JP3182265B2 - 固体高分子型燃料電池用電極の製造方法 - Google Patents

固体高分子型燃料電池用電極の製造方法

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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
に用いられる電極の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、電解質として
高分子イオン交換膜を用い、このイオン交換膜の両面に
一対の電極を接合した構造である。この固体高分子型燃
料電池の電極は、白金又は白金担持カーボン等の触媒粒
子と、撥水性及び結着能のあるPTFE(ポリテトラフ
ルオロエチレン)とから成るガス電極である。従来、固
体高分子型燃料電池の作製方法としては、米国特許第
4,876,115号明細書及び特開平4−16236
5号公報に記載されている方法が知られている。 米国特許第4,876,115号の方法 白金担持カーボンとPTFE粒子とを混合し、次に圧延
ローラで電極触媒層シートを成型し、このシートの一方
の面(即ち、イオン交換膜との接合面側)にイオン交換
体のアルコール溶液(例えば、ナフィオン117の5%
アルコール溶液)を塗布し、ホットプレスを行って、シ
ートをイオン交換膜に接合する方法。 特開平4−162365号の方法 触媒微粒子をイオン交換樹脂溶液に浸積し、50℃で真
空乾燥させて、その表面にイオン交換樹脂薄膜を形成
し、次に別途用意した無触媒微粒子をイオン交換樹脂溶
液に浸積し、50℃で真空乾燥させて、その表面にイオ
ン交換樹脂厚膜を形成し、次いで前記のイオン交換樹脂
を被覆した2種類の微粒子を撥水性バインダーと混合し
た後、冷間プレス又はホットプレスによりシート状触媒
層を形成し、このシート状触媒層をイオン交換膜に熱圧
着する方法。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の方
法では、電極触媒層シート内でのイオン交換体の分布
が、イオン交換体を塗布した接合面側に局在し、接合面
と反対側の面にはほとんど分布していないため、電極触
媒層シート内にイオン交換体の3次元ネットワークを構
築することができない。また、前記電極触媒層シートの
接合面近傍に存在するPTFE粒子に前記イオン交換体
が付着し、PTFE粒子の撥水性が低下するため、電池
発電時に発生する水によってガス拡散経路が塞がれ、ガ
スの流通が悪くなるという課題もある。
【0004】また、上記の方法では、ガスの流通を損
なうことなく、電極触媒層シート内にイオン交換体の3
次元ネットワークを構築することはできるものの、以下
のような課題がある。即ち、この方法では、触媒微粒子
又は無触媒微粒子の表面にイオン交換樹脂膜を形成する
際に乾燥を行っているが、この乾燥は真空乾燥であるた
め、粒子の表面に形成されるイオン交換膜が完全に乾燥
し、完全な固体となる。そのため、その後の工程でホッ
トプレスを行ったとしても、微粒子同士の結着性が悪く
なり、微粒子間の接触抵抗が増大するので、イオン伝導
性が悪くなる。
【0005】本発明は、かかる現状に鑑みてなされたも
のであり、電極触媒層シート内にイオン交換体の3次元
ネットワークを構築することができると共に、電極触媒
粒子同士の結着性が良く、イオン伝導性に優れた固体高
分子型燃料電池用電極の製造方法を提供することを目的
としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本請求項1の発明は、触媒粒子とイオン交換体溶液
とを混合する第1ステップと、前記触媒粒子の表面にイ
オン交換体膜を形成でき、且つ、このイオン交換体膜が
アルコールに対して易溶解性となる程度に前記混合物を
乾燥する第2ステップと、前記イオン交換体膜を形成し
た触媒粒子を圧延又は加圧して、触媒層シートを作成す
る第3ステップと、前記触媒層シートにアルコール水溶
液を含浸して、前記触媒粒子の表面に形成したイオン交
換体膜を溶解させる第4ステップと、前記触媒層シート
を乾燥して、前記アルコール水溶液を除去する第5ステ
ップと、を有することを特徴としている。
【0007】また、本請求項2の発明は、触媒粒子とイ
オン交換体溶液とを混合する第1ステップと、前記触媒
粒子の表面にイオン交換体膜を形成でき、且つ、このイ
オン交換体膜がアルコールに対して難溶解性となる程度
に前記混合物を乾燥する第2ステップと、前記イオン交
換体膜を形成した触媒粒子とイオン交換体溶液とを混合
する第3ステップと、前記アルコール難溶解性のイオン
交換体膜の表面にイオン交換体膜を形成でき、且つ、こ
のイオン交換体膜がアルコールに対して易溶解性となる
程度に前記混合物を乾燥する第4ステップと、前記イオ
ン交換体膜を形成した触媒粒子を圧延又は加圧して、触
媒層シートを作成する第5ステップと、前記触媒層シー
トにアルコール水溶液を含浸して、前記アルコール難溶
解性のイオン交換体膜の表面に形成したイオン交換体膜
を溶解させる第6ステップと、前記触媒層シートを乾燥
して、前記アルコール水溶液を除去する第7ステップ
と、を有することを特徴としている。
【0008】
【作用】上記本請求項1の発明方法によれば、第2ステ
ップによって、触媒粒子の表面にアルコールに対して易
溶解性のイオン交換体膜を形成できる。このイオン交換
体膜は、第4ステップによって添加されたアルコール水
溶液によって、一部が溶解して、ゲル状になる。このゲ
ル状のイオン交換体膜は、他の触媒粒子を結着する接着
剤となるので、触媒粒子同士の結着性が向上する。最後
に、第5ステップによって前記含浸させたアルコール水
溶液が除去され、電極触媒層シートの最終完成品を得る
ことができる。以上の第1〜第5ステップによって製造
した電極触媒層シートは、シート内にイオン交換体の3
次元ネットワークを構築することができると共に、電極
触媒粒子同士の結着性が良く、イオン伝導性に優れてい
る。
【0009】また、本請求項2の発明方法によれば、第
2ステップによって、触媒粒子の表面にアルコールに対
して難溶解性のイオン交換体膜を形成できる。このイオ
ン交換体膜は略完全固体状態であり、アルコールに対し
て難溶解性であるため、圧延又は加圧しても触媒粒子同
士の結着性が悪い。本発明では、第4ステップによっ
て、アルコール難溶解性のイオン交換体膜の表面に、ア
ルコール易溶解性のイオン交換体膜を形成したので、第
6ステップによって添加されたアルコール水溶液によっ
て、一部が溶解して、ゲル状になり、触媒粒子同士の結
着性が向上する。
【0010】
【実施例】
〔実施例〕以下、本発明の固体高分子型燃料電池用電極
の製造方法の一実施例について具体的に説明する。先
ず、20wt%の白金を担持したカーボンブラック(以
下、単に「Pt/C」と略称する)10gにイオン交換
水8ccを添加して、Pt/Cを湿潤させる。次に、ナ
フィオン117(商品名,デュポン社)の5%溶液6g
を加えてよく攪拌した後、50℃で12時間真空乾燥を
行い、Pt/Cの表面にアルコール難溶解性のナフィオ
ン膜を形成した。ここで、アルコールに対して難溶解性
とは、ナフィオン膜が略完全な固体となっているような
状態をいい、アルコールに対して全く溶解しないか、或
いは極くわずかに溶け出す程度をいう。そして、この難
溶解性のナフィオン膜を形成させる際の乾燥状態の一例
として、ここでは50℃で12時間の真空乾燥を行っ
た。続いて、このPt/Cを粉砕し、ナフィオン117
の2%溶液6gを加えて攪拌した後、窒素気流中、60
℃で2時間乾燥を行ない、前記アルコール難溶解性のナ
フィオン膜の表面に、アルコール易溶解性のナフィオン
膜を形成した。ここで、アルコールに対して易溶解性と
は、完全な固体状態ではない程度をいい、具体的にはア
ルコールを添加した場合にナフィオン膜の表面の一部が
溶け出しゲル状になるような状態をいう。そして、この
易溶解性のナフィオン膜を形成させる際の乾燥状態の一
例として、ここでは、窒素気流中、60℃で2時間乾燥
を行った。そして、このPt/Cを再度粉砕し、所定量
(約30%)のPTFE−6C(三井・デュポンフロロ
ケミカル社)を混合した後、圧延ローラを用いて圧延
し、シート状触媒層(0.2mm厚)を得た。次いで、この
シート状触媒層に、水とイソプロピルアルコールの1:
1(体積比)の混合液を含浸させた後、この混合液が含
浸されたままの状態でシート状触媒層の厚みが0.08mm
になるまで圧延ローラを用いて圧延した。この場合、前
記アルコール溶液によって、Pt/Cの最外層に形成さ
れた不完全乾燥状態のナフィオン膜の一部がゲル状に溶
解し、Pt/C同士を結着する接着剤のような役目を果
たすので、Pt/C同士の結着性が向上する。最後に、
このシート状触媒層を50℃で2時間真空乾燥して前記
混合液を除去し、シート状触媒層の最終完成品を得た。
【0011】このようにして作成した電極を以下、
(a)電極と称する。最後に、上記本発明方法にて製造
した(a)電極を、イオン交換膜としてのナフィオン1
17の両面に200kg/cm2 、125℃でホットプレス
を行うことにより接合して電池を作成した。このように
して作成した固体高分子型燃料電池を以下、(A)電池
と称する。 〔比較例〕Pt/Cとナフィオン117との混合物を上
記実施例と同様にして真空乾燥を行ない、Pt/Cの表
面にアルコール難溶解性のナフィオン膜を形成した。次
に、この膜の表面にアルコール易溶解性の膜を形成させ
ることなく、前記アルコール難溶解性のナフィオン膜の
みを形成したPt/C同士を結着して電極触媒層シート
を作成した。最後に、上記実施例と同様にして電池を作
成した。
【0012】このようにして作成した固体高分子型燃料
電池を以下、(X)電池と称する。 〔実験〕上記本発明方法にて作成した(a)電極を用い
た(A)電池と、比較例方法にて作成した(X)電池と
を用いて、それぞれの電池特性(電流密度とセル電圧と
の関係)について調べたので、その結果を図1に示す。
尚、実験条件は、セル温度を70℃で行った。
【0013】図1から明らかなように、本発明方法にて
作成した(a)電極を用いた(A)電池は比較例方法に
て作成した(X)電池に比べて、電池特性がはるかに向
上していることが認められる。これは、本発明方法で
は、アルコール難溶解性のイオン交換体膜の表面に、ア
ルコール溶解性のイオン交換体膜が形成されるため、こ
のイオン交換体膜がアルコールによってゲル状になり、
接着剤の役目をなす。そのため、触媒粒子同士の結着性
が向上し、イオン伝導性が向上する。これに対して、比
較例方法にて作成した電極は、アルコールを加えてもイ
オン交換体膜が溶解しないため、触媒粒子同士の結着が
悪く、イオン伝導性が悪い。 〔その他の事項〕上記実施例方法では、触媒粒子の表面
にアルコール難溶性のイオン交換体膜を形成し、このイ
オン交換膜の表面にアルコール易溶解性のイオン交換体
膜を形成したが、触媒粒子の表面にアルコール難溶解性
のイオン交換膜を形成する工程を省略し、アルコール易
溶解性のイオン交換体膜を触媒粒子の表面に直接形成し
た後、前記方法と同様にして電極を作成することも勿論
可能である。
【0014】
【発明の効果】以上説明した如く本発明方法によれば、
触媒粒子の表面に、アルコールで溶解しゲル状になるイ
オン交換体膜を形成させることができるので、触媒粒子
同士の結着性が向上し、イオン伝導性が良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法にて作成した(a)電極を用いた
(A)電池と、比較例方法にて作成した(X)電池とを
用いた場合における、電池特性(電流密度とセル電圧と
の関係)を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−67786(JP,A) 特開 昭61−67788(JP,A) 特開 昭61−87887(JP,A) 特開 平4−305249(JP,A) 特開 平4−162365(JP,A) 特開 平5−36418(JP,A) 特開 平5−166520(JP,A) 特開 平6−20709(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/86 - 4/98 H01M 8/10 H01M 8/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 触媒粒子とイオン交換体溶液とを混合す
    る第1ステップと、 前記触媒粒子の表面にイオン交換体膜を形成でき、且
    つ、このイオン交換体膜がアルコールに対して易溶解性
    となる程度に前記混合物を乾燥する第2ステップと、 前記イオン交換体膜を形成した触媒粒子を圧延又は加圧
    して、触媒層シートを作成する第3ステップと、 前記触媒層シートにアルコール水溶液を含浸して、前記
    触媒粒子の表面に形成したイオン交換体膜を溶解させる
    第4ステップと、 前記触媒層シートを乾燥して、前記アルコール水溶液を
    除去する第5ステップと、 を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 触媒粒子とイオン交換体溶液とを混合す
    る第1ステップと、 前記触媒粒子の表面にイオン交換体膜を形成でき、且
    つ、このイオン交換体膜がアルコールに対して難溶解性
    となる程度に前記混合物を乾燥する第2ステップと、 前記イオン交換体膜を形成した触媒粒子とイオン交換体
    溶液とを混合する第3ステップと、 前記アルコール難溶解性のイオン交換体膜の表面にイオ
    ン交換体膜を形成でき、且つ、このイオン交換体膜がア
    ルコールに対して易溶解性となる程度に前記混合物を乾
    燥する第4ステップと、 前記イオン交換体膜を形成した触媒粒子を圧延又は加圧
    して、触媒層シートを作成する第5ステップと、 前記触媒層シートにアルコール水溶液を含浸して、前記
    アルコール難溶解性のイオン交換体膜の表面に形成した
    イオン交換体膜を溶解させる第6ステップと、 前記触媒層シートを乾燥して、前記アルコール水溶液を
    除去する第7ステップと、 を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極
    の製造方法。
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