JP6855821B2 - 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法に関する。
高分子電解質膜をカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層で挟持する構造を持つ固体高分子形燃料電池は、常温で作動し、起動時間が短いことから、自動車用電源、定置用電源などとして期待されている。
触媒層の触媒金属としては、従来は白金が使用されているが、白金は高価な貴金属であるため、白金の使用量を低減しつつ触媒活性を維持するための方法として、白金とコバルトの合金触媒が知られている。また、近年になり、白金とコバルトの合金にマンガン等の第三の金属を加えた、特許文献１及び特許文献２に開示されるような三元系触媒の研究も盛んに行われている。
触媒層の触媒金属としては、従来は白金が使用されているが、白金は高価な貴金属であるため、白金の使用量を低減しつつ触媒活性を維持するための方法として、白金とコバルトの合金触媒が知られている。また、近年になり、白金とコバルトの合金にマンガン等の第三の金属を加えた、特許文献１及び特許文献２に開示されるような三元系触媒の研究も盛んに行われている。
しかしながら、合金系触媒の製造工程においては、合金を安定化させるための酸処理等を行っているので、炭素粒子に親水性の官能基が導入されたり、触媒金属がリーチアウトした箇所に水が溜まりやすくなったりする場合があった。そのため、燃料電池を高加湿条件で運転させた場合に、水が滞留してしまうフラッディングが発生しやすくなり、性能低下を引き起こす原因となっていた。
特許文献３に開示の技術では、上記原因によるフラッディングの対策として、触媒層とガス拡散層の間にカーボンナノファイバーからなる層を導入する方法が行われている。しかしながら、この方法は、工程や使用材料が増えるという問題や、カーボンナノファイバー層の厚み等が適切でない場合には、かえって性能低下につながる可能性があるという問題を有していた。
特許文献３に開示の技術では、上記原因によるフラッディングの対策として、触媒層とガス拡散層の間にカーボンナノファイバーからなる層を導入する方法が行われている。しかしながら、この方法は、工程や使用材料が増えるという問題や、カーボンナノファイバー層の厚み等が適切でない場合には、かえって性能低下につながる可能性があるという問題を有していた。
本発明は、合金系触媒を用いた場合でも高加湿条件下においてフラッディングによる性能低下が生じにくく、且つ、触媒インクの塗布、乾燥時に塗布膜のひび割れが生じにくく耐久性の優れた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、触媒インクから形成された電極触媒層と固体高分子電解質膜とが接合された固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造する方法であって、触媒インクは、触媒を担持させた炭素粒子と高分子電解質と溶媒とを含有し、触媒は、白金とコバルトの合金を含有する二元系触媒、又は、白金とコバルトとマンガンの合金を含有する三元系触媒であり、触媒インクにおける高分子電解質の炭素粒子に対する質量比が０．５以上１．１以下の範囲内であり、触媒インクを加熱しながら塗布、乾燥することにより電極触媒層を形成する塗布乾燥工程を備えることを要旨とする。
本発明によれば、合金系触媒を用いた場合でも高加湿条件下においてフラッディングによる性能低下が生じにくく、且つ、触媒インクの塗布、乾燥時に塗布膜のひび割れが生じにくく耐久性の優れた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態は、以下に記載する実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づく設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本実施形態の範囲に含まれるものである。
また、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態について、完全な理解を提供するように、特定の細部について記載する。しかしながら、かかる特定の細部が無くとも、一つ以上の実施形態が実施可能であることは明確である。また、図面を簡潔なものとするために、周知の構造及び装置を、略図で示す場合がある。
また、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態について、完全な理解を提供するように、特定の細部について記載する。しかしながら、かかる特定の細部が無くとも、一つ以上の実施形態が実施可能であることは明確である。また、図面を簡潔なものとするために、周知の構造及び装置を、略図で示す場合がある。
（触媒インクの製造方法）
本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の電極触媒層５０を形成するための触媒インク３の製造方法について説明する。
触媒インク３は、炭素粒子と高分子電解質を分散媒（溶媒）中に混合・分散させることによって製造することができる。この炭素粒子には、白金とコバルトの合金を含有する二元系触媒、又は、白金とコバルトとマンガンの合金を含有する三元系触媒が担持されている。
本実施形態に係る固体高分子形燃料電池の電極触媒層５０を形成するための触媒インク３の製造方法について説明する。
触媒インク３は、炭素粒子と高分子電解質を分散媒（溶媒）中に混合・分散させることによって製造することができる。この炭素粒子には、白金とコバルトの合金を含有する二元系触媒、又は、白金とコバルトとマンガンの合金を含有する三元系触媒が担持されている。
混合・分散には、例えばホモジナイザー、プラネタリーミキサー、ディゾルバー、ビーズミル等が使用できる。また、本実施形態では、触媒を担持した炭素粒子の一例として、合金触媒を担持させたカーボンブラックを用いる。
高分子電解質としては、プロトン伝導性を有する高分子材料、例えば、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質が用いられる。
高分子電解質としては、プロトン伝導性を有する高分子材料、例えば、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質が用いられる。
分散媒としては、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ペンタノール等のアルコール類の中から選ばれることが望ましい。また、上述した溶剤のうち二種以上が混合された溶媒を用いることが可能である。
（膜電極接合体の製造方法）
図１は、本発明の第一の実施形態に係る固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法を説明するための概略図である。まず、高分子からなる転写用基材１を、表面が平滑に保持された状態で加熱装置の加熱部２０に積載する（図１（ａ））。
次に、加熱部２０で加熱しながら、塗布装置にて触媒インク３を転写用基材１上に塗布し（図１（ｂ））、乾燥することにより、アノード用の電極触媒層５０が形成された触媒層付き転写用基材１ａを得る（図１（ｃ））。さらに同様の方法で、カソード用の電極触媒層５０が形成された触媒層付き転写用基材１ｃを作製する。
図１は、本発明の第一の実施形態に係る固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法を説明するための概略図である。まず、高分子からなる転写用基材１を、表面が平滑に保持された状態で加熱装置の加熱部２０に積載する（図１（ａ））。
次に、加熱部２０で加熱しながら、塗布装置にて触媒インク３を転写用基材１上に塗布し（図１（ｂ））、乾燥することにより、アノード用の電極触媒層５０が形成された触媒層付き転写用基材１ａを得る（図１（ｃ））。さらに同様の方法で、カソード用の電極触媒層５０が形成された触媒層付き転写用基材１ｃを作製する。
転写用基材１は、電極触媒層５０を剥離可能な材料からなるシートである。例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂の他、ポリスチレン系耐熱フィルム等を用いることができる。
この時、塗布、乾燥を行う触媒インク３中の高分子電解質の、炭素粒子担体に対する質量比を０．５以上１．１以下の範囲内とした。高分子電解質の炭素粒子担体に対する質量比は、高すぎると、ガス透過性の低下を引き起こすことや、フラッディングによる発電性能の低下を引き起こすことの原因となる。特に合金触媒を用いた際にはフラッディング傾向が強いため、高分子電解質の、炭素粒子担体に対する質量比は１．０以下であることが好ましい。
一方で、高分子電解質の、炭素粒子担体に対する質量比が小さすぎると、触媒インク３の塗布乾燥工程において、塗膜の強度が弱くなり、ひび割れの発生原因となる。このひび割れは、燃料電池の耐久性の低下を引き起こす要因となる。
しかしながら、本発明の第一の実施形態では、加熱装置の加熱部２０上の転写用基材１に触媒インク３を塗布するため、触媒インク３を加熱しながら塗布、乾燥することができる。その結果、高分子電解質の、炭素粒子担体に対する質量比が低い条件、具体的には０．５以上においても、触媒インク３の塗布、乾燥中のひび割れの発生を抑制することが出来る。よって、触媒インク３の塗布膜のひび割れによる燃料電池の耐久性の低下を抑制することが出来る。
しかしながら、本発明の第一の実施形態では、加熱装置の加熱部２０上の転写用基材１に触媒インク３を塗布するため、触媒インク３を加熱しながら塗布、乾燥することができる。その結果、高分子電解質の、炭素粒子担体に対する質量比が低い条件、具体的には０．５以上においても、触媒インク３の塗布、乾燥中のひび割れの発生を抑制することが出来る。よって、触媒インク３の塗布膜のひび割れによる燃料電池の耐久性の低下を抑制することが出来る。
上記のようにして作製した触媒層付き転写用基材１ａ及び１ｃを、電極触媒層５０を固体高分子電解質膜１０の表面に向けてそれぞれ対向配置し、熱転写装置３０により熱加圧を行う（図１（ｄ））。これにより、固体高分子電解質膜１０の両表面にそれぞれ電極触媒層５０を転写する。
熱加圧後に転写用基材１ａ及び１ｃを除去することで、固体高分子電解質膜１０の両表面に電極触媒層５０が接合された固体高分子形燃料電池用膜電極接合体１８を得る（図１（ｅ））。
熱加圧後に転写用基材１ａ及び１ｃを除去することで、固体高分子電解質膜１０の両表面に電極触媒層５０が接合された固体高分子形燃料電池用膜電極接合体１８を得る（図１（ｅ））。
さらに、本発明の別の一実施形態を説明する。図２は、本発明の第二の実施形態に係る固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法を説明するための概略図である。
まず、背面にバックシート１１を有する固体高分子電解質膜１０を、表面が平滑に保持された状態で加熱装置の加熱部２０に積載する（図２（ａ））。その後、加熱部２０で加熱しながら、塗布装置にて液状の触媒インク３を固体高分子電解質膜１０の表面に塗布し（図２（ｂ））、加熱部２０の熱により触媒インク３中の揮発成分（溶媒等）を除去して、電極触媒層５０を得る（図２（ｃ））。
まず、背面にバックシート１１を有する固体高分子電解質膜１０を、表面が平滑に保持された状態で加熱装置の加熱部２０に積載する（図２（ａ））。その後、加熱部２０で加熱しながら、塗布装置にて液状の触媒インク３を固体高分子電解質膜１０の表面に塗布し（図２（ｂ））、加熱部２０の熱により触媒インク３中の揮発成分（溶媒等）を除去して、電極触媒層５０を得る（図２（ｃ））。
さらに、固体高分子電解質膜１０よりバックシート１１を剥離除去し（図２（ｄ））、固体高分子電解質膜１０を表裏反転させて、電極触媒層５０を形成していない表面を上に向け、表面が平滑に保持された状態で加熱部２０に積載する（図２（ｅ））。
次に再度、加熱部２０で加熱しながら、固体高分子電解質膜１０の表面に、塗布装置にて液状の触媒インク３を塗布し（図２（ｆ））、加熱部２０の熱により触媒インク３中の揮発成分を除去して（図２（ｇ））、両面に電極触媒層５０を有する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体１８を得る（図２（ｈ））。
次に再度、加熱部２０で加熱しながら、固体高分子電解質膜１０の表面に、塗布装置にて液状の触媒インク３を塗布し（図２（ｆ））、加熱部２０の熱により触媒インク３中の揮発成分を除去して（図２（ｇ））、両面に電極触媒層５０を有する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体１８を得る（図２（ｈ））。
なお、第一の実施形態では、転写用基材１の表面に触媒インク３を塗布、乾燥して電極触媒層５０を形成し、その電極触媒層５０を固体高分子電解質膜１０の両方の表面に転写し、第二の実施形態では、固体高分子電解質膜１０の両方の表面に触媒インク３を直接塗布、乾燥して電極触媒層５０を形成した。しかしながら、固体高分子電解質膜１０の一方の表面には転写用基材１から電極触媒層５０を転写し、他方の表面には触媒インク３を直接塗布、乾燥して電極触媒層５０を形成してもよい。
［実施例］
以下、本発明の実施例及び比較例を説明する。
（実施例１）
（触媒インクの製造）
白金を４５質量％、コバルトを４質量％、マンガンを１質量％担持した炭素粒子担体に、高分子電解質水分散液を加え、これを１−プロパノール中に混合し、分散させた。この時、混合、分散にはビーズミルを使用した。また、このとき、高分子電解質の質量は、炭素粒子担体の質量に対する質量比が０．６となるように調製を行った。
以下、本発明の実施例及び比較例を説明する。
（実施例１）
（触媒インクの製造）
白金を４５質量％、コバルトを４質量％、マンガンを１質量％担持した炭素粒子担体に、高分子電解質水分散液を加え、これを１−プロパノール中に混合し、分散させた。この時、混合、分散にはビーズミルを使用した。また、このとき、高分子電解質の質量は、炭素粒子担体の質量に対する質量比が０．６となるように調製を行った。
（電極触媒層の形成）
次いで、１００℃に加熱した吸着ステージに、高い平面性を維持された状態のフッ素系の転写用基材（旭硝子株式会社製のアフレックス（登録商標）、厚み５０μｍ）を載置し、上記触媒インクをダイコーターにて転写用基材の表面に塗布した。そして、吸着ステージにて５分間加熱して乾燥し、触媒層付き転写用基材を得た。
次いで、１００℃に加熱した吸着ステージに、高い平面性を維持された状態のフッ素系の転写用基材（旭硝子株式会社製のアフレックス（登録商標）、厚み５０μｍ）を載置し、上記触媒インクをダイコーターにて転写用基材の表面に塗布した。そして、吸着ステージにて５分間加熱して乾燥し、触媒層付き転写用基材を得た。
カソード用の電極触媒層の形成の際には、固形分中に含まれる白金量が０．４ｍｇ／ｃｍ２になるように電極触媒層の厚みを調整し、アノード用の電極触媒層の形成の際には、固形分中に含まれる白金量が０．１ｍｇ／ｃｍ２になるように電極触媒層の厚みを調整した。この時、電極触媒層にひび割れがないことを確認した。得られた触媒層付き転写用基材でフッ素系固体高分子電解質膜（ケマーズ株式会社製のナフィオン（登録商標）ＨＰ）の表面を狭持し、１２０℃で熱加圧した。狭持の際には、触媒層付き転写用基材の電極触媒層をフッ素系固体高分子電解質膜の表面に向けて配置した。熱加圧した後に、フッ素系固体高分子電解質膜から転写用基材のみを剥離して、膜電極接合体を得た。得られた膜電極接合体の発電性能を評価した結果、低加湿及び高加湿のいずれの条件下においても、良好な発電性能が得られることを確認した。
（実施例２）
白金を４５質量％、コバルトを５質量％担持した炭素粒子担体を使用する点と、高分子電解質と炭素粒子担体の質量比が１．０となるよう調製を行った点以外は、実施例１と同様にして、実施例２の膜電極接合体を得た。この時、電極触媒層にひび割れがないことを確認した。また、得られた膜電極接合体の発電性能を評価した結果、低加湿及び高加湿のいずれの条件下においても、良好な発電性能が得られることを確認した。
白金を４５質量％、コバルトを５質量％担持した炭素粒子担体を使用する点と、高分子電解質と炭素粒子担体の質量比が１．０となるよう調製を行った点以外は、実施例１と同様にして、実施例２の膜電極接合体を得た。この時、電極触媒層にひび割れがないことを確認した。また、得られた膜電極接合体の発電性能を評価した結果、低加湿及び高加湿のいずれの条件下においても、良好な発電性能が得られることを確認した。
（比較例１）
高分子電解質と炭素粒子担体の質量比が１．３となるよう調製を行った点以外は、実施例１と同様として、比較例１の膜電極接合体を得た。この時、電極触媒層にひび割れがないことを確認した。また、得られた膜電極接合体の発電性能を評価した結果、高加湿の条件下において、フラッディングによる性能の低下が生じた。
高分子電解質と炭素粒子担体の質量比が１．３となるよう調製を行った点以外は、実施例１と同様として、比較例１の膜電極接合体を得た。この時、電極触媒層にひび割れがないことを確認した。また、得られた膜電極接合体の発電性能を評価した結果、高加湿の条件下において、フラッディングによる性能の低下が生じた。
（比較例２）
膜電極接合体の形成工程において、触媒インクの塗布を加熱した吸着ステージ上ではなく、室温の吸着ステージ上で行い、塗布の後に８０℃で５分間オーブンにて乾燥を行った点以外は、実施例１と同様として、比較例２の膜電極接合体を得た。この時、触媒インクの塗布乾燥工程において、電極触媒層にひび割れが発生する結果となった。
膜電極接合体の形成工程において、触媒インクの塗布を加熱した吸着ステージ上ではなく、室温の吸着ステージ上で行い、塗布の後に８０℃で５分間オーブンにて乾燥を行った点以外は、実施例１と同様として、比較例２の膜電極接合体を得た。この時、触媒インクの塗布乾燥工程において、電極触媒層にひび割れが発生する結果となった。
１ ・・・転写用基材
１ａ、１ｃ・・・触媒層付き転写用基材
３ ・・・触媒インク
１０ ・・・固体高分子電解質膜
１１ ・・・バックシート
１８ ・・・固体高分子形燃料電池用膜電極接合体
２０ ・・・加熱部
３０ ・・・熱転写装置
５０ ・・・電極触媒層
１ａ、１ｃ・・・触媒層付き転写用基材
３ ・・・触媒インク
１０ ・・・固体高分子電解質膜
１１ ・・・バックシート
１８ ・・・固体高分子形燃料電池用膜電極接合体
２０ ・・・加熱部
３０ ・・・熱転写装置
５０ ・・・電極触媒層
Claims (3)
- 触媒インクから形成された電極触媒層と固体高分子電解質膜とが接合された固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造する方法であって、
前記触媒インクは、触媒を担持させた炭素粒子と高分子電解質と溶媒とを含有し、
前記触媒は、白金とコバルトの合金を含有する二元系触媒、又は、白金とコバルトとマンガンの合金を含有する三元系触媒であり、
前記触媒インクにおける前記高分子電解質の前記炭素粒子に対する質量比が０．５以上１．１以下の範囲内であり、
前記触媒インクを加熱しながら塗布、乾燥することにより前記電極触媒層を形成する塗布乾燥工程を備える固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。 - 前記塗布乾燥工程において、前記触媒インクを前記固体高分子電解質膜の表面に直接塗布、乾燥して前記電極触媒層を形成する請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
- 前記塗布乾燥工程において、前記触媒インクを転写用基材の表面に塗布、乾燥して前記電極触媒層を形成し、前記転写用基材上の前記電極触媒層を前記固体高分子電解質膜の表面に転写する請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
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