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JP2008166202A - Manufacturing method of membrane / electrode assembly for fuel cell - Google Patents

Manufacturing method of membrane / electrode assembly for fuel cell Download PDF

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JP2008166202A
JP2008166202A JP2006356550A JP2006356550A JP2008166202A JP 2008166202 A JP2008166202 A JP 2008166202A JP 2006356550 A JP2006356550 A JP 2006356550A JP 2006356550 A JP2006356550 A JP 2006356550A JP 2008166202 A JP2008166202 A JP 2008166202A
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Japan
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resin
catalyst layer
ink
solvent
membrane
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JP2006356550A
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Norimitsu Takeuchi
仙光 竹内
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】高分子樹脂膜上に、触媒層用インクを塗布して触媒層を形成する際に、触媒層用インクの溶媒による高分子樹脂膜の劣化や破損を防止し、性能の良い燃料電池用膜・電極接合体を製造できる方法を提供する。
【解決手段】電解質樹脂又は前駆体樹脂よりなる群から選ばれる膜用樹脂で構成される高分子樹脂膜を準備し 電解質樹脂又は前駆体樹脂よりなる群から選ばれるインク用樹脂、触媒、及び溶媒、を含有する触媒層用インクを調製し、前記触媒層用インクを前記高分子樹脂膜に塗布して、触媒層を形成し、触媒層を形成した中間製造物を必要に応じて電解質化する。条件(1):前記触媒層用インクを25℃に維持した時に、当該触媒層用インク中の成分が完全に溶解又はコロイド分散した状態が2時間以上持続する。条件(2):前記高分子樹脂膜を、当該溶媒中に、溶媒温度を25℃に維持して24時間浸漬した時に、膜の重量残存率が80重量%以上となる。
【選択図】図3
[PROBLEMS] To prevent deterioration or breakage of a polymer resin film due to a solvent of the catalyst layer ink when a catalyst layer ink is formed on the polymer resin film to form a catalyst layer, and to provide a high-performance fuel cell. Provided is a method by which a membrane / electrode assembly can be produced.
A polymer resin film composed of a resin for a film selected from the group consisting of an electrolyte resin or a precursor resin is prepared, and an ink resin, a catalyst, and a solvent selected from the group consisting of an electrolyte resin or a precursor resin The catalyst layer ink is prepared, and the catalyst layer ink is applied to the polymer resin film to form a catalyst layer, and the intermediate product on which the catalyst layer is formed is electrolyzed as necessary. . Condition (1): When the catalyst layer ink is maintained at 25 ° C., the state in which the components in the catalyst layer ink are completely dissolved or colloidally dispersed continues for 2 hours or more. Condition (2): When the polymer resin film is immersed in the solvent for 24 hours while maintaining the solvent temperature at 25 ° C., the weight residual ratio of the film becomes 80% by weight or more.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、燃料電池用膜・電極接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。
中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
また上記電極は、通常、電解質膜に近い側に触媒層、及び、電解質膜から遠い側にガス拡散層が配置された積層構造を有している。
A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.
Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.
The electrode usually has a laminated structure in which a catalyst layer is disposed on the side close to the electrolyte membrane and a gas diffusion layer is disposed on the side far from the electrolyte membrane.

水素を燃料、酸素を酸化剤とする固体高分子電解質型燃料電池の通常発電時においては、燃料極(アノード)では下記(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e ・・・(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極(カソード)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内を燃料極から酸化剤極側に移動する。
一方、酸化剤極では下記(2)式の反応が進行する。
4H + O + 4e → 2HO ・・・(2)
すなわち、電池全体としては下記(3)式の反応が進行している。
2H + O → 2HO・・・・(3)
During normal power generation of a solid polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant, the reaction of the following formula (1) proceeds at the fuel electrode (anode).
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the oxidant electrode (cathode) after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves in the solid polymer electrolyte membrane from the fuel electrode to the oxidant electrode side by electroosmosis while being hydrated with water.
On the other hand, the reaction of the following formula (2) proceeds at the oxidant electrode.
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (2)
That is, the reaction of the following formula (3) proceeds for the entire battery.
2H 2 + O 2 → 2H 2 O (3)

固体高分子電解質膜を構成する電解質樹脂としては、プロトン伝導性や化学的安定性など電解質膜に要求される特性に優れていることから、従来、Nafion(商品名、デュポン製)やアシプレックス(商品名、旭化成製)、フレミオン(商品名、旭硝子製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系電解質樹脂が好ましく用いられている。
また、固体高分子電解質膜の両面に設けられる各電極(燃料極、酸化剤極)の触媒層にも、固体高分子電解質膜と電極間のプロトン伝導性や電極内におけるプロトン伝導性の確保、固体高分子電解質膜と電極の接合性の確保、電極に含有される触媒粒子等の結着性の確保、等を目的として、上記フッ素系電解質樹脂が好ましく用いられている。
The electrolyte resin constituting the solid polymer electrolyte membrane is superior in properties required for the electrolyte membrane, such as proton conductivity and chemical stability. Conventionally, Nafion (trade name, manufactured by DuPont) and Aciplex ( Fluorine-based electrolyte resins such as perfluorocarbon sulfonic acid resins represented by trade names, manufactured by Asahi Kasei) and Flemion (trade names, manufactured by Asahi Glass) are preferably used.
In addition, in the catalyst layer of each electrode (fuel electrode, oxidant electrode) provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, the proton conductivity between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode and the proton conductivity in the electrode are ensured. For the purpose of ensuring the bonding property between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode, ensuring the binding property of the catalyst particles and the like contained in the electrode, the above-mentioned fluorine-based electrolyte resin is preferably used.

しかしながら、フッ素系電解質樹脂からなる固体高分子電解質膜(フッ素系高分子電解質膜)は非常に高価であり、燃料電池のコスト削減を阻む要因の一つとなっている。そこで、フッ素系高分子電解質膜よりも安価な高分子電解質膜の研究開発が進められている。例えば、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)等の、フッ素含有量がゼロか又は極めて少ない炭化水素系高分子にスルホン酸基やカルボキシル基、リン酸基等のプロトン伝導性基を導入した炭化水素系高分子電解質からなる固体高分子電解質膜(炭化水素系高分子電解質膜)を用いたものが提案されている。   However, a solid polymer electrolyte membrane (fluorine polymer electrolyte membrane) made of a fluorine-based electrolyte resin is very expensive and is one of the factors hindering fuel cell cost reduction. Therefore, research and development of polymer electrolyte membranes that are less expensive than fluorine-based polymer electrolyte membranes are underway. For example, a sulfonic acid group, a carboxyl group, or a phosphate group is added to a hydrocarbon polymer having zero or very little fluorine content, such as polyether ether ketone (PEEK), polyether ketone (PES), polyphenylene sulfide (PPS), etc. The one using a solid polymer electrolyte membrane (hydrocarbon polymer electrolyte membrane) made of a hydrocarbon polymer electrolyte into which a proton conductive group such as the above is introduced has been proposed.

固体高分子電解質膜上に電極を形成する主要な方法としては、以下の2つの方法がある。
(1)固体高分子電解質膜に加熱圧着を行う方法
先ず、触媒、電解質樹脂、導電性材料、及び溶媒を含有する触媒層用インクを調製し、当該触媒層用インクを電極のガス拡散層となる多孔質シートに塗布し乾燥させて電極用シートを作製し、得られた電極用シートを固体高分子電解質膜上に加熱圧着するか、或いは、上記触媒層用インクを適切な転写用支持体に塗布し乾燥させて触媒層を形成し、得られた触媒層をガス拡散層となる多孔質シートに加熱圧着した後で転写用支持体を剥離して電極用シートを形成し、得られた電極用シートを固体高分子電解質膜上に加熱圧着するか、或いは、上記触媒層用インクを適切な転写用支持体に塗布し乾燥させて触媒層を形成し、得られた触媒層を固体高分子電解質膜上に加熱圧着した後で転写用支持体を剥離して触媒層を転写し、得られた触媒層上に多孔質シートを加熱圧着又は他の適切な方法で接合してガス拡散層を形成する。
(2)固体高分子電解質膜に塗布を行う方法
先ず、触媒、電解質樹脂、導電性材料、及び溶媒を含有する触媒層用インクを調製し、当該触媒層用インクを固体高分子電解質膜上に塗布して触媒層を形成し、得られた触媒層上に多孔質シートを加熱圧着又は他の適切な方法で接合してガス拡散層を形成する。
There are the following two methods as main methods for forming electrodes on the solid polymer electrolyte membrane.
(1) Method of thermocompression bonding to a solid polymer electrolyte membrane First, a catalyst layer ink containing a catalyst, an electrolyte resin, a conductive material, and a solvent is prepared, and the catalyst layer ink is used as a gas diffusion layer of an electrode. An electrode sheet is prepared by applying to a porous sheet and drying, and the obtained electrode sheet is heated and pressure-bonded onto a solid polymer electrolyte membrane, or the above-mentioned ink for catalyst layer is appropriately transferred to a support. And dried to form a catalyst layer, and the obtained catalyst layer was heat-pressed on a porous sheet to be a gas diffusion layer, and then the transfer support was peeled off to form an electrode sheet. The electrode sheet is heated and pressure-bonded onto the solid polymer electrolyte membrane, or the catalyst layer ink is applied to an appropriate transfer support and dried to form a catalyst layer. Support for transfer after thermocompression bonding on molecular electrolyte membrane The body is peeled off to transfer the catalyst layer, and the porous sheet is bonded onto the obtained catalyst layer by thermocompression bonding or other appropriate method to form a gas diffusion layer.
(2) Method of applying to solid polymer electrolyte membrane First, an ink for a catalyst layer containing a catalyst, an electrolyte resin, a conductive material, and a solvent is prepared, and the catalyst layer ink is placed on the solid polymer electrolyte membrane. A catalyst layer is formed by coating, and a porous sheet is bonded onto the obtained catalyst layer by thermocompression bonding or other appropriate method to form a gas diffusion layer.

しかし、固体高分子電解質膜として炭化水素系高分子電解質膜を用い、予め作製しておいた触媒層を当該電解質膜上に加熱圧着する場合には、炭化水素系高分子電解質膜のガラス転移温度及び軟化点が高いため、充分な接合性を得ることが難しい。この場合、もしも充分な接合性を得ようとして圧着時温度を高くすると、触媒層に含まれる電解質樹脂のプロトン伝導性基が分解してしまうという不都合がある。   However, when a hydrocarbon polymer electrolyte membrane is used as the solid polymer electrolyte membrane and a previously prepared catalyst layer is thermocompression-bonded onto the electrolyte membrane, the glass transition temperature of the hydrocarbon polymer electrolyte membrane In addition, since the softening point is high, it is difficult to obtain sufficient bondability. In this case, if the temperature at the time of pressure bonding is increased in order to obtain sufficient bonding properties, there is a disadvantage that the proton conductive group of the electrolyte resin contained in the catalyst layer is decomposed.

一方、高分子電解質膜上に触媒層用インクを塗布して電極の触媒層を形成する場合には、触媒層用インクの溶媒としては、触媒層に含有させる電解質樹脂を均一に溶解またはコロイド分散させることができるものを用いるべきである。しかし、触媒層の電解質樹脂を均一に溶解またはコロイド分散させることができる溶媒は、通常、高分子電解質膜を構成する電解質樹脂に対する溶解能力又は膨潤能力も大きいため、そのような溶媒を含有する触媒層用インクを用いると、高分子電解質膜に皺や穴あき等の劣化や破損が生じやすくなり、膜・電極接合体の品質を落としたり、不良品の発生率が高くなるなどの不都合が生じる。
上記不都合が生じないように、触媒層の電解質樹脂、高分子電解質膜の電解質樹脂、及び触媒層用インクの溶媒の最適な組み合わせを特定するための手段は、未だ充分に検討されていない。
On the other hand, when the catalyst layer of the electrode is formed by applying the ink for the catalyst layer on the polymer electrolyte membrane, the electrolyte resin contained in the catalyst layer is uniformly dissolved or colloidally dispersed as the solvent for the catalyst layer ink. You should use what you can do. However, a solvent that can uniformly dissolve or colloidally disperse the electrolyte resin of the catalyst layer usually has a large dissolving ability or swelling ability with respect to the electrolyte resin constituting the polymer electrolyte membrane. Therefore, a catalyst containing such a solvent. When layer ink is used, the polymer electrolyte membrane is prone to deterioration and breakage such as wrinkles and perforations, resulting in inconveniences such as deterioration in the quality of the membrane / electrode assembly and an increased incidence of defective products. .
In order not to cause the above inconvenience, means for specifying an optimal combination of the electrolyte resin for the catalyst layer, the electrolyte resin for the polymer electrolyte membrane, and the solvent for the ink for the catalyst layer has not yet been sufficiently studied.

特許文献1には、触媒である金属粉末と、導電性材料であるカーボンと、イオン伝導性ポリマーを、溶媒であるアルコールに加えて混練して得た触媒ペーストをイオン伝導性ポリマー膜上に塗布、乾燥し、さらに加熱圧着することにより、イオン伝導性ポリマー膜上に触媒層を形成する方法が記載されている。特許文献1には、触媒層のイオン伝導性ポリマーと、イオン伝導性ポリマー膜とが同質材料であることが好ましいと記載されており、当該特許文献1の実験例においては触媒層のイオン伝導性ポリマー、及びイオン伝導性ポリマー膜として、ポリパーフルオロスルホン酸が用いられている。しかし、この方法では、触媒ペーストをイオン伝導性ポリマー膜上に塗布する際に膜の劣化や破損等が発生するという上記不都合を避けることができない。特に、触媒層のイオン伝導性ポリマーと、イオン伝導性ポリマー膜とが同質材料である場合には、そのような不都合が顕著である。   In Patent Document 1, a catalyst paste obtained by kneading a metal powder as a catalyst, carbon as a conductive material, and an ion conductive polymer with alcohol as a solvent is applied onto the ion conductive polymer film. A method is described in which a catalyst layer is formed on an ion conductive polymer film by drying, and further heat pressing. Patent Document 1 describes that the ion conductive polymer of the catalyst layer and the ion conductive polymer film are preferably the same material. In the experimental example of Patent Document 1, the ion conductivity of the catalyst layer is described. Polyperfluorosulfonic acid is used as the polymer and the ion conductive polymer membrane. However, this method cannot avoid the above inconvenience that the film is deteriorated or broken when the catalyst paste is applied onto the ion conductive polymer film. In particular, when the ion conductive polymer of the catalyst layer and the ion conductive polymer film are made of the same material, such inconvenience is remarkable.

特開平5−166520号公報JP-A-5-166520

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、その目的は、高分子樹脂膜上に、触媒層用インクを塗布して触媒層を形成する際に、触媒層用インクの溶媒による高分子樹脂膜の劣化や破損を防止し、性能の良い燃料電池用膜・電極接合体を製造できる方法を提供することにある。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and its object is to increase the catalyst layer ink by a solvent when the catalyst layer ink is formed on the polymer resin film by forming the catalyst layer. An object of the present invention is to provide a method capable of preventing deterioration and breakage of a molecular resin membrane and producing a fuel cell membrane / electrode assembly with good performance.

本発明により提供される方法は、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に対向するように配置され且つ触媒及び電解質樹脂を含有する触媒層を含む酸化剤極及び燃料極とを備える燃料電池用膜・電極接合体の製造方法であって、電解質樹脂、及び電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂よりなる群から選ばれる膜用樹脂で構成される高分子樹脂膜を準備する、高分子樹脂膜準備工程、電解質樹脂、及び電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂よりなる群から選ばれるインク用樹脂、触媒、及び溶媒、を含有する触媒層用インクを調製する触媒層用インク調製工程、前記触媒層用インク調製工程で得られた触媒層用インクを、前記高分子樹脂膜に塗布して、燃料極側又は酸化剤極側のうち少なくとも一方の触媒層を形成する触媒層形成工程、及び、前記触媒層形成工程で形成された触媒層のインク用樹脂、又は、当該触媒層が積層された高分子樹脂膜を、必要に応じて電解質化する電解質化工程を含む燃料電池用膜・電極接合体の製造方法であって、前記触媒層用インクの溶媒は、前記インク用樹脂及び膜用樹脂に対して、下記条件(1)及び(2)に示す溶解能力を備えているものであることを特徴とするものである。
条件(1):
前記インク用樹脂を当該溶媒中に、溶媒温度を25℃に維持し、インク用樹脂の量を触媒層用インクで用いられる含有割合となるように混合し、溶解又は分散させた時に、完全に溶解又はコロイド分散した状態が2時間以上持続する。
条件(2):
前記高分子樹脂膜を、当該溶媒中に、溶媒温度を25℃に維持して24時間浸漬した時に、膜の重量残存率が80重量%以上となる。
A method provided by the present invention includes a polymer electrolyte membrane, and an oxidant electrode and a fuel electrode including a catalyst layer disposed so as to face both surfaces of the polymer electrolyte membrane and containing a catalyst and an electrolyte resin. A method for producing a membrane / electrode assembly for a fuel cell, comprising a polymer resin membrane comprising an electrolyte resin and a membrane resin selected from the group consisting of a precursor resin that becomes an electrolyte resin when converted into an electrolyte A catalyst layer containing an ink resin, a catalyst, and a solvent selected from the group consisting of a polymer resin film preparation step, an electrolyte resin, and a precursor resin that becomes an electrolyte resin when converted into an electrolyte The catalyst layer ink preparation step for preparing the ink, the catalyst layer ink obtained in the catalyst layer ink preparation step is applied to the polymer resin film, and the amount of the fuel layer side or the oxidant electrode side is small. A catalyst layer forming step for forming at least one catalyst layer, and an ink resin for the catalyst layer formed in the catalyst layer forming step or a polymer resin film on which the catalyst layer is laminated, as necessary. The method for producing a fuel cell membrane / electrode assembly including an electrolyzing step wherein the solvent of the catalyst layer ink is the following condition (1) with respect to the ink resin and the membrane resin: And (2) having the dissolving ability.
Condition (1):
When the ink resin is maintained in the solvent at a solvent temperature of 25 ° C. and mixed so that the amount of the resin for ink is the content used in the ink for the catalyst layer, and dissolved or dispersed, The dissolved or colloidally dispersed state lasts for 2 hours or more.
Condition (2):
When the polymer resin film is immersed in the solvent for 24 hours while maintaining the solvent temperature at 25 ° C., the weight residual ratio of the film becomes 80% by weight or more.

本発明に規定された条件(1)及び(2)を満たす溶剤は、触媒層の電解質樹脂に対して、諸特性が良好な触媒層を形成し得る充分な溶解能力又はコロイド分散能力を有し、且つ、高分子電解質膜の電解質樹脂に対して、当該電解質膜の劣化や破損を防止し得る低い溶解能力又は膨潤能力を有する。
本発明の製造方法によれば、明確に定められた上記条件(1)及び(2)に従って、従来知られている溶媒の中から、触媒層の電解質樹脂及び高分子電解質膜の電解質樹脂の両方に適した溶媒を容易に特定することができる。
また、本発明の製造方法は、樹脂膜上に触媒層を形成した後で電解質化処理を行うので、高分子電解質膜上に触媒層用インクを塗布する工程において、触媒層用インクに含まれる電解質樹脂か、又は高分子電解質膜を構成する電解質樹脂の代わりに、当該電解質樹脂が電解質化される前の前駆体樹脂を用いることが可能である。
それゆえ、高分子電解質膜と触媒層中の電解質樹脂を自由に組み合わせることが可能であり、触媒層用インクに用い得る溶剤の選択肢も幅広い。
The solvent satisfying the conditions (1) and (2) defined in the present invention has sufficient dissolving ability or colloidal dispersion ability to form a catalyst layer having good characteristics with respect to the electrolyte resin of the catalyst layer. And it has the low melt | dissolution ability or swelling ability which can prevent the deterioration and damage of the said electrolyte membrane with respect to the electrolyte resin of a polymer electrolyte membrane.
According to the production method of the present invention, both the electrolyte resin of the catalyst layer and the electrolyte resin of the polymer electrolyte membrane are selected from the conventionally known solvents in accordance with the conditions (1) and (2) clearly defined. It is possible to easily identify a solvent suitable for the above.
Further, since the production method of the present invention performs the electrolyzing process after forming the catalyst layer on the resin film, it is included in the catalyst layer ink in the step of applying the catalyst layer ink on the polymer electrolyte film. Instead of the electrolyte resin or the electrolyte resin constituting the polymer electrolyte membrane, a precursor resin before the electrolyte resin is converted into an electrolyte can be used.
Therefore, it is possible to freely combine the polymer electrolyte membrane and the electrolyte resin in the catalyst layer, and there are a wide range of solvent options that can be used for the catalyst layer ink.

前記条件(1)は、溶媒とインク用樹脂だけ用いて試験を行なうことができるので簡略に試験を行うことができるが、実際に塗布される触媒層用インクを調製し、当該触媒層用インクを25℃に維持した時に、当該触媒層用インク中の成分が完全に溶解又はコロイド分散した状態が2時間以上持続することを確認するのが好ましい。   In the condition (1), since the test can be performed using only the solvent and the resin for the ink, the test can be performed simply. The catalyst layer ink to be actually applied is prepared, and the catalyst layer ink is prepared. It is preferable to confirm that the state in which the components in the ink for the catalyst layer are completely dissolved or colloidally dispersed is maintained for 2 hours or longer when the temperature is maintained at 25 ° C.

前記触媒層用インクの溶媒は、前記高分子樹脂膜を当該溶媒中に前記条件(2)に規定する条件で浸漬した時に、膜の重量残存率が99重量%以下となるものであることが好ましい。
条件(2)の試験を行なって決定される重量残存率が80重量%以上であり、且つ、99重量%以下である場合には、高分子樹脂膜に触媒用インクを塗布したときに、当該高分子樹脂膜の劣化や破損を実質的に生じない範囲内で、当該膜の表面が僅かに溶解又は膨潤するので、高分子樹脂膜と触媒層との密着性又は接合強度が高くなる。
The solvent of the ink for the catalyst layer is such that when the polymer resin film is immersed in the solvent under the conditions specified in the condition (2), the weight residual ratio of the film becomes 99% by weight or less. preferable.
When the weight residual ratio determined by conducting the test of the condition (2) is 80% by weight or more and 99% by weight or less, when the catalyst ink is applied to the polymer resin film, Since the surface of the membrane slightly dissolves or swells within a range that does not substantially cause deterioration or breakage of the polymer resin membrane, the adhesion or bonding strength between the polymer resin membrane and the catalyst layer is increased.

本発明の一実施形態においては、前記触媒層形成工程の後に前記電解質化工程を行うことにより、当該電解質化工程で得られた中間製造物の高分子電解質膜を前記触媒層用インクで用いた溶媒中に前記条件(2)に規定する条件で浸漬した時の重量残存率が、電解質化工程を行う前の高分子樹脂膜の重量残存率よりも小さくなる。
触媒層用インクの塗工が終わり、塗膜を乾燥させた後であれば、触媒用インクで用いた溶媒に対する高分子樹脂膜の重量残存率が小さくなっても、膜の劣化や破損を生じるおそれがないので問題ない。
本発明は、このようにプロトン伝導性基を豊富に含有する状態では溶媒に対する溶解性が接近している樹脂同士の一方を膜用樹脂として用い、他方をインク用樹脂として用いる場合に、利用価値が高い。
In one embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane of the intermediate product obtained in the electrolyzing step is used in the catalyst layer ink by performing the electrolyzing step after the catalyst layer forming step. The weight residual ratio when immersed in the solvent under the conditions specified in the above condition (2) is smaller than the weight residual ratio of the polymer resin film before the electrolyzing step.
After the application of the ink for the catalyst layer is completed and the coating film is dried, even if the residual weight ratio of the polymer resin film to the solvent used in the catalyst ink decreases, the film deteriorates or breaks. There is no problem because there is no fear.
The present invention has a utility value when one of the resins close to solubility in a solvent is used as a membrane resin and the other is used as an ink resin in such a state containing abundant proton conductive groups. Is expensive.

本発明の一実施形態においては、前記インク用樹脂及び前記膜用樹脂のうち、いずれか一方として電解質樹脂を用い、他方として電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂を用い、且つ、前記電解質化工程において、触媒層又は前記高分子樹脂膜に含まれる前駆体樹脂を電解質化する。
この実施形態によれば、高分子電解質膜と触媒層中の電解質樹脂を自由に組み合わせることが可能であり、触媒層用インクに用い得る溶剤の選択肢も幅広い。
In one embodiment of the present invention, an electrolyte resin is used as one of the ink resin and the film resin, and a precursor resin that becomes the electrolyte resin by being electrolyzed is used as the other, and In the electrolyzing step, the precursor resin contained in the catalyst layer or the polymer resin film is electrolyzed.
According to this embodiment, it is possible to freely combine the polymer electrolyte membrane and the electrolyte resin in the catalyst layer, and there are a wide range of solvent options that can be used for the ink for the catalyst layer.

また、インク用樹脂及び前記膜用樹脂のうち、いずれか一方として電解質樹脂を用い、他方として前駆体樹脂を用いる上記実施形態において、前記前駆体樹脂として、電解質化が不充分な前駆体樹脂を用いることが好ましい。
前駆体樹脂が少量のプロトン伝導性基を含有している場合には、前駆体樹脂の溶解性が電解質樹脂の溶解性に似てくるので、条件(2)に規定する試験において高分子樹脂膜の重量残存率が99重量%以下となる溶剤が得られやすくなる。従って、触媒用インクを高分子電解質膜上に塗布する際に、インク中の溶媒の作用によって高分子電解質膜を僅かに溶解又は膨潤させることができ、触媒層と高分子電解質膜の密着性又は接合強度が高くなる。
Further, in the above-described embodiment in which an electrolyte resin is used as one of the resin for ink and the resin for the film and a precursor resin is used as the other, a precursor resin that is insufficiently electrolyzed is used as the precursor resin. It is preferable to use it.
When the precursor resin contains a small amount of proton-conducting groups, the solubility of the precursor resin resembles that of the electrolyte resin. Therefore, in the test prescribed in the condition (2), the polymer resin film It is easy to obtain a solvent having a residual weight ratio of 99% by weight or less. Accordingly, when the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane can be slightly dissolved or swollen by the action of the solvent in the ink, and the adhesion between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane can be reduced. Bonding strength is increased.

インク用樹脂の溶媒中での溶解性又はコロイド分散性を良好なものとする観点から、インク用樹脂として電解質樹脂を用いる場合には、触媒層用インクの溶媒としてジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン又はそれらの混合溶媒よりなる群から溶媒を用いることが好ましく、インク用樹脂として前駆体樹脂を用いる場合には、触媒層用インクの溶媒としてシクロヘキサン、ノルマルヘキサン又はそれらの混合溶媒よりなる群から溶媒を用いることが好ましい。   From the viewpoint of improving the solubility or colloidal dispersibility of the ink resin in the solvent, when an electrolyte resin is used as the ink resin, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone or It is preferable to use a solvent from the group consisting of those mixed solvents. When a precursor resin is used as the resin for the ink, a solvent from the group consisting of cyclohexane, normal hexane or a mixed solvent thereof is used as the solvent for the ink for the catalyst layer. It is preferable to use it.

本発明の一実施形態においては、前記インク用樹脂又は前記膜用樹脂のうち、いずれか一方として用いられる電解質樹脂がスルホン化高分子樹脂であり、他方として用いられる前駆体樹脂が非スルホン化高分子樹脂又はスルホン化が不充分なスルホン化高分子樹脂であり、且つ、前記電解質化工程において、触媒層又は前記高分子樹脂膜に含まれる前駆体樹脂をスルホン化する。   In one embodiment of the present invention, the electrolyte resin used as one of the ink resin or the membrane resin is a sulfonated polymer resin, and the precursor resin used as the other is a non-sulfonated resin. The precursor resin contained in the catalyst layer or the polymer resin film is sulfonated in the electrolyte process in which the molecular resin or the sulfonated polymer resin is insufficiently sulfonated.

本発明の一実施形態においては、前記高分子樹脂膜として、炭化水素系高分子電解質、及び電解質化されることによって当該炭化水素系高分子電解質となる前駆体樹脂よりなる群から選ばれる膜用樹脂からなる高分子樹脂膜を用いることが好ましい。
炭化水素系高分子電解質は、フッ素系電解質樹脂と比べてコストが安価であり、経済的な面で好ましい。また本発明では、触媒層を形成する際に、炭化水素系高分子電解質のガラス転移温度又は軟化点に達するような高温で加熱圧着を行う必要が無いので、触媒層中の電解質樹脂が分解しない。
In one embodiment of the present invention, the polymer resin film is a film selected from the group consisting of a hydrocarbon-based polymer electrolyte and a precursor resin that is converted into an electrolyte to become the hydrocarbon-based polymer electrolyte. It is preferable to use a polymer resin film made of a resin.
Hydrocarbon polymer electrolytes are preferable in terms of economy because they are less expensive than fluorine electrolyte resins. Further, in the present invention, when the catalyst layer is formed, it is not necessary to perform thermocompression bonding at such a high temperature that reaches the glass transition temperature or softening point of the hydrocarbon-based polymer electrolyte, so that the electrolyte resin in the catalyst layer does not decompose. .

本発明によれば、明確に定められた上記条件(1)及び(2)に従って、従来知られている溶媒の中から、触媒層の電解質樹脂及び高分子電解質膜の電解質樹脂の両方に適した溶媒を容易に特定することができる。
上記条件を満足する溶媒を用いて触媒層用インクを調製し、それを高分子電解質膜上に塗布することにより、品質の良い膜・電極接合体を製造することが可能となり、溶媒による高分子電解質膜の劣化や破損に起因する不良品の発生率も低くなる。
また、本発明によれば、高分子電解質膜上に触媒層用インクを塗布する工程において、触媒層用インクに含まれる電解質樹脂か、又は高分子電解質膜を構成する電解質樹脂の代わりに、当該電解質樹脂が電解質化される前の前駆体樹脂を用いることが可能であるから、高分子電解質膜と触媒層中の電解質樹脂を自由に組み合わせることが可能であり、触媒層用インクに用い得る溶剤の選択肢も幅広い。
According to the present invention, in accordance with the conditions (1) and (2) which are clearly defined, among the conventionally known solvents, both the electrolyte resin of the catalyst layer and the electrolyte resin of the polymer electrolyte membrane are suitable. The solvent can be easily identified.
By preparing a catalyst layer ink using a solvent that satisfies the above conditions and applying it to the polymer electrolyte membrane, it becomes possible to produce a high-quality membrane / electrode assembly. The incidence of defective products due to deterioration or breakage of the electrolyte membrane is also reduced.
Further, according to the present invention, in the step of applying the catalyst layer ink on the polymer electrolyte membrane, instead of the electrolyte resin contained in the catalyst layer ink or the electrolyte resin constituting the polymer electrolyte membrane, Since it is possible to use a precursor resin before the electrolyte resin is converted to an electrolyte, it is possible to freely combine the polymer electrolyte membrane and the electrolyte resin in the catalyst layer, and a solvent that can be used for the catalyst layer ink A wide range of options.

図1は、本発明により製造される膜・電極接合体を有する平板状単セル(単セル100)を模式的に示す断面図である。
単セル100は、高分子電解質膜1の一面側に燃料極(アノード)2、及び酸化剤極(カソード)3が設けられた膜・電極接合体6を有している。燃料極2は高分子電解質膜1と対面する側の面に燃料極側触媒層4aを有し、触媒層4aに隣接して燃料極側ガス拡散層5aが積層された構成となっている。酸化剤極3も同様に、高分子電解質膜1と対面する側の面に酸化剤極側触媒層4bを有し、触媒層4bに隣接して酸化剤極側ガス拡散層5bが積層された構成となっている。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a flat unit cell (unit cell 100) having a membrane-electrode assembly manufactured according to the present invention.
The unit cell 100 has a membrane / electrode assembly 6 in which a fuel electrode (anode) 2 and an oxidant electrode (cathode) 3 are provided on one surface side of the polymer electrolyte membrane 1. The fuel electrode 2 has a fuel electrode side catalyst layer 4a on the surface facing the polymer electrolyte membrane 1, and a fuel electrode side gas diffusion layer 5a is laminated adjacent to the catalyst layer 4a. Similarly, the oxidant electrode 3 has an oxidant electrode side catalyst layer 4b on the surface facing the polymer electrolyte membrane 1, and an oxidant electrode side gas diffusion layer 5b is laminated adjacent to the catalyst layer 4b. It has a configuration.

各触媒層4(4a、4b)には、各電極(2,3)における電極反応に対して触媒活性を有する触媒と、電極にプロトン伝導性を付与する電解質樹脂が含有される。触媒層中の電解質樹脂は、プロトン伝導性付与の他、電解質膜と電極の接合性の確保や、触媒の固定化等の機能も有している。尚、本実施形態において、各電極(燃料極、酸化剤極)は、共に、触媒層とガス拡散層とが積層した構造を有しているが、触媒層のみからなる単層構造であってもよいし、触媒層とガス拡散層の他に撥水層等の機能層をさらに設けた構造でもよい。   Each catalyst layer 4 (4a, 4b) contains a catalyst having catalytic activity for the electrode reaction in each electrode (2, 3), and an electrolyte resin that imparts proton conductivity to the electrode. In addition to imparting proton conductivity, the electrolyte resin in the catalyst layer also has functions such as securing the bondability between the electrolyte membrane and the electrode and immobilizing the catalyst. In this embodiment, each electrode (fuel electrode, oxidant electrode) has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated, but has a single-layer structure composed of only the catalyst layer. Alternatively, a structure in which a functional layer such as a water repellent layer is further provided in addition to the catalyst layer and the gas diffusion layer may be used.

この膜・電極接合体6は、二つのセパレータ7a、7bで狭持され、単セル100が構成される。各セパレータ7a、7bの片面には、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を形成する溝が設けられており、これらの溝と燃料極2、酸化剤極3の外面とで燃料ガス流路8a、酸化剤ガス流路8bが画成されている。燃料ガス流路8aは、燃料極2に燃料ガス(水素を含む又は水素を発生させる気体)を供給するための流路であり、酸化剤ガス流路8bは、酸化剤極3に酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させる気体)を供給するための流路である。
このような平板状の単セル100を複数重ねあわせ、固定してセルスタックとし、さらにスタックの周囲をシールしたり、スタックのガス供給口及びガス排出口、それらと各セルのガス流路を接続するマニホールド、各セルから集電する集電部材等の必要な部材や構造を設けて、スタック型の燃料電池が構成される。
The membrane / electrode assembly 6 is sandwiched between two separators 7 a and 7 b to form a single cell 100. On one side of each of the separators 7a and 7b, grooves for forming a flow path of a reaction gas (fuel gas and oxidant gas) are provided. Fuel is formed between these grooves and the outer surfaces of the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 A gas flow path 8a and an oxidant gas flow path 8b are defined. The fuel gas channel 8 a is a channel for supplying a fuel gas (a gas containing hydrogen or generating hydrogen) to the fuel electrode 2, and the oxidant gas channel 8 b is an oxidant gas to the oxidant electrode 3. It is a flow path for supplying (a gas containing or generating oxygen).
A plurality of such flat single cells 100 are stacked and fixed to form a cell stack, and the periphery of the stack is further sealed, and the gas supply port and gas discharge port of the stack and the gas flow path of each cell are connected. A stack type fuel cell is configured by providing necessary members and structures such as a manifold and a current collecting member collecting current from each cell.

本発明は、このような高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟み込んだ構成を有する燃料電池用膜・電極接合体の製造方法であって、電解質樹脂、及び電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂よりなる群から選ばれる膜用樹脂で構成される高分子樹脂膜を準備する、高分子樹脂膜準備工程、電解質樹脂、及び電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂よりなる群から選ばれるインク用樹脂、触媒、及び溶媒、を含有する触媒層用インクを調製する触媒層用インク調製工程、前記触媒層用インク調製工程で得られた触媒層用インクを、前記高分子樹脂膜に塗布して、燃料極側又は酸化剤極側のうち少なくとも一方の触媒層を形成する触媒層形成工程、及び、前記触媒層形成工程で形成された触媒層のインク用樹脂、又は、当該触媒層が積層された高分子樹脂膜を、必要に応じて電解質化する電解質化工程を含む燃料電池用膜・電極接合体の製造方法であって、前記触媒層用インクの溶媒は、下記条件(1)及び(2)に示す溶解能力を備えているものであることを特徴とする、燃料電池用膜・電極接合体の製造方法である。
条件(1):
前記インク用樹脂を当該溶媒中に、溶媒温度を25℃に維持し、インク用樹脂の量を触媒層用インクで用いられる含有割合となるように混合し、溶解又は分散させた時に、完全に溶解又はコロイド分散した状態が2時間以上持続する。
条件(2):
前記高分子樹脂膜を、当該溶媒中に、溶媒温度を25℃に維持して24時間浸漬した時に、膜の重量残存率が80重量%以上となる。
The present invention relates to a method for producing a membrane / electrode assembly for a fuel cell having such a structure in which such a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers, the electrolyte resin, and the electrolyte by being converted into an electrolyte. Preparing a polymer resin film composed of a resin for a film selected from the group consisting of a precursor resin to be a resin, a polymer resin film preparation step, an electrolyte resin, and a precursor to be the electrolyte resin by being electrolyzed A catalyst layer ink preparation step for preparing a catalyst layer ink containing an ink resin, a catalyst, and a solvent selected from the group consisting of a body resin, and the catalyst layer ink obtained in the catalyst layer ink preparation step. A catalyst layer forming step of forming at least one catalyst layer on the fuel electrode side or the oxidant electrode side by coating on the polymer resin film, and the catalyst layer formed in the catalyst layer forming step. A fuel cell membrane / electrode assembly manufacturing method comprising an electrolyzing step for converting a polymer resin film or a polymer resin film on which the catalyst layer is laminated, if necessary, to the catalyst layer The solvent for the ink is a method for producing a membrane / electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the solvent has the dissolving ability shown in the following conditions (1) and (2).
Condition (1):
When the ink resin is maintained in the solvent at a solvent temperature of 25 ° C. and mixed so that the amount of the resin for ink is the content used in the ink for the catalyst layer, and dissolved or dispersed, The dissolved or colloidally dispersed state lasts for 2 hours or more.
Condition (2):
When the polymer resin film is immersed in the solvent for 24 hours while maintaining the solvent temperature at 25 ° C., the weight residual ratio of the film becomes 80% by weight or more.

本発明においては触媒層用インクの溶媒として、上記条件(1)及び条件(2)に示す溶解能力を備えているものを用いる。
上記条件(1)は、諸物性が良好な触媒層を形成するために、インク用樹脂(すなわち塗布時の触媒層用インクに含有される電解質樹脂又はその前駆体樹脂)との関係で必要とされる、溶媒の溶解能力又はコロイド分散能力の程度を規定したものである。
In the present invention, as the solvent for the ink for the catalyst layer, one having the dissolving ability shown in the above conditions (1) and (2) is used.
The above condition (1) is necessary in relation to the resin for ink (that is, the electrolyte resin contained in the catalyst layer ink at the time of coating or its precursor resin) in order to form a catalyst layer having various physical properties. It defines the degree of solvent dissolving ability or colloid dispersing ability.

実際の試験手順は、溶媒にインク用樹脂のみを溶解又は分散させた試験液を、25℃(通常、室温と呼ばれる温度範囲)に維持し、肉眼または光学式粒度分布測定機を用いて観察する。この観察の際に、当該試験液中の樹脂が完全に溶解又はコロイド分散した状態が2時間以上持続する場合には、条件(1)を満足すると判断する。   The actual test procedure is to maintain a test solution in which only the resin for ink is dissolved or dispersed in a solvent at 25 ° C. (usually a temperature range called room temperature) and observe using the naked eye or an optical particle size distribution analyzer. . During this observation, if the resin in the test solution is completely dissolved or colloidally dispersed for 2 hours or longer, it is determined that the condition (1) is satisfied.

試験液は、上記溶媒温度で24時間維持した後でも、条件(1)を満足する溶解またはコロイド分散の安定性が認められることが好ましい。
この試験において、前記試験液中のインク用樹脂の含有割合を10重量%とした時に、上記したような安定した溶解・分散性を示すことが、特に好ましい。
また、試験液中の成分がコロイド分散している場合には、コロイド粒子の平均粒子径が10nm(ナノメートル)〜10μm(マイクロメートル)であることが好ましく、100nm〜1μmであることが特に好ましい。また、コロイド粒子の平均粒子径を測定する方式又は機械としては、赤外光散乱粒度分布測定、及び、レーザードップラー式粒度測定が挙げられる。
It is preferable that the test solution exhibits stability of dissolution or colloidal dispersion satisfying the condition (1) even after being maintained at the above solvent temperature for 24 hours.
In this test, it is particularly preferable that the above-mentioned stable dissolution / dispersibility is exhibited when the content of the resin for ink in the test liquid is 10% by weight.
When the components in the test solution are colloidally dispersed, the average particle size of the colloidal particles is preferably 10 nm (nanometer) to 10 μm (micrometer), and particularly preferably 100 nm to 1 μm. . Examples of the method or machine for measuring the average particle size of colloidal particles include infrared light scattering particle size distribution measurement and laser Doppler particle size measurement.

触媒層用インクの溶媒は、上記条件(1)に加えて、さらに限定した条件(1’)を、満足するものであることが好ましい。
条件(1’):
上記試験液ではなく触媒層用インクを調製し、25℃に維持した時に、当該触媒層用インク中の成分が完全に溶解又はコロイド分散した状態が2時間以上持続する。
It is preferable that the solvent of the ink for the catalyst layer satisfies a further limited condition (1 ′) in addition to the condition (1).
Condition (1 '):
When the catalyst layer ink is prepared instead of the test solution and maintained at 25 ° C., the state in which the components in the catalyst layer ink are completely dissolved or colloidally dispersed lasts for 2 hours or more.

実際の試験手順としては、電解質樹脂又はその前駆体樹脂から選ばれるインク用樹脂及び触媒、さらに必要に応じて他の成分を溶媒中に溶解、分散して触媒層用インクを調製し、得られた触媒層用インクを25℃(通常、室温と呼ばれる温度範囲)に維持し、肉眼または光学式粒度分布測定機を用いて観察する。この観察の際に、当該触媒層用インク中の成分が完全に溶解又はコロイド分散した状態が2時間以上持続する場合には、条件(1’)を満足すると判断する。   The actual test procedure was obtained by preparing an ink for a catalyst layer by dissolving and dispersing an ink resin and a catalyst selected from an electrolyte resin or its precursor resin, and, if necessary, other components in a solvent. The ink for the catalyst layer is maintained at 25 ° C. (usually a temperature range called room temperature), and observed using the naked eye or an optical particle size distribution analyzer. In this observation, if the state in which the components in the ink for the catalyst layer are completely dissolved or colloidally dispersed continues for 2 hours or more, it is determined that the condition (1 ′) is satisfied.

触媒層用インクは、上記溶媒温度で24時間維持した後でも、条件(1)を満足する溶解またはコロイド分散の安定性が認められることが好ましい。
インク中の含有成分がコロイド分散している場合には、コロイド粒子の平均粒子径が上記条件(1)において規定した範囲内であることが好ましい。
It is preferable that the catalyst layer ink exhibits stability of dissolution or colloidal dispersion satisfying the condition (1) even after being maintained at the above solvent temperature for 24 hours.
When the components contained in the ink are colloidally dispersed, the average particle diameter of the colloidal particles is preferably within the range defined in the above condition (1).

条件(1’)は、実際に塗布される触媒層用インクを調製し、試験を行わなければならないのに対して、条件(1)は、溶媒とインク用樹脂だけ用いて試験を行なうことができるので、試験を簡略化できる。
そこで先ず、使用し得る溶媒をスクリーニングする段階で、条件(1)を満たすか否かの比較的簡素な試験を行い、条件(1)を満足すると判定できた溶媒について条件(1’)の試験を行なうことで、条件(1’)の判定を効率よく行うことが可能となる。
The condition (1 ′) requires that the catalyst layer ink to be actually applied be prepared and tested, whereas the condition (1) requires that the test be performed using only the solvent and the ink resin. This can simplify the test.
Therefore, first, at the stage of screening for usable solvents, a relatively simple test is performed to determine whether or not the condition (1) is satisfied, and the condition (1 ′) test is performed on the solvent that can be determined to satisfy the condition (1). This makes it possible to efficiently determine the condition (1 ′).

一方、上記条件(2)は、触媒層用インクを高分子樹脂膜(すなわち電解質樹脂又はその前駆体樹脂からなる膜)に塗布する際の当該高分子樹脂膜の劣化や破損を防止するために、膜用樹脂との関係で必要とされる、溶媒の溶解能力又は膨潤能力の程度を規定したものである。   On the other hand, the above condition (2) is for preventing deterioration or breakage of the polymer resin film when the ink for the catalyst layer is applied to the polymer resin film (that is, a film made of an electrolyte resin or a precursor resin thereof). The degree of solvent dissolving ability or swelling ability required in relation to the membrane resin is defined.

実際の試験手順としては、電解質樹脂又はその前駆体樹脂から選ばれる膜用樹脂により形成された高分子樹脂膜を準備し、その乾燥重量を測定する。次に、この高分子樹脂膜を、溶媒中に完全に隠れるように浸漬し、溶媒温度を25℃(通常、室温と呼ばれる温度範囲)に維持して24時間放置した後、溶媒から取り出し、乾燥し、再び乾燥重量を測定する。試験前の乾燥重量に対する試験後の乾燥重量の割合を算出し、算出された割合を膜の重量残存率と決定し、この重量残存率が80重量%以上となる場合には、条件(2)を満足すると判断する。この重量残存率が85重量%以上となる場合には、特に好ましい。   As an actual test procedure, a polymer resin film formed of a resin for a film selected from an electrolyte resin or a precursor resin thereof is prepared, and its dry weight is measured. Next, the polymer resin film is immersed so as to be completely hidden in the solvent, and is left for 24 hours while maintaining the solvent temperature at 25 ° C. (usually a temperature range called room temperature), then removed from the solvent and dried. The dry weight is measured again. The ratio of the dry weight after the test to the dry weight before the test is calculated, and the calculated ratio is determined as the weight residual ratio of the film. When the weight residual ratio is 80% by weight or more, the condition (2) Is determined to be satisfied. It is particularly preferable when the weight residual ratio is 85% by weight or more.

高分子樹脂膜は、上記条件(2)の試験を行なって決定される重量残存率の値が高いほど、高分子樹脂膜を溶解又は膨潤させる作用が弱く、触媒用インクが塗布されたときの劣化や破損が生じ難くなる。
一方、高分子樹脂膜と触媒層との密着性又は接合強度は、高分子樹脂膜に触媒用インクを塗布したときに、当該高分子樹脂膜の劣化や破損を実質的に生じない範囲内で、当該膜の表面が僅かに溶解又は膨潤したほうが向上する。かかる観点から、上記条件(2)の試験を行なって決定される重量残存率は、99重量%以下であることが好ましい。
The polymer resin film has a lower effect of dissolving or swelling the polymer resin film as the value of the weight residual ratio determined by performing the test of the above condition (2) is higher, and when the catalyst ink is applied. Deterioration and damage are unlikely to occur.
On the other hand, the adhesion or bonding strength between the polymer resin film and the catalyst layer is within a range in which degradation or breakage of the polymer resin film does not substantially occur when a catalyst ink is applied to the polymer resin film. If the surface of the film is slightly dissolved or swelled, the film is improved. From this viewpoint, it is preferable that the weight residual ratio determined by performing the test under the condition (2) is 99% by weight or less.

上記条件(1)及び(2)に従って、触媒層用インクに適した溶媒を容易に特定できる。例えば、所望の溶解作用を有する溶媒を効率よく選択することができる。また、2種以上の溶媒を混合して、所望の溶解作用を発揮する混合比を効率よく決定することができる。本発明において触媒層用インクの溶媒は、2種以上の有機溶媒からなる混合溶媒であってもよいし、2種以上の有機溶媒と水からなる混合溶媒であってもよい。   According to the above conditions (1) and (2), a solvent suitable for the catalyst layer ink can be easily identified. For example, a solvent having a desired dissolving action can be efficiently selected. In addition, it is possible to efficiently determine a mixing ratio that exhibits a desired dissolving action by mixing two or more solvents. In the present invention, the solvent for the catalyst layer ink may be a mixed solvent composed of two or more organic solvents, or a mixed solvent composed of two or more organic solvents and water.

本発明においては、触媒層の電解質樹脂、及び高分子電解質膜の電解質樹脂の両方に適した溶媒に必要な条件を規定した。本発明に規定された条件(1)及び(2)を満たす溶剤は、触媒層の電解質樹脂に対して、諸特性が良好な触媒層を形成し得る充分な溶解能力又はコロイド分散能力を有し、且つ、高分子電解質膜の電解質樹脂に対して、当該電解質膜の劣化や破損を防止し得る低い溶解能力又は膨潤能力を有する。
このような溶媒を用いて触媒層用インクを調製し、それを高分子電解質膜上に塗布することにより、品質の良い膜・電極接合体を製造することが可能となり、溶媒による高分子電解質膜の劣化や破損に起因する不良品の発生率も低くなる。
In the present invention, conditions necessary for a solvent suitable for both the electrolyte resin of the catalyst layer and the electrolyte resin of the polymer electrolyte membrane are defined. The solvent satisfying the conditions (1) and (2) defined in the present invention has sufficient dissolving ability or colloidal dispersion ability to form a catalyst layer having good characteristics with respect to the electrolyte resin of the catalyst layer. And it has the low melt | dissolution ability or swelling ability which can prevent the deterioration and damage of the said electrolyte membrane with respect to the electrolyte resin of a polymer electrolyte membrane.
By preparing an ink for a catalyst layer using such a solvent and applying it to the polymer electrolyte membrane, it becomes possible to produce a high-quality membrane / electrode assembly. The rate of occurrence of defective products due to deterioration or breakage is also reduced.

本発明によれば、明確に定められた上記条件(1)及び(2)に従って、従来知られている溶媒の中から、触媒層の電解質樹脂及び高分子電解質膜の電解質樹脂の両方に適した溶媒を容易に特定することができる。
しかし、触媒層の電解質樹脂及び高分子電解質膜の電解質樹脂の両方に適した溶剤種は、かなり限定される。すなわち、触媒層用インクの電解質樹脂と、高分子電解質膜の電解質樹脂が、たとえ種類の異なる樹脂同士であるとしても、プロトン伝導性基を多量に含んでいる点で共通している。そのため、触媒層用インクの電解質樹脂に対する溶解能力又はコロイド分散能力が高い溶媒は、高分子電解質膜の電解質樹脂に対しても高い親和性を有する傾向があり、高分子電解質膜に対して溶解能力又は膨潤能力が低いものは、それほど数多くない。
According to the present invention, in accordance with the conditions (1) and (2) which are clearly defined, among the conventionally known solvents, both the electrolyte resin of the catalyst layer and the electrolyte resin of the polymer electrolyte membrane are suitable. The solvent can be easily identified.
However, solvent types suitable for both the catalyst layer electrolyte resin and the polymer electrolyte membrane electrolyte resin are quite limited. That is, it is common in that the electrolyte resin of the catalyst layer ink and the electrolyte resin of the polymer electrolyte membrane contain a large amount of proton conductive groups even if they are different types of resins. Therefore, a solvent having a high ability to dissolve or colloidally disperse the catalyst layer ink in the electrolyte resin tends to have a high affinity for the electrolyte resin in the polymer electrolyte membrane, and the ability to dissolve in the polymer electrolyte membrane. Or there are not many that have low swelling ability.

本発明においては、高分子電解質膜と触媒層中の電解質樹脂を自由に組み合わせることを可能にするために、或いは、触媒層用インクに用い得る溶剤の選択を容易にするために、高分子電解質膜上に触媒層用インクを塗布する工程において、触媒層用インクに含まれる電解質樹脂か、又は高分子電解質膜を構成する電解質樹脂の代わりに、当該電解質樹脂が電解質化される前の前駆体樹脂を用いてもよい。
ここで、電解質樹脂が電解質化される前の「前駆体樹脂」とは、電解質化されることによって、膜・電極接合体が完成した状態において高分子電解質膜を構成している電解質樹脂または触媒層に含まれる電解質樹脂となる樹脂である。「前駆体樹脂を電解質化する」とは、全くプロトン伝導性基を含んでいない樹脂(すなわち全く電解質化されていない前駆体樹脂)にプロトン伝導性基を導入することだけでなく、プロトン伝導性基を含んでいるが含有量が少ない樹脂(すなわち電解質化が不充分な前駆体樹脂)に、さらにプロトン伝導性基を導入してプロトン伝導性基の含有量を高くすることも意味する。
In the present invention, in order to make it possible to freely combine the polymer electrolyte membrane and the electrolyte resin in the catalyst layer, or to facilitate the selection of the solvent that can be used in the ink for the catalyst layer, the polymer electrolyte In the step of applying the catalyst layer ink on the membrane, the precursor before the electrolyte resin is converted into an electrolyte instead of the electrolyte resin contained in the catalyst layer ink or the electrolyte resin constituting the polymer electrolyte membrane A resin may be used.
Here, the “precursor resin” before the electrolyte resin is converted into an electrolyte is an electrolyte resin or catalyst that forms a polymer electrolyte membrane in a state where the membrane / electrode assembly is completed by being converted into an electrolyte. It is resin used as electrolyte resin contained in a layer. “Electrification of precursor resin” means not only introduction of proton conductive groups into a resin that does not contain proton conductive groups at all (ie, precursor resin that is not electrolyzed at all), but also proton conductivity. It also means that a proton conductive group is further introduced into a resin containing a group but having a low content (that is, a precursor resin that is insufficiently electrolyzed) to increase the content of the proton conductive group.

溶剤中での高分子樹脂の溶解性、コロイド分散性、及び膨潤性は、高分子樹脂に含まれるプロトン伝導性基の量に従って変動する。例えば、プロトン伝導性基は極性基であるから、ジメチルスルホキシド等の極性有機溶媒は、高分子樹脂中のプロトン伝導性基の含有量が多くなるほど当該高分子樹脂に対する親和性が大きくなり、溶解性、コロイド分散性、及び膨潤性も高くなる傾向がある。一方、シクロヘキサン等の無極性有機溶媒は、高分子樹脂中のプロトン伝導性基の含有量が多くなるほど当該高分子樹脂に対する親和性が小さくなり、溶解性、コロイド分散性、及び膨潤性も低くなる傾向がある。
また、プロトン伝導性基の含有量が多い高分子樹脂に対して親和性が大きく、溶解能力、コロイド分散能力、及び膨潤能力が高い溶媒は、プロトン伝導性基の含有量が少ない高分子樹脂に対して親和性が小さく、溶解能力、コロイド分散能力、及び膨潤能力が低い傾向がある。
The solubility, colloid dispersibility, and swellability of the polymer resin in the solvent vary according to the amount of proton conductive groups contained in the polymer resin. For example, since the proton conductive group is a polar group, polar organic solvents such as dimethyl sulfoxide have higher affinity for the polymer resin as the content of the proton conductive group in the polymer resin increases, and the solubility is increased. , Colloidal dispersibility and swelling properties tend to be high. On the other hand, non-polar organic solvents such as cyclohexane have a lower affinity for the polymer resin as the proton conductive group content in the polymer resin increases, and the solubility, colloidal dispersibility, and swellability also decrease. Tend.
In addition, a solvent having a high affinity for a polymer resin having a high proton-conducting group content and a high solubility, colloid dispersion ability, and swelling ability can be applied to a polymer resin having a low proton-conducting group content. On the other hand, it has a low affinity and tends to have a low dissolving ability, colloid dispersing ability, and swelling ability.

この性質を利用し、高分子電解質膜上に触媒層用インクを塗布する工程において、触媒層用インクに含まれる電解質樹脂か、又は高分子電解質膜を構成する電解質樹脂のうち、どちらか一方の代わりに、当該電解質樹脂が電解質化される前の前駆体樹脂(すなわちプロトン伝導性基を全く含有しないか不充分な量しか含有していない樹脂)を用い、他方には、すでに充分に電解質化された電解質樹脂(すなわち充分な量のプロトン伝導性基を含有している樹脂)を用いる。
すると、インク用樹脂として電解質樹脂を用い、膜用樹脂として前駆体樹脂を用いる場合、或いは逆に、インク用樹脂として前駆体樹脂を用い、膜用樹脂として電解質樹脂を用いる場合のいずれにおいても、触媒層用インク中でインク用樹脂を安定に溶解又はコロイド分散させている溶媒は、膜用樹脂に対しては低い溶解作用又は膨潤作用しか示さないので、高分子樹脂膜の劣化や破損が生じない。
触媒層用インクを高分子樹脂膜上に塗布し、乾燥させて触媒層を形成した後、インク用樹脂又は膜用樹脂のどちらかに用いられた前駆体樹脂を電解質化することによって、高分子電解質膜上に、電解質樹脂を含有する触媒層が積層した中間製造物が得られる。通常は、この中間製造物の触媒層上に、さらにガス拡散層を積層することによって、高分子電解質膜の両面に、触媒層とガス拡散層を有する電極を備えた膜・電極接合体とする。
Utilizing this property, in the step of applying the catalyst layer ink on the polymer electrolyte membrane, either the electrolyte resin contained in the catalyst layer ink or the electrolyte resin constituting the polymer electrolyte membrane is used. Instead, a precursor resin (that is, a resin containing no proton-conducting group or containing an insufficient amount) is used before the electrolyte resin is electrolyzed, and the other is already sufficiently electrolyzed. Used electrolyte resin (that is, a resin containing a sufficient amount of proton conductive groups).
Then, when using an electrolyte resin as an ink resin and using a precursor resin as a film resin, or conversely, using a precursor resin as an ink resin and using an electrolyte resin as a film resin, A solvent in which the ink resin is stably dissolved or colloidally dispersed in the ink for the catalyst layer exhibits only a low dissolving action or swelling action with respect to the resin for the film, so that the polymer resin film is deteriorated or damaged. Absent.
After the catalyst layer ink is applied on the polymer resin film and dried to form a catalyst layer, the precursor resin used in either the ink resin or the film resin is electrolyzed to form a polymer. An intermediate product is obtained in which a catalyst layer containing an electrolyte resin is laminated on the electrolyte membrane. Usually, a gas / diffusion layer is further laminated on the catalyst layer of the intermediate product to form a membrane / electrode assembly having electrodes having a catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of the polymer electrolyte membrane. .

本発明においては、高分子樹脂膜上に触媒層用インクを塗布する触媒層形成工程において、膜用樹脂とインク用樹脂を、次のように組み合わせることができる。
(1)膜用樹脂及びインク用樹脂として両方とも電解質樹脂を用いる。
(2)膜用樹脂及びインク用樹脂として両方とも前駆体樹脂を用いる。
(3)膜用樹脂として電解質樹脂を用い、インク用樹脂として前駆体樹脂を用いる。
(4)膜用樹脂として前駆体樹脂を用い、インク用樹脂として電解質樹脂を用いる。
これらの組み合わせのうち、第一の組み合わせを除く他の3つの組み合わせの場合には、少なくとも一方に前駆体樹脂を用いるので、触媒層形成工程で得られた中間製造物に電解質化処理を行う必要がある。なお、第一の組み合わせから得られた中間製造物に対しても、さらにプロトン伝導性を高めるために電解質化処理を行ってよい。
In the present invention, in the catalyst layer forming step of applying the catalyst layer ink on the polymer resin film, the film resin and the ink resin can be combined as follows.
(1) An electrolyte resin is used as both the film resin and the ink resin.
(2) A precursor resin is used for both the film resin and the ink resin.
(3) An electrolyte resin is used as the resin for the film, and a precursor resin is used as the resin for the ink.
(4) A precursor resin is used as the film resin, and an electrolyte resin is used as the ink resin.
Among these combinations, in the case of the other three combinations excluding the first combination, since the precursor resin is used for at least one of them, it is necessary to subject the intermediate product obtained in the catalyst layer forming step to the electrolytic treatment. There is. It should be noted that the intermediate product obtained from the first combination may be subjected to an electrolytic treatment in order to further improve proton conductivity.

通常、上記電解質化処理を行った後の中間製造物に含まれる高分子電解質膜を、前記条件(2)に規定する試験方法に従って触媒層用インクで用いた溶媒中に浸漬すると、浸漬後の重量残存率が、電解質化工程を行う前の高分子樹脂膜の重量残存率よりも小さくなる。触媒層形成工程後に電解質化工程を行うことにより、中間製造物に含まれる高分子電解質膜、及び触媒層中に存在する電解質樹脂の両方とも、プロトン伝導性基を豊富に含有することになるので、これら2つの部位に存在する電解質樹脂の溶媒に対する溶解性が近づくためである。
しかし、触媒層用インクの塗工が終わり、塗膜を乾燥させた後であれば、触媒用インクで用いた溶媒に対する高分子樹脂膜の重量残存率が小さくなっても、膜の劣化や破損を生じるおそれがないので問題ない。
本発明は、このようにプロトン伝導性基を豊富に含有する状態では溶媒に対する溶解性が接近している樹脂同士の一方を膜用樹脂として用い、他方をインク用樹脂として用いる場合に、利用価値が高い。
Usually, when the polymer electrolyte membrane contained in the intermediate product after the electrolyzing treatment is immersed in the solvent used in the ink for the catalyst layer according to the test method defined in the condition (2), The weight residual ratio becomes smaller than the weight residual ratio of the polymer resin film before performing the electrolytic step. By performing the electrolyzing step after the catalyst layer forming step, both the polymer electrolyte membrane contained in the intermediate product and the electrolyte resin present in the catalyst layer will contain abundant proton conductive groups. This is because the solubility of the electrolyte resin present in these two parts to the solvent approaches.
However, after the application of the ink for the catalyst layer is finished and the coating film is dried, even if the weight residual ratio of the polymer resin film to the solvent used in the catalyst ink is reduced, the film is deteriorated or damaged. There is no problem because there is no possibility of generating.
The present invention has a utility value when one of the resins close to solubility in a solvent is used as a membrane resin and the other is used as an ink resin in such a state containing abundant proton conductive groups. Is expensive.

以上のようにして得られた膜・電極接合体に、必要に応じてセパレータや集電体等の部材を取付けて単セルを作製し、さらに複数の単セルを集合させて燃料電池を構成することができる。   The membrane / electrode assembly obtained as described above is attached with a member such as a separator or a current collector as necessary to produce a single cell, and a plurality of single cells are assembled to constitute a fuel cell. be able to.

以下、本発明の製造方法の代表的な実施形態を幾つか挙げ、各実施形態について図面を参照しながら説明する。
1.第一の実施形態
図2は、高分子樹脂膜に触媒層用インクを塗布する触媒層形成工程において、高分子電解質膜(すなわち、すでに充分な量のプロトン伝導性基を含有する電解質樹脂を膜用樹脂として用いた高分子樹脂膜)、及び、電解質樹脂を含有する触媒層用インク(すなわち、すでに充分な量のプロトン伝導性基を含有する電解質樹脂をインク用樹脂として用いたインク)を用い、平板状の膜・電極接合体を製造する方法の一例を説明した工程図である。
Hereinafter, some typical embodiments of the manufacturing method of the present invention will be listed, and each embodiment will be described with reference to the drawings.
1. First Embodiment FIG. 2 shows a polymer electrolyte membrane (that is, an electrolyte resin that already contains a sufficient amount of proton-conducting groups as a membrane) in a catalyst layer forming step of applying a catalyst layer ink to a polymer resin membrane. Polymer resin film used as a resin for resin) and an ink for a catalyst layer containing an electrolyte resin (that is, an ink using an electrolyte resin already containing a sufficient amount of proton conductive groups as a resin for an ink) It is process drawing explaining an example of the method of manufacturing a flat membrane-electrode assembly.

本実施形態においては、先ず、手順1に示すように、触媒層用インクを塗布する高分子樹脂膜として、高分子電解質膜を準備する。
本発明においては、高分子樹脂膜の膜用樹脂として、電解質樹脂以外に、電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂を用いることができるが、本実施形態においては、すでに充分な量のプロトン伝導性基を含有する電解質樹脂からなる高分子電解質膜を用いる。
In this embodiment, first, as shown in Procedure 1, a polymer electrolyte membrane is prepared as a polymer resin membrane to which the catalyst layer ink is applied.
In the present invention, as the resin for the polymer resin film, in addition to the electrolyte resin, a precursor resin that becomes the electrolyte resin by being converted to an electrolyte can be used. A polymer electrolyte membrane made of an electrolyte resin containing a quantity of proton conductive groups is used.

高分子電解質膜としては、プロトンを伝導することが可能な電解質樹脂により構成されているものであればよく、特に限定されるものではない。通常は、いわゆる固体高分子電解質膜として知られているもの、例えば、含フッ素高分子或いは非フッ素系炭化水素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、リン酸基等のプロトン交換基を有するものが用いられる。より具体的には、パーフルオロカーボンスルホン酸(例えば、商品名ナフィオン、デュポン社製)が挙げられる。
フッ素を全く含まないか或いは少量しか含まない炭化水素系高分子電解質は、フッ素系電解質樹脂と比べてコストが安価であり、経済的な面で好ましい。また、高分子電解質膜の材料として炭化水素系高分子電解質を用い、触媒層を炭化水素系高分子電解質上に加熱圧着する場合には、圧着温度を、炭化水素系高分子電解質のガラス転移温度又は軟化点に達するような高温にする必要があるが、本発明では、高分子電解質膜上に塗布法により触媒層を形成するので、そのような高温の圧着温度によって触媒層中の電解質樹脂が分解するおそれがない。
The polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is made of an electrolyte resin capable of conducting protons. Usually, what is known as a so-called solid polymer electrolyte membrane, for example, at least a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, etc. with a fluorinated polymer or a non-fluorinated hydrocarbon polymer as a skeleton Those having a proton exchange group of More specifically, perfluorocarbon sulfonic acid (for example, trade name Nafion, manufactured by DuPont) may be mentioned.
A hydrocarbon polymer electrolyte containing no or only a small amount of fluorine is less expensive than a fluorine electrolyte resin and is preferable from an economical viewpoint. In addition, when a hydrocarbon polymer electrolyte is used as the material of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer is heat-pressed onto the hydrocarbon polymer electrolyte, the pressure bonding temperature is the glass transition temperature of the hydrocarbon polymer electrolyte. Alternatively, it is necessary to set the temperature so as to reach the softening point. However, in the present invention, the catalyst layer is formed on the polymer electrolyte membrane by a coating method. There is no risk of disassembly.

従って本発明においては、炭化水素系高分子電解質膜が、好ましく用いられる。ここで、炭化水素系高分子電解質とは、炭素と水素からなる高分子の主鎖と、イオン交換基とを有するものであり、ナフィオン(商品名、デュポン社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される主鎖及び側鎖の水素が全てフッ素で置換されたフッ素系高分子電解質は含まれない。但し、本発明による効果が得られることから、炭化水素系高分子電解質には、部分的にフッ素置換されているものや、フッ素以外の異種原子を含んでいるものが含まれる。イオン交換基としては、フッ素系高分子電解質の場合と同様に、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、水酸基等が挙げられる。
炭化水素系高分子電解質として、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン、ポリアリールエーテル等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチックにスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン伝導性基を導入したもの等が挙げられる。
Therefore, in the present invention, a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane is preferably used. Here, the hydrocarbon polymer electrolyte has a polymer main chain composed of carbon and hydrogen and an ion exchange group, and is a perfluorocarbon sulfonic acid resin such as Nafion (trade name, manufactured by DuPont). Fluorine polymer electrolytes in which the main chain and side chain hydrogen represented by the membrane are all substituted with fluorine are not included. However, since the effects of the present invention can be obtained, the hydrocarbon-based polymer electrolyte includes those partially substituted with fluorine and those containing hetero atoms other than fluorine. Examples of the ion exchange group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a boronic acid group, a phosphonic acid group, and a hydroxyl group as in the case of the fluorine-based polymer electrolyte.
Specific examples of hydrocarbon polymer electrolytes include engineering plastics such as polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyparaphenylene, and polyaryl ether, polyethylene, polypropylene, and polystyrene. And those obtained by introducing a proton conductive group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, or a boronic acid group into a general-purpose plastic.

高分子電解質膜は、上記したような高分子電解質を2種以上含有する樹脂、或いは、高分子電解質以外の成分を含有する樹脂で構成されていても良い。
高分子電解質膜は、上記したような電解質樹脂の溶液を用いるキャスト法により作製することができるが、すでに成膜された市販品を用いることもできる。電解質膜の膜厚は、特に限定されず、15〜60μm程度とすればよい。
The polymer electrolyte membrane may be composed of a resin containing two or more kinds of polymer electrolytes as described above, or a resin containing components other than the polymer electrolyte.
The polymer electrolyte membrane can be produced by a casting method using the above-described electrolyte resin solution, but a commercially available product already formed can also be used. The film thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, and may be about 15 to 60 μm.

一方、手順2に示すように、上記高分子電解質膜の準備とは別に、触媒層用インクが調製される。本発明においては、触媒層用インクのインク用樹脂として、電解質樹脂以外に、電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂を用いることができるが、本実施形態においては、すでに充分な量のプロトン伝導性基を含有する電解質樹脂を用いて触媒層用インクを調製する。
触媒層用インクに含有される電解質樹脂は、通常、上記高分子電解質膜に用いられる高分子電解質のなかから選ばれるが、本発明においては、触媒層用インク中に電解質樹脂が均一に溶解又はコロイド分散し、一方、高分子電解質膜を構成する電解質樹脂は触媒層用インクの溶媒により溶解又は膨潤しにくくする観点から、高分子電解質膜を構成する電解質樹脂とは高分子構造及び/又は樹脂組成の異なる電解質樹脂を、触媒層用インクに用いることが好ましい。
また、触媒層用インクには、電解質樹脂以外の樹脂、例えば、撥水性高分子や結着剤等その他の高分子材料を含有させてもよい。
On the other hand, as shown in Procedure 2, separately from the preparation of the polymer electrolyte membrane, a catalyst layer ink is prepared. In the present invention, as the resin for the ink of the catalyst layer ink, in addition to the electrolyte resin, a precursor resin that becomes the electrolyte resin by being converted to an electrolyte can be used. A catalyst layer ink is prepared using an electrolyte resin containing an amount of proton conductive groups.
The electrolyte resin contained in the catalyst layer ink is usually selected from the polymer electrolytes used in the polymer electrolyte membrane. In the present invention, the electrolyte resin is uniformly dissolved in the catalyst layer ink. From the viewpoint of making the electrolyte resin constituting the polymer electrolyte membrane colloidally dispersed and difficult to dissolve or swell by the solvent of the catalyst layer ink, the electrolyte resin constituting the polymer electrolyte membrane is a polymer structure and / or resin. It is preferable to use electrolyte resins having different compositions for the ink for the catalyst layer.
Further, the catalyst layer ink may contain a resin other than the electrolyte resin, for example, other polymer materials such as a water-repellent polymer and a binder.

触媒材料としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。触媒成分としては、燃料極における水素の酸化反応、酸化剤極における酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、又は、ルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン等の金属と白金との合金等を用いることができる。   As the catalyst material, catalyst particles in which a catalyst component is supported on a conductive material such as a carbon material such as carbonaceous particles or carbonaceous fibers are preferably used. The catalyst component is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the hydrogen oxidation reaction at the fuel electrode and the oxygen reduction reaction at the oxidant electrode. For example, platinum, ruthenium, iron, nickel, manganese An alloy of a metal such as platinum and the like can be used.

触媒層用インクは上記電解質樹脂と触媒材料、さらに必要に応じてその他の成分を、溶媒に混合・分散させることにより得られる。
本実施形態のように、高分子電解質膜上に、電解質樹脂を含有する触媒層用インクを塗布する場合には、極性がそれほど大きくない極性溶媒が、上記条件(1)及び(2)を満足する溶媒として用いられる。
極性が大きすぎる溶媒は、触媒層用インクに電解質樹脂を安定に溶解又はコロイド分散させることができ、上記条件(1)を満足するが、高分子電解質膜に対する溶解能力又は膨潤能力が大きすぎるので、上記条件(2)を満足することができず、樹脂膜の劣化や破損を生じやすい。
一方、極性が小さすぎる溶媒は、高分子電解質膜に対する溶解性又は膨潤性が小さいので、上記条件(2)を満足するが、触媒層用インクに電解質樹脂を安定に溶解又はコロイド分散させることができず、上記条件(1)を満足することができない。
The ink for the catalyst layer is obtained by mixing and dispersing the electrolyte resin, the catalyst material, and other components as required in a solvent.
When the catalyst layer ink containing the electrolyte resin is applied on the polymer electrolyte membrane as in the present embodiment, the polar solvent not having a very large polarity satisfies the above conditions (1) and (2). Used as a solvent.
A solvent having a too large polarity can stably dissolve or colloidally disperse the electrolyte resin in the ink for the catalyst layer, and satisfies the above condition (1), but has a too high dissolving ability or swelling ability with respect to the polymer electrolyte membrane. The condition (2) cannot be satisfied, and the resin film is likely to be deteriorated or broken.
On the other hand, a solvent having too small polarity satisfies the above condition (2) because it has low solubility or swelling property with respect to the polymer electrolyte membrane, but it is possible to stably dissolve or colloidally disperse the electrolyte resin in the catalyst layer ink. It is not possible to satisfy the above condition (1).

具体的には、例えば、エタノールと水の混合溶媒や、メタノールと水の混合溶媒、プロパノールと水との混合溶媒、エタノールとブタノールと水の混合溶媒等が挙げられる。混合溶媒中での各溶媒成分の濃度は、エタノールと水の混合溶媒の場合、通常、エタノール:水=0.5:1〜3:1の体積比で混合される。
触媒層用インク中の各成分の濃度は、特に限定されるものではなく、電解質樹脂を0.05〜5重量%、触媒成分を0.01〜10重量%程度とすればよい。触媒層用インクの固形分濃度は塗布方法に合わせて調整され、固形分濃度によって当該インクの流動性を、粘性が大きいペースト状から粘性が小さくて水に近い流動性を有する液状まで適宜調節される。
Specific examples include a mixed solvent of ethanol and water, a mixed solvent of methanol and water, a mixed solvent of propanol and water, a mixed solvent of ethanol, butanol and water. In the case of a mixed solvent of ethanol and water, the concentration of each solvent component in the mixed solvent is usually mixed at a volume ratio of ethanol: water = 0.5: 1 to 3: 1.
The concentration of each component in the catalyst layer ink is not particularly limited, and may be 0.05 to 5% by weight of the electrolyte resin and 0.01 to 10% by weight of the catalyst component. The solid content concentration of the ink for the catalyst layer is adjusted according to the application method, and the fluidity of the ink is appropriately adjusted depending on the solid content concentration from a paste with a high viscosity to a liquid with a low viscosity and a fluidity close to water. The

次に、手順3に示すように、触媒層用インク4’を、高分子電解質膜1の表面に塗布する。手順3は、先端にノズルを有したスプレーガン10から高分子電解質膜1に向けて触媒層用インク4’を噴霧する様子を示している。
電解質膜に触媒層用インクを塗布する方法としては、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、刷毛塗り、ダイコート法等が挙げられ、特に限定されるものではないが、スプレー法が特に好ましい。スプレー法は、触媒層用インクを高分子電解質膜の表面に均一に塗布することができるほか、噴霧時に溶媒の蒸発が促進されるため、より電解質膜の膨潤を抑制することができる。
塗布の際には、触媒層の単位面積あたりの触媒成分量が0.01〜5mg/cm程度となるように塗布量を調節することが好ましい。
Next, as shown in Procedure 3, the catalyst layer ink 4 ′ is applied to the surface of the polymer electrolyte membrane 1. Procedure 3 shows a state where the ink 4 ′ for the catalyst layer is sprayed from the spray gun 10 having a nozzle at the tip toward the polymer electrolyte membrane 1.
Examples of the method for applying the ink for the catalyst layer to the electrolyte membrane include, but are not limited to, a spray method, a screen printing method, a brush coating method, a die coating method, and the like, but the spray method is particularly preferable. The spray method can uniformly apply the ink for the catalyst layer to the surface of the polymer electrolyte membrane, and further promotes the evaporation of the solvent during spraying, so that the swelling of the electrolyte membrane can be further suppressed.
In application, it is preferable to adjust the application amount so that the amount of the catalyst component per unit area of the catalyst layer is about 0.01 to 5 mg / cm 2 .

次に、手順4に示すように、インクの塗膜を乾燥させて、高分子電解質膜の片面に触媒層(この例では燃料極側触媒層4a)を設けた中間製造物を得る。
次に、手順5に示すように、高分子電解質膜の他方の面にも、触媒層を形成し、高分子電解質膜1の両面に触媒層4a、4bを積層した中間製造物を得る。他面側の触媒層は、上記手順1〜4に示す方法で形成してもよいし、本発明の方法以外の方法で形成してもよい。
本実施形態においては、高分子電解質膜上に、電解質樹脂を含有する触媒層を有する中間製造物が得られるので、当該中間製造物に対して電解質化処理を行う必要はないが、高分子電解質膜及び/又は触媒層のプロトン伝導性をさらに高くするために、後述するような電解質化処理を行ってもよい。
Next, as shown in Procedure 4, the ink coating is dried to obtain an intermediate product in which a catalyst layer (in this example, the fuel electrode side catalyst layer 4a) is provided on one side of the polymer electrolyte membrane.
Next, as shown in procedure 5, a catalyst layer is formed also on the other surface of the polymer electrolyte membrane, and an intermediate product in which the catalyst layers 4a and 4b are laminated on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 is obtained. The catalyst layer on the other side may be formed by the method shown in the above procedures 1 to 4, or may be formed by a method other than the method of the present invention.
In this embodiment, since an intermediate product having a catalyst layer containing an electrolyte resin is obtained on the polymer electrolyte membrane, it is not necessary to subject the intermediate product to an electrolytic treatment, but the polymer electrolyte In order to further increase the proton conductivity of the membrane and / or the catalyst layer, an electrolytic treatment as described later may be performed.

高分子電解質膜の表面に形成された触媒層4a、4b上には、通常、ガス拡散層5a、5bが形成される。ガス拡散層としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの導電性多孔質体の表面をポリテトラフルオロエチレン等によってコーティングすることで撥水化したものを挙げることができ、これらは燃料極ガス拡散層及び酸化剤極ガス拡散層の何れにも用いることができる。触媒層が形成された電解質膜を2枚のガス拡散層で挟持、接合することによって、膜−電極接合体6が得られる。
得られた膜−電極接合体は、一般的な方法によりセパレータで挟持することによって平板状単セルとし、当該単セルを複数積層することによってスタック型燃料電池が得られる。
Gas diffusion layers 5a and 5b are usually formed on the catalyst layers 4a and 4b formed on the surface of the polymer electrolyte membrane. Examples of the gas diffusion layer include those made water-repellent by coating the surface of a conductive porous material such as carbon paper, carbon cloth, carbon felt with polytetrafluoroethylene. It can be used for both the diffusion layer and the oxidant electrode gas diffusion layer. The membrane-electrode assembly 6 is obtained by sandwiching and joining the electrolyte membrane on which the catalyst layer is formed between two gas diffusion layers.
The obtained membrane-electrode assembly is made into a flat single cell by sandwiching with a separator by a general method, and a stack type fuel cell is obtained by stacking a plurality of the single cells.

2.第二の実施形態
図3は、高分子樹脂膜に触媒層用インクを塗布する触媒層形成工程において、高分子電解質膜(すなわち、すでに充分な量のプロトン伝導性基を含有する電解質樹脂を膜用樹脂として用いた高分子樹脂膜)、及び、電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂を含有する触媒層用インク(すなわち、プロトン伝導性基を全く含有しないか又は少量だけ含有する樹脂をインク用樹脂として用いたインク)を用い、平板状の膜・電極接合体を製造する方法の一例を説明した工程図である。
2. Second Embodiment FIG. 3 shows a polymer electrolyte membrane (that is, an electrolyte resin that already contains a sufficient amount of proton-conducting groups as a membrane) in the catalyst layer forming step of applying the catalyst layer ink to the polymer resin membrane. Polymer resin film used as a resin for a catalyst) and an ink for a catalyst layer containing a precursor resin that becomes an electrolyte resin when converted into an electrolyte (that is, it contains no or only a small amount of proton conductive groups) FIG. 6 is a process diagram illustrating an example of a method for manufacturing a flat membrane / electrode assembly using an ink using a resin to be used as an ink resin.

本実施形態においては、先ず手順1に示すように、高分子電解質膜を準備する。本発明においては、高分子樹脂膜の膜用樹脂として、電解質樹脂以外に前駆体樹脂を用いることができるが、本実施形態においては、すでに充分な量のプロトン伝導性基を含有する電解質樹脂からなる高分子樹脂膜、すなわち高分子電解質膜を用いる。本実施形態では、前述した第一実施形態で用いる高分子電解質膜と同様のものを用い得る。   In this embodiment, first, as shown in Procedure 1, a polymer electrolyte membrane is prepared. In the present invention, a precursor resin can be used in addition to the electrolyte resin as the membrane resin for the polymer resin film, but in the present embodiment, the electrolyte resin already contains a sufficient amount of proton conductive groups. A polymer resin film, that is, a polymer electrolyte film is used. In the present embodiment, the same polymer electrolyte membrane used in the first embodiment described above can be used.

一方、手順2に示すように、上記高分子電解質膜の準備とは別に、触媒層用インクが調製される。本実施形態においては、インク用樹脂として電解質樹脂を用いるのではなく、前駆体樹脂を用いて触媒層用インクを調製する。
前駆体樹脂としては、上述したような高分子電解質と共通する高分子骨格を有するが、プロトン伝導性基を全く含有しないか、又は、少量しか含有しないものを用いることができる。
On the other hand, as shown in Procedure 2, separately from the preparation of the polymer electrolyte membrane, a catalyst layer ink is prepared. In this embodiment, instead of using an electrolyte resin as the ink resin, the catalyst layer ink is prepared using a precursor resin.
As the precursor resin, a resin having a polymer skeleton common to the polymer electrolyte as described above, but containing no proton conductive group or containing only a small amount can be used.

具体的には、パーフルオロカーボンのような含フッ素系高分子そのもの、又は、当該含フッ素系高分子に、最終的に必要な含有量と比べて少量のプロトン伝導性基を含有するだけの含フッ素系前駆体樹脂が挙げられる。
また、別の例としては、フッ素を全く含まないか或いは少量しか含まない炭化水素系高分子そのもの、又は、当該炭化水素系高分子に、最終的に必要な含有量と比べて少量のプロトン伝導性基を含有するだけの炭化水素系前駆体樹脂が挙げられる。炭化水素系高分子の具体例としては、上記第一実施形態において説明したような、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン、ポリアリールエーテル等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等が挙げられる。
Specifically, the fluorine-containing polymer itself, such as perfluorocarbon, or the fluorine-containing polymer containing only a small amount of proton-conducting groups in the fluorine-containing polymer in comparison with the finally required content. System precursor resin.
As another example, the hydrocarbon polymer itself containing little or only a small amount of fluorine, or the proton conductivity of a small amount of the hydrocarbon polymer in comparison with the finally required content. Examples thereof include hydrocarbon precursor resins that only contain a functional group. Specific examples of the hydrocarbon-based polymer include polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyparaphenylene, and polyaryl ether as described in the first embodiment. Examples include engineering plastics and general-purpose plastics such as polyethylene, polypropylene, and polystyrene.

本実施形態において、インク用樹脂としてプロトン伝導性基を全く含有していない前駆体樹脂を用いる場合、当該前駆体樹脂を溶解又はコロイド分散させるのに適した溶媒は、高分子電解質膜を溶解又は膨潤させる作用が極めて弱い。そのため、条件(2)に規定する試験において、高分子樹脂膜の重量残存率が80重量%以上となる溶剤が得られやすくなる。
従って、プロトン伝導性基を全く含有していない前駆体樹脂、及び当該前駆体樹脂を溶解又はコロイド分散させるのに適した溶媒を用いて触媒用インクを調製し、得られた触媒用インクを高分子電解質膜上に塗布することによって、高分子電解質膜の劣化や破損を生じさせずに、且つ、高分子電解質膜と密着性が良好な触媒層を形成することができる。
In the present embodiment, when a precursor resin that does not contain any proton conductive group is used as the resin for ink, a solvent suitable for dissolving or colloidally dispersing the precursor resin may dissolve the polymer electrolyte membrane or Swelling action is extremely weak. Therefore, in the test specified in the condition (2), it is easy to obtain a solvent in which the weight residual ratio of the polymer resin film is 80% by weight or more.
Therefore, a catalyst ink is prepared using a precursor resin that does not contain any proton-conducting groups and a solvent that is suitable for dissolving or colloidally dispersing the precursor resin. By applying on the molecular electrolyte membrane, a catalyst layer having good adhesion to the polymer electrolyte membrane can be formed without causing deterioration or breakage of the polymer electrolyte membrane.

本実施形態においては、インク用樹脂として、不充分ではあるが電解質化されている前駆体樹脂、すなわち、最終的に必要なプロトン伝導性基の含有量には到達していないが、プロトン伝導性基を含有している前駆体樹脂を用いることが好ましい。
前駆体樹脂に溶媒を接触させたときの溶解性は、当該前駆体樹脂にプロトン伝導性基を導入する前と比べて、導入した後のほうが高分子電解質膜の溶解性に似てくる。そのため、条件(2)に規定する試験において、高分子樹脂膜の重量残存率が99重量%以下となる溶剤が得られやすくなる。
従って、少量のプロトン伝導性基を含有している前駆体樹脂、及び当該前駆体樹脂を溶解又はコロイド分散させるのに適した溶媒を用いて触媒用インクを調製し、得られた触媒用インクを高分子電解質膜上に塗布することによって、インク中の溶媒の作用によって高分子電解質膜を僅かに溶解又は膨潤させることができ、触媒層と高分子電解質膜の密着性又は接合強度が高くなる。
In the present embodiment, the precursor resin that is insufficiently electrolyzed as the resin for the ink, that is, the content of the proton conductive group that is finally required is not reached, but the proton conductivity It is preferable to use a precursor resin containing a group.
The solubility when the solvent is brought into contact with the precursor resin is more similar to the solubility of the polymer electrolyte membrane after the introduction than when the proton conductive group is introduced into the precursor resin. Therefore, in the test specified in the condition (2), it is easy to obtain a solvent in which the polymer resin film has a weight residual ratio of 99% by weight or less.
Accordingly, a catalyst ink is prepared using a precursor resin containing a small amount of proton-conducting groups and a solvent suitable for dissolving or colloidally dispersing the precursor resin. By applying on the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane can be slightly dissolved or swollen by the action of the solvent in the ink, and the adhesion or bonding strength between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane is increased.

触媒層用インクは上記インク用樹脂と触媒材料、さらに必要に応じてその他の成分を、溶媒に混合・分散させることにより得られる。触媒材料としては、第一実施形態と同様のものを用いればよい。また、他の成分としては、撥水性高分子や結着剤等を含有させてよい。   The ink for the catalyst layer is obtained by mixing and dispersing the above resin for ink, the catalyst material, and, if necessary, other components in a solvent. As the catalyst material, the same material as in the first embodiment may be used. Further, as other components, a water-repellent polymer, a binder and the like may be contained.

本実施形態のように、高分子電解質膜上に、インク用樹脂として前駆体樹脂を含有する触媒層用インクを塗布する場合には、無極性溶媒又は比較的極性が小さい溶媒が、上記条件(1)及び(2)を満足する溶媒として用いられる。
無極性溶媒又は比較的極性が小さい溶媒を用いることにより、プロトン伝導性基を全く含有しないか又は少量のみ含有する前駆体樹脂を触媒層用インク中に安定に溶解又はコロイド分散させることができ、上記条件(1)を満足する。また、無極性溶媒又は比較的極性が小さい溶媒は、プロトン伝導性基を豊富に含有する高分子電解質膜に対する溶解能力又は膨潤能力が小さいので、上記条件(2)も満足する。
When the catalyst layer ink containing the precursor resin as the ink resin is applied on the polymer electrolyte membrane as in the present embodiment, the nonpolar solvent or the solvent having a relatively small polarity is the above condition ( It is used as a solvent satisfying 1) and (2).
By using a nonpolar solvent or a solvent having a relatively small polarity, a precursor resin containing no proton conductive group or containing only a small amount can be stably dissolved or colloidally dispersed in the ink for the catalyst layer. The above condition (1) is satisfied. In addition, since the nonpolar solvent or the solvent having a relatively small polarity has a small dissolving ability or swelling ability with respect to the polymer electrolyte membrane containing abundant proton conductive groups, the above condition (2) is also satisfied.

本実施形態において好適に用い得る溶媒としては、例えば、シクロヘキサン、ノルマルヘキサン等の無極性有機溶媒、比較的極性が小さい極性有機溶媒、及び、それらのなかから選ばれる任意の溶剤を組み合わせた混合溶媒が挙げられる。   As a solvent that can be suitably used in the present embodiment, for example, a nonpolar organic solvent such as cyclohexane or normal hexane, a polar organic solvent having a relatively small polarity, and a mixed solvent in which any solvent selected from them is combined. Is mentioned.

次に、手順3〜5に示すように、高分子電解質膜1の両面に触媒層用インク4’を塗布し、乾燥させて触媒層4a、4bを形成する。手順3〜5は、上述した第一実施形態と同様に行なえばよい。   Next, as shown in procedures 3 to 5, the catalyst layer ink 4 'is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 and dried to form catalyst layers 4a and 4b. Procedures 3 to 5 may be performed in the same manner as in the first embodiment described above.

次に、手順6に示すように、高分子電解質膜1の両面に触媒層4a、4bを積層した中間製造物に対し電解質化処理を行う。本実施形態では、この電解質化処理によって触媒層中の前駆体樹脂に充分な量のプロトン伝導性基を導入する。なお、電解質化処理は、高分子電解質膜の片面だけに触媒層を設けた段階で行なってもよい。
手順6は、電解質化剤の溶液11中に、高分子電解質膜の両面に触媒層を積層した中間製造物を浸漬することによって、触媒層に含まれる前駆体樹脂にプロトン伝導性基を導入する様子を示している。手順6に示す方法は、電解質化剤を被処理体に浸透させる、いわゆるドープと呼ばれる方法である。
Next, as shown in the procedure 6, an electrolytic process is performed on the intermediate product in which the catalyst layers 4a and 4b are laminated on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1. In the present embodiment, a sufficient amount of proton conductive groups is introduced into the precursor resin in the catalyst layer by this electrolytic treatment. The electrolytic treatment may be performed at a stage where a catalyst layer is provided only on one side of the polymer electrolyte membrane.
In step 6, the proton conductive group is introduced into the precursor resin contained in the catalyst layer by immersing an intermediate product in which the catalyst layer is laminated on both sides of the polymer electrolyte membrane in the solution 11 of the electrolyzing agent. It shows a state. The method shown in the procedure 6 is a so-called dope method in which an electrolytic agent is permeated into an object to be processed.

電解質化剤、及び、電解質化処理の手法としては、高分子樹脂にプロトン伝導性基を導入するために従来から用いられているものを用いることができる。燃料電池の高分子電解質膜や触媒層に用いられている電解質樹脂を調製するために従来行われる方法、及び、当該方法で用いるプロトン伝導性基の導入剤を、そのまま用いてもよい。
例えば、上記ドープを行う場合には、スルホン酸基を導入するための電解質化剤としては硫酸、カルボン酸基を導入するための電解質化剤としては酸化剤、ホスホン酸基を導入するための電解質化剤としてはホスホン酸、そして、リン酸基を導入するための電解質化剤としてはリン酸を用いることができる。
As the electrolytic agent and the method for the electrolytic treatment, those conventionally used for introducing a proton conductive group into the polymer resin can be used. A conventional method for preparing an electrolyte resin used for a polymer electrolyte membrane or a catalyst layer of a fuel cell and a proton conductive group introducing agent used in the method may be used as they are.
For example, in the case of performing the dope, sulfuric acid is used as an electrolyte agent for introducing a sulfonic acid group, an oxidizing agent is used as an electrolyte agent for introducing a carboxylic acid group, and an electrolyte for introducing a phosphonic acid group. Phosphonic acid can be used as the agent, and phosphoric acid can be used as the electrolyte agent for introducing the phosphate group.

次に、手順7に示すように、触媒層4a、4b上にガス拡散層5a、5bがそれぞれ形成され、膜−電極接合体6が得られる。ガス拡散層は、上述した実施形態1と同様に行なえばよい。
得られた膜−電極接合体は、一般的な方法によりセパレータで挟持することによって平板状単セルとし、当該単セルを複数積層することによってスタック型燃料電池が得られる。
Next, as shown in Procedure 7, gas diffusion layers 5a and 5b are formed on the catalyst layers 4a and 4b, respectively, and the membrane-electrode assembly 6 is obtained. What is necessary is just to perform a gas diffusion layer similarly to Embodiment 1 mentioned above.
The obtained membrane-electrode assembly is made into a flat single cell by sandwiching with a separator by a general method, and a stack type fuel cell is obtained by stacking a plurality of the single cells.

3.第三の実施形態
本実施形態は、高分子樹脂膜に触媒層用インクを塗布する触媒層形成工程において、前駆体樹脂で構成された高分子樹脂膜、及び、電解質樹脂を含有する触媒層用インクを用い、平板状の膜・電極接合体を製造する方法である。
本実施形態の手順は、上述した第二の実施形態と似ているので、図3を用いて説明する。
3. Third Embodiment This embodiment is for a catalyst layer forming step of applying a catalyst layer ink to a polymer resin film, and for a catalyst layer containing a polymer resin film composed of a precursor resin and an electrolyte resin. This is a method for producing a flat membrane / electrode assembly using ink.
The procedure of this embodiment is similar to that of the second embodiment described above, and will be described with reference to FIG.

本実施形態においては、先ず、手順1に示すように、前駆体樹脂で構成された高分子樹脂膜を準備する。本実施形態においては、膜用樹脂として電解質樹脂を用いるのではなく、前駆体樹脂を用いる。
前駆体樹脂としては、上述した第二実施形態において触媒層用インクのインク用樹脂として用いられるものを用いればよい。かかる前駆体樹脂を用いるキャスト法により、前駆体樹脂で構成された高分子樹脂膜を作成することができる。また、フッ素系高分子からなる市販品のフィルム、或いは、エンジニアリングプラスチックや汎用プラスチックからなる市販品のフィルムがある場合には、それらを高分子樹脂膜として用いてもよい。
In this embodiment, first, as shown in procedure 1, a polymer resin film made of a precursor resin is prepared. In the present embodiment, an electrolyte resin is not used as the membrane resin, but a precursor resin is used.
What is necessary is just to use what is used as ink resin of the ink for catalyst layers in 2nd embodiment mentioned above as precursor resin. By a casting method using such a precursor resin, a polymer resin film composed of the precursor resin can be produced. In addition, when there is a commercially available film made of a fluorine-based polymer or a commercially available film made of engineering plastic or general-purpose plastic, they may be used as the polymer resin film.

一方、手順2に示すように、上記高分子電解質膜の準備とは別に、触媒層用インクが調製される。本実施形態においては、インク用樹脂として、前駆体樹脂を用いるのではなく、すでに充分な量のプロトン伝導性基を含有する電解質樹脂を用いて触媒層用インクを調製する。本実施形態では、前述した第一実施形態又は第二実施形態で用いる電解質樹脂と同様のものを、インク用樹脂として用い得る。   On the other hand, as shown in Procedure 2, separately from the preparation of the polymer electrolyte membrane, a catalyst layer ink is prepared. In the present embodiment, the ink for the catalyst layer is prepared using an electrolyte resin that already contains a sufficient amount of proton conductive groups, instead of using the precursor resin as the ink resin. In this embodiment, the same electrolyte resin used in the first embodiment or the second embodiment described above can be used as the ink resin.

インク用樹脂として、プロトン伝導性基を豊富に含有している電解質樹脂を用いる場合、当該電解質樹脂を溶解又はコロイド分散させるのに適した溶媒は、前駆体樹脂で構成された高分子樹脂膜を溶解又は膨潤させる作用が極めて弱い。そのため、条件(2)に規定する試験において、高分子樹脂膜の重量残存率が80重量%以上となる溶剤が得られやすくなる。
従って、プロトン伝導性基を豊富に含有している電解質樹脂、及び当該電解質樹脂を溶解又はコロイド分散させるのに適した溶媒を用いて触媒用インクを調製し、得られた触媒用インクを前駆体樹脂で構成された高分子樹脂膜上に塗布することによって、高分子電解質膜の劣化や破損を生じさせずに、且つ、高分子電解質膜と密着性が良好な触媒層を形成することができる。
When an electrolyte resin containing abundant proton conductive groups is used as the ink resin, a solvent suitable for dissolving or colloidally dispersing the electrolyte resin is a polymer resin film made of a precursor resin. The effect of dissolving or swelling is extremely weak. Therefore, in the test specified in the condition (2), it is easy to obtain a solvent in which the weight residual ratio of the polymer resin film is 80% by weight or more.
Therefore, an ink for catalyst is prepared using an electrolyte resin containing abundant proton conductive groups and a solvent suitable for dissolving or colloidally dispersing the electrolyte resin, and the obtained catalyst ink is a precursor. By applying on a polymer resin film composed of a resin, a catalyst layer having good adhesion to the polymer electrolyte membrane can be formed without causing deterioration or breakage of the polymer electrolyte membrane. .

本実施形態においては、高分子電解質膜の膜用樹脂として、不充分ではあるが電解質化されている前駆体樹脂、すなわち、最終的に必要なプロトン伝導性基の含有量には到達していないが、プロトン伝導性基を含有している前駆体樹脂を用いることが好ましい。
高分子電解質膜を構成する前駆体樹脂に溶媒を接触させたときの溶解性は、当該前駆体樹脂にプロトン伝導性基を導入する前と比べて、導入した後のほうが触媒層用インクに含有される電解質樹脂の溶解性に似てくる。そのため、条件(2)に規定する試験において、高分子樹脂膜の重量残存率が99重量%以下となる溶剤が得られやすくなる。
従って、プロトン伝導性基を豊富に含有している電解質樹脂、及び当該電解質樹脂を溶解又はコロイド分散させるのに適した溶媒を用いて触媒用インクを調製し、得られた触媒用インクを、少量のプロトン伝導性基を含有している前駆体樹脂で構成された高分子樹脂膜上に塗布することによって、インク中の溶媒の作用によって高分子樹脂膜を僅かに溶解又は膨潤させることができ、触媒層と高分子電解質膜の密着性又は接合強度が高くなる。
In the present embodiment, the precursor resin that is insufficiently used as the membrane electrolyte resin of the polymer electrolyte membrane, that is, the content of the proton conductive group that is finally required has not been reached. However, it is preferable to use a precursor resin containing a proton conductive group.
The solubility when the solvent is brought into contact with the precursor resin constituting the polymer electrolyte membrane is greater in the catalyst layer ink after the introduction than when the proton conductive group is introduced into the precursor resin. It resembles the solubility of the electrolyte resin. Therefore, in the test specified in the condition (2), it is easy to obtain a solvent in which the polymer resin film has a weight residual ratio of 99% by weight or less.
Accordingly, a catalyst ink is prepared using an electrolyte resin containing abundant proton conductive groups and a solvent suitable for dissolving or colloidally dispersing the electrolyte resin, and a small amount of the obtained catalyst ink is used. The polymer resin film can be slightly dissolved or swelled by the action of the solvent in the ink by coating on the polymer resin film composed of the precursor resin containing the proton conductive group of The adhesion or bonding strength between the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane is increased.

本実施形態においても、インク用樹脂以外の成分として第一実施形態と同様のものを用いることができ、第一実施形態と同様の方法で混合・分散処理を行うことで触媒層用インクが得られる。   Also in the present embodiment, the same components as in the first embodiment can be used as components other than the resin for the ink, and the catalyst layer ink is obtained by performing the mixing / dispersing process in the same manner as in the first embodiment. It is done.

本実施形態のように、前駆体樹脂で構成された高分子樹脂膜上に、インク用樹脂として電解質樹脂を含有する触媒層用インクを塗布する場合には、比較的極性が大きい溶媒が、上記条件(1)及び(2)を満足する溶媒として用いられる。
比較的極性が大きい溶媒を用いることにより、プロトン伝導性基を豊富に含有している電解質樹脂を触媒層用インク中に安定に溶解又はコロイド分散させることができ、上記条件(1)を満足する。また、比較的極性が大きい溶媒は、プロトン伝導性基を全く含有しないか又は少量のみ含有する高分子樹脂膜に対する溶解能力又は膨潤能力が小さいので、上記条件(2)も満足する。
When applying the catalyst layer ink containing the electrolyte resin as the ink resin onto the polymer resin film composed of the precursor resin as in the present embodiment, the solvent having a relatively large polarity is It is used as a solvent that satisfies the conditions (1) and (2).
By using a solvent having a relatively large polarity, the electrolyte resin containing abundant proton conductive groups can be stably dissolved or colloidally dispersed in the catalyst layer ink, which satisfies the above condition (1). . In addition, the solvent having a relatively large polarity satisfies the above condition (2) because it has a small dissolving ability or swelling ability with respect to the polymer resin film containing no proton conducting group or containing only a small amount.

本実施形態において好適に用い得る溶媒としては、例えば、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン等の極性が大きい有機溶媒、極性が大きい有機溶媒を2種以上組み合わせた混合溶媒、極性が大きい有機溶媒に比較的極性が小さい極性有機溶媒を組み合わせた混合溶媒が挙げられる。   As a solvent that can be suitably used in the present embodiment, for example, an organic solvent having a large polarity such as dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, a mixed solvent in which two or more organic solvents having a large polarity are combined, and an organic solvent having a large polarity are compared. The mixed solvent which combined the polar organic solvent with small specific polarity is mentioned.

次に、手順3〜5に示すように、高分子電解質膜1の両面に触媒層用インク4’を塗布し、乾燥させて触媒層4a、4bを形成する。手順3〜5は、上述した第一実施形態と同様に行なえばよい。   Next, as shown in procedures 3 to 5, the catalyst layer ink 4 'is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 and dried to form catalyst layers 4a and 4b. Procedures 3 to 5 may be performed in the same manner as in the first embodiment described above.

次に、手順6に示すように、高分子樹脂膜1の両面に触媒層4a、4bを積層した中間製造物に対し電解質化処理を行う。本実施形態では、この電解質化処理によって高分子樹脂膜1を構成している前駆体樹脂に充分な量のプロトン伝導性基を導入する。なお、電解質化処理は、高分子電解質膜の片面だけに触媒層を設けた段階で行なってもよい。手順6の電解質化処理は、上述した第二実施形態と同様に行えばよい。   Next, as shown in the procedure 6, an electrolytic process is performed on the intermediate product in which the catalyst layers 4a and 4b are laminated on both surfaces of the polymer resin film 1. In the present embodiment, a sufficient amount of proton conductive groups is introduced into the precursor resin constituting the polymer resin film 1 by this electrolytic treatment. The electrolytic treatment may be performed at a stage where a catalyst layer is provided only on one side of the polymer electrolyte membrane. What is necessary is just to perform the electrolyzing process of the procedure 6 similarly to 2nd embodiment mentioned above.

次に、手順7に示すように、触媒層4a、4b上にガス拡散層5a、5bがそれぞれ形成され、膜−電極接合体6が得られる。ガス拡散層は、上述した実施形態1と同様に行なえばよい。
得られた膜−電極接合体は、一般的な方法によりセパレータで挟持することによって平板状単セルとし、当該単セルを複数積層することによってスタック型燃料電池が得られる。
Next, as shown in Procedure 7, gas diffusion layers 5a and 5b are formed on the catalyst layers 4a and 4b, respectively, and the membrane-electrode assembly 6 is obtained. What is necessary is just to perform a gas diffusion layer similarly to Embodiment 1 mentioned above.
The obtained membrane-electrode assembly is made into a flat single cell by sandwiching with a separator by a general method, and a stack type fuel cell is obtained by stacking a plurality of the single cells.

4.変形例
以上に説明した実施形態では、膜用樹脂とインク用樹脂を次のように組み合わせた例を説明した。
第一実施形態:膜用樹脂及びインク用樹脂として、電解質樹脂を用いる組み合わせ。
第二実施形態:膜用樹脂として電解質樹脂を用い、インク用樹脂として前駆体樹脂を用いる組み合わせ。
第三実施形態:膜用樹脂として前駆体樹脂を用い、インク用樹脂として電解質樹脂を用いる組み合わせ。
しかし、本発明においては、膜用樹脂及びインク用樹脂として前駆体樹脂を用いる組み合わせとしてもよい。この場合、膜用樹脂及びインク用樹脂のうち少なくとも一方に、不充分ではあるが電解質化されている前駆体樹脂を用いることにより、触媒用インクの溶媒に対する膜用樹脂とインク用樹脂の溶解性の差を調節できるので、上記条件(1)及び(2)を満足する溶剤が選びやすくなる。
また、以上に説明した実施形態では、平板状の膜・電極接合体を製造する例を説明したが、チューブ状電解質膜の外周面及び内周面のうち少なくとも一方の面に、本発明の方法により触媒層を形成することにより、チューブ状の膜・電極接合体を製造することもできる。
4). Modified Example In the embodiment described above, the example in which the film resin and the ink resin are combined as follows has been described.
First embodiment: A combination using an electrolyte resin as a resin for a film and a resin for an ink.
Second embodiment: A combination in which an electrolyte resin is used as a film resin and a precursor resin is used as an ink resin.
Third embodiment: A combination in which a precursor resin is used as a film resin and an electrolyte resin is used as an ink resin.
However, in the present invention, a combination using a precursor resin as the resin for the film and the resin for the ink may be used. In this case, the solubility of the film resin and the ink resin in the solvent for the catalyst ink is obtained by using a precursor resin that is insufficiently electrolyted as at least one of the resin for the film and the resin for the ink. Therefore, it is easy to select a solvent that satisfies the above conditions (1) and (2).
In the embodiment described above, an example of manufacturing a flat membrane / electrode assembly has been described. However, the method of the present invention is applied to at least one of the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the tubular electrolyte membrane. A tubular membrane / electrode assembly can also be produced by forming a catalyst layer.

<評価方法>
(1)溶媒の条件(1)に関する評価方法
触媒層用インクの溶媒100gに、インク用樹脂を10g(実施例でのインク用樹脂の含有割合と同じである)分散し、25℃でスターラーで攪拌しながら、24時間放置した。24時間放置後の溶液中での樹脂の分散状態を、レーザードップラー式粒度分布計を用いて観察した。
(2)溶媒の条件(2)に関する評価方法
まず、乾燥状態の高分子樹脂膜の重量を測定し、次に、該高分子樹脂膜を25℃に維持された触媒層用インクの溶媒中に浸漬した。24時間後、高分子樹脂膜を溶媒から取り出し、乾燥し、再び、乾燥重量を測定した。溶媒浸漬前の乾燥重量に対する溶媒浸漬後の乾燥重量の割合(膜の重量残存率)を算出した。
(3)膜・電極接合体の性能評価
[膜−触媒層間の接合性]
実施例で得られた膜・電極接合体を液体窒素中に入れてから取り出し、電解質膜と触媒層の間に剥離が発生するかどうかを観察した。
[クロスリークの有無]
実施例で得られた膜・電極接合体を単セル評価装置に組み付け、ガス透過評価装置を用い、クロスリーク量を測定した。すなわち、下記条件下に10分放置した後の両極の背圧変化を測定し、背圧の低下量が1kPa以下である場合、クロスリークがないと判断した。
・セル温度:80℃
・アノードガス及びカソードガス:N2(いずれもバブラー温度80℃)
・背圧:アノード0.1MPa、カソード0.05MPa
<Evaluation method>
(1) Evaluation Method for Solvent Condition (1) 10 g of the ink resin (same as the content of the ink resin in the examples) is dispersed in 100 g of the solvent for the ink for the catalyst layer, and a stirrer at 25 ° C. The mixture was left for 24 hours with stirring. The dispersion state of the resin in the solution after being allowed to stand for 24 hours was observed using a laser Doppler particle size distribution analyzer.
(2) Evaluation Method for Solvent Condition (2) First, the weight of the polymer resin film in a dry state is measured, and then the polymer resin film is placed in the solvent of the ink for the catalyst layer maintained at 25 ° C. Soaked. After 24 hours, the polymer resin film was removed from the solvent, dried, and the dry weight was measured again. The ratio of the dry weight after the solvent immersion to the dry weight before the solvent immersion (the residual weight ratio of the film) was calculated.
(3) Performance evaluation of membrane / electrode assembly [Membrane-catalyst layer bondability]
The membrane / electrode assembly obtained in the example was put in liquid nitrogen and then taken out, and it was observed whether or not peeling occurred between the electrolyte membrane and the catalyst layer.
[Existence of cross leak]
The membrane / electrode assembly obtained in the example was assembled in a single cell evaluation apparatus, and the amount of cross leak was measured using a gas permeation evaluation apparatus. That is, the change in the back pressure of both electrodes after being left for 10 minutes under the following conditions was measured, and when the amount of decrease in the back pressure was 1 kPa or less, it was determined that there was no cross leak.
-Cell temperature: 80 ° C
Anode gas and cathode gas: N 2 (bobber temperature 80 ° C)
・ Back pressure: Anode 0.1 MPa, Cathode 0.05 MPa

<実施例1>
インク用樹脂としてスルホン酸基を全く含有していない前駆体樹脂を用い、膜用樹脂としてスルホン酸基を含有する電解質樹脂を用いて、膜・電極接合体を製造した。
上記評価方法の(1)に従って、触媒層用インクの溶媒(シクロヘキサン)に対する下記インク用樹脂(スルホン化未実施のポリエーテル系高分子樹脂)の分散性を調べたところ、良好な分散状態が確認された。また、上記評価方法の(2)に従って、触媒層用インクの溶媒(シクロヘキサン)に対する下記高分子樹脂膜(ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質樹脂膜)の膜重量維持率を測定したところ、80%以上だった。すなわち、該溶媒(シクロヘキサン)は上記条件(1)及び(2)を満たすものであった。
<Example 1>
A membrane / electrode assembly was produced using a precursor resin containing no sulfonic acid group as an ink resin and an electrolyte resin containing a sulfonic acid group as a membrane resin.
According to the evaluation method (1), when the dispersibility of the following ink resin (polyether polymer resin not yet sulfonated) in the solvent (cyclohexane) of the catalyst layer ink was examined, a good dispersion state was confirmed. It was done. Further, according to the evaluation method (2), the membrane weight maintenance rate of the following polymer resin film (polyether sulfonic acid polymer electrolyte resin film) with respect to the solvent (cyclohexane) of the ink for the catalyst layer was measured. That's it. That is, the solvent (cyclohexane) satisfied the above conditions (1) and (2).

(1)触媒用インクの調製
シクロヘキサン20g中に、スルホン化未実施のポリエーテル系高分子樹脂を2g、市販のPt/C触媒(Pt担持率:50wt%)を5.34gの割合で攪拌混合して、触媒層用インクを調製した。
(2)高分子樹脂膜の準備
インク用樹脂として用いたポリエーテル系高分子樹脂を濃硫酸でスルホン化して、ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質樹脂を調製した。得られた電解質樹脂のスルホン酸基含有量は2meg/gであった。
得られたポリエーテルスルホン酸系高分子電解質樹脂の10%ジメチルスルホキシド溶液を調製し、当該溶液を用いるキャスト法により、膜厚約30μmのポリエーテルスルホン酸系高分子電解質膜を作製した。
(3)膜・電極接合体の作製
上記触媒層用インクを、上記高分子樹脂膜の片面にスプレー法により塗布した後、真空乾燥機でインクの溶媒を完全に気散させて、触媒層を形成した。もう一方の面にも、同じ触媒層用インクを同じ方法で塗布し、乾燥させて、触媒層を形成し、ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質膜の両面に、スルホン化未実施のポリエーテル系高分子樹脂を含有する触媒層(単位面積当たりのPt含有量:0.5mg/cm)を設けた中間製造物を得た。
得られた中間製造物を濃度98%の硫酸に浸漬し、触媒層中のポリエーテル系高分子樹脂をスルホン化した。
その後、両面に存在する触媒層それぞれの表面に、カーボンペーパーシートを150℃、3MPaで熱圧着してガス拡散層を形成し、膜・電極接合体を得た。
(1) Preparation of catalyst ink In 20 g of cyclohexane, 2 g of a polyether polymer resin not yet sulfonated and a commercially available Pt / C catalyst (Pt support ratio: 50 wt%) are stirred and mixed at a ratio of 5.34 g. Thus, an ink for a catalyst layer was prepared.
(2) Preparation of polymer resin film A polyether polymer resin used as an ink resin was sulfonated with concentrated sulfuric acid to prepare a polyether sulfonic acid polymer electrolyte resin. The sulfonic acid group content of the obtained electrolyte resin was 2 meg / g.
A 10% dimethyl sulfoxide solution of the obtained polyether sulfonic acid polymer electrolyte resin was prepared, and a polyether sulfonic acid polymer electrolyte membrane having a thickness of about 30 μm was prepared by a casting method using the solution.
(3) Preparation of membrane / electrode assembly After the ink for the catalyst layer was applied to one side of the polymer resin membrane by the spray method, the solvent of the ink was completely diffused with a vacuum dryer to form the catalyst layer. Formed. On the other side, the same catalyst layer ink is applied in the same manner and dried to form a catalyst layer. On both sides of the polyether sulfonic acid polymer electrolyte membrane, an unsulfonated polyether type An intermediate product provided with a catalyst layer containing a polymer resin (Pt content per unit area: 0.5 mg / cm 2 ) was obtained.
The obtained intermediate product was immersed in sulfuric acid having a concentration of 98% to sulfonate the polyether polymer resin in the catalyst layer.
Thereafter, a carbon paper sheet was thermocompression bonded at 150 ° C. and 3 MPa on the surfaces of the catalyst layers present on both sides to form a gas diffusion layer, thereby obtaining a membrane / electrode assembly.

<実施例2>
インク用樹脂としてスルホン酸基を含有する電解質樹脂を用い、膜用樹脂としてスルホン酸基を全く含有していない前駆体樹脂を用いて、膜・電極接合体を製造した。
上記評価方法の(1)に従って、触媒層用インクの溶媒(ジメチルスルホキシド)に対する下記インク用樹脂(ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質樹脂)の分散性を調べたところ、良好な分散状態が確認された。また、上記評価方法の(2)に従って、触媒層用インクの溶媒(ジメチルスルホキシド)に対する下記高分子樹脂膜(スルホン化未実施のポリエーテル系高分子樹脂)の膜重量維持率を測定したところ、80%以上だった。すなわち、該溶媒(ジメチルスルホキシド)は上記条件(1)及び(2)を満たすものであった。
<Example 2>
A membrane / electrode assembly was produced using an electrolyte resin containing a sulfonic acid group as an ink resin and a precursor resin containing no sulfonic acid group as a membrane resin.
According to the evaluation method (1), when the dispersibility of the following ink resin (polyether sulfonic acid polymer electrolyte resin) in the solvent for the catalyst layer ink (dimethyl sulfoxide) was examined, a good dispersion state was confirmed. It was. Further, according to (2) of the evaluation method, when the film weight maintenance rate of the following polymer resin film (polyether polymer resin not yet sulfonated) with respect to the solvent (dimethyl sulfoxide) of the catalyst layer ink was measured, It was over 80%. That is, the solvent (dimethyl sulfoxide) satisfied the above conditions (1) and (2).

(1)触媒用インクの調製
ポリエーテル系高分子樹脂をスルホン化して、ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質樹脂を調製した。得られた電解質樹脂のスルホン酸基含有量は2meq/gであった。
ジメチルスルホキシド20g中に、上記ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質樹脂を2g、市販のPt/C触媒(Pt担持率:50wt%)を5.34gの割合で攪拌混合して、触媒層用インクを調製した。
(2)高分子樹脂膜の準備
インク用樹脂を調製するために用いたスルホン化未実施のポリエーテル系高分子樹脂のシクロヘキサン溶液を調製し、当該溶液を用いるキャスト法により、膜厚約30μmのポリエーテルスルホン酸系高分子樹脂膜を作製した。
(3)膜・電極接合体の作製
実施例1と同じ手順で、上記触媒層用インクを、上記高分子樹脂膜の一方の面及び他方の面に、順次触媒層を形成し、スルホン化未実施のポリエーテル系高分子樹脂膜の両面に、ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質を含有する触媒層(単位面積当たりのPt含有量:0.5mg/cm)を設けた中間製造物を得た。
得られた中間製造物を、実施例1と同様に手順で濃度98%の硫酸に浸漬することで、高分子樹脂膜中のポリエーテル系高分子樹脂をスルホン化し、高分子電解質膜とした。
その後、両面に存在する触媒層それぞれの表面に、実施例1と同じ手順で、カーボンペーパーを熱圧着してガス拡散層を形成し、膜・電極接合体を得た。
(1) Preparation of catalyst ink A polyether-based polymer resin was sulfonated to prepare a polyether-sulfonic acid-based polymer electrolyte resin. The sulfonic acid group content of the obtained electrolyte resin was 2 meq / g.
In 20 g of dimethyl sulfoxide, 2 g of the above-described polyether sulfonic acid polymer electrolyte resin and a commercially available Pt / C catalyst (Pt support ratio: 50 wt%) were stirred and mixed at a ratio of 5.34 g to obtain an ink for a catalyst layer. Prepared.
(2) Preparation of polymer resin film A cyclohexane solution of an unsulfonated polyether polymer resin used for preparing an ink resin was prepared, and a film thickness of about 30 μm was obtained by a casting method using the solution. A polyether sulfonic acid polymer resin membrane was prepared.
(3) Preparation of membrane / electrode assembly In the same procedure as in Example 1, the catalyst layer ink was formed in order on one side and the other side of the polymer resin membrane, and sulfonated. An intermediate product is obtained in which a catalyst layer (Pt content per unit area: 0.5 mg / cm 2 ) containing a polyether sulfonic acid polymer electrolyte is provided on both sides of the polyether polymer resin membrane. It was.
The obtained intermediate product was immersed in sulfuric acid having a concentration of 98% in the same manner as in Example 1 to sulfonate the polyether-based polymer resin in the polymer resin membrane to obtain a polymer electrolyte membrane.
Thereafter, carbon paper was thermocompression bonded to the surfaces of the catalyst layers present on both surfaces in the same procedure as in Example 1 to form a gas diffusion layer, thereby obtaining a membrane / electrode assembly.

<実施例3>
インク用樹脂としてスルホン酸基を含有する電解質樹脂を用い、膜用樹脂としてスルホン酸基を少量ではあるが含有する前駆体樹脂を用いて、膜・電極接合体を製造した。
上記評価方法の(1)に従って、触媒層用インクの溶媒(ジメチルスルホキシド)に対する下記インク用樹脂(ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質樹脂)の分散性を調べたところ、良好な分散状態が確認された。また、上記評価方法の(2)に従って、触媒層用インクの溶媒(ジメチルスルホキシド)に対する下記高分子樹脂膜(少量のスルホン酸を含有するポリエーテルスルホン酸系高分子樹脂膜)の膜重量維持率を測定したところ、80%以上だった。すなわち、該溶媒(ジメチルスルホキシド)は上記条件(1)及び(2)を満たすものであった。
<Example 3>
A membrane / electrode assembly was produced using an electrolyte resin containing a sulfonic acid group as an ink resin and a precursor resin containing a small amount of a sulfonic acid group as a membrane resin.
According to the evaluation method (1), when the dispersibility of the following ink resin (polyether sulfonic acid polymer electrolyte resin) in the solvent for the catalyst layer ink (dimethyl sulfoxide) was examined, a good dispersion state was confirmed. It was. Further, according to the evaluation method (2), the film weight maintenance rate of the following polymer resin film (polyether sulfonic acid-based polymer resin film containing a small amount of sulfonic acid) with respect to the solvent (dimethyl sulfoxide) of the ink for the catalyst layer It was 80% or more when measured. That is, the solvent (dimethyl sulfoxide) satisfied the above conditions (1) and (2).

(1)触媒用インクの調製
ポリエーテル系高分子樹脂をスルホン化して、ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質樹脂を調製した。得られた電解質樹脂のスルホン酸基含有量は2meq/gであった。
ジメチルスルホキシド20g中に、上記ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質樹脂を2g、市販のPt/C触媒(Pt担持率:50wt%)を5.34gの割合で攪拌混合して、触媒層用インクを調製した。
(2)高分子樹脂膜の準備
インク用樹脂を調製するために用いたスルホン化未実施のポリエーテル系高分子樹脂のシクロヘキサン溶液を調製し、当該溶液を用いるキャスト法により、膜厚約30μmのポリエーテル系高分子樹脂膜を作製した。
得られた高分子樹脂膜を濃度98%の硫酸に短時間浸漬することで、不充分ではあるが電解質化し、少量のスルホン酸を含有するポリエーテルスルホン酸系高分子樹脂膜を得た。得られた高分子樹脂膜のスルホン酸基含有量は0.5meq/gであった。
(3)膜・電極接合体の作製
実施例1と同じ手順で、上記触媒層用インクを、上記高分子樹脂膜の一方の面及び他方の面に、順次触媒層を形成し、少量のスルホン酸を含有するポリエーテルスルホン酸系高分子樹脂膜の両面に、ポリエーテルスルホン酸系高分子電解質を含有する触媒層(単位面積当たりのPt含有量:0.5mg/cm)を設けた中間製造物を得た。
得られた中間製造物を、実施例1と同様に手順で濃度98%の硫酸に浸漬することで、高分子樹脂膜中のポリエーテル系高分子樹脂を充分にスルホン化し、スルホン酸基を豊富に含有する高分子電解質膜とした。
その後、両面に存在する触媒層それぞれの表面に、実施例1と同じ手順で、カーボンシートを熱圧着してガス拡散層を形成し、膜・電極接合体を得た。
(1) Preparation of catalyst ink A polyether-based polymer resin was sulfonated to prepare a polyether-sulfonic acid-based polymer electrolyte resin. The sulfonic acid group content of the obtained electrolyte resin was 2 meq / g.
In 20 g of dimethyl sulfoxide, 2 g of the above-described polyether sulfonic acid polymer electrolyte resin and a commercially available Pt / C catalyst (Pt support ratio: 50 wt%) were stirred and mixed at a ratio of 5.34 g to obtain an ink for a catalyst layer. Prepared.
(2) Preparation of polymer resin film A cyclohexane solution of an unsulfonated polyether polymer resin used for preparing an ink resin was prepared, and a film thickness of about 30 μm was obtained by a casting method using the solution. A polyether polymer resin film was prepared.
By immersing the obtained polymer resin membrane in sulfuric acid having a concentration of 98% for a short time, it was insufficiently converted into an electrolyte, and a polyether sulfonic acid polymer resin membrane containing a small amount of sulfonic acid was obtained. The resulting polymer resin membrane had a sulfonic acid group content of 0.5 meq / g.
(3) Production of membrane / electrode assembly In the same procedure as in Example 1, the catalyst layer ink was formed in order on one side and the other side of the polymer resin membrane to form a small amount of sulfone. An intermediate in which a catalyst layer containing a polyether sulfonic acid polymer electrolyte (Pt content per unit area: 0.5 mg / cm 2 ) is provided on both sides of an acid-containing polyether sulfonic acid polymer resin membrane A product was obtained.
By immersing the obtained intermediate product in sulfuric acid having a concentration of 98% in the same manner as in Example 1, the polyether-based polymer resin in the polymer resin film is sufficiently sulfonated and rich in sulfonic acid groups. In the polymer electrolyte membrane.
Thereafter, a carbon sheet was thermocompression bonded to the surfaces of the catalyst layers present on both surfaces in the same procedure as in Example 1 to form a gas diffusion layer, whereby a membrane / electrode assembly was obtained.

<膜・電極接合体の評価結果>
実施例1〜3の膜・電極接合体は、上記評価方法(3)[膜−触媒層間の接合性及びクロスリークの有無]において、膜−触媒層間の剥離が生じることなく、また、クロスリークも発生しなかった。すなわち、実施例1〜3の膜・電極接合体は、膜−触媒層間の接合性に優れると共に、電解質膜表面への触媒層の形成工程において、触媒層インク中の溶媒による電解質膜の破損のない、良好な性能を有するものだった。
<Evaluation results of membrane / electrode assembly>
The membrane / electrode assemblies of Examples 1 to 3 were not subjected to separation between the membrane and the catalyst layer in the evaluation method (3) [Membrane-catalyst layer bondability and presence / absence of cross leak], and the cross leak Neither occurred. That is, the membrane / electrode assemblies of Examples 1 to 3 are excellent in the bonding property between the membrane and the catalyst layer, and in the step of forming the catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is damaged by the solvent in the catalyst layer ink. There was no good performance.

平板状単セルの一形態例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the example of 1 form of a flat single cell. 本発明の製造方法に属する一実施形態で行なわれる各手順を示す工程図である。It is process drawing which shows each procedure performed by one Embodiment which belongs to the manufacturing method of this invention. 本発明の製造方法に属する他の実施形態で行なわれる各手順を示す工程図である。It is process drawing which shows each procedure performed in other embodiment which belongs to the manufacturing method of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2…燃料極(アノード)
3…酸化剤極(カソード)
4a…アノード側触媒層
4b…カソード側触媒層
5a…アノード側ガス拡散層
5b…カソード側ガス拡散層
6…膜・電極接合体
7a…アノード側セパレータ
7b…カソード側セパレータ
8a…アノード側ガス流路
8b…カソード側ガス流路
9a…アノード側集電材
9b…カソード側集電材
10…スプレーガン
11…電解質化剤の溶液
100…単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Fuel electrode (anode)
3 ... Oxidant electrode (cathode)
4a ... Anode side catalyst layer 4b ... Cathode side catalyst layer 5a ... Anode side gas diffusion layer 5b ... Cathode side gas diffusion layer 6 ... Membrane / electrode assembly 7a ... Anode side separator 7b ... Cathode side separator 8a ... Anode side gas flow path 8b ... Cathode side gas flow path 9a ... Anode side current collector 9b ... Cathode side current collector 10 ... Spray gun 11 ... Solution of electrolyte agent 100 ... Single cell

Claims (13)

高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両面に対向するように配置され且つ触媒及び電解質樹脂を含有する触媒層を含む酸化剤極及び燃料極とを備える燃料電池用膜・電極接合体の製造方法であって、
電解質樹脂、及び電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂よりなる群から選ばれる膜用樹脂で構成される高分子樹脂膜を準備する、高分子樹脂膜準備工程、
電解質樹脂、及び電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂よりなる群から選ばれるインク用樹脂、触媒、及び溶媒、を含有する触媒層用インクを調製する触媒層用インク調製工程、
前記触媒層用インク調製工程で得られた触媒層用インクを、前記高分子樹脂膜に塗布して、燃料極側又は酸化剤極側のうち少なくとも一方の触媒層を形成する触媒層形成工程、及び、
前記触媒層形成工程で形成された触媒層のインク用樹脂、又は、当該触媒層が積層された高分子樹脂膜を、必要に応じて電解質化する電解質化工程を含む燃料電池用膜・電極接合体の製造方法であって、
前記触媒層用インクの溶媒は、前記インク用樹脂及び膜用樹脂に対して、下記条件(1)及び(2)に示す溶解能力を備えているものであることを特徴とする、燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
条件(1):
前記インク用樹脂を、当該溶媒中に、溶媒温度を25℃に維持し、インク用樹脂の量を触媒層用インクで用いられる含有割合となるように混合し、溶解又は分散させた時に、完全に溶解又はコロイド分散した状態が2時間以上持続する。
条件(2):
前記高分子樹脂膜を、当該溶媒中に、溶媒温度を25℃に維持して24時間浸漬した時に、膜の重量残存率が80重量%以上となる。
A membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising: a polymer electrolyte membrane; an oxidant electrode and a fuel electrode that are disposed so as to face both surfaces of the polymer electrolyte membrane and include a catalyst layer containing a catalyst and an electrolyte resin. A manufacturing method comprising:
Preparing a polymer resin film composed of a resin for a film selected from the group consisting of an electrolyte resin and a precursor resin that becomes the electrolyte resin by being converted into an electrolyte;
A catalyst layer ink preparation step for preparing an ink for a catalyst layer containing an electrolyte resin and a resin for an ink selected from the group consisting of a precursor resin that becomes an electrolyte resin by being converted to an electrolyte, a catalyst, and a solvent;
A catalyst layer forming step in which the catalyst layer ink obtained in the catalyst layer ink preparation step is applied to the polymer resin film to form at least one catalyst layer on the fuel electrode side or the oxidant electrode side; as well as,
Fuel cell membrane / electrode bonding including an electrolyzing step for electrolyzing the resin for the ink of the catalyst layer formed in the catalyst layer forming step or the polymer resin film on which the catalyst layer is laminated, if necessary A method for manufacturing a body,
The solvent for the ink for the catalyst layer has a dissolving ability as shown in the following conditions (1) and (2) for the ink resin and the film resin. Manufacturing method of membrane / electrode assembly.
Condition (1):
When the ink resin is mixed in the solvent at a solvent temperature of 25 ° C. and mixed so that the amount of the resin for the ink is the content used in the ink for the catalyst layer, and dissolved or dispersed, The state of being dissolved or colloidally dispersed in the liquid lasts for 2 hours or more.
Condition (2):
When the polymer resin film is immersed in the solvent for 24 hours while maintaining the solvent temperature at 25 ° C., the weight residual ratio of the film becomes 80% by weight or more.
前記触媒層用インクを25℃に維持した時に、当該触媒層用インク中の成分が完全に溶解又はコロイド分散した状態が2時間以上持続するものである、請求項1に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   2. The fuel cell membrane according to claim 1, wherein when the catalyst layer ink is maintained at 25 ° C., a state in which the components in the catalyst layer ink are completely dissolved or colloidally dispersed lasts for 2 hours or more. -Manufacturing method of electrode assembly. 前記触媒層用インクの溶媒は、前記高分子樹脂膜を当該溶媒中に前記条件(2)に規定する条件で浸漬した時に、膜の重量残存率が99重量%以下となるものである、請求項1又は2に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   The solvent of the ink for the catalyst layer is such that when the polymer resin film is immersed in the solvent under the conditions specified in the condition (2), the weight residual ratio of the film becomes 99% by weight or less. Item 3. A method for producing a membrane / electrode assembly for a fuel cell according to Item 1 or 2. 前記触媒層形成工程の後に前記電解質化工程を行うことにより、当該電解質化工程で得られた中間製造物の高分子電解質膜を前記触媒層用インクで用いた溶媒中に前記条件(2)に規定する条件で浸漬した時の重量残存率が、電解質化工程を行う前の高分子樹脂膜の重量残存率よりも小さくなる、請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   By performing the electrolyzing step after the catalyst layer forming step, the polymer electrolyte membrane of the intermediate product obtained in the electrolyzing step is subjected to the condition (2) in the solvent used in the catalyst layer ink. The fuel cell membrane / electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein a weight residual ratio when immersed under specified conditions is smaller than a weight residual ratio of the polymer resin film before the electrolyzing step. Manufacturing method of joined body. 前記インク用樹脂及び前記膜用樹脂のうち、いずれか一方として電解質樹脂を用い、他方として電解質化されることによって当該電解質樹脂となる前駆体樹脂を用い、且つ、前記電解質化工程において、触媒層又は前記高分子樹脂膜に含まれる前駆体樹脂を電解質化する、請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   Among the resin for ink and the resin for film, an electrolyte resin is used as one of them, and a precursor resin that becomes the electrolyte resin by being electrolyzed as the other is used, and in the electrolyzing step, a catalyst layer Alternatively, the method for producing a membrane / electrode assembly for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the precursor resin contained in the polymer resin membrane is converted into an electrolyte. 前記前駆体樹脂として、電解質化が不充分な前駆体樹脂が用いられる、請求項5に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   6. The method for producing a membrane / electrode assembly for a fuel cell according to claim 5, wherein a precursor resin that is not sufficiently electrolyzed is used as the precursor resin. 前記インク用樹脂として電解質樹脂を用い、且つ、前記触媒層用インクの溶媒としてジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン又はそれらの混合溶媒よりなる群から溶媒を用いる、請求項5又は6に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   The fuel cell according to claim 5 or 6, wherein an electrolyte resin is used as the ink resin, and a solvent is used from the group consisting of dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, or a mixed solvent thereof as the solvent for the catalyst layer ink. Manufacturing method for membrane / electrode assembly. 前記インク用樹脂として前駆体樹脂を用い、且つ、前記触媒層用インクの溶媒としてシクロヘキサン、ノルマルヘキサン又はそれらの混合溶媒よりなる群から溶媒を用いる、請求項5又は6に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   The fuel cell membrane according to claim 5 or 6, wherein a precursor resin is used as the ink resin, and a solvent is used as a solvent of the catalyst layer ink from a group consisting of cyclohexane, normal hexane, or a mixed solvent thereof. -Manufacturing method of electrode assembly. 前記インク用樹脂又は前記膜用樹脂のうち、いずれか一方として用いられる電解質樹脂がスルホン化高分子樹脂であり、他方として用いられる前駆体樹脂が非スルホン化高分子樹脂又はスルホン化が不充分なスルホン化高分子樹脂であり、且つ、前記電解質化工程において、触媒層又は前記高分子樹脂膜に含まれる前駆体樹脂をスルホン化する、請求項5に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   The electrolyte resin used as one of the resin for ink or the resin for film is a sulfonated polymer resin, and the precursor resin used as the other is not sufficiently sulfonated polymer resin or sulfonated 6. The membrane / electrode assembly for a fuel cell according to claim 5, which is a sulfonated polymer resin and sulfonates the precursor resin contained in the catalyst layer or the polymer resin membrane in the electrolyzing step. Production method. 前記前駆体樹脂として、スルホン化が不充分なスルホン化高分子樹脂が用いられる、請求項9に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to claim 9, wherein a sulfonated polymer resin that is insufficiently sulfonated is used as the precursor resin. 前記インク用樹脂としてスルホン化高分子樹脂を用い、且つ、前記触媒層用インクの溶媒としてジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン又はそれらの混合溶媒よりなる群から溶媒を用いる、請求項9又は10に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   The sulfonated polymer resin is used as the ink resin, and a solvent from the group consisting of dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, or a mixed solvent thereof is used as the solvent of the catalyst layer ink. Manufacturing method for fuel cell membrane / electrode assembly. 前記インク用樹脂として非スルホン化高分子樹脂又はスルホン化が不充分なスルホン化高分子樹脂を用い、且つ、前記触媒層用インクの溶媒としてシクロヘキサン、ノルマルヘキサン又はそれらの混合溶媒よりなる群から溶媒を用いる、請求項9又は10に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   A non-sulfonated polymer resin or a sulfonated polymer resin that is insufficiently sulfonated is used as the ink resin, and the solvent for the catalyst layer ink is a solvent from the group consisting of cyclohexane, normal hexane, or a mixed solvent thereof. The method for producing a membrane / electrode assembly for a fuel cell according to claim 9 or 10, wherein: 前記高分子樹脂膜として、炭化水素系高分子電解質、及び電解質化されることによって当該炭化水素系高分子電解質となる前駆体樹脂よりなる群から選ばれる膜用樹脂からなる高分子樹脂膜を準備する、請求項1乃至12のいずれかに記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。   As the polymer resin film, a polymer resin film comprising a hydrocarbon polymer electrolyte and a resin for a film selected from the group consisting of a precursor resin that becomes the hydrocarbon polymer electrolyte when converted into an electrolyte is prepared. A method for producing a membrane / electrode assembly for a fuel cell according to any one of claims 1 to 12.
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