JP6515648B2 - Catalyst layer transfer substrate, method of manufacturing membrane electrode assembly, and membrane electrode assembly - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子形燃料電池が備える膜電極接合体の製造に用いられる触媒層転写基材、この触媒層転写基材を用いた膜電極接合体の製造方法、および、膜電極接合体に関する。 The present invention relates to a catalyst layer transfer substrate used for producing a membrane electrode assembly provided in a polymer electrolyte fuel cell, a method for producing a membrane electrode assembly using the catalyst layer transfer substrate, and a membrane electrode assembly About.
固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池である。図11は、固体高分子形燃料電池の構造の一例を示す断面図である。 A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having proton conductivity as an electrolyte. FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a polymer electrolyte fuel cell.
図11に示されるように、高分子電解質膜110は、1つの側面であるカソード接触面110aと、カソード接触面110aとは反対側の側面であるアノード接触面110bとを有している。カソード接触面110aには、電極触媒層120Cが接触し、電極触媒層120Cと多孔質拡散層130Cとがこの順に積層されている。アノード接触面110bには、電極触媒層120Aが接触し、電極触媒層120Aと多孔質拡散層130Aとがこの順に積層されている。電極触媒層120Cは、カソードである空気極を構成し、電極触媒層120Aは、アノードである燃料極を構成する。
As shown in FIG. 11, the
カソード接触面110aにて、電極触媒層120Cの外周縁、および、多孔質拡散層130Cの外周縁よりも外側には、ガスケット層140Cが配置されている。アノード接触面110bにて、電極触媒層120Aの外周縁、および、多孔質拡散層130Aの外周縁よりも外側には、ガスケット層140Aが配置されている。ガスケット層140C,140Aは、高分子電解質膜110に貼り付けられている。膜電極接合体100は、高分子電解質膜110、電極触媒層120C,120A、多孔質拡散層130C,130A、および、ガスケット層140C,140Aから構成され、一対のセパレータ150C,150Aは、膜電極接合体100を挟持している。
A
カソード側の電極触媒層120Cには、セパレータ150Cに形成されたガス流路160Cから、酸素を含む酸化剤ガスが供給される。アノード側の電極触媒層120Aには、セパレータ150Aに形成されたガス流路160Aから、水素を含む燃料ガスが供給される。そして、触媒の存在下で酸化剤ガスと燃料ガスとが電極反応を進めることによって、カソードとアノードとの間に起電力が生じる。この間に、ガスケット層140C,140Aは、電極触媒層120C,120Aに供給されるガスが固体高分子形燃料電池から漏れることを抑える。
An oxidant gas containing oxygen is supplied to the
膜電極接合体100の製造工程にて、電極触媒層120C,120Aを形成する方法としては、触媒と電解質とが混合された液状あるいはペースト状の混合物を、高分子電解質膜110の面上に印刷法やスプレー法などによって塗布して電極触媒層120C,120Aを形成する方法や、上記混合物を多孔質拡散層130C,130Aの面上に塗布して電極触媒層120C,120Aを形成する方法が挙げられる。高分子電解質膜110の面上に電極触媒層120C,120Aを形成する場合であれ、多孔質拡散層130C,130Aの面上に電極触媒層120C,120Aを形成する場合であれ、電極触媒層120C,120Aの形成後に、高分子電解質膜110と多孔質拡散層130C,130Aとは、ホットプレスなどによって接合される(例えば、特許文献1〜3参照)。
As a method of forming the
一方、電極触媒層120C,120Aを形成する他の方法として、高分子電解質膜110や多孔質拡散層130C,130Aとは異なる基材上に上記混合物を塗布して電極触媒層120C,120Aを形成し、形成された電極触媒層120C,120Aを、ホットプレスや熱ロールによって、上記基材から高分子電解質膜110に転写する方法がある(例えば、特許文献4参照)。こうした方法は、電極触媒層120C,120Aの膜厚の制御を行いやすく、電極触媒層120C,120Aの均一性を高めやすいため、電池性能の向上が可能である点、また、膜電極接合体100の生産効率が高い点で優れている。
On the other hand, as another method of forming the
基材からの転写によって高分子電解質膜110の面上に電極触媒層120C,120Aを配置する方法では、高分子電解質膜110の面上に電極触媒層120C,120Aが配置された後に、高分子電解質膜110の面上にて電極触媒層120C,120Aの周囲にガスケット層140C,140Aが配置される。
In the method of disposing the
しかしながら、ガスケット層140C,140Aの寸法と電極触媒層120C,120Aの寸法とを予め精密に合わせこむことは困難であるため、ガスケット層140C,140Aと高分子電解質膜110とが貼り合わせられるとき、電極触媒層120Cとガスケット層140Cとの間、また、電極触媒層120Aとガスケット層140Aとの間に隙間が形成される場合がある。こうした隙間と対向する部位は、セパレータ150Cあるいはセパレータ150Aに対して露出する部分であって、酸化剤ガスや燃料ガスに直接曝される。また、露出部分は、電極触媒層120C,120Aおよびガスケット層140C,140Aのいずれにも押さえられていないため、露出部分には、発電時の高分子電解質膜110の膨潤や収縮に伴う応力が集中する。このように、高分子電解質膜110における露出部分は、高分子電解質膜110の劣化を進める要因の1つである。
However, since it is difficult to precisely match the dimensions of the
本発明は、電極触媒層とガスケット層との間から高分子電解質膜が露出することを抑えることのできる触媒層転写基材、膜電極接合体の製造方法、および、膜電極接合体を提供することを目的とする。 The present invention provides a catalyst layer transfer substrate capable of suppressing exposure of a polymer electrolyte membrane from between an electrode catalyst layer and a gasket layer, a method of manufacturing a membrane electrode assembly, and a membrane electrode assembly. The purpose is
上記課題を解決する触媒層転写基材は、第1面と、前記第1面とは反対側の面である第2面とを有する基材層と、前記第1面に配置される枠形状を有した多層構造層であって、電極触媒層を形成するための材料が埋め込まれる開口を前記第1面上において区画する前記多層構造層と、を備え、前記多層構造層は、第1接合層と、第2接合層と、ガスケット層と、第3接合層とが前記第1面に近い方からこの順に並ぶ構造を有し、前記ガスケット層から前記第2接合層を剥離することに要する力は、前記基材層から前記第1接合層を剥離することに要する力よりも小さく、かつ、前記ガスケット層から前記第3接合層を剥離することに要する力よりも小さい。 A catalyst layer transfer substrate for solving the above problems comprises a substrate layer having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a frame shape disposed on the first surface A multilayer structure layer having a plurality of layers, the multilayer structure layer defining, on the first surface, an opening in which a material for forming an electrode catalyst layer is embedded, the multilayer structure layer being a first junction It has a structure in which the layer, the second bonding layer, the gasket layer, and the third bonding layer are arranged in this order from the side closer to the first surface, and it is necessary to peel the second bonding layer from the gasket layer The force is smaller than the force required to peel the first bonding layer from the base layer, and smaller than the force required to peel the third bonding layer from the gasket layer.
上記構成によれば、ガスケット層を含む多層構造層によって、電極触媒層が形成される開口が区画されているため、この開口に電極触媒層が成膜されることにより、電極触媒層の成膜時にガスケット層と電極触媒層との寸法が合わせられる。そして、この触媒層転写基材を用いて転写を行うことにより、電極触媒層とガスケット層とが高分子電解質膜に同時に転写されるため、電極触媒層とガスケット層との間に隙間が形成されて高分子電解質膜が露出することが抑えられる。 According to the above configuration, the opening in which the electrode catalyst layer is formed is partitioned by the multilayer structure layer including the gasket layer, so that the electrode catalyst layer is formed in the opening, thereby forming the electrode catalyst layer Sometimes the dimensions of the gasket layer and the electrode catalyst layer are matched. Then, by performing transfer using this catalyst layer transfer substrate, the electrode catalyst layer and the gasket layer are simultaneously transferred to the polymer electrolyte membrane, so that a gap is formed between the electrode catalyst layer and the gasket layer. As a result, exposure of the polymer electrolyte membrane can be suppressed.
そして、ガスケット層からの第2接合層の剥離は、基材層からの第1接合層の剥離、および、ガスケット層からの第3接合層の剥離よりも容易であるため、転写後の基材層の剥離に際して、第2接合層とガスケット層との界面での剥離が円滑に実現される。特に、基材層とガスケット層との間に配置される接合層が2層であるため、こうした接合層が1層である場合と比較して、基材層に対する接合層の接着力と、ガスケット層に対する接合層の接着力との調整の自由度が高くなる。その結果、これらの接着力の調整に際して、基材層の材料やガスケット層の材料から受ける制約が小さくなり、こうした材料として様々な材料が用いられる場合にも、基材層をガスケット層から容易に剥離可能な触媒層転写基材が実現できる。
上記構成において、前記基材層の前記第2面には、温度変化による前記基材層の変形を抑制する補強層が配置されている。
Then, peeling of the second bonding layer from the gasket layer is easier than peeling of the first bonding layer from the base material layer and peeling of the third bonding layer from the gasket layer, so that the base material after transfer is transferred. At the time of layer peeling, peeling at the interface between the second bonding layer and the gasket layer is smoothly realized. In particular, since the bonding layer disposed between the base material layer and the gasket layer is two layers, the adhesion of the bonding layer to the base material layer and the gasket as compared with the case where such a bonding layer is one layer. The degree of freedom in adjusting the adhesion of the bonding layer to the layer is increased. As a result, when adjusting the adhesive force, the restriction imposed by the material of the base layer and the material of the gasket layer is reduced, and even when various materials are used as such materials, the base layer can be easily made from the gasket layer. A peelable catalyst layer transfer substrate can be realized.
In the above configuration, a reinforcing layer that suppresses deformation of the base material layer due to temperature change is disposed on the second surface of the base material layer.
上記構成によれば、電極触媒層の形成時における乾燥工程等によって、触媒層転写基材の温度が大きく変化する場合であっても、基材層に反りが生じることが抑えられる。その結果、触媒層転写基材を用いた膜電極接合体の製造工程における作業性が向上する。また、基材層の表裏に基材層とは別の層が配置されるため、触媒層転写基材の剛性が高められ、これによっても作業性が向上する。 According to the above configuration, even if the temperature of the catalyst layer transfer base material is largely changed due to the drying process or the like at the time of forming the electrode catalyst layer, the occurrence of warpage in the base material layer can be suppressed. As a result, the workability in the manufacturing process of the membrane electrode assembly using the catalyst layer transfer substrate is improved. In addition, since a layer different from the base material layer is disposed on the front and back of the base material layer, the rigidity of the catalyst layer transfer base material is enhanced, which also improves the workability.
上記構成において、前記基材層に対する前記第1接合層の剥離強度は、前記ガスケット層に対する前記第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差が、0.01N/25mm以上、かつ、10N/25mm未満であることが好ましい。 In the above configuration, the peel strength of the first bonding layer with respect to the base material layer is larger than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference in the peel strength of these is 0.01 N / 25 mm or more. And it is preferable that it is less than 10 N / 25 mm.
上記構成によれば、転写後の基材層の剥離に際して、基材層を、第1接合層および第2接合層とともに、第2接合層とガスケット層との界面で容易に剥離することができる。 According to the above configuration, when peeling the base material layer after transfer, the base material layer can be easily peeled off at the interface between the second bonding layer and the gasket layer, together with the first bonding layer and the second bonding layer. .
上記構成において、前記ガスケット層に対する前記第3接合層の剥離強度は、前記ガスケット層に対する前記第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差が、0.01N/25mm以上、かつ、10N/25mm未満であることが好ましい。 In the above configuration, the peel strength of the third bonding layer with respect to the gasket layer is greater than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference in the peel strength is 0.01 N / 25 mm or more, and And preferably less than 10 N / 25 mm.
上記構成によれば、転写後の基材層の剥離に際して、基材層を、第1接合層および第2接合層とともに、第2接合層とガスケット層との界面で容易に剥離することができる。
上記構成において、前記基材層に対する前記第1接合層の剥離強度は、0.02N/25mm以上、かつ、10N/25mm未満であることが好ましい。
According to the above configuration, when peeling the base material layer after transfer, the base material layer can be easily peeled off at the interface between the second bonding layer and the gasket layer, together with the first bonding layer and the second bonding layer. .
In the said structure, it is preferable that the peeling strength of the said 1st joining layer with respect to the said base material layer is 0.02 N / 25 mm or more and less than 10 N / 25 mm.
上記構成によれば、基材層と第1接合層との密着性が高くなるため、基材層と多層構造層との密着性が高められる。その結果、基材層と多層構造層との間に隙間が生じることが抑えられるため、電極触媒層の形成時に、電極触媒層を形成するための材料が基材層と多層構造層との間の隙間に入り込むことが抑えられる。 According to the above configuration, the adhesion between the base material layer and the first bonding layer is enhanced, so the adhesion between the base material layer and the multilayer structure layer is enhanced. As a result, it is possible to suppress the formation of a gap between the base layer and the multilayer structure layer. Therefore, when forming the electrode catalyst layer, the material for forming the electrode catalyst layer is between the base layer and the multilayer structure layer. Entry into the gap between
上記構成において、前記開口内に配置された電極触媒層をさらに備え、前記多層構造層の厚みは、前記電極触媒層の厚みよりも大きく、前記多層構造層の厚みと前記電極触媒層の厚みとの差は、100μm以下であることが好ましい。 In the above configuration, the device further includes an electrode catalyst layer disposed in the opening, and the thickness of the multilayer structure layer is larger than the thickness of the electrode catalyst layer, and the thickness of the multilayer structure layer and the thickness of the electrode catalyst layer Is preferably 100 μm or less.
上記構成によれば、多層構造層の厚みと電極触媒層の厚みとの差が大きすぎないため、多層構造層の端部と電極触媒層の端部との段差が転写に与える影響が小さくなり、電極触媒層とガスケット層との転写を良好に行うことができる。 According to the above configuration, since the difference between the thickness of the multilayer structure layer and the thickness of the electrode catalyst layer is not too large, the difference in level between the end of the multilayer structure layer and the edge of the electrode catalyst layer has less influence on transfer. The transfer between the electrode catalyst layer and the gasket layer can be favorably performed.
上記構成において、前記ガスケット層の厚みは、1μm以上100μm以下であることが好ましい。
上記構成によれば、ガスケットとしての機能が好適に発揮される。また、電極触媒層が形成される開口の深さを、電極触媒層の成膜や転写に適当な範囲に確保しやすい。
In the above configuration, the thickness of the gasket layer is preferably 1 μm or more and 100 μm or less.
According to the above configuration, the function as the gasket is suitably exhibited. In addition, the depth of the opening in which the electrode catalyst layer is formed can be easily secured in a range suitable for film formation and transfer of the electrode catalyst layer.
上記課題を解決する膜電極接合体の製造方法は、第1面と、前記第1面とは反対側の面である第2面とを有する基材層の前記第1面に、前記第1面上で開口を区画する多層構造層を、前記多層構造層の有する第1接合層と、第2接合層と、ガスケット層と、第3接合層とが前記第1面に近い方からこの順に並ぶように配置する工程と、インクの塗工によって前記開口内に電極触媒層を成膜して、前記基材層と前記多層構造層と前記電極触媒層とを有する触媒層転写基材を形成する工程と、接触面を有する高分子電解質膜に前記触媒層転写基材を押し付けて、前記接触面に前記電極触媒層と前記多層構造層における前記第3接合層とを圧着する工程と、を含み、前記基材層に対する前記第1接合層の接着力と、前記ガスケット層に対する前記第3接合層の接着力とは、前記ガスケット層に対する前記第2接合層の接着力よりも大きい。 In a method of manufacturing a membrane electrode assembly that solves the above-mentioned problems, the first surface of the base material layer having a first surface and a second surface opposite to the first surface is provided on the first surface of the base layer. A multilayer structure layer which defines an opening on the surface, a first bonding layer of the multilayer structure layer, a second bonding layer, a gasket layer, and a third bonding layer are arranged in this order from the side closer to the first surface An electrode catalyst layer is formed into a film in the opening by the step of arranging so as to line up, and coating of ink, and a catalyst layer transfer substrate having the substrate layer, the multilayer structure layer, and the electrode catalyst layer is formed. And pressing the catalyst layer transfer substrate against the polymer electrolyte membrane having a contact surface, and pressing the electrode catalyst layer and the third bonding layer in the multilayer structure layer on the contact surface, Adhesion of the first bonding layer to the base layer, and the adhesion of the first bonding layer to the gasket layer. The adhesion of the bonding layer is greater than the adhesive strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer.
上記方法によれば、電極触媒層の成膜時に、ガスケット層と電極触媒層との寸法が合わせられ、電極触媒層とガスケット層とは、高分子電解質膜に同時に転写される。したがって、電極触媒層とガスケット層との間に隙間が形成されて高分子電解質膜が露出することが抑えられる。 According to the above method, when forming the electrode catalyst layer, the dimensions of the gasket layer and the electrode catalyst layer are matched, and the electrode catalyst layer and the gasket layer are simultaneously transferred to the polymer electrolyte membrane. Therefore, a gap is formed between the electrode catalyst layer and the gasket layer, and the exposure of the polymer electrolyte membrane can be suppressed.
また、ガスケット層からの第2接合層の剥離は、基材層からの第1接合層の剥離、および、ガスケット層からの第3接合層の剥離よりも容易であるため、膜電極接合体を用いて固体高分子形燃料電池を製造するにあたり、基材層の剥離が必要な場合には、第2接合層とガスケット層との界面での剥離が円滑に実現される。特に、基材層とガスケット層との間に配置される接合層が2層であるため、こうした接合層が1層である場合と比較して、基材層に対する接合層の接着力と、ガスケット層に対する接合層の接着力との調整の自由度が高くなる。その結果、これらの接着力の調整に際して、基材層の材料やガスケット層の材料から受ける制約が小さくなり、こうした材料として様々な材料が用いられる場合にも、基材層をガスケット層から容易に剥離可能とすることができる。 In addition, since peeling of the second bonding layer from the gasket layer is easier than peeling of the first bonding layer from the base material layer and peeling of the third bonding layer from the gasket layer, the membrane / electrode assembly When it is necessary to peel off the base material layer to produce a polymer electrolyte fuel cell using it, the peeling at the interface between the second bonding layer and the gasket layer is smoothly realized. In particular, since the bonding layer disposed between the base material layer and the gasket layer is two layers, the adhesion of the bonding layer to the base material layer and the gasket as compared with the case where such a bonding layer is one layer. The degree of freedom in adjusting the adhesion of the bonding layer to the layer is increased. As a result, when adjusting the adhesive force, the restriction imposed by the material of the base layer and the material of the gasket layer is reduced, and even when various materials are used as such materials, the base layer can be easily made from the gasket layer. It can be made peelable.
上記方法は、前記触媒層転写基材から前記高分子電解質膜の前記接触面に転写された前記電極触媒層および前記ガスケット層から、前記基材層、前記第1接合層、および、前記第2接合層を剥離する工程をさらに含むことが好ましい。 In the method, the electrode catalyst layer and the gasket layer transferred from the catalyst layer transfer substrate to the contact surface of the polymer electrolyte membrane, the base material layer, the first bonding layer, and the second It is preferable to further include the step of peeling the bonding layer.
上記方法によれば、基材層を、第1接合層および第2接合層とともに、第2接合層とガスケット層との界面で容易に剥離することができるため、固体高分子形燃料電池に好適に用いられる膜電極接合体が得られる。 According to the above method, since the base material layer can be easily peeled off at the interface between the second bonding layer and the gasket layer together with the first bonding layer and the second bonding layer, it is suitable for a polymer electrolyte fuel cell The membrane electrode assembly used in
上記課題を解決する膜電極接合体は、接触面を有する高分子電解質膜と、前記接触面に位置する電極触媒層と、前記接触面の面方向において前記電極触媒層の周囲に位置し、かつ、前記電極触媒層の周端面と接するガスケット層と、前記電極触媒層と前記ガスケット層とを覆う基材層と、前記ガスケット層と前記基材層との間に配置されて前記基材層に接する第1接合層と、前記ガスケット層と前記基材層との間に配置されて前記ガスケット層および前記第1接合層に接する第2接合層と、前記高分子電解質膜と前記ガスケット層との間に配置されて前記高分子電解質膜および前記ガスケット層に接する第3接合層と、を備え、前記ガスケット層から前記第2接合層を剥離することに要する力は、前記基材層から前記第1接合層を剥離することに要する力よりも小さく、かつ、前記ガスケット層から前記第3接合層を剥離することに要する力よりも小さい。 A membrane electrode assembly that solves the above problems is a polymer electrolyte membrane having a contact surface, an electrode catalyst layer located on the contact surface, and a surface direction of the contact surface located around the electrode catalyst layer, and A gasket layer in contact with the peripheral end face of the electrode catalyst layer; a base material layer covering the electrode catalyst layer and the gasket layer; and a base material layer disposed between the gasket layer and the base material layer. And a second bonding layer disposed between the gasket layer and the base material layer and in contact with the gasket layer and the first bonding layer, the polymer electrolyte membrane, and the gasket layer. And a third bonding layer disposed between and in contact with the polymer electrolyte membrane and the gasket layer, and a force required to peel the second bonding layer from the gasket layer is the third base layer from the base layer. 1Peel the bonding layer Less than the force required to, and less than the force required to peel the third bonding layer from said gasket layer.
上記膜電極接合体は、上記触媒層転写基材を用いて製造される。したがって、膜電極接合体において、電極触媒層とガスケット層との間から高分子電解質膜が露出することが抑えられる。さらに、基材層が電極触媒層の保護層として機能するため、例えば、膜電極接合体が、膜電極接合体の製造場所とは異なる場所に運搬されて固体高分子形燃料電池の製造に用いられる場合等に、別途保護シートを配置せずとも、電極触媒層を保護することができる。したがって、保護シートを付する工程が不要になり、また、使用される部材も削減される。 The membrane electrode assembly is manufactured using the catalyst layer transfer substrate. Therefore, in the membrane electrode assembly, exposure of the polymer electrolyte membrane between the electrode catalyst layer and the gasket layer is suppressed. Furthermore, since the base material layer functions as a protective layer of the electrode catalyst layer, for example, the membrane electrode assembly is transported to a place different from the production place of the membrane electrode assembly and used for producing a polymer electrolyte fuel cell When it is possible, etc., the electrode catalyst layer can be protected without separately providing a protective sheet. Therefore, the process of applying the protective sheet is not necessary, and the members used are also reduced.
本発明によれば、電極触媒層とガスケット層との間から高分子電解質膜が露出することを抑えることができる。 According to the present invention, exposure of the polymer electrolyte membrane between the electrode catalyst layer and the gasket layer can be suppressed.
図1〜図9を参照して、触媒層転写基材、膜電極接合体の製造方法、および、膜電極接合体の一実施形態について説明する。 A catalyst layer transfer substrate, a method of manufacturing a membrane electrode assembly, and one embodiment of a membrane electrode assembly will be described with reference to FIGS. 1 to 9.
[触媒層転写基材の構成]
図1および図2を参照して、触媒層転写基材の構成について説明する。
図1に示されるように、触媒層転写基材10Cは、基材層11Cと、補強層12Cと、枠形状を有する多層構造層15Cとを備えている。補強層12Cは、支持層14Cと補強接合層13Cとから構成され、多層構造層15Cは、第1接合層16Cと、第2接合層17Cと、ガスケット層18Cと、第3接合層19Cとから構成されている。
[Composition of catalyst layer transfer substrate]
The structure of the catalyst layer transfer substrate will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 1, the catalyst layer
基材層11Cは、第1面11aと、第1面11aとは反対側の面である第2面11bとを有している。基材層11Cに対して第1面11a側に多層構造層15Cが配置され、基材層11Cに対して第2面11b側に補強層12Cが配置されている。
詳細には、補強接合層13Cは第2面11bの全体を覆い、補強接合層13Cによって、支持層14Cが基材層11Cに貼り付けられている。
The
Specifically, the reinforcing
また、第1接合層16Cは、第1面11aの外縁に沿って、第1面11aの中央部を囲む領域にて第1面11aと接し、第1接合層16Cと、第2接合層17Cと、ガスケット層18Cと、第3接合層19Cとは、第1面11aに近い方からこの順に並んでいる。すなわち、第1接合層16Cには第2接合層17Cが接し、ガスケット層18Cは、これら2つの接合層16C,17Cによって基材層11Cに貼り付けられている。そして、ガスケット層18Cにて第2接合層17Cに接している面とは反対側の面は、第3接合層19Cによって覆われている。なお、第3接合層19Cにてガスケット層18Cに接している面と反対側の面は、被覆層20Cに覆われている。被覆層20Cは、電極触媒層の形成時には第3接合層19Cを覆っている一方、電極触媒層の転写時には第3接合層19Cから剥離される。
Further, the
ガスケット層18Cから第2接合層17Cを剥離することに要する力は、基材層11Cから第1接合層16Cを剥離することに要する力よりも小さく、かつ、ガスケット層18Cから第3接合層19Cを剥離することに要する力よりも小さい。
The force required to peel the
図2に示されるように、基材層11Cは略矩形状の外形を有し、多層構造層15Cおよび被覆層20Cは、基材層11Cの外縁に沿った環形状、すなわち、矩形枠体形状を有している。基材層11Cの第1面11a上では、基材層11Cの面方向における多層構造層15Cおよび被覆層20Cの内周縁によって、電極触媒層を形成するための材料が埋め込まれる略矩形状の開口21Cが区画されている。
また、補強層12Cは、略矩形状の外形を有し、補強層12Cの外形寸法は基材層11Cの外形寸法とほぼ一致する。
As shown in FIG. 2, the
The reinforcing
[膜電極接合体の製造方法]
図3〜図6を参照して、上述の触媒層転写基材を用いた膜電極接合体の製造方法について説明する。
図3に示されるように、基材層11Cの第1面11aに、被覆層20Cが付された多層構造層15Cが配置され、基材層11Cの第2面11bに、補強層12Cが配置されて、触媒層転写基材10Cが形成される。
[Method of producing membrane electrode assembly]
With reference to FIGS. 3-6, the manufacturing method of the membrane electrode assembly using the above-mentioned catalyst layer transfer base material is demonstrated.
As shown in FIG. 3, the
第1面11aに多層構造層15Cと被覆層20Cとが配置される際には、まず、多層構造層15Cと被覆層20Cとの積層体が形成され、この積層体に開口21Cが形成される。その後、基材層11Cと第1接合層16Cとが接するように、すなわち、第1接合層16Cと、第2接合層17Cと、ガスケット層18Cと、第3接合層19Cとが第1面11aに近い方からこの順に並ぶように多層構造層15Cと被覆層20Cとの積層体が、基材層11Cの第1面11aに配置される。
When the
補強層12Cは、多層構造層15Cと被覆層20Cとが基材層11Cの第1面11aに配置された後に、第2面11bに配置される。なお、補強層12Cは、多層構造層15Cと被覆層20Cとが第1面11aに配置される前に、第2面11bに配置されてもよい。
The reinforcing
基材層11Cは、基材層11Cの面上に形成された電極触媒層を転写可能な材料から形成されたシート、あるいは、基材層11Cの面上に形成された電極触媒層を転写可能なように表面処理が行われたシートである。
The
基材層11Cの材料としては、例えば、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)などのフッ素系樹脂、あるいは、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)などが用いられる。また、表面処理としてはシリコーン処理などが挙げられる。
基材層11Cの厚みは、1μm〜100μm程度であることが好ましく、強度や耐熱性が適正に確保されるように、材料に応じて適宜選択される。
Examples of the material of the
The thickness of the
第1接合層16Cと第2接合層17Cと第3接合層19Cとしては、対象の接合に際して固化を要しない粘着層を用いてもよいし、対象の接合に際して固化を要する接着層を用いてもよい。これらの接合層16C,17C,19Cの材料としては、例えば、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、ウレタン樹脂系、シリコーン樹脂系、ゴム系などの粘着剤または接着剤を用いることができる。これらの接合層16C,17C,19Cの形成材料は、各接合層に要求される接着力を発揮することが可能な材料が接合層ごとに選択される。なお、本実施形態では、粘着剤による対象の接合においても、接着や接着力の用語を用いている。
As the
第1接合層16Cと第2接合層17Cとは互いに異なる材料から形成されることが好ましく、第2接合層17Cと第3接合層19Cとは互いに異なる材料から形成されることが好ましい。第1接合層16Cと第3接合層19Cとは、同一の材料から形成されてもよいし、異なる材料から形成されてもよい。
The
第1接合層16Cおよび第2接合層17Cの各々の形成材料としては、第2接合層17Cに対する第1接合層16Cの接着力、すなわち、第1接合層16Cと第2接合層17Cとの間に働く接着力が、少なくともガスケット層18Cに対する第2接合層17Cの接着力よりは大きく、好ましくは、基材層11Cに対する第1接合層16Cの接着力、ガスケット層18Cに対する第2接合層17Cの接着力、および、ガスケット層18Cに対する第3接合層19Cの接着力の各々よりも十分に大きくなる材料が選択される。また、第3接合層19Cの形成材料としては、高分子電解質膜に対する第3接合層19Cの接着力が、少なくともガスケット層18Cに対する第2接合層17Cの接着力よりは大きく、好ましくは、基材層11Cに対する第1接合層16Cの接着力、ガスケット層18Cに対する第2接合層17Cの接着力、および、ガスケット層18Cに対する第3接合層19Cの接着力の各々よりも十分に大きくなる材料が選択される。
As a formation material of each of the
基材層11Cに対する第1接合層16Cの接着力は、ガスケット層18Cに対する第2接合層17Cの接着力よりも大きい。さらに、基材層11Cに対する第1接合層16Cの接着力と、ガスケット層18Cに対する第2接合層17Cの接着力との各々を、引張試験器を用いて剥離速度300mm/minで測定した180°剥離強度(JIS−K−6854−2:1999)として表したとき、これらの剥離強度の差が0.01N/25mm以上、かつ、10N/25mm未満であることが好ましい。剥離強度の差が上記範囲であると、電極触媒層の転写後に基材層11Cを剥離する際に、第2接合層17Cがガスケット層18Cとの界面で容易に剥がれる。
The adhesion of the
また、ガスケット層18Cに対する第3接合層19Cの接着力は、ガスケット層18Cに対する第2接合層17Cの接着力よりも大きい。さらに、ガスケット層18Cに対する第3接合層19Cの接着力と、ガスケット層18Cに対する第2接合層17Cの接着力との各々を、引張試験器を用いて剥離速度300mm/minで測定した180°剥離強度(JIS−K−6854−2:1999)として表したとき、これらの剥離強度の差が0.01N/25mm以上、かつ、10N/25mm未満であることが好ましい。剥離強度の差が上記範囲であると、電極触媒層の転写後に基材層11Cを剥離する際に、第2接合層17Cがガスケット層18Cとの界面で容易に剥がれる。
Further, the adhesion of the
また、基材層11Cに対する第1接合層16Cの接着力は、引張試験器を用いて剥離速度300mm/minで測定した180°剥離強度(JIS−K−6854−2:1999)として表したとき、0.02N/25mm以上、かつ、10N/25mm未満であることが好ましい。剥離強度が上記範囲であると、基材層11Cと第1接合層16Cとの密着性が高くなるため、基材層11Cと多層構造層15Cとの密着性が高められる。その結果、基材層11Cと多層構造層15Cとの間に隙間が生じることが抑えられるため、電極触媒層の形成時に、触媒インクが基材層11Cと多層構造層15Cとの間の隙間に入り込むことが抑えられて、電極触媒層の外周縁の直線性が向上する。
Moreover, when the adhesive force of the
接合層16C,17C,19Cの各々の厚みは、特に限定されないが、0.1μm以上40μm以下であることが好ましい。接合層16C,17C,19Cの各々の厚みが0.1μm以上であると、接合層の形成時に材料の塗工のムラが生じることが抑えられる。
また、接合層間に剥離強度の差が生じるように、接着力(粘着力)の異なる粘着剤および接着剤を適宜選択することにより、接合層間の剥離強度を設定することができる。
The thickness of each of the bonding layers 16C, 17C, and 19C is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm to 40 μm. When the thickness of each of the bonding layers 16C, 17C, and 19C is 0.1 μm or more, it is possible to suppress the occurrence of coating unevenness of the material when forming the bonding layer.
The peel strength between the bonding layers can be set by appropriately selecting a pressure-sensitive adhesive and an adhesive having different adhesion (adhesive force) so that a difference in peel strength occurs between the bonding layers.
ガスケット層18Cは、熱可塑性樹脂のなかで固体高分子形燃料電池に一般的に使用される樹脂から形成される。例えば、ガスケット層18Cの材料としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)などが用いられる。
ガスケット層18Cの厚みは、1μm以上100μm以下であることが好ましく、強度や耐熱性が適正に確保されるように、材料に応じて適宜選択される。
The
The thickness of the
補強層12Cにおける支持層14Cや補強接合層13Cの材料は特に限定されず、一般に流通する材料が用いられればよい。例えば、支持層14Cの材料としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)などが用いられ、補強接合層13Cの材料としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ゴムなどが用いられる。
The material of the
補強層12Cの厚みは、特に限定はされないが、支持層14Cの厚みは、1μm〜100μm程度であることが好ましく、特に、ガスケット層18Cと同じ厚みであることが好ましい。支持層14Cの厚みとガスケット層18Cの厚みとが等しいと、電極触媒層形成時の温度変化に起因して、基材層11Cに反りが生じることが好適に抑えられる。
The thickness of the reinforcing
被覆層20Cの材料は特に限定されず、一般的に流通する樹脂が用いられればよい。例えば、被覆層20Cの材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)などが用いられる。例えば、第3接合層19Cに貼られたセパレートフィルムが、被覆層20Cとして用いられればよい。
被覆層20Cの厚みは、特に限定されないが、1μm〜40μm程度であることが好ましい。
The material of the
The thickness of the
図4に示されるように、開口21Cの内部に触媒インクが塗工されて、乾燥されることによって、基材層11Cの第1面11aのなかで多層構造層15Cおよび被覆層20Cから露出する部分に電極触媒層22Cが成膜される。被覆層20Cは、電極触媒層22Cの形成後、電極触媒層22Cの転写時までに剥離されればよく、電極触媒層22Cの形成後に、触媒層転写基材10Cは、被覆層20Cが付された状態で取り扱われてもよいし、被覆層20Cが剥離された状態で取り扱われてもよい。
As shown in FIG. 4, the catalyst ink is applied to the inside of the opening 21C and dried to expose the
基材層11Cとガスケット層18Cとが互いに異なる材質で構成されている場合には、開口21C内に塗工された触媒インクの乾燥工程を経る際に生じる温度変化によって、冷却後の基材層11Cに応力による反りが生じる場合がある。これに対し、本実施形態では、基材層11Cの第2面11bに、温度変化による基材層11Cの変形を抑制する補強層12Cが配置されているため、基材層11Cの反りが軽減され、膜電極接合体の製造における作業性が向上する。
触媒インクは、高分子電解質と、触媒物質と、インク溶媒とを含む。
When the
The catalyst ink contains a polymer electrolyte, a catalyst substance, and an ink solvent.
触媒インクに含まれる高分子電解質としては、例えば、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質などのプロトン伝導性を有する高分子材料が用いられる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製NAFION(登録商標)、旭硝子(株)製FLEMION(登録商標)、旭化成(株)製ACIPLEX(登録商標)、ゴア社製GORE−SELECT(登録商標)などが挙げられる。これらの材料の中でも、固体高分子形燃料電池の出力電圧を高めるためには、デュポン社製NAFION(登録商標)を用いることが好ましい。炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質が挙げられる。 As the polymer electrolyte contained in the catalyst ink, for example, a polymer material having proton conductivity such as a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte is used. As the fluorine-based polymer electrolyte, for example, NAFION (registered trademark) manufactured by DuPont, FLEMION (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., ACIPLEX (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, GORE-SELECT (registered trademark) manufactured by Gore And the like. Among these materials, in order to increase the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell, it is preferable to use NAFION (registered trademark) manufactured by DuPont. Examples of hydrocarbon-based polymer electrolytes include electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, and the like.
触媒物質としては、例えば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、鉄(Fe)などが用いられる。特に、触媒物質として白金を用いることが好ましい。触媒物質は、導電性担体である炭素粒子に担持されることが好ましいが、単体の触媒物質が用いられてもよい。炭素粒子としては、例えば、カーボンブラックなどが用いられる。 As a catalyst substance, for example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), chromium (Cr), cobalt (Co), iron (Fe) and the like are used. In particular, platinum is preferably used as the catalyst substance. The catalyst substance is preferably supported on carbon particles as a conductive carrier, but a single catalyst substance may be used. As a carbon particle, carbon black etc. are used, for example.
インク溶媒としては、触媒物質を担持した炭素粒子である触媒物質担持炭素体と高分子電解質とを浸食しない溶媒であって、流動性を有した状態で高分子電解質を溶解するか、もしくは、微細ゲルとして高分子電解質を分散する溶媒を用いることが好ましい。このようなインク溶媒は、揮発性の有機溶媒を含むことが好ましく、インク溶媒に含まれる有機溶媒としては、例えば、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、ペンタノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、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、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、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、ジブチルエーテルなどのエーテル系溶剤、および、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、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノールなどの極性溶剤が挙げられる。また、これらの有機溶媒のうち二種類以上の溶媒が混合されてインク溶媒として用いられてもよい。 The ink solvent is a solvent that does not erode the catalyst substance-supporting carbon body, which is a carbon particle carrying a catalyst substance, and the polymer electrolyte, and the polymer electrolyte is dissolved in a fluid state, or It is preferable to use a solvent that disperses a polymer electrolyte as a gel. Such an ink solvent preferably contains a volatile organic solvent, and examples of the organic solvent contained in the ink solvent include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, and the like. Alcohols such as isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentanol, acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, ketone solvents such as diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol Ether solvents such as dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, dibutyl ether, and dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl pylori Emissions, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, polar solvents such as 1-methoxy-2-propanol. In addition, two or more of the organic solvents may be mixed and used as an ink solvent.
有機溶媒として低級アルコールが用いられる場合には、インク溶媒の発火温度を高めるために、インク溶媒が有機溶媒と水との混合溶媒とされることが好ましい。また、高分子電解質とインク溶媒との親和性を高めるためにも、高分子電解質がインク溶媒から分離して白濁が生じたり、高分子電解質がゲル化したりしない程度に、インク溶媒が水を含むことが好ましい。 When a lower alcohol is used as the organic solvent, it is preferable that the ink solvent be a mixed solvent of an organic solvent and water in order to increase the ignition temperature of the ink solvent. Also, in order to increase the affinity between the polymer electrolyte and the ink solvent, the ink solvent contains water to such an extent that the polymer electrolyte is separated from the ink solvent to cause white turbidity or the polymer electrolyte does not gel. Is preferred.
触媒インクにおける高分子電解質や触媒物質担持炭素体などの固形分の含有量は、1質量%以上50質量%以下であることが好ましい。触媒インクにおける固形分の含有量が50質量%以下であれば、触媒インクの粘度が高くなりすぎないため、成膜される電極触媒層22Cの表面にクラックが生じにくくなる。一方、固形分の含有量が1質量%以上であれば、触媒インクの粘度が低くなりすぎないため、電極触媒層22Cの成膜速度が適度に確保され、電極触媒層22Cの生産性が低下することが抑えられる。
The solid content of the polymer electrolyte and the catalyst substance-supporting carbon body in the catalyst ink is preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less. When the solid content in the catalyst ink is 50% by mass or less, the viscosity of the catalyst ink does not become too high, so that the surface of the
なお、高分子電解質と触媒物質担持炭素体との含有量が互いに等しい触媒インクであっても、固形分における炭素粒子の割合が大きくなるほど触媒インクの粘度は高くなり、反対に、炭素粒子の割合が小さくなるほど触媒インクの粘度は低くなる。そのため、触媒インクに含まれる固形分中の炭素粒子の濃度は、10質量%以上80質量%以下であることが好ましい。 Even in the case of a catalyst ink in which the content of the polymer electrolyte and the catalyst substance-supporting carbon body are equal to each other, the viscosity of the catalyst ink becomes higher as the proportion of carbon particles in the solid content becomes larger. The lower the viscosity, the lower the viscosity of the catalyst ink. Therefore, the concentration of the carbon particles in the solid content contained in the catalyst ink is preferably 10% by mass or more and 80% by mass or less.
また、触媒インクにおける固形分の含有量の調整、固形分における炭素粒子の濃度の調整、これらの他、インク溶媒への固形分の分散処理の際に触媒インクに分散剤が添加されることにより、触媒インクの粘度を所定の値に調整することも可能である。また、触媒物質担持炭素体に対する高分子電解質の質量比率は、0.04質量%以上3.00質量%以下であることが好ましい。 In addition, adjustment of the solid content in the catalyst ink, adjustment of the concentration of carbon particles in the solid content, and the addition of a dispersant to the catalyst ink during dispersion processing of the solid content in the ink solvent besides these It is also possible to adjust the viscosity of the catalyst ink to a predetermined value. The mass ratio of the polymer electrolyte to the catalyst substance-supporting carbon body is preferably 0.04% by mass or more and 3.00% by mass or less.
触媒インクの基材層11Cへの塗工方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などの塗布法が用いられる。これらの塗布法のうち、加圧スプレー法、超音波スプレー法、静電噴霧法などのスプレー法が用いられることが好ましい。これらの方法によれば、塗工された触媒インクが乾燥する際に触媒インクの凝集が起こり難いため、空孔率の高い均質な電極触媒層22Cを得ることが可能となる。
As a method of applying the catalyst ink to the
触媒インクの塗工工程では、触媒インクのインク温度が10℃以上であると、触媒インクの粘度が高くなりすぎないため、成膜される電極触媒層22Cの均一性が高められる。また、インク温度が50℃以下であると、インク溶媒が触媒インクの塗工中に揮発することが抑えられる。電極触媒層22Cの厚みは特に限定されないが、1μm〜30μm程度であることが好ましい。
In the catalyst ink coating process, when the ink temperature of the catalyst ink is 10 ° C. or more, the viscosity of the catalyst ink does not become too high, so the uniformity of the
また、電極触媒層22Cの厚みは、多層構造層15Cの厚みよりも小さく、多層構造層15Cの厚みと電極触媒層22Cの厚みとの差は、100μm以下であることが好ましい。
The thickness of the
図5に示されるように、膜電極接合体の製造に際しては、触媒層転写基材10Cと同様の構成を有する触媒層転写基材10Aがさらに形成される。すなわち、触媒層転写基材10Aは、基材層11Aと、支持層14Aおよび補強接合層13Aから構成される補強層12Aと、第1接合層16A、第2接合層17A、ガスケット層18A、および、第3接合層19Aから構成される多層構造層15Cとを備えている。基材層11Aは基材層11Cと同様の構成を有し、支持層14Aは支持層14Cと同様の構成を有し、補強接合層13Aは補強接合層13Cと同様の構成を有する。第1接合層16Aは第1接合層16Cと同様の構成を有し、第2接合層17Aは第2接合層17Cと同様の構成を有し、ガスケット層18Aはガスケット層18Cと同様の構成を有し、第3接合層19Aは第3接合層19Cと同様の構成を有する。
As shown in FIG. 5, in the production of the membrane electrode assembly, a catalyst
そして、電極触媒層22Cと同様に、触媒層転写基材10Aの開口21Aの内部に上述の触媒インクが塗工、乾燥されることによって、電極触媒層22Aが形成される。
電極触媒層22Cが形成された触媒層転写基材10Cと、電極触媒層22Aが形成された触媒層転写基材10Aとは、高分子電解質膜30を挟んで配置される。
Then, as in the
The catalyst
高分子電解質膜30は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜30の材料としては、例えば、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質が用いられる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製NAFION(登録商標)、旭硝子(株)製FLEMION(登録商標)、旭化成(株)製ACIPLEX(登録商標)、ゴア社製GORE−SELECT(登録商標)が用いられる。特に、固体高分子形燃料電池の出力電圧を高めるためには、デュポン社製NAFION(登録商標)が好適に用いられる。
The
炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜が用いられる。なお、電極触媒層22C,22Aと高分子電解質膜30との密着性を高めるためには、電極触媒層22C,22Aに含まれる高分子電解質と高分子電解質膜30を構成する高分子電解質とが同一の材料であることが好ましい。
As the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, an electrolyte membrane of sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene or the like is used. In order to enhance the adhesion between the electrode catalyst layers 22C and 22A and the
高分子電解質膜30は、カソード接触面30aと、カソード接触面30aとは反対側の面であるアノード接触面30bとを有し、電極触媒層22Cおよび第3接合層19Cは、カソード接触面30aと向かい合い、電極触媒層22Aおよび第3接合層19Aは、アノード接触面30bと向かい合う。
The
そして、2つの触媒層転写基材10C,10Aに高分子電解質膜30が挟まれた状態で、これらの部材が加熱されるとともに加圧される。これにより、電極触媒層22Cと第3接合層19Cとが高分子電解質膜30のカソード接触面30aに圧着される。また、電極触媒層22Aと第3接合層19Aとが高分子電解質膜30のアノード接触面30bに圧着される。
Then, in a state where the
図6に示されるように、電極触媒層22C,22Aと第3接合層19C,19Aとが高分子電解質膜30に圧着された後、基材層11C,11Aおよび補強層12C,12Aは剥離される。このとき、第1接合層16Cおよび第2接合層17Cは、基材層11Cに貼り付いた第1接合層16Cに第2接合層17Cが貼り付いた状態で、基材層11Cとともに剥離される。すなわち、第2接合層17Cがガスケット層18Cとの界面で剥離される。同様に、第1接合層16Aおよび第2接合層17Aは、基材層11Aに貼り付いた第1接合層16Aに第2接合層17Aが貼り付いた状態で、基材層11Aとともに剥離される。すなわち、第2接合層17Aがガスケット層18Aとの界面で剥離される。
As shown in FIG. 6, after the electrode catalyst layers 22C and 22A and the
基材層11C、11Aに対する第1接合層16C,16Aの接着力と、ガスケット層18C,18Aに対する第3接合層19C,19Aの接着力とが、ガスケット層18C,18Aに対する第2接合層17C,17Aの接着力よりも大きいことにより、第2接合層17C,17Aとガスケット層18C,18Aとの界面での剥離が円滑に実現される。
The adhesion of the
これにより、電極触媒層22C,22Aと第3接合層19C,19Aとガスケット層18C,18Aとが高分子電解質膜30に転写され、膜電極接合体が形成される。電極触媒層22C,22Aと第3接合層19C,19Aとガスケット層18C,18Aとが高分子電解質膜30に転写された状態において、電極触媒層22C,22Aの厚みは、第3接合層19C,19Aとガスケット層18C,18Aとを合わせた厚みと同程度であってもよいし、第3接合層19C,19Aとガスケット層18C,18Aとを合わせた厚みよりも小さくてもよい。電極触媒層22C,22Aの厚みが、第3接合層19C,19Aとガスケット層18C,18Aとを合わせた厚みよりも小さい場合には、電極触媒層22C,22Aに積層されている基材層11C,11Aが押し込まれることによって、電極触媒層22C,22Aが高分子電解質膜30に転写される。
Thereby, the electrode catalyst layers 22C and 22A, the
なお、高分子電解質膜30のカソード接触面30aへの各部材の転写と、高分子電解質膜30のアノード接触面30bへの各部材の転写とは、同時に行われてもよいし、一方ずつ行われてもよい。
The transfer of each member to the
[膜電極接合体の構成]
上述の製造方法によって製造された膜電極接合体の詳細な構成について説明する。
図7に示されるように、膜電極接合体35は、高分子電解質膜30と、一対の電極触媒層22C,22Aと、一対のガスケット層18C,18Aと、ガスケット層18Cと高分子電解質膜30とを貼り合わせる第3接合層19Cと、ガスケット層18Aと高分子電解質膜30とを貼り合わせる第3接合層19Aとを備えている。
カソード接触面30aは、アノード接触面30bとは反対側に位置し、カソード接触面30aとアノード接触面30bとは、略平行に位置している。
[Configuration of membrane electrode assembly]
The detailed configuration of the membrane electrode assembly manufactured by the above-described manufacturing method will be described.
As shown in FIG. 7, the
The
カソード接触面30aと面する位置には、電極触媒層22C、第3接合層19C、および、ガスケット層18Cが配置されている。電極触媒層22Cは、固体高分子形燃料電池のカソードを構成する。アノード接触面30bと面する位置には、電極触媒層22A、第3接合層19A、および、ガスケット層18Aが配置されている。電極触媒層22Aは、固体高分子形燃料電池のアノードを構成する。
An
電極触媒層22Cと第3接合層19Cとは、カソード接触面30aに面接触し、第3接合層19Cおよびガスケット層18Cは、カソード接触面30aの面上にて、電極触媒層22Cの外周縁の外側に配置されて、電極触媒層22Cと接している。電極触媒層22Aと第3接合層19Aとは、アノード接触面30bに面接触し、第3接合層19Aおよびガスケット層18Aは、アノード接触面30bの面上にて、電極触媒層22Aの外周縁の外側に配置されて、電極触媒層22Aと接している。すなわち、接触面30a,30bの面方向において、ガスケット層18C,18Aは電極触媒層22C,22Aの周囲に位置し、電極触媒層22C,22Aの周端面と接している。
The
こうした構成では、第3接合層19C,19Aは、ガスケット層18C,18Aと高分子電解質膜30とに挟まれてこれらの部材と接し、ガスケット層18C,18Aと高分子電解質膜30とが第3接合層19C,19Aによって接合されるため、ガスケット層18C,18Aと高分子電解質膜30との密着性が高められる。
In such a configuration, the
なお、電極触媒層22Cと電極触媒層22A、第3接合層19Cと第3接合層19A、および、ガスケット層18Cとガスケット層18Aの各組について、各組を構成する2つの部材の位置は、高分子電解質膜30を挟んで面対称であることが好ましい。
The positions of the two members of each set of the
図8に示されるように、電極触媒層22Cと第3接合層19Cとが接している部分において、第3接合層19Cは、電極触媒層22Cにめり込んでいる。すなわち、カソード接触面30aと対向する方向である対向方向から見て、第3接合層19Cは、ガスケット層18Cの内周縁よりも内側である電極触媒層22C側にはみ出している。
As shown in FIG. 8, in the portion where the
通常、電極触媒層22Cや第3接合層19Cは、ガスケット層18Cよりも剛性が低い。また、電極触媒層22Cは、第3接合層19Cよりも剛性が低い。そのため、圧着時の加圧に起因して、第3接合層19Cの内周縁は、ガスケット層18Cによって押しつぶされて、第3接合層19Cの内周縁と接する電極触媒層22Cの外周縁にめり込む。つまり、電極触媒層22Cと第3接合層19Cとガスケット層18Cとの転写に際して、これらの部材がともに高分子電解質膜30に押し付けられる結果、第3接合層19Cが電極触媒層22Cにめり込む構造が形成される。
In general, the
なお、第3接合層19Cは、ガスケット層18Cと、高分子電解質膜30との双方から押されるため、第3接合層19Cの内周縁において、その厚さ方向における中間位置が、厚さ方向における両端部よりも電極触媒層22Cにめり込みやすい。
同様に、電極触媒層22Aと第3接合層19Aとが接している部分においては、第3接合層19Aが電極触媒層22Aにめり込む構造が形成されている。
Since the
Similarly, in a portion where the
なお、膜電極接合体35は、電極触媒層22C,22Aの各々に重ねられた多孔質拡散層を備えてもよい。多孔質拡散層は、ガス拡散性と導電性とを有する材料から形成された基材を含み、基材の材料としては、例えば、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が用いられる。多孔質拡散層は、電極触媒層22C,22Aの転写後に、電極触媒層22C,22Aに重ねられて加熱および加圧されることにより、電極触媒層22C,22Aに圧着される。
The
[固体高分子形燃料電池の構成]
図9を参照して、上述の膜電極接合体を備える固体高分子形燃料電池の構成について説明する。
図9に示されるように、固体高分子形燃料電池40は、一対の多孔質拡散層23C,23Aを備える膜電極接合体35と、一対のセパレータ41C,41Aとを備えている。膜電極接合体35は、セパレータ41Cとセパレータ41Aとの間に挟持されている。セパレータ41Cにて、膜電極接合体35と互いに向かい合う面には、ガス流路42Cが凹設され、また、膜電極接合体35とは反対側の面には、冷却水流路43Cが凹設されている。セパレータ41Aにて、膜電極接合体35と互いに向かい合う面には、ガス流路42Aが凹設され、また、膜電極接合体35とは反対側の面には、冷却水流路43Aが凹設されている。
[Composition of a polymer electrolyte fuel cell]
The configuration of a polymer electrolyte fuel cell provided with the above-described membrane electrode assembly will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 9, the polymer
膜電極接合体35に、セパレータ41C,41Aが組み付けられ、さらに、酸化剤ガスと燃料ガスとの供給機構などが設けられて、単セルの固体高分子形燃料電池40が製造される。固体高分子形燃料電池40は、単セルの状態、もしくは、複数の固体高分子形燃料電池40が組み合わされた状態で使用される。
The
固体高分子形燃料電池40の使用時には、カソード側のセパレータ41Cのガス流路42Cに酸化剤ガスが流され、アノード側のセパレータ41Aのガス流路42Aに燃料ガスが流される。また、各セパレータ41C,41Aの冷却水流路の43C,43Aには、冷却水が流される。そして、ガス流路42Cからカソードにガスが供給され、また、ガス流路42Aからアノードにガスが供給されることによって、高分子電解質膜30中でのプロトン伝導を伴う電極反応が進行することにより、カソードとアノードとの間に起電力が生じる。
When the polymer
[作用]
本実施形態の触媒層転写基材を用いた膜電極接合体の製造方法の作用について説明する。
上述の製造方法では、触媒層転写基材10C,10Aにて、基材層11C,11Aにガスケット層18C,18Aが配置された状態で、電極触媒層22C,22Aが成膜される。そして、電極触媒層22Cが形成された触媒層転写基材10Cと、電極触媒層22Aが形成された触媒層転写基材10Aとが高分子電解質膜30に押し付けられることによって、電極触媒層22C,22Aおよびガスケット層18C,18Aが、高分子電解質膜30に転写される。
[Effect]
The effect | action of the manufacturing method of the membrane electrode assembly using the catalyst layer transfer base material of this embodiment is demonstrated.
In the above-described manufacturing method, the electrode catalyst layers 22C and 22A are formed on the catalyst
こうした製造方法によれば、ガスケット層18C,18Aの配置された基材層11C,11Aの面上に電極触媒層22C,22Aが成膜されるため、電極触媒層22C,22Aの成膜時に、ガスケット層18C,18Aの内周縁と電極触媒層22C,22Aの外周縁との寸法が合わせられる。そして、電極触媒層22Cとガスケット層18Cとは、高分子電解質膜30のカソード接触面30aに同時に転写され、電極触媒層22Aとガスケット層18Aとは、高分子電解質膜30のアノード接触面30bに同時に転写される。したがって、電極触媒層22Cとガスケット層18Cとの間や、電極触媒層22Aとガスケット層18Aとの間に隙間が形成されることが抑えられる。その結果、電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとの間から高分子電解質膜30が露出することが抑えられる。
According to such a manufacturing method, the electrode catalyst layers 22C and 22A are formed on the surfaces of the
また、第1接合層16C,16Aと第2接合層17C,17Aは、基材層11C,11Aとともに剥離されるため、電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとの転写時に、膜電極接合体35には不要な部材が高分子電解質膜30に配設されることがない。
Further, since the
ここで、本実施形態では、各接合層における接着力の相対的な関係が以下のように定められている。すなわち、ガスケット層18C,18Aから第2接合層17C,17Aを剥離することに要する力が、基材層11C,11Aから第1接合層16C,16Aを剥離することに要する力よりも小さく、かつ、ガスケット層18C,18Aから第3接合層19C,19Aを剥離することに要する力よりも小さくなるようにしている。これにより、第2接合層17C,17Aとガスケット層18C,18Aとの界面での剥離が円滑に実現される。
Here, in the present embodiment, the relative relationship of the adhesive force in each bonding layer is determined as follows. That is, the force required to peel the
特に、基材層11C,11Aとガスケット層18C,18Aとの間に配置される接合層を2層とすることによって、こうした接合層が1層である場合と比較して、基材層11C,11Aに対する接合層の接着力と、ガスケット層18C,18Aに対する接合層の接着力との調整の範囲が広くなる。その結果、これらの接着力の調整に際して、基材層11C,11Aの材料やガスケット層18C,18Aの材料から受ける制約が小さくなり、こうした材料として様々な材料が用いられる場合にも、基材層11C,11Aをガスケット層18C,18Aから容易に剥離可能な触媒層転写基材10C,10Aが実現できる。
In particular, by forming two bonding layers disposed between the
また、第3接合層19Cに貼られたセパレートフィルムを被覆層20Cとして利用することが可能であり、第3接合層19Aについても同様にセパレートフィルムを被覆層として利用することが可能である。被覆層20Cは、電極触媒層22Cの成膜時のマスクおよび粘着剤の露出を抑えるカバーとして機能するため、電極触媒層22C,22Aの成膜に必要な部材を削減することができる。
Moreover, it is possible to utilize the separate film stuck on the 3rd joining
また、従来、電極触媒層の面上にガスケット層を配置することによって、電極触媒層とガスケット層との間からの高分子電解質膜の露出を抑えようとする構造が提案されている。こうした構造と比較して、本実施形態の膜電極接合体35では、対向方向から見て、電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとが重ならないため、ガスの拡散が妨げられて電極触媒層22C,22Aに発電に寄与しない部分が生じることが抑えられる。その結果、電極触媒層22C,22Aに、高価な白金族の貴金属が使用される場合であっても、膜電極接合体35の製造に要するコストの増大が抑えられる。また、対向方向において電極触媒層とガスケット層とが重なる部分と重ならない部分とが存在することに起因して膜電極接合体の厚みにばらつきが生じることもない。
Also, conventionally, a structure has been proposed in which the gasket layer is disposed on the surface of the electrode catalyst layer to suppress the exposure of the polymer electrolyte membrane from between the electrode catalyst layer and the gasket layer. Compared with such a structure, in the
以上説明したように、本実施形態の触媒層転写基材、膜電極接合体の製造方法、および、膜電極接合体によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
(1)触媒層転写基材10C,10Aでは、ガスケット層18C,18Aを含む多層構造層15C,15Aによって、電極触媒層22C,22Aが形成される開口21C,21Aが区画されているため、この開口21C,21Aに電極触媒層22C,22Aが成膜されることにより、電極触媒層22C,22Aの成膜時にガスケット層18C,18Aと電極触媒層22C,22Aとの寸法が合わせられる。そして、この触媒層転写基材10C,10Aを用いて転写を行うことにより、電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとが高分子電解質膜30に同時に転写されるため、電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとの間に隙間が形成されて高分子電解質膜30が露出することが抑えられる。
As described above, according to the catalyst layer transfer base material of the present embodiment, the method of manufacturing a membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly, the following effects can be obtained.
(1) In the catalyst
そして、ガスケット層18C,18Aからの第2接合層17C,17Aの剥離は、基材層11C,11Aからの第1接合層16C,16Aの剥離、および、ガスケット層18C,18Aからの第3接合層19C,19Aの剥離よりも容易であるため、転写後の基材層11C,11Aの剥離に際して、第2接合層17C,17Aとガスケット層18C,18Aとの界面での剥離が円滑に実現される。特に、基材層11C,11Aとガスケット層18C,18Aとの間に配置される接合層が2層であるため、こうした接合層が1層である場合と比較して、基材層11C,11Aとガスケット層18C,18Aとに対する接合層の接着力の調整の自由度が高くなる。その結果、基材層11C,11Aやガスケット層18C,18A材料として様々な材料が用いられる場合にも、基材層11C,11Aをガスケット層18C,18Aから容易に剥離可能な触媒層転写基材10C,10Aが実現できる。
The peeling of the
(2)基材層11C,11Aの第2面には、補強層12C,12Aが配置されているため、電極触媒層22C,22Aの形成時における乾燥工程等によって、触媒層転写基材10C,10Aの温度が大きく変化する場合であっても、基材層11C,11Aに反りが生じることが抑えられる。その結果、触媒層転写基材10C,10Aを用いた膜電極接合体35の製造工程における作業性が向上する。また、基材層11C,11Aの表裏に基材層11C,11Aとは別の層が配置されるため、触媒層転写基材10C,10Aの剛性が高められ、これによっても作業性が向上する。
(2) Since the reinforcing
(3)基材層11C,11Aに対する第1接合層16C,16Aの剥離強度と、ガスケット層18C,18Aに対する第2接合層17C,17Aの剥離強度との差が、0.01N/25mm以上、かつ、10N/25mm未満であるため、転写後の基材層11C,11Aの剥離に際して、基材層11C,11Aを、第1接合層16C,16Aおよび第2接合層17C,17Aとともに、第2接合層17C,17Aとガスケット層18C,18Aとの界面で容易に剥離することができる。
(3) The difference between the peel strength of the
(4)ガスケット層18C,18Aに対する第3接合層19C,19Aの剥離強度と、ガスケット層18C,18Aに対する第2接合層17C,17Aの剥離強度との差が、0.01N/25mm以上、かつ、10N/25mm未満であるため、転写後の基材層11C,11Aの剥離に際して、基材層11C,11Aを、第1接合層16C,16Aおよび第2接合層17C,17Aとともに、第2接合層17C,17Aとガスケット層18C,18Aとの界面で容易に剥離することができる。
(4) The difference between the peel strength of the
(5)基材層11C,11Aに対する第1接合層16C,16Aの剥離強度が、0.02N/25mm以上、かつ、10N/25mm未満であるため、基材層11C,11Aと多層構造層15C,15Aとの密着性が高められる。その結果、基材層11C,11Aと多層構造層15C,15Aとの間に隙間が生じることが抑えられるため、電極触媒層22C,22Aの形成時に、触媒インクが基材層11C,11Aと多層構造層15C,15Aとの間の隙間に入り込むことが抑えられる。
(5) The peel strength of the
(6)多層構造層15C,15Aの厚みは、電極触媒層22C,22Aの厚みよりも大きく、これらの厚みの差が100μm以下である。したがって、多層構造層15C,15Aの厚みと電極触媒層22C,22Aの厚みとの差が大きすぎないため、多層構造層15C,15Aの端部と電極触媒層22C,22Aの端部との段差が転写に与える影響が小さくなり、電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとの転写を良好に行うことができる。 (6) The thickness of the multilayer structure layers 15C and 15A is larger than the thickness of the electrode catalyst layers 22C and 22A, and the difference between these thicknesses is 100 μm or less. Therefore, since the difference between the thickness of the multilayer structure layers 15C and 15A and the thickness of the electrode catalyst layers 22C and 22A is not too large, the difference between the end of the multilayer structure layers 15C and 15A and the edge of the electrode catalyst layers 22C and 22A Thus, the influence exerted on the transfer is reduced, and the transfer between the electrode catalyst layers 22C and 22A and the gasket layers 18C and 18A can be performed well.
(7)ガスケット層18C,18Aの厚みが、1μm以上100μm以下であるため、固体高分子形燃料電池におけるガスケットとしての機能が好適に発揮される。また、電極触媒層22C,22Aが形成される開口21C,21Aの深さを、電極触媒層22C,22Aの成膜や転写に適当な範囲に確保しやすい。
(7) Since the thickness of the gasket layers 18C and 18A is 1 μm or more and 100 μm or less, the function as a gasket in the polymer electrolyte fuel cell is suitably exhibited. Further, the depths of the
(8)電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとの転写時の加圧に起因して、第3接合層19C,19Aの内周縁が電極触媒層22C,22Aの外周縁にめり込むため、電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとの間に隙間が形成されることが適切に抑えられる。
(8) The inner peripheral edge of the
(変形例)
上記実施形態は、以下のように変更して実施することが可能である。
・図10に示されるように、基材層11C,11A、第1接合層16C,16A、第2接合層17C,17A、および、補強層12C,12Aが剥離されず、これらの層は、膜電極接合体を構成する各層を外部から保護するための保護層として用いられてもよい。例えば、膜電極接合体が、膜電極接合体の製造場所とは異なる場所に運搬されて固体高分子形燃料電池の製造に用いられる場合、膜電極接合体の運搬時には、電極触媒層22C,22Aを保護する保護シートを電極触媒層22C,22Aに付する必要がある。ここで、基材層11C,11A、第1接合層16C,16A、第2接合層17C,17A、および、補強層12C,12Aを剥離せずに保護層として用いれば、保護シートを付する工程が不要になり、また、使用される部材も削減される。また、保護シートの剥離時に、保護シートの粘着層の一部が電極触媒層22C,22Aに残ることも抑えられる。
(Modification)
The above embodiment can be modified as follows.
-As shown in FIG. 10, the base layers 11C and 11A, the
この場合、膜電極接合体36は、固体高分子形燃料電池の構成部材として機能する高分子電解質膜30、電極触媒層22C,22A、第3接合層19C,19A、ガスケット層18C,18Aに加えて、基材層11C,11A、第1接合層16C,16A、第2接合層17C,17A、および、補強層12C,12Aを備える。基材層11C,11Aは、電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとを覆い、第1接合層16C,16Aは、ガスケット層18C,18Aと基材層11C,11Aとの間に配置されて基材層11C,11Aに接し、第2接合層17C,17Aは、ガスケット層18C,18Aと基材層11C,11Aとの間に配置されてガスケット層18C,18Aおよび第1接合層16C,16Aに接する。基材層11C,11A、第1接合層16C,16A、第2接合層17C,17A、および、補強層12C,12Aは、固体高分子形燃料電池の製造に際して剥離される。
In this case, the
・触媒層転写基材10C,10Aを構成する部材には、電極触媒層22C,22Aが含まれてもよいし、含まれなくてもよい。すなわち、電極触媒層22C,22Aが形成される前の層状体を触媒層転写基材10C,10Aとしてもよいし、電極触媒層22C,22Aが形成された後の層状体を電極触媒層22C,22Aを含めて触媒層転写基材10C,10Aとしてもよい。要は、触媒層転写基材10C,10Aを構成する部材には、高分子電解質膜30に転写される部材の一部のみが含まれていてもよいし、すべてが含まれていてもよい。
・触媒層転写基材10C,10Aからは、補強層12C,12Aが割愛されてもよい。こうした構成によっても、上記(1)の効果は得られる。
-The member which comprises catalyst layer
The reinforcing
・膜電極接合体35,36において、対向方向から見た電極触媒層22C,22Aの形状やガスケット層18C,18Aの形状、すなわち、触媒層転写基材10C,10Aにおいては、基材層11C,11Aの第1面と対向する方向から見た開口21C,21Aの形状や多層構造層15C,15Aの形状は、三角形形状であってもよいし、五角形以上の多角形形状であってもよいし、円形形状であってもよいし、楕円形形状であってもよい。また、ガスケット層18C,18Aの内周縁は、対向方向に対して傾斜していてもよい。例えば、開口21Cの断面積が、基材層11Cに近い部位ほど小さくなるように、ガスケット層18Cの内周縁は基材層11C側から見て逆テーパー形状を有してもよい。すなわち、開口21Cを区画する多層構造層15Cの内側面は、錐台筒形状を有し、電極触媒層22Cは、こうした形状を有する開口21Cの底部を埋める。この場合、膜電極接合体35,36にて、ガスケット層18Cの内周縁は高分子電解質膜30側から見て順テーパー形状を有する。こうした製造方法によれば、電極触媒層22C,22Aおよびガスケット層18C,18Aを、従来のように、高分子電解質膜30の面上に電極触媒層22C,22Aとガスケット層18C,18Aとを別々に配置する製造方法によっては形成が困難な形状に形成することもできる。
-In the
上述した触媒層転写基材、および、触媒層転写基材を用いた膜電極構造体の製造方法について、具体的な実施例および比較例を用いて説明する。
[実施例1]
両面にセパレートフィルムが配置された粘着シートを用いて、接合層とガスケット層との積層体を形成し、基材層に貼合した。第1接合層としては、厚さが10μmであるアクリル系粘着剤を用い、第2接合層としては、厚さが10μmであるアクリル系粘着剤を用い、第3接合層としては、厚さが10μmであるアクリル系粘着剤を用いた。また、基材層としては、厚さが50μmであるPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)シートを用い、ガスケット層としては、厚さが25μmであるPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムを用いた。
The catalyst layer transfer substrate described above and the method of producing a membrane electrode assembly using the catalyst layer transfer substrate will be described using specific examples and comparative examples.
Example 1
A laminate of the bonding layer and the gasket layer was formed using a pressure-sensitive adhesive sheet in which separate films were disposed on both sides, and the laminate was bonded to the base material layer. As the first bonding layer, an acrylic pressure-sensitive adhesive having a thickness of 10 μm is used. As the second bonding layer, an acrylic pressure-sensitive adhesive having a thickness of 10 μm is used. As the third bonding layer, a thickness is An acrylic adhesive having a thickness of 10 μm was used. In addition, a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet having a thickness of 50 μm was used as the base material layer, and a PET (polyethylene terephthalate) film having a thickness of 25 μm was used as the gasket layer.
基材層に対する第1接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、0.2N/25mmとした。また、ガスケット層に対する第3接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、1.4N/25mmとした。剥離強度は、引張試験器(エーアンドディ社製:STA−1225)を用い、JIS−K−6854−2:1999に従って、剥離速度300mm/minにおける180°剥離強度を測定することにより求めた。 The peel strength of the first bonding layer with respect to the base material layer is larger than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference between these peel strengths was 0.2 N / 25 mm. In addition, the peel strength of the third bonding layer to the gasket layer is larger than the peel strength of the second bonding layer to the gasket layer, and the difference between the peel strengths was 1.4 N / 25 mm. Peeling strength was determined by measuring 180 ° peeling strength at a peeling speed of 300 mm / min according to JIS-K-6854-2: 1999 using a tensile tester (manufactured by A & D Co .: STA-1225).
第3接合層の一方の面に貼られているセパレートフィルムを被覆層とし、接合層とガスケット層との積層体には、5cm2の正方形状の開口を形成した。積層体が貼合された基材層の反対側の面には、補強層を配置した。補強層としては、厚さが25μmである接合層付PETを用いた。 A separate film attached to one surface of the third bonding layer was used as a covering layer, and a 5 cm 2 square opening was formed in the laminate of the bonding layer and the gasket layer. The reinforcement layer was arrange | positioned on the surface on the opposite side of the base material layer to which the laminated body was bonded. As the reinforcing layer, PET with a bonding layer having a thickness of 25 μm was used.
続いて、ドクターブレード法により、上記開口を通じて触媒インクを基材層に塗布し、塗布された触媒インクを温度が80℃の大気雰囲気中で5分間乾燥させて、電極触媒層を成膜した。これにより、実施例1の触媒層転写基材を得た。 Subsequently, the catalyst ink was applied to the base material layer through the openings by the doctor blade method, and the applied catalyst ink was dried for 5 minutes in an air atmosphere at a temperature of 80 ° C. to form an electrode catalyst layer. Thereby, the catalyst layer transfer base material of Example 1 was obtained.
高分子電解質膜としてNAFION(登録商標)212(デュポン社製)を用い、2つの触媒層転写基材の各々が高分子電解質膜の2つの接触面の各々と互いに向い合うように、2つの触媒層転写基材と高分子電解質膜とを配置した。その後、これら2つの触媒層転写基材で挟まれた高分子電解質膜を130℃に加熱するとともに加圧下で10分間保持するホットプレスを行い、電極触媒層およびガスケット層を高分子電解質膜に転写することにより、実施例1の膜電極接合体を得た。転写後の基材層の剥離工程では、基材層を第1接合層および第2接合層とともに、第2接合層とガスケット層の界面で剥離することができた。 Two catalysts using NAFION® 212 (manufactured by DuPont) as the polymer electrolyte membrane, so that each of the two catalyst layer transfer substrates faces each of the two contact surfaces of the polymer electrolyte membrane A layer transfer substrate and a polymer electrolyte membrane were disposed. Thereafter, the polymer electrolyte membrane sandwiched between these two catalyst layer transfer substrates is heated to 130 ° C. and held under pressure for 10 minutes, and the electrode catalyst layer and the gasket layer are transferred to the polymer electrolyte membrane. By doing this, the membrane electrode assembly of Example 1 was obtained. In the peeling process of the base material layer after transfer, the base material layer could be peeled off at the interface between the second bonding layer and the gasket layer together with the first bonding layer and the second bonding layer.
[実施例2]
接合層の剥離強度以外は、実施例1と同様にして、実施例2の触媒層転写基材を得た。基材層に対する第1接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、0.1N/25mmとした。また、ガスケット層に対する第3接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、3.5N/25mmとした。
Example 2
A catalyst layer transfer substrate of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the peel strength of the bonding layer. The peel strength of the first bonding layer with respect to the base material layer is larger than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference between these peel strengths is 0.1 N / 25 mm. In addition, the peel strength of the third bonding layer to the gasket layer is larger than the peel strength of the second bonding layer to the gasket layer, and the difference between the peel strengths was 3.5 N / 25 mm.
実施例2の触媒層転写基材を用いて、実施例1と同様にして、実施例2の膜電極接合体を得た。電極触媒層およびガスケット層の転写後における基材層の剥離工程では、基材層を第1接合層および第2接合層とともに、第2接合層とガスケット層の界面で剥離することができた。 A membrane / electrode assembly of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 using the catalyst layer transfer base material of Example 2. In the peeling step of the base material layer after transfer of the electrode catalyst layer and the gasket layer, the base material layer could be peeled off at the interface between the second bonding layer and the gasket layer together with the first bonding layer and the second bonding layer.
[実施例3]
接合層の剥離強度以外は、実施例1と同様にして、実施例3の触媒層転写基材を得た。基材層に対する第1接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、8.5N/25mmとした。また、ガスケット層に対する第3接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、6.2N/25mmとした。
[Example 3]
A catalyst layer transfer substrate of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the peeling strength of the bonding layer. The peel strength of the first bonding layer with respect to the base material layer is larger than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference between these peel strengths was set to 8.5 N / 25 mm. Further, the peel strength of the third bonding layer to the gasket layer is larger than the peel strength of the second bonding layer to the gasket layer, and the difference in the peel strength between them was 6.2 N / 25 mm.
実施例3の触媒層転写基材を用いて、実施例1と同様にして、実施例3の膜電極接合体を得た。電極触媒層およびガスケット層の転写後における基材層の剥離工程では、基材層を第1接合層および第2接合層とともに、第2接合層とガスケット層の界面で剥離することができた。 A membrane / electrode assembly of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 using the catalyst layer transfer base material of Example 3. In the peeling step of the base material layer after transfer of the electrode catalyst layer and the gasket layer, the base material layer could be peeled off at the interface between the second bonding layer and the gasket layer together with the first bonding layer and the second bonding layer.
[実施例4]
接合層の剥離強度以外は、実施例1と同様にして、実施例4の触媒層転写基材を得た。基材層に対する第1接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、0.05N/25mmとした。また、ガスケット層に対する第3接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、0.07N/25mmとした。
Example 4
A catalyst layer transfer substrate of Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the peel strength of the bonding layer. The peel strength of the first bonding layer with respect to the base material layer is larger than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference between these peel strengths was set to 0.05 N / 25 mm. In addition, the peel strength of the third bonding layer to the gasket layer is larger than the peel strength of the second bonding layer to the gasket layer, and the difference between the peel strengths of these was set to 0.07 N / 25 mm.
実施例4の触媒層転写基材を用いて、実施例1と同様にして、実施例4の膜電極接合体を得た。電極触媒層およびガスケット層の転写後における基材層の剥離工程では、基材層を第1接合層および第2接合層とともに、第2接合層とガスケット層の界面で剥離することができた。 A membrane / electrode assembly of Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1 using the catalyst layer transfer base material of Example 4. In the peeling step of the base material layer after transfer of the electrode catalyst layer and the gasket layer, the base material layer could be peeled off at the interface between the second bonding layer and the gasket layer together with the first bonding layer and the second bonding layer.
[実施例5]
接合層の剥離強度以外は、実施例1と同様にして、実施例5の触媒層転写基材を得た。基材層に対する第1接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、0.1N/25mmとした。また、ガスケット層に対する第3接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、3.7N/25mmとした。
[Example 5]
A catalyst layer transfer substrate of Example 5 was obtained in the same manner as in Example 1 except for the peel strength of the bonding layer. The peel strength of the first bonding layer with respect to the base material layer is larger than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference between these peel strengths is 0.1 N / 25 mm. In addition, the peel strength of the third bonding layer to the gasket layer is larger than the peel strength of the second bonding layer to the gasket layer, and the difference between the peel strengths of these was 3.7 N / 25 mm.
実施例5の触媒層転写基材を用いて、実施例1と同様にして、実施例5の膜電極接合体を得た。電極触媒層およびガスケット層の転写後における基材層の剥離工程では、基材層を第1接合層および第2接合層とともに、第2接合層とガスケット層の界面で剥離することができた。 A membrane / electrode assembly of Example 5 was obtained in the same manner as in Example 1 using the catalyst layer transfer base material of Example 5. In the peeling step of the base material layer after transfer of the electrode catalyst layer and the gasket layer, the base material layer could be peeled off at the interface between the second bonding layer and the gasket layer together with the first bonding layer and the second bonding layer.
[比較例1]
接合層の剥離強度以外は、実施例1と同様にして、比較例1の触媒層転写基材を得た。基材層に対する第1接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも小さく、これらの剥離強度の差を、1.5N/25mmとした。また、ガスケット層に対する第3接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも大きく、これらの剥離強度の差を、0.1N/25mmとした。
Comparative Example 1
A catalyst layer transfer base material of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as Example 1 except for the peeling strength of the bonding layer. The peel strength of the first bonding layer with respect to the base material layer is smaller than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference between these peel strengths was 1.5 N / 25 mm. In addition, the peel strength of the third bonding layer to the gasket layer is larger than the peel strength of the second bonding layer to the gasket layer, and the difference in the peel strength between them is 0.1 N / 25 mm.
比較例1の触媒層転写基材を用いて、実施例1と同様にして、比較例1の膜電極接合体を得た。電極触媒層およびガスケット層の転写後における基材層の剥離工程では、第1接合層と基材層の界面において剥離が起こり、第2接合層とガスケット層の界面での剥離はできなかった。 A membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 using the catalyst layer transfer base material of Comparative Example 1. In the peeling step of the base material layer after transfer of the electrode catalyst layer and the gasket layer, peeling occurred at the interface between the first bonding layer and the base layer, and peeling at the interface between the second bonding layer and the gasket layer was not possible.
[比較例2]
接合層の剥離強度以外は、実施例1と同様にして、比較例2の触媒層転写基材を得た。基材層に対する第1接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも小さく、これらの剥離強度の差を、1.5N/25mmとした。また、ガスケット層に対する第3接合層の剥離強度は、ガスケット層に対する第2接合層の剥離強度よりも小さく、これらの剥離強度の差を、0.7N/25mmとした。
Comparative Example 2
A catalyst layer transfer base material of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as Example 1 except for the peeling strength of the bonding layer. The peel strength of the first bonding layer with respect to the base material layer is smaller than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference between these peel strengths was 1.5 N / 25 mm. In addition, the peel strength of the third bonding layer to the gasket layer is smaller than the peel strength of the second bonding layer to the gasket layer, and the difference in the peel strength between them was 0.7 N / 25 mm.
比較例2の触媒層転写基材を用いて、実施例1と同様にして、比較例2の膜電極接合体を得た。電極触媒層およびガスケット層の転写後における基材層の剥離工程では、第1接合層と基材層の界面において剥離が起こり、第2接合層とガスケット層の界面での剥離はできなかった。 A membrane / electrode assembly of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 using the catalyst layer transfer base material of Comparative Example 2. In the peeling step of the base material layer after transfer of the electrode catalyst layer and the gasket layer, peeling occurred at the interface between the first bonding layer and the base layer, and peeling at the interface between the second bonding layer and the gasket layer was not possible.
以上の実施例および比較例から、基材層に対する第1接合層の接着力と、ガスケット層に対する第3接合層の接着力とが、ガスケット層に対する第2接合層の接着力よりも大きい構成では、基材層を第1接合層および第2接合層とともに、第2接合層とガスケット層の界面で剥離することができることが示された。
(付記)
上記課題を解決するための手段には、上記実施形態、および、上記変形例から導き出される技術的思想として以下の付記が含まれる。
From the above examples and comparative examples, in the configuration in which the adhesion of the first bonding layer to the base material layer and the adhesion of the third bonding layer to the gasket layer are larger than the adhesion of the second bonding layer to the gasket layer. It has been shown that the base material layer can be peeled off at the interface between the second bonding layer and the gasket layer, together with the first bonding layer and the second bonding layer.
(Supplementary note)
Means for solving the above problems include the following appendices as technical ideas derived from the above embodiment and the above modification.
(付記1)上記触媒層転写基材を用いて製造された膜電極接合体であって、接触面を有する高分子電解質膜と、前記接触面に位置する電極触媒層と、前記接触面の面方向において前記電極触媒層の周囲に位置するガスケット層と、前記接触面にて前記電極触媒層の周囲に位置し、前記高分子電解質膜と前記ガスケット層とに挟まれた接合層とを備え、前記接合層の内周縁は、前記電極触媒層の外周縁にめり込んでいる膜電極接合体。
(付記2)付記1に記載の膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備える固体高分子形燃料電池。
(Supplementary Note 1) A membrane / electrode assembly manufactured using the above-mentioned catalyst layer transfer substrate, which is a polymer electrolyte membrane having a contact surface, an electrode catalyst layer located on the contact surface, and a surface of the contact surface. A gasket layer located in the periphery of the electrode catalyst layer in the direction, and a bonding layer located in the periphery of the electrode catalyst layer at the contact surface and sandwiched between the polymer electrolyte membrane and the gasket layer; A membrane electrode assembly in which an inner peripheral edge of the bonding layer is embedded in an outer peripheral edge of the electrode catalyst layer.
(Supplementary Note 2) A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to supplementary note 1 and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly.
上記構成の膜電極接合体あるいは固体高分子形燃料電池は、上記実施形態にて説明した製造方法を用いて製造される。したがって、膜電極接合体において、電極触媒層とガスケット層との間から高分子電解質膜が露出することが抑えられる。 The membrane electrode assembly or the polymer electrolyte fuel cell of the above-described configuration is manufactured using the manufacturing method described in the above embodiment. Therefore, in the membrane electrode assembly, exposure of the polymer electrolyte membrane between the electrode catalyst layer and the gasket layer is suppressed.
10C,10A…触媒層転写基材、11C,11A…基材層、11a…第1面、11b…第2面、12C,12A…補強層、13C,13A…補強接合層、14C,14A…支持層、15C,15A…多層構造層、16C,16A…第1接合層、17C,17A…第2接合層、18C,18A…ガスケット層、19C,19A…第3接合層、20C…被覆層、21C,21A…開口、22C,22A…電極触媒層、23C,23A…多孔質拡散層、30…高分子電解質膜、30a…カソード接触面、30b…アノード接触面、35,36…膜電極接合体、40…固体高分子形燃料電池、41C,41A…セパレータ。
10C, 10A: catalyst layer transfer base material, 11C, 11A: base material layer, 11a: first surface, 11b: second surface, 12C, 12A: reinforcing layer, 13C, 13A: reinforcing bonding layer, 14C, 14A: support Layers 15C, 15A:
Claims (10)
前記第1面に配置される枠形状を有した多層構造層であって、電極触媒層を形成するための材料が埋め込まれる開口を前記第1面上において区画する前記多層構造層と、
を備え、
前記多層構造層は、第1接合層と、第2接合層と、ガスケット層と、第3接合層とが前記第1面に近い方からこの順に並ぶ構造を有し、
前記ガスケット層から前記第2接合層を剥離することに要する力は、前記基材層から前記第1接合層を剥離することに要する力よりも小さく、かつ、前記ガスケット層から前記第3接合層を剥離することに要する力よりも小さい
触媒層転写基材。 A base material layer having a first surface and a second surface which is a surface opposite to the first surface;
A multilayer structure layer having a frame shape disposed on the first surface, wherein the multilayer structure layer defines, on the first surface, an opening in which a material for forming an electrode catalyst layer is embedded.
Equipped with
The multilayer structure layer has a structure in which a first bonding layer, a second bonding layer, a gasket layer, and a third bonding layer are arranged in this order from the side closer to the first surface.
The force required to peel the second bonding layer from the gasket layer is smaller than the force required to peel the first bonding layer from the base layer, and from the gasket layer to the third bonding layer Catalyst layer transfer substrate smaller than the force required to peel off.
請求項1に記載の触媒層転写基材。 The catalyst layer transfer substrate according to claim 1, wherein a reinforcing layer that suppresses deformation of the substrate layer due to a temperature change is disposed on the second surface of the substrate layer.
請求項1または2に記載の触媒層転写基材。 The peel strength of the first bonding layer with respect to the base layer is greater than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference in the peel strength is at least 0.01 N / 25 mm and 10 N / The catalyst layer transfer substrate according to claim 1, which is less than 25 mm.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の触媒層転写基材。 The peel strength of the third bonding layer with respect to the gasket layer is larger than the peel strength of the second bonding layer with respect to the gasket layer, and the difference in peel strength between them is 0.01 N / 25 mm or more and 10 N / 25 mm. It is less than the catalyst layer transfer base material as described in any one of Claims 1-3.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の触媒層転写基材。 The catalyst layer transfer base material according to any one of claims 1 to 4, wherein the peel strength of the first bonding layer to the base material layer is 0.02 N / 25 mm or more and less than 10 N / 25 mm.
前記多層構造層の厚みは、前記電極触媒層の厚みよりも大きく、前記多層構造層の厚みと前記電極触媒層の厚みとの差は、100μm以下である
請求項1〜5のいずれか一項に記載の触媒層転写基材。 The electrocatalyst layer is further disposed in the opening,
The thickness of the multilayer structure layer is larger than the thickness of the electrode catalyst layer, and the difference between the thickness of the multilayer structure layer and the thickness of the electrode catalyst layer is 100 μm or less. The catalyst layer transfer base material as described in 4.
請求項1〜6のいずれか一項に記載の触媒層転写基材。 The catalyst layer transfer substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein a thickness of the gasket layer is 1 μm or more and 100 μm or less.
インクの塗工によって前記開口内に電極触媒層を成膜して、前記基材層と前記多層構造層と前記電極触媒層とを有する触媒層転写基材を形成する工程と、
接触面を有する高分子電解質膜に前記触媒層転写基材を押し付けて、前記接触面に前記電極触媒層と前記多層構造層における前記第3接合層とを圧着する工程と、
を含み、
前記基材層に対する前記第1接合層の接着力と、前記ガスケット層に対する前記第3接合層の接着力とは、前記ガスケット層に対する前記第2接合層の接着力よりも大きい
膜電極接合体の製造方法。 In the first surface of the base material layer having a first surface and a second surface opposite to the first surface, there is provided a multilayer structure layer which defines an opening on the first surface, Arranging the first bonding layer of the structural layer, the second bonding layer, the gasket layer, and the third bonding layer in this order from the side closer to the first surface;
Forming an electrode catalyst layer in the opening by coating the ink to form a catalyst layer transfer substrate having the substrate layer, the multilayer structure layer, and the electrode catalyst layer;
Pressing the catalyst layer transfer substrate against a polymer electrolyte membrane having a contact surface, and pressing the electrode catalyst layer and the third bonding layer in the multilayer structure layer on the contact surface;
Including
The adhesion of the first bonding layer to the base layer and the adhesion of the third bonding layer to the gasket layer are greater than the adhesion of the second bonding layer to the gasket layer. Production method.
請求項8に記載の膜電極接合体の製造方法。 The base layer, the first bonding layer, and the second bonding layer are peeled off from the electrode catalyst layer and the gasket layer transferred from the catalyst layer transfer substrate to the contact surface of the polymer electrolyte membrane. The method for producing a membrane electrode assembly according to claim 8, further comprising the step of:
前記接触面に位置する電極触媒層と、
前記接触面の面方向において前記電極触媒層の周囲に位置し、かつ、前記電極触媒層の周端面と接するガスケット層と、
前記電極触媒層と前記ガスケット層とを覆う基材層と、
前記ガスケット層と前記基材層との間に配置されて前記基材層に接する第1接合層と、
前記ガスケット層と前記基材層との間に配置されて前記ガスケット層および前記第1接合層に接する第2接合層と、
前記高分子電解質膜と前記ガスケット層との間に配置されて前記高分子電解質膜および前記ガスケット層に接する第3接合層と、
を備え、
前記ガスケット層から前記第2接合層を剥離することに要する力は、前記基材層から前記第1接合層を剥離することに要する力よりも小さく、かつ、前記ガスケット層から前記第3接合層を剥離することに要する力よりも小さい
膜電極接合体。 A polymer electrolyte membrane having a contact surface,
An electrode catalyst layer located on the contact surface;
A gasket layer positioned around the electrode catalyst layer in a surface direction of the contact surface and in contact with a circumferential end surface of the electrode catalyst layer;
A base layer covering the electrode catalyst layer and the gasket layer;
A first bonding layer disposed between the gasket layer and the base layer and in contact with the base layer;
A second bonding layer disposed between the gasket layer and the base material layer and in contact with the gasket layer and the first bonding layer;
A third bonding layer disposed between the polymer electrolyte membrane and the gasket layer and in contact with the polymer electrolyte membrane and the gasket layer;
Equipped with
The force required to peel the second bonding layer from the gasket layer is smaller than the force required to peel the first bonding layer from the base layer, and from the gasket layer to the third bonding layer Membrane electrode assembly smaller than the force required to peel off.
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