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JP2018181671A - Method for manufacturing membrane-electrode assembly - Google Patents

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JP2018181671A
JP2018181671A JP2017081425A JP2017081425A JP2018181671A JP 2018181671 A JP2018181671 A JP 2018181671A JP 2017081425 A JP2017081425 A JP 2017081425A JP 2017081425 A JP2017081425 A JP 2017081425A JP 2018181671 A JP2018181671 A JP 2018181671A
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polymer electrolyte
slurry
electrode assembly
membrane
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JP2017081425A
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克行 岸
Katsuyuki Kishi
克行 岸
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Toppan Inc
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Toppan Printing Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a membrane-electrode assembly, by which a membrane-electrode assembly superior in the shape of a polymer electrolyte film and the shape of a catalyst layer can be manufactured readily.SOLUTION: A method for manufacturing a membrane-electrode assembly is one arranged so that a catalyst layer is disposed on each face of a solid polymer electrolyte film. The method comprises: a formation step of forming, on the solid polymer electrolyte film, a solvent permeation preventive layer made of a material which causes phase separation when a slurry for a catalyst layer, arranged to form the catalyst layer is included at 25 mass% or more; a coating step of coating the solvent permeation preventive layer with the slurry for a catalyst layer; and a drying step of drying a structure arranged by coating the solvent permeation preventive layer on the polymer electrolyte film with the slurry for a catalyst layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、膜電極接合体の製造方法に関する。特に、本発明は、固体高分子型燃料電池の製造に好適な技術に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a membrane electrode assembly. In particular, the present invention relates to a technique suitable for producing a polymer electrolyte fuel cell.

近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは、水素などの燃料を酸素などの酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ型、リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などに分類される。固体高分子型燃料電池(PEFC)は、低温作動、高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての応用が期待されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as effective solutions for environmental problems and energy problems. In a fuel cell, a fuel such as hydrogen is oxidized using an oxidant such as oxygen, and the chemical energy accompanying this is converted into electrical energy. Fuel cells are classified into alkaline type, phosphoric acid type, solid polymer type, molten carbonate type, solid oxide type and the like according to the type of electrolyte. Solid polymer fuel cells (PEFCs) are expected to be used as portable power sources, household power sources, and automotive power sources because of their low-temperature operation and high output density, and because they can be made smaller and lighter. ing.

固体高分子型燃料電池(PEFC)は、電解質である高分子電解質膜を燃料極(アノード)と空気極(カソード)で挟んだ構造となっており、燃料極側に水素を含む燃料ガス、空気極側に酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、下記の電気化学反応により発電する。
アノード:H → 2H + 2e ・・・(1)
カソード:1/2O + 2H + 2e → HO ・・・(2)
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte, is sandwiched between a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode). Fuel gas containing hydrogen on the fuel electrode side, air Electric power is generated by the following electrochemical reaction by supplying an oxidant gas containing oxygen to the electrode side.
Anode: H 2 → 2 H + + 2 e (1)
Cathode: 1/2 O 2 + 2 H + + 2 e → H 2 O (2)

アノード及びカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層の積層構造からなる。アノード側触媒層に供給された燃料ガスは、電極触媒によりプロトンと電子となる(反応1)。プロトンは、アノード側触媒層内の高分子電解質、固体高分子電解質膜を通り、カソードに移動する。電子は、外部回路を通り、カソードに移動する。カソード側触媒層では、プロトンと電子と外部から供給された酸化剤ガスが反応して水を生成する(反応2)。このように、電子が外部回路を通ることにより発電する。   The anode and the cathode each comprise a laminated structure of a catalyst layer and a gas diffusion layer. The fuel gas supplied to the anode side catalyst layer becomes protons and electrons by the electrode catalyst (reaction 1). The protons move to the cathode through the polymer electrolyte in the anode side catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane. Electrons travel through the external circuit to the cathode. In the cathode side catalyst layer, protons, electrons, and an oxidant gas supplied from the outside react to generate water (reaction 2). In this way, electrons are generated by passing through an external circuit.

従来、膜電極接合体の製造方法としては、触媒を担持した炭素粒子、高分子電解質及び溶媒からなる触媒層用スラリーを作製して、触媒層用スラリーを高分子電解質膜に直接塗工して作製する方法や、転写基材又はガス拡散層に塗工した後、高分子電解質膜に熱圧着して作製する方法が知られている。
高分子電解質膜に触媒層用スラリーを直接塗工して膜電極接合体を製造する方法は、高分子電解質膜と触媒層との界面の密着性が良く、発電性能及び耐久性に優れた膜電極接合体を作製することができる。
Conventionally, as a method for producing a membrane electrode assembly, a slurry for catalyst layer comprising carbon particles carrying a catalyst, a polymer electrolyte and a solvent is prepared, and the slurry for catalyst layer is directly coated on the polymer electrolyte membrane. There is known a method of manufacturing, and a method of forming a transfer base material or a gas diffusion layer and then thermocompression bonding to a polymer electrolyte membrane.
A method of manufacturing a membrane electrode assembly by directly applying a slurry for catalyst layer to a polymer electrolyte membrane by producing a membrane electrode assembly is a membrane having good adhesion of the interface between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer, and excellent power generation performance and durability. An electrode assembly can be produced.

しかし、従来の製造方法では、触媒層用スラリーを高分子電解質膜に直接塗工すると、塗工の際に高分子電解質膜が電極スラリーの溶媒により膨潤し、乾燥の際に収縮する。このことにより、膜電極接合体に皺が発生したり、触媒層にクラックが発生したりするという課題が生じる。
上記課題に対し、特許文献1、2では、高分子電解質膜を吸着固定して、触媒層用スラリーを塗工する方法が提案されている。また、特許文献3では、塗工の前に高分子電解質膜を湿潤させる方法が提案されている。
However, in the conventional production method, when the slurry for catalyst layer is directly coated on the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane swells with the solvent of the electrode slurry during coating and shrinks during drying. This causes problems such as generation of wrinkles in the membrane electrode assembly and generation of cracks in the catalyst layer.
With respect to the said subject, in patent document 1, 2, the method of carrying out adsorption | suction fixation of the polymer electrolyte membrane, and coating the slurry for catalyst layers is proposed. Further, Patent Document 3 proposes a method of wetting a polymer electrolyte membrane before coating.

特開2004−351413号公報JP 2004-351413 A 特許第5920479号公報Patent No. 5920479 gazette 特開2007−48557号公報JP 2007-48557 A

特許文献1、2では、吸着固定により塗工の際の高分子電解質膜の膨潤が抑制され、膜電極接合体に皺が発生しなくなるが、触媒層のクラックの発生を十分に抑制することはできない。また、触媒層用スラリーを重ね塗りすることで、触媒層のクラックの発生を抑制することはできるが、工程が複雑になり、製造コストが高くなる欠点を有している。   In Patent Documents 1 and 2, swelling of the polymer electrolyte membrane at the time of coating is suppressed by adsorption and fixation, and no wrinkles are generated in the membrane electrode assembly, but sufficient suppression of the generation of cracks in the catalyst layer is Can not. In addition, although it is possible to suppress the occurrence of cracks in the catalyst layer by coating the slurry for the catalyst layer, the process is complicated and the manufacturing cost is increased.

また、特許文献3では、塗工の際の高分子電解質膜の膨潤を抑制することができるが、乾燥の際の収縮は抑制することができない。また、高分子電解質膜の溶媒含有量により膨潤状態を制御しようとしているが、塗工の際には触媒層用スラリーの溶媒が高分子電解質膜に染込むため、膨潤状態を制御することができず、上記課題を解決することができない。
発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高分子電解質膜及び触媒層の形状に優れた膜電極接合体を容易に製造することを可能とした膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。
Moreover, in patent document 3, although swelling of the polymer electrolyte membrane at the time of coating can be suppressed, the shrinkage | contraction at the time of drying can not be suppressed. In addition, although the swelling state is to be controlled by the solvent content of the polymer electrolyte membrane, the solvent of the slurry for the catalyst layer is dyed into the polymer electrolyte membrane at the time of coating, so the swelling state can be controlled. Therefore, the above problems can not be solved.
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is a method of manufacturing a membrane electrode assembly capable of easily manufacturing a membrane electrode assembly excellent in the shape of a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer. Intended to provide.

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る膜電極接合体の製造方法は、固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ触媒層が配置された膜電極接合体の製造方法であって、前記固体高分子電解質膜の上に、前記触媒層を形成するための触媒層用スラリーが25質量%以上含まれると相分離する材料からなる溶媒浸透防止層を形成する形成工程と、前記溶媒浸透防止層の上に触媒層用スラリーを塗工する塗工工程と、前記高分子電解質膜上に前記溶媒浸透防止層及び前記触媒層用スラリーを塗工してなる構造体を乾燥させる乾燥工程と、を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned subject, a manufacturing method of a membrane electrode assembly concerning one mode of the present invention is a manufacturing method of a membrane electrode assembly by which a catalyst layer is arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, Forming a solvent permeation preventing layer made of a material that is phase separated when the slurry for the catalyst layer for forming the catalyst layer is contained in an amount of 25% by mass or more on the solid polymer electrolyte membrane; Applying a slurry for catalyst layer on the prevention layer, and drying the structure formed by applying the slurry for the solvent permeation prevention layer and the catalyst layer on the polymer electrolyte membrane; , And is characterized.

本発明の一態様によれば、高分子電解質膜及び触媒層の形状に優れた膜電極接合体を、容易に製造し、提供することができる。   According to one aspect of the present invention, a membrane electrode assembly excellent in the shape of a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer can be easily manufactured and provided.

本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造方法を工程順に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the membrane electrode assembly concerning embodiment of this invention to process order. 本発明の膜電極結合体の製造方法の一実施形態の説明図である。It is explanatory drawing of one Embodiment of the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の膜電極結合体の製造方法の一実施形態の説明図である。It is explanatory drawing of one Embodiment of the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の膜電極結合体の製造方法の一実施形態の説明図である。It is explanatory drawing of one Embodiment of the manufacturing method of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の構成例を示す断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which shows the structural example of the membrane electrode assembly which concerns on embodiment of this invention. 膜電極接合体を装着した固体高分子型燃料電池の単セルの構成例を示す分解断面図である。FIG. 2 is an exploded cross-sectional view showing a configuration example of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell equipped with a membrane electrode assembly.

以下、本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、以下に記載する各実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等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の形態も本発明の範囲に含まれものである。図1は、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造方法を工程順に示すフローチャートである。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. The present invention can not be limited to the embodiments described below, and modifications such as changes in design can be added based on the knowledge of those skilled in the art, and such modifications can be added. The embodiments are also included in the scope of the present invention. FIG. 1 is a flowchart showing the method of manufacturing a membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention in the order of steps.

図1に示すように、本発明の実施の形態(以下、本実施形態)に係る膜電極接合体の製造方法は、固体高分子電解質膜(以下、高分子電解質膜)を用意し、この高分子電解質膜の両面に溶媒浸透防止層を形成する形成工程(ステップS50)と、溶媒浸透防止層が形成された固体高分子電解質膜の両面に、触媒層用スラリーを塗工する塗工工程(ステップS60)と、塗工した触媒層用スラリーと、その下地である高分子電解質膜とを乾燥する乾燥工程(ステップS70)と、を含む。乾燥工程は、高分子電解質膜に溶媒浸透防止層及び触媒層用スラリーを形成した構造体全体を乾燥する工程である。両面とは、おもて面及び裏面を指す。
上記の形成工程及び塗工工程は、片面づつ実施しても良いし、両面を同時に実施しても良い。また乾燥工程も、片面に対し形成工程及び塗工工程を実施する度に実施するようにしても良いし、両面に形成工程及び塗工工程した後に乾燥工程を実施してもよい。
As shown in FIG. 1, in the method of manufacturing a membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention (hereinafter, this embodiment), a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter, polymer electrolyte membrane) is prepared. A step of forming a solvent permeation prevention layer on both sides of the molecular electrolyte membrane (step S50), and a coating step of applying a slurry for catalyst layer on both sides of the solid polymer electrolyte membrane on which the solvent permeation prevention layer is formed Step S60), and a drying step (Step S70) of drying the coated slurry for a catalyst layer and the polymer electrolyte membrane as the base thereof. The drying step is a step of drying the entire structure in which the slurry for the solvent permeation prevention layer and the catalyst layer is formed on the polymer electrolyte membrane. The two sides refer to the front and back sides.
The above forming step and the coating step may be performed on one side or on both sides simultaneously. In addition, the drying step may be performed every time the forming step and the coating step are performed on one side, or the drying step may be performed after the forming step and the coating step on both sides.

本実施形態では、溶媒浸透防止層の材料には、触媒層用スラリーが25質量%以上含まれると相分離する材料であり、且つ乾燥により揮発して除去できるものを選択する。ここで、触媒層用スラリーが25質量%以上含まれると相分離する材料は、触媒層用スラリーと混和しない材料若しくは混和が少ない材料である。
溶媒浸透防止層が触媒層用スラリーと混和しないか混和が少なくなることで、触媒層用スラリーの塗工において、触媒層用スラリーに含まれる溶媒が高分子電解質膜に染み込むことを抑制することができ、溶媒の染み込みによる高分子電解質膜の膨潤を抑制することできる。これにより、高分子電解質膜の両面に触媒層用スラリーを安定に塗工することができる。また、高分子電解質膜の膨潤が抑制されることにより、乾燥による高分子電解質膜の収縮も抑制することができる。これにより、膜電極接合体において皺やクラックの発生を防止することができる。
In the present embodiment, as the material of the solvent permeation preventing layer, a material which is phase separated when the slurry for the catalyst layer is contained in 25% by mass or more, and a material which can be volatilized and removed by drying is selected. Here, the material that phase separates when the catalyst layer slurry is contained in an amount of 25% by mass or more is a material that is immiscible with or less miscible with the catalyst layer slurry.
The fact that the solvent contained in the slurry for the catalyst layer is prevented from soaking into the polymer electrolyte membrane during coating of the slurry for the catalyst layer by the solvent permeation preventing layer being immiscible or less miscible with the slurry for the catalyst layer It is possible to suppress the swelling of the polymer electrolyte membrane due to the permeation of the solvent. Thereby, the slurry for catalyst layers can be stably coated on both surfaces of the polymer electrolyte membrane. In addition, since the swelling of the polymer electrolyte membrane is suppressed, the contraction of the polymer electrolyte membrane due to drying can also be suppressed. Thereby, the occurrence of wrinkles and cracks in the membrane electrode assembly can be prevented.

本実施形態では、溶媒浸透防止層の形成工程と触媒層用スラリーの塗工工程を一工程で行うように構成しても良い。一工程とは、溶媒浸透防止層を形成しながら、触媒層用スラリーの塗工を行うことを指す。
溶媒浸透防止層の形成工程と触媒層用スラリーの塗工工程を一工程で同時に行うことで、製造時間の削減と工程間での異物や気泡の混入が回避できる。これにより、不良品が少なく皺やクラックのない膜電極接合体を安定に製造することができる。
In the present embodiment, the step of forming the solvent permeation preventing layer and the step of applying the slurry for the catalyst layer may be performed in one step. One step refers to coating of the slurry for catalyst layer while forming the solvent permeation prevention layer.
By simultaneously performing the step of forming the solvent permeation preventing layer and the step of applying the slurry for the catalyst layer in one step, it is possible to reduce the manufacturing time and avoid the inclusion of foreign matter and air bubbles between the steps. This makes it possible to stably manufacture a membrane / electrode assembly having few defective products and no wrinkles or cracks.

溶媒浸透防止層の材料は、上述のように触媒層用スラリーが25質量%以上含まれると相分離する材料であり、更には、水に対する溶解度が低い溶媒がより好ましい。具体的には、溶媒浸透防止層の材料は、非プロトン性、かつ極性(比誘電率)が低い溶媒が好ましい。より具体的には、比誘電率が25以下であることが好ましく、10以下がより好ましい。特にヘキサン、トルエン、クロロホルム、ジクロロメタンがよい。上記溶媒であれば、触媒層用スラリーに含まれる溶媒が高分子電解質膜に染み込むことを抑制するだけでなく、溶媒浸透防止層を高分子電解質膜の両面に形成する際にも、高分子電解質膜の膨潤を抑制することができる。このことにより、皺やクラックがない膜電極接合体を安定に製造することができる。   The material of the solvent permeation prevention layer is a material which phase separates when the slurry for the catalyst layer is contained at 25% by mass or more as described above, and further, a solvent having low solubility in water is more preferable. Specifically, the material of the solvent permeation prevention layer is preferably a non-protonic and low polar (dielectric constant) solvent. More specifically, the relative dielectric constant is preferably 25 or less, more preferably 10 or less. In particular, hexane, toluene, chloroform and dichloromethane are preferable. If it is the above-mentioned solvent, the polymer electrolyte can be used not only when the solvent contained in the slurry for the catalyst layer is penetrated into the polymer electrolyte membrane but also when the solvent permeation preventive layer is formed on both sides of the polymer electrolyte membrane. The swelling of the membrane can be suppressed. This makes it possible to stably manufacture a membrane electrode assembly free of wrinkles and cracks.

触媒層用スラリーは、電解質、触媒粒子、溶媒を含む。触媒層用スラリーに含まれる電解質としては、イオン伝導性を有するものであればよいが、触媒層と電解質膜の密着性を考えると、高分子電解質膜と同質の材料を選択することが好ましい。例えば、フッ素系樹脂としては、Nafion(デュポン社製、登録商標)、炭化水素系樹脂としては、エンジニアリングプラスチック、又はその共重合体にスルホン酸基を導入したものなどが挙げられる。   The catalyst layer slurry contains an electrolyte, catalyst particles, and a solvent. The electrolyte contained in the slurry for the catalyst layer may be any one having ion conductivity, but in consideration of the adhesion between the catalyst layer and the electrolyte membrane, it is preferable to select a material of the same quality as that of the polymer electrolyte membrane. For example, as the fluorine-based resin, Nafion (manufactured by DuPont Co., Ltd., registered trademark), and as the hydrocarbon-based resin, an engineering plastic or a copolymer of the same into which a sulfonic acid group is introduced can be mentioned.

触媒層用スラリーに含まれる触媒粒子としては、白金やパラジウム、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又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用できる。その中でも、白金や白金合金が好ましい。また、これらの触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、0.5〜20nmが好ましい。更に好ましくは、1〜5nmが良い。   The catalyst particles contained in the slurry for the catalyst layer include platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium and platinum group elements of osmium, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, Metals such as aluminum or alloys thereof, oxides, double oxides, etc. can be used. Among them, platinum and platinum alloys are preferable. In addition, the particle size of these catalysts is preferably 0.5 to 20 nm because the catalyst activity is reduced when the particle size is too large, and the stability of the catalyst is reduced when the particle size is too small. More preferably, 1 to 5 nm is good.

触媒粒子は単体で用いても良く、好ましくは、導電性担体に担持させて用いると良い。導電性担体としては、一般的に、カーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層が厚くなり抵抗が増加することで、出力特性が低下したりするので、10〜1000nm程度が好ましい。更に好ましくは、10〜100nmが良い。   The catalyst particles may be used alone, and preferably supported on a conductive support. Carbon particles are generally used as the conductive support. The carbon particles may be of any type as long as they are in the form of fine particles and conductive and can not be used as catalysts, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fibers, carbon nanotubes, fullerenes may be used. it can. If the particle size of the carbon particle is too small, the electron conduction path is difficult to be formed, and if it is too large, the electrode catalyst layer becomes thick and the resistance increases, so that the output characteristics are degraded. preferable. More preferably, it is 10 to 100 nm.

触媒層用スラリーに含まれる溶媒としては、特に限定しないが、電解質を分散または溶解できるものが良い。一般的に用いられる溶媒としては、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等を用いてもよい。また、グリコール、グリコールエーテル系溶媒としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノールなどが挙げられる。   Although it does not specifically limit as a solvent contained in the slurry for catalyst layers, What can disperse | distribute or melt | dissolve electrolyte is good. Commonly used solvents include water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, alcohols such as isobutyl alcohol and tert-butyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone and methyl propyl ketone , Methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl amyl ketone, pentanone, heptanone, cyclohexanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonylacetone, diethyl ketone, diethyl ketone, dipropyl ketone, ketones such as diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, dioxane, diethylene glycol Ethers such as dimethylether, anisole, methoxytoluene, diethylether, dipropylether, dibutylether, isopropyl Minamine, butylamine, isobutylamine, cyclohexylamine, diethylamine, amines such as aniline, propyl formate, isobutyl formate, amyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, propionic acid Esters such as methyl, ethyl propionate and butyl propionate, other acetic acid, propionic acid, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and the like may be used. Also, as glycol and glycol ether solvents, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy-2 -Propanol etc. are mentioned.

溶媒浸透防止層の形成および触媒層用スラリーの塗工方法としては、ドクターブレード法、ダイコーティング法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ラミネータロールコーティング法、スプレー法などが挙げられるが、特に限定しない。   Examples of the formation of the solvent permeation preventing layer and the coating method of the catalyst layer slurry include, but are not particularly limited to, doctor blade method, die coating method, dipping method, screen printing method, laminator roll coating method, spray method and the like.

ここで、高分子電解質膜への塗工パターンは連続、ストライプ状、間欠などが挙げられるが、特に限定しない。所定の形状に塗工するために、マスク材を用いてもよい。
触媒層用スラリーの乾燥方法としては、温風乾燥、IR(赤外)乾燥、減圧乾燥等が挙げられるが、特に限定しない。
Here, the coating pattern on the polymer electrolyte membrane may be continuous, striped, intermittent, etc., but is not particularly limited. A mask material may be used to apply a predetermined shape.
Examples of the method for drying the catalyst layer slurry include hot air drying, IR (infrared) drying, and reduced pressure drying, but the method is not particularly limited.

(第1の実施形態)
第1の実施形態について説明する。
第1の実施形態の製造方法では、高分子電解質膜の両面に溶媒浸透防止層用の塗工液を塗工して溶媒浸透防止層を形成(ステップS50)した後、固体高分子電解質膜の両面に、触媒層用スラリーを塗工して触媒層を形成する(ステップS60)。その後、構造体全体を乾燥する(ステップS70)。溶媒浸透防止層用の塗工液、及び触媒層用スラリーの各塗工は、片面づつ実施しても良いし、両面同時に実施しても良い。
First Embodiment
The first embodiment will be described.
In the manufacturing method of the first embodiment, the coating solution for the solvent permeation preventing layer is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane to form the solvent permeation preventing layer (step S50), and then the solid polymer electrolyte membrane is obtained. The catalyst layer slurry is applied to both surfaces to form a catalyst layer (step S60). Thereafter, the entire structure is dried (step S70). Each coating of the coating liquid for the solvent permeation preventing layer and the slurry for the catalyst layer may be performed on one side or on both sides simultaneously.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。
第2の実施形態では、溶媒浸透防止層の形成(溶媒浸透防止層用の塗工液の塗工)および触媒層用スラリーの塗工を一工程で行う。
溶媒浸透防止層の形成および触媒層用スラリーの塗工を一工程で同時に行う方法としては、次の第1の方法〜第3の方法が例示できるが、特に限定しない。
第1の方法は、図2に示すように、溶媒浸透防止層用塗工液の塗工用の塗工ダイヘッド20と、触媒層用スラリー塗工用の塗工ダイヘッド21とを移動方向に並列し、塗工ダイヘッド20で溶媒浸透防止層用塗工液を塗工しながら、塗工した溶媒浸透防止層用塗工液の上に触媒層用スラリーを塗工する方法である。
第2の方法は、図3に示すように、溶媒浸透防止層用塗工液及び触媒層用スラリーを塗工できる多層スリットダイヘッド22を用いて、溶媒浸透防止層用塗工液を塗工しながら、塗工した溶媒浸透防止層用塗工液の上に触媒層用スラリーを塗工する方法である。
第3の方法は、図4に示すように、多層スリットダイヘッド22を用いて、予め溶媒浸透防止層用の塗工液と触媒層用スラリーを混合したインク15を塗工する方法である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described.
In the second embodiment, the formation of the solvent permeation prevention layer (coating of the coating liquid for the solvent permeation prevention layer) and the coating of the catalyst layer slurry are performed in one step.
As a method of simultaneously performing formation of a solvent permeation prevention layer and application | coating of the slurry for catalyst layers at one process, although following 1st method-3rd method can be illustrated, it does not specifically limit.
In the first method, as shown in FIG. 2, the coating die head 20 for coating the coating liquid for the solvent permeation preventing layer and the coating die head 21 for slurry coating for the catalyst layer are arranged in parallel in the moving direction This is a method of applying the slurry for catalyst layer on the coating solution for the solvent permeation preventing layer coated while coating the coating fluid for the solvent permeation preventing layer with the coating die head 20.
In the second method, as shown in FIG. 3, the coating solution for the solvent permeation preventing layer is applied using the multilayer slit die head 22 capable of applying the coating solution for the solvent permeation preventing layer and the slurry for the catalyst layer. However, it is a method of coating the slurry for catalyst layers on the coating liquid for solvent permeation prevention layers coated.
The third method is, as shown in FIG. 4, a method of applying an ink 15 in which a coating liquid for a solvent permeation prevention layer and a slurry for a catalyst layer are mixed in advance using a multilayer slit die head 22.

(製造された膜電極接合体)
本実施形態に係る膜電極接合体12は、例えば図5に示すよう断面図のような構造体となっている。この膜電極接合体12は、上記の説明した製造方法により製造されたものであって、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1の一方の面に形成された空気極側電極触媒層2と、高分子電解質膜1の他方の面に形成された燃料極側電極触媒層3と、を備えた構造となっている。燃料極側電極触媒層3と、高分子電解質膜1と、空気極側電極触媒層2とがこの順で積層された構造となっている。
(Manufactured membrane electrode assembly)
The membrane electrode assembly 12 according to the present embodiment is, for example, a structure as shown in FIG. 5 as a cross-sectional view. The membrane electrode assembly 12 is manufactured by the above-described manufacturing method, and includes the polymer electrolyte membrane 1 and the air electrode side electrode catalyst layer 2 formed on one surface of the polymer electrolyte membrane 1. And the fuel electrode side electrode catalyst layer 3 formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 1. The fuel electrode side electrode catalyst layer 3, the polymer electrolyte membrane 1, and the air electrode side electrode catalyst layer 2 are laminated in this order.

図6は、膜電極接合体12を装着した固体高分子型燃料電池の単セル11の構成例を示す分解断面図である。図6に示すように、膜電極接合体12の空気極側電極触媒層2及び燃料極側電極触媒層3と対向して、空気極側ガス拡散層4及び燃料極側ガス拡散層5がそれぞれ配置されている。これにより、それぞれ空気極6及び燃料極7が構成される。そして、空気極6及び燃料極7を一組のセパレータ10により挟持して単セル11が構成される。一組のセパレータ10は、導電性でかつガス不透過性の材料からなり、空気極側ガス拡散層4又は燃料極側ガス拡散層5に面して配置された反応ガス流通用のガス流路8と、ガス流路8と相対する主面に配置された冷却水流通用の冷却水流路9とを備える。   FIG. 6 is an exploded cross-sectional view showing a configuration example of a unit cell 11 of a polymer electrolyte fuel cell equipped with the membrane electrode assembly 12. As shown in FIG. 6, the air electrode side gas diffusion layer 4 and the fuel electrode side gas diffusion layer 5 are respectively opposed to the air electrode side electrode catalyst layer 2 and the fuel electrode side electrode catalyst layer 3 of the membrane electrode assembly 12. It is arranged. Thus, the air electrode 6 and the fuel electrode 7 are formed respectively. The air electrode 6 and the fuel electrode 7 are sandwiched by a pair of separators 10 to form a single cell 11. One set of separators 10 is made of an electrically conductive and gas impermeable material, and a gas flow path for reaction gas flow disposed facing the air electrode side gas diffusion layer 4 or the fuel electrode side gas diffusion layer 5 And a cooling water passage 9 for circulating the cooling water disposed on the main surface opposite to the gas passage 8.

この単セル11は、一方のセパレータ10のガス流路8を通って空気や酸素などの酸化剤が空気極6に供給され、他方のセパレータ10のガス流路8を通って水素を含む燃料ガスもしくは有機物燃料が燃料極7に供給されることによって、発電するようになっている。   In this single cell 11, an oxidant such as air or oxygen is supplied to the air electrode 6 through the gas passage 8 of one of the separators 10, and a fuel gas containing hydrogen is passed through the gas passage 8 of the other separator 10. Alternatively, the organic fuel is supplied to the fuel electrode 7 to generate power.

(効果など)
本実施形態は、固体高分子電解質膜1の上に、溶媒浸透防止層13を形成し、その上に触媒層用スラリー14を塗工した後に、乾燥して膜電極接合体12を製造する。
この製造方法によれば、高分子電解質膜1及び触媒層2,3の形状に優れた膜電極接合体12を容易に製造することができる。
(Such as effects)
In the present embodiment, the solvent permeation preventing layer 13 is formed on the solid polymer electrolyte membrane 1, and the catalyst layer slurry 14 is coated on the solvent permeation preventing layer 13 and then dried to manufacture the membrane electrode assembly 12.
According to this manufacturing method, the membrane electrode assembly 12 excellent in the shapes of the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layers 2 and 3 can be easily manufactured.

溶媒浸透防止層13の形成工程と触媒層用スラリー14の塗工工程を一工程で同時に行うと良い。
このような製造方法であれば、工程間の時間がなくなる。これにより、製造時間が短縮されるだけでなく、工程間での異物や気泡の混入が回避でき、不良品が少なく皺やクラックのない膜電極接合体12を安定に製造することができる。
The step of forming the solvent permeation prevention layer 13 and the step of applying the slurry 14 for catalyst layer may be simultaneously performed in one step.
With such a manufacturing method, the time between steps is eliminated. As a result, not only the manufacturing time is shortened, but mixing of foreign matter and air bubbles between processes can be avoided, and a membrane electrode assembly 12 with few defective products and no wrinkles and cracks can be manufactured stably.

溶媒浸透防止層13として、非プロトン性、かつ比誘電率が25以下の溶媒を使用すればよい。
このような製造方法であれば、溶媒浸透防止層13が上記記載の溶媒のいずれかであることにより、触媒層用スラリー14の溶媒が固体高分子電解質膜1に染込むことが抑制される。これにより、膨潤・収縮が抑制され、皺やクラックのない膜電極接合体を簡易に製造することができる。
そして、本実施形態で膜電極接合体12を製造することで、高分子電解質膜1と触媒層2,3の密着性に優れ、高分子電解質膜1及び触媒層2,3の形状に優れた膜電極接合体を提供することができる。
As the solvent permeation prevention layer 13, a non-protonic solvent having a relative dielectric constant of 25 or less may be used.
If it is such a manufacturing method, it will be suppressed that the solvent of the slurry 14 for catalyst layers in the solid polymer electrolyte membrane 1 because the solvent permeation prevention layer 13 is either of the above-mentioned solvent. Thereby, swelling / shrinkage is suppressed, and a membrane electrode assembly free from wrinkles and cracks can be easily manufactured.
And, by manufacturing the membrane electrode assembly 12 in the present embodiment, the adhesion between the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layers 2 and 3 is excellent, and the shapes of the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layers 2 and 3 are excellent. A membrane electrode assembly can be provided.

次に、本発明に基づく実施例について説明する。
[触媒層用スラリーの作製]
白金担持カーボン(TEC10E50E、田中貴金属社製)を容器にとり、水を加えて混合後、1−プロパノールと電解質(Nafion(登録商標)分散液、和光純薬工業)を加えて撹拌して、触媒層用スラリーを得た。
Next, an embodiment based on the present invention will be described.
[Preparation of slurry for catalyst layer]
Put platinum supported carbon (TEC10E50E, made by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) in a container, add water and mix, then add 1-propanol and electrolyte (Nafion (registered trademark) dispersion liquid, Wako Pure Chemical Industries) and stir, catalyst layer Slurry was obtained.

[実施例1]
高分子電解質膜(Nafion212CS、デュポン社製)の面に、ヘキサンをドクターブレード塗工して溶媒浸透防止層を形成後、上記触媒層用スラリーをダイコーティング法で塗工し、80℃の炉内で乾燥することで、実施例1の膜電極接合体を作製した。
Example 1
Hexane is doctor blade coated on the surface of a polymer electrolyte membrane (Nafion 212CS, manufactured by DuPont) to form a solvent permeation preventing layer, and then the above slurry for catalyst layer is coated by a die coating method, and the inside of a furnace at 80 ° C. The membrane electrode assembly of Example 1 was produced by drying with the above.

[実施例2−実施例5]
溶媒浸透防止層として、表1に示すように、シクロヘキサン、トルエン、クロロホルム、ジクロロメタン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ピリジンのいずれかを用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例2−実施例5の各膜電極接合体を作製した。
Example 2 to Example 5
Example 2-Example same as Example 1, except that cyclohexane, toluene, chloroform, dichloromethane, diethyl ether, tetrahydrofuran or pyridine was used as the solvent permeation preventing layer as shown in Table 1. Each membrane electrode assembly of 5 was produced.

[実施例6]
多層スリットダイヘッドを用いて溶媒浸透防止層と触媒層用スラリーを同時に塗工した以外は、実施例1と同様にして実施例6の膜電極接合体を作製した。
[Example 6]
A membrane / electrode assembly of Example 6 was produced in the same manner as Example 1, except that the solvent permeation prevention layer and the catalyst layer slurry were simultaneously coated using a multilayer slit die head.

[比較例1]
溶媒浸透防止層を形成せずに、高分子電解質膜の面に直接、上記触媒層用スラリーをダイコーティング法で塗工し、80℃の炉内で乾燥することで比較例1の膜電極接合体を作製した。
Comparative Example 1
The above-mentioned slurry for catalyst layer is directly coated on the surface of a polymer electrolyte membrane by a die coating method without forming a solvent permeation prevention layer, and dried in an oven at 80 ° C., thereby bonding the membrane electrode of Comparative Example 1 The body was made.

[比較例2]
溶媒浸透防止層としてエタノールを用いた以外は、実施例1と同様にして比較例2の膜電極接合体を作製した。
Comparative Example 2
A membrane / electrode assembly of Comparative Example 2 was produced in the same manner as Example 1, except that ethanol was used as the solvent permeation prevention layer.

実施例1−9,比較例1,2の各膜電極接合体について、皺や10μm以上のクラックの有無について評価した。
その評価結果を表1に示す。
The membrane electrode assemblies of Example 1-9 and Comparative Examples 1 and 2 were evaluated for the presence or absence of wrinkles or cracks of 10 μm or more.
The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 2018181671
Figure 2018181671

[膜電極接合体の評価]
クラックは、顕微鏡(倍率:200倍)で観察して評価を行った。皺は、目視により確認を行った。
表1に示す通り、溶媒浸透防止層を形成しない場合(比較例1)は、高分子電解質膜が膨潤し、触媒層用スラリーを塗工することができなかった。また、溶媒浸透防止層としてアセトンを用いた場合、エタノールと触媒層用スラリーが混和し、高分子電解質膜への溶媒の浸透を防止することができず、膜電極接合体を皺・クラックなく作製することができなかった。これに対して、実施例で作製した膜電極接合体は、10μm以上のクラックが観察されなかった。また、皺がない形状に優れた膜電極接合体であった。すなわち、本実施形態に係る製造方法によれば、皺やクラックがない膜電極接合体を簡易に提供することができる、ということが確認された。
[Evaluation of membrane electrode assembly]
The crack was evaluated by observing with a microscope (magnification: 200 times). The eyelids were checked visually.
As shown in Table 1, when the solvent permeation prevention layer was not formed (Comparative Example 1), the polymer electrolyte membrane swelled, and it was not possible to coat the slurry for catalyst layer. In addition, when acetone is used as a solvent permeation prevention layer, ethanol and a slurry for a catalyst layer are mixed, and the permeation of the solvent into the polymer electrolyte membrane can not be prevented, and the membrane electrode assembly is produced without wrinkles and cracks. I could not do it. On the other hand, in the membrane electrode assembly manufactured in the example, no crack of 10 μm or more was observed. Moreover, it was the membrane electrode assembly excellent in the shape without wrinkles. That is, according to the manufacturing method concerning this embodiment, it was checked that a membrane electrode assembly without wrinkles and a crack can be provided simply.

以上説明したように、本実施形態によれば、高分子電解質膜の両面にそれぞれ対向して触媒層が配置されてなる膜電極接合体の製造方法であって、この高分子電解質膜の両面に溶媒浸透防止層を形成する工程(ステップ50)と、前記溶媒浸透防止層が形成された固体高分子電解質膜の両面に、触媒層用スラリーを塗工する工程(ステップ60)と、塗工した触媒層用スラリーと、その下地である高分子電解質膜とを乾燥する工程(ステップ70)と、を含む。これにより、高分子電解質膜1と、空気極側電極触媒層2及び燃料極側電極触媒層3の各形状に優れた膜電極接合体12を容易に製造することができる。   As described above, according to the present embodiment, a method of manufacturing a membrane electrode assembly in which the catalyst layer is disposed to face each other on both sides of the polymer electrolyte membrane, is provided on both sides of the polymer electrolyte membrane. A step of forming a solvent permeation preventing layer (Step 50), and a step of applying a catalyst layer slurry on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane on which the solvent permeation preventing layer is formed (Step 60) And drying the catalyst layer slurry and the underlying polymer electrolyte membrane (step 70). Thereby, the membrane electrode assembly 12 excellent in each shape of the polymer electrolyte membrane 1 and the air electrode side electrode catalyst layer 2 and the fuel electrode side electrode catalyst layer 3 can be easily manufactured.

また、溶媒浸透防止層の形成工程と触媒層用スラリーの塗工工程を同時に行うことで、製造時間の削減と工程間での異物や気泡の混入が回避できる。これにより、不良品が少なく皺やクラックのない膜電極接合体を安定に製造することができる。
また、溶媒浸透防止層として、ヘキサン、トルエン、クロロホルム、ジクロロメタンのいずれかを用いることにより、触媒層用スラリーに含まれる溶媒が高分子電解質膜に染み込むことを抑制するだけでなく、溶媒浸透防止層を高分子電解質膜の両面に形成する際にも、高分子電解質膜の膨潤を抑制することができる。このことにより、皺やクラックがない膜電極接合体を安定に製造することができる。
In addition, by simultaneously performing the step of forming the solvent permeation prevention layer and the step of applying the slurry for the catalyst layer, it is possible to reduce the manufacturing time and avoid mixing of foreign matter and air bubbles between the steps. This makes it possible to stably manufacture a membrane / electrode assembly having few defective products and no wrinkles or cracks.
Further, by using any of hexane, toluene, chloroform and dichloromethane as the solvent permeation prevention layer, it is possible not only to prevent the solvent contained in the slurry for catalyst layer from permeating into the polymer electrolyte membrane, but also the solvent permeation prevention layer The swelling of the polymer electrolyte membrane can be suppressed also when forming on both sides of the polymer electrolyte membrane. This makes it possible to stably manufacture a membrane electrode assembly free of wrinkles and cracks.

本発明は、例えば、固体高分子型燃料電池に適用して極めて好適である。   The present invention is very suitably applied to, for example, a polymer electrolyte fuel cell.

1 高分子電解質膜
2 空気極側電極触媒層
3 燃料極側電極触媒層
4 空気極側ガス拡散層
5 燃料極側ガス拡散層
6 空気極
7 燃料極
8 ガス流路
9 冷却水流路
10 セパレータ
11 単セル
12 膜電極接合体
13 溶媒浸透防止層
14 触媒層用スラリー
15 溶媒浸透防止層と触媒層用スラリーの混合インク
20 塗工ダイヘッド
21 塗工ダイヘッド
22 多層スリットダイヘッド
1 polymer electrolyte membrane 2 air electrode side electrode catalyst layer 3 fuel electrode side electrode catalyst layer 4 air electrode side gas diffusion layer 5 fuel electrode side gas diffusion layer 6 air electrode 7 fuel electrode 8 gas flow passage 9 cooling water flow passage 10 separator 11 Single cell 12 membrane electrode assembly 13 solvent permeation preventing layer 14 slurry for catalyst layer 15 mixed ink of solvent permeation preventing layer and slurry for catalyst layer 20 coating die head 21 coating die head 22 multilayer slit die head

Claims (3)

固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ触媒層が配置された膜電極接合体の製造方法であって、
前記固体高分子電解質膜の上に、前記触媒層を形成するための触媒層用スラリーが25質量%以上含まれると相分離する材料からなる溶媒浸透防止層を形成する形成工程と、
前記溶媒浸透防止層の上に触媒層用スラリーを塗工する塗工工程と、
前記高分子電解質膜上に前記溶媒浸透防止層及び前記触媒層用スラリーを塗工してなる構造体を乾燥させる乾燥工程と、
を含むことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
A manufacturing method of a membrane electrode assembly in which catalyst layers are respectively disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane,
Forming on the solid polymer electrolyte membrane a solvent permeation preventing layer made of a material that is phase separated when the slurry for the catalyst layer for forming the catalyst layer is contained in an amount of 25% by mass or more;
Applying a slurry for a catalyst layer on the solvent permeation preventing layer;
A drying step of drying a structure obtained by applying the slurry for the solvent permeation prevention layer and the catalyst layer on the polymer electrolyte membrane;
A method of manufacturing a membrane electrode assembly comprising:
前記溶媒浸透防止層の形成工程と前記触媒層用スラリーの塗工工程とを一工程で行うことを特徴とする請求項1に記載した膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein the step of forming the solvent permeation preventing layer and the step of applying the slurry for a catalyst layer are performed in one step. 前記溶媒浸透防止層が、非プロトン性、かつ比誘電率が25以下の溶媒であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載に記載した膜電極接合体の製造方法。   The method for producing a membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the solvent permeation preventing layer is a non-protonic solvent having a relative dielectric constant of 25 or less.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115275225A (en) * 2022-08-30 2022-11-01 中汽创智科技有限公司 Preparation method of membrane electrode catalyst coating

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