JP2010015940A - Method for manufacturing electrolyte layer - Google Patents

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崇徳 和田
Tadashi Komatsu
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing an electrolyte layer for forming it of high quality to have a desired thickness. <P>SOLUTION: By preparing a paste for electrolyte layer formation by mixing stable particles and binder against an electrolyte, and by controlling the pH value within a pH control range B by adjusting dissolved carbon dioxide gas concentration of the paste for the electrolyte layer formation, viscosity of the paste for electrolyte layer formation is prepared within a viscosity adjusting range A, and by coating the paste for the electrolyte layer formation after viscosity preparation on a fuel electrode or an air electrode, the electrolyte layer is formed. In the case the viscosity of the paste for the electrolyte layer formation is lower than a set value, it is preferable that the dissolved carbon dioxide gas concentration is increased by aeration of the carbon dioxide gas in the paste for electrolyte layer formation. In the case the paste for electrolyte layer formation is higher than the set value, it is preferable that the dissolved concentration of the carbon dioxide gas is decreased by aerating an inert gas except the dissolved carbon dioxide concentration of the carbon dioxide gas in the paste for the electrolyte layer formation. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の電解質を保持するために用いる電解質層の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrolyte layer used for holding an electrolyte of a fuel cell.

燃料電池は、燃料極と空気極との間に電解質を配置した構成をなしている。そして、燃料極側に水素含有ガスを供給すると共に、空気極側に酸素含有ガスを供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得ている。   The fuel cell has a configuration in which an electrolyte is disposed between a fuel electrode and an air electrode. In addition to supplying a hydrogen-containing gas to the fuel electrode side, an oxygen-containing gas is supplied to the air electrode side, and an electromotive force is obtained using an electrochemical reaction that occurs between the two electrodes.

ところで、りん酸形燃料電池では、電解質としてりん酸が用いられるが、りん酸は粘度が低いため、りん酸のみでは、燃料極と空気極との間に配置して燃料電池を形成することができない。このため、りん酸形燃料電池のように、粘度の低い電解質を用いる燃料電池では、電解質を電解質層に保持させ、電解質を保持した電解質層を両電極間に配置して燃料電池を形成している。   By the way, phosphoric acid is used as an electrolyte in phosphoric acid fuel cells. However, phosphoric acid has a low viscosity, and therefore, phosphoric acid alone can be disposed between the fuel electrode and the air electrode to form a fuel cell. Can not. For this reason, in a fuel cell using an electrolyte having a low viscosity, such as a phosphoric acid fuel cell, the electrolyte is held in an electrolyte layer, and the electrolyte layer holding the electrolyte is disposed between both electrodes to form a fuel cell. Yes.

このような電解質層を用いた燃料電池では、燃料極側で生成したプロトンが電解質層を通って空気極側に移動しそこで酸素イオンと結合することによって、発電に必要な電気化学反応が実現される。そのため、燃料電池の発電能力を向上させるためには、燃料極と空気極の間の電解質層における電気抵抗(イオン移動抵抗)を低減して発電反応をより効率的に行わせることが重要になってくる。   In a fuel cell using such an electrolyte layer, protons generated on the fuel electrode side move to the air electrode side through the electrolyte layer and combine with oxygen ions, thereby realizing an electrochemical reaction necessary for power generation. The Therefore, in order to improve the power generation capability of the fuel cell, it is important to reduce the electric resistance (ion transfer resistance) in the electrolyte layer between the fuel electrode and the air electrode so that the power generation reaction is performed more efficiently. Come.

電解質層の電気抵抗を低減する方法として、電解質層の厚さを薄くし、その気孔率を高くすることが挙げられる。しかしながら、電解質層が薄すぎたり、気孔率が高すぎたりすると、電解質層内部を電解液で満たした場合でも気密を保つことが難しくなり、電解質層を介して水素含有ガスと酸素含有ガスとが直接反応してしまい、燃料電池の発電能力が著しく低下する。また、そればかりか発熱や発火の危険性も出てくる。   As a method for reducing the electric resistance of the electrolyte layer, it is possible to reduce the thickness of the electrolyte layer and increase its porosity. However, if the electrolyte layer is too thin or the porosity is too high, it becomes difficult to maintain airtightness even when the inside of the electrolyte layer is filled with the electrolyte solution, and the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas are caused to pass through the electrolyte layer. It reacts directly and the power generation capacity of the fuel cell is significantly reduced. In addition, there is a risk of fever and ignition.

このような点から、電解質層は、30μm〜80μm程度の厚さと、40%〜60%程度の気孔率を有していることが望ましい。また、より安定した発電能力を得るためには、電解質層表面が平滑でそこに凹部や欠損部が形成されていないことが望ましい。   From such a point, it is desirable that the electrolyte layer has a thickness of about 30 μm to 80 μm and a porosity of about 40% to 60%. Further, in order to obtain a more stable power generation capability, it is desirable that the electrolyte layer surface is smooth and no recesses or defects are formed therein.

電解質層の形成方法の一つとして、電解質層の前駆体となるペーストを電極面(触媒層表面)に塗布した後、乾燥・熱処理して、電解質層を形成する方法が知られている。
例えば、りん酸形燃料電池では、前記ペーストとして、主に炭化ケイ素(SiC)の微粒子とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のバインダーを含んだ混合物が用いられている。このようなバインダーは、通常、適当な溶剤の中にSiCを攪拌翼で混合したり、溶剤とSiCを乳鉢、ボールミル、ポットミル等を用いて混合したりしてから、出来たスラリーにPTFE等のバインダーを混合して調製される。
As one method for forming an electrolyte layer, a method is known in which a paste serving as a precursor of an electrolyte layer is applied to an electrode surface (catalyst layer surface), and then dried and heat-treated to form an electrolyte layer.
For example, in a phosphoric acid fuel cell, a mixture mainly containing fine particles of silicon carbide (SiC) and a binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as the paste. Such a binder is usually obtained by mixing SiC in a suitable solvent with a stirring blade or mixing the solvent and SiC using a mortar, ball mill, pot mill or the like, and then adding PTFE or the like to the resulting slurry. It is prepared by mixing a binder.

しかしながら、このように調製されたペーストは、常に均一な粘度のものが得られるとは限らず、調製を行う都度変化するものであった。
ペースト粘度が低すぎると、形成される電解質層の厚さが薄くなりやすく、30μm未満になってしまう可能性が高い。このため、反応ガスの気密性を確保することが難しくなる。また、電極面に塗布する際、触媒層に含まれるバインダーの影響でペーストがはじかれて塗布性が悪化したり、コーティングロールを用いたときにロールからの液ダレが発生したりすることがある。このようにペースト粘度が低すぎると、形成される電解質層が薄くなりすぎたり、電極面上の塗膜の厚さが不均一になる可能性が非常に高いため、そのまま乾燥・熱処理を行うのみでは厚さが不均一な電解質層が形成され易い。
However, the paste prepared in this way does not always have a uniform viscosity, and changes every time the preparation is performed.
If the paste viscosity is too low, the thickness of the formed electrolyte layer tends to be thin, and the possibility of being less than 30 μm is high. For this reason, it becomes difficult to ensure the airtightness of the reaction gas. In addition, when applied to the electrode surface, the paste may be repelled due to the influence of the binder contained in the catalyst layer, the applicability may deteriorate, or dripping from the roll may occur when a coating roll is used. . If the paste viscosity is too low in this way, it is very likely that the electrolyte layer formed will be too thin or the coating thickness on the electrode surface will be uneven. Then, it is easy to form an electrolyte layer having a non-uniform thickness.

一方、ペースト粘度が高すぎると、形成される電解質層が厚くなる傾向があり、電気抵抗低減に不利となる。また、コーティングロールでのせん断応力の上昇によってペーストに含まれているバインダーが固結し、ペーストの塗布時に電解質層の厚さを大きく超えてしまうような凝集粒子の生成や電極面へのペーストの転写欠損等が生じる場合がある。また、コーティングロールにはペーストを保持するためにピッチ1mm程度の溝が形成されていることが多いが、ペースト粘度が高いと、その流動性が比較的低いため、塗布後に溝ピッチとほぼ同ピッチの凹凸部が塗膜や電解質層に残ってしまい、その後に平滑化する等の工程が必要になる場合がある。厚さが薄くなる凹部は、例えば、3000mPa・sを上回る高粘度ペーストでは20μm以下まで薄くなる場合があり、時には欠損部となって、反応ガスの気密性を著しく低下させる一因となる。   On the other hand, if the paste viscosity is too high, the formed electrolyte layer tends to be thick, which is disadvantageous for reducing electric resistance. In addition, the binder contained in the paste solidifies due to an increase in the shear stress in the coating roll, and when the paste is applied, aggregated particles that greatly exceed the thickness of the electrolyte layer and the paste on the electrode surface are generated. Transcriptional defects may occur. Also, the coating roll is often formed with grooves with a pitch of about 1 mm to hold the paste. However, if the paste viscosity is high, its fluidity is relatively low, so the pitch is almost the same as the groove pitch after application. May be left on the coating film or the electrolyte layer, and a subsequent process such as smoothing may be required. For example, a high-viscosity paste having a thickness of more than 3000 mPa · s may be thinned to 20 μm or less, and the concave portion having a reduced thickness sometimes becomes a deficient portion, which contributes to significantly reducing the airtightness of the reaction gas.

このように、ペーストを用いて電解質層を形成する方法では、ペースト粘度は、燃料電池特性に大きく影響してくるため、ペースト粘度の管理が重要である。   As described above, in the method of forming the electrolyte layer using the paste, the paste viscosity greatly affects the fuel cell characteristics, and therefore management of the paste viscosity is important.

ペースト粘度を調整するにあたり、ペースト中のSiC等の固形分濃度を調整するなどしてペースト粘度を適当な範囲に調整する方法がある。   In adjusting the paste viscosity, there is a method of adjusting the paste viscosity to an appropriate range by adjusting the solid content concentration of SiC or the like in the paste.

また、下記特許文献1には、電解質層の前駆体となるペーストの粘度は、pH値と相関があることが記されており、アルカリ性溶液や酸性溶液を添加することによって、ペーストのpH値を制御し、それによってペースト中の粒子の分散状態を変化させてペースト粘度を調整する方法が開示されている。
特開2005−294179号公報(段落番号0028〜0031、図3)
Patent Document 1 listed below describes that the viscosity of the paste serving as the precursor of the electrolyte layer has a correlation with the pH value. By adding an alkaline solution or an acidic solution, the pH value of the paste is adjusted. A method of controlling and thereby changing the dispersion state of the particles in the paste to adjust the paste viscosity is disclosed.
JP-A-2005-294179 (paragraph numbers 0028 to 0031, FIG. 3)

ペースト中の固形分濃度を変更して粘度調整した場合、電極面に塗布したときの塗膜の厚さが変化してくるため、塗布条件を同じにしても用いるペーストによって乾燥・熱処理後に得られる電解質層の厚さが異なってしまい、電解質層の膜厚管理が困難である。   When the viscosity is adjusted by changing the solid content concentration in the paste, the thickness of the coating film changes when applied to the electrode surface. The thickness of the electrolyte layer is different, and it is difficult to control the thickness of the electrolyte layer.

また、上記特許文献1では、アルカリ性溶液や酸性溶液を添加してペーストのpH値を制御することで、ペースト粘度を設定範囲となるように調整している。特許文献1の方法であれば、ペースト中の固形分濃度が大きく変動することもないので、最終的に形成される電解質層の厚みにバラつきは生じにくい。しかしながら、電解質層中に、pH調整に用いた、アルカリ性溶液や酸性溶液などに含まれる化合物が残留することがある。これらの残留物は、電解質などと反応して、電極反応の阻害物質となるような塩などを形成することがあり、電池の特性に悪影響を与える可能性があった。例えば、上記特許文献1では、アンモニア水を用いてペーストのpH調整を行う実施例が開示されている(段落番号0029)が、電解質層中にアンモニアが残留すると、電解質であるりん酸とアンモニアとが反応し、電池特性に悪影響を及ぼす可能性のあるりん酸アンモニウムが形成される恐れがあった。   Moreover, in the said patent document 1, the paste viscosity is adjusted so that it may become a setting range by adding an alkaline solution and an acidic solution and controlling the pH value of a paste. With the method of Patent Document 1, since the solid content concentration in the paste does not fluctuate greatly, the thickness of the electrolyte layer finally formed is unlikely to vary. However, a compound contained in an alkaline solution or an acidic solution used for pH adjustment may remain in the electrolyte layer. These residues may react with an electrolyte or the like to form a salt or the like that becomes an inhibitor of the electrode reaction, which may adversely affect the characteristics of the battery. For example, Patent Document 1 discloses an example in which pH of a paste is adjusted using aqueous ammonia (paragraph number 0029). However, when ammonia remains in the electrolyte layer, phosphoric acid and ammonia as electrolytes are mixed. May react to form ammonium phosphate which may adversely affect battery characteristics.

したがって、本発明の目的は、高品質の電解質層を所望の厚みで形成できる電解質層の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing an electrolyte layer capable of forming a high quality electrolyte layer with a desired thickness.

上記目的を達成するため、本発明の電解質層の製造方法は、燃料電池の、燃料極と空気極との間に配置される電解質を保持する電解質層の製造方法において、前記電解質に対して安定な粒子と、バインダーと、を混合して電解質層形成用ペーストを調製し、前記電解質層形成用ペーストの炭酸ガス溶存濃度を調整してpH値が設定値となるように制御することで、前記電解質層形成用ペーストの粘度を調整し、粘度調整後の前記電解質層形成用ペーストを前記燃料極又は前記空気極に塗布して電解質層を形成することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the method for producing an electrolyte layer according to the present invention is stable to the electrolyte in the method for producing an electrolyte layer for holding an electrolyte disposed between a fuel electrode and an air electrode of a fuel cell. By preparing a paste for forming an electrolyte layer by mixing a fine particle and a binder, adjusting the carbon dioxide dissolved concentration of the paste for forming an electrolyte layer and controlling the pH value to be a set value, The viscosity of the electrolyte layer forming paste is adjusted, and the electrolyte layer forming paste is applied to the fuel electrode or the air electrode to form the electrolyte layer.

本発明によれば、電解質層形成用ペーストの炭酸ガス溶存濃度を調整してpH値が設定値となるように制御することで、該ペースト中の粒子の分散状態が変化し、粘度を調整することができる。このため、ペースト中の固形分濃度をほとんど変化させることなく、所定粘度範囲の電解質層形成用ペーストを容易に調整できる。よって、電極面に凹凸部や欠損部のない均一な塗膜を所望の厚さで形成することができ、電解質層における電気抵抗の低減効果に優れる。また、電解質層形成用ペーストに炭酸ガスが含まれていても、電解質層の形成時における熱処理などの操作によって炭酸ガスが脱気されるので、電解質層中には不純物が残留しにくく、更には、電解質などと反応して電極反応の阻害物質となるような塩などを形成することもないので、燃料電池の電池特性を損なうおそれが少なく、こうして形成された電解質層を用いた燃料電池は、安定した発電出力を長期にわたって得ることができる。   According to the present invention, by adjusting the carbon dioxide dissolved concentration of the electrolyte layer forming paste and controlling the pH value to be a set value, the dispersion state of the particles in the paste is changed and the viscosity is adjusted. be able to. For this reason, the electrolyte layer forming paste having a predetermined viscosity range can be easily adjusted without substantially changing the solid content concentration in the paste. Therefore, it is possible to form a uniform coating film with a desired thickness on the electrode surface with no irregularities or defects, and the effect of reducing electrical resistance in the electrolyte layer is excellent. Further, even if carbon dioxide gas is contained in the electrolyte layer forming paste, carbon dioxide gas is degassed by an operation such as heat treatment at the time of forming the electrolyte layer, so that impurities hardly remain in the electrolyte layer. In addition, since it does not react with the electrolyte or the like to form a salt or the like that inhibits the electrode reaction, there is little possibility of damaging the cell characteristics of the fuel cell, and the fuel cell using the electrolyte layer thus formed is Stable power generation output can be obtained over a long period of time.

本発明の電解質層の製造方法は、前記電解質層形成用ペーストの粘度が設定値よりも低い場合、炭酸ガスを前記電解質層形成用ペーストに曝気して炭酸ガスの溶存濃度を増加させ、前記電解質層形成用ペーストの粘度が設定値よりも高い場合、炭酸ガス以外の不活性ガスを前記電解質層形成用ペーストに曝気して炭酸ガスの溶存濃度を低下させることが好ましい。電解質層形成用ペーストの粘度が設定値よりも低い場合、炭酸ガスを電解質層形成用ペーストに曝気することで、炭酸ガスの溶存濃度が増加してpH値が低くなり、その結果、ペースト粘度が上昇する。また、電解質層形成用ペーストの粘度が設定値よりも高い場合、炭酸ガス以外の不活性ガスを電解質層形成用ペーストに曝気することで、炭酸ガスの溶存濃度が低下してpH値が高くなり、その結果ペースト粘度が低下する。このように、電解質層形成用ペーストの粘度に応じて、電解質層形成用ペーストに、炭酸ガス又は不活性ガスを曝気することで、ペースト粘度を所定粘度範囲に調整できる。   When the viscosity of the electrolyte layer forming paste is lower than a set value, the electrolyte layer manufacturing method of the present invention increases the dissolved concentration of carbon dioxide gas by aeration of carbon dioxide gas to the electrolyte layer forming paste. When the viscosity of the layer forming paste is higher than the set value, it is preferable to aerate an inert gas other than carbon dioxide gas to the electrolyte layer forming paste to lower the dissolved concentration of carbon dioxide gas. When the viscosity of the electrolyte layer forming paste is lower than the set value, aeration of carbon dioxide gas to the electrolyte layer forming paste increases the dissolved concentration of carbon dioxide gas and lowers the pH value. To rise. In addition, when the viscosity of the electrolyte layer forming paste is higher than the set value, the dissolved concentration of carbon dioxide gas is lowered and the pH value is increased by aerating inert gas other than carbon dioxide gas to the electrolyte layer forming paste. As a result, the paste viscosity decreases. Thus, according to the viscosity of the electrolyte layer forming paste, the paste viscosity can be adjusted to a predetermined viscosity range by aeration of carbon dioxide gas or inert gas to the electrolyte layer forming paste.

本発明の電解質層の製造方法は、前記不活性ガスとして、窒素、ヘリウム及びアルゴンから選ばれる一種以上を用いることが好ましい。これらの不活性ガスであれば、電解質層に残留しても、燃料電池の電池特性に悪影響を及ぼすことがない。   In the method for producing an electrolyte layer of the present invention, it is preferable to use one or more selected from nitrogen, helium and argon as the inert gas. If these inert gases remain in the electrolyte layer, they do not adversely affect the cell characteristics of the fuel cell.

本発明の電解質層の製造方法は、前記電解質層形成用ペーストの粘度が1,500〜3,000mPa・sとなるように調整することが好ましい。この態様によれば、表面が平滑で、凹部や欠損部がなく、適度な厚さや気孔率を有する電解質層を形成できる。   The method for producing an electrolyte layer of the present invention is preferably adjusted so that the electrolyte layer forming paste has a viscosity of 1,500 to 3,000 mPa · s. According to this aspect, it is possible to form an electrolyte layer having a smooth surface, no recesses and defects, and an appropriate thickness and porosity.

本発明によれば、電解質層形成用ペーストの粘度調整を容易に行えるので、電極面に凹凸部や欠損部のない均一な塗膜を所望の厚さで形成することができる。また、形成される電解質層には、不純物が残留しにくいので、電解質などと反応して、電極反応の阻害物質となるような塩などが形成されることもなく、安定した発電出力を長期にわたって得ることができる。   According to the present invention, since the viscosity of the electrolyte layer forming paste can be easily adjusted, it is possible to form a uniform coating film having a concavo-convex portion and a defect portion on the electrode surface with a desired thickness. In addition, impurities are unlikely to remain in the formed electrolyte layer, so that it does not react with the electrolyte or the like to form a salt or the like that becomes an inhibitor of the electrode reaction, and stable power generation output can be achieved over a long period of time. Obtainable.

本発明の電解質層の製造方法は、電解質形成用ペーストの調製工程と、得られた電解質形成用ペーストの粘度を調整する粘度調整工程と、粘度調整した電解質形成用ペーストを、燃料電池の燃料極又は空気極に塗布し、加熱・乾燥して電解質層を形成する電解質層形成工程とで主に構成されている。   The method for producing an electrolyte layer according to the present invention includes a step of preparing an electrolyte forming paste, a viscosity adjusting step of adjusting the viscosity of the obtained electrolyte forming paste, and a viscosity-adjusted electrolyte forming paste as a fuel electrode of a fuel cell. Or it is mainly comprised by the electrolyte layer formation process of apply | coating to an air electrode, heating and drying and forming an electrolyte layer.

(電解質形成用ペーストの調製工程)
電解質形成用ペーストの調製工程では、電解質に対して安定な粒子と、バインダーと、を混合して電解質形成用ペーストを調製する。
(Preparation process of electrolyte forming paste)
In the step of preparing the electrolyte forming paste, particles that are stable with respect to the electrolyte and a binder are mixed to prepare the electrolyte forming paste.

電解質形成用ペーストの調製に用いる上記粒子は、電解質によって分解などされず、電解質と接触してもその化学的構造を維持しうるものであれば特に限定はなく、SiC微粒子などが好ましく挙げられる。例えば、りん酸を電解質として用いる場合においては、耐熱性と耐酸性という理由からSiC微粒子が好ましく用いられる。   The particles used for the preparation of the electrolyte forming paste are not particularly limited as long as they are not decomposed by the electrolyte and can maintain the chemical structure even when in contact with the electrolyte, and SiC fine particles and the like are preferable. For example, when phosphoric acid is used as the electrolyte, SiC fine particles are preferably used for reasons of heat resistance and acid resistance.

また、上記粒子の粒径は、0.1〜20μmが好ましく、0.5〜5μmがより好ましい。粒子の粒径が0.1μm未満であると、電解質を保持するための気孔率が下がり、粒子の粒径が20μmを超えると粒子自体により電池の他の構成部材を損傷する可能性がある。   Moreover, 0.1-20 micrometers is preferable and, as for the particle size of the said particle | grain, 0.5-5 micrometers is more preferable. If the particle diameter is less than 0.1 μm, the porosity for holding the electrolyte is lowered, and if the particle diameter exceeds 20 μm, the particles themselves may damage other components of the battery.

また、上記粒子は、溶媒中に分散させて用いることが好ましい。分散溶媒としては、ジエチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、トリエチレングリコール、エチレングリコール、ベンジルアルコールなどの溶剤が挙げられる。また、これらの溶剤は水と混合して、水溶液として用いてもよい。また、粒子の溶媒への分散方法としては、超音波分散などが挙げられる。   The particles are preferably used by being dispersed in a solvent. Examples of the dispersion solvent include solvents such as diethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, triethylene glycol, ethylene glycol, and benzyl alcohol. These solvents may be mixed with water and used as an aqueous solution. Examples of the method for dispersing the particles in the solvent include ultrasonic dispersion.

電解質形成用ペーストの調製に用いる上記バインダーは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などが好ましく挙げられる。例えば、りん酸を電解質として用いる場合においては、耐熱性と耐酸性という理由からPTFEが好ましく用いられる。   Preferred examples of the binder used for preparing the electrolyte forming paste include polytetrafluoroethylene (PTFE) and tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA). For example, when using phosphoric acid as an electrolyte, PTFE is preferably used for the reasons of heat resistance and acid resistance.

電解質形成用ペーストは、例えば、次のようにして調製することができる。すなわち、SiC微粒子をエチレングリコール水溶液等の溶剤と混合し、超音波などを印加しながら攪拌して、SiC微粒子を溶剤中に分散させ、スラリー状物を調製する。続いて、このようにしてできたスラリー状物に、PTFE等のバインダーを混合して電解質形成用ペーストを調製する。   The electrolyte forming paste can be prepared, for example, as follows. That is, SiC fine particles are mixed with a solvent such as an ethylene glycol aqueous solution, and stirred while applying ultrasonic waves to disperse the SiC fine particles in the solvent to prepare a slurry. Subsequently, an electrolyte forming paste is prepared by mixing the slurry-like material thus formed with a binder such as PTFE.

(粘度調整工程)
次に、このようにして調製された電解質形成用ペーストの粘度を所定の粘度となるように調整するが、本発明では、電解質形成用ペーストの炭酸ガス溶存濃度を調整して、pH値を制御することで、ペースト粘度が設定範囲となるように調整する。
(Viscosity adjustment process)
Next, the viscosity of the electrolyte forming paste thus prepared is adjusted to a predetermined viscosity. In the present invention, the pH value is controlled by adjusting the carbon dioxide dissolved concentration of the electrolyte forming paste. By doing so, the paste viscosity is adjusted to be within the set range.

図1に、電解質形成用ペーストのpH値と、粘度との関係図を示す。図1において、横軸は電解質形成用ペーストのpH値を示し、縦軸は電解質形成用ペーストの粘度(mPa・s)を示している。なお、ペースト粘度はB形回転粘度計によって測定した値である。   FIG. 1 shows a relationship diagram between the pH value and the viscosity of the electrolyte forming paste. In FIG. 1, the horizontal axis indicates the pH value of the electrolyte forming paste, and the vertical axis indicates the viscosity (mPa · s) of the electrolyte forming paste. The paste viscosity is a value measured with a B-type rotational viscometer.

図1に示すように、電解質形成用ペーストは、pH値が増加すると、それに伴って粘度が低下していく傾向が認められる。これは、電解質形成用ペーストのpH値を変化させることで、ペースト中での粒子のゼータ電位が変化して粒子の凝集度が変化し、それがペースト粘度に現れてくるためであると思われる。なお、図1のような特性は、ペースト組成によらず同様の傾向が見られた。   As shown in FIG. 1, the electrolyte forming paste has a tendency to decrease in viscosity as the pH value increases. This seems to be because by changing the pH value of the electrolyte forming paste, the zeta potential of the particles in the paste changes and the degree of aggregation of the particles changes, which appears in the paste viscosity. . The characteristics shown in FIG. 1 showed the same tendency regardless of the paste composition.

電解質形成用ペーストには、該ペーストの調製時に、大気中の炭酸ガスを取り込んで、炭酸ガスが溶存しているので、電解質形成用ペーストの炭酸ガス溶存濃度を調整することでそのpH値を容易に調整できる。   The electrolyte forming paste incorporates carbon dioxide in the atmosphere at the time of preparing the paste, and the carbon dioxide is dissolved. Therefore, the pH value can be easily adjusted by adjusting the concentration of carbon dioxide dissolved in the electrolyte forming paste. Can be adjusted.

本発明では、電解質形成用ペーストの粘度が設定範囲を下回っていた場合、電解質形成用ペーストに炭酸ガスを曝気して、電解質形成用ペーストの炭酸ガスの溶存濃度を増加させる。炭酸ガスの溶存濃度が増加するとpH値が低下するので、それに伴い電解質形成用ペーストの粘度が上昇する。一方、電解質形成用ペーストの粘度が設定範囲を超えていた場合、電解質形成用ペーストに炭酸ガス以外の不活性ガス(好ましくは、窒素、ヘリウム、アルゴン)を曝気して、炭酸ガスの溶存濃度を低下させる。炭酸ガスの溶存濃度が低下するとpH値が上昇するので、それに伴い電解質形成用ペーストの粘度が低下する。   In the present invention, when the viscosity of the electrolyte forming paste is below the set range, carbon dioxide gas is aerated on the electrolyte forming paste to increase the dissolved concentration of carbon dioxide gas in the electrolyte forming paste. As the dissolved concentration of carbon dioxide increases, the pH value decreases, and accordingly, the viscosity of the electrolyte forming paste increases. On the other hand, when the viscosity of the electrolyte forming paste exceeds the set range, the electrolyte forming paste is aerated with an inert gas other than carbon dioxide (preferably nitrogen, helium, argon) to reduce the dissolved concentration of carbon dioxide. Reduce. Since the pH value increases when the dissolved concentration of carbon dioxide gas decreases, the viscosity of the electrolyte forming paste decreases accordingly.

本発明では、電解質形成用ペーストの粘度が1500mPa・s〜3000mPa・sとなるように、炭酸ガスの溶存濃度を調整してペーストのpH値を制御し、粘度調整することが好ましい。粘度が1500mPa・s以上であれば、形成される電解質層の薄層化や、電極面でのはじきや液ダレの発生を抑えることができる。また、粘度が3000mPa・s以下であれば、形成される電解質層が厚膜になりにくく、高電気抵抗化、凝集粒子の生成やペースト転写欠損等の発生、コーティングロールの溝に起因する凹凸部や欠損部の発生を抑えることができる。ペーストの粘度が上記範囲内であれば、ナチュラルロールコーターなどを用いて電極面へ塗布することで、30μm〜80μm程度の厚さで、40%〜60%程度の気孔率の電解質層を形成し易くなる。   In the present invention, it is preferable to adjust the viscosity by adjusting the dissolved concentration of carbon dioxide gas so that the viscosity of the electrolyte forming paste is 1500 mPa · s to 3000 mPa · s to control the pH value of the paste. When the viscosity is 1500 mPa · s or more, it is possible to suppress the formation of a thin electrolyte layer and the occurrence of repellency and dripping on the electrode surface. In addition, if the viscosity is 3000 mPa · s or less, the formed electrolyte layer is less likely to be thick, resulting in high electrical resistance, generation of aggregated particles, occurrence of paste transfer defects, etc., uneven portions due to coating roll grooves And the occurrence of defects can be suppressed. If the viscosity of the paste is within the above range, an electrolyte layer having a porosity of about 40% to 60% is formed with a thickness of about 30 μm to 80 μm by applying to the electrode surface using a natural roll coater or the like. It becomes easy.

(電解質層形成工程)
電解質形成用ペーストの粘度を所定粘度に調整した後、燃料電池の燃料極又は空気極に塗布し、加熱・乾燥処理して電解質層を形成する。
(Electrolyte layer forming process)
After adjusting the viscosity of the electrolyte forming paste to a predetermined viscosity, it is applied to the fuel electrode or air electrode of the fuel cell, and heated and dried to form an electrolyte layer.

電解質形成用ペーストの塗付方法としては、特に限定はなく、ナチュラルロールコーターを用いた塗布、スクリーン印刷、スプレー塗布、リバースロールコーターによる塗布等が好ましく挙げられる。   The method for applying the electrolyte forming paste is not particularly limited, and preferred examples include coating using a natural roll coater, screen printing, spray coating, and coating using a reverse roll coater.

(燃料電池の製造)
そして、一方の電極面に形成された電解質層にりん酸などの電解質を含浸させ、この一方の電極を他方の電極と電解質層を挟んで接合して一体化することで、燃料電池の単セル形成することができ、こうして得られた電池単セルをセパレータを介して複数積層することで、燃料電池を製造することができる。
(Manufacture of fuel cells)
Then, an electrolyte layer formed on one electrode surface is impregnated with an electrolyte such as phosphoric acid, and this one electrode is joined and integrated with the other electrode sandwiching the electrolyte layer, so that a single cell of the fuel cell A fuel cell can be manufactured by stacking a plurality of battery single cells obtained in this way via a separator.

本発明では、電解質層形成用ペーストの炭酸ガス溶存濃度を調整してpH値が設定値となるように制御することで、該ペースト中の粒子の分散状態が変化し、粘度を調整することができる。このため、ペースト中の固形分濃度をほとんど変化させることなく所定粘度範囲の電解質層形成用ペーストを容易に調整でき、コーティングロールなどを用いた電極面への塗布において、塗布後の流動性に優れ、電極面全体にわたって平滑で厚さの均一な塗膜を得ることができる。また、電解質層中には不純物が残留しにくく、更には、電解質などと反応して電極反応の阻害物質となるような塩などを形成することもないので、燃料電池の電池特性を損なうおそれが少ない。したがって、本発明によれば、高品質で所望の厚さの電解質層を容易に安定して製造することが可能になり、燃料電池の発電能力を向上させるとともに、信頼性の高い燃料電池を製造することが可能になる。   In the present invention, by adjusting the carbon dioxide dissolved concentration of the electrolyte layer forming paste and controlling the pH value to be a set value, the dispersion state of the particles in the paste can be changed and the viscosity can be adjusted. it can. For this reason, an electrolyte layer forming paste having a predetermined viscosity range can be easily adjusted with almost no change in the solid content concentration in the paste, and in application to the electrode surface using a coating roll, etc., excellent fluidity after application A coating film having a smooth and uniform thickness can be obtained over the entire electrode surface. Further, impurities are unlikely to remain in the electrolyte layer, and further, a salt that does not react with the electrolyte or the like and becomes an inhibitor of the electrode reaction is not formed, which may impair the battery characteristics of the fuel cell. Few. Therefore, according to the present invention, it is possible to easily and stably manufacture a high-quality electrolyte layer having a desired thickness, improve the power generation capability of the fuel cell, and manufacture a highly reliable fuel cell. It becomes possible to do.

(実施例1)
平均粒径約1μmのSiC微粒子粉末を、70%ジエチレングリコール水溶液に投入し、これを28kHz、1200Wの超音波を印加しながら攪拌翼を使って1時間攪拌して分散させてスラリーを得た。そして、このようにしてできたスラリーに、PTFEのディスパージョンを加えて5分間攪拌し電解質層形成用ペーストを調製した。得たれた電解質層形成用ペーストは、pH値6、粘度1000mPa・sであった。この電解質層形成用ペーストを炭酸ガスで15分間曝気したところ、pH値5.8、粘度1580mPa・sとなった。
このようにして粘度調整した電解質層形成用ペーストを、ナチュラルロールコーターを用いて電極面に塗布し、温度約45℃に制御された乾燥炉内で15時間乾燥し、その後、窒素雰囲気で温度約270℃、20分間の熱処理を施して厚さ40μmの電解質層を形成した。この電解質層は、全体にわたって平滑で凹凸がなく、また、均一な厚みであった。また、電極面にペーストを塗布する際、液ダレなどがなく、塗布作業性が良好であった。
そして、このようにして一方の電極面に形成された電解質層にリン酸を含浸させ、この一方の電極を他方の電極と電解質層を挟んで接合して一体化し、りん酸形燃料電池の単セルを形成し、セパレータを介して約30個積層してりん酸形燃料電池を製造した。
このようにして製造したりん酸形燃料電池の評価を行ったところ全セルとも950mV以上の開回路電圧を得られた。
Example 1
A SiC fine particle powder having an average particle size of about 1 μm was put into a 70% diethylene glycol aqueous solution, and this was stirred and dispersed for 1 hour using a stirring blade while applying an ultrasonic wave of 28 kHz and 1200 W to obtain a slurry. Then, a dispersion of PTFE was added to the slurry thus obtained and stirred for 5 minutes to prepare an electrolyte layer forming paste. The obtained paste for forming an electrolyte layer had a pH value of 6 and a viscosity of 1000 mPa · s. When this electrolyte layer forming paste was aerated with carbon dioxide gas for 15 minutes, the pH value was 5.8 and the viscosity was 1580 mPa · s.
The electrolyte layer forming paste thus adjusted in viscosity is applied to the electrode surface using a natural roll coater, dried in a drying furnace controlled at a temperature of about 45 ° C. for 15 hours, and then in a nitrogen atmosphere at a temperature of about A heat treatment was performed at 270 ° C. for 20 minutes to form an electrolyte layer having a thickness of 40 μm. This electrolyte layer was smooth throughout, and had no unevenness, and had a uniform thickness. Further, when applying the paste to the electrode surface, there was no dripping or the like, and the application workability was good.
Then, the electrolyte layer thus formed on one electrode surface is impregnated with phosphoric acid, and this one electrode is joined and integrated with the other electrode sandwiching the electrolyte layer, so that a single unit of the phosphoric acid fuel cell is obtained. A cell was formed, and about 30 cells were stacked via a separator to manufacture a phosphoric acid fuel cell.
When the phosphoric acid fuel cell thus manufactured was evaluated, an open circuit voltage of 950 mV or more was obtained for all cells.

(実施例2)
平均粒径約1μmのSiC微粒子粉末を、70%ジエチレングリコール水溶液に投入し、これを28kHz、1200Wの超音波を印加しながら攪拌翼を使って1時間攪拌して分散させてスラリーを得た。そして、このようにしてできたスラリーに、PTFEのディスパージョンを加えて5分間攪拌し電解質層形成用ペーストを調製した。得られた電解質層形成用ペーストは、pH値5.1、粘度3500mPa・sであった。この電解質層形成用ペーストを、窒素ガスで15分間曝気したところ、pH値5.2、粘度3000mPa・sとなった。
このようにして粘度調整した電解質層形成用ペーストを、ナチュラルロールコーターを用いて電極面に塗布し、温度約45℃に制御された乾燥炉内で15時間乾燥し、その後、窒素雰囲気で温度約270℃、20分間の熱処理を施して厚さ40μmの電解質層を形成した。この電解質層は、全体にわたって平滑で凹凸がなく、また、均一な厚みであった。
そして、このようにして一方の電極面に形成された電解質層にリン酸を含浸させ、この一方の電極を他方の電極と電解質層を挟んで接合して一体化し、りん酸形燃料電池の単セルを形成し、セパレータを介して約30個積層してりん酸形燃料電池を製造した。
このようにして製造したりん酸形燃料電池の評価を行ったところ全セルとも950mV以上の開回路電圧を得られた。
(Example 2)
A SiC fine particle powder having an average particle size of about 1 μm was put into a 70% diethylene glycol aqueous solution, and this was stirred and dispersed for 1 hour using a stirring blade while applying an ultrasonic wave of 28 kHz and 1200 W to obtain a slurry. Then, a dispersion of PTFE was added to the slurry thus obtained and stirred for 5 minutes to prepare an electrolyte layer forming paste. The obtained electrolyte layer forming paste had a pH value of 5.1 and a viscosity of 3500 mPa · s. When this electrolyte layer forming paste was aerated with nitrogen gas for 15 minutes, the pH value was 5.2 and the viscosity was 3000 mPa · s.
The electrolyte layer forming paste thus adjusted in viscosity is applied to the electrode surface using a natural roll coater, dried in a drying furnace controlled at a temperature of about 45 ° C. for 15 hours, and then in a nitrogen atmosphere at a temperature of about A heat treatment was performed at 270 ° C. for 20 minutes to form an electrolyte layer having a thickness of 40 μm. This electrolyte layer was smooth throughout, and had no unevenness, and had a uniform thickness.
Then, the electrolyte layer thus formed on one electrode surface is impregnated with phosphoric acid, and this one electrode is joined and integrated with the other electrode sandwiching the electrolyte layer, so that a single unit of the phosphoric acid fuel cell is obtained. A cell was formed, and about 30 cells were stacked via a separator to manufacture a phosphoric acid fuel cell.
When the phosphoric acid fuel cell thus manufactured was evaluated, an open circuit voltage of 950 mV or more was obtained for all cells.

ペーストのpH値と粘度との関係図である。It is a relationship figure of pH value and viscosity of a paste.

Claims (4)

燃料電池の、燃料極と空気極との間に配置される電解質を保持する電解質層の製造方法において、
前記電解質に対して安定な粒子と、バインダーと、を混合して電解質層形成用ペーストを調製し、
前記電解質層形成用ペーストの炭酸ガス溶存濃度を調整してpH値が設定値となるように制御することで、前記電解質層形成用ペーストの粘度を調整し、
粘度調整後の前記電解質層形成用ペーストを前記燃料極又は前記空気極に塗布して電解質層を形成する
ことを特徴とする電解質層の製造方法。
In a method for producing an electrolyte layer for holding an electrolyte disposed between a fuel electrode and an air electrode of a fuel cell,
A paste for forming an electrolyte layer is prepared by mixing particles that are stable with respect to the electrolyte and a binder,
By adjusting the carbon dioxide dissolved concentration of the electrolyte layer forming paste and controlling the pH value to be a set value, the viscosity of the electrolyte layer forming paste is adjusted,
A method for producing an electrolyte layer, wherein the electrolyte layer is formed by applying the electrolyte layer-forming paste after viscosity adjustment to the fuel electrode or the air electrode.
前記電解質層形成用ペーストの粘度が設定値よりも低い場合、炭酸ガスを前記電解質層形成用ペーストに曝気して炭酸ガスの溶存濃度を増加させ、前記電解質層形成用ペーストの粘度が設定値よりも高い場合、炭酸ガス以外の不活性ガスを前記電解質層形成用ペーストに曝気して炭酸ガスの溶存濃度を低下させる、請求項1に記載の電解質層の製造方法。   When the viscosity of the electrolyte layer forming paste is lower than a set value, carbon dioxide gas is aerated on the electrolyte layer forming paste to increase the dissolved concentration of carbon dioxide gas, and the viscosity of the electrolyte layer forming paste is lower than the set value. 2, the method for producing an electrolyte layer according to claim 1, wherein an inert gas other than carbon dioxide gas is aerated on the electrolyte layer forming paste to lower the dissolved concentration of carbon dioxide gas. 前記不活性ガスとして、窒素、ヘリウム及びアルゴンから選ばれる一種以上を用いる、請求項1又は2に記載の電解質層の製造方法。   The method for producing an electrolyte layer according to claim 1 or 2, wherein at least one selected from nitrogen, helium and argon is used as the inert gas. 前記電解質層形成用ペーストの粘度が1,500〜3,000mPa・sとなるように調整する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質層の製造方法。   The manufacturing method of the electrolyte layer of any one of Claims 1-3 adjusted so that the viscosity of the said paste for electrolyte layer formation may be set to 1,500-3,000 mPa * s.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101749961B1 (en) * 2010-03-02 2017-06-22 가부시키가이샤 산도쿠 Solid electrolyte membrane, fuel battery cell, and fuel battery

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