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JP2009289692A - Method of manufacturing electrode layer for fuel cell - Google Patents

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JP2009289692A
JP2009289692A JP2008143382A JP2008143382A JP2009289692A JP 2009289692 A JP2009289692 A JP 2009289692A JP 2008143382 A JP2008143382 A JP 2008143382A JP 2008143382 A JP2008143382 A JP 2008143382A JP 2009289692 A JP2009289692 A JP 2009289692A
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JP
Japan
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electrode layer
catalyst
fuel cell
particles
spray device
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Application number
JP2008143382A
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Japanese (ja)
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Naoya Ogawa
直也 小川
Shiritsu Chin
之立 陳
Atsushi Nakamura
淳志 中村
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Electric Power Development Co Ltd
Tokai University
Original Assignee
Electric Power Development Co Ltd
Tokai University
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode layer of a structure easy in intrusion and diffusion of fuel and an oxidizing agent, by enlarging the substantially surface area participating in catalyst reaction as the electrode layer for a fuel cell, and a method capable of forming this electrode layer by an ultrasonic spray device. <P>SOLUTION: This electrode layer 22 is composed of a porous assembly formed by gathering a further larger number of porous catalyst secondary particles 23 formed by gathering a large number of catalyst primary particles composed of a catalyst carrying particle and an ion conductive polymer. This electrode layer can be provided by drying an ink particle so that the ink particle sprayed from the ultrasonic spray device sticks to a target surface in a substantially dried state, when applying catalyst ink including the catalyst carrying particle, the ion conductive polymer and a solvent to a high polymer film or a gas diffusing film by the ultrasonic spray device. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、固体高分子電解質型燃料電池の電極層およびその製造方法ならびにこの電極層を備えた燃料電池に関し、電極層の実質的な表面積を増加させ、反応面積が増大してセル特性を向上させたものである。   The present invention relates to an electrode layer of a solid polymer electrolyte fuel cell, a method for manufacturing the same, and a fuel cell including the electrode layer. The surface area of the electrode layer is increased, the reaction area is increased, and cell characteristics are improved. It has been made.

図10は、固体高分子電解質型燃料電池の反応部である膜電極接合体(MEA)の例を示すものである。
図10において、符号1は高分子電解質膜を示す。この高分子電解質膜1の一方の表面には厚さ20μm程度の膜状のアノード電極層2が、他方の表面には厚さ20μm程度の膜状のカソード電極層3が接合、一体化されて設けられ、これらアノード電極層2およびカソード電極層3の表面には図示しないカーボンペーパーなどの拡散層が設けられて膜電極接合体を構成している。
FIG. 10 shows an example of a membrane electrode assembly (MEA) which is a reaction part of a solid polymer electrolyte fuel cell.
In FIG. 10, reference numeral 1 denotes a polymer electrolyte membrane. A membrane-like anode electrode layer 2 having a thickness of about 20 μm is joined to one surface of the polymer electrolyte membrane 1, and a membrane-like cathode electrode layer 3 having a thickness of about 20 μm is joined and integrated to the other surface. A diffusion layer such as carbon paper (not shown) is provided on the surfaces of the anode electrode layer 2 and the cathode electrode layer 3 to form a membrane electrode assembly.

前記高分子電解質膜1には、厚さ30〜70μm程度のパーフルオロスルホン酸系ポリマーなどからなるフィルムが用いられる。
前記アノード電極層2およびカソード電極層3には、触媒インクを拡散層となるカーボンペーパーに塗布し、乾燥したものが用いられる。触媒インクには、例えば径2〜5nm程度の白金微粒子などの触媒粒子を径30nm程度のカーボン粒子などの導電性担持粒子に担持した触媒担持粒子を用意し、この触媒担持粒子をイオン導電性ポリマー、イソプロパノール、水などからなる高分子電解質溶液に分散させたものが用いられる。
The polymer electrolyte membrane 1 is a film made of a perfluorosulfonic acid polymer having a thickness of about 30 to 70 μm.
For the anode electrode layer 2 and the cathode electrode layer 3, a catalyst ink is applied to a carbon paper serving as a diffusion layer and dried. For the catalyst ink, for example, catalyst-carrying particles in which catalyst particles such as platinum fine particles having a diameter of about 2 to 5 nm are carried on conductive particles such as carbon particles having a diameter of about 30 nm are prepared. , Isopropanol, water or the like dispersed in a polymer electrolyte solution is used.

これらアノード電極層2、カソード電極層3が形成されたカーボンペーパーを高分子電解質膜1の両面に接合して、膜電極接合体とされる。
なお、触媒インクを高分子電解質膜1の両面にそれぞれ塗布して電極層2、3を形成したのち、これに拡散層を接合して膜電極接合体とする製法もある。
The carbon paper on which the anode electrode layer 2 and the cathode electrode layer 3 are formed is bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 to form a membrane electrode assembly.
In addition, there is a manufacturing method in which catalyst ink is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 to form the electrode layers 2 and 3, and then a diffusion layer is joined thereto to form a membrane electrode assembly.

拡散層または高分子電解質膜(以下、まとめてターゲットとする。)への触媒インクの塗布方法として、従来よりエアスプレーによるものが採用されてきたが、近時超音波スプレー装置による塗布方法が提案されている。超音波スプレー装置を用いた塗布方法では、得られた電極層における触媒担持粒子の分散が均一であるメリットがあるとされている。   As a method of applying the catalyst ink to the diffusion layer or the polymer electrolyte membrane (hereinafter collectively referred to as a target), an air spray method has been conventionally used, but a recent method of applying an ultrasonic spray device has been proposed. Has been. The coating method using an ultrasonic spray apparatus is considered to have an advantage that the dispersion of catalyst-carrying particles in the obtained electrode layer is uniform.

しかしながら、超音波スプレー装置によるものでは、従来のエアスプレー装置によるものと同様に触媒担持粒子が合体して成長し、成長した粒子がイオン導電性ポリマーによって結合した状態の電極層が得られるに過ぎなかった。   However, in the case of using the ultrasonic spray device, the catalyst-supporting particles grow together as in the case of the conventional air spray device, and an electrode layer in a state where the grown particles are bonded by the ion conductive polymer is obtained. There wasn't.

超音波スプレー装置を使用した燃料電池用電極層の形成に関しては、以下の特許文献がある。
特開2006−210200号公報 特開2006−236881号公報 特開2007−164993号公報 特開2007−165075号公報 特開2007−213841号公報 特開2007−258051号公報 特開2007−265734号公報
Regarding the formation of an electrode layer for a fuel cell using an ultrasonic spray device, there are the following patent documents.
JP 2006-210200 A JP 2006-236881 A JP 2007-16993 A JP 2007-165075 A JP 2007-213841 A JP 2007-258051 A JP 2007-265734 A

本発明における課題は、燃料電池用電極層として触媒反応に関与する実質的な表面積が大きく、燃料、酸化剤の侵入、拡散が容易である構造の電極層を得ることおよびこの電極層を超音波スプレー装置によって形成できる方法を得ることにある。   An object of the present invention is to obtain an electrode layer having a structure in which a substantial surface area involved in a catalytic reaction is large as an electrode layer for a fuel cell and in which a fuel and an oxidant can easily enter and diffuse, and to apply ultrasonic waves It is to obtain a method that can be formed by a spray device.

かかる課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、触媒担持粒子とイオン伝導性ポリマーと溶剤を含む触媒インクを超音波スプレー装置により高分子膜または拡散膜からなるターゲットに塗布して燃料電池用電極層を形成する方法であって、
超音波スプレー装置から噴霧されたインク粒子がほぼもしくは完全に乾燥された状態でターゲット表面に付着するように該インク粒子を乾燥することを特徴とする燃料電池用電極層の製造方法である。
To solve this problem,
The invention according to claim 1 is a method of forming an electrode layer for a fuel cell by applying a catalyst ink containing catalyst-carrying particles, an ion conductive polymer and a solvent to a target made of a polymer film or a diffusion film by an ultrasonic spray device. Because
A method for producing an electrode layer for a fuel cell, wherein the ink particles are dried such that the ink particles sprayed from an ultrasonic spray device adhere to the target surface in a substantially or completely dried state.

請求項2にかかる発明は、超音波スプレー装置とターゲットとの距離を調整して、超音波スプレー装置から噴霧されたインク粒子がほぼもしくは完全に乾燥された状態でターゲット表面に付着するように該インク粒子を乾燥することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極層の製造方法である。   The invention according to claim 2 adjusts the distance between the ultrasonic spray device and the target so that the ink particles sprayed from the ultrasonic spray device adhere to the target surface in a substantially or completely dried state. 2. The method for producing a fuel cell electrode layer according to claim 1, wherein the ink particles are dried.

請求項3にかかる発明は、超音波スプレー装置とターゲットとの間の空間を加熱して、超音波スプレー装置から噴霧されたインク粒子がほぼもしくは完全に乾燥された状態でターゲット表面に付着するように該インク粒子を乾燥することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極層の製造方法である。   The invention according to claim 3 heats the space between the ultrasonic spray device and the target so that the ink particles sprayed from the ultrasonic spray device adhere to the target surface in a substantially or completely dried state. 2. The method for producing a fuel cell electrode layer according to claim 1, wherein the ink particles are dried.

請求項4にかかる発明は、超音波スプレー装置とターゲットとの間に、インク粒子の飛散を防止する飛散防止体を設けて噴霧することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極層の製造方法である。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell electrode layer according to the first aspect, in which an anti-scattering body for preventing ink particles from scattering is provided between the ultrasonic spray device and the target for spraying. It is a manufacturing method.

請求項5にかかる発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の製造方法で製造された燃料電池用電極層である。   A fifth aspect of the present invention is a fuel cell electrode layer manufactured by the manufacturing method according to any one of the first to fourth aspects.

請求項6にかかる発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の製造方法で製造された燃料電池用電極層であって、
触媒担持粒子とイオン導電性ポリマーとからなる触媒一次粒子が多数集合してなる多孔質の触媒二次粒子がさらに多数集合してなる多孔質の集合体から構成された燃料電池用電極層である。
The invention according to claim 6 is an electrode layer for a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 4,
An electrode layer for a fuel cell comprising a porous aggregate formed by aggregating a large number of porous secondary catalyst particles composed of a large number of catalyst primary particles composed of catalyst-carrying particles and an ion conductive polymer. .

請求項7にかかる発明は、触媒二次粒子の形状が球状である請求項5または6記載の燃料電池用電極層である。   The invention according to claim 7 is the electrode layer for a fuel cell according to claim 5 or 6, wherein the shape of the catalyst secondary particles is spherical.

請求項8にかかる発明は、請求項5ないし7のいずれかに記載の燃料電池用電極層を備えた燃料電池である。   The invention according to claim 8 is a fuel cell comprising the electrode layer for fuel cell according to any one of claims 5 to 7.

本発明によれば、電極層が多数の触媒二次粒子が独立した形態で集合して形成されて内部に多くの空隙を有する多孔質となっており、さらに触媒二次粒子自体も内部に多数の空隙を有するものであるので、触媒反応に関与する実質的な表面積が大きく、燃料、酸化剤の侵入、拡散が容易である構造の電極層を得ることができる。
このため、この電極層を備えた燃料電池は、性能の高いものとなる。
According to the present invention, the electrode layer is formed by aggregating a large number of catalyst secondary particles in an independent form and has a large number of voids inside, and the catalyst secondary particles themselves are also numerous inside. Therefore, it is possible to obtain an electrode layer having a structure in which the substantial surface area involved in the catalytic reaction is large and the fuel and the oxidant can easily enter and diffuse.
For this reason, the fuel cell provided with this electrode layer has high performance.

図1は、この発明の電極層の製造方法によって得られた電極層の一例を模式的に示すものである。
図1において、符号21はカーボンペーパーなどからなる拡散層を示し、符号22は、この拡散層21表面に形成された電極層を示す。この電極層22は、膜電極接合体のアノード電極層またはカソード電極層とされるものである。
FIG. 1 schematically shows an example of an electrode layer obtained by the method for producing an electrode layer of the present invention.
In FIG. 1, the code | symbol 21 shows the diffusion layer which consists of carbon paper etc., and the code | symbol 22 shows the electrode layer formed in this diffusion layer 21 surface. The electrode layer 22 is an anode electrode layer or a cathode electrode layer of the membrane electrode assembly.

電極層22は、厚さ10〜20μm程度の膜状のもので、無数の触媒二次粒子23、23・・・が集合した集合体から構成されている。触媒二次粒子23は、相互に点接触に近い状態で集合しており、触媒二次粒子23、23・・間には微小な空間が無数に存在し、電極層22全体では、空隙率が高い多孔質となっている。触媒二次粒子23相互は、イオン導電性ポリマーにより結合されている。   The electrode layer 22 is in the form of a film having a thickness of about 10 to 20 μm, and is composed of an aggregate of innumerable catalyst secondary particles 23, 23. The catalyst secondary particles 23 are aggregated in a state close to point contact with each other, and there are an infinite number of minute spaces between the catalyst secondary particles 23, 23... It is highly porous. The catalyst secondary particles 23 are bonded to each other by an ion conductive polymer.

前記触媒二次粒子23は、粒径1〜30μm程度の球形あるいは不定形の粒子であり、その表面には無数の凹凸が存在し、かつ内部の空間に連通する無数の空洞が開口しており、触媒二次粒子23自体も多孔質となっている。
そして、1個の触媒二次粒子23は、さらに無数の触媒一次粒子が集合した集合体から構成されている。
The catalyst secondary particles 23 are spherical or indeterminate particles having a particle diameter of about 1 to 30 μm, the surface has innumerable irregularities, and innumerable cavities communicating with the internal space are opened. The catalyst secondary particles 23 themselves are also porous.
One catalyst secondary particle 23 is composed of an aggregate in which an infinite number of catalyst primary particles are aggregated.

触媒一次粒子は、粒径が10〜100nmの粒子であり、触媒担持粒子とこの表面を薄く被覆するアイオノマーなどのイオン伝導性ポリマーからなる樹脂膜とから構成されている。
前記触媒担持粒子は、径10〜80nmのカーボンパウダーなどの導電性微粒子からなる担体の表面に、径1〜5nmの白金、パラジウム、イリジウムなどの触媒金属微粒子を付着、担持させたものである。
The primary catalyst particles are particles having a particle size of 10 to 100 nm, and are composed of catalyst-supporting particles and a resin film made of an ion conductive polymer such as an ionomer that covers the surface thinly.
The catalyst-carrying particles are particles in which catalyst metal fine particles such as platinum, palladium and iridium having a diameter of 1 to 5 nm are attached and supported on the surface of a carrier made of conductive fine particles such as carbon powder having a diameter of 10 to 80 nm.

このような構造の電極層22にあっては、電極層22が多孔質で個々の触媒二次粒子23、23・・間に空間があり、しかも触媒二次粒子23も多孔質であるので、層全体の反応に関与する実質的な表面積が極めて多くなり、かつ触媒担持粒子の多くが空間に面することになるので、触媒機能が最大限に発揮され、燃料あるいは酸化剤との触媒反応が効率よく進行する。   In the electrode layer 22 having such a structure, since the electrode layer 22 is porous and there is a space between the individual catalyst secondary particles 23, 23..., And the catalyst secondary particles 23 are also porous, The substantial surface area involved in the reaction of the entire layer becomes extremely large, and many of the catalyst-carrying particles face the space, so that the catalytic function is maximized and the catalytic reaction with the fuel or oxidant is performed. Proceed efficiently.

また、この空間には、燃料、酸化剤が容易に侵入、拡散していき、また電極反応で生成した水分の排除を容易となる。
さらに、空間を通して高分子電解膜まで水分が透過し、高分子電解質膜の湿潤性が保たれ、水素イオンの伝導性が向上する。
In addition, the fuel and the oxidant easily enter and diffuse into this space, and the water generated by the electrode reaction can be easily removed.
Furthermore, moisture permeates through the space to the polymer electrolyte membrane, the wettability of the polymer electrolyte membrane is maintained, and the hydrogen ion conductivity is improved.

次に、前記電極層22の製造方法について説明する。
図2は、本発明の電極層22の製造方法の一例を示すものである。
図2において、符号31は、超音波スプレー装置を示し、符号32はターゲットを示す。ターゲット32は、拡散層または高分子電解質膜である。
Next, a method for manufacturing the electrode layer 22 will be described.
FIG. 2 shows an example of a method for producing the electrode layer 22 of the present invention.
In FIG. 2, the code | symbol 31 shows an ultrasonic spray apparatus and the code | symbol 32 shows a target. The target 32 is a diffusion layer or a polymer electrolyte membrane.

超音波スプレー装置31は、後述の組成の触媒インクに超音波発振子からの20〜100kHz程度の超音波振動を与えて触媒インクを微細な粒子からなる霧状物とするもので、アメリカ、ドイツなどで塗装用として一般に市販されている装置を使用することができる。超音波スプレー装置31の超音波出力は3〜10W程度とされるが、この範囲に限定されることはない。   The ultrasonic spray device 31 is a device that applies ultrasonic vibration of about 20 to 100 kHz from an ultrasonic oscillator to a catalyst ink having a composition described later to make the catalyst ink a mist of fine particles. For example, a commercially available apparatus for painting can be used. The ultrasonic output of the ultrasonic spray device 31 is about 3 to 10 W, but is not limited to this range.

触媒インクとしては、例えば、粒径1〜5nm程度の白金やパラジウム、イリジウムなどの貴金属微粒子を一次粒径20〜50nmのカーボンブラックなどの導電性粒子からなる担体に30〜60重量%程度担持させた触媒担持粒子を用い、この触媒担持粒子をイソプロパノールなどの有機溶媒と水などとからなる溶剤に分散させた後、イオン導電性ポリマーであるNafion(デュポン社製、商品名)溶液などを3〜10重量%混合してなるものである。溶剤の組成、含有量を変化させることで、触媒インクの乾燥速度を調整することができる。   As the catalyst ink, for example, noble metal fine particles such as platinum, palladium and iridium having a particle diameter of about 1 to 5 nm are supported on a carrier made of conductive particles such as carbon black having a primary particle diameter of 20 to 50 nm by about 30 to 60% by weight. The catalyst-carrying particles are dispersed in a solvent composed of an organic solvent such as isopropanol and water, and then a Nafion (trade name) solution, which is an ion conductive polymer, is used. 10% by weight mixed. The drying speed of the catalyst ink can be adjusted by changing the composition and content of the solvent.

超音波スプレー装置31のノズル31Aから噴霧された霧状物は、超音波スプレー装置31の下方に配置されたターゲット32に向けて、空中を浮遊しつつ落下してゆき、ターゲット32上に付着、堆積して、電極層22が形成される。
霧状物を構成する粒子は、前記触媒二次粒子23となる液滴であり、噴霧直後は溶剤が含まれた液状であるので、表面張力により形状が球状となる。
The mist sprayed from the nozzle 31 </ b> A of the ultrasonic spray device 31 falls toward the target 32 disposed below the ultrasonic spray device 31 while floating in the air and adheres to the target 32. As a result, the electrode layer 22 is formed.
The particles constituting the mist are droplets that become the catalyst secondary particles 23 and are in a liquid state containing a solvent immediately after spraying, so that the shape becomes spherical due to surface tension.

そして、霧状物がターゲット32の表面に付着する際、霧状物を構成する個々の液滴から溶剤が揮発し、触媒二次粒子23となる微細粒子の表面が乾燥した状態であることが必要である。すなわち、球状の液滴から溶剤が徐々に揮発し、乾燥が進んだ状態で球状を維持しつつターゲット32に付着するようになされ、これによりターゲット32に付着した際には触媒二次粒子23となり、触媒二次粒子23が相互に融合して一つの粒子になることがなくなるようになされる。   When the mist adheres to the surface of the target 32, the solvent volatilizes from the individual droplets constituting the mist, and the surface of the fine particles serving as the catalyst secondary particles 23 is in a dry state. is necessary. That is, the solvent gradually volatilizes from the spherical droplets, and while adhering to the target 32 while maintaining the spherical shape in a state where drying progresses, the catalyst secondary particles 23 are formed when adhering to the target 32. Thus, the catalyst secondary particles 23 are not fused together to become one particle.

ここで、ほぼ乾燥状態とは、液滴粒子の表面が乾燥し、内部が乾燥していない状態を言い、触媒二次粒子はそれぞれ粒子のまま連結する。乾燥状態が弱い場合、球状ではなく、ヒダが形成された梅干し状の触媒二次粒子23が連結した構造の電極層が形成されることになる。
この構造の電極層も本発明の技術的範囲に包含される。この構造の電極層では、実質的な表面積は、触媒二次粒子が球状であるものに比較して大きくなるが、ガス拡散性はやや小さくなる。
Here, the substantially dry state means a state in which the surface of the droplet particles is dried and the inside is not dried, and the catalyst secondary particles are connected as particles. When the dry state is weak, an electrode layer having a structure in which umeboshi-shaped secondary catalyst particles 23 in which pleats are formed is connected instead of being spherical.
The electrode layer having this structure is also included in the technical scope of the present invention. In the electrode layer having this structure, the substantial surface area is larger than that in which the catalyst secondary particles are spherical, but the gas diffusivity is slightly reduced.

この要件を満たすための第1の方法には、超音波スプレー装置31とターゲット32との距離Dを適切に調整して、空気中で微細粒子から自然に溶剤が揮発する状態で、ターゲット32に付着させる方法がある。
適切な距離は、種々の操作条件、例えば雰囲気の温度、湿度、超音波出力、超音波振動数、触媒インク中の溶剤の種類、含有量などによって左右され、その都度予備実験を実施して適切な距離Dを決定することになる。
通常適切な距離Dは、50〜70cm程度が好ましい範囲となるが、これに限定されることはない。
In the first method for satisfying this requirement, the distance D between the ultrasonic spray device 31 and the target 32 is appropriately adjusted, and the solvent is volatilized spontaneously from fine particles in the air. There is a method of attaching.
The appropriate distance depends on various operating conditions, such as ambient temperature, humidity, ultrasonic output, ultrasonic frequency, type of solvent in the catalyst ink, content, etc. A proper distance D is determined.
Usually, the suitable distance D is preferably in the range of about 50 to 70 cm, but is not limited thereto.

第2の方法は、図3に示すように、超音波スプレー装置31とターゲット32との間の側方に赤外線ランプなどの熱源33を設け、この熱源33からの熱を降下中の霧状物に与えて、触媒インクの微細粒子からの溶剤の揮発を促して溶剤が揮発しきった状態でターゲット32に付着させる方法である。   In the second method, as shown in FIG. 3, a heat source 33 such as an infrared lamp is provided on the side between the ultrasonic spray device 31 and the target 32, and the mist is dropping the heat from the heat source 33. In other words, the solvent is volatilized from the fine particles of the catalyst ink to adhere to the target 32 in a state where the solvent is completely volatilized.

この方法では、微細粒子からの溶剤の揮発が速やかに行われるので、超音波スプレー装置31とターゲット32との距離Dを短くできる。
熱源33からの熱量は、先と同様に種々の操作条件によって左右されるので、予備実験を行って定めることになる。
なお、温風を当てると霧状物が飛散して好ましくない。
In this method, since the solvent is volatilized from the fine particles quickly, the distance D between the ultrasonic spray device 31 and the target 32 can be shortened.
The amount of heat from the heat source 33 depends on various operating conditions in the same manner as described above, and is determined by conducting a preliminary experiment.
In addition, when hot air is applied, the mist is scattered, which is not preferable.

また、超音波スプレー装置31から噴霧される霧状物は、空気中を浮遊しつつターゲット32に向けて降下するため、その一部が室内の空気の流れなどにより外部に流れて飛散し、ターゲット32に付着しないものがある。この場合、当然のことながら、高価な白金触媒などを含む触媒インクの無駄になる。   Further, since the mist sprayed from the ultrasonic spray device 31 descends toward the target 32 while floating in the air, a part of the mist flows to the outside due to the flow of air in the room, etc. Some do not adhere to 32. In this case, as a matter of course, catalyst ink containing an expensive platinum catalyst or the like is wasted.

この霧状物の飛散を防止するため、図4に示すようなフード状の飛散防止体34を超音波スプレー装置31とターゲット32との間に配置することができる。この飛散防止体34は、円錐状の筒体などの形状であってもよい。
この飛散防止体34を用いることで、霧状物の外部への飛散、散逸が免れ、触媒インクの無駄がなくなる。
また、飛散防止体34内において生じる気流により、霧状物の浮遊時間が長くなり、溶剤の揮発が十分に行われ、球状の触媒二次粒子23が得られやすくなる。
In order to prevent the mist from scattering, a hood-like scattering prevention body 34 as shown in FIG. 4 can be disposed between the ultrasonic spray device 31 and the target 32. The scattering prevention body 34 may have a shape such as a conical cylinder.
By using this scattering prevention body 34, scattering and dissipation of the mist-like material are avoided, and the waste of the catalyst ink is eliminated.
In addition, the airflow generated in the scattering prevention body 34 increases the mist-like floating time, sufficiently volatilizes the solvent, and makes it easy to obtain the spherical catalyst secondary particles 23.

また、飛散防止体34をガラス板、アクリル樹脂板などの透明材料で作製すれば、内部の状況を視認でき、かつ外部に配置した赤外線ランプなどの熱源33からの熱を内部に導入することができる。
さらに、図5に示すように、飛散防止体34の周囲にニクロム線などのヒーター35を巻き付けて、飛散防止体34の内部空間を加熱することもできる。
Further, if the scattering prevention body 34 is made of a transparent material such as a glass plate or an acrylic resin plate, the internal situation can be visually confirmed, and heat from the heat source 33 such as an infrared lamp arranged outside can be introduced into the inside. it can.
Furthermore, as shown in FIG. 5, a heater 35 such as a nichrome wire can be wound around the scattering prevention body 34 to heat the internal space of the scattering prevention body 34.

また、ターゲット32が大面積である場合、飛散防止体34を付設した超音波スプレー装置31をターゲット32の寸法、形状などに応じて複数基配置して、噴霧するようにすることが望ましい。   Further, when the target 32 has a large area, it is desirable to spray by arranging a plurality of ultrasonic spray devices 31 provided with the scattering prevention body 34 according to the size, shape, etc. of the target 32.

上述の製造方法で、ターゲット32表面に付着している触媒二次粒子23、23・・を完全に乾燥した状態で付着した場合は、ターゲット32表面との接着力が不十分となり、後工程においてターゲット32から脱落する恐れがある。
このため、塗布の最終段階で、超音波スプレー装置31とターゲット32との距離Dを近づけるあるいは加熱を停止するなどして、未乾燥状態の微細粒子が最上層に付着するようにし、微細粒子の表面の溶解状態のイオン伝導性ポリマーによって、触媒二次粒子23、23・・を結合し、ターゲット32に対する固定力を高めるようにする。
このような電極層の製造方法によれば、図1に示すような構造の電極層を得ることができる。
In the above manufacturing method, when the catalyst secondary particles 23, 23... Adhering to the surface of the target 32 are attached in a completely dry state, the adhesive force with the surface of the target 32 becomes insufficient, and in the subsequent process There is a risk of falling off the target 32.
For this reason, in the final stage of application, the distance D between the ultrasonic spray device 31 and the target 32 is reduced or heating is stopped so that undried fine particles adhere to the uppermost layer. The secondary catalyst particles 23, 23,... Are bonded to each other by the ion-conductive polymer in a dissolved state on the surface, and the fixing force to the target 32 is increased.
According to such an electrode layer manufacturing method, an electrode layer having a structure as shown in FIG. 1 can be obtained.

なお、特開2001−185163号公報、特開2007−149503号公報、特開2007−323824号公報、特開2008−27799号公報には、触媒インクをスプレードライ法によって乾燥、造粒し、得られた粒子を静電力などによりターゲット表面に付着させたのち、加熱、加圧して粒子をターゲットに固定する技術が開示されている。
しかし、この技術では、粒子自体が球状とはなりにくく、またターゲットへの固定のために加熱、加圧しているので、粒子が変形し、粒子間の間隙も少なくなり、図1に示した本発明の電極層とは、異なる形態(モルホロジー)を呈するものとなる。
In JP-A No. 2001-185163, JP-A No. 2007-149503, JP-A No. 2007-323824, and JP-A No. 2008-27799, a catalyst ink is dried and granulated by a spray drying method. A technique is disclosed in which particles are adhered to a target surface by electrostatic force or the like, and then heated and pressurized to fix the particles to the target.
However, with this technique, the particles themselves are unlikely to be spherical, and since they are heated and pressurized for fixation to the target, the particles are deformed and the gaps between the particles are reduced, and the book shown in FIG. The electrode layer of the invention exhibits a different form (morphology).

本発明の燃料電池用は、上述のような製法により作製された電極層22を備えたものである。すなわち、拡散層または高分子電解質膜に上述の製造方法により電極層を形成して膜電極接合体(MEA)を作製し、この膜電極接合体と板状のスペーサをガスケットを介して組み合わせたセルを有する高分子電解質型の燃料電池である。
この燃料電池では、以上述べたようにその性能が高いものとなる。
The fuel cell of the present invention is provided with the electrode layer 22 produced by the manufacturing method as described above. That is, a cell in which a membrane electrode assembly (MEA) is formed by forming an electrode layer on the diffusion layer or polymer electrolyte membrane by the above-described manufacturing method, and this membrane electrode assembly and a plate-like spacer are combined through a gasket. It is a polymer electrolyte type fuel cell having
This fuel cell has high performance as described above.

以下、具体例を示す。
(触媒インクの調製)
平均粒径3nmの白金粒子を平均一次粒径30nmのカーボンブラック(バルカンX72(キャボット社製))に50重量%担持させた触媒担持粒子(TEC10V50TPM(田中貴金属社製))を用いた。この触媒担持粒子をイソプロパノールと水(重量比4:1)との溶剤に分散させた後、高分子電解質であるNafion溶液(デュポン社製、商品名)を5重量%混合して、触媒インクを作製した。
Specific examples are shown below.
(Preparation of catalyst ink)
Catalyst-supported particles (TEC10V50TPM (manufactured by Tanaka Kikinzoku)) in which 50% by weight of platinum particles having an average particle diameter of 3 nm were supported on carbon black (Vulcan X72 (manufactured by Cabot)) having an average primary particle diameter of 30 nm were used. The catalyst-supported particles are dispersed in a solvent of isopropanol and water (4: 1 by weight), and then 5% by weight of a polymer electrolyte Nafion solution (manufactured by DuPont, trade name) is mixed. Produced.

(従来例)
前記触媒インクを使用して、拡散層となるカーボンペーパーに対して、従来の空気噴霧スプレー装置により塗布を行った。
図6に塗布面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図6から、インク粒子が融合して平坦な塗布膜になり、多数のひび割れが生じている状態がわかる。
(Conventional example)
Using the catalyst ink, the carbon paper serving as the diffusion layer was applied by a conventional air spray device.
FIG. 6 shows a scanning electron micrograph of the coated surface. From FIG. 6, it can be seen that the ink particles are fused to form a flat coating film, and a number of cracks are generated.

(比較例)
前記触媒インクを使用して、拡散層となるカーボンペーパーに対して、超音波スプレー装置により塗布を行った。超音波スプレー装置には、LECHLER社製Ultrasonic atomimizer US2を用い、超音波周波数58kHz、出力8Wとし、そのノズルとカーボンペーパーとの距離を30mmとした。雰囲気温度は、27℃である。
図7に塗布面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図7から、触媒二次粒子が相互に融合して、凹凸の激しい表面が形成されている。これは、前記距離が短く、カーボンペーパー状で触媒インクの溶媒が残り、それが次いで乾燥したためである。
(Comparative example)
Using the catalyst ink, coating was performed by an ultrasonic spray device on carbon paper to be a diffusion layer. As the ultrasonic spray device, Ultrasonic atomizer US2 manufactured by LECHLER was used, the ultrasonic frequency was 58 kHz, the output was 8 W, and the distance between the nozzle and the carbon paper was 30 mm. The ambient temperature is 27 ° C.
FIG. 7 shows a scanning electron micrograph of the coated surface. As shown in FIG. 7, the catalyst secondary particles are fused with each other to form a highly uneven surface. This is because the distance is short, and the solvent of the catalyst ink remains in the form of carbon paper, which is then dried.

(実施例1)
前記触媒インクを使用して、拡散層となるカーボンペーパーに対して、超音波スプレー装置により塗布を行った。超音波スプレー装置には、LECHLER社製Ultrasonic atomimizer US2を用い、超音波周波数58kHz、出力8Wとし、そのノズルとカーボンペーパーとの距離を500mmとした。雰囲気温度は、27℃である。
図8に塗布面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図8から、空中で乾燥した触媒二次粒子が個々に独立して堆積した様子が明確に確認できる。
図9は、図8の写真の倍率を大きくしたものである。図10は、塗布面を切断した切断面の走査型電子顕微鏡写真である。図9、図10からも球形の触媒二次粒子が明確に存在していることがわかる。
(Example 1)
Using the catalyst ink, coating was performed by an ultrasonic spray device on carbon paper to be a diffusion layer. As the ultrasonic spray device, Ultrasonic atomizer US2 manufactured by LECHLER was used, the ultrasonic frequency was 58 kHz, the output was 8 W, and the distance between the nozzle and the carbon paper was 500 mm. The ambient temperature is 27 ° C.
FIG. 8 shows a scanning electron micrograph of the coated surface. FIG. 8 clearly shows that the catalyst secondary particles dried in the air are individually deposited.
FIG. 9 is an enlarged view of the photograph in FIG. FIG. 10 is a scanning electron micrograph of the cut surface obtained by cutting the coated surface. 9 and 10 that spherical catalyst secondary particles are clearly present.

(実施例2)
前記触媒インクを使用して、拡散層となるカーボンペーパーに対して、超音波スプレー装置により塗布を行った。超音波スプレー装置には、LECHLER社製Ultrasonic atomimizer US2を用い、超音波周波数58kHz、出力8Wとし、そのノズルとカーボンペーパーとの距離を50mmとした。雰囲気温度は、27℃である。
図11に塗布面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図11から、触媒二次粒子が半乾燥状態で、カーボンペーパーに付着し溶媒が乾燥して表面にしわが形成された粒子が堆積した状態となっている。
(Example 2)
Using the catalyst ink, coating was performed by an ultrasonic spray device on carbon paper to be a diffusion layer. For the ultrasonic spray device, Ultrasonic atomizer US2 manufactured by LECHLER was used, the ultrasonic frequency was 58 kHz, the output was 8 W, and the distance between the nozzle and the carbon paper was 50 mm. The ambient temperature is 27 ° C.
FIG. 11 shows a scanning electron micrograph of the coated surface. From FIG. 11, the catalyst secondary particles are in a semi-dried state, and are attached to the carbon paper, the solvent is dried, and particles having wrinkles formed on the surface are deposited.

図12のグラフは、前記実施例1と従来例の電極層を用いて構成したセルの性能を比較したもので、試験条件は、燃料:水素、酸化剤:空気、温度80℃、加湿度122%、触媒量:白金1mg/cm、セル面積25cm2である。
このグラフから、本発明の電極層を用いたセルでは、良好な性能が得られることがわかる。
The graph of FIG. 12 compares the performance of the cell constructed using the electrode layer of Example 1 and the conventional example, and the test conditions are fuel: hydrogen, oxidant: air, temperature 80 ° C., humidification 122 %, Catalyst amount: platinum 1 mg / cm 2 , cell area 25 cm 2.
From this graph, it can be seen that good performance can be obtained in the cell using the electrode layer of the present invention.

本発明の電極層の一例を模式的に示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed an example of the electrode layer of this invention typically. 本発明の電極層の製造方法の第1の方法を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 1st method of the manufacturing method of the electrode layer of this invention. 本発明の電極層の製造方法の第2の方法を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 2nd method of the manufacturing method of the electrode layer of this invention. 本発明の電極層の製造方法の第2の方法の他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of the 2nd method of the manufacturing method of the electrode layer of this invention. 本発明の電極層の製造方法の第2の方法の他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of the 2nd method of the manufacturing method of the electrode layer of this invention. 従来例の結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph which shows the result of a prior art example. 比較例の結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph which shows the result of a comparative example. 実施例1の結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph showing the results of Example 1. FIG. 実施例1の結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph showing the results of Example 1. FIG. 実施例1の結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph showing the results of Example 1. FIG. 実施例2の結果を示す走査型電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph showing the results of Example 2. FIG. 実施例1と比較例の電極層を用いたセルの性能を示すグラフである。It is a graph which shows the performance of the cell using the electrode layer of Example 1 and a comparative example. 本発明にかかる固体高分子型燃料電池における膜電極複合体の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the example of the membrane electrode assembly in the polymer electrolyte fuel cell concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

21・・拡散層、22・・電極層、23・・触媒担持粒子、31・・超音波スプレー装置、32・・ターゲット、33・・熱源、34・・飛散防止体、35・・ヒータ 21 .... Diffusion layer, 22 .... Electrode layer, 23 ... Catalyst-supported particles, 31 ... Ultrasonic spray device, 32 ... Target, 33 ... Heat source, 34 ... Spattering prevention body, 35 ... Heater

Claims (8)

触媒担持粒子とイオン伝導性ポリマーと溶剤を含む触媒インクを超音波スプレー装置により高分子膜または拡散層からなるターゲットに塗布して燃料電池用電極層を形成する方法であって、
超音波スプレー装置から噴霧されたインク粒子がほぼもしくは完全に乾燥された状態でターゲット表面に付着するように該インク粒子を乾燥することを特徴とする燃料電池用電極層の製造方法。
A method of forming an electrode layer for a fuel cell by applying a catalyst ink containing catalyst-carrying particles, an ion conductive polymer, and a solvent to a target composed of a polymer film or a diffusion layer using an ultrasonic spray device,
A method for producing an electrode layer for a fuel cell, wherein the ink particles sprayed from an ultrasonic spray device are dried so that the ink particles adhere to the target surface in a substantially or completely dried state.
超音波スプレー装置とターゲットとの距離を調整して、超音波スプレー装置から噴霧されたインク粒子がほぼもしくは完全に乾燥された状態でターゲット表面に付着するように該インク粒子を乾燥することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極層の製造方法。   The distance between the ultrasonic spray device and the target is adjusted, and the ink particles sprayed from the ultrasonic spray device are dried so that the ink particles adhere to the target surface in a substantially or completely dried state. The method for producing an electrode layer for a fuel cell according to claim 1. 超音波スプレー装置とターゲットとの間の空間を加熱して、超音波スプレー装置から噴霧されたインク粒子がほぼもしくは完全乾燥された状態でターゲット表面に付着するように該インク粒子を乾燥することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極層の製造方法。   The space between the ultrasonic spray device and the target is heated to dry the ink particles so that the ink particles sprayed from the ultrasonic spray device adhere to the target surface in a substantially or completely dried state. The method for producing an electrode layer for a fuel cell according to claim 1. 超音波スプレー装置とターゲットとの間に、インク粒子の飛散を防止する飛散防止体を設けて噴霧することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極層の製造方法。   The method for producing an electrode layer for a fuel cell according to claim 1, wherein a spraying prevention body for preventing scattering of ink particles is provided between the ultrasonic spray device and the target for spraying. 請求項1ないし4のいずれかに記載の製造方法で製造された燃料電池用電極層。   The electrode layer for fuel cells manufactured with the manufacturing method in any one of Claims 1 thru | or 4. 請求項1ないし4のいずれかに記載の製造方法で製造された燃料電池用電極層であって、
触媒担持粒子とイオン導電性ポリマーとからなる触媒一次粒子が多数集合してなる多孔質の触媒二次粒子がさらに多数集合してなる多孔質の集合体から構成された燃料電池用電極層。
A fuel cell electrode layer manufactured by the manufacturing method according to claim 1,
An electrode layer for a fuel cell comprising a porous aggregate formed by further collecting a large number of porous catalyst secondary particles formed by aggregating a large number of catalyst primary particles composed of catalyst-carrying particles and an ion conductive polymer.
触媒二次粒子の形状が球状である請求項5または6記載の燃料電池用電極層。   The electrode layer for a fuel cell according to claim 5 or 6, wherein the shape of the catalyst secondary particles is spherical. 請求項5ないし7のいずれかに記載の燃料電池用電極層を備えた燃料電池。   A fuel cell comprising the fuel cell electrode layer according to claim 5.
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