JP5611604B2 - Method for manufacturing membrane-electrode structure - Google Patents
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Description
本発明は、膜−電極構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a membrane-electrode structure.
従来、燃料電池等に用いられる膜−電極構造体として、触媒層とガス拡散層とを備える1対の電極と、両電極の該触媒層により挟持された固体高分子電解質膜とを備えるものが知られている。前記膜−電極構造体は、例えば、前記両電極の触媒層とガス拡散層とが前記高分子電解質膜と同一の大きさに形成されており、該両電極の外周縁が該高分子電解質膜の外周縁に一致するように積層されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a membrane-electrode structure used in a fuel cell or the like includes a pair of electrodes including a catalyst layer and a gas diffusion layer, and a solid polymer electrolyte membrane sandwiched by the catalyst layers of both electrodes. Are known. In the membrane-electrode structure, for example, the catalyst layer and the gas diffusion layer of both electrodes are formed in the same size as the polymer electrolyte membrane, and the outer peripheral edge of both electrodes is the polymer electrolyte membrane. It is laminated | stacked so that it may correspond with the outer periphery.
ところが、前記両電極の外周縁が前記高分子電解質膜の外周縁に一致するように積層されていると、前記各ガス拡散層に供給されたガスが該高分子電解質膜の外周縁から反対側に回り込み、互いに混合するとの問題がある。また、両電極の外周縁同士の位置が近いために、両電極が電気的に短絡する虞があるという問題もある。 However, when the outer peripheral edges of the electrodes are stacked so as to coincide with the outer peripheral edge of the polymer electrolyte membrane, the gas supplied to each gas diffusion layer is opposite to the outer peripheral edge of the polymer electrolyte membrane. There is a problem of wrapping around and mixing each other. Moreover, since the positions of the outer peripheral edges of both electrodes are close, there is a problem that both electrodes may be electrically short-circuited.
前記問題を解決するために、前記高分子電解質膜を両電極よりも大きく形成し、両電極の外周縁が高分子電解質膜2の外周縁よりも内周側に位置するようにして積層した膜−電極構造体が知られている。このような構成を備える膜−電極構造体によれば、各ガス拡散層に供給されたガスを、前記高分子電解質膜の両電極の外周縁から外方に張り出した部分により遮蔽して、その混合を防止することができる。また、前記高分子電解質膜の前記張り出した部分により、両電極の電気的短絡を防止することができる。 In order to solve the above problem, the polymer electrolyte membrane is formed larger than both electrodes, and is laminated such that the outer peripheral edge of both electrodes is located on the inner peripheral side of the outer peripheral edge of the polymer electrolyte membrane 2 -Electrode structures are known. According to the membrane-electrode structure having such a configuration, the gas supplied to each gas diffusion layer is shielded by the portions projecting outward from the outer peripheral edges of both electrodes of the polymer electrolyte membrane. Mixing can be prevented. Further, the overhanging portion of the polymer electrolyte membrane can prevent an electrical short circuit between both electrodes.
しかし、前記膜−電極構造体を用いる燃料電池において、出力を向上するために前記高分子電解質膜の膜厚を薄くすると、該高分子電解質膜の機械的強度が低下し、前記両電極の外周縁から張り出した部分が破損しやすくなる。そこで、本出願人により、前記触媒層が、前記固体高分子電解質膜の外周縁よりも内周側に位置するとともに、少なくとも一方の電極のガス拡散層が、該固体高分子電解質膜を被覆すると共に、外周縁に全周に亘って設けられた接着剤層を介して該固体高分子電解質膜に接着されている膜−電極構造体が提案されている(特許文献1参照)。特許文献1記載の膜−電極構造体では、前記接着剤層により、前記触媒層の外周縁から外方に張り出して延在する高分子電解質膜が保護され、破損を防止することができると期待される。 However, in a fuel cell using the membrane-electrode structure, if the thickness of the polymer electrolyte membrane is reduced in order to improve the output, the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane is reduced, and the outside of both electrodes The part that protrudes from the peripheral edge tends to be damaged. Therefore, the present applicant has positioned the catalyst layer on the inner peripheral side of the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane, and the gas diffusion layer of at least one electrode covers the solid polymer electrolyte membrane. At the same time, there has been proposed a membrane-electrode structure that is bonded to the solid polymer electrolyte membrane via an adhesive layer provided on the entire periphery of the outer periphery (see Patent Document 1). In the membrane-electrode structure described in Patent Document 1, the adhesive layer is expected to protect the polymer electrolyte membrane extending outward from the outer peripheral edge of the catalyst layer and prevent damage. Is done.
特許文献1記載の膜−電極構造体は、前記1対の電極の触媒層により挟持された前記固体高分子電解質膜をホットプレスし、前記各電極と前記固体高分子電解質膜とを一体化することにより製造される。 In the membrane-electrode structure described in Patent Document 1, the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the catalyst layers of the pair of electrodes is hot-pressed to integrate the electrodes and the solid polymer electrolyte membrane. It is manufactured by.
ところで、燃料電池は、多数の膜−電極構造体を互いにセパレータを介して積層することにより構成される。このとき、各膜−電極構造体の厚さにバラツキがあると、前記燃料電池において所定の性能が得られないことがある。そこで、前記ホットプレスは、前記1対の電極により挟持された前記固体高分子電解質膜を、1.5〜4.5MPa程度の圧力で一挙動で押圧することにより、形成される膜−電極構造体を塑性変形させて所定の厚さとすることが行われている。 By the way, the fuel cell is configured by laminating a large number of membrane-electrode structures with separators interposed therebetween. At this time, if the thickness of each membrane-electrode structure varies, a predetermined performance may not be obtained in the fuel cell. Therefore, the hot press is a membrane-electrode structure formed by pressing the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the pair of electrodes with a pressure of about 1.5 to 4.5 MPa. The body is plastically deformed to a predetermined thickness.
しかしながら、前記1対の電極により挟持された前記固体高分子電解質膜を、前記範囲の圧力で一挙動で押圧すると、前記接着剤層を構成する接着剤が前記ガス拡散層に過度に浸透し、該固体高分子電解質膜と該ガス拡散層との間で十分な接着強度が得られないという不都合がある。 However, when the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the pair of electrodes is pressed with one behavior at a pressure in the range, the adhesive constituting the adhesive layer excessively penetrates the gas diffusion layer, There is an inconvenience that sufficient adhesive strength cannot be obtained between the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer.
本発明は、かかる不都合を解消して、触媒層の外周縁から外方に延在する固体高分子電解質膜の破損を防止でき、膜−電極構造体を所定の厚さに形成することができると共に、固体高分子電解質膜とガス拡散層との間で優れた接着強度を得ることができる製造方法を提供することを目的とする。 The present invention eliminates such inconvenience, can prevent damage to the solid polymer electrolyte membrane extending outward from the outer peripheral edge of the catalyst layer, and can form a membrane-electrode structure with a predetermined thickness. In addition, an object is to provide a production method capable of obtaining excellent adhesive strength between the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer.
かかる目的を達成するために、本発明は、触媒層とガス拡散層を備える1対の電極と、両電極の該触媒層により挟持された固体高分子電解質膜とを備える膜−電極構造体であって、前記両電極の触媒層は、該固体高分子電解質膜の外周縁よりも内周側に位置し、少なくとも一方の電極のガス拡散層は、該固体高分子電解質膜を被覆すると共に、外周縁に全周に亘って設けられた接着剤層を介して該固体高分子電解質膜に接着されている膜−電極構造体の製造方法において、前記1対の電極により挟持された前記固体高分子電解質膜を押圧して前記接着剤層を硬化させて膜−電極構造体を形成する第1の押圧工程と、前記第1の押圧工程よりも大きな圧力で前記膜−電極構造体を押圧して該膜−電極構造体を所定の厚さに成形する第2の押圧工程とを備え、前記第2の押圧工程は、前記第1の押圧工程に続いて直ちに行うことを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides a membrane-electrode structure comprising a pair of electrodes comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer, and a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the catalyst layers of both electrodes. The catalyst layers of both electrodes are located on the inner peripheral side of the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane, and the gas diffusion layer of at least one electrode covers the solid polymer electrolyte membrane, In the method of manufacturing a membrane-electrode structure bonded to the solid polymer electrolyte membrane via an adhesive layer provided on the entire outer periphery, the solid height sandwiched between the pair of electrodes. A first pressing step of pressing a molecular electrolyte membrane to cure the adhesive layer to form a membrane-electrode structure; and pressing the membrane-electrode structure with a pressure greater than that of the first pressing step. The second pressing process for forming the membrane-electrode structure to a predetermined thickness With the door, the second pressing step, and carrying out immediately following the first pressing step.
本発明の製造方法によれば、1対の電極により挟持された固体高分子電解質膜を押圧して前記各電極と前記固体高分子電解質膜とを一体化する際に、まず、第1の押圧工程で前記接着剤層を硬化させる。そして、第1の押圧工程に続いて直ちに、第2の押圧工程で、前記第1の押圧工程よりも大きな圧力で前記膜−電極構造体を押圧して該膜−電極構造体を所定の厚さに成形する。 According to the manufacturing method of the present invention, when the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the pair of electrodes is pressed to integrate the electrodes and the solid polymer electrolyte membrane, first, the first press The adhesive layer is cured in the process. Then, immediately after the first pressing step, in the second pressing step, the membrane-electrode structure is pressed at a predetermined thickness by pressing the membrane-electrode structure with a pressure larger than that of the first pressing step. Molded to the size.
従って、本発明の製造方法によれば、前記接着剤層を形成する接着剤が前記ガス拡散層に過度に浸透することを防止して、前記固体高分子電解質膜と該ガス拡散層との間で優れた接着強度を得ることができる。また、この結果、本発明の製造方法によれば、触媒層の外周縁から外方に延在する前記固体高分子電解質膜を前記ガス拡散層により保護することができ、該固体高分子電解質膜の破損を防止することができる。 Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, the adhesive forming the adhesive layer is prevented from excessively penetrating into the gas diffusion layer, and between the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer. Excellent adhesion strength can be obtained. As a result, according to the production method of the present invention, the solid polymer electrolyte membrane extending outward from the outer periphery of the catalyst layer can be protected by the gas diffusion layer, and the solid polymer electrolyte membrane can be protected. Can be prevented from being damaged.
さらに、本発明の製造方法によれば、前記接着剤層が硬化して前記固体高分子電解質膜と前記ガス拡散層とが接着された後、第1の押圧工程よりも大きな圧力で前記膜−電極構造体を押圧することにより、該膜−電極構造体を塑性変形させて確実に所定の厚さに成形することができる。 Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, after the adhesive layer is cured and the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer are bonded, the membrane- By pressing the electrode structure, the membrane-electrode structure can be plastically deformed and reliably formed into a predetermined thickness.
本発明の製造方法において、前記第1の押圧工程は、0.15〜0.75MPaの範囲の圧力で行うと共に、前記第2の押圧工程は、1.5〜4.5MPaの範囲の圧力で行うことが好ましい。 In the production method of the present invention, the first pressing step is performed at a pressure in the range of 0.15 to 0.75 MPa, and the second pressing step is performed at a pressure in the range of 1.5 to 4.5 MPa. Preferably it is done.
前記第1の押圧工程における圧力が0.15MPa未満では、前記接着剤層を硬化させることが難しくなることがある。また、前記第1の押圧工程における圧力が0.75MPaを超えると、前記接着剤層を形成する接着剤が前記ガス拡散層に浸透しやすくなる。 If the pressure in the first pressing step is less than 0.15 MPa, it may be difficult to cure the adhesive layer. Moreover, when the pressure in the first pressing step exceeds 0.75 MPa, the adhesive forming the adhesive layer easily penetrates into the gas diffusion layer.
一方、前記第2の押圧工程における圧力が1.5MPa未満では、前記第1の押圧工程で形成された膜−電極構造体を塑性変形させるに至らないことがある。また、前記第2の押圧工程における圧力が4.5MPaを超えると、前記膜−電極構造体が過度に塑性変形することがある。 On the other hand, if the pressure in the second pressing step is less than 1.5 MPa, the membrane-electrode structure formed in the first pressing step may not be plastically deformed. Further, when the pressure in the second pressing step exceeds 4.5 MPa, the membrane-electrode structure may be excessively plastically deformed.
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
本実施形態の製造方法は、例えば、図1に示す構成を備える膜−電極構造体1の製造に用いられる。膜−電極構造体1は、高分子電解質膜2と、高分子電解質膜2を挟持する1対の電極3,4とを備えている。電極3,4はそれぞれ、触媒層5,6と、ガス拡散層7,8とを備えており、高分子電解質膜2は触媒層5,6により挟持されている。
The manufacturing method of this embodiment is used, for example, for manufacturing the membrane-electrode structure 1 having the configuration shown in FIG. The membrane-electrode structure 1 includes a
膜−電極構造体1において、一方の電極3は、固体高分子電解質膜2の外周縁よりも内周側に位置しており、触媒層5とガス拡散層7とは同一の大きさを備えている。これに対して、他方の電極4は、触媒層6は固体高分子電解質膜2の外周縁よりも内周側に位置しているが、ガス拡散層8は固体高分子電解質膜2と同一の大きさを備えており、外周縁に設けられた接着剤層9を介して固体高分子電解質膜2に接着されている。接着剤層9は、ガス拡散層8の外周縁の全周に亘って形成されており、内周縁が触媒層6の外周縁に接している。
In the membrane-electrode structure 1, one electrode 3 is located on the inner peripheral side of the outer peripheral edge of the solid
前記構成を備える膜−電極構造体1によれば、固体高分子電解質膜2が触媒層5,6の外周縁から外方に延在しているので、ガス拡散層7,8に供給されるガスが相互に混合することを防止することができる。また、電極3,4が電気的に短絡することを防止することができる。さらに、固体高分子電解質膜2は接着剤層9を介してガス拡散層8に接着されてガス拡散層8に支持されているので、破損することを防止することができる。
According to the membrane-electrode structure 1 having the above-described configuration, the solid
尚、膜−電極構造体1において、電極4の触媒層6は、電極3の触媒層5よりも小さく、触媒層5の外周縁よりも内周側に位置している。このようにすることにより、触媒層5,6の端縁が固体高分子電解質膜2に対して異なる位置に配されることとなり、触媒層5,6の端縁により固体高分子電解質膜2にかかる応力を低減することができる。
In the membrane-electrode structure 1, the
次に、膜−電極構造体1の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the membrane-electrode structure 1 will be described.
まず、固体高分子電解質膜2を準備する。固体高分子電解質膜2としては、パーフルオロスルホン酸高分子化合物(例えば、デュポン社製ナフィオン(商品名))、スルホン化ポリアリーレン化合物等の高分子電解質からなる膜を用いることができる。固体高分子電解質膜2は、常法により、例えば前記高分子電解質の有機溶媒溶液からキャスト法等により製膜することができる。
First, the solid
次に、電極3,4を作製する。電極3,4は、カーボンクロス、カーボンペーパー等の多孔質体からなるガス拡散層7,8上に、触媒層5,6を積層することにより形成される。触媒層5,6は、触媒ペーストをガス拡散層7,8上に塗布または蒸着することにより形成することができる。前記触媒ペーストは、例えば、白金粒子をカーボンブラックに担持させた触媒粒子と、イオン導伝性バインダーとからなる。
Next, the electrodes 3 and 4 are produced. The electrodes 3 and 4 are formed by laminating catalyst layers 5 and 6 on
ここで、電極3は、図2(a)に示すように、固体高分子電解質膜2の外周縁よりも内周側に納まる大きさのガス拡散層7上の全面に前記触媒ペーストを塗布または蒸着することにより触媒層5を形成する。一方、電極4は、図2(b)に示すように、固体高分子電解質膜2と同一の大きさのガス拡散層8上に、ガス拡散層8の外周縁よりも内周側に納まる大きさに前記触媒ペーストを塗布または蒸着することにより触媒層6を形成する。
Here, as shown in FIG. 2 (a), the electrode 3 is coated with the catalyst paste on the entire surface of the
また、電極4は、その外周縁の全周に亘って接着剤を塗布し、触媒層6に接して接着剤層9を形成する。接着剤層9を形成する前記接着剤としては、例えば、エポキシ樹脂系接着剤、オレフィン樹脂系接着剤、アクリル樹脂系接着剤、ウレタン樹脂系接着剤、フッ素樹脂系接着剤等の接着剤を用いることができる。
In addition, the electrode 4 is coated with an adhesive over the entire circumference of the outer peripheral edge thereof, and forms an
次に、図3に示すように、電極3,4を触媒層5,6の側で固体高分子電解質膜2に接するように、固体高分子電解質膜2の表裏両面に積層する。
Next, as shown in FIG. 3, the electrodes 3 and 4 are laminated on the front and back surfaces of the solid
次に、電極3,4が積層された固体高分子電解質膜2に対し、第1のホットプレス処理を施すことにより、図1に示す構成を備える膜−電極構造体1を形成する。前記第1のホットプレス処理は、例えば、100〜200℃の範囲の温度、0.15〜0.75MPaの範囲の圧力、60秒以内の時間で行う。この結果、触媒層5,6が固体高分子電解質膜2に熱圧着されると共に、接着剤層9が硬化して電極4側のガス拡散層8を固体高分子電解質膜2に確実に接着する。
Next, a first hot press process is performed on the solid
次に、前記第1のホットプレス処理により形成された膜−電極構造体1に対し、第2のホットプレス処理を施すことにより、膜−電極構造体1を所定の厚さに成形する。前記第2のホットプレス処理は、例えば、100〜200℃の範囲の温度、1.5〜4.5MPaの範囲の圧力、50〜500秒以内の時間で行う。この結果、膜−電極構造体1を塑性変形せしめて、所定の厚さに成形することができる。また、このとき、接着剤層9は前記第1のホットプレス処理により既に硬化しているので、前記接着剤がガス拡散層8に浸透することを防止することができる。
Next, the membrane-electrode structure 1 formed by the first hot press process is subjected to a second hot press process to form the film-electrode structure 1 to a predetermined thickness. The second hot press treatment is performed, for example, at a temperature in the range of 100 to 200 ° C., a pressure in the range of 1.5 to 4.5 MPa, and a time within 50 to 500 seconds. As a result, the membrane-electrode structure 1 can be plastically deformed and formed to a predetermined thickness. At this time, since the
前記第2のホットプレス処理は、第1のホットプレス処理に続いて直ちに行うことにより、固体高分子電解質膜2、触媒層5,6、ガス拡散層7,8の相互の位置のずれを防止することができる。また、前記第1のホットプレス処理の後、直ちに前記第2のホットプレス処理を行うことにより、サイクルタイムを短縮するという効果も得ることができる。
The second hot press process is performed immediately after the first hot press process to prevent misalignment of the solid
本実施形態の方法では、触媒層5,6はガス拡散層7,8に前記触媒ペーストを塗布または蒸着することにより形成しているが、他のフィルム等の基体上に該触媒ペーストを塗布して形成した触媒層5,6を固体高分子電解質膜2に熱転写するようにしてもよい。この場合には、触媒層5,6が転写された固体高分子電解質膜2に、ガス拡散層7と、接着剤層9が形成されたガス拡散層8とを積層し、前記第1及び第2のホットプレス処理を施せばよい。
In the method of the present embodiment, the catalyst layers 5 and 6 are formed by applying or vapor-depositing the catalyst paste on the
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。 Next, examples and comparative examples of the present invention are shown.
本実施例では、接着剤層9を形成する接着剤としてエポキシ樹脂系接着剤(スリーボンド株式会社製、商品名:TB2204)を用いて、ガス拡散層8を作製した。
In this example, the
次に、電極3,4が積層された固体高分子電解質膜2に対し、第1のホットプレス処理を施すことにより、図1に示す構成を備える膜−電極構造体1を形成した。前記第1のホットプレス処理は、160℃の温度下、0.3MPaの圧力で、30秒間行った。
Next, the solid
次に、前記第1のホットプレス処理により形成された膜−電極構造体1に対し、第2のホットプレス処理を施すことにより、膜−電極構造体1を所定の厚さに成形した。前記第2のホットプレス処理は、160℃の温度下、3MPaの圧力で、4分30秒間行った。 Next, the membrane-electrode structure 1 formed by the first hot press process was subjected to a second hot press process to form the film-electrode structure 1 to a predetermined thickness. The second hot press treatment was performed at a temperature of 160 ° C. and a pressure of 3 MPa for 4 minutes and 30 seconds.
この結果、所定の厚さを備えると共に、電極4側のガス拡散層8が固体高分子電解質膜2に確実に接着されている膜−電極構造体1を得ることができた。
〔比較例〕
本比較例では、電極3,4が積層された固体高分子電解質膜2に対し、前記実施例における第1のホットプレス処理を行うことなく、第2のホットプレス処理のみを5分間行ったこと以外は、前記実施例と全く同一にして膜−電極構造体1を所定の厚さに成形した。
As a result, it was possible to obtain a membrane-electrode structure 1 having a predetermined thickness and having the
[Comparative Example]
In this comparative example, only the second hot press process was performed for 5 minutes on the solid
この結果、所定の厚さを備える膜−電極構造体1を得ることができたが、該膜−電極構造体1では、接着剤層9を形成している接着剤が電極4側のガス拡散層8に過度に浸透していた。このため、前記膜−電極構造体1では、電極4側のガス拡散層8と固体高分子電解質膜2との間で、十分な接着力を得ることができなかった。
As a result, the membrane-electrode structure 1 having a predetermined thickness could be obtained. In the membrane-electrode structure 1, the adhesive forming the
1…膜−電極構造体、 2…固体高分子電解質膜、 3,4…電極、 5,6…触媒層、 7,8…ガス拡散層、 9…接着剤層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Membrane-electrode structure, 2 ... Solid polymer electrolyte membrane, 3, 4 ... Electrode, 5, 6 ... Catalyst layer, 7, 8 ... Gas diffusion layer, 9 ... Adhesive layer.
Claims (2)
前記1対の電極により挟持された前記固体高分子電解質膜を押圧して前記接着剤層を硬化させて膜−電極構造体を形成する第1の押圧工程と、
前記第1の押圧工程よりも大きな圧力で前記膜−電極構造体を押圧して該膜−電極構造体を所定の厚さに成形する第2の押圧工程とを備え、
前記第2の押圧工程は、前記第1の押圧工程に続いて直ちに行うことを特徴とする膜−電極構造体の製造方法。 A membrane-electrode structure comprising a pair of electrodes comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer, and a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the catalyst layers of both electrodes, wherein the catalyst layers of both electrodes are The gas diffusion layer of at least one electrode located on the inner peripheral side of the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane covers the solid polymer electrolyte membrane, and is provided on the outer peripheral edge over the entire periphery In the method for producing a membrane-electrode structure bonded to the solid polymer electrolyte membrane via an agent layer,
A first pressing step of pressing the solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the pair of electrodes to cure the adhesive layer to form a membrane-electrode structure;
A second pressing step of pressing the membrane-electrode structure with a pressure larger than that of the first pressing step to form the membrane-electrode structure to a predetermined thickness;
The method of manufacturing a membrane-electrode structure, wherein the second pressing step is performed immediately after the first pressing step.
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