JP2012243656A - Method for producing membrane electrode assembly, and membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法、および、膜電極接合体に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell, and a membrane electrode assembly.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、固体高分子型燃料電池には、一般に、電解質膜の両面に電極(触媒層)が形成された膜電極接合体が用いられる。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. As this fuel cell, there is a solid polymer fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte membrane. A membrane electrode assembly in which electrodes (catalyst layers) are formed on both surfaces of an electrolyte membrane is generally used for a polymer electrolyte fuel cell.
膜電極接合体は、一般に、電解質膜の両面にいわゆる触媒インクを塗工することによって製造される。触媒インクには、触媒を担持した担体(例えば、カーボン粒子)と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、これらの分散媒と、が含まれる。 A membrane electrode assembly is generally manufactured by applying a so-called catalyst ink on both surfaces of an electrolyte membrane. The catalyst ink includes a carrier carrying a catalyst (for example, carbon particles), an ionomer having proton conductivity, and a dispersion medium thereof.
ところで、従来、膜電極接合体の機械的強度を向上させるための種々の技術が提案されている。このような技術としては、電解質膜の骨格となる多孔体に電解質(アイオノマー)を含浸させることによって電解質膜を作製し、この電解質膜の両面に触媒インクを塗工することによって、膜電極接合体を製造する技術が知られている(例えば、下記特許文献1参照)。 By the way, conventionally, various techniques for improving the mechanical strength of the membrane electrode assembly have been proposed. As such a technique, an electrolyte membrane is produced by impregnating an electrolyte (ionomer) into a porous body that is a skeleton of the electrolyte membrane, and a catalyst ink is applied to both surfaces of the electrolyte membrane, whereby a membrane electrode assembly is obtained. Is known (see, for example, Patent Document 1 below).
しかし、上述した技術では、電解質膜と触媒層との接合性や、電解質膜と触媒層との間の界面抵抗について、さらなる改善の余地があった。なお、この膜電極接合体における電解質膜と触媒層との間の界面抵抗についての課題は、電解質膜に触媒インクを塗工することによって製造される膜電極接合体に共通する課題である。 However, in the above-described technique, there is room for further improvement in the bondability between the electrolyte membrane and the catalyst layer and the interface resistance between the electrolyte membrane and the catalyst layer. In addition, the subject about the interface resistance between the electrolyte membrane and catalyst layer in this membrane electrode assembly is a subject common to the membrane electrode assembly manufactured by applying catalyst ink to the electrolyte membrane.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体において、電解質膜と触媒層との間の界面抵抗を減少させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and aims to reduce the interfacial resistance between an electrolyte membrane and a catalyst layer in a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell. And
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
触媒を担持したカーボン粒子である触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む触媒インクを用意する工程と、
前記触媒インクを膜状に広げる工程と、
前記広げられた前記触媒インクの一方の面に前記触媒担持カーボンを偏在させた状態で、前記触媒インクを固化する工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法。
[Application Example 1]
A method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell,
Preparing a catalyst ink containing catalyst-supporting carbon, which is carbon particles supporting the catalyst, and an ionomer having proton conductivity;
Spreading the catalyst ink into a film;
Solidifying the catalyst ink in a state where the catalyst-supporting carbon is unevenly distributed on one surface of the spread catalyst ink;
The manufacturing method of a membrane electrode assembly provided with this.
適用例1の膜電極接合体の製造方法では、膜状に広げられた触媒インクの一方の面の触媒担持カーボンが偏って多く存在する状態で固化した部位が触媒層となり、触媒インクの他方の面の触媒担持カーボンが少ない状態で固化した部位が電解質膜(電解質層)となる。このため、電解質膜と触媒層との間には、明確な界面が形成されない。したがって、電解質膜と触媒層との間の界面抵抗を減少させることができる。 In the method for producing a membrane electrode assembly of Application Example 1, a portion solidified in a state where a large amount of catalyst-carrying carbon on one surface of the catalyst ink spread in a film shape is biased becomes a catalyst layer, and the other side of the catalyst ink The portion solidified with a small amount of catalyst-supporting carbon on the surface becomes an electrolyte membrane (electrolyte layer). For this reason, a clear interface is not formed between the electrolyte membrane and the catalyst layer. Therefore, the interface resistance between the electrolyte membrane and the catalyst layer can be reduced.
なお、適用例1の膜電極接合体の製造方法において、膜状に広げられた触媒インクの一方の面に触媒担持カーボンを偏在させる方法としては、例えば、膜状に広げられた触媒インクに含まれる触媒担持カーボンに、例えば、触媒インクの表面に対して垂直な方向に、重力や遠心力等の外力を作用させる方法が挙げられる。 In the method for manufacturing a membrane electrode assembly according to Application Example 1, as a method for unevenly distributing the catalyst-supporting carbon on one surface of the catalyst ink spread in a film shape, for example, the catalyst ink spread in a film shape includes For example, a method in which an external force such as gravity or centrifugal force is applied to the catalyst-supported carbon in a direction perpendicular to the surface of the catalyst ink.
また、適用例1、および、後述する他の適用例において、触媒担持カーボンを構成するカーボン粒子としては、種々の形状のカーボン粒子を適用可能である。このカーボン粒子としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー等が挙げられる。 In Application Example 1 and other application examples described later, carbon particles having various shapes can be applied as the carbon particles constituting the catalyst-supporting carbon. Examples of the carbon particles include carbon black, carbon nanotube, carbon nanohorn, and carbon nanofiber.
[適用例2]
固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
多孔質膜を用意する工程と、
触媒を担持したカーボン粒子である触媒担持カーボンであって、前記多孔質膜の気孔径よりもサイズが大きい触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む触媒インクを用意する工程と、
前記多孔質膜の表面に、前記触媒インクを塗工するとともに、前記触媒インクに含まれる前記アイオノマーの一部を、前記多孔質膜に含浸させる触媒インク塗工工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法。
[Application Example 2]
A method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell,
Preparing a porous membrane;
Preparing a catalyst ink comprising a catalyst-carrying carbon, which is a carbon particle carrying a catalyst, the catalyst-carrying carbon having a size larger than the pore diameter of the porous membrane, and an ionomer having proton conductivity;
Applying the catalyst ink to the surface of the porous film, and impregnating the porous film with a part of the ionomer contained in the catalyst ink; and
The manufacturing method of a membrane electrode assembly provided with this.
適用例2の膜電極接合体の製造方法では、触媒インクに含まれる触媒担持カーボンのサイズが、多孔質膜の気孔径よりも大きいので、触媒インク塗工工程において、アイオノマーの一部は、多孔質膜の細孔の内部に含浸されるが、触媒担持カーボン、および、アイオノマーの残りの一部は、多孔質膜の細孔の内部に含浸されずに、多孔質膜の表面に留まる。そして、アイオノマーが含浸された多孔質膜が、電解質膜となり、多孔質膜の表面に残存した触媒担持カーボン、および、アイオノマーが、触媒層となる。このため、電解質膜と触媒層との間には、明確な界面が形成されない。したがって、電解質膜と触媒層との間の界面抵抗を減少させることができる。 In the method for producing a membrane / electrode assembly of Application Example 2, since the size of the catalyst-supporting carbon contained in the catalyst ink is larger than the pore diameter of the porous membrane, in the catalyst ink coating process, part of the ionomer is porous. The pores of the porous membrane are impregnated, but the catalyst-supporting carbon and the remaining part of the ionomer remain on the surface of the porous membrane without being impregnated inside the pores of the porous membrane. Then, the porous membrane impregnated with the ionomer becomes an electrolyte membrane, and the catalyst-supporting carbon and the ionomer remaining on the surface of the porous membrane become the catalyst layer. For this reason, a clear interface is not formed between the electrolyte membrane and the catalyst layer. Therefore, the interface resistance between the electrolyte membrane and the catalyst layer can be reduced.
なお、多孔質膜の気孔径は、例えば、走査型電子顕微鏡や、ポロシメータ等を用いて測定することができる。また、触媒担持カーボンのサイズは、例えば、粒度分布測定装置を用いて測定することができる。ここで、触媒担持カーボンは、触媒インク中において凝集した状態で存在し、本明細書において、触媒インクに含まれる触媒担持カーボンのサイズとは、触媒インク中において凝集した触媒担持カーボンのサイズを意味している。 The pore diameter of the porous film can be measured using, for example, a scanning electron microscope or a porosimeter. The size of the catalyst-supporting carbon can be measured using, for example, a particle size distribution measuring device. Here, the catalyst-supported carbon exists in an aggregated state in the catalyst ink, and in this specification, the size of the catalyst-supported carbon contained in the catalyst ink means the size of the catalyst-supported carbon aggregated in the catalyst ink. doing.
[適用例3]
固体高分子型燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
プロトン伝導性を有するアイオノマーが多孔質膜の気孔内に含浸されてなる電解質膜と、
前記電解質膜の表面に形成された触媒層と、
を備え、
前記触媒層は、触媒を担持したカーボン粒子である触媒担持カーボンであって、前記多孔質膜の気孔径よりもサイズが大きい触媒担持カーボンを有する、
膜電極接合体。
[Application Example 3]
A membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell,
An electrolyte membrane obtained by impregnating pores of a porous membrane with an ionomer having proton conductivity;
A catalyst layer formed on the surface of the electrolyte membrane;
With
The catalyst layer is a catalyst-supporting carbon that is a carbon particle supporting a catalyst, and has a catalyst-supporting carbon having a size larger than the pore diameter of the porous membrane.
Membrane electrode assembly.
適用例5の膜電極接合体では、触媒担持カーボンが電解質膜に埋没することがなく、触媒層が電解質膜上に確実に保持される。 In the membrane / electrode assembly of Application Example 5, the catalyst-supporting carbon is not buried in the electrolyte membrane, and the catalyst layer is reliably held on the electrolyte membrane.
本発明は、上述の膜電極接合体の製造方法としての構成の他、上記製造法によって製造された膜電極接合体の発明として構成することもできる。また、上記膜電極接合体を備える膜電極ガス拡散層接合体、上記膜電極接合体または膜電極ガス拡散層接合体を備える燃料電池セル、この燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタック、この燃料電池スタックを備える燃料電池システム、この燃料電池システムを備える燃料電池車両等の移動体の発明として構成することもできる。 The present invention can be configured as an invention of a membrane electrode assembly manufactured by the above-described manufacturing method, in addition to the configuration as a manufacturing method of the membrane electrode assembly described above. Further, a membrane electrode gas diffusion layer assembly including the membrane electrode assembly, a fuel cell including the membrane electrode assembly or the membrane electrode gas diffusion layer assembly, a fuel cell stack formed by stacking a plurality of the fuel cell It can also be configured as an invention of a moving body such as a fuel cell system including this fuel cell stack and a fuel cell vehicle including this fuel cell system.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.第1実施例:
A1.膜電極接合体の構成:
図1は、本発明の第1実施例としての膜電極接合体100の構成を示す説明図である。この膜電極接合体100は、発電体として、固体高分子型燃料電池に用いられる。図示するように、膜電極接合体100は、電解質膜10と、電解質膜10の一方の表面に形成されたアノード側触媒層20aと、電解質膜10の他方の表面に形成されたカソード側触媒層20cと、を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. First embodiment:
A1. Configuration of membrane electrode assembly:
FIG. 1 is an explanatory view showing a configuration of a
A2.膜電極接合体の製造工程:
図2,3は、第1実施例の膜電極接合体100の製造工程を示す説明図である。
A2. Manufacturing process of membrane electrode assembly:
2 and 3 are explanatory views showing a manufacturing process of the
まず、電解質膜10の骨格となる多孔質膜12を用意する(ステップS100)。この多孔質膜12は、電解質膜10、膜電極接合体100の機械的強度を向上させるための補強部材として機能する。本実施例では、多孔質膜12は、フッ素樹脂であるPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)からなるものとした。
First, the
この多孔質膜12は、例えば、PTFEファインパウダー(PTFEの微粒子が凝集した粉末)のペースト押出及び圧延処理によって、テープ状の部材を作製し、この部材に対して、同時2軸延伸機によって、延伸・焼成工程を施すことによって作製される。本実施例では、多孔質膜12の気孔径は、0.1(μm)未満であり、気孔率は、約60(%)であるものとした。これらの値は、例えば、走査型電子顕微鏡や、ポロシメータ等を用いて測定することができる。なお、多孔質膜12の気孔径は、後述する触媒インクに含まれる触媒担持カーボンのサイズよりも小さくなるように設計されている。また、多孔質膜12の気孔率は、例えば、多孔質膜12に要求される機械的強度に応じて、適宜、変更される。
The
次に、2種類の触媒インクINKa,INKcを用意する(ステップS110)。触媒インクINKaは、電解質膜10の表面に、アノード側触媒層20aを形成するために用いられる。また、触媒インクINKcは、電解質膜10の表面に、カソード側触媒層20cを形成するために用いられる。
Next, two types of catalyst inks INKa and INKc are prepared (step S110). The catalyst ink INKa is used to form the anode
これらの触媒インクINKa,INKcは、それぞれ、触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、これらの分散媒(純水、および、エタノール)とを、ホモジナイザーによって混合・攪拌することによって作製される。本実施例では、触媒担持カーボンとして、白金粒子を担持したカーボンブラックを用いるものとした。そして、これらの触媒インクINKa,INKc中において、触媒担持カーボンは、凝集した状態で存在し、本実施例では、触媒インク中において凝集した触媒担持カーボンの粒子径(以下、単に「触媒担持カーボンの粒子径」と言う)は、0.1〜0.3(μm)であるものとした。つまり、触媒担持カーボンのサイズは、多孔質膜12の気孔径よりも大きい。触媒担持カーボンの粒子径は、例えば、粒度分布測定装置を用いて測定することができる。また、本実施例では、アイオノマーとして、フッ素系アイオノマーであるパーフルオロスルホン酸樹脂を用いるものとした。また、本実施例では、触媒インクINKaにおいて、アイオノマーの重量Iとカーボンブラックの重量Cとの比I/Cは、2〜10であるものとした。また、触媒インクINKcにおいて、アイオノマーの重量Iとカーボンブラックの重量Cとの比I/Cは、1.5〜5であるものとした。
These catalyst inks INKa and INKc are produced by mixing and stirring a catalyst-supporting carbon, an ionomer having proton conductivity, and a dispersion medium (pure water and ethanol) with a homogenizer. . In this example, carbon black carrying platinum particles was used as the catalyst-carrying carbon. In these catalyst inks INKa and INKc, the catalyst-carrying carbon exists in an aggregated state. In this embodiment, the particle diameter of the agglomerated catalyst-carrying carbon in the catalyst ink (hereinafter simply referred to as “catalyst-carrying carbon”). The particle diameter ”is 0.1 to 0.3 (μm). That is, the size of the catalyst-supporting carbon is larger than the pore diameter of the
次に、多孔質膜12の一方の表面に、触媒インクINKcを塗工する(ステップS120)。本実施例では、図3(a)に示したように、ダイヘッドのスリットから触媒インクINKcを吐出して、多孔質膜12の一方の表面に、触媒インクINKcをダイ塗工する。このとき、触媒インクINKcに含まれる触媒担持カーボンのサイズが、多孔質膜12の気孔径よりも大きいので、触媒インクINKcに含まれるアイオノマーの一部は、多孔質膜12の細孔の内部に含浸されるが、触媒担持カーボン、および、アイオノマーの残りの一部は、多孔質膜12の細孔の内部に含浸されずに、多孔質膜12の表面に留まる。そして、触媒インクINKcを乾燥させると、アイオノマーが含浸された多孔質膜12が、電解質膜10となり、多孔質膜12の表面に残存した触媒担持カーボン、および、アイオノマーが、カソード側触媒層20cとなる。このように、触媒インクINKcに含まれるアイオノマーの一部を多孔質膜12に含浸させることによって形成されたカソード側触媒層20cと電解質膜10との間には、明確な界面は形成されない。
Next, the catalyst ink INKc is applied to one surface of the porous film 12 (step S120). In this embodiment, as shown in FIG. 3A, the catalyst ink INKc is ejected from the slit of the die head, and the catalyst ink INKc is die-coated on one surface of the
次に、多孔質膜12の他方の表面に、触媒インクINKaを塗工する(ステップS130)。本実施例では、図3(b)に示したように、ダイヘッドのスリットから触媒インクINKaを吐出して、多孔質膜12の他方の表面に、触媒インクINKaをダイ塗工する。このとき、触媒インクINKaに含まれる触媒担持カーボンのサイズが、多孔質膜12の気孔径よりも大きいので、触媒インクINKaに含まれるアイオノマーの一部は、多孔質膜12の細孔の内部に含浸されるが、触媒担持カーボン、および、アイオノマーの残りの一部は、多孔質膜12の細孔の内部に含浸されずに、多孔質膜12の表面に留まる。そして、触媒インクINKaを乾燥させると、アイオノマーが含浸された多孔質膜12が、電解質膜10となり、多孔質膜12の表面に残存した触媒担持カーボン、および、アイオノマーが、アノード側触媒層20aとなる。このように、触媒インクINKaに含まれるアイオノマーの一部を多孔質膜12に含浸させることによって形成されたアノード側触媒層20aと電解質膜10との間には、明確な界面は形成されない。
Next, the catalyst ink INKa is applied to the other surface of the porous film 12 (step S130). In this embodiment, as shown in FIG. 3B, the catalyst ink INKa is ejected from the slit of the die head, and the catalyst ink INKa is die-coated on the other surface of the
以上の製造工程を経て、図3(c)に示したように、膜電極接合体100は完成する。
Through the above manufacturing steps, the
A3.実施例の膜電極接合体による効果:
上述した第1実施例の製造工程を経て製造された膜電極接合体100による効果は、後述する比較例の製造工程を経て製造された膜電極接合体100Rを用いた燃料電池と、第1実施例の製造工程を経て製造された膜電極接合体100を用いた燃料電池とについて、電解質膜と触媒層との間の界面抵抗を比較することによって確認された。
A3. Advantages of the membrane electrode assembly of the example:
The effect of the
図4は、比較例の膜電極接合体100Rの製造工程を示す説明図である。比較例の膜電極接合体100Rの製造工程では、図4(a)に示したように、まず、ダイヘッドのスリットからアイオノマー分散液DLioを吐出して、多孔質膜12の表面にダイ塗工する。このアイオノマー分散液DLioは、先に説明した触媒インクINKa,INKcに含まれるアイオノマーと同じアイオノマー、および、分散媒を含んでいる。そして、アイオノマー分散液DLioに含まれるアイオノマーが、多孔質膜12の細孔の内部に含浸されて、電解質膜10Rが作製される。
FIG. 4 is an explanatory view showing a manufacturing process of the membrane electrode assembly 100R of the comparative example. In the manufacturing process of the membrane electrode assembly 100R of the comparative example, as shown in FIG. 4A, first, the ionomer dispersion liquid DLio is discharged from the slit of the die head, and the die coating is performed on the surface of the
次に、図4(b)に示したように、ダイヘッドのスリットから触媒インクINKrcを吐出して、電解質膜10Rの一方の表面に、触媒インクINKrcをダイ塗工し、カソード側触媒層20Rcを形成する。このように形成されたカソード側触媒層20Rcと電解質膜10Rとの間には、明確な界面が形成される。なお、触媒インクINKrcに含まれる触媒担持カーボンは、触媒インクINKcに含まれる触媒担持カーボンと同じである。また、カソード側触媒層20Rcの厚さは、カソード側触媒層20cの厚さと同じである。また、カソード側触媒層20Rcにおける単位体積当たりの触媒量は、カソード側触媒層20cにおける単位体積当たりの触媒量と同じである。
Next, as shown in FIG. 4B, the catalyst ink INKrc is ejected from the slit of the die head, the catalyst ink INKrc is die-coated on one surface of the
次に、図4(c)に示したように、ダイヘッドのスリットから触媒インクINKraを吐出して、電解質膜10Rの他方の表面に、触媒インクINKraをダイ塗工し、アノード側触媒層20Raを形成する。このように形成されたアノード側触媒層20Raと電解質膜10Rとの間には、明確な界面が形成される。なお、触媒インクINKraに含まれる触媒担持カーボンは、触媒インクINKaに含まれる触媒担持カーボンと同じである。また、アノード側触媒層20Raの厚さは、アノード側触媒層20aの厚さと同じである。また、アノード側触媒層20Raにおける単位体積当たりの触媒量は、アノード側触媒層20aにおける単位体積当たりの触媒量と同じである。
Next, as shown in FIG. 4C, the catalyst ink INKra is ejected from the slit of the die head, the catalyst ink INKra is die-coated on the other surface of the
以上説明した比較例の製造工程を経て製造された膜電極接合体100R、および、先に説明した第1実施例の製造工程を経て製造された膜電極接合体100の両面に、それぞれ、ガス拡散層を接合して、膜電極ガス拡散層接合体を作製し、これらを用いた燃料電池をそれぞれ作製した。そして、各燃料電池について、電解質膜と触媒層との間の界面抵抗の測定を行った。この結果、第1実施例の製造工程を経て製造した膜電極接合体100を用いた燃料電池では、比較例の製造工程を経て製造した膜電極接合体100Rを用いた燃料電池よりも、電解質膜と触媒層との間の界面抵抗が、21(%)低かった。これは、比較例の製造工程を経て製造された膜電極接合体100Rでは、電解質膜10Rとカソード側触媒層20Rcとの間、および、電解質膜10Rとアノード側触媒層20Raとの間に、明確な界面が形成されるのに対し、第1実施例の製造工程を経て製造された膜電極接合体100では、電解質膜10とカソード側触媒層20cの間、および、電解質膜10とアノード側触媒層20aとの間には、明確な界面が形成されないことによる。
Gas diffusion is performed on both surfaces of the membrane electrode assembly 100R manufactured through the manufacturing process of the comparative example described above and the
以上説明したように、第1実施例の膜電極接合体100の製造方法によれば、触媒インクINKc,INKaに含まれる触媒担持カーボンのサイズが、それぞれ、多孔質膜12の気孔径よりも大きいので、触媒インクINKc,INKaに含まれるアイオノマーの一部は、多孔質膜12の細孔の内部に含浸されるが、触媒担持カーボン、および、アイオノマーの残りの一部は、多孔質膜12の細孔の内部に含浸されずに、多孔質膜12の表面に留まる。そして、アイオノマーが含浸された多孔質膜12は、電解質膜10となり、多孔質膜12の表面に残存した触媒担持カーボン、および、アイオノマーは、カソード側触媒層20c,20aとなる。このため、電解質膜10とカソード側触媒層20cとの間、および、電解質膜10とアノード側触媒層20aとの間には、明確な界面が形成されない。したがって、膜電極接合体100において、電解質膜10とカソード側触媒層20cとの間の界面抵抗、および、電解質膜10とアノード側触媒層20aとの間の界面抵抗を減少させることができる。
As described above, according to the method for manufacturing the
また、第1実施例の膜電極接合体100の製造方法によれば、電解質膜10とカソード側触媒層20c、アノード側触媒層20aを同時に作製することができるので、電解質膜10Rを作製した後に、カソード側触媒層20Rc、アノード側触媒層20Raを作製する比較例の膜電極接合体100Rの製造方法よりも、工程数を削減し、製造コストを削減することもできる。
In addition, according to the method of manufacturing the
B.第2実施例:
図5は、第2実施例の膜電極接合体100Aの製造工程を示す説明図である。第2実施例の膜電極接合体100Aの製造工程では、図5(a)に示したように、まず、例えば、PTFEからなるシート上に、触媒インクINKを膜状に塗り広げる。この触媒インクINKも、第1実施例における触媒インクINKa,INKcと同様に、触媒担持カーボンと、アイオノマーと、分散媒と、を含んでいる。図5(a)中に、触媒インクINKに含まれる触媒担持カーボンをドットで示した。ただし、本実施例における触媒インクINKは、触媒インクINKa,INKcよりも、触媒担持カーボンが沈殿して層分離しやすいように調製されている。
B. Second embodiment:
FIG. 5 is an explanatory view showing a manufacturing process of the
次に、膜状に塗り広げられた触媒インクINKの一方の面に、触媒インクINKに含まれる触媒担持カーボンを、重力によって沈殿させて、偏在させた状態で、触媒インクINKを固化する。このとき、図5(b)に黒く塗りつぶして示したように、触媒インクINKの一方の面の触媒担持カーボンが偏って多く存在する状態で固化した部位が触媒層20Aとなり、触媒インクINKの他方の面の触媒担持カーボンが少ない状態で固化した部位が電解質層10Lとなる。本実施例では、このシート状の部材を2枚作製する。
Next, the catalyst ink INK is solidified in a state where the catalyst-carrying carbon contained in the catalyst ink INK is precipitated by gravity on one surface of the catalyst ink INK spread in a film shape and is unevenly distributed. At this time, as shown in black in FIG. 5 (b), the portion solidified in a state where the catalyst-carrying carbon on one side of the catalyst ink INK is unevenly present becomes the
そして、このシート状の部材を、図5(c)に示したように、電解質層10Lと電解質層10Lとが向かい合うように、重ね合わせて接合する。電解質層10Lと電解質層10Lとを接合することによって、電解質膜10Aとなる。本実施例では、電解質層10Lと電解質層10Lとの接合に、触媒インクINKに含まれるアイオノマーと同じアイオノマー、および、分散媒を含むアイオノマー分散液を接着剤として用いるものとした。
Then, as shown in FIG. 5C, the sheet-like member is overlapped and joined so that the
以上の工程を経て、図5(d)に示したように、電解質膜10Aの両面に触媒層20Aを備える膜電極接合体100Aが完成する。
Through the above steps, as shown in FIG. 5D, the
以上説明した第2実施例の膜電極接合体100Aの製造工程によっても、電解質膜10Aと触媒層20Aとの間に、明確な界面が形成されない。したがって、第1実施例の製造工程によって製造された膜電極接合体100と同様に、膜電極接合体100Aにおいて、電解質膜10Aと触媒層20Aとの間の界面抵抗を減少させることができる。
Even in the manufacturing process of the
C.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
C. Variations:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in various aspects is possible within the range which does not deviate from the summary. It is. For example, the following modifications are possible.
C1.変形例1:
上記第1実施例では、触媒インクINKc,INKaに含まれるアイオノマーは、それぞれ、パーフルオロスルホン酸樹脂であるものとしたが、本発明は、これに限られない。上記アイオノマーとして、パーフルオロスルホン酸樹脂以外の他のフッ素系アイオノマーを用いるものとしてもよい。また、上記アイオノマーとして、例えば、炭化水素系アイオノマー等、フッ素系アイオノマー以外の他のアイオノマーを用いるものとしてもよい。また、触媒インクINKcに含まれるアイオノマーと、触媒インクINKaに含まれるアイオノマーとは、同じであってもよいし、異なるものとしてもよい。
C1. Modification 1:
In the first embodiment, the ionomers contained in the catalyst inks INKc and INKa are each a perfluorosulfonic acid resin. However, the present invention is not limited to this. As said ionomer, it is good also as what uses other fluorine-type ionomers other than perfluorosulfonic acid resin. Moreover, as said ionomer, it is good also as what uses other ionomers other than fluorine-type ionomers, such as a hydrocarbon-type ionomer, for example. Further, the ionomer contained in the catalyst ink INKc and the ionomer contained in the catalyst ink INKa may be the same or different.
C2.変形例2:
上記第1実施例では、多孔質膜12は、PTFEからなるものとしたが、本発明は、これに限られない。多孔質膜12は、PTFE以外の他のフッ素樹脂からなるものとしてもよい。また、多孔質膜12は、例えば、炭化水素樹脂等、フッ素樹脂以外の材料からなるものとしてもよい。
C2. Modification 2:
In the first embodiment, the
C3.変形例3:
上記第1実施例では、触媒インクINKcにおいて、アイオノマーの重量Iとカーボンブラックの重量Cとの比I/Cは、1.5〜5であるものとし、触媒インクINKaにおいて、アイオノマーの重量Iとカーボンブラックの重量Cとの比I/Cは、2〜10であるものとしたが、本発明は、これに限られない。触媒インクINKc,INKaにおいて、アイオノマーの重量Iとカーボンブラックの重量Cとの比I/Cは、適宜、変更可能である。
C3. Modification 3:
In the first embodiment, in the catalyst ink INKc, the ratio I / C between the ionomer weight I and the carbon black weight C is 1.5 to 5, and in the catalyst ink INKa, the ionomer weight I is The ratio I / C with respect to the weight C of the carbon black is 2 to 10, but the present invention is not limited to this. In the catalyst inks INKc and INKa, the ratio I / C between the ionomer weight I and the carbon black weight C can be changed as appropriate.
C4.変形例4:
上記第1実施例では、カソード側触媒層20cを形成した後に、アノード側触媒層20aを形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側触媒層20aを形成した後に、カソード側触媒層20cを形成するようにしてもよい。
C4. Modification 4:
In the first embodiment, the anode
C5.変形例5:
上記第1実施例では、多孔質膜12の表面に、ダイ塗工によって、触媒インクINKc,INKaを塗工するものとしたが、本発明は、これに限られない。ダイ塗工の代わりに、例えば、アプリケーター塗工等、他の塗工方法を適用するようにしてもよい。
C5. Modification 5:
In the first embodiment, the catalyst inks INKc and INKa are applied to the surface of the
C6.変形例6:
上記実施例では、触媒インクに含まれる触媒担持カーボンを構成するカーボン粒子として、カーボンブラックを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。触媒担持カーボンを構成するカーボン粒子として、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー等、他の形状のカーボン粒子を用いるものとしてもよい。
C6. Modification 6:
In the above embodiment, carbon black is used as the carbon particles constituting the catalyst-supporting carbon contained in the catalyst ink. However, the present invention is not limited to this. As the carbon particles constituting the catalyst-supporting carbon, for example, carbon particles having other shapes such as carbon nanotubes, carbon nanohorns, and carbon nanofibers may be used.
100,100R,100A…膜電極接合体
10,10R,10A…電解質膜
10L…電解質層
12…多孔質膜
20a,20Ra…アノード側触媒層
20c,20Rc…カソード側触媒層
20A…触媒層
INKc,INKa,INKrc,INKra,INK…触媒インク
DLio…アイオノマー分散液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100R, 100A ...
Claims (3)
触媒を担持したカーボン粒子である触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む触媒インクを用意する工程と、
前記触媒インクを膜状に広げる工程と、
前記広げられた前記触媒インクの一方の面に前記触媒担持カーボンを偏在させた状態で、前記触媒インクを固化する工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell,
Preparing a catalyst ink containing catalyst-supporting carbon, which is carbon particles supporting the catalyst, and an ionomer having proton conductivity;
Spreading the catalyst ink into a film;
Solidifying the catalyst ink in a state where the catalyst-supporting carbon is unevenly distributed on one surface of the spread catalyst ink;
The manufacturing method of a membrane electrode assembly provided with this.
多孔質膜を用意する工程と、
触媒を担持したカーボン粒子である触媒担持カーボンであって、前記多孔質膜の気孔径よりもサイズが大きい触媒担持カーボンと、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む触媒インクを用意する工程と、
前記多孔質膜の表面に、前記触媒インクを塗工するとともに、前記触媒インクに含まれる前記アイオノマーの一部を、前記多孔質膜に含浸させる触媒インク塗工工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell,
Preparing a porous membrane;
Preparing a catalyst ink comprising a catalyst-carrying carbon, which is a carbon particle carrying a catalyst, the catalyst-carrying carbon having a size larger than the pore diameter of the porous membrane, and an ionomer having proton conductivity;
Applying the catalyst ink to the surface of the porous film, and impregnating the porous film with a part of the ionomer contained in the catalyst ink; and
The manufacturing method of a membrane electrode assembly provided with this.
プロトン伝導性を有するアイオノマーが多孔質膜の気孔内に含浸されてなる電解質膜と、
前記電解質膜の表面に形成された触媒層と、
を備え、
前記触媒層は、触媒を担持したカーボン粒子である触媒担持カーボンであって、前記多孔質膜の気孔径よりもサイズが大きい触媒担持カーボンを有する、
膜電極接合体。 A membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell,
An electrolyte membrane obtained by impregnating pores of a porous membrane with an ionomer having proton conductivity;
A catalyst layer formed on the surface of the electrolyte membrane;
With
The catalyst layer is a catalyst-supporting carbon that is a carbon particle supporting a catalyst, and has a catalyst-supporting carbon having a size larger than the pore diameter of the porous membrane.
Membrane electrode assembly.
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