JP5720321B2

JP5720321B2 - ガス拡散電極の製造方法

Info

Publication number: JP5720321B2
Application number: JP2011053713A
Authority: JP
Inventors: 均栗原
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: JP2012190671A

Description

本発明は、ガス拡散電極およびその製造方法に関し、特に固体高分子形燃料電池におけるガス拡散電極およびその製造方法に関する。

脱炭素社会の構築に向けた動きの中で、エネルギー中間キャリアとして水素が注目されている。燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化ガスを電気化学的に反応させて、電力を取り出す発電システムであり、水素エネルギーの利用形態の一つとして開発が進められている。特に、種々の燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池は、高出力密度や低温作動、電池本体がコンパクトであることから、自動車用途または家庭用途の電源として早期の実用化が期待されている。

固体高分子形燃料電池における膜電極接合体は、電解質膜、触媒層、ガス拡散層、ガスケット層を積層することで製造される。触媒層の積層方法は、大別して、先に電解質膜上に積層する方法と先にガス拡散層上に積層する方法とに分けられる。
触媒層を電解質膜上に積層する方法では、触媒層を均一な厚さで形成させることができるとともに、触媒層と電解質膜の界面抵抗を軽減できることから、発電性能の高い膜電極接合体を製造することができる。しかしながら、電解質膜上の触媒層の寸法は、湿度の影響で大きく変化することから、触媒層に対するガスケット層の位置合わせが困難であるという課題があった。
これに対し、先に触媒層をガス拡散層上に積層する方法では、ガス拡散層は、カーボン担体を成分として主とすることから、湿度の影響に対して寸法変化が比較的安定しており、ガス拡散層に対し、ガスケット層の位置合わせが比較的精度良くできるという利点がある。
また、触媒層をガス拡散層上に積層したものは、ガス拡散電極と呼ばれていることから、触媒層をガス拡散層上に積層する方法は、以下、ガス拡散電極の製造方法と呼称する。
しかしながら、従来のガス拡散電極の製造方法では、ガス拡散層上に触媒層を設置する際に、触媒インクがガス拡散層の孔に入り込むことで、燃料ガスや酸化ガスの供給を妨げてしまうことや、さらには、触媒層を電解質膜上に積層する方法に比べ、触媒層と電解質膜の界面抵抗が高くなるという課題があった（特許文献１）。

特表２００８−５２７６５９号公報

そこで、本発明では、触媒インクがガス拡散層に入り込むことを回避することができるとともに、触媒層と電解質膜の界面抵抗を軽減することができる、ガス拡散電極およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るガス拡散電極の製造方法は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
請求項１に記載の発明は、膜電極接合体に含まれる触媒層とガス拡散層が一体化されたガス拡散電極の製造方法であって、
前記触媒層はアイオノマーとしてパーフルオロスルホン酸樹脂を含み、
フッ素樹脂シートからなる剥離基材に前記触媒層を設置し、前記触媒層の前記剥離基材に接していた面が、その反対側の面よりもアイオノマー成分が多くなるようにする工程と、
前記触媒層をケトン系溶媒で膨潤させ、前記剥離基材から剥離し、前記剥離基材に接していた面と反対側の前記触媒層表面を前記ガス拡散層に接するように、前記触媒層を前記ガス拡散層上に設置する工程と、
を備えたことを特徴とするガス拡散電極の製造方法である。

本発明は、剥離基材上に塗布した触媒層を剥離し、ガス拡散層に設置することで、ガス拡散層に触媒インクが入り込むことを回避することができる。
このため、ガス拡散層としての、燃料ガスや酸化ガスを触媒層へ供給する機能を損なわない効果を奏する。

さらには、剥離基材に接していた面と反対側の触媒層表面をガス拡散層に接するように、触媒層をガス拡散層上に設置することで、アイオノマー成分が多い面を電解質膜側の触媒層表面とすることができる。
このため、アイオノマー成分が多い面が電解質膜と触媒層の接着面として機能することから、触媒層と電解質膜の界面抵抗を軽減する効果を奏する。

ガス拡散電極を説明するための断面図である。ガス拡散電極を説明するための図である。

以下に、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明において参照する各図では、他の図と同等の構成要素は同一符号によって示す。
（ガス拡散電極の構造）
図１を参照して、本発明の実施形態に係るガス拡散電極の構造を説明する。
図１に示すガス拡散電極１は、触媒層２、ガス拡散層３、を有して構成される。なお、符号２ａは、触媒層のアイオノマー成分が多い面である。

ガス拡散電極１は、電解質膜に接する面が触媒層２のアイオノマー成分が多い面２ａとなっている。触媒層２のアイオノマー成分が多い面２ａは、電解質膜と触媒層２の接着を十分なものとし、異相間のプロトン伝導性を円滑にすることができる。

電解質膜は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられる電解質膜であればよい。電解質膜は、例えば、フッ素系電解質膜や炭化水素膜が好適に使用でき、特にフッ素系電解質膜が望ましい。
また、電解質膜の面積は、触媒層２の面積より一回り大きい面積を持つことが望ましい。その理由は、触媒層２と同等の面積を持つ電解質膜を使用した場合、触媒層端部からのガスリークが懸念されるためである。

触媒層２は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられる触媒層であればよい。例えば、白金または他の金属（例えば、Ru、Rh、Mo、Cr、Co、Fe等）と合金の微粒子（平均粒径、10 nm以下が望ましい。）が、表面に担持されたカーボンブラック等の導電性炭素微粒子（平均粒径：20乃至100 nm程度）と、アイオノマーとして、パーフルオロスルホン酸樹脂等の高分子とが適当な溶剤（エタノール等）中で均一に混合されたインクより作成されるものを使用できる。

ガス拡散層３は、少なくともガス透過性（通気性）と導電性を有するものであればよい。例えば、孔質の材料、例えば炭素材料によって構成された織布、不織布（炭素繊維を交絡させることによって得られるフェルト等）、ペーパー類（カーボンペーパー等）が汎用される。

（ガス拡散電極の製造方法）
次に、図２を参照して、本発明の実施形態に係るガス拡散電極１の製造方法について説明する。
図２（ａ）に示すように、最初に、触媒インクを剥離基材４上に塗布する。剥離基材４として、例えば、ＰＴＦＥシートなどのフッ素樹脂シートやポリイミドなどの熱可塑性樹脂シートなどを用いることができる。特に、フッ素樹脂シートが望ましい。触媒インクの塗布方法は、ドクターブレード法やディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などの塗布法または噴霧法を用いることができる。触媒層２を形成後、十分乾燥させる。

剥離基材４上に触媒インクを塗布し、乾燥させることで、触媒層２の剥離基材４に接している面に、触媒インクのアイオノマー成分がリッチになった面２ａを形成することができる。アイオノマー成分がリッチになる理由としては、剥離基材４とアイオノマーの親和性あるいは触媒インクの乾燥過程においてアイオノマーが剥離基材４に流れるためであると考えられる。

続いて、図２（ｂ）に示すように、触媒層付剥離基材５をアセトン等のケトン系溶媒６に浸し、５分ほど静置する。また、用いる溶媒は、触媒層２を膨潤させて剥離することができるものであれば、ケトン系に限定するものではない。触媒層２を膨潤させた溶媒６で湿らせたガス拡散層３に、触媒層付剥離基材５を設置し、剥離基材４をゆっくりと横に動かすことで、ガス拡散層３上に触媒層２を設置することができる。

また、ガス拡散層に触媒層を設置する方法として、触媒インクをガス拡散層に直接塗工することもできるが、ガス拡散層の孔に触媒インクが入り込んでしまうことから、ガス拡散層としての機能が損なわれてしまう。また、転写基材に触媒層を形成し、ガス拡散層に触媒層を転写する、間接塗工方法でも、転写の際かかるプレス圧によって、ガス拡散層の孔が潰れてしまうことから、ガス拡散層としての機能が損なわれてしまう。本発明ではこのようなプレス圧を使用する必要はない。

以下に、本発明の固体高分子形燃料電池におけるガス拡散電極およびその製造方法について、具体例を挙げて説明するが、本発明は実施例によって制限されるものではない。
白金担持量が60 ％である白金担持カーボン触媒と、20 質量％高分子形電解質溶液であるアイオノマーのNafion（登録商標、デュポン社製）を水、エタノール＝1：2の混合溶媒に加えた。続いて遊星ボールミルで分散処理を行い、触媒インクを調製した。

プレート上に、剥離基材として、ＰＴＦＥシートを固定後、アプリケーターにより触媒インクを剥離基材上に塗布した。触媒インクからなる塗膜が形成された剥離基材をオーブン（熱風循環恒温乾燥機４１−Ｓ５Ｈ／佐竹化学機械工業社製）に入れ、オーブンの温度を50 ℃に設定し、5 分間乾燥させることで剥離基材上に触媒層を作成した。このとき、白金担持量はカソード触媒層が約0.5 mg/cm²、アノード触媒層が約0.3 mg/cm²となるように調整した。

次に、アセトン溶媒中に触媒層付剥離基材を浸し、５分ほど静置した。アセトン溶媒で湿らせたガス拡散層上に触媒層付剥離基材を設置し、ゆっくりと剥離基材を横に動かすことで、触媒層を剥離基材から剥離した。
なお、剥離基材に接していた面と反対側が前記ガス拡散層に接するように、前記触媒層を前記ガス拡散層上に設置した。

得られたガス拡散電極の断面をＳＥＭにて観察したところ、ガス拡散層への触媒インクの入り込みは確認されなかった。また、同様にＳＥＭにて、触媒層の電解質膜に接する面とガス拡散層に接している面を比較したところ、明らかに、電解質膜に接する面にアイオノマー成分が多いことが確認できた。

本発明は固体高分子形燃料電池、特に燃料電池自動車や家庭用燃料電池などにおける、固体高分子形燃料電池単セルやスタックに好適に活用することができる。

１…ガス拡散電極
２…触媒層
２ａ…触媒層のアイオノマー成分が多い面
３…ガス拡散層
４…剥離基材
５…触媒層付剥離基材
６…ケトン系溶媒

Claims

膜電極接合体に含まれる触媒層とガス拡散層が一体化されたガス拡散電極の製造方法で
あって、
前記触媒層はアイオノマーとしてパーフルオロスルホン酸樹脂を含み、
フッ素樹脂シートからなる剥離基材に前記触媒層を設置し、前記触媒層の前記剥離基材に接していた面が、その反対側の面よりもアイオノマー成分が多くなるようにする工程と、
ケトン系溶媒で膨潤させた前記触媒層が、前記剥離基材に接していた面と反対側の前記触媒層表面を前記ケトン系溶媒により湿らせた前記ガス拡散層に接するように、前記触媒層を前記ガス拡散層上に設置し前記剥離基材から剥離する工程と、
を備えたことを特徴とするガス拡散電極の製造方法。