JP3828455B2 - Manufacturing method of fuel cell - Google Patents

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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正・負極間にイオン交換膜を配置し、負極の触媒に水素を接触させるとともに正極の触媒に酸素を接触させることにより発電する燃料電池の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図7は従来の燃料電池を説明する説明図である。燃料電池100は、負極層(水素極)101と正極層(酸素極)102との間にイオン交換膜103を配置し、負極層101に含む触媒に水素分子(H)を接触させるとともに、正極層102に含む触媒に酸素分子(O)を接触させることにより、電子eを矢印の如く流すことにより、電流を発生させるものである。電流を発生させる際に、水素分子(H)と酸素分子(O)とから生成水(HO)を得る。
この燃料電池10の負極層101、正極層102、イオン交換膜103を主要構成部材とする燃料電池用電極を次図で詳しく説明する。
【0003】
図8は従来の燃料電池を構成する燃料電池用電極を示す説明図である。
燃料電池用電極は、一対の拡散層104,105の内側にそれぞれバインダー層106及びバインダー層107を備え、これらバインダー層106及びバインダー層107の内側にそれぞれ負極層101及び正極層102を備え、これら負極層101及び正極層102の間にイオン交換膜103を備える。
【0004】
この燃料電池用電極を製造する際には、先ず拡散層104にバインダー層106用の溶液を塗布するとともに、拡散層105にバインダー層107用の溶液を塗布し、塗布したバインダー層106,107を焼成することによりバインダー層106,107を固化する。
【0005】
次に、固化したバインダー層106に負極層101の溶液を塗布するとともに、固化したバインダー層107に正極層102の溶液を塗布し、塗布した負・正極層101,102を乾燥することにより負・正極層101,102を固化する。
次いで、固化した負極層101にシート状のイオン交換膜103を載せ、続いてイオン交換膜103に正極層102が固化された拡散層105を載せて7層の多層構造を形成する。
次に、この多層構造を矢印の如く加熱圧着することにより燃料電池用電極を形成する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、燃料電池用電極はイオン交換膜103としてシートを使用しており、加えてバインダー層106、負極層101、正極層102、バインダー層107のそれぞれの層を固化した状態で加熱圧着するので、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生する虞がある。
燃料電池用電極の各層に密着不良部分が発生すると、電流を効率よく発生することが難しくなり、製造ラインの検査の段階において、これらの燃料電池用電極が廃棄処分や修復処分になり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【0007】
さらに、燃料電池用電極のイオン交換膜103としてシートを使用しているので、燃料電池用電極を加熱圧着の際に、イオン交換膜103を加熱状態で加圧することになり、イオン交換膜103の性能が低下する虞がある。これにより、検査の段階で廃棄処分や修復処分の対象となる部品が一層多くなり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【0008】
加えて、イオン交換膜103としてシートを使用しているので、イオン交換膜103のハンドリング性(取扱い性)を考慮するとイオン交換膜103をある程度厚くする必要がある。このため、燃料電池用電極を薄くすることが難しく、そのことが燃料電池用電極の小型化を図る妨げになる。
【0009】
そこで、本発明の目的は、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができ、さらにイオン交換膜の性能低下を防ぐことができ、加えてイオン交換膜を薄くすることができる燃料電池の製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、それぞれの層間に密着不良部分が発生するのは、先の塗膜が固化した後に、次の溶液を塗布して、この溶液が先の塗膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
そこで、先の塗膜が乾かないうちに、次の溶液を重ねたところ、溶液が先の塗膜に滲み込み、密着性が著しく高まることが分かった。
同様に、シート状のイオン交換膜に溶液を塗布した場合にも、溶液がシート状のイオン交換膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
【0011】
そこで、請求項1は、シート状の拡散層上に、燃料電池を構成する正・負いずれか一方の電極層用の溶液であって、炭素の表面に白金又は白金−ルテニウム合金が担持された触媒を混合した溶液を、塗布して一方の電極層を形成する工程と、一方の電極層が未乾燥のうちに、この電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布してイオン交換膜を形成する工程と、イオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン交換膜上に正・負いずれか他方の電極層用の溶液であって、炭素の表面に白金−ルテニウム合金又は白金が担持された触媒を混合した溶液を、塗布して他方の電極層を形成する工程と、この他方の電極層、前記イオン交換膜び前記一方の電極層を乾燥して固化する固化工程と、からなる燃料電池の製造方法であって、前記電極層用の溶液は、前記イオン交換膜用の溶液に用いる溶媒より気化温度の高い溶媒を用いるものであり、前記固化工程での前記乾燥は、電磁波加熱で行うことを特徴とする。
【0012】
イオン交換膜に溶液を採用し、電極用の溶液及びイオン交換膜用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布すれば、境界で混合が発生する。
これにより、一対の電極及びイオン交換膜の各層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜における反応効率を良好に保つことができる。
【0013】
ここで、イオン交換膜にシートを使用した場合、シート状イオン交換膜のハンドリング性を好適に保つためにはイオン交換膜をある程度厚くする必要がある。このため、電極構造を薄くすることが難しく、そのことが電極構造の小型化を図る妨げになる。
【0014】
そこで、請求項1においてイオン交換膜を溶液とし、イオン交換膜を溶液の状態でハンドリング(取り扱うことが)できるようにした。イオン交換膜を溶液とすることで、ハンドリング(取扱い)の際にイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、電極構造を薄くして小型化を図ることができる。
【0015】
ところで、燃料電池を使用して電流を発生させる際に、水素分子(H)と酸素分子(O)とが反応して燃料電池内に生成水(HO)を生成する。この生成水は正極側拡散層(カーボンペーパー)を透過させて燃料電池の外部に排出する。
しかし、未乾燥の電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布すると、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透して、浸透した溶液で電極層の空隙を塞いでしまう虞がある。
イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙を塞いでしまうと、発電により生成した生成水を、正極側拡散層から燃料電池の外部に効率よく排出できないことが懸念される。
【0016】
生成水を効率よく排出することができないと、水素や酸素の反応ガスを好適に供給することが妨げられるので、濃度過電圧が高くなり、燃料電池の発電性能を良好に保つことが難しくなる。
なお、「濃度過電圧」とは、電極における反応物質及び反応生成物の補給及び除去の速度が遅く、電極の反応が妨害されるときに現れる電圧低下をいう。すなわち、濃度過電圧が高くなるということは電圧低下量が増すということである。
【0017】
そこで、請求項1において、一方の電極層、イオン交換膜び他方の電極層の乾燥を電磁波加熱を使用しておこなうようにした。電磁波加熱で乾燥することにより、イオン交換膜の内部を効率よく加熱乾燥することができる。
このように、一方の電極層、イオン交換膜び他方の電極層を電磁波加熱で乾燥することにより、イオン交換膜を表面から内部まで全体に渡って迅速に乾燥することができる。
これにより、イオン交換膜の溶液が一方の電極層や他方の電極層に浸透することを抑制できる。
【0018】
イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制することにより、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙を塞ぐことを防止することができる。従って、発電により生成した生成水を、電極層の空隙から拡散層まで導いて拡散層の空隙から好適に排出することができる。
【0019】
さらには、電極用の溶液に、イオン交換膜用の溶液に用いる溶媒より気化温度の高い溶媒を用いることで、イオン交換膜を電極層に優先させて確実に乾燥させることができる。よって、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することをより一層効率よく抑制することができる。
請求項2では、前記電極層用の溶液は、エチレングリコール又はN・メチル・ピロリドンを溶媒として用いたものであることを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図1は本発明に係る燃料電池用電極を備えた燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池ユニット10は複数(2個)の燃料電池11,11で構成したものである。燃料電池11は、燃料電池用電極12を構成するシート状の負極側拡散層13の外側に負極側流路基板31を配置し、燃料電池用電極12を構成するシート状の正極側拡散層14の外側に正極側流路基板34を配置したものである。
【0021】
負極側拡散層13に負極側流路基板31を積層することで、負極側流路基板31の流路溝31aを負極側拡散層13で覆うことにより、水素ガス流路32を形成する。また、正極側拡散層14に正極側流路基板34を積層することで、正極側流路基板34の流路溝34aを正極側拡散層14で覆うことにより、酸素ガス流路35を形成する。
【0022】
燃料電池用電極12は、負極側拡散層13及び正極側拡散層14の内側にそれぞれバインダーを介して一方の電極層としての負極層17及び他方の電極層としての正極層18を備え、これら負極層17及び正極層18の間にイオン交換膜19を備える。
このように、構成した燃料電池11をセパレータ36を介して複数個(図1では2個のみを示す)備えることで、燃料電池ユニット10を構成する。
なお、燃料電池用電極12については図2で詳しく説明する。
【0023】
燃料電池ユニット10によれば、水素ガス流路32に水素ガスを供給することで、負極層17に含む触媒に水素分子(H)を吸着させるとともに、酸素ガス流路35に酸素ガスを供給することで、正極18に含む触媒に酸素分子(O)を吸着させる。これにより、電子(e)を矢印の如く流して電流を発生させることができる。
なお、電流を発生させる際には、水素分子(H)と酸素分子(O)とから生成水(HO)が発生する。
【0024】
図2は本発明に係る燃料電池用電極を示す説明図である。
燃料電池用電極12は、負極側拡散層13及び正極側拡散層14の内側にそれぞれ負極層17及び正極層18を備え、これら負極層17及び正極層18の間にイオン交換膜19を備える。
負極側拡散層13は、負極側のカーボンペーパー13a及び負極側のバインダー層15aからなるシート材(シート)である。
また、正極側拡散層14は、正極側のカーボンペーパー14a及び正極側のバインダー層16aからなるシート材(シート)である。
【0025】
負極側のバインダー層15aを構成するバインダーは、カーボンフッ素樹脂である。また、正極側のバインダー層16aを構成するバインダーは、撥水性を備えたカーボンポリマーであり、カーボンポリマーはポリテトラフルオロエチレンの骨格にスルホン酸を導入したものが該当する。
【0026】
負極層17は、負極用の溶液に触媒21を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。負極層17の触媒21は、炭素22の表面に触媒として(白金−ルテニウム合金)23を担持したものであり、(白金−ルテニウム合金)23に水素分子(H)を吸着させるものである。
【0027】
正極層18は、正極用の溶液に触媒24を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。正極層18の触媒24は、炭素25の表面に触媒として白金26を担持したものであり、白金26に酸素分子(O)を吸着させるものである。
【0028】
イオン交換膜19は、負極層17及び正極層18間に溶液の状態で塗布した後、負極層17及び正極層18とともに一緒に乾燥することにより負極層17及び正極層18と一体に固化したものである。
【0029】
次に、燃料電池用電極12の製造方法を図3〜図5に基づいて説明する。
図3(a)〜(c)は本発明に係る燃料電池用電極の製造方法を示す第1工程説明図である。
(a)において、シート状の負極側拡散層13を配置する。すなわち、負極側拡散層13のカーボンペーパー13aをセットした後、このカーボンペーパー13a上にバインダー層15a用の溶液を塗布する。
【0030】
(b)において、バインダー層15aが未乾燥のうちに、バインダー層15aの上方でスプレー51を矢印の如く移動して、スプレー51の噴射口52から負極層17の溶液を噴霧状に噴射する。
これにより、バインダー層15a上に負極層17用の溶液を塗布して負極層17を形成する。
【0031】
この負極層17の溶液には、図2に示すイオン交換膜19用の溶液に用いる溶媒より気化温度の高い溶媒を使用している。
ここで一例として、負極層17上に塗布するイオン交換膜19用の溶液にはアルコール系の溶媒を用い、負極層17の溶液にアルコール系の溶媒より気化温度の高いエチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP)を溶媒として用いる。
負極層17の溶液に、イオン交換膜19用の溶液に用いる溶媒より気化温度の高い溶媒を使用した理由については後述する。
【0032】
(c)において、負極層17が未乾燥のうちに、負極層17の上面に沿ってコーター53を矢印の如く移動しながら、負極層17上にイオン交換膜19用の溶液を塗布してイオン交換膜19を形成する。
具体的には、コーター53のブレード53aを、負極層17から上方に所定間隔離して負極層17の上面に平行に配置し、このブレード53aを負極層17の上面に沿って矢印の如く移動しながら、ブレード53aでイオン交換膜19のペースト(溶液)を一定の厚さにならすことによりイオン交換膜19を形成する。
【0033】
このように、イオン交換膜19に溶液を採用し、負極層17が未乾燥のうちに、負極層17上にイオン交換膜19用の溶液を塗布することにより、負極層17とイオン交換膜19との境界で互いの溶液を効果的に混合させることができる。
【0034】
図4(a),(b)は本発明に係る燃料電池用電極の製造方法を示す第2工程説明図である。
(a)において、イオン交換膜19が未乾燥のうちに、イオン交換膜19の上方でスプレー57を矢印の如く移動して、スプレー57の噴射口58から正極層18の溶液を噴霧状に噴射する。
これにより、未乾燥のイオン交換膜19上に正極層18用の溶液を塗布して正極層18を形成することができる。
【0035】
この正極層18の溶液には、負極層17の溶液と同様に、イオン交換膜19用の溶液に用いるアルコール系の溶媒より気化温度の高い溶媒を使用している。
ここで一例として、正極層18の溶液にアルコール系の溶媒より気化温度の高いエチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP)を溶媒として用いる。
正極層18の溶液に、イオン交換膜19用の溶液に用いる溶媒より気化温度の高い溶媒を使用した理由については後述する。
【0036】
(b)において、正極層18が未乾燥のうちに、正極層18上に、正極側拡散層14(図2参照)を構成するバインダー層16aの溶液を塗布する。
【0037】
図5(a),(b)は本発明に係る燃料電池用電極の製造方法を示す第3工程説明図である。
(a)において、バインダー層16aに正極側のカーボンペーパー14aを載せることにより、バインダー層16a及びカーボンペーパー14aでシート状の正極側拡散層14を形成する。
【0038】
次に、負極層17、イオン交換膜19及び正極層18が未乾燥のうちに、負極層17、イオン交換膜19及び正極層18に荷重をかけないで、一緒に遠赤外線乾燥装置(電磁波加熱用の装置)55で加熱することにより乾燥する。
遠赤外線乾燥装置55は、赤外領域の電磁波のうち波長の長い赤外線をいい、波長にしておよそ50〜1000μmの波長領域の遠赤外線を利用した加熱装置である。
【0039】
この遠赤外線乾燥装置55は物体の内部を効率よく加熱することができるので、負極層17、イオン交換膜18及び正極層18をまとめて遠赤外線乾燥装置55で乾燥することにより、イオン交換膜19を表面から内部まで全体に渡って迅速に乾燥することができる。
これにより、イオン交換膜19の溶液が負極層17や正極層18に浸透することを抑制できるので、イオン交換膜19用の溶液で負極層17や正極層18の空隙を塞ぐことを防止することができる。
【0040】
(b)において、負極層17、イオン交換膜19及び正極層18を固化することで、負極層17、イオン交換膜19及び正極層18を固化した状態で一体に積層する。
これにより、燃料電池用電極12の製造工程が完了する。
【0041】
このように、燃料電池用電極12の製造方法によれば、イオン交換膜19に溶液を採用し、負極層17用の溶液、イオン交換膜19用の溶液及び正極層18用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布することにより、それぞれの境界で効果的に混合が発生する。
これにより、負極層17とイオン交換膜19との境界や、イオン交換膜19と正極層18との境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜19における反応効率を良好に保つことができる。
【0042】
加えて、イオン交換膜19を溶液とすることで、イオン交換膜19を溶液の状態でハンドリングすることができるので、ハンドリング性の観点からイオン交換膜19の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜19を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極12を薄くして小型化を図ることができる。
【0043】
加えて、燃料電池用電極12の製造方法によれば、イオン交換膜19用の溶液が電極層17や正極層18に浸透して、電極層17や正極層18の空隙を塞ぐことを防止することができる。よって、燃料電池の発電により生成した生成水を、負・正極層17,18(特に正極層18)の空隙から正極側拡散層14(カーボンペーパー14a及びバインダー層16a)まで導いて正極側拡散層14の空隙から好適に外部に排出することができるので、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えることができる。
【0044】
また、負極層17の溶液や正極層18の溶液にイオン交換膜19用の溶液に用いる溶媒より気化温度の高い溶媒を用いることで、イオン交換膜19を負極層17や正極層18に優先させて確実に乾燥させることができる。
これにより、イオン交換膜19用の溶液が負極層に17や正極層18に浸透することをより一層効果的に抑制して、イオン交換膜19用の溶液が負極層17や正極層18に浸透して、負極層17や正極層18の空隙を塞ぐことを防止することができる。
【0045】
図6(a),(b)は本発明に係る燃料電池用電極の空隙容積と濃度濃度過電圧との関係を説明したグラフである。(a)のグラフは縦軸に正極層18の空隙容積(cm/g)を示し、(b)のグラフは縦軸に電極の濃度過電圧(mV)を示す。
【0046】
グラフ中、参考例は、イオン交換膜19用の溶液にアルコール系の溶媒を用い、正極層18の溶液にアルコール系の溶媒より気化温度の高いエチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP)を溶媒として用いたものである。
また、参考例は、負極層17、イオン交換膜19及び正極層18の乾燥に通常の熱風乾燥装置を使用したものである。
すなわち、参考例は上述した実施形態の一部(エチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP))を採用したものである。
【0047】
実施例は、参考例の溶媒((エチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP)))を採用するとともに、負極層17、イオン交換膜19及び正極層18の乾燥に遠赤外線乾燥装置55を使用したものである。すなわち、実施例は上述した実施形態に相当する
比較例は、参考例実施例の溶媒((エチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP)))を採用しないで、さらに実施例の遠赤外線乾燥装置を使用しないで、通常の熱風乾燥装置を使用したものである。
【0048】
(a)のグラフにおいて、比較例は正極層18の空隙容積が最も小さく、参考例は比較例より正極層18の空隙容積を大きく確保することができ、実施例参考例より正極層18の空隙容積を大きく確保することができる。
すなわち、実施例は最も正極層18の空隙率を大きく確保することができる。
【0049】
(b)のグラフにおいて、比較例は、正極層18の空隙容積が最も小さいので、燃料電池の濃度過電圧が最も大きくなり、燃料電池の電圧低下が最も大きくなる。
参考例は、正極層18の空隙容積が比較例より大きいので、燃料電池の濃度過電圧は比較例より小さくなり、燃料電池の電圧低下を比較例より小さく抑えることができる。
実施例は、正極層18の空隙容積が参考例より大きいので、燃料電池の濃度過電圧は参考例より小さくなり、燃料電池の電圧低下を最小に抑えることができる。
【0050】
これにより、参考例のように、イオン交換膜19用の溶液にアルコール系の溶媒を用い、正極層18の溶液にアルコール系の溶媒より気化温度の高いエチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP)を溶媒として用いることで、燃料電池の電圧低下を比較的好適に抑えることができることが分かる。
【0051】
また、実施例のように、参考例の溶媒(エチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP))を採用するとともに、負極層17、イオン交換膜19及び正極層18を遠赤外線乾燥装置55で乾燥することで、燃料電池の電圧低下を最も効率よく最小に抑えることができることが分かる。
【0052】
なお、前記実施形態では、負極層17を下方に配置するとともに正極層18を上方に配置した例について説明したが、負極層17を上方に配置するとともに正極層18を下方に配置しても同様の効果を得ることができる。
【0053】
また、前記実施形態では、遠赤外線乾燥装置55を使用する例について説明したが、遠赤外線乾燥装置55に代えて、例えばマイクロウエーブ乾燥装置を使用することも可能である。
マイクロウエーブ乾燥装置は、波長にしておよそ1×10〜30×10μmの波長領域のマイクロウエーブを利用した加熱装置である。
さらに、遠赤外線乾燥装置55やマイクロウエーブに限定しないで、波長が50〜30×10μmの電磁波を用いた加熱手段を使用することで同様の効果を得ることが可能である。
【0054】
また、前記実施形態では、イオン交換膜19を遠赤外線乾燥装置55(電磁波乾燥装置)のみで加熱乾燥する例について説明したが、遠赤外線乾燥装置55と熱風乾燥装置とを組合わせて使用することも可能である。
【0055】
さらに、前記実施形態では、バインダー層15aの上面に負極層17の溶液をスプレー51を用いて塗布する例について説明したが、負極層17の塗布はスプレー51に限らないで、インクジェット方式などのその他の採用することも可能である。
【0056】
また、前記実施形態では、負極層17の上面にコーター53を用いてイオン交換膜19用の溶液を塗布する例について説明したが、その他の塗布手段でイオン交換膜19用の溶液を塗布することも可能である。
【0057】
さらに、前記実施形態では、イオン交換膜19の上面に正極層18の溶液をスプレー57を用いて塗布する例について説明したが、正極層18の塗布はスプレー57に限らないで、インクジェット方式などのその他の採用することも可能である。
【0058】
ここで、スプレー及びインクジェットは溶液を噴霧状に塗布する点で同じである。スプレーは噴霧範囲が比較的広く塗布時間を短くできるが、未塗布部分を確保するためにマスキング処理が必要になる。一般に、マスキング処理部に付着した溶液は回収が難しい。
【0059】
一方、インクジェットは塗布範囲を正確に絞り込むことができるので、未塗布部分にマスキング処理を施す必要がなく、溶液を有効に使用することができる。但し、インクジェットは、塗布範囲が狭いのでスプレーと比較して塗布スピードが劣る。
【0060】
また、前記実施形態では、イオン交換膜19用の溶液にアルコール系の溶媒を用い、負極層17及び正極層18の両方の溶液にアルコール系の溶媒より気化温度の高いエチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP)を溶媒として用いた例について説明したが、これに限らないで、正極層18の溶液のみにアルコール系の溶媒より気化温度の高いエチレングリコール或いはN・メチル・ピロリドン(NMP)を溶媒として用いても同様の効果を得ることができる。
【0061】
その理由は、燃料電池を使用して電流を発生させる際に、生成した生成水は正極側拡散層(カーボンペーパー)を透過させて燃料電池の外部に排出するので、正極層18に空隙を確保しておけば、生成水を燃料電池の外部に排出することができるからである。
【0062】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項1は、イオン交換膜に溶液を採用し、電極用の溶液及びイオン交換膜用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布すれば、境界で混合が発生する。
これにより、一対の電極及びイオン交換膜の各層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜における反応効率を良好に保つことができる。
この結果、燃料電池用電極の品質を安定させることができるので、生産性を高めることができる。
【0063】
加えて、イオン交換膜を溶液とすることで、イオン交換膜を溶液の状態でハンドリングすることができるので、ハンドリング性の観点からイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、燃料電池用電極を薄くすることができるので、燃料電池の小型化を図ることができる。
【0064】
また、一方の電極層、イオン交換膜び他方の電極層の乾燥を電磁波加熱を使用しておこなうようにした。電磁波加熱で乾燥することにより、イオン交換膜の内部を効率よく加熱乾燥することができる。このように、一方の電極層、イオン交換膜び他方の電極層を電磁波加熱で乾燥することにより、イオン交換膜を表面から内部まで全体に渡って迅速に乾燥することができる。
これにより、イオン交換膜の溶液が一方の電極層や他方の電極層に浸透することを抑制できる。
【0065】
イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することを抑制することにより、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙を塞ぐことを防止することができる。従って、発電により生成した生成水を、電極層の空隙から拡散層まで導いて拡散層の空隙から好適に排出することができるので、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えることができる。
【0066】
さらに請求項は、電極用の溶液に、イオン交換膜用の溶液に用いる溶媒より気化温度の高い溶媒を用いることで、イオン交換膜を電極層に優先させて確実に乾燥させることができる。よって、イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透することをより一層効率よく抑制して、イオン交換膜用の溶液で電極層の空隙を塞ぐことを確実に防止することができるので、燃料電池に生じる濃度過電圧をより一層低く抑えることができる。
請求項2では、前記電極層用の溶液は、エチレングリコール又はN・メチル・ピロリドンを溶媒として用いたものであることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る燃料電池用電極を備えた燃料電池を示す分解斜視図
【図2】 本発明に係る燃料電池用電極を示す説明図
【図3】 本発明に係る燃料電池用電極の製造方法を示す第1工程説明図
【図4】 本発明に係る燃料電池用電極の製造方法を示す第2工程説明図
【図5】 本発明に係る燃料電池用電極の製造方法を示す第3工程説明図
【図6】 本発明に係る燃料電池用電極の空隙容積と濃度濃度過電圧との関係を説明したグラフ
【図7】 従来の燃料電池を説明する説明図
【図8】 従来の燃料電池を構成する燃料電池用電極を示す説明図
【符号の説明】
11…燃料電池、12…燃料電池用電極、13…負極側拡散層(シート)、14…正極側拡散層、17…負極層(一方の電極層)、18…正極層(他方の電極層)、19…イオン交換膜。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention provides a fuel cell that generates electricity by placing an ion exchange membrane between a positive electrode and a negative electrode, bringing hydrogen into contact with the negative electrode catalyst and oxygen in contact with the positive electrode catalyst.PondIt relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
  FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a conventional fuel cell. In the fuel cell 100, an ion exchange membrane 103 is disposed between a negative electrode layer (hydrogen electrode) 101 and a positive electrode layer (oxygen electrode) 102, and hydrogen molecules (H2) Are brought into contact with each other, and oxygen molecules (O2) To contact the electron eIs caused to flow as shown by an arrow to generate a current. When generating an electric current, hydrogen molecules (H2) And oxygen molecules (O2) And produced water (H2O) is obtained.
  The fuel cell electrode having the negative electrode layer 101, the positive electrode layer 102, and the ion exchange membrane 103 of the fuel cell 10 as main components will be described in detail with reference to the following drawings.
[0003]
  FIG. 8 is an explanatory view showing a fuel cell electrode constituting a conventional fuel cell.
  The fuel cell electrode includes a binder layer 106 and a binder layer 107 inside the pair of diffusion layers 104 and 105, respectively, and a negative electrode layer 101 and a positive electrode layer 102 inside the binder layer 106 and the binder layer 107, respectively. An ion exchange membrane 103 is provided between the negative electrode layer 101 and the positive electrode layer 102.
[0004]
  When manufacturing the fuel cell electrode, first, a solution for the binder layer 106 is applied to the diffusion layer 104, and a solution for the binder layer 107 is applied to the diffusion layer 105. Binder layers 106 and 107 are solidified by firing.
[0005]
  Next, the negative electrode layer 101 solution is applied to the solidified binder layer 106, the positive electrode layer 102 solution is applied to the solidified binder layer 107, and the applied negative / positive electrode layers 101, 102 are dried to make negative The positive electrode layers 101 and 102 are solidified.
  Next, a sheet-like ion exchange membrane 103 is placed on the solidified negative electrode layer 101, and then a diffusion layer 105 on which the positive electrode layer 102 is solidified is placed on the ion exchange membrane 103 to form a seven-layer multilayer structure.
  Next, this multilayer structure is heat-pressed as shown by an arrow to form a fuel cell electrode.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
  As described above, the fuel cell electrode uses a sheet as the ion exchange membrane 103, and in addition, thermocompression bonding with the binder layer 106, the negative electrode layer 101, the positive electrode layer 102, and the binder layer 107 solidified. Therefore, there is a possibility that a poor adhesion portion may occur at the boundary between the layers.
  If poor adhesion occurs in each layer of the fuel cell electrode, it will be difficult to generate current efficiently, and these fuel cell electrodes will be discarded or repaired at the stage of inspection of the production line. Is an obstacle to increasing productivity.
[0007]
  Further, since the sheet is used as the ion exchange membrane 103 of the fuel cell electrode, when the fuel cell electrode is thermocompression bonded, the ion exchange membrane 103 is pressurized in a heated state. There is a possibility that the performance is lowered. This increases the number of parts that are subject to disposal or repair at the inspection stage, which hinders productivity.
[0008]
  In addition, since a sheet is used as the ion exchange membrane 103, the ion exchange membrane 103 needs to be thickened to some extent in consideration of the handling properties (handleability) of the ion exchange membrane 103. For this reason, it is difficult to make the fuel cell electrode thin, which hinders downsizing of the fuel cell electrode.
[0009]
  Therefore, an object of the present invention is to prevent the occurrence of a poor adhesion portion at the boundary of each layer, to further prevent the performance of the ion exchange membrane from being reduced, and to reduce the thickness of the ion exchange membrane. Fuel powerPondIt is to provide a manufacturing method.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  The inventors of the present invention have poor adhesion between the respective layers. After the previous coating has solidified, the following solution is applied, and this solution does not soak into the previous coating. It was determined that the cause of the poor adhesion was the cause.
  Then, when the next solution was stacked before the previous coating film was dried, it was found that the solution soaked into the previous coating film and the adhesion was remarkably increased.
  Similarly, when the solution was applied to the sheet-like ion exchange membrane, it was found that the solution was not soaked into the sheet-like ion exchange membrane, resulting in the occurrence of poor adhesion.
[0011]
  Accordingly, the present invention provides a solution for either one of the positive and negative electrode layers constituting the fuel cell on the sheet-like diffusion layer.A solution in which a catalyst having platinum or a platinum-ruthenium alloy supported on a carbon surface is mixed,A step of forming one electrode layer by coating, a step of forming an ion exchange membrane by applying a solution for an ion exchange membrane on the electrode layer while one electrode layer is undried, and an ion exchange While the membrane is undried, a solution for either the positive or negative electrode layer on this ion exchange membraneA solution in which a platinum-ruthenium alloy or a catalyst having platinum supported thereon is mixed on the surface of carbon,The step of coating to form the other electrode layer, the other electrode layer, the ion exchange membraneAndAnd said one electrode layerDryA fuel cell comprising a solidification step for drying and solidifyingPondProduction methodThe electrode layer solution uses a solvent having a higher vaporization temperature than the solvent used for the ion exchange membrane solution, and the drying in the solidification step is performed by electromagnetic wave heating. And
[0012]
  If a solution is employed for the ion exchange membrane and the electrode solution and the ion exchange membrane solution are applied in an undried state, mixing occurs at the boundary.
  Thereby, it is possible to prevent a poor adhesion portion from occurring at the boundary between each layer of the pair of electrodes and the ion exchange membrane, so that the reaction efficiency in the ion exchange membrane can be kept good.
[0013]
  Here, when a sheet is used for the ion exchange membrane, it is necessary to make the ion exchange membrane thick to some extent in order to keep the handleability of the sheet ion exchange membrane suitably. For this reason, it is difficult to make the electrode structure thin, which hinders downsizing of the electrode structure.
[0014]
  Accordingly, in claim 1, the ion exchange membrane is used as a solution, and the ion exchange membrane can be handled (handled) in a solution state. By using the ion exchange membrane as a solution, it is not necessary to regulate the thickness of the ion exchange membrane during handling. For this reason, the ion exchange membrane can be made thin, and the electrode structure can be made thin and downsized.
[0015]
  By the way, when generating a current using a fuel cell, hydrogen molecules (H2) And oxygen molecules (O2) Reacts with the generated water (H2O). This generated water passes through the positive electrode side diffusion layer (carbon paper) and is discharged to the outside of the fuel cell.
  However, when an ion exchange membrane solution is applied onto an undried electrode layer, the ion exchange membrane solution may permeate into the electrode layer, and the permeated solution may block the gaps in the electrode layer.
  If the gap of the electrode layer is blocked with the solution for the ion exchange membrane, there is a concern that the generated water generated by the power generation cannot be efficiently discharged from the positive electrode side diffusion layer to the outside of the fuel cell.
[0016]
  If the generated water cannot be efficiently discharged, it is difficult to suitably supply the reactive gas such as hydrogen or oxygen, so that the concentration overvoltage becomes high and it becomes difficult to maintain the power generation performance of the fuel cell.
  The “concentration overvoltage” refers to a voltage drop that occurs when the rate of replenishment and removal of reactants and reaction products at the electrode is slow and the electrode reaction is disturbed. That is, when the concentration overvoltage becomes high, the amount of voltage drop increases.
[0017]
  Therefore, in claim 1, the drying of one electrode layer, the ion exchange membrane and the other electrode layer is performed using electromagnetic heating. By drying by electromagnetic wave heating, the inside of the ion exchange membrane can be efficiently heated and dried.
  Thus, by drying one electrode layer, the ion exchange membrane and the other electrode layer by electromagnetic heating, the ion exchange membrane can be quickly dried from the surface to the inside.
  Thereby, it can suppress that the solution of an ion exchange membrane osmose | permeates one electrode layer or the other electrode layer.
[0018]
  By suppressing the solution for the ion exchange membrane from penetrating into the electrode layer, it is possible to prevent the gap of the electrode layer from being blocked with the solution for the ion exchange membrane. Therefore, the generated water generated by power generation can be suitably discharged from the gap of the diffusion layer by guiding from the gap of the electrode layer to the diffusion layer.
[0019]
  Moreover,By using a solvent having a higher vaporization temperature than the solvent used for the ion exchange membrane solution as the electrode solution, the ion exchange membrane can be reliably dried in preference to the electrode layer. Therefore, it can suppress more efficiently that the solution for ion exchange membranes osmose | permeates an electrode layer.
  The electrode layer solution is characterized in that ethylene glycol or N · methyl pyrrolidone is used as a solvent.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
  FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell having a fuel cell electrode according to the present invention.
  The fuel cell unit 10 is composed of a plurality (two) of fuel cells 11 and 11. In the fuel cell 11, the negative electrode side flow path substrate 31 is disposed outside the sheet-like negative electrode side diffusion layer 13 constituting the fuel cell electrode 12, and the sheet-like positive electrode side diffusion layer 14 constituting the fuel cell electrode 12. The positive-side flow path substrate 34 is disposed outside the surface.
[0021]
  By stacking the negative electrode side flow path substrate 31 on the negative electrode side diffusion layer 13, the flow path groove 31 a of the negative electrode side flow path substrate 31 is covered with the negative electrode side diffusion layer 13, thereby forming the hydrogen gas flow path 32. In addition, by stacking the positive electrode side flow path substrate 34 on the positive electrode side diffusion layer 14, the flow path groove 34 a of the positive electrode side flow path substrate 34 is covered with the positive electrode side diffusion layer 14, thereby forming the oxygen gas flow path 35. .
[0022]
  The fuel cell electrode 12 includes a negative electrode layer 17 as one electrode layer and a positive electrode layer 18 as the other electrode layer inside a negative electrode side diffusion layer 13 and a positive electrode side diffusion layer 14 via a binder, respectively. An ion exchange membrane 19 is provided between the layer 17 and the positive electrode layer 18.
  Thus, the fuel cell unit 10 is configured by providing a plurality (only two are shown in FIG. 1) of the configured fuel cells 11 via the separators 36.
  The fuel cell electrode 12 will be described in detail with reference to FIG.
[0023]
  According to the fuel cell unit 10, by supplying hydrogen gas to the hydrogen gas flow path 32, hydrogen molecules (H2) And oxygen gas is supplied to the oxygen gas flow path 35, whereby oxygen molecules (O2). As a result, electrons (e) As shown by an arrow to generate a current.
  When generating an electric current, hydrogen molecules (H2) And oxygen molecules (O2) And produced water (H2O) occurs.
[0024]
  FIG. 2 is an explanatory view showing a fuel cell electrode according to the present invention.
  The fuel cell electrode 12 includes a negative electrode layer 17 and a positive electrode layer 18 inside the negative electrode side diffusion layer 13 and the positive electrode side diffusion layer 14, respectively, and an ion exchange membrane 19 between the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18.
  The negative electrode side diffusion layer 13 is a sheet material (sheet) composed of the carbon paper 13a on the negative electrode side and the binder layer 15a on the negative electrode side.
  Further, the positive electrode side diffusion layer 14 is a sheet material (sheet) composed of the positive electrode side carbon paper 14a and the positive electrode side binder layer 16a.
[0025]
  The binder constituting the negative electrode side binder layer 15a is a carbon fluororesin. The binder constituting the positive electrode side binder layer 16a is a carbon polymer having water repellency, and the carbon polymer corresponds to a skeleton of polytetrafluoroethylene introduced with sulfonic acid.
[0026]
  The negative electrode layer 17 is solidified by mixing the catalyst 21 in a negative electrode solution and drying the solution after application. The catalyst 21 of the negative electrode layer 17 is one in which (platinum-ruthenium alloy) 23 is supported as a catalyst on the surface of carbon 22, and hydrogen molecules (H2) Is adsorbed.
[0027]
  The positive electrode layer 18 is solidified by mixing the catalyst 24 in a positive electrode solution and drying the solution after application. The catalyst 24 of the positive electrode layer 18 is obtained by carrying platinum 26 as a catalyst on the surface of carbon 25, and oxygen molecules (O2) Is adsorbed.
[0028]
  The ion exchange membrane 19 is applied in the form of a solution between the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18 and then dried together with the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18 so as to be solidified integrally with the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18. It is.
[0029]
  Next, the manufacturing method of the electrode 12 for fuel cells is demonstrated based on FIGS.
  FIGS. 3A to 3C are first process explanatory views showing a method of manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention.
  In (a), the sheet-like negative electrode side diffusion layer 13 is disposed. That is, after setting the carbon paper 13a of the negative electrode side diffusion layer 13, a solution for the binder layer 15a is applied onto the carbon paper 13a.
[0030]
  In (b), while the binder layer 15a is undried, the spray 51 is moved as shown by the arrow above the binder layer 15a, and the solution of the negative electrode layer 17 is sprayed from the spray port 52 of the spray 51.
  Thus, the negative electrode layer 17 is formed by applying a solution for the negative electrode layer 17 on the binder layer 15a.
[0031]
  As the solution of the negative electrode layer 17, a solvent having a higher vaporization temperature than the solvent used for the solution for the ion exchange membrane 19 shown in FIG. 2 is used.
  As an example, an alcohol-based solvent is used for the solution for the ion exchange membrane 19 applied on the negative electrode layer 17, and ethylene glycol or N · methyl • having a higher vaporization temperature than the alcohol-based solvent is used for the solution of the negative electrode layer 17. Pyrrolidone (NMP) is used as a solvent.
  The reason why a solvent having a higher vaporization temperature than the solvent used for the solution for the ion exchange membrane 19 is used for the solution of the negative electrode layer 17 will be described later.
[0032]
  In (c), while the negative electrode layer 17 is undried, a solution for the ion exchange membrane 19 is applied onto the negative electrode layer 17 while moving the coater 53 along the upper surface of the negative electrode layer 17 as indicated by the arrow. An exchange membrane 19 is formed.
  Specifically, the blade 53a of the coater 53 is disposed above the negative electrode layer 17 by a predetermined distance and parallel to the upper surface of the negative electrode layer 17, and the blade 53a is moved along the upper surface of the negative electrode layer 17 as indicated by an arrow. However, the ion exchange membrane 19 is formed by leveling the paste (solution) of the ion exchange membrane 19 to a certain thickness with the blade 53a.
[0033]
  As described above, the negative electrode layer 17 and the ion exchange membrane 19 are applied by applying the solution for the ion exchange membrane 19 onto the negative electrode layer 17 while the negative electrode layer 17 is undried while the solution is used for the ion exchange membrane 19. It is possible to effectively mix each other's solution at the boundary.
[0034]
  4 (a) and 4 (b) are explanatory views of a second step showing a method for producing a fuel cell electrode according to the present invention.
  In (a), while the ion exchange membrane 19 is undried, the spray 57 is moved as indicated by the arrow above the ion exchange membrane 19 and the solution of the positive electrode layer 18 is sprayed from the spray port 58 of the spray 57. To do.
  Thus, the positive electrode layer 18 can be formed by applying the solution for the positive electrode layer 18 on the undried ion exchange membrane 19.
[0035]
  As the solution for the positive electrode layer 18, as with the solution for the negative electrode layer 17, a solvent having a higher vaporization temperature than the alcohol solvent used for the solution for the ion exchange membrane 19 is used.
  Here, as an example, ethylene glycol or N.methyl pyrrolidone (NMP) having a higher vaporization temperature than the alcohol solvent is used as the solvent for the positive electrode layer 18 solution.
  The reason why a solvent having a higher vaporization temperature than the solvent used for the solution for the ion exchange membrane 19 is used for the solution of the positive electrode layer 18 will be described later.
[0036]
  In (b), while the positive electrode layer 18 is undried, a solution of the binder layer 16a constituting the positive electrode side diffusion layer 14 (see FIG. 2) is applied on the positive electrode layer 18.
[0037]
  FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams of a third process showing the method for manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention.
  In (a), the positive electrode side carbon paper 14a is placed on the binder layer 16a, thereby forming the sheet-like positive electrode side diffusion layer 14 with the binder layer 16a and the carbon paper 14a.
[0038]
  Next, while the negative electrode layer 17, the ion exchange membrane 19, and the positive electrode layer 18 are undried, without applying a load to the negative electrode layer 17, the ion exchange membrane 19, and the positive electrode layer 18, the far-infrared drying apparatus (electromagnetic wave heating) It is dried by heating with a device 55).
  The far-infrared drying device 55 refers to infrared rays having a long wavelength among electromagnetic waves in the infrared region, and is a heating device that uses far-infrared rays in a wavelength region of approximately 50 to 1000 μm in wavelength.
[0039]
  Since the far-infrared drying device 55 can efficiently heat the inside of the object, the ion exchange membrane 19 is obtained by drying the negative electrode layer 17, the ion exchange membrane 18 and the positive electrode layer 18 together with the far-infrared drying device 55. Can be quickly dried from the surface to the inside.
  Accordingly, since the solution of the ion exchange membrane 19 can be prevented from penetrating into the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18, the solution for the ion exchange membrane 19 can be prevented from closing the voids of the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18. Can do.
[0040]
  In (b), the negative electrode layer 17, the ion exchange membrane 19 and the positive electrode layer 18 are solidified, and the negative electrode layer 17, the ion exchange membrane 19 and the positive electrode layer 18 are integrally laminated in a solidified state.
  Thereby, the manufacturing process of the electrode 12 for fuel cells is completed.
[0041]
  As described above, according to the method of manufacturing the fuel cell electrode 12, a solution is used for the ion exchange membrane 19, and the solution for the negative electrode layer 17, the solution for the ion exchange membrane 19, and the solution for the positive electrode layer 18 are not used. By applying in a dry state, mixing occurs effectively at each boundary.
  As a result, it is possible to prevent the occurrence of poor adhesion at the boundary between the negative electrode layer 17 and the ion exchange membrane 19 and the boundary between the ion exchange membrane 19 and the positive electrode layer 18. Can keep good.
[0042]
  In addition, since the ion exchange membrane 19 can be handled in the state of solution by using the ion exchange membrane 19 as a solution, it is not necessary to regulate the thickness of the ion exchange membrane 19 from the viewpoint of handling properties. For this reason, the ion exchange membrane 19 can be made thin, and the fuel cell electrode 12 can be made thin to achieve miniaturization.
[0043]
  In addition, according to the method of manufacturing the fuel cell electrode 12, the solution for the ion exchange membrane 19 is prevented from penetrating the electrode layer 17 and the positive electrode layer 18 to block the gaps in the electrode layer 17 and the positive electrode layer 18. be able to. Therefore, the generated water generated by the power generation of the fuel cell is led from the gaps in the negative and positive electrode layers 17 and 18 (particularly the positive electrode layer 18) to the positive electrode side diffusion layer 14 (carbon paper 14a and binder layer 16a) to be positive electrode side diffusion layer. Since it can discharge | emit suitably outside from 14 space | gap, the density | concentration overvoltage produced in a fuel cell can be restrained low.
[0044]
  Further, by using a solvent having a higher vaporization temperature than the solvent used for the solution for the ion exchange membrane 19 for the solution of the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18, the ion exchange membrane 19 is given priority over the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18. Can be surely dried.
  Thereby, the solution for the ion exchange membrane 19 is further effectively prevented from penetrating into the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18, and the solution for the ion exchange membrane 19 penetrates into the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18. Thus, it is possible to prevent the gap between the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18 from being blocked.
[0045]
  6A and 6B are graphs illustrating the relationship between the void volume and the concentration concentration overvoltage of the fuel cell electrode according to the present invention. In the graph of (a), the vertical axis represents the void volume (cm3/ G), and the graph of (b) shows the concentration overvoltage (mV) of the electrode on the vertical axis.
[0046]
  In the graph,Reference exampleIs a solution in which an alcohol solvent is used for the solution for the ion exchange membrane 19, and ethylene glycol or N.methyl pyrrolidone (NMP) having a higher vaporization temperature than the alcohol solvent is used for the solution of the positive electrode layer 18 as a solvent. is there.
  Also,Reference exampleIn this example, a normal hot air drying apparatus is used for drying the negative electrode layer 17, the ion exchange membrane 19 and the positive electrode layer 18.
  That is,Reference exampleIs a part of the above-described embodiment (ethylene glycol or N.methyl pyrrolidone (NMP)).
[0047]
  ExampleIsReference exampleAnd a far-infrared dryer 55 is used to dry the negative electrode layer 17, the ion exchange membrane 19 and the positive electrode layer 18, as well as the solvent ((ethylene glycol or N · methyl pyrrolidone (NMP))). That is,ExampleCorresponds to the embodiment described above
  The comparative example isReference example,ExampleWithout using any other solvent ((ethylene glycol or N-methyl-pyrrolidone (NMP)))ExampleA normal hot air dryer is used without using the far-infrared dryer.
[0048]
  In the graph of (a), the comparative example has the smallest void volume of the positive electrode layer 18,Reference exampleCan ensure a larger void volume of the positive electrode layer 18 than the comparative example,ExampleIsReference exampleA larger void volume of the positive electrode layer 18 can be secured.
  That is,ExampleCan secure the largest porosity of the positive electrode layer 18.
[0049]
  In the graph of (b), since the void volume of the positive electrode layer 18 is the smallest in the comparative example, the concentration overvoltage of the fuel cell is the largest, and the voltage drop of the fuel cell is the largest.
  Reference exampleSince the void volume of the positive electrode layer 18 is larger than that of the comparative example, the concentration overvoltage of the fuel cell becomes smaller than that of the comparative example, and the voltage drop of the fuel cell can be suppressed smaller than that of the comparative example.
  ExampleIs the void volume of the positive electrode layer 18Reference exampleThe concentration overvoltage of the fuel cell isReference exampleAs a result, the voltage drop of the fuel cell can be minimized.
[0050]
  ThisReference exampleAs described above, an alcohol solvent is used for the solution for the ion exchange membrane 19, and ethylene glycol or N.methyl pyrrolidone (NMP) having a higher vaporization temperature than the alcohol solvent is used as the solvent for the positive electrode layer 18. Thus, it is understood that the voltage drop of the fuel cell can be suppressed relatively suitably.
[0051]
  Also,Examplelike,Reference exampleThe solvent (ethylene glycol or N.methyl pyrrolidone (NMP)) is used, and the negative electrode layer 17, the ion exchange membrane 19 and the positive electrode layer 18 are dried with a far-infrared dryer 55, thereby reducing the voltage of the fuel cell. It can be seen that it can be minimized most efficiently.
[0052]
  In the above-described embodiment, the example in which the negative electrode layer 17 is disposed below and the positive electrode layer 18 is disposed above has been described. However, the same applies to the case where the negative electrode layer 17 is disposed above and the positive electrode layer 18 is disposed below. The effect of can be obtained.
[0053]
  Moreover, although the said embodiment demonstrated the example which uses the far-infrared drying apparatus 55, it can replace with the far-infrared drying apparatus 55, for example, can also use a microwave drying apparatus.
  The microwave dryer is approximately 1 × 10 in wavelength.4~ 30x104This is a heating device using a microwave having a wavelength region of μm.
  Further, the wavelength is not limited to the far-infrared dryer 55 or the microwave, and the wavelength is 50 to 30 × 10.4A similar effect can be obtained by using a heating means using a μm electromagnetic wave.
[0054]
  Moreover, although the said embodiment demonstrated the example which heat-drys the ion exchange membrane 19 only with the far-infrared drying apparatus 55 (electromagnetic wave drying apparatus), it uses combining the far-infrared drying apparatus 55 and a hot air drying apparatus. Is also possible.
[0055]
  Furthermore, although the said embodiment demonstrated the example which apply | coats the solution of the negative electrode layer 17 on the upper surface of the binder layer 15a using the spray 51, application | coating of the negative electrode layer 17 is not restricted to the spray 51, Others, such as an inkjet system, etc. It is also possible to adopt.
[0056]
  Moreover, although the said embodiment demonstrated the example which apply | coats the solution for the ion exchange membranes 19 on the upper surface of the negative electrode layer 17 using the coater 53, apply | coating the solution for the ion exchange membranes 19 with another application | coating means. Is also possible.
[0057]
  Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the solution of the positive electrode layer 18 is applied to the upper surface of the ion exchange membrane 19 using the spray 57 has been described. However, the application of the positive electrode layer 18 is not limited to the spray 57, Other types are also possible.
[0058]
  Here, spray and inkjet are the same in that the solution is applied in a spray form. Although the spray has a relatively wide spray range and can shorten the application time, a masking process is required to secure an uncoated part. In general, it is difficult to recover the solution attached to the masking unit.
[0059]
  On the other hand, since the application range of the ink jet can be narrowed down accurately, it is not necessary to perform a masking process on the uncoated part, and the solution can be used effectively. However, since the inkjet application range is narrow, the application speed is inferior to that of spray.
[0060]
  In the above embodiment, an alcohol-based solvent is used for the solution for the ion exchange membrane 19, and ethylene glycol or N • methyl • having a higher vaporization temperature than the alcohol-based solvent for both the negative electrode layer 17 and the positive electrode layer 18. Although an example using pyrrolidone (NMP) as a solvent has been described, the present invention is not limited thereto, and ethylene glycol or N · methyl pyrrolidone (NMP) having a higher vaporization temperature than that of an alcohol-based solvent is used as a solvent only in the positive electrode layer 18 solution. The same effect can be obtained even when used as.
[0061]
  The reason is that when the fuel cell is used to generate an electric current, the generated water passes through the positive electrode side diffusion layer (carbon paper) and is discharged to the outside of the fuel cell, so that a gap is secured in the positive electrode layer 18. This is because the generated water can be discharged to the outside of the fuel cell.
[0062]
【The invention's effect】
  The present invention exhibits the following effects by the above configuration.
  According to the first aspect, when a solution is used for the ion exchange membrane and the electrode solution and the ion exchange membrane solution are applied in an undried state, mixing occurs at the boundary.
  Thereby, it is possible to prevent a poor adhesion portion from occurring at the boundary between each layer of the pair of electrodes and the ion exchange membrane, so that the reaction efficiency in the ion exchange membrane can be kept good.
  As a result, the quality of the fuel cell electrode can be stabilized, and the productivity can be increased.
[0063]
  In addition, since the ion exchange membrane can be handled in a solution state by using the ion exchange membrane as a solution, it is not necessary to regulate the thickness of the ion exchange membrane from the viewpoint of handling properties. For this reason, the ion exchange membrane can be made thin, and the fuel cell electrode can be made thin, so that the fuel cell can be miniaturized.
[0064]
  Also, one electrode layer, the ion exchange membrane and the other electrode layer are dried using electromagnetic heating. By drying by electromagnetic wave heating, the inside of the ion exchange membrane can be efficiently heated and dried. Thus, by drying one electrode layer, the ion exchange membrane and the other electrode layer by electromagnetic heating, the ion exchange membrane can be quickly dried from the surface to the inside.
  Thereby, it can suppress that the solution of an ion exchange membrane osmose | permeates one electrode layer or the other electrode layer.
[0065]
  By suppressing the solution for the ion exchange membrane from penetrating into the electrode layer, it is possible to prevent the gap of the electrode layer from being blocked with the solution for the ion exchange membrane. Therefore, the generated water generated by the power generation can be guided from the gap of the electrode layer to the diffusion layer and suitably discharged from the gap of the diffusion layer, so that the concentration overvoltage generated in the fuel cell can be suppressed low.
[0066]
  furtherClaim1In the electrode solution, by using a solvent having a higher vaporization temperature than the solvent used in the ion exchange membrane solution, the ion exchange membrane can be reliably dried in preference to the electrode layer. Therefore, it is possible to more efficiently suppress the penetration of the solution for the ion exchange membrane into the electrode layer and to reliably prevent the gap of the electrode layer from being blocked with the solution for the ion exchange membrane. The concentration overvoltage generated in the above can be further reduced.
  The electrode layer solution is characterized in that ethylene glycol or N · methyl pyrrolidone is used as a solvent.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell including a fuel cell electrode according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a fuel cell electrode according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a first process showing a method of manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a second step showing a method of manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a third step showing a method of manufacturing a fuel cell electrode according to the present invention.
FIG. 6 is a graph illustrating the relationship between the void volume and the concentration concentration overvoltage of the fuel cell electrode according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a conventional fuel cell.
FIG. 8 is an explanatory view showing a fuel cell electrode constituting a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
  DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Fuel cell, 12 ... Electrode for fuel cells, 13 ... Negative electrode side diffusion layer (sheet), 14 ... Positive electrode side diffusion layer, 17 ... Negative electrode layer (one electrode layer), 18 ... Positive electrode layer (the other electrode layer) , 19 ... ion exchange membrane.

Claims (2)

シート状の拡散層上に、燃料電池を構成する正・負いずれか一方の電極層用の溶液であって、炭素の表面に白金又は白金−ルテニウム合金が担持された触媒を混合した溶液を、塗布して一方の電極層を形成する工程と、
一方の電極層が未乾燥のうちに、この電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布してイオン交換膜を形成する工程と、
イオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン交換膜上に正・負いずれか他方の電極層用の溶液であって、炭素の表面に白金−ルテニウム合金又は白金が担持された触媒を混合した溶液を、塗布して他方の電極層を形成する工程と、
この他方の電極層、前記イオン交換膜び前記一方の電極層を乾燥して固化する固化工程と、からなる燃料電池の製造方法であって、
前記電極層用の溶液は、前記イオン交換膜用の溶液に用いる溶媒より気化温度の高い溶媒を用いるものであり、
前記固化工程での前記乾燥は、電磁波加熱で行うことを特徴とした燃料電池の製造方法
On the sheet-like diffusion layer, a solution for either the positive or negative electrode layer constituting the fuel cell, in which a catalyst in which platinum or a platinum-ruthenium alloy is supported on the carbon surface is mixed, Applying and forming one electrode layer;
A process of forming an ion exchange membrane by applying a solution for an ion exchange membrane on the electrode layer while one electrode layer is undried;
While the ion-exchange membrane is undried, a solution for either the positive or negative electrode layer on the ion-exchange membrane, with a platinum-ruthenium alloy or a catalyst carrying platinum supported on the carbon surface was mixed. Applying a solution to form the other electrode layer;
The other electrode layer, the ion exchange membrane beauty the one electrode layer method for manufacturing a fuel cells consisting of a solidification step of solidifying and Drying,
The electrode layer solution uses a solvent having a higher vaporization temperature than the solvent used for the ion exchange membrane solution,
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the drying in the solidification step is performed by electromagnetic wave heating .
前記電極層用の溶液は、エチレングリコール又はN・メチル・ピロリドンを溶媒として用いたものであることを特徴とする請求項1記載の燃料電池の製造方法。The solution for the electrode layer, the manufacturing method of the fuel cells according to claim 1, wherein the ethylene glycol or N · methyl pyrrolidone is obtained using as solvent.
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