JP2013084427A - Method for manufacturing membrane-catalyst layer assembly and method for manufacturing membrane electrode assembly - Google Patents

Method for manufacturing membrane-catalyst layer assembly and method for manufacturing membrane electrode assembly Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a membrane-catalyst layer assembly, by which occurrences of wrinkles and deflections of a polymer electrolyte membrane as a whole can be suppressed furthermore and deterioration in durability thereof can be also suppressed.SOLUTION: A method for manufacturing a membrane-catalyst layer assembly for a fuel cell includes the steps of: coating a first catalyst-containing ink 3a on one surface of a polymer electrolyte membrane 1 having the other surface on which a first base material 2a is formed and then drying the ink to form a first catalyst layer 3a; peeling off the first base material 2a from the other surface of the polymer electrolyte membrane 1; and coating a second catalyst-containing ink on the polymer electrolyte membrane 1 exposed by peeling off the first base material 2a and then drying the ink to form a second catalyst layer. The method includes, prior to the step of peeling off the first base material, a step of swelling the polymer electrolyte membrane in the thickness direction thereof while the first base material is formed.

Description

本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に関し、特に当該燃料電池が備える膜−触媒層接合体の製造方法及び膜電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell used as a driving source for a mobile body such as an automobile, a distributed power generation system, a household cogeneration system, and the like, and in particular, a method for manufacturing a membrane-catalyst layer assembly provided in the fuel cell and The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly.

燃料電池(例えば、高分子電解質型燃料電池)は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。   BACKGROUND ART A fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell) is an apparatus that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is.

燃料電池は、一般的には複数のセルを積層し、それらをボルトなどの締結部材で加圧締結することにより構成されている。1つのセルは、膜電極接合体(MEA:Membrane-Electrode-Assembly)を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。   A fuel cell is generally configured by stacking a plurality of cells and pressurizing them with a fastening member such as a bolt. One cell is configured by sandwiching a membrane-electrode assembly (MEA) between a pair of plate-like conductive separators.

膜電極接合体は、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極層によって構成されている。一対の電極層の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。一対の電極層は、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層と、当該触媒層の上に配置される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。ここでは、高分子電解質膜と触媒層との接合体を膜−触媒層接合体(CCM:Catalyst-Coated-Membrane)という。前記アノード電極に燃料ガスが接触するとともに前記カソード電極に酸化剤ガスが接触することにより、電気化学反応が発生し、電力と熱とが発生する。   The membrane / electrode assembly is composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of electrode layers disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane. One of the pair of electrode layers is an anode electrode, and the other is a cathode electrode. The pair of electrode layers is composed of a catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a metal catalyst and a porous and conductive gas diffusion layer disposed on the catalyst layer. Here, the assembly of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer is referred to as a membrane-catalyst layer assembly (CCM). When the fuel gas comes into contact with the anode electrode and the oxidant gas comes into contact with the cathode electrode, an electrochemical reaction occurs, and electric power and heat are generated.

燃料電池の性能を向上させるには、膜電極接合体の製造方法の最適化を図ることが有効であると考えられている。特に、高分子電解質膜上に触媒層を形成する工程は、燃料電池の性能や耐久性に大きな影響を与えると考えられている。   In order to improve the performance of the fuel cell, it is considered effective to optimize the manufacturing method of the membrane electrode assembly. In particular, the process of forming the catalyst layer on the polymer electrolyte membrane is considered to have a great influence on the performance and durability of the fuel cell.

高分子電解質膜上に触媒層を形成する方法としては、例えば、高分子電解質膜に触媒含有インクを直接塗布する方法が知られている。この方法は、高分子電解質膜と触媒層との界面抵抗を極めて低くすることができることから、理想的な膜−触媒層接合体の製造方法として注目されている。   As a method of forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane, for example, a method of directly applying a catalyst-containing ink to a polymer electrolyte membrane is known. This method is attracting attention as an ideal method for producing a membrane-catalyst layer assembly because the interface resistance between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer can be made extremely low.

しかしながら、前記方法に用いる触媒含有インクには多量の溶媒が通常含まれているので、当該溶媒が高分子電解質膜に浸透して、高分子電解質膜が膨張し、高分子電解質膜にシワやたわみが発生するという課題がある。シワやたわみが発生した場合、高分子電解質膜の寸法が変化して後工程での取扱いが難しくなる。また、シワやたわみが発生した高分子電解質膜を用いて製造した燃料電池は、当該シワやたわみが発生した部分に電圧が集中して高分子電解質膜が破損するなどの問題が発生しやすく、耐久性が低い。   However, since the catalyst-containing ink used in the above method usually contains a large amount of solvent, the solvent permeates into the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane expands, and the polymer electrolyte membrane is wrinkled or bent. There is a problem that occurs. When wrinkles and deflection occur, the dimensions of the polymer electrolyte membrane change, making it difficult to handle in the subsequent process. In addition, a fuel cell manufactured using a polymer electrolyte membrane in which wrinkles or deflection has occurred tends to cause problems such as voltage concentration on the wrinkled or bent portion and damage to the polymer electrolyte membrane. Low durability.

この高分子電解質膜のシワやたわみを抑える方法として、例えば、特許文献1(特表2006−507623号公報)に開示された方法がある。特許文献1には、高分子電解質膜に基材を貼り付けた状態で触媒含有インクを塗布する方法が開示されている。以下、特許文献1の方法について、図9A〜図9Fを用いて説明する。   As a method of suppressing wrinkles and deflection of the polymer electrolyte membrane, for example, there is a method disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 2006-507623). Patent Document 1 discloses a method of applying a catalyst-containing ink in a state where a base material is attached to a polymer electrolyte membrane. Hereinafter, the method of patent document 1 is demonstrated using FIG. 9A-FIG. 9F.

まず、図9Aに示すように、高分子電解質膜101の一方の面に第1基材102aを形成する。次いで、図9Bに示すように、高分子電解質膜101の他方の面に、第1触媒含有インクを塗布したのち乾燥して第1触媒層103aを形成する。次いで、図9Cに示すように、第1触媒層103a上に第2基材102bを形成する。次いで、図9Dに示すように、高分子電解質膜101の一方の面に形成された第1基材102aを剥離する。次いで、図9Eに示すように、高分子電解質膜101の一方の面に、第2触媒含有インクを塗布したのち乾燥して第2触媒層103bを形成する。   First, as shown in FIG. 9A, a first substrate 102a is formed on one surface of a polymer electrolyte membrane 101. Next, as shown in FIG. 9B, the first catalyst-containing ink is applied to the other surface of the polymer electrolyte membrane 101 and then dried to form the first catalyst layer 103a. Next, as shown in FIG. 9C, the second base material 102b is formed on the first catalyst layer 103a. Next, as shown in FIG. 9D, the first base material 102a formed on one surface of the polymer electrolyte membrane 101 is peeled off. Next, as shown in FIG. 9E, the second catalyst-containing ink is applied to one surface of the polymer electrolyte membrane 101 and then dried to form the second catalyst layer 103b.

特許文献1の方法によれば、高分子電解質膜101の一方の面に第1基材102aを予め形成し、高分子電解質膜101を固定した状態で第1触媒含有インクを塗布するようにしているので、高分子電解質膜101のシワやたわみを抑えることができる。また、高分子電解質膜101の他方の面に第2基材102bを予め形成し、高分子電解質膜101を固定した状態で第2触媒含有インクを塗布するようにしているので、高分子電解質膜101のシワやたわみを抑えることができる。   According to the method of Patent Document 1, the first base material 102a is previously formed on one surface of the polymer electrolyte membrane 101, and the first catalyst-containing ink is applied in a state where the polymer electrolyte membrane 101 is fixed. Therefore, wrinkles and deflection of the polymer electrolyte membrane 101 can be suppressed. In addition, since the second base material 102b is formed in advance on the other surface of the polymer electrolyte membrane 101 and the second catalyst-containing ink is applied in a state where the polymer electrolyte membrane 101 is fixed, the polymer electrolyte membrane 101 wrinkles and deflection can be suppressed.

また、高分子電解質膜のシワやたわみを抑える他の方法として、例えば、特許文献2(特表2006−310237号公報)に開示された方法がある。特許文献2には、高分子電解質膜に膨潤液を浸潤させ、当該高分子電解質膜の外周部をワークで固定した状態で触媒含有インクを塗布する方法が開示されている。   Moreover, as another method for suppressing wrinkles and deflection of the polymer electrolyte membrane, for example, there is a method disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Publication No. 2006-310237). Patent Document 2 discloses a method of applying a catalyst-containing ink in a state where a swelling liquid is infiltrated into a polymer electrolyte membrane and the outer peripheral portion of the polymer electrolyte membrane is fixed with a work.

特許文献2の方法によれば、高分子電解質膜に予め膨潤液を浸潤させることにより、触媒含有インクの溶媒が当該高分子電解質膜に浸透することを抑制することができ、その結果、高分子電解質膜のシワやたわみを抑えることができる。   According to the method of Patent Literature 2, it is possible to prevent the solvent of the catalyst-containing ink from penetrating into the polymer electrolyte membrane by infiltrating the swelling liquid into the polymer electrolyte membrane in advance. Wrinkles and deflection of the electrolyte membrane can be suppressed.

特表2006−507623号公報JP-T-2006-507623 特表2006−310237号公報JP 2006-310237 A

しかしながら、特許文献1の方法では、第1触媒層103aの形成時においては高分子電解質膜101全体のシワやたわみを抑えることができるものの、第2触媒層103bの形成時においては高分子電解質膜101全体のシワやたわみを抑えることができない。これは、以下の理由によると考えられる。   However, in the method of Patent Document 1, although the wrinkles and deflection of the entire polymer electrolyte membrane 101 can be suppressed when the first catalyst layer 103a is formed, the polymer electrolyte membrane is formed when the second catalyst layer 103b is formed. 101 Wrinkles and deflection of the whole cannot be suppressed. This is considered to be due to the following reason.

すなわち、第1触媒層103aの形成時において、第1基材102aは、高分子電解質膜101の一方の面全体に直接形成されている。このため、第1基材102aが高分子電解質膜101全体のシワやたわみを抑えることができる。これに対して、第2触媒層103bの形成時において、第2基材102bは、高分子電解質膜101の他方の面の一部にのみ直接形成され、高分子電解質膜101の他方の面の他部に対しては第1触媒層103aを介して間接的に形成されている。第1触媒層103aは、凹凸を有する多孔質な層であることから、第2基材102bと第1触媒層103aとは接着しない。このため、高分子電解質膜101の第1触媒層103aと接触する部分は、第2基材102bによって固定されないため、シワやたわみが発生する。従って、特許文献1の方法は、高分子電解質膜全体のシワやたわみを抑えるという観点では未だ改善の余地がある。   That is, when the first catalyst layer 103 a is formed, the first base material 102 a is directly formed on the entire one surface of the polymer electrolyte membrane 101. For this reason, the 1st base material 102a can suppress a wrinkle and a deflection of the polymer electrolyte membrane 101 whole. On the other hand, when the second catalyst layer 103b is formed, the second base material 102b is directly formed only on a part of the other surface of the polymer electrolyte membrane 101, and the other surface of the polymer electrolyte membrane 101 is formed. Other portions are indirectly formed through the first catalyst layer 103a. Since the first catalyst layer 103a is a porous layer having irregularities, the second base material 102b and the first catalyst layer 103a are not bonded. For this reason, since the part which contacts the 1st catalyst layer 103a of the polymer electrolyte membrane 101 is not fixed by the 2nd base material 102b, wrinkles and a deflection | deviation generate | occur | produce. Therefore, the method of Patent Document 1 still has room for improvement from the viewpoint of suppressing wrinkles and deflection of the entire polymer electrolyte membrane.

また、特許文献2の方法では、高分子電解質膜に予め膨潤液を浸潤させることにより、当該高分子電解質膜が厚み方向だけでなく面方向にも膨潤する。面方向に膨潤した状態で高分子電解質膜に触媒含有インクを塗布したのち乾燥すると、面方向に張力が発生して高分子電解質膜がダメージを受け、耐久性が低下するおそれがある。   Moreover, in the method of patent document 2, the polymer electrolyte membrane is swollen not only in the thickness direction but also in the surface direction by previously infiltrating the polymer electrolyte membrane with a swelling liquid. If the catalyst-containing ink is applied to the polymer electrolyte membrane in a swollen state in the surface direction and then dried, tension may be generated in the surface direction to damage the polymer electrolyte membrane, which may reduce durability.

従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、高分子電解質膜全体のシワやたわみをより一層抑えるとともに、耐久性の低下を抑えることができる膜−触媒層接合体の製造方法及び膜電極接合体の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to produce a membrane-catalyst layer assembly that can further suppress wrinkles and deflections of the entire polymer electrolyte membrane and suppress a decrease in durability. The object is to provide a method and a method for producing a membrane electrode assembly.

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明によれば、燃料電池用の膜−触媒層接合体の製造方法であって、一方の面に第1基材が形成された高分子電解質膜の他方の面に第1触媒含有インクを塗布したのち乾燥することにより第1触媒層を形成する工程と、
前記高分子電解質膜の一方の面から前記第1基材を剥離する工程と、
前記第1基材を剥離して露出させた前記高分子電解質膜上に第2触媒含有インクを塗布したのち乾燥することにより第2触媒層を形成する工程と、
を含む、燃料電池用の膜−触媒層接合体の製造方法であって、
前記第1基材を剥離する工程の前に、前記第1基材が形成された状態で前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程を含む、膜−触媒層接合体の製造方法を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
According to the present invention, there is provided a method for producing a membrane-catalyst layer assembly for a fuel cell, wherein the first catalyst-containing ink is applied to the other surface of the polymer electrolyte membrane having the first substrate formed on one surface. Forming a first catalyst layer by applying and then drying;
Peeling the first substrate from one surface of the polymer electrolyte membrane;
Forming a second catalyst layer by applying a second catalyst-containing ink onto the polymer electrolyte membrane exposed by peeling off the first substrate and then drying;
A method for producing a membrane-catalyst layer assembly for a fuel cell, comprising:
A method for producing a membrane-catalyst layer assembly comprising a step of swelling the polymer electrolyte membrane in a thickness direction in a state where the first substrate is formed before the step of peeling the first substrate. provide.

本発明にかかる膜−触媒層接合体の製造方法によれば、高分子電解質膜全体のシワやたわみをより一層抑えることができるとともに、耐久性の低下を抑えることができるという効果を奏する。   According to the method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to the present invention, it is possible to further suppress wrinkles and deflection of the entire polymer electrolyte membrane and to suppress the decrease in durability.

本発明の実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly concerning embodiment of this invention. 図1Aに続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of following FIG. 1A. 図1Bに続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of following FIG. 1B. 図1Cに続く工程を示す断面図である。FIG. 1C is a cross-sectional view showing a step following FIG. 1C. 図1Dに続く工程を示す断面図である。FIG. 1D is a cross-sectional view showing a step that follows FIG. 1D. 図1Eに続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of following FIG. 1E. 図1Bに示す工程の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the process shown to FIG. 1B. 図1Cに示す工程の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the process shown to FIG. 1C. ロールの温度を130℃に設定して製造した膜−触媒層接合体に対して下方から白色光を照射した状態を示す写真である。It is a photograph which shows the state which irradiated the white light from the downward direction with respect to the membrane-catalyst layer assembly manufactured by setting the temperature of a roll to 130 degreeC. ロールの温度を125℃に設定して製造した膜−触媒層接合体に対して下方から白色光を照射した状態を示す写真である。It is a photograph which shows the state which irradiated the white light from the downward direction with respect to the membrane-catalyst layer assembly manufactured by setting the temperature of a roll to 125 degreeC. 本発明の実施形態にかかる膜電極接合体の製造方法を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the membrane electrode assembly concerning embodiment of this invention. 図4Aに続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of following FIG. 4A. 図4Bに続く工程を示す断面図である。FIG. 4B is a cross-sectional view showing a step that follows FIG. 4B. 図1Dに示す工程の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the process shown to FIG. 1D. 図1Eに示す工程の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the process shown to FIG. 1E. 図1F、図4A、図4Bに示す工程の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the process shown to FIG. 1F, FIG. 4A, and FIG. 4B. 本発明の実施形態にかかる膜電極接合体を備える燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、ガス流路がセパレータに設けられた例を示す図である。It is sectional drawing which shows typically the basic composition of a fuel cell provided with the membrane electrode assembly concerning embodiment of this invention, and is a figure which shows the example by which the gas flow path was provided in the separator. 図6の燃料電池を複数個連結した燃料電池スタックの基本構成を示す分解斜視図である。FIG. 7 is an exploded perspective view showing a basic configuration of a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells of FIG. 6 are connected. 本発明の実施形態にかかる膜電極接合体を備える燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、ガス流路がガス拡散層に設けられた例を示す図である。It is sectional drawing which shows typically the basic composition of a fuel cell provided with the membrane electrode assembly concerning embodiment of this invention, and is a figure which shows the example by which the gas flow path was provided in the gas diffusion layer. 従来の膜−触媒層接合体の製造方法を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the conventional membrane-catalyst layer assembly. 図9Aに続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of following FIG. 9A. 図9Bに続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of following FIG. 9B. 図9Cに続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of following FIG. 9C. 図9Dに続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of following FIG. 9D.

本発明の発明者らは、前記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。   The inventors of the present invention have obtained the following knowledge as a result of intensive studies in order to solve the problems of the prior art.

本発明の発明者らは、基材が形成されていない高分子電解質膜と、基材が形成された高分子電解質膜とを用意し、それらの環境を、温度23℃・湿度53%から温度80℃・湿度90%に変化させたときの寸法変化率を調べた。その結果、基材が形成されていない高分子電解質膜の寸法は、面方向及び厚み方向とも16%増加し、基材が形成された高分子電解質膜の寸法は、面方向には変化せず、厚み方向のみ46%増加することを知見した。   The inventors of the present invention prepare a polymer electrolyte membrane in which a substrate is not formed and a polymer electrolyte membrane in which a substrate is formed, and change the environment from a temperature of 23 ° C. and a humidity of 53% to a temperature. The dimensional change rate when the temperature was changed to 80 ° C. and humidity 90% was examined. As a result, the dimension of the polymer electrolyte membrane on which the base material is not formed increases by 16% in both the surface direction and the thickness direction, and the dimension of the polymer electrolyte membrane on which the base material is formed does not change in the surface direction. It was found that only 46% increase in the thickness direction.

前記結果から、本発明の発明者らは、基材が形成された状態で高分子電解質膜を加湿するなどして膨潤させた場合、基材が高分子電解質膜の面方向の形状を保持するため、高分子電解質膜は主として厚み方向に膨潤し、面方向の張力を抑えて高分子電解質膜のダメージを抑えられることを知見した。また、本発明の発明者らは、厚み方向に膨潤させた高分子電解質膜に触媒含有インクを塗布した場合、触媒含有インクの溶媒が高分子電解質膜に浸透することが抑制され、高分子電解質膜全体のシワやたわみが抑えられることを知見した。これらの知見に基づき、本発明の発明者らは、以下の本発明に想到した。   From the above results, the inventors of the present invention maintain the shape of the polymer electrolyte membrane in the surface direction when the polymer electrolyte membrane is swollen by humidification or the like in a state where the substrate is formed. For this reason, it has been found that the polymer electrolyte membrane swells mainly in the thickness direction and can suppress damage in the polymer electrolyte membrane by suppressing the tension in the surface direction. Further, the inventors of the present invention, when a catalyst-containing ink is applied to a polymer electrolyte membrane swollen in the thickness direction, the catalyst-containing ink solvent is prevented from penetrating into the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte It was found that wrinkles and deflection of the entire membrane can be suppressed. Based on these findings, the inventors of the present invention have reached the following present invention.

本発明の第1態様によれば、一方の面に第1基材が形成された高分子電解質膜の他方の面に第1触媒含有インクを塗布したのち乾燥することにより第1触媒層を形成する工程と、
前記高分子電解質膜の一方の面から前記第1基材を剥離する工程と、
前記第1基材を剥離して露出させた前記高分子電解質膜上に第2触媒含有インクを塗布したのち乾燥することにより第2触媒層を形成する工程と、
を含む、燃料電池用の膜−触媒層接合体の製造方法であって、
前記第1基材を剥離する工程の前に、前記第1基材が形成された状態で前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程を含む、膜−触媒層接合体の製造方法を提供する。
According to the first aspect of the present invention, the first catalyst layer is formed by applying the first catalyst-containing ink to the other surface of the polymer electrolyte membrane having the first substrate formed on one surface and then drying. And a process of
Peeling the first substrate from one surface of the polymer electrolyte membrane;
Forming a second catalyst layer by applying a second catalyst-containing ink onto the polymer electrolyte membrane exposed by peeling off the first substrate and then drying;
A method for producing a membrane-catalyst layer assembly for a fuel cell, comprising:
A method for producing a membrane-catalyst layer assembly comprising a step of swelling the polymer electrolyte membrane in a thickness direction in a state where the first substrate is formed before the step of peeling the first substrate. provide.

本発明の第2態様によれば、前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程には、前記高分子電解質膜を加湿することが含まれる、第1態様に記載の膜−触媒層接合体の製造方法を提供する。   According to the second aspect of the present invention, the membrane-catalyst layer bonding according to the first aspect, wherein the step of swelling the polymer electrolyte membrane in the thickness direction includes humidifying the polymer electrolyte membrane. A method for manufacturing a body is provided.

本発明の第3態様によれば、前記加湿は、前記高分子電解質膜の他方の面に前記第1触媒層が形成された状態で行われる、第2態様に記載の膜−触媒層接合体の製造方法を提供する。   According to the third aspect of the present invention, the humidification is performed in a state where the first catalyst layer is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane, and the membrane-catalyst layer assembly according to the second aspect. A manufacturing method is provided.

本発明の第4態様によれば、前記加湿は、前記高分子電解質膜を恒温恒湿槽内に配置することにより行われる、第2又は3態様に記載の膜−触媒層接合体の製造方法を提供する。   According to the 4th aspect of this invention, the said humidification is performed by arrange | positioning the said polymer electrolyte membrane in a constant temperature and humidity chamber, The manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly as described in a 2nd or 3rd aspect. I will provide a.

本発明の第5態様によれば、前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程には、前記高分子電解質膜の他方の面に前記第1触媒含有インクを塗布したのち半乾燥することが含まれる、第1態様に記載の膜−触媒層接合体の製造方法を提供する。   According to the fifth aspect of the present invention, in the step of swelling the polymer electrolyte membrane in the thickness direction, the first catalyst-containing ink is applied to the other surface of the polymer electrolyte membrane and then semi-dried. A method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to the first aspect is provided.

本発明の第6態様によれば、前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程後であって前記第1基材を剥離する工程前に、前記第1触媒層を形成した前記高分子電解質膜の他方の面に第2基材を形成する工程を含む、第1〜5態様のいずれか1つに記載の膜−触媒層接合体の製造方法を提供する。   According to the sixth aspect of the present invention, the polymer on which the first catalyst layer is formed after the step of swelling the polymer electrolyte membrane in the thickness direction and before the step of peeling off the first substrate. The manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly as described in any one of the 1st-5th aspect including the process of forming a 2nd base material in the other surface of an electrolyte membrane is provided.

本発明の第7態様によれば、第1〜5態様のいずれか1つに記載の膜−触媒層接合体の製造方法を含む、膜電極接合体の製造方法であって、
前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程後であって前記第1基材を剥離する工程前に、前記第1触媒層を形成した前記高分子電解質膜の他方の面に、前記第1触媒層と接するようにガス拡散層を形成する工程を含む、膜電極接合体の製造方法を提供する。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for producing a membrane / electrode assembly including the method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to any one of the first to fifth aspects,
After the step of swelling the polymer electrolyte membrane in the thickness direction and before the step of peeling off the first substrate, the other surface of the polymer electrolyte membrane on which the first catalyst layer is formed, The manufacturing method of a membrane electrode assembly including the process of forming a gas diffusion layer in contact with 1 catalyst layer is provided.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all of the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

《実施形態》
本発明の実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法について説明する。図1A〜図1Fは、本実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法を模式的に示す断面図である。
<Embodiment>
A method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to an embodiment of the present invention will be described. 1A to 1F are cross-sectional views schematically showing a method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to this embodiment.

まず、図1Aに示すように、高分子電解質膜1の一方の面に第1基材2aを形成する(第1基材形成工程)。   First, as shown to FIG. 1A, the 1st base material 2a is formed in one surface of the polymer electrolyte membrane 1 (1st base material formation process).

次いで、図1Bに示すように、高分子電解質膜1の他方の面に第1触媒含有インクを塗布したのち乾燥して第1触媒層3aを形成する(第1触媒層形成工程)。   Next, as shown in FIG. 1B, the first catalyst-containing ink is applied to the other surface of the polymer electrolyte membrane 1 and then dried to form the first catalyst layer 3a (first catalyst layer forming step).

次いで、図1Cに示すように、第1触媒層3aが形成された高分子電解質膜1を恒温恒湿槽4内に配置して、当該高分子電解質膜1を加湿する(加湿工程)。このとき、高分子電解質膜1は、第1基材2aにより面方向の形状が保持されるので、面方向に膨潤することが抑えられ、主として厚み方向に膨潤する。例えば、高分子電解質膜1は、厚さが20μmから40μm程度になるまで膨潤する。なお、恒温恒湿槽4は、一定の湿度及び一定温度に制御された領域を有する槽である。恒温恒湿槽4は、水蒸気やアルコールなどの溶媒を噴霧する機能を有していてもよい。   Next, as shown in FIG. 1C, the polymer electrolyte membrane 1 on which the first catalyst layer 3a is formed is placed in a constant temperature and humidity chamber 4, and the polymer electrolyte membrane 1 is humidified (humidification step). At this time, since the shape of the polymer electrolyte membrane 1 in the surface direction is held by the first base material 2a, the polymer electrolyte membrane 1 is suppressed from swelling in the surface direction and is mainly swollen in the thickness direction. For example, the polymer electrolyte membrane 1 swells until the thickness is about 20 μm to 40 μm. In addition, the constant temperature and humidity tank 4 is a tank which has the area | region controlled by fixed humidity and fixed temperature. The constant temperature and humidity chamber 4 may have a function of spraying a solvent such as water vapor or alcohol.

次いで、図1Dに示すように、第1触媒層3aを覆うように、高分子電解質膜1の他方の面に第2基材2bを形成する(第2基材形成工程)。   Next, as shown in FIG. 1D, a second substrate 2b is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 1 so as to cover the first catalyst layer 3a (second substrate forming step).

次いで、図1Eに示すように、第2基材2bを形成した高分子電解質膜1から第1基材2aを剥離する(第1基材剥離工程)。   Next, as shown in FIG. 1E, the first substrate 2a is peeled from the polymer electrolyte membrane 1 on which the second substrate 2b is formed (first substrate peeling step).

次いで、図1Fに示すように、第1基材2aを剥離して露出させた高分子電解質膜1上に第2触媒含有インクを塗布したのち乾燥して第2触媒層3bを形成する(第2触媒層形成工程)。   Next, as shown in FIG. 1F, the second catalyst-containing ink is applied on the polymer electrolyte membrane 1 exposed by peeling off the first substrate 2a, and then dried to form the second catalyst layer 3b (the first catalyst layer 3b). 2 catalyst layer formation process).

以上の各工程を行うことにより、本実施形態にかかる膜−触媒層接合体を製造することができる。   By performing each of the above steps, the membrane-catalyst layer assembly according to the present embodiment can be manufactured.

本実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法によれば、第1基材2aが形成された状態で高分子電解質膜1を加湿するようにしているので、高分子電解質膜1を主として厚み方向に膨潤させることができる。これにより、高分子電解質膜1に対して面方向に張力が発生することを抑えて、高分子電解質膜1のダメージを抑えることができ、耐久性の低下を抑えることができる。また、第2触媒層3bの形成前に、高分子電解質膜1を厚さ方向に予め膨潤させるようにしているので、第2触媒含有インクの溶媒が高分子電解質膜1に浸透することを抑制することができる。これにより、高分子電解質膜1全体のシワやたわみを抑えることができる。   According to the method for manufacturing a membrane-catalyst layer assembly according to the present embodiment, the polymer electrolyte membrane 1 is humidified in a state where the first base material 2a is formed. Therefore, the polymer electrolyte membrane 1 is mainly used. It can be swollen in the thickness direction. Thereby, it can suppress that tension | tensile_strength generate | occur | produces in the surface direction with respect to the polymer electrolyte membrane 1, can suppress the damage of the polymer electrolyte membrane 1, and can suppress the fall of durability. In addition, since the polymer electrolyte membrane 1 is swollen in the thickness direction in advance before the formation of the second catalyst layer 3b, the solvent of the second catalyst-containing ink is prevented from penetrating into the polymer electrolyte membrane 1. can do. Thereby, wrinkles and deflection of the entire polymer electrolyte membrane 1 can be suppressed.

なお、前記では、図1Cを用いて説明したように、第1触媒層3aが形成された状態で高分子電解質膜1を加湿するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図2A及び図2Bに示すように、第1基材2aが形成された高分子電解質膜1を恒温恒湿槽4に配置して加湿したのち、当該高分子電解質膜1の他方の面に第1触媒含有インクを塗布して第1触媒層3aを形成するようにしてもよい。なお、第1触媒層3aが形成された状態で高分子電解質膜1を加湿する方が、第1触媒層3aが形成されていない状態で高分子電解質膜1を加湿するよりも、高分子電解質膜1全体のシワやたわみを抑制する効果は高い。   In the above description, as described with reference to FIG. 1C, the polymer electrolyte membrane 1 is humidified in a state where the first catalyst layer 3a is formed. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIGS. 2A and 2B, the polymer electrolyte membrane 1 on which the first substrate 2a is formed is placed in a constant temperature and humidity chamber 4 and humidified, and then the other surface of the polymer electrolyte membrane 1 is provided. Alternatively, the first catalyst-containing ink may be applied to form the first catalyst layer 3a. It should be noted that the polymer electrolyte membrane 1 is humidified with the first catalyst layer 3a formed, rather than the polymer electrolyte membrane 1 is humidified with the first catalyst layer 3a not formed. The effect of suppressing wrinkles and deflection of the entire membrane 1 is high.

また、前記では、高分子電解質膜1を膨潤させるのに恒温恒湿槽4を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第1触媒含有インクの溶媒を高分子電解質膜1に浸潤させることにより、高分子電解質膜1を膨潤させるようにしてもよい。また、高分子電解質膜1に直接スチームを噴霧するなど、従来公知の加湿技術を用いて高分子電解質膜1を膨潤させるようにしてもよい。なお、製造管理精度の観点からは、恒温恒湿槽4を用いて高分子電解質膜1を膨潤させることが好ましい。   In the above description, the constant temperature and humidity chamber 4 is used to swell the polymer electrolyte membrane 1, but the present invention is not limited to this. For example, the polymer electrolyte membrane 1 may be swollen by infiltrating the polymer electrolyte membrane 1 with the solvent of the first catalyst-containing ink. Alternatively, the polymer electrolyte membrane 1 may be swollen using a conventionally known humidification technique such as spraying steam directly on the polymer electrolyte membrane 1. From the viewpoint of manufacturing control accuracy, it is preferable to swell the polymer electrolyte membrane 1 using the constant temperature and humidity chamber 4.

なお、高分子電解質膜1を膨潤させた後、第1触媒層形成工程を行うようにした場合には、第1触媒含有インクを乾燥させる際に高分子電解質膜1も乾燥させることになるので、高分子電解質膜1の膨潤状態が失われるおそれがある。このため、第1触媒層形成工程においては、第1触媒含有インクを完全には乾燥させないように半乾燥を行い、第2触媒層形成工程において第1触媒含有インクの本乾燥を行うようにすることが好ましい。このような方法によっても、第2触媒含有インクを塗布する際に、高分子電解質膜1が厚み方向に膨潤しているので、第2触媒含有インクの溶媒が高分子電解質膜1に浸透することを抑制することができる。これにより、高分子電解質膜1全体のシワやたわみを抑えることができる。   If the first catalyst layer forming step is performed after swelling the polymer electrolyte membrane 1, the polymer electrolyte membrane 1 is also dried when the first catalyst-containing ink is dried. The swelling state of the polymer electrolyte membrane 1 may be lost. Therefore, in the first catalyst layer forming step, semi-drying is performed so that the first catalyst-containing ink is not completely dried, and in the second catalyst layer forming step, the first catalyst-containing ink is fully dried. It is preferable. Also by such a method, when the second catalyst-containing ink is applied, the polymer electrolyte membrane 1 is swollen in the thickness direction, so that the solvent of the second catalyst-containing ink permeates the polymer electrolyte membrane 1. Can be suppressed. Thereby, wrinkles and deflection of the entire polymer electrolyte membrane 1 can be suppressed.

また、第2基材形成工程は、例えば、図1Dに示すように配置された積層体を2本のロールで挟み、当該2本のロールにより前記積層体に圧力を加えることにより行うことができる。なお、この場合、ロールの温度が高すぎると、ロールの熱により、高分子電解質膜1中の水分が蒸発して、高分子電解質膜1の含水率が低下する。高分子電解質膜1全体のシワやたわみは、高分子電解質膜1の含水率が低くなればなるほど、発生しやすくなる。このため、高分子電解質膜1の含水率をなるべく高く維持する観点から、ロールの温度は、130℃以下にすることが好ましく、125℃以下にすることがさらに好ましい。また、ロールの温度が低すぎると、高分子電解質膜1と第2基材とを十分に接着することが困難になる。この場合、第2基材が高分子電解質膜1の面方向の形状を保持することができなくなり、その結果、高分子電解質膜1にシワやたわみが発生するおそれがある。この観点から、ロールの温度は、100℃以上にすることが好ましく、110℃以上にすることがさらに好ましい。   Moreover, a 2nd base material formation process can be performed by pinching the laminated body arrange | positioned as shown to FIG. 1D with two rolls, and applying a pressure to the said laminated body with the said two rolls, for example. . In this case, if the temperature of the roll is too high, the water in the polymer electrolyte membrane 1 evaporates due to the heat of the roll, and the moisture content of the polymer electrolyte membrane 1 decreases. Wrinkles and deflection of the entire polymer electrolyte membrane 1 are more likely to occur as the moisture content of the polymer electrolyte membrane 1 becomes lower. For this reason, from the viewpoint of maintaining the water content of the polymer electrolyte membrane 1 as high as possible, the temperature of the roll is preferably 130 ° C. or less, and more preferably 125 ° C. or less. Moreover, when the temperature of a roll is too low, it will become difficult to fully adhere | attach the polymer electrolyte membrane 1 and a 2nd base material. In this case, the second base material cannot hold the shape of the polymer electrolyte membrane 1 in the surface direction, and as a result, the polymer electrolyte membrane 1 may be wrinkled or bent. From this viewpoint, the temperature of the roll is preferably 100 ° C. or higher, and more preferably 110 ° C. or higher.

なお、ロールの温度を130℃に設定して図1Dに示す積層体を製造した後、第1基材2aを剥離して、高分子電解質膜1の含水率を測定したところ、当該含水率は2.8%であった。また、当該高分子電解質膜1を用いて製造した膜−触媒層接合体の良品率は、18%であった。これに対し、ロールの温度を125℃に設定して図1Dに示す積層体を製造した後、第1基材2aを剥離して、高分子電解質膜1の含水率を測定したところ、当該含水率は3.6%であった。また、当該高分子電解質膜1を用いて製造した膜−触媒層接合体の良品率は、47%であった。なお、前記含水率の定義は、80℃に制御された乾燥機に5分間投入する前後の高分子電解質膜の重量差の、乾燥後電解質膜重量に対する割合とする。   In addition, after manufacturing the laminated body shown to FIG. 1D by setting the temperature of a roll to 130 degreeC, when the 1st base material 2a was peeled and the moisture content of the polymer electrolyte membrane 1 was measured, the said moisture content is It was 2.8%. The non-defective product ratio of the membrane-catalyst layer assembly produced using the polymer electrolyte membrane 1 was 18%. On the other hand, after the roll temperature was set to 125 ° C. and the laminate shown in FIG. 1D was manufactured, the first substrate 2a was peeled off and the moisture content of the polymer electrolyte membrane 1 was measured. The rate was 3.6%. The non-defective product ratio of the membrane-catalyst layer assembly produced using the polymer electrolyte membrane 1 was 47%. The moisture content is defined as the ratio of the difference in weight of the polymer electrolyte membrane before and after being put into a dryer controlled at 80 ° C. for 5 minutes to the weight of the electrolyte membrane after drying.

図3Aは、ロールの温度を130℃に設定して製造した膜−触媒層接合体に対して下方から白色光を照射した状態を示す写真である。図3Bは、ロールの温度を125℃に設定して製造した膜−触媒層接合体に対して下方から白色光を照射した状態を示す写真である。高分子電解質膜にシワが発生している場合、触媒層にクラックが生じて白色光が透過する。従って、図3A及び図3Bの白色部分は、高分子電解質膜にシワが発生している部分を示している。図3A及び図3Bから、ロールの温度を130℃に設定した場合よりも、125℃に設定した場合の方が、高分子電解質膜のシワが明らかに減少していることが分かる。   FIG. 3A is a photograph showing a state in which white light is irradiated from below on a membrane-catalyst layer assembly produced by setting the roll temperature to 130 ° C. FIG. 3B is a photograph showing a state in which white light is irradiated from below on the membrane-catalyst layer assembly produced by setting the roll temperature to 125 ° C. When wrinkles are generated in the polymer electrolyte membrane, cracks are generated in the catalyst layer and white light is transmitted. Therefore, the white portions in FIG. 3A and FIG. 3B indicate portions where wrinkles are generated in the polymer electrolyte membrane. From FIG. 3A and FIG. 3B, it can be seen that the wrinkles of the polymer electrolyte membrane are clearly reduced when the roll temperature is set to 125 ° C. than when the roll temperature is set to 130 ° C.

なお、前記では、ロールの好ましい温度について説明したが、第2基材形成工程においてロールを用いない場合には、第2基材2bの温度がロールの温度に相当すると考えればよい。この場合でも同様の結果を得ることができる。   In addition, although the preferable temperature of the roll was demonstrated above, when not using a roll in a 2nd base material formation process, what is necessary is just to consider that the temperature of the 2nd base material 2b corresponds to the temperature of a roll. Even in this case, a similar result can be obtained.

次に、本発明の実施形態にかかる膜電極接合体の製造方法について説明する。図4A〜図4Cは、本実施形態にかかる膜電極接合体の製造方法を模式的に示す断面図である。   Next, the manufacturing method of the membrane electrode assembly concerning embodiment of this invention is demonstrated. 4A to 4C are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a membrane electrode assembly according to the present embodiment.

まず、図1A〜図1Fを用いて説明したように、第2基材2b付きの膜−触媒層接合体を製造する。   First, as described with reference to FIGS. 1A to 1F, a membrane-catalyst layer assembly with the second substrate 2b is manufactured.

次いで、図4Aに示すように、第2触媒層3b上に第1ガス拡散層5aを形成する(第1ガス拡散層形成工程)。これにより、第2触媒層3bと第1ガス拡散層5aとでアノード電極又はカソード電極のいずれか一方の電極層が形成される。   Next, as shown in FIG. 4A, the first gas diffusion layer 5a is formed on the second catalyst layer 3b (first gas diffusion layer forming step). Thereby, the electrode layer of either an anode electrode or a cathode electrode is formed with the 2nd catalyst layer 3b and the 1st gas diffusion layer 5a.

次いで、図4Bに示すように、高分子電解質膜1の他方の面から第2基材2bを剥離する(第2基材剥離工程)。   Next, as shown in FIG. 4B, the second substrate 2b is peeled from the other surface of the polymer electrolyte membrane 1 (second substrate peeling step).

次いで、図4Cに示すように、第2基材2bを剥離して露出させた接着層4上に第2ガス拡散層5bを形成する(第2ガス拡散層形成工程)。これにより、第1触媒層3aと接着層4と第2ガス拡散層5bとでアノード電極又はカソード電極のいずれか他方の電極層が形成される。   Next, as shown in FIG. 4C, a second gas diffusion layer 5b is formed on the adhesive layer 4 exposed by peeling off the second substrate 2b (second gas diffusion layer forming step). As a result, the first electrode layer 3a, the adhesive layer 4, and the second gas diffusion layer 5b form the other electrode layer of the anode electrode or the cathode electrode.

以上の各工程を行うことにより、本実施形態にかかる膜電極接合体を製造することができる。   By performing the above steps, the membrane electrode assembly according to the present embodiment can be manufactured.

なお、前記では、図1D〜図1F,図4Aを用いて説明したように、高分子電解質膜1の他方の面に第1触媒層3aを覆うように第2基材2bを形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図5Aに示すように、第2基材2bに代えて、高分子電解質膜1の他方の面に第1触媒層3aを覆うように第2ガス拡散層5bを形成し、当該第2ガス拡散層5bにより高分子電解質膜1の面方向の形状を保持するようにしてもよい。この場合、図5Bに示すように高分子電解質膜1の一方の面から第1基材2aを剥離し、図5Cに示すように第1基材2aを剥離して露出させた高分子電解質膜1上に第2触媒層3bを形成し、図4Cに示すように高分子電解質膜1の一方の面に第2触媒層3bを覆うように第1ガス拡散層5aを形成することで、本実施形態にかかる膜電極接合体を製造することができる。この製造方法によれば、第2基材2bに関連する工程を省略することができるので、製造時間を短縮することができる。   In the above description, as described with reference to FIGS. 1D to 1F and 4A, the second base material 2b is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 1 so as to cover the first catalyst layer 3a. The present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 5A, instead of the second substrate 2b, a second gas diffusion layer 5b is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 1 so as to cover the first catalyst layer 3a, and the second You may make it hold | maintain the shape of the surface direction of the polymer electrolyte membrane 1 by the gas diffusion layer 5b. In this case, as shown in FIG. 5B, the first substrate 2a is peeled from one surface of the polymer electrolyte membrane 1, and the first substrate 2a is peeled and exposed as shown in FIG. 5C. The second catalyst layer 3b is formed on the first electrode, and the first gas diffusion layer 5a is formed on one surface of the polymer electrolyte membrane 1 so as to cover the second catalyst layer 3b as shown in FIG. The membrane electrode assembly according to the embodiment can be manufactured. According to this manufacturing method, the process related to the second base material 2b can be omitted, so that the manufacturing time can be shortened.

次に、膜電極接合体を構成する各部材の形状、材料等について説明する。   Next, the shape, material, etc. of each member constituting the membrane electrode assembly will be described.

高分子電解質膜1は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜1としては、特に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)、ジャパンゴアテックス(株)製のGSII(商品名)など)や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。高分子電解質膜1の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであればよい。また、高分子電解質膜1は、機械的強度や寸法安定性を確保する為に、芯材等で補強されてもよい。   The polymer electrolyte membrane 1 is preferably a polymer membrane having hydrogen ion conductivity. The polymer electrolyte membrane 1 is not particularly limited. For example, a fluorine-based polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA, manufactured by Asahi Kasei Corporation) Aciplex (registered trademark), Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., GSII (trade name) manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd.) and various hydrocarbon electrolyte membranes can be used. The material of the polymer electrolyte membrane 1 may be any material that selectively moves hydrogen ions. The polymer electrolyte membrane 1 may be reinforced with a core material or the like in order to ensure mechanical strength and dimensional stability.

また、高分子電解質膜1の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば20〜50μmである。なお、20〜50μmの膜厚の高分子電解質膜は、基材に接合された状態で市販されているものがある。この基材が接合された状態の高分子電解質膜を用いる場合には、図1Aを用いて説明した第1基材形成工程を省略することができる。   Moreover, the film thickness of the polymer electrolyte membrane 1 is not particularly limited, but is, for example, 20 to 50 μm. Some polymer electrolyte membranes having a thickness of 20 to 50 μm are commercially available while being bonded to a substrate. In the case of using the polymer electrolyte membrane in a state where this base material is bonded, the first base material forming step described with reference to FIG. 1A can be omitted.

また、高分子電解質膜1のイオン交換容量は、特に限定されるものではないが、例えば、0.5〜2.0ミリ等量/g膜乾燥重量である。なお、イオン伝導性を高めて電池特性を向上させるためには、高分子電解質膜のイオン交換容量は、1.1ミリ等量/g膜乾燥重量以上であることが好ましい。但し、高分子電解質膜のイオン交換容量が高くなると、含水率が向上して乾湿寸法の変化量が大きくなり、シワやたわみが発生しやすくなる点に留意すべきである。   Moreover, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane 1 is not particularly limited, but is, for example, 0.5 to 2.0 milliequivalent / g membrane dry weight. In order to enhance the ion conductivity and improve the battery characteristics, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.1 milliequivalent / g membrane dry weight or more. However, it should be noted that when the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane is increased, the moisture content is improved, the amount of change in the wet and dry dimensions is increased, and wrinkles and deflection are likely to occur.

また、高分子電解質膜1は、図4Cに示すように、触媒層3a,3b、ガス拡散層5a,5bよりもサイズが大きく、周縁部がそれらからはみ出すように設けられている。なお、触媒層3a,3bは、ガス拡散層5a,5bと同じサイズもしくは大きいサイズでも良い。但し、図5Aを用いて説明したように、高分子電解質膜1の面方向の形状をガス拡散層5bに保持させる場合には、高分子電解質膜1とガス拡散層5bとを接合するため、触媒層3aは、ガス拡散層5bよりも小さいサイズにする必要がある。   Further, as shown in FIG. 4C, the polymer electrolyte membrane 1 is larger in size than the catalyst layers 3a and 3b and the gas diffusion layers 5a and 5b, and is provided so that the peripheral edge protrudes from them. The catalyst layers 3a and 3b may be the same size or larger than the gas diffusion layers 5a and 5b. However, as explained with reference to FIG. 5A, when the shape of the polymer electrolyte membrane 1 in the plane direction is held in the gas diffusion layer 5b, the polymer electrolyte membrane 1 and the gas diffusion layer 5b are joined, The catalyst layer 3a needs to be smaller in size than the gas diffusion layer 5b.

触媒層3a,3bは、例えば、高分子電解質膜1の表面に触媒含有インクを塗布した後、乾燥することにより形成することができる。触媒含有インクの塗布方法としては、例えば、スプレー塗工、ダイ塗工、ドクターブレード塗工、ロールコーター塗工、キャストコータ、カーテンコータ、静電塗工などの塗布法や、スクリーン印刷、グラビア印刷、凸版印刷、平版印刷などの印刷法が挙げられる。また、触媒含有インクの乾燥方法としては、高分子電解質膜1が配置されるステージ等を加熱する方法、乾燥機内に配置する方法、遠赤外線を用いて加熱乾燥する方法など、公知の乾燥技術を適用することができる。なお、高分子電解質膜1の含水率をなるべく高く維持する観点から、塗布された触媒含有インク近傍の温度が100℃以下になるように、触媒含有インクの乾燥が行われることが好ましい。   The catalyst layers 3a and 3b can be formed, for example, by applying a catalyst-containing ink on the surface of the polymer electrolyte membrane 1 and then drying it. Examples of the method for applying the catalyst-containing ink include spray coating, die coating, doctor blade coating, roll coater coating, cast coater, curtain coater, electrostatic coating, screen printing, and gravure printing. And printing methods such as letterpress printing and planographic printing. In addition, as a drying method of the catalyst-containing ink, a known drying technique such as a method of heating a stage or the like on which the polymer electrolyte membrane 1 is disposed, a method of disposing in a dryer, or a method of heating and drying using far infrared rays is used. Can be applied. From the viewpoint of maintaining the water content of the polymer electrolyte membrane 1 as high as possible, it is preferable to dry the catalyst-containing ink so that the temperature in the vicinity of the applied catalyst-containing ink is 100 ° C. or lower.

前記触媒含有インクは、例えば、触媒の他に高分子電解質膜1と同じ成分の高分子電解質を溶剤に分散又は溶解させ、必要に応じて界面活性剤や撥水材などの添加剤の少量配合することにより調製することができる。当該触媒含有インクを乾燥することにより形成される触媒層3a,3bには、触媒と高分子電解質とが含まれる。   In the catalyst-containing ink, for example, a polymer electrolyte having the same components as the polymer electrolyte membrane 1 in addition to the catalyst is dispersed or dissolved in a solvent, and a small amount of an additive such as a surfactant or a water repellent is added as necessary. Can be prepared. The catalyst layers 3a and 3b formed by drying the catalyst-containing ink contain a catalyst and a polymer electrolyte.

前記触媒は、電極反応を円滑に行わせるためのものであり、貴金属触媒をカーボン微粒子の表面に担持したものである。通常、アノード側の触媒にはPt(白金)又はPtRu(白金−ルテニウム)などの合金触媒が表面に担持されたカーボン微粒子が用いられる。また、カソード側の触媒にはPt又はPtCoなどの合金触媒が表面に担持されたカーボン微粒子が用いられる。   The catalyst is for smoothly carrying out an electrode reaction, and carries a noble metal catalyst on the surface of carbon fine particles. Normally, carbon fine particles having an alloy catalyst such as Pt (platinum) or PtRu (platinum-ruthenium) supported on the surface are used for the catalyst on the anode side. Further, carbon fine particles having an alloy catalyst such as Pt or PtCo supported on the surface are used as the cathode side catalyst.

前記高分子電解質は、触媒微粒子間及び高分子電解質膜1と触媒微粒子との間に介在して、電極反応をより円滑に行わせるために添加するものである。なお、所定の溶剤に高分子電解質を予め分散又は溶解させた液体が既に市販されている。   The polymer electrolyte is added between the catalyst fine particles and between the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst fine particles so as to perform the electrode reaction more smoothly. A liquid in which a polymer electrolyte is previously dispersed or dissolved in a predetermined solvent is already on the market.

触媒含有インクの溶剤としては、比較的低沸点又は低分子量の溶剤、例えば、水(望ましくは、イオン交換水又は純水)、エタノール、n−プロパノール、イソプロピルアルコール、n−ブタノール、2−ブタノール、tert−ブタノールなどの第1級〜第3級アルコール、それらの誘導体、及びエーテル系、エステル系、フッ素系などの有機溶剤よりなる群から選ばれた少なくとも一種を使用することができる。当該溶剤は、高分子電解質の析出や分散状態の低下がないように十分な溶解度が必要である。また、短時間で効率よく触媒層を形成するためには、適切な沸点及び蒸気圧を有する溶剤を選定する必要がある。溶剤の沸点が低くかつ蒸気圧が高い場合には、速く乾燥し過ぎて触媒含有インクの連続的な印刷や塗布が困難となる。また、溶剤の沸点が高くかつ蒸気圧が低い場合には、塗膜の乾燥に長時間を要する。   As the solvent for the catalyst-containing ink, a solvent having a relatively low boiling point or low molecular weight, such as water (preferably ion-exchanged water or pure water), ethanol, n-propanol, isopropyl alcohol, n-butanol, 2-butanol, It is possible to use at least one selected from the group consisting of primary to tertiary alcohols such as tert-butanol, derivatives thereof, and organic solvents such as ether type, ester type and fluorine type. The solvent needs to have sufficient solubility so that the polymer electrolyte does not precipitate and the dispersed state does not decrease. Moreover, in order to form a catalyst layer efficiently in a short time, it is necessary to select a solvent having an appropriate boiling point and vapor pressure. When the boiling point of the solvent is low and the vapor pressure is high, the solvent dries too quickly and it becomes difficult to continuously print and apply the catalyst-containing ink. Moreover, when the boiling point of the solvent is high and the vapor pressure is low, it takes a long time to dry the coating film.

また、前記カーボン微粒子に付着した貴金属(又は合金)の量は、特に限定されるものではないが、通常0.1〜0.6mg/cm程度に管理する必要がある。前記印刷法又は塗布法を用いれば、このカーボン微粒子に対する貴金属(又は合金)の付着量の管理を容易に行うことができる。また、触媒含有インク中の触媒の粒子径、触媒の添加量、溶剤組成などの最適化、及び触媒含有インクの粘度の調整などを行うことにより、さらに高精度な前記付着量の制御と管理ができる。 The amount of the noble metal (or alloy) adhering to the carbon fine particles is not particularly limited, but usually needs to be controlled to about 0.1 to 0.6 mg / cm 2 . If the printing method or the coating method is used, the amount of noble metal (or alloy) attached to the carbon fine particles can be easily managed. In addition, by controlling the particle size of the catalyst in the catalyst-containing ink, the amount of catalyst added, the solvent composition, etc., and adjusting the viscosity of the catalyst-containing ink, it is possible to control and manage the adhesion amount with higher accuracy. it can.

基材2a,2bは、高分子電解質膜1の面方向の形状を保持する(寸法を安定化する)ための形状保持フィルムである。基材2a,2bは、加湿しても形状が変化しないものであることが好ましい。基材2a,2bとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、フッ素樹脂、ゴム状弾性体など、ラミネート加工時に熱変形しない耐熱性を有するフィルムであれば、特に限定することなく用いることができる。   The base materials 2a and 2b are shape holding films for holding the shape of the polymer electrolyte membrane 1 in the surface direction (stabilizing dimensions). The base materials 2a and 2b are preferably those whose shapes do not change even when humidified. As the base materials 2a and 2b, for example, polyethylene terephthalate, polypropylene, polyetherimide, polyimide, polyamide, polycarbonate, polyacetal, fluororesin, rubber-like elastic body, and the like having a heat resistance that does not undergo thermal deformation during lamination processing It can be used without any particular limitation.

基材2a,2bの膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば50〜500μmである。基材2a,2bの膜厚が50μmより薄い場合、機械的強度が低くなるため、高分子電解質膜1の形状を保持する能力が不足する。一方、基材2a,2bの膜厚が500μmより厚い場合、ロール・ツー・ロール方式の製造装置を採用した場合に基材の巻き取りが困難になる。なお、これらの観点から、基材2a,2bの膜厚は、100〜300μmであることが好ましい。   Although the film thickness of the base materials 2a and 2b is not specifically limited, For example, it is 50-500 micrometers. When the thicknesses of the base materials 2a and 2b are thinner than 50 μm, the mechanical strength is lowered, so that the ability to maintain the shape of the polymer electrolyte membrane 1 is insufficient. On the other hand, when the film thickness of the base materials 2a and 2b is thicker than 500 μm, it is difficult to wind the base material when a roll-to-roll manufacturing apparatus is employed. From these viewpoints, the thickness of the base materials 2a and 2b is preferably 100 to 300 μm.

なお、基材2a,2bと高分子電解質膜1との接着性や剥離性が十分でない場合は、基材2a,2bの表面に、コロナ処理やプラズマ処理等の表面処理を施しても良い。また、基材2a,2bには、必要に応じて印刷又は塗布部位の位置精度を高めるための位置決め用又はロール搬送用のガイド穴を設けても良い。また、基材2a,2bとして、熱的、化学的な安定性が比較的優れたものを使用することが好ましい。これにより、膜−触媒層接合体の製造時に基材2a,2bが損傷することを抑えることができるので、基材2a,2bを再利用することが可能になる。また、基材2aと基材2bとは、同じ材料で構成されても、別の材料で構成されてもよい。   In addition, when the adhesiveness and peelability of the base material 2a, 2b and the polymer electrolyte membrane 1 are not sufficient, the surface of the base material 2a, 2b may be subjected to surface treatment such as corona treatment or plasma treatment. Moreover, you may provide the guide hole for positioning or roll conveyance for raising the positional accuracy of printing or an application | coating site | part as needed in the base materials 2a and 2b. In addition, it is preferable to use the substrates 2a and 2b having relatively excellent thermal and chemical stability. Thereby, since it can suppress that base material 2a, 2b is damaged at the time of manufacture of a membrane-catalyst layer assembly, it becomes possible to reuse base material 2a, 2b. Moreover, the base material 2a and the base material 2b may be comprised with the same material, or may be comprised with another material.

ガス拡散層5a,5bは、例えば、炭素繊維を基材として用いずに構成したいわゆる基材レスガス拡散層で構成されている。基材レスガス拡散層の一例としては、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されたガス拡散層が挙げられる。ここで、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造(いわゆる自己支持体構造)を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を製造する場合、例えば、界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、炭素繊維を基材として基材として使用しない自己支持体構造であれば、他の材料(例えば、短繊維の炭素繊維など)が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。   The gas diffusion layers 5a and 5b are configured by, for example, a so-called baseless gas diffusion layer configured without using carbon fiber as a base material. As an example of the base material-less gas diffusion layer, there is a gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. Here, the “porous member mainly composed of conductive particles and polymer resin” means a structure (so-called self-supporting structure) that is supported only by conductive particles and polymer resin without using carbon fiber as a base material. It means a porous member having a support structure. When producing a porous member with conductive particles and a polymer resin, for example, a surfactant and a dispersion solvent are used. In this case, during the production process, the surfactant and the dispersion solvent are removed by firing, but they may not be sufficiently removed and may remain in the porous member. Therefore, as long as the “porous member mainly composed of conductive particles and polymer resin” has a self-supporting structure in which carbon fiber is not used as a base material, the surfactant and the dispersion remaining in this manner are dispersed. It means that a solvent may be included in the porous member. In addition, if the self-supporting structure does not use carbon fibers as a base material, it means that other materials (for example, carbon fibers of short fibers) may be included in the porous member.

ガス拡散層5a,5bは、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造することができる。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。次いで、高分子樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去する。これにより、シート状のガス拡散層5a,5bを製造することができる。   The gas diffusion layers 5a and 5b can be manufactured by kneading, extruding, rolling, and firing a mixture containing a polymer resin and conductive particles. Specifically, carbon, which is conductive particles, a dispersion solvent, and a surfactant are introduced into a stirrer / kneader, and then kneaded, pulverized, and granulated to disperse the carbon in the dispersed solvent. Next, the fluororesin, which is a polymer resin, is further dropped into a stirrer / kneader and stirred and kneaded to disperse the carbon and the fluororesin. The obtained kneaded material is rolled to form a sheet and fired to remove the dispersion solvent and the surfactant. Thereby, the sheet-like gas diffusion layers 5a and 5b can be manufactured.

ガス拡散層5a,5bを構成する導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック(AB)、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状であってもよい。   Examples of the material of the conductive particles constituting the gas diffusion layers 5a and 5b include carbon materials such as graphite, carbon black, and activated carbon. Examples of the carbon black include acetylene black (AB), furnace black, ketjen black, vulcan, and the like. These materials may be used alone, or a plurality of materials may be used in combination. . In addition, the raw material form of the carbon material may be any shape such as powder, fiber, and granule.

ガス拡散層5a,5bを構成する高分子樹脂の材料としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(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)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(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)等が挙げられる。これらの中でも、高分子樹脂の材料としてPTFEが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。PTFEの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でも、PTFEの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。なお、ガス拡散層5a,5bを構成する高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能(保水性)も有する。   As the material of the polymer resin constituting the gas diffusion layers 5a and 5b, PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetra) Fluoroethylene / ethylene copolymer), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), and the like. Among these, PTFE is preferably used as the polymer resin material from the viewpoints of heat resistance, water repellency, and chemical resistance. Examples of the raw material form of PTFE include dispersion and powder. Among these, it is preferable from the viewpoint of workability that a dispersion is adopted as a raw material form of PTFE. The polymer resin constituting the gas diffusion layers 5a and 5b has a function as a binder for binding the conductive particles. Further, since the polymer resin has water repellency, it also has a function (water retention) for confining water in the system inside the fuel cell.

また、ガス拡散層5a,5bには、上述したように、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、該ガス拡散層の製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール及びエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量、界面活性剤の量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子が均一分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料、分散溶媒の種類により適宜選択することができる。また、界面活性剤を使用しなくてもよい。   Further, as described above, in addition to the conductive particles and the polymer resin, the gas diffusion layers 5a and 5b may contain a trace amount of a surfactant and a dispersion solvent used when the gas diffusion layer is manufactured. . Examples of the dispersion solvent include water, alcohols such as methanol and ethanol, and glycols such as ethylene glycol. Examples of the surfactant include nonionic compounds such as polyoxyethylene alkyl ethers and zwitterionic compounds such as alkylamine oxides. What is necessary is just to set suitably the quantity of the dispersion solvent used at the time of manufacture, and the quantity of surfactant according to the kind of electroconductive particle, the kind of polymer resin, those compounding ratios, etc. In general, as the amount of the dispersion solvent and the amount of the surfactant increases, the polymer resin and the conductive particles tend to be uniformly dispersed, but the fluidity increases and the sheet of the gas diffusion layer is increased. It tends to be difficult. The surfactant can be appropriately selected depending on the material of the conductive particles and the type of the dispersion solvent. Moreover, it is not necessary to use a surfactant.

なお、ガス拡散層5a,5bは、カソード電極側及びアノード電極側において同じ構造のガス拡散層を用いても、異なる構造のガス拡散層を用いてもよい。例えば、カソード電極側及びアノード電極側のいずれか一方に炭素繊維を基材としたガス拡散層を用い、いずれか他方に前記基材レスガス拡散層を用いてもよい。   The gas diffusion layers 5a and 5b may be gas diffusion layers having the same structure on the cathode electrode side and the anode electrode side or may be gas diffusion layers having different structures. For example, a gas diffusion layer using carbon fiber as a base material may be used on either the cathode electrode side or the anode electrode side, and the base material-less gas diffusion layer may be used on either side.

次に、本実施形態にかかる膜電極接合体を備える燃料電池(単電池)について説明する。図6は、本実施形態にかかる膜電極接合体を備える燃料電池10の基本構成を模式的に示す断面図である。   Next, a fuel cell (unit cell) including the membrane electrode assembly according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the basic configuration of the fuel cell 10 including the membrane electrode assembly according to the present embodiment.

図6に示すように、燃料電池10は、膜電極接合体を一対のセパレータ30,40で挟持するように構成されている。膜電極接合体の外周部には、ハンドリング性を向上させるため又は高分子電解質膜1とセパレータ30,40との間をシールするために、樹脂製の枠体(ガスケットともいう)20が設けられている。一対のセパレータ30,40は、好ましくは、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。一方のセパレータ(アノードセパレータ)30の第2ガス拡散層5bと接触する主面(以下、電極面ともいう)には、燃料ガス用のガス流路31が設けられている。また、他方のセパレータ(カソードセパレータ)40の第1ガス拡散層5aと接触する主面(以下、電極面ともいう)には、酸化剤ガス用のガス流路41が設けられている。一方のセパレータ30のガス流路31に燃料ガスを供給し、他方のセパレータ40のガス流路41に酸化剤ガスを供給することで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。なお、図6では、接着層4がアノード側に配置されるものとして図示したが、接着層4はカソード側に配置されてもよい。   As shown in FIG. 6, the fuel cell 10 is configured to sandwich the membrane electrode assembly between a pair of separators 30 and 40. A resin frame (also referred to as a gasket) 20 is provided on the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly in order to improve handling properties or to seal between the polymer electrolyte membrane 1 and the separators 30 and 40. ing. The pair of separators 30 and 40 is preferably made of a material containing carbon or a material containing metal. A gas flow path 31 for fuel gas is provided on a main surface (hereinafter also referred to as an electrode surface) that contacts the second gas diffusion layer 5 b of one separator (anode separator) 30. A gas channel 41 for oxidizing gas is provided on a main surface (hereinafter also referred to as an electrode surface) of the other separator (cathode separator) 40 that contacts the first gas diffusion layer 5a. By supplying the fuel gas to the gas flow path 31 of one separator 30 and supplying the oxidant gas to the gas flow path 41 of the other separator 40, an electrochemical reaction occurs, and electric power and heat are generated. In FIG. 6, the adhesive layer 4 is illustrated as being disposed on the anode side, but the adhesive layer 4 may be disposed on the cathode side.

なお、燃料電池10を電源として使うときには、図6に示す燃料電池(単電池)10を必要とする個数だけ直列に連結して、いわゆる燃料電池スタックとして使用することができる。この場合、ガス流路31,41に反応ガス(燃料ガス又は酸化剤ガス)を供給するためには、使用するセパレータ30,40の枚数に対応する数に反応ガスを分岐し、それらの分岐先をガス流路31,41につなぐマニホールドが必要となる。   When the fuel cell 10 is used as a power source, the required number of fuel cells (unit cells) 10 shown in FIG. 6 can be connected in series and used as a so-called fuel cell stack. In this case, in order to supply the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) to the gas flow paths 31 and 41, the reaction gas is branched into a number corresponding to the number of separators 30 and 40 to be used, and the branch destinations thereof. Is required to connect the gas flow paths 31 and 41 to each other.

図7は、燃料電池10を複数個連結した燃料電池スタック11の基本構成を示す分解斜視図である。図7に示すように、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、それぞれ、燃料ガスが供給される一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔22,32,42が設けられている。また、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、それぞれ、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔23,33,43が設けられている。枠体20及び一対のセパレータ30,40が、燃料電池(単電池)10として連結された状態では、燃料ガスマニホールド孔22,32,42が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、枠体20及び一対のセパレータ30,40が、燃料電池(単電池)10として連結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔23,33,43が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。   FIG. 7 is an exploded perspective view showing a basic configuration of a fuel cell stack 11 in which a plurality of fuel cells 10 are connected. As shown in FIG. 7, the frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are provided with fuel gas manifold holes 22, 32 and 42, which are a pair of through holes to which fuel gas is supplied, respectively. The frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are provided with oxidant gas manifold holes 23, 33, and 43, which are a pair of through holes through which the oxidant gas flows. In a state where the frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are connected as the fuel cell (unit cell) 10, the fuel gas manifold holes 22, 32 and 42 are connected to form a fuel gas manifold. Similarly, in a state where the frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are connected as the fuel cell (unit cell) 10, the oxidant gas manifold holes 23, 33 and 43 are connected to form an oxidant gas manifold. The

また、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、冷却媒体(例えば、純水やエチレングリコール)が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔24,34,44が設けられている。枠体20及び一対のセパレータ30,40が、燃料電池(単電池)10として連結された状態では、冷却媒体マニホールド孔24,34,44が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。   The frame body 20 and the pair of separators 30 and 40 are provided with cooling medium manifold holes 24, 34, and 44, which are two pairs of through holes, respectively, through which a cooling medium (for example, pure water or ethylene glycol) flows. Yes. In a state where the frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are connected as the fuel cell (unit cell) 10, the cooling medium manifold holes 24, 34, and 44 are connected to form two pairs of cooling medium manifolds.

また、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、それぞれの角部の近傍に4つのボルト孔50が設けられている。各ボルト孔50に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによって複数の燃料電池10が締結される。   The frame body 20 and the pair of separators 30 and 40 are provided with four bolt holes 50 in the vicinity of each corner. A fastening bolt is inserted into each bolt hole 50, and a plurality of fuel cells 10 are fastened by connecting a nut to the fastening bolt.

ガス流路31は、一対の燃料ガスマニホールド32,32間を結ぶように設けられている。ガス流路41は、一対の酸化剤ガスマニホールド43,43間を結ぶように設けられている。なお、図7では、ガス流路31,41をサーペンタイン型の流路として示したが、その他の形態(例えば直線型)の流路であってもよい。   The gas flow path 31 is provided so as to connect the pair of fuel gas manifolds 32, 32. The gas flow path 41 is provided so as to connect the pair of oxidant gas manifolds 43, 43. In addition, in FIG. 7, although the gas flow paths 31 and 41 were shown as a serpentine type flow path, the flow path of another form (for example, linear type) may be sufficient.

また、セパレータ30の電極面とは反対側の主面及びセパレータ40の電極面とは反対側の主面には、図示していないが、それぞれ冷却媒体流路が形成されている。冷却媒体流路は、二対の冷却媒体マニホールド孔34,44間を結ぶように形成されている。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、燃料電池10を電気化学反応に適した所定の温度に保つようにしている。   Moreover, although not shown in figure, the cooling medium flow path is formed in the main surface on the opposite side to the electrode surface of the separator 30, and the main surface on the opposite side to the electrode surface of the separator 40, respectively. The cooling medium flow path is formed so as to connect the two pairs of cooling medium manifold holes 34 and 44. That is, the cooling medium is configured to branch from the cooling medium manifold on the supply side to the cooling medium flow path and to flow to the cooling medium manifold on the discharge side. Thus, the fuel cell 10 is maintained at a predetermined temperature suitable for the electrochemical reaction by utilizing the heat transfer capability of the cooling medium.

なお、前記では、セパレータ30,40に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各マニホールド孔を設け、積層した際に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドが形成されるように構成した、いわゆる内部マニホールド方式の燃料電池を例示して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池スタック11の側面に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドを設けた、いわゆる外部マニホールド方式の燃料電池であってもよい。この場合でも、同様の効果を得ることができる。また、セパレータ30,40を多孔状の導電材にて形成し、冷却媒体流路を流れる冷却水の圧力が、ガス流路31,41を流れる反応ガスの圧力よりも高くなるようにして、冷却水の一部を電極面側にセパレータ30,40を透過させて、高分子電解質膜1を湿らせる、いわゆる内部加湿型の燃料電池であってもよい。   In the above description, the manifolds for the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water are provided in the separators 30 and 40, and the supply manifolds for the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water are formed when they are stacked. The so-called internal manifold type fuel cell configured as described above has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, a so-called external manifold type fuel cell in which supply manifolds for fuel gas, oxidant gas, and cooling water are provided on the side surface of the fuel cell stack 11 may be used. Even in this case, the same effect can be obtained. Further, the separators 30 and 40 are formed of a porous conductive material, and cooling is performed so that the pressure of the cooling water flowing through the cooling medium flow path is higher than the pressure of the reaction gas flowing through the gas flow paths 31 and 41. A so-called internal humidification type fuel cell in which a part of water is allowed to pass through the separators 30 and 40 to the electrode surface side to wet the polymer electrolyte membrane 1 may be used.

また、前記では、セパレータ30,40にガス流路31,41を設けるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図8に示すように、一方のガス拡散層14にガス流路31を設け、他方のガス拡散層14にガス流路41を設けるようにしてもよい。また、セパレータ30と一方のガス拡散層14の両方にガス流路31を形成するようにしてもよい。また、セパレータ40と他方のガス拡散層14の両方にガス流路41を形成するようにしてもよい。   In the above description, the gas flow paths 31 and 41 are provided in the separators 30 and 40. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 8, the gas flow path 31 may be provided in one gas diffusion layer 14 and the gas flow path 41 may be provided in the other gas diffusion layer 14. Further, the gas flow path 31 may be formed in both the separator 30 and the one gas diffusion layer 14. Further, the gas flow path 41 may be formed in both the separator 40 and the other gas diffusion layer 14.

本発明にかかる膜−触媒層接合体の製造方法は、高分子電解質膜全体のシワやたわみをより一層抑えるとともに、耐久性の低下を抑えることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池が備える膜−触媒層接合体の製造方法として有用である。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to the present invention can further suppress wrinkles and deflection of the entire polymer electrolyte membrane, and can also suppress a decrease in durability. This is useful as a method for producing a membrane-catalyst layer assembly provided in a fuel cell used as a drive source for a power generation system, a household cogeneration system, or the like.

1 高分子電解質膜
2a 第1基材
2b 第2基材
3a 第1触媒層
3b 第2触媒層
4 恒温恒湿槽
5a 第1ガス拡散層
5b 第2ガス拡散層
10 燃料電池
11 燃料電池スタック
20 枠体
30,40 セパレータ
31,41 ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2a 1st base material 2b 2nd base material 3a 1st catalyst layer 3b 2nd catalyst layer 4 Constant temperature and humidity tank 5a 1st gas diffusion layer 5b 2nd gas diffusion layer 10 Fuel cell 11 Fuel cell stack 20 Frame 30, 40 Separator 31, 41 Gas flow path

Claims (7)

一方の面に第1基材が形成された高分子電解質膜の他方の面に第1触媒含有インクを塗布したのち乾燥することにより第1触媒層を形成する工程と、
前記高分子電解質膜の一方の面から前記第1基材を剥離する工程と、
前記第1基材を剥離して露出させた前記高分子電解質膜上に第2触媒含有インクを塗布したのち乾燥することにより第2触媒層を形成する工程と、
を含む、燃料電池用の膜−触媒層接合体の製造方法であって、
前記第1基材を剥離する工程の前に、前記第1基材が形成された状態で前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程を含む、膜−触媒層接合体の製造方法。
Forming a first catalyst layer by applying a first catalyst-containing ink to the other surface of the polymer electrolyte membrane having the first substrate formed on one surface and then drying;
Peeling the first substrate from one surface of the polymer electrolyte membrane;
Forming a second catalyst layer by applying a second catalyst-containing ink onto the polymer electrolyte membrane exposed by peeling off the first substrate and then drying;
A method for producing a membrane-catalyst layer assembly for a fuel cell, comprising:
A method for producing a membrane-catalyst layer assembly comprising a step of swelling the polymer electrolyte membrane in a thickness direction in a state where the first substrate is formed before the step of peeling the first substrate.
前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程には、前記高分子電解質膜を加湿することが含まれる、請求項1に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to claim 1, wherein the step of swelling the polymer electrolyte membrane in the thickness direction includes humidifying the polymer electrolyte membrane. 前記加湿は、前記高分子電解質膜の他方の面に前記第1触媒層が形成された状態で行われる、請求項2に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to claim 2, wherein the humidification is performed in a state where the first catalyst layer is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane. 前記加湿は、前記高分子電解質膜を恒温恒湿槽内に配置することにより行われる、請求項2又は3に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to claim 2 or 3, wherein the humidification is performed by placing the polymer electrolyte membrane in a constant temperature and humidity chamber. 前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程には、前記高分子電解質膜の他方の面に前記第1触媒含有インクを塗布したのち半乾燥することが含まれる、請求項1に記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   The step of swelling the polymer electrolyte membrane in the thickness direction includes semi-drying after applying the first catalyst-containing ink to the other surface of the polymer electrolyte membrane. A method for producing a membrane-catalyst layer assembly. 前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程後であって前記第1基材を剥離する工程前に、前記第1触媒層を形成した前記高分子電解質膜の他方の面に第2基材を形成する工程を含む、請求項1〜5のいずれか1つに記載の膜−触媒層接合体の製造方法。   After the step of swelling the polymer electrolyte membrane in the thickness direction and before the step of peeling the first substrate, a second group is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane on which the first catalyst layer is formed. The manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 5, comprising a step of forming a material. 請求項1〜5のいずれか1つに記載の膜−触媒層接合体の製造方法を含む、膜電極接合体の製造方法であって、
前記高分子電解質膜を厚さ方向に膨潤させる工程後であって前記第1基材を剥離する工程前に、前記第1触媒層を形成した前記高分子電解質膜の他方の面に、前記第1触媒層と接するようにガス拡散層を形成する工程を含む、膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly, comprising the method for producing a membrane-catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 5,
After the step of swelling the polymer electrolyte membrane in the thickness direction and before the step of peeling off the first substrate, the other surface of the polymer electrolyte membrane on which the first catalyst layer is formed, The manufacturing method of a membrane electrode assembly including the process of forming a gas diffusion layer so that 1 catalyst layer may be contact | connected.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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