(57)【要約】【課題】燃料電池用電極接合体の製造において、真空設備等の高価な設備を用いないで、電解質膜に触媒層を積層することである。【解決手段】燃料電池用電極接合体の製造は、電解質膜に触媒層を積層することにより製造される燃料電池用電極接合体の製造であって、触媒ペーストに含まれる溶媒を乾燥する乾燥工程（Ｓ１６）と、乾燥工程（Ｓ１６）により生成される生成物を水蒸気により除去する除去工程（Ｓ１８）とを有する。また、燃料電池用電極接合体の製造は、触媒ペーストに含まれる溶媒が有機溶媒であるエチルアルコールであることが好ましく、乾燥工程（Ｓ１６）によりエチルアルコールと酸素とが反応して生成する酢酸を水蒸気により除去する除去工程（Ｓ１８）を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に触媒層を積層することにより製造される燃料電池用電極接合体の製造方法であって、
触媒ペーストに含まれる溶媒を乾燥する乾燥工程と、
乾燥工程により生成される生成物を水蒸気により除去する除去工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用電極接合体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用電極接合体の製造方法であって、
触媒ペーストに含まれる溶媒は、エチルアルコールであることを特徴とする燃料電池用電極接合体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池用電極接合体の製造方法により製造されることを特徴とする燃料電池用電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極接合体の製造方法及び燃料電池用電極接合体に係り、特に、電解質膜に触媒層を積層することにより製造される燃料電池用電極接合体の製造方法及び燃料電池用電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有する電池として近年脚光を浴びている。燃料電池は、一般的に、燃料である水素に空気中の酸素を化学反応させて、電気エネルギーをつくりだしている。そして、水素と酸素とが化学反応した結果として、水が生成される。
【０００３】
燃料電池の種類は、使用される電解質の種類により、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、アルカリ型、固体高分子型等がある。この中でも、常温で起動しかつ起動時間が速い等の利点を有する固体高分子型の燃料電池が注目されている。
【０００４】
固体高分子型の燃料電池の単電池は、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータとを含んで構成される。このうち、触媒層とガス拡散層とは、燃料電池の電極としての機能を有している。
【０００５】
図３は、固体高分子型の燃料電池用電極接合体の構成を示す図である。燃料電池用電極接合体２０は、電解質膜２２にアノード極側の触媒層２４とカソード極側の触媒層２６とを積層することにより製造される。触媒層２４、２６の積層は、一般的に、触媒層２４、２６を形成するための触媒ペーストを電解質膜２２に塗布等することにより行われる。
【０００６】
触媒ペーストを電解質膜２２に塗布した後、触媒ペーストの中に含まれる溶媒を、乾燥装置により乾燥させる。そして、乾燥終了後に真空引きすることにより、乾燥中に生成した生成物を除去している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術のように、乾燥中に生成した生成物を真空引きすることにより除去する場合には、真空チャンバーや真空ポンプ等の真空設備が必要になる。したがって、燃料電池用電極接合体を製造するために真空設備等の高価な設備を用いると、燃料電池用電極接合体の製造コストが高くなる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、真空設備等の高価な設備を用いないで、電解質膜に触媒層を積層することにより製造される燃料電池用電極接合体の製造方法及び燃料電池用電極接合体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池用電極接合体の製造方法は、電解質膜に触媒層を積層することにより製造される燃料電池用電極接合体の製造方法であって、触媒ペーストに含まれる溶媒を乾燥する乾燥工程と、乾燥工程により生成される生成物を水蒸気により除去する除去工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池用電極接合体の製造方法は、触媒ペーストに含まれる溶媒がエチルアルコールであることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る燃料電池用電極接合体は、電解質膜に触媒層を積層することにより製造される燃料電池用電極接合体の製造方法により製造される燃料電池用電極接合体であって、触媒ペーストに含まれる溶媒を乾燥する乾燥工程と、乾燥工程により生成される生成物を水蒸気により除去する除去工程とを有する燃料電池用電極接合体の製造方法により製造されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池用電極接合体は、触媒ペーストに含まれる溶媒がエチルアルコールである燃料電池用電極接合体の製造方法により製造されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記の燃料電池用電極接合体の製造方法及び燃料電池用電極接合体によれば、真空設備等の高価な設備を用いないで、電解質膜に触媒層を積層することにより製造することができるので、燃料電池用電極接合体の製造コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、燃料電池用電極接合体の製造方法のフローチャートを示す図である。
【００１５】
電解質膜準備工程（Ｓ１０）は、燃料電池用電極接合体に用いられる電解質膜を準備する工程である。電解質膜は、アノード極側で発生した水素イオンをカソード極側まで移動させる機能と、水素と酸素とが接触することにより化学反応することを防止するガスバリアとしての機能と、アノード極側の触媒層とカソード極側の触媒層とが直接接触して短絡するのを防ぐための絶縁機能等を有している。
【００１６】
電解質膜は、化学的に安定であるフッ素系樹脂、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜が用いられる。パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜としては、ナフィオン膜（デュポン社の登録商標）、フレミオン膜（旭硝子株式会社の登録商標）、アシプレックス膜（旭化成株式会社の登録商標）、ゴアセレクト膜（ジャパンゴアテックス社の登録商標）等を用いることができる。この他の電解質膜としては、フッ素系樹脂の繊維等を上記のイオン交換膜に分散させて、イオン交換膜を強化した補強膜を用いてもよいし、部分フッ素化膜、炭化水素系膜、有機無機複合膜等を用いてもよい。
【００１７】
触媒ペースト準備工程（Ｓ１２）は、電解質膜に積層される触媒層を形成するための触媒ペーストを準備する工程である。触媒層は、アノード極側での水素の酸化反応やカソード極側での酸素の還元反応を促進する機能を有している。触媒ペーストは、触媒と、触媒担体と、電解質溶液と、溶媒とを混合することにより準備される。また、触媒ペーストには、撥水材を含んでもよい。
【００１８】
触媒は、アノード極側での水素の酸化反応やカソード極側での酸素の還元反応を生じさせる電極の面積を大きくするために、一般的に、粒子状にしてから触媒の担体に付着させて使用される。触媒には、水素の酸化反応や酸素の還元反応について、小さい活性化過電圧を有する白金族元素である白金が使用される。
【００１９】
また、触媒は白金だけに限定されず、他の白金族元素であるルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウムやイリジウム等を用いてもよい。なお、触媒は、白金―ルテニウム合金のように複数の白金族元素を合金化させた材料や、白金族元素と他の元素であるモリブデン、鉄、パラジウム、クロム、コバルト、マンガン、ニッケル等とを合金化させた材料を用いてもよい。
【００２０】
触媒の担体は、カーボン材料、例えば、カーボンブラックが使用される。カーボンブラックとしては、一般的に、ファーネスブラックやアセチレンブラックが用いられる。ファーネスブラックとしては、ケッチェンブラック（ライオン社製）等を、アセチレンブラックとしては、デンカブラック（電気化学工業社製）等を用いることができる。
【００２１】
電解質溶液は、アノード極側での水素の酸化反応やカソード極側での酸素の還元反応の反応面積を拡大するために添加される。電解質溶液は、電解質膜と同じ成分の溶液が用いられる。電解質溶液としては、例えば、ナフィオン溶液（デュポン社製）を使用することができるが、特に、これに限定されることはない。
【００２２】
溶媒は、触媒等をペースト状にして電解質膜に塗布しやすくするために添加される。溶媒としては、一般的に、揮発しやすい有機溶媒が用いられる。有機溶媒としては、例えば、エチルアルコールやイソプロピルアルコール等を用いることができる。勿論、溶媒は、特にこれらに限定されることはない。
【００２３】
撥水材は、フッ素系樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂を用いることができる。その他のフッ素系樹脂としては、パーフロロアルコキシ（ＰＦＡ）樹脂、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）樹脂、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）樹脂、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）樹脂等を用いることができる。また、他の撥水材としては、シリコン系樹脂等を用いることができるが、特にこれらの材料に限定されることはない。撥水材は、一般的に、水又は有機溶媒等の溶媒にゾルゲル法等により分散させて用いられる。
【００２４】
触媒ペーストは、触媒と、触媒担体と、電解質溶液と、溶媒と、必要に応じて撥水材とを混合機にいれて混合することによりペースト状に作製される。また、触媒ペーストは、特に、ペースト状に限定されることはなく、スラリー状やインク状等であってもよく、電解質膜に塗布できる形態であればよい。
【００２５】
塗布工程（Ｓ１４）は、電解質膜に触媒ペーストを塗布する工程である。触媒ペーストは、刷毛塗り、スプレー、印刷、ローラー等により電解質膜に塗布することができる。塗布は、所定の形状の電解質膜に１枚ずつ触媒ペーストを塗布してもよいし、ローラー成形のように電解質膜に連続して触媒ペーストを塗布してもよい。
【００２６】
乾燥工程（Ｓ１６）は、触媒ペーストに含まれる溶媒を乾燥する工程である。図２は、電解質膜に塗布された触媒ペーストを乾燥している様子を示す図である。乾燥は、例えば、ノズル１０から出る熱風１２を電解質膜１４に塗布された触媒ペースト１６に吹き付けることにより行われる。ここで、乾燥中に、触媒ペースト１６に含まれる溶媒が、空気中の酸素と反応して生成物を生成する。例えば、触媒ペースト１６に含まれる溶媒がエチルアルコールである場合には、まず、エチルアルコールと酸素とが反応してアセトアルデヒドとなる。そして、アセトアルデヒドが酸素とさらに反応して、異臭を発する有害な酢酸が生成物として生成される。
【００２７】
乾燥温度は、一般的に、５０℃以上１００℃以下が用いられる。勿論、乾燥温度は、この温度範囲に限定されることはない。また、触媒ペーストに含まれる溶媒を乾燥させる装置は、一般的な乾燥炉等を使用することができる。
【００２８】
除去工程（Ｓ１８）は、乾燥工程（Ｓ１６）により生成される生成物を水蒸気により除去する工程である。生成物の除去は、例えば、乾燥工程（Ｓ１６）後の触媒ペーストに水蒸気を吹き付けることにより結露させ、結露させてできた水に生成物を含ませて排出させることにより行われる。触媒ペーストに含まれる溶媒が、上述したエチルアルコールである場合には、生成物である酢酸を、水蒸気を結露させてできた水に溶解させて除去する。
【００２９】
生成物を除去するための水蒸気は、一般的に、飽和蒸気を用いることができる。また、水蒸気は、飽和蒸気よりも熱容量が大きい過熱蒸気を用いてもよい。ここで、過熱蒸気とは、大気圧で１００℃より高い温度で熱せられた水蒸気のことである。過熱蒸気を用いる場合には、大気圧中で２００℃以上３５０℃以下に過熱された過熱蒸気を用いることが好ましい。
【００３０】
除去装置は、飽和蒸気又は過熱蒸気等の水蒸気を発生させる装置が付属した装置を用いることができる。飽和蒸気又は過熱蒸気等の水蒸気を発生させる装置は、一般的に用いられる加熱装置である電気ヒーターや誘導加熱装置等を使用することができる。
【００３１】
上記の燃料電池用電極接合体の製造方法によれば、真空設備等の高価な設備を用いないで、電解質膜に触媒層を積層することにより製造することができるので、燃料電池用電極接合体の製造コストの低減が図れる。特に、燃料電池用電極接合体をロール成形等で連続して製造する場合においては、真空用シール等が不要のため連続して容易に燃料電池用電極接合体を製造することができる。
【００３２】
また、上記の燃料電池用電極接合体の製造方法によれば、触媒ペーストを乾燥させることにより生成される生成物を水蒸気により除去するので、真空引きにより生成物を蒸発させて除去するのと比較して短時間で生成物を除去できる。
【００３３】
真空引きにより生成物を除去する場合には、生成物とともに電解質膜に含まれる水分も合せて除去される可能性があり、電解質膜の水分管理が困難である。しかし、上記の燃料電池用電極接合体の製造方法によれば、水蒸気により生成物を除去するため、電解質膜の水分管理が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る実施の形態である燃料電池用電極接合体の製造方法のフローチャートを示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態である電解質膜に塗布された触媒ペーストを乾燥している様子を示す図である。
【図３】固体高分子型の燃料電池用電極接合体の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ノズル、１２  熱風、１４  電解質膜、１６  触媒ペースト、２０  燃料電池用電極接合体、２２  電解質膜、２４  アノード極側の触媒層、２６  カソード極側の触媒層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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