JP2008124004A - 燃料電池用電極の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な製造工程で微細な触媒粒子が均一に分散されている燃料電池用電極を製造できる製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】材料を加熱する少なくとも一つの加熱ユニットを配置し、少なくとも一つの加熱ユニットによって材料を気化させて触媒粒子を生成し、生成された触媒粒子を炭素担体に供給して付着させる燃料電池用電極の製造方法とした。また、工程チャンバーと、工程チャンバーの内部に設置され、材料を直接的に加熱して触媒粒子を発生させる触媒粒子発生装置と、工程チャンバーの内部に配置される炭素担体を移動させる移送装置とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用電極の製造方法及び製造装置に係り、特に、単純な製造工程で微細な触媒粒子の均一に分散されている燃料電池用電極を製造できる燃料電池用電極の製造方法及び製造装置に関する。

燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが反応する時に生じる化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。燃料電池は、使用される電解質の類型によって溶融炭酸塩電解質型燃料電池、リン酸電解質型燃料電池、アルカリ電解質型燃料電池及び高分子電解質型燃料電池に区分される。これらの燃料電池はそれぞれ、根本的に同じ原理で作動するが、使用される燃料の類型、運転温度、触媒などが相互に異なっている。

なかでも高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は、出力密度及びエネルギー転換効率が高いとともに常温で作動可能であり、かつ、小型化が可能なため、無公害自動車、家庭用発電システム、移動通信装備、医療機器、軍事用装備などの分野に幅広く用いられている。

図１は、高分子電解質型燃料電池のうち、水素ガスを燃料とする水素イオン交換膜燃料電池を概略的に示す図である。図１に示すように、燃料電池は、アノードとカソード（以下、‘ガス拡散電極’という。）間に水素イオン交換膜１が介在された構造を持つ。

水素イオン交換膜１は、固体高分子電解質からなっており、ガス拡散電極は、反応気体の供給のための支持層２，３と、反応気体の酸化／還元反応がおきる触媒層４，５とで構成される。触媒層４，５の材料としては、白金のような金属触媒のコーティングされた炭素粉末が用いられる。炭素粉末は、反応気体の反応領域を広める役割を担い、金属触媒は反応気体の酸化／還元反応を促進する。

このような触媒層を製造する方法は、沈殿法とコロイド法とに大別される。例えば、特許文献１には、カーボン支持体及び水を含むスラリーを塩基化し、塩化白金酸水溶液を注入した後、ホルムアルデヒドのような還元剤を添加して白金を液相還元する方法が開示されており、特許文献２には、塩化白金酸及びポリアクリル酸水溶液に水素を入れて白金コロイドを形成し、ここにカーボン支持体を加えて担持した後、窒素雰囲気でポリアクリル酸塩を除去する方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された方法は、製造過程は比較的単純であるが、白金の分散が均一でなく、また、粒子の大きさが大きいという問題点を持つ。また、特許文献２に開示された方法は、ポリアクリル酸のようなカルボン酸の添加によってより微細な白金粒子が得られるが、投入されたカルボン酸の除去という付加的な過程のため、工程が複雑になるという問題点があった。

しかも、これらの方法は、基本的に白金含有の化合物によって金属触媒を製造するので純粋な金属触媒を得るには限界があり、また、触媒粒子の大きさを容易に制御できないという問題点があった。
米国特許第４，１８６，１１０号公報 日本公開特許第２００２−４２８２５号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、微細な触媒粒子が均一に分散されている燃料電池用電極を単純な製造工程によって製造できる製造方法及び製造装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、純粋な成分の触媒粒子を持つ燃料電池用電極を製造できる製造方法及び製造装置を提供することにある。

また、本発明のさらに他の目的は、触媒粒子の大きさを容易に制御できる燃料電池用電極の製造方法と製造装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係る燃料電池用電極の製造方法は、金属触媒が担体に担持されている触媒担持体を持つ燃料電池用電極の製造方法であって、（ａ）材料を加熱する少なくとも一つの加熱ユニットを配置する段階と、（ｂ）前記少なくとも一つの加熱ユニットを介して材料を気化させて触媒粒子を生成する段階と、（ｃ）生成された触媒粒子を炭素担体に供給して付着させる段階と、を含むことを特徴とする。

上記（ａ）段階は、複数の加熱ユニットを水平及び垂直に配列する段階を含むことができ、上記（ｂ）段階は、前記材料の表面を直接的に加熱する段階を含むことができる。

前記加熱ユニットは、前記材料が安置され、安置された材料と接する加熱体と、前記加熱体の内部に埋設されて発熱する加熱要素と、を備えて構成される。

前記炭素担体は、炭素布や炭素紙からなり、前記製造方法は、前記炭素布または炭素紙を移送させる段階をさらに含むことができる。

また、本発明による製造方法は、気体流動を発生させる流動発生源を用いて前記（ｂ）段階で生成された触媒粒子を前記炭素担体に移動させる段階をさらに含むことができる。

また、前記（ｃ）段階は、前記炭素担体を冷却させる段階を含むことができる。

前記材料は白金塊りとすることができ、この場合、前記材料と接する加熱体の温度を１０００℃〜１７００℃間で制御することが好ましい。

また、本発明による燃料電池用電極の製造装置は、金属触媒が担体に担持されている触媒担持体を持つ燃料電池用電極を製造する装置にであって、工程を行うための空間を有する工程チャンバーと、前記工程チャンバーの内部に設置され、材料を直接的に加熱して触媒粒子を発生させる触媒粒子発生装置と、前記工程チャンバーの内部に配置される炭素担体を移動させる移送装置と、を備えることを特徴とする。

前記触媒粒子発生装置は、複数の加熱ユニットを備え、前記加熱ユニットは、材料が安置され、安置された材料と接する加熱体と、前記加熱体の内部に埋設されて発熱する加熱要素とを備えて構成される。

また、本発明による製造装置は、前記触媒粒子発生装置より生成された触媒粒子を前記炭素担体に流動させる流動発生源をさらに備えることができる。

また、本発明による製造装置は、前記炭素担体を支持する支持部材と、前記支持部材を冷却させる冷却ユニットと、をさらに備えることができる。

前記移送装置は、前記工程チャンバーの内部に移送される炭素担体が巻き取られる供給リールと、前記工程チャンバーの内部で触媒粒子の付着した炭素担体を巻き取る巻取リールと、を備えて構成されることができる。

本発明は、単純な工程及び装置を用いて触媒粒子の均一に分散された燃料電池用電極を製造できるという効果を奏する。

また、本発明によれば、相対的に制御しにくい化学的方法を使用するのではなく物理的な方法を用いて触媒粒子を生成するため、触媒粒子の大きさを容易に制御することが可能になる。すなわち、本発明によれば、材料を加熱する温度を制御するだけでも触媒粒子の大きさを制御可能になる。

また、本発明は、金属塊りをそのまま気化させて純粋な成分の触媒粒子を生成することで触媒層を形成するため、燃料電池電極の反応効率を向上させる効果を奏する。

また、本発明によれば、連続した工程が可能なように構成されているため、大量生産を図ることが可能になる。

以下、本発明に係る燃料電池用電極の製造方法及び製造装置の好適な実施例について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図面中、同一の構成要素には可能な限り同一の参照符号を付する。

図２は、本発明による燃料電池用電極の製造方法を示す図であり、図３は、図２をＡ方向から見た図であり、図４は、図２をＢ方向から見た図である。図３及び図４では、流動発生源が省略されている。

図２乃至図４に示すように、本発明は、材料Ｍを加熱して気化させる少なくとも一つの加熱ユニット１０を配置して微細な触媒粒子Ｐを生成した後、このようにして生成された触媒粒子Ｐを炭素担体２１に供給して付着させることによって、燃料電池用電極を製造する。触媒粒子を生成するための材料Ｍは、白金（Ｐｔ）塊りとすることができ、触媒粒子を担持する炭素担体２１は、炭素布（Ｃａｒｂｏｎ Ｃｌｏｔｈ）や炭素紙（Ｃａｒｂｏｎ Ｐａｐｅｒ）とすることができる。以下では炭素担体として炭素紙を用いる例について説明する。

図２乃至図４では、水平及び垂直方向に複数の加熱ユニット１０を配列した例を示しており、このように配列された複数の加熱ユニット１０を同時に動作させて触媒粒子Ｐを生成すると、広い面積の炭素紙２１を短時間でコーティングすることができ、大量生産が図られる。もちろん、場合によって一つの加熱ユニット１０のみを配置しても良い。

加熱ユニット１０は、材料Ｍに接した状態で材料Ｍを直接的に加熱する。これにより、短時間で材料Ｍを気化温度まで加熱し、消費電力を低減できる。材料Ｍを白金とする場合には、加熱ユニット１０が材料Ｍを直接的に加熱する温度を略１０００℃〜１７００℃の範囲に制御することが好ましい。これは、温度が１０００℃よりも低い場合には白金塊りの表面で触媒粒子がよく生成されなく、温度が１７００℃よりも高い場合には触媒粒子が過多生成され、生成された粒子同士が衝突しながら触媒粒子の大きさが増加するためである。

このような加熱ユニット１０は、材料Ｍが安置される板状の加熱体１１と、加熱体１１の内部に埋設されて電源供給時に発熱する加熱要素１２とを備えて構成される。図４は、加熱要素としてタングステンワイヤーからなる電熱線が用いられた例を示す。材料Ｍと近接した位置で電熱線１２をジグザグ状に折り曲げて集中配置することによって、材料Ｍを短時間で蒸発させる。一方、電熱線１２の両端は、電源の供給のために外部に延びて外部電源（図示せず）と連結される。

したがって、電源の供給によって電熱線１２が発熱すると、加熱体１１に安置されている材料Ｍが直接的に加熱されて気化し、気化した材料は周囲の低い温度の空気とぶつかって瞬間的に冷却されながら微細な大きさの触媒粒子Ｐを形成する。

このようにして形成された触媒粒子Ｐは、流動発生源３０より発生する気体の流動に乗って炭素紙２１に向かって遅い流速で移動する。本発明の一実施例では、流動発生源３０として送風ファンとファンモーターとで構成される一般の送風装置を使用したが、これに限定されず、空気ポンプや圧縮ガスで充填されたガスタンクを使用しても良い。

一方、図２及び図４に示すように、炭素紙２１は、流動発生源３０より気体が流動する方向と交差する方向に一定の速度で移送される。そうすると、触媒コーティング作業済みの炭素紙を新しい炭素紙に入れ替えることなく触媒粒子を炭素紙に連続してコーティングでき、生産性が向上する。

このように一方向に移動している炭素紙２１に触媒粒子が当ると、触媒粒子Ｐは、炭素紙２１を形成する炭素粒子２１ａに付着する。このように触媒粒子Ｐが付着することで、炭素紙２１に触媒の担持された触媒担持体２２が完成する。完成した触媒担持体２２は、燃料電池用電極を製造する際に適切な大きさに切断され、燃料電池用電極の触媒層として用いられる。

図５は、本発明の他の実施例による燃料電池製造方法を示す図である。以下では、本実施例の特徴的な事項のみが説明される。

図５に示すように、炭素紙２１は、その一面に接して炭素紙２１を支持する支持部材４０によって冷却される。支持部材４０には、支持部材４０を常温以下の温度に冷却する冷却ユニット５０が連結される。支持部材４０は、熱伝導度に優れた金属物質で形成されることが好ましい。また、支持部材４０は、流動発生源３０より発生した気体の流動が通過できるような流動穴４１を持つことが好ましい。冷却ユニット５０は、触媒粒子Ｐが炭素紙２１に付着するのを邪魔せずに支持部材４０を冷却できるような形態に構成されることができ、例えば、吸熱側を支持部材に連結したペルティエ素子が使用できる。

このように冷却ユニット５０を用いて炭素紙２１が常温以下の温度を維持させる理由は、熱泳動効果を通じて触媒粒子Ｐがより円滑に移動して炭素紙２１に付着できるようにするためである。すなわち、加熱ユニット１０によって材料Ｍが加熱される時に周囲空気の温度は数百度程度に上昇するが、この時、炭素紙２１の温度を常温以下の温度に保持すると、空気の温度差によって触媒粒子Ｐが炭素紙２１に移動して效果的に付着する。この場合には、図２に示す送風装置が省かれても良い。

以下、上記の製造方法に使用可能な燃料電池用電極の製造装置について説明する。図６は、本発明の一実施例による燃料電池用電極の製造装置を示す斜視図である。

図６に示すように、本発明の一実施例による燃料電池用電極の製造装置は、工程のための空間を提供する工程チャンバー１００と、材料Ｍを直接的に加熱して気化させることによって触媒粒子を生成する触媒粒子発生装置１１０と、工程に用いられる炭素担体２１を移動させる移送装置１２０と、触媒粒子発生装置１１０で生成された触媒粒子Ｐを炭素担体２１に流動させる流動発生源３０と、を備えて構成される。触媒粒子発生装置１１０は、垂直及び水平に配列される複数の加熱ユニット１０を備えてなる。加熱ユニット１０については上述したのでその説明は省略される。また、前述したように、送風ファン３１を備えてなる送風装置３０ａが流動発生源３０として用いられる。

送風装置３０ａの吐出側と工程チャンバー１００の一側とはダクト１３０を介して連通され、工程チャンバー１００の他側には排気口１０１が形成される。したがって、送風装置３０ａが作動すると、気流がダクト１３０を通って工程チャンバー１００に流入し、工程チャンバー１００の内部を経由して排気口１０１から排出される。

工程チャンバー１００の内部においてダクト１３０に近接した位置には、工程チャンバー１００に流入する空気の流動を均一に分散させるための多孔板１４０が配される。この多孔板１４０は複数の分散穴１４１を有する。ここで、複数の分散穴１４１は、ダクト１３０に臨む中心部から外周側に行くにつれて直径の大きさが次第に大きくなるように配列される。また、多孔板１４０の下流側には複数の加熱ユニット１０が配列され、空気の流動方向に沿って加熱ユニット１０から一定の距離隔たって炭素担体の炭素紙２１が配置される。

炭素紙２１は、移送装置１２０によって空気の流動方向と交差する方向に移動する。移送装置１２０は、工程チャンバーに供給される炭素紙の巻き取られている供給リール１２１と、工程チャンバー１００の内部で触媒粒子コーティング工程を終えた炭素紙を巻き取る巻取リール１２２と、巻取リール１２２を回転させる駆動モーター１２３とを備えてなる。供給リール１２１は、工程チャンバー１００の一側面１００ａの外側に配置され、巻取リール１２２は、工程チャンバー１００の他側面１００ｂの外側に配置される。供給リール１２１に巻き取られている炭素紙は、工程チャンバー１００の一側面１００ａを通過して工程チャンバー１００の内部に供給され、工程済みの炭素紙は、工程チャンバー１００の他側面１００ｂを通過して工程チャンバー１００の外部に排出された後、巻取リール１２２に巻き取られる。

したがって、送風装置３０ａ、加熱ユニット１０及び移送装置１２０に電源を印加して動作させると、送風装置３０ａより発生する空気の流動がダクト１３０及び多孔板１４０を通過して工程チャンバー１００内に供給される。また、加熱ユニット１０によって微細な触媒粒子が生成され、生成された触媒粒子は空気の流動に乗って炭素紙２１に移動して付着する。このとき、炭素紙２１は空気の流動方向に交差する方向に一定の速度で移送し続けているので、上記の触媒層コーティング工程は連続して行われる。

一方、本実施例では、図５に示す支持部材及び冷却ユニットを省いたが、同様にそれらを適用しても良く、こうした場合、熱泳動効果によって触媒粒子の移動及び付着がより效果的に行われる。

従来の水素イオン交換膜燃料電池を概略的に示す図である。 本発明の一実施例による燃料電池用電極の製造方法を示す図である。 図２をＡ方向から見た図である。 図２をＢ方向から見た図である。 本発明の他の実施例による燃料電池用電極の製造方法を示す図である。 本発明の一実施例による燃料電池用電極の製造装置を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 加熱ユニット
１１ 加熱体
１２ 加熱要素
２１ 炭素担体
３０ 流動発生源
４０ 支持部材
５０ 冷却ユニット
１００ 工程チャンバー
１１０ 触媒粒子発生装置
１２０ 移送装置
１２１ 供給リール
１２２ 巻取リール
１３０ ダクト
１４０ 多孔板

Claims (24)

1. 金属触媒が担体に担持されている触媒担持体を持つ燃料電池用電極の製造方法であって、
   （ａ）材料を加熱する少なくとも一つの加熱ユニットを配置する段階と、
   （ｂ）前記少なくとも一つの加熱ユニットを介して材料を気化させて触媒粒子を生成する段階と、
   （ｃ）生成された触媒粒子を炭素担体に供給して付着させる段階と、
   を含むことを特徴とする、燃料電池用電極の製造方法。
2. 上記（ａ）段階は、複数の加熱ユニットを水平及び垂直に配列する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用電極の製造方法。
3. 前記触媒粒子を生成して前記炭素担体をコーティングするように前記加熱ユニットを同時に作動させる段階をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用電極の製造方法。
4. 上記（ｂ）段階は、前記材料の表面を直接的に加熱する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用電極の製造方法。
5. 前記加熱ユニットは、前記材料が安置され、安置された材料と接する加熱体と、前記加熱体の内部に埋設されて発熱する加熱要素と、を備えることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池用電極の製造方法。
6. 前記炭素担体は、炭素布や炭素紙からなり、
   前記製造方法は、前記炭素布または炭素紙を移送させる段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用電極の製造方法。
7. 気体流動を発生させる流動発生源を用いて前記（ｂ）段階で生成された触媒粒子を前記炭素担体に移動させる段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用電極の製造方法。
8. 前記（ｃ）段階は、前記炭素担体を冷却させる段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用電極の製造方法。
9. 前記材料は、白金塊りであることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池用電極の製造方法。
10. 前記材料と接する加熱体の温度を１０００℃〜１７００℃間で制御することを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池用電極の製造方法。
11. 金属触媒が担体に担持されている触媒担持体を持つ燃料電池用電極を製造する装置にであって、
    工程を行うための空間を有する工程チャンバーと、
    前記工程チャンバーの内部に設置され、材料を直接的に加熱して触媒粒子を発生させる触媒粒子発生装置と、
    前記工程チャンバーの内部に配置される炭素担体を移動させる移送装置と、
    を備えることを特徴とする、燃料電池用電極の製造装置。
12. 前記触媒粒子発生装置は、複数の加熱ユニットを備え、前記加熱ユニットは、材料が安置され、安置された材料と接する加熱体と、前記加熱体の内部に埋設されて発熱する加熱要素とを備えることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池用電極の製造装置。
13. 前記各加熱ニットの加熱体は板状であり、前記加熱要素は、前記材料と近接する位置においてジグザグ状に折り曲げられた電熱線であることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池用電極の製造装置。
14. 前記触媒粒子発生装置より生成された触媒粒子を前記炭素担体に流動させる流動発生源をさらに備えることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池用電極の製造装置。
15. 前記炭素担体を支持する支持部材と、
    前記支持部材を冷却させる冷却ユニットと、
    をさらに備えることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池用電極の製造装置。
16. 前記移送装置は、前記工程チャンバーの内部に移送される炭素担体が巻き取られる供給リールと、前記工程チャンバーの内部で触媒粒子の付着した炭素担体を巻き取る巻取リールと、を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池用電極の製造装置。
17. 前記流動発生源は、送風ファン及びファンモーターとを含む送風装置を備えることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池用電極の製造装置。
18. 前記流動発生源は、空気ポンプや圧縮されたガスで充填されたガスタンクであることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池用電極の製造装置。
19. 前記送風装置は、前記工程チャンバーの一側にダクトを介して連通され、前記工程チャンバーの他側には排気口が形成され、前記送風装置が作動すると、気流が前記ダクトを通って前記工程チャンバーに流入し、工程チャンバー内部を経由して前記排気口から排出されることを特徴とする、請求項１７に記載の燃料電池用電極の製造装置。
20. 前記工程チャンバーの内部には、該工程チャンバーに流入する空気の流動を均一に分散させるように複数の分散穴を有する多孔板がさらに備えられることを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池用電極の製造装置。
21. 前記複数の分散穴は、その大きさが前記ダクトに臨む中心部から外周側に行くにつれて次第に大きくなるように配置され、該多孔板の下流側には複数の加熱ユニットが配列されることを特徴とする、請求項２０に記載の燃料電池用電極の製造装置。
22. 前記炭素担体は、空気の流動方向に沿って前記加熱ユニットから一定の距離隔たって配置され、前記移送装置によって空気の流動方向と交差する方向に移動することを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池用電極の製造装置。
23. 前記送風装置、加熱ユニット及び移送装置が動作すると、前記送風装置より発生する空気の流動が前記ダクト及び多孔板を通過して前記工程チャンバー内に供給され、前記加熱ユニットによって微細な触媒粒子が生成され、生成された触媒粒子は空気の流動に乗って前記炭素担体に移動して付着することを特徴とする、請求項２２に記載の燃料電池用電極の製造装置。
24. 前記炭素担体が、前記流動発生源より発生した空気の流動方向に交差する方向に一定の速度で移送し、触媒層コーティング工程が連続して行われることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池用電極の製造装置。

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