JP5617491B2 - Membrane-electrode assembly intermediate, and membrane-electrode assembly intermediate, membrane-electrode assembly, and method for producing polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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本発明は、膜−電極接合体中間体、膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池、並びに膜−電極接合体中間体及び膜−電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a membrane-electrode assembly intermediate, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell, and a membrane-electrode assembly intermediate and a method for producing the membrane-electrode assembly.

燃料電池は、電解質の両面に電極が配置され、水素と酸素の電気化学反応により発電する電池であり、発電時に発生するのは水のみである。このように従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために次世代のクリーンエネルギーシステムとして普及が見込まれている。その中でも特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として早期の実用化が見込まれている。   A fuel cell is a cell in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte and generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and only water is generated during power generation. Thus, unlike the conventional internal combustion engine, it is expected to spread as a next-generation clean energy system because it does not generate environmental load gas such as carbon dioxide. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has a low operating temperature and low electrolyte resistance. In addition, it uses a highly active catalyst, so it can obtain high output even in a small size. Is expected to be put to practical use.

この固体高分子形燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に触媒層及び導電性多孔質基材を順に積層し、この触媒層及び導電性多孔質基材から成る電極の周囲を囲むようにガスケットを設け、これらをセパレータで挟んだ構造を有している。本明細書では、電解質膜の両面に電極を形成したものだけでなく、これにガスケットを設けたものも膜−電極接合体と称する。このガスケットを有する膜−電極接合体の製造方法として、例えば、特許文献1には、触媒層が形成された基材を準備し、この基材から電解質膜の両面に触媒層を熱転写した後、電解質膜上の各触媒層に導電性多孔質基材を熱プレスによって接合し、導電性多孔質基材及び触媒層からなる各電極を取り囲むようにガスケットを設置するもの、特許文献2には、基材シートの片面に電解質膜及び電極を形成しこれらの周囲にガスケットを配置した基材シート付き膜−電極半接合体を2つ作製し、この基材シート付き膜−電極半接合体から基材シートを剥離した後、2つの膜−電極半接合体の電解質膜側の面同士を対向させて接合するものが提案されている。   In this polymer electrolyte fuel cell, generally, a catalyst layer and a conductive porous substrate are sequentially laminated on both surfaces of an electrolyte membrane, and a gasket is formed so as to surround the periphery of an electrode composed of the catalyst layer and the conductive porous substrate. And a structure in which these are sandwiched between separators. In the present specification, not only those in which electrodes are formed on both surfaces of an electrolyte membrane but also those in which gaskets are provided are referred to as membrane-electrode assemblies. As a method for producing a membrane-electrode assembly having this gasket, for example, in Patent Document 1, a substrate on which a catalyst layer is formed is prepared, and after the catalyst layer is thermally transferred from the substrate to both surfaces of the electrolyte membrane, A conductive porous substrate is bonded to each catalyst layer on the electrolyte membrane by hot pressing, and a gasket is installed so as to surround each electrode composed of the conductive porous substrate and the catalyst layer. Two membrane-electrode half assemblies with a base sheet in which an electrolyte membrane and an electrode are formed on one side of the base sheet and a gasket is arranged around the electrolyte membrane and electrodes are prepared. It has been proposed that after the material sheet is peeled off, the surfaces on the electrolyte membrane side of the two membrane-electrode half-joints are opposed to each other.

特開2006−286560号公報JP 2006-286560 A 特開2002−216789号公報JP 2002-216789 A

上述したような膜−電極接合体の製造方法は、基材から電解質膜の両面に触媒層を熱転写する際、また2つの膜−電極半接合体の電解質膜側の面同士を対向させて接合する際に触媒層の中心同士が合うよう各基材を正確に位置決めする必要があるという問題があった。   The method of manufacturing a membrane-electrode assembly as described above is performed when the catalyst layer is thermally transferred from the base material to both surfaces of the electrolyte membrane, and the two membrane-electrode half-joints are joined with the surfaces on the electrolyte membrane side facing each other. In doing so, there is a problem in that it is necessary to accurately position each substrate so that the centers of the catalyst layers are aligned with each other.

そこで、本発明は、正確な位置決めが不要な膜−電極接合体中間体、膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池、並びに膜−電極接合体中間体及び膜−電極接合体の製造方法を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention provides a membrane-electrode assembly intermediate, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell, and a membrane-electrode assembly intermediate and a membrane-electrode assembly that do not require accurate positioning. It is an object to provide a method.

本発明に係る膜−電極接合体中間体は、上記課題を解決するためになされたものであり、基材シートと、前記基材シートの一方面上に設けられ、開口が形成された枠状のガスケットと、前記開口内において前記基材シート上に形成された第1の導電性多孔質基材と、前記開口内において前記第1の導電性多孔質基材上に形成された第1の触媒層と、前記開口内において第1の触媒層上に形成された電解質膜と、前記開口内において前記電解質膜上に形成された第2の触媒層と、を備えている。   The membrane-electrode assembly intermediate according to the present invention is made in order to solve the above problems, and is provided with a base sheet and a frame shape provided on one surface of the base sheet and having openings formed therein. A first conductive porous substrate formed on the substrate sheet in the opening, and a first conductive porous substrate formed in the opening on the first conductive porous substrate. A catalyst layer; an electrolyte membrane formed on the first catalyst layer in the opening; and a second catalyst layer formed on the electrolyte membrane in the opening.

上記膜−電極接合体中間体を製造する場合、基材シート上に設けられたガスケットの開口内において、第1の導電性多孔質基材、第1の触媒層、電解質膜、及び第2の触媒層を順に形成するだけで、これらの水平方向の位置が自然と一致する。すなわち、上記膜−電極接合体中間体は、第1の導電性多孔質基材、第1の触媒層、電解質膜、及び第2の触媒層の正確な位置決めをせずに製造することができる。また、上記膜−電極接合体中間体は、単一のガスケット内に全ての層を形成することができるため、膜−電極接合体の製造にあたりガスケット同士を貼り合わせる必要がなく、ガスケット同士貼り合わせ部分からガスリークが生じることがない。 When manufacturing the said membrane-electrode assembly intermediate body, in the opening of the gasket provided on the base material sheet, the 1st electroconductive porous base material, the 1st catalyst layer, the electrolyte membrane, and the 2nd By simply forming the catalyst layers in order, these horizontal positions naturally coincide. That is, the membrane-electrode assembly intermediate can be produced without accurately positioning the first conductive porous substrate, the first catalyst layer, the electrolyte membrane, and the second catalyst layer. . Further, the membrane - electrode assembly intermediate, it is possible to form all the layers in a single gasket, membrane - it is not necessary to bond the gasket to each other in the production of the electrode assembly, adhesion of the gasket between There is no gas leak from the mating portion.

また、上記膜−電極接合体中間体は、ガスケットの開口内において第2の触媒層上に第2の導電性多孔質基材を形成することができる。   Moreover, the said membrane-electrode assembly intermediate body can form a 2nd electroconductive porous base material on a 2nd catalyst layer in the opening of a gasket.

また、本発明に係る膜−電極接合体は、開口が形成された枠状のガスケットと、前記開口内に形成された第1の導電性多孔質基材と、前記開口内において前記第1の導電性多孔質基材上に形成された第1の触媒層と、前記開口内において第1の触媒層上に形成された電解質膜と、前記開口内において前記電解質膜上に形成された第2の触媒層と、前記開口内において前記第2の触媒層上に形成された第2の導電性多孔質基材と、を備えている。   The membrane-electrode assembly according to the present invention includes a frame-like gasket having an opening, a first conductive porous substrate formed in the opening, and the first conductive material in the opening. A first catalyst layer formed on the conductive porous substrate; an electrolyte membrane formed on the first catalyst layer in the opening; and a second catalyst formed on the electrolyte membrane in the opening. And a second conductive porous substrate formed on the second catalyst layer in the opening.

また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、上記膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体の各導電性多孔質基材及びガスケット上に設置されたセパレータと、を備えている。   A polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes the membrane-electrode assembly, and a separator installed on each conductive porous substrate and gasket of the membrane-electrode assembly. .

また、本発明に係る膜−電極接合体中間体の製造方法は、基材シートを準備する工程と、前記基材シートの一方面上に、開口が形成された枠状のガスケットを設ける工程と、前記開口内において前記基材シート上に第1の導電性多孔質基材を形成する工程と、前記開口内において前記第1の導電性多孔質基材上に第1の触媒層を形成する工程と、前記開口内において前記第1の触媒層上に電解質膜を形成する工程と、前記開口内において前記電解質膜上に第2の触媒層を形成する工程と、を備えている。   Moreover, the method for producing a membrane-electrode assembly intermediate according to the present invention includes a step of preparing a base sheet, and a step of providing a frame-like gasket having an opening formed on one surface of the base sheet. Forming a first conductive porous substrate on the substrate sheet in the opening; and forming a first catalyst layer on the first conductive porous substrate in the opening. And a step of forming an electrolyte membrane on the first catalyst layer in the opening, and a step of forming a second catalyst layer on the electrolyte membrane in the opening.

上記膜−電極接合体中間体の製造方法は、ガスケットの開口内において第1の導電性多孔質基材、第1の触媒層、電解質膜、及び第2の触媒層を順に形成すればこれらの水平方向の位置を自然と一致させることができるため、各層の正確な位置決めをする必要がない。さらに、上記方法によれば、電解質膜の下面が第1の触媒層によって支持されているため、第2の触媒層用の材料を電解質膜上に塗布した場合、電解質膜が膨潤するのを防止することができる。   If the 1st electroconductive porous base material, the 1st catalyst layer, the electrolyte membrane, and the 2nd catalyst layer are formed in order in the opening of a gasket, the manufacturing method of the above-mentioned membrane-electrode assembly intermediate will be described. Since the horizontal position can be naturally matched, it is not necessary to accurately position each layer. Further, according to the above method, since the lower surface of the electrolyte membrane is supported by the first catalyst layer, the electrolyte membrane is prevented from swelling when the material for the second catalyst layer is applied on the electrolyte membrane. can do.

また、本発明に係る膜−電極接合体の製造方法は、上述した膜−電極接合体中間体の製造方法と、前記開口内において前記第2の触媒層上に第2の導電性多孔質基材を形成する工程と、前記第2の導電性多孔質基材が形成された膜−電極接合体中間体から前記基材シートを剥離する工程と、を備えている。   In addition, the method for producing a membrane-electrode assembly according to the present invention includes a method for producing the above-described membrane-electrode assembly intermediate, and a second conductive porous group on the second catalyst layer in the opening. A step of forming a material, and a step of peeling the substrate sheet from the membrane-electrode assembly intermediate formed with the second conductive porous substrate.

本発明によれば、正確な位置決めが不要である。   According to the present invention, accurate positioning is not necessary.

本発明の実施形態に係る膜−電極接合体中間体の(a)正面断面図、及び(b)平面図である。It is (a) front sectional drawing of the membrane-electrode assembly intermediate body which concerns on embodiment of this invention, and (b) top view. 本発明の実施形態に係る膜−電極接合体中間体の製造方法を示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the manufacturing method of the membrane-electrode assembly intermediate which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る膜−電極接合体の製造方法を示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the manufacturing method of the membrane-electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池の正面断面図である。1 is a front cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention. 上記実施形態の変形例に係る膜−電極接合体中間体の平面図である。It is a top view of the membrane-electrode assembly intermediate body which concerns on the modification of the said embodiment.

以下、本発明に係る膜−電極接合体中間体、膜−電極接合体、及び固体高分子形燃料電池、並びに膜−電極接合体中間体及び膜−電極接合体の製造方法の実施形態について図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, embodiments of a membrane-electrode assembly intermediate, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, and a method for producing the membrane-electrode assembly intermediate and the membrane-electrode assembly will be described. Will be described with reference to FIG.

本実施形態に係る膜−電極接合体中間体1は、図1(a)及び図1(b)に示すように、基材シート2上に枠状のガスケット3が設けられ、このガスケット3の開口31内において第1の導電性多孔質基材4a、第1の触媒層5a、電解質膜6、及び第2の触媒層5bが順に積層された構造となっている。この第1の導電性多孔質基材4a、第1の触媒層5a、電解質膜6、及び第2の触媒層5bの厚さの合計はガスケット3の厚さよりも小さくなっている。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the membrane-electrode assembly intermediate 1 according to this embodiment is provided with a frame-like gasket 3 on a base sheet 2, and the gasket 3 In the opening 31, the first conductive porous substrate 4a, the first catalyst layer 5a, the electrolyte membrane 6, and the second catalyst layer 5b are sequentially laminated. The total thickness of the first conductive porous substrate 4 a, the first catalyst layer 5 a, the electrolyte membrane 6, and the second catalyst layer 5 b is smaller than the thickness of the gasket 3.

基材シート2の厚さは、取り扱い性の観点から、通常10〜1000μmであり、好ましくは50〜500μmである。基材シート2の材料としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパラバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリオレフィン等の高分子フィルムを挙げることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。中でも、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。   The thickness of the base material sheet 2 is usually 10 to 1000 μm, preferably 50 to 500 μm, from the viewpoint of handleability. Examples of the material of the base sheet 2 include polyimide, polyethylene terephthalate, polyparabanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate. Examples thereof include polymer films such as phthalate, polypropylene, and polyolefin. Further, heat resistance of ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. Fluorine resin can also be used. Among them, a polymer film that is inexpensive and easily available is preferable, and polyethylene terephthalate or the like is more preferable.

ガスケット3の厚さは、通常20〜1000μmであり、好ましくは50〜600μmである。ガスケット3の材料としては、熱プレスに耐えうる強度を保ち、且つ燃料及び酸化剤を外部に漏出させない程度のガスバリア性を有しているものがよく、例えば、ポリエチレンテレフタレートシートやテフロン(登録商標)シート、シリコンゴムシート等が挙げられる。   The thickness of the gasket 3 is usually 20 to 1000 μm, preferably 50 to 600 μm. The material of the gasket 3 is preferably a material having a gas barrier property that is strong enough to withstand heat pressing and does not leak fuel and oxidant to the outside. For example, a polyethylene terephthalate sheet or Teflon (registered trademark) Examples thereof include a sheet and a silicon rubber sheet.

第1の導電性多孔質基材4aの厚さは、通常20〜500μmであり、好ましくは50〜300μmである。第1の導電性多孔質基材4aの材料としては、燃料である燃料ガス及び酸化剤ガスを効率よく触媒層に供給するため多孔構造とする必要があり、例えば、導電性炭素繊維、樹脂を含んでいることが好ましい。また、導電性炭素粒子を含んでいてもよい。導電性炭素繊維としては、例えば気相成長法炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、カーボンナノウォール、PAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等が挙げられる。これらの導電性炭素繊維は、単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。繊維径は限定的でなく、平均が50nm〜20μm、好ましくは100nm〜15μm程度とすればよい。繊維長も限定的でなく、平均が1μm〜1mm、好ましくは5〜600μm程度とすればよい。アスペクト比は、およそ3〜500である。なお、導電性炭素繊維の繊維径、繊維長及びアスペクト比は、走査型電子顕微鏡(SEM)等により測定した画像等により測定できる。樹脂としては、公知又は市販のものを使用できる。例えば、イオン伝導性高分子樹脂、酢酸ビニル樹脂、スチレン‐アクリル共重合体樹脂、スチレン‐酢酸ビニル共重合体樹脂、スチレン‐アクリル共重合体樹脂、エチレン‐酢酸ビニル共重合体樹脂、ポリエステル‐アクリル共重合体樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、また六フッ化プロピレン‐フッ化ビニリデン共重合体樹脂、三フッ化塩化エチレン‐フッ化ビニリデン共重合体樹脂などのフッ素ゴム、シリコンゴム、フェノール樹脂、メラミン樹脂等が挙げられる。これら樹脂は、単独で用いても良いし、2種類以上を組み合わせても良い。導電性炭素粒子は、導電性を有する炭素材であれば特に限定されず、公知又は市販のものを使用できる。例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等のカーボンブラック;黒鉛;活性炭等が挙げられる。これらは、1種単独又は2種以上で用いることができる。これらの導電性炭素粒子を含有するシート状の導電性多孔質層および導電性多孔質基材を作製することによりガス拡散層の導電性を向上させることができる。 カーボンブラックの平均粒子径(算術平均粒子径)は限定的でなく、通常5nm〜200nm程度、好ましくは20nm〜80nm程度とすればよい。またカーボンブラックの凝集体を使用する場合は、10〜600nm、好ましくは50〜500nm、黒鉛や活性炭を使用する場合は、500nm〜40μm、好ましくは1μm〜35μm程度とすれば良い。この導電性炭素粒子の平均粒子径は、例えば、粒子径分布測定装置LA−920:(株)堀場製作所製等により測定できる。   The thickness of the 1st electroconductive porous base material 4a is 20-500 micrometers normally, Preferably it is 50-300 micrometers. As a material of the first conductive porous substrate 4a, it is necessary to have a porous structure in order to efficiently supply fuel gas and oxidant gas as fuel to the catalyst layer. For example, conductive carbon fiber and resin are used. It is preferable to include. Moreover, the conductive carbon particle may be included. Examples of the conductive carbon fiber include vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nanowall, PAN-based carbon fiber, and pitch-based carbon fiber. These conductive carbon fibers may be used alone or in combination of two or more. The fiber diameter is not limited, and the average may be about 50 nm to 20 μm, preferably about 100 nm to 15 μm. The fiber length is not limited, and the average may be 1 μm to 1 mm, preferably about 5 to 600 μm. The aspect ratio is approximately 3 to 500. The fiber diameter, fiber length, and aspect ratio of the conductive carbon fiber can be measured by an image measured with a scanning electron microscope (SEM) or the like. As the resin, known or commercially available resins can be used. For example, ion conductive polymer resin, vinyl acetate resin, styrene-acrylic copolymer resin, styrene-vinyl acetate copolymer resin, styrene-acrylic copolymer resin, ethylene-vinyl acetate copolymer resin, polyester-acrylic Fluoro rubber such as copolymer resin, urethane resin, acrylic resin, propylene hexafluoride-vinylidene fluoride copolymer resin, ethylene trifluoride-vinylidene fluoride copolymer resin, silicone rubber, phenol resin, melamine Examples thereof include resins. These resins may be used alone or in combination of two or more. The conductive carbon particles are not particularly limited as long as they are conductive carbon materials, and known or commercially available ones can be used. Examples thereof include carbon black such as channel black, furnace black, ketjen black, acetylene black and lamp black; graphite; activated carbon and the like. These can be used alone or in combination of two or more. The conductivity of the gas diffusion layer can be improved by producing a sheet-like conductive porous layer and a conductive porous substrate containing these conductive carbon particles. The average particle size (arithmetic average particle size) of carbon black is not limited, and is usually about 5 nm to 200 nm, preferably about 20 nm to 80 nm. When carbon black aggregates are used, the thickness may be 10 to 600 nm, preferably 50 to 500 nm, and when graphite or activated carbon is used, the thickness may be 500 nm to 40 μm, preferably about 1 μm to 35 μm. The average particle size of the conductive carbon particles can be measured by, for example, a particle size distribution measuring device LA-920: manufactured by Horiba, Ltd.

第1の触媒層5aの厚さは、通常0.1〜200μmであり、好ましくは0.5〜20μmである。また、第2の触媒層5bの厚さは、通常0.1〜200μmであり、好ましくは0.5〜20μmである。第1及び第2の触媒層5a、5bは、公知の白金含有の触媒層(カソード触媒及びアノード触媒)とすることができる。具体的には、触媒粒子を担持させた炭素粒子と、イオン伝導性高分子電解質とを含有する。イオン伝導性高分子電解質としては、後述する電解質膜6に使用されるものと同じ材料を使用することができる。触媒粒子としては、燃料電池におけるアノード及びカソード反応を促進する物質であれば、特に限定されない。例えば、白金や白金化合物であり、白金以外の金属としては例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄、銀等が挙げられる。白金化合物としては、上記白金以外の金属からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属と、白金との合金等が挙げられる。なお、通常は、カソード触媒層に含まれる触媒粒子は白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒粒子は前記金属と白金との合金である。また白金を使用しない触媒金属微粒子は、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム及び銀からなる群から選ばれる少なくとも1種、又はこれら2種類以上からなる合金である。合金である場合は、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも2種以上含有する合金微粒子が好ましい。例えば、鉄-コバルト合金、コバルト-ニッケル合金、鉄-ニッケル合金等のほか、鉄-コバルト-ニッケル合金が挙げられる。炭素粒子は、導電性を有しているものであれば特に限定されず、公知又は市販のものを広く使用できる。例えば、カーボンブラックや、黒鉛、活性炭等を1種又は2種以上で用いることができる。カーボンブラックの例としては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等を挙げることができる。炭素粒子の算術平均粒子径は、通常5nm〜200nm程度、好ましくは20〜80nm程度であり、粒子径分布測定装置LA−920:(株)堀場製作所製等により測定することができる。   The thickness of the 1st catalyst layer 5a is 0.1-200 micrometers normally, Preferably it is 0.5-20 micrometers. Moreover, the thickness of the 2nd catalyst layer 5b is 0.1-200 micrometers normally, Preferably it is 0.5-20 micrometers. The first and second catalyst layers 5a and 5b can be known platinum-containing catalyst layers (cathode catalyst and anode catalyst). Specifically, it contains carbon particles carrying catalyst particles and an ion conductive polymer electrolyte. As the ion conductive polymer electrolyte, the same material as that used for the electrolyte membrane 6 described later can be used. The catalyst particles are not particularly limited as long as they are substances that promote the anode and cathode reactions in the fuel cell. For example, platinum or a platinum compound, and examples of the metal other than platinum include ruthenium, palladium, nickel, molybdenum, iridium, iron, silver, and the like. Examples of the platinum compound include an alloy of platinum and at least one metal selected from the group consisting of metals other than platinum. In general, the catalyst particles contained in the cathode catalyst layer are platinum, and the catalyst particles contained in the anode catalyst layer are an alloy of the metal and platinum. The catalytic metal fine particles not using platinum are at least one selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, palladium and silver, or an alloy composed of two or more of these. In the case of an alloy, alloy fine particles containing at least two of iron, cobalt and nickel are preferred. For example, iron-cobalt alloy, cobalt-nickel alloy, iron-nickel alloy, etc., and iron-cobalt-nickel alloy can be used. The carbon particles are not particularly limited as long as they have electrical conductivity, and widely known carbon particles can be used. For example, carbon black, graphite, activated carbon, or the like can be used alone or in combination. Examples of carbon black include channel black, furnace black, ketjen black, acetylene black, and lamp black. The arithmetic average particle size of the carbon particles is usually about 5 nm to 200 nm, preferably about 20 to 80 nm, and can be measured by a particle size distribution measuring device LA-920: manufactured by Horiba, Ltd.

電解質膜6の厚さは、通常1〜200μmであり、好ましくは10〜100μmである。電解質膜6は、例えば、イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を第1の触媒層5a上に塗布し、乾燥することにより形成される。イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のC−H結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー(PFS系ポリマー)等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このようなイオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Nafion」(登録商標)、旭硝子(株)製の「Flemion」(登録商標)、旭化成(株)製の「Aciplex」(登録商標)等が挙げられる。   The thickness of the electrolyte membrane 6 is usually 1 to 200 μm, preferably 10 to 100 μm. The electrolyte membrane 6 is formed, for example, by applying a solution containing an ion conductive polymer electrolyte on the first catalyst layer 5a and drying. Examples of the ion conductive polymer electrolyte include a perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resin, more specifically, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer in which the C—H bond of a hydrocarbon ion-exchange membrane is substituted with fluorine. (PFS polymer) and the like. By introducing a fluorine atom having high electronegativity, it is chemically very stable, the dissociation degree of the sulfonic acid group is high, and high ion conductivity can be realized. Specific examples of such an ion conductive polymer electrolyte include “Nafion” (registered trademark) manufactured by DuPont, “Flemion” (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and “Aciplex” manufactured by Asahi Kasei Corporation. (Registered trademark) and the like.

次に、上述した膜−電極接合体中間体1、これを用いた膜−電極接合体10、及び固体高分子形燃料電池100の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the membrane-electrode assembly intermediate 1 described above, the membrane-electrode assembly 10 using the same, and the polymer electrolyte fuel cell 100 will be described.

まず、膜−電極接合体中間体1の製造方法について説明すると、図2(a)に示すように、基材シート2上にガスケット3を粘着剤で貼り合わせる、または熱プレス、ヒートロールで物理的に貼り合わせることによって設置する。粘着剤の材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、天然ゴム、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等を挙げることができる。次に、ガスケット3の開口31内において、スクリーン印刷、スプレーコーティング、ダイコーティング、又はナイフコーティング、インクジェット、ディスペンサー等の公知の方法により、導電性多孔質基材用ペーストを基材シート2上に100〜300μmの厚さで塗布する。この導電性多孔質基材用ペーストは上述した導電性多孔質基材4の材料を適当な分散媒に混合したものであり、分散媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、水やメチルエチルケトン(MEK)、アセトン、トルエン、キシレンといった有機溶剤やメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、3−ブタノール、1−ペンタノール、エチレングリコール、又はプロピレングリコールといった炭素数1〜5程度の1〜3価のアルコール等が1種単独又は2種以上混合して使用される。導電性多孔質基材用ペーストの配合割合は、特に限定されるものではないが、例えば、体積比で分散媒60〜40%に対して導電性多孔質基材4の材料40〜60%とすることができる。導電性多孔質基材用ペーストを塗布した後、この導電性多孔質基材用ペーストを70〜120℃下で10〜60分間かけて乾燥させると、導電性多孔質基材用ペースト中の分散媒が揮発し、図2(b)に示すように、基材シート2上に20〜200μmの厚さの導電性多孔質基材4が形成される。 First, the manufacturing method of the membrane-electrode assembly intermediate 1 will be described. As shown in FIG. 2 (a), the gasket 3 is bonded to the base sheet 2 with an adhesive, or physical by hot press or heat roll. Install by sticking together. Although it does not specifically limit as a material of an adhesive, For example, natural rubber, an acrylic resin, a silicone resin, a urethane resin etc. can be mentioned. Next, in the opening 31 of the gasket 3, the conductive porous substrate paste 100 is applied onto the substrate sheet 2 by a known method such as screen printing, spray coating, die coating, knife coating, inkjet, dispenser, or the like. Apply at a thickness of ˜300 μm. This conductive porous substrate paste is obtained by mixing the above-mentioned conductive porous substrate 4 material in a suitable dispersion medium, and the dispersion medium is not particularly limited. And organic solvents such as methyl ethyl ketone (MEK), acetone, toluene, xylene, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 3-butanol, 1-pentanol, ethylene glycol, or propylene glycol 1 to 3 carbon alcohols having about 1 to 5 carbon atoms are used singly or in combination of two or more. The blending ratio of the conductive porous substrate paste is not particularly limited. For example, the material of the conductive porous substrate 4 is 40 to 60% with respect to the dispersion medium 60 to 40% by volume ratio. can do. After applying the conductive porous base material paste, when the conductive porous base material paste is dried at 70 to 120 ° C. for 10 to 60 minutes, dispersion in the conductive porous base material paste is performed. The medium volatilizes, and the conductive porous substrate 4 having a thickness of 20 to 200 μm is formed on the substrate sheet 2 as shown in FIG.

次に、上述した第1の触媒層5aの材料を導電性多孔質基材用ペーストと同様の分散媒に混合することで触媒用ペーストを作製する。この触媒用ペーストを上述したような公知の方法により開口31内において第1の導電性多孔質基材4a上に塗布し、50〜120℃下で10〜90分間かけて乾燥させることで、図2(c)に示すように、第1の導電性多孔質基材4a上に第1の触媒層5aを形成する。   Next, a catalyst paste is prepared by mixing the material of the first catalyst layer 5a described above in the same dispersion medium as the conductive porous substrate paste. The catalyst paste is applied on the first conductive porous substrate 4a in the opening 31 by the known method as described above, and dried at 50 to 120 ° C. for 10 to 90 minutes. As shown in 2 (c), a first catalyst layer 5a is formed on the first conductive porous substrate 4a.

続いて、上述した水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液を開口31内において第1の触媒層5a上に上述したような公知の方法で塗布し、50〜120℃下で5〜30分間かけて乾燥させることにより、図2(d)に示すように、第1の触媒層5a上に電解質膜6を形成する。その後、この電解質膜6上に上述した第2の触媒層5bの材料を適当な分散媒に混合した触媒層用ペーストを塗布し、50〜120℃下で10〜90分間かけて乾燥させることで、図2(e)に示すように、第2の触媒層5bを形成する。以上のような手順により、本実施形態の膜−電極接合体中間体1が完成する。   Subsequently, the above-described hydrogen ion conductive polymer electrolyte-containing solution is applied to the first catalyst layer 5a in the opening 31 by the known method as described above, and is taken at 50 to 120 ° C. for 5 to 30 minutes. By drying, an electrolyte membrane 6 is formed on the first catalyst layer 5a as shown in FIG. 2 (d). Thereafter, a paste for a catalyst layer in which the material of the second catalyst layer 5b described above is mixed with an appropriate dispersion medium is applied onto the electrolyte membrane 6 and dried at 50 to 120 ° C. for 10 to 90 minutes. As shown in FIG. 2E, the second catalyst layer 5b is formed. The membrane-electrode assembly intermediate 1 of the present embodiment is completed by the procedure as described above.

次に、上述した膜−電極接合体中間体1を用いて膜−電極接合体10及び固体高分子形燃料電池100を製造する方法について説明する。まず、図3(a)に示すように、膜−電極接合体1のガスケット3上にマスク7を形成する。マスク7としては、ガスケット3から剥離可能であれば特に限定されず、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパラバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリオレフィン等の高分子フィルムを挙げることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性フッ素樹脂等公知又は市販のものを用いることができる。また、マスク7の厚さは、形成する第2の導電性多孔質基材4bの厚さにもよるが、通常10〜500μm、好ましくは20〜300μmである。   Next, a method for producing the membrane-electrode assembly 10 and the polymer electrolyte fuel cell 100 using the above-described membrane-electrode assembly intermediate 1 will be described. First, as shown in FIG. 3A, a mask 7 is formed on the gasket 3 of the membrane-electrode assembly 1. The mask 7 is not particularly limited as long as it can be peeled off from the gasket 3. For example, polyimide, polyethylene terephthalate, polyparabanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether etherketone, Examples thereof include polymer films such as polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate, polypropylene, and polyolefin. Further, heat resistance of ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. A well-known or commercially available product such as a functional fluororesin can be used. Moreover, although the thickness of the mask 7 is based also on the thickness of the 2nd electroconductive porous base material 4b to form, it is 10-500 micrometers normally, Preferably it is 20-300 micrometers.

このようにマスク7を形成した状態で、図3(b)に示すように、ガスケット3及びマスク7の内側において、第1の導電性多孔質基材4aと同様の導電性多孔質基材用ペースト41を上述したような公知の方法により第2の触媒層5b上に100〜300μmの厚さで塗布する。そして、この導電性多孔質基材用ペースト41を70〜120℃下で10〜60分間かけて乾燥させることで、導電性多孔質基材用ペースト41中の分散媒が揮発し、50〜200μmの厚さの第2の導電性多孔質基材4bが形成される(図3(c))。その後、マスク7を剥離することで膜−電極接合体中間体11とし(図3(d))、この膜−電極接合体中間体11から基材シート2を剥離することで膜−電極接合体10が完成する(図3(e))。なお、この膜−電極接合体10は、第1及び第2の導電性多孔質基材4a、4b、電解質膜6、並びに第1及び第2触媒層5a、5bの厚さの合計とガスケット3の厚さとが略同一となっている。   With the mask 7 formed in this way, as shown in FIG. 3B, inside the gasket 3 and the mask 7, the same conductive porous base material as the first conductive porous base material 4a is used. The paste 41 is applied to the second catalyst layer 5b with a thickness of 100 to 300 μm by a known method as described above. Then, by drying the conductive porous substrate paste 41 at 70 to 120 ° C. for 10 to 60 minutes, the dispersion medium in the conductive porous substrate paste 41 is volatilized, and 50 to 200 μm. A second conductive porous substrate 4b having a thickness of 3 mm is formed (FIG. 3C). Thereafter, the mask 7 is peeled to obtain a membrane-electrode assembly intermediate 11 (FIG. 3D), and the membrane-electrode assembly is peeled from the membrane-electrode assembly intermediate 11 by peeling off the substrate sheet 2. 10 is completed (FIG. 3E). The membrane-electrode assembly 10 includes the gasket 3 and the total thickness of the first and second conductive porous substrates 4a and 4b, the electrolyte membrane 6, and the first and second catalyst layers 5a and 5b. The thickness is substantially the same.

このようにして製造した膜−電極接合体10の両面側にガス流路81が形成されたセパレータ8を配置し、このセパレータ8と導電性多孔質基材4とが電気的に接続するようにセパレータ8で膜−電極接合体10を挟持する(図4)。これにより、固体高分子形燃料電池100が完成する。   The separator 8 in which the gas flow path 81 is formed is disposed on both sides of the membrane-electrode assembly 10 thus manufactured, and the separator 8 and the conductive porous substrate 4 are electrically connected. The membrane-electrode assembly 10 is sandwiched between the separators 8 (FIG. 4). Thereby, the polymer electrolyte fuel cell 100 is completed.

以上のように、本実施形態は、ガスケット3の開口31内に第1の導電性多孔質基材4a、第1の触媒層5b、電解質膜6、第2の触媒層5b、及び第2の導電性多孔質基材4bを順に形成するだけで、各層の水平方向の位置が自然と一致するため、各層の正確な位置決めが不要である。また、電解質6の下面が第1の触媒層5bによって支持されていることにより、第2の触媒層用ペーストを電解質膜6に塗布する際に電解質膜6が膨潤するのを防止することができる。さらに、本実施形態の膜−電極接合体10は、第1の導電性多孔質基材4a、第1の触媒層5b、電解質膜6、第2の触媒層5b、及び第2の導電性多孔質基材4bが単一のガスケット3の開口31内に形成されているため、その製造にあたりガスケット同士を貼り合わせる必要がなく、ガスケット同士の貼り合わせ部分からガスリークを生じることがない。また、膜−電極接合体10は、各層を塗布により形成したことにより、ガスケット3の内壁面と各層との間に隙間が生じず、この隙間からガスリークが生じるのを抑制することもできる。 As described above, in the present embodiment, the first conductive porous substrate 4 a, the first catalyst layer 5 b, the electrolyte membrane 6, the second catalyst layer 5 b, and the second electrode are formed in the opening 31 of the gasket 3. By simply forming the conductive porous substrate 4b in order, the horizontal position of each layer naturally matches, so that accurate positioning of each layer is unnecessary. In addition, since the lower surface of the electrolyte 6 is supported by the first catalyst layer 5 b, it is possible to prevent the electrolyte membrane 6 from swelling when the second catalyst layer paste is applied to the electrolyte membrane 6. . Furthermore, the membrane-electrode assembly 10 of the present embodiment includes a first conductive porous substrate 4a, a first catalyst layer 5b, an electrolyte membrane 6, a second catalyst layer 5b, and a second conductive porous. since Shitsumotozai 4b is formed in the opening 31 of a single gasket 3, it is not necessary to bond the gasket together Upon their production, it does not occur the gas leakage from the bonded portion of the gasket together. Moreover, since the membrane-electrode assembly 10 is formed by coating each layer, no gap is generated between the inner wall surface of the gasket 3 and each layer, and it is possible to suppress the occurrence of gas leak from this gap.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態において、第1及び第2の導電性多孔質基材4a、4b、電解質膜6、並びに第1及び第2の触媒層5a、5bは塗布により形成されていたが、予め形成されたシート状のものを配置することで形成してもよい。この予め形成されたシート状のものは、単一層であってもよく、複数の層が重ねられていてもよい。なお、予め形成されたシート状の層を用いる場合は、例えば、材料を塗布する層とシート状の層とを交互に配置したり、シート状の層を複数重ねた後に熱プレスしたりすることで、各層を互いに接着させることができる。なお、配置する場合は塗布した層が乾燥する前に配置することで、各層を接着させることができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention. For example, in the above embodiment, the first and second conductive porous substrates 4a and 4b, the electrolyte membrane 6, and the first and second catalyst layers 5a and 5b are formed by coating, but are formed in advance. You may form by arrange | positioning the made sheet-like thing. This pre-formed sheet may be a single layer, or a plurality of layers may be stacked. In addition, when using the sheet-like layer formed in advance, for example, the layer to which the material is applied and the sheet-like layer are alternately arranged, or the sheet-like layer is hot-pressed after stacking a plurality of the sheet-like layers. Thus, the layers can be bonded together. In addition, when arrange | positioning, each layer can be adhere | attached by arrange | positioning before the apply | coated layer dries.

また、第1の導電性多孔質基材4aと第1の触媒層5aとの間、及び第2の導電性多孔質基材4bと第2の触媒層5bとの間の少なくとも一方に、第1及び第2の導電性多孔質基材4a、4bに撥水性を付与するための撥水層を形成してもよい。撥水層の厚さは、通常0.5〜20μm、好ましくは5〜10μmである。撥水層の厚さは、通常0.5〜50μm、好ましくは5〜30μmである。撥水層の材料としては、少なくとも導電性炭素粒子、導電性炭素繊維などの炭素材料及び樹脂を含有したものが挙げられるが、撥水層用ペーストの作成のためにこれらの炭素材料及び樹脂にさらに公知のアルコールや分散媒を添加したものでもよい。導電性炭素粒子は、導電性を有する炭素材であれば特に限定されず、公知又は市販のものを使用でき、例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等のカーボンブラック;黒鉛;活性炭等が挙げられる。これらは、1種単独又は2種以上で用いることができる。カーボンブラックの平均粒子径(算術平均粒子径)は限定的でなく、通常5nm〜200nm程度、好ましくは20nm〜80nm程度とすればよい。撥水層で使用される導電性炭素繊維は、例えば気相成長法炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、カーボンナノウォール等が挙げられる。これらの導電性炭素繊維は、単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。繊維径は限定的でなく、平均が50〜400nm、好ましくは100〜250nm程度とすればよい。繊維長も限定的でなく、平均が5〜50μm、好ましくは10〜20μm程度とすればよい。アスペクト比は、およそ10〜500である。なお、導電性炭素繊維の繊維径、繊維長及びアスペクト比は、走査型電子顕微鏡(SEM)などにより測定した画像等により測定できる。樹脂としては、撥水性を付与するフッ素系樹脂を使用することができる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、フッ化エチレンプロピレン樹脂(FEP)、パーフルオロアルコキシ樹脂(PFA)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(ETFE)等が挙げられる。このようなフッ素系樹脂を含有することにより、撥水層に撥水性を付与できる。配合割合は、撥水層では、例えば、導電性炭素粒子100重量部に対して、フッ素系樹脂5〜200重量部(好ましくは10〜150重量部)程度、導電性炭素繊維5〜200重量部(好ましくは10〜150重量部)程度、水5〜500重量部(好ましくは10〜400重量部)とすればよい。   In addition, the first conductive porous substrate 4a and the first catalyst layer 5a, and the second conductive porous substrate 4b and the second catalyst layer 5b are at least one of the first conductive porous substrate 4a and the first catalyst layer 5a. You may form the water-repellent layer for providing water repellency to the 1st and 2nd electroconductive porous base materials 4a and 4b. The thickness of the water repellent layer is usually 0.5 to 20 μm, preferably 5 to 10 μm. The thickness of the water repellent layer is usually 0.5 to 50 μm, preferably 5 to 30 μm. Examples of the material for the water repellent layer include those containing at least a carbon material such as conductive carbon particles and conductive carbon fibers and a resin. Further, a known alcohol or dispersion medium may be added. The conductive carbon particles are not particularly limited as long as they are conductive carbon materials, and known or commercially available carbon materials can be used. For example, carbon black such as channel black, furnace black, ketjen black, acetylene black, lamp black, etc. Graphite, activated carbon and the like. These can be used alone or in combination of two or more. The average particle size (arithmetic average particle size) of carbon black is not limited, and is usually about 5 nm to 200 nm, preferably about 20 nm to 80 nm. Examples of the conductive carbon fiber used in the water repellent layer include vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube, carbon nanowire, and carbon nanowall. These conductive carbon fibers may be used alone or in combination of two or more. The fiber diameter is not limited, and the average may be 50 to 400 nm, preferably about 100 to 250 nm. The fiber length is not limited, and the average may be 5 to 50 μm, preferably about 10 to 20 μm. The aspect ratio is approximately 10 to 500. The fiber diameter, fiber length, and aspect ratio of the conductive carbon fiber can be measured by an image measured with a scanning electron microscope (SEM) or the like. As the resin, a fluorine-based resin that imparts water repellency can be used. Examples thereof include polytetrafluoroethylene resin (PTFE), fluorinated ethylene propylene resin (FEP), perfluoroalkoxy resin (PFA), and tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE). By containing such a fluororesin, water repellency can be imparted to the water repellent layer. In the water-repellent layer, the blending ratio is, for example, about 5 to 200 parts by weight (preferably 10 to 150 parts by weight) of a fluorine-based resin and 5 to 200 parts by weight of conductive carbon fibers with respect to 100 parts by weight of conductive carbon particles. (Preferably 10 to 150 parts by weight) and water 5 to 500 parts by weight (preferably 10 to 400 parts by weight) may be used.

また、上記実施形態においては、膜−電極接合体中間体1を一つずつ製造していたが、図5に示すように、複数の膜−電極接合体中間体を連結した状態で同時に製造することもできる。   Moreover, in the said embodiment, although the membrane-electrode assembly intermediate body 1 was manufactured one by one, as shown in FIG. 5, it manufactures simultaneously in the state which connected the several membrane-electrode assembly intermediate body. You can also.

以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.

(実施例1)
図3(e)に示すような膜−電極接合体10を、以下の要領で製造した。
Example 1
A membrane-electrode assembly 10 as shown in FIG. 3 (e) was produced in the following manner.

まず、以下の要領で触媒層形成用ペースト組成物、導電性多孔質基材層用ペースト組成物を作成した。   First, a paste composition for forming a catalyst layer and a paste composition for a conductive porous substrate layer were prepared in the following manner.

白金触媒担持炭素粒子4g(田中貴金属工業(株)製、「TEC10E50E」)、イオン伝導性高分子電解質膜溶液40g(Nafion5wt%溶液:「DE−520」デュポン社製)、蒸留水12g、n−ブタノール20g及びt−ブタノール20gを配合し、分散機にて攪拌混合することにより、アノード触媒層形成用ペースト組成物及びカソード触媒層形成用ペースト組成物を得た。   4 g of platinum catalyst-supporting carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., “TEC10E50E”), 40 g of ion conductive polymer electrolyte membrane solution (Nafion 5 wt% solution: “DE-520” manufactured by DuPont), 12 g of distilled water, n- By mixing 20 g of butanol and 20 g of t-butanol and stirring and mixing with a disperser, an anode catalyst layer forming paste composition and a cathode catalyst layer forming paste composition were obtained.

導電性炭素繊維(大阪ガスケミカル(株)製、「S−2404」)を100g、スチレン-アクリル酸共重合体樹脂(昭和電工(株)製「AP-2675」を50g、分散剤(花王(株)製「エマルゲンA-60」)25g、イオン伝導性高分子電解質膜溶液(Nafion5wt%溶液:「DE−520」デュポン社製)60g、水100gを分散させることにより導電性多孔質基材層用ペースト組成物を調合した。   100 g of conductive carbon fiber (Osaka Gas Chemical Co., Ltd., “S-2404”), 50 g of styrene-acrylic acid copolymer resin (“AP-2675” manufactured by Showa Denko Co., Ltd.), dispersant (Kao ( Co., Ltd. “Emulgen A-60”) 25 g, ion conductive polymer electrolyte membrane solution (Nafion 5 wt% solution: “DE-520” manufactured by DuPont) 60 g, and water 100 g are dispersed to disperse the conductive porous substrate layer. A paste composition was prepared.

次に、基材シート2として用いるPETフィルム上に、開口31を有する厚さ500μmシリコンゴムシート(アズワン(株)製)をガスケット3として配置し、基材シート2とガスケット3とを熱プレスして貼り合わせた。これをシートAと呼ぶ。このシートA上に開口31を有する厚さ500μmシリコンゴムシート(アズワン(株)製)をマスクとして配置し、ガスケット3とマスク9とを熱プレスして貼り合わせた。これをシートBと呼ぶ。そして、上述した導電性多孔質基材用ペースト組成物を上記シートBの開口31内にアプリケーターを用いて約200μmの厚みとなるように塗布し、95℃で30分乾燥させることにより第1の導電性多孔質基材層4aを形成した。これを中間体Aとする。 Next, a 500 μm-thick silicon rubber sheet (manufactured by ASONE Co., Ltd.) having an opening 31 is disposed as a gasket 3 on the PET film used as the base sheet 2, and the base sheet 2 and the gasket 3 are hot pressed. And pasted together. This is called sheet A. A 500 μm-thick silicon rubber sheet (manufactured by As One Co., Ltd.) having an opening 31 on this sheet A was placed as a mask, and the gasket 3 and the mask 9 were bonded together by hot pressing. This is called a sheet B. Then, the above-mentioned paste composition for a conductive porous substrate is applied to the opening 31 of the sheet B so as to have a thickness of about 200 μm using an applicator, and dried at 95 ° C. for 30 minutes. The conductive porous substrate layer 4a was formed. This is designated as Intermediate A.

続いて、この中間体A上において開口31内にアプリケーターを用いて上記触媒層形成用ペースト組成物を塗工し、95℃で30分乾燥させることにより第1の触媒層5aを形成した。なお、触媒層形成用ペースト組成物の塗工量は、アノード触媒層、カソード触媒層共に白金担持量が0.5mg/cm程度となるようにした。これを中間体Bとする。 Subsequently, on the intermediate A, the catalyst layer forming paste composition was applied in the opening 31 using an applicator, and dried at 95 ° C. for 30 minutes to form the first catalyst layer 5a. The coating amount of the catalyst layer forming paste composition was such that the platinum loading amount was about 0.5 mg / cm 2 in both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. This is designated as Intermediate B.

その後、この中間体B上において開口31内にアプリケーターを用いてイオン伝導性高分子電解質膜溶液(Nafion20wt%溶液:「DE2020」和光純薬工業(株)製)を塗工し、95℃で30分乾燥させることにより電解質膜6を形成した。電解質膜6の厚さは約30μmとなるようにした。これを中間体Cとする。   Thereafter, an ion conductive polymer electrolyte membrane solution (Nafion 20 wt% solution: “DE2020” manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is applied on the intermediate B using an applicator in the opening 31, and is applied at 95 ° C. for 30. The electrolyte membrane 6 was formed by partial drying. The thickness of the electrolyte membrane 6 was about 30 μm. This is intermediate C.

この中間体C上において開口31内にアプリケーターを用いて上記触媒層形成用ペースト組成物を塗工し、95℃で30分乾燥させることにより第2の触媒層5bを作製した。これを中間体Dとする。このとき、電解質膜6が第1の触媒層5aに支持されていることにより、電解質膜6を膨潤させずに触媒層形成用ペースト組成物を塗工することができた。その後、この中間体Dの開口31内にアプリケーターを用いて上記導電性多孔質基材用ペーストを第1の導電性多孔質基材層4aと同様に塗工し、第2の導電性多孔質基材層4bを形成した。これを中間体Fとする。この中間体Fからまずマスク9を剥離し、次に基材シート2を剥離して膜−電極接合体10を得た。   On the intermediate C, the catalyst layer forming paste composition was applied in the opening 31 using an applicator and dried at 95 ° C. for 30 minutes to prepare a second catalyst layer 5b. This is designated as Intermediate D. At this time, since the electrolyte membrane 6 was supported by the first catalyst layer 5a, the catalyst layer forming paste composition could be applied without swelling the electrolyte membrane 6. Thereafter, the paste for conductive porous substrate is applied in the opening 31 of the intermediate D using the applicator in the same manner as the first conductive porous substrate layer 4a, and the second conductive porous substrate is coated. The base material layer 4b was formed. This is designated as Intermediate F. First, the mask 9 was peeled from the intermediate F, and then the substrate sheet 2 was peeled to obtain a membrane-electrode assembly 10.

(実施例2)
第1及び第2の導電性多孔質基材層4a、4b形成する際の導電性多孔質基材用ペースト組成物の塗布厚さが約50μmであること以外は、上記実施例1と同じ要領で膜−電極接合体10を製造した。この実施例においても、電解質膜6を膨潤させずに、電解質膜6上に触媒層形成用ペースト組成物を塗工することができた。
(Example 2)
The same procedure as in Example 1 except that the coating thickness of the conductive porous substrate paste composition when forming the first and second conductive porous substrate layers 4a and 4b is about 50 μm. The membrane-electrode assembly 10 was manufactured. Also in this example, the catalyst layer forming paste composition could be applied on the electrolyte membrane 6 without swelling the electrolyte membrane 6.

1 膜−電極接合体中間体
2 基材シート
3 ガスケット
31 開口
4a 第1の導電性多孔質基材
4b 第2の導電性多孔質基材
5a 第1の触媒層
5b 第2の触媒層
6 電解質膜
8 セパレータ
10 膜−電極接合体
100 固体高分子形燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Membrane-electrode assembly intermediate body 2 Base material sheet 3 Gasket 31 Opening 4a 1st electroconductive porous base material 4b 2nd electroconductive porous base material 5a 1st catalyst layer 5b 2nd catalyst layer 6 Electrolyte Membrane 8 Separator 10 Membrane-electrode assembly 100 Polymer electrolyte fuel cell

Claims (5)

基材シートと、
前記基材シートの一方面上に設けられ、開口が形成された枠状のガスケットと、
前記開口内において前記基材シート上に形成された第1の導電性多孔質基材と、
前記開口内において前記第1の導電性多孔質基材上に形成された第1の触媒層と、
前記開口内において第1の触媒層上に形成された電解質膜と、
前記開口内において前記電解質膜上に形成された第2の触媒層と、
前記開口内において前記第2の触媒層上に形成された第2の導電性多孔質基材と、
を備え、
前記第1及び第2の導電性多孔質基材、前記電解質膜、並びに前記第1及び第2の触媒層の厚さの合計と前記ガスケットの厚さとが同一であり、
前記ガスケットは、前記基材シートの一方面上に貼り合わされている、膜−電極接合体中間体。
A base sheet;
A frame-shaped gasket provided on one surface of the base sheet and having an opening formed thereon;
A first conductive porous substrate formed on the substrate sheet in the opening;
A first catalyst layer formed on the first conductive porous substrate in the opening;
An electrolyte membrane formed on the first catalyst layer in the opening;
A second catalyst layer formed on the electrolyte membrane in the opening;
A second conductive porous substrate formed on the second catalyst layer in the opening;
With
It said first and second conductive porous substrate, the electrolyte membrane, and the total thickness of said gasket thickness of the first and second catalyst layers Ri Ah at the same,
The said gasket is a membrane-electrode assembly intermediate body bonded together on the one surface of the said base material sheet .
基材シートを準備する工程と、
前記基材シートの一方面上に、開口が形成された枠状のガスケットを設ける工程と、
前記開口内において前記基材シート上に第1の導電性多孔質基材を形成する工程と、
前記開口内において前記第1の導電性多孔質基材上に第1の触媒層を形成する工程と、
前記開口内において前記第1の触媒層上に電解質膜を形成する工程と、
前記開口内において前記電解質膜上に第2の触媒層を形成する工程と、
前記開口内において前記第2の触媒層上に第2の導電性多孔質基材を形成する工程と、
を備え、
前記第2の導電性多孔質基材を形成する工程は、
前記ガスケット上にマスクを形成する工程と、
前記ガスケット及び前記マスクの内側において、前記第2の触媒層上に導電性多孔質基材用ペーストを塗布する工程と、
前記導電性多孔質基材用ペーストを乾燥させて前記第2の導電性多孔質基材を形成する工程と、
前記マスクを剥離する工程と、
を備え、
前記導電性多孔質基材用ペーストを塗布する工程において、前記第1の導電性多孔質基材、前記第1の触媒層、前記電解質膜、前記第2の触媒層及び前記導電性多孔質基材用ペーストの厚さの合計は、前記ガスケットの厚さよりも大きい、膜−電極接合体中間体の製造方法。
Preparing a base sheet; and
A step of providing a frame-shaped gasket with an opening formed on one surface of the base sheet;
Forming a first conductive porous substrate on the substrate sheet in the opening;
Forming a first catalyst layer on the first conductive porous substrate in the opening;
Forming an electrolyte membrane on the first catalyst layer in the opening;
Forming a second catalyst layer on the electrolyte membrane in the opening;
Forming a second conductive porous substrate on the second catalyst layer in the opening;
With
The step of forming the second conductive porous substrate comprises:
Forming a mask on the gasket;
Applying a conductive porous substrate paste on the second catalyst layer inside the gasket and the mask; and
Drying the conductive porous substrate paste to form the second conductive porous substrate;
Peeling the mask;
With
In the step of applying the conductive porous substrate paste, the first conductive porous substrate, the first catalyst layer, the electrolyte membrane, the second catalyst layer, and the conductive porous group. The method for producing a membrane-electrode assembly intermediate, wherein the total thickness of the material paste is larger than the thickness of the gasket.
請求項に記載の膜−電極接合体中間体の製造方法と、
前記第2の導電性多孔質基材が形成された膜−電極接合体中間体から前記基材シートを剥離する工程と、
を備える、膜−電極接合体の製造方法。
A method for producing the membrane-electrode assembly intermediate according to claim 2 ,
Peeling the base material sheet from the membrane-electrode assembly intermediate formed with the second conductive porous base material;
A method for producing a membrane-electrode assembly.
前記第1及び第2の導電性多孔質基材、前記電解質膜、並びに前記第1及び第2の触媒層の厚さの合計と前記ガスケットの厚さとが同一である、請求項に記載の膜−電極接合体の製造方法。 It said first and second conductive porous substrate, the electrolyte membrane, and the thickness of the first and second sum and said gasket having a thickness of the catalyst layer is the same, according to claim 3 Manufacturing method of the membrane-electrode assembly. 請求項またはに記載の膜−電極接合体の製造方法と、
前記膜−電極接合体の各導電性多孔質基材及びガスケット上にセパレータを設置する工程と、
を備える、固体高分子形燃料電池の製造方法。
A method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 3 or 4 ,
Installing a separator on each conductive porous substrate and gasket of the membrane-electrode assembly;
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell.
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