JP2014072016A - Membrane electrode assembly, polymer fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜電極接合体、これを使用した高分子形燃料電池、及び膜電極接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly, a polymer fuel cell using the same, and a method for producing the membrane electrode assembly.
近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは、水素などの燃料を酸素などの酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ形、リン酸形、高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などに分類される。このうち高分子形燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用電源としての応用が期待されている。
In recent years, fuel cells have attracted attention as effective solutions for environmental problems and energy problems. A fuel cell is one that oxidizes a fuel such as hydrogen using an oxidant such as oxygen and converts chemical energy associated therewith into electrical energy.
Fuel cells are classified into alkaline, phosphoric acid, polymer, molten carbonate, solid oxide, etc., depending on the type of electrolyte. Among these, polymer fuel cells (PEFC) are expected to be applied as portable power sources, household power sources, and in-vehicle power sources because of their low-temperature operation and high output density, which can be reduced in size and weight. ing.
高分子形燃料電池(PEFC)は、電解質膜である高分子電解質膜を燃料極(アノード)と空気極(カソード)とで挟んだ構造となっており、燃料極側に水素を含む燃料ガス、空気極側に酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、下記の電気化学反応を起こして発電する。
アノード:H2 → 2H+ + 2e− ……(1)
カソード:1/2O2 + 2H+ + 2e− → H2O ……(2)
A polymer fuel cell (PEFC) has a structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is sandwiched between a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode), a fuel gas containing hydrogen on the fuel electrode side, By supplying an oxidant gas containing oxygen to the air electrode side, the following electrochemical reaction occurs to generate electricity.
Anode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ...... (2)
アノード及びカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層との積層構造からなる。アノード側の触媒層に供給された燃料ガスは、電極触媒によりプロトンと電子となる(反応1)。プロトンは、アノード側の触媒層内の高分子電解質を通り、カソードに移動する。電子は、外部回路を通り、カソードに移動する。カソード側の触媒層では、プロトンと電子と外部から供給された酸化剤ガスとが反応して水を生成する(反応2)。このように、電子が外部回路を通ることにより発電することができる。 The anode and cathode each have a laminated structure of a catalyst layer and a gas diffusion layer. The fuel gas supplied to the catalyst layer on the anode side becomes protons and electrons by the electrode catalyst (reaction 1). Protons move to the cathode through the polymer electrolyte in the catalyst layer on the anode side. The electrons travel through the external circuit to the cathode. In the catalyst layer on the cathode side, protons, electrons, and oxidant gas supplied from the outside react to generate water (reaction 2). In this way, power can be generated by electrons passing through an external circuit.
従来、高分子電解質膜の一方の面に空気極(カソード)側電極となる触媒層、他方の面に燃料極(アノード)側電極となる触媒層を形成した構造体である膜電極接合体の製造方法としては、触媒を担持した炭素粒子、高分子電解質及び溶媒からなる触媒層用スラリーを製造して、この触媒層用スラリーを高分子電解質膜に直接塗工して製造する方法や、転写基材又はガス拡散層に塗工して後、高分子電解質膜に熱圧着して製造する方法が知られている。 Conventionally, a membrane electrode assembly, which is a structure in which a catalyst layer to be an air electrode (cathode) side electrode is formed on one surface of a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer to be a fuel electrode (anode) side electrode is formed on the other surface As a production method, a catalyst layer slurry comprising a catalyst-supported carbon particle, a polymer electrolyte and a solvent is produced, and the catalyst layer slurry is directly applied to a polymer electrolyte membrane. A method is known in which a base material or a gas diffusion layer is applied and then thermocompression bonded to a polymer electrolyte membrane.
このうち、高分子電解質膜に触媒層用スラリーを直接塗工して膜電極接合体を製造する方法は、高分子電解質膜と触媒層との界面の密着性が良く、発電性能及び耐久性に優れた膜電極接合体を作製することができる。
しかし、触媒層用スラリーを高分子電解質膜に直接塗工すると、塗工の際に高分子電解質膜が触媒層用スラリーの溶媒により膨潤し、また乾燥の際に収縮する。そのため、触媒層を目的の形状で形成することができない。
Among these methods, the method of producing a membrane electrode assembly by directly applying the slurry for the catalyst layer to the polymer electrolyte membrane has good adhesion at the interface between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer, and improves power generation performance and durability. An excellent membrane electrode assembly can be produced.
However, when the slurry for the catalyst layer is directly applied to the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane is swollen by the solvent of the slurry for the catalyst layer during coating, and contracts during drying. Therefore, the catalyst layer cannot be formed in a desired shape.
かかる不具合を解決するために、特許文献1の発明では、目的の形状にくりぬかれた穴を有するマスキング部材を電解質膜上に配置して、触媒層用のスラリーを高分子電解質膜に直接塗工する方法が提案されている。
上記手法を用いることで、触媒層をおおよそ目的の形状に形成することができ、マスキング部材としてガスバリア性シート(ガスケット部材)を積層することで、ガスケット部材付きの膜電極接合体を簡易的に製造することができる。
In order to solve such a problem, in the invention of
By using the above method, the catalyst layer can be roughly formed into the desired shape, and a gas barrier sheet (gasket member) is laminated as a masking member to easily manufacture a membrane electrode assembly with a gasket member. can do.
しかしながら、特許文献1の方法では、触媒層用スラリーの塗工工程での電解質膜の膨潤・収縮及び塗膜の乾燥収縮により、ガスケット部材と触媒層との間に隙間が生じる。そのため、当該隙間においては、高分子電解質膜が露出した状態となる。高分子電解質膜の露出は、膜電極接合体の劣化を加速させ、耐久性を低下させることが知られている。
本発明の目的は、高分子電解質膜の両面に対向して触媒層が配置され、前記触媒層の周囲にガスケット部材を配置した膜電極接合体において、触媒層を目的の形状にすることができ、かつ、触媒層とガスケット部材との間に隙間がなく、耐久性に優れた膜電極接合体、及び当該膜電極接合体を使用した高分子形燃料電池、並びに膜電極接合体の製造方法を提供することである。
However, in the method of
An object of the present invention is to form a catalyst layer in a desired shape in a membrane electrode assembly in which a catalyst layer is disposed opposite to both surfaces of a polymer electrolyte membrane, and a gasket member is disposed around the catalyst layer. And a membrane electrode assembly excellent in durability with no gap between the catalyst layer and the gasket member, a polymer fuel cell using the membrane electrode assembly, and a method for producing the membrane electrode assembly Is to provide.
(1)本発明の一形態は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成されている触媒層と、前記触媒層の周囲に配置されているガスケット部材と、前記触媒層とガスケット部材との間の空間に充填されている充填材と、を備えている膜電極結合体である。
(2)この場合、前記充填材は、前記触媒層と同一の材料で形成され、又は、ガスシール材である、ようにしてもよい。
(1) One aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane, a catalyst layer formed on each side of the polymer electrolyte membrane, a gasket member disposed around the catalyst layer, and the catalyst layer And a filler filled in a space between the gasket member and the membrane electrode assembly.
(2) In this case, the filler may be formed of the same material as the catalyst layer, or may be a gas seal material.
(3)さらに、前記ガスケット部材は、フィルムである、ようにしてもよい。
(4)本発明の別の一形態は、前記の膜電極結合体と、前記各触媒層上にそれぞれ設けられているガス拡散層と、前記各ガス拡散層上にそれぞれ設けられ、前記ガス拡散層側の面にガス流路が形成され、反対側の面に冷却水流路が形成されていて、導電性を有し、ガス不透過性の材料により形成されたセパレータと、を備えている高分子形燃料電池である。
(3) Furthermore, the gasket member may be a film.
(4) According to another aspect of the present invention, the membrane electrode assembly, a gas diffusion layer provided on each of the catalyst layers, and a gas diffusion layer provided on each of the gas diffusion layers are provided. A gas flow path is formed on the surface on the layer side, a cooling water flow path is formed on the surface on the opposite side, and a separator made of an electrically conductive and gas impermeable material is provided. This is a molecular fuel cell.
(5)本発明の別の一形態は、高分子電解質膜の両面に触媒層が形成され前記触媒層の周囲にガスケット部材が配置されている構造を形成し、前記触媒層の形成は前記高分子電解質膜に触媒層用スラリーを直接塗工することにより行う第1の工程と、前記第1工程の終了後、前記触媒層と前記ガスケット部材との隙間を充填材で埋める第2の工程と、を備えている膜電極結合体の製造方法である。 (5) Another embodiment of the present invention is a structure in which a catalyst layer is formed on both sides of a polymer electrolyte membrane, and a gasket member is disposed around the catalyst layer. A first step performed by directly applying a slurry for a catalyst layer on a molecular electrolyte membrane; and a second step of filling a gap between the catalyst layer and the gasket member with a filler after the completion of the first step; And a method for producing a membrane electrode assembly.
(6)この場合に、前記第2工程は、前記触媒層と前記ガスケット部材との隙間にインクを塗布することにより前記充填材で埋める、ようにしてもよい。
(7)また、前記第2工程は、前記インクとして前記触媒層用スラリー又はガスシール材を用いる、ようにしてもよい。
(8)さらに、前記第1工程は、前記ガスケット部材としてフィルムを用いる、ようにしてもよい。
(6) In this case, the second step may be filled with the filler by applying ink to a gap between the catalyst layer and the gasket member.
(7) In the second step, the slurry for the catalyst layer or the gas seal material may be used as the ink.
(8) Further, in the first step, a film may be used as the gasket member.
(1)(4)(6)(5)の本発明の一形態によれば、触媒層とガスケット部材との間に隙間がなく、耐久性に優れた膜電極結合体、高分子形燃料電池を提供することができる。
(2)(7)の本発明の一形態によれば、高分子電界質膜の露出を防止し、さらに耐久性に優れた膜電極結合体を提供することができる。
(3)(8)の本発明の一形態によれば、圧縮変形性に優れた膜電極結合体を提供することができる。
According to one aspect of the present invention of (1), (4), (6), and (5), there is no gap between the catalyst layer and the gasket member, and the membrane electrode assembly and polymer fuel cell having excellent durability Can be provided.
(2) According to one aspect of the present invention of (7), it is possible to provide a membrane electrode assembly that prevents the polymer electrolyte membrane from being exposed and is further excellent in durability.
(3) According to one aspect of the present invention of (8), it is possible to provide a membrane electrode assembly excellent in compressive deformation.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に記載する各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれものである。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art, and such modifications are added. The embodiments are also included in the scope of the present invention.
[膜電極結合体の構造]
本実施形態にかかる膜電極結合体の構造について説明する。
図1は、本実施形態の膜電極結合体12の縦断面図である。この膜電極接合体12は、高分子電解質膜1の一方の面に空気極(カソード)側電極となる触媒層2が積層され、他方の面に燃料極(アノード)側電極となる触媒層3が積層されている。そして、これらの触媒層2,3の周囲には、それぞれガスケット部材13,14が配置されている。そして、触媒層2とガスケット部材13との間の隙間21、触媒層3とガスケット部材14との間の隙間22には、それぞれ充填材が充填されている。
[Structure of membrane electrode assembly]
The structure of the membrane electrode assembly according to this embodiment will be described.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a
[高分子形燃料電池の構造]
次に、上記の膜電極結合体12を用いた高分子形燃料電池の構造について説明する。
図2は、本実施形態の高分子形燃料電池の単セル11の分解斜視図である。高分子形燃料電池(の単セル)11においては、膜電極結合体12の空気極側電極となる触媒層2及び燃料極側電極となる触媒層3(触媒層3は図2においては高分子電解質膜1に隠れている)と対向して、空気極側のガス拡散層4及び燃料極側のガス拡散層5が配置されている。これによりそれぞれ空気極6及び燃料極7が構成される。そして、空気極側のガス拡散層4及び燃料極側のガス拡散層5に面して反応ガス流通用のガス流路8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えた導電性で、かつ、ガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ10により挟持して高分子形燃料電池の単セル11が構成されている。そして、空気や酸素などの酸化剤を空気極6に供給し、水素を含む燃料ガス又は有機物燃料を燃料極7に供給して発電するようになっている。
[Polymer fuel cell structure]
Next, the structure of a polymer fuel cell using the
FIG. 2 is an exploded perspective view of the
[膜電極結合体の製造方法]
次に、前述の膜電極接合体12の製造方法について説明する。
この膜電極接合体12の製造方法は、次の第1工程、第2工程を経て膜電極接合体12を製造する。
(1)第1工程
高分子電解質膜1の一方の面に空気極(カソード)側電極となる触媒層2が積層され、他方の面に燃料極(アノード)側電極となる触媒層3が積層されて、これらの触媒層2,3の周囲には、それぞれガスケット部材13,14が配置された構造体を製造する。
[Production method of membrane electrode assembly]
Next, a method for manufacturing the
In the method for manufacturing the
(1) 1st process The
この製造には、高分子電解質膜1に触媒層2、3を形成後、ガスケット部材13,14を貼り合せることにより行ってもよいし、高分子電解質膜1にガスケット部材13,14を貼り合せた後、触媒層2,3を形成することにより行ってもよい。
高分子電解質膜1に触媒層2、3を形成するには、高分子電解質膜1に触媒層用スラリーを直接塗工することにより形成する。
This production may be performed by forming the catalyst layers 2 and 3 on the
In order to form the catalyst layers 2 and 3 on the
(2)第2工程
第1工程の終了後、触媒層2,3とガスケット部材13,14との隙間21,22を充填材で埋める。この充填材の形成は、隙間21,22にインクを塗布することにより行う。
具体的には、第1工程でのインクの塗布による高分子電解質膜1への触媒層2,3の形成は、例えば、高分子電解質膜1に触媒層2,3するのに用いたのと同様の触媒層用スラリーを塗布、乾燥することにより行うことができる。
(2) Second Step After the completion of the first step, the
Specifically, the formation of the catalyst layers 2 and 3 on the
この触媒層用スラリーの乾燥方法としては、特に限定しないが、温風乾燥、IR(赤外)乾燥、減圧乾燥等が好ましい。
ここで、従来の開口部を備えたガスケット部材13,14付き高分子電解質膜1への触媒層用スラリーの塗布では、触媒層用スラリーの乾燥収縮により高分子電解質膜の露出が生じると共に、製造された膜電極接合体12に大きな残留応力が生じる。
本実施形態では、触媒層2,3とガスケット部材13,14との隙間21,22のみをインクで塗布するため、触媒層用スラリーの乾燥収縮は小さく、高分子電解質膜1の露出を防ぐことができる。また、製造された膜電極接合体12の残留応力を低減できる。
The method for drying the catalyst layer slurry is not particularly limited, but warm air drying, IR (infrared) drying, reduced pressure drying, and the like are preferable.
Here, in the application of the slurry for the catalyst layer to the
In this embodiment, since only the
本実施形態で用いるインクの塗布方法としては、ドクターブレードコート法、ディッピングコート法、スリットコート法、ダイコート法、スプレー法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、ディスペンサ印刷法、インクジェット印刷法、グラビア印刷法などの塗布法を挙げることができる。隙間21,22へのインクの塗布であることを考慮すると、予め定められた位置にインクを塗布できるディスペンサ印刷法及びインクジェット印刷法が好ましい。
The ink application method used in the present embodiment includes a doctor blade coating method, a dipping coating method, a slit coating method, a die coating method, a spray method, a screen printing method, a flexographic printing method, an offset printing method, a dispenser printing method, and an inkjet printing method. And a coating method such as a gravure printing method. Considering that the ink is applied to the
本実施形態では、前記インクが前述の触媒層用スラリー又はガスシール材であることが望ましい。触媒層用スラリーを用いた場合、ガスケット部材13,14の開口部と同じ形状に触媒層2,3を形成することができ、触媒層2,3の有効面積を大きくすることができる。また、ガスシール材を用いた場合、高分子電解質膜1の露出部分がガスシールされ、供給ガスが直接高分子電解質膜1へ届くことを妨げることができる。これにより、高分子電解質膜1の劣化を抑制することができる。
前記の第1工程において、前記触媒層用スラリーは、電解質、触媒粒子、溶媒を含む。この触媒層用スラリーは、触媒層2,3とガスケット部材13,14との隙間21,22に塗布する。さらに、必要に応じて乾燥工程を経ることで、触媒層2,3とガスケット部材13,14との隙間を触媒層2,3と同じ材料で埋めることができる。
In this embodiment, it is desirable that the ink is the catalyst layer slurry or the gas sealant described above. When the catalyst layer slurry is used, the catalyst layers 2 and 3 can be formed in the same shape as the openings of the
In the first step, the catalyst layer slurry includes an electrolyte, catalyst particles, and a solvent. The catalyst layer slurry is applied to the
以下では、以上説明した膜電極結合体、及び高分子形燃料電池の構造、並びに膜電極結合体の製造方法に使用する各種材料について、詳細に説明する。
本実施形態で用いる電解質としては、イオン伝導性を有するものであれば良いが、触媒層2,3と高分子電解質膜1との密着性を考え、高分子電解質膜1と同質の材料を選択することが好ましい。例えば、フッ素系樹脂としては、Nafion(デュポン社製、登録商標である)、炭化水素系樹脂としては、エンジニアリングプラスチック、又はその共重合体にスルホン酸基を導入したものなどが挙げられる。
Hereinafter, the membrane electrode assembly, the structure of the polymer fuel cell, and various materials used in the method for manufacturing the membrane electrode assembly will be described in detail.
The electrolyte used in the present embodiment is not particularly limited as long as it has ionic conductivity. However, considering the adhesion between the catalyst layers 2 and 3 and the
本実施形態で用いる触媒層2,3を構成する触媒に使用する粒子としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、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、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、又は酸化物、複酸化物等が使用できる。その中でも、白金や白金合金が好ましい。また、これらの触媒の粒子の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、0.5〜20nmが好ましい。更に好ましくは、1〜5nmが良い。 As particles used for the catalyst constituting the catalyst layers 2 and 3 used in the present embodiment, platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel Further, metals such as manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, alloys thereof, oxides, double oxides, and the like can be used. Of these, platinum and platinum alloys are preferred. Moreover, since the activity of a catalyst will fall when the particle size of these catalyst particles is too large, and the stability of a catalyst will fall when too small, 0.5-20 nm is preferable. More preferably, 1-5 nm is good.
触媒の粒子は単体で用いても良く、好ましくは、導電性担体に担持させて用いると良い。導電性担体としては、一般的に、カーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層が厚くなり抵抗が増加することで、出力特性が低下したりするので、10〜1000nm程度が好ましい。更に好ましくは、10〜100nmが良い。 The catalyst particles may be used alone or preferably, supported on a conductive carrier. Generally, carbon particles are used as the conductive carrier. Any carbon particles can be used as long as they are in the form of fine particles, have conductivity and are not affected by the catalyst, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, and fullerene are used. it can. If the particle size of the carbon particles is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. If the particle size is too large, the electrode catalyst layer becomes thick and the resistance increases, resulting in a decrease in output characteristics. preferable. More preferably, 10-100 nm is good.
本実施形態で用いる触媒層用スラリーの溶媒としては、特に限定しないが、電解質を分散または溶解できるものが良い。一般的に用いられる溶媒としては、水、メタノール、エタノール、1‐プロパノール、2‐プロパノール、1‐ブタノール、2‐ブタノール、イソブチルアルコール、tert‐ブチルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等を用いてもよい。また、グリコール、グリコールエーテル系溶媒としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、1‐メトキシ‐2‐プロパノール、1‐エトキシ‐2‐プロパノールなどが挙げられる。 The solvent for the catalyst layer slurry used in the present embodiment is not particularly limited, but a solvent capable of dispersing or dissolving the electrolyte is preferable. Commonly used solvents include water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol and other alcohols, acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone , Ketones such as methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, pentanone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonyl acetone, diethyl ketone, dipropyl ketone, diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, dioxane, diethylene glycol Ethers such as dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, isopropyl Amines such as amine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine, aniline, propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, propionic acid Esters such as methyl, ethyl propionate, butyl propionate and the like, acetic acid, propionic acid, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and the like may be used. The glycol and glycol ether solvents include ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol, and 1-ethoxy-2. -Propanol etc. are mentioned.
前記ガスシール材は、特に限定しないが、塗布が可能であれば良い。一般的に、シリコーンゴム、エチレン‐プロピレン‐ジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム等のゴム類、シリコーンエラストマー類、熱可塑性エラストマー類、熱硬化性エラストマー類、UV硬化樹脂などが挙げられる。これらの材料を単独で用いても良く、または上述した触媒層用スラリーの溶媒などに溶解させてインクを調製し、触媒層2,3とガスケット部材13,14との隙間21,22に塗布する。さらに、必要に応じて乾燥工程、硬化工程を経ることで、触媒層2,3とガスケット部材13,14との隙間21,22をガスシール材で埋めることができる。
The gas sealing material is not particularly limited as long as it can be applied. Generally, rubbers such as silicone rubber, ethylene-propylene-diene rubber, nitrile butadiene rubber, silicone elastomers, thermoplastic elastomers, thermosetting elastomers, UV curable resins and the like can be mentioned. These materials may be used alone, or are dissolved in the solvent for the catalyst layer slurry described above to prepare ink and applied to the
前記ガスケット部材は、塗布成形、インモールド成型、フィルム積層等で形成できるが、特にフィルム積層が好ましい。
前記ガスケット部材13,14は、フィルムからなるようにしてもよい。膜電極接合体12は、圧縮力が掛かった状態で積層され、使用される。また、膜電極接合体12には好適な厚さが存在するため、ガスケット部材13,14には、厚さの均一性及び圧縮変形性に優れていることが好ましい。フィルムからなるガスケット部材13,14は、厚さが均一のため、ガスケット部材13,14として好適であり、さらに圧縮変形性に優れる材料が望ましい。ここで、「圧縮変形性に優れる」とは、圧力が加えられた時の材料の変形量が少ないことをいう。
The gasket member can be formed by coating molding, in-mold molding, film lamination, or the like, and film lamination is particularly preferable.
The
フィルムからなるガスケット部材13,14は、少なくともフィルムの一方面に粘着層または接着層を備えたものであり、他方面に離型層を備えていても良い。粘着層は、フィルムと高分子電解質の間に具備され、界面のガスシール性を向上させる。離型層は、ガスケット部材表面に塗布されたインクの除去を容易にする。
前記フィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミドなどの圧縮変形性に優れる材料が挙げられる。これらは、単独で用いても良く、組み合わせても良い。
The
Examples of the film include materials having excellent compressive deformation properties such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polyamide, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polypropylene, polyethylene, and polyimide. These may be used alone or in combination.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[触媒層用スラリーの製造]
白金担持カーボン(TEC10E50E、田中貴金属社製)を容器に入れ、水を加えて混合後、2‐プロパノールと電解質(Nafion(登録商標である)分散液、和光純薬工業社製)を加えて撹拌して、触媒層用スラリーを得た。
[ガスケット部材付き高分子電解質膜の作製]
ガスケット部材(粘着層付PETフィルム)に開口部(サイズ50mm×50mm)を形成後、高分子電解質膜1(Nafion211CS、デュポン社製)の両面に貼り合せた。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.
[Production of slurry for catalyst layer]
Put platinum-supported carbon (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) into a container, add water, mix, add 2-propanol and electrolyte (Nafion (registered trademark) dispersion, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and stir. Thus, a slurry for the catalyst layer was obtained.
[Production of polymer electrolyte membrane with gasket member]
An opening (size 50 mm × 50 mm) was formed in the gasket member (PET film with adhesive layer), and then bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 (Nafion 211CS, manufactured by DuPont).
[耐久性評価]
膜電極接合体12の両面に、ガス拡散層4,5(SIGRACET(登録商標である) 35BC、SGL社製)を配置して、市販のJARI標準セルを用いてOCV耐久性評価を行った。セル温度は、100℃として、アノードに加湿水素、カソードに加湿酸素を供給した。加湿条件は、相対湿度25%で行った。
[Durability evaluation]
Gas diffusion layers 4 and 5 (SIGRACE (registered trademark) 35BC, manufactured by SGL) were disposed on both surfaces of the
[比較例1]
ガスケット部材13,14付き高分子電解質膜1に、触媒層用スラリーをドクターブレードで塗工し、80℃の炉内で乾燥することで膜電極接合体12を製造した。触媒層2,3とガスケット部材13,14との隙間は、約50μmであった。
[Comparative Example 1]
The catalyst electrode slurry was applied to the
[実施例1]
比較例1で製造した膜電極接合体12の触媒層2,3とガスケット部材13,14との隙間21,22に、前記触媒層用スラリーをディスペンサ印刷法により塗布して、80℃の炉内で乾燥することで膜電極接合体12を製造した。この膜電極接合体12においては、触媒層2,3とガスケット部材13,14との間に隙間は、観察されなかった。
[Example 1]
The catalyst layer slurry is applied to the
[実施例2]
比較例1で製造した膜電極接合体12の触媒層2,3とガスケット部材13,14との隙間21,22に、ガスシール材をディスペンサ印刷法により塗布して、100℃の炉内で乾燥することで膜電極接合体12を製造した。この膜電極接合体12においては、触媒層2,3とガスケット部材13,14との間に隙間は、観察されなかった。
本実施例の製造方法で製造した膜電極接合体12(実施例1,2)の耐久性評価結果は、比較例1と比べて約2倍(30時間)の耐久性を示した。
このように、本実施例の製造方法では、耐久性に優れた膜電極接合体12を簡易に製造できることがわかった。
[Example 2]
A gas sealant is applied by a dispenser printing method to the
The durability evaluation results of the membrane electrode assembly 12 (Examples 1 and 2) manufactured by the manufacturing method of this example showed about twice (30 hours) durability as compared with Comparative Example 1.
Thus, it was found that the
1 高分子電解質膜
2 触媒層
3 触媒層
4 ガス拡散層
5 ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレータ
11 高分子形燃料電池
12 膜電極接合体
13 ガスケット部材
14 ガスケット部材
21 隙間
22 隙間
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ形成されている触媒層と、
前記触媒層の周囲に配置されているガスケット部材と、
前記触媒層とガスケット部材との間の空間に充填されている充填材と、
を備えている膜電極結合体。 A polymer electrolyte membrane;
Catalyst layers respectively formed on both sides of the polymer electrolyte membrane;
A gasket member disposed around the catalyst layer;
A filler filled in a space between the catalyst layer and the gasket member;
A membrane electrode assembly comprising:
前記各触媒層上にそれぞれ設けられているガス拡散層と、
前記各ガス拡散層上にそれぞれ設けられ、前記ガス拡散層側の面にガス流路が形成され、反対側の面に冷却水流路が形成されていて、導電性を有し、ガス不透過性の材料により形成されたセパレータと、
を備えている高分子形燃料電池。 The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3,
A gas diffusion layer provided on each of the catalyst layers;
Provided on each of the gas diffusion layers, a gas flow path is formed on the surface on the gas diffusion layer side, a cooling water flow path is formed on the surface on the opposite side, has conductivity, and is gas impermeable A separator formed of a material of
A polymer fuel cell comprising:
前記第1工程の終了後、前記触媒層と前記ガスケット部材との隙間を充填材で埋める第2の工程と、
を備えている膜電極結合体の製造方法。 A catalyst layer is formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, and a gasket member is arranged around the catalyst layer. The catalyst layer is formed by directly applying a catalyst layer slurry to the polymer electrolyte membrane. A first step performed by:
A second step of filling a gap between the catalyst layer and the gasket member with a filler after completion of the first step;
A method for producing a membrane electrode assembly comprising:
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