JP3613654B2 - Electrode for fuel cell and method for producing power generation layer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の電極および発電層の製造方法に関し、詳しくは、燃料電池に用いられる電極および燃料電池に用いられ電解質膜とこれを挟持する2つの電極とを備える発電層の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池では、電解質膜を挟んで対峙する2つの電極(酸素極と燃料極)に、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、次式(1)および式(2)に示す反応が行なわれ、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。
【0003】
カソード反応(酸素極):2H++2e−+(1/2)O2→H2O …(1)
アノード反応(燃料極):H2→2H++2e− …(2)
【0004】
この反応を連続的にかつ円滑に行なうためには、酸素極では生成する水を速やかに排除すると共に酸化ガスを連続的に供給する必要があり、燃料極では生成した水素イオンを水和により電解質膜中にスムーズに拡散するための水と燃料ガスとを連続的に供給する必要がある。このほか、接触抵抗を小さくし効率の良い燃料電池とするために、電解質膜と両電極とを密着する必要もある。
【0005】
従来、こうした要求に応える燃料電池用の電極の製造方法としては、亜鉛,アルミニウム,クロム等の金属あるいはこれらの金属塩などの無機塩の粉末を造孔剤として用いて触媒を担持したカーボンを混在するシート状の電極部材を形成し、この形成した電極部材を溶液に浸漬して内部の造孔剤を溶出させて除去することにより内部に複数の細孔を有する電極を製造する方法が提案されている(例えば、特開平6−36771号公報や特開平6−203852号公報など)。
【0006】
また、燃料電池用の発電層の製造方法としては、上述の従来例の燃料電池用の電極の製造方法における電極部材を溶液に浸漬して電極部材内の造孔剤を溶出させる工程の前に、電極部材と高分子電解質膜とを接合して一体化させる方法が提案されている(例えば、特開平6−203852号公報など)。このように高分子電解質膜と接合した後に造孔剤を溶出することにより、接合の際に電極の細孔がつぶれるのを防止している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記製造方法では、電極に十分なガスの透過性を確保しようとすると、電極内に必要以上の空間を形成されて、燃料電池の性能を低下させたり、電極を脆弱なものにしてしまうといった問題があった。粒状の金属あるいは金属塩を造孔剤として用いると、形成される細孔は、造孔剤の形状である略球状の空孔を連通した形状となる。このため、細孔の径は、その長さ方向に大きく変化し、一定とならない。電極におけるガスの透過性は、電極に形成される細孔の径に依存するから、細孔の径が大きく変化する電極では、十分なガスの透過性を得ようとすると、その内部に必要以上の空間を形成することになる。こうした必要以上の空間は、電極の導電面積を減少させてその導電性を低下させると共に、電極を脆弱なものにする。
【0008】
本発明の燃料電池用の電極の製造方法は、こうした問題を解決し、十分なガス透過性と導電性とを有する電極の製造方法を提供することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池用の発電層の製造方法は、電解質膜の性能を高く維持した状態で十分なガス透過性と導電性とを有する電極を備える発電層の製造方法を提供することを目的の一つとする。
【0009】
なお、出願人は、上述の目的の一部を達成するために、本発明とは異なる発明として、水溶性の短繊維を造孔剤として用いて電極部材を形成し、電極部材を水に浸漬して内部の造孔剤を溶出させて除去することにより十分なガス透過性と導電性とを有する電極を製造する方法や、電極部材を水に浸漬して内部の造孔剤を溶出させる前に、電極部材を電解質膜と接合して一体化することにより十分なガス透過性と導電性とを有する2つの電極を有する発電層を製造する方法を提案している(特開平8−180879号公報)。
【0010】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池用の電極や発電層の製造方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の構成を採った。
【0016】
本発明の燃料電池用の電極の製造方法は、
所定の場を作用させたとき長手方向が該所定の場に基づいて所定方向に配向する性質を有し所定の溶液に溶解可能な材料により長手形状の造孔剤を形成する造孔剤形成工程と、
該形成された造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
該形成された電極形成部材に対して所定の角度をもって前記所定の場を作用させる場作用工程と、
該所定の場を作用させた電極形成部材に含まれる溶媒を乾燥させる乾燥工程と、
該乾燥させた電極形成部材を前記所定の溶液に浸漬して前記造孔剤を溶出させる溶出工程と
を備えることを要旨とする。
【0017】
この本発明の電極の製造方法によれば、長手方向に所定の配向性をもった複数の細孔を有する電極を製造することができる。こうして製造された電極によれば、長手方向に所定の配向性をもった細孔により所定の方向へのガスの透過性をよくすることができ、この電極を用いることにより、燃料電池における電気化学反応を連続してスムーズに行わせることができる。なお、「所定の場」とは、所定方向の何らかの力を作用させることができる場であり、所定方向の磁界を形成する磁場や所定方向の電界を形成する電場あるいは所定方向の重力場などが含まれる。造孔剤を形成する材料は、こうした「所定の場」が所定方向の磁界を形成する磁場のときには強磁性を示す材料であり、「所定の場」が所定方向の電界を形成する電場のときには強誘電性を示す材料である。
【0018】
本発明の電極の製造方法において、前記場作用工程と前記乾燥工程は、前記形成された電極形成部材に所定の角度をもって前記所定の場を作用させた状態で該電極形成部材に含まれる溶媒を乾燥させることにより同時に行う工程であるものとすることもできる。
【0019】
また、本発明の電極の製造方法において、前記造孔剤形成工程は、前記材料により長手方向を有する3次元構造の造孔剤を形成する工程であるものとすることもできる。こうすれば、長手方向のガスの透過性に優れているだけでなく、長手方向とは異なる方向への拡散性にも優れた電極を製造することができる。
【0020】
さらに、本発明の電極の製造方法において、前記所定の溶液に溶解可能な材料により第2の造孔剤を形成する第2造孔剤形成工程を備え、前記インク調整工程は、前記造孔剤と前記第2の造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整する工程であるものとすることもできる。こうすれば、長手方向のガスの透過性に優れているだけでなく、長手方向とは異なる方向への拡散性にも優れた電極を製造することができる。
【0026】
本発明の燃料電池用の発電層の製造方法は、
所定の場を作用させたとき長手方向が該所定の場に基づいて所定方向に配向する性質を有し所定の溶液に溶解可能な材料により長手形状の造孔剤を形成する造孔剤形成工程と、
該形成された造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
該形成された電極形成部材に対して所定の角度をもって前記所定の場を作用させる場作用工程と、
該所定の場を作用させた電極形成部材に含まれる溶媒を乾燥させる乾燥工程と、
該乾燥させた電極形成部材を電解質膜の両面に接合して発電層形成部材を形成する発電層形成部材形成工程と、
該形成された発電層形成部材を前記所定の溶液に浸漬して該発電層形成部材の前記電極形成部材から前記造孔剤を溶出させる溶出工程と
を備えることを要旨とする。
【0027】
この本発明の発電層の製造方法によれば、長手方向に所定の配向性をもった複数の細孔を有する電極を備える発電層を製造することができる。こうして製造された発電層によれば、長手方向に所定の配向性をもった細孔を有する電極により燃料ガスや酸化ガスがスムーズに供給されるから、電気化学反応を連続してスムーズに行なうことができる。なお、「所定の場」とは、所定方向の何らかの力を作用させることができる場であり、所定方向の磁界を形成する磁場や所定方向の電界を形成する電場あるいは所定方向の重力場などが含まれる。造孔剤を形成する材料は、こうした「所定の場」が所定方向の磁界を形成する磁場のときには強磁性を示す材料であり、「所定の場」が所定方向の電界を形成する電場のときには強誘電性を示す材料である。
【0028】
こうした本発明の発電層の製造方法において、前記場作用工程と前記乾燥工程は、前記形成された電極形成部材に所定の角度をもって前記所定の場を作用させた状態で該電極形成部材に含まれる溶媒を乾燥させることにより同時に行う工程であるものとすることもできる。
【0029】
また、本発明の発電層の製造方法において、前記造孔剤形成工程は、前記材料により長手方向を有する3次元構造の造孔剤を形成する工程であるものとすることもできる。こうすれば、長手方向への燃料ガスや酸化ガスの透過性に優れているだけでなく、長手方向とは異なる方向への燃料ガスや酸化ガスの拡散性にも優れた電極を備える発電層を製造することができる。
【0030】
あるいは、本発明の発電層の製造方法において、前記所定の溶液に溶解可能な材料により第2の造孔剤を形成する第2造孔剤形成工程を備え、前記インク調整工程は、前記造孔剤と前記第2の造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整する工程であるものとすることもできる。こうすれば、長手方向への燃料ガスや酸化ガスの透過性に優れているだけでなく、長手方向とは異なる方向への燃料ガスや酸化ガスの拡散性にも優れた電極を備える発電層を製造することができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図1は本発明の好適な一実施例である電解質膜12と触媒電極14との接合体である発電層15の製造の様子を例示する工程図であり、図2は図1の工程により製造される発電層15の構造の概略を例示する模式図である。まず、図1の工程図に基づき発電層15の製造の様子について説明する。
【0032】
実施例の発電層15の製造は、まず、鉄により半径0.1μm,長さ1μmの針状の造孔剤Fを形成し(工程S100)、形成した造孔剤Fを、造孔剤F1gに対して、触媒Pとしての白金あるいは白金と他の金属との合金の微粒子(平均粒径約1nm)を20wt%担持した触媒担持カーボンCを1g、5wt%パーフルオロカーボンスルホン酸溶液(例えば、アルドリッチケミカル社製のナフィオンソリューション)を10ml、シクロヘキサノールの10mlの割合で混合し、超音波を照射して造孔剤Fおよび触媒担持カーボンCを均一に分散させてペースト状のインクを調整する(工程S110)。なお、超音波の照射による分散は、実施例では市販されている超音波洗浄機を用いて周波数30kHzないし50kHzの超音波を照射することによって行なった。
【0033】
続いて、このペースト状のインクをドクターブレード式の印刷装置を用いてテフロンシート上に厚さ30μmないし500μm好ましくは80μmないし300μmに調整して印刷することによりシート状の電極形成部材17を形成し(工程S120)、形成した電極形成部材17をそのシート面に略垂直な方向の磁界を作用させた状態で40℃ないし100℃好ましくは60℃ないし80℃の温度で真空乾燥することにより、その厚さが1μmないし100μm好ましくは3μmないし10μmになるまで電極形成部材17中の溶媒を乾燥させる(工程S130)。このように磁界を電極形成部材17に作用させると、電極形成部材17中の造孔剤Fが強磁性の鉄により形成されていることから、その長手方向が磁界の方向となるように配向する。この様子を図3に示す。図3(a)は磁場を作用させる前の電極形成部材17内の造孔剤Fの状態を模式的に示す説明図、図3(b)は磁場を作用させているときの電極形成部材17内の造孔剤Fの状態を模式的に示す説明図、図3(c)は磁場を作用させた状態で溶媒を乾燥させた後の電極形成部材17内の造孔剤Fの状態を模式的に示す説明図である。造孔剤Fは、磁界を作用させる前は、図3(a)に示すように配向性を示さないが、磁界を作用させると、図3(b)に示すようにその磁化作用により長手方向が磁力線の方向を向くようになる。したがって、シート面に略垂直な方向の磁界を作用させた状態で電極形成部材17を乾燥させれば、図3(c)に示すように造孔剤Fの長手方向がシート面に略垂直な方向の配向性をもった乾燥した電極形成部材17とすることができる。なお、実施例では、作用させる磁場としては、単位面積当たりの磁界の強さが100[A/m]ないし1000[A/m]の磁界を作用させた。なお、磁界の強さは、造孔剤Fと触媒担持カーボンCとにより調整されたインクの粘度や造孔剤Fの材質によって定まるものであり、上述の範囲に限られるものでないことはいうまでもない。
【0034】
次に、予め希硫酸,過酸化水素水およびイオン交換水で順次煮沸洗浄を行って得られた厚さ10μmないし200μm好ましくは30μmないし100μmの電解質膜12(例えば、デュポン社製商品名「ナフィオン」として販売されているパーフルオロカーボンスルホン酸高分子膜など)を乾燥させた電極形成部材17により印刷面を内側として挟み、サンドイッチ構造とした状態で100℃ないし160℃好ましくは110℃ないし130℃の温度で1MPaないし20MPa好ましくは5MPaないし15MPaの圧力を作用させて接合するホットプレス法によって電解質膜12と電極形成部材17とを接合する(工程S140)。
【0035】
こうして得られた電解質膜12と電極形成部材17との接合体からテフロンシートを剥がして造孔剤Fを溶解可能な酸に浸漬して電極形成部材17から造孔剤Fを溶出させ(工程S150)、洗浄,乾燥して、図2に示すような面に対して略垂直な配向性をもった複数の細孔Sを有する2つの触媒電極14と電解質膜12との接合体である発電層15を完成する。なお、実施例では、造孔剤Fを溶解可能な酸としては1規定の希硫酸を用い、この希硫酸による煮沸洗浄とイオン交換水による煮沸洗浄を2回ないし5回程度繰り返すことにより電極形成部材17から造孔剤Fを完全に溶出させた。
【0036】
次に、こうして製造された発電層15を用いた燃料電池10について説明する。図4は実施例の発電層15を備える燃料電池10の構成を例示する模式図である。図示するように、燃料電池10は、前述の製造方法により製造された電解質膜12と2つの触媒電極14との接合体である発電層15と、この発電層15を挟持する2つのガス拡散電極16と、発電層15と共にガス拡散電極16をも挟持する集電極20とからなる。
【0037】
2つのガス拡散電極16は、表面をポリ四フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と何等処理されていない炭素繊維とを1対1の割合とした糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。このガス拡散電極16は、炭素繊維にコーティングされたポリ四フッ化エチレンが撥水性を呈することから、ガス拡散電極16の表面全体が水で覆われてることがなく、良好なガス透過性を有する。
【0038】
集電極20は、カーボンを圧縮して緻密化しガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されており、集電極20のガス拡散電極16と接触する面には、平行に配置された複数のリブ22が形成されている。このリブ22は、ガス拡散電極16とで酸素を含有する酸化ガス(例えば、空気等)または水素を含有する燃料ガス(例えば、メタノール改質ガス等)の流路24を形成する。
【0039】
こうして構成された燃料電池10の発電層15と2つのガス拡散電極16とを挟んで対峙する集電極20とガス拡散電極16とにより形成される流路24に、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスを供給すれば、電解質膜12を挟んで対峙する2つの触媒電極14に燃料ガスおよび酸化ガスが供給されて、前述の反応式(1)および式(2)に示す電気化学反応が行なわれ、化学エネルギが直接電気エネルギに変換される。
【0040】
次に、こうして構成された燃料電池10の性能について従来例の燃料電池と比較して説明する。図5は、実施例の燃料電池10と従来例の燃料電池とにおける電流密度と電圧との関係を例示したグラフであり、図6は従来例の燃料電池の触媒電極の構造を例示する模式図である。図5のグラフ中、曲線Aは実施例の発電層15を備える燃料電池10における電流密度と電圧との関係を示し、曲線Cは金属塩の粒状の造孔剤Zを用いて細孔SCを形成した触媒電極14Cと電解質膜12Cとを接合してなる発電層15C(図6の模式図を参照)を備える燃料電池(従来例の燃料電池)における電流密度と電圧との関係を示す。なお、図中曲線Bについては後述する。
【0041】
従来例の燃料電池が備える発電層15Cの触媒電極14Cは、1gの触媒担持カーボンCに対して500mgの平均粒径1μmの炭酸カルシウムの粉末を混合して電極形成部材を形成し、この電極形成部材と実施例の電解質膜12と同一の電解質膜12Cとを実施例の接合条件と同一の条件で接合し、その後、電極形成部材中の炭酸カルシウムを強酸性水溶液により溶出して形成したものである。触媒電極14Cは、粒状の炭酸カルシウムを造孔剤として用いるから、形成される細孔SCは、図6に示すように、平均径1μmの略球形の空孔を小さな径の連通孔で連通したものとなる。触媒電極におけるガスの透過性は細孔の径に依存するから、従来例の触媒電極14Cでは、空孔を連絡する連通孔の径に依存することになり、十分なガス透過性を確保しようとすると、その内部に必要以上の空間が形成されてしまう。この結果、触媒電極14Cは、導電面積が小さくなって導電率が低下すると共に脆弱なものとなる。
【0042】
一方、実施例の燃料電池10が備える触媒電極14の細孔Sは、磁界を作用させることにより表面に対して略垂直に配向された半径0.1μm,長さ1μmの針状の造孔剤Fによるものであるから、半径が約0.1μm,長さが1μmで表面に対して略垂直なものとなり、ガスの透過に対し必要以上の空間が形成されるものではない。このことは、細孔Sが触媒電極14におけるガスの透過に対してその機能を十分果たすことを意味する。これらのことから、実施例の燃料電池10の性能を従来例の燃料電池と比較すると、図5に示すように、実施例の燃料電池10は、ガス透過性の影響が大きくなる高電流密度領域で従来例の燃料電池に比して著しい性能の向上が認められる。
【0043】
なお、実施例の燃料電池10が従来例の燃料電池に比して良好な性能を示すのは、燃料電池10が備える発電層15の性能の差、即ち触媒電極14の性能の差に基づくのは言うまでもない。
【0044】
以上説明した実施例の発電層15の製造方法によれば、表面に対して略垂直な配向性をもった複数の細孔を有する触媒電極14と電解質膜12との接合体である発電層15を製造することができる。
【0045】
こうして製造された発電層15によれば、触媒電極14が表面に対して略垂直な配向性をもった複数の細孔を有することにより、より良好なガス透過性と導電性とを示すから、発電層15の性能をより高くすることができる。また、こうして製造された発電層15を燃料電池に用いることにより、より性能のよい燃料電池とすることができる。
【0046】
実施例の発電層15の製造方法では、鉄により半径0.1μm,長さ1μmの針状に形成された造孔剤Fを用いたが、長手方向を有する3次元的な構造の造孔剤を用いるものとしてもよい。例えば、平均粒径0.1μmの鉄粉末を焼成,粉砕して鉄粉末粒子が5個ないし200個程度、大きさでは0.5μmないし5μm程度に3次元構造に形成された造孔剤を用いるものとしてもよい。こうした3次元構造の造孔剤を用いて電極形成部材を形成し、これをシート面と略垂直な方向の磁界を作用させることにより、造孔剤はその長手方向がシート面と略垂直な方向に揃う。したがって、この3次元構造の造孔剤を用いて実施例の発電層15と同様に発電層を製造すれば、長手方向が表面に略垂直な配向性をもつ3次元構造の複数の細孔を有する触媒電極と電解質膜との接合体である発電層を得ることができる。こうして得られる変形例の発電層の模式図を図7に示す。図示するように、この変形例の発電層は、長手方向が表面に略垂直な配向性をもった細孔SBを有する触媒電極14Bを備えることにより、実施例の発電層15と同様の効果を奏することができ、更に、触媒電極14Bの細孔SBが3次元的に連通していることから、長手方向とは異なる方向へのガスの拡散性をも有するものとすることができる。この変形例の発電層を用いた燃料電池の電流密度と電圧との関係を図5の曲線Bとして示す。図示するように、変形例の発電層を用いた燃料電池は、ガス透過性の影響が大きくなる高電流密度領域で、従来例の燃料電池との比較においてはもとより、実施例の燃料電池10に比しても性能の向上が認められる。
【0047】
このように、長手方向が触媒電極の表面に略垂直な配向性をもち、かつ長手方向とは異なる方向にも連通する細孔を有する触媒電極を得るためには、変形例の3次元構造の造孔剤FBを用いる手法の他、実施例の針状の造孔剤Fと常磁性で造孔剤Fと同一の溶液に溶解可能な材料により球状,針状,3次元構造,その他の形状に形成された造孔剤とを混ぜて用いるものとしてもよい。実施例の針状の造孔剤Fと鉄により球状に形成された造孔剤F2とを混ぜて用いることによって、表面に対して略垂直な配向性をもつと共にこの方向とは異なる方向にも連通する複数の細孔SDを有する触媒電極14Dと電解質膜12Dとの接合体である変形例の発電層の構成の概略を示す模式図を図8に示す。
【0048】
また、実施例の発電層15や変形例の発電層の製造方法では、ペースト状に調整したインクをドクターブレード式の印刷装置を用いてテフロンシート上に印刷することによりシート状の電極形成部材17を形成したが、電解質膜12へスクリーン印刷などにより直接印刷して形成するものとしたり、テフロンシート上にあるいは電解質膜12上にスプレーにより吹き付けて形成するものなど、種々の方法で形成してもよい。
【0049】
実施例の発電層15や変形例の発電層が備える触媒電極では、長手方向が表面に対して略垂直な配向性をもった細孔を有するが、この角度に限られるものではなく、例えば、ガスを透過させたい方向が表面から所定の角度をもっているときには、長手方向が表面に対して所定の角度となる配向性をもった細孔を有するものとしてもよい。こうした触媒電極を備える発電層を製造するには、図1の製造工程の工程S130に代えて、シート面に対して所定の角度の方向の磁界を作用させた状態で電極形成部材17を乾燥させればよい。
【0050】
実施例の発電層15や変形例の発電層の製造方法では、電極形成部材17を磁界を作用させた状態で乾燥させたが、電極形成部材17に磁界を作用させて造孔剤Fの長手方向に配向性をもたせ、その後に磁界を作用させずに電極形成部材17を乾燥させる2段階の工程としてもよい。
【0051】
実施例の発電層15や変形例の発電層の製造方法では、造孔剤を形成する材料として鉄を用いたが、電解質膜12に影響を与えることがない溶液により溶解可能な強磁性材料であれば如何なるものでもよいから、例えば、鉄と他の金属との合金,コバルトやニッケルあるいはこれらと他の金属との合金などを用いてもよい。
【0052】
また、実施例の発電層15や変形例の発電層の製造方法では、強磁性材料により長手形状の造孔剤Fを形成し、電界を作用させることにより電極形成部材17中の造孔剤Fの長手方向に配向性をもたせたが、所定の場を作用させたとき長手方向が所定の場に基づいて所定方向に配向する性質を有し所定の溶液に溶解可能な材料により長手形状の造孔剤を形成し、所定の場に電極形成部材をおくことにより電極形成部材中の造孔剤の長手方向に配向性をもたせるものとしてもよい。例えば、強誘電性材料により長手形状の造孔剤を形成し、電界を作用させることにより電極形成部材中の造孔剤の長手方向に配向性をもたせるものとしてもよい。また、長手方向に密度分布を有するよう造孔剤を形成し、電極形成部材を所定の重力場(例えば遠心回転機などにより与えられる重力場)に置くことにより電極形成部材中の造孔剤の長手方向に配向性をもたせるものとしてもよい。
【0053】
以上、長手方向が表面に対して略垂直な配向性をもった複数の細孔を有する触媒電極14と電解質膜12との接合体である発電層15やその変形例の発電層を製造する方法について説明したが、この発電層15や変形例の発電層の製造工程のうち電解質膜12と電極形成部材17との接合の工程(図1の工程S140)を除くことにより、長手方向が表面に対して略垂直な配向性をもった複数の細孔を有する触媒電極14を製造する方法や、変形例の発電層が備える触媒電極を製造する方法とすることができる。こうした触媒電極14の製造方法や変形例の発電層が備える触媒電極の製造方法についてのこれ以上の説明は重複するから省略する。こうした触媒電極14の製造方法や変形例の発電層が備える触媒電極の製造方法によれば、長手方向が表面に対して略垂直な配向性をもった複数の細孔や、更に長手方向とは異なる方向に連通する細孔を有することにより、その長手方向に対する十分なガス透過性を有すると共に導電性とを備える触媒電極14や更にその長手方向とは異なる方向へのガスの拡散性を有する触媒電極を得ることができる。したがって、この触媒電極14や変形例の触媒電極を用いることにより、より性能のよい発電層を形成することができると共に、より性能のよい燃料電池を構成することができる。
【0054】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な一実施例である電解質膜12と触媒電極14との接合体である発電層15の製造の様子を例示する工程図である。
【図2】図1の工程により製造された発電層15の構造の概略を例示する模式図である。
【図3】電極形成部材17中の造孔剤Fが配向される様子を説明する説明図である。
【図4】実施例の発電層15を備える燃料電池10の構成を例示する模式図である。
【図5】実施例の発電層15を備える燃料電池10と変形例の発電層を備える燃料電池と従来例の燃料電池とにおける電流密度と電圧との関係を例示したグラフである。
【図6】従来例の燃料電池の発電層15Cの構造の概略を拡大して示す模式図である。
【図7】変形例の発電層の構造の概略を例示する模式図である。
【図8】変形例の発電層の構造の概略を例示する模式図である。
【符号の説明】
10…燃料電池
12…電解質膜
14…触媒電極
15…発電層
16…ガス拡散電極
17…電極形成部材
20…集電極
22…リブ
24…流路
C…触媒担持カーボン
F…造孔剤
P…触媒
S…細孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrode and power generation for a fuel cell. Layered More specifically, the power generation method includes an electrode used for a fuel cell and an electrolyte membrane used for the fuel cell and two electrodes sandwiching the electrode. Layered It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen are supplied to two electrodes (an oxygen electrode and a fuel electrode) facing each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. Thus, the reactions shown in the following formulas (1) and (2) are performed, and the chemical energy of the substance is directly converted into electric energy.
[0003]
Cathode reaction (oxygen electrode): 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O ... (1)
Anode reaction (fuel electrode): H 2 → 2H + + 2e − ... (2)
[0004]
In order to carry out this reaction continuously and smoothly, it is necessary to quickly remove the generated water at the oxygen electrode and continuously supply the oxidizing gas. At the fuel electrode, the generated hydrogen ions are hydrated into the electrolyte by hydration. It is necessary to continuously supply water and fuel gas for smoothly diffusing into the membrane. In addition, in order to reduce the contact resistance and to make an efficient fuel cell, it is also necessary to closely contact the electrolyte membrane and both electrodes.
[0005]
Conventionally, as a method of manufacturing an electrode for a fuel cell that meets these requirements, a catalyst-supported carbon is mixed using powders of metals such as zinc, aluminum, chromium, or inorganic salts such as these metal salts as pore-forming agents. A method of manufacturing an electrode having a plurality of pores inside is proposed by forming a sheet-like electrode member to be formed and immersing the formed electrode member in a solution to elute and remove the internal pore-forming agent. (For example, JP-A-6-36771 and JP-A-6-203852).
[0006]
In addition, as a method for producing a power generation layer for a fuel cell, before the step of immersing the electrode member in a solution and eluting the pore-forming agent in the electrode member in the above-described conventional method for producing an electrode for a fuel cell. A method for joining and integrating the electrode member and the polymer electrolyte membrane has been proposed (for example, JP-A-6-203852). Thus, the pore forming agent is eluted after being joined to the polymer electrolyte membrane, thereby preventing the pores of the electrode from being crushed during joining.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the manufacturing method described above, if an attempt is made to ensure sufficient gas permeability in the electrode, an excessive space is formed in the electrode, which deteriorates the performance of the fuel cell or makes the electrode fragile. There was a problem. When a granular metal or metal salt is used as a pore-forming agent, the formed pores have a shape in which substantially spherical pores that are the shape of the pore-forming agent are communicated. For this reason, the diameter of the pores varies greatly in the length direction and is not constant. Since the gas permeability in the electrode depends on the diameter of the pores formed in the electrode, in an electrode with a large change in the diameter of the pores, if an attempt is made to obtain sufficient gas permeability, the inside of the electrode is more than necessary. Will form a space. Such extra space reduces the conductive area of the electrode, lowers its conductivity, and makes the electrode fragile.
[0008]
Electricity for the fuel cell of the present invention Extreme The manufacturing method solves these problems and has sufficient gas permeability and conductivity. Extreme An object is to provide a manufacturing method. Further, the power generation for the fuel cell of the present invention Layered The manufacturing method includes generating an electrode having sufficient gas permeability and conductivity while maintaining high performance of the electrolyte membrane. Layered An object is to provide a manufacturing method.
[0009]
In order to achieve a part of the above object, the applicant forms an electrode member using water-soluble short fibers as a pore-forming agent as an invention different from the present invention, and immerses the electrode member in water. And then eluting and removing the internal pore former to produce an electrode having sufficient gas permeability and conductivity, or before immersing the electrode member in water and eluting the internal pore former In addition, a method for producing a power generation layer having two electrodes having sufficient gas permeability and conductivity by joining and integrating an electrode member with an electrolyte membrane is proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 8-180879). Publication).
[0010]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
Electrode and power generation for fuel cell of the present invention Layered In order to achieve at least a part of the above-mentioned object, the manufacturing method is as follows. Constitution Was taken.
[0016]
The method for producing an electrode for a fuel cell of the present invention comprises:
A pore-forming agent forming step of forming a longitudinal pore-forming agent from a material that has a property that the longitudinal direction is oriented in a predetermined direction based on the predetermined field when a predetermined field is applied, and is soluble in a predetermined solution When,
An ink adjusting step of adjusting the ink by dispersing the formed pore forming agent and carbon particles supporting the catalyst in a predetermined solvent;
An electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member with the adjusted ink;
A field action step of causing the predetermined field to act on the formed electrode forming member at a predetermined angle;
A drying step of drying the solvent contained in the electrode forming member that has acted on the predetermined field;
An elution step of immersing the dried electrode forming member in the predetermined solution to elute the pore-forming agent;
It is a summary to provide.
[0017]
According to the electrode manufacturing method of the present invention, an electrode having a plurality of pores having a predetermined orientation in the longitudinal direction can be manufactured. According to the electrode manufactured in this manner, the gas permeability in a predetermined direction can be improved by the pores having a predetermined orientation in the longitudinal direction. The reaction can be performed continuously and smoothly. The “predetermined field” is a field where a certain force in a predetermined direction can be applied, such as a magnetic field that forms a magnetic field in a predetermined direction, an electric field that forms an electric field in a predetermined direction, or a gravitational field in a predetermined direction. included. The material forming the pore-forming agent is a material exhibiting ferromagnetism when such a “predetermined field” is a magnetic field that forms a magnetic field in a predetermined direction, and when the “predetermined field” is an electric field that forms an electric field in a predetermined direction. It is a material exhibiting ferroelectricity.
[0018]
In the method for producing an electrode of the present invention, the field action step and the drying step are performed by applying a solvent contained in the electrode forming member in a state where the predetermined field is applied to the formed electrode forming member at a predetermined angle. It can also be a process performed simultaneously by drying.
[0019]
Moreover, in the manufacturing method of the electrode of this invention, the said pore forming agent formation process shall be a process of forming the pore forming agent of the three-dimensional structure which has a longitudinal direction with the said material. By doing so, it is possible to manufacture an electrode that is not only excellent in gas permeability in the longitudinal direction but also excellent in diffusivity in a direction different from the longitudinal direction.
[0020]
Furthermore, the electrode manufacturing method of the present invention further includes a second pore forming agent forming step of forming a second pore forming agent from a material that can be dissolved in the predetermined solution, wherein the ink adjusting step includes the pore forming agent. And the second pore former and the carbon particles supporting the catalyst may be dispersed in a predetermined solvent to adjust the ink. By doing so, it is possible to manufacture an electrode that is not only excellent in gas permeability in the longitudinal direction but also excellent in diffusivity in a direction different from the longitudinal direction.
[0026]
A method for producing a power generation layer for a fuel cell according to the present invention includes:
A pore-forming agent forming step of forming a longitudinal pore-forming agent from a material that has a property that the longitudinal direction is oriented in a predetermined direction based on the predetermined field when a predetermined field is applied, and is soluble in a predetermined solution When,
An ink adjusting step of adjusting the ink by dispersing the formed pore forming agent and carbon particles supporting the catalyst in a predetermined solvent;
An electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member with the adjusted ink;
A field action step of causing the predetermined field to act on the formed electrode forming member at a predetermined angle;
A drying step of drying the solvent contained in the electrode forming member that has acted on the predetermined field;
A power generation layer forming member forming step of forming the power generation layer forming member by bonding the dried electrode forming member to both surfaces of the electrolyte membrane;
An elution step of immersing the formed power generation layer forming member in the predetermined solution to elute the pore-forming agent from the electrode forming member of the power generation layer forming member;
It is a summary to provide.
[0027]
According to this power generation layer manufacturing method of the present invention, a power generation layer including an electrode having a plurality of pores having a predetermined orientation in the longitudinal direction can be manufactured. According to the power generation layer thus manufactured, the fuel gas and the oxidizing gas are smoothly supplied by the electrode having pores having a predetermined orientation in the longitudinal direction, so that the electrochemical reaction can be performed continuously and smoothly. Can do. The “predetermined field” is a field where a certain force in a predetermined direction can be applied, such as a magnetic field that forms a magnetic field in a predetermined direction, an electric field that forms an electric field in a predetermined direction, or a gravitational field in a predetermined direction. included. The material forming the pore-forming agent is a material exhibiting ferromagnetism when such a “predetermined field” is a magnetic field that forms a magnetic field in a predetermined direction, and when the “predetermined field” is an electric field that forms an electric field in a predetermined direction. It is a material exhibiting ferroelectricity.
[0028]
In such a power generation layer manufacturing method of the present invention, the field action step and the drying step are included in the electrode forming member in a state where the predetermined field is applied to the formed electrode forming member at a predetermined angle. It can also be a process performed simultaneously by drying the solvent.
[0029]
In the method for producing a power generation layer of the present invention, the pore forming agent forming step may be a step of forming a pore forming agent having a three-dimensional structure having a longitudinal direction with the material. In this way, a power generation layer including an electrode that is not only excellent in permeability of fuel gas and oxidizing gas in the longitudinal direction but also excellent in diffusibility of fuel gas and oxidizing gas in a direction different from the longitudinal direction. Can be manufactured.
[0030]
Alternatively, in the method for producing a power generation layer according to the present invention, the method includes a second pore forming agent forming step of forming a second pore forming agent with a material that can be dissolved in the predetermined solution, and the ink adjustment step includes It is also possible to adjust the ink by dispersing the agent, the second pore-forming agent, and the carbon particles carrying the catalyst in a predetermined solvent. In this way, a power generation layer including an electrode that is not only excellent in permeability of fuel gas and oxidizing gas in the longitudinal direction but also excellent in diffusibility of fuel gas and oxidizing gas in a direction different from the longitudinal direction. Can be manufactured.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a process diagram illustrating the production of a
[0032]
In the production of the
[0033]
Subsequently, the paste-like ink is printed on a Teflon sheet by using a doctor blade type printing apparatus with a thickness of 30 μm to 500 μm, preferably 80 μm to 300 μm, thereby forming a sheet-like
[0034]
Next, an
[0035]
The Teflon sheet is peeled from the joined body of the
[0036]
Next, the
[0037]
The two
[0038]
The
[0039]
Fuel gas containing hydrogen and oxygen are provided in the
[0040]
Next, the performance of the
[0041]
The catalyst electrode 14C of the power generation layer 15C provided in the conventional fuel cell is formed by mixing 500 g of calcium carbonate powder having an average particle diameter of 1 μm with 1 g of the catalyst-supporting carbon C to form an electrode forming member. The member and the electrolyte membrane 12C identical to the
[0042]
On the other hand, the pores S of the
[0043]
The reason why the
[0044]
According to the method of manufacturing the
[0045]
According to the
[0046]
In the manufacturing method of the
[0047]
Thus, in order to obtain a catalyst electrode having an orientation in which the longitudinal direction is substantially perpendicular to the surface of the catalyst electrode and also communicating with a direction different from the longitudinal direction, the three-dimensional structure of the modified example is used. In addition to the method using the pore-forming agent FB, the needle-like pore-forming agent F of the embodiment and the material that is paramagnetic and soluble in the same solution as the pore-forming agent F are spherical, needle-shaped, three-dimensional structure, and other shapes It is good also as what mixes with the pore-forming agent formed in this. By mixing the needle-shaped pore-forming agent F of the example and the pore-forming agent F2 formed into a spherical shape with iron, the orientation is substantially perpendicular to the surface and the direction is different from this direction. FIG. 8 is a schematic diagram showing an outline of the configuration of the power generation layer of a modified example that is a joined body of the catalyst electrode 14D having a plurality of communicating pores SD and the electrolyte membrane 12D.
[0048]
In the method for producing the
[0049]
In the catalyst electrode provided in the
[0050]
In the manufacturing method of the
[0051]
In the manufacturing method of the
[0052]
Moreover, in the manufacturing method of the
[0053]
As described above, the method of manufacturing the
[0054]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, Of course, in the range which does not deviate from the summary of this invention, it can implement with a various form. It is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram illustrating the production of a
2 is a schematic view illustrating the outline of the structure of a
FIG. 3 is an explanatory view for explaining a state in which a pore forming agent F in an
FIG. 4 is a schematic view illustrating the configuration of a
FIG. 5 is a graph illustrating the relationship between current density and voltage in a
FIG. 6 is an enlarged schematic view showing an outline of the structure of a power generation layer 15C of a conventional fuel cell.
FIG. 7 is a schematic view illustrating the outline of the structure of a power generation layer according to a modification.
FIG. 8 is a schematic view illustrating the outline of the structure of a power generation layer according to a modification.
[Explanation of symbols]
10. Fuel cell
12 ... electrolyte membrane
14 ... Catalyst electrode
15 ... Power generation layer
16 ... Gas diffusion electrode
17 ... Electrode forming member
20 ... collector electrode
22 ... Ribs
24 ... Flow path
C ... Catalyst supported carbon
F ... Pore forming agent
P ... Catalyst
S ... pore
Claims (12)
所定の場を作用させたとき長手方向が該所定の場に基づいて所定方向に配向する性質を有し所定の溶液に溶解可能な材料により長手形状の造孔剤を形成する造孔剤形成工程と、
該形成された造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
該形成された電極形成部材に対して所定の角度をもって前記所定の場を作用させる場作用工程と、
該所定の場を作用させた電極形成部材に含まれる溶媒を乾燥させる乾燥工程と、
該乾燥させた電極形成部材を前記所定の溶液に浸漬して前記造孔剤を溶出させる溶出工程と
を備える電極の製造方法。 A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising:
A pore-forming agent forming step of forming a longitudinal pore-forming agent from a material that has a property that the longitudinal direction is oriented in a predetermined direction based on the predetermined field when a predetermined field is applied, and is soluble in a predetermined solution When,
An ink adjusting step of adjusting the ink by dispersing the formed pore forming agent and carbon particles supporting the catalyst in a predetermined solvent;
An electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member with the adjusted ink;
A field action step of causing the predetermined field to act on the formed electrode forming member at a predetermined angle;
A drying step of drying the solvent contained in the electrode forming member that has acted on the predetermined field;
An elution process comprising immersing the dried electrode forming member in the predetermined solution to elute the pore-forming agent.
前記所定の場は所定方向の磁界を形成する磁場であり、
前記性質は強磁性である
電極の製造方法。 A method of manufacturing an electrode according to claim 1 or claim 2 ,
The predetermined field is a magnetic field forming a magnetic field in a predetermined direction;
A method for producing an electrode, wherein the property is ferromagnetic.
前記所定の場は所定方向の電界を形成する電場であり、
前記性質は強誘電性である
電極の製造方法。 A method of manufacturing an electrode according to claim 1 or claim 2 ,
The predetermined field is an electric field forming an electric field in a predetermined direction;
A method of manufacturing an electrode, wherein the property is ferroelectric.
前記所定の溶液に溶解可能な材料により第2の造孔剤を形成する第2造孔剤形成工程を備え、
前記インク調整工程は、前記造孔剤と前記第2の造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整する工程である
電極の製造方法。 A method for producing an electrode according to any one of claims 1 to 4 ,
A second pore forming agent forming step of forming a second pore forming agent from a material that is soluble in the predetermined solution;
The ink adjustment step is an electrode manufacturing method in which the pore forming agent, the second pore forming agent, and carbon particles carrying a catalyst are dispersed in a predetermined solvent to adjust ink.
所定の場を作用させたとき長手方向が該所定の場に基づいて所定方向に配向する性質を有し所定の溶液に溶解可能な材料により長手形状の造孔剤を形成する造孔剤形成工程と、
該形成された造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整するインク調整工程と、
該調整されたインクによりシート状の電極形成部材を形成する電極形成部材形成工程と、
該形成された電極形成部材に対して所定の角度をもって前記所定の場を作用させる場作用工程と、
該所定の場を作用させた電極形成部材に含まれる溶媒を乾燥させる乾燥工程と、
該乾燥させた電極形成部材を電解質膜の両面に接合して発電層形成部材を形成する発電層形成部材形成工程と、
該形成された発電層形成部材を前記所定の溶液に浸漬して該発電層形成部材の前記電極形成部材から前記造孔剤を溶出させる溶出工程と
を備える発電層の製造方法。 A method for producing a power generation layer for a fuel cell, comprising:
A pore-forming agent forming step of forming a longitudinal pore-forming agent from a material that has a property that the longitudinal direction is oriented in a predetermined direction based on the predetermined field when a predetermined field is applied, and is soluble in a predetermined solution When,
An ink adjusting step of adjusting the ink by dispersing the formed pore forming agent and carbon particles supporting the catalyst in a predetermined solvent;
An electrode forming member forming step of forming a sheet-like electrode forming member with the adjusted ink;
A field action step of causing the predetermined field to act on the formed electrode forming member at a predetermined angle;
A drying step of drying the solvent contained in the electrode forming member that has acted on the predetermined field;
A power generation layer forming member forming step of forming the power generation layer forming member by bonding the dried electrode forming member to both surfaces of the electrolyte membrane;
An elution step of immersing the formed power generation layer forming member in the predetermined solution to elute the pore-forming agent from the electrode forming member of the power generation layer forming member.
前記所定の場は所定方向の磁界を形成する磁場であり、
前記性質は強磁性である
発電層の製造方法。 A method for producing a power generation layer according to claim 7 or claim 8 ,
The predetermined field is a magnetic field forming a magnetic field in a predetermined direction;
A method for producing a power generation layer, wherein the property is ferromagnetic.
前記所定の場は所定方向の電界を形成する電場であり、
前記性質は強誘電性である
発電層の製造方法。 A method for producing a power generation layer according to claim 7 or claim 8 ,
The predetermined field is an electric field forming an electric field in a predetermined direction;
A method for producing a power generation layer, wherein the property is ferroelectric.
前記所定の溶液に溶解可能な材料により第2の造孔剤を形成する第2造孔剤形成工程を備え、
前記インク調整工程は、前記造孔剤と前記第2の造孔剤と触媒を担持したカーボン粒子とを所定の溶媒に分散させてインクを調整する工程である
発電層の製造方法。 A method of manufacturing an electrode according to any one of claims 7 to 10 ,
A second pore forming agent forming step of forming a second pore forming agent from a material that is soluble in the predetermined solution;
The ink adjustment step is a method for producing a power generation layer, which is a step of adjusting ink by dispersing the pore-forming agent, the second pore-forming agent, and carbon particles carrying a catalyst in a predetermined solvent.
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