JP2010257831A - Method of manufacturing fuel cell - Google Patents
Method of manufacturing fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010257831A JP2010257831A JP2009107949A JP2009107949A JP2010257831A JP 2010257831 A JP2010257831 A JP 2010257831A JP 2009107949 A JP2009107949 A JP 2009107949A JP 2009107949 A JP2009107949 A JP 2009107949A JP 2010257831 A JP2010257831 A JP 2010257831A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- catalyst ink
- ionomer
- manufacturing
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池を製造する技術に関する。 The present invention relates to a technique for manufacturing a fuel cell.
従来、燃料電池が知られている。燃料電池は、電解質膜の両面に電極が配置される膜電極接合体を備える。一方の電極に酸素を含む酸化ガス(例えば、空気)を供給し、他方の電極に燃料ガス(例えば、水素)を供給することにより、水素と酸素とを電気化学的に反応させて直接的に電気エネルギを取り出すことができる。 Conventionally, a fuel cell is known. The fuel cell includes a membrane electrode assembly in which electrodes are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane. By supplying an oxidizing gas (for example, air) containing oxygen to one electrode and supplying a fuel gas (for example, hydrogen) to the other electrode, the hydrogen and oxygen are reacted electrochemically and directly. Electrical energy can be extracted.
燃料電池を検査・評価するものとして、交流インピーダンス法が提案されている(下記特許文献1参照)。 An AC impedance method has been proposed as a method for inspecting and evaluating fuel cells (see Patent Document 1 below).
しかしながら、前記従来の技術では、燃料電池の良否を判定するだけであり、この良否の判定を行う技術を使っても、燃料電池に備えられる電極におけるアイオノマーの分布が適切な燃料電池を製造することができないという問題があった。 However, the conventional technology only determines the quality of the fuel cell, and a fuel cell with an appropriate ionomer distribution in the electrodes provided in the fuel cell can be manufactured even using this quality determination technology. There was a problem that could not.
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、電極におけるアイオノマーの分布が適切な燃料電池を製造する技術の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technique for manufacturing a fuel cell in which an ionomer distribution in an electrode is appropriate.
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、以下の適用例または形態として実現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 application examples or forms.
[適用例1] 燃料電池の製造方法であって、アイオノマーを含有する触媒インクを、所定の作成条件で作成する触媒インク作成工程と、前記触媒インクを用いて第1電極を作成する第1電極作成工程と、電解質膜の一方の面に前記第1電極が配置され、前記電解質膜の他方の面に第2電極が配置される膜電極接合体を作成する膜電極接合体作成工程と、前記膜電極接合体にガス拡散層およびセパレータが積層された燃料電池を作成する燃料電池作成工程と、前記燃料電池に備えられる膜電極接合体の交流インピーダンスを、周波数を変化させながら測定する測定工程と、前記測定工程により測定された周波数毎の交流インピーダンスに基づいて、前記第1電極における前記第1電極の厚さ方向の前記アイオノマーの分布を推定する推定工程と、前記推定工程により求められるアイオノマーの分布が目標分布となるように、前記触媒インク作成工程における前記作成条件を調整するフィードバック工程とを備える燃料電池の製造方法。 [Application Example 1] A fuel cell manufacturing method, in which a catalyst ink containing an ionomer is created under predetermined creation conditions, and a first electrode is created using the catalyst ink A membrane electrode assembly creating step for creating a membrane electrode assembly in which the first electrode is disposed on one surface of the electrolyte membrane and the second electrode is disposed on the other surface of the electrolyte membrane; A fuel cell production step for producing a fuel cell in which a gas diffusion layer and a separator are laminated on a membrane electrode assembly, and a measurement step for measuring the AC impedance of the membrane electrode assembly provided in the fuel cell while changing the frequency, An estimation step of estimating a distribution of the ionomer in the thickness direction of the first electrode in the first electrode based on the AC impedance for each frequency measured in the measurement step; It said estimation step as the distribution of the ionomer obtained is a target distribution by manufacturing method of a fuel cell and a feedback step of adjusting the production conditions in the catalyst ink making process.
適用例1に記載の燃料電池の製造方法によれば、燃料電池に備えられる第1電極における前記第1電極の厚さ方向のアイオノマーの分布が推定され、その推定結果が触媒インク作成工程における作成条件にフィードバックされることから、第1電極におけるアイオノマーの分布が目標分布に制御される。したがって、前記燃料電池の評価方法によれば、電極におけるアイオノマーの分布が適切な燃料電池を製造することができる。 According to the fuel cell manufacturing method described in Application Example 1, the ionomer distribution in the thickness direction of the first electrode in the first electrode provided in the fuel cell is estimated, and the estimation result is generated in the catalyst ink preparation process. Since it is fed back to the conditions, the ionomer distribution in the first electrode is controlled to the target distribution. Therefore, according to the fuel cell evaluation method, a fuel cell in which the ionomer distribution in the electrode is appropriate can be manufactured.
[適用例2] 適用例1に記載の燃料電池の製造方法において、前記所定の作成条件は、触媒インクの固形分の比率に関する条件であり、前記フィードバック工程は、前記触媒インクの固形分の比率を調整する構成を含む、燃料電池の製造方法。 [Application Example 2] In the fuel cell manufacturing method according to Application Example 1, the predetermined preparation condition is a condition related to a solid content ratio of the catalyst ink, and the feedback step includes a ratio of the solid content of the catalyst ink. The manufacturing method of a fuel cell including the structure which adjusts.
触媒インクの固形分の比率と、その触媒インクで作成される第1電極における第1電極の厚さ方向のアイオノマーの分布との間には相関がある。したがって、アイオノマーの分布の推定結果をフィードバックして触媒インクの固形分の比率を調整することで、第1電極におけるアイオノマーの分布を適切に制御することを容易に行うことができる。 There is a correlation between the solid content ratio of the catalyst ink and the ionomer distribution in the thickness direction of the first electrode in the first electrode made of the catalyst ink. Therefore, the ionomer distribution in the first electrode can be easily controlled appropriately by feeding back the estimation result of the ionomer distribution and adjusting the ratio of the solid content of the catalyst ink.
[適用例3] 適用例1に記載の燃料電池の製造方法において、前記所定の作成条件は、触媒インクの作成手順についての条件であり、前記フィードバック工程は、前記触媒インクの作成手順を変える構成を含む、燃料電池の製造方法。 Application Example 3 In the fuel cell manufacturing method according to Application Example 1, the predetermined creation condition is a condition for a catalyst ink creation procedure, and the feedback step changes the catalyst ink creation procedure. A method for producing a fuel cell, comprising:
触媒インクの作成手順と、その触媒インクで作成される第1電極における第1電極の厚さ方向のアイオノマーの分布との間には相関がある。したがって、アイオノマーの分布の推定結果をフィードバックして触媒インクの作成手順を調整することで、第1電極におけるアイオノマーの分布を適切に制御することを容易に行うことができる。 There is a correlation between the preparation procedure of the catalyst ink and the ionomer distribution in the thickness direction of the first electrode in the first electrode prepared with the catalyst ink. Therefore, it is possible to easily control the ionomer distribution in the first electrode by feeding back the estimation result of the ionomer distribution and adjusting the preparation procedure of the catalyst ink.
[適用例4] 適用例1に記載の燃料電池の製造方法において、前記所定の作成条件は、触媒インクの作成に使用される溶媒のSP値についての条件であり、フィードバック工程は、前記溶媒のSP値を調整する構成を含む、燃料電池の製造方法。 [Application Example 4] In the method of manufacturing a fuel cell according to Application Example 1, the predetermined preparation condition is a condition regarding an SP value of a solvent used for preparation of the catalyst ink. A method for manufacturing a fuel cell, including a configuration for adjusting an SP value.
触媒インクの作成に使用される溶媒のSP値と、その触媒インクで作成される第1電極における第1電極の厚さ方向のアイオノマーの分布との間には相関がある。したがって、アイオノマーの分布の推定結果をフィードバックして溶剤のSP値を調整することで、第1電極におけるアイオノマーの分布を適切に制御することを容易に行うことができる。 There is a correlation between the SP value of the solvent used in the preparation of the catalyst ink and the ionomer distribution in the thickness direction of the first electrode in the first electrode prepared with the catalyst ink. Therefore, it is possible to easily control the ionomer distribution in the first electrode by feeding back the estimation result of the ionomer distribution and adjusting the SP value of the solvent.
[適用例5] 適用例1ないし4のいずれかに記載の燃料電池の製造方法において、前記推定工程は、前記燃料電池に備えられる膜電極接合体の第1電極に不活性ガスを導入した状態で前記測定を行う構成である、燃料電池の製造方法。 [Application Example 5] In the method of manufacturing a fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 4, in the estimation step, an inert gas is introduced into the first electrode of the membrane electrode assembly provided in the fuel cell. A method for manufacturing a fuel cell, which is configured to perform the measurement.
適用例5に記載の燃料電池の評価方法によれば、厚さ方向におけるアイオノマーの分布を正確に推定することができる。 According to the fuel cell evaluation method described in Application Example 5, the ionomer distribution in the thickness direction can be accurately estimated.
[適用例6] 適用例1ないし5のいずれかに記載の燃料電池の製造方法において、前記推定工程は、前記測定工程により測定された各周波数における交流インピーダンスを複素平面に入れ込んだ各プロット点から複素インピーダンスプロット曲線を求める工程と、前記複素インピーダンスプロット曲線に基づいて、前記第1電極における前記第1電極の厚さ方向の前記アイオノマーの分布を推定する工程とを備える、燃料電池の製造方法。 [Application Example 6] In the method of manufacturing a fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 5, the estimation step includes plot points each including an AC impedance at each frequency measured in the measurement step in a complex plane. A method for producing a fuel cell, comprising: obtaining a complex impedance plot curve from: and estimating a distribution of the ionomer in the thickness direction of the first electrode on the first electrode based on the complex impedance plot curve. .
適用例6に記載の燃料電池の製造方法によれば、厚さ方向におけるアイオノマーの分布を正確に推定することができる。 According to the fuel cell manufacturing method described in Application Example 6, it is possible to accurately estimate the ionomer distribution in the thickness direction.
なお、本発明は、前記した燃料電池の製造方法の他、膜電極接合体の製造方法、または、燃料電池用電極の製造方法等、他の方法発明の態様で実現することも可能である。また、方法発明の態様に限ることなく、装置発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、前記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。 The present invention can also be realized in other aspects of the method invention, such as a method for manufacturing a membrane electrode assembly or a method for manufacturing a fuel cell electrode, in addition to the above-described method for manufacturing a fuel cell. Further, the present invention is not limited to the aspect of the method invention, and can be realized as an aspect of the apparatus invention. Further, aspects as a computer program for constructing these methods and apparatuses, aspects as a recording medium recording such a computer program, data signals embodied in a carrier wave including the computer program, etc. It can also be realized in various ways.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A.第1実施例:
本発明の第1実施例としての燃料電池の製造方法について、次に説明する。燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックとして構成されるが、ここでは、その一つの燃料電池セルの製造方法として本発明が適用されるものとする。燃料電池セルは、固体高分子型のもので、酸化ガス(例えば、空気)と、燃料ガス(例えば、水素)とを用いて、発電を行う。
A. First embodiment:
Next, a method for manufacturing a fuel cell as a first embodiment of the present invention will be described. A fuel cell is generally configured as a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. Here, the present invention is applied as a method for manufacturing one fuel cell. The fuel cell is of a solid polymer type and generates power using an oxidizing gas (for example, air) and a fuel gas (for example, hydrogen).
A−1.燃料電池セルの構成:
図1は、この燃料電池の製造方法により製造される燃料電池セルCLの概略構成を表す断面模式図である。燃料電池セルCLは、膜電極接合体(以下、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ぶ)50と、ガス拡散層60、70と、セパレータ80、90と、シール部材110とを備える。
A-1. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell CL manufactured by this fuel cell manufacturing method. The fuel cell CL includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly)) 50,
MEA50は、電解質膜51と、電解質膜51の一方の面に配置されるカソード52と、電解質膜51の他方の面に配置されるアノード53とにより構成される。カソード52が適用例における「第1電極」に相当し、アノード53が適用例における「第2電極」に相当する。
The
電解質膜51は、固体高分子材料、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であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。なお、電解質膜51は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。
The
カソード52およびアノード53は、触媒金属担持担体とアイオノマーとを含有する。「触媒金属担持担体」とは、担体(カーボンブラック、ケッチェンブラックなど)に触媒金属(白金、パラジウムなど)が担持されたものである。「アイオノマー」とは、プロトン伝導性を有する電解質(例えば、フッ素系樹脂)である。なお、アイオノマーは、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。
The
ガス拡散層60はMEA50の一方の面に配置され、ガス拡散層70はMEA50の他方の面に配置される。各ガス拡散層60、70は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。
The
燃料電池セルCLにおいて各部材を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。積層方向は、燃料電池セルCLの各部材の厚さ方向と同一の方向である。 A direction in which the members are stacked in the fuel cell CL is also referred to as a stacking direction. The stacking direction is the same direction as the thickness direction of each member of the fuel cell CL.
セパレータ80、90は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ80は、片面において凸部82aと凹部82bとが交互に形成された凹凸形状を有している。そして、セパレータ80において、凸部82aは、ガス拡散層60(カソード52または電解質膜51)を押圧し、凹部82bは、ガス拡散層60との間にガス拡散層60(カソード52)に対して酸化ガスを給排するためセル内流路82を形成する。また、セパレータ90は、片面において凸部92aと凹部92bとが交互に形成された凹凸形状を有している。セパレータ90において、凸部92aは、ガス拡散層70(アノード53または電解質膜51)を押圧し、凹部92bは、ガス拡散層70との間にガス拡散層70(アノード53)に対して燃料ガスを給排するためセル内流路92を形成する。
The
各セパレータ80、90は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部103〜106を備えている。各セパレータ80、90を、MEA50およびガス拡散層60、15と共に積層して燃料電池を組み立てると、積層された各セパレータ80、90の対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。具体的には、孔部103は、酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部104は、酸化ガス排出マニホールドを形成し、孔部105は、燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部106は、燃料ガス排出マニホールドを形成する。酸化ガス供給マニホールドは、セル内流路82に酸化ガスを導入するための流路であり、酸化ガス排出マニホールドは、セル内流路82から酸化ガスを排出するための流路である。燃料ガス供給マニホールドは、セル内流路92に燃料ガスを導入するための流路であり、燃料ガス排出マニホールドは、セル内流路92から燃料ガスを排出すための流路である。
Each
シール部材110は、燃料電池セルCLにおいて、セル内流路82、セル内流路92、および前記各マニホールド周辺に配設され、セル内流路82、セル内流路92、および前記各マニホールドのガスシール性を確保する。
In the fuel cell CL, the
A−2.燃料電池セルCLの製造方法:
図2は、本実施例における燃料電池セルCLの製造方法を示すフローチャートである。この燃料電池セルCLの製造方法は、所定の作業者によって行われる。また、この製造方法を実行する際の雰囲気温度は23℃である。
A-2. Manufacturing method of fuel cell CL:
FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the fuel cell CL in the present embodiment. The manufacturing method of the fuel cell CL is performed by a predetermined operator. Moreover, the atmospheric temperature at the time of performing this manufacturing method is 23 degreeC.
図示するように、作業者は、まず、電解質(例えば、フッ素系樹脂)と、溶媒(例えば、水、アルコール等)と、触媒金属担持担体(例えば、ケッチェンブラックに白金が担持されたもの)と、テフロン(登録商標)製の基材とを用意する(ステップS110)。次に、作業者は、ステップS110で用意した電解質、溶媒、および触媒金属担持担体を混合させ、触媒インクを作成する(ステップS120)。 As shown in the figure, the worker firstly has an electrolyte (for example, a fluorine resin), a solvent (for example, water, alcohol, etc.), and a catalyst metal support (for example, platinum supported on Ketjen Black). And a Teflon (registered trademark) base material are prepared (step S110). Next, the operator mixes the electrolyte, the solvent, and the catalyst metal-supported carrier prepared in Step S110 to create a catalyst ink (Step S120).
続いて、作業者は、ステップS110で用意した基材上にステップS120で作成した触媒インクをデカール法で塗工して、層状インクを形成する(ステップS130)。続いて、作業者は、層状インク上に熱風発生装置(図示せず)により熱風を流し乾燥させ、カソード52を作成する(ステップS140)。この結果、電解質であるアイオノマーと触媒金属担持担体とを含有するカソード52が作成される。
Subsequently, the operator applies the catalyst ink created in step S120 on the base material prepared in step S110 by a decal method to form a layered ink (step S130). Subsequently, the operator creates
その後、作業者は、予め用意したアノード53と電解質膜51とを用意し(ステップS150)、電解質膜51を、ステップS140で作成したカソード52と前記アノード53とで挟持することで、MEA50を作成する(MEA化:ステップS160)。なお、アノード53の作成方法については本発明には直接関係ないので、ここでは省略するが、周知の方法によって作成される。MEA化は、電解質膜51の両面にカソード52とアノード53とを配置した状態でホットプレスすることにより行う。また、このホットプレスの際の電解質膜51に対するカソード52の位置関係、および電解質膜51に対するアノード53の位置関係は、このステップS160を実行する毎回、同一である、ここでは、電解質膜に対してカソードは下側に位置し、電解質膜に対してアノードは上側に位置するように定められている。
Thereafter, the operator prepares the
続いて、作業者は、前記製造したMEA50を用いて、燃料電池セルCLを作成する(ステップS170)。具体的には、ガス拡散層60、70、セパレータ80、90、およびシール部材110を用意し、ステップS160で作成したMEA50の周囲にシール部材110を配置し、それらをセパレータ80、90で挟持することにより、燃料電池セルCLを作成する。
Subsequently, the worker creates fuel cell CL using the manufactured MEA 50 (step S170). Specifically, the gas diffusion layers 60 and 70, the
その後、作業者は、ステップS170で作成した燃料電池セルCLのカソード52に不活性ガスとしての窒素(あるいはアルゴン等)を、アノード53に活性ガスとしての水素を導入し、封入する(ステップS180)。燃料電池セルCLに導入する水素および窒素は、相対湿度が、0.1〜60%の範囲内である低湿度なガスを用いている。この場合、水素および窒素は、相対湿度が、10〜20%の範囲内であることが特に好ましい。また、燃料電池セルCLに導入する水素および窒素の温度は、23℃程度としている。次いで、作業者は、燃料電池セルCLの評価を行う(ステップS190)。
Thereafter, the operator introduces nitrogen (or argon or the like) as an inert gas into the
ステップS190における燃料電池セルCLの評価は、燃料電池評価装置10を用いて行う。図3は、燃料電池評価装置10の概略構成を燃料電池セルCLとともに示す説明図である。図示するように、燃料電池評価装置(以下、単に「評価装置」とも呼ぶ)10は、2組の配線20、30により燃料電池セルCLと接続されている。
The evaluation of the fuel cell CL in step S190 is performed using the fuel
評価装置10は、第1の配線20を介して燃料電池セルCLに交流電流を流し、第2の配線30を介して燃料電池セルCLの交流インピーダンスを測定し、その測定の結果から、燃料電池セルCLの内部状態を評価(推定)する。
The
評価装置10は、CPU12、ROM14、RAM16、入出力制御部18、および表示部19等を備えている。CPU12は、ROM14に予め記憶されたプログラム(後述する燃料電池セル評価処理を記述したプログラム)に従う処理を実行することにより、上述した燃料電池セルCLの内部状態の評価を行う。評価結果は、入出力制御部18を介して表示部19に表示される。なお、表示部19による表示に換えて、評価結果を音声等、別の手法で報知する構成としてもよい。
The
図4は、評価装置10で実行される燃料電池セル評価処理を示すフローチャートである。図示するように、評価装置10のCPU12は、処理が開始されると、まず、燃料電池セルCLに周波数を所定間隔で変化させつつ、交流電流を流し、各周波数において燃料電池セルCLの交流インピーダンスを検出(測定)する(ステップS310)。
FIG. 4 is a flowchart showing a fuel cell evaluation process executed by the
図5は、燃料電池のサイクリックボルタモグラムを示す説明図である。縦軸が電流値[A]を示し、横軸が電圧[V]を示す。サイクリックボルタモグラムは、電流−電圧曲線として示される。図中の1点鎖線で示した領域が、電気2重層領域(約0.3〜0.5V)である。ステップS110の処理においては、図5に示す電気2重層領域(約0.3〜0.5V)内の電圧を印加し、電気2重層領域内の電流値でもって交流電流を供給する。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing a cyclic voltammogram of the fuel cell. The vertical axis represents the current value [A], and the horizontal axis represents the voltage [V]. The cyclic voltammogram is shown as a current-voltage curve. A region indicated by a one-dot chain line in the figure is an electric double layer region (about 0.3 to 0.5 V). In the process of step S110, a voltage in the electric double layer region (about 0.3 to 0.5 V) shown in FIG. 5 is applied, and an alternating current is supplied with a current value in the electric double layer region.
図3に戻って、ステップS310の実行後、CPU12は、ステップS310で検出した交流インピーダンスに基づいて、燃料電池セルCLについての複素インピーダンスプロット曲線Vを算出する(ステップS320)。複素インピーダンスプロット曲線は、単に「複素インピーダンスプロット」と呼ばれることもあり、また、「コール・コールプロット」とも呼ばれる。複素インピーダンスプロット曲線Vは、次の通りのものである。
Returning to FIG. 3, after executing step S310, the
図6は、複素インピーダンスプロット曲線Vを示すグラフである。図6において、縦軸は、交流インピーダンスの虚部値Z2を表しており、以下では「虚部軸」とも呼び、横軸は、交流インピーダンスの実部値Z1を表しており、以下では「実部軸」とも呼ぶ。複素インピーダンスプロット曲線Vは、虚部軸と実部軸とで形成される平面(以下では「複素平面」とも呼ぶ)上に、ステップS310で検出された各周波数における交流インピーダンスを入れ込み(プロットし)、それら入れ込んだ点(プロット点)に基づいて作成される曲線(近似曲線)である。 FIG. 6 is a graph showing a complex impedance plot curve V. In FIG. 6, the vertical axis represents the imaginary part value Z2 of the AC impedance, and is hereinafter also referred to as “imaginary part axis”, and the horizontal axis represents the real part value Z1 of the AC impedance. Also called “partial axis”. The complex impedance plot curve V inserts (plots) the AC impedance at each frequency detected in step S310 on a plane formed by the imaginary part axis and the real part axis (hereinafter also referred to as “complex plane”). , A curve (approximate curve) created based on the inserted points (plot points).
図示において、複素インピーダンスプロット曲線Vは実線で示されている。図中の四角形がプロット点である。複素インピーダンスプロット曲線Vにおける各地点は、左下側ほど高周波となっている。なお、虚部軸と実部軸の各スケールは、それぞれ同一の大きさで描かれている。すなわち、図6において、複素インピーダンスプロット曲線Vは、実部軸と虚部軸のそれぞれにおいて、同じだけ値が変化した時に、軸上の位置が同じだけ変化する。また、図6において、複素インピーダンスプロット曲線Vには、転換点Pが示されている。 In the drawing, the complex impedance plot curve V is shown by a solid line. Squares in the figure are plot points. Each point in the complex impedance plot curve V has a higher frequency toward the lower left side. Note that the scales of the imaginary part axis and the real part axis are drawn in the same size. That is, in FIG. 6, when the value of the complex impedance plot curve V changes in the real part axis and the imaginary part axis by the same amount, the position on the axis changes by the same amount. In FIG. 6, the turning point P is shown in the complex impedance plot curve V.
図6に示す転換点Pは、複素インピーダンスプロット曲線Vにおいて、関数の性質が変わる境界点であり、すなわち、複素インピーダンスプロット曲線Vにおいて、カソード52のイオン伝導抵抗の影響を大きく受ける領域と、イオン伝導抵抗の影響をほとんど受けない領域との境界点である。言い換えれば、転換点Pは、複素インピーダンスプロット曲線Vにおいて、接線の傾き(実部値Z1に対する虚部値Z2の変化量)が所定の閾値以上となった点である。この閾値は、燃料電池の具体的な設計、例えば、下記(イ)〜(ハ)等に基づき予め設定される。
(イ)燃料電池セルにおいて、カソードの製造方法(触媒インクの分散手法、塗工方法等)。
(ロ)カソード中のアイオノマーの種類、分量、厚さ方向および面方向の分布状態。
(ハ)カソード中の触媒金属担持担体の種類、粒径。
The turning point P shown in FIG. 6 is a boundary point where the property of the function changes in the complex impedance plot curve V, that is, in the complex impedance plot curve V, the region greatly affected by the ion conduction resistance of the
(A) In a fuel cell, a cathode manufacturing method (catalyst ink dispersion method, coating method, etc.).
(B) The type, amount, thickness direction and surface direction of the ionomer in the cathode.
(C) The type and particle size of the catalyst metal support in the cathode.
図4に戻って、ステップS320の実行後、CPU12は、ステップS320で算出した複素インピーダンスプロット曲線Vに基づいて、燃料電池セル(MEA)のカソード52における厚さ方向のアイオノマーの分布を推定する(ステップS330)。ここで、「厚さ方向」とはカソード52の厚さ方向である。
Returning to FIG. 4, after execution of step S320, the
図7は、複素インピーダンスプロット曲線Vにおいて転換点P付近を拡大した図である。前記アイオノマーの分布の推定は、複素インピーダンスプロット曲線Vにおける、転換点Pよりも高周波側の所定点における接線と実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて推定される。具体的には、以下の考えに基づき、推定が行なわれる。なお、前記「転換点Pより高周波側」とは、例えば、10Hz〜1kHzの範囲をいう。 FIG. 7 is an enlarged view of the vicinity of the turning point P in the complex impedance plot curve V. FIG. The distribution of the ionomer is estimated based on an angle θ of an angle formed by a tangent line at a predetermined point on the higher frequency side than the turning point P and a line segment parallel to the real part axis in the complex impedance plot curve V. The Specifically, the estimation is performed based on the following idea. The “higher frequency side than the turning point P” refers to a range of 10 Hz to 1 kHz, for example.
すなわち、角度θが45°±α(α:誤差定数)の範囲内で場合には、カソードの厚さ方向において、アイオノマーのイオン伝導抵抗がほぼ均一であると考えられ、角度θが45°+αよりも大きい場合には、カソードの厚さ方向において、電解質膜側におけるアイオノマーのイオン伝導抵抗がガス拡散層側より低い状態であると考えられ、一方、角度θが45°−αよりも小さい場合には、カソードの厚さ方向において、電解質膜側におけるアイオノマー膜のイオン伝導抵抗がガス拡散層側より高い状態であると考えられる。誤差定数αは、微小な正の値であればよく、例えば、0.1〜1.0の範囲内の値をとる。 That is, when the angle θ is within a range of 45 ° ± α (α: error constant), it is considered that the ion conduction resistance of the ionomer is almost uniform in the thickness direction of the cathode, and the angle θ is 45 ° + α. In the cathode thickness direction, it is considered that the ion conduction resistance of the ionomer on the electrolyte membrane side is lower than that on the gas diffusion layer side, while the angle θ is smaller than 45 ° -α. It is considered that the ion conduction resistance of the ionomer film on the electrolyte membrane side is higher than that on the gas diffusion layer side in the thickness direction of the cathode. The error constant α may be a minute positive value, and takes a value in the range of 0.1 to 1.0, for example.
したがって、CPU12は、角度θが45°±αの範囲内である場合には、カソードの厚さ方向において、略均一にアイオノマーが分布している(以下、このアイオノマー分布を「パターンA」と呼ぶ)と推定し、角度θが45°+αよりも大きい場合には、カソードの厚さ方向において、ガス拡散層60側よりも電解質膜51側にアイオノマーが多く分布している(以下、このアイオノマー分布を「パターンB」と呼ぶ)と推定し、角度θが45°−αよりも小さい場合には、カソードの厚さ方向において、電解質膜51側よりもガス拡散層60側にアイオノマーが多く分布している(以下、このアイオノマー分布を「パターンC」と呼ぶ)と推定する。
Therefore, when the angle θ is within the range of 45 ° ± α, the
次に、CPU12は、ステップS330により求められたアイオノマー分布を評価結果として、入出力制御部18を介して表示部19に表示する(ステップS340)。すなわち、表示部19には、前記パターンAないしCのいずれに該当するかが表示される。ステップS340の実行後、この燃料電池セル評価処理を終了する。
Next, the
図2のステップS190では、作業者は、燃料電池評価装置10の表示部19に表示された評価結果から、燃料電池セルCLのアイオノマー分布を知ることができる。ここで言う「アイオノマー分布」とは、前述したように、カソード52における厚さ方向のアイオノマーの分布である。本明細書では、単に「アイオノマー分布」あるいは「アイオノマーの分布」と呼ぶ場合にも、カソードにおける厚さ方向のアイオノマーの分布を意味するものとする。
In step S190 in FIG. 2, the operator can know the ionomer distribution of the fuel cell CL from the evaluation result displayed on the
続いて、作業者は、燃料電池評価装置10により得られた評価結果が、予め意図したアイオノマー分布(以下、「目標分布」と呼ぶ)と一致するか否かを判定する(ステップS200)。ここで、一致すると判定された場合には、作業者は、ステップS170で製造した燃料電池セルCLは好適であるとして、燃料電池セルCLは完成したものとする。燃料電池の場合、カソードの厚さ方向のアイオノマー分布は、前記パターンAないしCのいずれとなるのが良好であるか一義的に定まるものではなく、使用の態様等によりいずれのパターンが良好であるかが変わってくる。この実施例では、アイオノマー分布が略均一となるパターンAを目標分布として、ステップS200ではその目標分布と一致しているかを判定している。
Subsequently, the operator determines whether or not the evaluation result obtained by the fuel
一方、ステップS200で、燃料電池評価装置10により得られた評価結果がパターンAでないと判定された場合には、作成した燃料電池セルCLは意図したものでないということであるから、作業者は、ステップS170で作成した燃料電池セルCLを廃棄し(ステップS210)、触媒インクを新たに作成する新触媒インク作成処理を実行する(ステップS220)。その後、作業者は、ステップS130の処理に戻ってステップS130ないしS170を実行し直すことにより、新触媒インク作成処理で作成した新たな触媒インクを用いて燃料電池セルCLを作成し直す。
On the other hand, if it is determined in step S200 that the evaluation result obtained by the fuel
その後、作業者は、ステップS180以降の処理も再度実行することで、作成し直した新たな燃料電池セルCLが適切であるか評価する。そうしてステップS200〜S220、ステップS130〜200を繰り返すことで、アイオノマー分布が目標分布となった燃料電池セルを製造する。 Thereafter, the operator evaluates whether or not the newly-created new fuel cell CL is appropriate by executing the processing after step S180 again. Then, by repeating Steps S200 to S220 and Steps S130 to 200, a fuel cell in which the ionomer distribution becomes the target distribution is manufactured.
図8は、新触媒インク作成処理を示すフローチャートである。図示するように、作業者は、まず、ステップS110(図2)の処理と同様に、電解質(例えば、フッ素系樹脂)と、溶媒(例えば、水、アルコール等)と、触媒金属担持担体(例えば、ケッチェンブラックに白金が担持されたもの)と、テフロン(登録商標)製の基材とを用意する(ステップS410)。 FIG. 8 is a flowchart showing a new catalyst ink creation process. As shown in the figure, the operator firstly, as in the process of step S110 (FIG. 2), an electrolyte (for example, a fluororesin), a solvent (for example, water, alcohol, etc.), and a catalyst metal-supporting carrier (for example, And ketjen black carrying platinum) and a Teflon (registered trademark) base material are prepared (step S410).
次いで、作業者は、ステップS190により得られた評価結果が、パターンBとパターンCのうちのいずれであるか、すなわちアイオノマーがいずれの側に多く偏在しているかを判定する(ステップS420)。ここで、ガス拡散層60側に多く偏在していると判定された場合には、作業者は、触媒インクの固形分の比率が前回作成した触媒インク(ここでは、ステップS110で作成した際の触媒インク)よりも高くなった触媒インクを作成する(ステップS430)。ここで、「固形分の比率」とは、溶質重量(触媒金属担持担体とアイオノマーとの重量)をインク全体の重量で除した値であり、例えば百分率で示される。「固形分の比率」を、以下「固形分比率」と呼ぶ。触媒インクの作成は、ステップS410で用意した電解質と溶媒と触媒金属担持担体とを混合させることで行なわれるが、ここでは、溶媒の量を調整して固形分比率を高めている。
Next, the operator determines whether the evaluation result obtained in step S190 is either pattern B or pattern C, that is, on which side the ionomer is unevenly distributed (step S420). Here, when it is determined that the
本発明者は、触媒インクの固形分比率は、カソードにおける厚さ方向のアイオノマー分布と相関があることを知見した。そこで、本実施例では、触媒インクの固形分比率を変えることで、カソードにおける厚さ方向のアイオノマー分布を制御している。固形分比率を変えることで、前記アイオノマー分布を制御することが可能となることは、次の確認試験の結果から明らかである。 The present inventor has found that the solid content ratio of the catalyst ink correlates with the ionomer distribution in the thickness direction at the cathode. Therefore, in this embodiment, the ionomer distribution in the thickness direction at the cathode is controlled by changing the solid content ratio of the catalyst ink. It is clear from the results of the following confirmation test that the ionomer distribution can be controlled by changing the solid content ratio.
図9は、触媒インクの固形分比率と複素インピーダンスプロット曲線Vにおける接線の角度θとの関係を示す表TBL1についての図である。図示するように、本発明者は、「確認試験1」、「確認試験2」、「確認試験3」の3通りの確認試験を行った。各確認試験では、表TBL1で示される固形分比率の触媒インクを作成し、その作成した触媒インクを用いて燃料電池セルを作成し、その燃料電池セルについてのアイオノマー分布を評価する。この評価は、前述した燃料電池評価装置10と同様な原理にて行うもので、複素インピーダンスプロット曲線Vにおける接線の前述した角度θを検出する。
FIG. 9 is a diagram for Table TBL1 showing the relationship between the solid content ratio of the catalyst ink and the tangent angle θ in the complex impedance plot curve V. FIG. As shown in the figure, the present inventor conducted three kinds of confirmation tests, “confirmation test 1”, “confirmation test 2”, and “confirmation test 3”. In each confirmation test, a catalyst ink having a solid content ratio shown in Table TBL1 is created, a fuel cell is created using the created catalyst ink, and an ionomer distribution of the fuel cell is evaluated. This evaluation is performed based on the same principle as that of the fuel
なお、確認試験1〜3のそれぞれでは、触媒金属担体として、45質量%の白金を担持した炭素微粒子(ケッチェンブラックEC:ケッチェンブラック・インターナショナル社製)1gを用い、電解質として、高分子電解質(SE20092:デュポン社製)2.2gを用いている。表TBL1から、触媒インクの固形分比率が5パーセントであるとき、前記角度θは36度となり、触媒インクの固形分比率が10パーセントであるとき、前記角度θは42度となり、触媒インクの固形分比率が20パーセントであるとき、前記角度θは45度となることがわかる。なお、触媒インクの固形分比率は20%を上回ると、粘度が高すぎて塗工精度が低くなることから、本実施例では、触媒インクの固形分比率は最大20%とした。 In each of the confirmation tests 1 to 3, 1 g of carbon fine particles (Ketjen Black EC: manufactured by Ketjen Black International Co.) carrying 45% by mass of platinum was used as the catalyst metal carrier, and the polymer electrolyte was used as the electrolyte. (SE20092: manufactured by DuPont) 2.2 g is used. From Table TBL1, when the solid content ratio of the catalyst ink is 5%, the angle θ is 36 degrees, and when the solid content ratio of the catalyst ink is 10%, the angle θ is 42 degrees, It can be seen that when the fraction is 20 percent, the angle θ is 45 degrees. If the solid content ratio of the catalyst ink exceeds 20%, the viscosity is too high and the coating accuracy becomes low. Therefore, in this embodiment, the maximum solid content ratio of the catalyst ink is set to 20%.
触媒インクの固形分比率が下がった場合には、単位体積当たりの溶媒量が増加することから、アイオノマーが溶媒中に存在する量が増えることが予想される。このため、塗工、乾燥の際に溶媒とともに移動するアイオノマー量が増えるので、アイオノマー分布が偏在しやすいと推定される。これに対して、触媒インクの固形分比率が適切である場合には、アイオノマーが移動しにくいので、アイオノマー分布は均一となる。 When the solid content ratio of the catalyst ink decreases, the amount of solvent per unit volume increases, so that the amount of ionomer present in the solvent is expected to increase. For this reason, the amount of ionomer that moves with the solvent during coating and drying increases, and it is estimated that the ionomer distribution tends to be unevenly distributed. On the other hand, when the solid content ratio of the catalyst ink is appropriate, the ionomer is difficult to move, so that the ionomer distribution is uniform.
上記確認試験1〜3と上記考察から、下記の(I)、(II)のことがわかる。
(I)触媒インクの固形分比率を所定値Sa以上とすることで、カソードにおける厚さ方向のアイオノマー分布を略均一とすることができること。ここで、所定値Saは、20%を下回る、20%に近い値である。
(II)触媒インクの固形分比率を所定値Saを下回る範囲内で調整することで、前記アイオノマー分布を、略均一の状態からガス拡散層側に多く偏在する状態まで任意に制御することができること。
From the above confirmation tests 1 to 3 and the above consideration, the following (I) and (II) can be understood.
(I) By setting the solid content ratio of the catalyst ink to a predetermined value Sa or more, the ionomer distribution in the thickness direction at the cathode can be made substantially uniform. Here, the predetermined value Sa is less than 20% and close to 20%.
(II) By adjusting the solid content ratio of the catalyst ink within a range below the predetermined value Sa, the ionomer distribution can be arbitrarily controlled from a substantially uniform state to a state in which it is unevenly distributed on the gas diffusion layer side. .
そこで、ステップS430では、詳しくは、作業者は、前回作成した触媒インクの固形分比率SIよりも所定値ΔSIだけ高い固形分比率を備える触媒インクを作成する。ここで、「前回作成した触媒インク」とは、初めてこの新触媒インク作成処理を実行したときには、ステップS110で作成した触媒インクのことであり、2回目以降にこの新触媒インク作成処理を実行したときには、新触媒インク作成処理の前回実行時にステップS430で作成した触媒インクのことである。所定値ΔSIは、微小な値であり、例えば2%である。 Therefore, in step S430, in detail, the operator creates a catalyst ink having a solid content ratio that is higher by a predetermined value ΔSI than the solid content ratio SI of the previously created catalyst ink. Here, the “previously created catalyst ink” is the catalyst ink created in step S110 when the new catalyst ink creation process is executed for the first time, and this new catalyst ink creation process was executed for the second and subsequent times. Sometimes it is the catalyst ink created in step S430 at the previous execution of the new catalyst ink creation process. The predetermined value ΔSI is a minute value, for example, 2%.
一方、ステップS420で、評価結果が、アイオノマー分布がガス拡散層60側に多く偏在していると判定された場合には、作業者は、固形分比率が20%である触媒インクを作成する(ステップS440)。すなわち、固形分比率を20%とすることで、アイオノマー分布が略均一となるような触媒インクを作成する。
On the other hand, when it is determined in step S420 that the evaluation result shows that the ionomer distribution is unevenly distributed on the
ステップS430またはステップSの実行後、この新触媒インク作成処理を一旦終える。この後、この新たに作成された触媒インクを用いて、前述したように燃料電池セルCLが作成し直される。この結果、アイオノマー分布が略均一となるカソードを備える燃料電池セルを、確実に製造することができる。 After step S430 or step S is executed, the new catalyst ink creation process is temporarily terminated. Thereafter, the fuel cell CL is recreated using the newly created catalyst ink as described above. As a result, it is possible to reliably manufacture a fuel cell including a cathode having a substantially uniform ionomer distribution.
なお、前記燃料電池セルの製造方法および燃料電池セル評価処理において、ステップS110およびS120の処理が適用例1における「触媒インク作成工程」に対応し、ステップS130およびS140の処理が適用例1における「第1電極作成工程」に対応し、ステップS150およびS160の処理が適用例1における「膜電極接合体作成工程」に対応し、ステップS170処理が適用例1における「燃料電池作成工程」に対応し、ステップS310の処理が適用例1における「測定工程」に対応し、ステップS320およびS330の処理が適用例1における「推定工程」に対応し、ステップS200およびS220の処理が適用例1における「フィードバック工程」に対応する。 In the fuel cell manufacturing method and the fuel cell evaluation process, the processes in steps S110 and S120 correspond to the “catalyst ink preparation process” in application example 1, and the processes in steps S130 and S140 are performed in “application example 1”. Corresponding to the “first electrode creation process”, the processes of steps S150 and S160 correspond to the “membrane electrode assembly creation process” in application example 1, and the process of step S170 corresponds to the “fuel cell creation process” in application example 1. The process of step S310 corresponds to the “measurement process” in application example 1, the processes of steps S320 and S330 correspond to the “estimation process” in application example 1, and the processes of steps S200 and S220 are the “feedback” in application example 1. Corresponds to "Process".
この実施例では、厚さ方向に略均一にアイオノマーが分布したカソードを備える燃料電池セルを製造することを狙いとしていたが、これに換えて、厚さ方向において電解質膜51側よりもガス拡散層60側にアイオノマーが多く分布しているカソード52を備える燃料電池セルを製造することを狙いとすることもできる。すなわち、アイオノマー分布が電解質膜51側よりもガス拡散層60側に多い状態となるパターンCを目標分布とすることもできる。この場合には、作業者は、前回作成した触媒インクの固形分比率SIよりも所定値ΔSIだけ低い固形分比率を備える触媒インクを作成するようにすればよい。この構成により、電解質膜51側よりもガス拡散層60側にアイオノマーが多く分布しているカソードを備える燃料電池セルを製造することができる。
In this embodiment, the aim is to produce a fuel cell having a cathode in which ionomers are distributed substantially uniformly in the thickness direction, but instead, a gas diffusion layer is formed in the thickness direction more than the
本実施例では、触媒インクの固形分比率が低くなってアイオノマー分布が偏在しやすくなった結果として、カソード52において電解質膜51側よりもガス拡散層60側にアイオノマーが多く分布する状態となるものとして説明しているが、これは塗工、乾燥の方法や、ホットプレスの際の電解質膜51に対するカソード52の位置関係からそのように定まるためである。例えば、ホットプレスの際の電解質膜51に対するカソード52の位置関係を、電解質膜に対してカソードが下側に位置する関係から反対の関係、すなわち、電解質膜に対してカソードが上側に位置する関係に変更することにより、カソード52においてガス拡散層60側よりも電解質膜51側にアイオノマーが多く分布する状態とすること、換言すれば、複素インピーダンスプロット曲線Vにおける接線の角度θを45度を上回る範囲で制御することも可能となる。
In this embodiment, as a result of the solid content ratio of the catalyst ink being lowered and the ionomer distribution becoming more unevenly distributed, the ionomer is more distributed on the
A−3.効果:
以上詳述したように、第1実施例の燃料電池の製造方法によれば、測定された周波数毎の交流インピーダンスから求められた複素インピーダンスプロット曲線Vに基づいて、燃料電池セルCLに備えられるカソードにおけるカソードの厚さ方向のアイオノマーの分布が推定され、その推定されたアイオノマー分布に基づいて、触媒インク作成時における触媒インクの固形分比率が求められることにより(すなわち推定結果が触媒インク作成にフィードバックされることにより)、アイオノマーの分布が目標分布に制御される。したがって、前記燃料電池の評価方法によれば、カソード52におけるアイオノマー分布が適切な燃料電池を製造することができる。
A-3. effect:
As described in detail above, according to the fuel cell manufacturing method of the first embodiment, the cathode provided in the fuel cell CL based on the complex impedance plot curve V obtained from the measured AC impedance for each frequency. The ionomer distribution in the thickness direction of the cathode is estimated and the solid content ratio of the catalyst ink at the time of catalyst ink preparation is obtained based on the estimated ionomer distribution (that is, the estimation result is fed back to catalyst ink preparation). The ionomer distribution is controlled to the target distribution. Therefore, according to the fuel cell evaluation method, a fuel cell having an appropriate ionomer distribution at the
特に本実施例では、アイオノマー分布がガス拡散層60側に多く偏在している状態であるとの評価がなされた場合に、固形分比率を微小な値ΔSIだけ増大させては新触媒インクを作成し直して、再度燃料電池セルを作成し、その後、その燃料電池セルを再度評価するといったことを行なっているので、カソード52におけるアイオノマー分布を高精度に目標分布に調整することができる。
In particular, in this embodiment, when it is evaluated that the ionomer distribution is unevenly distributed on the
B.第2実施例:
本発明の第2実施例について次に説明する。前記第1実施例では、触媒インクの固形分比率は、カソードにおける厚さ方向のアイオノマー分布と相関があるという知見のもとで、触媒インクの固形分比率を変えることで、アイオノマー分布を制御していた。これに対して、本第2実施例では、触媒インクの作成手順が前記アイオノマー分布と相関があるという知見のもので、触媒インクの作成手順を変えることで、前記アイオノマー分布を制御する構成とした。以下、詳細に説明する。
B. Second embodiment:
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, based on the knowledge that the solid content ratio of the catalyst ink has a correlation with the ionomer distribution in the thickness direction at the cathode, the ionomer distribution is controlled by changing the solid content ratio of the catalyst ink. It was. In contrast, the second embodiment is based on the knowledge that the preparation procedure of the catalyst ink is correlated with the ionomer distribution, and the ionomer distribution is controlled by changing the preparation procedure of the catalyst ink. . Details will be described below.
図10は、触媒インクの作成手順と複素インピーダンスプロット曲線Vにおける接線の角度θとの関係を示す表TBL2についての図である。「確認試験11」、「確認試験12」、「確認試験13」の3通りの確認試験を行って、各確認試験における作成手順と角度θの計測結果とを表TBL2に示した。
FIG. 10 is a diagram for the table TBL2 showing the relationship between the catalyst ink preparation procedure and the tangent angle θ in the complex impedance plot curve V. FIG. Three confirmation tests of “confirmation test 11”, “
確認試験11では、
(i)45質量%の白金を担持した炭素微粒子(ケッチェンブラックEC:ケッチェンブラック・インターナショナル社製)1gと水を混合し、
(ii)(i)の混合物に高分子電解質(SE20092:デュポン社製)2.2gを混合し、
(iii)(ii)の混合物にエタノールを混合して、固形分10%の触媒インクを作成した。この触媒インクの作成手順を「作成手順A」と呼ぶ。
In confirmation test 11,
(I) 1 g of carbon fine particles (Ketjen Black EC: manufactured by Ketjen Black International) carrying 45% by mass of platinum and water are mixed,
(Ii) 2.2 g of polymer electrolyte (SE20092: manufactured by DuPont) is mixed with the mixture of (i),
(Iii) Ethanol was mixed with the mixture of (ii) to prepare a catalyst ink having a solid content of 10%. This preparation procedure of the catalyst ink is referred to as “creation procedure A”.
確認試験12では、
(i)45質量%の白金を担持した炭素微粒子(ケッチェンブラックEC:ケッチェンブラック・インターナショナル社製)1gと水を混合し、
(ii)高分子電解質(SE20092:デュポン社製)2.2gとエタノールを混合し、
(iii)(i)の混合物と(ii)の混合物とを混合して、固形分10%の触媒インクを作成した。この触媒インクの作成手順を「作成手順B」と呼ぶ。
In
(I) 1 g of carbon fine particles (Ketjen Black EC: manufactured by Ketjen Black International) carrying 45% by mass of platinum and water are mixed,
(Ii) 2.2 g of polymer electrolyte (SE20092: manufactured by DuPont) and ethanol were mixed,
(Iii) The mixture of (i) and the mixture of (ii) were mixed to prepare a catalyst ink having a solid content of 10%. This preparation procedure of the catalyst ink is referred to as “creation procedure B”.
確認試験13では、
(i)45質量%の白金を担持した炭素微粒子(ケッチェンブラックEC:ケッチェンブラック・インターナショナル社製)1gと水を混合し、
(ii)(i)の混合物にエタノールを混合し、
(iii)(ii)の混合物に高分子電解質(SE20092:デュポン社製)2.2gを混合して、固形分10%の触媒インクを作成した。この触媒インクの作成手順を「作成手順C」と呼ぶ。
In confirmation test 13,
(I) 1 g of carbon fine particles (Ketjen Black EC: manufactured by Ketjen Black International) carrying 45% by mass of platinum and water are mixed,
(Ii) mixing ethanol with the mixture of (i),
(Iii) A polymer ink (SE20092: manufactured by DuPont) (2.2 g) was mixed with the mixture of (ii) to prepare a catalyst ink having a solid content of 10%. This preparation procedure of the catalyst ink is referred to as “creation procedure C”.
図10の表TBL2に示すように、作成手順Aにより触媒インクを作成したとき、複素インピーダンスプロット曲線Vにおける前述した接線の角度θは44度となる。作成手順Bにより触媒インクを作成したとき、前記接線の角度θは35度となる。作成手順Cにより触媒インクを作成したとき、前記接線の角度θは41度となる。 As shown in Table TBL2 of FIG. 10, when the catalyst ink is prepared by the preparation procedure A, the tangent angle θ described above in the complex impedance plot curve V is 44 degrees. When the catalyst ink is prepared by the preparation procedure B, the tangent angle θ is 35 degrees. When the catalyst ink is prepared by the preparation procedure C, the angle θ of the tangent line is 41 degrees.
これらのことから、触媒インクの作成手順を作成手順A〜Cのいずれかに変化させると、アイオノマー分布がガス拡散層側に偏った状態において変化することがわかる。作成手順Aに示すように、(i)触媒金属担持担体と水を混合し、(ii)(i)の混合物にアイオノマーを混合し、(iii)(ii)の混合物にアルコールを添加して触媒インクを作成することにより、アイオノマー分布を、ガス拡散層側に小さく偏った状態に変化させることができる。また、作成手順Bに示すように、(i)触媒金属担持担体と水を混合し、(ii)アイオノマーにアルコールを混合し、(iii)(i)の混合物と(ii)の混合物とを混合して触媒インクを作成することにより、アイオノマー分布を、ガス拡散層側に大きく偏った状態に変化させることができる。また、作成手順Cに示すように、(i)触媒金属担持担体と水を混合し、(ii)(i)の混合物にアルコールを混合し、(iii)(ii)の混合物にアイオノマーを混合して触媒インクを作成することにより、アイオノマー分布を、ガス拡散層側に中程度だけ偏った状態に変化させることができる。 From these facts, it can be seen that when the preparation procedure of the catalyst ink is changed to any of the preparation procedures A to C, the ionomer distribution changes in a state where the ionomer distribution is biased toward the gas diffusion layer. As shown in preparation procedure A, (i) a catalyst metal-supported support and water are mixed, (ii) an ionomer is mixed with the mixture of (i), (iii) an alcohol is added to the mixture of (ii), and a catalyst is prepared. By creating the ink, the ionomer distribution can be changed to a state that is slightly biased toward the gas diffusion layer side. In addition, as shown in preparation procedure B, (i) a catalyst metal-supported carrier and water are mixed, (ii) an ionomer is mixed with alcohol, and (iii) a mixture of (i) and a mixture of (ii) are mixed. Thus, by preparing the catalyst ink, the ionomer distribution can be changed to a state that is largely biased toward the gas diffusion layer. In addition, as shown in Preparation Procedure C, (i) a catalyst metal-supported carrier and water are mixed, (ii) an alcohol is mixed with the mixture of (i), and an ionomer is mixed with the mixture of (iii) (ii). By preparing the catalyst ink, the ionomer distribution can be changed to a state that is moderately biased toward the gas diffusion layer side.
触媒インクの作成手順を上述したように変えることによりアイオノマー分布が変化するメカニズムは不明であるが、溶媒とアイオノマーの相互作用にかかわることと推定される。すなわち、アイオノマーの分布は溶媒とカーボンと両方共に相互作用するが、どちらかに優先的に予め作用させることで溶媒中に多く残留させることが可能になると思われる。溶媒中に多く残留させた場合には、塗工・乾燥工程の中で溶媒と共に移動し、分布を偏らせることが可能となると推定される。 The mechanism by which the ionomer distribution is changed by changing the preparation procedure of the catalyst ink as described above is unknown, but it is presumed to be related to the interaction between the solvent and the ionomer. That is, the distribution of ionomers interacts with both the solvent and carbon, but it seems that a large amount can remain in the solvent by preferentially acting on either of them. When much remains in the solvent, it is estimated that it can move with the solvent during the coating / drying process and the distribution can be biased.
この第2実施例の燃料電池の製造方法は、第1実施例の燃料電池の製造方法と比較して、新触媒インク作成処理の内容が相違するだけであり、その他の構成は同一である。図2に示す処理も同一であり、この第2実施例でも第1実施例と同様に実行される。 The fuel cell manufacturing method of the second embodiment is different from the fuel cell manufacturing method of the first embodiment only in the content of the new catalyst ink preparation process, and the other configurations are the same. The processing shown in FIG. 2 is the same, and this second embodiment is executed in the same manner as in the first embodiment.
図11は、第2実施例における新触媒インク作成処理を示すフローチャートである。図示するように、作業者は、まず、第1実施例におけるステップS410、S420(図8)と同様に、電解質、溶媒、触媒金属担持担体、および基材を用意し(ステップS510)、ステップS190により得られた評価結果が、パターンBとパターンCのうちのいずれであるか、すなわちアイオノマーがいずれの側に多く偏在しているかを判定する(ステップS520)。 FIG. 11 is a flowchart showing a new catalyst ink creation process in the second embodiment. As shown in the drawing, the operator first prepares an electrolyte, a solvent, a catalyst metal carrier, and a base material (step S510), similarly to steps S410 and S420 (FIG. 8) in the first embodiment, and step S190. It is determined whether the evaluation result obtained by the pattern B or the pattern C, that is, on which side the ionomers are unevenly distributed (step S520).
ステップS520で、ガス拡散層60側に多く偏在していると判定された場合には、作業者は、前回の触媒インクの作成時における触媒インクの作成手順よりもアイオノマー分布の偏りの程度が1段階だけ小さい作成手順を、作成手順A〜Cの中から選択して、その選択した作成手順でもって触媒インクを作成する(ステップS530)。詳細には、作業者は、前回の触媒インクの作成時における作成手順が「作成手順B」である場合には「作成手順C」を選択し、前回の触媒インクの作成時における作成手順が「作成手順C」である場合には「作成手順A」を選択する。ここで、「前回の触媒インクの作成時」とは、初めてこの新触媒インク作成処理を実行したときには、ステップS110で触媒インクを作成したときのことであり、2回目以降にこの新触媒インク作成処理を実行したときには、新触媒インク作成処理の前回実行時のことである。
When it is determined in step S520 that the
なお、前回の触媒インクの作成時における作成手順が「作成手順A」である場合には、作成手順A〜Cの切り替えだけでは、アイオノマーの分布を均一側に制御することができないとして、この新触媒インク作成の処理は中止する。 Note that if the preparation procedure at the time of preparation of the previous catalyst ink is “creation procedure A”, the ionomer distribution cannot be controlled to the uniform side only by switching the creation procedures A to C. The process for creating the catalyst ink is stopped.
一方、ステップS520で、評価結果が、アイオノマー分布がガス拡散層60側に多く偏在していると判定された場合には、作業者は、「作成手順A」によって触媒インクの作成を行う(ステップS540)。すなわち、作成手順A〜Cの中でアイオノマー分布の偏りの程度が最も小さくなる作成手順Aによって触媒インクを作成する。
On the other hand, when it is determined in step S520 that the evaluation result shows that the ionomer distribution is unevenly distributed on the
なお、この第2実施例では、厚さ方向に略均一にアイオノマーが分布したカソードを備える燃料電池セルを製造することを狙いとしていたが、これに換えて、厚さ方向において電解質膜51側よりもガス拡散層60側にアイオノマーが多く分布しているカソード52を備える燃料電池セルを製造することを狙いとすることもできる。すなわち、アイオノマー分布が電解質膜51側よりもガス拡散層60側に多い状態となるパターンCを目標分布とすることもできる。この場合には、作業者は、前回の触媒インクの作成時における触媒インクの作成手順よりもアイオノマー分布の偏りの程度が大きい作成手順を、作成手順A〜Cの中から選択するようにすればよい。この構成により、電解質膜51側よりもガス拡散層60側にアイオノマーが多く分布しているカソードを備える燃料電池セルを製造することができる。
In the second embodiment, the aim is to produce a fuel cell having a cathode in which ionomers are distributed substantially uniformly in the thickness direction, but instead, from the
以上のように構成された第2実施例の燃料電池の製造方法によれば、第1実施例と同様に、カソード52におけるアイオノマー分布が適切な燃料電池を製造することができる。とくに本実施例では、触媒インクの作成手順を変化させることで、カソード52におけるアイオノマー分布を適切に調整することを容易に行うことができる。
According to the fuel cell manufacturing method of the second embodiment configured as described above, a fuel cell with an appropriate ionomer distribution at the
C.第3実施例:
本発明の第3実施例について次に説明する。本第3実施例では、触媒インクの作成に使用される溶媒のSP値(溶解パラメータ:溶解性パラメータ、溶解度パラメータとも呼ぶ)は、カソードにおける厚さ方向のアイオノマー分布と相関があるという知見のもので、触媒インクの溶媒の種類を変更することで、前記アイオノマー分布を制御する構成とした。触媒インクの溶媒の種類を変更すると、SP値を変更することができるからである。以下、詳細に説明する。
C. Third embodiment:
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the SP value (solubility parameter: also referred to as solubility parameter or solubility parameter) of the solvent used for the preparation of the catalyst ink has a correlation with the ionomer distribution in the thickness direction at the cathode. Thus, the ionomer distribution is controlled by changing the type of solvent of the catalyst ink. This is because the SP value can be changed by changing the solvent type of the catalyst ink. Details will be described below.
図12は、溶媒のSP値と複素インピーダンスプロット曲線Vにおける接線の角度θとの関係を示す表TBL3についての図である。「確認試験21」、「確認試験22」、「確認試験23」の3通りの確認試験を行って、各確認試験における溶媒としての溶剤の種類、組成比、SP値、および角度θを表TBL3に示した。 FIG. 12 is a diagram for the table TBL3 showing the relationship between the SP value of the solvent and the tangent angle θ in the complex impedance plot curve V. Three types of confirmation tests, “Confirmation Test 21”, “Confirmation Test 22”, and “Confirmation Test 23”, were performed. It was shown to.
確認試験21では、図示の溶剤の種類、組成比でもって、SP値が19.5の溶媒を作成し、その溶媒を用いて作成した触媒インクからカソードを作成し、そのカソードから燃料電池セルを作成し、その燃料電池セルについての複素インピーダンスプロット曲線Vにおける接線の角度θを計測することにより、角度θが57度という計測結果が得られた。 In the confirmation test 21, a solvent having an SP value of 19.5 is prepared with the type and composition ratio of the solvent shown, a cathode is prepared from the catalyst ink prepared using the solvent, and a fuel cell is connected from the cathode. The measurement result that the angle θ is 57 degrees was obtained by measuring the angle θ of the tangent in the complex impedance plot curve V for the fuel cell.
確認試験22では、図示の溶剤の種類、組成比でもって、SP値が12の溶媒を作成し、その溶媒を用いて作成した触媒インクからカソードを作成し、そのカソードから燃料電池セルを作成し、その燃料電池セルについての複素インピーダンスプロット曲線Vにおける接線の角度θを計測することにより、角度θが47度という計測結果が得られた。 In the confirmation test 22, a solvent having an SP value of 12 is prepared with the type and composition ratio of the solvent shown in the figure, a cathode is prepared from the catalyst ink prepared using the solvent, and a fuel cell is prepared from the cathode. By measuring the angle θ of the tangent in the complex impedance plot curve V for the fuel cell, a measurement result that the angle θ is 47 degrees was obtained.
確認試験23では、図示の溶剤の種類、組成比でもって、SP値が10の溶媒を作成し、その溶媒を用いて作成した触媒インクからカソードを作成し、そのカソードから燃料電池セルを作成し、その燃料電池セルについての複素インピーダンスプロット曲線Vにおける接線の角度θを計測することにより、角度θが43度という計測結果が得られた。なお、各確認試験21〜23では、アイオノマー量は、I/C=0.75と一定である。ここで、「I」はアイオノマーの重量、「C」はカーボンの重量である。 In the confirmation test 23, a solvent having an SP value of 10 was prepared with the type and composition ratio of the solvent shown in the figure, a cathode was prepared from the catalyst ink prepared using the solvent, and a fuel cell was prepared from the cathode. By measuring the angle θ of the tangent in the complex impedance plot curve V for the fuel cell, a measurement result that the angle θ was 43 degrees was obtained. In each of confirmation tests 21 to 23, the ionomer amount is constant at I / C = 0.75. Here, “I” is the weight of ionomer, and “C” is the weight of carbon.
これらのことから、溶剤の種類を変更してSP値を上げることで、アイオノマー分布を、ガス拡散層側よりも電解質膜側に多く分布する状態に変化させることができ、溶剤の種類を変更してSP値を下げることで、アイオノマー分布を、電解質膜側よりもガス拡散層側に多く分布する状態に変化させることができることがわかる。 From these, by changing the type of solvent and increasing the SP value, the ionomer distribution can be changed to a more distributed state on the electrolyte membrane side than on the gas diffusion layer side, and the type of solvent can be changed. It can be seen that the ionomer distribution can be changed to a state in which the ionomer distribution is distributed more on the gas diffusion layer side than on the electrolyte membrane side by lowering the SP value.
この第3実施例の燃料電池の製造方法は、第1実施例の燃料電池の製造方法と比較して、新触媒インク作成処理の内容が相違するだけであり、その他の構成は同一である。図2に示す処理も同一であり、この第3実施例でも第1実施例と同様に実行される。 The fuel cell manufacturing method of the third embodiment is different from the fuel cell manufacturing method of the first embodiment only in the contents of the new catalyst ink preparation process, and the other configurations are the same. The processing shown in FIG. 2 is the same, and this third embodiment is executed in the same manner as in the first embodiment.
図13は、第3実施例における新触媒インク作成処理を示すフローチャートである。図示するように、作業者は、まず、第1実施例におけるステップS410(図8)の処理と同様に、電解質(例えば、フッ素系樹脂)と、溶媒(例えば、水、アルコール等)と、触媒金属担持担体(例えば、ケッチェンブラックに白金が担持されたもの)と、テフロン(登録商標)製の基材とを用意する(ステップS610)。 FIG. 13 is a flowchart showing a new catalyst ink creation process in the third embodiment. As shown in the drawing, the operator firstly, like the processing in step S410 (FIG. 8) in the first embodiment, an electrolyte (for example, a fluororesin), a solvent (for example, water, alcohol, etc.), a catalyst A metal-supported carrier (for example, one in which platinum is supported on ketjen black) and a base material made of Teflon (registered trademark) are prepared (step S610).
次いで、作業者は、ステップS190(図2)により得られた評価結果に基づいて、触媒インクの作成手順を決定して、その決定した作成手順で触媒インクの作成を行う(ステップS620)。詳細には、下記の(a)、(b)に従って作成手順を決定している。ここでは、アイオノマー分布が略均一であるパターンAを目標分布として説明する。 Next, the operator determines a catalyst ink creation procedure based on the evaluation result obtained in step S190 (FIG. 2), and creates a catalyst ink according to the determined creation procedure (step S620). Specifically, the creation procedure is determined according to the following (a) and (b). Here, a pattern A having a substantially uniform ionomer distribution will be described as a target distribution.
(a)ステップS190により得られた評価結果が「パターンB」、すなわち、ガス拡散層60側よりも電解質膜51側にアイオノマーが多く分布している場合には、前記角度θを減少させるべく、溶剤の種類を、前回の触媒インクの作成時に使用している溶剤のSP値よりも低いSP値となる種類に変更して触媒インクの作成を行う。
(A) When the evaluation result obtained in step S190 is “pattern B”, that is, when more ionomers are distributed on the
(b)ステップS190により得られた評価結果が「パターンC」、すなわち、電解質膜51側よりもガス拡散層60側にアイオノマーが多く分布している場合には、前記角度θを増大させるべく、溶剤の種類を、前回の触媒インクの作成時に使用している溶剤のSP値よりも高いSP値となる種類に変更して触媒インクの作成を行う。
(B) When the evaluation result obtained in step S190 is “pattern C”, that is, when more ionomers are distributed on the
なお、ステップS200(図2)で評価結果が目標分布でないと判定されていることから、ステップS520の時点では、評価結果が「パターンA」となることはない。ステップS620の実行後、この新触媒インク作成処理を一旦終える。この後、第1実施例と同様に、この新たに作成された触媒インクを用いて、燃料電池セルCLが作成し直される。この結果、アイオノマー分布が略均一となるカソードを備える燃料電池セルを、確実に製造することができる。 Since it is determined in step S200 (FIG. 2) that the evaluation result is not the target distribution, the evaluation result does not become “pattern A” at the time of step S520. After the execution of step S620, the new catalyst ink creation process is temporarily terminated. Thereafter, similar to the first embodiment, the fuel cell CL is recreated using the newly created catalyst ink. As a result, it is possible to reliably manufacture a fuel cell including a cathode having a substantially uniform ionomer distribution.
なお、この第3実施例では、厚さ方向に略均一にアイオノマーが分布したカソードを備える燃料電池セルを製造することを狙いとしていたが、これに換えて、厚さ方向においてガス拡散層60側よりも電解質膜51側にアイオノマーが多く分布しているカソードを備える燃料電池セルを製造することを狙いとすることもできる。すなわち、アイオノマー分布がガス拡散層60側よりも電解質膜51側に多い状態となるパターンBを目標分布とすることもできる。この場合には、作業者は、ステップS520の処理では、前記角度θを増大させるべく、溶剤の種類を、現在使用している溶剤のSP値よりも高いSP値となる種類に変更して触媒インクの作成を行う。
In the third embodiment, the aim is to produce a fuel cell having a cathode in which ionomers are distributed substantially uniformly in the thickness direction. Instead, the
また、厚さ方向において電解質膜51側よりもガス拡散層60側にアイオノマーが多く分布しているカソードを備える燃料電池セルを製造することを狙いとすることもできる。すなわち、アイオノマー分布が電解質膜51側よりもガス拡散層60側に多い状態となるパターンCを目標分布とすることもできる。この場合には、作業者は、前記角度θを減少させるべく、溶剤の種類を、現在使用している溶剤のSP値よりも低いSP値となる種類に変更して触媒インクの作成を行う。
It can also be aimed to manufacture a fuel cell including a cathode in which more ionomer is distributed on the
以上のように構成された第3実施例の燃料電池の製造方法によれば、第1実施例および第2実施例と同様に、カソード52におけるアイオノマー分布が適切な燃料電池を製造することができる。とくに本実施例では、触媒インクを作成する溶媒のSP値を変化させることで、カソード52におけるアイオノマー分布を適切に調整することを容易に行うことができる。
According to the method of manufacturing the fuel cell of the third embodiment configured as described above, a fuel cell with an appropriate ionomer distribution at the
D.変形例:
なお、前述した第1ないし第3実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は前記の各実施例や各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
D. Variation:
It should be noted that elements other than those described in the independent claims among the constituent elements in the first to third embodiments and the modifications described above are additional elements and can be omitted as appropriate. The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be carried out in various modes without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications are possible. is there.
D1.変形例1:
前記第1ないし第3実施例では、燃料電池セルの製造方法は、人である作業者が行うようにしていたが、これに換えて、作業者による作業をオートメーション装置により自動化する構成としてもよい。この構成によれば、より簡便に適正な燃料電池セルを作成することができる。
D1. Modification 1:
In the first to third embodiments, the fuel cell manufacturing method is performed by a worker who is a person, but instead, it may be configured such that the work performed by the worker is automated by an automation device. . According to this configuration, an appropriate fuel cell can be created more easily.
D2.変形例2:
前記各実施例の燃料電池セルの製造方法において、製造した燃料電池セルのカソードの厚さ方向における電解質分布を推定する場合に、複素インピーダンスプロット曲線Vにおいて、転換点Pよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、複素インピーダンスプロット曲線Vにおいて、転換点Pよりも高周波側の複数の点により求まる直線(例えば、2点を結んだ線、3点の近似直線等)と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、カソードの厚さ方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにしても前記実施例と同様の効果を奏することができる。
D2. Modification 2:
In the fuel cell manufacturing method of each of the above embodiments, when estimating the electrolyte distribution in the thickness direction of the cathode of the manufactured fuel cell, the complex impedance plot curve V has a predetermined point on the higher frequency side than the turning point P. Is estimated based on the angle θ of the angle formed by the tangent line and the line segment parallel to the real part axis, but the present invention is not limited to this. For example, in the complex impedance plot curve V, a straight line (for example, a line connecting two points, an approximate straight line of three points, etc.) obtained by a plurality of points on the higher frequency side than the turning point P, and a line segment parallel to the real part axis The electrolyte distribution in the thickness direction of the cathode may be estimated based on the angle θ of the angle formed by. Even if it does in this way, there can exist an effect similar to the said Example.
D3.変形例3:
前記実施例の燃料電池セルの製造方法において、カソード52の厚さ方向における電解質分布を推定する場合に、複素インピーダンスプロット曲線Vにおいて、転換点Pよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、複素インピーダンスプロット曲線Vにおける転換点Pに対応する周波数より高い周波数(例えば、10Hz〜1kHz)に対応する複数のプロット点により求まる直線(例えば、2点を結んだ線、3点の近似直線等)と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、カソード52の厚さ方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにしても前記実施例と同様の効果を奏することができる。
D3. Modification 3:
In the method of manufacturing the fuel cell of the embodiment, when estimating the electrolyte distribution in the thickness direction of the
D4.変形例4:
前記実施例の燃料電池セルの製造方法では、製造した燃料電池セルにおいて、各周波数における交流インピーダンス(複素インピーダンスプロット曲線V)に基づいて、カソードの厚さ方向の電解質分布を推定し、その推定結果が、意図する分布状態でない場合には、推定結果に基づいて、新たにカソードを製造し直し、新たな燃料電池セルを製造するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、製造した燃料電池セルにおいて、各周波数における交流インピーダンス(複素インピーダンスプロット曲線V)に基づいて、アノードの厚さ方向の電解質分布を推定し、その推定結果が、意図する分布状態でない場合には、推定結果に基づいて、新たにアノードを製造し直し、新たな燃料電池セルを製造するようにしてもよい。この場合、複素インピーダンスプロット曲線Vの検出は、燃料電池セルのアノードに不活性ガスとしての窒素を、カソードに活性ガスとしての水素をそれぞれ導入した状態で行う。このようにすれば、厚さ方向における電解質の分布状態が意図する分布状態であるアノードを有する燃料電池セルを製造することができる。
D4. Modification 4:
In the fuel cell manufacturing method of the above embodiment, the electrolyte distribution in the thickness direction of the cathode is estimated based on the AC impedance (complex impedance plot curve V) at each frequency in the manufactured fuel cell, and the estimation result However, when the distribution state is not intended, a new cathode is newly manufactured based on the estimation result, and a new fuel cell is manufactured. However, the present invention is not limited to this. . For example, in the manufactured fuel cell, when the electrolyte distribution in the thickness direction of the anode is estimated based on the AC impedance (complex impedance plot curve V) at each frequency, and the estimation result is not the intended distribution state Based on the estimation result, a new anode may be remanufactured and a new fuel cell may be manufactured. In this case, the complex impedance plot curve V is detected in a state where nitrogen as an inert gas is introduced into the anode of the fuel cell and hydrogen as the active gas is introduced into the cathode. By doing so, it is possible to manufacture a fuel cell having an anode in which the distribution state of the electrolyte in the thickness direction is the intended distribution state.
D5.変形例5:
前記各実施例の燃料電池セルの製造方法では、燃料電池セルのアノードに活性ガスとしての水素を、カソードに不活性ガスとしての窒素をそれぞれ導入した状態で、複素インピーダンスプロット曲線Vを検出するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池セルのアノードにも不活性ガス(例えば、窒素)を導入し、その状態において、複素インピーダンスプロット曲線Vを検出するようにしてもよい。このようにしても前記実施例の効果を奏することができる。
D5. Modification 5:
In the fuel cell manufacturing method of each of the above embodiments, the complex impedance plot curve V is detected in a state where hydrogen as an active gas is introduced into the anode of the fuel cell and nitrogen as an inert gas is introduced into the cathode. However, the present invention is not limited to this. For example, an inert gas (for example, nitrogen) may be introduced into the anode of the fuel cell, and the complex impedance plot curve V may be detected in that state. Even if it does in this way, there can exist the effect of the said Example.
D6.変形例6:
前記各実施例の燃料電池セルの製造方法では、燃料電池セルに導入する水素および窒素は、相対湿度が、60%より高いガスを用いるようにしてもよい。このようにしても前記実施例の少なくとも効果の一部を奏することができる。
D6. Modification 6:
In the fuel cell manufacturing method of each of the above embodiments, a gas having a relative humidity higher than 60% may be used for hydrogen and nitrogen introduced into the fuel cell. Even in this case, at least a part of the effect of the embodiment can be achieved.
D7.変形例7:
前記各実施例の燃料電池セルの製造方法において、新たなMEAを製造する際、カソードの厚さ方向の電解質分布の推定結果に基づいて、触媒インクの固形分の比率を調整し、あるいは触媒インクの作成手順を変え、あるいは触媒インクの作成に使用される溶媒のSP値を調整し、新たなMEAを製造するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、新たなMEAを製造する際、カソードの厚さ方向の電解質分布の推定結果に基づいて、触媒インクの固形分の比率、触媒インクの作成手順、溶媒のSP値以外の他の作成条件(例えば、アイオノマーの混合の仕方など)を調整し、新たなMEAを製造するようにしてもよい。このようにしても前記実施例の効果を奏することができる。
D7. Modification 7:
In the fuel cell manufacturing method of each of the above embodiments, when a new MEA is manufactured, the ratio of the solid content of the catalyst ink is adjusted based on the estimation result of the electrolyte distribution in the thickness direction of the cathode, or the catalyst ink However, the present invention is not limited to this, although the production procedure is changed or the SP value of the solvent used for producing the catalyst ink is adjusted to produce a new MEA. For example, when manufacturing a new MEA, based on the estimation result of the electrolyte distribution in the thickness direction of the cathode, the ratio of the solid content of the catalyst ink, the preparation procedure of the catalyst ink, and other preparation conditions other than the SP value of the solvent ( For example, a new MEA may be manufactured by adjusting the ionomer mixing method. Even if it does in this way, there can exist the effect of the said Example.
D8.変形例8:
前記各実施例の燃料電池の製造方法は、燃料電池セルの製造方法としての態様であったが、これに換えて、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを製造する方法としての態様としてもよい。たま、製造する燃料電池は、各実施例では、固体高分子型燃料電池としているが、これに限られるものではなく、固体酸化物型燃料電池電解質型や溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池であってもよい。
D8. Modification 8:
The manufacturing method of the fuel cell in each of the above embodiments is an aspect as a manufacturing method of a fuel battery cell, but instead of this, as an aspect as a method of manufacturing a fuel battery stack in which a plurality of fuel battery cells are stacked. Good. In addition, the fuel cell to be manufactured is a solid polymer fuel cell in each embodiment, but is not limited thereto, and various types such as a solid oxide fuel cell electrolyte type and a molten carbonate electrolyte type are available. The fuel cell may be used.
10…燃料電池評価装置
12…CPU
14…ROM
16…RAM
18…入出力制御部
19…表示部
20…第1の配線
30…第2の配線
51…電解質膜
52…カソード
53…アノード
60…ガス拡散層
70…ガス拡散層
80…セパレータ
82…セル内流路
82a…凸部
82b…凹部
90…セパレータ
92…セル内流路
92a…凸部
92b…凹部
103〜106…孔部
110…シール部材
CL…燃料電池セル
V…複素インピーダンスプロット曲線
θ…角度
10 ... Fuel
14 ... ROM
16 ... RAM
DESCRIPTION OF
Claims (6)
アイオノマーを含有する触媒インクを、所定の作成条件で作成する触媒インク作成工程と、
前記触媒インクを用いて第1電極を作成する第1電極作成工程と、
電解質膜の一方の面に前記第1電極が配置され、前記電解質膜の他方の面に第2電極が配置される膜電極接合体を作成する膜電極接合体作成工程と、
前記膜電極接合体にガス拡散層およびセパレータが積層された燃料電池を作成する燃料電池作成工程と、
前記燃料電池に備えられる膜電極接合体の交流インピーダンスを、周波数を変化させながら測定する測定工程と、
前記測定工程により測定された周波数毎の交流インピーダンスに基づいて、前記第1電極における前記第1電極の厚さ方向の前記アイオノマーの分布を推定する推定工程と、
前記推定工程により求められるアイオノマーの分布が目標分布となるように、前記触媒インク作成工程における前記作成条件を調整するフィードバック工程と
を備える燃料電池の製造方法。 A fuel cell manufacturing method comprising:
A catalyst ink production step of producing a catalyst ink containing an ionomer under predetermined production conditions;
A first electrode creating step of creating a first electrode using the catalyst ink;
A membrane electrode assembly creating step of creating a membrane electrode assembly in which the first electrode is disposed on one surface of the electrolyte membrane and the second electrode is disposed on the other surface of the electrolyte membrane;
A fuel cell creating step of creating a fuel cell in which a gas diffusion layer and a separator are laminated on the membrane electrode assembly;
A measurement step of measuring the AC impedance of the membrane electrode assembly provided in the fuel cell while changing the frequency;
An estimation step for estimating a distribution of the ionomer in the thickness direction of the first electrode in the first electrode based on the AC impedance for each frequency measured in the measurement step;
A fuel cell manufacturing method comprising: a feedback step of adjusting the creation conditions in the catalyst ink creation step so that the ionomer distribution obtained in the estimation step becomes a target distribution.
前記所定の作成条件は、触媒インクの固形分の比率についての条件であり、
前記フィードバック工程は、前記触媒インクの固形分の比率を調整する構成を含む、燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell according to claim 1,
The predetermined preparation condition is a condition regarding the ratio of the solid content of the catalyst ink,
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the feedback step includes a configuration for adjusting a solid content ratio of the catalyst ink.
前記所定の作成条件は、触媒インクの作成手順についての条件であり、
前記フィードバック工程は、前記触媒インクの作成手順を変える構成を含む、燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell according to claim 1,
The predetermined preparation condition is a condition for a preparation procedure of the catalyst ink,
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the feedback step includes a configuration that changes a preparation procedure of the catalyst ink.
前記所定の作成条件は、触媒インクの作成に使用される溶媒のSP値についての条件であり、
フィードバック工程は、前記溶媒のSP値を調整する構成を含む、燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell according to claim 1,
The predetermined preparation condition is a condition for the SP value of the solvent used for preparation of the catalyst ink,
A feedback process is a manufacturing method of a fuel cell including the structure which adjusts SP value of the said solvent.
前記推定工程は、
前記燃料電池に備えられる膜電極接合体の第1電極に不活性ガスを導入した状態で前記測定を行う構成である、燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell in any one of Claims 1 thru | or 4,
The estimation step includes
A method for manufacturing a fuel cell, wherein the measurement is performed with an inert gas introduced into a first electrode of a membrane electrode assembly provided in the fuel cell.
前記推定工程は、
前記測定工程により測定された各周波数における交流インピーダンスを複素平面に入れ込んだ各プロット点から複素インピーダンスプロット曲線を求める工程と、
前記複素インピーダンスプロット曲線に基づいて、前記第1電極における前記第1電極の厚さ方向の前記アイオノマーの分布を推定する工程と
を備える、燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell in any one of Claims 1 thru | or 5,
The estimation step includes
A step of obtaining a complex impedance plot curve from each plot point in which AC impedance at each frequency measured in the measurement step is entered in a complex plane;
Estimating a distribution of the ionomer in the thickness direction of the first electrode in the first electrode based on the complex impedance plot curve.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009107949A JP2010257831A (en) | 2009-04-27 | 2009-04-27 | Method of manufacturing fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009107949A JP2010257831A (en) | 2009-04-27 | 2009-04-27 | Method of manufacturing fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010257831A true JP2010257831A (en) | 2010-11-11 |
Family
ID=43318523
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009107949A Pending JP2010257831A (en) | 2009-04-27 | 2009-04-27 | Method of manufacturing fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010257831A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015125982A (en) * | 2013-12-27 | 2015-07-06 | 昭和電工株式会社 | Quality inspection method of catalyst layer for fuel battery, manufacturing method of membrane electrode assembly, quality inspection device of catalyst layer for fuel battery, and classification system of catalyst layer for fuel battery |
-
2009
- 2009-04-27 JP JP2009107949A patent/JP2010257831A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015125982A (en) * | 2013-12-27 | 2015-07-06 | 昭和電工株式会社 | Quality inspection method of catalyst layer for fuel battery, manufacturing method of membrane electrode assembly, quality inspection device of catalyst layer for fuel battery, and classification system of catalyst layer for fuel battery |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sun et al. | Influence of platinum dispersity on oxygen transport resistance and performance in PEMFC | |
Kim et al. | The effects of Nafion® ionomer content in PEMFC MEAs prepared by a catalyst-coated membrane (CCM) spraying method | |
Cho et al. | Fabrication and evaluation of membrane electrode assemblies by low-temperature decal methods for direct methanol fuel cells | |
Baik et al. | Effects of gas diffusion layer structure on the open circuit voltage and hydrogen crossover of polymer electrolyte membrane fuel cells | |
Kim et al. | Characterizations of polybenzimidazole based electrochemical hydrogen pumps with various Pt loadings for H2/CO2 gas separation | |
Yurko et al. | The effect of membrane electrode assembly methods on the performance in fuel cells | |
Suzuki et al. | Fabrication and performance evaluation of structurally-controlled PEMFC catalyst layers by blending platinum-supported and stand-alone carbon black | |
JPWO2003077336A1 (en) | POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL MANUFACTURING METHOD AND POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL | |
Ekdharmasuit et al. | The role of an anode microporous layer in direct ethanol fuel cells at different ethanol concentrations | |
Kim et al. | Post-mortem analysis of a long-term tested proton exchange membrane fuel cell stack under low cathode humidification conditions | |
Jing et al. | Influencing factors on the stability of direct methanol fuel cells | |
KR101859257B1 (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
Mack et al. | Electrochemical impedance spectroscopy as a diagnostic tool for high-temperature PEM fuel cells | |
Mehmood et al. | Parametric investigation of a high-yield decal technique to fabricate membrane electrode assemblies for direct methanol fuel cells | |
Shao et al. | Influence of anode diffusion layer on the performance of a liquid feed direct methanol fuel cell by AC impedance spectroscopy | |
JP2015146287A (en) | Method for inspecting fuel battery | |
JP2010257831A (en) | Method of manufacturing fuel cell | |
JP5582092B2 (en) | Fuel cell | |
JP2010262896A (en) | Evaluation method of fuel cell, manufacturing method of fuel cell, and evaluation device of fuel cell | |
JP2009009916A (en) | Electrolyte membrane with catalyst layer | |
JP2004152588A (en) | Electrode structure for solid polymer fuel cell | |
JP2010257586A (en) | Manufacturing method of fuel cell | |
Lee et al. | Effects of gas-diffusion layers and water management on the carbon corrosion of a catalyst layer in proton-exchange membrane fuel cells | |
Shrivastava et al. | Current Density Distribution in the Lateral Direction of Conventional and Interdigitated Flow Field | |
Mashio et al. | Advanced In-situ Analysis of Reactant Gas Partial Pressure at Catalyst Layer/PEM Interfaces |