(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池の電極形成に用いる電極触媒溶液であって、
水より沸点が高く水溶液としたときに所定の温度以下で共沸する共沸溶剤の水溶液に触媒を担持する触媒担持カーボン粉末を分散してなる分散溶液と、
固体高分子電解質を含む電解質溶液と、
粘度調整用溶剤と、
を含み、粘度が３０〜２００ｃｐｓで含水率が５０％以下に調製されてなる電極触媒溶液。
【請求項２】
前記共沸溶剤は、多価アルコールである請求項１記載の電極触媒溶液。
【請求項３】
前記共沸溶剤は、比誘電率が２０〜５０の溶剤である請求項１記載の電極触媒溶液。
【請求項４】
前記共沸溶剤の水溶液は、１０〜６０％水溶液である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電極触媒溶液。
【請求項５】
前記電解質溶液は、前記触媒担持カーボン粉末のカーボンに対する前記固体高分子電解質の重量比で２：１〜１：２の比率で含まれてなる請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電極触媒溶液。
【請求項６】
前記固体高分子電解質は、パーフルオロスルホン酸型ポリマである請求項１〜５のいずれか１つに記載の電極触媒溶液。
【請求項７】
固体高分子型燃料電池の電極形成に用いる電極触媒溶液の製造方法であって、
水より沸点が高く水溶液としたときに所定の温度以下で共沸する共沸溶剤の水溶液に触媒を担持する触媒担持カーボン粉末を分散する分散工程と、
前記触媒担持カーボンが分散された水溶液に、固体高分子電解質を含む電解質溶液を添加する電解質添加工程と、
前記電解質溶液が添加された溶液の粘度が３０〜２００ｃｐｓで含水率が１０〜３０％の溶液になるよう調製する粘度含水率調整工程と、
を備える電極触媒溶液の製造方法。
【請求項８】
前記電解質添加工程において、前記触媒担持カーボンが分散された水溶液に前記電解質溶液を前記触媒担持カーボン粉末のカーボンに対する前記固体高分子電解質の重量比で２：１〜１：２の比率で添加する請求項７記載の電極触媒溶液の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の電極触媒溶液およびその製造方法に関し、詳しくは、固体高分子型燃料電池の電極形成に用いる電極触媒溶液およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池用の電極触媒溶液としては、電解質膜に塗布する所定の組成のものが提案されている（例えば、特表平９−５０１５３５号公報など）。この溶液は、２．６ｍｇのペルフルオリネーテッドスルホン酸ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）溶液（重量％でＮＡＦＩＯＮ（登録商標）ポリマ５％，イソプロピルアルコール５０％，メタノール２５％および水２０％から作られる），３９０ｍｇの１−メトキシ２−プロパノール，２ｍｌのイソプロパノール，ＶＵＬＣＡＮ（登録商標）カーボン支持体の２０％白金を有する４８７．９ｍｇの触媒（プリシアスメタルズコーポレーションによって製造されている）により調製されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした電極触媒溶液では、速乾性の溶媒を多く含む溶液に触媒担持カーボンを分散するから、分散時に発熱や触媒シンタリングを伴う場合が多く、溶液調製の作業性や量産性が低くなったり、形成される触媒電極の性能が低くなってしまう。触媒担持カーボンの分散時の発熱に対する処置として水に分散させる手法もあるが、この場合、電解質膜などへの印刷後の乾燥収縮が大きく触媒層にひび割れなどが生じ均一な触媒層を形成することが困難となる。
【０００４】
本発明の燃料電池用の電極触媒溶液は、均一な触媒層を形成すると共に高性能な触媒電極を形成する電極触媒溶液を提供することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池用の電極触媒溶液は、触媒電極の形成の作業性を向上させることを目的の一つとする。本発明の燃料電池用の電極触媒溶液の製造方法では、発熱や触媒シンタリングを伴わずに触媒担持カーボン粉末を分散してなる電極触媒溶液を製造することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池用の電極触媒溶液の製造方法では、触媒電極を形成する際における作業性の良い電極触媒溶液を製造することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池用の電極触媒溶液およびその製造方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池用の電極触媒溶液は、固体高分子型燃料電池の電極形成に用いる電極触媒溶液であって、水より沸点が高く水溶液としたときに所定の温度以下で共沸する共沸溶剤の水溶液に触媒を担持する触媒担持カーボン粉末を分散してなる分散溶液と、固体高分子電解質を含む電解質溶液と、粘度調整用溶剤と、を含み、粘度が３０〜２００ｃｐｓで含水率が５０％以下に調製されてなることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の電極触媒溶液では、水より沸点が高く水溶液としたときに所定の温度以下で共沸する共沸溶剤の水溶液に触媒を担持する触媒担持カーボン粉末を分散することにより、分散の際の発熱による触媒担持カーボン粉末の発火を防止することができると共に触媒シンタリングを伴わずに均一に分散することができる。共沸溶剤は水と共沸するから、触媒電極を形成する際に水と共に蒸発して残留物として残らない。この結果、形成される触媒電極の性能を高く維持することができる。
【０００８】
こうした本発明の電極触媒溶液において、共沸溶剤としては、水より沸点が高く水溶液としたときに所定の温度以下で共沸する溶剤であれば如何なるものでもよいが、多価アルコールや比誘電率が２０〜５０の溶剤が特に好適である。共沸溶剤の水溶液としては、１０〜６０％水溶液が特に好適である。
【０００９】
また、本発明の電極触媒溶液において、固体高分子電解質を含む電解質溶液を前記触媒担持カーボン粉末のカーボンに対する該固体高分子電解質の重量比で２：１〜１：２の比率で前記分散溶液に添加してなる触媒電解質溶液から調製されてなるものとすることもできる。こうすれば、触媒電極を形成したときに触媒電極にも固体高分子電解質が含まれることになるから、燃料電池を構成したときの電極反応により生じるプロトンなどの電解質内を伝導する粒子を電解質に良好に伝導させることができる。この結果、形成される触媒電極の性能を向上させることができる。なお、固体高分子電解質としては、固体高分子型燃料電池における電解質として機能するものであれば如何なるものでもよいが、特にパーフルオロスルホン酸型ポリマが好適である。
【００１０】
こうした触媒電解質溶液から調製されてなる態様の本発明の電極触媒溶液において、前記触媒電解質溶液に粘度調整用溶剤を添加して粘度が３０〜２００ｃｐｓで含水率が５０％以下に調製されてなるものとすることもできる。こうすれば、触媒電極を形成する際のインクとしての取り扱い、即ち印刷性や乾燥性などを向上させることができる。
【００１１】
本発明の燃料電池用の電極触媒溶液の製造方法は、固体高分子型燃料電池の電極形成に用いる電極触媒溶液の製造方法であって、水より沸点が高く水溶液としたときに所定の温度以下で共沸する共沸溶剤の水溶液に触媒を担持する触媒担持カーボン粉末を分散する分散工程と、前記触媒担持カーボンが分散された水溶液に、固体高分子電解質を含む電解質溶液を添加する電解質添加工程と、前記電解質溶液が添加された溶液の粘度が３０〜２００ｃｐｓで含水率が１０〜３０％の溶液になるよう調製する粘度含水率調整工程と、を備えることを要旨とする。
【００１２】
この本発明の電極触媒溶液の製造方法では、水より沸点が高く水溶液としたときに所定の温度以下で共沸する共沸溶剤の水溶液に触媒を担持する触媒担持カーボン粉末を分散することにより、分散の際の発熱により触媒担持カーボン粉末の発火を防止することができると共に触媒シンタリングを伴わずに均一に分散することができる。共沸溶剤は水と共沸するから、触媒電極を形成する際に水と共に蒸発して残留物として残らない。この結果、形成される触媒電極の性能を高く維持することができる。
【００１３】
こうした本発明の電極触媒溶液の製造方法において、前記分散工程の後に前記触媒担持カーボンが分散された水溶液に固体高分子電解質を含む電解質溶液を該触媒担持カーボン粉末のカーボンに対する該固体高分子電解質の重量比で２：１〜１：２の比率で添加する電解質添加工程を備えるものとすることもできる。こうすれば、触媒電極を形成したときに触媒電極にも固体高分子電解質が含まれることになるから、燃料電池を構成したときの電極反応により生じるプロトンなどの電解質内を伝導する粒子を電解質に良好に伝導させることができる。この結果、形成される触媒電極の性能を向上させることができる。
【００１４】
また、この電解質添加工程を備える態様の本発明の電極触媒溶液の製造方法において、前記電解質溶液が添加された溶液が粘度が３０〜２００ｃｐｓで含水率が１０〜３０％の溶液になるよう調製する粘度含水率調整工程を備えるものとすることもできる。こうすれば、触媒電極を形成する際のインクとしての取り扱い、即ち印刷性や乾燥性などを向上させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である電極触媒溶液の調製の様子を例示する工程図である。実施例の電極触媒溶液の調製は、まず、共沸溶剤とイオン交換水との混合溶液（共沸溶剤の水溶液）に触媒担持カーボンを分散させる工程から始まる（工程Ｓ１）。ここで、触媒担持カーボンとしては、触媒としての白金を１０〜６０ｗｔ％の割合で担持したカーボン粉末を好適に用いることができる。また、共沸溶剤としては、沸点は水より高いが水溶液としたときに１３０℃以下で共沸する溶剤、例えばエチレングリコールやプロピレングリコール，グリセリンなどの多価アルコールなどを用いることができる。特に比誘電率が２０〜５０のものが好適である。共沸溶剤とイオン交換水との混合溶液としては、１０〜６０ｗｔ％の水溶液を好適に用いることができる。このように、共沸溶剤の水溶液に触媒担持カーボンを分散させることにより、触媒担持カーボンの溶媒への分散の際に生じる発熱や発火を防止することができる。
【００１６】
続いて、触媒担持カーボンを分散させた溶液に電解質ソリューションを添加する（工程Ｓ２）。電解質ソリューションとしては、固体高分子電解質（例えばパーフルオロスルホン酸型ポリマなど）と水とエタノールと１−イソプロパノールとを主成分として調製されたものを用いることができる。また、添加量としては、電解質の固形分の触媒担持カーボンの担体カーボンに対する重量比（電解質固形分：担体カーボン）が１：２〜２：１の範囲を用いることができる。
【００１７】
そして、溶剤を添加して粘度と含水率を調整して（工程Ｓ３）、実施例の電極触媒溶液の調製を完了する。粘度や含水率の調整用の溶剤としては、エタノールやイソプロパノールなどのアルコール類を用いることができる。調製される粘度としては３０〜２００ｃｐｓが好ましく、最終的な触媒インクの溶媒の含水率としては１０〜３０％が好ましい。
【００１８】
実施例の電極触媒溶液の具体的な一例としては、３０％プロピレングリコール水溶液に重量比で４：１（プロピレングリコール水溶液：触媒担持カーボン）の割合の４０％白金担持カーボンを分散し、この分散溶液に４０％白金担持カーボンの担体カーボンに対する重量比で１：１（担体カーボン：電解質の固形分）の割合の２０％電解質ソリューションを添加し、この電解質ソリューションが添加された溶液に４０％白金担持カーボンに対する重量比で１：２（触媒担持カーボン：エタノール）の割合で粘度や含水率を調整する溶剤としてのエタノールを添加して調製したものを挙げることができる。この電極触媒溶液をインクとして用いて印刷したところ、プロピレングリコールを用いずに同様に調製したインクに比して良好な印刷性を示し、乾燥時に塗膜のひび割れや剥離もなく、乾燥性も良好であった。こうして電極触媒溶液をインクとして印刷して得られた触媒層を所定形状に裁断された固体高分子電解質膜と共に温度が１００〜１３０℃好ましくは１２０℃で面圧が２０〜１００ｋｇ／ｃｍ２好ましくは５０〜１００ｋｇ／ｃｍ２のホットプレス法により固体高分子電解質膜上に転写したところ、転写性についても良好であった。更に、この触媒層が転写された固体高分子電解質膜を用いて固体高分子型燃料電池を構成したところ、燃料電池としての性能も良好であった。
【００１９】
以上説明した実施例の電極触媒溶液によれば、触媒層を印刷により形成する際のインクとして用いることにより、良好な印刷性を得ることができると共に良好な乾燥性を得ることができる。即ち均一で良好な触媒層を形成することができる。また、触媒層の固体高分子電解質膜への転写性や燃料電池としての性能も向上させることができる。
【００２０】
また、実施例の電極触媒溶液の製造方法によれば、まず共沸溶剤の水溶液に触媒担持カーボンを分散するから、分散の際に生じる発熱や発火を抑制することができる。また、共沸溶剤を用いずに触媒担持カーボンを分散して調製した電極触媒溶液に比して良好な印刷性と良好な乾燥性を備えた電極触媒溶液を製造することができる。
【００２１】
実施例の電極触媒溶液では、共沸溶剤とイオン交換水との混合溶液に触媒担持カーボンを分散させ、この分散溶液に電解質ソリューションを添加し、更に、溶剤を添加して粘度と含水率を調整して得られるものとして説明したが、共沸溶剤とイオン交換水との混合溶液に触媒担持カーボンを分散させた分散溶液の状態のものとしてもよい。即ち、分散溶液を触媒層を印刷により形成する際のインクとして用いてもよいのである。また、共沸溶剤とイオン交換水との混合溶液に触媒担持カーボンを分散させた分散溶液に電解質ソリューションを添加した触媒電解質溶液の状態のものとしてもよい。この場合も、この触媒電解質溶液を触媒層を印刷により形成する際のインクとして用いてもよいのである。
【００２２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の電極触媒溶液の調製工程を例示する工程図である。
【図１】
0003614077.tif 000002