(57)【要約】【課題】  ガス拡散層への触媒粒子の埋没を防止し、触媒層に使用した触媒粒子の利用率を高めることで、触媒の使用量を低減する。【解決手段】  ガス拡散層となる多孔質基材の一方の面に電解質樹脂溶液を塗布し、乾燥させて電解質樹脂膜からなる触媒トラップ層を形成工程を実施したのち、触媒トラップ層上に触媒層を形成する工程を行なう。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質基材からなるガス拡散層上に触媒層を備える燃料電池用電極の製造方法において、前記多孔質基材の一方の主面に電解質樹脂溶液を塗布し、乾燥させて、電解質樹脂膜からなる触媒トラップ層を形成する工程後、前記触媒トラップ層上に触媒層を形成する工程を行なうことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項２】
前記電解質樹脂溶液を塗布する間、前記多孔質基材を加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極の製造方法。
【請求項３】
前記多孔質基材の温度を４０℃〜７０℃に維持するように前記加熱を行なうことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電極の製造方法。
【請求項４】
前記電解質樹脂溶液中のアルコール溶媒の含有量が、５０ｗｔ％〜７０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池用電極の製造方法。
【請求項５】
前記触媒層を形成する工程は、金属触媒および溶媒を含む触媒インクを複数回重ね塗りする多段階塗布であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の燃料電池用電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池等に用いられるガス拡散層の一方の面に貴金属からなる触媒層を備えた電極に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、一般家庭などの定置用電源や燃料電池自動車等の移動用電源として開発が進められている。一方、燃料電池の普及促進のためには、コスト低減が必要である。そのため、燃料電池の電極に使用されている高価な貴金属触媒の使用量の低減が求められている。
【０００３】
図２に、従来一般的な固体高分子形燃料電池の単位セルの構成断面図を示す。イオン伝導性を示す固体高分子からなる電解質膜１の両主面には夫々アノード電極２およびカソード電極３が設けられている。アノード電極２およびカソード電極３は、それぞれ、カーボンペーパーなどの多孔質炭素材からなるガス拡散層４と、その一方の表面に形成された白金等の金属触媒を担持させたカーボンブラック等の触媒からなる触媒層５とから構成され、触媒層５が電解質膜１に接して設けられている。さらに、アノード電極２およびカソード電極３の外側には、ガス流路が形成されたセパレーター６を各々配されている。尚、電解質膜１の周縁部は補強用フィルム７で補強されており、セパレーター６と補強用フィルム７との間にゴムパッキン等のシール部材８を配置してセパレーター６の外側から締付けることにより燃料電池セル内から反応ガスが漏洩することを防いでいる。そして、アノード電極２側のガス流路に水素を主成分とする燃料ガスを供給する一方、カソード電極３側のガス流路に酸素を含む空気等の酸化剤ガスを供給して発電を行う。
【０００４】
燃料電池の触媒層５中に含まれる触媒粒子が反応に寄与するためには、触媒粒子への反応ガス供給経路、電子伝導経路およびイオン伝導経路の全てが確保された所謂三相界面が存在することが必要であるが、電解質膜１に埋没した触媒粒子や、ガス拡散層４の細孔に埋没した触媒粒子は反応に寄与しない。
【０００５】
従って、高価な触媒貴金属の使用量を低減するためには、このような反応に寄与しない触媒粒子を減らし、触媒層５に使用した触媒粒子の利用率を高める必要がある。
上記課題に対して、特許文献１には、ガス拡散層と触媒層との間に、カーボンとイオン交換樹脂または、カーボンとイオン交換樹脂と撥水性樹脂からなる中間層を設け、触媒粒子がガス拡散層中に侵入することを妨げることが記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、ガス拡散層の細孔にポリビニルアルコールなどの樹脂を充填することで予め封止し、その上に触媒層を形成した後、真空過熱乾燥により細孔に充填した樹脂を除去することにより、触媒層形成時に触媒ペーストがガス拡散層の細孔内に入り込むことを防ぐことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２４５８０１
【特許文献２】特開２００５−２０９４０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されたガス拡散層と触媒層との間にカーボン粒子を含有する中間層を設ける方法では、中間層のカーボン粒子により空隙が生じ、触媒粒子の埋没が充分に抑制できない虞がある。また、特許文献２に記載された方法では、細孔を封止した後のポリマーの除去が困難であり、工程時間が増大する。
【０００９】
そこで、本発明は、より簡便な方法で、かつ、ガス拡散層への触媒粒子の埋没を防止することができる電極の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本願発明においては、多孔質基材からなるガス拡散層上に触媒層を備える燃料電池用電極の製造方法において、前記多孔質基材の一方の主面に電解質樹脂溶液を塗布し、乾燥させて、電解質樹脂膜からなる触媒トラップ層を形成したのち、この触媒トラップ層上に触媒層を形成することとした。
【００１１】
これにより、電解質樹脂膜からなる触媒トラップ層が、ガス拡散層となる多孔質基材の触媒層形成領域の表面を覆うので、触媒層形成時に触媒粒子が多孔質基材中の空孔に埋没するのを防ぐことができる。
【００１２】
さらに、前記電解質樹脂溶液の塗布は、前記多孔質基材を加熱しながら行い、多孔質基材の温度を４０℃〜７０℃に維持することが好ましい。さらに、前記電解質樹脂溶液中のアルコール溶媒の含有量を５０ｗｔ％〜７０ｗｔ％とすることが好ましい。これにより、多孔質基材に塗布した電解質樹脂溶液中の溶媒の蒸発が促進され、多孔質基材表面上に電解質樹脂膜を形成することができる。
【００１３】
さらに、前記触媒層を形成する工程においては、金属触媒および溶媒を含む触媒層形成用の触媒インクを複数回重ね塗りする多段階塗布とすることが好ましい。これにより、熱処理を行なっていない触媒トラップ層の電解質樹脂が触媒インクの溶媒により膨潤し、多孔質基材の細孔を塞ぎ、触媒インク中の触媒粒子が多孔質基材中に侵入するのを防ぐ効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、簡便な方法でありながら、ガス拡散層への触媒粒子の埋没を防止し、触媒の利用率の高い電極を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明実施形態に係る電極の製造工程を示す図。
【図２】従来の固体高分子形燃料電池単位セルの構成断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１を参照して本発明の実施形態に係る電極の製造工程を以下に説明する。
まず、ガス拡散層４として、カーボンペーパー（ＧＤＬ２４ＢＣ、ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製）を用意した。
【００１７】
また、ナフィオン（登録商標)イオノマー（ＤＥ２０２１、デュポン社製）を特級エタノールで、アルコール比率が５０ｗｔ％となるように希釈することにより電解質樹脂溶液９を調製した。
【００１８】
触媒層５形成用の触媒インクは、白金担持カーボン（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属製）７ｗｔ％、ナフィオン（登録商標)イオノマー（ＤＥ２０２１、デュポン社製） １３ｗｔ％、特級エタノール５０ｗｔ％、および、純水３０ｗｔ％を混合することにより調製した。
【００１９】
以上の材料を用いて、次のようにして電極を作製した。まず、カーボンペーパー（ガス拡散層４）を塗布台１０にセットし、塗布台１０の温度を４０℃に昇温した（図１（ａ））。次に、このカーボンペーパー（ガス拡散層４）上に、上述の電解質樹脂溶液９をスプレー塗布法 (ダイコート、バーコート塗布法でも良い。) により塗布した（図１（ｂ））。塗布量は、電解質樹脂溶液９の乾燥後に、カーボンペーパーの表層部および表面上に形成される電解質樹脂膜（触媒トラップ層１１）の厚さが１．５ｎｍになる量とした。
【００２０】
次に、電解液樹脂溶液９を塗布したカーボンペーパー（ガス拡散層４）を５０℃〜７０℃の乾燥炉内で、質量変化がなくなるまで乾燥を行った。これにより、カーボンペーパー（ガス拡散層４）の表層部および表面上を被覆する電解質樹脂膜からなる触媒トラップ層１１を形成した（図１（ｃ））。
【００２１】
この触媒トラップ層１１上に、スプレー塗布法により、触媒層５形成用の触媒インク１２を塗布した（図１（ｄ））。触媒インク１２の塗布は２回に分けて行い、１回目の塗布において、最終塗布量の３分の１の量の触媒インク１２を塗布し、続いて、２回目に残りの３分の２の量の触媒インク１２の塗布を行なった。触媒インク１２の塗布も、塗布台１０を４０℃に保持して行った。
【００２２】
触媒インク１２の塗布を行なった後のカーボンペーパー（ガス拡散層４）を７０℃の乾燥炉に入れ、溶媒を除去して触媒層５を形成し、電極が完成した（図１の（ｅ））。
この電極をアノード電極２およびカソード電極３として用いて、図２に示す従来構成と同様の固体高分子形燃料電池を以下のとおり作製した。
【００２３】
アノード電極２およびカソード電極３と電解質膜１「ナフィオン（登録商標）２１２ＣＳ」（デュポン社製）とを１５０℃でホットプレスすることにより一体化した。さらにその両面の周縁部にシール部材８を配置して、セパレーター６で挟んで固体高分子形燃料電池を作製した。
【００２４】
本発明の実施形態により製造された電極は、ガス拡散層４と触媒層５との間に触媒トラップ層１１を設けたことにより、白金触媒粒子のガス拡散層４中への埋没を抑制することができ、白金触媒の利用率を高めることができる。
【符号の説明】
【００２５】
１    電解質膜
２    アノード電極
３    カソード電極
４    ガス拡散層
５    触媒層
６    セパレーター
７    補強用フィルム
８    シール部材
９    電解質樹脂溶液
１０  塗布台
１１  触媒トラップ層
１２  触媒インク
【図１】
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【図２】
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