JP2010073484A - Method of manufacturing membrane electrode assembly - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a composite electrolyte membrane which secures gas diffusivity and water retention of a catalyst layer and improves power generation characteristics of a fuel cell. <P>SOLUTION: The method for manufacturing a membrane electrode assembly 1, including at least the electrolyte membrane 10 containing electrolyte resin, and catalyst layers 21, 22 joined to a surface of the electrolyte membrane 10, includes at least a process for making a surface layer 21a of an anode catalyst layer 21 hydrophilic by implanting helium gas ions on a surface of the anode side catalyst layer 21 joined to the electrolyte membrane 10. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜の両面に触媒層が接合された固体高分子型燃料電池用の膜電極接合体の製造方法に係り、特に、前記燃料電池の発電効率を向上させることができる膜電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane, and in particular, a membrane electrode junction capable of improving the power generation efficiency of the fuel cell. The present invention relates to a method for manufacturing a body.

電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、低温における作動が可能であり、かつ、小型軽量化が可能であるため、自動車などの移動体への適用が検討されている。特に、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車はエコロジーカーとして社会的な関心が高まっている。   A polymer electrolyte fuel cell using an electrolyte membrane can be operated at a low temperature, and can be reduced in size and weight. Therefore, application to a moving body such as an automobile is being studied. In particular, fuel cell vehicles equipped with polymer electrolyte fuel cells are gaining social interest as ecological cars.

このような固体高分子型燃料電池は、図5に示すように、膜電極接合体(MEA)95を主要な構成要素とし、それを燃料(水素)ガス流路および空気ガス流路を備えたセパレータ96,96で挟持して、単セルと呼ばれる1つの燃料電池90を形成している。膜電極接合体95は、イオン交換膜である電解質膜91の一方側にアノード側の電極(アノード触媒層)93aを積層し、他方の側にカソード側の電極(カソード触媒層)93bを積層した構造であり、アノード触媒層93aとカソード触媒層93bには、それぞれ拡散層94a,94bが配置されている。   As shown in FIG. 5, such a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) 95 as a main component, and includes a fuel (hydrogen) gas passage and an air gas passage. One fuel cell 90 called a single cell is formed by being sandwiched between separators 96 and 96. In the membrane electrode assembly 95, an anode side electrode (anode catalyst layer) 93a is laminated on one side of an electrolyte membrane 91 which is an ion exchange membrane, and a cathode side electrode (cathode catalyst layer) 93b is laminated on the other side. In the structure, diffusion layers 94a and 94b are disposed in the anode catalyst layer 93a and the cathode catalyst layer 93b, respectively.

このような燃料電池90の膜電極接合体95は、発電時のプロトン伝導性能を発現させるために、保水性が確保されるように構成されている。特に、アノード側からカソード側に、効率好くプロトンを伝導させるためには、アノード側の触媒層の親水性を保つことが重要である。   Such a membrane electrode assembly 95 of the fuel cell 90 is configured to ensure water retention in order to develop proton conduction performance during power generation. In particular, in order to efficiently conduct protons from the anode side to the cathode side, it is important to maintain the hydrophilicity of the catalyst layer on the anode side.

このような点を鑑みて、膜電極接合体の保水性を確保すべく、図4に示すように、アノード側の触媒層を、スプレー等を用いて、電解質膜91の表面から、第一の触媒層93dと、第二の触媒層93fと順次積層し、第一の触媒層93dに対して第二の触媒層93fの電解質の割合を多くしたり、撥水剤の割合を調整したりして、第二の触媒層93fの親水性を高めることが成されている。   In view of such points, in order to ensure water retention of the membrane electrode assembly, as shown in FIG. 4, the anode-side catalyst layer is first sprayed from the surface of the electrolyte membrane 91 using a spray or the like. The catalyst layer 93d and the second catalyst layer 93f are sequentially stacked, and the ratio of the electrolyte of the second catalyst layer 93f to the first catalyst layer 93d is increased, or the ratio of the water repellent is adjusted. Thus, the hydrophilicity of the second catalyst layer 93f is increased.

また、別の態様として、触媒を構成する触媒担持カーボンをプラズマ処理し触媒担持カーボンの表面を親水化し、該触媒担持カーボンとイオン交換樹脂とを含む溶液を用いて、触媒層を積層した膜電極接合体が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   As another aspect, a membrane electrode in which the catalyst-supporting carbon constituting the catalyst is plasma-treated to hydrophilize the surface of the catalyst-supporting carbon, and a catalyst layer is laminated using a solution containing the catalyst-supporting carbon and an ion exchange resin. A joined body has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

しかし、図4に示すような二層構造の触媒層を形成すべく、第二の触媒層93fをスプレー吹き付けにより行なった場合には、第一の触媒層93dの表面の多孔質の孔に、溶液状の触媒が入り込み、多孔質の孔を閉塞する場合があった。さらに、撥水剤の割合を調整した場合には、第一の触媒層93dと第二の触媒層93fとの溶液状の触媒(触媒インク)の組成が異なるため、乾燥時には触媒層の多孔構造が変化する場合があった。   However, when the second catalyst layer 93f is sprayed to form a two-layered catalyst layer as shown in FIG. 4, the porous holes on the surface of the first catalyst layer 93d In some cases, a solution-like catalyst entered and clogged the porous pores. Further, when the ratio of the water repellent agent is adjusted, the composition of the solution catalyst (catalyst ink) of the first catalyst layer 93d and the second catalyst layer 93f is different. Sometimes changed.

このような膜電極接合体を燃料電池に組み込んだ場合、上述した触媒層の多孔質の孔の閉塞等により、燃料電池の発電時において、電解質膜91上に形成された第一の触媒層のガス流路が閉塞されるので、反応ガスのガス拡散性が低下し、燃料電池の発電特性を低下してしまうことがあった。   When such a membrane electrode assembly is incorporated in a fuel cell, the first catalyst layer formed on the electrolyte membrane 91 during the power generation of the fuel cell due to the above-described blockage of the porous holes in the catalyst layer or the like. Since the gas flow path is closed, the gas diffusibility of the reaction gas is lowered, and the power generation characteristics of the fuel cell may be lowered.

さらに、特許文献1に記載の如く、触媒担持カーボンに対してプラズマ処理を行った場合には、電解質樹脂との親和性を高めることができるが、このような触媒担持カーボンを用いた場合であっても、触媒層の表面層の親水性を充分に高めることが難しい場合があった。そこで、このような触媒担持カーボンにより触媒層を形成する場合であっても、親水性を高めるために、上述の如く、スプレーにより多層構造の触媒層を積層する方法が取られている。   Furthermore, as described in Patent Document 1, when the plasma treatment is performed on the catalyst-supporting carbon, the affinity with the electrolyte resin can be increased. However, such a catalyst-supporting carbon is used. However, it may be difficult to sufficiently increase the hydrophilicity of the surface layer of the catalyst layer. Therefore, even when a catalyst layer is formed from such catalyst-supporting carbon, in order to increase the hydrophilicity, a method of laminating a catalyst layer having a multilayer structure by spraying as described above is employed.

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、触媒層におけるガス拡散性及び保水性を確保し、燃料電池の発電特性を向上させることができる膜電極接合体の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to provide a membrane electrode joint capable of ensuring gas diffusibility and water retention in the catalyst layer and improving the power generation characteristics of the fuel cell. It is in providing the manufacturing method of a body.

前記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、触媒層を形成後に、その触媒層の表面(ガスが接触する表面)にイオン注入することにより、多孔質の孔を塞ぐことなく、ガス拡散性を確保し、イオン注入した触媒層の保水性を高めることができるとの新たな知見を得た。   As a result of intensive investigations to solve the above-mentioned problems, after forming the catalyst layer, ion diffusion is performed on the surface of the catalyst layer (surface with which the gas comes into contact), so that the gas diffusion can be performed without blocking the porous holes. The new knowledge that the water retention of the catalyst layer which ion-implanted was ensured and can be improved was acquired.

本発明は、前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、電解質樹脂を含む電解質膜と、該電解質膜の表面に接合された触媒層と、を少なくとも含む、膜電極接合体を製造するための方法であって、前記製造方法は、前記電解質膜に接合された触媒層の表面に対して、希ガスイオンを注入することにより、該触媒層の表面層を親水化する工程を少なくとも含むことを特徴とする。   The present invention is based on the above-mentioned new knowledge, and the method for producing a membrane / electrode assembly according to the present invention comprises at least an electrolyte membrane containing an electrolyte resin and a catalyst layer bonded to the surface of the electrolyte membrane. A method for manufacturing a membrane electrode assembly, the method comprising the step of injecting rare gas ions into the surface of the catalyst layer bonded to the electrolyte membrane, thereby It includes at least a step of hydrophilizing the layer.

本発明によれば、触媒層の表面に、希ガスイオンを注入することにより、イオン注入箇所である触媒層の表面層を親水化することができる。特に、触媒層は、多孔構造であるため、その表面には凹凸が形成されているため、イオン注入により表面エネルギの増加が起こりやすく、イオン注入された表面エネルギの増加が起こりやすく、親水化がさらに加速される。これにより、膜電極接合体の保水性を向上させることができる。   According to the present invention, by injecting rare gas ions into the surface of the catalyst layer, the surface layer of the catalyst layer that is the ion implantation site can be hydrophilized. In particular, since the catalyst layer has a porous structure and has irregularities on its surface, the surface energy is likely to increase due to ion implantation, the surface energy that is ion-implanted is likely to increase, and hydrophilization is likely to occur. It is further accelerated. Thereby, the water retention of a membrane electrode assembly can be improved.

また、これまでのように、触媒層の電解質の割合を変えたり、電解質の種類を変えたりして、触媒層の親水化を図る必要がないので、電解質膜と触媒層との界面の特性を変化させることがない。さらに、これまでのように、塗工により触媒層を多層化する必要がないので、下地となる触媒層の孔の閉塞がない。さらに、親水化工程において、希ガスイオンの注入により、表面層を改質するので、注入後のイオンが内部に残ることなく、表面を含む表面層を改質することができ、さらには、触媒層の多孔構造を破壊することなく処理することができる。   In addition, since there is no need to change the ratio of the electrolyte in the catalyst layer or to change the type of the electrolyte to make the catalyst layer hydrophilic, the characteristics of the interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer can be reduced. There is no change. Further, as in the past, there is no need to make the catalyst layer multi-layered by coating, so there is no blockage of the pores in the catalyst layer serving as a base. Furthermore, since the surface layer is modified by implantation of rare gas ions in the hydrophilization step, the surface layer including the surface can be modified without leaving the implanted ions inside, and further, the catalyst It can be processed without destroying the porous structure of the layer.

このようにして、発電時において、触媒層におけるガス拡散性及び保水性を確保することができ、活性化過電圧および抵抗過電圧の低減を図ることが可能となり、燃料電池の発電効率を向上させることができる膜電極接合体を得ることができる。   In this way, during power generation, gas diffusibility and water retention in the catalyst layer can be ensured, activation overvoltage and resistance overvoltage can be reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell can be improved. A membrane electrode assembly that can be obtained can be obtained.

また、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、前記親水化工程において、親水化する触媒層の表面層が、アノード側の触媒層の表面層であることがより好ましい。本発明によれば、触媒表面が乾燥しやすいアノード側の触媒層の親水化より、アノード側からカソード側への水分が移動する逆拡散が促進され、さらに燃料電池の発電特性を向上させることができる。   In the method for producing a membrane / electrode assembly according to the present invention, the surface layer of the catalyst layer to be hydrophilized in the hydrophilization step is more preferably the surface layer of the catalyst layer on the anode side. According to the present invention, the hydrophilicity of the catalyst layer on the anode side where the catalyst surface tends to dry is promoted, the reverse diffusion in which moisture moves from the anode side to the cathode side, and further the power generation characteristics of the fuel cell can be improved. it can.

さらに、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、希ガスイオンとして、ヘリウムイオン又はネオンイオンを用いることがより好ましい。このように比較的軽い希ガスイオンを用いることにより、触媒層の表面をより高めることができる。また、親水化工程において、触媒層の表面は、水接触角で60℃以下となるように、希ガスイオンを注入することがより好ましい。   Furthermore, in the method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention, it is more preferable to use helium ions or neon ions as the rare gas ions. By using relatively light rare gas ions in this way, the surface of the catalyst layer can be further increased. In the hydrophilization step, it is more preferable to implant rare gas ions so that the surface of the catalyst layer has a water contact angle of 60 ° C. or less.

本発明によれば、触媒層におけるガス拡散性及び保水性を確保することにより、燃料電池の発電特性を向上させることができる。   According to the present invention, the power generation characteristics of the fuel cell can be improved by ensuring gas diffusibility and water retention in the catalyst layer.

以下に、図面を参照して、本発明に係る膜電極接合体の製造方法を一実施形態に基づいて説明する。   Below, with reference to drawings, the manufacturing method of the membrane electrode assembly concerning the present invention is explained based on one embodiment.

図1は、本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を説明するための図であり、(a)は、電解質膜の表面に触媒層を形成する工程であり、(b)触媒層の表面に希ガスイオンを注入する工程を示した図であり、(c)は、注入後の膜電極接合体を説明するための図である。   FIG. 1 is a view for explaining a method for producing a membrane / electrode assembly according to this embodiment, wherein (a) is a step of forming a catalyst layer on the surface of an electrolyte membrane, and (b) It is the figure which showed the process of inject | pouring rare gas ion to the surface, (c) is a figure for demonstrating the membrane electrode assembly after injection | pouring.

図1に示すように、所定の大きさの高分子電解質(パーフルオロ系プロトン交換樹脂)を含む電解質膜10を準備する。この電解質膜10に含まれる高分子電解質は、イオン交換機能を有するものであり、例えば、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。例えば、デュポン社製ナフィオン(商標名)、旭化成製アシプレックス(商標名)、旭硝子製フレミオン(商標名)、ジャパンゴアテックス社製ゴア−セレクト(商標名)等が例示され、部分フッ素樹脂では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したものなどがある。また、炭化水素系プロトン交換樹脂である、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ポリイミド系樹脂などにスルホン酸基を導入したものなどがある。これらは燃料電池が用いられる用途や環境に応じて適宜選択されるべきものであるが、パーフルオロ系が燃料電池寿命の点から好ましい。   As shown in FIG. 1, an electrolyte membrane 10 including a polymer electrolyte (perfluoro proton exchange resin) having a predetermined size is prepared. The polymer electrolyte contained in the electrolyte membrane 10 has an ion exchange function. For example, a perfluoro proton exchange resin of a fluoroalkyl copolymer having a fluoroalkyl ether side chain and a perfluoroalkyl main chain is preferable. Used. For example, Nafion (trade name) manufactured by DuPont, Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei, Flemion (trade name) manufactured by Asahi Glass, Gore-Select (trade name) manufactured by Japan Gore-Tex, etc. are exemplified. Examples thereof include a polymer of trifluorostyrene sulfonic acid and a product obtained by introducing a sulfonic acid group into polyvinylidene fluoride. Further, there are styrene-divinylbenzene copolymer, polyimide resin, etc., which are hydrocarbon proton exchange resins, in which sulfonic acid groups are introduced. These should be appropriately selected according to the use and environment in which the fuel cell is used, but a perfluoro type is preferable from the viewpoint of the life of the fuel cell.

また、この電解質膜10は、電解質のみからなってもよく、上述した電解質を多孔質の撥水性の高分子樹脂シートに含浸させたものであってもよい。このような高分子樹脂補強シートは、電解質膜10の補強材として作用することができ、さらに固体高分子型燃料電池における水の結露と滞留が電極反応物を供給する際の妨げとなり効果的である。特にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などのフッ素樹脂が高い撥水性を有するため好ましく用いられる。その他、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、ポリイミド等の非フッ素系フィルムも用いることができる。   The electrolyte membrane 10 may be composed of an electrolyte alone, or may be one obtained by impregnating a porous water-repellent polymer resin sheet with the electrolyte described above. Such a polymer resin reinforcing sheet can act as a reinforcing material for the electrolyte membrane 10, and further, condensation and retention of water in the polymer electrolyte fuel cell hinder the supply of the electrode reactant and is effective. is there. In particular, fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) are preferably used because they have high water repellency. It is done. In addition, non-fluorine films such as polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, and polyimide can also be used.

次に、電解質(前駆体ポリマ)と白金担持カーボン(触媒担持導電体)を含むエタノールなどの揮発性を有した溶液Lを準備する。電解質の種類は、上述した電解質膜を構成する高分子電解質が挙げられ、電解質膜10と同種の電解質を選定することが好ましい。これにより、後述するアノード側及びカソード側の触媒層21,22と電解質膜10との密着性等を確保することができる。   Next, a volatile solution L such as ethanol containing an electrolyte (precursor polymer) and platinum-supported carbon (catalyst-supported conductor) is prepared. Examples of the electrolyte include polymer electrolytes that constitute the above-described electrolyte membrane, and it is preferable to select the same type of electrolyte as the electrolyte membrane 10. Thereby, the adhesiveness etc. of the catalyst layer 21 and 22 and the electrolyte membrane 10 of the anode side and cathode side which are mentioned later are securable.

また、触媒担持導電体として白金担持カーボンを例に挙げたが、触媒は、触媒反応が生じるものであるならば、特に限定されるものではなく、触媒反応における活性化過電圧が小さいことから、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、これらの貴金属触媒の合金、混合物など、2種以上の元素が含まれていても構わない。さらに、導電体は、電気的に導電可能な物質であれば特に限定されるものではなく、たとえば、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましい。   In addition, although platinum-supported carbon is given as an example of the catalyst-supporting conductor, the catalyst is not particularly limited as long as it causes a catalytic reaction, and the activation overvoltage in the catalytic reaction is small. Noble metal catalysts such as palladium, ruthenium and iridium are preferably used. Two or more elements such as alloys and mixtures of these noble metal catalysts may be contained. Furthermore, the conductor is not particularly limited as long as it is an electrically conductive substance. For example, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black, and the like is used. And the size of the specific surface area is preferable.

そして、図1(a)に示すように、準備した溶液Lを、スプレー60等を用いて、電解質膜10の両面に吹き付け、電解質膜10の表面に、アノード触媒層(アノード側の触媒層)21と、カソード触媒層(カソード側の触媒層)22と形成し、これらの触媒層を乾燥させることにより、電解質膜10にこれら触媒層21,22を接合することができる。   Then, as shown in FIG. 1A, the prepared solution L is sprayed on both surfaces of the electrolyte membrane 10 using a spray 60 or the like, and an anode catalyst layer (anode-side catalyst layer) is formed on the surface of the electrolyte membrane 10. 21 and a cathode catalyst layer (cathode-side catalyst layer) 22, and these catalyst layers are dried to bond the catalyst layers 21 and 22 to the electrolyte membrane 10.

次に、図1(b)に示すように、電解質膜10に接合されたアノード触媒層21の表面に対して、希ガスイオンを注入することにより、アノード触媒層21の表面層を親水化する。具体的には、イオン注入装置内に、触媒層21,22が形成された電解質膜10を配置し、ヘリウムイオンを高エネルギまで電気的に加速して、電解質膜10のアノード触媒層21の表面にヘリウムイオンを注入する。このとき、ヘリウムイオンの注入は、所定の加速エネルギでヘリウムイオンを加速すると共に、アノード触媒層の表面層が所望の親水性が得られる注入量(ドーズ量)となるまで行う。燃料電池の発電効率を考慮すると、アノード触媒層21の親水性は、表面の水の接触角が60°以下となることが好ましく、このような表面層を得るためには、ヘリウムイオンの加速エネルギとドーズ量により、適宜設定することができる。これにより、図1(c)に示すように、膜電極接合体1は、アノード触媒層21は、ヘリウムイオンが注入され、親水化処理された表面層21aが形成される。   Next, as shown in FIG. 1B, the surface layer of the anode catalyst layer 21 is hydrophilized by implanting rare gas ions into the surface of the anode catalyst layer 21 joined to the electrolyte membrane 10. . Specifically, the electrolyte membrane 10 on which the catalyst layers 21 and 22 are formed is placed in an ion implantation apparatus, and helium ions are electrically accelerated to high energy, so that the surface of the anode catalyst layer 21 of the electrolyte membrane 10 Helium ions are implanted into the. At this time, the helium ions are implanted until the helium ions are accelerated with a predetermined acceleration energy and the surface layer of the anode catalyst layer has an implantation amount (dose amount) at which desired hydrophilicity is obtained. Considering the power generation efficiency of the fuel cell, the hydrophilicity of the anode catalyst layer 21 is preferably such that the contact angle of water on the surface is 60 ° or less. In order to obtain such a surface layer, the acceleration energy of helium ions It can be set as appropriate according to the dose. Thereby, as shown in FIG.1 (c), as for the membrane electrode assembly 1, helium ion is inject | poured into the anode catalyst layer 21, and the surface layer 21a hydrophilized is formed.

このようにして、希ガスイオンは、アノード触媒層21の触媒層の多孔構造を破壊することなく、アノード触媒層21の親水化を図ることができる。また、希ガスイオンを注入することで、イオンが触媒層21の内部に残留し難く、表面を改質することができる。また、触媒層21,22は多孔構造であり、その表面には凹凸が形成されているため、イオン注入により表面エネルギの増加が起こりやすく、イオン注入された表面エネルギの増加が起こりやすく、親水化がさらに加速される。ここで、希ガスイオンとして、ヘリウムイオンを用いたが、例えば、ネオンイオン、アルゴンイオン、クリプトンイオン、又はキセノンイオン等の希ガスイオンであっても、同様の効果を得ることができる。   In this manner, the rare gas ions can make the anode catalyst layer 21 hydrophilic without destroying the porous structure of the catalyst layer of the anode catalyst layer 21. Further, by injecting rare gas ions, the ions hardly remain inside the catalyst layer 21 and the surface can be modified. In addition, since the catalyst layers 21 and 22 have a porous structure and have irregularities formed on the surfaces thereof, the surface energy is likely to increase due to ion implantation, and the surface energy that is ion-implanted is likely to increase. Is further accelerated. Here, helium ions are used as the rare gas ions, but the same effect can be obtained even with rare gas ions such as neon ions, argon ions, krypton ions, or xenon ions.

このような膜電極接合体1を備えた燃料電池を用いて発電した場合には、発電時において、触媒層におけるガス拡散性及び保水性を確保することができ、燃料電池の発電特性を向上させることができる。また、アノード触媒層21の表面層21aを親水化したことにより、ガス拡散性を損なうことなく、アノード触媒層21側における保水性を向上させることができるので、アノード側からカソード側に逆拡散が促進される。   When power is generated using a fuel cell including such a membrane electrode assembly 1, gas diffusibility and water retention in the catalyst layer can be ensured during power generation, and the power generation characteristics of the fuel cell are improved. be able to. Further, the hydrophilicity of the surface layer 21a of the anode catalyst layer 21 can improve the water retention on the anode catalyst layer 21 side without impairing gas diffusibility, so that reverse diffusion from the anode side to the cathode side can be achieved. Promoted.

<確認試験>
電解質(NafionDE2020(Dupont社製))からなる電解質膜を準備し、この電解質膜の両面に白金担持カーボンと、電解質膜の電解質と同じ電解質とを含む溶液を塗布し、触媒層を形成し、膜電極接合体を製作した。そして、形成された膜電極接合体の表面の触媒層に対して、イオン注入装置内に、触媒層が形成された電解質膜を配置し、加速器を用いて、以下の表に示すように、加速エネルギを0〜500eVの範囲の一定値で、ドーズ量が、1×1012個/cmとなるように、触媒層にヘリウムイオンを注入した。そして、これらの触媒層に対してのイオンの平均潜り込み深さと、水の接触角を測定した。この結果を、表1に示す。
<Confirmation test>
An electrolyte membrane made of an electrolyte (Nafion DE2020 (manufactured by Dupont)) is prepared, and a solution containing platinum-supported carbon and the same electrolyte as the electrolyte of the electrolyte membrane is applied to both surfaces of the electrolyte membrane to form a catalyst layer. An electrode assembly was manufactured. Then, with respect to the catalyst layer on the surface of the formed membrane electrode assembly, the electrolyte membrane in which the catalyst layer is formed is arranged in the ion implantation apparatus, and acceleration is performed using an accelerator as shown in the following table. Helium ions were implanted into the catalyst layer so that the energy was a constant value in the range of 0 to 500 eV and the dose amount was 1 × 10 12 ions / cm 2 . And the average penetration depth of the ion with respect to these catalyst layers and the contact angle of water were measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2010073484
Figure 2010073484

表1からも明らかなように、ヘリウムイオンの加速エネルギが高くなるに従って、触媒層に潜り込むイオンの平均深さが深くなっていることがわかる。さらに、燃料電池としての発電特性の向上を図るためには、触媒層の親水性は、水の接触角で60°以下が好ましい領域であり、この領域となるためには、表1から、ヘリウムイオンの加速エネルギは、400keV以上であることがより好ましい。   As is apparent from Table 1, it can be seen that the average depth of the ions entering the catalyst layer increases as the acceleration energy of the helium ions increases. Furthermore, in order to improve the power generation characteristics as a fuel cell, the hydrophilicity of the catalyst layer is a region where the water contact angle is preferably 60 ° or less. The acceleration energy of ions is more preferably 400 keV or more.

以下に、実施例に基づき、本発明に係る膜電極接合体の製造方法を説明する。
(実施例1)
電解質(NafionDE2020(Dupont社製))からなる電解質膜を準備し、この電解質膜の両面に白金担持カーボンと、電解質膜の電解質と同じ電解質とを含む溶液を塗布し、アノード側及びカソード側に触媒層を形成し、膜電極接合体を製作した。
Below, based on an Example, the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on this invention is demonstrated.
Example 1
An electrolyte membrane made of an electrolyte (Nafion DE2020 (manufactured by Dupont)) is prepared, and a solution containing platinum-supported carbon and the same electrolyte as the electrolyte of the electrolyte membrane is applied to both surfaces of the electrolyte membrane, and a catalyst is applied to the anode side and the cathode side. A layer was formed to produce a membrane electrode assembly.

そして、イオン注入装置内に、触媒層が形成された電解質膜を配置し、加速器を用いて、加速エネルギを500eVとして、ドーズ量が、1×1012個/cmとなるように、アノード触媒層に対してヘリウムイオンを注入した。 Then, an electrolyte membrane in which a catalyst layer is formed is placed in the ion implantation apparatus, and an anode catalyst is used so that the acceleration energy is 500 eV and the dose amount is 1 × 10 12 pieces / cm 2 using an accelerator. Helium ions were implanted into the layer.

<評価方法>
製作した膜電極接合体に対して、図2に示すように、水蒸気の相対圧を0〜1に変化させた後、さらに、水蒸気の相対圧を1〜0に変化させて、このときに水蒸気吸着量を測定した。この結果を図2に示す。
<Evaluation method>
As shown in FIG. 2, the relative pressure of water vapor is changed to 0 to 1, and then the relative pressure of water vapor is changed to 1 to 0. The amount of adsorption was measured. The result is shown in FIG.

(比較例1)
実施例1と同じようにして、膜電極接合体を製作した。実施例1と相違する点は、触媒層の表面にヘリウムイオンを注入しなかった点である。そして、実施例1と同じように、水蒸気の相対圧を変化させて、水蒸気吸着量を測定した。この結果を図2に示す。
(Comparative Example 1)
In the same manner as in Example 1, a membrane electrode assembly was produced. The difference from Example 1 is that helium ions were not implanted into the surface of the catalyst layer. As in Example 1, the water vapor adsorption amount was measured while changing the relative pressure of water vapor. The result is shown in FIG.

<結果>
図2に示すように、比較例1に比べて、実施例1の膜電極接合体の触媒層は、水蒸気吸着量が高くなっており、これは、実施例1の触媒層にヘリウムイオンを注入し、触媒層が親水化したことによると考えられる。
<Result>
As shown in FIG. 2, the catalyst layer of the membrane electrode assembly of Example 1 has a higher water vapor adsorption amount than that of Comparative Example 1, and this is because helium ions are injected into the catalyst layer of Example 1. However, it is considered that the catalyst layer was made hydrophilic.

(実施例2)
実施例1と同じようにして、アノード触媒層にヘリウムイオンを注入して親水化を図った膜電極接合体を製作した。そして、膜電極接合体の触媒層の表面にカーボン粒子とPTFEからなるガス拡散層を積層し、この積層体を1対のセパレータで挟持し、燃料電池のセルを製作した。なお、ここで、使用されるガス拡散層の材料の割合、セパレータの材質及び形状等は、一般に知られているものを用いている。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, helium ions were implanted into the anode catalyst layer to produce a membrane electrode assembly that was made hydrophilic. Then, a gas diffusion layer composed of carbon particles and PTFE was laminated on the surface of the catalyst layer of the membrane electrode assembly, and this laminate was sandwiched between a pair of separators to produce a fuel cell. Here, generally known materials are used for the ratio of the material of the gas diffusion layer used, the material and shape of the separator, and the like.

[評価方法]
燃料電池のカソード電極に100%RHに加湿した水素ガスを供給し、アノード電極に100%RHに加湿した酸素ガスを供給し、セル温度を80℃に保持して発電した。また、燃料電池の出力電流を変化させるために、燃料電池に接続する外部負荷を変更しながら発電を行ない、燃料電池の発電する電流密度(1.0A/m)に対する燃料電池の電圧(セル電圧)を測定すると共に、燃料電池の抵抗を測定した。この結果を図3に示す。
[Evaluation methods]
Hydrogen gas humidified to 100% RH was supplied to the cathode electrode of the fuel cell, oxygen gas humidified to 100% RH was supplied to the anode electrode, and the cell temperature was maintained at 80 ° C. to generate electricity. Further, in order to change the output current of the fuel cell, power generation is performed while changing the external load connected to the fuel cell, and the fuel cell voltage (cell) relative to the current density (1.0 A / m 2 ) generated by the fuel cell Voltage) and the resistance of the fuel cell. The result is shown in FIG.

(比較例2)
図4に示すように、アノード側の触媒層を、スプレー等を用いて、第一の触媒層に対して第二の触媒層の電解質の割合を多くなるように、電解質膜の表面から、第一の触媒層と、第二の触媒層と順次積層して、膜電極接合体を製作した。なお、第一の触媒層の電解質の割合は、実施例1の触媒層のものとほぼ同じである。そして、実施例2と同じように、ガス拡散層を積層し、この積層体を1対のセパレータで挟持した。そして、実施例1と同じように、電流密度(1.0A/m)に対する燃料電池の電圧(セル電圧)と、燃料電池の抵抗(セル抵抗)とを測定した。この結果を図3に示す。
(Comparative Example 2)
As shown in FIG. 4, the anode-side catalyst layer is first sprayed from the surface of the electrolyte membrane so as to increase the ratio of the electrolyte of the second catalyst layer to the first catalyst layer using a spray or the like. The membrane electrode assembly was manufactured by sequentially laminating one catalyst layer and the second catalyst layer. The ratio of the electrolyte in the first catalyst layer is almost the same as that in the catalyst layer of Example 1. Then, as in Example 2, gas diffusion layers were laminated, and this laminate was sandwiched between a pair of separators. Then, in the same manner as in Example 1, the fuel cell voltage (cell voltage) and the fuel cell resistance (cell resistance) with respect to the current density (1.0 A / m 2 ) were measured. The result is shown in FIG.

[結果及び考察]
実施例2のセル電圧は、比較例2のものに比べて、高くなった。このことから、実施例2の燃料電池は、比較例2のものに比べて、活性化過電圧の低減が図れていることを確認することができた。
[Results and discussion]
The cell voltage in Example 2 was higher than that in Comparative Example 2. From this, it was confirmed that the fuel cell of Example 2 was able to reduce the activation overvoltage as compared with that of Comparative Example 2.

さらに、実施例2の燃料電池セルの抵抗は、比較例2のものよりも低かった。このことから、実施例2の燃料電池は、比較例2のものに比べて、抵抗過電圧の低減を図れていることを確認することができた。   Furthermore, the resistance of the fuel cell of Example 2 was lower than that of Comparative Example 2. From this, it was confirmed that the fuel cell of Example 2 was able to reduce the resistance overvoltage as compared with that of Comparative Example 2.

これは、実施例2の場合には、膜電極接合体のアノード側の触媒層にヘリウムイオンを注入することにより、アノード側の触媒層が親水化され、保水性が向上し、さらには、アノード側からカソード側への水分が移動する逆拡散が促進され、これにより、燃料電池の発電特性が向上したと考えられる。また、比較例2の場合には、スプレーにより第二の触媒層を積層時に、第一の触媒層の表面の多孔質の孔を塞ぐ又は孔径が減少したことにより、ガス拡散性が低下してしまい、この結果、実施例2のものに比べて、燃料電池の発電特性が低下したものと考えられる。   In the case of Example 2, by injecting helium ions into the anode-side catalyst layer of the membrane electrode assembly, the anode-side catalyst layer is hydrophilized, and the water retention is improved. It is considered that the reverse diffusion in which moisture moves from the cathode side to the cathode side is promoted, thereby improving the power generation characteristics of the fuel cell. Further, in the case of Comparative Example 2, the gas diffusibility is lowered by closing the porous pores on the surface of the first catalyst layer or reducing the pore diameter when the second catalyst layer is laminated by spraying. Therefore, as a result, it is considered that the power generation characteristics of the fuel cell are lowered as compared with those of Example 2.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。   As mentioned above, although embodiment of this invention has been explained in full detail using drawing, a concrete structure is not limited to this embodiment, Even if there is a design change in the range which does not deviate from the gist of the present invention. These are included in the present invention.

本実施形態では、スプレーにより触媒を吹き付けることにより触媒層を形成したが、電解質膜に触媒層を接合することができるのであれば、例えば、バッキングシートに触媒層を配置し、該触媒層を電解質層に、冶具又はコートダイなどを用いることにより加熱及び加圧により転写することにより、接合させてもよい。   In the present embodiment, the catalyst layer is formed by spraying the catalyst by spraying. However, if the catalyst layer can be joined to the electrolyte membrane, for example, the catalyst layer is disposed on a backing sheet, and the catalyst layer is used as the electrolyte. The layers may be joined by transferring them by heating and pressing using a jig or a coating die.

本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を説明するための図であり、(a)は、電解質膜の表面に触媒層を形成する工程であり、(b)触媒層の表面に希ガスイオンを注入する工程を示した図であり、(c)は、注入後の膜電極接合体を説明するための図。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention, (a) is a process of forming a catalyst layer in the surface of an electrolyte membrane, (b) On the surface of a catalyst layer It is the figure which showed the process of inject | pouring rare gas ion, (c) is a figure for demonstrating the membrane electrode assembly after implantation. 実施例1及び比較例1に係る膜電極接合体の水蒸気の相対圧と水蒸気吸着量の関係を示した図。The figure which showed the relationship between the relative pressure of the water vapor | steam of the membrane electrode assembly which concerns on Example 1, and Comparative Example 1, and the water vapor | steam adsorption amount. 実施例2及び比較例2に係る燃料電池を発電させたときのセル電圧とセル抵抗の結果を示した図。The figure which showed the result of the cell voltage and cell resistance when the fuel cell which concerns on Example 2 and Comparative Example 2 was made to generate electric power. 従来の膜電極接合体を説明するための図。The figure for demonstrating the conventional membrane electrode assembly. 固体高分子型燃料電池(単セル)の一例を説明する模式図。The schematic diagram explaining an example of a polymer electrolyte fuel cell (single cell).

符号の説明Explanation of symbols

1:膜電極接合体、10:電解質膜、21:アノード触媒層、22:カソード触媒層、21a:親水化処理された表面層   1: membrane electrode assembly, 10: electrolyte membrane, 21: anode catalyst layer, 22: cathode catalyst layer, 21a: hydrophilized surface layer

Claims (3)

電解質樹脂を含む電解質膜と、該電解質膜の表面に接合された触媒層と、を少なくとも含む、膜電極接合体を製造するための方法であって、
前記製造方法は、前記触媒層の表面に対して、希ガスイオンを注入することにより、前記触媒層の表面層を親水化する工程を少なくとも含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly, comprising at least an electrolyte membrane containing an electrolyte resin and a catalyst layer bonded to the surface of the electrolyte membrane,
The manufacturing method includes at least a step of hydrophilizing the surface layer of the catalyst layer by injecting rare gas ions into the surface of the catalyst layer.
前記親水化工程において、親水化する触媒層の表面層は、アノード側の触媒層の表面層であることを特徴とする請求項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 surface layer of the catalyst layer to be hydrophilized in the hydrophilization step is a surface layer of a catalyst layer on the anode side. 前記希ガスイオンは、ヘリウムイオン又はネオンイオンであることを特徴とする請求項1又は2に記載の膜電極接合体の製造方法。   The method of manufacturing a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the rare gas ions are helium ions or neon ions.
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