JP4428635B2

JP4428635B2 - 燃料電池の触媒材料塗布方法

Info

Publication number: JP4428635B2
Application number: JP2004075238A
Authority: JP
Inventors: 智秀渋谷; 徳朗石井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: JP2005267916A

Description

燃料電池の正極若しくは負極は、電解質膜に触媒材料を塗布することで触媒層を形成するものであり、本発明は、電解質膜に触媒材料をインクジェットにて塗布するときに、塗布する触媒材料で電解質膜が膨潤することを防止ができる燃料電池の触媒材料塗布方法に関するものである。

燃料電池の触媒材料塗布方法として、燃料電池の電解質膜に触媒材料をスクリーン印刷、ローラ塗布、スプレー塗布若しくはインクジェットにて塗布する方法が実用に供されている。
実用の燃料電池の触媒材料塗布方法は、上記スクリーン印刷、ローラ塗布、スプレー塗布若しくはインクジェットのいずれかの方法で、燃料電池の電解質膜に触媒材料を塗布すれば実用上十分であった。

このような燃料電池の触媒材料塗布方法として、インクジェットで電解質膜に触媒材料を塗布ものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１７３７８６公報（第２ー３頁）

図８は従来の基本原理を説明する図であり、インクジェットによる燃料電池の触媒材料塗布方法は、吐出ヘッド１０１をＸ軸及びＹ軸に沿って移動しつつ電解質膜１０２の一端から他端に向かって順番に液滴を塗布するものである。すなわち、触媒材料１０３を液滴として電解質膜１０２上へ規則正しく整列させ、順番に電解質膜１０２を塗りつぶすようにしたものである。

なお、１１１は１番目に塗布する触媒材料の液滴、１１２は２番目に塗布する触媒材料の液滴、１１３は３番目に塗布する触媒材料の液滴、１１４は４番目に塗布する触媒材料の液滴を示す。

一般的に、触媒材料１０３は、溶媒に触媒（電極粒）を混合したものであり、所定の水分を含有することが知られ、電解質膜１０２は、炭化水素系固体高分子を主体としたものであり、吸水性が大きいことが知られる。

しかし、上記の燃料電池の触媒材料塗布方法では、電解質膜１０２の一端から他端に向かって順番に塗布するものなので、一端側に液滴１１１・・・〜１１４・・・（・・・は複数個を示す。以下同じ）が密集した状態で触媒材料１０３が塗布され、これらの触媒材料１０３（液滴）中の水分を電解質膜１０２が集中的に吸収するため、この電解質膜１０２に部分的に大きな膨潤が起こり、この膨潤で触媒層１１５がうまくを形成できないという問題があった。
すなわち、インクジェットで触媒材料１０３を塗布するときに、触媒材料１０３の水分で電解質膜１０２に大きな膨潤を発生させることを防ぐことができる燃料電池の触媒材料塗布方法が望まれる。

本発明は、インクジェットで触媒材料を塗布するときに、触媒材料の水分で電解質膜に大きな膨潤を発生させること点を解決し、良好な触媒層を形成することができる燃料電池の触媒材料塗布方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、電解質膜上に触媒材料を液滴として滴下することで電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒材料塗布方法において、液滴を滴下するときに、先ず液滴が電解質膜上で離散するように所定の距離を保って飛々に滴下し、次に滴下済みの液滴の間に液滴を滴下する要領で、液滴の滴下を複数回繰り返すことで、電解質膜を塗りつぶすようにして触媒層を形成したことを特徴とする。

インクジェットで触媒材料を塗布するときに、触媒材料の水分で電解質膜に大きな膨潤を発生させることを防ぐことができれば、電解質膜の膨潤の防止して良好な触媒層を形成することができるので好ましいことである。

そこで、液滴を滴下するときに、先ず液滴が電解質膜上で離散するように所定の距離を保って飛々に滴下し、次に滴下済みの液滴の間に液滴を滴下する要領で、液滴の滴下を複数回繰り返すことで、電解質膜を塗りつぶすようにして触媒層を形成した。
すなわち、液滴を滴下するときに、先ず液滴が電解質膜上で離散するように所定の距離を保って飛々に滴下し、次に滴下済みの液滴の間に液滴を滴下する要領で、液滴の滴下を複数回繰り返すことで、電解質膜を塗りつぶすようにして触媒層を形成することで、電解質膜の膨潤の防止を図る。

請求項１に係る発明では、液滴を滴下するときに、先ず液滴が電解質膜上で離散するように所定の距離を保って飛々に滴下し、次に滴下済みの液滴の間に液滴を滴下する要領で、液滴の滴下を複数回繰り返すことで、電解質膜を塗りつぶすようにして触媒層を形成したので、電解質膜の膨潤の防止を図ることができる。この結果、良好な触媒層を形成することができるという利点がある。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法を用いて製造する燃料電池ユニットの一例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）の燃料電池単体（セル）１１，１１で構成したものである。燃料電池単体１１は、燃料電池用電極−膜接合体１２の両側にそれぞれ負極側セパレータ１３および正極側セパレータ１４を備える。

燃料電池用電極−膜接合体１２は、負極側拡散層２１、負極側下地層２２、触媒層としての負電極層２３、電解質膜２４、触媒層としての正電極層２５、正極側下地層２６、正極側拡散層２７を積層したものである。
負極側拡散層２１および正極側拡散層２７で燃料電池用電極−膜接合体１２の両側を構成する。

負極側拡散層２１に負極側セパレータ１３を積層する。負極側セパレータ１３の流路溝１５を負極側拡散層２１で覆い、負極側拡散層２１および流路溝１５で水素ガス流路１７を形成する。
また、正極側拡散層２７に正極側セパレータ１４を積層する。正極側セパレータ１４の流路溝１６を正極側拡散層２７で覆い、正極側拡散層２７および流路溝１６で酸素ガス流路１８を形成する。

すなわち、燃料電池用電極−膜接合体１２は、負極側拡散層２１、負極側下地層２２、負電極層２３、電解膜質２４、正電極層２５、正極側下地層２６、正極側拡散層２７を積層したものであり、このように構成した燃料電池用電極−膜接合体１２、負極側セパレータ１３及び正極側セパレータ１４で燃料電池単体１１を形成し、この燃料電池単体１１を複数個（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。

燃料電池ユニット１０によれば、水素ガス流路１７に水素ガスを供給するとともに、酸素ガス流路１８に酸素ガスを供給することで、電子（ｅ⁻）を矢印の如く流して電流を発生させる電気化学反応をさせるものである。
また、本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法は、電解膜質２４に正電極層（触媒層）２３若しくは負電極層（触媒層）２３を形成するための触媒材料塗布方法であり、以下、その詳細を説明する。

図２は本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の原理図であり、燃料電池の触媒材料塗布方法は、吐出ヘッド３１をＸ軸及びＹ軸に移動させ、電解質膜３２に触媒材料３３を液滴として滴下するときに所定の距離を保って飛々に（とびとびに）滴下し、滴下済みの液滴の間をぬって複数回繰り返し滴下するものであり、図中、４１・・・は電解質膜３２の一端から他端に吐出ヘッド３１を第１回目に滴下した液滴、４２・・・は電解質膜３２の一端から他端に吐出ヘッド３１を第２回目に滴下した液滴、４３・・・は電解質膜３２の一端から他端に吐出ヘッド３１を第３回目に滴下した液滴、４４・・・は電解質膜３２の一端から他端に吐出ヘッド３１を第４回目に滴下した液滴、４５は液滴４１・・・〜４４・・・で形成する触媒層を示す。

図３（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の触媒材料の滴下手順を示す説明図である。
（ａ）において、吐出ヘッド３１（図１参照）をＸ軸及びＹ軸に移動させ、液滴４１・・・を所定の距離を保って飛々に滴下する。

（ｂ）において、吐出ヘッド３１（図１参照）をＸ軸及びＹ軸に移動させ、液滴４１・・・の間をぬって飛々に液滴４２・・・を滴下する。このときに、液滴４２は、第１回目に滴下した２つの液滴４１，４１の円周に接するように滴下する。

（ｃ）において、吐出ヘッド３１（図１参照）をＸ軸及びＹ軸に移動させ、液滴４１・・・及び液滴４２・・・の間をぬって飛々に液滴４３・・・を滴下する。このときに、液滴４３は、第１回目に滴下した２つの液滴４１，４１の円周に接するとともに第２回目に滴下した１つ若しくは２つの液滴４２，４２の円周に接するように滴下する。

（ｄ）において、吐出ヘッド３１（図１参照）をＸ軸及びＹ軸に移動させ、液滴４１・・・、液滴４２・・・及び液滴４３・・・を塗りつぶすようにして液滴４４・・・を滴下し、触媒層４５を形成する。

図４は本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の触媒材料の滴下の寸法関係を示す説明図であり、液滴４１〜４４の直径をＤとするときに、液滴４１−液滴４２の中心距離、液滴４１−液滴４３の中心距離、液滴４１−液滴４４の中心距離、液滴４２−液滴４３の中心距離、液滴４２−液滴４４の中心距離、液滴４３−液滴４４の中心距離はそれぞれ、液滴４１はＤであることを示す。

Ｘ軸に関して隣り合う液滴４１−液滴４１同士の中心距離はルート３Ｄ（１．７３２Ｄ）であり、Ｘ軸に関して隣り合う液滴４２−液滴４２同士、Ｘ軸に関して隣り合う液滴４３−液滴４３同士、Ｘ軸に関して隣り合う液滴４４−液滴４４同士も同様である。
Ｙ軸に関して隣り合う液滴４１−液滴４１同士の中心距離は２Ｄであり、Ｙ軸に関して隣り合う液滴４２−液滴４２同士、Ｙ軸に関して隣り合う液滴４３−液滴４３同士、Ｙ軸に関して隣り合う液滴４４−液滴４４同士も同様である。

図５（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の作用説明図であり、（ａ），（ｂ）は比較例の燃料電池の触媒材料塗布方法を示し、（ｃ），（ｄ）は実施例の燃料電池の触媒材料塗布方法を示す。
（ａ）において、比較例の燃料電池の触媒材料塗布方法として従来のインクジェットによる燃料電池の触媒材料塗布方法を示す。すなわち、比較例の燃料電池の触媒材料塗布方法は、吐出ヘッド１０１をＸ軸及びＹ軸に沿って移動しつつ電解質膜１０２の一端から他端に向かって順番に液滴を塗布するものである。

（ｂ）において、電解質膜１０２の一端から他端に向かって順番に塗布するものなので、一端側に液滴が密集した状態で触媒材料１０３が塗布され、これらの触媒材料１０３（液滴）中の水分を電解質膜１０２が集中的に吸収するため、この電解質膜１０２に部分的に大きな膨潤が起こり、この膨潤で触媒層１１５がうまくを形成できないことがある。

（ｃ）において、本発明の燃料電池の触媒材料塗布方法は、電解質膜３２上に触媒材料３３を液滴４１・・・〜４４・・・として滴下することで電解質膜３２上に触媒層４５を形成する燃料電池の触媒材料塗布方法において、液滴を滴下するときに所定の距離を保って飛々に滴下し、次に滴下済みの液滴の間に液滴を滴下する要領で、液滴の滴下を複数回繰り返すことで、電解質膜３２を塗りつぶすようにして触媒層４５を形成したものである。

例えば、インクジェットで触媒材料を塗布するときに、触媒材料の水分で電解質膜に大きな膨潤を発生させることを防ぐことができれば、電解質膜の膨潤の防止して良好な触媒層を形成することができるので好ましいことである。

（ｄ）において、液滴４１・・・〜４４・・・を滴下するときに所定の距離を保って飛々に滴下し、滴下済みの液滴の間をぬって複数回繰り返し滴下することで、電解質膜３２を塗りつぶすようにして触媒層を形成した。従って、触媒材料３３の水分を一部分で急激に吸収することはないので、電解質膜３２の変形が少ない。

すなわち、液滴４１・・・〜４４・・・を滴下するときに所定の距離を保って飛々に滴下し、滴下済みの液滴の間をぬって複数回繰り返し滴下し、電解質膜３２を塗りつぶすようにして触媒層４５を形成することで、電解質膜３２の膨潤の防止を図ることができる。
この結果、良好な触媒層４５を形成することができる。

図６（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の別実施例の吐出ヘッド移動方法の説明図である。
（ａ）において、電解質膜３２のＸ軸方向の幅を有する吐出ヘッド５１を用意し、電解質膜３２の左端から右端に（一方方向に）矢印ａ１〜ａ４の如く吐出ヘッド５１を４回移動させ、電解質膜を塗りつぶすようにしたものである。

（ｂ）において、電解質膜３２のＸ軸方向の幅を有する吐出ヘッド５１を用意し、電解質膜３２の中央から左右両端に矢印ａ５の如くジグザグに吐出ヘッド５１移動させ、電解質膜を塗りつぶすようにしたものである。

（ｃ）において、電解質膜３２のＹ軸方向の幅を有する吐出ヘッド５２を用意し、電解質膜３２の上端から下端に（一方方向に）矢印ｂ１〜ｂ４の如く吐出ヘッド５２を４回移動させ、電解質膜３２を塗りつぶすようにしたものである。

（ｄ）において、電解質膜３２のＸ軸方向の幅を有する吐出ヘッド５２を用意し、電解質膜３２の中央から上下両端に矢印ｂ５の如くジグザグに吐出ヘッド移動させ、電解質膜３２を塗りつぶすようにしたものである。

図７は本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の触媒材料の別実施例の滴下パターンを示す説明図であり、図中、６１・・・は電解質膜３２（図２参照）の一端から他端に吐出ヘッド３１を第１回目に滴下した液滴、６２・・・は電解質膜３２の一端から他端に吐出ヘッド３１を第２回目に滴下した液滴、６３・・・は電解質膜３２の一端から他端に吐出ヘッド３１を第３回目に滴下した液滴、６４・・・は電解質膜３２の一端から他端に吐出ヘッド３１を第４回目に滴下した液滴、６５は液滴６１・・・〜６４・・・で形成する触媒層を示す。

尚、本発明の係る触媒材料塗布方法は、図３に示すように、４回で電解質膜３２（図２参照）を塗りつぶすようにしたが、これに限るものではなく、液滴を滴下するときに所定の距離を保って飛々に滴下できるものであればよく、触媒材料を滴下する回数は任意である。

本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法は、車両等に搭載する燃料電池の製造に採用するのに好適である。

本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法を用いて製造する燃料電池ユニットの一例を示す分解斜視図である。本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の原理図である。本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の触媒材料の滴下手順を示す説明図である。本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の触媒材料の滴下の寸法関係を示す説明図である。本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の作用説明図である。本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の別実施例の吐出ヘッド移動方法の説明図である。本発明に係る燃料電池の触媒材料塗布方法の触媒材料の別実施例の滴下パターンを示す説明図である。従来の基本原理を説明する図である。

符号の説明

１０…燃料電池ユニット、３１…吐出ヘッド、３２…電解質膜、３３…触媒材料、４１〜４４…液滴、４５…触媒層。

Claims

電解質膜上に触媒材料を液滴として滴下することで前記電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒材料塗布方法において、
前記液滴を滴下するときに、先ず前記液滴が前記電解質膜上で離散するように所定の距離を保って飛々に滴下し、次に滴下済みの液滴の間に液滴を滴下する要領で、液滴の滴下を複数回繰り返すことで、前記電解質膜を塗りつぶすようにして触媒層を形成したことを特徴とする燃料電池の触媒材料塗布方法。