JPH0660886A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

燃料電池の製造方法

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JPH0660886A
JPH0660886A JP4206871A JP20687192A JPH0660886A JP H0660886 A JPH0660886 A JP H0660886A JP 4206871 A JP4206871 A JP 4206871A JP 20687192 A JP20687192 A JP 20687192A JP H0660886 A JPH0660886 A JP H0660886A
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JP
Japan
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fuel cell
manufacturing
catalyst layer
particles
solvent
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JP4206871A
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English (en)
Inventor
Hideyuki Nomoto
秀幸 野元
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【目的】機械的強度に優れ大面積の電極触媒層を得る。 【構成】触媒粒子とフッ素樹脂粒子と高沸点溶剤の混合
物を高剪断力のもとリング状のノズル開口部より押し出
すとともに押し出し方向に切り開き、そして圧延する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池の製造方法に係
り、特に燃料電池の電極触媒層の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は燃料の持つ化学的エネルギー
を直接電気エネルギーに変換するものであり、電解液層
を挟んで配置された一対の各電極に、外部のガス供給系
から燃料ガスと酸化剤ガスを供給し、各電極の電極触媒
層内で燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応さ
せ、その結果として系外に電気エネルギーを取り出す発
電装置の一種である。
【0003】図4は従来の燃料電池につきその電極およ
び電解液層を示す断面図である。電極1は電解液層2を
挟んで配置されるが、ここでは一方の電極1のみを表示
している。電極1は多孔質カーボンの電極基材3の上に
電極触媒層4を積層して構成され、その電極触媒層4
は、触媒担体5の表面に貴金属微粒子6を担持した触媒
粒子7を、フッ素樹脂粒子8により結着して形成したも
のである。電解液層2は電解液9中にSiC微粒子10
を分散したものである。そして電極触媒層4の内部でカ
ーボンの電極基材3からの反応ガスと電解液層2からの
電解液9とが接触し、三相界面が形成されて電気化学的
反応が進行する。この電気化学的反応を効率良く行わせ
る為には、貴金属微粒子6を担持し触媒粒子7とフッ素
樹脂粒子8をできるだけ微粒子とすること、及び電解液
9に濡れやすい触媒粒子7と電解液9に濡れ難いフッ素
樹脂粒子8とを均一に分散させ、触媒粒子7(固相)と
図示していない反応ガス(気相)と電解液9(液相)と
が接する三相界面を増やすことが必要である。
【0004】そのために、従来、界面活性剤を含む水
に、超音波等を用いて微粒子の触媒粒子7を分散させ、
これに微粒子のフッ素樹脂粒子8のデイスパージョンを
加えて、触媒粒子7とフッ素樹脂粒子8の均一な分散状
態を得ている。そして電極触媒層4を製造するには、多
孔質カーボンの電極基材3の上に触媒粒子7とフッ素樹
脂粒子8とを均一に分散させたスラリを塗布し、乾燥,
焼成を行うか、もしくは有機溶剤を助剤として触媒粒子
7とフッ素樹脂粒子8の共凝集を行い、固液分離後固形
分を混練し、これを圧延してシート状の電極触媒層とし
た後、乾燥,焼成し多孔質カーボンの電極基材3の上に
固着させて電極1としている。
【0005】図5は従来の電極触媒層の製造装置を示す
斜視図であり、11はカレンダーロール,12はシート
状電極触媒層を表す。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の電
極触媒層4の製造に関して次のような問題がある。即ち
多孔質カーボンの電極基材3の上に触媒粒子7とフッ素
樹脂粒子8のスラリを塗布する方法は、電極触媒層4の
機械的強度が弱いために、製造工程中または製造後にお
いて割れを生じやすく、又燃料電池の大容量化のために
電極面積を大きくする(1m×1m)ことも困難であ
る。割れを生じると、ガス漏れや電解液の漏れ等による
電池特性の低下が大きくなる。そこで、触媒粒子7とフ
ッ素樹脂粒子8を圧延してシート化して、機械化による
コストダウンとともに、電極触媒層4の機械的強度の向
上を図っているが、未だ強度不足であり電極面積の大型
化(1m×1m)も困難である。
【0007】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
その目的とするところは、電極触媒層の新規な製造方法
を開発することにより、機械的強度に優れ且つ大面積の
電極触媒層が製造可能な燃料電池の製造方法を提供する
ことにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的はこの発明に
よれば第一の工程と、第二の工程と、第三の工程を有
し、第一の工程はカーボン担体上に貴金属粒子を担持し
た触媒粒子と、フッ素樹脂粒子に高沸点溶剤を加えて混
合する工程であり、第二の工程は所定温度において頂部
に切断用刃を有するリング状の押出ノズル開口部より前
記工程で得られた混合物を押出す工程であり、第三の工
程は前記の工程で得られた押出物を圧延し且つ乾燥する
工程であるとすることにより達成される。
【0009】
【作用】高圧縮力と高剪断力のもとで触媒粒子とフッ素
樹脂粒子と高沸点溶剤の混合物を押し出すので、触媒粒
子の分散化とフッ素樹脂のフィブリル化が促進され、圧
延したときに機械的強度に優れるシート状電極触媒層が
得られる。押出成形により筒状体が切り開かれた成形体
が得られるので、カレンダロールにより大面積のシート
状電極触媒層が製造できる。
【0010】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。カーボンブラックを担体とし白金を担持した触媒
に、界面活性剤を含む水を加え、これに超音波を印加し
て触媒を十分に分散させた後、平均粒子径が約0.2μ
mのフッ素樹脂であるPTFE(ポリテトラフロロエチ
レン)のディスパージョンを加え良く混合して真空乾燥
し、触媒とPTFEの混合粉体を作成する。次に、これ
に沸点180〜250℃の石油系溶剤、例えばケロシン
(灯油)を20〜70重量%添加混合し、粘土状固形物
とする。次いで、この粘土状固形物を、内部金型と外部
金型で開口部が円形リング状のノズルを装着した押出装
置を用い、ノズルの出口に円筒状押出物の頂部をカット
する切断用刃を設置して、押出した。円筒状の押出物は
頂部を切断され、切り開かれた状態(幅の広い状態)と
なる。次いで切り開かれた押出物は50℃に加熱された
カレンダーロールに通し、最終厚みの200μmのシー
ト状電極触媒層を得た。次にシート状とした電極触媒層
を中抜きの枠にはめるか、または基材上に載せたまま、
2辺または全周を固定した状態とし、窒素ガス中で10
0〜250℃で乾燥後、300℃の予備焼成を行い、次
いで350℃で5〜10kg/cm2 で加圧焼成するこ
とにより電極を得た。二辺または全周を固定したこのよ
うな乾燥方法によっても割れの発生はなく、皺のない電
極触媒層が得られた。
【0011】以上の過程で石油系溶剤に替えてアルコー
ル系溶剤例えばエチレングリコール(沸点192℃)
や、他の水性溶剤を用いることができる。この場合、得
られたシート状電極触媒層は 50〜250℃で乾燥
後、300℃の予備焼成を行うか、または、シート状電
極触媒層は純水で洗浄した後真空乾燥することにより、
多孔質の電極触媒層の内部のアルコールや水性溶剤は洗
浄され真空乾燥時に水分が凍結して凍結真空乾燥とな
り、シート状電極触媒層の収縮を防止することができ、
2辺または全周の固定を省略することも可能である。勿
論、2辺または全周を固定して窒素ガス中で100〜2
50℃の加熱乾燥を行ってもよい。石油系溶剤もしくは
アルコール系溶剤の添加量をはじめに70%以上にして
粘土状固形物を作成してこれをフィルターに載せ、加圧
して余分の溶剤を除去することにより溶剤量が20〜7
0重量%となるようにする。その後は上述したように、
それぞれ石油系溶剤、アルコール系溶剤を用いた場合と
同様の工程を経て電極を作製することができる。
【0012】以上の例ではPTFEディスパージョンを
用いている。これに対して、PTFEのファインパウダ
を用いる場合は、PTFEは乾燥粒子となっているから
そのまま触媒粉体と混合した状態で、必要量の溶剤を添
加混合して粘土状固形物を得ることができる。即ち、P
TFEディスパージョンの使用の場合は、粘土状固形物
を得るために乾燥工程を必要とするが、PTFEファイ
ンパウダの場合は、粘土状固形物を得るために乾燥工程
を必要としないので、PTFEのファインパウダを用い
ることは有効である。
【0013】ところで、PTFEのディスパージョンや
ファインパウダのPTFE粒子は、適量の有機溶剤の存
在下で剪断力を加えると一部繊維化し、この繊維化は3
0℃以上の加熱状態で行うことで促進される。このよう
にフィブリル化されたPTFEを含む電極触媒層は機械
的強度を増す。押出装置は押出物の投入側のシリンダー
面積S2 と押出口のノズルの開口面積S1 との比率S1
/S2 を1/30ないし1/10の範囲にするとよいこ
とが実験的にわかった。
【0014】大口径のシリンダを用い、押出された円筒
物の頂部を切り開くことにより幅の広い押出物とするこ
とが出来る。ノズルの開口部の径を、約330mmとす
ると約1000mmの幅の押出物が得られる。なお押出
ノズル開口部は上述のほか多角形のリングとすることも
できる。図1はこの発明の実施例に係る製造装置を示す
配置図である。押出しと圧延の連続加工が可能である。
切断用刃はノズル開口部の出口または内部に設けること
ができる。
【0015】本発明により得られる電極のシート状電極
触媒層の最大幅は、カレンダーロールの幅で決まり、1
000mm以上の幅を持つシート状電極触媒層の製作が
可能である。図2はこの発明の実施例に係る電極触媒層
の引っ張り強度を従来のものと対比して示す棒図であ
る。得られたシート状電極触媒層の機械的強度は600
〜1000g/mm2 であり、これは従来のシート状電
極触媒層の機械的強度が100〜120g/mm2 であ
ったのに比し5〜10倍も高くなっている。特性
(イ),(ロ),(ハ),(ニ)は、それぞれバラツキ
も含めた本発明の方法により得られた電極触媒層の引っ
張り強度であり、特性(ホ)は、従来の製造方法による
引っ張り強度である。
【0016】図3は本発明の実施例に係る燃料電池のセ
ル電圧時間依存性(イ)を従来のもの(ロ)と対比して
示す線図である。本発明により得られた電極触媒層を有
する燃料電池は、長時間の運転に対しても安定な特性を
持続することがわかる。
【0017】
【発明の効果】この発明によれば第一の工程と、第二の
工程と、第三の工程を有し、第一の工程はカーボン担体
上に貴金属粒子を担持した触媒粒子と、フッ素樹脂粒子
に高沸点溶剤を加えて混合する工程であり、第二の工程
は所定温度において頂部に切断用刃を有するリング状の
押出ノズル開口部より前記工程で得られた混合物を押出
す工程であり、第三の工程は前記の工程で得られた押出
物を圧延し且つ乾燥する工程であるので、高圧縮力と高
剪断力のもとで触媒粒子とフッ素樹脂粒子と高沸点溶剤
の混合物を押し出す際に、触媒粒子の分散化とフッ素樹
脂のフィブリル化が促進され、機械的強度が優れて割れ
や皺の発生のないシート状電極触媒層が得られる。また
押出成形により筒状体が切り開かれた成型体が得られる
ので、カレンダロールにより大面積のシート状電極触媒
層が製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る燃料電池につき電極触媒
層の製造装置を示す配置図
【図2】本発明の実施例に係る燃料電池につき電極触媒
層の引っ張り強度を従来のものと対比して示す棒図
【図3】本発明の実施例に係る燃料電池につきそのセル
電圧時間依存性を従来のものと対比して示す線図
【図4】従来の燃料電池につきその電極および電解液層
を示す断面図
【図5】従来の電極触媒層の製造装置を示す斜視図
【符号の説明】
1 電極 2 電解液層 3 多孔質カーボンの電極基材 4 電極触媒層 5 触媒担体 6 貴金属微粒子 7 触媒粒子 8 フッ素樹脂粒子 9 電解液 10 SiC微粒子 11 カレンダーロール 12 シート状電極触媒層 13 押出装置 14 ノズルの開口部 15 切断用刃

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第一の工程と、第二の工程と、第三の工程
    を有し、 第一の工程はカーボン担体上に貴金属粒子を担持した触
    媒粒子と、フッ素樹脂粒子に高沸点溶剤を加えて混合す
    る工程であり、 第二の工程は所定温度において頂部に切断用刃を有する
    リング状の押出ノズル開口部より前記工程で得られた混
    合物を押出す工程であり、 第三の工程は前記の工程で得られた押出物を圧延し且つ
    乾燥する工程であることを特徴とする燃料電池の製造方
    法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の製造方法において、高沸点
    溶剤は石油系溶剤を20〜70%添加することを特徴と
    する燃料電池の製造方法。
  3. 【請求項3】請求項1記載の製造方法において、高沸点
    溶剤はアルコール系溶剤を20〜70%添加することを
    特徴とする燃料電池の製造方法。
  4. 【請求項4】請求項1記載の製造方法において、第一の
    工程は触媒粒子にポリテトラフロロエチレンのディスパ
    ージョンを加え乾燥した後に高沸点溶剤を加えて混合す
    る工程であることを特徴とする燃料電池の製造方法。
  5. 【請求項5】請求項1記載の製造方法において、第一の
    工程は触媒粒子にポリテトラフロロエチレンのファイン
    パウダを加え高沸点溶剤を加えて混合する工程であるこ
    とを特徴とする燃料電池の製造方法。
  6. 【請求項6】請求項1記載の製造方法において、所定温
    度は30ないし150℃であるこを特徴とする燃料電池
    の製造方法。
  7. 【請求項7】請求項1記載の製造方法において、押出ノ
    ズル開口部は円形のリングであるこを特徴とする燃料電
    池の製造方法。
  8. 【請求項8】請求項1記載の製造方法において、押出ノ
    ズル開口部は多角形のリングであるこを特徴とする燃料
    電池の製造方法。
  9. 【請求項9】請求項1記載の製造方法において、切断用
    刃は押出ノズル開口部の出口に設けられることを特徴と
    する燃料電池の製造方法。
  10. 【請求項10】請求項1記載の製造方法において、切断
    用刃は押出ノズル開口部の内部に設けられることを特徴
    とする燃料電池の製造方法。
  11. 【請求項11】請求項1記載の製造方法において、押出
    ノズル開口部の面積をS1 、押出シリンダの断面積をS
    2 とするときにその比S1 /S2 が1/30ないし1/
    10の範囲にあることを特徴とする燃料電池の製造方
    法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0774337A1 (de) 1995-11-16 1997-05-21 Sgl Technik Gmbh Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus Kunststoff-Füllstoff-Mischungen mit einem hohen Gehalt an Füllstoffen
JP2007087775A (ja) * 2005-09-22 2007-04-05 Toyota Motor Corp 燃料電池用触媒層とその製造方法および製造装置
JP2010023412A (ja) * 2008-07-23 2010-02-04 Nippon Valqua Ind Ltd 軟質シートの製造方法

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