JP2015050023A - 燃料電池触媒層の製造方法および燃料電池触媒層の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒粉末の損失を抑制し、均一な触媒層を形成することができる燃料電池触媒層の製造方法および燃料電池触媒層の製造装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、基材２０上に、触媒および電解質を含む触媒粉末２１を堆積させる工程と、前記触媒粉末２１を前記基材２０上に圧着固定することにより、触媒層を形成する工程とを具備する燃料電池触媒層の製造方法が提供される。前記触媒粉末２１を前記基材２０上に圧着固定する工程は、前記触媒粉末２１を堆積させた基材２０を移動手段３０により移動させながら、前記触媒粉末２１に接するように設置された触媒粉末側ローラ３１を回転させることにより行い、前記触媒粉末側ローラ３１の周速度は、前記移動手段３０の移動速度よりも大きい。
【選択図】 図３

Description

本発明の実施形態は、燃料電池触媒層の製造方法および燃料電池触媒層の製造装置に関する。

燃料電池は、一般的に、電解質膜、電極触媒層、ガス拡散層およびセパレータからなり、これら４つの部材を組み合わせてセルと呼ばれる基本構造を構成する。電極触媒層の主成分は、触媒担持導電体およびプロトンの移動のために添加される電解質である。アノード触媒層では、水素の酸化反応により電子が取り出され、プロトンが生成する。生成したプロトンは、アノード触媒層中の電解質を通って電解質膜へ移動し、カソード触媒層に供給される。カソード触媒層では、酸素の還元反応が起こり、アノード触媒層から供給されたプロトンとの反応により水が生成する。

触媒層の作製方法は、大きく乾式塗布法と湿式塗布法の２種類に分けられる。そのうち、乾式塗布法は、触媒担持導電体および電解質を含む乾燥した触媒粉末を基材上に堆積させ、その後、触媒粉末を基材上に圧着固定することにより触媒層を形成する方法である。触媒粉末の圧着固定は、ローラ等でプレスすることにより行われる。

しかし、触媒粉末中の電解質が付着性を有しているため、ローラプレスする際にローラ表面に触媒粉末が付着し、触媒粉末の損失が生じるという問題がある。また、燃料電池における電気化学反応を効率よく進行させるためには、触媒層を均質な層とすることが重要であり、このような観点からもローラ表面に触媒粉末が付着することは好ましくない。

特開２００２−３０３４３９号公報 特開２００４−４２９５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、触媒粉末の損失を抑制し、均一な触媒層を形成することができる燃料電池触媒層の製造方法および燃料電池触媒層の製造装置を提供することである。

実施形態によれば、基材上に、触媒および電解質を含む触媒粉末を堆積させる工程と、前記触媒粉末を前記基材上に圧着固定することにより、触媒層を形成する工程とを具備する燃料電池触媒層の製造方法が提供される。前記触媒粉末を前記基材上に圧着固定する工程は、前記触媒粉末を堆積させた基材を移動手段により移動させながら、前記触媒粉末に接するように設置された触媒粉末側ローラを回転させることにより行い、前記触媒粉末側ローラの周速度は、前記移動手段の移動速度よりも大きい。

燃料電池セルの断面図である。 触媒層の断面図である。 第１の実施形態に係る触媒層の圧着固定方法を示す図である。 実施形態に係る触媒層の圧着固定方法における力学的作用を説明する図である。 第２の実施形態に係る触媒層の圧着固定方法を示す図である。 保護シートの剥離の様子を説明する図である。 第３の実施形態に係る触媒層の圧着固定方法を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様または類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、燃料電池セルの断面図である。
燃料電池セル１は、電解質膜４の両面にアノード２およびカソード３を接合した膜電極接合体を、アノードセパレータ９およびカソードセパレータ１０でそれぞれ挟持した構造を有する。

アノード２は、電解質膜４と接する側から、アノード触媒層５、アノードガス拡散層６の順番に積層されたものからなる。一方、カソード３は、電解質膜４と接する側から、カソード触媒層７、カソードガス拡散層８の順番に積層されたものからなる。

実際に発電を行う際には、一般的に、単電池である上記燃料電池セル１を厚み方向に複数個積層して燃料電池スタックとしたものを使用する。

以下、燃料電池セルにおける触媒層について説明する。

アノード触媒層５およびカソード触媒層７（以下、両者を合わせて触媒層５，７とも称する）は、そこで実際に反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層５では水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層７では酸素の還元反応が進行する。

図２は、触媒層の断面図である。触媒層５，７は、触媒粉末を基材２０の一方の面に堆積させた構造を有している。触媒粉末は、触媒およびプロトン伝導性を有する電解質を含有する。触媒は、導電体に触媒が担持された触媒担持導電体として含まれることが好ましい。触媒を担持するための導電体としては、主に直径１０〜５０ｎｍのカーボンブラック、触媒としては直径数ｎｍの白金が主に使用される。触媒としては、その他に、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウム等の白金系元素の他、鉄、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブテン、ガリウム、アルミニウム等の金属、これらの合金、これら金属の酸化物もしくは複酸化物、またはその担持体等を使用できる。

電解質としては、フッ素系または炭化水素系の電解質を使用することができる。フッ素系樹脂としては、デュポン製ナフィオン（登録商標）、旭化成製アシプレックス（登録商標）、旭硝子製フレミオン（登録商標）が挙げられる。

基材２０は、その上に触媒層５，７を形成できればいずれの材料で構成されてもよく、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂、紙、燃料電池の他の構成部材であるカーボンクロス、カーボン層付カーボンクロス、カーボンペーパ、カーボン層付カーボンペーパ等を使用することができる。

以下に、触媒層の作製方法について説明する。
まず、触媒粉末を作製する。触媒粉末は、触媒および電解質を含有する触媒インクを作製し、これを乾燥して粉末とすることにより得られる。触媒インク作製のための攪拌機としては、ホモジナイザ、超音波分散機、ビーズミル等を使用できる。触媒インクの乾燥は、乾燥炉による乾燥やスプレードライ等の加熱乾燥、またはエバポレータによる乾燥やフリーズドライ等の減圧乾燥、あるいは加熱乾燥と減圧乾燥を組み合わせた方法により行うことができる。得られた乾燥粉末を粉砕し、径が約０．６〜１０μｍの触媒粉末を得る。

触媒粉末に含まれる電解質は、触媒層内で水を捕捉し、プロトンの移動経路を形成する役割を有しているため、吸湿性を有する。そのため、触媒粉末は、大気雰囲気下で吸湿して付着性を有するようになる。

上記のように作製した触媒粉末を、乾式塗布法により基材上に堆積させる。基材上に触媒粉末を堆積させる方法としては、触媒粉末を帯電させて静電気の力により基材上に堆積させる方法、キャリアガスにより触媒粉末を基材上に移動させ、堆積させる方法、触媒粉末の自重により基材上に落下させる方法等を使用することができるが、これらに限定されるものではない。

続いて、触媒粉末を基材上に圧着固定する方法について説明する。

（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態に係る触媒層の圧着固定方法を示す図である。

第１の実施形態では、触媒粉末２１を堆積させた基材２０を移動手段３０により矢印４０の方向に移動させながら、触媒粉末２１に接するように設置された触媒粉末側ローラ３１を回転させることにより、触媒粉末２１を基材２０上に圧着固定する。その際、触媒粉末側ローラ３１の周速度が、移動手段３０の移動速度よりも大きくなるようにする。ここで、周速度とは、円周上のある点が所定の時間に進む距離を意味し、ローラの大きさには依存しない。

移動手段３０としては、何らかの手段により移動する載置面に基板２０を載せることにより基板２０を移動させる手段が挙げられる。このような移動手段としては、例えば、ベルトコンベアを使用することができる。あるいは、例えば図３に示すように、触媒粉末側ローラ３１と対向して、基材２０の触媒層を形成する側とは反対側に基材側ローラ３２を設置し、基材側ローラ３２を回転させることにより基材２０を移動させてもよい。この場合は、触媒粉末側ローラ３１の周速度が基材側ローラ３２の周速度よりも大きくなるようにすれば、触媒粉末側ローラ３１の周速度が移動手段３０の移動速度よりも大きくなる。このローラの周速度と移動手段３０の移動速度との関係は、触媒粉末２１の圧着固定時に成り立てばよい。

図３において、触媒粉末側ローラ３１および基材側ローラ３２上に記載されている矢印４１，４２の向きは、各ローラの回転方向を示す。また、矢印が大きいほど周速度が大きいことを意味する。図３のように２つのローラを使用する場合、触媒粉末側ローラ３１および基材側ローラ３２は、それぞれが駆動装置により制御されており、それぞれ異なる周速度で回転させることが可能である。また、２つのローラは、触媒粉末２１を堆積させた基材２０を巻き込むように相反する方向に回転する。触媒粉末側ローラ３１と基材側ローラ３２との間を、触媒粉末２１を堆積させた基材２０を通過させることにより、触媒粉末２１が基材２０上に圧着固定される。

触媒粉末側ローラ３１の表面材質に特に制限はないが、フッ素樹脂などの摩擦力および付着性の小さいものが好ましい。触媒粉末２１を基材２０上に圧着するために、触媒粉末側ローラ３１と基材側ローラ３２のギャップは、圧着固定前の基材２０の厚みと触媒粉末２１の厚みの合計よりも小さくなるようにする。基材側ローラ３２を使用しない場合には、基材２０の載置面と触媒粉末側ローラ３１のギャップが、圧着固定前の基材２０の厚みと触媒粉末２１の厚みの合計よりも小さくなるようにすればよい。

図４を参照して、触媒粉末を基材上に圧着固定する際の力学的作用について説明する。

触媒粉末側ローラ３１の周速度と移動手段３０の移動速度（図４では、基材側ローラ３２の周速度）を同じにした場合、触媒粉末側ローラ３１外周と触媒粉末２１が接する点において作用する力は、その接点における触媒粉末側ローラ３１外周の接線３３方向（すなわち、水平方向）となる。

それに対して、本実施形態のように触媒粉末側ローラ３１の周速度を移動手段３０の移動速度（図４では、基材側ローラ３２の周速度）よりも大きくした場合、触媒粉末２１側の送り速度が基材２０側の送り速度よりも大きくなる。この場合、触媒粉末側ローラ３１外周と触媒粉末２１が接する点において作用する力は、その接点における触媒粉末側ローラ３１外周の接線３３方向よりも基材２０側に傾く（図４における力３４）。その結果、触媒粉末側ローラ３１に対して触媒粉末２１が付着する際に働く力に対抗する向きの力３５が触媒粉末側ローラ３１の重力に加えて生じ、触媒粉末側ローラ３１に触媒粉末２１が付着しにくくなる。触媒粉末側ローラ３１への触媒粉末２１の付着を防止することにより、触媒粉末の損失を抑制し、均一な触媒層を形成することができる。

触媒粉末側ローラ３１の表面を触媒粉末２１に対する付着性が小さい材料で構成することにより、触媒粉末２１の付着力をさらに弱めることができ、触媒粉末２１をより安定に基材２０上に圧着固定することが可能になる。

また、触媒粉末側ローラ３１の周速度と移動手段３０の移動速度の差が大きいほど、すなわち、図４では、触媒粉末側ローラ３１の周速度と基材側ローラ３２の周速度の差が大きいほど、触媒粉末側ローラ３１に付着する触媒粉末２１の割合が小さくなる。そのため、基材２０を停止させた状態（図４では、基材側ローラ３２を停止させた状態）で圧着固定を行うことにより、触媒粉末２１の触媒粉末側ローラ３１への付着をより効果的に抑制することができる。しかしながら、触媒粉末側ローラ３１のみが回転することにより基材２０が引きずられてしまうため、基材２０に傷ができやすいという問題が生じる。そのため、基材２０の載置面をすべりやすい材料で構成する等の工夫が必要となる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る触媒層の圧着固定方法を示す図である。

第２の実施形態では、触媒粉末側ローラ３１と触媒粉末２１の間に、触媒粉末側ローラ３１への触媒粉末２１の付着を防ぐための保護シート５３を設置する。保護シート５３以外の点については、上記第１の実施形態と同様である。保護シート５３を構成する材料は、触媒粉末２１との間の付着性が小さいものが好ましく、例えば、フッ素樹脂等を使用することができる。保護シート５３は、基材２０の移動に伴い保護シート送り５１から矢印５４の方向へ供給され、触媒粉末側ローラ３１で触媒粉末層２１と共にプレスされた後、保護シート巻き取り５２で巻き取ることにより触媒層表面から剥離される。その際、保護シート巻き取り５２の周速度が、移動手段３０の移動速度よりも大きくなるようにする。

保護シート５３の剥離は、保護シート５３を、基材２０の移動方向４０に対して角度αをなす方向で、触媒層が位置する側と反対側の方向（すなわち、図５における矢印５５の方向）に向かって引っ張ることにより行う。角度αの値は特に限定するものではない。

なお、図６から理解できるように、α＜９０°とするよりも、９０°≦α≦１８０°とした方が、保護シート剥がし用ローラ５６の円周上に保護シート５３をより長い距離で密着させることができ、剥離の効果を上げることができる。しかし、角度αの値にかかわらず、触媒粉末２１と一体化している保護フィルム５３と保護シート剥がし用ローラ５６との接点βにおいて保護シート５３を剥離することができればよいのであり、必ずしも角度αを９０°≦α≦１８０°の範囲に限定する必要はない。即ち、接点βにおいては、保護シート剥がし用ローラ５６の重力による下向きの力がかかるため、剥離の際に保護シート５３に触媒粉末２１が付着しにくくなる。

よって、第２の実施形態では、以下の条件で、図５に示す保護シート５３を剥離させる。

・保護シート巻き取り５２の周速度が、移動手段３０の移動速度よりも大きくなるようにする（第１の実施形態の場合と同様の理由による）。

・触媒粉末２１と一体化している保護フィルム５３が、保護シート剥がし用ローラ５６の接点βで押さえられた状態で保護シート５３を剥がす。

保護シート５３をこのように剥離することにより、第１の実施形態と同様に下向きの力を生じさせ、剥離の際に保護シート５３に触媒粉末２１が付着するのを抑制することができる。

なお、図５では基材側ローラを示していないが、基材２０の移動手段として基材側ローラを使用してよいことは、第１の実施形態と同様である。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係る触媒層の圧着固定方法を示す図である。

第３の実施形態では、上記第２の実施形態と同様、触媒粉末側ローラ３１と触媒粉末２１の間に、触媒粉末側ローラ３１への触媒粉末２１の付着を防ぐための保護シート５３を設置する。さらに、第３の実施形態では、触媒粉末側ローラ３１の周速度と移動手段３０の移動速度の関係、すなわち図７では、触媒粉末側ローラ３１の周速度と基材側ローラ３２の周速度の関係は、任意である。その他の点においては、上記第２の実施形態と同様に触媒層を作製し、保護シート５３を剥離する。

保護シート５３を使用することにより、触媒粉末２１の触媒粉末側ローラ３１への付着を抑制することができるため、触媒粉末側ローラ３１の周速度と移動手段３０の移動速度との関係を考慮する必要がなくなる。基材側ローラ３２を使用して基材２０を移動させる場合、触媒側ローラ３１と基材側ローラ３２のいずれか一方のローラを回転させるのみで触媒粉末２１をプレス可能である。この場合、いずれか一方のローラに駆動装置を設置すれば足りるため、コストダウンにつながる。

＜実施例１＞
（触媒粉末の作製）
水と２−プロパノールの混合溶液に、白金担持カーボンおよび電解質（デュポン社製ナフィオン）を加えた。ここで、固形分を５〜１０％とし、電解質は全固形分に対して２５〜３５％となるように加えた。これを撹拌機（例えばホモジナイザ）で３０分間撹拌して、触媒インクを作製した。その際、触媒インクの温度が上昇しないよう、水を入れた容器で冷却しながら撹拌した。作製した触媒インクを容器に入れ、薄くのばして乾燥炉に入れた。乾燥温度は、電解質中に含まれるエタノールの沸点以下である７０℃とし、約３時間かけて乾燥した。最後に、触媒インクの乾燥体を刃が回転するタイプの粉砕機に入れ、３分間粉砕して触媒粉末を得た。

（触媒粉末の基材上への堆積）
カーボンペーパ上にカーボン粉末と撥水材の混合物からなるカーボン層をあらかじめ作製した基材の上に、厚さが１５〜３０μｍとなるように上記で作製した触媒粉末を堆積させた。触媒粉末の堆積は、キャリアガス（Ｎ_２）を用いて行い、Ｎ_２の流量は５００Ｌ/ｍｉｎとした。

（触媒層の圧着固定）
触媒層の圧着固定は、図３を参照して説明した方法により行った。触媒粉末側ローラの周速度を基材側ローラの周速度よりも５％速くした結果、触媒粉末側ローラへの触媒粉末の付着が完全になくなった。

＜実施例２＞
触媒粉末を基材上へ堆積させるところまでは、実施例１と同様に行った。触媒層の圧着固定は、図５を参照して説明した方法により行った。保護シートとしては、フッ素樹脂シートを使用した。その結果、触媒粉末側ローラへの触媒粉末の付着はなかった。

＜実施例３＞
触媒粉末を基材上へ堆積させるところまでは、実施例１と同様に行った。触媒層の圧着固定は、図６を参照して説明した方法により行った。保護シートとしては、フッ素樹脂シートを使用した。基材側ローラのみ駆動装置で回転させ、触媒粉末側ローラは、保護シートとの摩擦力により回転させた。その結果、触媒粉末側ローラへの触媒粉末の付着はなかった。

＜比較例＞
触媒粉末を基材上へ堆積させるところまでは、実施例１と同様に行った。触媒粉末の圧着固定は、触媒粉末側ローラの周速度と基材側ローラの周速度を同じにしたことを除き、実施例１と同様に行った。その結果、触媒粉末側ローラへの触媒粉末の付着が見られた。

上記実施形態または実施例によれば、触媒粉末の損失を抑制し、均一な触媒層を形成することができる燃料電池触媒層の製造方法を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…燃料電池セル、２…アノード、３…カソード、４…電解質膜、５…アノード触媒層、６…アノードガス拡散層、７…カソード触媒層、８…カソードガス拡散層、９…アノードセパレータ、１０…カソードセパレータ、２０…基材、２１…触媒粉末、３０…移動手段、３１…触媒粉末側ローラ、３２…基材側ローラ、５１…保護シート送り、５２…保護シート巻き取り、５６…保護シート剥がし用ローラ。

Claims (6)

1. 基材上に、触媒および電解質を含む触媒粉末を堆積させる工程と、
   前記触媒粉末を前記基材上に圧着固定することにより、触媒層を形成する工程と
   を具備する燃料電池触媒層の製造方法であって、
   前記触媒粉末を基材上に圧着固定する工程は、前記触媒粉末を堆積させた基材を移動手段により移動させながら、前記触媒粉末に接するように設置された触媒粉末側ローラを回転させることにより行い、
   前記触媒粉末側ローラの周速度は、前記移動手段の移動速度よりも大きい
   ことを特徴とする燃料電池触媒層の製造方法。
2. 前記基材の移動手段は、前記触媒粉末側ローラと対向して前記基材の前記触媒層を形成する側とは反対側に設置された基材側ローラであり、前記触媒粉末の前記基材への圧着固定は、前記触媒粉末側ローラと前記基材側ローラをそれぞれ反対の方向に回転させながら、前記触媒粉末側ローラと前記基材側ローラとの間を前記触媒粉末を堆積させた基材を通過させることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池触媒層の製造方法。
3. 前記触媒粉末側ローラの周速度は、前記基材側ローラの周速度よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池触媒層の製造方法。
4. 前記触媒粉末側ローラと前記触媒粉末との間に、前記触媒粉末側ローラへの前記触媒粉末の付着を防ぐための保護シートを配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池触媒層の製造方法。
5. 基材上に、触媒および電解質を含む触媒粉末を堆積させる工程と、
   前記触媒粉末を前記基材上に圧着固定することにより、触媒層を形成する工程と
   を具備する燃料電池触媒層の製造方法であって、
   前記触媒粉末を基材上に圧着固定する工程は、前記触媒粉末を堆積させた基材を移動させながら、前記触媒粉末に接するように設置された触媒粉末側ローラを回転させることにより行い、
   前記触媒粉末側ローラと前記触媒粉末との間に、前記触媒粉末側ローラへの前記触媒粉末の付着を防ぐための保護シートを配置する
   ことを特徴とする燃料電池触媒層の製造方法。
6. 触媒および電解質を含む触媒粉末を堆積させた基材を移動させる移動手段と、
   触媒粉末に接するように設置された触媒粉末側ローラと、
   前記触媒粉末側ローラを回転させて触媒粉末を基材上に圧着固定することにより、触媒層を形成する燃料電池触媒層の製造装置であって、
   前記触媒粉末側ローラの周速度が、前記移動手段の移動速度よりも大きい
   ことを特徴とする燃料電池触媒層の製造装置。

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