JP2010198948A - Membrane-electrode assembly and method of manufacturing the same, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
Membrane-electrode assembly and method of manufacturing the same, and polymer electrolyte fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010198948A JP2010198948A JP2009043646A JP2009043646A JP2010198948A JP 2010198948 A JP2010198948 A JP 2010198948A JP 2009043646 A JP2009043646 A JP 2009043646A JP 2009043646 A JP2009043646 A JP 2009043646A JP 2010198948 A JP2010198948 A JP 2010198948A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- polymer electrolyte
- membrane
- laminate
- electrode assembly
- air
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】空気を排除しながら高分子電解質膜と触媒電極との接合を行い、固体高分子形燃料電池を、高い生産性のもと安定した品質にて、比較的低コストで製造する膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池を提供すること。
【解決手段】支持体上に一対の触媒電極を位置決めして高分子電解質膜に挟持して積層体を形成し、触媒電極及び高分子電解質膜を含む積層体の各層間に含まれる空気を排除し、空気を排除した積層体を加熱・加圧処理して触媒電極及び高分子電解質膜を接合することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【選択図】図1A membrane electrode for producing a polymer electrolyte fuel cell with high productivity and stable quality at a relatively low cost by joining a polymer electrolyte membrane and a catalyst electrode while excluding air. To provide a joined body, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell.
A pair of catalyst electrodes is positioned on a support and sandwiched between polymer electrolyte membranes to form a laminate, and air contained in each layer of the laminate including the catalyst electrodes and the polymer electrolyte membrane is excluded. And a laminate electrode from which air has been removed is heated and pressurized to join the catalyst electrode and the polymer electrolyte membrane.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池に関し、特に、空気を排除しながら高分子電解質膜と触媒電極とを接合する膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a membrane electrode assembly, a manufacturing method thereof, and a solid polymer fuel cell, and more particularly to a membrane electrode assembly that bonds a polymer electrolyte membrane and a catalyst electrode while excluding air, a manufacturing method thereof, and a solid high The present invention relates to a molecular fuel cell.
水素と酸素を使用する燃料電池は、その反応生成物が原理的に水のみであり環境への悪影響がほとんどない発電システムとして注目されている。近年、燃料電池の中でも、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜を電解質として使用する固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、出力密度が高く、かつ、小型化が容易に可能なため、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されている。 A fuel cell using hydrogen and oxygen is attracting attention as a power generation system that has almost no adverse environmental impact because its reaction product is essentially only water. In recent years, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity as an electrolyte among fuel cells has a low operating temperature, a high output density, and can be easily downsized. It is expected to be used for in-vehicle power sources and household stationary power sources.
固体高分子形燃料電池は、一般的に多数の単セルが積層されて構成される。単セルは、図8に示すように、セパレータ21、ガス拡散層24、触媒電極22、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜23、触媒電極22、ガス拡散層24及びセパレータ21を、順次積層して構成されている。ガス拡散層24は、ガス拡散性と電子伝導性とを有する材質から構成されており、例えばカーボンペーパあるいはカーボンクロス等が利用されている。また、触媒電極22は、カーボン粒子に白金触媒を担持させて粒子状とし、これを水素イオン伝導性の高分子電解質で固定して構成されている。
A polymer electrolyte fuel cell is generally configured by laminating a large number of single cells. As shown in FIG. 8, the single cell is formed by sequentially laminating a
このうち、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜23に触媒電極22が接合されたものは、一般的に膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる。
Among these, what the
そして、片方のセパレータ21に設けられた反応ガス流路21aから水素ガスを供給し、もう一方のセパレータ21に設けられた反応ガス流路21aからは酸素ガスを供給する。これら水素ガスと酸素ガスが触媒電極22内の白金触媒上で次式のように反応することにより、両電極間に起電力が生じる。
アノード反応(燃料極):H2 → 2H++2e−
カソード反応(酸素極):2H++2e−+(1/2)O2 → H2O
Then, hydrogen gas is supplied from the
Anode reaction (fuel electrode): H 2 → 2H + + 2e −
Cathode reaction (oxygen electrode): 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
MEAを作製するにあたり、高分子電解質膜23に触媒電極22を接合する方法としては、一般にホットプレスが用いられる。ホットプレスでは触媒電極22と高分子電解質膜23とを積層した状態で加熱・加圧を行い、それぞれを接合することでMEAを作製する。ホットプレスは比較的簡便な装置で触媒電極22と高分子電解質膜23を接合できるというメリットを有する一方、触媒電極22の形成工程が一般に連続的に行われるのに対してホットプレスが原理上枚葉での処理となるため、触媒電極22の形成工程と高分子電解質膜23との接合工程を分離する必要が生じ、生産性に優れる工法であるとは必ずしも言えない。また、加圧面内でのプレス圧力にばらつきが生じやすいため均一な触媒電極22を高分子電解質膜23上に形成しにくい、局所的に高い圧力が印加された部分が破損する危険性があるといった問題点がある。
In producing the MEA, a hot press is generally used as a method of joining the
なお、以下、高分子電解質膜23と触媒電極22を組み合わせたものに関して、接合前のものを積層体、接合された状態のものをMEAと呼称して区別することとする。
Hereinafter, regarding the combination of the
上記のホットプレスにおける問題を解決すべく、ロールプレスを用いた触媒電極と高分子電解質膜との接合方法がしばしば提案されている。 In order to solve the problems in the hot press described above, a method of joining a catalyst electrode and a polymer electrolyte membrane using a roll press is often proposed.
例えば、特許文献1は、長尺の高分子電解質膜の両面に、長尺の基材フィルム上に触媒層を形成した転写フィルムを用いて、所望の間隔を置いて断続的に転写する方法が記載されている。特許文献2では、ホットプレスを行う前に積層体支持体上に形成した触媒層、ガス拡散層、ガスケットを転写により積層してMEAを製造する際、支持体と上記支持体上の被接着物との接着力を加熱、活性光線照射、支持体の延伸、超音波照射により小さくして転写を円滑に行う方法が記載されている。特許文献3では、積層体を可とう性シートで挟んで密封できる治具にセットし、治具の内部空間を真空引きした状態でホットプレスを行う方法が記載されている。真空引きにより、高分子電解質膜上における触媒電極が設置されていない部分も可とう性シートにより抑えつけられるので、ホットプレス時のしわ発生を抑制することができる。さらに、ホットプレス後治具内にガスを導入することにより、可とう性シートのMEAへの貼りつきを防止する方法が記載されている。
For example, Patent Document 1 discloses a method in which a transfer film in which a catalyst layer is formed on a long base film is used on both sides of a long polymer electrolyte membrane and is intermittently transferred at a desired interval. Are listed. In
一方、ロールプレスにより触媒電極と高分子電解質膜の接合を行う場合、積層体を一対のロール間に挟み、加圧・加熱しながら積層体を一定方向へ搬送することになるが、その際積層体の層間に空気が混入した状態でロールプレスにかけると、加圧前に空気が抜けきらない場合には空気を噛み込みながら加圧・加熱を行うこととなる。結果、高分子電解質膜上でのしわ発生の原因となったり、あるいは加熱・加圧が面内で不均一となるため発電特性への悪影響を招いたりといったことが引き起こされ、外観不良、あるいは特性悪化の原因となっていた。 On the other hand, when the catalyst electrode and the polymer electrolyte membrane are joined by a roll press, the laminate is sandwiched between a pair of rolls, and the laminate is conveyed in a certain direction while being pressurized and heated. When the roll press is performed in a state where air is mixed between body layers, if air cannot be completely removed before pressurization, pressurization / heating is performed while the air is being caught. As a result, it may cause wrinkles on the polymer electrolyte membrane, or it may cause adverse effects on power generation characteristics due to non-uniform heating and pressurization in the surface. It was a cause of deterioration.
上記空気噛み込みという問題に対し、特許文献3に記載されているような真空引きしながら接合を行うという方法は非常に有効ではあるが、この方法をロールプレスに応用する場合、装置系全体を真空引きする必要があるため大掛かりな真空装置が必要となり、真空装置の導入コストならびにランニングコスト両面での負担が必要となってしまう。
For the problem of air entrapment, the method of joining while evacuating as described in
本発明は、空気を排除しながら高分子電解質膜と触媒電極との接合を行い、固体高分子形燃料電池を、高い生産性のもと安定した品質にて、比較的低コストで製造する膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池を提供することにある。 The present invention is a membrane for producing a polymer electrolyte fuel cell with high quality and stable quality at a relatively low cost by joining a polymer electrolyte membrane and a catalyst electrode while excluding air. An object of the present invention is to provide an electrode assembly, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell.
本発明者は、接合方法について鋭意検討を繰り返した結果、高分子電解質膜に対し触媒電極を位置決めして設置し積層体を形成し、積層体をロールプレスによりMEA化する前に、触媒電極及び高分子電解質膜を含む積層体の各層間に含まれる空気を排除することによって、上記課題を解決できることを見出した。 As a result of repeating earnest studies on the bonding method, the present inventor has positioned the catalyst electrode with respect to the polymer electrolyte membrane to form a laminate, and before the laminate is made into a MEA by a roll press, It has been found that the above-mentioned problems can be solved by eliminating air contained in each layer of the laminate including the polymer electrolyte membrane.
本発明の請求項1に係る発明は、支持体上に一対の触媒電極を位置決めして高分子電解質膜に挟持して積層体を形成し、触媒電極及び高分子電解質膜を含む積層体の各層間に含まれる空気を排除し、空気を排除した積層体を加熱・加圧処理して触媒電極及び高分子電解質膜を接合することを特徴とする膜電極接合体の製造方法としたものである。 According to the first aspect of the present invention, a pair of catalyst electrodes is positioned on a support and sandwiched between polymer electrolyte membranes to form a laminate, and each of the laminates including a catalyst electrode and a polymer electrolyte membrane is provided. It is a method for producing a membrane electrode assembly, characterized in that air contained between layers is excluded, and the laminated body from which air is excluded is heated and pressurized to join the catalyst electrode and the polymer electrolyte membrane. .
本発明の請求項2に係る発明は、触媒電極及び高分子電解質膜を含む積層体の各層間に含まれる空気の排除は、積層体を厚み方向に加圧しながら、加圧機構または積層体の一方を積層体の面方向に動かすことを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法としたものである。
The invention according to
本発明の請求項3に係る発明は、積層体を厚み方向に加圧する手段として、ロールプレスを用いて積層体を厚み方向に加圧することを特徴とする請求項1または2に記載の膜電極接合体の製造方法としたものである。
The invention according to
本発明の請求項4に係る発明は、ロールプレスにおけるロール温度を、触媒電極中の高分子成分及び高分子電解質膜のいずれかのガラス転移温度よりも低い温度とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法としたものである。 The invention according to claim 4 of the present invention is characterized in that the roll temperature in the roll press is lower than the glass transition temperature of either the polymer component in the catalyst electrode or the polymer electrolyte membrane. It is a manufacturing method of the membrane electrode assembly according to any one of 1 to 3.
本発明の請求項5に係る発明は、積層体を厚み方向に加圧する手段として、積層体に張力を与えながらロールに抱かせることで加圧することを特徴とする請求項2に記載の膜電極接合体の製造方法としたものである。
The invention according to
本発明の請求項6に係る発明は、ロール温度を、触媒電極中の高分子成分及び高分子電解質膜のいずれかのガラス転移温度よりも低い温度とすることを特徴とする請求項5に記載の膜電極接合体の製造方法としたものである。
The invention according to
本発明の請求項7に係る発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の膜電極接合体の製造方法により製造されることを特徴とする膜電極接合体としたものである。
The invention according to
本発明の請求項8に係る発明は、請求項7に記載の膜電極接合体が一対のガス拡散層で挟持され、さらに、一対のガス拡散層は一対のセパレータで挟持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。
The invention according to
本発明の請求項9に係る発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の製造方法により膜電極接合体を製造することを特徴とする固体高分子形燃料電池の製造装置としたものである。 The invention according to claim 9 of the present invention is an apparatus for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that a membrane electrode assembly is manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6. is there.
本発明によれば、空気の噛み込みを防止でき、高分子電解質膜のしわ等の外観不良、加熱・加圧不足による発電特性の悪化を防ぐ膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a membrane electrode assembly that can prevent air entrapment and prevents poor appearance such as wrinkles of a polymer electrolyte membrane, and deterioration of power generation characteristics due to insufficient heating and pressurization, a manufacturing method thereof, and a solid polymer type A fuel cell can be provided.
また、本発明によれば、大掛かりな真空系を導入することなく積層体間の空気を排除できるため、比較的安価に空気の噛み込みを防止する膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池を提供することができる。 In addition, according to the present invention, air between the laminates can be eliminated without introducing a large vacuum system, and therefore, a membrane electrode assembly that prevents air entrapment at a relatively low cost, a manufacturing method thereof, and a solid polymer A fuel cell can be provided.
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並びに固体高分子形燃料電池を図面に従って説明する。なお、以下、高分子電解質膜3と触媒電極2を組み合わせたものに関して、接合前のものを積層体、接合された状態のものをMEA(膜電極接合体)と呼称して区別することとする。
Hereinafter, a membrane electrode assembly, a manufacturing method thereof, and a polymer electrolyte fuel cell according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, a combination of the
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の一例を示す概略説明図である。図1に示すように、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜3に対し支持体8上に形成された触媒電極2が位置決めされ、高分子電解質膜3を挟み込む形で積層体5が形成されている。積層体5が形成された支持体8は一対のロールプレス6にかけられて、ロールプレス6にて送り出されることによって積層体5は搬送される。このロールプレス6が、膜電極接合体(以下、「MEA」という場合がある。)化のための加圧・加熱を担う。ロールプレス6の手前には、空気排除用ロールプレス7が設けられて、支持体8がロールプレス6へと搬送される過程でこの空気排除用ロールプレス7を通過することにより、積層体5の各層間に含まれている空気が排除され、その後のロールプレス6において加熱・加圧されMEA化される。
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing an example of a method for producing a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, in the method for manufacturing a membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention, the
なお、図1、図3、図4、図5および図6において、積層体5を構成する触媒電極2は支持体8上に直接形成されているものとして説明している。MEAとしては図1に示すように、支持体8−触媒電極2−高分子電解質膜3−触媒電極2−支持体8のようになり、支持体8は転写基材としての役割を兼ねている。このうち積層体5と呼称しているものは触媒電極2−高分子電解質膜3−触媒電極2に該当する。ここで、支持体8はウェブ状で連続搬送されてもよく、このときの高分子電解質膜3は、ウェブ状で連続的に供給されてもよい。
1, 3, 4, 5, and 6, it is assumed that the
本発明の実施の形態においては、支持体8上に触媒電極2が直接形成される必要はなく、例えば図2のように触媒電極2は別の転写基材9上に形成し、それを規定のサイズに切り出したあと支持体8上に設置して使用することもできる。この方法では、直接支持体8上に触媒電極2を形成させる場合と比較して、支持体8上への触媒電極2の位置決めが容易である、触媒電極2のサイズを容易に選択できる、間欠的に触媒電極2を作製する必要がないため非常に高価な触媒材料のロスを抑えられるなど多くのメリットがある。切り出した触媒電極2を支持体8上に設置する際には、支持体8の搬送時の位置ズレを防ぐため、接着剤あるいは粘着剤を用いる、あるいは支持体8上に転写基材9をめり込ませる、静電気力で張り付かせるなどの方法を用いて触媒電極2を固定することがより望ましい。
In the embodiment of the present invention, it is not necessary to form the
ロールプレス6の圧力、温度、ロール材質、搬送速度については、MEAに求められる特性、あるいは高分子電解質膜3や触媒電極2の材質、組成により異なる設定を採用することが望ましいが、あまり低い圧力、低い温度条件でロールプレスを行うと、触媒電極2が高分子電解質膜3へ接着せず、MEAを形成できない場合が生じてくる。したがって、ロールプレスを行う際の圧力は1.5MPa以上であり、温度は高分子電解質膜3のガラス転移温度以上の条件とすることが望ましい。ロール材質に関しては、支持体8内の触媒電極2を設置している場所としていない場所に段差があり、これを吸収して加圧する必要があることから、少なくとも片側はゴムとすることが望ましく、設定圧力にも依存するが硬度はA70以下であることがより望ましい。仮にロール材質を上下とも金属のような剛体とした場合、触媒電極2を加圧しているときに、高分子電解質膜3には圧力がかからない領域が発生するため、その領域はフリーな状態で加熱されることとなり、その影響によるしわやよれが発生する。搬送速度に関しては、温度やロールサイズ、求められるタクトとの兼ね合いもあるが概ね0.01m/min〜5m/min程度が望ましい。
Regarding the pressure, temperature, roll material, and conveyance speed of the
空気排除用ロールプレス7の設定条件について、温度に関しては触媒電極2と高分子電解質膜3との間が接合してしまうと、その接合の際に空気を噛み込んでしまう恐れがあるため、両者の接合が生じない程度の温度である必要がある。選定する材料によるが、高分子電解質膜3と触媒電極2中に含まれる高分子成分がそれらのガラス転移温度以下となっていることが必要であり、ガラス転移温度より10℃以上低い温度が望ましい。圧力に関しては特に規定するものではないが、高分子電解質膜3へのダメージを防ぐという意味で0.3MPa〜1.0MPa程度が望ましい。過剰な圧力を付与すると、高分子電解質膜3の伸びや触媒電極2の端部めりこみなどが発生し、発電時のガスリークの原因となる可能性がある。ロール材質に関しては、支持体8内の段差を吸収する必要があることから、少なくとも一方はゴムであることが望ましい。ロール幅に関しては、支持体8内全体の空気を全域で満遍なく排除するため、支持体8の幅よりも広いことがより望ましい。
Regarding the setting conditions of the air-
なお、MEA化前に空気を排除する機構に関しては、必ずしもロールプレスを用いる必要はない。例えば図3に示すように、ロールプレスの手前に積層体5を把持する支持体8に張力を付与しながら空気排除用ロール10に抱かせるという手段も有効である。支持体8に張力を与えて支持体8を空気排除用ロール10に押し付けながら支持体8を搬送することにより、空気排除用ロール10にて支持体8内の空気を排除することができる。なお、図3では空気排除用ロール10は下側から当てる形の図となっているが、上側から当てた場合空気排除用ロール10からロールプレス6に向かって空気が逃げていく可能性があるため、下側からロールを当てる形がより望ましい。
Note that it is not always necessary to use a roll press for the mechanism for removing air before the MEA. For example, as shown in FIG. 3, it is also effective to hold the air-
なお、触媒電極2および高分子電解質膜3が支持体8に対し固定されていない場合には、空気排除用ロール10に抱かせることによって支持体8の水平が保てなくなるため、触媒電極2および高分子電解質膜3の位置ズレが発生する可能性がある。これを防止する手段としては、図4に示すように空気排除用ロール10に支持体8を抱かせる前に別途補助ロール11にも抱かせて張力を与え、上下の支持体8同士を密着させて触媒電極2および高分子電解質膜3を挟むことが有効である。
When the
また、空気排除用ロール10は必ずしも1本である必要はなく、むしろこのようなロールを複数本設け、各々に支持体8を抱かせることで空気排除の安定性は増すため、空気排除の観点からは空気排除用ロール10は複数本設けることがより望ましい。
Further, the number of the air evacuation rolls 10 is not necessarily one. Rather, since a plurality of such rolls are provided and the
空気排除用ロール10の設定条件に関しては、ロール通過時に空気を排除しながら触媒電極2と高分子電解質膜3との間が接合してしまうことを防止するため、高分子電解質膜3と触媒電極2中に含まれる高分子成分がそれらのガラス転移温度以下となっていることが必要であり、空気排除用ロール10と補助ロール11との本数によるがロール温度はガラス転移温度よりも10℃以上低い温度に設定することが望ましい。ロール材質は、支持体8内の段差を吸収する必要があることから、ゴムであることが望ましい。支持体8の空気排除用ロール10への抱き角は、45°以上であることが望ましい。ロール幅に関しては、支持体8内全体の空気を満遍なく排除するため、支持体8の幅よりも大きいことがより望ましい。
Regarding the setting conditions of the
図1あるいは図3に示す方法では、積層体5を把持した支持体8を搬送しながら空気の排除を行うという方式を取っているが、必ずしも支持体8を搬送する必要はない。ロールツーロールに代表される連続的な形成方法ではなく、枚葉でのMEA作製を行うときなどには、支持体8ではなく空気を排除する機構自体を動かす方が装置へのセッティングの手間がより少なくなるため有効となる場合もある。例えば図5のように、支持体8は固定して空気排除用ロールプレス7で支持体8を挟んだ後、積層体5上を通過するように空気排除用ロールプレス7を支持体8の面方向に動かすことで空気を排除することができる。同様に図6のように、支持体8を固定し、積層体5の配置されていない場所に空気排除用ロール10を押し当てる形で支持体8を空気排除用ロール10に抱かせて張力を付与したあと、空気排除用ロール10を積層体5上を通過するように支持体8の面方向に動かすという方法でも、同様の効果を得ることができる。支持体8の固定方法としては、支持体8両端部を支持体8の川幅方向以上の長さを有する固定具12を用いて支持体8をニップすることによって実施できる。具体的な固定具12としては支持体8との接触部にゴムが設けられたクリップなどが有効である。また、支持体8には常にたるまない程度の張力を付与しておくことが、外部からの空気混入を防ぐ意味ではより望ましい。
In the method shown in FIG. 1 or FIG. 3, a method is used in which air is removed while transporting the
なお、図5および図6に示す方法にて積層体5周辺の空気を排除した後、支持体8内の別の箇所に空気が残った状態では、支持体8内の別の箇所に残った空気が積層体5付近に再度流れ込んでくる可能性がある。これを防止するためには、空気を排除した支持体8に対し、積層体5の流れ方向前後2箇所を川幅方向で全幅ニップして、ニップ部13の外側から積層体5が設置されている内側への空気侵入を防止することが有効である。実施時の上方からの概略鳥瞰図を図7に示す。
In addition, after the air around the
次に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池について説明する。本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体の高分子電解質膜3、一対の触媒電極2と対向して図示しないが、空気極側ガス拡散層、燃料極側ガス拡散層が配置される。これにより、空気極(カソード)及び燃料極(アノード)が形成される。そして、ガス流通用のガス流路を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水路を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる1組のセパレータが配置される。
Next, a polymer electrolyte fuel cell using the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention will be described. The polymer electrolyte fuel cell using the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention is not shown so as to face the
本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池は、高い生産性のもと安定した品質にて、比較的低コストで製造することができる。 A polymer electrolyte fuel cell using a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention can be manufactured at a relatively low cost with a high quality and a stable quality.
次に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体に用いる各種材料について説明することにする。 Next, various materials used for the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention will be described.
本発明の実施の形態に係る触媒電極2の形成には、例えば分散媒に触媒材料とバインダとなる水素イオン伝導性高分子を分散させた分散液を、転写基材上に塗工し、それを乾燥させるといった方法がとられる。分散媒としてはアルコール、エーテル、ケトン等の溶媒を、単体もしくは水等との混合液のような形で用いることができ、中でもメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールと言った炭素数1〜4程度のアルコール類と水との混合溶液が材料の分散性や溶液の安定性、安全性、材料コストの観点より好ましい。触媒材料は各種炭素材料に白金もしくは白金系合金の金属微粒子を分散担持させたものを用いることができる。炭素材料としてはカーボンブラック、バルカン、ケッチェンブラックなどの多孔質粉末が適しており、また金属微粒子には白金単体、もしくは白金とルテニウム、鉄、コバルト、パラジウム、ニッケルなどとの合金を使用することができる。バインダとしての水素イオン伝導性高分子には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロカーボン骨格にスルホン酸基が導入されたものが一般的に用いられるが、触媒材料同士の結合力、触媒電極内の微細構造保持力を維持、強化する目的で、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などが添加されたものを用いても良い。
For forming the
本発明の実施の形態に係る触媒電極2を形成させる転写基材には、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド(ナイロン)、ポリイミド(PI)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)をフィルム状に成型したものなどを用いることができる。転写基材には安価で、取扱いが容易であり、さらに触媒電極2を高分子電解質膜3へ接着後剥離する必要があるため剥離性に優れるといった性質が求められることから、コスト、取扱いを重視するのであればポリエチレンテレフタレートなど入手しやすいもの、一方剥離性を重視するのであればポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系高分子材料が好ましい。また、ポリエチレンテレフタレート表面に剥離材をコートして剥離性を向上させたものなどを用いても良い。
Examples of the transfer substrate on which the
高分子電解質膜3としては、例えばナフィオン(デュポン社、登録商標)、ゴアセレクト(ジャパンゴアテックス社)、フレミオン(旭硝子、登録商標)、アシプレックス(旭化成、登録商標)などのパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質膜を使用することができる。水素イオン伝導性の高さのほか、取り回しのしやすさや機械強度などが特性としては求められるが、水素イオン伝導性は膜厚に反比例し、機械強度は膜厚に比例するため、両者はトレードオフの関係にある。したがって取り回しを考慮すると膜厚としては50μm〜100μm程度が好ましいが、より薄い電解質膜に補強材としてポリテトラフルオロエチレン、超高分子量ポリエチレン(UHPE)などが添加されたものを用いても良い。補強材が添加された電解質膜の厚みは、例えば20〜50μm程度である。
Examples of the
本発明は、大掛かりな真空系を導入することなく、ロールプレス6と空気排除用ロールプレス7とを用いて、積層体間の空気を排除できるため、比較的安価に空気の噛み込みを防止することができ、高分子電解質膜3のしわ等の外観不良、加熱・加圧不足による発電特性の悪化を防ぐことができる膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池を得ることができる。
In the present invention, since air between the laminates can be eliminated by using the
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されないことは言うまでもない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited only to these Examples.
実施例1は、図1を参照して説明する。高分子電解質膜3には市販のフッ素系水素イオン伝導膜であるデュポン株式会社製ナフィオン212(登録商標)を使用した。触媒電極2には、白金担持カーボン触媒と市販の水素イオン伝導性高分子であるナフィオン(登録商標)溶液を水:メタノール:エタノール=1:1:1の混合溶媒中で混合した後、遊星型ボールミル(FRITSCH社製 Pulverisette7)で分散処理を行い調製した触媒分散液を転写基材9上に塗布して乾燥させることで形成したものを使用した。転写基材9としてはPTFEシート(日東電工社製 ニトフロンフィルム)を使用した。
The first embodiment will be described with reference to FIG. For the
上述した触媒電極2を2枚用意し、高分子電解質膜3を挟持して積層体5を形成したあと、積層体5を長尺の支持体8に挟持させ、いったん開放状態としたロールプレス6及び空気排除用ロールプレス7の間を通し、支持体8の幅1cmあたり18gfの張力を支持体8に与えた状態でまずロールプレス6で挟みつけた後、空気排除用ロールプレス7でも挟みつけた。支持体8としてはPTFEシート(日東電工社製 ニトフロンフィルム)を使用した。ロールプレス6における圧力は2.5MPa、ロール温度は上下とも120℃とした。空気排除用ロールプレス7における圧力は0.5MPa、温度は80℃とした。
After the two
実施例2は、図3を参照して説明する。高分子電解質膜3には市販のフッ素系水素イオン伝導膜であるデュポン株式会社製ナフィオン211(登録商標)を使用した。触媒電極2には、白金担持カーボン触媒と市販の水素イオン伝導性高分子であるナフィオン溶液を水:メタノール:エタノール=1:1:1の混合溶媒中で混合した後、遊星型ボールミル(FRITSCH社製 Pulverisette7)で分散処理を行い調製した触媒分散液を転写基材9上に塗布して乾燥させることで形成したものを使用した。転写基材9としてはフッ素樹脂シートである旭硝子社製 アフレックスを使用した。
The second embodiment will be described with reference to FIG. As the
上述した触媒電極2を2枚用意し、高分子電解質膜3を挟持して積層体5を形成させたあと、積層体5を長尺の支持体8に挟持させ、その状態で支持体8を空気排除用ロール10に抱き角90°にて抱かせ、支持体幅1cmあたり25gfの張力を付与した。支持体8としてはPTFEシート(日東電工社製 ニトフロンフィルム)を使用した。空気排除用ロール10の温度は室温とした。ロールプレス6における圧力は2.5MPa、ロール温度は上下とも120℃とした。
After preparing the two
(比較例)
比較例について説明する。比較例においては空気排除用ロールプレス7もしくは空気排除用ロール10の双方を使用せずに、その他条件は実施例1及び2と同じ設定とした。
(Comparative example)
A comparative example will be described. In the comparative example, neither the air-
実施例1及び2にて、搬送速度0.2m/minにて支持体8を搬送し、積層体5を空気排除用ロールプレス7または空気排除用ロール10を通過させた後、ロールプレス8を通過させMEAを形成した。一方、比較例でも同様に搬送速度0.2m/minにて支持体8を搬送し、ロールプレス6を通過させMEAを形成した。
In Examples 1 and 2, the
実施例1及び2並びに比較例の各々の条件にて複数のMEAを形成し、高分子電解質膜3と触媒電極2との浮きの発生確率を調べたところ、空気の噛み込みによる浮きの発生確率は実施例1及び2の方が比較例1よりを小さいことが確認できた。
A plurality of MEAs were formed under the conditions of Examples 1 and 2 and the comparative example, and the occurrence probability of floating between the
また、本実施例1及び2によれば、高分子電解質膜3と触媒電極2との接合を、空気の噛み込みを防止して形成しているために良好な発電特性を得ることができ、比較的安価に膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池を形成することができた。
In addition, according to Examples 1 and 2, since the joining of the
2…触媒電極
3…高分子電解質膜
5…積層体
6…ロールプレス
7…空気排除用ロールプレス
8…支持体
9…転写基材
10…空気排除用ロール
11…補助ロール
12…固定具
13…ニップ部
21…セパレータ
21a…反応ガス流路
22…触媒電極
23…高分子電解質膜
24…ガス拡散層
2 ...
Claims (9)
前記触媒電極及び前記高分子電解質膜を含む前記積層体の各層間に含まれる空気を排除し、
空気を排除した前記積層体を加熱・加圧処理して前記触媒電極及び前記高分子電解質膜を接合することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 A pair of catalyst electrodes are positioned on the support and sandwiched between the polymer electrolyte membranes to form a laminate,
Eliminating air contained between the layers of the laminate including the catalyst electrode and the polymer electrolyte membrane;
A method for producing a membrane electrode assembly, comprising heating and pressurizing the laminate excluding air to join the catalyst electrode and the polymer electrolyte membrane.
An apparatus for producing a polymer electrolyte fuel cell, wherein a membrane electrode assembly is produced by the production method according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009043646A JP2010198948A (en) | 2009-02-26 | 2009-02-26 | Membrane-electrode assembly and method of manufacturing the same, and polymer electrolyte fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009043646A JP2010198948A (en) | 2009-02-26 | 2009-02-26 | Membrane-electrode assembly and method of manufacturing the same, and polymer electrolyte fuel cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2010198948A true JP2010198948A (en) | 2010-09-09 |
Family
ID=42823478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009043646A Pending JP2010198948A (en) | 2009-02-26 | 2009-02-26 | Membrane-electrode assembly and method of manufacturing the same, and polymer electrolyte fuel cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2010198948A (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012046886A2 (en) | 2011-01-27 | 2012-04-12 | 新東工業株式会社 | Laminate immobilizing jig, laminate assembly manufacturing system, and manufacturing method for laminate assembly |
| WO2012077292A1 (en) | 2010-12-06 | 2012-06-14 | Sintokogio, Ltd. | Apparatus for manufacturing joined laminated media and method of manufacturing joined laminated media |
| WO2013073218A1 (en) * | 2011-11-16 | 2013-05-23 | 新東工業株式会社 | Bearing unit, press device provided with bearing unit, and laminated assembly manufacturing device |
| EP3001491A1 (en) * | 2014-09-24 | 2016-03-30 | SCREEN Holdings Co., Ltd. | Catalyst layer forming method and catalyst layer forming apparatus |
| CN111180770A (en) * | 2018-11-09 | 2020-05-19 | 现代自动车株式会社 | Heat treatment apparatus for membrane electrode assembly of fuel cell |
| CN114270590A (en) * | 2019-10-25 | 2022-04-01 | 株式会社Lg新能源 | Method for manufacturing electrode assembly including step of simultaneously applying heat and pressure |
| CN114639925A (en) * | 2020-12-16 | 2022-06-17 | 比亚迪股份有限公司 | A kind of tab heat sealing device and tab heat sealing method |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000090944A (en) * | 1998-09-10 | 2000-03-31 | Japan Storage Battery Co Ltd | Method for producing catalyst layer-electrolyte membrane assembly and solid polymer electrolyte fuel cell using the same |
| JP2001196070A (en) * | 2000-01-12 | 2001-07-19 | Toyota Motor Corp | Bonded body manufacturing apparatus and bonded body manufacturing method |
| JP2005019275A (en) * | 2003-06-27 | 2005-01-20 | Sintokogio Ltd | Method for fixing and holding three-layer MEA membrane and bonding method |
| JP2007250477A (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Dainippon Printing Co Ltd | Transfer apparatus and transfer method |
| WO2008090611A1 (en) * | 2007-01-25 | 2008-07-31 | Toyo Boseki Kabushiki Kaisha | Method for producing polymer electrolyte membrane electrode assembly and polymer electrolyte membrane electrode assembly |
| JP2010115663A (en) * | 2008-11-11 | 2010-05-27 | Nissan Motor Co Ltd | Method and apparatus for joining base material |
-
2009
- 2009-02-26 JP JP2009043646A patent/JP2010198948A/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000090944A (en) * | 1998-09-10 | 2000-03-31 | Japan Storage Battery Co Ltd | Method for producing catalyst layer-electrolyte membrane assembly and solid polymer electrolyte fuel cell using the same |
| JP2001196070A (en) * | 2000-01-12 | 2001-07-19 | Toyota Motor Corp | Bonded body manufacturing apparatus and bonded body manufacturing method |
| JP2005019275A (en) * | 2003-06-27 | 2005-01-20 | Sintokogio Ltd | Method for fixing and holding three-layer MEA membrane and bonding method |
| JP2007250477A (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Dainippon Printing Co Ltd | Transfer apparatus and transfer method |
| WO2008090611A1 (en) * | 2007-01-25 | 2008-07-31 | Toyo Boseki Kabushiki Kaisha | Method for producing polymer electrolyte membrane electrode assembly and polymer electrolyte membrane electrode assembly |
| JP2010115663A (en) * | 2008-11-11 | 2010-05-27 | Nissan Motor Co Ltd | Method and apparatus for joining base material |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012077292A1 (en) | 2010-12-06 | 2012-06-14 | Sintokogio, Ltd. | Apparatus for manufacturing joined laminated media and method of manufacturing joined laminated media |
| US8900397B2 (en) | 2010-12-06 | 2014-12-02 | I. Sintokogio, Ltd. | Apparatus for manufacturing joined laminated media and method of manufacturing joined laminated media |
| WO2012046886A2 (en) | 2011-01-27 | 2012-04-12 | 新東工業株式会社 | Laminate immobilizing jig, laminate assembly manufacturing system, and manufacturing method for laminate assembly |
| US9950503B2 (en) | 2011-01-27 | 2018-04-24 | Sintokogio, Ltd. | Jig for fixing laminated materials, a system for manufacturing bonded laminated materials, and a method for manufacturing bonded laminated materials |
| WO2013073218A1 (en) * | 2011-11-16 | 2013-05-23 | 新東工業株式会社 | Bearing unit, press device provided with bearing unit, and laminated assembly manufacturing device |
| EP3001491A1 (en) * | 2014-09-24 | 2016-03-30 | SCREEN Holdings Co., Ltd. | Catalyst layer forming method and catalyst layer forming apparatus |
| CN111180770A (en) * | 2018-11-09 | 2020-05-19 | 现代自动车株式会社 | Heat treatment apparatus for membrane electrode assembly of fuel cell |
| US11870119B2 (en) | 2018-11-09 | 2024-01-09 | Hyundai Motor Company | Heat treatment apparatus of MEA for fuel cell |
| CN114270590A (en) * | 2019-10-25 | 2022-04-01 | 株式会社Lg新能源 | Method for manufacturing electrode assembly including step of simultaneously applying heat and pressure |
| US20220393143A1 (en) * | 2019-10-25 | 2022-12-08 | Lg Energy Solution, Ltd. | Electrode assembly manufacturing method including step of simultaneously applying heat and pressure |
| EP4027421A4 (en) * | 2019-10-25 | 2024-07-24 | Lg Energy Solution, Ltd. | METHOD FOR PRODUCING AN ELECTRODE ASSEMBLY WITH A STEP FOR SIMULTANEOUS APPLICATION OF HEAT AND PRESSURE |
| US12272812B2 (en) * | 2019-10-25 | 2025-04-08 | Lg Energy Solution, Ltd. | Electrode assembly manufacturing method including step of simultaneously applying heat and pressure |
| CN114639925A (en) * | 2020-12-16 | 2022-06-17 | 比亚迪股份有限公司 | A kind of tab heat sealing device and tab heat sealing method |
| CN114639925B (en) * | 2020-12-16 | 2023-09-05 | 比亚迪股份有限公司 | Polar ear heat sealing equipment and polar ear heat sealing method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5439867B2 (en) | Membrane electrode assembly manufacturing method and manufacturing apparatus | |
| JP5049121B2 (en) | Lamination method for manufacturing integrated membrane electrode assemblies | |
| CN103460470B (en) | The manufacture method of membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and manufacturing installation, polymer electrolyte fuel cell | |
| JP4879372B2 (en) | Method and apparatus for manufacturing membrane-catalyst layer assembly | |
| JP2009193860A (en) | Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same | |
| JP2013161557A (en) | Manufacturing method of film-catalyst layer junction and manufacturing apparatus of film-catalyst layer junction | |
| JP2010198948A (en) | Membrane-electrode assembly and method of manufacturing the same, and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP5044062B2 (en) | Method for producing membrane-catalyst layer assembly | |
| JP5412860B2 (en) | Manufacturing apparatus and manufacturing method for membrane catalyst layer assembly, and manufacturing apparatus and manufacturing method for membrane electrode assembly | |
| JP2011165460A (en) | Method of manufacturing membrane-catalyst layer assembly | |
| JP5304132B2 (en) | Manufacturing method of membrane electrode assembly | |
| JP4810841B2 (en) | Method and apparatus for producing electrolyte membrane-catalyst layer assembly for polymer electrolyte fuel cell | |
| US11196071B2 (en) | Method for manufacturing membrane electrode and gas diffusion layer assembly | |
| KR20110130894A (en) | Ion Exchange Membrane Manufacturing Equipment | |
| JP5699348B2 (en) | Manufacturing apparatus and manufacturing method for membrane catalyst layer assembly, and manufacturing apparatus and manufacturing method for membrane electrode assembly | |
| JP5853194B2 (en) | Membrane-catalyst layer assembly manufacturing method and manufacturing apparatus thereof | |
| JP2010062062A (en) | Method of manufacturing membrane electrode assembly, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP5387059B2 (en) | Membrane electrode assembly, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP2016201175A (en) | Manufacturing method of catalyst layer sheet for fuel cell, catalyst layer sheet for fuel cell, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP5304125B2 (en) | Membrane electrode assembly production method, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
| JP5262893B2 (en) | Membrane electrode assembly manufacturing method and membrane electrode assembly manufacturing apparatus | |
| JP2013084427A (en) | Method for manufacturing membrane-catalyst layer assembly and method for manufacturing membrane electrode assembly | |
| JP2017117786A (en) | Assembly manufacturing method and manufacturing device | |
| JP6641808B2 (en) | Method for manufacturing membrane electrode structure | |
| JP2018163745A (en) | MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120123 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130327 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130625 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130823 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130910 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20131107 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20131126 |