燃料電池電極用触媒層の製造方法
【課題】 従来の燃料電池電極用触媒層の製造方法は、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を層形成、熱処理した後、イオノマーを層表面に塗布、乾燥するものであるため、触媒粉末が充分にイオノマーで被覆されないので触媒の利用率が低かった。
【解決手段】触媒層を製造するに際し、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を熱処理する第１工程と、得られた焼成体を粉砕する第２工程と、粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合した後、製膜、乾燥する第３工程により製造した。この製造方法によれば、触媒粉末がイオノマーに充分に被覆されるので触媒利用率が高められ、燃料電池性能向上に寄与できる。
【解決手段】触媒層を製造するに際し、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を熱処理する第１工程と、得られた焼成体を粉砕する第２工程と、粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合した後、製膜、乾燥する第３工程により製造した。この製造方法によれば、触媒粉末がイオノマーに充分に被覆されるので触媒利用率が高められ、燃料電池性能向上に寄与できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に電極用触媒層の製造方法に関するものである。
【０００２】
近年、石油の枯渇、環境問題の観点から、燃料電池の普及に対する期待は非常に高まっている。特に、自動車用電源、定置、すなわち家庭用電源さらには移動体用、たとえばスクーターや介助用の小型車両用電源への適用の期待が高い。
【０００３】
しかしながら、現在のところ、燃料電池は電池性能の面で充分とはいえず普及には至っていないのが現状であり、研究者により日々開発努力されているところである。燃料電池の電池性能の向上のためには、燃料電池を構成する要素の性能向上を図ることが必要であることはいうまでもない。
【背景技術】
【０００４】
燃料電池の一例である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に、２枚のガス拡散電極を配置した構造を呈し、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれのガス拡散電極へ供給することによって電力が得られるものである。さらに、ガス拡散電極は、導電性かつ撥水性の多孔質層を触媒層と多孔質のガス拡散板で挟持した構成よりなる。
【０００５】
ここで、従来の触媒層は、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を層形成、熱処理後、層表面に固体電解質となるイオノマー溶液を塗布、乾燥して製造されている。
【特許文献】 特開２００１−１０２０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しょうとする課題】
【０００６】
従来の触媒層の製造方法では、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を層形成、熱処理した後、イオノマーを層表面に塗布するものであるため、触媒粉末が充分にイオノマーで被覆されないので触媒の利用率が低かった。
【０００７】
本発明は、従来の課題点を解決し、触媒の利用率を高め、燃料電池性能の向上を図ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そして、上記目的を達成するために、本発明は、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を熱処理する第１工程と、得られた焼成体を粉砕する第２工程と、粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合した後、製膜、乾燥する第３工程よりなることを特徴とする燃料電池電極用触媒層の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による触媒層の製造方法によれば、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を熱処理して焼成体を形成した後、この焼成体を一旦粉砕し、ついで粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合した後、製膜、乾燥するものであるため、触媒粉末がイオノマーで充分に被覆されるので触媒の利用率が高められ、燃料電池性能向上に寄与するものである。
【００１０】
本発明により、燃料電池の各種用途への普及が一段と加速することが期待できる。
【発明の実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳述する。
【実施例】
【００１２】
（第１工程）
触媒粉末として、白金コバルト担持カーボン（以下、Ｐｔ−Ｃｏ／Ｃという）を準備し、触媒粉末に水、エタノール、およびフッ素樹脂としての四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体（以下、ＦＥＰという）を、ＦＥＰ／（カーボン＋ＦＥＰ）が３０％となる配合比で加えた後、ボールミルを用いて約６０分混合する。その後、さらにエタノールを加え、ミキサーで約５分混合する。しかる後、ブレードコーターを用いて、基材としてのポリイミドシート上に混合物を塗布し、空気中６０℃で約１０分乾燥した後、窒素雰囲気中２６５℃で約１０分焼成する。
【００１３】
（第２工程）
基材よりフッ素樹脂を担持したＰｔ−Ｃｏ／Ｃ触媒粉末焼成体を剥離し、めのう乳鉢で粉砕する。
【００１４】
（第３工程）
上記第２工程で得られた粉砕焼成粉末に水、およびイオノマー溶液としてのパーフルオロカーボンスルホン酸（ナフィオンＲ：米国、デュポン社）を、イオノマー／（カーボン＋イオノマー）が４０％となる配合比で加え、ボールミルを用いて約６０分混合し、さらにミキサーで約５分混合する。ついで、水およびエタノールを加え、ミキサーで約５分混合する。その後、ブレードコーターを用いて基材としてのポリイミドシートに混合物を塗布した後、８０℃の硫酸で３０分間洗浄し、ついで減圧下１５０℃で乾燥して触媒層を得る。
【００１５】
上記実施例において、触媒粉末として、白金コバルト担持カーボンを用いたが、その他の例として、白金担持カーボン、白金ルテニウム担持カーボンなどが挙げられる。
【００１６】
また、フッ素樹脂として、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体を用いたが、その他の例として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリクロロトリフルオロエチレンなどが挙げられる。
【００１７】
さらに、イオノマー溶液として、パーフルオロカーボンスルホン酸溶液を用いたが、その他の例として、パーフルオロスルホン酸形陽イオン交換樹脂溶液、スチレン−ジビニルベンゼン系のスルホン酸形陽イオン交換樹脂溶液などが挙げられる。
【００１８】
図は本発明の製造方法により得た触媒層を用いて組み立てた固体高分子型燃料電池と、従来の製造方法により得た触媒層を用いて組み立てた固体高分子型燃料電池との電池特性を比較したものである。なお、燃料電池の各要素ついて、燃料電極側触媒層は厚み２０μｍ、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ、酸化剤極側触媒層は厚み１５μｍ、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ、各ガス拡散電極は厚み２００μｍ、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ、固体高分子電解質は厚み５０μｍ、大きさ７０ｍｍ×７０ｍｍであり、約６Ｗ／セルである。
【００１９】
図１はセル温度８０℃における運転特性比較図、図２は電流密度３００ｍＡｃｍ−２における寿命特性比較図である。なお、その他の条件は、燃料極は加湿温度８０℃とし、水素ガスを供給、また酸化剤極は加湿温度７０℃とし、空気を供給した。
【００２０】
図１および図２より明らかなように、本発明による製造方法で得た触媒層を用いて組み立てた燃料電池は、従来の製造方法で得た触媒層を用いて組み立てた燃料電池より優れた電池特性を示している。
【００２１】
本発明によれば、触媒層の利用率が高められるが、実用化において、電極の強度も考慮すれば、本発明法の第３工程において、粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合する前に、粉砕焼成粉末を再度低濃度のフッ素樹脂と混合し焼成して、部分的に粉砕焼成粉末同士の結合力を高めることにより、触媒層の利用率が高く、かつ電極強度も高い電極が得られ、燃料電池の長期間の運転に対して効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】 本発明による燃料電池と従来の燃料電池との温度８０℃における運転特性比較図
【図２】 本発明による燃料電池と従来の燃料電池との電流密度３００ｍＡｃｍ−２における寿命特性比較図
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に電極用触媒層の製造方法に関するものである。
【０００２】
近年、石油の枯渇、環境問題の観点から、燃料電池の普及に対する期待は非常に高まっている。特に、自動車用電源、定置、すなわち家庭用電源さらには移動体用、たとえばスクーターや介助用の小型車両用電源への適用の期待が高い。
【０００３】
しかしながら、現在のところ、燃料電池は電池性能の面で充分とはいえず普及には至っていないのが現状であり、研究者により日々開発努力されているところである。燃料電池の電池性能の向上のためには、燃料電池を構成する要素の性能向上を図ることが必要であることはいうまでもない。
【背景技術】
【０００４】
燃料電池の一例である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に、２枚のガス拡散電極を配置した構造を呈し、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれのガス拡散電極へ供給することによって電力が得られるものである。さらに、ガス拡散電極は、導電性かつ撥水性の多孔質層を触媒層と多孔質のガス拡散板で挟持した構成よりなる。
【０００５】
ここで、従来の触媒層は、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を層形成、熱処理後、層表面に固体電解質となるイオノマー溶液を塗布、乾燥して製造されている。
【特許文献】 特開２００１−１０２０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しょうとする課題】
【０００６】
従来の触媒層の製造方法では、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を層形成、熱処理した後、イオノマーを層表面に塗布するものであるため、触媒粉末が充分にイオノマーで被覆されないので触媒の利用率が低かった。
【０００７】
本発明は、従来の課題点を解決し、触媒の利用率を高め、燃料電池性能の向上を図ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そして、上記目的を達成するために、本発明は、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を熱処理する第１工程と、得られた焼成体を粉砕する第２工程と、粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合した後、製膜、乾燥する第３工程よりなることを特徴とする燃料電池電極用触媒層の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による触媒層の製造方法によれば、触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を熱処理して焼成体を形成した後、この焼成体を一旦粉砕し、ついで粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合した後、製膜、乾燥するものであるため、触媒粉末がイオノマーで充分に被覆されるので触媒の利用率が高められ、燃料電池性能向上に寄与するものである。
【００１０】
本発明により、燃料電池の各種用途への普及が一段と加速することが期待できる。
【発明の実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳述する。
【実施例】
【００１２】
（第１工程）
触媒粉末として、白金コバルト担持カーボン（以下、Ｐｔ−Ｃｏ／Ｃという）を準備し、触媒粉末に水、エタノール、およびフッ素樹脂としての四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体（以下、ＦＥＰという）を、ＦＥＰ／（カーボン＋ＦＥＰ）が３０％となる配合比で加えた後、ボールミルを用いて約６０分混合する。その後、さらにエタノールを加え、ミキサーで約５分混合する。しかる後、ブレードコーターを用いて、基材としてのポリイミドシート上に混合物を塗布し、空気中６０℃で約１０分乾燥した後、窒素雰囲気中２６５℃で約１０分焼成する。
【００１３】
（第２工程）
基材よりフッ素樹脂を担持したＰｔ−Ｃｏ／Ｃ触媒粉末焼成体を剥離し、めのう乳鉢で粉砕する。
【００１４】
（第３工程）
上記第２工程で得られた粉砕焼成粉末に水、およびイオノマー溶液としてのパーフルオロカーボンスルホン酸（ナフィオンＲ：米国、デュポン社）を、イオノマー／（カーボン＋イオノマー）が４０％となる配合比で加え、ボールミルを用いて約６０分混合し、さらにミキサーで約５分混合する。ついで、水およびエタノールを加え、ミキサーで約５分混合する。その後、ブレードコーターを用いて基材としてのポリイミドシートに混合物を塗布した後、８０℃の硫酸で３０分間洗浄し、ついで減圧下１５０℃で乾燥して触媒層を得る。
【００１５】
上記実施例において、触媒粉末として、白金コバルト担持カーボンを用いたが、その他の例として、白金担持カーボン、白金ルテニウム担持カーボンなどが挙げられる。
【００１６】
また、フッ素樹脂として、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体を用いたが、その他の例として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリクロロトリフルオロエチレンなどが挙げられる。
【００１７】
さらに、イオノマー溶液として、パーフルオロカーボンスルホン酸溶液を用いたが、その他の例として、パーフルオロスルホン酸形陽イオン交換樹脂溶液、スチレン−ジビニルベンゼン系のスルホン酸形陽イオン交換樹脂溶液などが挙げられる。
【００１８】
図は本発明の製造方法により得た触媒層を用いて組み立てた固体高分子型燃料電池と、従来の製造方法により得た触媒層を用いて組み立てた固体高分子型燃料電池との電池特性を比較したものである。なお、燃料電池の各要素ついて、燃料電極側触媒層は厚み２０μｍ、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ、酸化剤極側触媒層は厚み１５μｍ、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ、各ガス拡散電極は厚み２００μｍ、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ、固体高分子電解質は厚み５０μｍ、大きさ７０ｍｍ×７０ｍｍであり、約６Ｗ／セルである。
【００１９】
図１はセル温度８０℃における運転特性比較図、図２は電流密度３００ｍＡｃｍ−２における寿命特性比較図である。なお、その他の条件は、燃料極は加湿温度８０℃とし、水素ガスを供給、また酸化剤極は加湿温度７０℃とし、空気を供給した。
【００２０】
図１および図２より明らかなように、本発明による製造方法で得た触媒層を用いて組み立てた燃料電池は、従来の製造方法で得た触媒層を用いて組み立てた燃料電池より優れた電池特性を示している。
【００２１】
本発明によれば、触媒層の利用率が高められるが、実用化において、電極の強度も考慮すれば、本発明法の第３工程において、粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合する前に、粉砕焼成粉末を再度低濃度のフッ素樹脂と混合し焼成して、部分的に粉砕焼成粉末同士の結合力を高めることにより、触媒層の利用率が高く、かつ電極強度も高い電極が得られ、燃料電池の長期間の運転に対して効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】 本発明による燃料電池と従来の燃料電池との温度８０℃における運転特性比較図
【図２】 本発明による燃料電池と従来の燃料電池との電流密度３００ｍＡｃｍ−２における寿命特性比較図
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を熱処理する第１工程と、得られた焼成体を粉砕する第２工程と、粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合した後、製膜、乾燥する第３工程よりなることを特徴とする燃料電池電極用触媒層の製造方法。
【請求項１】
触媒粉末とフッ素樹脂との混合物を熱処理する第１工程と、得られた焼成体を粉砕する第２工程と、粉砕焼成粉末とイオノマー溶液とを混合した後、製膜、乾燥する第３工程よりなることを特徴とする燃料電池電極用触媒層の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−４３４０（Ｐ２００９−４３４０Ａ）
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９０１７２（Ｐ２００７−１９０１７２）
【出願日】平成１９年６月２２日（２００７．６．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発事業／基礎的・共通的課題に対する技術開発／セル劣化要因の基礎研究とＭＥＡ耐久性の解析」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（３９００１８２５６）財団法人大阪科学技術センター (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２２日（２００７．６．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発事業／基礎的・共通的課題に対する技術開発／セル劣化要因の基礎研究とＭＥＡ耐久性の解析」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（３９００１８２５６）財団法人大阪科学技術センター (1)
【Ｆターム（参考）】
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