(57)【要約】【課題】燃料電池に用いられる触媒層を作製する方法に関し、電解質の被覆率が高く且つ均一な厚さの触媒層を作製する方法を提供する。【解決手段】白金担持カーボン、電解質、エタノール、および水を混合する（工程１）。次に、工程１の混合物（触媒インク）を分散する（工程２）。次に、工程２において分散した触媒インクをスプレー法で噴霧塗工する（工程３）。次に、工程３において作製された塗工層を乾燥させる（工程４）。次に、工程４において乾燥させた塗工層を採取し、酢酸ブチル溶媒と混合して触媒インクを再調合する（工程５）。次に、工程５において再調合した触媒インクを再分散する（工程６）。次に、工程６において再分散した触媒インクを、アプリケータによって基材上に塗工する。次に、工程７において塗工した触媒層を乾燥させる（工程８）。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる触媒層を作製する燃料電池の製造方法であって、
触媒担持カーボンの表面に電解質を被覆する第１の工程と、
前記触媒担持カーボンと溶媒とを混合して触媒インクを作製する第２の工程と、
前記触媒インクを基材に塗布塗工する第３の工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程は、
前記触媒担持カーボンと前記電解質とを混合する混合工程と、
前記混合工程において作製された混合物を噴霧塗工する噴霧工程と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記第２の工程において混合される溶媒は、前記電解質の貧溶媒であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の製造方法に係り、特に、燃料電池に用いられる触媒層を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数枚の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側から拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。
【０００３】
ＭＥＡを構成する電極は、白金等の触媒が担持された触媒層として構成されている。白金等の貴金属は希少元素であり高価なことから、白金使用量を低減することが、燃料電池のコストダウンを図るための条件の１つになっている。燃料電池の発電性能を低下させることなく白金使用量を低減するためには、触媒層中のプロトン移動や電子移動の抵抗を少なくして触媒層の利用率を高めることが求められる。このため、例えば、特開２００９−１３５０９１号公報には、電極の側面をプロトン伝導性を有する被覆体で被覆し、該被覆体と電解質膜とが接触するようにした燃料電池が提案されている。この燃料電池によれば、電解質膜から離間していた電極部分においてもプロトン伝導が可能となるので、燃料電池の出力性能を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１３５０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、触媒層の作製方法としては、触媒担持カーボンと電解質とを混合した混合物（触媒インク）を作製し、この触媒インクをスプレー法やアプリケータで塗工して作製する方法が一般的に知られている。ここで、触媒層の触媒利用率を高める観点から触媒層に求められる条件としては、触媒層における電解質の被覆率が高いこと、および触媒層中の触媒が均一に配置されていることが挙げられる。この点、公知のスプレー法によって触媒層を作製することとすると、触媒層中の電解質の被覆率を有効に高めることはできるものの、該触媒層を均一な厚さに形成することが困難となる。一方において、アプリケータを用いた公知の塗工によって触媒層を作製することとすると、該触媒層を均一な厚さに形成することはできるものの、触媒層中の電解質の被覆率を高めることが困難となる。
【０００６】
このように、上述した公知のスプレー法やアプリケータ塗工を用いた触媒層の作製方法では、上記２条件をみたす触媒層、すなわち、電解質被覆率の高い均一な厚さの触媒層を作製することが困難であり、改善が望まれていた。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池に用いられる触媒層を、電解質の被覆率が高く且つ均一な厚さで作製することのできる燃料電池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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池に用いられる触媒層を作製する燃料電池の製造方法であって、
触媒担持カーボンの表面に電解質を被覆する第１の工程と、
前記触媒担持カーボンと溶媒とを混合して触媒インクを作製する第２の工程と、
前記触媒インクを基材に塗布塗工する第３の工程と、
を実行することを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、
前記第１の工程は、
前記触媒担持カーボンと前記電解質とを混合する混合工程と、
前記混合工程において作製された混合物を噴霧塗工する噴霧工程と、
を含むことを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１または第２の発明において
前記第２の工程において混合される溶媒は、前記電解質の貧溶媒であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、触媒担持カーボンの表面に電解質が被覆される。そして、この被覆された触媒担持カーボンを用いて作製された触媒インクが基材に塗布塗工される。このため、本発明によれば、電解質の被覆率が高く、且つ厚さが均一な触媒層を作製することができる。
【００１２】
第２の発明によれば、先ず、触媒担持カーボンと電解質とを混合した混合物が噴霧塗工される。混合物が噴霧塗工されると、表面張力の影響によって電解質が触媒担持カーボンに有効に吸着する。このため、本発明によれば、電解質が均一に被覆された触媒担持カーボンを作製することができる。
【００１３】
第３の発明によれば、電解質が被覆された触媒担持カーボンから触媒インクを作製する際に、電解質の貧溶媒が混合される。このため、本発明によれば、触媒担持カーボンに被覆された電解質が溶解してしまう事態を効果的に抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図２】発電体１４を積層方向に沿って切断した断面図である。
【図３】カソード触媒層２６を作製するための工程を説明するための図である。
【図４】本実施例の燃料電池と当該燃料電池に対してカソード触媒層の構成が異なる燃料電池とを比較した評価試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は単位電池１２を複数積層したスタック構造を有している。単位電池１０は、発電体１４、反応ガスが流れるガス流路１６、隣接する発電体１４を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１４は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、カーボン繊維からなるガス拡散層２２をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス(例えば、水素ガス)の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それらについての説明は省略する。
【００１７】
次に、図２を参照して発電体１４の構成について更に詳しく説明する。図２は、発電体１４を積層方向に沿って切断した断面の一部を示す図である。図２に示すとおり、電解質膜２４のカソード側には、カソード触媒層２６およびガス拡散層２２が積層されている。カソード触媒層２６は白金担持カーボンと電解質とから構成されている。尚、カソード触媒層２６の作製方法は、その詳細な説明を後述する。
【００１８】
一方、電解質膜２４のアノード側には、カソード触媒層２８およびガス拡散層２２が積層されている。アノード触媒層２６は白金担持カーボンと電解質とから構成されており、公知のスプレー法や転写法等によって形成される。
【００１９】
［実施の形態の特徴］
次に、本実施の形態の特徴について説明する。本実施の形態の燃料電池１４は、カソード触媒層２６の作製方法に特徴を有している。上述したとおり、触媒層の触媒利用率を高めるためには、触媒層における電解質の被覆率が高いこと、および触媒層中の触媒が均一に配置されていることが重要な条件となる。しかしながら、公知のスプレー法によって触媒層を作製することとすると、触媒層中の電解質の被覆率を有効に高めることはできるものの、該触媒層を均一な厚さに形成することが困難となる。一方において、アプリケータを用いた塗工によって触媒層を作製することとすると、該触媒層を均一な厚さに形成することはできるものの、触媒層中の電解質の被覆率を高めることが困難となる。このように、上述した公知のスプレー法やアプリケータ塗工では、上記２条件を満たす触媒層、すなわち、電解質被覆率の高い均一な厚さの触媒層を作製することが困難となる。
【００２０】
そこで、本出願の発明者は、上記２条件を満たす触媒層を作製するために、鋭意研究を重ねた結果、これらの条件を満たす触媒層を作製するための方法を見出した。以下、この触媒層の作製方法について詳細に説明する。
【００２１】
（触媒層の作製工程）
図３は、カソード触媒層２６を作製するための工程を説明するための図である。この図に示すとおり、先ず、材料を混合する（工程１）。ここでは、具体的には、白金担持カーボン、電解質、エタノール、および水を混合する。次に、上記工程１の混合物（触媒インク）を分散する（工程２）。ここでは、具体的には、ビーズミルやナノマイザー等を用いて、せん断をかけてカーボン凝集体をほぐす分散方法が好ましい。
【００２２】
次に、上記工程２において分散した触媒インクをスプレー法で噴霧塗工する（工程３）。尚、この工程では、塗工層が重ならないように塗工することが好ましい。次に、上記工程３において作製された塗工層を乾燥させる（工程４）。乾燥方法は特に限定せず、公知の方法を用いることとしてよい。次に、上記工程４において乾燥させた塗工層の再調合を行う（工程５）。ここでは、具体的には、先ず、上記工程４において乾燥させた塗工層をかき採る。そして、このかき採られた塗工層と溶媒とを混合して、触媒インクを再調合する。この際、溶媒には、電解質の貧溶媒、例えば、酢酸ブチルやヘキサンを使用する。
【００２３】
次に、上記工程５において再調合した触媒インクを再分散する（工程６）。分散には、上記工程２と同様に、ビーズミルやナノマイザーを用いることが好ましい。次に、上記工程６において再分散した触媒インクを塗工する（工程７）。ここでは、具体的には、アプリケータやダイコーダ等を用いた塗工によって、該触媒インクを基材上に塗工する。次に、上記工程７において塗工した触媒層を乾燥させる（工程８）。そして、上記工程８で乾燥させた触媒層を所定の形状に切断し、ＭＥＡ２０に用いられるカーボン触媒層２６を得る（工程９）。
【００２４】
以上説明した触媒層の作製方法は、以下の効果を奏する。すなわち、上記工程３における噴霧塗工工程が行われると、乾燥していく過程において、電解質が白金担持カーボンに有効に吸着する。これにより、電解質によって均一に被覆された白金担持カーボンを作製することができる。作成された白金担持カーボンは、触媒インクとして再調合される。このため、この触媒インクをアプリケータによって塗工することにより、電解質に均一に被覆された白金担持カーボンを均一な厚さに塗工することができる。これにより、電解質被覆率の高い均一な厚さの触媒層を作製することができる。
【００２５】
また、本実施の形態においては、工程５において触媒インクの再調合工程を行う際に、電解質の貧溶媒が使用される。このため、白金担持カーボンに均一に被覆された電解質が溶解してしまう事態を効果的に抑止することができる。
【００２６】
ところで、上述した実施の形態では、カソード触媒層２６として、電解質被覆率の高い均一な厚さの触媒層を作製することとしているが、アノード触媒層２８に関しても、同様の作製方法で作製することとしてもよい。
【００２７】
［実施の形態についての評価試験］
次に、図４を用いて、実施の形態に示す発明の効果を確認するために行った評価試験について説明する。図４は、本実施例の燃料電池と当該燃料電池に対してカソード触媒層の構成が異なる燃料電池とを比較した評価試験の結果を示す図である。
【００２８】
（ＭＥＡの作製手順）
本評価試験においては、本発明の実施例１としてのＭＥＡ、比較例１としてのＭＥＡ、および比較例２としてのＭＥＡをそれぞれ作製した。実施例１におけるカソード触媒層は、以下の手順で作製した。先ず、４５質量％の白金を担持した炭素微粒子（ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製，ケッチェンブラックＥＣ）１ｇと、高分子電解質（デュポン社製，ＳＥ２００９２）２．２ｇと、水５ｇと、エタノール５ｇと、を遠心撹拌で混合し、その後ビーズミル（ビーズ径φ０．５ｍｍ）で分散を行った。
【００２９】
次に、上記分散された混合物をスプレー装置でＰＴＦＥ基材上に噴霧した。この際、狙い目付けは０．５ｍｇ／ｃｍ２とし、噴霧塗工した層が重ならないように行った。次に、噴霧塗工した触媒層を８０℃に設定されたホットプレート上で乾燥させた。次に、乾燥させた触媒層を基材からかき採り、触媒層粉体として採取した。
【００３０】
次に、採取された触媒層粉体に酢酸ブチル溶液を加えて、再度ビーズミル（ビーズ径φ０．５ｍｍ）で分散を行った。酢酸ブチル溶液は、触媒層粉体１ｇに対して１０ｇの割合で混合した。そして、得られた混合物をアプリケータでテフロンシート上に塗工した。この際、狙い目付けは０．１ｍｇ／ｃｍ２とした。次に、塗工された触媒層を１３０℃の真空乾燥機で一晩乾燥を行ってカソード触媒層を得た。その後、このカソード触媒層を１ｃｍ２に切り出した。
【００３１】
一方、比較例１におけるカソード触媒層は、以下の手順で作製した。先ず、４５質量％の白金を担持した炭素微粒子（ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製，ケッチェンブラックＥＣ）１ｇと、高分子電解質（デュポン社製，ＳＥ２００９２）２．２ｇと、水５ｇと、エタノール５ｇと、を遠心撹拌で混合し、その後ビーズミル（ビーズ径φ０．５ｍｍ）で分散を行った。得られた混合物をアプリケータでテフロンシート上に塗工した。この際、狙い目付けは０．１ｍｇ／ｃｍ２とした。次に、塗工された触媒層を１３０℃の真空乾燥機で一晩乾燥を行ってカソード触媒層を得た。その後、このカソード触媒層を１ｃｍ２に切り出した。
【００３２】
また、比較例２におけるカソード触媒層は、比較例１と同様の混合物を用い、スプレー法による塗工を行い作製した。
【００３３】
各ＭＥＡは、上記それぞれのカソード触媒層とアノード触媒層とを電解質膜に熱プレスして作製した。尚、アノード触媒層としては、３０質量％の白金を担持した炭素微粒子（日本キャボット社製，バルカンＸＣ−７２Ｒ）１ｇと高分子電解質（デュポン社製，ＳＥ２００９２）３．５ｇとからなるものを共通に用いた。また、電解質膜としては、高分子電解質膜（デュポン社製，Ｎａｆｉｏｎ１１２）を用いた。
【００３４】
（試験結果）
評価試験では、上記各ＭＥＡを用いた燃料電池にフル加湿条件で１．５Ａ／ｃｍ２の電流を印加した場合の電圧を測定した。図３に示すとおり、比較例１の燃料電池は、分散した混合液をそのままアプリケータで塗工しているため、面内の目付けばらつきは小さいものの、電解質の被覆率が低くなっている。一方において、比較例２の燃料電池は、スプレー法で塗工しているので、電解質の被覆率は高くなっているものの、目付けばらつきが非常に大きくなってしまっている。
【００３５】
これに対して、実施例１の燃料電池は、電解質の被覆率が高い上に、目付けばらつきも小さく抑えることができている。このため、実施例１の電圧値は、比較例１および２のそれに比して高い値になっている。この試験結果から、実施例１の燃料電池では、触媒層の触媒を有効に利用することができていることがわかる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  燃料電池
１２  単位電池
１４  発電体
１６  ガス流路
１８  セパレータ
２０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
２４  電解質膜
２６  アノード触媒層
２８  カソード触媒層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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