JP7108476B2 - MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND METHOD FOR MANUFACTURING FUEL CELL - Google Patents
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Description
本発明は、膜電極接合体及び燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a membrane electrode assembly and a fuel cell.
固体高分子型の燃料電池は、2つの電極間に、イオン伝導性を有する固体高分子の電解質膜を備える燃料電池である。電解質膜とその両面に設けられた2つの電極は、膜電極接合体と呼ばれている。 A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that includes an ion-conducting solid polymer electrolyte membrane between two electrodes. An electrolyte membrane and two electrodes provided on both sides thereof is called a membrane electrode assembly.
固体高分子型の燃料電池では、原料ガスとして一方の電極に水素ガスが供給され、他方の電極に酸素ガスが供給される。水素ガスが供給された電極では、水素ガスがプロトンと電子に分離する反応が生じる。この電子が外部回路を経由して他方の電極に移動することにより、電流が発生する。酸素ガスが供給された電極では、電解質膜を経由して一方の電極から移動してきたプロトンと電子が酸素ガスと反応して水が生成される。各電極は、原料ガスの反応が生じる触媒層を含む。触媒層は、触媒作用の向上のために電解質膜と同様のイオン伝導性の高分子電解質を含むことが一般的である。 In a polymer electrolyte fuel cell, hydrogen gas is supplied to one electrode as source gas, and oxygen gas is supplied to the other electrode. At the electrode supplied with hydrogen gas, a reaction occurs in which the hydrogen gas is separated into protons and electrons. Current is generated by the movement of these electrons to the other electrode via an external circuit. At the electrodes supplied with oxygen gas, protons and electrons transferred from one electrode via the electrolyte membrane react with the oxygen gas to produce water. Each electrode includes a catalyst layer in which reactions of source gases occur. The catalyst layer generally contains an ion-conducting polymer electrolyte similar to the electrolyte membrane for enhanced catalytic action.
膜電極接合体は、ウェットプロセスにより製造されることが一般的である。具体的には、電解質膜は、高分子電解質等の膜の原料を、水、アルコール等の溶媒と混合してインクを調製し、調製したインクを基材上に塗布又は流延して乾燥することで形成される。触媒層も同様のウェットプロセスによって形成される(例えば、特許文献1参照。)。
A membrane electrode assembly is generally manufactured by a wet process. Specifically, the electrolyte membrane is prepared by mixing a raw material for the membrane such as a polymer electrolyte with a solvent such as water or alcohol to prepare an ink, coating or casting the prepared ink on a substrate, and drying the ink. formed by A catalyst layer is also formed by a similar wet process (see
溶媒を使用するウェットプロセスは、乾燥、冷却、溶媒の回収、再利用、廃棄時の無害化のための処理等の工程が必要になる。必要な設備だけでなく、製造に要する手間や時間も増えるため、全体として製造コストが増加しやすい。 A wet process that uses a solvent requires processes such as drying, cooling, recovery of the solvent, reuse, and treatment for detoxification at the time of disposal. Since not only the required equipment but also the labor and time required for manufacturing increase, the overall manufacturing cost tends to increase.
本発明は、膜電極接合体及び燃料電池の製造コストを減らすことを目的とする。 An object of the present invention is to reduce the manufacturing costs of membrane electrode assemblies and fuel cells.
本発明の一側面によれば、触媒層(21)を含む2つの電極(2)間に電解質膜(1)を備える膜電極接合体(4)の製造方法であって、前記2つの電極(2)の前記触媒層(21)及び前記電解質膜(1)の1つ以上を、ドライプロセスにより形成するステップ(S2~S4)を含み、前記ドライプロセスにより形成される前記触媒層(21)又は前記電解質膜(1)は、ナノメートルサイズの粒子状であって、粒子の形状が異なる高分子電解質を含む、膜電極接合体の製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a membrane electrode assembly (4) comprising an electrolyte membrane (1) between two electrodes (2) including a catalyst layer (21), comprising: 2) comprising steps (S2 to S4) of forming one or more of the catalyst layer (21) and the electrolyte membrane (1) by a dry process, wherein the catalyst layer (21) formed by the dry process or There is provided a method for producing a membrane electrode assembly, wherein the electrolyte membrane (1) is in the form of nanometer-sized particles and contains polymer electrolytes with different particle shapes .
本発明の他の側面によれば、膜電極接合体(4)を備える燃料電池の製造方法であって、前記膜電極接合体(4)は、触媒層(21)を含む2つの電極(2)と、前記2つの電極(2)間に設けられた電解質膜(1)と、を備え、前記2つの電極(2)の前記触媒層(21)及び前記電解質膜(1)の1つ以上を、ドライプロセスにより形成するステップ(S2~S4)を含み、前記ドライプロセスにより形成される前記触媒層(21)又は前記電解質膜(1)は、ナノメートルサイズの粒子状であって、粒子の形状が異なる高分子電解質を含む、燃料電池の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a fuel cell comprising a membrane electrode assembly (4), wherein the membrane electrode assembly (4) comprises two electrodes (2 ) and an electrolyte membrane (1) provided between the two electrodes (2), wherein one or more of the catalyst layer (21) of the two electrodes (2) and the electrolyte membrane (1) is formed by a dry process (S2 to S4), and the catalyst layer (21) or the electrolyte membrane (1) formed by the dry process is in the form of nanometer-sized particles, A method of making a fuel cell is provided that includes polymer electrolytes of different shapes .
本発明によれば、膜電極接合体及び燃料電池の製造コストを減らすことができる。 According to the present invention, manufacturing costs of membrane electrode assemblies and fuel cells can be reduced.
以下、本発明の膜電極接合体及び燃料電池の製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する構成は、本発明の一実施態様としての一例(代表例)であり、本発明は以下に説明する構成に限定されない。 An embodiment of the method for manufacturing a membrane electrode assembly and a fuel cell according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The configuration described below is an example (representative example) as one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the configuration described below.
(燃料電池)
本発明の製造方法によって製造される燃料電池は、単セル構造を有する燃料電池であってもよいし、スタック構造を有する燃料電池であってもよい。
図1は、燃料電池の基本単位である燃料電池セルの構成例を示している。
(Fuel cell)
The fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention may be a fuel cell having a single cell structure or a fuel cell having a stack structure.
FIG. 1 shows a configuration example of a fuel cell, which is a basic unit of a fuel cell.
図1に示す燃料電池セル10は、水素ガスと酸素ガスの供給を受けて発電する固体高分子電解質型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)である。燃料電池セル10は、図1に示すように、2つのセパレータ3と、2つのセパレータ3間に設けられた膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)4とを備える。セパレータ3には、燃料電池セル10に供給される原料ガスを膜電極接合体4へ流す流路が設けられている。燃料電池セル10がスタック構造である場合、セパレータ3は隣り合うセル間を電気的に接続する。
A
(膜電極接合体)
膜電極接合体4は、図1に示すように、電解質膜1と、2つの電極2とを備える。電解質膜1及び2つの電極2の1つ以上がドライプロセスにより形成される。
(Membrane electrode assembly)
The
電解質膜1は、2つの電極2間に設けられる。電解質膜1は、イオン伝導性を有する高分子電解質の膜である。
電解質膜1に使用できる高分子電解質としては、プロトン供与性の有機高分子、無機高分子、セラミックス等が挙げられる。なかでも、イオン伝導性の向上の観点からは、有機高分子が好ましい。電解質膜1に使用できる有機高分子電解質としては、例えばスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基等の酸性の官能基を有するフッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー等が挙げられる。フッ素系ポリマーとしては、例えばパーフルオロスルホン酸ポリマー等が挙げられる。炭化水素系ポリマーとしては、例えばスルホン化ポリエーテルエーテルケトン(SPEEK)、スルホン化ポリエーテルスルホン(SPES)、スルホン化ポリフェニルスルホン(SPPSU)、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルイミド、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスチレン等の芳香族系ポリマー、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルリン酸等の脂肪族系ポリマー等が挙げられる。
An
Polymer electrolytes that can be used for the
電解質膜1がドライプロセスにより形成される場合、電解質膜1の高分子電解質として、ナノメートルサイズの粒子状の高分子電解質が使用される。高分子電解質の表面でのイオン伝導は、バルク部分でのイオン伝導に比べて速く、伝導距離も長い。つまり、高分子電解質の表面積が大きいほどイオン伝導性が高くなる。ナノメートルサイズの粒子の高分子電解質は、ナノメートル単位よりサイズが大きい粒状の高分子電解質と比べて、全体としての表面積が大きいため、イオン伝導性に優れた電解質膜1が得られる。また、乾燥工程が不要なドライプロセスによって電解質膜1を形成することにより、ナノメートルサイズの粒子が乾燥時に融着することによって、全体としての表面積が減ること、粒子の形状が変化することを避けることができる。膜形成後も広い表面積を維持して高いイオン伝導性を発揮することができる。
When the
高分子電解質の粒子の平均粒子径は、ナノメートルサイズであればよく、例えば1~999nmの範囲内で選択できる。イオン伝導性の向上の観点からは、高分子電解質の平均粒子径は、5~500nmであることが好ましい。 The average particle size of the polymer electrolyte particles may be any nanometer size, and can be selected within the range of 1 to 999 nm, for example. From the viewpoint of improving ion conductivity, the average particle size of the polymer electrolyte is preferably 5 to 500 nm.
上記高分子電解質の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)又は走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により観察したn個の粒子の粒子径の平均値として求めることができる。粒子の形状が、球状である場合は直径を粒子径として求め、楕円状、円柱状、繊維状等の球状以外の場合は長径と短径の平均値を粒子径として求めればよい。nは、例えば200~300とすることができる。 The average particle size of the polymer electrolyte can be obtained as the average value of the particle sizes of n particles observed with a transmission electron microscope (TEM) or a scanning electron microscope (SEM). can. When the shape of the particles is spherical, the diameter is determined as the particle size. When the shape of the particles is non-spherical such as elliptical, cylindrical, fibrous, etc., the average value of the major axis and the minor axis may be determined as the particle size. n can be 200-300, for example.
高分子電解質の形状は、平均粒子径がナノメートルサイズであれば特に限定されず、球状、星状(表面に突起を有する球状)、楕円体状、円柱状、繊維状、針状、板状等の任意の形状とすることができる。表面積を広げてイオン伝導性をより高める観点からは、高分子電解質は、表面に凹凸を有する形状を有することが好ましい。同様の観点から、繊維状の形状を有する高分子電解質は、粒子径が長いことが好ましい。また、粒状の高分子電解質が球状以外の形状を有する場合、電解質膜1の異方性を抑えるため、粒子がランダムに配向していることが好ましい。
The shape of the polymer electrolyte is not particularly limited as long as the average particle size is nanometer size, and is spherical, star-shaped (spherical with protrusions on the surface), ellipsoidal, cylindrical, fibrous, needle-shaped, and plate-shaped. etc. can be used. From the viewpoint of expanding the surface area and further increasing the ion conductivity, the polymer electrolyte preferably has a shape having unevenness on the surface. From the same point of view, the polymer electrolyte having a fibrous shape preferably has a long particle size. Moreover, when the granular polymer electrolyte has a shape other than a spherical shape, the particles are preferably randomly oriented in order to suppress the anisotropy of the
ナノメートルサイズの粒状の高分子電解質は、セルフアセンブリ法、フェイズ・セパレーション法、電界紡糸法(Electrospinning)等により得ることができる。また、ナノメートルサイズの粒状の高分子電解質は、ミルサー、超音波等による粉砕、ペレタイザー(例えば、Gala Industries社製)によるペレット化等によっても得ることができる。
また、ナノメートルサイズの粒状の高分子電解質として、市販品を使用することもできる。市販品としては、トレパール(登録商標)(東レ社製)等が挙げられる。
A nanometer-sized granular polymer electrolyte can be obtained by a self-assembly method, a phase separation method, an electrospinning method, or the like. Also, the nanometer-sized granular polymer electrolyte can be obtained by pulverization by a miller, ultrasonic waves, or the like, pelletization by a pelletizer (manufactured by Gala Industries, for example), or the like.
Commercially available products can also be used as nanometer-sized granular polymer electrolytes. Examples of commercially available products include Trepearl (registered trademark) (manufactured by Toray Industries, Inc.).
電解質膜1は、高分子電解質の膜中にバインダー、ラジカルクエンチャー等の添加剤を必要に応じて含むことができる。特に、ナノメートルサイズの粒状の高分子電解質を用いた電解質膜1は、バインダーをさらに含むことが好ましい。電解質膜1中のバインダーは、高分子電解質の粒子間に介在して、粒子間を一方の電極2から他方の電極2へ流れる原料ガスを遮蔽して、原料ガスのリークを減らすことができる。
The
電解質膜1に使用できるバインダーとしては、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン等の汎用のポリマーが挙げられる。また、バインダーとしては、上述した高分子電解質を使用することもできる。ナノメートルサイズの高分子電解質とは融点又はガラス転移点等が異なる高分子電解質をバインダーとして使用することにより、後述するようにバインダーのみ溶融させることができる。バインダーは、高分子電解質と同様のナノメートルサイズの粒状であってもよいし、そうでなくてもよい。
Binders that can be used for the
高分子電解質の融点又はガラス転移温度は、バインダーの融点又はガラス転移温度より高いことが好ましい。これにより、加圧又は加熱によってバインダーのみ溶融させることが容易になる。 The melting point or glass transition temperature of the polymer electrolyte is preferably higher than the melting point or glass transition temperature of the binder. This makes it easy to melt only the binder by pressurization or heating.
ラジカルクエンチャーは、ラジカルを補足して高分子電解質の劣化を抑制する。ラジカルクエンチャーとしては、例えばセシウム、セリウム等の酸化物、ポリフェニルスルフィド等が挙げられる。 A radical quencher captures radicals to suppress deterioration of the polymer electrolyte. Radical quenchers include, for example, cesium, cerium oxides, polyphenyl sulfides, and the like.
電解質膜1中の高分子電解質の含有量は、十分なイオン伝導性を得る観点から、90~100質量%であることが好ましい。
The content of the polymer electrolyte in the
(電極)
2つの電極2は、電解質膜1の両面にそれぞれ設けられる。一方の電極2はアノードであり、燃料極とも呼ばれる。他方の電極2はカソードであり、空気極とも呼ばれる。アノードである電極2では、セパレータ3を介して供給された水素ガス(H2)から電子(e-)とプロトン(H+)を生成する反応が生じる。電子は外部回路を経由してカソードである電極2へ移動する。この電子の移動により外部回路では電流が発生する。プロトンは電解質膜1を経由してカソードである電極2へ移動する。カソードである電極2では、セパレータ3を介して酸素ガス(O2)が供給され、外部回路から移動してきた電子により酸素イオン(O2-)が生成される。酸素イオンは、電解質膜1から移動してきたプロトン(2H+)と結合して、水(H2O)になる。
(electrode)
Two
電極2は、図1に示すように、触媒層21及びガス拡散層22を備える。
ガス拡散層22は、供給された原料ガスを各電極2に均一に拡散させる目的で、必要に応じて設けることができる。ガス拡散層22としては、例えばカーボン繊維等の導電性、ガス透過性及びガス拡散性を有する多孔性繊維シート、発泡金属、エキスパンドメタル等の多孔性の金属板を用いることができる。
The
The
燃料電池セル10は、図1に示すように、電極2の外周にシール材5を備えることができる。シール材5は、電極2の外周を封止して電極2から外部への原料ガスのリークを減らす。
As shown in FIG. 1, the
(触媒層)
触媒層21は、電解質膜1に隣接して設けられる。触媒層21は、触媒、担体及び高分子電解質を含み、触媒によって原料ガスの反応を促進する。触媒層21では、粒子状の触媒が担体に担持され、高分子電解質によって担体及び触媒が被覆されている。
(catalyst layer)
(触媒)
触媒としては、水素ガス又は酸素ガスの反応の触媒作用を有するのであれば特に限定されないが、例えば白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、タングステン(W)、鉛(Pb)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、モリブデン(Mo)、ガリウム(Ga)及びアルミニウム(Al)等の金属、これら金属の混合物、合金等が挙げられる。なかでも、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性等を向上させる観点から、白金、白金を含む混合物又は合金が好ましい。触媒が合金からなる場合、合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、例えば白金の含有量を30~90原子%とし、その他の金属の含有量を10~70原子%とすることができる。
(catalyst)
The catalyst is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the reaction of hydrogen gas or oxygen gas. Osmium (Os), Tungsten (W), Lead (Pb), Iron (Fe), Chromium (Cr), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Manganese (Mn), Vanadium (V), Molybdenum (Mo), Metals such as gallium (Ga) and aluminum (Al), mixtures and alloys of these metals, and the like. Among them, platinum and mixtures or alloys containing platinum are preferable from the viewpoint of improving catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, and heat resistance. When the catalyst is made of an alloy, the composition of the alloy is, for example, 30 to 90 atomic percent of platinum and 10 to 70 atomic percent of other metals, depending on the type of metals to be alloyed. be able to.
触媒の平均粒子径は、特に限定されないが、触媒利用率及び担体での担持性の向上の観点からは、好ましくは1~30nm、より好ましくは1~20nmである。
触媒の平均粒子径は、X線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径として求めることができる。また、触媒の平均粒子径は、TEM又はSEMにより観察したn個の触媒粒子の粒子径の平均値として求めることもできる。nは、例えば200~300とすることができる。
Although the average particle size of the catalyst is not particularly limited, it is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1 to 20 nm, from the viewpoint of improving the catalyst utilization rate and supportability on the carrier.
The average particle size of the catalyst can be determined as the crystallite size obtained from the half width of the diffraction peak of the catalyst particles in X-ray diffraction. The average particle size of the catalyst can also be determined as the average value of the particle sizes of n catalyst particles observed by TEM or SEM. n can be 200-300, for example.
(担体)
担体としては、細孔を有する導電性の多孔性金属化合物を用いることができる。多孔性金属化合物としては、例えばメソポーラスカーボンが挙げられる。メソポーラスカーボンとしては、例えばケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)等のカーボンブラック、複数層のグラフェンシートが積層されてメソポーラスが形成された構造を有するカーボン等が挙げられる。また、多孔性金属化合物としては、例えばPtブラック、Pdブラック、フラクタル状に析出させたPt金属、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物等が挙げられる。なかでも、分散性が良好で表面積が大きく、触媒の担持量が多い場合でも高温での粒子成長が少ない観点からは、メソポーラスカーボンが好ましい。
(Carrier)
A conductive porous metal compound having pores can be used as the support. Examples of porous metal compounds include mesoporous carbon. Examples of mesoporous carbon include carbon black such as Ketjenblack (registered trademark), acetylene black, and Vulcan (registered trademark), and carbon having a structure in which multiple layers of graphene sheets are laminated to form a mesoporous carbon. Examples of porous metal compounds include Pt black, Pd black, fractal-precipitated Pt metal, oxides, nitrides, carbides, oxynitrides of Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, etc. substances, carbonitrides, and the like. Among them, mesoporous carbon is preferable from the viewpoint of good dispersibility, large surface area, and little particle growth at high temperatures even when a large amount of catalyst is supported.
担体の平均粒子径は、特に限定されないが、触媒粒子の担持性を高める観点からは、10~100nmが好ましい。
担体の平均粒子径は、触媒の平均粒子径と同様にして、TEM又はSEMにより求めることができる。
Although the average particle size of the carrier is not particularly limited, it is preferably 10 to 100 nm from the viewpoint of enhancing the supportability of the catalyst particles.
The average particle size of the carrier can be determined by TEM or SEM in the same manner as the average particle size of the catalyst.
担体のBET比表面積は、多くの触媒粒子を担持する観点から、50m2/g以上が好ましく、500m2/g以上がより好ましく、700m2/g以上がさらに好ましい。一方、担体のBET比表面積は、均一に触媒粒子を担持する観点から、1500m2/g以下が好ましく、1300m2/g以下がより好ましく、1000m2/g以下がさらに好ましい。したがって、担体のBET比表面積は、50~1500m2/gが好ましく、500~1300m2/gがより好ましく、700~1000m2/gがさらに好ましい。
上記担体のBET比表面積は、窒素吸着法により測定される。
From the viewpoint of supporting many catalyst particles, the BET specific surface area of the carrier is preferably 50 m 2 /g or more, more preferably 500 m 2 /g or more, and even more preferably 700 m 2 /g or more. On the other hand, the BET specific surface area of the carrier is preferably 1500 m 2 /g or less, more preferably 1300 m 2 /g or less, and even more preferably 1000 m 2 /g or less, from the viewpoint of uniformly supporting the catalyst particles. Therefore, the BET specific surface area of the carrier is preferably 50 to 1500 m 2 /g, more preferably 500 to 1300 m 2 /g, even more preferably 700 to 1000 m 2 /g.
The BET specific surface area of the carrier is measured by a nitrogen adsorption method.
担体に担持された触媒の質量は、触媒と担体を合わせた質量(100質量%)に対して、通常1~99質量%とすることができ、触媒活性及び担持性の向上の観点からは、10~90質量%が好ましく、20~80質量%がより好ましい。 The mass of the catalyst supported on the carrier can be usually 1 to 99% by mass with respect to the combined mass of the catalyst and the carrier (100% by mass). 10 to 90% by mass is preferred, and 20 to 80% by mass is more preferred.
(高分子電解質)
触媒層21に使用できる高分子電解質としては、上述の電解質膜1と同様の高分子電解質が挙げられる。
触媒層21がドライプロセスにより形成される場合、触媒層21の高分子電解質として、電解質膜1と同様に、ナノメートルサイズの粒子状の高分子電解質が使用される。
(polymer electrolyte)
Polymer electrolytes that can be used for the
When the
ナノメートルサイズの粒子状の高分子電解質を含む触媒層21は、電解質膜1と同様に、バインダーをさらに含むことが好ましい。触媒層21中のバインダーは、高分子電解質の粒子同士を結着して、粒子間のイオン伝導性を高める。高分子電解質の融点又はガラス転移温度が、バインダーの融点又はガラス転移温度より高いことが好ましい点は、電解質膜1と同じである。
As with the
(膜電極接合体の製造方法)
上述した膜電極接合体4は、電解質膜1及び2つの電極2の1つ以上を、ドライプロセスにより形成することにより、製造される。ドライプロセスで製造することにより、膜から溶媒を除去するための乾燥工程、除去した溶媒の回収、再利用、廃棄等の工程を減らすことができる。製造設備を縮小し、製造に要する手間や時間も減らすことができるため、全体的な製造コストを減らすことができる。製造コストをより減らす観点からは、電解質膜1及び2つの電極2のすべてがドライプロセスで形成されることが好ましい。
(Manufacturing method of membrane electrode assembly)
The
ドライプロセスにより形成される電解質膜1又は電極2は、ナノメートルサイズの粒子状の高分子電解質を含む。この粒子状の高分子電解質の膜をドライプロセスで形成することにより、膜形成後も粒子のサイズ及び形状を維持することができ、広い表面積による高いイオン伝導性を発揮することができる。
The
図2は、膜電極接合体4のすべての膜をドライプロセスにより形成する場合の製造装置の一例を示している。
図2に示すように、製造装置100は、搬送機構50、シール部61、65、積層部62~64及び安定化処理部66を備える。製造装置100は、膜電極接合体4をロール・トゥ・ロールで製造する。
FIG. 2 shows an example of a manufacturing apparatus for forming all the films of the
As shown in FIG. 2, the
搬送機構50は、巻き出しローラー51、巻き取りローラー52及び複数の搬送ローラー53を備える。搬送機構50は、巻き出しローラー51によりロール状の基材Wを巻き出して、巻き出した基材Wのシートを各搬送ローラー53により搬送する。また、搬送機構50は、基材W上に電解質膜1及び電極2を積層することにより得られた膜電極接合体4のシートを、巻き取りローラー52により巻き取る。
The conveying
基材Wとしては、電極2のガス拡散層22として使用されるカーボン繊維シート等を使用できる。触媒層21のみの電極2を形成する場合は、基材Wとして保護フィルム等を用い、後で保護フィルムを剥がしてカーボン繊維シートを貼り合わせる等してガス拡散層22を設けることもできる。以下、ガス拡散層22を基材Wとして用いた場合を説明する。
As the base material W, a carbon fiber sheet or the like used as the
シール部61では、基材Wであるガス拡散層22上にシール材5が接着される。
In the sealing
積層部62及び64では、ドライプロセスにより触媒層21の材料である触媒、担体及び高分子電解質の各粒子を堆積させることで、触媒層21が形成される。触媒層21の形成に使用できるドライプロセスとしては、例えばパウダージェットデポジション法、電界紡糸法、静電スプレー法等が挙げられる。なお、積層部62及び64では、マスクの使用等により、シール材5の内側に触媒層21を形成する。ここでは、シール材5を含む膜電極接合体4の製造例を説明しているが、シール材5が設けられない膜電極接合体4を製造する場合は、このようなパターンの形成は不要である。
In the
パウダージェットデポジション法の場合、触媒層21の材料、例えば白金を担持したカーボン担体と、ナノメートルサイズの粒子状の高分子電解質とをヘンシェルミキサー等により混合し、得られたパウダー混合物を噴射して堆積させることにより、膜を形成する。触媒層21がバインダーを含み、バインダーの粘性が高く、他の材料との均一な混合が難しい場合は、バインダーを凍結乾燥等によって乾燥してパウダー状に調整した後、混合してもよい。
In the case of the powder jet deposition method, the material of the
電界紡糸法の場合、触媒層21の材料を溶媒の混合液をシリンジに入れ、シリンジのニードルとガス拡散層22間に高電圧をかけながら混合液を射出させる。電圧が閾値を超えると、電荷の反発力が液滴の表面張力を超えて、電荷を帯びた噴流(ジェット)が発生する。電場内で噴流は伸長して、非常に細いナノメートルサイズの繊維状の粒子が形成され、ガス拡散層22上に粒子が堆積して膜が形成される。噴流時に液滴から溶媒が蒸発するため、形成された膜はドライ状態である。電界紡糸法によれば、膜の形成と並行してナノメートルサイズの高分子電解質の形成が可能である。
In the case of the electrospinning method, a mixture of the material of the
静電スプレー法では、触媒層21の材料と溶媒の混合液が、電圧が印加されたキャピラリーに収容され、キャピラリー先端から帯電した混合液が噴射(スプレー)される。噴射された液滴から溶媒が蒸発し、液滴内の電荷の反発力が液滴の表面張力を超えると、液滴は分裂する。この溶媒の蒸発と分裂を繰り返して、液滴は微細なナノメートルサイズの粒子となって、静電気力によりガス拡散層22側に引き寄せられて堆積することで、膜が形成される。
In the electrostatic spray method, a mixed liquid of the material of the
上記パウダージェットデポジション法によれば、溶媒を使用しないため、乾燥、溶媒の回収、リサイクル、廃棄等の工程が不要となり、製造コストを減らすことができる。電界紡糸法及び静電スプレー法によれば、溶媒を使用するが、蒸発するため、乾燥工程が不要となり、製造コストを減らすことができる。使用できる溶媒としては、例えば水、アルコール等の沸点が低い極性溶媒が挙げられる。 According to the powder jet deposition method, since no solvent is used, processes such as drying, solvent recovery, recycling, and disposal are not required, and the production cost can be reduced. According to the electrospinning method and the electrostatic spraying method, a solvent is used, but since it evaporates, a drying process is unnecessary, and the manufacturing cost can be reduced. Solvents that can be used include, for example, polar solvents with low boiling points such as water and alcohols.
なお、触媒層21をウェットプロセスにより形成する場合、使用できるウェットプロセスとしては、特に限定されず、例えば触媒層21の材料をバインダーとともに混合して得られたスラリーをスリットから押し出すダイコート法、触媒層21の材料を溶媒と混合したインクを使用するキャスト法、ロールコート法、フローコート法、インクジェット法、スプレーコート法、ディップコート法、バーコート法、グラビア印刷法等が使用できる。インクの溶媒としては、通常、水、アルコール等のプロトン性極性溶媒が使用される。溶媒によって高分子電解質が膨潤又は溶解し、粒子のサイズ及び形状の変形することを避けるため、高分子電解質が膨潤又は溶解しない溶媒を選択することが好ましい。
When the
ウェットプロセスにおいてバインダーを使用する場合、高分子電解質の融点Tm、ガラス転移点Tg及び分解温度Tdのうちの最も低い温度T1が、高分子電解質とバインダーを合わせた複合樹脂の可塑化温度T2より高いことが好ましい。可塑化温度T2は、複合樹脂が流動を開始するときの温度である。ウェットプロセスでは、溶融混錬、乾燥等の際に加熱されるが、高分子電解質の温度T1の方が温度T2より高いため、加熱時の温度調整により、溶融による粒子のサイズ及び形状の変化を抑えることが容易となる。高分子電解質の種類によっては、融点Tm、ガラス転移点Tg及び分解温度Tdのいずれかが存在しない場合もあるが、この場合は存在する温度の中から決定すればよい。例えば、ガラス転移温度が300℃、分解温度が450℃、融点が存在しない高分子電解質の場合、温度T1は300℃である。 When a binder is used in a wet process, the lowest temperature T1 among the melting point Tm, glass transition point Tg and decomposition temperature Td of the polymer electrolyte is higher than the plasticizing temperature T2 of the composite resin combining the polymer electrolyte and the binder. is preferred. The plasticizing temperature T2 is the temperature at which the composite resin starts to flow. In the wet process, the temperature T1 of the polymer electrolyte is higher than the temperature T2. easier to suppress. Depending on the type of polymer electrolyte, any one of the melting point Tm, glass transition point Tg, and decomposition temperature Td may not exist. In this case, the temperature may be determined from existing temperatures. For example, in the case of a polymer electrolyte having a glass transition temperature of 300°C, a decomposition temperature of 450°C, and no melting point, the temperature T1 is 300°C.
複合樹脂が非晶性である場合は、一般にガラス転移点Tgを超えると流動を開始するので、可塑化温度T2はT2>Tgの関係を満たす。複合樹脂が結晶性である場合は融点Tmを超えると流動を開始するので、可塑化温度T2はT2>Tmの関係を満たす。高分子電解質の粒子のサイズ及び形状の変化をより抑える観点からは、非晶性の複合樹脂の可塑化温度T2は、Tg+5℃以上であることが好ましい。また、結晶性の複合樹脂の可塑化温度T2は、Tm+5℃であることが好ましい。 When the composite resin is amorphous, it generally starts to flow when the glass transition point Tg is exceeded, so the plasticizing temperature T2 satisfies the relationship of T2>Tg. When the composite resin is crystalline, it starts to flow when the melting point Tm is exceeded, so the plasticizing temperature T2 satisfies the relationship of T2>Tm. From the viewpoint of further suppressing changes in the size and shape of the polymer electrolyte particles, the plasticizing temperature T2 of the amorphous composite resin is preferably Tg+5° C. or higher. Moreover, the plasticizing temperature T2 of the crystalline composite resin is preferably Tm+5°C.
上記温度条件を満たす複合樹脂を溶融混錬する場合、溶融混錬によってバインダーは流動するが高分子電解質は流動しない。溶融混錬時の複合樹脂の温度tが、T2≦t<T1の関係を満たすように、押出機のシリンダの温度をT2以上とするか、混錬時の剪断による発熱分の温度を加えてシリンダの温度がT2以上となるように、シリンダの温度を設定すればよい。また、滞留時間によっても溶融体の温度が変化するので、温度tが温度T1を超えないように、シリンダでの滞留時間を調整すればよい。なお、温度tは、ダイから押し出された直後の溶融体の温度を放射温度計等により測定することで得られる。 When the composite resin satisfying the above temperature conditions is melt-kneaded, the binder is fluidized by the melt-kneading, but the polymer electrolyte is not fluidized. In order that the temperature t of the composite resin during melt kneading satisfies the relationship of T2≦t<T1, the temperature of the cylinder of the extruder is set to T2 or higher, or the temperature of the heat generated by shearing during kneading is added. The temperature of the cylinder may be set so that the temperature of the cylinder is equal to or higher than T2. Moreover, since the temperature of the melt changes depending on the residence time, the residence time in the cylinder should be adjusted so that the temperature t does not exceed the temperature T1. The temperature t can be obtained by measuring the temperature of the melt immediately after being extruded from the die with a radiation thermometer or the like.
積層部63では、ドライプロセスにより電解質膜1の材料である高分子電解質の粒子を堆積させることで、電解質膜1が形成される。ドライプロセスによる電解質膜1の形成方法としては、上述した触媒層21と同じ方法を使用できる。また、ウェットプロセスにより電解質膜1を形成する場合も上述した触媒層21と同じウェットプロセスの方法を使用できる。
In the
シール部65では、触媒層21の外周にシール材5を配置した後、シール材5と触媒層21上にガス拡散層22を接着する。これにより、ガス拡散層22、触媒層21、電解質膜1、触媒層21及びガス拡散層22の積層体、すなわち膜電極接合体4が得られる。
In the sealing
安定化処理部66では、膜電極接合体4に対して加圧処理及び加熱処理の少なくとも1つを実施する。加圧又は加熱により、膜電極接合体4の各層の強度を高めて安定化させることができる。
In the
図3は、製造装置100における膜電極接合体4の製造手順を示している。図3に示す製造手順は、各積層部62~64で形成される触媒層21及び電解質膜1のすべてをドライプロセスで形成する例である。
図4A~図4Dは、ドライプロセスで形成される膜電極接合体4の各膜を模式的に示す断面図である。
FIG. 3 shows the manufacturing procedure of the
4A to 4D are cross-sectional views schematically showing each film of the
図3に示すように、製造装置100では、搬送機構50によりロール状のガス拡散層22のシートが順次巻き出されて搬送される。搬送されるガス拡散層22の一方の面上に、シール部61においてシール材5が接着される(ステップS1)。
As shown in FIG. 3 , in the
積層部62では、図4Aに示すように、ガス拡散層22の一方の面上のシール材5の内側に、一方の電極2の触媒層21が形成される(ステップS2)。次いで、積層部63において、図4Bに示すように、触媒層21上に電解質膜1が形成される(ステップS3)。
In the
さらに、積層部64において、図4Cに示すように、電解質膜1上に他方の電極2の触媒層21が形成される(ステップS4)。触媒層21は、後工程で設けられるシール材5の内側に位置するように形成される。触媒層21の形成後、シール部65において、シール材5が接着され、さらにガス拡散層22のシートが積層されると(ステップS5)、膜電極接合体4が得られる。図4Dは、ガス拡散層22の積層によって得られた膜電極接合体4を示している。
Further, in the
ドライプロセスで形成される触媒層21又は電解質膜1は、ナノメートルサイズの粒子状の高分子電解質を含む。ナノメートルサイズの粒子状の高分子電解質を含む触媒層21又は電解質膜1は、バインダーをさらに含むことが好ましい。触媒層21がバインダーを含むことにより、高分子電解質の粒子間を結着して原料ガスの供給時の風圧による粒子構造の崩れを抑えることができる。また、電解質膜1がバインダーを含むことにより、各電極2から電解質膜1中の高分子電解質の粒子間を流れる原料ガスを遮蔽し、電極2間のガスのリークを減らすことができる。
The
高分子電解質の粒子のサイズは、高分子電解質が用いられる膜が触媒層21か又は電解質膜1かによって選択されることが好ましい。例えば、電解質膜1では、高分子電解質の含有割合が大きいので、ナノメートルサイズのなかでも小さいサイズの高分子電解質を選択することにより、電解質膜1のイオン伝導性を高めることができる。一方、触媒層21では、触媒及び担持体も含まれるため、触媒の粒径(例えば、1~30nm)又は担持体の粒径(例えば、10~100nm)に合わせて、同程度のサイズの高分子電解質を選択してもよい。これにより、触媒又は担持体の粒子と高分子電解質の粒子の間に隙間を形成して、触媒層21全体に原料ガスを拡散させやすくなる。
The size of the polymer electrolyte particles is preferably selected depending on whether the membrane in which the polymer electrolyte is used is the
高分子電解質の粒子の形状は、高分子電解質が用いられる膜が触媒層21か又は電解質膜1かによって選択されることが好ましい。例えば、高分子電解質が用いられる膜が電解質膜1の場合、高密度な膜を得る観点から、繊維状、板状等の粒子同士の重なりが多い形状を選択できる。また、高分子電解質が用いられる膜が触媒層21の場合、供給される原料ガスの通気性を向上させる観点から、球状、星状等の粒子間の隙間が形成されやすい形状を選択できる。
The shape of the polymer electrolyte particles is preferably selected depending on whether the membrane in which the polymer electrolyte is used is the
触媒層21及び電解質膜1は、粒子の形状が異なる高分子電解質を含むこともできる。例えば、繊維状の粒子に球状の粒子を組み合わせることで、繊維状の粒子間の隙間を球状の粒子で埋めて、高密度でイオン伝導性が高い膜を得ることができる。なかでも、原料ガスが供給される触媒層21は、粒子の形状が異なる高分子電解質を含むことが好ましい。例えば、球状の粒子に星状の粒子を組み合わせることで、粒子同士が隣接しても粒子間に隙間を設けることができ、イオン伝導性と原料ガスの通気性を両立させることができる。
The
触媒層21及び電解質膜1は、粒子のサイズが異なる高分子電解質を含むこともできる。例えば、1~30nmのサイズと、それより大きい100~200nmのサイズの高分子電解質を組み合わせることで、大きい方の粒子間を小さい方の粒子で埋めて、高密度でイオン伝導性の高い膜を得ることができる。
The
膜電極接合体4が得られると、安定化処理部66において加圧処理及び加熱処理の少なくとも1つが実施される(ステップS6)。高分子電解質の粒子は、加圧により緻密化し、加熱により一部融着して、原料ガスの風圧に対する耐久性及び膜の強度が向上する。そのため、安定した電解質膜1及び触媒層21が得られる。膜がバインダーを含む場合、高分子電解質の溶融による形状及びサイズの変化を避ける観点から、バインダーの融点又はガラス転移点より高く、高分子電解質の融点又はガラス転移点より低い温度で加熱することが好ましい。
When the
図5は、触媒層21及び電解質膜1のすべてをウェットプロセスで形成する場合の製造手順を示している。
ウェットプロセスの場合、図5に示すように、ペレット状の高分子電解質を溶融混錬することにより可塑化した後、ダイにより基材上に押し出して電解質膜1を形成する(ステップS11)。得られた電解質膜1を冷却した後、延伸する(ステップS12)。延伸した電解質膜1の長尺シートをロール状に巻き取る(ステップS13)。
FIG. 5 shows a manufacturing procedure when both the
In the case of the wet process, as shown in FIG. 5, pellet-shaped polymer electrolyte is melted and kneaded to be plasticized, and then extruded onto a substrate by a die to form an electrolyte membrane 1 (step S11). After the obtained
次いで、触媒、担体及び高分子電解質を溶媒と混合し、触媒インクを調製する(ステップS14)。ロール状の電解質膜1を巻き出して搬送し、搬送される電解質膜1の一方の面上に調製した触媒インクを塗布して膜を形成する(ステップS15)。形成した膜を乾燥することにより、触媒層21が得られる(ステップS16)。
Next, the catalyst, carrier and polymer electrolyte are mixed with a solvent to prepare a catalyst ink (step S14). The roll-shaped
次いで、電解質膜1のシート面を反転させ(ステップS17)、触媒層21が形成された一方の面と反対側の他方の面上に、触媒インクを塗布して膜を形成する(ステップS18)。形成した膜を乾燥することにより、両面に触媒層21を備える電解質膜1(CCM:Catalyst Coated Membrane)が得られる(ステップS19)。得られたCCMを、巻き取りローラーによりロール状に巻き取る(ステップS20)。
Next, the sheet surface of the
ロール状のCCMを別のラインにセットして巻き出しローラーにより巻き出し、搬送する。搬送されるCCMの一方の面上に、カーボン繊維シート等を接着して、一方の電極2のガス拡散層22を形成する(ステップS21)。次いで、ガス拡散層22が形成されたCCMに加圧処理又は加熱処理を施す(ステップS22)。CCMのシート面を反転させ(ステップS23)、ガス拡散層22が形成された一方の面と反対側の他方の面上に、カーボン繊維シート等を接着して、他方の電極2のガス拡散層22を形成する(ステップS24)。次いで、加圧処理又は加熱処理を施し(ステップS25)、電解質膜1の両面に電極2を備える膜電極接合体4を得る。最後に、得られた膜電極接合体4のシートをロール状に巻き取る(ステップS26)。
A roll-shaped CCM is set on another line, unwound by an unwinding roller, and conveyed. A carbon fiber sheet or the like is adhered to one surface of the conveyed CCM to form the
このように、ウェットプロセスにより膜電極接合体4を製造する場合、ドライプロセスの場合と比べて、乾燥、冷却等の工程が増える。また、ウェットプロセスでは、電解質膜1の両面に電極2を形成するために、電解質膜1のシート面を反転させる操作が必要である。そのため、電解質膜1を形成した段階で、また触媒層21を形成した段階で、いったんシートが巻き取られる。それぞれの製造ラインが必要であるため、製造設備が大型化する。これに対し、ドライプロセスでは、電極2、電解質膜1、電極2の順に積層すればよく、図2に例示するように、1つの製造ラインで連続的に製造が可能である。設備の縮小及び製造に要する時間の短縮が可能であり、製造コストを減らすことができる。
Thus, when manufacturing the
また、触媒層21及び電解質膜1にナノメートルサイズの粒状の高分子電解質を使用すれば、優れたイオン伝導性が得られるが、ウェットプロセスでは、乾燥によって粒子同士が融着して粒子のサイズ及び形状が変化することがある。しかし、ドライプロセスによれば、乾燥工程がないため、粒子のサイズ及び形状を維持することができ、ナノメートルサイズの粒状の高分子電解質による優れたイオン伝導性を発揮することができる。
Also, if a nanometer-sized granular polymer electrolyte is used for the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば、リチウム電池等のように、セパレータを介して正極と負極が交互に積層される蓄電池の電極の製造にも、本発明を実施することができる。
Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist thereof.
For example, the present invention can be applied to manufacture of electrodes for storage batteries such as lithium batteries, in which positive electrodes and negative electrodes are alternately laminated with separators interposed therebetween.
10・・・燃料電池セル、3・・・セパレータ、4・・・膜電極接合体、1・・・電解質膜、2・・・電極、21・・・触媒層、22・・・ガス拡散層、100・・・製造装置、50・・・搬送機構、61、65・・・シール部、62~64・・・積層部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記2つの電極(2)の前記触媒層(21)及び前記電解質膜(1)の1つ以上を、ドライプロセスにより形成するステップ(S2~S4)を含み、
前記ドライプロセスにより形成される前記触媒層(21)又は前記電解質膜(1)は、ナノメートルサイズの粒子状であって、粒子の形状が異なる高分子電解質を含む、
膜電極接合体の製造方法。 A method for manufacturing a membrane electrode assembly (4) comprising an electrolyte membrane (1) between two electrodes (2) including a catalyst layer (21),
Forming one or more of the catalyst layer (21) and the electrolyte membrane (1) of the two electrodes (2) by a dry process (S2 to S4),
The catalyst layer (21) or the electrolyte membrane (1) formed by the dry process contains polymer electrolytes in the form of nanometer-sized particles having different particle shapes ,
A method for manufacturing a membrane electrode assembly.
請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。 The catalyst layer (21) or the electrolyte membrane (1) containing the nanometer-sized particulate polymer electrolyte further contains a binder,
The manufacturing method of the membrane electrode assembly according to claim 1.
請求項1又は2に記載の膜電極接合体の製造方法。 The size of the particles of the polymer electrolyte is selected depending on whether the membrane in which the polymer electrolyte is used is the catalyst layer (21) or the electrolyte membrane (1).
The method for manufacturing the membrane electrode assembly according to claim 1 or 2.
請求項1~3のいずれか一項に記載の膜電極接合体の製造方法。 The shape of the particles of the polymer electrolyte is selected depending on whether the membrane in which the polymer electrolyte is used is the catalyst layer or the electrolyte membrane.
A method for manufacturing a membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3.
前記膜電極接合体(4)は、触媒層(21)を含む2つの電極(2)と、前記2つの電極(2)間に設けられた電解質膜(1)と、を備え、
前記2つの電極(2)の前記触媒層(21)及び前記電解質膜(1)の1つ以上を、ドライプロセスにより形成するステップ(S2~S4)を含み、
前記ドライプロセスにより形成される前記触媒層(21)又は前記電解質膜(1)は、
ナノメートルサイズの粒子状であって、粒子の形状が異なる高分子電解質を含む、
燃料電池の製造方法。 A method for manufacturing a fuel cell comprising a membrane electrode assembly (4),
The membrane electrode assembly (4) comprises two electrodes (2) including a catalyst layer (21) and an electrolyte membrane (1) provided between the two electrodes (2),
Forming one or more of the catalyst layer (21) and the electrolyte membrane (1) of the two electrodes (2) by a dry process (S2 to S4),
The catalyst layer (21) or the electrolyte membrane (1) formed by the dry process is
Containing polymer electrolytes in the form of nanometer-sized particles with different particle shapes ,
A method for manufacturing a fuel cell.
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