JP5733182B2 - Manufacturing method of membrane electrode assembly - Google Patents
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Description
本発明は、膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly, a membrane electrode assembly, and a fuel cell.
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池として、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、触媒を担持した導電性の粒子と電解質樹脂とを含む触媒層を接合した膜電極接合体(以下、MEA(Membrane Electrode Assembly)ともいう)を備えたものが知られている。燃料電池においては、MEAの備える触媒層の強度が十分でない場合には、長時間の運転中に触媒層にクラックが発生して、発電性能が低下することがある。そこで、特許文献1に記載の技術では、熱処理により触媒層の強度を向上させている。 As a fuel cell that generates electricity by electrochemical reaction between fuel gas and oxidant gas, a membrane electrode joint in which a catalyst layer containing conductive particles carrying a catalyst and an electrolyte resin is joined to both sides of an electrolyte membrane having proton conductivity A body having a body (hereinafter also referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly)) is known. In a fuel cell, if the strength of the catalyst layer provided in the MEA is not sufficient, cracks may occur in the catalyst layer during long-time operation, and power generation performance may be reduced. Therefore, in the technique described in Patent Document 1, the strength of the catalyst layer is improved by heat treatment.
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、触媒層を熱処理した後に電解質膜と接合しているため、触媒層と電解質膜の界面の抵抗が上昇してプロトン伝導性が低下するおそれがあった。 However, in the technique described in Patent Document 1, since the catalyst layer is bonded to the electrolyte membrane after the heat treatment, the resistance at the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane is increased, and the proton conductivity may be decreased.
前述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、膜電極接合体において、触媒層の強度の向上とプロトン伝導特性の向上とを両立可能な技術を提供することである。 In view of the above-described problems, the problem to be solved by the present invention is to provide a technique capable of achieving both improvement in the strength of the catalyst layer and improvement in proton conduction characteristics in the membrane electrode assembly.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明の第1の形態は、膜電極接合体の製造方法であって、
第1の電解質樹脂を含む触媒層を、第2の電解質樹脂を含む電解質膜上に形成して膜電極接合体を作製する工程と、
水又は有機溶媒を含む雰囲気において、前記作製された膜電極接合体の前記触媒層と前記電解質膜とを、前記第1の電解質樹脂および前記第2の電解質樹脂のガラス転移点以上の温度で、前記触媒層と前記電解質膜とに、0.1MPa以上0.5MPa以下の圧力を加えて熱処理する工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法である。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
A first aspect of the present invention is a method of manufacturing a membrane electrode assembly,
Forming a membrane electrode assembly by forming a catalyst layer containing a first electrolyte resin on an electrolyte membrane containing a second electrolyte resin ;
In an atmosphere containing water or an organic solvent, the fabricated membrane electrode assembly wherein the catalyst layer of said electrolyte membrane, in the first electrolyte resin and the second temperature higher than the glass transition point of the electrolyte resin, A step of heat-treating the catalyst layer and the electrolyte membrane by applying a pressure of 0.1 MPa or more and 0.5 MPa or less ;
It is a manufacturing method of a membrane electrode assembly provided with this.
[適用例1]電極接合体の製造方法であって、第1の電解質樹脂を含む触媒層と、電解質膜と、を用意する工程と、水又は有機溶媒を含む雰囲気において、前記触媒層と前記電解質膜とを前記第1の電解質樹脂のガラス転移点以上の接合温度で接合する工程と、を備える膜電極接合体の製造方法。この方法によれば、触媒層と電解質膜とをガラス転移点以上で接合するので、界面での接合強度が向上する。また、水又は有機溶媒を含む雰囲気で接合するので、熱処理による水分の揮発が抑制され、これによりプロトン伝導性が向上する。よって、膜電極接合体において、触媒層の強度の向上とプロトン伝導特性の向上との両立を図ることができる。 [Application Example 1] A method for producing an electrode assembly, comprising: preparing a catalyst layer containing a first electrolyte resin; and an electrolyte membrane; and in an atmosphere containing water or an organic solvent, Joining the electrolyte membrane at a joining temperature equal to or higher than the glass transition point of the first electrolyte resin. According to this method, since the catalyst layer and the electrolyte membrane are bonded at the glass transition point or higher, the bonding strength at the interface is improved. Moreover, since it joins in the atmosphere containing water or an organic solvent, the volatilization of the water | moisture content by heat processing is suppressed, and, thereby, proton conductivity improves. Therefore, in the membrane electrode assembly, it is possible to achieve both improvement in the strength of the catalyst layer and improvement in proton conduction characteristics.
[適用例2]適用例1記載の製造方法であって、前記電解質膜は第2の電解質樹脂を含み、前記接合温度は、前記第1の電解質樹脂および前記第2の電解質樹脂のガラス転移点以上である、製造方法。この方法によれば、触媒層と電解質膜とのその界面での絡み合いや結晶化が促進されるので、触媒層と電解質膜との接合強度を向上させることができる。 Application Example 2 In the manufacturing method according to Application Example 1, the electrolyte membrane includes a second electrolyte resin, and the bonding temperature is a glass transition point of the first electrolyte resin and the second electrolyte resin. This is the manufacturing method. According to this method, since the entanglement and crystallization at the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane are promoted, the bonding strength between the catalyst layer and the electrolyte membrane can be improved.
[適用例3]適用例1又は適用例2記載の製造方法であって、前記ガラス転移点は110度以上140度以下であり、前記接合温度は200度以下である、製造方法。この方法によれば、110度以上140度以下のガラス転移点を有する電解質樹脂を備える触媒層の強度を向上させることができるとともに、電解質樹脂の分解を抑制することができる。 [Application Example 3] The manufacturing method according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the glass transition point is not less than 110 degrees and not more than 140 degrees, and the bonding temperature is not more than 200 degrees. According to this method, the strength of the catalyst layer including an electrolyte resin having a glass transition point of 110 degrees or more and 140 degrees or less can be improved, and decomposition of the electrolyte resin can be suppressed.
[適用例4]適用例1から適用例3までのいずれか一の適用例記載の製造方法であって、前記触媒層と前記電解質膜とを、0.1MPa以上0.5MPa以下の圧力で接合する、製造方法。この方法によれば、比較的低い圧力で触媒層と電解質膜とを接合するので、触媒層や電解質膜の変形を抑制することができる。 [Application Example 4] The manufacturing method according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the catalyst layer and the electrolyte membrane are joined at a pressure of 0.1 MPa to 0.5 MPa. A manufacturing method. According to this method, since the catalyst layer and the electrolyte membrane are joined at a relatively low pressure, deformation of the catalyst layer and the electrolyte membrane can be suppressed.
本発明は、上述した膜電極接合体の製造方法としての構成のほか、膜電極接合体、膜電極接合体を備える燃料電池、その燃料電池を備えた移動用車両や建物等に設置する定置型の発電装置としても構成することができる。 In addition to the above-described structure as a method for manufacturing a membrane electrode assembly, the present invention provides a membrane electrode assembly, a fuel cell including the membrane electrode assembly, a stationary vehicle installed in a mobile vehicle, a building, or the like including the fuel cell. It can also be configured as a power generator.
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の一実施形態としての製造方法によって製造されたMEA10を備える、燃料電池100の概略構成を示す部分断面図である。この燃料電池100は、反応ガスとして燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば酸素)の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池100は、複数の単セル30が積層されたスタック構造を有する。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a schematic configuration of a
単セル30は、電解質膜11と、電解質膜11の両面にそれぞれ形成されるアノード側触媒層12aおよびカソード側触媒層12cと、を有するMEA10を備える。MEA10の一方の面にはアノード側ガス拡散層22aが、もう一方の面にカソード側ガス拡散層22cが接合されており、アノード側ガス拡散層22aはアノード側セパレータ33aと、カソード側ガス拡散層22cはカソード側セパレータ33cと隣接している。アノード側ガス拡散層22aとアノード側セパレータ33aの間には、燃料ガス流路34aが、カソード側ガス拡散層22cとカソード側セパレータ33cとの間には、酸化剤ガス流路34cが形成されている。
The
電解質膜11は、プロトン伝導性を有するポリマー(以下、電解質樹脂ともいう)の薄膜によって構成することができ、例えば、フッ素樹脂系のイオン交換膜によって構成することができる。より具体的には、電解質膜11は、ナフィオン(Nafion:登録商標)などを用いることができる。
The
アノード側触媒層12aおよびカソード側触媒層12cは、白金や白金合金などの触媒を担持したカーボン粒子などの導電性粒子と、電解質樹脂とを含んでおり、燃料電池100の電極として作用する。以降、アノード側触媒層12aおよびカソード側触媒層12cを、まとめて「触媒層12」ともいう。
The anode-
アノード側ガス拡散層22aおよびカソード側ガス拡散層22cは、ガス透過性を有するとともに導電性を有する材料で形成されている。アノード側ガス拡散層22aおよびカソード側ガス拡散層22cの材料としては、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどの炭素系多孔質体や、金属メッシュ、発泡金属などの金属多孔質体を用いることができる。以降、アノード側ガス拡散層22aおよびカソード側ガス拡散層22cを、まとめて「拡散層22」ともいう。
The anode side
アノード側セパレータ33aおよびカソード側セパレータ33cは、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって形成されている。本実施形態では、アノード側セパレータ33aおよびカソード側セパレータ33cは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって形成されている。なお、アノード側セパレータ33aおよびカソード側セパレータ33cは、緻密質カーボン等のカーボン製部材の他に、プレス成形されたステンレス鋼などの金属部材によって形成することができる。
The
燃料ガス流路34aはアノード側ガス拡散層22aとアノード側セパレータ33aの間に、酸化剤ガス流路34cはカソード側ガス拡散層22cとカソード側セパレータ33cとの間にそれぞれ形成されている。燃料ガス流路34aは水素(H2)ガスの流路であり、酸化剤ガス流路34cは酸素(O2)ガスの流路である。
The fuel
B.MEAの製造方法
図2は、MEA10の製造方法のフローチャートである。まずはじめに、MEA10の材料である電解質膜11と触媒インクとを用意する(ステップS10)。本実施形態では、電解質膜11はデュポン製Nafion膜NR211を用いる。触媒インクは、白金13をカーボン粒子によって担持した触媒担体16と、電解質樹脂17を含む電解質溶液(デュポン製Nafion溶液D2020)とを混合して作製する。なお、本実施形態では、電解質膜11を形成する電解質樹脂(本願の「第2の電解質樹脂」に相当)と触媒インクに含まれる電解質樹脂(本願の「第1の電解質樹脂」に相当)は、ともにパーフルオロスルホン酸系の電解質樹脂である。
B. MEA Manufacturing Method FIG. 2 is a flowchart of a method for manufacturing the MEA 10. First, the
電解質膜11と触媒インクとを用意した後、電解質膜11の一方の面にアノード側触媒層12aを、もう一方の面にカソード側触媒層12cを塗布する(ステップS20)。本実施形態では、触媒層12は、触媒インクをスプレー法により電解質膜11に塗布することで形成する。白金13の目付け量は、アノード側触媒層12a側が0.2mg/cm2、カソード側触媒層12c側が0.4mg/cm2である。
After the
次に、電解質膜11と触媒層12とを、水蒸気雰囲気下において、電解質樹脂17のガラス転移点以上の温度で、接合する(ステップS30)。一般的には、パーフルオロスルホン酸系の電解質樹脂17のガラス転移点は、110度以上140度以下である。以降、電解質膜11と触媒層12とをガラス転移点以上の温度で接合するための熱処理を「接合熱処理」ともいう。この接合熱処理において、相対湿度は30%から80%であり、触媒層12と電解質膜11との接合圧力は、0.1MPa以上0.5MPa以下である。この圧力は、一般的なMEAの作製時における接合圧力(おおよそ1MPa以上)と比較して低い圧力である。
Next, the
電解質樹脂17はガラス転移点以上になると絡み合いや結晶化が進むので、上述の方法によってMEA10を作製すれば、電解質樹脂17を含む触媒層12の強度が向上する。また、本実施形態では、接合熱処理の温度の上限を、200度としたため、スルホン酸基の分解を抑えることができる。よって、プロトンの伝導経路を確保しておくことができる。
Since the entanglement and crystallization proceed when the
図3および図4は本実施形態による効果を説明するための図である。図3は、段階的に熱処理を行う場合を、図4は本実施形態により接合熱処理を行う場合を示している。本実施形態では、電解質膜11に触媒層12を形成し(ステップS20)、その後に、接合熱処理を行う(ステップS30)。図3に示すように、例えば、触媒層12を拡散層22に形成してガラス転移点を超える温度で第1の熱処理を行った後に(図3(A))、触媒層12を備える拡散層22で電解質膜11を狭持して第2の熱処理を行って接合することでも(図3(B))、触媒層12の強度を向上させることはできる。しかし、そのように段階的に熱処理を行うと、第1の熱処理によって、触媒層12において電解質樹脂17の結晶化が進む。その結果、電解質膜11と既に結晶化が進んだ触媒層12とを接合することになるので、図3(B)に示すように電解質膜11と触媒層12との界面での抵抗が高くなり、発電性能が低下してしまう。
3 and 4 are diagrams for explaining the effect of this embodiment. FIG. 3 shows a case where heat treatment is performed in stages, and FIG. 4 shows a case where bonding heat treatment is performed according to the present embodiment. In the present embodiment, the
これに対して、本実施形態では、前述の接合熱処理を電解質膜11に触媒層12を形成した後に行う。そのため、図4に示すように電解質膜11と触媒層12との界面において一体的に結晶化が進行するので、電解質膜11と触媒層12との界面抵抗の上昇を抑えることができる。さらに、本実施形態では、前述の接合熱処理により電解質膜11と触媒層12との界面で一体的に絡み合いや結晶化が進行するので、電解質膜11と触媒層12のそれぞれの備える電解質樹脂17が絡み合うことになる。そのため、一般的なMEAの作製時の接合圧力(おおよそ1MPa以上)と比較して低い圧力でも、十分な接合強度を得ることができる。よって、圧着時の触媒層12や電解質膜11の変形を抑制することができる。また、本実施形態では前述の接合熱処理を水蒸気雰囲気で行う。そのため、電解質膜11および触媒層12においては、接合熱処理による水分の揮発が抑制され、プロトンの伝導経路を確保することができる。よって、触媒層11の強度の向上とプロトン伝導特性の向上とを両立させることができる。
On the other hand, in the present embodiment, the above-described bonding heat treatment is performed after the
C.単セルの発電試験
上述した接合熱処理の効果を調べるために、上述した製造方法におけるステップS30の接合熱処理を行わなかったMEA1と、ステップS30において水蒸気および有機溶媒を供給しないで接合熱処理を行ったMEA2と、ステップS10からステップS30により作製したMEA3とを用意した。MEA2およびMEA3のステップS30における接合温度は160度、接合圧力は0.39MPaである。次に、これらのMEA1、2、3を用いて単セル1、2、3を作製して、発電試験を行った。なお、単セル1、2、3を作製するにあたり、MEA1、2、3ともにステップS20において、触媒層12を拡散層22で狭持して、100度、1.2MPaの圧力で4分間圧着した。この圧着は、電解質樹脂17のガラス転移点以下で行っているため、電解質樹脂17の結晶化は進んでいない。
C. Single Cell Power Generation Test In order to investigate the effect of the above-described bonding heat treatment, MEA1 that did not perform the bonding heat treatment in step S30 in the above-described manufacturing method and MEA2 that performed the bonding heat treatment without supplying water vapor and an organic solvent in step S30 And MEA3 produced by step S10 to step S30 was prepared. The joining temperature in step S30 of MEA2 and MEA3 is 160 degrees, and the joining pressure is 0.39 MPa. Next, single cells 1, 2, and 3 were prepared using these MEAs 1, 2, and 3, and a power generation test was performed. In manufacturing the single cells 1, 2, and 3, in step S20, the MEA 1, 2, and 3 are both sandwiched between the catalyst layers 12 by the
図5は、単セル1、単セル2、単セル3を電流密度0.2A/cm2において発電させた際のセル電圧の測定結果を示す図である。測定は、セル温度80度、無加湿状態で行った。ステップS30の接合熱処理を行わなかった単セル1と比べると、ガラス転移点以上で水蒸気を供給して接合熱処理を行った単セル3は、セル電圧が18mV増加した。一方、ガラス転移点以上で水蒸気を供給せずに接合熱処理を行った単セル2は、接合熱処理を行わなかった単セル1と比較して、セル電圧が16mV低下した。 FIG. 5 is a diagram showing measurement results of cell voltages when the single cell 1, single cell 2, and single cell 3 are generated at a current density of 0.2 A / cm 2 . The measurement was performed at a cell temperature of 80 degrees and in a non-humidified state. Compared with the single cell 1 that was not subjected to the bonding heat treatment in step S30, the cell voltage of the single cell 3 that was subjected to the bonding heat treatment by supplying water vapor above the glass transition point increased by 18 mV. On the other hand, the cell voltage of the single cell 2 that was subjected to the bonding heat treatment without supplying water vapor above the glass transition point was 16 mV lower than the single cell 1 that was not subjected to the bonding heat treatment.
単セル2は、ステップS30における接合熱処理時に水蒸気が供給されていない。したがって、単セル2においては、触媒層12の含水していた水分がガラス転移点を超える熱処理において揮発して、プロトンの伝導経路が減少した結果、単セル1と比較して発電性能が低下したと考えられる。一方、単セル3においては、水蒸気雰囲気下においてガラス転移点以上で接合しているため、プロトンの伝導経路を確保できており、単セル1と比較して発電性能が向上したと考えられる。以上の発電試験から、本実施形態で作製されたMEAは、プロトン伝導特性が向上することを確認できた。
The unit cell 2 is not supplied with water vapor during the bonding heat treatment in step S30. Therefore, in the single cell 2, the moisture contained in the
D.変形例:
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。
D. Variation:
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such Embodiment, A various structure can be taken in the range which does not deviate from the meaning.
D1.変形例1:
上述の実施形態においては、電解質膜11を形成する電解質樹脂17と触媒インクに含まれる電解質樹脂17は同じであるが、異なる電解質樹脂であってもよい。この場合、電解質膜11を形成する電解質樹脂17と触媒インクに含まれる電解質樹脂17との両者のガラス転移点を超える温度で熱処理を行えば、上述の実施形態と同様に、電解質膜11と触媒層12との界面において界面抵抗が減少し、かつ電解質膜11と触媒層12との接合強度の高いMEA10を得ることができる。
D1. Modification 1:
In the above-described embodiment, the
D2.変形例2:
上述の実施形態のステップS20においては、触媒層12は、触媒インクを電解質膜11にスプレー法により塗布しているが、触媒層12は、ドクターブレード法、スクリーン印刷法などによって電解質膜11に塗布してもよい。また、触媒層12は、電解質膜11に直接塗布するのではなく、触媒インクを塗布した転写用のシートで電解質膜11を狭持してガラス転移点未満の温度で熱処理した後に、シートを剥がすことによって、電解質膜11の両側に形成してもよい。また、接合熱処理は、触媒インクを拡散層22に塗布した後、その拡散層22で電解質膜11を狭持してから行ってもよい。さらに接合熱処理は、触媒インクを塗布した転写用のシートや拡散層22による電解質膜11の狭持と同時に行ってもよい。
D2. Modification 2:
In step S20 of the above-described embodiment, the
D3.変形例3:
上述の実施形態では、触媒として白金13を用いているが、触媒としては例えば、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム等の貴金属や、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、クロム、銅、亜鉛、モリブデン、タングステン、ゲルマニウム、錫等の卑金属や、これら貴金属と卑金属との合金、また金属酸化物、金属錯体などの化合物を採用することもできる。
D3. Modification 3:
In the above-described embodiment,
D4.変形例4:
上述の実施形態では、触媒としての白金13をカーボン粒子が担持しているが、カーボン粒子に代えて、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。
D4. Modification 4:
In the above-described embodiment, carbon particles carry
D5.変形例5:
上述の実施形態では、電解質膜11としてNafionを用いているが、電解質膜11としては、例えば、アシプレックス(登録商標)やフレミオン(登録商標)等の他のフッ素系スルホン酸膜が用いられるとしてもよい。
D5. Modification 5:
In the above-described embodiment, Nafion is used as the
D6.変形例6:
上述の実施形態では、水蒸気雰囲気において電解質膜11と触媒層12との接合熱処理を行っているが、有機溶媒雰囲気や、水と有機溶媒とを含む雰囲気において行ってもよい。有機溶媒として、例えばエタノールなどを使用することができる。
D6. Modification 6:
In the above-described embodiment, the bonding heat treatment between the
11…電解質膜
12…触媒層
12a…アノード側触媒層
12c…カソード側触媒層
13…白金
16…触媒担体
17…電解質樹脂
22…拡散層
22a…アノード側ガス拡散層
22c…カソード側ガス拡散層
30…単セル
33a…アノード側セパレータ
33c…カソード側セパレータ
34a…燃料ガス流路
34c…酸化剤ガス流路
100…燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (2)
第1の電解質樹脂を含む触媒層を、第2の電解質樹脂を含む電解質膜上に形成して膜電極接合体を作製する工程と、
水又は有機溶媒を含む雰囲気において、前記作製された膜電極接合体の前記触媒層と前記電解質膜とを、前記第1の電解質樹脂および前記第2の電解質樹脂のガラス転移点以上の温度で、前記触媒層と前記電解質膜とに、0.1MPa以上0.5MPa以下の圧力を加えて熱処理する工程と、
を備える膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane electrode assembly, comprising:
Forming a membrane electrode assembly by forming a catalyst layer containing a first electrolyte resin on an electrolyte membrane containing a second electrolyte resin ;
In an atmosphere containing water or an organic solvent, the fabricated membrane electrode assembly wherein the catalyst layer of said electrolyte membrane, in the first electrolyte resin and the second temperature higher than the glass transition point of the electrolyte resin, A step of heat-treating the catalyst layer and the electrolyte membrane by applying a pressure of 0.1 MPa or more and 0.5 MPa or less ;
The manufacturing method of a membrane electrode assembly provided with this.
前記ガラス転移点は110度以上140度以下であり、前記温度は200度以下である、製造方法。 A method of manufacturing a mounting serial to claim 1,
The glass transition point is 110 degrees or more and 140 degrees or less, and the temperature is 200 degrees or less.
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