JP2020136214A - Manufacturing method of membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

To provide a manufacturing method of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, which can obtain a high output voltage in a wide range of current density.SOLUTION: In a manufacturing method of a membrane electrode assembly 1 including a first electrode 10 having a first catalyst layer 12 and a first gas diffusion layer 14, a second electrode 20 having a second catalyst layer 22 and a second gas diffusion layer 24, and an electrolyte membrane 30, the first gas diffusion layer 14, a first intermediate having a first catalyst layer 12 formed by annealing after coating on the surface of the electrolyte membrane 30, and a second intermediate having a second catalyst layer 22 formed by coating on the surface of the second gas diffusion layer 24 are bonded such that the first catalyst layer 12 is located between the first gas diffusion layer 14 and the electrolyte membrane 30, and the second catalyst layer 22 is located between the second gas diffusion layer 24 and the electrolyte membrane 30.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極(カソード(空気極)およびアノード(燃料極))を配置した膜電極接合体を、ガス流路が形成された導電性のセパレータを介して複数スタックして構成される。電極は、固体高分子電解質膜に接する触媒層と、該触媒層の外側に配置された多孔質のガス拡散層とから構成される。ガス拡散層は、空気または燃料を電極内に拡散させる役割と、電極内で発生する水を排水する役割とを果たす。 A polymer electrolyte fuel cell is a conductive separator in which a gas flow path is formed by forming a membrane electrode assembly in which electrodes (cathode (air electrode) and anode (fuel electrode)) are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane. It is composed of multiple stacks via. The electrode is composed of a catalyst layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane and a porous gas diffusion layer arranged outside the catalyst layer. The gas diffusion layer plays a role of diffusing air or fuel into the electrode and a role of draining water generated in the electrode.

膜電極接合体の製造方法としては、以下の方法が知られている。
(1)ガス拡散層の表面に電極触媒を含む塗工液を塗工して触媒層を形成して電極とし、2つの電極の間に固体高分子電解質膜を挟んだ状態で熱プレスして接合する方法(特許文献1)。
(2)基材フィルム上に触媒を含む塗工液を塗工して第1の触媒層を形成し、該第1の触媒層の上にイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工して固体高分子電解質膜を形成し、該固体高分子電解質膜の上に触媒を含む塗工液を塗工して第2の触媒層を形成し、基材フィルム上に形成された第1の触媒層と固体高分子電解質膜と第2の触媒層とを含む積層体から前記基材フィルムを剥離し、該積層体を2つのガス拡散層の間に挟んだ状態で熱プレスして接合する方法(特許文献2)。
The following methods are known as a method for producing a membrane electrode assembly.
(1) A coating liquid containing an electrode catalyst is applied to the surface of a gas diffusion layer to form a catalyst layer to form an electrode, which is hot-pressed with a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the two electrodes. Method of joining (Patent Document 1).
(2) A coating liquid containing a catalyst is applied onto the base film to form a first catalyst layer, and a coating liquid containing an ion exchange resin is applied onto the first catalyst layer. A solid polymer electrolyte film is formed, and a coating liquid containing a catalyst is applied onto the solid polymer electrolyte film to form a second catalyst layer, and a first catalyst formed on the base film. A method in which the base film is peeled off from a laminate containing a layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a second catalyst layer, and the laminate is hot-pressed and bonded while being sandwiched between two gas diffusion layers. (Patent Document 2).

しかし、(1)の方法で得られた膜電極接合体においては、両極の触媒層をガス拡散層表面に直接、塗工によって形成しているため、両極のガス拡散層に触媒層の一部が侵入し、ガス拡散層の空隙の一部を閉塞してしまう。その結果、ガス拡散層のガス拡散性が低下してしまうため、高電流密度領域において固体高分子形燃料電池の出力電圧が不充分となる問題を有する。 However, in the membrane electrode assembly obtained by the method (1), since the catalyst layers of both poles are formed by coating directly on the surface of the gas diffusion layer, a part of the catalyst layer is formed on the gas diffusion layer of both poles. Invades and blocks a part of the voids in the gas diffusion layer. As a result, the gas diffusibility of the gas diffusion layer is lowered, so that there is a problem that the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell becomes insufficient in the high current density region.

(2)の方法で得られた膜電極接合体においては、固体高分子電解質膜を第1の触媒層の表面に直接、塗工によって形成しているため、第1の触媒層にイオン交換樹脂の一部が侵入し、第1の触媒層の空隙の多くを閉塞してしまう。その結果、第1の触媒層のガス拡散性が低下してしまうため、高電流密度領域において膜電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池の出力電圧が不充分となる問題を有する。 In the membrane electrode assembly obtained by the method (2), since the solid polymer electrolyte membrane is formed directly on the surface of the first catalyst layer by coating, an ion exchange resin is formed on the first catalyst layer. Part of this invades and closes many of the voids in the first catalyst layer. As a result, the gas diffusibility of the first catalyst layer is lowered, so that there is a problem that the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell using the membrane electrode assembly becomes insufficient in the high current density region.

特開平04−162365号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 04-162365 国際公開第02/005371号International Publication No. 02/005371

本発明は、広範囲な電流密度において高い出力電圧が得られる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造できる方法を提供する。 The present invention provides a method capable of producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, which can obtain a high output voltage in a wide range of current densities.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、第1の触媒層および第1のガス拡散層を有する第1の電極と、第2の触媒層および第2のガス拡散層を有する第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に介在する電解質膜とを具備する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法において、基材上にイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工した後、100〜250℃にてアニールすることにより電解質膜を形成し、得られた電解質膜の表面に電極触媒および後述の式(A)で表される単位を含むイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工することによって前記第1の触媒層を形成することにより、電解質膜と第1の触媒層とから構成される第1の中間体を作製し、前記第2のガス拡散層の表面に電極触媒および後述の式(A)で表される単位を含むイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工することによって前記第2の触媒層を形成することにより、前記第2のガス拡散層と前記第2の触媒層とからなる第2の中間体を作製し、前記第1のガス拡散層と前記電解質膜との間に前記第1の触媒層が位置し、かつ前記第2のガス拡散層と前記電解質膜との間に前記第2の触媒層が位置するように前記第1のガス拡散層と前記第1の中間体と前記第2の中間体とを接合することを特徴とする。 The method for producing a membrane electrode junction for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a first electrode having a first catalyst layer and a first gas diffusion layer, and a second catalyst layer and a second gas diffusion. In a method for producing a membrane electrode junction for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises a second electrode having a layer and an electrolyte membrane interposed between the first electrode and the second electrode, a base material is used. After applying a coating liquid containing an ion exchange resin on top, an electrolyte film is formed by annealing at 100 to 250 ° C., and an electrode catalyst and the formula (A) described later are used on the surface of the obtained electrolyte film. A first intermediate composed of an electrolyte membrane and a first catalyst layer by forming the first catalyst layer by applying a coating liquid containing an ion exchange resin containing the represented unit. The second gas diffusion layer is coated with a coating liquid containing an electrode catalyst and an ion exchange resin containing a unit represented by the formula (A) described later on the surface of the second gas diffusion layer. A second intermediate composed of the second gas diffusion layer and the second catalyst layer is produced by forming the first gas diffusion layer and the electrolyte membrane between the first gas diffusion layer and the electrolyte membrane. The first gas diffusion layer, the first intermediate, and the above so that the second gas diffusion layer is located and the second catalyst layer is located between the second gas diffusion layer and the electrolyte membrane. It is characterized by joining with a second intermediate.

前記第1のガス拡散層と前記第1の中間体と前記第2の中間体との接合は、熱プレスによって行われることが好ましい。 The bonding of the first gas diffusion layer, the first intermediate, and the second intermediate is preferably performed by a hot press.

前記基材は、前記第1の中間体と前記第1のガス拡散層とを接合した後に剥離し、次いで前記第2の中間体を前記電解質膜と接合することが好ましい。 It is preferable that the base material is peeled off after joining the first intermediate and the first gas diffusion layer, and then the second intermediate is joined to the electrolyte membrane.

前記第1のガス拡散層は、ガス拡散性基材および該ガス拡散性基材の表面に繊維径が50〜200nmであり、繊維長が1〜50μmである炭素繊維および含フッ素樹脂を含む塗工液を塗工することによって形成されたカーボン層を有し、該カーボン層と前記第1の触媒層とが接するように、前記第1の中間体と前記第2の中間体とを接合することが好ましい。 The first gas diffusion layer is a coating containing a carbon fiber having a fiber diameter of 50 to 200 nm and a fiber length of 1 to 50 μm and a fluororesin on the surface of the gas diffusible base material and the gas diffusible base material. It has a carbon layer formed by applying a working liquid, and joins the first intermediate body and the second intermediate body so that the carbon layer and the first catalyst layer are in contact with each other. Is preferable.

前記第2のガス拡散層は、ガス拡散性基材および該ガス拡散性基材の表面に繊維径が50〜200nmであり、繊維長が1〜50μmである炭素繊維および含フッ素樹脂を含む塗工液を塗工することによって形成されたカーボン層を有し、該カーボン層と前記第2の触媒層とが接するように、前記第2のガス拡散層の表面に前記第2の触媒層を形成することが好ましい。 The second gas diffusion layer is a coating containing a carbon fiber having a fiber diameter of 50 to 200 nm and a fiber length of 1 to 50 μm and a fluorine-containing resin on the surface of the gas diffusible base material and the gas diffusible base material. It has a carbon layer formed by applying a working liquid, and the second catalyst layer is placed on the surface of the second gas diffusion layer so that the carbon layer and the second catalyst layer are in contact with each other. It is preferable to form it.

前記第1の中間体は、剥離基材、該剥離基材の表面にイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工することによって形成された前記電解質膜、および該電解質膜の表面に電極触媒およびイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工することによって形成された前記第1の触媒層とを有し、前記第1のガス拡散層と前記第1の中間体とを接合して積層体とし、該積層体から前記剥離基材を剥離した後、該積層体と前記第2の中間体とを接合することが好ましい。 The first intermediate is a peeling base material, the electrolyte membrane formed by applying a coating liquid containing an ion exchange resin on the surface of the peeling base material, and an electrode catalyst and an electrode catalyst on the surface of the electrolyte membrane. It has the first catalyst layer formed by coating with a coating liquid containing an ion exchange resin, and the first gas diffusion layer and the first intermediate are joined to form a laminated body. After peeling the release base material from the laminate, it is preferable to join the laminate and the second intermediate.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法によれば、広範囲な電流密度において高い出力電圧が得られる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造できる。 According to the method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell can be produced, which can obtain a high output voltage in a wide range of current densities.

固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell. 本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。It is schematic cross-sectional view which shows one step of the manufacturing method of the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。It is schematic cross-sectional view which shows one step of the manufacturing method of the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of this invention. 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の他の例を示す概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which shows another example of the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell. 本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。It is schematic cross-sectional view which shows one step of the manufacturing method of the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法の一工程を示す概略断面図である。It is schematic cross-sectional view which shows one step of the manufacturing method of the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of this invention. 固体高分子形燃料電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of a solid polymer fuel cell. 固体高分子形燃料電池の運転中に電解質膜と触媒層が剥離した場合に電解質膜が変形する様子を示した図である。It is a figure which showed the state which the electrolyte membrane is deformed when the electrolyte membrane and the catalyst layer are peeled off during operation of a solid polymer fuel cell. 本発明の実施例で電解質膜と触媒層との間の90°剥離強度を測定するための装置を示した図である。It is a figure which showed the apparatus for measuring the 90 ° peel strength between an electrolyte membrane and a catalyst layer in an Example of this invention.

本発明における用語の意味は以下の通りである。
ポリマーにおける「単位」は、モノマーが重合して形成された、該モノマー1分子に由来する原子団を意味する。単位は、重合反応によって直接形成された原子団であってもよく、重合反応によって得られたポリマーを処理して該原子団の一部が別の構造に変換された原子団であってもよい。ポリマーが含む全単位に対する、それぞれの単位の含有量(モル%)は、ポリマーを核磁気共鳴スペクトル法により分析して求められる。
本明細書においては、式(1)で表される化合物を化合物(1)と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。
また、式(A)で表される単位を単位(A)と記す。他の式で表される単位も同様に記す。
「スルホン酸型官能基」とは、スルホン酸基(−SOH)、またはスルホン酸塩基(−SO。ただし、Mはアルカリ金属または第4級アンモニウムカチオンである。)を意味する。
「前駆体基」とは、加水分解処理、酸型化処理、その他金属カチオンへの塩交換等の処理によって、スルホン酸型基に変換できる基を意味する。
The meanings of the terms in the present invention are as follows.
The "unit" in a polymer means an atomic group derived from one molecule of the monomer formed by polymerizing the monomer. The unit may be an atomic group directly formed by the polymerization reaction, or may be an atomic group obtained by processing a polymer obtained by the polymerization reaction and converting a part of the atomic group into another structure. .. The content (mol%) of each unit with respect to all the units contained in the polymer is determined by analyzing the polymer by nuclear magnetic resonance spectral method.
In the present specification, the compound represented by the formula (1) is referred to as compound (1). Compounds represented by other formulas are also described in the same manner.
Further, the unit represented by the formula (A) is referred to as a unit (A). Units expressed by other formulas are also described in the same manner.
"Sulfonic acid type functional group" means a sulfonic acid group (-SO 3 H) or a sulfonic acid base (-SO 3 M 2 ; where M 2 is an alkali metal or a quaternary ammonium cation). To do.
The "precursor group" means a group that can be converted into a sulfonic acid type group by hydrolysis treatment, acidification treatment, or other treatment such as salt exchange with a metal cation.

〔第1の実施形態〕
図1は、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体(以下、膜電極接合体と記す。)の一例を示す概略断面図である。膜電極接合体1は、第1の触媒層12および第1のガス拡散層14を有する第1の電極10と、第2の触媒層22および第2のガス拡散層24を有する第2の電極20と、第1の電極10と第2の電極20との間に、第1の触媒層12および第2の触媒層22に接した状態で介在する電解質膜30とを具備する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter, referred to as a membrane electrode assembly). The membrane electrode assembly 1 has a first electrode 10 having a first catalyst layer 12 and a first gas diffusion layer 14, and a second electrode having a second catalyst layer 22 and a second gas diffusion layer 24. An electrolyte membrane 30 interposed between the 20 and the first electrode 10 and the second electrode 20 in contact with the first catalyst layer 12 and the second catalyst layer 22 is provided.

(触媒層)
第1の触媒層12および第2の触媒層22(以下、まとめて触媒層とも記す。)は、電極触媒および単位(A)を含むイオン交換樹脂を含む層である。
(Catalyst layer)
The first catalyst layer 12 and the second catalyst layer 22 (hereinafter, collectively referred to as a catalyst layer) are layers containing an electrode catalyst and an ion exchange resin containing the unit (A).

電極触媒としては、担体に、白金、白金合金、コアシェル触媒またはカーボンアロイが担持された触媒が挙げられるが、白金または白金合金が担持された担持触媒が好ましい。
担体としては、カーボン担体、金属酸化物担体が挙げられ、カーボン担体が好ましい。
金属酸化物担体としては、希土類元素、アルカリ土類金属、遷移金属(好ましくは、ニオブ、ジルコニウム、モリブデン、タンタル、タングステン)、ビスマス、スズ、アンチモンおよびインジウムからなる群から選択される少なくとも1種の金属元素の酸化物が挙げられ、燃料電池の発電効率がより優れる点から、スズの酸化物を含むのが好ましい。
カーボン担体としては、活性炭、カーボンブラック等が挙げられる。
カーボン担体の比表面積は、100m/g以上が好ましい。カーボン担体の比表面積は、BET比表面積装置によりカーボン表面への窒素吸着により測定する。
Examples of the electrode catalyst include a catalyst in which platinum, a platinum alloy, a core-shell catalyst or a carbon alloy is supported on the carrier, and a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported is preferable.
Examples of the carrier include a carbon carrier and a metal oxide carrier, and a carbon carrier is preferable.
The metal oxide carrier is at least one selected from the group consisting of rare earth elements, alkaline earth metals, transition metals (preferably niobium, zirconium, molybdenum, tantalum, tungsten), bismuth, tin, antimony and indium. Oxides of metal elements can be mentioned, and it is preferable to include oxides of tin from the viewpoint of more excellent power generation efficiency of fuel cells.
Examples of the carbon carrier include activated carbon and carbon black.
The specific surface area of the carbon carrier is preferably 100 m 2 / g or more. The specific surface area of the carbon carrier is measured by adsorbing nitrogen on the carbon surface with a BET specific surface area device.

白金合金としては、白金を除く白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、金、銀、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびスズからなる群から選ばれる1種以上の金属と白金との合金が好ましい。該白金合金には、白金と合金化される金属と、白金との金属間化合物が含まれていてもよい。
アノード用の白金合金としては、一酸化炭素を含むガスが供給された場合であっても電極触媒の活性が安定する点から、白金とルテニウムとを含む合金が好ましい。
白金または白金合金の担持量は、電極触媒(100質量%)のうち、10〜70質量%が好ましい。
Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (lutenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), gold, silver, chromium, iron, titanium, manganese, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, zinc, etc. An alloy of platinum with one or more metals selected from the group consisting of and tin is preferred. The platinum alloy may contain a metal alloyed with platinum and an intermetallic compound of platinum.
As the platinum alloy for the anode, an alloy containing platinum and ruthenium is preferable from the viewpoint that the activity of the electrode catalyst is stable even when a gas containing carbon monoxide is supplied.
The amount of platinum or platinum alloy supported is preferably 10 to 70% by mass based on the electrode catalyst (100% by mass).

イオン交換樹脂のイオン交換容量は、導電性およびガス透過性の点から、0.5〜2.0ミリ当量/グラム乾燥樹脂が好ましく、0.8〜1.5ミリ当量/グラム乾燥樹脂が特に好ましい。 The ion exchange capacity of the ion exchange resin is preferably 0.5 to 2.0 mm equivalent / gram dry resin, and 0.8 to 1.5 mm equivalent / gram dry resin is particularly preferable from the viewpoint of conductivity and gas permeability. preferable.

触媒層に含まれるイオン交換樹脂は、単位Aを含み、含フッ素イオン交換樹脂の一種である。単位Aは、式(A)で表される単位である。 The ion exchange resin contained in the catalyst layer contains a unit A and is a kind of fluorine-containing ion exchange resin. The unit A is a unit represented by the formula (A).

式(A)中、Rf1、炭素原子−炭素原子間に酸素原子を含んでいてもよいペルフルオロアルキレン基である。上記ペルフルオロアルキレン基中の炭素数は、1以上が好ましく、2以上が特に好ましく、20以下が好ましく、10以下が特に好ましい。
f2およびRf3はそれぞれ独立に、単結合または炭素原子−炭素原子間に酸素原子を含んでいてもよいペルフルオロアルキレン基である。上記ペルフルオロアルキレン基中の炭素数は、1以上が好ましく、2以上が特に好ましく、20以下が好ましく、10以下が特に好ましい。
rおよびmはそれぞれ独立に、0または1である。
Mは、水素原子、アルカリ金属または第4級アンモニウムカチオンである。
In the formula (A), R f1 is a perfluoroalkylene group which may contain an oxygen atom between carbon atoms. The number of carbon atoms in the perfluoroalkylene group is preferably 1 or more, particularly preferably 2 or more, preferably 20 or less, and particularly preferably 10 or less.
R f2 and R f3 are each independently a perfluoroalkylene group which may contain an oxygen atom between a single bond or a carbon atom and a carbon atom. The number of carbon atoms in the perfluoroalkylene group is preferably 1 or more, particularly preferably 2 or more, preferably 20 or less, and particularly preferably 10 or less.
r and m are independently 0 or 1, respectively.
M is a hydrogen atom, alkali metal or quaternary ammonium cation.

単位Aは、単位(A−1)が好ましい。式(A−1)中、Rf1、Rf2およびMはそれぞれ、式(A)のRf1、Rf2およびMと同義である。 The unit A is preferably a unit (A-1). In formula (A-1), R f1 , R f2 and M are synonymous with R f1 , R f2 and M in formula (A), respectively.

単位(A−1)の具体例としては、以下が挙げられる。 Specific examples of the unit (A-1) include the following.

単位(A)を含むイオン交換樹脂は、スルホン酸型官能基の前駆体基を有する化合物(a)の前駆体基を、スルホン酸型官能に変換することによって得られる。 The ion exchange resin containing the unit (A) is obtained by converting the precursor group of the compound (a) having the precursor group of the sulfonic acid type functional group into the sulfonic acid type functional.

式(a)中、Rf1、Rf2、Rf3、rおよびmはそれぞれ、式(A)のRf1、Rf2、Rf3、rおよびmと同義である。
Aは、スルホン酸型官能基に変換できる基(スルホン酸型官能基の前駆体基)である。スルホン酸型官能基に変換できる基は、加水分解によってスルホン酸型官能基に変換し得る官能基が好ましい。スルホン酸型官能基に変換できる基の具体例としては、−SOF、−SOCl、−SOBrが挙げられる。
Wherein (a), R f1, R f2, R f3, r and m each have the same meanings as R f1, R f2, R f3 , r and m of formula (A).
A is a group that can be converted into a sulfonic acid type functional group (precursor group of the sulfonic acid type functional group). The group that can be converted into a sulfonic acid type functional group is preferably a functional group that can be converted into a sulfonic acid type functional group by hydrolysis. Specific examples of the group that can be converted into a sulfonic acid type functional group include -SO 2 F, -SO 2 Cl, and -SO 2 Br.

化合物(a)は、化合物(a−1)が好ましい。式(a−1)中、Rf1、Rf2およびAは、式(a)中のRf1、Rf2およびAと同義である。 The compound (a) is preferably the compound (a-1). Wherein (a-1), R f1 , R f2 and A are as defined R f1, R f2 and A in the formula (a).

化合物(a−1)の具体例としては、以下が挙げられる。 Specific examples of the compound (a-1) include the following.

触媒層に含まれるイオン交換樹脂は、単位(A)以外の単位を含むのが好ましい。このような単位の具体例としては、含フッ素オレフィンに基づく単位が挙げられる。
含フッ素オレフィンとしては、例えば、分子中に1個以上のフッ素原子を有する炭素数が2〜3のフルオロオレフィンが挙げられる。フルオロオレフィンの具体例としては、テトラフルオロエチレン(以下、「TFE」ともいう。)、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル、ヘキサフルオロプロピレンが挙げられ、TFEが好ましい。
含フッ素オレフィンは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
The ion exchange resin contained in the catalyst layer preferably contains a unit other than the unit (A). Specific examples of such units include units based on fluorine-containing olefins.
Examples of the fluorine-containing olefin include fluoroolefins having one or more fluorine atoms in the molecule and having 2 to 3 carbon atoms. Specific examples of the fluoroolefin include tetrafluoroethylene (hereinafter, also referred to as “TFE”), chlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride, vinyl fluoride, and hexafluoropropylene, and TFE is preferable.
As the fluorine-containing olefin, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.

単位Aの含有量は、触媒層に含まれるイオン交換樹脂の全単位に対して、15〜55質量%が好ましく、20〜33質量%が特に好ましい。
触媒層に含まれるイオン交換樹脂が含フッ素オレフィンに基づく単位を含む場合、含フッ素オレフィンに基づく単位の含有量は、触媒層に含まれるイオン交換樹脂の全単位に対して、30〜85質量%が好ましく、50〜80質量%が特に好ましい。
The content of the unit A is preferably 15 to 55% by mass, particularly preferably 20 to 33% by mass, based on all the units of the ion exchange resin contained in the catalyst layer.
When the ion exchange resin contained in the catalyst layer contains units based on the fluorine-containing olefin, the content of the units based on the fluorine-containing olefin is 30 to 85% by mass with respect to all the units of the ion exchange resin contained in the catalyst layer. Is preferable, and 50 to 80% by mass is particularly preferable.

電極触媒と含フッ素イオン交換樹脂との比率(電極触媒/イオン交換樹脂)は、電極の導電性および撥水性の点から、4/6〜9.5/0.5(質量比)が好ましく、6/4〜8/2が特に好ましい。
触媒層に含まれる白金量は、後述する電極反応を効率よく行うための最適な厚みの点から、0.01〜0.5mg/cm2が好ましく、0.05〜0.35mg/cm2がより好ましい。
The ratio of the electrode catalyst to the fluorine-containing ion exchange resin (electrode catalyst / ion exchange resin) is preferably 4/6 to 9.5 / 0.5 (mass ratio) from the viewpoint of electrode conductivity and water repellency. 6/4 to 8/2 is particularly preferable.
The amount of platinum contained in the catalyst layer is preferably 0.01 to 0.5 mg / cm 2 and 0.05 to 0.35 mg / cm 2 from the viewpoint of the optimum thickness for efficiently performing the electrode reaction described later. More preferred.

また、イオン交換樹脂のラジカル耐性を上げるために、ラジカルクエンチャーをスルホン酸基量に対して1〜20モル%加えることが好ましく、3〜15モル%加えることが特に好ましい。ラジカルクエンチャーとしては、セリウムやマンガンの化合物や有機系アンモニウム塩、あるいはセリウムカチオンあるいはマンガンカチオンが好ましい。 Further, in order to increase the radical resistance of the ion exchange resin, it is preferable to add 1 to 20 mol% of the radical quencher with respect to the amount of the sulfonic acid group, and it is particularly preferable to add 3 to 15 mol%. As the radical quencher, a compound of cerium or manganese, an organic ammonium salt, or a cerium cation or a manganese cation is preferable.

触媒層の厚さは、触媒層中のガス拡散を容易にし、固体高分子形燃料電池の特性を向上させる点から、20μm以下が好ましく、1〜15μmがより好ましい。また、触媒層の厚さは、均一であることが好ましい。触媒層の厚さを薄くすると単位面積あたりに存在する電極触媒量が少なくなって反応活性が低くなるおそれがあるが、該場合は電極触媒として白金または白金合金が高担持率で担持された担持触媒を用いれば、薄くても電極触媒量が不足することなく電極の反応活性を高く維持できる。 The thickness of the catalyst layer is preferably 20 μm or less, more preferably 1 to 15 μm, from the viewpoint of facilitating gas diffusion in the catalyst layer and improving the characteristics of the polymer electrolyte fuel cell. Further, the thickness of the catalyst layer is preferably uniform. If the thickness of the catalyst layer is reduced, the amount of electrode catalyst present per unit area may decrease and the reaction activity may decrease. In this case, platinum or a platinum alloy is supported as an electrode catalyst with a high loading rate. If a catalyst is used, the reaction activity of the electrode can be maintained high without insufficient amount of the electrode catalyst even if it is thin.

(ガス拡散層)
第1のガス拡散層14および第2のガス拡散層24(以下、まとめてガス拡散層とも記す。)は、ガス拡散性基材を有する層である。
ガス拡散性基材は、導電性を有する多孔質基材である。ガス拡散性基材としては、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等が挙げられる。
ガス拡散性基材は、撥水性、親水性のいずれでもよいが、撥水性が好ましく、ポリテトラフルオロエチレンやポリテトラフルオロエチレンとカーボンブラックとの混合物等によって撥水処理されていることが好ましい。
ガス拡散層の厚さは、100〜400μmが好ましく、140〜350μmがより好ましい。
(Gas diffusion layer)
The first gas diffusion layer 14 and the second gas diffusion layer 24 (hereinafter, collectively referred to as a gas diffusion layer) are layers having a gas diffusible base material.
The gas diffusible base material is a porous base material having conductivity. Examples of the gas diffusible base material include carbon cloth, carbon paper, carbon felt and the like.
The gas diffusible base material may be either water-repellent or hydrophilic, but is preferably water-repellent, and is preferably water-repellent treated with polytetrafluoroethylene or a mixture of polytetrafluoroethylene and carbon black.
The thickness of the gas diffusion layer is preferably 100 to 400 μm, more preferably 140 to 350 μm.

(電解質膜)
電解質膜30は、イオン交換樹脂膜からなる。
電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、含フッ素イオン交換樹脂、非フッ素系イオン交換樹脂等が挙げられ、耐久性の点から含フッ素イオン交換樹脂が好ましい。
含フッ素イオン交換樹脂としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体(エーテル性酸素原子を含んでいてもよい。)が好ましく、TFEに基づく単位と、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルに基づく単位とを含む共重合体が特に好ましい。なお、通常このような共重合体は、TFEと−SOF基等のスルホン酸基の前駆体基を有するパーフルオロビニルエーテルとを共重合した後、加水分解、酸型化して得る。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane 30 is made of an ion exchange resin membrane.
Examples of the ion exchange resin constituting the electrolyte membrane include a fluorine-containing ion exchange resin and a non-fluorine-based ion exchange resin, and a fluorine-containing ion exchange resin is preferable from the viewpoint of durability.
As the fluorine-containing ion exchange resin, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group (may contain an etheric oxygen atom) is preferable, and a unit based on TFE and a unit based on perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group are preferable. A copolymer containing and is particularly preferable. Normally such copolymers, after copolymerizing a perfluorovinyl ether having precursor groups of sulfonic acid groups, such as TFE and -SO 2 F groups, hydrolysis, obtained by acid form.

スルホン酸基の前駆体基を有するパーフルオロビニルエーテルとしては、化合物(1)が好ましい。
CF2=CF(OCF2CFX)m−Op−(CF2n−SO2F (1)。
ただし、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0または1であり、XはFまたはCF3である。
The compound (1) is preferable as the perfluorovinyl ether having a precursor group of a sulfonic acid group.
CF 2 = CF (OCF 2 CFX) m −O p − (CF 2 ) n −SO 2 F (1).
However, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, p is 0 or 1, and X is F or CF 3 .

化合物(1)としては、化合物(1−1)〜(1−3)が好ましい。
CF2=CFO(CF2qSO2F (1−1)、
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2rSO2F (1−2)、
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2sSO2F (1−3)。
ただし、q、r、sは1〜8の整数であり、tは1〜3の整数である。
As the compound (1), the compounds (1-1) to (1-3) are preferable.
CF 2 = CFO (CF 2 ) q SO 2 F (1-1),
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) r SO 2 F (1-2),
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3 )) t O (CF 2 ) s SO 2 F (1-3).
However, q, r, and s are integers of 1 to 8, and t is an integer of 1 to 3.

含フッ素イオン交換樹脂は、触媒層のイオン交換樹脂と同様のイオン交換樹脂を用いることも好ましい。 As the fluorine-containing ion exchange resin, it is also preferable to use an ion exchange resin similar to the ion exchange resin of the catalyst layer.

非フッ素系イオン交換樹脂の具体例としては、スルホン化ポリアリーレン、スルホン化ポリベンゾオキサゾール、スルホン化ポリベンゾチアゾール、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリスルホン、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、スルホン化ポリフェニレンスルホン、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリフェニレンスルホキシド、スルホン化ポリフェニレンサルファイド、スルホン化ポリフェニレンスルフィドスルホン、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エーテルケトン、スルホン化ポリエーテルケトンケトン、スルホン化ポリイミドが挙げられる。 Specific examples of the non-fluorinated ion exchange resin include sulfonated polyarylene, sulfonated polybenzoxazole, sulfonated polybenzothiazole, sulfonated polybenzoimidazole, sulfonated polysulfone, sulfonated polyether sulfone, and sulfonated polyether ether. Sulfone, sulfonated polyphenylene sulfone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyphenylene sulfoxide, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether ether ketone, sulfonated polyether ketone ketone, sulfonated Sulfone can be mentioned.

電解質膜30の厚さは、50μm以下が好ましく、3〜40μmがより好ましく、5〜30μmが特に好ましい。電解質膜30の厚さを50μm以下とすることにより、電解質膜30が乾燥した状態になりやすく、固体高分子形燃料電池の特性の低下が抑えられる。電解質膜30の厚さを3μm以上とすることにより、短絡が起きることがない。 The thickness of the electrolyte membrane 30 is preferably 50 μm or less, more preferably 3 to 40 μm, and particularly preferably 5 to 30 μm. By setting the thickness of the electrolyte membrane 30 to 50 μm or less, the electrolyte membrane 30 tends to be in a dry state, and deterioration of the characteristics of the polymer electrolyte fuel cell can be suppressed. By setting the thickness of the electrolyte membrane 30 to 3 μm or more, a short circuit does not occur.

(膜電極接合体の製造方法)
本発明の膜電極接合体の製造方法は、第1のガス拡散層と、電解質膜および該電解質膜の表面に電極触媒およびイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工することによって形成された第1の触媒層を有する第1の中間体と、第2のガス拡散層および該第2のガス拡散層の表面に電極触媒およびイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工することによって形成された第2の触媒層を有する第2の中間体とを、第1のガス拡散層と電解質膜との間に第1の触媒層が位置し、かつ第2のガス拡散層と電解質膜との間に第2の触媒層が位置するように接合する方法である。そして、第1の中間体を作製する工程では、基材上にイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工した後、100〜250℃にてアニールすることにより電解質膜を形成し、得られた電解質膜の表面に前記第1の触媒層を形成する。
(Manufacturing method of membrane electrode assembly)
The method for producing a film electrode junction of the present invention is a first gas diffusion layer, and a first gas diffusion layer, and a coating liquid containing an electrode catalyst and an ion exchange resin are applied to the surface of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane. It was formed by applying a coating liquid containing an electrode catalyst and an ion exchange resin on the surfaces of the first intermediate having one catalyst layer, the second gas diffusion layer and the second gas diffusion layer. The first catalyst layer is located between the first gas diffusion layer and the electrolyte membrane, and the second intermediate having the second catalyst layer is located between the second gas diffusion layer and the electrolyte membrane. This is a method of joining so that the second catalyst layer is located in the water. Then, in the step of producing the first intermediate, an electrolyte membrane was formed by applying a coating liquid containing an ion exchange resin on the substrate and then annealing at 100 to 250 ° C. to obtain the obtained. The first catalyst layer is formed on the surface of the electrolyte membrane.

第1の実施形態の膜電極接合体1の製造方法としては、具体的には以下の方法が挙げられる。
(I)第1のガス拡散層と第1の中間体とを接合して積層体とした後、該積層体と第2の中間体とを接合する方法。
(II)第1のガス拡散層と第1の中間体と第2の中間体とを同時に接合する方法。
Specific examples of the method for manufacturing the membrane electrode assembly 1 of the first embodiment include the following methods.
(I) A method in which a first gas diffusion layer and a first intermediate are joined to form a laminated body, and then the laminated body and a second intermediate are joined.
(II) A method of simultaneously joining the first gas diffusion layer, the first intermediate, and the second intermediate.

((I)の方法)
(I)の方法としては、たとえば、以下の(I−1)〜(I−5)工程を有する方法が挙げられる。
(I−1)図2に示すような、第1のガス拡散層14を準備する工程。
(I−2)図2に示すような、剥離基材52、電解質膜30および第1の触媒層12を有する第1の中間体50を作製する工程。
(I−3)図3に示すような、第2のガス拡散層24および第2の触媒層22を有する第2の中間体60(すなわち、第2の電極20)を作製する工程。
(I−4)図2に示すように、第1のガス拡散層14と電解質膜30との間に第1の触媒層12が位置するように、第1のガス拡散層14と第1の中間体50とを接合し、積層体70とする工程。
(I−5)図3に示すように、積層体70から剥離基材52を剥離した後、第2のガス拡散層24と電解質膜30との間に第2の触媒層22が位置するように、積層体70と第2の中間体60とを接合し、膜電極接合体1とする工程。
(Method of (I))
Examples of the method (I) include a method having the following steps (I-1) to (I-5).
(I-1) A step of preparing the first gas diffusion layer 14 as shown in FIG.
(I-2) A step of producing a first intermediate 50 having a release base material 52, an electrolyte membrane 30, and a first catalyst layer 12, as shown in FIG. 2.
(I-3) A step of producing a second intermediate 60 (that is, a second electrode 20) having a second gas diffusion layer 24 and a second catalyst layer 22, as shown in FIG.
(I-4) As shown in FIG. 2, the first gas diffusion layer 14 and the first gas diffusion layer 14 and the first gas diffusion layer 14 are located so that the first catalyst layer 12 is located between the first gas diffusion layer 14 and the electrolyte membrane 30. A step of joining the intermediate body 50 to form a laminated body 70.
(I-5) As shown in FIG. 3, after the peeling base material 52 is peeled from the laminate 70, the second catalyst layer 22 is located between the second gas diffusion layer 24 and the electrolyte membrane 30. A step of joining the laminated body 70 and the second intermediate body 60 to form a membrane electrode assembly 1.

(I−1)工程:
第1のガス拡散層14としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等のガス拡散性基材をそのまま用いることができる。必要に応じて、ガス拡散性基材を撥水性のフッ素樹脂を含む溶液または分散液を用いて撥水処理してもよい。撥水処理をしていると、カソード触媒層中で発生する水などがガス拡散層に形成されている孔を塞いで、ガスの拡散が抑制されることを回避できる。このとき、撥水性のフッ素樹脂とカーボンブラック等の導電性のカーボンとを含む分散液でガス拡散層表面を処理すると膜電極接合体の導電性の点でより好ましい。撥水性のフッ素樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。なお、ガス拡散層の表面処理された側が、触媒層側に配置される。ガス拡散層の厚さとしては、通常50〜400μmが好ましい。
(I-1) Step:
As the first gas diffusion layer 14, a gas diffusing base material such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt can be used as it is. If necessary, the gas diffusible substrate may be treated with a water-repellent treatment using a solution or dispersion containing a water-repellent fluororesin. When the water repellent treatment is performed, it is possible to prevent water or the like generated in the cathode catalyst layer from blocking the pores formed in the gas diffusion layer and suppressing the diffusion of the gas. At this time, it is more preferable to treat the surface of the gas diffusion layer with a dispersion liquid containing a water-repellent fluororesin and a conductive carbon such as carbon black in terms of the conductivity of the membrane electrode assembly. Examples of the water-repellent fluororesin include polytetrafluoroethylene and the like. The surface-treated side of the gas diffusion layer is arranged on the catalyst layer side. The thickness of the gas diffusion layer is usually preferably 50 to 400 μm.

(I−2)工程:
第1の中間体50は、剥離基材52の表面にイオン交換樹脂を含む塗工液(以下、電解質膜用塗工液と記す。)を塗工することによって電解質膜30を形成し、アニールした後、電解質膜30の表面に電極触媒およびイオン交換樹脂を含む塗工液(以下、第1の触媒層用塗工液と記す。)を塗工することによって第1の触媒層12を形成し、作製される。
(I-2) Step:
The first intermediate 50 forms an electrolyte membrane 30 by applying a coating liquid containing an ion exchange resin (hereinafter referred to as a coating liquid for an electrolyte membrane) on the surface of the release base material 52, and is annealed. After that, the first catalyst layer 12 is formed by applying a coating liquid containing an electrode catalyst and an ion exchange resin (hereinafter, referred to as a coating liquid for the first catalyst layer) on the surface of the electrolyte membrane 30. And is made.

剥離基材52としては、樹脂フィルムが挙げられる。
樹脂フィルムの材料としては、以下の樹脂が挙げられる。
ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の非フッ素系樹脂。
ポリテトラフルオロエチレン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、エチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂。
非フッ素系樹脂フィルムは、離型剤で表面処理されていることが好ましい。
Examples of the release base material 52 include a resin film.
Examples of the material of the resin film include the following resins.
Non-fluorinated resins such as polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene and polyimide.
Fluororesin such as polytetrafluoroethylene, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer, and polyvinylidene fluoride.
The non-fluorinated resin film is preferably surface-treated with a release agent.

電解質膜用塗工液は、イオン交換樹脂を溶媒に溶解または分散させることにより調製される。
第1の触媒層用塗工液は、電極触媒を溶媒に分散させ、イオン交換樹脂を溶媒に溶解または分散させることにより調製される。
The coating solution for an electrolyte membrane is prepared by dissolving or dispersing an ion exchange resin in a solvent.
The coating liquid for the first catalyst layer is prepared by dispersing the electrode catalyst in a solvent and dissolving or dispersing the ion exchange resin in the solvent.

イオン交換樹脂が含フッ素イオン交換樹脂の場合、溶媒としては、アルコール類または含フッ素溶媒が好ましい。
アルコール類としては、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、tert−ブタノール等が挙げられる。イオン交換樹脂の溶解性を上げるために、アルコール類と水との混合溶媒を用いてもよい。
When the ion exchange resin is a fluorine-containing ion exchange resin, the solvent is preferably an alcohol or a fluorine-containing solvent.
Examples of alcohols include ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, tert-butanol and the like. In order to increase the solubility of the ion exchange resin, a mixed solvent of alcohols and water may be used.

含フッ素溶媒としては、以下のものが挙げられる。
ヒドロフルオロカーボン:2H−パーフルオロプロパン、1H,4H−パーフルオロブタン、2H,3H−パーフルオロペンタン、3H,4H−パーフルオロ(2−メチルペンタン)、2H,5H−パーフルオロヘキサン、3H−パーフルオロ(2−メチルペンタン)等。
フルオロカーボン:パーフルオロ(1,2−ジメチルシクロブタン)、パーフルオロオクタン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロヘキサン等。
ヒドロクロロフルオロカーボン:1,1−ジクロロ−1−フルオロエタン、1,1,1−トリフルオロ−2,2−ジクロロエタン、3,3−ジクロロ−1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン、1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3−ペンタフルオロプロパン等。
フルオロエーテル:1H,4H,4H−パーフルオロ(3−オキサペンタン)、3−メトキシ−1,1,1,2,3,3−ヘキサフルオロプロパン等。
含フッ素アルコール:2,2,2−トリフルオロエタノール、2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール等。
Examples of the fluorine-containing solvent include the following.
Hydrofluorocarbons: 2H-perfluoropropane, 1H, 4H-perfluorobutane, 2H, 3H-perfluoropentane, 3H, 4H-perfluoro (2-methylpentane), 2H, 5H-perfluorohexane, 3H-perfluoro (2-Methylpentane) etc.
Fluorocarbons: perfluoro (1,2-dimethylcyclobutane), perfluorooctane, perfluoroheptane, perfluorohexane and the like.
Hydrochlorofluorocarbons: 1,1-dichloro-1-fluoroethane, 1,1,1-trifluoro-2,2-dichloroethane, 3,3-dichloro-1,1,1,2,2-pentafluoropropane, 1,3-Dichloro-1,1,2,2,3-pentafluoropropane and the like.
Fluoroether: 1H, 4H, 4H-perfluoro (3-oxapentane), 3-methoxy-1,1,1,2,3,3-hexafluoropropane and the like.
Fluorotelomer alcohol: 2,2,2-trifluoroethanol, 2,2,3,3,3-pentafluoro-1-propanol, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol, etc. ..

イオン交換樹脂が非フッ素系イオン交換樹脂の場合、溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、1,1,1−トリクロロエタン、1,1,2−トリクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン等が挙げられる。
含フッ素イオン交換樹脂からなる電解質膜の場合、溶媒としては、アルコール、含フッ素溶媒等が挙げられ、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノールが好ましい。
When the ion exchange resin is a non-fluorine ion exchange resin, the solvent used is N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methylene chloride, chloroform, carbon tetrachloride, 1,1,1-trichloroethane, 1,1,2-. Examples thereof include trichloroethane, trichlorethylene and tetrachloroethylene.
In the case of an electrolyte membrane made of a fluorine-containing ion exchange resin, examples of the solvent include alcohol and a fluorine-containing solvent, and ethanol, n-propanol and isopropanol are preferable.

電解質膜用塗工液の固形分濃度は、5〜30質量%が好ましく、20〜30質量%がより好ましい。
第1の触媒層用塗工液の固形分濃度は、4〜15質量%が好ましく、8〜12質量%がより好ましい。
塗工液の固形分濃度を該範囲とすることにより、塗工液が適度な粘度となり、均一に塗工でき、かつ形成される塗膜にひび割れを生じることがない。
The solid content concentration of the coating solution for the electrolyte membrane is preferably 5 to 30% by mass, more preferably 20 to 30% by mass.
The solid content concentration of the coating liquid for the first catalyst layer is preferably 4 to 15% by mass, more preferably 8 to 12% by mass.
By setting the solid content concentration of the coating liquid in the above range, the coating liquid has an appropriate viscosity, the coating can be uniformly applied, and the formed coating film is not cracked.

また、第1の触媒層用塗工液には、イオン交換樹脂を溶解させる作用を有する溶媒が溶媒全体の質量の5〜100%含まれることが好ましく、30〜100%がより好ましい。この構成とすることにより、第1の触媒層用塗工液を電解質膜上に塗工した際に、電解質膜表面の一部が上記溶媒により溶解して触媒層中の電解質と結着する。その結果、電解質膜と触媒層との結着強度が充分に高くなる。 Further, the coating liquid for the first catalyst layer preferably contains 5 to 100% of the total mass of the solvent, and more preferably 30 to 100%, which has an action of dissolving the ion exchange resin. With this configuration, when the coating liquid for the first catalyst layer is applied onto the electrolyte membrane, a part of the surface of the electrolyte membrane is dissolved by the solvent and bound to the electrolyte in the catalyst layer. As a result, the bonding strength between the electrolyte membrane and the catalyst layer becomes sufficiently high.

固体高分子形燃料電池は運転中に水が生成されるが、通常、触媒層は燃料電池の運転中の含水による平面方向の寸法変化はほとんど認められないのに対し、電解質膜は含水に伴って寸法変化しやすい。ところが、電解質膜の表面に充分な結着強度で触媒層を密着させると、寸法変化をほとんど起こさない触媒層が、電解質膜の含水に伴う平面方向(触媒層と接している面)の寸法変化を抑制し、電解質膜の寸法変化が起こりにくくなる。一方、電解質膜と触媒層との結着強度が低い場合は、燃料電池運転中の膜電極接合体が曝される湿度変化において、電解質膜と触媒層が剥離し、電解質膜が大きく変形するという問題が生じる。上述のように電解質膜上に第1の触媒層用塗工液を塗工して第1の触媒層を形成する場合は高い結着強度が得られ、電解質膜と触媒層が剥離せず、電解質膜の変形が起こりにくい。
電解質膜は、少なくとも片面が触媒層と充分に結着していれば電解質膜の変形はほとんど起こらなくなることを確認しており、電解質膜の両面ともに触媒層と強く結着していなくてもよい。
Water is generated during operation of the polymer electrolyte fuel cell, but normally, the catalyst layer hardly changes its dimension in the plane direction due to the water content during the operation of the fuel cell, whereas the electrolyte membrane is accompanied by the water content. It is easy to change the dimensions. However, when the catalyst layer is brought into close contact with the surface of the electrolyte membrane with sufficient binding strength, the catalyst layer that hardly causes a dimensional change changes in the plane direction (the surface in contact with the catalyst layer) due to the water content of the electrolyte membrane. Is suppressed, and the dimensional change of the electrolyte membrane is less likely to occur. On the other hand, when the bonding strength between the electrolyte membrane and the catalyst layer is low, the electrolyte membrane and the catalyst layer are peeled off and the electrolyte membrane is significantly deformed when the membrane electrode assembly is exposed during fuel cell operation. Problems arise. When the coating liquid for the first catalyst layer is applied onto the electrolyte membrane as described above to form the first catalyst layer, high binding strength is obtained, and the electrolyte membrane and the catalyst layer do not peel off. Deformation of the electrolyte membrane is unlikely to occur.
It has been confirmed that deformation of the electrolyte membrane hardly occurs if at least one side of the electrolyte membrane is sufficiently bonded to the catalyst layer, and both sides of the electrolyte membrane do not have to be strongly bonded to the catalyst layer. ..

塗工法としては、バッチ式塗工法または連続式塗工法が挙げられる。
バッチ式塗工法としては、バーコータ法、スピンコータ法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
連続式塗工法としては、後計量法または前計量法が挙げられる。後計量法は、過剰の塗工液を塗工し、後から所定の厚さとなるように塗工液を除去する方法である。前計量法は、所定の厚さを得るのに必要な量の塗工液を塗工する方法である。
Examples of the coating method include a batch coating method and a continuous coating method.
Examples of the batch coating method include a bar coater method, a spin coater method, and a screen printing method.
Examples of the continuous coating method include a post-weighing method and a pre-weighing method. The post-measurement method is a method in which an excess coating liquid is applied and then the coating liquid is removed so as to have a predetermined thickness. The pre-measurement method is a method of applying an amount of a coating liquid required to obtain a predetermined thickness.

後計量法としては、エアドクタコータ法、ブレードコータ法、ロッドコータ法、ナイフコータ法、スクイズコータ法、含浸コータ法、コンマコータ法等が挙げられる。
前計量法としては、ダイコータ法、リバースロールコータ法、トランスファロールコータ法、グラビアコータ法、キスロールコータ法、キャストコータ法、スプレイコータ法、カーテンコータ法、カレンダコータ法、押出コータ法等が挙げられる。
塗工法としては、均一な電解質膜30または第1の触媒層12を形成できる点から、スクリーン印刷法またはダイコータ法が好ましく、生産効率の点から、ダイコータ法がより好ましい。
Examples of the post-measurement method include an air doctor coater method, a blade coater method, a rod coater method, a knife coater method, a squeeze coater method, an impregnation coater method, and a comma coater method.
Examples of the pre-measurement method include a die coater method, a reverse roll coater method, a transfer coater method, a gravure coater method, a kiss roll coater method, a cast coater method, a spray coater method, a curtain coater method, a calendar coater method, and an extrusion coater method. Be done.
As the coating method, the screen printing method or the die coater method is preferable from the viewpoint of forming a uniform electrolyte film 30 or the first catalyst layer 12, and the die coater method is more preferable from the viewpoint of production efficiency.

剥離基材52の表面に電解質膜用塗工液を塗工した後、乾燥させて電解質膜30を形成する。乾燥温度は、70〜170℃が好ましい。乾燥させた後、または乾燥させると同時に電解質膜30をアニールする。アニール温度は100〜250℃であり、130〜220℃が好ましい。アニールの最適温度は膜を構成するポリマーによって異なり、ポリマーのガラス転移温度(Tg)よりも高い温度で(Tg+100)℃以下の温度にてアニールすることが好ましい。上記温度範囲でアニールした膜の上に触媒層を形成することにより、高出力の膜電極接合体が得られる。この理由は必ずしも明確ではないが、膜をアニールすることにより、膜中の含水量が調整され、アニールにより安定した状態の膜の上に触媒層を形成することで膜と触媒層との密着性が高まり、高出力の膜電極接合体が得られると考えられる。
なお、アニール時間は、上述の効果がより発揮される点、および、生産性向上の点から、5分〜3時間が好ましく、10分〜1時間が特に好ましい。
また、膜電極接合体を長時間使用すると膜の劣化により出力が低下する。これは、過酸化物の生成によると考えられるため、過酸化物の生成を抑制する抑制剤を膜に添加することも好ましい。この抑制剤は、電解質膜用塗工液中に含有させておくことが好ましい。
次に、電解質膜30の表面に第1の触媒層用塗工液を塗工した後、乾燥させて第1の触媒層12を形成する。乾燥温度は、70〜150℃が好ましい。
The surface of the release base material 52 is coated with an electrolyte film coating solution and then dried to form the electrolyte film 30. The drying temperature is preferably 70 to 170 ° C. After drying or at the same time as drying, the electrolyte membrane 30 is annealed. The annealing temperature is 100 to 250 ° C, preferably 130 to 220 ° C. The optimum temperature for annealing differs depending on the polymer constituting the film, and it is preferable to anneal at a temperature higher than the glass transition temperature (Tg) of the polymer and at a temperature of (Tg + 100) ° C. or lower. By forming the catalyst layer on the membrane annealed in the above temperature range, a high-power membrane electrode assembly can be obtained. The reason for this is not always clear, but by annealing the membrane, the water content in the membrane is adjusted, and by forming a catalyst layer on the membrane in a stable state by annealing, the adhesion between the membrane and the catalyst layer It is considered that a high-power membrane electrode assembly can be obtained.
The annealing time is preferably 5 minutes to 3 hours, and particularly preferably 10 minutes to 1 hour, from the viewpoint of more exerting the above-mentioned effects and improving productivity.
Further, if the membrane electrode assembly is used for a long time, the output decreases due to the deterioration of the membrane. Since it is considered that this is due to the formation of peroxide, it is also preferable to add an inhibitor that suppresses the formation of peroxide to the film. This inhibitor is preferably contained in the coating liquid for the electrolyte membrane.
Next, the surface of the electrolyte membrane 30 is coated with the coating liquid for the first catalyst layer and then dried to form the first catalyst layer 12. The drying temperature is preferably 70 to 150 ° C.

(I−3)工程:
第2の中間体60は、第2のガス拡散層24の表面に電極触媒およびイオン交換樹脂を含む塗工液(以下、第2の触媒層用塗工液と記す。)を塗工することによって第2の触媒層22を形成し、作製される。
(I-3) Step:
The second intermediate 60 is coated with a coating liquid containing an electrode catalyst and an ion exchange resin (hereinafter, referred to as a coating liquid for a second catalyst layer) on the surface of the second gas diffusion layer 24. The second catalyst layer 22 is formed and produced.

第2の触媒層用塗工液は、電極触媒を溶媒に分散させ、イオン交換樹脂を溶媒に溶解または分散させることにより調製される。
溶媒としては、第1の触媒層用塗工液の溶媒と同様のものが挙げられる。
第2の触媒層用塗工液の固形分濃度は、第1の触媒層用塗工液の固形分濃度と同じ範囲が好ましい。
塗工法としては、(I−2)工程と同様の方法が挙げられる。
第2のガス拡散層24の表面に第2の触媒層用塗工液を塗工した後、乾燥させて第2の触媒層22を形成する。乾燥温度は、70〜170℃が好ましい。
The coating liquid for the second catalyst layer is prepared by dispersing the electrode catalyst in a solvent and dissolving or dispersing the ion exchange resin in the solvent.
Examples of the solvent include the same solvents as those used in the coating liquid for the first catalyst layer.
The solid content concentration of the coating liquid for the second catalyst layer is preferably in the same range as the solid content concentration of the coating liquid for the first catalyst layer.
Examples of the coating method include the same method as in step (I-2).
The surface of the second gas diffusion layer 24 is coated with the coating liquid for the second catalyst layer and then dried to form the second catalyst layer 22. The drying temperature is preferably 70 to 170 ° C.

(I−4)〜(I−5)工程:
接合方法としては、熱プレス法、熱ロールプレス、超音波融着等が挙げられ、面内の均一性の点から、熱プレス法が好ましい。
プレス機内のプレス板の温度は、100〜165℃が好ましく、望ましくは110〜155℃がより好ましい。
プレス圧力は、0.5〜2.0MPaが好ましい。
Steps (I-4) to (I-5):
Examples of the joining method include a hot press method, a hot roll press, and ultrasonic fusion, and the hot press method is preferable from the viewpoint of in-plane uniformity.
The temperature of the press plate in the press machine is preferably 100 to 165 ° C, more preferably 110 to 155 ° C.
The press pressure is preferably 0.5 to 2.0 MPa.

((II)の方法)
(II)の方法としては、たとえば、以下の(II−1)〜(II−5)工程を有する方法が挙げられる。
(II−1)図2に示すような、第1のガス拡散層14を準備する工程。
(II−2)図2に示すような、剥離基材52、電解質膜30および第1の触媒層12を有する第1の中間体50を作製する工程。
(II−3)図3に示すような、第2のガス拡散層24および第2の触媒層22を有する第2の中間体60(すなわち、第2の電極20)を作製する工程。
(II−4)第1の中間体50から剥離基材52を剥離する工程。
(II−5)第1のガス拡散層14と電解質膜30との間に第1の触媒層12が位置し、かつ第2のガス拡散層24と電解質膜30との間に第2の触媒層22が位置するように、第1のガス拡散層14と第1の中間体50と第2の中間体60とを同時に接合し、膜電極接合体1とする工程。
(Method of (II))
Examples of the method (II) include a method having the following steps (II-1) to (II-5).
(II-1) A step of preparing the first gas diffusion layer 14 as shown in FIG.
(II-2) A step of producing a first intermediate 50 having a release base material 52, an electrolyte membrane 30, and a first catalyst layer 12, as shown in FIG. 2.
(II-3) A step of producing a second intermediate 60 (that is, a second electrode 20) having a second gas diffusion layer 24 and a second catalyst layer 22, as shown in FIG.
(II-4) A step of peeling the peeling base material 52 from the first intermediate 50.
(II-5) The first catalyst layer 12 is located between the first gas diffusion layer 14 and the electrolyte membrane 30, and the second catalyst is located between the second gas diffusion layer 24 and the electrolyte membrane 30. A step of simultaneously joining the first gas diffusion layer 14, the first intermediate body 50, and the second intermediate body 60 so that the layer 22 is located to form a membrane electrode assembly 1.

(II−1)〜(II−3)工程は、(I−1)〜(I−3)工程と同様に行えばよい。
(II−5)工程における接合方法および条件は、(I−4)〜(I−5)工程と同様の方法、条件とすればよい。
The steps (II-1) to (II-3) may be performed in the same manner as the steps (I-1) to (I-3).
The joining method and conditions in the step (II-5) may be the same methods and conditions as in the steps (I-4) to (I-5).

第1の実施形態において製造される膜電極接合体1は、第2の電極20がカソードであってもアノードであっても構わないが、以下の理由から第2の電極20がアノードであることが好ましい。
固体高分子形燃料電池では、通常、アノードに水素を含むガス(燃料)、カソードに酸素を含むガス(空気)が供給される。第2の電極20は、(I−3)または(II−3)工程において第2のガス拡散層24に第2の触媒層用塗工液の一部が浸透するため、第2のガス拡散層24の一部が閉塞しやすい。そのため、第2の電極20をカソードとすると、水素に比べ透過率の低い酸素が第2のガス拡散層24を通過しなければならず、ガス拡散性が低下しやすい。一方、第2の電極20をアノードとすれば、閉塞した部分であっても水素は比較的透過しやすいため、ガス拡散性が低下しにくい。すなわち、カソードのガス拡散層は多孔質に保つ必要があり、アノードのガス拡散層はカソードほど多孔質でなくてもよいため、第2の電極20をアノードとすれば、カソードの多孔性が保たれ、高性能の固体高分子型燃料電池が得られる。
In the membrane electrode assembly 1 manufactured in the first embodiment, the second electrode 20 may be a cathode or an anode, but the second electrode 20 is an anode for the following reasons. Is preferable.
In a polymer electrolyte fuel cell, a gas containing hydrogen (fuel) is usually supplied to the anode and a gas (air) containing oxygen is supplied to the cathode. Since a part of the coating liquid for the second catalyst layer permeates the second gas diffusion layer 24 in the step (I-3) or (II-3) of the second electrode 20, the second gas diffusion A part of the layer 24 is easily blocked. Therefore, when the second electrode 20 is used as the cathode, oxygen having a lower transmittance than hydrogen must pass through the second gas diffusion layer 24, and the gas diffusibility tends to decrease. On the other hand, if the second electrode 20 is used as the anode, hydrogen is relatively easily permeated even in the closed portion, so that the gas diffusibility is unlikely to decrease. That is, the gas diffusion layer of the cathode needs to be kept porous, and the gas diffusion layer of the anode does not have to be as porous as the cathode. Therefore, if the second electrode 20 is used as the anode, the porosity of the cathode is maintained. A high-performance solid-polymer fuel cell can be obtained.

〔第2の実施形態〕
図4は、ガス拡散層がガス拡散性基材82の表面にカーボン層84を有する膜電極接合体1を示す概略断面図である。カーボン層84の一部は、ガス拡散性基材82の空隙に侵入していてもよい。ガス拡散性基材82がフッ素樹脂または導電性カーボン粒子とフッ素樹脂とを含む塗工液によって撥水処理された上にカーボン層84が形成されていてもよい。
なお、第2の実施態様におけるカーボン層以外の構成、好ましい態様は第1の実施態様と同様である。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a membrane electrode assembly 1 in which the gas diffusion layer has a carbon layer 84 on the surface of the gas diffusion base material 82. A part of the carbon layer 84 may penetrate into the voids of the gas diffusing base material 82. The gas diffusible base material 82 may be water-repellent treated with a fluororesin or a coating liquid containing conductive carbon particles and the fluororesin, and a carbon layer 84 may be formed.
The configuration other than the carbon layer and the preferred embodiment in the second embodiment are the same as those in the first embodiment.

(カーボン層)
カーボン層84は、炭素繊維と含フッ素樹脂とを含む層である。
含フッ素樹脂としては、炭素繊維の分散性の点から、含フッ素イオン交換樹脂が好ましく、触媒層との界面の密着性の点から、触媒層と同じイオン交換樹脂が特に好ましい。
(Carbon layer)
The carbon layer 84 is a layer containing carbon fibers and a fluororesin.
As the fluororesin, a fluoroion-containing ion exchange resin is preferable from the viewpoint of carbon fiber dispersibility, and the same ion exchange resin as the catalyst layer is particularly preferable from the viewpoint of adhesion at the interface with the catalyst layer.

炭素繊維としては、微細でかつ電子伝導性を有する点から、カーボンナノファイバーが好ましい。カーボンナノファイバーとしては、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ(シングルウォール、ダブルウォール、マルチウォール、カップ積層型等。)等が挙げられる。 As the carbon fiber, carbon nanofiber is preferable from the viewpoint of being fine and having electron conductivity. Examples of carbon nanofibers include vapor-grown carbon fibers, carbon nanotubes (single wall, double wall, multi-wall, cup laminated type, etc.) and the like.

炭素繊維の繊維径は50〜200nmであり、繊維長は1〜50μmである。該炭素繊維を用いることにより、カーボン層84と触媒層との界面において、触媒層に含まれる電子伝導性物質(白金または白金合金、およびカーボン担体)に絡まり、該電子伝導性物質の点接触による導電パスに加えて新たな導電パスが発現するため、触媒層の電子伝導性が向上する。また、該炭素繊維は、該炭素繊維を含む塗工液を塗工する際に互いに絡み合って空隙を形成しやすく、該空隙がガスチャンネルとして機能する。固体高分子形燃料電池においては、カソード側の触媒層内では水(水蒸気)が生成し、該水は触媒層と隣接して配置されるガス拡散層を通って系外に排出される。触媒層とガス拡散層との間に、炭素繊維を主体とするカーボン層84を設けることにより、水が毛細管現象によって触媒層からカーボン層84へと速やかに移動し、固体高分子形燃料電池運転時のフラッディングの問題が解消される。 The fiber diameter of the carbon fiber is 50 to 200 nm, and the fiber length is 1 to 50 μm. By using the carbon fiber, at the interface between the carbon layer 84 and the catalyst layer, the electron conductive substance (platinum or platinum alloy, and carbon carrier) contained in the catalyst layer is entangled, and the electron conductive substance is point-contacted. Since a new conductive path is developed in addition to the conductive path, the electron conductivity of the catalyst layer is improved. In addition, the carbon fibers are likely to be entangled with each other to form voids when the coating liquid containing the carbon fibers is applied, and the voids function as gas channels. In a polymer electrolyte fuel cell, water (water vapor) is generated in the catalyst layer on the cathode side, and the water is discharged to the outside of the system through a gas diffusion layer arranged adjacent to the catalyst layer. By providing the carbon layer 84 mainly composed of carbon fibers between the catalyst layer and the gas diffusion layer, water quickly moves from the catalyst layer to the carbon layer 84 by capillarity, and the polymer electrolyte fuel cell operation The problem of flooding of time is solved.

炭素繊維と含フッ素樹脂との比率(炭素繊維/含フッ素樹脂)は、1/0.1〜1/5(質量比)が好ましく、1/0.2〜1/1がより好ましい。該範囲とすることにより、炭素繊維の分散性、カーボン層84とガス拡散性基材82との密着性、カーボン層84のガス拡散性および排水性が良好となる。
カーボン層84の厚さは、2〜20μmが好ましい。該範囲とすることにより、カーボン層84とガス拡散性基材82との密着性が良好となり、また、ガス拡散層と触媒層との接触抵抗が充分小さくでき、また、膜電極接合体を薄くできる。
The ratio of the carbon fiber to the fluororesin (carbon fiber / fluororesin) is preferably 1 / 0.1 / 1/5 (mass ratio), more preferably 1 / 0.2 to 1/1. Within this range, the dispersibility of the carbon fibers, the adhesion between the carbon layer 84 and the gas diffusing base material 82, the gas diffusibility of the carbon layer 84 and the drainage property are improved.
The thickness of the carbon layer 84 is preferably 2 to 20 μm. Within this range, the adhesion between the carbon layer 84 and the gas diffusing base material 82 becomes good, the contact resistance between the gas diffusion layer and the catalyst layer can be sufficiently reduced, and the membrane electrode assembly is made thin. it can.

(膜電極接合体の製造方法)
第2の実施形態の膜電極接合体1の製造方法としては、具体的には以下の方法が挙げられる。
(i)第1のガス拡散層と第1の中間体とを接合して積層体とした後、該積層体と第2の中間体とを接合する方法。
(ii)第1のガス拡散層と第1の中間体と第2の中間体とを同時に接合する方法。
(Manufacturing method of membrane electrode assembly)
Specific examples of the method for manufacturing the membrane electrode assembly 1 of the second embodiment include the following methods.
(I) A method in which a first gas diffusion layer and a first intermediate are joined to form a laminated body, and then the laminated body and a second intermediate are joined.
(Ii) A method of simultaneously joining the first gas diffusion layer, the first intermediate, and the second intermediate.

((i)の方法)
(i)の方法としては、たとえば、以下(i−1)〜(i−5)工程を有する方法が挙げられる。
(i−1)図5に示すような、ガス拡散性基材82の表面に(第1の)カーボン層84が形成された第1のガス拡散層14を準備する工程。
(i−2)図5に示すような、剥離基材52、電解質膜30および第1の触媒層12を有する第1の中間体50を作製する工程。
(i−3)図6に示すような、ガス拡散性基材82の表面に(第2の)カーボン層84が形成された第2のガス拡散層24および(第2の)カーボン層84に接する第2の触媒層22を有する第2の中間体60(すなわち、第2の電極20)を作製する工程。
(i−4)図5に示すように、第1のガス拡散層14と電解質膜30との間に第1の触媒層12が位置し、かつ(第1の)カーボン層84と第1の触媒層12とが接するように、第1のガス拡散層14と第1の中間体50とを接合し、積層体70とする工程。
(i−5)図6に示すように、積層体70から剥離基材52を剥離した後、第2のガス拡散層24と電解質膜30との間に第2の触媒層22が位置するように、積層体70と第2の中間体60とを接合し、膜電極接合体1とする工程。
(Method in (i))
Examples of the method (i) include a method having the following steps (i-1) to (i-5).
(I-1) A step of preparing a first gas diffusion layer 14 in which a (first) carbon layer 84 is formed on the surface of a gas diffusion base material 82 as shown in FIG.
(I-2) A step of preparing a first intermediate 50 having a release base material 52, an electrolyte membrane 30, and a first catalyst layer 12, as shown in FIG.
(I-3) As shown in FIG. 6, on the second gas diffusion layer 24 and the (second) carbon layer 84 in which the (second) carbon layer 84 is formed on the surface of the gas diffusion base material 82. A step of producing a second intermediate 60 (ie, a second electrode 20) having a second catalyst layer 22 in contact with it.
(I-4) As shown in FIG. 5, the first catalyst layer 12 is located between the first gas diffusion layer 14 and the electrolyte membrane 30, and the (first) carbon layer 84 and the first A step of joining the first gas diffusion layer 14 and the first intermediate 50 so as to be in contact with the catalyst layer 12 to form a laminated body 70.
(I-5) As shown in FIG. 6, after the peeling base material 52 is peeled from the laminate 70, the second catalyst layer 22 is located between the second gas diffusion layer 24 and the electrolyte membrane 30. A step of joining the laminated body 70 and the second intermediate body 60 to form a membrane electrode assembly 1.

(i−1)工程:
第1のガス拡散層14は、ガス拡散性基材82の表面に繊維径が50〜200nmであり、繊維長が1〜50μmである炭素繊維および含フッ素樹脂を含む塗工液(以下、カーボン層用塗工液と記す。)を塗工することによって(第1の)カーボン層84を形成し、作製される。
(I-1) Step:
The first gas diffusion layer 14 is a coating liquid (hereinafter, carbon) containing carbon fibers having a fiber diameter of 50 to 200 nm and a fiber length of 1 to 50 μm and a fluororesin on the surface of the gas diffusible base material 82. The (first) carbon layer 84 is formed and produced by applying (referred to as a layer coating liquid).

カーボン層用塗工液は、炭素繊維を溶媒に分散させ、含フッ素樹脂を溶媒に溶解または分散させることにより調製される。
含フッ素樹脂が含フッ素イオン交換樹脂の場合、溶媒としては、上述のアルコール類または含フッ素溶媒が好ましい。
カーボン層用塗工液の固形分濃度は、5〜20質量%が好ましく、8〜15質量%がより好ましい。
塗工液の固形分濃度を該範囲とすることにより、塗工液が適度な粘度となり、均一に塗工でき、かつ形成される塗膜にひび割れを生じることがない。
The coating liquid for a carbon layer is prepared by dispersing carbon fibers in a solvent and dissolving or dispersing a fluororesin in the solvent.
When the fluororesin is a fluoroion-containing exchange resin, the above-mentioned alcohols or fluorine-containing solvent are preferable as the solvent.
The solid content concentration of the coating liquid for the carbon layer is preferably 5 to 20% by mass, more preferably 8 to 15% by mass.
By setting the solid content concentration of the coating liquid in the above range, the coating liquid has an appropriate viscosity, the coating can be uniformly applied, and the formed coating film is not cracked.

塗工法としては、上述のバッチ式塗工法または連続式塗工法が挙げられ、均一な(第1の)カーボン層84を形成できる点から、スクリーン印刷法またはダイコータ法が好ましく、生産効率の点から、ダイコータ法がより好ましい。
ガス拡散性基材82の表面にカーボン層用塗工液を塗工した後、乾燥させて(第1の)カーボン層84を形成する。乾燥温度は、80〜150℃が好ましい。
Examples of the coating method include the batch coating method and the continuous coating method described above, and the screen printing method or the die coater method is preferable from the viewpoint of forming a uniform (first) carbon layer 84, and from the viewpoint of production efficiency. , The die coater method is more preferable.
The surface of the gas diffusible base material 82 is coated with a coating liquid for a carbon layer and then dried to form a (first) carbon layer 84. The drying temperature is preferably 80 to 150 ° C.

(i−2)工程:
第1の中間体50の作製は、第1の実施形態における(I−2)工程と同様に行えばよい。
(I-2) Step:
The production of the first intermediate 50 may be carried out in the same manner as in the step (I-2) in the first embodiment.

(i−3)工程:
第2のガス拡散層24の作製は、(i−1)工程と同様に行えばよい。
第2の触媒層22は、(第2の)カーボン層84と第2の触媒層22とが接するように、第2のガス拡散層24の表面に形成する。
第2の触媒層22の形成は、第1の実施形態における(I−3)工程と同様に行えばよい。
(I-3) Step:
The second gas diffusion layer 24 may be produced in the same manner as in step (i-1).
The second catalyst layer 22 is formed on the surface of the second gas diffusion layer 24 so that the (second) carbon layer 84 and the second catalyst layer 22 are in contact with each other.
The formation of the second catalyst layer 22 may be performed in the same manner as in the step (I-3) of the first embodiment.

(i−4)〜(i−5)工程
(i−4)〜(i−5)工程における接合方法および条件は、第1の実施形態における(I−4)〜(I−5)工程と同様の方法、条件とすればよい。
Steps (i-4) to (i-5) The joining methods and conditions in the steps (i-4) to (i-5) are the same as the steps (I-4) to (I-5) in the first embodiment. The same method and conditions may be used.

((ii)の方法)
(ii)の方法としては、たとえば、以下の(ii−1)〜(ii−5)工程を有する方法が挙げられる。
(ii−1)図5に示すような、ガス拡散性基材82の表面に(第1の)カーボン層84が形成された第1のガス拡散層14を準備する工程。
(ii−2)図5に示すような、剥離基材52、電解質膜30および第1の触媒層12を有する第1の中間体50を作製する工程。
(ii−3)図6に示すような、ガス拡散性基材82の表面に(第2の)カーボン層84が形成された第2のガス拡散層24および(第2の)カーボン層84に接する第2の触媒層22を有する第2の中間体60(すなわち、第2の電極20)を作製する工程。
(ii−4)第1の中間体50から剥離基材52を剥離する工程。
(ii−5)第1のガス拡散層14と電解質膜30との間に第1の触媒層12が位置し、かつ(第1の)カーボン層84と第1の触媒層12とが接し、かつ第2のガス拡散層24と電解質膜30との間に第2の触媒層22が位置するように、第1のガス拡散層14と第1の中間体50と第2の中間体60とを同時に接合し、膜電極接合体1とする工程。
(Method of (ii))
Examples of the method (ii) include a method having the following steps (ii-1) to (ii-5).
(Ii-1) A step of preparing a first gas diffusion layer 14 in which a (first) carbon layer 84 is formed on the surface of a gas diffusion base material 82 as shown in FIG.
(Ii-2) A step of producing a first intermediate 50 having a release base material 52, an electrolyte membrane 30, and a first catalyst layer 12, as shown in FIG.
(Ii-3) As shown in FIG. 6, on the second gas diffusion layer 24 and the (second) carbon layer 84 in which the (second) carbon layer 84 is formed on the surface of the gas diffusion base material 82. A step of producing a second intermediate 60 (ie, a second electrode 20) having a second catalyst layer 22 in contact with it.
(Ii-4) A step of peeling the peeling base material 52 from the first intermediate 50.
(Ii-5) The first catalyst layer 12 is located between the first gas diffusion layer 14 and the electrolyte membrane 30, and the (first) carbon layer 84 and the first catalyst layer 12 are in contact with each other. And the first gas diffusion layer 14, the first intermediate 50, and the second intermediate 60 so that the second catalyst layer 22 is located between the second gas diffusion layer 24 and the electrolyte membrane 30. At the same time to form a membrane electrode assembly 1.

(ii−1)〜(ii−3)工程は、(i−1)〜(i−3)工程と同様に行えばよい。
(ii−5)工程における接合方法および条件は、(i−4)〜(i−5)工程と同様の方法、条件とすればよい。
The steps (ii-1) to (ii-3) may be performed in the same manner as the steps (i-1) to (i-3).
The joining method and conditions in the step (ii-5) may be the same methods and conditions as in the steps (i-4) to (i-5).

第2の実施形態において製造される膜電極接合体1は、ガス拡散性基材82と触媒層との間にカーボン層84が存在するため、ガス拡散性基材82の空隙が閉塞しにくい。そのため、すべての領域における固体高分子形燃料電池の出力電圧の低下が抑えられる。また、カーボン層84が存在する場合、第2のガス拡散層の閉塞を防止できるので、第2のガス拡散層側をカソードとしてもアノードしても高性能の膜電極接合体を得ることが可能である。 In the membrane electrode assembly 1 manufactured in the second embodiment, since the carbon layer 84 exists between the gas diffusing base material 82 and the catalyst layer, the voids of the gas diffusing base material 82 are unlikely to be closed. Therefore, the decrease in the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell in all regions can be suppressed. Further, when the carbon layer 84 is present, the second gas diffusion layer can be prevented from being blocked, so that a high-performance membrane electrode assembly can be obtained even if the second gas diffusion layer side is used as the cathode or the anode. Is.

図7に断面図で示すように、第1または第2の実施形態にて製造された膜電極接合体の両面に、ガスの流路となる溝100が形成されたセパレータ90を配置することにより、固体高分子形燃料電池が得られる。セパレータ90としては、金属製セパレータ、カーボン製セパレータ、黒鉛と樹脂を混合した材料からなるセパレータ等、各種導電性材料からなるセパレータが挙げられる。
該固体高分子形燃料電池においては、カソードに酸素を含むガス、アノードに水素を含むガスを供給することにより、発電が行われる。また、アノードにメタノールを供給して発電を行うメタノール燃料電池にも、本発明の膜電極接合体を適用できる。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 7, by arranging the separator 90 in which the groove 100 serving as the gas flow path is formed on both sides of the membrane electrode assembly manufactured in the first or second embodiment. , A solid polymer fuel cell is obtained. Examples of the separator 90 include a separator made of various conductive materials such as a metal separator, a carbon separator, and a separator made of a material obtained by mixing graphite and a resin.
In the polymer electrolyte fuel cell, power generation is performed by supplying a gas containing oxygen to the cathode and a gas containing hydrogen to the anode. Further, the membrane electrode assembly of the present invention can also be applied to a methanol fuel cell that generates electricity by supplying methanol to the anode.

以上説明した本発明の膜電極接合体にあっては、第1のガス拡散層と、電解質膜の表面に第1の触媒層用塗工液を塗工することによって形成された第1の触媒層を有する第1の中間体と、第2のガス拡散層の表面に第2の触媒層用塗工液を塗工することによって形成された第2の触媒層を有する第2の中間体を接合しているため、第1のガス拡散層の空隙を閉塞してしまうことがない。その結果、ガス拡散層のガス拡散性の低下が少なく、高電流密度領域における固体高分子形燃料電池の出力電圧の低下が抑えられる。 In the membrane electrode assembly of the present invention described above, the first catalyst formed by applying the coating liquid for the first catalyst layer to the surface of the first gas diffusion layer and the electrolyte membrane. A first intermediate having a layer and a second intermediate having a second catalyst layer formed by applying a coating liquid for a second catalyst layer to the surface of the second gas diffusion layer. Since they are bonded, they do not block the voids of the first gas diffusion layer. As a result, the decrease in gas diffusibility of the gas diffusion layer is small, and the decrease in output voltage of the polymer electrolyte fuel cell in the high current density region is suppressed.

また、電解質膜の表面に第1の触媒層用塗工液を塗工することによって第1の触媒層を形成した第1の中間体と、第2のガス拡散層の表面に第2の触媒層用塗工液を塗工することによって第2の触媒層を形成した第2の中間体とを接合しているため、従来のように、電解質膜を第1の触媒層の表面に直接、塗工によって形成する必要がない。そのため、第1の触媒層にイオン交換樹脂の一部が侵入せず、第1の触媒層の空隙の多くを閉塞してしまうことがない。その結果、第1の触媒層のガス拡散性が低下することがなく、高電流密度領域における固体高分子形燃料電池の出力電圧の低下が抑えられる。 Further, the first intermediate in which the first catalyst layer is formed by applying the coating liquid for the first catalyst layer on the surface of the electrolyte film, and the second catalyst on the surface of the second gas diffusion layer. Since the second intermediate that has formed the second catalyst layer is bonded by applying the layer coating liquid, the electrolyte film is directly applied to the surface of the first catalyst layer as in the conventional case. It does not need to be formed by coating. Therefore, a part of the ion exchange resin does not invade the first catalyst layer, and most of the voids of the first catalyst layer are not blocked. As a result, the gas diffusibility of the first catalyst layer does not decrease, and the decrease in the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell in the high current density region can be suppressed.

さらに、上述したように、第1の触媒層を電解質膜の表面に塗工しているため、塗工液中の溶媒の作用により、電解質膜表面の一部が溶解し触媒層中の電解質と結着する効果があり、電解質膜と触媒層との密着強度が充分に得られる。その結果、電解質膜の電池運転中の湿度変化による寸法変化を触媒層が抑制する。加えて、アノードの水素が圧力差によってカソード側へ抜けてしまう水素リークを抑制することができる。 Further, as described above, since the first catalyst layer is coated on the surface of the electrolyte membrane, a part of the surface of the electrolyte membrane is dissolved by the action of the solvent in the coating liquid, and the electrolyte in the catalyst layer is dissolved. It has the effect of binding, and sufficient adhesion strength between the electrolyte membrane and the catalyst layer can be obtained. As a result, the catalyst layer suppresses dimensional changes due to humidity changes during battery operation of the electrolyte membrane. In addition, it is possible to suppress a hydrogen leak in which hydrogen at the anode escapes to the cathode side due to a pressure difference.

ここで、図を用いて、固体高分子形燃料電池の運転中に電解質膜と触媒層が剥離した場合に電解質膜が変形する様子を説明する。図8の(A)は、膜電極接合体を2つのセパレータ90で挟み込んだ固体高分子形燃料電池の部分的断面図である。電解質膜30が第1の触媒層12とも第2の触媒層22とも充分に結着していない場合は、図8の(B)に示すような状態となる。すなわち、セパレータ90のリブ101で押さえつけられている部分の膜電極接合体は固定されているため電解質膜30と触媒層12、22との剥離は起きないが、ガスの流路100と接している部分では電解質膜30と触媒層12、22との剥離が起こる。そして含水した電解質膜30が触媒層12、22と剥離した部分で大きく変形してしまう。 Here, a state in which the electrolyte membrane is deformed when the electrolyte membrane and the catalyst layer are peeled off during operation of the polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to the drawings. FIG. 8A is a partial cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell in which a membrane electrode assembly is sandwiched between two separators 90. When the electrolyte membrane 30 is not sufficiently bonded to both the first catalyst layer 12 and the second catalyst layer 22, the state shown in FIG. 8B is obtained. That is, since the membrane electrode assembly of the portion pressed by the rib 101 of the separator 90 is fixed, the electrolyte membrane 30 and the catalyst layers 12 and 22 do not peel off, but are in contact with the gas flow path 100. In the portion, the electrolyte membrane 30 and the catalyst layers 12 and 22 are peeled off. Then, the water-containing electrolyte membrane 30 is greatly deformed at the portion where it is peeled off from the catalyst layers 12 and 22.

一方、電解質膜30と触媒層12、22の少なくとも一方とが充分に結着している場合は、理由は必ずしも明確ではないが、図8の(A)の状態の安定した形状を維持することができる。第1の触媒層12も第2の触媒層22も直接電解質膜に塗工せずに例えばガス拡散層14、24にそれぞれ塗工して、後からホットプレスなどにより電解質膜30と結着させた場合等は電解質膜30と触媒層12、22との結着強度は低くなりやすく、燃料電池運転中に図8の(B)の状態になりやすい。
なお、電解質膜30と触媒層12または触媒層22との結着強度は後述する実施例に記載の方法で評価することができ、この方法で測定される90°剥離強度が0.1N/cm以上である場合は、電解質膜30と触媒層12(22)とが燃料電池の運転中に剥離しにくく、電解質膜30の変形が起こりにくい。90°剥離強度は、より好ましくは0.13N/cm以上である。
On the other hand, when the electrolyte membrane 30 and at least one of the catalyst layers 12 and 22 are sufficiently bonded, the reason is not necessarily clear, but the stable shape of the state (A) of FIG. 8 is maintained. Can be done. Neither the first catalyst layer 12 nor the second catalyst layer 22 is directly coated on the electrolyte membrane, but is coated on the gas diffusion layers 14 and 24, respectively, and later bonded to the electrolyte membrane 30 by hot pressing or the like. In such a case, the bonding strength between the electrolyte membrane 30 and the catalyst layers 12 and 22 tends to be low, and the state shown in FIG. 8 (B) tends to occur during fuel cell operation.
The bonding strength between the electrolyte membrane 30 and the catalyst layer 12 or the catalyst layer 22 can be evaluated by the method described in Examples described later, and the 90 ° peel strength measured by this method is 0.1 N / cm. In the above case, the electrolyte membrane 30 and the catalyst layer 12 (22) are less likely to be peeled off during the operation of the fuel cell, and the electrolyte membrane 30 is less likely to be deformed. The 90 ° peel strength is more preferably 0.13 N / cm or more.

以下に、例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されない。なお、例1は実施例である。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. In addition, Example 1 is an Example.

〔例1〕
(II−1)工程:
表面がカーボンブラック粒子とポリテトラフルオロエチレンとを含む分散液により処理されたカーボンペーパー(商品名:H2315T10AC1、NOK社製)(以下、カーボンペーパー(B)と記す。)からなる第1のガス拡散層14を用意した。
[Example 1]
(II-1) Step:
A first gas diffusion made of carbon paper (trade name: H2315T10AC1, manufactured by NOK) (hereinafter referred to as carbon paper (B)) whose surface is treated with a dispersion liquid containing carbon black particles and polytetrafluoroethylene. Layer 14 was prepared.

(II−2)工程:
カーボン担体(比表面積250m2/g)に白金・コバルト合金を40%担持された触媒(白金/コバルト=36/4(質量比))35gを蒸留水226.5gに添加し、超音波印加装置を用いて粉砕し、さらにエタノール37.5gを添加し、よく撹拌した。これに、TFEと、下記式(Z)で表されるモノマーとを共重合した後、加水分解、酸型化して得た共重合体(イオン交換容量1.5ミリ当量/g乾燥樹脂)(以下、共重合体(A)と記す。)をエタノールに分散させた、固形分濃度10質量%の分散液(以下、共重合体(A)のエタノール分散液と記す。)210gを添加し、よく撹拌し、カソード触媒層用塗工液(a)とした。
(II-2) Process:
An ultrasonic application device is provided by adding 35 g of a catalyst (platinum / cobalt = 36/4 (mass ratio)) in which 40% of a platinum-cobalt alloy is supported on a carbon carrier (specific surface area 250 m 2 / g) to 226.5 g of distilled water. Was pulverized using the above, 37.5 g of ethanol was further added, and the mixture was well stirred. A copolymer obtained by copolymerizing TFE with a monomer represented by the following formula (Z), hydrolyzing and acidifying the mixture (ion exchange capacity 1.5 mm equivalent / g dry resin) ( 210 g of a dispersion liquid having a solid content concentration of 10% by mass (hereinafter referred to as an ethanol dispersion liquid of the copolymer (A)) in which the copolymer (A) is dispersed in ethanol is added. The mixture was well stirred to prepare a coating liquid (a) for the cathode catalyst layer.

ETFEフィルムからなる剥離基材52の表面に、TFEとCF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF22SO2Fとの共重合体(B)を、エタノールと水との混合溶媒(エタノール/水=60:40(質量比))に分散させた固形分濃度25質量%の電解質膜用塗工液を乾燥膜厚が25μmとなるようにダイコータを用い塗工し、90℃の乾燥器内で10分乾燥し、さらに140℃で30分アニールしたキャスト膜(イオン交換膜(C)と記す。)からなる電解質膜30が形成された積層体を用意した。該電解質膜30の表面にカソード触媒層用塗工液(a)を、白金量が0.2mg/cmとなるようにダイコータを用いて塗工し、90℃の乾燥器内で5分間乾燥し、さらに155℃の乾燥器内で30分間乾燥し、電解質膜30の表面に第1の触媒層12(カソード触媒層)が形成された第1の中間体50を作製した。 On the surface of the release base material 52 made of an ETFE film, a copolymer (B) of TFE and CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 2 SO 2 F is added to a mixed solvent of ethanol and water. A coating solution for an electrolyte membrane having a solid content concentration of 25% by mass dispersed in (ethanol / water = 60:40 (mass ratio)) was applied using a die coater so that the dry film thickness was 25 μm, and the temperature was 90 ° C. A laminate having an electrolyte membrane 30 formed of a cast membrane (referred to as an ion exchange membrane (C)) dried in a dryer for 10 minutes and further annealed at 140 ° C. for 30 minutes was prepared. The surface of the electrolyte membrane 30 is coated with the coating liquid (a) for the cathode catalyst layer using a die coater so that the amount of platinum is 0.2 mg / cm 2, and dried in a dryer at 90 ° C. for 5 minutes. Then, it was further dried in a dryer at 155 ° C. for 30 minutes to prepare a first intermediate 50 in which the first catalyst layer 12 (cathode catalyst layer) was formed on the surface of the electrolyte membrane 30.

(II−3)工程:
カーボン担体(比表面積800m2/g)に白金・ルテニウム合金(白金/ルテニウム=31/22(質量比))が担持された触媒(商品名:TEC61E54、田中貴金属工業社製、白金・ルテニウム合金担持量53質量%。)33gを蒸留水227.5gに添加し、超音波印加装置を用いて粉砕し、さらにエタノール117.5gを添加し、よく撹拌した。これに、共重合体(A)のエタノール分散液122.5gを添加し、よく撹拌し、アノード触媒層用塗工液(a)とした。
(II-3) Process:
A catalyst (trade name: TEC61E54, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., supporting platinum-ruthenium alloy) in which a platinum-ruthenium alloy (platinum / ruthenium = 31/22 (mass ratio)) is supported on a carbon carrier (specific surface area 800 m 2 / g). (Amount 53% by mass.) 33 g was added to 227.5 g of distilled water, pulverized using an ultrasonic application device, and 117.5 g of ethanol was further added and stirred well. To this, 122.5 g of an ethanol dispersion liquid of the copolymer (A) was added and stirred well to prepare a coating liquid (a) for an anode catalyst layer.

カーボンペーパー(B)からなる第2のガス拡散層24の表面にアノード触媒層用塗工液(a)を、白金量が0.2mg/cm2となるようにダイコータを用いて塗工し、90℃の乾燥器内で5分間乾燥し、さらに155℃の乾燥器内で30分間乾燥し、第2のガス拡散層24の表面に第2の触媒層22(アノード触媒層)が形成された第2の中間体60を作製した。 The surface of the second gas diffusion layer 24 made of carbon paper (B) is coated with the coating liquid (a) for the anode catalyst layer using a die coater so that the amount of platinum is 0.2 mg / cm 2 . A second catalyst layer 22 (anolyte catalyst layer) was formed on the surface of the second gas diffusion layer 24 by drying in a dryer at 90 ° C. for 5 minutes and further in a dryer at 155 ° C. for 30 minutes. A second intermediate 60 was made.

(II−4)工程:
第1の中間体50から剥離基材52を剥離した。
(II−5)工程:
第1のガス拡散層14と電解質膜30との間に第1の触媒層12が位置し、かつ第2のガス拡散層24と電解質膜30との間に第2の触媒層22が位置するように、第1のガス拡散層14と第1の中間体50と第2の中間体60とを積み重ねた。これを、あらかじめ140℃に加熱したプレス機の中に入れ、1.5MPaのプレス圧で1分間熱プレスし、電極面積が25cm2であり、第1の電極10がカソードであり、第2の電極20がアノードである膜電極接合体1を得た。
(II-4) Process:
The peeling base material 52 was peeled from the first intermediate 50.
(II-5) Step:
The first catalyst layer 12 is located between the first gas diffusion layer 14 and the electrolyte membrane 30, and the second catalyst layer 22 is located between the second gas diffusion layer 24 and the electrolyte membrane 30. As described above, the first gas diffusion layer 14, the first intermediate body 50, and the second intermediate body 60 were stacked. This was placed in a press machine preheated to 140 ° C. and heat-pressed at a press pressure of 1.5 MPa for 1 minute. The electrode area was 25 cm 2 , the first electrode 10 was the cathode, and the second electrode was the second electrode. A membrane electrode assembly 1 in which the electrode 20 is an anode was obtained.

膜電極接合体1を発電用セルに組み込み、常圧にて、水素(利用率70%)/空気(利用率50%)を供給し、セル温度65℃にて、電流密度0.2A/cm2、0.5A/cm2、および1.0A/cm2における運転初期のセル電圧を測定した。ただし、アノード側には露点65℃の水素を供給し、カソード側には露点65℃の空気を供給した。結果は、0.2A/cm2、0.5A/cm2、1.0A/cm2でそれぞれ0.78V、0.68V、0.61Vとなった。
また、水素を模擬ガス(水素80%、CO220%の混合ガスに20ppmのCOを混合したガス。)に変更し、同様な条件で運転初期のセル電圧を測定した。結果を表2に示す。結果は、0.2A/cm2、0.5A/cm2、1.0A/cm2でそれぞれ0.78V、0.67V、0.60Vとなった。
The membrane electrode assembly 1 is incorporated into a power generation cell, hydrogen (utilization rate 70%) / air (utilization rate 50%) is supplied at normal pressure, and the current density is 0.2 A / cm at a cell temperature of 65 ° C. The cell voltage at the beginning of operation was measured at 2 , 0.5 A / cm 2 , and 1.0 A / cm 2 . However, hydrogen having a dew point of 65 ° C. was supplied to the anode side, and air having a dew point of 65 ° C. was supplied to the cathode side. The results were 0.78V, 0.68V, and 0.61V at 0.2A / cm 2 , 0.5A / cm 2 , and 1.0A / cm 2 , respectively.
The hydrogen simulated gas (80% hydrogen, CO 2 20% of the mixed gas obtained by mixing CO of 20ppm the gas.) To change to measure the cell voltages at the initial stage of the operation under the same conditions. The results are shown in Table 2. The results were 0.78V, 0.67V, and 0.60V at 0.2A / cm 2 , 0.5A / cm 2 , and 1.0A / cm 2 , respectively.

また、電解質膜30と第1の触媒層12との間で剥離または触媒層自体が凝集破壊するときの強度を測定すると、これにより、結着強度(剥離強度)を評価できる。具体的には以下の方法である。 Further, by measuring the strength at which the electrolyte film 30 and the first catalyst layer 12 are peeled off or the catalyst layer itself is coagulated and broken, the binding strength (peeling strength) can be evaluated. Specifically, it is the following method.

まず、第1の中間体50から幅20mm、長さ約150mmの試験片を作製する。そして、図9に示すように電解質膜30の表面を両面粘着テープ96で幅25mm、長さ150mm、厚さ3mmのアルミニウム板97に貼り付ける。ここで両面粘着テープ96は、測定する試験片の電解質膜30と第1の触媒層12との剥離強度よりも充分に高い粘着強度を有するものを使用する。また、第1の触媒層12の表面には、測定する試験片の剥離強度よりも充分に高い粘着強度を有する片面粘着テープ95を80mm程度粘着させる。そして、片面粘着テープ95を直径6mmのステンレス製のローラ99を介して試験片と90°の角度となるようにして図示されていない引張り試験機の試料取り付け部に挟持させる。アルミニウム板97/両面テープ96/第1の中間体50/片面粘着テープ95の一体化物をローラ98の間を通して方向Aに進め、片面粘着テープ95が方向Bに進むようにして試験片が電解質膜30と第1の触媒層12との間で剥離するときの強度を測定する。 First, a test piece having a width of 20 mm and a length of about 150 mm is prepared from the first intermediate 50. Then, as shown in FIG. 9, the surface of the electrolyte membrane 30 is attached to an aluminum plate 97 having a width of 25 mm, a length of 150 mm, and a thickness of 3 mm with a double-sided adhesive tape 96. Here, as the double-sided adhesive tape 96, a tape having an adhesive strength sufficiently higher than the peel strength between the electrolyte membrane 30 of the test piece to be measured and the first catalyst layer 12 is used. Further, a single-sided adhesive tape 95 having an adhesive strength sufficiently higher than the peel strength of the test piece to be measured is adhered to the surface of the first catalyst layer 12 by about 80 mm. Then, the single-sided adhesive tape 95 is sandwiched between a sample mounting portion of a tensile tester (not shown) at an angle of 90 ° with the test piece via a stainless steel roller 99 having a diameter of 6 mm. The integrated product of the aluminum plate 97 / double-sided tape 96 / first intermediate 50 / single-sided adhesive tape 95 is advanced in direction A through between the rollers 98, and the single-sided adhesive tape 95 is advanced in direction B so that the test piece is formed with the electrolyte membrane 30. The strength at the time of peeling from the first catalyst layer 12 is measured.

測定条件としては、速度50mm/分の速度で90°剥離強度測定を行う。試験は各試験片について3回行い、剥離強度をロードセルを介して測定してパソコンに記録する。そして、測定された剥離強度の中で値が安定している部分について3回の平均値を試験片の幅20mmで除してその試験片の90°剥離強度とする。
上記のとおり測定すると、剥離強度は0.13N/cm以上である。
As a measurement condition, 90 ° peel strength measurement is performed at a speed of 50 mm / min. The test is performed three times for each test piece, and the peel strength is measured via a load cell and recorded on a personal computer. Then, the average value of three times is divided by the width of 20 mm of the test piece for the portion where the value is stable in the measured peel strength to obtain the 90 ° peel strength of the test piece.
When measured as described above, the peel strength is 0.13 N / cm or more.

本発明の膜電極接合体は、広範囲な電流密度において、高い出力電圧を有することから、自動車等の移動体用電源、分散発電システム、家庭用コージェネレーションシステム等として用いられる固体高分子形燃料電池にきわめて有用である。 Since the membrane electrode assembly of the present invention has a high output voltage in a wide range of current densities, it is a polymer electrolyte fuel cell used as a power source for mobile bodies such as automobiles, a distributed power generation system, a household cogeneration system, and the like. Very useful for.

1 膜電極接合体
10 第1の電極
12 第1の触媒層
14 第1のガス拡散層
20 第2の電極
22 第2の触媒層
24 第2のガス拡散層
30 電解質膜
50 第1の中間体
52 剥離基材
60 第2の中間体
70 積層体
82 ガス拡散性基材
84 カーボン層
90 セパレータ
1 Membrane electrode assembly 10 1st electrode 12 1st catalyst layer 14 1st gas diffusion layer 20 2nd electrode 22 2nd catalyst layer 24 2nd gas diffusion layer 30 Electrolyte film 50 1st intermediate 52 Peeling base material 60 Second intermediate 70 Laminated body 82 Gas diffusing base material 84 Carbon layer 90 Separator

Claims (5)

第1の触媒層および第1のガス拡散層を有する第1の電極と、第2の触媒層および第2のガス拡散層を有する第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に介在する電解質膜とを具備する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法において、
基材上にイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工した後、100〜250℃にてアニールすることにより電解質膜を形成し、得られた電解質膜の表面に電極触媒および式(A)で表される単位を含むイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工することによって前記第1の触媒層を形成することにより、電解質膜と第1の触媒層とから構成される第1の中間体を作製し、
前記第2のガス拡散層の表面に電極触媒および式(A)で表される単位を含むイオン交換樹脂を含む塗工液を塗工することによって前記第2の触媒層を形成することにより、前記第2のガス拡散層と前記第2の触媒層とからなる第2の中間体を作製し、
前記第1のガス拡散層と前記電解質膜との間に前記第1の触媒層が位置し、かつ前記第2のガス拡散層と前記電解質膜との間に前記第2の触媒層が位置するように前記第1のガス拡散層と前記第1の中間体と前記第2の中間体とを接合することを特徴とする、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
式(A)中、Rf1は、炭素原子−炭素原子間に酸素原子を含んでいてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Rf2およびRf3はそれぞれ独立に、単結合または炭素原子−炭素原子間に酸素原子を含んでいてもよいペルフルオロアルキレン基であり、rおよびmはそれぞれ独立に、0または1であり、Mは、水素原子、アルカリ金属または第4級アンモニウムカチオンである。
A first electrode having a first catalyst layer and a first gas diffusion layer, a second electrode having a second catalyst layer and a second gas diffusion layer, the first electrode and the second electrode. In a method for manufacturing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises an electrolyte membrane interposed between the electrodes.
After applying a coating liquid containing an ion exchange resin on the base material, an electrolyte membrane is formed by annealing at 100 to 250 ° C., and an electrode catalyst and the formula (A) are used on the surface of the obtained electrolyte membrane. A first intermediate composed of an electrolyte membrane and a first catalyst layer by forming the first catalyst layer by applying a coating liquid containing an ion exchange resin containing the represented unit. To make,
By forming the second catalyst layer by applying a coating liquid containing an electrode catalyst and an ion exchange resin containing a unit represented by the formula (A) on the surface of the second gas diffusion layer. A second intermediate composed of the second gas diffusion layer and the second catalyst layer was prepared.
The first catalyst layer is located between the first gas diffusion layer and the electrolyte membrane, and the second catalyst layer is located between the second gas diffusion layer and the electrolyte membrane. A method for producing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises joining the first gas diffusion layer, the first intermediate body, and the second intermediate body as described above.
In the formula (A), R f1 is a perfluoroalkylene group which may contain an oxygen atom between carbon atoms, and R f2 and R f3 are independently single bonds or between carbon atoms and carbon atoms, respectively. Is a perfluoroalkylene group which may contain an oxygen atom, r and m are independently 0 or 1, respectively, and M is a hydrogen atom, an alkali metal or a quaternary ammonium cation.
前記第1のガス拡散層と前記第1の中間体と前記第2の中間体との接合が、熱プレスによって行われる、請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the bonding of the first gas diffusion layer, the first intermediate, and the second intermediate is performed by a hot press. Production method. 前記基材は、前記第1の中間体と前記第1のガス拡散層とを接合した後に剥離し、次いで前記第2の中間体を前記電解質膜と接合する、請求項1または2に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 The base material according to claim 1 or 2, wherein the base material is peeled off after joining the first intermediate and the first gas diffusion layer, and then the second intermediate is joined to the electrolyte membrane. A method for manufacturing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell. 前記第1のガス拡散層が、ガス拡散性基材および該ガス拡散性基材の表面に繊維径が50〜200nmであり、繊維長が1〜50μmである炭素繊維および含フッ素樹脂を含む塗工液を塗工することによって形成された第1のカーボン層を有し、
該第1のカーボン層と前記第1の触媒層とが接するように、前記第1のガス拡散層と前記第1の中間体とを接合する、請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
The first gas diffusion layer is coated on the surface of the gas diffusible base material and the gas diffusible base material containing carbon fibers having a fiber diameter of 50 to 200 nm and a fiber length of 1 to 50 μm and a fluororesin. It has a first carbon layer formed by applying a working solution and has a first carbon layer.
The solid according to any one of claims 1 to 3, wherein the first gas diffusion layer and the first intermediate are joined so that the first carbon layer and the first catalyst layer are in contact with each other. A method for manufacturing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.
前記第2のガス拡散層が、ガス拡散性基材および該ガス拡散性基材の表面に繊維径が50〜200nmであり、繊維長が1〜50μmである炭素繊維および含フッ素樹脂を含む塗工液を塗工することによって形成された第2のカーボン層を有し、
該第2のカーボン層と前記第2の触媒層とが接するように、前記第2のガス拡散層の表面に前記第2の触媒層を形成する、請求項1〜4のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
The second gas diffusion layer is coated on the surface of the gas diffusible base material and the gas diffusible base material containing carbon fibers having a fiber diameter of 50 to 200 nm and a fiber length of 1 to 50 μm and a fluororesin. It has a second carbon layer formed by applying a working solution and has a second carbon layer.
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the second catalyst layer is formed on the surface of the second gas diffusion layer so that the second carbon layer and the second catalyst layer are in contact with each other. A method for manufacturing a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.
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