(57)【要約】【課題】ガス拡散性が高く、表面の平滑な電極触媒層を有するガス拡散電極の製造方法を提供すること。【解決手段】触媒とフッ素樹脂とを分散媒中で混合・分散・凝集し、平均粒度の異なる２種類のスラリーを形成する。濾過工程の初回に相対的に平均粒度の大きいスラリーを電極基材１１の表面上に展開して吸引濾過し、２回目以降に相対的に平均粒度が小さいスラリーを電極基材１１の表面上に展開して吸引濾過する。得られた電極を乾燥、焼成することにより、ガス拡散電極を製造する。【選択図】図１
2010244952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒と撥水剤とを分散媒中に混合・分散・凝集してスラリーを形成するスラリー化工程と、
前記スラリーを一対の表面を有する電極基材の一方の表面上に展開してから、前記電極基材の他方の表面側から吸引濾過して触媒層を形成する濾過工程と、
を具備するガス拡散電極の製造方法であって、
前記濾過工程は、相対的に平均粒径が大きいスラリーを前記電極基材上に展開してから、相対的に平均粒径の小さいスラリーを前記電極基材上に展開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】
前記相対的に平均粒径が大きいスラリーは、平均粒径が前記電極基材の平均細孔径より５μｍ〜１５μｍ大きいことを特徴とする請求項１記載のガス拡散電極の製造方法。
【請求項３】
前記相対的に平均粒径が大きいスラリーは、前記相対的に平均粒径の小さいスラリーより低いｐＨで分散されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のガス拡散電極の製造方法。
【請求項４】
前記相対的に平均粒径が大きいスラリーは、前記相対的に平均粒径が小さいスラリーよりも速い攪拌速度及び／又は長い攪拌時間で分散されてなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法。
【請求項５】
前記相対的に平均粒径が大きいスラリーは、前記相対的に平均粒径が小さいスラリーよりも高い温度で凝集されてなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の製造方法で製造されたガス拡散電極を具備することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスから電気化学反応によって直流電気を発生させる燃料電池に関し、特に燃料電池用のガス拡散電極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガス及び酸化剤ガスから電気化学反応によって発電する燃料電池が注目を集めいている。燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスを供給する燃料極と、酸素などの酸化剤ガスを供給する酸化剤極と、燃料極と酸化剤極との間に充填される電解質層と、を備えて構成される。このような燃料電池の一例として、燃料極及び酸化剤極にガス拡散経路を備えたガス拡散電極を用いた燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３にリン酸型燃料電池の電極の積層構造を示す。リン酸型燃料電池は、単位セル４１が複数積層された構造をとっている。各単位セル４１は、２枚のセパレート板４２によってそれぞれ遮蔽されている。２枚のセパレート板４２の間には、リン酸溶液などの電解液を保持する電解質層４３が配置される。この電解質層４３の一方の面側には燃料極４４が配置され、他方の面側には酸化剤極４５が配置される。燃料極４４及び酸化剤極４５は、多孔質の電極基材と、この電極基材の電解質層４３側の表面に形成される電極触媒層とからなる。
【０００４】
燃料極４４と一方のセパレート板４２との間には、燃料極４４に燃料ガスを供給するガス流路（溝）を設けた基材４６が配置される。また、酸化剤極４５と他方のセパレート板４２との間には、酸化剤極４５に酸化性ガスを供給するガス流路（溝）を設けた基材４７が配置される。燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料極４４内及び酸化剤極４５内のそれぞれの細孔を透過し、細孔内で拡散されて電解質層４３側に供給される。
【０００５】
このようにして燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料極４４及び酸化剤極４５を介してそれぞれの電極触媒層に供給される。電極触媒層では、燃料ガス及び酸化剤ガス（気相）、電解液（液相）、触媒（固相）の３相の電気化学反応が進行し、直流電流が発電される。また、各単位セル４１の間には、発電に伴う単位セル４１毎の発熱の熱交換のため、冷却水を流す冷却板４８が一定の間隔で設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２７３１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池において発電性能を安定に保つためには、一定して電気化学反応が進行することが望ましい。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスを均一に供給する観点から、電極基材は細孔が均一に形成されていることが必要とされる。また、燃料極及び酸化剤極の電極触媒層は、触媒粒子が均一に分散され、表面が平滑であることが必要とされる。
【０００８】
一方、電極触媒層は、界面活性剤を含む水に超音波などを用いて触媒微粒子、フッ素樹脂粒子、凝集剤などを混合・分散・凝集（以下、凝集体をスラリーという）させた後、電極基材の表面にスラリーを展開し、吸引濾過して電極基材上に形成される。
【０００９】
しかしながら、従来のガス拡散電極の製造工程では、触媒粒子とフッ素樹脂粒子のスラリーの粒径が大きい場合、触媒粒子とフッ素粒子とのゼータ電位の差などにより、触媒粒子の分散の均一性が低下する問題があった。また、分散の均一性を改善するべく、スラリーの粒径を小さくした場合、電極基材の細孔がスラリーによって閉塞する問題があった。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ガス拡散性が高く、表面の平滑な電極触媒層を有するガス拡散電極の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のガス拡散電極の製造方法は、触媒と撥水剤とを分散媒中に混合・分散・凝集してスラリーを形成するスラリー化工程と、前記スラリーを一対の表面を有する電極基材の一方の表面上に展開してから、前記電極基材の他方の表面側から吸引濾過して触媒層を形成する濾過工程とを具備するガス拡散電極の製造方法であって、前記濾過工程は、相対的に平均粒径が大きい前記スラリーを前記電極基材上に展開してから、相対的に平均粒径が小さい前記スラリーを前記電極基材上に展開することを特徴とする。
【００１２】
この方法によれば、相対的に平均粒径が大きいスラリーを先に展開することにより、電極基材の細孔をカバーすることができるので、触媒粒子及びフッ素樹脂粒子の侵入を抑制することができ、ガス拡散性の高いガス拡散電極を製造することができる。また、相対的に平均粒径が大きいスラリーが電極基材上に展開されて生じるスラリーの間隙に相対的に粒径の小さいスラリーが展開されるので、電極触媒層を平滑に形成することができる。
【００１３】
本発明は、上記ガス拡散電極の製造方法において、前記相対的に大きい粒径のスラリーは、平均粒径が前記電極基材の平均細孔径より５μｍ〜１５μｍ大きいことを特徴とする。
【００１４】
この方法によれば、電極基材の平均細孔径より大きいスラリーを展開してから、粒径の小さいスラリーを展開するので、電極基材の細孔をカバーすることができ、電極基材の細孔の閉塞を抑制することができる。また、スラリーの平均粒径を電極基材の細孔に適した粒径に制御することにより、スラリーの分散性の低下を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明は、上記ガス拡散電極の製造方法において、前記相対的に平均粒径が大きいスラリーは、前記相対的に平均粒径の小さいスラリーより低いｐＨで分散されてなることを特徴とする。
【００１６】
この方法によれば、触媒粒子及びフッ素樹脂粒子の分散状態をｐＨにより調整することができるので、相対的に平均粒径が大きいスラリーの分散状態を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明は、上記ガス拡散電極の製造方法において、前記相対的に平均粒径が大きいスラリーは、前記相対的に平均粒径が小さいスラリーよりも速い攪拌速度及び／又は長い攪拌時間で分散されてなることを特徴とする。
【００１８】
この方法によれば、触媒粒子及びフッ素樹脂粒子の分散状態を攪拌条件により調整することができるので、相対的に平均粒径が大きいスラリーの分散状態を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明は、上記ガス拡散電極の製造方法において、前記相対的に平均粒径が大きいスラリーは、前記相対的に平均粒径が小さいスラリーよりも高い温度で凝集されてなることを特徴とする。
【００２０】
この方法によれば、スラリーの平均粒径を凝集時の温度により調整することができるので、相対的に平均粒径が大きいスラリーの平均粒径を所望の値に制御することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池は、上記ガス拡散電極の製造方法で作製されたガス拡散電極を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ガス拡散性が高く、表面の平滑な電極触媒層を有するガス拡散電極の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係るガス拡散電極の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るガス拡散電極の製造工程を示すフロー図である。
【図３】燃料電池の電極の積層構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係るガス拡散電極の製造方法によって作られるガス拡散電極の模式図である。同図に示すように、本実施の形態に係る製造方法によって作られるガス拡散電極は、一対の主面を有する電極基材１１と、この電極基材１１の一方の表面上に形成される電極触媒層１２とを備えて構成される。電極触媒層１２は、電解質層１３と電極基材１１との間の界面に形成されている。
【００２５】
電極基材１１は、複数の細孔を有する多孔質の基材として形成されている。また、電極基材１１は、電極基材１１の面が一様の厚みになるように形成されている。電極触媒層１２は、触媒粒子１４と撥水剤としてのフッ素樹脂粒子１５とを含んで形成される。触媒粒子１４は、白金微粒子１６及びこの白金微粒子１６を担持する触媒担体１７により構成される。また、触媒粒子１４は、フッ素樹脂粒子１５により触媒粒子１４同士が結着されている。電解質層１３は、リン酸溶液などからなる電解液１８とこの電解液１８を含浸して電解質層１３に保持するシリコンカーバイド微粒子１９とを含んで形成されている。
【００２６】
発電する際には、電極基材１１の他方の主面側（電極触媒層１２と反対面側）から電解質層１３側に向けて燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される。この燃料ガス及び酸化剤ガスは、電極基材１１の細孔を介して、電極基材１１の細孔内で拡散されて電極触媒層１２に供給される。電極触媒層１２では、燃料ガス及び酸化剤ガス（気相）、電解液１８（液相）及び触媒粒子１４（固相）の３相界面において電気化学反応が進行する。このため、発電性能を向上させるためには、電極触媒層１２での３相の接触面積を増やし、かつ電極触媒層１２が均一に形成されていることが必要となる。
【００２７】
本実施の形態においては、電極触媒層１２に触媒粒子１４と共にフッ素樹脂粒子１５を用いる。電極触媒層１２は、電解液１８と親和性の高い触媒粒子１４の作用により、電解液１８により浸潤した状態となっている。この電解液１８に対して撥水性のあるフッ素樹脂粒子１５を用いることにより、３相の界面を増やすことができる。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスと電解液１８及び触媒粒子１４との接触面積が増大し、発電効率を向上させることができる。電極触媒層１２に用いる触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５は、３相の接触界面を増やす観点から、微粒子を用いることが望ましい。
【００２８】
また、燃料電池では、電気化学反応により燃料ガス及び酸化剤ガスが消費される。このため、燃料極及び酸化剤極の電極面内で反応が円滑に進行する部位と、反応が進行しにくい部位とが混在した場合、燃料ガス及び酸化剤ガスの消費にバラつきが生じる。この場合、反応が円滑に進行する部位では、燃料ガス及び酸化剤ガスが円滑に消費され、反応が進行しにくい部分では、燃料ガス及び酸化剤ガスが相対的に消費されにくい状態となる。このように、電極面内で電気化学反応にバラつきが生じると、例えば、電気化学反応で生成する水などの影響により、ガス拡散電極付近の電解液１８の組成がバラついて発電効率が低下する。
【００２９】
このような観点から、燃料極及び酸化剤極は、電極面内の全面に亘って均一に電気化学反応が進行するように形成されることが望ましい。このため、本実施の形態においては、触媒微粒子１４を均一かつ微細に形成することに加え、スラリーの粒径を調整し、複数回に分けて濾過することにより、電極基材１１の表面を平滑に形成すると共に、電極基材１１の細孔内への微粒子の侵入を抑制することにより、ガス拡散電極のガス拡散性能の低下を抑制する。
【００３０】
次に、図２を参照して、ガス拡散電極製造工程の概略について説明する。尚、図２は、本実施の形態に係るガス拡散電極製造工程のフロー図である。
【００３１】
図２に示すように、本実施の形態に係るガス拡散電極の製造工程は、純水にアニオン系面活性剤を添加した分散媒に、触媒及びフッ素樹脂を混合・分散・凝集させるスラリー化工程と、このスラリーを吸引濾過して電極基材１１上に触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５を展開する濾過工程と、濾過後の電極を乾燥、焼成する工程などからなる。
【００３２】
本実施の形態においては、スラリー化工程で平均粒径（粒径分布）が異なるスラリーを調製し、この２種類のスラリーを濾過工程で段階的に濾過することにより、電極基材１１の細孔を閉塞することなく、電極触媒層１２の表面を平滑に形成する。
【００３３】
スラリー化工程では、相対的に平均粒径が大きいスラリー及び相対的に平均粒径が小さいスラリーの２種類を調製する。相対的に平均粒径が大きいスラリーは、以下のように調製する。まず、触媒及びフッ素樹脂の添加後、分散媒に加える強酸の量を調整し、分散媒をｐＨ２に制御する。次に、攪拌速度を従来条件の１．２倍（３００ｒｐｍ）にし、更に攪拌時間を倍（１０分）にして分散・混合する。次いで、常温（室温）で１５時間放置することにより、触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５を凝集させる。
【００３４】
本実施の形態においては、分散時のｐＨを低くすることにより、触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５のゼータ電位の差を調整する。そして攪拌を激しく行うことにより、触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５を均一に分散させることができると同時に、粒子同士の衝突回数が増加することで凝集粒の成長がより進行しやすくなる。このような方法でスラリーの平均粒径を大きくすると同時に触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５が均一に分散したスラリーを得ることができる。
【００３５】
一方、相対的に平均粒径の小さいスラリーは、従来条件と同様に調製する。まず、触媒及びフッ素樹脂の添加後、分散媒に加える強酸の量を調整し、分散媒をｐＨ３に制御する。次に、攪拌速度を従来条件（２５０ｒｐｍ）にし、更に攪拌（５分）して攪拌・混合する。次いで、５℃で１５時間放置することにより、触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５を凝集させる。
【００３６】
本実施の形態において、相対的に平均粒径の大きいスラリーを調製する際のｐＨの値は、相対的に平均粒径の小さなスラリーより小さい値に設定される。ｐＨの値は、調製するスラリーの平均粒径に応じて設定され、触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５の分散性の観点から通常ｐＨ３以下に設定される。
【００３７】
また、相対的に平均粒径の大きいスラリーを調製する際の攪拌条件は、触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５の分散性を向上する観点から、相対的に平均粒径の小さなスラリーより攪拌速度を相対的に速く、攪拌時間を相対的に長くする。
【００３８】
また、相対的に平均粒径の大きいスラリーを調製する際の分散後の放置（静置）温度は、スラリーの平均粒径を大きくする観点から、相対的に平均粒径の小さいスラリーを調製する際より高く設定される。
【００３９】
濾過工程では、調製した２種類のスラリーを少なくとも２回に分けて電極基材１１の表面上に展開し、吸引濾過する。まず、初回には相対的に大きな粒径のスラリーを電極基材１１上に展開して吸引濾過する。次に、２回目以降には相対的に小さな粒径のスラリーを電極基材１１上に展開して吸引濾過する。
【００４０】
スラリーを濾過する際には、まず、電極基材１１層となるカーボンペーパーの上に枠体を乗せた状態で、初回展開用の平均粒度の大きいスラリーを枠体内に注ぐ。カーボンペーパー表面上に投入されたスラリーがカーボンペーパー全面に行き渡りかつ液面が安定してから、吸引機で吸引濾過する。次いで、相対的に粒径分布の小さいスラリーを枠体内に注ぎ、カーボンペーパー表面上に投入されたスラリーがカーボンペーパー全面に行き渡り、かつ液面が安定してから吸引機で吸引濾過する。なお、吸引濾過は電極の表面を平滑にするため、相対的に粒径の小さなスラリーを数回に分けて展開し、分割して濾過することが望ましい。吸引濾過時の圧力は特に制限されず、通常３０ｍｍＨｇ（４．０ｋＰａ）〜８０ｍｍＨｇ（１０．７ｋＰａ）の減圧度で行うことができる。次に、濾過後に得られた触媒層に純水を枠内に注いで吸引器で吸引して洗浄し、酸を除去する。
【００４１】
このように、本実施の形態においては、相対的に平均粒径が大きいスラリーと相対的に平均粒径が小さいスラリーとを別に調製し、相対的に平均粒径が大きいスラリーを吸引濾過してから、相対的に平均粒径が小さいスラリーを吸引濾過する。この工程により、まず、平均粒径の大きなスラリーが電極基材１１の表面上に展開され、電極基材１１の細孔をカバーする。次いで、平均粒径の小さなスラリーを展開することにより電極基材１１の表面上の凹凸を充填することができる。このため、電極基材１１の細孔に微粒子が侵入することなく電極触媒層１２を形成することができると共に、平滑な表面を有する電極触媒層１２を得ることができる。また、電極基材１１の細孔への微粒子の侵入を抑制することができるので、濾過性を向上することができ、濾過時間を短縮することもできる。
【００４２】
以下、実施例を挙げて、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４３】
（実施例）
まず、純水にアニオン系の界面活性剤を添加した分散媒に、カーボン粒子に白金微粒子を担持した白金担持触媒を混合した。アニオン系の界面活性剤としては、スルホン酸系、ポリカルボン酸系、リン酸系、アミノ酸系等があるが、中でもアミノ酸系およびポリカルボン酸系が好適である。また、アニオン系界面活性剤は、通常、純水に対して０．５重量％〜１．０重量％添加する。また、白金担持触媒は、通常分散媒に対して０．１重量％〜１重量％の濃度で添加する。
【００４４】
次に、超音波発振器を用いて超音波を印加して攪拌・ホモジナイザー分散を行った。このときの白金担持触媒の平均粒子径は、１μｍ以下であった。次いで、この分散液にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の分散液（米国Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製、３０−Ｊ等）を添加した。ＰＴＦＥの添加量は触媒重量に対して４０重量％〜１００重量％相当が望ましい。次に、超音波を印加して攪拌・ホモジナイザー分散して、触媒とＰＴＦＥをさらに分散してスラリーとした。このように、界面活性剤を含む水に超音波などを用いて触媒粒子１４を分散させ、界面活性剤を使用したフッ素樹脂粒子１５のディスパージョンを加えて触媒粒子１４とフッ素樹脂粒子１５の均一な混合状態を得る。
【００４５】
次に、得られたスラリーに強酸を滴下して凝集した。このとき用いる酸としてはリン酸、硫酸、硝酸、塩酸等があるが、リン酸および硝酸が好適である。アニオン系の界面活性剤は、低ｐＨ領域で界面活性剤としての能力を急速に失い、低ｐＨ領域では触媒およびＰＴＦＥの電荷が小さくなる。このため触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５がそれぞれに分離することなく、凝集・沈降する。
【００４６】
相対的に平均粒径の大きなスラリーは、加える強酸の量により分散媒のｐＨを２に調整し、攪拌速度３００ｒｐｍ、攪拌時間１０分で攪拌した後、常温下で１５時間放置して調製した。このスラリーの平均粒径は、レーザー光散乱式の粒度分布測定装置（島津製作所社製、ＳＡＬＤ−２０００）での測定結果で５０μｍであった。また、このスラリーの平均粒径は、電極基材１１となるカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ０６０など）の平均細孔径３５μｍより１５μｍ大きい結果であった。
【００４７】
次に、相対的に平均粒径の小さいスラリーは、加える強酸の量により分散媒のｐＨを３に調整し、攪拌速度２５０ｒｐｍ、攪拌時間５分で攪拌した後、５℃に制御された保冷庫内で１５時間放置して調製した。このスラリーの平均粒径は、レーザー光散乱式の粒度分布測定装置での測定結果で２２μｍであった。
【００４８】
次に吸引濾過を行った。まず、電極基材１１となるカーボンペーパーの上に枠を載せた状態で、まず初回展開用の平均粒径が大きいスラリーを枠内に注いだ。カーボンペーパー表面上に投入されたスラリーがカーボンペーパー全面に行き渡り、かつ液面が安定した後、吸引機で吸引濾過した。
【００４９】
次に、相対的に平均粒径の小さいスラリーを枠内に注いだ。カーボンペーパー表面上に投入されたスラリーがカーボンペーパー全面に行き渡り、かつ液面が安定した後、吸引機で吸引濾過した。
【００５０】
次に、純水を枠内に注いで吸引濾過し、濾過後に得られた電極触媒層を洗浄して酸を除去した。この時、必要に応じて複数回純水を注いで吸引濾過する。次いで、電極を乾燥させて水分を除去した。
【００５１】
次に、電極を２４０℃〜２８０℃程度の窒素雰囲気下で焼成して界面活性剤を除去し、次いで、３２０℃〜３６０℃程度において焼成した。このように、電極を焼成することにより、電極触媒層としての形態が安定となり、フッ素樹脂の融点付近での温度で熱処理を施されることにより、フッ素樹脂による撥水性が有効に再現される。以上のようにしてガス拡散電極を製造した。
【００５２】
上記実施例では、製造工程の濾液の中に、凝集物に由来するカーボン粉等の材料が検出されなかった。また、得られたガス電極は、面内５０点での断面の電子顕微鏡観察により、多孔質電極基材の細孔中にスラリーに由来するカーボン粉、触媒成分などは観察されなかった。また、面内５０点での厚さ測定、及び２５か所に分割した際の各面内での触媒質量のバラつきはいずれも３％以内であり、大きな凹凸は観察されなかった。
【００５３】
（比較例）
実施例の相対的に小さな粒径のスラリーのみを用いて吸引濾過した以外は、実施例と同様の手順でガス拡散電極を製造した。このガス拡散電極の面内５０点での厚さ及び２５か所に分割した際の各面内での触媒質量のバラつきは、それぞれ約１０％であった。
【００５４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、濾過工程の初回に相対的に粒径分布の大きいスラリーを濾過することにより、初回の濾過時に電極基材１１の細孔をカバーできるので、電極基材１１の細孔への微粒子の侵入を抑制することができると共に、触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５の濾液への通過を防ぐことができる。また、２回目以降の濾過は、相対的に粒径分布の小さいスラリーを濾過することにより、初回の濾過時に電極基材１１の表面に展開されたスラリー表面の凹部や、粒子間などの間隙を埋めることができるので、平滑な表面を有する電極触媒層１２を得ることができる。これにより、安定した燃料電池発電特性、電池寿命性能を得ることができ、かつ、スラリー（凝集物）が多孔質電極基材の細孔へ侵入することによるガス拡散性能の低下防止を抑制することができる。更には、凝集物が多孔質電極基材を通過するコストアップを抑制することができる。
【００５５】
従来技術で触媒粒子１４とフッ素樹脂粒子１５のスラリーを電極基材１１表面に展開し、吸引濾過によって電極触媒層１２を形成する場合、スラリーの平均粒径は、電極基材１１の細孔径より大きい必要がある。しかしながら、スラリーの粒径を大きくするためには、凝集力を強くする必要があり、この際に、均一に分散混合した触媒粒子１４とフッ素樹脂粒子１５とがそのゼータ電位の差により分散の均一性が低下する。
【００５６】
また、スラリーの平均粒径が大きいほど電極触媒層１１表面に充填される触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５の空隙が大きくなり、微細な凹凸が大きくなる。このような凹凸により平滑性が損なわれた場合、燃料極の電極触媒層１２の凸部と空気電極の電極触媒層１２の凸部とが単セル内に存在することで、局所的に電解質層１３の厚さが薄くなり、発生電圧を著しく低下する極管ガスリークを生じたり、電極触媒層１２の凸部同士が接触して短絡を起こしたりし、燃料電池の発電性能に大きな悪影響を及ぼす。
【００５７】
さらに、スラリーの平均粒径を小さくした場合、電極基材１１の細孔内にスラリーが侵入して細孔内に堆積し、燃料電池の反応ガス流路として確保されているべき細孔が埋まる現象が発生する。このため、燃料電池として発電した際に反応に十分なガスが供給されず、著しい発電性能の低下を起こす。また、電極基材１１の細孔を触媒粒子１４が通過した場合には、高価な触媒粒子１４を電極触媒層１２として利用することができず、燃料電池のコストアップにつながる。
【００５８】
一方、本実施の形態によれば、触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５を凝集し、スラリーを調製する際の条件を調整することにより、相対的に大きい粒径のスラリーにおいても、触媒粒子１４及びフッ素樹脂粒子１５を均一に分散することができる。また、相対的に粒径分布の大きいスラリーを先に電極基材１１表面に展開することにより、電極基材１１表面の細孔の閉塞と触媒粒子１４のろ液への通過を共に抑制することができる。また、相対的に大きい粒径のスラリーを展開した際に生じるスラリー表面の凹凸を相対的に粒径分布の小さいスラリーにより、平滑化することができる。このため、従来技術より燃料電池の発電特性向上及び電池寿命性能の向上を達成することができると共に、燃料電池のコストダウンを達成することができる。
【００５９】
本発明は上記実施の形態に限定されず種々変更して実施することが可能である。また、上記実施の形態で説明した数値、寸法、材質については特に制限はない。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、例えば、燃料電池発電装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１１  電極基材
１２  電極触媒層
１３  電解質層
１４  触媒粒子
１５  フッ素樹脂粒子
１６  白金微粒子
１７  触媒担体
１８  電解液
１９  シリコンカーバイド微粒子
４１  単位セル
４２  セパレート板
４３  電解質層
４４  燃料極
４５  酸化剤極
４６、４７  基材
４８  冷却板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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