JP2009064592A - Method and device for forming electrode member of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の電極用部材の形成方法、および形成装置に関する。 The present invention relates to a method for forming an electrode member for a fuel cell and a forming apparatus.
近年、車両用駆動源および定置型電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質や電極の種類などによって種々の形式に分類され、代表的なものとしてはアルカリ形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形、固体高分子形がある。これらの中でも低温(通常100℃以下)で作動可能な固体高分子形燃料電池(PEFC)が注目を集め、自動車用低公害動力源としての開発・実用化が進んでいる(特許文献1参照)。 In recent years, fuel cells have attracted attention as vehicle drive sources and stationary power sources. Fuel cells are classified into various types depending on the type of electrolyte and electrode, and representative types include alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type. Among these, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) operable at a low temperature (usually 100 ° C. or less) attracts attention, and development / practical use as a low-pollution power source for automobiles is proceeding (see Patent Document 1). .
PEFCの構成は、一般的には、膜電極接合体(以下、「MEA」とも記載する)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、固体高分子電解質膜が一対の電極、すなわち、燃料極および空気極により挟持された構造を有する。各電極は、薄層の電極用部材を用いて構成されている。薄層の電極用部材には、触媒層と、ガス拡散層(以下、「GDL」とも記載する)とが含まれている。触媒層の片面が固体高分子電解質膜に接している。触媒層は、触媒粒子と、触媒粒子を担持するカーボン粒子などの導電性担体と、固体高分子電解質とを含んでいる。ガス拡散層は、触媒層とセパレータとの間に配置され、気体透過性の層である。 The PEFC generally has a structure in which a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA has a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, that is, a fuel electrode and an air electrode. Each electrode is configured using a thin layer electrode member. The thin layer electrode member includes a catalyst layer and a gas diffusion layer (hereinafter also referred to as “GDL”). One side of the catalyst layer is in contact with the solid polymer electrolyte membrane. The catalyst layer includes catalyst particles, a conductive carrier such as carbon particles supporting the catalyst particles, and a solid polymer electrolyte. The gas diffusion layer is disposed between the catalyst layer and the separator and is a gas permeable layer.
触媒層は、固体高分子膜やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シートなどの基材上に、調製された触媒インクをスプレー、スクリーンプリンタまたはダイコータなどの塗布装置を使用して塗布し、ヒータなどで乾燥して形成される。触媒インクは、主に、触媒担持カーボン、樹脂分散液(アイオノマー)、アルコール、および純水で構成されている。塗布装置の特性に応じて、粘度などの触媒インク物性の制御が必要なため、アルコールなどの溶剤を使用している。 The catalyst layer is applied to a base material such as a solid polymer film or a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet using a coating device such as a spray, a screen printer or a die coater. It is formed by drying. The catalyst ink is mainly composed of catalyst-supported carbon, a resin dispersion (ionomer), alcohol, and pure water. Since it is necessary to control the physical properties of the catalyst ink such as viscosity according to the characteristics of the coating apparatus, a solvent such as alcohol is used.
GDLは、カーボンペーパやシートなどの基材上に、撥水性を向上させるために、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(Micro carbon layer。以下、「MIL」とも記載する)を設けたものがある。この種のGDLは、調製されたMILインクをスプレー、スクリーンプリンタまたはダイコータなどの塗布装置を使用して基材上に塗布し、ヒータなどで乾燥して形成される。MILインクは、主に、カーボン、撥水性付与樹脂分散液(PTFEなど)、およびアルコール(あるいは、界面活性剤+純水)で構成されている。塗布装置の特性に応じて、粘度などのMILインク物性の制御が必要なため、アルコール(あるいは、界面活性剤+純水)などの溶剤を使用している。
しかしながら、触媒インクの調製にはアルコールなどの溶剤が多量に必要であり、MILインクの調製にもアルコールや界面活性剤含有水などの溶剤が多量に必要である。これら多量の溶剤は、最終的に気化させるものであるので、無駄となる。したがって、触媒層やガス拡散層の製造コストが増大し、設備も増し、その結果、燃料電池の電極用部材を安価に製造することができないという問題がある。 However, a large amount of a solvent such as alcohol is necessary for the preparation of the catalyst ink, and a large amount of a solvent such as alcohol or water containing a surfactant is also necessary for the preparation of the MIL ink. These large amounts of solvent are wasted because they are finally vaporized. Therefore, the manufacturing cost of the catalyst layer and the gas diffusion layer is increased and the facilities are increased. As a result, there is a problem that the electrode member for the fuel cell cannot be manufactured at a low cost.
本発明の目的は、インクの調製や溶剤を必要とせず、電極用部材としての触媒層およびガス拡散層の製造コストを低減することができる、燃料電池の電極用部材の形成方法、および形成装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for forming an electrode member for a fuel cell, which do not require ink preparation or a solvent, and can reduce the manufacturing cost of a catalyst layer and a gas diffusion layer as electrode members Is to provide.
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池用膜電極接合体の電極を構成するために用いられる薄層の電極用部材を形成する方法において、
別個独立した系統を介してそれぞれが供給される導電性粒子と樹脂分散液とを基材上に供給することによって、前記電極用部材を形成することを特徴とする燃料電池の電極用部材の形成方法である。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for forming a thin layer electrode member used for constituting an electrode of a membrane electrode assembly for a fuel cell.
Forming the electrode member of the fuel cell, wherein the electrode member is formed by supplying the conductive particles and the resin dispersion, which are respectively supplied through a separate and independent system, onto the substrate. Is the method.
また、本発明は、燃料電池用膜電極接合体の電極を構成するために用いられる薄層の電極用部材を形成する装置において、
導電性粒子を基材上に供給する第1の系統と、
前記第1の系統と別個独立して設けられ、樹脂分散液を前記基材上に供給する第2の系統と、を有する燃料電池の電極用部材の形成装置である。
Further, the present invention provides an apparatus for forming a thin-layer electrode member used for constituting an electrode of a membrane electrode assembly for a fuel cell.
A first system for supplying conductive particles onto a substrate;
And a second system that is provided separately and independently from the first system and supplies a resin dispersion onto the substrate.
本発明によれば、導電性粒子と樹脂分散液とを別系統で供給して基材上に電極用部材を形成するので、インクの調製や溶剤を必要とせず、電極用部材としての触媒層およびガス拡散層の製造コストを低減することができる。 According to the present invention, the conductive particles and the resin dispersion are separately supplied to form the electrode member on the base material, so that the catalyst layer as the electrode member is not required without preparing ink or solvent. In addition, the manufacturing cost of the gas diffusion layer can be reduced.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、図面には各構成要素が誇張して示されている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. For easy understanding, each component is exaggerated in the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池用の膜電極接合体を模式的に示す要部断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part schematically showing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
図1を参照して、MEA10は、概説すれば、固体高分子電解質膜20、燃料極30および空気極40を有しており、固体高分子電解質膜20は、これらの一対の電極30、40によって挟持されている。各電極30、40は、薄層の電極用部材を用いて構成されている。薄層の電極用部材には、触媒層31、41と、GDL32、42とが含まれている。触媒層31、41の片面が固体高分子電解質膜20に接している。
Referring to FIG. 1, the
各電極30、40の触媒層31、41は、触媒粒子と、触媒粒子を担持するカーボン粒子などの導電性担体と、固体高分子電解質とを含んでいる。
The
触媒粒子としては、水素の酸化反応および/または酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば、従来公知のものを特に制限することなく用いることができる。例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびこれらの合金等からなる群から選択される少なくとも1種が挙げられる。また、触媒粒子は、白金単独で用いてもよいが、触媒粒子の安定性や活性を高めるために白金を主成分とする合金などであってもよい。 As the catalyst particles, any conventionally known particles can be used without particular limitation as long as they have a catalytic action with respect to the oxidation reaction of hydrogen and / or the reduction reaction of oxygen. For example, selected from the group consisting of metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. At least one of them. The catalyst particles may be used alone, but may be an alloy containing platinum as a main component in order to increase the stability and activity of the catalyst particles.
導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3質量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。 Any conductive carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Is preferred. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by mass or less is allowed. The size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of easy loading, catalyst utilization, and catalyst layer thickness control within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, preferably 10 It is good to be about ~ 100 nm.
触媒粒子および導電性担体の表面を被覆する固体高分子電解質としては、触媒層31、41において一般的に用いられているものであれば特に限定されない。具体的には、Nafion(デュポン社登録商標)などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体などの固体高分子電解質が挙げられる。
The solid polymer electrolyte covering the surfaces of the catalyst particles and the conductive carrier is not particularly limited as long as it is generally used in the
電極用部材としての触媒層31、41の形成方法については、後述する。
A method of forming the
GDL32、42としては、従来公知のものを特に制限することなく用いることができる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料を基材とするものなどが挙げられる。より具体的には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布などが好ましく挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。GDLは、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことを目的として、前記基材に撥水剤を含ませることが好ましい。前記撥水剤としては、特に限定されないが、PTFE、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などが挙げられる。
As the
本実施形態のGDLは、撥水性をより向上させるために、上記の基材上に撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるMILを有する。MILのカーボン粒子としては、特に限定されず、カーボンブラック、黒鉛、膨張黒鉛などの従来一般的なものであればよい。カーボン粒子の粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。撥水剤としては、基材に用いられる上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。 The GDL of the present embodiment has a MIL composed of an aggregate of carbon particles containing a water repellent on the above-described base material in order to further improve water repellency. The MIL carbon particles are not particularly limited, and may be conventional ones such as carbon black, graphite, and expanded graphite. The particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Examples of the water repellent include those similar to the above-described water repellent used for the substrate.
電極用部材としてのGDL32、42の形成方法については、後述する。 A method for forming the GDLs 32 and 42 as electrode members will be described later.
固体高分子電解質膜20としては、特に限定されず、触媒層31、41に用いたものと同様のプロトン伝導性電解質からなる膜が挙げられる。また、デュポン社製の各種のNafion(登録商標)やフレミオン(登録商標)に代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子形電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。
The solid
次に、電極用部材としての触媒層31、41、およびGDL32、42の形成方法および形成装置について説明する。説明の便宜上、触媒層31、41、およびGDL32、42を、総称して、電極用部材51と言う。
Next, a method for forming catalyst layers 31 and 41 and GDLs 32 and 42 as electrode members and a forming apparatus will be described. For convenience of explanation, the catalyst layers 31 and 41 and the GDLs 32 and 42 are collectively referred to as an
本発明の燃料電池の電極用部材の形成方法では、別個独立した系統を介してそれぞれが供給される導電性粒子と樹脂分散液とを基材上に供給することによって、電極用部材51を形成する。かかる形成方法を具現化した本発明の燃料電池の電極用部材の形成装置は、概説すれば、導電性粒子を基材上に供給する第1の系統と、第1の系統と別個独立して設けられ、樹脂分散液を基材上に供給する第2の系統と、を有している。具体的には、以下の第1および第2の形成方法により電極用部材51を形成する。
In the method for forming the electrode member for a fuel cell of the present invention, the
図2は、電極用部材51の第1の形成方法を模式的に示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic view schematically showing a first method for forming the
図2(a)を参照して、形成装置101は、導電性粒子62を基材61上に供給する第1の系統111と、第1の系統111と別個独立して設けられ、樹脂分散液63を基材61上に供給する第2の系統112と、を有している。
Referring to FIG. 2A, a forming
基材61は、矩形シート形状を有している。基材61は、ヒータなどの加熱手段を内蔵したホルダ60に保持されている。基材61は、その表面61aが鉛直方向に沿うように配置されている。
The
基材61の表面61aに臨んで相対向するように、噴射ノズル71および液収容容器72を備えた塗布装置70が配設されている。液収容容器72内には樹脂分散液63が収容され、噴射ノズル71から樹脂分散液63が噴霧される。噴射ノズル71は、上下左右に移動させながら樹脂分散液63を噴霧可能に設けている。なお、噴射ノズル71の移動範囲を少なくするため、塗布装置70に複数の噴射ノズル71を配してもよい。
A
基材61と噴射ノズル71との間の上方には粒子供給手段80が配設されている。粒子供給手段80から基材61の表面61aに沿って導電性粒子62の粒子群を均一に落下させて散布する。
A
粒子供給手段80の直下部には、噴霧した樹脂分散液63に随伴されずに落下する導電性粒子62を受けるために、上部が開放された回収容器81が配設されている。粒子供給手段80の直下部よりもやや基材寄りには、噴霧した樹脂分散液63によって吹き飛ばされたもの基材61の表面61aに達することなく落下する導電性粒子62と樹脂分散液63との混合物62a(図2(b)参照)を受けるために、上部が開放された回収容器82が配設されている。
Immediately below the particle supply means 80, a
図2(b)を参照して、第1の形成方法は、概説すれば、基材61の表面61aを鉛直方向に沿って配置する工程と、基材61の表面61aに沿って導電性粒子62を落下させて散布し、当該散布と同時に、落下する導電性粒子62を横切るように樹脂分散液63を基材61の表面61aに向けて噴霧する工程と、を有している。そして、落下する導電性粒子62と噴霧した樹脂分散液63とを一緒に基材61に塗布することによって電極用部材51を形成する。
Referring to FIG. 2B, the first forming method is briefly described as a step of arranging the
さらに詳しくは、粒子供給手段80から基材61の表面61aに沿って導電性粒子62の粒子群を均一に落下させて散布する。落下する導電性粒子62の粒子群を介して、塗布装置70の噴射ノズル71から樹脂分散液63を基材61の表面61aに向けて噴霧する。導電性粒子62は粉体として固形のまま使用し、樹脂分散液63はアルコールなどの溶剤を含まない。
More specifically, the particle groups of the
すると、噴射ノズル71から噴霧された樹脂分散液63が、導電性粒子62の粒子群中を通過する際に、導電性粒子62と樹脂分散液63とが混合された状態で、積層されながら基材61上に付着することになる。基材61の表面61aの全面に均等に導電性粒子62と樹脂分散液63との混合物を積層するため、塗布装置70の噴射ノズル71を上下左右に移動させながら樹脂分散液63を噴霧する。
Then, when the
塗布終了後、ホルダ60のヒータに通電して基材61上の付着物を乾燥させると、電極用部材51の形成が完了する。
After the application is completed, when the heater on the
噴射ノズル71から噴霧された樹脂分散液63に接触しないで落下した導電性粒子62は、粒子供給手段80の直下部に配置された回収容器81内に回収される。回収容器81内に回収された導電性粒子62は樹脂分散液63に接触していないので、そのまま再利用可能である。また、噴射ノズル71から噴霧された樹脂分散液63に接触したが、基材61上へと到達しなかった混合物62aは、粒子供給手段80の直下部よりも基材側に配置された回収容器82内に落下して回収される。回収容器82内に回収された混合物62aは樹脂分散液63と接触している。触媒層31、41を形成する場合にあっては、混合物62aから触媒粒子を分離処理して再利用し、GDL32、42を形成する場合にあっては、混合物62aを破棄する。
The
このように第1の形成方法および形成装置によれば、導電性粒子62を粉体として固形のまま使用し、樹脂分散液63はアルコールなどの溶剤を含まないので、従来のように多量の溶剤を必要とせず、電極用部材51としての触媒層31、41やGDL32、42の製造コストを低減することができる。その結果、MEA10を安価に製造することができる。
As described above, according to the first forming method and forming apparatus, the
さらに、導電性粒子62と樹脂分散液63とが均一に混合されながら塗布されるので、形成した電極用部材51が均一化する。その結果、電極用部材51としての触媒層31、41やGDL32、42の性能を向上させることができる。
Furthermore, since the
触媒インクおよびMILインクの調製は、一般的に、混合工程、粉砕工程、回収工程および洗浄工程などを経て行われ、インクの調製に多くの設備や工数を要している。攪拌作業もあるので、脱泡処理の工程も必要となる。本実施形態では、インクの調製が不要となることに伴って、インクの調製工数の低減を図ることができる。工程を削減でき、インク調製設備も不要となることから、この観点からも、電極用部材51の製造コストを低減することができる。
The catalyst ink and the MIL ink are generally prepared through a mixing process, a pulverizing process, a collecting process, a washing process, and the like, and many facilities and man-hours are required for preparing the ink. Since there is a stirring operation, a defoaming process is also required. In the present embodiment, it is possible to reduce the number of man-hours for ink preparation as ink preparation becomes unnecessary. Since the number of steps can be reduced and no ink preparation facility is required, the manufacturing cost of the
インクを用いる場合には、一般的に、調製から塗布終了までに容器の移し替え作業が多く、インクの回収率が低い。本実施形態では、容器の移し替え作業が少ないので、構成材料を無駄に消費することがない。電極用部材51の構成材料の利用率が向上することから、この観点からも、電極用部材51の製造コストを低減することができる。
In the case of using ink, generally, there are many container transfer operations from preparation to the end of coating, and the ink recovery rate is low. In this embodiment, since there are few container transfer operations, the constituent materials are not wasted. Since the utilization factor of the constituent material of the
粉砕・分散装置によって調整されるインクにあっては、インク調整条件などでカーボン粒径分布が決定されてしまうため、カーボン粒径の分布を任意に制御することは難しい。本実施形態では、インク調整工程を経ないので、導電性粒子62および/または樹脂分散液63の粒径分布の任意制御が容易である。電極用部材51の空孔が均一化されることから、電極用部材51としての触媒層31、41やGDL32、42の性能を向上させることができる。
In the ink adjusted by the pulverizing / dispersing device, the carbon particle size distribution is determined by the ink adjusting conditions and the like, and therefore it is difficult to arbitrarily control the carbon particle size distribution. In the present embodiment, since the ink adjustment process is not performed, arbitrary control of the particle size distribution of the
導電性粒子62の回収が容易であり、特に回収容器81内に回収された導電性粒子62は樹脂分散液63に接触していないので、そのまま再利用可能であり、再利用するためのコストを低減することができる。
The
導電性粒子62および/または樹脂分散液63の粒径分布の任意制御が容易であることから、基材61上に供給した導電性粒子62の粒度と異なる粒度の導電性粒子62を基材61上にさらに供給してもよい。すなわち、異なる粒度の導電性粒子62を収容した粒子供給手段80を準備し、この粒子供給手段80から異なる粒度の導電性粒子62の粒子群を落下させて散布する。導電性粒子62の粒度を異ならせるのに代えて、あるいは、導電性粒子62の粒度を異ならせるのに加えて、基材61上に供給した樹脂分散液63の粒度と異なる粒度の樹脂分散液63を基材61上にさらに供給してもよい。すなわち、異なる粒度の樹脂分散液63を収容した塗布装置70を準備し、この塗布装置70から異なる粒度の樹脂分散液63を噴霧する。1つの電極用部材51を形成するにあたって、導電性粒子62および/または樹脂分散液63の粒度を異ならせることにより、電極用部材51の厚み方向に沿っても空孔制御が可能となり、電極用部材51としての触媒層31、41やGDL32、42の性能をより一層向上させることができる。
Since it is easy to arbitrarily control the particle size distribution of the
図3は、電極用部材51の第2の形成方法を模式的に示す概略図である。
FIG. 3 is a schematic view schematically showing a second method for forming the
図3(a)を参照して、形成装置102は、形成装置101と同様に、導電性粒子62を基材61上に供給する第1の系統121と、第1の系統121と別個独立して設けられ、樹脂分散液63を基材61上に供給する第2の系統122と、を有している。
Referring to FIG. 3A, similarly to the forming
基材61は、矩形シート形状を有している。基材61は、ヒータなどの加熱手段を内蔵したホルダ60に保持されている。基材61は、その表面61aが水平方向に沿うように配置されている。基材61の表面61aの周辺部には、矩形枠体状のマスク90が施されている。
The
基材61の斜め上方に、噴射ノズル71および液収容容器72を備えた塗布装置70が配設されている。基材61の表面61aに対向するように噴射ノズル71を下向きに臨ませている。液収容容器72内には樹脂分散液63が収容され、噴射ノズル71から下向きに樹脂分散液63が噴霧される。噴射ノズル71は、前後左右に移動させながら樹脂分散液63を噴霧可能に設けている。なお、噴射ノズル71の移動範囲を少なくするため、塗布装置70に複数の噴射ノズル71を配してもよい。
A
基材61と噴射ノズル71との間には、水平方向に移動可能な粒子供給手段80が配設されている。粒子供給手段80は基材61の直上に位置したときに、導電性粒子62の粒子群を均一に落下させて散布する。
Between the
図3(b)を参照して、第2の形成方法は、概説すれば、基材61の表面61aを水平方向に沿って配置する工程と、基材61の表面61aに向けて導電性粒子62を落下させて散布する工程と、導電性粒子62の散布とは別個に、樹脂分散液63を基材61の表面61aに向けて噴霧する工程と、を有している。そして、導電性粒子62を散布する工程と樹脂分散液63を噴霧する工程とを交互に行うことによって電極用部材51を形成する。
Referring to FIG. 3B, the second forming method, in brief, is a step of arranging the
さらに詳しくは、粒子供給手段80から基材61の表面61a上に導電性粒子62の粒子群を少量均一に落下させて散布する工程と(図3(b)参照)、塗布装置70の噴射ノズル71から基材61の表面61a上に樹脂分散液63を少量噴霧する工程と(図3(c)参照)を、交互に実施する。導電性粒子62は粉体として固形のまま使用し、樹脂分散液63はアルコールなどの溶剤を含まない。
More specifically, a step of uniformly dropping a small amount of particles of the
すると、マスキングされた基材61の表面61a上に、導電性粒子62と樹脂分散液63とが混合された状態で、積層されながら付着することになる。
Then, the
塗布終了後、ホルダ60のヒータに通電して基材61上の付着物を乾燥させると、電極用部材51の形成が完了する。
After the application is completed, when the heater on the
導電性粒子62を散布する工程と、樹脂分散液63を噴霧する工程とは、いずれを先に行っても構わないが、電極用部材51を均一に形成するには、導電性粒子62の散布と樹脂分散液63の噴霧とを少量ずつ交互に行うことが好ましい。導電性粒子62を散布する工程と、樹脂分散液63を噴霧する工程との実施回数に応じて、所望の厚さの電極用部材51を形成することができる。
Any of the step of spraying the
このように第2の形成方法および形成装置によれば、第1の形成方法および形成装置と同様に、導電性粒子62を粉体として固形のまま使用し、樹脂分散液63はアルコールなどの溶剤を含まないので、従来のように多量の溶剤を必要とせず、電極用部材51としての触媒層31、41やGDL32、42の製造コストを低減することができる。その結果、MEA10を安価に製造することができる。
As described above, according to the second forming method and forming apparatus, similarly to the first forming method and forming apparatus, the
さらに、導電性粒子62と樹脂分散液63とが均一に混合されながら塗布されるので、形成した電極用部材51が均一化する。その結果、電極用部材51としての触媒層31、41やGDL32、42の性能を向上させることができる。
Furthermore, since the
第1の形成方法および形成装置と同様に、インクの調製が不要となることに伴って、インクの調製工数の低減を図ることができる。工程を削減でき、インク調製設備も不要となることから、この観点からも、電極用部材51の製造コストを低減することができる。
Similar to the first forming method and the forming apparatus, it is possible to reduce the number of man-hours for ink preparation as ink preparation becomes unnecessary. Since the number of steps can be reduced and no ink preparation facility is required, the manufacturing cost of the
また、容器の移し替え作業が少ないので、構成材料を無駄に消費することがない。電極用部材51の構成材料の利用率が向上することから、この観点からも、電極用部材51の製造コストを低減することができる。
Moreover, since there are few container transfer operations, a constituent material is not consumed wastefully. Since the utilization factor of the constituent material of the
また、インク調整工程を経ないので、導電性粒子62および/または樹脂分散液63の粒径分布の任意制御が容易である。電極用部材51の空孔が均一化されることから、電極用部材51としての触媒層31、41やGDL32、42の性能を向上させることができる。
Further, since the ink adjustment process is not performed, it is easy to arbitrarily control the particle size distribution of the
上記第1および第2の形成方法において、電極用部材51が触媒層31、41の場合、基材61としては、固体高分子膜、触媒層から剥離可能なシート材、またはガス拡散層を用いることができる。すなわち、固体高分子膜やGDL上に直接形成したり、固体高分子膜やGDLに別途接合するために剥離可能なシート材上に形成したりすることができる。剥離可能なシート材には、PTFEシートを用いることができる。また、GDLには、第1および第2の形成方法により形成したGDL32、42のほか、MILを除いた、カーボンペーパなどの基材のみからなるGDLを用いることもできる。導電性粒子62としては触媒粒子を担持するカーボン粒子を用い、樹脂分散液63としてはアイオノマーを用いることが好ましい。アイオノマーは、固体高分子電解質膜20を形成する固体高分子電解質と同じ成分を有していることが好ましい。固体高分子電解質膜20と触媒層31、41との間に界面が形成され難いので、生成プロトンの伝導を阻害することがないからである。
In the first and second forming methods, when the
電極用部材51がGDL32、42の場合、基材61としては、少なくとも多孔質性を有するシート状材料を用いることができる。基材61としては、導電性をさらに有していることが好ましく、カーボンペーパやカーボンシートなどを用いることができる。導電性粒子62としてはカーボン粒子を用い、樹脂分散液63としては撥水性付与した樹脂分散液を用いることが好ましい。
When the
なお、上記第1および第2の形成方法により、触媒層31、41およびGDL32、42の積層を連続して行ってもよい。すなわち、GDLの基材の上に、第1または第2の形成方法によってMIL層を形成し、このMIL層の上に、第1または第2の形成方法によって触媒層を形成してもよい。 The catalyst layers 31 and 41 and the GDLs 32 and 42 may be continuously stacked by the first and second forming methods. That is, the MIL layer may be formed on the GDL substrate by the first or second forming method, and the catalyst layer may be formed on the MIL layer by the first or second forming method.
本実施形態のMEA10は、固体高分子電解質膜20と、触媒層31、41およびガス拡散層32、42を含む電極30、40とを、図1に示した順序で積層配置し、熱と圧力を加えるホットプレスを所定時間行って接合する。
In the
不図示のセパレータによってMEA10を挟持して固体高分子形燃料電池を形成する。固体高分子形燃料電池を構成するMEA10では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、燃料極30に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、燃料極30の触媒層31に含まれる固体高分子電解質、さらに燃料極30の触媒層31が接触している固体高分子電解質膜20を通って、空気極40の触媒層41に達する。また、燃料極30の触媒層31で生成した電子は、燃料極30の触媒層31における導電性担体(導電性粒子)62、燃料極30のガス拡散層32、セパレータおよび外部回路を通って、空気極40の触媒層41に達する。そして、空気極40の触媒層41にともに達したプロトンおよび電子は、空気極40に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。このような電気化学的反応を通して、燃料電池は、電気を外部に取り出すことが可能となる。
The polymer electrolyte fuel cell is formed by sandwiching the
以上説明したように、本実施形態によれば、別個独立した系統111と112、121と122を介してそれぞれが供給される導電性粒子62と樹脂分散液63とを基材61上に供給することによって、電極用部材51を形成しているので、インクの調製や溶剤を必要とせず、電極用部材51としての触媒層31、41およびガス拡散層32、42の製造コストを低減することができ、安価に膜電極接合体10を製造することができる。さらに、電極用部材51を均一に形成でき、電極用部材51の性能が向上する。インクの調製が不要となることに伴って、工程を削減でき、インク調製設備も不要となり、電極用部材51の製造コストをさらに低減することができる。また、電極用部材51の構成材料の利用率が向上することから、この観点からも、電極用部材51の製造コストを低減することができる。インク調整工程を経ないので、導電性粒子62および/または樹脂分散液63の粒径分布の任意制御が容易で、電極用部材51の空孔を均一化し、電極用部材51の性能を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
第1の形成方法として、基材61の表面61aを鉛直方向に沿って配置する工程と、基材61の表面61aに沿って導電性粒子62を落下させて散布し、当該散布と同時に、落下する導電性粒子62を横切るように樹脂分散液63を基材61の表面61aに向けて噴霧する工程と、を有している。そして、落下する導電性粒子62と噴霧した樹脂分散液63とを一緒に基材61に塗布することによって電極用部材51を形成している。この第1の形成方法を通して、上記の電極用部材51を得ることができる。また、樹脂分散液63に接触しないで落下した導電性粒子62を容易に回収できる。
As a first forming method, the step of arranging the
また、第2の形成方法として、基材61の表面61aを水平方向に沿って配置する工程と、基材61の表面61aに向けて導電性粒子62を落下させて散布する工程と、導電性粒子62の散布とは別個に、樹脂分散液63を基材61の表面61aに向けて噴霧する工程と、を有している。そして、導電性粒子62を散布する工程と樹脂分散液63を噴霧する工程とを交互に行うことによって電極用部材51を形成している。この第2の形成方法によっても、上記の電極用部材51を得ることができる。
Further, as a second forming method, a step of arranging the
基材61上に供給した導電性粒子62の粒度と異なる粒度の導電性粒子62を基材61上にさらに供給したり、基材61上に供給した樹脂分散液63の粒度と異なる粒度の樹脂分散液63を基材61上にさらに供給したりすることにより、電極用部材51の厚み方向に沿っても空孔制御が可能となり、電極用部材51の性能をより一層向上させることができる。
The
電極用部材51が触媒層の場合には、基材61が固体高分子膜、触媒層から剥離可能なシート材、またはガス拡散層であり、導電性粒子62が触媒粒子を担持したカーボン粒子であり、樹脂分散液63がアイオノマーであり、触媒層31、41の製造コストを低減することができる。
When the
電極用部材51がガス拡散層の場合には、基材61が少なくとも多孔質性を有するシート状材料であり、導電性粒子62がカーボン粒子であり、樹脂分散液63が撥水性付与樹脂分散液63であり、ガス拡散層32、42の製造コストを低減することができる。
When the
本実施形態に係る方法を具現化した形成装置101、102は、導電性粒子62を基材61上に供給する第1の系統111、121と、第1の系統111、121と別個独立して設けられ、樹脂分散液63を基材61上に供給する第2の系統112、122と、を有しているので、製造コストの低減を図った電極用部材51を形成し得る。
The forming
10 MEA(膜電極接合体)、
20 固体高分子電解質膜、
30 燃料極、
40 空気極、
31、41 触媒層(電極用部材)、
32、42 ガス拡散層(電極用部材)、
51 電極用部材、
61 基材、
62 導電性粒子、
63 樹脂分散液、
70 塗布装置、
80 粒子供給手段、
101、102 形成装置、
111、121 第1の系統、
112、122 第2の系統。
10 MEA (membrane electrode assembly),
20 solid polymer electrolyte membrane,
30 Fuel electrode,
40 air electrode,
31, 41 Catalyst layer (electrode member),
32, 42 Gas diffusion layer (electrode member),
51 Electrode members,
61 substrate,
62 conductive particles,
63 resin dispersion,
70 coating device,
80 particle supply means,
101, 102 forming apparatus,
111, 121 first system,
112, 122 Second system.
Claims (8)
別個独立した系統を介してそれぞれが供給される導電性粒子と樹脂分散液とを基材上に供給することによって、前記電極用部材を形成することを特徴とする燃料電池の電極用部材の形成方法。 In a method of forming a thin layer electrode member used for constituting an electrode of a fuel cell membrane electrode assembly,
Forming the electrode member of the fuel cell, wherein the electrode member is formed by supplying the conductive particles and the resin dispersion, which are respectively supplied through a separate and independent system, onto the substrate. Method.
前記基材の前記表面に沿って前記導電性粒子を落下させて散布し、当該散布と同時に、落下する前記導電性粒子を横切るように前記樹脂分散液を前記基材の前記表面に向けて噴霧する工程と、を有し、
落下する前記導電性粒子と噴霧した前記樹脂分散液とを一緒に前記基材に塗布することによって前記電極用部材を形成する請求項1に記載の燃料電池の電極用部材の形成方法。 Arranging the surface of the substrate along the vertical direction;
The conductive particles are dropped and dispersed along the surface of the base material, and at the same time as the spraying, the resin dispersion is sprayed toward the surface of the base material so as to cross the falling conductive particles. And a step of
2. The method for forming an electrode member for a fuel cell according to claim 1, wherein the electrode member is formed by applying the falling conductive particles and the sprayed resin dispersion together to the base material.
前記基材の前記表面に向けて前記導電性粒子を落下させて散布する工程と、
前記導電性粒子の散布とは別個に、前記樹脂分散液を前記基材の前記表面に向けて噴霧する工程と、を有し、
前記導電性粒子を散布する工程と前記樹脂分散液を噴霧する工程とを交互に行うことによって前記電極用部材を形成する請求項1に記載の燃料電池の電極用部材の形成方法。 Arranging the surface of the substrate along the horizontal direction;
Dropping and spreading the conductive particles toward the surface of the substrate;
Spraying the resin dispersion toward the surface of the substrate separately from the dispersion of the conductive particles,
The method for forming an electrode member for a fuel cell according to claim 1, wherein the electrode member is formed by alternately performing a step of spraying the conductive particles and a step of spraying the resin dispersion.
導電性粒子を基材上に供給する第1の系統と、
前記第1の系統と別個独立して設けられ、樹脂分散液を前記基材上に供給する第2の系統と、を有する燃料電池の電極用部材の形成装置。 In an apparatus for forming a thin layer electrode member used for constituting an electrode of a fuel cell membrane electrode assembly,
A first system for supplying conductive particles onto a substrate;
An apparatus for forming an electrode member for a fuel cell, comprising: a second system that is provided separately and independently from the first system and supplies a resin dispersion onto the substrate.
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