JP2020095845A

JP2020095845A - 触媒インクの製造方法

Info

Publication number: JP2020095845A
Application number: JP2018232323A
Authority: JP
Inventors: 加藤　大典; Daisuke Kato; 大典加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】適切な粘度の触媒インクを製造可能であると共にアイオノマの投入量の精度を向上可能である触媒インクの製造方法を提供する。【解決手段】所定量のアイオノマを含有する触媒インクの製造方法であって、ゲル状態のアイオノマ２ａを、前記所定量のｘ％投入する工程（ステップＳ１）と（但し、ｘは９０以上１００未満）、粉末状態のアイオノマ２ｂを、前記所定量の（１００−ｘ）％投入する工程（ステップＳ２）と、投入されたゲル状態のアイオノマ２ａと、投入された粉末状態のアイオノマ２ｂと、触媒担持粒子と、溶媒と、を混合する工程（ステップＳ３）と、を備え、粉末状態のアイオノマ２ｂは、ゲル状態のアイオノマを凍結後に粉砕して生成される、触媒インクの製造方法。【選択図】図３

Description

本発明は、触媒インクの製造方法に関する。

触媒インクの製造方法として、触媒担持粒子、アイオノマ、及び溶媒を混合する方法が知られている。
例えば特許文献１には、触媒担持粒子を溶媒に分散させて触媒分散液を得る工程と、アイオノマと溶媒とを混合してゲル体を得る工程と、触媒分散液とゲル体とを攪拌する工程と、を備える触媒インクの製造方法が開示されている。

特開２０１６−１１５４５５号公報

発明者らは、触媒インクの製造方法に関し、以下の課題を見出した。
製造された触媒インクは、基材に塗工されて、燃料電池の触媒層として使用される。アイオノマと触媒担持粒子との質量比は、燃料電池の発電性能に影響を及ぼす。したがって、アイオノマの投入量の精度を向上させることによって燃料電池の発電性能をさらに改善することができる。しかしながら、アイオノマは、粘度の高いゲル状の材料である。そのため、アイオノマの投入量の精度を向上させることは困難である。

そこで、このような問題を解決するために、発明者らは、アイオノマを凍結後に粉砕し、粉末状態となったアイオノマを用いて触媒インクを製造することを検討した。しかしながら、凍結されたアイオノマを含有する触媒インクは、凍結されたアイオノマを含まずに未凍結のアイオノマを含有する触媒インクに比較して、粘度が低い。粘度が低い触媒インクは、適切な粘度の触媒インクに比較して、塗工品質が低い。

本発明は以上の背景に鑑みなされたものであり、適切な粘度の触媒インクを製造可能であると共にアイオノマの投入量の精度を向上可能である触媒インクの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する一態様は、所定量のアイオノマを含有する触媒インクの製造方法であって、ゲル状態のアイオノマを、前記所定量のｘ％投入する工程と（但し、ｘは９０以上１００未満）、粉末状態のアイオノマを、前記所定量の（１００−ｘ）％投入する工程と、投入されたゲル状態のアイオノマと、投入された粉末状態のアイオノマと、触媒担持粒子と、溶媒と、を混合する工程と、を備え、粉末状態のアイオノマは、ゲル状態のアイオノマを凍結後に粉砕して生成される。

本発明に係る触媒インクの製造方法は、ゲル状態のアイオノマを、前記所定量のｘ％投入する工程と（但し、ｘは９０以上１００未満）、粉末状態のアイオノマを、前記所定量の（１００−ｘ）％投入する工程と、を備える。したがって、アイオノマの投入量を粉末状態のアイオノマを投入する際に精度良く調節することができる。また、粉末状態のアイオノマがアイオノマの投入量全体に占める割合が１０％未満であるため、製造された触媒インクの粘度が適切である。

本発明によれば、適切な粘度の触媒インクを製造可能であると共にアイオノマの投入量の精度を向上可能である触媒インクの製造方法を提供することができる。

本実施の形態に係る触媒インクの製造方法を示すフローチャートである。ゲル状態のアイオノマを投入する際における、触媒インクの製造装置の模式断面図である。粉末状態のアイオノマを投入する際における、触媒インクの製造装置の模式断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

図１〜３を参照して、本実施の形態に係る触媒インクの製造方法について説明する。図１は、本実施の形態に係る触媒インクの製造方法を示すフローチャートである。図２は、ゲル状態のアイオノマを投入する際における、触媒インクの製造装置の模式断面図である。図３は、粉末状態のアイオノマを投入する際における、触媒インクの製造装置の模式断面図である。

図２に、本実施の形態に係る触媒インクの製造方法を実施する製造装置（本実施の形態に係る触媒インクの製造装置）の構成を示す。図２に示すように、触媒インクの製造装置１は、ノズル３、容器４、重量計５、及び切断刃６を備える。なお、図２には、触媒インクの製造装置１に加えて、ゲル状態のアイオノマ２ａを図示している。

図３に示すように、触媒インクの製造装置１は、図２に示した構成に加えて、ホッパー７を備える。なお、図３には、触媒インクの製造装置１に加えて、粉末状態のアイオノマ２ｂを図示している。アイオノマは、導電性樹脂であり、通常、ゲル状態である。

図２に示すように、容器４は、底を有する筒状の構造体である。容器４の底及び壁面によって形成される空間には、ゲル状態のアイオノマ２ａや粉末状態のアイオノマ２ｂ等の材料が投入される。容器４の底の形状は特に限定されず、例えば円形であってもよいし、矩形状であってもよい。容器４は、重量計５の上面に載置されている。重量計５は、容器４に投入された材料の重量を計測することができる。

ゲル状態のアイオノマ２ａは、ノズル３を介して容器４に投入される。切断刃６は、ゲル状態のアイオノマ２ａの投入経路のノズル３の口よりも下側に配置されている。切断刃６は、開閉可能な複数の歯である。切断刃６を開けると、ゲル状態のアイオノマ２ａは、容器４に投入される。切断刃６を閉じると、ゲル状態のアイオノマ２ａの投入は、停止する。

粉末状態のアイオノマ２ｂは、ゲル状態のアイオノマを凍結した後に粉砕して生成される。図３に示すように、粉末状態のアイオノマ２ｂは、ホッパー７から容器４に投入される。ホッパー７は、下側の端部に開閉弁が形成されている。ホッパー７の開閉弁を開けると、図３に示すように、粉末状態のアイオノマ２ｂは、容器４に投入される。ホッパー７の開閉弁を閉じると、粉末状態のアイオノマ２ｂの投入は、停止する。

図１に示すように、本実施の形態に係る触媒インクの製造方法は、少なくとも、ゲル状態のアイオノマ２ａを所定量のｘ％投入する工程（ステップＳ１）、粉末状態のアイオノマ２ｂを所定量の（１００−ｘ）％投入する工程（ステップＳ２）、及び混合する工程（ステップＳ３）を備え、さらに他の工程を備えていてもよいものとする。本実施の形態に係る触媒インクの製造方法によって製造された触媒インクは、所定量のアイオノマを含有する。

本実施の形態に係る触媒インクの製造方法では、まず、ゲル状態のアイオノマ２ａを所定量のｘ％投入する工程（ステップＳ１）を行う。ステップＳ１では、図２に示すように、所定量のｘ％のゲル状態のアイオノマ２ａを容器４に投入する。但し、ｘは９０以上１００未満である。ステップＳ１では、切断刃６を開けることによってゲル状態のアイオノマ２ａの投入を開始する。そして、ゲル状態のアイオノマ２ａを十分投入した後に切断刃６を閉じ、ステップＳ１を終了する。ステップＳ１において投入されたゲル状態のアイオノマ２ａの重量は、重量計５を用いて計測される。

重量計５を用いて計測されたゲル状態のアイオノマ２ａの重量が、所定量のｘ％であることを確認した後、粉末状態のアイオノマ２ｂを所定量の（１００−ｘ）％投入する工程（ステップＳ２）を行う。ステップＳ２では、図３に示すように、所定量の（１００−ｘ）％の粉末状態のアイオノマ２ｂを容器４に投入する。ステップＳ２では、ホッパー７の開閉弁を開けることによって粉末状態のアイオノマ２ｂの投入を開始する。そして、粉末状態のアイオノマ２ｂを所定量の（１００−ｘ）％投入した後にホッパー７の開閉弁を閉じ、ステップＳ２を終了する。

粉末状態のアイオノマ２ｂは、ステップＳ２を行う前に、粉末状態のアイオノマ２ｂを生成する工程において生成される。粉末状態のアイオノマ２ｂは、ゲル状態のアイオノマを凍結後に粉砕して生成される。粉末状態のアイオノマ２ｂの各粉末粒子の大きさや形状は特に限定されない。粉末状態のアイオノマ２ｂは、溶融すると、ゲル状態のアイオノマとなる。したがって、ステップＳ２は、粉末状態のアイオノマ２ｂが溶融しない温度に保たれた状態で行われる。

ステップＳ１及びステップＳ２を行った後に、混合する工程（ステップＳ３）を行う。ステップＳ３では、ステップＳ１において投入されたゲル状態のアイオノマ２ａ、ステップＳ２において投入された粉末状態のアイオノマ２ｂ、触媒担持粒子、及び溶媒を混合し、触媒インクを得る。

ステップＳ３は、上記の材料を混合可能な方法であればどのように行われてもよい。ステップＳ３は、例えば、予め触媒端時粒子と溶媒とを混合し、ゲル状態のアイオノマ２ａ及び粉末状態のアイオノマ２ｂを混合してもよい。また、ステップＳ３は、上記の材料全てを同時に混合してもよい。

本実施の形態に係る触媒インクの製造方法によって製造された触媒インクは、基材に塗工されて、燃料電池の触媒層として使用される。ステップＳ３を行った後に、触媒インクを濾過する工程や触媒インクを脱泡する工程等を行ってから、基材に塗工されてもよい。本実施の形態に係る触媒インクの製造方法は、上記のステップＳ１及びステップＳ２によって、アイオノマの投入量を精度良く調節することができる。

本実施の形態に係る触媒インクの製造方法において投入されるアイオノマは、１０％未満が粉末状態のアイオノマである。したがって、本実施の形態に係る触媒インクの製造方法によって製造された触媒インクは、十分な粘度を有し、塗工品質が良好である。つまり、本実施の形態に係る触媒インクの製造方法は、適切な粘度の触媒インクを製造可能であると共にアイオノマの投入量の精度を向上可能である。

以上で説明した本実施の形態に係る発明により、適切な粘度の触媒インクを製造可能であると共にアイオノマの投入量の精度を向上可能である触媒インクの製造方法を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１触媒インクの製造装置
２ａゲル状態のアイオノマ
２ｂ粉末状態のアイオノマ
３ノズル
４容器
５重量計
６切断刃
７ホッパー

Claims

所定量のアイオノマを含有する触媒インクの製造方法であって、
ゲル状態のアイオノマを、前記所定量のｘ％投入する工程と（但し、ｘは９０以上１００未満）、
粉末状態のアイオノマを、前記所定量の（１００−ｘ）％投入する工程と、
投入されたゲル状態のアイオノマと、投入された粉末状態のアイオノマと、触媒担持粒子と、溶媒と、を混合する工程と、を備え、
粉末状態のアイオノマは、ゲル状態のアイオノマを凍結後に粉砕して生成される、
触媒インクの製造方法。