JP2013191500A - Manufacturing method of membrane electrode assembly for solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Manufacturing method of membrane electrode assembly for solid polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly for a fuel cell which suppress a crack in an electrode, coagulation of a fibrous conductive material, a crack in a solid polymer electrolyte membrane, etc., from occurring in a manufacturing process where using the fibrous conductive material like CNT as a conductive material for supporting a catalyst.SOLUTION: A manufacturing method of a membrane electrode assembly for a solid polymer electrolyte fuel cell comprises the steps of: forming a membrane electrode assembly precursor where an electrolyte precursor membrane and an electrode precursor including a fibrous conductive material supporting a catalyst, aligned substantially vertical to the electrolyte precursor membrane, are laminated with each other; forming the membrane electrode assembly where at least an electrolyte membrane and an electrode including the fibrous conductive material supporting the catalyst and an electrolyte are laminated with each other, by carrying out an alkaline hydrolysis process using an alkaline aqueous solution and an acid treatment using an acid aqueous solution to the electrolyte precursor; and drying the membrane electrode assembly. The manufacturing method of the membrane electrode assembly for the solid polymer electrolyte fuel cell includes at least one of the steps of: compressing the membrane electrode assembly precursor in the lamination direction, and compressing the membrane electrode assembly in the lamination direction, after the step forming the membrane electrode assembly precursor and before the drying step.

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly for a solid polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually configured by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.

電解質膜として固体高分子電解質膜を用いる、固体高分子電解質型燃料電池の電極は、一般的に、導電性材料に担持された触媒及び固体高分子電解質(電解質樹脂)を含む電極(触媒層)を備える。このような電極では、導電性材料と固体高分子電解質と反応ガスとが接する、いわゆる三相界面において、電極反応が進行するため、三相界面を効率的に形成することが重要である。   An electrode of a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane is generally an electrode (catalyst layer) including a catalyst supported on a conductive material and a solid polymer electrolyte (electrolyte resin). Is provided. In such an electrode, since the electrode reaction proceeds at a so-called three-phase interface where the conductive material, the solid polymer electrolyte, and the reactive gas are in contact, it is important to efficiently form the three-phase interface.

固体高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の表面に、触媒を担持した導電性材料と固体高分子電解質とを含む電極を形成することで、作製することができる。具体的な製造方法としては、例えば、固体高分子電解質膜の製造方法として、例えば、(A)固体高分子電解質を含む溶液を塗布、乾燥する方法、(B)アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する固体高分子電解質前駆体を、溶融成形して膜状にした後、アルカリ加水分解処理及び酸処理を行う方法、等が挙げられ、電極の製造方法としては、例えば、(C)固体高分子電解質と触媒を担持した導電性材料とを含む触媒インクを塗布、乾燥する方法、(D)アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する固体高分子電解質前駆体と触媒を担持した導電性材料とを含む触媒インクを塗布、乾燥した後、該固体高分子電解質前駆体のアルカリ加水分解処理及び酸処理を行う方法、等が挙げられる。   A membrane electrode assembly constituting a solid polymer electrolyte fuel cell is manufactured by forming an electrode containing a conductive material carrying a catalyst and a solid polymer electrolyte on the surface of the solid polymer electrolyte membrane. Can do. Specific production methods include, for example, (A) a method of applying and drying a solution containing a solid polymer electrolyte, and (B) an alkali hydrolysis treatment and an acid treatment. Examples of a method for producing an electrode include a method in which a solid polymer electrolyte precursor that expresses proton conductivity is melt-molded into a film and then subjected to alkali hydrolysis treatment and acid treatment. C) a method of applying and drying a catalyst ink containing a solid polymer electrolyte and a conductive material carrying a catalyst, and (D) a solid polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment; Examples include a method in which a catalyst ink containing a conductive material carrying a catalyst is applied and dried, followed by alkali hydrolysis treatment and acid treatment of the solid polymer electrolyte precursor.

上記(B)や(D)のように固体高分子電解質前駆体を用いる方法として、例えば、特許文献1に記載された方法が挙げられる。
具体的には、特許文献1には、(1)高分子電解質前駆体を製膜して高分子電解質前駆体膜を製造するとともに、(2)該高分子電解質前駆体の溶媒分散物に触媒を混合して触媒インクとし、(3)該高分子電解質膜に該触媒インクを塗布して膜電極接合体(MEA)を製作し、(4)該膜電極接合体をアルカリ加水分解及び酸処理することを特徴とする、固体高分子型燃料電池用膜電極接合体の製造方法が記載されている。
As a method using a solid polymer electrolyte precursor as in the above (B) and (D), for example, the method described in Patent Document 1 can be mentioned.
Specifically, in Patent Document 1, (1) a polymer electrolyte precursor is formed into a polymer electrolyte precursor film, and (2) a catalyst is added to the solvent dispersion of the polymer electrolyte precursor. (3) The catalyst ink is applied to the polymer electrolyte membrane to produce a membrane electrode assembly (MEA). (4) The membrane electrode assembly is subjected to alkali hydrolysis and acid treatment. A method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell is described.

一方、電極におけるガス拡散性や電子伝導性等の向上効果が期待できることから、触媒を担持させる導電性材料として、カーボンナノチューブ(CNT)を用いることが提案されている(例えば、特許文献2)。CNTを導電性材料として用いた燃料電池用膜電極接合体は、例えば、支持基板上に成長させたCNTに触媒及び固体高分子電解質を担持させた後、該支持基板上のCNTを固体高分子電解質膜に転写することで、固体高分子電解質膜上にCNTを接合、配向させ、製造することができる。   On the other hand, since improvement effects such as gas diffusibility and electron conductivity in the electrode can be expected, it has been proposed to use carbon nanotubes (CNT) as a conductive material for supporting a catalyst (for example, Patent Document 2). A membrane electrode assembly for a fuel cell using CNT as a conductive material, for example, after supporting a catalyst and a solid polymer electrolyte on CNT grown on a support substrate, the CNT on the support substrate is converted to a solid polymer By transferring it to the electrolyte membrane, CNTs can be bonded and oriented on the solid polymer electrolyte membrane.

特許文献2には、電解質膜の面方向に対して60°以下の傾斜をもって配向している導電性ナノ柱状体(例えば、CNT)と、該導電性ナノ柱状体に担持された触媒と、該導電性ナノ柱状体を被覆する電解質樹脂とを有する燃料電池が開示されている。また、特許文献2には、上記のような燃料電池の製造方法として、基板上に該基板の面方向に対して実質的に垂直配向した導電性ナノ柱状体を成長させる工程と、導電性ナノ柱状体に触媒を担持させる工程と、触媒を担持させた導電性ナノ柱状体にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(固体高分子電解質)を塗布する工程と、導電性ナノ柱状体を特定の条件でパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜(固体高分子電解質膜)に熱転写する工程と、を含む方法が開示されている。   Patent Document 2 discloses a conductive nanocolumnar body (for example, CNT) that is oriented with an inclination of 60 ° or less with respect to the surface direction of the electrolyte membrane, a catalyst supported on the conductive nanocolumnar body, A fuel cell having an electrolyte resin that coats conductive nano-columns is disclosed. Further, in Patent Document 2, as a method of manufacturing the fuel cell as described above, a process of growing conductive nano-columns substantially perpendicularly aligned with a surface direction of the substrate on the substrate, A step of supporting the catalyst on the columnar body, a step of applying perfluorocarbon sulfonic acid resin (solid polymer electrolyte) to the conductive nanocolumnar body supporting the catalyst, and the perfluorocarbon under specific conditions on the conductive nanocolumnar body. And a step of thermally transferring to a sulfonic acid resin membrane (solid polymer electrolyte membrane).

特開2009−289463号公報JP 2009-289463 A 特開2007−257886号公報JP 2007-257886 A

特許文献1のように、固体高分子電解質前駆体を含む電極前駆体と固体高分子電解質前駆体膜とを接合した膜電極接合体前駆体に対して、アルカリ加水分解処理及び酸処理を行う燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、プロセスの簡易化、電池性能向上等の効果が期待できる。   As in Patent Document 1, a fuel that performs alkali hydrolysis treatment and acid treatment on a membrane electrode assembly precursor obtained by joining an electrode precursor containing a solid polymer electrolyte precursor and a solid polymer electrolyte precursor membrane The method for producing a membrane electrode assembly for a battery can be expected to have effects such as simplification of the process and improvement of battery performance.

しかしながら、本発明者らが鋭意検討したところ、触媒を担持させる導電性材料としてCNTのような繊維状導電性材料を用いた燃料電池用膜電極接合体を、上記のような膜電極接合体前駆体を用いる製造方法によって作製するべく、触媒及び固体高分子電解質前駆体を担持させた繊維状導電性材料を固体高分子電解質前駆体膜上に略垂直に配向させた膜電極接合体前駆体を作製し、該膜電極接合体前駆体に対してアルカリ加水分解処理や酸処理等を行うと、次のような問題が生じることが見出された。
すなわち、電極を構成する繊維状導電性材料が凝集したり、電極の面方向に亀裂が発生したり、さらには、電極の亀裂部分に対応する箇所で固体高分子電解質膜の亀裂が発生することが見出された。
However, as a result of intensive investigations by the present inventors, a membrane electrode assembly for a fuel cell using a fibrous conductive material such as CNT as a conductive material for supporting a catalyst is used as a precursor for a membrane electrode assembly as described above. A membrane electrode assembly precursor in which a fibrous conductive material carrying a catalyst and a solid polymer electrolyte precursor is oriented substantially vertically on the solid polymer electrolyte precursor film to be produced by a production method using a body. It was found that the following problems occur when the membrane electrode assembly precursor is prepared and subjected to alkali hydrolysis treatment, acid treatment, or the like.
That is, the fibrous conductive material constituting the electrode aggregates, cracks occur in the surface direction of the electrode, and further, cracks in the solid polymer electrolyte membrane occur at locations corresponding to the cracked parts of the electrode Was found.

これは、膜電極接合体前駆体に対してアルカリ加水分解処理及び酸処理を行って得られた膜電極接合体を乾燥させる際、固体高分子電解質膜の収縮に伴って電極に発生する収縮応力が、電極の面方向の亀裂進展応力よりも大きいためと考えられる。
特許文献1のように、触媒担持用導電性材料として、カーボンブラック等の粒子状導電性材料を用いる場合、図6の(6B)に示すように、電極5’において、触媒2を担持した粒子状導電性材料8を被覆する固体高分子電解質3’が、三次元的に結着している。そのため、アルカリ加水分解処理及び酸処理後に膜電極接合体6’の乾燥処理を行った際、固体高分子電解質膜4’が膨潤状態から収縮しても、繊維状導電性材料を用いた場合とは異なり、粒子状導電性材料8の凝集や、電極の亀裂、固体高分子電解質膜4’の亀裂等は生じない。
これに対して、触媒担持用導電性材料として、CNT等の繊維状導電性材料を用い、固体高分子電解質前駆体膜上に略垂直に配向させた場合、図6の(6A)に示すように、電極5’において、触媒2を担持したCNT(繊維状導電性材料)1は、それぞれが独立して固体高分子電解質膜4’上に配向しており、隣接するCNT1を被覆する固体高分子電解質3’も互いに結着していない。従って、膜電極接合体6’を乾燥処理した際、固体高分子電解質膜4’の収縮により、上記したような凝集や亀裂が生じてしまうと考えられる。
This is because, when a membrane electrode assembly obtained by subjecting a membrane electrode assembly precursor to alkaline hydrolysis treatment and acid treatment is dried, the shrinkage stress generated in the electrode as the solid polymer electrolyte membrane shrinks. This is considered to be because it is larger than the crack propagation stress in the surface direction of the electrode.
When a particulate conductive material such as carbon black is used as the catalyst-carrying conductive material as in Patent Document 1, as shown in FIG. 6 (6B), particles carrying the catalyst 2 in the electrode 5 ′ A solid polymer electrolyte 3 ′ covering the conductive material 8 is bound three-dimensionally. Therefore, when the membrane electrode assembly 6 ′ is dried after the alkali hydrolysis treatment and the acid treatment, even when the solid polymer electrolyte membrane 4 ′ contracts from the swollen state, the fibrous conductive material is used. In contrast, the aggregation of the particulate conductive material 8, the cracks in the electrodes, the cracks in the solid polymer electrolyte membrane 4 ', and the like do not occur.
On the other hand, when a fibrous conductive material such as CNT is used as the catalyst-carrying conductive material and is oriented substantially vertically on the solid polymer electrolyte precursor film, as shown in FIG. 6 (6A). In addition, in the electrode 5 ′, the CNTs (fibrous conductive material) 1 carrying the catalyst 2 are independently oriented on the solid polymer electrolyte membrane 4 ′, and the solid CNTs 1 that cover the adjacent CNTs 1 are coated. The molecular electrolytes 3 ′ are not bound to each other. Therefore, it is considered that when the membrane / electrode assembly 6 ′ is subjected to a drying treatment, the above-described aggregation or cracking occurs due to the shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane 4 ′.

繊維状導電性材料を用いた場合に生じる上記のような問題は、膜電極接合体前駆体に対してアルカリ加水分解処理及び酸処理を行う燃料電池用膜電極接合体の製造方法に特有のものであり、本発明者らによって新たに見出されたものである。
繊維状導電性材料の凝集や電極の亀裂は、触媒利用率の低下、物質移動の阻害(反応ガスの拡散性低下、水移動性低下等)等を引き起こし、膜電極接合体の発電性能を低下させる。さらには、膜電極接合体の強度も低下するため、膜電極接合体の耐久性低下をも招く。ゆえに、上記問題は、燃料電池の発電性能及び耐久性を向上させるべく解決すべき問題である。
The above problems that occur when using a fibrous conductive material are peculiar to the method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell in which alkaline hydrolysis treatment and acid treatment are performed on the membrane electrode assembly precursor. It has been newly found by the present inventors.
Aggregation of fibrous conductive material and cracks in the electrode cause a decrease in catalyst utilization, mass transfer inhibition (reduced gas diffusivity, reduced water mobility, etc.), etc., resulting in decreased power generation performance of the membrane electrode assembly Let Furthermore, since the strength of the membrane electrode assembly is also reduced, the durability of the membrane electrode assembly is also reduced. Therefore, the above problem is a problem to be solved in order to improve the power generation performance and durability of the fuel cell.

尚、特許文献2に記載された燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質前駆体膜や固体高分子電解質前駆体を用いる方法ではない。従って、特許文献2に記載された燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質前駆体膜や固体高分子電解質前駆体をアルカリ加水分解処理及び酸処理する工程を有しておらず、もちろんこれら処理後に必要な乾燥処理も不要である。ゆえに、特許文献2に記載された燃料電池の製造方法は、本発明者らによって見出された上記問題を有しておらず、特許文献2には、上記問題及びその解決手段について何ら記載されていない。   In addition, the manufacturing method of the fuel cell described in Patent Document 2 is not a method using a solid polymer electrolyte precursor membrane or a solid polymer electrolyte precursor. Therefore, the manufacturing method of the fuel cell described in Patent Document 2 does not include a step of subjecting the solid polymer electrolyte precursor membrane or the solid polymer electrolyte precursor to an alkali hydrolysis treatment and an acid treatment. The drying process required later is also unnecessary. Therefore, the manufacturing method of the fuel cell described in Patent Document 2 does not have the above-described problem found by the present inventors, and Patent Document 2 describes nothing about the above problem and its solution. Not.

本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、固体高分子電解質前駆体膜及び固体高分子電解質前駆体を用いて燃料電池用膜電極接合体を作製する方法において、CNTのような繊維状導電性材料を触媒担持用導電性材料として用いた場合に、製造過程で生じる、電極の亀裂、繊維状導電性材料の凝集、固体高分子電解質膜の亀裂等を抑制し、発電性能及び耐久性に優れた燃料電池用膜電極接合体を提供することである。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to produce a solid polymer electrolyte precursor membrane and a membrane electrode assembly for a fuel cell using the solid polymer electrolyte precursor. In this case, when a fibrous conductive material such as CNT is used as a catalyst-carrying conductive material, cracks in the electrode, aggregation of the fibrous conductive material, cracks in the solid polymer electrolyte membrane, etc. that occur during the manufacturing process An object of the present invention is to provide a fuel cell membrane electrode assembly that is suppressed and excellent in power generation performance and durability.

本発明の固体高分子電解質型燃料電池用の膜電極接合体の製造方法は、触媒及び固体高分子電解質を担持した繊維状導電性材料を含む電極と、固体高分子電解質膜と、を有する固体高分子電解質型燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第1の固体高分子電解質前駆体を含む固体高分子電解質前駆体膜と、触媒並びにアルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第2の固体高分子電解質前駆体を担持し且つ前記固体高分子電解質前駆体膜に対して略垂直に配向した繊維状導電性材料を含む電極前駆体と、が少なくとも積層した、膜電極接合体前駆体を作製する工程と、
前記膜電極接合体前駆体の前記第1及び第2の固体高分子電解質前駆体に対して、アルカリ水溶液によるアルカリ加水分解処理及び酸水溶液による酸処理を行い、第1の固体高分子電解質を含む固体高分子電解質膜と前記触媒及び第2の固体高分子電解質を担持した前記繊維状導電性材料を含む電極とが少なくとも積層した膜電極接合体を作製する工程と、
前記膜電極接合体作製工程の後、前記膜電極接合体を乾燥させる工程と、を有し、
前記膜電極接合体前駆体作製工程後であって前記乾燥工程前に、前記膜電極接合体前駆体を前記固体高分子電解質前駆体膜と前記電極前駆体との積層方向に加圧する工程及び前記膜電極接合体を前記固体高分子電解質膜と前記電極との積層方向に加圧する工程の少なくとも一方を有することを特徴とする。
A method for producing a membrane electrode assembly for a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a solid electrode having a catalyst and a fibrous conductive material carrying a solid polymer electrolyte, and a solid polymer electrolyte membrane. A method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
A solid polymer electrolyte precursor membrane including a first solid polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment, and a catalyst, and proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment A membrane / electrode assembly comprising at least a laminate of an electrode precursor supporting a second solid polymer electrolyte precursor and including a fibrous conductive material oriented substantially perpendicular to the solid polymer electrolyte precursor film Producing a precursor; and
The first and second solid polymer electrolyte precursors of the membrane electrode assembly precursor are subjected to an alkali hydrolysis treatment with an aqueous alkali solution and an acid treatment with an aqueous acid solution, and the first solid polymer electrolyte is contained. Producing a membrane electrode assembly in which at least a solid polymer electrolyte membrane and an electrode containing the fibrous conductive material carrying the catalyst and the second solid polymer electrolyte are laminated;
After the membrane electrode assembly manufacturing step, the step of drying the membrane electrode assembly,
Pressing the membrane electrode assembly precursor in the stacking direction of the solid polymer electrolyte precursor film and the electrode precursor after the membrane electrode assembly precursor preparation step and before the drying step; and It has at least one of the process which pressurizes a membrane electrode assembly to the lamination direction of the said solid polymer electrolyte membrane and the said electrode, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の固体高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体(以下、燃料電池用膜電極接合体、又は、膜電極接合体ということがある)の製造方法によれば、触媒担持用導電性材料として繊維状導電性材料を用いても、固体高分子電解質前駆体を固体高分子電解質へと変換するためのアルカリ加水分解処理及び酸処理並びにこれら処理に付随する乾燥処理に起因する、繊維状導電性材料の凝集、電極の亀裂、固体高分子電解質膜の亀裂等の発生を抑制することができる。従って、本発明によれば、発電性能や耐久性に優れた燃料電池用膜電極接合体を製造することが可能である。   According to the method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention (hereinafter sometimes referred to as a membrane electrode assembly for a fuel cell or a membrane electrode assembly), a conductive material for supporting a catalyst Even if a fibrous conductive material is used as the fibrous conductive material, the fibrous conductive material resulting from the alkali hydrolysis treatment and acid treatment for converting the solid polymer electrolyte precursor into a solid polymer electrolyte and the drying treatment accompanying these treatments. It is possible to suppress the occurrence of aggregation of the conductive material, cracking of the electrode, cracking of the solid polymer electrolyte membrane, and the like. Therefore, according to the present invention, it is possible to manufacture a membrane electrode assembly for a fuel cell that is excellent in power generation performance and durability.

本発明の膜電極接合体の製造方法は、前記膜電極接合体作製工程の前に、前記加圧工程を有することが好ましい。固体高分子電解質前駆体を固体高分子電解質へ変換する前の膜電極接合体前駆体に対して、前記加圧工程を実施することによって、隣接する繊維状導電性材料に担持された固体高分子電解質前駆体同士をより効率良く結着させることができると共に、繊維状導電性材料の凝集や電極の亀裂等をより効果的に抑制することができるからである。   It is preferable that the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention has the said pressurization process before the said membrane electrode assembly preparation process. A solid polymer supported on an adjacent fibrous conductive material by performing the pressurizing step on the membrane electrode assembly precursor before the conversion of the solid polymer electrolyte precursor to the solid polymer electrolyte This is because the electrolyte precursors can be bound together more efficiently, and aggregation of the fibrous conductive material, cracking of the electrodes, and the like can be more effectively suppressed.

本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造方法の具体的な態様として、前記膜電極接合体前駆体作製工程が、前記触媒及び前記第2の固体高分子電解質前駆体を担持し且つ支持基板上に略垂直に配向した前記繊維状導電性材料を、前記固体高分子電解質前駆体膜に転写する工程と、前記支持基板を剥離する工程と、を有する態様が挙げられる。
このように支持基板を剥離した後に加圧工程を実施することで、繊維状導電性材料に担持された第2の固体高分子電解質前駆体同士をより確実に結着させることが可能である。
As a specific aspect of the method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention, the membrane electrode assembly precursor preparation step carries the catalyst and the second solid polymer electrolyte precursor, and supports a support substrate. The aspect which has the process of transcribe | transferring the said fibrous conductive material orientated substantially perpendicularly on the said solid polymer electrolyte precursor film | membrane, and the process of peeling the said support substrate is mentioned.
Thus, by performing a pressurizing process after peeling off the support substrate, it is possible to bind the second solid polymer electrolyte precursors supported on the fibrous conductive material more reliably.

前記加圧工程において、加圧対象が前記膜電極接合体前駆体の場合、印加圧力が1〜10MPa、温度が0℃以上であって前記第2の固体高分子電解質前駆体のガラス転移温度以下であり、加圧対象が前記膜電極接合体の場合、印加圧力が1〜10MPa、温度が0℃以上であって前記第2の固体高分子電解質のガラス転移温度以下であることが好ましい。
この際、前記加圧工程において、加圧対象が前記膜電極接合体前駆体の場合、前記温度が前記第1の固体高分子電解質前駆体のガラス転移温度未満であり、加圧対象が前記膜電極接合体の場合、前記温度が前記第1の固体高分子電解質のガラス転移温度未満であることが好ましい。
In the pressurizing step, when the object to be pressurized is the membrane electrode assembly precursor, the applied pressure is 1 to 10 MPa, the temperature is 0 ° C. or higher, and is equal to or lower than the glass transition temperature of the second solid polymer electrolyte precursor. In the case where the object to be pressurized is the membrane electrode assembly, it is preferable that the applied pressure is 1 to 10 MPa, the temperature is 0 ° C. or higher, and is not higher than the glass transition temperature of the second solid polymer electrolyte.
At this time, in the pressurization step, when the pressurization target is the membrane electrode assembly precursor, the temperature is lower than the glass transition temperature of the first solid polymer electrolyte precursor, and the pressurization target is the membrane. In the case of an electrode assembly, the temperature is preferably lower than the glass transition temperature of the first solid polymer electrolyte.

前記繊維状導電性材料としては、例えば、カーボンナノチューブが挙げられる。   Examples of the fibrous conductive material include carbon nanotubes.

本発明によれば、固体高分子電解質前駆体膜及び固体高分子電解質前駆体を用いて燃料電池用膜電極接合体を作製する方法において、繊維状導電性材料を触媒担持用導電性材料として用いた際に生じる、電極の亀裂、繊維状導電性材料の凝集、固体高分子電解質膜の亀裂等を抑制することが可能である。従って、本発明によれば、発電性能及び耐久性に優れた燃料電池用膜電極接合体を提供することである。   According to the present invention, in a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell using a solid polymer electrolyte precursor membrane and a solid polymer electrolyte precursor, a fibrous conductive material is used as a conductive material for catalyst support. It is possible to suppress cracking of the electrode, aggregation of the fibrous conductive material, cracking of the solid polymer electrolyte membrane, and the like, which are generated when the contact is made. Therefore, according to this invention, it is providing the membrane electrode assembly for fuel cells excellent in electric power generation performance and durability.

固体高分子電解質前駆体(F型)のアルカリ加水分解処理及び酸処理による固体高分子電解質(H型)への変換のメカニズムの一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the mechanism of the conversion to the solid polymer electrolyte (H type) by the alkali hydrolysis process and acid treatment of a solid polymer electrolyte precursor (F type). 本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of embodiment of the manufacturing method of the membrane electrode assembly for fuel cells of this invention. 本発明における加圧工程の作用効果を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the effect of the pressurization process in this invention. 実施例1の燃料電池用膜電極接合体の電極のSEM写真である。2 is an SEM photograph of an electrode of a fuel cell membrane electrode assembly in Example 1. FIG. 比較例1の燃料電池用膜電極接合体の電極のSEM写真である。4 is an SEM photograph of an electrode of a fuel cell membrane electrode assembly in Comparative Example 1. 従来の燃料電池用膜電極接合体の製造方法における膜電極接合体の構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the membrane electrode assembly in the manufacturing method of the conventional membrane electrode assembly for fuel cells.

本発明の固体高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、触媒及び固体高分子電解質を担持した繊維状導電性材料を含む電極と、固体高分子電解質膜と、を有する固体高分子電解質型燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第1の固体高分子電解質前駆体を含む固体高分子電解質前駆体膜と、触媒並びにアルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第2の固体高分子電解質前駆体を担持し且つ前記固体高分子電解質前駆体膜に対して略垂直に配向した繊維状導電性材料を含む電極前駆体と、が少なくとも積層した、膜電極接合体前駆体を作製する工程と、
前記膜電極接合体前駆体の前記第1及び第2の固体高分子電解質前駆体に対して、アルカリ水溶液によるアルカリ加水分解処理及び酸水溶液による酸処理を行い、第1の固体高分子電解質を含む固体高分子電解質膜と前記触媒及び第2の固体高分子電解質を担持した前記繊維状導電性材料を含む電極とが少なくとも積層した膜電極接合体を作製する工程と、
前記膜電極接合体作製工程の後、前記膜電極接合体を乾燥させる工程と、を有し、
前記膜電極接合体前駆体作製工程後であって前記乾燥工程前に、前記膜電極接合体前駆体を前記固体高分子電解質前駆体膜と前記電極前駆体との積層方向に加圧する工程及び前記膜電極接合体を前記固体高分子電解質膜と前記電極との積層方向に加圧する工程の少なくとも一方を有することを特徴とする。
A method for producing a membrane electrode assembly for a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises an electrode including a catalyst and a fibrous conductive material carrying a solid polymer electrolyte, and a solid polymer electrolyte membrane. A method for producing a membrane electrode assembly for a molecular electrolyte fuel cell, comprising:
A solid polymer electrolyte precursor membrane including a first solid polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment, and a catalyst, and proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment A membrane / electrode assembly comprising at least a laminate of an electrode precursor supporting a second solid polymer electrolyte precursor and including a fibrous conductive material oriented substantially perpendicular to the solid polymer electrolyte precursor film Producing a precursor; and
The first and second solid polymer electrolyte precursors of the membrane electrode assembly precursor are subjected to an alkali hydrolysis treatment with an aqueous alkali solution and an acid treatment with an aqueous acid solution, and the first solid polymer electrolyte is contained. Producing a membrane electrode assembly in which at least a solid polymer electrolyte membrane and an electrode containing the fibrous conductive material carrying the catalyst and the second solid polymer electrolyte are laminated;
After the membrane electrode assembly manufacturing step, the step of drying the membrane electrode assembly,
Pressing the membrane electrode assembly precursor in the stacking direction of the solid polymer electrolyte precursor film and the electrode precursor after the membrane electrode assembly precursor preparation step and before the drying step; and It has at least one of the process which pressurizes a membrane electrode assembly to the lamination direction of the said solid polymer electrolyte membrane and the said electrode, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、アルカリ加水分解処理及び酸処理によってプロトン伝導性を発現する、固体高分子電解質前駆体を用いるものである。具体的には、固体高分子電解質前駆体を含む固体高分子電解質前駆体膜と、固体高分子電解質前駆体を含む電極前駆体とが積層した膜電極接合体前駆体に対して、アルカリ加水分解処理及び酸処理を行うことによって、固体高分子電解質膜と固体高分子電解質を含む電極とが積層した膜電極接合体を得る。
上記のような固体高分子電解質前駆体を含む膜電極接合体前駆体を用いる場合、固体高分子電解質前駆体が固体高分子電解質と比較して熱的安定性に優れていることから、電極や膜の溶融成形が可能である、固体高分子電解質前駆体膜と電極前駆体との熱圧着により電極−電解質膜間の界面密着性を向上させることができる、といったメリットを有している。また、上記熱圧着時の圧力を小さくすることができることから、製造装置の簡素化等も可能である。さらには、固体高分子電解質前駆体膜と電極前駆体とのアルカリ加水分解処理及び酸処理を同時に実施することができるため、製造プロセスの簡素化も達成できる。
The method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention uses a solid polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment. Specifically, alkaline hydrolysis is performed on a membrane electrode assembly precursor in which a solid polymer electrolyte precursor membrane containing a solid polymer electrolyte precursor and an electrode precursor containing a solid polymer electrolyte precursor are laminated. By performing the treatment and the acid treatment, a membrane electrode assembly in which the solid polymer electrolyte membrane and the electrode containing the solid polymer electrolyte are laminated is obtained.
When using a membrane electrode assembly precursor including the solid polymer electrolyte precursor as described above, the solid polymer electrolyte precursor is superior in thermal stability compared to the solid polymer electrolyte, The film has a merit that the film can be melt-molded and the interfacial adhesion between the electrode and the electrolyte film can be improved by thermocompression bonding of the solid polymer electrolyte precursor film and the electrode precursor. In addition, since the pressure during the thermocompression bonding can be reduced, the manufacturing apparatus can be simplified. Furthermore, since the alkali hydrolysis treatment and the acid treatment of the solid polymer electrolyte precursor film and the electrode precursor can be performed at the same time, the manufacturing process can be simplified.

ここで、アルカリ加水分解処理及び酸処理によってプロトン伝導性を発現する固体高分子電解質前駆体について説明する。
固体高分子電解質とは、スルホン酸基等のプロトン交換基を有し、変性等の処理を行わなくともプロトン伝導性を有するものである。
一方、アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する固体高分子電解質前駆体とは、アルカリ加水分解処理及び酸処理によりスルホン酸基等のプロトン交換基に変換される前駆体基(例えば、−SOF、−SOCl等)を有するものである。
図1に、固体高分子電解質前駆体のアルカリ加水分解処理及び酸処理による固体高分子電解質への変換の典型例を示す。図1に示すように、前駆体基である−SOFを有する固体高分子電解質前駆体(F型)は、−SOFを、アルカリ加水分解により−SONa等に変換し、さらに酸処理により−SOHに変換することで、プロトン伝導性を発現する。
Here, the solid polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment will be described.
The solid polymer electrolyte has a proton exchange group such as a sulfonic acid group, and has proton conductivity without treatment such as modification.
On the other hand, a solid polymer electrolyte precursor that expresses proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment is a precursor group that is converted into a proton exchange group such as a sulfonic acid group by alkali hydrolysis treatment and acid treatment (for example, , those having a -SO 3 F, -SO 3 Cl, etc.).
FIG. 1 shows a typical example of conversion of a solid polymer electrolyte precursor into a solid polymer electrolyte by alkali hydrolysis treatment and acid treatment. As shown in FIG. 1, the solid polymer electrolyte precursor (F type) having —SO 3 F as a precursor group converts —SO 3 F into —SO 3 Na or the like by alkaline hydrolysis, and by converting the acid treatment -SO 3 H, express proton conductivity.

本発明者らは、上記のような固体高分子電解質前駆体膜と電極前駆体とが積層した膜電極接合体前駆体を用いる膜電極接合体の製造方法によって、触媒担持用導電性材料としてCNTを用いて膜電極接合体を作製するべく、図3の(3A)に示すように、触媒2及び固体高分子電解質前駆体3を担持させたCNT1を固体高分子電解質前駆体膜4に略垂直に配向させた膜電極接合体前駆体6を作製し、該膜電極接合体前駆体6に対してアルカリ加水分解処理や酸処理等を行ったところ、特許文献1のような従来の方法を単に適用すると、アルカリ加水分解処理及び酸処理に続く乾燥工程において、図3の(3D)に示すように、CNT1の凝集、電極5’の亀裂、さらには固体高分子電解質膜4’の亀裂が生じるという問題が見出された。   The present inventors have used CNT as a catalyst-supporting conductive material by a method of manufacturing a membrane electrode assembly using a membrane electrode assembly precursor in which a solid polymer electrolyte precursor membrane and an electrode precursor as described above are laminated. As shown in FIG. 3 (3A), the CNT 1 carrying the catalyst 2 and the solid polymer electrolyte precursor 3 is made substantially perpendicular to the solid polymer electrolyte precursor film 4 to produce a membrane electrode assembly using A membrane electrode assembly precursor 6 oriented in the same manner as above was prepared, and the membrane electrode assembly precursor 6 was subjected to alkali hydrolysis treatment, acid treatment, and the like. When applied, in the drying step subsequent to the alkali hydrolysis treatment and the acid treatment, as shown in FIG. 3 (3D), aggregation of CNT1, crack of the electrode 5 ′, and further crack of the solid polymer electrolyte membrane 4 ′ occur. The problem was found.

上記乾燥工程は、膜電極接合体前駆体をアルカリ水溶液に浸漬させるアルカリ加水分解処理及び該膜電極接合体前駆体を酸水溶液に浸漬させる酸処理の後、得られる膜電極接合体から水分を除去し、膨潤した固体高分子電解質膜や電極を乾燥させることで、燃料電池組立時の膜電極接合体の寸法安定性やハンドリング性を確保するために必須の工程である。すなわち、アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する固体高分子電解質前駆体を用いる膜電極接合体の製造方法においては、必須の工程である。   The drying step removes moisture from the membrane electrode assembly obtained after an alkaline hydrolysis treatment in which the membrane electrode assembly precursor is immersed in an alkaline aqueous solution and an acid treatment in which the membrane electrode assembly precursor is immersed in an aqueous acid solution. In addition, drying the swollen solid polymer electrolyte membrane and the electrode is an essential process for ensuring the dimensional stability and handling properties of the membrane electrode assembly during assembly of the fuel cell. That is, it is an essential step in the method for producing a membrane / electrode assembly using a solid polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment.

既述したように、粒子状導電性材料を用いた従来の膜電極接合体の製造方法では、電極において、粒子状導電性材料を被覆する固体高分子電解質が三次元的に連結しているため、電極の面方向における亀裂進展応力が大きい。従って、乾燥工程において、固体高分子電解質膜が乾燥により大きく収縮するのに伴い、電極に収縮応力が生じても、電極の亀裂や、電極を構成する粒子状導電性材料の凝集、固体高分子電解質膜の亀裂等が生じない。   As described above, in the conventional method of manufacturing a membrane electrode assembly using a particulate conductive material, the solid polymer electrolyte covering the particulate conductive material is three-dimensionally connected in the electrode. The crack growth stress in the surface direction of the electrode is large. Therefore, in the drying process, even if the solid polymer electrolyte membrane shrinks greatly due to drying, even if shrinkage stress occurs in the electrode, the electrode cracks, the aggregate of the particulate conductive material constituting the electrode, the solid polymer There is no cracking of the electrolyte membrane.

これに対して、本発明のように、CNT等の繊維状導電性材料を固体高分子電解質前駆体膜上に略垂直に配向させた場合、隣接するCNTを被覆する固体高分子電解質前駆体同士は、連結しないように、CNT表面に担持させられる(図3の(3A)参照)。そのため、電極の面方向の強度が小さく、亀裂進展応力が小さい。従って、乾燥工程において、固体高分子電解質膜が乾燥により大きく収縮すると、電極強度が固体高分子電解質膜の膨潤収縮量と電極の膨潤収縮量の差から発生する応力を許容できず、図3の(3D)に示すように、電極の亀裂や、CNTの凝集が生じ、さらには、電極の亀裂に対応する固体高分子電解質膜の部分にかかる負荷が大きくなり、固体高分子電解質膜の亀裂等が発生する。凝集したCNTに担持された触媒は、発電に寄与しないため、膜電極接合体の発電性能が低下する。また、電極において亀裂や凝集が発生すると、電極における物質移動の阻害(反応ガス拡散性低下、水移動性低下等)により濃度過電圧が増加し、発電性能が悪化する。また、電極の亀裂や固体高分子電解質の亀裂により、膜電極接合体の強度が低下するため、クロスリークや短絡電流増加が発生し、膜電極接合体の耐久性が悪化してしまう。   On the other hand, when a fibrous conductive material such as CNT is oriented substantially vertically on the solid polymer electrolyte precursor film as in the present invention, solid polymer electrolyte precursors covering adjacent CNTs Is supported on the CNT surface so as not to be connected (see (3A) in FIG. 3). Therefore, the strength in the surface direction of the electrode is small, and the crack propagation stress is small. Therefore, in the drying process, when the solid polymer electrolyte membrane is largely shrunk by drying, the electrode strength cannot tolerate the stress generated from the difference between the swelling shrinkage amount of the solid polymer electrolyte membrane and the swelling shrinkage amount of the electrode. As shown in (3D), cracking of the electrode and aggregation of CNTs occur, and further, the load applied to the portion of the solid polymer electrolyte membrane corresponding to the crack of the electrode is increased, cracking of the solid polymer electrolyte membrane, etc. Will occur. Since the catalyst supported on the agglomerated CNT does not contribute to power generation, the power generation performance of the membrane electrode assembly decreases. In addition, when cracks or agglomeration occurs in the electrode, concentration overvoltage increases due to inhibition of mass transfer in the electrode (reduced reaction gas diffusibility, decreased water mobility, etc.), and power generation performance deteriorates. Moreover, since the strength of the membrane electrode assembly decreases due to cracks in the electrodes and cracks in the solid polymer electrolyte, cross leakage and an increase in short circuit current occur, and the durability of the membrane electrode assembly deteriorates.

上記のような電極及び固体高分子電解質膜の亀裂、繊維状導電性材料の凝集は、固体高分子電解質前駆体膜の表面に、固体高分子電解質前駆体を担持した繊維状導電性材料を略垂直に配向させた構造を有する膜電極接合体前駆体に対して、固体高分子電解質前駆体のアルカリ加水分解処理及び酸処理を行った後、膜電極接合体を乾燥させる工程を備える方法に特有の問題であり、本発明は、本発明者らによって新たに見出された問題である。   The cracks of the electrode and the solid polymer electrolyte membrane as described above, and the aggregation of the fibrous conductive material are substantially the same as the fibrous conductive material carrying the solid polymer electrolyte precursor on the surface of the solid polymer electrolyte precursor membrane. Specific to a method comprising a step of drying a membrane electrode assembly after subjecting the membrane electrode assembly precursor having a vertically oriented structure to alkali hydrolysis treatment and acid treatment of the solid polymer electrolyte precursor. The present invention is a problem newly found by the present inventors.

そこで、本発明では、電極の強度、特に面方向の強度を向上させることで、上記のような電極の亀裂や繊維状導電性材料の凝集、固体高分子電解質膜の亀裂の発生を抑制することを可能にした。
図2は、本発明の膜電極接合体の製造方法の具体的な実施態様例を示すフローチャートである。
図2においては、まず、固体高分子電解質前駆体(第1の固体高分子電解質前駆体)を製膜して固体高分子電解質前駆体膜を作製する一方、触媒を担持したCNTが支持基板上に略垂直配向したCNT基板に、固体高分子電解質前駆体(第2の固体高分子電解質前駆体)の分散液を含浸、乾燥させることにより電極前駆体を作製する。
次に、固体高分子電解質前駆体膜に、電極前駆体を転写することにより、膜電極接合体(MEA)前駆体を作製する。CNT基板の支持基板は剥離する。このとき、図3の(3A)に示すように、膜電極接合体前駆体6は、固体高分子電解質前駆体膜4と、触媒2及び固体高分子電解質前駆体(第2の固体高分子電解質前駆体)3を担持し且つ固体高分子電解質前駆体膜4の表面に略垂直配向したCNT1を含む電極前駆体5と、が積層した構造を有している。
続いて、膜電極接合体前駆体の固体高分子電解質前駆体膜と電極前駆体との積層方向にプレス機等を用いて圧力を印加する。図3の(3B)に示すように、プレス機7により、圧力が印加された膜電極接合体前駆体6では、固体高分子電解質前駆体3を担持したCNT1が押し倒され、隣接するCNT1を被覆する固体高分子電解質前駆体3同士が結着される(図3の(3B)中、破線枠で示した領域)。
その後、図3の(3B)のように固体高分子電解質前駆体3同士が連結した状態の膜電極接合体前駆体6を、アルカリ水溶液に浸漬することで、電極前駆体中の固体高分子電解質前駆体及び固体高分子電解質前駆体膜のアルカリ加水分解処理を行い、さらに、酸水溶液に浸漬することで、固体高分子電解質前駆体及び固体高分子電解質前駆体膜の酸処理を行う。図2に示すように、アルカリ水溶液浸漬後に膜電極接合体前駆体を純水で洗浄する工程や、酸水溶液浸漬後に膜電極接合体を純水で洗浄する工程を設けてもよい。
最後に、アルカリ加水分解処理及び酸処理後、得られた膜電極接合体を乾燥する。このとき、図3の(3C)のように、膜電極接合体6’の電極5’において、隣接するCNT1を被覆する固体高分子電解質3’が連結されているため、固体高分子電解質膜4’が大きく収縮しても、CNT1の凝集や、電極5’の面方向に亀裂等が生じない。
Therefore, in the present invention, by improving the strength of the electrode, particularly the strength in the plane direction, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the electrode, aggregation of the fibrous conductive material, and cracks in the solid polymer electrolyte membrane as described above. Made possible.
FIG. 2 is a flowchart showing a specific embodiment example of the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention.
In FIG. 2, first, a solid polymer electrolyte precursor (first solid polymer electrolyte precursor) is formed to produce a solid polymer electrolyte precursor film, while the CNTs supporting the catalyst are on the support substrate. An electrode precursor is prepared by impregnating and drying a dispersion of a solid polymer electrolyte precursor (second solid polymer electrolyte precursor) on a CNT substrate that is substantially vertically oriented.
Next, a membrane electrode assembly (MEA) precursor is produced by transferring the electrode precursor to the solid polymer electrolyte precursor membrane. The support substrate of the CNT substrate is peeled off. At this time, as shown in FIG. 3 (3A), the membrane / electrode assembly precursor 6 comprises a solid polymer electrolyte precursor film 4, a catalyst 2 and a solid polymer electrolyte precursor (second solid polymer electrolyte). It has a structure in which a precursor) 3 and an electrode precursor 5 containing CNTs 1 that are substantially vertically oriented on the surface of the solid polymer electrolyte precursor film 4 are laminated.
Subsequently, pressure is applied using a press or the like in the stacking direction of the solid polymer electrolyte precursor film of the membrane electrode assembly precursor and the electrode precursor. As shown in (3B) of FIG. 3, in the membrane electrode assembly precursor 6 to which pressure is applied by the press machine 7, the CNT1 carrying the solid polymer electrolyte precursor 3 is pushed down and covers the adjacent CNT1. The solid polymer electrolyte precursors 3 to be bonded are bound to each other (a region indicated by a broken line frame in (3B) of FIG. 3).
Then, the solid polymer electrolyte in the electrode precursor is immersed in an aqueous alkaline solution by immersing the membrane electrode assembly precursor 6 in a state where the solid polymer electrolyte precursors 3 are connected to each other as shown in FIG. 3 (3B). The precursor and the solid polymer electrolyte precursor film are subjected to alkali hydrolysis treatment, and further immersed in an acid aqueous solution to perform acid treatment of the solid polymer electrolyte precursor and the solid polymer electrolyte precursor film. As shown in FIG. 2, you may provide the process of wash | cleaning a membrane electrode assembly precursor with pure water after alkali aqueous solution immersion, and the process of wash | cleaning a membrane electrode assembly with pure water after acid aqueous solution immersion.
Finally, after the alkali hydrolysis treatment and the acid treatment, the obtained membrane electrode assembly is dried. At this time, as shown in (3C) of FIG. 3, since the solid polymer electrolyte 3 ′ covering the adjacent CNT1 is connected to the electrode 5 ′ of the membrane electrode assembly 6 ′, the solid polymer electrolyte membrane 4 is connected. Even if “shrinks greatly”, aggregation of CNT1 and cracks in the surface direction of the electrode 5 ′ do not occur.

本発明は、以上のような本発明者らによって新たに見出された問題を解決すべく成し遂げられたものであり、上記したような乾燥処理に伴う、電極の亀裂、繊維状導電性材料の凝集、固体高分子電解質膜の亀裂等を抑制し、発電性能及び耐久性に優れた膜電極接合体を製造することを可能とする。   The present invention has been accomplished in order to solve the problems newly found by the present inventors as described above, and the electrode cracks and fibrous conductive materials associated with the drying treatment as described above have been achieved. It is possible to produce a membrane electrode assembly excellent in power generation performance and durability by suppressing aggregation and cracking of the solid polymer electrolyte membrane.

以下、本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造方法の各工程について説明する。   Hereinafter, each process of the manufacturing method of the membrane electrode assembly for fuel cells of this invention is demonstrated.

[膜電極接合体前駆体作製工程]
膜電極接合体前駆体作製工程は、アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第1の固体高分子電解質前駆体を含む固体高分子電解質前駆体膜と、触媒並びにアルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第2の固体高分子電解質前駆体を担持し且つ固体高分子電解質前駆体膜に対して略垂直に配向した繊維状導電性材料を含む電極前駆体と、が少なくとも積層した、膜電極接合体前駆体を作製する工程である。
[Membrane / electrode assembly precursor preparation process]
The membrane electrode assembly precursor preparation step includes a solid polymer electrolyte precursor film including a first solid polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment, a catalyst, and alkali hydrolysis treatment. And an electrode precursor comprising a fibrous conductive material carrying a second solid polymer electrolyte precursor that expresses proton conductivity by acid treatment and oriented substantially perpendicular to the solid polymer electrolyte precursor film, Is a step of producing a membrane / electrode assembly precursor that is at least laminated.

まず、固体高分子電解質前駆体膜について説明する。
固体高分子電解質前駆体膜は、アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第1の固体高分子電解質前駆体を含み、第1の固体高分子電解質前駆体を製膜することにより作製することができる。具体的には、第1の固体高分子電解質前駆体を分散した分散液又は第1の固体高分子電解質前駆体を溶解した溶液を流延塗布し、乾燥する方法、或いは、第1の固体高分子電解質前駆体を溶融させ、膜状に成形する方法、等により、固体高分子電解質前駆体膜を作製することができる。
First, the solid polymer electrolyte precursor film will be described.
The solid polymer electrolyte precursor film includes a first solid polymer electrolyte precursor that expresses proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment, and is formed by forming the first solid polymer electrolyte precursor. Can be produced. Specifically, a method in which a dispersion in which the first solid polymer electrolyte precursor is dispersed or a solution in which the first solid polymer electrolyte precursor is dissolved is cast and dried, or the first solid polymer electrolyte A solid polymer electrolyte precursor film can be produced by a method in which a molecular electrolyte precursor is melted and formed into a film.

第1の固体高分子電解質前駆体としては、アルカリ加水分解処理及び酸処理により、プロトン伝導性を発現するものであればよい。例えば、重合して固体高分子電解質前駆体を形成するモノマーとして、以下の(1)〜(6)に示すモノマーが挙げられる。
(1)CF=CF(SO)(式中、Xはハロゲン基で−Fまたは−Clである。以下同じ。)、CH=CF(SO)、及びCF=CF(OCH(CFSO)(式中、mは1〜4である。以下同じ。)からなる群から選択される1種類以上のスルホニルハライド基を有するモノマー。
(2)CF=CF(SO)(式中、Rはアルキル基で−CH、−C又は−C(CHである。以下同じ。)、CH=CF(SO)、及びCF=CF(OCH(CFSO)からなる群から選択される1種類以上のスルホン酸エステル基を有するモノマー。
(3)CF=CF(O(CH)(式中、はXハロゲン基で−Br又は−Clである。以下同じ。)、及びCF=CF(OCH(CF)からなる群より選択される1種以上のモノマー。
(4)CF=CR(COOR)(式中、Rは−CH又は−Fであり、Rは−H、−CH、−C又は−C(CHである。以下同じ。)、及びCH=CR(COOR)からなる群より選択される1種以上のアクリルモノマー。
(5)スチレン、2,4−ジメチルスチレン、ビニルトルエン、及び4−tertブチルスチレンからなる群より選択される1種以上のスチレン系モノマー。
(6)アセチルナフチレン、ビニルケトンCH=CH(COR)(式中、Rは−CH、−C又はフェニル基(−C)である。)、及びビニルエーテルCH=CH(OR)(式中、Rは−C2n+1(n=1〜5)、−CH(CH、−C(CH、又はフェニル基である。)からなる群より選択される1種以上のモノマー。
The first solid polymer electrolyte precursor may be any material that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment. For example, the monomers shown in the following (1) to (6) are listed as monomers that are polymerized to form a solid polymer electrolyte precursor.
(1) CF 2 = CF ( SO 2 X 1) ( wherein, X 1 is is -F or -Cl halogen group. Hereinafter the same.), CH 2 = CF ( SO 2 X 1), and CF 2 = CF (OCH 2 (CF 2 ) m SO 2 X 1) ( wherein, m is the same. 1 to 4. below) a monomer having one or more sulfonyl halide groups selected from the group consisting of.
(2) CF 2 = CF (SO 3 R 1 ) (wherein R 1 is an alkyl group and is —CH 3 , —C 2 H 5 or —C (CH 3 ) 3. The same shall apply hereinafter), CH 2. A monomer having one or more sulfonic acid ester groups selected from the group consisting of ═CF (SO 3 R 1 ) and CF 2 ═CF (OCH 2 (CF 2 ) m SO 3 R 1 ).
(3) CF 2 = CF (O (CH 2 ) m X 2 ) (wherein is an X 2 halogen group and is —Br or —Cl. The same shall apply hereinafter), and CF 2 = CF (OCH 2 (CF 2 ) One or more monomers selected from the group consisting of m X 2 ).
(4) CF 2 = CR 2 (COOR 3 ) (wherein R 2 is —CH 3 or —F, and R 3 is —H, —CH 3 , —C 2 H 5 or —C (CH 3 )). 3. The same shall apply hereinafter), and one or more acrylic monomers selected from the group consisting of CH 2 = CR 2 (COOR 3 ).
(5) One or more styrenic monomers selected from the group consisting of styrene, 2,4-dimethylstyrene, vinyltoluene, and 4-tertbutylstyrene.
(6) Acetylnaphthylene, vinyl ketone CH 2 ═CH (COR 4 ) (wherein R 4 is —CH 3 , —C 2 H 5 or a phenyl group (—C 6 H 5 )), and vinyl ether CH. 2 = CH (OR 5 ) (wherein R 5 is —C n H 2n + 1 (n = 1 to 5), —CH (CH 3 ) 2 , —C (CH 3 ) 3 , or a phenyl group). One or more monomers selected from the group consisting of:

好ましい固体高分子電解質前駆体としては、下記構造を有するものが挙げられる。   Preferred solid polymer electrolyte precursors include those having the following structure.

上記したように、固体高分子電解質前駆体は、熱安定性が高いことから、熱加工性に優れており、加熱混練し、溶融させることで、延伸薄膜化して製膜することが可能である。このような溶融法による製膜条件は特に限定されず、適宜設定することができる。
第1の固体高分子電解質前駆体を分散させた分散液又は第1の固体高分子電解質前駆体を溶解させた溶液を、流延塗布することによって、固体高分子電解質前駆体膜を製膜する場合、第1の固体高分子電解質前駆体を分散又は溶解させる溶媒は特に限定されない。例えば、フッ素系エーテル(例えば、ハイドロフルオロエーテル(例えば、3M製NOVEC等))、フッ化カーボン、アルコール、エーテル等が挙げられる。中でも、フルオロアルキル基を有するものが好ましい。
As described above, since the solid polymer electrolyte precursor has high thermal stability, it is excellent in thermal workability, and can be formed into a stretched thin film by heating and kneading and melting. . Film forming conditions by such a melting method are not particularly limited, and can be set as appropriate.
A solid polymer electrolyte precursor film is formed by casting a dispersion in which the first solid polymer electrolyte precursor is dispersed or a solution in which the first solid polymer electrolyte precursor is dissolved. In this case, the solvent for dispersing or dissolving the first solid polymer electrolyte precursor is not particularly limited. For example, fluorine ether (for example, hydrofluoroether (for example, 3M NOVEC)), carbon fluoride, alcohol, ether and the like can be mentioned. Among these, those having a fluoroalkyl group are preferable.

固体高分子電解質前駆体膜は、多孔質構造を有する補強膜を含んでいてもよい。例えば、補強膜の多孔質構造内に、上記分散液、溶液、又は溶融させた第1の固体高分子電解質前駆体を、含浸させることにより、補強膜を含む固体高分子電解質前駆体膜を作製することができる。より具体的には、補強膜を2枚の膜状の固体高分子電解質前駆体で挟みこみ、加熱加圧することにより、固体高分子電解質前駆体を溶融させ、補強膜の孔内に含浸させることができる。補強膜の材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が挙げられる。   The solid polymer electrolyte precursor film may include a reinforcing film having a porous structure. For example, a solid polymer electrolyte precursor film including a reinforcing film is produced by impregnating the porous structure of the reinforcing film with the dispersion, solution, or molten first solid polymer electrolyte precursor. can do. More specifically, the reinforcing membrane is sandwiched between two membrane-shaped solid polymer electrolyte precursors, and the solid polymer electrolyte precursor is melted and impregnated in the pores of the reinforcing membrane by heating and pressing. Can do. Examples of the material for the reinforcing film include polytetrafluoroethylene (PTFE).

次に電極前駆体について説明する。
電極前駆体は、触媒並びにアルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第2の固体高分子電解質前駆体を担持し且つ固体高分子電解質前駆体膜に対して略垂直に配向した繊維状導電性材料を含むものである。
Next, the electrode precursor will be described.
The electrode precursor is a fiber that carries a catalyst and a second solid polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment, and is oriented substantially perpendicular to the solid polymer electrolyte precursor membrane. A conductive material.

繊維状導電性材料としては、繊維状の形状を有し、導電性を有していればよく、特に限定されない。具体的な材料としては、繊維状の導電性炭素材料が挙げられ、例えば、CNT、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等が挙げられる。ここで繊維状とは、アスペクト比[長方向長さ(繊維長)/径(繊維径)]が10以上のものを意味する。繊維状導電性材料としては、固体高分子電解質前駆体膜への略垂直配向が比較的容易であること、膜電極接合体におけるガス拡散性や電子伝導性等の発電性能向上に効果的であること、等の理由から、CNTが好ましい。
繊維状導電性材料の繊維長は、触媒粒子担持サイト数を確保する観点から、例えば、5μm〜500μmであることが好ましい。
The fibrous conductive material is not particularly limited as long as it has a fibrous shape and has conductivity. Specific examples of the material include fibrous conductive carbon materials such as CNT, carbon nanofiber, and carbon nanohorn. Here, the fiber shape means that the aspect ratio [length in the long direction (fiber length) / diameter (fiber diameter)] is 10 or more. As a fibrous conductive material, it is relatively easy to make a substantially vertical orientation to the solid polymer electrolyte precursor film, and it is effective for improving power generation performance such as gas diffusivity and electron conductivity in the membrane electrode assembly. Therefore, CNT is preferable.
The fiber length of the fibrous conductive material is preferably 5 μm to 500 μm, for example, from the viewpoint of securing the number of catalyst particle supporting sites.

ここで、CNTの生成方法について説明する。
CNTは、アーク放電法やレーザー蒸着法、CNTを生成するための触媒金属(以下、CNT生成触媒金属という)を用い、これに炭化水素系ガスや水素系ガスを供給する等して合成するCVD法、高温・高圧条件下において一酸化炭素の不均化反応(CO+CO→C+CO)を起こさせて合成するHiPco法等により生成させることができる。
以下、触媒金属を用いて単層カーボンナノチューブを合成する場合を例に、カーボンナノチューブの生成方法の一例を示す。
真空中、CNT生成触媒金属を所望の厚み(例えば、4nm)で担持し且つ所定温度以上(例えば、400℃以上。好ましくは500〜1000℃)に加熱された触媒担持基板に、原料ガス(炭化水素系ガス、アルコール系ガス、及び水素系ガス等)を供給することによりCNTを生成することができる(CNT生成工程)。CNT生成工程では、触媒担持基板を、真空下(例えば、10−3〜10Pa)に配置すると共にCNTの生成に適した所定温度に加熱された状態をとし、該触媒担持基板に原料ガスを供給する。
原料ガスとしては、炭化水素系ガスやアルコール系ガス(CH系ガス)、水素系ガス(H系ガス)等が挙げられる。具体的には、炭化水素系ガス及びアルコール系ガスから選ばれる少なくとも1種、或いは、炭化水素系ガス及びアルコール系ガスから選択される少なくとも1種と水素系ガスから選択される少なくとも1種との両方を(場合によりガス化して)用いることができる。前記炭化水素系ガスの炭化水素成分としては、例えば、炭素数1〜6の炭化水素(例えば、メタン、エタン、アセチレン、ベンゼン等)が好適に挙げられ、前記アルコール系ガスとしては、例えば、メタノール、エタノール等が好適に挙げられる。また、前記水素系ガスとしては、例えば、水素ガス、アンモニアガス等が好適に挙げられる。
触媒担持基板は、基板の表面にCNT生成触媒金属を担持させて構成される。CNT生成触媒金属としては、Fe、Pd、Co、Ni、W、Mo、Mn又はこれらの合金などが挙げられる。基板としては、Al、Ni、ステンレス、Si、SiC、ゼオライト、活性炭等が挙げられる。
Here, a method of generating CNT will be described.
CNT is synthesized using an arc discharge method, a laser vapor deposition method, a catalytic metal for generating CNT (hereinafter referred to as a CNT-forming catalytic metal), and a hydrocarbon gas or a hydrogen-based gas is supplied thereto. Or a HiPco method in which carbon monoxide is disproportionated (CO + CO → C + CO 2 ) under high temperature and high pressure conditions.
Hereinafter, an example of a method for producing carbon nanotubes will be described, taking as an example the case of synthesizing single-walled carbon nanotubes using a catalytic metal.
In vacuum, a raw material gas (carbonized) is applied to a catalyst-carrying substrate that supports a CNT-forming catalytic metal at a desired thickness (for example, 4 nm) and is heated to a predetermined temperature or higher (for example, 400 ° C. or higher, preferably 500 to 1000 ° C.) CNT can be generated by supplying a hydrogen-based gas, an alcohol-based gas, a hydrogen-based gas, or the like (CNT generation step). In the CNT production process, the catalyst-carrying substrate is placed in a vacuum (for example, 10 −3 to 10 Pa) and heated to a predetermined temperature suitable for the production of CNTs, and a raw material gas is supplied to the catalyst-carrying substrate. To do.
Examples of the source gas include hydrocarbon gas, alcohol gas (CH gas), hydrogen gas (H gas), and the like. Specifically, at least one selected from a hydrocarbon-based gas and an alcohol-based gas, or at least one selected from a hydrocarbon-based gas and an alcohol-based gas and at least one selected from a hydrogen-based gas. Both can be used (optionally gasified). As a hydrocarbon component of the hydrocarbon-based gas, for example, a hydrocarbon having 1 to 6 carbon atoms (for example, methane, ethane, acetylene, benzene, etc.) is preferably exemplified. As the alcohol-based gas, for example, methanol Preferred examples include ethanol and the like. Moreover, as said hydrogen type gas, hydrogen gas, ammonia gas, etc. are mentioned suitably, for example.
The catalyst-carrying substrate is configured by carrying a CNT-generating catalyst metal on the surface of the substrate. Examples of the CNT-forming catalytic metal include Fe, Pd, Co, Ni, W, Mo, Mn, and alloys thereof. Examples of the substrate include Al, Ni, stainless steel, Si, SiC, zeolite, activated carbon and the like.

膜電極接合体前駆体において、繊維状導電性材料は、触媒及び第2の固体高分子電解質前駆体をその表面に担持すると共に、固体高分子電解質前駆体膜に対して略垂直に配向している。
ここで、繊維状導電性材料が固体高分子電解質前駆体膜に対して略垂直に配向するとは、固体高分子電解質前駆体膜の面方向と、繊維状導電性材料の長方向(繊維状導電性材料の繊維長方向)とのなす角度が、90°±30°の範囲であることを意味する。90°±30°の範囲であれば、垂直(90°)に配向した場合と同様の効果が得られる。尚、繊維状導電性材料には、直線状のものと、直線状でないものとがあり、直線状でない繊維状導電性材料の場合には、繊維長方向の両端面の中心を結ぶ直線の方向を、繊維長方向とする。
In the membrane electrode assembly precursor, the fibrous conductive material carries the catalyst and the second solid polymer electrolyte precursor on its surface and is oriented substantially perpendicular to the solid polymer electrolyte precursor membrane. Yes.
Here, the fibrous conductive material is oriented substantially perpendicularly to the solid polymer electrolyte precursor film when the surface direction of the solid polymer electrolyte precursor film and the longitudinal direction of the fibrous conductive material (fibrous conductive material). It means that the angle formed with the fiber length direction of the functional material is in the range of 90 ° ± 30 °. If it is in the range of 90 ° ± 30 °, the same effect as in the case of being oriented vertically (90 °) can be obtained. The fibrous conductive material includes a straight line and a non-linear fiber. In the case of a non-linear fibrous conductive material, the direction of the straight line connecting the centers of both end faces in the fiber length direction. Is the fiber length direction.

固体高分子電解質前駆体膜に対して、繊維状導電性材料を略垂直に配向する方法としては、特に限定されない。   The method for orienting the fibrous conductive material substantially perpendicular to the solid polymer electrolyte precursor film is not particularly limited.

固体高分子電解質前駆体膜に対して繊維状導電性材料を略垂直に配向する好ましい方法としては、例えば、支持基板上に略垂直に配向した繊維状導電性材料を、固体高分子電解質前駆体膜に転写する方法が挙げられる。具体的には、上記CNTの生成方法において使用する触媒担持基板上にCNTを略垂直に成長させ、該触媒担持基板上のCNTを固体高分子電解質前駆体膜に転写する方法が挙げられる。このとき、触媒担持基板を上記支持基板として用いることができる。
典型的には、まず、支持基板上に略垂直に配向した繊維状導電性材料に、触媒及び第2の固体高分子電解質前駆体を担持させ、続いて、該触媒及び第2の固体高分子電解質前駆体を担持し且つ支持基板上に略垂直に配向した繊維状導電性材料を、固体高分子電解質前駆体膜に転写する。
支持基板上に略垂直に配向した繊維状導電性材料を固体高分子電解質前駆体膜に転写する条件は、該膜、繊維状導電性材料、電解質前駆体の種類、性能等に応じて適宜設定すればよいが、例えば、1〜15MPa、30〜200℃で、1〜60分間とすることができる。
As a preferred method for orienting the fibrous conductive material substantially perpendicularly to the solid polymer electrolyte precursor film, for example, a fibrous conductive material oriented substantially perpendicularly on the support substrate is used as the solid polymer electrolyte precursor. There is a method of transferring to a film. Specifically, there is a method in which CNTs are grown substantially vertically on the catalyst-carrying substrate used in the above-described CNT production method, and the CNTs on the catalyst-carrying substrate are transferred to the solid polymer electrolyte precursor film. At this time, a catalyst carrying substrate can be used as the support substrate.
Typically, a catalyst and a second solid polymer electrolyte precursor are first supported on a fibrous conductive material oriented substantially vertically on a support substrate, and then the catalyst and the second solid polymer are supported. The fibrous conductive material carrying the electrolyte precursor and oriented substantially vertically on the support substrate is transferred to the solid polymer electrolyte precursor film.
The conditions for transferring the fibrous conductive material oriented substantially vertically on the support substrate to the solid polymer electrolyte precursor film are appropriately set according to the type, performance, etc. of the film, fibrous conductive material, and electrolyte precursor. For example, it may be 1 to 15 MPa, 30 to 200 ° C., and 1 to 60 minutes.

上記支持基板を剥離するタイミングは特に限定されないが、加圧工程前に行うことが好ましい。加圧工程後に支持基板を剥離すると、加圧工程において押し倒された繊維状導電性材料が、支持基板を剥離する際に支持基板に引っ張られ、再度、略垂直に立ちあがってしまうおそれがある。その結果、隣接する繊維状導電性材料に担持された第2の固体高分子電解質前駆体同士の連結が解かれてしまい、加圧工程による効果が充分に得られなくなるおそれがあるからである。加圧工程前に支持基板を剥離する場合、膜電極接合体前駆体作製工程において支持基板を剥離することが好ましい。後続のアルカリ加水分解処理工程や酸処理工程等において、膜電極接合体前駆体とアルカリ水溶液や酸水溶液との接触性が向上し、効率良く処理することができるからである。   Although the timing which peels the said support substrate is not specifically limited, It is preferable to carry out before a pressurization process. When the support substrate is peeled off after the pressurizing step, the fibrous conductive material pushed down in the pressurizing step is pulled by the support substrate when the support substrate is peeled off, and may rise up substantially again. As a result, the connection between the second solid polymer electrolyte precursors supported on the adjacent fibrous conductive material is broken, and the effect of the pressurizing step may not be sufficiently obtained. When peeling a support substrate before a pressurization process, it is preferable to peel a support substrate in a membrane electrode assembly precursor preparation process. This is because in the subsequent alkali hydrolysis treatment step, acid treatment step, etc., the contact between the membrane electrode assembly precursor and the aqueous alkali solution or aqueous acid solution is improved, and the treatment can be performed efficiently.

繊維状導電性材料に担持される触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウム等の白金元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又は、これらの合金、酸化物、複合体等が挙げられる。触媒は、通常、粒径が0.5〜20nmの粒子状であることが好ましく、特に粒径が1〜5nmであることが好ましい。粒径が0.5nm以上であることによって、触媒粒子の安定性が得られ、粒径が20nm以下であることによって、良好な触媒活性が得られる。   Catalysts supported on fibrous conductive materials include platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, and other platinum elements, as well as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, and gallium. And metals such as aluminum, or alloys, oxides, composites, and the like thereof. In general, the catalyst is preferably in the form of particles having a particle size of 0.5 to 20 nm, particularly preferably 1 to 5 nm. When the particle size is 0.5 nm or more, the stability of the catalyst particles is obtained, and when the particle size is 20 nm or less, good catalytic activity is obtained.

繊維状導電性材料の表面に触媒を担持させる方法は、特に限定されず、例えば、上記白金元素及びその前駆体(白金元素のハロゲン化物、硝酸塩、炭酸塩、アセチルアセトナート、テトラアンミン塩、アルコキシド等)、並びに、上記その他の金属及びその前駆体(金属のハロゲン化物、硝酸塩、炭酸塩、アセチルアセトナート、テトラアンミン塩、アルコキシド等)の少なくとも1種を用いて、いわゆる、含浸法、沈殿法、混練法、イオン交換法等の方法を採用することができる。上記触媒担持処理は、通常、支持基板上に略垂直に配向した繊維状導電性材料に、第2の固体高分子電解質前駆体を担持させる前に、行うことができる。   The method for supporting the catalyst on the surface of the fibrous conductive material is not particularly limited. For example, the platinum element and its precursor (platinum halide, nitrate, carbonate, acetylacetonate, tetraammine salt, alkoxide, etc. ), And other metals and precursors thereof (metal halides, nitrates, carbonates, acetylacetonates, tetraammine salts, alkoxides, etc.), so-called impregnation method, precipitation method, kneading Methods such as the ion exchange method and the like can be employed. The catalyst supporting treatment can be usually performed before supporting the second solid polymer electrolyte precursor on the fibrous conductive material oriented substantially vertically on the support substrate.

繊維状導電性材料に担持される第2の固体高分子電解質前駆体は、アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現するものである。具体的な第2の固体高分子電解質前駆体としては、上記第1の固体高分子電解質前駆体と同様のものが挙げられるため、ここでの説明は省略する。尚、第1の固体高分子電解質前駆体と第2の固体高分子電解質前駆体とは、同じであっても、互いに異なっていてもよい。   The second solid polymer electrolyte precursor supported on the fibrous conductive material exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment. Specific examples of the second solid polymer electrolyte precursor include those similar to the first solid polymer electrolyte precursor, and thus the description thereof is omitted here. The first solid polymer electrolyte precursor and the second solid polymer electrolyte precursor may be the same or different from each other.

第2の固体高分子電解質前駆体を、繊維状導電性材料に担持させる方法としては、例えば、第2の固体高分子電解質前駆体を分散させた前駆体分散液を、触媒を担持した繊維状導電性材料(触媒担持導電性材料)に、塗布又は滴下した後、乾燥する方法、上記前駆体分散液に触媒担持導電性材料を浸漬した後、乾燥する方法、等が挙げられる。所望の量の第2の固体高分子電解質前駆体を、触媒担持導電性材料の表面に担持させられるまで、上記前駆体分散液の塗布、滴下、浸漬等を繰り返してもよい。前駆体分散液の乾燥方法は特に限定されない。上記固体高分子電解質前駆体担持処理は、通常、支持基板上に略垂直に配向した触媒担持繊維状導電性材料に対して実施することが好ましい。
第2の固体高分子電解質前駆体を分散させる溶媒としては、特に限定されず、例えば、フッ素系エーテル(例えば、ハイドロフルオロエーテル(例えば、3M製NOVEC等))、フッ化カーボン、アルコール、エーテル等が挙げられる。中でも、フルオロアルキル基を有するものが好ましい。
前駆体分散液は、例えば、上記溶媒に対して、5重量%未満となるように分散させて調製することが好ましい。このとき、必要に応じて、加熱(例えば、200℃以上)することが好ましい。また、前駆体分散液は、予め、超音波処理、ろ過等により、第2の固体高分子電解質前駆体の凝集体を分解又は除去しておくことが好ましい。
Examples of the method for supporting the second solid polymer electrolyte precursor on the fibrous conductive material include, for example, a precursor dispersion in which the second solid polymer electrolyte precursor is dispersed in a fibrous shape supporting the catalyst. Examples thereof include a method of applying or dropping onto a conductive material (catalyst-carrying conductive material) and then drying, a method of immersing the catalyst-carrying conductive material in the precursor dispersion, and then drying. Application, dripping, dipping, etc. of the precursor dispersion liquid may be repeated until a desired amount of the second solid polymer electrolyte precursor is supported on the surface of the catalyst-carrying conductive material. The method for drying the precursor dispersion is not particularly limited. The solid polymer electrolyte precursor supporting treatment is usually preferably performed on a catalyst-supporting fibrous conductive material that is oriented substantially vertically on a support substrate.
The solvent in which the second solid polymer electrolyte precursor is dispersed is not particularly limited, and examples thereof include fluorine ether (for example, hydrofluoroether (for example, 3M NOVEC)), carbon fluoride, alcohol, ether, and the like. Is mentioned. Among these, those having a fluoroalkyl group are preferable.
The precursor dispersion liquid is preferably prepared by, for example, dispersing the precursor dispersion so as to be less than 5% by weight with respect to the solvent. At this time, it is preferable to heat (for example, 200 degreeC or more) as needed. Moreover, it is preferable that the precursor dispersion liquid decomposes or removes the aggregate of the second solid polymer electrolyte precursor in advance by ultrasonic treatment, filtration, or the like.

[膜電極接合体作製工程]
膜電極接合体作製工程は、膜電極接合体前駆体の第1及び第2の固体高分子電解質前駆体に対して、アルカリ水溶液によるアルカリ加水分解処理及び酸水溶液による酸処理を行い、第1の固体高分子電解質を含む固体高分子電解質膜と触媒及び第2の固体高分子電解質を担持した繊維状導電性材料を含む電極とが少なくとも積層した膜電極接合体を作製する工程である。
[Membrane electrode assembly manufacturing process]
In the membrane electrode assembly preparation step, the first and second solid polymer electrolyte precursors of the membrane electrode assembly precursor are subjected to an alkali hydrolysis treatment with an alkaline aqueous solution and an acid treatment with an acid aqueous solution. This is a process for producing a membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane containing a solid polymer electrolyte and an electrode containing a fibrous conductive material carrying a catalyst and a second solid polymer electrolyte are at least laminated.

膜電極接合体前駆体の第1及び第2の固体高分子電解質前駆体に対して、アルカリ水溶液によるアルカリ加水分解処理を行う方法は特に限定されず、例えば、膜電極接合体前駆体を、アルカリ水溶液に接触させることで、第1の固体高分子電解質前駆体と第2の固体高分子電解質前駆体のアルカリ加水分解処理を同時に行うことが可能である。具体的には、例えば、膜電極接合体前駆体を、25〜90℃のアルカリ水溶液中に浸漬する方法、該アルカリ水溶液を、膜電極接合体前駆体に、散布、塗布、滴下等する方法が挙げられる。第1及び第2の固体高分子電解質前駆体のアルカリ処理を同時に行うことで、膜電極接合体の製造プロセスの短縮、簡易化ができる。   The method of performing an alkali hydrolysis treatment with an aqueous alkali solution on the first and second solid polymer electrolyte precursors of the membrane electrode assembly precursor is not particularly limited. For example, the membrane electrode assembly precursor is treated with an alkali. By contacting with the aqueous solution, it is possible to simultaneously perform the alkali hydrolysis treatment of the first solid polymer electrolyte precursor and the second solid polymer electrolyte precursor. Specifically, for example, a method of immersing a membrane electrode assembly precursor in an alkaline aqueous solution at 25 to 90 ° C., a method of spraying, applying, dropping, etc. the alkaline aqueous solution on the membrane electrode assembly precursor. Can be mentioned. By simultaneously performing the alkali treatment on the first and second solid polymer electrolyte precursors, the manufacturing process of the membrane electrode assembly can be shortened and simplified.

アルカリ水溶液としては、特に限定されず、NaOH、KOH等を溶解させた水溶液が挙げられる。
アルカリ水溶液には、ジメチルスルホキシド(DMSO)、アルコール(例えば、エタノール、メタノールなど)等の有機溶媒を添加してもよい。このような有機溶媒の添加により、加水分解を促進することができる。
The aqueous alkali solution is not particularly limited, and an aqueous solution in which NaOH, KOH or the like is dissolved can be mentioned.
You may add organic solvents, such as dimethyl sulfoxide (DMSO) and alcohol (for example, ethanol, methanol, etc.), to aqueous alkali solution. By adding such an organic solvent, hydrolysis can be promoted.

アルカリ加水分解処理工程では、典型的には、第1及び第2の固体高分子電解質前駆体の前駆体基の全てをアルカリ加水分解することができれば、アルカリ水溶液の濃度、処理温度、処理時間、等は特に限定されない。
具体的なアルカリ加水分解処理としては、例えば、1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を60体積%、DMSOを40体積%の割合で混合したアルカリ水溶液や、水酸化ナトリウム水溶液を、25〜90℃に加熱し、電極前駆体を1〜60分浸漬させる方法が挙げられる。
In the alkaline hydrolysis treatment step, typically, if all of the precursor groups of the first and second solid polymer electrolyte precursors can be alkali hydrolyzed, the concentration of the aqueous alkali solution, the treatment temperature, the treatment time, Etc. are not particularly limited.
Specific examples of the alkali hydrolysis treatment include an alkaline aqueous solution in which a 1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution is mixed at a ratio of 60% by volume and DMSO at a rate of 40% by volume, and an aqueous sodium hydroxide solution at 25 to 90 ° C. The method of heating and immersing an electrode precursor for 1 to 60 minutes is mentioned.

アルカリ加水分解処理を施した膜電極接合体前駆体は、そのまま、酸処理工程を実施してもよいが、図2のように、酸処理工程の前に、電極前駆体を純水で洗浄することが好ましい。純水洗浄を行うことで、余剰のアルカリを除去し、第1及び第2の固体高分子電解質前駆体の酸水溶液による固体高分子電解質化を、効率良く行うことができるからである。純水洗浄の方法は特に限定されない。   The membrane electrode assembly precursor subjected to the alkali hydrolysis treatment may be subjected to the acid treatment step as it is, but the electrode precursor is washed with pure water before the acid treatment step as shown in FIG. It is preferable. This is because, by performing pure water cleaning, excess alkali can be removed, and the first and second solid polymer electrolyte precursors can be efficiently converted to a solid polymer electrolyte with an acid aqueous solution. The method of pure water cleaning is not particularly limited.

膜電極接合体前駆体の第1及び第2の固体高分子電解質前駆体に対して、酸水溶液による酸処理を行う方法は特に限定されず、例えば、アルカリ水溶液に接触させた膜電極接合体前駆体を、さらに、酸水溶液に接触させることで、膜電極接合体前駆体を構成する第1及び第2の固体高分子電解質前駆体を酸処理することができる。酸処理を行うことで、第1の固体高分子電解質前駆体及び第2の固体高分子電解質前駆体は、それぞれ、プロトン伝導性を有する第1の固体高分子電解質及び第2の固体高分子電解質となり、膜電極接合体前駆体が膜電極接合体として機能するようになる。   The method of performing the acid treatment with the acid aqueous solution on the first and second solid polymer electrolyte precursors of the membrane electrode assembly precursor is not particularly limited. For example, the membrane electrode assembly precursor brought into contact with an alkaline aqueous solution The first and second solid polymer electrolyte precursors constituting the membrane electrode assembly precursor can be acid-treated by further contacting the body with an acid aqueous solution. By performing the acid treatment, the first solid polymer electrolyte precursor and the second solid polymer electrolyte precursor are converted into proton conductive first solid polymer electrolyte and second solid polymer electrolyte, respectively. Thus, the membrane electrode assembly precursor functions as a membrane electrode assembly.

第1及び第2の固体高分子電解質前駆体の酸処理は、具体的には、例えば、膜電極接合体前駆体を、25〜90℃の酸水溶液中に浸漬する方法、該酸水溶液を、膜電極接合体前駆体に、散布、塗布、滴下等する方法が挙げられる。第1及び第2の固体高分子電解質前駆体の酸処理を同時に行うことで、膜電極接合体の製造プロセスの短縮、簡易化ができる。
酸水溶液としては、特に限定されず、硫酸水溶液、硝酸水溶液、塩酸、酢酸水溶液等が挙げられる。
Specifically, the acid treatment of the first and second solid polymer electrolyte precursors is, for example, a method of immersing the membrane electrode assembly precursor in an acid aqueous solution at 25 to 90 ° C., Examples of the membrane electrode assembly precursor include a method of spraying, coating, and dropping. By simultaneously performing the acid treatment of the first and second solid polymer electrolyte precursors, the manufacturing process of the membrane electrode assembly can be shortened and simplified.
It does not specifically limit as aqueous acid solution, A sulfuric acid aqueous solution, nitric acid aqueous solution, hydrochloric acid, acetic acid aqueous solution etc. are mentioned.

酸処理工程では、典型的には、第1及び第2の固体高分子電解質前駆体の前駆体基の全てをプロトン交換基に変換することができれば、酸水溶液の濃度、処理温度、処理時間、等は特に限定されない。
具体的な酸処理としては、例えば、0.5〜8mol/Lの硝酸水溶液を、25〜90℃に加熱し、膜電極接合体前駆体を1〜60分浸漬させる方法が挙げられる。
In the acid treatment step, typically, if all of the precursor groups of the first and second solid polymer electrolyte precursors can be converted into proton exchange groups, the concentration of the aqueous acid solution, the treatment temperature, the treatment time, Etc. are not particularly limited.
Specific acid treatment includes, for example, a method in which a 0.5 to 8 mol / L nitric acid aqueous solution is heated to 25 to 90 ° C. and the membrane / electrode assembly precursor is immersed for 1 to 60 minutes.

酸処理を施した膜電極接合体は、図2のように、純水で洗浄することが好ましい。純水洗浄を行うことで、余剰の酸を除去し、取り扱いを簡便にすることができるからである。純水洗浄の方法は特に限定されない。   The membrane electrode assembly subjected to the acid treatment is preferably washed with pure water as shown in FIG. This is because by performing pure water cleaning, excess acid can be removed and handling can be simplified. The method of pure water cleaning is not particularly limited.

アルカリ加水分解処理及び酸処理は、膜電極接合体前駆体に含まれる前駆体基がプロトン交換基に変換されるまで、複数回繰り返し行ってもよい。   The alkali hydrolysis treatment and the acid treatment may be repeated a plurality of times until the precursor group contained in the membrane electrode assembly precursor is converted into a proton exchange group.

[乾燥工程]
乾燥工程は、膜電極接合体作製工程において、アルカリ加水分解処理及び酸処理を行い、固体高分子電解質前駆体を固体高分子電解質に変換して得られた膜電極接合体を乾燥させる工程である。
[Drying process]
The drying step is a step of drying the membrane electrode assembly obtained by converting the solid polymer electrolyte precursor into a solid polymer electrolyte by performing alkali hydrolysis treatment and acid treatment in the membrane electrode assembly preparation step. .

膜電極接合体を乾燥させる方法は特に限定されず、固体高分子電解質膜及び電極中の水分を除去することができればよい。例えば、温風乾燥、ホットプレート上に載置することによる加熱乾燥、自然乾燥等が挙げられる。   The method for drying the membrane / electrode assembly is not particularly limited as long as moisture in the solid polymer electrolyte membrane and the electrode can be removed. Examples thereof include warm air drying, heat drying by placing on a hot plate, and natural drying.

[加圧工程]
加圧工程は、上記膜電極接合体前駆体作製工程の後であって、上記乾燥工程の前に実施される工程であり、(1)膜電極接合体前駆体を、固体高分子電解質前駆体膜と電極前駆体との積層方向に加圧、及び/又は、(2)膜電極接合体を、固体高分子電解質膜と電極との積層方向に加圧する。すなわち、上記(1)は、加圧工程を上記酸処理の前に実施する場合であり、上記(2)は、加圧工程を上記酸処理の後に実施する場合である。加圧工程の実施は、一回のみでも複数回でもよい。
既に説明したように、乾燥工程の前に、膜電極接合体前駆体及び膜電極接合体の少なくとも一方を、上記積層方向に加圧し、隣接する繊維状導電性材料に担持された第2の固体高分子電解質前駆体同士及び/又は第2の固体高分子電解質を結着、連結させることによって、乾燥工程において、電極の亀裂、繊維状導電性材料の凝集、固体高分子電解質膜の亀裂等が発生するのを抑制することができる。
[Pressure process]
The pressurizing step is a step that is performed after the membrane electrode assembly precursor preparation step and before the drying step. (1) The membrane electrode assembly precursor is converted into a solid polymer electrolyte precursor. Pressurization in the stacking direction of the membrane and the electrode precursor, and / or (2) pressurizing the membrane-electrode assembly in the stacking direction of the solid polymer electrolyte membrane and the electrode. That is, said (1) is a case where a pressurization process is implemented before the said acid treatment, and said (2) is a case where a pressurization process is implemented after the said acid treatment. The pressurization step may be performed only once or multiple times.
As already described, before the drying step, at least one of the membrane electrode assembly precursor and the membrane electrode assembly is pressurized in the laminating direction, and the second solid carried on the adjacent fibrous conductive material. By binding and connecting the polymer electrolyte precursors and / or the second solid polymer electrolyte, in the drying process, cracks in the electrodes, aggregation of the fibrous conductive material, cracks in the solid polymer electrolyte membrane, etc. Generation | occurrence | production can be suppressed.

加圧工程の実施時期は、膜電極接合体前駆体の作製工程後であって乾燥工程の前であれば、乾燥工程における上記問題の発生を抑制することができるため特に限定されないが、膜電極接合体作製工程前、すなわち、膜電極接合体前駆体に対して加圧工程を実施することが好ましい。
固体高分子電解質前駆体は、該前駆体を変換した固体高分子電解質と比較して柔軟性が高いため、膜電極接合体前駆体を加圧することによって、隣接する繊維状導電性材料に担持された固体高分子電解質前駆体同士を確実に、また、低圧力で結着させることができるためである。低圧力による圧力印加は、略垂直配向した繊維状導電性材料を押しつぶしたり、過度に押し倒すことを防止し、電極のガス拡散性や電子伝導性を高く維持することを可能とする。
また、膜電極接合体作製工程前に加圧工程を実施することによって、乾燥工程における上記問題の発生をより確実に抑制することができる。これは、膜電極接合体作製工程の加水分解処理及び酸処理によって、固体高分子電解質前駆体が固体高分子電解質に変換される際、膜電極接合体は含水状態であり、固体高分子電解質膜は膨潤しているために、固体高分子電解質膜の膨潤に伴って、電極にも面方向に膨潤応力が発生し、電極の亀裂等が発生するおそれがある。従って、膜電極接合体作製工程の前に、繊維状導電性材料を第2の固体高分子電解質前駆体によって連結し、電極前駆体の面方向の強度を向上させておくことによって、上記のような加水分解処理及び酸処理による膜の膨潤に伴う電極の亀裂発生を抑制することが可能である。
The implementation time of the pressurizing step is not particularly limited as long as it is after the production step of the membrane electrode assembly precursor and before the drying step, since the occurrence of the above problem in the drying step can be suppressed. It is preferable to carry out the pressurizing step before the assembly production step, that is, the membrane electrode assembly precursor.
Since the solid polymer electrolyte precursor is more flexible than the solid polymer electrolyte obtained by converting the precursor, it is supported on the adjacent fibrous conductive material by pressurizing the membrane electrode assembly precursor. This is because the solid polymer electrolyte precursors can be reliably bonded with each other at a low pressure. Application of pressure by low pressure prevents crushing or excessively pushing down the substantially vertically oriented fibrous conductive material, and makes it possible to maintain high gas diffusibility and electron conductivity of the electrode.
Moreover, by performing the pressurizing step before the membrane / electrode assembly manufacturing step, the occurrence of the above problem in the drying step can be more reliably suppressed. This is because when the solid polymer electrolyte precursor is converted into a solid polymer electrolyte by hydrolysis treatment and acid treatment in the membrane electrode assembly preparation step, the membrane electrode assembly is in a water-containing state, and the solid polymer electrolyte membrane Therefore, as the solid polymer electrolyte membrane swells, swelling stress is also generated in the electrode in the surface direction, and there is a possibility that cracks of the electrode may occur. Therefore, before the membrane electrode assembly manufacturing step, the fibrous conductive material is connected by the second solid polymer electrolyte precursor, and the strength in the surface direction of the electrode precursor is improved, as described above. It is possible to suppress the generation of cracks in the electrode due to the swelling of the film due to a simple hydrolysis treatment and acid treatment.

加圧工程における膜電極接合体前駆体及び膜電極接合体の加圧条件は特に限定されず、繊維状導電性材料を被覆する第2の固体高分子電解質前駆体同士又は第2の固体高分子電解質同士を連結させることができればよい。典型的には、加圧工程における圧力印加によって、固体高分子電解質前駆体膜又は固体高分子電解質膜に対して略垂直に(90°±30°)に配向していた繊維状導電性材料は、圧力印加前と比較して傾斜し、該膜の面方向と繊維状導電性材料とのなす角度が圧力印加前の該角度未満(鋭角)となる。
具体的な加圧条件は、第1及び第2の固体高分子電解質前駆体又は第1及び第2の固体高分子電解質の種類(ガラス転移温度等)、繊維状導電性材料の種類(材料、形状等)等に応じて、適宜設定することが好ましい。
The pressurizing conditions of the membrane electrode assembly precursor and the membrane electrode assembly in the pressurizing step are not particularly limited, and the second solid polymer electrolyte precursors covering the fibrous conductive material or the second solid polymer What is necessary is just to be able to connect electrolytes. Typically, the fibrous conductive material oriented substantially perpendicularly (90 ° ± 30 °) with respect to the solid polymer electrolyte precursor membrane or the solid polymer electrolyte membrane by the pressure application in the pressurizing step is The angle between the surface direction of the film and the fibrous conductive material is less than the angle before applying pressure (acute angle).
Specific pressurizing conditions include the first and second solid polymer electrolyte precursors or the first and second solid polymer electrolyte types (glass transition temperature, etc.), the fibrous conductive material type (material, It is preferable to set appropriately according to the shape and the like.

例えば、加圧対象が膜電極接合体前駆体の場合、印加圧力が1〜10MPa、温度が0℃以上であって前記第2の固体高分子電解質前駆体のガラス転移温度以下であることが好ましく、特に、印加圧力が1〜5MPa、温度が25℃以上であって第2の固体高分子電解質前駆体のガラス転移温度以下であることが好ましい。上記条件で膜電極接合体前駆体を加圧することによって、第2の固体高分子電解質前駆体同士の連結をより確実に行い、電極の面方向における強度を向上しつつ、電極中の空隙を確保し、ガス拡散性を保つことができるからである。
また、加熱工程において、固体高分子電解質前駆体膜が過度に軟化し、薄膜化したり、穴等が発生するのを抑制するために、加圧時の温度は第1の固体高分子電解質前駆体のガラス転移温度未満であることが好ましい。
For example, when the object to be pressurized is a membrane electrode assembly precursor, it is preferable that the applied pressure is 1 to 10 MPa, the temperature is 0 ° C. or higher, and is equal to or lower than the glass transition temperature of the second solid polymer electrolyte precursor. In particular, it is preferable that the applied pressure is 1 to 5 MPa, the temperature is 25 ° C. or more, and the glass transition temperature is not more than the second solid polymer electrolyte precursor. By pressurizing the membrane electrode assembly precursor under the above conditions, the second solid polymer electrolyte precursor is more reliably connected to each other, and the void in the electrode is secured while improving the strength in the surface direction of the electrode. This is because the gas diffusibility can be maintained.
In addition, in the heating step, the temperature during pressurization is the first solid polymer electrolyte precursor in order to prevent the solid polymer electrolyte precursor film from being excessively softened and thinned, or generating holes or the like. It is preferable that it is less than the glass transition temperature.

また、加圧対象が膜電極接合体の場合、印加圧力が1〜10MPa、温度が0℃以上であって第2の固体高分子電解質のガラス転移温度以下であることが好ましく、特に、印加圧力が1〜5MPa、温度が25℃以上であって第2の固体高分子電解質のガラス転移温度以下であることが好ましい。上記条件で膜電極接合体を加圧することによって、第2の固体高分子電解質同士の連結をより確実に行い、電極の面方向における強度を向上しつつ、電極中の空隙を確保し、ガス拡散性を保つことができるからである。
また、加熱工程において、固体高分子電解質膜が過度に軟化し、薄膜化したり、穴等が発生するのを抑制するために、加圧時の温度は第1の固体高分子電解質のガラス転移温度未満であることが好ましい。
When the object to be pressurized is a membrane electrode assembly, the applied pressure is preferably 1 to 10 MPa, the temperature is preferably 0 ° C. or higher, and is not higher than the glass transition temperature of the second solid polymer electrolyte. Is preferably 1 to 5 MPa, the temperature is 25 ° C. or higher, and is not higher than the glass transition temperature of the second solid polymer electrolyte. By pressurizing the membrane electrode assembly under the above conditions, the second solid polymer electrolytes are more reliably connected to each other, and the strength in the surface direction of the electrodes is improved, while ensuring voids in the electrodes, and gas diffusion It is because it can keep sex.
Further, in the heating step, the temperature during pressurization is the glass transition temperature of the first solid polymer electrolyte in order to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being excessively softened and thinned, or generating holes or the like. It is preferable that it is less than.

加圧工程における加圧時間は、適宜設定すればよいが、上記したような印加圧力及び温度条件の場合、例えば、1〜60分、好ましくは5〜30分とすることが好ましい。   The pressurization time in the pressurization step may be set as appropriate, but in the case of the applied pressure and temperature conditions as described above, for example, it is preferably 1 to 60 minutes, preferably 5 to 30 minutes.

[その他工程]
本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、上記したような、膜電極接合体前駆体作製工程、膜電極接合体作製工程、乾燥工程及び加圧工程に加えて、その他の工程を有していてもよい。
[Other processes]
In addition to the membrane electrode assembly precursor preparation step, the membrane electrode assembly preparation step, the drying step, and the pressurization step, the manufacturing method of the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention includes other steps. You may have.

例えば、アルカリ加水分解処理の前に、電極前駆体に、純水よりも表面張力の小さい低表面張力溶媒を接触させる工程を有していてもよい。アルカリ加水分解処理前に、低表面張力溶媒と電極前駆体とを接触させることによって、電極前駆体へのアルカリ水溶液の浸透性、さらには、酸水溶液の浸透性を向上させ、電極前駆体に含まれる第2の固体高分子電解質前駆体のアルカリ加水分解処理及び酸処理を効率良く且つ均一に行うことが可能になる。
低表面張力溶媒は、純水より表面張力の小さい有機溶媒であれば、上記したような、アルカリ水溶液や純水等の水系液体の電極前駆体への浸透性を向上させることができるため、特に限定されない。低表面張力溶媒は、公知の方法を用いてその表面張力を実際に測定し、純水と比較することで選択することもできるし、公知文献等に記載された表面張力の数値を利用して選択することもできる。
表面張力の測定方法としては、特に限定されず、例えば、Wilhelmy(プレート法)、懸滴法(ペンダント・ドロップ法)、最大泡圧法等が挙げられる。
尚、表面張力は温度により変化するため、低表面張力溶媒は、同じ温度条件下での表面張力の値を判断基準として選択することが好ましい。
For example, you may have the process of making the electrode precursor contact the low surface tension solvent whose surface tension is smaller than pure water before alkali hydrolysis treatment. Before the alkali hydrolysis treatment, the low surface tension solvent and the electrode precursor are brought into contact with each other, thereby improving the permeability of the alkaline aqueous solution into the electrode precursor, and further improving the permeability of the acid aqueous solution. The alkaline hydrolysis treatment and acid treatment of the second solid polymer electrolyte precursor can be performed efficiently and uniformly.
Since the low surface tension solvent is an organic solvent having a surface tension smaller than that of pure water, it is possible to improve the permeability of the aqueous liquid such as an alkaline aqueous solution and pure water to the electrode precursor, as described above. It is not limited. The low surface tension solvent can be selected by actually measuring its surface tension using a known method and comparing it with pure water, or by utilizing the numerical value of the surface tension described in known literature etc. You can also choose.
The method for measuring the surface tension is not particularly limited, and examples thereof include Wilhelmy (plate method), hanging drop method (pendant drop method), and maximum bubble pressure method.
Since the surface tension varies depending on the temperature, the low surface tension solvent is preferably selected based on the value of the surface tension under the same temperature condition.

具体的な低表面張力溶媒としては、エタノール、メタノール等のアルコール類、アセトン、プロピレングリコール、ヘキサン、n−ペンタン、ベンゼン等が挙げられ、中でも、アルコール類、アセトン、プロピレングリコールが好ましい。
尚、低表面張力溶媒は、1種のみを単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。
Specific examples of the low surface tension solvent include alcohols such as ethanol and methanol, acetone, propylene glycol, hexane, n-pentane, and benzene. Among these, alcohols, acetone, and propylene glycol are preferable.
In addition, a low surface tension solvent may be used individually by 1 type, and may be used in combination of multiple types.

低表面張力溶媒に、電極前駆体(触媒及び第2の固体高分子電解質前駆体を担持した繊維状導電性材料)を接触させる方法は特に限定されず、例えば、膜電極接合体前駆体を、低表面張力溶媒中に浸漬する方法、低表面張力溶媒を膜電極接合体前駆体に散布、塗布、滴下等する方法が挙げられる。
また、低表面張力溶媒の温度は、特に限定されないが、例えば30〜90℃とすることが好ましい。
The method of bringing the electrode precursor (a fibrous conductive material carrying the catalyst and the second solid polymer electrolyte precursor) into contact with the low surface tension solvent is not particularly limited. For example, the membrane electrode assembly precursor is Examples thereof include a method of immersing in a low surface tension solvent and a method of spraying, coating, dropping, etc., the low surface tension solvent on the membrane electrode assembly precursor.
Moreover, although the temperature of a low surface tension solvent is not specifically limited, For example, it is preferable to set it as 30-90 degreeC.

低表面張力溶媒と接触させた膜電極接合体前駆体は、典型的には、該電極前駆体の表面に付着した該低表面張力溶媒が蒸発する前にアルカリ水溶液と接触させ、該低表面張力溶媒とアルカリ水溶液とを置換することで、アルカリ水溶液の浸透性、さらには酸水溶液の浸透性を向上させることができる。また、該低表面張力溶媒が、アルカリ水溶液との反応性を有する場合には、膜電極接合体前駆体を純水で洗浄してからアルカリ水溶液で処理することが好ましい。   The membrane electrode assembly precursor contacted with the low surface tension solvent is typically contacted with an aqueous alkaline solution before the low surface tension solvent attached to the surface of the electrode precursor is evaporated, By replacing the solvent with the alkaline aqueous solution, the permeability of the alkaline aqueous solution and further the permeability of the acid aqueous solution can be improved. When the low surface tension solvent has reactivity with an alkaline aqueous solution, it is preferable to wash the membrane / electrode assembly precursor with pure water and then treat with the alkaline aqueous solution.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples.

[燃料電池用膜電極接合体の作製]
(実施例1)
燃料電池用膜電極接合体(MEA)前駆体の加圧印加とアルカリ水溶液への浸漬との間に、MEA前駆体の低表面張力溶媒への浸漬を行ったことを除いて、図2に示すフローに基づき、以下のようにして実施例1の燃料電池用膜電極接合体(MEA)を作製した。
[Preparation of membrane electrode assembly for fuel cells]
Example 1
2 except that the MEA precursor was immersed in a low surface tension solvent between the pressure application of the membrane electrode assembly (MEA) precursor for a fuel cell and the immersion in an alkaline aqueous solution. Based on the flow, a fuel cell membrane electrode assembly (MEA) of Example 1 was produced as follows.

支持基板上に略垂直に配向したCNT(CNT基板)を準備した。CNT基板をPt塩溶液中に浸漬し、乾燥した後、焼成還元させ、CNTの表面にPtを担持させた。
次に、支持基板上のPtを担持したCNTを、第2の固体高分子電解質前駆体(F型、パーフルオロカーボンスルホニルフルオライド、Tg=300℃)の分散液中へ浸漬及び乾燥することを複数回繰り返し、CNTの表面に第2の固体高分子電解質前駆体を担持させた。尚、上記第2の固体高分子電解質前駆体の分散液は、超音波処理及びろ過により第2の固体高分子電解質前駆体の凝集体を除去すると共に、第2の固体高分子電解質前駆体の濃度が5重量%未満となるように調製した。
A CNT (CNT substrate) oriented substantially vertically on a support substrate was prepared. The CNT substrate was immersed in a Pt salt solution, dried, fired and reduced, and Pt was supported on the CNT surface.
Next, a plurality of CNTs carrying Pt on the support substrate are immersed and dried in a dispersion of the second solid polymer electrolyte precursor (F type, perfluorocarbon sulfonyl fluoride, Tg = 300 ° C.). Repeatedly, the second solid polymer electrolyte precursor was supported on the surface of the CNT. The dispersion liquid of the second solid polymer electrolyte precursor removes aggregates of the second solid polymer electrolyte precursor by ultrasonic treatment and filtration, and also removes the second solid polymer electrolyte precursor. The concentration was adjusted to less than 5% by weight.

一方、第1の固体高分子電解質前駆体(F型、パーフルオロカーボンスルホニルフルオライド、Tg=300℃)を膜状に成形した固体高分子電解質前駆体膜を準備した。   On the other hand, a solid polymer electrolyte precursor film in which a first solid polymer electrolyte precursor (F type, perfluorocarbon sulfonyl fluoride, Tg = 300 ° C.) was formed into a film shape was prepared.

続いて、固体高分子電解質前駆体膜を、CNT基板のCNT配向面と対面させるようにCNT基板と重ね合わせ、140℃、10MPaで30分間、熱圧着することによって、CNT表面にPt及び第2の固体高分子電解質前駆体を担持させたCNT電極前駆体を、固体高分子電解質前駆体膜表面に転写した。同様にして、固体高分子電解質前駆体のもう一方の表面にも、CNT電極前駆体を転写し、MEA前駆体を作製した。CNT基板の支持基板は剥離した。   Subsequently, the solid polymer electrolyte precursor film is superimposed on the CNT substrate so as to face the CNT alignment surface of the CNT substrate, and thermocompression-bonded at 140 ° C. and 10 MPa for 30 minutes, whereby Pt and second CNTs are applied to the CNT surface. The CNT electrode precursor supporting the solid polymer electrolyte precursor was transferred to the surface of the solid polymer electrolyte precursor film. Similarly, the CNT electrode precursor was transferred to the other surface of the solid polymer electrolyte precursor to produce an MEA precursor. The support substrate of the CNT substrate was peeled off.

続いて、MEA前駆体を、固体高分子電解質前駆体膜とCNT電極前駆体との積層方向に、100℃、1MPaで5分間、加圧した。   Subsequently, the MEA precursor was pressurized at 100 ° C. and 1 MPa for 5 minutes in the stacking direction of the solid polymer electrolyte precursor film and the CNT electrode precursor.

次に、MEA前駆体をエタノール(第1の低表面張力溶媒)に浸漬させた。その後、純水で洗浄した後、80℃のNaOH水溶液(アルカリ加水分解処理用アルカリ水溶液)に浸漬させた。   Next, the MEA precursor was immersed in ethanol (first low surface tension solvent). Then, after washing with pure water, it was immersed in an 80 ° C. NaOH aqueous solution (alkali aqueous solution for alkali hydrolysis treatment).

さらに、MEA前駆体を、純水で洗浄した後、80℃の硝酸水溶液(酸処理用酸水溶液)に浸漬させ、中和した。   Further, the MEA precursor was washed with pure water, and then immersed in an aqueous nitric acid solution (acid aqueous solution for acid treatment) at 80 ° C. for neutralization.

その後、MEAを純水で洗浄した後、大気中に3時間放置することによりMEAを自然乾燥させた。   Thereafter, the MEA was washed with pure water and then left in the air for 3 hours to naturally dry the MEA.

(比較例1)
実施例1において、MEA前駆体を加圧する工程を実施しないこと以外は、同様にして、同様にしてMEAを作製した。
(Comparative Example 1)
In Example 1, an MEA was produced in the same manner except that the step of pressurizing the MEA precursor was not performed.

[MEAの評価]
上記にて作製した実施例1及び比較例1のMEAについて、CNT電極の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察した。結果を図4(実施例1)及び図5(比較例1)に示す。
図5からわかるように、MEA前駆体を加圧する工程を実施していない比較例1のMEAは、CNT電極の亀裂及びCNTの凝集が生じていることが確認された。これは、MEA前駆体やMEAにおいて、隣接するCNTを被覆する第2の固体高分子電解質前駆体同士又は第2の固体高分子電解質同士が結着されていないために、電極前駆体や電極の面方向強度が低く、固体高分子電解質膜前駆体や固体高分子電解質膜の膨潤収縮に伴い、CNTが凝集する領域や、隣接するCNT間が大きく離れ、CNTが粗の領域が形成されたためと考えられる。このように、CNTの凝集や亀裂の生じたCNT電極を有するMEAは、発電性能及び耐久性が悪いことが容易に予測できる。
一方、図4に示すように、MEA前駆体を加圧することによって、隣接するCNTを被覆する第2の固体高分子電解質前駆体同士、第2の固体高分子電解質同士を連結させた実施例1のMEAは、CNT電極において亀裂やCNTの凝集が観察されず、一様に均一な構造を有することが確認された。このような一様に均一な構造を有するCNT電極を備える実施例1のMEAは、比較例1のMEAと比較して、発電性能及び耐久性において優れていることが容易に予測できる。
[Evaluation of MEA]
For the MEAs of Example 1 and Comparative Example 1 produced above, the surface of the CNT electrode was observed with a scanning electron microscope (SEM). The results are shown in FIG. 4 (Example 1) and FIG. 5 (Comparative Example 1).
As can be seen from FIG. 5, it was confirmed that in the MEA of Comparative Example 1 in which the step of pressurizing the MEA precursor was not performed, cracking of the CNT electrode and aggregation of the CNT occurred. This is because in the MEA precursor or MEA, the second solid polymer electrolyte precursors covering adjacent CNTs or the second solid polymer electrolytes are not bound to each other. The strength in the surface direction is low, and the area where CNT aggregates and the area between adjacent CNTs are greatly separated due to the swelling and shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane precursor and the solid polymer electrolyte membrane, resulting in the formation of CNT rough areas. Conceivable. Thus, it can be easily predicted that an MEA having a CNT electrode in which CNT aggregation or cracking has occurred has poor power generation performance and durability.
On the other hand, as shown in FIG. 4, Example 1 in which the second solid polymer electrolyte precursors covering the adjacent CNTs and the second solid polymer electrolytes were connected by pressurizing the MEA precursor. The MEA was confirmed to have a uniform and uniform structure with no cracks or CNT aggregation observed at the CNT electrode. It can be easily predicted that the MEA of Example 1 including the CNT electrode having such a uniform structure is superior in power generation performance and durability as compared with the MEA of Comparative Example 1.

1…CNT
2…触媒
3…第1の固体高分子電解質前駆体
3’…第1の固体高分子電解質
4…固体高分子電解質前駆体膜
4’…固体高分子電解質膜
5…電極前駆体
5’…電極
6…膜電極接合体前駆体
6’…膜電極接合体
7…プレス機
8…粒子状導電性材料
1 ... CNT
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Catalyst 3 ... 1st solid polymer electrolyte precursor 3 '... 1st solid polymer electrolyte 4 ... Solid polymer electrolyte precursor film | membrane 4' ... Solid polymer electrolyte membrane 5 ... Electrode precursor 5 '... Electrode 6 ... Membrane electrode assembly precursor 6 '... Membrane electrode assembly 7 ... Press 8 ... Particulate conductive material

Claims (6)

触媒及び固体高分子電解質を担持した繊維状導電性材料を含む電極と、固体高分子電解質膜と、を有する固体高分子電解質型燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
アルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第1の固体高分子電解質前駆体を含む固体高分子電解質前駆体膜と、触媒並びにアルカリ加水分解処理及び酸処理によりプロトン伝導性を発現する第2の固体高分子電解質前駆体を担持し且つ前記固体高分子電解質前駆体膜に対して略垂直に配向した繊維状導電性材料を含む電極前駆体と、が少なくとも積層した、膜電極接合体前駆体を作製する工程と、
前記膜電極接合体前駆体の前記第1及び第2の固体高分子電解質前駆体に対して、アルカリ水溶液によるアルカリ加水分解処理及び酸水溶液による酸処理を行い、第1の固体高分子電解質を含む固体高分子電解質膜と前記触媒及び第2の固体高分子電解質を担持した前記繊維状導電性材料を含む電極とが少なくとも積層した膜電極接合体を作製する工程と、
前記膜電極接合体作製工程の後、前記膜電極接合体を乾燥させる工程と、を有し、
前記膜電極接合体前駆体作製工程後であって前記乾燥工程前に、前記膜電極接合体前駆体を前記固体高分子電解質前駆体膜と前記電極前駆体との積層方向に加圧する工程及び前記膜電極接合体を前記固体高分子電解質膜と前記電極との積層方向に加圧する工程の少なくとも一方を有することを特徴とする、固体高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly for a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising: an electrode including a fibrous conductive material carrying a catalyst and a solid polymer electrolyte; and a solid polymer electrolyte membrane,
A solid polymer electrolyte precursor membrane including a first solid polymer electrolyte precursor that exhibits proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment, and a catalyst, and proton conductivity by alkali hydrolysis treatment and acid treatment A membrane / electrode assembly comprising at least a laminate of an electrode precursor supporting a second solid polymer electrolyte precursor and including a fibrous conductive material oriented substantially perpendicular to the solid polymer electrolyte precursor film Producing a precursor; and
The first and second solid polymer electrolyte precursors of the membrane electrode assembly precursor are subjected to an alkali hydrolysis treatment with an aqueous alkali solution and an acid treatment with an aqueous acid solution, and the first solid polymer electrolyte is contained. Producing a membrane electrode assembly in which at least a solid polymer electrolyte membrane and an electrode containing the fibrous conductive material carrying the catalyst and the second solid polymer electrolyte are laminated;
After the membrane electrode assembly manufacturing step, the step of drying the membrane electrode assembly,
Pressing the membrane electrode assembly precursor in the stacking direction of the solid polymer electrolyte precursor film and the electrode precursor after the membrane electrode assembly precursor preparation step and before the drying step; and A method for producing a membrane electrode assembly for a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising at least one step of pressurizing the membrane electrode assembly in the stacking direction of the solid polymer electrolyte membrane and the electrode.
前記膜電極接合体作製工程の前に、前記加圧工程を有する、請求項1に記載の固体高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, comprising the pressurizing step before the membrane / electrode assembly preparation step. 前記膜電極接合体前駆体作製工程が、
前記触媒及び前記第2の固体高分子電解質前駆体を担持し且つ支持基板上に略垂直に配向した前記繊維状導電性材料を、前記固体高分子電解質前駆体膜に転写する工程と、
前記支持基板を剥離する工程と、を有する、請求項1又は2に記載の固体高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
The membrane electrode assembly precursor preparation step includes
Transferring the fibrous conductive material carrying the catalyst and the second solid polymer electrolyte precursor and oriented substantially vertically on a support substrate to the solid polymer electrolyte precursor film;
The method for producing a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, comprising a step of peeling the support substrate.
前記加圧工程において、加圧対象が前記膜電極接合体前駆体の場合、印加圧力が1〜10MPa、温度が0℃以上であって前記第2の固体高分子電解質前駆体のガラス転移温度以下であり、加圧対象が前記膜電極接合体の場合、印加圧力が1〜10MPa、温度が0℃以上であって前記第2の固体高分子電解質のガラス転移温度以下である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法。   In the pressurizing step, when the object to be pressurized is the membrane electrode assembly precursor, the applied pressure is 1 to 10 MPa, the temperature is 0 ° C. or higher, and is equal to or lower than the glass transition temperature of the second solid polymer electrolyte precursor. When the object to be pressurized is the membrane electrode assembly, the applied pressure is 1 to 10 MPa, the temperature is 0 ° C. or higher, and is not higher than the glass transition temperature of the second solid polymer electrolyte. 4. A method for producing a membrane / electrode assembly for a solid polymer electrolyte fuel cell according to any one of 3 above. 前記加圧工程において、加圧対象が前記膜電極接合体前駆体の場合、前記温度が前記第1の固体高分子電解質前駆体のガラス転移温度未満であり、加圧対象が前記膜電極接合体の場合、前記温度が前記第1の固体高分子電解質のガラス転移温度未満である、請求項4に記載の固体高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法。   In the pressurization step, when the pressurization target is the membrane electrode assembly precursor, the temperature is lower than the glass transition temperature of the first solid polymer electrolyte precursor, and the pressurization target is the membrane electrode assembly. 5. The method for producing a membrane electrode assembly for a solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the temperature is lower than the glass transition temperature of the first solid polymer electrolyte. 前記繊維状導電性材料がカーボンナノチューブである、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の固体高分子電解質型燃料電池用膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane electrode assembly for a solid polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the fibrous conductive material is a carbon nanotube.
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