(57)【要約】      （修正有）【課題】電極触媒層内部の細孔容積を効果的に増加させて水の排出とガスの拡散性を担保し，発電性能の向上に寄与し得る，燃料電池の電極触媒層用ペーストの製造方法を提供する。【解決手段】触媒を担持したカーボンと高分子電解質とを準備する準備ステップＳ１と，この準備ステップＳ１で準備した前記カーボン及び高分子電解質に溶剤を加えたものを，剪断力を加えながら攪拌する第１攪拌ステップＳ４と，この第１攪拌ステップＳ４で攪拌した前記カーボン，高分子電解質及び溶剤の混合物に炭素繊維を加えて攪拌する第２攪拌ステップＳ６とを実行する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒（１０）を担持したカーボン（１１）と高分子電解質（１２）とを準備する準備ステップ（Ｓ１）と、この準備ステップ（Ｓ１）で準備した前記カーボン（１１）及び高分子電解質（１２）に溶剤（１３）を加えたものを、剪断力を加えながら攪拌する第１攪拌ステップ（Ｓ４）と、この第１攪拌ステップ（Ｓ４）で攪拌した前記カーボン（１１）、高分子電解質（１２）及び溶剤（１３）の混合物に炭素繊維（１５）を加えて攬絆する第２攪拌ステップ（Ｓ６）とを実行することを特徴とする、燃料電池の電極用ペーストの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の電極用ペーストの製造方法において、前記第１攪拌ステップ（Ｓ４）の前に、触媒担持カーボン（１１）、高分子電解質（１２）及び溶剤（１３）よりなる攪拌前混合物を粉砕する粉砕ステップ（Ｓ３）を実行することを特徴とする、燃料電池の電極用ペーストの製造方法。
【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電極触媒層として用いるペーストの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題、エネルギー問題の観点から、燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素と酸素を利用した水の電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がないクリーンな発電装置である。燃料電池は、その電解質の種類に応じて数種類に分類されるが、これらの中でも、固体高分子型燃料電池は低温で作動するため、自動車や民生用として最も有望である。このような燃料電池は、例えば、高分子固体電解質、触媒電極層、ガス拡散層、セパレータから構成された単セルを積層する（例えば、自動車用として使用する際は、数十〜数百セル）ことによって、高出力の発電が達成できる。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の単セルは、高分子イオン交換膜からなる電解質膜に両面に、カーボンを主体とする担体に白金などの貴金属触媒を担持させた触媒担持カーボンを含む電極触媒層を接合し、さらに各電極触媒層の外側にガス拡散層を接合して膜電極接合体を構成し、これを一対のセパレータによって挟持することにより構成される。この単セルにおいて、一側の電極触媒層及びガス拡散層によりアノード電極が、また他側の電極触媒及びガス拡散層によりカソード電極が構成される。
【０００４】
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスが供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素や空気が供給される。而して、アノード電極側では、前記電極触媒層での触媒作用により、前記燃料ガスからプロトンが生成され、このプロトンは前記電解質膜を介してカソード電極側の電極触媒層側の電極触媒層に移動する。そして、このプロトンは、前記カソード電極側の電極触媒層において、触媒作用により、カソード電極に供給される前記酸化剤ガスと反応して水を生成する。したがって、アノード電極及びカソード電極間を導線により接続することにより電流を取り出すことができる。
【０００５】
従来、固体高分子型燃料電池の電極触媒層は、触媒と高分子電解質に、造孔剤としての炭素繊維を混合してペーストとされ、このペーストは転写用フィルム基材や電解質膜などに塗布される（特許文献１参照）。
【０００６】
ところで、各電極での過剰な水分の発生は、ガスの拡散を阻害するため、各電極は適度な水の排出能を有する必要がある。
【０００７】
しかしながら。従来では、図４に示すように。電極触媒層用ペースト０１６の製造に当たり、触媒１０を担持したカーボン１１と、高分子電解質１２と、造孔剤たる炭素繊維１５とに溶剤１３を加えて、一挙に攪拌していたが、このようなペーストにより形成した電極触媒層では、細孔１７の容積が極めて小さく、水の排出とガスの拡散性が満足できるものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１９３１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かゝる事情に鑑みてなされたもので、電極触媒層内部の細孔容積を効果的に増加させて水の排出とガスの拡散性を担保し、発電性能の向上に寄与し得る、燃料電池の電極触媒層用ペーストの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明の燃料電池の電極触媒層用ペーストの製造方法は、触媒を担持したカーボンと高分子電解質とを準備する準備ステップと、この準備ステップで準備した前記カーボン及び高分子電解質に溶剤を加えたものを、剪断力を加えながら攪拌する第１攪拌ステップと、この第１攪拌ステップで攪拌した前記カーボン、高分子電解質、及び溶剤の混合物に炭素繊維を加えて攪拌する第２攪拌ステップとを実行することを第１の特徴とする。尚、前記準備ステップ、第１攪拌ステップ及び第２攪拌ステップは、後述する本発明の実施例中の第１ステップＳ１、第４ステップＳ４及び第６ステップＳ６にそれぞれ対応する。
【００１１】
また本発明は、第１の特徴に加えて、前記第１攪拌ステップの前に、触媒を担持したカーボン、高分子電解質及び溶剤よりなる攪拌前混合物を粉砕する粉砕ステップを実行することを第２の特徴とする。尚、前記粉砕ステップは、後述する本発明の実施例中の第３ステップＳ３に対応する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１の特徴によれば、触媒・高分子電解質混合物に炭素繊維を添加、攪拌する  前に、触媒を担持したカーボン、高分子電解質及び溶剤の混合物を、剪断力を加えながら攪拌することにより、高分子電解質を均一に分散させ、これら高分子電解質を触媒に効果的に付着、固定することができ、またその後の炭素繊維の添加、攪拌によるも、炭素繊維への高分子電解質の付着を抑制することができる。こうして得たペーストは、炭素繊維の造孔効果が良好で、細孔の容積を効果的に増加させることになる。したがって、このペーストを用いて電極触媒層を形成したアノード電極及びカソード電極では、水の排出とガスの拡散性が良好となり、燃料電池の発電性能の向上に寄与し得る。
【００１３】
本発明の第２の特徴によれば、触媒を担持したカーボン、高分子電解質及び溶剤よりなる攪拌前混合物を粉砕することにより、凝縮している前記カーボンを細かく粉砕して該カーボンの表面積を増加させることになり、カーボンに担持された触媒の利用率を向上させることができる。したがって高価な触媒の使用量を極力抑えながら、発電性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】燃料電池を構成する膜電極接合体の縦断面図。
【図２】本発明方法による電極触媒用ペーストの製造工程チャート。
【図３】本発明方法により製造された電極触媒用ペーストの顕微鏡的拡大図。
【図４】従来方法で製造された電極触媒用ペーストの顕微鏡的拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を、添付図面に示す本発明の好適な実施例に基づいて以下に説明する。
【００１６】
先ず、図１において、固体高分子型燃料電池の膜電極接合体１は、高分子電解質膜２（以下、単に電解質膜という。）と、この電解質膜２の両面に接合されるアノード電極３及びカソード電極４とからなっている。さらに各電極３、４は、多孔質のガス拡散層５と、このガス拡散層５の一側面に形成される電極触媒層６とで構成され、その電極触媒層６が電解質膜２に接合される。
【００１７】
電解質膜２としては、ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸高分子を好適に用いることができる。また、ガス拡散層５としては導電性をと耐酸性を兼ね備えた  多孔性の材料を用いることができ、例えばカーポンベーパーが好適である。
【００１８】
電極触媒層６は、図２に示すように、白金等の触媒１０を担持したカーボン１１（例えば、カーボンブラック）、高分子電解質１２（例えば、電解質膜２に用いられるもの）、及び炭素繊維１５（例えば、気相成長炭素繊維）を混合して構成される。
【００１９】
さて、上記電極触媒層６の形成に用いられるペーストの製造方法について図２及び図３により説明する。
【００２０】
〔第１ステップＳＩ〕
白金等の触媒１０を担持したカーボン１１と高分子電解質１２とを準備する。
【００２１】
〔第２ステップＳ２〕
第１ステップＳ１で準備したカーボン１１１１及び高分子電解質１２に、水及びアルコールよりなる溶剤３を加えて、攪拌前混合物を得る。
【００２２】
この攪拌前混合物の組成の一例を次に挙げる。
【００２３】
カーボン１１・・・・・・    １１ｗｔ％
高分子電解質１２・・・・    ４１ｗｔ％
水・・・・・・・・・・・    ３５ｗｔ％
アルコール・・・・・・・    １３ｗｔ％
〔第３ステップＳ３〕
カーボン１１及び高分子電解質１２に溶剤１３を加えたものを、攪拌式メディアミル等を使用して粉砕し、特に凝縮しているカーボン１１を微細に砕く。これにより、カーボン１１の表面積を増加させ、触媒１０の利用率を向上させることができる。
【００２４】
〔第４ステップＳ４〕
第３ステップＳ３で得たカーボン１１、高分子電解質１２及び溶剤１３の粉砕物を、プロペラ等使用して剪断力を加えながら攪拌する。これによれば、高分子電解質ｌ２を均一に分散させ、これら高分子電解質１２に触媒１０を効果的に付着、固定することができる。
【００２５】
［第５ステップＳ５］
第４ステップＳ４の結果、触媒・高分子電解質混合物１４を得る。
【００２６】
［第６ステップＳ６］
触媒・高分子電解質混合物１４に、造孔剤たる炭索繊維１５を添加して攪拌する。
【００２７】
触媒・高分子電解質混合物１４と炭素繊維１５との割合（重量比）は、例えば５０：１である。
〔第７ステップＳ７〕
第６ステップＳ６の結果、前記電極触媒層６用のベースト１６を得る。
【００２８】
而して、このペースト１６は、膜電極接合体１の製作時、従来同様に電解質膜２や転写用フィルム基材に塗布される。転写用フィルム基材に塗布した場合は、そのペースト１６を電解質膜に転写する。電解質膜２に形成されたペースト１６は、乾燥されて前記電極触媒層６となり、溶剤１３が蒸発した跡が細孔１７となる。
【００２９】
上記のように、触媒・高分子電解質混合物１４に炭素繊維１５を添加、攪拌する前に、カーボン１１、高分子電解質１２及び溶剤１３よりなる攪拌前混合物を、剪断力を加えながら攪拌すると、高分子電解質１２を均一に分散させ、これら高分子電解質１２を触媒１０に効果的に付着、固定することができるのみならず、その後の炭素繊維１５の添加、攪拌によるも、炭素繊維１５への高分子電解質１２の付着を抑制することができる。こうして得たペースト１６は、炭素繊維１５の造孔効果が良好で、細孔１７の容積を効果的に増加させることになる。また高分子電解質１２をカーボン１１に効果的に付着、固定し得ることで、電極反応の効率をより向上させることができる。
【００３０】
実際に、従来の方法である触媒担持カーボン、高分子電解質及び炭素繊維に溶剤を加えて一挙に攪拌して得たペーストにより作成した電極触媒層と、本発明の方法により得たペースとにより作成した電極触媒層の評価を行った。まず、細孔１７の容積を測定してみたところ、従来方法によるペーストでは８．２μｌ／ｃｍ2 であるのに対して、本発明方法によるペースト１６では９．９μｌ／ｃｍ2 と大幅に増加していることを確認した。さらに、従来方法によるペーストと本発明方法によるペーストを用いてそれぞれの燃料電池の単セルを作成して、電流電圧特性を測定したところ、１Ａ／ｃｍ2 の電流密度のとき従来方法による単セルでは０．５８Ｖであるのに対し、本発明方法では０．６１Ｖと出力が向上した。
【００３１】
かくして、このペースト１６を用いて電極触媒層６を形成したアノード電極３及びカソード電極４では、水の排出とガスの拡散性が良好となり、燃料電池の発電性能の向上に寄与し得る。
【００３２】
またカーボン１１、高分子電解質１２及び溶剤１３よりなる攪拌前混合物を粉砕することは、凝縮しているカーボン１１を細かく粉砕して表面積を増加させることになり、担持された触媒１０の利用率を向上させることができる。したがって高価な触媒１０の使用量を極力抑えながら、発電性能の向上を図ることができる。
【００３３】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
Ｓ１・・・・準備ステップ（第１ステップ）
Ｓ３・・・・粉砕ステップ（第３ステップ）
Ｓ４・・・・第１攪拌ステップ（第４ステップ）
Ｓ６・・・・第２攪拌ステップ（第５ステップ）
１０・・・・触媒
１１・・・・触媒を担持したカーボン
１２・・・・高分子電解質
１３・・・・溶剤
１４・・・・触媒・高分子電解質混合物
１５・・・・炭素繊維
１６・・・・ペースト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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