JP5245440B2 - Manufacturing method of membrane-electrode assembly for fuel cell - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池用膜−電極接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell.
固体高分子型燃料電池において、電解質膜と、この電解質膜の両面上に形成された電極と、から成る膜−電極接合体の製造方法としては、従来、種々の方法が知られている。例えば、電解質膜の表面に電極材料を付着させた後に、付着面に向かって高温蒸気を噴霧しつつ電解質膜を加圧することによって、電解質膜上に電極材料を定着させて、膜−電極接合体を製造する方法が提案されている(特許文献1参照)。このように、高温蒸気を供給することによって、電解質膜と電極材料とを定着させるための付着面の軟化を、容易に行なうことができる。 In a polymer electrolyte fuel cell, various methods are conventionally known as a method for producing a membrane-electrode assembly comprising an electrolyte membrane and electrodes formed on both surfaces of the electrolyte membrane. For example, after an electrode material is attached to the surface of the electrolyte membrane, the electrode material is fixed on the electrolyte membrane by pressurizing the electrolyte membrane while spraying high temperature steam toward the attachment surface, and the membrane-electrode assembly Has been proposed (see Patent Document 1). Thus, by supplying the high-temperature steam, the adhesion surface for fixing the electrolyte membrane and the electrode material can be easily softened.
しかしながら、電解質膜上に電極を形成する際に電解質膜上に蒸気を供給すると、電解質膜が膨潤すると共に、電解質膜の乾燥時には電解質膜が収縮し、電解質膜と電極との界面に応力が生じて、電解質膜と電極との密着性が低下する可能性がある。これに対して、予め、所定の基材上に電極材料を成膜して、電解質膜とは別体で多孔質な電極を作製しておき、その後、電解質膜と電極とを加熱しつつ加圧接合する方法も知られている。このような場合には、電解質膜に水分が供給されることに起因する既述した不都合を抑えることができるが、加熱および加圧によって、多孔質体として形成した電極が押し潰されて、燃料電池の性能が低下する場合があった。 However, if vapor is supplied onto the electrolyte membrane when forming the electrode on the electrolyte membrane, the electrolyte membrane swells, and when the electrolyte membrane is dried, the electrolyte membrane contracts and stress is generated at the interface between the electrolyte membrane and the electrode. As a result, the adhesion between the electrolyte membrane and the electrode may be reduced. In contrast, an electrode material is formed on a predetermined base material in advance to prepare a porous electrode that is separate from the electrolyte membrane, and then heated while the electrolyte membrane and the electrode are heated. A pressure bonding method is also known. In such a case, it is possible to suppress the inconveniences described above due to the supply of moisture to the electrolyte membrane, but the electrode formed as a porous body is crushed by heating and pressurization, and the fuel In some cases, battery performance deteriorated.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜と電極とを接合する際に、電解質膜と電極との密着性低下の抑制と、電極の潰れの抑制とを両立させることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems. When joining the electrolyte membrane and the electrode, it is possible to suppress a decrease in the adhesion between the electrolyte membrane and the electrode, and to suppress the collapse of the electrode. It aims at making both compatible.
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池用膜−電極接合体の製造方法であって、
電解質膜を含む電解質膜部を用意する第1の工程と、
触媒と電解質とが混在して成る多孔質な第1の電極を形成する第2の工程と、
前記第1の電極と前記電解質膜とを重ね合わせて、前記第1の電極と前記電解質膜部とを含む積層体と成し、前記積層体を加圧することによって、前記電解質膜部と前記第1の電極とを接合する第3の工程と、
を備え、
前記第3の工程は、前記第1の電極が配置された前記積層体の一方の面に比べて、前記積層体の他方の面の方が高温になるように、前記積層体を加熱しつつ加圧接合を行なう工程を含むことを要旨とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising:
A first step of preparing an electrolyte membrane part including an electrolyte membrane;
A second step of forming a porous first electrode comprising a mixture of a catalyst and an electrolyte;
The first electrode and the electrolyte membrane are overlapped to form a laminate including the first electrode and the electrolyte membrane portion, and the electrolyte membrane portion and the first electrode are pressed by pressing the laminate. A third step of joining the first electrode;
With
In the third step, the multilayer body is heated so that the other surface of the multilayer body has a higher temperature than the one surface of the multilayer body on which the first electrode is disposed. The gist is to include a step of performing pressure bonding.
以上のように構成された本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法によれば、電解質膜と第1の電極とを接合する際に、第1の電極が配置された積層体の一方の面に比べて他方の面の方が温度が高くなるように積層体を加熱しつつ加圧接合するため、電解質膜と第1の電極とを密着させつつ、加圧に伴う電極の潰れを抑制することができる。このように、電解質膜と第1の電極とを密着させることで、電解質膜と第1の電極との間の接触抵抗を抑えることができると共に、第1の電極の潰れを抑制することで、第1の電極が備える細孔が押しつぶされることを抑制することができる。 According to the method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention configured as described above, when the electrolyte membrane and the first electrode are joined, the laminate in which the first electrode is disposed Since the laminate is heated and bonded so that the temperature of the other surface is higher than that of the other surface, the electrode film is crushed with pressure while the electrolyte membrane and the first electrode are in close contact with each other. Can be suppressed. As described above, by bringing the electrolyte membrane and the first electrode into close contact with each other, the contact resistance between the electrolyte membrane and the first electrode can be suppressed, and by suppressing the collapse of the first electrode, Crushing of the pores included in the first electrode can be suppressed.
本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法において、前記第3の工程は、前記一方の面側に配置された前記第1の電極において、前記電解質膜部と接する界面は、前記電解質のガラス転移点以上の温度に昇温すると共に、前記電解質膜部と接しない側の表面近傍は、前記電解質のガラス転移点未満の温度となる温度勾配を生じるように、前記積層体を加熱しつつ、加圧接合を行なう工程を含むこととしても良い。このような構成とすれば、第1の電極において、電解質膜と接する界面を構成する電解質は軟化するが、界面から離間する部分を構成する電解質の軟化は抑制される。このように、電解質膜との界面の電解質が軟化することで、電解質膜と電極との密着性が高められ、また、界面から離間する部分の電解質の軟化が抑制されることで、第1の電極の加圧に対する強度を高めることができる。 In the method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to the present invention, the third step is the first electrode disposed on the one surface side, wherein the interface in contact with the electrolyte membrane portion is the electrolyte. The laminated body is heated so as to generate a temperature gradient at a temperature lower than the glass transition point of the electrolyte in the vicinity of the surface on the side not in contact with the electrolyte membrane part. However, a step of performing pressure bonding may be included. With such a configuration, in the first electrode, the electrolyte constituting the interface in contact with the electrolyte membrane is softened, but the softening of the electrolyte constituting the portion separated from the interface is suppressed. As described above, since the electrolyte at the interface with the electrolyte membrane is softened, the adhesion between the electrolyte membrane and the electrode is enhanced, and the softening of the electrolyte at a portion away from the interface is suppressed, so that the first The strength against pressure of the electrode can be increased.
このような本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法において、前記第3の工程は、前記温度勾配を生じるように、前記積層体の前記他方の面を加熱する工程を含むこととしても良い。このような構成とすれば、加圧の際に、積層体の一方の面だけを加圧するという簡便な方法により、電解質膜と電極の密着性の確保と、電極の潰れの抑制という効果を得ることができる。 In the method of manufacturing a fuel cell membrane-electrode assembly according to the present invention, the third step includes a step of heating the other surface of the laminate so as to generate the temperature gradient. Also good. With such a configuration, the effect of ensuring the adhesion between the electrolyte membrane and the electrode and suppressing the collapse of the electrode can be obtained by a simple method in which only one surface of the laminate is pressurized during pressurization. be able to.
このような本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法において、前記第3の工程は、前記温度勾配を生じるように、前記積層体の前記他方の面を加熱しつつ、前記積層体の前記一方の面を冷却する工程を含むこととしても良い。このような構成とすれば、積層体において、より精度良く、所望の温度勾配を形成させることができる。 In such a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to the present invention, in the third step, the laminate is heated while heating the other surface of the laminate so as to generate the temperature gradient. It is good also as including the process of cooling the said one surface. With such a configuration, a desired temperature gradient can be formed with higher accuracy in the laminate.
本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法において、前記第2の工程は、前記第1の電極と共に、さらに第2の電極を形成する工程を含み、前記第3の工程は、前記電解質膜を、前記第1の電極および前記第2の電極によって挟持して、前記積層体を形成する工程を含むこととしても良い。このような構成とすれば、加圧接合によって、双方の電極を同時に電解質膜に接合することができると共に、第1の電極と電解質膜との密着性を確保しつつ、第1の電極の潰れを抑制することができる。 In the method for manufacturing a fuel cell membrane-electrode assembly according to the present invention, the second step includes a step of forming a second electrode together with the first electrode, and the third step includes the step of A step of sandwiching the electrolyte membrane between the first electrode and the second electrode to form the stacked body may be included. With such a configuration, both electrodes can be simultaneously bonded to the electrolyte membrane by pressure bonding, and the first electrode is crushed while ensuring adhesion between the first electrode and the electrolyte membrane. Can be suppressed.
また、本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法において、前記第1の工程で用意する前記電解質膜部は、前記電解質膜における前記他方の面側に、第2の電極を形成して成り、前記第3の工程は、前記第2の電極を形成した前記電解質膜部における前記一方の面側に、前記第1の電極を形成する工程を含むこととしても良い。このような構成とすれば、少なくとも第1の電極において、電極の潰れを抑制する効果を得ることができる。 In the method for manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention, the electrolyte membrane portion prepared in the first step forms a second electrode on the other surface side of the electrolyte membrane. Thus, the third step may include a step of forming the first electrode on the one surface side of the electrolyte membrane portion on which the second electrode is formed. With such a configuration, an effect of suppressing the collapse of the electrode can be obtained at least in the first electrode.
あるいは、本発明の燃料電池用膜−電極接合体の製造方法において、さらに、前記第2および第3の工程により、前記電解質膜から成る前記電解質膜部の一方の面上に、前記第1の電極を形成した後に、前記電解質膜の他方の面上に、加圧を伴わない方法によって第2の電極を形成する第4の工程を備えることとしても良い。このような構成とすれば、第2の電極を形成する際に、加圧を伴わない方法を用いるため、先に形成した第1の電極の潰れを抑制することができる。 Alternatively, in the method for manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to the present invention, the first and the second steps may further include forming the first membrane on one surface of the electrolyte membrane portion comprising the electrolyte membrane. After the electrode is formed, a fourth step of forming the second electrode on the other surface of the electrolyte membrane by a method not involving pressurization may be provided. With such a configuration, when the second electrode is formed, a method that does not involve pressurization is used, so that the first electrode formed earlier can be prevented from being crushed.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の膜−電極接合体の製造方法によって製造された膜−電極接合体や、このような膜−電極接合体を備える燃料電池などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above, and includes, for example, a membrane-electrode assembly manufactured by the method for manufacturing a membrane-electrode assembly of the present invention, and such a membrane-electrode assembly. It can be realized in the form of a fuel cell or the like.
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池を構成する単セル10の概略構成を表わす断面模式図である。単セル10は、電解質膜20と、電解質膜20の各々の面上に形成された電極であるアノード21およびカソード22と、電極を形成した上記電解質膜20を両側から挟持するガス拡散層23,24と、ガス拡散層23,24のさらに外側に配設されたガスセパレータ25,26と、を備えている。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a
本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、電解質膜20は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード21およびカソード22は、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えている。より具体的には、アノード21およびカソード22は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜20を構成する高分子電解質と同様の電解質と、を備えている。電解質膜20と、アノード21およびカソード22とは、MEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)30を構成している。MEA30の製造工程については、後に詳述する。
The fuel cell of this example is a solid polymer type fuel cell, and the
ガス拡散層23,24は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例のガス拡散層23,24は、いずれも、平坦な板状部材として形成されている。このようなガス拡散層24は、電気化学反応に供されるガスの流路になると共に、集電を行なう。
The
ガスセパレータ25,26は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。ガスセパレータ25,26は、それぞれ所定の凹凸形状を有している。この凹凸形状によって、ガスセパレータ25とガス拡散層23との間には、水素を含有する燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路47が形成される。また、上記凹凸形状によって、ガスセパレータ26とガス拡散層24との間には、酸素を含有する酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路48が形成される。
The
さらに、単セル10の外周部には、単セル内燃料ガス流路47および単セル内酸化ガス流路48におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配置されている(図示せず)。また、本実施例の燃料電池は、単セル10を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、単セル10の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている(図示せず)。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル10に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路47内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル10に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路48内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。
Further, a sealing member such as a gasket is disposed on the outer peripheral portion of the
B.MEA30の製造方法:
図2は、MEA30の製造方法を表わす工程図である。また、図3は、MEA30を製造する工程の途中の様子を模式的に表わす説明図である。MEA30を製造する際には、まず、電解質膜20となる固体高分子電解質から成る膜を用意する(ステップS100、図3(A))。本実施例では、既述したように、フッ素系の固体高分子膜を用いている。
B. Manufacturing method of MEA30:
FIG. 2 is a process diagram showing a method for manufacturing the
次に、電極であるアノード21およびカソード22を形成するための触媒ペーストを作製する(ステップS110)。触媒ペーストは、白金を担持したカーボン粒子と、電解質膜20と同様のフッ素系高分子電解質とを含有している。白金を担持したカーボン粒子は、例えばカーボンブラックから成るカーボン粒子を、白金化合物の溶液(例えば、テトラアンミン白金塩溶液やジニトロジアンミン白金溶液や白金硝酸塩溶液、あるいは塩化白金酸溶液など)中に分散させて、含浸法や共沈法、あるいはイオン交換法によって作製する。このようにして作製した白金担持カーボン粒子を、水および有機溶剤からなる適当な溶媒中に分散させると共に、既述したフッ素系高分子電解質を含有する電解質溶液(例えば、ナフィオン溶液、アルドリッチ社製)をさらに混合することで、触媒ペーストが得られる。
Next, a catalyst paste for forming the
次に、上記触媒ペーストを所定の基材に塗布して、基材上にアノード21あるいはカソード22となる電極(触媒層)を成膜する(ステップS120、図3(B))。触媒ペーストを塗布する基材としては、後述する加熱プレス時の温度における耐熱性を有すると共に、電極との間の剥離性が良好であれば良く、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から成る基材を用いることができる。触媒ペーストの基材上への塗布は、例えば、スプレー法や、スクリーン印刷、あるいは、ドクターブレード法や、インクジェット法により行なうこともできる。これらの方法を用いることで、触媒ペーストを所望の厚みに塗布することができる。上記のように触媒ペーストを塗布した後に、塗布した触媒ペーストを乾燥させて溶媒を気化させることで、内部に微細な細孔を有する多孔質な電極を形成することができる。
Next, the catalyst paste is applied to a predetermined substrate, and an electrode (catalyst layer) to be the
その後、ステップS120で基材上に形成した電極と、ステップS100で用意した電解質膜20とを重ね合わせて積層体と成し、この積層体を加熱プレスすることによって、電極を電解質膜20上に熱圧転写する(ステップS130、図3(C))。そして、プレスした上記積層体から基材を剥離して除去することにより、MEA30を完成する。図4は、ステップS130でプレスを行なう際の加熱の様子を表わす説明図である。なお、図3では、MEA30を構成する各部材を水平方向に平行に配置する様子を表わしているが、図4では、上記各部材を垂直方向に平行に配置して積層する様子を表わしている。
Thereafter, the electrode formed on the substrate in step S120 and the
図4に示すように、加熱プレスを行なう際には、重ね合わせた電解質膜20および各電極を、プレス機が備える第1加圧盤および第2加圧盤の間に配置する。このとき、第1加圧盤側には、アノード21となる触媒層を配置し、第2加圧盤側には、カソード22となる触媒層を配置する。ここで、第1加圧盤には、図示しないヒータが設けられており、第1加圧盤を任意の温度に加熱可能となっている。また、第2加圧盤の内部には、図示しない冷媒流路が設けられており、第2加圧盤を任意の温度に冷却可能になっている。本実施例では、プレスによってMEA30を形成する際に、アノード21側は加熱しつつカソード22側は冷却して、アノード21表面とカソード22表面との間で温度勾配を形成させている。具体的には、図4に示すように、第1加圧盤は、電解質膜20を構成する高分子電解質のガラス転移温度Tgよりも高い温度T2に加熱している。また、第2加圧盤は、上記ガラス転移温度Tgよりも低い温度T1となるように冷媒を循環させている。このような、第1加圧盤における加熱の基準温度であるT2、あるいは、第2加圧盤における冷却の基準温度であるT1は、カソード22となる触媒層において、電解質膜20と接する界面の温度がTgよりも高くなるような温度勾配を形成するように、設定されている。より具体的には、加熱の基準温度T2および冷却温度T1は、高分子電解質のガラス転移温度Tgと、電解質膜20の厚みaと、電極となる触媒層の厚みbと、の間で、以下に(1)式として示す不等式の関係が成立するように設定される。
As shown in FIG. 4, when performing the heat press, the superimposed
T1 < Tg < T1+b/(a+2b)×(T2−T1) …(1) T1 <Tg <T1 + b / (a + 2b) × (T2-T1) (1)
例えば、高分子電解質のガラス転移温度が110℃であって、電解質膜の厚みaが20μm、触媒層の厚みbが10μmであるとする。このとき、第1加圧盤における加圧温度T2を140℃にする場合には、第2加圧盤の温度が100℃未満となるように冷媒を循環させれば、上記(1)式を満たす。なお、第2加圧盤における冷却とは、加熱を行なう第1加圧盤から伝わる熱を取り除いて、第2加熱盤を一定の温度範囲に保つためのものであり、上記のように、第2加圧盤の温度を環境温度よりも高い温度に保つ動作を含むものである。 For example, it is assumed that the glass transition temperature of the polymer electrolyte is 110 ° C., the thickness a of the electrolyte membrane is 20 μm, and the thickness b of the catalyst layer is 10 μm. At this time, when the pressurizing temperature T2 in the first pressurizing plate is set to 140 ° C., the above formula (1) is satisfied if the refrigerant is circulated so that the temperature of the second pressurizing plate is less than 100 ° C. The cooling in the second pressurizing plate is for removing heat transmitted from the first pressurizing plate to be heated and maintaining the second heating plate in a certain temperature range. This includes the operation of keeping the temperature of the platen at a temperature higher than the environmental temperature.
以上のように構成された本実施例の燃料電池が備えるMEA30の製造方法によれば、電解質膜20と触媒層とを接合する際に、温度勾配を形成することによって、カソード22における電解質膜20との界面は高分子電解質のガラス転移温度以上にしつつ、カソード22における他方の表面近傍は、上記ガラス転移温度未満の温度にしている。そのため、電解質膜20と触媒層とを接合する際に、カソード22において、上記界面を構成する高分子電解質は軟化するが、上記界面から離間する部分を構成する高分子電解質の軟化は抑制される。このように、上記界面を構成する高分子電解質が軟化することにより、電解質膜20とカソード22との間の密着性を確保して、上記界面における接触抵抗を抑制する効果を高めることができる。また、このとき、上記界面から離間する部分を構成する高分子電解質の軟化が抑制されることにより、多孔質体として形成された触媒層の強度を維持することができ、触媒層が備える細孔が加圧接合時に押し潰されることを抑制できる。以下の説明では、加圧接合時に触媒層の細孔が押し潰されることを、電極の潰れと呼ぶ。なお、本実施例のMEA30の製造方法によれば、電解質膜20と別体で形成した電極をプレス接合しているため、電解質膜20と電極との接合時に電解質膜に供給される水分に起因する、電解質膜20と電極との密着性の低下を抑制することができる。
According to the method of manufacturing the
加圧接合時における電極の潰れについて、さらに説明する。図5は、電極の潰れの程度が異なるMEAのモデルとして、電解質膜と触媒層とを加熱プレスで接合する際の圧力を異ならせた2種類のMEAを作製し、走査電子顕微鏡(SEM)によって同じ倍率で観察した様子を示す説明図である。図5(A)は、より高い圧力である3MPaで接合を行なった潰れの程度が大きいMEAを示しており、図5(B)は、圧力をかけていない潰れの程度が小さいMEAを示している。ここでは、接合時の温度はガラス転移点に近い比較的低い温度に統一して、高分子電解質の熱による劣化を抑制しつつ、圧力の違いのみによって電極の潰れの程度を異ならせている。 The collapse of the electrode during the pressure bonding will be further described. FIG. 5 shows two types of MEAs having different pressures when the electrolyte membrane and the catalyst layer are joined by a hot press as models of MEAs having different degrees of electrode collapse. It is explanatory drawing which shows a mode that it observed with the same magnification. FIG. 5 (A) shows a MEA with a high degree of crushing bonded at a higher pressure of 3 MPa, and FIG. 5 (B) shows a MEA with a low degree of crushing without applying pressure. Yes. Here, the temperature at the time of joining is unified to a relatively low temperature close to the glass transition point, and the degree of collapse of the electrode is varied only by the difference in pressure while suppressing deterioration of the polymer electrolyte due to heat.
図6は、図5に示した2種類のMEAを備える燃料電池の性能評価として、各々のMEAを用いて単セルを組み立てて、実際に発電を行なった結果を示す説明図である。図6(A)は、図5(A)に示した電極の潰れの程度が大きいMEAを用いた結果を示し、図6(B)は、図5(B)に示した電極の潰れの程度が小さいMEAを用いた結果を示す。ここでは、各々の単セルについて、大過剰の水素ガスおよび空気を供給して、一定の電流値(1.6A/cm2)で発電を行なわせつつ、燃料電池の運転温度を60℃から徐々に上昇させて、出力電圧値および抵抗値を測定した結果を示している。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing a result of actually generating power by assembling a single cell using each MEA as a performance evaluation of the fuel cell including the two types of MEAs shown in FIG. 6A shows the result of using the MEA having a large degree of electrode collapse shown in FIG. 5A, and FIG. 6B shows the degree of electrode collapse shown in FIG. 5B. The result using MEA with small is shown. Here, for each single cell, a large excess of hydrogen gas and air is supplied to generate power at a constant current value (1.6 A / cm 2 ), and the operating temperature of the fuel cell is gradually increased from 60 ° C. The results of measuring the output voltage value and the resistance value are shown.
図6に示すように、電極の潰れの程度が小さいMEAを備える燃料電池では、電極の潰れの程度が大きいMEAを備える燃料電池に比べて、測定した温度範囲全体にわたって、より高い出力電圧値を示し、電池性能が優れていた。これは、電極の潰れが小さく、電極内の細孔が良好に維持されていることにより、電気化学反応が進行する触媒に対するガスの供給効率が高くなることや、ガス流路中の液水に起因する電極中の細孔の閉塞(いわゆるフラッディング)が起こり難いことが、要因の一つと考えられる。また、図6に示すように、電極の潰れの程度が小さいMEAを備える燃料電池では、電極の潰れの程度が大きいMEAを備える燃料電池に比べて、運転温度を上昇させた場合にも出力電圧値が高く維持され、高温運転時における電池性能が優れていた。これは、高温運転時には、ガス流路中の液水や高分子電解質中の水が気化して水蒸気をより多く生じるが、電極の潰れが小さく、電極内の細孔が良好に維持されている場合には、ガスの拡散が水蒸気に妨げられる程度を抑え、触媒に対するガス供給を良好に維持しやすいことが、要因の一つと考えられる。 As shown in FIG. 6, a fuel cell having an MEA with a small degree of electrode collapse has a higher output voltage value over the entire measured temperature range than a fuel cell with an MEA with a large degree of electrode collapse. The battery performance was excellent. This is because the crushing of the electrode is small and the pores in the electrode are well maintained, so that the gas supply efficiency to the catalyst in which the electrochemical reaction proceeds increases, and the liquid water in the gas flow path It is considered that one of the factors is that the resulting pore clogging in the electrode (so-called flooding) hardly occurs. In addition, as shown in FIG. 6, in the fuel cell including the MEA with a small degree of electrode collapse, the output voltage is increased even when the operating temperature is increased as compared with the fuel cell including the MEA with a large degree of electrode collapse. The value was kept high and the battery performance during high temperature operation was excellent. During high-temperature operation, liquid water in the gas flow path and water in the polymer electrolyte are vaporized to generate more water vapor, but the electrode is less crushed and the pores in the electrode are well maintained. In such a case, it is considered that one of the factors is that the gas diffusion is prevented from being hindered by water vapor and the gas supply to the catalyst is easily maintained.
本実施例では、電解質膜と電極の接合時に温度勾配を設けることによって、一方の電極における潰れを効果的に抑制し、潰れを抑制した側の電極において、図5(B)の電極と同様に、触媒に対するガスの供給効率を確保して、電池性能を向上させている。このとき、特に、カソードの潰れを抑制しているため、燃料電池において、燃料ガスとして純度の高い水素ガスを用いつつ、酸化ガスとして空気を用いる場合には、電池性能を高める効果を顕著に得ることができる。すなわち、電気化学反応に供される電極活物質のガス中濃度が比較的低いカソード側の潰れを抑制することで、触媒へのガス供給を確保して電池性能を向上させる効果を、顕著に得ることができる。 In this example, by providing a temperature gradient at the time of joining the electrolyte membrane and the electrode, the collapse of one electrode is effectively suppressed, and the electrode on the side where the collapse is suppressed is similar to the electrode of FIG. In addition, the gas supply efficiency to the catalyst is ensured to improve battery performance. At this time, in particular, since the collapse of the cathode is suppressed, in the fuel cell, when using high-purity hydrogen gas as the fuel gas and air as the oxidizing gas, the effect of improving the cell performance is remarkably obtained. be able to. In other words, by suppressing the collapse of the cathode side of the electrode active material that is subjected to the electrochemical reaction on the cathode side, the effect of ensuring the gas supply to the catalyst and improving the battery performance is significantly obtained. be able to.
ここで、図5(B)に示したように、接合時の圧力を低くすることによって双方の電極の潰れを抑えたMEAを用いる場合には、双方の電極においてガスの供給効率を高めることができる。しかしながら、電極の潰れを抑制するために接合時の圧力を低くすると、電解質膜と電極との密着性が不十分となったり、燃料電池の発電を長期間行なう際に上記密着性を維持する信頼性が不十分となる場合がある。本実施例の製造方法により製造されたMEAを用いる場合には、ガスの供給効率を確保することによる効果が高いカソードにおける潰れの抑制と、電解質膜と電極との密着性の維持に対する信頼性の向上とを、両立することができる。 Here, as shown in FIG. 5B, in the case of using an MEA that suppresses the collapse of both electrodes by lowering the pressure at the time of bonding, the gas supply efficiency can be increased in both electrodes. it can. However, if the pressure at the time of bonding is lowered in order to suppress the collapse of the electrode, the adhesion between the electrolyte membrane and the electrode becomes insufficient, or the reliability that maintains the above adhesion when the fuel cell generates power for a long period of time. May be insufficient. In the case of using the MEA manufactured by the manufacturing method of the present embodiment, the effect of ensuring the gas supply efficiency is high, and the reliability of the suppression of the collapse in the cathode and the maintenance of the adhesion between the electrolyte membrane and the electrode are improved. Improvement can be achieved at the same time.
電解質膜と電極との間の密着性は、接合の際の圧力と温度との組み合わせによって定まる。温度を高めて高分子電解質の軟化の程度を高めるほど、接合時の圧力を低くしても密着性が得られやすくなり、また、温度が低く高分子電解質の軟化の程度が低いほど、充分な密着性を得るためには、接合時に高い圧力が必要になる。本実施例では、カソード全体の温度上昇は抑えながら、カソードにおける電解質膜との界面においては、高分子電解質が軟化可能なガラス転移点以上の温度を確保しているため、接合の際の圧力を抑えつつ、電解質膜と電極との密着性を確保することが可能になる。また、電解質膜と電極との界面において、高分子電解質が軟化可能な温度を確保することで、密着性を得るためのプレス時間を、より短くすることが可能になり、電解質膜における熱に起因する損傷を抑制することができる。なお、カソードにおける電解質膜との界面では、高分子電解質のガラス転移点以上の温度を確保しているため、カソードと電解質膜との密着性を充分に確保可能になる圧力として、接合時に加える圧力は、例えば、1〜5MPaとすることができる。 Adhesion between the electrolyte membrane and the electrode is determined by a combination of pressure and temperature during bonding. The higher the temperature and the higher the degree of softening of the polymer electrolyte, the easier it is to obtain adhesiveness even when the pressure during bonding is lowered, and the lower the temperature and the lower the degree of softening of the polymer electrolyte, the better In order to obtain adhesion, a high pressure is required at the time of joining. In this example, while suppressing the temperature increase of the entire cathode, the temperature at the interface with the electrolyte membrane in the cathode is maintained at a temperature higher than the glass transition point at which the polymer electrolyte can be softened. It is possible to secure the adhesion between the electrolyte membrane and the electrode while suppressing the pressure. In addition, by securing a temperature at which the polymer electrolyte can be softened at the interface between the electrolyte membrane and the electrode, the press time for obtaining adhesion can be shortened, which is caused by heat in the electrolyte membrane. Damage can be suppressed. In addition, since the temperature above the glass transition point of the polymer electrolyte is secured at the interface with the electrolyte membrane in the cathode, the pressure applied at the time of joining is the pressure that can sufficiently secure the adhesion between the cathode and the electrolyte membrane. Can be, for example, 1 to 5 MPa.
また、図4に基づく温度勾配に係る既述した説明では、ステップS120で触媒層を成膜した基材は、充分に薄いものとして考慮していない。しかしながら、基材の厚さや構成材料によって、基材の熱容量を無視できない場合には、さらに基材における熱伝導を考慮して、カソードにおける電解質膜との界面温度が高分子電解質のガラス転移点以上の温度となる温度勾配を形成するように、加熱プレス条件を設定すればよい。 Further, in the above description relating to the temperature gradient based on FIG. 4, the base material on which the catalyst layer is formed in step S120 is not considered to be sufficiently thin. However, when the heat capacity of the base material cannot be ignored due to the thickness of the base material and the constituent materials, the interface temperature with the electrolyte membrane at the cathode is higher than the glass transition point of the polymer electrolyte in consideration of the heat conduction in the base material. What is necessary is just to set heat press conditions so that the temperature gradient used as this temperature may be formed.
また、既述した(1)式では、電解質膜と触媒層の熱伝導率を同じものとして、各加圧盤の温度T1、T2と高分子電解質のガラス転移温度Tgとの関係を示したが、電解質膜と触媒層の熱伝導率の差が無視できない場合には、より厳密な計算を行なえばよい。この場合には、例えば、電解質膜と触媒層のそれぞれについて実験的に熱伝導率を測定し、測定した値に基づいて温度勾配のシミュレーションを行ない、カソードにおける電解質膜との界面温度がガラス転移温度以上となる温度勾配を形成するように、加熱プレス条件を設定すればよい。 Further, in the above-described equation (1), the thermal conductivity of the electrolyte membrane and the catalyst layer is assumed to be the same, and the relationship between the temperature T1, T2 of each pressure platen and the glass transition temperature Tg of the polymer electrolyte is shown. If the difference in thermal conductivity between the electrolyte membrane and the catalyst layer cannot be ignored, a more rigorous calculation may be performed. In this case, for example, the thermal conductivity is experimentally measured for each of the electrolyte membrane and the catalyst layer, and a temperature gradient is simulated based on the measured values, and the interface temperature with the electrolyte membrane at the cathode is the glass transition temperature. What is necessary is just to set heat press conditions so that the temperature gradient used as the above may be formed.
C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
C1.変形例1:
実施例では、ステップS130で加熱プレスを行なう際に、カソード22とアノード21の両方を一度に接合しているが、異なる構成としても良い。すなわち、アノード21となる触媒層の加熱プレスと、カソード22となる触媒層の加熱プレスとを、別々に行なっても良い。この場合には、例えば、カソード22となる触媒層の加熱プレスを後に行ない、カソード接合の際には、カソードにおける電解質膜との界面の温度が高分子電解質のガラス転移温度以上になり、カソード22における電解質膜と接しない他方の表面近傍はガラス転移温度未満になるように温度勾配を形成すればよい。このときの具体的な温度勾配の様子は、後述する変形例2と同様にすれば良い。このような構成とすれば、プレス時に温度勾配を形成することにより電解質膜との密着性を確保しつつ潰れを抑制した電極(カソード)が、その後のプレス工程により潰れてしまうことがなく、実施例と同様の効果が得られる。なお、加熱プレスを2度行なう場合に、先に行なう電極(アノード)のプレス接合の際にも、後のプレス工程と同様の温度勾配を形成することが望ましい。このようにすれば、プレスの工程に2度供される電極において、プレスに起因する潰れを抑制することができる。
C1. Modification 1:
In the embodiment, both the
C2.変形例2:
実施例では、アノードとカソードの両方をプレス接合により電解質膜上に形成しているが、異なる構成としても良い。すなわち、一方の電極は、実施例と同様に温度勾配を設けつつプレス接合により形成し、他方の電極は、ステップS110で作製した触媒ペーストを用いて、プレス接合以外の方法、例えば、スプレー法やスクリーン印刷、あるいは、ドクターブレード法やインクジェット法によって、電解質膜上に直接形成することとしても良い。このような場合には、プレス接合以外の方法による電極形成を、温度勾配を設けたプレス接合による電極形成の後に行なうことが望ましい。このようにすれば、多孔質に形成した電極が、後のプレス工程によって潰れることが無く、双方の電極の潰れを抑制して、電池性能を向上させることができる。このとき、一方の電極は、プレスを伴う転写によって形成しているため、触媒ペースト中の水分に起因する電解質膜における皺の発生が抑えられ、電極形成時に電解質膜に供給される水に起因する電解質膜と電極との間の接触抵抗の増加を抑制することができる。
C2. Modification 2:
In the embodiment, both the anode and the cathode are formed on the electrolyte membrane by press bonding, but they may have different configurations. That is, one electrode is formed by press bonding while providing a temperature gradient as in the example, and the other electrode is formed by a method other than press bonding, such as a spray method, using the catalyst paste prepared in step S110. It may be formed directly on the electrolyte membrane by screen printing, a doctor blade method or an ink jet method. In such a case, it is desirable to perform electrode formation by a method other than press bonding after electrode formation by press bonding with a temperature gradient. If it does in this way, the electrode formed in the porous will not be crushed by a subsequent press process, the crushed of both electrodes can be controlled and battery performance can be improved. At this time, since one electrode is formed by transfer accompanied by pressing, generation of soot in the electrolyte membrane due to moisture in the catalyst paste is suppressed, and it is caused by water supplied to the electrolyte membrane during electrode formation. An increase in contact resistance between the electrolyte membrane and the electrode can be suppressed.
なお、このように、先に形成する一方の電極だけを温度勾配を形成しつつプレス接合する場合には、電解質膜20と一方の電極のみからなる積層体を、図4と同様のプレス接合に供すればよい。そして、図4と同様のプレス接合を行なう際には、第2加圧盤側にのみ電極を配置すれば良い。このとき、第1加圧盤の設定温度T2および第2加圧盤の設定温度T1は、例えば、高分子電解質のガラス転移温度Tgと、電解質膜の厚みaと、電極となる触媒層の厚みbと、の間で、以下に(2)式として示す不等式の関係が成立するように設定すればよい。
In this way, in the case where only one of the previously formed electrodes is press-bonded while forming a temperature gradient, the laminate composed of only the
T1 < Tg < T1+b/(a+b)×(T2−T1) …(2) T1 <Tg <T1 + b / (a + b) × (T2-T1) (2)
C3.変形例3:
実施例では、第1加圧盤を加熱しつつ、第2加圧盤内に冷媒を流すことで、所望の温度勾配を形成しているが、異なる構成としても良い。例えば、第2加圧盤の熱容量が充分に大きく、電極接合の際のプレス時間を充分に短く設定可能である場合には、第2の加圧盤に対する積極的な冷却は行なわないこととしても良い。すなわち、電極における電解質膜との界面温度を高分子電解質のガラス転移温度以上にしつつ、電極における電解質膜と接しない側の表面近傍は上記ガラス転移温度未満となるような温度勾配を形成可能であれば、第2の加圧盤を、連続するプレスの動作の間に行なわれる空冷のみによって冷却しても良い。
C3. Modification 3:
In the embodiment, a desired temperature gradient is formed by flowing a refrigerant in the second pressure plate while heating the first pressure plate, but a different configuration may be used. For example, when the heat capacity of the second pressure plate is sufficiently large and the press time for electrode bonding can be set sufficiently short, the second pressure plate may not be actively cooled. That is, it is possible to form a temperature gradient such that the interface temperature of the electrode with the electrolyte membrane is equal to or higher than the glass transition temperature of the polymer electrolyte, and the vicinity of the surface of the electrode not contacting the electrolyte membrane is less than the glass transition temperature. For example, the second pressure plate may be cooled only by air cooling performed between successive press operations.
また、電極をプレス接合する際に用いるプレス機が備える一対の加圧盤の双方が、同時に動作する加熱装置を備える場合には、温度を低く設定すべき電極(実施例ではカソード22)と、この電極側の加圧盤との間に、加圧盤から電極への熱伝導を抑制する断熱シートを配置しても良い。このような構成としても、断熱シートを配置した側の電極における電解質膜との界面温度を高分子電解質のガラス転移温度以上にすると共に、断熱シートと接する表面近傍は上記ガラス転移温度未満になるような温度勾配を形成可能であれば、実施例と同様の効果が得られる。断熱シートは、プレス接合時の温度における耐熱性を有すると共に、プレス時の圧力に耐える強度を有する部材であって、熱伝導率が小さいことが望ましく、例えば、シリコンゴムや、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂によって構成されるシートを用いることができる。
In addition, when both of the pair of pressure plates provided in the press used for press-bonding the electrodes are provided with a heating device that operates simultaneously, an electrode (the
C4.変形例4:
実施例では、電解質膜を構成する高分子電解質も、電極が備える高分子電解質も、同じフッ素系の電解質を用いたが、電解質膜と電極とでは、異なる種類の高分子電解質を用いても良い。例えば、電解質膜を、炭化水素系の高分子電解質によって構成し、電極が備える高分子電解質として、実施例と同様のフッ素系の電解質を用いることができる。この場合には、電極における電解質膜との界面温度が上記フッ素系の電解質のガラス転移温度よりも高くなると共に、電極における電解質膜と接しない表面近傍は上記フッ素系の電解質のガラス転移温度未満となるように温度勾配を形成して、プレス接合を行なうことで、実施例と同様の効果を得ることができる。このような構成とすれば、炭化水素系の高分子電解質は、フッ素系の高分子電解質に比べてガラス転移温度が高いので、電極における電解質膜との界面温度をフッ素系の電解質のガラス転移温度以上にしてプレス接合しても、電解質膜の温度を、構成材料である炭化水素系電解質のガラス転移温度よりも低く抑えることができる。そのため、プレス時の加熱に起因する電解質膜の劣化を抑制することができる。
C4. Modification 4:
In the examples, the polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane and the polymer electrolyte included in the electrode used the same fluorine-based electrolyte, but different types of polymer electrolyte may be used for the electrolyte membrane and the electrode. . For example, the electrolyte membrane is made of a hydrocarbon-based polymer electrolyte, and the same fluorine-based electrolyte as in the embodiment can be used as the polymer electrolyte included in the electrode. In this case, the interface temperature of the electrode with the electrolyte membrane is higher than the glass transition temperature of the fluorine-based electrolyte, and the vicinity of the surface not in contact with the electrolyte membrane of the electrode is less than the glass transition temperature of the fluorine-based electrolyte. By forming a temperature gradient in such a manner and performing press bonding, the same effect as in the embodiment can be obtained. With such a configuration, the hydrocarbon-based polymer electrolyte has a higher glass transition temperature than the fluorine-based polymer electrolyte. Therefore, the interface temperature of the electrode with the electrolyte membrane is set to the glass transition temperature of the fluorine-based electrolyte. Even when press-bonding as described above, the temperature of the electrolyte membrane can be kept lower than the glass transition temperature of the hydrocarbon-based electrolyte that is the constituent material. Therefore, it is possible to suppress deterioration of the electrolyte membrane due to heating during pressing.
10…単セル
20…電解質膜
21…アノード
22…カソード
23,24…ガス拡散層
25,26…ガスセパレータ
30…MEA
47…単セル内燃料ガス流路
48…単セル内酸化ガス流路
DESCRIPTION OF
47 ... Fuel gas flow path in
Claims (5)
電解質膜を含む電解質膜部を用意する第1の工程と、
触媒と電解質とが混在して成る多孔質な第1の電極を形成する第2の工程と、
前記第1の電極と前記電解質膜とを重ね合わせて、前記第1の電極と前記電解質膜部とを含む積層体と成し、前記積層体を加圧することによって、前記電解質膜部と前記第1の電極とを接合する第3の工程と、
を備え、
前記第2の工程は、前記第1の電極と共に、さらに第2の電極を形成する工程を含み、
前記第3の工程は、前記電解質膜を、前記第1の電極および前記第2の電極によって挟持して、前記積層体を形成し、前記第1の電極が配置された前記積層体の一方の面に比べて、前記積層体の他方の面の方が高温になるように、前記積層体を加熱しつつ加圧接合を行なう工程を含む
燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising:
A first step of preparing an electrolyte membrane part including an electrolyte membrane;
A second step of forming a porous first electrode comprising a mixture of a catalyst and an electrolyte;
The first electrode and the electrolyte membrane are overlapped to form a laminate including the first electrode and the electrolyte membrane portion, and the electrolyte membrane portion and the first electrode are pressed by pressing the laminate. A third step of joining the first electrode;
With
The second step includes a step of forming a second electrode together with the first electrode,
In the third step, the electrolyte membrane is sandwiched between the first electrode and the second electrode to form the laminate, and one of the laminates in which the first electrode is disposed. A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising a step of performing pressure bonding while heating the stacked body so that the other surface of the stacked body has a higher temperature than the surface.
電解質膜を含む電解質膜部を用意する第1の工程と、
触媒と電解質とが混在して成る多孔質な第1の電極を形成する第2の工程と、
前記第1の電極と前記電解質膜とを重ね合わせて、前記第1の電極と前記電解質膜部とを含むと共に一方の面側に前記第1の電極が形成された積層体と成し、前記積層体を加圧することによって、前記電解質膜部と前記第1の電極とを接合する第3の工程と、
を備え、
前記第1の工程で用意する前記電解質膜部は、前記電解質膜において、前記第3の工程で前記第1の電極が形成される面とは異なる面側に第2の電極を形成して成り、
前記第3の工程は、前記第1の電極が配置された前記積層体の前記一方の面に比べて、前記積層体の他方の面の方が高温になるように、前記積層体を加熱しつつ加圧接合を行なう工程を含む
燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising:
A first step of preparing an electrolyte membrane part including an electrolyte membrane;
A second step of forming a porous first electrode comprising a mixture of a catalyst and an electrolyte;
The first electrode and the electrolyte membrane are overlapped to form a laminate including the first electrode and the electrolyte membrane portion, and the first electrode is formed on one surface side, A third step of joining the electrolyte membrane part and the first electrode by pressurizing the laminate;
With
The electrolyte membrane portion prepared in the first step is formed by forming a second electrode on a surface side of the electrolyte membrane that is different from the surface on which the first electrode is formed in the third step. ,
The third step, as compared to the one surface of the first electrode is arranged the laminate, towards the other surface of the laminate so that the hot, heating the laminate A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising a step of performing pressure bonding while carrying out the process.
電解質膜を含む電解質膜部を用意する第1の工程と、
触媒と電解質とが混在して成る多孔質な第1の電極を形成する第2の工程と、
前記第1の電極と前記電解質膜とを重ね合わせて、前記第1の電極と前記電解質膜部とを含む積層体と成し、前記積層体を加圧することによって、前記電解質膜部と前記第1の電極とを接合する第3の工程と、
前記第2および第3の工程により、前記電解質膜から成る前記電解質膜部の一方の面上に、前記第1の電極を形成した後に、前記電解質膜の他方の面上に、加圧を伴わない方法によって第2の電極を形成する第4の工程と、
を備え、
前記第3の工程は、前記第1の電極が配置された前記積層体の一方の面に比べて、前記積層体の他方の面の方が高温になるように、前記積層体を加熱しつつ加圧接合を行なう工程を含む
燃料電池用膜−電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising:
A first step of preparing an electrolyte membrane part including an electrolyte membrane;
A second step of forming a porous first electrode comprising a mixture of a catalyst and an electrolyte;
The first electrode and the electrolyte membrane are overlapped to form a laminate including the first electrode and the electrolyte membrane portion, and the electrolyte membrane portion and the first electrode are pressed by pressing the laminate. A third step of joining the first electrode;
After forming the first electrode on one surface of the electrolyte membrane portion made of the electrolyte membrane by the second and third steps, pressure is applied to the other surface of the electrolyte membrane. A fourth step of forming the second electrode by a non-method;
With
In the third step, the multilayer body is heated so that the other surface of the multilayer body has a higher temperature than the one surface of the multilayer body on which the first electrode is disposed. A method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising a step of performing pressure bonding.
請求項1ないし3いずれか記載の方法により製造された
燃料電池用膜−電極接合体。 A fuel cell membrane-electrode assembly comprising:
A membrane-electrode assembly for a fuel cell produced by the method according to any one of claims 1 to 3 .
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