JP2010251033A - Method of manufacturing membrane-catalyst assembly, membrane-catalyst assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池を構成する膜・触媒接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a membrane / catalyst assembly constituting a fuel cell.
燃料電池として、電解質膜と電解質膜の両面に形成された触媒層とを有する燃料電池が用いられている。このような燃料電池の製造方法として、ガス拡散層上に形成され電解質膜の水分を調整するための多孔質層に触媒層を形成し、触媒層が形成された部材を電解質膜と接合する方法が知られている。この製造方法では、多孔質層に触媒層を形成するために、触媒層の原料である触媒インクが多孔質層に塗布される。触媒インクを多孔質層に塗布する際、塗布された触媒インクが多孔質層に浸透し、触媒層を形成するための触媒インクの量が増加する。そこで、多孔質層上に触媒層を塗布しない燃料電池の製造方法として、フィルム上に触媒層を形成し、形成された触媒層を電解質膜に転写して電解質膜の両面に触媒層を形成するデカール法が提案されている。このデカール法によれば、触媒インクがフィルム上に塗布されるので、より少ない量の触媒インクで触媒層を形成することができる。 As a fuel cell, a fuel cell having an electrolyte membrane and a catalyst layer formed on both surfaces of the electrolyte membrane is used. As a method for producing such a fuel cell, a method is provided in which a catalyst layer is formed on a porous layer formed on a gas diffusion layer for adjusting the moisture of the electrolyte membrane, and a member on which the catalyst layer is formed is joined to the electrolyte membrane. It has been known. In this manufacturing method, in order to form a catalyst layer in the porous layer, a catalyst ink that is a raw material of the catalyst layer is applied to the porous layer. When the catalyst ink is applied to the porous layer, the applied catalyst ink penetrates into the porous layer, and the amount of the catalyst ink for forming the catalyst layer increases. Therefore, as a method for manufacturing a fuel cell in which a catalyst layer is not applied on a porous layer, a catalyst layer is formed on a film, and the formed catalyst layer is transferred to an electrolyte membrane to form catalyst layers on both sides of the electrolyte membrane. Decal methods have been proposed. According to this decurling method, since the catalyst ink is applied onto the film, the catalyst layer can be formed with a smaller amount of the catalyst ink.
しかしながら、デカール法を用いて形成された膜・触媒接合体では、触媒インクを乾燥させる際に、触媒インクに含まれる電解質材料がフィルム側に偏在する可能性がある。このような電解質材料の偏在が発生すると、燃料電池に供給されたガスの触媒層内での拡散が阻害され、燃料電池の特性が低下する虞がある。 However, in the membrane / catalyst assembly formed using the decal method, when the catalyst ink is dried, the electrolyte material contained in the catalyst ink may be unevenly distributed on the film side. When such uneven distribution of the electrolyte material occurs, diffusion of the gas supplied to the fuel cell in the catalyst layer may be hindered, and the characteristics of the fuel cell may be deteriorated.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、触媒インクの使用量を低減しつつ燃料電池の特性低下を抑制することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to suppress deterioration in characteristics of a fuel cell while reducing the amount of catalyst ink used.
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 In order to solve at least a part of the above problems, the present invention can be realized as the following forms or application examples.
[適用例1]
所定の厚さの電解質膜と前記電解質膜の両面に形成された触媒層とを有する膜・触媒接合体の製造方法であって、前記所定の厚さよりも薄い第1の電解質膜の一方の面に前記触媒層を形成し、前記所定の厚さから前記第1の電解質膜の厚さを減じた厚さを有する第2の電解質膜の一方の面に前記触媒層を形成し、前記第1の電解質膜と前記第2の電解質膜とを接合する膜・触媒接合体の製造方法。
[Application Example 1]
A method of manufacturing a membrane / catalyst assembly having an electrolyte membrane having a predetermined thickness and a catalyst layer formed on both surfaces of the electrolyte membrane, wherein one surface of the first electrolyte membrane is thinner than the predetermined thickness And forming the catalyst layer on one surface of a second electrolyte membrane having a thickness obtained by subtracting the thickness of the first electrolyte membrane from the predetermined thickness. A method for producing a membrane / catalyst assembly in which the electrolyte membrane is joined to the second electrolyte membrane.
この適用例では、触媒層は触媒インクを電解質膜に塗布することにより形成される。電解質膜には、触媒インクが浸透しないので、より少ない量の触媒インクで触媒層を形成することができる。また、触媒インクを乾燥させる際に電解質材料の偏在が発生しても、電解質材料は電解質膜側に偏在するため、触媒層内でのガスの拡散性が維持され、燃料電池の特性の低下が抑制される。 In this application example, the catalyst layer is formed by applying catalyst ink to the electrolyte membrane. Since the catalyst ink does not penetrate into the electrolyte membrane, the catalyst layer can be formed with a smaller amount of the catalyst ink. Even when the electrolyte material is unevenly distributed when the catalyst ink is dried, the electrolyte material is unevenly distributed on the electrolyte membrane side, so that the gas diffusibility in the catalyst layer is maintained, and the characteristics of the fuel cell are deteriorated. It is suppressed.
[適用例2]
適用例1記載の膜・触媒接合体の製造方法であって、前記第1と第2の電解質膜は、それぞれ、基材上に形成されており、前記触媒層は、前記基材とは反対側の面に前記触媒インクを塗布することにより形成される膜・触媒接合体の製造方法。
[Application Example 2]
The method for producing a membrane / catalyst assembly according to Application Example 1, wherein each of the first and second electrolyte membranes is formed on a substrate, and the catalyst layer is opposite to the substrate. A method for producing a membrane / catalyst assembly formed by applying the catalyst ink to a side surface.
この適用例では、基材上に形成された電解質膜の基材とは反対側の面に触媒インクが塗布される。そのため、触媒インクの塗布の際に、電解質膜を基材により支持することができるので、触媒インクによる電解質膜の膨潤・収縮が抑制でき、触媒インクの塗布による触媒層の形成がより容易となる。 In this application example, the catalyst ink is applied to the surface of the electrolyte membrane formed on the substrate opposite to the substrate. Therefore, since the electrolyte membrane can be supported by the base material when the catalyst ink is applied, the swelling and shrinkage of the electrolyte membrane due to the catalyst ink can be suppressed, and the formation of the catalyst layer by applying the catalyst ink becomes easier. .
[適用例3]
前記基材は、可撓性を有する適用例2記載の膜・触媒接合体の製造方法。
[Application Example 3]
The method for producing a membrane / catalyst assembly according to Application Example 2, wherein the substrate has flexibility.
基材が可撓性を有することにより、電解質膜が形成された基材と、電解質膜および触媒層が形成された基材とをロールに巻き取ることが可能となる。そのため、ロール・ツー・ロール法を用いて、触媒層が形成された電解質膜の量産性をより高くすることができる。 When the base material has flexibility, the base material on which the electrolyte membrane is formed and the base material on which the electrolyte membrane and the catalyst layer are formed can be wound on a roll. Therefore, the mass productivity of the electrolyte membrane in which the catalyst layer is formed can be further increased by using the roll-to-roll method.
[適用例4]
前記第1と第2の電解質膜の厚さは、前記所定の厚さの1/2である適用例1ないし3のいずれか記載の膜・触媒接合体の製造方法。
[Application Example 4]
4. The method of manufacturing a membrane / catalyst assembly according to any one of application examples 1 to 3, wherein the thickness of the first and second electrolyte membranes is ½ of the predetermined thickness.
第1と第2の電解質膜の厚さを所定の厚さの1/2とすることにより、同一の工程で、第1と第2の電解質膜への触媒層の形成を行うことができる。そのため、膜・触媒接合体の量産性をより高くすることができる。 By setting the thickness of the first and second electrolyte membranes to ½ of the predetermined thickness, the catalyst layers can be formed on the first and second electrolyte membranes in the same process. Therefore, the mass productivity of the membrane / catalyst assembly can be further increased.
[適用例5]
適用例1ないし4のいずれか記載の膜・触媒接合体の製造方法であって、さらに、前記膜・触媒接合体の前記触媒層の外縁に保護フィルムを設ける膜・触媒接合体の製造方法。
[Application Example 5]
5. The method for producing a membrane / catalyst assembly according to any one of Application Examples 1 to 4, further comprising providing a protective film on an outer edge of the catalyst layer of the membrane / catalyst assembly.
触媒層の外縁に保護フィルムを設けることにより、膜・触媒接合体の強度を高くすることができる。 By providing a protective film on the outer edge of the catalyst layer, the strength of the membrane / catalyst assembly can be increased.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、膜・触媒接合体の製造方法、その製造方法を用いて製造された膜・触媒接合体、その膜・触媒接合体を有する燃料電池や燃料電池システム、それらの燃料電池や燃料電池システムを有する車両等の態様で実現することができる。 The present invention can be realized in various modes. For example, a method for manufacturing a membrane / catalyst assembly, a membrane / catalyst assembly manufactured using the manufacturing method, and the membrane / catalyst assembly It can implement | achieve in aspects, such as a fuel cell and fuel cell system which have these, and a vehicle etc. which have those fuel cells and fuel cell system.
A.第1実施例:
A1.燃料電池の構成:
図1は、本発明を適用する燃料電池100の構成を示す断面模式図である。燃料電池100は、膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)120をセパレータ130,140で挟持した構成となっている。膜・電極接合体120は、電解質膜112の両面に触媒層114,116が形成された膜・触媒接合体(CCM:Catalyst Coated Membrane)110の両面を、多孔質層122,124と、ガス拡散層126,128とで挟持することにより形成されている。なお、燃料電池としては、図1に示す燃料電池100を複数積層した構成とすることもできる。
A. First embodiment:
A1. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a
電解質膜112は、ナフィオン(デュポン社の商標)などのフッ素系樹脂材料で形成されており、湿潤状態において良好な導電性を有するプロトン伝導性のイオン交換膜である。触媒層114,116は、電解質材料と、触媒を担持した坦体粒子と、を含んでいる。第1実施例の触媒層114,116は、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜112を構成する高分子電解質と同質の電解質(ナフィオン等)とを含んでいる。
The
多孔質層122,124は、カーボン粒子と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE:Polytetrafluoroethylene)等の撥水性樹脂からなる樹脂粒子により形成されている。多孔質層122,124は、ガス透過性と導電性とを有している。撥水性樹脂を含む多孔質層122,124は、膜・触媒接合体110の水分を適正域に保つとともに、膜・触媒接合体110からの過剰な水分の排出を促進する。
The
ガス拡散層126,128は、導電性の多孔体であり、それぞれ、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスの流路となる。ガス拡散層126,128は、カーボンペーパやカーボンフェルトのような多孔質カーボン材料や、発泡金属などの種々の多孔質材料で形成することが可能である。
The
セパレータ130,140は、ガス不透性と導電性とを有する部材である。セパレータ130,140は、圧縮カーボン、チタン合金、ステンレス鋼等の種々の材料で形成することが可能である。第1実施例のセパレータ130,140は、内部にガス拡散層126,128に燃料ガスや酸化ガスを供給するための連絡通路(図示しない)が形成された平板状の部材である。
The
A2.膜・触媒接合体の製造工程:
図2は、膜・触媒接合体110の製造工程を示す工程図である。第1実施例の膜・触媒接合体110の製造工程では、まず、図2(a)に示すように、厚さが電解質膜112の1/2の電解質膜HM(以下、「半厚電解質膜HM」とも呼ぶ)をキャリアフィルムCF上に形成する。次いで、図2(b)に 示すように、キャリアフィルムCF上に形成された半厚電解質膜HM上に、膜・触媒接合体110の触媒層114,116となる触媒層CLを形成する。
A2. Manufacturing process of membrane / catalyst assembly:
FIG. 2 is a process diagram showing a manufacturing process of the membrane /
図3は、半厚電解質膜HM上に触媒層CLを形成するための触媒層塗工装置500の構成を示す説明図である。触媒層塗工装置500は、半厚電解質膜HMが形成されたキャリアフィルムCF(以下、「原料フィルムFU」とも呼ぶ)を巻き取っている原料ロール510と、触媒層CLを形成するための塗工ロール520と、半厚電解質膜HMと触媒層CLとが形成されたキャリアフィルムCF(以下、「塗工済フィルムFP」とも呼ぶ)を巻き取る塗工済ロール530と、塗工ロール520の円周付近に設けられたダイ540とを有している。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a catalyst
塗工ロール520には、半厚電解質膜HMが外周側となるように、原料ロール510から供給される原料フィルムFUが吸着されている。原料フィルムFUの吸着は、例えば、塗工ロール520の外周面から内部に向かって設けられた吸着孔(図示しない)の内部を減圧するか、あるいは、塗工ロール520を帯電させることにより行うことができる。
The raw material film FU supplied from the
ダイ540は、原料フィルムFUに塗布される触媒インクを、塗工ロール520に吸着された原料フィルムFUの半厚電解質膜HM上に塗布する。具体的には、加圧した触媒インクをダイ540に供給する。ダイ540に供給された触媒インクは、ダイリップ542から吐出され、塗工ロール520に吸着された原料フィルムFUに触媒インクが塗布される。なお、触媒インクとしては、例えば、坦体粒子と電解質材料とを、水とアルコール(例えば、エタノール)との混合溶媒中に分散した分散液を用いることができる。
The
原料フィルムFUに塗布された触媒インクは、塗工ロール520から塗工済ロール530までの移動過程で乾燥し、触媒層CLを形成する。このように、触媒層CLが形成された塗工済フィルムFPは、塗工済ロール530に巻き取られる。なお、このように、原料ロール510に巻き取られた原料フィルムに加工を施し、加工済のフィルムを別のロールに巻き取る加工方法は、「ロール・ツー・ロール法」と呼ばれる。このロール・ツー・ロール法によれば、フィルム状の材料に加工を施すことがより容易となり、加工済フィルム(第1実施例では、塗工済フィルムFP)の量産性が高くなる。
The catalyst ink applied to the raw material film FU is dried during the movement from the
なお、第1実施例では、原料フィルムFUの半厚電解質膜HM上にダイ540を用いて触媒インクを塗布するダイ塗工により触媒層CLを形成しているが、他の方法により触媒層CLを形成することも可能である。例えば、触媒インクを噴霧するスプレイ塗工により触媒層CLを形成することもでき、また、ドクターブレードを用いて触媒インクを塗布することにより触媒層CLを形成することもできる。
In the first embodiment, the catalyst layer CL is formed on the half-thick electrolyte membrane HM of the raw material film FU by die coating using a
このように形成された塗工済フィルムからは、図2(c)に示すように、キャリアフィルムCFが剥離される。そして、図2(d)に示すように、触媒層CLが形成された半厚電解質膜HMは、半厚電解質膜HM側を合わせるようにして接合され、膜・触媒接合体110が形成される。2つの半厚電解質膜HMの接合は、所定の温度に加熱した状態で、触媒層CL側から圧力を加える熱圧プレスにより行うことができる。なお、熱圧プレスの温度は、電解質材料の特性に応じて決定される。熱圧プレスの温度は、例えば、電解質材料の結晶化温度に基づいて決定することも可能であり、実験的に決定することも可能である。
As shown in FIG. 2C, the carrier film CF is peeled from the coated film thus formed. Then, as shown in FIG. 2D, the half-thick electrolyte membrane HM on which the catalyst layer CL is formed is joined so that the half-thick electrolyte membrane HM side is aligned, and the membrane /
A3.膜・電極接合体の製造工程:
図4は、膜・電極接合体120(図1)の製造工程を示す工程図である。膜・電極接合体の製造工程では、まず、図4(a)に示すように、膜・電極接合体120のガス拡散層126,128となるガス拡散層GDLを準備する。次いで、準備したガス拡散層GDL上に、カーボン粒子と樹脂粒子とを分散したインクを塗布して焼成する。これにより、図4(b)に示すように、ガス拡散層GDL上に膜・電極接合体120の多孔質層122,124となる多孔質層MPLが形成される。
A3. Manufacturing process of membrane / electrode assembly:
FIG. 4 is a process diagram showing a manufacturing process of the membrane-electrode assembly 120 (FIG. 1). In the manufacturing process of the membrane / electrode assembly, first, as shown in FIG. 4A, a gas diffusion layer GDL to be the gas diffusion layers 126 and 128 of the membrane /
図4(c)は、図3の製造工程で製造された膜・触媒接合体110を示している。この膜・触媒接合体110を、図4(d)に示すように、多孔質層MPLが形成されたガス拡散層GDLで挟み込むことにより、図4(e)に示すように、膜・電極接合体120が形成される。
FIG. 4C shows the membrane /
A4.比較例1:
図5は、膜・電極接合体120の製造工程の比較例を示す工程図である。この比較例では、図4に示す第1実施例の膜・電極接合体120の製造工程と同様に、図5(a)および図5(b)に示すように、ガス拡散層GDLが準備され、準備されたガス拡散層GDL上に多孔質層MPLが形成される。
A4. Comparative Example 1:
FIG. 5 is a process diagram showing a comparative example of the manufacturing process of the membrane /
次いで、図5(c)に示すように、多孔質層MPL上に触媒層CLが形成される。触媒層CLと多孔質層MPLとが形成されたガス拡散層GDLは、図5(e)に示すように、予め準備された電解質膜112(図5(d))と接合され、膜・電極接合体120が形成される。
Next, as shown in FIG. 5C, the catalyst layer CL is formed on the porous layer MPL. The gas diffusion layer GDL in which the catalyst layer CL and the porous layer MPL are formed is joined to the electrolyte membrane 112 (FIG. 5D) prepared in advance as shown in FIG. A joined
図5の比較例では、多孔質層MPL上に触媒層CLが形成される。触媒層CLの形成は、第1実施例と同様に触媒インクを塗布し、塗布した触媒インクを乾燥させることにより行われる。この触媒インクの塗布の段階で、触媒インクが多孔質層MPLに染み込む。そのため、半厚電解質膜HM上に触媒インクを塗布する第1実施例よりも、触媒層CLの形成に要する触媒インクの使用量が増加する。 In the comparative example of FIG. 5, the catalyst layer CL is formed on the porous layer MPL. Formation of the catalyst layer CL is performed by applying the catalyst ink and drying the applied catalyst ink in the same manner as in the first embodiment. At the application stage of the catalyst ink, the catalyst ink soaks into the porous layer MPL. Therefore, the amount of the catalyst ink used for forming the catalyst layer CL is increased as compared with the first embodiment in which the catalyst ink is applied onto the half-thick electrolyte membrane HM.
また、図5の比較例において、多孔質層MPLおよび触媒層CLが形成されるガス拡散層GDLを多孔質カーボン材料で形成した場合、ガス拡散層GDLが脆くなり、ガス拡散層GDLをロール状とすることが困難となる。そのため、第1実施例のようなロール・ツー・ロール法を用いることが困難となり、第1実施例よりも量産性が低くなる。 In the comparative example of FIG. 5, when the gas diffusion layer GDL in which the porous layer MPL and the catalyst layer CL are formed is formed of a porous carbon material, the gas diffusion layer GDL becomes brittle and the gas diffusion layer GDL is rolled. It becomes difficult to do. Therefore, it becomes difficult to use the roll-to-roll method as in the first embodiment, and the mass productivity is lower than that in the first embodiment.
A5.比較例2:
図6は、膜・触媒接合体110の製造工程の比較例を示す工程図である。この比較例では、電解質膜112の両面に触媒層CLを転写する転写法により膜・触媒接合体110が形成される。
A5. Comparative Example 2:
FIG. 6 is a process diagram showing a comparative example of the manufacturing process of the membrane /
この比較例では、図6(a)および図6(b)に示すように、触媒層CLを形成するためのキャリアフィルムCFCと、電解質膜112を形成するためのキャリアフィルムCFMとが準備される。次いで、図6(c)および図6(d)に示すように、キャリアフィルムCFC,CFM上には、それぞれ触媒層CLと電解質膜112とが形成される。触媒層CLの形成は、キャリアフィルムCFC上に触媒インクを塗布し、塗布した触媒インクを乾燥させることにより行われる。電解質膜112の形成は、キャリアフィルムCFM上に電解質溶液を塗布し、塗布した電解質溶液を乾燥させることにより行われる。
In this comparative example, as shown in FIG. 6A and FIG. 6B, a carrier film CFC for forming the catalyst layer CL and a carrier film CFM for forming the
キャリアフィルムCFC上に形成された触媒層CLは、図6(e)に示すように、キャリアフィルムCFM(図6(d))から剥離された電解質膜112に転写され、膜・触媒接合体110が形成される(図6(f))。このとき、触媒層CLは、キャリアフィルムCFCとは反対側の面から、電解質膜112に接合される。
As shown in FIG. 6E, the catalyst layer CL formed on the carrier film CFC is transferred to the
上述のように、図6の比較例では、キャリアフィルムCFC上に塗布された触媒インクを乾燥させることにより、触媒層CLが形成される。この触媒インクの乾燥段階では、触媒インク中の水やアルコールが蒸発することにより、触媒インクの液面がキャリアフィルムCFC側に移動する。そのため、触媒インクの乾燥条件等によっては、触媒インク中の坦体粒子や電解質材料がキャリアフィルムCFC側に集まる偏在化が発生する。 As described above, in the comparative example of FIG. 6, the catalyst layer CL is formed by drying the catalyst ink applied on the carrier film CFC. In the drying stage of the catalyst ink, the liquid level of the catalyst ink moves to the carrier film CFC side by evaporating water and alcohol in the catalyst ink. For this reason, depending on the drying conditions of the catalyst ink, the carrier particles and the electrolyte material in the catalyst ink are unevenly distributed on the carrier film CFC side.
偏在化により触媒層CLの電解質膜112とは反対側(すなわち、図1における多孔質層122,124側)の電解質材料が多くなると、触媒層CLにおけるガスの拡散が阻害される。このように、触媒層CLにおけるガスの拡散が阻害されると、触媒層CLに供給されたガスの反応量が低下し、燃料電池100の特性が低下する。これに対し、第1実施例では、触媒層CLは、半厚電解質膜HM上に形成されるので、偏在化が発生しても、坦体粒子や電解質材料は電解質膜112側において多くなる。そのため、触媒層CLにおけるガスの拡散性を十分に高く維持することができ、燃料電池100の特性の低下が抑制される。
If the electrolyte material on the side opposite to the
また、膜・触媒接合体110を形成するために用いられるキャリアフィルムは、第1実施例では、半厚電解質膜HM上を形成するための2枚のキャリアフィルムCFで済むのに対し、図6の比較例では、触媒層CLを形成するための2枚のキャリアフィルムCFCと、電解質膜112を形成するための1枚のキャリアフィルムCFMとが必要となる。
In addition, the carrier film used for forming the membrane /
A6.第1実施例の効果:
第1実施例では、半厚電解質膜HMをキャリアフィルムCF上に形成し、キャリアフィルムCF上に形成された半厚電解質膜HM上に触媒インクを塗布することにより触媒層CLを形成する。そして、触媒層CLが形成された半厚電解質膜HMどうしを接合することにより、膜・触媒接合体110が形成される。
A6. Effects of the first embodiment:
In the first embodiment, the catalyst layer CL is formed by forming the half-thick electrolyte film HM on the carrier film CF and applying the catalyst ink on the half-thick electrolyte film HM formed on the carrier film CF. The membrane /
このように、第1実施例では、触媒層CLの形成のための触媒インクの塗布は、キャリアフィルムCF上に形成された半厚電解質膜HM上に行われる。そのため、電解質膜112そのものに触媒インクを塗布した場合に生じる触媒インクの溶媒による電解質膜の膨潤・収縮が抑制され、量産性の高いロール・ツー・ロール法により触媒層CLを形成することが可能となる。また、半厚電解質膜HM上に触媒インクを塗布することにより形成された触媒層CLは、半厚電解質膜HMとの密着性が高いため、膜・触媒接合体110におけるプロトンの伝導性が高くなる。そのため、膜・触媒接合体110の製造に第1実施例を適用することにより、燃料電池100の特性が向上する。さらに、電解質膜112そのものに触媒インクを塗布しない製造方法と比較して、量産性を高く維持するとともに、燃料電池100の特性の低下を抑制することが可能となる。
Thus, in the first embodiment, the application of the catalyst ink for forming the catalyst layer CL is performed on the half-thick electrolyte membrane HM formed on the carrier film CF. Therefore, the swelling / shrinkage of the electrolyte membrane due to the catalyst ink solvent generated when the catalyst ink is applied to the
なお、第1実施例では、キャリアフィルムCF上に形成された半厚電解質膜HMの厚さを電解質膜112の1/2の厚さとしている。そのため、図2(c)および図2(d)に示すように、電解質膜どうしの接合は、半厚電解質膜HM上に触媒層CLが形成された同一の構成の膜を接合することにより行われる。しかしながら、接合される電解質膜の厚さは、接合されることにより所定の厚さの電解質膜112が形成されればよく、必ずしも電解質膜112の厚さの1/2でなくともよい。例えば、一方の電解質膜の厚さを電解質膜112の厚さの1/3とし、他方の電解質膜の厚さを電解質膜112の厚さの2/3としてもよい。但し、同一構成の膜を接合することにより量産による生産効率の向上が図れるので、キャリアフィルムCF上に形成される電解質膜の厚さを電解質膜112の1/2の厚さとするのがより好ましい。
In the first embodiment, the thickness of the half-thick electrolyte membrane HM formed on the carrier film CF is set to 1/2 the thickness of the
第1実施例では、可撓性のキャリアフィルムCF上に半厚電解質膜HMと触媒層CLとを形成しているが、樹脂製や金属製の板材など可撓性を有しない基材上に半厚電解質膜HMと触媒層CLとを形成するものとしてもよい。このようにしても、触媒インクの溶媒による電解質膜の膨潤・収縮が抑制され、触媒インクの塗布がより容易となる。但し、量産性の高いロール・ツー・ロール法を用いることができる点で、キャリアフィルムCFのように可撓性を有する基材を用いるのがより好ましい。 In the first embodiment, the semi-thick electrolyte membrane HM and the catalyst layer CL are formed on the flexible carrier film CF, but on a non-flexible substrate such as a resin or metal plate. The semi-thick electrolyte membrane HM and the catalyst layer CL may be formed. Even in this case, the swelling and shrinkage of the electrolyte membrane due to the solvent of the catalyst ink is suppressed, and the application of the catalyst ink becomes easier. However, it is more preferable to use a flexible base material such as the carrier film CF in that a roll-to-roll method with high mass productivity can be used.
また、基材を用いずに半厚電解質膜HMそのものに触媒インクを塗布して触媒層CLを形成することも可能である。この場合、電解質膜の膨潤・収縮を抑制するため、触媒層CLの形成は、触媒インクを複数回に分けて積層する方法や、高粘度の触媒インクを塗布する方法により行われる。触媒インクを複数回に分けて積層する場合には、触媒層CLの形成に要する時間が増加し、高粘度の触媒インクを塗布する場合には、触媒インクを均一に塗布することが困難となる。そのため、基材上に形成された半厚電解質膜HM上に触媒インクを塗布して触媒層CLを形成するのがより好ましい。 It is also possible to form the catalyst layer CL by applying a catalyst ink to the half-thick electrolyte membrane HM itself without using a substrate. In this case, in order to suppress the swelling / shrinkage of the electrolyte membrane, the catalyst layer CL is formed by a method of laminating the catalyst ink in a plurality of times or a method of applying a high-viscosity catalyst ink. When the catalyst ink is laminated in a plurality of times, the time required for forming the catalyst layer CL increases, and when applying a highly viscous catalyst ink, it becomes difficult to apply the catalyst ink uniformly. . Therefore, it is more preferable to apply the catalyst ink on the half-thick electrolyte membrane HM formed on the substrate to form the catalyst layer CL.
B.第2実施例:
図7は、第2実施例の膜・触媒接合体110aを示す断面模式図である。第2実施例の膜・触媒接合体110aは、触媒層CLの周囲に保護フィルムPFが設けられている点で、第1実施例の膜・触媒接合体110と異なっている。他の点は、第1実施例と同様である。
B. Second embodiment:
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the membrane /
保護フィルムPFは、触媒層CLとほぼ同じ大きさの孔が設けられた枠状のフィルムである。この保護フィルムPFは、半厚電解質膜HMどうしを熱圧プレスにより接合する際、あるいは、半厚電解質膜HMどうしを熱圧プレスにより接合した後、取り付けられる。 The protective film PF is a frame-like film provided with holes having almost the same size as the catalyst layer CL. This protective film PF is attached when the half-thick electrolyte membranes HM are joined by hot-pressing or after joining the half-thick electrolyte membranes HM by hot-pressing.
第2実施例の膜・触媒接合体110aは、保護フィルムPFを設けることにより、膜・触媒接合体110aの強度を高くすることができ、形成された膜・触媒接合体110aの破損を抑制することが可能となる。また、保護フィルムPFを触媒層CLの周囲に配置することにより、触媒層CLどうしが短絡することを抑制することが可能となる。
The membrane /
100…燃料電池
110,110a…膜・触媒接合体
112…電解質膜
114,116…触媒層
120…膜・電極接合体
122,124…多孔質層
126,128…ガス拡散層
130,140…セパレータ
500…触媒層塗工装置
510…原料ロール
520…塗工ロール
530…塗工済ロール
540…ダイ
542…ダイリップ
CF,CFC,CFM…キャリアフィルム
CL…触媒層
FP…塗工済フィルム
FU…原料フィルム
GDL…ガス拡散層
HM…半厚電解質膜
MPL…多孔質層
PF…保護フィルム
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記所定の厚さよりも薄い第1の電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布することにより前記触媒層を形成し、
前記所定の厚さから前記第1の電解質膜の厚さを減じた厚さを有する第2の電解質膜の一方の面に前記触媒インクを塗布することにより前記触媒層を形成し、
前記第1の電解質膜と前記第2の電解質膜とを接合する
膜・触媒接合体の製造方法。 A method for producing a membrane / catalyst assembly having an electrolyte membrane having a predetermined thickness and a catalyst layer formed on both surfaces of the electrolyte membrane,
Forming the catalyst layer by applying a catalyst ink on one surface of the first electrolyte membrane thinner than the predetermined thickness;
Forming the catalyst layer by applying the catalyst ink on one surface of a second electrolyte membrane having a thickness obtained by subtracting the thickness of the first electrolyte membrane from the predetermined thickness;
A method for producing a membrane / catalyst assembly, wherein the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane are joined.
前記第1と第2の電解質膜は、それぞれ、基材上に形成されており、
前記触媒層は、前記基材とは反対側の面に前記触媒インクを塗布することにより形成される
膜・触媒接合体の製造方法。 A method for producing a membrane-catalyst assembly according to claim 1,
Each of the first and second electrolyte membranes is formed on a substrate,
The said catalyst layer is formed by apply | coating the said catalyst ink to the surface on the opposite side to the said base material. The manufacturing method of a film | membrane and catalyst assembly.
前記膜・触媒接合体の前記触媒層の外縁に保護フィルムを設ける
膜・触媒接合体の製造方法。 A method for producing a membrane / catalyst assembly according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A method for producing a membrane / catalyst assembly, wherein a protective film is provided on an outer edge of the catalyst layer of the membrane / catalyst assembly.
所定の厚さの電解質膜と
前記電解質膜の両面に形成された触媒層と
を備え、
前記膜・触媒接合体は、
前記所定の厚さよりも薄い第1の電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布することにより前記触媒層を形成し、
前記所定の厚さから前記第1の電解質膜の厚さを減じた厚さを有する第2の電解質膜の一方の面に前記触媒インクを塗布することにより前記触媒層を形成し、
前記第1の電解質膜と前記第2の電解質膜とを接合する
ことにより製造される
膜・触媒接合体。 A membrane-catalyst assembly,
An electrolyte membrane having a predetermined thickness; and catalyst layers formed on both sides of the electrolyte membrane,
The membrane / catalyst assembly is
Forming the catalyst layer by applying a catalyst ink on one surface of the first electrolyte membrane thinner than the predetermined thickness;
Forming the catalyst layer by applying the catalyst ink on one surface of a second electrolyte membrane having a thickness obtained by subtracting the thickness of the first electrolyte membrane from the predetermined thickness;
A membrane / catalyst assembly produced by joining the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane.
所定の厚さの電解質膜と前記電解質膜の両面に形成された触媒層とを有する膜・触媒接合体と、
前記膜・触媒接合体の一方の触媒層に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、
前記膜・触媒接合体の他方の触媒層に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と
を備え、
前記膜・触媒接合体は、
前記所定の厚さよりも薄い第1の電解質膜の一方の面に触媒インクを塗布することにより前記触媒層を形成し、
前記所定の厚さから前記第1の電解質膜の厚さを減じた厚さを有する第2の電解質膜の一方の面に前記触媒インクを塗布することにより前記触媒層を形成し、
前記第1の電解質膜と前記第2の電解質膜とを接合する
ことにより製造される
燃料電池。 A fuel cell,
A membrane / catalyst assembly having an electrolyte membrane of a predetermined thickness and a catalyst layer formed on both surfaces of the electrolyte membrane;
An oxidizing gas supply passage for supplying an oxidizing gas to one catalyst layer of the membrane-catalyst assembly;
A fuel gas supply flow path for supplying fuel gas to the other catalyst layer of the membrane-catalyst assembly,
The membrane / catalyst assembly is
Forming the catalyst layer by applying a catalyst ink on one surface of the first electrolyte membrane thinner than the predetermined thickness;
Forming the catalyst layer by applying the catalyst ink on one surface of a second electrolyte membrane having a thickness obtained by subtracting the thickness of the first electrolyte membrane from the predetermined thickness;
A fuel cell manufactured by joining the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane.
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---|---|---|---|
JP2009097609A JP2010251033A (en) | 2009-04-14 | 2009-04-14 | Method of manufacturing membrane-catalyst assembly, membrane-catalyst assembly, and fuel cell |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012069467A (en) * | 2010-09-27 | 2012-04-05 | Dainippon Printing Co Ltd | Catalyst layer-electrolyte membrane laminate with protective sheet and aggregate thereof |
JP2012216379A (en) * | 2011-03-31 | 2012-11-08 | Eneos Celltech Co Ltd | Manufacturing method of membrane electrode assembly, and manufacturing apparatus of membrane electrode assembly |
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2009
- 2009-04-14 JP JP2009097609A patent/JP2010251033A/en active Pending
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