(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも電解質、触媒粒子、及び溶媒を含む電池電極触媒層用スラリーにおいて、
上記溶媒が上記電解質に対する貧溶媒と上記電解質に対する良溶媒とを含む２種類以上からなり、上記２種類以上の溶媒が相分離しており、
上記貧溶媒に対する上記良溶媒の質量比が、０．８以上１０以下の範囲内であり、
相分離した上記貧溶媒と上記良溶媒とのうちの上記貧溶媒中に上記電解質が分散してコロイドを形成するか、または相分離した上記貧溶媒と上記良溶媒との界面に上記電解質が凝集してエマルションを形成してなることを特徴とする燃料電池電極触媒層用スラリー。
【請求項２】
上記溶媒が上記貧溶媒と上記良溶媒の２種類からなり、上記２種類の溶媒が相分離し、
相分離した上記貧溶媒と上記良溶媒との界面に上記電解質が凝集してエマルションを形成しており、
上記貧溶媒の沸点が、上記良溶媒の沸点よりも高く、
上記沸点の差が、５℃以上１００℃以下の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電極触媒層用スラリー。
【請求項３】
上記貧溶媒が水であり、上記良溶媒が酢酸エチルであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池電極触媒層用スラリー。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池電極触媒層用スラリーを用いて電極触媒層を形成することを特徴とする電極触媒層の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池電極触媒層用スラリーを用いて膜電極接合体を形成することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池電極触媒層用スラリーを用いて燃料電池を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池の燃料電池電極触媒層を構成可能な燃料電池電極触媒層用スラリー、及びそれを使用した電極触媒層の製造方法、膜電極接合体の製造方法、及び燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やエネルギー問題の有効な解決策として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池とは、水素などの燃料を酸素などの酸化剤を用いて酸化し、これに伴う化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。
燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ型、リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などに分類される。固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、低温作動、高出力密度であり、小型化・軽量化が可能であることから、携帯用電源、家庭用電源、車載用動力源としての応用が期待されている。【０００３】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、電解質膜である高分子電解質膜を燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで挟んだ構造となっており、燃料極側に水素を含む燃料ガス、空気極側に酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、下記の電気化学反応により発電する。
アノード：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                      ・・・（１）
カソード：（１／２）Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ ・・・（２）【０００４】
アノード側に供給された燃料ガスは、電極触媒によりプロトンと電子となる（反応１）。プロトンは、アノード電極触媒層内の高分子電解質、固体高分子電解質膜を通り、カソードに移動する。電子は、外部回路を通り、カソードに移動する。カソードでは、プロトンと電子と外部から供給された酸化剤ガスが反応して水を生成する（反応２）。よって、上記の電気化学反応は、プロトン（電解質）と電子（触媒・担体）と反応ガスの三相界面で起こる。【０００５】
現在、燃料電池の低コスト化に向けて、低加湿条件においても、優れた出力特性を示す燃料電池が望まれている。しかし、低加湿条件においては、電解質の含水量が低下し、プロトン伝導が低下する。このことにより、プロトンが三相界面に達することができず、出力特性が低下してしまう。プロトン伝導性と保水性の向上のために、電極触媒層内の電解質含有量を多くすることが望ましいが、含有量を多くすると反応ガスの供給することを妨げてしまい、出力の低下が起こる。さらに、高加湿においては、電解質の膨潤によりガス供給がより妨げられ、著しい出力の低下が起こる。【０００６】
これらの課題を解決するために、電極触媒層内の電解質含有量を電解質膜側に多く、ガス供給側に少なくした電極触媒層が提案されているが、製造プロセスが多くなるという問題がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２９５３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、燃料電池電極において、低加湿および高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる燃料電池電極触媒層を簡易に提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上課題を解決するために、本発明者などは、鋭意検討を重ねた結果、少なくとも電解質、触媒粒子、溶媒を含むスラリーにおいて、上記溶媒が２種類以上からなり、上記溶媒が相分離する燃料電池電極触媒層用スラリーを用いれば、ガスの拡散性、保水性、プロトン伝導に優れ、低加湿および高加湿条件においても優れた出力特性を示すことのできる燃料電池を提供できるという知見を得て、本発明を成すに至った。【００１０】
すなわち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、少なくとも電解質、触媒粒子、及び溶媒を含む電池電極触媒層用スラリーにおいて、
上記溶媒が上記電解質に対する貧溶媒と上記電解質に対する良溶媒とを含む２種類以上からなり、上記２種類以上の溶媒が相分離しており、
上記貧溶媒に対する上記良溶媒の質量比が、０．８以上１０以下の範囲内であり、
相分離した上記貧溶媒と上記良溶媒とのうちの上記貧溶媒中に上記電解質が分散してコロイドを形成するか、または相分離した上記貧溶媒と上記良溶媒との界面に上記電解質が凝集してエマルションを形成してなることを特徴とするものである。
【００１３】
次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記溶媒が上記貧溶媒と上記良溶媒の２種類からなり、上記２種類の溶媒が相分離し、
相分離した上記貧溶媒と上記良溶媒との界面に上記電解質が凝集してエマルションを形成しており、
上記貧溶媒の沸点が、上記良溶媒の沸点よりも高く、
上記沸点の差が、５℃以上１００℃以下の範囲内であることを特徴とするものである。
【００１４】
次に、請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載した構成に対し、上記貧溶媒が水であり、上記良溶媒が酢酸エチルであることを特徴とするものである。
【００１５】
次に、請求項４に記載した発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池電極触媒層用スラリーを用いて電極触媒層を形成することを特徴とする電極触媒層の製造方法を提供するものである。
【００１６】
次に、請求項５に記載した発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池電極触媒層用スラリーを用いて膜電極接合体を形成することを特徴とする膜電極接合体の製造方法を提供するものである。
【００１７】
次に、請求項６に記載した発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池電極触媒層用スラリーを用いて燃料電池を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１記載の燃料電池電極触媒層用スラリーは、ガスの拡散性、保水性、プロトン伝導に優れ、低加湿および高加湿条件においても優れた出力特性を示す燃料電池電極触媒層を簡易に製造することができるという顕著な効果を奏する。
また、本発明の請求項１記載の燃料電池電極触媒層用スラリーは、良好な電解質のネットワークを形成した電極触媒層を備える燃料電池触媒電極を提供することができるというさらなる顕著な効果を奏する。
また、本発明の請求項１記載の燃料電池電極触媒層用スラリーは、最適な空孔量を有する電極触媒層を備える燃料電池触媒電極を提供することができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００１９】
また、本発明の請求項１記載の燃料電池電極触媒層用スラリーは、コロイドを形成することに伴い電解質が触媒に多く被覆することで、プロトン伝導に優れた燃料電池触媒電極を提供することができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００２０】
また、本発明の請求項１記載の燃料電池電極触媒層用スラリーは、エマルションの状態であることでガスの拡散性に優れた燃料電池触媒電極を提供することができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００２３】
本発明の請求項４記載の発明は、プロトン伝導、ガス拡散性および保水性にすぐれた触媒層を簡易に製造することができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００２４】
本発明の請求項５記載の発明は、プロトン伝導、ガス拡散性および保水性にすぐれた膜電極接合体を製造できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００２５】
本発明の請求項６記載の発明は、プロトン伝導、ガス拡散性および保水性に優れ、低加湿および高加湿条件において優れた出力特性を示す燃料電池を製造できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池電極触媒層用スラリーを模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る膜電極結合体の一例を示す断面説明図である。
【図３】図３に示した膜電極結合体を装着した燃料電池の単セルの構成を示す分解断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態は、固体高分子型燃料電池の燃料電池電極触媒層に関するものであり、少なくとも電解質１３、触媒１４である触媒粒子、溶媒を含むスラリーにおいて、上記溶媒が２種類以上からなり、上記溶媒が相分離していることを特徴とする燃料電池電極触媒層用スラリーに関するものである。
【００２８】
（燃料電池電極触媒層用スラリー）
図１は、本実施形態の燃料電池電極触媒層用スラリーの模式図である。図１（ａ）は、電解質と溶媒の混合溶液がコロイドを形成する場合の例を、図１（ｂ）は、電解質と溶媒の混合溶液がエマルションで形成される場合の例をそれぞれ示す。
図１に示すように、本発明の燃料電池電極触媒層用スラリーの溶媒は、例えば、電解質に対する貧溶媒１５（ａ）と電解質に対する良溶媒１５（ｂ）の２種類からなり、その２種類の溶媒１５（ａ）、１５（ｂ）が混じることなく相分離をしている。２種類の溶媒１５（ａ）、１５（ｂ）が相分離していることで、スラリー中の電解質１３を局所的に存在させることができる。このことにより、電解質１３のネットワークが良好となり、プロトン伝導性および保水性に優れた電極触媒層を得ることができる。
【００２９】
電解質１３は、溶媒（貧溶媒１５（ａ））中に分散してコロイド粒子を形成する（図１（ａ））。または、電解質１３は、層分離している溶媒‐溶媒界面に集まりエマルションを形成する（図１（ｂ））。
【００３０】
電解質１３がコロイド粒子を形成する場合、または、電解質１３が溶媒‐溶媒界面に集まりエマルションを形成する場合、電解質１３が良溶媒１５（ｂ）に分散している場合に比べて、局所的に電解質１３の濃度が高くなる。コロイド粒子やエマルションを形成することにより、電解質１３のネットワークが良好になり、良好な電解質１３のネットワークを含む燃料電池電極触媒層用スラリーを用いることにより、電極触媒層のプロトン伝導および保水性を向上させることができる。
また、貧溶媒１５（ａ）の量を制御することにより、電解質１３のネットワークを制御することができる。ネットワークを制御するために最適な貧溶媒１５（ａ）に対する良溶媒１５（ｂ）の質量比としては、貧溶媒１５（ａ）が１に対して、良溶媒１５（ｂ）が０．１以上１０以下の範囲であることが好ましく、特に０．５以上７以下の範囲であることが好ましい。良溶媒１５（ｂ）が０．１より少ない場合、コロイド粒子が多く存在し、スラリーを塗布することができない。一方、良溶媒１５（ｂ）が１０より多い場合、電解質１３がコロイド粒子を形成することが困難になる。
【００３１】
一般に用いられる溶媒としては、水、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテルなどのエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドンなどを用いてもよい。また、グリコール、グリコールエーテル系溶媒としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、１−メトキシ−２−プロパノール、１−エトキシ−２−プロパノールなどが挙げられる。
【００３２】
貧溶媒１５（ａ）とは、溶質を溶かす能力が小さく、溶媒分子間の相互エネルギーが非常に強くて、溶質分子間と溶媒分子間の相互エネルギーの算術平均が、溶質分子‐溶媒分子間の相互エネルギーに比べて著しく大きい溶媒である（「化学大辞典」共立出版を参照）。
例えば、電解質にＮａｆｉｏｎ(R)（登録商標）を用いた場合の貧溶媒１５（ａ）としては、水や、酪酸、吉草酸、ヘキサン酸、オクタン酸などの酸、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ｐ−シメン、ジペンテンなどを用いることができ、特に水を用いることが好ましい。
また、良溶媒１５（ｂ）とは、溶質を溶かす能力が大きい溶媒である。
例えば、電解質にＮａｆｉｏｎ(R)（登録商標）を用いた場合の良溶媒１５（ｂ）としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１‐ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン類、ジエチルエーテル、イソプロピルアミン、酢酸エチル、エチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドンなどを用いることができ、特に、１‐ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどのアルコール類、酢酸メチル、ジエチルエーテルを用いることが好ましい。
【００３３】
電解質と溶媒の混合溶液がエマルションで形成されている場合、用いる２種類以上の溶媒の沸点が異なることが好ましい。沸点が異なる溶媒を用いることで、本発明の燃料電池電極触媒層用スラリーにより形成された電極触媒層中の空孔の形成が容易にできる。
例えば、２種類の溶媒を用いる場合、沸点の差が５℃以上１００℃以下であることが好ましい。沸点の差が５℃より小さい場合、２種類の溶媒が同時に蒸発してしまうため、空孔が形成し難くなる。一方、沸点の差が１００℃より大きい場合、より沸点が高い溶媒の除去が困難になる。このとき、２種類の溶媒のうち、沸点の高い溶媒を貧溶媒１５（ａ）、沸点の低い溶媒を良溶媒１５（ｂ）とすることがより好ましい。
また、２種類以上の溶媒の比率を変えることで、燃料電池電極触媒層用スラリーにより形成された電極触媒層中の空孔量を制御することができる。空孔量を制御するために最適な上記貧溶媒１５（ａ）に対する良溶媒１５（ｂ）の質量比としては、貧溶媒１５（ａ）が１に対して、良溶媒１５（ｂ）が０．８以上１０以下の範囲であることが好ましく、特に１．５以上８以下の範囲であることが好ましい。良溶媒１５（ｂ）が０．８より少ない場合、電解質１３がコロイド粒子またはエマルションを安定に形成することができない。一方、良溶媒１５（ｂ）が１０より多い場合、電解質１３がコロイド粒子またはエマルションを形成することができるが、ネットワークは少なく、良好なネットワークを形成することができない。
【００３４】
本発明の燃料電池電極触媒層用スラリーは、２種類の溶媒１５（ａ）、１５（ｂ）の他に、他の溶媒を含んでいてもよい。他の溶媒としては、２種類の溶媒１５（ａ）、１５（ｂ）の層分離を妨げないものであれば特に限定されない。
【００３５】
電解質と溶媒の混合溶液がコロイドを形成するか、または、エマルションで形成されるかについては、溶媒の種類、比率、温度、ｐＨなどによって決まるが、本発明の燃料電池電極触媒層用スラリーは、燃料電池電極触媒層用スラリーに含まれる２種類以上の溶媒が相分離していればよく、溶媒の種類、比率、温度、ｐＨなどを適宜調整して、コロイド粒子またはエマルションを形成していることがより好ましい。
【００３６】
上記電解質１３は、親水基と疎水基を有する高分子が用いられる。親水基としては、酸性基、塩基性基が挙げられる。なかでも、酸性基が好適であり、スルホン酸基またはホスホン酸基が好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。
具体的には、Ｎａｆｉｏｎ(R)（登録商標）、フレミオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系樹脂、ポリスチレンスルホン酸等の脂肪族系スルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン等の芳香族系スルホン酸樹脂などが挙げられる。芳香族系スルホン酸樹脂は、耐熱性に優れているので、より好ましい。
電解質１３は、燃料電池電極触媒層用スラリーに、０．２質量％以上２３．０質量％以下含まれることが好ましい。
【００３７】
（膜電極結合体）
図２は本発明の膜電極結合体の一実施態様の断面説明図である。
本実施形態の膜電極接合体１２は図３に示したような積層構造からなる。
すなわち、膜電極結合体１２は、電解質膜１の両面にそれぞれ空気極側電極触媒層２および燃料極側電極触媒層３を接合・積層して形成される。電極触媒層２、３は、それぞれ導電剤としてのカーボンブラック粒子、反応触媒、上述のように製造された燃料電池電極用電解質１３から構成されている。
【００３８】
本実施形態で用いる触媒１４である金属触媒粒子としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属又はこれらの合金、または酸化物、複酸化物などが使用できる。その中でも、白金や白金合金が好ましい。また、これらの触媒１４の粒径は、大きすぎると触媒１４の活性が低下し、小さすぎると触媒１４の安定性が低下するため、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。更に好ましくは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が良い。
触媒１４は、燃料電池電極触媒層用スラリーに、０．３質量％以上１５．０質量％以下含まれることが好ましい。
【００３９】
これらの金属触媒粒子は、電子伝導性の導電剤に担持された状態で、電池電極触媒層用スラリーに含まれていてもよい。金属触媒粒子を担持する本実施形態で使用する電子伝導性の導電剤は、一般的に、カーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒１４に侵されないものであればどのようなものでも構わない。ただし、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層が厚くなり抵抗が増加することで、出力特性が低下したりする。この観点から、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましい。更に好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が良い。
金属触媒粒子を担持した電子伝導性の導電剤は、燃料電池電極触媒層用スラリーに、０．５質量％以上３５．０質量％以下含まれることが好ましい。
【００４０】
（固体高分子型燃料電池の単セル）
図３は、この膜電極結合体１２を装着した固体高分子型燃料電池の単セルの一実施態様の構成を示す分解断面図である。
膜電極結合体１２の空気極側電極触媒層２および燃料極側電極触媒層３と対向して、それぞれカーボンペーパーにカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の混合物を塗布した構造を持つ空気極側ガス拡散層４および燃料極側ガス拡散層５が配置されている。これによりそれぞれ空気極６および燃料極７が構成される。そして、空気極側ガス拡散層４および燃料極側ガス拡散層５に面して反応ガス流通用のガス流路８を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ１０により挟持して単セル１１が構成される。そして、空気や酸素などの酸化剤を空気極６に供給し、水素を含む燃料ガスもしくは有機物燃料を燃料極７に供給して発電するようになっている。
【００４１】
（膜電極接合体の製造方法）
本実施形態の膜電極接合体の製造方法の一例についてさらに説明する。
電極触媒層２、３中に供給するための上記導電性多孔質体などからなるガス拡散層４、５上に、本発明の燃料電池電極触媒層用スラリーを塗布し、その後、乾燥させることにより電極触媒層２、３を積層する。その後、この電極触媒層２、３に電解質膜１を挟持して熱圧着により接合して膜電極接合体（ＭＥＡ）１２を製造する。ガス拡散層４、５上に触媒層２、３を形成する燃料電池電極触媒層用スラリーの塗布方法は、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スプレー法などを用いることができる。
また、ＭＥＡ１２の製造方法としては、電解質膜１の両面に電極触媒層２、３を転写やスプレー噴霧により作製し、その後、ガス拡散層４、５で挟持する方法を用いても良い。
【００４２】
（本実施形態の効果）
少なくとも電解質、触媒粒子、溶媒を含む電池電極触媒層用スラリーにおいて、上記溶媒が２種類以上からなり、上記２種類以上の溶媒が相分離している。これによって、ガスの拡散性、保水性、プロトン伝導に優れ、低加湿および高加湿条件においても優れた出力特性を示す燃料電池電極触媒層を簡易に製造することができる。
【００４３】
上記電解質と上記溶媒の混合溶液が、コロイドを形成している。これによって、電解質が触媒に多く被覆することで、プロトン伝導に優れた燃料電池触媒電極を提供することができる。
または、上記電解質と上記溶媒の混合溶液が、エマルションで形成される。これによって、エマルションの状態であることでガスの拡散性に優れた燃料電池触媒電極を提供することができる。
【００４４】
そして、上述の電池電極触媒層用スラリーを用いることで、プロトン伝導、ガス拡散性および保水性にすぐれた触媒層を簡易に製造することができ、プロトン伝導、ガス拡散性および保水性にすぐれた膜電極接合体を製造でき、プロトン伝導、ガス拡散性および保水性に優れ、低加湿および高加湿条件において優れた出力特性を示す燃料電池を製造できる。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。【００４６】
「発電性能評価」
市販のＪＡＲＩ標準セルを用いて評価を行った。セル温度は８０℃として、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気を供給した。加湿条件は、相対湿度１００％、３０％で行った。【００４７】
＜実施例１＞
［触媒層用スラリーの作製］
白金担持カーボン（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を容器にとり、水を加えて混合する。その後、水と同量の酢酸エチルと電解質１３（Ｎａｆｉｏｎ(R)（登録商標）分散液、和光純薬工業）を加えて撹拌して、触媒層用スラリーを得た。
なお、上記触媒層用スラリーの組成比は、下記の通りである。
白金担持カーボン  ・・・    ２０．０質量部
電解質  ・・・・・・・・    １０．０質量部
水  ・・・・・・・・・・  １３５．０質量部
酢酸エチル  ・・・・・・  １３５．０質量部【００４８】
水と酢酸エチルの混合溶液は、相分離しており、電解質と溶媒の混合溶液は、コロイドを形成していた。【００４９】
［膜電極接合体の作製］
触媒層スラリーをポリテトラフルオロエチレンフィルム（ＰＴＦＥフィルム）に塗工後、乾燥して触媒層を得た。電解質膜１（Ｎａｆｉｏｎ(R)（登録商標）２１２ＣＳ、ＤｕＰｏｎｔ社製）を上下で挟むようにして触媒層を重ね合わせ、１２０℃、８０ｋｇｆ／ｃｍ２、１０分間、熱プレスした。熱プレス後、ＰＴＥＦフィルムを剥がして、膜電極接合体を得た。これを、発電評価セルを用いて、発電性能評価を行った。【００５０】
＜実施例２＞
酢酸エチルを水の質量に対しての３倍用いた以外は実施例１と同様の方法で触媒層用スラリーを作製した。
水と酢酸エチルの混合溶液は、相分離しており、電解質と溶媒の混合溶液は、エマルションを形成していた。
膜電極接合体は、実施例１と同様の方法で作製して、発電性能評価を行った。【００５１】
＜比較例１＞
酢酸エチルの代わりに２−プロパノールを用いた以外は実施例１と同様の方法で触媒層用スラリーを作製した。
水と２−プロパノールの混合溶液は、相分離せず、電解質と溶媒の混合溶液は、コロイドおよびエマルションを形成していなかった。
膜電極接合体は、実施例１と同様の方法で作製して、発電性能評価を行った。【００５２】
本発明に基づく触媒層用スラリー実施例１、２を用いた膜電極接合体の発電性能は、相対湿度１００％および３０％において、それぞれ、比較例１より３％、６％優れた出力特性を示した。
このように、本発明の燃料電池電極触媒層用スラリーを用いることで、低加湿条件および高加湿条件のいずれにおいても優れた燃料電池電極触媒層を簡易に提供することができることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、少なくとも電解質、触媒粒子、溶媒を含むスラリーにおいて、上記溶媒が２種類以上からなり、上記溶媒が相分離する燃料電池電極触媒層用スラリーを用いれば、低加湿条件および高加湿条件において優れた出力特性を示す燃料電池用電極触媒層を簡易に製造でき、また膜電極接合体、燃料電池を提供できるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。
【符号の説明】
【００５４】
１        電解質膜
２        空気極側電極触媒層
３        燃料極側電極触媒層
４        空気極側ガス拡散層
５        燃料極側ガス拡散層
６        空気極
７        燃料極
８        ガス流路
９        冷却水流路
１０        セパレータ
１１        単セル
１２        膜電極結合体
１３        電解質
１４        触媒
１５（ａ）        貧溶媒
１５（ｂ）        良溶媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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