JP2014175242A - Electrolyte membrane with catalyst layer and method for manufacturing the same - Google Patents

Electrolyte membrane with catalyst layer and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane with a catalyst layer in which power generation performance and production efficiency are high, ion resistance is small, and loss of a catalyst ink is small and on which a catalyst layer of a desired shape can be formed, and a method for manufacturing the same.SOLUTION: A method for manufacturing an electrolyte membrane with a catalyst layer comprises the steps of: pattern-forming an affinity region 5 having affinity with a catalyst ink 70 containing a catalyst carrying particle, a polymer electrolyte, and a solvent and a non-affinity region 6 without affinity on a peeling base material 1 (S100); forming a coating film by coating the affinity region 5 with the catalyst ink 70 and forming a cathode catalyst layer 71 by removing the solvent in the coating film (S25); forming a coating film by coating the cathode catalyst layer 71 with an electrolyte ink containing at least a polymer electrolyte 8 and a solvent and forming a polymer electrolyte membrane 8 by removing the solvent in the formed coating film (S40); and forming a coating film by coating the polymer electrolyte membrane 8 with the catalyst ink 70 and forming an anode catalyst layer 72 by removing the solvent in the coating film (S50).

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられる触媒層付電解質膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane with a catalyst layer for use in a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the membrane.

燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す発電方式である。この発電方式は、発電効率が高く、静粛性に優れ、大気汚染の原因となるNOx、SOx、また地球温暖化の原因となるCOの排出量が少無い等の利点から、新エネルギーとして期待されている。この燃料電池が適用されている例は、携帯電気機器の長時間電力供給、コジェネレーション用定置型発電温水供給機、燃料電池自動車等があり、用途も規模も多様である。 A fuel cell is a power generation system that converts a chemical energy of a fuel into electric energy and extracts it by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. This power generation method is expected to be a new energy because of its advantages such as high power generation efficiency, excellent quietness, NOx and SOx that cause air pollution, and low CO 2 emissions that cause global warming. Has been. Examples of the application of this fuel cell include a long-time power supply for portable electric devices, a stationary generation hot water supply machine for cogeneration, a fuel cell vehicle, and the like, which have various uses and scales.

燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形等に分類され、それぞれ運転温度が大きく異なり、それに伴い発電規模や利用分野も異なる。
上述した各種の燃料電池の中で、長所の多い固体高分子形燃料電池が知られている。この固体高分子形燃料電池は、陽イオン交換膜を電解質として用いたものである。その長所として、1)燃料電池の中でも比較的低温での動作、すなわち室温付近で使用可能である点、2)電解質膜の薄膜化により内部抵抗を低減できるため高出力化及びコンパクト化が可能である点に着目されている。そのため、固体高分子形燃料電池は、車載用電源や家庭用据置電源等への用途が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。
The types of fuel cells are classified into solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, alkaline type, etc. depending on the electrolyte used. Is also different.
Among the various fuel cells described above, a polymer electrolyte fuel cell having many advantages is known. This polymer electrolyte fuel cell uses a cation exchange membrane as an electrolyte. The advantages are: 1) The fuel cell can be operated at a relatively low temperature, that is, it can be used at around room temperature. A certain point is paid attention. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell is considered promising for use in an in-vehicle power source or a home stationary power source, and various research and development have been conducted in recent years.

固体高分子形燃料電池は、高分子電解質の両面に一対の電極触媒層が形成された膜に、一対のガス拡散層が配置されるとともに、中心部材としての膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly :MEA)が構成されている。また、電極触媒層の周縁部にはガスケットが配置されている。そして、中心部材である膜電極接合体を、一対のセパレータ板で挟持することによって電池が構成されている。この固体高分子形燃料電池において、一方の電極に水素を含有する燃料ガスを供給し、他方の電極に酸素を含む酸化剤ガスを供給するために、それぞれのガス流路が形成されている。なお、高分子電解質の両面に一対の電極触媒層が形成された膜は、触媒層付電解質膜(Catalyst Coated Membrane;CCM)とも呼ばれている。そして、一対のセパレータ板で挟持された電池を単電池セルと呼ぶ。   In a polymer electrolyte fuel cell, a pair of gas diffusion layers are disposed on a membrane in which a pair of electrode catalyst layers are formed on both sides of a polymer electrolyte, and a membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly) as a central member: MEA) is configured. A gasket is disposed on the peripheral edge of the electrode catalyst layer. And the battery is comprised by pinching the membrane electrode assembly which is a center member with a pair of separator plate. In this polymer electrolyte fuel cell, each gas flow path is formed in order to supply a fuel gas containing hydrogen to one electrode and an oxidant gas containing oxygen to the other electrode. In addition, the film | membrane in which a pair of electrode catalyst layer was formed on both surfaces of the polymer electrolyte is also called an electrolyte membrane with a catalyst layer (Catalyst Coated Membrane; CCM). A battery sandwiched between a pair of separator plates is called a single battery cell.

固体高分子形燃料電池は、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、複数の単電池セルを積層(スタック)して用いられる。スタックする枚数は、必要な電力により異なり、一般的な携帯電気機器のポータブル電源では数枚から10枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では60〜90枚程度、自動車用途では250〜400枚程度である。高出力化をするためにはスタック枚数を増やすことが必要となり、単電池セルのコストが燃料電池全体のコストに大きく影響する。プロセスコストの観点から、安価で簡便な触媒層付電解質膜や膜電極接合体の製造方法が望まれている。   A polymer electrolyte fuel cell is used by stacking a plurality of unit cells for the purpose of increasing the power density and making the entire fuel cell compact. The number of sheets to be stacked varies depending on the required electric power. For portable power sources of general portable electric devices, several to about 10 sheets, for stationary electric and hot water supply machines for cogeneration, about 60 to 90 sheets, and for automobile applications, 250 to About 400 sheets. In order to increase the output, it is necessary to increase the number of stacks, and the cost of the unit cell greatly affects the cost of the entire fuel cell. From the viewpoint of process cost, an inexpensive and simple method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer and a membrane electrode assembly is desired.

触媒層付電解質膜の製造方法として、様々な手法が検討されており、例えば、以下の4つの方法が知られている。1)触媒を含む塗工液をイオン交換膜上に塗布することにより、触媒層を形成して電極とし、電極とイオン交換膜をホットプレス等の熱処理により接合して触媒層付電解質膜を製造する方法。2)イオン交換膜の他に別途用意した基材フィルム上に触媒層を形成し、その後、触媒層上にイオン交換膜を積層してホットプレスすることにより触媒層をイオン交換膜上に転写する方法。3)ガス拡散層上に触媒層が形成された電極シートを製造し、該電極シートをイオン交換膜と接合する方法。4)触媒層をイオン交換膜上に形成したもの(ハーフセル)2組を製造し、それぞれのイオン交換膜側の面を対向させ圧着して触媒層付電解質膜を製造する方法。   Various methods have been studied as a method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer. For example, the following four methods are known. 1) Applying a coating solution containing a catalyst onto an ion exchange membrane to form a catalyst layer to be an electrode, and joining the electrode and the ion exchange membrane by a heat treatment such as hot pressing to produce an electrolyte membrane with a catalyst layer how to. 2) In addition to the ion exchange membrane, a catalyst layer is formed on a separately prepared substrate film, and thereafter the ion exchange membrane is laminated on the catalyst layer and hot-pressed to transfer the catalyst layer onto the ion exchange membrane. Method. 3) A method of manufacturing an electrode sheet having a catalyst layer formed on a gas diffusion layer, and bonding the electrode sheet to an ion exchange membrane. 4) A method of producing an electrolyte membrane with a catalyst layer by producing two sets (half-cells) in which a catalyst layer is formed on an ion exchange membrane and pressing the respective ion exchange membrane sides facing each other.

しかしながら、これらの方法で製造される触媒層付電解質膜は、イオン交換膜と電極触媒層を接合する際に、ホットプレス等の熱圧着により製造されるため、その工程がボトルネックとなってしまい、タクト時間が長くなり、結果として生産効率を低下させてしまうという問題があった。
この課題を解決する方法として、基材上に第1の電極触媒層を製造し、次に高分子電解質層8を製造し、最後に第2の電極触媒層を製造する逐次積層による方法が提案されている。この逐次積層による方法は、タクト時間が短く、生産効率が高くなるため、製造コストが低くなる。(特許文献1、特許文献2)
However, since the electrolyte membrane with a catalyst layer produced by these methods is produced by thermocompression bonding such as hot pressing when the ion exchange membrane and the electrode catalyst layer are joined, the process becomes a bottleneck. There is a problem that the tact time becomes long, resulting in a decrease in production efficiency.
As a method for solving this problem, a method of sequential lamination in which a first electrode catalyst layer is manufactured on a substrate, a polymer electrolyte layer 8 is manufactured, and finally a second electrode catalyst layer is manufactured is proposed. Has been. In this sequential lamination method, the tact time is short and the production efficiency is high, so that the manufacturing cost is low. (Patent Document 1, Patent Document 2)

また、高分子電解質層の上に所望の形状の電極触媒層を形成する方法として、被覆部材を、電解質層の非触媒層形成部位に配置し、被覆部材が配置された電解質層に電極触媒インクを塗布し、乾燥させて触媒層を形成する手法が提案されている。被覆部材の形状をコントロールすることにより、所望の形状の触媒層が得られると共に、電極触媒インクを電解質層に直接塗布することから、製造コストが低くなる。(特許文献3)   Further, as a method of forming an electrode catalyst layer having a desired shape on the polymer electrolyte layer, a covering member is disposed at a non-catalyst layer forming portion of the electrolyte layer, and an electrode catalyst ink is disposed on the electrolyte layer on which the covering member is disposed. There has been proposed a method of forming a catalyst layer by coating and drying. By controlling the shape of the covering member, a catalyst layer having a desired shape can be obtained, and the electrode catalyst ink is directly applied to the electrolyte layer, so that the manufacturing cost is reduced. (Patent Document 3)

特許第4696462号公報Japanese Patent No. 4696462 特許第5011867号公報Japanese Patent No. 5011867 特開2007−294183号公報JP 2007-294183 A

しかしながら、特許文献1、特許文献2に開示された膜電極接合体の製造方法では、製造コストは低くなるが、共に触媒層の形状が塗布する手法に依存し、所望の形状の触媒層を得ることができないという問題があった。
また、特許文献3では、被覆部材上に形成された触媒層がロスとなる。触媒層中には、白金に代表される貴金属が触媒として存在していることから、触媒層のロスは、コスト増に繋がるという問題があった。
However, although the manufacturing cost of the membrane electrode assembly disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 is low, the shape of the catalyst layer depends on the coating method, and a catalyst layer having a desired shape is obtained. There was a problem that I could not.
Moreover, in patent document 3, the catalyst layer formed on the coating | coated member becomes a loss. In the catalyst layer, a noble metal typified by platinum is present as a catalyst. Therefore, there is a problem that the loss of the catalyst layer leads to an increase in cost.

さらに、高分子電解質膜に触媒インク70を塗布し、触媒層を形成した場合、膜と触媒層の界面のみが接合しており、触媒層がむき出しとなる断面から乾燥しやすいため、将来的に求められている発生水のみのような低加湿条件下で、発電性能が下がるという問題があった。
本発明は、上記問題を考慮して成し遂げられたものであり、1)低加湿条件下で発電性能が高く、2)イオン抵抗が小さく、3)触媒インクのロスが少なく、4)所望の形状に高精度で触媒層を形成できて、5)タクト時間が短く生産効率が高い触媒層付電解質膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
Furthermore, when the catalyst ink 70 is applied to the polymer electrolyte membrane to form the catalyst layer, only the interface between the membrane and the catalyst layer is bonded, and the catalyst layer is easily dried from the exposed cross section. There was a problem that the power generation performance was lowered under low humidification conditions such as only the required generated water.
The present invention has been accomplished in consideration of the above-mentioned problems. 1) High power generation performance under low humidification conditions, 2) low ionic resistance, 3) low loss of catalyst ink, and 4) desired shape. It is an object of the present invention to provide a catalyst layer-attached electrolyte membrane that can form a catalyst layer with high accuracy and has a short tact time and high production efficiency, and a method for producing the same.

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成の触媒層付電解質膜、及び触媒層付電解質膜の製造方法を採用した。
請求項1は、高分子電解質膜(8)と、前記高分子電解質膜(8)の一方の面に設けたアノード触媒層(72)と、前記高分子電解質膜(8)の他方の面に設けたカソード触媒層(71)とを備える触媒層付電解質膜であって、前記カソード触媒層(71)の表面と、前記カソード触媒層(71)を設けた前記高分子電解質膜(8)の表面とが略同一平面上にあることを特徴とする触媒層付電解質膜である。
請求項2は、前記カソード触媒層(71)の白金担持量は、前記アノード触媒層(72)の白金担持量以上であることを特徴とする請求項1に記載の触媒層付電解質膜である。
In order to solve the above-described problems, the present invention employs an electrolyte membrane with a catalyst layer having the following configuration and a method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer.
The present invention provides a polymer electrolyte membrane (8), an anode catalyst layer (72) provided on one surface of the polymer electrolyte membrane (8), and the other surface of the polymer electrolyte membrane (8). An electrolyte membrane with a catalyst layer comprising a provided cathode catalyst layer (71), the surface of the cathode catalyst layer (71) and the polymer electrolyte membrane (8) provided with the cathode catalyst layer (71). An electrolyte membrane with a catalyst layer, characterized in that the surface is on substantially the same plane.
2. The electrolyte membrane with catalyst layer according to claim 1, wherein the amount of platinum supported on the cathode catalyst layer (71) is equal to or greater than the amount of platinum supported on the anode catalyst layer (72). .

請求項3は、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒とを含む触媒インク70に親和性のある親和性エリア(5)と前記触媒インク(70)に親和性が無い非親和性エリア(6)とを、剥離基材(1)上にパターン形成するパターン形成工程(S100)と、前記親和性エリア(5)に前記触媒インク(70)を塗布して塗膜を形成し、形成された塗膜中の溶媒を除去し、カソード触媒層(71)を形成するカソード触媒層形成工程(S25)と、前記カソード触媒層(71)上に、高分子電解質(8)と溶媒とを含む電解質インクを塗布して塗膜を形成し、形成された塗膜中の溶媒を除去し、高分子電解質膜(8)を形成する高分子電解質膜形成工程(S40)と、前記高分子電解質膜(8)上に、前記触媒インク(70)を塗布し、塗膜を形成し、形成した塗膜中の溶媒を除去し、前記アノード触媒層(72)を形成するアノード触媒層形成工程(S50)とを有することを特徴とする触媒層付電解質膜の製造方法である。   According to a third aspect of the present invention, there is provided an affinity area (5) having an affinity for the catalyst ink 70 including catalyst-supporting particles, a polymer electrolyte, and a solvent, and a non-affinity area (6) having no affinity for the catalyst ink (70). And forming a coating film by applying the catalyst ink (70) to the affinity area (5) to form a coating film, and forming a pattern on the release substrate (1). A cathode catalyst layer forming step (S25) for removing the solvent in the membrane to form a cathode catalyst layer (71), and an electrolyte ink containing a polymer electrolyte (8) and a solvent on the cathode catalyst layer (71). Is applied to form a coating film, the solvent in the formed coating film is removed to form a polymer electrolyte membrane (8), and the polymer electrolyte membrane (8) ) The catalyst ink (70) is applied to the film to form a coating film. And the solvent in the formed coating film is removed and a manufacturing method of the anode catalyst layer (72) an anode catalyst layer forming step of forming a (S50) and the catalyst layer with the electrolyte membrane and having a.

請求項4は、前記パターン形成工程(S100)は、前記剥離基材(1)上の全エリアにシランカップリング剤(2)を形成するシランカップリング剤形成工程(S10)と、前記親和性エリア(5)上に形成されたシランカップリング剤(2)のみを除去するシランカップリング剤限定除去工程(S20)と、前記カソード触媒層形成工程(S25)によりカソード触媒層(71)を形成された後に、前記非親和性エリア(6)の残存シランカップリング剤(2)を除去する残存シランカップリング剤除去工程(S30)とを有することを特徴とする請求項3に記載の触媒層付電解質膜の製造方法である。   According to a fourth aspect of the present invention, the pattern forming step (S100) includes the silane coupling agent forming step (S10) for forming the silane coupling agent (2) in the entire area on the release substrate (1), and the affinity. A silane coupling agent limited removal step (S20) for removing only the silane coupling agent (2) formed on the area (5) and a cathode catalyst layer (71) are formed by the cathode catalyst layer formation step (S25). 4. The catalyst layer according to claim 3, further comprising: a residual silane coupling agent removing step (S 30) for removing the residual silane coupling agent (2) in the non-affinity area (6). It is a manufacturing method of an attached electrolyte membrane.

請求項5は、前記シランカップリング剤限定除去工程(S20)では、フォトマスク(4)を介して親和性エリア(5)上にのみ真空紫外光(3)を照射することにより除去することを特徴とする請求項3又は4に記載の触媒層付電解質膜の製造方法である。
請求項6は、前記パターン形成工程(S100)において、前記親和性エリア(5)では親水性を活用し、前記非親和性エリア(6)では撥水性を活用してパターン形成することを特徴とする請求項3〜5の何れか1項に記載の触媒層付電解質膜の製造方法である。
請求項7は、前記親和性エリア(5)の水接触角が15度以下であり、前記非親和性エリア(6)の水接触角が100度以上であることを特徴とする請求項6に記載の触媒層付電解質膜の製造方法である。
According to a fifth aspect of the present invention, in the silane coupling agent limited removal step (S20), removal is performed by irradiating vacuum ultraviolet light (3) only on the affinity area (5) through the photomask (4). It is a manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer of Claim 3 or 4 characterized by the above-mentioned.
The pattern forming step (S100) is characterized in that the affinity area (5) utilizes hydrophilicity and the non-affinity area (6) utilizes water repellency to form a pattern. The method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer according to any one of claims 3 to 5.
Claim 7 is characterized in that the water contact angle of the affinity area (5) is 15 degrees or less, and the water contact angle of the non-affinity area (6) is 100 degrees or more. It is a manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer of description.

本発明によれば、1)低加湿条件下で発電性能が高く、2)イオン抵抗が小さく、3)触媒インクのロスが少なく、4)所望の形状に高精度で触媒層を形成できて、5)タクト時間が短くて生産効率が高いという効果を奏する触媒層付電解質膜及びその製造方法を提供することができる。
1)特に、低加湿条件下で発電性能を高くできる理由は、カソード触媒層は、断面を含めた四方を高分子電解質層で覆われているため、低加湿条件下でも触媒層が保湿され、高いプロトン伝導性を有する膜電極接合体(MEA)を形成できるからである。
According to the present invention, 1) high power generation performance under low humidification conditions, 2) low ionic resistance, 3) little loss of catalyst ink, and 4) high accuracy formation of a catalyst layer in a desired shape, 5) It is possible to provide an electrolyte membrane with a catalyst layer and a method for producing the same, which have the effect that the tact time is short and the production efficiency is high.
1) In particular, the reason why the power generation performance can be improved under low humidification conditions is that the cathode catalyst layer is covered with the polymer electrolyte layer on all sides including the cross section, so that the catalyst layer is moisturized even under low humidification conditions. This is because a membrane electrode assembly (MEA) having high proton conductivity can be formed.

2)イオン抵抗を小さくできる理由は、高分子電解質層と電極触媒層の接触が向上するからである。そのため、ホットプレスで製造した触媒層付電解質膜と比較して、より良好な結果が得られる。
3)触媒インクのロスをより少くできる理由は、カソード触媒層を形成する際に、触媒インクと親和性がある親和性エリアにのみ、触媒層を形成するからである。その結果、製造コストの低減を図ることができる。
2) The reason why the ionic resistance can be reduced is that the contact between the polymer electrolyte layer and the electrode catalyst layer is improved. Therefore, a better result is obtained as compared with the electrolyte membrane with a catalyst layer produced by hot pressing.
3) The reason why the loss of the catalyst ink can be reduced is that, when the cathode catalyst layer is formed, the catalyst layer is formed only in the affinity area having affinity with the catalyst ink. As a result, the manufacturing cost can be reduced.

4)高精度で所望の形状に触媒層を形成できる理由は、シランカップリング剤を除去する工程において用いるフォトマスクの精度が、カソード触媒層の形状に反映されるからである。したがって、所望の精度・形状のフォトマスクを用いることにより、高精度で所望の形状の触媒層を形成することができる。
5)タクト時間を短縮して生産効率を高められる理由は、イオン交換膜と電極触媒層を接合する際に、ボトルネックとなるホットプレス等の熱圧着の工程が無いからである。また、カソード触媒層、高分子電解質層、アノード触媒層が順次積層されるため、製造効率を非常に高くすることができる。
4) The reason why the catalyst layer can be formed in a desired shape with high accuracy is that the accuracy of the photomask used in the step of removing the silane coupling agent is reflected in the shape of the cathode catalyst layer. Therefore, by using a photomask having a desired accuracy and shape, a catalyst layer having a desired shape can be formed with high accuracy.
5) The reason that the tact time can be shortened and the production efficiency can be increased is because there is no thermocompression bonding step such as hot pressing that becomes a bottleneck when joining the ion exchange membrane and the electrode catalyst layer. Further, since the cathode catalyst layer, the polymer electrolyte layer, and the anode catalyst layer are sequentially laminated, the production efficiency can be extremely increased.

このように、本発明によれば、製造効率が高く、かつカソード触媒層は、断面を含めた四方を高分子電解質層で覆われているため、低加湿条件下でも触媒層が保湿され、高いプロトン伝導性を有する膜電極接合体となり、特に低加湿条件下で発電性能が高いという効果を奏する触媒層付電解質膜及びその製造方法を提供することができる。
さらに、ホットプレスにより製造した触媒層付電解質膜と比較して、高分子電解質層と電極触媒層の接触が向上し、イオン抵抗が減少するという効果を奏する膜電極接合体の製造方法を提供することができる。
Thus, according to the present invention, the production efficiency is high, and the cathode catalyst layer is covered with the polymer electrolyte layer on all sides including the cross section, so that the catalyst layer is moisturized even under low humidification conditions and is high. It is possible to provide a membrane electrode assembly having proton conductivity, an electrolyte membrane with a catalyst layer, and a method for producing the same, which have an effect of high power generation performance particularly under low humidification conditions.
Furthermore, the present invention provides a method for producing a membrane / electrode assembly that has the effect of improving the contact between the polymer electrolyte layer and the electrode catalyst layer and reducing the ionic resistance as compared with an electrolyte membrane with a catalyst layer produced by hot pressing. be able to.

また、本発明によれば、カソード触媒層を形成する際に、触媒インクと親和性があるエリアにのみ、触媒層が形成されることから触媒インクのロスがなくなり、製造コストの低減を図ることができる。
加えて、カソード触媒層の形状が、シランカップリング剤を除去する際に介するフォトマスクの精度に依存するため、所定の形状のフォトマスクを用いることにより、所望の形状の触媒層を形成することができる。
In addition, according to the present invention, when the cathode catalyst layer is formed, the catalyst layer is formed only in the area having affinity with the catalyst ink, so that the loss of the catalyst ink is eliminated and the production cost is reduced. Can do.
In addition, since the shape of the cathode catalyst layer depends on the accuracy of the photomask through which the silane coupling agent is removed, a catalyst layer having a desired shape can be formed by using a photomask having a predetermined shape. Can do.

本発明による触媒層付電解質膜の製造方法の一実施の形態を工程順に説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating one Embodiment of the manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer by this invention to process order. 本発明の実施形態に係る触媒層付電解質膜の理想的な構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the ideal structure of the electrolyte membrane with a catalyst layer which concerns on embodiment of this invention. 本発明の理想とは異なる触媒層付電解質膜の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electrolyte membrane with a catalyst layer different from the ideal of this invention. 本発明に係る触媒層付電解質膜の製造方法の実施形態を工程順に説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating embodiment of the manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer which concerns on this invention to process order.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1は、本発明による触媒層付電解質膜の製造方法の一実施の形態を工程順に説明するための模式図である。
本実施形態に係る触媒層付電解質膜の製造方法の概略は以下のとおりである。まず、剥離基材1上に、触媒インク70と親和性のある親和性エリア5と触媒インク70と親和性が無い非親和性エリア6とをパターン形成する工程(図1(b))を実行する。次に、剥離基材1上の触媒インク70と親和性のある親和性エリア5に触媒インク70を塗布し、塗膜を形成し、形成した塗膜中の溶媒を除去し、前記カソード触媒層71を形成する工程(図1(c))を実行する。次に、カソード触媒層71上に、少なくとも高分子電解質と溶媒を含む電解質インクを塗布し、塗膜を形成し、形成した塗膜中の溶媒を除去し、高分子電解質層8を形成する工程(図1(e))を実行する。次に、高分子電解質膜上に、触媒インク70を塗布し、塗膜を形成し、形成した塗膜中の溶媒を除去し、アノード触媒層72を形成する工程(図1(f))を実行するという工程から成る。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view for explaining an embodiment of a method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present invention in the order of steps.
The outline of the manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present embodiment is as follows. First, on the release substrate 1, a step of patterning the affinity area 5 having affinity with the catalyst ink 70 and the non-affinity area 6 having no affinity with the catalyst ink 70 (FIG. 1B) is executed. To do. Next, the catalyst ink 70 is applied to the affinity area 5 having affinity with the catalyst ink 70 on the release substrate 1, a coating film is formed, the solvent in the formed coating film is removed, and the cathode catalyst layer A step of forming 71 (FIG. 1C) is performed. Next, the step of applying an electrolyte ink containing at least a polymer electrolyte and a solvent on the cathode catalyst layer 71 to form a coating film, removing the solvent in the formed coating film, and forming the polymer electrolyte layer 8 (FIG. 1E) is executed. Next, the step of applying the catalyst ink 70 on the polymer electrolyte membrane to form a coating film, removing the solvent in the formed coating film, and forming the anode catalyst layer 72 (FIG. 1 (f)). It consists of a process of executing.

より詳しくは、本実施形態に係る触媒層付電解質膜の製造方法において、まず、剥離基材1上に触媒インク70と親和性のある親和性エリア5と親和性が無い非親和性エリア6がパターン形成される。パターン形成の第一工程(シランカップリング剤形成工程)として、シランカップリング剤2が剥離基材1上に形成される(図1(a))。そして、シランカップリング剤2が形成された剥離基材1上がシランカップリング剤2の低表面エネルギーの官能基により撥水化処理される。シランカップリング剤2の種類としては、触媒インク70と親和性が無いものであり、且つ真空紫外光3で除去できるものであれば、特に限定されるものでは無いが、低表面エネルギーの官能基を有し、結合が真空紫外光3で分解され易いフルオロアルキルシランが望ましい。また、シランカップリング剤2の形成法は、スプレーコーティング、スピンコーティング、化学蒸着法、浸漬法等が挙げられ、特に限定されるものでは無い。   More specifically, in the method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present embodiment, first, the affinity area 5 having affinity with the catalyst ink 70 and the non-affinity area 6 having no affinity are formed on the release substrate 1. A pattern is formed. As a first step of pattern formation (silane coupling agent forming step), a silane coupling agent 2 is formed on the release substrate 1 (FIG. 1 (a)). Then, the release substrate 1 on which the silane coupling agent 2 is formed is subjected to a water repellency treatment by the low surface energy functional group of the silane coupling agent 2. The type of the silane coupling agent 2 is not particularly limited as long as it has no affinity with the catalyst ink 70 and can be removed by the vacuum ultraviolet light 3, but it has a low surface energy functional group. A fluoroalkylsilane having a bond and being easily decomposed by vacuum ultraviolet light 3 is desirable. Moreover, the formation method of the silane coupling agent 2 includes spray coating, spin coating, chemical vapor deposition, immersion, and the like, and is not particularly limited.

次に、パターン形成の第二工程(シランカップリング剤限定除去工程)として、第一工程で形成されたシランカップリング剤2の触媒層形成エリアにのみ限定して、所定の形状のフォトマスク4を介して真空紫外光3が照射される(図2(b))。そして、真空紫外光3が照射されたエリアのシランカップリング剤2が分解され、真空紫外光3が照射されたエリアの剥離基材1上のみが親水化処理される。真空紫外光3の波長は、シランカップリング剤2のSi−Cの結合が切断できる波長であれば、特に限定されるものでは無いが、Si−Cの結合が切断され易いことから172nmであることが望ましい。   Next, as a second pattern formation process (silane coupling agent limited removal process), the photomask 4 having a predetermined shape is limited only to the catalyst layer formation area of the silane coupling agent 2 formed in the first process. Is irradiated with vacuum ultraviolet light 3 (FIG. 2B). And the silane coupling agent 2 of the area irradiated with the vacuum ultraviolet light 3 is decomposed | disassembled, and only the peeling base material 1 of the area irradiated with the vacuum ultraviolet light 3 is hydrophilized. The wavelength of the vacuum ultraviolet light 3 is not particularly limited as long as the Si—C bond of the silane coupling agent 2 can be cut, but is 172 nm because the Si—C bond is easily cut. It is desirable.

次に、剥離基材1上にカソード触媒層71を形成する工程として、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒とを含む第2の触媒インク70が用意され、パターン形成された剥離基材1上の親和性エリア5に触媒インク70が滴下され、カソード触媒層71が形成される(図1(c))。なお、本実施形態で用いる触媒インク70には、白金または白金と他の金属(例えばRu、 Rh、 Mo、 Cr、 Co、 Fe等)との合金の微粒子(平均粒径は10nm以下が望ましい)が表面に担持されたカーボンブラックなどの導電性炭素微粒子(平均粒径:20〜100nm程度)と、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液などの高分子溶液とがシランカップリング剤2と親和性が無い溶剤(水など)の中で均一に混合されたインクを用いて製造されるものが使用できる。
なお、本実施形態に係る触媒層付電解質膜において、カソード触媒層71の白金担持量は、アノード触媒層72の白金担持量以上である。
Next, as a step of forming the cathode catalyst layer 71 on the release substrate 1, a second catalyst ink 70 including catalyst-supporting particles, a polymer electrolyte, and a solvent is prepared, and the patterned release substrate 1 is formed. The catalyst ink 70 is dropped on the affinity area 5 to form the cathode catalyst layer 71 (FIG. 1C). The catalyst ink 70 used in this embodiment includes fine particles of platinum or an alloy of platinum and other metals (for example, Ru, Rh, Mo, Cr, Co, Fe, etc.) (the average particle size is preferably 10 nm or less). Is a solvent in which conductive carbon fine particles such as carbon black (average particle size: about 20 to 100 nm) and a polymer solution such as perfluorosulfonic acid resin solution are not compatible with the silane coupling agent 2 What is manufactured using the ink mixed uniformly in (water etc.) can be used.
In the electrolyte membrane with a catalyst layer according to this embodiment, the amount of platinum supported on the cathode catalyst layer 71 is equal to or greater than the amount of platinum supported on the anode catalyst layer 72.

次に、パターン形成の第三工程(残存シランカップリング剤除去工程)として、真空紫外光3をカソード触媒層71が形成された剥離基材1の上に照射し、触媒インク70と親和性が無いシランカップリング剤2により形成されたエリア6のシランカップリング剤2が分解・除去される(図1(d))。
次に、高分子電解質と溶媒とを含む電解質溶液が用意され、カソード触媒層71上に電解質溶液が塗布され、高分子電解質層8が形成される(図1(e))。
Next, as a third pattern formation process (residual silane coupling agent removal process), vacuum ultraviolet light 3 is irradiated onto the release substrate 1 on which the cathode catalyst layer 71 is formed, and the affinity with the catalyst ink 70 is increased. The silane coupling agent 2 in the area 6 formed by the absent silane coupling agent 2 is decomposed and removed (FIG. 1D).
Next, an electrolyte solution containing a polymer electrolyte and a solvent is prepared, and the electrolyte solution is applied on the cathode catalyst layer 71 to form the polymer electrolyte layer 8 (FIG. 1 (e)).

次に、高分子電解質層8上に触媒インク70が塗布され、アノード触媒層72が形成される(図1(f))。
最後に、カソード触媒層71と、高分子電解質層8と、アノード触媒層72からなる触媒層付電解質膜が、剥離基材1から剥離されることによって、本実施形態の触媒層付電解質膜は製造される。
Next, the catalyst ink 70 is applied on the polymer electrolyte layer 8 to form the anode catalyst layer 72 (FIG. 1 (f)).
Finally, the electrolyte membrane with a catalyst layer composed of the cathode catalyst layer 71, the polymer electrolyte layer 8, and the anode catalyst layer 72 is peeled from the release substrate 1, whereby the electrolyte membrane with a catalyst layer of the present embodiment is obtained. Manufactured.

図2は、本発明の実施形態に係る触媒層付電解質膜の理想的な構成を示す断面図である。このように、本実施形態に係る製造方法により製造された触媒層付電解質膜において、カソード触媒層71と、高分子電解質層8の表面とは剥離基材1上の同一平面上に形成される。つまり、触媒層付電解質膜は、高分子電解質膜8と、高分子電解質膜8の一方の面に設けたアノード触媒層72と、高分子電解質膜8の他方の面に設けたカソード触媒層71とを備える触媒層付電解質膜であって、カソード触媒層71の表面と、カソード触媒層71を設けた高分子電解質膜8の表面とが略同一平面上にある。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing an ideal configuration of the electrolyte membrane with a catalyst layer according to the embodiment of the present invention. Thus, in the electrolyte membrane with a catalyst layer manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment, the cathode catalyst layer 71 and the surface of the polymer electrolyte layer 8 are formed on the same plane on the release substrate 1. . That is, the electrolyte membrane with a catalyst layer includes a polymer electrolyte membrane 8, an anode catalyst layer 72 provided on one surface of the polymer electrolyte membrane 8, and a cathode catalyst layer 71 provided on the other surface of the polymer electrolyte membrane 8. The surface of the cathode catalyst layer 71 and the surface of the polymer electrolyte membrane 8 provided with the cathode catalyst layer 71 are on substantially the same plane.

図3は、本発明の理想とは異なる触媒層付電解質膜の構成を示す断面図である。図3(a)は、カソード触媒層71が凸になっている構成を示し、図3(b)は、カソード触媒層71が高分子電解質層8に完全に囲まれて外部に露出し無い構成を示している。
カソード触媒層71が凸になっている構成の場合、そのカソード触媒層71の断面が高分子電解質層8に覆われてい無いことからカソード触媒層71の保湿性が低下する(図3(a))。一方で高分子電解質層8がカソード触媒層71と剥離基材1間の界面に入る構成、すなわち、カソード触媒層71が高分子電解質層8に完全に囲まれて外部に露出しない構成の場合、導電性が低下するとともに、カソード触媒層71のガス拡散性が低下する(図3(b))。カソード触媒層71の断面が完全に高分子電解質層8に覆われて、かつ、カソード触媒層71の表面と高分子電解質層8の表面が完全に一致している構成がより望ましい。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of an electrolyte membrane with a catalyst layer different from the ideal of the present invention. FIG. 3A shows a configuration in which the cathode catalyst layer 71 is convex, and FIG. 3B shows a configuration in which the cathode catalyst layer 71 is completely surrounded by the polymer electrolyte layer 8 and is not exposed to the outside. Is shown.
In the case where the cathode catalyst layer 71 is convex, the cathode catalyst layer 71 is not covered with the polymer electrolyte layer 8, so that the moisture retention of the cathode catalyst layer 71 is reduced (FIG. 3A). ). On the other hand, when the polymer electrolyte layer 8 is configured to enter the interface between the cathode catalyst layer 71 and the release substrate 1, that is, the cathode catalyst layer 71 is completely surrounded by the polymer electrolyte layer 8 and is not exposed to the outside. As conductivity decreases, the gas diffusibility of the cathode catalyst layer 71 decreases (FIG. 3B). A configuration in which the cathode catalyst layer 71 is completely covered with the polymer electrolyte layer 8 and the surface of the cathode catalyst layer 71 and the surface of the polymer electrolyte layer 8 are completely coincident is more desirable.

本実施形態に係る触媒層付電解質膜は、低加湿条件下で発電性能を高くできる。その理由は、カソード触媒層71は、断面を含めた四方を高分子電解質層8で覆われているため、低加湿条件下でも触媒層が保湿され、高いプロトン伝導性を有する膜電極接合体(MEA)を形成できるからである。
触媒層付電解質膜の触媒層の白金担持量は、カソード触媒層71の白金担持量がアノード触媒層72の白金担持量以上である。すなわち、カソード触媒層71の白金担持量は、0.20〜0.40mg/cm、アノード触媒層72の白金担持量は0.05〜0.10mg/cmが望ましい。また、剥離基材1上に形成される触媒層は、触媒インク70のロスをなくすことができることから、白金担持量が多いカソード触媒層71であることが望ましい。
The electrolyte membrane with a catalyst layer according to this embodiment can improve power generation performance under low humidification conditions. The reason is that the cathode catalyst layer 71 is covered with the polymer electrolyte layer 8 on all sides including the cross section, so that the catalyst layer is moisturized even under a low humidification condition, and the membrane electrode assembly having high proton conductivity ( This is because the MEA can be formed.
The amount of platinum supported on the catalyst layer of the electrolyte membrane with a catalyst layer is such that the amount of platinum supported on the cathode catalyst layer 71 is greater than or equal to the amount of platinum supported on the anode catalyst layer 72. That is, platinum content of the cathode catalyst layer 71, 0.20~0.40mg / cm 2, amount of platinum supported anode catalyst layer 72 is 0.05~0.10mg / cm 2 is desirable. Moreover, since the catalyst layer formed on the peeling base material 1 can eliminate the loss of the catalyst ink 70, it is desirable that the cathode catalyst layer 71 has a large amount of platinum supported.

本実施形態に係る触媒層付電解質膜の製造方法によれば、触媒インク70のロスをより少くできる。その理由は、カソード触媒層71を形成する際に、触媒インク70と親和性がある親和性エリア5にのみ、触媒層を形成するからである。その結果、製造コストの低減を図ることができる。
本実施形態の触媒層付電解質膜の構成は、カソード触媒層71と高分子電解質層8の表面が略同一面上にあり、触媒層の断面も高分子電解質で覆われている。そのため、特に低加湿条件下において、電極触媒層の保湿性が高まり、高いプロトン伝導性を有するため、発電性能を向上させることができる。
According to the manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present embodiment, the loss of the catalyst ink 70 can be reduced. The reason is that when the cathode catalyst layer 71 is formed, the catalyst layer is formed only in the affinity area 5 having affinity with the catalyst ink 70. As a result, the manufacturing cost can be reduced.
In the configuration of the electrolyte membrane with a catalyst layer of the present embodiment, the surfaces of the cathode catalyst layer 71 and the polymer electrolyte layer 8 are substantially on the same plane, and the cross section of the catalyst layer is also covered with the polymer electrolyte. Therefore, particularly under low humidification conditions, the electrode catalyst layer has high moisture retention and high proton conductivity, so that power generation performance can be improved.

本実施形態に係る触媒層付電解質膜の製造方法によれば、カソード触媒層71、高分子電解質層8、アノード触媒層72が順次積層され、製造効率を非常に高くすることができる。
また、本実施形態に係る触媒層付電解質膜の製造方法によれば、白金使用量が多いカソード触媒層71の形成において、触媒インク70との親和性が有るエリアと無いエリアにパターン形成された剥離基材1上に触媒インク70を塗布することから、触媒インク70のロスが無く、安価に製造することができる。
According to the method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present embodiment, the cathode catalyst layer 71, the polymer electrolyte layer 8, and the anode catalyst layer 72 are sequentially laminated, and the production efficiency can be extremely increased.
In addition, according to the method for manufacturing an electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present embodiment, in the formation of the cathode catalyst layer 71 with a large amount of platinum used, the pattern was formed in an area having an affinity with the catalyst ink 70 and an area having no affinity. Since the catalyst ink 70 is applied onto the release substrate 1, there is no loss of the catalyst ink 70, and it can be manufactured at low cost.

また、本実施形態に係る触媒層付電解質膜の製造方法によれば、ホットプレスによって高分子電解質層8の両面に電極触媒層を転写する膜電極接合体の製造方法と比較して、ホットプレス工程を省略することができる。ホットプレス工程を省略した場合には、ホットプレス時の加熱や圧力で高分子電解質層8がダメージを受けることによる膜強度の低下やイオン交換能の低下を防ぐこともできる。   Moreover, according to the manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present embodiment, compared with the manufacturing method of the membrane electrode assembly in which the electrode catalyst layer is transferred to both surfaces of the polymer electrolyte layer 8 by hot pressing, the hot pressing is performed. The process can be omitted. When the hot pressing step is omitted, it is possible to prevent a decrease in membrane strength and a decrease in ion exchange capacity due to damage to the polymer electrolyte layer 8 due to heating and pressure during hot pressing.

本実施形態に係る触媒層付電解質膜の製造方法によれば、タクト時間を短縮して生産効率を高められる。その理由は、イオン交換膜と電極触媒層を接合する際に、ボトルネックとなるホットプレス等の熱圧着の工程が無いからである。また、カソード触媒層71、高分子電解質層8、アノード触媒層72が順次積層されるため、製造効率を非常に高くすることができる。
さらに、ホットプレスにより製造した触媒層付電解質膜と比較して、高分子電解質層8と電極触媒層の接触が向上し、イオン抵抗が減少するという効果を奏する膜電極接合体の製造方法を提供することができる。
According to the manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present embodiment, the tact time can be shortened to increase the production efficiency. The reason is that there is no thermocompression bonding step such as hot pressing that becomes a bottleneck when joining the ion exchange membrane and the electrode catalyst layer. Further, since the cathode catalyst layer 71, the polymer electrolyte layer 8, and the anode catalyst layer 72 are sequentially laminated, the production efficiency can be extremely increased.
Furthermore, the present invention provides a method for producing a membrane / electrode assembly that has the effect of improving the contact between the polymer electrolyte layer 8 and the electrode catalyst layer and reducing the ionic resistance as compared with an electrolyte membrane with a catalyst layer produced by hot pressing. can do.

本実施形態に係る触媒層付電解質膜が、イオン抵抗を小さくできる理由は、高分子電解質層8と電極触媒層の接触が向上するからである。そのため、ホットプレスで製造した触媒層付電解質膜と比較して、より良好な結果が得られる。
以上、説明したように、本実施形態に係る触媒層付電解質膜及びその製造方法によれば、生産効率が高く、安価で十分な発電性能を備える触媒層付電解質膜による膜電極接合体を提供することができる。
The reason why the electrolyte membrane with a catalyst layer according to this embodiment can reduce the ionic resistance is that the contact between the polymer electrolyte layer 8 and the electrode catalyst layer is improved. Therefore, a better result is obtained as compared with the electrolyte membrane with a catalyst layer produced by hot pressing.
As described above, according to the electrolyte membrane with a catalyst layer and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, a membrane electrode assembly using the electrolyte membrane with a catalyst layer having high production efficiency, low cost, and sufficient power generation performance is provided. can do.

以下、具体的な実施例により、本発明に係る触媒層付電解質膜の製造方法を図4も交えて説明する。なお、後述する実施例は本発明の一実施例であり、本発明はこの実施例のみに限定されるものでは無い。また、本実施例に係る触媒層付電解質膜は、固体高分子形燃料電池に用いられる。   Hereinafter, the manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the Example mentioned later is one Example of this invention, and this invention is not limited only to this Example. Moreover, the electrolyte membrane with a catalyst layer according to this example is used for a polymer electrolyte fuel cell.

図4は、本発明に係る触媒層付電解質膜の製造方法の実施形態を工程順に説明するためのフローチャートである。図4(a)に示すように、触媒層付電解質膜の製造方法には、シランカップリング剤形成工程(S10)と、シランカップリング剤限定除去工程(S20)と、カソード触媒層形成工程(S25)と、残存シランカップリング剤除去工程(S30)と、高分子電解質膜形成工程(S40)と、アノード触媒層形成工程(S50)と、を有する。   FIG. 4 is a flowchart for explaining an embodiment of the method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer according to the present invention in the order of steps. As shown in FIG. 4A, the method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer includes a silane coupling agent formation step (S10), a silane coupling agent limited removal step (S20), and a cathode catalyst layer formation step ( S25), a residual silane coupling agent removing step (S30), a polymer electrolyte membrane forming step (S40), and an anode catalyst layer forming step (S50).

(S10)のシランカップリング剤形成工程では、シランカップリング剤2を、剥離基材1上の全エリアに形成する。
(S20)のシランカップリング剤限定除去工程では、フォトマスク4を介して親和性のある親和性エリア5上にのみ真空紫外光3を照射することにより、触媒インク70と親和性エリア5上に形成されたシランカップリング剤2のみを除去する。
In the silane coupling agent forming step of (S10), the silane coupling agent 2 is formed in the entire area on the release substrate 1.
In the silane coupling agent limited removal step of (S20), the vacuum ultraviolet light 3 is irradiated only on the affinity area 5 having affinity through the photomask 4, so that the catalyst ink 70 and the affinity area 5 are irradiated. Only the formed silane coupling agent 2 is removed.

(S25)のカソード触媒層形成工程では、剥離基材1上の親和性エリア5に触媒インク70を塗布して塗膜を形成し、形成された塗膜中の溶媒を除去し、カソード触媒層71を形成する。
(S30)の残存シランカップリング剤除去工程では、カソード触媒層71形成後に触媒インク70と親和性の無い非親和性エリア6の残存シランカップリング剤2を除去する。
In the cathode catalyst layer forming step of (S25), the catalyst ink 70 is applied to the affinity area 5 on the release substrate 1 to form a coating film, the solvent in the formed coating film is removed, and the cathode catalyst layer is formed. 71 is formed.
In the residual silane coupling agent removing step (S30), the residual silane coupling agent 2 in the non-affinity area 6 having no affinity with the catalyst ink 70 is removed after the cathode catalyst layer 71 is formed.

(S40)の高分子電解質膜形成工程では、カソード触媒層71上に、少なくとも高分子電解質8と溶媒を含む電解質インクを塗布して塗膜を形成し、形成された塗膜中の溶媒を除去し、高分子電解質膜8を形成する。
(S50)のアノード触媒層形成工程では、高分子電解質膜8上に、触媒インク70を塗布し、塗膜を形成し、形成した塗膜中の溶媒を除去し、アノード触媒層72を形成する。
In the polymer electrolyte membrane forming step of (S40), an electrolyte ink containing at least the polymer electrolyte 8 and a solvent is applied on the cathode catalyst layer 71 to form a coating film, and the solvent in the formed coating film is removed. Then, the polymer electrolyte membrane 8 is formed.
In the anode catalyst layer forming step of (S50), the catalyst ink 70 is applied on the polymer electrolyte membrane 8, a coating film is formed, the solvent in the formed coating film is removed, and the anode catalyst layer 72 is formed. .

図4(b)に示すように、本実施形態に係る触媒層付電解質膜の製造方法におけるパターン形成工程(S100)のみに着目すると、第一工程としてのシランカップリング剤形成工程(S10)と、第二工程としてのシランカップリング剤限定除去工程(S20)と、第三工程としての残存シランカップリング剤除去工程(S30)との三段階を有している。すなわち、パターン形成工程(S100)は、剥離基材1上の全エリアにシランカップリング剤2を形成するシランカップリング剤形成工程(S10)と、親和性エリア5上に形成されたシランカップリング剤2のみを限定して除去するシランカップリング剤限定除去工程(S20)と、カソード触媒層形成工程(S25)によりカソード触媒層71を形成された後に、非親和性エリア6の残存シランカップリング剤2を除去する残存シランカップリング剤除去工程(S30)とを有する。   As shown in FIG. 4 (b), when attention is paid only to the pattern forming step (S100) in the method for manufacturing the electrolyte membrane with catalyst layer according to the present embodiment, the silane coupling agent forming step (S10) as the first step; The silane coupling agent limited removal step (S20) as the second step and the residual silane coupling agent removal step (S30) as the third step are provided. That is, in the pattern forming step (S100), the silane coupling agent forming step (S10) for forming the silane coupling agent 2 in all areas on the release substrate 1 and the silane coupling formed on the affinity area 5 are performed. After the cathode catalyst layer 71 is formed by the silane coupling agent limited removal step (S20) for removing only the agent 2 and the cathode catalyst layer formation step (S25), the remaining silane coupling in the non-affinity area 6 is performed. And a residual silane coupling agent removing step (S30) for removing the agent 2.

また、シランカップリング剤限定除去工程(S20)では、フォトマスク4を介して親和性エリア5上にのみ真空紫外光3を照射することにより除去する。
上述したパターン形成工程(S100)において、親和性エリア5では親水性を活用し、非親和性エリア6では撥水性を活用してパターン形成する。
Further, in the silane coupling agent limited removal step (S20), the removal is performed by irradiating the vacuum ultraviolet light 3 only on the affinity area 5 through the photomask 4.
In the pattern formation step (S100) described above, the hydrophilicity is utilized in the affinity area 5 and the water repellency is utilized in the non-affinity area 6 to form a pattern.

(パターン形成工程(S100)におけるシランカップリング剤形成工程(S10))
図1(a)に示すように、剥離基材1としてガラス基板(以下、ガラス基板1という)を用いている。このガラス基板1の上に波長172nmの真空紫外光3を照射し、ガラス基板1の表面にヒドロキシル基を形成した。続いて、ガラス基板1上のヒドロキシル基と加水分解されたシランカップリング剤2とを反応させるようにする。ここで、フルオロアルキル系のシランカップリング剤2であるフルオロメトキシシラン(商品名:KBM―7103、信越化学工業製)と、上述したヒドロキシル基が形成されたガラス基板1とを160℃に加温する。それから、化学蒸着法(Chemical Vapor Deposition法;CVD法)によりガラス基板1上にシランカップリング剤2を形成した。
(Silane coupling agent forming step (S10) in pattern forming step (S100))
As shown in FIG. 1A, a glass substrate (hereinafter referred to as a glass substrate 1) is used as the peeling substrate 1. The glass substrate 1 was irradiated with vacuum ultraviolet light 3 having a wavelength of 172 nm to form hydroxyl groups on the surface of the glass substrate 1. Subsequently, the hydroxyl group on the glass substrate 1 is reacted with the hydrolyzed silane coupling agent 2. Here, fluoromethoxysilane (trade name: KBM-7103, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), which is a fluoroalkyl silane coupling agent 2, and the glass substrate 1 on which the hydroxyl group is formed are heated to 160 ° C. To do. Then, the silane coupling agent 2 was formed on the glass substrate 1 by a chemical vapor deposition method (Chemical Vapor Deposition method; CVD method).

(パターン形成工程(S100)におけるシランカップリング剤限定除去工程(S20))
図1(b)に示すように、50mm四方の開口部を有するフォトマスク4を介して、波長172nmの真空紫外光3をシランカップリング剤2が形成されたガラス基板上に照射する。そして、シランカップリング剤2が分解された触媒インク70と親和性がある親和性エリア5とシランカップリング剤2が残存している触媒インク70と親和性が無い非親和性エリア6をパターン形成した。
(Silane coupling agent limited removal step (S20) in pattern formation step (S100))
As shown in FIG. 1B, the glass substrate on which the silane coupling agent 2 is formed is irradiated with vacuum ultraviolet light 3 having a wavelength of 172 nm through a photomask 4 having a 50 mm square opening. Then, the affinity area 5 having affinity with the catalyst ink 70 in which the silane coupling agent 2 is decomposed and the non-affinity area 6 having no affinity with the catalyst ink 70 in which the silane coupling agent 2 remains are formed in a pattern. did.

なお、本実施形態に係る触媒層付電解質膜の製造方法によれば、触媒層を高精度で所望の形状に形成できる。その理由は、シランカップリング剤限定除去工程(S20)において用いるフォトマスク4の精度が、カソード触媒層71の形状に反映されるからである。したがって、所望の精度・形状のフォトマスク4を用いることにより、高精度で所望の形状の触媒層を形成することができる。   In addition, according to the manufacturing method of the electrolyte membrane with a catalyst layer which concerns on this embodiment, a catalyst layer can be formed in a desired shape with high precision. The reason is that the accuracy of the photomask 4 used in the silane coupling agent limited removal step (S20) is reflected in the shape of the cathode catalyst layer 71. Accordingly, by using the photomask 4 having a desired accuracy and shape, a catalyst layer having a desired shape can be formed with high accuracy.

(カソード触媒層の形成工程(S25))
図1(c)に示すように、5白金担持量が50%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液であるNafion(登録商標、デュポン社製)を、溶媒である水と混合した。続いて、遊星ボールミルで分散処理を行い、触媒インク70を調整した。そして、パターン形成したガラス基板1上に、触媒インク70と親和性がある親和性エリア5に、調整した触媒インク70を、白金担持量が0.30mg/cm2となるように滴下した。このように滴下された触媒インク70によって形成された塗膜を乾燥させて、カソード触媒層71を形成した。
(Cathode catalyst layer forming step (S25))
As shown in FIG. 1 (c), a platinum-supported carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a 5 platinum support amount of 50% and Nafion (registered trademark, 20% by mass polymer electrolyte solution) DuPont) was mixed with water as a solvent. Subsequently, a dispersion treatment was performed with a planetary ball mill to prepare a catalyst ink 70. Then, the adjusted catalyst ink 70 was dropped onto the patterned glass substrate 1 in the affinity area 5 having affinity with the catalyst ink 70 so that the platinum carrying amount was 0.30 mg / cm 2. The coating film formed by the dropped catalyst ink 70 was dried to form a cathode catalyst layer 71.

(パターン形成工程(S100)における残存シランカップリング剤除去工程(S30))
図1(d)に示すように、カソード触媒層71が形成されたガラス基板上に波長が172nmの真空紫外光3を照射し、カソード触媒層71周縁部の触媒インク70と親和性が無い非親和性エリア6のシランカップリング剤2を分解・除去した。
(Remaining silane coupling agent removal step (S30) in pattern formation step (S100))
As shown in FIG. 1 (d), the glass substrate on which the cathode catalyst layer 71 is formed is irradiated with vacuum ultraviolet light 3 having a wavelength of 172 nm, and has no affinity with the catalyst ink 70 at the peripheral edge of the cathode catalyst layer 71. The silane coupling agent 2 in the affinity area 6 was decomposed and removed.

(高分子電解質層形成工程(S40))
図1(e)に示すように、20質量%高分子電解質溶液であるNafion(登録商標、デュポン社製)を、カソード触媒層71上に膜厚が20μmとなるように、ドクターブレード法により塗布し、塗膜を乾燥させて、高分子電解質層8を形成した。
(Polymer electrolyte layer forming step (S40))
As shown in FIG. 1E, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), which is a 20% by mass polymer electrolyte solution, was applied on the cathode catalyst layer 71 by a doctor blade method so as to have a film thickness of 20 μm. And the coating film was dried and the polymer electrolyte layer 8 was formed.

(アノード触媒層形成工程(S50))
図1(f)に示すように、50mm四方の開口部を有するマスクを貼合した高分子電解質層8上に、アノード触媒層72を形成する。すなわち、高分子電解質層8上に、白金担持量が0.10mg/cmとなるように、触媒インク70を、ドクターブレード法により塗布する。塗布した後、塗膜を乾燥させ、マスクを剥離し、アノード触媒層72が形成される。
最後に、カソード触媒層71、高分子電解質層8、アノード触媒層72の積層体をガラス基板1から剥離し、触媒層付電解質膜とした。
(Anode catalyst layer forming step (S50))
As shown in FIG.1 (f), the anode catalyst layer 72 is formed on the polymer electrolyte layer 8 which bonded the mask which has a 50 mm square opening part. That is, the catalyst ink 70 is applied onto the polymer electrolyte layer 8 by the doctor blade method so that the platinum loading is 0.10 mg / cm 2 . After coating, the coating film is dried, the mask is peeled off, and the anode catalyst layer 72 is formed.
Finally, the laminated body of the cathode catalyst layer 71, the polymer electrolyte layer 8, and the anode catalyst layer 72 was peeled from the glass substrate 1 to obtain an electrolyte membrane with a catalyst layer.

[比較例]
(カソード触媒層形成工程(S25参照))
白金担持量が50%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液であるNafion(登録商標、デュポン社製)を、溶媒である水と混合した。続いて、遊星ボールミルで分散処理を行い、触媒インク70を調整した。そして、PTFEフィルム上に50mmの開口部を有するマスク材が貼合された転写基材上に、調整した触媒インク70を塗布した。この触媒インク70は、白金担持量が0.30mg/cmとなるようにドクターブレード法により塗布される。塗布された後に、塗膜を乾燥させ、カソード触媒層71が形成される。
[Comparative example]
(Cathode catalyst layer forming step (see S25))
A platinum-supported carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) with a platinum-supported amount of 50%, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), which is a 20% by mass polymer electrolyte solution, and water as a solvent, Mixed. Subsequently, a dispersion treatment was performed with a planetary ball mill to prepare a catalyst ink 70. And the adjusted catalyst ink 70 was apply | coated on the transfer base material with which the mask material which has a 50-mm opening part was bonded on the PTFE film. The catalyst ink 70 is applied by a doctor blade method so that the platinum carrying amount is 0.30 mg / cm 2 . After being applied, the coating film is dried to form the cathode catalyst layer 71.

(アノード触媒層形成工程(S50参照))
PTFEフィルム上に50mmの開口部を有するマスク材が貼合された転写基材上に、触媒インク70を、白金担持量が0.10mg/cmとなるように、ドクターブレード法により塗布し、塗膜を乾燥させ、アノード触媒層72を形成した。
(高分子電解質層形成工程(S40参照))
20質量%高分子電解質溶液であるNafion(登録商標、デュポン社製)を、ガラス基板1上に、膜厚が20μmとなるようドクターブレード法により塗布し、塗膜を乾燥させ、高分子電解質層8を形成した。
(Anode catalyst layer forming step (see S50))
The catalyst ink 70 is applied by a doctor blade method on a transfer base material in which a mask material having an opening of 50 mm is bonded onto a PTFE film so that the platinum carrying amount is 0.10 mg / cm 2 . The coating film was dried to form an anode catalyst layer 72.
(Polymer electrolyte layer forming step (see S40))
A 20 mass% polymer electrolyte solution Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) is applied onto the glass substrate 1 by a doctor blade method so that the film thickness becomes 20 μm, the coating film is dried, and the polymer electrolyte layer 8 was formed.

(ホットプレス工程)
PTFEシート上に製造された両電極触媒層を、高分子電解質溶液から製造した高分子電解質層8の両面に正対するように配置し、130℃、6.0×10Paの条件でホットプレスを行い、触媒層付電解質膜を製造した。
実施例と比較例とそれぞれの製造方法により製造した触媒層付電解質膜について、それぞれ低加湿での発電特性を調べた結果、実施例の方が、発電性能が高いことを確認した。
また、実施例と比較例とそれぞれの製造方法において使用した触媒インク70の体積を調べた結果、実施例の製造方法によれば、触媒インク70の使用量を40%削減できていることを確認した。
(Hot press process)
Both electrode catalyst layers manufactured on the PTFE sheet are arranged so as to face both surfaces of the polymer electrolyte layer 8 manufactured from the polymer electrolyte solution, and hot pressing is performed at 130 ° C. and 6.0 × 10 6 Pa. Then, an electrolyte membrane with a catalyst layer was produced.
As a result of examining the power generation characteristics with low humidification for the electrolyte membranes with catalyst layers produced by the Examples, the Comparative Examples, and the respective production methods, it was confirmed that the Examples had higher power generation performance.
In addition, as a result of examining the volume of the catalyst ink 70 used in each of the production methods of the example and the comparative example, it was confirmed that the use amount of the catalyst ink 70 could be reduced by 40% according to the production method of the example. did.

本発明によれば、発電性能と生産効率が高く、イオン抵抗と触媒インクのロスが少なく、所望の形状に触媒層を形成することが可能な触媒層付電解質膜及びその製造方法を提供できる。したがって、固体高分子形燃料電池、特に燃料電池自動車や家庭用燃料電池などにおける、固体高分子形燃料電池に用いられる単セルやスタックに好適に活用することができる。   According to the present invention, an electrolyte membrane with a catalyst layer capable of forming a catalyst layer in a desired shape with high power generation performance and production efficiency, less ionic resistance and catalyst ink loss, and a method for producing the same can be provided. Therefore, it can be suitably used for a single cell or stack used for a solid polymer fuel cell in a polymer electrolyte fuel cell, particularly a fuel cell vehicle or a household fuel cell.

1…剥離基材
2…シランカップリング剤
3…真空紫外光
4…フォトマスク
5…触媒インクと親和性の有るエリア(親和性エリア)
6…触媒インクと親和性が無いエリア(非親和性エリア)
8…高分子電解質層
70…触媒インク
71…カソード触媒層
72…アノード触媒層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Peeling base material 2 ... Silane coupling agent 3 ... Vacuum ultraviolet light 4 ... Photomask 5 ... Area with affinity with catalyst ink (affinity area)
6 ... Area with no affinity for catalyst ink (non-affinity area)
8 ... polymer electrolyte layer 70 ... catalyst ink 71 ... cathode catalyst layer 72 ... anode catalyst layer

Claims (7)

高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の一方の面に設けたアノード触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の面に設けたカソード触媒層とを備える触媒層付電解質膜であって、
前記カソード触媒層の表面と、前記カソード触媒層を設けた前記高分子電解質膜の表面とが略同一平面上にあることを特徴とする触媒層付電解質膜。
An electrolyte membrane with a catalyst layer comprising a polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer provided on one surface of the polymer electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer provided on the other surface of the polymer electrolyte membrane,
An electrolyte membrane with a catalyst layer, wherein the surface of the cathode catalyst layer and the surface of the polymer electrolyte membrane provided with the cathode catalyst layer are on substantially the same plane.
前記カソード触媒層の白金担持量は、前記アノード触媒層の白金担持量以上であることを特徴とする請求項1に記載の触媒層付電解質膜。   2. The electrolyte membrane with catalyst layer according to claim 1, wherein the amount of platinum supported on the cathode catalyst layer is equal to or greater than the amount of platinum supported on the anode catalyst layer. 触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒とを含む触媒インクに親和性のある親和性エリアと前記触媒インクに親和性が無い非親和性エリアとを、剥離基材上にパターン形成するパターン形成工程と、
前記親和性エリアに前記触媒インクを塗布して塗膜を形成し、形成された塗膜中の溶媒を除去し、カソード触媒層を形成するカソード触媒層形成工程と、
前記カソード触媒層上に、高分子電解質と溶媒とを含む電解質インクを塗布して塗膜を形成し、形成された塗膜中の溶媒を除去し、高分子電解質膜を形成する高分子電解質膜形成工程と、
前記高分子電解質膜上に、前記触媒インクを塗布し、塗膜を形成し、形成した塗膜中の溶媒を除去し、前記アノード触媒層を形成するアノード触媒層形成工程とを有することを特徴とする触媒層付電解質膜の製造方法。
A pattern forming step of patterning on the release substrate an affinity area having affinity for the catalyst ink containing catalyst-supporting particles, a polymer electrolyte, and a solvent, and a non-affinity area having no affinity for the catalyst ink; ,
A cathode catalyst layer forming step of forming the coating film by applying the catalyst ink to the affinity area, removing the solvent in the formed coating film, and forming a cathode catalyst layer;
A polymer electrolyte membrane is formed by applying an electrolyte ink containing a polymer electrolyte and a solvent on the cathode catalyst layer to form a coating film, removing the solvent in the formed coating film, and forming a polymer electrolyte membrane. Forming process;
An anode catalyst layer forming step of applying the catalyst ink on the polymer electrolyte membrane, forming a coating film, removing a solvent in the formed coating film, and forming the anode catalyst layer; A method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer.
前記パターン形成工程は、前記剥離基材上の全エリアにシランカップリング剤を形成するシランカップリング剤形成工程と、前記親和性エリア上に形成されたシランカップリング剤のみを除去するシランカップリング剤限定除去工程と、前記カソード触媒層形成工程によりカソード触媒層を形成された後に、前記非親和性エリアの残存シランカップリング剤を除去する残存シランカップリング剤除去工程とを有することを特徴とする請求項3に記載の触媒層付電解質膜の製造方法。   The pattern forming step includes a silane coupling agent forming step for forming a silane coupling agent in all areas on the release substrate, and a silane coupling agent for removing only the silane coupling agent formed on the affinity area. An agent-limited removal step and a residual silane coupling agent removal step of removing the residual silane coupling agent in the non-affinity area after the cathode catalyst layer is formed by the cathode catalyst layer formation step. The method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer according to claim 3. 前記シランカップリング剤限定除去工程では、フォトマスクを介して親和性エリア上にのみ真空紫外光を照射することにより除去することを特徴とする請求項3又は4に記載の触媒層付電解質膜の製造方法。   5. The catalyst layer-attached electrolyte membrane according to claim 3, wherein, in the silane coupling agent limited removal step, the removal is performed by irradiating only the affinity area with vacuum ultraviolet light through a photomask. Production method. 前記パターン形成工程において、前記親和性エリアでは親水性を活用し、前記非親和性エリアでは撥水性を活用してパターン形成することを特徴とする請求項3〜5の何れか1項に記載の触媒層付電解質膜の製造方法。   6. The pattern formation step according to claim 3, wherein the affinity area utilizes hydrophilicity and the non-affinity area utilizes water repellency to form a pattern. 6. A method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer. 前記親和性エリアの水接触角が15度以下であり、前記非親和性エリアの水接触角が100度以上であることを特徴とする請求項6に記載の触媒層付電解質膜の製造方法。   The method for producing an electrolyte membrane with a catalyst layer according to claim 6, wherein the water contact angle of the affinity area is 15 degrees or less, and the water contact angle of the non-affinity area is 100 degrees or more.
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