JP2010062062A - Method of manufacturing membrane electrode assembly, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜電極接合体とその製造方法およびその膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a membrane electrode assembly, a production method thereof, and a polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly.
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、イオン伝導性高分子膜を用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。 A fuel cell is a power generation system that generates electricity simultaneously with heat by causing a hydrogen gas-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidant gas to undergo reverse reaction of water electrolysis at an electrode including a catalyst. This power generation system has features such as high efficiency, low environmental load, and low noise as compared with conventional power generation systems, and is attracting attention as a clean energy source in the future. There are several types depending on the type of ion conductor used, and those using an ion conductive polymer membrane are called solid polymer fuel cells.
燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車搭載源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(Membrance and Electrolyte Assembly)と呼ばれる高分子電解質の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレーターで挟持した電池である。ここで、燃料ガスを供給する電極を燃料極、酸化剤を供給する電極を空気極と呼んでいる。これらの電極は、白金系の貴金属などの触媒物質を担持したカーボン粒子と高分子電解質を積層してなる電極触媒層とガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層からなる。 Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells can be used near room temperature, so they are considered promising for use in on-vehicle sources and household stationary power sources. In recent years, various research and development have been conducted. Yes. A polymer electrolyte fuel cell is a fuel gas containing hydrogen on one of the electrodes, which is a membrane electrode assembly (Membrance and Electrolyte Assembly) in which a pair of electrode catalyst layers are disposed on both sides of a polymer electrolyte. And is sandwiched between a pair of separators having a gas flow path for supplying an oxidant gas containing oxygen to the other of the electrodes. Here, the electrode for supplying the fuel gas is called a fuel electrode, and the electrode for supplying the oxidant is called an air electrode. These electrodes are composed of an electrode catalyst layer formed by laminating carbon particles carrying a catalyst substance such as a platinum-based noble metal and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electron conductivity.
このような固体高分子形燃料電池の性能を向上させるために従来から様々な膜電極接合体の製造方法が検討されており、例えば、基材フィルム上に電極触媒層を形成し、その後、1組の電極触媒層を高分子電解質膜の両面に配置してホットプレスすることにより電極触媒層を基材から高分子電解質膜上に転写し膜電極接合体を形成する方法や、ガス拡散フィルム上に電極触媒層を形成し、その後、1組の電極触媒層を高分子電解質膜の両面に配置してホットプレスすることにより電極触媒層を基材から高分子電解質膜上に転写し、膜電極接合体を形成する方法が知られている。 In order to improve the performance of such a polymer electrolyte fuel cell, various methods for producing a membrane electrode assembly have been studied. For example, an electrode catalyst layer is formed on a base film, and then 1 A method of forming a membrane electrode assembly by transferring electrode catalyst layers from a substrate onto a polymer electrolyte membrane by placing a pair of electrode catalyst layers on both sides of the polymer electrolyte membrane and hot pressing, or on a gas diffusion film Then, the electrode catalyst layer is formed on the both sides of the polymer electrolyte membrane and hot-pressed to transfer the electrode catalyst layer from the substrate onto the polymer electrolyte membrane. A method of forming a joined body is known.
しかしながら、ホットプレス等の熱圧着により電極触媒層を高分子電解質膜に接合させる製造方法にあっては、ホットプレス工程がボトルネックとなってしまい、タクト時間が長くなり、結果として生産効率を低下させてしまうという問題があった。 However, in the manufacturing method in which the electrode catalyst layer is joined to the polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding such as hot pressing, the hot pressing step becomes a bottleneck, resulting in a longer tact time, resulting in lower production efficiency. There was a problem of letting it go.
そこで、本発明にあっては、生産効率の高い膜電極接合体の製造方法を提供することを課題とする。 Then, in this invention, let it be a subject to provide the manufacturing method of a membrane electrode assembly with high production efficiency.
上記課題を解決するために請求項1に係る発明としては、高分子電解質膜の両面を電極触媒層で狭持した膜電極接合体の製造方法であって、基材上に、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む第1の触媒インクを塗布し塗膜を形成する工程と、該形成した塗膜中の溶媒を除去し、第1の電極触媒層を形成する工程と、該第1の電極触媒層上に、高分子電解質と溶媒を含む電解質インクを塗布し塗膜を形成する工程と、該形成した塗膜中の溶媒を除去し、高分子電解質膜を形成する工程と、該高分子電解質膜上に、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む触媒インクを塗布し塗膜を形成する工程と該形成した塗膜中の溶媒を除去し、第2の電極触媒層を形成する工程とを備えることを特徴とする膜電極接合体の製造方法とした。 In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is a method for producing a membrane electrode assembly in which both surfaces of a polymer electrolyte membrane are sandwiched between electrode catalyst layers. A step of applying a first catalyst ink containing a polymer electrolyte and a solvent to form a coating film; a step of removing the solvent in the formed coating film to form a first electrode catalyst layer; and A step of applying an electrolyte ink containing a polymer electrolyte and a solvent on the electrode catalyst layer to form a coating film; a step of removing the solvent in the formed coating film to form a polymer electrolyte membrane; and A step of applying a catalyst ink containing catalyst-supporting particles, a polymer electrolyte and a solvent on the polymer electrolyte membrane to form a coating film, and removing the solvent in the formed coating film to form a second electrode catalyst layer And a process for producing a membrane electrode assembly.
また、請求項2に係る発明としては、電解質膜インクを塗布する前の第1の電極触媒層が、前記塗布された第1の触媒インクに含まれる溶媒の全質量に対して10wt%以下にまで溶媒が除去されていることを特徴とする請求項1記載の膜電極接合体の製造方法とした。 According to a second aspect of the invention, the first electrode catalyst layer before applying the electrolyte membrane ink is 10 wt% or less with respect to the total mass of the solvent contained in the applied first catalyst ink. The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein the solvent is removed up to.
また、請求項3に係る発明としては、前記第2の触媒インクを塗布する前の高分子電解質膜が、前記塗布された電解質インクに含まれる溶媒の全質量に対して5wt%以下にまで溶媒が除去されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の膜電極接合体の製造方法とした。 According to a third aspect of the present invention, the polymer electrolyte membrane before applying the second catalyst ink is a solvent up to 5 wt% or less with respect to the total mass of the solvent contained in the applied electrolyte ink. The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein is removed.
また、請求項4に係る発明としては、前記第1の触媒インクに含まれる高分子電解質と、前記電解質インクに含まれる高分子電解質と、前記第2の触媒インクに含まれる高分子電解質が同一の材料を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法とした。 According to a fourth aspect of the invention, the polymer electrolyte contained in the first catalyst ink, the polymer electrolyte contained in the electrolyte ink, and the polymer electrolyte contained in the second catalyst ink are the same. The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein the material comprises:
また、請求項5に係る発明としては、請求項1乃至4記載のいずれかの製造方法により製造されたことを特徴とする膜電極接合体とした。 The invention according to claim 5 is a membrane electrode assembly manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 4.
また、請求項6に係る発明としては、請求項5記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で狭持され、さらに、前記ガス拡散層で狭持された膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池とした。 According to a sixth aspect of the present invention, the membrane electrode assembly according to the fifth aspect is sandwiched between a pair of gas diffusion layers, and the membrane electrode assembly sandwiched between the gas diffusion layers is a pair of separators. The polymer electrolyte fuel cell is characterized in that it is held between the two.
本発明の膜電極接合体とすることにより、製造効率の高い膜電極接合体とすることができた。 By using the membrane electrode assembly of the present invention, a membrane electrode assembly with high production efficiency could be obtained.
以下に、本発明の膜電極接合体(MEA)及びその製造方法、固体高分子形燃料電池について説明する。なお、本発明は、以下に記載する各実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 Below, the membrane electrode assembly (MEA) of this invention, its manufacturing method, and a polymer electrolyte fuel cell are demonstrated. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be made based on the knowledge of those skilled in the art, and such modifications are added. The embodiments may be included in the scope of the present invention.
まず、本発明の膜電極接合体について説明する。
図1に本発明の膜電極接合体(MEA)の断面模式図を示した。
First, the membrane electrode assembly of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a membrane electrode assembly (MEA) of the present invention.
本発明の膜電極接合体Aは、高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2、3を備える。高分子電解質膜1が電極触媒層2、3の挟持された構造を備える。電極触媒層2、3にあっては触媒担持粒子と高分子電解質を含む。電極触媒層2、3は同一の材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよい。 The membrane electrode assembly A of the present invention includes electrode catalyst layers 2 and 3 on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1. The polymer electrolyte membrane 1 has a structure in which the electrode catalyst layers 2 and 3 are sandwiched. The electrode catalyst layers 2 and 3 include catalyst-supporting particles and a polymer electrolyte. The electrode catalyst layers 2 and 3 may be made of the same material or may be made of different materials.
本発明の膜電極接合体にあっては、図1(a)に示したように電極触媒層2、3と高分子電解質膜1が同じ大きさであってもよいし、図1(b)に示したように、高分子電解質膜1の大きさを、電極触媒層2、3の大きさよりも大きいものとしてもよい。いずれの場合であっても、電極触媒層2、3が短絡(ショート)しないように、もしくはリークしないようにする必要がある。 In the membrane / electrode assembly of the present invention, the electrode catalyst layers 2 and 3 and the polymer electrolyte membrane 1 may have the same size as shown in FIG. As shown in FIG. 5, the size of the polymer electrolyte membrane 1 may be larger than the size of the electrode catalyst layers 2 and 3. In either case, it is necessary to prevent the electrode catalyst layers 2 and 3 from short-circuiting or from leaking.
以下に、本発明の膜電極接合体の製造方法について述べる。
図2に本発明の膜電極接合体(MEA)の製造方法の説明図を示した。
Below, the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention is described.
FIG. 2 shows an explanatory view of a method for producing a membrane electrode assembly (MEA) of the present invention.
本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む第1の触媒インク2´´が用意され、支持体S上に第1の触媒インク2´´が塗布され、塗膜2´が形成される。(図2(a))。次に、支持体S上に塗布された第1の触媒インクからなる塗膜2´中の溶媒が除去され、支持体S上に第1の電極触媒層2が形成される(図2(b))。 In the method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention, a first catalyst ink 2 ″ containing catalyst-carrying particles, a polymer electrolyte, and a solvent is prepared, and the first catalyst ink 2 ′ is provided on the support S. 'Is applied to form a coating film 2'. (FIG. 2 (a)). Next, the solvent in the coating film 2 ′ made of the first catalyst ink applied on the support S is removed, and the first electrode catalyst layer 2 is formed on the support S (FIG. 2B). )).
次に、高分子電解質と溶媒を含む電解質膜インク1´´が用意され、第1の電極触媒層上に電解質膜インク1´´が塗布され、塗膜1´が形成される(図2(c))。次に、支持体S上に塗布された電解質膜インクからなる塗膜1´中の溶媒が除去され、第1の電極触媒層2上に高分子電解質膜1が形成される(図2(d))。 Next, an electrolyte membrane ink 1 ″ containing a polymer electrolyte and a solvent is prepared, and the electrolyte membrane ink 1 ″ is applied on the first electrode catalyst layer to form a coating film 1 ′ (FIG. 2 ( c)). Next, the solvent in the coating film 1 ′ made of the electrolyte membrane ink applied on the support S is removed, and the polymer electrolyte membrane 1 is formed on the first electrode catalyst layer 2 (FIG. 2D). )).
次に、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む第2の触媒インク3´´が用意され、高分子電解質膜1上に第2の電極触媒インク3´´が塗布され、塗膜3´が形成される(図2(e))。次に、高分子電解質膜1上に塗布された第2の触媒インクからなる塗膜3´中の溶媒が除去され、高分子電解質膜1上に第2の電極触媒層3が形成される(図2(f))。 Next, a second catalyst ink 3 ″ containing catalyst-carrying particles, a polymer electrolyte, and a solvent is prepared, and the second electrode catalyst ink 3 ″ is applied onto the polymer electrolyte membrane 1, and the coating film 3 ′. Is formed (FIG. 2E). Next, the solvent in the coating film 3 ′ made of the second catalyst ink applied on the polymer electrolyte membrane 1 is removed, and the second electrode catalyst layer 3 is formed on the polymer electrolyte membrane 1 ( FIG. 2 (f)).
最後に、必要に応じて、支持体Sから、第1の電極触媒層2、高分子電解質膜1、第2の電極触媒層3からなる膜電極接合体Aは支持体から剥離され、本願発明の膜電極接合体Aは製造される(図2(g))。なお、支持体Sとして後述するガス拡散層やセパレーターを用いた場合には、支持体Sから膜電極接合体Aは剥離する必要は無い。 Finally, the membrane electrode assembly A composed of the first electrode catalyst layer 2, the polymer electrolyte membrane 1, and the second electrode catalyst layer 3 is peeled from the support, if necessary, from the support S, and the present invention. The membrane electrode assembly A is manufactured (FIG. 2G). In addition, when the gas diffusion layer and separator which are mentioned later are used as the support S, it is not necessary to peel the membrane electrode assembly A from the support S.
本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、第1の電極触媒層2、高分子電解質膜1、第2の電極触媒層が順次積層され、製造効率が非常に高くすることができる。したがって、低コストで膜電極接合体を製造することができる。また、本発明の膜電極接合体にあっては高分子電解質膜1と電極触媒層2、3の接合を十分にすることができ、高分子電解質膜1と電極触媒層2,3との界面のイオン抵抗を小さくすることができる。 In the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention, the first electrode catalyst layer 2, the polymer electrolyte membrane 1, and the second electrode catalyst layer are sequentially laminated, and the production efficiency can be very high. . Therefore, a membrane electrode assembly can be manufactured at low cost. In the membrane / electrode assembly of the present invention, the polymer electrolyte membrane 1 and the electrode catalyst layers 2 and 3 can be sufficiently joined, and the interface between the polymer electrolyte membrane 1 and the electrode catalyst layers 2 and 3 can be obtained. The ion resistance can be reduced.
また、本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、ホットプレスによって高分子電解質膜の両面に電極触媒層を転写する膜電極接合体の製造方法と比較してホットプレス工程を省略することができる。ホットプレス工程を省略した場合には、ホットプレス時の加熱や圧力で高分子電解質膜がダメージを受けることによる膜強度の低下やイオン交換能の低下を防ぐこともできる。 Moreover, in the manufacturing method of the membrane electrode assembly of the present invention, the hot pressing step is omitted as compared with the manufacturing method of the membrane electrode assembly in which the electrode catalyst layer is transferred to both surfaces of the polymer electrolyte membrane by hot pressing. be able to. When the hot pressing step is omitted, it is possible to prevent a decrease in membrane strength and a decrease in ion exchange capacity due to damage to the polymer electrolyte membrane due to heating and pressure during hot pressing.
また、本発明の膜電極接合体にあっては1組の電極触媒層の間に位置する高分子電解質膜の膜厚を薄くすることができる。ホットプレスによって高分子電解質膜の両面に電極触媒層を転写する膜電極接合体の製造方法にあっては、ホットプレス時に電極触媒層と隣接するように設けられるガス拡散層に含まれるカーボン繊維が電極触媒層及び高分子電解質膜にくい込むことによってガスリークが発生し膜電極接合体の回路電圧が低下するという問題があった。また、ホットプレス時に電極触媒層と隣接するように設けられるガス拡散層に含まれるカーボン繊維が電極触媒層及び高分子電解質膜にくい込むことによって、発電させたときに短絡(ショート)するという問題があった。そのため、ホットプレスによって高分子電解質膜の両面に電極触媒層を転写する方法により膜電極接合体を製造するにあっては、高分子電解質膜の膜厚を大きくする必要があった。 Moreover, in the membrane electrode assembly of the present invention, the film thickness of the polymer electrolyte membrane positioned between a pair of electrode catalyst layers can be reduced. In the method of manufacturing a membrane electrode assembly in which the electrode catalyst layer is transferred to both surfaces of the polymer electrolyte membrane by hot pressing, the carbon fibers contained in the gas diffusion layer provided so as to be adjacent to the electrode catalyst layer at the time of hot pressing Since the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane are difficult to be inserted, there is a problem that gas leakage occurs and the circuit voltage of the membrane electrode assembly is lowered. In addition, the carbon fiber contained in the gas diffusion layer provided so as to be adjacent to the electrode catalyst layer at the time of hot pressing has a problem that the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane are short-circuited when the power is generated. there were. Therefore, in manufacturing a membrane electrode assembly by a method of transferring electrode catalyst layers to both surfaces of a polymer electrolyte membrane by hot pressing, it is necessary to increase the thickness of the polymer electrolyte membrane.
これに対し、本発明の膜電極接合体にあっては、ホットプレス工程を省略することができ、形成される高分子電解質膜の膜厚を小さくすることができる。具体的には高分子電解質膜の厚みを20μm以下とすることができる。そして、高分子電解質膜の膜厚の小さい膜電極接合体にあっては、膜抵抗の低下により発電特性を向上させることができる。 On the other hand, in the membrane electrode assembly of the present invention, the hot pressing step can be omitted, and the thickness of the formed polymer electrolyte membrane can be reduced. Specifically, the thickness of the polymer electrolyte membrane can be 20 μm or less. And in the membrane electrode assembly with a small film thickness of the polymer electrolyte membrane, the power generation characteristics can be improved by lowering the membrane resistance.
また、本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、電解質膜インクを塗布する前の第1の電極触媒層2が、前記第1の触媒インクに含まれる溶媒の全質量に対して10wt%以下にまで溶媒が除去されていることが好ましい。第1の触媒インクからなる塗膜中の溶媒を除去を十分におこない、十分に乾燥をおこなった第1の電極触媒層に対して電解質膜インクを塗布することにより、第1の電極触媒層と電解質膜インクが混合するのを防ぐことができる。 Moreover, in the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention, the 1st electrode catalyst layer 2 before apply | coating electrolyte membrane ink is with respect to the total mass of the solvent contained in the said 1st catalyst ink. It is preferable that the solvent is removed to 10 wt% or less. By sufficiently removing the solvent in the coating film made of the first catalyst ink and applying the electrolyte membrane ink to the sufficiently dried first electrode catalyst layer, the first electrode catalyst layer and It is possible to prevent the electrolyte membrane ink from being mixed.
また、本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、第2の触媒インクを塗布する前の高分子電解質膜が、電解質インクに含まれる溶媒の全質量に対して5wt%以下にまで溶媒が除去されていることが好ましい。電解質膜インクからなる塗膜中の溶媒を除去を十分におこない、十分に乾燥をおこなった高分子電解質膜に対して第2の触媒インクを塗布することにより、高分子電解質膜と第2の触媒インクが混合するのを防ぐことができる。 In the method for producing a membrane / electrode assembly according to the present invention, the polymer electrolyte membrane before applying the second catalyst ink is 5 wt% or less with respect to the total mass of the solvent contained in the electrolyte ink. It is preferred that the solvent has been removed. The polymer electrolyte membrane and the second catalyst are removed by sufficiently removing the solvent in the coating film made of the electrolyte membrane ink and applying the second catalyst ink to the sufficiently dried polymer electrolyte membrane. Ink can be prevented from mixing.
また、本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、第1の触媒インクに含まれる高分子電解質と、電解質インクに含まれる高分子電解質と、第2の触媒インクに含まれる高分子電解質が同一の材料を含むことが好ましい。それぞれのインクが同一の高分子電解質を含むことにより、高分子電解質膜と2つの電極触媒層の接合を向上させることができ、高分子電解質膜と電極触媒層界面のイオン抵抗を減少させることができる。 In the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention, the polymer electrolyte contained in the first catalyst ink, the polymer electrolyte contained in the electrolyte ink, and the polymer contained in the second catalyst ink The electrolytes preferably include the same material. When each ink contains the same polymer electrolyte, the junction between the polymer electrolyte membrane and the two electrode catalyst layers can be improved, and the ionic resistance at the interface between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer can be reduced. it can.
本発明の製造方法により形成された膜電極接合体にあっては、生産効率が高く、高分子電解質膜と電極触媒層が十分に接合され、高分子電解質膜と電極触媒層との界面のイオン抵抗が低く、安価で十分な発電性能を備える膜電極接合体とすることができる。 In the membrane electrode assembly formed by the production method of the present invention, the production efficiency is high, the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer are sufficiently joined, and ions at the interface between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer are A membrane electrode assembly having low resistance, low cost and sufficient power generation performance can be obtained.
以下に、本発明の固体高分子形燃料電池について述べる。
図3に本発明の固体高分子形燃料電池の分解模式図を示した。
The solid polymer fuel cell of the present invention will be described below.
FIG. 3 shows an exploded schematic view of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
本発明の固体高分子型燃料電池にあっては、膜電極接合体Aの電極触媒層2および電極触媒層の3と対向して空気極側ガス拡散層4および燃料極側ガス拡散層5が配置される。これによりそれぞれ空気極6及び燃料極7が構成される。そしてガス流通用のガス流路8を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる1組のセパレーター10が配置される。燃料極7側のセパレーター10のガス流路8からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極6側のセパレーター10のガス流路8からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じることができる。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the air electrode side gas diffusion layer 4 and the fuel electrode side gas diffusion layer 5 are opposed to the electrode catalyst layer 2 and the electrode catalyst layer 3 of the membrane electrode assembly A. Be placed. Thereby, the air electrode 6 and the fuel electrode 7 are comprised, respectively. A set of separators 10 made of a conductive and impermeable material is provided, which includes a gas flow path 8 for gas flow and a cooling water flow path 9 for cooling water flow on the opposing main surface. For example, hydrogen gas is supplied as a fuel gas from the gas flow path 8 of the separator 10 on the fuel electrode 7 side. On the other hand, a gas containing oxygen, for example, is supplied as an oxidant gas from the gas flow path 8 of the separator 10 on the air electrode 6 side. An electromotive force can be generated between the fuel electrode and the air electrode by causing an electrode reaction between hydrogen and oxygen gas of the fuel gas in the presence of the catalyst.
なお、図3にあっては第1の電極触媒層2が空気極6側に配置され、第2の電極触媒層3が燃料極7側に配置された固体高分子形燃料電池となっているが、本発明の膜電極接合体にあっては第1の電極触媒層2が燃料7極側に配置され、第2の電極触媒層3が空気極6側に配置された固体高分子形燃料電池としても構わない。 In FIG. 3, the polymer electrolyte fuel cell has the first electrode catalyst layer 2 disposed on the air electrode 6 side and the second electrode catalyst layer 3 disposed on the fuel electrode 7 side. However, in the membrane electrode assembly of the present invention, the solid polymer fuel in which the first electrode catalyst layer 2 is disposed on the fuel electrode 7 side and the second electrode catalyst layer 3 is disposed on the air electrode 6 side. It does not matter as a battery.
図3に示した固体高分子型燃料電池は一組のセパレーターに固体高分子電解質膜1、電極触媒層2、3、ガス拡散層4、5が狭持された、いわゆる単セル構造の固体高分子型燃料電池であるが、本発明にあっては、セパレーター10を介して複数のセルを積層して燃料電池とすることもできる。 The solid polymer type fuel cell shown in FIG. 3 has a so-called single cell structure with a solid polymer electrolyte membrane 1, electrode catalyst layers 2, 3, and gas diffusion layers 4, 5 sandwiched between a pair of separators. Although it is a molecular type fuel cell, in the present invention, a plurality of cells can be stacked via the separator 10 to form a fuel cell.
次に、本発明の膜電極接合体(MEA)及びその製造方法、また、本発明の固体高分子形燃料電池についてさらに詳細に説明する。 Next, the membrane electrode assembly (MEA) of the present invention, the production method thereof, and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described in more detail.
本発明の第1触媒インクを塗布する支持体Sとしては、高分子フィルム及びシートやガラス板を用いることができる。このとき、高分子フィルム及びシートとしては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルム及びシートを挙げることができる。 As the support S to which the first catalyst ink of the present invention is applied, a polymer film, a sheet or a glass plate can be used. At this time, as the polymer film and sheet, polyimide, polyethylene terephthalate (PET), polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, poly Examples thereof include polymer films and sheets such as etherimide, polyacrylate, and polyethylene naphthalate.
その他、ポリエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性フッ素樹脂を高分子フィルム及びシートとして用いることもできる。 In addition, heat resistance of polyethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. Fluororesin can also be used as a polymer film and sheet.
また、支持体Sとしてはガス拡散層やセパレーターを用いることができる。支持体Sとしてはガス拡散層やセパレーターを用いた場合には、支持体S上に膜電極接合体を形成後、形成された膜電極接合体Aと支持体Sは剥離しなくてもよい。 Further, as the support S, a gas diffusion layer or a separator can be used. When a gas diffusion layer or a separator is used as the support S, the formed membrane electrode assembly A and the support S do not have to be peeled off after the membrane electrode assembly is formed on the support S.
また、支持体Sとしては、第1触媒インクが塗布される側の表面の算術平均粗さRaが小さいものが好ましく、具体的には、5μm以下が好ましく、より好ましいは1μm以下であることが好ましい。第1触媒インクが塗布される側の表面の算術平均粗さRaが大きい支持体を用いた場合には、第1の触媒インクを平価に安定に塗工することができなくなってしまう。 The support S preferably has a small arithmetic average roughness Ra on the surface on which the first catalyst ink is applied, specifically 5 μm or less, and more preferably 1 μm or less. preferable. If a support having a large arithmetic average roughness Ra on the surface on which the first catalyst ink is applied is used, the first catalyst ink cannot be stably applied in a uniform manner.
支持体Sとしては、フィルム状もしくはシート状のものを用いることが好ましい。支持体として、フィルム状もしくはシート状の物を用いることによりロール・ツー・ロール方式により連続して膜電極接合体の製造をおこなうことが可能であり、低コストで膜電極接合体を製造することができる。 As the support S, it is preferable to use a film or sheet. By using a film-like or sheet-like material as a support, it is possible to continuously produce a membrane electrode assembly by a roll-to-roll method, and to produce a membrane electrode assembly at a low cost. Can do.
本発明の第1の触媒インク2´´にあっては少なくとも触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む。 The first catalyst ink 2 ″ of the present invention includes at least catalyst-supporting particles, a polymer electrolyte, and a solvent.
本発明の第1の触媒インク2´´に用いられる触媒担持粒子は粒子に触媒物質が担持されたものであり、触媒物質としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用できる。また、これらの触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、0.5〜20nmが好ましい。更に好ましくは、1〜5nmが良い。 The catalyst-carrying particles used in the first catalyst ink 2 ″ of the present invention are those in which a catalytic substance is carried on the particles, and as the catalytic substance, platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium and osmium are used. In addition, metals such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, alloys thereof, oxides, double oxides, and the like can be used. Moreover, since the activity of a catalyst will fall when the particle size of these catalysts is too large, and stability of a catalyst will fall when too small, 0.5-20 nm is preferable. More preferably, 1-5 nm is good.
また、触媒を担持するための粒子としてはカーボン粒子を用いることができる。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、10〜1000nm程度が好ましい。更に好ましくは、10〜100nmが良い。 Carbon particles can be used as the particles for supporting the catalyst. Any carbon particles can be used as long as they are in the form of fine particles, have conductivity and are not affected by the catalyst, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, and fullerene are used. it can. If the particle size of the carbon particles is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. If the particle size is too large, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer is reduced or the utilization rate of the catalyst is reduced. Is preferred. More preferably, 10-100 nm is good.
本発明の第1の触媒インク2´´に用いられる高分子電解質としては、プロトン伝導性を示す高分子電解質を用いることができる。特に、パーフルオロ型のスルホン酸系の高分子電解質を好適に用いることができ、製品名としてナフィオン(Nafion、デュポン社の登録商標)、フレミオン(旭硝子社の登録商標)、アシプレックス(旭化成社の登録商標)等の膜が使用できる。また、スルホン化されたPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)やPES(ポリエーテルスルホン)、PI(ポリイミド)などの炭化水素系の高分子電解質も使用できる。 As the polymer electrolyte used in the first catalyst ink 2 ″ of the present invention, a polymer electrolyte exhibiting proton conductivity can be used. In particular, perfluorosulfonic acid-based polymer electrolytes can be suitably used, and product names such as Nafion (Nafion, a registered trademark of DuPont), Flemion (registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (Asahi Kasei Corporation) A film such as a registered trademark can be used. Also, hydrocarbon polymer electrolytes such as sulfonated PEEK (polyether ether ketone), PES (polyether sulfone), and PI (polyimide) can be used.
第1の触媒インクに含まれる高分子電解質と電解質インクに含まれる高分子電解質は同一の材料であることが好ましい。第1の触媒インクに含まれる高分子電解質と電解質インクに含まれる高分子電解質を同一の材料とすることにより、形成される第1の電極触媒層と高分子電解質膜の接合を向上させることができ、界面のイオン抵抗をより小さくすることができる。 The polymer electrolyte contained in the first catalyst ink and the polymer electrolyte contained in the electrolyte ink are preferably the same material. By using the same material for the polymer electrolyte contained in the first catalyst ink and the polymer electrolyte contained in the electrolyte ink, the bonding between the formed first electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be improved. And the ionic resistance at the interface can be further reduced.
本発明の第1の触媒インクに2´´用いられる溶媒2´´としては、触媒担時粒子や高分子電解質を侵食することなく、高分子電解質が流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるもので特に制限はない。 As the solvent 2 ″ used for the first catalyst ink of the present invention 2 ″, the polymer electrolyte dissolves or forms a fine gel in a highly fluid state without corroding the catalyst-supporting particles and the polymer electrolyte. There are no particular restrictions on what can be dispersed.
中でも、溶媒としては有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましく、特に限定されるものではないが、有機溶媒としてメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノール、2−ヘプタノール、ベンジルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等が使用される。また、溶媒として、水を用いることもできる。また、これらの溶媒のうち二種以上を混合させたものも使用できる。 Among them, it is desirable that the solvent contains at least an organic solvent, and is not particularly limited, but examples of the organic solvent include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, alcohols such as tert-butyl alcohol, pentanol, 2-heptanol, benzyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, pentanone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, Ketones such as acetonyl acetone, diethyl ketone, dipropyl ketone, diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, dioxane, diethylene glycol dimethyl Ethers such as ether, anisole, methoxytoluene, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, amines such as isopropylamine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine, aniline, propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, acetic acid Esters such as methyl, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, other acetic acid, propionic acid, dimethylformamide, dimethylacetamide, N- Methyl pyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether Le, ethylene glycol diethyl ether, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol or the like is used. Moreover, water can also be used as a solvent. Moreover, what mixed 2 or more types of these solvents can also be used.
また、溶媒として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高く、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限はない。また、乾燥工程の温度を考慮すると、第1の触媒インクに用いられる溶媒は、沸点が60から120℃の範囲であるものが好ましい。 In addition, those using lower alcohol as the solvent have a high risk of ignition, and when using such a solvent, it is preferable to use a mixed solvent with water. The amount of water added is not particularly limited as long as the polymer electrolyte is not separated to cause white turbidity or gelation. In consideration of the temperature of the drying step, the solvent used for the first catalyst ink preferably has a boiling point in the range of 60 to 120 ° C.
第1の触媒インク2´´は、これらの触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含むものであるが、この他の成分を含んでいてもよい。例えば、造孔剤を含んでいても良く、造孔剤は電極触媒層の形成後に除去することで、細孔を形成することが出来る。酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウなどの昇華する物質、熱分解する物質などを挙げることが出来る。また、温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いても良い。 The first catalyst ink 2 ″ contains these catalyst-supporting particles, polymer electrolyte, and solvent, but may contain other components. For example, a pore-forming agent may be included, and pores can be formed by removing the pore-forming agent after the formation of the electrode catalyst layer. Examples include substances that are soluble in acids, alkalis, and water, substances that sublime such as camphor, and substances that thermally decompose. In addition, if the substance is soluble in hot water, it may be removed with water generated during power generation.
本発明の第1の触媒インク2´´はこれらの触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を混合することにより得ることができる。第1の触媒インクを調整する際には分散処理をおこなうことができる。分散処理は、様々な処理方法を用いることができ、例えば、ボールミルやロールミル、せん断ミル、湿式ミル、超音波分散処理、ホモジナイザーを用いて処理することができる。 The first catalyst ink 2 ″ of the present invention can be obtained by mixing these catalyst-supporting particles, polymer electrolyte, and solvent. When adjusting the first catalyst ink, a dispersion process can be performed. Various treatment methods can be used for the dispersion treatment, and for example, treatment can be performed using a ball mill, a roll mill, a shear mill, a wet mill, an ultrasonic dispersion treatment, or a homogenizer.
調整された第1の触媒インク2´´は、支持体S上に塗布される。このときの第1の触媒インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、ダイコート法、スリットコート法、アプリケータ法を好適に用いることができる。 The adjusted first catalyst ink 2 ″ is applied on the support S. As a method for applying the first catalyst ink at this time, a screen printing method, a die coating method, a slit coating method, or an applicator method can be suitably used.
塗布された第1の触媒インクからなる塗膜2´は、乾燥によって塗膜中の溶媒が除去され、支持体S上に第1の電極触媒層2が形成される。乾燥手段としては、加熱による乾燥、送風による乾燥、加熱送風による乾燥等を用いることができる。このとき、第1の電極触媒層は、第1の触媒インクに含まれる溶媒の全質量に対して10wt%以下にまで溶媒が除去されていることが好ましい。 The coating film 2 ′ made of the applied first catalyst ink is dried to remove the solvent in the coating film, and the first electrode catalyst layer 2 is formed on the support S. As the drying means, drying by heating, drying by blowing, drying by heating, or the like can be used. At this time, it is preferable that the solvent is removed from the first electrode catalyst layer to 10 wt% or less with respect to the total mass of the solvent contained in the first catalyst ink.
以上により、支持体S上に第1の電極触媒層2が形成される。次に、電解質インク1´´を用い、第1の電極触媒層2上に高分子電解質膜1が形成される。 Thus, the first electrode catalyst layer 2 is formed on the support S. Next, the polymer electrolyte membrane 1 is formed on the first electrode catalyst layer 2 using the electrolyte ink 1 ″.
電解質インク1´´は、少なくとも高分子電解質と溶媒を含む。電解質インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を示す高分子電解質を用いることができる。特に、パーフルオロ型のスルホン酸系の高分子電解質を好適に用いることができ、製品名としてナフィオン(Nafion、デュポン社の登録商標)、フレミオン(旭硝子社の登録商標)、アシプレックス(旭化成社の登録商標)等の膜が使用できる。また、スルホン化されたPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)やPES(ポリエーテルスルホン)、PI(ポリイミド)などの炭化水素系の高分子電解質も使用できる。 The electrolyte ink 1 '' includes at least a polymer electrolyte and a solvent. As the polymer electrolyte contained in the electrolyte ink, a polymer electrolyte exhibiting proton conductivity can be used. In particular, perfluorosulfonic acid-based polymer electrolytes can be suitably used, and product names such as Nafion (Nafion, a registered trademark of DuPont), Flemion (registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (Asahi Kasei Corporation) A film such as a registered trademark can be used. Also, hydrocarbon polymer electrolytes such as sulfonated PEEK (polyether ether ketone), PES (polyether sulfone), and PI (polyimide) can be used.
電解質インク1´´に含まれる溶媒しては、有機溶媒としてメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノール、2−ヘプタノール、ベンジルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等が使用される。また、溶媒として、水を用いることもできる。また、これらの溶媒のうち二種以上を混合させたものも使用できる。 Solvents contained in the electrolyte ink 1 ″ are organic solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentanol, and 2-heptanol. , Alcohols such as benzyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, pentanone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, diethyl ketone, dipropyl ketone, Ketones such as diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, diethyl ether , Ethers such as dipropyl ether and dibutyl ether, amines such as isopropylamine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine and aniline, propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, Esters such as butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, other acetic acid, propionic acid, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, Propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diacetone alcohol Lumpur, 1-methoxy-2-propanol or the like is used. Moreover, water can also be used as a solvent. Moreover, what mixed 2 or more types of these solvents can also be used.
本発明の電解質インク1´´はこれらの高分子電解質と溶媒を混合することにより得ることができる。このとき、電解質インクは他の成分を含んでいても構わない。 The electrolyte ink 1 '' of the present invention can be obtained by mixing these polymer electrolytes and a solvent. At this time, the electrolyte ink may contain other components.
電解質インク1´´の粘度としては100cP以上200cP以下の範囲に調整されることが好ましい。電解質インクの粘度が100cP以下であると第1の電極触媒層内の細孔に電解質インク入り込みやすく、製造される膜電極接合体のガス拡散性が低下してしまうことがある。一方、電解質インクの粘度が200cP以上であると電解質インクが塗工しにくくなってしまい、第1の電極触媒層上に膜厚が均一な高分子電解質膜を形成することが困難となる場合がある。 The viscosity of the electrolyte ink 1 ″ is preferably adjusted to a range of 100 cP to 200 cP. When the viscosity of the electrolyte ink is 100 cP or less, the electrolyte ink can easily enter the pores in the first electrode catalyst layer, and the gas diffusibility of the produced membrane electrode assembly may be lowered. On the other hand, when the viscosity of the electrolyte ink is 200 cP or more, it becomes difficult to apply the electrolyte ink, and it may be difficult to form a polymer electrolyte membrane having a uniform film thickness on the first electrode catalyst layer. is there.
調整され電解質インク1´´は、支持体S上に塗布される。このときの電解質インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、ダイコート法、スリットコート法、アプリケータ法を好適に用いることができる。 The adjusted electrolyte ink 1 ″ is applied on the support S. As a method for applying the electrolyte ink at this time, a screen printing method, a die coating method, a slit coating method, or an applicator method can be suitably used.
塗布された電解質インクからなる塗膜1´は、乾燥によって塗膜中の溶媒が除去され、高分子電解質膜1が形成される。乾燥手段としては、加熱による乾燥、送風による乾燥、加熱送風による乾燥等を用いることができる。このとき、高分子電解質は塗布される電解質インクの質量に対し5wt%以下にまで溶媒が除去されていることが好ましい。 The coating film 1 ′ made of the applied electrolyte ink is dried to remove the solvent in the coating film, and the polymer electrolyte membrane 1 is formed. As the drying means, drying by heating, drying by blowing, drying by heating, or the like can be used. At this time, it is preferable that the solvent is removed from the polymer electrolyte to 5 wt% or less with respect to the mass of the applied electrolyte ink.
本発明の膜電極接合体の製造方法において、加熱による乾燥手段、送風による乾燥手段、加熱送風による乾燥手段による電解質インクからなる塗膜の溶媒除去工程は、電解質インクの塗布後速やかにおこなわれることが好ましい。溶媒除去に時間がかかる場合には第1の電極触媒層と形成される高分子電解質膜の成分が混合してしまうため好ましくない。具体的には、電解質インクを塗布したあとから塗布される電解質インクの質量に対し5wt%以下にまでの溶媒を除去するまでの時間が、30秒以上10分以下の範囲内であることが好ましい。 In the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention, the solvent removal step of the coating film made of the electrolyte ink by the drying means by heating, the drying means by blowing, and the drying means by heating and blowing is performed immediately after the application of the electrolyte ink. Is preferred. When it takes time to remove the solvent, the first electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane component to be formed are mixed, which is not preferable. Specifically, it is preferable that the time from the application of the electrolyte ink to the removal of the solvent up to 5 wt% or less with respect to the mass of the applied electrolyte ink is in the range of 30 seconds to 10 minutes. .
以上により、第1の電極触媒層2上に高分子電解質膜1が形成される。次に、第2の触媒インキを3´´用い高分子電解質膜1上に第2の電極触媒層3が形成される。 As a result, the polymer electrolyte membrane 1 is formed on the first electrode catalyst layer 2. Next, the second electrode catalyst layer 3 is formed on the polymer electrolyte membrane 1 using 3 ″ of the second catalyst ink.
本発明の第2の触媒インク3´´にあっては少なくとも触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む。 The second catalyst ink 3 ″ of the present invention includes at least catalyst-supporting particles, a polymer electrolyte, and a solvent.
本発明の第2の触媒インク3´´に用いられる触媒担持粒子は粒子に触媒物質が担持されたものであり、触媒物質としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用できる。また、これらの触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、0.5〜20nmが好ましい。更に好ましくは、1〜5nmが良い。 The catalyst-carrying particles used in the second catalyst ink 3 ″ of the present invention are those in which a catalytic substance is carried on the particles. Examples of the catalytic substance include platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium. In addition, metals such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, alloys thereof, oxides, double oxides, and the like can be used. Moreover, since the activity of a catalyst will fall when the particle size of these catalysts is too large, and stability of a catalyst will fall when too small, 0.5-20 nm is preferable. More preferably, 1-5 nm is good.
また、触媒を担持するための粒子としてはカーボン粒子を用いることができる。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、10〜1000nm程度が好ましい。更に好ましくは、10〜100nmが良い。 Carbon particles can be used as the particles for supporting the catalyst. Any carbon particles can be used as long as they are in the form of fine particles, have conductivity and are not affected by the catalyst, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, and fullerene are used. it can. If the particle size of the carbon particles is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path. If the particle size is too large, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer is reduced or the utilization rate of the catalyst is reduced. Is preferred. More preferably, 10-100 nm is good.
本発明の第2の触媒インク3´´に用いられる高分子電解質としては、プロトン伝導性を示す高分子電解質を用いることができる。特に、パーフルオロ型のスルホン酸系の高分子電解質を好適に用いることができ、製品名としてナフィオン(Nafion、デュポン社の登録商標)、フレミオン(旭硝子社の登録商標)、アシプレックス(旭化成社の登録商標)等の膜が使用できる。また、スルホン化されたPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)やPES(ポリエーテルスルホン)、PI(ポリイミド)などの炭化水素系の高分子電解質も使用できる。 As the polymer electrolyte used in the second catalyst ink 3 ″ of the present invention, a polymer electrolyte exhibiting proton conductivity can be used. In particular, perfluorosulfonic acid-based polymer electrolytes can be suitably used, and product names such as Nafion (Nafion, a registered trademark of DuPont), Flemion (registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (Asahi Kasei Corporation) A film such as a registered trademark can be used. Also, hydrocarbon polymer electrolytes such as sulfonated PEEK (polyether ether ketone), PES (polyether sulfone), and PI (polyimide) can be used.
第2の触媒インク3´´に含まれる高分子電解質と電解質インクに含まれる高分子電解質は同一の材料であることが好ましい。第2の触媒インクに含まれる高分子電解質と電解質インクに含まれる高分子電解質を同一の材料とすることにより、形成される第2の電極触媒層と高分子電解質膜の接合を向上させることができ、界面のイオン抵抗をより小さくすることができる。 The polymer electrolyte contained in the second catalyst ink 3 ″ and the polymer electrolyte contained in the electrolyte ink are preferably the same material. By using the same material for the polymer electrolyte contained in the second catalyst ink and the polymer electrolyte contained in the electrolyte ink, the bonding between the formed second electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be improved. And the ionic resistance at the interface can be further reduced.
本発明の第2の触媒インク3´´に用いられる溶媒としては、触媒担時粒子や高分子電解質を侵食することなく、高分子電解質が流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるもので特に制限はない。 As the solvent used in the second catalyst ink 3 '' of the present invention, the polymer electrolyte can be dissolved or dispersed as a fine gel in a highly fluid state without eroding the catalyst-carrying particles and the polymer electrolyte. There are no particular restrictions.
中でも、溶媒としては有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましく、特に限定されるものではないが、有機溶媒としてメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノール、2−ヘプタノール、ベンジルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等が使用される。また、溶媒として、水を用いることもできる。また、これらの溶媒のうち二種以上を混合させたものも使用できる。 Among them, it is desirable that the solvent contains at least an organic solvent, and is not particularly limited, but examples of the organic solvent include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, alcohols such as tert-butyl alcohol, pentanol, 2-heptanol, benzyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone, methyl propyl ketone, methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, pentanone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, Ketones such as acetonyl acetone, diethyl ketone, dipropyl ketone, diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, dioxane, diethylene glycol dimethyl Ethers such as ether, anisole, methoxytoluene, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, amines such as isopropylamine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine, aniline, propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, acetic acid Esters such as methyl, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, other acetic acid, propionic acid, dimethylformamide, dimethylacetamide, N- Methyl pyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether Le, ethylene glycol diethyl ether, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol or the like is used. Moreover, water can also be used as a solvent. Moreover, what mixed 2 or more types of these solvents can also be used.
また、溶媒として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高く、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限はない。また、乾燥工程の温度を考慮すると、第1の触媒インクに用いられる溶媒は、沸点が60から120℃の範囲であるものが好ましい。 In addition, those using lower alcohol as the solvent have a high risk of ignition, and when using such a solvent, it is preferable to use a mixed solvent with water. The amount of water added is not particularly limited as long as the polymer electrolyte is not separated to cause white turbidity or gelation. In consideration of the temperature of the drying step, the solvent used for the first catalyst ink preferably has a boiling point in the range of 60 to 120 ° C.
第2の触媒インク3´´は、これらの触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含むものであるが、この他の成分を含んでいてもよい。例えば、造孔剤を含んでいても良く、造孔剤は電極触媒層の形成後に除去することで、細孔を形成することが出来る。酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウなどの昇華する物質、熱分解する物質などを挙げることが出来る。温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いても良い。 The second catalyst ink 3 ″ contains these catalyst-supporting particles, polymer electrolyte, and solvent, but may contain other components. For example, a pore-forming agent may be included, and pores can be formed by removing the pore-forming agent after the formation of the electrode catalyst layer. Examples include substances that are soluble in acids, alkalis, and water, substances that sublime such as camphor, and substances that thermally decompose. If the substance is soluble in hot water, it may be removed with water generated during power generation.
本発明の第2の触媒インク3´´はこれらの触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を混合することにより得ることができる。第2の触媒インクを調整する際には分散処理をおこなうことができる。分散処理は、分様々な装置を用いて行うことができ、例えば、ボールミルやロールミル、せん断ミル、湿式ミル、超音波分散処理、ホモジナイザーを用いて処理することができる。 The second catalyst ink 3 ″ of the present invention can be obtained by mixing these catalyst-supporting particles, polymer electrolyte, and solvent. When adjusting the second catalyst ink, a dispersion process can be performed. The dispersion treatment can be performed using various apparatuses, for example, a ball mill, a roll mill, a shear mill, a wet mill, an ultrasonic dispersion treatment, or a homogenizer.
調整された第2の触媒インク3´´は、高分子電解質膜1上に塗布される。このときの第2の触媒インクの塗布方法としては、スクリーン印刷法、ダイコート法、スリットコート法、アプリケータ法を好適に用いることができる。 The adjusted second catalyst ink 3 ″ is applied on the polymer electrolyte membrane 1. As a method for applying the second catalyst ink at this time, a screen printing method, a die coating method, a slit coating method, and an applicator method can be suitably used.
塗布された第2の触媒インクからなる塗膜3´は、乾燥によって塗膜中の溶媒が除去され、第2の電極触媒層が形成される。乾燥手段としては、加熱による乾燥、送風による乾燥、加熱送風による乾燥等を用いることができる。 The coating film 3 ′ made of the applied second catalyst ink is dried to remove the solvent in the coating film, thereby forming a second electrode catalyst layer. As the drying means, drying by heating, drying by blowing, drying by heating, or the like can be used.
本発明の膜電極接合体の製造方法おいて、加熱による乾燥手段、送風による乾燥手段、加熱送風による乾燥手段による第2の触媒インクからなる塗膜の溶媒除去工程は、第2の触媒インクの塗布後速やかにおこなわれることが好ましい。溶媒除去に時間がかかる場合には高分子電解質膜と形成される第2の電極触媒層の成分が混合してしまうため好ましくない。具体的には、電解質インクを塗布したあとから塗布される電解質インク中に含まれる溶媒の全質量に対し10wt%以下にまで溶媒を除去するまでの時間が30秒以上10分以下の範囲内であることが好ましい。 In the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention, the solvent removal step of the coating film composed of the second catalyst ink by the drying means by heating, the drying means by blowing, and the drying means by heating and blowing is performed on the second catalyst ink. It is preferable to carry out immediately after application. When it takes time to remove the solvent, the polymer electrolyte membrane and the component of the second electrode catalyst layer to be formed are mixed, which is not preferable. Specifically, the time until the solvent is removed to 10 wt% or less with respect to the total mass of the solvent contained in the applied electrolyte ink after applying the electrolyte ink is within a range of 30 seconds to 10 minutes. Preferably there is.
以上により、高分子電解質膜1上に第2の電極触媒層3が形成され、本発明の膜電極接合体は製造される。 Thus, the second electrode catalyst layer 3 is formed on the polymer electrolyte membrane 1, and the membrane electrode assembly of the present invention is manufactured.
本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、第1の触媒インク、電解質インク、第2の触媒インクを用いて膜電極接合体を形成した後に、ホットプレスをおこなってもよい。このとき、プレス時間は、ホットプレスによって高分子電解質膜の両面に電極触媒層を転写する膜電極接合体の製造方法する方法と比較して短くすることができる。したがって、ホットプレス工程を設けた場合であっても、生産効率の膜電極接合体の製造方法とすることができる。また、ホットプレス時の加熱条件、加圧条件も、ホットプレスによって高分子電解質膜の両面に電極触媒層を転写する膜電極接合体の製造方法する方法と比較して緩やかな条件とすることができる。 In the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention, hot pressing may be performed after the membrane electrode assembly is formed using the first catalyst ink, the electrolyte ink, and the second catalyst ink. At this time, pressing time can be shortened compared with the method of manufacturing the membrane electrode assembly which transfers an electrode catalyst layer on both surfaces of a polymer electrolyte membrane by hot pressing. Therefore, even when a hot press process is provided, a production method of a membrane electrode assembly with high production efficiency can be obtained. In addition, the heating and pressurizing conditions during hot pressing may be milder than the method of manufacturing a membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers are transferred to both surfaces of a polymer electrolyte membrane by hot pressing. it can.
そして、本発明の膜電極接合体は1組のガス拡散層で狭持され、さらには、セパレーターで狭持され本発明の固体高分子型燃料電池とすることができる。 The membrane electrode assembly of the present invention is sandwiched between a pair of gas diffusion layers, and further sandwiched by a separator, whereby the polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be obtained.
このとき、ガス拡散層としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質のものを用いることができる。具体的にはガス拡散層としてはカーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材を用いることができる。ガス拡散層は基材として用いることもできる。このとき、接合工程後にガス拡散層である基材を剥離する必要は無い。 At this time, as the gas diffusion layer, a material having gas diffusibility and conductivity can be used. Specifically, porous carbon materials such as carbon cloth, carbon paper, and non-woven fabric can be used as the gas diffusion layer. The gas diffusion layer can also be used as a substrate. At this time, it is not necessary to peel off the base material that is the gas diffusion layer after the joining step.
また、ガス拡散層を支持体として用いる場合には、触媒インクを塗布する前に、予め、ガス拡散層上に目処め層を形成させてもよい。目処め層は、第1の触媒インクがガス拡散層の中に染み込むことを防止する層であり、触媒インクの塗布量が少ない場合でも目処め層上に堆積して三相界面を形成する。このような目処め層は、例えばフッ素系樹脂溶液にカーボン粒子を分散させ、フッ素系樹脂の融点以上の温度で焼結させることにより形成することはできる。フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が利用できる。 Moreover, when using a gas diffusion layer as a support body, before applying a catalyst ink, you may form a mesh layer on a gas diffusion layer previously. The mesh layer is a layer that prevents the first catalyst ink from permeating into the gas diffusion layer, and deposits on the mesh layer to form a three-phase interface even when the amount of catalyst ink applied is small. Such a sealing layer can be formed, for example, by dispersing carbon particles in a fluorine resin solution and sintering at a temperature equal to or higher than the melting point of the fluorine resin. As the fluororesin, polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like can be used.
また、セパレーターとしては、カーボンタイプあるいは金属タイプのもの等を用いることができる。なお、ガス拡散層とセパレーターは一体構造となっていても構わない。また、ガス拡散層はセパレーター側から供給されるガスを、面内で均一化して電極触媒層に供給するための層であり、セパレーターもしくは電極触媒層がガス拡散層の機能を果たす場合には、本発明の固体高分子型燃料電池においてガス拡散層は省略されていても構わない。 Moreover, as a separator, a carbon type or a metal type can be used. The gas diffusion layer and the separator may be integrated. Further, the gas diffusion layer is a layer for uniformly supplying the gas supplied from the separator side to the electrode catalyst layer in the plane, and when the separator or the electrode catalyst layer serves as a gas diffusion layer, In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the gas diffusion layer may be omitted.
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these.
(第1触媒インク、第2触媒インクの調整)
白金担持カーボン触媒と、20質量%高分子電解質溶液(ナフィオン:登録商標、デュポン社製)を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。
出発原料の組成比を白金担持カーボンと高分子電解質であるナフィオン(登録商標)(デュポン社製)を質量比で2:1とし、溶媒に分散させて第1の触媒インク、第2の触媒インクを調整した。このとき、溶媒はエタノール、メタノールを体積比で1:1とした。また、固形分含有量は10質量%とした。
(Adjustment of the first catalyst ink and the second catalyst ink)
A platinum-supported carbon catalyst and a 20% by mass polymer electrolyte solution (Nafion: registered trademark, manufactured by DuPont) were mixed in a solvent and subjected to dispersion treatment with a planetary ball mill. Ball mill pots and balls made of zirconia were used.
The composition ratio of the starting materials is platinum-supported carbon and polymer electrolyte Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont) at a mass ratio of 2: 1 and dispersed in a solvent to form a first catalyst ink and a second catalyst ink. Adjusted. At this time, the solvent was ethanol and methanol at a volume ratio of 1: 1. The solid content was 10% by mass.
(電解質インクの調整)
電解質インクは20wt%ナフィオン(登録商標)溶液(和光純薬より購入)を用いた。
(Adjustment of electrolyte ink)
As the electrolyte ink, a 20 wt% Nafion (registered trademark) solution (purchased from Wako Pure Chemical Industries) was used.
(第1の電極触媒層膜厚の確認)
ガラスプレート上に高分子フィルム(ポリエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE))を固定し、刃と高分子フィルムとの隙間を125μmに設定したドクターブレードにより高分子フィルム上に触媒インクを塗布し、70℃に設定したオーブン内で5分間乾燥させることで触媒層を作製した。白金の担持量は、0.3mg/cm2になるように調整した。触媒層の膜厚を接触式の膜厚計で測定すると、約8μmであった。この時の残留溶媒は、塗布した触媒のインクの質量の7.4wt%であった。
(Confirmation of first electrode catalyst layer thickness)
A polymer film (polyethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE)) is fixed on a glass plate, and a catalyst ink is applied onto the polymer film by a doctor blade in which a gap between the blade and the polymer film is set to 125 μm. A catalyst layer was prepared by drying in an oven set at 70 ° C. for 5 minutes. The amount of platinum supported was adjusted to 0.3 mg / cm 2 . When the film thickness of the catalyst layer was measured with a contact-type film thickness meter, it was about 8 μm. The residual solvent at this time was 7.4 wt% of the mass of the applied catalyst ink.
(高分子電解質層膜厚の確認)
ガラスプレート上に高分子フィルム(ポリエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE))を固定し、刃と高分子フィルムとの隙間を287μmに設定したドクターブレードにより高分子フィルム上に高分子電解質インクを塗布し、80℃に設定した真空オーブン内で60分間乾燥させることで高分子電解質層を作製した。高分子電解質層の膜厚を接触式の膜厚計で測定すると、約25μmであった。
(Confirmation of polymer electrolyte layer thickness)
A polymer film (polyethylenetetrafluoroethylene copolymer (ETFE)) is fixed on a glass plate, and a polymer electrolyte ink is applied onto the polymer film with a doctor blade in which the gap between the blade and the polymer film is set to 287 μm. And it was made to dry for 60 minutes in the vacuum oven set to 80 degreeC, and the polymer electrolyte layer was produced. When the film thickness of the polymer electrolyte layer was measured with a contact-type film thickness meter, it was about 25 μm.
(実施例1)
(第1の電極触媒層の形成)
ガラスプレート上に高分子フィルム(ポリエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE))を固定し、刃と基材との隙間を125μmに設定したドクターブレードにより高分子フィルム上に第1の触媒インクを塗布し、塗布後すぐに70℃に設定したオーブン内で5分間乾燥させることで第1の電極触媒層を作製した。このときの第1の電極触媒層の残留溶媒は、塗布した触媒インクの質量の7.4wt%であった。
Example 1
(Formation of first electrode catalyst layer)
A polymer film (polyethylenetetrafluoroethylene copolymer (ETFE)) is fixed on a glass plate, and the first catalyst ink is applied onto the polymer film with a doctor blade in which the gap between the blade and the substrate is set to 125 μm. Then, immediately after coating, the first electrode catalyst layer was produced by drying in an oven set at 70 ° C. for 5 minutes. At this time, the residual solvent of the first electrode catalyst layer was 7.4 wt% of the mass of the applied catalyst ink.
(高分子電解質層の形成)
ガラスプレート上に第1の電極触媒層が形成された高分子フィルムを固定し、刃との隙間を287μmに設定したドクターブレードにより第1の電極触媒層上に電解質インクを塗布し、塗布後すぐに60℃に設定したオーブン内で5分間乾燥させることで高分子電解質膜を作製した。この時、電解質膜の残留溶媒は、塗布した電解質インクの質量の5.4wt%であった。
(Polymer electrolyte layer formation)
A polymer film having a first electrode catalyst layer formed on a glass plate is fixed, and an electrolyte ink is applied on the first electrode catalyst layer by a doctor blade with a gap of 287 μm between the blade and immediately after application. A polymer electrolyte membrane was prepared by drying in an oven set at 60 ° C. for 5 minutes. At this time, the residual solvent of the electrolyte membrane was 5.4 wt% of the mass of the applied electrolyte ink.
(第2の電極触媒層の形成)
ガラスプレート上に第1の電極触媒層と高分子電解質層が形成された高分子フィルムを固定し、刃との隙間を287μmに設定したドクターブレードにより第2の触媒インクを塗布し、塗布後すぐに60℃に設定したオーブン内で5分間乾燥させることで第2の電極触媒層を作製した。
(Formation of second electrode catalyst layer)
A polymer film on which a first electrode catalyst layer and a polymer electrolyte layer are formed on a glass plate is fixed, and a second catalyst ink is applied with a doctor blade with a gap of 287 μm between the blade and immediately after application. The second electrode catalyst layer was prepared by drying in an oven set at 60 ° C. for 5 minutes.
(実施例2)
(第1の電極触媒層の形成)
ガラスプレート上に高分子フィルム(ポリエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE))を固定し、刃と高分子フィルムとの隙間を125μmに設定したドクターブレードによりガラス基材上に第1の触媒インクを塗布し、70℃に設定したオーブン内で5分間乾燥させることで第1の電極触媒層を作製した。この時の第1の電極触媒層の残留溶媒は、塗布した第1の触媒インクの7.4wt%であった。
(Example 2)
(Formation of first electrode catalyst layer)
A polymer film (polyethylenetetrafluoroethylene copolymer (ETFE)) is fixed on a glass plate, and the first catalyst ink is applied onto the glass substrate by a doctor blade in which the gap between the blade and the polymer film is set to 125 μm. The first electrode catalyst layer was prepared by applying and drying in an oven set at 70 ° C. for 5 minutes. At this time, the residual solvent of the first electrode catalyst layer was 7.4 wt% of the applied first catalyst ink.
(高分子電解質層の形成)
ガラスプレート上に第1の電極触媒層が形成された高分子フィルムを固定し、刃との隙間を287μmに設定したドクターブレードにより電解質インクを塗布し、80℃で真空に設定された乾燥機の中で10分間乾燥させることで高分子電解質層を作製した。この時の高分子電解質膜の残留溶媒は、塗布した電解質インクの3.7wt%であった。
(Polymer electrolyte layer formation)
A polymer film having a first electrode catalyst layer formed on a glass plate is fixed, electrolyte ink is applied by a doctor blade with a gap between the blades set to 287 μm, and a dryer set at a vacuum of 80 ° C. The polymer electrolyte layer was produced by drying for 10 minutes. The residual solvent of the polymer electrolyte membrane at this time was 3.7 wt% of the applied electrolyte ink.
(第2の電極触媒層の形成)
ガラスプレート上に第1の電極触媒層と高分子電解質層が形成された高分子フィルムを固定し、刃との隙間を287μmに設定したドクターブレードにより第2の触媒インクを塗布し、塗布後すぐに60℃に設定したオーブン内で5分間乾燥させることで第2の電極触媒層を作製した。
(Formation of second electrode catalyst layer)
A polymer film having a first electrode catalyst layer and a polymer electrolyte layer formed on a glass plate is fixed, and a second catalyst ink is applied with a doctor blade with a gap of 287 μm between the blade and immediately after application. The second electrode catalyst layer was prepared by drying in an oven set at 60 ° C. for 5 minutes.
(実施例1と実施例2の断面比較)
図4に、実施例1で示した逐次積層によって作製されたMEAの断面の走査電子顕微鏡(SEM)写真を示した。図5に、実施例2で示した逐次積層によって作製されたMEAの断面の走査電子顕微鏡(SEM)写真を示した。
(Cross-sectional comparison between Example 1 and Example 2)
In FIG. 4, the scanning electron microscope (SEM) photograph of the cross section of MEA produced by the sequential lamination shown in Example 1 was shown. In FIG. 5, the scanning electron microscope (SEM) photograph of the cross section of MEA produced by the sequential lamination shown in Example 2 was shown.
以上の結果から、(実施例1)で示した逐次積層によって作製されたMEAは、高分子電解質層が5μmと薄くなっている。つまり、高分子電解質膜と第2の電極触媒層が混合してしまっていることが確認できる。一方、(実施例2)で示した逐次積層によって作製されたMEAは、高分子電解質層が27μmと(高分子電解質膜の膜厚の確認)で得られた結果とほぼ同じであり、高分子電解質膜と第2の電極触媒層が混合の度合いが小さいことが確認できる。 From the above results, in the MEA produced by the sequential lamination shown in (Example 1), the polymer electrolyte layer is as thin as 5 μm. That is, it can be confirmed that the polymer electrolyte membrane and the second electrode catalyst layer are mixed. On the other hand, the MEA produced by sequential lamination shown in (Example 2) has a polymer electrolyte layer of 27 μm (confirmation of the film thickness of the polymer electrolyte membrane), which is almost the same as the polymer electrolyte layer. It can be confirmed that the degree of mixing between the electrolyte membrane and the second electrode catalyst layer is small.
本発明の膜電極接合体の製造方法を用いることにより、従来一般的に用いられているホットプレス法により電極触媒層を膜電極接合体の両面に作製する場合と比較して短時間で膜電極接合体を製造することができ、膜電極接合体を量産するにあたり低コストで膜電極接合体を提供することができる。したがって、極めて産業上の利用可能性の高い製造方法であるといえる。また、第1の電極触媒層と高分子電解質層の乾燥を十分に施すことで、高分子電解質層と第2の電極触媒層の混合が防ぐことができる。 By using the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention, the membrane electrode can be formed in a shorter time compared with the case where the electrode catalyst layer is produced on both surfaces of the membrane electrode assembly by a conventionally used hot press method. A joined body can be manufactured, and a membrane electrode assembly can be provided at low cost in mass production of a membrane electrode assembly. Therefore, it can be said that it is a manufacturing method with extremely high industrial applicability. Moreover, mixing of the polymer electrolyte layer and the second electrode catalyst layer can be prevented by sufficiently drying the first electrode catalyst layer and the polymer electrolyte layer.
1 高分子電解質膜
1´´ 電解質インク
1´ 塗膜
2 第1の電極触媒層
2´´ 第1の触媒インク
2´ 第1の触媒インクからなる塗膜
3 第2の電極触媒層
3´´ 第2の触媒インク
3´ 第2の触媒インクからなる塗膜
A 膜電極接合体
S 支持体
4 ガス拡散層
5 ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 1 '' Electrolyte ink 1 'Coating film 2 1st electrode catalyst layer 2 "1st catalyst ink 2' Coating film which consists of 1st catalyst ink 3 2nd electrode catalyst layer 3" Second catalyst ink 3 ′ Coating film made of second catalyst ink A Membrane electrode assembly S Support 4 Gas diffusion layer 5 Gas diffusion layer 6 Air electrode 7 Fuel electrode 8 Gas flow channel 9 Cooling water flow channel 10 Separator
Claims (6)
基材上に、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む第1の触媒インクを塗布し塗膜を形成する工程と、
該形成した塗膜中の溶媒を除去し、第1の電極触媒層を形成する工程と、
該第1の電極触媒層上に、高分子電解質と溶媒を含む電解質インクを塗布し塗膜を形成する工程と、
該形成した塗膜中の溶媒を除去し、高分子電解質膜を形成する工程と、
該高分子電解質膜上に、触媒担持粒子と高分子電解質と溶媒を含む触媒インクを塗布し塗膜を形成する工程と、
該形成した塗膜中の溶媒を除去し、第2の電極触媒層を形成する工程と
を備え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 in which both sides of a polymer electrolyte membrane are sandwiched between electrode catalyst layers,
Applying a first catalyst ink containing catalyst-carrying particles, a polymer electrolyte, and a solvent on a substrate to form a coating film;
Removing the solvent in the formed coating film to form a first electrode catalyst layer;
Applying a polymer electrolyte and an electrolyte ink containing a solvent on the first electrode catalyst layer to form a coating film;
Removing the solvent in the formed coating film to form a polymer electrolyte membrane;
Applying a catalyst ink containing catalyst-carrying particles, a polymer electrolyte, and a solvent on the polymer electrolyte membrane to form a coating film;
Removing the solvent in the formed coating film, and forming a second electrode catalyst layer. A method for producing a membrane electrode assembly, comprising:
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