JP5417687B2 - Method for producing solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、圧着工程の際に生じる圧力抜けを抑制することができる固体高分子電解質膜型燃料電池の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a solid polymer electrolyte membrane fuel cell capable of suppressing pressure loss that occurs during a crimping process.
固体高分子電解質型燃料電池(以下、単に燃料電池と称する場合がある。)の最小発電単位である単位セルは、一般に、固体高分子電解質膜の両側に触媒電極層(アノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層)が接合された膜電極複合体(MEA)と、この膜電極複合体の両側に配置されたガス拡散層と、このガス拡散層の外側に配置されたセパレータと、を有するものである。 A unit cell, which is a minimum power generation unit of a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter sometimes referred to simply as a fuel cell), generally has a catalyst electrode layer (an anode side catalyst electrode layer and an anode side catalyst electrode layer) on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. A cathode electrode side catalyst electrode layer), a gas diffusion layer disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and a separator disposed outside the gas diffusion layer. Is.
このような燃料電池においては、運転時に水素(H2)と酸素(O2)とが反応し、燃料電池内に生成水(H2O)が生じる。この生成水が触媒電極層中に残留した場合、生成水が触媒表面を覆い、触媒と、水素ガスまたは酸素ガスとの接触を阻害するため、燃料電池の発電効率が低下する。そのため、生成水を燃料電池の外部に効率良く排出する必要があり、一般的には、触媒電極層とガス拡散層との間に撥水層が設けられる。このような撥水層には、例えばフッ素系樹脂等の撥水性材料が用いられる。 In such a fuel cell, hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) react with each other during operation, and generated water (H 2 O) is generated in the fuel cell. When this generated water remains in the catalyst electrode layer, the generated water covers the catalyst surface and obstructs the contact between the catalyst and hydrogen gas or oxygen gas, so that the power generation efficiency of the fuel cell decreases. Therefore, it is necessary to efficiently discharge the generated water to the outside of the fuel cell, and in general, a water repellent layer is provided between the catalyst electrode layer and the gas diffusion layer. For such a water-repellent layer, for example, a water-repellent material such as a fluorine-based resin is used.
しかしながら、上記撥水層を用いて燃料電池を作製する場合、以下のような問題があった。すなわち、燃料電池を作製する場合に、燃料電池の構成部材を熱圧着するのであるが、この際、熱圧着の加熱温度が高すぎると、撥水層が過度に軟化し熱圧着の圧力が均等に伝達されないという問題があった。その結果、燃料電池を構成する各層間において、密着性が不充分な領域が発生し(圧力抜け)、燃料電池の発電効率低下の原因となる場合があった。 However, when producing a fuel cell using the water repellent layer, there are the following problems. That is, when manufacturing a fuel cell, the components of the fuel cell are subjected to thermocompression bonding. At this time, if the heating temperature of thermocompression bonding is too high, the water-repellent layer is excessively softened and the thermocompression bonding pressure is equalized. There was a problem of not being transmitted to. As a result, a region with insufficient adhesion occurs between the layers constituting the fuel cell (pressure loss), which may cause a decrease in power generation efficiency of the fuel cell.
例えば、固体高分子電解質膜として炭化水素系電解質膜を用いる場合は、一般的に、加熱温度を150℃程度以上にする必要がある。このような場合に、撥水層を構成する撥水性材料としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用いる場合は、PTFEは125℃程度で著しく軟化するため、熱圧着の際に上記のような圧力抜けの問題が生じる。 For example, when a hydrocarbon-based electrolyte membrane is used as the solid polymer electrolyte membrane, it is generally necessary to set the heating temperature to about 150 ° C. or higher. In such a case, when polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as the water-repellent material constituting the water-repellent layer, PTFE is remarkably softened at about 125 ° C. Problem arises.
なお、特許文献1においては、密着不良部分が発生することを抑制する燃料電池用電極の製造方法が開示されている。具体的には、炭化水素系固体高分子電解質膜と電極基板とを圧着接合することが開示されており、フッ素系樹脂を含む溶液をガス拡散層に塗布することが開示されている。しかしながら、炭化水素系固体高分子電解質膜はガラス転移温度が高いため、接合の際に高温に加熱する必要があった。その結果、接合時にフッ素系樹脂(撥水性材料)が熱によって軟化し、圧着時に圧抜けを起こし、押圧力が伝わらずに接着不良を起こすおそれがあった。
Note that
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、圧着工程の際に生じる圧力抜けを抑制することができ、発電効率の優れた固体高分子電解質型燃料電池を得ることができる固体高分子電解質型燃料電池の製造方法を提供することを主目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to suppress a pressure drop that occurs during the crimping process and to obtain a solid polymer electrolyte fuel cell with excellent power generation efficiency. The main object is to provide a method for producing a molecular electrolyte fuel cell.
上記目的を達成するために、本発明においては、撥水性材料、導電性材料および形状保持材料を含む撥水層形成用組成物を、ガス拡散層に塗布し、撥水層を形成する撥水層形成工程と、上記撥水層および固体高分子電解質膜の少なくとも一方に、上記撥水性材料の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有する電解質材料を含有する触媒電極層を形成する触媒電極層形成工程と、上記ガス拡散層と上記固体高分子電解質膜とを上記撥水層と上記触媒電極層とを挟むように熱圧着する熱圧着工程と、を有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, in the present invention, a water-repellent layer is formed by applying a water-repellent layer-forming composition containing a water-repellent material, a conductive material and a shape-retaining material to a gas diffusion layer. Forming a catalyst electrode layer containing an electrolyte material having a glass transition temperature higher than the softening temperature of the water repellent material on at least one of the water repellent layer and the solid polymer electrolyte membrane; And a thermocompression bonding step of thermocompression bonding the gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane so as to sandwich the water repellent layer and the catalyst electrode layer. A method for manufacturing a fuel cell is provided.
本発明によれば、撥水層に形状保持材料を含有させることで、撥水性材料の軟化温度以上の加熱温度で熱圧着を行った場合であっても、撥水層の軟化による圧力抜けの発生を抑制することができる。すなわち、熱圧着工程は、良好な密着性を実現するという観点から、触媒電極層等をある程度溶融させた状態で行う必要がある。そのため、熱圧着の際の加熱温度を、触媒電極層に含まれる電解質材料のガラス転移温度近辺に設定する場合がある。本発明においては、電解質材料のガラス転移温度が、撥水性材料の軟化温度よりも高いために、上記電解質材料のガラス転移温度近辺の加熱温度で熱圧着を行うと、必然的に撥水性材料は軟化し圧力抜けの原因となり得る。本発明においては、撥水性材料が軟化する加熱温度で熱圧着を行う場合であっても、撥水層に形状保持材料を含有させることで、撥水層全体としての軟化を抑制し圧力抜けの発生を防止することができる。 According to the present invention, by including a shape-retaining material in the water-repellent layer, even when thermocompression bonding is performed at a heating temperature equal to or higher than the softening temperature of the water-repellent material, pressure relief due to softening of the water-repellent layer is achieved. Occurrence can be suppressed. That is, the thermocompression bonding step needs to be performed in a state where the catalyst electrode layer and the like are melted to some extent from the viewpoint of realizing good adhesion. Therefore, the heating temperature at the time of thermocompression bonding may be set near the glass transition temperature of the electrolyte material included in the catalyst electrode layer. In the present invention, since the glass transition temperature of the electrolyte material is higher than the softening temperature of the water-repellent material, when thermocompression bonding is performed at a heating temperature near the glass transition temperature of the electrolyte material, the water-repellent material is inevitably It can soften and cause pressure loss. In the present invention, even when thermocompression bonding is performed at a heating temperature at which the water-repellent material is softened, the water-repellent layer contains a shape-retaining material, thereby suppressing the softening of the entire water-repellent layer and reducing pressure loss. Occurrence can be prevented.
また、燃料電池の発電効率を向上させるという観点からは、より高温で燃料電池を運転することが好ましい。そのためには、触媒電極層に含まれる電解質材料、または固体高分子電解質膜等に、ガラス転移温度の高い材料を用いることが必要となる。具体的には、上記電解質材料および上記固体高分子電解質膜として炭化水素系材料を用いる場合等が考えられるが、このようなガラス転移温度の高い材料を圧着するためには、より高い温度で熱圧着工程を行う必要があり、上述した圧力抜けの問題が顕著に発生し得る。本発明によれば、このような場合であっても、形状保持材料を用いることで、圧力抜けの発生を抑制することができる。 Further, from the viewpoint of improving the power generation efficiency of the fuel cell, it is preferable to operate the fuel cell at a higher temperature. For this purpose, it is necessary to use a material having a high glass transition temperature for the electrolyte material contained in the catalyst electrode layer, the solid polymer electrolyte membrane, or the like. Specifically, a case where a hydrocarbon-based material is used as the electrolyte material and the solid polymer electrolyte membrane can be considered. In order to press-bond such a material having a high glass transition temperature, heat is applied at a higher temperature. It is necessary to perform a crimping process, and the above-described problem of pressure loss may occur remarkably. According to the present invention, even in such a case, the occurrence of pressure loss can be suppressed by using the shape-retaining material.
また、上記発明においては、上記電解質材料のガラス転移温度が130℃以上であることが好ましい。ガラス転移温度が高い電解質材料を用いる場合であっても、圧力抜けの発生を抑制することができ、発電効率に優れた燃料電池を得ることができるからである。 Moreover, in the said invention, it is preferable that the glass transition temperature of the said electrolyte material is 130 degreeC or more. This is because even when an electrolyte material having a high glass transition temperature is used, the occurrence of pressure loss can be suppressed and a fuel cell excellent in power generation efficiency can be obtained.
また、上記発明においては、上記撥水性材料が、ポリテトラフルオロエチレンであることが好ましい。撥水性に優れた撥水層を得ることができるからである。 In the above invention, the water repellent material is preferably polytetrafluoroethylene. This is because a water repellent layer having excellent water repellency can be obtained.
また、本発明においては、撥水性材料、導電性材料および形状保持材料を含む撥水層形成用組成物を、ガス拡散層に塗布し、撥水層を形成する撥水層形成工程と、上記撥水層、および上記撥水性材料の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有する固体高分子電解質膜の少なくとも一方に、触媒電極層を形成する触媒電極層形成工程と、上記固体高分子電解質膜と上記ガス拡散層とを上記撥水層と上記触媒電極層とを挟むように熱圧着する熱圧着工程と、を有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法を提供する。 In the present invention, a water repellent layer forming step of applying a water repellent layer-forming composition containing a water repellent material, a conductive material and a shape-retaining material to a gas diffusion layer to form a water repellent layer; A catalyst electrode layer forming step of forming a catalyst electrode layer on at least one of a water repellent layer and a solid polymer electrolyte membrane having a glass transition temperature higher than a softening temperature of the water repellent material; and the solid polymer electrolyte membrane, And a thermocompression bonding step of thermocompression bonding the gas diffusion layer so as to sandwich the water repellent layer and the catalyst electrode layer. A method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell is provided.
本発明によれば、高温での熱圧着を行って撥水性材料が軟化した場合であっても、形状保持材料の存在により、圧抜けを抑制することができ、触媒電極層と固体高分子電解質膜との界面における接着不良を抑制することができる。 According to the present invention, even when the water-repellent material is softened by thermocompression bonding at a high temperature, the presence of the shape-retaining material can suppress the pressure release, and the catalyst electrode layer and the solid polymer electrolyte Adhesion failure at the interface with the film can be suppressed.
本発明においては、圧着工程の際に生じる圧力抜けを抑制することができ、密着性、発電効率に優れた固体高分子電解質膜型燃料電池を得ることができるという効果を奏する。 In the present invention, it is possible to suppress the pressure loss generated during the pressure bonding step, and it is possible to obtain a solid polymer electrolyte membrane fuel cell excellent in adhesion and power generation efficiency.
以下、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法について詳細に説明する。本発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、2つの実施態様に大別することができる。以下、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法について、実施態様ごとに説明する。 Hereinafter, the method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described in detail. The method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be roughly divided into two embodiments. Hereinafter, a method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described for each embodiment.
A.第一実施態様
まず、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法の第一実施態様について説明する。本実施態様は、触媒電極層に含まれる電解質材料のガラス転移温度が、撥水層に含まれる撥水性材料の軟化温度よりも高い実施態様である。
A. First Embodiment First, a first embodiment of the method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described. In this embodiment, the glass transition temperature of the electrolyte material included in the catalyst electrode layer is higher than the softening temperature of the water-repellent material included in the water-repellent layer.
すなわち、本実施態様の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、撥水性材料、導電性材料および形状保持材料を含む撥水層形成用組成物を、ガス拡散層に塗布し、撥水層を形成する撥水層形成工程と、上記撥水層および固体高分子電解質膜の少なくとも一方に、上記撥水性材料の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有する電解質材料を含有する触媒電極層を形成する触媒電極層形成工程と、上記ガス拡散層と上記固体高分子電解質膜とを上記撥水層と上記触媒電極層とを挟むように熱圧着する熱圧着工程と、を有することを特徴とするものである。 That is, in the method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment, a water repellent layer-forming composition containing a water repellent material, a conductive material and a shape-retaining material is applied to a gas diffusion layer, And forming a catalyst electrode layer containing an electrolyte material having a glass transition temperature higher than the softening temperature of the water-repellent material on at least one of the water-repellent layer and the solid polymer electrolyte membrane. And a thermocompression bonding step of thermocompression bonding the gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane so as to sandwich the water repellent layer and the catalyst electrode layer. Is.
次に、本実施態様の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法について、図面を用いて説明する。図1は、本実施態様の燃料電池の製造方法の一例を示す工程図である。図1(a)に示すように、撥水性材料、導電性材料および形状保持材料を含む撥水層形成用組成物を塗布することにより、ガス拡散層1上に撥水層2を形成する撥水層形成工程と、図1(b)に示すように、例えば撥水層2上に触媒電極層3を形成する触媒電極層形成工程と、図1(c)に示すように、ガス拡散層1と固体高分子電解質膜4とを、撥水層2と触媒電極層3とを挟むように熱圧着する熱圧着工程と、を有するものである。本実施態様においては、触媒電極層3に含まれる電解質材料のガラス転移温度が、撥水層2に含まれる撥水性材料の軟化温度よりも高い。そのため、熱圧着の際の加熱温度を、上記電解質材料のガラス転移温度近辺に設定すると、上記撥水性材料が軟化し圧力抜けの原因となり得るが、本実施態様においては、撥水層2に形状保持材料を含有させることで、撥水層2全体としての軟化を抑制し、圧力抜けの発生を防止することができる。なお、本実施態様においては、図1(d)に示すように、ガス拡散層1、撥水層2および触媒電極層3を有する積層体5を2つ用いて、固体高分子電解質膜4の両面と触媒電極層2とが接触するように設置し、熱圧着を行っても良い。
Next, the manufacturing method of the solid polymer electrolyte fuel cell of this embodiment is demonstrated using drawing. FIG. 1 is a process diagram showing an example of a method of manufacturing a fuel cell according to this embodiment. As shown in FIG. 1A, a
本実施態様の燃料電池の製造方法は、撥水層形成工程と、触媒電極層形成工程と、熱圧着工程と、を有するものである。各工程について、以下詳細に説明する。 The fuel cell manufacturing method of this embodiment includes a water repellent layer forming step, a catalyst electrode layer forming step, and a thermocompression bonding step. Each step will be described in detail below.
1.撥水層形成工程
まず、本実施態様における撥水層形成工程について説明する。撥水層形成工程は、撥水性材料、導電性材料および形状保持材料を含む撥水層形成用組成物を、ガス拡散層に塗布し、撥水層を形成する工程である。
1. Water repellent layer forming step First, the water repellent layer forming step in the present embodiment will be described. The water repellent layer forming step is a step of forming a water repellent layer by applying a water repellent layer forming composition containing a water repellent material, a conductive material and a shape-retaining material to the gas diffusion layer.
図2は、本工程により得られる撥水層の一例を示す概略断面図である。図2に示すように、本工程により得られる撥水層2は、ガス拡散層1上に形成され、撥水性材料6と、導電性材料7と、形状保持材料8と、を少なくとも有するものである。また、上記撥水層は、ガスを透過させるために、通常、多孔構造を有するものである。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a water-repellent layer obtained by this step. As shown in FIG. 2, the
ここで、まず撥水層形成用組成物に含まれる撥水性材料について説明する。上記撥水性材料は、撥水層に撥水性を付与するものである。また、上記撥水性材料は、後述するように触媒電極層に含まれる電解質材料のガラス転移温度よりも低い軟化温度を有するものである。なお、本実施態様において「撥水性材料の軟化温度」とは、25℃における撥水性材料の弾性率を測定し、その値が1/5に低下する際の温度をいう。本実施態様において、上記撥水性材料の軟化温度としては、触媒電極層に含まれる電解質材料のガラス転移温度よりも低いものであれば特に限定されるものではないが、通常100〜130℃の範囲内である。 Here, the water repellent material contained in the water repellent layer forming composition will be described first. The water repellent material imparts water repellency to the water repellent layer. Further, the water repellent material has a softening temperature lower than the glass transition temperature of the electrolyte material contained in the catalyst electrode layer, as will be described later. In the present embodiment, the “softening temperature of the water repellent material” refers to the temperature at which the elastic modulus of the water repellent material at 25 ° C. is measured and the value decreases to 1/5. In this embodiment, the softening temperature of the water-repellent material is not particularly limited as long as it is lower than the glass transition temperature of the electrolyte material contained in the catalyst electrode layer, but is usually in the range of 100 to 130 ° C. Is within.
上記撥水性材料としては、撥水性を有し、燃料電池の運転により生じる生成水を燃料電池外部に排出することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、フッ素系樹脂等を挙げることができる。このようなフッ素系樹脂としては、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニリデンフルオリド(PVDF)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、パーフルオロエチレン−プロペン共重合体(FEP)、フッ化ビニリデン−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、ポリフッ化ビニリデン、フルオロオレフィン−炭化水素系共重合体、フルオロアクリレート共重合体、フルオロエポキシ化合物等を挙げることができる。中でも本実施態様においては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリドが好ましく、特にポリテトラフルオロエチレンが好ましい。撥水性に優れた撥水層を得ることができるからである。 The water repellent material is not particularly limited as long as it has water repellency and can discharge generated water generated by the operation of the fuel cell to the outside of the fuel cell. Can be mentioned. Specific examples of such fluororesins include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether. Copolymer (PFA), perfluoroethylene-propene copolymer (FEP), vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, fluoroolefin-hydrocarbon copolymer, fluoroacrylate Examples thereof include a copolymer and a fluoroepoxy compound. Among these, in this embodiment, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride are preferable, and polytetrafluoroethylene is particularly preferable. This is because a water repellent layer having excellent water repellency can be obtained.
撥水層形成用組成物における撥水性材料の含有量としては、特に限定されるものではないが、固形分換算で例えば、20〜80質量%の範囲内、中でも40〜60質量%の範囲内であることが好ましい。 The content of the water-repellent material in the composition for forming a water-repellent layer is not particularly limited, but is, for example, in the range of 20 to 80% by mass, particularly in the range of 40 to 60% by mass in terms of solid content. It is preferable that
次に、撥水層形成用組成物に含まれる形状保持材料について説明する。上記形状保持材料は、熱圧着工程において撥水性材料が軟化した場合に、撥水層の形状を保持するために用いられるものである。上記保持材料の原料としては、撥水層の形状を保持することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素、金属、樹脂等を挙げることができる。また、上記形状保持材料の形状としては、例えば、繊維状、筒状等を挙げることができる。また、上記形状保持材料は、撥水層の形状を保持するために用いられるものであるから、導電性を有するものであっても良く、導電性を有しないものであっても良いが、本実施態様においては、上記形状保持材料が導電性を有することが好ましい。撥水層の導電性を向上させることができるからである。 Next, the shape retention material contained in the composition for forming a water repellent layer will be described. The shape retaining material is used to retain the shape of the water repellent layer when the water repellent material is softened in the thermocompression bonding step. The raw material of the holding material is not particularly limited as long as it can hold the shape of the water-repellent layer, and examples thereof include carbon, metal, and resin. Moreover, as a shape of the said shape maintenance material, fibrous form, a cylindrical shape, etc. can be mentioned, for example. Further, since the shape retaining material is used for retaining the shape of the water repellent layer, it may have conductivity or may not have conductivity. In an embodiment, it is preferable that the shape-retaining material has conductivity. This is because the conductivity of the water repellent layer can be improved.
このような形状保持材料としては、具体的には、繊維状炭素、繊維状金属、筒状炭素、筒状金属等を挙げることができ、中でも繊維状炭素が好ましい。上記繊維状炭素としては、具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、レーヨン系炭素繊維、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等を挙げることができ、中でもVGCFが好ましい。 Specific examples of such a shape-retaining material include fibrous carbon, fibrous metal, tubular carbon, tubular metal, etc. Among them, fibrous carbon is preferable. Specific examples of the fibrous carbon include vapor grown carbon fiber (VGCF), rayon-based carbon fiber, polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, and the like. Among them, VGCF is preferable. .
上記VGCFは、炭化水素等のガスを金属系触媒の存在下で気相熱分解することによって製造されるものである。本実施態様において、上記VGCFの繊維径としては、特に限定されるものではないが、例えば500nm以下、中でも1〜300nmの範囲内であることが好ましい。また、上記VGCFの繊維長としては、特に限定されるものではないが、例えば100μm以下、中でも80μm以下、特に50μm以下であることが好ましい。なお、上記VGCFが分岐構造を有している場合、その繊維長とは、分岐点から先端または他の分岐点までの長さをいうものとする。また、上記VGCFは、例えば2500℃以上の温度で加熱することによって、結晶度を向上させたものであることが好ましい。結晶度を向上させることによって、導電性が向上するからである。 The VGCF is produced by gas phase pyrolysis of a gas such as a hydrocarbon in the presence of a metal catalyst. In this embodiment, the fiber diameter of the VGCF is not particularly limited, but is preferably, for example, 500 nm or less, and more preferably in the range of 1 to 300 nm. The fiber length of the VGCF is not particularly limited, but is preferably 100 μm or less, particularly 80 μm or less, and particularly preferably 50 μm or less. When the VGCF has a branched structure, the fiber length means the length from the branch point to the tip or other branch point. Moreover, it is preferable that the said VGCF is what improved the crystallinity by heating at the temperature of 2500 degreeC or more, for example. This is because the conductivity is improved by improving the crystallinity.
一方、上記繊維状金属としては例えば金属ウィスカ等が挙げられ、上記筒状炭素としては例えばカーボンナノチューブ等が挙げられ、上記筒状金属としては例えば金属ナノチューブ等が挙げられる。 On the other hand, examples of the fibrous metal include metal whiskers, examples of the cylindrical carbon include carbon nanotubes, and examples of the cylindrical metal include metal nanotubes.
撥水層形成用組成物における形状保持材料の含有量としては、特に限定されるものではないが、固形分換算で、例えば5〜50質量%の範囲内、中でも10〜30質量%の範囲内であることが好ましい。 The content of the shape-retaining material in the composition for forming a water repellent layer is not particularly limited, but is, for example, in the range of 5 to 50% by mass, particularly in the range of 10 to 30% by mass in terms of solid content. It is preferable that
次に、撥水層形成用組成物に含まれる導電性材料について説明する。上記導電性材料は、撥水層に導電性を付与するものである。上記導電性材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばカーボンブラック等の導電性粒子を挙げることができる。上記カーボンブラックとしては、具体的には、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等を挙げることができる。中でも本実施態様においては、オイルファーネスブラック、アセチレンブラックが好ましい。導電性を付与する効果に優れているからである。また、導電性粒子の一次粒径としては、特に限定されるものではないが、1μm以下であることが好ましい。 Next, the conductive material contained in the water repellent layer forming composition will be described. The conductive material imparts conductivity to the water repellent layer. The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include conductive particles such as carbon black. Specific examples of the carbon black include oil furnace black, acetylene black, thermal black, and channel black. Of these, oil furnace black and acetylene black are preferred in this embodiment. It is because it is excellent in the effect which provides electroconductivity. The primary particle size of the conductive particles is not particularly limited, but is preferably 1 μm or less.
また、本実施態様において、上述した形状保持材料が導電性を有する場合は、その形状保持材料を、導電性材料として用いることができる。この場合、形状保持材料と導電性材料とが同一の材料となる。このような材料については、上述した通りであるので、ここでの説明は省略する。 Moreover, in this embodiment, when the shape retention material mentioned above has electroconductivity, the shape retention material can be used as an electroconductive material. In this case, the shape maintaining material and the conductive material are the same material. Since such a material is as described above, a description thereof is omitted here.
撥水層形成用組成物における導電性材料の含有量としては、特に限定されるものではないが、固形分換算で、例えば20〜80質量%の範囲内、中でも40〜60質量%の範囲内であることが好ましい。導電性材料の含有量が少なすぎると、充分な導電性を付与することができない可能性があり、導電性材料の含有量が多すぎると、撥水層の撥水性を低下させる可能性があるからである。 The content of the conductive material in the composition for forming a water repellent layer is not particularly limited, but is, for example, in the range of 20 to 80% by mass, particularly in the range of 40 to 60% by mass in terms of solid content. It is preferable that If the content of the conductive material is too small, sufficient conductivity may not be imparted, and if the content of the conductive material is too large, the water repellency of the water repellent layer may be reduced. Because.
また、上記撥水層形成用組成物は、溶媒を有していても良い。このような溶媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、n−プロパノール、n−ブタノール、n−ペンタノール等を挙げることができる。 Moreover, the said composition for water-repellent layer formation may have a solvent. Such a solvent is not particularly limited, and examples thereof include n-propanol, n-butanol, and n-pentanol.
一方、本実施態様に用いられるガス拡散層としては、撥水層を形成する際の加熱温度に対して充分な耐熱性を有するものであれば特に限定されるものではなく、市販のガス拡散層を用いることができる。具体的には、カーボン繊維ガス拡散層等を挙げることができる。 On the other hand, the gas diffusion layer used in the present embodiment is not particularly limited as long as it has sufficient heat resistance to the heating temperature when forming the water-repellent layer. Can be used. Specific examples include a carbon fiber gas diffusion layer.
本工程においては、上記撥水層形成用組成物を上記ガス拡散層に塗布し、通常、加熱処理を行うことによって、ガス拡散層上に撥水層を形成する。上記加熱処理の際の加熱温度としては、特に限定されるものではないが、通常350℃程度である。また、このようにして得られる撥水層の重量としては、特に限定されるものではないが、具体的には、2〜80mg/cm2の範囲内、中でも5〜40mg/cm2の範囲内、特に10〜20mg/cm2の範囲内であることが好ましい。 In this step, the water repellent layer forming composition is formed on the gas diffusion layer by applying the water repellent layer forming composition to the gas diffusion layer and performing a heat treatment. The heating temperature at the time of the heat treatment is not particularly limited, but is usually about 350 ° C. Further, the weight of the water-repellent layer thus obtained is not particularly limited, but specifically, it is in the range of 2 to 80 mg / cm 2 , particularly in the range of 5 to 40 mg / cm 2 . In particular, it is preferably in the range of 10 to 20 mg / cm 2 .
2.触媒電極層形成工程
次に、本実施態様における触媒電極層形成工程について説明する。触媒電極層形成工程は、撥水層および固体高分子電解質膜の少なくとも一方に、上記撥水性材料の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有する電解質材料を含有する触媒電極層を形成する工程である。
2. Next, the catalyst electrode layer forming step in this embodiment will be described. The catalyst electrode layer forming step is a step of forming a catalyst electrode layer containing an electrolyte material having a glass transition temperature higher than the softening temperature of the water repellent material on at least one of the water repellent layer and the solid polymer electrolyte membrane. .
図3は、本工程により得られる触媒電極層を例示する概略断面図である。本工程により得られる触媒電極層3は、図3(a)に示すように、撥水層1上に形成されるものであっても良く、図3(b)に示すように、固体高分子電解質膜4上に形成されるものであっても良く、図3(c)に示すように、撥水層1上および固体高分子電解質膜4上に形成されるものであっても良い。また、本工程により得られる触媒電極層は、電解質材料と、触媒と、触媒電極層用の導電性材料と、を少なくとも有するものである。以下、上記触媒電極層を構成する電解質材料、触媒および導電性材料、ならびに本実施態様に用いられる固体高分子電解質膜について説明する。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating the catalyst electrode layer obtained by this step. The
まず、触媒電極層に用いられる電解質材料について説明する。上記電解質材料は、触媒電極層の中でプロトン伝導を担うものである。また、本実施態様において、上記電解質材料は、上述した撥水性材料の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有するものである。
上記電解質材料のガラス転移温度は、上記撥水性材料の軟化温度よりも高い。上記電解質材料のガラス転移温度と、上記撥水性材料の軟化温度との差は、例えば5〜70℃の範囲内、中でも15〜30℃の範囲内であることが好ましい。また、上記電解質材料のガラス転移温度としては、上記撥水性材料の軟化温度よりも高いものであれば特に限定されるものではないが、具代的には130℃以上、中でも130〜200℃の範囲内、特に135〜170℃の範囲内であることが好ましい。
First, the electrolyte material used for the catalyst electrode layer will be described. The electrolyte material is responsible for proton conduction in the catalyst electrode layer. Moreover, in this embodiment, the said electrolyte material has a glass transition temperature higher than the softening temperature of the water-repellent material mentioned above.
The glass transition temperature of the electrolyte material is higher than the softening temperature of the water repellent material. The difference between the glass transition temperature of the electrolyte material and the softening temperature of the water-repellent material is, for example, preferably in the range of 5 to 70 ° C, and more preferably in the range of 15 to 30 ° C. Further, the glass transition temperature of the electrolyte material is not particularly limited as long as it is higher than the softening temperature of the water-repellent material. It is preferable to be within the range, particularly within the range of 135 to 170 ° C.
このような電解質材料としては、プロトン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、炭化水素系電解質材料、パーフルオロカーボンスルホン酸系電解質材料等を挙げることができ、中でも、炭化水素系電解質材料が好ましい。炭化水素系電解質材料はガラス転移温度が高く、高温で熱圧着する必要があるため、上述した圧力抜けが生じる可能性が高く、本実施態様に用いられる形状保持材料がその効果を充分に発揮することができるからである。
上記炭化水素系電解質材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、炭化水素系原料にプロトン伝導基を導入したもの等を挙げることができる。上記炭化水素系原料としては、例えば、ポリエーテルサルフォン樹脂(PES)、ポリエーテルサルフォン樹脂(PES)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、ポリフェニレンオキサイド樹脂(PPO)、ポリベンゾイミダゾール樹脂(PBI)等を挙げることができる。また、上記プロトン伝導基としては、例えば、スルホン酸基、カルボキシル基、ホスファイト基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基等を挙げることができ、中でもスルホン酸基が好ましい。プロトン伝導性に優れているからである。
Such an electrolyte material is not particularly limited as long as it has proton conductivity, and examples thereof include hydrocarbon-based electrolyte materials and perfluorocarbon sulfonic acid-based electrolyte materials. Hydrocarbon electrolyte materials are preferred. Since the hydrocarbon-based electrolyte material has a high glass transition temperature and needs to be thermocompression bonded at a high temperature, there is a high possibility that the above-described pressure loss will occur, and the shape-retaining material used in this embodiment exhibits its effect sufficiently. Because it can.
Although it does not specifically limit as said hydrocarbon type electrolyte material, For example, what introduce | transduced the proton conductive group into the hydrocarbon type raw material etc. can be mentioned. Examples of the hydrocarbon raw material include polyether sulfone resin (PES), polyether sulfone resin (PES), polyether ether ketone resin (PEEK), polyphenylene sulfide resin (PPS), and polyphenylene oxide resin (PPO). And polybenzimidazole resin (PBI). Examples of the proton conductive group include a sulfonic acid group, a carboxyl group, a phosphite group, a phosphonic acid group, and a hydroxyl group, and among them, a sulfonic acid group is preferable. This is because the proton conductivity is excellent.
また、上記炭化水素系原料にプロトン伝導基を導入する方法は、所望の炭化水素系電解質材料を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。例えば、PESにスルホン酸基を導入する場合は、PESを所定の溶媒に溶解させ、この溶液に対して、Trimetylsilylchlorosulfonate等のスルホン酸基含有化合物を含む溶液を滴下し反応させ、この反応液に、貧溶媒を添加することによって生成物の沈殿を得る方法等を挙げることができる。なお、生成物の同定は、NMR、IRにより行うことができる。 Moreover, the method for introducing a proton conductive group into the hydrocarbon-based material is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining a desired hydrocarbon-based electrolyte material. For example, when introducing a sulfonic acid group into PES, PES is dissolved in a predetermined solvent, and a solution containing a sulfonic acid group-containing compound such as Trimetylsilylchlorosulfonate is added dropwise to the solution to cause a reaction. The method of obtaining the precipitation of a product by adding a poor solvent etc. can be mentioned. The product can be identified by NMR and IR.
一方、上記パーフルオロカーボンスルホン酸系固体高分子電解質膜としては、例えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成社製)等を挙げることができる。 On the other hand, examples of the perfluorocarbon sulfonic acid-based solid polymer electrolyte membrane include Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and the like. Can be mentioned.
また、触媒電極層に用いられる導電性材料および触媒としては、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられる材料と同様のものを使用することができる。例えば、上記導電性材料としてはカーボンブラック等を挙げることができ、上記触媒としてはPt等を挙げることができる。 Moreover, it does not specifically limit as a conductive material and a catalyst used for a catalyst electrode layer, The thing similar to the material used for a general fuel cell can be used. For example, examples of the conductive material include carbon black, and examples of the catalyst include Pt.
次に、本実施態様に用いられる固体高分子電解質膜について説明する。上記固体高分子電解質膜は、触媒電極層の間に挟持され、両触媒電極層間のプロトン伝導を担うものである。上記固体高分子電解質膜のガラス転移温度としては、良好な密着性を有する燃料電池を得ることができれば特に限定されるものではないが、上記電解質材料のガラス転移温度と同等またはそれ以下であることが好ましい。 Next, the solid polymer electrolyte membrane used in this embodiment will be described. The solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the catalyst electrode layers and is responsible for proton conduction between the two catalyst electrode layers. The glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as a fuel cell having good adhesion can be obtained, but is equal to or lower than the glass transition temperature of the electrolyte material. Is preferred.
また、上記固体高分子電解質膜としては、プロトン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、炭化水素系固体高分子電解質膜、パーフルオロカーボンスルホン酸系固体高分子電解質膜等を挙げることができ、中でも炭化水素系固体高分子電解質膜が好ましい。炭化水素系固体高分子電解質膜はガラス転移温度が高く、高温で熱圧着する必要があるため、上述した圧力抜けが生じる可能性が高く、本実施態様に用いられる形状保持材料がその効果を充分に発揮することができるからである。炭化水素系固体高分子電解質膜およびパーフルオロカーボンスルホン酸系固体高分子電解質膜としては、上記の炭化水素系固体電解質材料および上記パーフルオロカーボンスルホン酸系電解質材料と同様のものを用いることができるので、ここでの説明は省略する。また、上記固体高分子電解質膜は、上記電解質材料と同一の材料であっても良く、上記電解質材料と異なる材料であっても良いが、本実施態様においては、上記固体高分子電解質膜が上記電解質材料と同一の材料であることが好ましい。すなわち、本実施態様においては、上記固体高分子電解質膜および上記電解質材料が炭化水素系材料であることが好ましく、上記固体高分子電解質膜および上記電解質材料が同一の炭化水素系材料であることがより好ましい。 The solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it has proton conductivity. For example, hydrocarbon solid polymer electrolyte membrane, perfluorocarbon sulfonic acid solid polymer electrolyte membrane Among them, a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane is preferable. Since the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane has a high glass transition temperature and needs to be thermocompression bonded at a high temperature, there is a high possibility that the above-described pressure release occurs, and the shape-retaining material used in this embodiment has a sufficient effect. It is because it can be demonstrated to. Since the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane and the perfluorocarbon sulfonic acid-based solid polymer electrolyte membrane can be the same as the hydrocarbon-based solid electrolyte material and the perfluorocarbon sulfonic acid-based electrolyte material, The description here is omitted. Further, the solid polymer electrolyte membrane may be the same material as the electrolyte material, or may be a material different from the electrolyte material. In this embodiment, the solid polymer electrolyte membrane is The material is preferably the same as the electrolyte material. That is, in the present embodiment, the solid polymer electrolyte membrane and the electrolyte material are preferably hydrocarbon materials, and the solid polymer electrolyte membrane and the electrolyte material are the same hydrocarbon material. More preferred.
また、ガス拡散層上または固体高分子電解質膜上に、触媒電極層を形成する方法としては、特に限定されるものではなく、一般的な方法を用いることができる。具体的には、触媒電極層を構成する材料を含有する触媒電極層形成用組成物を、ガス拡散層上または固体高分子電解質膜上に塗布し、乾燥する方法等を挙げることができる。 The method for forming the catalyst electrode layer on the gas diffusion layer or the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and a general method can be used. Specific examples include a method of applying a catalyst electrode layer-forming composition containing a material constituting the catalyst electrode layer on a gas diffusion layer or a solid polymer electrolyte membrane and drying the composition.
3.熱圧着工程
次に、本実施態様における熱圧着工程について説明する。本実施態様における熱圧着工程は、ガス拡散層と固体高分子電解質膜とを、撥水層と触媒電極層とを挟むように熱圧着する工程である。
本工程は、例えば図1(c)に示すように、固体高分子電解質膜4の片側に、触媒電極層3、撥水層2およびガス拡散層1を設置し熱圧着を行うものであっても良く、例えば図1(d)に示すように、固体高分子電解質膜4の両面に、積層体5を設置し熱圧着を行うものであっても良い。中でも、本実施態様においては、固体高分子電解質膜の両面に積層体を設置し熱圧着を行うことが好ましい。一度の工程で、膜電極複合体を得ることができるからである。
3. Next, the thermocompression bonding process in this embodiment will be described. The thermocompression bonding process in this embodiment is a process in which the gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane are thermocompression bonded so as to sandwich the water repellent layer and the catalyst electrode layer.
In this step, for example, as shown in FIG. 1 (c), the
また、本工程における加熱温度としては、密着性に優れた燃料電池を得ることができる温度であれば特に限定されるものではない。具体的には、電解質材料のガラス転移温度近辺等で行われる。また、固体高分子電解質膜のガラス転移温度が、上記電解質材料のガラス転移温度以上である場合は、固体高分子電解質膜のガラス転移温度近辺に加熱温度を設定しても良い。 Further, the heating temperature in this step is not particularly limited as long as it is a temperature at which a fuel cell excellent in adhesion can be obtained. Specifically, it is performed near the glass transition temperature of the electrolyte material. Further, when the glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane is equal to or higher than the glass transition temperature of the electrolyte material, the heating temperature may be set near the glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane.
例えば、撥水性材料としてPTFEを用い、触媒電極層に含まれる電解質材料として炭化水素系電解質材料を用いる場合、熱圧着工程における加熱温度としては、密着性の良い燃料電池を得ることができれば特に限定されるものではないが、具体的には110〜200℃の範囲内、中でも120〜180℃の範囲内、特に130〜160℃の範囲内であることが好ましい。 For example, when PTFE is used as the water repellent material and a hydrocarbon-based electrolyte material is used as the electrolyte material included in the catalyst electrode layer, the heating temperature in the thermocompression bonding process is particularly limited as long as a fuel cell with good adhesion can be obtained. Although not specifically, it is specifically preferable to be within the range of 110 to 200 ° C, more preferably within the range of 120 to 180 ° C, and particularly within the range of 130 to 160 ° C.
また、本工程における加圧圧力としては、固体高分子電解質膜等の種類、上記加熱温度等により異なるものであるが、具体的には1〜20MPaの範囲内、中でも2〜15MPaの範囲内、特に3〜10MPaの範囲内であることが好ましい。 In addition, the pressurizing pressure in this step varies depending on the type of the solid polymer electrolyte membrane and the like, the heating temperature, etc., and specifically in the range of 1 to 20 MPa, particularly in the range of 2 to 15 MPa, In particular, it is preferably within a range of 3 to 10 MPa.
また、本工程において、熱圧着を行う方法としては、特に限定されるものではなく、市販の熱圧着機を用いることができる。 In this step, the method for performing thermocompression bonding is not particularly limited, and a commercially available thermocompression bonding machine can be used.
B.第二実施態様
次に、本発明の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法の第二実施態様について説明する。本実施態様は、固体高分子電解質膜のガラス転移温度が、撥水層に含まれる撥水性材料の軟化温度よりも高い実施態様である。
B. Second Embodiment Next, a second embodiment of the method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described. This embodiment is an embodiment in which the glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane is higher than the softening temperature of the water repellent material contained in the water repellent layer.
すなわち、本実施態様の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法は、撥水性材料、導電性材料および形状保持材料を含む撥水層形成用組成物を、ガス拡散層に塗布し、撥水層を形成する撥水層形成工程と、上記撥水層、および上記撥水性材料の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有する固体高分子電解質膜の少なくとも一方に、触媒電極層を形成する触媒電極層形成工程と、上記固体高分子電解質膜と上記ガス拡散層とを上記撥水層と上記触媒電極層とを挟むように熱圧着する熱圧着工程と、を有することを特徴とするものである。 That is, in the method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment, a water repellent layer-forming composition containing a water repellent material, a conductive material and a shape-retaining material is applied to a gas diffusion layer, Forming a catalyst electrode layer on at least one of the water-repellent layer forming step, the water-repellent layer, and a solid polymer electrolyte membrane having a glass transition temperature higher than the softening temperature of the water-repellent material And a thermocompression bonding step of thermocompression bonding the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer so as to sandwich the water-repellent layer and the catalyst electrode layer.
本実施態様によれば、高温での熱圧着を行って撥水性材料が軟化した場合であっても、形状保持材料の存在により、圧抜けを抑制することができ、触媒電極層と固体高分子電解質膜との界面における接着不良を抑制することができる。例えば、固体高分子電解質膜が高いガラス転移温度を有している場合には、膜電極複合体を形成する際に各構成部材を高温で熱圧着する必要がある。この際、高温で熱圧着を行うと、撥水層が軟化し撥水層の圧抜けが発生する。その結果、ガス拡散層を介した押圧力が触媒電極層に充分に伝達されなくなり、触媒電極層と固体高分子電解質膜との界面で密着不良が生じる場合があった。これに対して、本実施態様においては、撥水性材料が軟化する加熱温度で熱圧着を行う場合であっても、撥水層に形状保持材料を含有させることで、撥水層全体としての軟化を抑制し圧力抜けの発生を防止することができるのである。 According to this embodiment, even when the water-repellent material is softened by thermocompression bonding at a high temperature, the presence of the shape-retaining material can suppress the pressure loss, and the catalyst electrode layer and the solid polymer Adhesion failure at the interface with the electrolyte membrane can be suppressed. For example, when the solid polymer electrolyte membrane has a high glass transition temperature, it is necessary to thermocompress each constituent member at a high temperature when forming the membrane electrode assembly. At this time, when thermocompression bonding is performed at a high temperature, the water-repellent layer is softened and the water-repellent layer is released. As a result, the pressing force through the gas diffusion layer is not sufficiently transmitted to the catalyst electrode layer, and adhesion failure may occur at the interface between the catalyst electrode layer and the solid polymer electrolyte membrane. On the other hand, in this embodiment, even when thermocompression bonding is performed at a heating temperature at which the water repellent material is softened, the water repellent layer is softened as a whole by including a shape-retaining material in the water repellent layer. It is possible to suppress the occurrence of pressure loss.
次に、本実施態様の固体高分子電解質型燃料電池の製造方法について、図面を用いて説明する。本実施態様(第二実施態様)の製造方法は、原則的に、上述図1に示した第一実施態様の製造方法と同様である。ただし、本実施態様においては、固体高分子電解質膜4のガラス転移温度が、撥水層2に含まれる撥水性材料の軟化温度よりも高い。
Next, the manufacturing method of the solid polymer electrolyte fuel cell of this embodiment is demonstrated using drawing. The manufacturing method of this embodiment (second embodiment) is in principle the same as the manufacturing method of the first embodiment shown in FIG. However, in this embodiment, the glass transition temperature of the solid
本実施態様の燃料電池の製造方法は、撥水層形成工程と、触媒電極層形成工程と、熱圧着工程と、を有するものである。各工程について、以下詳細に説明する。 The fuel cell manufacturing method of this embodiment includes a water repellent layer forming step, a catalyst electrode layer forming step, and a thermocompression bonding step. Each step will be described in detail below.
1.撥水層形成工程
本実施態様における撥水層形成工程は、撥水性材料、導電性材料および形状保持材料を含む撥水層形成用組成物を、ガス拡散層に塗布し、撥水層を形成する工程である。本実施態様における撥水層形成工程については、上記「A.第一実施態様」に記載した撥水層形成工程の内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。
1. Water-repellent layer forming step The water-repellent layer-forming step in this embodiment is performed by applying a water-repellent layer-forming composition containing a water-repellent material, a conductive material, and a shape-retaining material to a gas diffusion layer to form a water-repellent layer. It is a process to do. The water-repellent layer forming step in this embodiment is the same as the water-repellent layer forming step described in the above “A. First embodiment”, and thus the description thereof is omitted here.
2.触媒電極層形成工程
本実施態様における触媒電極層形成工程は、撥水層、および撥水性材料の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有する固体高分子電解質膜の少なくとも一方に、触媒電極層を形成する工程である。なお、本実施態様においては、上述した第一実施態様と同様に、触媒電極層を撥水層上に形成しても良く、触媒電極層を固体高分子電解質膜上に形成しても良く、触媒電極層を撥水層および固体高分子電解質膜の両方の表面上に形成しても良い(上述した図3参照)。
2. Catalyst electrode layer forming step The catalyst electrode layer forming step in the present embodiment is the step of forming the catalyst electrode layer on at least one of the water repellent layer and the solid polymer electrolyte membrane having a glass transition temperature higher than the softening temperature of the water repellent material. It is a process to do. In this embodiment, as in the first embodiment described above, the catalyst electrode layer may be formed on the water repellent layer, or the catalyst electrode layer may be formed on the solid polymer electrolyte membrane. The catalyst electrode layer may be formed on the surfaces of both the water repellent layer and the solid polymer electrolyte membrane (see FIG. 3 described above).
本実施態様に用いられる固体高分子電解質膜は、触媒電極層の間に挟持され、両触媒電極層間のプロトン伝導を担うものである。本実施態様において、上記固体高分子電解質膜は、上述した撥水性材料の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有するものである。
上記固体高分子電解質膜のガラス転移温度は、上記撥水性材料の軟化温度よりも高い。上記固体高分子電解質膜のガラス転移温度と、上記撥水性材料の軟化温度との差は、例えば5〜70℃の範囲内、中でも15〜30℃の範囲内であることが好ましい。また、上記固体高分子電解質膜のガラス転移温度としては、上記撥水性材料の軟化温度よりも高いものであれば特に限定されるものではないが、具代的には130℃以上、中でも130〜200℃の範囲内、特に135〜170℃の範囲内であることが好ましい。
The solid polymer electrolyte membrane used in this embodiment is sandwiched between the catalyst electrode layers and is responsible for proton conduction between the two catalyst electrode layers. In this embodiment, the solid polymer electrolyte membrane has a glass transition temperature higher than the softening temperature of the water repellent material described above.
The glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane is higher than the softening temperature of the water repellent material. The difference between the glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane and the softening temperature of the water repellent material is, for example, preferably in the range of 5 to 70 ° C., more preferably in the range of 15 to 30 ° C. Further, the glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is higher than the softening temperature of the water repellent material. It is preferable to be in the range of 200 ° C, particularly in the range of 135 to 170 ° C.
このような固体高分子電解質膜としては、プロトン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、炭化水素系固体高分子電解質膜、パーフルオロカーボンスルホン酸系固体高分子電解質膜等を挙げることができ、中でも炭化水素系固体高分子電解質膜が好ましい。炭化水素系固体高分子電解質膜はガラス転移温度が高く、高温で熱圧着する必要があるため、上述した圧力抜けが生じる可能性が高く、本実施態様に用いられる形状保持材料がその効果を充分に発揮することができるからである。上記固体高分子電解質膜の材料については、上記「A.第一実施態様」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。 Such a solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it has proton conductivity, and examples thereof include hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membranes and perfluorocarbon sulfonic acid-based solid polymer electrolyte membranes. Among them, a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane is preferable. Since the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane has a high glass transition temperature and needs to be thermocompression bonded at a high temperature, there is a high possibility that the above-described pressure release occurs, and the shape-retaining material used in this embodiment has a sufficient effect. It is because it can be demonstrated to. The material of the solid polymer electrolyte membrane is the same as that described in the above “A. First embodiment”, and the description thereof is omitted here.
次に、本実施態様に用いられる触媒電極層について説明する。本実施態様に用いられる触媒電極層は、通常、電解質材料、導電性材料および触媒を含有するものである。本実施態様において、上記電解質材料は、触媒電極層の中でプロトン伝導を担うものである。上記電解質材料のガラス転移温度としては、良好な密着性を有する燃料電池を得ることができれば特に限定されるものではないが、上記固体高分子電解質膜のガラス転移温度と同等またはそれ以下であることが好ましい。 Next, the catalyst electrode layer used in this embodiment will be described. The catalyst electrode layer used in the present embodiment usually contains an electrolyte material, a conductive material, and a catalyst. In this embodiment, the electrolyte material is responsible for proton conduction in the catalyst electrode layer. The glass transition temperature of the electrolyte material is not particularly limited as long as a fuel cell having good adhesion can be obtained, but it is equal to or lower than the glass transition temperature of the solid polymer electrolyte membrane. Is preferred.
上記電解質材料としては、プロトン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、炭化水素系電解質材料、パーフルオロカーボンスルホン酸系電解質材料等を挙げることができる。汎用性の観点からはパーフルオロカーボンスルホン酸系電解質材料が好ましい。一方、ガラス転移温度が高く、本発明の効果を充分に発揮できるという観点からは、炭化水素系電解質材料が好ましい。上記電解質材料の材料については、上記「A.第一実施態様」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。また、上記電解質材料は、上記固体電解質と同一の材料であっても良く、上記固体電解質と異なる材料であっても良いが、本実施態様においては、上記電解質材料が上記固体高分子電解質膜と同一の材料であることが好ましい。すなわち、本実施態様においては、上記電解質材料および上記固体高分子電解質膜が炭化水素系材料であることが好ましく、上記固体高分子電解質膜および上記電解質材料が同一の炭化水素系材料であることがより好ましい。 The electrolyte material is not particularly limited as long as it has proton conductivity, and examples thereof include hydrocarbon electrolyte materials and perfluorocarbon sulfonic acid electrolyte materials. From the viewpoint of versatility, perfluorocarbon sulfonic acid electrolyte materials are preferred. On the other hand, a hydrocarbon-based electrolyte material is preferable from the viewpoint that the glass transition temperature is high and the effects of the present invention can be sufficiently exhibited. The material of the electrolyte material is the same as that described in the above “A. First embodiment”, and thus the description thereof is omitted here. Further, the electrolyte material may be the same material as the solid electrolyte, or may be a material different from the solid electrolyte. In this embodiment, the electrolyte material is the solid polymer electrolyte membrane. The same material is preferable. That is, in the present embodiment, the electrolyte material and the solid polymer electrolyte membrane are preferably hydrocarbon materials, and the solid polymer electrolyte membrane and the electrolyte materials are the same hydrocarbon material. More preferred.
触媒電極層に用いられる導電性材料および触媒としては、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられる材料と同様のものを使用することができる。例えば、上記導電性材料としてはカーボンブラック等を挙げることができ、上記触媒としてはPt等を挙げることができる。 The conductive material and the catalyst used for the catalyst electrode layer are not particularly limited, and the same materials as those used for general fuel cells can be used. For example, examples of the conductive material include carbon black, and examples of the catalyst include Pt.
また、ガス拡散層上または固体高分子電解質膜上に触媒電極層を形成する方法、およびその他の事項については、上記「A.第一実施態様」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。 Further, the method for forming the catalyst electrode layer on the gas diffusion layer or the solid polymer electrolyte membrane, and other matters are the same as the contents described in the above “A. First embodiment”. Description of is omitted.
3.熱圧着工程
本実施態様における熱圧着工程は、ガス拡散層と固体高分子電解質膜とを、撥水層と触媒電極層とを挟むように熱圧着する工程である。本実施態様における熱圧着工程については、上記「A.第一実施態様」に記載した熱圧着工程に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。
3. Thermocompression bonding step The thermocompression bonding step in the present embodiment is a step of thermocompression bonding the gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane so as to sandwich the water repellent layer and the catalyst electrode layer. The thermocompression bonding process in the present embodiment is the same as the contents described in the thermocompression bonding process described in the above “A. First embodiment”, and thus the description thereof is omitted here.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[実施例]
(撥水層の作製)
撥水性材料としてPTFE粉末(ダイキン工業社製、軟化温度121℃)4g、導電性材料として炭素微粉5g、形状保持材料として気相成長炭素繊維(VGCF、昭和電工社製)4gを混合し、撥水層形成用組成物を得た。この撥水層形成用組成物をカーボン繊維ガス拡散層(TGP060、東レ株式会社製)に塗布し、350℃で焼成することによって、撥水層を得た。
(触媒電極層の作製)
白金の担持された炭素粉1g、水5g、エタノール6g、Nafion(商品名、デュポン社製)20%溶液1.5gを混合し、触媒電極層形成用組成物を得た。この触媒電極層形成用組成物を、上記の撥水層上にスプレー塗布し、乾燥させることによって、撥水層上に触媒電極層を得た。これにより、拡散層、撥水層および触媒電極層がこの順に積層された積層体を得た。
[Example]
(Production of water repellent layer)
4 g of PTFE powder (Daikin Kogyo Co., Ltd., softening temperature 121 ° C.) as a water repellent material, 5 g of carbon fine powder as a conductive material, and 4 g of vapor-grown carbon fiber (VGCF, Showa Denko) as a shape-retaining material are mixed. An aqueous layer forming composition was obtained. This water repellent layer forming composition was applied to a carbon fiber gas diffusion layer (TGP060, manufactured by Toray Industries, Inc.) and baked at 350 ° C. to obtain a water repellent layer.
(Preparation of catalyst electrode layer)
1 g of platinum-supported carbon powder, 5 g of water, 6 g of ethanol, and 1.5 g of Nafion (trade name, manufactured by DuPont) 20% solution were mixed to obtain a composition for forming a catalyst electrode layer. This catalyst electrode layer forming composition was spray-coated on the water repellent layer and dried to obtain a catalyst electrode layer on the water repellent layer. Thereby, the laminated body by which the diffusion layer, the water repellent layer, and the catalyst electrode layer were laminated | stacked in this order was obtained.
(膜電極複合体の作製)
ガラス転移温度が140℃である固体高分子電解質膜(SF702x、旭化成社製)を用意し、上記の積層体を2個用いて、固体高分子電解質膜の両面が積層体の触媒電極層と接触するように配置し、150℃、8MPaの条件で4分間熱圧着を行うことにより、膜電極複合体を得た。
(Production of membrane electrode composite)
Prepare a solid polymer electrolyte membrane (SF702x, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) with a glass transition temperature of 140 ° C., and use two of the above laminates so that both sides of the solid polymer electrolyte membrane are in contact with the catalyst electrode layers of the laminate The membrane electrode assembly was obtained by performing thermocompression bonding for 4 minutes under the conditions of 150 ° C. and 8 MPa.
[比較例]
上記の撥水層に気相成長炭素繊維を用いないこと以外は、実施例と同様にして、膜電極複合体を得た。
[Comparative example]
A membrane electrode assembly was obtained in the same manner as in Example except that no vapor-grown carbon fiber was used for the water repellent layer.
[評価]
実施例および比較例で得られた膜電極複合体を用い、セル温度80℃、ストイキ比2/2、アノードガス加湿露点45℃/カソードガス加湿露点55℃の条件で、発電試験を行った。得られた電流−電圧曲線を図4に示す。図4から明らかなように、実施例で得られた膜電極複合体は、比較例で得られた膜電極複合体に比べて、優れた発電効率を有するものであった。
また、実施例および比較例で得られた膜電極複合体から、ガス拡散層を機械的に剥離し、剥離後の触媒電極層付電解質膜の表面(撥水層)を観察することで、電解質膜と触媒電極層との密着性を評価した。実施例の触媒電極層付電解質膜の表面には、図5(a)に示されるように、均一な撥水層(黒色部)および残存したガス拡散層基材(白色線状部)が確認された。一方、比較例の触媒電極層付電解質膜の表面には、図5(b)に示されるように、ガラス転移温度より高い温度で熱プレスしているにもかかわらず、電極未付着部(白色斑点部)が確認された。このことから、実施例が比較例に比べて、優れた電解質膜−触媒電極層接合性を示していることが明らかになった。
[Evaluation]
Using the membrane electrode assemblies obtained in Examples and Comparative Examples, a power generation test was performed under the conditions of a cell temperature of 80 ° C., a stoichiometric ratio of 2/2, an anode gas humidification dew point of 45 ° C. and a cathode gas humidification dew point of 55 ° C. The obtained current-voltage curve is shown in FIG. As is clear from FIG. 4, the membrane electrode assembly obtained in the example had superior power generation efficiency as compared with the membrane electrode assembly obtained in the comparative example.
In addition, the gas diffusion layer was mechanically peeled from the membrane electrode composites obtained in the examples and comparative examples, and the surface of the electrolyte membrane with a catalyst electrode layer (water-repellent layer) after peeling was observed. The adhesion between the membrane and the catalyst electrode layer was evaluated. As shown in FIG. 5 (a), a uniform water-repellent layer (black part) and a remaining gas diffusion layer base material (white linear part) were confirmed on the surface of the electrolyte membrane with catalyst electrode layer of the example. It was done. On the other hand, on the surface of the electrolyte membrane with a catalyst electrode layer of the comparative example, as shown in FIG. Spots) were confirmed. From this, it became clear that the Example showed the outstanding electrolyte membrane-catalyst electrode layer bondability compared with the comparative example.
1 … ガス拡散層
2 … 撥水層
3 … 触媒電極層
4 … 固体高分子電解質膜
5 … 積層体
6 … 撥水性材料
7 … 導電性材料
8 … 形状保持材料
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記撥水層、および前記撥水性材料の軟化温度よりも高いガラス転移温度を有する固体高分子電解質膜の少なくとも一方に、触媒電極層を形成する触媒電極層形成工程と、
前記固体高分子電解質膜と前記ガス拡散層とを前記撥水層と前記触媒電極層とを挟むように熱圧着する熱圧着工程と、
を有し、
前記固体高分子電解質膜のガラス転移温度が、135℃以上であることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の製造方法。 A water repellent material, a conductive material and a shape-retaining material are mixed to prepare a water repellent layer forming composition, and the water repellent layer forming composition is applied to the gas diffusion layer to form a water repellent layer. A water repellent layer forming step;
A catalyst electrode layer forming step of forming a catalyst electrode layer on at least one of the water repellent layer and a solid polymer electrolyte membrane having a glass transition temperature higher than the softening temperature of the water repellent material;
A thermocompression bonding step of thermocompression bonding the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer so as to sandwich the water repellent layer and the catalyst electrode layer;
I have a,
A method for producing a solid polymer electrolyte fuel cell, wherein the solid polymer electrolyte membrane has a glass transition temperature of 135 ° C. or higher .
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