(57)【要約】【課題】ガス拡散性の低下の抑制と、触媒層とその隣に積層される層との密着性向上とを両立させる。【解決手段】高分子形燃料電池に用いられる燃料電池用触媒層であって、シート状に形成された多孔質基材の一方側の面に形成され、触媒を担持したカーボン粒子と電解質樹脂とを含む触媒層と、前記触媒層の表面に形成された突起と、を備え、前記触媒層の表面のうち前記突起の内部にある第一の前記カーボン粒子の重量Ｃ１と第一の前記電解質樹脂の重量Ｉ１との第一比率をＸ１、前記突起が形成されていない前記触媒層の表面にある第二の前記カーボン粒子の重量Ｃ２と第二の前記電解質樹脂の重量Ｉ２との第二比率をＸ２と定義したときに、前記Ｘ１が前記Ｘ２より大きい。【選択図】図３
2014086322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子形燃料電池に用いられる燃料電池用触媒層であって、
シート状に形成された多孔質基材の一方側の面に形成され、触媒を担持したカーボン粒子と電解質樹脂とを含む触媒層と、
前記触媒層の表面に形成された突起と、を備え、
前記触媒層の表面のうち前記突起の内部にある第一の前記カーボン粒子の重量Ｃ１と第一の前記電解質樹脂の重量Ｉ１との第一比率をＸ１、前記突起が形成されていない前記触媒層の表面にある第二の前記カーボン粒子の重量Ｃ２と第二の前記電解質樹脂の重量Ｉ２
との第二比率をＸ２と定義したときに、前記Ｘ１が前記Ｘ２より大きいことを特徴とする燃料電池用触媒層。
【請求項２】
前記触媒層の表面と前記突起の一方の面とのなす角度を第一の角度、前記触媒層の表面と前記突起の他方の面とのなす角度を第二の角度と定義したときに、
前記第一の角度と前記第二の角度のいずれか一方が９０度より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子形燃料電池の膜電極接合体を構成する燃料電池用触媒層に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池の燃料電池セルには、水素イオン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒層を形成してなる膜電極接合体（ＭＥＡ）と、当該膜電極接合体のそれぞれの触媒層の上に積層されたガス拡散層（燃料電池用ガス拡散層）と、該拡散層の外側にセパレータが形成されている。実際には、これらの燃料電池セルが発電性能に応じた基数だけ積層され、燃料電池スタックが形成されることになる。
【０００３】
触媒層は、カーボンに白金を担持させ更に電解質樹脂（アイオノマ）を含有させたものであり、供給された反応ガスにより発電反応を生じさせる電極層を構成する。膜電極接合体（ＭＥＡ）のうち一方の面に形成された触媒層はアノード（燃極層）を構成し、他方の面に形成された触媒層はカソード（空気極）を構成する。
【０００４】
この燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供されて電気化学反応がおこなわれるものである。この電気化学反応では、アノード電極にて生成された水素イオンと水が水和状態で電解質膜を透過してカソード電極に至り、カソード電極にて生成水が生成されることとなる。したがって、膜電極接合体内における水の移動態様や電気化学反応による生成水の生成態様により、発電経過とともにアノード電極は乾燥し易く、場合によってはドライアップに至る一方、カソード電極では水分過多となり易く、場合によってはフラッディングに至り易いという課題がある。
【０００５】
ところで、触媒層とガス拡散層とから構成される電極のうち、触媒層は、その表面が平滑とされているのが一般的である。そのため、燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスが有効に触媒層に触れない、触媒同士がより密になってしまい発電の際に触媒が腐食し易くなる、ガス拡散層と触媒層との接触が少なくそれらの間の界面での電気抵抗が大きい、などの問題が発生する。そこで、下記特許文献１には、触媒層の拡散層側表面に凹凸を形成し、触媒層の上に積層されるガス拡散層のカーボン繊維に触媒層の凹凸部を食い込ませて密着させる内容が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２８６４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載の方法により形成される触媒層には、電解質樹脂が含まれており、この電解質樹脂が、触媒層の拡散層側表面の凸部以外の部分に多く存在する場合がある。そうすると、触媒層と拡散層との密着性を向上させることはできるものの、触媒層の拡散層側表面の凸部以外の部分に存在する電解質樹脂により、ガスの拡散性が低下するという課題があった。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス拡散性の低下の抑制と、触媒層とその隣に積層される層との密着性向上とを両立させることができる燃料電池用触媒層を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池用触媒層は、高分子形燃料電池に用いられる燃料電池用触媒層であって、シート状に形成された多孔質基材の一方側の面に形成され、触媒を担持したカーボン粒子と電解質樹脂とを含む触媒層と、前記触媒層の表面に形成された突起と、を備え、前記触媒層の表面のうち前記突起の内部にある第一の前記カーボン粒子の重量Ｃ１と第一の前記電解質樹脂の重量Ｉ１との第一比率をＸ１、前記突起が形成されていない前記触媒層の表面にある第二の前記カーボン粒子の重量Ｃ２と第二の前記電解質樹脂の重量Ｉ２との第二比率をＸ２と定義したときに、前記Ｘ１が前記Ｘ２よ
り大きいことを特徴とする。
【００１０】
このように構成することにより、突起に電解質樹脂が偏向し、突起以外の表面の電解質樹脂量が抑えられることとなる。その結果、突起による触媒層とその隣に積層される層（例えば、ガス拡散層）との密着性を確保しつつ、ガスの拡散性の低下を抑えることができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池用触媒層は、前記触媒層の表面と前記突起の一方の面とのなす角度を第一の角度、前記触媒層の表面と前記突起の他方の面とのなす角度を第二の角度と定義したときに、前記第一の角度と前記第二の角度のいずれか一方が９０度より大きいものであってもよい。
【００１２】
このように構成することにより、触媒層の表面に形成された突起を、拡散層側表面に食い込ませやすくすることができるので、触媒層と拡散層側表面との密着性をより一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガス拡散性の低下の抑制と、触媒層とその隣に積層される層との密着性向上とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態により得られる膜電極接合体を含む燃料電池セルの断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は、図１に示した燃料電池セルにおける触媒層の製法を説明するための工程図である。
【図３】（ａ）は従来の触媒層を示した図であり、（ｂ）〜（ｄ）は本発明の一実施形態により得られる触媒層を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態により得られる膜電極接合体を含む燃料電池セルの断面図である。燃料電池セル１は、所謂平板型の高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、平面視矩形に形成されている。図１に示したように、燃料電池セル１は、膜電極接合体１０と、一対のガス拡散層２０と、一対のセパレータ３０とを備えている。
【００１７】
膜電極接合体１０は、水素イオン伝導性を有する電解質膜１１の両面に、それぞれ触媒層１２ａ、１２ｂを有しており、所謂ＭＥＡと称されるものである。触媒層１２ａ、１２ｂはいずれも、カーボン粒子に白金微粒子を担持させ、更に電解質（アイオノマ）を含有させた触媒層（電極層）として、電解質膜１１の両面に形成されている。触媒層１２ａは酸化剤ガス（例えば空気）と反応するカソード電極層であり、触媒層１２ｂは燃料ガス（例えば水素）と反応するアノード電極層である。膜電極接合体１０の具体的な構成や製造方法については、後に詳しく説明する。
【００１８】
ガス拡散層２０は、反応ガスの拡散性を高めるための層であって、膜電極接合体１０を両面から挟み込むように配置される。すなわち、燃料電池セル１は、カソード側ガス拡散層２０ａとアノード側ガス拡散層２０ｂとからなる二つのガス拡散層２０を有している。電解質膜１１の触媒層１２ａにはカソード側ガス拡散層２０ａが積層され、電解質膜１１の触媒層１２ｂにはアノード側ガス拡散層２０ｂが積層される。
【００１９】
セパレータ３０は、燃料電池セル１の最も外側に配置された導電性の層であり、カーボンにより形成されている。セパレータ３０は、カソード側ガス拡散層２０ａに隣接して配置されるカソード側セパレータ３０ａと、アノード側ガス拡散層２０ｂに隣接して配置されるアノード側セパレータ３０ｂとからなるが、これらは互いに同一の形状となっている。
【００２０】
カソード側セパレータ３０ａのうちカソード側ガス拡散層２０ａと接する面には、断面が矩形の溝３１ａが複数本、互いに平行に並ぶように形成されている。これらの溝３１ａは、酸化剤ガスを外部から供給するための流路である。同様に、アノード側セパレータ３０ｂにも、断面が矩形の溝３１ｂが複数本、互いに平行に並ぶように形成されている。これらの溝３１ｂは、燃料ガスを外部から供給するための流路である。
【００２１】
図１には、一つの燃料電池セル１（単セル）のみを示したが、電力供給源として実際に使用される燃料電池においては複数の燃料電池セル１が積層され、セパレータ３０を介して互いに電気的に直列接続された状態（セルスタック）となる。一つの燃料電池セル１の発電電圧は約１Ｖ程度であるが、上記のように複数の燃料電池セル１を直列接続することにより、数百Ｖの高電圧を出力することが可能となる。尚、互いに隣接するカソード側セパレータ３０ａとアノード側セパレータ３０ｂとの間には、燃料電池セル１を冷却するための冷媒流路を形成してもよい。
【００２２】
続いて本発明に係る膜電極接合体の製造方法の一例について、図２を参照しながら説明する。図２は、図１に示す燃料電池セル１の構成要素のうち、膜電極接合体１０の製法を説明するための図である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、樹脂シート４０の上にマスキングシート５０を塗工する。そして、樹脂シート４０の表面に切り込みを入れる。この切込みは、例えば、樹脂シート４０の表面と切込みの一方の面とのなす角度をθ１、樹脂シート４０の表面と切込みの他方の面とのなす角度をθ２としたときに、θ１とθ２のいずれか一方が鈍角となるように形成する。図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）において形成した切込みにアイオノマ/カーボン比率が高い触媒インク６０を塗工する。図２（ｃ）に示すように、樹脂シート４０の上面に塗工したマスキングシート５０をはがす。図２（ｄ）に示すように、樹脂シート４０及び触媒インク６０の表面に、アイオノマ/カーボン比率が低い触媒インク７０を塗工する。その後、図２（ｅ）に示すように、触媒インク６０と触媒インク７０で形成される触媒層１２ｂを電解質膜１１に重ね、ホットプレスにより接合して一体とする。最後に、図２（ｆ）に示すように、樹脂シートを剥がすことで、触媒層１２ｂの表面に突起１３を形成する。
【００２４】
図３（ａ）に示したように、従来の触媒層１２ｂにおいては、触媒を担持したカーボン粒子ＣＢが形成されている。触媒層１２ｂの下面には、電解質膜の寸法を抑制するための接合層１００が形成されている。接合層１００は、カーボン粒子ＣＢと樹脂を含有する材料から形成されている。すなわち、触媒層１２ｂの表面上に、カーボン粒子ＣＢが多く配置されることとなる。
【００２５】
一方、図３（ｂ）に示したように、本実施形態に係る触媒層１２ｂにおいては、触媒層１２ｂの表面上に突起１３が形成されている。ここで、図３（ｄ）に示したように、突起１３の内部にあるカーボン重量をＣ１、アイオノマ重量をＩ１とし、突起１３が形成されていない触媒層１２ｂの表面に存在するカーボン重量をＣ２、アイオノマ重量をＩ２、アイオノマ重量Ｉ１/カーボン重量Ｃ１＝Ｘ１（第一比率）、アイオノマ重量Ｉ２/カーボン重量Ｃ２＝Ｘ２（第二比率）と定義した場合に、Ｘ１＞Ｘ２の関係がある。
【００２６】
このように構成することにより、突起１３に電解質樹脂が偏向し、突起１３が形成されていない触媒層１２ｂの表面の電解質樹脂量が抑えられることとなる。その結果、ガスの拡散性を阻害することなく、突起１３による触媒層１２ｂとカソード側ガス拡散層２０ａとの密着性向上を図ることができる。
【００２７】
また、本実施形態では、図３（ｃ）に示したように、触媒層１２ｂの表面と突起１３の一方の面とのなす角度をθ１、触媒層１２ｂの表面と突起１３の他方の面とのなす角度をθ２と定義した場合に、θ１とθ２のいずれか一方は鈍角となる関係がある。
【００２８】
このように構成することにより、触媒層１２ｂの表面に形成された突起１３を、ガス拡散層２０側表面に食い込ませやすくすることができるので、触媒層１２ｂとカソード側ガス拡散層２０ａとの密着性をより一層向上させることができる。
【００２９】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３０】
１０  膜電極接合体
１１  電解質膜
１２ａ      触媒層
１２ｂ      触媒層
１３  突起
２０  ガス拡散層
２０ａ      カソード側ガス拡散層
２０ｂ      アノード側ガス拡散層
３０  セパレータ
３０ａ      カソード側セパレータ
３０ｂ      アノード側セパレータ
３１ａ      溝
３１ｂ      溝
４０  樹脂シート
５０  マスキングシート
６０  触媒インク
７０  触媒インク
１００      接合層
【図１】
2014086322.tif 000003
【図２】
2014086322.tif 000004
【図３】
2014086322.tif 000005