JP2004047455A

JP2004047455A - Manufacturing method of fuel cell electrode

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Publication number: JP2004047455A
Application number: JP2003142663A
Authority: JP
Inventors: Osamu Sumiya; 角谷　修; Takashi Suzuki; 鈴木　孝
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2023-05-20
Also published as: JP3827653B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a fuel cell electrode preventing insufficient contact of boundaries between respective layers and deterioration of performance of an ion exchange membrane and capable of reducing a thickness of the ion exchange membrane. <P>SOLUTION: For the manufacturing method of the fuel cell electrode, a positive electrode layer 18, composed of a first layer 18a and a second layer 18b, is constructed by forming the first layer 18a by applying a solution for the first layer 18a in a state of spraying on a sheet, and forming the second layer 18b by applying a solution for the second layer 18b in a state of spraying on the first layer 18a while the first layer is not dried yet. A porosity of the second layer 18b is made smaller than that of the first layer 18a. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正・負極間にイオン交換膜を配置し、負極の触媒に水素を接触させるとともに正極の触媒に酸素を接触させることにより発電する燃料電池用電極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の燃料電池を説明する説明図である。燃料電池１００は、負極層（水素極）１０１と正極層（酸素極）１０２との間にイオン交換膜１０３を配置し、負極層１０１に含む触媒に水素分子（Ｈ_２）を接触させるとともに、正極層１０２に含む触媒に酸素分子（Ｏ_２）を接触させることにより、電子ｅ⁻を矢印の如く流すことにより、電流を発生させるものである。電流を発生させる際に、水素分子（Ｈ_２）と酸素分子（Ｏ_２）とから生成水（Ｈ_２Ｏ）を得る。
この燃料電池１０の負極層１０１、正極層１０２、イオン交換膜１０３を主要構成部材とする燃料電池用電極を次図で詳しく説明する。
【０００３】
図１１は従来の燃料電池を構成する燃料電池用電極を示す説明図である。
燃料電池用電極は、一対の拡散層１０４，１０５の内側にそれぞれバインダー層１０６及びバインダー層１０７を備え、これらバインダー層１０６及びバインダー層１０７の内側にそれぞれ負極層１０１及び正極層１０２を備え、これら負極層１０１及び正極層１０２の間にイオン交換膜１０３を備える。
【０００４】
この燃料電池用電極を製造する際には、先ず拡散層１０４にバインダー層１０６用の溶液を塗布するとともに、拡散層１０５にバインダー層１０７用の溶液を塗布し、塗布したバインダー層１０６，１０７を焼成することによりバインダー層１０６，１０７を固化する。
【０００５】
次に、固化したバインダー層１０６に負極層１０１の溶液を塗布するとともに、固化したバインダー層１０７に正極層１０２の溶液を塗布し、塗布した負・正極層１０１，１０２を乾燥することにより負・正極層１０１，１０２を固化する。
次いで、固化した負極層１０１にシート状のイオン交換膜１０３を載せ、続いてイオン交換膜１０３に正極層１０２が固化された拡散層１０５を載せて７層の多層構造を形成する。
次に、この多層構造を矢印の如く加熱圧着することにより電極構造を形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、燃料電池用電極はイオン交換膜１０３としてシートを使用しており、加えてバインダー層１０６、負極層１０１、正極層１０２、バインダー層１０７のそれぞれの層を固化した状態で加熱圧着するので、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生する虞がある。
燃料電池用電極の各層に密着不良部分が発生すると、電流を効率よく発生することが難しくなり、製造ラインの検査の段階において、これらの燃料電池用電極が廃棄処分や修復処分になり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【０００７】
さらに、燃料電池用電極のイオン交換膜１０３としてシートを使用しているので、燃料電池用電極を加熱圧着の際に、イオン交換膜１０３を加熱状態で加圧することになり、イオン交換膜１０３の性能が低下する虞がある。これにより、検査の段階で廃棄処分や修復処分の対象となる部品が一層多くなり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【０００８】
加えて、イオン交換膜１０３としてシートを使用しているので、イオン交換膜１０３の取扱い性を考慮するとイオン交換膜１０３をある程度厚くする必要がある。このため、燃料電池用電極を薄くすることが難しく、そのことが燃料電池用電極の小型化を図る妨げになる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができ、さらにイオン交換膜の性能低下を防ぐことができ、加えてイオン交換膜を薄くすることができる燃料電池用電極の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、それぞれの層間に密着不良部分が発生するのは、先の塗膜が固化した後に、次の溶液を塗布して、この溶液が先の塗膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
そこで、先の塗膜が乾かないうちに、次の溶液を重ねたところ、溶液が先の塗膜に滲み込み、密着性が著しく高まることが分かった。
同様に、シート状のイオン交換膜に溶液を塗布した場合にも、溶液がシート状のイオン交換膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
【００１１】
そこで、請求項１は、シート上に、燃料電池を構成する正・負いずれか一方の電極用の溶液を塗布して一方の電極層を形成する工程と、一方の電極層が未乾燥のうちに、この電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布してイオン交換膜を形成する工程と、イオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン層上に正・負いずれか他方の電極用の溶液を塗布して他方の電極層を形成する工程と、一対の電極層及びイオン交換膜を乾燥することにより固化する工程とからなる燃料電池用電極の製造方法であって、前記一方の電極層を形成する工程は、前記シート上に、第１層用の溶液を噴霧状態で塗布して第１層を形成し、第１層が未乾燥のうちに、この第１層上に第２層用の溶液を噴霧状態で塗布することにより第２層を形成し第１、２層で前記一方の電極層を構成し、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、前記第２層の気孔率を前記第１層の気孔率より小さくしたことを特徴とする。
【００１２】
【数２】

【００１３】
イオン交換膜に溶液を採用し、電極用の溶液及びイオン交換膜用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布すれば、境界で混合が発生する。
これにより、一対の電極及びイオン交換膜の各層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜における反応効率を良好に保つことができる。
【００１４】
ここで、イオン交換膜にシートを使用した場合、シート状イオン交換膜の取扱い性を好適に保つためにはイオン交換膜をある程度厚くする必要がある。このため、燃料電池用電極を薄くすることが難しく、そのことが燃料電池用電極の小型化を図る妨げになる。
【００１５】
そこで、請求項１においてイオン交換膜を溶液とし、イオン交換膜を溶液の状態で取り扱うことができるようにした。イオン交換膜を溶液とすることで、取扱いの際にイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極を薄くすることができる。
【００１６】
また、イオン交換膜を溶液とすることで、イオン交換膜を溶液の状態で取り扱うことができる。さらに、イオン交換膜を溶液とすることで、取扱いの際にイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極を薄くすることができる。
【００１７】
ところで、燃料電池を使用して電流を発生させる際に、水素分子（Ｈ_２）と酸素分子（Ｏ_２）とが反応して燃料電池内に生成水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。この生成水は側拡散層（カーボンペーパー）を透過させて燃料電池の外部に排出する。しかし、未乾燥の電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布すると、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透して、浸透した溶液で電極層の空隙が減少してしまう虞がある。
【００１８】
このため、燃料電池用燃料電池用電極を製造する際に、電極層をイオン交換膜の下方に配置すると、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙が減少してしまい、発電により生成した生成水を、拡散層から燃料電池の外部に効率よく排出できないことが懸念される。
【００１９】
生成水を効率よく排出することができないと、水素や酸素の反応ガスを好適に供給することが妨げられるので、濃度過電圧が高くなり、燃料電池の発電性能を良好に保つことが難しくなる。
なお、「濃度過電圧」とは、電極における反応物質及び反応生成物の補給及び除去の速度が遅く、電極の反応が妨害されるときに現れる電圧低下をいう。すなわち、濃度過電圧が高くなるということは電圧低下量が増すということである。
【００２０】
そこで、請求項１において、負の電極層を、イオン交換膜から離れた面側の第１層と、イオン交換膜に接触する面側の第２層との二層に分け、第２層の気孔率を第１層より小さく設定した。第２層の気孔率を小さくすることで、第２層にイオン交換膜の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制できる。
このように、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制することにより、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙が減少することを防止できる。
【００２１】
請求項２は、第２層の気孔率を第１層の気孔率より小さくするために、第２層用の溶液を第１層用の溶液より高い噴霧エネルギーで塗布することを特徴とする。
【００２２】
第２層用の溶液を第１層用の溶液より高い噴霧エネルギーで塗布することで、第２層の濃度を第１層の濃度よりも高くして、第２層の気孔率を第１層の気孔率より小さくすることができる。
このように、第２層用の溶液を第１層用の溶液より高い噴霧エネルギーで塗布するだけの簡単な手段で、第２層の気孔率を第１層の気孔率よりも小さくできる。
【００２３】
請求項３は、第２層の気孔率を第１層の気孔率より小さくするために、第２層用の溶液中に含有する電極の粒径を第１電極層の溶液中に含有する電極の粒径より小さくすることにより、第２層用の溶液の濃度を第１層用の溶液の濃度より高くしたことを特徴とする。
【００２４】
第２層用の溶液中に含有する電極の粒径を第１電極層の溶液中に含有する電極の粒径より小さくすることで、第２層の濃度を第１層の濃度よりも高くして、第２層の気孔率を第１層の気孔率より小さくすることができる。
このように、第２層用の溶液中に含有する電極の粒径を第１電極層の溶液中に含有する電極の粒径より小さくするだけの簡単な手段で、第２層の気孔率を第１層の気孔率よりも小さくできる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を備えた燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池ユニット１０は複数（２個）の燃料電池１１，１１で構成したものである。燃料電池１１は、燃料電池用電極１２を構成するシート状の負極側拡散層１３の外側に負極側流路基板３１を配置し、燃料電池用電極１２を構成するシート状の正極側拡散層１４の外側に正極側流路基板３４を配置したものである。
【００２６】
負極側拡散層１３に負極側流路基板３１を積層することで、負極側流路基板３１の流路溝３１ａを負極側拡散層１３で覆うことにより、水素ガス流路３２を形成する。また、正極側拡散層１４に正極側流路基板３４を積層することで、正極側流路基板３４の流路溝３４ａを正極側拡散層１４で覆うことにより、酸素ガス流路３５を形成する。
【００２７】
燃料電池用電極１２は、正極側拡散層１４及び負極側拡散層１３の内側にそれぞれバインダーを介して一方の電極層としての正極層１８及び他方の電極層としての負極層１７を備え、これら正極層１８及び負極層１７の間にイオン交換膜１９を備える。
このように、構成した燃料電池１１をセパレータ３６を介して複数個（図１では２個のみを示す）備えることで、燃料電池ユニット１０を構成する。
なお、燃料電池用電極１２については図２で詳しく説明する。
【００２８】
燃料電池ユニット１０によれば、水素ガス流路３２に水素ガスを供給することで、負極層１７に含む触媒に水素分子（Ｈ_２）を吸着させるとともに、酸素ガス流路３５に酸素ガスを供給することで、正極層１８に含む触媒に酸素分子（Ｏ_２）を吸着させる。これにより、電子（ｅ⁻）を矢印の如く流して電流を発生させることができる。
なお、電流を発生させる際には、水素分子（Ｈ_２）と酸素分子（Ｏ_２）とから生成水（Ｈ_２Ｏ）が発生する。
【００２９】
図２は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を示す説明図である。
燃料電池用電極１２は、負極側拡散層１３及び正極側拡散層１４の内側にそれぞれ負極層１７及び正極層１８を備え、これら負極層１７及び正極層１８の間にイオン交換膜１９を備える。
負極側拡散層１３は、負極側のカーボンペーパー１３ａ及び負極側のバインダー層１５ａからなるシート材（シート）である。
また、正極側拡散層１４は、正極側のカーボンペーパー１４ａ及び正極側のバインダー層１６ａからなるシート材（シート）である。
【００３０】
負極側のバインダー層１５ａを構成するバインダーは、カーボンフッ素樹脂である。また、正極側のバインダー層１６ａを構成するバインダーは、撥水性を備えたカーボンポリマーであり、カーボンポリマーはポリテトラフルオロエチレンの骨格にスルホン酸を導入したものが該当する。
【００３１】
負極層１７は、負極用の溶液に触媒２１を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。負極層１７の触媒２１は、炭素２２の表面に触媒として白金−ルテニウム合金２３を担持したものであり、白金−ルテニウム合金２３に水素分子（Ｈ_２）を吸着させるものである。
【００３２】
正極層１８は、イオン交換膜１９から離れた面側（すなわち、正極側拡散層１４に接触する面側）の第１層１８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層１８ｂとの二層に分け、且つ、気孔率が下記の▲１▼式で定義されるときに、第２層１８ｂは、第１層１８ａより小さな気孔率にしたものである。
【００３３】
【数３】

【００３４】
但し、真比重とは、内部に空隙や気孔を持たない状態の材料の比重をいう。また、嵩比重とは、空隙や気孔を包含する材料について一様な密度分布をなすものとみなした場合の比重をいう。
【００３５】
第１層１８ａは、第１層１８ａ用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第１層１８ａの触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ_２）を吸着させるものである。
【００３６】
また、第２層１８ｂは、第１層１８ａと同様に、第２層１８ｂ用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第２層１８ｂの触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ_２）を吸着させるものである。
【００３７】
この第２層１８ｂは、第１層１８ａの触媒２４と比較して、触媒２４・・・を、密に配置することで、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａより小さくしたものである。具体的には、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
【００３８】
ここで、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％と設定した理由について説明する。
第２層１８ｂの気孔率を７０％未満とすると、気孔率が小さくなりすぎて、イオン交換膜１９の溶液を第２層１８ｂに適正量浸透させることができない虞がある。よって、イオン交換膜１９と第２層１８ｂとの密着性を良好に保つことが難しい。
そこで、第２層１８ｂの気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜１９と第２層１８ｂとの密着性を良好に保つようにした。
【００３９】
一方、第２層１８ｂの気孔率が７５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて、イオン交換膜１９の溶液を第２層１８ｂに過大に浸透してしまう虞がある。よって、正極層１８の気孔（空隙部）がイオン交換膜１９の溶液で減少してしまい、発電により生成した生成水を、正極層１８の気孔（空隙部）を通して好適に排出することができない。
そこで、第２層１８ｂの気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水できるようにした。
【００４０】
次に、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％と設定した理由について説明する。
第１層１８ａの気孔率を７６％未満とすると、気孔率（空隙部）が小さすぎて生成水を効率よく排水することが難しい。
そこで、第１層１８ａの気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水することができるようにした。
【００４１】
一方、第１層１８ａの気孔率が８５％を超えると、気孔率が大きくなりすぎて生成水の保水性が低下し、第１層１８ａが乾燥してしまい、イオンの伝導を阻害する虞がある。このため、抵抗過電圧が高くなり電流を効率よく発生することができない虞がある。
そこで、第１層１８ａの気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑え電流を効率よく発生するようにした。
【００４２】
イオン交換膜１９は、正極層１８（詳しくは、第２層１８ｂ）及び負極層１７間に溶液の状態で塗布した後、負極層１７及び正極層１８とともに一緒に乾燥することにより負極層１７及び正極層１８と一体に固化したものである。
【００４３】
次に、燃料電池用電極１２の製造方法を図３〜図５に基づいて説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図である。
（ａ）において、シート状の正極側拡散層１４を配置する。すなわち、正極側拡散層１４のカーボンペーパー１４ａをセットした後、このカーボンペーパー１４ａ上にバインダー層１６ａ用の溶液を塗布する。
【００４４】
（ｂ）において、バインダー層１６ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａの上方でスプレー５１を矢印▲１▼の如く移動して、バインダー層１６ａ上に正極層１８のうちの第１層１８ａ用の溶液を噴射口５２から塗布する。これにより、バインダー層１６ａに第１層１８ａを形成する。
ここで、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
【００４５】
【数４】

【００４６】
第１層１８ａが未乾燥のうちに、第１層１８ａの上方でスプレー５１を継続的に矢印▲１▼の如く移動して、第１層１８ａ上に正極層１８のうちの第２層１８ｂ用の溶液を噴射口５２から塗布する。これにより、第１層１８ａに第２層１８ｂを形成する。
【００４７】
第２層１８ｂの溶液として第１層１８ａの溶液と同じものを使用し、第２層１８ｂ用の溶液のスプレー圧、すなわち噴霧圧（噴霧エネルギー）を、第１層１８ａ用の溶液のスプレー圧、すなわち噴霧圧（噴霧エネルギー）より高く設定した。
具体的には、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とした。
なお、第２層１７ｂ用の溶液の噴霧圧を高く設定することにより、溶液の噴射スピードも上昇する。
【００４８】
第１実施形態によれば、第２層１８ｂ用の溶液を第１層１８ａ用の溶液より高い噴霧エネルギーで塗布することで、第２層１８ｂの濃度を第１層１８ａの濃度よりも高くして、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａの気孔率より小さくすることができる。
このように、第２層１８ｂ用の溶液を第１層１８ａ用の溶液より高い噴霧エネルギーで塗布するだけの簡単な手段で、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａの気孔率よりも小さくできる。
【００４９】
【数５】

【００５０】
なお、第１実施形態では、第１層１８ａの溶液及び第２層１８ｂの溶液をそれぞれ同じスプレー５１で噴霧状に塗布した例について説明したが、これに限らないで、第１層１８ａの溶液と第２層１８ｂの溶液とをそれぞれ個別のスプレーを用い、それぞれのスプレーのスプレー圧（噴霧圧）を変えることにより溶液を塗布することも可能である。
【００５１】
さらに、第２層１７ｂ用の溶液の噴霧エネルギーを、第１層１７ａ用の溶液の噴霧エネルギーより高く設定する手段として噴霧圧に代えて、スプレー５１の噴射口５２を塗布面に近づけることで、噴霧エネルギーを高くすることも可能である。
【００５２】
（ｃ）において、第２層１８ｂ用の溶液の噴霧圧を、第１層１８ａ用の溶液の噴霧圧より高く設定することで、第２層１８ｂの触媒２４を第１層１８ａの触媒２４より密に配置することができる。
これにより、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層１８ｂを第１層１８ａより小さな気孔率に形成することができる。
【００５３】
【数６】

【００５４】
図４（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図である。
（ａ）において、正極層１８を構成する第２層１８ｂが未乾燥のうちに、第２層１８ｂの上方でコーター５４を矢印▲２▼の如く移動して、第２層１８ｂ上にイオン交換膜１９用の溶液を塗布してイオン交換膜１９を形成する。
【００５５】
ここで、正極層１８を、イオン交換膜１９から離れた面側の第１層１８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層１８ｂとの二層に分け、第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とし、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａより小さく設定した。
【００５６】
第２層１８ｂの気孔率を小さくすることで、第２層１８ｂにイオン交換膜１９の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜１９用の溶液が第２層１８ｂに浸透することを抑制できる。
これにより、イオン交換膜１９用の溶液で正極層１８の気孔（空隙部）が減少することを防止できる。
【００５７】
ここで、第２層１８ｂの気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜１９と第２層１８ｂとの密着性を良好に保つことができ、第２層１８ｂの気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水できる気孔（空隙部）確保するようにした。
また、第１層１８ａの気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水する気孔（空隙部）を確保するようにし、第１層１８ａの気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑え電流を効率よく発生できるようにした。
【００５８】
（ｂ）において、イオン交換膜１９が未乾燥のうちに、イオン交換膜１９の上方でスプレー５６を矢印▲３▼の如く移動して、イオン交換膜１９上に負極層１７用の溶液を噴射口５７から塗布する。これにより、イオン交換膜１９に負極層１７を形成する。
【００５９】
図５（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図である。
（ａ）において、負極層１７が未乾燥のうちに、負極層１７上に、負極側拡散層１３（図２参照）を構成するバインダー層１５ａの溶液を塗布する。
（ｂ）において、バインダー層１５ａに負極側のカーボンペーパー１３ａを載せることにより、バインダー層１５ａ及びカーボンペーパー１３ａでシート状の負極側拡散層１３を形成する。
【００６０】
次に、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａに荷重をかけないで、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを一緒に乾燥する。
【００６１】
（ｃ）において、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化することで、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化した状態で一体に積層する。
これにより、燃料電池用電極１２の製造工程が完了する。
【００６２】
このように、燃料電池用電極１２の製造方法によれば、バインダー層１６ａ、正極層１８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥の状態で、それぞれの上面に溶液を塗布することで、それぞれの境界において隣接する溶液同士を好適に混合させることができる。
【００６３】
よって、バインダー層１６ａと正極層１８（第１層１８ａ、第２層１８ｂ）との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。また、正極層１８とイオン交換膜１９との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。さらに、イオン交換膜１９と負極層１７との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
加えて、負極層１７とバインダー層１５ａとの間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
これにより、燃料電池用電極１２における反応効率を良好に保つことができる。
【００６４】
加えて、イオン交換膜１９を溶液とすることで、イオン交換膜１９を溶液の状態で取り扱うことができるので、取扱い性の観点からイオン交換膜１９の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜１９を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極１２を薄くすることができる。
【００６５】
次に、燃料電池用電極の第２実施形態を図６〜図９に基づいて説明する。なお、第２実施形態の燃料電池用電極において、第１実施形態と同一部材については同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
図６は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）を示す説明図である。
燃料電池用電極６２は、負極側拡散層１３及び正極側拡散層１４の内側にそれぞれ負極層１７（他方の電極層）及び正極層６８（一方の電極層）を備え、これら負極層１７及び正極層６８の間にイオン交換膜１９を備える。
すなわち、第２実施形態の燃料電池用電極６２は、第１実施形態の燃料電池用電極１２と比較して正極層６８が異なるだけでその他の構成は第１実施形態と同様である。以下、正極層６８について詳しく説明する。
【００６７】
正極層６８は、イオン交換膜１９から離れた面側（すなわち、正極側拡散層１４に接触する面側）の第１層６８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層６８ｂとの二層に分け、且つ、気孔率が下記の▲１▼式で定義されるときに、第２層６８ｂは、第１層６８ａより小さな気孔率にしたものである。
【００６８】
【数７】

【００６９】
第１層６８ａは、第１実施形態の第１層１８ａと同様に、第１層６８ａ用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第１層６８ａの触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ_２）を吸着させるものである。この炭素（電極）２５の粒径はＤ１である。
【００７０】
また、第２層６８ｂは、第２層６８ｂ用の溶液に触媒６４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。第２層６８ｂの触媒６４は、炭素６４の表面に触媒として白金６５を担持したものであり、白金６５に酸素分子（Ｏ_２）を吸着させるものである。
この炭素（電極）６４の粒径はＤ２であり、炭素６４の粒径Ｄ２は、第１層６８ａを構成する炭素２５の粒径Ｄ１と比較して小径に形成されている。
【００７１】
この第２層６８ｂを構成する炭素６４の粒径Ｄ２を、第１層６８ａを構成する炭素２５の粒径Ｄ１より小さく設定することにより、第１層６８ａを構成する炭素２５と比較して、第２層６８ｂを構成する炭素６４を密に配置することができる。
【００７２】
これにより、第２層６８ｂの気孔率を第１層６８ａより小さくすることができる。具体的には、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
なお、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とした理由は、第１実施形態で第２層１８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層１８ａの気孔率を７６〜８５％とした理由と同じであり、その説明を省略する。
【００７３】
次に、燃料電池用電極６２の製造方法を図７〜図９に基づいて説明する。
図７（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第１工程説明図である。
（ａ）において、シート状の正極側拡散層１４を配置する。すなわち、正極側拡散層１４のカーボンペーパー１４ａをセットした後、このカーボンペーパー１４ａ上にバインダー層１６ａ用の溶液を塗布する。
【００７４】
（ｂ）において、バインダー層１６ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａの上方でスプレー７１を矢印▲４▼の如く移動して、バインダー層１６ａ上に正極層６８のうちの第１層６８ａ用の溶液を噴射口７２から塗布する。これにより、バインダー層１６ａに第１層６８ａを形成する。
ここで、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とした。
【００７５】
【数８】

【００７６】
（ｃ）において、第１層６８ａが未乾燥のうちに、第１層６８ａの上方でスプレー７３を継続的に矢印▲５▼の如く移動して、第１層６８ａ上に正極層６８のうちの第２層６８ｂ用の溶液を噴射口７４から塗布する。これにより、第１層６８ａに第２層６８ｂを形成する。
ここで、第２層６８ｂの溶液は、炭素６４の粒径Ｄ２を、第１層６８ａの炭素２５の粒径Ｄ１より小さく設定することで、第１層６８ａの溶液を構成する炭素２５と比較して、第２層６８ｂを構成する炭素６４を密に配置することができる。
【００７７】
これにより、第２層６８ｂの気孔率を第１層６８ａより小さくすることができる。具体的には、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とした。
【００７８】
【数９】

【００７９】
図８（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第２工程説明図である。
（ａ）において、図７で説明したように第２層６８ｂの溶液を、炭素６４の粒径Ｄ２が、第１層６８ａの炭素２５の粒径Ｄ１より小さし、第１層６８ａの溶液中の炭素２５と比較して、第２層６８ｂの溶液中の炭素６４を密に配置することで、第２層６８ｂの触媒６３を第１層６８ａの触媒２４より密に配置することができる。
これにより、気孔率を下記の▲１▼式で定義するときに、第２層６８ｂを第１層６８ａより小さな気孔率に形成することができる。
【００８０】
【数１０】

【００８１】
（ｂ）において、正極層６８を構成する第２層６８ｂが未乾燥のうちに、第２層６８ｂの上方でコーター７６を矢印▲６▼の如く移動して、第２層６８ｂ上にイオン交換膜１９用の溶液を塗布してイオン交換膜１９を形成する。
【００８２】
ここで、正極層６８を、イオン交換膜１９から離れた面側の第１層６８ａと、イオン交換膜１９に接触する面側の第２層６８ｂとの二層に分け、第２層６８ｂの気孔率を７０〜７５％とし、第１層６８ａの気孔率を７６〜８５％とし、第２層１８ｂの気孔率を第１層１８ａより小さく設定した。
【００８３】
第２層６８ｂの気孔率を小さくすることで、第２層６８ｂにイオン交換膜１９の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜１９用の溶液が第２層６８ｂに浸透することを抑制できる。
これにより、イオン交換膜１９用の溶液で負極層６８の気孔（空隙部）が減少することを防止できる。
【００８４】
ここで、第２層６８ｂの気孔率を７０％以上に設定して、イオン交換膜１９と第２層６８ｂとの密着性を良好に保つことができ、第２層６８ｂの気孔率を７５％以下に設定して、生成水を好適に排水できる気孔（空隙部）確保するようにした。
また、第１層６８ａの気孔率を７６％以上に設定して、生成水を好適に排水する気孔（空隙部）を確保するようにし、第１層６８ａの気孔率を８５％以下に設定して、抵抗過電圧を抑え電流を効率よく発生できるようにした。
【００８５】
（ｃ）において、イオン交換膜１９が未乾燥のうちに、イオン交換膜１９の上方でスプレー７７を矢印▲７▼の如く移動して、イオン交換膜１９上に負極層１７用の溶液を噴射口７８から塗布する。これにより、イオン交換膜１９に負極層１７を形成する。
【００８６】
図９（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）の製造方法を示す第３工程説明図である。
（ａ）において、負極層１７が未乾燥のうちに、負極層１７上に、負極側拡散層１３（図６参照）を構成するバインダー層１５ａの溶液を塗布する。
（ｂ）において、バインダー層１５ａに負極側のカーボンペーパー１３ａを載せることにより、バインダー層１５ａ及びカーボンペーパー１３ａでシート状の負極側拡散層１３を形成する。
【００８７】
次に、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥のうちに、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａに荷重をかけないで、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを一緒に乾燥する。
【００８８】
（ｃ）において、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化することで、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａを固化した状態で一体に積層する。
これにより、燃料電池用電極１２の製造工程が完了する。
【００８９】
このように、燃料電池用電極１２の製造方法によれば、バインダー層１６ａ、正極層６８、イオン交換膜１９、負極層１７、バインダー層１５ａが未乾燥の状態で、それぞれの上面に溶液を塗布することで、それぞれの境界において隣接する溶液同士を好適に混合させることができる。
【００９０】
よって、バインダー層１６ａと正極層６８（第１層６８ａ、第２層６８ｂ）との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。また、正極層６８とイオン交換膜１９との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。さらに、イオン交換膜１９と負極層１７との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
加えて、負極層１７とバインダー層１５ａとの間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
これにより、燃料電池用電極１２における反応効率を良好に保つことができる。
【００９１】
加えて、イオン交換膜１９を溶液とすることで、イオン交換膜１９を溶液の状態で取り扱うことができるので、取扱い性の観点からイオン交換膜１９の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜１９を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極１２を薄くすることができる。
【００９２】
なお、前記第１実施形態及び第２実施形態では、正極層１８，６８を下方に配置するとともに負極層１７を上方に配置した例について説明したが、正極層１８，６８を上方に配置するとともに負極層１７を下方に配置しても同様の効果を得ることができる。
【００９３】
また、前記第１実施形態では、正極層１８の第１、第２層１８ａ，１８ｂをスプレーで塗布し、前記第２実施形態では、正極層６８の第１、第２層６８ａ，６８ｂをスプレーで塗布した例について説明したが、各層はスプレーに限らないで、インクジェット方式を採用して塗布することも可能である。要は、各層用の溶液を噴霧状に塗布できればよい。
【００９４】
ここで、スプレー及びインクジェットは溶液を噴霧状に塗布する点で同じである。スプレーは噴霧範囲が比較的広く塗布時間を短くできるが、未塗布部分を確保するためにマスキング処理が必要になる。一般に、マスキング処理部に付着した溶液は回収が難しい。
【００９５】
一方、インクジェットは塗布範囲を正確に絞り込むことができるので、未塗布部分にマスキング処理を施す必要がなく、溶液を有効に使用することができる。但し、インクジェットは、塗布範囲が狭いのでスプレーと比較して塗布スピードが劣る。
【００９６】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、イオン交換膜に溶液を採用し、電極用の溶液及びイオン交換膜用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布すれば、境界で混合が発生する。これにより、一対の電極及びイオン交換膜の各層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜における反応効率を良好に保つことができる。
この結果、燃料電池用電極の品質を安定させることができるので、生産性を高めることができる。
【００９７】
加えて、イオン交換膜を溶液とすることで、イオン交換膜を溶液の状態で取り扱うことができるので、取扱い性の観点からイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極を薄くすることができるので、燃料電池用電極の小型化を図ることができる。
【００９８】
また、負の電極層を、イオン交換膜から離れた面側の第１層と、イオン交換膜に接触する面側の第２層との二層に分け、第２層の気孔率を第１層より小さく設定した。第２層の気孔率を小さくすることで、第２層にイオン交換膜の溶液が浸透することを抑えることができるので、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制できる。
【００９９】
このように、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制することにより、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙が減少することを防止できる。
従って、発電により生成した生成水を、電極層の空隙から拡散層まで導いて拡散層の空隙から好適に排出することができるので、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えることができる。
【０１００】
請求項２は、第２層用の溶液を第１層用の溶液より高い噴霧エネルギーで塗布することで、第２層の濃度を第１層の濃度よりも高くして、第２層の気孔率を第１層の気孔率より小さくすることができる。
このように、第２層用の溶液を第１層用の溶液より高い噴霧エネルギーで塗布するだけの簡単な手段で、第２層の気孔率を第１層の気孔率よりも小さくできるので、燃料電池用電極のコストを抑えることができる。
【０１０１】
請求項３は、第２層用の溶液中に含有する電極の粒径を第１電極層の溶液中に含有する電極の粒径より小さくすることで、第２層の濃度を第１層の濃度よりも高くして、第２層の気孔率を第１層の気孔率より小さくすることができる。
このように、第２層用の溶液中に含有する電極の粒径を第１電極層の溶液中に含有する電極の粒径より小さくするだけの簡単な手段で、第２層の気孔率を第１層の気孔率よりも小さくできるので、燃料電池用電極のコストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を備えた燃料電池を示す分解斜視図
【図２】本発明に係る燃料電池用電極（第１実施形態）を示す説明図
【図３】本発明に係る燃料電池用電極の製造方法（第１実施形態）を示す第１工程説明図
【図４】本発明に係る燃料電池用電極の製造方法（第１実施形態）を示す第２工程説明図
【図５】本発明に係る燃料電池用電極の製造方法（第１実施形態）を示す第３工程説明図
【図６】本発明に係る燃料電池用電極（第２実施形態）を示す説明図
【図７】本発明に係る燃料電池用電極の製造方法（第２実施形態）を示す第１工程説明図
【図８】本発明に係る燃料電池用電極の製造方法（第２実施形態）を示す第２工程説明図
【図９】本発明に係る燃料電池用電極の製造方法（第２実施形態）を示す第３工程説明図
【図１０】従来の燃料電池を説明する説明図
【図１１】従来の燃料電池を構成する燃料電池用電極を示す説明図
【符号の説明】
１１…燃料電池、１２…燃料電池用電極、１３…負極側拡散層（シート）、１４…正極側拡散層、１７…負極層（他方の電極層）、１８，６８…正極層（一方の電極層）、１８ａ，６８ａ…第１層、１８ｂ，６８ｂ…第２層、１９…イオン交換膜、Ｄ１，Ｄ２…炭素（電極）の粒径。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing an electrode for a fuel cell, which generates an electric power by arranging an ion exchange membrane between a positive electrode and a negative electrode, and bringing hydrogen into contact with a negative electrode catalyst and bringing oxygen into contact with a positive electrode catalyst.
[0002]
[Prior art]
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a conventional fuel cell. In the fuel cell 100, an ion exchange membrane 103 is disposed between a negative electrode layer (hydrogen electrode) 101 and a positive electrode layer (oxygen electrode) 102, and a hydrogen molecule (H ₂ ) is brought into contact with a catalyst included in the negative electrode layer 101. When an oxygen molecule (O ₂ ) is brought into contact with a catalyst contained in the positive electrode layer 102, electrons e ⁻ are caused to flow as indicated by arrows, thereby generating a current. When an electric current is generated, generated water (H ₂ O) is obtained from hydrogen molecules (H ₂ ) and oxygen molecules (O ₂ ).
The fuel cell electrode of the fuel cell 10 having the negative electrode layer 101, the positive electrode layer 102, and the ion exchange membrane 103 as main constituent members will be described in detail with reference to the following drawings.
[0003]
FIG. 11 is an explanatory view showing a fuel cell electrode constituting a conventional fuel cell.
The fuel cell electrode includes a binder layer 106 and a binder layer 107 inside a pair of

diffusion layers

104 and 105, respectively, and includes a negative electrode layer 101 and a positive electrode layer 102 inside the binder layer 106 and the binder layer 107, respectively. An ion exchange membrane 103 is provided between the negative electrode layer 101 and the positive electrode layer 102.
[0004]
When manufacturing this fuel cell electrode, first, a solution for the binder layer 106 is applied to the diffusion layer 104, and a solution for the binder layer 107 is applied to the diffusion layer 105, and the applied

binder layers

106, 107 are removed. The

binder layers

106 and 107 are solidified by firing.
[0005]
Next, the solution of the negative electrode layer 101 is applied to the solidified binder layer 106, the solution of the positive electrode layer 102 is applied to the solidified binder layer 107, and the applied negative and

positive electrode layers

101 and 102 are dried. The

positive electrode layers

101 and 102 are solidified.
Next, a sheet-shaped ion exchange membrane 103 is placed on the solidified negative electrode layer 101, and then a diffusion layer 105 on which the positive electrode layer 102 is solidified is placed on the ion exchange membrane 103, thereby forming a seven-layered multilayer structure.
Next, an electrode structure is formed by thermocompression bonding of the multilayer structure as indicated by an arrow.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the fuel cell electrode uses a sheet as the ion-exchange membrane 103, and heat-presses in a state where each of the binder layer 106, the negative electrode layer 101, the positive electrode layer 102, and the binder layer 107 is solidified. Therefore, there is a possibility that a poor adhesion portion may occur at the boundary between the respective layers.
If poor adhesion occurs in each layer of the fuel cell electrode, it becomes difficult to efficiently generate current, and during the inspection of the production line, these fuel cell electrodes will be disposed of or repaired. Hamper productivity.
[0007]
Furthermore, since the sheet is used as the ion exchange membrane 103 of the fuel cell electrode, the ion exchange membrane 103 is pressurized in a heated state when the fuel cell electrode is thermocompression-bonded. Performance may be reduced. As a result, the number of parts to be discarded or repaired at the inspection stage is further increased, which hinders an increase in productivity.
[0008]
In addition, since a sheet is used as the ion exchange membrane 103, it is necessary to make the ion exchange membrane 103 thick to some extent in consideration of the handling properties of the ion exchange membrane 103. For this reason, it is difficult to make the fuel cell electrode thinner, which hinders miniaturization of the fuel cell electrode.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to prevent the occurrence of poor adhesion at the boundary between the respective layers, to prevent the performance of the ion exchange membrane from deteriorating, and to further reduce the thickness of the ion exchange membrane. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell electrode that can be performed.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have found that the poor adhesion portion between the respective layers occurs because, after the previous coating is solidified, the next solution is applied, and this solution does not seep into the previous coating, and as a result The occurrence of poor adhesion was found to be the cause.
Then, when the next solution was applied before the previous coating film was not dried, it was found that the solution permeated into the previous coating film and the adhesion was significantly increased.
Similarly, when the solution was applied to the sheet-like ion exchange membrane, it was found that the cause was that the solution did not seep into the sheet-like ion exchange membrane, resulting in poor adhesion.
[0011]
Therefore, claim 1 is a step of applying a solution for one of positive and negative electrodes constituting a fuel cell on a sheet to form one electrode layer, and one step wherein one electrode layer is undried. Forming an ion-exchange membrane by applying a solution for an ion-exchange membrane on the electrode layer; and forming the ion-exchange membrane on the ion layer while the ion-exchange membrane is undried. A method of forming a second electrode layer by applying the solution, and a step of drying and solidifying the pair of electrode layers and the ion-exchange membrane, wherein the one electrode The step of forming a layer includes forming a first layer by applying a solution for the first layer in a spray state on the sheet, and forming a second layer on the first layer while the first layer is not dried. A second layer is formed by applying a solution for a layer in a spray state, and the first and second layers are used to form one of the two layers. Configure electrode layer, when defining the porosity at ▲ 1 ▼ the following formula, characterized in that the porosity of the second layer is made smaller than the porosity of said first layer.
[0012]
(Equation 2)

[0013]
If a solution is adopted for the ion exchange membrane, and the solution for the electrode and the solution for the ion exchange membrane are applied in an undried state, mixing occurs at the boundary.
Thereby, it is possible to prevent the occurrence of poor adhesion at the boundary between the pair of electrodes and each layer of the ion exchange membrane, so that the reaction efficiency in the ion exchange membrane can be kept good.
[0014]
Here, when a sheet is used for the ion exchange membrane, it is necessary to increase the thickness of the ion exchange membrane to some extent in order to keep the handleability of the sheet ion exchange membrane suitable. For this reason, it is difficult to make the fuel cell electrode thinner, which hinders miniaturization of the fuel cell electrode.
[0015]
Therefore, in claim 1, the ion exchange membrane is made into a solution, and the ion exchange membrane can be handled in a solution state. By using the ion exchange membrane as a solution, there is no need to regulate the thickness of the ion exchange membrane during handling. For this reason, the ion exchange membrane can be made thinner, and the fuel cell electrode can be made thinner.
[0016]
Further, by using the ion exchange membrane as a solution, the ion exchange membrane can be handled in a solution state. Furthermore, by using the ion exchange membrane as a solution, there is no need to regulate the thickness of the ion exchange membrane during handling. For this reason, the ion exchange membrane can be made thinner, and the fuel cell electrode can be made thinner.
[0017]
When a current is generated using a fuel cell, hydrogen molecules (H ₂ ) and oxygen molecules (O ₂ ) react to generate water (H ₂ O) in the fuel cell. The generated water permeates the side diffusion layer (carbon paper) and is discharged to the outside of the fuel cell. However, if the solution for the ion exchange membrane is applied on the undried electrode layer, the solution for the ion exchange membrane may permeate the electrode layer, and the permeated solution may reduce the voids in the electrode layer.
[0018]
For this reason, when manufacturing the fuel cell electrode for the fuel cell, if the electrode layer is arranged below the ion exchange membrane, the gap of the electrode layer is reduced by the solution for the ion exchange membrane, and the production generated by the power generation is reduced. There is a concern that water cannot be efficiently discharged from the diffusion layer to the outside of the fuel cell.
[0019]
If the generated water cannot be discharged efficiently, it is impeded that the reaction gas of hydrogen or oxygen is suitably supplied, so that the concentration overvoltage becomes high, and it becomes difficult to maintain good power generation performance of the fuel cell.
The “concentration overvoltage” refers to a voltage drop that occurs when the rate of replenishment and removal of reactants and reaction products at the electrode is low, and the reaction of the electrode is hindered. That is, an increase in the concentration overvoltage means an increase in the voltage drop.
[0020]
Therefore, in claim 1, the negative electrode layer is divided into two layers, a first layer on the side remote from the ion exchange membrane and a second layer on the side contacting the ion exchange membrane. The porosity was set smaller than that of the first layer. By reducing the porosity of the second layer, it is possible to prevent the solution of the ion exchange membrane from penetrating into the second layer, so that the solution for the ion exchange membrane can be suppressed from penetrating into the electrode layer.
In this way, by suppressing the solution for the ion exchange membrane from penetrating into the electrode layer, it is possible to prevent the gap of the electrode layer from being reduced by the solution for the ion exchange membrane.
[0021]
Claim 2 is characterized in that the solution for the second layer is applied with a higher spray energy than the solution for the first layer in order to make the porosity of the second layer smaller than the porosity of the first layer.
[0022]
By applying the solution for the second layer at a higher spray energy than the solution for the first layer, the concentration of the second layer is made higher than the concentration of the first layer, and the porosity of the second layer is increased. Can be smaller than the porosity.
Thus, the porosity of the second layer can be made smaller than the porosity of the first layer by a simple means of applying the solution for the second layer with a higher spray energy than the solution for the first layer.
[0023]
The third aspect of the present invention is directed to an electrode in which the particle diameter of the electrode contained in the solution for the second layer is smaller than the porosity of the first layer. By making the particle size smaller than that of the first layer, the concentration of the solution for the second layer is made higher than the concentration of the solution for the first layer.
[0024]
By making the particle diameter of the electrode contained in the solution for the second layer smaller than the particle diameter of the electrode contained in the solution of the first electrode layer, the concentration of the second layer is made higher than that of the first layer. Thus, the porosity of the second layer can be made smaller than the porosity of the first layer.
As described above, the porosity of the second layer is reduced by a simple means of merely reducing the particle diameter of the electrode contained in the solution for the second layer to the particle diameter of the electrode contained in the solution of the first electrode layer. It can be smaller than the porosity of the first layer.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell provided with a fuel cell electrode (first embodiment) according to the present invention.
The fuel cell unit 10 includes a plurality (two) of fuel cells 11. In the fuel cell 11, a negative electrode-side flow path substrate 31 is disposed outside a sheet-shaped negative electrode-side diffusion layer 13 forming the fuel cell electrode 12, and a sheet-shaped positive electrode-side diffusion layer 14 forming the fuel cell electrode 12 is formed. The positive-side flow path substrate 34 is disposed outside the substrate.
[0026]
The hydrogen gas flow path 32 is formed by stacking the negative flow path substrate 31 on the negative diffusion layer 13 and covering the flow channel 31 a of the negative flow path substrate 31 with the negative diffusion layer 13. Further, by laminating the positive-side flow path substrate 34 on the positive-side diffusion layer 14, the flow path groove 34 a of the positive-side flow path substrate 34 is covered with the positive-side diffusion layer 14, thereby forming the oxygen gas flow path 35. .
[0027]
The fuel cell electrode 12 includes a positive electrode layer 18 as one electrode layer and a negative electrode layer 17 as the other electrode layer via a binder inside the positive electrode side diffusion layer 14 and the negative electrode side diffusion layer 13, respectively. An ion exchange membrane 19 is provided between the layer 18 and the negative electrode layer 17.
The fuel cell unit 10 is configured by providing a plurality of the fuel cells 11 configured as described above (only two fuel cells are illustrated in FIG. 1) with the separator 36 interposed therebetween.
The fuel cell electrode 12 will be described in detail with reference to FIG.
[0028]
According to the fuel cell unit 10, by supplying the hydrogen gas to the hydrogen gas flow path 32, the catalyst contained in the negative electrode layer 17 adsorbs the hydrogen molecules (H ₂ ) and supplies the oxygen gas to the oxygen gas flow path 35. By doing so, oxygen molecules (O ₂ ) are adsorbed on the catalyst contained in the positive electrode layer 18. Thus, current can be generated by flowing electrons (e ⁻ ) as shown by arrows.
When an electric current is generated, generated water (H ₂ O) is generated from hydrogen molecules (H ₂ ) and oxygen molecules (O ₂ ).
[0029]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a fuel cell electrode (first embodiment) according to the present invention.
The fuel cell electrode 12 includes a negative electrode layer 17 and a positive electrode layer 18 inside the negative electrode side diffusion layer 13 and the positive electrode side diffusion layer 14, respectively, and an ion exchange membrane 19 between the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18.
The negative electrode side diffusion layer 13 is a sheet material (sheet) composed of the negative electrode side carbon paper 13a and the negative electrode side binder layer 15a.
Further, the positive electrode side diffusion layer 14 is a sheet material (sheet) composed of the positive electrode side carbon paper 14a and the positive electrode side binder layer 16a.
[0030]
The binder constituting the binder layer 15a on the negative electrode side is a carbon fluororesin. The binder constituting the binder layer 16a on the positive electrode side is a carbon polymer having water repellency, and the carbon polymer corresponds to a polymer obtained by introducing sulfonic acid into the skeleton of polytetrafluoroethylene.
[0031]
The negative electrode layer 17 is obtained by mixing the catalyst 21 with a solution for the negative electrode, applying the solution, and then drying and solidifying the solution. The catalyst 21 of the negative electrode layer 17 has a platinum-ruthenium alloy 23 supported as a catalyst on the surface of carbon 22 and allows the platinum-ruthenium alloy 23 to adsorb hydrogen molecules (H ₂ ).
[0032]
The positive electrode layer 18 includes a first layer 18 a on a surface side remote from the ion exchange membrane 19 (that is, a surface side in contact with the positive electrode side diffusion layer 14) and a second layer 18 b on a surface side in contact with the ion exchange membrane 19. When the porosity is defined by the following equation (1), the second layer 18b has a smaller porosity than the first layer 18a.
[0033]
[Equation 3]

[0034]
However, the true specific gravity refers to the specific gravity of a material having no voids or pores therein. The bulk specific gravity refers to a specific gravity when a material including voids and pores is regarded as having a uniform density distribution.
[0035]
The first layer 18a is formed by mixing the solution for the first layer 18a with the catalyst 24, applying the solution, and then drying the solution. The catalyst 24 of the first layer 18a is obtained by supporting platinum 26 as a catalyst on the surface of carbon 25, and allows the platinum 26 to adsorb oxygen molecules (O ₂ ).
[0036]
Similarly to the first layer 18a, the second layer 18b is formed by mixing the solution for the second layer 18b with the catalyst 24, applying the solution, and then drying the solution. The catalyst 24 of the second layer 18b has platinum 26 supported on the surface of carbon 25 as a catalyst, and causes the platinum 26 to adsorb oxygen molecules (O ₂ ).
[0037]
The second layer 18b is such that the porosity of the second layer 18b is smaller than that of the first layer 18a by densely disposing the catalysts 24... As compared with the catalyst 24 of the first layer 18a. is there. Specifically, the porosity of the second layer 18b was set to 70 to 75%, and the porosity of the first layer 18a was set to 76 to 85%.
[0038]
Here, the reason why the porosity of the second layer 18b is set to 70 to 75% will be described.
If the porosity of the second layer 18b is less than 70%, the porosity may be too small to allow the solution of the ion exchange membrane 19 to permeate the second layer 18b in an appropriate amount. Therefore, it is difficult to maintain good adhesion between the ion exchange membrane 19 and the second layer 18b.
Therefore, the porosity of the second layer 18b is set to 70% or more to maintain good adhesion between the ion exchange membrane 19 and the second layer 18b.
[0039]
On the other hand, if the porosity of the second layer 18b exceeds 75%, the porosity becomes too large, and the solution of the ion exchange membrane 19 may excessively penetrate into the second layer 18b. Therefore, the pores (voids) of the positive electrode layer 18 are reduced by the solution of the ion exchange membrane 19, and the water generated by power generation cannot be appropriately discharged through the pores (voids) of the positive electrode layer 18.
Therefore, the porosity of the second layer 18b is set to 75% or less so that the generated water can be drained appropriately.
[0040]
Next, the reason why the porosity of the first layer 18a is set to 76 to 85% will be described.
If the porosity of the first layer 18a is less than 76%, the porosity (void) is too small to efficiently drain generated water.
Therefore, the porosity of the first layer 18a is set to 76% or more so that the generated water can be drained appropriately.
[0041]
On the other hand, if the porosity of the first layer 18a exceeds 85%, the porosity becomes too large, the water retention of the produced water is reduced, and the first layer 18a is dried, which may hinder ion conduction. is there. For this reason, there is a possibility that the resistance overvoltage increases and current cannot be generated efficiently.
Therefore, the porosity of the first layer 18a is set to 85% or less to suppress the resistance overvoltage and efficiently generate the current.
[0042]
The ion exchange membrane 19 is applied in a solution state between the positive electrode layer 18 (specifically, the second layer 18 b) and the negative electrode layer 17, and then dried together with the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18 to form the negative electrode layer 17 and the negative electrode layer 17. It is solidified integrally with the positive electrode layer 18.
[0043]
Next, a method for manufacturing the fuel cell electrode 12 will be described with reference to FIGS.
3 (a) to 3 (c) are first step explanatory diagrams showing a method for manufacturing a fuel cell electrode (first embodiment) according to the present invention.
1A, a sheet-like positive electrode side diffusion layer 14 is disposed. That is, after setting the carbon paper 14a of the positive electrode side diffusion layer 14, a solution for the binder layer 16a is applied on the carbon paper 14a.
[0044]
In (b), while the binder layer 16a is not dried, the spray 51 is moved above the binder layer 16a as shown by an arrow {circle around (1)}, and the first layer 18a of the positive electrode layer 18 is formed on the binder layer 16a. Is applied from the injection port 52. Thus, the first layer 18a is formed on the binder layer 16a.
Here, when defining the porosity by the following equation (1), the porosity of the first layer 18a was set to 76 to 85%.
[0045]
(Equation 4)

[0046]
While the first layer 18a is not dried, the spray 51 is continuously moved above the first layer 18a as shown by an arrow {circle around (1)}, and the second layer 18b of the positive electrode layer 18 is placed on the first layer 18a. Solution is applied from the injection port 52. Thereby, the second layer 18b is formed on the first layer 18a.
[0047]
The same solution as that of the first layer 18a is used as the solution of the second layer 18b, and the spray pressure of the solution for the second layer 18b, that is, the spray pressure (spray energy) is changed to the spray pressure of the solution for the first layer 18a. That is, it was set higher than the spray pressure (spray energy).
Specifically, when the porosity is defined by the following equation (1), the porosity of the second layer 18b is set to 70 to 75%.
Note that by setting the spray pressure of the solution for the second layer 17b high, the spray speed of the solution also increases.
[0048]
According to the first embodiment, the concentration of the second layer 18b is made higher than the concentration of the first layer 18a by applying the solution for the second layer 18b at a higher spray energy than the solution for the first layer 18a. Thus, the porosity of the second layer 18b can be made smaller than the porosity of the first layer 18a.
As described above, the porosity of the second layer 18b is made smaller than the porosity of the first layer 18a by a simple means of applying the solution for the second layer 18b with a higher spray energy than the solution for the first layer 18a. Can be smaller.
[0049]
(Equation 5)

[0050]
In the first embodiment, an example in which the solution of the first layer 18a and the solution of the second layer 18b are applied in the form of a spray with the same spray 51 has been described. However, the present invention is not limited to this. The solution of the second layer 18b and the solution can be applied by using individual sprays and changing the spray pressure (spray pressure) of each spray.
[0051]
Furthermore, by changing the spraying energy of the solution for the second layer 17b to a higher value than the spraying energy of the solution for the first layer 17a, by changing the spraying pressure to the spraying port 52 of the spray 51 close to the application surface, It is also possible to increase the spray energy.
[0052]
In (c), the spray pressure of the solution for the second layer 18b is set higher than the spray pressure of the solution for the first layer 18a, so that the catalyst 24 of the second layer 18b is more Can be densely arranged.
Thus, when the porosity is defined by the following equation (1), the second layer 18b can be formed to have a smaller porosity than the first layer 18a.
[0053]
(Equation 6)

[0054]
FIGS. 4A and 4B are second process explanatory views showing the method for manufacturing the fuel cell electrode (first embodiment) according to the present invention.
In (a), while the second layer 18b constituting the positive electrode layer 18 is not dried, the coater 54 is moved above the second layer 18b as indicated by an arrow {circle around (2)}, and ion exchange is performed on the second layer 18b. The solution for the membrane 19 is applied to form the ion exchange membrane 19.
[0055]
Here, the positive electrode layer 18 is divided into two layers, that is, a first layer 18a on the side remote from the ion exchange membrane 19 and a second layer 18b on the side contacting the ion exchange membrane 19. The porosity was set to 70 to 75%, the porosity of the first layer 18a was set to 76 to 85%, and the porosity of the second layer 18b was set to be smaller than that of the first layer 18a.
[0056]
By reducing the porosity of the second layer 18b, the solution of the ion exchange membrane 19 can be suppressed from penetrating into the second layer 18b, so that the solution for the ion exchange membrane 19 penetrates into the second layer 18b. Can be suppressed.
This can prevent the solution for the ion exchange membrane 19 from decreasing the pores (voids) of the positive electrode layer 18.
[0057]
Here, by setting the porosity of the second layer 18b to 70% or more, good adhesion between the ion exchange membrane 19 and the second layer 18b can be maintained, and the porosity of the second layer 18b is 75%. The following settings were made to secure pores (voids) where the generated water could be drained appropriately.
Further, the porosity of the first layer 18a is set to 76% or more to secure pores (voids) for draining the generated water appropriately, and the porosity of the first layer 18a is set to 85% or less. Thus, the resistance overvoltage is suppressed and the current can be generated efficiently.
[0058]
In (b), while the ion exchange membrane 19 is not dried, the spray 56 is moved above the ion exchange membrane 19 as shown by the arrow (3), and the solution for the negative electrode layer 17 is sprayed on the ion exchange membrane 19. Apply from mouth 57. Thereby, the negative electrode layer 17 is formed on the ion exchange membrane 19.
[0059]
FIGS. 5A to 5C are explanatory diagrams of a third step showing the method for manufacturing the fuel cell electrode (first embodiment) according to the present invention.
In (a), while the negative electrode layer 17 is not dried, a solution of the binder layer 15a constituting the negative electrode side diffusion layer 13 (see FIG. 2) is applied on the negative electrode layer 17.
In (b), the carbon paper 13a on the negative electrode side is placed on the binder layer 15a to form the sheet-like negative electrode-side diffusion layer 13 with the binder layer 15a and the carbon paper 13a.
[0060]
Next, while the binder layer 16a, the positive electrode layer 18, the ion exchange film 19, the negative electrode layer 17, and the binder layer 15a are not dried, the binder layer 16a, the positive electrode layer 18, the ion exchange film 19, the negative electrode layer 17, the binder layer 15a Without applying a load, the binder layer 16a, the positive electrode layer 18, the ion exchange membrane 19, the negative electrode layer 17, and the binder layer 15a are dried together.
[0061]
In (c), by solidifying the binder layer 16a, the positive electrode layer 18, the ion exchange film 19, the negative electrode layer 17, and the binder layer 15a, the binder layer 16a, the positive electrode layer 18, the ion exchange film 19, the negative electrode layer 17, the binder layer 15a are integrally laminated in a solidified state.
Thereby, the manufacturing process of the fuel cell electrode 12 is completed.
[0062]
As described above, according to the method for manufacturing the fuel cell electrode 12, the solution is applied to the upper surfaces of the binder layer 16a, the positive electrode layer 18, the ion exchange membrane 19, the negative electrode layer 17, and the binder layer 15a in an undried state. By doing so, it is possible to suitably mix the solutions adjacent at each boundary.
[0063]
Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a poor adhesion portion at the boundary between the binder layer 16a and the positive electrode layer 18 (the first layer 18a and the second layer 18b). In addition, it is possible to prevent the occurrence of poor adhesion at the boundary between the positive electrode layer 18 and the ion exchange membrane 19. Furthermore, it is possible to prevent the occurrence of a poor adhesion portion at the boundary between the ion exchange membrane 19 and the negative electrode layer 17.
In addition, it is possible to prevent the occurrence of poor adhesion at the boundary between the negative electrode layer 17 and the binder layer 15a.
Thereby, the reaction efficiency in the fuel cell electrode 12 can be kept good.
[0064]
In addition, since the ion exchange membrane 19 can be handled in a solution state by using the ion exchange membrane 19 as a solution, it is not necessary to regulate the thickness of the ion exchange membrane 19 from the viewpoint of handleability. For this reason, the ion exchange membrane 19 can be made thinner, and the fuel cell electrode 12 can be made thinner.
[0065]
Next, a second embodiment of the fuel cell electrode will be described with reference to FIGS. In the fuel cell electrode according to the second embodiment, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0066]
FIG. 6 is an explanatory view showing a fuel cell electrode (second embodiment) according to the present invention.
The fuel cell electrode 62 includes a negative electrode layer 17 (the other electrode layer) and a positive electrode layer 68 (one electrode layer) inside the negative electrode side diffusion layer 13 and the positive electrode side diffusion layer 14, respectively. The ion exchange membrane 19 is provided between the layers 68.
That is, the fuel cell electrode 62 of the second embodiment is the same as the first embodiment except that the positive electrode layer 68 is different from the fuel cell electrode 12 of the first embodiment. Hereinafter, the positive electrode layer 68 will be described in detail.
[0067]
The positive electrode layer 68 includes a first layer 68a on a surface side away from the ion exchange membrane 19 (that is, a surface side in contact with the positive electrode side diffusion layer 14) and a second layer 68b on a surface side in contact with the ion exchange membrane 19. When the porosity is defined by the following equation (1), the second layer 68b has a smaller porosity than the first layer 68a.
[0068]
(Equation 7)

[0069]
The first layer 68a is formed by mixing the solution for the first layer 68a with the catalyst 24, applying the solution, and then drying the solution, similarly to the first layer 18a of the first embodiment. The catalyst 24 of the first layer 68a is obtained by supporting platinum 26 as a catalyst on the surface of carbon 25, and causes the platinum 26 to adsorb oxygen molecules (O ₂ ). The particle size of the carbon (electrode) 25 is D1.
[0070]
The second layer 68b is obtained by mixing the solution for the second layer 68b with the catalyst 64, applying the solution, and then drying and solidifying the solution. The catalyst 64 of the second layer 68b has platinum 65 supported on the surface of the carbon 64 as a catalyst, and causes the platinum 65 to adsorb oxygen molecules (O ₂ ).
The particle diameter of the carbon (electrode) 64 is D2, and the particle diameter D2 of the carbon 64 is smaller than the particle diameter D1 of the carbon 25 constituting the first layer 68a.
[0071]
By setting the particle diameter D2 of the carbon 64 forming the second layer 68b to be smaller than the particle diameter D1 of the carbon 25 forming the first layer 68a, compared with the carbon 25 forming the first layer 68a, The carbons 64 forming the second layer 68b can be densely arranged.
[0072]
Thereby, the porosity of the second layer 68b can be made smaller than that of the first layer 68a. Specifically, the porosity of the second layer 68b was set to 70 to 75%, and the porosity of the first layer 68a was set to 76 to 85%.
The reason why the porosity of the second layer 68b is 70-75% and the porosity of the first layer 68a is 76-85% is that the porosity of the second layer 18b is 70-75% in the first embodiment. For the same reason that the porosity of the first layer 18a is 76 to 85%, the description is omitted.
[0073]
Next, a method for manufacturing the fuel cell electrode 62 will be described with reference to FIGS.
FIGS. 7A to 7C are first process explanatory diagrams illustrating a method for manufacturing a fuel cell electrode (second embodiment) according to the present invention.
1A, a sheet-like positive electrode side diffusion layer 14 is disposed. That is, after setting the carbon paper 14a of the positive electrode side diffusion layer 14, a solution for the binder layer 16a is applied on the carbon paper 14a.
[0074]
In (b), while the binder layer 16a is not dried, the spray 71 is moved above the binder layer 16a as shown by an arrow {circle around (4)}, and the first layer 68a of the positive electrode layer 68 is formed on the binder layer 16a. Is applied from the injection port 72. Thereby, the first layer 68a is formed on the binder layer 16a.
Here, when defining the porosity by the following equation (1), the porosity of the first layer 68a was set to 76 to 85%.
[0075]
(Equation 8)

[0076]
In (c), while the first layer 68a is undried, the spray 73 is continuously moved above the first layer 68a as indicated by an arrow (5), and the first layer 68a is covered with the positive electrode layer 68 on the first layer 68a. The solution for the second layer 68b is applied from the injection port 74. Thus, a second layer 68b is formed on the first layer 68a.
Here, the solution of the second layer 68b is compared with the carbon 25 constituting the solution of the first layer 68a by setting the particle size D2 of the carbon 64 to be smaller than the particle size D1 of the carbon 25 of the first layer 68a. Thus, the carbons 64 forming the second layer 68b can be densely arranged.
[0077]
Thereby, the porosity of the second layer 68b can be made smaller than that of the first layer 68a. Specifically, when the porosity is defined by the following equation (1), the porosity of the second layer 68b is set to 70 to 75%.
[0078]
(Equation 9)

[0079]
FIGS. 8A and 8B are second process explanatory views showing a method for manufacturing a fuel cell electrode (second embodiment) according to the present invention.
7A, as described in FIG. 7, the solution of the second layer 68b is mixed with the solution of the first layer 68a in which the particle diameter D2 of the carbon 64 is smaller than the particle diameter D1 of the carbon 25 of the first layer 68a. By disposing the carbon 64 in the solution of the second layer 68b more densely than the carbon 25 of the second layer 68b, the catalyst 63 of the second layer 68b can be arranged more densely than the catalyst 24 of the first layer 68a.
Accordingly, when the porosity is defined by the following equation (1), the second layer 68b can be formed to have a smaller porosity than the first layer 68a.
[0080]
(Equation 10)

[0081]
In (b), while the second layer 68b constituting the positive electrode layer 68 is not dried, the coater 76 is moved above the second layer 68b as indicated by an arrow {circle around (6)}, and ion exchange is performed on the second layer 68b. The solution for the membrane 19 is applied to form the ion exchange membrane 19.
[0082]
Here, the positive electrode layer 68 is divided into two layers, that is, a first layer 68a on the side remote from the ion exchange membrane 19 and a second layer 68b on the side contacting the ion exchange membrane 19. The porosity was set to 70 to 75%, the porosity of the first layer 68a was set to 76 to 85%, and the porosity of the second layer 18b was set to be smaller than that of the first layer 18a.
[0083]
By reducing the porosity of the second layer 68b, the solution of the ion exchange membrane 19 can be prevented from penetrating into the second layer 68b, so that the solution for the ion exchange membrane 19 permeates the second layer 68b. Can be suppressed.
Thereby, the pores (voids) of the negative electrode layer 68 can be prevented from being reduced by the solution for the ion exchange membrane 19.
[0084]
Here, by setting the porosity of the second layer 68b to 70% or more, good adhesion between the ion exchange membrane 19 and the second layer 68b can be maintained, and the porosity of the second layer 68b is 75%. The following settings were made to secure pores (voids) where the generated water could be drained appropriately.
Further, the porosity of the first layer 68a is set to 76% or more to secure pores (voids) for draining the generated water appropriately, and the porosity of the first layer 68a is set to 85% or less. Thus, the resistance overvoltage is suppressed and the current can be generated efficiently.
[0085]
In (c), while the ion exchange membrane 19 is not dried, the spray 77 is moved above the ion exchange membrane 19 as shown by an arrow {circle around (7)}, and the solution for the negative electrode layer 17 is sprayed on the ion exchange membrane 19. Apply from mouth 78. Thereby, the negative electrode layer 17 is formed on the ion exchange membrane 19.
[0086]
FIGS. 9A to 9C are explanatory views of a third step showing the method for manufacturing the fuel cell electrode (second embodiment) according to the present invention.
In (a), while the negative electrode layer 17 is not dried, a solution of the binder layer 15a constituting the negative electrode side diffusion layer 13 (see FIG. 6) is applied on the negative electrode layer 17.
In (b), the carbon paper 13a on the negative electrode side is placed on the binder layer 15a to form the sheet-like negative electrode-side diffusion layer 13 with the binder layer 15a and the carbon paper 13a.
[0087]
Next, while the binder layer 16a, the positive electrode layer 68, the ion exchange film 19, the negative electrode layer 17, and the binder layer 15a are not dried, the binder layer 16a, the positive electrode layer 68, the ion exchange film 19, the negative electrode layer 17, and the binder layer 15a are not dried. Without applying a load, the binder layer 16a, the positive electrode layer 68, the ion exchange membrane 19, the negative electrode layer 17, and the binder layer 15a are dried together.
[0088]
In (c), by solidifying the binder layer 16a, the positive electrode layer 68, the ion exchange film 19, the negative electrode layer 17, and the binder layer 15a, the binder layer 16a, the positive electrode layer 68, the ion exchange film 19, the negative electrode layer 17, the binder layer 15a are integrally laminated in a solidified state.
Thereby, the manufacturing process of the fuel cell electrode 12 is completed.
[0089]
As described above, according to the method for manufacturing the fuel cell electrode 12, the solution is applied to the upper surfaces of the binder layer 16a, the positive electrode layer 68, the ion exchange membrane 19, the negative electrode layer 17, and the binder layer 15a in an undried state. By doing so, it is possible to suitably mix the solutions adjacent at each boundary.
[0090]
Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a poor adhesion portion at the boundary between the binder layer 16a and the positive electrode layer 68 (the first layer 68a and the second layer 68b). In addition, it is possible to prevent the occurrence of poor adhesion at the boundary between the positive electrode layer 68 and the ion exchange membrane 19. Furthermore, it is possible to prevent the occurrence of a poor adhesion portion at the boundary between the ion exchange membrane 19 and the negative electrode layer 17.
In addition, it is possible to prevent the occurrence of poor adhesion at the boundary between the negative electrode layer 17 and the binder layer 15a.
Thereby, the reaction efficiency in the fuel cell electrode 12 can be kept good.
[0091]
In addition, since the ion exchange membrane 19 can be handled in a solution state by using the ion exchange membrane 19 as a solution, it is not necessary to regulate the thickness of the ion exchange membrane 19 from the viewpoint of handleability. For this reason, the ion exchange membrane 19 can be made thinner, and the fuel cell electrode 12 can be made thinner.
[0092]
In the first embodiment and the second embodiment, the example in which the positive electrode layers 18 and 68 are disposed below and the negative electrode layer 17 is disposed above has been described. The same effect can be obtained by disposing the negative electrode layer 17 below.
[0093]
In the first embodiment, the first and

second layers

18a and 18b of the positive electrode layer 18 are applied by spraying. In the second embodiment, the first and

second layers

68a and 68b of the positive electrode layer 68 are sprayed. Although the example in which the application was performed in the above-described embodiment was described, the application of each layer is not limited to the spraying, and the application may be performed by using an inkjet method. In short, it is only necessary that the solution for each layer can be applied in a spray form.
[0094]
Here, the spray and the ink jet are the same in that the solution is applied in the form of a spray. The spray has a relatively wide spray range and can shorten the application time, but requires a masking process to secure an uncoated portion. Generally, it is difficult to recover the solution attached to the masking treatment section.
[0095]
On the other hand, the inkjet can precisely narrow the application range, so that it is not necessary to perform a masking process on the uncoated portion, and the solution can be used effectively. However, the application speed of the inkjet is inferior to that of the spray because the application range is narrow.
[0096]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects by the above configuration.
According to the first aspect, if a solution is adopted for the ion exchange membrane, and the solution for the electrode and the solution for the ion exchange membrane are applied in an undried state, mixing occurs at the boundary. Thereby, it is possible to prevent the occurrence of poor adhesion at the boundary between the pair of electrodes and each layer of the ion exchange membrane, so that the reaction efficiency in the ion exchange membrane can be kept good.
As a result, the quality of the fuel cell electrode can be stabilized, and the productivity can be increased.
[0097]
In addition, by using the ion exchange membrane as a solution, the ion exchange membrane can be handled in a solution state, so that it is not necessary to regulate the thickness of the ion exchange membrane from the viewpoint of handleability. Therefore, the thickness of the ion exchange membrane can be reduced, and the thickness of the fuel cell electrode can be reduced. Therefore, the size of the fuel cell electrode can be reduced.
[0098]
Further, the negative electrode layer is divided into two layers, a first layer on the side away from the ion exchange membrane and a second layer on the side contacting the ion exchange membrane, and the porosity of the second layer is set to the first level. It was set smaller than the layer. By reducing the porosity of the second layer, it is possible to prevent the solution of the ion exchange membrane from penetrating into the second layer, so that the solution for the ion exchange membrane can be suppressed from penetrating into the electrode layer.
[0099]
In this way, by suppressing the solution for the ion exchange membrane from penetrating into the electrode layer, it is possible to prevent the gap of the electrode layer from being reduced by the solution for the ion exchange membrane.
Therefore, the water generated by the power generation can be guided from the gap of the electrode layer to the diffusion layer and can be appropriately discharged from the gap of the diffusion layer, so that the concentration overvoltage generated in the fuel cell can be suppressed low.
[0100]
Claim 2 applies the solution for the second layer with a higher spray energy than the solution for the first layer, so that the concentration of the second layer is higher than the concentration of the first layer, and the pores of the second layer are formed. The porosity can be smaller than the porosity of the first layer.
As described above, the porosity of the second layer can be made smaller than the porosity of the first layer by a simple means of simply applying the solution for the second layer with a higher spray energy than the solution for the first layer. The cost of the fuel cell electrode can be reduced.
[0101]
Claim 3 is to reduce the particle diameter of the electrode contained in the solution for the second layer to be smaller than the particle diameter of the electrode contained in the solution for the first electrode layer, so as to reduce the concentration of the second layer. By increasing the concentration, the porosity of the second layer can be made smaller than the porosity of the first layer.
As described above, the porosity of the second layer is reduced by a simple means of merely reducing the particle diameter of the electrode contained in the solution for the second layer to the particle diameter of the electrode contained in the solution of the first electrode layer. Since the porosity can be smaller than the porosity of the first layer, the cost of the fuel cell electrode can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell including a fuel cell electrode according to the present invention (first embodiment). FIG. 2 is an explanatory view showing a fuel cell electrode according to the present invention (first embodiment). FIG. 3 is a first process explanatory view showing a method for manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention (first embodiment). FIG. 4 is a diagram illustrating a method for manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention (first embodiment). FIG. 5 is an explanatory view of a second step shown in FIG. 5. FIG. 5 is an explanatory view of a third step showing a method (first embodiment) of manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention. FIG. 7 is a first step explanatory view showing a method for manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention (second embodiment). FIG. 8 is a method for manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention ( FIG. 9 is an explanatory view of a second step showing a second embodiment). FIG. 9 is a method of manufacturing an electrode for a fuel cell according to the present invention (second embodiment). Explanatory view showing a third step diagram FIG. 10 illustrating a conventional fuel cell illustration 11 fuel cell electrode which constitutes the conventional fuel cell shown EXPLANATION OF REFERENCE NUMERALS
11: fuel cell, 12: fuel cell electrode, 13: negative electrode side diffusion layer (sheet), 14: positive electrode side diffusion layer, 17: negative electrode layer (other electrode layer), 18, 68: positive electrode layer (one electrode) Layers), 18a, 68a: first layer, 18b, 68b: second layer, 19: ion exchange membrane, D1, D2: particle diameter of carbon (electrode).

Claims

A step of applying a solution for one of the positive and negative electrodes constituting the fuel cell on the sheet to form one electrode layer; and, while the one electrode layer is still dry, Applying a solution for an ion exchange membrane to form an ion exchange membrane, and applying a solution for one of the positive and negative electrodes on the ion layer while the ion exchange membrane is not dried. A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising: a step of forming an electrode layer of; and a step of drying and solidifying the pair of electrode layers and the ion exchange membrane,
Forming the one electrode layer,
A solution for the first layer is applied in a spray state on the sheet to form a first layer, and the solution for the second layer is sprayed on the first layer while the first layer is not dried. Forming a second layer by applying the first and second layers to form the one electrode layer,
When the porosity is defined by the following formula (1), the porosity of the second layer is smaller than the porosity of the first layer.

The solution for the second layer is applied with a higher spray energy than the solution for the first layer in order to make the porosity of the second layer smaller than the porosity of the first layer. A method for producing an electrode for a fuel cell according to the above.

In order to make the porosity of the second layer smaller than the porosity of the first layer, the particle diameter of the electrode contained in the solution for the second layer should be smaller than the particle diameter of the electrode contained in the solution of the first electrode layer. 2. The method for producing a fuel cell electrode according to claim 1, wherein the concentration of the solution for the second layer is made higher than the concentration of the solution for the first layer by making the diameter smaller than the diameter.