JP4133789B2 - Method for producing fuel cell electrode-membrane assembly - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池用電極−膜接合体の製造方法に係り、特に、未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥させることで燃料電池用電極−膜接合体を製造する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing an electrode-membrane assembly for a fuel cell, and more particularly to a method for producing an electrode-membrane assembly for a fuel cell by drying an undried electrode-membrane assembly.
図6は従来の燃料電池用電極−膜接合体を示す断面図である。
燃料電池用電極−膜接合体100は、負極側拡散層101に負極側下地層102を積層し、負極側下地層102に負電極層103を積層し、負電極層103に電解質膜104を積層し、電解質膜104に正電極層105を積層し、正電極層105に正極側下地層106を積層し、正極側下地層106に正極側拡散層107を積層したものである。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional fuel cell electrode-membrane assembly.
In the fuel cell electrode-
この燃料電池用電極−膜接合体を製造する際に、燃料電池用電極−膜接合体の接合性を確保するためにアルコールを用いる方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
この公報の技術は、例えば正電極層のカーボンに触媒として白金を胆持し、この表面にナフィオン(登録商標:デュポン社)製の膜を形成し、このナフィオン膜の一部をアルコールでゲル状に溶解し、白金を胆持したカーボン同士の結着性を高めることで、燃料電池用電極−膜接合体の接合性を良好に保つものである。 In the technique of this publication, for example, carbon as a catalyst is held on the carbon of the positive electrode layer, a film made of Nafion (registered trademark: DuPont) is formed on the surface, and a part of the Nafion film is gelled with alcohol. By improving the binding property between carbons which are dissolved in the carbon and hold platinum, the bonding property of the fuel cell electrode-membrane assembly is kept good.
ところで、燃料電池用電極−膜接合体のなかには、正電極層や電解質膜などを未乾燥状態で重ね合わせて電極−膜接合体とした後、この未乾燥状態の電極−膜接合体を、大きな力(2×103〜4×103kPa)で加圧しながら乾燥したものがある。
このように、未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥する際に、大きな力で加圧することにより、正電極層や電解質膜を互いに密着させる。
By the way, in a fuel cell electrode-membrane assembly, a positive electrode layer, an electrolyte membrane, etc. are stacked in an undried state to form an electrode-membrane assembly, and then this undried electrode-membrane assembly is Some are dried while being pressed with a force (2 × 10 3 to 4 × 10 3 kPa).
Thus, when the electrode-membrane assembly in an undried state is dried, the positive electrode layer and the electrolyte membrane are brought into close contact with each other by applying pressure with a large force.
しかし、この燃料電池用電極−膜接合体は、乾燥の際に、未乾燥状態の電極−膜接合体を大きな力で加圧する必要があるので、例えば正電極層が潰れる虞がある。この例を、次図で詳しく説明する。 However, this electrode-membrane assembly for a fuel cell needs to pressurize the electrode-membrane assembly in an undried state with a large force when it is dried. For example, the positive electrode layer may be crushed. This example will be described in detail in the next figure.
図7は従来の燃料電池用電極−膜接合体の要部を示す断面図である。
重ね合わせた電極−膜接合体100を、大きな力(2×103〜4×103kPa)で矢印の如く加圧しながら、この電極−膜接合体100を乾燥する。
このため、例えば正極側下地層106から正電極層105に大きな力がかかり、正電極層105が正極側下地層106に押し潰される虞がある。
このように、正電極層105が押し潰されると、正電極層105の細孔(図示せず)を確保することが難しく、燃料電池用電極−膜接合体100の発電性能を高め難くなる虞がある。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a main part of a conventional electrode-membrane assembly for a fuel cell.
The electrode-
For this reason, for example, a large force is applied from the positive
Thus, when the
本発明は、燃料電池用電極−膜接合体の発電性能を確保することができる燃料電池用電極−膜接合体の製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a method for producing a fuel cell electrode-membrane assembly capable of ensuring the power generation performance of the fuel cell electrode-membrane assembly.
請求項1に係る発明は、正・負極の一方側の拡散層に一方側の下地層を塗布し、この一方側の下地層が未乾燥のうちに、正・負極の一方の電極層を前記一方側の下地層に塗布し、この一方の電極層が未乾燥のうちに、電解質膜を前記一方の電極層に塗布し、この電解質膜が未乾燥のうちに、正・負極の他方の電極層を前記電解質層に塗布し、この他方の電極層が未乾燥のうちに、正・負極の他方側の拡散層に他方側の下地層を塗布して得た二層体のうち、前記他方側の下地層を前記他方の電極層に重ね合わせて、前記正・負極の一方側の拡散層、前記一方側の下地層、前記正・負極の一方の電極層、前記電解質膜、前記正・負極の他方の電極層、前記他方側の下地層および前記正・負極の他方側の拡散層がこの順に積層された未乾燥状態の電極−膜接合体とし、この未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥することにより燃料電池用電極−膜接合体を製造する方法であって、前記二層体の他方側の下地層をカーボン粒、バインダーおよび溶媒で構成し、カーボン粒とバインダーと溶媒との質量和を分母とし、溶媒の質量を分子として得る値を、下地層の溶媒含有率と呼び、この下地層の溶媒含有率を80〜98wt%とし、この状態で、前記二層体の他方側の下地層を前記正・負極の他方の電極層に重ね合わせることを特徴とする。 Invention, a base layer on one side is applied to the diffusion layer on one side of the positive and negative electrodes, while the underlying layer of the one side is undried, one electrode layer of the positive and negative electrodes wherein according to claim 1 The electrode layer is applied to the base layer on one side , the electrolyte layer is applied to the one electrode layer while the one electrode layer is undried, and the other electrode of the positive and negative electrodes is applied to the one electrode layer. applying a layer on the electrolyte layer, while the other electrode layer is undried, among other side bilayers of the underlying layer obtained by coating the other side of the diffusion layer of the positive and negative electrodes, the other The base layer on the side is overlaid on the other electrode layer, the diffusion layer on one side of the positive / negative electrode, the base layer on the one side, the one electrode layer on the positive / negative electrode, the electrolyte membrane, the other electrode layer of the negative electrode, the diffusion layer on the other side of the base layer and the positive and negative electrodes of the other side is conductive undried state of being stacked in this order - a membrane assembly, the undried state of the electrode - for a fuel cell electrode by drying the membrane assembly - a method for producing a membrane assembly, the carbon particle base layer on the other side of the bilayers The value obtained from the binder and the solvent, the mass sum of the carbon particles, the binder and the solvent as the denominator and the mass of the solvent as the numerator is called the solvent content of the underlayer, and the solvent content of the underlayer is 80 and 98 wt%, in this state, and wherein the superposition of the base layer on the other side of the two-layer body to the other electrode layer of the positive and negative electrodes.
二層体を構成する下地層の溶媒含有率を80〜98wt%とすることで、他方側の下地層のバインダーに溶媒を浸透させてバインダーを膨潤する。
バインダーに溶媒を浸透させて、バインダーを膨潤することで、バインダーの密着性を高める。よって、他方側の下地層を正・負極の他方の電極層に重ね合わせた際に、電極層に他方側の下地層を好適に密着させることが可能になる。
このように、バインダーの密着性を高めることで、未乾燥状態の電極−膜接合体の乾燥の際に、この電極−膜接合体を加圧する力を小さく抑えることができる。
By setting the solvent content of the base layer constituting the bilayer to 80 to 98 wt%, the solvent is infiltrated into the binder of the base layer on the other side to swell the binder.
By allowing the solvent to penetrate into the binder and swelling the binder, the adhesiveness of the binder is enhanced. Therefore, when the superimposed base layer on the other side to the other electrode layer of the positive and negative electrodes, it is possible to suitably adhere the underlying layer on the other side to the electrode layer.
In this way, by increasing the adhesiveness of the binder, it is possible to reduce the force for pressing the electrode-membrane assembly when the electrode-membrane assembly in an undried state is dried.
ここで、下地層の溶媒含有率を80〜98wt%とした理由は以下の通りである。
すなわち、下地層の溶媒含有率が80wt%未満になると、溶媒の含有率が少なすぎてバインダーの膨潤が不十分になり、正・負極の他方の電極層に他方側の下地層を好適に密着できない虞がある。
そこで、下地層の溶媒含有率を80wt%以上にすることで、バインダーを良好に膨潤させて、正・負極の他方の電極層に他方側の下地層を好適に密着させるようにした。
Here, the reason why the solvent content of the underlayer is set to 80 to 98 wt% is as follows.
That is, when the solvent content of the underlayer is less than 80 wt%, the solvent content is too low and the binder is insufficiently swelled, and the other underlayer is suitably adhered to the other electrode layer of the positive and negative electrodes. There is a possibility that it cannot be done.
Therefore, by setting the solvent content of the underlayer to 80 wt% or more, the binder is swelled well, and the underlayer on the other side is suitably adhered to the other electrode layer of the positive and negative electrodes .
一方、下地層の溶媒含有率が98wt%を超えると、溶媒の含有率が多すぎて溶媒が他方側の下地層から流出する虞がある。
そこで、下地層の溶媒含有率を98wt%以下にすることで、他方側の下地層から溶媒が流出することを防ぐようにした。
On the other hand, if the solvent content of the underlayer exceeds 98 wt%, the solvent content is too high and the solvent may flow out of the other underlayer.
Therefore, by setting the solvent content of the underlayer to 98 wt% or less, the solvent is prevented from flowing out of the other underlayer.
請求項2に係る発明は、前記二層体の前記他方側の下地層を前記正・負極の他方の電極層に重ね合わせる直前に、前記他方側の下地層に、前記溶媒を吹き付けることで前記溶媒含有率を80〜98wt%とすることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that the solvent is sprayed onto the other underlayer immediately before the other underlayer of the bilayer body is overlaid on the other electrode layer of the positive and negative electrodes. The solvent content is 80 to 98 wt%.
ここで、他方側の下地層のバインダーに溶媒を浸透させて膨出する方法として、電極層に溶媒を含ませることが考えられる。
しかし、電極層に溶媒を含ませると、電極層内の触媒が溶媒と一緒に流出する虞がある。
Here, as a method of causing the solvent to penetrate into the binder of the other underlayer, the electrode layer may contain a solvent.
However, if a solvent is included in the electrode layer, the catalyst in the electrode layer may flow out together with the solvent.
そこで、請求項2において、二層体の他方側の下地層に、溶媒を吹き付けることで溶媒含有率を80〜98wt%とすることにした。
このように、他方側の下地層に溶媒を直接吹き付けることで、電極層内の触媒が溶媒と一緒に流出することを防ぐ。
Therefore, in claim 2, the solvent content is determined to be 80 to 98 wt% by spraying the solvent to the base layer on the other side of the bilayer body.
In this way, by directly spraying the solvent on the other underlayer, the catalyst in the electrode layer is prevented from flowing out together with the solvent.
また、他方側の下地層のバインダーに溶媒を浸透させて膨出するその他の方法として、正・負極の他方側の拡散層に他方側の下地層を塗布して二層体とする際に、下地層の溶媒含有率を80〜98wt%にしておくことが考えられる。
しかし、二層体を形成してから、形成した二層体を正・負極の他方の電極層に重ね合わせるまでに時間差がある。この時間差の間に、他方側の下地層の溶媒が揮発して、溶媒含有率が80wt%未満になる虞がある。
In addition, as another method of causing the binder of the other side underlayer to swell and swell, when applying the other side underlayer to the diffusion layer on the other side of the positive / negative electrode, It is conceivable that the solvent content of the underlayer is 80 to 98 wt%.
However, there is a time difference between the formation of the bilayer body and the overlapping of the formed bilayer body with the other electrode layer of the positive and negative electrodes. During this time difference, the solvent of the underlayer on the other side may volatilize and the solvent content may be less than 80 wt%.
そこで、請求項2において、二層体を前記正・負極の他方の電極層に重ね合わせる直前に、他方側の下地層に溶媒を直接吹き付けることにした。
このように、二層体を重ね合わせる直前に、他方側の下地層に溶媒を直接吹き付けることで、溶媒が揮発して溶媒含有率が80wt%未満になることを防ぐ。
よって、他方側の下地層の密着性を確実に高めることで、未乾燥状態の電極−膜接合体の乾燥の際に、この電極−膜接合体を加圧する力を小さく抑えることができる。
Therefore, in claim 2, immediately before the two-layer body is overlaid on the other electrode layer of the positive and negative electrodes, the solvent is directly sprayed on the base layer on the other side .
As described above, the solvent is directly blown onto the other underlayer immediately before the two-layer body is overlaid, thereby preventing the solvent from volatilizing and the solvent content from being less than 80 wt%.
Therefore, by reliably increasing the adhesion of the base layer on the other side, it is possible to reduce the force of pressing the electrode-membrane assembly when the electrode-membrane assembly is dried.
請求項3に係る発明は、未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥する際に、この電極−膜接合体に0.5〜1.5kPaの荷重をかけることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that a load of 0.5 to 1.5 kPa is applied to the electrode-membrane assembly when the electrode-membrane assembly in an undried state is dried.
ここで、一般に、未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥する際には、電極−膜接合体を良好に密着させるために、電極−膜接合体を大きな力で加圧する必要がある。
このように、電極−膜接合体を大きな力で加圧することで、例えば電極層が潰れる虞がある。
Here, in general, when an electrode-membrane assembly in an undried state is dried, it is necessary to press the electrode-membrane assembly with a large force in order to make the electrode-membrane assembly adhere well.
Thus, there exists a possibility that an electrode layer may be crushed by pressurizing an electrode-membrane assembly with big force, for example.
そこで、請求項3において、下地層の溶媒含有率を80〜98wt%として密着性を高めることで、電極−膜接合体にかける荷重を0.5〜1.5kPaと小さく抑えることにした。
このように、電極−膜接合体にかける荷重を小さく抑えることで、未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥する際に、例えば電極層が潰れることを防止することができる。
Therefore, in claim 3, the load applied to the electrode-membrane assembly is suppressed to a small value of 0.5 to 1.5 kPa by increasing the adhesion by setting the solvent content of the underlayer to 80 to 98 wt%.
Thus, by suppressing the load applied to the electrode-membrane assembly to a small value, for example, the electrode layer can be prevented from being crushed when the electrode-membrane assembly in an undried state is dried.
請求項1に係る発明では、下地層の溶媒含有率を80〜98wt%として電極−膜接合体を加圧する力を小さく抑えることで、電極層の潰れを防ぎ、電極−膜接合体の発電性能を確保することができるという利点がある。 In the invention according to claim 1, the electrode layer is prevented from being crushed by reducing the force of pressing the electrode-membrane assembly by setting the solvent content of the underlayer to 80 to 98 wt%, and the power generation performance of the electrode-membrane assembly There is an advantage that can be secured.
請求項2に係る発明では、二層体を電極層に重ね合わせる直前に、他方側の下地層に溶媒を吹き付けることで、他方側の下地層の密着性を確実に高め、電極−膜接合体の発電性能を確実に確保することができるという利点がある。 In the invention according to claim 2, immediately before overlapping the bilayers in the electrode layer, by blowing the solvent in the underlying layer of the other side, reliably improving the adhesion of the other side of the base layer, the electrode - membrane assembly There is an advantage that the power generation performance can be reliably ensured.
請求項3に係る発明では、電極−膜接合体にかける荷重を小さく抑えて電極層が潰れることを防止することで、電極−膜接合体の発電性能を確保することができるという利点がある。 The invention according to claim 3 has an advantage that the power generation performance of the electrode-membrane assembly can be ensured by suppressing the load applied to the electrode-membrane assembly to be small and preventing the electrode layer from being crushed.
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体を備えた燃料電池ユニットを示す分解斜視図である。
燃料電池ユニット10は、複数(2個)の燃料電池単体(セル)11,11で構成したものである。
この燃料電池単体11は、燃料電池用電極−膜接合体12の両側にそれぞれ負極側セパレータ13および正極側セパレータ14を備える。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The drawings are viewed in the direction of the reference numerals.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell unit provided with an electrode-membrane assembly for a fuel cell according to the present invention.
The
This single fuel cell 11 includes a
燃料電池用電極−膜接合体12は、負極側拡散層21、負極側下地層22、負電極層23、電解質膜24、正電極層25、正極側下地層(下地層)26、正極側拡散層27を積層したものである。
負極側拡散層21および正極側拡散層27で燃料電池用電極−膜接合体12の両側を構成する。
The fuel cell electrode-
The negative electrode
負極側拡散層21に負極側セパレータ13を積層する。負極側セパレータ13の流路溝15を負極側拡散層21で覆い、負極側拡散層21および流路溝15で水素ガス流路17を形成する。
また、正極側拡散層27に正極側セパレータ14を積層する。正極側セパレータ14の流路溝16を正極側拡散層27で覆い、正極側拡散層27および流路溝16で酸素ガス流路18を形成する。
The negative
Further, the positive
燃料電池用電極−膜接合体12は、負極側拡散層21、負極側下地層22、負電極層23、電解膜質24、正電極層25、正極側下地層26、正極側拡散層27を積層したものである。
このように、構成した燃料電池単体11を複数個(図1では2個のみを示す)備えることで、燃料電池ユニット10を構成する。
なお、燃料電池用電極−膜接合体12については図2で詳しく説明する。
The electrode-
Thus, the
The fuel cell electrode-
燃料電池ユニット10によれば、水素ガス流路17に水素ガスを供給するとともに、酸素ガス流路18に酸素ガスを供給することで、電子(e−)を矢印の如く流して電流を発生する。
According to the
図2は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体を示す説明図である。
燃料電池用電極−膜接合体12は、負極側拡散層21に負極側下地層22を積層し、負極側下地層22に負電極層23を積層し、負電極層23に電解質膜24を積層し、電解質膜24に正電極層25を積層し、正電極層25に正極側下地層26を積層し、正極側下地層26に正極側拡散層27を積層したものである。
FIG. 2 is an explanatory view showing a fuel cell electrode-membrane assembly according to the present invention.
In the fuel cell electrode-
負極側拡散層21および正極側拡散層27は、一例として多孔質のカーボンペーパに撥水性処理を施したものである。
負極側下地層22は、一例として粒状のカーボン(カーボン粒)28、バインダー29および溶媒(図示せず)で構成したものである。
バインダー29として、例えば熱可塑性フッ素樹脂(THV)を用い、溶媒として、NMP(N−メチル・2・ピロリドン)、メチルエチルケトン(MEK)などを用いる。
As an example, the negative electrode
The negative electrode
For example, thermoplastic fluororesin (THV) is used as the
バインダー29として、熱可塑性フッ素樹脂(THV)を用いることで、負極側下地層22を撥水性に優れた層とする。
なお、バインダー29は、熱可塑性フッ素樹脂(THV)に限定するものではなく、溶媒は、NMP(N−メチル・2・ピロリドン)、メチルエチルケトン(MEK)に限定するものではない。
By using a thermoplastic fluororesin (THV) as the
The
正極側下地層26は、一例として粒状のカーボン(カーボン粒)31、バインダー32および溶媒45(図4(b)参照)で構成したものである。
バインダー32として、例えばパーフルオロスルホン酸系ポリマーを用い、溶媒45として、エタノール、メタノール、1−プロパノール、2−プロパノールなどを用いる。
The positive
For example, a perfluorosulfonic acid polymer is used as the
バインダー32として、パーフルオロスルホン酸系ポリマーを用いることで、正極側下地層26を吸水性に優れた層とする。
なお、バインダー32は、パーフルオロスルホン酸系ポリマーに限定するものではなく、溶媒45は、エタノール、メタノール、1−プロパノール、2−プロパノールに限定するものではない。
By using a perfluorosulfonic acid polymer as the
The
負電極層23は、負極用の溶媒に触媒(電極粒)34を混合し、塗布後に溶媒を乾燥することで固化したものである。負電極層23の触媒34は、カーボン35の表面に触媒として白金−ルテニウム合金36を担持したものである。
正電極層25は、正極用の溶媒に触媒(電極粒)37を混合し、塗布後に溶媒を乾燥することで固化したものである。正電極層25の触媒37は、カーボン38の表面に触媒として白金39を担持したものである。
The
The
電解質膜24は、炭化水素系固体高分子に溶媒を加えてペースト状にしたものを負電極層23に塗布した後、溶媒を除去するとともに乾燥することで、負電極層23および正電極層25と一体に固化したものである。
以下、燃料電池用電極−膜接合体12の製造方法を図3〜図5に基づいて説明する。
The
Hereinafter, the manufacturing method of the electrode-
図3(a),(b)は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体を重ね合わせる例を説明する図である。
(a)において、負極側拡散層21に負極側下地層22を塗布し、この負極側下地層22が未乾燥のうちに、負電極層23を塗布する。
負電極層23が未乾燥のうちに、電解質膜24とする。この電解質膜24が未乾燥のうちに、正電極層25を塗布する。
(b)において、正極側拡散層27に正極側下地層26を塗布することで二層体41を構成する。
FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating an example in which the fuel cell electrode-membrane assembly according to the present invention is overlaid.
In (a), the negative electrode
The
In (b), the positive electrode
図4(a)〜(c)は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体を構成する正極側下地層のバインダーを膨出する例を説明する図である。
(a)において、正極側下地層26の上方に、スプレー塗布装置42のノズル43を配置し、ノズル43から溶媒45を噴射させながら、ノズル43を矢印aの如く正極側下地層26の表面26aに沿って移動する。
4 (a) to 4 (c) are diagrams for explaining an example in which the binder of the positive base layer constituting the electrode-membrane assembly for a fuel cell according to the present invention is expanded.
In (a), the
(b)において、正極側下地層26の表面26aに溶媒45を塗布する。
これにより、正極側下地層26の溶媒含有率を80〜98wt%とする。
但し、正極側下地層26の溶媒含有率は、カーボン粒31とバインダー32と溶媒45との質量和を分母とし、溶媒45の質量を分子としたものである。すなわち、
正極側下地層26の溶媒含有率(wt%)=
(溶媒45の質量)/[(カーボン粒31の質量)+(バインダー32の質量)+(溶媒45の質量)]の関係が成立する。
In (b), a solvent 45 is applied to the
Thereby, the solvent content of the positive
However, the solvent content of the positive
Solvent content (wt%) of the
The relationship of (mass of solvent 45) / [(mass of carbon particles 31) + (mass of binder 32) + (mass of solvent 45)] is established.
正極側下地層26のバインダー32として、パーフルオロスルホン酸系ポリマーを用いているので、溶媒としては、エタノール、メタノール、1−プロパノール、2−プロパノールなどから選択したものを用いる。
Since a perfluorosulfonic acid polymer is used as the
正極側下地層26の表面26aに溶媒45を塗布して、正極側下地層26の溶媒含有率を80〜98wt%にすることで、溶媒45を矢印b(破線で示す)の如くバインダー32内に浸透させる。
The solvent 45 is applied to the
(c)において、溶媒45をバインダー32内に浸透させることで、バインダー32が膨出する。
In (c), by allowing the solvent 45 to permeate into the
ここで、正極側下地層26の溶媒45(図4(b)参照)の溶媒含有率を80〜98wt%とした理由は以下の通りである。
すなわち、正極側下地層26の溶媒含有率が80wt%未満になると、溶媒45の含有率が少なすぎてバインダー32の膨潤が不十分になり、正極側下地層26の密着性を十分に確保することが難しい。
Here, the reason why the solvent content of the solvent 45 (see FIG. 4B) of the positive
That is, when the solvent content of the
このため、正電極層25(図3(a)参照)に正極側下地層26を好適に密着できない虞がある。
そこで、正極側下地層26の溶媒含有率を80wt%以上にすることで、バインダー32を良好に膨潤させて正極側下地層26の密着性を高めるようにした。
正極側下地層26の密着性を高めることで、正電極層25に正極側下地層26を好適に密着させる。
For this reason, there is a possibility that the positive
Therefore, by setting the solvent content of the
By increasing the adhesion of the positive
一方、正極側下地層26の溶媒含有率が98wt%を超えると、溶媒45の含有率が多すぎて溶媒45が正極側下地層26から流出する虞がある。
そこで、正極側下地層26の溶媒含有率を98wt%以下にすることで、正極側下地層26から溶媒45が流出することを防ぐようにした。
On the other hand, if the solvent content of the
Therefore, the solvent content of the positive
ところで、正極側下地層26のバインダー32に溶媒45を浸透させて膨出する他の方法として、正電極層25(図3(a)参照)に溶媒45を含ませることが考えられる。
しかし、正電極層25に溶媒45を含ませると、正電極層25内の触媒37(図2参照)が溶媒45と一緒に流出する虞がある。
Incidentally, as another method of causing the solvent 45 to permeate the
However, if the solvent 45 is included in the
そこで、二層体41の正極側下地層26に、溶媒45を吹き付けることで溶媒含有率を80〜98wt%とすることにした。
このように、正極側下地層26に溶媒45を直接吹き付けることで、正電極層25内の触媒37(図2参照)が溶媒45と一緒に流出することを防ぐ。
Therefore, the solvent content is determined to be 80 to 98 wt% by spraying the solvent 45 on the
Thus, by directly spraying the solvent 45 on the positive
また、正極側下地層26のバインダー32に溶媒45を浸透させて膨出するもう一つの方法として、正極側拡散層27に正極側下地層26を塗布して二層体41を形成する際に、正極側下地層26の溶媒含有率を80〜98wt%にすることが考えられる。
しかし、二層体41を形成した後、形成した二層体41を正電極層25(図3(a)参照)に重ね合わせるまでに比較的大きな時間差が生じる。
この時間差の間に、正極側下地層26の溶媒45が揮発して、溶媒含有率が80wt%未満になる虞がある。
As another method of causing the
However, after forming the two-layered
During this time difference, the solvent 45 of the
そこで、二層体41を正電極層25に重ね合わせる直前に、正極側下地層26に溶媒45を直接吹き付けることにした。
このように、二層体41を重ね合わせる直前に、正極側下地層26に溶媒45を直接吹き付けることで、溶媒45が揮発して溶媒含有率が80wt%未満になることを防ぐ。
Therefore, immediately before the two-
In this way, the solvent 45 is directly sprayed onto the positive
図5(a),(b)は本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体を乾燥する例を説明する図である。
(a)において、正極側下地層26のバインダー32を膨出させた直後に、二層体41を反転させて、正極側下地層26の表面26aを正電極層25の表面25aに向かい合わせる。
この状態で、二層体41を矢印cの如く移動して、正電極層25に正極側下地層26を載せることで、正電極層25に二層体41を重ね合わせる。
これにより、未乾燥状態の電極−膜接合体12を得る。
FIGS. 5A and 5B are views for explaining an example of drying an electrode-membrane assembly for a fuel cell according to the present invention.
In (a), immediately after the
In this state, the
Thereby, the electrode-
(b)において、未乾燥状態の電極−膜接合体12の正極側拡散層27に重し47,47を載せることで、未乾燥状態の電極−膜接合体12に0.5〜1.5kPaの荷重をかける。
重し47は、例えば棒状の鉄材を2本準備し、正極側拡散層27の両側27a,27aにそれぞれ載せる。
In (b), by placing 47 and 47 on the positive electrode
As the
正極側下地層26の溶媒含有率を80〜98wt%とすることで、正極側下地層26の密着性を高める。よって、未乾燥状態の電極−膜接合体12にかける荷重を0.5〜1.5kPaと小さく抑えることが可能になる。
これにより、正極側拡散層27に重し27,27を載せるだけの簡単な方法で、未乾燥状態の電極−膜接合体12に必要な荷重をかけることができる。
Adhesiveness of the positive
Thereby, a necessary load can be applied to the electrode-
未乾燥状態の電極−膜接合体12に0.5〜1.5kPaの荷重をかけた状態で、未乾燥状態の電極−膜接合体12をヒータ48で矢印dの如く加熱する。
未乾燥状態の電極−膜接合体12から溶媒を矢印eの如く蒸発させて、図2に示す乾燥状態の燃料電池用電極−膜接合体12を得る。
これで、燃料電池用電極−膜接合体12の製造工程が完了する。
In a state where a load of 0.5 to 1.5 kPa is applied to the electrode-
The solvent is evaporated from the undried electrode-
Thus, the manufacturing process of the fuel cell electrode-
以上説明したように、燃料電池用電極−膜接合体12の製造方法によれば、二層体41を構成する正極側下地層26の溶媒含有率を80〜98wt%とすることで、正極側下地層26のバインダー32に溶媒45(図4(b)参照)を浸透させてバインダー32を膨潤する。
As described above, according to the method of manufacturing the fuel cell electrode-
バインダー32に溶媒45を浸透させてバインダー32を膨潤させることで、正極側下地層26の密着性が高まる。
よって、正極側下地層26を正電極層25に重ね合わせた際に、正電極層25に正極側下地層26を好適に密着させることが可能になる。
これにより、正電極層25と正極側下地層26との界面抵抗を低下させて、燃料電池用電極−膜接合体12の発電性能を好適に保つことができる。
By causing the solvent 45 to penetrate into the
Therefore, when the positive
As a result, the interface resistance between the
さらに、正極側下地層26の密着性を高めることで、未乾燥状態の電極−膜接合体12を乾燥する際に、この電極−膜接合体12を加圧する力を、0.5〜1.5kPaと小さく抑えることができる。
このように、未乾燥状態の電極−膜接合体12を加圧する力を小さく抑えることで、未乾燥状態の電極−膜接合体12を乾燥する際に、例えば正電極層25が潰れることを防止する。これにより、燃料電池用電極−膜接合体12の発電性能を好適に保つことができる。
Furthermore, when the electrode-
In this way, by suppressing the pressure applied to the electrode-
ここで、未乾燥状態の電極−膜接合体12を乾燥する際に、従来技術のように、未乾燥状態の電極−膜接合体12を大きな力(2×103〜4×103kPa)で加圧するためには、未乾燥状態の電極−膜接合体12を加圧装置にセットして、加圧装置で未乾燥状態の電極−膜接合体12を加圧する必要がある。
このため、未乾燥状態の電極−膜接合体12を加圧する工程に時間がかかり、そのことが生産性を高める妨げになっていた。
Here, when the electrode-
For this reason, the process of pressurizing the electrode-
これに対して、本発明に係る燃料電池用電極−膜接合体12の製造方法によれば、未乾燥状態の電極−膜接合体12にかける荷重を小さく抑えることで、正極側拡散層27に重し27,27を載せるだけの簡単な方法で、未乾燥状態の電極−膜接合体12に必要な荷重をかけることが可能になる。
これにより、未乾燥状態の電極−膜接合体12を時間をかけないで加圧することができるので、生産性を高めることができる。
On the other hand, according to the manufacturing method of the electrode-
Thereby, since the electrode-
ここで、前記実施の形態において、正極側下地層26のみの溶媒含有率を80〜98wt%にした理由について説明する。
すなわち、負極側下地層22を塗布した後、負極側下地層22が未乾燥の状態において、負電極層23を直ちに塗布し、この負電極層23に電解質膜24、正電極層25を順次塗布することにより、負極側下地層22には、負電極層23、電解質膜24および正電極層25の重量をかけることができる。
よって、負極側下地層22の溶媒含有率を80〜98wt%にしなくても、負極側下地層22を負電極層23に密着させることは可能である。
Here, the reason why the solvent content of only the positive
That is, after the negative
Therefore, the negative
これに対して、正極側下地層26は正極側拡散層27に塗布して二層体41とし、この二層体41を正電極層25の上に重ね合わせる。このため、正極側拡散層27に正極側下地層26を塗布した後、直ちに正電極層25を塗布するわけにはいかない。
さらに、正極側下地層26は、負電極層23、電解質膜24や正電極層25の上方に位置するので、正極側下地層26に負電極層23、電解質膜24や正電極層25の重量をかけることはできない。
On the other hand, the positive
Furthermore, since the positive
このため、正極側拡散層27に塗布した正極側下地層26を正電極層25に良好に密着させることは難しい。
そこで、正極側下地層26の溶媒含有率を80〜98wt%にして、正極側下地層26の密着性を高め、正極側下地層26を正電極層25に密着させることにした。
For this reason, it is difficult to satisfactorily adhere the positive
Therefore, the solvent content of the
以上の理由から、負極側下地層22および正極側下地層26のうち、上側になる一方の下地層、すなわち、実施の形態で例示したように正極側下地層26のみを溶媒含有率80〜98wt%にすることが好ましい。
あるいは、負極側下地層(下地層)22が上側になる場合には、一方の下地層として、負極側下地層22のみを溶媒含有率80〜98wt%にすることが好ましい。
For the reasons described above, of the negative
Alternatively, when the negative electrode side underlayer (underlayer) 22 is on the upper side, it is preferable that only the negative
以上説明したように、負極側下地層22および正極側下地層26のうち、上側になる一方の下地層のみを溶媒含有率80〜98wt%にすることが好ましいが、これに限らないで、上側になる正極側下地層26、および下側になる負極側下地層22の両方の下地層を溶媒含有率が80〜98wt%になるようにすることも可能である。
As described above, it is preferable that only one of the upper base layer on the upper side of the negative electrode
なお、前記実施の形態では、負極側下地層22のバインダー29を、熱可塑性フッ素樹脂(THV)、溶媒をNMP(N−メチル・2・ピロリドン)やメチルエチルケトン(MEK)とし、正極側下地層26のバインダー32をパーフルオロスルホン酸系ポリマー、溶媒45をエタノール、メタノール、1−プロパノール、2−プロパノールとした例について説明したが、これに限らないで、負極側下地層22と正極側下地層26とのバインダーおよび溶媒を同一にすることも可能である。
In the embodiment described above, the
さらに、前記実施の形態では、燃料電池用電極−膜接合体12を、負極側拡散層21、負極側下地層22、負電極層23、電解質膜24、正電極層25、正極側下地層26、正極側拡散層27の順に積層したものを例に説明したが、これに限らないで、燃料電池用電極−膜接合体12を、正極側拡散層27、正極側下地層26、正電極層25、電解質膜24、負電極層23、負極側下地層22、負極側拡散層21の順に積層することも可能である。
この場合には、前述したように、上側になる負極側下地層22のみを溶媒含有率80〜98wt%にすることが好ましい。
Furthermore, in the above-described embodiment, the fuel cell electrode-
In this case, as described above, it is preferable that only the negative
また、前記実施の形態では、正極側下地層26の表面26aに溶媒45をスプレーで塗布する例について説明したが、溶媒45の塗布はスプレーに限定するものではなく、その他の塗布手段で塗布することも可能である。
In the above-described embodiment, the example in which the solvent 45 is applied to the
本発明は、未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥させることで燃料電池用電極−膜接合体を製造する方法に好適である。 The present invention is suitable for a method for producing an electrode-membrane assembly for a fuel cell by drying an undried electrode-membrane assembly.
10…燃料電池ユニット、11…燃料電池単体(セル)、12…燃料電池用電極−膜接合体、21…負極側拡散層、22…負極側下地層(下地層)、23…負電極層、24…電解質膜、25…正電極層、26…正極側下地層(下地層)、27…正極側拡散層、28,31…カーボン(カーボン粒)、29,32…バインダー、41…二層体、45…溶媒、47…重し。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
この一方側の下地層が未乾燥のうちに、正・負極の一方の電極層を前記一方側の下地層に塗布し、
この一方の電極層が未乾燥のうちに、電解質膜を前記一方の電極層に塗布し、
この電解質膜が未乾燥のうちに、正・負極の他方の電極層を前記電解質層に塗布し、
この他方の電極層が未乾燥のうちに、正・負極の他方側の拡散層に他方側の下地層を塗布して得た二層体のうち、前記他方側の下地層を前記他方の電極層に重ね合わせて、
前記正・負極の一方側の拡散層、前記一方側の下地層、前記正・負極の一方の電極層、前記電解質膜、前記正・負極の他方の電極層、前記他方側の下地層および前記正・負極の他方側の拡散層がこの順に積層された未乾燥状態の電極−膜接合体とし、
この未乾燥状態の電極−膜接合体を乾燥することにより燃料電池用電極−膜接合体を製造する方法であって、
前記二層体の他方側の下地層をカーボン粒、バインダーおよび溶媒で構成し、
カーボン粒とバインダーと溶媒との質量和を分母とし、溶媒の質量を分子として得る値を、下地層の溶媒含有率と呼び、
この下地層の溶媒含有率を80〜98wt%とし、
この状態で、前記二層体の他方側の下地層を前記正・負極の他方の電極層に重ね合わせることを特徴とする燃料電池用電極−膜接合体の製造方法。 Apply the base layer on one side to the diffusion layer on one side of the positive and negative electrodes,
While the base layer on one side is undried, one of the positive and negative electrode layers is applied to the base layer on the one side ,
While this one electrode layer is undried, an electrolyte membrane is applied to the one electrode layer ,
While this electrolyte membrane is undried, the other electrode layer of the positive and negative electrodes is applied to the electrolyte layer ,
Among the two-layered body obtained by applying the other underlayer to the diffusion layer on the other side of the positive and negative electrodes while the other electrode layer is undried, the other underlayer is used as the other electrode. superimposed on the layer,
The diffusion layer on one side of the positive / negative electrode, the base layer on the one side, the one electrode layer on the positive / negative electrode, the electrolyte membrane, the other electrode layer on the positive / negative electrode, the base layer on the other side, and the An undried electrode-membrane assembly in which the diffusion layers on the other side of the positive and negative electrodes are laminated in this order ,
A method for producing an electrode-membrane assembly for a fuel cell by drying the electrode-membrane assembly in an undried state,
The underlayer on the other side of the bilayer is composed of carbon particles, a binder and a solvent,
The value obtained by using the mass sum of the carbon particles, the binder and the solvent as the denominator and the mass of the solvent as the numerator is called the solvent content of the underlayer,
The solvent content of the underlayer is 80 to 98 wt%,
In this state, the fuel cell electrode, characterized in that to superimpose the underlayer on the other side of the two-layer body to the other electrode layer of the positive and negative electrode - the manufacturing method of the membrane assembly.
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