JP5575037B2 - Fuel cell electrode manufacturing apparatus and manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、燃料電池電極の製造装置および製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a fuel cell electrode manufacturing apparatus and manufacturing method.
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学的エネルギを電気エネルギに変換する装置である。 A fuel cell is a device that converts chemical energy of fuel gas into electrical energy by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air.
このような無公害エネルギを利用する燃料電池に組み込まれる燃料電池本体は、イオン導電性を有する電解質層を挟んで配置した燃料極および酸化剤極からなる単位セルと、それぞれの電極に反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を供給するための燃料ガス供給溝、酸化剤ガス供給溝をそれぞれ設けた導電性を有するガス不透過性の燃料ガス供給セパレータおよび酸化剤ガス供給セパレータと、冷却水供給溝を設けた冷却水供給セパレータとからなる基本構成を複数枚積み重ねて燃料電池積層体を備えて構成されている。 A fuel cell body incorporated in a fuel cell using such non-polluting energy includes a unit cell composed of a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte layer having ionic conductivity, and a reactive gas ( A fuel gas supply groove for supplying a fuel gas, an oxidant gas), a conductive gas-impermeable fuel gas supply separator and an oxidant gas supply separator each provided with an oxidant gas supply groove, and a cooling water supply A plurality of basic components each including a cooling water supply separator provided with a groove are stacked to include a fuel cell stack.
このような構成を備える燃料電池本体において、燃料ガス供給溝、酸化剤ガス溝に、燃料電池積層体の側面に設けた反応ガス供給マニホールドを介してそれぞれの反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を供給すると、単位セルの一対の電極で下記に示す電気化学反応が進行し、電極間で起電力が生じる。 In the fuel cell main body having such a configuration, each reaction gas (fuel gas, oxidant gas) is provided in the fuel gas supply groove and the oxidant gas groove via a reaction gas supply manifold provided on the side surface of the fuel cell stack. Is supplied, an electrochemical reaction shown below proceeds at a pair of electrodes of the unit cell, and an electromotive force is generated between the electrodes.
燃料極 :2H2 → 4H++4e− ・・・(1)
酸化剤極:O2+4H++4e− → 2H2O ・・・(2)
上式において、燃料極では、式(1)に示すように、供給した水素を水素イオンと電子に解離する。その際、水素イオンは、電解質層を通り、また、電子は、外部回路を通り、酸化剤極にそれぞれ移動する。
Fuel electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Oxidant electrode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
In the above equation, the fuel electrode dissociates the supplied hydrogen into hydrogen ions and electrons as shown in equation (1). At that time, hydrogen ions pass through the electrolyte layer, and electrons move through the external circuit to the oxidant electrode.
一方、酸化剤極では、式(2)に示すように、供給した酸化剤ガス中の酸素と、上述水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は、電流となり、電力を供給することができる。 On the other hand, at the oxidant electrode, as shown in Formula (2), oxygen in the supplied oxidant gas reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water. At this time, electrons that have passed through the external circuit become current and can be supplied with electric power.
なお、式(1),(2)の反応により生成した水は、燃料電池本体で消費されなかった反応ガス(既反応ガス)とともに上述燃料電池積層体の側面に設けた反応ガス排出マニホールドを介して燃料電池本体の外部に排出される。 In addition, the water produced | generated by reaction of Formula (1), (2) goes through the reaction gas discharge manifold provided in the side surface of the said fuel cell laminated body with the reaction gas (already-reacted gas) which was not consumed with the fuel cell main body. To the outside of the fuel cell body.
ところで、燃料電池は、使用されている電解質層により、アルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池に分類されている。 By the way, fuel cells are classified into alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells, depending on the electrolyte layer used. .
これら燃料電池のうち、電解質層として固体高分子膜を使用した固体高分子形燃料電池は、比較的低温で運転ができ、起動時間が短く、大きな出力密度が得られることから、定置電源用、車載電源用、携帯電源用として大きな注目を浴びている。 Among these fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte layer can be operated at a relatively low temperature, has a short start-up time, and provides a large output density. It has attracted a great deal of attention as an in-vehicle power source and a portable power source.
このように注目を浴びている固体高分子形燃料電池の電解質層に使用される固体高分子電解質膜には、10〜100ミクロン程度の厚さのパーフルオロカーボンスルホン酸膜、例えば、Nafion(ナフィオン)(商品名:デュポン(DuPont)社製)等が用いられている。 As the solid polymer electrolyte membrane used in the electrolyte layer of the solid polymer fuel cell which has been attracting attention in this way, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane having a thickness of about 10 to 100 microns, such as Nafion, is used. (Trade name: manufactured by DuPont) and the like are used.
この固体高分子電解質膜は、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する反応ガス分離機能と、燃料極で生成された水素イオンを酸化剤極に運ぶ水素イオン伝導性とに優れている。 This solid polymer electrolyte membrane is excellent in the reaction gas separation function for separating the fuel gas and the oxidant gas and the hydrogen ion conductivity for carrying the hydrogen ions generated in the fuel electrode to the oxidant electrode.
もっとも、この固体高分子電解質膜には、水分を含んでいる場合、良好な水素イオン導電性を示すものの、乾燥していると水素イオン導電性を著しく低下させる属性を持っている。また固体高分子電解質膜が乾燥していると固体高分子電解質膜が劣化することが知られている。 However, although this solid polymer electrolyte membrane exhibits good hydrogen ion conductivity when it contains moisture, it has an attribute of significantly reducing hydrogen ion conductivity when dried. Further, it is known that the solid polymer electrolyte membrane deteriorates when the solid polymer electrolyte membrane is dried.
そのため固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐために、燃料ガス、酸化剤ガスに湿分を持たせることが必要である。また燃料電池の反応においては酸化剤極にて水が生成するために、この水の除去を行なわないと反応ガスの拡散性が低下し特性が著しく低下する。 Therefore, in order to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being dried, it is necessary to give moisture to the fuel gas and the oxidant gas. In addition, since water is generated at the oxidant electrode in the reaction of the fuel cell, the diffusibility of the reaction gas is lowered and the characteristics are remarkably lowered unless this water is removed.
酸化剤極で生成される水に対して、ガス拡散性を低下させない触媒層が電池特性低下防止のために必要である。 A catalyst layer that does not lower the gas diffusibility with respect to the water generated at the oxidizer electrode is necessary to prevent the battery characteristics from being lowered.
触媒層面内における分布を有する触媒層を形成する方法として触媒粉末と電解質の重量比の異なるインクを作成し、流路部と流路部以外で触媒層をインクジェット塗布によりパターン形成する方法がある。 As a method for forming a catalyst layer having a distribution in the catalyst layer surface, there is a method in which inks having different weight ratios of the catalyst powder and the electrolyte are prepared, and the catalyst layer is patterned by ink-jet coating other than the flow path part and the flow path part.
上述の方法は優れた属性を持つ反面、それでも幾つかの課題を抱えている。 While the above methods have excellent attributes, they still have some problems.
インクにより塗布を繰り返す場合、乾燥工程が必要となる。またインクジェット塗布に向いた溶液の粘度調整が必要である。 When application is repeated with ink, a drying step is required. In addition, it is necessary to adjust the viscosity of the solution suitable for inkjet application.
本発明が解決しようとする課題は、面内に分布を有する燃料電池電極を容易に製造できる燃料電池電極製造装置および燃料電池電極製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell electrode manufacturing apparatus and a fuel cell electrode manufacturing method capable of easily manufacturing a fuel cell electrode having an in-plane distribution.
上記課題を解決するために、実施形態の燃料電池電極製造装置は、固体高分子膜型燃料電池の固体高分子電解質膜に接する位置に酸化剤極触媒層を形成するために、多孔質基板の上に電解質と触媒の粉末との混合物を乾式塗布する燃料電池電極製造装置において、前記電解質と触媒の粉末とが第1の混合比で混合された第1の混合物を供給する第1の混合物供給部と、前記第1の混合物供給部から供給される前記第1の混合物を上部で受け入れる第1の混合物受け入れ部と、前記第1の混合物が下向きに排出される第1の混合物出口部とを備えた第1の塗布チャンバーと、前記電解質と触媒の粉末とが前記第1の混合比と異なる第2の混合比で混合された第2の混合物を供給する第2の混合物供給部と、前記第2の混合物供給部から供給される前記第2の混合物を上部で受け入れる第2の混合物受け入れ部と、前記第2の混合物が下向きに排出される第2の混合物出口部とを備えた第2の塗布チャンバーと、前記多孔質基板を載置可能な吸引部が形成され、前記第1の塗布チャンバーおよび前記第2の塗布チャンバーに対して相対的に移動可能な塗布テーブルであって、該塗布テーブルが前記第1の塗布チャンバーの下方位置にあるときに前記第1の混合物出口部の下方で該第1の混合物出口部に対向する位置に前記吸引部が配置され、該塗布テーブルが前記第2の塗布チャンバーの下方位置にあるときに前記第2の混合物出口部の下方で該第2の混合物出口部に対向する位置に前記吸引部が配置されるように構成された塗布テーブルと、前記吸引部から下向きに吸引された空気を排出するブロワーと、を有すること、を特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the fuel cell electrode manufacturing apparatus of the embodiment includes a porous substrate for forming an oxidant electrode catalyst layer at a position in contact with a solid polymer electrolyte membrane of a solid polymer membrane fuel cell. In a fuel cell electrode manufacturing apparatus for dry-coating a mixture of an electrolyte and a catalyst powder thereon, a first mixture supply for supplying a first mixture in which the electrolyte and the catalyst powder are mixed at a first mixing ratio A first mixture receiving portion for receiving the first mixture supplied from the first mixture supply portion at an upper portion, and a first mixture outlet portion for discharging the first mixture downward A first application chamber provided; a second mixture supply unit configured to supply a second mixture in which the electrolyte and the catalyst powder are mixed at a second mixing ratio different from the first mixing ratio; Supplied from the second mixture supply section A second coating chamber having a second mixture receiving portion for receiving the second mixture at an upper portion thereof, a second mixture outlet portion for discharging the second mixture downward, and the porous substrate. It can be placed suction portion is formed, the first coating chamber and the second a relatively movable coating table for the application chamber, the lower coating table of the first coating chamber When the suction part is arranged at a position facing the first mixture outlet part below the first mixture outlet part when the application table is located, and the application table is located below the second application chamber An application table configured to dispose the suction part below the second mixture outlet part at a position facing the second mixture outlet part, and air sucked downward from the suction part. Having a blower and out, and characterized.
また、実施形態の燃料電池電極製造方法は、固体高分子膜型燃料電池の固体高分子電解質膜に接する位置に酸化剤極触媒層を形成するために、多孔質基板の上に電解質と触媒の粉末との混合物を乾式塗布する燃料電池電極製造方法において、塗布テーブルに設けられた吸引部の上に多孔質基板を載置して、その多孔質基板に対向する位置に第1の塗布チャンバーに設けられた第1の混合物出口部が配置されるように設定する第1塗布チャンバー設定ステップと、前記電解質と触媒の粉末とを第1の混合比で混合して第1の混合物を生成する第1混合ステップと、前記第1の混合物を第1の塗布チャンバー内に供給して、前記多孔質基板を通して前記吸引部から下方に空気を吸引することによって前記第1の混合物を前記多孔質基板の第1の塗布領域に塗布する第1塗布ステップと、前記第1塗布ステップの後に、前記多孔質基板を載置した状態の前記塗布テーブルを、前記第1の塗布チャンバーおよび第2の塗布チャンバーに対して相対的に移動させて、前記多孔質基板に対向する位置に第2の塗布チャンバーに設けられた第2の混合物出口部が配置されるように設定する第2塗布チャンバー設定ステップと、前記電解質と触媒の粉末とを前記第1の混合比とは異なる第2の混合比で混合して第2の混合物を生成する第2混合ステップと、前記第2塗布チャンバー設定ステップの後に前記第2の混合物を第2の塗布チャンバー内に供給して、前記多孔質基板を通して前記吸引部から下方に空気を吸引することによって前記第2の混合物を前記多孔質基板の第2の塗布領域に塗布する第2塗布ステップと、を有することを特徴とする。 Further, the fuel cell electrode manufacturing method of the embodiment includes an electrolyte and a catalyst on a porous substrate in order to form an oxidant electrode catalyst layer at a position in contact with the solid polymer electrolyte membrane of the solid polymer membrane fuel cell. In a fuel cell electrode manufacturing method for dry-coating a mixture with a powder, a porous substrate is placed on a suction portion provided on a coating table, and placed in a first coating chamber at a position facing the porous substrate. A first coating chamber setting step for setting the first mixture outlet portion to be disposed; and a first mixture ratio for mixing the electrolyte and the catalyst powder at a first mixing ratio. A first mixing step, supplying the first mixture into the first coating chamber, and sucking air downward from the suction section through the porous substrate, thereby removing the first mixture from the porous substrate; First paint A first coating step of applying to the region, after the first coating step, relative to the coating table in a state of placing the porous substrate, with respect to the first coating chamber and a second coating chamber A second coating chamber setting step in which the second mixture outlet portion provided in the second coating chamber is disposed at a position facing the porous substrate, and the electrolyte and the catalyst A second mixing step in which a powder is mixed at a second mixing ratio different from the first mixing ratio to produce a second mixture; and the second coating chamber is set after the second coating chamber setting step. The second mixture is applied to the second application region of the porous substrate by supplying air into the second application chamber and sucking air downward from the suction portion through the porous substrate. And having a second dispenser step.
本発明の実施形態によれば、面内に分布を有する燃料電池電極を容易に製造することができる。 According to the embodiment of the present invention, a fuel cell electrode having an in-plane distribution can be easily manufactured.
図7は、燃料電池電極製造装置によって製造される電極を用いた単位電池の一実施形態を示す模式的立断面図である。 FIG. 7 is a schematic vertical sectional view showing an embodiment of a unit cell using an electrode manufactured by a fuel cell electrode manufacturing apparatus.
燃料電池は複数の単位電池10を積層してなる。各単位電池10は固体高分子電解質膜11を有する。固体高分子電解質膜11の一方の面には燃料極触媒層12が接し、他方の面には酸化剤極触媒層14が接して配置されている。燃料極触媒層12の固体高分子電解質膜11の反対側には燃料極ガス拡散層13が配置され、酸化剤極触媒層14の固体高分子電解質膜11の反対側には酸化剤極ガス拡散層15が配置されている。燃料極ガス拡散層13および酸化剤極ガス拡散層15の外側には図示しないセパレータが配置され、セパレータに形成された溝を、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流通するように構成されている。
The fuel cell is formed by stacking a plurality of
酸化剤極触媒層14は、酸化剤極ガス供給下流側酸化剤極触媒層14aと酸化剤極ガス供給上流側酸化剤極触媒層14bの二つの領域に分かれている。
The oxidant
酸化剤極ガス拡散層15は、多孔質基板からなり、酸化剤極触媒層14は、電解質と触媒粉末とを混合した混合物を多孔質基板の表面に塗布して圧着することにより形成される。この混合物における触媒粉末と電解質との重量比は、たとえば、酸化剤極ガス供給下流側酸化剤極触媒層14aでは1:0.4であり、酸化剤極ガス供給上流側酸化剤極触媒層14bでは1:0.66である。酸化剤極ガス供給下流側酸化剤極触媒層14aの方が酸化剤極ガス供給上流側酸化剤極触媒層14bに比べて電解質の比率が低い。
The oxidant electrode gas diffusion layer 15 is made of a porous substrate, and the oxidant
このような構成をとることにより、燃料電池運転時に酸化剤極で生成される水が特に酸化剤極供給下流側で酸化剤極触媒層で多くなりすぎてガス拡散性が低下する現象を抑制することができる。 By adopting such a configuration, water generated at the oxidant electrode during operation of the fuel cell suppresses the phenomenon that the gas diffusibility decreases due to excessive increase in the oxidant electrode catalyst layer particularly on the downstream side of the oxidant electrode supply. be able to.
つぎに、上記構成の燃料電池の酸化剤極を製造するための装置および方法の実施形態について説明する。 Next, an embodiment of an apparatus and method for manufacturing an oxidant electrode of a fuel cell having the above-described configuration will be described.
図1は、燃料電池電極製造装置の一実施形態の全体を示す模式的構成図であって、第1の塗布チャンバーによる第1の塗布工程における状況を示す図である。図2は、図1の燃料電池電極製造装置の全体を示す模式的構成図であって、第2の塗布チャンバーによる第2の塗布工程における状況を示す図である。図3は、図1の燃料電池電極製造装置の圧着工程における圧着ローラー付近の状況を示す模式的構成図である。図4は、図1の燃料電池電極製造装置のマスキングの平面図であって、図4(a)は第1のマスキングの平面図であり、図4(b)は第2のマスキングの平面図である。図5は、図1の燃料電池電極製造装置の塗布テーブルの平面図であって、図5(a)は第1の塗布工程における塗布テーブルの状況を示す平面図であり、図5(b)は第2の塗布工程における塗布テーブルの状況を示す平面図である。図6は、燃料電池電極製造方法の一実施形態を示すフロー図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an entire embodiment of a fuel cell electrode manufacturing apparatus, and shows a situation in a first application process by a first application chamber. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing the entire fuel cell electrode manufacturing apparatus of FIG. 1, and is a diagram showing a situation in the second coating process by the second coating chamber. FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a situation in the vicinity of the pressure roller in the pressure bonding step of the fuel cell electrode manufacturing apparatus of FIG. 1. FIG. 4 is a plan view of masking of the fuel cell electrode manufacturing apparatus of FIG. 1, wherein FIG. 4 (a) is a plan view of the first masking, and FIG. 4 (b) is a plan view of the second masking. It is. FIG. 5 is a plan view of the coating table of the fuel cell electrode manufacturing apparatus of FIG. 1, and FIG. 5 (a) is a plan view showing the state of the coating table in the first coating step, and FIG. These are top views which show the condition of the application | coating table in a 2nd application | coating process. FIG. 6 is a flowchart showing one embodiment of a method for producing a fuel cell electrode.
この燃料電池電極製造装置は、四角錐状または円錐状の第1の塗布チャンバー20および第2の塗布チャンバー21を有し、第1の塗布チャンバー20および第2の塗布チャンバー21は、同じ高さ位置で互いに水平方向に並んで配置されている。
This fuel cell electrode manufacturing apparatus has a
第1の塗布チャンバー20および第2の塗布チャンバー21のそれぞれの頂部には、それぞれに、第1の混合物受け入れ部70および第2の混合物受け入れ部71が形成され、それぞれが、ガスを供給する第1のガス供給部22および第2のガス供給部23が接続されている。第1のガス供給部22および第2のガス供給部23には、それぞれのガス流量を調整する第1のガス調整部24および第2のガス調整部25と、それぞれの塗布チャンバーに混合物を供給する第1の混合物供給部26および第2の混合物供給部27とが設けられている。
A first
第1の塗布チャンバー20および第2の塗布チャンバー21のそれぞれの下部には第1の混合物出口部28および第2の混合物出口部29が形成され、第1の混合物出口部28および第2の混合物出口部29にはそれぞれ、第1のマスキング30および第2のマスキング31が取り付けられている。第1のマスキング30および第2のマスキング31には、互いに異なる位置に第1のマスキング開口32、第2のマスキング開口33が形成されている。
A first
塗布テーブル36は、その上面に、多数の貫通孔43が形成された吸引部37が設けられ、吸引部37の上に、酸化剤極ガス拡散層15を形成する多孔質基板16を載置した状態で水平方向に移動可能である。塗布テーブル36の吸引部37の下方には吸引室38が形成され、吸引室38の底部には排気配管39が接続され、排気配管39には排気ブロワー40が接続され、排気ブロワー40の下流側には圧力調整弁41が配置されている。吸引部37には、吸引部37に対して相対的に水平方向に移動可能な吸引部調整板42が配置されている。吸引部調整板42は吸引のガス流れを部分的に阻止する平板である。
The application table 36 is provided with a
この燃料電池電極製造装置はさらに、第1の塗布チャンバー20および第2の塗布チャンバー21で塗布された混合物を多孔質基板16に圧着させるための圧着ローラー50を有している。
The fuel cell electrode manufacturing apparatus further includes a
つぎに、燃料電池電極製造方法の手順について説明する。 Next, the procedure of the fuel cell electrode manufacturing method will be described.
はじめに、塗布テーブル36の吸引部37の上に多孔質基板16を載置し、塗布テーブル36を移動して(ステップS1)、図1に示すように塗布テーブル36が第1の塗布チャンバー20の下方にあるようにする。この状態では、図1および図4(a)に示すように、第1のマスキング30の第1のマスキング開口32が図の左方にあり、第1のマスキング開口32の下方に多孔質基板16の第1の塗布領域16aが位置している。そのとき、吸引部調整板42は、図1および図5(a)に示すように、図の右方にあり、第1のマスキング開口32の下方から外れた位置にある。
First, the
つぎに、第1の塗布チャンバー20による第1の塗布を行なう(ステップS2)。このとき、第1のガス供給部22からガスを供給するとともに、第1の混合物供給部26から第1の混合物を供給する。第1の混合物は、供給されたガスとともに第1の混合物受け入れ部70から第1の塗布チャンバー20に流入し、第1のマスキング開口32を通り、多孔質基板16の第1の塗布領域16aに届けられる。供給されたガスは、第1の塗布領域16aを透過し、塗布テーブル36の吸引部37から吸引室38に吸引され、排気配管39を経て排気ブロワー40および圧力調整弁41を経て外部に排出される。このとき第1の塗布領域16aに第1の混合物60が塗布される。
Next, the 1st application by the
つぎに、塗布テーブル36の吸引部37の上に多孔質基板16を載置したままで、塗布テーブル36を移動して(ステップS3)、図2に示すように塗布テーブル36が第2の塗布チャンバー21の下方にあるようにする。この状態では、図2および図4(b)に示すように、第2のマスキング31の第2のマスキング開口33が図の右方にあり、第2のマスキング開口33の下方に多孔質基板16の第2の塗布領域16bが位置している。吸引部調整板42は、図2および図5(b)に示すように、図の左方にあり、第2のマスキング開口33の下方から外れた位置にあるように移動させる。
Next, while the
つぎに、第2の塗布チャンバー21による第2の塗布を行なう(ステップS4)。このとき、第2のガス供給部23からガスを供給するとともに、第2の混合物供給部27から第2の混合物を供給する。第2の混合物は、供給されたガスとともに第2の混合物受け入れ部71から第2の塗布チャンバー21に流入し、第2のマスキング開口33を通り、多孔質基板16の第2の塗布領域16bに届けられる。供給されたガスは、第2の塗布領域16bを透過し、塗布テーブル36の吸引部37から吸引室38に吸引され、排気配管39を経て排気ブロワー40および圧力調整弁41を経て外部に排出される。このとき第2の塗布領域16bに第2の混合物61が塗布される。
Next, the second application by the
つぎに、第1の塗布工程(S2)および第2の塗布工程(S4)で多孔質基板16に塗布された混合物を、図3に示すように、圧着ローラー50を用いて多孔質基板16に圧着させる(ステップS5)。このようにして、多孔質基板16の領域ごとに異なる混合物を塗布することができる。
Next, the mixture applied to the
以下に、上記実施形態の燃料電池電極製造装置を用いて実際に燃料電池電極の製造を行なった具体的実施例について述べる。燃料極ガス拡散層13、酸化剤ガス拡散層15には厚み180μmのカーボンペーパー(東レ社製)を用いた。燃料極ガス拡散層13、酸化剤極ガス拡散層15の上部にアセチレンブラック(DENKA工業社製)とポリテトラフルオロエチレン(DuPont社製)からなる中間層を設けた。テトラフルオロエチレンの中間層における重量比は20%とした。 Hereinafter, specific examples in which the fuel cell electrode is actually manufactured using the fuel cell electrode manufacturing apparatus of the above embodiment will be described. For the fuel electrode gas diffusion layer 13 and the oxidant gas diffusion layer 15, carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 180 μm was used. An intermediate layer made of acetylene black (manufactured by DENKA Kogyo) and polytetrafluoroethylene (manufactured by DuPont) was provided above the fuel electrode gas diffusion layer 13 and the oxidant electrode gas diffusion layer 15. The weight ratio of the tetrafluoroethylene intermediate layer was 20%.
つぎに中間層を設けた燃料極ガス拡散層13の中間層の上に燃料極触媒層12を形成した。 Next, the fuel electrode catalyst layer 12 was formed on the intermediate layer of the fuel electrode gas diffusion layer 13 provided with the intermediate layer.
燃料極触媒層12の触媒粉末にはPt−Ru合金触媒(TEC61E54、田中貴金属工業社製)を用いた。まずPt−Ru合金触媒1g当たりに対してイオン交換水を5gを添加し攪拌したのちに、20wt%電解質溶液であるNafion溶液(DuPont社製)を2.5g加え、超音波分散を30分行ない、燃料極触媒層形成用インクを得た。このインクを燃料極ガス拡散層13の中間層上にバーコーターにてPt−Ru量が0.5mg/cm2となるように塗布し、温度80℃で30分乾燥し燃料極を得た。 A Pt—Ru alloy catalyst (TEC61E54, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) was used as the catalyst powder of the fuel electrode catalyst layer 12. First, 5 g of ion-exchanged water per 1 g of Pt—Ru alloy catalyst was added and stirred, then 2.5 g of Nafion solution (manufactured by DuPont) as a 20 wt% electrolyte solution was added, and ultrasonic dispersion was performed for 30 minutes. Thus, an ink for forming a fuel electrode catalyst layer was obtained. This ink was applied onto the intermediate layer of the fuel electrode gas diffusion layer 13 with a bar coater so that the amount of Pt-Ru was 0.5 mg / cm 2 and dried at a temperature of 80 ° C. for 30 minutes to obtain a fuel electrode.
酸化剤極触媒層14の触媒粉末にはPt触媒(TEC10E50E、田中貴金属工業社製)を用いた。まずPt触媒1g当たりに対して10gのイオン交換水を添加し攪拌したのちに、20wt%電解質溶液であるNafion溶液(DuPont社製)を2g加え、超音波分散を30分間行ない、バット上に広げ室温に減圧乾燥した。乾燥したインクを回収し粉砕して触媒粉末と電解質の重量比が1:0.4である第1の混合物を得た。同様の工程で触媒粉末と電解質の重量比が1:0.66である第2の混合物を得た。
A Pt catalyst (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) was used as the catalyst powder of the oxidant
酸化剤極の詳細な製造方法を以下に示す。中間層を設けた酸化剤極ガス拡散層15を塗布テーブル36に設置し、塗布テーブル36を第1の塗布チャンバー20の下方に移動して、第1の混合物を用いてPt量が0.5mgPt/cm2となるように第1の塗布領域16aを乾式塗布した。この際、第1の塗布チャンバー20の第1のマスキング開口32と合わせて塗布テーブル36の吸引部37の開口部を調整した。第1の塗布チャンバー20での触媒塗布終了後、塗布テーブル36を第2の塗布チャンバー21の下に移動して、第2の混合物を用いてPt量が0.5mgPt/cm2となるように触媒層の第2の塗布領域16bを乾式塗布し、第1の酸化剤極を得た。この際、塗布テーブル36の吸引部37の開口部は第2の塗布チャンバー21の第2のマスキング開口33に合わせて調整した。このように作成した第1の酸化剤極では、第1の塗布領域16aと第2の塗布領域16bの境界はマスキングの型からのにじみがなく、また塗布面の断面も厚みのギャップもなく製作できた。
The detailed manufacturing method of an oxidizing agent electrode is shown below. The oxidant electrode gas diffusion layer 15 provided with the intermediate layer is placed on the coating table 36, the coating table 36 is moved below the
また、比較例として、塗布テーブル36の吸引部37の開口部を調整しないで、同様に第1の塗布領域16a、第2の塗布領域を有する第2の酸化剤極を製作した。第2の酸化剤極では第1の塗布領域16aを塗布した時点で触媒層がマスキングに対して1mm程度にじみ出し、また第1の塗布領域16aと第2の塗布領域16bの界面で触媒層厚みが1.5倍程度厚くなった。マスキングのみで吸引部37の開口部を調整しないと触媒層に厚い場所が生じ、電解質膜の変形の起因となる恐れがある。
Further, as a comparative example, the second oxidant electrode having the first application region 16a and the second application region was similarly manufactured without adjusting the opening of the
また、比較例として、第2の混合物のみで全面塗布した第3の酸化剤極を製作した。 Further, as a comparative example, a third oxidizer electrode coated on the entire surface with only the second mixture was manufactured.
上記作成した燃料極と第1および第3の酸化剤極とで固体高分子電解質膜を挟持し、熱圧着にて第1および第2の燃料電池を得た。固体高分子電解質膜には、厚さ25マイクロメーターのNafion膜(NR111)を用いた。また熱圧着はホットプレスを用いて温度135℃、圧力20kgf/cm2、時間2分間で行ない製作した。製作した第1および第2の燃料電池を用いて、酸化剤ガス供給用セパレータ、燃料ガス供給用セパレータに組み込んで発電試験を行なった。なお、第1の燃料電池は、図7に示すように、酸化剤極の触媒粉末と電解質の重量比が1:0.4となる第1の塗布領域16aが酸化剤反応ガス供給下流側に配置されるようにガス供給用セパレータと組み合わせた。 A solid polymer electrolyte membrane was sandwiched between the prepared fuel electrode and the first and third oxidant electrodes, and first and second fuel cells were obtained by thermocompression bonding. A Nafion membrane (NR111) having a thickness of 25 micrometers was used as the solid polymer electrolyte membrane. Thermocompression bonding was performed using a hot press at a temperature of 135 ° C., a pressure of 20 kgf / cm 2 , and a time of 2 minutes. Using the manufactured first and second fuel cells, a power generation test was conducted by incorporating them into an oxidant gas supply separator and a fuel gas supply separator. In the first fuel cell, as shown in FIG. 7, the first coating region 16a where the weight ratio of the catalyst powder of the oxidant electrode to the electrolyte is 1: 0.4 is on the downstream side of the oxidant reaction gas supply. Combined with gas supply separator to be placed.
発電試験電池温度70℃、加湿は燃料極、酸化剤極ともに相対湿度100%で連続運転を行なった。図9に、電流密度0.4A/cm2における運転開始時と1000時間後の電圧を示す。酸化剤極の触媒粉末と電解質の重量比が1:0.66である触媒塗布粉末を全面塗布した第2の燃料電池は運転開始時の電圧は高いが、連続運転時の電圧低下量が大きく、1000時間後の電圧が最も低い結果となった。第1の燃料電池は、運転開始時電圧、1000時間後電圧が良好である結果が得られた。第2の燃料電池では、触媒粉末に対する電解質比が高く、運転開始時では、良好な特性が得られるが、連続運転にしたがってガス供給下流部でのガス拡散不良を生じたものと考えられる。第1の燃料電池では上流に水分保持力の高い酸化剤極触媒層を有しており、運転開始時の特性が良好であるとともに、連続運転を行なっても、ガス拡散不良を生じるガス供給下流部での電解質の比率が比較的低いためにガス拡散不良が起こらず、安定した電圧が得られたと思われる。 The power generation test cell temperature was 70 ° C., and humidification was performed continuously at a relative humidity of 100% for both the fuel electrode and the oxidizer electrode. FIG. 9 shows voltages at the start of operation and after 1000 hours at a current density of 0.4 A / cm 2 . The second fuel cell coated on the entire surface with a catalyst-coated powder having a weight ratio of the oxidizer electrode catalyst powder to the electrolyte of 1: 0.66 has a high voltage at the start of operation, but has a large voltage drop during continuous operation. The voltage after 1000 hours was the lowest. The first fuel cell had a good voltage at the start of operation and a good voltage after 1000 hours. In the second fuel cell, the electrolyte ratio with respect to the catalyst powder is high, and good characteristics can be obtained at the start of operation. The first fuel cell has an oxidant electrode catalyst layer having a high water retention capacity upstream, and has good characteristics at the start of operation, and gas supply downstream that causes gas diffusion failure even if continuous operation is performed. It is considered that a stable voltage was obtained without causing gas diffusion failure because the ratio of the electrolyte in the part was relatively low.
以上説明したように、複数の塗布チャンバーとマスキング開口のみ吸引させることにより、複数の領域を有する触媒層を界面のギャップのない良好な触媒層を得ることができる。このように製作した触媒層に複数の領域を有する酸化剤極を用いることによって酸化剤極下流でのガス拡散不良を抑制でき、安定した特性を得ることができる。 As described above, by attracting only the plurality of coating chambers and the masking openings, it is possible to obtain a good catalyst layer having a gap between the catalyst layers having a plurality of regions. By using an oxidant electrode having a plurality of regions in the catalyst layer thus manufactured, gas diffusion failure downstream of the oxidant electrode can be suppressed, and stable characteristics can be obtained.
上記実施形態では、2個の塗布チャンバーを用いて二つの塗布領域に別々に塗布するものとしたが、3個以上の塗布チャンバーを用いて三つ以上の塗布領域に別々に塗布してもよい。 In the above embodiment, two coating chambers are used to separately apply to two coating regions. However, three or more coating chambers may be used to separately apply to three or more coating regions. .
また、上記実施形態では、第1の塗布チャンバー20と第2の塗布チャンバー21は移動せず、塗布テーブル36が第1の塗布チャンバー20と第2の塗布チャンバー21の間を移動するものとした。これとは逆に、塗布テーブル36は移動せず、第1の塗布チャンバー20と第2の塗布チャンバー21が交互に塗布テーブル36の上方に位置するように移動する構成とすることもできる。
In the above embodiment, the
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. The novel embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10 単位電池
11 固体高分子電解質膜
12 燃料極触媒層
13 燃料極ガス拡散層
14 酸化剤極触媒層
14a 酸化剤極ガス供給下流側酸化剤極触媒層
14b 酸化剤極ガス供給上流側酸化剤極触媒層
15 酸化剤極ガス拡散層
16 多孔質基板
16a 第1の塗布領域
16b 第2の塗布領域
20 第1の塗布チャンバー
21 第2の塗布チャンバー
22 第1のガス供給部
23 第2のガス供給部
24 第1のガス調整部
25 第2のガス調整部
26 第1の混合物供給部
27 第2の混合物供給部
28 第1の混合物出口部
29 第2の混合物出口部
30 第1のマスキング
31 第2のマスキング
32 第1のマスキング開口
33 第2のマスキング開口
36 塗布テーブル
37 吸引部
38 吸引室
39 排気配管
40 排気ブロワー
41 圧力調整弁
42 吸引部調整板
43 貫通孔
50 圧着ローラー
70 第1の混合物受け入れ部
71 第2の混合物受け入れ部
10 unit cell 11 solid polymer electrolyte membrane 12 fuel electrode catalyst layer 13 fuel electrode
Claims (8)
前記電解質と触媒の粉末とが第1の混合比で混合された第1の混合物を供給する第1の混合物供給部と、
前記第1の混合物供給部から供給される前記第1の混合物を上部で受け入れる第1の混合物受け入れ部と、前記第1の混合物が下向きに排出される第1の混合物出口部とを備えた第1の塗布チャンバーと、
前記電解質と触媒の粉末とが前記第1の混合比と異なる第2の混合比で混合された第2の混合物を供給する第2の混合物供給部と、
前記第2の混合物供給部から供給される前記第2の混合物を上部で受け入れる第2の混合物受け入れ部と、前記第2の混合物が下向きに排出される第2の混合物出口部とを備えた第2の塗布チャンバーと、
前記多孔質基板を載置可能な吸引部が形成され、前記第1の塗布チャンバーおよび前記第2の塗布チャンバーに対して相対的に移動可能な塗布テーブルであって、該塗布テーブルが前記第1の塗布チャンバーの下方位置にあるときに前記第1の混合物出口部の下方で該第1の混合物出口部に対向する位置に前記吸引部が配置され、該塗布テーブルが前記第2の塗布チャンバーの下方位置にあるときに前記第2の混合物出口部の下方で該第2の混合物出口部に対向する位置に前記吸引部が配置されるように構成された塗布テーブルと、
前記吸引部から下向きに吸引された空気を排出するブロワーと、
を有すること、を特徴とする燃料電池電極製造装置。 Manufacturing a fuel cell electrode by dry-coating a mixture of electrolyte and catalyst powder on a porous substrate to form an oxidant electrode catalyst layer at a position in contact with a solid polymer electrolyte membrane of a solid polymer membrane fuel cell In the device
A first mixture supply unit for supplying a first mixture in which the electrolyte and the catalyst powder are mixed at a first mixing ratio;
A first mixture receiving portion for receiving the first mixture supplied from the first mixture supplying portion at an upper portion; and a first mixture outlet portion for discharging the first mixture downward. 1 coating chamber;
A second mixture supply unit for supplying a second mixture in which the electrolyte and the catalyst powder are mixed at a second mixing ratio different from the first mixing ratio;
A second mixture receiving portion for receiving the second mixture supplied from the second mixture supplying portion at an upper portion; and a second mixture outlet portion for discharging the second mixture downward. Two coating chambers;
The porous substrate can be placed suction portion is formed, a first coating chamber and said second movable relative coating table for the application chamber, wherein the coating table first The suction portion is disposed at a position opposite to the first mixture outlet portion below the first mixture outlet portion when the coating table is positioned below the first coating chamber. An application table configured so that the suction part is arranged at a position facing the second mixture outlet part below the second mixture outlet part when in the lower position;
A blower for discharging air sucked downward from the suction part;
A fuel cell electrode manufacturing apparatus characterized by comprising:
塗布テーブルに設けられた吸引部の上に多孔質基板を載置して、その多孔質基板に対向する位置に第1の塗布チャンバーに設けられた第1の混合物出口部が配置されるように設定する第1塗布チャンバー設定ステップと、
前記電解質と触媒の粉末とを第1の混合比で混合して第1の混合物を生成する第1混合ステップと、
前記第1の混合物を第1の塗布チャンバー内に供給して、前記多孔質基板を通して前記吸引部から下方に空気を吸引することによって前記第1の混合物を前記多孔質基板の第1の塗布領域に塗布する第1塗布ステップと、
前記第1塗布ステップの後に、前記多孔質基板を載置した状態の前記塗布テーブルを、前記第1の塗布チャンバーおよび第2の塗布チャンバーに対して相対的に移動させて、前記多孔質基板に対向する位置に第2の塗布チャンバーに設けられた第2の混合物出口部が配置されるように設定する第2塗布チャンバー設定ステップと、
前記電解質と触媒の粉末とを前記第1の混合比とは異なる第2の混合比で混合して第2の混合物を生成する第2混合ステップと、
前記第2塗布チャンバー設定ステップの後に前記第2の混合物を第2の塗布チャンバー内に供給して、前記多孔質基板を通して前記吸引部から下方に空気を吸引することによって前記第2の混合物を前記多孔質基板の第2の塗布領域に塗布する第2塗布ステップと、
を有することを特徴とする燃料電池電極製造方法。 Manufacturing a fuel cell electrode by dry-coating a mixture of electrolyte and catalyst powder on a porous substrate to form an oxidant electrode catalyst layer at a position in contact with a solid polymer electrolyte membrane of a solid polymer membrane fuel cell In the method
A porous substrate is placed on the suction portion provided on the application table, and the first mixture outlet provided in the first application chamber is disposed at a position facing the porous substrate. A first coating chamber setting step to be set;
A first mixing step of mixing the electrolyte and catalyst powder at a first mixing ratio to form a first mixture;
The first mixture is supplied into a first coating chamber, and air is sucked downward from the suction portion through the porous substrate, whereby the first mixture is removed from the first coating region of the porous substrate. A first application step of applying to
After the first coating step, the coating table on which the porous substrate is placed is moved relative to the first coating chamber and the second coating chamber so that the porous substrate is placed on the porous substrate. A second coating chamber setting step for setting so that the second mixture outlet provided in the second coating chamber is disposed at an opposing position;
A second mixing step of mixing the electrolyte and catalyst powder at a second mixing ratio different from the first mixing ratio to form a second mixture;
After the second coating chamber setting step, the second mixture is supplied into the second coating chamber, and the second mixture is sucked down from the suction part through the porous substrate. A second application step of applying to a second application region of the porous substrate;
A method for producing a fuel cell electrode, comprising:
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