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ガス拡散電極の製造方法

国内特許コード P09S000261
整理番号 P06-009
掲載日 2010年1月12日
出願番号 特願2008-513339
登録番号 特許第5223127号
出願日 平成19年4月27日(2007.4.27)
登録日 平成25年3月22日(2013.3.22)
国際出願番号 JP2007059554
国際公開番号 WO2007126153
国際出願日 平成19年4月27日(2007.4.27)
国際公開日 平成19年11月8日(2007.11.8)
優先権データ
  • 特願2006-122794 (2006.4.27) JP
発明者
  • 内田 裕之
  • 渡辺 政廣
出願人
  • 国立大学法人山梨大学
発明の名称 ガス拡散電極の製造方法
発明の概要 金属触媒が担持されたカーボンの一次凝集体の内部の細孔(一次孔)の内壁にイオン導電性高分子材料(アイオノマー)が略均一に被覆されたガス拡散層及び/又は触媒層とすることにより、アノード触媒層で生じた水素イオンを効率よく電解質膜まで導電させることができる。また、カソード触媒層に水素イオンを効率よく到達させ、カソード電極における反応物や生成物である酸素および水の物質拡散速度の低下を抑制し、金属触媒の利用率の向上を図ることができる。
従来技術、競合技術の概要


固体高分子形燃料電池(以下、PEFC)は、燃料電池自動車、定置用コージェネレーション、携帯機器用の電源として研究開発が進められている。PEFCの心臓部は、図1に示すように、水素イオン(H)導電性の高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極でサンドイッチした膜電極接合体(MEA)である。
ガス拡散電極の触媒層では、燃料極(アノード触媒層)で水素の酸化(H→2H+2e)、空気極(カソード触媒層)で酸素の還元(2H+1/2O+2e→HO)がおこる。電極触媒としては、カーボンブラック(以下、CB)等の導電体からなる担体に白金を主体とする数ナノメーターの活性金属触媒粒子、例えば白金とカーボンブラック(以下、Pt/CB)、プラチナ・ルテニウムとカーボンブラック(Pt-Ru/CB)が用いられている。しかし、白金は高価であるため、その使用量を低減するとともに、その利用率を高めることが求められている。
PEFCのカソード触媒層において、触媒利用率を高めるためには水素イオンを触媒粒子に効率的に供給する必要があるが、水素イオンはアイオノマーを介して触媒粒子に到達するため、触媒粒子をアイオノマーで被覆する必要がある。
アノード触媒層では、水素やメタノールを酸化して生じた水素イオンを電解質膜まで導電させるため、ガス拡散層をアイオノマーで同様に被覆する必要がある。ここで、アイオノマー被覆が厚くなるとH導電性は高くなるが、反応物や生成物の物質拡散が遅くなる。逆に、被覆が薄くなると、物質拡散速度が高くなるが、H導電性が低くなる。従って、これらのバランスの取れたガス拡散電極が求められている。
従来のガス拡散電極の製造方法としては、Pt/CB触媒粒子とアイオノマーと溶媒とを適切な割合で混合したペーストを作製し、これを電解質膜に直接、又はガス拡散層に塗布する方法がとられてきた。
一般にPt/CB触媒には二種類の細孔が存在する。一つは、Pt/CB一次凝集体(これ以上分離できない最小の触媒単位)内部の一次孔(約100nm以下のサイズ)であり、もう一つは凝集体間の二次孔(100nm超)の二つである。通常、Pt触媒の90%は一次孔の内壁に担持されている。しかし、図2Aに示すように、アイオノマー同士は凝集しやすいため、一次孔内部にアイオノマーが入り込むことができない。
これを改善する方法として、ペースト内のアイオノマー濃度を上げる方法があるが、所定の濃度を超えると二次孔まで充填されて、カソード電極で生成される酸素や水の物質拡散が阻害されるという問題がある。
さらに、アイオノマー濃度の上昇と共にペーストの粘度が高くなり、被覆が不均一になる、あるいは、乾燥時の粘度変化によりアイオノマー膜厚が不均一になるという問題があった。このため、従来法でのカソード触媒利用率は、約20%程度の低いレベルにとどまっていた。
これらの問題を解決する先行技術として、特開2005-190712号公報では触媒利用率の異なる二つ以上の電極触媒の混合した触媒担持電極を提案している。しかし、これは一次凝集体の内部にアイオノマーが入らないことによる触媒利用率の低下を解決するものではなく、かかる問題を解決する先行技術はない。
そこで本発明は、一次孔内部にまでアイオノマーを侵入させることにより、アノード触媒層で生じた水素イオンを効率よく電解質膜まで導電させることを目的とし、また、カソード触媒層に水素イオンを効率よく到達させ、カソード電極における反応物や生成物である酸素および水の物質拡散速度の低下を抑制し、金属触媒の利用率の向上を図ることを目的とする。

産業上の利用分野


本発明は、ガス拡散電極の製造方法、及びガス拡散電極に関し、特に有機溶媒に可溶なイオン導電性高分子材料(以下、アイオノマー)が、金属触媒が担持されたカーボンの一次凝集体の内部の細孔(以下、一次孔)にまで入ることにより、触媒の利用率を向上させたガス拡散電極の製造方法、及びガス拡散電極に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
金属触媒を担持するカーボンブラックに、イオン導電性高分子材料(以下、アイオノマー)と溶媒とを加えてペースト状とし、
前記ペーストを密閉容器内で加熱処理し、
前記アイオノマーの集合体を離散せしめ、
冷却処理後、真空乾燥し、
粉砕後、得られた粉体を溶媒と混合し触媒ペーストとし、
前記触媒ペーストをガス拡散電極用基板に被覆し作成することを特徴とするガス拡散電極の製造方法。

【請求項2】
前記冷却処理を水冷による急冷で行うことを特徴とする請求項1に記載のガス拡散電極の製造方法。

【請求項3】
前記加熱処理温度が80℃から250℃であることを特徴とする請求項1または2に記載のガス拡散電極の製造方法。

【請求項4】
前記密閉容器内の圧力は10気圧以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2008513339thum.jpg
出願権利状態 登録
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