JP2017168192A - Method for manufacturing electrolyte membrane-electrode assembly and electrolyte membrane-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、電気自動車用電源およびポータブル電源などに使用される燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法および電解質膜−電極接合体に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly and an electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cells used for household cogeneration systems, power sources for electric vehicles, portable power sources, and the like.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池として、電解質膜−電極接合体を備えたものが知られている。従来、この種の電解質膜−電極接合体は、電解質膜の両面に触媒層を接合して構成している。 2. Description of the Related Art As a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a fuel cell that includes an electrolyte membrane-electrode assembly is known. Conventionally, this type of electrolyte membrane-electrode assembly is configured by bonding a catalyst layer to both surfaces of an electrolyte membrane.
図13は、従来の電解質膜−電極接合体を示す構成図である。図13に示すように、電解質膜−電極接合体130は、水素イオン伝導性を有する電解質膜131と、前記電解質膜131の両面に形成される触媒層132とから構成されている。
FIG. 13 is a configuration diagram showing a conventional electrolyte membrane-electrode assembly. As shown in FIG. 13, the electrolyte membrane-
ここで、触媒層132は、炭素粉末に担持された白金等の触媒を含む触媒粉末を主成分として構成され、燃料ガスと酸化剤ガスを酸化還元し電気化学反応を促進する機能を果しており、燃料電池の発電性能に大きな影響を及ぼすため、燃料電池において特に重要な構成要素となっている。
Here, the
このような電解質膜−電極接合体の性能を向上するために、これまで様々な電解質膜−電極接合体の製造方法が提案されてきた。 In order to improve the performance of such an electrolyte membrane-electrode assembly, various methods for producing an electrolyte membrane-electrode assembly have been proposed so far.
その中で、触媒層を電解質膜に形成する際に、電解質膜−電極接合体の性能を維持するために、触媒層を押しつぶすことなく電解質膜−電極接合体を作製する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Among them, a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly without crushing the catalyst layer is disclosed in order to maintain the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly when the catalyst layer is formed on the electrolyte membrane. (For example, refer to Patent Document 1).
特許文献1に開示された方法では、電解質膜の一方の面に触媒粉末と分散媒を含む触媒組成物を直接塗布し、該触媒組成物を加熱して分散媒を除去することで触媒層を形成した後、電解質膜の他方の面に触媒粉末と分散媒を含む触媒組成物を直接塗布し、該触媒組成物を加熱して分散媒を除去することによって電解質膜−電極接合体を作製している。 In the method disclosed in Patent Document 1, a catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is directly applied to one surface of an electrolyte membrane, and the catalyst layer is removed by heating the catalyst composition to remove the dispersion medium. After the formation, an electrolyte membrane-electrode assembly is prepared by directly applying a catalyst composition containing catalyst powder and a dispersion medium to the other surface of the electrolyte membrane, and heating the catalyst composition to remove the dispersion medium. ing.
ここで、発明者は、上述した特許文献1に記載された電解質膜−電極接合体の製造方法について、電解質膜の一方の面に触媒組成物を塗布した後、該触媒組成物から分散媒を除去する工程において、触媒組成物を加熱するときの温度を変えながら試験を行った。 Here, the inventor applied the catalyst composition to one surface of the electrolyte membrane in the method for producing the electrolyte membrane-electrode assembly described in Patent Document 1 described above, and then applied the dispersion medium from the catalyst composition. In the removing step, the test was performed while changing the temperature at which the catalyst composition was heated.
その結果、触媒組成物を水の沸点以上の温度で加熱した場合には、電解質膜が高温状態になり、電解質膜から水分が蒸発するために、電解質膜の他方の面の臨界表面張力が低下し、当該面に対する触媒組成物の濡れ性が悪化することを見出した。 As a result, when the catalyst composition is heated at a temperature equal to or higher than the boiling point of water, the electrolyte membrane becomes a high temperature state, and moisture is evaporated from the electrolyte membrane, so that the critical surface tension of the other surface of the electrolyte membrane is reduced. And it discovered that the wettability of the catalyst composition with respect to the said surface deteriorated.
また、電解質膜の他方の面に対する触媒組成物の濡れ性が悪化したものでは、その後の工程で、触媒組成物に含まれる分散媒を除去することにより電解質膜の他方の面に形成し
た触媒層には、剥がれや、クラック等の欠陥が多く発生することを見出した。
In the case where the wettability of the catalyst composition with respect to the other surface of the electrolyte membrane is deteriorated, the catalyst layer formed on the other surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium contained in the catalyst composition in the subsequent step. It was found that many defects such as peeling and cracks occur.
また、こうした剥がれやクラック等の欠陥が発生した触媒層を有する電解質膜−電極接合体を利用した燃料電池においては発電性能が低下することを見出した。 In addition, it has been found that the power generation performance is lowered in a fuel cell using an electrolyte membrane-electrode assembly having a catalyst layer in which defects such as peeling and cracking occur.
したがって、特に、水の沸点以上の温度で触媒組成物を加熱して分散媒を除去することで電解質膜に触媒層を形成する電解質膜−電極接合体の製造方法において、触媒層における剥がれやクラック等の欠陥が触媒層の性能を低下せしめ、ひいては燃料電池の発電性能を低下させることになることから、電解質膜の臨界表面張力の低下を抑えながら触媒層を形成することが重要な課題となっていた。 Therefore, in particular, in the method of manufacturing an electrolyte membrane-electrode assembly in which a catalyst layer is formed on the electrolyte membrane by removing the dispersion medium by heating the catalyst composition at a temperature equal to or higher than the boiling point of water, peeling or cracks in the catalyst layer Therefore, the formation of the catalyst layer while suppressing the decrease in the critical surface tension of the electrolyte membrane is an important issue because the defects such as the above cause the performance of the catalyst layer to be lowered and consequently the power generation performance of the fuel cell. It was.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電解質膜−電極接合体の製造方法において、電解質膜の臨界表面張力が低下することを防止し、電解質膜に対する触媒組成物の濡れ性を改善することで、触媒層に剥がれやクラック等の欠陥が無い電解質膜−電極接合体の製造方法を提供することを目的の一つとする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and in the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, the critical surface tension of the electrolyte membrane is prevented from being lowered and the wettability of the catalyst composition with respect to the electrolyte membrane is improved. Thus, an object of the present invention is to provide a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly in which the catalyst layer has no defects such as peeling and cracking.
また、本発明は、この製造方法を用いて、品質に優れ、かつ高性能な電解質膜−電極接合体を提供することを目的の一つとする。 Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly having high quality and high performance using this production method.
上記従来の課題を解決するために、本発明の電解質膜−電極接合体の製造方法は、電解質膜の一方の面に触媒粉末と分散媒を含む触媒組成物を塗布し、該触媒組成物から分散媒を除去して触媒層を形成した後、電解質膜を加湿する工程を含む電解質膜−電極接合体の製造方法である。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention comprises applying a catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium to one surface of an electrolyte membrane, and using the catalyst composition. This is a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly including a step of humidifying the electrolyte membrane after removing the dispersion medium and forming a catalyst layer.
これにより、一方の面に触媒層が形成された電解質膜が加湿されることにより、電解質膜が水分を含むため、電解質膜の臨界表面張力は低下しないので、一方の面に触媒層を形成した電解質膜の他方の面に対する触媒組成物の濡れ性が悪化することはなく、電解質膜の両面に剥がれやクラック等の欠陥が無い触媒層を形成することが可能になり、品質に優れ、かつ高性能な電解質膜−電極接合体を製造することができる。 As a result, the electrolyte membrane with the catalyst layer formed on one surface is humidified, so that the electrolyte membrane contains moisture, so that the critical surface tension of the electrolyte membrane does not decrease, so the catalyst layer was formed on one surface. The wettability of the catalyst composition with respect to the other surface of the electrolyte membrane is not deteriorated, and it is possible to form a catalyst layer free from defects such as peeling and cracks on both surfaces of the electrolyte membrane, which is excellent in quality and high A high performance electrolyte membrane-electrode assembly can be produced.
また、別の本発明の電解質膜−電極接合体の製造方法は、電解質膜の一方の面に、触媒粉末と水の沸点以上の沸点を有する分散媒を含む触媒組成物を塗布した後、該触媒組成物の分散媒を水の沸点未満の沸点を有する溶媒で溶媒置換して溶媒置換触媒組成物を形成する工程、または、該触媒組成物の分散媒を水に置換して触媒層を形成する工程を含む電解質膜−電極接合体の製造方法である。 In another method of manufacturing an electrolyte membrane-electrode assembly according to the present invention, after applying a catalyst composition including a catalyst powder and a dispersion medium having a boiling point equal to or higher than the boiling point of water to one surface of the electrolyte membrane, A step of forming a solvent-substituted catalyst composition by replacing the dispersion medium of the catalyst composition with a solvent having a boiling point less than that of water, or forming a catalyst layer by replacing the dispersion medium of the catalyst composition with water It is a manufacturing method of the electrolyte membrane electrode assembly including the process to do.
これにより、触媒組成物に含まれる分散媒を水の沸点以上の温度で加熱することなく除去することができるので、電解質膜の水分は蒸発せず、電解質膜の臨界表面張力は変化しないので、一方の面に触媒層を形成した電解質膜の他方の面に対する触媒組成物の濡れ性が悪化することはなく、電解質膜の両面に剥がれやクラック等の欠陥が無い触媒層を形成することが可能になり、品質に優れ、かつ高性能な電解質膜−電極接合体を製造することができる。 Thereby, since the dispersion medium contained in the catalyst composition can be removed without heating at a temperature equal to or higher than the boiling point of water, the moisture of the electrolyte membrane does not evaporate, and the critical surface tension of the electrolyte membrane does not change. The wettability of the catalyst composition with respect to the other side of the electrolyte membrane with the catalyst layer formed on one side is not deteriorated, and it is possible to form a catalyst layer that is free from defects such as peeling and cracking on both sides of the electrolyte membrane Thus, an electrolyte membrane-electrode assembly having excellent quality and high performance can be manufactured.
また、別のもう一つの本発明の電解質膜−電極接合体の製造方法は、電解質膜の一方の面に、触媒粉末と水の沸点未満の沸点を有する分散媒を含む触媒組成物を塗布した後、該触媒組成物を分散媒の沸点以上の温度であって、かつ水の沸点未満の温度で加熱して分散媒を除去することにより、触媒層を形成する工程を含む電解質膜−電極接合体の製造方法である。 In another method of manufacturing an electrolyte membrane-electrode assembly according to the present invention, a catalyst composition containing a dispersion medium having a boiling point less than the boiling point of catalyst powder and water is applied to one surface of the electrolyte membrane. Thereafter, the catalyst composition is heated at a temperature equal to or higher than the boiling point of the dispersion medium and lower than the boiling point of water to remove the dispersion medium, thereby forming a catalyst layer. It is a manufacturing method of a body.
これによって、触媒組成物に含まれる分散媒を水の沸点未満の温度で加熱して除去することができるので、電解質膜の水分は蒸発せず、電解質膜の臨界表面張力は変化しないので、一方の面に触媒層を形成した電解質膜の他方の面に対する触媒組成物の濡れ性が悪化することはなく、電解質膜の両面に剥がれやクラック等の欠陥が無い触媒層を形成することが可能になり、品質に優れ、かつ高性能な電解質膜−電極接合体を製造することができる。 This allows the dispersion medium contained in the catalyst composition to be removed by heating at a temperature below the boiling point of water, so that the moisture in the electrolyte membrane does not evaporate and the critical surface tension of the electrolyte membrane does not change. The wettability of the catalyst composition with respect to the other surface of the electrolyte membrane in which the catalyst layer is formed on the surface of the electrolyte membrane is not deteriorated, and it is possible to form a catalyst layer free from defects such as peeling and cracking on both surfaces of the electrolyte membrane Therefore, an electrolyte membrane-electrode assembly having excellent quality and high performance can be manufactured.
また、本発明の電解質膜−電極接合体は、上記製造方法により製造した電解質膜−電極接合体であるので、品質に優れ、かつ高性能な電解質膜−電極接合体を提供することができる。 Moreover, since the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is an electrolyte membrane-electrode assembly produced by the above production method, it is possible to provide an electrolyte membrane-electrode assembly having excellent quality and high performance.
本発明の電解質膜−電極接合体の製造方法および電解質膜−電極接合体は、電解質膜に対する触媒組成物の濡れ性が格段に向上するため、触媒層に剥がれやクラック等の欠陥がない電解質膜−電極接合体の製造方法、および品質に優れ、かつ高性能な電解質膜−電極接合体を提供することができ、これを用いることで、高性能な燃料電池を提供することができる。 The method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly and the electrolyte membrane-electrode assembly according to the present invention are such that the wettability of the catalyst composition with respect to the electrolyte membrane is remarkably improved, so that the catalyst layer has no defects such as peeling and cracking. -A manufacturing method of an electrode assembly and an electrolyte membrane-electrode assembly excellent in quality and high performance can be provided, and by using this, a high performance fuel cell can be provided.
第1の発明は、電解質膜の一方の面に触媒粉末と分散媒を含む第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程と、第1の触媒組成物塗布工程によって電解質膜に塗布された第1の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程と、第1の触媒層形成工程によって一方の面に第1の触媒層が形成された電解質膜を加湿する電解質膜加湿工程と、電解質膜加湿工程で加湿された電解質膜の他方の面に触媒粉末と分散媒を含む第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程と、第2の触媒組成物塗布工程によって電解質膜に塗布された第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程を含む電解質膜−電極接合体の製造方法である。 The first invention is a first catalyst composition coating step in which a first catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is applied to one surface of an electrolyte membrane, and the electrolyte membrane is formed by the first catalyst composition coating step. A first catalyst layer forming step of forming a first catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the first catalyst composition applied to the first catalyst layer; and a first catalyst layer forming step An electrolyte membrane humidifying step for humidifying the electrolyte membrane having the first catalyst layer formed on one surface thereof, and a second electrode containing catalyst powder and a dispersion medium on the other surface of the electrolyte membrane humidified in the electrolyte membrane humidifying step. A second catalyst composition applying step for applying the catalyst composition; and removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane by the second catalyst composition applying step, thereby A second catalyst layer forming step of forming a second catalyst layer on the surface of A method of manufacturing an electrode assembly - the electrolyte membrane.
上記製造方法により、一方の面に触媒層が形成された電解質膜が加湿され、電解質膜が水分を含むため、電解質膜の臨界表面張力の低下を抑え、電解質膜に対する触媒組成物の濡れ性を改善することが可能になり、触媒層に剥がれやクラック等の欠陥が無い電解質膜−電極接合体を製造することができる。 By the above manufacturing method, the electrolyte membrane having the catalyst layer formed on one surface is humidified, and the electrolyte membrane contains moisture. Therefore, the decrease in the critical surface tension of the electrolyte membrane is suppressed, and the wettability of the catalyst composition with respect to the electrolyte membrane is reduced. It is possible to improve, and it is possible to manufacture an electrolyte membrane-electrode assembly in which the catalyst layer has no defects such as peeling or cracking.
第2の発明は、電解質膜の一方の面に触媒粉末と水の沸点以上の沸点を有する分散媒を含む第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程と、第1の触媒組成物塗布工程によって電解質膜に塗布された第1の触媒組成物の分散媒を水の沸点未満の沸点を有する溶媒で溶媒置換することにより、電解質膜の一方の面に溶媒置換触媒組成物を形成する溶媒置換触媒組成物形成工程と、溶媒置換触媒組成物形成工程によって電解質膜の一方の面に形成された溶媒置換触媒組成物を溶媒の沸点以上の温度であって、かつ水の沸点未満の温度で加熱して、溶媒置換触媒組成物から溶媒を除去することにより電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程と、第1の触媒層形成工程によって一方の面に第1の触媒層が形成された電解質膜の他方の面に触媒粉末と分散媒を含む第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程と、第2の触媒組成物塗布工程によって電解質膜に塗布された第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程を含む電解質膜−電極接合体の製造方法である。 According to a second aspect of the invention, there is provided a first catalyst composition coating step in which a first catalyst composition including a dispersion medium having a boiling point equal to or higher than that of catalyst powder and water is applied to one surface of the electrolyte membrane; Solvent replacement catalyst composition on one surface of the electrolyte membrane by replacing the dispersion medium of the first catalyst composition applied to the electrolyte membrane by the catalyst composition application step with a solvent having a boiling point less than the boiling point of water A solvent replacement catalyst composition forming step for forming the solvent replacement catalyst composition formed on one surface of the electrolyte membrane by the solvent replacement catalyst composition forming step at a temperature equal to or higher than the boiling point of the solvent and the boiling point of water A first catalyst layer forming step of forming a first catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane by removing the solvent from the solvent replacement catalyst composition by heating at a temperature lower than The first catalyst layer is formed on one side by the process A second catalyst composition applying step of applying a second catalyst composition containing catalyst powder and a dispersion medium to the other surface of the electrolyte membrane, and a second catalyst composition applying step applied to the electrolyte membrane by the second catalyst composition applying step. 2 is a method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly including a second catalyst layer forming step of forming a second catalyst layer on the other surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the catalyst composition of No. 2.
上記製造方法により、触媒組成物に含まれる分散媒が水の沸点未満の沸点を有する溶媒に溶媒置換され、該溶媒が水の沸点未満の温度で加熱除去されるため、電解質膜からの水分の蒸発を防止し、電解質膜の臨界表面張力の低下を抑え、電解質膜に対する触媒組成物の濡れ性を改善することが可能になり、触媒層に剥がれやクラック等の欠陥が無い電解質膜−電極接合体を製造することができる。 By the above production method, the dispersion medium contained in the catalyst composition is solvent-substituted with a solvent having a boiling point lower than the boiling point of water, and the solvent is removed by heating at a temperature lower than the boiling point of water. It is possible to prevent evaporation, suppress a decrease in the critical surface tension of the electrolyte membrane, improve the wettability of the catalyst composition with respect to the electrolyte membrane, and there is no defect such as peeling or cracking in the catalyst layer. The body can be manufactured.
第3の発明は、電解質膜の一方の面に触媒粉末と水の沸点以上の沸点を有する分散媒を含む第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程と、第1の触媒組成物塗布工程によって電解質膜に塗布された第1の触媒組成物の分散媒を水で置換することにより、電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程と、第1の触媒層形成工程によって一方の面に第1の触媒層が形成された電解質膜の他方の面に触媒粉末と分散媒を含む第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程と、第2の触媒組成物塗布工程によって電解質膜に塗布された第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程を含む電解質膜−電極接合体の製造方法である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a first catalyst composition coating step in which a first catalyst composition including a dispersion medium having a boiling point equal to or higher than that of catalyst powder and water is applied to one surface of an electrolyte membrane; First catalyst layer formation for forming the first catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane by replacing the dispersion medium of the first catalyst composition applied to the electrolyte membrane by the catalyst composition coating step with water And a second catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is applied to the other surface of the electrolyte membrane having the first catalyst layer formed on one surface by the first catalyst layer forming step. By removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane by the catalyst composition application step and the second catalyst composition application step, the second catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane. It is a manufacturing method of the electrolyte membrane electrode assembly including the 2nd catalyst layer formation process to form.
上記製造方法により、触媒組成物に含まれる分散媒が水に置換されることで、分散媒を非加熱で除去することができるため、電解質膜からの水分の蒸発を防止し、電解質膜の臨界表面張力の低下を抑え、電解質膜に対する触媒組成物の濡れ性を改善することが可能になり、触媒層に剥がれやクラック等の欠陥が無い電解質膜−電極接合体を製造することができる。 Since the dispersion medium contained in the catalyst composition is replaced with water by the above production method, the dispersion medium can be removed without heating, so that evaporation of moisture from the electrolyte film is prevented and the criticality of the electrolyte film is reduced. A decrease in surface tension can be suppressed, the wettability of the catalyst composition with respect to the electrolyte membrane can be improved, and an electrolyte membrane-electrode assembly free from defects such as peeling and cracks in the catalyst layer can be produced.
第4の発明は、電解質膜の一方の面に触媒粉末と水の沸点未満の沸点を有する分散媒を含む第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程と、第1の触媒組成物塗布工程によって電解質膜に塗布された第1の触媒組成物を分散媒の沸点以上の温度であって、かつ水の沸点未満の温度で加熱して、第1の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程と、第1の触媒層形成工程によって一方の面に第1の触媒層が形成された電解質膜の他方の面に触媒粉末と分散媒を含む第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程と、第2の触媒組成物塗布工程によって電解質膜に塗布された第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程を含む電解質膜−電極接合体の製造方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a first catalyst composition coating step in which a first catalyst composition including a dispersion medium having a boiling point lower than that of catalyst powder and water is applied to one surface of an electrolyte membrane; The first catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the catalyst composition application step is heated at a temperature not lower than the boiling point of the dispersion medium and lower than the boiling point of water to be dispersed from the first catalyst composition. The first catalyst layer forming step of forming the first catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane by removing the medium, and the first catalyst layer is formed on one surface by the first catalyst layer forming step A second catalyst composition coating step of applying a second catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium to the other surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane was coated by the second catalyst composition coating step By removing the dispersion medium from the second catalyst composition, the second surface of the electrolyte membrane is Electrolyte membrane including a second catalyst layer forming step of forming a catalyst layer - is a manufacturing method of the electrode assembly.
上記製造方法により、触媒組成物に含まれる分散媒が水の沸点未満の温度で加熱除去されるため、電解質膜からの水分の蒸発を防止し、電解質膜の臨界表面張力の低下を抑え、電解質膜に対する触媒組成物の濡れ性を改善することが可能になり、触媒層に剥がれやクラック等の欠陥が無い電解質膜−電極接合体を製造することができる。 By the above manufacturing method, the dispersion medium contained in the catalyst composition is removed by heating at a temperature lower than the boiling point of water, so that evaporation of moisture from the electrolyte membrane is prevented, and the decrease in the critical surface tension of the electrolyte membrane is suppressed. It becomes possible to improve the wettability of the catalyst composition with respect to the membrane, and it is possible to produce an electrolyte membrane-electrode assembly free from defects such as peeling and cracks in the catalyst layer.
第5の発明は、特に、第1から第4の発明の製造方法により製造した電解質膜−電極接合体である。 In particular, the fifth invention is an electrolyte membrane-electrode assembly manufactured by the manufacturing method of the first to fourth inventions.
これにより、電解質膜の両面に形成される触媒層に剥がれやクラック等の欠陥が無くなるので、品質に優れ、かつ高性能な電解質膜−電極接合体を実現することができる。 Thereby, since the catalyst layers formed on both surfaces of the electrolyte membrane are free from defects such as peeling and cracks, an electrolyte membrane-electrode assembly having excellent quality and high performance can be realized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における電解質膜−電極接合体の製造方法によって製造された電解質膜−電極接合体の構成図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration diagram of an electrolyte membrane-electrode assembly produced by the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly in Embodiment 1 of the present invention.
また、図2は、本発明の実施の形態1における電解質膜−電極接合体の製造工程を示すフローチャートであり、図3は、本発明の実施の形態1における電解質膜−電極接合体の製造方法を示す模式図である。 FIG. 2 is a flowchart showing the manufacturing process of the electrolyte membrane-electrode assembly in the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly in the first embodiment of the present invention. It is a schematic diagram which shows.
まず、本発明の実施の形態1における、電解質膜−電極接合体について、図1を参照しながら、その構成と構成材料について具体的に説明する。 First, the configuration and constituent materials of the electrolyte membrane-electrode assembly according to Embodiment 1 of the present invention will be specifically described with reference to FIG.
図1において、電解質膜−電極接合体10は、電解質膜11と、電解質膜11の一方の面に形成される第1の触媒層12と、電解質膜11の他方の面に形成される第2の触媒層13から構成されている。
In FIG. 1, an electrolyte membrane-
電解質膜11は、水素イオン伝導性を有する樹脂で構成され、具体的には、含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の置換基を有する樹脂で構成されている。
The
第1の触媒層12と第2の触媒層13は、白金または白金合金を担持した炭素粒子からなる触媒粉末とパーフルオロカーボンスルホン酸イオノマーからなる高分子電解質を含んで構成されている。
The
次に、本発明の実施の形態1における、電解質膜−電極接合体の製造方法について、図2を参照しながら説明する。 Next, the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly in Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG.
図2に示すように、電解質膜−電極接合体の製造方法は、電解質膜の一方の面に第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程(S11)と、電解質膜に塗布された第1の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程(S12)と、一方の面に第1の触媒層が形成された電解質膜を加湿する電解質膜加湿工程(S13)と、電解質膜加湿工程(S13)で加湿された電解質膜の他方の面に第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程(S14)と、電解質膜に塗布された第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程(S15)を含んでいる。 As shown in FIG. 2, the manufacturing method of an electrolyte membrane-electrode assembly includes a first catalyst composition application step (S11) for applying a first catalyst composition to one surface of an electrolyte membrane, and an electrolyte membrane. A first catalyst layer forming step (S12) for forming a first catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the applied first catalyst composition, and a first catalyst layer forming step on the one surface. An electrolyte membrane humidifying step (S13) for humidifying the electrolyte membrane on which the first catalyst layer is formed, and a second catalyst composition is applied to the other surface of the electrolyte membrane humidified in the electrolyte membrane humidifying step (S13) The second catalyst composition coating step (S14) and a second catalyst layer formed on the other surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane. The catalyst layer forming step (S15) is included.
以下、上述した電解質膜−電極接合体の製造方法について、図2および図3を参照しながら、各工程を、順を追って、さらに詳細に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the above-described electrolyte membrane-electrode assembly will be described in detail with reference to FIG. 2 and FIG.
第1の触媒組成物塗布工程(S11)では、予め作製した第1の触媒組成物を電解質膜の一方の面に塗布する。 In the first catalyst composition application step (S11), a first catalyst composition prepared in advance is applied to one surface of the electrolyte membrane.
具体的には、電解質膜32を固定し、その一方の面に、第1の触媒組成物31をスクリーン印刷法により塗布する(図3の(a))。
Specifically, the
第1の触媒層形成工程(S12)では、第1の触媒組成物塗布工程(S11)で電解質膜の一方の面に塗布した第1の触媒組成物から分散媒を除去して、電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する。 In the first catalyst layer forming step (S12), the dispersion medium is removed from the first catalyst composition applied to one surface of the electrolyte membrane in the first catalyst composition applying step (S11), and the electrolyte membrane A first catalyst layer is formed on one surface.
具体的には、電解質膜32に塗布した第1の触媒組成物31を所定の条件で加熱することにより、第1の触媒組成物31から分散媒を除去し、電解質膜32の一方の面に第1の触媒層33を形成する(図3の(b))。
Specifically, the
電解質膜加湿工程(S13)では、第1の触媒層形成工程(S12)で一方の面に第1の触媒層が形成された電解質膜の他方の面を加湿する。 In the electrolyte membrane humidification step (S13), the other surface of the electrolyte membrane in which the first catalyst layer is formed on one surface in the first catalyst layer formation step (S12) is humidified.
具体的には、電解質膜32に水蒸気を噴霧し、第1の触媒層33が形成された電解質膜32を加湿する(図3の(c))。
Specifically, water vapor is sprayed onto the
第2の触媒組成物塗布工程(S14)では、電解質膜加湿工程(S13)で加湿された電解質膜の他方の面に、予め作製した第2の触媒組成物を塗布する。 In the second catalyst composition application step (S14), the second catalyst composition prepared in advance is applied to the other surface of the electrolyte membrane humidified in the electrolyte membrane humidification step (S13).
具体的には、一方の面に第1の触媒層33を形成した電解質膜32の加湿された他方の面が上面になるように電解質膜32を固定し、当該面に、第2の触媒組成物34をスクリーン印刷法により塗布する(図3の(d))。
Specifically, the
第2の触媒層形成工程(S15)では、第2の触媒組成物塗布工程(S14)で電解質膜に塗布した第2の触媒組成物から分散媒を除去して、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する。 In the second catalyst layer forming step (S15), the dispersion medium is removed from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the second catalyst composition applying step (S14), and the other surface of the electrolyte membrane is formed. A second catalyst layer is formed.
具体的には、一方の面に第1の触媒層33が形成された電解質膜32の他方の面に塗布された第2の触媒組成物34を所定の条件で加熱することにより、第2の触媒組成物34から分散媒を除去し、電解質膜32の他方の面に第2の触媒層35を形成し、電解質膜−電極接合体30を製造する(図3の(e))。
Specifically, the
以下、本実施の形態に係る電解質膜−電極接合体の製造方法について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。 Hereinafter, although the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly according to the present embodiment will be described in more detail based on specific examples, the present invention is not necessarily limited to the contents of the specific raw materials used below. It is not limited.
(実施例1)
本実施例では、電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成した後、第1の触媒層が形成された電解質膜を加湿し、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成して電解質膜−電極接合体を製造した。
Example 1
In this embodiment, after the first catalyst layer is formed on one surface of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane on which the first catalyst layer is formed is humidified, and the second catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane. An electrolyte membrane-electrode assembly was produced by forming the membrane.
まず、第1の触媒組成物を、以下の手順により作製した。つまり、触媒粉末として、白金を担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC10E50E)15重量部、高分子電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ製、製品番号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とエチルアルコール(和光純薬工業(株)製、沸点78.4℃)45重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、第1の触媒組成物(以下、触媒組成物aという。)を作製した。
First, the 1st catalyst composition was produced in the following procedures. That is, 15 parts by weight of platinum-supported carbon powder (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., product number: TEC10E50E) as catalyst powder, and 50 parts by weight of
こうして作製した触媒組成物aの表面張力を表面張力計(協和界面科学(株)製、型番:DY−300)を用いて測定したところ、触媒組成物aの20℃における表面張力は30.2mN/mであった。 When the surface tension of the catalyst composition a thus prepared was measured using a surface tension meter (model number: DY-300, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.), the surface tension of the catalyst composition a at 20 ° C. was 30.2 mN. / M.
次に、第2の触媒組成物を以下の手順により作製した。つまり、触媒粉末として、白金とルテニウムを担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC66E50)15重量部、高分子電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ社製、製品番号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とエチルアルコール(和光純薬工業(株)製、沸点78.4℃)45重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、第2の触媒組成物(以下、触媒組成物bという。)を作製した。 Next, the 2nd catalyst composition was produced in the following procedures. In other words, 15 parts by weight of a carbon powder carrying platinum and ruthenium (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., product number: TEC66E50) as a catalyst powder, and a 10% Nafion dispersion as a polymer electrolyte (manufactured by Sigma Aldrich, product number: 527114) 50 parts by weight, 20 parts by weight of pure water as a dispersion medium and 45 parts by weight of ethyl alcohol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., boiling point 78.4 ° C.) were collected in a container, and a dispersing machine (manufactured by Seiwa Giken Co., Ltd.) A product name: RS-05W) and an ultrasonic homogenizer (manufactured by Nippon Seiki Seisakusho, product name: US-150E) were kneaded at room temperature for 2 hours, and a second catalyst composition (hereinafter referred to as catalyst composition). b)).
こうして作製した触媒組成物bの表面張力を表面張力計(協和界面科学(株)製、型番:DY−300)を用いて測定したところ、触媒組成物bの20℃における表面張力は30.2mN/mであった。 When the surface tension of the catalyst composition b produced in this way was measured using a surface tension meter (model number: DY-300, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.), the surface tension at 20 ° C. of the catalyst composition b was 30.2 mN. / M.
続いて、以下の各工程を行い、電解質膜−電極接合体を製造した。 Subsequently, the following steps were performed to produce an electrolyte membrane-electrode assembly.
1番目の第1の触媒組成物塗布工程を説明する。 The 1st 1st catalyst composition application | coating process is demonstrated.
まず、電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸膜であるナフィオン112(デュポン(株)製)を用意し、ナフィオン112の臨界表面張力をジスマンプロット法により求めた。 First, Nafion 112 (manufactured by DuPont), which is a perfluorocarbon sulfonic acid film, was prepared as an electrolyte membrane, and the critical surface tension of Nafion 112 was determined by the Jisman plot method.
すなわち、各種の表面張力を有するぬれ指数標準液(和光純薬工業(株)製、製品名:ぬれ張力試験用混合液)をナフィオン112の表面に付着させ、それぞれの接触角θを接触角計(協和界面科学(株)、型番:DM−901)を用いて測定した。 That is, wetting index standard solutions having various surface tensions (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name: Wet tension test mixed solution) are attached to the surface of Nafion 112, and the respective contact angles θ are measured by contact angle meters. (Kyowa Interface Science Co., Ltd., model number: DM-901).
次に、横軸にcosθ、縦軸に各種のぬれ指数標準液の表面張力をプロットし、cosθ=1となる表面張力を求め、この表面張力をナフィオン112の臨界表面張力とした。 Next, cos θ is plotted on the horizontal axis, and surface tensions of various wetting index standard solutions are plotted on the vertical axis to determine the surface tension at which cos θ = 1, and this surface tension is taken as the critical surface tension of Nafion 112.
この結果、ナフィオン112の20℃における臨界表面張力は31.2mN/mであった。 As a result, the critical surface tension of Nafion 112 at 20 ° C. was 31.2 mN / m.
次に、臨界表面張力を測定したナフィオン112とは別に、新たにナフィオン112を3枚用意し、それらの一方の面に、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業(株)製、製品名:DP−320)を用いて、触媒組成物aをスクリーン印刷法により塗布した。 Next, separately from the Nafion 112 whose critical surface tension was measured, three new Nafion 112 were prepared, and a screen printing machine (manufactured by Neurong Seimitsu Kogyo Co., Ltd., product name: DP-) was prepared on one of them. 320), the catalyst composition a was applied by screen printing.
2番目の第1の触媒層形成工程を説明する。 The second first catalyst layer forming step will be described.
上述した第1の触媒組成物塗布工程により、触媒組成物aが塗布された3枚のナフィオン112を110℃に設定した恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:DKM300)に1時間放置することで、触媒組成物aを加熱して分散媒を除去した後に、室温に2時間放置して、各ナフィオン112の一方の面に触媒層(以下、触媒層A−1という。)を形成した。 In the first catalyst composition application process described above, the three Nafion 112 coated with the catalyst composition a are left for 1 hour in a thermostat set to 110 ° C. (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., model number: DKM300). Thus, after removing the dispersion medium by heating the catalyst composition a, the catalyst composition a was left at room temperature for 2 hours to form a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer A-1) on one surface of each Nafion 112. .
続いて、上述した方法によって触媒層A−1が形成された3枚のナフィオン112のうち、1枚について、触媒層A−1が形成された面の他方の面の臨界表面張力をジスマンプロット法により求めた。 Subsequently, for one of the three Nafions 112 on which the catalyst layer A-1 is formed by the above-described method, the critical surface tension of the other surface of the surface on which the catalyst layer A-1 is formed is expressed as a Jisman plot. Obtained by law.
すなわち、各種の表面張力を有するぬれ指数標準液(和光純薬工業(株)製、製品名:ぬれ張力試験用混合液)をナフィオン112の触媒層A−1が形成された面の他方の面の表面に付着させ、それぞれの接触角θを接触角計(協和界面科学(株)、型番:DM−901)を用いて測定した。 That is, a wetting index standard solution having various surface tensions (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name: mixed solution for wetting tension test) on the other side of the surface on which the catalyst layer A-1 of Nafion 112 is formed. Each contact angle θ was measured using a contact angle meter (Kyowa Interface Science Co., Ltd., model number: DM-901).
次に、横軸にcosθ、縦軸に各種のぬれ指数標準液の表面張力をプロットし、cosθ=1となる表面張力を求め、この表面張力を当該面の臨界表面張力とした。 Next, cos θ is plotted on the horizontal axis, and surface tensions of various wetting index standard solutions are plotted on the vertical axis to determine the surface tension at which cos θ = 1, and this surface tension is defined as the critical surface tension of the surface.
この結果、ナフィオン112の触媒層A−1が形成された面の他方の面の20℃における臨界表面張力は29.0mN/mであり、ナフィオン112の触媒層A−1が形成された面の臨界表面張力より小さかった。 As a result, the critical surface tension at 20 ° C. of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer A-1 is formed is 29.0 mN / m, and the surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer A-1 is formed. It was smaller than the critical surface tension.
ナフィオン112の触媒層A−1が形成された面の他方の面の臨界表面張力が小さくなったのは、触媒層A−1の形成工程において、ナフィオン112が水の沸点以上の温度に曝されることにより、ナフィオン112が含有している水分が蒸発したためであると考え
られる。
The critical surface tension of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer A-1 is formed is reduced because the Nafion 112 is exposed to a temperature higher than the boiling point of water in the formation process of the catalyst layer A-1. This is probably because the water contained in the Nafion 112 has evaporated.
3番目の電解質膜加湿工程を説明する。 A third electrolyte membrane humidification step will be described.
上述した第1の触媒層形成工程により一方の面に触媒層A−1が形成された3枚のナフィオン112のうち、触媒層A−1が形成された面の他方の面の臨界表面張力を測定したものとは別の残りの2枚について、超音波加湿器(ウエットマスター(株)製:製品名ENA1200)を用いて、ナフィオン112に水蒸気を噴霧し、触媒層A−1が形成されたナフィオン112を加湿した(以下、前記した方法により加湿されたナフィオン112の触媒層A−1が形成された面の他方の面を加湿面という。)。 Of the three Nafion 112 having the catalyst layer A-1 formed on one surface by the first catalyst layer forming step described above, the critical surface tension of the other surface on which the catalyst layer A-1 is formed is Using the ultrasonic humidifier (made by Wetmaster Co., Ltd .: product name ENA1200), water vapor was sprayed on Nafion 112 to form catalyst layer A-1 for the remaining two sheets different from the measured ones. The Nafion 112 was humidified (hereinafter, the other surface on which the catalyst layer A-1 of the Nafion 112 humidified by the above-described method was formed is referred to as a humidified surface).
次に、上述した方法により加湿した2枚のナフィオン112のうち、1枚について、その加湿面の臨界表面張力を前記と同じジスマンプロット法により求めた。 Next, the critical surface tension of the humidified surface of one of the two Nafions 112 humidified by the method described above was determined by the same Zisman plot method.
この結果、ナフィオン112の加湿面の20℃における臨界表面張力は31.0mN/mであり、ナフィオン112の触媒層A−1が形成された面の臨界表面張力とほぼ同じであった。 As a result, the critical surface tension at 20 ° C. of the humidified surface of Nafion 112 was 31.0 mN / m, which was almost the same as the critical surface tension of the surface of Nafion 112 on which catalyst layer A-1 was formed.
ナフィオン112の加湿面の臨界表面張力が触媒層A−1が形成された面の臨界表面張力とほぼ同じであったのは、触媒層A−1が形成されたナフィオン112が加湿されることにより、ナフィオン112が水分を含んだためであると考えられる。 The critical surface tension of the humidified surface of Nafion 112 was almost the same as the critical surface tension of the surface on which the catalyst layer A-1 was formed because the Nafion 112 on which the catalyst layer A-1 was formed was humidified. It is considered that Nafion 112 contains moisture.
4番目の第2の触媒組成物塗布工程を説明する。 A fourth second catalyst composition coating step will be described.
上述した電解質膜加湿工程により加湿された2枚のナフィオン112のうち、加湿面の臨界表面張力を測定したものとは別の残りの1枚について、その加湿面に、前述したスクリーン印刷機を用いて、上述した触媒組成物bをスクリーン印刷法により塗布した。 Of the two Nafion 112 humidified by the electrolyte membrane humidification process described above, the screen printer described above was used on the humidified surface of the remaining one other than the one that measured the critical surface tension of the humidified surface. Then, the above-described catalyst composition b was applied by a screen printing method.
5番目の第2の触媒層形成工程を説明する。 A fifth second catalyst layer forming step will be described.
触媒組成物bが塗布されたナフィオン112を前述した110℃に設定した恒温器に1時間放置することで、触媒組成物bを加熱して分散媒を除去した後、室温に2時間放置して、ナフィオン112の触媒層A−1が形成された他方の面に触媒層(以下、触媒層B−1という。)を形成し、電解質膜−電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体AB−1という。)を製造した。 By leaving the Nafion 112 coated with the catalyst composition b in the above-mentioned incubator set at 110 ° C. for 1 hour, the catalyst composition b is heated to remove the dispersion medium, and then left at room temperature for 2 hours. A catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer B-1) is formed on the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer A-1 is formed, and an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter, electrolyte membrane-electrode assembly AB) is formed. -1)).
こうして製造した電解質膜−電極接合体AB−1の表面を目視で観察したところ、触媒層A−1および触媒層B−1は剥がれやクラックが無いものであった。 When the surface of the electrolyte membrane-electrode assembly AB-1 thus produced was observed with the naked eye, the catalyst layer A-1 and the catalyst layer B-1 were free from peeling and cracking.
(実施例2)
本実施例では、電解質膜の一方の面の全面に予め基材を配置したこと、電解質膜の加湿を当該基材を剥離した後に行ったこと以外は、上述した実施例1と同一の製造方法により電解質膜−電極接合体を製造した。
(Example 2)
In this example, the same manufacturing method as in Example 1 described above, except that the base material was previously disposed on the entire surface of one side of the electrolyte membrane, and that the humidification of the electrolyte membrane was performed after the base material was peeled off. Thus, an electrolyte membrane-electrode assembly was produced.
まず、電解質膜としてナフィオン112を、第1の触媒組成物として触媒組成物aを、第2の触媒組成物として触媒組成物bを用意し、また基材として厚みが100μmのポリエチレンテレフタレートからなるシート(以下、PETシートという。)を用意して、ナフィオン112の一方の面の全面がPETシートに密着するように、ナフィオン112をPETシートの上に配置した。 First, Nafion 112 is prepared as an electrolyte membrane, catalyst composition a as a first catalyst composition, catalyst composition b as a second catalyst composition, and a sheet made of polyethylene terephthalate having a thickness of 100 μm as a substrate. (Hereinafter referred to as “PET sheet”) was prepared, and the Nafion 112 was placed on the PET sheet so that one whole surface of the Nafion 112 was in close contact with the PET sheet.
次に、実施例1の1番目の第1の触媒組成物塗布工程と、2番目の第1の触媒層形成工程を行い、ナフィオン112のPETシートを配置した面の反対側の面に触媒層(以下、触媒層A−2という)を形成した。 Next, the first first catalyst composition coating step and the second first catalyst layer forming step of Example 1 are performed, and the catalyst layer is formed on the surface opposite to the surface on which the PET sheet of Nafion 112 is disposed. (Hereinafter referred to as catalyst layer A-2).
続いて、触媒層A−2が形成されたナフィオン112からPETシートを剥離した後、実施例1の3番目の電解質膜加湿工程を行い、ナフィオン112を加湿した。 Subsequently, after the PET sheet was peeled from the Nafion 112 on which the catalyst layer A-2 was formed, the third electrolyte membrane humidification step of Example 1 was performed to humidify the Nafion 112.
その後、実施例1の4番目の第2の触媒組成物塗布工程と5番目の第2の触媒層形成工程を行い、ナフィオン112の触媒層A−2が形成された面の他方の面に触媒層(以下、触媒層B−2という。)を形成し、高分子電解質電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体AB−2という。)を製造した。 Thereafter, the fourth second catalyst composition coating step and the fifth second catalyst layer forming step of Example 1 are performed, and the catalyst is formed on the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer A-2 is formed. A layer (hereinafter referred to as catalyst layer B-2) was formed to produce a polymer electrolyte electrode assembly (hereinafter referred to as electrolyte membrane-electrode assembly AB-2).
こうして製造した電解質膜−電極接合体AB−2の表面を目視で観察したところ、触媒層A−2および触媒層B−2は剥がれやクラックが無いものであった。 When the surface of the electrolyte membrane-electrode assembly AB-2 produced in this manner was visually observed, the catalyst layer A-2 and the catalyst layer B-2 were free from peeling and cracking.
(比較例1)
電解質膜を加湿しなかったこと以外は、上述した実施例1と同一の製造方法により電解質膜−電極接合体を製造した。
(Comparative Example 1)
An electrolyte membrane-electrode assembly was produced by the same production method as in Example 1 except that the electrolyte membrane was not humidified.
まず、電解質膜としてナフィオン112を、第1の触媒組成物として触媒組成物aを、第2の触媒組成物として触媒組成物bを用意し、実施例1の1番目の第1の触媒組成物塗布工程と2番目の第1の触媒層形成工程を行い、ナフィオン112の一方の面に触媒層(以下、触媒層A−3という)を形成した。 First, Nafion 112 is prepared as an electrolyte membrane, catalyst composition a is prepared as a first catalyst composition, and catalyst composition b is prepared as a second catalyst composition, and the first first catalyst composition of Example 1 is prepared. The coating step and the second first catalyst layer forming step were performed to form a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer A-3) on one surface of Nafion 112.
その後、実施例1の4番目の第2の触媒組成物塗布工程と5番目の第2の触媒層形成工程を行い、ナフィオン112の触媒層A−3が形成された面の他方の面に触媒層(以下、触媒層B−3という。)形成し、高分子電解質電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体AB−3という。)を製造した。 Thereafter, the fourth second catalyst composition coating step and the fifth second catalyst layer forming step of Example 1 are performed, and the catalyst is formed on the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer A-3 is formed. A layer (hereinafter referred to as catalyst layer B-3) was formed to produce a polymer electrolyte electrode assembly (hereinafter referred to as electrolyte membrane-electrode assembly AB-3).
こうして製造した電解質膜−電極接合体AB−3の表面を目視で観察したところ、触媒層A−3は剥がれやクラックが無いものであったが、触媒層B−3は触媒層の一部に剥がれが発生し、また、触媒層が存在する部分においてもクラックが多数存在するものであった。 When the surface of the electrolyte membrane-electrode assembly AB-3 thus produced was visually observed, the catalyst layer A-3 was free from peeling and cracking, but the catalyst layer B-3 was part of the catalyst layer. Peeling occurred, and many cracks existed even in the portion where the catalyst layer was present.
(比較例2)
電解質膜を加湿しなかったこと以外は、上述した実施例2と同一の製造方法により電解質膜−電極接合体を製造した。
(Comparative Example 2)
An electrolyte membrane-electrode assembly was produced by the same production method as in Example 2 described above, except that the electrolyte membrane was not humidified.
まず、電解質膜としてナフィオン112を、第1の触媒組成物として触媒組成物aを、第2の触媒組成物として触媒組成物bを用意し、また、基材としてPETシートを用意して、ナフィオン112の一方の面の全面がPETシートに密着するように、ナフィオン112をPETシートの上に配置した。 First, Nafion 112 is prepared as an electrolyte membrane, catalyst composition a is prepared as a first catalyst composition, catalyst composition b is prepared as a second catalyst composition, and a PET sheet is prepared as a substrate. The Nafion 112 was placed on the PET sheet so that the entire surface of one surface of the 112 was in close contact with the PET sheet.
次に、実施例1の1番目の第1の触媒組成物塗布工程と2番目の第1の触媒層形成工程を行い、ナフィオン112のPETシートを配置した面の反対側の面に触媒層(以下、触媒層A−4という)を形成した。 Next, the first first catalyst composition coating step and the second first catalyst layer forming step of Example 1 are performed, and the catalyst layer (on the surface opposite to the surface on which the PET sheet of Nafion 112 is disposed) Hereinafter, catalyst layer A-4) was formed.
その後、ナフィオン112からPETシートを剥離した後、実施例1の4番目の第2の触媒組成物塗布工程と5番目の第2の触媒層形成工程を行い、ナフィオン112の触媒層A−3が形成された面の他方の面に触媒層(以下、触媒層B−4という。)を形成し、高
分子電解質電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体AB−4という。)を製造した。
Thereafter, after peeling the PET sheet from the Nafion 112, the fourth second catalyst composition coating step and the fifth second catalyst layer forming step of Example 1 are performed, and the catalyst layer A-3 of the Nafion 112 is formed. A catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer B-4) was formed on the other surface of the formed surface to produce a polymer electrolyte electrode assembly (hereinafter referred to as electrolyte membrane-electrode assembly AB-4). .
こうして製造した電解質膜−電極接合体AB−4の表面を目視で観察したところ、触媒層A−4は剥がれやクラックが無いものであったが、触媒層B−4は触媒層の一部に剥がれが発生し、また、触媒層が存在する部分においてもクラックが多数存在するものであった。 When the surface of the electrolyte membrane-electrode assembly AB-4 thus produced was visually observed, the catalyst layer A-4 was free from peeling and cracking, but the catalyst layer B-4 was part of the catalyst layer. Peeling occurred, and many cracks existed even in the portion where the catalyst layer was present.
以上の結果を(表1)にまとめた。 The above results are summarized in (Table 1).
これは、触媒組成物a、bの表面張力がナフィオン112の臨界表面張力より小さいため、触媒組成物a、bがナフィオン112に濡れ、均一な触媒層を形成することができたためと考えられる。 This is presumably because the catalyst compositions a and b were wet with the Nafion 112 and a uniform catalyst layer could be formed because the surface tension of the catalyst compositions a and b was smaller than the critical surface tension of the Nafion 112.
一方、比較例1、比較例2の電解質膜−電極接合体(電解質膜−電極接合体AB−3、AB−4)は、一方の触媒層において、剥がれやクラックは無かったが、他方の触媒層において、剥がれやクラックが発生し、本実施例に係る電解質膜−電極接合体(電解質膜−電極接合体AB−1、AB−2)に比べ、品質に劣るものであった。 On the other hand, the electrolyte membrane-electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly AB-3, AB-4) of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 had neither peeling nor cracking in one catalyst layer, but the other catalyst In the layer, peeling and cracking occurred, and the quality was inferior to that of the electrolyte membrane-electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly AB-1, AB-2) according to this example.
これは、剥がれやクラックが無かった側の触媒層においては、触媒組成物aの表面張力がナフィオン112の触媒組成物aの塗布面の臨界表面張力より小さいため、触媒組成物aがナフィオン112に濡れ、均一な触媒層を形成することができたためと考えられ、剥がれやクラックが発生した側の触媒層においては、触媒層の形成工程において、ナフィオン112が水分を失って臨界表面張力が小さくなるため、触媒組成物bの表面張力がナフィオン112の触媒組成物bの塗布面の臨界表面張力より大きくなるために、触媒組成物bがナフィオン112に濡れず、均一な触媒層を形成することができなかったためと考えられる。 This is because in the catalyst layer on the side where there was no peeling or cracking, the surface tension of the catalyst composition a is smaller than the critical surface tension of the application surface of the catalyst composition a of the Nafion 112. This is probably because the catalyst layer on the side where peeling or cracking occurred was generated in the catalyst layer formation process, and Nafion 112 lost water and the critical surface tension was reduced. Therefore, since the surface tension of the catalyst composition b becomes larger than the critical surface tension of the application surface of the catalyst composition b of the Nafion 112, the catalyst composition b does not get wet with the Nafion 112 and a uniform catalyst layer can be formed. It is thought that it was not possible.
続いて、上述した各電解質膜−電極接合体の性能を調べ、燃料電池の発電性能に及ぼす影響を調べるために、電解質膜−電極接合体AB−1〜AB−4を用いて単電池(1)〜(4)を作製し、発電試験を行った。 Subsequently, in order to investigate the performance of each of the above-described electrolyte membrane-electrode assemblies and examine the influence on the power generation performance of the fuel cell, a single cell (1) is used by using the electrolyte membrane-electrode assemblies AB-1 to AB-4. ) To (4) were produced and a power generation test was performed.
ここで、単電池(1)〜(4)は、電解質膜−電極接合体AB−1〜AB−4の両面に、ガス拡散層を配置した後、電解質膜−電極接合体AB−1〜AB−4とガス拡散層の外周部にシリコーン樹脂からなるガスケット(クレハエラストマー(株)製、品番:SB50NJP)を接合し、さらに、表面にガス流路を形成した樹脂含浸黒鉛板から構成したセパレータを電解質膜−電極接合体の両面に配置して作製した。 Here, in the cells (1) to (4), the gas diffusion layers are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane-electrode assemblies AB-1 to AB-4, and then the electrolyte membrane-electrode assemblies AB-1 to AB. -4 and a gas diffusion layer gasket (Kureha Elastomer Co., Ltd., product number: SB50NJP) bonded to the outer periphery of the gas diffusion layer, and a separator composed of a resin-impregnated graphite plate having a gas flow path formed on the surface. The electrolyte membrane-electrode assembly was disposed on both sides.
ガス拡散層は、カーボンペーパー(東レ(株)製、製品名:TGP−H−120)にアセチレンブラックとポリテトラフルオロエチレンの分散液(ダイキン工業(株)製、製品名:D−1)および純水の混合物を塗布して、350℃で2時間加熱して作製した。 The gas diffusion layer is made of carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., product name: TGP-H-120), a dispersion of acetylene black and polytetrafluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Ltd., product name: D-1) and A mixture of pure water was applied and heated at 350 ° C. for 2 hours.
また、単電池(1)〜(4)の発電性能は、空気極に空気を流し、燃料極には二酸化炭素25%および一酸化炭素50ppmを含む水素ガスを流し、電池温度を80℃、空気利用率を40%、燃料利用率を80%、空気の露点を60℃、水素ガスの露点を75℃に設定し、電流密度0.2A/cm2において発電させた時の電池電圧を測定した。単電池(1)〜(4)の電池電圧を(表2)に示す。 In addition, the power generation performance of the cells (1) to (4) is such that air is passed through the air electrode, hydrogen gas containing 25% carbon dioxide and 50 ppm carbon monoxide is passed through the fuel electrode, the battery temperature is 80 ° C., air The battery voltage was measured when power was generated at a current density of 0.2 A / cm 2 with a utilization rate of 40%, fuel utilization rate of 80%, air dew point of 60 ° C. and hydrogen gas dew point of 75 ° C. . The battery voltages of the cells (1) to (4) are shown in (Table 2).
これは、触媒組成物a、bがナフィオン112に濡れることで、剥がれやクラックが無い均一な触媒層が形成され、電解質膜−電極接合体の性能が向上したため、単電池(3)、(4)と比較して燃料電池の発電性能が向上したためと考えられる。 This is because the catalyst compositions a and b get wet with the Nafion 112 to form a uniform catalyst layer without peeling or cracking, and the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly is improved. This is probably because the power generation performance of the fuel cell has improved compared to
以上の発電試験から、本実施形態で作製された電解質膜−電極接合体AB−1、AB−2は、電解質膜−電極接合体の性能が向上し、燃料電池の発電性能を向上できることが確認できた。 From the above power generation test, it is confirmed that the electrolyte membrane-electrode assembly AB-1 and AB-2 produced in the present embodiment can improve the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly and improve the power generation performance of the fuel cell. did it.
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2における電解質膜−電極接合体の製造方法によって製造
された電解質膜−電極接合体の構成図を示すものである。
(Embodiment 2)
FIG. 4 shows a configuration diagram of an electrolyte membrane-electrode assembly produced by the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly in the second embodiment of the present invention.
また、図5は、本発明の実施の形態2における電解質膜−電極接合体の製造工程を示すフローチャートであり、図6は、本発明の実施の形態2における電解質膜−電極接合体の製造方法を示す模式図である。 FIG. 5 is a flowchart showing a manufacturing process of the electrolyte membrane-electrode assembly in the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly in the second embodiment of the present invention. It is a schematic diagram which shows.
まず、本発明の実施の形態2における、電解質膜−電極接合体について、図4を参照しながら、その構成と構成材料について具体的に説明する。 First, the configuration and constituent materials of the electrolyte membrane-electrode assembly according to Embodiment 2 of the present invention will be specifically described with reference to FIG.
図4において、電解質膜−電極接合体40は、電解質膜41と、電解質膜41の一方の面に形成される第1の触媒層42と、電解質膜41の他方の面に形成される第2の触媒層43から構成されている。
In FIG. 4, an electrolyte membrane-
電解質膜41は、水素イオン伝導性を有する樹脂で構成され、具体的には、含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の置換基を有する樹脂で構成されている。 The electrolyte membrane 41 is made of a resin having hydrogen ion conductivity. Specifically, the electrolyte membrane 41 is made of a resin having a fluorine-containing polymer as a skeleton and a substituent such as a sulfonic acid group, a carboxyl group, or a phosphoric acid group. Yes.
第1の触媒層42と第2の触媒層43は、白金または白金合金を担持した炭素粒子からなる触媒粉末とパーフルオロカーボンスルホン酸イオノマーからなる高分子電解質を含んで構成されている。
The
次に、本発明の実施の形態2における、電解質膜−電極接合体の製造方法について、図5を参照しながら説明する。 Next, a method for manufacturing an electrolyte membrane-electrode assembly in Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
図5に示すように、電解質膜−電極接合体の製造方法は、電解質膜の一方の面に第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程(S21)と、電解質膜に塗布された第1の触媒組成物に含まれる分散媒を水の沸点未満の沸点を有する溶媒で溶媒置換して電解質膜の一方の面に溶媒置換触媒組成物を形成する溶媒置換触媒組成物形成工程(S22)と、溶媒置換触媒組成物から溶媒を除去することにより、電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程(S23)と、電解質膜の第1の触媒層が形成された面の他方の面に第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程(S24)と、電解質膜に塗布された第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程(S25)を含んでいる。 As shown in FIG. 5, the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly includes a first catalyst composition application step (S21) in which the first catalyst composition is applied to one surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane. Solvent replacement catalyst composition formation in which the dispersion medium contained in the applied first catalyst composition is solvent-substituted with a solvent having a boiling point lower than that of water to form a solvent replacement catalyst composition on one surface of the electrolyte membrane A step (S22), a first catalyst layer forming step (S23) for forming a first catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane by removing the solvent from the solvent replacement catalyst composition, A second catalyst composition coating step (S24) in which the second catalyst composition is coated on the other surface of the surface on which the first catalyst layer is formed, and the second catalyst composition coated on the electrolyte membrane is dispersed. The second catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane by removing the medium. It includes a second catalyst layer forming step (S25).
以下、上述した電解質膜−電極接合体の製造方法について、図5および図6を参照しながら、各工程を順を追って、さらに詳細に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the above-described electrolyte membrane-electrode assembly will be described in further detail with reference to FIG. 5 and FIG.
第1の触媒組成物塗布工程(21)では、予め作製した第1の触媒組成物を電解質膜の一方の面に塗布する。具体的には、電解質膜62を固定し、その一方の面に、第1の触媒組成物61をスクリーン印刷法により塗布する(図6の(a))。
In the first catalyst composition application step (21), a first catalyst composition prepared in advance is applied to one surface of the electrolyte membrane. Specifically, the
溶媒置換触媒組成物形成工程(S22)では、第1の触媒組成物塗布工程(S21)で電解質膜の一方の面に塗布した第1の触媒組成物に含まれる分散媒を水の沸点未満の沸点を有する溶媒に溶媒置換する。 In the solvent replacement catalyst composition formation step (S22), the dispersion medium contained in the first catalyst composition applied to one surface of the electrolyte membrane in the first catalyst composition application step (S21) is less than the boiling point of water. The solvent is replaced with a solvent having a boiling point.
具体的には、水の沸点未満の沸点を有する溶媒63を貯めた容器を用意し、該溶媒63に電解質膜62に塗布した第1の触媒組成物61を浸漬し、第1の触媒組成物61に含まれる分散媒を当該溶媒63に溶媒置換し、電解質膜62の一方の面に溶媒置換触媒組成物64を形成する(図6の(b))。
Specifically, a container storing a solvent 63 having a boiling point less than the boiling point of water is prepared, and the
第1の触媒層形成工程(S23)では、溶媒置換触媒組成物形成工程(S22)で電解質膜の一方の面に形成された溶媒置換触媒組成物から溶媒を除去することにより第1の触媒層を形成する。 In the first catalyst layer forming step (S23), the first catalyst layer is formed by removing the solvent from the solvent replacement catalyst composition formed on one surface of the electrolyte membrane in the solvent replacement catalyst composition forming step (S22). Form.
具体的には、電解質膜62の一方の面に形成された溶媒置換触媒組成物64を所定の温度で加熱することにより、溶媒置換触媒組成物64から溶媒を除去し、電解質膜62の一方の面に第1の触媒層65を形成する(図6の(c))。
Specifically, the solvent
第2の触媒組成物塗布工程(S24)では、予め作製した第2の触媒組成物を電解質膜の他方の面に塗布する。 In the second catalyst composition application step (S24), a second catalyst composition prepared in advance is applied to the other surface of the electrolyte membrane.
具体的には、一方の面に第1の触媒層65が形成された電解質膜62の他方の面が上面になるように電解質膜62を固定して、電解質膜62の第1の触媒層65が形成された面の他方の面に、第2の触媒組成物66をスクリーン印刷法により塗布する(図6の(d))。
Specifically, the
第2の触媒層形成工程(S25)では、第2の触媒組成物塗布工程(S24)で電解質膜に塗布した第2の触媒組成物から分散媒を除去して第2の触媒層を形成する。 In the second catalyst layer forming step (S25), the dispersion medium is removed from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the second catalyst composition applying step (S24) to form the second catalyst layer. .
具体的には、一方の面に第1の触媒層65が形成された電解質膜62の他方の面に塗布された第2の触媒組成物66を所定の条件で加熱することにより、第2の触媒組成物66から分散媒を除去し、電解質膜62の他方の面に第2の触媒層67を形成し、電解質膜−電極接合体60を製造する(図6の(e))。
Specifically, the
以下、本実施の形態に係る電解質膜−電極接合体の製造方法について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。 Hereinafter, although the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly according to the present embodiment will be described in more detail based on specific examples, the present invention is not necessarily limited to the contents of the specific raw materials used below. It is not limited.
(実施例3)
本実施例では、電解質膜の一方の面に触媒組成物を塗布し、該触媒組成物に含まれる分散媒を水の沸点未満の沸点を有する溶媒で溶媒置換して溶媒置換触媒組成物を形成した後に、該溶媒置換触媒組成物から溶媒を除去し触媒層を形成して、電解質膜−電極接合体を製造した。
(Example 3)
In this example, a catalyst composition is applied to one surface of an electrolyte membrane, and the solvent contained in the catalyst composition is replaced with a solvent having a boiling point lower than that of water to form a solvent-substituted catalyst composition. Then, the solvent was removed from the solvent-substituted catalyst composition to form a catalyst layer, and an electrolyte membrane-electrode assembly was manufactured.
まず、第1の触媒組成物を以下の手順により作製した。つまり、触媒粉末として、白金を担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC10E50E)15重量部、高分子電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ製、製品番号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とn−ブタノール(和光純薬工業(株)製、沸点117℃)55重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、第1の触媒組成物(以下、触媒組成物cという。)を作製した。
First, the 1st catalyst composition was produced in the following procedures. That is, 15 parts by weight of platinum-supported carbon powder (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., product number: TEC10E50E) as catalyst powder, and 50 parts by weight of
こうして作製した触媒組成物cの表面張力を表面張力計(協和界面科学(株)製、型番:DY−300)を用いて測定したところ、触媒組成物cの20℃における表面張力は29.0mN/mであった。 When the surface tension of the catalyst composition c thus prepared was measured using a surface tension meter (model number: DY-300, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.), the surface tension at 20 ° C. of the catalyst composition c was 29.0 mN. / M.
次に、第2の触媒組成物を以下の手順により作製した。つまり、触媒粉末として、白金とルテニウムを担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC66E50)15重量部、高分子電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ社製、製品番
号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とエチルアルコール(和光純薬工業(株)製、沸点78.4℃)55重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、第2の触媒組成物(以下、触媒組成物dという。)を作製した。
Next, the 2nd catalyst composition was produced in the following procedures. In other words, 15 parts by weight of a carbon powder carrying platinum and ruthenium (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., product number: TEC66E50) as a catalyst powder, and a 10% Nafion dispersion as a polymer electrolyte (manufactured by Sigma Aldrich, product number: 527114) 50 parts by weight, 20 parts by weight of pure water as a dispersion medium and 55 parts by weight of ethyl alcohol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., boiling point 78.4 ° C.) were collected in a container, and a dispersing machine (manufactured by Seiwa Giken Co., Ltd.) A product name: RS-05W) and an ultrasonic homogenizer (manufactured by Nippon Seiki Seisakusho, product name: US-150E) were kneaded at room temperature for 2 hours, and a second catalyst composition (hereinafter referred to as catalyst composition). d)).
こうして作製した触媒組成物dの表面張力を表面張力計(協和界面科学(株)製、型番:DY−300)を用いて測定したところ、触媒組成物dの20℃における表面張力は28.5mN/mであった。 When the surface tension of the catalyst composition d thus prepared was measured using a surface tension meter (model number: DY-300, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.), the surface tension at 20 ° C. of the catalyst composition d was 28.5 mN. / M.
続いて、以下の各工程を行い、電解質膜−電極接合体を製造した。 Subsequently, the following steps were performed to produce an electrolyte membrane-electrode assembly.
1番目の第1の触媒組成物塗布工程を説明する。 The 1st 1st catalyst composition application | coating process is demonstrated.
電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製、20℃での臨界表面張力は31.2mN/m)を2枚用意し、それら各々の一方の面に、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業(株)製:製品名:DP−320)を用いて、上述した触媒組成物cをスクリーン印刷法により塗布した。 Two electrolyte membranes, Nafion 112 (manufactured by DuPont, critical surface tension at 20 ° C. of 31.2 mN / m), were prepared. Co., Ltd .: Product name: DP-320) was used to apply the catalyst composition c described above by screen printing.
2番目の溶媒置換触媒組成物形成工程を説明する。 The second solvent replacement catalyst composition forming step will be described.
上述した第1の触媒組成物塗布工程により、一方の面に触媒組成物cを塗布した2枚のナフィオン112をペンタン(和光純薬工業(株)製、沸点36.1℃)を貯めた容器に浸漬した。 A container in which pentane (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., boiling point: 36.1 ° C.) is stored as two Nafion 112 coated with the catalyst composition c on one side by the first catalyst composition coating step described above. Soaked in.
このとき、ナフィオン112を上側、触媒組成物cを下側にし、触媒組成物cのみがペンタンに浸かるように、ペンタンの量は触媒組成物cがすり切り浸かるまでとした。この状態で30分間浸漬した後、ナフィオン112を容器から取り出し、ナフィオン112の一方の面に溶媒置換触媒組成物を形成した。 At this time, the amount of pentane was set so that the catalyst composition c was soaked so that only the catalyst composition c was immersed in pentane with the Nafion 112 on the upper side and the catalyst composition c on the lower side. After immersing in this state for 30 minutes, Nafion 112 was taken out of the container, and a solvent substitution catalyst composition was formed on one surface of Nafion 112.
3番目の第1の触媒層形成工程を説明する。 A third first catalyst layer forming step will be described.
上述した溶媒置換触媒組成物形成工程により、一方の面に溶媒置換触媒組成物を形成した2枚のナフィオン112を50℃に設定した恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:DKM300)に1時間放置することで、溶媒置換触媒組成物からペンタンを除去した後、室温に2時間放置して、ナフィオン112の一方の面に触媒層(以下、触媒層C−1という。)を形成した。 1 in a thermostat (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., model number: DKM300) in which two Nafion 112 having a solvent substitution catalyst composition formed on one surface by the above-described solvent substitution catalyst composition formation step is set to 50 ° C. By leaving it for a period of time, pentane was removed from the solvent-substituted catalyst composition, and then left at room temperature for 2 hours to form a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer C-1) on one surface of Nafion 112.
上述した方法により触媒層C−1が形成された2枚のナフィオン112のうち、1枚について、触媒層C−1が形成された面の他方の面の臨界表面張力をジスマンプロット法により求めた。 Of the two Nafions 112 on which the catalyst layer C-1 is formed by the above-described method, the critical surface tension of the other surface of the surface on which the catalyst layer C-1 is formed is obtained by the Jisman plot method. It was.
すなわち、各種の表面張力を有するぬれ指数標準液(和光純薬工業(株)製、製品名:ぬれ張力試験用混合液)をナフィオン112の触媒層C−1が形成された面の他方の表面に付着させ、それぞれの接触角θを接触角計(協和界面科学(株)、型番:DM−901)を用いて測定した。 That is, a wetting index standard solution having various surface tensions (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name: mixed solution for wetting tension test) is the other surface of the surface on which the catalyst layer C-1 of Nafion 112 is formed. Each contact angle θ was measured using a contact angle meter (Kyowa Interface Science Co., Ltd., model number: DM-901).
次に、横軸にcosθ、縦軸に各種のぬれ指数標準液の表面張力をプロットし、cosθ=1となる表面張力を求め、この表面張力を当該面の臨界表面張力とした。 Next, cos θ is plotted on the horizontal axis, and surface tensions of various wetting index standard solutions are plotted on the vertical axis to determine the surface tension at which cos θ = 1, and this surface tension is defined as the critical surface tension of the surface.
この結果、ナフィオン112の当該面の20℃における臨界表面張力は31.2mN/mであり、ナフィオン112の触媒層C−1が形成された面の臨界表面張力と同じであった。 As a result, the critical surface tension of the surface of Nafion 112 at 20 ° C. was 31.2 mN / m, which was the same as the critical surface tension of the surface of Nafion 112 on which the catalyst layer C-1 was formed.
ナフィオン112の触媒層C−1が形成された面の他方の面の臨界表面張力が、ナフィオン112の触媒層C−1が形成された面の臨界表面張力と同じであったのは、触媒層C−1の形成工程において、ナフィオン112が水の沸点以上の温度に加熱されることがなく、ナフィオン112から水分が蒸発しなかったためであると考えられる。 The critical surface tension of the other surface of the surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer C-1 was formed was the same as the critical surface tension of the surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer C-1 was formed. This is probably because the Nafion 112 was not heated to a temperature equal to or higher than the boiling point of water in the C-1 formation process, and the water did not evaporate from the Nafion 112.
4番目の第2の触媒組成物塗布工程を説明する。 A fourth second catalyst composition coating step will be described.
上述した第1の触媒層形成工程により触媒層C−1が形成された2枚のナフィオン112のうち、臨界表面張力を測定したものとは別の残りの1枚について、触媒層C−1が形成された面の他方の面に、前述したスクリーン印刷機を用いて、上述した触媒組成物dをスクリーン印刷法により塗布した。 Of the two Nafions 112 on which the catalyst layer C-1 is formed by the first catalyst layer forming step described above, the catalyst layer C-1 is the remaining one other than the one that has measured the critical surface tension. On the other side of the formed surface, the above-described catalyst composition d was applied by a screen printing method using the screen printing machine described above.
5番目の第2の触媒層形成工程を説明する。 A fifth second catalyst layer forming step will be described.
触媒組成物dが塗布されたナフィオン112を、110℃に設定した恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:DKM300)に1時間放置することで、触媒組成物dから分散媒を加熱して除去した後、室温に2時間放置して、ナフィオン112の他方の面に触媒層(以下、触媒層D−1という。)を形成し、電解質膜−電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体CD−1という。)を製造した。 The dispersion medium is heated from the catalyst composition d by leaving the Nafion 112 coated with the catalyst composition d in a thermostat set to 110 ° C. (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., model number: DKM300) for 1 hour. After removal, the substrate is left at room temperature for 2 hours to form a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer D-1) on the other surface of Nafion 112, and an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as electrolyte membrane-electrode junction). Body CD-1).
こうして製造した電解質膜−電極接合体CD−1の表面を目視で観察したところ、触媒層C−1および触媒層D−1は剥がれやクラックが無いものであった。 When the surface of the thus produced electrolyte membrane-electrode assembly CD-1 was visually observed, the catalyst layer C-1 and the catalyst layer D-1 were free from peeling and cracking.
(比較例3)
第1の触媒組成物の分散媒を溶媒置換しなかったこと、第1の触媒層形成工程における恒温器の温度を50℃から130℃に代え、電解質膜に塗布した第1の触媒組成物を加熱する温度を50℃から130℃に代えたこと以外は、上述した実施例3と同一の製造方法により電解質膜−電極接合体を作製した。
(Comparative Example 3)
The dispersion medium of the first catalyst composition was not replaced with a solvent, the temperature of the incubator in the first catalyst layer forming step was changed from 50 ° C. to 130 ° C., and the first catalyst composition applied to the electrolyte membrane was changed to An electrolyte membrane-electrode assembly was produced by the same production method as in Example 3 except that the heating temperature was changed from 50 ° C to 130 ° C.
まず、電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製、20℃での臨界表面張力は31.2mN/m)を2枚用意し、また第1の触媒組成物として触媒組成物cを、第2の触媒組成物として触媒組成物dを用意し、実施例3の1番目の第1の触媒組成物塗布工程を行い、各ナフィオン112の一方の面に触媒組成物cを塗布した。 First, two sheets of Nafion 112 (manufactured by DuPont, whose critical surface tension at 20 ° C. is 31.2 mN / m) are prepared as electrolyte membranes, and the catalyst composition c is used as the first catalyst composition. The catalyst composition d was prepared as the catalyst composition of No. 2, and the first first catalyst composition application step of Example 3 was performed to apply the catalyst composition c to one surface of each Nafion 112.
続いて、一方の面に触媒組成物cを塗布した2枚のナフィオンを130℃に設定した恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:DKM300)に1時間放置することで、触媒組成物cをn−ブタノールの沸点以上の温度である130℃で加熱してn−ブタノールを除去した後、室温に2時間放置して、ナフィオン112の一方の面に触媒層(以下、触媒層C−2という)を形成した。 Subsequently, the two Nafions coated with the catalyst composition c on one surface were allowed to stand for 1 hour in a thermostat set to 130 ° C. (model number: DKM300, manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.), whereby the catalyst composition c Is heated at 130 ° C., which is equal to or higher than the boiling point of n-butanol, to remove n-butanol, and then left at room temperature for 2 hours to form a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer C-2 on one side of Nafion 112). Formed).
次に、上述した方法により触媒層C−2が形成された2枚のナフィオン112のうち、1枚について、触媒層C−2が形成された面の他方の面の臨界表面張力を前記と同じジスマンプロット法により求めた。 Next, the critical surface tension of the other surface on which the catalyst layer C-2 is formed is the same as the above for one of the two Nafions 112 on which the catalyst layer C-2 is formed by the method described above. It was determined by the Jisman plot method.
この結果、ナフィオン112の触媒層C−2が形成された面の他方の面の20℃における臨界表面張力は28.0mN/mであり、ナフィオン112の触媒層C−1が形成され
た面の臨界表面張力より小さかった。
As a result, the critical surface tension at 20 ° C. of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer C-2 is formed is 28.0 mN / m, and the surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer C-1 is formed. It was smaller than the critical surface tension.
ナフィオン112の触媒層C−2が形成された面の他方の面の臨界表面張力が小さくなったのは、触媒層C−2の形成工程において、ナフィオン112が水の沸点以上の温度に曝されることにより、ナフィオン112が含有している水分が蒸発したためであると考えられる。 The critical surface tension of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer C-2 is formed is reduced because the Nafion 112 is exposed to a temperature higher than the boiling point of water in the formation process of the catalyst layer C-2. This is probably because the water contained in the Nafion 112 has evaporated.
その後、触媒層C−2が形成された2枚のナフィオン112のうち、触媒層C−2を形成した面の他方の面の臨界表面張力を測定したものとは別の1枚について、実施例3の4番目の第2の触媒組成物塗布工程と5番目の第2の触媒層形成工程を行い、ナフィオン112の触媒層C−2が形成された面の他方の面に触媒層(以下、触媒層D−2という。)形成し、高分子電解質電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体CD−2という。)を製造した。 After that, out of the two Nafion 112 on which the catalyst layer C-2 was formed, one example different from the one on which the critical surface tension of the other surface on which the catalyst layer C-2 was formed was measured 3, the fourth second catalyst composition coating step and the fifth second catalyst layer forming step, and a catalyst layer (hereinafter referred to as “the catalyst layer”) is formed on the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer C-2 is formed. Catalyst layer D-2) was formed to produce a polymer electrolyte electrode assembly (hereinafter referred to as electrolyte membrane-electrode assembly CD-2).
こうして製造した電解質膜−電極接合体CD−2の表面を目視で観察したところ、触媒層C−2は剥がれやクラックが無いものであったが、触媒層D−2は触媒層の一部に剥がれが発生し、また、触媒層が存在する部分においてもクラックが多数存在するものであった。 When the surface of the thus produced electrolyte membrane-electrode assembly CD-2 was visually observed, the catalyst layer C-2 was free from peeling and cracking, but the catalyst layer D-2 was part of the catalyst layer. Peeling occurred, and many cracks existed even in the portion where the catalyst layer was present.
以上の結果を(表3)にまとめた。 The above results are summarized in (Table 3).
これは、触媒組成物c、dの表面張力がナフィオン112の臨界表面張力より小さいため、触媒組成物c、dがナフィオン112に濡れ、均一な触媒層を形成することができたためと考えられる。 This is presumably because the catalyst compositions c and d were smaller than the critical surface tension of the Nafion 112, so that the catalyst compositions c and d were wetted by the Nafion 112 and a uniform catalyst layer could be formed.
一方、比較例3の電解質膜−電極接合体(電解質膜−電極接合体CD−2)は、一方の触媒層において、剥がれやクラックは無かったが、他方の触媒層において、剥がれやクラックが発生し、本実施例に係る電解質膜−電極接合体(電解質膜−電極接合体CD−1)に比べ、品質に劣るものであった。 On the other hand, the electrolyte membrane-electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly CD-2) of Comparative Example 3 did not peel or crack in one catalyst layer, but peeled or cracked in the other catalyst layer. However, compared with the electrolyte membrane-electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly CD-1) according to this example, the quality was inferior.
これは、剥がれやクラックが無かった側の触媒層においては、触媒組成物cの表面張力がナフィオン112の触媒組成物cの塗布面の臨界表面張力より小さいため、触媒組成物cがナフィオン112に濡れ、均一な触媒層を形成することができたためと考えられ、剥がれやクラックが発生した側の触媒層においては、触媒層の形成工程において、ナフィオン112が水分を失って臨界表面張力が小さくなるため、触媒組成物dの表面張力がナフ
ィオン112の触媒組成物dの塗布面の臨界表面張力より大きくなるために、触媒組成物dがナフィオン112に濡れず、均一な触媒層を形成することができなかったためと考えられる。
This is because, in the catalyst layer on the side where there was no peeling or cracking, the surface tension of the catalyst composition c is smaller than the critical surface tension of the application surface of the catalyst composition c of the Nafion 112, so that the catalyst composition c becomes the Nafion 112. This is probably because the catalyst layer on the side where peeling or cracking occurred was generated in the catalyst layer formation process, and Nafion 112 lost water and the critical surface tension was reduced. Therefore, since the surface tension of the catalyst composition d becomes larger than the critical surface tension of the application surface of the catalyst composition d of the Nafion 112, the catalyst composition d does not get wet with the Nafion 112, and a uniform catalyst layer can be formed. It is thought that it was not possible.
続いて、上述した各電解質膜−電極接合体の性能を調べ、燃料電池の発電性能に及ぼす影響を調べるために、電解質膜−電極接合体CD−1、CD−2を用いて単電池(5)、(6)を作製し、発電試験を行った。 Subsequently, in order to investigate the performance of each of the above-described electrolyte membrane-electrode assemblies and examine the influence on the power generation performance of the fuel cell, a single cell (5 ) And (6) were produced and a power generation test was conducted.
ここで、単電池(5)、(6)は、電解質膜−電極接合体(5)、(6)の両面に、ガス拡散層を配置した後に、電解質膜−電極接合体(5)、(6)とガス拡散層の外周部にシリコーン樹脂からなるガスケット(クレハエラストマー(株)製、品番:SB50NJP)を接合し、さらに、表面にガス流路を形成した樹脂含浸黒鉛板から構成したセパレータを電解質膜−電極接合体の両面に配置して作製した。 Here, the single cells (5) and (6) are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane-electrode assembly (5) and (6), and then the electrolyte membrane-electrode assembly (5), ( 6) and a gasket composed of a resin-impregnated graphite plate having a gas flow path formed on the surface of a gasket (made by Kureha Elastomer Co., Ltd., product number: SB50NJP) made of a silicone resin, is bonded to the outer periphery of the gas diffusion layer. The electrolyte membrane-electrode assembly was disposed on both sides.
なお、ガス拡散層は、カーボンペーパー(東レ(株)製、製品名:TGP−H−120)に、アセチレンブラックとポリテトラフルオロエチレンの分散液(ダイキン工業(株)製、製品名:D−1)および純水の混合物を塗布して、350℃で2時間加熱して作製した。 The gas diffusion layer is made of carbon paper (Toray Industries, product name: TGP-H-120), acetylene black and polytetrafluoroethylene dispersion (Daikin Industries, product name: D-). A mixture of 1) and pure water was applied and heated at 350 ° C. for 2 hours.
単電池(5)、(6)の発電性能は、空気極に空気を流し、燃料極には、二酸化炭素25%および一酸化炭素50ppmを含む水素ガスを流し、電池温度を80℃、空気利用率を40%、燃料利用率を80%、空気の露点を60℃、水素ガスの露点を75℃に設定し、電流密度0.2A/cm2において発電させた時の電池電圧を測定した。 The power generation performance of the cells (5) and (6) is that air flows through the air electrode, hydrogen gas containing 25% carbon dioxide and 50 ppm carbon monoxide flows through the fuel electrode, the battery temperature is 80 ° C, and air is used. The battery voltage was measured when power was generated at a current density of 0.2 A / cm 2 with a rate of 40%, a fuel utilization of 80%, an air dew point of 60 ° C., and a hydrogen gas dew point of 75 ° C.
単電池(5)、(6)の電池電圧を(表4)に示す。 The battery voltages of the cells (5) and (6) are shown in (Table 4).
これは、触媒組成物c、dがナフィオン112に濡れることで、剥がれやクラックが無い均一な触媒層が形成され、電解質膜−電極接合体の性能が向上したため、単電池(6)と比較して燃料電池の発電性能が向上したためと考えられる。 This is because the catalyst compositions c and d get wet with the Nafion 112 to form a uniform catalyst layer without peeling or cracking, and the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly is improved. This is probably because the power generation performance of the fuel cell has improved.
以上の発電試験から、本実施形態で作製された電解質膜−電極接合体CD−1は、電解質膜−電極接合体の性能が向上し、燃料電池の発電性能を向上できることが確認できた。 From the above power generation test, it was confirmed that the electrolyte membrane-electrode assembly CD-1 produced in the present embodiment can improve the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly and improve the power generation performance of the fuel cell.
(実施の形態3)
図7は、本発明の実施の形態3における電解質膜−電極接合体の製造方法によって製造された電解質膜−電極接合体の構成図を示すものである。
(Embodiment 3)
FIG. 7 shows a configuration diagram of an electrolyte membrane-electrode assembly manufactured by the method of manufacturing an electrolyte membrane-electrode assembly in Embodiment 3 of the present invention.
また、図8は、本発明の実施の形態3における電解質膜−電極接合体の製造工程を示すフローチャートであり、図9は、本発明の実施の形態3における電解質膜−電極接合体の製造方法を示す模式図である。 FIG. 8 is a flowchart showing a manufacturing process of the electrolyte membrane-electrode assembly in the third embodiment of the present invention, and FIG. 9 shows a manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly in the third embodiment of the present invention. It is a schematic diagram which shows.
まず、本発明の実施の形態3における、電解質膜−電極接合体について、図7を参照しながら、その構成と構成材料について具体的に説明する。 First, the configuration and constituent materials of the electrolyte membrane-electrode assembly according to Embodiment 3 of the present invention will be specifically described with reference to FIG.
図7において、電解質膜−電極接合体70は、電解質膜71と、電解質膜71の一方の面に形成される第1の触媒層72と、電解質膜71の他方の面に形成される第2の触媒層73から構成されている。
In FIG. 7, an electrolyte membrane-
電解質膜71は、水素イオン伝導性を有する樹脂で構成され、具体的には、含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の置換基を有する樹脂で構成されている。
The
第1の触媒層72と第2の触媒層73は、白金または白金合金を担持した炭素粒子からなる触媒粉末とパーフルオロカーボンスルホン酸イオノマーからなる高分子電解質を含んで構成されている。
The
次に、本発明の実施の形態3における、電解質膜−電極接合体の製造方法について、図8を参照しながら説明する。 Next, a method for manufacturing an electrolyte membrane-electrode assembly in Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
図8に示すように、電解質膜−電極接合体の製造方法は、電解質膜の一方の面に第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程(S31)と、電解質膜に塗布された第1の触媒組成物に含まれる分散媒を水で置換することにより、電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程(S32)と、電解質膜の他方の面に第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程(S33)と、電解質膜に塗布された第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程(S34)を含んでいる。 As shown in FIG. 8, the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly includes a first catalyst composition application step (S31) of applying the first catalyst composition to one surface of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane. A first catalyst layer forming step (S32) for forming a first catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane by replacing the dispersion medium contained in the applied first catalyst composition with water; A second catalyst composition application step (S33) for applying the second catalyst composition to the other surface of the membrane, and removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane; A second catalyst layer forming step (S34) for forming a second catalyst layer on the other surface of the membrane is included.
以下、上述した電解質膜−電極接合体の製造方法について、図8および図9を参照しながら、各工程を順を追って、さらに詳細に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly described above will be described in more detail with reference to FIG. 8 and FIG.
第1の触媒組成物塗布工程(S31)では、予め作製した第1の触媒組成物を電解質膜の一方の面に塗布する。 In the first catalyst composition application step (S31), a first catalyst composition prepared in advance is applied to one surface of the electrolyte membrane.
具体的には、電解質膜92を固定し、その一方の面に、第1の触媒組成物91をスクリーン印刷法により塗布する(図9の(a))。
Specifically, the
第1の触媒層形成工程(S32)では、第1の触媒組成物塗布工程(S31)で電解質膜の一方の面に塗布した第1の触媒組成物に含まれる分散媒を水に置換して第1の触媒層を形成する。 In the first catalyst layer forming step (S32), the dispersion medium contained in the first catalyst composition applied to one surface of the electrolyte membrane in the first catalyst composition applying step (S31) is replaced with water. A first catalyst layer is formed.
具体的には、水93を貯めた容器を用意し、当該水93に電解質膜92に塗布した第1の触媒組成物91を浸漬し(図9の(b))、第1の触媒組成物91に含まれる分散媒を
水93に置換して、電解質膜92の一方の面に第1の触媒層94を形成する(図9の(c))。
Specifically, a container storing water 93 is prepared, and the
第2の触媒組成物塗布工程(S33)では、予め作製した第2の触媒組成物を電解質膜の他方の面に塗布する。 In the second catalyst composition application step (S33), a second catalyst composition prepared in advance is applied to the other surface of the electrolyte membrane.
具体的には、第1の触媒層94が形成された電解質膜92の他方の面が上面になるように電解質膜92を固定して、電解質膜92の第1の触媒層94が形成された面の他方の面に、第2の触媒組成物95をスクリーン印刷法により塗布する(図9の(d))。
Specifically, the
第2の触媒層形成工程(S34)では、第2の触媒組成物塗布工程(S33)で形成した第2の触媒組成物から分散媒を除去して第2の触媒層を形成する。 In the second catalyst layer forming step (S34), the dispersion medium is removed from the second catalyst composition formed in the second catalyst composition coating step (S33) to form the second catalyst layer.
具体的には、第1の触媒層94が形成された電解質膜92に塗布された第2の触媒組成物95を所定の温度で加熱することにより、第2の触媒組成物95から分散媒を除去し、電解質膜92の他方の面に第2の触媒層96を形成し、電解質膜−電極接合体90を製造する(図9の(e))。
Specifically, the dispersion medium is removed from the
以下、本実施の形態に係る電解質膜−電極接合体の製造方法について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。 Hereinafter, although the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly according to the present embodiment will be described in more detail based on specific examples, the present invention is not necessarily limited to the contents of the specific raw materials used below. It is not limited.
(実施例4)
本実施例では、電解質膜の一方の面に触媒組成物を塗布し、該触媒組成物に含まれる分散媒を水で置換することで触媒層を形成して、電解質膜−電極接合体を製造した。
Example 4
In this example, an electrolyte membrane-electrode assembly is manufactured by applying a catalyst composition to one surface of an electrolyte membrane and replacing the dispersion medium contained in the catalyst composition with water to form a catalyst layer. did.
まず、第1の触媒組成物を以下の手順により作製した。つまり、触媒粉末として、白金を担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC10E50E)15重量部、高分子電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ製、製品番号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とイソペンチルアルコール(和光純薬工業(株)製、沸点131.7℃)65重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、第1の触媒組成物(以下、触媒組成物eという。)を作製した。
First, the 1st catalyst composition was produced in the following procedures. That is, 15 parts by weight of platinum-supported carbon powder (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., product number: TEC10E50E) as catalyst powder, and 50 parts by weight of
こうして作製した触媒組成物eの表面張力を表面張力計(協和界面科学(株)製、型番:DY−300)を用いて測定したところ、触媒組成物eの20℃における表面張力は29.0mN/mであった。 When the surface tension of the catalyst composition e thus prepared was measured using a surface tension meter (model number: DY-300, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.), the surface tension at 20 ° C. of the catalyst composition e was 29.0 mN. / M.
次に、第2の触媒組成物を以下の手順により作製した。つまり、触媒粉末として、白金とルテニウムを担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC66E50)15重量部、高分子電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ社製、製品番号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とエチルアルコール(和光純薬工業(株)製、沸点78.4℃)65重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、第2の触媒組成物(以下、触媒組成物fという。)を作製した。 Next, the 2nd catalyst composition was produced in the following procedures. In other words, 15 parts by weight of a carbon powder carrying platinum and ruthenium (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., product number: TEC66E50) as a catalyst powder, and a 10% Nafion dispersion as a polymer electrolyte (manufactured by Sigma Aldrich, product number: 527114) 50 parts by weight, 20 parts by weight of pure water as a dispersion medium and 65 parts by weight of ethyl alcohol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., boiling point: 78.4 ° C.) are collected in a container, and a dispersing machine (manufactured by Seiwa Giken Co., Ltd.) A product name: RS-05W) and an ultrasonic homogenizer (manufactured by Nippon Seiki Seisakusho, product name: US-150E) were kneaded at room temperature for 2 hours, and a second catalyst composition (hereinafter referred to as catalyst composition). f)).
こうして作製した触媒組成物fの表面張力を表面張力計(協和界面科学(株)製、型番:DY−300)を用いて測定したところ、触媒組成物fの20℃における表面張力は2
8.0mN/mであった。
When the surface tension of the catalyst composition f thus prepared was measured using a surface tension meter (model number: DY-300, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.), the surface tension of the catalyst composition f at 20 ° C. was 2.
It was 8.0 mN / m.
続いて、以下の各工程を行い、電解質膜−電極接合体を製造した。 Subsequently, the following steps were performed to produce an electrolyte membrane-electrode assembly.
1番目の第1の触媒組成物塗布工程を説明する。 The 1st 1st catalyst composition application | coating process is demonstrated.
電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製、20℃での臨界表面張力は31.2mN/m)を用意し、その一方の面に、前述したスクリーン印刷機を用いて、上述した触媒組成物eをスクリーン印刷法により塗布した。 As the electrolyte membrane, Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd., critical surface tension at 20 ° C. is 31.2 mN / m) is prepared. Object e was applied by screen printing.
2番目の第1の触媒層形成工程を説明する。 The second first catalyst layer forming step will be described.
上述した第1の触媒組成物塗布工程により、一方の面に触媒組成物eを塗布したナフィオン112を蒸留水を貯めた容器に浸漬した。 In the first catalyst composition application step described above, Nafion 112 having one surface coated with the catalyst composition e was immersed in a container storing distilled water.
このとき、電解質膜を上側、触媒組成物eを下側にし、触媒組成物eのみが蒸留水に浸かるように、蒸留水の量は触媒組成物eがすり切り浸かるまでとした。 At this time, the electrolyte membrane was on the upper side and the catalyst composition e was on the lower side, and the amount of distilled water was set until the catalyst composition e was soaked so that only the catalyst composition e was immersed in distilled water.
この状態で30分間浸漬した後、ナフィオン112を容器から取り出し、ナフィオン112の一方の面に触媒層(以下、触媒層E−1という。)を形成した。 After soaking for 30 minutes in this state, Nafion 112 was taken out of the container, and a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer E-1) was formed on one surface of Nafion 112.
3番目の第2の触媒組成物塗布工程を説明する。 A third second catalyst composition coating step will be described.
上述した第1の触媒層形成工程により触媒層E−1が形成されたナフィオン112について、触媒層E−1が形成された面の他方の面に、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業(株)製、製品名:DP−320)を用いて、上述した触媒組成物fをスクリーン印刷法により塗布した。 For the Nafion 112 on which the catalyst layer E-1 was formed by the first catalyst layer formation step described above, a screen printing machine (Neurong Seimitsu Kogyo Co., Ltd.) was formed on the other surface of the surface on which the catalyst layer E-1 was formed. The above-mentioned catalyst composition f was applied by a screen printing method using a product name: DP-320).
4番目の第2の触媒層形成工程を説明する。 A fourth second catalyst layer forming step will be described.
触媒組成物fが塗布されたナフィオン112を110℃に設定した恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:DKM300)に1時間放置することで、触媒組成物fを加熱して分散媒を除去した後、室温に2時間放置して、ナフィオン112の他方の面に触媒層(以下、触媒層F−1という。)を形成し、電解質膜−電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体EF−1という。)を製造した。 By leaving the Nafion 112 coated with the catalyst composition f in a thermostat set to 110 ° C. (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., model number: DKM300) for 1 hour, the catalyst composition f is heated to remove the dispersion medium. And then left at room temperature for 2 hours to form a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer F-1) on the other surface of Nafion 112, and an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as electrolyte membrane-electrode assembly). EF-1).
こうして製造した電解質膜−電極接合体EF−1の表面を目視で観察したところ、触媒層E−1および触媒層F−1は剥がれやクラックが無いものであった。 When the surface of the electrolyte membrane-electrode assembly EF-1 thus produced was visually observed, the catalyst layer E-1 and the catalyst layer F-1 were free from peeling and cracking.
(比較例4)
第1の触媒組成物の分散媒を、水に置換しなかったこと、第1の触媒組成物塗布工程後に、電解質膜に塗布した第1の触媒組成物を150℃に加熱したこと以外は、上述した実施例4と同一の製造方法により電解質膜−電極接合体を作製した。
(Comparative Example 4)
Except that the dispersion medium of the first catalyst composition was not replaced with water, and the first catalyst composition applied to the electrolyte membrane was heated to 150 ° C. after the first catalyst composition application step, An electrolyte membrane-electrode assembly was produced by the same production method as in Example 4 described above.
まず、電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製、20℃での臨界表面張力は31.2mN/m)を2枚用意し、また第1の触媒組成物として触媒組成物eを、第2の触媒組成物として触媒組成物fを用意し、実施例4の1番目の第1の触媒組成物塗布工程を行い、各ナフィオン112の一方の面に触媒組成物eを塗布した。 First, two sheets of Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd., with a critical surface tension of 31.2 mN / m at 20 ° C.) were prepared as the electrolyte membrane, and the catalyst composition e was used as the first catalyst composition. The catalyst composition f was prepared as the catalyst composition of No. 2, and the first first catalyst composition application step of Example 4 was performed to apply the catalyst composition e to one surface of each Nafion 112.
続いて、一方の面に触媒組成物eを塗布した2枚のナフィオン112を150℃に設定
した恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:DKM300)に1時間放置することで、触媒組成物eをイソペンチルアルコールの沸点以上の温度である150℃で加熱して分散媒を除去した後、室温に2時間放置して、ナフィオン112の一方の面に触媒層(以下、触媒層E−2という。)を形成した。
Subsequently, the two Nafion 112 coated with the catalyst composition e on one side were left for 1 hour in a thermostat set to 150 ° C. (model number: DKM300, manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) for 1 hour. e was heated at 150 ° C., which is a temperature equal to or higher than the boiling point of isopentyl alcohol, to remove the dispersion medium, and then allowed to stand at room temperature for 2 hours to form a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer E-2) on one surface of Nafion 112. Formed).
上述した方法により触媒層E−2が形成された2枚のナフィオン112のうち、1枚について、触媒層E−2が形成された面の他方の面の臨界表面張力をジスマンプロット法により求めた。 Of the two Nafion 112 on which the catalyst layer E-2 is formed by the above-described method, the critical surface tension of the other surface of the surface on which the catalyst layer E-2 is formed is obtained by the Jisman plot method. It was.
すなわち、各種の表面張力を有するぬれ指数標準液(和光純薬工業(株)製、製品名:ぬれ張力試験用混合液)をナフィオン112の触媒層E−2が形成された面の他方の表面に付着させ、それぞれの接触角θを接触角計(協和界面科学(株)、型番:DM−901)を用いて測定した。 That is, a wetting index standard solution having various surface tensions (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name: mixed solution for wetting tension test) is the other surface of the surface on which the catalyst layer E-2 of Nafion 112 is formed. Each contact angle θ was measured using a contact angle meter (Kyowa Interface Science Co., Ltd., model number: DM-901).
次に、横軸にcosθ、縦軸に各種のぬれ指数標準液の表面張力をプロットし、cosθ=1となる表面張力を求め、この表面張力を当該面の臨界表面張力とした。 Next, cos θ is plotted on the horizontal axis, and surface tensions of various wetting index standard solutions are plotted on the vertical axis to determine the surface tension at which cos θ = 1, and this surface tension is defined as the critical surface tension of the surface.
この結果、ナフィオン112の触媒層E−2が形成された面の他方の面の20℃における臨界表面張力は27.5mN/mであり、ナフィオン112の触媒層E−1が形成された面の臨界表面張力より小さかった。 As a result, the critical surface tension at 20 ° C. of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer E-2 is formed is 27.5 mN / m, and the surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer E-1 is formed. It was smaller than the critical surface tension.
ナフィオン112の触媒層E−2が形成された面の他方の面の臨界表面張力が低下したのは、触媒層E−2の形成工程において、ナフィオン112が水の沸点以上の温度に曝されることにより、ナフィオン112が含有していた水分が蒸発したためであると考えられる。 The critical surface tension of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer E-2 is formed is reduced because the Nafion 112 is exposed to a temperature higher than the boiling point of water in the formation process of the catalyst layer E-2. This is probably because the water contained in the Nafion 112 has evaporated.
その後、触媒層E−2が形成された2枚のナフィオン112のうち、触媒層E−2を形成した面の臨界表面張力を測定したものとは別の1枚について、実施例4の3番目の第2の触媒組成物塗布工程と4番目の第2の触媒層形成工程を行い、ナフィオン112の触媒層E−2を形成した面の他方の面に触媒層(以下、触媒層F−2という。)を形成し、高分子電解質電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体EF−2という。)を製造した。 After that, of the two Nafion 112 on which the catalyst layer E-2 was formed, one of the Nafion 112 other than the one on which the critical surface tension of the surface on which the catalyst layer E-2 was formed was measured. The second catalyst composition coating step and the fourth second catalyst layer forming step are performed, and a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer F-2) is formed on the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer E-2 is formed. And a polymer electrolyte electrode assembly (hereinafter referred to as an electrolyte membrane-electrode assembly EF-2) was produced.
こうして製造した電解質膜−電極接合体EF−2の表面を目視で観察したところ、触媒層E−2は剥がれやクラックが無いものであったが、触媒層F−2は触媒層の一部に剥がれが発生し、また、触媒層が存在する部分においてもクラックが多数存在するものであった。 When the surface of the electrolyte membrane-electrode assembly EF-2 produced in this way was visually observed, the catalyst layer E-2 was free from peeling and cracking, but the catalyst layer F-2 was part of the catalyst layer. Peeling occurred, and many cracks existed even in the portion where the catalyst layer was present.
以上の結果を(表5)にまとめた。 The above results are summarized in (Table 5).
電極接合体(電解質膜−電極接合体EF−1)は、触媒層に剥がれやクラックは無く、品質に優れるものであった。
The electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly EF-1) was excellent in quality without peeling or cracking in the catalyst layer.
これは、触媒組成物e、fの表面張力がナフィオン112の臨界表面張力より小さいため、触媒組成物e、fがナフィオン112に濡れ、均一な触媒層を形成することができたためと考えられる。 This is presumably because the catalyst compositions e and f were smaller than the critical surface tension of the Nafion 112, so that the catalyst compositions e and f were wetted with the Nafion 112 and a uniform catalyst layer could be formed.
一方、比較例4の電解質膜−電極接合体(電解質膜−電極接合体EF−2)は、一方の触媒層において、剥がれやクラックは無かったが、他方の触媒層において、剥がれやクラックが発生し、本実施例に係る電解質膜−電極接合体(電解質膜−電極接合体EF−1)に比べ、品質に劣るものであった。 On the other hand, the electrolyte membrane-electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly EF-2) of Comparative Example 4 had no peeling or cracking in one catalyst layer, but peeling or cracking occurred in the other catalyst layer. However, compared with the electrolyte membrane-electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly EF-1) according to this example, the quality was inferior.
これは、剥がれやクラックが無かった側の触媒層においては、触媒組成物eの表面張力がナフィオン112の触媒組成物eの塗布面の臨界表面張力より小さいため、触媒組成物eがナフィオン112に濡れ、均一な触媒層を形成することができたためと考えられ、剥がれやクラックが発生した側の触媒層においては、触媒層の形成工程において、ナフィオン112が水分を失って臨界表面張力が小さくなるため、触媒組成物fの表面張力がナフィオン112の触媒組成物fの塗布面の臨界表面張力より大きくなるために、触媒組成物fがナフィオン112に濡れず、均一な触媒層を形成することができなかったためと考えられる。 This is because in the catalyst layer on the side where there is no peeling or cracking, the surface tension of the catalyst composition e is smaller than the critical surface tension of the application surface of the catalyst composition e of the Nafion 112, so This is probably because the catalyst layer on the side where peeling or cracking occurred was generated in the catalyst layer formation process, and Nafion 112 lost water and the critical surface tension was reduced. Therefore, since the surface tension of the catalyst composition f becomes larger than the critical surface tension of the application surface of the catalyst composition f of the Nafion 112, the catalyst composition f does not get wet with the Nafion 112, and a uniform catalyst layer can be formed. It is thought that it was not possible.
続いて、上述した各電解質膜−電極接合体の性能を調べ、燃料電池の発電性能に及ぼす影響を調べるために、電解質膜−電極接合体EF−1、EF−2を用いて単電池(7)、(8)を作製し、発電試験を行った。 Subsequently, in order to investigate the performance of each of the above-described electrolyte membrane-electrode assemblies and examine the influence on the power generation performance of the fuel cell, the cell (7) is used by using the electrolyte membrane-electrode assemblies EF-1 and EF-2. ) And (8) were produced and a power generation test was conducted.
ここで、単電池(7)、(8)は、電解質膜−電極接合体EF−1、EF−2の両面に、ガス拡散層を配置した後、電解質膜−電極接合体(7)、(8)とガス拡散層の外周部にシリコーン樹脂からなるガスケット(クレハエラストマー(株)製、品番:SB50NJP)を接合し、さらに、表面にガス流路を形成した樹脂含浸黒鉛板から構成したセパレータを電解質膜−電極接合体の両面に配置して作製した。 Here, the unit cells (7) and (8) are formed by disposing gas diffusion layers on both surfaces of the electrolyte membrane-electrode assembly EF-1 and EF-2, and then the electrolyte membrane-electrode assembly (7), ( 8) and a gasket composed of a resin-impregnated graphite plate having a gas flow path formed on the surface thereof by bonding a gasket (made by Kureha Elastomer Co., Ltd., product number: SB50NJP) made of silicone resin to the outer periphery of the gas diffusion layer. The electrolyte membrane-electrode assembly was disposed on both sides.
なお、ガス拡散層は、カーボンペーパー(東レ(株)製、製品名:TGP−H−120)にアセチレンブラックとポリテトラフルオロエチレンの分散液(ダイキン工業(株)製、製品名:D−1)および純水の混合物を塗布して、350℃で2時間加熱して作製した。 The gas diffusion layer was made of carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., product name: TGP-H-120) and a dispersion of acetylene black and polytetrafluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Ltd., product name: D-1). ) And pure water mixture and heated at 350 ° C. for 2 hours.
単電池(7)、(8)の発電性能は、空気極に空気を流し、燃料極には二酸化炭素25%および一酸化炭素50ppmを含む水素ガスを流し、電池温度を80℃、空気利用率を40%、燃料利用率を80%、空気の露点を60℃、水素ガスの露点を75℃に設定し、電流密度0.2A/cm2において発電させた時の電池電圧を測定した。 The power generation performance of the cells (7) and (8) is as follows: air flows through the air electrode, hydrogen gas containing 25% carbon dioxide and 50 ppm carbon monoxide flows through the fuel electrode, the battery temperature is 80 ° C, and the air utilization rate Was set to 40%, the fuel utilization rate was set to 80%, the dew point of air was set to 60 ° C., the dew point of hydrogen gas was set to 75 ° C., and the battery voltage was measured at a current density of 0.2 A / cm 2 .
単電池(7)、(8)の電池電圧を(表6)に示す。 The battery voltages of the cells (7) and (8) are shown in (Table 6).
これは、触媒組成物e、fがナフィオン112に濡れることで、剥がれやクラックの無い均一な触媒層が形成され、電解質膜−電極接合体の性能が向上したため、単電池(8)と比較して燃料電池の発電性能が向上したためと考えられる。 This is because the catalyst compositions e and f get wet with the Nafion 112 to form a uniform catalyst layer without peeling or cracking, and the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly is improved. Compared with the unit cell (8). This is probably because the power generation performance of the fuel cell has improved.
以上の発電試験から、本実施形態で作製された電解質膜−電極接合体EF−1は、電解質膜−電極接合体の性能が向上し、燃料電池の発電性能を向上できることが確認できた。 From the above power generation test, it was confirmed that the electrolyte membrane-electrode assembly EF-1 produced in the present embodiment can improve the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly and improve the power generation performance of the fuel cell.
(実施の形態4)
図10は、本発明の実施の形態4における電解質膜−電極接合体の製造方法によって製造された電解質膜−電極接合体の構成図を示すものである。
(Embodiment 4)
FIG. 10 shows a configuration diagram of an electrolyte membrane-electrode assembly produced by the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly in Embodiment 4 of the present invention.
また、図11は、本発明の実施の形態4における電解質膜−電極接合体の製造工程を示すフローチャートであり、図12は、本発明の実施の形態4における電解質膜−電極接合体の製造方法を示す模式図である。 Moreover, FIG. 11 is a flowchart which shows the manufacturing process of the electrolyte membrane-electrode assembly in Embodiment 4 of this invention, FIG. 12 is the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly in Embodiment 4 of this invention. It is a schematic diagram which shows.
まず、本発明の実施の形態4における、電解質膜−電極接合体について、図10を参照しながら、その構成と構成材料について具体的に説明する。 First, the configuration and constituent materials of the electrolyte membrane-electrode assembly according to Embodiment 4 of the present invention will be specifically described with reference to FIG.
図10において、電解質膜−電極接合体100は、電解質膜101と、電解質膜101の一方の面に形成される第1の触媒層102と、電解質膜101の他方の面に形成される第2の触媒層103から構成されている。
In FIG. 10, an electrolyte membrane-
電解質膜101は、水素イオン伝導性を有する樹脂で構成され、具体的には、含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の置換基を有する樹脂で構成されている。
The
第1の触媒層102と第2の触媒層103は、白金または白金合金を担持した炭素粒子からなる触媒粉末とパーフルオロカーボンスルホン酸イオノマーからなる高分子電解質を含んで構成されている。
The
次に、本発明の実施の形態4における、電解質膜−電極接合体の製造方法について、図11を参照しながら説明する。 Next, the manufacturing method of the electrolyte membrane electrode assembly in Embodiment 4 of this invention is demonstrated, referring FIG.
図11に示すように、電解質膜−電極接合体の製造方法は、電解質膜の一方の面に第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程(S41)と、電解質膜に塗布された第1の触媒組成物を分散媒の沸点以上の温度であって、かつ水の沸点未満の温度で加熱して分散媒を除去することにより、電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程(S42)と、電解質膜の第1の触媒層が形成された面の他方の面に第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程(S43)と、電解質膜に塗布した第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程(S44)を含んでいる。 As shown in FIG. 11, the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly includes a first catalyst composition application step (S41) in which the first catalyst composition is applied to one surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane. The applied first catalyst composition is heated at a temperature not lower than the boiling point of the dispersion medium and lower than the boiling point of water to remove the dispersion medium, whereby the first catalyst composition is formed on one surface of the electrolyte membrane. A first catalyst layer forming step (S42) for forming a catalyst layer, and a second catalyst composition in which a second catalyst composition is applied to the other surface of the electrolyte membrane on which the first catalyst layer is formed Application step (S43) and a second catalyst layer forming step of forming a second catalyst layer on the other surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane ( S44).
以下、上述した電解質膜−電極接合体の製造方法について、図11および図12を参照しながら、各工程を順を追って詳細に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the above-described electrolyte membrane-electrode assembly will be described in detail step by step with reference to FIGS. 11 and 12.
第1の触媒組成物塗布工程(S41)では、予め作製した第1の触媒組成物を電解質膜の一方の面に塗布する。 In the first catalyst composition application step (S41), a first catalyst composition prepared in advance is applied to one surface of the electrolyte membrane.
具体的には、電解質膜122を固定し、その一方の面に第1の触媒組成物121をスクリーン印刷法によりを塗布する(図12の(a))。
Specifically, the
第1の触媒層形成工程(S42)では、第1の触媒組成物塗布工程(S41)で電解質膜の一方の面に塗布した第1の触媒組成物から分散媒を除去することにより第1の触媒層を形成する。 In the first catalyst layer forming step (S42), the dispersion medium is removed from the first catalyst composition applied to one surface of the electrolyte membrane in the first catalyst composition applying step (S41), thereby A catalyst layer is formed.
具体的には、電解質膜122に塗布した第1の触媒組成物121を分散媒の沸点以上の温度であって、かつ水の沸点未満の温度で加熱すことにより、第1の触媒組成物121から分散媒を除去し、電解質膜122の一方の面に第1の触媒層123を形成する(図12の(b))。
Specifically, the
第2の触媒組成物塗布工程(S43)では、予め作製した第2の触媒組成物を電解質膜の他方の面に塗布する。 In the second catalyst composition application step (S43), a second catalyst composition prepared in advance is applied to the other surface of the electrolyte membrane.
具体的には、第1の触媒層123が形成された電解質膜122の他方の面が上面になるように電解質膜122を固定し、電解質膜122の第1の触媒層123が形成された面の他方の面に、第2の触媒組成物124をスクリーン印刷法により塗布する(図12の(c))。
Specifically, the
第2の触媒層形成工程(S44)では、第2の触媒組成物塗布工程(S43)で電解質膜に塗布した第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、第2の触媒層を形成する。 In the second catalyst layer forming step (S44), the second catalyst layer is formed by removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the second catalyst composition applying step (S43). Form.
具体的には、第1の触媒層123が形成された電解質膜122に塗布した第2の触媒組成物124を所定の温度で加熱することにより、第2の触媒組成物124から分散媒を除去し、電解質膜122の他方の面に第2の触媒層125を形成し、電解質膜−電極接合体120を製造する(図12の(d))。
Specifically, the dispersion medium is removed from the
以下、本実施の形態に係る電解質膜−電極接合体の製造方法について、具体的な実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明は、以下で用いた特定の原料等の内容に必ずしも制限されるものではない。 Hereinafter, although the manufacturing method of the electrolyte membrane-electrode assembly according to the present embodiment will be described in more detail based on specific examples, the present invention is not necessarily limited to the contents of the specific raw materials used below. It is not limited.
(実施例5)
本実施例では、電解質膜の一方の面に第1の触媒組成物を塗布し、該第1の触媒組成物から分散媒を除去して第1の触媒層を形成した後、電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成して電解質膜−電極接合体を製造した。
(Example 5)
In this example, after applying the first catalyst composition to one surface of the electrolyte membrane, removing the dispersion medium from the first catalyst composition to form the first catalyst layer, the other side of the electrolyte membrane A second catalyst layer was formed on this surface to produce an electrolyte membrane-electrode assembly.
まず、第1の触媒組成物を以下の手順により作製した。つまり、触媒粉末として、白金を担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC10E50E)15重量部、高分子電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ製、製品番号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とメチルアルコール(和光純薬工業(株)製、沸点64.7℃)45重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、第1の触媒組成物(以下、触媒組成物gという。)を作製した。
First, the 1st catalyst composition was produced in the following procedures. That is, 15 parts by weight of platinum-supported carbon powder (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., product number: TEC10E50E) as catalyst powder, and 50 parts by weight of
こうして作製した触媒組成物gの表面張力を表面張力計(協和界面科学(株)製、型番:DY−300)を用いて測定したところ、触媒組成物gの20℃における表面張力は30.5mN/mであった。 When the surface tension of the catalyst composition g thus prepared was measured using a surface tension meter (model number: DY-300, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.), the surface tension of the catalyst composition g at 20 ° C. was 30.5 mN. / M.
次に、第2の触媒組成物を以下の手順により作製した。つまり、触媒粉末として、白金とルテニウムを担持した炭素粉末(田中貴金属(株)製、品番:TEC66E50)15重量部、高分子電解質としてナフィオン10%分散液(シグマアルドリッチ社製、製品番号:527114)50重量部、分散媒として純水20重量部とメチルアルコール(和光純薬工業(株)製、沸点64.7℃)45重量部を容器に採取し、分散機((株)セイワ技研製、製品名:RS−05W)と超音波ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、製品名:US−150E)を用いて、室温で2時間混練し、第2の触媒組成物(以下、触媒組成物hという。)を作製した。 Next, the 2nd catalyst composition was produced in the following procedures. In other words, 15 parts by weight of a carbon powder carrying platinum and ruthenium (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., product number: TEC66E50) as a catalyst powder, and a 10% Nafion dispersion as a polymer electrolyte (manufactured by Sigma Aldrich, product number: 527114) 50 parts by weight, 20 parts by weight of pure water as a dispersion medium and 45 parts by weight of methyl alcohol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., boiling point 64.7 ° C.) were collected in a container, and a dispersing machine (manufactured by Seiwa Giken Co., Ltd.) A product name: RS-05W) and an ultrasonic homogenizer (manufactured by Nippon Seiki Seisakusho, product name: US-150E) were kneaded at room temperature for 2 hours, and a second catalyst composition (hereinafter referred to as catalyst composition). h)).
こうして作製した触媒組成物hの表面張力を表面張力計(協和界面科学(株)製、型番:DY−300)を用いて測定したところ、触媒組成物hの20℃における表面張力は30.5mN/mであった。 When the surface tension of the catalyst composition h thus prepared was measured using a surface tension meter (model number: DY-300, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.), the surface tension of the catalyst composition h at 20 ° C. was 30.5 mN. / M.
続いて、以下の各工程を行い、電解質膜−電極接合体を製造した。 Subsequently, the following steps were performed to produce an electrolyte membrane-electrode assembly.
1番目の第1の触媒組成物塗布工程を説明する。 The 1st 1st catalyst composition application | coating process is demonstrated.
電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製、20℃での臨界表面張力は31.2mN/m)を用意し、その一方の面に、前述したスクリーン印刷機を用いて、上述した触媒組成物gをスクリーン印刷法により塗布した。 As the electrolyte membrane, Nafion 112 (manufactured by DuPont Co., Ltd., critical surface tension at 20 ° C. is 31.2 mN / m) is prepared. Product g was applied by screen printing.
2番目の第1の触媒層形成工程を説明する。 The second first catalyst layer forming step will be described.
上述した第1の触媒組成物塗布工程により、触媒組成物gが塗布されたナフィオン112を2枚用意し、80℃に設定した恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:DKM300)に1時間放置することで、触媒組成物gを80℃で加熱して分散媒を除去した後、室温に2時間放置して、ナフィオン112の一方の面に触媒層(以下、触媒層G−1という。)を形成した。 Two Nafion 112 coated with the catalyst composition g are prepared in the first catalyst composition coating step described above, and the temperature is set to 80 ° C. (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., model number: DKM300) for 1 hour. By leaving it to stand, the catalyst composition g was heated at 80 ° C. to remove the dispersion medium, and then left at room temperature for 2 hours. ) Was formed.
上述した方法により触媒層G−1が形成されたナフィオン112のうちの、1枚について、触媒層G−1が形成された面の他方の面の臨界表面張力をジスマンプロット法により求めた。 The critical surface tension of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer G-1 was formed by the above-described method was determined by the Jisman plot method.
すなわち、各種の表面張力を有するぬれ指数標準液(和光純薬工業(株)製、製品名:ぬれ張力試験用混合液)をナフィオン112の触媒層G−1が形成された面の反対側の面の表面に付着させ、それぞれの接触角θを接触角計(協和界面科学(株)、型番:DM−901)を用いて測定した。 That is, wetting index standard solutions having various surface tensions (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., product name: mixed liquid for wet tension test) on the opposite side of the surface on which the catalyst layer G-1 of Nafion 112 was formed. Each contact angle θ was measured by using a contact angle meter (Kyowa Interface Science Co., Ltd., model number: DM-901).
次に、横軸にcosθ、縦軸に各種のぬれ指数標準液の表面張力をプロットし、cosθ=1となる表面張力を求め、この表面張力を当該面の臨界表面張力とした。 Next, cos θ is plotted on the horizontal axis, and surface tensions of various wetting index standard solutions are plotted on the vertical axis to determine the surface tension at which cos θ = 1, and this surface tension is defined as the critical surface tension of the surface.
この結果、ナフィオン112の当該面の20℃における臨界表面張力は31.2mN/mであり、触媒層G−1が形成された面の臨界表面張力と同じであった。 As a result, the critical surface tension at 20 ° C. of the surface of Nafion 112 was 31.2 mN / m, which was the same as the critical surface tension of the surface on which the catalyst layer G-1 was formed.
ナフィオン112の触媒層G−1が形成された面の他方の面の臨界表面張力がナフィオン112の触媒層G−1が形成された面の臨界表面張力と同じであったのは、触媒層G−1の形成工程において、ナフィオン112が水の沸点以上の温度に曝されることがなく、ナフィオン112から水分が失われなかったためであると考えられる。 The critical surface tension of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer G-1 was formed was the same as the critical surface tension of the surface on which the catalyst layer G-1 of the Nafion 112 was formed. This is probably because the Nafion 112 was not exposed to a temperature equal to or higher than the boiling point of water in the formation process of -1, and water was not lost from the Nafion 112.
3番目の第2の触媒組成物塗布工程を説明する。 A third second catalyst composition coating step will be described.
上述した第1の触媒層形成工程により触媒層G−1が形成された2枚のナフィオン112のうち、臨界表面張力を測定したものとは別の残りの1枚について、触媒層G−1が形成された面の他方の面に、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業(株)製、製品名:DP−320)を用いて、上述した触媒組成物hをスクリーン印刷法により塗布した。 Of the two Nafions 112 on which the catalyst layer G-1 is formed by the first catalyst layer forming step described above, the catalyst layer G-1 is the remaining one other than the one that has measured the critical surface tension. The catalyst composition h described above was applied to the other surface of the formed surface by a screen printing method using a screen printer (manufactured by Neurong Seimitsu Kogyo Co., Ltd., product name: DP-320).
4番目の第2の触媒層形成工程を説明する。 A fourth second catalyst layer forming step will be described.
上述した触媒組成物hが塗布されたナフィオン112を80℃に設定した恒温器(ヤマト科学(株)製、型番:DKM300)に1時間放置することで、触媒組成物hから分散媒を加熱して除去した後、室温に2時間放置して、ナフィオン112の他方の面に触媒層(以下、触媒層H−1という。)を形成し、電解質膜−電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体GH−1という。)を製造した。 The dispersion medium is heated from the catalyst composition h by leaving the Nafion 112 coated with the catalyst composition h described above in a thermostat set to 80 ° C. (model number: DKM300, manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) for 1 hour. And then left at room temperature for 2 hours to form a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer H-1) on the other surface of Nafion 112, and an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as electrolyte membrane-electrode). A zygote GH-1) was produced.
こうして製造した電解質膜−電極接合体GH−1の表面を目視で観察したところ、触媒層G−1および触媒層H−1は剥がれやクラックが無いものであった。 When the surface of the electrolyte membrane-electrode assembly GH-1 produced in this way was visually observed, the catalyst layer G-1 and the catalyst layer H-1 were free from peeling and cracking.
(比較例5)
第1の触媒層形成工程における恒温器の温度を80℃から110℃に代え、電解質膜に塗布した第1の触媒組成物を加熱する温度を80℃から110℃に代えたこと以外は、上述した実施例5と同一の製造方法により電解質膜−電極接合体を作製した。
(Comparative Example 5)
Except that the temperature of the incubator in the first catalyst layer forming step is changed from 80 ° C. to 110 ° C., and the temperature for heating the first catalyst composition applied to the electrolyte membrane is changed from 80 ° C. to 110 ° C. An electrolyte membrane-electrode assembly was produced by the same production method as in Example 5.
まず、電解質膜として、ナフィオン112(デュポン(株)製、20℃での臨界表面張力は31.2mN/m)を2枚用意し、また第1の触媒組成物として触媒組成物gを、第2の触媒組成物として触媒組成物hを用意し、実施例5の1番目の第1の触媒組成物塗布工程を行い、各ナフィオン112の一方の面に触媒組成物gを塗布した。 First, two sheets of Nafion 112 (manufactured by DuPont, whose critical surface tension at 20 ° C. is 31.2 mN / m) are prepared as the electrolyte membrane, and the catalyst composition g is used as the first catalyst composition. The catalyst composition h was prepared as the catalyst composition of No. 2, and the first first catalyst composition application step of Example 5 was performed to apply the catalyst composition g to one surface of each Nafion 112.
続いて、恒温器の温度を110℃に設定し、触媒組成物gの加熱温度を80℃から110℃に代えたこと以外は、実施例5の2番目の第1の触媒層形成工程と同一の方法によって、ナフィオン112の一方の面に触媒層(以下、触媒層G−2という)を形成した。 Subsequently, the temperature of the thermostatic chamber was set to 110 ° C., and the heating temperature of the catalyst composition g was changed from 80 ° C. to 110 ° C., which was the same as the second first catalyst layer forming step of Example 5. By this method, a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer G-2) was formed on one surface of the Nafion 112.
上述した方法により触媒層G−2が形成された2枚のナフィオン112のうち、1枚について、触媒層G−2が形成された面の他方の面の臨界表面張力を前記と同じジスマンプ
ロット法により求めた。
Of the two Nafion 112 on which the catalyst layer G-2 is formed by the method described above, the critical surface tension of the other surface of the surface on which the catalyst layer G-2 is formed is the same Zisman plot as described above. Obtained by law.
この結果、ナフィオン112の触媒層G−2が形成された面の他方の面の20℃における臨界表面張力は29.0mN/mであり、ナフィオン112の触媒層G−2が形成された面の臨界表面張力より小さかった。 As a result, the critical surface tension at 20 ° C. of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer G-2 is formed is 29.0 mN / m, and the surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer G-2 is formed. It was smaller than the critical surface tension.
ナフィオン112の触媒層G−2が形成された面の他方の面の臨界表面張力が小さくなったのは、触媒層G−2の形成工程において、ナフィオン112が水の沸点以上の温度に曝されることにより、ナフィオン112が含有している水分が蒸発したためであると考えられる。 The critical surface tension of the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer G-2 is formed is reduced because the Nafion 112 is exposed to a temperature higher than the boiling point of water in the formation process of the catalyst layer G-2. This is probably because the water contained in the Nafion 112 has evaporated.
その後、触媒層G−2が形成された2枚のナフィオン112のうち、触媒層G−2が形成された面の臨界表面張力を測定したものとは別の1枚について、実施例5の3番目の第2の触媒組成物塗布工程と4番目の第2の触媒層形成工程を行い、ナフィオン112の触媒層G−2を形成した面の他方の面に触媒層(以下、触媒層H−2という。)を形成し、高分子電解質電極接合体(以下、電解質膜−電極接合体GH−2という。)を製造した。 Thereafter, of the two Nafions 112 on which the catalyst layer G-2 was formed, one other than the one on which the critical surface tension of the surface on which the catalyst layer G-2 was formed was measured. The second catalyst composition coating step and the fourth second catalyst layer forming step are performed, and a catalyst layer (hereinafter referred to as catalyst layer H-) is formed on the other surface of the Nafion 112 on which the catalyst layer G-2 is formed. 2) to produce a polymer electrolyte electrode assembly (hereinafter referred to as an electrolyte membrane-electrode assembly GH-2).
こうして製造した電解質膜−電極接合体GH−2の表面を目視で観察したところ、触媒層G−2は剥がれやクラックが無いものであったが、触媒層H−2は触媒層の一部に剥がれが発生し、また、触媒層が存在する部分においてもクラックが多数存在するものであった。 When the surface of the electrolyte membrane-electrode assembly GH-2 produced in this way was visually observed, the catalyst layer G-2 was free from peeling and cracking, but the catalyst layer H-2 was part of the catalyst layer. Peeling occurred, and many cracks existed even in the portion where the catalyst layer was present.
以上の結果を(表7)にまとめた。 The above results are summarized in (Table 7).
これは、触媒組成物g、hの表面張力がナフィオン112の臨界表面張力より小さいため、触媒組成物g、hがナフィオン112に濡れ、均一な触媒層を形成することができたためと考えられる。 This is considered to be because the catalyst compositions g and h were wet with the Nafion 112 and a uniform catalyst layer could be formed because the surface tension of the catalyst compositions g and h was smaller than the critical surface tension of the Nafion 112.
一方、比較例5の電解質膜−電極接合体(電解質膜−電極接合体GH−2)は、一方の触媒層において、剥がれやクラックは無かったが、他方の触媒層において、剥がれやクラックが発生し、本実施例に係る電解質膜−電極接合体(電解質膜−電極接合体GH−1)に比べ、品質に劣るものであった。 On the other hand, in the electrolyte membrane-electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly GH-2) of Comparative Example 5, there was no peeling or cracking in one catalyst layer, but peeling or cracking occurred in the other catalyst layer. However, compared with the electrolyte membrane-electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly GH-1) according to this example, the quality was inferior.
これは、剥がれやクラックが無かった側の触媒層においては、触媒組成物gの表面張力がナフィオン112の触媒組成物gの塗布面の臨界表面張力より小さいため、触媒組成物
gがナフィオン112に濡れ、均一な触媒層を形成することができたためと考えられ、剥がれやクラックが発生した側の触媒層においては、触媒層の形成工程において、ナフィオン112が水分を失って臨界表面張力が小さくなるため、触媒組成物hの表面張力がナフィオン112の触媒組成物fの塗布面の臨界表面張力より大きくなるために、触媒組成物hがナフィオン112に濡れず、均一な触媒層を形成することができなかったためと考えられる。
This is because in the catalyst layer on the side where there was no peeling or cracking, the surface tension of the catalyst composition g was smaller than the critical surface tension of the application surface of the catalyst composition g of the Nafion 112. This is probably because the catalyst layer on the side where peeling or cracking occurred was generated in the catalyst layer formation process, and Nafion 112 lost water and the critical surface tension was reduced. Therefore, since the surface tension of the catalyst composition h is larger than the critical surface tension of the application surface of the catalyst composition f of the Nafion 112, the catalyst composition h does not get wet with the Nafion 112, and a uniform catalyst layer can be formed. It is thought that it was not possible.
続いて、上述した各電解質膜−電極接合体の性能を調べ、燃料電池の発電性能に及ぼす影響を調べるために、電解質膜−電極接合体GH−1、GH−2を用いて単電池(9)、(10)を作製し、発電試験を行った。 Subsequently, in order to investigate the performance of each of the above-described electrolyte membrane-electrode assemblies and examine the influence on the power generation performance of the fuel cell, the cell (9) was used by using the electrolyte membrane-electrode assemblies GH-1, GH-2. ) And (10) were produced and a power generation test was performed.
ここで、単電池(9)、(10)は、電解質膜−電極接合体(9)、(10)の両面に、ガス拡散層を配置した後、電解質膜−電極接合体(9)、(10)とガス拡散層の外周部にシリコーン樹脂からなるガスケット(クレハエラストマー(株)製、品番:SB50NJP)を接合し、さらに、表面にガス流路を形成した樹脂含浸黒鉛板から構成したセパレータを電解質膜−電極接合体の両面に配置して作製した。 Here, the single cells (9) and (10) are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane-electrode assembly (9), (10), and after the gas diffusion layers are disposed, the electrolyte membrane-electrode assembly (9), ( 10) and a gasket composed of a resin-impregnated graphite plate with a silicone resin gasket (Kureha Elastomer Co., Ltd., product number: SB50NJP) joined to the outer periphery of the gas diffusion layer The electrolyte membrane-electrode assembly was disposed on both sides.
ガス拡散層は、カーボンペーパー(東レ(株)製、製品名:TGP−H−120)にアセチレンブラックとポリテトラフルオロエチレンの分散液(ダイキン工業(株)製、製品名:D−1)および純水の混合物を塗布して、350℃で2時間加熱して作製した。 The gas diffusion layer is made of carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., product name: TGP-H-120), a dispersion of acetylene black and polytetrafluoroethylene (manufactured by Daikin Industries, Ltd., product name: D-1) and A mixture of pure water was applied and heated at 350 ° C. for 2 hours.
単電池(9)、(10)の発電性能は、空気極に空気を流し、燃料極には二酸化炭素25%および一酸化炭素50ppmを含む水素ガスを流し、電池温度を80℃、空気利用率を40%、燃料利用率を80%、空気の露点を60℃、水素ガスの露点を75℃に設定し、電流密度0.2A/cm2において発電させた時の電池電圧を測定した。 The power generation performance of the cells (9) and (10) is that air is passed through the air electrode, hydrogen gas containing 25% carbon dioxide and 50 ppm carbon monoxide is passed through the fuel electrode, the battery temperature is 80 ° C, and the air utilization rate. Was set to 40%, the fuel utilization rate was set to 80%, the dew point of air was set to 60 ° C., the dew point of hydrogen gas was set to 75 ° C., and the battery voltage was measured at a current density of 0.2 A / cm 2 .
単電池(9)、(10)の電池電圧を(表8)に示す。 The battery voltages of the cells (9) and (10) are shown in (Table 8).
これは、触媒組成物g、hがナフィオン112に濡れることで、剥がれやクラックの無い均一な触媒層が形成され、電解質膜−電極接合体の性能が向上したため、単電池(10)と比較して燃料電池の発電性能が向上したためと考えられる。 This is because the catalyst compositions g and h get wet with the Nafion 112 to form a uniform catalyst layer without peeling or cracking, and the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly is improved. Compared with the unit cell (10). This is probably because the power generation performance of the fuel cell has improved.
以上の発電試験から、本実施形態で作製された電解質膜−電極接合体GH−1は、電解質膜−電極接合体の性能が向上し、燃料電池の発電性能を向上できることが確認できた。 From the above power generation test, it was confirmed that the electrolyte membrane-electrode assembly GH-1 produced in the present embodiment improved the performance of the electrolyte membrane-electrode assembly and improved the power generation performance of the fuel cell.
(変形例)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。
(Modification)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such Embodiment, A various structure can be taken in the range which does not deviate from the meaning.
(変形例1)
上述の各実施の形態では、電解質膜としてナフィオン112を用いているが、電解質膜としては、含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の置換基を有する水素イオン伝導性の樹脂を用いることができ、例えば、アシプレックス(登録商標)やフレミオン(登録商標)などの他の電解質膜を用いることができる。
(Modification 1)
In each of the above-described embodiments, Nafion 112 is used as the electrolyte membrane. As the electrolyte membrane, hydrogen ions having a fluorine-containing polymer as a skeleton and having substituents such as a sulfonic acid group, a carboxyl group, and a phosphoric acid group are used. A conductive resin can be used. For example, other electrolyte membranes such as Aciplex (registered trademark) and Flemion (registered trademark) can be used.
(変形例2)
上述した各実施の形態では、触媒として白金、ルテニウムを用いているが、触媒としては、例えば、金、銀、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム等の貴金属、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、クロム、銅、亜鉛、モリブデン、タングステン、ゲルマニウム、錫等の卑金属、これら貴金属と卑金属との合金、また金属酸化物、金属錯体などの化合物を用いることができる。
(Modification 2)
In each of the embodiments described above, platinum and ruthenium are used as the catalyst. Examples of the catalyst include noble metals such as gold, silver, rhodium, palladium, osmium, iridium, iron, nickel, manganese, cobalt, chromium, Base metals such as copper, zinc, molybdenum, tungsten, germanium, and tin, alloys of these noble metals and base metals, and compounds such as metal oxides and metal complexes can be used.
(変形例3)
上述の各実施の形態においては、触媒としての白金を担持する炭素粉末としては、アセチレンブラック、ヴァルカンまたはケッチェンブラックなどを用いることができ、また、炭素粉末に代えて、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを用いることができる。
(Modification 3)
In each of the embodiments described above, acetylene black, Vulcan or Ketjen black can be used as the carbon powder supporting platinum as a catalyst, and instead of carbon powder, for example, carbon nanotube, carbon In addition to carbon materials such as nanofibers, carbon compounds such as silicon carbide can be used.
(変形例4)
上述の各本実施の形態においては、高分子電解質としてナフィオン10%分散液を用いているが、高分子電解質としては、耐熱性、耐薬品性に優れた酸性官能基を有する高分子を用いることができ、例えば、ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)などのパーフルオロカーボンスルホン酸イオノマーをエチルアルコールなどの有機溶媒または水に分散させたものを用いることができる。
(Modification 4)
In each of the above-described embodiments, a
また、上述の各本実施の形態においては、触媒組成物を触媒粉末と高分子電解質および分散媒を用いて構成しているが、高分子電解質を用いることなく、触媒粉末と分散媒とから触媒組成物を構成してもよい。 Further, in each of the above-described embodiments, the catalyst composition is configured using the catalyst powder, the polymer electrolyte, and the dispersion medium. However, without using the polymer electrolyte, the catalyst composition is formed from the catalyst powder and the dispersion medium. You may comprise a composition.
(変形例5)
上述の各実施の形態においては、触媒組成物の分散媒として純水とエチルアルコールまたはn−ブタノール、イソペンチルアルコール、メチルアルコールとの混合溶媒を用いているが、触媒組成物の分散媒としては、これら以外に、2−メチルプロピルアルコールや2−エチルヘキサノールなどのアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのグリコール類、あるいはこれらの少なくとも2種以上を用いた混合溶媒を用いることができる。
(Modification 5)
In each of the above-described embodiments, a mixed solvent of pure water and ethyl alcohol or n-butanol, isopentyl alcohol, and methyl alcohol is used as a dispersion medium for the catalyst composition. Besides these, alcohols such as 2-methylpropyl alcohol and 2-ethylhexanol, glycols such as ethylene glycol and propylene glycol, or a mixed solvent using at least two or more of these can be used.
(変形例6)
上述の実施の形態1においては、電解質膜に配置する基材としてPETシートを用いているが、基材としては、PETシート以外に、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンなどからなる各種シートを用いることができる。
(Modification 6)
In the first embodiment described above, a PET sheet is used as the base material to be disposed on the electrolyte membrane, but as the base material, various sheets made of polypropylene, polyethylene, polytetrafluoroethylene, etc. are used in addition to the PET sheet. be able to.
(変形例7)
上述の実施の形態1の実施例2における電解質膜加湿工程(S13)おいては、PETシートを剥離した後、電解質膜の当該PETシートと密着していた面を加湿しているが、基材を剥離せずに電解質膜を加湿しても同一の効果を奏することができる。
(Modification 7)
In the electrolyte membrane humidification step (S13) in Example 2 of the first embodiment described above, the surface of the electrolyte membrane that is in close contact with the PET sheet is humidified after peeling off the PET sheet. Even if the electrolyte membrane is humidified without peeling off, the same effect can be obtained.
(変形例8)
上述の各実施の形態における触媒組成物塗布工程(S11、S14、S21、S24、S31、S34、S41、S43)においては、電解質膜に触媒組成物をスクリーン印刷法により塗布しているが、触媒組成物はスクリーン印刷法以外に、ドクターブレード法、スプレー法、バーコート法、ダイコート法などによって電解質膜に塗布してもよい。
(Modification 8)
In the catalyst composition application step (S11, S14, S21, S24, S31, S34, S41, S43) in each of the above-described embodiments, the catalyst composition is applied to the electrolyte membrane by a screen printing method. In addition to the screen printing method, the composition may be applied to the electrolyte membrane by a doctor blade method, a spray method, a bar coating method, a die coating method, or the like.
(変形例9)
上述の実施の形態2における溶媒置換触媒組成物形成工程(S23)においては、触媒組成物に含まれる分散媒を溶媒置換する溶媒としてペンタンを用いているが、分散媒を溶媒置換する溶媒としては、水の沸点未満の沸点を有する各種溶媒を用いることができ、例えば、ペンタンに代えて、ヘキサン、ジエチルエーテル、アセトン、メチルアルコール、エチルアルコール等の溶媒を用いることができる。
(Modification 9)
In the solvent replacement catalyst composition forming step (S23) in the above-described second embodiment, pentane is used as a solvent for replacing the dispersion medium contained in the catalyst composition, but as a solvent for replacing the dispersion medium, Various solvents having a boiling point lower than that of water can be used. For example, instead of pentane, a solvent such as hexane, diethyl ether, acetone, methyl alcohol, or ethyl alcohol can be used.
(変形例10)
上述の各実施の形態においては、第1の触媒組成物と第2の触媒組成物は電解質膜−電極接合体の製造工程の最初に作製しているが、第1の触媒組成物は各製造工程における第1の触媒組成物塗布工程(S1、S21、S31、S41)の前までに、また、第2の触媒組成物は第2の触媒組成物塗布工程(S14、S24、S34、S43)の前までに作製してもよい。
(Modification 10)
In each of the above-described embodiments, the first catalyst composition and the second catalyst composition are produced at the beginning of the production process of the electrolyte membrane-electrode assembly, but the first catalyst composition is produced in each production. Before the first catalyst composition coating step (S1, S21, S31, S41) in the process, the second catalyst composition is the second catalyst composition coating step (S14, S24, S34, S43). It may be produced before.
以上のように、本発明に係る電解質膜−電極接合体の製造方法によると、触媒層に剥がれやクラック等の欠陥が無く、品質に優れ、高性能な電解質膜−電極接合体が得られ、燃料電池に組み込んで使用する場合、高い電池電圧が発現できるので、家庭用コージェネレーションシステム、電気自動車用電源およびポータブル電源などに使用される燃料電池の用途に適用することができる。 As described above, according to the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly according to the present invention, there is no defect such as peeling or cracking in the catalyst layer, an excellent quality, and a high-performance electrolyte membrane-electrode assembly is obtained. When used by being incorporated in a fuel cell, a high battery voltage can be developed, so that it can be applied to the use of a fuel cell used in a home cogeneration system, a power source for an electric vehicle, a portable power source and the like.
10、30、40、60、70、90、100,120 電解質膜−電極接合体
31、61、91、121 第1の触媒組成物
11、32、41、62、71、92、101、122 電解質膜
12、33、42、65、72、94、102、123 第1の触媒層
34、66、95、124 第2の触媒組成物
13、35、43、67、73、96、103、125 第2の触媒層
63 溶媒
64 溶媒置換触媒組成物
93 水
10, 30, 40, 60, 70, 90, 100, 120 Electrolyte membrane-
Claims (5)
電解質膜の一方の面に触媒粉末と分散媒を含む第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程と、
前記第1の触媒組成物塗布工程によって前記電解質膜に塗布された前記第1の触媒組成物から分散媒を除去することにより、前記電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程と、
前記第1の触媒層形成工程によって一方の面に前記第1の触媒層が形成された前記電解質膜を加湿する電解質膜加湿工程と、
前記電解質膜加湿工程で加湿された前記電解質膜の他方の面に触媒粉末と分散媒を含む第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程と、
前記第2の触媒組成物塗布工程によって前記電解質膜に塗布された前記第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、前記電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程と、
を含む電解質膜−電極接合体の製造方法。 In the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, a catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is applied to both surfaces of an electrolyte membrane, and the dispersion medium is removed to form catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane.
A first catalyst composition coating step of coating a first catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium on one surface of the electrolyte membrane;
A first catalyst layer is formed on one surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the first catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the first catalyst composition application step. 1 catalyst layer forming step;
An electrolyte membrane humidifying step of humidifying the electrolyte membrane in which the first catalyst layer is formed on one surface by the first catalyst layer forming step;
A second catalyst composition application step of applying a second catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium to the other surface of the electrolyte membrane humidified in the electrolyte membrane humidification step;
A second catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the second catalyst composition coating step. 2 catalyst layer forming step;
The manufacturing method of the electrolyte membrane electrode assembly containing this.
電解質膜の一方の面に触媒粉末と水の沸点以上の沸点を有する分散媒を含む第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程と、
前記第1の触媒組成物塗布工程によって前記電解質膜に塗布された前記第1の触媒組成物の分散媒を水の沸点未満の沸点を有する溶媒で溶媒置換することにより、前記電解質膜の一方の面に溶媒置換触媒組成物を形成する溶媒置換触媒組成物形成工程と、
前記溶媒置換触媒組成物形成工程によって前記電解質膜の一方の面に形成された前記溶媒置換触媒組成物を、前記溶媒の沸点以上の温度であって、かつ水の沸点未満の温度で加熱して、前記溶媒置換触媒組成物から前記溶媒を除去することにより前記電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程と、
前記第1の触媒層形成工程によって一方の面に前記第1の触媒層が形成された前記電解質膜の他方の面に触媒粉末と分散媒を含む第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程と、
前記第2の触媒組成物塗布工程によって前記電解質膜に塗布された前記第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、前記電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程と、
を含む電解質膜−電極接合体の製造方法。 In the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, a catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is applied to both surfaces of an electrolyte membrane, and the dispersion medium is removed to form catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane.
A first catalyst composition application step of applying a first catalyst composition containing a dispersion medium having a boiling point equal to or higher than the boiling point of catalyst powder and water to one surface of the electrolyte membrane;
By replacing the dispersion medium of the first catalyst composition applied to the electrolyte membrane by the first catalyst composition application step with a solvent having a boiling point less than the boiling point of water, one of the electrolyte membranes A solvent replacement catalyst composition forming step for forming a solvent replacement catalyst composition on the surface;
The solvent replacement catalyst composition formed on one surface of the electrolyte membrane by the solvent replacement catalyst composition formation step is heated at a temperature not lower than the boiling point of the solvent and lower than the boiling point of water. A first catalyst layer forming step of forming a first catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane by removing the solvent from the solvent replacement catalyst composition;
A second catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is applied to the other surface of the electrolyte membrane having the first catalyst layer formed on one surface by the first catalyst layer forming step. A catalyst composition coating step;
A second catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the second catalyst composition coating step. 2 catalyst layer forming step;
The manufacturing method of the electrolyte membrane electrode assembly containing this.
電解質膜の一方の面に触媒粉末と水の沸点以上の沸点を有する分散媒を含む第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程と、
前記第1の触媒組成物塗布工程によって前記電解質膜に塗布された前記第1の触媒組成物の分散媒を、水で置換することにより、前記電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程と、
前記第1の触媒層形成工程によって一方の面に前記第1の触媒層が形成された前記電解質膜の他方の面に触媒粉末と分散媒を含む第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程と、
前記第2の触媒組成物塗布工程によって前記電解質膜に塗布された前記第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、前記電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程と、
を含む電解質膜−電極接合体の製造方法。 In the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, a catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is applied to both surfaces of an electrolyte membrane, and the dispersion medium is removed to form catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane.
A first catalyst composition application step of applying a first catalyst composition containing a dispersion medium having a boiling point equal to or higher than the boiling point of catalyst powder and water to one surface of the electrolyte membrane;
By replacing the dispersion medium of the first catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the first catalyst composition application step with water, the first catalyst layer is formed on one surface of the electrolyte membrane. A first catalyst layer forming step to be formed;
A second catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is applied to the other surface of the electrolyte membrane having the first catalyst layer formed on one surface by the first catalyst layer forming step. A catalyst composition coating step;
A second catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the second catalyst composition coating step. 2 catalyst layer forming step;
The manufacturing method of the electrolyte membrane electrode assembly containing this.
電解質膜の一方の面に触媒粉末と水の沸点未満の沸点を有する分散媒を含む第1の触媒組成物を塗布する第1の触媒組成物塗布工程と、
前記第1の触媒組成物塗布工程によって前記電解質膜に塗布された前記第1の触媒組成物を、前記分散媒の沸点以上の温度であって、かつ水の沸点未満の温度で加熱して、前記第1の触媒組成物から前記分散媒を除去することにより、前記電解質膜の一方の面に第1の触媒層を形成する第1の触媒層形成工程と、
前記第1の触媒層形成工程によって一方の面に前記第1の触媒層が形成された前記電解質膜の他方の面に触媒粉末と分散媒を含む第2の触媒組成物を塗布する第2の触媒組成物塗布工程と、
前記第2の触媒組成物塗布工程によって前記電解質膜に塗布された前記第2の触媒組成物から分散媒を除去することにより、前記電解質膜の他方の面に第2の触媒層を形成する第2の触媒層形成工程と、
を含む電解質膜−電極接合体の製造方法。 In the method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly, a catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is applied to both surfaces of an electrolyte membrane, and the dispersion medium is removed to form catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane.
A first catalyst composition application step of applying a first catalyst composition containing a dispersion medium having a boiling point lower than the boiling point of catalyst powder and water on one surface of the electrolyte membrane;
Heating the first catalyst composition applied to the electrolyte membrane by the first catalyst composition application step at a temperature not lower than the boiling point of the dispersion medium and lower than the boiling point of water; A first catalyst layer forming step of forming a first catalyst layer on one surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the first catalyst composition;
A second catalyst composition containing a catalyst powder and a dispersion medium is applied to the other surface of the electrolyte membrane having the first catalyst layer formed on one surface by the first catalyst layer forming step. A catalyst composition coating step;
A second catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane by removing the dispersion medium from the second catalyst composition applied to the electrolyte membrane in the second catalyst composition coating step. 2 catalyst layer forming step;
The manufacturing method of the electrolyte membrane electrode assembly containing this.
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