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JP2003173785A - Forming method and device of catalyst layer for solid polymer fuel cell - Google Patents

Forming method and device of catalyst layer for solid polymer fuel cell

Info

Publication number
JP2003173785A
JP2003173785A JP2001371522A JP2001371522A JP2003173785A JP 2003173785 A JP2003173785 A JP 2003173785A JP 2001371522 A JP2001371522 A JP 2001371522A JP 2001371522 A JP2001371522 A JP 2001371522A JP 2003173785 A JP2003173785 A JP 2003173785A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst layer
kinds
catalyst
droplets
mixed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001371522A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuhiro Yoshida
育弘 吉田
Osamu Hiroi
治 廣井
Hisatoshi Fukumoto
久敏 福本
Hideo Maeda
秀雄 前田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2001371522A priority Critical patent/JP2003173785A/en
Publication of JP2003173785A publication Critical patent/JP2003173785A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a forming method of a catalyst layer for a solid polymer fuel cell with a fine structure having a good ion conductivity, gas permeability and electron conductivity. <P>SOLUTION: With the forming method of a catalyst layer for a solid polymer fuel cell in which a catalyst layer is formed by applying mixture liquid containing catalyst-supporting carbon powder and a proton conductive polymer on a base material, two or more kinds of liquid drops with different composition are formed from two or more kinds of mixture liquid with different composition to apply on the base material. With this, a catalyst layer can be made in a fine structure having a good ion conductivity, gas permeability and electron conductivity, so that a fuel cell equipped with it can improve power generation. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池用触媒層の形成方法及びその形成装置に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for forming a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell and an apparatus for forming the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、水素やメタノール等の燃料
を電気化学的に酸化し、燃料の化学エネルギーを直接電
気エネルギーとして取り出すため高効率であり、また、
その反応生成物が原理的に水のみであるためクリーンな
発電システムとして注目されている。この燃料電池に
は、使用される電解質の種類から、リン酸型、溶融炭酸
塩型、固体高分子型などがあるが、中でも低温で作動
し、小型化が可能な点で優位である固体高分子型燃料電
池については、研究開発が盛んに進められつつある。
2. Description of the Related Art A fuel cell is highly efficient because it electrochemically oxidizes a fuel such as hydrogen or methanol and directly extracts the chemical energy of the fuel as electrical energy.
Since the reaction product is only water in principle, it is attracting attention as a clean power generation system. Depending on the type of electrolyte used, there are phosphoric acid type, molten carbonate type, solid polymer type, etc. in this fuel cell. Among them, the solid high type which is advantageous in that it operates at low temperature and can be downsized Research and development of molecular fuel cells are being actively pursued.

【0003】固体高分子型燃料電池の基本構成は、固体
高分子電解質膜の両面に触媒層を形成し、導電性の多孔
体膜からなる燃料ガス供給層と空気供給層でこれを挟み
込む形で積層されたものである。この燃料電池の発電能
力に影響を与える最も重要な因子の1つは触媒層であ
り、触媒を担持した炭素粉末とプロトン伝導性ポリマー
からなる多孔体である。触媒層中の空孔を通して反応ガ
スや生成水、含水したプロトン伝導性ポリマーを通して
プロトン、炭素粉末を通して電子が、それぞれ供給ある
いは取り出され、これらの物質移動が効率良くできる微
細構造を形成することが高い発電能力実現のために重要
である。この触媒層の微細構造の最適化は、触媒が有効
利用という点でも大きな意義がある。通常、触媒は白金
等の貴金属が用いられているため、使用量を少なくする
ことはコスト的に非常に好ましい。この触媒を無駄なく
塗布して触媒層とし、これを高い効率で機能させること
が可能な触媒層の形成方法の実現が必要である。
The basic structure of a solid polymer electrolyte fuel cell is such that a catalyst layer is formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a fuel gas supply layer and an air supply layer made of a conductive porous membrane sandwich the catalyst layer. It is laminated. One of the most important factors affecting the power generation capacity of this fuel cell is the catalyst layer, which is a porous body composed of carbon powder carrying a catalyst and a proton conductive polymer. Reaction gas, generated water, protons through the proton-conducting polymer containing water, and electrons through the carbon powder, respectively, are supplied or taken out through the pores in the catalyst layer, which often form a fine structure capable of efficient mass transfer. It is important for realizing the power generation capacity. The optimization of the fine structure of the catalyst layer has great significance in that the catalyst is effectively used. Usually, a noble metal such as platinum is used as the catalyst, and it is very preferable in terms of cost to reduce the amount used. It is necessary to realize a method of forming a catalyst layer that can apply this catalyst without waste to form a catalyst layer and make it function with high efficiency.

【0004】触媒層の形成方法は、触媒を担持した炭素
粉末、プロトン伝導性ポリマー等を分散させた混合液を
調製し、イオン交換膜上あるいはガス供給層に直接塗布
して適用する方法が一般的である。この混合液の塗布条
件、混合液組成を工夫することによって触媒層の望まし
い微細構造を得ようとする試みが数多く行われている。
特開2000−260435号公報に開示されているよ
うに、混合液に増孔剤を加えたり、特開2001−11
0430号公報に開示されているように、混合液にガス
発生剤を加えたりして触媒層を多孔化させ物質移動が効
率よくできる微細構造を形成する方法などがある。
The catalyst layer is generally formed by preparing a mixed solution in which a carbon powder carrying a catalyst, a proton conductive polymer and the like are dispersed, and then directly coating it on the ion exchange membrane or on the gas supply layer. Target. Many attempts have been made to obtain the desired fine structure of the catalyst layer by devising the coating conditions and composition of the mixed solution.
As disclosed in JP-A-2000-260435, a pore-forming agent may be added to the mixed solution, or JP-A-2001-11
As disclosed in Japanese Patent No. 0430, there is a method of forming a fine structure capable of efficient mass transfer by adding a gas generating agent to a mixed solution to make the catalyst layer porous.

【0005】こうして形成される触媒層の多孔構造に対
して、さらに物質移動が良好に行われるような工夫も各
種なされている。特開平11−40172号公報に開示
されているように、触媒層上にプロトン伝導性ポリマー
層を形成する方法、特開2001−76734号公報に
開示されるように、撥水剤を添加することで反応生成水
の排出を良好に行えるようにする方法などがある。
With respect to the porous structure of the catalyst layer thus formed, various measures have been taken so that mass transfer can be more favorably carried out. A method of forming a proton conductive polymer layer on a catalyst layer as disclosed in JP-A-11-40172, and a method of adding a water repellent agent as disclosed in JP-A-2001-76734. There is a method of allowing the reaction product water to be discharged well.

【0006】しかしながら、上記文献等に記載されてい
る混合液に多孔化のための添加物を加える方法では、使
用できる溶剤が限定され、混合液の安定性も低くなり安
定した生産を行うことが困難となるばかりでなく、洗浄
等余分な工程が必要になる場合が多いという問題があ
る。また、触媒層を多層化するような方法では、工程が
複雑になるという欠点を有していた。
However, in the method of adding the additive for porosity to the mixed solution described in the above-mentioned documents, etc., the usable solvent is limited, the stability of the mixed solution becomes low, and stable production can be performed. In addition to the difficulty, there is a problem that extra steps such as cleaning are often required. Further, the method of forming the catalyst layer in multiple layers has a drawback that the process becomes complicated.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、良好なイオン伝導性、ガス透過性及び電子伝導
性を有した微細構造を持つ固体高分子型燃料電池用触媒
層の形成方法を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a method for forming a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell having a fine structure having good ionic conductivity, gas permeability and electron conductivity. Is to provide.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、触媒担持炭素
粉末及びプロトン伝導性ポリマーを含有する混合液を、
基材上に適用して触媒層を形成する固体高分子型燃料電
池用触媒層の形成方法において、組成の異なる2種以上
の混合液から、組成の異なる2種以上の液滴をそれぞれ
形成し、基材上に適用することを特徴とする触媒層の形
成方法である。さらに、本発明は、前記方法によって形
成された触媒層を備えた固体高分子型燃料電池である。
The present invention provides a mixed solution containing a catalyst-supporting carbon powder and a proton conductive polymer,
A method for forming a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises applying the catalyst layer on a substrate to form two or more kinds of droplets having different compositions from a mixed solution of two or more kinds having different compositions. The method for forming a catalyst layer is characterized by being applied on a substrate. Furthermore, the present invention is a polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst layer formed by the above method.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】本発明における触媒担持炭素粉末
とは、水素の酸化反応と酸素の還元反応を促進する触媒
が炭素粉末に担持されたものであればよい。ここでの触
媒は、水素の酸化反応と酸素の還元反応を促進し、微粉
末状であり水に不溶であればどのようなものでも使用可
能であるが、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウ
ム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、
銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウ
ム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属や
これらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用でき
る。これらの触媒の粒径は、5〜500オングストロー
ムが好ましく、10〜150オングストロームがさらに
好ましい。粒径が小さすぎると触媒の安定性が欠ける場
合があり、粒径が大きすぎると、触媒の活性に劣る場合
がある。これらの触媒を担持する炭素粉末は、微粉末状
で導電性を有し、触媒に犯されないものであれば良く、
カーボンブラック、黒鉛、グラファイト、活性炭、フラ
ーレンやカーボンナノチューブの凝集体、その他、各種
金属微粉末も使用可能である。粒径は5〜5000nm
が好ましく、10〜500nmがさらに好ましい。粒径
が小さすぎると触媒層を形成したときに十分な導電性が
得られないことがある。粒径が大きすぎると、これを含
有する混合液を微細な液滴とすることが困難になるおそ
れがあり好ましくない。炭素粉末に担持される触媒の量
は、炭素粉末の形状に大きく依存するが、炭素粉末質量
の5〜70質量%、好ましくは、10〜60質量%であ
る。触媒量が少なすぎる場合には燃料電池を形成したと
きの発電効率が十分とならず、多すぎる場合には添加し
たほどには反応効率が向上せずコスト的に無駄が多くな
って好ましくない。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The catalyst-supporting carbon powder according to the present invention may be any carbon powder on which a catalyst for promoting hydrogen oxidation reaction and oxygen reduction reaction is supported. The catalyst here promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen, and any material can be used as long as it is in the form of fine powder and insoluble in water, but platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium can be used. , Osmium platinum group elements, iron, lead,
Metals such as copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, alloys thereof, oxides, double oxides, and the like can be used. The particle size of these catalysts is preferably 5 to 500 angstroms, more preferably 10 to 150 angstroms. If the particle size is too small, the catalyst may lack stability, and if the particle size is too large, the catalyst activity may be poor. The carbon powder carrying these catalysts may be in the form of a fine powder having conductivity, so long as it is not violated by the catalyst,
Carbon black, graphite, graphite, activated carbon, aggregates of fullerenes and carbon nanotubes, and various fine metal powders can also be used. Particle size is 5-5000 nm
Is preferable, and 10-500 nm is more preferable. If the particle size is too small, sufficient conductivity may not be obtained when the catalyst layer is formed. If the particle size is too large, it may be difficult to form a mixed liquid containing the same into fine liquid droplets, which is not preferable. The amount of the catalyst supported on the carbon powder largely depends on the shape of the carbon powder, but is 5 to 70% by mass, preferably 10 to 60% by mass of the mass of the carbon powder. If the amount of the catalyst is too small, the power generation efficiency when forming the fuel cell will not be sufficient, and if it is too large, the reaction efficiency will not improve as much as it is added and the cost will be wasted, which is not preferable.

【0010】本発明におけるプロトン伝導性ポリマーと
は、プロトンを伝導するポリマーであれば良く、特に限
定するものではないが、ナフィオン(デュポン社製)に
代表されるような、含フッ素ポリマーを骨格として少な
くともスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、リ
ン酸基等のプロトン交換基を有するものである。また、
ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とするもの、ポ
リフェニルエーテルのような芳香族を骨格とするものも
使用可能である。
The proton-conducting polymer in the present invention is not particularly limited as long as it is a polymer that conducts protons, but a fluorinated polymer such as Nafion (manufactured by DuPont) is used as a skeleton. It has at least a proton exchange group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group. Also,
Those having a hydrocarbon skeleton such as polyolefin and those having an aromatic skeleton such as polyphenyl ether can also be used.

【0011】本発明における基材には、上記のプロトン
伝導性ポリマー等を用いることができ、単一のプロトン
伝導性ポリマーからなってもよいし、2種以上のプロト
ン伝導性ポリマーを混合したものであってもよい。特
に、プロトン伝導性ポリマーを押し出し製膜し、膜厚を
20〜300μm、好ましくは40〜200μmとした
固体高分子電解質膜を基材として使用することが好まし
い。また、固体高分子電解質膜上に触媒層を転写できる
テフロン(登録商標)膜等も基材として使用可能であ
る。
The above-mentioned proton-conducting polymer or the like can be used as the substrate in the present invention, and it may consist of a single proton-conducting polymer or a mixture of two or more kinds of proton-conducting polymers. May be In particular, it is preferable to use a solid polymer electrolyte membrane having a film thickness of 20 to 300 μm, preferably 40 to 200 μm, which is formed by extruding a proton conductive polymer as a substrate. Further, a Teflon (registered trademark) film or the like capable of transferring the catalyst layer onto the solid polymer electrolyte membrane can also be used as the substrate.

【0012】更に、触媒層に撥水剤を添加することで、
発電により生成した水分を効率よく除去することができ
るようになり、発電効率を向上させたり、触媒層の寿命
を延ばしたりできる。特に正極側の触媒層に撥水剤を添
加した場合の効果が大きい。添加の方法としては、ポリ
テトラフルオロエチレンの代表されるフッ素樹脂等の撥
水性物質やフッ素化等の表面処理によって撥水化した微
粒子を混合する方法、ポリフッ化ビニリデン等の非水性
樹脂を液中に溶解させる方法、ヘキサメチルジシラザ
ン、各種シランカップリング剤、チタン系カップリング
剤、アルミニウム系カップリング剤等の疎水化反応を起
こす薬剤を添加する方法がある。
Furthermore, by adding a water repellent to the catalyst layer,
The water generated by power generation can be efficiently removed, power generation efficiency can be improved, and the life of the catalyst layer can be extended. In particular, the effect is great when a water repellent is added to the positive electrode side catalyst layer. As a method of addition, a method of mixing a water-repellent substance such as a fluororesin typified by polytetrafluoroethylene or fine particles that have been water-repellent by a surface treatment such as fluorination, a non-aqueous resin such as polyvinylidene fluoride in a liquid is added. And a method of adding a chemical agent that causes a hydrophobizing reaction such as hexamethyldisilazane, various silane coupling agents, titanium coupling agents, and aluminum coupling agents.

【0013】更に、親水剤を混合することもできる。親
水剤はアルミナ、シリカ、酸化チタン、酸化セリウム等
の金属の酸化物や窒化物等の親水性化合物の微粒子、ア
クリル酸やメタクリル酸の単独または共重合体、ポリビ
ニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル
アミドの単独あるいは共重合体に代表される親水性高分
子が架橋によって水に不溶となった微粒子などが使用で
きる。
Further, a hydrophilic agent can be mixed. Hydrophilic agents include fine particles of hydrophilic compounds such as oxides and nitrides of metals such as alumina, silica, titanium oxide, and cerium oxide, homopolymers or copolymers of acrylic acid or methacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, and polyacrylamide. Fine particles in which a hydrophilic polymer represented by a homopolymer or a copolymer is insoluble in water due to crosslinking can be used.

【0014】本発明における混合液とは、プロトン伝導
性ポリマーが溶解又は微細ゲルとなって分散することで
流動性が高い状態となっていればよい。この混合液の構
成成分の含有量は、プロトン伝導性ポリマー、溶剤の種
類の違いによって大きく変動するものの、触媒担持炭素
粉末は、1〜70質量%が好ましく、3〜50質量%が
さらに好ましい、プロトン伝導性ポリマーは、0.01
〜50質量%が好ましく、0.1〜20質量%がさらに
好ましい。これらの範囲内であれば、形成された触媒層
を望ましい微細構造を有するものにすることが可能であ
る。触媒担持炭素粉末が少なすぎる場合には、触媒層の
導電性が不足したり、酸化還元の反応効率が低下したり
する。多すぎる場合には、添加した程には反応効率が向
上せずコスト的に無駄が多くなり好ましくない。プロト
ン伝導性ポリマーが少なすぎる場合には、触媒層のプロ
トン伝導性が不足する。多すぎる場合には混合液の粘度
が高くなり塗布が困難になるばかりでなく、形成された
触媒層のガス拡散が不足する傾向がある。
The mixed liquid in the present invention is only required to be in a state of high fluidity by dissolving or dispersing the proton conductive polymer in the form of a fine gel. The content of the constituent components of this mixed solution varies greatly depending on the difference in the types of the proton conductive polymer and the solvent, but the catalyst-supporting carbon powder is preferably 1 to 70% by mass, more preferably 3 to 50% by mass. The proton conductive polymer is 0.01
-50 mass% is preferred, and 0.1-20 mass% is more preferred. Within these ranges, the formed catalyst layer can have a desired fine structure. If the amount of the catalyst-supporting carbon powder is too small, the conductivity of the catalyst layer will be insufficient and the reaction efficiency of redox will be reduced. When the amount is too large, the reaction efficiency is not improved as much as it is added, and the cost is wasted, which is not preferable. If the amount of the proton conductive polymer is too small, the proton conductivity of the catalyst layer will be insufficient. If the amount is too large, not only the viscosity of the mixed solution becomes high and coating becomes difficult, but also the gas diffusion of the formed catalyst layer tends to be insufficient.

【0015】この混合液は溶剤を含有してもよく、特に
限定するものではないが、メタノール、エタノール、1
−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、
2−ブタノール、イソブチルアルコール、tert−ブチル
アルコール、ペンタノール等のアルコール類、乳酸、ギ
酸、酢酸、プロピオン酸等の酸と炭素数1〜5のアルコ
ールが脱水縮合した形のエステル類、アセトン、メチル
エチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、
ヘプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノ
ン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトン等のケト
ン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレ
ングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシ
トルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系、その他、
エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセト
ンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール、ジメ
チルホルムアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルア
セトアミド等の極性溶剤等、及び上記溶剤群から選ばれ
た2種以上の混合物が使用可能である。さらには、プロ
トン伝導性ポリマーが分離して白濁を生じたり、ゲル化
したりしない程度において、上記溶媒群に炭化水素や水
を加えることも可能である。
This mixed solution may contain a solvent and is not particularly limited, but methanol, ethanol, 1
-Propanol, 2-propanol, 1-butanol,
Alcohols such as 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentanol, etc., esters such as lactic acid, formic acid, acetic acid, propionic acid and the like, and esters in the form of dehydration condensation of an alcohol having 1 to 5 carbon atoms, acetone, methyl ethyl ketone , Pentanone, methyl isobutyl ketone,
Heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonylacetone, ketone type solvents such as diisobutyl ketone, tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, ether type such as dibutyl ether, etc.
A polar solvent such as ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone or dimethylacetamide, and a mixture of two or more kinds selected from the above solvent group can be used. is there. Furthermore, it is also possible to add hydrocarbons and water to the above solvent group to the extent that the proton-conducting polymer does not separate and cause white turbidity or gelation.

【0016】本発明に使用できる溶剤は以上のように幅
広い組成のものであるが、液滴とするために混合液の粘
度は、300cp以下が好ましく、100cp以下がさ
らに好ましい。粘度が高すぎる場合、液滴径が大きくな
りすぎ薄膜の触媒層が形成できなかったり、ノズルが詰
まりやすかったりと問題が起きやすい。また、混合液
は、構成材料の混合条件によっても最終的な粘度が大き
く変わる場合がある。特に限定するわけではないが、分
散剤を添加し液粘度を下げたり、混合に超音波ホモジナ
イザー等を用いることで激しく攪拌したり、混合後に回
転架台上でゆっくり攪拌すること等の方法で粘度を調整
することも有効である。
The solvent that can be used in the present invention has a wide range of compositions as described above, but the viscosity of the mixed liquid is preferably 300 cp or less, and more preferably 100 cp or less in order to form a droplet. If the viscosity is too high, the droplet diameter becomes too large to form a thin catalyst layer, and the nozzle is likely to be clogged, which causes problems. In addition, the final viscosity of the mixed liquid may vary greatly depending on the mixing conditions of the constituent materials. Although not particularly limited, the viscosity of the liquid may be reduced by adding a dispersant to reduce the liquid viscosity, vigorously stirring by using an ultrasonic homogenizer or the like, or slowly stirring on a rotary rack after mixing. Adjustment is also effective.

【0017】液滴は、ピエゾ型またはサーマル型のイン
クジェットノズルによって形成することが好ましい。液
滴の粒径は3〜300μmが好ましく、10〜200μ
mがさらに好ましい。粒径が小さすぎる場合には蒸発量
が大きくなり過ぎ、基材上に塗布して適用することが困
難となる。粒径が大きすぎる場合には、触媒層に良好な
微細構造を与えることが困難になる。
The droplets are preferably formed by a piezo type or thermal type ink jet nozzle. The droplet diameter is preferably 3 to 300 μm, and 10 to 200 μm.
m is more preferred. If the particle size is too small, the amount of evaporation will be too large, and it will be difficult to apply the composition on a substrate. If the particle size is too large, it becomes difficult to give the catalyst layer a good fine structure.

【0018】(組成の異なる混合液の調製及びその液滴
の適用)I.触媒担持粉末 触媒担持炭素粉末の種類が異なる2種以上の混合液を調
製する方法としては、担持触媒の種類が異なる、触媒を
担持する炭素粉末の種類が異なる、あるいは担持された
触媒量の異なる触媒担持炭素粉末を用いる方法がある。
また、触媒担持炭素粉末の添加量を変えることによって
2種以上の混合液を調製する方法もある。これらの方法
においては、担持された触媒量が少なくとも10%、よ
り好ましくは20%以上異なったものとする必要があ
る。触媒量の差が小さすぎる場合には、2種以上の混合
液を用いる効果が十分に発揮できない。前述の触媒担持
炭素粉末の種類及び/又は量が異なる2種以上の混合液
から、2種以上の液滴をそれぞれ形成し、基材上に適用
する触媒層の形成方法においては、各種の方法で触媒利
用効率を向上することができる。以下に、それらの方法
を例示する。
(Preparation of mixed liquid having different composition and application of droplets thereof) I. Catalyst-supporting powder A method for preparing a mixed solution of two or more catalyst-supporting carbon powders having different types includes different types of supported catalysts, different types of carbon powders supporting catalysts, or different amounts of supported catalysts. There is a method using a catalyst-supporting carbon powder.
There is also a method of preparing a mixed solution of two or more kinds by changing the addition amount of the catalyst-supporting carbon powder. In these methods, it is necessary that the supported catalyst amounts differ by at least 10%, more preferably by 20% or more. If the difference in the amount of catalyst is too small, the effect of using a mixed solution of two or more kinds cannot be sufficiently exerted. Various methods can be used in the method for forming the catalyst layer in which two or more kinds of liquid droplets are respectively formed from a mixed liquid of two or more kinds having different kinds and / or amounts of the above-mentioned catalyst-supporting carbon powder, and applied on the substrate Thus, the catalyst utilization efficiency can be improved. Below, those methods are illustrated.

【0019】触媒担持炭素粉末の添加量が異なる2種以
上の混合液から、別個のノズルより液滴を形成し、基
材、好ましくは固体高分子電解質膜上に適用する、又は
固体高分子電解質膜上に触媒層を転写できるテフロン
(登録商標)膜等の上に適用する方法がある。この組成
の異なる液滴を、混ざり合わせて基材(固体高分子電解
質膜、テフロン(登録商標)膜等)上に適用することに
より、触媒層内に炭素粉末の含有濃度の異なる微細構造
を形成できる。これにより効率良く触媒層の電子伝導性
を高くすることができ、触媒利用効率の高い触媒層とす
ることができる。この場合の微細構造は、液滴を、混ざ
り合わせて基材上にランダムに適用することによって形
成されるサブミクロン〜数百ミクロンレベルの構造とす
ることで効果が得られる。更に、インクジェットプリン
ターによる画像形成のように、液滴をコントロールして
触媒層の平面方向に線状、網目状構造等の触媒層パター
ンを形成することで、より高度に触媒利用効率の最適化
を行うことができる。
Droplets are formed from separate nozzles from a mixture of two or more kinds of catalyst-supporting carbon powders having different addition amounts, and the droplets are applied onto a substrate, preferably a solid polymer electrolyte membrane, or a solid polymer electrolyte. There is a method of applying it on a Teflon (registered trademark) film or the like which can transfer a catalyst layer onto the film. By applying droplets having different compositions to each other and applying them on a substrate (solid polymer electrolyte membrane, Teflon (registered trademark) membrane, etc.), a fine structure with different carbon powder content concentration is formed in the catalyst layer. it can. Thereby, the electron conductivity of the catalyst layer can be efficiently increased, and the catalyst layer having high catalyst utilization efficiency can be obtained. The fine structure in this case is effective when the droplets are mixed and randomly applied on the base material so as to have a submicron to several hundreds of micron level structure. Further, like the image formation by an ink jet printer, by controlling the liquid droplets and forming a catalyst layer pattern such as a linear or mesh structure in the plane direction of the catalyst layer, the catalyst utilization efficiency can be further optimized. It can be carried out.

【0020】担持された触媒量が異なる触媒担持炭素粉
末を用いた2種以上の混合液から、別個のノズルより液
滴を形成し、基材、好ましくは固体高分子電解質膜上に
適用する、又は固体高分子電解質膜上に触媒層を転写で
きるテフロン(登録商標)膜等の上に適用する方法があ
る。組成の異なるの液滴を、逐次、基材上に適用するこ
とで、触媒層の厚さ方向に触媒の濃度分布を持った触媒
層パターンを形成できる。例えば、固体高分子電解質膜
に近い方の触媒濃度を高くする等の方法によって触媒利
用効率の最適化を行うことができる。更に、インクジェ
ットプリンターによる画像形成のように、液滴をコント
ロールして触媒層の平面方向に触媒層の平面方向に濃度
分布を持った触媒層パターンを形成し、ガス流路、及び
そこを流れる燃料や酸素濃度に対応させる方法により、
触媒利用効率の最適化を行うことができる。
Droplets are formed from a separate nozzle from a mixture of two or more kinds of catalyst-supporting carbon powders having different supported catalyst amounts, and the droplets are applied onto a substrate, preferably a solid polymer electrolyte membrane. Alternatively, there is a method of applying it on a Teflon (registered trademark) membrane or the like which can transfer a catalyst layer onto a solid polymer electrolyte membrane. By sequentially applying droplets having different compositions onto the substrate, a catalyst layer pattern having a catalyst concentration distribution in the thickness direction of the catalyst layer can be formed. For example, the catalyst utilization efficiency can be optimized by a method such as increasing the catalyst concentration closer to the solid polymer electrolyte membrane. Further, as in the case of image formation by an inkjet printer, a droplet is controlled to form a catalyst layer pattern having a concentration distribution in the plane direction of the catalyst layer in the plane direction of the catalyst layer, a gas flow path, and a fuel flowing therethrough. By the method corresponding to the oxygen concentration
The catalyst utilization efficiency can be optimized.

【0021】担持された触媒種が異なる触媒担持炭素粉
末を用いた2種以上の混合液から、別個のノズルより液
滴を形成し、基材、好ましくは固体高分子電解質膜上に
適用する、又は固体高分子電解質膜上に触媒層を転写で
きるテフロン(登録商標)膜等の上に適用する方法があ
る。組成の異なる液滴を、逐次、基材上に適用すること
で触媒層の厚さ方向に触媒種の分布を持った触媒層パタ
ーンを形成できる。例えば、ガス拡散層に近い方に一酸
化炭素等による被毒の影響を受けにくい触媒を配置する
ことで触媒利用効率の最適化を行うことができる。
Droplets are formed from separate nozzles from a mixture of two or more kinds of catalyst-supporting carbon powders having different supported catalyst species and applied onto a substrate, preferably a solid polymer electrolyte membrane. Alternatively, there is a method of applying it on a Teflon (registered trademark) membrane or the like which can transfer a catalyst layer onto a solid polymer electrolyte membrane. By sequentially applying droplets having different compositions onto the base material, a catalyst layer pattern having a distribution of catalyst species in the thickness direction of the catalyst layer can be formed. For example, the catalyst utilization efficiency can be optimized by disposing a catalyst that is less susceptible to poisoning by carbon monoxide or the like near the gas diffusion layer.

【0022】II.プロトン伝導性ポリマー プロトン伝導性ポリマーの種類が異なる2種以上の混合
液を調製する方法としては、プロトン伝導性ポリマーの
イオン電導度、分子量がる異なったものにする方法があ
る。また、プロトン伝導性ポリマーの添加量を変えるこ
とによって2種以上の混合液を調製する方法もある。添
加量は、少なくとも10%、より好ましくは20%以上
異なったものとする必要がある。添加量の差が小さすぎ
る場合には、2種以上の混合液を用いる効果が十分に発
揮できない。前述のプロトン伝導性ポリマーの種類及び
/又は量が異なる2種以上の混合液から、2種以上の液
滴をそれぞれ形成し、基材上に適用する触媒層の形成方
法においては、各種の方法で触媒層の発電効率を向上す
ることができる。以下に、それらの方法を例示する。
II. Proton-Conducting Polymer As a method for preparing a mixed solution of two or more kinds having different kinds of proton-conducting polymers, there is a method in which the proton-conducting polymers have different ionic conductivity and molecular weight. There is also a method of preparing a mixed solution of two or more kinds by changing the addition amount of the proton conductive polymer. The added amount should be different by at least 10%, more preferably by 20% or more. If the difference in the added amount is too small, the effect of using a mixed solution of two or more kinds cannot be sufficiently exerted. Various methods can be used in the method for forming the catalyst layer in which two or more kinds of liquid droplets are respectively formed from a mixed liquid of two or more kinds having different kinds and / or amounts of the above-mentioned proton-conducting polymer and applied on the substrate. Thus, the power generation efficiency of the catalyst layer can be improved. Below, those methods are illustrated.

【0023】プロトン伝導性ポリマーの添加量の異なる
2種以上の混合液から、別個のノズルより液滴を形成
し、基材、好ましくは固体高分子電解質膜上に適用す
る、又は固体高分子電解質膜上に触媒層を転写できるテ
フロン(登録商標)膜等の上に適用する方法がある。こ
の組成の異なる液滴を、混ざり合わせて基材上に適用す
ることにより、触媒層内にプロトン伝導性ポリマーの含
有濃度の異なる微細構造が形成できる。これにより効率
良く触媒層のイオン伝導性を高くすることができ、発電
効率の高い触媒層とすることができる。この場合の微細
構造は、液滴を、混ざり合わせて基材上にランダムに適
用することによって形成されるサブミクロン〜数百ミク
ロンレベルの構造とすることで効果が得られる。更に、
インクジェットプリンターによる画像形成のように、液
滴をコントロールして触媒層の平面方向に線状、網目状
構造等の触媒層パターンを形成することで、より高度に
発電効率の最適化を行うことができる。
A droplet is formed from a mixed liquid of two or more kinds having different amounts of addition of the proton conductive polymer from separate nozzles and applied onto a substrate, preferably a solid polymer electrolyte membrane, or a solid polymer electrolyte. There is a method of applying it on a Teflon (registered trademark) film or the like which can transfer a catalyst layer onto the film. By applying the droplets having different compositions to each other by mixing them on the substrate, it is possible to form a fine structure having a different concentration of the proton conductive polymer in the catalyst layer. Thereby, the ion conductivity of the catalyst layer can be efficiently increased, and the catalyst layer having high power generation efficiency can be obtained. The fine structure in this case is effective when the droplets are mixed and randomly applied on the base material so as to have a submicron to several hundreds of micron level structure. Furthermore,
Like image formation with an inkjet printer, by controlling droplets to form a catalyst layer pattern such as a linear or mesh structure in the plane direction of the catalyst layer, it is possible to optimize power generation efficiency to a higher degree. it can.

【0024】この他に、プロトン伝導性ポリマーの添加
量が異なる2種以上の混合液から、別個のノズルより液
滴を形成し、逐次、基材上に適用することで、触媒層の
厚さ方向にプロトン伝導性ポリマーの濃度分布を持たせ
る方法もある。例えば、固体高分子電解質膜に近い方の
プロトン伝導性ポリマー濃度を高くする等の方法によっ
て発電効率の最適化を行うことができる。
In addition to the above, a droplet is formed from a mixed liquid of two or more kinds having different addition amounts of the proton conductive polymer from separate nozzles, and the droplets are successively applied onto the substrate to obtain the thickness of the catalyst layer. There is also a method of providing a concentration distribution of the proton conductive polymer in the direction. For example, the power generation efficiency can be optimized by, for example, increasing the concentration of the proton conductive polymer closer to the solid polymer electrolyte membrane.

【0025】III.撥水剤 撥水剤を添加する場合には、触媒層の質量に対して0.
2〜20%の範囲が好ましい。添加量が少なすぎる場合
には、発電時の生成水が触媒層の微細孔に詰まり、ガス
の供給が良好に行えなくなり好ましくない。添加量が多
すぎる場合には、触媒層内のプロトン伝導性ポリマーの
含水量が低下するために、イオン伝導性が低下し良好な
発電が行えない。撥水剤は正極側の触媒層に対して加え
ることでより大きな効果が得られる。
III. Water repellent When a water repellent is added, the amount of the water repellent is 0.
The range of 2 to 20% is preferable. If the amount added is too small, the water produced during power generation clogs the fine pores of the catalyst layer, and gas supply cannot be performed well, which is not preferable. If the amount added is too large, the water content of the proton-conductive polymer in the catalyst layer decreases, so that the ionic conductivity decreases and good power generation cannot be performed. A larger effect can be obtained by adding the water repellent to the catalyst layer on the positive electrode side.

【0026】撥水剤が異なる2種以上の混合液を調製す
る方法としては、添加する撥水剤量を変える方法の他、
異なる撥水剤種を用いる方法がある。添加量は、少なく
とも20%、より好ましくは40%以上異なったものと
する必要がある。差が小さすぎる場合には、2種以上の
混合液を用いる効果が十分に発揮できない。
As a method for preparing a mixed liquid of two or more kinds having different water repellents, in addition to the method of changing the amount of the water repellent to be added,
There is a method of using different water repellent species. The added amount should be different by at least 20%, more preferably by 40% or more. If the difference is too small, the effect of using a mixed solution of two or more kinds cannot be sufficiently exerted.

【0027】前述の撥水剤の種類及び/又は量が異なる
2種以上の混合液から、2種以上の液滴をそれぞれ形成
し、基材上に適用する触媒層の形成方法においては、各
種の方法で触媒層の発電効率を向上することができる。
以下に、それらの方法を例示する。
In the method for forming the catalyst layer, in which two or more kinds of liquid droplets are respectively formed from a mixed liquid of two or more kinds having different kinds and / or amounts of the above-mentioned water repellents, and applied on the substrate, various methods are used. The power generation efficiency of the catalyst layer can be improved by this method.
Below, those methods are illustrated.

【0028】撥水剤の添加量が異なる2種以上の混合液
から、別個のノズルより液滴を形成し、基材、好ましく
は固体高分子電解質膜上に適用する、又は固体高分子電
解質膜上に触媒層を転写できるテフロン(登録商標)膜
等の上に適用する方法がある。この組成の異なる液滴
を、混ざり合わせて基材上に適用することにより、触媒
層内に撥水剤の含有濃度の異なる微細構造が形成でき
る。この場合の微細構造は、液滴を混ざり合わせて基材
上にランダムに適用することによって形成されるサブミ
クロン〜数百ミクロンレベルの構造とすることで、触媒
層内のプロトン伝導性ポリマーの含水率を維持しつつ、
微小な撥水性部分により生成水を細孔から容易に除去を
できるため、高い発電効率を達成できる。更に、インク
ジェットプリンターによる画像形成のように、液滴をコ
ントロールして触媒層の平面方向に線状、網目状構造等
の触媒層パターンを形成することで、より高度に発電効
率の最適化を行うことができる。
A droplet is formed from a mixed liquid of two or more kinds having different addition amounts of a water repellent from separate nozzles and applied onto a substrate, preferably a solid polymer electrolyte membrane, or a solid polymer electrolyte membrane. There is a method of applying it on a Teflon (registered trademark) film or the like on which a catalyst layer can be transferred. By mixing the droplets having different compositions and applying the droplets onto the base material, it is possible to form a fine structure having a different water repellent content concentration in the catalyst layer. The microstructure in this case is a submicron to several hundreds of micron level structure formed by mixing droplets and randomly applying it on the substrate, so that the water content of the proton conductive polymer in the catalyst layer is increased. While maintaining the rate
Since the generated water can be easily removed from the pores by the minute water-repellent portion, high power generation efficiency can be achieved. Further, as in the case of image formation by an inkjet printer, by controlling droplets to form a catalyst layer pattern such as a linear or mesh structure in the plane direction of the catalyst layer, the power generation efficiency is optimized to a higher degree. be able to.

【0029】この他に、撥水剤の添加量が異なる2種以
上の混合液から、別個のノズルより液滴を形成し、逐
次、基材上に適用することで、触媒層の厚さ方向に撥水
の濃度分布を持たせる方法もある。例えば、ガス拡散層
に近い方の疎水性を高くする等の方法によって、触媒層
内のプロトン伝導性ポリマーの含水率を維持しつつ、生
成水を細孔から容易に除去できるために、高い発電効率
を達成できる。
In addition to this, droplets are formed from separate nozzles from a mixed liquid of two or more kinds having different amounts of water repellents, and the droplets are sequentially applied onto the base material so that the thickness direction of the catalyst layer is increased. There is also a method of giving the water repellent concentration distribution. For example, the generated water can be easily removed from the pores while maintaining the water content of the proton-conducting polymer in the catalyst layer by a method such as increasing the hydrophobicity near the gas diffusion layer. Can achieve efficiency.

【0030】IV.親水剤 親水剤を添加する場合には、触媒層の他成分の親水性に
より最適な添加量は大きく異なるものの、触媒層質量に
対して5〜40%の範囲が好ましい。添加量が少なすぎ
る場合には、十分な添加効果が得られない。添加量が多
すぎる場合には、触媒層の電子伝導性が低下する等の影
響により良好な発電が行えない。親水剤は負極側の触媒
層に対して加えることでより大きな効果が得られる。
IV. Hydrophilic agent When a hydrophilic agent is added, the optimum addition amount largely varies depending on the hydrophilicity of other components of the catalyst layer, but is preferably in the range of 5 to 40% with respect to the catalyst layer mass. If the addition amount is too small, a sufficient addition effect cannot be obtained. If the addition amount is too large, good power generation cannot be performed due to the influence of the decrease in electron conductivity of the catalyst layer. A larger effect can be obtained by adding the hydrophilic agent to the catalyst layer on the negative electrode side.

【0031】親水剤が異なる2種以上の混合液を調製す
る方法としては、添加する親水剤量を変える方法の他、
親水剤種を異なったものにする方法がある。添加量は、
少なくとも20%、より好ましくは40%以上異なった
ものとする必要がある。差が小さすぎる場合には、2種
以上の混合液を用いる効果が十分に発揮できない。
As a method for preparing a mixed solution of two or more kinds having different hydrophilic agents, in addition to the method of changing the amount of hydrophilic agent to be added,
There is a method of using different kinds of hydrophilic agents. The addition amount is
It should differ by at least 20%, more preferably by 40% or more. If the difference is too small, the effect of using a mixed solution of two or more kinds cannot be sufficiently exerted.

【0032】前述の親水剤の種類及び/又は量が異なる
2種以上の混合液から、2種以上の液滴をそれぞれ形成
し、基材上に適用する触媒層の形成方法においては、各
種の方法で触媒層の発電効率を向上することができる。
以下に、それらの方法を例示する。
In the method for forming the catalyst layer, in which two or more kinds of liquid droplets are respectively formed from a mixed liquid of two or more kinds having different kinds and / or amounts of the above-mentioned hydrophilic agents, and applied on the substrate, various methods are used. The method can improve the power generation efficiency of the catalyst layer.
Below, those methods are illustrated.

【0033】親水剤の添加量が異なる2種以上の混合液
から、別個のノズルより液滴を形成し、基材、好ましく
は固体高分子電解質膜上に適用する、又は固体高分子電
解質膜上に触媒層を転写できるテフロン(登録商標)膜
等の上に適用する方法がある。この組成の異なる液滴
を、混ざり合わせて基材上に適用することにより、触媒
層内に親水剤の含有濃度の異なる微細構造が形成でき
る。この場合の微細構造は、液滴を混ざり合わせて基材
上にランダムに適用することによって形成されるサブミ
クロン〜数百ミクロンレベルの構造とすることで、生成
水の細孔からの除去性等を維持しつつ、微小な親水性部
分によりプロトン伝導性ポリマーの含水率を高く保つこ
とができるために、高い発電効率が達成できる。更に、
インクジェットプリンターによる画像形成のように、液
滴をコントロールして触媒層の平面方向に線状、網目状
構造等の触媒層パターンを形成することで、より高度に
発電効率の最適化を行うことができる。
Droplets are formed from separate nozzles from a mixed liquid of two or more kinds having different amounts of hydrophilic agents added, and applied onto a substrate, preferably a solid polymer electrolyte membrane, or on a solid polymer electrolyte membrane. There is a method of applying the catalyst layer on a Teflon (registered trademark) film or the like which can be transferred. By mixing the droplets having different compositions and applying them on the substrate, it is possible to form a fine structure having different hydrophilic agent content concentrations in the catalyst layer. The fine structure in this case has a submicron to several hundred micron level structure that is formed by mixing droplets and applying them randomly on the substrate, so that the generated water can be removed from the pores, etc. While maintaining the above, the water content of the proton conductive polymer can be kept high by the minute hydrophilic portion, so that high power generation efficiency can be achieved. Furthermore,
Like image formation with an inkjet printer, by controlling droplets to form a catalyst layer pattern such as a linear or mesh structure in the plane direction of the catalyst layer, it is possible to optimize power generation efficiency to a higher degree. it can.

【0034】この他に、親水剤の添加量が異なる2種以
上の混合液から、別個のノズルより液滴を形成し、逐
次、基材上に適用することで、触媒層の厚さ方向に親水
剤の濃度分布を持たせる方法もある。例えば、燃料ガス
供給層に近い方の親水性を高くする等の方法によって、
効率良くプロトン伝導性ポリマーの加湿を行うことで、
高い発電効率が達成できる。
In addition to this, droplets are formed from separate nozzles from two or more kinds of mixed liquids having different amounts of hydrophilic agents, and the droplets are sequentially applied onto the base material, so that the thickness direction of the catalyst layer is increased. There is also a method of providing a concentration distribution of the hydrophilic agent. For example, by increasing the hydrophilicity of the side closer to the fuel gas supply layer,
By efficiently humidifying the proton conductive polymer,
High power generation efficiency can be achieved.

【0035】以上まで、触媒担持炭素粉末、プロトン伝
導性ポリマー、撥水剤及び親水剤が触媒層内で組成分布
を持つ触媒層の形成方法について述べた。これらの方法
以外に、より大きなスケールの組成分布を持った触媒層
パターンを形成することができる。これらの方法のいく
つかを以下に例示する。
Up to this point, the method for forming the catalyst layer having the composition distribution of the catalyst-supporting carbon powder, the proton conductive polymer, the water repellent and the hydrophilic agent has been described. In addition to these methods, a catalyst layer pattern having a larger scale composition distribution can be formed. Some of these methods are illustrated below.

【0036】燃料電池では、セパレータに刻まれた細溝
から触媒層に燃料および酸素のガス供給がなされる。発
電時には供給ガス流路の上流部では燃料および酸素の濃
度が高く、下流部では燃料および酸素の濃度が低く、排
出される生成水の量も多くなる。このようなガス流路及
びガス濃度の違いに応じた触媒層パターンが本方法にお
いては容易に形成可能である。
In the fuel cell, fuel and oxygen gas are supplied to the catalyst layer from the narrow grooves formed in the separator. During power generation, the concentration of fuel and oxygen is high in the upstream portion of the supply gas flow path, the concentration of fuel and oxygen is low in the downstream portion, and the amount of produced water discharged is large. In this method, a catalyst layer pattern corresponding to the difference in gas flow path and gas concentration can be easily formed.

【0037】例えば、燃料供給路(負極)の上流部では
担持触媒量を低くし、下流側において担持触媒量を高く
して、全体において均質な反応が起こるようにし、触媒
利用効率を向上したり、生成水の局部的な滞留が起こり
難くする方法、及び酸素供給路(正極)の下流部の触媒
層、特に触媒層の表面部分に撥水剤を多く含ませること
で、生成水の排出が良好に行えるようにする方法等があ
る。
For example, in the upstream portion of the fuel supply path (negative electrode), the amount of supported catalyst is lowered, and on the downstream side, the amount of supported catalyst is increased so that a homogeneous reaction occurs in the whole, thereby improving catalyst utilization efficiency. The method of making local retention of generated water less likely to occur and the discharge of generated water by containing a large amount of a water repellent agent in the catalyst layer at the downstream portion of the oxygen supply path (positive electrode), especially in the surface portion of the catalyst layer. There is a method of making it possible to perform well.

【0038】セパレータの細溝と触媒層の間には導電性
多孔質体であるカーボンペーパーやカーボンクロスを挟
み、触媒層にできるだけ均一にガス供給がなされるよう
にしているが、現実には、細溝に対向した触媒層と細溝
から離れた位置にある触媒層でのガス濃度は異なってい
る。また、生成水の排出速度も大きく異なり、生成水の
滞留状態も触媒層の位置によって大きく異なっている。
このようなガス組成や生成水の拡散速度の違いに応じた
触媒層パターンが本方法においては容易に形成可能であ
る。
Although carbon paper or carbon cloth, which is a conductive porous material, is sandwiched between the narrow groove of the separator and the catalyst layer, the gas is supplied to the catalyst layer as uniformly as possible. The gas concentrations in the catalyst layer facing the narrow groove and in the catalyst layer distant from the narrow groove are different. In addition, the discharge speed of the generated water is also greatly different, and the retention state of the generated water is also greatly different depending on the position of the catalyst layer.
In this method, a catalyst layer pattern depending on the difference in the gas composition and the diffusion rate of generated water can be easily formed.

【0039】例えば、正極セパレータの細溝に対向した
触媒層よりも対向していない部分に撥水剤を多く添加す
ることにより、生成水の滞留を抑制する方法、負極セパ
レータの細溝に対向した触媒層よりも対向していない部
分の担持触媒含有量を少なくすることにより、触媒利用
効率を向上したり、逆に対向した触媒層の担持触媒含有
量を少なくすることにより、反応を均質に起こし、生成
水の除去性を向上して発電性能を向上する方法などがあ
る。
For example, a method of suppressing retention of generated water by adding a large amount of a water-repellent agent to a portion not facing the catalyst layer facing the narrow groove of the positive electrode separator, facing the narrow groove of the negative electrode separator. By reducing the content of the supported catalyst in the portion not facing the catalyst layer, the catalyst utilization efficiency is improved, and on the contrary, the content of the supported catalyst in the catalyst layer facing the other is reduced, thereby causing the reaction to occur homogeneously. , There is a method of improving the power generation performance by improving the removability of generated water.

【0040】[0040]

【実施例】以下に実施例を示し、本発明をさらに詳しく
説明するが、本発明は実施例に制限されるものではな
い。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the examples.

【0041】(実施例1及び2)乳酸エチル15重量部
とエチレングリコール55重量部を混合した溶剤、触媒
としての白金とルテニウムの合金をカーボンブラックに
担持させた平均二次粒径が10ミクロンの触媒担持炭素
粉末、及びポリパーフルオロスルホン酸(ナフィオン)
をエタノールに溶解したプロトン伝導性ポリマー含有液
(樹脂濃度10質量%)を表1の組成で混合し、混合液
1〜3を調製した。白金とルテニウムの合金の代わりに
白金を触媒とした触媒担持炭素粉末を用いて、混合液4
を調製した。
(Examples 1 and 2) A solvent in which 15 parts by weight of ethyl lactate and 55 parts by weight of ethylene glycol were mixed, an alloy of platinum and ruthenium as a catalyst was supported on carbon black, and the average secondary particle size was 10 μm. Catalyst-supported carbon powder, and polyperfluorosulfonic acid (Nafion)
Proton conductive polymer-containing liquid (resin concentration 10% by mass) dissolved in ethanol was mixed with the composition shown in Table 1 to prepare mixed liquids 1 to 3. Liquid mixture 4 using catalyst-supporting carbon powder with platinum as a catalyst instead of platinum-ruthenium alloy
Was prepared.

【表1】 次に、電極膜接合体(MEA)の作製方法について説明
する。表1の混合液を、インクジェットノズルから吐出
してポリパーフルオロスルホン酸固体高分子電解質膜
(ナフィオン115)上に塗布することで、触媒層を形
成した。インクジェットノズル、駆動系は、インクジェ
ットプリンター hp deskjet 990c(ヒューレットパッカ
ード社製)のものを用い、本試作に適合する装置を作製
し、この装置を用いて試作を行った。塗布用混合液の混
合条件による粘度調整、インクジェットプリンターの塗
布条件を調整することで、全面塗布を3回重ねることで
乾燥後の固形分付着量が、おおよそ5mg/cm2となるよう
にした。1回の全面塗布は、各混合液を単独で塗布する
場合と、2種の混合液を用いて混ざり合わせて塗布する
場合を設定した。2種の混合液を混ざり合わせて塗布す
る場合には、約0.14mmの幅の線パターンを形成で
きるように設定して塗布を行った。負極触媒層は、各混
合液単独での全面塗布と、2種の混合液を混ざり合わせ
た塗布を組み合わせて表2のように形成した。負極触媒
層を塗布した後、正極に混合液4を3回全面塗布した。
上記の様に触媒層を形成し、真空乾燥した後、厚さ25
0μmのカーボンペーパーで挟み込み160℃、50k
gf/cm2の条件でホットプレスを行い電極膜接合体
を完成させた。このMEAをセパレータ板で挟み込み、
負極側に水素ガス、正極側に空気を、セパレータ板に刻
んだ流路を介してMEAに導入し、常圧下で発電試験を
実施した。燃料電池としての発電特性は出力電流密度
1.0A/cm2の時の電池電圧で比較した。これらの
結果を表2に示す。
[Table 1] Next, a method for manufacturing the electrode membrane assembly (MEA) will be described. A catalyst layer was formed by discharging the mixed liquid of Table 1 from an inkjet nozzle and applying it on the polyperfluorosulfonic acid solid polymer electrolyte membrane (Nafion 115). An inkjet printer hp deskjet 990c (manufactured by Hewlett-Packard Co.) was used as an inkjet nozzle and a drive system, and an apparatus suitable for this prototype was manufactured, and a prototype was made using this apparatus. By adjusting the viscosity according to the mixing conditions of the coating liquid mixture and the coating conditions of the inkjet printer, the total amount of solids deposited after drying was adjusted to about 5 mg / cm 2 by repeating the entire coating three times. One time of entire surface coating was set for the case where each mixed solution was applied alone and the case where two kinds of mixed solutions were mixed and applied. When the two kinds of mixed solutions were mixed and applied, the application was performed so that a line pattern having a width of about 0.14 mm could be formed. The negative electrode catalyst layer was formed as shown in Table 2 by combining the entire surface application of each mixed solution alone and the application of a mixture of two kinds of mixed solutions. After applying the negative electrode catalyst layer, the mixed solution 4 was applied over the entire surface of the positive electrode three times.
After forming the catalyst layer as described above and vacuum drying, a thickness of 25
Sandwiched with 0 μm carbon paper, 160 ℃, 50k
Hot pressing was performed under the condition of gf / cm 2 to complete the electrode film assembly. Sandwich this MEA between separator plates,
Hydrogen gas was introduced into the negative electrode side and air was introduced into the positive electrode side into the MEA through the flow path cut in the separator plate, and a power generation test was carried out under normal pressure. The power generation characteristics of the fuel cell were compared by the cell voltage when the output current density was 1.0 A / cm 2 . The results are shown in Table 2.

【表2】 [Table 2]

【0042】実施例1では、比較例1と比べて負極触媒
層の触媒量が少なくなっているのにかかわらず、発電特
性はほとんど低下していない。実施例2においては、比
較例1と比べて触媒量がほとんど違わないのにかかわら
ず発電能力が向上している。これらの結果は、本発明に
よって形成された触媒層の構造によって触媒利用効率が
向上したことを示している。
In Example 1, although the amount of catalyst in the negative electrode catalyst layer was smaller than that in Comparative Example 1, the power generation characteristics were hardly deteriorated. In Example 2, compared with Comparative Example 1, the power generation capacity was improved although the catalyst amount was almost the same. These results show that the structure of the catalyst layer formed according to the present invention improved the catalyst utilization efficiency.

【0043】(実施例3〜6)乳酸エチル15重量部と
エチレングリコール55重量部を混合した溶剤、触媒と
しての白金とルテニウムの合金をカーボンブラックに担
持させた平均二次粒径が10ミクロンの触媒担持炭素粉
末、ポリパーフルオロスルホン酸(ナフィオン115)
をエタノールに溶解したプロトン伝導性ポリマー含有液
(樹脂濃度10質量%)、及び親水剤としてアルミナを
表3の組成で混合し、混合液5,6を調製した。アルミ
ナは、他の成分をすべて混合した後に添加した。白金と
ルテニウムの合金の代わりに白金を触媒として用いて、
アルミナの代わりに撥水剤としてポリテトラフルオロエ
チレン微粒子(PTFE)を加え、表3の組成で混合液
7,8を調製した。PTFEは、触媒担持炭素粉末と十
分に混合した後に、他の混合液成分に混合することで均
一な液を得た。
(Examples 3 to 6) A solvent prepared by mixing 15 parts by weight of ethyl lactate and 55 parts by weight of ethylene glycol, an alloy of platinum and ruthenium as a catalyst supported on carbon black and having an average secondary particle diameter of 10 microns. Catalyst supported carbon powder, polyperfluorosulfonic acid (Nafion 115)
Proton conductive polymer-containing liquid (resin concentration 10% by mass) dissolved in ethanol was mixed with alumina as a hydrophilic agent in the composition shown in Table 3 to prepare mixed liquids 5 and 6. Alumina was added after all other ingredients were mixed. Using platinum as a catalyst instead of an alloy of platinum and ruthenium,
Polytetrafluoroethylene fine particles (PTFE) were added as a water repellent in place of alumina to prepare mixed liquids 7 and 8 having the compositions shown in Table 3. PTFE was thoroughly mixed with the catalyst-supporting carbon powder and then mixed with other mixed liquid components to obtain a uniform liquid.

【表3】 表4のように実施例1と同様にして触媒層を形成し、電
極膜接合体(MEA)の作製を行った。作製した電極接
合体を用い、実施例1と同様に燃料電池としての発電特
性を出力電流密度1.0A/cm2の時の電池電圧で比
較した。これらの結果を表4に示す。
[Table 3] As shown in Table 4, a catalyst layer was formed in the same manner as in Example 1 to prepare an electrode membrane assembly (MEA). Using the produced electrode assembly, the power generation characteristics as a fuel cell were compared with the cell voltage at an output current density of 1.0 A / cm 2 as in Example 1. The results are shown in Table 4.

【表4】 [Table 4]

【0044】実施例3,4は、比較例2と比べて発電特
性が向上している。これは実施例3,4が好ましい触媒
層の微細構造を有するために、親水剤による触媒層の吸
湿性がより向上したためであると考えられる。同程度の
アルミナ添加量となる実施例3と4の比較において、実
施例4の方がより高い電圧が得られているのは、実施例
4の塗布方法によって得られる触媒層がより好ましい微
細構造を有するために発電効率向上に効果を示している
と考えられる。
The power generation characteristics of Examples 3 and 4 are improved as compared with Comparative Example 2. It is considered that this is because Examples 3 and 4 had the preferable fine structure of the catalyst layer, and therefore the hygroscopicity of the catalyst layer by the hydrophilic agent was further improved. In comparison between Examples 3 and 4 in which the amount of alumina added is about the same, a higher voltage is obtained in Example 4 because the catalyst layer obtained by the coating method of Example 4 has a finer structure. It is considered that this has the effect of improving power generation efficiency.

【0045】実施例5,6においては、比較例3と比べ
て発電能力が向上している。これは実施例5,6が好ま
しい触媒層の微細構造を有するために、撥水剤による触
媒層からの生成水の除去が良好になったためであると考
えられる。同程度の撥水剤の添加量である実施例5と6
において、実施例6がより高い発電効率を示しているの
は、実施例6の塗布方法によって得られる触媒層がより
好ましい微細構造を有するために発電効率向上に効果を
示していると考えられる。また、親水剤又は撥水剤を添
加した比較例2,3においては、未添加の比較例1と同
程度の発電能力しか得られていない。これは触媒層が好
ましい微細構造を有さないために、親水剤又は撥水剤添
加の効果を殆ど示さないためであると考えられる。
In Examples 5 and 6, the power generation capacity is improved as compared with Comparative Example 3. It is considered that this is because Examples 5 and 6 had a preferable fine structure of the catalyst layer, and thus the water produced by the water repellent agent was removed well from the catalyst layer. Examples 5 and 6 in which the water repellent is added in the same amount.
In Example 6, the higher power generation efficiency is considered to be due to the effect of improving the power generation efficiency because the catalyst layer obtained by the coating method of Example 6 has a more preferable fine structure. Further, in Comparative Examples 2 and 3 in which the hydrophilic agent or the water repellent was added, only the power generation capacity comparable to that of Comparative Example 1 in which no hydrophilic agent was added was obtained. It is considered that this is because the catalyst layer does not have a preferable fine structure, and thus the effect of adding the hydrophilic agent or the water repellent is hardly exhibited.

【0046】(実施例7及び8)混合液1と同様の組成
物からなり、表5に示すように触媒担持炭素粉末の含有
量の高い混合液9を調製した。
(Examples 7 and 8) A mixed solution 9 having the same composition as the mixed solution 1 and having a high content of the catalyst-supporting carbon powder was prepared as shown in Table 5.

【表5】 混合液1,3及び9を、実施例2と同様の塗布方法によ
って一枚の固体高分子電解質膜上に塗り分けて触媒層パ
ターンを形成した。負極側ガス供給路の上流近辺に混合
液1と3を混ざり合わせて塗布、下流近辺に混合液1と
9を混ざり合わせて塗布を行った。正極触媒層は、実施
例2と同様に混合液4で3回全面塗布して形成した。塗
布条件及びMEAの作製は実施例2と同様に行った。即
ち、実施例2と比較してガス供給路の下流側に触媒量の
多いMEAが形成できたことになる。
[Table 5] Mixtures 1, 3 and 9 were separately applied onto one solid polymer electrolyte membrane by the same coating method as in Example 2 to form a catalyst layer pattern. The mixed solutions 1 and 3 were mixed and applied near the upstream side of the negative electrode side gas supply passage, and the mixed solutions 1 and 9 were mixed and applied near the downstream side. The positive electrode catalyst layer was formed by coating the entire surface with the mixed solution 4 three times as in Example 2. The coating conditions and the production of MEA were performed in the same manner as in Example 2. That is, the MEA having a large amount of catalyst could be formed on the downstream side of the gas supply passage as compared with the second embodiment.

【0047】実施例8では、固体高分子電解質膜上に負
極用触媒層を実施例7と同様に作製し、正極側に触媒層
パターンを形成することを試みた。混合液4,7及び8
を、実施例6と同様の塗布方法によって一枚の固体高分
子電解質膜上に塗り分けて触媒層パターンを形成した。
正極側セパレーターの空気供給細溝に対向する位置に混
合液4と7を混ざり合わせて塗布、それ以外の部分には
混合液4と8を混ざり合わせて塗布を行った。即ち、実
施例6と比較して正極側セパレーターの空気供給細溝に
対向しない部分に撥水剤の多いMEAが形成できたこと
になる。作製したこれらの電極接合体を用い、出力電流
密度1.0A/cm2の時の電池電圧、及び水素燃料の
利用効率を比較した。これらの結果を表6に示す。
In Example 8, an attempt was made to form a negative electrode catalyst layer on the solid polymer electrolyte membrane in the same manner as in Example 7, and to form a catalyst layer pattern on the positive electrode side. Mixtures 4, 7 and 8
Was coated on one solid polymer electrolyte membrane by the same coating method as in Example 6 to form a catalyst layer pattern.
The mixed liquids 4 and 7 were mixed and applied to a position facing the air supply narrow groove of the positive electrode side separator, and the mixed liquids 4 and 8 were mixed and applied to the other portions. That is, as compared with Example 6, the MEA having a large amount of water repellent could be formed in the portion of the positive electrode side separator not facing the air supply narrow groove. Using these prepared electrode assemblies, the cell voltage at an output current density of 1.0 A / cm 2 and the utilization efficiency of hydrogen fuel were compared. The results are shown in Table 6.

【表6】 [Table 6]

【0048】実施例7は、実施例2と同程度の電池電圧
が得られており、同じガス供給条件での評価にもかかわ
らず水素の利用効率が向上している。これは、水素が消
費されて濃度が低くなったガス供給路の下流近辺におい
て、実施例7では触媒量を多くしているために反応が促
進されたためである考えられる。本発明の方法では、イ
ンクジェットプリンターで触媒層を塗布しているため、
実施例7のような触媒層を、生産効率を落とすことなく
容易に形成でき、発電効率の向上が達成できる。
In Example 7, a battery voltage similar to that in Example 2 was obtained, and the hydrogen utilization efficiency was improved despite the evaluation under the same gas supply conditions. It is considered that this is because the reaction was promoted in Example 7 because the catalyst amount was increased in the vicinity of the downstream of the gas supply path where hydrogen was consumed and the concentration became low. In the method of the present invention, since the catalyst layer is applied by an inkjet printer,
The catalyst layer as in Example 7 can be easily formed without lowering production efficiency, and power generation efficiency can be improved.

【0049】実施例8は、正極側に触媒層パターンを形
成していない実施例7と比較して、電池電圧、水素の利
用効率ともに向上している。これは、触媒層パターンの
形成によって生成水の除去が効率良く行えるようになっ
たためであると考えられる。本発明の方法では、インク
ジェットプリンターで触媒層を塗布しているため、実施
例8のような複雑なパターンの触媒層も生産効率を落と
すことなく容易に形成でき、発電効率の向上が達成でき
る。
In Example 8, both the battery voltage and the hydrogen utilization efficiency are improved as compared with Example 7 in which the catalyst layer pattern is not formed on the positive electrode side. It is considered that this is because the formation of the catalyst layer pattern allows the generated water to be efficiently removed. In the method of the present invention, since the catalyst layer is applied by the inkjet printer, the catalyst layer having a complicated pattern as in Example 8 can be easily formed without lowering the production efficiency, and the power generation efficiency can be improved.

【0050】(実施例9及び10)混合液1及び混合液
4と同様の組成物からなり、表7に示すようにそれぞれ
プロトン伝導性ポリマーの添加量を減らした混合液10
及び混合液11を調製した。
(Examples 9 and 10) A mixed solution 10 comprising the same composition as the mixed solution 1 and the mixed solution 4 with the addition amount of the proton conductive polymer reduced as shown in Table 7.
And a mixed solution 11 were prepared.

【表7】 [Table 7]

【0051】表8のように実施例1と同様にして触媒層
を形成し、電極膜接合体(MEA)の作製を行った。作
製した電極接合体を用い、燃料電池としての発電特性を
出力電流密度1.0A/cm2の時の電池電圧で比較し
た。これらの結果を表8に示す。
As shown in Table 8, a catalyst layer was formed in the same manner as in Example 1 to prepare an electrode membrane assembly (MEA). Using the produced electrode assembly, the power generation characteristics as a fuel cell were compared with the cell voltage when the output current density was 1.0 A / cm 2 . The results are shown in Table 8.

【表8】 [Table 8]

【0052】実施例9及び10は、比較例1と比べて触
媒層中のプロトン伝導性ポリマーの含有量が少ないにも
かかわらず、発電能力は同等に保たれており、本発明の
方法では、プロトン伝導性ポリマーが少なくても良好な
発電能力を有する触媒層を形成できる。
In Examples 9 and 10, although the content of the proton-conducting polymer in the catalyst layer was smaller than that of Comparative Example 1, the power generation capacity was kept the same, and in the method of the present invention, Even if the amount of the proton conductive polymer is small, it is possible to form a catalyst layer having a good power generation capacity.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明の第一の発明によれば、触媒担持
炭素粉末及びプロトン伝導性ポリマーを含有する混合液
を、基材上に適用して触媒層を形成する固体高分子型燃
料電池用触媒層の形成方法において、組成の異なる2種
以上の混合液から、組成の異なる2種以上の液滴をそれ
ぞれ形成し、基材上に適用して形成した触媒層は、物質
移動が効率よくできる微細構造を持つために、それを備
えた燃料電池は発電性能を向上させることができる。
According to the first aspect of the present invention, a polymer electrolyte fuel cell in which a mixed liquid containing a catalyst-supporting carbon powder and a proton conductive polymer is applied on a substrate to form a catalyst layer. In the method for forming a catalyst layer for use in a catalyst layer formed by applying two or more kinds of liquid droplets having different compositions to a substrate and applying the same onto a substrate, mass transfer is efficient. Since it has a fine structure that can be improved, a fuel cell equipped with it can improve power generation performance.

【0054】本発明の第二の発明によれば、触媒担持炭
素粉末の種類及び/又は量が異なる2種以上の混合液を
用いることにより、触媒組成分布を有した触媒層を形成
でき、触媒利用効率を高めることができる。
According to the second aspect of the present invention, a catalyst layer having a catalyst composition distribution can be formed by using a mixed solution of two or more kinds having different kinds and / or amounts of the catalyst-supporting carbon powder, Utilization efficiency can be improved.

【0055】本発明の第三の発明によれば、プロトン伝
導性ポリマーの種類及び/又は量が異なる2種以上の混
合液を用いることにより、プロトン伝導性ポリマー組成
分布を有した触媒層を形成でき、触媒層のイオン伝導性
を高めることができる。
According to the third aspect of the present invention, a catalyst layer having a proton conductive polymer composition distribution is formed by using a mixed solution of two or more kinds having different types and / or amounts of proton conductive polymers. Therefore, the ion conductivity of the catalyst layer can be enhanced.

【0056】本発明の第四の発明によれば、混合液が、
更に撥水剤を含有し、その種類及び/又は量が異なる2
種以上の混合液を用いることにより、触媒層内のプロト
ン伝導性ポリマーの含水率を維持しつつ、生成水を細孔
から容易に除去できる。
According to the fourth aspect of the present invention, the mixed solution is
In addition, it contains a water repellent, and its type and / or amount are different 2
By using the mixed liquid of at least one species, the produced water can be easily removed from the pores while maintaining the water content of the proton conductive polymer in the catalyst layer.

【0057】本発明の第五の発明によれば、混合液が、
更に親水剤を含有し、その種類及び/又は量が異なる2
種以上の混合液を用いることにより、触媒層内のプロト
ン伝導性ポリマーの加湿を効率よく行うことができる。
According to the fifth aspect of the present invention, the mixed solution is
Further containing a hydrophilic agent, the type and / or amount of which is different 2
By using the mixed liquid of at least one species, it is possible to efficiently humidify the proton conductive polymer in the catalyst layer.

【0058】本発明の第六の発明によれば、組成の異な
る2種以上の液滴を、混ざり合わせて基材上に適用する
ことにより、物質移動が効率よくできる微細構造を有す
る触媒層を形成でき、それを備えた燃料電池は発電性能
を向上させることできる。
According to the sixth aspect of the present invention, a catalyst layer having a fine structure capable of efficient mass transfer can be obtained by mixing two or more kinds of liquid droplets having different compositions and applying the mixture onto a substrate. The fuel cell can be formed, and the fuel cell having the same can improve the power generation performance.

【0059】本発明の第七の発明によれば、組成の異な
る2種以上の液滴を、逐次、基材上に適用して触媒層の
厚さ方向に組成の異なる触媒層パターンを形成した触媒
層は、物質移動が良好な層構造を有するために、それを
備えた燃料電池は発電性能を向上させることできる。
According to the seventh aspect of the present invention, two or more kinds of droplets having different compositions are successively applied onto the substrate to form a catalyst layer pattern having different compositions in the thickness direction of the catalyst layer. Since the catalyst layer has a layer structure with favorable mass transfer, the fuel cell provided with the catalyst layer can improve power generation performance.

【0060】本発明の第八の発明によれば、組成の異な
る2種以上の液滴を、基材上に適用して触媒層の平面方
向に組成の異なる触媒層パターンを形成した触媒層は、
触媒層全体において均質に反応を起こすことができるた
めに、それを備えた燃料電池は発電効率を向上させるこ
とができる。
According to the eighth aspect of the present invention, a catalyst layer in which two or more kinds of droplets having different compositions are applied on a substrate to form a catalyst layer pattern having different compositions in the plane direction of the catalyst layer is provided. ,
Since the reaction can occur uniformly in the entire catalyst layer, the fuel cell provided with the catalyst layer can improve power generation efficiency.

【0061】本発明の第九の発明によれば、触媒層パタ
ーンを、ガス流路に対応させて形成した触媒層は、触媒
層全体において均質に反応を起こすことができるため
に、それを備えた燃料電池は発電効率を向上させること
ができる。
According to the ninth aspect of the present invention, the catalyst layer in which the catalyst layer pattern is formed in correspondence with the gas flow path is provided with the catalyst layer pattern because the catalyst layer can react uniformly in the entire catalyst layer. The fuel cell can improve the power generation efficiency.

【0062】本発明の第十の発明によれば、供給ガスの
組成に対応した触媒層組成からなる触媒層パターンを形
成した触媒層は、触媒層全体において均質に反応を起こ
すことができるために、それを備えた燃料電池は発電効
率を向上させることができる。
According to the tenth aspect of the present invention, since the catalyst layer having the catalyst layer pattern having the catalyst layer composition corresponding to the composition of the supply gas can uniformly react in the entire catalyst layer. The fuel cell equipped with it can improve power generation efficiency.

【0063】本発明の第十一の発明によれば、(1)イ
ンクジェットノズル、(2)ノズル駆動装置、及び
(3)触媒層を乾燥する装置からなる触媒層形成装置を
用いて形成した固体高分子型燃料電池用触媒層は、良好
なイオン伝導性、ガス透過性及び電子伝導性を有した微
細構造を持つために、その触媒層を備えた燃料電池は発
電性能を向上させることができる。
According to the eleventh aspect of the present invention, a solid formed by using a catalyst layer forming device comprising (1) an ink jet nozzle, (2) a nozzle driving device, and (3) a device for drying a catalyst layer. Since the catalyst layer for polymer type fuel cells has a fine structure having good ion conductivity, gas permeability and electron conductivity, the fuel cell provided with the catalyst layer can improve power generation performance. .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福本 久敏 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 前田 秀雄 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS01 BB08 EE05 EE17 5H026 AA06    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Hisatoshi Fukumoto             2-3 2-3 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Ryo Electric Co., Ltd. (72) Inventor Hideo Maeda             2-3 2-3 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Ryo Electric Co., Ltd. F-term (reference) 5H018 AA06 AS01 BB08 EE05 EE17                 5H026 AA06

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 触媒担持炭素粉末及びプロトン伝導性ポ
リマーを含有する混合液を、基材上に適用して触媒層を
形成する固体高分子型燃料電池用触媒層の形成方法にお
いて、組成の異なる2種以上の混合液から、組成の異な
る2種以上の液滴をそれぞれ形成し、基材上に適用する
ことを特徴とする触媒層の形成方法。
1. A method for forming a catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises applying a mixed solution containing a catalyst-supporting carbon powder and a proton-conducting polymer onto a substrate to form a catalyst layer having different compositions. A method for forming a catalyst layer, which comprises forming two or more kinds of droplets having different compositions from a mixed solution of two or more kinds and applying the droplets onto a substrate.
【請求項2】 触媒担持炭素粉末の種類及び/又は量が
異なる2種以上の混合液を用いることを特徴とする請求
項1に記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein two or more kinds of mixed liquids having different types and / or amounts of the catalyst-supporting carbon powder are used.
【請求項3】 プロトン伝導性ポリマーの種類及び/又
は量が異なる2種以上の混合液を用いることを特徴とす
る請求項1又は2に記載の方法。
3. The method according to claim 1, wherein a mixed solution of two or more kinds having different kinds and / or amounts of the proton conductive polymer is used.
【請求項4】 混合液が、更に撥水剤を含有し、その種
類及び/又は量が異なる2種以上の混合液を用いること
特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
4. The liquid mixture according to claim 1, wherein the liquid mixture further contains a water repellent, and two or more liquids having different types and / or amounts are used. Method.
【請求項5】 混合液が、更に親水剤を含有し、その種
類及び/又は量が異なる2種以上の混合液を用いること
を特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方
法。
5. The mixed solution according to claim 1, wherein the mixed solution further contains a hydrophilic agent, and two or more kinds of mixed solutions having different kinds and / or amounts are used. Method.
【請求項6】 組成の異なる2種以上の液滴を、混ざり
合わせて基材上に適用することを特徴とする請求項1〜
5のいずれか一項に記載の方法。
6. The method according to claim 1, wherein two or more kinds of droplets having different compositions are mixed and applied on the substrate.
5. The method according to any one of 5 above.
【請求項7】 組成の異なる2種以上の液滴を、逐次、
基材上に適用して触媒層の厚さ方向に組成の異なる触媒
層パターンを形成することを特徴とする請求項1〜5の
いずれか一項に記載の方法。
7. Two or more kinds of liquid droplets having different compositions are successively formed,
The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the method is applied on a substrate to form a catalyst layer pattern having different compositions in the thickness direction of the catalyst layer.
【請求項8】 組成の異なる2種以上の液滴を、基材上
に適用して触媒層の平面方向に組成の異なる触媒層パタ
ーンを形成することを特徴とする請求項1〜5のいずれ
か一項に記載の方法。
8. The catalyst layer pattern having different compositions is formed in the plane direction of the catalyst layer by applying two or more kinds of droplets having different compositions on the substrate. The method described in paragraph 1.
【請求項9】 触媒層パターンを、ガス流路に対応させ
て形成することを特徴とする請求項7又は8に記載の方
法。
9. The method according to claim 7, wherein the catalyst layer pattern is formed corresponding to the gas flow path.
【請求項10】 供給ガスの組成に対応した触媒層組成
からなる触媒層パターンを、形成することを特徴とする
請求項7又は8に記載の方法。
10. The method according to claim 7, wherein a catalyst layer pattern having a catalyst layer composition corresponding to the composition of the supply gas is formed.
【請求項11】 (1)インクジェットノズル、(2)
ノズル駆動装置、及び(3)触媒層を乾燥する装置から
なる請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法に用い
られる触媒層形成装置。
11. An ink jet nozzle, (1), and (2).
The catalyst layer forming apparatus used in the method according to claim 1, comprising a nozzle driving device and (3) a device for drying the catalyst layer.
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