JPH05166520A - 燃料電池のカソード電極触媒層の製造方法 - Google Patents

燃料電池のカソード電極触媒層の製造方法

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JPH05166520A
JPH05166520A JP3351200A JP35120091A JPH05166520A JP H05166520 A JPH05166520 A JP H05166520A JP 3351200 A JP3351200 A JP 3351200A JP 35120091 A JP35120091 A JP 35120091A JP H05166520 A JPH05166520 A JP H05166520A
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JP
Japan
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electrode catalyst
conductive polymer
catalyst layer
ion conductive
fuel cell
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JP3351200A
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Takafumi Okamoto
隆文 岡本
Hideo Kato
英男 加藤
Ichiro Baba
一郎 馬場
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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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
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 カソードでの電圧損失を低減させ燃料電池の
発電性能を向上させる効果を得られ、かつ均一な電極触
媒層を効率的に形成できるカソード電極触媒層を提供す
る。 【構成】 白金と卑金属からなる合金の粉末とカーボン
ブラックとイオン導電性ポリマーのアルコール溶液を混
練したペーストをイオン導電性ポリマー上に塗布し、乾
燥させ、熱圧着により、前記ペーストをイオン導電性ポ
リマー上に固定化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、イオン導電性ポリマー
を電解質に用いた燃料電池のカソード(酸化剤ガス側)
電極触媒層を製造する方法に関し、特にカソードでの電
圧損失を低減させることにより燃料電池の発電性能向上
を図ることが可能となる均一な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、一般に電解質板とその両側
に設けられたアノードおよびカソードからなる単位電池
を、セパレータを介して積層してなる。
【0003】例えば、固体高分子電解質型燃料電池とし
て、電解質板をイオン交換樹脂膜などのイオン導電性ポ
リマーにより作製し、その上に電極触媒層を形成してな
るものが提案されている。この場合、電極触媒層は、ス
プレー法、塗布法などにより形成しているのが普通であ
る。
【0004】従来、このような電極触媒層の形成方法と
しては、還元剤溶液の浸透力を利用しイオン交換膜上に
金属層を析出せしめる方法(特公昭56−36873号
公報)、蒸着または熱圧着により、触媒をイオン交換膜
へ直接担持させる方法(特開昭58−126674号公
報)、導電性カーボンブラック上に支持された白金とC
r、Coを酸性下接触させ、これらを窒素雰囲気中で加
熱、還元させる方法(特開昭59−141169号公
報)、およびカーボン粉末、白金触媒、ポリテトラフル
オロエチレンからなる成分系に、表面を炭素膜で被覆し
た炭化ケイ素ウィスカーを加えて混練し、混練物をシー
ト化したのち熱処理、イオン交換樹脂処理を施す方法
(特開平3−25856号公報)などが開示されてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の従来技術に示されている方法では、充分な発電性能を
発揮できる均一な電極触媒層を効率的に製造できなかっ
た。
【0006】本発明は、以上のような従来の技術を背景
になされたものであり、カソードでの電圧損失を低減さ
せることにより燃料電池の発電性能向上を図ることが可
能となる均一な電極触媒層の製造方法を提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、白金と卑金属
からなる合金の粉末、カーボンブラックおよびイオン導
電性ポリマーのアルコール溶液を混練したペーストを、
イオン導電性ポリマーのシート上に塗布し、乾燥させ、
熱圧着により前記ペーストをイオン導電性ポリマー上に
固定化することを特徴とする燃料電池のカソード電極触
媒層の製造方法を提供するものである。
【0008】本発明を以下詳細に説明する。まず、本発
明に使用される白金と卑金属とからなる合金粉末は、例
えば酸素還元能力の高い白金合金電極の中で、白金と卑
金属の合金粉末を物理的気相反応を用いて製造される。
【0009】卑金属としては、アルカリ金属、アルカリ
土金属、Al、Zn、Cr、Ti、Coなどが挙げられ
るが、本発明においては少なくともチタンおよび/また
はクロムを用いることが酸素還元能向上の面から好まし
い。
【0010】この物理的気相反応としてはスパッタ法が
挙げられ、例えばあらかじめ合金製のターゲットを製造
しておき、これを用いて常法により合金層を形成する方
法、材質の異なる二枚のターゲット(例えば、一方はP
tと、他方はTi、Cr、Coなど)を相対させて配置
し、各ターゲットにそれぞれ異なる電圧を印加してスパ
ッタすることにより所定の組成比の合金層を形成するい
わゆる対向ターゲット式合金スパッタ法、マグネトロン
スパッタ法、蒸着などが挙げられる。特に、対向ターゲ
ット式合金スパッタ法が好ましい。
【0011】対向ターゲット式合金スパッタ法を用いる
ことにより、あらかじめ合金製のターゲットを製造して
おく必要がなく、直接、合金のスパッタ層を製造するこ
とができる。なお、組成比については、材質の異なる2
枚のターゲットに印加する電圧をそれぞれ個別に増減さ
せ、調整することにより、所望のものとすることができ
る。例えば、PtとTiのターゲットからPt3 Tiの
合金の層を得ようとする場合、Ptのターゲットと、T
iのターゲットとに印加する電圧の比を約7:10程度
とすればよい。
【0012】なお、本発明に用いられる合金の一般的な
組成は、例えばPt4-X-Y Tix Y 、あるいはPt
4-X-Y Crx Y (式中、X≧0、Y≧0、MはTiも
しくはCr以外の卑金属を示す)で表される。また、合
金がPtとTiとから構成される場合には、Pt/Ti
(原子比)=0.5/3.5〜4/0.5程度である。
さらに、この合金粉末の粒径は、通常、0.07〜3μ
m、好ましくは数μm程度である。
【0013】このように白金電極剤の一部を卑金属で代
替することにより白金使用量の低減および発電のイニシ
ャルコスト低減を図ることができる。
【0014】次いで、前記合金粉末とカーボンブラック
とイオン導電性ポリマーのアルコール溶液とを混練り
し、ペースト状となす。この際、イオン導電性ポリマー
としては、燃料電池に使用されるイオン交換膜と同質材
料であることが好ましい。この点から、使用される導電
性ポリマーとしては、ポリパーフルオロスルフォニック
酸などが好ましい。
【0015】また、合金粉末とイオン導電性ポリマーの
配合割合は、通常、合金粉末が3.3〜57重量%、好
ましくは20〜30重量%、イオン導電性ポリマーが
2.8〜50重量%、好ましくは20〜30重量%程度
である。合金粉末が少なすぎると触媒能が期待できず、
一方多すぎると他の機能(イオン導電性、電子導電性、
吸・撥水性、ガス透過性)が衰え、またコスト高にもつ
ながる。このペーストの作製の具体例は、合金粉末、導
電性ポリマー粉末、カーボンブラック、およびバインダ
ーとなるフッ素樹脂粉末〔デュポン社製、テフロン粉
末〕を、アルコール・水混合液中に分散させ、溶媒を適
度に蒸発させながら混練してペースト状にする。
【0016】ここで、カーボンブラックとしては、アセ
チレンブラック、オイルファーナスブラックなどが挙げ
られる。また、アルコールとしては、飽和アルコール、
例えばメタノール、エタノール、ブタノール、ペンタノ
ール、ヘキサノールなどが用いられる。なお、ペースト
中の組成割合は、合金粉末20〜30.重量部、イオン
導電性ポリマー2.8〜50重量部、カーボンブラック
12〜60重量部、バインダー0〜35重量部程度であ
る。また、合金粉末とカーボンブラックの代わりに、白
金合金を担持したカーボンブラックを用いてもよい。
【0017】次いで、上記ペーストを、イオン導電性ポ
リマーのシート上、例えば陽イオン交換膜上に印刷など
の手段で塗布し、乾燥後、ホットプレスなどの熱圧着に
よって陽イオン交換膜上に結着固定させる。
【0018】印刷方法としては、スクリーン印刷法を用
いるが、これは枠に張ったスクリーンを通してペースト
を塗布する公知の技術である。このスクリーン印刷法に
よるペーストの塗布量は、乾燥重量で0.5〜20mg
/cm2 程度である。ホットプレスによる熱圧着処理
は、温度80〜250℃、好ましくは100〜120℃
程度、圧力50〜200kg/cm2 、好ましくは10
0〜150kg/cm2 程度の条件下で行う。上記の方
法によりイオン交換膜型燃料電池カソード電極触媒層が
形成される。
【0019】
【作用】本発明では、白金と卑金属からなる合金の粉末
とカーボンブラックとイオン導電性ポリマーのアルコー
ル溶液を混練した電極触媒用ペーストを作製し、イオン
導電性ポリマーのシート上に塗布し、乾燥させ、熱圧着
により前記ペーストをイオン導電性ポリマー上に固定化
することにより燃料電池のカソード電極触媒層を製造さ
せており、これにより均一な電極触媒層を効率的に形成
することができるばかりか、さらには本発明の電極触媒
層を用いればカソードの活性化過電圧などを減少させる
ことができるため、燃料電池の発電性能を向上し得る。
【0020】
【実施例】以下に実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に
説明する。なお、本発明は、本実施例に拘束されるもの
ではない。 実施例1 ナフィオン117〔デュポン(株)製、ポリパーフルオ
ロスルフォニック酸〕の10cm×10cmのフィルム
(厚さ175μm)に対して、スパッタ装置により投入
電力20Wにて、それぞれ5、15、30、45分間A
rプラズマエッチング処理を施した。その後、対向ター
ゲット式合金スパッタ法により、一方のターゲットをP
t、他方のターゲットをTiとしてPt3 Ti粒子が堆
積されるように印加電圧を調製し、0.2mg/cm2
の厚さになるまでスパッタ処理を施した。次いで、得ら
れたスパッタ層を、ブラシで擦落させ、平均粒径が0.
3μmのPt3 Ti合金粉末を得た。
【0021】このようにして得られた合金粉末2g、カ
ーボンブラック(Cabot社製、Vulcan XC
−72)1gおよびテフロン粉末〔デュポン社製、フッ
素樹脂、平均粒径=0.2μm〕1gを、ナフィオン
〔デュポン(株)製、ポリパーフルオロスルフォニック
酸〕のプロパノール水混合溶液(アルドリッチ社製、5
重量%溶液)40mlと混合し、電極触媒用のペースト
を調製した。
【0022】次に、ナフィオン117〔デュポン(株)
製、ポリパーフルオロスルフォニック酸〕の10cm×
10cmのフィルム(厚さ175μm)をアセトンで洗
浄し、続いて塩酸処理を施したのち、乾燥した。これに
対しスパッタ装置により50mmφの大きさに、30分
間プラズマエッチング処理を施した。
【0023】このフィルムに対して、上述したペースト
を、切り抜き製版スクリーンにより50mmφの大きさ
にベタ印刷を行った。なお、塗布量は、乾燥重量で約2
mg/cm2 とした。さらに、加熱プレスにて100
℃、150kg/cm2 で、1分間ホットプレスを行
い、イオン交換膜型燃料電池用のカソード電極触媒層を
得た。
【0024】このようにして得られた電極触媒層におい
ては、カソードの酸素還元反応をすみやかに進めること
が可能となり、これによってカソードでの電圧損失(カ
ソード過電圧)を低減させることにより燃料電池発電性
能の向上を図ることができる。
【0025】
【発明の効果】以上に詳述したとおり、本発明の電極触
媒層においては、白金と卑金属からなる合金の粉末とカ
ーボンブラックとイオン導電性ポリマーのアルコール溶
液を混練した電極触媒用ペーストを作製し、イオン導電
性ポリマーのシート上に塗布し、乾燥させ、熱圧着によ
り前記ペーストをイオン導電性ポリマー上に固定化して
いるので、均一な電極触媒層を効率的に形成することが
できるばかりか、さらに本発明によるカソードの電極触
媒層は活性化過電圧などを減少させる効果を有するため
発電性能を向上し得る。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 白金と卑金属からなる合金の粉末、カー
    ボンブラックおよびイオン導電性ポリマーのアルコール
    溶液を混練したペーストを、イオン導電性ポリマーのシ
    ート上に塗布し、乾燥させ、熱圧着により前記ペースト
    をイオン導電性ポリマー上に固定化することを特徴とす
    る燃料電池のカソード電極触媒層の製造方法。
  2. 【請求項2】 卑金属として少なくともチタンおよび/
    またはクロムを用いる請求項1記載の燃料電池のカソー
    ド電極触媒層の製造方法。
JP3351200A 1991-12-13 1991-12-13 燃料電池のカソード電極触媒層の製造方法 Pending JPH05166520A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Effective date: 20020514