JP5760607B2 - Membrane-electrode assembly, method for producing the same, and catalyst layer-electrolyte membrane laminate - Google Patents

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Description

本発明は、膜−電極接合体、及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a membrane-electrode assembly and a method for producing the same.

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の用途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, polymer electrolyte fuel cells have a low operating temperature, low electrolyte resistance, and use a highly active catalyst, so they can achieve high output even in small sizes, and can be used for household cogeneration systems, etc. As soon as practical use is expected.

この固体高分子形燃料電池は、特許文献1に示されるように、電解質膜の両面に触媒層を有する触媒層−電解質膜積層体が形成され、この触媒層−電解質膜積層体の状態でユーザに供給し、ユーザがこの触媒層−電解質膜積層体の各触媒層上に導電性多孔質基材を積層した積層体を上下からセパレータ等で挟持してスタック化している。   In this polymer electrolyte fuel cell, as shown in Patent Document 1, a catalyst layer-electrolyte membrane laminate having a catalyst layer on both sides of an electrolyte membrane is formed, and a user in the state of this catalyst layer-electrolyte membrane laminate is provided. And a user stacks a laminate in which a conductive porous substrate is laminated on each catalyst layer of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate from above and below with a separator or the like to form a stack.

特開2006−216382号公報JP 2006-216382 A

しかしながら、上述したように触媒層−電解質膜積層体の状態で供給すると、ユーザ側において各触媒層上に導電性多孔質基材を積層するという工程が必要となり利便性が悪いという問題がある。また、この問題を解消するために、触媒層−電解質膜積層体の触媒層上に導電性多孔質基材を積層して熱プレスを行うことで導電性多孔質基材を触媒層に接合させてできた膜−電極接合体をユーザに供給することがある。しかしながら、熱プレスを行うことにより、通常10〜200kgf/cm程度の圧力が導電性多孔質基材に掛かるため、導電性多孔質基材中の細孔が潰れてガス拡散性が低下するという問題もある。そこで、本発明は、ガス拡散性を低下させることなく利便性を向上させた膜−電極接合体を提供することを課題とする。 However, if the catalyst layer-electrolyte membrane laminate is supplied as described above, a step of laminating the conductive porous base material on each catalyst layer is required on the user side, which is disadvantageous in terms of convenience. In order to solve this problem, the conductive porous substrate is bonded to the catalyst layer by laminating the conductive porous substrate on the catalyst layer of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate and performing hot pressing. In some cases, the membrane-electrode assembly thus formed is supplied to the user. However, by performing hot pressing, a pressure of about 10 to 200 kgf / cm 2 is usually applied to the conductive porous substrate, so that the pores in the conductive porous substrate are crushed and gas diffusibility is reduced. There is also a problem. Then, this invention makes it a subject to provide the membrane-electrode assembly which improved the convenience, without reducing gas diffusibility.

本発明に係る膜−電極接合体は、イオン伝導性高分子電解質膜と、前記イオン伝導性高分子電解質膜の両面に形成された触媒層と、前記各触媒層上に形成された接着層と、前記接着層を介して前記触媒層上に接着された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 an ion conductive polymer electrolyte membrane, a catalyst layer formed on both surfaces of the ion conductive polymer electrolyte membrane, and an adhesive layer formed on each catalyst layer. And a conductive porous substrate adhered on the catalyst layer via the adhesive layer.

この膜−電極接合体によれば、導電性多孔質基材が、接着層を介して触媒層上に接着されているために、ユーザ側において触媒層上に導電性多孔質基材を積層するという工程が省略され、利便性のよいものとなる。また、触媒層と導電性多孔質基材との間には接着層が介在しているため、導電性多孔質基材を触媒層に接着させる際の圧力は約1kgf/cm以下で済む。このため、導電性多孔質基材中の細孔が潰れることがなく、ひいてはガス拡散性が低下するおそれもない。 According to this membrane-electrode assembly, since the conductive porous substrate is bonded onto the catalyst layer via the adhesive layer, the conductive porous substrate is laminated on the catalyst layer on the user side. This process is omitted and the convenience is improved. Further, since an adhesive layer is interposed between the catalyst layer and the conductive porous substrate, the pressure for adhering the conductive porous substrate to the catalyst layer may be about 1 kgf / cm 2 or less. For this reason, the pores in the conductive porous substrate are not crushed, and as a result, the gas diffusibility is not lowered.

上述した接着層は、接着剤又は粘着剤により構成することができ、また、その形成される位置は、触媒層上の中央部とすることが好ましい。このように触媒層上の中央部に接着層を形成することで、接着層として液状の接着剤を用いた場合、接着剤が触媒層の外周縁からはみ出て電解質膜上に接触するおそれがない。この結果、電解質膜に液状の接着剤が接触することで生じる電解質膜の膨潤を防止することができ、ひいては、電解質膜などの寸法変形やこの寸法変形に起因する導電性多孔質基材のはく離を防止することができる。なお、接着層を粘着剤により構成する場合は、粘着剤単体で接着層を形成してもよいし、両面テープの形態で接着層を形成することもできる。   The above-mentioned adhesive layer can be composed of an adhesive or a pressure-sensitive adhesive, and the position where the adhesive layer is formed is preferably the central part on the catalyst layer. By forming an adhesive layer at the center of the catalyst layer in this way, when a liquid adhesive is used as the adhesive layer, there is no possibility that the adhesive protrudes from the outer peripheral edge of the catalyst layer and contacts the electrolyte membrane. . As a result, swelling of the electrolyte membrane caused by contact of the liquid adhesive with the electrolyte membrane can be prevented. As a result, dimensional deformation of the electrolyte membrane or the like, and peeling of the conductive porous substrate due to this dimensional deformation can be prevented. Can be prevented. In addition, when comprising an adhesive layer with an adhesive, an adhesive layer may be formed in a single adhesive, and an adhesive layer can also be formed with the form of a double-sided tape.

また上記接着層は、その接着面積を約0.1mm以上とすることが好ましい。この接着面積を約0.1mm以上とすることで、搬送中などに導電性多孔質基材が触媒層からはがれ落ちることがないよう十分に接着させることができる。また、触媒層に対する接着層の接着面積率を約30%以下とすることで接着層を介在させたことによる発電性能の低下を防止することができる。なお、この接着層の面積は導電性多孔質膜と触媒層を接着する前の状態、すなわち、導電性多孔質基材、若しくは触媒層上に接着層を形成したときの状態で測定したものである。また、上記接着層は、発電性能の低下を確実に防止するために導電性材料を含有させてもよい。 The adhesive layer preferably has an adhesion area of about 0.1 mm 2 or more. By setting the adhesion area to about 0.1 mm 2 or more, the conductive porous substrate can be sufficiently adhered so as not to peel off from the catalyst layer during transportation. Moreover, the fall of the electric power generation performance by having interposed the contact bonding layer can be prevented by making the contact area ratio of the contact bonding layer with respect to a catalyst layer into about 30% or less. The area of the adhesive layer was measured in the state before the conductive porous membrane and the catalyst layer were bonded, that is, the state when the adhesive layer was formed on the conductive porous substrate or the catalyst layer. is there. The adhesive layer may contain a conductive material in order to reliably prevent a decrease in power generation performance.

また、上記接着層は、層厚を約1〜50μm、好ましくは5〜10μmとすることが好ましい。なお、この層厚は、導電性多孔質膜と触媒層を接着した状態で測定したものである。   The adhesive layer has a thickness of about 1 to 50 μm, preferably 5 to 10 μm. This layer thickness is measured with the conductive porous membrane and the catalyst layer adhered.

また、本発明に係る膜−電極接合体の製造方法は、イオン伝導性高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を準備する工程と、接着層を介して導電性多孔質基材を前記触媒層上に接着する工程と、を含む。   The method for producing a membrane-electrode assembly according to the present invention includes a step of preparing a catalyst layer-electrolyte membrane laminate in which a catalyst layer is formed on both sides of an ion conductive polymer electrolyte membrane, and an adhesive layer. Adhering a conductive porous substrate onto the catalyst layer.

この製造方法によれば、接着層を介して導電性多孔質基材を触媒層に接着させているために、完成した膜−電極接合体は、触媒層−電解質膜積層体に導電性多孔質基材が接着されており、ユーザ側において触媒層−電解質膜積層体に導電性多孔質基材を積層する工程を省略することができ利便性を向上させることができる。また、接着層を介して導電性多孔質基材を触媒層上に接着させているために、この接着に必要な圧力は約1kgf/cm以下で済む。このため、導電性多孔質基材中の細孔が潰れることなく、ひいてはガス拡散性が低下することもない。 According to this manufacturing method, since the conductive porous substrate is bonded to the catalyst layer via the adhesive layer, the completed membrane-electrode assembly is electrically conductive porous to the catalyst layer-electrolyte membrane laminate. Since the base material is adhered, the step of laminating the conductive porous base material on the catalyst layer-electrolyte membrane laminate on the user side can be omitted, and convenience can be improved. In addition, since the conductive porous substrate is adhered onto the catalyst layer via the adhesive layer, the pressure required for this adhesion is about 1 kgf / cm 2 or less. For this reason, the pores in the conductive porous substrate are not crushed, and as a result, the gas diffusibility is not lowered.

上記接着層は、触媒層上に形成してもよいし、導電性多孔質基材上に形成してもよい。   The adhesive layer may be formed on the catalyst layer, or may be formed on a conductive porous substrate.

また、上述した接着層は、接着剤又は粘着剤により形成することができ、また、その形成される位置は、各触媒層上の中央部とすることが好ましい。このように触媒層上の中央部にすることによって、接着層として液状の接着剤を用いた場合、接着剤が触媒層の外周縁からはみ出て電解質膜上に接触するおそれがない、この結果、電解質膜に液状の接着剤が接触することで生じる電解質膜の膨潤を防止することができ、ひいては、電解質膜などの寸法変形やこの寸法変形に起因する導電性多孔質基材のはく離を防止することができる。なお、粘着剤により構成した接着層の具体例としては、両面テープなどを挙げることができる。   Moreover, the above-mentioned adhesive layer can be formed of an adhesive or a pressure-sensitive adhesive, and the position where the adhesive layer is formed is preferably the central portion on each catalyst layer. By using the liquid adhesive as the adhesive layer by using the central portion on the catalyst layer in this way, there is no possibility that the adhesive protrudes from the outer peripheral edge of the catalyst layer and contacts the electrolyte membrane. Swelling of the electrolyte membrane caused by contact of the liquid adhesive with the electrolyte membrane can be prevented, and as a result, dimensional deformation of the electrolyte membrane and the like, and peeling of the conductive porous substrate due to this dimensional deformation can be prevented. be able to. In addition, as a specific example of the adhesive layer composed of the pressure-sensitive adhesive, a double-sided tape or the like can be given.

また、接着層は、その接着面積を約0.1mm以上とすることが好ましい。この接着面積を約0.1mm以上とすることで、搬送中などに導電性多孔質基材が触媒層からはがれ落ちることがないよう十分に接着させることができ、また、触媒層に対する接着層の接着面積率を約30%以下とすることにより接着層を介在させたことによる発電性能の低下を防止することができる。なお、この接着層の面積は、導電性多孔質膜と触媒層を接着する前の状態、すなわち、導電性多孔質基材、若しくは触媒層上に接着層を形成したときの状態で測定したものである。 The adhesive layer preferably has an adhesion area of about 0.1 mm 2 or more. By setting the adhesion area to about 0.1 mm 2 or more, the conductive porous substrate can be sufficiently adhered so as not to peel off from the catalyst layer during transportation or the like, and the adhesion layer to the catalyst layer By reducing the adhesion area ratio to about 30% or less, it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to the interposition of the adhesive layer. The area of the adhesive layer was measured in a state before the conductive porous membrane and the catalyst layer were bonded, that is, when the adhesive layer was formed on the conductive porous substrate or the catalyst layer. It is.

また、上記接着層の層厚は約1〜50μm、好ましくは約5〜10μmであることが好ましい。なお、この層厚は、導電性多孔質膜と触媒層を接着した状態で測定したものである。   The layer thickness of the adhesive layer is about 1-50 μm, preferably about 5-10 μm. This layer thickness is measured with the conductive porous membrane and the catalyst layer adhered.

本発明によれば、ガス拡散性を低下させることなく利便性のよい膜−電極接合体を提供することができる。   According to the present invention, a convenient membrane-electrode assembly can be provided without reducing gas diffusivity.

図1は本発明に係る膜−電極接合体の実施形態を示す側面図である。FIG. 1 is a side view showing an embodiment of a membrane-electrode assembly according to the present invention. 図2は図1の平面図である。FIG. 2 is a plan view of FIG. 図3は本発明に係る膜−電極接合体の製造方法の実施形態を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory view showing an embodiment of a method for producing a membrane-electrode assembly according to the present invention. 図4は本発明に係る膜−電極接合体の変形例を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing a modification of the membrane-electrode assembly according to the present invention. 図5は本発明に係る膜−電極接合体の変形例を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing a modification of the membrane-electrode assembly according to the present invention. 図6は本発明に係る膜−電極接合体の変形例を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing a modification of the membrane-electrode assembly according to the present invention. 図7は本発明に係る膜−電極接合体の変形例を示す平面図である。FIG. 7 is a plan view showing a modification of the membrane-electrode assembly according to the present invention. 図8は本発明に係る膜−電極接合体の変形例を示す平面図である。FIG. 8 is a plan view showing a modification of the membrane-electrode assembly according to the present invention.

以下、本発明に係る膜−電極接合体及びそ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 and a method for producing the same according to the present invention will be described with reference to the drawings.

[膜−電極接合体]
図1に示すように、膜−電極接合体1は、イオン伝導性高分子電解質膜2の両面に触媒層3が形成されており、各触媒層3上には導電性多孔質基材4が接着層5を介して接着されている。なお、電解質膜2の両面に触媒層3が形成されたものを触媒層−電解質膜積層体10という。
[Membrane-electrode assembly]
As shown in FIG. 1, in the membrane-electrode assembly 1, catalyst layers 3 are formed on both surfaces of an ion conductive polymer electrolyte membrane 2, and a conductive porous substrate 4 is formed on each catalyst layer 3. It is bonded via an adhesive layer 5. In addition, what formed the catalyst layer 3 on both surfaces of the electrolyte membrane 2 is called catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 10. FIG.

[イオン伝導性高分子電解質膜]
イオン伝導性高分子電解質膜2は、図2に示すように、平面視矩形状であって、特に限定されるものではないが、その厚さは通常約20〜250μm程度、好ましくは約20〜80μm程度とすることができる。この電解質膜2は、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することにより形成される。水素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。このような水素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)、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」(登録商標)等が挙げられる。水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常1〜60重量%程度、好ましくは5〜30重量%程度である。なお、上記の水素イオン伝導性高分子電解質膜以外には、水酸化物イオン伝導性固高分子電解質膜や液状物質含浸膜も挙げられる。水酸化物イオン伝導性電解質膜としては炭化水素系樹脂又はフッ素系樹脂等が挙げられ、具体例としては炭化水素系樹脂としては、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)A201,211,221や、トクヤマ(株)製のネオセプタ(登録商標)AM−1,AHA等が挙げられ、フッ素系樹脂としては、東ソー(株)製のトスフレックス(登録商標)IE−SF34等が挙げられる。また液状物質含浸膜としては、例えばポリベンゾイミダゾール(PBI)が挙げられる。
[Ion conductive polymer electrolyte membrane]
As shown in FIG. 2, the ion conductive polymer electrolyte membrane 2 has a rectangular shape in plan view and is not particularly limited, but the thickness is usually about 20 to 250 μm, preferably about 20 to It can be about 80 μm. The electrolyte membrane 2 is formed, for example, by applying a solution containing a hydrogen ion conductive polymer electrolyte on a substrate and drying it. Examples of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte include a perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resin, more specifically, a perfluorocarbonsulfonic acid-based resin in which the C—H bond of a hydrocarbon ion-exchange membrane is substituted with fluorine. Examples include polymers (PFS polymers). 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 a hydrogen 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),“ Gore Select ”(registered trademark) manufactured by Gore, and the like. The concentration of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte contained in the hydrogen ion conductive polymer electrolyte-containing solution is usually about 1 to 60% by weight, preferably about 5 to 30% by weight. In addition to the above-described hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a hydroxide ion conductive solid polymer electrolyte membrane and a liquid substance-impregnated membrane are also included. Examples of the hydroxide ion conductive electrolyte membrane include a hydrocarbon resin or a fluorine resin, and specific examples of the hydrocarbon resin include Aciplex (registered trademark) A201, 2111, 221 manufactured by Asahi Kasei Corporation. In addition, Neoceptor (registered trademark) AM-1, AHA manufactured by Tokuyama Corporation and the like, and examples of the fluororesin include Tosflex (registered trademark) IE-SF34 manufactured by Tosoh Corporation. Examples of the liquid substance-impregnated film include polybenzimidazole (PBI).

[触媒層]
触媒層3は、電解質膜2の両面に電解質膜2よりも一回り小さく形成されており、特に限定されるものではないが、その厚さは約1〜200μm、好ましくは約1〜100μmとすることができる。この触媒層3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、水素イオン伝導性高分子電解質若しくは水酸化物イオン伝導性高分子電解質とを含有する。水素イオン伝導性高分子電解質や水酸化物イオン伝導性高分子電解質としては、上述した電解質膜2に使用されるものと同じ材料を使用することができる。
[Catalyst layer]
The catalyst layer 3 is formed slightly smaller than the electrolyte membrane 2 on both surfaces of the electrolyte membrane 2 and is not particularly limited, but the thickness thereof is about 1 to 200 μm, preferably about 1 to 100 μm. be able to. The catalyst layer 3 can be a known platinum-containing catalyst layer (cathode catalyst and anode catalyst). Specifically, it contains carbon particles carrying catalyst particles and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte or a hydroxide ion conductive polymer electrolyte. As the hydrogen ion conductive polymer electrolyte or the hydroxide ion conductive polymer electrolyte, the same materials as those used for the electrolyte membrane 2 described above can be used.

触媒粒子としては、例えば、白金や白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、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、鉄等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。   Examples of the catalyst particles include platinum and platinum compounds. Examples of the platinum compound include an alloy of platinum and at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, palladium, nickel, molybdenum, iridium, iron and the like. 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.

炭素粒子は、導電性を有しているものであれば限定的ではなく、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程度である。この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 carbon particles are not limited as long as they have electrical conductivity, and known or commercially available carbon particles can be widely 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 diameter of the carbon particles is usually about 5 nm to 200 nm, preferably about 20 to 80 nm. The average particle size of the carbon particles can be measured by, for example, a particle size distribution measuring device LA-920: manufactured by Horiba, Ltd.

[導電性多孔質基材]
導電性多孔質基材4は、触媒層3とほぼ同じ大きさで触媒層3上に接着層5を介して接着されており、特に限定されるものではないが、その厚さは約5〜500μm、好ましくは約150〜350μmとすることができる。導電性多孔質基材4としては、公知であり、燃料極、空気極を構成する各種の導電性多孔質基材を使用でき、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、多孔質の導電性基材からなっている。多孔質の導電性基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等が挙げられる。
[Conductive porous substrate]
The conductive porous substrate 4 is bonded to the catalyst layer 3 via the adhesive layer 5 with the same size as the catalyst layer 3 and is not particularly limited. The thickness can be 500 μm, preferably about 150 to 350 μm. The conductive porous substrate 4 is well-known and can use various conductive porous substrates constituting the fuel electrode and the air electrode, and efficiently supplies fuel gas and oxidant gas as fuel to the catalyst layer. Therefore, it consists of a porous conductive substrate. Examples of the porous conductive substrate include carbon paper and carbon cloth.

[接着層]
接着層5は、触媒層3と導電性多孔質基材4とを接着させるためにこれらの間に介在しており、粘着剤又は接着剤によって形成することができる。この接着層5は、図2に示すように触媒層3のほぼ中央に形成されており、その接着面積は約0.1mm以上とすることができ、好ましくは約0.25mm以上、さらに好ましくは約25mm以上とすることができる。その接着面積を約0.1mm以上とすることで、触媒層3と導電性多孔質基材4との接着を十分とし、導電性多孔質基材4が触媒層3から剥がれ落ちることを防止することができる。また、触媒層3に対する接着層5の接着面積率を約30%以下とすることで接着層5による電池性能の低下を防止することができる。なお、この接着層5の接着面積は、導電性多孔質膜4と触媒層3を接着する前の状態、すなわち接着層5を触媒層3上若しくは導電性多孔質基材4上に形成した直後の状態で測定したものである。また、接着層5の層厚は、約1〜50μm、好ましくは約5〜10μmとすることが好ましい。この接着層5の層厚は、導電性多孔質基材4と触媒層3を接着した状態で測定したものである。
[Adhesive layer]
The adhesive layer 5 is interposed between the catalyst layer 3 and the conductive porous substrate 4 in order to adhere them, and can be formed of a pressure-sensitive adhesive or an adhesive. As shown in FIG. 2, the adhesion layer 5 is formed at substantially the center of the catalyst layer 3, and the adhesion area can be about 0.1 mm 2 or more, preferably about 0.25 mm 2 or more, Preferably, it can be about 25 mm 2 or more. By making the adhesion area about 0.1 mm 2 or more, the adhesion between the catalyst layer 3 and the conductive porous substrate 4 is sufficient, and the conductive porous substrate 4 is prevented from peeling off from the catalyst layer 3. can do. Moreover, the fall of the battery performance by the contact bonding layer 5 can be prevented by making the contact area ratio of the contact bonding layer 5 with respect to the catalyst layer 3 into about 30% or less. The adhesion area of the adhesive layer 5 is the state before the conductive porous film 4 and the catalyst layer 3 are bonded, that is, immediately after the adhesive layer 5 is formed on the catalyst layer 3 or the conductive porous substrate 4. It was measured in the state of. The layer thickness of the adhesive layer 5 is about 1 to 50 μm, preferably about 5 to 10 μm. The thickness of the adhesive layer 5 is measured in a state where the conductive porous substrate 4 and the catalyst layer 3 are adhered.

接着層5の材料としては、粘着剤で接着層5を形成する場合は、例えば、アクリル系、ゴム系、シリコーン系の粘着剤を使用できる。具体的には、アクリル酸エステル共重合体、メタクリル酸エステル共重合体、天然ゴム(NR)、合成天然ゴム(IR)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ポリイソブチレン(PIB)、ブチルゴム(IIR)、シリコーンゴム等を挙げることができ、これらを単体で若しくは2種以上を組み合わせて使用することができる。また、接着剤で接着層5を形成する場合は、例えば、酢酸ビニル樹脂系、ポリビニルアルコール系、ポリビニルアセタール系、エチレン・酢酸ビニル樹脂系、塩化ビニル樹脂系、アクリル樹脂系、ポリアミド系、セルロース系、α−オレフィン樹脂系などの熱可塑性樹脂系、又は、ユリア樹脂系、メラミン樹脂系、フェノール樹脂系、レゾルシノール樹脂系、エポキシ樹脂系、ポリエステル樹脂系、ウレタン樹脂系、ポリイミド系、ポリベンズイミダゾール系などの熱硬化性樹脂系、あるいはクロロプレンゴム系、ニトリルゴム系、スチレンブタジエンゴム系、ポリサルファイド系、ブチルゴム系、シリコーン系、アクリルゴム系、ウレタンゴム系などのエラストマー系を挙げることができ、さらに、エステルアクリレート類、エーテルアクリレート類、ウレタンアクリレート類、エポキシアクリレート類、アミノ樹脂アクリレート類、アクリル樹脂アクリレート類、不飽和ポリエステル類などの光硬化樹脂系を挙げることができる。また、その他にもパーフルオロカーボンスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂といったような上記電解質膜2と同様の材料を挙げることができ、具体的には、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)、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」(登録商標)等を挙げることができる。この接着剤も同様に、上述した材料を単体若しくは2種以上を組み合わせて使用することができる。なお、接着剤には、導電性材料や紫外線吸収剤などの添加剤を含有させてもよい。また、接着層5として粘着剤を使用する場合は、粘着剤を単独で触媒層3と導電性多孔質基材4との間に介在させてもよいし、両面テープの形態として触媒層3と導電性多孔質基材4との間に介在させてもよい。   As a material for the adhesive layer 5, when the adhesive layer 5 is formed of an adhesive, for example, an acrylic, rubber-based, or silicone-based adhesive can be used. Specifically, acrylic ester copolymers, methacrylic ester copolymers, natural rubber (NR), synthetic natural rubber (IR), styrene-butadiene rubber (SBR), polyisobutylene (PIB), butyl rubber (IIR) , Silicone rubber, and the like. These can be used alone or in combination of two or more. When the adhesive layer 5 is formed with an adhesive, for example, vinyl acetate resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetal, ethylene / vinyl acetate resin, vinyl chloride resin, acrylic resin, polyamide, cellulose Thermoplastic resin such as α-olefin resin, urea resin, melamine resin, phenol resin, resorcinol resin, epoxy resin, polyester resin, urethane resin, polyimide, polybenzimidazole Thermosetting resin systems such as chloroprene rubber system, nitrile rubber system, styrene butadiene rubber system, polysulfide system, butyl rubber system, silicone system, acrylic rubber system, urethane rubber system, etc. Ester acrylates, ether acrylates Rate, urethane acrylates, epoxy acrylates, amino resin acrylates, mention may be made of a photocurable resin such as an acrylic resin acrylates, unsaturated polyesters. In addition, other materials similar to the electrolyte membrane 2 such as a perfluorocarbon sulfonic acid-based fluorine ion exchange resin can be mentioned. Specifically, “Nafion” (registered trademark) manufactured by DuPont, Asahi Glass Co., Ltd. “Flemion” (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., “Aciplex” (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., “Gore Select” (registered trademark) manufactured by Gore, Inc., and the like. Similarly, this adhesive can be used alone or in combination of two or more. The adhesive may contain an additive such as a conductive material or an ultraviolet absorber. Moreover, when using an adhesive as the contact bonding layer 5, you may interpose an adhesive between the catalyst layer 3 and the electroconductive porous base material 4 alone, and with the catalyst layer 3 as a form of a double-sided tape, It may be interposed between the conductive porous substrate 4.

[製造方法]
次に上述した膜−電極接合体の製造方法について、図3を参照しつつ説明する。
[Production method]
Next, the manufacturing method of the membrane-electrode assembly described above will be described with reference to FIG.

図3に示すように、まず、電解質膜2を準備し、この電解質膜3の両面に触媒層3を形成する。この触媒層3の形成方法は種々の方法を採用することができるが、本実施形態では転写法を採用した場合について説明する。まず、上述した材料からなる電解質膜2を準備し、この電解質膜2の両面に触媒層形成用転写シート6を重ねて配置する(図3(a))。この触媒層形成用転写シート6とは、電解質膜2へと転写される触媒層3が転写用基材61に形成されたものである。   As shown in FIG. 3, first, the electrolyte membrane 2 is prepared, and the catalyst layer 3 is formed on both surfaces of the electrolyte membrane 3. Various methods can be adopted as a method for forming the catalyst layer 3. In this embodiment, a case where a transfer method is adopted will be described. First, an electrolyte membrane 2 made of the above-described material is prepared, and a catalyst layer forming transfer sheet 6 is placed on both surfaces of the electrolyte membrane 2 (FIG. 3A). The catalyst layer forming transfer sheet 6 is one in which the catalyst layer 3 to be transferred to the electrolyte membrane 2 is formed on the transfer substrate 61.

ここで触媒層形成用転写シート6の製造方法について説明する。まず、上述した触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を適当な溶剤に混合、分散して触媒ペーストを作製する。そして、形成される触媒層3が所望の膜厚になるよう、触媒ペーストを転写用基材61上に塗工・乾燥して触媒層3を形成する。必要に応じて離型層を介して触媒ペーストを転写用基材61上に塗工する。各触媒ペーストの塗工方法としては、スクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティングなどの公知の塗工方法を挙げることができる。触媒ペーストを塗工した後、所定の温度及び時間で乾燥することにより転写用基材61上に触媒層3が形成される。乾燥温度は、通常40〜100℃程度、好ましくは60〜80℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常5分〜2時間程度、好ましくは10分〜1時間程度である。   Here, a method for producing the transfer sheet 6 for forming a catalyst layer will be described. First, the carbon particles carrying the catalyst particles and the hydrogen ion conductive polymer electrolyte are mixed and dispersed in a suitable solvent to prepare a catalyst paste. Then, the catalyst layer 3 is formed by coating and drying the catalyst paste on the transfer substrate 61 so that the formed catalyst layer 3 has a desired thickness. If necessary, a catalyst paste is applied onto the transfer substrate 61 via a release layer. Examples of the coating method for each catalyst paste include known coating methods such as screen printing, spray coating, die coating, and knife coating. After applying the catalyst paste, the catalyst layer 3 is formed on the transfer substrate 61 by drying at a predetermined temperature and time. A drying temperature is about 40-100 degreeC normally, Preferably it is about 60-80 degreeC. Although depending on the drying temperature, the drying time is usually about 5 minutes to 2 hours, preferably about 10 minutes to 1 hour.

上記各触媒ペーストに使用される溶剤としては、各種アルコール類、各種エーテル類、各種ジアルキルスルホキシド類、水またはこれらの混合物等が挙げられ、これらの中でもアルコール類が好ましい。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、tert−ブタノール、等の炭素数1〜4の一価アルコール、各種の多価アルコール等が挙げられる。   Examples of the solvent used in each catalyst paste include various alcohols, various ethers, various dialkyl sulfoxides, water, or a mixture thereof. Of these, alcohols are preferable. Examples of alcohols include monohydric alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, 1-butanol, 2-butanol, tert-butanol, and various polyhydric alcohols. .

転写用基材61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、ポリパルバン酸アラミド、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。さらに転写用基材81は、高分子フィルム以外にアート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙などの非塗工紙であってもよい。転写用基材61の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から通常6〜100μm程度、好ましくは10〜30μm程度とするのがよい。従って、転写用基材61としては、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。   As the transfer substrate 61, for example, polyimide, polyethylene terephthalate, polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate. And the like. 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. Further, the transfer substrate 81 may be coated paper such as art paper, coated paper, and lightweight coated paper, non-coated paper such as notebook paper and copy paper, in addition to the polymer film. The thickness of the transfer substrate 61 is usually about 6 to 100 μm, preferably about 10 to 30 μm, from the viewpoints of handleability and economy. Therefore, as the transfer substrate 61, a polymer film that is inexpensive and easily available is preferable, and polyethylene terephthalate or the like is more preferable.

図3に戻って、固体高分子形燃料電池の製造方法について説明を続ける。上述したように作製した触媒層形成用転写シート6を触媒層3が電解質膜2に対面するように配置し(図3(a))、転写シート6の背面側から加熱プレスを施して触媒層3を電解質膜2に転写させて、転写シート6の転写用基材61を剥離する(図3(b))。作業性を考慮すると、触媒層3を電解質膜2の両面に同時に積層することが好ましいが片面ずつ触媒層3を形成することもできる。加熱プレスの加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常0.5〜20MPa程度、好ましくは1〜10MPa程度がよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜2の破損、変形等を避けるために、通常200℃以下、好ましくは150℃以下がよい。このように電解質膜2の両面に触媒層3を形成することで触媒層−電解質膜積層体10が形成される(図3(b))。   Returning to FIG. 3, the description of the method for producing the polymer electrolyte fuel cell will be continued. The transfer sheet 6 for forming a catalyst layer prepared as described above is arranged so that the catalyst layer 3 faces the electrolyte membrane 2 (FIG. 3A), and a heat press is applied from the back side of the transfer sheet 6 to apply the catalyst layer. 3 is transferred to the electrolyte membrane 2, and the transfer substrate 61 of the transfer sheet 6 is peeled off (FIG. 3B). In consideration of workability, it is preferable to simultaneously laminate the catalyst layer 3 on both surfaces of the electrolyte membrane 2, but the catalyst layer 3 can also be formed on each side. The pressure level of the heating press is usually about 0.5 to 20 MPa, preferably about 1 to 10 MPa in order to avoid transfer failure. Further, it is preferable to heat the pressing surface during this pressing operation in order to avoid transfer failure. The heating temperature is usually 200 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or lower, in order to avoid damage or deformation of the electrolyte membrane 2. Thus, the catalyst layer-electrolyte film | membrane laminated body 10 is formed by forming the catalyst layer 3 on both surfaces of the electrolyte membrane 2 (FIG.3 (b)).

続いて、接着層5を、触媒層3の中央に形成する(図3(c))。この接着層5の形成方法としては、接着層5が接着剤により形成される場合は、接着層5をスクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティング、ディスペンサー、インクジェットなどの公知の塗工方法等によって触媒層3上に形成する。また、接着層5が粘着剤により形成される場合も同様に、接着層5をスクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティング、ディスペンサー、インクジェットなどの公知の塗工方法によって触媒層3上に形成する。また、粘着剤を両面テープの形態で使用する場合は、両面テープを所定の大きさに切断して触媒層3上に貼着する。   Subsequently, the adhesive layer 5 is formed at the center of the catalyst layer 3 (FIG. 3C). As a method for forming the adhesive layer 5, when the adhesive layer 5 is formed of an adhesive, the adhesive layer 5 is formed by a known coating method such as screen printing, spray coating, die coating, knife coating, dispenser, or inkjet. And so on. Similarly, when the adhesive layer 5 is formed of an adhesive, the adhesive layer 5 is formed on the catalyst layer 3 by a known coating method such as screen printing, spray coating, die coating, knife coating, dispenser, or inkjet. Form. Moreover, when using an adhesive in the form of a double-sided tape, a double-sided tape is cut | disconnected to a predetermined magnitude | size, and it affixes on the catalyst layer 3. FIG.

そして、上述した材料からなる導電性多孔質基材4を触媒層3上に接着層5を介して接着させる。この接着に必要な圧力は、約1kgf/cm以下でよいため、プレス機などを用いる必要が無く、例えば手で導電性多孔質基材4を触媒層3に対して軽く押す程度で導電性多孔質基材4と触媒層3とが接着する。こうして、膜−電極接合体1が完成する(図3(d))。 Then, the conductive porous substrate 4 made of the above-described material is bonded onto the catalyst layer 3 via the adhesive layer 5. Since the pressure required for this adhesion may be about 1 kgf / cm 2 or less, there is no need to use a press or the like. For example, the conductive porous substrate 4 can be made conductive by lightly pushing the conductive porous substrate 4 against the catalyst layer 3 by hand. The porous substrate 4 and the catalyst layer 3 are bonded. Thus, the membrane-electrode assembly 1 is completed (FIG. 3D).

以上、本実施形態の膜−電極接合体1によれば、触媒層3上に接着層5を介して導電性多孔質基材4が接着しているため、ユーザ側において触媒層3上に導電性多孔質基材4を積層するという工程が不要となり利便性のよいものとなる。また、導電性多孔質基材4に大きな圧力を掛けることなく導電性多孔質基材4を触媒層3上に接着させることができるため、導電性多孔質基材4中の微細な孔が潰れることを防止することができ、ガス拡散性が低下することがない。   As described above, according to the membrane-electrode assembly 1 of the present embodiment, since the conductive porous substrate 4 is adhered to the catalyst layer 3 via the adhesive layer 5, it is electrically conductive on the catalyst layer 3 on the user side. The step of laminating the porous porous substrate 4 is not necessary, and the convenience is improved. In addition, since the conductive porous substrate 4 can be adhered on the catalyst layer 3 without applying a large pressure to the conductive porous substrate 4, fine pores in the conductive porous substrate 4 are crushed. This can be prevented, and the gas diffusivity does not decrease.

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。   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.

例えば、上記実施形態では、電解質膜2の両面に触媒層3を形成する方法として転写法を用いて説明したが、その他にも、スクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティング、ディスペンサー、インクジェットなどの公知の塗工方法によって、電解質膜2の両面に触媒層3を形成することができる。   For example, in the above embodiment, the transfer method has been described as a method for forming the catalyst layer 3 on both surfaces of the electrolyte membrane 2, but other methods such as screen printing, spray coating, die coating, knife coating, dispenser, and inkjet are also used. The catalyst layer 3 can be formed on both surfaces of the electrolyte membrane 2 by a known coating method such as.

また、上記実施形態では、触媒層3上に接着層5を形成してから導電性多孔質基材4を触媒層3に接着させているが、導電性多孔質基材4に接着層5を形成してから触媒層3上に接着層5を介して導電性多孔質基材4を接着させてもよい。   In the above embodiment, the conductive porous substrate 4 is adhered to the catalyst layer 3 after the adhesive layer 5 is formed on the catalyst layer 3, but the adhesive layer 5 is adhered to the conductive porous substrate 4. After the formation, the conductive porous substrate 4 may be adhered to the catalyst layer 3 via the adhesive layer 5.

また、上記実施形態では、接着層5は、触媒層3の中央部に形成されているが、この接着層5が形成される位置や形成パターンは特に限定されるものではなく、例えば、四隅に接着層5を形成したり(図4)、十字状に形成したり(図5)、触媒層3の中央を延びる線状に形成したり(図6)、触媒層3の外周縁上に沿って形成したり(図7)、触媒層3上に海島状に形成したり(図8)することができる。なお、各接着層5の幅は適宜変更することができる。   Moreover, in the said embodiment, although the contact bonding layer 5 is formed in the center part of the catalyst layer 3, the position and formation pattern in which this contact bonding layer 5 is formed are not specifically limited, For example, in four corners The adhesive layer 5 is formed (FIG. 4), formed in a cross shape (FIG. 5), formed in a linear shape extending in the center of the catalyst layer 3 (FIG. 6), or along the outer peripheral edge of the catalyst layer 3 (FIG. 7) or a sea island shape on the catalyst layer 3 (FIG. 8). In addition, the width | variety of each contact bonding layer 5 can be changed suitably.

また、上記実施形態では、触媒層3及び導電性多孔質基材4が電解質膜2よりも一回り小さい形状となっていたが、特にこれに限定されるものではなく、これらを全てほぼ同じ大きさとすることもできる。また、電解質膜2,触媒層3、導電性多孔質基材4は全て平面視矩形状に形成されているが、種々の形状をとることができ、例えば、全て平面視円形とすることもできる。   Moreover, in the said embodiment, although the catalyst layer 3 and the electroconductive porous base material 4 became a little smaller shape than the electrolyte membrane 2, it is not limited to this in particular, These are all the same magnitude | sizes. It can also be. Further, the electrolyte membrane 2, the catalyst layer 3, and the conductive porous substrate 4 are all formed in a rectangular shape in plan view, but can take various shapes, for example, all can be circular in plan view. .

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、以下の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 examples and comparative examples. The present invention is not limited to the following examples.

電解質膜2は、50mm×50mmの大きさに切断された膜厚125μmのNafion115(デュポン社製)を使用した。   As the electrolyte membrane 2, Nafion 115 (manufactured by DuPont) having a thickness of 125 μm cut to a size of 50 mm × 50 mm was used.

この電解質膜2の両面に、22.3mm×22.3mm、層厚20μmの触媒層3を転写法により形成した。具体的には、白金触媒担持カーボン(白金担持量:45.7wt%、田中貴金属社製、TEC10E50E)2gに、1−ブタノール10g、2−ブタノール10g、フッ素樹脂(5wt%ナフィオンバインダー、デュポン社製)20g及び水6gを加え、これらを分散機にて攪拌混合することにより調製した触媒形成用ペーストを、触媒層乾燥後の白金重量が0.4mg/cmとなるようにポリエステルフィルム(東レ製、X44、25μm)上に塗工して触媒層転写フィルムを作製した。そして、この触媒層転写フィルムを、触媒層3が電解質膜2側を向くように中心を合わせて電解質膜2の両面に配置し、135℃、5.0MPa、150秒の条件で熱プレスして電解質膜2の両面に触媒層3を形成した。 A catalyst layer 3 of 22.3 mm × 22.3 mm and a layer thickness of 20 μm was formed on both surfaces of the electrolyte membrane 2 by a transfer method. Specifically, 2 g of platinum catalyst supported carbon (platinum supported amount: 45.7 wt%, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC10E50E), 10 g of 1-butanol, 10 g of 2-butanol, and fluororesin (5 wt% Nafion Binder, manufactured by DuPont) ) and 20g and water 6g added, these catalyst-forming paste prepared by mixing and stirring at disperser, a polyester film as the weight of platinum catalyst after layer drying is 0.4 mg / cm 2 (manufactured by Toray Industries, Inc. X44, 25 μm) to prepare a catalyst layer transfer film. Then, this catalyst layer transfer film is placed on both surfaces of the electrolyte membrane 2 so that the catalyst layer 3 faces the electrolyte membrane 2 side, and is hot pressed under conditions of 135 ° C., 5.0 MPa, 150 seconds. The catalyst layer 3 was formed on both surfaces of the electrolyte membrane 2.

以上のように形成された触媒層−電解質膜積層体10の触媒層3上に、実施例1から8では、以下の表1に示すような条件で接着層5を形成し、その接着層5を介して導電性多孔質基材4を触媒層3上に接着した。なお、実施例1、3、6、7では接着層5として粘着剤(両面テープ)を使用し、実施例2,4,5、8では接着層5として接着剤を使用した。また、比較例1では、単に触媒層3上に導電性多孔質基材4を積層しただけであり接着層5は形成していない。なお、実施例1〜8,及び比較例1で使用した導電性多孔質基材4は、22.3mm×22.3mmのカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H−090、厚さ280μm)である。   In Examples 1 to 8, the adhesive layer 5 is formed on the catalyst layer 3 of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 10 formed as described above under the conditions shown in Table 1 below. The conductive porous substrate 4 was bonded onto the catalyst layer 3 via In Examples 1, 3, 6, and 7, a pressure-sensitive adhesive (double-sided tape) was used as the adhesive layer 5, and in Examples 2, 4, 5, and 8, an adhesive was used as the adhesive layer 5. In Comparative Example 1, the conductive porous substrate 4 is simply laminated on the catalyst layer 3 and the adhesive layer 5 is not formed. The conductive porous substrate 4 used in Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 is 22.3 mm × 22.3 mm carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H-090, thickness 280 μm). is there.

実施例1、3、6、7に使用した粘着剤は、一般工業用の両面テープ(寺岡製作所製、751B、アクリル系粘着剤、厚さ160μm)である。また、実施例2、4、5、8には、フッ素樹脂をバインダーとしたデュポン社製のナフィオンバインダーを接着に使用した。なお、表1中の位置の「中央部」とは触媒層3の中央部に接着層5を形成したことを意味しており、「四隅」とは触媒層3の四隅に接着層5をそれぞれ形成したことを意味している。また、接着面積とは、導電性多孔質基材4と触媒層3を接着する前の状態、すなわち、触媒層3上に接着層5を形成した直後の状態で測定したものであり、接着面積率とは、触媒層3に対する接着層5の接着面積の割合を示している。なお、四隅に接着層5を形成している場合、接着面積とは4つの接着層5を合計した面積を表している。   The pressure-sensitive adhesive used in Examples 1, 3, 6, and 7 is a general industrial double-sided tape (Teraoka Seisakusho, 751B, acrylic pressure-sensitive adhesive, thickness 160 μm). In Examples 2, 4, 5, and 8, Nafion binder manufactured by DuPont using a fluororesin as a binder was used for adhesion. In addition, the “central part” at the position in Table 1 means that the adhesive layer 5 is formed at the central part of the catalyst layer 3, and the “four corners” means the adhesive layer 5 at the four corners of the catalyst layer 3, respectively. It means that it was formed. Further, the adhesion area is measured in a state before the conductive porous substrate 4 and the catalyst layer 3 are bonded, that is, in a state immediately after the adhesion layer 5 is formed on the catalyst layer 3. The rate indicates the ratio of the adhesive area of the adhesive layer 5 to the catalyst layer 3. When the adhesive layers 5 are formed at the four corners, the adhesive area represents the total area of the four adhesive layers 5.

以上のように形成された実施例1から8、及び比較例1に係る膜−電極接合体に対して、接着力、及び発電性能の評価を行った。接着力の評価としては、振とう機(TAITEC社製、NR-3)を使用して200r/minの回転速度で3分間振とうさせた結果、触媒層3と導電性多孔質基材4が接着した状態を保持しているものを「○」、導電性多孔質基材4が触媒層3から剥離した状態のものを「×」とした。また、発電性能は、エレクトロケム社製燃料電池セルを用いて、セル温度70℃、メタノール濃度1mol、アノード側メタノール流量1ml/min、カソード側Air流量 150ml/minで電流電圧測定評価を行った。   For the membrane-electrode assemblies according to Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 formed as described above, the adhesive force and the power generation performance were evaluated. As an evaluation of the adhesive strength, the catalyst layer 3 and the conductive porous substrate 4 were obtained as a result of shaking for 3 minutes at a rotational speed of 200 r / min using a shaker (TAITEC, NR-3). The case where the bonded state was maintained was “◯”, and the case where the conductive porous substrate 4 was peeled off from the catalyst layer 3 was “x”. The power generation performance was evaluated by measuring current and voltage using a fuel cell manufactured by Electrochem Co., Ltd. at a cell temperature of 70 ° C., a methanol concentration of 1 mol, an anode-side methanol flow rate of 1 ml / min, and a cathode-side air flow rate of 150 ml / min.

表1から分かるように、接着層5に両面テープを使用した場合は、接着層5の接着面積が0.3mm×0.3mm以上、接着層5にナフィオンを使用した場合は接着層5の接着面積が0.5mm×0.5mm以上であれば、導電性多孔質基材4が触媒層3に十分に接着していることが分かった。また、接着面積が少なくとも12mm×12mm以下であれば、接着層5を設けても設けなくても発電性能にほぼ変わりがないことも分かった。   As can be seen from Table 1, when the double-sided tape is used for the adhesive layer 5, the adhesive area of the adhesive layer 5 is 0.3 mm × 0.3 mm or more, and when Nafion is used for the adhesive layer 5, the adhesive layer 5 is bonded. It was found that the conductive porous substrate 4 was sufficiently adhered to the catalyst layer 3 when the area was 0.5 mm × 0.5 mm or more. It was also found that if the adhesion area is at least 12 mm × 12 mm or less, the power generation performance is almost unchanged whether or not the adhesive layer 5 is provided.

1 膜−電極接合体
2 イオン伝導性高分子電解質膜
3 触媒層
4 導電性多孔質基材
5 接着層
10 触媒層−電解質膜積層体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Membrane-electrode assembly 2 Ion conductive polymer electrolyte membrane 3 Catalyst layer 4 Conductive porous substrate 5 Adhesive layer 10 Catalyst layer-electrolyte membrane laminate

Claims (11)

イオン伝導性高分子電解質膜と、
前記イオン伝導性高分子電解質膜の両面に形成された触媒層と、
前記各触媒層上に形成された接着層と、
前記接着層を介して前記触媒層上に貼られた導電性多孔質基材と、
を備え、
前記接着層は単独の粘着剤により形成される、又は粘着剤を有する両面テープである、膜−電極接合体。
An ion conductive polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer formed on both surfaces of the ion conductive polymer electrolyte membrane;
An adhesive layer formed on each of the catalyst layers;
A conductive porous substrate pasted on the catalyst layer via the adhesive layer;
With
The adhesive layer is a membrane-electrode assembly formed of a single adhesive or a double-sided tape having an adhesive .
イオン伝導性高分子電解質膜と、
前記イオン伝導性高分子電解質膜の両面に形成された触媒層と、
前記各触媒層上に形成された接着層と、
前記接着層を介して前記触媒層上に貼られた導電性多孔質基材と、
を備え、
前記接着層は、前記触媒層に対する接着面積率が0.03%以上0.8%以下である、膜−電極接合体。
An ion conductive polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer formed on both surfaces of the ion conductive polymer electrolyte membrane;
An adhesive layer formed on each of the catalyst layers;
A conductive porous substrate pasted on the catalyst layer via the adhesive layer;
With
The adhesive layer is a membrane-electrode assembly having an adhesion area ratio with respect to the catalyst layer of 0.03% to 0.8%.
前記接着層は、接着剤又は粘着剤により形成される、請求項2に記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to claim 2, wherein the adhesive layer is formed of an adhesive or a pressure-sensitive adhesive. イオン伝導性高分子電解質膜と、
前記イオン伝導性高分子電解質膜の両面に形成された触媒層と、
前記各触媒層上に形成された接着層と、
前記接着層を介して前記触媒層上に貼られた導電性多孔質基材と、
を備え、
前記接着層は、接着剤又は粘着剤により形成され、前記触媒層に対する接着面積率が0.03%以上30%以下であり、
前記接着剤は、
酢酸ビニル樹脂系、ポリビニルアルコール系、ポリビニルアセタール系、エチレン・酢酸ビニル樹脂系、塩化ビニル樹脂系、アクリル樹脂系、ポリアミド系、セルロース系、α−オレフィン樹脂系、ユリア樹脂系、メラミン樹脂系、フェノール樹脂系、レゾルシノール樹脂系、エポキシ樹脂系、ポリエステル樹脂系、ウレタン樹脂系、ポリイミド系、ポリベンズイミダゾール系、クロロプレンゴム系、ニトリルゴム系、スチレンブタジエンゴム系、ポリサルファイド系、ブチルゴム系、シリコーン系、アクリルゴム系、ウレタンゴム系、エステルアクリレート類、エーテルアクリレート類、ウレタンアクリレート類、エポキシアクリレート類、アミノ樹脂アクリレート類、アクリル樹脂アクリレート類、及び不飽和ポリエステル類からなる群より選択される少なくとも1種である、膜−電極接合体。
An ion conductive polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer formed on both surfaces of the ion conductive polymer electrolyte membrane;
An adhesive layer formed on each of the catalyst layers;
A conductive porous substrate pasted on the catalyst layer via the adhesive layer;
With
The adhesive layer is formed of an adhesive or a pressure-sensitive adhesive, and an adhesion area ratio with respect to the catalyst layer is 0.03% to 30%,
The adhesive is
Vinyl acetate resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetal, ethylene / vinyl acetate resin, vinyl chloride resin, acrylic resin, polyamide, cellulose, α-olefin resin, urea resin, melamine resin, phenol Resin, Resorcinol resin, Epoxy resin, Polyester resin, Urethane resin, Polyimide, Polybenzimidazole, Chloroprene rubber, Nitrile rubber, Styrene butadiene rubber, Polysulfide, Butyl rubber, Silicone, Acrylic Group consisting of rubber, urethane rubber, ester acrylate, ether acrylate, urethane acrylate, epoxy acrylate, amino resin acrylate, acrylic resin acrylate, and unsaturated polyester Ri is at least one selected, membrane - electrode assembly.
前記接着層は、前記触媒層上の外周縁を除く部分に形成された、請求項1から4のいずれかに記載の膜−電極接合体。 The membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the adhesive layer is formed in a portion excluding an outer peripheral edge on the catalyst layer. 前記接着層は、導電性材料を含有している、請求項から5のいずれかに記載の膜−電極接合体。 The membrane-electrode assembly according to any one of claims 2 to 5, wherein the adhesive layer contains a conductive material. イオン伝導性高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された触媒層−電解質膜積層体を準備する工程と、
接着層を前記触媒層上に形成する工程と、
前記接着層を介して導電性多孔質基材を前記触媒層上に接着する工程と、
を含む、膜−電極接合体の製造方法。
A step of preparing a catalyst layer-electrolyte membrane laminate in which a catalyst layer is formed on both surfaces of an ion conductive polymer electrolyte membrane;
Forming an adhesive layer on the catalyst layer;
Adhering a conductive porous substrate onto the catalyst layer via the adhesive layer;
The manufacturing method of the membrane-electrode assembly containing this.
前記導電性多孔質基材は1kgf/cm以下の圧力で前記触媒層上に接着される、請求項7に記載の膜−電極接合体の製造方法。 The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 7, wherein the conductive porous substrate is bonded onto the catalyst layer at a pressure of 1 kgf / cm 2 or less. 前記接着層は、接着剤又は粘着剤により形成される、請求項7または8に記載の膜−電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-electrode assembly according to claim 7 or 8, wherein the adhesive layer is formed of an adhesive or a pressure-sensitive adhesive. 前記導電性多孔質基材の接着後における前記接着層は、前記各触媒層上の外周縁を除く部分に形成される、請求項7から9のいずれかに記載の膜−電極接合体の製造方法。 The membrane-electrode assembly according to any one of claims 7 to 9, wherein the adhesive layer after bonding of the conductive porous substrate is formed in a portion excluding the outer peripheral edge on each catalyst layer. Method. イオン伝導性高分子電解質膜と、
前記イオン伝導性高分子電解質膜の両面に形成された触媒層と、
前記各触媒層上に形成された接着層と、
を備えた、触媒層−電解質膜積層体。
An ion conductive polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer formed on both surfaces of the ion conductive polymer electrolyte membrane;
An adhesive layer formed on each of the catalyst layers;
A catalyst layer-electrolyte membrane laminate comprising:
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JP2002343377A (en) * 2001-05-17 2002-11-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd Electrolyte film-electrode joined body for fuel cell, and manufacturing method of the same
JP2003282088A (en) * 2002-03-20 2003-10-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polymerelectrolyte type fuel cell and production process thereof
JP3827653B2 (en) * 2002-05-22 2006-09-27 本田技研工業株式会社 Method for producing electrode for fuel cell
EP1369948B1 (en) * 2002-05-31 2005-07-20 Umicore AG & Co. KG Process for the manufacture of membrane-electrode-assemblies using catalyst-coated membranes and adhesives
JP4423856B2 (en) * 2003-01-06 2010-03-03 パナソニック株式会社 Fuel cell and its manufacturing method
JP2004259661A (en) * 2003-02-27 2004-09-16 Asahi Glass Co Ltd Membrane/electrode jointed body and its manufacturing method
JP2007317391A (en) * 2006-05-23 2007-12-06 Toyota Motor Corp Electrode for fuel cell and manufacturing method of same, membrane-electrode assembly and manufacturing method of same, and solid polymer fuel cell
JP5423108B2 (en) * 2009-04-03 2014-02-19 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell
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