JP5804449B2 - Manufacturing method of membrane electrode assembly - Google Patents

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Description

本発明は、高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer fuel cell.

固体高分子形燃料電池の燃料電池セルは、水素イオン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒層を形成してなる膜電極接合体(MEA)と、当該膜電極接合体のそれぞれの触媒層の上に積層されたガス拡散層とを有する構造となっている。ガス拡散層を経由してそれぞれの触媒層に反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)が供給されることで、発電が行なわれる。   A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) formed by forming a catalyst layer on both surfaces of an electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity, and a catalyst layer of each membrane electrode assembly. It has a structure having a gas diffusion layer laminated thereon. Electricity is generated by supplying a reaction gas (fuel gas, oxidant gas) to each catalyst layer via the gas diffusion layer.

触媒層は、触媒である白金を担持したカーボンと、電解質樹脂(アイオノマー)とを含有してなる多孔質層であって、供給された反応ガスにより発電反応を生じさせる電極層を構成する。膜電極接合体(MEA)のうち一方の面に形成された触媒層はアノード(燃料極)を構成し、他方の面に形成された触媒層はカソード(空気極)を構成する。   The catalyst layer is a porous layer containing carbon carrying platinum as a catalyst and an electrolyte resin (ionomer), and constitutes an electrode layer that generates a power generation reaction with the supplied reaction gas. The catalyst layer formed on one surface of the membrane electrode assembly (MEA) constitutes an anode (fuel electrode), and the catalyst layer formed on the other surface constitutes a cathode (air electrode).

このような触媒層を有する膜電極接合体の製造方法として、これまでに様々な方法が提案されている。例えば、下記特許文献1には、白金触媒を担持したカーボン、電解質樹脂、及び溶媒からなる触媒インクを作成し、当該触媒インクをPTFEシートに塗布して乾燥させることにより触媒層を形成する方法が記載されている。膜電極接合体は、触媒層が形成された上記PTFEシートを、電解質膜の両面にホットプレスで接合することで形成される。   Various methods have been proposed so far for producing a membrane electrode assembly having such a catalyst layer. For example, Patent Document 1 below discloses a method of forming a catalyst layer by preparing a catalyst ink made of carbon carrying a platinum catalyst, an electrolyte resin, and a solvent, applying the catalyst ink to a PTFE sheet, and drying the catalyst ink. Have been described. The membrane electrode assembly is formed by joining the PTFE sheet on which the catalyst layer is formed to both surfaces of the electrolyte membrane by hot pressing.

触媒層に含まれる電解質樹脂は、アノードにおいて生成された水素イオン、又は、電解質膜を通過してカソードに到達した水素イオンが通過する経路となるものである。従って、水素イオンの通過抵抗(プロトン抵抗)が小さくなるように、触媒層における電解質樹脂の配置や形状等を最適化すれば、燃料電池の発電効率を高めることができる。   The electrolyte resin contained in the catalyst layer is a path through which hydrogen ions generated at the anode or hydrogen ions that have passed through the electrolyte membrane and reached the cathode pass. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved by optimizing the arrangement and shape of the electrolyte resin in the catalyst layer so that the hydrogen ion passage resistance (proton resistance) is reduced.

特開2010−45003号公報JP 2010-45003 A

上記特許文献1に記載の方法により形成される触媒層においては、カーボン粒子が多孔質の骨材を形成しており、電解質樹脂は当該骨材の表面に沿ってのみ配置されている。このため、触媒層内において水素イオンが通過する経路は、多孔質の骨材表面に沿った経路のみである。すなわち、多孔質の空隙(孔)の壁面に沿うような経路のみであって、例えば空隙の内部を貫くような経路は形成されていない。このように、従来の膜電極接合体における触媒層は、水素イオンの通過抵抗を更に小さくする余地のあるものであった。   In the catalyst layer formed by the method described in Patent Document 1, the carbon particles form a porous aggregate, and the electrolyte resin is disposed only along the surface of the aggregate. For this reason, the path | route through which hydrogen ion passes in a catalyst layer is only a path | route along the porous aggregate surface. That is, only a path along the wall surface of the porous void (hole), for example, a path that penetrates the inside of the void is not formed. Thus, the catalyst layer in the conventional membrane electrode assembly has room for further reducing the passage resistance of hydrogen ions.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒層における水素イオンの通過抵抗が従来のものよりも小さい膜電極接合体を得ることのできる、膜電極接合体の製造方法を提供することにある。   This invention is made | formed in view of such a subject, The objective is the membrane electrode assembly which can obtain the membrane electrode assembly whose passage resistance of the hydrogen ion in a catalyst layer is smaller than the conventional one. It is to provide a manufacturing method.

上記課題を解決するために本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、触媒を担持したカーボンと第一電解質樹脂とを含む触媒層を、シート状に形成された多孔質基材の一方側の面に形成する電極形成工程と、前記多孔質基材のうち前記触媒層が形成されていない方の面と接する空間の圧力を、前記触媒層と接する空間の圧力よりも低い状態とする減圧工程と、前記触媒層に対して、前記第一電解質樹脂と同一の樹脂である第二電解質樹脂を含む液体を塗布する塗布工程と、を有することを特徴としている。   In order to solve the above problems, a method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention is a method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer fuel cell, comprising a catalyst-supporting carbon, a first electrolyte resin, An electrode forming step of forming a catalyst layer containing the catalyst layer on one surface of the porous substrate formed in a sheet shape, and a space in contact with the surface of the porous substrate on which the catalyst layer is not formed And a liquid containing a second electrolyte resin, which is the same resin as the first electrolyte resin, is applied to the catalyst layer and a pressure reducing step that lowers the pressure of the space below the pressure of the space in contact with the catalyst layer. And an application step.

本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、電極形成工程と、減圧工程と、塗布工程とを有している。電極形成工程は、触媒を担持したカーボン粒子と第一電解質樹脂とを含む触媒層を、シート状に形成された多孔質基材の一方側の面に形成する工程である。触媒層は、従来の膜電極接合体における触媒層(電極層)の形成方法と同様の方法によって形成される。すなわち、電極形成工程が完了した時点において、触媒層は多孔質層となっている。   The manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on this invention has an electrode formation process, a pressure reduction process, and an application | coating process. The electrode forming step is a step of forming a catalyst layer containing carbon particles carrying a catalyst and a first electrolyte resin on one surface of a porous substrate formed in a sheet shape. The catalyst layer is formed by the same method as the method for forming the catalyst layer (electrode layer) in the conventional membrane electrode assembly. That is, when the electrode formation step is completed, the catalyst layer is a porous layer.

触媒層が形成された多孔質基材は、膜電極接合体の一部を構成するものである。後の工程(上記塗布工程よりも後の工程)においては、多孔質基材のうち触媒層が形成されていない方の面を電解質膜の表面に当接させた状態でホットプレスを行うことにより、膜電極接合体が形成される。電極形成工程により形成された触媒層が、膜電極接合体の電極層となる。   The porous substrate on which the catalyst layer is formed constitutes a part of the membrane electrode assembly. In the subsequent step (the step after the coating step), hot pressing is performed with the surface of the porous substrate on which the catalyst layer is not formed in contact with the surface of the electrolyte membrane. A membrane electrode assembly is formed. The catalyst layer formed by the electrode forming step becomes the electrode layer of the membrane electrode assembly.

減圧工程は、上記電極形成工程の後に行われる工程であって、多孔質基材のうち触媒層が形成されていない方の面と接する空間の圧力を、触媒層と接する空間の圧力よりも低い状態とする工程である。このような工程は、例えば、外壁の一部に開口が形成された減圧容器を用意し、触媒層が当該減圧容器の外側を向いた状態で、上記開口に対して多孔質基材を装着し、減圧容器の内部を減圧すること等により行われる。多孔質基材及び触媒層はいずれも多孔質であるから、減圧工程以降においては、触媒層から多孔質基材に向かって空気が流れている状態となる。   The depressurization step is a step performed after the electrode formation step, and the pressure of the space in contact with the surface of the porous substrate on which the catalyst layer is not formed is lower than the pressure of the space in contact with the catalyst layer. It is a process of making a state. Such a process includes, for example, preparing a decompression container having an opening formed in a part of the outer wall, and mounting a porous substrate to the opening with the catalyst layer facing the outside of the decompression container. , By depressurizing the inside of the vacuum vessel. Since both the porous substrate and the catalyst layer are porous, air is flowing from the catalyst layer toward the porous substrate after the decompression step.

塗布工程は、上記減圧工程の後に行われる工程であって、電極形成工程で用いた第一電解質樹脂と同一の樹脂である第二電解質樹脂を含む液体を、触媒層に対して塗布する工程である。このとき、触媒層から多孔質基材に向かう空気の流れにより、第二電解質樹脂を含む液体は触媒層の内部に浸透する。その結果、第二電解質樹脂は、多孔質である触媒層の空隙(孔)の内部に分散配置される。   The application step is a step performed after the pressure reduction step, and a step of applying a liquid containing a second electrolyte resin, which is the same resin as the first electrolyte resin used in the electrode forming step, to the catalyst layer. is there. At this time, the liquid containing the second electrolyte resin permeates into the catalyst layer by the flow of air from the catalyst layer toward the porous substrate. As a result, the second electrolyte resin is dispersedly arranged in the voids (pores) of the porous catalyst layer.

以上のような工程を経て得られた触媒層においては、触媒を担持したカーボン粒子が多孔質の骨材を形成し、第一電解質樹脂が当該骨材の表面に沿って配置される。更に、第二電解質樹脂が、多孔質の空隙(孔)を貫くような柱を形成し、当該柱が第一電解質樹脂の表面同士を網目状に繋ぐよう配置される。   In the catalyst layer obtained through the above steps, the carbon particles carrying the catalyst form a porous aggregate, and the first electrolyte resin is disposed along the surface of the aggregate. Further, the second electrolyte resin forms a column penetrating through the porous void (hole), and the column is arranged so as to connect the surfaces of the first electrolyte resin in a network.

その結果、燃料電池の発電中において触媒層内を通過する水素イオンは、従来のような多孔質の骨材表面に沿った経路(空隙の壁面に沿った経路)のみならず、空隙の内部を貫くような経路をも通過することができる。このため、触媒層における水素イオンの通過抵抗は、従来のものよりも小さくなっている。   As a result, during the power generation of the fuel cell, hydrogen ions that pass through the catalyst layer not only in the path along the porous aggregate surface (path along the cavity wall surface) as in the past, but also in the interior of the cavity. It is possible to pass through a route that penetrates. For this reason, the passage resistance of hydrogen ions in the catalyst layer is smaller than the conventional one.

以上のように、本発明に係る膜電極接合体の製造方法によれば、触媒層における水素イオンの通過抵抗が従来のものよりも小さい膜電極接合体を得ることができる。   As described above, according to the method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention, a membrane electrode assembly in which the passage resistance of hydrogen ions in the catalyst layer is smaller than the conventional one can be obtained.

また本発明に係る膜電極接合体の製造方法では、前記塗布工程において塗布された前記液体に含まれる前記第二電解質樹脂の量は、前記電極形成工程で形成された前記触媒層に含まれる第一電解質樹脂の量の50%以下であることも好ましい。   In the method of manufacturing a membrane / electrode assembly according to the present invention, the amount of the second electrolyte resin contained in the liquid applied in the application step may be included in the catalyst layer formed in the electrode formation step. It is also preferable that it is 50% or less of the amount of one electrolyte resin.

最終的に触媒層に含まれる電解質樹脂全体(第一電解質樹脂及び第二電解質樹脂)において、第二電解質樹脂が占める割合が大きくなりすぎると、触媒層における水素イオンの通過抵抗が逆に低下してしまうことがある。これは、カーボン粒子に対する電解質樹脂の付着量が低下することによるものと推測される。   When the proportion of the second electrolyte resin in the entire electrolyte resin (first electrolyte resin and second electrolyte resin) finally contained in the catalyst layer becomes too large, the passage resistance of hydrogen ions in the catalyst layer decreases conversely. May end up. This is presumably due to a decrease in the amount of the electrolyte resin attached to the carbon particles.

この好ましい態様では、塗布工程において塗布された液体に含まれる第二電解質樹脂の量が、電極形成工程で形成された触媒層に含まれる第一電解質樹脂の量の50%以下である。これにより、最終的に触媒層に含まれる電解質樹脂全体(第一電解質樹脂及び第二電解質樹脂)のうち少なくとも50%は、第一電解質樹脂として当該骨材の表面に沿って配置される。その結果、カーボン粒子に対する電解質樹脂の付着量が十分に確保されるため、触媒層における水素イオンの通過抵抗が低下してしまうことがない。   In this preferred embodiment, the amount of the second electrolyte resin contained in the liquid applied in the application step is 50% or less of the amount of the first electrolyte resin contained in the catalyst layer formed in the electrode formation step. Thereby, at least 50% of the entire electrolyte resin (first electrolyte resin and second electrolyte resin) finally contained in the catalyst layer is arranged along the surface of the aggregate as the first electrolyte resin. As a result, the adhesion amount of the electrolyte resin to the carbon particles is sufficiently secured, so that the passage resistance of hydrogen ions in the catalyst layer does not decrease.

本発明によれば、触媒層における水素イオンの通過抵抗が従来のものよりも小さい膜電極接合体を得ることのできる、膜電極接合体の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of a membrane electrode assembly which can obtain the membrane electrode assembly whose passage resistance of the hydrogen ion in a catalyst layer is smaller than the conventional one can be provided.

本発明の一実施形態により得られる膜電極接合体を含む燃料電池セルの断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell containing the membrane electrode assembly obtained by one Embodiment of this invention. 図1に示した燃料電池セルの製法を説明するための分解図である。It is an exploded view for demonstrating the manufacturing method of the fuel battery cell shown in FIG. 図1に示した燃料電池セルのうち、膜電極接合体の製法を説明するための分解図である。It is an exploded view for demonstrating the manufacturing method of a membrane electrode assembly among the fuel cells shown in FIG. 本発明の一実施形態のうち、減圧工程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the pressure reduction process among one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態のうち、塗布工程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an application | coating process among one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態により得られた膜電極接合体の触媒層を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the catalyst layer of the membrane electrode assembly obtained by one Embodiment of this invention.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

図1は、本発明の一実施形態により得られる膜電極接合体を含む燃料電池セルの断面図である。燃料電池セル1は、所謂平板型の高分子電解質型燃料電池(PEFC)であって、平面視矩形に形成されている。図1に示したように、燃料電池セル1は、膜電極接合体10と、一対のガス拡散層20と、一対のセパレータ30とを備えている。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell including a membrane electrode assembly obtained according to an embodiment of the present invention. The fuel cell 1 is a so-called flat plate type polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and is formed in a rectangular shape in plan view. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly 10, a pair of gas diffusion layers 20, and a pair of separators 30.

膜電極接合体10は、水素イオン伝導性を有する電解質膜11の両面に、それぞれ触媒層12a、12bを有しており、所謂MEAと称されるものである。触媒層12a、12bはいずれも、カーボン粒子に白金微粒子を担持させ、更に電解質(アイオノマー)を含有させた触媒層(電極層)として、電解質膜11の両面に形成されている。触媒層12aは酸化剤ガス(例えば空気)と反応するカソード電極層であり、触媒層12bは燃料ガス(例えば水素)と反応するアノード電極層である。膜電極接合体10の具体的な構成や製造方法については、後に詳しく説明する。   The membrane electrode assembly 10 has catalyst layers 12a and 12b on both surfaces of an electrolyte membrane 11 having hydrogen ion conductivity, respectively, and is so-called MEA. Both of the catalyst layers 12a and 12b are formed on both surfaces of the electrolyte membrane 11 as catalyst layers (electrode layers) in which platinum particles are supported on carbon particles and an electrolyte (ionomer) is further contained. The catalyst layer 12a is a cathode electrode layer that reacts with an oxidant gas (for example, air), and the catalyst layer 12b is an anode electrode layer that reacts with a fuel gas (for example, hydrogen). The specific configuration and manufacturing method of the membrane electrode assembly 10 will be described in detail later.

ガス拡散層20は、反応ガスの拡散性を高めるための層であって、膜電極接合体10を両面から挟み込むように配置される。すなわち、燃料電池セル1は、カソード側ガス拡散層20aとアノード側ガス拡散層20bとからなる二つのガス拡散層20を有している。電解質膜11の触媒層12aにはカソード側ガス拡散層20aが積層され、電解質膜11の触媒層12bにはアノード側ガス拡散層20bが積層される。   The gas diffusion layer 20 is a layer for improving the diffusibility of the reaction gas, and is disposed so as to sandwich the membrane electrode assembly 10 from both sides. That is, the fuel cell 1 has two gas diffusion layers 20 including a cathode side gas diffusion layer 20a and an anode side gas diffusion layer 20b. A cathode side gas diffusion layer 20 a is laminated on the catalyst layer 12 a of the electrolyte membrane 11, and an anode side gas diffusion layer 20 b is laminated on the catalyst layer 12 b of the electrolyte membrane 11.

これら二つのガス拡散層20は、いずれも、カーボンペーパーからなる拡散層基材(22a、22b)の一方側の面上に、導電性及び撥水性を有する材料で形成された導電性多孔質層(21a、21b)を備えた構成となっている。ガス拡散層20は、導電性多孔質層(21a、21b)側の面を膜電極接合体10側に向けて配置されている。このため、導電性多孔質層21aが触媒層12aに接した状態となっており、導電性多孔質層21bが触媒層12bに接した状態となっている。ガス拡散層20は、反応ガスの拡散性を高める機能の他、膜電極接合体10側から生成水及び加湿水を排出するための機能や、触媒層12a及び触媒層12bから電流を効率的に取り出すための機能をも担っている。   These two gas diffusion layers 20 are both conductive porous layers formed of a material having conductivity and water repellency on one surface of a diffusion layer substrate (22a, 22b) made of carbon paper. (21a, 21b). The gas diffusion layer 20 is arranged with the surface on the conductive porous layer (21a, 21b) side facing the membrane electrode assembly 10 side. For this reason, the conductive porous layer 21a is in contact with the catalyst layer 12a, and the conductive porous layer 21b is in contact with the catalyst layer 12b. In addition to the function of increasing the diffusibility of the reaction gas, the gas diffusion layer 20 has a function of discharging generated water and humidified water from the membrane electrode assembly 10 side, and a current efficiently from the catalyst layer 12a and the catalyst layer 12b. It also has a function to take out.

セパレータ30は、燃料電池セル1の最も外側に配置された導電性の層であり、カーボンにより形成されている。セパレータ30は、カソード側ガス拡散層20aに隣接して配置されるカソード側セパレータ30aと、アノード側ガス拡散層20bに隣接して配置されるアノード側セパレータ30bとからなるが、これらは互いに同一の形状となっている。   The separator 30 is a conductive layer disposed on the outermost side of the fuel cell 1 and is made of carbon. The separator 30 includes a cathode side separator 30a disposed adjacent to the cathode side gas diffusion layer 20a and an anode side separator 30b disposed adjacent to the anode side gas diffusion layer 20b. These are the same as each other. It has a shape.

カソード側セパレータ30aのうち拡散層基材22aと接する面には、断面が矩形の溝31aが複数本、互いに平行に並ぶように形成されている。これらの溝31aは、拡散層基材22aに対して酸化剤ガスを外部から共有するための流路である。同様に、アノード側セパレータ30bのうち拡散層基材22bと接する面には、断面が矩形の溝31bが複数本、互いに平行に並ぶように形成されている。これらの溝31bは、拡散層基材22bに対して燃料ガスを外部から共有するための流路である。   A plurality of grooves 31a having a rectangular cross section are formed in parallel with each other on the surface of the cathode side separator 30a in contact with the diffusion layer base material 22a. These grooves 31a are channels for sharing the oxidant gas from the outside with respect to the diffusion layer base material 22a. Similarly, a plurality of grooves 31b having a rectangular cross section are formed in parallel with each other on the surface of the anode separator 30b in contact with the diffusion layer base material 22b. These grooves 31b are flow paths for sharing the fuel gas from the outside with respect to the diffusion layer base material 22b.

図1には、一つの燃料電池セル1(単セル)のみを示したが、実際の燃料電池装置においては複数の燃料電池セル1が積層され、セパレータ30を介して互いに電気的に直列接続された状態(セルスタック)となる。一つの燃料電池セル1の発電電圧は約1V程度であるが、上記のように複数の燃料電池セル1を直列接続することにより、数百Vの高電圧を出力することが可能となる。このように、セパレータ30は、複数の燃料電池セル1を電気的に接続する役割と、各燃料電池セル1に対して反応ガスを供給する役割とを担っている。尚、互いに隣接するカソード側セパレータ30aとアノード側セパレータ30bとの間には、燃料電池セル1を冷却するための冷媒流路を形成してもよい。   Although FIG. 1 shows only one fuel cell 1 (single cell), in an actual fuel cell device, a plurality of fuel cells 1 are stacked and electrically connected in series via a separator 30. (Cell stack). Although the power generation voltage of one fuel cell 1 is about 1V, a high voltage of several hundreds V can be output by connecting a plurality of fuel cells 1 in series as described above. As described above, the separator 30 has a role of electrically connecting the plurality of fuel cells 1 and a role of supplying a reaction gas to each fuel cell 1. Note that a refrigerant flow path for cooling the fuel cell 1 may be formed between the cathode side separator 30a and the anode side separator 30b adjacent to each other.

以上のような構成の燃料電池セル1を製作する方法について、図2を参照しながら簡単に説明する。図2は、燃料電池セル1の製法を説明するための分解図である。図2に示したように、まず、電解質膜11に触媒層12a及び触媒層12b形成した状態の膜電極接合体10と、カソード側ガス拡散層20aと、アノード側ガス拡散層20bとがそれぞれ個別に作成される。   A method of manufacturing the fuel cell 1 having the above-described configuration will be briefly described with reference to FIG. FIG. 2 is an exploded view for explaining a manufacturing method of the fuel battery cell 1. As shown in FIG. 2, first, the membrane electrode assembly 10 with the catalyst layer 12a and the catalyst layer 12b formed on the electrolyte membrane 11, the cathode side gas diffusion layer 20a, and the anode side gas diffusion layer 20b are individually provided. To be created.

その後、膜電極接合体10の触媒層12aに対して導電性多孔質層21aを当接させ、膜電極接合体10の触媒層12bに対して導電性多孔質層21bを当接させた状態とする。すなわち、膜電極接合体10をその両面から、カソード側ガス拡散層20aとアノード側ガス拡散層20bとで挟みこんだ状態とする。   Thereafter, the conductive porous layer 21a is brought into contact with the catalyst layer 12a of the membrane electrode assembly 10, and the conductive porous layer 21b is brought into contact with the catalyst layer 12b of the membrane electrode assembly 10. To do. That is, the membrane electrode assembly 10 is sandwiched between the cathode side gas diffusion layer 20a and the anode side gas diffusion layer 20b from both sides.

この状態でホットプレス処理を行い、カソード側ガス拡散層20a、膜電極接合体10、及びアノード側ガス拡散層20bを接合して一体化する。その後、これをカソード側セパレータ30aとアノード側セパレータ30bとで挟みこむ。尚、燃料電池セル1単体の状態では、セパレータ30とガス拡散層20との接合は特に行われない。これらは、複数の燃料電池セル1を積層してセルスタックを構成した状態で、全体を積層方向に沿って圧縮するように保持することにより固定される。   In this state, hot pressing is performed to join and integrate the cathode side gas diffusion layer 20a, the membrane electrode assembly 10, and the anode side gas diffusion layer 20b. Thereafter, this is sandwiched between the cathode side separator 30a and the anode side separator 30b. In the state of the fuel cell 1 alone, the separator 30 and the gas diffusion layer 20 are not particularly joined. These are fixed by holding the whole fuel cell 1 so as to be compressed along the stacking direction in a state where a plurality of fuel cells 1 are stacked to form a cell stack.

続いて、膜電極接合体10の製造方法について、図3を参照しながら説明する。図3は、燃料電池セル1のうち、膜電極接合体10の製法を説明するための分解図である。図3に示したように、膜電極接合体10は、電解質シート110と、電解質シート110の両側に配置される一対の触媒シート40a、40bとを有している。   Then, the manufacturing method of the membrane electrode assembly 10 is demonstrated, referring FIG. FIG. 3 is an exploded view for explaining a manufacturing method of the membrane electrode assembly 10 in the fuel battery cell 1. As illustrated in FIG. 3, the membrane electrode assembly 10 includes an electrolyte sheet 110 and a pair of catalyst sheets 40 a and 40 b disposed on both sides of the electrolyte sheet 110.

電解質シート110は、シート状に形成された緻密な電解質膜であって、電解質膜11の大部分を占めるものである。   The electrolyte sheet 110 is a dense electrolyte film formed in a sheet shape, and occupies most of the electrolyte film 11.

触媒シート40aは、多孔質のPTFEシートである多孔質基材111aの一方側の面に、多孔質の触媒層12aが形成されたものである。また、触媒シート40bは、多孔質のPTFEシートである多孔質基材111bの一方側の面に、多孔質の触媒層12bが形成されたものである。触媒シート40aと触媒シート40bは、形状や材質が互いに同一のものである。   The catalyst sheet 40a is obtained by forming a porous catalyst layer 12a on one surface of a porous substrate 111a which is a porous PTFE sheet. Further, the catalyst sheet 40b is obtained by forming a porous catalyst layer 12b on one surface of a porous substrate 111b which is a porous PTFE sheet. The catalyst sheet 40a and the catalyst sheet 40b have the same shape and material.

膜電極接合体10を形成するに当たっては、触媒シート40aのうち多孔質基材111a側の面を電解質シート110の一方側の面と対向させ、触媒シート40bのうち多孔質基材111b側の面を電解質シート110の他方側の面と対向させて、触媒シート40a、電解質シート110、及び触媒シート40bを重ね合わせた状態とする。その後、これらをホットプレスにより接合して一体とすることで、膜電極接合体10が形成される。このとき、多孔質基材111a、電解質シート110、及び多孔質基材111bは一体となり、電解質膜11となる。   In forming the membrane electrode assembly 10, the surface on the porous substrate 111a side of the catalyst sheet 40a is opposed to the surface on one side of the electrolyte sheet 110, and the surface on the porous substrate 111b side of the catalyst sheet 40b. Is made to face the other surface of the electrolyte sheet 110, and the catalyst sheet 40a, the electrolyte sheet 110, and the catalyst sheet 40b are overlaid. Thereafter, these are joined together by hot pressing to form a membrane electrode assembly 10. At this time, the porous substrate 111 a, the electrolyte sheet 110, and the porous substrate 111 b are integrated to form the electrolyte membrane 11.

続いて、触媒シート40aを形成する方法について、図4及び図5を参照しながら更に詳しく説明する。尚、触媒シート40bを形成する方法については、触媒シート40aの場合と同一であるため、説明を省略する。   Next, the method for forming the catalyst sheet 40a will be described in more detail with reference to FIGS. In addition, about the method of forming the catalyst sheet 40b, since it is the same as the case of the catalyst sheet 40a, description is abbreviate | omitted.

<電極形成工程>まず、白金触媒を担持したカーボン粒子に水を加えよく混合する。これに、電解質溶液(Nafion20wt%溶液:Aldrichi社製)、及び溶媒としてのエタノールを加えて混合し、触媒インクを作成する。   <Electrode formation step> First, water is added to and mixed well with carbon particles carrying a platinum catalyst. To this, an electrolyte solution (Nafion 20 wt% solution: manufactured by Aldrich) and ethanol as a solvent are added and mixed to prepare a catalyst ink.

続いて、多孔質のPTFEシートである多孔質基材111aの一方側の面に、上記の触媒インクを塗布する。触媒インクはその厚さが一様となるように塗布する。その後、塗布された触媒インクを加熱し、乾燥させる。触媒インクは、水及びエタノールが除去されて、多孔質の触媒層12aとなる。   Subsequently, the catalyst ink is applied to one surface of the porous base material 111a which is a porous PTFE sheet. The catalyst ink is applied so that its thickness is uniform. Thereafter, the applied catalyst ink is heated and dried. Water and ethanol are removed from the catalyst ink to form a porous catalyst layer 12a.

<減圧工程>次に、電極形成工程により触媒層12aが形成された多孔質基材111a(触媒シート40a)を、減圧容器に取り付ける。減圧容器は、排気ポンプによって内部の空気を排出し減圧することのできる容器である。減圧容器は、その内部空間と外部空間とを隔てる壁Wの一部に、矩形の開口を有している。当該開口の形状は、触媒シート40aの平面視における外形と略同一形状となっている。図4に示したように、触媒シート40aは、触媒層12aが減圧容器の外側を向いた状態で、上記開口に嵌め込まれるように取り付けられる。図4においては、壁Wの左側が減圧容器の内側であり、壁Wの右側が減圧容器の外側(外部空間)である。   <Decompression step> Next, the porous substrate 111a (catalyst sheet 40a) on which the catalyst layer 12a has been formed in the electrode formation step is attached to a decompression vessel. A decompression container is a container which can exhaust and depressurize internal air with an exhaust pump. The decompression container has a rectangular opening in a part of the wall W separating the internal space and the external space. The shape of the opening is substantially the same as the outer shape of the catalyst sheet 40a in plan view. As shown in FIG. 4, the catalyst sheet 40a is attached so as to be fitted into the opening with the catalyst layer 12a facing the outside of the decompression vessel. In FIG. 4, the left side of the wall W is the inside of the decompression container, and the right side of the wall W is the outside (external space) of the decompression container.

この状態で減圧容器の内部の空気を排出し、減圧容器の内部の気圧を、外部の大気圧よりも低い状態とする。換言すれば、多孔質基材111aのうち触媒層12aが形成されていない方の面と接する空間の圧力を、触媒層12aと接する空間の圧力よりも低い状態とする。   In this state, the air inside the decompression container is discharged, and the pressure inside the decompression container is set to a state lower than the external atmospheric pressure. In other words, the pressure in the space in contact with the surface of the porous substrate 111a where the catalyst layer 12a is not formed is set lower than the pressure in the space in contact with the catalyst layer 12a.

このとき、多孔質基材111a及び触媒層12aはいずれも多孔質であるから、触媒層12aから多孔質基材111aに向かって空気が流れている状態となる。かかる空気の流れを、図4では矢印AFで示している。   At this time, since both the porous base material 111a and the catalyst layer 12a are porous, air is flowing from the catalyst layer 12a toward the porous base material 111a. Such an air flow is indicated by an arrow AF in FIG.

<塗布工程>次に、電極形成工程において触媒インクを作成する際に用いたものと同一の電解質溶液(Nafion20wt%溶液:Aldrichi社製)に対し、水及びエタノールを混合することにより得られる塗布液LQを準備する。かかる塗布液LQは、触媒インクに含まれる電解質樹脂(Nafion)と同一の電解質樹脂を含む液体ということができる。   <Coating Step> Next, a coating solution obtained by mixing water and ethanol with the same electrolyte solution (Nafion 20 wt% solution: manufactured by Aldrich) as used in preparing the catalyst ink in the electrode forming step. Prepare the LQ. The coating liquid LQ can be said to be a liquid containing the same electrolyte resin as the electrolyte resin (Nafion) contained in the catalyst ink.

図5に示したように、上記塗布液LQをスプレーノズルNZの先端から噴射させ、触媒層12aの表面に対して吹き付ける。スプレーノズルNZは図示しない駆動機構により、触媒層12aの表面に沿って移動可能となっている。スプレーノズルNZは、触媒層12aの表面全体に対し一様に塗布液LQが塗布されるように、触媒層12aの表面に沿って移動しながら塗布液LQを噴射する。   As shown in FIG. 5, the coating liquid LQ is sprayed from the tip of the spray nozzle NZ and sprayed onto the surface of the catalyst layer 12a. The spray nozzle NZ can be moved along the surface of the catalyst layer 12a by a drive mechanism (not shown). The spray nozzle NZ sprays the coating liquid LQ while moving along the surface of the catalyst layer 12a so that the coating liquid LQ is uniformly applied to the entire surface of the catalyst layer 12a.

このとき、触媒層12aの表面に塗布された塗布液LQに含まれる電解質樹脂(Nafion)の総量が、電極形成工程において形成された触媒層12aに含まれる電解質樹脂の量の50%以下となるように、スプレーノズルNZからの塗布液LQの噴射速度及び噴射時間等が調整される。   At this time, the total amount of the electrolyte resin (Nafion) contained in the coating liquid LQ applied to the surface of the catalyst layer 12a is 50% or less of the amount of the electrolyte resin contained in the catalyst layer 12a formed in the electrode formation step. In this way, the spraying speed and spraying time of the coating liquid LQ from the spray nozzle NZ are adjusted.

触媒層12aから多孔質基材111aに向かう空気の流れにより、触媒層12aの表面に塗布された塗布液LQは触媒層12aの内部に浸透する。その結果、塗布液LQに含まれる電解質樹脂は、多孔質である触媒層12aの空隙(孔)の内部に分散配置される。その後、触媒層12aを加熱して乾燥させる。   Due to the flow of air from the catalyst layer 12a toward the porous substrate 111a, the coating liquid LQ applied to the surface of the catalyst layer 12a penetrates into the catalyst layer 12a. As a result, the electrolyte resin contained in the coating liquid LQ is dispersedly arranged in the voids (holes) of the porous catalyst layer 12a. Thereafter, the catalyst layer 12a is heated and dried.

以上のような工程を経て得られた触媒層12aにおける電解質樹脂の配置及び形状等について、図6を参照しながら説明する。図6は、膜電極接合体10の触媒層12aを模式的に示した図である。このうち、図6(A)は、減圧工程及び塗布工程を行わない従来の製造工程によって得られた触媒層12aの一部を参考のために示したものであり、空隙POの近傍を模式的に示している。図6(B)は、上記のように減圧工程及び塗布工程を経て得られた触媒層12aの一部を示したものであり、空隙POの近傍を模式的に示している。   The arrangement and shape of the electrolyte resin in the catalyst layer 12a obtained through the above steps will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram schematically showing the catalyst layer 12 a of the membrane electrode assembly 10. Among these, FIG. 6 (A) shows a part of the catalyst layer 12a obtained by the conventional manufacturing process in which the decompression process and the coating process are not performed for reference, and schematically shows the vicinity of the void PO. It shows. FIG. 6B shows a part of the catalyst layer 12a obtained through the pressure reducing step and the coating step as described above, and schematically shows the vicinity of the void PO.

図6(A)に示したように、従来の製造工程によって得られた触媒層12aにおいては、触媒を担持したカーボン粒子CBが多孔質の骨材を形成しており、電解質樹脂からなる樹脂層PE1が、当該骨材の表面に沿ってのみ配置されている。すなわち、電解質樹脂は、多孔質の空隙POの壁面に沿うようにのみ配置されている。   As shown in FIG. 6A, in the catalyst layer 12a obtained by the conventional manufacturing process, the carbon particles CB carrying the catalyst form a porous aggregate, and a resin layer made of an electrolyte resin. PE1 is disposed only along the surface of the aggregate. That is, the electrolyte resin is disposed only along the wall surface of the porous void PO.

一方、図6(B)に示したように、本実施形態に係る製造工程によって得られた触媒層12aにおいては、図6(A)と同様に触媒を担持したカーボン粒子CBが多孔質の骨材を形成しており、電解質樹脂からなる樹脂層PE1が、当該骨材の表面に沿って配置されている。更に図6(B)においては、塗布材に含まれていた電解質樹脂が、多孔質の空隙(孔)を貫くような柱PE2を形成しており、当該柱PE2が樹脂層PE1の表面同士を網目状に繋ぐよう配置されている。   On the other hand, as shown in FIG. 6 (B), in the catalyst layer 12a obtained by the manufacturing process according to the present embodiment, the carbon particles CB carrying the catalyst are porous bones as in FIG. 6 (A). A resin layer PE1 made of an electrolyte resin is disposed along the surface of the aggregate. Further, in FIG. 6B, the electrolyte resin contained in the coating material forms columns PE2 that penetrate through the porous voids (holes), and the columns PE2 cover the surfaces of the resin layer PE1. It is arranged so as to be connected in a mesh shape.

その結果、燃料電池セル1の発電中において触媒層12a内を通過する水素イオンは、従来のような多孔質の骨材表面に沿った経路(空隙POの壁面に沿った経路)のみならず、空隙POの内部を貫くような経路をも通過することができる。このため、触媒層12aにおける水素イオンの通過抵抗は、図6(A)に示した従来のものよりも小さくなっている。   As a result, the hydrogen ions passing through the catalyst layer 12a during power generation of the fuel cell 1 are not only the path along the porous aggregate surface (path along the wall surface of the void PO) as in the prior art, A path that penetrates the inside of the void PO can also be passed. For this reason, the passage resistance of hydrogen ions in the catalyst layer 12a is smaller than the conventional one shown in FIG.

以上のように、本実施形態に係る膜電極接合体10の製造方法によれば、触媒層12a、12bにおける水素イオンの通過抵抗が従来のものよりも小さい膜電極接合体10を得ることができる。   As described above, according to the method for manufacturing the membrane electrode assembly 10 according to the present embodiment, it is possible to obtain the membrane electrode assembly 10 in which the hydrogen ion passage resistance in the catalyst layers 12a and 12b is smaller than the conventional one. .

また、本実施形態においては、塗布工程において塗布された塗布液LQに含まれる電解質樹脂の量が、電極形成工程で形成された触媒層12aに含まれる電解質樹脂の量の50%以下である。これにより、最終的に触媒層に含まれる電解質樹脂全体(樹脂層PE1及び柱PE2)のうち少なくとも50%は、樹脂層PE1として当該骨材の表面に沿って配置される。その結果、カーボン粒子CBに対する電解質樹脂の付着量が十分に確保されるため、触媒層12aにおける水素イオンの通過抵抗が低下してしまうことがない。   In the present embodiment, the amount of the electrolyte resin contained in the coating liquid LQ applied in the application step is 50% or less of the amount of the electrolyte resin contained in the catalyst layer 12a formed in the electrode formation step. Thereby, at least 50% of the entire electrolyte resin (resin layer PE1 and pillar PE2) finally included in the catalyst layer is disposed along the surface of the aggregate as the resin layer PE1. As a result, the adhesion amount of the electrolyte resin to the carbon particles CB is sufficiently secured, so that the hydrogen ion passage resistance in the catalyst layer 12a does not decrease.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.

10:膜電極接合体
11:電解質膜
12a,12b:触媒層
20:ガス拡散層
20a:カソード側ガス拡散層
20b:アノード側ガス拡散層
21a,21b:導電性多孔質層
22a,22b:拡散層基材
30:セパレータ
30a:カソード側セパレータ
30b:アノード側セパレータ
31a,31b:溝
40a,40b:触媒シート
110:電解質シート
111a,111b:多孔質基材
CB:カーボン粒子
LQ:塗布液
NZ:スプレーノズル
PE1:樹脂層
PE2:柱
PO:空隙
W:壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Membrane electrode assembly 11: Electrolyte membrane 12a, 12b: Catalyst layer 20: Gas diffusion layer 20a: Cathode side gas diffusion layer 20b: Anode side gas diffusion layer 21a, 21b: Conductive porous layer 22a, 22b: Diffusion layer Base material 30: Separator 30a: Cathode side separator 30b: Anode side separator 31a, 31b: Groove 40a, 40b: Catalyst sheet 110: Electrolyte sheet 111a, 111b: Porous base material CB: Carbon particles LQ: Coating liquid NZ: Spray nozzle PE1: Resin layer PE2: Pillar PO: Air gap W: Wall

Claims (2)

高分子形燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法であって、
触媒を担持したカーボン粒子と第一電解質樹脂とを含む触媒層を、シート状に形成された多孔質基材の一方側の面に形成する電極形成工程と、
前記多孔質基材のうち前記触媒層が形成されていない方の面と接する空間の圧力を、前記触媒層と接する空間の圧力よりも低い状態とする減圧工程と、
前記減圧工程において、前記触媒層に対して、前記第一電解質樹脂と同一の樹脂である第二電解質樹脂を含む液体を塗布する塗布工程と、
を有することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer fuel cell,
An electrode forming step of forming a catalyst layer containing carbon particles carrying a catalyst and a first electrolyte resin on one surface of a porous substrate formed into a sheet;
A pressure reducing step in which the pressure of the space in contact with the surface of the porous substrate where the catalyst layer is not formed is lower than the pressure of the space in contact with the catalyst layer;
In the decompression step, an application step of applying a liquid containing a second electrolyte resin, which is the same resin as the first electrolyte resin, to the catalyst layer;
A process for producing a membrane electrode assembly, comprising:
前記塗布工程において塗布された前記液体に含まれる前記第二電解質樹脂の量は、前記電極形成工程で形成された前記触媒層に含まれる第一電解質樹脂の量の50%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。   The amount of the second electrolyte resin contained in the liquid applied in the application step is 50% or less of the amount of the first electrolyte resin contained in the catalyst layer formed in the electrode formation step. The method for producing a membrane electrode assembly according to claim 1.
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