JP2024002714A - Method for manufacturing fuel cell assembly - Google Patents

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靖浩 秋田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a fuel cell assembly that can improve power generation performance.
SOLUTION: A method for manufacturing a fuel cell assembly includes a placement step of placing a microporous layer on a base material layer, an application step of applying catalyst ink to the microporous layer, a drying step of drying the applied catalyst ink to form a catalyst layer, and a joining step of joining a laminate obtained in the drying step to at least one surface of an electrolyte layer such that the catalyst layer is in contact with the surface of the electrolyte layer, and in the drying step, the catalyst ink is dried in a condition of 80°C or higher and 150°C or lower and within 1 minute.
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本願は燃料電池用接合体の製造方法に関する。 The present application relates to a method of manufacturing a fuel cell assembly.

燃料電池の製造方法において、電解質層に触媒層を配置することが主流である。このような技術は、例えば特許文献1及び特許文献2に記載されている。 In the manufacturing method of a fuel cell, it is mainstream to arrange a catalyst layer in an electrolyte layer. Such techniques are described in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.

一方で、燃料電池の新たな製造方法として、ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)にマイクロポーラス層(MPL:Micro Porous Layer)を配置した後にMPLに触媒層を配置してガス拡散電極(GDE:Gass Diffusion Electrode)を作製し、次いで電解質膜とGDEを接合する工程を含む方法が開発されている。このような技術は、例えば非特許文献1に記載されている。 On the other hand, as a new manufacturing method for fuel cells, a micro porous layer (MPL) is placed on a gas diffusion layer (GDL), a catalyst layer is placed on the MPL, and a gas diffusion electrode (GDE) is placed on the MPL. A method has been developed that includes a step of manufacturing a GDE (Gass Diffusion Electrode) and then bonding an electrolyte membrane and a GDE. Such a technique is described in, for example, Non-Patent Document 1.

特開2009-64768号公報JP2009-64768A 特開2019-121551号公報JP 2019-121551 Publication

T.Tanuma et. al.,“Impact Cathode Fabrication on Fuel Cell Performance”,Journal of The Electrochemical Society, Vol161, No.1(2014), pp.F94-F98T. Tanuma et. al. , “Impact Cathode Fabrication on Fuel Cell Performance”, Journal of The Electrochemical Society, Vol 161, No. 1 (2014), pp. F94-F98

非特許文献1において、MPLに配置された触媒層の乾燥条件は具体的に記載されていない。本発明者らによれば、MPLに触媒層を配置すると、触媒層中のアイオノマーが溶媒と共にMPLに徐々に染み込むため、触媒層中にアイオノマー偏析が生じ、これにより濃度過電圧及び活性化過電圧が増大し、燃料電池の発電性能(例えば、出力)が大幅に低下する問題があることを知見した。 In Non-Patent Document 1, the drying conditions of the catalyst layer arranged in the MPL are not specifically described. According to the present inventors, when a catalyst layer is placed in the MPL, the ionomer in the catalyst layer gradually seeps into the MPL together with the solvent, resulting in ionomer segregation in the catalyst layer, which increases concentration overpotential and activation overpotential. However, it was discovered that there is a problem in which the power generation performance (for example, output) of the fuel cell is significantly reduced.

そこで、本開示の主な目的は、上記実情を鑑み、発電性能を向上することができる燃料電池用接合体の製造方法を提供するものである。 Therefore, in view of the above circumstances, the main purpose of the present disclosure is to provide a method for manufacturing a fuel cell assembly that can improve power generation performance.

本開示は上記課題を解決するための一つの態様として、マイクロポーラス層を基材層に配置する配置工程と、触媒インクをマイクロポーラス層に塗布する塗布工程と、塗布された触媒インクを乾燥し、触媒層を形成する乾燥工程と、電解質層の表面に触媒層が接するように、電解質層の少なくとも一方の面に乾燥工程において得られた積層体を接合する接合工程と、を備え、乾燥工程において、触媒インクを80℃以上150℃以下、かつ、1分以内の条件で乾燥する、燃料電池用接合体の製造方法を提供する。 The present disclosure provides, as one aspect of solving the above problems, a step of arranging a microporous layer on a base material layer, a step of applying a catalyst ink to the microporous layer, and a step of drying the applied catalyst ink. , a drying step of forming a catalyst layer, and a joining step of joining the laminate obtained in the drying step to at least one surface of the electrolyte layer so that the catalyst layer is in contact with the surface of the electrolyte layer, the drying step Provided is a method for producing an assembly for a fuel cell, in which a catalyst ink is dried at a temperature of 80° C. or more and 150° C. or less and within 1 minute.

本開示の燃料電池用接合体の製造方法によれば、発電性能を向上することができる。 According to the method for manufacturing a fuel cell assembly of the present disclosure, power generation performance can be improved.

燃料電池用接合体の製造方法1のフローチャートである。It is a flowchart of the manufacturing method 1 of the assembly for fuel cells. 接合体100の概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the joined body 100. 接合体200の概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a joined body 200. 実施例及び比較例のガス拡散抵抗の測定結果である。It is a measurement result of the gas diffusion resistance of an Example and a comparative example. 実施例及び比較例のECSAの測定結果である。These are the ECSA measurement results of Examples and Comparative Examples. 実施例及び比較例の発電性能の測定結果である。It is a measurement result of the power generation performance of an Example and a comparative example.

[燃料電池用接合体の製造方法]
本開示の燃料電池用接合体の製造方法について、一実施形態である燃料電池用接合体の製造方法1(以下において、「製造方法1」ということがある。)を用いて詳しく説明する。
[Method for manufacturing fuel cell assembly]
The method for manufacturing a fuel cell assembly of the present disclosure will be described in detail using a fuel cell assembly manufacturing method 1 (hereinafter sometimes referred to as "manufacturing method 1"), which is one embodiment.

図1に燃料電池用接合体の製造方法1のフローチャートを示した。図1に示した通り、燃料電池用接合体の製造方法1は、マイクロポーラス層20を基材層10に配置する配置工程S1と、触媒インクをマイクロポーラス層20に塗布する塗布工程S2と、塗布された触媒インクを乾燥し、触媒層30を形成する乾燥工程S3と、電解質層40の表面に触媒層30が接するように、電解質層40の少なくとも一方の面に乾燥工程S3において得られた積層体50を接合する接合工程S4と、を備える。 FIG. 1 shows a flowchart of method 1 for manufacturing a fuel cell assembly. As shown in FIG. 1, the method 1 for manufacturing a fuel cell assembly includes a placement step S1 of disposing the microporous layer 20 on the base material layer 10, a coating step S2 of coating the microporous layer 20 with catalyst ink, A drying step S3 of drying the applied catalyst ink to form a catalyst layer 30, and a drying step S3 of drying the applied catalyst ink to form a catalyst layer 30 on at least one surface of the electrolyte layer 40 so that the catalyst layer 30 is in contact with the surface of the electrolyte layer 40. A joining step S4 of joining the laminate 50 is provided.

<配置工程S1>
配置工程S1では、マイクロポーラス層20を基材層10に配置する。マイクロポーラス層20を基材層10に配置する方法は特に限定されず、公知の方法を採用することができる。
<Placement process S1>
In the placement step S1, the microporous layer 20 is placed on the base layer 10. The method of arranging the microporous layer 20 on the base material layer 10 is not particularly limited, and any known method can be employed.

例えば、マイクロポーラス層20を構成する材料を溶媒に混合して、MPLインクを作製し、得られたMPLインクを基材層10に塗布・乾燥すればよい。MPLインクを塗布する方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、スプレーコーティング、インクジェットコーティング、ダイコーティング、及びスピンコーティング等が挙げられる。また、MPLインクの乾燥条件は特に限定されず、適宜設定することができる。例えば、加熱しながら乾燥してもよい。 For example, an MPL ink may be prepared by mixing the material constituting the microporous layer 20 with a solvent, and the obtained MPL ink may be applied to the base material layer 10 and dried. The method of applying the MPL ink is not particularly limited, and any known method can be used. Examples include spray coating, inkjet coating, die coating, and spin coating. Furthermore, the drying conditions for the MPL ink are not particularly limited and can be set as appropriate. For example, it may be dried while being heated.

(基材層10)
基材層10は特に限定されず、マイクロポーラス層20が配置可能であればよい。例えば、基材層10は剥離シートであってもよく、ガス拡散層であってもよい。剥離シートは、マイクロポーラス層20が剥離可能であればよい。このような剥離シートは公知である。例えば、カプトンシート等の樹脂シートが挙げられる。ガス拡散層は、導電性を有し、燃料ガス(例えば、水素)又は酸化剤ガス(例えば、酸素又は空気)を流通・拡散可能な層であれば特に限定されない。例えば、ガス拡散層はカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体;金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体等のガス透過性を有する導電性部材からなっていてもよい。また、ガス拡散層は、エキスパンドメタル等の多孔体流路であってもよい。エキスパンドメタルは、例えば特開2012-199093号公報に記載されているものを用いてもよい。
(Base material layer 10)
The base material layer 10 is not particularly limited as long as the microporous layer 20 can be arranged thereon. For example, the base layer 10 may be a release sheet or a gas diffusion layer. Any release sheet may be used as long as the microporous layer 20 can be removed. Such release sheets are known. For example, resin sheets such as Kapton sheets can be used. The gas diffusion layer is not particularly limited as long as it has conductivity and can flow and diffuse fuel gas (for example, hydrogen) or oxidant gas (for example, oxygen or air). For example, the gas diffusion layer may be made of a conductive member having gas permeability, such as a porous carbon material such as carbon paper or carbon cloth; a porous metal material such as a metal mesh or a metal foam. Further, the gas diffusion layer may be a porous channel made of expanded metal or the like. As the expanded metal, for example, one described in JP-A No. 2012-199093 may be used.

基材層10が剥離シートである場合、後述するように、接合体から剥離シートを取り除き、そこにガス拡散層を配置してもよい。基材層10がガス拡散層である場合、工程S1において、ガス拡散層に直接マイクロポーラス層20が形成される。ガス拡散層とマイクロポーラス層20との接着性を高める観点から、ガス拡散層に直接マイクロポーラス層20を形成してよい。すなわち、基材層10はガス拡散層としてよい。 When the base material layer 10 is a release sheet, the release sheet may be removed from the bonded body and the gas diffusion layer may be placed there, as described below. When the base layer 10 is a gas diffusion layer, the microporous layer 20 is formed directly on the gas diffusion layer in step S1. From the viewpoint of improving the adhesiveness between the gas diffusion layer and the microporous layer 20, the microporous layer 20 may be formed directly on the gas diffusion layer. That is, the base material layer 10 may be used as a gas diffusion layer.

(マイクロポーラス層20)
マイクロポーラス層20は電子導電性及びプロトン伝導性を有する多孔性の層である。マイクロポーラス層20は、アイオノマーと導電材とを含む。アイオノマーは、プロトン伝導性を有していれば特に限定されない。アイオノマーとしては、フッ素系イオン交換樹脂が挙げられる。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン等のフルオロアルキルポリマー;パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー等のフルオロアルキルポリマー等が挙げられる。導電材は電子伝導性を有する材料であれば特に限定されない。例えば、カーボンブラックやVGCF(気相法炭素繊維)等の炭素材料が挙げられる。アイオノマーと導電材との割合は特に限定されず、目的に応じて適宜設定してよい。
(Microporous layer 20)
The microporous layer 20 is a porous layer having electronic conductivity and proton conductivity. Microporous layer 20 includes an ionomer and a conductive material. The ionomer is not particularly limited as long as it has proton conductivity. Examples of the ionomer include fluorine-based ion exchange resins. Specific examples include fluoroalkyl polymers such as polytetrafluoroethylene; fluoroalkyl polymers such as perfluoroalkylsulfonic acid polymers; The conductive material is not particularly limited as long as it has electronic conductivity. Examples include carbon materials such as carbon black and VGCF (vapor grown carbon fiber). The ratio of the ionomer to the conductive material is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the purpose.

<塗布工程S2>
塗布工程S2では、触媒インクをマイクロポーラス層20に塗布する。触媒インクをマイクロポーラス層20に塗布する方法は特に限定されず、公知の方法を採用することができる。例えば、スプレーコーティング、インクジェットコーティング、ダイコーティング、及びスピンコーティング等が挙げられる。
<Coating process S2>
In the coating step S2, catalyst ink is coated on the microporous layer 20. The method of applying the catalyst ink to the microporous layer 20 is not particularly limited, and any known method can be employed. Examples include spray coating, inkjet coating, die coating, and spin coating.

(触媒インク)
触媒インクは触媒層30を構成する材料と溶媒とを混合することにより得られる。触媒層30を構成する材料は、触媒及びアイオノマーを含む。触媒は特に限定されないが、例えば、白金や白金合金等を用いてもよい。また、触媒として、白金等が導電性担体に担持されたた担体担持触媒を用いてもよい。導電性担体としては、例えばカーボン粒子等の炭素材料担体が挙げられる。アイオノマーは特に限定されないが、上述したアイオノマーを用いてもよい。触媒とアイオノマーとの割合は特に限定されず、目的に応じて適宜設定してよい。溶媒は特に限定されないが、例えば水やC1~C4の低級アルコール等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、混合して用いてもよい。溶媒の割合は特に限定されず、目的に応じて適宜設定してよい。
(catalyst ink)
The catalyst ink is obtained by mixing the material constituting the catalyst layer 30 and a solvent. The material constituting the catalyst layer 30 includes a catalyst and an ionomer. Although the catalyst is not particularly limited, platinum, platinum alloy, etc. may be used, for example. Further, as the catalyst, a carrier-supported catalyst in which platinum or the like is supported on a conductive carrier may be used. Examples of the conductive carrier include carbon material carriers such as carbon particles. The ionomer is not particularly limited, but the above-mentioned ionomers may be used. The ratio between the catalyst and the ionomer is not particularly limited, and may be set as appropriate depending on the purpose. The solvent is not particularly limited, and examples include water and C1 to C4 lower alcohols. These may be used alone or in combination. The proportion of the solvent is not particularly limited and may be appropriately set depending on the purpose.

<乾燥工程S3>
乾燥工程S3では、塗布工程S2において塗布された触媒インクを乾燥し、触媒層30を形成する。ここで、触媒インクの乾燥は、従来よりも急速に行う。乾燥工程S3は、アイオノマーが溶媒と共にマイクロポーラス層20に染み込まない状態になるように、触媒インク中の溶媒を除去することが目的である。
<Drying step S3>
In the drying step S3, the catalyst ink applied in the coating step S2 is dried to form the catalyst layer 30. Here, the catalyst ink is dried more rapidly than conventionally. The purpose of the drying step S3 is to remove the solvent in the catalyst ink so that the ionomer and the solvent do not permeate into the microporous layer 20.

本発明者らによれば、触媒インクをマイクロポーラス層20に塗布すると、触媒インク中のアイオノマーが溶媒と共にマイクロポーラス層20に徐々に染み込むため、触媒層30にアイオノマー偏析が生じ、これにより濃度過電圧及び活性化過電圧が増大し、燃料電池の発電性能(例えば、出力)が大幅に低下する問題があることを知見している。そこで、乾燥工程S3では、触媒インクの乾燥を従来よりも急速に行う。これにより、触媒インク中のアイオノマーが溶媒と共にマイクロポーラス層20に染み込むことを抑制することができるため、触媒層30中のアイオノマー偏析を抑制し、これにより接合体から得られる燃料電池は濃度過電圧及び活性化過電圧が抑制され、出力低下が抑制される。すなわち、製造方法1から製造される接合体を用いた燃料電池は、ガス拡散性及び触媒活性を向上し、且つ、発電性能を向上することができる。 According to the present inventors, when the catalyst ink is applied to the microporous layer 20, the ionomer in the catalyst ink gradually permeates into the microporous layer 20 together with the solvent, resulting in ionomer segregation in the catalyst layer 30, which causes concentration overvoltage. It has been found that there is a problem in that the activation overvoltage increases and the power generation performance (for example, output) of the fuel cell significantly decreases. Therefore, in the drying step S3, the catalyst ink is dried more rapidly than before. As a result, it is possible to suppress the ionomer in the catalyst ink from penetrating into the microporous layer 20 together with the solvent, thereby suppressing the ionomer segregation in the catalyst layer 30, and thereby the fuel cell obtained from the assembly has a concentration overvoltage and Activation overvoltage is suppressed and output decrease is suppressed. That is, the fuel cell using the assembly manufactured by manufacturing method 1 can improve gas diffusivity and catalytic activity, and can also improve power generation performance.

具体的な乾燥条件は、触媒インクを80℃以上150℃以下、かつ、1分以内の条件で乾燥することである。乾燥温度が80℃未満であると、触媒インク中の溶媒を急速に乾燥することができない場合がある。従って、溶媒を急速に乾燥する観点から、乾燥温度は100℃以上でもよい。乾燥温度が150℃を超えると、触媒層30を構成する材料(触媒又はアイオノマー)が熱に耐えられない虞がある。従って、触媒層30を構成する材料の熱耐久性を考慮して、乾燥温度を140℃以下としてもよい。乾燥時間が1分を超えると、マイクロポーラス層20にアイオノマーが染み込み、接合体100を用いた燃料電池の発電性能が低下する虞がある。従って、マイクロポーラス層20へのアイオノマーの染み込みをより抑制する観点から、乾燥時間は50秒以下でもよい。乾燥時間の下限は触媒インクを乾燥することができれば特に限定されない。例えば、乾燥時間は10秒以上であってもよい。 The specific drying conditions are that the catalyst ink is dried at 80° C. or higher and 150° C. or lower and within 1 minute. If the drying temperature is less than 80° C., the solvent in the catalyst ink may not be able to be rapidly dried. Therefore, from the viewpoint of rapidly drying the solvent, the drying temperature may be 100° C. or higher. If the drying temperature exceeds 150° C., there is a possibility that the material (catalyst or ionomer) constituting the catalyst layer 30 will not be able to withstand the heat. Therefore, in consideration of the thermal durability of the material constituting the catalyst layer 30, the drying temperature may be set to 140° C. or lower. If the drying time exceeds 1 minute, the ionomer may seep into the microporous layer 20 and the power generation performance of the fuel cell using the assembly 100 may deteriorate. Therefore, from the viewpoint of further suppressing the penetration of the ionomer into the microporous layer 20, the drying time may be 50 seconds or less. The lower limit of the drying time is not particularly limited as long as the catalyst ink can be dried. For example, the drying time may be 10 seconds or more.

触媒インクの乾燥方法は、特に限定されない。例えば、ドライヤー等を用いて、加熱した空気を吹き付けながら触媒インクを乾燥してもよい。また、ホットプレート等の発熱体を用いて、触媒インクを乾燥してもよい。乾燥速度を速める観点から、乾燥方法として加熱した空気を吹き付ける方法を採用してよい。 The method of drying the catalyst ink is not particularly limited. For example, the catalyst ink may be dried using a dryer or the like while blowing heated air. Alternatively, the catalyst ink may be dried using a heating element such as a hot plate. From the viewpoint of increasing the drying speed, a method of blowing heated air may be adopted as a drying method.

(触媒層30)
触媒インクを乾燥することにより触媒層30が形成される。触媒層30を構成する材料については上述したため、ここでは説明を省略する。
(Catalyst layer 30)
The catalyst layer 30 is formed by drying the catalyst ink. Since the material constituting the catalyst layer 30 has been described above, the description thereof will be omitted here.

<接合工程S4>
接合工程S4では、電解質層40の表面に触媒層30が接するように、電解質層40の少なくとも一方の面に乾燥工程S3において得られた積層体50を接合する。これにより、接合体100が得られる。積層体50とは、基材層10、マイクロポーラス層20、及び触媒層30が積層された積層体である。基材層10がガス拡散層である場合、積層体50はガス拡散電極(GDL)となる。
<Joining process S4>
In the bonding step S4, the laminate 50 obtained in the drying step S3 is bonded to at least one surface of the electrolyte layer 40 so that the catalyst layer 30 is in contact with the surface of the electrolyte layer 40. As a result, a bonded body 100 is obtained. The laminate 50 is a laminate in which the base material layer 10, the microporous layer 20, and the catalyst layer 30 are laminated. When the base material layer 10 is a gas diffusion layer, the laminate 50 becomes a gas diffusion electrode (GDL).

電解質層40と積層体50との接合方法は特に限定されず、公知の方法を適宜採用してよい。例えば、ホットプレス又はホットロールにより加圧及び加熱して、電解質層40と積層体50とを接合してもよい。接合条件は本開示の効果を損なわない範囲で適宜設定してよい。 The method for joining the electrolyte layer 40 and the laminate 50 is not particularly limited, and any known method may be used as appropriate. For example, the electrolyte layer 40 and the laminate 50 may be joined by applying pressure and heating using a hot press or a hot roll. The bonding conditions may be set as appropriate within a range that does not impair the effects of the present disclosure.

電解質層40と積層体50との接合は、電解質層40の一方の面にのみ実施してもよく、両面に実施してもよい。ここで、典型的には、マイクロポーラス層20は燃料電池におけるフラッディングを抑制するためにカソード側にのみ設けられている。従って、電解質層40と積層体50との接合は、電解質層40の一方の面にのみ実施してもよい。 The electrolyte layer 40 and the laminate 50 may be bonded to each other only on one side of the electrolyte layer 40 or on both sides. Here, the microporous layer 20 is typically provided only on the cathode side in order to suppress flooding in the fuel cell. Therefore, the electrolyte layer 40 and the laminate 50 may be bonded to only one surface of the electrolyte layer 40.

電解質層40の一方の面にのみ積層体50を接合する場合、事前に他方の面に触媒層60が配置された電解質層40を用いてもよい。また、この場合、電解質層40の一方の面と積層体50との接合と一緒に、さらに電解質層40の他方の面(触媒層60)とガス拡散層70との接合を実施してもよい。あるいは、接合工程S4の後、電解質層40の他方の面(触媒層60)にガス拡散層70を接合してもよい。 When joining the laminate 50 to only one surface of the electrolyte layer 40, the electrolyte layer 40 may be used with the catalyst layer 60 disposed on the other surface in advance. Further, in this case, in addition to bonding one surface of the electrolyte layer 40 and the laminate 50, the other surface of the electrolyte layer 40 (catalyst layer 60) and the gas diffusion layer 70 may be bonded. . Alternatively, after the bonding step S4, the gas diffusion layer 70 may be bonded to the other surface (catalyst layer 60) of the electrolyte layer 40.

(電解質層40)
電解質層40はプロトン伝導性を有する樹脂であれば特に限定されない。例えば、フッ素系電解質又は炭素系電解質が挙げられる。フッ素系電解質としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やパーフルオロスルホン酸アイオノマーが挙げられる。
(Electrolyte layer 40)
The electrolyte layer 40 is not particularly limited as long as it is a resin having proton conductivity. Examples include fluorine-based electrolytes and carbon-based electrolytes. Examples of the fluorine-based electrolyte include polytetrafluoroethylene (PTFE) and perfluorosulfonic acid ionomer.

(接合体100、200)
続いて、製造方法1により製造された接合体100、200について説明する。図2、図3に接合体100、200の断面概略図を示した。なお、図2、図3に示した接合体100、200は一例であり、本開示の製造方法により製造される接合体はこれに限定されない。
(Joint body 100, 200)
Next, the joined bodies 100 and 200 manufactured by the manufacturing method 1 will be explained. 2 and 3 show schematic cross-sectional views of the joined bodies 100 and 200. Note that the joined bodies 100 and 200 shown in FIGS. 2 and 3 are only examples, and the joined bodies manufactured by the manufacturing method of the present disclosure are not limited thereto.

まず、接合体100について説明する。図2に示した通り、接合体100は電解質層40と、電解質層40の一方及び他方の面にそれぞれ配置された触媒層30、60と、触媒層30の一方の面(電解質層40とは反対側の面)に配置されたマイクロポーラス層20と、マイクロポーラス層20の一方の面(触媒層30とは反対側の面)に配置された基材層10(剥離シート)と、を備えている。このような接合体100は基材層10(剥離シート)を除去することにより、膜電極接合体110を得ることができる。そして、膜電極接合体110の積層方向の両面にそれぞれガス拡散層及びセパレータを配置することにより、燃料電池を製造することができる。 First, the joined body 100 will be explained. As shown in FIG. 2, the assembly 100 includes an electrolyte layer 40, catalyst layers 30 and 60 disposed on one and other surfaces of the electrolyte layer 40, and one surface of the catalyst layer 30 (the electrolyte layer 40 is A microporous layer 20 disposed on one surface (opposite surface) of the microporous layer 20, and a base material layer 10 (release sheet) disposed on one surface of the microporous layer 20 (a surface opposite to the catalyst layer 30). ing. By removing the base material layer 10 (release sheet) from such an assembly 100, a membrane electrode assembly 110 can be obtained. Then, by arranging a gas diffusion layer and a separator on both sides of the membrane electrode assembly 110 in the stacking direction, a fuel cell can be manufactured.

従って、製造方法1は接合工程S4の後、基材層10を除去する工程を設けてもよい。また、本開示は、一実施形態として、製造方法1により得られた接合体(膜電極接合体110)の積層方向の両面にそれぞれガス拡散層及びセパレータを配置する工程を備えた燃料電池の製造方法を提供してもよい。 Therefore, the manufacturing method 1 may include a step of removing the base material layer 10 after the bonding step S4. Further, as an embodiment, the present disclosure provides manufacturing of a fuel cell including a step of arranging a gas diffusion layer and a separator on both sides of the assembly (membrane electrode assembly 110) obtained by manufacturing method 1 in the stacking direction. A method may be provided.

続いて、接合体200について説明する。図3に示した通り、接合体200は電解質層40と、電解質層40の一方及び他方の面にそれぞれ配置された触媒層30、60と、触媒層30の一方の面(電解質層40とは反対側の面)に配置されたマイクロポーラス層20と、マイクロポーラス層20の一方の面(触媒層30とは反対側の面)に配置された基材層10(ガス拡散層)と、触媒層60の他方の面(電解質層40とは反対側の面)に配置されたガス拡散層70と、を備えている。このような接合体200は膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gasdiffusionlayer Assembly)である。そして、接合体200の積層方向の両面にそれぞれセパレータを配置することにより、燃料電池を製造することができる。 Next, the joined body 200 will be explained. As shown in FIG. 3, the assembly 200 includes an electrolyte layer 40, catalyst layers 30 and 60 disposed on one side and the other side of the electrolyte layer 40, and one side of the catalyst layer 30 (the electrolyte layer 40 is a microporous layer 20 disposed on one surface of the microporous layer 20 (the surface opposite to the catalyst layer 30); a base layer 10 (gas diffusion layer) disposed on one surface of the microporous layer 20 (the surface opposite to the catalyst layer 30); A gas diffusion layer 70 is provided on the other surface of the layer 60 (the surface opposite to the electrolyte layer 40). Such an assembly 200 is a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA). By arranging separators on both sides of the assembly 200 in the stacking direction, a fuel cell can be manufactured.

従って、本開示は、一実施形態として、製造方法1により得られた接合体200の積層方向の両面にそれぞれセパレータを配置する工程を備えた燃料電池の製造方法を提供してもよい。 Therefore, as one embodiment, the present disclosure may provide a method for manufacturing a fuel cell, which includes a step of arranging separators on both sides of the assembly 200 obtained by manufacturing method 1 in the stacking direction.

ここで、セパレータは公知のセパレータを用いてもよい。例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等が挙げられる。 Here, a known separator may be used as the separator. Examples include a carbon separator made of a composite material containing carbon fiber at a high concentration and a resin, and a metal separator made of a metal material.

以上、本開示の燃料電池用接合体の製造方法について、一実施形態を用いて説明した。本開示の燃料電池用接合体の製造方法によれば、発電性能を向上することができる。 The method for manufacturing a fuel cell assembly of the present disclosure has been described above using one embodiment. According to the method for manufacturing a fuel cell assembly of the present disclosure, power generation performance can be improved.

以下、実施例を用いて、本開示についてさらに説明する。 Hereinafter, the present disclosure will be further described using Examples.

[評価用接合体の作製]
<実施例>
剥離シート(カプトンシート)にMPLインク(材料:カーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレン)を塗工・乾燥した。得られたマイクロポーラス層上に触媒インクを塗工し、急速乾燥した。そして、得られた積層体と電解質膜とを熱転写(接合)した後、剥離シートを除去した。これにより膜電極接合体を得た。得られた膜電極接合体の両面にガス拡散層を配置し、実施例の評価用接合体を作製した。
[Preparation of zygote for evaluation]
<Example>
MPL ink (materials: carbon black and polytetrafluoroethylene) was applied to a release sheet (Kapton sheet) and dried. A catalyst ink was applied onto the obtained microporous layer and rapidly dried. After the resulting laminate and electrolyte membrane were thermally transferred (joined), the release sheet was removed. A membrane electrode assembly was thereby obtained. Gas diffusion layers were disposed on both sides of the obtained membrane electrode assembly to produce an evaluation assembly of the example.

<比較例>
フッ素系バックシートに触媒インクを塗工し、通常乾燥した。得られた触媒層を電解質膜に熱転写(接合)し、膜電極接合体を得た。得られた膜電極接合体の両面にガス拡散層を配置し、比較例の評価用接合体を作製した。
<Comparative example>
Catalyst ink was applied to the fluorine-based backsheet and dried normally. The obtained catalyst layer was thermally transferred (bonded) to an electrolyte membrane to obtain a membrane electrode assembly. Gas diffusion layers were arranged on both sides of the obtained membrane electrode assembly to produce an evaluation assembly of a comparative example.

[評価]
<ガス拡散抵抗>
評価用接合体のガス拡散抵抗を限界電流法(酸素濃度1%)により測定した。結果を図4に示した。
[evaluation]
<Gas diffusion resistance>
The gas diffusion resistance of the evaluation assembly was measured by the limiting current method (oxygen concentration 1%). The results are shown in Figure 4.

<活性表面積>
評価用接合体の触媒の活性表面積(ECSA:Electrochemically active surface area)をCV(サイクリックボルタンメトリー)法により測定した。結果を図5に示した。
<Active surface area>
The electrochemically active surface area (ECSA) of the catalyst of the evaluation conjugate was measured by the CV (cyclic voltammetry) method. The results are shown in FIG.

<発電性能>
評価用接合体の発電性能を測定した。結果を図6に示した。
<Power generation performance>
The power generation performance of the evaluation zygote was measured. The results are shown in FIG.

<結果>
図4~6より、実施例は比較例に比べて、ガス拡散性、触媒活性、及び発電性能が高い結果となった。これは、触媒インクの急速乾燥により、触媒インク中のアイオノマーが溶媒と共にマイクロポーラス層に染み込むことが抑制されたため、触媒層においてアイオノマー偏析が抑制されたためであると考えられる。一方で、比較例は触媒インクの急速乾燥を実施していないため、触媒インク中のアイオノマーが溶媒と共にフッ素系バックシートに染み込むことにより、触媒層においてアイオノマー偏析が生じたと考えられる。そのため、濃度過電圧及び活性化過電圧が増大することにより、発電性能が低下したと考えられる。
<Results>
From FIGS. 4 to 6, the examples showed higher gas diffusivity, catalytic activity, and power generation performance than the comparative examples. This is considered to be because the rapid drying of the catalyst ink suppressed the ionomer in the catalyst ink from penetrating into the microporous layer together with the solvent, thereby suppressing ionomer segregation in the catalyst layer. On the other hand, since the catalyst ink was not rapidly dried in the comparative example, it is thought that the ionomer in the catalyst ink soaked into the fluorine-based backsheet together with the solvent, resulting in ionomer segregation in the catalyst layer. Therefore, it is considered that the power generation performance decreased due to the increase in concentration overvoltage and activation overvoltage.

10 基材層
20 マイクロポーラス層
30 触媒層
40 電解質層
50 積層体
60 触媒層
70 ガス拡散層
100、200 接合体
10 Base material layer 20 Microporous layer 30 Catalyst layer 40 Electrolyte layer 50 Laminated body 60 Catalyst layer 70 Gas diffusion layer 100, 200 Joined body

Claims (1)

マイクロポーラス層を基材層に配置する配置工程と、
触媒インクを前記マイクロポーラス層に塗布する塗布工程と、
塗布された前記触媒インクを乾燥し、触媒層を形成する乾燥工程と、
電解質層の表面に前記触媒層が接するように、前記電解質層の少なくとも一方の面に前記乾燥工程において得られた積層体を接合する接合工程と、を備え、
前記乾燥工程において、前記触媒インクを80℃以上150℃以下、かつ、1分以内の条件で乾燥する、
燃料電池用接合体の製造方法。
a placement step of placing the microporous layer on the base material layer;
a coating step of applying catalyst ink to the microporous layer;
a drying step of drying the applied catalyst ink to form a catalyst layer;
a joining step of joining the laminate obtained in the drying step to at least one surface of the electrolyte layer so that the catalyst layer is in contact with the surface of the electrolyte layer,
In the drying step, the catalyst ink is dried at a temperature of 80° C. or higher and 150° C. or lower and within 1 minute.
A method for manufacturing a fuel cell assembly.
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