JP2018077980A - Method of manufacturing membrane electrode assembly - Google Patents

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敦弘 川村
侑輝 高林
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侑輝 高林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a membrane electrode assembly in which, in a manufacturing process of the membrane electrode assembly used in a fuel cell, warpage occurs in a substrate and the membrane electrode assembly and reduction in quality is suppressed.SOLUTION: Disclosed is a method of manufacturing a membrane electrode assembly including a catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, a gasket material, and a support base material. At least one of angles in the flow direction of the solid polymer electrolyte membrane, the gasket material and the support base material with respect to the traveling direction of a pressure roller is not zero degree.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池の構成部材である膜電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly which is a constituent member of a polymer electrolyte fuel cell.

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

燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形等に分類され、それぞれ運転温度が大きく異なり、それに伴い発電規模や利用分野も異なる。   The types of fuel cells are classified into solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, alkaline type, etc. depending on the electrolyte used. Is also different.

陽イオン交換膜を電解質として用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれ、燃料電池の中でも比較的低温での動作が可能であり、また、電解質膜の薄膜化により内部抵抗を低減できるため高出力化、コンパクト化が可能であり、車搭載源や家庭据置用電源等への使用が有望視されている。   The one using a cation exchange membrane as an electrolyte is called a polymer electrolyte fuel cell, and can operate at a relatively low temperature among fuel cells, and the internal resistance can be reduced by reducing the thickness of the electrolyte membrane. Therefore, high output and compactness are possible, and it is considered promising for use as a vehicle-mounted source or a household stationary power source.

固体高分子形燃料電池は膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレータ板で挟持した電池である。この一対のセパレータ板で挟持した電池を単電池セルと呼ぶ。   A polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) called a membrane electrode assembly (MEA) in which a pair of electrode catalyst layers are disposed on both sides of an electrolyte membrane, and a fuel gas containing hydrogen is applied to one of the electrodes. The battery is sandwiched between a pair of separator plates formed with a gas flow path for supplying and supplying an oxidant gas containing oxygen to the other electrode. A battery sandwiched between the pair of separator plates is called a single battery cell.

固体高分子形燃料電池は、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、単電池セルを複数積層(スタック)して用いられる。スタックする枚数は、必要な電力により異なり、一般的な携帯電気機器のポータブル電源では数枚から10枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では60枚から90枚程度、自動車用途では250枚から400枚程度である。高出力化をするためにはスタック枚数を増やすことが必要となり、単電池セルのコストが燃料電池全体のコストに大きく影響する。   A polymer electrolyte fuel cell is used by stacking a plurality of unit cells for the purpose of increasing power density and making the entire fuel cell compact. The number of stacks varies depending on the power required. For portable power sources of general portable electric devices, several to about 10 sheets, for cogeneration stationary electric and hot water supply machines, about 60 to 90 sheets, and for automobile applications, 250 sheets. From about 400 to 400. In order to increase the output, it is necessary to increase the number of stacks, and the cost of the unit cell greatly affects the cost of the entire fuel cell.

膜電極接合体の製造方法では、転写基材に担持させた触媒層を固体高分子電解質膜に熱プレスあるいは熱ラミネートにより熱圧着させた後に、転写基材を剥離させる方法が提案されている。   As a method for producing a membrane / electrode assembly, a method has been proposed in which a catalyst layer supported on a transfer substrate is thermocompression bonded to a solid polymer electrolyte membrane by hot pressing or thermal lamination, and then the transfer substrate is peeled off.

例えば、特許文献1では熱プレスを用いる手法、特許文献2では熱ラミネートを用いる手法がそれぞれ開示されている。熱プレス法は、固体高分子電解質膜とその両側に転写基材に担持させた触媒層を配して一対の平板に挟んで熱圧着させることで膜電極接合体を製造する方法である。また、熱ラミネート法は、固体高分子電解質膜とその両側に配された触媒層を担持した長尺の触媒層担持基材とを接触させ、一対の熱ラミネートロールで熱圧着させることで膜電極接合体を製造する方法である。   For example, Patent Document 1 discloses a technique using a hot press, and Patent Document 2 discloses a technique using a thermal laminate. The hot press method is a method of manufacturing a membrane electrode assembly by placing a solid polymer electrolyte membrane and a catalyst layer supported on a transfer substrate on both sides thereof and sandwiching the membrane between a pair of flat plates and thermocompression bonding. The thermal laminating method is a method in which a solid polymer electrolyte membrane and a long catalyst layer-supporting substrate carrying a catalyst layer disposed on both sides thereof are brought into contact with each other and thermally bonded by a pair of heat laminating rolls. This is a method of manufacturing a joined body.

特開2015−133337号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-133337 特開2016−076366号公報JP, 2006-076366, A 特開平9−19964号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-19964

しかし、特許文献1や特許文献2に記載の熱プレス法や熱ラミネート法により得られた膜電極接合体は、貼合及び熱圧着の際の残留応力や熱履歴の影響、あるいは固体高分子電解質膜や転写基材といった各部材の保管状態の影響といった、様々な外的・内的要因による反りを有しており、外観や発電性能を損なうといった問題を持つ。   However, the membrane / electrode assembly obtained by the hot pressing method or the thermal laminating method described in Patent Document 1 or Patent Document 2 is affected by residual stress and thermal history during bonding and thermocompression bonding, or a solid polymer electrolyte. It has warping due to various external and internal factors such as the influence of the storage state of each member such as a film and a transfer substrate, and has a problem of deteriorating the appearance and power generation performance.

ここで、燃料電池の分野以外にも、反りの改善を課題としている分野はある。例えば特許文献3では、積層基材の分野において、繊維に方向性を持たせた基材を作製し、繊維方向を持たせた基材同士で繊維方向間が90°になるように積層することで反りが低減されることが開示されている。   Here, besides the field of fuel cells, there is a field where improvement of warpage is an issue. For example, in Patent Document 3, in the field of laminated base materials, a base material having directionality is produced, and the base materials having the fiber direction are laminated so that the inter-fiber direction is 90 °. It is disclosed that warpage is reduced.

しかしながら、特許文献3の手法は積層基材の製造方法に関するものであり、特許文献3の手法を燃料電池の膜電極接合体の製造方法に適用しようとしても、基材の流れ方向あるいは加圧ローラーの進行方向に適合させることが難しく、反りを低減することは難しい。   However, the method of Patent Document 3 relates to a method for manufacturing a laminated substrate, and even if the method of Patent Document 3 is applied to a method for manufacturing a membrane electrode assembly of a fuel cell, the flow direction of the substrate or a pressure roller It is difficult to adapt to the direction of travel, and it is difficult to reduce warpage.

本発明は上記のような実情を鑑みて成されたものであり、反りの低減された膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a membrane electrode assembly with reduced warpage.

上記の課題を解決するための手段として、本発明の第一の様態は、
触媒層と固体高分子電解質膜とガスケット材と支持基材を含む膜電極接合体の製造方法であって、少なくとも、触媒インクを転写基材に塗布する塗布工程と、前記転写基材の前記触媒インクが塗布されていない側の面に前記ガスケット材と前記支持基材を貼合せる貼合工程と、前記触媒インクを前記固体高分子電解質膜に熱圧着する熱圧着工程を含み、前記貼合工程では、加圧ローラーの進行方向をy軸方向としたときに、前記支持基材の流れ方向と前記y軸方向とで成される角度を、カソード側ではα、アノード側ではγとし、前記ガスケット材の流れ方向と前記y軸方向とで成される角度を、カソード側ではβ、アノード側ではφとし、前記固体高分子電解質膜の流れ方向と前記y軸方向とで成される角度をθとし、前記α、前記β、前記γ、前記φ、前記θのうち、少なくともいずれかの角度が0度ではないことを特徴とする膜電極接合体の製造方法である。
As a means for solving the above problems, the first aspect of the present invention is:
A method for producing a membrane electrode assembly comprising a catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, a gasket material, and a supporting substrate, wherein at least a coating step of applying a catalyst ink to a transfer substrate, and the catalyst of the transfer substrate Including a bonding step of bonding the gasket material and the support substrate to a surface on which ink is not applied, and a thermocompression bonding step of thermocompression bonding the catalyst ink to the solid polymer electrolyte membrane, the bonding step Then, when the advancing direction of the pressure roller is the y-axis direction, the angle formed by the flow direction of the support base material and the y-axis direction is α on the cathode side and γ on the anode side, and the gasket The angle formed between the flow direction of the material and the y-axis direction is β on the cathode side and φ on the anode side, and the angle formed between the flow direction of the solid polymer electrolyte membrane and the y-axis direction is θ. And α, β, γ, In the method for manufacturing a membrane electrode assembly, at least one of φ and θ is not 0 degree.

本発明によれば、既存の触媒インク等を変更することなく従来の転写方式と比較して膜電極接合体の反りを低減することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to reduce the warpage of the membrane electrode assembly as compared with the conventional transfer method without changing the existing catalyst ink or the like.

従来技術に係るカソード触媒層側の構成図である。It is a block diagram by the side of the cathode catalyst layer which concerns on a prior art. 従来技術に係るアノード触媒層側の構成図である。It is a block diagram by the side of the anode catalyst layer which concerns on a prior art. 従来技術に係る膜電極接合体の構成図である。It is a block diagram of the membrane electrode assembly which concerns on a prior art. 本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示す構成図である。It is a block diagram which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示す構成図である。It is a block diagram which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る膜電極接合体の反りの定義を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the definition of the curvature of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る触媒層の製造方法を示す構成図である。It is a block diagram which shows the manufacturing method of the catalyst layer which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示す構成図である。It is a block diagram which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention.

本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、以下に記載する実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれるものである。また、各図は説明のため、適宜誇張して表現している。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be made based on the knowledge of those skilled in the art, and such modifications have been added. Embodiments are also included in the scope of the embodiments of the present invention. Each figure is exaggerated as appropriate for explanation.

以下では従来技術と対比することで、本発明の実施形態について説明する。なお、各図面において、触媒層1(5)、転写基材2、ガスケット材3、支持基材4が積層されている方向をz軸方向と定義し、各構成部材を加圧する加圧ローラー(図示せず)の進行方向をy軸方向、y軸方向とz軸方向にそれぞれ直交した方向をx軸方向と定義する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described by comparing with the prior art. In each drawing, the direction in which the catalyst layer 1 (5), the transfer base material 2, the gasket material 3, and the support base material 4 are laminated is defined as the z-axis direction, and a pressure roller that pressurizes each constituent member ( The advancing direction (not shown) is defined as the y-axis direction, and the direction perpendicular to the y-axis direction and the z-axis direction is defined as the x-axis direction.

(従来技術)
図1乃至3は膜電極接合体の製造方法における従来技術の一例である。
図1(a)はカソード側の部材、すなわち、カソード触媒層1、カソード触媒層1と同一形状の枠穴を有したガスケット材3および支持基材4を表している。図1(b)は図1(a)のx−z断面図を示している。
(Conventional technology)
1 to 3 show an example of a conventional technique in a method for manufacturing a membrane electrode assembly.
FIG. 1A shows a cathode side member, that is, a cathode catalyst layer 1, a gasket material 3 having a frame hole having the same shape as the cathode catalyst layer 1, and a support base material 4. FIG.1 (b) has shown xz sectional drawing of Fig.1 (a).

図2はアノード側の部材を示している。すなわち、図2(a)はアノード触媒層5、アノード触媒層5と同一形状の枠穴を有したガスケット材3および支持基材4を表している。図2(b)は図2(a)のx−z断面図を示している。   FIG. 2 shows members on the anode side. That is, FIG. 2A shows the anode catalyst layer 5, the gasket material 3 having the same shape as the anode catalyst layer 5, and the support base 4. FIG. 2B shows an xz sectional view of FIG.

図3は従来技術の膜電極接合体の製造方法の一例を示している。固体高分子電解質膜6の両面に、図1で示したカソード側と図2で示したアノード側の触媒層1(5)、ガスケット材3および支持基材4とがそれぞれ配置され、加圧ローラーにより貼合されて製造される。なお、図3(b)は図3(a)のx−z断面図を示している。   FIG. 3 shows an example of a conventional method for manufacturing a membrane electrode assembly. A catalyst layer 1 (5), a gasket material 3 and a supporting substrate 4 on the cathode side shown in FIG. 1 and the anode side shown in FIG. 2 are arranged on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 6, respectively, and a pressure roller Is manufactured by bonding. FIG. 3B shows an xz sectional view of FIG.

ここで、xy平面上で、カソード側におけるガスケット材3の流れ方向及び支持基材4の流れ方向が、加圧ローラーの進行方向(y軸方向)と時計周りに成す角度をそれぞれβ及びαと定義し、xy平面上でアノード側におけるガスケット材3の流れ方向及び支持基材4の流れ方向が、加圧ローラーの進行方向(y軸方向)と時計周りに成す角度をそれぞれφ及びγと定義する。同様に、xy平面上で固体高分子電解質膜6の流れ方向が、加圧ローラーの進行方向(y軸方向)と時計周りに成す角度をθと定義する。
なお、ここでいう流れ方向とは、ガスケット材3、支持基材4、固体高分子電解質膜6のロール・トゥ・ロールにおける製造工程の流れ方向を指し、ロール延伸による一軸延伸方向と一致する。
Here, on the xy plane, the angle formed by the flow direction of the gasket material 3 and the flow direction of the support base material 4 on the cathode side in the clockwise direction and the clockwise direction of the pressure roller is β and α, respectively. Define the angles that the flow direction of the gasket material 3 and the flow direction of the support base material 4 on the anode side on the xy plane form the pressure roller traveling direction (y-axis direction) and clockwise, respectively, as φ and γ, respectively. To do. Similarly, an angle formed by the flow direction of the solid polymer electrolyte membrane 6 on the xy plane in the clockwise direction with the traveling direction of the pressure roller (y-axis direction) is defined as θ.
In addition, the flow direction here refers to the flow direction of the manufacturing process in the roll to roll of the gasket material 3, the support base material 4, and the solid polymer electrolyte membrane 6, and corresponds with the uniaxial stretching direction by roll stretching.

図1乃至3に示すように、従来技術ではそれぞれの部材が、加圧ローラーの進行方向(図におけるy軸方向)に平行な状態で作製される。換言すると、従来技術では、α、β、γ、φ、θを略0度に設定した状態で加圧ローラーにより貼合される。   As shown in FIGS. 1 to 3, in the prior art, each member is manufactured in a state parallel to the traveling direction of the pressure roller (the y-axis direction in the figure). In other words, in the prior art, the α, β, γ, φ, θ are bonded by the pressure roller in a state where they are set to approximately 0 degrees.

膜電極接合体の製造時における反りの発生原因は諸々考えられるが、製造前の固体高分子電解質膜や転写基材といった各部材の保管状態が反りの原因の一つであり、影響度合いが高いと考えられる。すなわち、膜電極接合体をロール・トゥ・ロールにて製造する場合、転写基材2、ガスケット材3、支持基材4はロール状態で提供されることが一般的である。そのため部材に巻き癖がついていることがあり、これに起因した反りが発生する。   There are various causes of warpage during the manufacture of membrane electrode assemblies, but the storage state of each member such as the solid polymer electrolyte membrane and transfer substrate before production is one of the causes of warpage, and the degree of influence is high it is conceivable that. That is, when manufacturing a membrane electrode assembly by roll-to-roll, the transfer base material 2, the gasket material 3, and the support base material 4 are generally provided in a roll state. For this reason, the member may have a curl, and warping due to this occurs.

特に、従来技術では図1乃至3のとおり、膜電極接合体の製造時にはα、β、γ、φ及びθが加圧ローラーに対してすべて略0度(略平行)となっている。そのため、各部材は同一方向の撒き癖がついた状態で積層されるので、製造終了時には反りが際立った状態となり、外観や発電性能を損なうといった問題を持つ。   In particular, as shown in FIGS. 1 to 3, in the prior art, α, β, γ, φ, and θ are all substantially 0 degrees (substantially parallel) with respect to the pressure roller when the membrane electrode assembly is manufactured. For this reason, since the members are stacked in a state where the creases in the same direction are attached, there is a problem in that the warpage becomes conspicuous at the end of manufacture, and the appearance and power generation performance are impaired.

(本発明の一実施形態)
図4は、本発明の一実施形態である膜電極接合体の製造方法であり、図4(a)はカソード側、図4(b)はアノード側を示している。すなわち、本発明の膜電極接合体の製造方法は、次の構成を有する。
(One embodiment of the present invention)
4A and 4B show a method for manufacturing a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention. FIG. 4A shows the cathode side, and FIG. 4B shows the anode side. That is, the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the present invention has the following configuration.

図4(a)はカソード側を表しており、カソード触媒層1、転写基材2、ガスケット材3および支持基材4を備えている。図4(b)はアノード側を表しており、アノード触媒層5、転写基材2、ガスケット材3および支持基材4を備えている。そして図5に示すように、膜電極接合体は固体高分子電解質膜6の両面に対し、図4(a)、(b)で示した触媒層1(5)及びガスケット材3、支持基材4を備えている。   FIG. 4A shows the cathode side, which includes a cathode catalyst layer 1, a transfer substrate 2, a gasket material 3, and a support substrate 4. FIG. 4B shows the anode side, and includes an anode catalyst layer 5, a transfer substrate 2, a gasket material 3, and a support substrate 4. As shown in FIG. 5, the membrane / electrode assembly has the catalyst layer 1 (5), gasket material 3 and supporting substrate shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 6. 4 is provided.

ここで、本発明の実施形態の特徴である転写基材2、ガスケット材3、支持基材4、高分子電解質膜6の流れ方向と加圧ローラーの進行方向(y軸方向)との成す角度の定義に関し、図4、5を参照して説明する。   Here, an angle formed by the flow direction of the transfer base material 2, the gasket material 3, the support base material 4, and the polymer electrolyte membrane 6 and the traveling direction (y-axis direction) of the pressure roller, which is a feature of the embodiment of the present invention. The definition will be described with reference to FIGS.

すなわち、本発明では、図4、5に示すように、α、β、γ、φ及びθを加圧ローラーの進行方向に対して互いに異なる角度にして製造することを特長とする。
α、β、γ、φ及びθをローラーの進行方向に対して互いに異なる角度にして積層しているため、製造終了時にはこれらの反りが平均化される。したがって、反りが低減された膜電極接合体を製造することが可能となる。
That is, the present invention is characterized in that α, β, γ, φ, and θ are manufactured at different angles with respect to the traveling direction of the pressure roller, as shown in FIGS.
Since α, β, γ, φ, and θ are laminated at different angles with respect to the traveling direction of the roller, these warpages are averaged at the end of production. Therefore, it becomes possible to manufacture a membrane electrode assembly with reduced warpage.

ここで、α、β、γ、φ及びθはローラーの進行方向に対して互いに異なった角度となっていれば本発明の効果を得られる。特に、それぞれの角度が絶対値で60°以上120°以下のときに膜電極接合体の反りが低減されやすいため好ましく、さらにθが略90°のとき最も好適に製造することが出来る。一方、α、β、γ、φ及びθが絶対値で60°未満あるいは120°を超えたとき、転写基材2、ガスケット材3、支持基材4、固体高分子電解質膜6の流れ方向に対して生じる反りに加わる圧力の緩和が小さくなり、反りの低減度は少なくなる。   Here, if the angles α, β, γ, φ, and θ are different from each other with respect to the traveling direction of the roller, the effect of the present invention can be obtained. In particular, it is preferable that the angle of each angle is 60 ° or more and 120 ° or less because the warpage of the membrane / electrode assembly is easily reduced, and when θ is approximately 90 °, it can be most preferably manufactured. On the other hand, when α, β, γ, φ, and θ are absolute values of less than 60 ° or more than 120 °, the transfer substrate 2, gasket material 3, support substrate 4, and solid polymer electrolyte membrane 6 flow in the flow direction. On the other hand, the relaxation of the pressure applied to the warp generated is reduced, and the degree of reduction of the warp is reduced.

さらに、固体高分子電解質膜6とガスケット材3、支持基材4に用いる材料は作製工程の中にローラーで巻き取る工程があり、ローラーで巻き取る方向に対して異方性と反りを持つ。そのため、固体高分子電解質膜6とガスケット材3、支持基材4に用いる材料は、加圧ローラーの流れ方向(y軸方向)と幅方向(x軸方向)に対し異方性を持たせることで、固体高分子電解質膜6とガスケット材3、支持基材4が作製された際に生じていた反りを軽減させることができるため好ましい。   Furthermore, the material used for the solid polymer electrolyte membrane 6, the gasket material 3, and the support substrate 4 includes a step of winding with a roller in the manufacturing process, and has anisotropy and warping with respect to the direction of winding with the roller. Therefore, the materials used for the solid polymer electrolyte membrane 6, the gasket material 3, and the support base material 4 should have anisotropy in the flow direction (y-axis direction) and the width direction (x-axis direction) of the pressure roller. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane 6, the gasket material 3, and the support base material 4 can be reduced because the warpage that has occurred can be reduced.

ここで、図6を参照して、本発明の一実施形態における膜電極接合体の反りの定量化を定義する。
図6に示すように、膜電極接合体の反りが向いている面を上面にし、水平な台の上に置く。水平な台から膜電極接合体の両端の高さをa及びbと定義し、aとbの和を2で除した値を反り量と定義し、評価項目とする。
Here, with reference to FIG. 6, the quantification of the curvature of the membrane electrode assembly in one Embodiment of this invention is defined.
As shown in FIG. 6, the surface of the membrane electrode assembly facing the warp is placed on the upper surface and placed on a horizontal base. The height of both ends of the membrane electrode assembly from the horizontal base is defined as a and b, and the value obtained by dividing the sum of a and b by 2 is defined as the amount of warpage, which is an evaluation item.

(触媒層の製造工程)
次に触媒層の製造工程について、図7、8を参照して説明する。
触媒層の製造には、まず、転写基材2に触媒インクを塗布する塗布工程を行う。触媒インクの塗布は公知の技術でよく、例えばダイ塗工やスプレー塗工などが挙げられる。
(Catalyst layer manufacturing process)
Next, the manufacturing process of a catalyst layer is demonstrated with reference to FIG.
In the production of the catalyst layer, first, a coating process for coating the transfer substrate 2 with the catalyst ink is performed. The catalyst ink may be applied by a known technique, for example, die coating or spray coating.

続いて、図7(a)のように、転写基材2の触媒インクが塗布されていない面とガスケット材3と支持基材4を積層して貼合せる貼合工程を行う。貼合工程では、y軸方向へ加圧ローラーを進行させて、α、β、γ、φ及びθがそれぞれ異なっている転写基材2とガスケット材3と支持基材4を積層して加圧しながら貼合せる。その際、転写基材2とガスケット材3の間に気泡が無いよう圧着することが好ましい。   Subsequently, as shown in FIG. 7A, a bonding process is performed in which the surface of the transfer base material 2 on which the catalyst ink is not applied, the gasket material 3, and the support base material 4 are laminated and bonded. In the bonding step, the pressure roller is advanced in the y-axis direction, and the transfer base material 2, the gasket material 3, and the support base material 4 having different α, β, γ, φ, and θ are laminated and pressed. While pasting. At that time, it is preferable to perform pressure bonding so that there are no bubbles between the transfer substrate 2 and the gasket material 3.

貼合時におけるローラー圧力は、例えば0.01MPa以上100MPa以下がよく、好ましくは0.05MPa以上50MPa以下、更に好ましくは0.1MPa以上10MPa以下がよい。上記範囲内の場合、転写された触媒層の構造は密になりすぎず、フラッディングが生じにくいといった効果を得られるため良い。
また上記の貼合時におけるローラー進行速度は、例えば0.01mm/s以上100mm/s以下、好ましくは0.05mm/s以上50mm/s以下、更に好ましくは0.1mm/s以上10mm/s以下であれば速度によって生じる基材の反りの低減や基材間にある空気の脱泡といった効果を得られるため良い。
The roller pressure at the time of bonding is, for example, from 0.01 MPa to 100 MPa, preferably from 0.05 MPa to 50 MPa, and more preferably from 0.1 MPa to 10 MPa. In the case of the above range, the transferred catalyst layer structure is not too dense, and an effect that flooding hardly occurs can be obtained.
Moreover, the roller traveling speed at the time of the above bonding is, for example, 0.01 mm / s or more and 100 mm / s or less, preferably 0.05 mm / s or more and 50 mm / s or less, more preferably 0.1 mm / s or more and 10 mm / s or less. If so, it is preferable to obtain effects such as reduction of warpage of the base material caused by speed and defoaming of air between the base materials.

貼合工程後には断裁工程を行う。断裁工程では打ち抜き加工工程と除去工程を含む。打ち抜き加工工程とは、図7(a)の点線で示すように、触媒層面側より、触媒層1(5)、転写基材2及びガスケット材3が不連続面になるように断裁する工程である。すなわち、転写基材2に不連続面を付与するための加工には、打ち抜き加工などの刃物型を用いる加工を行うことにより、形状、寸法に優れた不連続面を有する触媒層1(5)を得ることができる。このとき、刃物型は触媒層1(5)、転写基材2及びガスケット材3まで貫通し、不連続となるよう断裁する必要がある。触媒層1(5)とガスケット材3を同時に同一形状で断裁することで、膜電極接合体の形成時に触媒層1(5)とガスケット材3との間に隙間をなくすことができる。その結果、燃料電池の燃料であるガスのリークの抑制といった効果を得られる。その後、図7(b)のように、切断面の外側にあたる転写基材2aとその上部に付着している触媒層1(5)のみを剥離して除去することで、ガスケット3を露出させることが出来る。   A cutting process is performed after the bonding process. The cutting process includes a punching process and a removal process. The punching process is a process in which the catalyst layer 1 (5), the transfer substrate 2 and the gasket material 3 are cut from the catalyst layer surface side so as to be discontinuous surfaces, as shown by the dotted line in FIG. is there. That is, in the process for imparting a discontinuous surface to the transfer substrate 2, the catalyst layer 1 (5) having a discontinuous surface excellent in shape and size is obtained by performing a process using a blade type such as a punching process. Can be obtained. At this time, it is necessary to cut the blade mold so as to penetrate the catalyst layer 1 (5), the transfer base material 2 and the gasket material 3 so as to be discontinuous. By cutting the catalyst layer 1 (5) and the gasket material 3 simultaneously in the same shape, a gap can be eliminated between the catalyst layer 1 (5) and the gasket material 3 when forming the membrane electrode assembly. As a result, it is possible to obtain an effect of suppressing leakage of gas that is fuel of the fuel cell. Thereafter, as shown in FIG. 7B, the gasket 3 is exposed by peeling off and removing only the transfer substrate 2a on the outside of the cut surface and the catalyst layer 1 (5) adhering to the upper part. I can do it.

なお、打ち抜き加工工程の際、粘着層を有する支持基材4まで断裁してしまうと、触媒層1(5)が転写基材2から抜け落ちてしまう恐れがあり、ガスケット材3と触媒層1(5)の間に位置ずれが発生してしまう。位置ずれにより隙間や乗り上げ部分が生じ、膜電極接合体に高分子電解質膜6の露出部が生じてしまうため好ましくない。   In the punching process, if the support substrate 4 having the adhesive layer is cut, the catalyst layer 1 (5) may fall off the transfer substrate 2, and the gasket material 3 and the catalyst layer 1 ( A position shift occurs during 5). A gap or a climbing portion is generated due to the displacement, and an exposed portion of the polymer electrolyte membrane 6 is generated in the membrane electrode assembly, which is not preferable.

断裁工程後に、積層した転写基材2等を高分子電解質膜6に熱圧着する熱圧着工程を行う。図8に示すように、カソード側とアノード側の触媒層1(5)の位置あわせを行ったうえで、支持基材4側から熱圧着することで膜電極接合体を得られる。熱圧着装置は、均一加温、均一加圧が容易なことから、ロールによる熱ラミネート方式(熱ラミネート加工)または、熱プレス方式(ホットプレス加工)であることが好ましい。熱圧着時の温度は、固体高分子電解質膜6の軟化温度以上、耐熱温度以下であれば固体高分子電解質膜6の熱劣化も無く、良好な膜電極接合体が得られるため好ましい。   After the cutting process, a thermocompression bonding process is performed in which the laminated transfer substrate 2 and the like are thermocompression bonded to the polymer electrolyte membrane 6. As shown in FIG. 8, after aligning the catalyst layer 1 (5) on the cathode side and the anode side, the membrane electrode assembly can be obtained by thermocompression bonding from the support substrate 4 side. The thermocompression bonding apparatus is preferably a heat laminating method (thermal laminating process) or a hot pressing system (hot pressing process) using a roll because uniform heating and uniform pressing are easy. If the temperature at the time of thermocompression bonding is not less than the softening temperature of the solid polymer electrolyte membrane 6 and not more than the heat resistance temperature, the solid polymer electrolyte membrane 6 is not thermally deteriorated and a favorable membrane electrode assembly can be obtained.

また熱圧着時におけるローラー圧力は、例えば0.01MPa以上100MPa以下、好ましくは0.05MPa以上50MPa以下、更に好ましくは0.1MPa以上10MPa以下であれば良い。   The roller pressure at the time of thermocompression bonding is, for example, from 0.01 MPa to 100 MPa, preferably from 0.05 MPa to 50 MPa, and more preferably from 0.1 MPa to 10 MPa.

以下では、各部材の詳細について説明する。
膜電極接合体に用いられる高分子電解質膜6としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質等を用いることができる。なお、フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製のNafion(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)等を用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質膜としてフッ素系高分子電解質としてパーフルオロスルホン酸を含む材料を好適に用いることができる。
Below, the detail of each member is demonstrated.
The polymer electrolyte membrane 6 used for the membrane electrode assembly may be any one having proton conductivity, and a fluorine-based polymer electrolyte, a hydrocarbon-based polymer electrolyte, or the like can be used. In addition, as the fluorine-based polymer electrolyte, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. or the like may be used. it can. Moreover, as the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, for example, an electrolyte membrane such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. Among them, a material containing perfluorosulfonic acid as the fluorine-based polymer electrolyte can be suitably used as the polymer electrolyte membrane.

カソード触媒層1及びアノード触媒層5に含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜6と同様の素材を用いることができ、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質等を用いることができる。なお、フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製のNafion(登録商標)系材料等を用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の高分子電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質としてフッ素系高分子電解質としてパーフルオロスルホン酸を含む材料を好適に用いることができる。   The polymer electrolyte contained in the cathode catalyst layer 1 and the anode catalyst layer 5 may be any one having proton conductivity, and the same material as the polymer electrolyte membrane 6 can be used. Hydrocarbon polymer electrolytes and the like can be used. In addition, as a fluorine-type polymer electrolyte, the Dufon Nafion (trademark) type material etc. can be used, for example. Further, as the hydrocarbon polymer electrolyte membrane, for example, a polymer electrolyte membrane such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene or the like is used. it can. Among these, a material containing perfluorosulfonic acid as the fluorine-based polymer electrolyte can be suitably used as the polymer electrolyte.

本実施形態で用いる触媒粒子としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素のほか、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属、またはこれらの合金が使用できる。また、酸化物、複酸化物等も使用できる。また、これらの触媒の粒径は、例えば0.1nm以上1μm以下、好ましくは0.5nm以上100nm以下、更に好ましくは1nm以上10nm以下程度である。   The catalyst particles used in the present embodiment include platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and the like. These metals or their alloys can be used. In addition, oxides, double oxides, and the like can be used. The particle size of these catalysts is, for example, about 0.1 nm to 1 μm, preferably about 0.5 nm to 100 nm, and more preferably about 1 nm to 10 nm.

これらの触媒粒子を担持する導電性担体は、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒粒子におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン等が使用できる。   Carbon particles are generally used as the conductive carrier for supporting these catalyst particles. Any kind of carbon particles may be used as long as they are in the form of fine particles, have conductivity and are not affected by the catalyst particles, such as carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene, etc. Can be used.

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子を担持した導電性担体や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるものあれば特に制限はない。   The solvent used as a dispersion medium for the catalyst ink can dissolve the polymer electrolyte in a highly fluid state or be dispersed as a fine gel without eroding the conductive carrier carrying the catalyst particles or the polymer electrolyte. There is no particular limitation as long as there is something.

なお、溶媒としては揮発性の有機溶媒や水が含まれることが望ましく、有機溶媒に関しては、特に限定されるものではないが、メタノール、エタノール、1−プロパノ―ル、2−プロパノ―ル、1−ブタノ−ル、2−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノ−ル等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等の極性溶剤等が使用される。また、これらの溶剤や水のうち二種以上を混合させたものも使用できる。分散剤が含まれていても良い。   The solvent preferably includes a volatile organic solvent or water, and the organic solvent is not particularly limited, but methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1 Alcohols such as butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentaanol, acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl Ketone solvents such as ketones, ether solvents such as tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, dibutyl ether, other dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrole Emissions, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol polar solvents such as are used. Moreover, what mixed 2 or more types of these solvents and water can also be used. A dispersant may be included.

また、触媒インクを作製する際の分散処理は、様々な装置を用いておこなうことができる。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理などが挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザーなどを用いても良い。   Moreover, the dispersion process at the time of producing catalyst ink can be performed using various apparatuses. For example, as the dispersion treatment, treatment with a ball mill or roll mill, treatment with a shear mill, treatment with a wet mill, ultrasonic dispersion treatment, and the like can be given. Moreover, you may use the homogenizer etc. which stir with centrifugal force.

転写基材2を構成する材料としては、触媒層を固体高分子電解質膜6に転写できるものであれば良い。例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを用いることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。   Any material that can transfer the catalyst layer to the solid polymer electrolyte membrane 6 may be used as the material constituting the transfer substrate 2. For example, polymers such as polyimide, polyethylene terephthalate, polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyacrylate, polyethylene naphthalate A film can be used. Moreover, heat resistant fluororesins such as ethylene tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and polytetrafluoroethylene can also be used.

転写基材2を構成する材料としては、その表面に触媒層を形成できるものであれば良い。例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを用いることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。   Any material can be used as the material constituting the transfer substrate 2 as long as the catalyst layer can be formed on the surface thereof. For example, polymers such as polyimide, polyethylene terephthalate, polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyacrylate, polyethylene naphthalate A film can be used. Moreover, heat resistant fluororesins such as ethylene tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and polytetrafluoroethylene can also be used.

転写基材2上に触媒層を形成する塗布装置は、触媒層を均一な厚みで塗布が可能であれば良く、ダイコーター方式、ロールコーター方式等の方式を用いることができる。   The coating apparatus for forming the catalyst layer on the transfer substrate 2 is only required to be able to apply the catalyst layer with a uniform thickness, and a method such as a die coater method or a roll coater method can be used.

ガスケット材3及び粘着層を有するプラスチックフィルムは、熱加圧時に溶融しない程度の耐熱性を有しているものであれば良い。例えば、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアクリレート等の高分子フィルムを用いることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。ガスケット材における基材としては、ガスバリヤ性、耐熱性を考慮した場合、ポリエチレンナフタレートであることが特に好ましい。   The plastic film which has the gasket material 3 and the adhesion layer should just have the heat resistance of the grade which does not melt at the time of heat-pressing. For example, polymers such as polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polyimide, polypalvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyacrylate, etc. A film can be used. Moreover, heat resistant fluororesins such as ethylene tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and polytetrafluoroethylene can also be used. The base material in the gasket material is particularly preferably polyethylene naphthalate in view of gas barrier properties and heat resistance.

ガスケット材3及び粘着層を有するプラスチックフィルムの粘着層は、アクリル系、ウレタン系、シリコーン系、ゴム系などの粘着剤であればよく、ガスケット材3及び固体高分子電解質膜6との密着性と、熱加圧時における耐熱性を考慮するとアクリル系であることがより好ましい。ガスケット材及び粘着層を有するプラスチックフィルムの粘着層の密着性は、固体高分子電解質膜−ガスケット材間の密着力が、ガスケット材―粘着層を有するプラスチックフィルム間の密着力より大きければ、膜電極接合体にガスケット材を付与することが容易であるため好ましい。   The pressure-sensitive adhesive layer of the plastic film having the gasket material 3 and the pressure-sensitive adhesive layer may be an acrylic, urethane-based, silicone-based, rubber-based pressure-sensitive adhesive, and the adhesion between the gasket material 3 and the solid polymer electrolyte membrane 6. In view of heat resistance at the time of heat pressurization, an acrylic type is more preferable. The adhesion of the adhesive layer of the plastic film having the gasket material and the adhesive layer is such that the adhesion between the solid polymer electrolyte membrane and the gasket material is greater than the adhesive force between the gasket material and the plastic film having the adhesive layer. It is preferable because it is easy to apply a gasket material to the joined body.

以上で説明した膜電極接合体の製造方法によれば、固体高分子電解質膜6の両面に触媒層1(5)が良好な形状で接合された膜電極接合体を製造することができる。
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
According to the method for manufacturing a membrane / electrode assembly described above, a membrane / electrode assembly in which the catalyst layer 1 (5) is bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 6 in a good shape can be manufactured.
Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. However, the present invention is not limited only to these examples.

(変形例)
上記実施形態では、ガスケット材3、支持基材4、固体高分子電解質膜6の角度α、β、γ、φ及びθがそれぞれ異なるように配置しているが、これに限定されず、必要に応じて増減されたその他の燃料電池用部材に対しても本発明を適用してよい。
また、角度α、β、γ、φ、θのうち、少なくとも1箇所以上の角度を0度ではない(y軸方向と非並行)にすることで本発明の効果を得られる。
(Modification)
In the above-described embodiment, the angles α, β, γ, φ, and θ of the gasket material 3, the support base material 4, and the solid polymer electrolyte membrane 6 are arranged so as to be different from each other. The present invention may be applied to other fuel cell members that are increased or decreased accordingly.
In addition, the effect of the present invention can be obtained by setting at least one of the angles α, β, γ, φ, and θ to be not 0 degrees (not parallel to the y-axis direction).

(触媒層の形成)
転写基材2として用いるフッ素系樹脂フィルム上に、ダイコーター方式にて、フッ素系高分子電解質膜分散溶液(Nafion)、白金触媒、1−プロパノール、水からなる触媒インクをダイコーターにて塗布し、100℃の温度で5分間乾燥し、アノード触媒層5を形成した。白金触媒を変えた以外は同様にして、カソード触媒層1を形成した。
(Catalyst layer formation)
On the fluororesin film used as the transfer substrate 2, a die coater is used to apply a catalyst ink comprising a fluoropolymer electrolyte membrane dispersion solution (Nafion), a platinum catalyst, 1-propanol, and water with a die coater. The anode catalyst layer 5 was formed by drying at a temperature of 100 ° C. for 5 minutes. A cathode catalyst layer 1 was formed in the same manner except that the platinum catalyst was changed.

(貼合工程)
支持基材4として用いる粘着剤付きのポリエステルフィルム、ガスケット材3として用いるアクリル系粘着性フィルム付きのPENフィルム(帝人製テオネックス(商標登録)、厚み12μm)及び触媒層1(5)を塗布した転写基材2の流れ方向が長軸方向と一致するよう長方形に切り出した。
(Bonding process)
Transfer coated with polyester film with pressure-sensitive adhesive used as support base material 4, PEN film with acrylic pressure-sensitive adhesive film used as gasket material 3 (Teonex made by Teijin (registered trademark), thickness 12 μm) and catalyst layer 1 (5) The base material 2 was cut into a rectangular shape so that the flow direction of the substrate 2 coincided with the major axis direction.

次にカソード触媒層1を塗布した転写基材2、ガスケット材3及び支持基材4によって成されるα及びβと、アノード触媒層5を塗布した転写基材2、ガスケット材3及び支持基材4によって成されるγ及びφを変更しながら加圧ローラーにより貼合した。加圧ローラーによる圧力は1.0MPaかつローラー進行速度は5mm/sとした。   Next, α and β formed by the transfer base material 2, the gasket material 3 and the support base material 4 coated with the cathode catalyst layer 1, and the transfer base material 2, the gasket material 3 and the support base material coated with the anode catalyst layer 5. 4 was bonded by a pressure roller while changing γ and φ formed by 4. The pressure by the pressure roller was 1.0 MPa and the roller traveling speed was 5 mm / s.

(断裁工程)
次に、貼合工程で得たサンプルを触媒層側から打ち抜き加工工程を行い、触媒層1(5)、転写基材2及びガスケット材3に5cm×5cmの正方形に切り込みを入れ、外周のフッ素系樹脂フィルムを除去した。
(Cutting process)
Next, the sample obtained in the bonding step is punched from the catalyst layer side, and a 5 cm × 5 cm square is cut into the catalyst layer 1 (5), the transfer base material 2 and the gasket material 3, and the outer periphery fluorine The system resin film was removed.

(熱圧着工程)
固体高分子電解質膜6としてNafionを使用し、固体高分子電解質膜6の流れ方向が長軸方向と一致するよう長方形に切り出し、固体高分子電解質膜6とカソード側の転写基材2とアノード側の転写基材2の長軸方向が互いに平行となり、且つ加圧ローラーの進行方向に対して固体高分子電解質膜6の長軸方向との間を成す角度θが90°となるよう、固体高分子電解質膜6の両面にカソード側の転写基材2及びアノード側の転写基材2を積層し、熱ラミネート加工にて150℃、50MPa条件で熱圧着した後、転写基材2及び支持基材4を剥離し、膜電極接合体を得た。
(Thermo-compression process)
Nafion is used as the solid polymer electrolyte membrane 6, cut into a rectangle so that the flow direction of the solid polymer electrolyte membrane 6 coincides with the major axis direction, the solid polymer electrolyte membrane 6, the transfer substrate 2 on the cathode side, and the anode side The solid base height is such that the major axis directions of the transfer base material 2 are parallel to each other and the angle θ between the major axis direction of the solid polymer electrolyte membrane 6 and the traveling direction of the pressure roller is 90 °. The transfer substrate 2 on the cathode side and the transfer substrate 2 on the anode side are laminated on both surfaces of the molecular electrolyte membrane 6 and thermocompression bonded under conditions of 150 ° C. and 50 MPa by thermal laminating, and then the transfer substrate 2 and the support substrate 4 was peeled off to obtain a membrane electrode assembly.

(評価結果)
α、β、γ、φを変更した評価結果に関して、表1にまとめて記載した。また反り量は前述の通りに定義し、直定規を用いて0.5mm単位で測定した。
(Evaluation results)
Table 1 summarizes the evaluation results obtained by changing α, β, γ, and φ. The amount of warpage was defined as described above, and was measured in units of 0.5 mm using a straight ruler.

Figure 2018077980
Figure 2018077980

各実施例の結果より、加圧ローラーの進行方向に対して支持基材4とガスケット材3と固体高分子電解質膜6の長軸方向との間を成す角度が互いに異なる角度となるよう貼合および熱圧着することにより得られた膜電極接合体は、反り量が軽減されることが確認できる。さらに、角度が60°以上120°以下の場合はより良好な結果となっている。一方、比較例1で示すように、各部材の角度が同一である場合の膜電極接合体は、反り量が大きいことが確認された。   From the results of each example, the bonding is performed so that the angles formed between the support base 4, the gasket material 3, and the long axis direction of the solid polymer electrolyte membrane 6 are different from each other with respect to the traveling direction of the pressure roller. It can be confirmed that the membrane electrode assembly obtained by thermocompression bonding reduces the amount of warpage. Furthermore, a better result is obtained when the angle is not less than 60 ° and not more than 120 °. On the other hand, as shown in Comparative Example 1, it was confirmed that the membrane electrode assembly in the case where the angles of the members are the same has a large amount of warpage.

1…カソード触媒層
2…転写基材
3…ガスケット材
4…支持基材
5…アノード触媒層
6…固体高分子電解質膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cathode catalyst layer 2 ... Transfer base material 3 ... Gasket material 4 ... Support base material 5 ... Anode catalyst layer 6 ... Solid polymer electrolyte membrane

Claims (4)

触媒層と固体高分子電解質膜とガスケット材と支持基材を含む膜電極接合体の製造方法であって、
少なくとも、触媒インクを転写基材に塗布する塗布工程と、
前記転写基材の前記触媒インクが塗布されていない側の面に前記ガスケット材と前記支持基材を貼合せる貼合工程と、
前記触媒インクを前記固体高分子電解質膜に熱圧着する熱圧着工程を含み、
前記貼合工程では、
加圧ローラーの進行方向をy軸方向としたときに、
前記支持基材の流れ方向と前記y軸方向とで成される角度を、カソード側ではα、アノード側ではγとし、
前記ガスケット材の流れ方向と前記y軸方向とで成される角度を、カソード側ではβ、アノード側ではφとし、
前記固体高分子電解質膜の流れ方向と前記y軸方向とで成される角度をθとし、
前記α、前記β、前記γ、前記φ、前記θのうち、少なくともいずれかの角度が0度ではないことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly including a catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, a gasket material, and a supporting substrate,
At least an application step of applying the catalyst ink to the transfer substrate;
A bonding step of bonding the gasket material and the support substrate to a surface of the transfer substrate on which the catalyst ink is not applied;
Including a thermocompression bonding step of thermocompression bonding the catalyst ink to the solid polymer electrolyte membrane,
In the pasting step,
When the traveling direction of the pressure roller is the y-axis direction,
The angle formed by the flow direction of the support substrate and the y-axis direction is α on the cathode side and γ on the anode side,
The angle formed between the flow direction of the gasket material and the y-axis direction is β on the cathode side and φ on the anode side,
An angle formed between the flow direction of the solid polymer electrolyte membrane and the y-axis direction is θ,
A method of manufacturing a membrane electrode assembly, wherein at least one of α, β, γ, φ, and θ is not 0 degree.
前記α、前記β、前記γ、前記φ、前記θが絶対値として60°以上120°以下であり、
且つ前記α、前記β、前記γ、前記φ、前記θが互いに異なる角度であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。
Α, β, γ, φ, and θ are 60 ° or more and 120 ° or less as absolute values,
2. The method of manufacturing a membrane electrode assembly according to claim 1, wherein α, β, γ, φ, and θ are different from each other.
前記α、前記β、前記γ、前記φ、前記θが
α<β<θ<φ<γ
もしくは
γ<φ<θ<β<α
のいずれかを満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の膜電極接合体の製造方法。
Α, β, γ, φ, and θ are α <β <θ <φ <γ.
Or γ <φ <θ <β <α
Either of these is satisfy | filled, The manufacturing method of the membrane electrode assembly of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
前記貼合工程と前記熱圧着工程の間に断裁工程を含み、
前記断裁工程では、
前記触媒層面側より、前記触媒層、前記転写基材、前記ガスケット材が不連続面になるように打ち抜き加工する工程と、
前記不連続面の外側にあたる前記転写基材とその上部に付着している前記触媒層を剥離して除去する工程を行うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の膜電極接合体の製造方法。
Including a cutting step between the bonding step and the thermocompression bonding step,
In the cutting process,
From the catalyst layer surface side, a step of punching the catalyst layer, the transfer substrate, and the gasket material so as to be a discontinuous surface;
The film according to any one of claims 1 to 3, wherein a step of peeling and removing the transfer base material outside the discontinuous surface and the catalyst layer adhering to the upper portion is performed. Manufacturing method of electrode assembly.
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