JP5055815B2 - Method for forming catalyst layer for electrode of fuel cell and catalyst layer for electrode - Google Patents
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Description
本発明は、触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合、分散させて触媒インクとし、この触媒インクを電解質膜に塗布する燃料電池の電極用触媒層の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a catalyst layer for an electrode of a fuel cell, in which catalyst-supported carbon particles, an electrolyte, and a solvent are mixed and dispersed to form a catalyst ink, and this catalyst ink is applied to an electrolyte membrane.
例えば、固体高分子型の燃料電池は、高分子電解質膜の両面に電極をそれぞれ設けてなる膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)を、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟み込むことで燃料電池単セルを構成し、その燃料電池単セルの複数個を積層することで規定の起電力を発生する燃料電池スタックとしている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) formed by providing electrodes on both sides of a polymer electrolyte membrane, and a fuel gas channel or an oxidant gas channel. A fuel cell stack is formed by sandwiching a plurality of fuel cell single cells by sandwiching them with a separator and generating a prescribed electromotive force.
電極は、例えば高分子電解質膜に接触して設けられる触媒層と、触媒層上のガス拡散層とから構成される。触媒層は、例えば、Pt(白金)などの触媒粒子が表面に担持された触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合し分散させることで製造される触媒インク(スラリー)を、高分子電解質膜の表面に塗布し乾燥させることで形成される(例えば下記特許文献1参照)。
The electrode is composed of, for example, a catalyst layer provided in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer on the catalyst layer. The catalyst layer is made of, for example, a catalyst ink (slurry) produced by mixing and dispersing catalyst-carrying carbon particles having catalyst particles such as Pt (platinum) carried on the surface, an electrolyte, and a solvent. It is formed by applying to the surface of the electrolyte membrane and drying (see, for example,
ところで、上記のような、高分子電解質膜の表面に塗布する触媒インクには、燃料電池の発電性特に初期発電性に効果のあるものと、燃料電池の耐久性に効果のあるものとがあり、このような性能の相違は、電極触媒材料中の電解質成分材料のインク内での分散量や分散状態に影響されると考えられている。 By the way, as described above, the catalyst ink applied to the surface of the polymer electrolyte membrane includes those that are effective for the power generation performance of the fuel cell, particularly the initial power generation performance, and those that are effective for the durability of the fuel cell. Such a difference in performance is considered to be affected by the amount and state of dispersion of the electrolyte component material in the electrode catalyst material in the ink.
そして、通常では、上記した発電性と耐久性の双方の性能を適度に確保した触媒インクを用いて高分子電解質膜に塗布しているが、この場合には、発電性および耐久性のいずれにおいても中間程度の性能を維持していることとなり、結果的に良好な燃料電池性能を確保できていないことになる。 And usually, it is applied to the polymer electrolyte membrane by using the catalyst ink that has ensured both the power generation performance and durability performance as described above, but in this case, in either power generation performance or durability In other words, the intermediate performance is maintained, and as a result, good fuel cell performance cannot be secured.
そこで、本発明は、燃料電池の発電性および耐久性を共に高めて良好な燃料電池性能を確保することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to improve fuel generation performance and durability of a fuel cell and to ensure good fuel cell performance.
本発明は、触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合、分散させて触媒インクとし、この触媒インクを電解質膜に塗布する際に、前記触媒担持カーボン粒子の触媒担持率と、前記電解質の量と、前記触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いとの少なくとも一つの条件が異なる複数種類の触媒インクを製造し、この複数種類の触媒インクを、前記電解質膜に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布する燃料電池の電極用触媒層の形成方法であって、前記複数種類の触媒インクの前記三つの条件すべてを異なるものとし、この三つの条件すべてが大となる触媒インクが、前記電解質膜側となるよう前記触媒インクを前記電解質膜に塗布することを最も主要な特徴とする。 The present invention includes a catalyst-carrying carbon particles, an electrolyte, and a solvent mixture, is dispersed as a catalyst ink, when applying the catalyst ink to the electrolyte membrane, a catalyst supporting ratio of the catalyst-carrying carbon particles, the electrolyte A plurality of types of catalyst inks having different conditions of at least one of the amount of the catalyst-carrying carbon particles and the degree of pulverization of the catalyst-carrying carbon particles. A method for forming a catalyst layer for an electrode of a fuel cell to be applied , wherein all of the three conditions of the plurality of types of catalyst inks are different from each other, and the catalyst ink in which all of the three conditions become large is the electrolyte. The most important feature is that the catalyst ink is applied to the electrolyte membrane so as to be on the membrane side .
本発明によれば、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率と、電解質の量と、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いとの三つの条件すべてを異なるものとした複数種類の触媒インクのうち、三つの条件すべてが大となる触媒インクが電解質膜側となるよう触媒インクを、電解質膜に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布するようにしている。 According to the present invention , the three conditions among the plurality of types of catalyst ink in which all three conditions of the catalyst supporting rate of the catalyst supporting carbon particles, the amount of the electrolyte, and the degree of pulverization of the catalyst supporting carbon particles are different. The catalyst ink is applied separately on the electrolyte membrane so as to be in separate layers so that the catalyst ink that is all large is on the electrolyte membrane side .
ここで、例えば触媒担持カーボン粒子の触媒担持率と、電解質の量と、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いを、いずれも大とした触媒インクは、触媒濃度が高く、多量の電解質によって液水を保持しやすく、粉砕度合いが大きいことからカーボン表面積が大きくなる。この結果、このような触媒インクは、電解質膜と馴染みやすく、カーボン粒子に担持する触媒の表面積が大きくなって反応性が良好となり、発電性が重視されたものとなる。 Here, for example, the catalyst ink in which the catalyst supporting rate of the catalyst supporting carbon particles, the amount of the electrolyte, and the degree of pulverization of the catalyst supporting carbon particles are all large, the catalyst concentration is high, and liquid water is retained by a large amount of electrolyte. The carbon surface area is increased because the degree of pulverization is easy. As a result, such a catalyst ink is easily compatible with the electrolyte membrane, the surface area of the catalyst supported on the carbon particles is increased, the reactivity is improved, and power generation is emphasized.
一方、触媒担持カーボンの触媒担持率と、電解質の量と、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いを、いずれも小とした触媒インクは、上記した触媒インクとは逆に、触媒濃度が低く、液水を保持しにくく、カーボン表面積が小さくなる。この結果、このような触媒インクは、カーボン粒子周囲の液水が少なくなり、起動停止による触媒・カーボンの腐食が抑制され、またカーボン表面積が小さいことから、反応ガスと接触しにくく、起動停止によるカーボンの腐食が抑制され、耐久性が重視されたものとなる。さらに、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いが小さいために、粉砕後の触媒担持カーボン粒子相互間の隙間が大きくなり、反応ガスや液水の拡散性が向上する。 On the other hand, a catalyst ink in which the catalyst supporting rate of the catalyst supporting carbon, the amount of the electrolyte, and the degree of pulverization of the catalyst supporting carbon particles are all small, contrary to the catalyst ink described above, has a low catalyst concentration and liquid water. Is difficult to hold, and the carbon surface area is reduced. As a result, such catalyst ink reduces liquid water around the carbon particles, suppresses corrosion of the catalyst and carbon due to start / stop, and has a small carbon surface area. Carbon corrosion is suppressed and durability is emphasized. Further, since the degree of pulverization of the catalyst-carrying carbon particles is small, the gap between the crushed catalyst-carrying carbon particles is increased, and the diffusibility of the reaction gas and liquid water is improved.
上記したような発電性が重視された触媒インクと、耐久性が重視された触媒インクとを、電解質膜に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布し、その際、複数種類の触媒インクのうち、三つの条件すべてが大となる触媒インクが、電解質膜側となるよう触媒インクを電解質膜に塗布することで、燃料電池の発電性および耐久性を共に高めて良好な燃料電池性能を確保することができる A catalyst ink generation property is emphasized as described above, and a catalyst ink durability is emphasized, and by applying separate application so as to be mutually separate layers to the electrolyte membrane, in which a plurality of types of catalyst ink By applying the catalyst ink to the electrolyte membrane so that the catalyst ink that increases all three conditions is on the electrolyte membrane side , both the power generation performance and durability of the fuel cell are improved, and good fuel cell performance is achieved. Can be secured
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
「燃料電池スタックの全体構成」
まず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図1は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図2は燃料電池単セルの拡大断面図である。
"Overall structure of fuel cell stack"
First, the overall configuration of the fuel cell stack will be briefly described. FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of a fuel cell stack, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a single fuel cell.
燃料電池スタック1は、図1に示すように、燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(酸素)の反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル2を所定数だけ積層した積層体3とされ、その積層体3の両端に集電板4、絶縁板5およびエンドプレート6を配置し、該積層体3をタイロッド7で締め付け、そのタイロッド7の端部にナット14を螺合させることで構成している。
As shown in FIG. 1, a
この燃料電池スタック1では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒(冷却水)をそれぞれ各燃料電池単セル2のセパレータ(図示は省略する)に形成された各流路に流通させるための燃料ガス導入口8、燃料ガス排出口9、酸化剤ガス導入口10、酸化剤ガス排出口11、冷媒導入口12および冷媒排出口13を、一方のエンドプレート6に形成している。
In this
かかる構成の燃料電池スタック1においては、燃料ガスは、燃料ガス導入口8より導入されてセパレータに形成された燃料ガス流路を流れ、燃料ガス排出口9より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口10より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス流路を流れ、酸化剤ガス排出口11より排出される。冷媒は、冷媒導入口12より導入されてセパレータに形成された冷媒流路を流れ、冷媒排出口13より排出される。
In the
燃料電池単セル2は、図2に示すように、一面側から燃料ガスが供給され、他面側から酸化剤ガスが供給される膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)15と、この膜電極接合体15の一面に配置されるアノードセパレータ16と、膜電極接合体15の他面に配置されるカソードセパレータ17とから構成され、これらアノードセパレータ16とカソードセパレータ17で膜電極接合体15を挟み込むように積層した構造としている。
As shown in FIG. 2, the fuel cell
膜電極接合体15は、例えば水素イオン(プロトン)を通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜18と、この固体高分子電解質膜18の一面に設けられるアノード電極19と、固体高分子電解質膜18の他面に設けられるカソード電極20とからなる。アノード電極19は、固体高分子電解質膜18側に配置される触媒層21と、アノードセパレータ16側に配置されるガス拡散層22とからなり、カソード電極20も同様に、固体高分子電解質膜18側に配置される触媒層23と、カソードセパレータ17側に配置されるガス拡散層24とからなる。
The
なお、上記した触媒層21および触媒層23は電極用触媒層を構成している。
The
アノードセパレータ16には、発電に寄与するアクティブ領域(固体高分子電解質膜18と接する中央部分の領域)に、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路25を形成している。一方、カソードセパレータ17には、アクティブ領域に酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路26を形成している。
The
そして、本発明の第1の実施形態として、固体高分子電解質膜18上に形成する触媒層21,23を、図3に示すように、固体高分子電解質膜18側の第1の層21a,23aと、拡散層22,24(図2)側の第2の層21b,23bとの2層構造としている。
As a first embodiment of the present invention, the
ここで、固体高分子電解質膜18側の第1の層21a,23aは、燃料電池の発電性、特に初期発電性を重視した触媒インク53a(図4参照)からなり、一方、拡散層22,24(図2)側の第2の層21b,23bは、燃料電池の耐久性を重視した触媒インク53bからなる。
Here, the
すなわち、本実施形態では、複数種類の触媒インク53a,53bを、固体高分子電解質膜18に互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布していることになる。
That is, in the present embodiment, a plurality of types of
次に、上記した第1の層21a,23aからなる触媒インク53aと、第2の層21b,23bからなる触媒インク53bの相違について説明する。
Next, the difference between the
ここでの触媒インク53a,53bは、触媒担持カーボン粒子と、電解質と、溶媒とを混合し分散させることで製造する。触媒担持カーボン粒子は、カーボン粒子に白金触媒TEC10E50E(田中貴金属社製)を担持させたもので、電解質は、プロトン伝導物質であるナフィオン(デュポン社製)を使用する。また、溶媒は、純水にイソプロパノールを含有させている。
The
ここで前記した第1の層21a,23aからなる触媒インク53aは、第2の層21b,23bからなる触媒インク53bに比較して、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率を高く、電解質の量を多く、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いを大きくして(粒径を小さく)している。
Here, the
図4(a)は、第1の層21a,23aからなる触媒インク53aの調整工程を、図4(b)は、第2の層21b,23bからなる触媒インク53bの調整工程を、それぞれ示す。
4A shows an adjustment process of the
図4(a),(b)の工程Iでは、容器27内の溶媒28中にカーボン粒子29A,29Bをそれぞれ投入した状態で粉砕し、この際、図4(a)でのカーボン粒子29Aは、図4(b)でのカーボン粒子29Bよりも触媒担持率を高くしている。
In Step I of FIGS. 4A and 4B, the
なお、カーボン粒子29A,29Bを粉砕する際には、ホモジナイザを用いるが、ホモジナイザのほかに、ジェットミル、ボールミル、振動ボールミル、マイクロカッターなどを用いることができる。また、有機溶媒、界面活性剤を加えることにより、粉砕した触媒担持カーボン粒子を高分散の状態に保つことができる。
When the
次に、工程IIで示すように、図4(a)のカーボン粒子29Aを、粉砕粒子290Aとなるように、図4(b)のカーボン粒子29Bの粉砕粒子290Bに比較して大きく粉砕してその粒径を小さくする。
Next, as shown in Step II, the
粉砕後に、電解質を容器27内に投入するが、この際、電解質の量を、図4(a)では図4(b)に比較して多くして工程IIIの状態で示すような2種類の触媒インク53a,53bが製造される。この際電解質100が、粉砕粒子290Aおよび粉砕粒子290Bの表面に付着した状態となる。
After pulverization, the electrolyte is put into the
「触媒塗布装置の構成」
次に、上記のようにして製造した2種類の触媒インク53a,53bを、固体高分子電解質膜18に塗布するための触媒塗布装置について説明する。
"Configuration of catalyst coating device"
Next, a catalyst coating apparatus for coating the solid
図5は本実施形態の触媒塗布装置の斜視図、図6は同分解斜視図、図7は同平面図である。 5 is a perspective view of the catalyst coating apparatus of the present embodiment, FIG. 6 is an exploded perspective view thereof, and FIG. 7 is a plan view thereof.
本実施形態の触媒塗布装置は、図5から図7に示すように、固体高分子電解質膜18を内壁面に装着させるドラム30と、ドラム30を、軸芯を中心として円周方向に回転させるとともに軸芯に沿って上下動(移動)させる駆動手段である駆動機構部31と、固体高分子電解質膜18がドラム30の回転による遠心力で該ドラム30の内壁面に貼り付くまで吸引する吸引手段である吸引機構部32と、ドラム30の内側(中心)に挿入され、回転するドラム30の内壁面に装着された固体高分子電解質膜18に触媒インクを塗布する触媒塗布手段であるスプレー33とを備える。
As shown in FIGS. 5 to 7, the catalyst coating apparatus of the present embodiment rotates the
ドラム30は、図8に平面図で示すように、固体高分子電解質膜18をその内壁面に装着させたときに外にはみ出さない程度の高さを備えた円筒体をほぼ半分に分割した分割構造とし、半円形状をなす一方のドラム分割体34を他方の半円形状をなすドラム分割体35に対して回動軸36を介して開閉自在としている。また、一方のドラム分割体34の先端部34aは、他方のドラム分割体35の先端の結合部37に形成した溝部38に挿入係合され、図示を省略するロック手段にて開かないようにロックされる。
As shown in the plan view of FIG. 8, the
なお、図8(a)は高分子電解質膜18をドラムに装着する前の状態、同図(b)は高分子電解質膜18に触媒インクを塗布後の状態をそれぞれ示す。
8A shows a state before the
他方のドラム分割体35の内壁面39には、図5のA−A線断面図である図9に示すように、固体高分子電解質膜18を吸引して密着装着させるための複数の吸引孔40が形成されている。かかる吸引孔40は、固体高分子電解質膜18のアクティブ領域(発電に寄与する領域)を除くその外周囲を取り囲むようにして形成されている。また、このドラム分割体35は、図5のB−B線断面図である図9(b)に示すように、前記各吸引孔40と連通する空隙部41を、その板厚の中心部に形成した内部空間構造としている。さらに、このドラム分割体35の下端底面には、後述する吸引機構部32の吸引ポンプ50によりエアを吸引するための吸引口となる孔部42が形成されている。かかる孔部42は、前記空隙部41を通して前記吸引孔40と連通している。
As shown in FIG. 9, which is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 5, a plurality of suction holes for sucking and attaching the solid
なお、一方のドラム分割体34の内壁面43には、固体高分子電解質膜18を装着しないため、前記した吸引孔40、空隙部41及び孔部42は形成されていない。
In addition, since the solid
また、ドラム分割体34、35の内壁面39、43には、固体高分子電解質膜18の片面への触媒インク塗布後にもう片面に触媒インクを塗布する際に、内壁面39、43に塗布済みの触媒粉末が付着しないように静電防止処理と撥水処理を施している。
Further, the inner wall surfaces 39 and 43 of the drum divided
駆動機構部31は、前記ドラム30を装着固定させる装着部44を有した回転体45と、この回転体45を、該ドラム30の軸芯を中心として円周方向(図6中矢印X方向)に回転させると共に軸芯に沿って移動(図6中矢印Y方向に上下動)させる駆動部46とからなる。回転体45は、ドラム30のほぼ中心に配置され、その周面に複数設けられた装着部44に前記ドラム30を装着固定させて、当該ドラム30を円周方向に回転させるようになっている。
The
装着部44は、回転体45の外周面から外方へ延びるように放射状に複数設けられている。この装着部44の先端側には、前記ドラム30の下端底面30aを嵌合させて該ドラム30を装着固定する装着凹部47と、ドラム30の外壁面に接する上方へ折れ曲がった位置規制部48とを形成している。そして、装着凹部47には、ドラム分割体35の下端底面に形成された孔部42と連通する開口孔49を形成している。この開口孔49は、装着部44の長手方向に沿ってその内部に形成されたエア通路(図示は省略する)に連通しており、後述する吸引ポンプ50と接続されている。
A plurality of mounting
駆動部46は、回転体45を軸芯を中心として回転させる回転機構と、回転体45を軸芯に沿って移動(上下動)させる上下動機構とを備えている。回転機構としては、駆動モータの駆動軸に回転体45を直接取り付けた構成、ベルトやチェーンなどで駆動モータの駆動力を回転体45に伝達する構成、あるいは歯車で駆動モータの駆動力を回転体45に伝達する構成などが使用できる。上下動機構としては、ボールねじとこのボールねじに螺合するナット部材を回転体45に取り付けた構成、スライダレールとこのスライダレールにスライドするスライダを回転体45に取り付けた構成などが使用できる。また、回転機構と上下動機構を一つの機構としたものを駆動部46とすることもできる。なお、本実施形態では、駆動部46の具体的な構成に関しては従来公知の機構がいずれも採用できる。
The
吸引機構部32は、吸引ポンプ50と、この吸引ポンプ50に接続されるホース51に接続する前記した装着部44に形成したエア通路、開口孔49およびドラム分割体35に形成した吸引孔40、空隙部41および孔部42とからなる。吸引ポンプ50でエアを吸引(真空引き)すると、ドラム分割体35の空隙部41内が負圧となり、当該ドラム30の内壁面39に開口する吸引孔40からエアが引かれ、その内壁面39に装着される固体高分子電解質膜18が密着して保持される。
The
スプレー33は、ノズル52から触媒インクを噴出させるスプレーコータであり、触媒インクを塗布するときにドラム30の中心に侵入し、塗布後は上昇するようになっている。
The
「触媒塗布方法」
次に、固体高分子電解質膜18に触媒インクを塗布する触媒塗布方法について説明する。
"Catalyst application method"
Next, a catalyst application method for applying catalyst ink to the solid
まず、図8(a)に示すように、一方のドラム分割体34を他方のドラム分割体35に対して前記回動軸36を中心に開く。そして、一方のドラム分割体35の内壁面39に、吸引ポンプ50による吸引前に固体高分子電解質膜18を仮止めしやすくするために純水を塗る。次いで、一方のドラム分割体35の内壁面39にのみ固体高分子電解質膜18を装着させる。固体高分子電解質膜18は、純水によって内壁面39に貼り付く。この固体高分子電解質膜18を内壁面39に装着させるに際しては、高分子電解質膜18をドラム30の内壁面に装着させた状態を示す、図5のA−A線位置での断面図である図10(a)に示すように、アクティブ領域54が内壁面39に形成された吸引孔40に掛からないようにする。
First, as shown in FIG. 8A, one drum divided
次に、ドラム分割体34、35を閉じて円筒状とする。そして、ドラム30を、前記した回転体45に設けた装着部44に装着させる。このとき、ドラム分割体35の下端底面30aに形成した孔部42が前記装着部44の開口孔49に対向するようにドラム30の前記装着部44に対する装着位置を調整する。この作業を容易なものとするために、前記孔部42と開口孔49との位置を、ドラム分割体35の外周面にマーキングしておくことが望ましい。
Next, the drum divided
次に、駆動部46を駆動して回転体45を円周方向に回転させるとともに吸引ポンプ50を作動させる。回転体45が回転すると、装着部44に装着固定されたドラム30が軸芯を中心として円周方向に回転する。この一方、吸引ポンプ50が作動すると、吸引孔40からエアが引かれて固体高分子電解質膜18が内壁面39に吸着保持される。ドラム30の遠心力で固体高分子電解質膜18が内壁面39に貼り付いたら吸引ポンプ50の作動を停止して吸引を解除する。吸引を解除してもドラム30の遠心力が固体高分子電解質膜18に作用しているので、当該固体高分子電解質膜18が内壁面39から剥がれて落ちることはない。
Next, the
そして、ドラム30の回転が一定になったところで、スプレー33をドラム30の中心に侵入させ、ノズル52から前記した第1の層21aを構成する触媒インク53aを、触媒インクを塗布している状態を示す触媒塗布装置の斜視図である図11に示すように、固体高分子電解質膜18の一面に吹き付ける。また、スプレー33による触媒インク53aの吹き付け位置に応じて回転体45を上下動させる。これにより、固体高0分子電解質膜18のアクティブ領域全体に触媒インク53aが吹き付けられることになる。また、ドラム30を回転させながら触媒インク53aを吹き付けると、遠心力によりPtなどの重い触媒はドラム内壁側へ移動し、固体高分子電解質膜18側の触媒濃度が大きくなる。また、触媒インク53に含まれた気泡が表面に浮き上がってくる。そして、触媒インク53aを塗布し終えたらドラム30の回転動作および上下動動作を停止させる。
When the rotation of the
なお、図10(b)は触媒インク塗布後の状態を示す、図5のA−A線位置での断面図である。 FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 5, showing a state after the application of the catalyst ink.
そして、上記の第1の層21aの上に、第2の層21bを、上記と同様にして塗布し、これにより、前記図3に示したように、固体高分子電解質膜18上の触媒層21は、固体高分子電解質膜18側の触媒インク53aからなる第1の層21aと、この第1の層21a上の触媒インク53bからなる第2の層21aが順次形成された2層状態となる。
Then, the
次に、塗布した触媒インク53a,53bが乾燥したところで、スプレー33を待避させ、その代わりに、乾燥した触媒層の表面を削り滑らかにする加工を施す状態を示す斜視図である図12に示すように、切削手段である筒状のヤスリ55をドラム30の中心に挿入させる。そして、駆動部46を駆動してドラム30を回転させながらヤスリ55で触媒層21の第2の層21bの表面を削り、当該第2の層21bの表面を滑らかにする。
Next, when the applied
ヤスリ掛けが終了したらドラム30を装着部44から取り外し、図8(b)で示すように、ドラム30を開いて触媒層21が片面に形成された固体高分子電解質膜18を内壁面39から取り外す。次に、この触媒層21を貼り付け面として内壁面39に固体高分子電解質膜18を貼り付ける。このとき、内壁面39には静電防止処理と撥水処理が施されているので、塗布済みの触媒粉末が内壁面39に付着してドラム30と導通するのが防止される。
When the file is finished, the
以下、同様の工程を行い固体高分子電解質膜18の他方の面にも触媒インク53a,53bを塗布して、第1の層23a,第2の層23bからなる2層構造の触媒層23を形成する。
Thereafter, the same process is performed to apply the
上記した第1の実施形態によれば、固体高分子電解質膜18側に位置する第1の層21a,23aからなる触媒インク53aは、第2の層21b,23bからなる触媒インク53bに比較して、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率が高く、電解質の量が多く、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いが大きく(粒径が小さく)なっている。
According to the first embodiment described above, the
ここで、例えば触媒担持カーボンの触媒担持率が高いと触媒濃度が高くなり、また吸水性の高い電解質の量が多いと、多量の電解質によって液水を保持しやすく、さらに触媒担持カーボンの粉砕度合いが大きいことからカーボン表面積が大きくなって触媒濃度も高くなる。 Here, for example, if the catalyst loading rate of the catalyst-carrying carbon is high, the catalyst concentration becomes high, and if the amount of the electrolyte having high water absorption is large, liquid water can be easily held by a large amount of electrolyte, and the degree of pulverization of the catalyst-carrying carbon Is large, the carbon surface area is increased and the catalyst concentration is also increased.
この結果、このような触媒インク53aは、固体高分子電解質膜18と馴染みやすく、触媒濃度が高いことから反応性が良好となって、発電性が重視されたものとなり、燃料電池の出力向上に寄与することができる。
As a result, such a
一方、第1の層21a,23aからなる触媒インク53aに比較して、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率が低く、電解質の量が少なく、触媒担持カーボンの粉砕度合いが小さい(粒径が大きい)第2の層21b,23bからなる触媒インク53bは、触媒担持カーボン粒子の触媒担持率が低いことから触媒濃度が低く、また電解質の量が少ないことから、液水を保持しにくく、さらに触媒担持カーボンの粉砕度合いが小さいことから、カーボン表面積が小さくなって触媒濃度も低くなる。
On the other hand, compared with the
この結果、このような触媒インク53bは、カーボン粒子周囲の液水が少なくなり、燃料電池スタック1の起動停止による触媒・カーボンの腐食が抑制され、またカーボン表面積が小さく触媒濃度が低いことから反応ガスと接触しにくく、燃料電池スタック1の起動停止によるカーボンの腐食が抑制され、耐久性が重視されたものとなり、燃料電池の耐久性向上に寄与することができる。
As a result, the
さらに、触媒担持カーボン粒子の粉砕度合いが小さいために、粉砕後の触媒担持カーボン粒子相互間の隙間が大きくなり、反応ガスや液水の拡散性が向上する。 Further, since the degree of pulverization of the catalyst-carrying carbon particles is small, the gap between the crushed catalyst-carrying carbon particles is increased, and the diffusibility of the reaction gas and liquid water is improved.
したがって、上記したような発電性を重視した触媒インク53aを固体高分子電解質膜18側に塗布し、一方耐久性を重視した触媒インクと53bを、固体高分子電解質膜18側とは反対のガス拡散層22,24側に、互いに別々の層となるよう塗り分けして塗布することで、燃料電池スタック1の発電性および耐久性を共に高めて良好な燃料電池性能を確保することができる。
Therefore, the above-described
また、電解質は、触媒担持カーボン粒子の粉砕後に、この粉砕した触媒担持カーボン粒子が混入する溶媒中に投入し分散させている。このため、電解質は、過剰に分散されることを回避して過剰な水分保持を防止し、燃料電池スタック1の起動停止操作時での水と触媒層中のカーボンとの反応を防止して、起動停止時での耐久性を高めることができる。
Further, after the catalyst-carrying carbon particles are pulverized, the electrolyte is charged and dispersed in a solvent in which the pulverized catalyst-carrying carbon particles are mixed. For this reason, the electrolyte avoids excessive water retention by avoiding excessive dispersion, prevents reaction between water and carbon in the catalyst layer during the start / stop operation of the
さらに、触媒インクの固体高分子電解質膜18への塗布は、遠心力を利用して行うことで、比重の大きい触媒担持カーボン粒子が固体高分子電解質膜18側に寄せられ、固体高分子電解質膜18側の触媒濃度が高くなるような触媒濃度勾配を形成でき、発電性能を高めることができる。
Furthermore, application of the catalyst ink to the solid
また、上記のように遠心力を利用して触媒インクを塗布することで、触媒インク中の泡が触媒層21,23の表面に浮き上がり、表面を、乾燥後に研磨することで平滑化しやすくなる。 In addition, by applying the catalyst ink using centrifugal force as described above, bubbles in the catalyst ink float on the surfaces of the catalyst layers 21 and 23, and the surfaces are easily smoothed by polishing after drying.
上述の実施形態では、触媒塗布手段としてスプレー33による塗布として例示したが、図13に示すように、ダイヘッド58をドラム30の内側(中心)に挿入し、そのダイヘッド58から触媒インク53a,53bを固体高分子電解質膜18に塗布するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the application by the
また、上述の実施形態では、吸引手段によってドラム30の内壁面39に固体高分子電解質膜18を吸着保持させたが、静電気により固体高分子電解質膜18を内壁面39に固定させてもよい。
In the above-described embodiment, the solid
また、上述の実施形態では、筒状のヤスリ55を使用したが、図14に示すように、棒59の先端部のみにヤスリ60が形成された切削手段を使用してもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上述の実施形態では、乾燥後の触媒層21,23の表面をヤスリ55,60で削って滑らかにするようにしたが、図15に示すように、回転軸61の先端に設けた圧延ローラ62を触媒層21,23に押し付けて当該触媒層21,23の表面を平坦にするようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the surfaces of the dried catalyst layers 21 and 23 are smoothed by the
本発明の第2の実施形態として、固体高分子電解質膜18上に形成する触媒層21,23を、互いに別々の層となるよう塗り分ける際に、図16に示すように、燃料電池の発電性、特に初期発電性を重視した前記触媒インク53aからなる第1の層21α(23α)と、燃料電池の耐久性を重視した前記触媒インク53bからなる第2の層21β(23β)とを、交互に塗り分けるようにしている。
As a second embodiment of the present invention, when the catalyst layers 21 and 23 formed on the solid
その際、第1,第2の各層21α(23α),21β(23β)の長手方向が、図17(a)に示すように、矢印Gで示す反応ガスの流れ方向と交差していてもよく、また図17(b)に示すように、矢印Gで示す反応ガスの流れ方向に沿っていてもよい。 At that time, the longitudinal direction of each of the first and second layers 21α (23α) and 21β (23β) may intersect the flow direction of the reaction gas indicated by the arrow G as shown in FIG. Also, as shown in FIG. 17 (b), it may be along the flow direction of the reaction gas indicated by the arrow G.
上記のようにして触媒インク53a,53bを塗布する作業は、例えばスクリーン印刷装置を用いて行うことができる。
The operation of applying the
第2の実施形態においては、燃料電池の発電性、特に初期発電性を重視した前記触媒インク53aからなる第1の層21α(21β)と、燃料電池の耐久性を重視した前記触媒インク53bからなる第2の層21β(23β)を、固体高分子電解質膜18上に形成しているので、従来のように、燃料電池の初期発電性および耐久性のいずれにおいても中間程度の性能を維持する触媒インクを使用する場合に比較して、燃料電池の発電性および耐久性を共に高めて良好な燃料電池性能を確保することができる。
In the second embodiment, from the first layer 21α (21β) made of the
18 固体高分子電解質膜(電解質膜)
21,23 触媒層
21a,23a 第1の層(別々の層)
21b,23b 第2の層(別々の層)
21α,23α 第1の層(別々の層)
21β,23β 第2の層(別々の層)
28 溶媒
29A,29B 触媒担持カーボン粒子
53a,53b 触媒インク
100 電解質
290A,290B 粉砕後の触媒担持カーボン粒子
18 Solid polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane)
21, 23
21b, 23b Second layer (separate layers)
21α, 23α First layer (separate layers)
21β, 23β Second layer (separate layers)
28 Solvent 29A, 29B Catalyst-supported
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