JP4486540B2 - Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly - Google Patents
Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly Download PDFInfo
- Publication number
- JP4486540B2 JP4486540B2 JP2005105744A JP2005105744A JP4486540B2 JP 4486540 B2 JP4486540 B2 JP 4486540B2 JP 2005105744 A JP2005105744 A JP 2005105744A JP 2005105744 A JP2005105744 A JP 2005105744A JP 4486540 B2 JP4486540 B2 JP 4486540B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst layer
- membrane
- catalyst
- polymer electrolyte
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、膜−触媒層接合体の製造方法及びそれを用いた膜−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-catalyst layer assembly and a method for producing a membrane-electrode assembly using the same.
従来の高分子電解質型燃料電池において、膜−電極接合体(MEA;Membrane-Electrode-Assembly)(以下MEAと略称する)は、例えば、高分子電解質膜の両主面に付着した状態で形成される触媒層の外面にガス拡散層が形成された構成を有している。また、高分子電解質膜の両主面に触媒層が形成され構成を有するもの一般に膜−触媒層接合体(例えば、上記MEAのうちのガス拡散層を除いた構成のもの)と呼ぶ。そして、この膜−触媒層接合体は、一般的には高分子電解質膜表面に触媒層形成インクを噴霧、塗布、濾過転写するなどして製造されている(例えば、特許文献5段落[0046]乃至[0050]参照)。 In a conventional polymer electrolyte fuel cell, a membrane-electrode assembly (MEA) (hereinafter abbreviated as MEA) is formed, for example, in a state of adhering to both main surfaces of the polymer electrolyte membrane. The gas diffusion layer is formed on the outer surface of the catalyst layer. In addition, a structure in which catalyst layers are formed on both main surfaces of the polymer electrolyte membrane is generally called a membrane-catalyst layer assembly (for example, a structure excluding the gas diffusion layer in the MEA). The membrane-catalyst layer assembly is generally produced by spraying, applying, filtering and transferring the catalyst layer forming ink onto the surface of the polymer electrolyte membrane (for example, paragraph [0046] in Patent Document 5). Thru [0050]).
また、この触媒層の形成に際しては、高分子電解質型燃料電池の性能を向上させるために、触媒層を複層構造とする高分子電解質型燃料電池も提案されている(例えば、特許文献1乃至4参照)。この場合、複層構造の触媒層を形成する方法として、触媒層形成インクを複数回にわたって塗布する方法が開示されている。さらに、各触媒層の厚さについては、各触媒層の機能に基づいて調整すべき旨が開示されている(例えば、特許文献2段落乃至[0052]参照)。
Further, in the formation of this catalyst layer, a polymer electrolyte fuel cell having a multilayer structure of the catalyst layer has been proposed in order to improve the performance of the polymer electrolyte fuel cell (for example,
他方で、高分子電解質型燃料電池の運転時には、触媒層の内部にはアノード側及びカソード側それぞれに反応ガスが拡散し、電気化学反応によって水が生成される。この生成水が反応ガスの触媒層内への拡散を阻害するようになると、触媒層全体への反応ガスの拡散が阻害され、高分子電解質型燃料電池の出力が低下あるいは不安定になるなどの現象、いわゆるフラッディング現象が生じることが知られている。このため、反応ガスの拡散及び生成水分の排出に優れる触媒層が求められており、特許文献6では、触媒層を形成する際に、触媒層の排水性を改善する効果を得ようとしている。
しかしながら、高分子電解質膜上に触媒層を形成する方法、すなわち膜−触媒層接合体の製造方法については、作業の簡便性からは塗布による方法が望ましいとされているものの、特に、大量生産を想定した製造上の所要時間や歩留まりの向上の点からの検討は十分にはなされていなかった(例えば、特許文献5段落[0048]参照)。つまり、膜−触媒層接合体の製造方法については、製造に係る所要時間、製造方法に伴う高分子電解質膜の損傷や触媒層の不良形成といった問題が十分には考慮されておらず、改善の余地があった。 However, the method of forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane, that is, the method of producing a membrane-catalyst layer assembly, is considered to be a coating method from the viewpoint of simplicity of operation. There has not been a sufficient study from the viewpoint of improving the required manufacturing time and yield (for example, refer to paragraph [0048] of Patent Document 5). In other words, the manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly does not sufficiently take into account the time required for manufacturing, damage to the polymer electrolyte membrane accompanying the manufacturing method, and defective formation of the catalyst layer. There was room.
また、特許文献6の提案では、造孔剤を昇華させる工程を要するので、当該工程の分だけ膜−電極接合体の製造に係る所要時間が延長されることになる。更に特許文献6の提案の場合、析出及び昇華の工程において触媒が被毒してしまう懸念もあり、改善の余地があった。
Moreover, in the proposal of
そこで、本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、製造に係る所要時間を短縮することができ、かつ反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性に優れる触媒層を形成することができる、膜−触媒層接合体の製造方法及びそれを用いた膜−電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and can provide a catalyst layer that can shorten the time required for production and is excellent in diffusibility of reaction gas and discharge of generated water. An object of the present invention is to provide a method for producing a membrane-catalyst layer assembly that can be formed, and a method for producing a membrane-electrode assembly using the same.
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、高分子電解質膜の主面に触媒層形成インクを噴霧して触媒層を形成する方法(以下、噴霧法という。)は、予め形成された触媒層を高分子電解質膜の主面上に転写して触媒層を形成する方法(以下転写法という。)、ドクターブレード(Doctor Blade)法等他の方法に比べ、高分子電解質型燃料電池の出力が高くなる、つまり高分子電解質型燃料電池の性能が向上することを見出した。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have made a method for forming a catalyst layer by spraying a catalyst layer forming ink on the main surface of a polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as a spray method). Compared with other methods such as a method of forming a catalyst layer by transferring a pre-formed catalyst layer onto the main surface of the polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as a transfer method), a doctor blade method, etc. It has been found that the output of the electrolyte fuel cell is increased, that is, the performance of the polymer electrolyte fuel cell is improved.
このような結果が得られる仕組みについては明確に解明されていないが本発明者らは以下ように推察している。すなわち、本発明者らは、噴霧法により形成された触媒層は、ドクターブレード法及び転写法により形成された触媒層に比べて多孔質であることが、反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高め、ひいては高分子電解質型燃料電池の性能向上に繋がっているものと推察している。つまり、噴霧法によれば、触媒層形成インクは粒子状になって塗布及び積層される。そして、粒子は比表面積が大きいので、該インクの粒子は速やかに乾燥する。したがって、触媒層は触媒層形成インクの粒子が降り積もるようにして定着及び積層して形成される。これに対し、転写法では押圧力が付加されるので、触媒層の孔部は圧縮され触媒層の多孔性は減損する。また、ドクターブレード法も触媒層形成インクを塗布するので、噴霧法に比べれば触媒層形成インク内部に形成される孔部は小さくなる。こうしたことから、噴霧法により形成された触媒層は、ドクターブレード法及び転写法により形成された触媒層に比べて多孔質となるので、高分子電解質型燃料電池の反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性が高まり、高分子電解質型燃料電池の性能が向上するものと考察される。 Although the mechanism by which such a result is obtained has not been clearly clarified, the present inventors presume as follows. In other words, the present inventors have found that the catalyst layer formed by the spraying method is more porous than the catalyst layer formed by the doctor blade method and the transfer method, and the diffusibility of the reaction gas and the discharge of generated water. It is presumed that this improves the performance of the polymer electrolyte fuel cell, thereby improving the performance. That is, according to the spray method, the catalyst layer forming ink is applied and laminated in the form of particles. Since the particles have a large specific surface area, the ink particles are quickly dried. Therefore, the catalyst layer is formed by fixing and laminating so that the particles of the catalyst layer forming ink are deposited. On the other hand, since a pressing force is applied in the transfer method, the pores of the catalyst layer are compressed and the porosity of the catalyst layer is impaired. Further, since the doctor blade method also applies the catalyst layer forming ink, the holes formed in the catalyst layer forming ink are smaller than the spray method. For this reason, the catalyst layer formed by the spray method is more porous than the catalyst layer formed by the doctor blade method and the transfer method. Therefore, the diffusibility of the reaction gas and the generated moisture of the polymer electrolyte fuel cell It is considered that the performance of the polymer electrolyte fuel cell is improved.
一方で、噴霧法は、時間当たりの触媒層形成量が少なく、所定の厚さにまで触媒形成インクを積層させるには、かなりの時間を要する。これに対し、転写法は、例えば、触媒層を高分子電解質膜上に載置してホットプレスする工程であるので、噴霧法、ドクターブレード法等他の方法に比べ、短い時間で高分子電解質膜に触媒層を形成することができる。したがって、製造時間の短縮には有利である。 On the other hand, in the spray method, the amount of catalyst layer formation per hour is small, and it takes a considerable time to stack the catalyst-forming ink to a predetermined thickness. On the other hand, the transfer method is a step of placing a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane and hot pressing, for example, so that the polymer electrolyte can be obtained in a shorter time than other methods such as a spray method and a doctor blade method. A catalyst layer can be formed on the membrane. Therefore, it is advantageous for shortening the manufacturing time.
これらの検討結果を踏まえ、上記課題を解決するために、本発明の膜−触媒層接合体の製造方法は、高分子電解質膜の少なくともいずれかの主面に、転写により第1の触媒層を形成するステップと、前記第1の触媒層の上に触媒層形成インクを噴霧して第2の触媒層を形成するステップと、を有しており、前記第1の触媒層の厚さは、前記第2の触媒層の厚さの4分の1以上4分の7以下である(請求項1)。 Based on these examination results, in order to solve the above-described problems, the method for producing a membrane-catalyst layer assembly of the present invention includes a first catalyst layer formed by transfer on at least one main surface of a polymer electrolyte membrane. forming, and forming a second catalyst layer by spraying a catalyst layer formed ink on the first catalyst layer, and have a thickness of the first catalyst layer, The thickness of the second catalyst layer is not less than one quarter and not more than seven quarters (Claim 1).
このような構成(製造方法の構成)とすることにより、転写により第1の触媒層を形成するステップによって製造に係る所要時間を短縮することができ、かつ、第1の触媒層の上に触媒層形成インクを噴霧して第2の触媒層を形成するステップによって反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高めることができる。すなわち、本発明の膜−触媒層接合体の製造方法は、転写法、噴霧法及びドクターブレード法等の従来の膜−触媒層接合体の製造方法のデメリットを十分に低減することができ、特に、膜−触媒層接合体の大量生産に有利である。さらに、例えば、転写時に第1の触媒層にひび割れが生じた場合のように第1の触媒層に欠陥が生じた場合に対しても、噴霧される触媒形成インクがひび割れ等の欠陥に侵入して定着するので、第1の触媒層の欠陥を第2の触媒層が補修することができ、膜−触媒層接合体の生産性向上にも有利である。 By adopting such a configuration (configuration of the manufacturing method), the time required for manufacturing can be shortened by the step of forming the first catalyst layer by transfer, and the catalyst is formed on the first catalyst layer. The step of spraying the layer forming ink to form the second catalyst layer can enhance the diffusibility of the reaction gas and the discharge of the generated water. That is, the method for producing a membrane-catalyst layer assembly of the present invention can sufficiently reduce the disadvantages of conventional membrane-catalyst layer assembly production methods such as a transfer method, a spray method, and a doctor blade method. This is advantageous for mass production of membrane-catalyst layer assemblies. Further, for example, even when a defect occurs in the first catalyst layer, such as when a crack occurs in the first catalyst layer during transfer, the sprayed catalyst-forming ink penetrates into a defect such as a crack. Therefore, the defect of the first catalyst layer can be repaired by the second catalyst layer, which is advantageous for improving the productivity of the membrane-catalyst layer assembly.
本発明においては、前記第1の触媒層の方が前記第2の触媒層よりも水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい(請求項2)。ここで、本発明において、「触媒層における水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」とは、[(当該触媒層に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の全質量WP)/(当該触媒層の全質量WL)]で表される値をいう。このような構成とすることにより、高分子電解質膜近傍において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜から離れるに従い反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高めることができるので、高分子電解質型燃料電池の性能をさらに向上させることができる。 In the present invention, the content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte is preferably higher in the first catalyst layer than in the second catalyst layer. Here, in the present invention, the “content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte in the catalyst layer” refers to [(total mass W P of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte contained in the catalyst layer) / (the catalyst Total mass of layer W L )]. By adopting such a configuration, the density of reaction sites can be increased in the vicinity of the polymer electrolyte membrane, and the diffusibility of the reaction gas and the discharge of generated water can be increased as the distance from the polymer electrolyte membrane increases. The performance of the molecular electrolyte fuel cell can be further improved.
本発明の効果をより確実に得る観点から、前記第1の触媒層の厚さが3μm以上20μm以下であることが好ましい(請求項3)。 From the viewpoint of obtaining the effect of the present invention more reliably, the thickness of the first catalyst layer is preferably 3 μm or more and 20 μm or less (Claim 3).
本発明の効果をより確実に得る観点から、前記第1の触媒層及び前記第2の触媒層には白金が含まれ、かつ前記第1の触媒層に含まれる白金量が前記第2の触媒層に含まれる白金量の4分の1以上4分の7以下であることが好ましい(請求項4)。 From the viewpoint of obtaining the effect of the present invention more reliably, the first catalyst layer and the second catalyst layer contain platinum, and the amount of platinum contained in the first catalyst layer is the second catalyst layer. It is preferable that it is not less than 1/4 and not more than 7/4 of the amount of platinum contained in the layer (claim 4 ).
前記第1の触媒層に含まれる白金の割合が0.01mg/cm2以上1.0mg/cm2以下であることが好ましい(請求項5)。このように構成すると、白金の凝集による反応面積低下を防止し、かつ発電を滞りなく進行させることができる。 The proportion of platinum contained in the first catalyst layer is preferably 0.01 mg / cm 2 or more and 1.0 mg / cm 2 or less (Claim 5 ). If comprised in this way, the reaction area fall by aggregation of platinum can be prevented, and electric power generation can be advanced without delay.
前記触媒層形成インクは、触媒を担持したカーボン、水素イオン伝導性高分子電解質、水、及び有機溶媒を有することが好ましい(請求項6)。このように構成とすると、有機溶媒と水とを適度に混合させてインク性状の安定化、および塗布後の乾燥を速めることが可能となる。 The catalyst layer forming ink, carbon carrying a catalyst, the hydrogen ion conductive polymer electrolyte, it is preferred to have water, and organic solvent (claim 6). With this configuration, the organic solvent and water can be appropriately mixed to stabilize the ink properties and speed up drying after application.
本発明においては、前記第2の触媒層を形成するステップにおいて、2以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる第2の触媒層を形成してもよい(請求項7)。このような構成とすると、触媒層形成インクの「水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」等種々の性状を調節することができ、よりきめ細やかに第2の触媒層の性状を調節することができる。ここで、触媒層形成インクの「水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」とは、[(当該触媒形成インクに含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の全質量WP)/(当該触媒形成インクの全質量WI)]で表される値をいう。 In the present invention, in the step of forming the second catalyst layer may be formed a second catalytic layer consisting of two or more catalyst layer ink are sequentially sprayed with a plurality of layers (claim 7). With such a configuration, various properties such as “content ratio of hydrogen ion conductive polymer electrolyte” of the catalyst layer forming ink can be adjusted, and the properties of the second catalyst layer can be adjusted more finely. Can do. Here, the “content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte” of the catalyst layer forming ink is [(total mass W P of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte contained in the catalyst forming ink) / (the catalyst formation). The total ink mass W I )].
本発明においては、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる前記第2の触媒層を形成するステップにおいて、下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい(請求項8)。このように構成すると、第2の触媒層内において高分子電解質膜に近い側において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜から離れるに従い反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高くすることができるので、高分子電解質型燃料電池の性能をさらに向上させることができる。 In the present invention, in the step of forming the second catalyst layer composed of a plurality of layers by sequentially spraying two or more types of catalyst layer forming inks, the lower the content of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte, (Claim 8 ). With this configuration, the density of the reaction site is increased on the side close to the polymer electrolyte membrane in the second catalyst layer, and the diffusibility of the reaction gas and the discharge of generated water are increased as the distance from the polymer electrolyte membrane increases. Therefore, the performance of the polymer electrolyte fuel cell can be further improved.
ここで、本発明において、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる前記第1の触媒層を形成する場合の「下層」とは、第2の触媒層が、2種類以上の触媒層形成インクが順次噴霧されて形成されることを前提として、高分子電解質膜に近い側の層を言う。また、「下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い」状態とは、第2の触媒層が2種類以上の触媒層形成インクが順次噴霧されて形成されることを前提として、触媒形成インクの水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合(WP/WI)が当該触媒層の高分子電解質膜に近い側に用いられる触媒層形成インクの方が高分子電解質膜に遠い側に用いられる触媒層形成インクよりも最終的に小さくなっている状態を示す。つまり、形成された第2の触媒層を全体としてみた場合に、質量比(WP/WI)が高分子電解質膜に近い側から遠い側にかけて概略的に減少している状態を示す。 Here, in the present invention, two or more types of catalyst layer forming inks are sequentially sprayed to form the first catalyst layer composed of a plurality of layers. The layer on the side close to the polymer electrolyte membrane is assumed on the assumption that the above catalyst layer forming ink is formed by spraying sequentially. In addition, “the lower layer, the higher the content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte” is, the condition that the second catalyst layer is formed by sequentially spraying two or more types of catalyst layer forming ink, The catalyst layer forming ink used on the side closer to the polymer electrolyte membrane of the catalyst layer where the hydrogen ion conductive polymer electrolyte content ratio (W P / W I ) of the catalyst forming ink is farther from the polymer electrolyte membrane The state is finally smaller than the catalyst layer forming ink used in the above. That is, when the formed second catalyst layer is viewed as a whole, the mass ratio (W P / W I ) is generally reduced from the side closer to the polymer electrolyte membrane to the side farther from the polymer electrolyte membrane.
例えば、高分子電解質膜に近い側から遠い側にかけて質量比(WP/WI)が単調に減少している状態をいう。また、3種類以上の触媒形成インクが用いられる場合には、最下層と最上層との間に用いられる触媒形成インクが、前後に用いられる触媒形成インクのいずれかの質量比(WP/WI)と同じ値の質量比(WP/WI)であってもよい。さらに、当該触媒層全体として高分子電解質膜に近い側に用いられる触媒層形成インクの方が高分子電解質膜に遠い側に用いられる触媒層形成インクよりも最終的に小さくなっているものの、一部の触媒形成インクにおいて、上層側に用いられる触媒形成インクの質量比(WP/WI)が下層側に用いられる触媒形成インクの質量比(WP/WI)よりも大きい場合があってもよい。ただし、反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性の観点からは、最下層から最上層にかけて質量比(WP/WI)が減少するようにして触媒形成インクが用いられること、または、最下層と最上層との間に用いられる触媒形成インクが、前後に用いられる触媒形成インクのいずれかの質量比(WP/WI)と同じ値の質量比(WP/WI)であることの方が好ましい。 For example, the mass ratio (W P / W I ) is monotonically decreasing from the side closer to the polymer electrolyte membrane to the side farther from the polymer electrolyte membrane. When three or more types of catalyst-forming inks are used, the catalyst-forming ink used between the lowermost layer and the uppermost layer has a mass ratio (W P / W) of any of the catalyst-forming inks used before and after. a I) and the mass ratio of the same value (W P / W I) may be. Furthermore, although the catalyst layer forming ink used on the side closer to the polymer electrolyte membrane as a whole is smaller than the catalyst layer forming ink used on the side far from the polymer electrolyte membrane, In some catalyst-forming inks, the mass ratio (W P / W I ) of the catalyst-forming ink used on the upper layer side may be larger than the mass ratio (W P / W I ) of the catalyst-forming ink used on the lower layer side. May be. However, from the viewpoint of the diffusibility of the reaction gas and the discharge of generated water, the catalyst-forming ink should be used such that the mass ratio (W P / W I ) decreases from the lowermost layer to the uppermost layer. The catalyst-forming ink used between the lower layer and the uppermost layer has the same mass ratio (W P / W I ) as the mass ratio (W P / W I ) of any of the catalyst-forming inks used before and after. This is preferred.
本発明においては、前記第2の触媒層の上に1以上の第3の触媒層を形成するステップをさらに有してもよい(請求項9)。このような構成とすると、膜−触媒層接合体の触媒層の触媒反応面積の調節、反応ガスの拡散性、生成水分の排出性、電子伝導性等種々の性状を調節することができ、よりきめ細やかに触媒層2Cの性状を調節することができる。また、ガス拡散層と第2の触媒層との密着性向上、ガス拡散層の表面粗さ(凹凸の存在)による第2の触媒層及び/又は高分子電解質膜の損傷の防止を図ることもできる。ここで、本発明においては、「第3の触媒層」としては、例えば、触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、水素イオン伝導性高分子電解質及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、撥水材及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、撥水材、水素イオン伝導性高分子電解質及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層などがあげられる。更に、本発明においては、「第3の触媒層」としては、撥水材及び導電性カーボン(触媒を担持していないカーボン)からなる層も含むものとする。
In this invention, you may further have the step of forming one or more 3rd catalyst layers on the said 2nd catalyst layer (Claim 9 ). With such a configuration, various properties such as adjustment of the catalytic reaction area of the catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly, diffusibility of the reaction gas, discharge of generated water, and electronic conductivity can be adjusted. The properties of the
さらに、本発明においては、前記第2の触媒層の上に1以上の第3の触媒層を形成するステップをさらに有する場合には、下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい(請求項10)。このように構成すると、高分子電解質膜に近い側において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜から離れるに従い反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高くすることができるので、高分子電解質型燃料電池の性能を向上させることができる。 Furthermore, in this invention, when it further has the step of forming one or more 3rd catalyst layers on the said 2nd catalyst layer, the content rate of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte is so high that it is a lower layer. (Claim 10 ). With this configuration, the density of reaction sites can be increased on the side closer to the polymer electrolyte membrane, and the diffusibility of the reaction gas and the discharge of generated water can be increased as the distance from the polymer electrolyte membrane increases. The performance of the molecular electrolyte fuel cell can be improved.
ここで、本発明において、前記第2の触媒層の上に1以上の第3の触媒層を形成するステップをさらに有する場合の「下層」とは、3層以上の触媒層が形成されることを前提として、高分子電解質膜に近い側の触媒層を言う。また、「下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い」状態とは、3層以上の触媒層が形成されることを前提として、形成された触媒層の水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合(WP/WL)が高分子電解質膜に近い側の触媒層の方が高分子電解質膜に遠い側の触媒層よりも最終的に小さくなっており、膜−触媒層接合体の触媒層全体としてみた場合に各触媒層の質量比(WP/WL)が高分子電解質膜に近い側から遠い側にかけて概略的に減少している状態を示す。 Here, in the present invention, the “lower layer” in the case of further comprising the step of forming one or more third catalyst layers on the second catalyst layer means that three or more catalyst layers are formed. Is the catalyst layer on the side close to the polymer electrolyte membrane. In addition, “the lower layer has a higher hydrogen ion conductive polymer electrolyte content” state means that three or more catalyst layers are formed, and the hydrogen ion conductive polymer of the formed catalyst layer. The catalyst content rate (W P / W L ) near the polymer electrolyte membrane is finally smaller than the catalyst layer far from the polymer electrolyte membrane, and the membrane-catalyst layer junction When viewed as a whole catalyst layer, the mass ratio (W P / W L ) of each catalyst layer is generally reduced from the side closer to the polymer electrolyte membrane to the side farther from the polymer electrolyte membrane.
例えば、高分子電解質膜に近い側から遠い側にかけて質量比(WP/WL)が単調に減少している状態であってもよい。また、例えば、一部の隣り合う触媒層の質量比(WP/WL)が同じ値をとる状態であってもよい。さらに、一部の隣り合う触媒層同士の質量比(WP/WL)を比較した場合、上層側の触媒層の質量比(WP/WL)が下層側の触媒層の質量比(WP/WL)よりも大きい場合があってもよい。ただし、ガス拡散性あるいは排水性の観点から、最下層から最上層にかけて質量比(WP/WL)が単調に減少している状態、または、最下層と最上層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の質量比(WP/WL)が同じ値をとる状態が好ましい。 For example, the mass ratio (W P / W L ) may be monotonically decreasing from the side closer to the polymer electrolyte membrane to the side farther from the polymer electrolyte membrane. For example, the mass ratio (W P / W L ) of some adjacent catalyst layers may be in the same value. Furthermore, when comparing the mass ratio (W P / W L ) between some adjacent catalyst layers, the mass ratio (W P / W L ) of the upper catalyst layer is equal to the mass ratio of the lower catalyst layer (W P / W L ). It may be larger than (W P / W L ). However, from the viewpoint of gas diffusibility or drainage, the mass ratio (W P / W L ) decreases monotonically from the bottom layer to the top layer, or is disposed between the bottom layer and the top layer Among the layers, it is preferable that the mass ratio (W P / W L ) between some adjacent layers has the same value.
また、本発明の膜−電極接合体の製造方法は、請求項1乃至10に記載の膜−触媒層接合体の製造方法によって製造された膜―触媒層接合体の第2の触媒層の上方に、ガス拡散層を配置する(請求項11)。このように構成すると、上述の本発明の膜−触媒層接合体の製造方法によって製造された膜―触媒層接合体を用いて膜−電極接合体を製造するので、膜−電極接合体の製造に係る所要時間を短縮することができ、かつ反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性に優れる触媒層を形成することができる。
Further, the film of the present invention - method of manufacturing an electrode assembly, the membrane of
ここで、「膜―触媒層接合体の第2の触媒層の上方に、ガス拡散層を配置する」とは、上述の第3の触媒層を形成しない場合には、ガス拡散層を第2の触媒層上に密着させた状態で配置することを示す。第3の触媒層を形成する場合には、第2の触媒層とガス拡散層との間に第3の触媒層が配置されるようにする。つまり、ガス拡散層を第3の触媒層上に密着させた状態で配置することを示す。なお、ここで「配置する」とは、熱処理などにより接着する場合と、接着せずに、載置して押圧することにより密着させる場合とを意味する。 Here, “disposing the gas diffusion layer above the second catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly” means that when the above-described third catalyst layer is not formed, the gas diffusion layer is the second catalyst layer. It arrange | positions in the state closely_contact | adhered on the catalyst layer. In the case of forming the third catalyst layer, the third catalyst layer is disposed between the second catalyst layer and the gas diffusion layer. In other words, this indicates that the gas diffusion layer is disposed in close contact with the third catalyst layer. Here, “arrange” means a case where adhesion is performed by heat treatment or the like, and a case where adhesion is performed by placing and pressing without adhesion.
以上のように、本発明の膜−触媒層接合体の製造方法及びそれを用いた膜−電極接合体の製造方法は、製造に係る所要時間を短縮することができ、かつ反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性に優れる触媒層を形成することができるという効果を奏する。 As described above, the method for producing a membrane-catalyst layer assembly of the present invention and the method for producing a membrane-electrode assembly using the same can reduce the time required for production and can also diffuse the reaction gas. In addition, it is possible to form a catalyst layer that is excellent in the ability to discharge generated water.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の膜−触媒層接合体の製造方法及び膜−電極接合体の製造方法の好適な一実施形態により作製した高分子電解質型燃料電池の要部の構造を示す部分分解斜視図である。 FIG. 1 is a partially exploded perspective view showing the structure of a main part of a polymer electrolyte fuel cell produced by a preferred embodiment of a method for producing a membrane-catalyst layer assembly and a method for producing a membrane-electrode assembly of the present invention. FIG.
図1に示すように、高分子電解質型燃料電池100は、セル10が積層されて構成されている。
As shown in FIG. 1, a polymer
なお、図示しないが、セル10の両端の最外層には集電板、絶縁板、エンドプレートが取り付けられ、セル10は両端から、ボルト孔11を挿通される締結ボルト(図示せず)とナットとで締結されて構成されている。
Although not shown, a current collector plate, an insulating plate, and an end plate are attached to the outermost layers at both ends of the
セル10は、MEA−ガスケット接合体(以下MEA接合体と略称する)7を一対のアノードセパレータ9A及びカソードセパレータ(両者をセパレータと総称する)9Cで挟んで構成されている。セパレータは、導電性材料で構成されていて、カソード側あるいはアノード側の電極の一部を構成している。
The
MEA接合体7は、MEA5の周縁部に拡がる高分子電解膜が一対のフッ素ゴム製のガスケット6で挟まれて構成されている。したがって、ガスケット6の中央開口部の両面にはMEA5が露出している。
The
そして、セパレータ9A,9C及びMEA接合体7の周縁部には、還元剤ガス及び酸化剤ガスが流通するそれぞれ一対のマニフォルドを形成する、還元剤ガスマニフォルド孔12、22、32、及び酸化剤ガスマニフォルド孔13、23、33が穿たれている。また、水が流通する一対のマニフォルドを形成する水マニフォルド孔14,24,34も穿たれている。
In the peripheral portions of the
そして、アノードセパレータ9Aの内側の主面には、一対の還元剤ガスマニフォルド孔22、22間を結ぶようにして溝状の還元剤ガス流路21が形成されている。
A groove-like reducing
カソードセパレータ9Cの内側の主面には、一対の酸化剤ガスマニフォルド孔33、33間を結ぶようにして溝状の酸化剤ガス流路31が形成されている。
On the inner main surface of the
また、セパレータ9A,9Cの外側の主面、すなわち背面には、還元剤ガス流路21あるいは酸化剤ガス流路31と同様にして、一対の水マニフォルド孔24,34間を結ぶようにして溝状の水流路(図示せず)が形成されている。これによって、セル10積層時には、これらマニフォルド孔はそれぞれ積層して、酸化剤ガス、還元剤ガス及び水の一対のマニフォルドが形成される。そして、酸化剤ガス、還元剤ガス及び水の流路は、それぞれ一方のマニフォルド、すなわち供給側のマニフォルドから、セパレータに形成された流路21、31、水流路(図示せず)に分岐しながら、それぞれの他方のマニフォルド、すなわち排出側のマニフォルドに連通するように構成される。そして、酸化剤ガスと還元剤ガスとは、それぞれ還元剤ガス流路21あるいは酸化剤ガス流路31においてMEA接合体7の中央部に露出しているMEA5に曝露され、電気化学反応を起こす。また、セパレータ9A,9Cの背面、すなわち隣接するセル10の間には、水が流通するので、水の伝熱能力により高分子電解質型燃料電池を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。
Further, in the same manner as the reducing
ここで、図2(a)はMEAの側面図であり、図2(b)はMEAの平面図である。 Here, FIG. 2A is a side view of the MEA, and FIG. 2B is a plan view of the MEA.
MEA5は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を挟むように形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対のアノード側触媒層2A及びカソード側触媒層2Cと、この一対の触媒層2A,2Cの外面に配設された一対の及びアノード側ガス拡散層4A及びカソード側ガス拡散層4Cとを備えて構成されている。このガス拡散層4A,4Cは、通気性と電子伝導性を併せ持つように構成されている。例えば、多孔性構造を有している。
The
そして、カソード側触媒層2C,カソード側ガス拡散層4C及びカソードセパレータ9Cがカソードを構成している。
The cathode
また、アノード側触媒層2A,アノード側ガス拡散層4A及びアノードセパレータ9Aがアノードを構成している。
Further, the anode
次に以上のように構成された高分子電解質型燃料電池100の動作を説明する。酸化剤ガスが酸化剤流路30を経由して各セル10に分岐して供給される。各セル10では、酸化剤ガスがカソードに供給される。ここでは、カソード側ガス拡散層4Cに曝露される。また、水素、あるいは水素を含む還元剤ガスも同様にして、アノードに供給される。ここでは、還元剤流路40を経由してアノード側ガス拡散層4Aに曝露される。そして、酸化剤ガスは、カソード側ガス拡散層4Cを透過し、カソード側触媒層2Cに到達する。同様にして、還元剤ガスも、アノード側ガス拡散層4Aを透過し、アノード側触媒層2Aに到達する。
Next, the operation of the polymer
ここで、カソードセパレータ9C、アノードセパレータ9A、集電板(図示せず)及び外部の電気回路(図示せず)を経由してカソード側触媒層2Cとアノード側触媒層2Aとの電気的な接続回路が構成されると、アノード側触媒層2Aにおいて、水素がイオン化する。水素イオンは高分子電解質膜1を透過してカソード側触媒層2Cにおいて、酸素イオンと結合し、水を生成する。また、水素のイオン化に伴いアノード側触媒層2Aにおいて発生した電子は、アノード側ガス拡散層4Aを経由して外部の電気回路(図示せず)を流れ、電気出力を生じさせる。
Here, the cathode-
ここで、高分子電解質膜1に触媒層2A,2Cを形成する方法、すなわち膜−触媒層接合体3の製造方法(本発明の膜−触媒層接合体の製造方法の好適な一実施形態)について説明する。なお、ここでは、便宜上、カソード側触媒層2Cの製造工程を示して説明する。アノード側触媒層2Aもカソード側触媒層2Cの形成と同様にして形成されるが、ここでは説明を省略する。
Here, a method for forming the catalyst layers 2A and 2C on the
図3(a)乃至図3(d)は、膜−触媒層接合体のカソード触媒層の製造工程を模式的に示す図である。 FIG. 3A to FIG. 3D are diagrams schematically showing a manufacturing process of the cathode catalyst layer of the membrane-catalyst layer assembly.
高分子電解質膜1には、水素イオンを選択的に透過するイオン交換機能を有する膜が好適に挙げられる。更にこのような膜としては、−CF2−を主鎖骨格として、スルホン酸基が側鎖の末端に導入された構造を有する高分子電解質膜が好適に挙げられる。このような構造を有する膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜{例えば、DUPONT社製 Nafion112(登録商標)}が好適に挙げられる。
Suitable examples of the
また、触媒層形成インクは、次のようにして調製される。カソード側触媒層2C用の触媒形成インクに混合される電極触媒粉末には、例えば、ケッチェンブラックEC(AKZO Chemie社製,商品名)に、平均粒径約3nmの白金粒子を25wt%担持した触媒粉末を用いる。なお、アノード側触媒層2A用の触媒形成インクに混合される電極触媒粉末には、例えば、ケッチェンブラックEC(AKZO Chemie社製,商品名)に、平均粒径約3nmの白金−ルテニウム合金粒子(例えば、質量比でPt:Ru=1:1)を25wt%担持した触媒粉末が用いられる。これら電極触媒粉末がイソプロパノールに分散される。次いで、水素イオン伝導性高分子電解質(例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末)のエチルアルコール分散液(例えば、旭硝子社製商品名「Flemion FSS−1」)、水及び有機溶媒がこのイソプロパノールに適宜、混合される。ここで、有機溶媒としては、触媒担持カーボンを被毒しない物が好ましく、例えば、アセトン、エタノール(エチルアルコール)、イソブチルアルコール、エチレングリコール、ブタノール、メタノールなどがあげられる。
Further, the catalyst layer forming ink is prepared as follows. The electrode catalyst powder mixed with the catalyst-forming ink for the cathode
また、これまでの発明者らの経験では、第1の触媒層2C1の白金の割合が0.01mg/cm2未満であると、高分子電解質型燃料電池の電気化学反応が安定せず、発電が滞る場合がある。また、第1の触媒層2C1の白金の割合が1.0mg/cm2より高いと、白金の凝集による反応面積低下が生じる場合がある。したがって、第1の触媒層2C1に含まれる白金の割合が0.01mg/cm2以上1.0mg/cm2以下であると、白金の凝集による反応面積低下を防止し、かつ発電を滞りなく進行させることができる。 Further, according to the experiences of the inventors so far, when the proportion of platinum in the first catalyst layer 2C1 is less than 0.01 mg / cm 2 , the electrochemical reaction of the polymer electrolyte fuel cell is not stable, and power generation May be delayed. Moreover, when the ratio of platinum in the first catalyst layer 2C1 is higher than 1.0 mg / cm 2 , the reaction area may be reduced due to aggregation of platinum. Therefore, when the proportion of platinum contained in the first catalyst layer 2C1 is 0.01 mg / cm 2 or more and 1.0 mg / cm 2 or less, a reduction in reaction area due to aggregation of platinum is prevented, and power generation proceeds smoothly. Can be made.
図3(a)に示すように、転写用基材P上に触媒形成インクが塗工されて、第1の触媒層2C1が形成される。転写用基材Pとしては、PPシート、あるいはPTEFシートを好適に用いることができるが、その他にも触媒層の付着やホットプレスによって成分が触媒層に溶出せず、転写後の剥離性が良い材料を用いることができる。 As shown in FIG. 3A, the catalyst-forming ink is applied on the transfer substrate P to form the first catalyst layer 2C1. As the transfer substrate P, a PP sheet or a PTEF sheet can be suitably used. In addition, the components do not elute into the catalyst layer due to adhesion of the catalyst layer or hot pressing, and the peelability after transfer is good. Materials can be used.
そして、図3(b)に示すように、高分子電解質膜1の主面上に第1の触媒層2C1を重ねて、ホットプレス(例えば、圧力1MPa、温度140℃、時間30分の条件)されて、第1の触媒層2C1が形成される。そして転写用基材Pが剥離されて第1の触媒層2C1が高分子電解質膜1上に転写される。
And as shown in FIG.3 (b), the 1st catalyst layer 2C1 is accumulated on the main surface of the
次に、図3(c)に示すように、触媒層形成インクを、噴霧装置200によって噴霧塗工されて第1の触媒層2C1の主面に第2の触媒層2C2が形成される。なお、図示しないが、噴霧塗工に際しては、高分子電解質膜5Aに第1の触媒層2C1の平面形状に一致する形状の開口部をもつマスクが被せられ、所要の部分以外には触媒層形成インクが付着しないように保護される。これにより、第1の触媒層2C1と第2の触媒層2C2とが接合した触媒層2Cが形成される。
Next, as shown in FIG. 3C, the catalyst layer forming ink is spray-coated by the
以上によって、第1の触媒層2C1を高分子電解質膜1に転写して形成する工程(ステップ)に要する時間は、噴霧塗工によって触媒層2C全体を形成する工程に要する時間に比べて短時間で済むので、膜−触媒層接合体3を製造する時間を短縮することができる。
As described above, the time required for the step of transferring and forming the first catalyst layer 2C1 to the
なお、カソード側第1の触媒層2C1と、カソード側第2の触媒層2C2との触媒層形成インクの性状は同一でなくともよい。例えば、カソード側第1の触媒層2C1の水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合がカソード側第2の触媒層2C2のそれよりも高くなるように触媒層形成インクが調製されるとよい。つまり、カソード側第2の触媒層2C2の形成に用いられた触媒層形成インクよりも水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液の混合率を高めた触媒層形成インクをカソード側第1の触媒層2C1形成に用いると良い。これによって、カソード側第1の触媒層2C1の反応サイトの密度を高くして、カソード側第2の触媒層2C2の反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高くすることができ(特許文献2参照)、高分子電解質型燃料電池100の性能が向上する。
The properties of the ink for forming the catalyst layer of the cathode-side first catalyst layer 2C1 and the cathode-side second catalyst layer 2C2 may not be the same. For example, the catalyst layer forming ink may be prepared so that the content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte in the cathode-side first catalyst layer 2C1 is higher than that in the cathode-side second catalyst layer 2C2. That is, the catalyst layer forming ink in which the mixing ratio of the alcohol dispersion of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte is increased as compared with the catalyst layer forming ink used for forming the cathode side second catalyst layer 2C2. It may be used for forming the layer 2C1. Thereby, the density of the reaction sites of the cathode-side first catalyst layer 2C1 can be increased, and the diffusibility of the reaction gas and the generated water can be discharged from the cathode-side second catalyst layer 2C2 (Patent Literature). 2), the performance of the polymer
また、アノード側では、電気化学反応による生成水分が生じないので、カソード側ほど生成水分の排出性の高さが必要とはならない。したがって、アノード側では、アノード側第1の触媒層2A1と、アノード側第2の触媒層2A2との触媒層形成インクの性状は同一のままでもよい。 Further, since no water generated by an electrochemical reaction is generated on the anode side, it is not necessary to discharge water as high as the cathode side. Therefore, on the anode side, the properties of the catalyst layer forming ink of the anode side first catalyst layer 2A1 and the anode side second catalyst layer 2A2 may remain the same.
以上によって、第2の触媒層2C2を第1の触媒層2C1に転写して形成する工程(ステップ)に要する時間は、噴霧塗工によって触媒層2C全体を形成する工程に要する時間に比べて短時間で済むので、膜−触媒層接合体3を製造する時間を短縮することができる。
As described above, the time required for the step of forming the second catalyst layer 2C2 by transferring it to the first catalyst layer 2C1 is shorter than the time required for the step of forming the
また、噴霧法によって多孔質の第2の触媒層2C2が形成されるので、触媒層2Cの反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高めることができる。
Further, since the porous second catalyst layer 2C2 is formed by the spraying method, it is possible to improve the diffusibility of the reaction gas of the
次に、MEA5の製造方法(本発明の膜−電極接合体の製造方法の好適な一実施形態)について説明する。 Next, a method for manufacturing MEA 5 (a preferred embodiment of a method for manufacturing a membrane-electrode assembly of the present invention) will be described.
本発明のMEA5は、上述の膜−触媒層接合体3を用いて製造される。すなわち、図2(a)に示すように、MEA5は、触媒層2A,2Cの上にガス拡散層4A,4Cが形成されて製造される。
The
ガス拡散層4A、4Cは、微細な孔部を多数有する多孔質体によって構成されている。これによって、ガスが孔部に侵入することによって、ガスが拡散して、触媒層2A、2Cに到達しやすくなる。一般的にガス拡散層4A、4Cは、導電性炭素繊維基材(カーボンクロス、カーボンペーパーなど)上に撥水カーボン層を塗工して作製される。撥水カーボン層としては、撥水材、導電性カーボン(触媒を担持していないカーボン)、界面活性剤、水を混合したインクをバーコーターなどで基材上に塗工した後、界面活性剤を取り除き、例えば400℃で、大気中で焼成することにより作製される。焼成によって撥水カーボン層及び基材の安定性を向上させることができる。つまり、第2触媒層2C2の上方に第3の触媒層として撥水カーボン層を塗工する場合と比較して、撥水カーボン層及び基材が安定しているという効果を得ることができる。本実施の形態においては、撥水処理されたカーボンペーパー(TORAY社製 商品名(TGP-H-090),厚さ:270μm)が用いられる。撥水処理は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョンにカーボンペーパーが浸漬され、次いで、乾燥処理されることにより行われる。また、カーボンペーパーの代わりに、カーボンクロス、あるいは、カーボン繊維、カーボン粉末、有機バインダー等からなるカーボンフェルトをガス拡散層として用いてもよい。そして、このカーボンペーパーが触媒層2A、2C上に接合するようにしてホットプレス(例えば、圧力0.5MPa、温度135℃、時間5分間の条件)されて、ガス拡散層4A、4Cが形成される。
The
以上、本発明は、高分子電解質膜上に転写により第1の触媒層を形成するステップによって製造に係る所要時間を短縮することができ、かつ、第1の触媒層主面上に触媒層形成インクを噴霧して第2の触媒層を形成するステップによって反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高めることができる。すなわち、本発明は、転写法、噴霧法及びドクターブレード法等の従来の膜−触媒層接合体の製造方法のデメリットを十分に低減し、特に、膜−触媒層接合体の大量生産に有利である。 As described above, in the present invention, the time required for production can be shortened by the step of forming the first catalyst layer by transfer on the polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer is formed on the main surface of the first catalyst layer. The step of spraying ink to form the second catalyst layer can enhance the diffusibility of the reaction gas and the discharge of generated water. That is, the present invention sufficiently reduces the disadvantages of conventional membrane-catalyst layer assembly production methods such as the transfer method, spray method, and doctor blade method, and is particularly advantageous for mass production of membrane-catalyst layer assemblies. is there.
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において当業者はいろいろな改良や代替手段を用いることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and those skilled in the art can use various improvements and alternative means within the scope of the present invention.
例えば、第2の触媒層2C2を形成するステップにおいて、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる第2の触媒層2C2を形成してもよい。このように構成すると、触媒層形成インクの「水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」等種々の性状を調節することができ、よりきめ細やかに第1の触媒層の性状を調節することができる。ここで、触媒層形成インクの「水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合」とは、[(当該触媒形成インクに含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の全質量WP)/(当該触媒形成インクの全質量WI)]で表される値をいう。そして、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる第2の触媒層2C2を形成するステップにおいて、下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい。ここで、本発明において、2種類以上の触媒層形成インクを順次噴霧して複数層からなる前記第2の触媒層2C2を形成する場合の「下層」とは、第2の触媒層2C2が、2種類以上の触媒層形成インクが順次噴霧されて形成されることを前提として、高分子電解質膜に近い側の層を言う。 For example, in the step of forming the second catalyst layer 2C2, two or more types of catalyst layer forming inks may be sequentially sprayed to form the second catalyst layer 2C2 composed of a plurality of layers. With this configuration, various properties such as “content ratio of hydrogen ion conductive polymer electrolyte” of the catalyst layer forming ink can be adjusted, and the properties of the first catalyst layer can be adjusted more finely. it can. Here, the “content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte” of the catalyst layer forming ink is [(total mass W P of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte contained in the catalyst forming ink) / (the catalyst formation). The total ink mass W I )]. In the step of forming the second catalyst layer 2C2 composed of a plurality of layers by sequentially spraying two or more types of catalyst layer forming inks, the lower the layer, the higher the content ratio of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte is. Here, in the present invention, the “lower layer” in the case of forming the second catalyst layer 2C2 composed of a plurality of layers by sequentially spraying two or more kinds of catalyst layer forming inks means that the second catalyst layer 2C2 is: The layer on the side close to the polymer electrolyte membrane is assumed on the assumption that two or more types of ink for forming a catalyst layer are formed by sequentially spraying.
また、「下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い」状態とは、第2の触媒層2C2が2種類以上の触媒層形成インクが順次噴霧されて形成されることを前提として、触媒形成インクの水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合(WP/WI)が当該触媒層の高分子電解質膜1に近い側に用いられる触媒層形成インクの方が高分子電解質膜1に遠い側に用いられる触媒層形成インクよりも最終的に小さくなっている状態を示す。つまり、形成された第2の触媒層2C2を全体としてみた場合に、質量比(WP/WI)が高分子電解質膜1に近い側から遠い側にかけて概略的に減少している状態を示す。
In addition, the state that “the lower layer has a higher content of hydrogen ion conductive polymer electrolyte” means that the second catalyst layer 2C2 is formed by sequentially spraying two or more types of catalyst layer forming inks. In the catalyst layer forming ink, the hydrogen ion conductive polymer electrolyte content ratio (W P / W I ) of the catalyst forming ink is used closer to the
例えば、高分子電解質膜1に近い側から遠い側にかけて質量比(WP/WI)が単調に減少している状態をいう。また、3種類以上の触媒形成インクが用いられる場合には、最下層と最上層との間に用いられる触媒形成インクが、前後に用いられる触媒形成インクのいずれかの質量比(WP/WI)と同じ値の質量比(WP/WI)であってもよい。さらに、第2の触媒層2C2全体として高分子電解質膜1に近い側に用いられる触媒層形成インクの方が高分子電解質膜1に遠い側に用いられる触媒層形成インクよりも最終的に小さくなっているものの、一部の触媒形成インクにおいて、上層側に用いられる触媒形成インクの質量比(WP/WI)が下層側に用いられる触媒形成インクの質量比(WP/WI)よりも大きい場合があってもよい。ただし、反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性の観点からは、最下層から最上層にかけて質量比(WP/WI)が減少するようにして触媒形成インクが用いられること、または、最下層と最上層との間に用いられる触媒形成インクが、前後に用いられる触媒形成インクのいずれかの質量比(WP/WI)と同じ値の質量比(WP/WI)であることの方が好ましい。
For example, the mass ratio (W P / W I ) is monotonously decreasing from the side closer to the
このように構成すると、上述と同様にして、第2の触媒層内2C2において、高分子電解質膜1に近い側において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜1から離れるに従い反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高めることができるので、高分子電解質型燃料電池100の性能をさらに向上させることができる。
With this configuration, in the same manner as described above, in the second catalyst layer 2C2, the density of the reaction sites is increased on the side closer to the
さらには、第2の触媒層2C2の上に1以上の「第3の触媒層」(図示せず)を転写、噴霧あるいは塗布によって形成するステップをさらに有してもよい。ここで、ここで、「第3の触媒層」としては、例えば、触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、水素イオン伝導性高分子電解質及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、撥水材及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層、撥水材、水素イオン伝導性高分子電解質及び触媒(Ptなど)担持カーボン(導電性カーボン)を少なくとも含む触媒層などがあげられる。更に、更に、本発明においては、「第3の触媒層」としては、撥水材及び導電性カーボン(触媒を担持していないカーボン)からなる層も含む。これによって、膜−触媒層接合体3の触媒層2Cの触媒反応面積の調節、反応ガスの拡散性、生成水分の排出性、電子伝導性等種々の性状を調節することができ、よりきめ細やかに触媒層2Cの性状を調節することができる。また、ガス拡散層4Cと第2の触媒層2C2との密着性向上、ガス拡散層4Cの表面粗さ(凹凸の存在)による第2の触媒層2C2及び/又は高分子電解質膜1の損傷の防止を図ることもできる。例えば、触媒を含まない「第3の触媒層」では、触媒反応による生成水分が発生しない。したがって、触媒層2C全体としての、反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性の向上も図ることができる。また、上述の撥水材としては、化学的安定性が高い物質が好ましく、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)がある。
Furthermore, you may further have the step which forms one or more "3rd catalyst layers" (not shown) on the 2nd catalyst layer 2C2 by transfer, spraying, or application | coating. Here, as the “third catalyst layer”, for example, a catalyst layer containing at least a catalyst (such as Pt) -supporting carbon (conductive carbon), a hydrogen ion conductive polymer electrolyte, and a catalyst (such as Pt) are supported. Catalyst layer including at least carbon (conductive carbon), water repellent material and catalyst (such as Pt) supported catalyst layer including at least carbon (conductive carbon), water repellent material, hydrogen ion conductive polymer electrolyte and catalyst (such as Pt) And a catalyst layer containing at least supported carbon (conductive carbon). Furthermore, in the present invention, the “third catalyst layer” includes a layer composed of a water repellent material and conductive carbon (carbon not supporting a catalyst). As a result, various properties such as the adjustment of the catalytic reaction area of the
そして、第2の触媒層2C2の上に1以上の「第3の触媒層」を形成するステップをさらに有する場合には、下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高いとよい。ここで、第2の触媒層2C2の上に1以上の「第3の触媒層」を形成するステップをさらに有する場合の「下層」とは、3層以上の層が形成されることを前提として、高分子電解質膜1に近い側の触媒層を言う。また、「下層程、水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合が高い」状態とは、3層以上の層が形成されることを前提として、形成された層の水素イオン伝導性高分子電解質の含有割合(WP/WL)が高分子電解質膜1に近い側の層の方が高分子電解質膜1に遠い側の層よりも最終的に小さくなっており、膜−触媒層接合体3の触媒層2C全体としてみた場合に各層の質量比(WP/WL)が高分子電解質膜1に近い側から遠い側にかけて概略的に減少している状態を示す。
And when it further has the step of forming one or more "3rd catalyst layers" on the 2nd catalyst layer 2C2, it is good that the content rate of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte is so high that it is a lower layer. Here, the “lower layer” in the case of further including a step of forming one or more “third catalyst layers” on the second catalyst layer 2C2 is based on the assumption that three or more layers are formed. The catalyst layer on the side close to the
例えば、高分子電解質膜1に近い側から遠い側にかけて質量比(WP/WL)が単調に減少している状態であってもよい。また、例えば、一部の隣り合う層の質量比(WP/WL)が同じ値をとる状態であってもよい。さらに、一部の隣り合う層同士の質量比(WP/WL)を比較した場合、上層側の層の質量比(WP/WL)が下層側の層の質量比(WP/WL)よりも大きい場合があってもよい。ただし、ガス拡散性あるいは排水性の観点から、最下層から最上層にかけて質量比(WP/WL)が単調に減少している状態、または、最下層と最上層との間に配置される層のうち、一部の隣り合う層同士の質量比(WP/WL)が同じ値をとる状態が好ましい。このように構成すると、高分子電解質膜1に近い側において反応サイトの密度を高くし、かつ高分子電解質膜1から離れるに従い反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性を高めることができるので、高分子電解質型燃料電池100の性能を向上させることができる。
For example, the mass ratio (W P / W L ) may be monotonically decreasing from the side closer to the
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の膜−電極接合体の製造方法をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, although the manufacturing method of the membrane-electrode assembly of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, the present invention is not limited to these Examples.
(実施例S1)〜(実施例S7)及び(比較例T1)
触媒層2Cの厚さt1+t2が20μmである膜−触媒層接合体3を、第1触媒層2C1の厚さt1と第2触媒層2C2の厚さt2とをパラメータとして、実施例S1乃至S7まで製造した。また、比較例T1として、転写法のみ、つまり第2の触媒層2C2を形成せずに第1の触媒層2C1のみから形成される膜−触媒接合体3を製造した。
(Example S1) to (Example S7) and (Comparative Example T1)
The membrane-catalyst layer assembly 3 in which the thickness t1 + t2 of the
[性能評価試験]
そして、実施例S1乃至S7及び比較例T1の膜−触媒接合体3を有してなるMEA5を用いてセル10をそれぞれ構成して、出力電圧Eを計測する性能評価試験を行った。セル10はMEA5の両面に、ガス拡散層4A、4Cを配置し、ホットプレスで接合した。ガスケット6にはシリコン製ガスケットを用いた。アノードセパレータ9A及びカソードセパレータ9CでMEA5及びガスケット6を挟み込んで10kgf/cm2の圧力で締結した。
[Performance evaluation test]
And each
性能試験の条件は、セル10のアノード側の反応ガスには水素を、カソード側の反応ガスには空気をそれぞれ流した。試験中のセル10の温度、すなわち運転温度を80℃に保持した。水素ガスは80℃の露点に、空気は80℃の露点まで加湿してセル10に供給した。そして、セル10を電流密度1.0A/cm2で発電させた。また、通常の高分子電解質型燃料電池100の燃料利用率、空気利用率は、それぞれ70%および40%程度である。しかし、本性能試験ではそれぞれ90%および80%に設定して、反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性の善し悪しがより顕著に出現する、すなわちフラッディング現象が生じやすい条件とした。
The performance test conditions were such that hydrogen was passed through the anode-side reaction gas of the
表1は、本実施例の膜−触媒層接合体の触媒層厚さ比、出力電圧及び製造所要時間を示す表である。表中、触媒層の厚さ比t1/t2、本性能試験結果のセル10の出力電圧E、及び膜−触媒層接合体3の製造に係る時間、すなわち製造所要時間Tを示す。なお製造所要時間Tは、実施例S1の作製に要した時間を1として示す。
Table 1 is a table showing the catalyst layer thickness ratio, output voltage, and required production time of the membrane-catalyst layer assembly of this example. In the table, the catalyst layer thickness ratio t1 / t2, the output voltage E of the
表1に示すように、実施例S1乃至S5では、出力電圧Eにはフラッディング現象による電圧低下がほとんど出現せず、反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性が優れていた。また、製造所要時間Tも短縮が可能であり、膜−触媒層接合体3の製造方法として、より好適であることがわかった。ここで、実施例S1乃至S5の膜−触媒層接合体3は、表に示すように、触媒層厚さ比t1/t2が1/4以上7/4以下であった。また、表には示さないが、第1の触媒層2C1に含まれる白金量が第2の触媒層2C2に含まれる白金量の略4分の1以上4分の7以下であった。さらには、これも表には示さないが、第1の触媒層2C1の厚さt1が3μm以上20μm以下であった。 As shown in Table 1, in Examples S1 to S5, voltage drop due to the flooding phenomenon hardly appeared in the output voltage E, and the diffusibility of the reaction gas and the discharge of generated water were excellent. In addition, the required production time T can be shortened, and it has been found that the production method of the membrane-catalyst layer assembly 3 is more suitable. Here, in the membrane-catalyst layer assembly 3 of Examples S1 to S5, as shown in the table, the catalyst layer thickness ratio t1 / t2 was not less than 1/4 and not more than 7/4. Although not shown in the table, the amount of platinum contained in the first catalyst layer 2C1 was about one quarter to seven quarters of the amount of platinum contained in the second catalyst layer 2C2. Further, although not shown in the table, the thickness t1 of the first catalyst layer 2C1 was 3 μm or more and 20 μm or less.
なお、比較例T1の場合、つまり従来の転写法の場合、製造所要時間は短いものの、本出力電圧Eの低下が顕著に出現し、フラッディング現象による電圧低下が出現しているものと推測された。 In the case of the comparative example T1, that is, in the case of the conventional transfer method, although the manufacturing time is short, it is estimated that the decrease in the output voltage E appears remarkably and the voltage decrease due to the flooding phenomenon appears. .
また、触媒層厚さ比t1/t2=1/6の場合、つまり実施例S6の場合は、第2の触媒層2C2が厚いので、出力電圧Eの低下はほとんど出現しなかったものの、噴霧法による塗工に要する時間が長く、製造所要時間Tが著しく増加することがわかった。 Further, in the case of the catalyst layer thickness ratio t1 / t2 = 1/6, that is, in the case of Example S6, the second catalyst layer 2C2 is thick. It has been found that the time required for coating by is long and the production time T is remarkably increased.
さらに、触媒層厚さ比t1/t2=9/4の場合、つまり実施例S7の場合は、第2の触媒層2C2が薄いので製造所要時間Tは短縮されるものの、出力電圧Eは0.4V以下に低下した。これは、第1の触媒層2C1が厚いので比較例T1と同様、フラッディング現象による出力電圧Eの低下が出現しているものと推測された。 Further, in the case of the catalyst layer thickness ratio t1 / t2 = 9/4, that is, in the case of Example S7, the second catalyst layer 2C2 is thin, so that the manufacturing time T is shortened, but the output voltage E is 0.4V. Reduced to: This is presumed that since the first catalyst layer 2C1 is thick, a drop in the output voltage E due to the flooding phenomenon appears as in the comparative example T1.
本発明は、製造に係る所要時間を短縮することができ、かつ反応ガスの拡散性及び生成水分の排出性に優れる触媒層を形成することができる、膜−触媒層接合体の製造方法及びそれを用いた膜−電極接合体の製造方法として有用である。 The present invention provides a method for producing a membrane-catalyst layer assembly, which can shorten the time required for production and can form a catalyst layer excellent in diffusibility of reaction gas and discharge of generated water, and the same It is useful as a production method of a membrane-electrode assembly using
1 高分子電解質膜
2A アノード側触媒層
2C カソード側触媒層
2A1 (アノード側)第1の触媒層
2A2 (アノード側)第2の触媒層
2C1 (カソード側)第1の触媒層
2C2 (カソード側)第2の触媒層
3 膜−触媒層接合体
4A アノード側ガス拡散層
4C カソード側ガス拡散層
5 膜−電極接合体(MEA)
6 ガスケット
7 MEA−ガスケット接合体
9A アノードセパレータ
9C カソードセパレータ
10 セル
11 ボルト孔
12、22、32 還元剤ガスマニフォルド孔
13、23、33 酸化剤ガスマニフォルド孔
14,24,34 水マニフォルド孔
21 還元剤ガス流路
31 酸化剤ガス流路
100 高分子電解質型燃料電池
200 噴霧装置
S1〜S7 実施例
T1 比較例
t1 第1の触媒層の厚さ
t2 第2の触媒層の厚さ
t1/t2 触媒層厚さ比
E 出力電圧
T 製造所要時間(実施例S1の製造に要した時間を1する)
P 転写用基材
1
6
P Transfer base material
Claims (11)
前記第1の触媒層の上に触媒層形成インクを噴霧して第2の触媒層を形成するステップと、を有しており、
前記第1の触媒層の厚さは、前記第2の触媒層の厚さの4分の1以上4分の7以下である、膜−触媒層接合体の製造方法。 Forming a first catalyst layer by transfer on at least one main surface of the polymer electrolyte membrane;
And have a, and forming a second catalyst layer by spraying a catalyst layer formed ink on the first catalyst layer,
The method for producing a membrane-catalyst layer assembly , wherein the thickness of the first catalyst layer is not less than one quarter and not more than seven quarters of the thickness of the second catalyst layer .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005105744A JP4486540B2 (en) | 2005-04-01 | 2005-04-01 | Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005105744A JP4486540B2 (en) | 2005-04-01 | 2005-04-01 | Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006286432A JP2006286432A (en) | 2006-10-19 |
| JP4486540B2 true JP4486540B2 (en) | 2010-06-23 |
Family
ID=37408117
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005105744A Expired - Fee Related JP4486540B2 (en) | 2005-04-01 | 2005-04-01 | Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4486540B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5040424B2 (en) * | 2007-05-10 | 2012-10-03 | トヨタ自動車株式会社 | Membrane electrode assembly used in fuel cell and method for producing the same |
| JP5292729B2 (en) * | 2007-06-29 | 2013-09-18 | 大日本印刷株式会社 | Method for producing gas diffusion layer and paste composition for producing gas diffusion layer |
| KR101658839B1 (en) * | 2014-02-19 | 2016-09-23 | 순천대학교 산학협력단 | Fabrication Method of Membrane-Electrode Assembly for Fuel Cell |
-
2005
- 2005-04-01 JP JP2005105744A patent/JP4486540B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2006286432A (en) | 2006-10-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2722916B1 (en) | Gas diffusion layer for fuel cell | |
| JP6408562B2 (en) | Self-humidifying membrane / electrode assembly and fuel cell equipped with the same | |
| JP5551215B2 (en) | Method for producing polymer electrolyte fuel cell | |
| EP2722918B1 (en) | Microporous layer sheet for fuel cells and method for producing same | |
| KR102084568B1 (en) | Component for fuel cell including graphene foam and functioning as flow field and gas diffusion layer | |
| WO2010150871A1 (en) | Gas diffusion electrode and production method for same; membrane electrode assembly and production method for same | |
| US20100248059A1 (en) | Fuel cell unit and fuel cell stack | |
| US7285354B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell, fuel cell electrode, method for producing electrode catalyst layer, and method for producing polymer electrolyte fuel cell | |
| US20110183232A1 (en) | Structures for gas diffusion electrodes | |
| EP4421921A1 (en) | Membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP2008204664A (en) | Membrane electrode assembly for fuel cell and fuel cell using the same | |
| US11616247B2 (en) | Multi-interface membrane electrode assembly | |
| JP2003178780A (en) | Polymer electrolyte fuel cell system and method of operating polymer electrolyte fuel cell | |
| JP2004186049A (en) | Electrode structure for polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same | |
| JP4486540B2 (en) | Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly | |
| US8377601B2 (en) | Direct oxidation fuel cell | |
| JP4180556B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
| JP4511965B2 (en) | Method for producing membrane-catalyst layer assembly and method for producing membrane-electrode assembly | |
| JP2008034191A (en) | Method for producing fuel cell membrane / electrode assembly and method for inspecting catalyst particles for fuel cell | |
| JP4320482B2 (en) | Fuel cell electrode and manufacturing method thereof | |
| US20250046832A1 (en) | Membrane-electrode assembly and fuel cell comprising same | |
| JP2009187866A (en) | Membrane / electrode assembly | |
| JP2011070925A (en) | Electrolyte membrane-electrode assembly | |
| CN101473472A (en) | Fuel cell | |
| JP2006120507A (en) | Polymer electrolyte fuel cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080328 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091215 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100115 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100302 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100326 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130402 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |