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JP2008041467A - Device and method of manufacturing electrode for fuel cell - Google Patents

Device and method of manufacturing electrode for fuel cell Download PDF

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JP2008041467A
JP2008041467A JP2006215266A JP2006215266A JP2008041467A JP 2008041467 A JP2008041467 A JP 2008041467A JP 2006215266 A JP2006215266 A JP 2006215266A JP 2006215266 A JP2006215266 A JP 2006215266A JP 2008041467 A JP2008041467 A JP 2008041467A
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electrode
fuel cell
carbon
conductive porous
porous substrate
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JP2006215266A
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Japanese (ja)
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Minoru Hashimoto
稔 橋本
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance uniformity or the like of film thickness, and to suppress occurrence or the like of a crack in forming an electrode (catalyst layer) for a fuel cell. <P>SOLUTION: This device of manufacturing the electrode for the fuel cell is provided with: a coating supply part 4 supplying a certain quantity of an electrode forming coating 2 prepared by dispersing a carbon species with a noble metal catalyst supported thereto in a solvent; and a nozzle part 3 discharging the electrode forming coating 2 supplied from the coating supply part 4 onto a surface of a conductive porous base material 1. A suction part 5 is arranged on the back side of the conductive porous base material 1, and a solvent constituent in the electrode forming coating 2 is depressurized and sucked through the conductive porous base material 1 simultaneously with application of the electrode forming coating 2. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池用電極製造装置と燃料電池用電極の製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell electrode manufacturing apparatus and a fuel cell electrode manufacturing method.

燃料電池は、二酸化炭素のエミッションが少なく、環境負荷の少ない発電技術として注目されている。燃料電池においては、カソード用集電体/カソード電極(カソード触媒層:空気極)/プロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜/アノード電極(アノード触媒層:燃料極)/アノード用集電体の積層構造を有する膜電極複合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)が燃料電池スタックとして用いられている。   Fuel cells are attracting attention as a power generation technology with low carbon dioxide emissions and low environmental impact. In a fuel cell, a cathode current collector / cathode electrode (cathode catalyst layer: air electrode) / proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane / anode electrode (anode catalyst layer: fuel electrode) / anode current collector A membrane electrode assembly (MEA) having a laminated structure is used as a fuel cell stack.

膜電極複合体を有する燃料電池においては、アノード電極側に供給されるメタノールや水素ガス等の燃料が電極中に含まれている触媒で分解・イオン化され、水素イオンとしてプロトン伝導性の電解質膜を経由してカソード電極側に移動し、カソード電極に供給される空気中の酸素と結合して水を生成する。この反応における水素イオンのアノード電極からカソード電極への移動に基づいて発電が行われ、カソード集電体およびアノード集電体から電流が取り出される。   In a fuel cell having a membrane electrode composite, a fuel such as methanol or hydrogen gas supplied to the anode electrode side is decomposed and ionized by a catalyst contained in the electrode to form a proton conductive electrolyte membrane as hydrogen ions. It moves to the cathode electrode via, and combines with oxygen in the air supplied to the cathode electrode to generate water. Electric power is generated based on the movement of hydrogen ions from the anode electrode to the cathode electrode in this reaction, and current is extracted from the cathode current collector and the anode current collector.

このような電極反応において、プロトンと電子の拡散の抵抗をそれぞれ低減することは電極の効率、つまり燃料電池全体の効率を向上させるために重要な要素である。燃料電池の電極としては、一般的に燃料電池用触媒である貴金属の微粒子を担持したカーボン等の導電性物質を集電体上に積層したものが使用されている。ここで、水素やメタノールから電気エネルギーを取り出す燃料電池においては、燃料極と空気極との間に起電力を生じさせるために、燃料極ではプロトンと電子との解離を促進する触媒が必要であり、空気極ではプロトンと電子および酸素との結合を促進する触媒が必要である。   In such an electrode reaction, reducing the resistance of proton and electron diffusion is an important factor for improving the electrode efficiency, that is, the efficiency of the entire fuel cell. As an electrode of a fuel cell, a material in which a conductive material such as carbon carrying fine particles of a noble metal that is a catalyst for a fuel cell is laminated on a current collector is used. Here, in a fuel cell that extracts electrical energy from hydrogen or methanol, a catalyst that promotes dissociation of protons and electrons is required at the fuel electrode in order to generate an electromotive force between the fuel electrode and the air electrode. In the air electrode, a catalyst that promotes the combination of protons with electrons and oxygen is required.

上述した化学反応を効率よく行うために、燃料極(アノード触媒層)および空気極(カソード触媒層)にはガスの拡散性や透過性が求められる。このため、各電極を形成する集電体にはカーボン繊維を織り込んで焼結させたカーボンペーパー等が使用されている。すなわち、各電極用の貴金属触媒を担持したカーボン粉末等を溶媒中に分散させて作製した電極形成用塗料を、カーボンペーパー等の表面に塗布して電極を形成している(例えば特許文献1参照)。カーボンペーパー等の基材は集電とガス拡散とを目的として採用されているため、膜の気孔が比較的大きい構造を有している。   In order to efficiently perform the above-described chemical reaction, the fuel electrode (anode catalyst layer) and the air electrode (cathode catalyst layer) are required to have gas diffusibility and permeability. For this reason, carbon paper or the like in which carbon fibers are woven and sintered is used for the current collector forming each electrode. That is, an electrode is formed by applying a coating for forming an electrode prepared by dispersing a carbon powder or the like carrying a noble metal catalyst for each electrode in a solvent to the surface of carbon paper or the like (see, for example, Patent Document 1). ). Since base materials such as carbon paper are used for the purpose of collecting current and diffusing gas, they have a structure in which the pores of the film are relatively large.

電極形成用塗料をカーボンペーパー等の導電性多孔質基材からなる集電体上に塗布して電極を形成する場合、電極形成用塗料が基材の細孔を通過してしまうため、予め基材に撥水処理を施しておく必要がある。撥水処理を施した基材を使用することによって、電極形成用塗料の塗膜を形成することが可能となるものの、塗膜の膜厚が不均一になりやすいという問題がある。膜厚が不均一な触媒層は電池特性の低下要因となる。さらに、塗膜形成後の乾燥時に触媒層にクラックが生じやすいという問題がある。触媒層にクラックが生じると、膜電極複合体として燃料電池を構成した際にクロスオーバーの発生原因となる。   When an electrode forming coating is applied on a current collector made of a conductive porous substrate such as carbon paper to form an electrode, the electrode forming coating passes through the pores of the substrate. It is necessary to give the material a water repellent treatment. By using a base material that has been subjected to water repellent treatment, it is possible to form a coating film of the electrode forming paint, but there is a problem that the film thickness of the coating film tends to be non-uniform. A catalyst layer having a non-uniform film thickness is a cause of deterioration in battery characteristics. Furthermore, there is a problem that cracks are likely to occur in the catalyst layer during drying after the coating film is formed. Cracks in the catalyst layer cause crossover when a fuel cell is configured as a membrane electrode assembly.

一方、電極形成用塗料を一旦ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の仮支持体上に塗布して塗膜を形成し、この塗膜を電解質膜上に転写したり、あるいは塗膜上に電解質膜形成用の高分子組成物を塗布して電解質膜を形成する方法(例えば特許文献2参照)、さらには電極形成用塗料を電解質膜上に直接塗布して電極を形成する方法等が提案されている。仮支持体上に電極形成用塗料を塗布する方法は工程が複雑になり、電極の生産性が低下するという問題を有している。また、電解質膜上に電極形成用塗料を塗布した場合、塗膜の密着性を高めることが困難であるため、乾燥後に触媒層が剥離しやすいという問題がある。
特開2003-036860号公報 特開2005-507150号公報
On the other hand, the electrode-forming coating material is once applied to a temporary support such as a polyethylene terephthalate (PET) film to form a coating film, and the coating film is transferred onto the electrolyte film, or the electrolyte film is formed on the coating film. A method of forming an electrolyte membrane by applying a polymer composition for use (see, for example, Patent Document 2), and a method of forming an electrode by directly applying a coating material for forming an electrode on the electrolyte membrane are proposed. . The method of applying the electrode forming paint on the temporary support has a problem that the process becomes complicated and the productivity of the electrode is lowered. In addition, when an electrode-forming paint is applied on the electrolyte membrane, it is difficult to improve the adhesion of the coating film, and thus there is a problem that the catalyst layer is easily peeled off after drying.
JP2003-036860 JP 2005-507150 A

本発明の目的は、燃料電池用電極としての触媒層の膜厚の均一性等を高めると共に、クラックの発生を抑制することによって、品質や特性等に優れた電極を低コストで製造することを可能にした燃料電池用電極製造装置および燃料電池用電極の製造方法を提供することにある。   The object of the present invention is to produce an electrode having excellent quality and characteristics at a low cost by improving the uniformity of the thickness of the catalyst layer as an electrode for a fuel cell and suppressing the occurrence of cracks. An object of the present invention is to provide a fuel cell electrode manufacturing apparatus and a fuel cell electrode manufacturing method.

本発明の態様に係る燃料電池用電極製造装置は、貴金属触媒を担持したカーボン種を溶媒中に分散させた電極形成用塗料を定量供給する塗料供給部と、前記塗料供給部から供給された前記電極形成用塗料を導電性多孔質基材の表面上に吐出して塗布するノズル部と、前記導電性多孔質基材の裏面側に配置され、前記導電性多孔質基材を介して前記電極形成用塗料中の前記溶媒成分を減圧吸引する吸引部とを具備することを特徴としている。   An electrode manufacturing apparatus for a fuel cell according to an aspect of the present invention includes a paint supply unit that quantitatively supplies an electrode-forming paint in which a carbon species supporting a noble metal catalyst is dispersed in a solvent, and the above-described supply supplied from the paint supply unit A nozzle part for discharging and applying an electrode-forming coating material onto the surface of the conductive porous substrate, and a back surface side of the conductive porous substrate, and the electrode through the conductive porous substrate And a suction part for suctioning the solvent component in the forming paint under reduced pressure.

本発明の態様に係る燃料電池用電極の製造方法は、貴金属触媒を担持したカーボン種を溶媒中に分散させた電極形成用塗料を導電性多孔質基材の表面に塗布して電極を形成するにあたり、前記導電性多孔質基材の表面に前記電極形成用塗料を塗布しつつ、前記導電性多孔質基材の裏面側から前記導電性多孔質基材を介して前記電極形成用塗料中の前記溶媒成分を減圧吸引する工程を具備することを特徴としている。   In the method for producing an electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, an electrode is formed by applying a coating material for forming an electrode in which a carbon species supporting a noble metal catalyst is dispersed in a solvent to the surface of a conductive porous substrate. In applying the electrode-forming paint to the surface of the conductive porous substrate, the electrode-forming paint in the electrode-forming paint from the back side of the conductive porous substrate through the conductive porous substrate. The method includes a step of suctioning the solvent component under reduced pressure.

本発明の態様に係る燃料電池用電極製造装置および電極製造方法によれば、導電性多孔質基材の表面に電極形成用塗料を塗布する際に、その裏面側から電極形成用塗料中の溶媒成分を減圧吸引しているため、塗膜の形成精度や乾燥精度等を高めることができる。これらによって、塗膜のクラックの発生等を抑制しつつ、均一な膜厚を有する電極(触媒層)を再現性よく得ることが可能となる。   According to the fuel cell electrode manufacturing apparatus and electrode manufacturing method of the present invention, when the electrode forming paint is applied to the surface of the conductive porous substrate, the solvent in the electrode forming paint from the back side Since the components are sucked under reduced pressure, the coating film formation accuracy and drying accuracy can be increased. By these, it becomes possible to obtain an electrode (catalyst layer) having a uniform film thickness with good reproducibility while suppressing the occurrence of cracks in the coating film.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, although embodiment of this invention is described based on drawing below, those drawings are provided for illustration and this invention is not limited to those drawings.

図1は本発明の一実施形態による燃料電池用電極製造装置の構成を示す斜視図である。同図において、1は電極形成時の基材並びに集電体として機能する導電性多孔質基材である。導電性多孔質基材1としてはカーボン繊維を用いた不織布や織布等が用いられる。具体的には、カーボンペーパーやカーボンクロス等を使用することができる。このような導電性多孔質基材1は、例えば撥水処理を施して使用したり、あるいは表面にマイクロポーラスなカーボンコート層を形成して使用することが好ましい。   FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a fuel cell electrode manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a conductive porous base material that functions as a base material and a current collector during electrode formation. As the conductive porous substrate 1, a nonwoven fabric or a woven fabric using carbon fibers is used. Specifically, carbon paper, carbon cloth, or the like can be used. Such a conductive porous substrate 1 is preferably used after being subjected to, for example, a water repellent treatment, or formed by forming a microporous carbon coat layer on the surface.

カーボンペーパーやカーボンクロス等からなる導電性多孔質基材1に対する撥水処理としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)エマルジョンを用いた処理等を適用することができる。また、導電性多孔質基材1の表面に形成するカーボンコート層は、例えば気孔の大きさが5〜6nm程度で、かつ気孔量が40%程度のカーボン層を適用することが好ましい。このようなカーボンコート層は撥水処理と同等な効果を示す。なお、電極形成用塗料中のカーボン種によっては、撥水処理等を施すことなく、カーボンペーパーやカーボンクロス等からなる導電性多孔質基材1を使用することも可能である。   As the water repellent treatment for the conductive porous substrate 1 made of carbon paper, carbon cloth, or the like, for example, treatment using a polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion or the like can be applied. The carbon coat layer formed on the surface of the conductive porous substrate 1 is preferably a carbon layer having a pore size of about 5 to 6 nm and a pore volume of about 40%, for example. Such a carbon coat layer exhibits the same effect as the water repellent treatment. Depending on the carbon species in the electrode-forming coating material, it is possible to use the conductive porous substrate 1 made of carbon paper, carbon cloth or the like without performing a water repellent treatment or the like.

上述した導電性多孔質基材1上には、電極形成用塗料2を導電性多孔質基材1上に吐出して塗布するノズル部3が配置されている。ノズル部3は例えばエクストルージョン型ノズルヘッドを有している。ノズル部3には塗料供給部4から電極形成用塗料2が定量供給される。塗料供給部4としては定量ポンプ等が用いられる。電極形成用塗料2は貴金属触媒を担持したカーボン種を溶媒中に分散させて形成したものである。   On the conductive porous substrate 1 described above, a nozzle portion 3 is disposed for discharging and applying the electrode forming paint 2 onto the conductive porous substrate 1. The nozzle unit 3 has, for example, an extrusion type nozzle head. The nozzle part 3 is supplied with a fixed amount of the electrode forming paint 2 from the paint supply part 4. A metering pump or the like is used as the paint supply unit 4. The electrode forming coating 2 is formed by dispersing carbon species carrying a noble metal catalyst in a solvent.

電極形成用塗料2を構成する貴金属触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が用いられる。これら貴金属触媒は各電極(燃料極(アノード)または空気極(カソード))に応じて適宜選択して用いられる。例えば、燃料極(アノード)にはメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を、また空気極(カソード)には白金やPt−Ni等を用いることが好ましい。   As the noble metal catalyst constituting the electrode forming paint 2, for example, a single element of a platinum group element such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, an alloy containing the platinum group element, or the like is used. These noble metal catalysts are appropriately selected according to each electrode (fuel electrode (anode) or air electrode (cathode)). For example, it is preferable to use Pt—Ru, Pt—Mo or the like having strong resistance to methanol or carbon monoxide for the fuel electrode (anode), and platinum or Pt—Ni or the like for the air electrode (cathode). .

上述したような貴金属触媒を担持するカーボン種としては、カーボン粉末やカーボンナノファイバー等を使用することができる。特に、カーボン粉末とカーボンナノファイバーとの混合物を使用することが好ましい。これによって、撥水処理等を施すことなくカーボンペーパーやカーボンクロス等からなる導電性多孔質基材1を使用することが可能となる。また、溶媒は水系溶媒および有機系溶媒のいずれを使用してもよいし、水系溶媒と有機系溶媒との混合系を使用することも可能である。さらに、電極形成用塗料2は必要に応じてプロトン伝導性の樹脂溶液を含有していてもよい。   As the carbon species supporting the noble metal catalyst as described above, carbon powder, carbon nanofiber, or the like can be used. In particular, it is preferable to use a mixture of carbon powder and carbon nanofibers. This makes it possible to use the conductive porous substrate 1 made of carbon paper, carbon cloth or the like without performing a water repellent treatment. Moreover, any of an aqueous solvent and an organic solvent may be used as the solvent, and a mixed system of an aqueous solvent and an organic solvent may be used. Furthermore, the electrode-forming paint 2 may contain a proton conductive resin solution as required.

電極形成用塗料2は常法にしたがって作製される。以下に電極形成用塗料2の作製例を示す。まず、貴金属触媒を担持したカーボン種に水系溶媒を加えてよく撹拌する。これに必要に応じてプロトン伝導性の樹脂溶液を加えた後、有機系溶媒および必要に応じて導電性物質を加えてよく分散させてスラリー(電極形成用塗料2)を作製する。有機系溶媒は、単一溶媒または2種以上の混合溶媒が用いられる。   The electrode forming paint 2 is produced according to a conventional method. An example of producing the electrode forming paint 2 is shown below. First, an aqueous solvent is added to a carbon species carrying a noble metal catalyst and stirred well. A proton conductive resin solution is added to this as necessary, and then an organic solvent and a conductive material are added and dispersed as necessary to prepare a slurry (electrode-forming paint 2). As the organic solvent, a single solvent or a mixed solvent of two or more kinds is used.

上記した分散に際しては、一般的に使用されている分散機(ボールミル、サウンドミル、ビーズミル、ペイントシェーカー、ナノマイザー等)を用いて、分散液であるスラリー組成物を作製する。分散液(スラリー組成物)中の溶媒量は、固形分量が5〜60%の範囲となるように調整することが好ましい。固形分量が5%未満であると塗膜が剥がれやすくなる。一方、固形分量が60%を超えると導電性多孔質基材1への塗布性が低下する。カーボンペーパーやカーボンクロス等への撥水処理は、上記したスラリー組成物からなる電極形成用塗料2が塗布し得る範囲で調整される。   In the dispersion described above, a slurry composition that is a dispersion is prepared using a commonly used disperser (ball mill, sound mill, bead mill, paint shaker, nanomizer, or the like). The amount of solvent in the dispersion (slurry composition) is preferably adjusted so that the solid content is in the range of 5 to 60%. When the solid content is less than 5%, the coating film is easily peeled off. On the other hand, when the solid content exceeds 60%, the applicability to the conductive porous substrate 1 decreases. The water-repellent treatment for carbon paper, carbon cloth, or the like is adjusted within a range where the electrode-forming coating material 2 made of the slurry composition can be applied.

スラリー組成物からなる電極形成用塗料2は、塗料供給部4からノズル部3に定量供給され、さらにノズル部3から導電性多孔質基材1の表面上に吐出される。一方、導電性多孔質基材1の裏面側には、図示を省略した減圧吸引装置に接続された吸引部5が配置されている。そして、導電性多孔質基材1上にノズル部3から電極形成用塗料2を吐出させて塗布すると同時に、導電性多孔質基材1を介して電極形成用塗料2中の溶媒成分を吸引部5で減圧吸引しながら、導電性多孔質基材1上に電極形成用塗料2の塗膜6を形成する。   The electrode-forming coating material 2 made of the slurry composition is supplied in a fixed amount from the coating material supply unit 4 to the nozzle unit 3 and further discharged from the nozzle unit 3 onto the surface of the conductive porous substrate 1. On the other hand, a suction unit 5 connected to a vacuum suction device (not shown) is disposed on the back side of the conductive porous substrate 1. Then, the electrode forming paint 2 is ejected and applied from the nozzle portion 3 onto the conductive porous substrate 1 and simultaneously, the solvent component in the electrode forming paint 2 is sucked through the conductive porous substrate 1. While the vacuum suction is performed at 5, the coating film 6 of the electrode forming paint 2 is formed on the conductive porous substrate 1.

上述したように、塗料2の塗布と同時に溶媒成分を減圧吸引することによって、電極形成用塗料2の塗工精度が向上する。従って、アノード触媒層(燃料極)やカソード触媒層(空気極)となる塗膜6の膜厚均一性を高めることができる。また、塗膜6の形成と同時に均一な状態で乾燥が進行することから、最終的に塗膜6を乾燥させて電極(アノード触媒層またはカソード触媒層)とした状態においてもクラックの発生量を抑制することができる。アノード触媒層やカソード触媒層に生じるクラック量を低減することで、膜電極複合体を構成した際のクロスオーバー量を抑制することが可能となる。   As described above, the application accuracy of the electrode-forming paint 2 is improved by sucking the solvent component under reduced pressure simultaneously with the application of the paint 2. Therefore, the film thickness uniformity of the coating film 6 that becomes the anode catalyst layer (fuel electrode) and the cathode catalyst layer (air electrode) can be improved. In addition, since the drying proceeds in a uniform state simultaneously with the formation of the coating film 6, the amount of cracks generated can be reduced even when the coating film 6 is finally dried to form an electrode (anode catalyst layer or cathode catalyst layer). Can be suppressed. By reducing the amount of cracks generated in the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, it is possible to suppress the crossover amount when the membrane electrode assembly is constructed.

さらに、塗料2の塗布と同時に溶媒成分を減圧吸引することによって、貴金属触媒を担持したカーボン種の一部が導電性多孔質基材1の内部にまで入り込むため、燃料電池の反応効率を高めることができる。これは出力の向上等に寄与する。このように、溶媒成分の減圧吸引を適用することによって、膜厚の均一性や触媒の分布性等に優れ、かつクラック量を低減した電極(アノード触媒層またはカソード触媒層)を低コストの製造工程で再現性よく得ることができる。従って、このような電極を用いて膜電極複合体を作製することによって、特性や信頼性等に優れる燃料電池を作製することが可能となる。   Further, by simultaneously sucking the solvent component under reduced pressure simultaneously with the application of the paint 2, a part of the carbon species supporting the noble metal catalyst enters the inside of the conductive porous substrate 1, thereby improving the reaction efficiency of the fuel cell. Can do. This contributes to an improvement in output. In this way, by applying vacuum suction of the solvent component, an electrode (anode catalyst layer or cathode catalyst layer) with excellent film thickness uniformity, catalyst distribution, etc. and reduced cracking can be manufactured at low cost. It can be obtained with good reproducibility in the process. Therefore, by manufacturing a membrane electrode assembly using such an electrode, it becomes possible to manufacture a fuel cell having excellent characteristics and reliability.

この実施形態の燃料電池用電極製造装置は、各種燃料電池の電極の作製に適用することができる。燃料電池用電極製造装置を用いて作製した電極を膜電極複合体(MEA)に適用した例について、図2を参照して説明する。図2は直接メタノール型燃料電池(DMFC:direct methanol fuel cell)に用いられる膜電極接合体の構成例を示している。膜電極複合体(MEA)11は、カソード用集電体12/カソード触媒層(空気極)13/プロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜14/アノード触媒層(燃料極)15/アノード用集電体16の積層構造を有している。   The fuel cell electrode manufacturing apparatus of this embodiment can be applied to the production of various fuel cell electrodes. An example in which an electrode manufactured using a fuel cell electrode manufacturing apparatus is applied to a membrane electrode assembly (MEA) will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a configuration example of a membrane electrode assembly used in a direct methanol fuel cell (DMFC). The membrane electrode assembly (MEA) 11 includes a cathode current collector 12 / cathode catalyst layer (air electrode) 13 / proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 14 / anode catalyst layer (fuel electrode) 15 / anode collector. It has a laminated structure of the electric bodies 16.

カソード用集電体12はカソード触媒層13の集電体としての機能に加えて、カソード触媒層13に空気(酸化剤)を均一に供給する機能を有するものである。一方、アノード用集電体16はアノード触媒層15の集電体としての機能に加えて、アノード触媒層15に燃料を均一に供給する機能を有するものである。カソード用集電体12上には必要に応じてカソード導電層が積層され、またアノード用集電体16上には必要に応じてアノード導電層が積層される。これらの導電層は例えば金のような導電性金属材料からなるメッシュや多孔質膜、あるいは薄膜等で構成される。   In addition to the function of the cathode catalyst layer 13 as a current collector, the cathode current collector 12 has a function of uniformly supplying air (oxidant) to the cathode catalyst layer 13. On the other hand, the anode current collector 16 has a function of uniformly supplying fuel to the anode catalyst layer 15 in addition to the function of the anode catalyst layer 15 as a current collector. A cathode conductive layer is laminated on the cathode current collector 12 as necessary, and an anode conductive layer is laminated on the anode current collector 16 as needed. These conductive layers are composed of, for example, a mesh, a porous film, or a thin film made of a conductive metal material such as gold.

上述した膜電極複合体(MEA)11において、カソード用集電体12およびアノード用集電体16はそれぞれカーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔質基材1からなり、それらの上にカソード触媒層(空気極)13およびアノード触媒層(燃料極)15として電極形成用塗料2の塗膜6、すなわち貴金属触媒を担持したカーボンを主とする塗膜が形成される。これらカソード触媒層13およびアノード触媒層15は、前述した実施形態の燃料電池用電極製造装置を用いて形成されるものである。   In the membrane electrode assembly (MEA) 11 described above, the cathode current collector 12 and the anode current collector 16 are each made of a conductive porous substrate 1 such as carbon paper or carbon cloth, on which a cathode catalyst is formed. As the layer (air electrode) 13 and the anode catalyst layer (fuel electrode) 15, a coating film 6 of the electrode forming paint 2, that is, a coating film mainly composed of carbon carrying a noble metal catalyst is formed. The cathode catalyst layer 13 and the anode catalyst layer 15 are formed using the fuel cell electrode manufacturing apparatus of the above-described embodiment.

電解質膜14を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、これらに限られるものではない。   Examples of the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 14 include fluorine-based resins (Nafion (trade name, manufactured by DuPont) and Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) such as a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group. Etc.), organic materials such as hydrocarbon resins having sulfonic acid groups, or inorganic materials such as tungstic acid and phosphotungstic acid. However, it is not restricted to these.

上述した膜電極複合体(MEA)11を用いたDMFCにおいては、例えば燃料タンク内のメタノール燃料が気化し、この気化成分が膜電極複合体(MEA)11に供給される。膜電極複合体(MEA)11内において、メタノール燃料の気化成分はアノード用集電体16で拡散されてアノード触媒層15に供給される。アノード触媒層15に供給された気化成分は、下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
In the DMFC using the membrane electrode assembly (MEA) 11 described above, for example, methanol fuel in the fuel tank is vaporized, and this vaporized component is supplied to the membrane electrode assembly (MEA) 11. In the membrane electrode assembly (MEA) 11, the vaporized component of the methanol fuel is diffused by the anode current collector 16 and supplied to the anode catalyst layer 15. The vaporized component supplied to the anode catalyst layer 15 causes an internal reforming reaction of methanol represented by the following formula (1).
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)

内部改質反応で生成されたプロトン(H+)は電解質膜14を伝導し、カソード触媒層13に到達する。膜電極複合体(MEA)11に取り込まれた空気(酸化剤)はカソード用集電体12を拡散して、カソード触媒層13に供給される。カソード触媒層13に供給された空気は、次の(2)式に示す反応を生じさせる。
(3/2)O2+6H++6e- → 3H2O …(2)
この反応によって、水の生成を伴う発電反応が生じる。
Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the electrolyte membrane 14 and reach the cathode catalyst layer 13. Air (oxidant) taken into the membrane electrode assembly (MEA) 11 diffuses through the cathode current collector 12 and is supplied to the cathode catalyst layer 13. The air supplied to the cathode catalyst layer 13 causes the reaction shown in the following formula (2).
(3/2) O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O (2)
This reaction causes a power generation reaction that accompanies the generation of water.

次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。   Next, specific examples of the present invention and evaluation results thereof will be described.

(実施例1)
電極形成用塗料の作製原料として、白金を担持したカーボン66g、グリセリン24g、パーフルオロカーボンスルホン酸溶液(ナフィオン(商品名)の20%溶液)120g、1,2-プロパノール252g、純水160gを用意した。担持体としてのカーボンには、カーボンナノチューブとカーボン粉末との混合物を使用した。また、撥水処理を施したカーボンペーパーを導電性多孔質基材として用意した。
(Example 1)
As raw materials for preparing electrode-forming coating materials, 66 g of carbon carrying platinum, 24 g of glycerin, 120 g of perfluorocarbon sulfonic acid solution (20% solution of Nafion (trade name)), 252 g of 1,2-propanol, and 160 g of pure water were prepared. . A mixture of carbon nanotubes and carbon powder was used as carbon as a support. Moreover, the carbon paper which performed the water-repellent process was prepared as an electroconductive porous base material.

まず、白金を担持したカーボンを純水中に分散させてよく撹拌した。これにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液を加え、さらにグリセリンと1,2-プロパノールとを加えてよく分散させてスラリー化した。分散には撹拌翼型分散機を使用した。このようにして、電極形成用塗料としてスラリー組成物を調製した。塗料の粘度は約330mPa・s(100-1sの条件下)であった。このような塗料を図1に示した電極製造装置を用いてカーボンペーパー上に塗布した。この際、塗料の塗布と同時にカーボンペーパーの裏面側から減圧吸引して塗膜を形成した。このようにして得た電極(触媒層)を後述する特性評価に供した。 First, carbon carrying platinum was dispersed in pure water and stirred well. To this was added a perfluorocarbon sulfonic acid solution, and further glycerin and 1,2-propanol were added and well dispersed to form a slurry. A stirring blade type disperser was used for dispersion. In this way, a slurry composition was prepared as a coating material for electrode formation. The viscosity of the paint was about 330 mPa · s (under a condition of 100 −1 s). Such a paint was applied onto carbon paper using the electrode manufacturing apparatus shown in FIG. At this time, a coating film was formed by suction under reduced pressure from the back side of the carbon paper simultaneously with application of the paint. The electrode (catalyst layer) thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described later.

(比較例1)
上記した実施例1と同組成の塗料(スラリー組成物)を用いて、カーボンペーパーの裏面側からの減圧吸引を実施しない以外は実施例1と同様にして塗膜を形成した。この電極(触媒層)を後述する特性評価に供した。
(Comparative Example 1)
A paint film (slurry composition) having the same composition as in Example 1 was used to form a coating film in the same manner as in Example 1 except that vacuum suction from the back side of the carbon paper was not performed. This electrode (catalyst layer) was subjected to characteristic evaluation described later.

(比較例2)
上記した比較例1において、無撥水カーボンペーパーを用いる以外は、比較例1と同様にして塗膜を形成した。この電極(触媒層)を後述する特性評価に供した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 1 described above, a coating film was formed in the same manner as Comparative Example 1 except that water-repellent carbon paper was used. This electrode (catalyst layer) was subjected to characteristic evaluation described later.

上述した実施例1および比較例1、2で作製した各電極の膜厚分布を測定した。その結果、実施例1による電極は比較例1、2による電極に比べて膜厚の均一性に優れていることが確認された。さらに、各電極の表面状態を観察した。実施例1による電極の表面状態を図3に、比較例1、2による各電極の表面状態を図4および図5に示す。これらの観察結果から明らかなように、比較例1、2による各電極には大きなクラックが生じている。これに対して、実施例1による電極ではクラック量が低減されていることが分かる。   The film thickness distribution of each electrode produced in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 described above was measured. As a result, it was confirmed that the electrode according to Example 1 was superior in film thickness uniformity as compared with the electrodes according to Comparative Examples 1 and 2. Furthermore, the surface state of each electrode was observed. The surface state of the electrode according to Example 1 is shown in FIG. 3, and the surface state of each electrode according to Comparative Examples 1 and 2 is shown in FIGS. As is clear from these observation results, large cracks are generated in the electrodes according to Comparative Examples 1 and 2. On the other hand, it can be seen that the amount of cracks in the electrode according to Example 1 is reduced.

次に、実施例1および比較例1、2の各電極を用いて、それぞれ図2に示したDMFC用の膜電極複合体(MEA)11を作製した。MEAの形状はそれぞれ30×40mm(1200mm2)とした。各MEAのアノード側に1Mメタノール溶液を0.72mL/minで流すと共に、カソード側に空気を120mL/minで流した。この状態で1.8Aの負荷をかけて、空気排出口から排出される空気中のCO2量を測定した。このCO2量からクロスオーバー率(C.O)を以下のようにして算出した。 Next, using each electrode of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, a membrane electrode assembly (MEA) 11 for DMFC shown in FIG. 2 was produced. The shape of each MEA was 30 × 40 mm (1200 mm 2 ). A 1M methanol solution was allowed to flow at 0.72 mL / min on the anode side of each MEA, and air was allowed to flow at 120 mL / min on the cathode side. In this state, a load of 1.8 A was applied, and the amount of CO 2 in the air discharged from the air outlet was measured. The crossover rate (CO) was calculated from the amount of CO 2 as follows.

クロスオーバー率(C.O)は、電解質膜を透過してアノード側からカソード側に移動した燃料メタノール量の割合として、式:[カソードに移動したメタノール量/(カソードに移動したメタノール量+理想反応で消費されるメタノール量)]×100(%)に基づいて計算した。   The crossover rate (C.O) is expressed as a ratio of the amount of fuel methanol that has passed through the electrolyte membrane and moved from the anode side to the cathode side. The formula: [amount of methanol transferred to the cathode / (amount of methanol transferred to the cathode + ideal) The amount of methanol consumed in the reaction)] × 100 (%) was calculated.

ここで、理想反応で消費されるメタノール量(理想反応メタノール量)は、上述した(1)式の反応式とファラデー定数、負荷電流値(1.8A)から、次式で求められる。
理想反応メタノール量=1.8(A)×60(sec)/96485/6[mol/L]
カソード側にクロスオーバーしたメタノールは以下の反応式に基づいて燃焼反応し、CO2を発生させる。
CH3OH+3/2O2 → CO2+2H2O …(3)
カソードに移動したメタノール量(移動メタノール量)は、空気中のCO2量(質量%/測定値)とクロスオーバー反応式から次式で求められる。
移動メタノール量[mol/mim]=(CO2量/100)×120(ml/min)/22400(mL)
Here, the amount of methanol consumed in the ideal reaction (ideal reaction methanol amount) can be obtained from the reaction equation (1) described above, the Faraday constant, and the load current value (1.8 A) by the following equation.
Ideal reaction amount of methanol = 1.8 (A) x 60 (sec) / 96485/6 [mol / L]
The methanol crossed over to the cathode side undergoes a combustion reaction based on the following reaction formula to generate CO 2 .
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (3)
The amount of methanol transferred to the cathode (moved methanol amount) can be obtained from the following equation from the amount of CO 2 in air (mass% / measured value) and the crossover reaction equation.
Movement amount of methanol [mol / mim] = (CO 2 amount / 100) × 120 (ml / min) / 22400 (mL)

このようして算出した各DMFCのクロスオーバー率(C.O)を表1に示す。
Table 1 shows the calculated crossover rate (CO) of each DMFC.

表1から明らかなように、実施例1による電極を用いたDMFCは、比較例1、2による各電極を用いたDMFCに比べてクロスオーバー率(C.O)が低いことが分かる。これは各電極の表面状態の観察結果(クラック量)とよく一致している。すなわち、塗料の塗布と同時に減圧吸引を行うことで、クラック量を低減した電極を得ることができ、その結果としてDMFC等の燃料電池のクロスオーバーを抑制することが可能となる。   As is apparent from Table 1, the DMFC using the electrode according to Example 1 has a lower crossover rate (C.O) than the DMFC using each electrode according to Comparative Examples 1 and 2. This agrees well with the observation result (crack amount) of the surface state of each electrode. That is, by performing vacuum suction simultaneously with application of the paint, an electrode with a reduced crack amount can be obtained, and as a result, crossover of a fuel cell such as a DMFC can be suppressed.

なお、ここでは本発明をDMFCの電極に適用した例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。本発明の燃料電池用電極製造装置および燃料電池用電極の製造方法は、各種燃料電池の電極の製造に適用することが可能である。   Although an example in which the present invention is applied to a DMFC electrode has been described here, the present invention is not limited to this. The fuel cell electrode manufacturing apparatus and the fuel cell electrode manufacturing method of the present invention can be applied to the manufacture of various fuel cell electrodes.

本発明の実施形態による燃料電池用電極製造装置を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell electrode manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態で作製される電極を適用した膜電極複合体の一構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of 1 structure of the membrane electrode composite to which the electrode produced by embodiment of this invention is applied. 本発明の実施例1による電極の表面状態の観察結果を示す拡大写真である。It is an enlarged photograph which shows the observation result of the surface state of the electrode by Example 1 of this invention. 比較例1による電極の表面状態の観察結果を示す拡大写真である。6 is an enlarged photograph showing an observation result of a surface state of an electrode according to Comparative Example 1. 比較例2による電極の表面状態の観察結果を示す拡大写真である。10 is an enlarged photograph showing an observation result of a surface state of an electrode according to Comparative Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

1…導電性多孔質基材、2…電極形成用塗料、3…ノズル部、4…塗料供給部、5…吸引部、6…塗膜(電極/触媒層)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electroconductive porous base material, 2 ... Paint for electrode formation, 3 ... Nozzle part, 4 ... Paint supply part, 5 ... Suction part, 6 ... Coating film (electrode / catalyst layer).

Claims (10)

貴金属触媒を担持したカーボン種を溶媒中に分散させた電極形成用塗料を定量供給する塗料供給部と、
前記塗料供給部から供給された前記電極形成用塗料を導電性多孔質基材の表面上に吐出して塗布するノズル部と、
前記導電性多孔質基材の裏面側に配置され、前記導電性多孔質基材を介して前記電極形成用塗料中の前記溶媒成分を減圧吸引する吸引部と
を具備することを特徴とする燃料電池用電極製造装置。
A paint supply unit for quantitatively supplying an electrode forming paint in which a carbon species supporting a noble metal catalyst is dispersed in a solvent;
A nozzle part for discharging and applying the electrode-forming paint supplied from the paint supply part onto the surface of the conductive porous substrate;
A fuel, comprising: a suction part that is disposed on a back surface side of the conductive porous substrate and sucks the solvent component in the electrode forming paint under reduced pressure through the conductive porous substrate. Battery electrode manufacturing equipment.
請求項1記載の燃料電池用電極製造装置において、
前記導電性多孔質基材はカーボン繊維を用いたカーボンペーパーまたはカーボンクロスであることを特徴とする燃料電池用電極製造装置。
In the fuel cell electrode manufacturing apparatus according to claim 1,
The electrode manufacturing apparatus for fuel cells, wherein the conductive porous substrate is carbon paper or carbon cloth using carbon fibers.
請求項1または請求項2記載の燃料電池用電極製造装置において、
前記導電性多孔質基材は撥水処理が施されていることを特徴とする燃料電池用電極製造装置。
In the fuel cell electrode manufacturing apparatus according to claim 1 or 2,
A fuel cell electrode manufacturing apparatus, wherein the conductive porous substrate is subjected to a water repellent treatment.
請求項1または請求項2記載の燃料電池用電極製造装置において、
前記導電性多孔質基材はその表面に形成されたマイクロポーラスなカーボンコート層を有することを特徴とする燃料電池用電極製造装置。
In the fuel cell electrode manufacturing apparatus according to claim 1 or 2,
The electroconductive porous substrate has a microporous carbon coat layer formed on the surface thereof, and the fuel cell electrode manufacturing apparatus.
請求項1ないし請求項4のいずれか1項記載の燃料電池用電極製造装置において、
前記電極形成用塗料は前記カーボン種としてカーボンナノファイバーとカーボン粉末とを含有することを特徴とする燃料電池用電極製造装置。
In the fuel cell electrode manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The electrode forming coating apparatus according to claim 1, wherein the electrode forming paint contains carbon nanofibers and carbon powder as the carbon species.
貴金属触媒を担持したカーボン種を溶媒中に分散させた電極形成用塗料を導電性多孔質基材の表面に塗布して電極を形成するにあたり、
前記導電性多孔質基材の表面に前記電極形成用塗料を塗布しつつ、前記導電性多孔質基材の裏面側から前記導電性多孔質基材を介して前記電極形成用塗料中の前記溶媒成分を減圧吸引する工程を具備することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
In forming an electrode by applying a coating material for forming an electrode in which a carbon species supporting a noble metal catalyst is dispersed in a solvent to the surface of a conductive porous substrate,
The solvent in the electrode forming paint from the back side of the conductive porous base material through the conductive porous base material while applying the electrode forming paint to the surface of the conductive porous base material A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising the step of sucking a component under reduced pressure.
請求項6記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記導電性多孔質基材はカーボン繊維を用いたカーボンペーパーまたはカーボンクロスであることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
In the manufacturing method of the electrode for fuel cells of Claim 6,
The method for producing a fuel cell electrode, wherein the conductive porous substrate is carbon paper or carbon cloth using carbon fibers.
請求項6または請求項7記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記導電性多孔質基材は撥水処理が施されていることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
In the manufacturing method of the electrode for fuel cells of Claim 6 or Claim 7,
A method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the conductive porous substrate is subjected to a water repellent treatment.
請求項6または請求項7記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記導電性多孔質基材はその表面に形成されたマイクロポーラスなカーボンコート層を有することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
In the manufacturing method of the electrode for fuel cells of Claim 6 or Claim 7,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the conductive porous substrate has a microporous carbon coat layer formed on a surface thereof.
請求項6ないし請求項9のいずれか1項記載の燃料電池用電極の製造方法において、
前記電極形成用塗料は前記カーボン種としてカーボンナノファイバーとカーボン粉末とを含有することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
In the manufacturing method of the electrode for fuel cells of any one of Claim 6 thru | or 9,
The method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the electrode-forming paint contains carbon nanofibers and carbon powder as the carbon species.
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JP2018522365A (en) * 2015-10-22 2018-08-09 コーチョアン リン Fuel cell electrode material and apparatus
CN112803050A (en) * 2021-01-29 2021-05-14 山东魔方新能源科技有限公司 Membrane electrode preparation device and preparation method thereof

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