JP2013073686A - Method for manufacturing film-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池に使用される膜電極接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池の発電方式は、水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものである。この発電方式は、発電効率が高く、静粛性に優れ、大気汚染の原因となるNOx、SOx、また地球温暖化の原因となるCO2の排出量が少ない等の利点から、新エネルギーとして期待されている。この燃料電池が適用されている例としては、携帯電気機器の長時間電力供給、コジェネレーション用定置型発電温水供給機、燃料電池自動車等があり、用途も規模も多様である。 A fuel cell power generation system is one that converts a chemical energy of a fuel into an electric energy and extracts it by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. This power generation method is expected to be a new energy because of its advantages such as high power generation efficiency, excellent quietness, and low emissions of NOx and SOx that cause air pollution and CO 2 that causes global warming. ing. Examples of the application of this fuel cell include a long-time power supply for portable electric devices, a stationary power generation hot water supply machine for cogeneration, a fuel cell vehicle, and the like, which have various uses and scales.
燃料電池の種類は使用する電解質によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、アルカリ形等に分類される。燃料電池の運転温度は種類毎に大きく異なり、それに伴い発電規模や利用分野も異なる。 The types of fuel cells are classified into solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, alkaline type, etc., depending on the electrolyte used. The operating temperature of the fuel cell varies greatly depending on the type, and accordingly, the scale of power generation and the field of use vary.
陽イオン交換膜を電解質として用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。固体高分子形燃料電池は、燃料電池の中でも比較的低温での動作が可能であり、また、電解質膜の薄膜化により内部抵抗を低減できるため高出力化、コンパクト化が可能であり、車搭載源や家庭据置用電源等への使用が有望視されている。 A battery using a cation exchange membrane as an electrolyte is called a polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell can operate at a relatively low temperature among fuel cells, and the internal resistance can be reduced by reducing the thickness of the electrolyte membrane. It is considered promising for use in power sources and household stationary power sources.
固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(Membrane−Electrolyte−Assembly:MEA)と呼ばれる電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置した接合体を、電極触媒層の一方に水素を含有する燃料ガスを供給するためのガス流路を有するセパレータ板と、電極触媒層の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を有するセパレータ板とで挟持して構成されている。この一対のセパレータ板で挟持した電池を単電池セルと呼ぶ。 A polymer electrolyte fuel cell is a membrane-electrode assembly (MEA) called a membrane-electrode assembly that includes a pair of electrode catalyst layers on both sides of an electrolyte membrane, and one of the electrode catalyst layers contains hydrogen. A separator plate having a gas flow path for supplying fuel gas and a separator plate having a gas flow path for supplying an oxidant gas containing oxygen to the other electrode catalyst layer are sandwiched. A battery sandwiched between the pair of separator plates is called a single battery cell.
出力密度の増大と燃料電池全体のコンパクト化を目的として、固体高分子形燃料電池の単電池セルを複数積層(スタック)して用いられる。スタックする枚数は、必要な電力により異なり、一般的な携帯電気機器のポータブル電源では数枚から10枚程度、コジェネレーション用定置型電気および温水供給機では60〜90枚程度、自動車用途では250〜400枚程度である。高出力化を実現するためにはスタック枚数を増やすことが必要となり、単電池セルのコストが燃料電池全体のコストに大きく影響する。プロセスコストの観点から、部品数が少なく組み立てが容易な膜電極接合体構造が望まれている。 For the purpose of increasing the power density and making the entire fuel cell compact, a plurality of unit cells of a polymer electrolyte fuel cell are stacked. The number of sheets to be stacked varies depending on the required electric power. For portable power sources of general portable electric devices, several to about 10 sheets, for stationary electric and hot water supply machines for cogeneration, about 60 to 90 sheets, and for automobile applications, 250 to About 400 sheets. In order to achieve high output, it is necessary to increase the number of stacks, and the cost of the unit cell greatly affects the cost of the entire fuel cell. From the viewpoint of process cost, a membrane electrode assembly structure with a small number of parts and easy assembly is desired.
近年、膜電極接合体を製造する際、触媒インクを電解質膜に直接塗布することにより触媒層を形成する手法が試みられている。副資材を必要としないことからプロセスコストが抑えられる点、電解質膜と触媒層の密着性が高く性能の向上を図れる点から、注目されている。 In recent years, when manufacturing a membrane electrode assembly, a method of forming a catalyst layer by directly applying a catalyst ink to an electrolyte membrane has been attempted. Attention has been paid to the fact that the process cost can be suppressed because no auxiliary material is required, and that the adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer is high and the performance can be improved.
しかしながら、電解質膜は触媒インクの溶媒に触れるとすぐに膨潤してしまうという課題がある。この課題を解決する方法として、加熱吸着プレート上に電解質膜を設置し、背面加熱を行うことにより、触媒インクを塗布すると同時に溶媒を乾燥・除去する方法が提案されている(例えば、特許文献1、2を参照)。 However, there is a problem that the electrolyte membrane swells as soon as it comes into contact with the solvent of the catalyst ink. As a method for solving this problem, there has been proposed a method of drying and removing the solvent at the same time as applying the catalyst ink by installing an electrolyte membrane on the heating adsorption plate and performing backside heating (for example, Patent Document 1). 2).
しかしながら、特許文献1、2に記載の技術では、背面加熱を行っているため、触媒インク供給部が塗工途中に乾燥し、触媒インク中の溶媒量が塗工と共に減少していく。この結果、電解質膜に形成される触媒層が不均一な厚さとなる。例えば、ブレード法による塗工を行う場合、マスク上に形成されるビードと呼ばれる液溜まり部が塗工途中に加熱され、触媒インク中の溶媒量が塗工と共に減少していく。ブレード法において、ウェット膜厚は一定であるので、結果、塗工エンド部にかけて徐々に触媒層厚が厚くなっていくことになる。
However, in the techniques described in
本発明は、上記問題を考慮して成し遂げられたものであり、電解質膜にブレード法により直接触媒インクを塗布させる際に電解質膜の膨潤を抑制できると共に触媒層厚を均一にできる膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been accomplished in consideration of the above problems, and is a membrane electrode assembly that can suppress swelling of the electrolyte membrane and make the catalyst layer uniform in thickness when the catalyst ink is directly applied to the electrolyte membrane by the blade method. It aims at providing the manufacturing method of.
本発明に係る燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、少なくとも高分子材料と溶媒とを含む触媒インクを電解質膜の一方面上に供給してビードを形成する工程と、ブレードでビードを掃引することによって、触媒インクを電解質膜の一方面に塗工する工程と、ビードの掃引に同期して、電解質膜における触媒インクの塗工直後の部分を、電解質膜の他方面側から加熱して、触媒インク中の溶媒を揮発除去する工程とを備える。 The method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention includes a step of supplying a catalyst ink containing at least a polymer material and a solvent onto one surface of an electrolyte membrane to form a bead, and a bead is swept with a blade Thus, in synchronism with the step of coating the catalyst ink on one side of the electrolyte membrane and the sweep of the bead, the portion immediately after the application of the catalyst ink on the electrolyte membrane is heated from the other side of the electrolyte membrane. And a step of volatilizing and removing the solvent in the catalyst ink.
本発明に係る幕電極接合体の製造方法によれば、触媒インクを塗工すると同時に加熱乾燥を行うため、触媒インク中の溶媒が電解質膜に触れた直後に蒸発し、膜の膨潤を抑制することができる。 According to the method for producing a curtain electrode assembly according to the present invention, since the catalyst ink is applied and heated and dried at the same time, the solvent in the catalyst ink evaporates immediately after touching the electrolyte membrane, thereby suppressing the swelling of the membrane. be able to.
また、電解質膜における触媒インクの塗工直後の部分を加熱するため、ビードからの溶媒の揮発を抑制し、ビード中の固形成分比を一定に保つことができる。この結果、形成された触媒層の厚みを均一にすることができる。 Moreover, since the part immediately after application | coating of the catalyst ink in an electrolyte membrane is heated, volatilization of the solvent from a bead can be suppressed and the solid component ratio in a bead can be kept constant. As a result, the thickness of the formed catalyst layer can be made uniform.
以下、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体及びその製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, a membrane electrode assembly and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された膜電極接合体概略平面図であり、図2は、図1に示すII−IIラインに沿う断面図である。 FIG. 1 is a schematic plan view of a membrane electrode assembly manufactured by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II shown in FIG.
図1及び2に示すように、膜電極接合体6は電解質膜1と、電解質膜1の一方面上に形成されるカソード触媒層2及びカソード側ガスケット層4と、電解質膜1の他方面上に形成されるアノード触媒層3及びアノード側ガスケット層5とを備える。カソード側ガスケット層4は、カソード触媒層2を取り囲むように枠状に形成されている。同様に、アノード側ガスケット層5も、アノード触媒層3を取り囲むように枠状に形成されている。この膜電極接合体6の両面を図示しないカソード側ガス拡散層とアノード側ガス拡散層とで挟持し、さらに、図示しない一対のセパレータ板により挟持することにより、単電池セルが構成される。そして、単電池セルをスタックすることにより、固体高分子形燃料電池が形成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図3は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の製造装置を示す概略構成図である。 FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
図3に示す製造装置は、電解質膜1を吸着保持する吸着プレート7と、吸着プレート7によって保持されている電解質膜1上に触媒インクを供給する触媒インク供給部(図示せず)と、電解質膜1上に供給された触媒インクのビード(液溜まり部)12を掃引して、電解質膜1上に均一な厚みで塗工するブレード11と、吸着プレート7の下面(吸着面と反対側の面)に沿って循環移動する加熱帯8及び9とを備える。加熱帯8及び9の各々は、独立して温度調整可能なプレートであり、同一の構成を有する。ただし、図3においては、常温に調整された加熱帯8と、高温に調整された加熱帯9とを区別して表している。加熱帯9の温度は、触媒インク中の溶媒の揮発温度以上に設定される。加熱帯8及び9は、ブレード11による掃引と同期して、図3に示した矢印方向に移動することができるように、図示しない駆動機構によって駆動される。
The manufacturing apparatus shown in FIG. 3 includes an
ここで、本実施形態に係る膜電極接合体の製造方法を説明する。 Here, the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on this embodiment is demonstrated.
まず、電解質膜1上にカソード側ガスケット層及びアノード側ガスケット層が形成され、樹脂フィルム等で作製した額縁状のマスク10で、ガスケット層をマスキングした部材を用意する。額縁状のマスク10の窓部がカソード触媒層の形成領域となる。次に、マスク10でマスキングした電解質膜1を吸着プレート7上に吸着固定する。次に、触媒インク供給部(図示せず)からマスク10上に触媒インクを供給し、触媒インクのビード12を形成する。ここで、触媒インクの供給方法としては、グラビア印刷法、刷毛塗り、ダイコート法、ドクターブレード法などを採用できる。
First, a cathode-side gasket layer and an anode-side gasket layer are formed on the
次に、ブレード11を図3に示す矢印方向に掃引しながら、触媒インクのビード12をマスク10の窓部から露出した電解質膜1上に塗工する。この過程において、ブレード11の掃引と同期して、加熱帯8及び9をブレード11と同方向に移動させる。ただし、ブレード11の移動に伴ってビード12が電解質膜1上を移動するが、ビード12の下方には常温の加熱帯8が位置し、ブレード11によって触媒インクが塗工された部分の下方には高温の加熱帯9が位置するように、加熱帯8及び9の位置及び移動速度が制御される。この結果、常温の加熱帯8の上方に位置する触媒インクのビード12からの溶媒の揮発が抑制され、ブレード11による触媒インクの塗工後すぐに、吸着プレート7を介して電解質膜1を裏面側から加熱することができる。
Next, while the
触媒インクの乾燥後、マスク10が剥離される。そして、電解質膜1の裏面に対しても同様の方法により、触媒インクが塗工されて、アノード触媒層が形成される。
After the catalyst ink is dried, the
このように、本実施形態に係る膜電極接合体6の製造装置及び製造方法によれば、触媒インクのビード12からの溶媒の揮発が抑制されるため、ビード12部分の触媒インク中の固形成分の濃度を略一定に保つことができ、溶媒除去後の触媒層の厚みを均一にすることができる。また、触媒インクの塗工後すぐに高温の加熱帯9によって加熱されるため、電解質膜1の膨潤を抑制することができる。更に、加熱帯9の移動量を適宜制御して、電解質膜1の各部に対すると高温の加熱帯9による加熱量を同じにすることによって、形成された触媒層各部の溶媒除去量を一定にすることができる。これによっても、触媒層の膜厚化の均一化を図ることが可能となる。
Thus, according to the manufacturing apparatus and manufacturing method of the
図4は、従来の膜電極接合体の製造装置を示す概略構成図である。図4に示した装置では、吸着プレート7上に吸着固定された電解質膜1の全体が加熱帯9によって一様に加熱されるので、ブレード11の掃引中に渡って、触媒インクのビード12中の溶媒が揮発し続ける。これにより、ビード12部分に含まれる固形成分濃度が徐々に上昇するため、溶媒除去後の触媒層の厚みが不均一となる。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a conventional apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly. In the apparatus shown in FIG. 4, the
尚、加熱帯8及び9から電解質膜1に熱が伝わるために必要な時間、すなわち遅れ時間や熱勾配により、加熱帯8及び9の位置や温度を適宜、調整してもよい。
Note that the position and temperature of the
また、本実施形態では、電解質膜1を吸着プレート7に吸着して固定し、ブレード11と加熱帯8及び9とを同一の所定速度で移動したがこれに限定されない。例えば図3において、ブレード11と加熱帯8及び9とを固定し、吸着プレート7に吸着された電解質膜1を、矢印と反対方向に所定の速度で移動させても、同様の効果が得られる。
Further, in the present embodiment, the
更に、上記の電解質膜1は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、フッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜が好適に使用でき、特にフッ素系電解質膜が望ましい。
Furthermore, the
更に、同様に触媒インクも、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるものでよい。例えば、白金または白金と他の金属(例えばRu、Rh、Mo、Cr、Co、Fe等)との合金の微粒子(平均粒径は10nm以下が望ましい)が表面に担持されたカーボンブラックなどの導電性炭素微粒子(平均粒径:20〜100nm程度)と、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液などの高分子溶液とが適当な溶剤(エタノールなど)中で均一に混合されたものを使用できる。 Further, similarly, the catalyst ink may be one generally used for a polymer electrolyte fuel cell. For example, a conductive material such as carbon black in which fine particles of platinum or an alloy of platinum and another metal (for example, Ru, Rh, Mo, Cr, Co, Fe, etc.) (the average particle diameter is preferably 10 nm or less) is supported on the surface. The carbonaceous fine particles (average particle diameter: about 20 to 100 nm) and a polymer solution such as a perfluorosulfonic acid resin solution are uniformly mixed in a suitable solvent (ethanol or the like).
上記手段により電解質膜1の片側にのみ触媒層2が形成されているものが完成する。同様にして、電解質膜1の反対側にも触媒層3を形成することで本実施形態の膜電極接合体6が完成する。
With the above-described means, a structure in which the
更に、上述した実施形態では、触媒インクを電解質膜1の一面上に供給する方法として、グラビア印刷法、刷毛塗り、ダイコート法、ドクターブレード法などを挙げたが、触媒インクを電解質膜1に直接吹き付けるスプレー法を用いてもよい。この場合も、吹き付けられた触媒インクは常温のままビード12となり、ブレード11で精度良く塗工され、その後、加熱され速やかに溶媒が揮発するという、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
Further, in the above-described embodiment, the gravure printing method, the brush coating, the die coating method, the doctor blade method, and the like are given as the method for supplying the catalyst ink onto one surface of the
以下に、本発明に係る膜電極接合体の製造方法の具体的な実施例を説明する。尚、以下の説明は、図3に示した製造装置を用いて膜電極接合体を製造した実施例を説明するが本発明はこの実施例に限定されず、種々の変形が可能である。 Below, the specific Example of the manufacturing method of the membrane electrode assembly which concerns on this invention is described. In the following description, an embodiment in which a membrane electrode assembly is manufactured using the manufacturing apparatus shown in FIG. 3 will be described, but the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications can be made.
白金担持量が50%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中
貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質溶液であるNafion(登録商標、デュポン社製)を、混合比1:2の水−エタノール混合溶媒中で混合した。続いて、遊星ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調整した。
A platinum-supporting carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum-supporting amount of 50% and Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), which is a 20% by mass polymer electrolyte solution, were mixed at a mixing ratio of 1: 2. Were mixed in a water-ethanol mixed solvent. Subsequently, a dispersion treatment was performed with a planetary ball mill to prepare a catalyst ink.
ガスケット層に弱粘着層付きのポリエチレンテレフタラートフィルムを貼合した2層構造のフィルムの中央部を打ち抜き、枠状の2層構造のマスク10を作製した。このマスク10の開口部サイズは50mm四方である。続いて、作製した枠状のマスク10を電解質膜1に貼合した。電解質膜としては、Nafion(登録商標)212(デュポン社製)を用いた。
A center portion of a two-layered film in which a polyethylene terephthalate film with a weak adhesive layer was bonded to the gasket layer was punched out to produce a frame-shaped two-layered
枠状のマスク10を貼合した電解質膜1を吸着プレート7上に固定し、マスク10部に触媒インクのビード12を形成した。ビード12形成部の下方には、常温の25℃に設定した加熱帯8を配置し、120℃に設定した加熱帯9を加熱帯8に隣接するように配置した。
The
ドクターブレード11をビード12部より後方に配置し、ドクターブレード11を50mm/secの速度で掃引することにより、触媒インクをマスク10の開口部から露出する電解質膜1上に塗工した。この時、ドクターブレード11の掃引開始と同時に、加熱帯8及び9をドクターブレード11の掃引速度と同じ50mm/secの速度で循環させた。120℃に設定された最後尾の加熱帯9が塗工エンド部を通過後、加熱帯8及び9の循環を止めた。
The
白金担持量がカソード触媒層2の相当量(0.4mg/cm2)となるよう、ブレード法による塗工工程と背面加熱乾燥工程をさらに3度繰り返した後、吸着固定を解除した。続いてマスク10から弱粘着層付きのポリエチレンテレフタラートフィルム(マスク10)をガスケット層から剥離した。このようにして、電解質膜1の片面にカソード触媒層2と、その周縁部のガスケット層4とが配置された膜電極接合体6のカソード側面を形成した。
The coating process by the blade method and the back surface heating and drying process were repeated three more times so that the amount of platinum supported was an equivalent amount (0.4 mg / cm 2 ) of the
カソード触媒層2とカソード側ガスケット層4とが片面に形成された膜電極接合体6の表裏を反転させ、反対側の面にアノード触媒層3とアノード側ガスケット層5とを同様にして形成した。このようにして、電解質膜の両面に触媒層とガスケット層とを備える膜電極接合体6を作製した。尚、アノード側においては、白金担持量がアノード触媒層3相当(0.1mg/cm2)となるよう、ブレード法による塗工工程と背面加熱乾燥工程は1度だけ行った。
The front and back of the
作製された膜電極接合体6の触媒層厚を測定したところ、カソード側、アノード側共に、均一なものであった。
When the thickness of the catalyst layer of the produced
本発明は、携帯電子機器、電気自動車、家庭用蓄電装置等に用いられる固体高分子形燃料電池に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a polymer electrolyte fuel cell used for portable electronic devices, electric vehicles, household power storage devices and the like.
1 電解質膜
2 カソード触媒層
3 アノード触媒層
4 カソード側ガスケット層
5 アノード側ガスケット層
6 膜電極接合体
7 吸着プレート
8 加熱帯(常温設定)
9 加熱帯(高温設定)
10 マスク
11 ブレード
12 ビード
DESCRIPTION OF
9 Heating zone (high temperature setting)
10
Claims (5)
少なくとも高分子材料と溶媒とを含む触媒インクを電解質膜の一方面上に供給してビードを形成する工程と、
ブレードで前記ビードを掃引することによって、前記触媒インクを前記電解質膜の前記一方面に塗工する工程と、
前記ビードの掃引に同期して、前記電解質膜における前記触媒インクの塗工直後の部分を、前記電解質膜の他方面側から加熱して、前記触媒インク中の溶媒を揮発除去する工程とを備える、膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a fuel cell membrane electrode assembly comprising:
Supplying a catalyst ink containing at least a polymer material and a solvent on one surface of the electrolyte membrane to form a bead;
Applying the catalyst ink to the one surface of the electrolyte membrane by sweeping the beads with a blade; and
Synchronizing with the sweeping of the bead, and heating the portion of the electrolyte membrane immediately after application of the catalyst ink from the other side of the electrolyte membrane to volatilize and remove the solvent in the catalyst ink. The manufacturing method of a membrane electrode assembly.
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