JP2016015211A - Manufacturing method of fuel battery electrolyte membrane-electrode structure, and its repairing method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method by which a crack in an electrode catalyst layer can be surely restored in a simple and economical manner, and a desired power generation performance and endurance can be ensured.SOLUTION: A method for manufacturing an electrolyte membrane-electrode structure 10 comprises the steps of: forming a first electrode catalyst layer 20a by removing a solvent component, followed by a drying process; coating the first electrode catalyst layer 20a with a first polymer paste 24a; and subsequently, integrating an anode electrode 20 with a solid polymer electrolyte membrane 18 on the side of a face 18a thereof and a cathode electrode 22 with the solid polymer electrolyte membrane 18 on the side of a face 18b thereof.

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を有する第２電極が配設される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法及びその補修方法に関する。   In the present invention, a first electrode having a catalyst layer and a gas diffusion layer is disposed on one surface of a solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer and the gas are disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a method for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell in which a second electrode having a diffusion layer is disposed, and a repair method thereof.

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode each comprising a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. ) Is sandwiched between separators. This fuel cell is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of fuel cells.

通常、アノード電極及びカソード電極は、固体高分子電解質膜の各面に設けられる電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを有している。電極触媒層は、例えば、白金粒子等の金属粒子を担持した触媒担体（カーボン等）が添加された溶媒に対し、イオン導伝性バインダ（溶液）を混合したペーストが用いられている。ペーストは、塗布された後、熱処理により乾燥されることにより、電極触媒層が形成されている。   Usually, the anode electrode and the cathode electrode have an electrode catalyst layer provided on each surface of the solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer laminated on the electrode catalyst layer. For the electrode catalyst layer, for example, a paste in which an ion conductive binder (solution) is mixed with a solvent to which a catalyst carrier (carbon or the like) supporting metal particles such as platinum particles is added is used. After the paste is applied, it is dried by heat treatment to form an electrode catalyst layer.

その際、電極触媒層には、ひび割れ（ピンホール、割れ、ひび等を含む）が発生することがある。電極触媒層のひび割れは、固体高分子電解質膜の劣化を促進させ易く、燃料電池の発電性能の低下や耐久性の低下が惹起されるという問題がある。   In that case, a crack (a pinhole, a crack, a crack, etc.) may generate | occur | produce in an electrode catalyst layer. Cracks in the electrode catalyst layer tend to promote the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane, and there is a problem that the power generation performance and durability of the fuel cell are lowered.

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、燃料電池電極用触媒インクが、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、前記触媒担持粒子及び前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、を含んでいる。そして、触媒担持粒子の単位比表面積当たりのアイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上であることを特徴としている。 Thus, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, the catalyst ink for a fuel cell electrode includes catalyst-carrying particles that are particles carrying a catalyst, an ionomer having proton conductivity, and a dispersion solvent in which the catalyst-carrying particles and the ionomer are dispersed. Yes. And the adsorption amount of the ionomer per unit specific surface area of a catalyst support particle | grain is characterized by being 0.1 (mg / m < 2 >) or more.

また、特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池用電極では、電極の表面層の全面を固体高分子電解質溶液によりコ−ティングした後、水蒸気によりその溶液中の溶媒を沸点以上に加熱して除去することを特徴としている。   In addition, in the electrode for a polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 2, after coating the entire surface layer of the electrode with a solid polymer electrolyte solution, the solvent in the solution is brought to the boiling point or higher with water vapor. It is characterized by being removed by heating.

さらに、特許文献３に開示されている固体高分子型燃料電池用電極の製造方法では、混合物成形工程、造孔剤除去工程及び含浸工程を備えている。混合物成形工程は、電極触媒とポリテトラフルオロエチレンと造孔剤とを混合し、該混合物を成形してシート体にしている。造孔剤除去工程は、シート体から造孔剤を除去して多孔性シート体としている。含浸工程では、多孔性シートに高分子電解質溶液を含浸している。   Furthermore, the method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 3 includes a mixture forming step, a pore former removing step, and an impregnation step. In the mixture forming step, an electrode catalyst, polytetrafluoroethylene, and a pore-forming agent are mixed, and the mixture is formed into a sheet body. In the pore former removing step, the pore former is removed from the sheet body to obtain a porous sheet body. In the impregnation step, the porous sheet is impregnated with the polymer electrolyte solution.

そして、混合物成形工程で成形されるシート体を多孔性の基板上に積層する積層ステップと、該積層ステップ後にポリテトラフルオロエチレンの融点以上の温度で熱処理を行う熱処理ステップとを、含浸工程より前に備えている。   Then, a lamination step of laminating the sheet body formed in the mixture molding process on the porous substrate, and a heat treatment step of performing a heat treatment at a temperature equal to or higher than the melting point of polytetrafluoroethylene after the lamination step are performed before the impregnation process In preparation.

特開２０１３−０３０２８７号公報JP2013-030287A 特開平０８−１４８１５２号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-148152 特開平０９−１２０８２１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 09-120821

ところで、上記の特許文献１では、最適な電極層の成分設定の自由度が著しく低下するという問題がある。さらに、上記の特許文献２及び３では、構成が複雑化するとともに、製造工程が煩雑化してしまい、経済的ではないという問題がある。しかも、いずれの技術を用いても、完全にひび割れを防止することができないという問題がある。   By the way, in said patent document 1, there exists a problem that the freedom degree of the optimal component setting of an electrode layer falls remarkably. Furthermore, the above-described Patent Documents 2 and 3 have a problem that the configuration becomes complicated and the manufacturing process becomes complicated, which is not economical. In addition, there is a problem that cracking cannot be completely prevented by using any technique.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に、電極触媒層のひび割れを確実に修復することができ、所望の発電性能及び耐久性を確保することが可能な燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法及びその補修方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and can easily and economically repair cracks in the electrode catalyst layer and can ensure desired power generation performance and durability. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a battery electrolyte membrane / electrode structure and a method for repairing the same.

本発明に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第１電極が配設されている。固体高分子電解質膜の他方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第２電極が配設されている。   In the method for producing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell according to the present invention, a first electrode having a catalyst layer and a gas diffusion layer is disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane. A second electrode having a catalyst layer and a gas diffusion layer is disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane.

本発明は、溶媒成分を除去し乾燥処理を施して触媒層を形成する工程と、少なくとも一方の前記触媒層に、少なくともひび割れが発生した部分を覆って電解質成分を含むペーストを塗布する工程とを有している。次いで、固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を一体化するとともに、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化している。   The present invention includes a step of removing a solvent component and performing a drying treatment to form a catalyst layer, and a step of applying a paste containing an electrolyte component to at least one of the catalyst layers so as to cover at least a cracked portion. Have. Next, the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated with one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated with the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. .

また、本発明は、少なくとも固体高分子電解質膜の一方の面に、又は少なくとも一方のガス拡散層に、電解質成分を含むペーストが塗布される工程を有している。次に、ひび割れが発生した触媒層に、少なくとも前記ひび割れ部分を覆ってペーストが配設されている。そして、固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を一体化するとともに、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化している。   The present invention also includes a step of applying a paste containing an electrolyte component to at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane or to at least one gas diffusion layer. Next, a paste is provided on the cracked catalyst layer so as to cover at least the cracked portion. The catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated with one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated with the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. .

さらに、本発明に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の補修方法では、溶媒成分を除去し乾燥処理を施して触媒層を形成する工程を有している。次に、少なくとも一方の触媒層に、少なくともひび割れが発生した部分に対応してイオン交換成分を含むペーストを塗布する工程を有している。   Furthermore, the method for repairing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell according to the present invention includes a step of forming a catalyst layer by removing a solvent component and performing a drying treatment. Next, it has the process of apply | coating the paste containing an ion exchange component to the at least one catalyst layer corresponding to the part which the crack generate | occur | produced at least.

本発明によれば、触媒層が形成される際に発生するひび割れを覆って、電解質成分を含むペーストが塗布されている。このため、簡単且つ経済的に、電極触媒層のひび割れを確実に補修することができ、所望の発電性能及び耐久性を確保することが可能になる。   According to the present invention, the paste containing the electrolyte component is applied so as to cover cracks generated when the catalyst layer is formed. For this reason, the crack of the electrode catalyst layer can be reliably repaired easily and economically, and desired power generation performance and durability can be ensured.

また、本発明によれば、少なくとも固体高分子電解質膜の一方の面に、又は少なくとも一方のガス拡散層に、電解質成分を含むペーストが塗布されている。そして、ひび割れが発生した触媒層には、少なくとも前記ひび割れ部分を覆ってペーストが配設されている。従って、簡単且つ経済的に、電極触媒層のひび割れを確実に補修することができ、所望の発電性能及び耐久性を確保することが可能になる。   According to the present invention, the paste containing the electrolyte component is applied to at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane or at least one gas diffusion layer. A paste is disposed on the cracked catalyst layer so as to cover at least the cracked portion. Therefore, cracks in the electrode catalyst layer can be reliably repaired easily and economically, and desired power generation performance and durability can be ensured.

さらに、本発明によれば、少なくとも一方の触媒層には、少なくともひび割れが発生した部分に対応してイオン交換成分を含むペーストを塗布している。これにより、簡単且つ経済的に、電極触媒層のひび割れを確実に補修することができ、所望の発電性能及び耐久性を確保することが可能になる。   Further, according to the present invention, at least one catalyst layer is coated with a paste containing an ion exchange component corresponding to at least a cracked portion. Thereby, the crack of the electrode catalyst layer can be reliably repaired easily and economically, and desired power generation performance and durability can be ensured.

本発明の第１〜第４の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体を組み込む燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory view of the fuel cell incorporating the electrolyte membrane / electrode structure to which the manufacturing method of the electrolyte membrane / electrode structure for fuel cell according to the first to fourth embodiments of the present invention is applied. 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell taken along line II-II in FIG. 1. 前記第１の実施形態に係る製造方法において、アノード側の説明図である。FIG. 4 is an explanatory view on the anode side in the manufacturing method according to the first embodiment. 前記燃料電池を構成するアノード電極にひび割れが発生した際の平面説明図である。FIG. 3 is an explanatory plan view when a crack is generated in an anode electrode constituting the fuel cell. 前記第１の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図である。FIG. 4 is an explanatory view on the anode side in the manufacturing method according to the first embodiment. 前記第１の実施形態に係る製造方法において、カソード側の説明図である。FIG. 4 is an explanatory view on the cathode side in the manufacturing method according to the first embodiment. 前記第１の実施形態に係る製造方法において、前記カソード側の説明図である。FIG. 6 is an explanatory view on the cathode side in the manufacturing method according to the first embodiment. 前記第１の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram when the electrolyte membrane / electrode structure is manufactured in the manufacturing method according to the first embodiment. 図９Ａは、前記第２の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図９Ｂは、前記カソード側の説明図である。FIG. 9A is an explanatory diagram on the anode side in the manufacturing method according to the second embodiment, and FIG. 9B is an explanatory diagram on the cathode side. 図１０Ａは、前記第２の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図１０Ｂは、前記カソード側の説明図である。FIG. 10A is an explanatory diagram on the anode side in the manufacturing method according to the second embodiment, and FIG. 10B is an explanatory diagram on the cathode side. 前記第２の実施形態に係る製造方法において、固体高分子電解質膜に転写する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of transferring to a solid polymer electrolyte membrane in the manufacturing method which concerns on the said 2nd Embodiment. 前記第２の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。In the manufacturing method which concerns on the said 2nd Embodiment, it is explanatory drawing at the time of the said electrolyte membrane and electrode structure being manufactured. 前記第３の実施形態に係る製造方法において、前記固体高分子電解質膜に高分子ペーストが塗布される際の説明図である。In the manufacturing method which concerns on the said 3rd Embodiment, it is explanatory drawing when a polymer paste is apply | coated to the said solid polymer electrolyte membrane. 前記第３の実施形態に係る製造方法において、前記高分子ペーストに電極触媒層が形成される際の説明図である。In the manufacturing method which concerns on the said 3rd Embodiment, it is explanatory drawing when an electrode catalyst layer is formed in the said polymer paste. 前記第３の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。It is explanatory drawing when the said electrolyte membrane and electrode structure is manufactured in the manufacturing method which concerns on the said 3rd Embodiment. 図１６Ａは、前記第４の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図１６Ｂは、前記カソード側の説明図である。FIG. 16A is an explanatory diagram on the anode side in the manufacturing method according to the fourth embodiment, and FIG. 16B is an explanatory diagram on the cathode side. 図１７Ａは、前記第４の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図１７Ｂは、前記カソード側の説明図である。FIG. 17A is an explanatory diagram on the anode side in the manufacturing method according to the fourth embodiment, and FIG. 17B is an explanatory diagram on the cathode side. 前記第４の実施形態において、前記固体高分子電解質膜にカソード側が転写される際の説明図である。In the said 4th Embodiment, it is explanatory drawing when the cathode side is transcribe | transferred to the said solid polymer electrolyte membrane. 前記第４の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。In the manufacturing method which concerns on the said 4th Embodiment, it is explanatory drawing at the time of the said electrolyte membrane and electrode structure being manufactured. 本発明の第５〜第７の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体の断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure to which the manufacturing method of the electrolyte membrane and electrode structure for fuel cells which concerns on the 5th-7th embodiment of this invention is applied. 前記第５の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図である。It is explanatory drawing by the side of the said anode in the manufacturing method which concerns on the said 5th Embodiment. 前記第５の実施形態に係る製造方法において、前記アノード電極が形成される際の説明図である。It is explanatory drawing when the said anode electrode is formed in the manufacturing method which concerns on the said 5th Embodiment. 前記第５の実施形態に係る製造方法において、前記カソード側の説明図である。It is explanatory drawing by the side of the said cathode in the manufacturing method which concerns on the said 5th Embodiment. 前記第５の実施形態に係る製造方法において、カソード電極が形成される際の説明図である。It is explanatory drawing when a cathode electrode is formed in the manufacturing method which concerns on the said 5th Embodiment. 前記第５の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造された際の説明図である。It is explanatory drawing when the said electrolyte membrane and electrode structure is manufactured in the manufacturing method which concerns on the said 5th Embodiment. 前記第６の実施形態に係る製造方法において、前記固体高分子電解質膜に電極触媒層が形成される際の説明図である。It is explanatory drawing when an electrode catalyst layer is formed in the said solid polymer electrolyte membrane in the manufacturing method which concerns on the said 6th Embodiment. 図２７Ａは、前記第６の実施形態に係る製造方法において、前記アノード側の説明図であり、図２７Ｂは、前記カソード側の説明図である。FIG. 27A is an explanatory diagram on the anode side in the manufacturing method according to the sixth embodiment, and FIG. 27B is an explanatory diagram on the cathode side. 前記第６の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。In the manufacturing method which concerns on the said 6th Embodiment, it is explanatory drawing at the time of the said electrolyte membrane and electrode structure being manufactured. 前記第７の実施形態に係る製造方法において、前記固体高分子電解質膜に電極触媒層が形成される際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of an electrode catalyst layer being formed in the said solid polymer electrolyte membrane in the manufacturing method which concerns on the said 7th Embodiment. 前記第７の実施形態に係る製造方法において、前記高分子ペーストが形成される際の説明図である。It is explanatory drawing when the said polymer paste is formed in the manufacturing method which concerns on the said 7th Embodiment. 前記第７の実施形態に係る製造方法において、前記電解質膜・電極構造体が製造される際の説明図である。It is explanatory drawing when the said electrolyte membrane and electrode structure is manufactured in the manufacturing method which concerns on the said 7th Embodiment.

図１及び図２に示すように、本発明の第１〜第４の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体１０は、固体高分子型燃料電池１２に組み込まれる。複数の燃料電池１２は、矢印Ａ方向に積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックが構成され、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。   As shown in FIGS. 1 and 2, an electrolyte membrane / electrode structure 10 to which the method for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell according to the first to fourth embodiments of the present invention is applied has a solid It is incorporated in the molecular fuel cell 12. The plurality of fuel cells 12 are stacked in the direction of arrow A to form, for example, an in-vehicle fuel cell stack, which is mounted on a fuel cell electric vehicle (not shown).

燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体１０をカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６で挟持する。カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。   In the fuel cell 12, the electrolyte membrane / electrode structure 10 is sandwiched between a cathode side separator 14 and an anode side separator 16. The cathode side separator 14 and the anode side separator 16 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, a metal plate whose surface is subjected to anticorrosion treatment, a carbon member, or the like. .

図２に示すように、電解質膜・電極構造体１０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極（第１電極）２０及びカソード電極（第２電極）２２とを有する。   As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane / electrode structure 10 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 18 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 18 (First electrode) 20 and cathode electrode (second electrode) 22.

固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに設けられる一方、カソード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに設けられる。アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８と同一の平面寸法に設定されるとともに、カソード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８及び前記アノード電極２０よりも小さな平面寸法を有する。なお、アノード電極２０とカソード電極２２との大小関係は、逆に設定されてもよく、又は、前記アノード電極２０と前記カソード電極２２とは、同一の平面寸法に設定されてもよい。   The solid polymer electrolyte membrane 18 uses an HC (hydrocarbon) electrolyte in addition to a fluorine electrolyte. The anode electrode 20 is provided on one surface 18 a of the solid polymer electrolyte membrane 18, while the cathode electrode 22 is provided on the other surface 18 b of the solid polymer electrolyte membrane 18. The anode electrode 20 is set to have the same planar dimensions as the solid polymer electrolyte membrane 18, and the cathode electrode 22 has a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 18 and the anode electrode 20. In addition, the magnitude relationship between the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 may be set in reverse, or the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 may be set to the same plane size.

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の面１８ａ側に接合される第１電極触媒層（触媒層）２０ａと、前記第１電極触媒層２０ａに積層される第１ガス拡散層２０ｂとを備える。固体高分子電解質膜１８の面１８ａと第１電極触媒層２０ａとの間には、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む第１高分子ペースト２４ａが介装される。   The anode electrode 20 includes a first electrode catalyst layer (catalyst layer) 20a joined to the surface 18a side of the solid polymer electrolyte membrane 18, and a first gas diffusion layer 20b laminated on the first electrode catalyst layer 20a. Prepare. Between the surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18 and the first electrode catalyst layer 20a, a first polymer paste 24a containing an electrolyte component, for example, an ion exchange component, is interposed.

具体的には、第１高分子ペースト２４ａは、フッ素系樹脂とカーボンの混合物を溶媒に溶かしたもの等が使用される。第１高分子ペースト２４ａ及び第１電極触媒層２０ａ中の電解質成分の合計と、前記第１高分子ペースト２４ａ及び前記第１電極触媒層２０ａ中のカーボンとの重量比率（電解質／カーボン）は、０．１〜１０の範囲内に設定される。第１高分子ペースト２４ａの塗布厚さは、好ましくは、０．１μｍ〜１０μｍに設定される。   Specifically, the first polymer paste 24a is obtained by dissolving a mixture of a fluororesin and carbon in a solvent. The weight ratio (electrolyte / carbon) of the total of the electrolyte components in the first polymer paste 24a and the first electrode catalyst layer 20a and the carbon in the first polymer paste 24a and the first electrode catalyst layer 20a is: It is set within the range of 0.1-10. The coating thickness of the first polymer paste 24a is preferably set to 0.1 μm to 10 μm.

なお、第１ガス拡散層２０ｂには、第１電極触媒層２０ａが塗布される面に下地層（図示せず）を設けてもよい。下地層は、例えば、多孔質カーボンやカーボンファイバーとフッ素系樹脂等を純水、アルコール等の溶媒で溶かしたペーストを塗布して形成される。   The first gas diffusion layer 20b may be provided with a base layer (not shown) on the surface to which the first electrode catalyst layer 20a is applied. The underlayer is formed, for example, by applying a paste obtained by dissolving porous carbon or carbon fiber and a fluorine-based resin in a solvent such as pure water or alcohol.

カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の面１８ｂ側に接合される第２電極触媒層（触媒層）２２ａと、前記第２電極触媒層２２ａに積層される第２ガス拡散層２２ｂとを備える。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂと第２電極触媒層２２ａとの間には、電解質成分、例えば、イオン交換成分を含む第２高分子ペースト２４ｂが介装される。第２高分子ペースト２４ｂは、上記の第１高分子ペースト２４ａと同一の材料で構成される。なお、第２ガス拡散層２２ｂには、第２電極触媒層２２ａが塗布される面に下地層（図示せず）を設けてもよい。   The cathode electrode 22 includes a second electrode catalyst layer (catalyst layer) 22a joined to the surface 18b side of the solid polymer electrolyte membrane 18, and a second gas diffusion layer 22b laminated on the second electrode catalyst layer 22a. Prepare. Between the surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 and the second electrode catalyst layer 22a, a second polymer paste 24b containing an electrolyte component, for example, an ion exchange component, is interposed. The second polymer paste 24b is made of the same material as the first polymer paste 24a. The second gas diffusion layer 22b may be provided with a base layer (not shown) on the surface on which the second electrode catalyst layer 22a is applied.

第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、例えば、カーボンペーパー又はカーボンクロス、あるいは、金属メッシュ等の細孔を有するシート部材からなる。第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、例えば、白金粒子又は白金粒子や貴金属（ルテニウム、コバルト、パラジウム等）等の触媒を担持した触媒担体（カーボンや導電体等）により形成される。   The 1st gas diffusion layer 20b and the 2nd gas diffusion layer 22b consist of sheet members which have pores, such as carbon paper or carbon cloth, or a metal mesh, for example. The first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a are formed of, for example, a catalyst carrier (carbon, conductor, etc.) carrying a catalyst such as platinum particles or platinum particles or a noble metal (ruthenium, cobalt, palladium, etc.). The

図１に示すように、燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。   As shown in FIG. 1, one end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction. A cooling medium inlet communication hole 32a and a fuel gas outlet communication hole 34b are provided. The oxidant gas inlet communication hole 30a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, the cooling medium inlet communication hole 32a supplies a cooling medium, and the fuel gas outlet communication hole 34b has a fuel gas, for example, hydrogen. The contained gas is discharged. The oxidant gas inlet communication hole 30a, the cooling medium inlet communication hole 32a, and the fuel gas outlet communication hole 34b are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３２ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。   A fuel gas inlet communication hole 34a, a cooling medium outlet communication hole 32b, and an oxidant gas outlet communication hole 30b are provided at the other end edge of the fuel cell 12 in the arrow B direction so as to communicate with each other in the arrow A direction. The fuel gas inlet communication hole 34a supplies fuel gas, the cooling medium outlet communication hole 32b discharges the cooling medium, and the oxidant gas outlet communication hole 30b discharges the oxidant gas. The fuel gas inlet communication hole 34a, the cooling medium outlet communication hole 32b, and the oxidant gas outlet communication hole 30b are arranged in the direction of arrow C.

カソード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。   An oxidant gas flow path 36 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b is provided on the surface 14a of the cathode separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10.

アノード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１０に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。互いに隣接するカソード側セパレータ１４の面１４ｂとアノード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。   A fuel gas flow path 38 communicating with the fuel gas inlet communication hole 34 a and the fuel gas outlet communication hole 34 b is formed on the surface 16 a of the anode separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10. A cooling medium flow path 40 communicating with the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b is formed between the surface 14b of the cathode side separator 14 and the surface 16b of the anode side separator 16 adjacent to each other. .

図１及び図２に示すように、カソード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このカソード側セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。アノード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first seal member 42 is integrated with the surfaces 14 a and 14 b of the cathode-side separator 14 around the outer peripheral end of the cathode-side separator 14. The second seal member 44 is integrated with the surfaces 16 a and 16 b of the anode separator 16 around the outer peripheral end of the anode separator 16.

図２に示すように、第１シール部材４２は、電解質膜・電極構造体１０を構成する固体高分子電解質膜１８の外周縁部１８ａｅに当接する第１凸状シール４２ａと、アノード側セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、第１凸状シール４２ａと当接する面にセパレータ面方向に沿って平坦状の平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設け、第１シール部材４２を平面シールで構成してもよい。   As shown in FIG. 2, the first seal member 42 includes a first convex seal 42 a that contacts the outer peripheral edge 18 ae of the solid polymer electrolyte membrane 18 that constitutes the electrolyte membrane / electrode structure 10, and the anode-side separator 16. And a second convex seal 42b in contact with the second seal member 44. The second seal member 44 constitutes a flat planar seal along the separator surface direction on the surface in contact with the first convex seal 42a. Instead of the second convex seal 42b, the second seal member 44 may be provided with a convex seal (not shown), and the first seal member 42 may be constituted by a flat seal.

第１シール部材４２及び第２シール部材４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。   For the first seal member 42 and the second seal member 44, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber or the like, cushion material Alternatively, an elastic seal member such as a packing material is used.

このように構成される燃料電池１２の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 12 configured as described above will be described below.

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａからカソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１０のカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａからアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１０のアノード電極２０に供給される。   For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 36 of the cathode separator 14 from the oxidant gas inlet communication hole 30a and moves in the direction of arrow B to the cathode electrode 22 of the electrolyte membrane / electrode structure 10. Supplied. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas passage 38 of the anode separator 16 from the fuel gas inlet communication hole 34a. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the fuel gas flow path 38 and is supplied to the anode electrode 20 of the electrolyte membrane / electrode structure 10.

従って、各電解質膜・電極構造体１０では、アノード電極２０に供給される燃料ガスと、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスとが、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 10, the fuel gas supplied to the anode electrode 20 and the oxidant gas supplied to the cathode electrode 22 are in the first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a. In this way, it is consumed by an electrochemical reaction to generate electricity.

次いで、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 22 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 20 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b.

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１４とアノード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 40 between the cathode side separator 14 and the anode side separator 16 and then flows in the direction of arrow B. The cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b after the electrolyte membrane / electrode structure 10 is cooled.

次いで、本発明の第１の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、以下に説明する。   Next, a method for manufacturing the electrolyte membrane / electrode structure 10 according to the first embodiment of the present invention will be described below.

先ず、図３に示すように、アノード電極２０を構成する第１ガス拡散層２０ｂに第１電極触媒層２０ａが形成される。具体的には、白金粒子等の触媒粒子を担持した触媒担体に、電解質成分と純水又はアルコールが添加された溶媒を、スターラやビーズミル等により撹拌させてペーストが得られる。このペーストは、第１ガス拡散層２０ｂに、例えば、コータ、スプレー、インクジェット又はスクリーン印刷等により塗工される。次に、乾燥処理（例えば、ヒータや熱風等の熱処理）を施すことにより、アノード電極２０が作製される。   First, as shown in FIG. 3, the first electrode catalyst layer 20 a is formed on the first gas diffusion layer 20 b constituting the anode electrode 20. Specifically, a paste obtained by stirring a solvent in which an electrolyte component and pure water or alcohol are added to a catalyst carrier supporting catalyst particles such as platinum particles by a stirrer or a bead mill. This paste is applied to the first gas diffusion layer 20b by, for example, a coater, spray, ink jet or screen printing. Next, the anode electrode 20 is produced by performing a drying process (for example, a heat treatment such as a heater or hot air).

上記の作製時に、特に乾燥処理が施されることにより、図４に示すように、第１電極触媒層２０ａには、電極欠陥であるひび割れ（ピンホール、割れ、ひびを含む）４６が発生し易い。そこで、図５に示すように、第１電極触媒層２０ａには、少なくともひび割れ４６が発生した部分を覆って、第１の実施形態では、前記第１電極触媒層２０ａの全面に亘って第１高分子ペースト２４ａが塗布される。   When the above-described production is performed, in particular, a drying process is performed, and as shown in FIG. 4, cracks (including pinholes, cracks, and cracks) 46 that are electrode defects occur in the first electrode catalyst layer 20a. easy. Therefore, as shown in FIG. 5, the first electrode catalyst layer 20a covers at least a portion where the crack 46 is generated, and in the first embodiment, the first electrode catalyst layer 20a is covered with the first electrode over the entire surface of the first electrode catalyst layer 20a. A polymer paste 24a is applied.

一方、図６に示すように、カソード電極２２を構成する第２ガス拡散層２２ｂには、第２電極触媒層２２ａが上記のアノード電極２０と同様に形成される。次いで、図７に示すように、第２電極触媒層２２ａには、少なくともひび割れ４６が発生した部分を覆って、第１の実施形態では、前記第２電極触媒層２２ａの全面に亘って第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。   On the other hand, as shown in FIG. 6, the second electrode catalyst layer 22 a is formed in the second gas diffusion layer 22 b constituting the cathode electrode 22 in the same manner as the anode electrode 20 described above. Next, as shown in FIG. 7, the second electrode catalyst layer 22 a covers at least a portion where the crack 46 is generated, and in the first embodiment, the second electrode catalyst layer 22 a extends over the entire surface of the second electrode catalyst layer 22 a. A polymer paste 24b is applied.

さらに、図８に示すように、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａには、アノード電極２０を構成する第１高分子ペースト２４ａが重ねられる。固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂには、カソード電極２２を構成する第２高分子ペースト２４ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂにアノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。従って、電解質膜・電極構造体１０が製造される。   Further, as shown in FIG. 8, the first polymer paste 24 a constituting the anode electrode 20 is overlaid on one surface 18 a of the solid polymer electrolyte membrane 18. On the other surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18, a second polymer paste 24b constituting the cathode electrode 22 is overlaid. In this state, the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 are integrated on both surfaces 18a and 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by hot pressing, a heating roll, or the like. Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure 10 is manufactured.

この場合、第１の実施形態では、アノード電極２０を構成する第１電極触媒層２０ａが形成される際、乾燥処理等によりひび割れ４６が発生し易い（図４参照）。そこで、ひび割れ４６を覆って、すなわち、第１電極触媒層２０ａの全面に亘って、第１高分子ペースト２４ａが塗布されている。なお、第１高分子ペースト２４ａは、必要に応じて粘度の異なるものを複数回に亘って塗布してもよい。   In this case, in the first embodiment, when the first electrode catalyst layer 20a constituting the anode electrode 20 is formed, a crack 46 is likely to occur due to a drying process or the like (see FIG. 4). Therefore, the first polymer paste 24a is applied over the crack 46, that is, over the entire surface of the first electrode catalyst layer 20a. In addition, the 1st polymer paste 24a may apply | coat the thing from which a viscosity differs over multiple times as needed.

このため、電極欠陥であるひび割れ４６は、第１高分子ペースト２４ａにより埋設され、前記電極欠陥の拡大進行及び耐久性の低下を抑制することができる。従って、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａの電極欠陥を確実に修復することが可能になり、所望の発電性能及び耐久性を確保することができるという効果が得られる。   For this reason, the crack 46 which is an electrode defect is embed | buried with the 1st polymer paste 24a, and can suppress the expansion progress of the said electrode defect, and a durable fall. Therefore, the electrode defect of the first electrode catalyst layer 20a can be reliably repaired easily and economically, and the desired power generation performance and durability can be ensured.

一方、カソード電極２２では、第２電極触媒層２２ａが形成される際にひび割れ４６が発生した前記第２電極触媒層２２ａの全面に亘って、第２高分子ペースト２４ｂが塗布されている。これにより、簡単且つ経済的に、第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に修復することが可能になり、所望の発電性能及び耐久性を確保することができるという効果が得られる。なお、第１高分子ペースト２４ａ及び第２高分子ペースト２４ｂは、電極欠陥の発生の有無によって設ければよく、例えば、いずれか一方のみを設けてもよい。   On the other hand, in the cathode electrode 22, the second polymer paste 24b is applied over the entire surface of the second electrode catalyst layer 22a in which cracks 46 are generated when the second electrode catalyst layer 22a is formed. Thereby, it becomes possible to repair the electrode defect of the 2nd electrode catalyst layer 22a reliably and simply, and the effect that desired electric power generation performance and durability can be ensured is acquired. The first polymer paste 24a and the second polymer paste 24b may be provided depending on whether or not an electrode defect is generated. For example, only one of them may be provided.

次いで、本発明の第２の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、以下に説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても、同様である。   Next, a method for manufacturing the electrolyte membrane / electrode structure 10 according to the second embodiment of the present invention will be described below. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The same applies to the third and fourth embodiments described below.

図９Ａに示すように、第１転写用基材５０ａが用意され、この第１転写用基材５０ａには、第１電極触媒層２０ａが形成される。一方、図９Ｂに示すように、第２転写用基材５０ｂが用意され、この第２転写用基材５０ｂには、第２電極触媒層２２ａが形成される。   As shown in FIG. 9A, a first transfer substrate 50a is prepared, and a first electrode catalyst layer 20a is formed on the first transfer substrate 50a. On the other hand, as shown in FIG. 9B, a second transfer substrate 50b is prepared, and the second electrode catalyst layer 22a is formed on the second transfer substrate 50b.

次いで、図１０Ａに示すように、第１電極触媒層２０ａには、全面に亘って第１高分子ペースト２４ａが塗布される。図１０Ｂに示すように、第２電極触媒層２２ａには、全面に亘って第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。   Next, as shown in FIG. 10A, the first polymer paste 24a is applied to the first electrode catalyst layer 20a over the entire surface. As shown in FIG. 10B, the second polymer paste 24b is applied over the entire surface of the second electrode catalyst layer 22a.

さらに、図１１に示すように、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａには、アノード電極２０を構成する第１高分子ペースト２４ａが重ねられ、第１転写用基材５０ａから転写される。固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂには、カソード電極２２を構成する第２高分子ペースト２４ｂが重ねられ、第２転写用基材５０ｂから転写される。   Furthermore, as shown in FIG. 11, the first polymer paste 24a constituting the anode electrode 20 is superimposed on one surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18, and transferred from the first transfer substrate 50a. . A second polymer paste 24b constituting the cathode electrode 22 is superimposed on the other surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18, and transferred from the second transfer substrate 50b.

そして、図１２に示すように、第１電極触媒層２０ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。従って、電解質膜・電極構造体１０が製造される。   As shown in FIG. 12, a first gas diffusion layer 20b is overlaid on the first electrode catalyst layer 20a, and a second gas diffusion layer 22b is overlaid on the second electrode catalyst layer 22a. In this state, the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 are integrated with both surfaces 18a and 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by hot pressing, a heating roll, or the like. Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure 10 is manufactured.

本発明の第３の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、図１３〜図１５に沿って、以下に説明する。   A method for manufacturing the electrolyte membrane / electrode structure 10 according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

図１３に示すように、先ず、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａには、第１高分子ペースト２４ａが塗布される。固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂには、第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。次に、図１４に示すように、第１高分子ペースト２４ａには、第１電極触媒層２０ａが転写又は形成される一方、第２高分子ペースト２４ｂには、第２電極触媒層２２ａが転写又は形成される。   As shown in FIG. 13, first, the first polymer paste 24 a is applied to one surface 18 a of the solid polymer electrolyte membrane 18. The second polymer paste 24 b is applied to the other surface 18 b of the solid polymer electrolyte membrane 18. Next, as shown in FIG. 14, the first electrode catalyst layer 20a is transferred or formed on the first polymer paste 24a, while the second electrode catalyst layer 22a is transferred on the second polymer paste 24b. Or formed.

図１５に示すように、第１電極触媒層２０ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。これにより、電解質膜・電極構造体１０が製造される。   As shown in FIG. 15, a first gas diffusion layer 20b is overlaid on the first electrode catalyst layer 20a, and a second gas diffusion layer 22b is overlaid on the second electrode catalyst layer 22a. In this state, the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 are integrated with both surfaces 18a and 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by hot pressing, a heating roll, or the like. As a result, the electrolyte membrane / electrode structure 10 is manufactured.

なお、第１の実施形態〜第３の実施形態では、アノード電極２０とカソード電極２２のいずれかに、どの製造方法を適用してもよく、また、これらを組み合わせてもよい。   In the first to third embodiments, any manufacturing method may be applied to any one of the anode electrode 20 and the cathode electrode 22, or these may be combined.

本発明の第４の実施形態に係る電解質膜・電極構造体１０の製造方法について、以下に説明する。   A method for manufacturing the electrolyte membrane / electrode structure 10 according to the fourth embodiment of the present invention will be described below.

図１６Ａに示すように、第１ガス拡散層２０ｂには、第１電極触媒層２０ａが塗布される一方、図１６Ｂに示すように、第２転写用基材５０ｂには、第２電極触媒層２２ａが形成される。そして、図１７Ａに示すように、第１電極触媒層２０ａの全面に亘って、第１高分子ペースト２４ａが塗布又は転写により形成され、図１７Ｂに示すように、第２電極触媒層２２ａの全面に亘って、第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。   As shown in FIG. 16A, the first electrode catalyst layer 20a is applied to the first gas diffusion layer 20b, while the second electrode catalyst layer is applied to the second transfer substrate 50b as shown in FIG. 16B. 22a is formed. 17A, the first polymer paste 24a is formed by coating or transferring over the entire surface of the first electrode catalyst layer 20a. As illustrated in FIG. 17B, the entire surface of the second electrode catalyst layer 22a. Then, the second polymer paste 24b is applied.

固体高分子電解質膜１８では、図１８に示すように、面１８ｂにカソード電極２２を構成する第２高分子ペースト２４ｂが重ねられ、第２転写用基材５０ｂから転写される。   In the solid polymer electrolyte membrane 18, as shown in FIG. 18, the second polymer paste 24b constituting the cathode electrode 22 is superimposed on the surface 18b and transferred from the second transfer substrate 50b.

さらに、図１９に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａにアノード電極２０を構成する第１高分子ペースト２４ａが重ねられる。第１電極触媒層２０ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。このため、電解質膜・電極構造体１０が製造される。   Further, as shown in FIG. 19, the first polymer paste 24 a constituting the anode electrode 20 is overlaid on the surface 18 a of the solid polymer electrolyte membrane 18. A first gas diffusion layer 20b is overlaid on the first electrode catalyst layer 20a, and a second gas diffusion layer 22b is overlaid on the second electrode catalyst layer 22a. In this state, the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 are integrated with both surfaces 18a and 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by hot pressing, a heating roll, or the like. For this reason, the electrolyte membrane / electrode structure 10 is manufactured.

図２０に示すように、本発明の第５〜第７の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法が適用される電解質膜・電極構造体６０は、固体高分子型燃料電池６２に組み込まれる。なお、電解質膜・電極構造体１０及び燃料電池１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   As shown in FIG. 20, an electrolyte membrane / electrode structure 60 to which the method for producing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell according to the fifth to seventh embodiments of the present invention is applied is a solid polymer fuel. It is incorporated in the battery 62. The same components as those of the electrolyte membrane / electrode structure 10 and the fuel cell 12 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

電解質膜・電極構造体６０は、固体高分子電解質膜１８をアノード電極２０及びカソード電極２２により挟持する。アノード電極２０では、第１電極触媒層２０ａと第１ガス拡散層２０ｂとの間に、第１高分子ペースト２４ａが介装される。カソード電極２２では、第２電極触媒層２２ａと第２ガス拡散層２２ｂとの間に、第２高分子ペースト２４ｂが介装される。   The electrolyte membrane / electrode structure 60 sandwiches the solid polymer electrolyte membrane 18 between the anode electrode 20 and the cathode electrode 22. In the anode electrode 20, a first polymer paste 24a is interposed between the first electrode catalyst layer 20a and the first gas diffusion layer 20b. In the cathode electrode 22, a second polymer paste 24b is interposed between the second electrode catalyst layer 22a and the second gas diffusion layer 22b.

本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、先ず、図２１に示すように、第１ガス拡散層２０ｂの全面に亘って第１高分子ペースト２４ａが塗布される。そして、図２２に示すように、第１高分子ペースト２４ａには、第１電極触媒層２０ａが設けられることにより、アノード電極２０が形成される。   In the method for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell according to the fifth embodiment of the present invention, first, as shown in FIG. 21, the first polymer paste 24a is spread over the entire surface of the first gas diffusion layer 20b. Is applied. And as shown in FIG. 22, the anode electrode 20 is formed in the 1st polymer paste 24a by providing the 1st electrode catalyst layer 20a.

一方、図２３に示すように、第２ガス拡散層２２ｂの全面に亘って第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。その後、図２４に示すように、第２高分子ペースト２４ｂには、第２電極触媒層２２ａが設けられることにより、カソード電極２２が形成される。   On the other hand, as shown in FIG. 23, the second polymer paste 24b is applied over the entire surface of the second gas diffusion layer 22b. Thereafter, as shown in FIG. 24, the second polymer paste 24b is provided with the second electrode catalyst layer 22a, whereby the cathode electrode 22 is formed.

次いで、図２５に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａには、第１電極触媒層２０ａが重ねられるとともに、前記固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、第２電極触媒層２２ａが重ねられる。この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。従って、電解質膜・電極構造体６０が製造される。   Next, as shown in FIG. 25, the first electrode catalyst layer 20a is overlaid on the surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18, and the second electrode catalyst layer is formed on the surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18. 22a is overlaid. In this state, the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 are integrated with both surfaces 18a and 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by hot pressing, a heating roll, or the like. Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure 60 is manufactured.

本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、図２６に示すように、固体高分子電解質膜１８の面１８ａには、第１電極触媒層２０ａが塗布又は転写により形成される。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、第２電極触媒層２２ａが塗布又は転写により形成される。   In the method for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell according to the sixth embodiment of the present invention, the first electrode catalyst layer 20a is formed on the surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18, as shown in FIG. It is formed by coating or transfer. A second electrode catalyst layer 22a is formed on the surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by coating or transfer.

図２７Ａに示すように、第１ガス拡散層２０ｂには、第１高分子ペースト２４ａが塗布される。図２７Ｂに示すように、第２ガス拡散層２２ｂには、第２高分子ペースト２４ｂが塗布される。さらに、図２８に示すように、第１電極触媒層２０ａには、第１高分子ペースト２４ａが重ねられるとともに、第２電極触媒層２２ａには、第２高分子ペースト２４ｂが重ねられる。   As shown in FIG. 27A, a first polymer paste 24a is applied to the first gas diffusion layer 20b. As shown in FIG. 27B, the second polymer paste 24b is applied to the second gas diffusion layer 22b. Furthermore, as shown in FIG. 28, the first polymer paste 24a is overlaid on the first electrode catalyst layer 20a, and the second polymer paste 24b is overlaid on the second electrode catalyst layer 22a.

この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。これにより、電解質膜・電極構造体６０が製造される。   In this state, the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 are integrated with both surfaces 18a and 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by hot pressing, a heating roll, or the like. Thereby, the electrolyte membrane / electrode structure 60 is manufactured.

本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、図２９に示すように、先ず、固体高分子電解質膜１８の面１８ａには、第１電極触媒層２０ａが塗布又は転写により形成される。固体高分子電解質膜１８の面１８ｂには、第２電極触媒層２２ａが塗布又は転写により形成される。   In the method for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell according to the seventh embodiment of the present invention, as shown in FIG. 29, first, the first electrode catalyst layer is formed on the surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18. 20a is formed by coating or transfer. A second electrode catalyst layer 22a is formed on the surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by coating or transfer.

次に、図３０に示すように、第１電極触媒層２０ａには、第１高分子ペースト２４ａが塗布又は転写により形成される。第２電極触媒層２２ａには、第２高分子ペースト２４ｂが塗布又は転写により形成される。さらに、図３１に示すように、第１高分子ペースト２４ａには、第１ガス拡散層２０ｂが重ねられるとともに、第２高分子ペースト２４ｂには、第２ガス拡散層２２ｂが重ねられる。   Next, as shown in FIG. 30, the first polymer paste 24a is formed on the first electrode catalyst layer 20a by coating or transferring. A second polymer paste 24b is formed on the second electrode catalyst layer 22a by coating or transferring. Furthermore, as shown in FIG. 31, the first gas diffusion layer 20b is overlaid on the first polymer paste 24a, and the second gas diffusion layer 22b is overlaid on the second polymer paste 24b.

この状態で、ホットプレスや加熱ロール等により固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに、アノード電極２０とカソード電極２２とが一体化される。このため、電解質膜・電極構造体６０が製造される。   In this state, the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 are integrated with both surfaces 18a and 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by hot pressing, a heating roll, or the like. For this reason, the electrolyte membrane / electrode structure 60 is manufactured.

上記の第２の実施形態〜第７の実施形態では、簡単且つ経済的に、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａの電極欠陥を確実に修復することが可能になる。従って、所望の発電性能及び耐久性を確保することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second to seventh embodiments, it is possible to reliably repair the electrode defects of the first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a easily and economically. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, such as ensuring the desired power generation performance and durability.

１０、６０…電解質膜・電極構造体 １２、６２…燃料電池
１４…カソード側セパレータ １６…アノード側セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 １８ａ、１８ｂ…面
２０…アノード電極 ２２…カソード電極
２０ａ、２２ａ…電極触媒層 ２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層
２４ａ、２４ｂ…高分子ペースト ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…冷却媒体入口連通孔
３２ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 60 ... Electrolyte membrane / electrode structure 12, 62 ... Fuel cell 14 ... Cathode side separator 16 ... Anode side separator 18 ... Solid polymer electrolyte membrane 18a, 18b ... Surface 20 ... Anode electrode 22 ... Cathode electrode 20a, 22a ... Electrode catalyst layer 20b, 22b ... Gas diffusion layer 24a, 24b ... Polymer paste 30a ... Oxidant gas inlet communication hole 30b ... Oxidant gas outlet communication hole 32a ... Cooling medium inlet communication hole 32b ... Cooling medium outlet communication hole 34a ... Fuel Gas inlet communication hole 34b ... Fuel gas outlet communication hole 36 ... Oxidant gas flow path 38 ... Fuel gas flow path 40 ... Cooling medium flow paths 42, 44 ... Sealing member

Claims (3)

固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を有する第２電極が配設される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
溶媒成分を除去し乾燥処理を施して前記触媒層を形成する工程と、
少なくとも一方の前記触媒層に、少なくともひび割れが発生した部分を覆って電解質成分を含むペーストを塗布する工程と、
前記固体高分子電解質膜の前記一方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化するとともに、前記固体高分子電解質膜の前記他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。 A first electrode having a catalyst layer and a gas diffusion layer is disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer and the gas diffusion layer are disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell in which a second electrode is disposed,
Removing the solvent component and applying a drying treatment to form the catalyst layer;
Applying a paste containing an electrolyte component to at least one of the catalyst layers, covering at least a cracked portion;
The catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated with the one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated with the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. The process of
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell, comprising: 固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を有する第２電極が配設される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
溶媒成分を除去し乾燥処理を施して前記触媒層を形成する工程と、
少なくとも前記固体高分子電解質膜の一方の面に、又は少なくとも一方の前記ガス拡散層に、電解質成分を含むペーストが塗布される工程と、
ひび割れが発生した前記触媒層に、少なくとも前記ひび割れ部分を覆って前記ペーストが配設され、前記固体高分子電解質膜の前記一方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化するとともに、前記固体高分子電解質膜の前記他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を一体化する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。 A first electrode having a catalyst layer and a gas diffusion layer is disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer and the gas diffusion layer are disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell in which a second electrode is disposed,
Removing the solvent component and applying a drying treatment to form the catalyst layer;
A step of applying a paste containing an electrolyte component to at least one surface of the solid polymer electrolyte membrane or to at least one of the gas diffusion layers;
In the catalyst layer where cracking has occurred, the paste is disposed so as to cover at least the cracked part, and the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated on the one surface of the solid polymer electrolyte membrane, Integrating the catalyst layer and the gas diffusion layer on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane;
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell, comprising: 固体高分子電解質膜の一方の面に、触媒層及びガス拡散層を有する第１電極が配設され、且つ前記固体高分子電解質膜の他方の面に、前記触媒層及び前記ガス拡散層を有する第２電極が配設される燃料電池用電解質膜・電極構造体の補修方法であって、
溶媒成分を除去し乾燥処理を施して前記触媒層を形成する工程と、
少なくとも一方の前記触媒層に、少なくともひび割れが発生した部分に対応してイオン交換成分を含むペーストを塗布する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の補修方法。 A first electrode having a catalyst layer and a gas diffusion layer is disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer and the gas diffusion layer are disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. A method for repairing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell in which a second electrode is disposed,
Removing the solvent component and applying a drying treatment to form the catalyst layer;
Applying a paste containing an ion exchange component to at least one of the catalyst layers corresponding to at least a cracked portion; and
A method for repairing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell, comprising:
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