JP7110961B2 - Manufacturing method of membrane electrode gas diffusion layer assembly for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用膜電極ガス拡散層接合体の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a membrane electrode gas diffusion layer assembly for a fuel cell.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(酸素ガス)を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。この燃料電池は、通常、プロトン伝導性を有する電解質膜(固体高分子膜)の両面に電極(アノード及びカソード)を接合した膜電極接合体を有し、この膜電極接合体の両面にガス拡散層を接合してなる膜電極ガス拡散層接合体を、セパレータによって挟持してなる単セルを構成単位とし、この単セルを複数積層して構成されている。前記アノード及びカソードは、それぞれ上記電気化学反応を促進するための触媒層を備え、前記ガス拡散層は、燃料電池の外部から供給された反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)を拡散させつつ、触媒層に供給する。 A fuel cell supplies fuel gas (hydrogen gas) and oxidant gas (oxygen gas) to two electrically connected electrodes to electrochemically oxidize the fuel, converting chemical energy directly into electricity. convert to energy. This fuel cell usually has a membrane electrode assembly in which electrodes (anode and cathode) are joined to both sides of an electrolyte membrane (solid polymer membrane) having proton conductivity, and gas diffusion is performed on both sides of this membrane electrode assembly. A single cell formed by sandwiching a membrane electrode gas diffusion layer assembly formed by joining layers between separators is used as a structural unit, and a plurality of such single cells are laminated. The anode and the cathode each have a catalyst layer for promoting the electrochemical reaction, and the gas diffusion layer diffuses reactant gases (fuel gas and oxidant gas) supplied from the outside of the fuel cell, It is supplied to the catalyst layer.

この膜電極接合体の製造方法としては、電解質膜を電極で挟持した積層体をホットプレスする方法が知られている。例えば、特許文献1には、金属製プレス板/弾性ゴム/離型剤シート/電極/イオン交換膜/電極/離型剤シート/弾性ゴム/金属製プレス板をこの順に積層し、ホットプレスを行い、膜電極接合体を製造することが開示されている。また、特許文献2には、イオン交換膜/触媒層/基材シート/多孔質シート/ゴムをこの順に積層し、ホットプレスを行い、触媒層をイオン交換膜上に転写することが開示されている。 As a method of manufacturing this membrane electrode assembly, a method of hot-pressing a laminate in which an electrolyte membrane is sandwiched between electrodes is known. For example, in Patent Document 1, a metal press plate/elastic rubber/release agent sheet/electrode/ion exchange membrane/electrode/release agent sheet/elastic rubber/metal press plate are laminated in this order and hot pressed. to produce a membrane electrode assembly. Further, Patent Document 2 discloses laminating an ion-exchange membrane/catalyst layer/base sheet/porous sheet/rubber in this order, performing hot pressing, and transferring the catalyst layer onto the ion-exchange membrane. there is

ところで、膜電極接合体とガス拡散層を接合する場合、両者を積層し、ホットプレスを行うと、ガス拡散層に割れが生ずるおそれがあった。そこで、特許文献3では、膜電極接合体とガス拡散層が積層された積層体に対して、ガス拡散層を支持した状態で、膜電極接合体側から流体を用いて加圧し、膜電極接合体とガス拡散層を接合することが開示されている。 By the way, when joining a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer, if the two are laminated and hot-pressed, there is a risk that the gas diffusion layer will crack. Therefore, in Patent Document 3, a laminate in which a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer are laminated is pressurized from the side of the membrane electrode assembly using a fluid while supporting the gas diffusion layer. and a gas diffusion layer.

特開2003-036862号公報JP 2003-036862 A 特開2002-158014号公報JP-A-2002-158014 特開2012-178231号公報JP 2012-178231 A

特許文献3に記載の方法によれば、流体を用いてガス拡散層に圧力を加えているため、接合の際にガス拡散層に割れが生ずることを抑制できるが、構成が複雑であり、製造コストがかかるという問題がある。 According to the method described in Patent Document 3, since pressure is applied to the gas diffusion layer using a fluid, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the gas diffusion layer during bonding. There is a problem of cost.

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、電膜電極接合体にガス拡散層を接合した膜電極ガス拡散層接合体の製造方法において、ガス拡散層の割れ発生を抑制する、ホットプレス法による膜電極ガス拡散層接合体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for manufacturing a membrane electrode gas diffusion layer assembly in which a gas diffusion layer is joined to an electrode membrane electrode assembly. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a membrane electrode gas diffusion layer assembly by pressing.

本発明は、以下の手段により上記目的を達成するものである。 The present invention achieves the above objects by the following means.

膜電極接合体にガス拡散層を接合した膜電極ガス拡散層接合体の製造方法であって、
金属プレスプレート/弾性ゴムシート/織布/離型シート/膜電極接合体/ガス拡散層/離型シート/金属プレスプレートを、この順に積層してなる積層体を準備すること、並びに
前記積層体をホットプレス機のプレス面上に配置してホットプレスを施すこと、
を含む方法。
A method for manufacturing a membrane electrode gas diffusion layer assembly in which a gas diffusion layer is joined to a membrane electrode assembly, comprising:
Preparing a laminate formed by laminating metal press plate/elastic rubber sheet/woven fabric/release sheet/membrane electrode assembly/gas diffusion layer/release sheet/metal press plate in this order; is placed on the press surface of the hot press machine and subjected to hot pressing;
method including.

本発明の膜電極ガス拡散層接合体の製造方法によれば、ゴムシートと離型シートの間に織布を配置することにより、膜電極接合体とガス拡散層の接合を保ちつつ、ガス拡散層の割れを抑制することができる。 According to the manufacturing method of the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the present invention, by placing the woven fabric between the rubber sheet and the release sheet, gas diffusion is achieved while maintaining the bonding between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer. Cracking of layers can be suppressed.

従来のホットプレス法における積層構成を示す図である。It is a figure which shows the lamination|stacking structure in the conventional hot press method. 本発明の膜電極ガス拡散層接合体の製造方法における積層構成を示す図である。FIG. 3 is a view showing a lamination structure in the method for manufacturing the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the present invention;

本発明の膜電極ガス拡散層接合体の製造方法は、
金属プレスプレート/弾性ゴムシート/織布/離型シート/膜電極接合体/ガス拡散層/離型シート/金属プレスプレートを、この順に積層してなる積層体を準備すること、並びに
前記積層体をホットプレス機のプレス面上に配置してホットプレスを施すこと、
を含む。
The manufacturing method of the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the present invention comprises:
Preparing a laminate formed by laminating metal press plate/elastic rubber sheet/woven fabric/release sheet/membrane electrode assembly/gas diffusion layer/release sheet/metal press plate in this order; is placed on the press surface of the hot press machine and subjected to hot pressing;
including.

この方法はさらに、前記積層体にホットプレスを行った後、前記積層体を前記ホットプレス機から取り出し、取り出した積層体の両側から、金属プレスプレート/弾性ゴムシート/織布/離型シートからなる構成材及び離型シート/金属プレスプレートからなる構成材を剥離し、膜電極ガス拡散層接合体を得ること
を含むことができる。
This method further comprises hot-pressing the laminate, removing the laminate from the hot-press machine, and exposing the laminate to metal press plate/elastic rubber sheet/woven fabric/releasing sheet from both sides of the laminate. and the release sheet/metal press plate to obtain a membrane electrode gas diffusion layer assembly.

従来の膜電極接合体の製造方法に用いられるホットプレス法を用いて、膜電極接合体とガス拡散層を接合する場合、図1に示すように、電解質膜1の両面に触媒層を有する電極2を配置した膜電極接合体3の両面又は片面にガス拡散層4を配置し、次いでこの両面に離形シート5、弾性ゴムシート6、及び金属プレスプレート7をこの順に積層してなる積層体10を、ホットプレス機のプレス面上に配置し、ホットプレスが行われる。 When a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer are bonded using a hot press method used in a conventional method for manufacturing a membrane electrode assembly, as shown in FIG. 2 on both sides or one side of the membrane electrode assembly 3, and then a release sheet 5, an elastic rubber sheet 6, and a metal press plate 7 are laminated in this order on both sides. 10 is placed on the press surface of the hot press and hot pressing is performed.

ところが、このような構成の積層体を用いてホットプレスを行うと、ガス拡散層に割れが生ずることがあることがわかった。そこで、上記積層体から弾性ゴムシートを除いた構成の積層体を用いてホットプレスを行ったところ、ガス拡散層には割れが生じなかった。 However, it has been found that when hot pressing is performed using a laminate having such a structure, cracks may occur in the gas diffusion layer. Therefore, when hot pressing was performed using a laminate having a structure in which the elastic rubber sheet was removed from the above laminate, cracks did not occur in the gas diffusion layer.

ところで、従来から、燃料電池を構成する各層間の接合性、例えば電解質膜と電極層との接合性や、電極層とガス拡散層との接合性が、燃料電池の発電性能や耐久性に影響することが知られている。そして各層間の接合性を向上させるため、ホットプレス法を用いる場合、弾性ゴムシートが従来用いられていた。この弾性ゴムシートはプレス工程において圧力を均等に伝えるために用いられており、弾性ゴムシートなしでは、プレス工程において面当たりが悪く、得られた膜電極ガス拡散層接合体において一部接合不良が生ずることがある。 By the way, conventionally, the bondability between each layer constituting a fuel cell, for example, the bondability between an electrolyte membrane and an electrode layer, and the bondability between an electrode layer and a gas diffusion layer, affects the power generation performance and durability of a fuel cell. known to do. In order to improve the bondability between layers, an elastic rubber sheet has conventionally been used when using the hot press method. This elastic rubber sheet is used to evenly transmit the pressure in the pressing process. Without the elastic rubber sheet, the surface contact is poor in the pressing process, and the resulting membrane electrode gas diffusion layer assembly may have partial bonding failure. can occur.

このように、ホットプレス法により膜電極ガス拡散層接合体を製造する場合、弾性ゴムシートを用いるとガス拡散層に割れが生じ、一方、弾性ゴムシートを用いないと、層間に接合不良が生ずるという問題があった。 Thus, when the membrane electrode gas diffusion layer assembly is manufactured by the hot pressing method, if an elastic rubber sheet is used, cracks will occur in the gas diffusion layer. There was a problem.

そこで本発明においては、図2に示すような、金属プレスプレート7/弾性ゴムシート6/織布8/離型シート5/膜電極接合体3/ガス拡散層4/離型シート5‘/金属プレスプレート7をこの順に積層してなる積層体を用いてホットプレスを行う。 Therefore, in the present invention, as shown in FIG. Hot pressing is performed using a laminate formed by laminating the press plates 7 in this order.

図1に示すような従来の構成の積層体を用いてホットプレスを行った場合、ホットプレス中における各層の膨張収縮の差が大きいと、密着性が高いことにより面内方向への剪断力が発生し、歪みが生じ、この剪断力に耐えきれず、ガス拡散層4に割れが生ずると考えられる。 When hot pressing is performed using a laminate having a conventional configuration as shown in FIG. It is considered that the gas diffusion layer 4 is cracked because it cannot withstand this shearing force.

これに対して本発明では、ホットプレスを行う積層体において、膜電極接合体3のガス拡散層4を配置した側に弾性ゴムシートを配置しないことによって、弾性ゴムシートとガス拡散層4の間に剪断力が発生することを抑制している。また、膜電極接合体3のガス拡散層4を配置しない側の弾性ゴムシート6と離型シート5の間に織布8を配置している。織布8は織物であるがゆえ、面内方向にある程度自由に動くことができ、ホットプレス工程において熱膨張が生じても、弾性ゴムシート6と膜電極接合体3やガス拡散層4との間に剪断力が発生することを抑制することができ、結果としてガス拡散層4に割れが生ずることを抑制することができる。 On the other hand, in the present invention, in the laminate to be hot-pressed, by not arranging the elastic rubber sheet on the side of the membrane electrode assembly 3 on which the gas diffusion layer 4 is arranged, a It suppresses the occurrence of shear force in A woven cloth 8 is arranged between the elastic rubber sheet 6 and the release sheet 5 on the side of the membrane electrode assembly 3 on which the gas diffusion layer 4 is not arranged. Since the woven fabric 8 is a woven fabric, it can move freely in the in-plane direction to some extent. It is possible to suppress the occurrence of shear force between them, and as a result, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the gas diffusion layer 4 .

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.

本発明の膜電極ガス拡散層接合体の製造方法は、例えば図2に示すように、
金属プレスプレート7/弾性ゴムシート6/織布8/離型シート5/膜電極接合体3/ガス拡散層4/離型シート5’/金属プレスプレート7をこの順に積層してなる積層体を準備すること(積層体作製工程)、並びに
前記積層体をホットプレス機のプレス面上に配置しホットプレスを施すこと(ホットプレス工程)、
が順に実行される。以下、本発明の膜電極ガス拡散層接合体の製造方法の各工程について説明する。
The manufacturing method of the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the present invention comprises, for example, as shown in FIG.
A laminate obtained by laminating metal press plate 7/elastic rubber sheet 6/woven fabric 8/release sheet 5/membrane electrode assembly 3/gas diffusion layer 4/release sheet 5'/metal press plate 7 in this order. preparing (laminate preparation step), and placing the laminate on the press surface of a hot press machine and hot pressing (hot pressing step),
are executed in sequence. Each step of the manufacturing method of the membrane electrode gas diffusion layer assembly of the present invention will be described below.

<積層体作製工程>
積層体作製工程では、金属プレスプレート7/弾性ゴムシート6/織布8/離型シート5/膜電極接合体3/ガス拡散層4/離型シート5’/金属プレスプレート7がこの順で積層される。
<Laminate manufacturing process>
In the laminate manufacturing process, metal press plate 7/elastic rubber sheet 6/woven fabric 8/release sheet 5/membrane electrode assembly 3/gas diffusion layer 4/release sheet 5'/metal press plate 7 are arranged in this order. Laminated.

金属プレスプレート7としては、特に限定されるものではないが、ステンレス鋼や鉄などの材質を用いることができ、また表面の硬度を向上させるために、例えば表面をクロム等で処理したものでもよい。金属プレスプレートの厚さは、その剛性及び熱伝導性を考慮して、5mm~2cm程度である。 Although the metal press plate 7 is not particularly limited, a material such as stainless steel or iron can be used, and in order to improve the hardness of the surface, for example, the surface may be treated with chromium or the like. . The thickness of the metal press plate is on the order of 5 mm to 2 cm in consideration of its rigidity and thermal conductivity.

弾性ゴムシート6は、ホットプレス中において、積層体の各層に圧力を均等に伝えるために用いられ、シリコンゴム、ポリブタジエンゴム等を用いることができ、その厚さは、0.1~10mm程度である。 The elastic rubber sheet 6 is used to evenly transmit pressure to each layer of the laminate during hot pressing, and may be made of silicon rubber, polybutadiene rubber, or the like. be.

織布8は、積層体を構成する各層の、ホットプレス中における膨張収縮によって生ずる面方向の剪断力によるひずみを緩和するために用いられる。織布としては、耐熱性、熱伝導性に優れているものが好ましく、例えばカーボンクロスを用いることができる。 The woven fabric 8 is used to relieve strain due to shear force in the plane direction caused by expansion and contraction of each layer constituting the laminate during hot pressing. As the woven fabric, one having excellent heat resistance and thermal conductivity is preferable, and for example, carbon cloth can be used.

離型シート5、5’は、織布と膜電極接合体、又はガス拡散層と金属プレスプレートとの張り付きを防止するために用いられ、平坦性、耐熱性を有するシートであれば特に限定されない。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルム、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)フィルム、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ポリイミドフィルム等を用いることができる。 The release sheets 5 and 5' are used to prevent sticking between the woven fabric and the membrane electrode assembly, or between the gas diffusion layer and the metal press plate, and are not particularly limited as long as they have flatness and heat resistance. . For example, polytetrafluoroethylene (PTFE) film, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) film, polyethylene terephthalate (PET) film, polyimide film and the like can be used.

ここで、PTFEフィルムは、熱による膨張収縮が大きいが、離型性に優れているという特性を有する。一方、ポリイミドフィルムは、熱による膨張収縮は小さいが、離型性には劣るという特性を有する。従って本発明においては、膜電極接合体と直接接する離型シート5としては、離型性に優れたPTFEフィルムを用いることが好ましい。この離型シート5を配置する側には、織布が配置されているため、熱による膨張収縮の問題を抑制することができる。一方、ガス拡散層と金属プレスプレートの間に配置する離型シート5’としては、熱による膨張収縮が小さいポリイミドフィルムを用いることが好ましい。ガス拡散層は密着性が低いからである。 Here, the PTFE film has a characteristic of being excellent in releasability, although it expands and contracts greatly due to heat. On the other hand, a polyimide film has a characteristic of being inferior in releasability, although it expands and shrinks little due to heat. Therefore, in the present invention, it is preferable to use a PTFE film having excellent releasability as the release sheet 5 that is in direct contact with the membrane electrode assembly. Since the woven fabric is arranged on the side where the release sheet 5 is arranged, the problem of thermal expansion and contraction can be suppressed. On the other hand, as the release sheet 5' placed between the gas diffusion layer and the metal press plate, it is preferable to use a polyimide film that expands and contracts less due to heat. This is because the gas diffusion layer has low adhesion.

膜電極接合体3は、電解質膜1を電極2で挟持した積層体からなる。ここで、電解質膜1としては、燃料電池の電解質膜に一般的に用いられている電解質膜を用いることができる。この電解質膜は、プロトン(H)伝導性ポリマー、例えばプロトン伝導性基(例えばスルホン酸基(SO )等)を備えた陽イオン交換体高分子であり、特に、ポリベンゾオキサゾール(PBO)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリスルホン(PSU)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルエーテルスルホン(PEES)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルホキシド(PPSO)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンスルフィドスルホン(PPS/SO)、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリイミド(PI)等の高分子の一部をスルホン化してイオン交換体としたものや、ポリビニルスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルオキシベンゼンスルホン酸等を挙げることができ、これらの単独使用や、これらの複数種の共重合物又は混合物を使用することができる。 The membrane electrode assembly 3 is composed of a laminate in which the electrolyte membrane 1 is sandwiched between the electrodes 2 . Here, as the electrolyte membrane 1, an electrolyte membrane generally used for electrolyte membranes of fuel cells can be used. The electrolyte membrane is a proton (H + )-conducting polymer, such as a cation exchanger polymer with proton-conducting groups (such as sulfonic acid groups (SO 3 ), etc.), especially polybenzoxazole (PBO). , polybenzothiazole (PBT), polybenzimidazole (PBI), polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyetherethersulfone (PEES), polyphenylene oxide (PPO), polyphenylene sulfoxide (PPSO), polyphenylene sulfide ( PPS), polyphenylene sulfide sulfone (PPS/SO2), polyparaphenylene ( PPP), polyetherketone (PEK), polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK), polyimide (PI), etc. Ion exchangers obtained by sulfonating a part of the molecule, polyvinylsulfonic acid, polyallylsulfonic acid, polystyrenesulfonic acid, polyallyloxybenzenesulfonic acid and the like can be mentioned. Copolymers or mixtures of multiple species can be used.

この電解質層1の厚みは、1~100μmとすることが好ましく、10μm程度とすることがより好ましい。 The thickness of the electrolyte layer 1 is preferably 1 to 100 μm, more preferably about 10 μm.

電極2としては、燃料電池の電極として一般的に用いられている電極を用いることができる。この電極は、一般的には、触媒及びプロトン伝導性ポリマー、例えばアイオノマー、を必須成分とする。 As the electrode 2, an electrode generally used as an electrode of a fuel cell can be used. The electrode generally consists of a catalyst and a proton-conducting polymer, such as an ionomer.

触媒は導電性炭素粒子上に触媒金属を担持させたものであってよい。導電性炭素粒子としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛等を用いることができる。この導電性炭素粒子の粒子径は、1nm以上、5nm以上、又は10nmであってよく、10μm以下、1μm以下、又は500nm以下であってよい。 The catalyst may be a catalyst metal supported on conductive carbon particles. Examples of conductive carbon particles that can be used include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, and graphite. The particle size of the conductive carbon particles may be 1 nm or more, 5 nm or more, or 10 nm, and may be 10 μm or less, 1 μm or less, or 500 nm or less.

触媒金属は、水素の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であり、例えば、白金、欽、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、及びこれらの合金を用いることができ、なかでも白金が好ましい。触媒金属の粒子径は特に限定されないが、例えば1nm以上、又は1.5nm以上であってよく、100nm以下、50nm以下、又は10nm以下であってよい。 The catalytic metal is a metal that promotes hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction. and alloys thereof can be used, with platinum being preferred. Although the particle size of the catalyst metal is not particularly limited, it may be, for example, 1 nm or more, or 1.5 nm or more, or 100 nm or less, 50 nm or less, or 10 nm or less.

触媒金属の担持量は、導電性炭素粒子に対して触媒金属が、好ましくは1~99重量%、より好ましくは10~90重量%、最も好ましくは30~70重量%、となる量である。 The amount of catalyst metal supported is preferably 1 to 99% by weight, more preferably 10 to 90% by weight, and most preferably 30 to 70% by weight, based on the conductive carbon particles.

プロトン伝導性ポリマーは、水素イオン伝導性を有するポリマーであれば特に制限はなく、燃料電池の電極触媒層に一般的に用いられている各種のアイオノマーを用いることができる。このアイオノマーの例としては、酸性官能基と環状基とを含むパーフルオロスルホン酸ポリマー、具体的には市販品ナフィオン(登録商標)、を用いることができる。また、近年開発された、高酸素透過性アイオノマーを用いることもできる。 The proton-conducting polymer is not particularly limited as long as it is a polymer having hydrogen ion conductivity, and various ionomers commonly used in electrode catalyst layers of fuel cells can be used. As an example of this ionomer, a perfluorosulfonic acid polymer containing acidic functional groups and cyclic groups, specifically the commercial product Nafion®, can be used. In addition, recently developed highly oxygen-permeable ionomers can also be used.

以上の電解質膜1の両面に電極2を積層し、膜電極接合体3が作製されるのであるが、この積層工程においては、それぞれ独立して作製した、あるいは準備した電解質膜1に電極2を積層してもよく、あるいは剥離基材シート上に触媒インクを塗布することによって、剥離基材シート上に電極2を積層させ、次いで電極2上に電解質膜1を積層させてもよい。 Electrodes 2 are laminated on both surfaces of the electrolyte membrane 1 as described above to produce a membrane electrode assembly 3. In this lamination process, the electrodes 2 are attached to the electrolyte membranes 1 which are independently produced or prepared. Alternatively, the electrode 2 may be laminated on the release base sheet by coating the release base sheet with the catalyst ink, and then the electrolyte membrane 1 may be laminated on the electrode 2 .

触媒インクは、上記触媒、プロトン伝導性ポリマー、水及び/又は有機溶媒を含む。有機溶媒としては、メタノール、エタノール、n-プロパノール、ブタノール等のプロトン性有機溶媒や、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等の非プロトン性溶媒等を用いることができる。 The catalyst ink contains the above catalyst, proton-conducting polymer, water and/or organic solvent. As the organic solvent, protic organic solvents such as methanol, ethanol, n-propanol and butanol, and aprotic solvents such as N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide and N-methylpyrrolidone can be used. can be done.

触媒インク中の触媒の含有量は、プロトン伝導性ポリマーに対して1~3重量%であることが好ましい。また触媒インク中のプロトン伝導性ポリマーの含有量は、この触媒インクの5~30重量%であることが好ましい。 The content of the catalyst in the catalyst ink is preferably 1-3% by weight relative to the proton-conducting polymer. Also, the content of the proton-conducting polymer in the catalyst ink is preferably 5 to 30% by weight of the catalyst ink.

このような触媒インクの剥離基材シートへの塗布は、ナイフコーター、バーコーター、ブレードコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、クリーン印刷等の一般に用いられている方法によって行うことができる。触媒インクの剥離基材シートへの塗工量は、特に制限されないが、固形分換算で、5~100g/m程度、好ましくは10~50g/m程度とすればよい。 Coating of such a catalyst ink on a release substrate sheet is generally performed by a knife coater, bar coater, blade coater, spray coater, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater, clean printing, and the like. method. The coating amount of the catalyst ink on the release substrate sheet is not particularly limited, but may be about 5 to 100 g/m 2 , preferably about 10 to 50 g/m 2 in terms of solid content.

触媒インクを剥離基材シートに塗布後、例えば大気中にて50~150℃にて乾燥させることにより、基材シート上に電極触媒層を積層させることができる。 After applying the catalyst ink to the release substrate sheet, the electrode catalyst layer can be laminated on the substrate sheet by drying, for example, at 50 to 150° C. in the air.

ガス拡散層4は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に拡散させる層であり、多孔質の材料、例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。またガス拡散層には、撥水性を得るために、撥水層が形成されていてもよい。 The gas diffusion layer 4 is a layer that diffuses the reaction gas used for the electrode reaction in the surface direction of the electrolyte membrane, and is made of a porous material such as a carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth, a metal mesh or a foam metal. etc. can be used. A water-repellent layer may be formed on the gas diffusion layer in order to obtain water repellency.

<ホットプレス工程>
ホットプレス工程では、積層体作製工程にて作製した積層体20をホットプレス機のプレス面上に配置し、熱を加えながら圧を加え、ホットプレスを施す。具体的には、一般的に用いられるプレス機に積層体20を入れ、80℃以上、又は135℃以上、200℃以下、又は150℃以下に加熱し、0.5MPa以上、又は1MPa以上、10MPa以下の加圧レベルでプレスを行う。
<Hot press process>
In the hot pressing process, the laminated body 20 produced in the laminated body producing process is placed on the pressing surface of the hot press machine and hot pressed by applying pressure while applying heat. Specifically, the laminate 20 is placed in a commonly used press, heated to 80 ° C. or higher, or 135 ° C. or higher, 200 ° C. or lower, or 150 ° C. or lower, and heated to 0.5 MPa or higher, or 1 MPa or higher, or 10 MPa. Press at the following pressure levels:

<剥離工程>
本発明においては、上記ホットプレス工程の後に、ホットプレス工程において圧着させた積層体20をホットプレス機から取り出し、取り出した積層体20の両側から、金属プレスプレート/弾性ゴムシート/織布/離型シートからなる構成材及び離型シート/金属プレスプレートからなる構成材を剥離し、膜電極ガス拡散層接合体を得ること(剥離工程)を含むことができる。
<Peeling process>
In the present invention, after the hot pressing step, the laminated body 20 pressed in the hot pressing step is taken out from the hot pressing machine, and from both sides of the taken out laminated body 20, a metal press plate/elastic rubber sheet/woven fabric/separate. It can include peeling off the constituent material consisting of the mold sheet and the constituent material consisting of the release sheet/metal press plate to obtain a membrane electrode gas diffusion layer assembly (peeling step).

こうして得られた、膜電極接合体にガス拡散層を接合した膜電極ガス拡散層接合体の、膜電極接合体のガス拡散層が配置されていない面に、ガス拡散層を積層することによって、膜電極接合体の両側にガス拡散層が配置されたガス拡散層付き膜電極接合体を作製することができる。 By laminating the gas diffusion layer on the surface of the membrane electrode gas diffusion layer assembly obtained in this way, in which the gas diffusion layer is bonded to the membrane electrode assembly, on the surface where the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly is not arranged, A membrane electrode assembly with gas diffusion layers can be produced in which gas diffusion layers are arranged on both sides of the membrane electrode assembly.

<実施例1>
図2に示すように、金属プレスプレート7/弾性ゴムシート6/織布8/離型シート5/膜電極接合体3/ガス拡散層4/離型シート5’/金属プレスプレート7をこの順で積層し、積層体を作製した。なお、各層として、以下の材料を用いた。
<Example 1>
As shown in FIG. 2, metal press plate 7/elastic rubber sheet 6/woven fabric 8/release sheet 5/membrane electrode assembly 3/gas diffusion layer 4/release sheet 5'/metal press plate 7 are arranged in this order. to produce a laminate. The following materials were used for each layer.

金属プレスプレート7:SUS304
弾性ゴムシート6:シリコンラバーシート
織布8:カーボンクロス(東レ製、C6644B)
離型シート5:テフロン(登録商標)シート
ガス拡散層4:炭素繊維(東レ製、TGPH-030)
離型シート5’:ポリイミドフィルム
Metal press plate 7: SUS304
Elastic rubber sheet 6: Silicon rubber sheet fabric 8: Carbon cloth (manufactured by Toray, C6644B)
Release sheet 5: Teflon (registered trademark) sheet Gas diffusion layer 4: Carbon fiber (manufactured by Toray, TGPH-030)
Release sheet 5': polyimide film

また、膜電極接合体は、以下の手順で作製した。 Moreover, the membrane electrode assembly was produced by the following procedures.

アセチレンブラック系カーボンブラック担体に白金を30重量%担持させた触媒5.0gに純水32mLを添加して攪拌した。ここにエタノールを、水:エタノールの体積比が6:4となるように加え、攪拌した。ここにアイオノマーとしてのDE2020(デュポン製)を、アイオノマーの重量:触媒のカーボン担体の重量の比が6:4となるように添加し、攪拌した。次いで、超音波ホモジナイザーを用いて分散させ、触媒インクを調製した。 32 mL of pure water was added to 5.0 g of a catalyst in which 30% by weight of platinum was supported on an acetylene black-based carbon black carrier and stirred. Ethanol was added thereto so that the volume ratio of water:ethanol was 6:4, and the mixture was stirred. DE2020 (manufactured by DuPont) as an ionomer was added thereto and stirred so that the ratio of the weight of the ionomer to the weight of the carbon support of the catalyst was 6:4. Then, it was dispersed using an ultrasonic homogenizer to prepare a catalyst ink.

この触媒インクをテフロン(登録商標)製の剥離基材シート上に、ダイコーターを用いて、白金の塗工量が0.2mg/cmとなるように塗工した。塗工後の剥離基材シートを80℃の温風乾燥器に入れ、3分間乾燥させ、電極触媒層を作製した。 This catalyst ink was applied onto a release substrate sheet made of Teflon (registered trademark) using a die coater so that the coating amount of platinum was 0.2 mg/cm 2 . The coated release base sheet was placed in a hot air dryer at 80° C. and dried for 3 minutes to prepare an electrode catalyst layer.

電解質膜(商品名ナフィオン(デュポン製))の上に電極触媒層が接触するよう積層させ、140℃、4MPaにて3分間プレスし、電解質膜に電極触媒層を圧着し、電解質膜の上に電極触媒層を転写させた。次いで電極触媒層から剥離基材シートを剥離した。電解質膜の他の面にも同様にして電極触媒層を転写させ、膜電極接合体を得た。 The electrode catalyst layer was laminated on the electrolyte membrane (trade name Nafion (manufactured by DuPont) so that it was in contact with the electrode catalyst layer, and pressed at 140° C. and 4 MPa for 3 minutes to crimp the electrode catalyst layer to the electrolyte membrane. The electrode catalyst layer was transferred. Then, the release substrate sheet was peeled off from the electrode catalyst layer. The electrode catalyst layer was similarly transferred to the other surface of the electrolyte membrane to obtain a membrane electrode assembly.

<比較例1>
金属プレスプレート7/弾性ゴムシート6/離型シート5/膜電極接合体3/ガス拡散層4/離型シート5/弾性ゴムシート6/金属プレスプレート7をこの順で積層し、積層体を作製した。
<Comparative example 1>
Metal press plate 7/elastic rubber sheet 6/release sheet 5/membrane electrode assembly 3/gas diffusion layer 4/release sheet 5/elastic rubber sheet 6/metal press plate 7 are laminated in this order to form a laminate. made.

<比較例2>
金属プレスプレート7/弾性ゴムシート6/離型シート5/膜電極接合体3/ガス拡散層4/離型シート5/金属プレスプレート7をこの順で積層し、積層体を作製した。
<Comparative example 2>
Metal press plate 7/elastic rubber sheet 6/release sheet 5/membrane electrode assembly 3/gas diffusion layer 4/release sheet 5/metal press plate 7 were laminated in this order to prepare a laminate.

<比較例3>
金属プレスプレート7/離型シート5/膜電極接合体3/ガス拡散層4/離型シート5/弾性ゴムシート6/金属プレスプレート7をこの順で積層し、積層体を作製した。
<Comparative example 3>
Metal press plate 7/release sheet 5/membrane electrode assembly 3/gas diffusion layer 4/release sheet 5/elastic rubber sheet 6/metal press plate 7 were laminated in this order to prepare a laminate.

<比較例4>
金属プレスプレート7/離型シート5/膜電極接合体3/ガス拡散層4/離型シート5/金属プレスプレート7をこの順で積層し、積層体を作製した。
<Comparative Example 4>
Metal press plate 7/release sheet 5/membrane electrode assembly 3/gas diffusion layer 4/release sheet 5/metal press plate 7 were laminated in this order to prepare a laminate.

<比較例5>
金属プレスプレート7/織布8/離型シート5/膜電極接合体3/ガス拡散層4/離型シート5/金属プレスプレート7をこの順で積層し、積層体を作製した。
<Comparative Example 5>
Metal press plate 7/woven fabric 8/release sheet 5/membrane electrode assembly 3/gas diffusion layer 4/release sheet 5/metal press plate 7 were laminated in this order to prepare a laminate.

実施例1及び比較例1~5で得られた積層体をホットプレス機のプレス面上に配置し、温度100℃、圧力3MPa、時間3分の条件でホットプレスを施した。得られた膜電極ガス拡散層接合体について、各層間の剥離の有無(接合性)、及びガス拡散層における割れの発生の有無について観察した。結果を以下の表に示す。なお、表中、接合性について、〇は剥離がないことを意味し、×は剥離が存在していたことを意味する。また、割れについて、〇は割れがないことを意味し、×は割れが発生していたことを意味する。 The laminates obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 were placed on the press surface of a hot press and hot pressed under conditions of a temperature of 100° C., a pressure of 3 MPa, and a time of 3 minutes. The obtained membrane electrode gas diffusion layer assembly was observed for the presence or absence of delamination (bonding property) between layers and the presence or absence of cracks in the gas diffusion layer. Results are shown in the table below. In the table, with respect to bondability, ◯ means that there was no peeling, and × means that peeling was present. Regarding cracks, ◯ means no cracks, and × means that cracks occurred.

Figure 0007110961000001
Figure 0007110961000001

1 電解質膜
2 電極
3 膜電極接合体
4 ガス拡散層
5、5’ 離型シート
6 弾性ゴムシート
7 金属プレスプレート
8 織布
REFERENCE SIGNS LIST 1 electrolyte membrane 2 electrode 3 membrane electrode assembly 4 gas diffusion layer 5, 5' release sheet 6 elastic rubber sheet 7 metal press plate 8 woven fabric

Claims (1)

膜電極接合体にガス拡散層を接合した膜電極ガス拡散層接合体の製造方法であって、
金属プレスプレート/弾性ゴムシート/織布/離型シート/膜電極接合体/ガス拡散層/離型シート/金属プレスプレートを、この順に積層してなる積層体を準備すること、並びに
前記積層体をホットプレス機のプレス面上に配置してホットプレスを施すこと、
を含む方法。
A method for manufacturing a membrane electrode gas diffusion layer assembly in which a gas diffusion layer is joined to a membrane electrode assembly, comprising:
Preparing a laminate formed by laminating metal press plate/elastic rubber sheet/woven fabric/release sheet/membrane electrode assembly/gas diffusion layer/release sheet/metal press plate in this order; is placed on the press surface of the hot press machine and subjected to hot pressing;
method including.
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