JP2002289205A - 燃料電池用電極触媒層の製造方法 - Google Patents
燃料電池用電極触媒層の製造方法Info
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- JP2002289205A JP2002289205A JP2001088419A JP2001088419A JP2002289205A JP 2002289205 A JP2002289205 A JP 2002289205A JP 2001088419 A JP2001088419 A JP 2001088419A JP 2001088419 A JP2001088419 A JP 2001088419A JP 2002289205 A JP2002289205 A JP 2002289205A
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
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- Fuel Cell (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高分子電解質を触媒近傍に置きつつ、反応ガ
ス分子の触媒金属への拡散を速やかに行わせることがで
きる燃料電池用電極触媒層を提供する。 【解決手段】 ホルムアルデヒドなどの分子を貴金属触
媒に吸着させた後、高分子電解質と貴金属触媒を含むイ
ンクから電極触媒層を形成し、その後貴金属に吸着した
分子を除去する。この方法により、ガスの拡散性が向上
し優れた特性を発揮する電極触媒層が得られる。
ス分子の触媒金属への拡散を速やかに行わせることがで
きる燃料電池用電極触媒層を提供する。 【解決手段】 ホルムアルデヒドなどの分子を貴金属触
媒に吸着させた後、高分子電解質と貴金属触媒を含むイ
ンクから電極触媒層を形成し、その後貴金属に吸着した
分子を除去する。この方法により、ガスの拡散性が向上
し優れた特性を発揮する電極触媒層が得られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池などに用いられる電極触媒層の製造方法に関する
ものである。
料電池などに用いられる電極触媒層の製造方法に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池のカソード触媒
としては、白金を含む貴金属をカーボンブラックに担持
した触媒が用いられてきた。白金担持カーボンブラック
は、塩化白金酸水溶液に、亜硫酸水素ナトリウムを加え
た後、過酸化水素水と反応させ、生じた白金コロイドを
カーボンブラックに担持させ、洗浄後、必要に応じて熱
処理することにより調製する手法が一般的である。高分
子電解質型燃料電池の電極は、白金担持カーボンブラッ
クを高分子電解質溶液に分散させてインクを調製し、そ
のインクをカーボンペーパーなどのガス拡散層基材に塗
布し、乾燥することにより作製される。この２枚の電極
で高分子電解質膜を挟み、ホットプレスをすることによ
り電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）が組立られる。燃料
として、炭化水素やメタノールなどの改質ガスを用いる
場合、水素および二酸化炭素以外に数十ｐｐｍ程度の一
酸化炭素が混入する。この一酸化炭素は、アノードの白
金触媒を被毒するため、アノード用触媒としてはルテニ
ウムと白金を合金化させた触媒が用いられる。ルテニウ
ム上に生成したヒドロキシル基により、白金に吸着した
一酸化炭素が酸化され、触媒活性が良好に保たれる。
としては、白金を含む貴金属をカーボンブラックに担持
した触媒が用いられてきた。白金担持カーボンブラック
は、塩化白金酸水溶液に、亜硫酸水素ナトリウムを加え
た後、過酸化水素水と反応させ、生じた白金コロイドを
カーボンブラックに担持させ、洗浄後、必要に応じて熱
処理することにより調製する手法が一般的である。高分
子電解質型燃料電池の電極は、白金担持カーボンブラッ
クを高分子電解質溶液に分散させてインクを調製し、そ
のインクをカーボンペーパーなどのガス拡散層基材に塗
布し、乾燥することにより作製される。この２枚の電極
で高分子電解質膜を挟み、ホットプレスをすることによ
り電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）が組立られる。燃料
として、炭化水素やメタノールなどの改質ガスを用いる
場合、水素および二酸化炭素以外に数十ｐｐｍ程度の一
酸化炭素が混入する。この一酸化炭素は、アノードの白
金触媒を被毒するため、アノード用触媒としてはルテニ
ウムと白金を合金化させた触媒が用いられる。ルテニウ
ム上に生成したヒドロキシル基により、白金に吸着した
一酸化炭素が酸化され、触媒活性が良好に保たれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この種の高分子電解質
型燃料電池の電極において、触媒金属近傍におけるプロ
トンの移動は、触媒層中に含まれる高分子電解質による
が、その一方で高分子電解質が厚く触媒金属を覆ってし
まうとガス分子の拡散律速により、特性の低下が起こ
る。このため、高分子電解質を貴金属触媒近傍に置きつ
つガス分子の拡散を良好に保つという矛盾することを両
立させる必要が生じ、触媒層中における高分子電解質と
触媒の最適比が存在することになる。また、この最適比
も加湿条件、空気利用率、セル温度などの運転条件によ
り変化する。
型燃料電池の電極において、触媒金属近傍におけるプロ
トンの移動は、触媒層中に含まれる高分子電解質による
が、その一方で高分子電解質が厚く触媒金属を覆ってし
まうとガス分子の拡散律速により、特性の低下が起こ
る。このため、高分子電解質を貴金属触媒近傍に置きつ
つガス分子の拡散を良好に保つという矛盾することを両
立させる必要が生じ、触媒層中における高分子電解質と
触媒の最適比が存在することになる。また、この最適比
も加湿条件、空気利用率、セル温度などの運転条件によ
り変化する。
【０００４】本発明は、高分子電解質を触媒近傍に置き
つつ、反応ガス分子の触媒金属への拡散を速やかに行わ
せることができる燃料電池用電極触媒層を提供すること
を目的とする。
つつ、反応ガス分子の触媒金属への拡散を速やかに行わ
せることができる燃料電池用電極触媒層を提供すること
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、触媒層におけ
るガス分子の拡散を確保し、かつ触媒近傍に高分子電解
質を配置させるため、貴金属に吸着する分子を貴金属触
媒に吸着させた後、高分子電解質と前記貴金属触媒を含
むインクを基材に塗布、乾燥する工程を経て電極触媒層
を形成し、その後貴金属に吸着した分子を除去すること
を特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
るガス分子の拡散を確保し、かつ触媒近傍に高分子電解
質を配置させるため、貴金属に吸着する分子を貴金属触
媒に吸着させた後、高分子電解質と前記貴金属触媒を含
むインクを基材に塗布、乾燥する工程を経て電極触媒層
を形成し、その後貴金属に吸着した分子を除去すること
を特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】高分子電解質型燃料電池では、白
金添加量を低減するため、カーボンブラックに担持した
白金触媒が一般に用いられている。この場合、白金コロ
イドをカーボンブラックなどの導電性炭素材料に含浸担
持し、その後熱処理、水洗を行うことにより、燃料電池
用電極触媒を得ることができる。本発明では、貴金属に
吸着する分子を貴金属触媒に吸着させた後、高分子電解
質と前記貴金属触媒を含むインクを電極基材に塗布し、
乾燥させる工程を経て電極触媒層を形成し、その後貴金
属に吸着した分子を除去する。この製造方法により、高
分子電解質を触媒近傍に置きつつ、反応ガス分子の触媒
金属への拡散を速やかに行わせることができる電極触媒
層が得られる。これは、貴金属に吸着した分子を除去す
る際、脱着分子の移動通路ができ、この結果ガス通過経
路が形成されたためであると考えられる。
金添加量を低減するため、カーボンブラックに担持した
白金触媒が一般に用いられている。この場合、白金コロ
イドをカーボンブラックなどの導電性炭素材料に含浸担
持し、その後熱処理、水洗を行うことにより、燃料電池
用電極触媒を得ることができる。本発明では、貴金属に
吸着する分子を貴金属触媒に吸着させた後、高分子電解
質と前記貴金属触媒を含むインクを電極基材に塗布し、
乾燥させる工程を経て電極触媒層を形成し、その後貴金
属に吸着した分子を除去する。この製造方法により、高
分子電解質を触媒近傍に置きつつ、反応ガス分子の触媒
金属への拡散を速やかに行わせることができる電極触媒
層が得られる。これは、貴金属に吸着した分子を除去す
る際、脱着分子の移動通路ができ、この結果ガス通過経
路が形成されたためであると考えられる。
【０００７】貴金属に吸着する分子は、ホルムアルデヒ
ド、脂肪酸などのカルボニル基を有する化合物であるこ
とが望ましい。これは、カルボニル基の炭素はプラスに
分極しているため、貴金属に配位吸着しやすいためであ
る。貴金属に分子を吸着させる工程から、吸着分子を除
去する工程までは、不活性ガス雰囲気下で調製を行うこ
とが望ましい。これは、貴金属は酸化作用を持つため、
酸素共存下では吸着分子の酸化反応が進行するためであ
る。
ド、脂肪酸などのカルボニル基を有する化合物であるこ
とが望ましい。これは、カルボニル基の炭素はプラスに
分極しているため、貴金属に配位吸着しやすいためであ
る。貴金属に分子を吸着させる工程から、吸着分子を除
去する工程までは、不活性ガス雰囲気下で調製を行うこ
とが望ましい。これは、貴金属は酸化作用を持つため、
酸素共存下では吸着分子の酸化反応が進行するためであ
る。
【０００８】触媒層を形成する基材としては、膜へ転写
する場合はポリプロピレンシートなどの樹脂を用いるこ
とができる。撥水処理したカーボンペーパーや炭素繊維
に直接触媒層の材料を塗布することもできる。さらに、
膜に直接触媒層の材料を印刷することも可能である。
する場合はポリプロピレンシートなどの樹脂を用いるこ
とができる。撥水処理したカーボンペーパーや炭素繊維
に直接触媒層の材料を塗布することもできる。さらに、
膜に直接触媒層の材料を印刷することも可能である。
【０００９】
【実施例】以下に具体的な実施例を示す。 《実施例１》塩化白金（II）酸カリウム水溶液にポリア
クリル酸ナトリウム（分子量２３００）の水溶液を加
え、水素ガスをバブリングさせて白金コロイドを調製し
た。カーボンブラック（ケッチェンＥＣ）の水分散液を
このコロイド溶液に混合し、塩酸を加えてコロイド粒子
をカーボンブラックに吸着させた。これをろ過し、Ｐｔ
を担持したカーボンブラックを回収し、窒素気流中３０
０℃で熱処理し、水洗、乾燥した。こうして、カーボン
ブラックに白金を重量比７５：２５の割合で担持させた
電極触媒Ａを調製した。
クリル酸ナトリウム（分子量２３００）の水溶液を加
え、水素ガスをバブリングさせて白金コロイドを調製し
た。カーボンブラック（ケッチェンＥＣ）の水分散液を
このコロイド溶液に混合し、塩酸を加えてコロイド粒子
をカーボンブラックに吸着させた。これをろ過し、Ｐｔ
を担持したカーボンブラックを回収し、窒素気流中３０
０℃で熱処理し、水洗、乾燥した。こうして、カーボン
ブラックに白金を重量比７５：２５の割合で担持させた
電極触媒Ａを調製した。
【００１０】このように作製した電極触媒Ａを石英管に
詰め、１５０℃において窒素流通下で処理した後、室温
においてホルムアルデヒド／窒素の混合ガスを通じ、ホ
ルムアルデヒドを触媒Ａに吸着させた。続いて、この電
極触媒を窒素雰囲気下で以下のようにしてインクとし
た。まず、触媒に水を加え、高分子電解質パーフルオロ
スルホン酸イオノマーのエタノール溶液（旭硝子（株）
製のフレミオン：９ｗｔ％）を加えた。その後、このイ
ンクを窒素雰囲気下で、ポリプロピレンシートにＰｔ
０．３ｍｇ／ｃｍ2となるように、バーコーターで塗布
し乾燥させた。その後触媒層塗布シートを空気中に出
し、高分子電解質膜（デュポン社製ナフィオン１１２
膜）の両側にホットプレスにより転写した。
詰め、１５０℃において窒素流通下で処理した後、室温
においてホルムアルデヒド／窒素の混合ガスを通じ、ホ
ルムアルデヒドを触媒Ａに吸着させた。続いて、この電
極触媒を窒素雰囲気下で以下のようにしてインクとし
た。まず、触媒に水を加え、高分子電解質パーフルオロ
スルホン酸イオノマーのエタノール溶液（旭硝子（株）
製のフレミオン：９ｗｔ％）を加えた。その後、このイ
ンクを窒素雰囲気下で、ポリプロピレンシートにＰｔ
０．３ｍｇ／ｃｍ2となるように、バーコーターで塗布
し乾燥させた。その後触媒層塗布シートを空気中に出
し、高分子電解質膜（デュポン社製ナフィオン１１２
膜）の両側にホットプレスにより転写した。
【００１１】一方、カーボンペーパーにポリテトラフル
オロエチレン（ＰＴＦＥ）とアセチレンブラックからな
る撥水層をスプレー法で設け、これを熱処理して、撥水
処理したガス拡散層を作製した。このように作製した２
枚のガス拡散層で触媒層付き高分子電解質膜を挟み、１
３０℃でホットプレスして電解質膜−電極接合体（ＭＥ
Ａ）（ａ）を組み立てた。比較例として、ホルムアルデ
ヒドの吸着処理を行っていない電極触媒Ａを用いて、Ｍ
ＥＡ（ｂ）を組み立てた。
オロエチレン（ＰＴＦＥ）とアセチレンブラックからな
る撥水層をスプレー法で設け、これを熱処理して、撥水
処理したガス拡散層を作製した。このように作製した２
枚のガス拡散層で触媒層付き高分子電解質膜を挟み、１
３０℃でホットプレスして電解質膜−電極接合体（ＭＥ
Ａ）（ａ）を組み立てた。比較例として、ホルムアルデ
ヒドの吸着処理を行っていない電極触媒Ａを用いて、Ｍ
ＥＡ（ｂ）を組み立てた。
【００１２】これらのＭＥＡについて、セル温度７５℃
において、カソードに露点６５℃となるように加熱・加
湿した空気を、アノードに露点７０℃となるように加熱
・加湿した水素をそれぞれ供給し、酸素利用率４０％、
水素利用率７０％、電流密度０．８Ａ／ｃｍ2で運転し
て電池電圧を測定した。その結果、ＭＥＡ（ａ）では４
９２ｍＶを、ＭＥＡ（ｂ）では４０３ｍＶを示した。以
上から明らかなように、貴金属に吸着する分子を電極触
媒に吸着させた後触媒層を調製し、その後に貴金属に吸
着した分子を除去することにより、高分子電解質を触媒
近傍に置きつつ、反応ガス分子の触媒金属への拡散を速
やかに行わせる電極を得られることがわかる。
において、カソードに露点６５℃となるように加熱・加
湿した空気を、アノードに露点７０℃となるように加熱
・加湿した水素をそれぞれ供給し、酸素利用率４０％、
水素利用率７０％、電流密度０．８Ａ／ｃｍ2で運転し
て電池電圧を測定した。その結果、ＭＥＡ（ａ）では４
９２ｍＶを、ＭＥＡ（ｂ）では４０３ｍＶを示した。以
上から明らかなように、貴金属に吸着する分子を電極触
媒に吸着させた後触媒層を調製し、その後に貴金属に吸
着した分子を除去することにより、高分子電解質を触媒
近傍に置きつつ、反応ガス分子の触媒金属への拡散を速
やかに行わせる電極を得られることがわかる。
【００１３】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、少ない貴
金属担持量で優れた特性を発揮する燃料電池用電極触媒
層を得ることができる。
金属担持量で優れた特性を発揮する燃料電池用電極触媒
層を得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G069 AA03 AA08 BA08A BA08B BA21C BB02A BB02B BC69A BC75A BC75B BE05C BE08C BE10C CC32 EA03X EA13 FA06 FB23 FB36 FC04 5H018 AA06 AS02 AS03 BB00 BB06 BB08 EE03 EE05 5H026 AA06 BB00 BB03 BB04 EE02
Claims (3)
- 【請求項１】 貴金属に吸着する分子を貴金属触媒に吸
着させる工程、高分子電解質と前記貴金属触媒を含むイ
ンクを基材に塗布し乾燥させて触媒層を形成する工程、
および前記貴金属に吸着した分子を除去する工程を有す
る燃料電池用電極触媒層の製造方法。 - 【請求項２】 貴金属に吸着する分子がカルボニル基を
有する化合物である請求項１記載の燃料電池用電極触媒
層の製造方法。 - 【請求項３】 前記化合物がホルムアルデヒドである請
求項２記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001088419A JP2002289205A (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | 燃料電池用電極触媒層の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001088419A JP2002289205A (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | 燃料電池用電極触媒層の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002289205A true JP2002289205A (ja) | 2002-10-04 |
Family
ID=18943516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001088419A Pending JP2002289205A (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | 燃料電池用電極触媒層の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002289205A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007329072A (ja) * | 2006-06-09 | 2007-12-20 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用電極の製造方法 |
| CN113718280A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-30 | 苏州清缘环保科技有限公司 | 气体扩散电极及其制备方法 |
-
2001
- 2001-03-26 JP JP2001088419A patent/JP2002289205A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007329072A (ja) * | 2006-06-09 | 2007-12-20 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用電極の製造方法 |
| CN113718280A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-30 | 苏州清缘环保科技有限公司 | 气体扩散电极及其制备方法 |
| CN113718280B (zh) * | 2021-08-31 | 2024-04-26 | 苏州清氧环境科技有限公司 | 气体扩散电极及其制备方法 |
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