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JP2018037367A - Membrane-electrode assembly, method for manufacturing the same, and solid polymer fuel cell - Google Patents

Membrane-electrode assembly, method for manufacturing the same, and solid polymer fuel cell Download PDF

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JP2018037367A
JP2018037367A JP2016171705A JP2016171705A JP2018037367A JP 2018037367 A JP2018037367 A JP 2018037367A JP 2016171705 A JP2016171705 A JP 2016171705A JP 2016171705 A JP2016171705 A JP 2016171705A JP 2018037367 A JP2018037367 A JP 2018037367A
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electrode
membrane
polymer electrolyte
electrolyte membrane
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侑輝 高林
Yuki Takabayashi
侑輝 高林
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Toppan Printing Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a membrane-electrode assembly which is high in the precision of the location of an electrode layer and a gasket; and a solid polymer fuel cell which can suppress the worsening of a performance owing to gas leak, and the degradation of progression of an electrolyte membrane.SOLUTION: A membrane-electrode assembly comprises: an anode electrode on one face of a polymer electrolyte membrane; a cathode electrode on the other face; and gaskets arranged to be adjacent to the anode and cathode electrodes respectively along outer peripheries thereof like a frame. Each gasket has, on at least part of a surface thereof, fine asperities arrayed periodically. The fine asperities are opposed to and in contact with the opposing faces of the polymer electrolyte membrane.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池の構成部材である膜電極接合体を製造する際に使用される高分子電解質膜と触媒層との積層体である膜電極接合体及びその製造方法、並びに固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly that is a laminate of a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer used in manufacturing a membrane electrode assembly that is a constituent member of a polymer electrolyte fuel cell, a method for manufacturing the membrane electrode assembly, and The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す発電方式である。この発電方式は、発電効率が高く、静粛性に優れ、大気汚染の原因となるNOx、SOx、また地球温暖化の原因となるCO2の排出量が少ない等の利点から、新エネルギーとして期待されている。この燃料電池が適用されている例は、携帯電気機器の長時間電力供給、コジェネレーション用定置型発電温水供給機、燃料電池自動車等があり、用途も規模も多様である。   A fuel cell is a power generation system that converts a chemical energy of a fuel into electric energy and extracts it by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. This power generation method is expected as new energy because of its advantages such as high power generation efficiency, excellent quietness, NOx and SOx that cause air pollution, and low CO2 emissions that cause global warming. Yes. Examples of the application of this fuel cell include a long-time power supply for portable electric devices, a stationary generation hot water supply machine for cogeneration, a fuel cell vehicle, and the like, which have various uses and scales.

燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形等に分類され、それぞれ運転温度が大きく異なり、それに伴い発電規模や利用分野も異なる。   The types of fuel cells are classified into solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, alkaline type, etc. depending on the electrolyte used. Is also different.

陽イオン交換膜を電解質として用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれ、燃料電池の中でも比較的低温での動作が可能であり、また、電解質膜の薄膜化により内部抵抗を低減できるため高出力化、コンパクト化が可能であり、車搭載源や家庭据置用電源等への使用が有望視されている。   The one using a cation exchange membrane as an electrolyte is called a polymer electrolyte fuel cell, and can operate at a relatively low temperature among fuel cells, and the internal resistance can be reduced by reducing the thickness of the electrolyte membrane. Therefore, high output and compactness are possible, and it is considered promising for use as a vehicle-mounted source or a household stationary power source.

固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレータ板で挟持した電池である。この一対のセパレータ板で挟持した電池を単電池セルと呼ぶ。   A polymer electrolyte fuel cell is a fuel gas containing hydrogen on one side of an electrode, in which a pair of electrode catalyst layers is arranged on both sides of an electrolyte membrane called a membrane electrode assembly (MEA). And is sandwiched between a pair of separator plates formed with a gas flow path for supplying an oxidant gas containing oxygen to the other of the electrodes. A battery sandwiched between the pair of separator plates is called a single battery cell.

固体高分子形燃料電池は、出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、単電池セルを複数積層(スタック)して用いられる。スタックする枚数は、必要な電力により異なり、一般的な携帯電気機器のポータブル電源では数枚から10枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では60枚から90枚程度、自動車用途では250枚から400枚程度である。高出力化をするためにはスタック枚数を増やすことが必要となり、単電池セルのコストが燃料電池全体のコストに大きく影響する。   A polymer electrolyte fuel cell is used by stacking a plurality of unit cells for the purpose of increasing power density and making the entire fuel cell compact. The number of stacks varies depending on the power required. For portable power sources of general portable electric devices, several to about 10 sheets, for cogeneration stationary electric and hot water supply machines, about 60 to 90 sheets, and for automobile applications, 250 sheets. From about 400 to 400. In order to increase the output, it is necessary to increase the number of stacks, and the cost of the unit cell greatly affects the cost of the entire fuel cell.

CCM(Catalyst Coated Membrane)と呼ばれる電極触媒層と電解質膜で構成された膜−触媒層接合体の製造方法として、支持体付の高分子電解質膜に触媒インクを塗布、乾燥する手法がある。(特許文献1)   As a method for producing a membrane-catalyst layer assembly composed of an electrode catalyst layer and an electrolyte membrane called CCM (Catalyst Coated Membrane), there is a method of applying a catalyst ink to a polymer electrolyte membrane with a support and drying. (Patent Document 1)

しかし特許文献1の方法では、高分子電解質膜表面又は内部の孔を塞ぎ、ガスの流通性能を阻害する結果、得られる膜電極接合体を使用した燃料電池は、その性能が低下するおそれがある。   However, in the method of Patent Document 1, as a result of blocking the polymer electrolyte membrane surface or internal pores and hindering the gas flow performance, the performance of the fuel cell using the obtained membrane electrode assembly may be deteriorated. .

また、触媒層を電解質の上に形成する場合には、インク内の溶剤あるいは液体によって、電解質の膨潤変形が生じて形状保持が困難となり、膜厚の調整および均一性の確保が容易でない。その結果として、最終的に作成される膜電極接合体に反りや歪み等の変形が生じやすく、品質の低下に繋がることが問題となる。   In addition, when the catalyst layer is formed on the electrolyte, the electrolyte is swollen and deformed by the solvent or liquid in the ink, making it difficult to maintain the shape, and it is not easy to adjust the film thickness and ensure uniformity. As a result, the membrane electrode assembly to be finally produced is likely to be deformed such as warpage and distortion, which leads to a problem of quality deterioration.

上記の欠点を回避する方法として、基材上に触媒層を形成した転写シートから触媒層を電解質膜に転写する方法が知られている(特許文献2)。しかしながら特許文献2には、スクリーン印刷によって膜厚制御された触媒層を形成し、高分子電解質膜への転写をすることのみが記載されている。   As a method for avoiding the above drawbacks, a method is known in which a catalyst layer is transferred to an electrolyte membrane from a transfer sheet having a catalyst layer formed on a substrate (Patent Document 2). However, Patent Document 2 only describes that a catalyst layer whose film thickness is controlled by screen printing is formed and transferred to a polymer electrolyte membrane.

転写シートから触媒層を電解質膜に転写する場合、対向するアノード電極用の触媒層及びカソード電極用の触媒層を正確にアライメント(位置合わせ)して積層する必要があり、正確な積層が成されていない場合にはガスのリークによる性能低下や、電解質膜の劣化促進等が生じ得るという問題がある。   When the catalyst layer is transferred from the transfer sheet to the electrolyte membrane, it is necessary to accurately align and stack the opposing anode electrode catalyst layer and cathode electrode catalyst layer. If not, there is a problem that performance degradation due to gas leakage or deterioration of the electrolyte membrane may occur.

対向するアノード電極用の触媒層及びカソード電極用の触媒層を精度よく位置合わせして積層する方法として、電極用の触媒層の位置をカメラで認識して機械的に座標を調整する方法や、位置決めピンを用いる方法などが知られているが、それらの方法では十分な精度が得られておらず歩留まりが低下する要因となっている。   As a method of accurately aligning and stacking the catalyst layer for the anode electrode and the catalyst layer for the cathode electrode facing each other, a method of adjusting the coordinates mechanically by recognizing the position of the electrode catalyst layer with a camera, Methods using positioning pins are known. However, these methods do not provide sufficient accuracy, which is a cause of a decrease in yield.

特開2003−257449号公報JP 2003-257449 A 特開平10−64574号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-64574

本発明は上記のような実情を鑑みて成されたものであり、電極用の触媒層の周縁部に具備する額縁上のシール材であるガスケットに賦形を施すことにより、従来の手法より精度の高いアライメントを可能とする膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is more accurate than the conventional method by shaping the gasket, which is a sealing material on the frame provided at the peripheral portion of the electrode catalyst layer. It is an object of the present invention to provide a membrane electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and a method for manufacturing the same.

上記の課題を解決するための手段として、本発明の第一の様態は、
高分子電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を備え、アノード電極及びカソード電極の外周に沿ってそれぞれ額縁状にガスケットが隣接してなる膜電極接合体であって、
ガスケットの表面の少なくとも一部には周期的に配列された微細な凹凸形状を有し、
前記微細な凹凸形状は、前記高分子電解質膜の両面に対向して接していることを特徴とする膜電極接合体である。
As a means for solving the above problems, the first aspect of the present invention is:
A membrane electrode assembly comprising an anode electrode on one surface of a polymer electrolyte membrane and a cathode electrode on the other surface, and gaskets adjacent to each other along the outer periphery of the anode electrode and the cathode electrode,
At least a part of the surface of the gasket has fine irregularities arranged periodically,
The fine concavo-convex shape is a membrane electrode assembly characterized in that it is in contact with both surfaces of the polymer electrolyte membrane.

本発明の第二の様態は、
前記周期的に配列された微細な凹凸形状の高さが1μm以上50μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体である。
The second aspect of the present invention is:
2. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the height of the periodically arranged fine irregularities is 1 μm or more and 50 μm or less.

本発明の第三の様態は、
前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、二回回転軸を有することを特徴とする請求項1または2に記載の膜電極接合体である。
The third aspect of the present invention is:
3. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the periodically arranged cross-sections of fine irregularities have a two-fold rotation axis.

本発明の第四の様態は、
前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、正三角形、二等辺三角形もしくは不等辺三角形のいずれかを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体である。
The fourth aspect of the present invention is:
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the periodically arranged cross-sections of fine irregular shapes include any one of an equilateral triangle, an isosceles triangle, and an unequal triangle. It is.

本発明の第五の様態は、
前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、半円形、半楕円形もしくは蒲鉾形のいずれかを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体である。
The fifth aspect of the present invention is:
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the periodically arranged cross-sections of the fine concavo-convex shape include any one of a semicircular shape, a semielliptical shape, and a saddle shape. is there.

本発明の第六の様態は、
前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、等脚台形もしくは不等脚台形を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体である。
The sixth aspect of the present invention is:
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the periodically arranged cross-sections of fine irregular shapes include an isosceles trapezoid or an unequal leg trapezoid.

本発明の第七の様態は、
前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、正弦波形、三角波形もしくは台形波形のいずれかを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体である。
The seventh aspect of the present invention is:
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the periodically arranged cross-sections of fine irregularities include any one of a sine waveform, a triangular waveform, and a trapezoidal waveform. .

本発明の第八の様態は、
前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、曲率が連続的に変化する形状を含むことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の膜電極接合体である。
The eighth aspect of the present invention is:
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 7, wherein the periodically arranged cross-sections of fine irregularities include a shape in which the curvature continuously changes.

本発明の第九の様態は、
前記周期的に配列された微細な凹凸形状が、一方向に延在して並列する複数のライン状の構造体からなることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の膜電極接合体である。
The ninth aspect of the present invention is:
The membrane electrode junction according to any one of claims 1 to 8, wherein the fine irregularities arranged periodically are formed of a plurality of line-like structures extending in one direction and arranged in parallel. Is the body.

本発明の第十の様態は、
前記請求項1から9のいずれかに記載の膜電極接合体を備えたことを特徴とする固体高分子形燃料電池である。
The tenth aspect of the present invention is:
A solid polymer fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 9.

本発明の第十一の様態は、
アノード電極とカソード電極と高分子電解質膜とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
高分子電解質膜の一方の面にアノード電極を積層し、他方の面にカソード電極を前記アノード電極と対向するように積層する工程と、
アノード電極およびカソード電極の外周に沿った大きさの額縁状であって、その一方の面の少なくとも一部に周期的に配列された微細な凹凸形状を有するガスケットを、前記微細な凹凸形状を含む面を前記高分子電解質膜に接するようにして、高分子電解質膜の両面に対向して積層する工程と、
アノード電極とアノード電極側のガスケットの積層位置、およびカソード電極とカソード電極側のガスケットの積層位置をアライメント制御して位置合わせする工程とを少なくとも備え、
前記ガスケットの微細な凹凸形状の断面における斜面の最短線分における正射影の長さが、前記アライメント制御による位置合わせ精度よりも大きいことを特徴とする、膜電極接合体の製造方法である。
The eleventh aspect of the present invention is:
A method for producing a membrane electrode assembly comprising an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane,
Laminating an anode electrode on one surface of the polymer electrolyte membrane and laminating a cathode electrode on the other surface so as to face the anode electrode;
A gasket having a fine concavo-convex shape which is a frame shape having a size along the outer periphery of the anode electrode and the cathode electrode and periodically arranged on at least a part of one surface thereof includes the fine concavo-convex shape. A step of laminating facing the both sides of the polymer electrolyte membrane so that the surface is in contact with the polymer electrolyte membrane;
And at least a step of aligning and positioning the lamination position of the anode electrode and the gasket on the anode electrode side, and the lamination position of the cathode electrode and the cathode electrode side gasket,
In the method of manufacturing a membrane electrode assembly, the length of the orthogonal projection in the shortest line segment of the slope in the cross-section of the fine uneven shape of the gasket is larger than the alignment accuracy by the alignment control.

本発明の第十二の様態は、
アノード電極とカソード電極と高分子電解質膜とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
アノード電極およびカソード電極の外周に沿った大きさの額縁状であって、その一方の面の少なくとも一部に周期的に配列された微細な凹凸形状を有するガスケットをそれぞれ用意し、
支持体上にアノード電極を積層し、前記ガスケットの微細な凹凸形状のある面を支持体と反対側に向け、アノード電極の外周に沿って隣接するように前記ガスケットを積層する工程と、
他の支持体上にカソード電極を積層し、前記ガスケットの微細な凹凸形状のある面を支持体と反対側に向け、カソード電極の外周に沿って隣接するように前記ガスケットを積層する工程と、
高分子電解質膜の一方の面に、前記アノード電極及びガスケットが高分子電解質膜と接するように積層する工程と、
高分子電解質膜の他方の面に、前記カソード電極及びガスケットが高分子電解質膜と接するように積層する工程と、
高分子電解質膜を挟んで対向するアノード電極とカソード電極の積層位置をアライメント制御して位置合わせする工程とを少なくとも備え、
前記ガスケットの微細な凹凸形状の断面における斜面の最短線分における正射影の長さが、前記アライメント制御による位置合わせ精度よりも大きいことを特徴とする、膜電極接合体の製造方法である。
The twelfth aspect of the present invention is
A method for producing a membrane electrode assembly comprising an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane,
Prepare a gasket having a fine concavo-convex shape in a frame shape having a size along the outer periphery of the anode electrode and the cathode electrode and periodically arranged on at least a part of one surface thereof,
Laminating the anode electrode on the support, laminating the gasket so that the surface with the fine irregularities of the gasket faces the opposite side of the support, and is adjacent to the outer periphery of the anode electrode;
Laminating a cathode electrode on another support, laminating the gasket so as to be adjacent to the outer periphery of the cathode electrode, with the finely uneven surface of the gasket facing the opposite side of the support;
Laminating on one surface of the polymer electrolyte membrane so that the anode electrode and the gasket are in contact with the polymer electrolyte membrane;
Laminating the other surface of the polymer electrolyte membrane so that the cathode electrode and the gasket are in contact with the polymer electrolyte membrane;
And at least a step of aligning and controlling the lamination position of the anode electrode and the cathode electrode facing each other across the polymer electrolyte membrane,
In the method of manufacturing a membrane electrode assembly, the length of the orthogonal projection in the shortest line segment of the slope in the cross-section of the fine uneven shape of the gasket is larger than the alignment accuracy by the alignment control.

本発明に係る膜電極接合体の製造方法によれば、従来の転写方式と比較してアノード電極及びカソード電極を積層する際の位置合わせ精度を向上させることができ、膜電極接合体の品質を向上させ、この製造方法を用いたMEA、単電池セル、セルスタック、燃料電池において十分な発電性及び耐久性を発揮することができる。   According to the method for manufacturing a membrane electrode assembly according to the present invention, it is possible to improve the alignment accuracy when stacking the anode electrode and the cathode electrode as compared with the conventional transfer method, and to improve the quality of the membrane electrode assembly. Thus, sufficient power generation and durability can be exhibited in MEAs, unit cells, cell stacks, and fuel cells using this manufacturing method.

本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスケットの形状例を示す斜視図および断面図である。It is the perspective view and sectional drawing which show the example of a shape of the gasket which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスケットの形状例を示す斜視図および断面図である。It is the perspective view and sectional drawing which show the example of a shape of the gasket which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスケットの形状例を示す斜視図および断面図である。It is the perspective view and sectional drawing which show the example of a shape of the gasket which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスケットの形状例を示す斜視図および断面図である。It is the perspective view and sectional drawing which show the example of a shape of the gasket which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスケットの形状例を示す斜視図および断面図である。It is the perspective view and sectional drawing which show the example of a shape of the gasket which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスケットの形状例を示す斜視図および断面図である。It is the perspective view and sectional drawing which show the example of a shape of the gasket which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスケットの形状例を示す斜視図および断面図である。It is the perspective view and sectional drawing which show the example of a shape of the gasket which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスケットの形状例を示す斜視図および断面図である。It is the perspective view and sectional drawing which show the example of a shape of the gasket which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池の構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the structural example of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態の効果を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the effect of embodiment of this invention.

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図は模式的に示した図であり、各部の大きさや形状等は理解を容易にするために適宜誇張して示している。また、説明を簡単にするため、各図の対応する部位には同じ符号を付している。また、本発明は、以下に記す実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれるものである。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Each figure is a schematic diagram, and the size, shape, and the like of each part are appropriately exaggerated for easy understanding. For the sake of simplicity, the same reference numerals are given to corresponding parts in the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. Embodiments to which such modifications are added Are also included in the scope of the embodiments of the present invention.

(全体構成)
まず、本発明の一実施形態が適用されうる膜電極接合体を使用した固体高分子形燃料電池について、図13を用いて説明する。
(overall structure)
First, a polymer electrolyte fuel cell using a membrane electrode assembly to which an embodiment of the present invention can be applied will be described with reference to FIG.

図13は、本発明の一実施形態にかかる固体高分子形燃料電池11の構成例を示す概略図である。図13に示されるように、本実施形態にかかる固体高分子形燃料電池11は、高分子電解質膜1の両面にアノード電極2及びカソード電極3を有する膜電極接合体12を備え、アノード電極2及びカソード電極3と対向してそれぞれガス拡散層5が配置されてなり、アノード電極2、カソード電極3及びガス拡散層5の外周に枠状のガスケット4を具備し、それぞれアノード6およびカソード7が構成されてなる。   FIG. 13 is a schematic view showing a configuration example of the polymer electrolyte fuel cell 11 according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 13, the polymer electrolyte fuel cell 11 according to this embodiment includes a membrane electrode assembly 12 having an anode electrode 2 and a cathode electrode 3 on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 1, and the anode electrode 2. The gas diffusion layer 5 is disposed opposite to the cathode electrode 3, and the frame-like gasket 4 is provided on the outer periphery of the anode electrode 2, the cathode electrode 3, and the gas diffusion layer 5. Consists of.

セパレータ10は、導電性を有し、かつ不透過性の材料よりなる。該セパレータ10には、ガス流通用のガス流路8と、該ガス流路8の形成された面と相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路9が形成されてなる。セパレータ10は、ガスケット4及びガス拡散層5を挟持するよう配置される。
アノード6側のセパレータ10のガス流路8からは燃料ガスが供給される。燃料ガスとしては、例えば水素ガスが挙げられる。カソード7側のセパレータ10のガス流路8からは、酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスとしては、例えば空気などの酸素を含むガスが供給される。
なお以降では、アノード電極2及びカソード電極3の区別をする必要がない場合に、電極2(3)と表現することがある。または、電極層とすることがある。さらにアノード電極及びカソード電極は、膜電極接合体の中で触媒の機能を果たす層であることから、触媒層と呼ぶことがある。
The separator 10 is made of a material that is conductive and impermeable. The separator 10 includes a gas flow path 8 for gas flow and a cooling water flow path 9 for cooling water flow formed on a main surface opposite to the surface on which the gas flow path 8 is formed. The separator 10 is disposed so as to sandwich the gasket 4 and the gas diffusion layer 5.
Fuel gas is supplied from the gas flow path 8 of the separator 10 on the anode 6 side. An example of the fuel gas is hydrogen gas. An oxidant gas is supplied from the gas flow path 8 of the separator 10 on the cathode 7 side. As the oxidant gas, for example, a gas containing oxygen such as air is supplied.
Hereinafter, when there is no need to distinguish between the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, the electrode 2 (3) may be expressed. Or it may be an electrode layer. Further, the anode electrode and the cathode electrode may be called catalyst layers because they are layers that fulfill the function of a catalyst in the membrane electrode assembly.

図13に示すように、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池11は、1組のセパレータ10に、高分子電解質膜1と、アノード電極2と、カソード電極3と、ガスケット4と、ガス拡散層5とが挟持された、いわゆる単セル構造の固体高分子形燃料電池である。
しかしながら、本実施形態では、セパレータ10を介して複数のセルを直列に積層したスタック構造を採用することも出来る。
As shown in FIG. 13, the polymer electrolyte fuel cell 11 according to this embodiment includes a set of separators 10, a polymer electrolyte membrane 1, an anode electrode 2, a cathode electrode 3, a gasket 4, and a gas. This is a solid polymer fuel cell having a so-called single cell structure in which a diffusion layer 5 is sandwiched.
However, in the present embodiment, a stack structure in which a plurality of cells are stacked in series via the separator 10 may be employed.

(膜電極接合体)
次に図1から図4を参照して、本実施形態に係るガスケット4を用いた膜電極接合体12の構成について説明する。その内容の詳細については、後述の貼り合わせ工程の説明において述べる。
(Membrane electrode assembly)
Next, a configuration of the membrane electrode assembly 12 using the gasket 4 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4. The details of the contents will be described in the description of the bonding step described later.

図1及び図2に示す実施形態では、電極2(3)およびガスケット4の高分子電解質膜1に対向する面とは反対側の面に、それぞれ支持体21を備えている。
膜電極接合体12は、高分子電解質膜1の両面にアノード電極2及びカソード電極3を有し、電極2(3)の外周上にガスケット4を具備している。またガスケット4の少なくとも一部領域において、高分子電解質膜1と接する面に対し、図1(a)、(b)及び図3(a)、(b)に示すような、周期性を有する微細な凹凸形状を形成している。
In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the support 2 is provided on the surface opposite to the surface facing the polymer electrolyte membrane 1 of the electrode 2 (3) and the gasket 4.
The membrane electrode assembly 12 has an anode electrode 2 and a cathode electrode 3 on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, and has a gasket 4 on the outer periphery of the electrode 2 (3). Further, in at least a partial region of the gasket 4, the surface having contact with the polymer electrolyte membrane 1 has a periodicity as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) and FIGS. 3 (a) and 3 (b). The uneven shape is formed.

このように電極2(3)が微細な凹凸形状を有することにより、アノード電極2及びカソード電極3のy軸方向のアライメント精度が向上し、ガスのリークによる性能低下や電解質膜の劣化促進等を抑制して、燃料電池の発電効率を維持することができる。   Since the electrode 2 (3) has a fine irregular shape in this way, the alignment accuracy in the y-axis direction of the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 is improved, and performance degradation due to gas leakage, deterioration promotion of the electrolyte membrane, etc. are improved. It can suppress and can maintain the power generation efficiency of a fuel cell.

(ガスケット)
本実施形態に係るガスケット4の表面に具備した微細な凹凸形状に関して、図5から図12を用いて詳細を説明する。
(gasket)
Details of the fine uneven shape provided on the surface of the gasket 4 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

ガスケット4は、xy平面上における触媒層の長手方向(図中のx軸方向)に略平行に
延在して周期性を有する微細な凹凸形状を有しており、同形状のガスケットをz軸方向に対向するよう反転することにより凹凸形状を噛み合わせることが可能である。
The gasket 4 has a fine concavo-convex shape that extends substantially parallel to the longitudinal direction (x-axis direction in the drawing) of the catalyst layer on the xy plane and has periodicity. It is possible to mesh the concavo-convex shape by inverting so as to face each other.

高分子電解質膜1の両側にガスケット4を貼り合わせる直前では、後述のようなアライメント方法あるいは装置・治具に起因するアライメント精度に起因するずれ量C’(図示せず)が存在する。従来はこの状態で圧着等を行って固定するので、ずれ量C’がそのままガスケットのアライメント精度となった。
これに対し、本発明のように微細な凹凸形状を有するガスケット4を高分子電解質膜1に噛み合わせて圧着を行う際には、ガスケットの凹凸形状の凹部と凸部とが高分子電解質膜1を挟んでうまく噛み合うように、図のy方向にガスケット4の位置をずらす力が自己整合的に働き、その結果として前記ずれ量C’よりも小さいずれ量となる。これにより、対抗するガスケット4及びアノード電極2とカソード電極3のアライメント(位置合わせ)精度が、従来の貼り合わせ方法に比べて向上する。
Immediately before the gasket 4 is bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane 1, there is a deviation amount C ′ (not shown) due to alignment accuracy caused by an alignment method or an apparatus / jig as described later. Conventionally, since it is fixed by performing pressure bonding or the like in this state, the shift amount C ′ becomes the alignment accuracy of the gasket as it is.
On the other hand, when the gasket 4 having a fine uneven shape is engaged with the polymer electrolyte membrane 1 and crimped as in the present invention, the concave and convex portions of the uneven shape of the gasket are formed into the polymer electrolyte membrane 1. The force that shifts the position of the gasket 4 in the y direction in the figure acts in a self-aligning manner so that the meshes are meshed well, and as a result, the amount is smaller than the shift amount C ′. Thereby, the alignment precision of the gasket 4 and the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 which oppose improves compared with the conventional bonding method.

微細な凹凸形状の外形は、その作製及び維持が容易であり、且つ効率的にアノード電極2及びカソード電極3のアライメント位置精度を向上させることが出来る形状であれば、本発明に記載の形状のみに限定されるものではない。   As long as the outer shape of the fine concavo-convex shape is a shape that can be easily produced and maintained, and can efficiently improve the alignment position accuracy of the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, only the shape described in the present invention. It is not limited to.

なお図中において、各形状のyz平面上の高さ、ピッチ、平坦面の長さ、最大斜度を、それぞれH、P、L、θと記載した。
また、触媒層が正方形であった場合には、任意の辺を長手方向と見なしてよい。
In the figure, the height on the yz plane, the pitch, the length of the flat surface, and the maximum inclination are described as H, P, L, and θ, respectively.
Further, when the catalyst layer is square, any side may be regarded as the longitudinal direction.

微細な凹凸形状の高さHが極端に小さいとき、具体的には1μm未満の場合には、ガスケット表面が平坦である場合との差がほとんどないため、アライメントの精度での優位性を発揮しにくい。また微細な凹凸形状の高さHが極端に大きいとき、具体的には50μmを超える場合には、ガスケット4を含む膜電極接合体12全体の高さ(厚さ)が増大し、スタックに伴って燃料電池が大型化してしまうため好ましくない。
従って、微細な凹凸形状の高さHは1μm以上50μm以下であることが好ましい。換言すると、微細な凹凸形状の十点平均粗さRzが1μm以上50μm以下であることが好ましい。
When the height H of the fine uneven shape is extremely small, specifically less than 1 μm, there is almost no difference from the case where the gasket surface is flat, so that it shows superiority in alignment accuracy. Hateful. Further, when the height H of the fine uneven shape is extremely large, specifically, when it exceeds 50 μm, the height (thickness) of the entire membrane electrode assembly 12 including the gasket 4 increases, and the stack increases. This is not preferable because the fuel cell becomes large.
Accordingly, the height H of the fine uneven shape is preferably 1 μm or more and 50 μm or less. In other words, it is preferable that the ten-point average roughness Rz of the fine uneven shape is 1 μm or more and 50 μm or less.

アノード電極層2側のガスケットとカソード電極層3側のガスケットを積層、貼合、圧着等する場合には、手動若しくは機械制御によってアライメント(位置合わせ)を行うため、アライメント精度によってガスケットの微細な凹凸形状を最適化する必要がある。   When the gasket on the anode electrode layer 2 side and the gasket on the cathode electrode layer 3 side are laminated, bonded, or crimped, alignment (positioning) is performed manually or by mechanical control. It is necessary to optimize the shape.

発明者の検討によれば、ガスケット4の表面に具備される微細な凹凸形状における斜面の最短線分における正射影の長さSは、貼り合わせ治具または装置に起因するアライメント精度よりも大きいことが好ましく、その場合にアライメント精度が従来よりも向上することを見い出した。ここで斜面の最短線分における正射影の長さSとは、図5〜12及び表1に示したSのことを指す。
これは、貼り合わせ・圧着の際、この長さSが後述のアライメント方法に起因するアライメント精度よりも小さいと、前述のように凹凸形状の凹部と凸部とがうまく噛み合うように位置をずらす力が自己整合的に働かず、そのまま収まってしまうためと考えられる。
According to the inventor's investigation, the length S of the orthogonal projection in the shortest line segment of the slope in the fine uneven shape provided on the surface of the gasket 4 is larger than the alignment accuracy caused by the bonding jig or apparatus. In this case, it has been found that the alignment accuracy is improved as compared with the prior art. Here, the length S of the orthogonal projection in the shortest line segment of the slope refers to S shown in FIGS.
This is the force that shifts the position so that the concave and convex portions of the concave and convex shape are well meshed with each other as described above when the length S is smaller than the alignment accuracy caused by the alignment method described later at the time of bonding and crimping. This is thought to be because it does not work in a self-aligning manner and is kept as is.

ガスケット4は、xy平面上における触媒層の短手方向(図中のy軸方向)に略平行に延在する凹凸形状を有していても一定の効果を得ることが出来るが、長手方向(x軸方向)に略平行に延在する凹凸形状の方が、アノード電極層2とカソード電極層3の位置ずれ、若しくは電極層とガスケットの隙間をより減少させることが可能であるため好ましい。
ここでいう位置ずれ及び隙間とは、図14(a)及び(b)に示したC及びGのことを指す。
Even if the gasket 4 has a concavo-convex shape extending substantially parallel to the short side direction (y-axis direction in the drawing) of the catalyst layer on the xy plane, a certain effect can be obtained, but the longitudinal direction ( An uneven shape extending substantially parallel to the (x-axis direction) is preferable because it is possible to further reduce the positional deviation between the anode electrode layer 2 and the cathode electrode layer 3 or the gap between the electrode layer and the gasket.
The misregistration and gap here refer to C and G shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b).

ガスケット4の表面形状例として、正弦波形、三角波、台形波の形状が挙げられる。その斜視図及び断面図を図5から図7に示した。
なおここでいう正弦波形、三角波、台形波とは、幾何学的に正確な正弦波形、三角波、台形波でなくても良く、形状を類型的に分類するために便宜的に用い、繰返しの周期性を有する波形形状を指すものであって、一部に直線、曲線及び歪みを含んでいても良い。
Examples of the surface shape of the gasket 4 include sinusoidal, triangular, and trapezoidal wave shapes. The perspective view and sectional view are shown in FIGS.
Note that the sinusoidal waveform, triangular wave, and trapezoidal wave here do not have to be geometrically accurate sinusoidal waveforms, triangular waves, or trapezoidal waves, and are used for convenience to classify the shapes typi- cally. The waveform shape has a certain property, and a part thereof may include a straight line, a curve, and a distortion.

さらにガスケット4の表面形状の別の例として、微細な凹凸形状の間に平面を有する形状が挙げられる。その斜視図及び断面図を図8から図10に示した。なお、図8から図10のような形状は回転対称で二回回転軸を有する形状と呼び、二回回転軸とは、2分の1回転すなわち180度回転させると元の図形と一致する図形を意味する。   Furthermore, another example of the surface shape of the gasket 4 is a shape having a flat surface between fine irregularities. The perspective view and sectional view are shown in FIGS. The shape as shown in FIGS. 8 to 10 is called a shape having rotational symmetry and a two-fold rotation axis. The two-fold rotation axis is a figure that coincides with the original figure when rotated by a half rotation, that is, 180 degrees. Means.

また、ガスケット4の表面形状の別の例として、平面もしくは曲面によって面取りした三角波及び台形波が挙げられる。その斜視図及び断面図を図11及び図12に示した。   Another example of the surface shape of the gasket 4 includes a triangular wave and a trapezoidal wave chamfered by a flat surface or a curved surface. The perspective view and sectional view are shown in FIGS.

以上の図5から図12に示したような微細な凹凸形状は、図中のx軸に対して正確に平行でなくても良い。   The fine concavo-convex shape as shown in FIGS. 5 to 12 does not have to be exactly parallel to the x-axis in the drawings.

図5から12では正確に同一形状の微細な凹凸形状を並列した例を示しているが、これに限定されず、ガスケット表面上で図4から12及びその他の形状を適宜組み合わせて構成してもよい。   FIGS. 5 to 12 show an example in which minute uneven shapes having exactly the same shape are arranged in parallel, but the present invention is not limited to this, and it may be configured by appropriately combining FIGS. 4 to 12 and other shapes on the gasket surface. Good.

本実施形態に係る膜電極接合体12は、ガスケット4の表面に微細な凹凸形状を有するが、アノード電極2側のガスケットとカソード電極3側のガスケットが同じ形状を有していても良いし、異なる形状を有していても良い。   The membrane electrode assembly 12 according to the present embodiment has a fine uneven shape on the surface of the gasket 4, but the gasket on the anode electrode 2 side and the gasket on the cathode electrode 3 side may have the same shape, It may have a different shape.

ガスケット4の微細な凹凸形状は、片面のみに具備していても良く、両面に具備していても良い。   The fine uneven shape of the gasket 4 may be provided only on one side or on both sides.

ガスケット4は単層構造でも良く、複層構造でも良い。さらに、ガスケット4は主となる材料のみで構成されていても良く、複数の材料を組み合わせても良い。   The gasket 4 may have a single layer structure or a multilayer structure. Furthermore, the gasket 4 may be composed of only the main material, or a plurality of materials may be combined.

ガスケット4を形成する主たる材料の例として、例えばポリカーボネート樹脂やポリスチレン樹脂、フッ素系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、ポリブテン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルメタアクリレート、シクロオレフィンポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルエーテルイミド、ポリフェニレンスルファイド、エチレン−酢酸ビニル共重合体、アクリル−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル共重合体、シリコン樹脂、ポリ乳酸、セルロースなど、一般的によく用いられている様々なアクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック、合成高分子樹脂、天然樹脂、UV硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等が挙げられる。
また、これらのうち2種類以上の混合材料を用いることも出来る。
Examples of main materials for forming the gasket 4 include, for example, polycarbonate resin, polystyrene resin, fluorine-based acrylic resin, epoxy acrylate resin, methylstyrene resin, fluorene resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyurethane resin, polymethylpentene resin, polybutene resin. , Polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, polyamide, polyimide, polymethyl methacrylate, cycloolefin polymer, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyether ether imide, polyphenylene sulfide, Ethylene-vinyl acetate copolymer, acrylic-styrene copolymer, styrene-butadiene-acrylonitrile Various commonly used acrylic resins such as polymers, silicone resins, polylactic acid, and cellulose, polyester resins, polyolefin resins, general-purpose plastics, engineering plastics, super engineering plastics, synthetic polymer resins, natural resins, UV Examples thereof include curable resins, thermosetting resins, and thermoplastic resins.
Of these, two or more kinds of mixed materials may be used.

ガスケット4は表面の一部または全部に、粘着層もしくは接着層を具備していても良く、ガスケット4の表面がタック性(粘着性)を有していても良い。
また高分子電解質膜1とガスケット4との積層もしくは貼合の際、上記の粘着層、接着
層もしくはタック層によって、高分子電解質膜1とガスケット4とを貼合、接合、癒着、一体化しても良い。
The gasket 4 may have an adhesive layer or an adhesive layer on part or all of the surface, and the surface of the gasket 4 may have tackiness (adhesiveness).
Further, when the polymer electrolyte membrane 1 and the gasket 4 are laminated or bonded, the polymer electrolyte membrane 1 and the gasket 4 are bonded, bonded, bonded, and integrated by the above-mentioned adhesive layer, adhesive layer, or tack layer. Also good.

ガスケット4の表面形状の製法例として、エッチング、電子線描画、レーザー描画、レーザー干渉、切削、自己組織化などが挙げられる。また上記の手法で賦形したものを型・版として使用し、型・版に溶融した各種材料を流し込み、硬化した後に剥離することで型・版の凹部を転写する方法によっても所望の形状を有するガスケット4を得ることが出来る。
なお、最終的に同一の表面形状を有するガスケット4を作製できるならば、その作製手段については特に制限は無い。
Examples of the manufacturing method of the surface shape of the gasket 4 include etching, electron beam drawing, laser drawing, laser interference, cutting, and self-organization. In addition, using the mold and plate shaped by the above method, pouring various materials melted into the mold and plate, curing, and then peeling off the mold and plate to form the desired shape. The gasket 4 which has can be obtained.
In addition, if the gasket 4 which finally has the same surface shape can be produced, there will be no restriction | limiting in particular about the production means.

ガスケット4の微細な凹凸形状は、ガスケット4と高分子電解質膜1との接触面積を増大させることで粘着力を向上させ、ガスケット4の浮き、剥がれ等の欠陥を抑制することも出来る。   The fine concavo-convex shape of the gasket 4 can improve the adhesive force by increasing the contact area between the gasket 4 and the polymer electrolyte membrane 1, and can also suppress defects such as floating and peeling of the gasket 4.

ガスケット4の微細な凹凸形状は、高分子電解質膜1を介してガスケット4同士が嵌合されていることにより、温湿度等の影響による膜電極接合体12の膨張もしくは収縮に起因する剪断応力による、層間のずれ、ねじれ、しわ等の欠陥を抑制することも出来る。   The fine uneven shape of the gasket 4 is due to the shear stress caused by the expansion or contraction of the membrane electrode assembly 12 due to the influence of temperature and humidity, etc., when the gaskets 4 are fitted to each other via the polymer electrolyte membrane 1. In addition, defects such as interlayer displacement, twisting, and wrinkles can be suppressed.

(型・版)
上記の微細な凹凸形状の型・版を形成する主たる材料の例として、ポリカーボネート樹脂やポリスチレン樹脂、フッ素系アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、メチルスチレン樹脂、フルオレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、ポリブテン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルメタアクリレート、シクロオレフィンポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルエーテルイミド、ポリフェニレンスルファイド、エチレン−酢酸ビニル共重合体、アクリル−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル共重合体、シリコン樹脂、ポリ乳酸、セルロースなど、一般的によく用いられている様々なアクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチック、合成高分子樹脂、天然樹脂、UV硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等が挙げられる。
また、これらのうち2種類以上の混合材料を用いることも出来る。
(Type / version)
Examples of main materials for forming the above-mentioned fine concavo-convex mold / plate include polycarbonate resin, polystyrene resin, fluorine-based acrylic resin, epoxy acrylate resin, methylstyrene resin, fluorene resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyurethane resin, Polymethylpentene resin, polybutene resin, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, polyamide, polyimide, polymethyl methacrylate, cycloolefin polymer, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyether Ether imide, polyphenylene sulfide, ethylene-vinyl acetate copolymer, acrylic-styrene copolymer, styrene-butadiene-acrylic Various commonly used acrylic resins such as nitrile copolymers, silicone resins, polylactic acid, and cellulose, polyester resins, polyolefin resins, general-purpose plastics, engineering plastics, super engineering plastics, synthetic polymer resins, natural resins UV curable resin, thermosetting resin, thermoplastic resin and the like.
Of these, two or more kinds of mixed materials may be used.

型・版を形成する主たる材料の例として、金、白金、銀、銅、鉄、鉛、亜鉛、錫、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、半田、鋼、真鍮、ステンレス、ジュラルミンなどの金属または合金や、ガラス、陶磁器、木材、紙、煉瓦、コンクリート、ゴム等を用いてもよい。   Examples of main materials for forming molds and plates include gold, platinum, silver, copper, iron, lead, zinc, tin, titanium, vanadium, chromium, nickel, tungsten, aluminum, magnesium, solder, steel, brass, stainless steel, A metal or alloy such as duralumin, glass, ceramics, wood, paper, brick, concrete, rubber, or the like may be used.

型・版の製法例として、エッチング、電子線描画、レーザー描画、レーザー干渉、切削、自己組織化などが挙げられる。また上記の手法で賦形したものを型・版として使用し、型・版に溶融した各種材料を流し込み、硬化した後に剥離することで型・版の凹部を転写する方法によっても、所望の形状を有する型・版を複製として得ることが出来る。
なお、最終的に同一の表面形状を有する型・版を作製できるならば、その作製手段については特に制限は無い。
Examples of mold / plate manufacturing methods include etching, electron beam drawing, laser drawing, laser interference, cutting, and self-organization. The desired shape can also be obtained by using the one shaped by the above method as a mold / plate, pouring various materials melted into the mold / plate, and curing and then peeling off the mold / plate recesses. A mold / plate with can be obtained as a duplicate.
If a mold / plate having the same surface shape can be finally produced, the production means is not particularly limited.

(転写)
次に、電極2(3)と高分子電解質膜1の貼り合わせ工程について、図1〜4を参照して説明する。
まず、図1(a)及び図2に示すように、支持体21に保持された電極2(3)及びガスケット4を、ガスケット4表面の微細な凹凸形状のある面が高分子電解質膜1と対向するようにした後、電極2(3)及びガスケット4を高分子電解質膜1と接触するように積層する。
(Transcription)
Next, the bonding process of the electrode 2 (3) and the polymer electrolyte membrane 1 will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIGS. 1A and 2, the electrode 2 (3) and the gasket 4 held on the support 21 are arranged such that the surface having a fine uneven shape on the surface of the gasket 4 and the polymer electrolyte membrane 1. After facing each other, the electrode 2 (3) and the gasket 4 are laminated so as to be in contact with the polymer electrolyte membrane 1.

そして、熱圧着等の手法を用いて図1(b)に示すようにこれらを一体化する。最後に、支持体21を電極2(3)及びガスケット4から剥離することで、高分子電解質膜1に電極2(3)を転写すると同時に、高分子電解質膜1にガスケット4を貼り合わせることが出来る。
このようにして、高分子電解質膜1の両面にアノード電極2及びカソード電極3をそれぞれ転写することで、膜電極接合体12を作製することが出来る。
And these are integrated as shown in FIG.1 (b) using methods, such as thermocompression bonding. Finally, the support 21 is peeled from the electrode 2 (3) and the gasket 4 so that the electrode 2 (3) is transferred to the polymer electrolyte membrane 1 and at the same time the gasket 4 is bonded to the polymer electrolyte membrane 1. I can do it.
Thus, the membrane electrode assembly 12 can be produced by transferring the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, respectively.

また上記の転写工程は、高分子電解質膜1、電極2(3)、ガスケット4、支持体21の材料、厚み、形状等によって最適な条件が異なるが、高分子電解質膜1のガラス転移点以上融点未満の温度で圧着することにより、高分子電解質膜1と電極2(3)との化学的な結合を促進し、密着力を向上させることが出来るため好ましい。   In addition, although the optimum conditions for the above-described transfer process vary depending on the material, thickness, shape, and the like of the polymer electrolyte membrane 1, the electrode 2 (3), the gasket 4, and the support 21, the transfer temperature is higher than the glass transition point of the polymer electrolyte membrane 1. It is preferable to perform pressure bonding at a temperature lower than the melting point because chemical bonding between the polymer electrolyte membrane 1 and the electrode 2 (3) can be promoted and adhesion can be improved.

また別の手法として、図3及び図4に示すように、高分子電解質膜1に電極2(3)を転写した後、別途ガスケット4を貼合することもできる。   As another method, as shown in FIGS. 3 and 4, after transferring the electrode 2 (3) to the polymer electrolyte membrane 1, a gasket 4 can be bonded separately.

まず支持体21に保持された電極2(3)と高分子電解質膜1とを対向後、電極2(3)と高分子電解質膜1とが接触するように積層する。そして、熱圧着等の手法を用いてこれらを一体化する。続いて、支持体21を電極2(3)から剥離することで、図3(a)のように、高分子電解質膜1に電極2(3)を転写することができる。同様の工程により、高分子電解質膜1の両面にアノード電極2及びカソード電極3をそれぞれ転写することで、膜−触媒層接合体(CCM)を作製することができる。   First, the electrode 2 (3) and the polymer electrolyte membrane 1 held on the support 21 are opposed to each other, and then laminated so that the electrode 2 (3) and the polymer electrolyte membrane 1 are in contact with each other. And these are integrated using methods, such as thermocompression bonding. Subsequently, by peeling the support 21 from the electrode 2 (3), the electrode 2 (3) can be transferred to the polymer electrolyte membrane 1 as shown in FIG. A membrane-catalyst layer assembly (CCM) can be produced by transferring the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 by the same process.

その後、断裁や打ち抜き等の手段により一部を取り除いた開口部を有するガスケット4を、電極2(3)の周囲を覆うように高分子電解質膜1に積層、貼合して、図3(b)に示すような膜電極接合体12を作製することができる。   Thereafter, a gasket 4 having an opening part removed by means of cutting or punching is laminated and bonded to the polymer electrolyte membrane 1 so as to cover the periphery of the electrode 2 (3), and FIG. The membrane electrode assembly 12 as shown in FIG.

上記の転写工程は、アノード電極2を転写してからカソード電極3を転写してもよく、カソード電極3を転写してからアノード電極2を転写してもよい。さらに、図1あるいは図3のようにガスケット4の一方の表面のみに微細な凹凸形状を付与する場合において、微細な凹凸形状が形成されない側は公知の技術により形成すればよい。   In the above transfer step, the cathode electrode 3 may be transferred after the anode electrode 2 is transferred, or the anode electrode 2 may be transferred after the cathode electrode 3 is transferred. Further, in the case where a fine uneven shape is provided only on one surface of the gasket 4 as shown in FIG. 1 or FIG. 3, the side where the fine uneven shape is not formed may be formed by a known technique.

(アライメント方法)
アノード電極2側のガスケットとカソード電極3側のガスケットを積層、貼合、圧着等する場合には、手動若しくは機械制御によって両電極のアライメント(位置合わせ)を行うことが好ましい。
(Alignment method)
When the gasket on the anode electrode 2 side and the gasket on the cathode electrode 3 side are laminated, bonded, or pressure-bonded, it is preferable to align both electrodes manually or by machine control.

具体的なアライメントの方法例として、触媒層若しくはガスケットの端部か、ガスケット若しくは支持体の一部に設けた目印(アライメントマーク)を、xy平面上で正確に重ね合わせるよう、サンプルのセット位置若しくはサンプルを保持する吸着盤等の台をx方向、y方向に平行移動させる、或いはxy平面におけるサンプルの角度を変えることによりアライメントすることが出来る。   As a specific example of the alignment method, the sample setting position or the mark (alignment mark) provided on the end of the catalyst layer or gasket or on a part of the gasket or support is accurately superimposed on the xy plane. Alignment can be performed by translating a table such as a suction disk holding the sample in the x and y directions, or changing the angle of the sample in the xy plane.

アライメントを行うために、触媒層若しくはガスケットの端部か、ガスケット若しくは支持体の一部に設けた目印(アライメントマーク)を認識する手段として、目視若しくはカメラによる光学的な手法を用いることができる。
またカメラによって認識する場合には、可視光の他に赤外光や紫外光を用いることもできる。
In order to perform alignment, visual means or an optical method using a camera can be used as means for recognizing a mark (alignment mark) provided at the end of the catalyst layer or the gasket or a part of the gasket or the support.
In the case of recognition by a camera, infrared light or ultraviolet light can be used in addition to visible light.

カメラと光源の関係として、暗視野照明でもよく、明視野照明若しくは同軸落射照明でもよい。また反射光を用いてもよく、透過光を用いてもよい。   The relationship between the camera and the light source may be dark field illumination, bright field illumination or coaxial epi-illumination. Moreover, reflected light may be used and transmitted light may be used.

(電極)
触媒インクを塗布、乾燥することで得られる電極2(3)の平均厚みは、例えば0.1μm以上100μm以下、好ましくは0.5μm以上50μm以下、更に好ましくは1μm以上20μm以下であればよい。
(electrode)
The average thickness of the electrode 2 (3) obtained by applying and drying the catalyst ink may be, for example, from 0.1 μm to 100 μm, preferably from 0.5 μm to 50 μm, and more preferably from 1 μm to 20 μm.

電極2(3)を作製する際には、z軸方向の平均厚みが均一になるように作製することが好ましいが、z軸方向の平均厚みが正確に均一でなくとも好適に使用することが出来る。   When the electrode 2 (3) is manufactured, it is preferable that the average thickness in the z-axis direction is uniform. However, the electrode 2 (3) is preferably used even if the average thickness in the z-axis direction is not exactly uniform. I can do it.

固体高分子形燃料電池11は複数のMEAをスタックして製造するため、電極2(3)の圧潰に起因する性能低下を回避するためには、電極2(3)のz軸方向の平均厚みがガスケット4の最大厚みよりも小さいことが好ましい。   Since the polymer electrolyte fuel cell 11 is manufactured by stacking a plurality of MEAs, the average thickness of the electrode 2 (3) in the z-axis direction is avoided in order to avoid performance degradation due to the crushing of the electrode 2 (3). Is preferably smaller than the maximum thickness of the gasket 4.

触媒インクを塗布する手法として、慣用的なコーティング法を用いることが出来る。具体的なコーティング法として、例えば、ロールコーター、エアナイフコーター、ブレードコーター、ロッドコーター、リバースコーター、バーコーター、コンマコーター、ダイコーター、グラビアコーター、スクリーンコーター、スプレー、スピナーなどが挙げられる。
なお、最終的に同様の触媒インクを塗布できるならば、その塗布手段については特に制限は無い。
As a method for applying the catalyst ink, a conventional coating method can be used. Specific coating methods include, for example, roll coaters, air knife coaters, blade coaters, rod coaters, reverse coaters, bar coaters, comma coaters, die coaters, gravure coaters, screen coaters, sprayers, spinners and the like.
If the same catalyst ink can be finally applied, the application means is not particularly limited.

上記の塗布手段はアノード電極2及びカソード電極3のどちらを作製する際にも適用できるが、両方の作製において同一の塗布条件でなければならないと限定するものではなく、アノード電極2の製造工程と、カソード電極3の製造工程において、異なる塗布条件を用いることが出来る。
ここでいう塗布条件とは、塗工装置の方式、個数、触媒インクの吐出圧、吐出時間、掃引速度、塗工幅、塗工長、コーターと型との距離等を包括的に指す。
The above application means can be applied to the production of either the anode electrode 2 or the cathode electrode 3, but is not limited to the same application conditions in both productions. In the manufacturing process of the cathode electrode 3, different coating conditions can be used.
The application conditions referred to here comprehensively refer to the method of the coating device, the number, the discharge pressure of the catalyst ink, the discharge time, the sweep speed, the coating width, the coating length, the distance between the coater and the mold, and the like.

触媒インクの乾燥手段として、加熱可能な吸着盤、ホットプレート、オーブン、IR乾燥機、温風の吹きつけ、経時による自然乾燥等が挙げられるが、最終的に同様の電極若しくは触媒層が得られるならば特に限定はない。さらに、触媒インクの乾燥工程において、複数の乾燥方式を併用してもよく、各乾燥方式で温度条件が異なっていてもよい。   Examples of the drying means for the catalyst ink include a heatable adsorbing plate, a hot plate, an oven, an IR dryer, blowing hot air, natural drying over time, etc., but finally a similar electrode or catalyst layer can be obtained. There is no particular limitation. Furthermore, in the drying process of the catalyst ink, a plurality of drying methods may be used in combination, and temperature conditions may be different for each drying method.

上記の乾燥手段はアノード電極2及びカソード電極3のどちらを作製する際にも適用できるが、両方の作製において同一の乾燥条件でなければならないと限定するものではなく、アノード電極2の製造工程と、カソード電極3の製造工程において、異なる乾燥条件を用いることが出来る。
ここでいう乾燥条件とは、触媒インクを乾燥させる際の乾燥機の方式及び個数、温度、湿度、乾燥時間等を包括的に指す。
The drying means described above can be applied to the production of both the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, but is not limited to the same drying conditions in both productions. In the manufacturing process of the cathode electrode 3, different drying conditions can be used.
The drying conditions here comprehensively refer to the method and number of dryers when drying the catalyst ink, temperature, humidity, drying time, and the like.

(触媒インク)
触媒インクは、溶媒に高分子電解質と触媒及び導電性粒子を溶解または分散することで得られる。ここで、アノード用触媒インクとカソード用触媒インクは、組成が同じでもよく、組成が異なっていてもよい。
(Catalyst ink)
The catalyst ink is obtained by dissolving or dispersing a polymer electrolyte, a catalyst, and conductive particles in a solvent. Here, the anode catalyst ink and the cathode catalyst ink may have the same composition or different compositions.

触媒インクに用いられる溶媒としては、高分子電解質と触媒を溶解または分散できるものであれば特に限定は無い。
例えば、水、アルコール類(メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、3−ブタノール、ペンタノール、エチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノールなど)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン等)、エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、スルホキシド類(ジメチルスルホキシド等)、アミド類(ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)等が挙げられ、単独若しくは複数種を組み合わせて使用できる。
また触媒インクに用いられる溶媒は加熱によって除去しやすいものが好ましく、特に沸点が150℃以下のものが好適に用いられる。
The solvent used in the catalyst ink is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the polymer electrolyte and the catalyst.
For example, water, alcohols (methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 3-butanol, pentanol, ethylene glycol, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol, etc.) , Ketones (acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, diisobutyl ketone, etc.), ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), sulfoxides (dimethyl sulfoxide, etc.), amides (dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), etc. These can be used singly or in combination.
The solvent used in the catalyst ink is preferably one that can be easily removed by heating, and one having a boiling point of 150 ° C. or less is particularly suitable.

触媒インクに用いられる導電性粒子としては、微粒子状で導電性を有し、触媒によって侵されないものであれば特に限定は無い。
例えば、カーボンブラック(アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック等)、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン等が挙げられる。
また導電性粒子の粒径は、10nm以上100nm以下程度のものが好適に用いられる。
The conductive particles used in the catalyst ink are not particularly limited as long as they are in the form of fine particles and have conductivity and are not attacked by the catalyst.
Examples thereof include carbon black (acetylene black, furnace black, ketjen black, etc.), graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene and the like.
Moreover, the particle size of the conductive particles is preferably about 10 nm to 100 nm.

触媒インクに用いられる触媒としては、触媒作用を有する金属成分であれば特に限定は無い。
例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属、若しくは上記の金属を複数種含む合金やこれらの酸化物、複酸化物などが挙げられる。その中でも、白金及び白金合金が特に好ましい。
また触媒の粒径は活性及び安定性の観点から、0.5nm以上20nm以下程度のものが好適に用いられる。
The catalyst used in the catalyst ink is not particularly limited as long as it is a metal component having a catalytic action.
For example, in addition to platinum group elements such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, metals such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or the above metals Examples include alloys containing a plurality of types, oxides thereof, and double oxides. Of these, platinum and platinum alloys are particularly preferable.
In addition, a catalyst having a particle size of about 0.5 nm to 20 nm is preferably used from the viewpoint of activity and stability.

触媒インクに用いられる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有する樹脂成分であれば特に限定は無く、なかでもフッ素系高分子電解質若しくは炭化水素系高分子電解質が好適に用いられる。
フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)等を用いることができる。
炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質を用いることができる。
The polymer electrolyte used in the catalyst ink is not particularly limited as long as it is a resin component having proton conductivity, and among them, a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte is preferably used.
Examples of the fluoropolymer electrolyte include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore. Etc. can be used.
As the hydrocarbon polymer electrolyte, for example, electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used.

触媒インク中の溶質(導電性粒子、触媒粒子、高分子電解質)の濃度は、例えば、1重量%以上80重量%以下、好ましくは5重量%以上60重量%以下、更に好ましくは10重量%以上40重量%以下程度で用いられる。   The concentration of the solute (conductive particles, catalyst particles, polymer electrolyte) in the catalyst ink is, for example, 1% by weight to 80% by weight, preferably 5% by weight to 60% by weight, and more preferably 10% by weight or more. Used at about 40% by weight or less.

触媒インクは上記の溶媒、導電性粒子、触媒、高分子電解質を混合し、分散処理を加えることで作製できる。分散方法としては、ボールミル、ビーズミル、ロールミル、剪断ミル、湿式ミル、超音波分散、ホモジナイザー等が挙げられる。   The catalyst ink can be prepared by mixing the above solvent, conductive particles, catalyst, and polymer electrolyte and applying a dispersion treatment. Examples of the dispersion method include ball mill, bead mill, roll mill, shear mill, wet mill, ultrasonic dispersion, and homogenizer.

アノード電極2及びカソード電極3を形成する触媒インクは、同一の触媒インクを用いてもよく、アノードとカソードで異なる触媒インクを用いてもよい。   As the catalyst ink for forming the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, the same catalyst ink may be used, or different catalyst inks may be used for the anode and the cathode.

(高分子電解質膜)
高分子電解質膜1に用いられる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有する樹脂成分であれば特に限定は無く、なかでもフッ素系高分子電解質若しくは炭化水素系高分子電解質が好適に用いられる。
フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Nafion(登録商標)、旭硝子(株)製Flemion(登録商標)、旭化成(株)製Aciplex(登録商標)、ゴア社製Gore Select(登録商標)等を用いることができる。
炭化水素系高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等の電解質を用いることができる。
(Polymer electrolyte membrane)
The polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane 1 is not particularly limited as long as it is a resin component having proton conductivity, and among them, a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte is preferably used.
Examples of the fluoropolymer electrolyte include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Gore Select (registered trademark) manufactured by Gore. Etc. can be used.
As the hydrocarbon polymer electrolyte, for example, electrolytes such as sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used.

高分子電解質膜1の平均厚みは、例えば1μm以上500μm以下、好ましくは3μm以上200μm以下、更に好ましくは5μm以上100μm以下程度である。   The average thickness of the polymer electrolyte membrane 1 is, for example, about 1 μm to 500 μm, preferably about 3 μm to 200 μm, and more preferably about 5 μm to 100 μm.

(支持体)
支持体21は単層構造でも良く、複層構造でも良い。さらに、支持体21は主となる材料のみで構成されていても良く、複数の材料を組み合わせても良い。
(Support)
The support 21 may have a single layer structure or a multilayer structure. Furthermore, the support 21 may be composed of only the main material, or a plurality of materials may be combined.

支持体21に用いられるフィルムとしては、支持体21の少なくとも片面に触媒インクを塗布することができ、加熱によって電極2(3)を形成できるもの、若しくは支持体21上に貼合した粘着層を介してガスケット4を保持することができ、意図的に支持体21とガスケット4を剥離できるものであれば特に限定は無い。   As a film used for the support 21, a catalyst ink can be applied to at least one side of the support 21 and an electrode 2 (3) can be formed by heating, or an adhesive layer bonded on the support 21 is used. The gasket 4 is not particularly limited as long as it can hold the gasket 4 and can intentionally peel off the support 21 and the gasket 4.

例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミドイミド、ポリアクリレート、ポリエチレンナフタレート、ポリパルバン酸アラミド等の高分子フィルム、若しくはポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体等の耐熱性フッ素樹脂フィルムを用いることができる。   For example, polyethylene terephthalate, polyamide, polyimide, polystyrene, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polybenzimidazole, polyamideimide, polyacrylate, polyethylene naphthalate, polypalvanic acid aramid, etc. Heat resistance of molecular film or polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, ethylene tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer, etc. Fluorine resin film can be used.

以上のように作製した本発明に係る膜電極接合体12は、ガスケット4の位置精度が高く、単体で高い耐劣化性を発揮出来る。   The membrane electrode assembly 12 according to the present invention manufactured as described above has high positional accuracy of the gasket 4 and can exhibit high deterioration resistance alone.

以下に述べる方法により本発明に係る膜電極接合体を作製し、アライメントによる位置精度を評価した。
(触媒インクの調製方法)
触媒物質担持炭素体として、白金担持カーボン(商品名は後述、田中貴金属社製)と溶媒を、ジルコニア製の0.2φビーズミル(商品名:YTZボール、ニッカトー社製)を用いて混練した。次に、高分子電解質として20質量%の高分子電解質溶液であるアイオノマー溶液(商品名:SS−700C/20、旭化成イーマテリアルズ社製)を添加し、再び混錬し触媒インクを作製した。
後述する膜電極接合体12の構成において、アノード電極2とカソード電極3で異なる触媒種を使用しており、アノード電極2にはTEC10F30E−HTを、カソード電極3にはTEC10F50E−HTを用いた。
A membrane / electrode assembly according to the present invention was prepared by the method described below, and the positional accuracy by alignment was evaluated.
(Method for preparing catalyst ink)
As a catalytic substance-supporting carbon body, platinum-supporting carbon (trade name: manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and a solvent were kneaded using a 0.2φ bead mill (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) made of zirconia. Next, an ionomer solution (trade name: SS-700C / 20, manufactured by Asahi Kasei E-Materials Co., Ltd.), which is a 20% by mass polymer electrolyte solution, was added as a polymer electrolyte, and kneaded again to prepare a catalyst ink.
In the configuration of the membrane electrode assembly 12 to be described later, different catalyst types are used for the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, TEC10F30E-HT is used for the anode electrode 2, and TEC10F50E-HT is used for the cathode electrode 3.

(膜電極接合体の作製1)
本発明による膜電極接合体12のサンプル作製方法について記載する。
まず、基材にシワや浮きが生じないよう空気の吸引によって吸着台に固定し、塗布ダイから触媒インクを吐出した。ここで、基材を固定したままステージを平行移動させることにより、基材上に触媒インクを均一に塗工、乾燥した。
(Production of membrane electrode assembly 1)
A method for preparing a sample of the membrane electrode assembly 12 according to the present invention will be described.
First, the substrate was fixed to the adsorption table by sucking air so as not to cause wrinkles or floats, and the catalyst ink was discharged from the coating die. Here, the catalyst ink was uniformly coated on the substrate and dried by moving the stage in parallel with the substrate fixed.

次に、支持体21の片面にガスケット4および電極層付き基材を貼合し、電極側から50mm×150mmの長方形の刃型を用いてハーフカットすることにより、電極層付き基材及びガスケットの打ち抜き加工を行った。打ち抜き加工後、開口部の外側のみ電極層付き基材を剥離することによって、電極層の外周に額縁状のガスケットを露出させることができた。このときの概略図を図1(a)に示した。   Next, the gasket 4 and the substrate with the electrode layer are bonded to one side of the support 21, and the substrate with the electrode layer and the gasket are formed by half-cutting from the electrode side using a rectangular blade shape of 50 mm × 150 mm. Punching was performed. After punching, the frame-shaped gasket could be exposed on the outer periphery of the electrode layer by peeling the substrate with the electrode layer only outside the opening. A schematic diagram at this time is shown in FIG.

続いて、上記の支持体21、ガスケット4、電極層付き基材の貼合物を、高分子電解質膜1の両面に対向するように配置し、自動アライメント機能を有する貼合機にてアノード電極2及びカソード電極3の端部を重ねあわせるように位置合わせをしながら積層、貼合を行った。このときの概略図を図1(b)に示した。
その後、油圧式ホットプレス機を用いて100〜150℃の温度を掛けながら5分間加圧し、支持体21及び開口部の基材を剥離することにより、電極2(3)を高分子電解質膜1に転写すると同時にガスケット4を貼合し、膜電極接合体12を作製した。
サンプルはそれぞれ、前述のガスケットの形状の種別や凹凸形状の高さH、射影S、ピッチP、平坦面の長さL、底角θの値が、表1及び表2に示す値であった。ここで、比較例1のサンプルはガスケット表面に微細な凹凸形状を設けていない、即ちガスケット表面が平滑なサンプルである。
Subsequently, the bonded product of the support 21, the gasket 4, and the substrate with the electrode layer is disposed so as to face both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, and the anode electrode is used with a bonding machine having an automatic alignment function. Lamination and bonding were performed while aligning the ends of 2 and the cathode electrode 3 so as to overlap each other. A schematic diagram at this time is shown in FIG.
Then, pressurizing for 5 minutes while applying a temperature of 100 to 150 ° C. using a hydraulic hot press machine, and peeling off the support 21 and the base material of the opening, whereby the electrode 2 (3) is attached to the polymer electrolyte membrane 1. At the same time, the gasket 4 was bonded to prepare a membrane electrode assembly 12.
In each of the samples, the values of the above-mentioned gasket shape type, uneven height H, projection S, pitch P, flat surface length L, and base angle θ were the values shown in Tables 1 and 2. . Here, the sample of Comparative Example 1 is a sample in which a fine uneven shape is not provided on the gasket surface, that is, the gasket surface is smooth.

(位置精度の評価1)
ガスケット表面に微細な凹凸形状をつけずに作製した膜電極接合体(比較例1)によるデータを基準とし、y軸方向におけるアノード電極2及びカソード電極3の端部の位置ずれ、換言すると図14(a)に示したCの値が、基準より小さいものを○、基準より大きいものを×とした。
(Position accuracy evaluation 1)
With reference to data from a membrane / electrode assembly (Comparative Example 1) produced without providing fine irregularities on the gasket surface, the positional displacement of the end portions of the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 in the y-axis direction, in other words, FIG. When the value of C shown in (a) is smaller than the reference, the mark is ◯, and when the value is larger than the reference, the mark is ×.

SEMを用いてサンプル断面を測定した際の、比較結果の一覧を下記表1及び表2にまとめた。なお、比較例1の位置ずれ量Cの値9.8μmに対して、正射影Sの値がこれより大きいサンプルを実施例1〜12とし、これより小さいサンプルを比較例2〜10とした。   Tables 1 and 2 below list the comparison results when measuring the cross section of the sample using the SEM. In addition, with respect to the value 9.8 μm of the positional deviation amount C of Comparative Example 1, samples having an orthographic projection S larger than this were designated Examples 1 to 12, and samples smaller than this were designated Comparative Examples 2 to 10.

(膜電極接合体の作製2)
まずマスクと基材を貼合し、マスク側から50mm×150mmの長方形の刃型を用いてハーフカットすることにより、マスクの打ち抜き加工を行う。打ち抜き加工後、開口部の内側のみマスクを剥離し、マスク側を上面にしてシワや浮きが生じないよう空気の吸引によって吸着台に固定し、塗布ダイから触媒インクを吐出した。ここで、マスク付きの基材を固定したままステージを平行移動させることにより、マスク付きの基材上に触媒インクを均一に塗工した。触媒インクの乾燥後、マスクを剥離することにより所望の形状を有する電極層を基材上に形成することができた。
(Production of membrane electrode assembly 2)
First, the mask and the base material are bonded together, and the mask is punched by half-cutting from the mask side using a rectangular blade shape of 50 mm × 150 mm. After the punching process, the mask was peeled only inside the opening, and the mask side was fixed to the suction table by suction of air so that wrinkles and floats did not occur, and the catalyst ink was discharged from the coating die. Here, the catalyst ink was uniformly applied onto the substrate with the mask by moving the stage in parallel while fixing the substrate with the mask. After drying the catalyst ink, the mask was peeled off to form an electrode layer having a desired shape on the substrate.

次に上記の電極層付き基材を、高分子電解質膜1の両面に対向するように配置し、自動アライメント機能を有する貼合機にてアノード電極2及びカソード電極3の端部を重ねあわせるように位置合わせをしながら積層、貼合を行った。
続いて、油圧式ホットプレス機を用いて100〜150℃の温度を掛けながら5分間加
圧し、基材を剥離することにより、電極2(3)を高分子電解質膜1に転写したCCMを作製した。このときの概略図を図3(a)に示した。
その後、50mm×150mmの開口部を有する額縁状のガスケット4を、電極層の外周に貼合することにより膜電極接合体12を作製した。このときの概略図を図3(b)に示した。
Next, the base material with the electrode layer is disposed so as to face both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, and the ends of the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 are overlapped by a bonding machine having an automatic alignment function. Laminating and pasting were performed while aligning with each other.
Subsequently, pressurizing for 5 minutes while applying a temperature of 100 to 150 ° C. using a hydraulic hot press machine to peel off the base material, thereby producing a CCM in which the electrode 2 (3) is transferred to the polymer electrolyte membrane 1. did. A schematic view at this time is shown in FIG.
Then, the membrane electrode assembly 12 was produced by sticking the frame-shaped gasket 4 which has an opening part of 50 mm x 150 mm to the outer periphery of an electrode layer. A schematic diagram at this time is shown in FIG.

(位置精度の評価2)
ガスケット表面に微細な凹凸形状をつけずに作製した膜電極接合体(比較例11)によるデータを基準とし、y軸方向におけるアノード電極2及びカソード電極3の端部とガスケットとの隙間、換言すると図14(b)に示したGの値が、基準より小さいものを○、基準より大きいものを×とした。
(Position accuracy evaluation 2)
Based on data from a membrane / electrode assembly (Comparative Example 11) produced without forming fine irregularities on the gasket surface, the gaps between the end portions of the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 in the y-axis direction and the gasket, in other words, The value of G shown in FIG. 14B is smaller than the reference, and the larger value than the reference is ×.

SEMを用いてサンプル断面を測定した際の、比較結果の一覧を下記表3にまとめた。なお表3では、比較例11の位置ずれ(隙間)Gの値13.2μmに対して、正射影Sの値がこれより大きいサンプルを実施例13〜17とし、これより小さいサンプルを比較例12〜18とした。   Table 3 below shows a list of comparison results when the sample cross section was measured using SEM. In Table 3, with respect to the positional deviation (gap) G value of 13.2 μm in Comparative Example 11, samples having an orthographic projection S value larger than this are designated as Examples 13 to 17, and samples smaller than this are designated as Comparative Example 12. It was set to ~ 18.

表1〜表3の評価結果より、本発明に係る膜電極接合体を用いた場合、ガスケット表面に具備する微細な凹凸形状のy軸方向における斜面の最短線分の正射影の長さSが従来のアライメントによって生じる位置ずれ量よりも大きなものは、全ての形状において位置ずれ量が基準値(比較例1又は比較例11)より小さく、逆の場合は基準値より大きいという有意差が確認できた。
以上の結果により、本発明によれば、燃料電池用の膜電極接合体の作製において、積層及び貼合時におけるアライメント精度を向上させることが出来た。
From the evaluation results of Tables 1 to 3, when the membrane electrode assembly according to the present invention is used, the length S of the orthogonal projection of the shortest line segment of the slope in the y-axis direction of the fine unevenness provided on the gasket surface is As for the larger displacement than that caused by the conventional alignment, a significant difference can be confirmed that the displacement is smaller than the reference value (Comparative Example 1 or Comparative Example 11) in all shapes and vice versa. It was.
From the above results, according to the present invention, in the production of a membrane electrode assembly for a fuel cell, it was possible to improve alignment accuracy during lamination and bonding.

本発明に係る製造方法は、燃料電池用の膜電極接合体に限らず様々な用途において好適に利用することが出来る。   The production method according to the present invention can be suitably used in various applications as well as the membrane electrode assembly for fuel cells.

1・・・高分子電解質膜
2・・・アノード電極(酸化極もしくは燃料極)
3・・・カソード電極(還元極もしくは空気極)
4・・・ガスケット
5・・・ガス拡散層
6・・・アノード
7・・・カソード
8・・・ガス流路
9・・・冷却水流路
10・・・セパレータ
11・・・固体高分子形燃料電池
12・・・膜電極接合体
13・・・触媒層付電解質膜
21・・・支持体
1 ... Polymer electrolyte membrane 2 ... Anode electrode (oxidation electrode or fuel electrode)
3 ... Cathode electrode (reduction electrode or air electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ... Gasket 5 ... Gas diffusion layer 6 ... Anode 7 ... Cathode 8 ... Gas flow path 9 ... Cooling water flow path 10 ... Separator 11 ... Solid polymer fuel Battery 12 ... Membrane electrode assembly 13 ... Electrolyte membrane with catalyst layer 21 ... Support

Claims (12)

高分子電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を備え、アノード電極及びカソード電極の外周に沿ってそれぞれ額縁状にガスケットが隣接してなる膜電極接合体であって、
ガスケットの表面の少なくとも一部には周期的に配列された微細な凹凸形状を有し、
前記微細な凹凸形状は、前記高分子電解質膜の両面に対向して接していることを特徴とする膜電極接合体。
A membrane electrode assembly comprising an anode electrode on one surface of a polymer electrolyte membrane and a cathode electrode on the other surface, and gaskets adjacent to each other along the outer periphery of the anode electrode and the cathode electrode,
At least a part of the surface of the gasket has fine irregularities arranged periodically,
The fine concavo-convex shape is in contact with both surfaces of the polymer electrolyte membrane so as to face each other.
前記周期的に配列された微細な凹凸形状の高さが1μm以上50μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。   2. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the height of the periodically arranged fine irregularities is 1 μm or more and 50 μm or less. 前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、二回回転軸を有することを特徴とする請求項1または2に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the periodically arranged cross-sections of fine irregularities have a two-fold rotation axis. 前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、正三角形、二等辺三角形もしくは不等辺三角形のいずれかを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the periodically arranged cross-sections of fine irregular shapes include any one of an equilateral triangle, an isosceles triangle, and an unequal triangle. . 前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、半円形、半楕円形もしくは蒲鉾形のいずれかを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the cross-sections of the fine irregularities arranged periodically include any of a semicircular shape, a semielliptical shape, and a saddle shape. 前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、等脚台形もしくは不等脚台形を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the periodically arranged cross-sections of fine irregularities include an isosceles trapezoid or an unequal leg trapezoid. 前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、正弦波形、三角波形もしくは台形波形のいずれかを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the periodically arranged cross-sections of fine unevenness include any one of a sine waveform, a triangular waveform, and a trapezoidal waveform. 前記周期的に配列された微細な凹凸形状の断面が、曲率が連続的に変化する形状を含むことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 7, wherein the cross-sections of the fine concavo-convex shape arranged periodically include a shape whose curvature changes continuously. 前記周期的に配列された微細な凹凸形状が、一方向に延在して並列する複数のライン状の構造体からなることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の膜電極接合体。   The membrane electrode junction according to any one of claims 1 to 8, wherein the fine irregularities arranged periodically are formed of a plurality of line-like structures extending in one direction and arranged in parallel. body. 前記請求項1から9のいずれかに記載の膜電極接合体を備えたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。   A solid polymer fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 9. アノード電極とカソード電極と高分子電解質膜とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
高分子電解質膜の一方の面にアノード電極を積層し、他方の面にカソード電極を前記アノード電極と対向するように積層する工程と、
アノード電極およびカソード電極の外周に沿った大きさの額縁状であって、その一方の面の少なくとも一部に周期的に配列された微細な凹凸形状を有するガスケットを、前記微細な凹凸形状を含む面を前記高分子電解質膜に接するようにして、高分子電解質膜の両面に対向して積層する工程と、
アノード電極とアノード電極側のガスケットの積層位置、およびカソード電極とカソード電極側のガスケットの積層位置をアライメント制御して位置合わせする工程とを少なくとも備え、
前記ガスケットの微細な凹凸形状の断面における斜面の最短線分における正射影の長さが、前記アライメント制御による位置合わせ精度よりも大きいことを特徴とする、膜電極
接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly comprising an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane,
Laminating an anode electrode on one surface of the polymer electrolyte membrane and laminating a cathode electrode on the other surface so as to face the anode electrode;
A gasket having a fine concavo-convex shape which is a frame shape having a size along the outer periphery of the anode electrode and the cathode electrode and periodically arranged on at least a part of one surface thereof includes the fine concavo-convex shape. A step of laminating facing the both sides of the polymer electrolyte membrane so that the surface is in contact with the polymer electrolyte membrane;
And at least a step of aligning and positioning the lamination position of the anode electrode and the gasket on the anode electrode side, and the lamination position of the cathode electrode and the cathode electrode side gasket,
A method of manufacturing a membrane electrode assembly, wherein a length of an orthogonal projection in a shortest line segment of a slope in a cross-section of the fine uneven shape of the gasket is larger than an alignment accuracy by the alignment control.
アノード電極とカソード電極と高分子電解質膜とを備える膜電極接合体の製造方法であって、
アノード電極およびカソード電極の外周に沿った大きさの額縁状であって、その一方の面の少なくとも一部に周期的に配列された微細な凹凸形状を有するガスケットをそれぞれ用意し、
支持体上にアノード電極を積層し、前記ガスケットの微細な凹凸形状のある面を支持体と反対側に向け、アノード電極の外周に沿って隣接するように前記ガスケットを積層する工程と、
他の支持体上にカソード電極を積層し、前記ガスケットの微細な凹凸形状のある面を支持体と反対側に向け、カソード電極の外周に沿って隣接するように前記ガスケットを積層する工程と、
高分子電解質膜の一方の面に、前記アノード電極及びガスケットが高分子電解質膜と接するように積層する工程と、
高分子電解質膜の他方の面に、前記カソード電極及びガスケットが高分子電解質膜と接するように積層する工程と、
高分子電解質膜を挟んで対向するアノード電極とカソード電極の積層位置をアライメント制御して位置合わせする工程とを少なくとも備え、
前記ガスケットの微細な凹凸形状の断面における斜面の最短線分における正射影の長さが、前記アライメント制御による位置合わせ精度よりも大きいことを特徴とする、膜電極接合体の製造方法。
A method for producing a membrane electrode assembly comprising an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane,
Prepare a gasket having a fine concavo-convex shape in a frame shape having a size along the outer periphery of the anode electrode and the cathode electrode and periodically arranged on at least a part of one surface thereof,
Laminating the anode electrode on the support, laminating the gasket so that the surface with the fine irregularities of the gasket faces the opposite side of the support, and is adjacent to the outer periphery of the anode electrode;
Laminating a cathode electrode on another support, laminating the gasket so as to be adjacent to the outer periphery of the cathode electrode, with the finely uneven surface of the gasket facing the opposite side of the support;
Laminating on one surface of the polymer electrolyte membrane so that the anode electrode and the gasket are in contact with the polymer electrolyte membrane;
Laminating the other surface of the polymer electrolyte membrane so that the cathode electrode and the gasket are in contact with the polymer electrolyte membrane;
And at least a step of aligning and controlling the lamination position of the anode electrode and the cathode electrode facing each other across the polymer electrolyte membrane,
A method of manufacturing a membrane electrode assembly, wherein a length of an orthogonal projection in a shortest line segment of a slope in a cross-section of the fine uneven shape of the gasket is larger than an alignment accuracy by the alignment control.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP4343026A3 (en) * 2022-09-20 2024-08-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Membrane electrode assembly, laminating method, electrochemical cell, stack, and electrolyzer

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