(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒とプロトン伝導性ポリマーを溶媒に分散させて作製したペースト、あるいは触媒とプロトン伝導性ポリマーと撥水材を溶媒に分散させて作製したペーストを、コータ、刷け塗り、スクリーン印刷のうちのいずれかの方法を用いてポリテトラフルオロエチレンフィルム等よりなる基材上に塗布して触媒層を形成する固体高分子型燃料電池の触媒層の製造方法において、
ペーストの塗布に用いる基材として多孔質撥水性材料を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池の触媒層の製造方法。
【請求項２】
触媒とプロトン伝導性ポリマーを溶媒に分散させて作製したペースト、あるいは触媒とプロトン伝導性ポリマーと撥水材を溶媒に分散させて作製したペーストを、コータ、刷け塗り、スクリーン印刷のうちのいずれかの方法を用いてポリテトラフルオロエチレンフィルム等よりなる基材上に塗布して触媒層を形成する固体高分子型燃料電池の触媒層の製造方法において、
ペーストの塗布に用いる基材として表面を粗化処理した撥水性材料を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池の触媒層の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかの製造方法により形成された触媒層をプレスによって電解質膜に転写して膜／触媒層接合体を形成する固体高分子型燃料電池の膜／触媒層接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池のセルに用いられる触媒層および膜／触媒層接合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は電極の触媒層において以下の反応が生じることによって、電気を取り出すことが可能となる。
アノード極    ：    Ｈ２  →    ２Ｈ＋  ＋２ｅ−                                      （１）
カソード極    ：  （１／２）Ｏ２  ＋２Ｈ＋  ＋２ｅ−      →    Ｈ２  Ｏ        （２）
このように、触媒層の反応は気相（細孔；Ｈ２  ，Ｏ２  ）、固相（プロトン伝導性ポリマー）、液相（触媒；ｅ−  ）の３相界面で起こるため、触媒層には、触媒のほかにプロトン伝導性ポリマーが含まれている必要があり、ガスを拡散させるための細孔を備える必要がある。また、上式（２）のごとく電気化学反応に伴ってカソード極で生成した水が触媒層内の細孔に入り、ガス拡散性を低下させる恐れがあるため、これを回避するためにフッ素樹脂等の撥水材をを触媒層に添加する場合もある。
【０００３】
したがって、従来の固体高分子型燃料電池の触媒層の製造方法においては、例えば、触媒とプロトン伝導性ポリマー、あるいはフッ素樹脂を添加した触媒とプロトン伝導性ポリマーをエタノールやエチレングリコール等の溶媒に分散してペーストを作製し、これを刷け塗り、コータ塗布、スクリーン印刷のうちのいずれかの方法を用いてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）フィルム等よりなる基材の上に塗布して触媒層を形成する方法が採られている。
【０００４】
また、このようにして形成された触媒層は、ホットプレス等により１００〜１８０℃で電解質膜と接合され、接合後に基材を剥離して膜／触媒層接合体が形成されている。したがって、基材は耐熱性である必要があり、一般にＰＴＦＥフィルム等が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のごとき従来の製造方法で形成された触媒層においては、ＳＥＭ観察によって確認されているように、ＰＴＦＥフィルムよりなる基材６と触媒層１との界面に図５に示したごとくプロトン伝導性ポリマーのリッチな触媒層５が形成される。このため、これを用いて形成した膜／触媒層接合体においては、図６に示したごとく、固体高分子膜４の両面に配された触媒層１の外面に上記のプロトン伝導性ポリマーのリッチな触媒層５が形成されることとなり、このプロトン伝導性ポリマーのリッチな触媒層５によってガス拡散性が阻害される。したがって、このような製造方法により形成された膜／触媒層接合体では高い電池特性を得ることが困難である。
【０００６】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題点を解決することを目的としてなされたものであり、触媒層形成時に基材との界面にプロトン伝導性ポリマーのリッチな層が形成されるのが防止され、ガス拡散性の低下が抑制されて高い電池特性が得られる固体高分子型燃料電池の触媒層および膜／触媒層接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
（１）触媒とプロトン伝導性ポリマーを溶媒に分散させて作製したペースト、あるいは触媒とプロトン伝導性ポリマーと撥水材を溶媒に分散させて作製したペーストを、コータ、刷け塗り、スクリーン印刷のうちのいずれかの方法を用いてＰＴＦＥフィルム等よりなる基材上に塗布して触媒層を形成する固体高分子型燃料電池の触媒層の製造方法において、
ペーストの塗布に用いる基材として、多孔質撥水性材料、あるいは表面を粗化処理した撥水性材料を用いることとする。
【０００８】
（２）また、上記（１）のごとき製造方法により形成された触媒層をプレスによって電解質膜に転写して膜／触媒層接合体を形成することとする。
上記（１）のごとく触媒層を形成する際に用いる基材として、多孔質撥水性材料、例えばフッ素樹脂等の撥水性材料のフィルタ等の多孔質材料や、表面を粗化処理した撥水性材料、例えば表面をコロナ放電やプレス処理等により粗くしたフッ素樹脂等の撥水性材料のフィルムを用いることとすれば、触媒層と基材との界面におけるプロトン伝導性ポリマーの偏析が防止されるので、従来の方法で見られたごときプロトン伝導性ポリマーのリッチな層の形成が防止され、良好なガス拡散性を有する触媒層が形成される。したがって、さらに上記の（２）のごとくとすれば、ガス拡散性に優れ、高い電池特性が得られる膜／触媒層接合体を形成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池の触媒層の製造方法および膜／触媒層接合体の製造方法の実施例を説明する。
＜実施例１＞
白金担持触媒（Ｐｔ；  ２０  ｗｔ％，Ｃ；  ８０  ｗｔ％）とパーフルオロエチレン５％エタノール溶液を、カーボンとパーフルオロエチレンの重量比が１：１となるように混合し、混合重量１ｇに対して水５ｇ、エタノール５ｇを混合してペーストを作製した。作製したペーストを、多孔質撥水性材料であるＰＴＦＥメンブランフィルタの上にコーターを用いて厚さが  ５０  μｍとなるように塗布し、これを大気雰囲気中、  ５０  ℃で１２時間乾燥し、触媒層を得た。
【００１０】
図１は、本製造法により得られた触媒層の断面図である。１は触媒層、２はＰＴＦＥメンブランフィルタよりなる基材であり、図５の従来例で見られたごときプロトン伝導性ポリマーのリッチな触媒層５はＳＥＭ観察によっても確認されていない。
引き続いて、上記のごとく形成した触媒層をホットプレスを用いて、１００  ℃、９．８  ＭＰａ  の条件で電解質膜と接合し、基材を剥離して膜／触媒層接合体を形成した。図２は得られた膜／触媒層接合体の断面図で、１は触媒層、３は固体高分子電解質膜である。当然のことながら、図６の従来例の膜／触媒層接合体に見られたごときプロトン伝導性ポリマーのリッチな触媒層５は存在しない。
【００１１】
図４は、このようにして得られた膜／触媒層接合体を組み込んだ単セルの電池特性を従来例と比較して示した特性図で，○で示した特性Ａが本実施例の方法で製造した膜／触媒層接合体を組み込んだ単セルの電池特性であり、●で示した特性Ｂが従来の方法で製造した膜／触媒層接合体を組み込んだ単セルの電池特性である。図に見られるように、電流密度が低い領域では二つの特性の間に大きな差はないが、電流密度が高い領域では、本実施例の方法で製造した膜／触媒層接合体を組み込んだ単セルのほうが明らかに高い電池電圧を発生しており、良好な電池特性が得られている。
【００１２】
＜実施例２＞
実施例１と同様に、白金担持触媒（Ｐｔ；  ２０  ｗｔ％，Ｃ；  ８０  ｗｔ％）とパーフルオロエチレン５％エタノール溶液を、カーボンとパーフルオロエチレンの重量比が１：１となるように混合し、混合重量１ｇに対して水５ｇ、エタノール５ｇを混合してペーストを作製し、得られたペーストを、コロナ放電により表面を粗くした撥水性材料のＰＴＦＥフィルム上にコーターを用いて塗布して厚さを  ５０  μｍとし、これを大気雰囲気中、５０℃で  １２  時間乾燥し、触媒層を得た。
【００１３】
図３は、得られた触媒層の断面図である。図において、１は触媒層、４は表面を粗化処理したＰＴＦＥフィルムよりなる基板であり、本実施例の製造方法においても、従来例のごときプロトン伝導性ポリマーのリッチな触媒層５は形成されていない。このようにして製造した触媒層を用いて実施例１と同様な方法で膜／触媒層接合体を形成し、得られた膜／触媒層接合体を組み込んで単セルを構成し、運転試験を行った結果、図４に示した実施例１の電池特性とほぼ同等の特性を示した。
【００１４】
上記の実施例１には触媒層を製造するときの基板に多孔質撥水性材料を用いた例を、また実施例２には触媒層を製造するときの基板に表面を粗化処理した撥水性材料を用いた例を示したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、同様の技術思想に基づく製造方法に適用されることは言うまでもない。
【００１５】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、
（１）請求項１あるいは請求項２のごとき方法により固体高分子型燃料電池の触媒層を製造することとしたので、従来の方法で見られたごときプロトン伝導性ポリマーのリッチな層の形成が防止され、良好なガス拡散性を有する触媒層が得られることとなった。
【００１６】
（２）したがって、請求項３のごとき方法により膜／触媒層接合体を製造することによって、ガス拡散性に優れ、高い電池特性が得られる膜／触媒層接合体が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の製造方法により得られた触媒層の断面図
【図２】実施例１の製造方法により得られた膜／触媒層接合体の断面図
【図３】実施例２の製造方法により得られた触媒層の断面図
【図４】実施例１の製造方法により得られた膜／触媒層接合体を組み込んだ単セルの電池特性を従来の単セルの電池特性と比較して示した特性図
【図５】従来の製造方法により形成された触媒層の断面図
【図６】従来の製造方法により形成された膜／触媒層接合体の断面図
【符号の説明】
１    触媒層
２    基板（ＰＴＦＥメンブランフィルタ）
３    固体高分子電解質膜
４    基板（表面粗化処理ＰＴＦＥフィルム）
５    触媒層（プロトン伝導性ポリマーのリッチな層）
６    基板（表面処理無しＰＴＦＥフィルム）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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