有しているが、触媒層のみからなる単層構造の他、触媒層とガス拡散層の他に機能層を設けた構造もある。   The membrane / electrode assembly 6 is sandwiched between two separators 7 a and 7 b to constitute a single cell 100. On one side of each of the separators 7a and 7b, grooves for forming a flow path of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) are provided. The fuel is formed by these grooves and the outer surfaces of the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3. A gas flow path 8a and an oxidant gas flow path 8b are defined. In FIG. 1, each electrode (fuel electrode, oxidant electrode) has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated. There is also a structure in which a functional layer is provided in addition to the layer and the gas diffusion layer.

膜・電極接合体の製造方法としては、例えば、(a)電解質膜の両面に触媒層を形成した膜・触媒層複合体を、ガス拡散層を構成する2枚のガス拡散層シートで挟み込み、熱圧着する方法や、(b)ガス拡散層シートの表面に触媒層を形成した2枚の触媒層・ガス拡散層複合体で、電解質膜を挟み込み、熱圧着する方法などが挙げられる。
上記(a)においては、熱圧着時、触媒層に含有される高分子電解質や撥水性樹脂が溶融し、接着剤として作用することによって、触媒層とガス拡散層が接合される。また、上記(b)においては、熱圧着時、電解質膜の高分子電解質や触媒層の高分子電解質、撥水性樹脂が溶融し、接着剤として作用することによって、電解質膜と触媒層が接合される。熱圧着時、加熱により高分子電解質膜及び触媒層、特に高分子電解質膜は、水分が蒸発し、乾燥して面方向に収縮する。一方、ガス拡散層シートは、収縮が生じず、また、面方向の柔軟性が非常に小さいため、膜・触媒層複合体の収縮や電解質膜の収縮に追従できず、ひびや割れ等が生じやすい。
As a method for producing a membrane / electrode assembly, for example, (a) a membrane / catalyst layer composite in which a catalyst layer is formed on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion layer sheets constituting the gas diffusion layer, Examples thereof include a method of thermocompression bonding, and (b) a method of sandwiching an electrolyte membrane between two catalyst layer / gas diffusion layer composites each having a catalyst layer formed on the surface of a gas diffusion layer sheet and thermocompression bonding.
In (a) above, the polymer electrolyte and the water-repellent resin contained in the catalyst layer melt and act as an adhesive during thermocompression bonding, thereby joining the catalyst layer and the gas diffusion layer. In (b) above, during the thermocompression bonding, the polymer electrolyte of the electrolyte membrane, the polymer electrolyte of the catalyst layer, and the water-repellent resin melt and act as an adhesive, thereby joining the electrolyte membrane and the catalyst layer. The At the time of thermocompression bonding, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer, particularly the polymer electrolyte membrane, evaporate due to heating, dry, and shrink in the surface direction. On the other hand, the gas diffusion layer sheet does not shrink, and the flexibility in the surface direction is very small, so it cannot follow the shrinkage of the membrane / catalyst layer composite or the shrinkage of the electrolyte membrane, resulting in cracks, cracks, etc. Cheap.

特許文献1には、導電性カーボン繊維のクロスまたはフェルトからなる導電性多孔質基材に、熱可塑性を有する第1のフッ素樹脂を含む第1の分散液を含浸させ、前記第1のフッ素樹脂の融点以上でかつ前記第1のフッ素樹脂の分解温度未満の第1の焼成温度で焼成し、前記導電性多孔質基材の硬度を高める工程(1)を有することを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の製造方法が記載されている。   In Patent Document 1, a conductive porous substrate made of conductive carbon fiber cloth or felt is impregnated with a first dispersion containing a thermoplastic first fluororesin, and the first fluororesin is obtained. And a step (1) of increasing the hardness of the conductive porous substrate by baking at a first baking temperature not lower than the melting point of the first fluororesin and lower than the decomposition temperature of the first fluororesin. A method for producing a gas diffusion layer is described.

また、特許文献2には、膜電極接合体の製造方法であって、基材上にイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工した後、100〜250℃にてアニールすることにより電解質膜を形成し、得られた電解質膜の表面に電極触媒及びイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工することによって、触媒層を形成することにより、電解質膜と触媒層とから構成される中間体を作製する方法が記載されている。   Patent Document 2 discloses a method for producing a membrane / electrode assembly, in which an electrolyte membrane is coated by annealing at 100 to 250 ° C. after coating a coating liquid containing an ion exchange resin on a substrate. By forming a catalyst layer by applying a coating liquid containing an electrode catalyst and an ion exchange resin to the surface of the obtained electrolyte membrane, an intermediate composed of the electrolyte membrane and the catalyst layer is formed. A method of making is described.

特開2005−191002号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-191002 特開2008−16431号公報JP 2008-16431 A

特許文献1では、ガス拡散層の製造工程において、特定の温度で焼成することによってガス拡散層の硬度を高めているが、膜・触媒層複合体とガス拡散層とを熱圧着する際の、膜・触媒層複合体の収縮変形については全く考慮されていない。また、特許文献2では、電解質膜を100〜250℃でアニール処理することによって、膜中の含水量が調整され、アニールにより安定した状態の膜の上に触媒層を形成することで、膜と触媒層との密着性が高まり、高出力の膜電極接合体が得られるとしている。しかしながら、特許文献2では、膜・触媒層複合体とガス拡散層とを熱圧着する際の、膜・触媒層複合体の収縮変形については全く考慮されておらず、実施例において、電解質膜のアニール温度と熱プレス温度を同じ温度条件(140℃)で行っている。   In Patent Document 1, the hardness of the gas diffusion layer is increased by firing at a specific temperature in the manufacturing process of the gas diffusion layer, but when the film-catalyst layer composite and the gas diffusion layer are thermocompression bonded, The shrinkage deformation of the membrane / catalyst layer composite is not considered at all. Further, in Patent Document 2, the electrolyte film is annealed at 100 to 250 ° C. to adjust the water content in the film, and by forming a catalyst layer on the stable film by annealing, The adhesiveness with the catalyst layer is enhanced, and a high output membrane electrode assembly is obtained. However, in Patent Document 2, no consideration is given to shrinkage deformation of the membrane / catalyst layer composite when the membrane / catalyst layer composite and the gas diffusion layer are thermocompression-bonded. The annealing temperature and the hot press temperature are performed under the same temperature condition (140 ° C.).

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げなれたものであり、膜・触媒層複合体とガス拡散層を構成するガス拡散層シートとを熱圧着する際、又は、高分子電解質膜と触媒層・ガス拡散層複合体とを熱圧着する際に、ガス拡散層シートが損傷するのを防止することを目的とする。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and when thermocompression bonding a membrane / catalyst layer composite and a gas diffusion layer sheet constituting a gas diffusion layer, or a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer / gas An object is to prevent the gas diffusion layer sheet from being damaged when thermocompression bonding with the diffusion layer composite.

本発明の膜・電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜側から触媒層及びガス拡散層が積層した積層構造を有し且つ前記高分子電解質膜を狭持する一対の電極と、を備える膜・電極接合体の製造方法であって、
前記高分子電解質膜、又は、前記高分子電解質膜の表面に前記触媒層が設けられた膜・触媒層複合体をアニール処理するアニール処理工程(A)と、
前記アニール処理工程(A)においてアニール処理した高分子電解質膜と、ガス拡散層シートの表面に前記触媒層が設けられた触媒層・ガス拡散層複合体とを、高分子電解質膜とガス拡散層シートの間に前記触媒層が位置するように重ね合わせ、熱圧着する熱圧着工程(B1)、又は、前記アニール処理工程(A)においてアニール処理した高分子電解質膜の表面に前記触媒層を設けた膜・触媒層複合体と、ガス拡散層シートとを、高分子電解質膜とガス拡散層シートの間に前記触媒層が位置するように重ね合わせ、熱圧着する熱圧着工程(B2)、又は、前記アニール処理工程(A)においてアニール処理した膜・触媒層複合体と、ガス拡散層シートとを、高分子電解質膜とガス拡散層シートの間に前記触媒層が位置するように重ね合わせ、熱圧着する熱圧着工程(B3)と、を備え、
前記アニール処理工程(A)におけるアニール処理温度が、前記熱圧着工程(B1)乃至(B3)のいずれかにおける熱圧着温度と比較して高いことを特徴とする。
The method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention has a laminated structure in which a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated from the polymer electrolyte membrane side, and sandwich the polymer electrolyte membrane. A method for producing a membrane / electrode assembly comprising a pair of electrodes,
An annealing treatment step (A) for annealing the polymer electrolyte membrane or a membrane / catalyst layer composite in which the catalyst layer is provided on the surface of the polymer electrolyte membrane;
The polymer electrolyte membrane annealed in the annealing step (A), and the catalyst layer / gas diffusion layer composite provided with the catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer sheet, the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer The catalyst layer is provided on the surface of the polymer electrolyte membrane annealed in the thermocompression bonding step (B1), in which the catalyst layers are positioned so as to be positioned between the sheets and thermocompression bonded, or in the annealing treatment step (A). A thermocompression bonding step (B2) in which the membrane / catalyst layer composite and the gas diffusion layer sheet are superposed and thermocompression bonded so that the catalyst layer is positioned between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer sheet, or The membrane / catalyst layer composite annealed in the annealing step (A) and the gas diffusion layer sheet are overlapped so that the catalyst layer is positioned between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer sheet. It includes a thermocompression bonding step (B3) to thermocompression bonding, and
The annealing temperature in the annealing process (A) is higher than the thermocompression bonding temperature in any of the thermocompression bonding processes (B1) to (B3).

本発明によれば、膜・触媒層複合体とガス拡散層シートを熱圧着する工程、又は、高分子電解質膜と触媒層・ガス拡散層複合体を熱圧着する工程を備える膜・電極接合体の製造方法において、該熱圧着工程前に、高分子電解質膜又は膜・触媒層複合体を、該熱圧着工程における熱圧着温度よりも高い温度でアニール処理しておくことによって、該熱圧着工程時の高分子電解質膜の収縮変形を抑制することができる。従って、本発明の膜・電極接合体の製造方法によれば、熱圧着工程における高分子電解質膜の収縮変形に起因するガス拡散層の割れ等の破損を抑制することが可能である。   According to the present invention, a membrane / electrode assembly comprising the step of thermocompression bonding the membrane / catalyst layer composite and the gas diffusion layer sheet, or the step of thermocompression bonding the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer / gas diffusion layer composite. In the production method of the present invention, prior to the thermocompression bonding step, the polymer electrolyte membrane or the membrane / catalyst layer composite is annealed at a temperature higher than the thermocompression bonding temperature in the thermocompression bonding step. The shrink deformation of the polymer electrolyte membrane at the time can be suppressed. Therefore, according to the method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention, it is possible to suppress damage such as cracking of the gas diffusion layer due to shrinkage deformation of the polymer electrolyte membrane in the thermocompression bonding step.

炭化水素系高分子電解質膜は特に加熱時の収縮変形が大きいため、前記高分子電解質膜として炭化水素系高分子電解質膜を用いる場合、本発明の効果は特に大きくなる。
前記アニール処理工程(A)におけるアニール処理温度の好ましい範囲としては、130〜200℃の温度範囲が挙げられる。
Since the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane has particularly large shrinkage deformation during heating, the effect of the present invention is particularly great when a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is used as the polymer electrolyte membrane.
A preferable range of the annealing temperature in the annealing step (A) is a temperature range of 130 to 200 ° C.

本発明の膜・電極接合体の製造方法によれば、膜・触媒層複合体とガス拡散層を構成するガス拡散層シートとを熱圧着する際、又は、高分子電解質膜と触媒層・ガス拡散層複合体との熱圧着する際に、ガス拡散層シートが損傷するのを防止することができる。従って、本発明によれば、膜・電極接合体の生産性を向上させることが可能である。   According to the method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention, when the membrane / catalyst layer composite and the gas diffusion layer sheet constituting the gas diffusion layer are thermocompression bonded, or the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer / gas It is possible to prevent the gas diffusion layer sheet from being damaged during thermocompression bonding with the diffusion layer composite. Therefore, according to the present invention, the productivity of the membrane / electrode assembly can be improved.

本発明の膜・電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜側から触媒層及びガス拡散層が積層した積層構造を有し且つ前記高分子電解質膜を狭持する一対の電極と、を備える膜・電極接合体の製造方法であって、
前記高分子電解質膜、又は、前記高分子電解質膜の表面に前記触媒層が設けられた膜・触媒層複合体をアニール処理するアニール処理工程(A)と、前記アニール処理工程(A)においてアニール処理した高分子電解質膜と、ガス拡散層シートの表面に前記触媒層が設けられた触媒層・ガス拡散層複合体とを、高分子電解質膜とガス拡散層シートの間に前記触媒層が位置するように重ね合わせ、熱圧着する熱圧着工程(B1)、又は、前記アニール処理工程(A)においてアニール処理した高分子電解質膜の表面に前記触媒層を設けた膜・触媒層複合体と、ガス拡散層シートとを、高分子電解質膜とガス拡散層シートの間に前記触媒層が位置するように重ね合わせ、熱圧着する熱圧着工程(B2)、又は、前記アニール処理工程(A)においてアニール処理した膜・触媒層複合体と、ガス拡散層シートとを、高分子電解質膜とガス拡散層シートの間に前記触媒層が位置するように重ね合わせ、熱圧着する熱圧着工程(B3)と、を備え、前記アニール処理工程(A)におけるアニール処理温度が、前記熱圧着工程(B1)乃至(B3)のいずれかにおける熱圧着温度と比較して高いことを特徴とする。
The method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention has a laminated structure in which a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated from the polymer electrolyte membrane side, and sandwich the polymer electrolyte membrane. A method for producing a membrane / electrode assembly comprising a pair of electrodes,
An annealing treatment step (A) for annealing the polymer electrolyte membrane or a membrane / catalyst layer composite having the catalyst layer provided on the surface of the polymer electrolyte membrane, and annealing in the annealing treatment step (A) The treated polymer electrolyte membrane and the catalyst layer / gas diffusion layer composite having the catalyst layer provided on the surface of the gas diffusion layer sheet are disposed between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer sheet. A thermocompression bonding step (B1) for superposing and thermocompression bonding, or a membrane / catalyst layer composite in which the catalyst layer is provided on the surface of the polymer electrolyte membrane annealed in the annealing treatment step (A), In the thermocompression bonding step (B2) in which the gas diffusion layer sheet is overlaid and thermocompression bonded so that the catalyst layer is positioned between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer sheet, or in the annealing treatment step (A) Thermocompression bonding step (B3) in which the annealed membrane / catalyst layer composite and the gas diffusion layer sheet are superposed and thermocompression bonded so that the catalyst layer is positioned between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer sheet. The annealing temperature in the annealing step (A) is higher than the thermocompression bonding temperature in any of the thermocompression bonding steps (B1) to (B3).

以下、図1〜図2を参照しながら本発明に係る膜・電極接合体及び本発明により提供される膜・電極接合体について説明する。図1は、本発明により提供される膜・電極接合体を備える単セルの一形態例を示す断面図、図2は、本発明の膜・電極接合体の製造方法における熱圧着工程を説明する模式図である。   Hereinafter, the membrane / electrode assembly according to the present invention and the membrane / electrode assembly provided by the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a unit cell provided with a membrane / electrode assembly provided by the present invention, and FIG. It is a schematic diagram.

図1において、単セル100は、固体高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ということがある)1の一面側に燃料極(アノード)2、及び酸化剤極(カソード)3が設けられた膜・電極接合体6を有している。燃料極2は電解質膜1側から順に燃料極側触媒層4a、燃料極側ガス拡散層5aが積層した構成となっている。酸化剤極3も同様に電解質膜1側から順に酸化剤極側触媒層4b、酸化剤極側ガス拡散層5bが積層された構成となっている。   In FIG. 1, a single cell 100 is a membrane in which a fuel electrode (anode) 2 and an oxidant electrode (cathode) 3 are provided on one side of a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter sometimes simply referred to as an electrolyte membrane) 1. -It has the electrode assembly 6. The fuel electrode 2 has a structure in which a fuel electrode side catalyst layer 4a and a fuel electrode side gas diffusion layer 5a are laminated in order from the electrolyte membrane 1 side. Similarly, the oxidant electrode 3 has a configuration in which an oxidant electrode side catalyst layer 4b and an oxidant electrode side gas diffusion layer 5b are laminated in order from the electrolyte membrane 1 side.

膜・電極接合体6は、二つのセパレータ7a、7bで狭持され、単セル100が構成されている。各セパレータ7a、7bは、各反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を形成する溝が形成されており、各電極2、3の最外面と反応ガスを供給・排出するための流路8a、8bが画成される。燃料極側の流路8aは、燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させる気体)を燃料極2に供給及び燃料ガスの未反応分を排出するための流路であり、酸化剤極側の流路8bは、酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させる気体)を酸化剤極3に供給及び酸化剤ガスの未反応分を排出するための流路である。   The membrane / electrode assembly 6 is sandwiched between two separators 7 a and 7 b to constitute a single cell 100. Each separator 7a, 7b is formed with a groove that forms a flow path for each reaction gas (fuel gas, oxidant gas), and a flow for supplying and discharging the reaction gas and the outermost surface of each electrode 2, 3. Paths 8a and 8b are defined. The flow path 8a on the fuel electrode side is a flow path for supplying fuel gas (a gas containing hydrogen or generating hydrogen) to the fuel electrode 2 and discharging unreacted fuel gas, and on the oxidant electrode side. The flow path 8b is a flow path for supplying an oxidant gas (a gas containing oxygen or generating oxygen) to the oxidant electrode 3 and discharging an unreacted portion of the oxidant gas.

膜・電極接合体6は、電解質膜1の表面に触媒層4が設けられた膜・触媒層複合体9と、ガス拡散層5(5a、5b)を構成するガス拡散層シート10(10a、10b)とを熱圧着(図2の2A参照)、若しくは、電解質膜1と、ガス拡散層5の表面に触媒層4(4a、4b)が設けられた触媒層・ガス拡散層複合体11(11a、11b)とを熱圧着(図2の2B参照)(以下、まとめて単に熱圧着ということがある)することで、形成することができる。   The membrane / electrode assembly 6 includes a membrane / catalyst layer composite 9 in which the catalyst layer 4 is provided on the surface of the electrolyte membrane 1 and a gas diffusion layer sheet 10 (10a, 10b) constituting the gas diffusion layer 5 (5a, 5b). 10b) is thermocompression-bonded (see 2A in FIG. 2), or the catalyst layer / gas diffusion layer composite 11 in which the electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 4 (4a, 4b) are provided on the surface of the gas diffusion layer 5 ( 11a and 11b) can be formed by thermocompression bonding (see 2B in FIG. 2) (hereinafter sometimes simply referred to as thermocompression bonding).

本発明の膜・電極接合体の製造方法は、熱圧着工程の前に予め、電解質膜に対して、熱圧着工程における熱圧着温度よりも高い温度でアニール処理を施すことを特徴とするものである。電解質膜をアニール処理にすることによって、電解質膜の成形時に生じた歪みが低減したり、結晶性の高分子樹脂を含む場合には、該高分子樹脂の結晶性が高まることにより、電解質膜の硬度や寸法安定性が向上する。本発明は、熱圧着工程前に、該熱圧着工程よりも高い温度で電解質膜にアニール処理を行うことによって、熱圧着工程における電解質膜の収縮変形を抑制することが可能であり、熱圧着工程における電解質膜の収縮変形に起因するガス拡散層の破損を防止できることを見出したものである。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to the present invention is characterized in that, prior to the thermocompression bonding step, the electrolyte membrane is preliminarily annealed at a temperature higher than the thermocompression bonding temperature in the thermocompression bonding step. is there. By subjecting the electrolyte membrane to an annealing treatment, distortion generated during the formation of the electrolyte membrane is reduced, or when a crystalline polymer resin is included, the crystallinity of the polymer resin is increased, thereby Hardness and dimensional stability are improved. The present invention is capable of suppressing shrinkage deformation of the electrolyte membrane in the thermocompression bonding step by annealing the electrolyte membrane at a temperature higher than the thermocompression bonding step before the thermocompression bonding step. It has been found that the gas diffusion layer can be prevented from being damaged due to shrinkage deformation of the electrolyte membrane.

一般的に、電解質膜は加熱されることで収縮変形を生じる。本発明者はこの知見に基づき検討した結果、熱圧着工程の前に予め、該熱圧着工程における熱圧着温度よりも高い温度でアニール処理を行う場合、熱圧着における収縮量[(初期状態の膜の面方向寸法−熱圧着後の膜の面方向寸法)/(初期状態の膜の面方向寸法)×100%]が、アニール処理による収縮量[(初期状態の膜の面方向寸法−アニール処理後の膜の面方向寸法)/(初期状態の膜の面方向寸法)×100%]よりも小さくなる(参考実験1及び2、図3参照)ことを見出した。一般的に加熱温度が高いほど、加熱による電解質膜の面方向における収縮量は大きくなる。
また、加熱後、加熱時と比べて低温、高湿環境(典型的には常温常湿)下にさらされると、電解質膜の寸法はある程度復元するが、加熱時の寸法変化量が大きいほど、加熱後の寸法安定性が高まり、収縮した状態が維持される。
以上のように、本発明によれば、高分子電解質膜をその寸法安定性を高めた状態で熱圧着工程に投入するため、熱圧着時の電解質膜の寸法変化を抑制することができる。その結果、電解質膜との熱圧着により、ガス拡散層の面方向にかかる負荷が小さくなり、ガス拡散層の割れ等の発生を抑制することが可能となる。
In general, the electrolyte membrane undergoes shrinkage deformation when heated. As a result of investigation based on this knowledge, the present inventor has determined that the amount of shrinkage in thermocompression bonding [(film in the initial state] when the annealing treatment is performed at a temperature higher than the thermocompression bonding temperature in the thermocompression bonding process in advance. Surface direction dimension-surface direction dimension of film after thermocompression bonding) / (surface direction dimension of film in initial state) x 100%] is the contraction amount [(surface direction dimension of film in initial state-annealing process) It was found to be smaller than (the surface direction dimension of the subsequent film) / (the surface direction dimension of the film in the initial state) × 100%] (see Reference Experiments 1 and 2, FIG. 3). Generally, the higher the heating temperature, the greater the amount of shrinkage in the surface direction of the electrolyte membrane due to heating.
In addition, when exposed to a low temperature and high humidity environment (typically normal temperature and normal humidity) after heating, the dimensions of the electrolyte membrane are restored to some extent, but the larger the dimensional change during heating, The dimensional stability after heating increases and the contracted state is maintained.
As described above, according to the present invention, since the polymer electrolyte membrane is put into the thermocompression bonding step with its dimensional stability improved, the dimensional change of the electrolyte membrane during thermocompression bonding can be suppressed. As a result, the load applied in the surface direction of the gas diffusion layer is reduced by thermocompression bonding with the electrolyte membrane, and the occurrence of cracks and the like of the gas diffusion layer can be suppressed.

以下、本発明の製造方法の手順について説明していく。
まず、アニール処理工程について説明する。
本発明において、アニール処理は、電解質膜そのものに対して行ってもよいし、電解質膜の表面に触媒層を形成した膜・触媒層複合体に対して行ってもよい。膜・触媒層複合体としては、電解質膜の両表面に触媒層(燃料極側触媒層及び酸化剤極側触媒層)が設けられたものであってもよいし、電解質膜の片面のみに触媒層(燃料極側触媒層又は酸化剤極側触媒層のいずれか一方)が設けられたものであってもよい。
Hereinafter, the procedure of the manufacturing method of the present invention will be described.
First, the annealing process will be described.
In the present invention, the annealing treatment may be performed on the electrolyte membrane itself, or may be performed on a membrane / catalyst layer composite in which a catalyst layer is formed on the surface of the electrolyte membrane. The membrane / catalyst layer composite may be one in which catalyst layers (a fuel electrode side catalyst layer and an oxidant electrode side catalyst layer) are provided on both surfaces of the electrolyte membrane, or a catalyst is formed only on one surface of the electrolyte membrane. A layer (either one of the fuel electrode side catalyst layer and the oxidant electrode side catalyst layer) may be provided.

電解質膜としては、いわゆる固体高分子電解質膜として知られているもの、例えば、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質を含むものが挙げられる。ここで、フッ素系高分子電解質とは、ナフィオン(商品名、デュポン製)やアシプレックス(商品名、旭化成製)、フレミオン(商品名、旭硝子製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂等の含フッ素高分子電解質を指す。   Examples of the electrolyte membrane include those known as so-called solid polymer electrolyte membranes, for example, those containing fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes. Here, the fluorinated polymer electrolyte includes perfluorocarbon sulfonic acid resin represented by Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei), and Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass). Refers to fluoropolymer electrolyte.

また、炭化水素系高分子電解質とは、典型的にはフッ素を全く含まないが、本発明による効果が充分に得られることから、部分的にフッ素置換されていてもよい。炭化水素系高分子電解質として、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチックにスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン伝導性基を導入したもの又はこれらの共重合体等が挙げられる。   The hydrocarbon-based polymer electrolyte typically does not contain any fluorine, but may be partially fluorine-substituted because the effects of the present invention are sufficiently obtained. Specific examples of hydrocarbon polymer electrolytes include polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyparaphenylene, and other engineering plastics, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, polystyrene, etc. Examples of these general-purpose plastics include those obtained by introducing proton conductive groups such as sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, and boronic acid groups, or copolymers thereof.

電解質膜は、上記したような炭化水素系高分子電解質やフッ素系高分子電解質を複数種含有していてもよく、高分子電解質以外の成分を含有していてもよい。
上記のような炭化水素系高分子電解質を主成分として構成される炭化水素系高分子電解質膜は、フッ素系高分子電解質を主成分として構成されるフッ素系高分子電解質膜と比較して、加熱時の収縮変形が大きい。本発明にかかる膜・電極接合体の製造方法によれば、電解質膜として炭化水素系高分子電解質膜を用いる場合であっても、熱圧着時における電解質膜の収縮変形を抑制することが可能である。すなわち、炭化水素系高分子電解質膜を用いる場合、本発明により得られる効果は特に大きいといえる。ここで、炭化水素系高分子電解質を主成分として構成されるとは、炭化水素系高分子電解質を90wt%以上含有する電解質膜のことをさす。
電解質膜の膜厚は特に限定されず、通常、10〜100μm程度である。
The electrolyte membrane may contain a plurality of hydrocarbon polymer electrolytes and fluorine polymer electrolytes as described above, or may contain components other than the polymer electrolyte.
Hydrocarbon polymer electrolyte membranes composed mainly of hydrocarbon polymer electrolytes as described above are heated compared to fluorine polymer electrolyte membranes composed mainly of fluorine polymer electrolytes. The shrinkage deformation at the time is large. According to the method for producing a membrane / electrode assembly according to the present invention, even when a hydrocarbon polymer electrolyte membrane is used as an electrolyte membrane, it is possible to suppress shrinkage deformation of the electrolyte membrane during thermocompression bonding. is there. That is, when using a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, it can be said that the effect obtained by the present invention is particularly great. Here, the phrase “consisting mainly of a hydrocarbon-based polymer electrolyte” refers to an electrolyte membrane containing 90 wt% or more of a hydrocarbon-based polymer electrolyte.
The thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, and is usually about 10 to 100 μm.

電解質膜の表面に触媒層が設けられた膜・触媒層複合体は、一般的な方法に準じて作製することができる。例えば、各電極における電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒と電解質材料とを含有する触媒インクを用いて形成することができる。
電極触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等が挙げられる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。
電解質材料としては、電解質膜を構成する高分子電解質として上記にて例示した高分子電解質等を用いることができる。
A membrane / catalyst layer composite in which a catalyst layer is provided on the surface of an electrolyte membrane can be produced according to a general method. For example, it can be formed using a catalyst ink containing an electrode catalyst having catalytic activity for an electrode reaction in each electrode and an electrolyte material.
As the electrode catalyst, one in which a catalyst component is supported on conductive particles is usually used. The catalyst component is not particularly limited as long as it has catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel at the fuel electrode or the reduction reaction of the oxidant at the oxidant electrode, and is generally used for polymer fuel cells. What is used for can be used. For example, platinum or an alloy of platinum and a metal such as ruthenium, iron, nickel, manganese, cobalt, copper, and the like can be given. As the conductive particles as the catalyst carrier, carbon particles such as carbon black, conductive carbon materials such as carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers can also be used.
As the electrolyte material, the polymer electrolyte exemplified above as the polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane can be used.

触媒インクは上記のような電極触媒と電解質材料とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、電極触媒及び電解質材料以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。   The catalyst ink is obtained by dissolving or dispersing the electrode catalyst and the electrolyte material as described above in a solvent. The solvent of the catalyst ink may be appropriately selected. For example, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and dimethyl sulfoxide (DMSO), or organic solvents such as these Mixtures and mixtures of these organic solvents and water can be used. In addition to the electrode catalyst and the electrolyte material, the catalyst ink may contain other components such as a binder and a water repellent resin as necessary.

上記触媒インクを用いて電解質膜表面に触媒層を形成する方法としては、例えば、電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥する方法、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥して作製した転写シートを、電解質膜と熱圧着等により接合し、触媒層を電解質膜表面に転写する方法、等が挙げられる。
電解質膜表面又は転写基材表面への触媒インクの塗布方法、触媒インクの乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、触媒層の単位面積当りの触媒成分量が、0.1〜2.0mg/cm程度となるようにすればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、1〜50μm程度とすればよい。
As a method of forming a catalyst layer on the electrolyte membrane surface using the catalyst ink, for example, a method of applying and drying the catalyst ink on the electrolyte membrane surface, a method of applying and drying the catalyst ink on the surface of the transfer substrate Examples include a method in which a transfer sheet is joined to an electrolyte membrane by thermocompression bonding or the like, and a catalyst layer is transferred to the surface of the electrolyte membrane.
A method for applying the catalyst ink to the electrolyte membrane surface or the transfer substrate surface, a method for drying the catalyst ink, and the like can be appropriately selected. For example, examples of the coating method include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method. Examples of the drying method include vacuum drying, heat drying, and vacuum heat drying. There is no restriction | limiting in the specific conditions in reduced pressure drying and heat drying, What is necessary is just to set suitably.
The amount of catalyst ink applied varies depending on the composition of the catalyst ink and the catalyst performance of the catalyst metal used in the electrode catalyst, but the catalyst component amount per unit area of the catalyst layer is 0.1 to 2.0 mg / cm 2. What is necessary is just to become a grade. The thickness of the catalyst layer is not particularly limited, but may be about 1 to 50 μm.

アニール処理工程における電解質膜又は膜・触媒層複合体のアニール処理温度は、熱圧着工程の熱圧着温度よりも高ければ特に限定されないが、熱圧着温度よりも10〜50℃以上高いこと、特に10〜40℃以上高いことが好ましい。アニール処理温度は、電解質膜を構成する高分子電解質の熱分解点又はガラス転移点に応じて設定することが好ましい。具体的には、多くの高分子電解質膜、特に炭化水素系高分子電解質膜では、100〜300℃に熱分解(脱スルホン化)点を有することから、電解質膜の熱分解点よりも低い温度範囲とすることが好ましい。
一般的には、アニール処理温度を130〜200℃、特に130〜180℃の範囲とすることが好ましい。
The annealing temperature of the electrolyte membrane or the membrane / catalyst layer composite in the annealing process is not particularly limited as long as it is higher than the thermocompression bonding temperature in the thermocompression bonding process, but it is 10 to 50 ° C. higher than the thermocompression bonding temperature, particularly 10 It is preferable that it is higher by ˜40 ° C. The annealing temperature is preferably set according to the thermal decomposition point or glass transition point of the polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane. Specifically, many polymer electrolyte membranes, particularly hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes, have a thermal decomposition (desulfonation) point at 100 to 300 ° C., so that the temperature is lower than the thermal decomposition point of the electrolyte membrane. It is preferable to be in the range.
In general, it is preferable that the annealing temperature is in the range of 130 to 200 ° C, particularly 130 to 180 ° C.

アニール処理時間は、特に限定されず、アニール処理温度等に応じて適宜設定すればよいが、通常、2〜10分間が好ましく、特に3〜7分間が好ましい。アニール処理時間が2分間より短いと、アニール処理の効果が充分に得られないおそれがある。また、アニール処理時間が10分間より長いと、生産性が低下してしまう。   The annealing treatment time is not particularly limited and may be appropriately set according to the annealing treatment temperature or the like, but is usually preferably 2 to 10 minutes, and particularly preferably 3 to 7 minutes. If the annealing time is shorter than 2 minutes, the effect of annealing may not be sufficiently obtained. Further, if the annealing time is longer than 10 minutes, the productivity is lowered.

アニール処理工程において、上記アニール処理温度で加熱した電解質膜又は膜・触媒層複合体は、放冷し、一旦冷却する。   In the annealing treatment step, the electrolyte membrane or the membrane / catalyst layer composite heated at the annealing treatment temperature is allowed to cool and once cooled.

次に、熱圧着工程について説明する。
上記アニール処理工程において、電解質膜そのものをアニール処理した場合には、アニール処理した電解質膜と、ガス拡散層シートの表面に触媒層を設けた触媒層・ガス拡散層複合体とを、電解質膜とガス拡散層の間に触媒層が配置されるように重ねあわせ、熱圧着する(B1)か、或いは、アニール処理した電解質膜を用いて膜・触媒層複合体を作製し、該膜・触媒層複合体とガス拡散層シートとを、電解質膜とガス拡散層の間に触媒層が配置されるように重ねあわせ、熱圧着する(B2)ことによって、ガス拡散層、触媒層、電解質膜が接合した膜・電極接合体を得ることができる。
一方、上記アニール処理工程において、膜・触媒層複合体をアニール処理した場合には、アニール処理した膜・触媒層複合体と、ガス拡散層シートとを、電解質膜とガス拡散層の間に触媒層が配置されるように重ねあわせ、熱圧着する(B3)ことによって、ガス拡散層、触媒層、電解質膜が接合した膜・電極接合体を得ることができる。
Next, the thermocompression bonding process will be described.
In the annealing treatment step, when the electrolyte membrane itself is annealed, the annealed electrolyte membrane and the catalyst layer / gas diffusion layer composite provided with the catalyst layer on the surface of the gas diffusion layer sheet are combined with the electrolyte membrane. A membrane / catalyst layer composite is prepared by using an electrolyte membrane that is superposed and thermocompression-bonded (B1) or annealed so that the catalyst layer is disposed between the gas diffusion layers. The gas diffusion layer, the catalyst layer, and the electrolyte membrane are bonded together by stacking the composite and the gas diffusion layer sheet so that the catalyst layer is disposed between the electrolyte membrane and the gas diffusion layer and thermocompression bonding (B2). Membrane / electrode assembly can be obtained.
On the other hand, when the membrane / catalyst layer composite is annealed in the annealing step, the annealed membrane / catalyst layer composite and the gas diffusion layer sheet are placed between the electrolyte membrane and the gas diffusion layer. By laminating and thermocompression bonding so that the layers are arranged (B3), a membrane / electrode assembly in which the gas diffusion layer, the catalyst layer, and the electrolyte membrane are joined can be obtained.

ガス拡散層を構成するガス拡散層シートとしては、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体を用いることができる。
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けたものでもよい。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものであり、導電性粉粒体や撥水性樹脂を含有する撥水層インクを用いて形成することができる。また、ガス拡散層シートは、導電性多孔質体の触媒層と面する側に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂をバーコーター等によって含浸塗布することによって、触媒層内の水分がガス拡散層の外へ効率良く排出されるように加工されていてもよい。
As the gas diffusion layer sheet constituting the gas diffusion layer, one having gas diffusibility, conductivity, and strength required as a material constituting the gas diffusion layer, which can efficiently supply gas to the catalyst layer, for example, Carbonaceous porous bodies such as carbon paper, carbon cloth, carbon felt, titanium, aluminum, copper, nickel, nickel-chromium alloy, copper and its alloys, silver, aluminum alloy, zinc alloy, lead alloy, titanium, niobium A conductive porous body such as a metal mesh or a metal porous body made of a metal such as tantalum, iron, stainless steel, gold, or platinum can be used.
The gas diffusion layer sheet may be composed of a single layer of the conductive porous body as described above, or may be provided with a water repellent layer on the side facing the catalyst layer. The water repellent layer usually has a porous structure including conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. It can be formed using a water repellent layer ink containing a water repellent resin. The gas diffusion layer sheet is formed by impregnating and applying a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene to the side of the conductive porous body facing the catalyst layer with a bar coater. It may be processed so as to be efficiently discharged out of the layer.

ガス拡散層シートの表面に触媒層が設けられた触媒層・ガス拡散層複合体は、上記膜・触媒層複合体の作製方法において、電解質膜の代わりにガス拡散層シートを用いることによって作製することができる。
また、アニール処理した電解質膜に触媒層を設けた膜・触媒層複合体は、上記した膜・触媒層複合体と同様にして作製することができる。
The catalyst layer / gas diffusion layer composite in which a catalyst layer is provided on the surface of the gas diffusion layer sheet is prepared by using a gas diffusion layer sheet instead of the electrolyte membrane in the above-described method for preparing a membrane / catalyst layer composite. be able to.
A membrane / catalyst layer composite in which a catalyst layer is provided on an annealed electrolyte membrane can be produced in the same manner as the above-described membrane / catalyst layer composite.

熱圧着工程における熱圧着温度は、特に限定されず、通常は、100〜180℃程度でよい。具体的な熱圧着温度は、熱圧着工程において電解質膜と触媒層を接合する場合(上記B1の場合)には、電解質膜を構成する高分子電解質と触媒層を構成する高分子電解質のガラス転移点を考慮して決定することが好ましい。また、熱圧着工程において触媒層とガス拡散層を接合する場合(上記B2、B3の場合)には、触媒層を構成する高分子電解質のガラス転移点を考慮して決定することが好ましい。   The thermocompression bonding temperature in the thermocompression bonding process is not particularly limited, and is usually about 100 to 180 ° C. The specific thermocompression bonding temperature is the glass transition of the polymer electrolyte composing the electrolyte membrane and the polymer electrolyte composing the catalyst layer when the electrolyte membrane and the catalyst layer are joined in the thermocompression bonding process (in the case of B1 above). It is preferable to determine in consideration of the points. Moreover, when joining a catalyst layer and a gas diffusion layer in the thermocompression bonding process (in the case of B2 and B3 above), it is preferable to determine the glass transition point of the polymer electrolyte constituting the catalyst layer.

熱圧着工程における熱圧着圧力は、特に限定されず、通常は、0.5〜8MPa程度でよい。
熱圧着方法としては、例えば、熱ロールプレス、平圧プレス、金型プレス等挙げられ、中でも金型プレスが好ましい。
The thermocompression bonding pressure in the thermocompression bonding step is not particularly limited, and is usually about 0.5 to 8 MPa.
Examples of the thermocompression bonding method include a hot roll press, a flat pressure press, a mold press and the like, and among these, a mold press is preferable.

(実施例1)
白金を担持したカーボンブラック(Pt/C触媒、Pt担持率:45wt%)1.0gと、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(Aldrich社製、Nafion溶液、濃度10wt%)5.5gと、エタノール、水を攪拌混合し、触媒インクを調製した。
Example 1
Carbon black carrying platinum (Pt / C catalyst, Pt carrying ratio: 45 wt%) 1.0 g, perfluorocarbon sulfonic acid resin (Aldrich, Nafion solution, concentration 10 wt%) 5.5 g, ethanol and water The mixture was stirred and mixed to prepare a catalyst ink.

炭化水素系高分子電解質膜(スルホン化ポリエーテルスルホン)の両面に上記触媒インクをスプレー塗布、乾燥して、触媒層を形成し、膜・触媒層複合体を得た。   The catalyst ink was spray-coated on both sides of a hydrocarbon polymer electrolyte membrane (sulfonated polyethersulfone) and dried to form a catalyst layer to obtain a membrane / catalyst layer composite.

得られた膜・触媒層複合体を、150℃で10分間アニール処理した。その後、周囲(非発電領域)にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液を浸漬させた2枚のカーボンペーパーで挟み込み、130℃、3MPaで5分間熱圧着を行い、膜・電極接合体を得た。得られた膜・電極接合体のカーボンペーパーに割れは生じなかった。   The obtained membrane / catalyst layer composite was annealed at 150 ° C. for 10 minutes. Thereafter, the membrane (electrode non-power generation region) was sandwiched between two pieces of carbon paper immersed in a perfluorocarbon sulfonic acid resin solution, and thermocompression bonded at 130 ° C. and 3 MPa for 5 minutes to obtain a membrane / electrode assembly. No cracks occurred in the carbon paper of the obtained membrane / electrode assembly.

(比較例1)
実施例1において、膜・触媒層複合体を、130℃で5分間アニール処理した以外は、同様にして、膜・電極接合体を得た。得られた膜・電極接合体のカーボンペーパーに割れが生じた。
(Comparative Example 1)
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 1, except that the membrane / catalyst layer composite was annealed at 130 ° C. for 5 minutes. Cracks occurred in the carbon paper of the obtained membrane / electrode assembly.

(参考実験1)
実施例1と同様にして膜・触媒層複合体を作製し、常温常湿(23℃、50%RH)に24時間放置し、膜・触媒層複合体の電解質膜の面方向の長さL1を測定した。
続いて、上記膜・触媒層複合体を、実施例1同様、150℃で10分間アニール処理し、その直後における膜・触媒層複合体の電解質膜の面方向の長さL2を測定した。
上記アニール処理を行った膜・触媒層複合体を、常温常湿(23℃、50%RH)に24時間放置し、膜・触媒層複合体の電解質膜の面方向の長さL3を測定した。
さらに、上記アニール処理後、常温常湿にさらした膜・触媒層複合体を、130℃、3MPaで5分間熱圧着し、その直後における膜・触媒層複合体の電解質膜の面方向の長さL4を測定した。
上記L1を基準とし、L1に対するL2〜L4の収縮量ΔLn[(L1−Ln)/L1×100%:LnはL1、L2、L3又はL4]を算出した。結果を図3に示す。
(Reference Experiment 1)
A membrane / catalyst layer composite was prepared in the same manner as in Example 1, and allowed to stand at room temperature and normal humidity (23 ° C., 50% RH) for 24 hours. The length L1 in the surface direction of the electrolyte membrane of the membrane / catalyst layer composite Was measured.
Subsequently, the membrane / catalyst layer composite was annealed at 150 ° C. for 10 minutes as in Example 1, and the length L2 in the surface direction of the electrolyte membrane of the membrane / catalyst layer composite immediately after that was measured.
The membrane / catalyst layer composite subjected to the annealing treatment was allowed to stand at room temperature and normal humidity (23 ° C., 50% RH) for 24 hours, and the length L3 in the surface direction of the electrolyte membrane of the membrane / catalyst layer composite was measured. .
Further, after the annealing treatment, the membrane / catalyst layer composite exposed to normal temperature and humidity is subjected to thermocompression bonding at 130 ° C. and 3 MPa for 5 minutes, and the length of the membrane / catalyst layer composite in the surface direction immediately after that is L4 was measured.
Based on the above L1, the contraction amount ΔLn of L2 to L4 with respect to L1 [(L1−Ln) / L1 × 100%: Ln is L1, L2, L3 or L4]. The results are shown in FIG.

(参考実験2)
参考実験1において、アニール処理温度を130℃、アニール処理時間を5分間としたこと以外は、同様にして、膜・触媒層複合体の面方向の収縮量を算出した。結果を図3に併せて示す。
(Reference Experiment 2)
In Reference Experiment 1, the amount of contraction in the surface direction of the membrane / catalyst layer composite was calculated in the same manner except that the annealing temperature was 130 ° C. and the annealing time was 5 minutes. The results are also shown in FIG.

(結果)
図3に示すように、アニール処理温度が熱圧着温度よりも高い参考実験1(実施例1と同条件)では、熱圧着後における電解質膜の収縮量ΔL4が、アニール処理後における電解質膜の収縮量ΔL2よりも小さかった。これに対して、アニール処理温度が熱圧着温度と同じ参考実験2(比較例1と同条件)では、熱圧着後における電解質膜の収縮量ΔL4が、アニール処理後における電解質膜の収縮量ΔL2よりも大きかった。
また、熱圧着前後における電解質膜の寸法変化量(ΔL4−ΔL3)が、参考実験1では1%であるのに対して、参考実験2では2%と大きくなった。
すなわち、比較例1では、熱圧着工程前後において、電解質膜の面方向における収縮変形が大きいために、電解質膜と熱圧着されたガス拡散層にその面方向に大きな力が負荷され、ガス拡散層の割れが生じてしまったと考えられる。一方、実施例1では、熱圧着工程において、電解質膜の面方向における収縮変形が小さいために、ガス拡散層が電解質膜の収縮変形に追従でき、ガス拡散層の面方向にかかる力が小さく、割れが生じなかったと考えられる。
(result)
As shown in FIG. 3, in Reference Experiment 1 where the annealing temperature is higher than the thermocompression bonding temperature (the same conditions as in Example 1), the shrinkage amount ΔL4 of the electrolyte film after thermocompression bonding is the shrinkage of the electrolyte film after annealing. It was smaller than the amount ΔL2. On the other hand, in Reference Experiment 2 where the annealing treatment temperature is the same as the thermocompression bonding temperature (same conditions as in Comparative Example 1), the shrinkage amount ΔL4 of the electrolyte membrane after thermocompression bonding is smaller than the shrinkage amount ΔL2 of the electrolyte membrane after annealing treatment. Was also big.
Further, the dimensional change (ΔL4−ΔL3) of the electrolyte membrane before and after thermocompression bonding was 1% in Reference Experiment 1 and increased to 2% in Reference Experiment 2.
That is, in Comparative Example 1, since the shrinkage deformation in the surface direction of the electrolyte membrane is large before and after the thermocompression bonding step, a large force is applied in the surface direction to the gas diffusion layer that is thermocompression bonded to the electrolyte membrane. It is thought that the crack of has occurred. On the other hand, in Example 1, since the shrinkage deformation in the surface direction of the electrolyte membrane is small in the thermocompression bonding step, the gas diffusion layer can follow the shrinkage deformation of the electrolyte membrane, and the force applied in the surface direction of the gas diffusion layer is small. It is thought that no cracking occurred.

本発明により提供される膜・電極接合体を備える単セルの一形態例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one example of a single cell provided with the membrane electrode assembly provided by this invention. 本発明の膜・電極接合体の製造方法の一工程を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining 1 process of the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention. 参考実験1及び参考実験2の結果を示すグラフである。6 is a graph showing the results of Reference Experiment 1 and Reference Experiment 2.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2…燃料極(アノード)
3…酸化剤極(カソード)
4a…アノード側触媒層
4b…カソード側触媒層
5a…アノード側ガス拡散層
5b…カソード側ガス拡散層
6…膜・電極接合体
7a…アノード側セパレータ
7b…カソード側セパレータ
8a…アノード側ガス流路
8b…カソード側ガス流路
9…膜・触媒層複合体
10(10a、10b)…ガス拡散層シート
11(11a、11b)…触媒層・ガス拡散層複合体
100…単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Fuel electrode (anode)
3 ... Oxidant electrode (cathode)
4a ... Anode side catalyst layer 4b ... Cathode side catalyst layer 5a ... Anode side gas diffusion layer 5b ... Cathode side gas diffusion layer 6 ... Membrane / electrode assembly 7a ... Anode side separator 7b ... Cathode side separator 8a ... Anode side gas flow path 8b ... Cathode side gas flow path 9 ... Membrane / catalyst layer composite 10 (10a, 10b) ... Gas diffusion layer sheet 11 (11a, 11b) ... Catalyst layer / gas diffusion layer composite 100 ... Single cell

Claims (3)

高分子電解質膜と、該高分子電解質膜側から触媒層及びガス拡散層が積層した積層構造を有し且つ前記高分子電解質膜を狭持する一対の電極と、を備える膜・電極接合体の製造方法であって、
前記高分子電解質膜、又は、前記高分子電解質膜の表面に前記触媒層が設けられた膜・触媒層複合体をアニール処理するアニール処理工程(A)と、
前記アニール処理工程(A)においてアニール処理した高分子電解質膜と、ガス拡散層シートの表面に前記触媒層が設けられた触媒層・ガス拡散層複合体とを、高分子電解質膜とガス拡散層シートの間に前記触媒層が位置するように重ね合わせ、熱圧着する熱圧着工程(B1)、又は、前記アニール処理工程(A)においてアニール処理した高分子電解質膜の表面に前記触媒層を設けた膜・触媒層複合体と、ガス拡散層シートとを、高分子電解質膜とガス拡散層シートの間に前記触媒層が位置するように重ね合わせ、熱圧着する熱圧着工程(B2)、又は、前記アニール処理工程(A)においてアニール処理した前記膜・触媒層複合体と、ガス拡散層シートとを、高分子電解質膜とガス拡散層シートの間に前記触媒層が位置するように重ね合わせ、熱圧着する熱圧着工程(B3)と、を備え、
前記アニール処理工程(A)におけるアニール処理温度が、前記熱圧着工程(B1)乃至(B3)のいずれかにおける熱圧着温度と比較して高いことを特徴とする、膜・電極接合体の製造方法。
A membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes having a laminated structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated from the polymer electrolyte membrane side and sandwiching the polymer electrolyte membrane A manufacturing method comprising:
An annealing treatment step (A) for annealing the polymer electrolyte membrane or a membrane / catalyst layer composite in which the catalyst layer is provided on the surface of the polymer electrolyte membrane;
The polymer electrolyte membrane annealed in the annealing step (A), and the catalyst layer / gas diffusion layer composite in which the catalyst layer is provided on the surface of the gas diffusion layer sheet, the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer The catalyst layer is provided on the surface of the polymer electrolyte membrane annealed in the thermocompression bonding step (B1), in which the catalyst layers are positioned so as to be positioned between the sheets and thermocompression bonded, or in the annealing treatment step (A). A thermocompression bonding step (B2) in which the membrane / catalyst layer composite and the gas diffusion layer sheet are superposed and thermocompression bonded so that the catalyst layer is positioned between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer sheet, or The membrane / catalyst layer composite annealed in the annealing step (A) and the gas diffusion layer sheet are overlapped so that the catalyst layer is positioned between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer sheet. So, a thermocompression bonding step of thermocompression bonding (B3), provided with,
A method for producing a membrane / electrode assembly, characterized in that the annealing temperature in the annealing step (A) is higher than the thermocompression bonding temperature in any of the thermocompression bonding steps (B1) to (B3). .
前記高分子電解質膜が、炭化水素系高分子電解質膜である、請求項1に記載の膜・電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane is a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane. 前記アニール処理工程(A)におけるアニール処理温度が130〜200℃である、請求項1又は2に記載の膜・電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the annealing temperature in the annealing step (A) is 130 to 200 ° C.
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