JPH07326365A - 高分子膜型電極の製造方法 - Google Patents

高分子膜型電極の製造方法

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JPH07326365A JP6117040A JP11704094A JPH07326365A JP H07326365 A JPH07326365 A JP H07326365A JP 6117040 A JP6117040 A JP 6117040A JP 11704094 A JP11704094 A JP 11704094A JP H07326365 A JPH07326365 A JP H07326365A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電極反応に必要な部位のみに触媒金属を析出
できる高分子膜型電極の製造方法を提供すること。 【構成】 陽イオン交換樹脂22を溶解し、その溶液を
導電性多孔質層52の表面に塗布し、乾燥させ、導電性
多孔質層52上の陽イオン交換樹脂22に触媒金属イオ
ンを含む陽イオンを置換吸着させた後、その触媒金属イ
オンを含む陽イオンをもつ陽イオン交換樹脂22を還元
させて導電性多孔質層52の表面に触媒金属21を析出
させる高分子膜型電極1の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高分子膜型電極の製造
方法に関するもので、例えば陽イオン交換樹脂等の固体
高分子膜を電解質とするいわゆる高分子膜型の燃料電池
等の各種の電池に適用される。
【0002】
【従来の技術】従来、高分子膜型燃料電池に用いる電極
の製造方法として、例えばUSP4876115号に示
される方法が知られている。この方法は、カーボン粒子
の成形体全体に触媒金属としての白金(粒径20〜50
0Å)を担持することで電極を製造する方法である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】触媒金属量は例えば高
分子膜型燃料電池の発電性能に影響を与えるが、低コス
ト化のためには、触媒金属は高分子膜型燃料電池におけ
る電極反応に必要な部位即ち固体高分子膜と接触する電
極界面のみに存在することが好ましい。しかし、上記し
た方法では、カーボン粒子成形体全体に触媒金属を担持
しているので、電極反応に不必要な部位にまで触媒金属
が存在することから、その分触媒が無駄になりコストア
ップに繋がる恐れがある。
【0004】故に、本発明は、電極反応に必要な部位即
ち固体高分子膜と接触する電極界面のみに触媒金属を析
出できる高分子膜型電極の製造方法を提供することを、
その技術的課題とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために本発明において講じた技術的手段は、陽イオン
交換樹脂を溶解し、その溶液を導電性多孔質層の表面に
塗布し、乾燥させ、導電性多孔質層上の陽イオン交換樹
脂に触媒金属イオンを含む陽イオンを置換吸着させた
後、その触媒金属イオンをもつ陽イオン交換樹脂を含む
陽イオンを還元させて導電性多孔質層の表面に触媒金属
を析出させたことである。
【0006】ここで、陽イオン交換樹脂としては、例え
ばフッ素系イオン交換樹脂や炭化水素系カチオン交換膜
を用いることができる。フッ素系イオン交換樹脂には、
一般式
【0007】
【化1】
【0008】で表されるもの、具体的には、一般式にお
いて、m=1,2,・・・、n=2で表される商品名:
Nafion(登録商標、Du Pont社)、m=
0,1、n=1〜5で表される商品名:Flemion
(登録商標、旭硝子社)、m=0,1、n=3〜5で表
される商品名:Aciplex(登録商標、旭化成
社)、m=0、n=2で表されるDow Chemic
al社の陽イオン交換樹脂を採用することができる。
【0009】又、炭化水素系カチオン交換膜には、
【0010】
【化2】
【0011】で表される商品名:ネオセプタ(登録商
標、徳山曹達社)や商品名:セレミオン(登録商標、旭
硝子社)を採用することができる。
【0012】陽イオン交換樹脂は、イオン交換基として
化2に示されるようなスルホン酸基の他にカルボン酸基
をもつものがあるが、これらのうち、スルホン酸基を有
するものであることが望ましい。これは、陽イオン交換
樹脂の陽イオンが触媒金属イオンと置換し易いことと、
電気抵抗が小さいためである。
【0013】触媒金属としては、白金族元素、即ちルテ
ニウムRu,ロジウムRh,パラジウムPd,オスニウ
ムOs,イリジウムIr,白金Ptを採用することがで
きる。触媒金属イオンは、白金族元素として白金Ptを
採用するのであれば、 〔Pt(NH3 4 2+、 〔Pt(NH3 6 4+、 〔PtCl(NH3 5 3+、 等のアンミン錯イオン形態であることが好ましい。これ
は、陽イオン交換樹脂の陽イオンが触媒金属イオンと置
換し易いためである。
【0014】導電性多孔質層としては、カーボンブラッ
ク粒子からなるカーボン成形体、撥水性を付与するPT
FE又は他のフッ素樹脂がバインダとされてカーボンブ
ラック粒子を成形したカーボンテフロン混合成形体を採
用することができる。又、カーボンブラック粒子の代わ
りに黒鉛等の他の炭素粉末やカーボンファイバ、貴金属
粉末、Ti粉末等の金属微粒子を採用した成形体を採用
できる。
【0015】
【作用】上記技術的手段によれば、陽イオン交換樹脂を
含む溶液を導電性多孔質層の表面に塗布し、陽イオン交
換樹脂に触媒金属イオンを含む陽イオンを吸着置換さ
せ、その触媒金属イオンをもつ陽イオン交換樹脂を還元
させて導電性多孔質層の表面に触媒金属を析出させたの
で、導電性多孔質層の必要な部位即ち固体高分子膜と接
触する電極界面に触媒金属を析出させることが可能にな
ることから、余分な触媒を用いる必要はなくなり、コス
トを低下させることができる。
【0016】又、陽イオン交換樹脂に金属触媒イオンを
含む陽イオンを吸着置換した後、この金属触媒イオンを
含む陽イオンをもつ陽イオン交換樹脂を導電性多孔質層
の表面に塗布する方法においては、金属触媒イオンを含
む陽イオンをもつ陽イオン交換樹脂を溶解する必要があ
るが、金属触媒は重金属が用いられるため、この金属触
媒イオンをもつ陽イオン交換樹脂を溶解することは単な
る陽イオン交換樹脂を溶解する場合と比較して非常に困
難である。このため、この金属触媒イオンをもつ陽イオ
ン交換樹脂を導電性多孔質層の表面に塗布することが困
難となり、触媒金属を導電性多孔質層の表面に析出させ
ることが困難になる。
【0017】ところが、上記した技術的手段によれば、
陽イオン交換樹脂を溶解し、その溶液を導電性多孔質層
の表面に塗布した後、陽イオン交換樹脂に触媒金属イオ
ンを含む陽イオンを吸着させたので、導電性多孔質層の
表面に触媒金属イオンを含む陽イオンをもつ陽イオン交
換樹脂を確実に形成でき、触媒金属を導電性多孔質層の
表面に確実に析出させることができる。
【0018】
【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の具体例に
ついて説明する。
【0019】〔実施例1〕まず、導電性カーボンである
バルカンXC−72(キャボット社製)30g、撥水剤
であるテフロンディスパージョン,ニトフロンD−2
(ダイキン工業製)21.4g及び界面活性剤であるト
リトンX−100(米山薬品工業製)2gを純水100
0ml中に入れ、ミキサーで略30分間混合して均一に
分散させる。
【0020】その後、70〜80℃で3日間乾燥させて
原料粉を作成する。次に、この原料粉を粉砕したもの4
g及びソルベントナフサ(石津製薬製)20mlを混合
してシート状に成形して厚さ100μmの導電性カーボ
ンシートを作成する。
【0021】上記導電性カーボンシートを10cm2
切断したものの表面に陽イオン交換樹脂溶液Ew910
(旭化成製)0.15mlを均一に塗布し、常温真空で
2時間乾燥させて陽イオン交換樹脂溶液Ew910中の
溶媒を蒸発させる。次いで、4価白金アンミン溶液(田
中貴金属工業製)3ml及びエタノール1.5mlの混
合溶液中に陽イオン交換樹脂をもつ導電性カーボンシー
トを16時間浸漬させ、陽イオン交換樹脂に白金アンミ
ンイオンを吸着置換させる。ここで、白金アンミンイオ
ンの置換量は0.8mgである。その後、水素雰囲気中
で白金アンミンイオンを還元し、0.53mgの白金を
導電性カーボンシートの表面に析出させる。このように
して、図1に示す高分子膜型電極1を得る。
【0022】図1において、11はカーボン粒子で、1
2はカーボン粒子11同志を結合させると共に撥水性を
付与するPTFE粒子で、21は触媒金属である白金粒
子で、22は陽イオン交換樹脂で、52は導電性多孔質
層である。
【0023】図2は上記した高分子膜型電極1を用いた
高分子膜型燃料電池5の要部断面図である。
【0024】同図に示すように、高分子膜型燃料電池5
は、イオン交換膜3と、イオン交換膜3の両面に白金粒
子21が対面するようにイオン交換膜3の両面にホット
プレスにより接合された前述した1対の高分子膜型電極
1,1と、1対の高分子膜型電極1,1の外側にホット
プレスにより接合された電極基材41,42とから構成
されている。
【0025】ここで、図3を用いて高分子膜型燃料電池
5の作動を簡単に説明すると、供給管62から水素を供
給すると、その水素が陽イオン交換樹脂22及びイオン
交換膜3内にて供給管61から供給される空気中の酸素
と反応して水と電子が生成し、発電する。
【0026】〔実施例2〕4価白金アンミン溶液(田中
貴金属工業製)3ml及びエタノール1.5mlの混合
溶液中に陽イオン交換樹脂溶液Ew910をもつ導電性
カーボンシートを70時間浸漬させた点以外は実施例1
と同様である。この場合、白金アンミンイオンの置換量
は1.1mg、白金析出量は0.73mgとなり、実施
例1よりも多くなっている。
【0027】このように、実施例1,2から明らかなよ
うに、浸漬時間を長くすれば、白金析出量を多くするこ
とが可能となり、浸漬時間を制御することにより白金析
出量を調整することが可能となる。
【0028】〔実施例3〕導電性カーボンシートの表面
に陽イオン交換樹脂溶液Ew910(旭化成製)0.1
0mlを均一に塗布する点以外は実施例1と同様であ
る。この場合、白金アンミンイオンの置換量は0.6m
g、白金析出量は0.39mgとなり、実施例1よりも
少なくなっている。
【0029】このように、実施例1,3から明らかなよ
うに、陽イオン交換樹脂溶液の塗布量を多くすれば、白
金析出量を多くすることが可能となり、塗布量を制御す
ることにより白金析出量を調整することが可能となる。
【0030】上述したように、実施例1〜3では、陽イ
オン交換樹脂溶液を導電性多孔質層52の表面に塗布
し、陽イオン交換樹脂22に触媒金属イオンを含む陽イ
オンを吸着させ、その触媒金属イオンをもつ陽イオン交
換樹脂22を還元させて導電性多孔質層52の表面に触
媒金属21を析出させたので、導電性多孔質層52の必
要な部位のみに触媒金属を析出させることが可能になる
ことから、余分な触媒を用いる必要はなくなり、コスト
を低下させることができる。
【0031】又、陽イオン交換樹脂22を溶解し、その
溶液を導電性多孔質層52の表面に塗布した後、陽イオ
ン交換樹脂22に触媒金属イオンを含む陽イオンを吸着
させたので、導電性多孔質層22の表面に触媒金属イオ
ンをもつ陽イオン交換樹脂22を確実に形成でき、触媒
金属21を導電性多孔質層52の表面に確実に析出させ
ることができる。
【0032】
【発明の効果】本発明は、以下の如く効果を有する。
【0033】陽イオン交換樹脂を含む溶液を導電性多孔
質層の表面に塗布し、陽イオン交換樹脂に触媒金属イオ
ンを含む陽イオンを吸着させ、その触媒金属イオンを含
む陽イオンをもつ陽イオン交換樹脂を還元させて導電性
多孔質層の表面に触媒金属を析出させたので、導電性多
孔質層の必要な部位即ち固体高分子膜と接触する電極界
面のみに触媒金属を析出させることが可能になることか
ら、余分な触媒を用いる必要はなくなり、コストを低下
させることができる。
【0034】又、陽イオン交換樹脂を溶解し、その溶液
を導電性多孔質層の表面に塗布した後、陽イオン交換樹
脂に触媒金属イオンを含む陽イオンを吸着させたので、
導電性多孔質層の表面に触媒金属イオンをもつ陽イオン
交換樹脂を確実に形成でき、触媒金属を導電性多孔質層
の表面に確実に析出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1〜3に係る高分子膜型電極の
模式図である。
【図2】実施例1〜3に係る高分子膜型電極を用いた高
分子膜型燃料電池の模式図である。
【図3】高分子膜型燃料電池の原理説明図である。
【符号の説明】
1 高分子膜型電極 21 触媒金属 22 陽イオン交換樹脂 52 導電性多孔質層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01M 4/86 M

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 陽イオン交換樹脂を溶解し、その溶液を
    導電性多孔質層の表面に塗布し、乾燥させ、導電性多孔
    質層上の陽イオン交換樹脂に触媒金属イオンを含む陽イ
    オンを置換吸着させた後、その触媒金属イオンを含む陽
    イオンをもつ陽イオン交換樹脂を還元させて前記導電性
    多孔質層の表面に触媒金属を析出させる高分子膜型電極
    の製造方法。
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