JP2015201254A - 燃料電池用触媒層の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒層の乾燥後における表面の亀裂や凹凸の発生を抑制する。【解決手段】溶媒と、電解質樹脂と、触媒担持体とを含む触媒インクを転写用基材上に塗布して触媒層を形成した後、前記触媒層を乾燥する燃料電池用触媒層の製造方法は、前記溶媒の蒸発とともに前記触媒層の厚さが薄くなる定率乾燥期間における乾燥温度を前記触媒層中の前記溶媒の沸点以上とする第１の乾燥工程と、前記第１の乾燥工程の後に実行され、前記溶媒が蒸発しても前記触媒層の厚さが維持される減率乾燥期間における乾燥温度を、前記触媒層中の前記電解質樹脂のガラス転移温度以上で、前記転写用基材の軟化温度以下とする第２の乾燥工程と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用触媒層の製造方法に関し、特に、触媒層の乾燥に関する。

特許文献１には、燃料電池の触媒層の製造方法が開示されている。この製造方法では、中間保持体に触媒材料を含むインクをスプレーし塗布層を形成し、触媒材料を含むインクの溶媒の共沸点温度以上中間保持体の軟化点以下の温度雰囲気の下で、塗布層が形成された中間保持体を乾燥し、塗布層を中間保持体から電解質膜上へ転写する。

特開２００７−１１５５３２号公報

上記技術では、触媒材料を含むインクの溶媒の共沸点温度以上中間保持体の軟化点以下の温度雰囲気の下で、塗布層が形成された中間保持体を乾燥させるため、乾燥中に触媒インクの溶媒が沸騰し、乾燥後の触媒層の表面の凹凸が過度に大きくなる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、溶媒と、電解質樹脂と、触媒担持体とを含む触媒インクを転写用基材上に塗布して触媒層を形成した後、前記触媒層を乾燥する燃料電池用触媒層の製造方法が提供される。この製造方法は、前記溶媒の蒸発とともに前記触媒層の厚さが薄くなる定率乾燥期間における乾燥温度を前記触媒層中の前記溶媒の沸点以上とする第１の乾燥工程と、前記第１の乾燥工程の後に実行され、前記溶媒が蒸発しても前記触媒層の厚さが維持される減率乾燥期間における乾燥温度を、前記触媒層中の前記電解質樹脂のガラス転移温度以上で、前記転写用基材の軟化温度以下とする第２の乾燥工程と、を備える。この製造方法によれば、定率乾燥期間における乾燥温度を触媒インク中の溶媒の沸点以上とすることで、溶媒を沸騰させて無作為に対流させることで、マランゴニ対流の発生を抑制して電解質樹脂が柱状構造を取ることを抑制し、減率乾燥期間における乾燥温度を触媒インク中の電解質樹脂のガラス転移温度以上とすることで、沸騰により生じる触媒層表面の凹凸を緩和することが出来る。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池用触媒層の製造方法の他、燃料電池用触媒層の乾燥方法、燃料電池用触媒層乾燥装置等の形態で実現することができる。

燃料電池用触媒層の製造工程を示す説明図である。 触媒層の乾燥装置６０を示す説明図である。 近赤外線を用いたときの乾燥経過時間とワーク温度との関係を示す説明図である。 近赤外線の代わりに温風を用いたときの乾燥経過時間とワーク温度との関係を示す説明図である。 乾燥後のワーク表面の状態を示す図である。 比較例において亀裂が発生する理由を説明する説明図である。

図１は、燃料電池用触媒層の製造工程を示す説明図である。工程（Ａ）では、容器１０にアイオノマ１１と触媒担持体１２と溶媒１３とを入れて混合する。アイオノマ１１は、イオン性を有する電解質樹脂である。本実施形態では、アイオノマ１１として、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を用いる。触媒担持体１２は、触媒を担持体に担持させたものであり、本実施形態では、触媒として白金または白金の合金を用い、担持体としてカーボンの粉末を用いる。カーボンの粒子径は、０．１μｍから２０μｍの範囲のものを用いることができる。溶媒１３としては、水とアルコールの混合溶媒、例えば、水とエタノールの混合溶媒、水とエタノールと２プロパノール（イソプロピルアルコール）の混合溶媒を用いることが出来る。これらの溶媒１３の沸点（共沸点）は、アイオノマのガラス転移温度よりも低いことが好ましい。

工程（Ｂ）では、モーター２０と、撹拌器２５とを用いて、アイオノマ１１と触媒担持体１２と溶媒１３の混合物を撹拌して触媒インク１５を生成する。工程（Ｃ）では、コーター３０を用いて転写用基材４０上に触媒インク１５を塗布して触媒層５０を形成する。なお、コーター３０の代わりにスプレーを用いて転写用基材４０上に触媒層５０を形成してもよい。その後、乾燥装置６０を用いて触媒層５０を乾燥する。本実施形態では、転写用基材４０上に形成された触媒層５０を、ワーク５０とも呼ぶ。転写用基材４０の軟化温度は、後述する減率乾燥期間における乾燥温度よりも高い温度であれば良い。転写用基材４０としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）を用いることが出来る。

図２は、触媒層の乾燥装置６０を示す説明図である。乾燥装置６０は、第１の乾燥室６２と第２の乾燥室６４とを備える。第１の乾燥室６２と第２の乾燥室６４には、それぞれ近赤外線ランプ６６が設けられている。第１の乾燥室６２の乾燥温度は、溶媒の共沸点温度よりも高く、アイオノマのガラス転移温度よりも低い温度である。第１の乾燥室６２における第１の乾燥工程では、ワーク５０の厚さは、溶媒の減少とともに薄くなる。ワーク５０の厚さが溶媒の減少とともに薄くなる乾燥を定率乾燥と呼び、この乾燥期間を定率乾燥期間と呼ぶ。第２の乾燥室６４の乾燥温度は、アイオノマのガラス転移温度よりも高く、転写用基材４０の軟化温度よりも低い温度である。第２の乾燥室６４における第２の乾燥工程では、ワーク５０の厚さは、変わらず、アイオノマ間の空隙が生じることで、ワーク５０の乾燥が行われる。ワーク５０の厚さが変わらず、アイオノマ間の空隙が生じることで、ワーク５０の乾燥が行われる乾燥を、減率乾燥と呼び、この乾燥期間を減率乾燥期間と呼ぶ。上述したように、定率乾燥と減率乾燥の定義には、温度は含まれておらず、ワーク５０の厚さが薄くなるか、維持されるかにより、区別される。したがって、減率乾燥期間の乾燥温度と、定率乾燥期間の乾燥温度と、は同じ温度であってもよいが、本実施形態では、上述したように、減率乾燥期間の乾燥温度を、溶媒の共沸点温度よりも高くアイオノマのガラス転移温度よりも低い温度とし、定率乾燥期間の乾燥温度を、アイオノマのガラス転移温度よりも高く、転写用基材４０の軟化温度よりも低い温度としている。なお、第１の乾燥室６２と第２の乾燥室６４の乾燥温度は、第１の乾燥室６２と第２の乾燥室６４の近赤外線ランプ６６の本数、あるいは近赤外線ランプ６６の出力ワット数を変更することで、容易に変更することが出来る。

図３は、近赤外線を用いたときの乾燥経過時間とワーク温度との関係を示す説明図である。第１の乾燥室６２でワーク５０の温度を溶媒の沸点以上に上昇させる。この定率乾燥の工程で、ワーク５０中の溶媒を蒸発させる。その後、第２の乾燥室６４でワーク５０の温度をアイオノマのガラス転移温度より高い温度に上昇させる。この減率乾燥の工程では、残存する溶媒を蒸発させるとともに、アイオノマを軟化させる。

図４は、近赤外線の代わりに温風を用いたときの乾燥経過時間とワーク温度との関係を示す説明図である。近赤外線を用いたのと同様に、第１の乾燥室６２でワーク５０の温度を溶媒の沸点以上に上昇させてワーク５０中の溶媒を蒸発させる。その後、第２の乾燥室６４でワーク５０の温度をアイオノマのガラス転移温度より高い温度に上昇させて、残存する溶媒を蒸発させるとともに、アイオノマを軟化させる。近赤外線と温風とを比較すると、近赤外線の方が、処理時間が短い。この理由として、温風ではワーク５０の表面からしかワーク５０を加熱できないが、近赤外線では、触媒担持体が近赤外線を吸収して発熱するので、ワーク５０の内部からも加熱出来ることが考えられる。

図５は、乾燥後のワーク表面の状態を示す図である。溶媒の沸点よりもやや低い温度で乾燥させたものを比較例とし、本実施形態におけるワーク５０の表面状態と、比較例のワークの表面状態とを比較した。なお、本実施形態も比較例も、乾燥工程以外の工程は同じ工程である。比較例と比較すると、本実施形態では、ワーク５０の表面に亀裂がほとんど見えないが、比較例では、ワーク５０の表面に多数の亀裂が見られる。本実施形態の温風と近赤外線を比較すると、温風ではわずかな亀裂が見られるが、近赤外線では、亀裂は見られない。

図６は、比較例において亀裂が発生する理由を説明する説明図である。図６の上のグラフは、乾燥経過時間と、ワークの質量、ワークの温度の関係を示すグラフである。下の図６（Ａ）〜（Ｄ）は、グラフの（Ａ）〜（Ｄ）に示す位置におけるワーク５０中の樹脂の状態を示す説明図である。ワーク５０は、第１の乾燥室６２に搬送されて加熱されると、温度が上昇する（予熱期間）。予熱期間では、溶媒はあまり蒸発せず、ワークの質量もあまり減少しない。その後、ワーク５０の温度が溶媒の沸点に達すると、溶媒が減少し、ワークの質量が減少し、ワーク５０の厚さが薄くなる。この期間は、上述した定率乾燥期間である。なお、定率乾燥期間では、溶媒の気化潜熱により、ワーク５０の温度はほとんど変化しない。次に、ワーク５０は、第２の乾燥室６４に搬送され、さらに加熱される。この期間では、ワーク５０の温度が上昇し、溶媒も蒸発してワーク５０の質量が減少するが、ワークの厚さは変わらない。この期間は、上述した減率乾燥期間に相当する。

次に各期間におけるワーク５０の状態を説明する。予熱期間（図６（Ａ））では、アイオノマ１１は、溶媒１３中に分散している。定率乾燥期間の初期では、溶媒１３が蒸発し始める。このとき、ワーク５０の表面の温度にムラがあると、ワーク５０中でマランゴニ対流が生じ、図６（Ｂ）に示すように、アイオノマ１１が柱状構造になり易い。定率乾燥期間の後期では、図６（Ｃ）に示すように、定率乾燥の初期に生じた柱状構造を維持したままワーク５０の厚さが薄くなる。減率乾燥期間では、図６（Ｂ）ワーク５０の厚さが変わらずに、溶媒１３が蒸発する。このとき、定率乾燥の初期に生じた柱状構造が維持されたままだと、柱状構造の部分と、それ以外の部分で強度差が生じ、それ以外の部分で亀裂が生じる場合がある。

本実施形態では、定率乾燥期間において、ワーク５０の温度を溶媒の沸点以上として沸騰させることにより、マランゴニ対流の発生を抑制して柱状構造の形成を抑制する。これにより、減率乾燥期間における亀裂の発生を抑制する。この場合、沸騰により、ワーク５０の表面に凹凸が生じるおそれがあるが、本実施形態では、さらに、減率乾燥期間において、ワーク５０の温度をアイオノマのガラス転移温度より高い温度に上昇させることで、アイオノマを軟化させて、沸騰により生じたワーク表面の凹凸を緩和する。

乾燥のための加熱は、温風を用いても良いが、近赤外線を用いた方がより好ましい。温風の場合表面から加熱するのに対し、近赤外線の場合には、触媒担持体が近赤外線を吸収して発熱し、ワーク５０の内部からも加熱する。そのため沸騰までの時間を短く出来る。さらに、沸騰までの時間が短ければ、柱状構造をより生じさせにくい。

本実施形態では、溶媒１３が、水―アルコール系の溶媒であるため、発火しないように、定率乾燥期間と減率乾燥期間の２つの期間の乾燥温度を変えて２段階で加熱しているが、溶媒がアルコールを含まない水だけの場合には、定率乾燥期間の乾燥温度もアイオノマのガラス転移温度以上としても良い。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…容器
１１…アイオノマ
１３…溶媒
２０…モーター
２５…撹拌器
３０…コーター
４０…転写用基材
５０…触媒層（ワーク）
６０…乾燥装置
６２…第１の乾燥室
６４…第２の乾燥室
６６…近赤外線ランプ

Claims (1)

1. 溶媒と、電解質樹脂と、触媒担持体とを含む触媒インクを転写用基材上に塗布して触媒層を形成した後、前記触媒層を乾燥する燃料電池用の触媒層の製造方法であって、
   前記溶媒の蒸発とともに前記触媒層の厚さが薄くなる定率乾燥期間における乾燥温度を前記触媒層中の前記溶媒の沸点以上とする第１の乾燥工程と、
   前記第１の乾燥工程の後に実行され、前記溶媒が蒸発しても前記触媒層の厚さが維持される減率乾燥期間における乾燥温度を、前記触媒層中の前記電解質樹脂のガラス転移温度以上で、前記転写用基材の軟化温度以下とする第２の乾燥工程と、
   を備える、燃料電池用触媒層の製造方法。