JP2003297373A - 触媒層用塗料とこれを用いた電解質膜電極接合体の製造方法 - Google Patents
触媒層用塗料とこれを用いた電解質膜電極接合体の製造方法Info
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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
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池の触媒層形成用塗料の混合分散工程
で、発熱、発火を防止し、同時に塗料の乾燥速度を制御
することで経時安定性を付与する。さらに、ＭＥＡを乾
燥状態にせず作製することで電池性能を向上する。 【解決手段】 塗料の溶媒に、水溶性で沸点が１００℃
以上および２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以
上０．３０ｍｍＨｇ以下である多価アルコール誘導体を
用いること。および作製工程の一つである溶媒除去工程
を水洗浄により行うこと。
で、発熱、発火を防止し、同時に塗料の乾燥速度を制御
することで経時安定性を付与する。さらに、ＭＥＡを乾
燥状態にせず作製することで電池性能を向上する。 【解決手段】 塗料の溶媒に、水溶性で沸点が１００℃
以上および２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以
上０．３０ｍｍＨｇ以下である多価アルコール誘導体を
用いること。および作製工程の一つである溶媒除去工程
を水洗浄により行うこと。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素と酸素を燃料
とする高分子電解質型燃料電池の構成要素である電解質
膜電極接合体の製造方法と、これに用いる塗料に関す
る。
とする高分子電解質型燃料電池の構成要素である電解質
膜電極接合体の製造方法と、これに用いる塗料に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質を用いた燃料電池は、水素
を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガ
スとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同
時に発生させる。燃料ガスと酸化剤ガスとを併せて反応
ガスともいう。このような燃料電池は、水素イオンを選
択的に輸送する高分子電解質膜、および貴金属系触媒を
担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層とガス拡散
層とからなる多孔質電極を含む。そして、２枚の前記多
孔質電極が、前記触媒層が前記高分子電解質膜に接する
ような位置関係で前記高分子電解質膜を挟んでおり、前
記ガス拡散層は、反応ガスに対する通気性および電子伝
導性を有する。このような高分子電解質および２枚の多
孔質電極から構成される接合体は、電解質膜電極接合体
（ＭＥＡ）と呼ばれている。
を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガ
スとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同
時に発生させる。燃料ガスと酸化剤ガスとを併せて反応
ガスともいう。このような燃料電池は、水素イオンを選
択的に輸送する高分子電解質膜、および貴金属系触媒を
担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層とガス拡散
層とからなる多孔質電極を含む。そして、２枚の前記多
孔質電極が、前記触媒層が前記高分子電解質膜に接する
ような位置関係で前記高分子電解質膜を挟んでおり、前
記ガス拡散層は、反応ガスに対する通気性および電子伝
導性を有する。このような高分子電解質および２枚の多
孔質電極から構成される接合体は、電解質膜電極接合体
（ＭＥＡ）と呼ばれている。
【０００３】また、このＭＥＡの両側には、反応ガスを
供給し、かつ生成ガスおよび余剰な反応ガスを運び去る
ためのガス流路が設けられたセパレータが配置される。
このＭＥＡと一対のセパレータとからなる構造体は単セ
ルと呼ばれる。そして、単セル複数個を冷却板などを介
して積層し、数ボルトから数百ボルトの出力を発揮し得
る積層電池が得られる。この積層電池が燃料電池に相当
する。また、高分子電解質型燃料電池の電極の燃料極及
び酸化剤極では、それぞれ以下に示すような反応が生じ
る。
供給し、かつ生成ガスおよび余剰な反応ガスを運び去る
ためのガス流路が設けられたセパレータが配置される。
このＭＥＡと一対のセパレータとからなる構造体は単セ
ルと呼ばれる。そして、単セル複数個を冷却板などを介
して積層し、数ボルトから数百ボルトの出力を発揮し得
る積層電池が得られる。この積層電池が燃料電池に相当
する。また、高分子電解質型燃料電池の電極の燃料極及
び酸化剤極では、それぞれ以下に示すような反応が生じ
る。
【０００４】燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
酸化剤極：１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
上記反応式において、燃料極で発生した電子は外部回路
を通じて酸化剤極へ移動し、水素イオンは高分子電解質
膜を介して酸化剤極へ移動する。従来、この燃料電池の
電極の触媒層は、貴金属を担持したカーボン粉末と高分
子電解質の分散液とを混合分散した塗料を、高分子電解
質膜または樹脂フィルムなどに印刷あるいは塗工し、そ
の後、乾燥することで得られていた。このとき用いられ
る前記高分子電解質の分散液の溶媒成分は、メタノー
ル、エチルアルコール、ｎ−プロパノールおよびイソプ
ロピルアルコールなどが一般的である。
を通じて酸化剤極へ移動し、水素イオンは高分子電解質
膜を介して酸化剤極へ移動する。従来、この燃料電池の
電極の触媒層は、貴金属を担持したカーボン粉末と高分
子電解質の分散液とを混合分散した塗料を、高分子電解
質膜または樹脂フィルムなどに印刷あるいは塗工し、そ
の後、乾燥することで得られていた。このとき用いられ
る前記高分子電解質の分散液の溶媒成分は、メタノー
ル、エチルアルコール、ｎ−プロパノールおよびイソプ
ロピルアルコールなどが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな燃料電池の電極の触媒層用の塗料は、主成分となる
溶媒の沸点が６５℃〜９８℃と低く、さらに２０℃にお
ける蒸気圧が２０ｍｍＨｇ以上と高い。そのため、貴金
属触媒担持カーボン粉末と混合分散するときに貴金属触
媒と溶媒成分が反応し、発熱あるいは発火を生じる場合
がある。また、このような塗料は乾燥速度が速いため、
粘度や固形分比などの物性変化が生じやすく、印刷によ
る触媒層の形成において塗料の取り扱いが難しい。さら
には、このような塗料は、乾燥工程時に体積の収縮が大
きくひび割れを発生し、均一な触媒層を形成するのが困
難である。
うな燃料電池の電極の触媒層用の塗料は、主成分となる
溶媒の沸点が６５℃〜９８℃と低く、さらに２０℃にお
ける蒸気圧が２０ｍｍＨｇ以上と高い。そのため、貴金
属触媒担持カーボン粉末と混合分散するときに貴金属触
媒と溶媒成分が反応し、発熱あるいは発火を生じる場合
がある。また、このような塗料は乾燥速度が速いため、
粘度や固形分比などの物性変化が生じやすく、印刷によ
る触媒層の形成において塗料の取り扱いが難しい。さら
には、このような塗料は、乾燥工程時に体積の収縮が大
きくひび割れを発生し、均一な触媒層を形成するのが困
難である。
【０００６】前述した、貴金属触媒と溶媒成分の反応に
よる発熱や発火を防止する方法として、あらかじめ触媒
担持カーボンをイオン交換水で濡らし、つづいて高分子
電解質の分散液を混合する方法も考えられる。また、特
開２００１−２６６９０１号公報では、あらかじめ沸点
が１００℃以上の多価アルコールを含む共沸水溶液を作
製し、そこへ触媒担持カーボンを分散することで塗料作
製時の発熱、発火を防止し、さらに触媒層中の残存溶媒
を、１００℃〜１３０℃のＭＥＡ作製時の加熱により除
去する方法が提案されている。しかし、この方法では、
イオン交換水を用いて塗料を作製するため、乾燥速度の
制御が十分でなく、塗料の取り扱いの課題が残る。ま
た、ＭＥＡ作製時の１００℃以上の加熱により残存溶媒
を除去するため、電極およびＭＥＡは全体的に乾燥状態
であるため電池性能の低下が生じる。
よる発熱や発火を防止する方法として、あらかじめ触媒
担持カーボンをイオン交換水で濡らし、つづいて高分子
電解質の分散液を混合する方法も考えられる。また、特
開２００１−２６６９０１号公報では、あらかじめ沸点
が１００℃以上の多価アルコールを含む共沸水溶液を作
製し、そこへ触媒担持カーボンを分散することで塗料作
製時の発熱、発火を防止し、さらに触媒層中の残存溶媒
を、１００℃〜１３０℃のＭＥＡ作製時の加熱により除
去する方法が提案されている。しかし、この方法では、
イオン交換水を用いて塗料を作製するため、乾燥速度の
制御が十分でなく、塗料の取り扱いの課題が残る。ま
た、ＭＥＡ作製時の１００℃以上の加熱により残存溶媒
を除去するため、電極およびＭＥＡは全体的に乾燥状態
であるため電池性能の低下が生じる。
【０００７】本発明は、以上のような課題を鑑み、燃料
電池用電極塗料の溶媒に水溶性で沸点が１００℃以上お
よび２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．
３０ｍｍＨｇ以下である多価アルコール誘導体を用いる
ことで、塗料の混合分散工程の発熱、発火を防止する。
同時に塗料の乾燥速度を制御することで、塗料に経時安
定性を付与し、作業性を向上させることおよび均一で安
定なＭＥＡを提供することを目的とする。
電池用電極塗料の溶媒に水溶性で沸点が１００℃以上お
よび２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．
３０ｍｍＨｇ以下である多価アルコール誘導体を用いる
ことで、塗料の混合分散工程の発熱、発火を防止する。
同時に塗料の乾燥速度を制御することで、塗料に経時安
定性を付与し、作業性を向上させることおよび均一で安
定なＭＥＡを提供することを目的とする。
【０００８】また、本発明のＭＥＡの製造方法では、電
極塗料に用いる溶媒を水溶性で沸点が水より高く、２０
℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．３０ｍｍ
Ｈｇ以下である多価アルコール誘導体にすることで、工
程の一つである溶媒除去工程を水洗浄により行うことが
でき、ＭＥＡを乾燥状態にせず、電池性能を向上した燃
料電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。
極塗料に用いる溶媒を水溶性で沸点が水より高く、２０
℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．３０ｍｍ
Ｈｇ以下である多価アルコール誘導体にすることで、工
程の一つである溶媒除去工程を水洗浄により行うことが
でき、ＭＥＡを乾燥状態にせず、電池性能を向上した燃
料電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】以上の目的を実現するた
め本発明の塗料は、燃料電池の電極の触媒層形成に用い
る塗料であって、触媒を担持した導電性炭素粉末と、イ
オン交換樹脂と、沸点が水より高く２０℃における蒸気
圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．３０ｍｍＨｇ以下の多価
アルコール誘導体を含む有機溶媒とを混合して調製した
ことを特徴とする。
め本発明の塗料は、燃料電池の電極の触媒層形成に用い
る塗料であって、触媒を担持した導電性炭素粉末と、イ
オン交換樹脂と、沸点が水より高く２０℃における蒸気
圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．３０ｍｍＨｇ以下の多価
アルコール誘導体を含む有機溶媒とを混合して調製した
ことを特徴とする。
【００１０】このとき、多価アルコール誘導体が、（化
２）で表されることを特徴とする請求項１記載の触媒層
用塗料。
２）で表されることを特徴とする請求項１記載の触媒層
用塗料。
【００１１】
【化２】
【００１２】また、この触媒層用塗料を、イオン交換樹
脂膜に塗布し乾燥したのち、前記触媒層にガス拡散層を
接合したことを特徴とする電解質膜電極接合体の製造方
法が有効である。さらに、触媒層用塗料を樹脂フィルム
に塗布し乾燥したのち、前記塗布面とイオン交換樹脂膜
とを加圧し加熱した後、前記樹脂フィルムを剥離し、こ
の後、前記触媒層を形成した前記イオン交換樹脂と、ガ
ス拡散層とを接合したことを特徴とする電解質膜電極接
合体の製造方法が望ましい。
脂膜に塗布し乾燥したのち、前記触媒層にガス拡散層を
接合したことを特徴とする電解質膜電極接合体の製造方
法が有効である。さらに、触媒層用塗料を樹脂フィルム
に塗布し乾燥したのち、前記塗布面とイオン交換樹脂膜
とを加圧し加熱した後、前記樹脂フィルムを剥離し、こ
の後、前記触媒層を形成した前記イオン交換樹脂と、ガ
ス拡散層とを接合したことを特徴とする電解質膜電極接
合体の製造方法が望ましい。
【００１３】このとき、製造方法において、触媒層中に
残留した触媒層用塗料中の溶媒を、水で洗浄することで
除去することを特徴とする。
残留した触媒層用塗料中の溶媒を、水で洗浄することで
除去することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の塗料は、触媒担持カーボ
ン粉末とイオン交換樹脂と水溶性であり、沸点が水より
高く、２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上
０．３０ｍｍＨｇ以下である多価アルコール誘導体を少
なくとも含む有機溶媒とを混合分散して調製される。前
記の触媒担持カーボン粉末は、平均粒径が１００〜５０
０ｎｍの平均粒径を有し、触媒として貴金属を担持した
炭素微粉末が好ましく用いられる。前記イオン交換樹脂
は、ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ溶液や旭硝子社製
Ｆｌｅｍｉｏｎ溶液に代表されるパーフルオロカーボン
スルホン酸分散液が好ましく用いられる。また、あらか
じめ前記触媒担持カーボンに前記イオン交換樹脂を付与
した触媒粉末が用いられる場合がある。
ン粉末とイオン交換樹脂と水溶性であり、沸点が水より
高く、２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上
０．３０ｍｍＨｇ以下である多価アルコール誘導体を少
なくとも含む有機溶媒とを混合分散して調製される。前
記の触媒担持カーボン粉末は、平均粒径が１００〜５０
０ｎｍの平均粒径を有し、触媒として貴金属を担持した
炭素微粉末が好ましく用いられる。前記イオン交換樹脂
は、ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ溶液や旭硝子社製
Ｆｌｅｍｉｏｎ溶液に代表されるパーフルオロカーボン
スルホン酸分散液が好ましく用いられる。また、あらか
じめ前記触媒担持カーボンに前記イオン交換樹脂を付与
した触媒粉末が用いられる場合がある。
【００１５】塗料に用いられる有機溶媒は、水溶性であ
り、沸点が１００℃以上および２０℃における蒸気圧が
０．０１ｍｍＨｇ以上０．３０ｍｍＨｇ以下である多価
アルコール誘導体が好ましく用いられる。このとき、有
機溶媒は、（化３）で表される多価アルコール誘導体が
好ましい。
り、沸点が１００℃以上および２０℃における蒸気圧が
０．０１ｍｍＨｇ以上０．３０ｍｍＨｇ以下である多価
アルコール誘導体が好ましく用いられる。このとき、有
機溶媒は、（化３）で表される多価アルコール誘導体が
好ましい。
【００１６】
【化３】
【００１７】多価アルコール誘導体が水溶性、沸点が１
００℃以上で２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ
以上０．３０ｍｍＨｇ以下であるためには、以上の条件
を満たす有機溶媒が好ましい。
００℃以上で２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ
以上０．３０ｍｍＨｇ以下であるためには、以上の条件
を満たす有機溶媒が好ましい。
【００１８】イオン交換樹脂膜としては、ＤｕＰｏｎｔ
社製のＮａｆｉｏｎ膜に代表されるパーフルオロスルホ
ン酸膜、ヘキスト社製の炭化水素系膜などが好ましく用
いられる。樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテレフ
タレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエ
チレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの厚み
５０ミクロンμｍ〜１５０μｍの樹脂フィルムが好まし
く用いられる。前記樹脂フィルムに限らず、それらの表
面を処理した樹脂フィルムを用いてもよい。
社製のＮａｆｉｏｎ膜に代表されるパーフルオロスルホ
ン酸膜、ヘキスト社製の炭化水素系膜などが好ましく用
いられる。樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテレフ
タレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエ
チレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの厚み
５０ミクロンμｍ〜１５０μｍの樹脂フィルムが好まし
く用いられる。前記樹脂フィルムに限らず、それらの表
面を処理した樹脂フィルムを用いてもよい。
【００１９】
【実施例】（実施例１）白金を５０重量％担持したカー
ボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５０
Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散液
（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール溶
液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散し、真空乾燥
を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与した白金担持カ
ーボン粉末を作製した。
ボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５０
Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散液
（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール溶
液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散し、真空乾燥
を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与した白金担持カ
ーボン粉末を作製した。
【００２０】このイオン交換樹脂を付与した白金担持カ
ーボン粉末５ｇと、水に可溶な多価アルコール誘導体１
０．６ｇと遊星ボールミルにより混合分散し、燃料電池
電極用塗料を作製した。
ーボン粉末５ｇと、水に可溶な多価アルコール誘導体１
０．６ｇと遊星ボールミルにより混合分散し、燃料電池
電極用塗料を作製した。
【００２１】この塗料作製における溶媒種および触媒粉
末の発火の有無を表１に示した。
末の発火の有無を表１に示した。
【００２２】
【表１】
【００２３】表１より、塗料に水に可溶で沸点が１００
℃以上であり２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ
以上０．３０ｍｍＨｇである溶媒を用いた場合、触媒担
持カーボンの発火が生じないことがわかった。
℃以上であり２０℃における蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ
以上０．３０ｍｍＨｇである溶媒を用いた場合、触媒担
持カーボンの発火が生じないことがわかった。
【００２４】（実施例２）白金を５０重量％担持したカ
ーボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５
０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散
液（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール
溶液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散し、真空乾
燥を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与した白金担持
カーボン粉末を作製した。
ーボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５
０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散
液（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール
溶液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散し、真空乾
燥を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与した白金担持
カーボン粉末を作製した。
【００２５】このイオン交換樹脂を付与した白金担持カ
ーボン粉末５ｇと水溶性で沸点２４２℃、２０℃におけ
る蒸気圧が０．０２ｍｍＨｇである多価アルコール誘導
体トリプロピレングリコールモノメチルエーテル１１．
６ｇとを遊星ボールミルにより混合分散し、塗料を作製
した。
ーボン粉末５ｇと水溶性で沸点２４２℃、２０℃におけ
る蒸気圧が０．０２ｍｍＨｇである多価アルコール誘導
体トリプロピレングリコールモノメチルエーテル１１．
６ｇとを遊星ボールミルにより混合分散し、塗料を作製
した。
【００２６】（比較例１）白金を５０重量％担持したカ
ーボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５
０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散
液（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール
溶液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散し、真空乾
燥を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与した白金担持
カーボン粉末を作製した。
ーボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５
０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散
液（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール
溶液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散し、真空乾
燥を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与した白金担持
カーボン粉末を作製した。
【００２７】このイオン交換樹脂を付与した触媒担持カ
ーボン５ｇと水溶性で沸点１５０℃、２０℃における蒸
気圧が１．５ｍｍＨｇである多価アルコール誘導体プロ
ピレングリコールｎ−プロピルエーテル（ＰｎＰ）１
１．６ｇとを遊星ボールミルにより混合分散し、塗料を
作製した。
ーボン５ｇと水溶性で沸点１５０℃、２０℃における蒸
気圧が１．５ｍｍＨｇである多価アルコール誘導体プロ
ピレングリコールｎ−プロピルエーテル（ＰｎＰ）１
１．６ｇとを遊星ボールミルにより混合分散し、塗料を
作製した。
【００２８】（比較例２）白金を５０重量％担持したカ
ーボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５
０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散
液（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール
溶液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散し、真空乾
燥を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与した白金担持
カーボン粉末を作製した。
ーボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５
０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散
液（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール
溶液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散し、真空乾
燥を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与した白金担持
カーボン粉末を作製した。
【００２９】このイオン交換樹脂を付与した触媒担持カ
ーボン５ｇに、イオン交換水５ｇを添加し、遊星ボール
ミルで混合分散した。つづいて、水溶性で沸点１９７
℃、２０℃における蒸気圧が０．７ｍｍＨｇであるエチ
レングリコール（ＥＧ）５．６ｇを、これに加えて、遊
星ボールミルにより混合分散し、塗料を作製した。
ーボン５ｇに、イオン交換水５ｇを添加し、遊星ボール
ミルで混合分散した。つづいて、水溶性で沸点１９７
℃、２０℃における蒸気圧が０．７ｍｍＨｇであるエチ
レングリコール（ＥＧ）５．６ｇを、これに加えて、遊
星ボールミルにより混合分散し、塗料を作製した。
【００３０】図１に実施例２および比較例１，２で作製
した塗料の大気中および窒素気流化での重量変化率の経
時変化を示した。
した塗料の大気中および窒素気流化での重量変化率の経
時変化を示した。
【００３１】実施例２および比較例１，２で作製した塗
料を用い、高分子電解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１２（ＤｕＰ
ｏｎｔ社製）上にスクリーン印刷により燃料電池用電極
６０ｍｍ×６０ｍｍを作製した。
料を用い、高分子電解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１２（ＤｕＰ
ｏｎｔ社製）上にスクリーン印刷により燃料電池用電極
６０ｍｍ×６０ｍｍを作製した。
【００３２】表２に燃料電池用電極を連続で２０枚作製
した時の印刷前および印刷終了後の実施例２および比較
例１，２の粘度を示した。粘度測定は粘弾性測定装置
（HAAKASVR, HRA 9320-X100）を用いて行った。
した時の印刷前および印刷終了後の実施例２および比較
例１，２の粘度を示した。粘度測定は粘弾性測定装置
（HAAKASVR, HRA 9320-X100）を用いて行った。
【００３３】
【表２】
【００３４】図１および表２より、比較例１，２の２０
℃における蒸気圧が０．３ｍｍＨｇ以上である溶媒を用
いる塗料は、物性の変化が大きく印刷における取り扱い
が困難であることがわかった。
℃における蒸気圧が０．３ｍｍＨｇ以上である溶媒を用
いる塗料は、物性の変化が大きく印刷における取り扱い
が困難であることがわかった。
【００３５】（実施例３）白金を５０重量％坦持したカ
ーボン粉末（田中貴金属社製、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１
０ｇに、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル
１０ｇを加え撹拌、つづいて高分子電解質分散液（旭硝
子社製、９重量％ＦＳＳエタノール溶液）５９ｇをこれ
に加えた。超音波攪拌により、これを混合分散し、塗料
を作製した。５０μｍのポリプロピレンフィルム上にギ
ャップ幅２００μｍのアプリケーターを用い、前記の塗
料を塗工し、６０℃で乾燥し、燃料電池用電極を作製し
た。
ーボン粉末（田中貴金属社製、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１
０ｇに、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル
１０ｇを加え撹拌、つづいて高分子電解質分散液（旭硝
子社製、９重量％ＦＳＳエタノール溶液）５９ｇをこれ
に加えた。超音波攪拌により、これを混合分散し、塗料
を作製した。５０μｍのポリプロピレンフィルム上にギ
ャップ幅２００μｍのアプリケーターを用い、前記の塗
料を塗工し、６０℃で乾燥し、燃料電池用電極を作製し
た。
【００３６】（比較例３）白金を５０重量％坦持したカ
ーボン粉末（田中貴金属社製、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１
０ｇにイオン交換水１０ｇを加え撹拌、つづいて高分子
電解質分散液（旭硝子社製、９重量％ＦＳＳエタノール
溶液）５９ｇを加え超音波攪拌により、混合分散し、燃
料電池用電極塗料を作製し、５０mｍのポリプロピレン
フィルム上にギャップ幅２００mｍのアプリケーターを
用い塗工し、６０℃で乾燥し、燃料電池用電極を作製し
た。
ーボン粉末（田中貴金属社製、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１
０ｇにイオン交換水１０ｇを加え撹拌、つづいて高分子
電解質分散液（旭硝子社製、９重量％ＦＳＳエタノール
溶液）５９ｇを加え超音波攪拌により、混合分散し、燃
料電池用電極塗料を作製し、５０mｍのポリプロピレン
フィルム上にギャップ幅２００mｍのアプリケーターを
用い塗工し、６０℃で乾燥し、燃料電池用電極を作製し
た。
【００３７】表３に実施例３および比較例３で作製した
燃料電池用電極の光沢度測定の結果を示した。
燃料電池用電極の光沢度測定の結果を示した。
【００３８】
【表３】
【００３９】表３より、実施例３で水溶性で沸点２４２
℃、２０℃における蒸気圧が０．０２ｍｍＨｇであるＴ
ＰＭを加えることで、触媒担持カーボンの発火防止およ
び乾燥速度の制御による電極のヒビ割れ防止が可能にな
り、均一な電極作製が可能となった。
℃、２０℃における蒸気圧が０．０２ｍｍＨｇであるＴ
ＰＭを加えることで、触媒担持カーボンの発火防止およ
び乾燥速度の制御による電極のヒビ割れ防止が可能にな
り、均一な電極作製が可能となった。
【００４０】これはＴＰＭに限定されず、表１に示した
水溶性で沸点が１００℃以上で２０℃における蒸気圧が
０．０１ｍｍＨｇ以上０．０３ｍｍＨｇ以下である多価
アルコール誘導体を用いても同様の効果が得られた。
水溶性で沸点が１００℃以上で２０℃における蒸気圧が
０．０１ｍｍＨｇ以上０．０３ｍｍＨｇ以下である多価
アルコール誘導体を用いても同様の効果が得られた。
【００４１】（実施例４）燃料電池用電極および膜電極
接合体（ＭＥＡ）を以下に示す工程に従い作製した。白
金を５０重量％担持したカーボン粉末（田中貴金属工業
（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水
３４ｇ、高分子電解質分散液（旭硝子（株）社製のフレ
ミオン９重量％エタノール溶液）５６ｇを超音波撹拌に
より、混合分散した。この分散液を真空乾燥を３回繰り
返すことで、イオン交換樹脂を付与した白金担持カーボ
ン粉末を作製した。このイオン交換樹脂を付与した白金
担持カーボン粉末５ｇと、水溶性で沸点が２０６℃およ
び２０℃における蒸気圧が０．０２ｍｍＨｇであるトリ
プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＴＰＭ）１
１．６ｇを加え、遊星ボールミルで混合分散し、塗料を
作製した。
接合体（ＭＥＡ）を以下に示す工程に従い作製した。白
金を５０重量％担持したカーボン粉末（田中貴金属工業
（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水
３４ｇ、高分子電解質分散液（旭硝子（株）社製のフレ
ミオン９重量％エタノール溶液）５６ｇを超音波撹拌に
より、混合分散した。この分散液を真空乾燥を３回繰り
返すことで、イオン交換樹脂を付与した白金担持カーボ
ン粉末を作製した。このイオン交換樹脂を付与した白金
担持カーボン粉末５ｇと、水溶性で沸点が２０６℃およ
び２０℃における蒸気圧が０．０２ｍｍＨｇであるトリ
プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＴＰＭ）１
１．６ｇを加え、遊星ボールミルで混合分散し、塗料を
作製した。
【００４２】つぎにこの塗料を、スクリーン印刷により
高分子電解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１２（ＤｕＰｏｎｔ社
製）の両面に６０ｍｍ×６０ｍｍの大きさで印刷した。
こののち、これにハサミこみ治具を取り付け、９８℃の
イオン交換水中で１時間煮沸洗浄することで、残存溶媒
を除去した。
高分子電解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１２（ＤｕＰｏｎｔ社
製）の両面に６０ｍｍ×６０ｍｍの大きさで印刷した。
こののち、これにハサミこみ治具を取り付け、９８℃の
イオン交換水中で１時間煮沸洗浄することで、残存溶媒
を除去した。
【００４３】（比較例４）白金を５０重量％担持したカ
ーボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５
０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散
液（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール
溶液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散した。これ
を、真空乾燥を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与し
た白金担持カーボン粉末を作製した。このイオン交換樹
脂を付与した白金担持カーボン粉末５ｇとイオン交換水
５ｇを遊星ボールミルにより混合分散し、つづいて水溶
性で沸点が１９７℃および２０℃における蒸気圧が０．
７ｍｍＨｇであるエチレングリコール（EG）６．６ｇを
加え、遊星ボールミルで混合分散し、塗料を作製した。
ーボン粉末（田中貴金属工業（株）製のＴＥＣ１０Ｅ５
０Ｅ）１０ｇ、イオン交換水３４ｇ、高分子電解質分散
液（旭硝子（株）社製のフレミオン９重量％エタノール
溶液）５６ｇを超音波撹拌により、混合分散した。これ
を、真空乾燥を数回繰り返し、イオン交換樹脂を付与し
た白金担持カーボン粉末を作製した。このイオン交換樹
脂を付与した白金担持カーボン粉末５ｇとイオン交換水
５ｇを遊星ボールミルにより混合分散し、つづいて水溶
性で沸点が１９７℃および２０℃における蒸気圧が０．
７ｍｍＨｇであるエチレングリコール（EG）６．６ｇを
加え、遊星ボールミルで混合分散し、塗料を作製した。
【００４４】この塗料をスクリーン印刷により高分子電
解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１２（ＤｕＰｏｎｔ社製）の両面
に６０ｍｍ×６０ｍｍの触媒層を形成した。これを１３
０℃のホットプレスで熱処理することで残留溶媒を除去
した。
解質膜Ｎａｆｉｏｎ１１２（ＤｕＰｏｎｔ社製）の両面
に６０ｍｍ×６０ｍｍの触媒層を形成した。これを１３
０℃のホットプレスで熱処理することで残留溶媒を除去
した。
【００４５】以上、実施例４および比較例４で得られた
触媒層に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と
カーボン粉末からなる撥水層を付与したカーボンペーパ
ー（ＴＧＰ−Ｈ−０９０東レ社製）とガスケットを配置
することで単電池とした。
触媒層に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と
カーボン粉末からなる撥水層を付与したカーボンペーパ
ー（ＴＧＰ−Ｈ−０９０東レ社製）とガスケットを配置
することで単電池とした。
【００４６】この単電池を、電流―電圧特性測定装置に
設置し、燃料極に水素、酸化剤極に空気を流し、電池温
度７５℃、燃料利用率７０％、空気利用率４０％に設定
し、水素ガスは７５℃、空気は６０℃の露点になるよう
にガスを加湿した。表４に電流密度０．２Ａ／ｃｍ2、
０．７Ａ／ｃｍ2における電池電圧の結果を示した。
設置し、燃料極に水素、酸化剤極に空気を流し、電池温
度７５℃、燃料利用率７０％、空気利用率４０％に設定
し、水素ガスは７５℃、空気は６０℃の露点になるよう
にガスを加湿した。表４に電流密度０．２Ａ／ｃｍ2、
０．７Ａ／ｃｍ2における電池電圧の結果を示した。
【００４７】
【表４】
【００４８】比較例４の作製工程では、残留溶媒の除去
を１３０℃の温度で実施した。このことによりＭＥＡが
乾燥状態で作製されるため電池性能が低くなった。これ
に対し、実施例４の燃料電池用電極の作製工程では、残
留溶媒を９８℃のイオン交換水で煮沸洗浄することによ
り、ＭＥＡを湿潤状態で作製し電池性能を向上すること
を可能とした。
を１３０℃の温度で実施した。このことによりＭＥＡが
乾燥状態で作製されるため電池性能が低くなった。これ
に対し、実施例４の燃料電池用電極の作製工程では、残
留溶媒を９８℃のイオン交換水で煮沸洗浄することによ
り、ＭＥＡを湿潤状態で作製し電池性能を向上すること
を可能とした。
【００４９】本発明の実施例２から実施例４までＴＰＭ
を用いて具体的に説明を行ったが、これに限らず表２で
示される水溶性で沸点が１００℃以上であり、２０℃に
おける蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．３ｍｍＨｇ以
下である溶媒を用いた塗料で同様の効果が得られた。
を用いて具体的に説明を行ったが、これに限らず表２で
示される水溶性で沸点が１００℃以上であり、２０℃に
おける蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．３ｍｍＨｇ以
下である溶媒を用いた塗料で同様の効果が得られた。
【００５０】
【発明の効果】本発明によれば、触媒層用塗料の溶媒
に、水溶性で沸点が１００℃以上および２０℃における
蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．３０ｍｍＨｇ以下で
ある多価アルコール誘導体を用いることで、塗料の混合
分散工程の発熱、発火を防止し、同時に塗料の乾燥速度
を制御することで、塗料に経時安定性を付与し、燃料電
池用電極塗料作製の作業性を向上させること、および均
一で安定な燃料電池用電極を提供することができる。
に、水溶性で沸点が１００℃以上および２０℃における
蒸気圧が０．０１ｍｍＨｇ以上０．３０ｍｍＨｇ以下で
ある多価アルコール誘導体を用いることで、塗料の混合
分散工程の発熱、発火を防止し、同時に塗料の乾燥速度
を制御することで、塗料に経時安定性を付与し、燃料電
池用電極塗料作製の作業性を向上させること、および均
一で安定な燃料電池用電極を提供することができる。
【００５１】また、電極作製工程の一つである溶媒除去
工程を水洗浄により行うことで電極およびＭＥＡを乾燥
状態せず電池性能を向上した燃料電池用電極の製造方法
を提供することができる。
工程を水洗浄により行うことで電極およびＭＥＡを乾燥
状態せず電池性能を向上した燃料電池用電極の製造方法
を提供することができる。
【図１】本発明の実施例２および比較例１，２で作製し
た塗料の重量変化率を示す図
た塗料の重量変化率を示す図
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 安本 栄一
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 吉田 昭彦
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 古佐小 慎也
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 武部 安男
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 堀 喜博
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB03 BB06
BB08 BB12 BB13 HH08 HH09
5H026 AA06 BB02 BB04 BB08 CX05
HH08 HH09
Claims (5)
- 【請求項１】 燃料電池の電極の触媒層形成に用いる塗
料であって、触媒を担持した導電性炭素粉末と、イオン
交換樹脂と、沸点が水より高く２０℃における蒸気圧が
０．０１ｍｍＨｇ以上０．３０ｍｍＨｇ以下の多価アル
コール誘導体を含む有機溶媒とを混合して調製したこと
を特徴とする触媒層用塗料。 - 【請求項２】 多価アルコール誘導体が、（化１）で表
されることを特徴とする請求項１記載の触媒層用塗料。 【化１】 - 【請求項３】 請求項１または２記載の触媒層用塗料
を、イオン交換樹脂膜に塗布し乾燥したのち、前記触媒
層にガス拡散層を接合したことを特徴とする電解質膜電
極接合体の製造方法。 - 【請求項４】 請求項１または２記載の触媒層用塗料を
樹脂フィルムに塗布し乾燥したのち、前記塗布面とイオ
ン交換樹脂膜とを加圧し加熱した後、前記樹脂フィルム
を剥離し、この後、前記触媒層を形成した前記イオン交
換樹脂と、ガス拡散層とを接合したことを特徴とする電
解質膜電極接合体の製造方法。 - 【請求項５】 請求項３または４記載の製造方法におい
て、触媒層中に残留した触媒層用塗料中の溶媒を、水で
洗浄することで除去することを特徴とする電解質膜電極
接合体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002104832A JP2003297373A (ja) | 2002-04-08 | 2002-04-08 | 触媒層用塗料とこれを用いた電解質膜電極接合体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002104832A JP2003297373A (ja) | 2002-04-08 | 2002-04-08 | 触媒層用塗料とこれを用いた電解質膜電極接合体の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003297373A true JP2003297373A (ja) | 2003-10-17 |
Family
ID=29389835
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002104832A Withdrawn JP2003297373A (ja) | 2002-04-08 | 2002-04-08 | 触媒層用塗料とこれを用いた電解質膜電極接合体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003297373A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2006061993A1 (ja) * | 2004-12-07 | 2008-06-05 | 東レ株式会社 | 膜電極複合体およびその製造方法、ならびに燃料電池 |
| JP2009059600A (ja) * | 2007-08-31 | 2009-03-19 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池の電極用ペースト、電極及び膜電極接合体並びに燃料電池システムの製造方法。 |
| JP2009117069A (ja) * | 2007-11-02 | 2009-05-28 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池の電極用ペースト、膜電極接合体及び電極用ペーストの製造方法 |
| JP2011070984A (ja) * | 2009-09-28 | 2011-04-07 | Toppan Printing Co Ltd | 燃料電池用電極触媒層の製造方法、およびこの電極触媒層を有する膜電極接合体 |
| KR101309160B1 (ko) * | 2011-08-11 | 2013-09-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지용 촉매층 조성물, 그리고 이를 이용한 연료 전지용 전극, 연료 전지용 전극의 제조 방법, 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 |
-
2002
- 2002-04-08 JP JP2002104832A patent/JP2003297373A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2006061993A1 (ja) * | 2004-12-07 | 2008-06-05 | 東レ株式会社 | 膜電極複合体およびその製造方法、ならびに燃料電池 |
| JP5176321B2 (ja) * | 2004-12-07 | 2013-04-03 | 東レ株式会社 | 膜電極複合体およびその製造方法、ならびに燃料電池 |
| JP2009059600A (ja) * | 2007-08-31 | 2009-03-19 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池の電極用ペースト、電極及び膜電極接合体並びに燃料電池システムの製造方法。 |
| JP2009117069A (ja) * | 2007-11-02 | 2009-05-28 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池の電極用ペースト、膜電極接合体及び電極用ペーストの製造方法 |
| JP2011070984A (ja) * | 2009-09-28 | 2011-04-07 | Toppan Printing Co Ltd | 燃料電池用電極触媒層の製造方法、およびこの電極触媒層を有する膜電極接合体 |
| KR101309160B1 (ko) * | 2011-08-11 | 2013-09-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지용 촉매층 조성물, 그리고 이를 이용한 연료 전지용 전극, 연료 전지용 전극의 제조 방법, 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 |
| US9543590B2 (en) | 2011-08-11 | 2017-01-10 | Kolon Industries Inc. | Catalyst layer composition for fuel cell, electrode for fuel cell, method of preparing electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system using the membrane-electrode assembly |
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