JP2000511330A - 電極触媒の低温研磨及び燃料電池電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、電極基体に添加される触媒を製造する方法に係り、この方法は、触媒材料を臨界温度以下の温度に冷却する工程と、この冷却された触媒を研磨し且つ電極基体に一様な触媒層を生ずる触媒材料を製造する工程とからなる。完成した電極は従来の公知の方法により製造された電極より顕著に少ない粒子を備えるものである。

Description

【発明の詳細な説明】 電極触媒の低温研磨及び燃料電池電極の製造方法 発明の属する技術分野 本発明は、電気化学電池の電極に係り、特にこの電極を製造する方法に関する 。 従来の技術 例えば燃料電池のような電気化学電池用の電極は、当業者において周知である 。通常の型の電極の一つは、ガス拡散電極である。一対のガス拡散電極が電解液 の両側に配置される。触媒は各電極の面に対応して電解液内に配置される。水素 は陽極の背後側に供給され、酸素は陰極の背後側に供給される。ガスは電極を介 して拡散され、且つ触媒の存在の下で電解液と反応する。これらの電極に用いら れる触媒は、カーボン粒子で支持された触媒と結合されるポリテトラフルオロエ チレンの混合物からなる。 これらの電気化学電池に使用される電極を製造する複数の方法が存在している 。典型的にはこれらの方法は、カーボン紙基体の表面に小さな粒子形状の触媒を 添加することを含んでいる。触媒を真空下で加熱結合し且つ焼結することにより 、電極を形成する。かかる方法の一つは、１９８１年９月１日付けにて発行され た名称「電気化学電池の電極を製造するドライフロック方法」のゴラー氏他の米 国特許第４，２８７，２３２号明細書、並びに１９８０年１１月１１日付けにて 発行された名称「燃料電池のクラウド電極製造のための自動操作触媒の処理方法 」のゴラー氏他の米国特許第２，２３３，１８１号明細書に詳細に記載されてお り、ここでは両明細書の開示を参考としてあげる。これらの明細書には、触媒材 料を製造する方法を開示しており、予め秤量された量の触媒をグラインダに導入 し、触媒の粒子を粉砕させ、且つ触媒は，連続処理工程で触媒が添加されるべき 電極 基体の面上に位置するクラウドチャンバに送り込まれる。基体の下側を真空にす ることにより、触媒は基体の面に引き込まれ，一様な触媒層が形成される。被覆 された基体はコンパクト即ち突き固められ、オーブンを通過して触媒が焼結且つ 乾燥される。 このような試みをできるだけ成功させるために、焼結且つ乾燥工程中、触媒表 面の突起又はピンプル即ち吹出物を定期的に検査してきた。これは吹出物のメイ クアップ即ち埋め合わせの仕方でスクラップにされなければならない部分である と見なされないので、これらの吹出物はこの部分の品質検査の間、異質の材料と 区別できない。 したがってこの技術分野に必要なものは、これらの吹出物を除去し且つ電極の 性能をより良い理想的に改善する電極の製造方法である。 発明の簡単な説明 本発明は、主として実質的に吹出物の無い電極基体の表面に形成された触媒層 の製造に有効な、触媒材料の製造方法に関する。本発明の方法は、秤量された量 の触媒材料をコンテナに設置し、臨界温度以下に触媒の温度を下げるために十分 な冷却剤を加え、冷却された触媒をグラインダに入れ、且つ触媒粒子を望ましい 寸法に減少することからなる。更にまた電気化学電池に使用する電極を製造する 方法に係り、前述の方法で製造された研磨された触媒をクラウドチャンバに入れ 、そこで基体の表面に添加し、且つ基体をオーブン内を通過させ、触媒層を焼結 させることからなる。 本発明の前述並びに他の特徴及び利点は、添付図面に示した好ましい実施の形 態の詳細な記載から明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は触媒を研磨するのに有効なシステムの線図である。 本発明の好ましい実施の形態 図面に基づいて説明すると、主として箱であるハウジング２は、ハウジングに 入室を許すドア４とハウジングの大気を排気するのに使用できるブロア６とを有 する。ハウジング２内には更に冷却されるべぎ触媒を保持するバケット即ちコン テナ８が設けられる。この方法に使用される好ましい触媒は、ポリテトラフルオ ロエチレン粒子と、水性スラリーに共に混合され、且つ本明細書で参考としてと り上げたゴラー氏の特許に開示されたスラリーからフロック（綿状の固まり）を 生じせしめる触媒粒子を支持するカーボンとからなる。触媒は次いで乾燥され、 基体に適用するのに十分に成るまで貯蔵される。典型的に綿状の固まりとなった 触媒は、約２９重量％と約５０重量％の間のポリテトラフルオロエチレンと、約 ７１重量％と約５０重量％との間の触媒を支持するカーボンとからなる。更に冷 却媒体の槽１０と、冷却媒体を槽１０からコンテナ８に流すのに使用するパイプ 又は他の導管１２が開示されている。典型的には、冷却媒体は触媒を所望温度に 迅速に冷却できる液体で、蒸発でき又は迅速に取り除くことができ、一方触媒の 温度を顕著に高めることはなく且つ安全性に障害となるものにさらすこともない 。好ましい材料は液体窒素であるが、液体ヘリウムのような他の材料であっても 良い。電極にほんの僅かな吹出物しか発生しない臨界温度以下に触媒を冷却する ことが望ましい。この温度は０℃以下と信じられている。この温度は触媒粒子に 存在するなんらかの水の氷結点以下である。加えてこの温度は、本例の場合ポリ テトラフルオロエチレンのような粒子を形成するため、触媒と混合するバインダ 材料の相転移温度以下である。しかしながら冷却剤の温度は、数々の理由で−４ ５．６℃以下が好ましい。まず第１に研磨中粒子が低温であればあるほど、粒子 を小さな分子に破断するのが容易である。第２に冷却剤が低温であればある ほど、粒子が臨界温度により早く到達し一層低温になり得るので、その結果処理 工程を早めることができる。本実施の形態に開示した組成の触媒については、触 媒材料の３０−４５グラムが、グラインダへ伝達される前、液体窒素の初期注入 から約４５秒間で冷却される。他の材料が触媒粒子を作るために使用されるなら ば、この臨界温度は変更し得る。しかしながら液体窒素を使用したとき、その材 料が持つ臨界温度がどれほどであっても、液体窒素の臨界温度（−１９５．６℃ ）より以上である。 導管を連通する冷却剤の流れを制御するために、ニードルバルブ１４と低温ソ レノイドバルブ１６とが導管に配置されている。冷却された触媒をグラインダ２ ０に向けるため振動シュート１８が用いられ、グラインダでは触媒がまだ低温を 維持している間その寸法が減少される。コンテナからグラインダに冷却された触 媒を移動するためのハウジング並びに振動シュートは、ゴラー氏の特許に全て開 示されている。冷却された触媒をできるだけ早くグラインダに移動することが望 まれており、起こり得るなんらかの温度上昇又は触媒の温度を臨界温度以上に高 め得る温度上昇を低減できる。この時間は変更し得るが、約６０秒以下が好まし い。触媒をハウジングの外で冷却し且つ他の冷却サイトからグラインダに直接導 入するということも考慮し得る。 研磨工程は少なくとも２個のグラインダを使用することが、ゴラー氏の特許に 開示されている。第１のグラインダは触媒ペレットを、ニュージャージー州、サ ミット、ミクロプル社の破砕機械部で製造された０．０４６ヘリンボンパターン スクリーンを有するバンタム モデル ダブリュウ マイクロ粉砕機を使用する ことにより、かなり粗い粉末に粉砕される。この工程において、粉砕された粉末 は第２の研磨工程に直接供給され、この工程では、ペンシルベニア州、ハットフ ィールドのフルード エナージ プロセッシング アンド イクイップメントコ ンパニーにより製造されたジェット オー マイザーを使用している。このシス テムを使用する触媒粒子を粉砕する工程は、１９７９年１２月４日に発行された シンガー社の米国特許第４，１７７，１５９号明細書に開示されており、本明細 書では参考として列挙する。触媒粒子寸法は約５ミクロンと約５０ミクロンより 小さくない平均寸法に粉砕されることが好ましい。触媒は今や電極基体に容易に 添加できる。 コンベアベルト２４は電極基体２６を、クラウドチャンバ３０のピラミッド状 チヤンバ２８の下部位置に移動させる。図示しない適当な機械装置が、基体２６ をチャンバ２８に対して移動させる働きをし、チャンバ３８の底部縁３２が基体 ２６の外部縁３４に対して緊密に合致する。タービン３６が基体２６の下に制御 真空圧を供給する。タービン３６が回転始めた時、グラインダ２０からの予め秤 量され粉砕された触媒は、導管３８を介してチャンバ２８に引き込まれ、基体２ ６の露出面に迅速に引き込まれる。基体は真空圧で所定の位置に十分な時間保持 され、チャンバ２８内に導入された触媒の全ての測定された量が、基体に確実に 沈積又は通過できる。 基体２６に適切な量の粉末を添加した後、基体２６は電極製造工程の引き続く 段に自動的に移動され、本実施の形態では、ローラ４０及び４２による突き固め 工程と、オーブン４４における高温焼結工程と、ローラ４４及び４６による第２ の突き固め工程とからなる工程を進行する。この工程の間、コンベアベルト５０ ，５２と５４とは各工程夫々において推進する。 他の実施の形態では、研磨される触媒粒子をグラインダに導入し、次いで冷却 媒体を導入して触媒粒子を冷却し、且つ直ちに所望の粒子寸法に研磨できる。 どの様にして吹出物問題が生ずるか正確に分からないので、なぜ冷却工程の導 入が実質的にこの問題を除去できるのかを決定することは困難であるが、フロッ ク即ち綿状の固りと成った触媒を０℃以下の温度に冷却することにより、フロッ ク工程の後に触媒に残存する何等かの水が氷結し、材料のより良い研磨が達成 できる。更にカーボンをベースとした触媒と混合されたポリテトラフルオロエチ レンをこの温度、且つ特に液体窒素温度に冷却することによって、これらの粒子 はより脆くなり、それ自体がより容易に小さな粒子に研磨される。 しかしながら仕組みはどうあろうとも、この方法で得られた触媒は、基体上に 形成された触媒表面の吹出物の発生は顕著に少なく、その結果破棄されるべき電 極が少なくなる。 更にこの方法の他の利点は、本発明方法により製造された触媒を形成する陰極 電極として使用するために作られた電極は、冷却研磨工程がなくて製造された電 極より以上に改良された安定性能を示す。 本発明は図示する好ましい実施の形態について説明したが、本発明の技術思想 を逸脱しない限り、他の変形又は形状並びに詳細を省略して実施できることは当 業者において容易に理解できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ａ．秤量された量の触媒をコンテナに設置する工程と、 ｂ．前記コンテナ内の前記触媒を冷却媒体と共に移送し、且つ前記触媒をＯ℃ 以下の温度に冷却する工程と、 ｃ．前記冷却された触媒をこの触媒の粒子寸法を低減するグラインダに移送す る工程とからなる 電気化学電池電極として使用される触媒材料を研磨する方法。 ２． ａ．秤量された量の触媒を臨界温度以下に冷却する工程と、 ｂ．冷却中前記触媒をその寸法を減少させるため研磨する工程と、 ｃ．前記研磨された触媒を多孔質電極基体の表面に添加する工程と、 ｄ．前記触媒を電極表面上で突き固め且つ前記触媒を焼結する工程とからなる 電気化学電池の陽極又は陰極として使用される電極を製造する方法。