(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜の表面に電極触媒体を含む電極触媒層を形成する電極触媒層形成方法であって、
触媒粒子と、該触媒粒子を担持する導電性担体とからなる電極触媒体を準備する電極触媒体準備工程と、
前記電極触媒体のみを酸処理して該電極触媒体における触媒粒子の粒子表面の金属酸化物を除去する金属酸化物除去工程と、
前記金属酸化物が除去された触媒粒子を含む電極触媒体と前記電解質膜の材料である高分子とを含有する触媒ペーストを基材の表面に塗布し、該基材表面に触媒層を形成する触媒層形成工程と、
前記基材表面に形成された触媒層と電解質膜とを、両者の表面を互いに合わせて圧着する圧着工程と、
前記圧着されたものから前記基材を剥離する基材剥離工程と
を含む電極触媒層形成方法。
【請求項２】
前記触媒粒子は白金とそれより卑な金属とを含む請求項１に記載の電極触媒層形成方法。
【請求項３】
前記酸処理は、前記電極触媒体を酸水溶液に分散させて行う請求項１に記載の電極触媒層形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜の表面に電極触媒体を含む電極触媒層を形成する電極触媒層形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスの電気化学的反応を利用して、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する燃料電池は、カルノー効率の制約を受けないため発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用、低公害の自動車用電源等、種々の用途が期待されている。なかでも、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動させることができるため、他の種類の燃料電池と比較して取扱いが容易であり、また、出力密度が極めて大きいことから、その利用が期待されるものである。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、通常、プロトン伝導性のある高分子膜である電解質膜の両面に、それぞれ燃料極、空気極となる一対の電極を設けた電極−電解質接合体を発電単位とし、燃料極に水素や炭化水素等の燃料ガスを、空気極に酸素や空気をそれぞれ供給して、ガスと電解質と電極との３相界面において電気化学的な反応を進行させることにより電気を取り出すものである。そして、その３相界面での反応を進行させるため、燃料極および空気極の各電極には触媒が使用され、電解質膜と電極との接合面には電極触媒層が形成される。使用される触媒としては、カーボン等の導電性担体に白金等を担持させたものが主流となっている。
【０００４】
上記電極触媒層を電解質膜の表面に形成する方法は、様々なものがある。例えば、基材の表面に触媒ペーストを塗布、乾燥することにより、触媒を含んだ触媒層を形成し、基材に形成された触媒層を電解質膜と圧着した後、基材のみを剥離する方法等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
基材を用いた上記方法によれば、厚さが極めて薄い触媒層と電解質膜とを充分に接触させて触媒層を形成することができる。また、電解質膜に直接触媒ペーストを塗布して触媒層を形成する場合における電解質膜の水や溶剤による膨潤という問題も生じない。しかし、基材を用いた上記方法では、圧着後に基材を剥離する際、触媒層が基材に付着して、基材とともに剥がれ易いため、電解質膜の表面に均一に電極触媒層を形成することが困難であった。
【０００６】
本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、基材からの触媒層の分離性を良好なものとし、電解質膜の表面に電極触媒層を簡便に形成する方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電極触媒層形成方法は、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜の表面に電極触媒体を含む電極触媒層を形成する電極触媒層形成方法であって、触媒粒子と、該触媒粒子を担持する導電性担体とからなる電極触媒体を準備する電極触媒体準備工程と、前記電極触媒体のみを酸処理して該電極触媒体における触媒粒子の粒子表面の金属酸化物を除去する金属酸化物除去工程と、前記金属酸化物が除去された触媒粒子を含む電極触媒体と前記電解質膜の材料である高分子とを含有する触媒ペーストを基材の表面に塗布し、該基材表面に触媒層を形成する触媒層形成工程と、前記基材表面に形成された触媒層と電解質膜とを、両者の表面を互いに合わせて圧着する圧着工程と、前記圧着されたものから前記基材を剥離する基材剥離工程とを含む。
【０００８】
本発明の方法で形成される電極触媒層は、上述した電気化学反応を進行させるための電極触媒体を含み、電解質膜の表層部を構成するものである。そして、本発明の電極触媒層形成方法では、予め電極触媒体における触媒粒子の粒子表面に存在する金属酸化物を除去しておくことがポイントとなる。電極触媒層を形成するためには、電極触媒体を含有する触媒ペーストを用いる。触媒ペーストとは、電極触媒体と電解質膜の材料である高分子とを水やアルコール等の溶媒に分散させたものである。したがって、電極触媒体における触媒粒子に金属酸化物が残存している場合には、金属酸化物は水分子との親和性が高いため、金属酸化物を含む触媒粒子が水分子を吸着し、高分子が凝集してしまう。このため、触媒ペースト中において電極触媒体と高分子との均一な混合が困難となる。両者が均一に混合されていないと、触媒ペーストを塗布後、乾燥して水等の溶媒を除去した際、形成された触媒層において高分子が偏在することになる。高分子は、電極触媒層を形成する際のバインダとしての機能をも果たすものであるため、偏在により形成された触媒層の強度が低下し、触媒層は、電解質膜に圧着された後、基材を剥離する際に、基材に付着しやすくなると考えられる。特に、電極触媒層を構成する電極触媒体の触媒粒子が、白金とそれより卑な金属とを含むものである場合には、卑な金属はそのすべてが白金に合金化しているのではなく、一部は金属酸化物等となって合金表面に残存していると考えられる。そして金属酸化物の多くは、合金粒子の表面を覆うように存在していると考えられ、この場合、金属酸化物を予め除去しておくことがより重要となる。
【０００９】
つまり、予め電極触媒体における触媒粒子の粒子表面に存在する金属酸化物を除去しておけば、触媒層における高分子の偏在を抑制することができる。したがって、本発明の電極触媒層形成方法では、電極触媒体における触媒粒子の粒子表面の金属酸化物を除去する金属酸化物除去工程を含むことにより、触媒層の強度を高め、基材からの分離性を向上させることができ、電解質表面に電極触媒層を均一に形成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電極触媒層形成方法について各工程ごとに詳細に説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の電極触媒層形成方法が、下記の実施形態に限定されるものではない。下記実施形態を始めとして、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１１】
（１）電極触媒体準備工程
本工程は、触媒粒子と該触媒粒子を担持する導電性担体とからなる電極触媒体を準備する工程である。触媒粒子は、特にその成分が限定されるものではない。触媒粒子の粒子表面に存在する金属酸化物を予め除去しておくことによる上記効果をより発揮させるという観点では、例えば、触媒粒子に白金とそれより卑な金属とを含むものを選択することが望ましい。この場合、触媒粒子の一成分である卑な金属は、白金より卑な金属であればその種類が特に限定されるものではない。例えば、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等が挙げられる。これらの金属の１種あるいは２種以上を用いればよい。特に、資源量が豊富で安価であり、触媒活性を向上させる効果が高いという理由から、卑な金属としてＦｅ、Ｍｎを用いることが望ましい。また、電極として水素極を想定した場合に、一酸化炭素による被毒を抑制するという理由から、卑な金属としてＲｕを用いることが望ましい。
【００１２】
触媒粒子における卑な金属の含有割合は、特に限定されるものではないが、白金と卑な金属の原子数の合計を１００％とした場合の５％以上５０％以下であることが望ましい。卑な金属の割合が５％未満であると、合金化による活性向上の効果が少ないからであり、反対に５０％を超えると、白金に固溶しない卑な金属の量が増大するからである。特に、合金化による活性の向上を考慮した場合には、１０％以上であることが望ましい。
【００１３】
また、電極触媒体は、触媒粒子と導電性担体とからなり、触媒体全体における触媒粒子の含有割合は特に限定されるものではない。例えば、触媒粒子の成分として白金を用いる場合、白金の含有割合は、電極触媒体全重量を１００ｗｔ％とした場合の１０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下とすることが望ましい。触媒体全体における白金の含有割合が１０ｗｔ％未満であると、触媒としての機能を充分に果たすことができず電極反応が進行しにくくなるからであり、６０ｗｔ％を超えると、白金が凝集してしまい触媒として機能する表面積が減少するからである。また、触媒層は触媒体に含まれる白金量を基準に形成される。したがって、特に酸素の拡散を考慮し形成される触媒層の厚さを適当なものとする観点から、白金の含有割合を２０ｗｔ％以上とすることが望ましい。また、触媒層を均一に形成するという観点から、４０ｗｔ％以下とすることが望ましい。
【００１４】
触媒粒子は、その粒子径が特に限定されるものではない。反応に寄与する表面積を大きくし、触媒活性を高めるという観点から、触媒粒子の平均粒子径を５ｎｍ以下とすることが望ましい。なお、触媒粒子の平均粒径の測定法として、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用する方法や粉末Ｘ線回折法（ＸＲＤ）を利用する方法等がある。すなわち、触媒粒子をＴＥＭで観察して、識別できる触媒粒子の粒子径を測定して、また、Ｘ線回折パターンのピーク幅から粒子径を測定して、それらの粒子径の平均値をその粒子の平均粒径として採用すればよい。
【００１５】
上記触媒粒子を導電性担体に担持させて電極触媒体とする。導電性担体は、特に限定されるものではなく、例えば、導電性が良好で安価であるという理由から、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維等の炭素材料を用いればよい。また、導電性担体は、単位重量当たりの表面積が大きいという理由から粉末状であることが望ましい。この場合、導電性担体の粒子の粒子径は、０．０３μｍ以上０．１μｍ以下とすることが望ましい。さらに、導電性担体の粒子は、一次粒子が連結したストラクチャー構造を形成していることが望ましい。
【００１６】
本工程では、電極触媒体を製造して準備してもよく、また購入して準備しても構わない。電極触媒体を製造して準備する場合には、例えば、触媒粒子に白金とそれより卑な金属との合金を用いる場合には、白金とそれより卑な金属とを導電性担体に担持させてから、熱処理により合金化する方法で製造することができる。以下、電極触媒体の製造方法の一例を説明する。
【００１７】
まず、白金とそれより卑な金属とを導電性担体に担持させる。両金属を担持させる方法としては、例えば、以下の方法を採用すればよい。白金亜硫酸錯体を含む水溶液に、粉末状の導電性担体を所定量添加し、さらに過酸化水素水を加えて導電性担体に白金を担持させる。得られる電極触媒体における白金の含有割合を目的の割合とするには、後に添加される卑金属の重量をも考慮して、白金亜硫酸錯体を含む水溶液の濃度および導電性担体の添加量を適宜調整すればよい。そして、上記白金を担持した導電性担体を水に分散させ、その分散液に卑な金属を陽イオンとする塩の水溶液を加え、所定のｐＨ値で攪拌することにより卑な金属を担持させる。なお、触媒粒子における卑な金属の含有割合を目的の割合とするには、卑な金属を陽イオンとする塩の水溶液の濃度等を適宜調整すればよい。このようにして両金属を担持した導電性担体を、濾過、乾燥等した後、合金化のための熱処理を施す。
【００１８】
熱処理は、特に限定されるものではなく、通常合金化に用いられる方法で行えばよい。例えば、得られた白金とそれより卑な金属とを担持した導電性担体を、不活性雰囲気下、４００〜９００℃程度の温度で２時間程度保持すればよい。このような熱処理を施すことにより、導電性担体に担持された白金および卑な金属は合金化し、触媒粒子となる。
【００１９】
（２）金属酸化物除去工程
本工程は、電極触媒体における触媒粒子の粒子表面の金属酸化物を除去する工程である。金属酸化物は、触媒粒子の成分によって種々のものとなる。例えば、触媒粒子にＦｅが含まれる場合には、ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3等が、Ｒｕが含まれる場合には、ＲｕＯ2、Ｒｕ2Ｏ3等が挙げられる。金属酸化物を除去する方法は、特に限定されるものではない。存在する金属酸化物自体を取り除くものであってもよいし、金属酸化物において金属と結合している酸素を取り除くものであってもよい。
【００２０】
前者の一例として、例えば、電極触媒体を酸処理して金属酸化物の除去を行う方法を採用することができる。酸処理の具体的な方法は、特に限定されるものではなく、例えば、電極触媒体を酸水溶液に分散させて行えばよい。この場合、使用する酸水溶液の種類は、特に限定されるものではない。例えば、硫酸、硝酸、フッ酸、酢酸等から選ばれる酸の水溶液を用いればよい。特に、触媒層を均一に形成することができるという理由から、酸水溶液は硫酸水溶液とすることが望ましい。また、酸処理は、常温で行えばよく、酸水溶液の濃度は、０．１〜２Ｍ程度、酸処理の時間は１０分間程度とすればよい。なお、酸処理後は、濾過、水洗、乾燥等を行い、次工程に供すればよい。
【００２１】
また、後者の一例として、例えば、電極触媒体を還元処理して金属酸化物の除去を行う方法を採用することができる。還元処理の具体的な方法は、特に限定されるものではなく、例えば、電極触媒体を水素を含む雰囲気で加熱して行えばよい。加熱は、４００〜９００℃の範囲で、２時間程度行えばよい。
【００２２】
（３）触媒層形成工程
本工程は、上記金属酸化物除去工程で金属酸化物が除去された触媒粒子を含む電極触媒体と電解質膜の材料である高分子とを含有する触媒ペーストを基材の表面に塗布し、該基材表面に触媒層を形成する工程である。触媒ペーストとは、上述したように、電極触媒体と電解質膜の材料である高分子とを水やアルコール等の溶媒に分散させたものである。電極触媒体は、例えば、導電性担体に炭素材料を用いた場合には、その炭素材料の重量と高分子の乾燥重量との比が１：０．５〜２．０程度となるように分散すればよい。なお、触媒ペースト中の高分子の濃度も、特に限定されるものではなく、通常５ｗｔ％程度とすればよい。
【００２３】
基材は、その材質が特に限定されるものではなく、触媒ペーストが均一に塗布でき、化学的に安定なものであればよい。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリプロピレン等を用いることができる。特に、熱安定性や剥離性が良好であるという観点からポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いることが望ましい。なお、基材の形状も、特に限定されるものではなく、シート状、板状、ロール状等適宜選択すればよい。
【００２４】
触媒ペーストの塗布方法は、特に限定されるものではない。通常用いられるスプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法等の種々の方法から適宜選択すればよい。なかでも、薄膜状の触媒層を均一に形成することができるという理由から、ドクターブレード法を採用することが望ましい。触媒ペーストを塗布した後は、乾燥し溶媒を除去することにより触媒層を形成することができる。触媒ペーストは、目的とする電極触媒層の厚さを考慮して塗布すればよい。
【００２５】
（４）圧着工程
本工程は、上記触媒層形成工程において基材に形成された触媒層と電解質膜とを、両者の表面を互いに合わせて圧着する工程である。電解質膜は、固体高分子電解質膜として用いられる高分子膜であれば特に限定するものではない。例えば、全フッ素系スルホン酸膜、全フッ素系ホスホン酸膜、含フッ素炭化水素系グラフト膜、全炭化水素系グラフト膜等を用いることができる。特に、耐久性等を考慮した場合には、全フッ素系電解質膜を用いることが望ましい。なかでも、電解質膜としての性能が高いという理由から、全フッ素系スルホン酸膜を用いることが望ましい。全フッ素系スルホン酸膜の一例として、「ナフィオン」（登録商標、デュポン社製）の商品名で知られる、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとテトラフルオロエチレンとの共重合体膜が挙げられる。
【００２６】
上記触媒層形成工程で形成された触媒層と電解質膜とを、両者の表面を互いに合わせて圧着する。触媒層は、電解質膜の両表面に圧着してもよく、一方の表面にのみ圧着してもよい。圧着は、その方法が特に限定されるものではなく、例えば、ホットプレス、ロールプレス等により行えばよい。例えば、ホットプレスにより圧着する場合には、温度を８０〜１３０℃程度、圧力を０．５〜１０ＭＰａ程度として行えばよい。
【００２７】
（５）基材剥離工程
本工程は、上記圧着工程で圧着されたものから基材を剥離する工程である。すなわち、基材に形成された触媒層と電解質膜とが圧着されたものから基材のみを剥離する工程である。基材のみを剥離することで、電解質膜の表面には電極触媒体を含む電極触媒層が形成される。
【００２８】
【実施例】
金属酸化物を除去した触媒粒子を含む電極触媒体と、金属酸化物を除去しない触媒粒子を含む電極触媒体とを用いて、電解質膜の表面に種々の電極触媒層を形成した。以下、用いた電極触媒体、触媒層の形成および電解質膜への圧着、基材からの分離性の評価について説明する。
【００２９】
〈用いた電極触媒体〉
（１）第１シリーズの電極触媒体
卑な金属としてＦｅを用いたＰｔ−Ｆｅ合金からなる触媒粒子を、導電性担体であるカーボンブラックに担持させた電極触媒体（＃１Ａ；比較例）を準備した。また、この電極触媒体の一部を１Ｍ硫酸水溶液に分散させ、室温で１０分間攪拌して酸処理を行い、触媒粒子の金属酸化物を除去した。酸処理後、分散液を濾過し、濾別された固体を水洗、乾燥して、金属酸化物が除去された電極触媒体（＃１Ｂ；実施例）を得た。
【００３０】
（２）第２シリーズの電極触媒体
卑な金属としてＲｕを用いたＰｔ−Ｒｕ合金からなる触媒粒子を、導電性担体であるカーボンブラックに担持させた電極触媒体（＃２Ａ；比較例）を準備した。また、この電極触媒体の一部を水素気流中、２００℃に加熱して２時間保持することにより還元処理を行い、触媒粒子の金属酸化物が除去された電極触媒体（＃２Ｂ；参考例）を得た。
【００３１】
〈触媒層の形成および電解質膜への圧着〉
上記各電極触媒体を、それぞれ電解質膜の材料であるナフィオン（登録商標、デュポン社製）の水−低級アルコール分散液（５ｗｔ％、アルドリッチ社製）に混合し、触媒ペーストを４種類調製した。なお、電極触媒体は、導電性担体であるカーボンブラックとナフィオンとが重量比で１：０．７となるように混合した。４種類の触媒ペーストを、基材となるＰＴＦＥシートの表面に、ドクターブレード法により乾燥後の触媒層厚さが１０μｍとなるようそれぞれ塗布した。塗布後、室温で真空乾燥して溶媒を除去し基材表面に触媒層を形成した。触媒層が形成された４種類の各ＰＴＦＥシートを、用いた電極触媒体に応じてそれぞれ＃１Ａ、＃１Ｂ、＃２Ａ、＃２Ｂのシートとした。各シートを５ｃｍ角に切り、シート１枚につき計１０枚の試験シートを作製した。作製した試験シートを用いて、触媒層の基材からの分離性を評価した。
【００３２】
作製した４×１０枚の試験シートをそれぞれ約４．９ＭＰａの圧力、１２０℃の温度下で電解質膜であるナフィオン膜の表面にホットプレスした。そして、圧着したものから基材であるＰＴＦＥシートのみを剥離した。
【００３３】
〈基材からの分離性の評価〉
各試験シートを電解質膜に圧着後、基材のＰＴＦＥシートのみを剥離し、基材における触媒層の付着の有無を調査した。その結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
0004011330.tif 000002
【００３５】
表１から、金属酸化物を除去しなかった電極触媒体（＃１Ａ）を含む触媒層が形成された＃１Ａのシートでは、１０枚中８枚の試験シートが剥離した基材に触媒層が付着した。同様に、金属酸化物を除去しなかった電極触媒体（＃２Ａ）を含む触媒層が形成された＃２Ａのシートでも、１０枚中５枚の試験シートが剥離した基材に触媒層が付着した。これに対し、金属酸化物を除去した電極触媒体（＃１Ｂ）を含む触媒層が形成された＃１Ｂのシートでは、基材に触媒層が付着したシートは無く、全ての試験シートにおいて触媒層の基材からの分離性は良好であった。また同様に、金属酸化物を除去した電極触媒体（＃２Ｂ）を含む触媒層が形成された＃２Ｂのシートでも基材に触媒層が付着したシートは無かった。
【００３６】
以上の結果より、予め電極触媒体における触媒粒子の粒子表面に存在する金属酸化物を除去しておくことにより、触媒層の強度が向上して基材からの分離性が良好となり、電解質表面に電極触媒層を均一に形成することができることが確認できた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の電極触媒層形成方法は、電極触媒体における触媒粒子の粒子表面の金属酸化物を除去する金属酸化物除去工程を含むことにより、触媒層の強度を高め、基材からの分離性を向上させることができるため、電解質表面に電極触媒層を均一かつ簡便に形成することができる。