JP5219350B2 - 固体高分子型燃料電池用の触媒層及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)触媒担持炭素粒子、水素イオン伝導性高分子電解質及びカーボンナノチューブ(ただし疎水化処理が施されたカーボンナノチューブを除く)を含有し、
(2)当該カーボンナノチューブの全個数の少なくとも70%のアスペクト比が100以上であり、
(3)当該カーボンナノチューブの含量が、触媒層中10重量%以下である、
ことを特徴とする触媒層。
項2.前記カーボンナノチューブの平均繊維径が100nm以下である、項1に記載の触媒層。
項3.前記カーボンナノチューブの含量が、触媒層中5重量%未満である、項1又は2に記載の触媒層。
項4.前記触媒層が実質的にクラックを有しない、項1〜3のいずれかに記載の触媒層。
項5.項1〜4のいずれかに記載の触媒層がガス拡散基材上に積層されてなる、固体高分子型燃料電池用電極。
項6.項5に記載の電極が、高分子電解質膜の片面又は両面に積層されてなる、固体高分子型燃料電池用電極−電解質膜接合体。
項7.固体高分子型燃料電池用電極の触媒層を製造する方法であって、
(1)触媒担持炭素粒子の水分散液、(2)水素イオン伝導性高分子電解質、(3)全個数の少なくとも70%のアスペクト比が100以上であるカーボンナノチューブ(ただし疎水化処理が施されたカーボンナノチューブを除く)及び(4)粘度調整用の溶剤を、当該カーボンナノチューブの含量が触媒層中10重量%以下となるように含む触媒層形成用ペースト組成物を基材に塗布及び乾燥する工程を備えた、触媒層の製造方法。
項8.前記基材が転写基材である、項7に記載の製造方法。
本発明の固体高分子型燃料電池用触媒層は、
(1)触媒担持炭素粒子、水素イオン伝導性高分子電解質及びカーボンナノチューブを含有し、
(2)当該カーボンナノチューブのアスペクト比が100以上であることを特徴とする。
本発明の電極は、上記触媒層がガス拡散基材(電極基材)上に積層されたものである。
本発明の電極−電解質膜接合体は、触媒層と電解質膜とが接するように、本発明電極が電解質膜の片面又は両面に積層されたものである。
本発明の触媒層は、例えば、(1)触媒担持炭素粒子の水分散液、(2)水素イオン伝導性高分子電解質、(3)アスペクト比が100以上のカーボンナノチューブ及び(4)粘度調整用の溶剤を含む触媒層形成用ペースト組成物(触媒インキ)を所望の基材等に塗布及び乾燥することにより、製造することができる。
白金触媒担持炭素粒子(Pt含有量45重量%、田中貴金属工業製、TEC10E50E)10g、水素イオン伝導性高分子電解質を5重量%含有するNafion溶液(デュポン社製、DE-520)105g、カーボンナノチューブ(平均繊維径100nm、平均繊維長10μm、アスペクト比100以上の個数が全個数の80%程度)0.5g、蒸留水30g、n-ブタノール40g及びt-ブタノール40gを配合し、分散機にて攪拌混合することにより、実施例1の触媒層形成用ペースト組成物を得た。
カーボンナノチューブの含量を0.5gの代わりに1.0gとし、かつ、Nafion溶液の含量を105gの代わりに110gとした以外は、実施例1と同様にして、実施例2のペースト組成物を得た。
カーボンナノチューブを含有せず、かつ、Nafion溶液の含量を105gの代わりに100gとした以外は、実施例1と同様にして、比較例1のペースト組成物を得た。
カーボンナノチューブ(平均繊維径100nm、平均繊維長10μm、アスペクト比100以上の個数が全個数の80%程度)0.5gの代わりに、カーボン繊維(VGCF:昭和電工社製:平均繊維径約150nm、平均繊維長約9μm、アスペクト比60)0.5gとした以外は、実施例1と同様にして、比較例2のペースト組成物を得た。
カーボンナノチューブ(平均繊維径100nm、平均繊維長10μm、アスペクト比100以上の個数が全個数の80%程度)0.5gの代わりに、カーボンナノチューブ(繊維径100nm、繊維長1μm、アスペクト比10程度の個数が全個数の80%程度) 0.5gとした以外は、実施例1と同様にして、比較例3のペースト組成物を得た。
実施例1〜2及び比較例1〜3の各ペースト組成物をアプリケーターでポリエチレンテレフタレートフィルムからなる転写基材(会社名「東レ社」、製品名「ルミナー X44」)上に塗布し、次いで、70℃で30分間乾燥させることにより、転写基材上に実施例1〜2及び比較例1〜3の触媒層を製造(転写シートの作製)した。なお、触媒層の塗布量は、Pt担持量が0.5mg/cm2となるようにした。
得られた触媒層を、マイクロスコープ(オリンパス社)にて、50倍で観察すると、実施例1及び2から形成させた触媒層にはいずれもクラックが見られなかった。一方、比較例1〜3から形成された触媒層にはいずれもクラックが見られた。特に比較例1の触媒層が最も多くクラックが発生し、次いで、比較例3の触媒層が多くクラックを発生した。
実施例1〜2と比較例1〜3との触媒層の厚みを計測したところ、実施例1及び2の触媒層はともに、比較例1〜3の触媒層と同程度又はそれ以下の厚みであった。
実施例1〜2及び比較例1〜3で製造した転写基材上に形成された触媒層について、触媒層が転写基材から剥離していないか否かを目視により観察した。
Claims (8)
- 固体高分子型燃料電池用触媒層であって、
(1)触媒担持炭素粒子、水素イオン伝導性高分子電解質及びカーボンナノチューブ(ただし疎水化処理が施されたカーボンナノチューブを除く)を含有し、
(2)当該カーボンナノチューブの全個数の少なくとも70%のアスペクト比が100以上であり、
(3)当該カーボンナノチューブの含量が、触媒層中10重量%以下である、
ことを特徴とする触媒層。 - 前記カーボンナノチューブの平均繊維径が100nm以下である、請求項1に記載の触媒層。
- 前記カーボンナノチューブの含量が、触媒層中5重量%未満である、請求項1又は2に記載の触媒層。
- 前記触媒層が実質的にクラックを有しない、請求項1〜3のいずれかに記載の触媒層。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の触媒層がガス拡散基材上に積層されてなる、固体高分子型燃料電池用電極。
- 請求項5に記載の電極が、高分子電解質膜の片面又は両面に積層されてなる、固体高分子型燃料電池用電極−電解質膜接合体。
- 固体高分子型燃料電池用電極の触媒層を製造する方法であって、
(1)触媒担持炭素粒子の水分散液、(2)水素イオン伝導性高分子電解質、(3)全個数の少なくとも70%のアスペクト比が100以上であるカーボンナノチューブ(ただし疎水化処理が施されたカーボンナノチューブを除く)及び(4)粘度調整用の溶剤を、当該カーボンナノチューブの含量が触媒層中10重量%以下となるように含む触媒層形成用ペースト組成物を基材に塗布及び乾燥する工程を備えた、触媒層の製造方法。 - 前記基材が転写基材である、請求項7に記載の製造方法。
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