JP3898569B2 - Manufacturing method of fuel cell - Google Patents
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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8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(H2)を接触させるとともに、正極層102に含む触媒に酸素分子(O2)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(H2)と酸素分子(O2)とから生成水(H2O)が生成される。
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電極構造を次図で詳しく説明する。
【0003】
図9は従来の燃料電池を構成する電極構造を示す説明図である。
電極構造は、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】
この電極構造を製造する際には、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電極構造を形成する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、電極構造はイオン交換膜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。
電極構造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、これらの電極構造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、電極構造のイオン交換膜103としてシートを使用しているので、電極構造を加熱圧着の際に、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、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。
【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、シート状の負極側拡散層上に、燃料電池を構成する、炭素の表面に白金−ルテニウム合金が担持された触媒を混合した負極用の溶液を塗布して負極層を形成する工程と、この負極層が未乾燥のうちに、この負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、このイオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン交換膜上に、炭素の表面に白金が担持された触媒を混合した正極用の溶液を塗布して正極層を形成する工程と、この正極層の未乾燥のうちに、この正極層上に正極側拡散層を設ける工程と、これら負・正極層及びイオン交換膜のそれぞれの溶液を乾燥することにより固化する固化工程とから燃料電池の製造方法を構成した。
【0012】
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できる。さらに、イオン交換膜を溶液とすることで、ハンドリング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、電極構造を薄くすることができる。
【0013】
ここで、燃料電池を使用して電流を発生させる際に、水素分子(H2)と酸素分子(O2)とが反応して燃料電池内に生成水(H2O)を生成する。この生成水は、主に正極側拡散層(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重力の影響で下方に流れ電極層に浸透する虞がある。
イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透すると、浸透した溶液で電極層の空隙が減少してしまう虞がある。
【0014】
このため、燃料電池を製造する際に、正・負の電極層のうちの正極層をイオン交換膜の下方に配置すると、正極層の空隙がイオン交換膜用の溶液で減少してしまい、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。
【0015】
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。
【0016】
そこで、請求項1において、イオン交換膜の上方に正極層を設けるようにした。正極層をイオン交換膜の上方に配置することで、イオン交換膜用の溶液が重力の影響で負極層に浸透することを防ぐことができ、正極層の空隙がイオン交換膜用の溶液で減少することを防止できる。
これにより、発電により生成した生成水を正極層から正極側拡散層に導いて、正極側拡散層の空隙から好適に排出することができ、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。
【0021】
【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は本発明に係る電極構造(第1実施形態)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、燃料電池用電極構造(電極構造)12を構成する負極側拡散層(シート)13の外側に負極側流路基板31を配置し、電極構造12を構成する正極側拡散層14の外側に正極側流路基板34を配置したものである。
【0022】
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。
【0023】
電極構造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、電極構造12については図2で詳しく説明する。
【0024】
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(H2)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(O2)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(H2)と酸素分子(O2)とから生成水(H2O)が発生する。
【0025】
図2は本発明に係る燃料電池用の電極構造(第1実施形態)を示す説明図である。
電極構造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。
【0026】
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。
【0027】
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(H2)を吸着させるものである。
【0028】
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(O2)を吸着させるものである。
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、負極の溶液及び正極の溶液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、電極構造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の電極構造の製造方法(第1実施形態)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上に、負極用の溶液を塗布して負極層17を形成する。
(c)において、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用の溶液を塗布してイオン交換膜19を形成する。
【0031】
図4(a),(b)は本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法(第1実施形態)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上に正極層18用の溶液を塗布して正極層18を形成する。
(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。
【0032】
図5(a),(b)は本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法(第1実施形態)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。
【0033】
次に、バインダー層15a、負極層17、イオン交換膜19、正極層18、バインダー層16aが未乾燥のうちに、それぞれの層15a,17,18,16a及び膜19に荷重をかけないで、それぞれの層15a,17,18,16a及び膜19を一緒に乾燥する。
【0034】
(b)において、バインダー層15a、負極層17、イオン交換膜19、正極層18、バインダー層16aを固化することで、バインダー層15a、負極層17、イオン交換膜19、正極層18、バインダー層16aを固化した状態で積層する。
これにより、第1実施形態の電極構造12の製造工程が完了する。
【0035】
このように、第1実施形態によれば、バインダー層15a、負極層17、イオン交換膜19、正極層18、バインダー層16aが未乾燥の状態で、それぞれの上面に溶液を塗布することで、それぞれの境界において隣接する溶液同士を好適に混合させることができる。
【0036】
よって、バインダー層15aと負極層17との間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。また、負極層17とイオン交換膜19との間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。さらに、イオン交換膜19と正極層18との間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。加えて、正極層18とバインダー層16aとの間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。
これにより、電極構造12における反応効率を良好に保つことができる。
【0037】
また、バインダー層15a、負極層17、イオン交換膜19、正極層18、バインダー層16aが未乾燥の状態で、それぞれの溶液を塗布し、それぞれの溶液を塗布後に荷重をかけないで乾燥する。
これにより、イオン交換膜19を固化する際に、イオン交換膜19に荷重をかける必要がないので、イオン交換膜19の性能が荷重の影響で低下することを防ぐことができる。
【0038】
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、電極構造12を薄くすることができる。
【0039】
次に、燃料電池用電極構造の製造方法を第2実施形態でより具体的に説明する。なお、第1実施形態と同一部材については同一符号を付して説明を省略する。
図6(a)〜(c)は本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法(第2実施形態)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。
【0040】
(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の上面に沿ってスプレー55を矢印の如く移動しながら噴射口56から負極層17用の溶液を噴霧状に噴射することにより、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。
【0041】
(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57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57のブレード57aを負極層17の上面から上方に所定間隔離して上面に平行に配置し、このブレード57a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57a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。
【0042】
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、イオン交換膜19用の溶液が重力の影響で矢印の如く下方に流れ、負極層17に浸透する虞がある。これにより、負極層17の空隙が減少する虞があるが、負極層17の空隙はある程度減少しても燃料電池の性能に影響を与える虞はない。
【0043】
図7(a),(b)は本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法(第2実施形態)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の上面に沿ってスプレー58を矢印の如く移動しながら噴射口59から正極層18用の溶液を噴霧状に噴射することにより、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。
なお、イオン交換膜19の上面に正極層18用の溶液をスプレー58を用いて塗布した理由については後述する。
【0044】
(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の溶液を塗布してバインダー層16aを形成する。
【0045】
次に、図5(a)と同様に、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。
次に、バインダー層15a、負極層17、イオン交換膜19、正極層18、バインダー層16aが未乾燥のうちに、それぞれの層15a,17,18,16a及び膜19に荷重をかけないで、それぞれの層15a,17,18,16a及び膜19を一緒に乾燥する。
【0046】
次いで、図5(b)と同様に、バインダー層15a、負極層17、イオン交換膜19、正極層18、バインダー層16aを固化することで、バインダー層15a、負極層17、イオン交換膜19、正極層18、バインダー層16aを固化した状態で一体に積層する。
これにより、第2実施形態の製造工程が完了する。
【0047】
第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第1、第2実施形態によれば、イオン交換膜19の上方に正極層18を設けることで、正極層18をイオン交換膜19の上方に配置することができる。よって、イオン交換膜19用の溶液が正極層18に浸透することを防ぐことができ、正極層18の空隙がイオン交換膜19用の溶液で減少することを防止できる。
【0048】
これにより、発電により生成した生成水を、正極層18の空隙を通して正極側拡散層14まで導き、正極側拡散層14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。
【0049】
加えて、第2実施形態によれば、正極層18を形成する際に、正極層18用の溶液をスプレー法で塗布することで、イオン交換膜19や正極層18に余分な塗布圧をかけることなく、すなわち正極層18用の溶液を最小の塗布圧で塗布することができる。
このように、イオン交換膜19や正極層18に余分な塗布圧をかけないで正極層18用の溶液を塗布することで、イオン交換膜19用の溶液が正極層18に浸透することを防ぐことができる。
【0050】
よって、イオン交換膜19用の溶液で正極層18の空隙が減少することを防いで、正極層18の空隙をより一層好適に確保することができる。
これにより、発電により生成した生成水を、正極層18の空隙を通して正極側拡散層14まで導き、正極側拡散層14の空隙からより一層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。
【0051】
なお、前記第2実施形態では、イオン交換膜19の上面に正極層18用の溶液をスプレー58を用いて塗布したが、正極層18用の溶液の塗布はスプレー58に限らないで、インクジェット方式を採用することも可能である。要は、正極層18用の溶液を噴霧状に塗布できる方式であればよい。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
また、前記第2実施形態では、負極側のバインダー層15aの上面にスプレー55を用いて負極層17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負極層17用の溶液を塗布することも可能である。
さらに、前記第2実施形態では、負極層17の上面にコーター57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。
【0056】
【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、負極用の溶液、正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、負極層、正極層及びイオン交換膜を備えた電極構造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。
【0057】
さらに、請求項1は、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できる。さらに、イオン交換膜を溶液とすることで、ハンドリング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、電極構造を薄くすることができる。
【0058】
さらに、請求項1は、イオン交換膜の上方に正極層を設けることで、イオン交換膜用の溶液が重力の影響で正極層に浸透することを防ぐことができ、正極層の空隙がイオン交換膜用の溶液で減少することを防止できる。
従って、発電により生成した生成水を正極層から正極側拡散層に導いて、正極側拡散層の空隙から好適に排出することができ、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えて、燃料電池の発電性能を良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る電極構造(第1実施形態)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の電極構造(第1実施形態)を示す説明図
【図3】 本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法(第1実施形態)を示す第1工程説明図
【図4】 本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法(第1実施形態)を示す第2工程説明図
【図5】 本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法(第1実施形態)を示す第3工程説明図
【図6】 本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法(第2実施形態)を示す第1工程説明図
【図7】 本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法(第2実施形態)を示す第2工程説明図
【図8】 従来の燃料電池を説明する説明図
【図9】 従来の燃料電池を構成する電極構造を示す説明図
【符号の説明】
11…燃料電池、12…電極構造(燃料電池用電極構造)、13…負極側拡散層、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 is an ion exchange membrane disposed between the positive and negative electrodes, a method for manufacturing a fuel cells for generating electricity by contacting the oxygen in the positive electrode catalyst with contacting the hydrogen to the negative pole of the catalyst.
[0002]
[Prior art]
FIG. 8 is an explanatory view for explaining a conventional fuel cell. In the
The electrode structure having the
[0003]
FIG. 9 is an explanatory view showing an electrode structure constituting a conventional fuel cell.
The electrode structure includes a
[0004]
When manufacturing this electrode structure, first, the solution for the
[0005]
Next, the
Next, a sheet-like
Next, this multilayer structure is heat-pressed as shown by an arrow to form an electrode structure.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the electrode structure uses a sheet as the
When poor adhesion occurs in each layer of the electrode structure, it becomes difficult to generate current efficiently, and these electrode structures become disposal or repair disposal at the inspection stage of the production line, which increases productivity. It is a hindrance to raising.
[0007]
Furthermore, since a sheet is used as the
[0008]
In addition, since a sheet is used as the
[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. It is to provide a method for producing fuel cells that can be.
[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, in claim 1 , a negative electrode layer is formed by applying a solution for a negative electrode in which a catalyst having a platinum-ruthenium alloy supported on the surface of carbon is mixed on a sheet-like negative electrode side diffusion layer. A step of forming an ion exchange membrane by applying a solution for an ion exchange membrane on the negative electrode layer while the negative electrode layer is undried, and a step of forming the ion exchange membrane while the negative electrode layer is undried. A process for forming a positive electrode layer by applying a solution for a positive electrode in which a catalyst having platinum supported on a carbon surface is mixed on the ion exchange membrane; a step of providing a positive electrode side diffusion layer, to constitute a method of manufacturing the fuel cells and a solidification step of solidifying by drying the respective solutions of these negative-positive electrode layer and the ion-exchange membrane.
[0012]
Ion-exchange membrane by a solution, can be handled the ion exchange membrane in the form of a solution. Further, 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, it becomes possible to make an ion exchange membrane thin, and an electrode structure can be made thin.
[0013]
Here, when current is generated using the fuel cell, hydrogen molecules (H 2 ) and oxygen molecules (O 2 ) react to generate generated water (H 2 O) in the fuel cell. This generated water is discharged through the positive electrode side diffusion layer (carbon paper) 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 flow downward under the influence of gravity and penetrate into the electrode layer.
When the solution for the ion exchange membrane penetrates into the electrode layer, there is a possibility that voids in the electrode layer are reduced by the penetrated solution.
[0014]
Therefore, when manufacturing the fuel cells, the positive electrode layer of the positive and negative electrode layer is disposed below the ion-exchange membrane, pores of the positive electrode layer ends up decreasing in solution for ion exchange membrane, There is concern that the generated water generated by power generation cannot be efficiently discharged from the positive electrode side diffusion layer to the outside of the fuel cell.
[0015]
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 hindered. That is, when the concentration overvoltage becomes high, the amount of voltage drop increases.
[0016]
Therefore, in claim 1 , a positive electrode layer is provided above the ion exchange membrane. By disposing the positive electrode layer above the ion exchange membrane, it is possible to prevent the ion exchange membrane solution from penetrating into the negative electrode layer due to the influence of gravity, and the gap in the positive electrode layer is reduced by the ion exchange membrane solution. Can be prevented.
Thereby, the generated water generated by power generation can be guided from the positive electrode layer to the positive electrode side diffusion layer, and can be suitably discharged from the voids of the positive electrode side diffusion layer, and the concentration overvoltage generated in the fuel cell can be suppressed low.
[0021]
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 provided with an electrode structure (first embodiment) according to the present invention.
The
[0022]
By stacking the negative electrode side
[0023]
The
Thus, the
The
[0024]
According to the
Note that when current is generated, generated water (H 2 O) is generated from hydrogen molecules (H 2 ) and oxygen molecules (O 2 ).
[0025]
FIG. 2 is an explanatory view showing an electrode structure (first embodiment) for a fuel cell according to the present invention.
The
The negative electrode
Further, the positive electrode
[0026]
The binder constituting the negative electrode
[0027]
The
[0028]
The
The
[0029]
Next, the manufacturing method of the
FIGS. 3A to 3C are first process explanatory views showing a method (first embodiment) for producing an electrode structure for a fuel cell according to the present invention.
In (a), the sheet-like negative electrode
[0030]
In (b), while the
In (c), while the
[0031]
4 (a) and 4 (b) are second process explanatory views showing a method (first embodiment) for producing an electrode structure for a fuel cell according to the present invention.
In (a), while the
In (b), while the
[0032]
FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams of a third process showing a method for manufacturing an electrode structure for a fuel cell according to the present invention (first embodiment).
In (a), the positive electrode
[0033]
Next, while the
[0034]
In (b), the
Thereby, the manufacturing process of the
[0035]
As described above, according to the first embodiment, the
[0036]
Therefore, it is possible to prevent a poor adhesion portion from occurring at the boundary between the
Thereby, the reaction efficiency in the
[0037]
In addition, the respective solutions are applied while the
As a result, when the
[0038]
In addition, since the
[0039]
Next, the method for manufacturing the fuel cell electrode structure will be described more specifically in the second embodiment. In addition, about the same member as 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
FIGS. 6A to 6C are first process explanatory views showing a method (second embodiment) for producing an electrode structure for a fuel cell according to the present invention.
In (a), the sheet-like negative electrode
[0040]
In (b), while the
[0041]
In (c), while the
Specifically, the
[0042]
By applying a solution for the
[0043]
FIGS. 7A and 7B are second process explanatory views showing a method (second embodiment) for producing an electrode structure for a fuel cell according to the present invention.
In (a), while the
The reason why the solution for the
[0044]
In (b), while the
[0045]
Next, as in FIG. 5A, the positive electrode
Next, while the
[0046]
Next, as in FIG. 5B, the
Thereby, the manufacturing process of 2nd Embodiment is completed.
[0047]
According to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
Further, according to the first and second embodiments, the
[0048]
Thereby, the generated water generated by the power generation can be led to the positive electrode
[0049]
In addition, according to the second embodiment, when the
As described above, the solution for the
[0050]
Therefore, it is possible to prevent the gap of the
As a result, the generated water generated by the power generation can be led to the positive electrode
[0051]
In the second embodiment, the solution for the
[0052]
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.
[0053]
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.
[0054]
In the second embodiment, the example in which the solution for the
Further, in the second embodiment, the example in which the solution for the
[0056]
【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 negative electrode solution, the positive 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 electrode structure including the negative electrode layer, the positive electrode layer, and the ion exchange membrane can be stabilized, so that productivity can be increased.
[0057]
Further, according to claim 1, by the ion exchange membrane with the solution, it can be handled the ion exchange membrane in the form of a solution. Further, 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, it becomes possible to make an ion exchange membrane thin, and an electrode structure can be made thin.
[0058]
Further, according to the first aspect , by providing the positive electrode layer above the ion exchange membrane, it is possible to prevent the solution for the ion exchange membrane from penetrating into the positive electrode layer due to the influence of gravity. It is possible to prevent a decrease in the film solution.
Therefore, the generated water generated by the power generation can be led from the positive electrode layer to the positive electrode side diffusion layer, and can be suitably discharged from the gap of the positive electrode side diffusion layer, and the concentration overvoltage generated in the fuel cell can be suppressed low, and the power generation of the fuel cell The performance can be kept good.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell provided with an electrode structure according to the present invention (first embodiment). FIG. 2 is an explanatory view showing an electrode structure for a fuel cell according to the present invention (first embodiment). FIG. 3 is a first process explanatory view showing a method for manufacturing an electrode structure for a fuel cell according to the present invention (first embodiment). FIG. 4 is a method for manufacturing an electrode structure for a fuel cell according to the present invention (first embodiment). FIG. 5 is an explanatory diagram of a second process showing the manufacturing method (first embodiment) of the electrode structure for a fuel cell according to the present invention. FIG. 6 is a fuel cell according to the present invention. FIG. 7 is a first process explanatory view showing a method for manufacturing an electrode structure for a fuel cell according to the present invention (second embodiment). FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a conventional fuel cell. FIG. 9 is a diagram showing an electrode structure constituting the conventional fuel cell. Figure [Description of the code]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
この負極層が未乾燥のうちに、この負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、
このイオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン交換膜上に、炭素の表面に白金が担持された触媒を混合した正極用の溶液を塗布して正極層を形成する工程と、
この正極層の未乾燥のうちに、この正極層上に正極側拡散層を設ける工程と、
これら負・正極層及びイオン交換膜のそれぞれの溶液を乾燥することにより固化する固化工程と、からなる燃料電池の製造方法。A step of forming a negative electrode layer by applying a negative electrode solution in which a platinum-ruthenium alloy-supported catalyst is formed on a carbon surface, which constitutes a fuel cell, on a sheet-like negative electrode side diffusion layer;
While the negative electrode layer is undried, a step of applying an ion exchange membrane solution on the negative electrode layer to form an ion exchange membrane;
A step of forming a positive electrode layer by applying a positive electrode solution in which a catalyst having platinum supported on carbon is mixed on the ion exchange membrane while the ion exchange membrane is undried,
A step of providing a positive diffusion layer on the positive electrode layer while the positive electrode layer is undried;
And a solidification step of solidifying the negative / positive electrode layer and the ion exchange membrane by drying each solution.
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