(57)【要約】【課題】製造されるゲル化したアイオノマー溶液の粘度を一定に保証する。【解決手段】燃料電池用の触媒電極の形成に用いられるアイオノマー溶液の製造装置１０である。アイオノマー溶液の製造装置１０は、アイオノマーと溶媒との混合材料が投入される内容器３０と、内容器３０を内側に納める外容器２０とを備える。外容器２０には、加熱用ヒータ２５が含まれる。内容器３０の胴部３１および外容器２０の胴部２１は、それぞれの底部２２、３２に向かって次第に細くなるテーパー形状を有する。内容器３０の胴部３１と外容器２０の胴部２１とは、接触する。内容器３０の底部３２と外容器２０の底部２２との間には、隙間Ｓが形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の触媒電極の形成に用いられるアイオノマー溶液の製造装置であって、
アイオノマーと溶媒との混合材料が投入される内容器と、
前記内容器を内側に納めるとともに、熱源を含む外容器と、
を備え、
前記内容器の胴部および前記外容器の胴部は、それぞれの底部に向かって次第に細くなるテーパー形状を有し、
前記内容器の胴部と前記外容器の胴部とは、接触し、
前記内容器の底部と前記外容器の底部との間に、隙間が形成される、アイオノマー溶液の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の触媒電極の形成に用いられるアイオノマー溶液の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型燃料電池の触媒電極は、例えば、特許文献１に記載されているように、触媒担持カーボン微粒子を固体高分子電解質の液体媒体溶液に分散させ、該分散液を製膜することにより製造される。特許文献１では、前記液体媒体は、３級アルコールと誘電率２０以下の有機溶媒とを主成分としたもので、こうした液体媒体に固体高分子電解質（以下、「アイオノマー」と呼ぶ）を溶解させることによって、アイオノマーの液体媒体溶液（アイオノマー溶液）が製造される。このアイオノマー溶液を用いて形成される触媒層は、ひび割れ等が発生しないものとなる。
【０００３】
前記の製造方法においては、アイオノマー溶液を高粘度化（ゲル化）することで、ひび割れ等の発生を抑制する効果をより高めることができる。これに対して、アイオノマー溶液は加熱することでゲル化することができる。そこで、加熱装置として、アイオノマーと液体媒体（溶媒）との混合材料とが投入される内容器と、内容器を収容する外容器とを備え、外容器を加熱する構成が考えられる。この加熱装置によれば、材料が投入される内容器を外容器から取り出すことが容易であることから、材料の取り出しの作業性や、容器の洗浄性に優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２０８９０３号公報
【特許文献２】特開２００８−３８０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の装置では、昇温速度や加熱容量にばらつきが生じるために、製造されるゲル化されたアイオノマー溶液の粘度を一定に保証することができないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
本発明の一形態は、燃料電池用の触媒電極の形成に用いられるアイオノマー溶液の製造装置である。このアイオノマー溶液の製造装置は、アイオノマーと溶媒との混合材料が投入される内容器と；前記内容器を内側に納めるとともに、熱源を含む外容器と；を備え；前記内容器の胴部および前記外容器の胴部は、それぞれの底部に向かって次第に細くなるテーパー形状を有し；前記内容器の胴部と前記外容器の胴部とは、接触し；前記内容器の底部と前記外容器の底部との間に、隙間が形成される。この形態のアイオノマー溶液の製造装置によれば、内容器の胴部および外容器の胴部がテーパー形状であり、内容器の底部と外容器の底部との間に隙間が形成されるように内容器が外容器内に配置されることから、内容器の胴部と外容器の胴部とを確実に接触させることができる。このため、内容器を効率よく、かつ一定の加熱容量で加熱することが可能となる。したがって、この形態のアイオノマー溶液の製造装置によれば、加熱速度や加熱の熱容量を一定とすることができることから、製造されるゲル化したアイオノマー溶液の粘度を一定に保証することができるという効果を奏する。
【０００８】
本発明は、上述したアイオノマー溶液の製造装置としての形態に限らず、種々の形態で実現することが可能である。例えば、アイオノマー溶液の製造方法や、燃料電池用触媒電極の製造装置、燃料電池用触媒電極の製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池用触媒電極の製造方法を示す説明図である。
【図２】図１の工程Ｓ４で用いられるアイオノマー溶液製造装置を示す説明図である。
【図３】比較例としてのアイオノマー溶液製造装置を示す説明図である。
【図４】隙間の距離によって昇温速度がどのように変わるかを示すグラフである。
【図５】隙間の距離によって冷却速度がどのように変わるかを示すグラフである。
【図６】加熱速度のバラツキがゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率にどの程度の影響を与えるかを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．燃料電池用触媒電極の製造方法：
本発明の一実施形態としてのアイオノマー溶液製造装置を使用する燃料電池用触媒電極の製造方法について、最初に説明する。この製造方法によって得られる触媒電極は、固体高分子型の燃料電池に用いられる。固体高分子型燃料電池は、発電の単位モジュールである燃料電池セルを複数、積層したスタック構造を有している。各燃料電池セルは、電解質膜の両面にアノードおよびカソードの触媒電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含んでいる。各燃料電池セルは、さらに、ＭＥＡを挟むように配置され、反応ガスとしての水素ガスおよび空気を拡散させつつＭＥＡに供給するガス拡散層を含んでいる。各燃料電池セルは、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。
【００１１】
電解質膜は、デュポン社製のナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂材料で形成されており、湿潤状態において良好な導電性を有するプロトン伝導性のイオン交換膜である。ガス拡散層は、触媒電極よりも気孔率が高い導電性の多孔質材料（例えば、発泡金属）で形成されている。触媒電極が、以下に詳述する燃料電池用触媒電極の製造方法によって製造される。
【００１２】
図１は、燃料電池用触媒電極の製造方法を示す説明図である。この燃料電池用触媒電極の製造方法は、工程Ｓ１から工程Ｓ８までの８つの工程によって構成される。各工程Ｓ１〜Ｓ８はこの順に実行される。なお、工程Ｓ１、Ｓ２の後に工程Ｓ３、Ｓ４を実行する構成に換えて、工程Ｓ３、Ｓ４の後に工程Ｓ１、Ｓ２を実行する構成としてもよい。また、工程Ｓ１、Ｓ２と工程Ｓ３、Ｓ４とを同時に実行する構成としてもよい。各工程Ｓ１〜Ｓ８について、順に説明する。
【００１３】
工程Ｓ１では、触媒分散液の元となる材料を混合する作業を行う。具体的には、触媒金属を担持しているカーボンに、イオン交換水を加える。触媒金属としては、例えば、白金、あるいは白金と他の金属との合金を用いることが可能である。以下、触媒金属を担持しているカーボンを「触媒担持粒子」と呼び、イオン交換水を単に「水」と呼ぶ。触媒担持粒子と水とを先に混合して、触媒担持粒子を水に浸漬させておくことにより、エタノールあるいは１−プロパノールなどのアルコール等の溶媒を添加したときの発火を抑制することができる。その後、エタノールあるいは１−プロパノールなどの親水性溶媒（以下「溶媒」と呼ぶ。）を加える。その後、さらに、イオン伝導性を有するポリマー（以下、「アイオノマー」と呼ぶ）を加える。このアイオノマーは、触媒担持粒子の分散を促進させるための界面活性剤として機能する。
【００１４】
工程Ｓ２では、触媒担持粒子と水と溶媒とアイオノマーとの混合材料を超音波、あるいは、ビーズミルを用いて分散する。これにより、触媒担持粒子と水と溶媒とアイオノマーとの混合材料を、微粒子化し、均一な分散状態とすることが可能である。この分散後の混合材料を、以下、「触媒分散液」と呼ぶ。
【００１５】
一方、工程Ｓ３では、アイオノマーと溶媒とを混合する作業を行う。溶媒は、アルコール等の揮発性溶媒であり、例えば、エタノールと１−プロパノールとを混合したものである。工程Ｓ３では、アイオノマーと溶媒とを混合して撹拌する。なお、溶媒におけるアルコールの濃度を、適宜、調整することで、続く工程Ｓ４で得られるゲル化されたアイオノマー溶液の粘弾性を調整することが可能となる。
【００１６】
工程Ｓ４では、アイオノマーと溶媒との混合材料を６０〜１００℃に昇温し、一定時間保持する。この結果、高粘度化（ゲル化）されたアイオノマー溶液が得られる。この工程４は、後ほど詳述するアイオノマー溶液製造装置を用いて行われる。
【００１７】
工程Ｓ５では、工程Ｓ２によって得られた触媒分散液に、工程Ｓ４によって得られたゲル化アイオノマー溶液を加え、撹拌する２液混合の作業を行う。以下、触媒分散液とゲル化アイオノマー溶液との混合溶液を「２液混合溶液」と呼ぶ。工程Ｓ５では、撹拌されることで、２液混合溶液には低いせん断力が印加されることになる。
【００１８】
工程Ｓ６では、工程Ｓ５を施した後の２液混合溶液に対して高いせん断力を印加することにより２液混合溶液を分散し、触媒インクを製造する。高せん断力の印加は、例えば、薄膜旋回型の高速ミキサーを用いて行う。高せん断力の印加によって、触媒インクの弾性率を増大化することができる。
【００１９】
続いて、工程Ｓ６までの作業により製造された触媒インクを、基材上に塗布（工程Ｓ７）、乾燥（工程Ｓ８）することにより、触媒電極を形成する。
【００２０】
Ｂ．アイオノマー溶液製造装置の構成：
図２は、図１の工程Ｓ４で用いられるアイオノマー溶液製造装置を示す説明図である。アイオノマー溶液製造装置１０は、外容器２０と内容器３０とを含む二重構造となった容器である。
【００２１】
外容器２０は、円錐台形状の胴部２１と、円形の底部２２と、上側の開口から外側（図中の左右方向）に延出する円環状のフランジ部２３とを備える。胴部２１は、円錐台形状とすることで、底部２２に向かって次第に細くなるテーパー形状を有している。また、胴部２１には、熱源としての加熱用ヒータ２５が内蔵されている。なお、本実施形態では、底部２２には加熱用ヒータは内蔵されていないが、これに換えて、底部２２にも加熱用ヒータを設ける構成としてもよい。
【００２２】
内容器３０は、円錐台形状の胴部３１と、円形の底部３２とを有している。胴部３１は、円錐台形状とすることで、底部３２に向かって次第に細くなるテーパー形状を有している。なお、内容器３０の胴部３１のテーパーの角度と外容器２０の胴部２１のテーパーの角度とは同じであり、内容器３０の胴部３１の外側の周回りの寸法と外容器２０の胴部２１の内側の周回りの寸法とが一致しうる構成となっている。これによって、外容器２０の内側に内容器３０を、内容器３０の胴部の外側面と外容器２０の胴部の内側面とを接触した状態で、配置する（装填する）ことができる。
【００２３】
外容器２０の底部２２と内容器３０の底部３２との間には、隙間Ｓが形成されている。隙間Ｓは、例えば３〜１０ｍｍである。これにより、外容器２０および内容器３０に多少の製造誤差があったとしても、外容器２０の内側に内容器３０を装填することで、内容器３０の胴部３１の外側面と外容器２０の胴部２１の内側面とを確実に密接させることができる。なお、外容器２０および内容器３０は、熱伝導率の高いＳＵＳ等の金属製である。内容器３０は、金属製に換えて、ＰＴＦＥ等の樹脂製とすることもできる。
【００２４】
内容器３０には、図１の工程Ｓ３で得られたアイオノマーと溶媒との混合材料Ｍが投入される。その混合材料Ｍが内容器３０に収納された状態で、外容器２０のフランジ部２３に蓋部４０が配置されて、ボルト５０、５２によってボルト締めされることにより、外容器２０および内容器３０が蓋閉めされる。この蓋閉めされた状態で加熱用ヒータ２５に電流がなされる。これにより、工程Ｓ４では、前述したように混合材料Ｍを６０〜１００℃に昇温し、一定時間保持する。
【００２５】
Ｃ．アイオノマー溶液製造装置の作用、効果：
以上のように構成されたアイオノマー溶液製造装置１０によれば、内容器３０の胴部３１および外容器２０の胴部２１がテーパー形状であり、内容器３０の底部３２と外容器２０の底部２２との間に隙間Ｓが形成されるように内容器３０が外容器２０内に配置されることから、内容器３０の胴部３１の外側面と外容器２０の胴部２１の内側面とを確実に密接させることができる。
【００２６】
図３は、比較例としてのアイオノマー溶液製造装置９１０を示す説明図である。アイオノマー溶液製造装置９１０は、本実施形態のアイオノマー溶液製造装置１０と同様に、外容器９２０と内容器３０９とを含む二重構造となった容器である。外容器９２０の胴部９２１および内容器３０９の胴部９３１は、円筒形状を有している。そして、内容器３０９の胴部９３１の内径は、外容器９２０の胴部９２１の内径に比べて小さく、胴部９２１と胴部９３１との間に隙間Ｈが形成されている。
【００２７】
すなわち、比較例としてのアイオノマー溶液製造装置９１０では、外容器９２０の胴部９２１と内容器３０９の胴部９３１との間に隙間Ｈが形成されている。これに対して、本実施形態のアイオノマー溶液製造装置１０は、内容器３０の胴部３１と外容器２０の胴部２１との間は密接しており、隙間が形成されることがない。隙間が無いと、熱源である外容器２０から内容器３０９への伝熱性が優れたものとなることから、混合材料の昇温速度や冷却速度を高めることができる。このことを実験によっても確かめたので、以下に説明する。
【００２８】
図４は、隙間の距離によって昇温速度がどのように変わるかを示すグラフである。図５は、隙間の距離によって冷却速度（降温速度）がどのように変わるかを示すグラフである。図４に示すように、隙間が大きいほど昇温速度が遅くなる。図５に示すように、隙間が大きいほど昇温速度が遅くなる。このため、隙間が小さいほど、昇温速度、冷却速度に対して有利であることが判る。これに対して、本実施形態では、内容器３０の胴部３１と外容器２０の胴部２１との間の隙間はゼロである。したがって、図４、図５に示した実験結果からも、本実施形態のアイオノマー溶液製造装置１０によれば、比較例に比べて昇温速度、冷却速度を高めることできることが判る。この結果、本実施形態のアイオノマー溶液製造装置１０によれば、加熱速度、冷却速度を一定とすることができる。
【００２９】
図６は、加熱速度のバラツキが、製造されるゲル化アイオノマー溶液の貯蔵弾性率にどの程度の影響を与えるかを示すグラフである。貯蔵弾性率は、ゲル化アイオノマー溶液の歪み量が１％であり、かつ、印加される振動の周波数が１Ｈｚである条件下で測定した。真ん中のグラフ値が８０℃に昇温するのにＸ時間だけ要した場合の貯蔵弾性率であり、左側のグラフ値が８０℃に昇温するのにＸ＋１時間だけ要した場合の貯蔵弾性率であり、左側のグラフ値が８０℃に昇温するのにＸ−１時間だけ要した場合の貯蔵弾性率である。Ｘは例えば２時間である。すなわち、真ん中のグラフ値よりも、左側のグラフ値は昇温速度が遅い場合のものであり、右側のグラフ値は昇温速度が速い場合のものである。
【００３０】
グラフに示すように、貯蔵弾性率を破線で示すＯＫ範囲（１２５〜４２５［Ｐａ］）に保持したいような場合、左側の昇温速度が遅い場合と右側の昇温速度が速い場合とでは、貯蔵弾性率はＯＫ範囲から外れてしまう。このことから、加熱速度を所定範囲にコントロールすることで、貯蔵弾性率を適正な範囲に保つことができることがわかる。冷却速度についてはグラフを示さないが、加熱速度と同様に、冷却速度を所定範囲にコントロールすることで、貯蔵弾性率を適正な範囲に保つことができる。したがって、本実施形態のアイオノマー溶液製造装置１０によれば、これまで説明してきたように、加熱速度、冷却速度を一定とすることができることから、製造されるゲル化したアイオノマー溶液の貯蔵弾性率を適正な範囲に保つことができる。すなわち、製造されるゲル化したアイオノマー溶液の粘度を一定に保証することができるという効果を奏する。
【００３１】
また、本実施形態のアイオノマー溶液製造装置１０は、内容器３０の底部３２と外容器２０の底部２２との間に、隙間Ｓが形成されていることから、内容器３０が熱による膨張・収縮を起こしたとしても、その変位を隙間Ｓによって補うことができるという効果も奏する。
【００３２】
Ｄ．変形例：
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、外容器２０の胴部２１および内容器３０の胴部３１は円錐台形状としたが、これに換えて角錐台形状とすることができる。さらに、発明の概要の欄に記載した形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０…アイオノマー溶液製造装置
２０…外容器
２１…胴部
２２…底部
２３…フランジ部
２５…加熱用ヒータ
３０…内容器
３１…胴部
３２…底部
４０…蓋部
５０…ボルト
Ｓ、Ｈ…隙間
Ｍ…混合材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2015056246.tif 000006
【図５】
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【図６】
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