(57)【要約】【課題】ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調整し易くする。【解決手段】燃料電池用の触媒インクの製造方法であって、（ｉ）電極触媒と、水と、アルコールと、を混合して触媒分散液を作製する工程と、（ｉｉ）アイオノマーと、溶媒とを混合してゲル化アイオノマー溶液を作製する工程と、（ｉｉｉ）前記触媒分散液と、前記ゲル化アイオノマー溶液とを混合して触媒インクを製造する工程と、を備え、前記工程（ｉｉ）において、アイオノマーと、溶媒とを混合した後、前記ゲル化アイオノマー溶液を濃縮する濃縮工程を含む。【選択図】図４
2014192070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の触媒インクの製造方法であって、
（ｉ）電極触媒と、水と、アルコールと、を混合して触媒分散液を作製する工程と、
（ｉｉ）アイオノマーと、溶媒とを混合してゲル化アイオノマー溶液を作製する工程と、
（ｉｉｉ）前記触媒分散液と、前記ゲル化アイオノマー溶液とを混合して触媒インクを製造する工程と、
を備え、
前記工程（ｉｉ）において、アイオノマーと、溶媒とを混合した後、前記ゲル化アイオノマー溶液を濃縮する濃縮工程を含む、燃料電池用の触媒インクの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、
前記工程（ｉｉ）において、ゲル化アイオノマー溶液は、固形成分と溶媒成分とを含んでおり、
前記濃縮工程は、前記溶媒成分の溶解度パラメーター（ＳＰ値）を１２．３以下に調製する工程を含む、燃料電池用の触媒インクの製造方法。  
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、
前記濃縮工程は、前記ゲル化アイオノマー溶液中の前記アイオノマーの質量パーセントを４０〜５０％に濃縮する濃縮工程を含む、燃料電池用の触媒インクの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、
前記濃縮工程後、アルコールを加えて、前記ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを１７．５ｗｔ％以上２５ｗｔ％以下とする工程を備える、燃料電池用の触媒インクの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、おいて、
前記濃縮工程後、アルコールを加えて、前記ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを２０ｗｔ％以上２５ｗｔ％以下とする工程を備える、燃料電池用の触媒インクの製造方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、さらに、
前記ゲル化アイオノマー溶液を７０℃〜９０℃の温度で４時間以上保持する工程を備える、燃料電池用の触媒インクの製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、
前記ゲル化アイオノマー溶液を７０℃〜９０℃の温度で保持する時間は５時間以上である、燃料電池用の触媒インクの製造方法。
【請求項８】
燃料電池用の触媒層の製造方法であって、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の製造方法により製造された燃料電池用の触媒インクを基材に塗布する工程と、
前記燃料電池用の触媒インクを加熱して乾燥させる工程と、
を備える、燃料電池用の触媒層の製造方法。
【請求項９】
燃料電池用の膜電極接合体の製造方法であって、
請求項８に記載の製造方法により製造された燃料電池用の触媒層を、温度１３０℃のホットプレスにより前記基材から電解質膜に転写する工程を有する、燃料電池用の膜電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池用の触媒インクの製造方法、燃料電池用の触媒層の製造方法、燃料電池用の膜電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用の触媒インクの製造方法につき、（ａ）電極触媒に水と低級アルコール（炭素数４以下）を混合し電極触媒粒子を分散させて分散液を得、（ｂ）アイオノマーを溶媒に混合し２０℃における比誘電率が３０以上のアイオノマー溶液を得、（ｃ）工程（ａ）で得られた分散液と工程（ｂ）で得られたアイオノマー溶液とを混合して分散液を得、（ｄ）工程（ｃ）で得られた分散液に２０℃における比誘電率が２０以下の分散媒である低比誘電率分散媒を混合することにより分散液の粘度を高める工程を有する製造方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５７９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記技術の場合、高粘度のアイオノマー溶液でなければ、触媒インクを用いて製造された触媒層に亀裂が生じやすい。一方、燃料電池の発電効率や寿命からは、イオン交換当量が大きいほうが好ましい。イオン交換当量（ＥＷ値）が９００ｇ／ｍｏｌ以上の場合、アイオノマー溶液の粘度を高くする（例えば貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上の調製する）ことが容易でないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池用の触媒インクの製造方法が提供される。この燃料電池用の触媒インクの製造方法は、燃料電池用の触媒インクの製造方法であって、（ｉ）電極触媒と、水と、アルコールと、を混合して触媒分散液を作製する工程と、（ｉｉ）アイオノマーと、溶媒とを混合してゲル化アイオノマー溶液を作製する工程と、（ｉｉｉ）前記触媒分散液と、前記ゲル化アイオノマー溶液とを混合して触媒インクを製造する工程と、を備え、前記工程（ｉｉ）において、アイオノマーと、溶媒とを混合した後、前記ゲル化アイオノマー溶液を濃縮する濃縮工程を含む。この形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法によれば、ゲル化アイオノマー溶液を濃縮することにより、アイオノマー中に含まれていた溶解度パラメーター（ＳＰ値）の大きな成分である水を溶媒と同時に蒸発させることで減少させることで、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を下げ、他の条件を調製するよりも容易に、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製することが可能となる。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、前記工程（ｉｉ）において、ゲル化アイオノマー溶液は、固形成分と溶媒成分とを含んでおり、前記濃縮工程は、前記溶媒成分の溶解度パラメーター（ＳＰ値）を１２．３以下に調製する工程を含んでいてもよい。この形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法によれば、イオン交換当量（ＥＷ値）が９００ｇ／ｍｏｌ以上のアイオノマーであっても、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を１２．３以下に調製するので、他の条件を調製するよりも容易に、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製することが可能となる。
【０００８】
（３）上記形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、前記濃縮工程は、前記ゲル化アイオノマー溶液中の前記アイオノマーの質量パーセントを４０〜５０％に濃縮する濃縮工程を含んでもよい。この形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法によれば、前記アイオノマーの質量パーセントを４０〜５０％に濃縮する工程により、ＳＰ値の大きな水を溶媒と同時に蒸発させることで減少させることができる。
【０００９】
（４）上記形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、前記濃縮工程後、アルコールを加えて、前記ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを１７．５ｗｔ％以上２５ｗｔ％以下とする工程を備えてもよい。この形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法によれば、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製することが容易となる。
【００１０】
（５）上記形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、前記濃縮工程後、アルコールを加えて、前記ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを２０ｗｔ％以上２５ｗｔ％以下とする工程を備えてもよい。この形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法によれば、アイオノマーＥＷ値等にばらつきがあっても、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製することが容易となる。
【００１１】
（６）上記形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、さらに、前記ゲル化アイオノマー溶液を７０℃〜９０℃の温度で４時間以上保持する工程を備えてもよい。この形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法によれば、容易にゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製することが可能となる。
【００１２】
（７）上記形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法において、前記ゲル化アイオノマー溶液を７０℃〜９０℃の温度で保持する時間は５時間以上であってもよい。この形態の燃料電池用の触媒インクの製造方法によれば、アイオノマーのＥＷ値等にばらつきがあっても、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製することが容易となる。
【００１３】
なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用の触媒インクの製造方法のほか、燃料電池用の触媒層の製造方法、燃料電池用膜電極接合体の製造方法、燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池の構成の一例を示す概略図である。
【図２】膜電極接合体の製造工程の手順を示すフローチャートである。
【図３】触媒分散液を作製する工程（ステップＳ１０）を説明する説明図である。
【図４】ゲル化アイオノマー溶液を作製する工程（ステップＳ２０）を説明する説明図である。
【図５】アイオノマーのＥＷと、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率が１５０Ｐａ以上となるときのゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値と、の関係を示すグラフである。
【図６】ＥＷ値が９００のアイオノマーを用い、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を１２．３としたときのゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントと貯蔵弾性率との関係を示す説明図である。
【図７】ＥＷ値が９００のアイオノマーを用い、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を１２．３とし、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを２０ｗｔ％としたときの加熱保持時間と貯蔵弾性率との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池の構成の一例を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数の単セル１０を備える。複数の単セル１０は、積層されて、スタック構造を形成している。
【００１６】
単セル１０は、膜電極接合体５と、膜電極接合体５を狭持する第１のセパレータ７と、第２のセパレータ８とを備える。なお、各単セル１０には、流体の漏洩を防止するシール部や、膜電極接合体５に反応ガスを供給するためのマニホールドなどが設けられるが、その図示および説明は省略する。
【００１７】
膜電極接合体５は、電解質膜１と、第１の電極触媒層２と、第２の電極触媒層３と、を備える発電体である。電解質膜１は、イオン伝導性を有するポリマー（以下、「アイオノマー」と呼ぶ）の薄膜によって構成されており、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。電解質膜１は、例えば、フッ素樹脂系のイオン交換膜によって構成することができる。より具体的には、電解質膜１は、ナフィオン（Nafion：登録商標）など、側鎖末端に−ＳＯ3Ｈ基を有するパーフルオロスルホン酸ポリマーを用いることができる。
【００１８】
第１の電極触媒層２と、第２の電極触媒層３は、電解質膜１の両面にそれぞれ配置されている。第１の電極触媒層２と、第２の電極触媒層３は、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ）など）が担持された触媒電極であり、ガス透過性およびガス拡散性を有する。燃料電池１００の運転時には、第１の電極触媒層２は、酸素の供給を受けて、カソードとして機能し、第２の電極触媒層３は、水素の供給を受けて、アノードとして機能する。
【００１９】
第１の電極触媒層２と、第２の電極触媒層３は、触媒インクを塗布・乾燥させることによって形成される。触媒インクは、親水性の溶媒に、アイオノマーと、導電性粒子に触媒を担持させた触媒担持粒子と、を溶媒に分散させることにより形成される。アイオノマーは、電解質膜１に含まれるアイオノマーと同一のアイオノマーであってもよく、類似のアイオノマーであってもよい。本実施形態において第１の電極触媒層２と、第２の電極触媒層３の形成に用いられる触媒インクについては、後述する膜電極接合体５の製造工程の説明において、詳細に説明する。
【００２０】
なお、第１の電極触媒層２の外側と、第２の電極触媒層３の外側には、それぞれ、反応ガスを電極面に行き渡らせるためのガス拡散層が配置されても良い。ガス拡散層としては、炭素繊維や黒鉛繊維など、導電性およびガス透過性・ガス拡散性を有する多孔質の繊維基材や、発泡金属、エキスパンドメタルなどの多孔質に加工された金属板などを用いることが可能である。
【００２１】
膜電極接合体５の第１の電極触媒層２の外側には、第１のセパレータ７が配置され、第２の電極触媒層３の外側には、第２のセパレータ８が配置される。第１のセパレータ７と第２のセパレータ８は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。第１のセパレータ７と第２のセパレータ８の、膜電極接合体５側の面には、反応ガス（酸素あるいは水素）を流すための流路溝９が発電領域全体に渡って形成されている。なお、流路溝９は省略されるものとしても良い。
【００２２】
図２は、膜電極接合体５の製造工程の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、触媒分散液を作製する。
【００２３】
図３は、触媒分散液を作製する工程（ステップＳ１０）を説明する説明図である。ステップＳ１０は、２つのステップＳ１２、Ｓ１４を備える。ステップＳ１２では、触媒分散液の材料を混合する。具体的には、触媒金属を担持しているカーボンに、イオン交換水を加える。触媒金属としては、例えば、白金、あるいは白金と他の金属との合金を用いることが可能である。以下、触媒金属を担持しているカーボンを「触媒担持粒子」と呼び、イオン交換水を単に「水」と呼ぶ。触媒担持粒子と水とを先に混合して、触媒担持粒子を水に浸漬させておくことにより、エタノールあるいは１−プロパノールなどのアルコール等の溶媒を添加したときの発火を抑制することができる。その後、エタノールあるいは１−プロパノールなどの親水性溶媒（以下「溶媒」と呼ぶ。）を加える。その後、さらに、アイオノマーを加える。このアイオノマーは、触媒担持粒子の分散を促進させるための界面活性剤として機能する。なお、親水性溶媒が投入される前の触媒担持粒子の分散水溶液に、アイオノマー溶液が添加されるものとしても良い。
【００２４】
ステップＳ１４では、触媒担持粒子と、水と、溶媒と、アイオノマーと、の混合物を超音波、あるいは、ビーズミルを用いて分散する。これにより、触媒担持粒子と、水と、溶媒と、アイオノマーと、の混合物を、微粒子化し、均一な分散状態とすることが可能である。
【００２５】
図２のステップＳ２０では、ゲル化アイオノマー溶液を作製する。
【００２６】
図４は、ゲル化アイオノマー溶液を作製する工程（ステップＳ２０）を説明する説明図である。ステップＳ２０は、４つのステップＳ２２、Ｓ２４、Ｓ２６、Ｓ２８を備える。ステップＳ２２では、アイオノマーとアルコール等の溶媒（例えば、エタノールと１−プロパノールの混合溶媒）とを混合して撹拌する。ステップＳ２４では、アイオノマーと溶媒との混合溶液をアイオノマーの質量パーセントが４０〜５０ｗｔ％となるまで溶媒を蒸発させて濃縮する。ステップＳ２６では、アルコール等を加え、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを下げる。ステップＳ２８では、ゲル化アイオノマー溶液を７０〜９０℃に昇温し、一定時間保持する。
【００２７】
本実施形態において、ステップＳ２４で溶媒を濃縮した後、ステップＳ２６で再びアルコールを加えるのは、以下の理由による。アイオノマーには、水が含まれている。水のＳＰ値の文献値は、２５℃で２３．４と大きい。ＳＰ値とは、溶解度パラメータ（Solubility Parameter）のことである。標準状態（２５℃、１気圧）のＳＰ値δは、
δ＝√（（ΔＨ―ＲＴ）／Ｖ）
で定義される。ここで、ΔＨは、標準状態のモル蒸発エンタルピー、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度（２５℃＝２９３．１５ｋ）、Ｖは標準状態のモル体積、である。本実施形態では、後述するように、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を１２．３以下としたい。しかし、ＳＰ値の大きな水の影響のため、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を下げにくい。本実施形態では、水とアルコール等と混合し、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分から水とアルコールとをともに減少させ、その後アルコール等を加えて、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を下げている。
【００２８】
図２のステップＳ３０では、触媒分散液に、ゲル化アイオノマー溶液を加え、軽く撹拌する。触媒分散液と、ゲル化アイオノマー溶液との混合溶液を二液混合溶液と呼ぶ。ステップＳ４０では、二液混合溶液に対して高いせん断力を印加して二液混合溶液を分散し、触媒インクを製造する。
【００２９】
ステップＳ５０では、ステップＳ４０までの工程により製造された触媒インクを、基材上に塗布、乾燥することにより、触媒層を形成する。ステップＳ６０では、触媒層を、基材から電解質膜１の各面にそれぞれ熱転写することで、第１の電極触媒層２と第２の電極触媒層３を形成し、膜電極接合体５を製造する。
【００３０】
実施例：
＜ステップＳ１０：触媒分散液の調製＞
白金コバルト合金からなる触媒を担持したカーボン粒子（触媒担持粒子）に、触媒担持粒子の質量の１〜５倍程度の質量のイオン交換水を加え、さらに、触媒担持粒子の質量の３〜５倍程度の質量のエタノールと、アイオノマーとして旭化成（株）製のＳＳ９００Ｃ／１０を、触媒担持粒子の質量に対して１０〜２０ｗｔ％加えて、十分に撹拌することにより、触媒分散液を調製した。
【００３１】
＜ステップＳ２０：ゲル化アイオノマー溶液の調製＞
アイオノマーとして旭化成（株）製のＳＳ９００Ｃ／１０を用い、これに溶媒としてエタノールと１−プロパノール（以下「アルコール等」と呼ぶ。）を加えて撹拌した。その後、ＳＳ９００Ｃ／１０の質量パーセントが、４０〜５０ｗｔ％となるまで、溶媒を蒸発させた後、再びアルコール等を加えた。なお、溶媒を蒸発させるときには、アイオノマー中の水も蒸発する。なお、溶媒を蒸発させるときときの温度は、アルコールと水との共沸温度でなくてもよい。
【００３２】
＜ステップＳ３０：触媒分散液とゲル化アイオノマー溶液の混合・撹拌＞
触媒分散液に、ゲル化アイオノマー溶液を混合した。触媒分散液に加えられるゲル化アイオノマー溶液は、触媒担持粒子の質量に対して、質量パーセントで５０〜７０ｗｔ％の量であることが好ましい。その後、ヘリカル形状の撹拌羽根を回転速度５０〜２００ｒｐｍの範囲内で回転させることにより１〜２時間撹拌し、低せん断力を印加した。
【００３３】
＜ステップＳ４０：二液混合溶液の分散＞
二液混合溶液に対して、プライミックス社製のフィルミックス５６−５０型を用いて、周速：１０ｍ／ｓで、約５分間、高せん断力を印加することにより、触媒インクを得た。
【００３４】
＜ステップＳ５０：触媒層の作製＞
上記工程によって得られた各触媒インクを、ドクターブレード式のアプリケータによって、テフロン（登録商標）のフィルム基材上に塗布し、１００℃で加熱して乾燥させることにより触媒層を作製した。
【００３５】
＜ステップＳ６０：電解質膜への触媒層の転写＞
ナフィオン１１２の薄膜の両面に、上記の触媒層を１３０℃のホットプレスにより、フィルム基材から転写して接合した。
【００３６】
＜評価＞
図５は、アイオノマーのＥＷと、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率が１５０Ｐａ以上となるときのゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値と、の関係を示すグラフである。ＥＷ値とは、イオン交換当量であり、イオン交換基（本実施形態では、スルホン酸基）１ｍｏｌ当たりのアイオノマーの乾燥質量である。ＥＷ値が大きいということは、アイオノマー単位重量当たりのスルホン酸基の数が少ないことを意味する。ＥＷ値が小さいアイオノマーを用いた触媒インクにより触媒電極を形成すると、触媒電極における水分の移動性が低下し、発電性能が低下する可能性が高くなる。また、ＥＷ値が小さいアイオノマーは熱水（例えば、８０℃以上の水）に溶けやすいため、ＥＷ値が小さいアイオノマーを用いた触媒インクにより形成された触媒電極は、運転中の燃料電池内部のような高温多湿の環境に対する耐久性が低下してしまう可能性がある。そのため、ＥＷ値の大きなアイオノマーを用いることが好ましい。一方、ＥＷ値が９００ｇ／ｍｏｌより大きいアイオノマーを用いると、ゲル化アイオノマー溶液を増粘させることが困難となるという問題があった。
【００３７】
すべての物質は、粘弾性（粘性と弾性の両方を合わせた性質）を有している。弾性はフックの法則などの応力−ひずみ関係で記述され、粘性はニュートンの粘性法則などの応力−ひずみ速度の関係で記述される。粘弾性のこれらに相当するパラメータが複素弾性率である。粘弾性は、粘弾性体に正弦波形のひずみを入力したときの応力の応答によって定義される。複素弾性率は複素数で表され、実部が貯蔵弾性率、虚部が損失弾性率と呼ばれる。
【００３８】
本実施例では、アントンパール社製の動的粘弾性測定装置によって、１Ｈｚの周波数の振動を印加し、歪み量が１％のときの値を計測することにより、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を得た。なお、アントンパール社製の動的粘弾性測定装置に用いるプレートの種類として、アントンパール社製のＰＰ２５を用いた。
【００３９】
本実施例において、貯蔵弾性率の判断基準を１５０Ｐａとした理由は、以下の理由による。貯蔵弾性率が１５０Ｐａ未満のゲル化アイオノマー溶液を用いて触媒インクを形成した場合には、触媒インクの塗布工程において、十分な塗膜強度を得られず、触媒電極の劣化の可能性が高くなるからである。
【００４０】
本実施例において、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値は、アイオノマーに加える溶媒の種類、混合比率を調整することで、調製可能である。例えば、標準状態（２５℃、１気圧）におけるエタノールのＳＰ値は、１２．９２であり、１−プロパノールのＳＰ値は、１１．９７である。したがって、エタノールと１−プロパノールの混合比率を変えることにより、溶媒のＳＰ値を調整することが可能である。上述したように、アイオノマーには、水（ＳＰ値２３．４）が含まれているので、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分の水の量も考慮してＳＰ値を１２．３以下とするために加えるエタノールと１−プロパノールの量を算出することが好ましい。なお、ガスクロマトグラフを用いて、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分中のエタノールと、１−プロパノールと、水の含有比率を、定量分析し、ＳＰ値の理論値を用いて加重平均することで、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を取得することが可能である。
【００４１】
図５から、ＥＷ値と、貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上とするのに必要なＳＰ値の間には、有意な関係があることがわかる。ＥＷ値が９００ｇ／ｍｏｌという大きな値のとき、貯蔵弾性率が１５０Ｐａ以上となるのは、ＳＰ値が１２．３以下のときである。エタノールのＳＰ値は、１２．９２であり、１２．３よりも大きい。また、１−プロパノールのＳＰ値は、１１．９７であり、１２．３よりも小さい。したがって、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値の調製のときに加えるアルコールの量について、エタノールの比率を下げ、１−プロパノールの比率を上げることにより、ＳＰ値を１２．３以下とすることが可能である。なお、ＥＷ値が９００ｇ／ｍｏｌよりも大きな値のときは、目標のＳＰ値の大きさを１２．３よりも小さくしてもよい。
【００４２】
図６は、ＥＷ値が９００のアイオノマーを用い、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を１２．３としたときの、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントと、貯蔵弾性率との関係を示す説明図である。図６からわかるように、平均値でみれば、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントが１７．５ｗｔ％以上であれば、貯蔵弾性率は１５０Ｐａ以上となる。また、ばらつきを考慮すれば、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントが２０ｗｔ％以上であれば、貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上とできる。なお、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを２５ｗｔ％より大きくしても、貯蔵弾性率は、約２００Ｐａより大きくし難い。したがって、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントは、１７．５ｗｔ％〜２５ｗｔ％が好ましく、２０ｗｔ％〜２５ｗｔ％がより好ましい。ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントは、２５ｗｔ％より大きくてもよい。
【００４３】
図７は、ＥＷ値が９００のアイオノマーを用い、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を１２．３とし、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを２０ｗｔ％としたときの、加熱保持時間と貯蔵弾性率との関係を示す説明図である。図７からわかるように、平均値でみれば、加熱保持時間が４時間以上であれば、貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上とできる。また、ばらつきを考慮すれば、加熱保持時間が５時間以上であれば、貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上とできる。なお、加熱保持時間を６〜７時間以上としても、貯蔵弾性率は、約２００Ｐａより大きくなり難い。加熱保持時間は短い方が製造コスト面から有利である。したがって、加熱保持時間は、４時間〜７時間が好ましく、５時間〜６時間がより好ましい。
【００４４】
以上、本実施例によれば、ゲル化アイオノマー溶液を調製するときの溶媒成分のＳＰ値を１２．３とするので、アイオノマーのＥＷ値が９００ｇ／ｍｏｌであっても、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製可能である。
【００４５】
また、本実施例によれば、ＥＷ値が９００のアイオノマーを用い、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を１２．３としたときのゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを１７．５ｗｔ％〜２５ｗｔ％とするので、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製可能である。なお、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントは、２０ｗｔ％〜２５ｗｔ％であることがより好ましい。アイオノマーのＥＷ値にばらつきがあっても、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製可能である。
【００４６】
また、本実施例によれば、ＥＷ値が９００のアイオノマーを用い、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を１２．３とし、ゲル化アイオノマー溶液中の固形分の質量パーセントを２０ｗｔ％とし、加熱保持時間を４時間〜７時間とするので、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製可能である。なお、ゲル化アイオノマー溶液の加熱保持時間は、５時間〜６時間であることがより好ましい。アイオノマーのＥＷ値にばらつきがあっても、ゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製可能である。
【００４７】
上記実施形態では、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を１２．３としたが、ＳＰ値は、１２．３に限定されるものではない。アイオノマーと、溶媒とを混合した後、ゲル化アイオノマー溶液を濃縮して、アイオノマー中に含まれていたＳＰ値の大きな水を減少させることにより、ゲル化アイオノマー溶液の溶媒成分のＳＰ値を下げることが可能となる。その結果、他のパラメータを調製するよりも、より容易にゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率を１５０Ｐａ以上に調製可能となる。
【００４８】
以上、いくつかの実施形態に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４９】
１…電解質膜
２…第１の電極触媒層
３…第２の電極触媒層
５…膜電極接合体
７…第１のセパレータ
８…第２のセパレータ
９…流路溝
１０…単セル
１００…燃料電池
１１２…ナフィオン
【図１】
2014192070.tif 000003
【図２】
2014192070.tif 000004
【図３】
2014192070.tif 000005
【図４】
2014192070.tif 000006
【図５】
2014192070.tif 000007
【図６】
2014192070.tif 000008
【図７】
2014192070.tif 000009