JP2010257739A - Method for manufacturing electrode for fuel cell - Google Patents

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Nobuo Yoshitoshi
信雄 吉年
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase productivity when forming an electrode on an electrolyte membrane, and to enhance durability of a fuel cell. <P>SOLUTION: The method for manufacturing an electrode for a fuel cell includes the steps of: (a) preparing the electrolyte membrane; (b) producing electrode material powder by kneading catalyst particles carrying a catalyst on carbon particles, a binder, a pore forming agent, crushing, removing the pore forming agent to make the binder porous, and interposing the porous binder among many catalyst particles; (c) forming an electrode precursor layer made of the electrode material powder by applying the electrode material powder to the electrolyte membrane by an electrostatic splay method; (d) fixing the electrode precursor layer onto the electrolyte membrane by conducting photoirradiation to the electrode precursor layer, softening the binder by heat generation of the carbon particles or melting a part of the binder; and (e) applying or impregnating a polymer electrolyte solution to or into the electrode precursor layer fixed onto the electrolyte membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用電極の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a fuel cell electrode.

従来、燃料電池用電極の製造方法としては、例えば、触媒である貴金属を担持したカーボン粒子を含む電極触媒インク(ペースト)を作製し、このインク(ペースト)を電解質膜上に塗布した後に乾燥させる方法が知られている。あるいは、触媒である貴金属を担持したカーボン粒子を含む電極触媒粉末を、静電的に帯電させて、高分子電解質膜の少なくとも一方の面に付着させる構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。電極触媒粉末を電解質膜上に静電的に付着させる方法は、電極触媒インクを塗布する方法に比べて、溶剤を用いない点、および、塗布後の乾燥工程が不要である点など、種々の利点を有している。   Conventionally, as a method for producing an electrode for a fuel cell, for example, an electrode catalyst ink (paste) containing carbon particles supporting a noble metal as a catalyst is prepared, and this ink (paste) is applied onto an electrolyte membrane and then dried. The method is known. Alternatively, a configuration has been proposed in which an electrode catalyst powder containing carbon particles supporting a noble metal as a catalyst is electrostatically charged and attached to at least one surface of a polymer electrolyte membrane (for example, Patent Document 1). reference). The method of electrostatically attaching the electrode catalyst powder onto the electrolyte membrane is different from the method of applying the electrode catalyst ink in that it does not use a solvent and does not require a drying step after application. Has advantages.

特開平11−288728号公報JP-A-11-288728 国際公開第2003/033566号International Publication No. 2003/033566 特開2005−116308号公報JP 2005-116308 A

しかしながら、電極触媒粉末を静電的に帯電させて電解質膜上に付着させて電極を形成する方法においては、従来、電極を電解質膜上に定着させるための方法について充分な検討がされていなかった。電極を電解質膜上に充分に定着させることは、燃料電池の性能を確保する上で重要であるが、例えば、電極を電解質膜上に定着させる際に、加熱を行なう場合には、熱によって電解質膜の劣化が引き起こされ、燃料電池の耐久性が不十分となる場合も考えられる。また、定着の工程が煩雑であれば、電極を製造する際の生産性を充分に高めることができなくなる場合も考えられる。   However, in the method of forming an electrode by electrostatically charging an electrode catalyst powder and adhering it to the electrolyte membrane, a method for fixing the electrode on the electrolyte membrane has not been sufficiently studied. . It is important to sufficiently fix the electrode on the electrolyte membrane in order to ensure the performance of the fuel cell. For example, when heating is performed when fixing the electrode on the electrolyte membrane, the electrolyte is heated by heat. It is conceivable that the membrane is deteriorated and the durability of the fuel cell becomes insufficient. Further, if the fixing process is complicated, it may be possible that the productivity in manufacturing the electrode cannot be sufficiently increased.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜上に電極を形成する際に、更なる生産性の向上、および、燃料電池の更なる耐久性の向上を図ることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and further improves productivity and further improves the durability of the fuel cell when an electrode is formed on the electrolyte membrane. The purpose is to plan.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
固体高分子型燃料電池用電極の製造方法であって、
(a)高分子電解質から成る電解質膜を用意する工程と、
(b)カーボン粒子上に触媒を担持させた触媒粒子と、加熱により溶融可能となる結着剤と、造孔剤と、を混練した後に粉砕し、さらに前記造孔剤の除去を行なって前記結着剤を多孔質化し、多孔質化された前記結着剤が複数の前記触媒粒子間に介在して成る電極材料粉体を作製する工程と、
(c)前記電極材料粉体を、前記電解質膜上に静電スプレー法によって塗布し、塗布された前記電極材料粉体から成る電極前駆層を形成する工程と、
(d)前記電極前駆層に対して光照射を行ない、前記カーボン粒子を発熱させることによって、前記電極前駆層に含まれる前記結着剤を軟化させ、あるいは前記結着剤の一部を溶融させ、前記電極前駆層を前記電解質膜上に定着させる工程と、
(e)前記電解質膜上に定着させた前記電極前駆層に対して、高分子電解質溶液を塗布または含浸させる工程と
を備える燃料電池用電極の製造方法。
[Application Example 1]
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell electrode,
(A) preparing an electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte;
(B) The catalyst particles having the catalyst supported on the carbon particles, the binder that can be melted by heating, and the pore former are kneaded and then pulverized, and the pore former is removed, Making the binder porous, and producing the electrode material powder comprising the porous binder interposed between the plurality of catalyst particles;
(C) applying the electrode material powder onto the electrolyte membrane by electrostatic spraying to form an electrode precursor layer made of the applied electrode material powder;
(D) irradiating the electrode precursor layer with light to heat the carbon particles, thereby softening the binder contained in the electrode precursor layer or melting a part of the binder. Fixing the electrode precursor layer on the electrolyte membrane;
(E) A method for producing a fuel cell electrode, comprising: applying or impregnating a polymer electrolyte solution to the electrode precursor layer fixed on the electrolyte membrane.

適用例1に記載の燃料電池用電極の製造方法によれば、電解質膜上に電極を形成する際に、静電スプレー法による電解質膜上への電極材料粉体の塗布と、光照射を利用した電解質膜への電極材料の定着とを組み合わせることにより、電極製造時の生産性を向上させると共に、得られる電極および電極を組み込んだ燃料電池における耐久性を向上させることができる。   According to the manufacturing method of the fuel cell electrode described in Application Example 1, when forming the electrode on the electrolyte membrane, the electrode material powder is applied on the electrolyte membrane by the electrostatic spray method and light irradiation is used. By combining with the fixing of the electrode material to the electrolyte membrane, the productivity at the time of manufacturing the electrode can be improved, and the durability of the obtained electrode and the fuel cell incorporating the electrode can be improved.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用電極の製造方法により製造された電極や、このような電極を備える燃料電池などの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of an electrode manufactured by a method for manufacturing an electrode for a fuel cell or a fuel cell including such an electrode. is there.

実施例の燃料電池用電極の製造方法を表わす工程図である。It is process drawing showing the manufacturing method of the electrode for fuel cells of an Example. 燃料電池用電極の製造方法における主要な工程を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the main processes in the manufacturing method of the electrode for fuel cells. 電極材料の組成比を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the composition ratio of an electrode material. ステップS140における光照射の条件の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the conditions of the light irradiation in step S140.

図1は、本発明の実施例としての燃料電池用電極の製造方法を表わす工程図である。また、図2は、本実施例の燃料電池用電極の製造方法における主要な工程の様子を表わす説明図である。   FIG. 1 is a process diagram showing a method of manufacturing a fuel cell electrode as an embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 2 is explanatory drawing showing the mode of the main processes in the manufacturing method of the electrode for fuel cells of a present Example.

本実施例の燃料電池用電極の製造方法では、まず、電解質膜10を用意する(ステップS100)。本実施例の電極の製造方法により製造される電極を用いて組み立てられる燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。したがって、電解質膜10としては、固体高分子電解質膜、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜を用意する。このような高分子電解質膜は、実質的に導電性を有していないが、本実施例では、特に、電解質膜10を作製する際の原料に導電剤を加えることによって、電解質膜10に導電性を付与している。電解質膜10に混合する導電剤としては、後述するフラッシュランプを用いた光定着の工程における電解質膜10の温度上昇を抑制可能となるように、透明または白色の導電剤を用いることが望ましい。透明導電剤としては、例えば、酸化イリジウムを用いることができる。この場合には、例えば、電解質膜10の原料に対して重量比で2%程度の酸化イリジウムを混合して、電解質膜10を作製すればよい。電解質膜10に混合する導電剤の量は、電解質膜10を備える燃料電池に対する導電剤の影響が許容できる範囲内であって、導電剤を加えることによる静電スプレー法における触媒微粒子20の塗布効率の向上の効果が充分に得られる範囲となるように、適宜設定すればよい。光定着の工程については、後に詳しく説明する。   In the fuel cell electrode manufacturing method of the present embodiment, first, the electrolyte membrane 10 is prepared (step S100). The fuel cell assembled using the electrode manufactured by the electrode manufacturing method of the present embodiment is a polymer electrolyte fuel cell. Therefore, as the electrolyte membrane 10, a solid polymer electrolyte membrane, for example, a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin is prepared. Such a polymer electrolyte membrane has substantially no electrical conductivity, but in this embodiment, in particular, by adding a conductive agent to the raw material when the electrolyte membrane 10 is produced, the polymer electrolyte membrane 10 is electrically conductive. Has been given sex. As the conductive agent to be mixed with the electrolyte film 10, it is desirable to use a transparent or white conductive agent so that an increase in temperature of the electrolyte film 10 can be suppressed in a photofixing process using a flash lamp described later. For example, iridium oxide can be used as the transparent conductive agent. In this case, for example, the electrolyte membrane 10 may be manufactured by mixing iridium oxide at a weight ratio of about 2% with respect to the raw material of the electrolyte membrane 10. The amount of the conductive agent mixed in the electrolyte membrane 10 is within a range in which the influence of the conductive agent on the fuel cell including the electrolyte membrane 10 can be tolerated, and the application efficiency of the catalyst fine particles 20 in the electrostatic spray method by adding the conductive agent. What is necessary is just to set suitably so that it may become the range from which the improvement effect of this is fully acquired. The photofixing process will be described in detail later.

次に、電極材料の調整を行なう(ステップS110)。本実施例では、電極材料の調整は、混練粉砕方法によって行なわれ、ステップS110の工程は、電極を製造するための原材料の計量、混合、混練、粉砕、分級あるいは篩分、のプロセスから構成される。本実施例では、電極材料の原材料としては、電解質膜に電極を定着させるための結着剤と、電極触媒である白金を担持したカーボン粒子と、造孔剤と、高分子電解質と、を用いているが、ステップS110では、高分子電解質以外の材料を混合して、電極材料の調整を行なっている。本実施例では、結着剤としてはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用いており、造孔剤としては炭酸カルシウム(CaCO3)を用いている。本実施例の電極材料の組成比を、図3に示す。 Next, the electrode material is adjusted (step S110). In this embodiment, adjustment of the electrode material is performed by a kneading and pulverizing method, and the step S110 includes a process of metering, mixing, kneading, pulverizing, classifying or sieving raw materials for producing an electrode. The In this example, as a raw material of the electrode material, a binder for fixing the electrode to the electrolyte membrane, carbon particles carrying platinum as an electrode catalyst, a pore former, and a polymer electrolyte are used. However, in step S110, materials other than the polymer electrolyte are mixed to adjust the electrode material. In this embodiment, polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as the binder, and calcium carbonate (CaCO 3 ) is used as the pore former. FIG. 3 shows the composition ratio of the electrode material of this example.

ステップS110では、結着剤と白金担持カーボンと造孔剤とを、図3に示す割合となるように秤量し、秤量した各原材料を合わせて、例えばヘンシェルミキサーを用いて混合する。上記原材料を一通り混合すると、混練機を用いて、330〜350℃で加熱しながら、さらに混練を行なう。加熱混練により、結着剤が溶融すると共に、白金担持カーボンおよび造孔剤が微粒子化され、微粒子化された各原材料が均一に混合される。各原材料を加熱混練した後には、混練した原材料を冷却し、これを粉砕して、電極材料とする。粉砕の動作は、一旦粗粉砕した後に、例えば乾式ジェットミルを用いて、5〜13μmの平均粒径となるように微粉砕すればよい。粉砕により得られた電極材料は、例えば遠心力分級機を用いて分級を行ない、粒径が特に小さい微粉と、粒径が特に大きい粗粉とを除去して、粒度分布をシャープにしている。このような分級の動作は、篩い分けによって行なっても良い。   In step S110, the binder, the platinum-supporting carbon, and the pore-forming agent are weighed so as to have the ratio shown in FIG. 3, and the weighed raw materials are combined and mixed using, for example, a Henschel mixer. When the raw materials are mixed together, further kneading is performed using a kneader while heating at 330 to 350 ° C. By heating and kneading, the binder is melted, and the platinum-supporting carbon and the pore-forming agent are finely divided, and the raw materials thus finely divided are uniformly mixed. After each raw material is heat-kneaded, the kneaded raw material is cooled and pulverized to obtain an electrode material. The operation of pulverization may be carried out after coarse pulverization and then finely pulverized to an average particle size of 5 to 13 μm using, for example, a dry jet mill. The electrode material obtained by pulverization is classified using, for example, a centrifugal classifier, and fine particles having a particularly small particle size and coarse particles having a particularly large particle size are removed to sharpen the particle size distribution. Such classification operation may be performed by sieving.

次に、分級の工程を経た粒子状の電極材料から造孔剤を除去し、多孔性の結着剤が各触媒担持カーボン粒子を被覆すると共に各触媒担持カーボン粒子間に介在する状態で結着剤と触媒担持カーボン粒子とが混合された、電極材料粉体としての触媒微粒子を作製する(ステップS120)。造孔剤の除去は、例えば、分級の工程を経た上記粒子状の電極材料を、硝酸で洗浄し、その後に水でさらに洗浄して乾燥させ、硝酸を除去することによって行なうことができる。   Next, the pore-forming agent is removed from the particulate electrode material that has undergone the classification step, and the porous binder coats the catalyst-supporting carbon particles and binds in a state of being interposed between the catalyst-supporting carbon particles. Catalyst fine particles as electrode material powder in which the agent and the catalyst-supporting carbon particles are mixed are prepared (step S120). The pore-forming agent can be removed, for example, by washing the particulate electrode material that has been subjected to the classification step with nitric acid, followed by further washing with water and drying to remove nitric acid.

触媒微粒子を作製すると、次に、この触媒微粒子を、静電スプレー法を用いて、ステップS100で用意した電解質膜10上に塗布して(ステップS130)、触媒微粒子から成る電極前駆層を電解質膜10上に形成する。静電スプレー法とは、スプレーガンによって粉体(本実施例では触媒微粒子)を被塗布物(本実施例では電解質膜)に吹き付ける際に、スプレーガンの先端の電極に高電圧を印可することによって、圧縮された搬送空気と共にスプレーガン内に供給された粉体を帯電させ、帯電させた粉体を、アースした被塗布物に対して吹き付けて被塗布物上に付着させる周知の技術である。スプレーガンによる粉体の帯電は、コロナ帯電、あるいは摩擦帯電により行なうことができる。図2では、ステップS130以降の各工程の様子を示しており、図2の(A)工程として、ステップS130に対応して、高電圧電源32が併設されたスプレーガン30から電解質膜10に対して触媒微粒子20が吹き付けられて、電解質膜10上に電極前駆層22が形成される様子を示している。なお、本実施例では、既述したように、予め導電剤を混合して電解質膜10を作製している。そのため、このような電解質膜10を接地して被塗布物とすることにより、スプレーガンから吐出された帯電された粉体を、効率よく電解質膜10上に吸引させて塗着させることが可能になる。   Once the catalyst fine particles are produced, the catalyst fine particles are then applied onto the electrolyte membrane 10 prepared in step S100 using an electrostatic spray method (step S130), and an electrode precursor layer made of catalyst fine particles is applied to the electrolyte membrane. 10 is formed. Electrostatic spraying means applying a high voltage to the electrode at the tip of the spray gun when spraying powder (catalyst particles in this example) onto an object to be coated (electrolyte film in this example) with a spray gun. Is a well-known technique in which the powder supplied into the spray gun together with the compressed carrier air is charged, and the charged powder is sprayed on the grounded object to be adhered to the object to be coated. . The powder can be charged by the spray gun by corona charging or friction charging. FIG. 2 shows the state of each step after step S130. As step (A) in FIG. 2, corresponding to step S130, the spray gun 30 provided with the high-voltage power supply 32 is applied to the electrolyte membrane 10. The catalyst fine particles 20 are sprayed to form an electrode precursor layer 22 on the electrolyte membrane 10. In the present embodiment, as described above, the electrolyte membrane 10 is produced by previously mixing a conductive agent. Therefore, by grounding the electrolyte membrane 10 as an object to be coated, it is possible to efficiently suck and apply the charged powder discharged from the spray gun onto the electrolyte membrane 10. Become.

次に、電解質膜10上に形成した電極前駆層22に対して、フラッシュランプを用いて光照射を行ない、電極前駆層22中の結着剤を軟化させ、あるいは結着剤の一部を溶融させて、電極前駆層22を電解質膜10上に定着させる(ステップS140)。図2の(B)工程では、ステップS140に対応して、電解質膜10上の電極前駆層22に対して、フラッシュ反射板42を備えるフラッシュランプ40を用いて、光照射を行なう様子を示している。フラッシュランプとして用いるキセノンランプは、赤外線領域において強い発光強度を有している。このようなフラッシュランプを用いた照射を行なうと、電極前駆層22内に含まれる触媒を担持した黒色のカーボン粒子が、照射された光を吸収して熱に変換し、短時間のうちに温度上昇する。ステップS140における光照射の条件の一例を、図4に示す。このような照射条件のフラッシュランプを用いて、電極前駆層22に対して例えば0.3ミリ秒の照射を行なうことにより、電極前駆層22中のカーボン粒子を、約500℃に昇温させることができる。ここで、電極前駆層22を構成する結着剤として用いるPTFEの融点は約327℃であるため、電極前駆層22に対する上記した光照射により、電極前駆層22を構成する結着剤が溶融して、電極前駆層22と電解質膜10とを結着させる。   Next, the electrode precursor layer 22 formed on the electrolyte membrane 10 is irradiated with light using a flash lamp to soften the binder in the electrode precursor layer 22 or melt a part of the binder. Thus, the electrode precursor layer 22 is fixed on the electrolyte membrane 10 (step S140). 2B shows a state in which light irradiation is performed on the electrode precursor layer 22 on the electrolyte membrane 10 using the flash lamp 40 including the flash reflector 42 corresponding to step S140. Yes. A xenon lamp used as a flash lamp has a strong emission intensity in the infrared region. When irradiation is performed using such a flash lamp, the black carbon particles carrying the catalyst contained in the electrode precursor layer 22 absorb the irradiated light and convert it into heat, and the temperature is reduced within a short time. To rise. An example of the light irradiation conditions in step S140 is shown in FIG. Using the flash lamp under such irradiation conditions, the electrode precursor layer 22 is irradiated for 0.3 milliseconds, for example, to raise the temperature of the carbon particles in the electrode precursor layer 22 to about 500 ° C. Can do. Here, since the melting point of PTFE used as the binder constituting the electrode precursor layer 22 is about 327 ° C., the binder constituting the electrode precursor layer 22 is melted by the above-described light irradiation to the electrode precursor layer 22. Thus, the electrode precursor layer 22 and the electrolyte membrane 10 are bound.

上記のように、ステップS140では、フラッシュランプの照射によって、電極前駆層22の内部でカーボン粒子を局所的に発熱させ、カーボン粒子と混合されて電極前駆層22内部に存在する結着剤を加熱・溶融させている。これに対して電解質膜10は、電極前駆層22とは別部材であって、電極前駆層22内のカーボン粒子とは離間して存在している。そのため、カーボン粒子が発熱する場合であっても、電解質膜10においては発熱の影響が少なくて済む。電解質膜10自身の光吸収率は、約35%であり、光照射によって電解質膜10自身が発熱することも少ない。特に、本実施例では、電解質膜10に導電性を与えるために混合する導電剤として、透明または白色の導電剤を用いており、導電剤に起因する電解質膜10の光吸収の増大を抑制している。   As described above, in step S140, the carbon particles are locally heated within the electrode precursor layer 22 by irradiation with a flash lamp, and the binder existing inside the electrode precursor layer 22 is heated by being mixed with the carbon particles.・ Melting. On the other hand, the electrolyte membrane 10 is a separate member from the electrode precursor layer 22 and is separated from the carbon particles in the electrode precursor layer 22. Therefore, even when the carbon particles generate heat, the electrolyte membrane 10 is less affected by heat generation. The light absorption rate of the electrolyte membrane 10 itself is about 35%, and the electrolyte membrane 10 itself hardly generates heat due to light irradiation. In particular, in this embodiment, a transparent or white conductive agent is used as a conductive agent to be mixed in order to give conductivity to the electrolyte membrane 10, and the increase in light absorption of the electrolyte membrane 10 due to the conductive agent is suppressed. ing.

なお、ステップS140では、フラッシュランプを用いた光照射によって結着剤を溶融させているが、この光照射量は、結着剤における多孔性がある程度残存するように調節されている。既述したように、電極前駆層22においては、ステップS120で造孔剤を除去することにより、結着剤を多孔質化している。ステップS140で加熱により結着剤を溶融させる際には、フラッシュランプにおける出力や照射時間を調節して、電極前駆層22における温度上昇の程度を制御することによって、結着剤における多孔性を残存させている。なお、光照射によって、結着剤の溶融は、完全溶融するのではなく一部溶融または表面の部分的な溶融であるため、結着剤の空隙が完全に無くなるわけではなく、空隙の一部あるいはかなりの部分が残存する。また、結着剤を溶融させた後の電極前駆層22においては、粉体状の触媒微粒子間の空隙が一部残存することによっても、電極前駆層22の多孔性が維持される。   In step S140, the binder is melted by light irradiation using a flash lamp, and the light irradiation amount is adjusted so that the porosity of the binder remains to some extent. As described above, in the electrode precursor layer 22, the binder is made porous by removing the pore forming agent in step S120. When the binder is melted by heating in step S140, the output in the flash lamp and the irradiation time are adjusted to control the degree of temperature rise in the electrode precursor layer 22, thereby leaving the porosity in the binder. I am letting. In addition, the melting of the binder by light irradiation is not complete melting but partial melting or partial melting of the surface. Or a considerable part remains. Further, in the electrode precursor layer 22 after the binder is melted, the porosity of the electrode precursor layer 22 is also maintained by leaving a part of the voids between the powdery catalyst fine particles.

次に、光定着を行なった電極前駆層22に対して、高分子電解質溶液を塗布・含浸させて(ステップS150)、燃料電池用電極を完成する。ステップS150で用いる高分子電解質溶液は、例えば、プロトン伝導性を有するフッ素系樹脂とすることができる。このような高分子電解質溶液は、例えば、電解質膜10と同種の電解質樹脂を含有する溶液とすることができる。電極前駆層22に対して高分子電解質溶液を塗布・含浸させる方法としては種々の方法を用いることができる。図2の(C)工程では、ステップS150に対応して、電極前駆層22上へと、電解質溶液塗布装置45から高分子電解質溶液24を滴下により塗布する様子を示している。このように、電極前駆層22に対して高分子電解質溶液を塗布することにより、高分子電解質溶液は、電極前駆層22が備える細孔内(結着剤が有する細孔内および溶融した触媒微粒子間に残存する空隙内)に含浸される。なお、ステップS150において電極を完成させる際には、高分子電解質溶液を塗布した後にさらに乾燥を行ない、高分子電解質溶液中の溶媒を除去すればよい。   Next, the electrode precursor layer 22 that has been subjected to photofixing is coated and impregnated with a polymer electrolyte solution (step S150) to complete a fuel cell electrode. The polymer electrolyte solution used in step S150 can be, for example, a fluorine resin having proton conductivity. Such a polymer electrolyte solution can be, for example, a solution containing an electrolyte resin of the same type as the electrolyte membrane 10. Various methods can be used as a method for applying and impregnating the polymer electrolyte solution to the electrode precursor layer 22. In FIG. 2 (C), the state in which the polymer electrolyte solution 24 is applied onto the electrode precursor layer 22 by dropping from the electrolyte solution applying device 45 is shown corresponding to step S150. Thus, by applying the polymer electrolyte solution to the electrode precursor layer 22, the polymer electrolyte solution can be contained in the pores of the electrode precursor layer 22 (in the pores of the binder and in the molten catalyst fine particles). It is impregnated in the voids remaining between them. In addition, when completing an electrode in step S150, after apply | coating a polymer electrolyte solution, it may dry further and the solvent in a polymer electrolyte solution may be removed.

上記のように、高分子電解質溶液は、電極前駆層22が備える細孔内に含浸されるが、このように細孔内に高分子電解質溶液が含浸された後に最終的に得られる電極において、多孔性がなお残存するように、ステップS150では高分子電解質溶液の塗布・含浸が行なわれる。燃料電池で発電が行なわれる際には、電極が備える触媒において、触媒を担持するカーボン粒子を介した電子の給排と、ステップS150で含浸させた高分子電解質を介したプロトンの給排と、電極活物質を含有するガスの給排と、が滞りなく行なわれる必要がある。このような触媒に対するガスの給排を確保するためには、電極が多孔質性を有することが望ましい。そのため、本実施例において電極を製造する際には、ステップS110で電極材料を調整する際に加える結着剤および造孔剤の量と、結着剤が溶融して多孔性が失われる程度に関わるステップS140における光照射量と、電極前駆層22の細孔が塞がれる程度に関わるステップS150における高分子電解質溶液の塗布量と、を調節して、所望の気孔率を有する電極とすることが望ましい。   As described above, the polymer electrolyte solution is impregnated in the pores of the electrode precursor layer 22, but in the electrode finally obtained after the polymer electrolyte solution is impregnated in the pores, In step S150, the polymer electrolyte solution is applied and impregnated so that the porosity still remains. When power generation is performed in the fuel cell, in the catalyst provided in the electrode, supply and discharge of electrons through the carbon particles carrying the catalyst, supply and discharge of protons through the polymer electrolyte impregnated in step S150, It is necessary to supply and discharge the gas containing the electrode active material without delay. In order to ensure supply / discharge of gas to / from such a catalyst, it is desirable that the electrode has a porous property. Therefore, when manufacturing an electrode in this embodiment, the amount of the binder and pore former added when adjusting the electrode material in step S110, and the degree of loss of porosity due to melting of the binder. By adjusting the light irradiation amount in step S140 involved and the application amount of the polymer electrolyte solution in step S150 related to the degree to which the pores of the electrode precursor layer 22 are blocked, an electrode having a desired porosity is obtained. Is desirable.

なお、図2では、電解質膜10を一定方向に搬送しつつ、スプレーガンを用いた触媒微粒子の静電的な塗布、フラッシュランプを用いた光定着、電解質溶液の塗布、の各工程を、一連の動作として順次行なう様子を表わしている。このような場合には、より大きな電解質膜10上に複数の電極を順次形成することができるため、複数の電極を形成した後に、電解質膜10を適宜切断すればよい。電極前駆層22に対して高分子電解質溶液の塗布・含浸を行なう方法として、図2に示すような電解質溶液塗布装置45からの滴下を行なう方法を採用する場合には、図2のような電極を製造するための一連の工程に容易に組み込むことができて、望ましい。図2では、電解質膜10の一方の面上に電極を形成する様子を示したが、一方の面に電極を形成した後には、他方の面にも同様にして電極を形成することにより、膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly、MEA)を作製することができる。燃料電池を組み立てる際には、上記膜−電極接合体のそれぞれの電極面上に、カーボンクロスなどの導電性多孔質体をガス拡散層として積層し、積層したガス拡散層上に、例えば溝付きセパレータをさらに積層して、ガス拡散層とセパレータとの間にガス流路が形成された単セルを作製すればよい。このような単セルを複数積層することにより、スタック構造を有する燃料電池を組み立てることができる。   In FIG. 2, the steps of electrostatic application of catalyst fine particles using a spray gun, photofixing using a flash lamp, and application of an electrolyte solution are carried out in series while the electrolyte membrane 10 is conveyed in a certain direction. The operation is sequentially performed as the operation. In such a case, since a plurality of electrodes can be sequentially formed on the larger electrolyte membrane 10, the electrolyte membrane 10 may be appropriately cut after forming the plurality of electrodes. When the method of applying and impregnating the polymer electrolyte solution to the electrode precursor layer 22 is adopted as a method of dropping from the electrolyte solution application device 45 as shown in FIG. 2, the electrode as shown in FIG. This is desirable because it can be easily incorporated into a series of steps for manufacturing the substrate. In FIG. 2, the state in which the electrode is formed on one surface of the electrolyte membrane 10 is shown. After the electrode is formed on one surface, the electrode is formed on the other surface in the same manner, thereby forming the membrane. -An electrode assembly (Membrane Electrode Assembly, MEA) can be produced. When assembling a fuel cell, a conductive porous body such as carbon cloth is laminated as a gas diffusion layer on each electrode surface of the membrane-electrode assembly, and, for example, a groove is provided on the laminated gas diffusion layer. A single cell in which a gas flow path is formed between the gas diffusion layer and the separator may be manufactured by further laminating the separator. By stacking a plurality of such single cells, a fuel cell having a stack structure can be assembled.

以上のように構成された本実施例の燃料電池用電極の製造方法によれば、電解質膜上に電極を形成する際に、静電的な方法を用いた電解質膜上への電極材料の塗布と、フラッシュランプによる光定着を利用した電解質膜への電極材料の定着とを組み合わせることにより、電極製造時の生産性を向上させると共に、電極および電極を組み込んだ燃料電池における耐久性を向上させることができる。   According to the method of manufacturing the fuel cell electrode of the present embodiment configured as described above, the electrode material is applied onto the electrolyte membrane using an electrostatic method when the electrode is formed on the electrolyte membrane. In combination with the fixing of the electrode material to the electrolyte membrane using light fixing with a flash lamp, the productivity at the time of manufacturing the electrode is improved and the durability of the fuel cell incorporating the electrode and the electrode is improved. Can do.

特に静電スプレー法は、粉体状の電極材料をスプレーして塗布する方法であるため、電極材料を電解質膜上に塗布する際に、電極材料をインク化してスプレーする場合のように溶媒を用いる必要がない。そのため、溶媒を使用することに起因する環境汚染への配慮を行なう必要がない。また、電極材料をインク化した触媒インクをスプレーする場合のように、塗布後に電極材料を乾燥させる必要がないため、製造工程を簡素化・短縮して、生産性を高めることができる。また、静電スプレー法は、粉体の電極材料を電解質膜上に塗布するため、塗布される電極材料の物性値がばらつくことが無く、電極材料を、より容易に均一に塗布することができる。これに対して、触媒インクをスプレーする場合には、調整したインクの粒度や粘度などの物性値が経時変化し得るため、インクの物性値変化に起因して触媒インクの目付量(塗布量)がばらつき、その結果、電池性能が低下したりばらついたりする可能性がある。さらに、静電スプレー法によれば、オーバースプレーされた粉体を容易に回収・再利用することができるため、電極材料の利用効率を高めることができる。   In particular, since the electrostatic spray method is a method of spraying and applying a powdered electrode material, when applying the electrode material on the electrolyte membrane, a solvent is used as in the case of spraying the electrode material into an ink. There is no need to use it. Therefore, it is not necessary to consider environmental pollution caused by using a solvent. In addition, since it is not necessary to dry the electrode material after application as in the case of spraying the catalyst ink in which the electrode material is converted to ink, the manufacturing process can be simplified and shortened to increase productivity. In addition, since the electrostatic spray method applies a powder electrode material onto the electrolyte membrane, the physical property value of the applied electrode material does not vary, and the electrode material can be more easily and uniformly applied. . On the other hand, when the catalyst ink is sprayed, physical properties such as the adjusted ink particle size and viscosity can change with time, so the basis weight of the catalyst ink (coating amount) due to changes in the physical properties of the ink. As a result, battery performance may be reduced or varied. Furthermore, according to the electrostatic spray method, the oversprayed powder can be easily collected and reused, so that the utilization efficiency of the electrode material can be increased.

また、粉体状の電極材料を静電的に塗布する他の方法として静電複写法があるが、本実施例における静電スプレー法は、静電複写法に比べて、より簡素で安価な装置によって、電極材料の塗布を行なうことができる。このように、静電スプレー法は、粉体を帯電させて塗布する機構が簡素であるために、粉体における帯電量のばらつきが生じにくく、塗布量のばらつきを抑え、電極性能を向上させることができる。これに対して静電複写法は、装置構造が複雑であるために、触媒微粒子の形状や粒度により帯電量のばらつきが発生し、これによって電解質膜上への付着量がばらついたり、付着面のスジが発生し、その結果、電極性能にばらつきが生じる場合がある。   There is an electrostatic copying method as another method for electrostatically applying a powdered electrode material. The electrostatic spraying method in this embodiment is simpler and less expensive than the electrostatic copying method. The electrode material can be applied by the apparatus. As described above, the electrostatic spray method has a simple mechanism for charging and applying powder, so that variation in the amount of charge in the powder is unlikely to occur, suppressing variation in the amount of application, and improving electrode performance. Can do. On the other hand, the electrostatic copying method has a complicated apparatus structure, so that the amount of charge varies depending on the shape and particle size of the catalyst fine particles, which causes the amount of adhesion on the electrolyte membrane to vary, As a result, streaks occur, and the electrode performance may vary.

また、本実施例では、塗布した電極材料を電解質膜上に定着させるために、フラッシュランプを利用した光定着を行なうため、短時間(例えば、0.3ミリ秒)の非接触加熱により、結着剤を溶融させて電極の定着を行なうことができる。上記短時間の加熱時間中は、例えば500℃の高温になるが、それ以外は100℃以下の低温下で処理が行なわれる。そのため、電極の定着のための加熱に起因する、電解質膜の熱による劣化を抑制し、電解質膜の耐久性を向上させることができる。これに対して、電解質膜上に塗布した電極材料を乾燥炉中で焼き付けて定着させる場合には、例えば、約320〜350℃の温度条件下で30分〜2時間程度加熱を行なう必要がある。このような場合には、加熱に起因する電解質膜の劣化が、無視できない程度となる可能性がある。さらに、本実施例のようにフラッシュランプを利用した光定着を行なう場合には、定着のための加熱時間が短くて済むため、電極を製造する際の生産性を高める効果を得ることができる。   Further, in this embodiment, in order to fix the applied electrode material on the electrolyte membrane, light fixing using a flash lamp is performed, so that the bonding is performed by non-contact heating for a short time (for example, 0.3 milliseconds). The electrode can be fixed by melting the adhesive. During the short heating time, the temperature is, for example, 500 ° C., but otherwise, the treatment is performed at a low temperature of 100 ° C. or less. Therefore, deterioration of the electrolyte membrane due to heat caused by heating for fixing the electrode can be suppressed, and durability of the electrolyte membrane can be improved. On the other hand, when the electrode material applied on the electrolyte membrane is baked and fixed in a drying furnace, for example, it is necessary to perform heating for about 30 minutes to 2 hours under a temperature condition of about 320 to 350 ° C. . In such a case, there is a possibility that the deterioration of the electrolyte membrane due to the heating is not negligible. Further, in the case where the optical fixing using the flash lamp is performed as in the present embodiment, the heating time for fixing can be shortened, so that the effect of increasing the productivity in manufacturing the electrode can be obtained.

また、本実施例では、電極が備えるべき高分子電解質を、高分子電解質以外の電極材料から成る多孔質な電極前駆層22を電解質膜10上に定着させた後に、定着させた電極前駆層22に塗布・含浸させることによって電極中に配置している。このように、定着の工程の後に高分子電解質溶液の塗布・含浸を行なうため、電極が備える高分子電解質が、定着の工程における加熱の影響を受けることが無く、加熱に起因して劣化することがない。したがって、電極の耐久性を向上させることができる。   In this embodiment, the electrode precursor layer 22 is fixed after the porous electrode precursor layer 22 made of an electrode material other than the polymer electrolyte is fixed on the electrolyte membrane 10. It is arranged in the electrode by applying and impregnating the electrode. As described above, since the polymer electrolyte solution is applied and impregnated after the fixing step, the polymer electrolyte included in the electrode is not affected by the heating in the fixing step and deteriorates due to the heating. There is no. Therefore, durability of the electrode can be improved.

さらに、本実施例によれば、透明あるいは白色の導電剤を混合して成る電解質膜10を用いているため、静電スプレー法により電極材料を塗布する工程において必要な導電性を、被塗布物である電解質膜10に付与すること、および、フラッシュランプを用いた光定着を行なう際に、電解質膜10における望ましくない温度上昇を抑制することを、両立することができる。また、本実施例では、電極が備える触媒金属を、カーボン粒子上に分散担持させているため、フラッシュランプを用いた光定着を行なうために、フラッシュランプの光を吸収させるための物質を電極材料に対して別途混合する必要がなく、光定着を採用することに起因して、電極材料の調整の工程や電極の構成が複雑化することがない。   Furthermore, according to the present embodiment, since the electrolyte membrane 10 formed by mixing a transparent or white conductive agent is used, the conductivity required in the step of applying the electrode material by the electrostatic spray method is improved. It is possible to achieve both application to the electrolyte membrane 10 and suppression of an undesired temperature rise in the electrolyte membrane 10 when performing photofixing using a flash lamp. Further, in this embodiment, since the catalyst metal included in the electrode is dispersedly supported on the carbon particles, a substance for absorbing the light of the flash lamp is used as the electrode material in order to perform light fixing using the flash lamp. Therefore, there is no need to mix them separately, and the use of photofixing does not complicate the electrode material adjustment process and the electrode configuration.

10…電解質膜
20…触媒微粒子
22…電極前駆層
24…高分子電解質溶液
30…スプレーガン
32…高電圧電源
40…フラッシュランプ
42…フラッシュ反射板
45…電解質溶液塗布装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Electrolyte membrane 20 ... Catalyst fine particle 22 ... Electrode precursor layer 24 ... Polymer electrolyte solution 30 ... Spray gun 32 ... High voltage power supply 40 ... Flash lamp 42 ... Flash reflector 45 ... Electrolyte solution coating apparatus

Claims (1)

固体高分子型燃料電池用電極の製造方法であって、
(a)高分子電解質から成る電解質膜を用意する工程と、
(b)カーボン粒子上に触媒を担持させた触媒粒子と、加熱により溶融可能となる結着剤と、造孔剤と、を混練した後に粉砕し、さらに前記造孔剤の除去を行なって前記結着剤を多孔質化し、多孔質化された前記結着剤が複数の前記触媒粒子間に介在して成る電極材料粉体を作製する工程と、
(c)前記電極材料粉体を、前記電解質膜上に静電スプレー法によって塗布し、塗布された前記電極材料粉体から成る電極前駆層を形成する工程と、
(d)前記電極前駆層に対して光照射を行ない、前記カーボン粒子を発熱させることによって、前記電極前駆層に含まれる前記結着剤を軟化させ、あるいは前記結着剤の一部を溶融させ、前記電極前駆層を前記電解質膜上に定着させる工程と、
(e)前記電解質膜上に定着させた前記電極前駆層に対して、高分子電解質溶液を塗布または含浸させる工程と
を備える燃料電池用電極の製造方法。
A method for producing a polymer electrolyte fuel cell electrode,
(A) preparing an electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte;
(B) The catalyst particles having the catalyst supported on the carbon particles, the binder that can be melted by heating, and the pore former are kneaded and then pulverized, and the pore former is removed, Making the binder porous, and producing the electrode material powder comprising the porous binder interposed between the plurality of catalyst particles;
(C) applying the electrode material powder onto the electrolyte membrane by electrostatic spraying to form an electrode precursor layer made of the applied electrode material powder;
(D) irradiating the electrode precursor layer with light to heat the carbon particles, thereby softening the binder contained in the electrode precursor layer or melting a part of the binder. Fixing the electrode precursor layer on the electrolyte membrane;
(E) A method for producing a fuel cell electrode, comprising: applying or impregnating a polymer electrolyte solution to the electrode precursor layer fixed on the electrolyte membrane.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015217611A (en) * 2014-05-19 2015-12-07 凸版印刷株式会社 Apparatus for manufacturing porous base material having resin layer and method for manufacturing porous base material having resin layer
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