JP2021086747A - Method for manufacturing membrane-electrode assembly - Google Patents

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Abstract

To keep down the possibility of an ionomer of a catalyst layer swelled by liquid water, preventing a reaction gas from getting in contact with a catalyst metal supported by a conductive carrier.SOLUTION: A method for manufacturing a membrane-electrode assembly comprises the steps of: (a)adding a sulfonic group-containing ionomer to a mixture containing carriers made to support a catalyst, and 25-75 mass% of diacetone alcohol to produce a catalyst ink; (b)coating a substrate with the catalyst ink and drying the catalyst ink, thereby producing a catalyst layer; and (c)bonding the catalyst layer and an electrolyte membrane by thermocompression, which is performed at a temperature equal to or higher than a glass transition temperature of the ionomer and equal to or lower than a boiling point of the diacetone alcohol.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、燃料電池の膜電極接合体の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for manufacturing a membrane electrode assembly of a fuel cell.

従来、特許文献1に開示されている燃料電池の膜電極構造体の製造方法が存在する。特許文献1の技術においては、ガラス転移温度がaのアイオノマAと、ガラス転移温度がb(a<b)のアイオノマBと、触媒金属を担持した導電性担体と、を含むインク状組成物が作製される。インク状組成物が基材シート上に塗布され、インク状組成物が乾燥されることで触媒層が作製される。触媒層に、温度T(a<T<b)で熱処理が施される。触媒層と電解質膜とが温度T´(a<T´<b)で熱圧着される。 Conventionally, there is a method for manufacturing a membrane electrode structure of a fuel cell disclosed in Patent Document 1. In the technique of Patent Document 1, an ink-like composition containing an ionomer A having a glass transition temperature of a, an ionomer B having a glass transition temperature of b (a <b), and a conductive carrier carrying a catalyst metal is used. It is made. The ink-like composition is applied onto the base material sheet, and the ink-like composition is dried to prepare a catalyst layer. The catalyst layer is heat treated at a temperature T (a <T <b). The catalyst layer and the electrolyte membrane are thermocompression bonded at a temperature T'(a <T'<b).

特許文献1の技術においては、熱処理の温度TがアイオノマAのガラス転移温度aより高いため、熱処理において、アイオノマAの結晶度が高まり、触媒層構造の強度を高めることができる。その結果、熱圧着工程で触媒層の細孔構造が潰れることが防止される。また、熱処理の温度TがアイオノマBのガラス転移温度bより低いため、アイオノマBの含水率を高く維持することができる。その結果、低加湿における触媒層のプロトン伝導性を維持できる。 In the technique of Patent Document 1, since the heat treatment temperature T is higher than the glass transition temperature a of the ionomer A, the crystallinity of the ionomer A can be increased and the strength of the catalyst layer structure can be increased in the heat treatment. As a result, the pore structure of the catalyst layer is prevented from being crushed in the thermocompression bonding step. Further, since the heat treatment temperature T is lower than the glass transition temperature b of the ionomer B, the water content of the ionomer B can be maintained high. As a result, the proton conductivity of the catalyst layer under low humidification can be maintained.

特開2010−61865号公報JP-A-2010-61865

しかし、特許文献1の燃料電池の膜電極構造体の製造方法においては、以下の問題は、考慮されていない。すなわち、燃料電池が高負荷で運転されている状態においては、発電によって生成される液水によって、触媒層のアイオノマが膨潤し、導電性担体に担持された触媒金属に反応ガスが接触しにくくなる、いわゆるフラッディングがおこる。その結果、燃料電池の発電性能が低下する。 However, the following problems are not taken into consideration in the method for manufacturing the membrane electrode structure of the fuel cell of Patent Document 1. That is, when the fuel cell is operated under a high load, the liquid water generated by the power generation causes the ionoma of the catalyst layer to swell, making it difficult for the reaction gas to come into contact with the catalyst metal supported on the conductive carrier. , So-called flooding occurs. As a result, the power generation performance of the fuel cell deteriorates.

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。 The present disclosure can be realized in the following forms.

本開示の一形態によれば、燃料電池の膜電極接合体の製造方法が提供される。この膜電極接合体の製造方法は、(a)触媒を担持させた担体と、25〜75質量%のジアセトンアルコールと、を含む混合物に、スルホン酸基を含むアイオノマを加えて、触媒インクを生成する工程と、(b)基体上に前記触媒インクを塗布し乾燥させて触媒層を生成する工程と、(c)前記触媒層と、電解質膜と、を熱圧着する工程であって、前記熱圧着が、前記アイオノマのガラス転移温度以上かつジアセトンアルコールの沸点以下の温度によって行われる工程と、を含む。
このような態様とすれば、触媒層中に適量のジアセトンアルコールが含まれる膜電極接合体を生成することができる。その結果、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有量が25重量%未満の態様に比べて、発電の生成水によって触媒層のアイオノマが膨潤しにくく、その結果、粒子に担持された触媒に反応ガスが接触しやすい膜電極接合体を得ることができる。また、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有量が75重量%より高い態様に比べて、短時間で、基体上の触媒インクを乾燥させて触媒層を生成することができる。
According to one embodiment of the present disclosure, there is provided a method for manufacturing a membrane electrode assembly of a fuel cell. The method for producing this membrane electrode conjugate is to add ionomer containing a sulfonic acid group to a mixture containing (a) a carrier carrying a catalyst and 25 to 75% by mass of diacetone alcohol to obtain a catalyst ink. The step of forming, (b) the step of applying the catalyst ink on the substrate and drying to form the catalyst layer, and (c) the step of heat-bonding the catalyst layer and the electrolyte film, wherein the catalyst layer is formed. The step includes a step in which the thermal bonding is performed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the ionomer and lower than the boiling point of the diacetone alcohol.
According to such an embodiment, a membrane electrode assembly containing an appropriate amount of diacetone alcohol in the catalyst layer can be produced. As a result, the ionoma of the catalyst layer is less likely to swell due to the generated water of power generation as compared with the embodiment in which the content of diacetone alcohol in the catalyst ink is less than 25% by weight, and as a result, the reaction gas is reacted with the catalyst supported on the particles. It is possible to obtain a membrane electrode assembly that is easy to contact with. Further, the catalyst ink on the substrate can be dried to form the catalyst layer in a short time as compared with the embodiment in which the content of diacetone alcohol in the catalyst ink is higher than 75% by weight.

本実施形態の燃料電池の膜電極接合体の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the fuel cell of this embodiment. 図1の処理一部を実行する製造装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing apparatus which executes a part of the process of FIG. 高加湿環境下での燃料電池の運転時における例1および例4の電流電圧特性である。These are the current-voltage characteristics of Examples 1 and 4 when the fuel cell is operated in a highly humidified environment. 高加湿環境下での燃料電池の運転時における例1〜例4の発電性能を示す棒グラフである。It is a bar graph which shows the power generation performance of Examples 1 to 4 at the time of operation of a fuel cell in a highly humidified environment. 低加湿環境下での燃料電池の運転時における例1および例4の発電性能を示す棒グラフである。It is a bar graph which shows the power generation performance of Example 1 and Example 4 at the time of operation of a fuel cell in a low humidification environment. ジアセトンアルコールの含有比率が0質量%の例4における触媒担体100の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state of the catalyst carrier 100 in Example 4 which the content ratio of diacetone alcohol is 0 mass%. ジアセトンアルコールの含有比率が46質量%の例1における触媒担体100の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state of the catalyst carrier 100 in Example 1 which the content ratio of diacetone alcohol is 46% by mass. ジアセトンアルコールと水の混合物の乾燥速度の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the drying rate of a mixture of diacetone alcohol and water. ジアセトンアルコールと水の混合物の乾燥速度の平均値を示すグラフである。It is a graph which shows the average value of the drying rate of a mixture of diacetone alcohol and water. 例1〜例4のアイオノマ溶液によるアイオノマキャスト膜の含水率を示すグラフである。It is a graph which shows the water content of the ionomer cast film by the ionomer solution of Example 1 to Example 4. 高加湿環境下での燃料電池の運転時における例1〜例4の発電性能を示す棒グラフである。It is a bar graph which shows the power generation performance of Examples 1 to 4 at the time of operation of a fuel cell in a highly humidified environment.

A.実施形態:
A1.膜電極接合体の製造方法:
本実施形態における燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に配されたガス拡散層とを備える。膜電極接合体は、一方のガス拡散層を介して水素を含む燃料ガスを供給され、他方のガス拡散層を介して酸素を含む酸化ガスを供給されて、電気化学反応により発電する。膜電極接合体の燃料ガスを供給される側はアノードとして機能する。膜電極接合体の酸化ガスを供給される側をカソードとして機能する。膜電極接合体内の電解質膜62を介して、アノードからカソードに向かって水素イオンが流れる。アノードとカソードを結ぶ外部の回路を介して、アノードからカソードに向かって電子が流れる。
A. Embodiment:
A1. Manufacturing method of membrane electrode assembly:
The fuel cell in the present embodiment includes a membrane electrode assembly and gas diffusion layers arranged on both sides of the membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly is supplied with a fuel gas containing hydrogen through one gas diffusion layer and an oxidation gas containing oxygen through the other gas diffusion layer to generate electricity by an electrochemical reaction. The side of the membrane electrode assembly to which the fuel gas is supplied functions as an anode. The side of the membrane electrode assembly to which the oxidation gas is supplied functions as a cathode. Hydrogen ions flow from the anode to the cathode through the electrolyte membrane 62 in the membrane electrode junction. Electrons flow from the anode to the cathode through an external circuit that connects the anode and the cathode.

膜電極接合体は、電解質膜62と、電解質膜62の両側に配された触媒層25とを備える。電解質膜62は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施形態において、電解質膜62と触媒層25とは、同じアイオノマを含む。 The membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane 62 and catalyst layers 25 arranged on both sides of the electrolyte membrane 62. The electrolyte membrane 62 is a proton-conducting ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluororesin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. In the present embodiment, the electrolyte membrane 62 and the catalyst layer 25 include the same ionomer.

触媒層25は、触媒120を担持した担体100と、担体の周囲を覆うアイオノマ200とにより形成される。触媒120により、アノードにおける水素の反応と、カソードにおける酸素の反応が、それぞれ促進される。触媒層25は、電極、すなわち、アノードおよびカソードとして機能する。このため、電解質膜62と、電解質膜62の両側に配された触媒層25とを備える構成は、「膜電極接合体」と呼ばれる。以下では、膜電極接合体の製造方法について説明する。 The catalyst layer 25 is formed by a carrier 100 carrying a catalyst 120 and an ionomer 200 covering the periphery of the carrier. The catalyst 120 promotes the reaction of hydrogen at the anode and the reaction of oxygen at the cathode, respectively. The catalyst layer 25 functions as an electrode, that is, an anode and a cathode. Therefore, the configuration including the electrolyte membrane 62 and the catalyst layers 25 arranged on both sides of the electrolyte membrane 62 is called a “membrane electrode assembly”. Hereinafter, a method for manufacturing a membrane electrode assembly will be described.

図1は、本実施形態の燃料電池の膜電極接合体の製造方法を示すフローチャートである。ステップS100において、触媒を担持させた担体100と、スルホン酸基を含むアイオノマ200と、25〜75重量%のジアセトンアルコール(CHC(=O)CHC(OH)(CH)と、を含むカソード用の触媒インクが生成される。具体的には、まず、白金触媒を担持させたカーボン担体と、イオン交換水と、が混合される。その後、その混合物に、ジアセトンアルコールが加えられて混合される。その後、その混合物に、アイオノマ溶液が加えられて、超音波ホモジナイザーを用いて分散処理が行われる。その結果、カソード用の触媒インクが生成される。 FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a membrane electrode assembly of a fuel cell according to the present embodiment. In step S100, the carrier 100 on which the catalyst was supported, the ionomer 200 containing a sulfonic acid group, and 25 to 75% by weight of diacetone alcohol (CH 3 C (= O) CH 2 C (OH) (CH 3 ) 2 ). ), And a catalyst ink for the cathode is produced. Specifically, first, a carbon carrier carrying a platinum catalyst and ion-exchanged water are mixed. Diacetone alcohol is then added to the mixture and mixed. Then, an ionomer solution is added to the mixture, and dispersion treatment is performed using an ultrasonic homogenizer. As a result, a catalytic ink for the cathode is produced.

アノード用の触媒インクも、同様に生成される。ただし、アノード用の触媒インクの生成においては、ジアセトンアルコールは加えられない。 A catalyst ink for the anode is produced in the same manner. However, diacetone alcohol is not added in the production of the catalyst ink for the anode.

触媒が担持される導電性担体110としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。 As the conductive carrier 110 on which the catalyst is supported, for example, a carbon material such as carbon black, carbon nanotubes, or carbon nanofibers, or a carbon compound typified by silicon carbide or the like can be used.

触媒120としては、例えば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を使用することができる。白金合金としては、例えば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を用いることができる。 As the catalyst 120, for example, platinum, a platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium and the like can be used. Platinum alloys include, for example, platinum and among aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, tungsten, renium, osmium, iridium, titanium and lead. Alloys with at least one type can be used.

アイオノマ200としては、例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂材料(例えばナフィオン(登録商標))や、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スルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質等を用いることができる。 Examples of Ionoma 200 include perfluorosulfonic acid resin materials (for example, Nafion (registered trademark)), sulfonated polyether ketones, sulfonated polyether sulfones, sulfonated polyether ether sulfones, sulfonated polysulfones, and sulfonated polysulfides. Sulfonized plastic electrolytes such as sulfonated polyphenylene, sulfoalkylated polyether ether ketones, sulfoalkylated polyether sulfone, sulfoalkylated polyether ether sulfone, sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, sulfoalkylated polyphenylene, etc. A sulfoalkylated plastic electrolyte or the like can be used.

ステップS200において、基体11上に触媒層25が生成される。具体的には、ステップS220において、ステップS100で生成された触媒インクが、塗工装置20を使用して、基体11の上に塗布される。その後、ステップS240において、基体11上の触媒インクが乾燥機30内で乾燥される。その結果、基体11上に触媒層25が生成される。このときの触媒層中の溶媒の残存量は、塗工装置20による塗工時の量の10%以下である。なお、ここでいう触媒層中の溶媒には、イオン交換水と、ジアセトンアルコールと、アイオノマー溶液に含まれるイオン交換水およびエタノールと、が含まれる。ステップS200の処理は、カソード用の触媒層と、アノード用の触媒層とについて、それぞれ行われる。 In step S200, the catalyst layer 25 is formed on the substrate 11. Specifically, in step S220, the catalyst ink generated in step S100 is applied onto the substrate 11 using the coating device 20. Then, in step S240, the catalyst ink on the substrate 11 is dried in the dryer 30. As a result, the catalyst layer 25 is formed on the substrate 11. The residual amount of the solvent in the catalyst layer at this time is 10% or less of the amount at the time of coating by the coating apparatus 20. The solvent in the catalyst layer referred to here includes ion-exchanged water, diacetone alcohol, and ion-exchanged water and ethanol contained in the ionomer solution. The process of step S200 is performed on the catalyst layer for the cathode and the catalyst layer for the anode, respectively.

ステップS300において、ステップS200で生成された触媒層25と、電解質膜62とが、熱圧着される。具体的には、触媒層25と電解質膜62とが積層され、熱プレス機によって熱圧着される。熱圧着は、電解質膜62および触媒層25に含まれるアイオノマのガラス転移温度以上かつジアセトンアルコールの沸点以下の温度によって行われる。その後、基体11が剥離される。ステップS300の処理は、カソード用の触媒層25と、アノード用の触媒層25とについて、順に行われる。その結果、電解質膜62と、電解質膜62の両側に配されたカソード用の触媒層25とアノード用の触媒層25と、を備える膜電極接合体が生成される。 In step S300, the catalyst layer 25 generated in step S200 and the electrolyte membrane 62 are thermocompression bonded. Specifically, the catalyst layer 25 and the electrolyte membrane 62 are laminated and thermocompression bonded by a hot press machine. Thermocompression bonding is performed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of ionomer contained in the electrolyte membrane 62 and the catalyst layer 25 and lower than the boiling point of diacetone alcohol. After that, the substrate 11 is peeled off. The process of step S300 is performed in order on the catalyst layer 25 for the cathode and the catalyst layer 25 for the anode. As a result, a membrane electrode assembly including the electrolyte membrane 62, the catalyst layers 25 for the cathode and the catalyst layers 25 for the anode arranged on both sides of the electrolyte membrane 62 is produced.

図2は、図1の処理一部を実行する製造装置を示す説明図である。図2の上半分は、基体11上に触媒層25を形成し、これを巻き取った触媒転写シート45を作る工程を示す(図1のS200参照)。図2の下半分は、触媒転写シート45上の触媒層25を、電解質膜62上に転写する工程を示す(図1のS300参照)。図2の上半分の工程を実施する装置を、触媒転写シート調製装置10と呼ぶ。図2の下半分の工程を実施する装置を、触媒層転写装置50と呼ぶ。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing a manufacturing apparatus that executes a part of the processing of FIG. The upper half of FIG. 2 shows a step of forming a catalyst layer 25 on the substrate 11 and winding the catalyst layer 25 to prepare a catalyst transfer sheet 45 (see S200 in FIG. 1). The lower half of FIG. 2 shows a step of transferring the catalyst layer 25 on the catalyst transfer sheet 45 onto the electrolyte membrane 62 (see S300 in FIG. 1). The device that carries out the steps in the upper half of FIG. 2 is called a catalyst transfer sheet preparation device 10. The device that carries out the steps in the lower half of FIG. 2 is called a catalyst layer transfer device 50.

触媒転写シート調製装置10において、基体11は、巻き取られた状態から繰り出され、塗工装置20に搬送される。塗工装置20は、触媒層を形成するための触媒インクを貯留している塗工装置20は、塗工用ローラ21と塗工装置20との間に搬送される基体11上に、触媒インクを所定の厚みで塗布する(図1のS220参照)。 In the catalyst transfer sheet preparation device 10, the substrate 11 is unwound from the wound state and conveyed to the coating device 20. The coating device 20 stores the catalyst ink for forming the catalyst layer. The coating device 20 is a catalyst ink on a substrate 11 conveyed between the coating roller 21 and the coating device 20. Is applied to a predetermined thickness (see S220 in FIG. 1).

基体11の素材としては、PTFEガラスクロス(日本バルカー「バルフロンガラスクロス」や、淀川ヒューテック「TGクロス」など)やPTEFコートポリイミドシート(中興化成FPIシリーズ」など)を用いることが好ましい。なお、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリテトラフルオロエチレンフィルム、エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体フィルム、ポリフッ化ビニリデンフィルム、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルムなど、これらの素材からなるシートを2層以上積層して基材としたもの、市販素材としてテフロンシート(テフロン:登録商標、デュポン社)などを用いてもよい。 As the material of the substrate 11, it is preferable to use PTFE glass cloth (Nippon Balker "Balflon glass cloth", Yodogawa Hu-Tech "TG cloth", etc.) or PTEF coated polyimide sheet (Chukou Kasei FPI series, etc.). In addition, polyethylene film, polypropylene film, polytetrafluoroethylene film, ethylene / tetrafluoroethylene copolymer film, tetrafluoroethylene / perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer film, polyfluorinated vinylidene film, polyimide film, polyamide film, A sheet made of these materials such as a polyethylene terephthalate film may be laminated to form a base material, or a Teflon sheet (Teflon: registered trademark, DuPont) may be used as a commercially available material.

基体11に、塗工装置20によって触媒インクが塗布された後に、基体11は、乾燥装置30に搬送される。乾燥装置30は、基体11上の塗布された触媒インクの溶媒を蒸発させ、触媒インクを乾燥させる。乾燥装置30によって、触媒インク中の分散溶媒が蒸発され、触媒インクが乾燥される(図1のS240参照)。その結果、基体11の表面上には触媒層25が形成される。 After the catalyst ink is applied to the substrate 11 by the coating device 20, the substrate 11 is conveyed to the drying device 30. The drying device 30 evaporates the solvent of the coated catalyst ink on the substrate 11 to dry the catalyst ink. The drying device 30 evaporates the dispersion solvent in the catalyst ink and dries the catalyst ink (see S240 in FIG. 1). As a result, the catalyst layer 25 is formed on the surface of the substrate 11.

乾燥装置30から搬出された基体11は、搬送ローラ41,42により搬送され、触媒層25と共に、触媒転写シート45として巻き取られる。触媒転写シート45として巻き取られたロールは、触媒層転写装置50に搬送される。 The substrate 11 carried out from the drying apparatus 30 is conveyed by the transfer rollers 41 and 42, and is wound up as a catalyst transfer sheet 45 together with the catalyst layer 25. The roll wound up as the catalyst transfer sheet 45 is transferred to the catalyst layer transfer device 50.

触媒層転写装置50は、電解質膜62上に触媒層を転写する装置である。触媒層転写装置50においては、バックシート61上に、電解質膜62が形成された電解質膜シート60が用意される。バックシート61としては、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン−パーフロロアルコキシエチレン共重合体)、ETFE(エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体)等のフッ素系シートや、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等のポリエステル系、ポリスチレン等の高分子シートに、離形層として、ETFE(エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体)やCOP(シクロオレフィンポリマ)等をコーティングまたはラミネートして、多層化したシートを用いることもできる。 The catalyst layer transfer device 50 is a device that transfers the catalyst layer onto the electrolyte membrane 62. In the catalyst layer transfer device 50, the electrolyte membrane sheet 60 in which the electrolyte membrane 62 is formed is prepared on the back sheet 61. Examples of the back sheet 61 include fluorine-based sheets such as PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer), and ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene copolymer), and PET. (Polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate) and other polyester-based, polystyrene and other polymer sheets are coated with ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene copolymer), COP (cycloolefin polymer), etc. as a release layer. Alternatively, a laminated sheet can be used.

電解質膜シート60は、搬送ローラ63,65により搬送され、図示しない操出機構により繰り出された触媒転写シート45と共に、転写ローラ71,72に送り込まれる。転写ローラ71,72は対向して配されている。転写ローラ72には、転写ローラ71に向かう押圧力が付与されている。転写ローラ71,72は、触媒転写シート45と電解質膜シート60とを、触媒層25と電解質膜62とが接合した状態のまま引き込んで、電解質膜シート60の電解質膜62上に、触媒転写シート45の触媒層25を転写し、下流に搬送する。 The electrolyte membrane sheet 60 is conveyed by the transfer rollers 63 and 65, and is fed to the transfer rollers 71 and 72 together with the catalyst transfer sheet 45 unwound by a feeding mechanism (not shown). The transfer rollers 71 and 72 are arranged so as to face each other. A pressing force is applied to the transfer roller 72 toward the transfer roller 71. The transfer rollers 71 and 72 pull in the catalyst transfer sheet 45 and the electrolyte membrane sheet 60 in a state where the catalyst layer 25 and the electrolyte membrane 62 are bonded to each other, and the catalyst transfer sheet is placed on the electrolyte membrane 62 of the electrolyte membrane sheet 60. The catalyst layer 25 of 45 is transferred and transported downstream.

転写ローラ71,72による加熱および加圧により、触媒転写シート45上の触媒層25は、電解質膜シート60の電解質膜62上に転写される(図1のS300参照)。触媒層25が転写された電解質膜シート60は、搬送ローラ65により搬送され、後工程に送られる。触媒転写シート45は、触媒層25が電解質膜シート60側に転写された結果、元の基体11の状態となる(図2の上段左部参照)。この基体11は、搬送ローラ67,95,96を介して、搬送され、巻き取られる。 The catalyst layer 25 on the catalyst transfer sheet 45 is transferred onto the electrolyte membrane 62 of the electrolyte membrane sheet 60 by heating and pressurizing by the transfer rollers 71 and 72 (see S300 in FIG. 1). The electrolyte membrane sheet 60 to which the catalyst layer 25 is transferred is conveyed by the transfer roller 65 and is sent to a subsequent process. The catalyst transfer sheet 45 returns to the original state of the substrate 11 as a result of the catalyst layer 25 being transferred to the electrolyte membrane sheet 60 side (see the upper left part of FIG. 2). The substrate 11 is conveyed and wound up via the conveying rollers 67, 95, 96.

A2.触媒層の評価:
図1のステップS100において触媒インクに混合するジアセトンアルコールの量が異なる複数のカソード用触媒インクを用意し、膜電極接合体および燃料電池セルを構成して、各種の測定を行った。
A2. Evaluation of catalyst layer:
In step S100 of FIG. 1, a plurality of cathode catalyst inks having different amounts of diacetone alcohol mixed with the catalyst ink were prepared, a membrane electrode assembly and a fuel cell were formed, and various measurements were performed.

A2−1.膜電極接合体の例1〜4:
膜電極接合体は、以下のように生成した(図1のS100参照)。
A2-1. Examples of Membrane Electrode Assembly 1-4:
The membrane electrode assembly was generated as follows (see S100 in FIG. 1).

(1)例1:
カーボン担体に対して50質量%の白金を担持させた触媒1gに対して、イオン交換水4gを加えて撹拌した。その後、その混合物に、ジアセトンアルコール7gを加えて撹拌した。ジアセトンアルコールを加えた後の混合物全体の質量に対するジアセトンアルコールの質量の割合は、46質量%であった。その後、その混合物に、アイオノマとしてのパーフルオロスルホン酸樹脂材料のアイオノマ溶液を加えて、超音波ホモジナイザーを用いて30分、分散処理を行った。アイオノマとしてのパーフルオロスルホン酸樹脂材料のガラス転移温度は135℃である。アイオノマ溶液の量は、触媒担体のカーボンとアイオノマとの質量比が1:1となる量とした。このようにして生成した触媒インクで、カソード用触媒層を形成した。
(1) Example 1:
To 1 g of the catalyst in which 50% by mass of platinum was supported on the carbon carrier, 4 g of ion-exchanged water was added and stirred. Then, 7 g of diacetone alcohol was added to the mixture and the mixture was stirred. The ratio of the mass of diacetone alcohol to the total mass of the mixture after adding diacetone alcohol was 46% by mass. Then, an ionomer solution of a perfluorosulfonic acid resin material as an ionomer was added to the mixture, and a dispersion treatment was carried out for 30 minutes using an ultrasonic homogenizer. The glass transition temperature of the perfluorosulfonic acid resin material as an ionomer is 135 ° C. The amount of the ionomer solution was set so that the mass ratio of carbon and ionomer of the catalyst carrier was 1: 1. The catalyst ink thus produced formed a cathode catalyst layer.

カーボン担体に対して25質量%の白金を担持させた触媒1gに対して、イオン交換水13gを加えて撹拌した。その後、その混合物に、エタノール8gを加えて撹拌した。その後、その混合物に、アイオノマ溶液を加えて、超音波ホモジナイザーを用いて30分、分散処理を行った。アイオノマのガラス転移温度は110℃である。アイオノマ溶液の量は、触媒担体のカーボンとアイオノマとの質量比が1.1:1となる量とした。このようにして生成した触媒インクで、アノード用触媒層を形成した。 13 g of ion-exchanged water was added to 1 g of the catalyst in which 25% by mass of platinum was supported on the carbon carrier, and the mixture was stirred. Then, 8 g of ethanol was added to the mixture, and the mixture was stirred. Then, an ionomer solution was added to the mixture, and dispersion treatment was performed for 30 minutes using an ultrasonic homogenizer. The glass transition temperature of ionomer is 110 ° C. The amount of the ionomer solution was set so that the mass ratio of carbon and ionomer of the catalyst carrier was 1.1: 1. The catalyst ink thus produced formed a catalyst layer for an anode.

基体11上への触媒インクの塗布は、白金質量が0.2mg/cmになるように行われた(図1のS220参照)。触媒インクの乾燥は、120℃で30分、行われた(図1のS240参照)。触媒層25と電解質膜62との熱圧着は、160℃の環境下で、3MPaの圧力を3分間付与することにより行われた(図1のS300参照)。その後、膜電極接合体の両面に、ガス拡散層として機能するカーボンペーパを貼付して、燃料電池を構成した。 The catalyst ink was applied onto the substrate 11 so that the platinum mass was 0.2 mg / cm 2 (see S220 in FIG. 1). The catalyst ink was dried at 120 ° C. for 30 minutes (see S240 in FIG. 1). The thermocompression bonding between the catalyst layer 25 and the electrolyte membrane 62 was performed by applying a pressure of 3 MPa for 3 minutes in an environment of 160 ° C. (see S300 in FIG. 1). Then, carbon paper functioning as a gas diffusion layer was attached to both sides of the membrane electrode assembly to form a fuel cell.

(2)例2〜4:
カソード用の触媒インクにおいて、ジアセトンアルコールを加えた後の混合物全体の質量に対するジアセトンアルコールの質量の割合が、18質量%、5質量%、0質量%となるように、触媒インクを準備して、カソード用触媒層を形成した。それらのカソード用触媒層を備える膜電極接合体の例2〜4を準備した。例2〜4の他の点は、例1と同じである。その後、膜電極接合体の両面に、ガス拡散層として機能するカーボンペーパを貼付して、燃料電池を構成した。
(2) Examples 2-4:
In the catalyst ink for the cathode, the catalyst ink is prepared so that the ratio of the mass of diacetone alcohol to the total mass of the mixture after adding diacetone alcohol is 18% by mass, 5% by mass, and 0% by mass. A catalyst layer for the cathode was formed. Examples 2 to 4 of the membrane electrode assembly provided with the catalyst layer for the cathode were prepared. Other points of Examples 2 to 4 are the same as those of Example 1. Then, carbon paper functioning as a gas diffusion layer was attached to both sides of the membrane electrode assembly to form a fuel cell.

A2−2.発電性能の評価:
上記の各燃料電池を発電評価セル内に設置した。燃料ガスとして、水素ガスを使用した。酸化ガスとして、空気を使用した。燃料ガスおよび酸化ガスについては、利用率一定による流量制御を行った。背圧は、150kPa_absとした。加湿条件として、バブラーの温度を55℃に設定し、セル温度を60℃とした高加湿環境と、セル温度を90℃とした低加湿環境と、を用意した。そして、高加湿環境下と低加湿環境下とにおいて、電流電圧測定を行った。
A2-2. Evaluation of power generation performance:
Each of the above fuel cells was installed in the power generation evaluation cell. Hydrogen gas was used as the fuel gas. Air was used as the oxidation gas. For fuel gas and oxidation gas, the flow rate was controlled with a constant utilization rate. The back pressure was 150 kPa_abs. As humidification conditions, a high humidification environment in which the bubbler temperature was set to 55 ° C. and the cell temperature was 60 ° C., and a low humidification environment in which the cell temperature was 90 ° C. were prepared. Then, the current and voltage measurements were performed in a high humidification environment and a low humidification environment.

図3は、高加湿環境下での燃料電池の運転時における例1および例4の電流電圧特性である。図3において、ジアセトンアルコールを「DAA」と表記している。他の図においても、同様に、ジアセトンアルコールを「DAA」と表記する。例1のジアセトンアルコールの含有比率は46質量%であり、例4のジアセトンアルコールの含有比率は0質量%である。 FIG. 3 shows the current-voltage characteristics of Examples 1 and 4 when the fuel cell is operated in a highly humidified environment. In FIG. 3, diacetone alcohol is referred to as "DAA". Similarly, in other figures, diacetone alcohol is referred to as "DAA". The content ratio of diacetone alcohol in Example 1 is 46% by mass, and the content ratio of diacetone alcohol in Example 4 is 0% by mass.

燃料電池の発電性能は、単位時間当たりの発電量、すなわち、電流×電圧で評価することができる。図3から分かるように、ジアセトンアルコールの含有比率が46質量%である例1の燃料電池の電流電圧特性の曲線の方が、ジアセトンアルコールの含有比率が0質量%である例4の燃料電池の電流電圧特性の曲線よりも、上にある。すなわち、例1の燃料電池の方が、例4の燃料電池よりも、高加湿環境下での発電性能が高いことが分かる。 The power generation performance of a fuel cell can be evaluated by the amount of power generation per unit time, that is, current × voltage. As can be seen from FIG. 3, the curve of the current-voltage characteristic of the fuel cell of Example 1 in which the content ratio of diacetone alcohol is 46% by mass shows the fuel of Example 4 in which the content ratio of diacetone alcohol is 0% by mass. It is above the curve of the current-voltage characteristics of the battery. That is, it can be seen that the fuel cell of Example 1 has higher power generation performance in a highly humidified environment than the fuel cell of Example 4.

図4は、高加湿環境下での燃料電池の運転時における例1〜例4の発電性能を示す棒グラフである。図4において、縦軸は、出力電圧がある電圧のときの発電性能である。具体的には、図4において、縦軸は、出力電圧が0.6Vのときの電流密度[A/cm]である。図4において、各棒グラフは、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が高い順に、左から右に配されている。 FIG. 4 is a bar graph showing the power generation performance of Examples 1 to 4 when the fuel cell is operated in a highly humidified environment. In FIG. 4, the vertical axis represents the power generation performance when the output voltage is a certain voltage. Specifically, in FIG. 4, the vertical axis is the current density [A / cm 2 ] when the output voltage is 0.6 V. In FIG. 4, each bar graph is arranged from left to right in descending order of the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink.

図4から分かるように、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が高いほど、高加湿環境下での燃料電池の燃料電池の発電性能は高い。 As can be seen from FIG. 4, the higher the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink, the higher the power generation performance of the fuel cell of the fuel cell in a highly humid environment.

図5は、低加湿環境下での燃料電池の運転時における例1および例4の発電性能を示す棒グラフである。図5において、縦軸は、出力電圧がある電圧のときの発電性能である。具体的には、図5において、縦軸は、出力電圧が0.6Vのときの電流密度[A/cm]である。ただし、図4の縦軸と、図5の縦軸とでは、スケールが異なっている。図5の縦軸の方が、図4の縦軸よりも狭い範囲を表している。図5において、各棒グラフは、図4の棒グラフと同じ順に配されている。 FIG. 5 is a bar graph showing the power generation performance of Examples 1 and 4 when the fuel cell is operated in a low humidification environment. In FIG. 5, the vertical axis represents the power generation performance when the output voltage is a certain voltage. Specifically, in FIG. 5, the vertical axis is the current density [A / cm 2 ] when the output voltage is 0.6 V. However, the vertical axis of FIG. 4 and the vertical axis of FIG. 5 have different scales. The vertical axis of FIG. 5 represents a narrower range than the vertical axis of FIG. In FIG. 5, each bar graph is arranged in the same order as the bar graph of FIG.

図5から分かるように、低加湿環境下での燃料電池の発電性能は、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率によって大きく異ならない。すなわち、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が高い燃料電池は、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が低い燃料電池に比べて、性能が大きく劣らない。このことから、水分が少ない環境下においても、触媒インク中のジアセトンアルコールが、膜電極接合体におけるプロトン伝導性を悪化させていないことが分かる。 As can be seen from FIG. 5, the power generation performance of the fuel cell in a low humidification environment does not differ greatly depending on the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink. That is, the fuel cell having a high content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink is not significantly inferior in performance to the fuel cell having a low content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink. From this, it can be seen that the diacetone alcohol in the catalyst ink does not deteriorate the proton conductivity in the membrane electrode assembly even in an environment with low water content.

高加湿環境下においては、各例の触媒に、以下のような現象が生じていると考えられる。 In a highly humidified environment, it is considered that the following phenomena occur in the catalysts of each example.

図6は、ジアセトンアルコールの含有比率が0質量%の例4における触媒担体100の状態を示す模式図である。触媒担体100は、触媒120と、触媒120が担持されるカーボン110とを含む。触媒担体100には、さらに、アイオノマ200が付着している。ジアセトンアルコールの含有比率が0質量%の例4の燃料電池においては、触媒担体100に付着しているアイオノマが水を含んで膨潤している。その結果、水素イオンは、アイオノマ200を介して触媒120に接触できる一方で、酸化ガス中の酸素は、膨潤したアイオノマ200によって、触媒120への接触を阻害される。その結果、特に高加湿環境下において、燃料電池の燃料電池の発電性能は、低下する(図3および図4参照)。 FIG. 6 is a schematic view showing the state of the catalyst carrier 100 in Example 4 in which the content ratio of diacetone alcohol is 0% by mass. The catalyst carrier 100 includes a catalyst 120 and a carbon 110 on which the catalyst 120 is supported. Ionomer 200 is further attached to the catalyst carrier 100. In the fuel cell of Example 4 in which the content ratio of diacetone alcohol is 0% by mass, the ionomer adhering to the catalyst carrier 100 swells with water. As a result, hydrogen ions can contact the catalyst 120 via the ionomer 200, while oxygen in the oxidizing gas is blocked from contacting the catalyst 120 by the swollen ionomer 200. As a result, the power generation performance of the fuel cell of the fuel cell deteriorates, especially in a highly humidified environment (see FIGS. 3 and 4).

図7は、ジアセトンアルコールの含有比率が46質量%の例1における触媒担体100の状態を示す模式図である。図7に示された符号は、図6に示された符号と同じ構成要素を示す。図7の例においては、触媒担体100に付着しているアイオノマの含水率が低いため、アイオノマは、図6の例と比べて、膨潤していない。その結果、酸化ガス中の酸素は、触媒担体100に担持された触媒120に容易に接触できる。このときのアイオノマーの含水率は、100〜110%であると考えられる。 FIG. 7 is a schematic view showing the state of the catalyst carrier 100 in Example 1 in which the content ratio of diacetone alcohol is 46% by mass. The reference numerals shown in FIG. 7 represent the same components as the reference numerals shown in FIG. In the example of FIG. 7, since the water content of the ionomer adhering to the catalyst carrier 100 is low, the ionomer is not swollen as compared with the example of FIG. As a result, the oxygen in the oxidizing gas can easily come into contact with the catalyst 120 supported on the catalyst carrier 100. The water content of the ionomer at this time is considered to be 100 to 110%.

A3.考察:
(1)触媒インク中のジアセトンアルコールの量とアイオノマの膨潤について:
図1のステップS100において触媒インクを生成する際、ジアセトンアルコールは、触媒担体100を覆う。アイオノマのスルホン酸基は、水よりもなじみのよいジアセトンアルコールの方を向く(図7の上段右部参照)。その結果、アイオノマは、内側にスルホン酸基が向き、外側を疎水性の骨格部分が向いた状態で、触媒担体100に付着することとなる。
A3. Consideration:
(1) About the amount of diacetone alcohol in the catalyst ink and the swelling of ionomer:
When producing the catalyst ink in step S100 of FIG. 1, the diacetone alcohol covers the catalyst carrier 100. The sulfonic acid group of ionomer faces the familiar diacetone alcohol rather than water (see the upper right part of FIG. 7). As a result, the ionomer adheres to the catalyst carrier 100 with the sulfonic acid group facing inward and the hydrophobic skeleton portion facing outward.

その後、触媒インクは図1のステップS220で基体11に塗布され、ステップS240で乾燥される。水の沸点は100℃であり、ジアセトンアルコールの沸点は166℃である。このため、ステップS240の乾燥工程においても、触媒層25中のジアセトンアルコールの量が、水に比べて大きく減ることがない。その結果、触媒担体100に付着したアイオノマの上記の構造は、維持される。 Then, the catalyst ink is applied to the substrate 11 in step S220 of FIG. 1 and dried in step S240. Water has a boiling point of 100 ° C. and diacetone alcohol has a boiling point of 166 ° C. Therefore, even in the drying step of step S240, the amount of diacetone alcohol in the catalyst layer 25 is not significantly reduced as compared with water. As a result, the above-mentioned structure of the ionomer attached to the catalyst carrier 100 is maintained.

その後の図1のステップS300における熱圧着において、アイオノマの骨格部分の絡み合いの程度が増加される。その結果、疎水性の骨格部分が外側を向いたアイオノマの上記の構造は、より維持されやすくなる(図7参照)。 In the subsequent thermocompression bonding in step S300 of FIG. 1, the degree of entanglement of the skeleton portion of the ionomer is increased. As a result, the above-mentioned structure of the ionomer with the hydrophobic skeletal portion facing outward is more easily maintained (see FIG. 7).

以上のような原理により、触媒インク中のジアセトンアルコールが多い態様ほど、高加湿環境下における含水率が低くなり、その結果、発電性能が低下しにくくなると考えられる(図3および図4参照)。 Based on the above principle, it is considered that the greater the amount of diacetone alcohol in the catalyst ink, the lower the water content in a highly humidified environment, and as a result, the less likely the power generation performance is to deteriorate (see FIGS. 3 and 4). ..

(2)乾燥工程におけるジアセトンアルコールと水の揮発について:
ジアセトンアルコールと水の混合物1.45ccを、治具上に薄くのばし、60℃の環境下で、10分間、乾燥速度を測定した。例として、ジアセトンアルコールの含有率が1%の例、ジアセトンアルコールの含有率が25質量%の例、ジアセトンアルコールの含有率が50質量%の例、ジアセトンアルコールの含有率が75質量%の例を用意した。
(2) Volatilization of diacetone alcohol and water in the drying process:
1.45 cc of a mixture of diacetone alcohol and water was spread thinly on a jig, and the drying rate was measured for 10 minutes in an environment of 60 ° C. As an example, the content of diacetone alcohol is 1%, the content of diacetone alcohol is 25% by mass, the content of diacetone alcohol is 50% by mass, and the content of diacetone alcohol is 75% by mass. An example of% is prepared.

図8は、ジアセトンアルコールと水の混合物の乾燥速度の時間変化を示すグラフである。図8において、横軸は、経過時間である。図8において、縦軸は、ジアセトンアルコールと水の混合物の各例の乾燥速度である。 FIG. 8 is a graph showing the time variation of the drying rate of the mixture of diacetone alcohol and water. In FIG. 8, the horizontal axis is the elapsed time. In FIG. 8, the vertical axis is the drying rate of each example of the mixture of diacetone alcohol and water.

図8から分かるように、ジアセトンアルコールと水の混合物中のジアセトンアルコールの割合が多くなるほど、時間経過に伴う乾燥速度の低下量が少ないことが分かる。このため、ジアセトンアルコールの割合が多いほど、燃料電池の膜電極接合体の製造における各工程、特に触媒インクの乾燥工程(図1のS240参照)における、ジアセトンアルコールの揮発量および触媒層中の残存量の制御が容易である。 As can be seen from FIG. 8, it can be seen that the larger the proportion of diacetone alcohol in the mixture of diacetone alcohol and water, the smaller the amount of decrease in the drying rate with the passage of time. Therefore, the larger the proportion of diacetone alcohol, the more the volatile amount of diacetone alcohol and the catalyst layer in each step in the production of the membrane electrode assembly of the fuel cell, particularly in the step of drying the catalyst ink (see S240 in FIG. 1). It is easy to control the residual amount of.

図9は、ジアセトンアルコールと水の混合物の乾燥速度の平均値を示すグラフである。図9において、横軸は、ジアセトンアルコールと水の混合物中のジアセトンアルコールの含有率である。図9において、縦軸は、ジアセトンアルコールと水の混合物の乾燥速度の乾燥開始から10分間の平均値である。 FIG. 9 is a graph showing the average value of the drying rates of the mixture of diacetone alcohol and water. In FIG. 9, the horizontal axis is the content of diacetone alcohol in the mixture of diacetone alcohol and water. In FIG. 9, the vertical axis is the average value of the drying rate of the mixture of diacetone alcohol and water for 10 minutes from the start of drying.

図9から分かるように、ジアセトンアルコールと水の混合物の乾燥速度の平均値は、ジアセトンアルコールの含有率が50質量%から75質量%の間において、極大値PKを持つことが分かる。このことから、ジアセトンアルコールの含有量が多いほど、乾燥速度が増大したり、ジアセトンアルコールの含有量が多いほど、乾燥速度が低下したりするわけではないことがわかる。すなわち、触媒インクの乾燥工程のリードタイムを短く保ちつつ、触媒インクにおけるジアセトンアルコールの含有量をある程度の範囲内で、調整できることが分かる。 As can be seen from FIG. 9, the average value of the drying rate of the mixture of diacetone alcohol and water has a maximum value PK when the content of diacetone alcohol is between 50% by mass and 75% by mass. From this, it can be seen that the higher the content of diacetone alcohol, the higher the drying rate, and the higher the content of diacetone alcohol, the lower the drying rate. That is, it can be seen that the content of diacetone alcohol in the catalyst ink can be adjusted within a certain range while keeping the lead time in the drying step of the catalyst ink short.

ただし、乾燥速度を高くするためには、触媒インクにおけるジアセトンアルコールの含有量は、25質量%以上であることが好ましいことが分かる。また、触媒インクにおけるジアセトンアルコールの含有量は、85質量%以下であることが好ましいことが分かる。
乾燥速度をさらに高くするためには、触媒インクにおけるジアセトンアルコールの含有量は、50質量%以上であることが好ましいことが分かる。また、触媒インクにおけるジアセトンアルコールの含有量は、75質量%以下であることが好ましいことが分かる。
However, in order to increase the drying rate, it can be seen that the content of diacetone alcohol in the catalyst ink is preferably 25% by mass or more. Further, it can be seen that the content of diacetone alcohol in the catalyst ink is preferably 85% by mass or less.
It can be seen that the content of diacetone alcohol in the catalyst ink is preferably 50% by mass or more in order to further increase the drying rate. Further, it can be seen that the content of diacetone alcohol in the catalyst ink is preferably 75% by mass or less.

(3)触媒インクにおけるジアセトンアルコールの割合と発電性能について:
触媒インクにおけるジアセトンアルコールの割合と、発電時のアイオノマの含水率と、発電性能の関係について調べた。上記の例1〜4の比率でジアセトンアルコールとイオン交換水を混合してアイオノマ溶液を調整した。なお、これらのアイオノマ溶液には、触媒を担持させたカーボン担体は含まれない。それらのアイオノマ溶液をガラスシャーレに滴下し、熱風乾燥炉において100℃で1時間、乾燥させ、アイオノマキャスト膜を作成した。それらのアイオノマキャスト膜について、(i)80℃で30分間、真空乾燥させた後に測定した乾燥重量と、(ii)80℃のイオン交換水に30分間浸した後の含水質量と、から、以下の式に従って、各アイオノマキャスト膜の含水率を計算した。
含水率 = (含水質量−乾燥質量)/乾燥質量
(3) Ratio of diacetone alcohol in catalyst ink and power generation performance:
The relationship between the ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink, the water content of ionomer during power generation, and the power generation performance was investigated. The ionomer solution was prepared by mixing diacetone alcohol and ion-exchanged water at the ratios of Examples 1 to 4 above. Note that these ionomer solutions do not contain a carbon carrier carrying a catalyst. The ionomer solutions were added dropwise to a glass petri dish and dried in a hot air drying oven at 100 ° C. for 1 hour to prepare an ionomer cast film. The dry weights of these ionomacast membranes after vacuum drying at 80 ° C. for 30 minutes and (ii) the water content mass after being immersed in ion-exchanged water at 80 ° C. for 30 minutes were used. The water content of each ionomacast film was calculated according to the following formula.
Moisture content = (moisture content-dry mass) / dry mass

図10は、例1〜例4のアイオノマ溶液によるアイオノマキャスト膜の含水率を示すグラフである。図10において、横軸は、アイオノマキャスト膜を作成する際のアイオノマ溶液のジアセトンアルコールの含有比率である。図10において、縦軸は、アイオノマキャスト膜の含水率である。なお、例1のジアセトンアルコールの含有比率は46質量%であり、例2のジアセトンアルコールの含有比率は18質量%であり、例3のジアセトンアルコールの含有比率は5質量%であり、例4のジアセトンアルコールの含有比率は0質量%である。 FIG. 10 is a graph showing the water content of the ionomer cast membrane by the ionomer solutions of Examples 1 to 4. In FIG. 10, the horizontal axis is the content ratio of diacetone alcohol in the ionomer solution when the ionomer cast film is prepared. In FIG. 10, the vertical axis is the water content of the ionomacast membrane. The content ratio of diacetone alcohol in Example 1 was 46% by mass, the content ratio of diacetone alcohol in Example 2 was 18% by mass, and the content ratio of diacetone alcohol in Example 3 was 5% by mass. The content ratio of diacetone alcohol in Example 4 is 0% by mass.

図10から分かるように、アイオノマ溶液のジアセトンアルコールの含有比率が高いほど、アイオノマキャスト膜の含水率は低くなり、アイオノマ溶液のジアセトンアルコールの含有比率が0質量%に近いほど、アイオノマキャスト膜の含水率は高くなる。このことから、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が高いほど、高加湿環境下におけるアイオノマの膨潤は少なくなると考えることができる(図6および図7参照)。 As can be seen from FIG. 10, the higher the diacetone alcohol content of the ionoma solution, the lower the water content of the ionomer cast membrane, and the closer the diacetone alcohol content of the ionoma solution is to 0% by mass, the more the ionomer. The water content of the cast film is high. From this, it can be considered that the higher the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink, the less the swelling of ionomer in a highly humidified environment (see FIGS. 6 and 7).

図11は、高加湿環境下での燃料電池の運転時における例1〜例4の発電性能を示す棒グラフである。図11において、横軸は、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率である。図11において、縦軸は、出力電圧がある電圧のときの発電性能[A/cm]である。図11は、図4と同じ測定結果に基づいて作成されている。ただし、図4において、各棒グラフは、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が高い順に、左から右に配されているのに対して、図11においては、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率は、右に行くほど高い。 FIG. 11 is a bar graph showing the power generation performance of Examples 1 to 4 when the fuel cell is operated in a highly humidified environment. In FIG. 11, the horizontal axis is the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink. In FIG. 11, the vertical axis represents the power generation performance [A / cm 2 ] when the output voltage is a certain voltage. FIG. 11 is created based on the same measurement result as in FIG. However, in FIG. 4, each bar graph is arranged from left to right in descending order of the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink, whereas in FIG. 11, the diacetone alcohol in the catalyst ink is arranged. The content ratio increases toward the right.

図11のグラフより、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が25質量%より低い領域では、ジアセトンアルコールの含有比率に対して発電性能が大きく変化することが分かる。一方、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が25質量%より高い領域では、高い発電性能を発揮し、ジアセトンアルコールの含有比率に対して発電性能が大きく変化しないことが分かる。 From the graph of FIG. 11, it can be seen that in the region where the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink is lower than 25% by mass, the power generation performance changes significantly with respect to the content ratio of diacetone alcohol. On the other hand, in the region where the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink is higher than 25% by mass, high power generation performance is exhibited, and it can be seen that the power generation performance does not change significantly with respect to the content ratio of diacetone alcohol.

また、図10のグラフより、アイオノマ溶液のジアセトンアルコールの含有比率が25質量%より高い領域では、アイオノマキャスト膜の含水率は10質量%より低く、ジアセトンアルコールの含有比率に対してアイオノマキャスト膜の含水率が大きく変化しないことが分かる。一方、アイオノマ溶液のジアセトンアルコールの含有比率が25質量%より低い領域では、アイオノマキャスト膜の含水率が大きく変化することが分かる。このことから、触媒を担持させたカーボン担体を含む触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が高い領域においても(図11の右部参照)、アイオノマキャスト膜の含水率は低く、ジアセトンアルコールの含有比率に対してアイオノマキャスト膜の含水率が大きく変化しない傾向を有することが分かる。 Further, from the graph of FIG. 10, in the region where the content ratio of diacetone alcohol in the ionoma solution is higher than 25% by mass, the water content of the ionomer cast membrane is lower than 10% by mass, and the eye is compared with the content ratio of diacetone alcohol. It can be seen that the water content of the onomacast film does not change significantly. On the other hand, it can be seen that the water content of the ionomer cast membrane changes significantly in the region where the content ratio of diacetone alcohol in the ionomer solution is lower than 25% by mass. From this, even in the region where the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink containing the carbon carrier supporting the catalyst is high (see the right part of FIG. 11), the water content of the ionomacast film is low and the diacetone alcohol is low. It can be seen that the water content of the ionomacast membrane does not change significantly with respect to the content ratio of.

以上より、触媒インクの生成においては、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有比率が25質量%以上となるように、生成することが好ましいことが分かる。 From the above, it can be seen that in the production of the catalyst ink, it is preferable to produce the catalyst ink so that the content ratio of diacetone alcohol in the catalyst ink is 25% by mass or more.

B.他の実施形態:
(1)上記実施例においては、基体11上への触媒インクの塗布は、白金質量が0.2mg/cmになるように行われた(図1のS220参照)。しかし、基体上への触媒インクの塗布は、白金質量が0.1mg/cmや0.3mg/cmになるように行われるなど、他の量において行われてもよい。
B. Other embodiments:
(1) In the above embodiment, the catalyst ink was applied onto the substrate 11 so that the platinum mass was 0.2 mg / cm 2 (see S220 in FIG. 1). However, the coating of the catalyst ink on the substrate may be performed in other amounts such that the platinum mass is 0.1 mg / cm 2 or 0.3 mg / cm 2.

(2)上記実施例においては、触媒インクの乾燥は、120℃で30分、行われた(図1のS240参照)。しかし、触媒インクの乾燥は、他の温度および時間において、行われてもよい。ただし、触媒インクの乾燥は、触媒インクに含まれるアイオノマのガラス転移温度よりも低い温度で行われることが好ましい。 (2) In the above example, the catalyst ink was dried at 120 ° C. for 30 minutes (see S240 in FIG. 1). However, the catalytic ink may be dried at other temperatures and times. However, it is preferable that the catalyst ink is dried at a temperature lower than the glass transition temperature of the ionomer contained in the catalyst ink.

(3)上記実施例においては、触媒層25と電解質膜62との熱圧着は、160℃の環境下で、3MPaの圧力を3分間付与することにより行われた(図1のS300参照)。しかし、触媒層と電解質膜との熱圧着は、他の温度、圧力、時間のもとで行われてもよい。ただし、触媒層と電解質膜との熱圧着は、触媒層のアイオノマのガラス転移温度以上かつジアセトンアルコールの沸点以下の温度によって行われる。 (3) In the above embodiment, the thermocompression bonding between the catalyst layer 25 and the electrolyte membrane 62 was performed by applying a pressure of 3 MPa for 3 minutes in an environment of 160 ° C. (see S300 in FIG. 1). However, thermocompression bonding between the catalyst layer and the electrolyte membrane may be performed under other temperatures, pressures, and times. However, thermocompression bonding between the catalyst layer and the electrolyte membrane is performed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of ionomer of the catalyst layer and lower than the boiling point of diacetone alcohol.

(4)上記実施形態においては、アノード用の触媒インクの生成においては、カーボン担体と、イオン交換水と、が混合される。しかし、触媒担体と混合される溶媒は、イオン交換水以外の水や、アルコールなど、他の溶媒であってもよい。また、アイオノマ溶液の溶媒も、イオン交換水、イオン交換水以外の水、アルコールなど、様々な溶媒であってよい。 (4) In the above embodiment, the carbon carrier and the ion-exchanged water are mixed in the production of the catalyst ink for the anode. However, the solvent mixed with the catalyst carrier may be water other than ion-exchanged water, alcohol, or other solvent. Further, the solvent of the ionoma solution may be various solvents such as ion-exchanged water, water other than ion-exchanged water, and alcohol.

(5)上記実施形態においては、アノード用の触媒インクの生成においては、ジアセトンアルコールは加えられない。しかし、アノード用の触媒インクの生成において、ジアセトンアルコールが加えられてもよい。そのように製造された触媒インクによってアノード触媒層を形成することにより、カソードにおいて生成された生成水や反応ガスに加えられた水によって触媒層のアイオノマが膨潤しにくく、その結果、粒子に担持された触媒に燃料ガスが接触しやすい膜電極接合体を得ることができる。 (5) In the above embodiment, diacetone alcohol is not added in the production of the catalyst ink for the anode. However, diacetone alcohol may be added in the production of the catalytic ink for the anode. By forming the anode catalyst layer with the catalyst ink thus produced, the ionoma of the catalyst layer is less likely to swell due to the generated water generated at the cathode or the water added to the reaction gas, and as a result, it is supported on the particles. It is possible to obtain a membrane electrode assembly in which the fuel gas easily comes into contact with the catalyst.

(6)本開示の一形態によれば、燃料電池の膜電極接合体の製造方法が提供される。この膜電極接合体の製造方法は、(a)触媒を担持させた担体と、25〜75質量%のジアセトンアルコールと、を含む混合物に、スルホン酸基を含むアイオノマを加えて、触媒インクを生成する工程と、(b)基体上に前記触媒インクを塗布し乾燥させて触媒層を生成する工程と、(c)前記触媒層と、電解質膜と、を熱圧着する工程であって、前記熱圧着が、前記アイオノマのガラス転移温度以上かつジアセトンアルコールの沸点以下の温度によって行われる工程と、を含む。
このような態様とすれば、触媒層中のアイオノマが膨潤しにくい膜電極接合体を生成することができる。その結果、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有量が25重量%未満の態様に比べて、発電の生成水によって触媒層のアイオノマが膨潤しにくく、その結果、粒子に担持された触媒に反応ガスが接触しやすい膜電極接合体を得ることができる。また、触媒インク中のジアセトンアルコールの含有量が75重量%より高い態様に比べて、短時間で、基体上の触媒インクを乾燥させて触媒層を生成することができる。
また、熱圧着が、電解質膜のガラス転移温度以上の温度によって行われるため、触媒層と電解質膜とを効果的に接合することができる。
(6) According to one embodiment of the present disclosure, a method for manufacturing a membrane electrode assembly of a fuel cell is provided. The method for producing this membrane electrode conjugate is to add ionomer containing a sulfonic acid group to a mixture containing (a) a carrier carrying a catalyst and 25 to 75% by mass of diacetone alcohol to obtain a catalyst ink. The step of forming, (b) the step of applying the catalyst ink on the substrate and drying to form the catalyst layer, and (c) the step of heat-bonding the catalyst layer and the electrolyte film, wherein the catalyst layer is formed. The step includes a step in which the thermal bonding is performed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the ionomer and lower than the boiling point of the diacetone alcohol.
According to such an embodiment, it is possible to generate a membrane electrode assembly in which ionomers in the catalyst layer are less likely to swell. As a result, the ionoma of the catalyst layer is less likely to swell due to the generated water of power generation as compared with the embodiment in which the content of diacetone alcohol in the catalyst ink is less than 25% by weight, and as a result, the reaction gas is reacted with the catalyst supported on the particles. It is possible to obtain a membrane electrode assembly that is easy to contact with. Further, the catalyst ink on the substrate can be dried to form the catalyst layer in a short time as compared with the embodiment in which the content of diacetone alcohol in the catalyst ink is higher than 75% by weight.
Further, since thermocompression bonding is performed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the electrolyte membrane, the catalyst layer and the electrolyte membrane can be effectively bonded.

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and can be realized by various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features of the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the column of the outline of the invention are for solving a part or all of the above-mentioned problems, or a part of the above-mentioned effects. Alternatively, they can be replaced or combined as appropriate to achieve all of them. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.

10…触媒転写シート調製装置、11…基体、20…塗工装置、21…塗工用ローラ、25…触媒層、30…乾燥装置、45…触媒転写シート、50…触媒層転写装置、60…電解質膜シート、61…バックシート、62…電解質膜、63…搬送ローラ、65…搬送ローラ、67…搬送ローラ、71…転写ローラ、72…転写ローラ、95…搬送ローラ、96…搬送ローラ、100…触媒担体、110…導電性担体、120…触媒、200…アイオノマ、PK…極大値 10 ... Catalyst transfer sheet preparation device, 11 ... substrate, 20 ... coating device, 21 ... coating roller, 25 ... catalyst layer, 30 ... drying device, 45 ... catalyst transfer sheet, 50 ... catalyst layer transfer device, 60 ... Electrolyte film sheet, 61 ... back sheet, 62 ... electrolyte film, 63 ... transfer roller, 65 ... transfer roller, 67 ... transfer roller, 71 ... transfer roller, 72 ... transfer roller, 95 ... transfer roller, 96 ... transfer roller, 100 ... catalyst carrier, 110 ... conductive carrier, 120 ... catalyst, 200 ... ionoma, PK ... maximum value

Claims (1)

燃料電池の膜電極接合体の製造方法であって、
(a)触媒を担持させた担体と、25〜75質量%のジアセトンアルコールと、を含む混合物に、スルホン酸基を含むアイオノマを加えて、触媒インクを生成する工程と、
(b)基体上に前記触媒インクを塗布し乾燥させて触媒層を生成する工程と、
(c)前記触媒層と、電解質膜と、を熱圧着する工程であって、前記熱圧着が、前記アイオノマのガラス転移温度以上かつジアセトンアルコールの沸点以下の温度によって行われる工程と、を含む、膜電極接合体の製造方法。
A method for manufacturing a membrane electrode assembly of a fuel cell.
(A) A step of adding an ionomer containing a sulfonic acid group to a mixture containing a carrier carrying a catalyst and 25 to 75% by mass of diacetone alcohol to generate a catalyst ink.
(B) A step of applying the catalyst ink on the substrate and drying it to form a catalyst layer.
(C) A step of thermocompression bonding the catalyst layer and the electrolyte membrane, wherein the thermocompression bonding is performed at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the ionomer and lower than the boiling point of diacetone alcohol. , A method for manufacturing a membrane electrode assembly.
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