(57)【要約】【課題】触媒層及びガス拡散層をより確実に接合させることが可能な燃料電池触媒層用ペーストを提供する。【解決手段】燃料電池触媒層用ペーストＰは、電気化学反応を促進させる触媒と、フッ素成分を有する電解質と、分散媒と、を含み、分散媒の溶解性パラメーターが１８以上であり、含フッ素フィルム１１、１２表面に塗布することで膜状に成形され、成形後に含フッ素フィルム１１、１２表面側に形成された他側面２１ｂ、２２ｂが燃料電池のガス拡散層と接合されて触媒層として用いられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面に塗布することで膜状に成形され、該成形後に前記基材表面側に形成された面が燃料電池のガス拡散層と接合されて触媒層として用いられる燃料電池触媒層用ペーストであって、
電気化学反応を促進させる触媒と、
フッ素成分を有する電解質と、
分散媒と、を含み、
前記分散媒の溶解性パラメーターが１８以上であることを特徴とする燃料電池触媒層用ペースト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材表面に塗布することで膜状に成形され、燃料電池の触媒層として用いられる燃料電池触媒層用ペーストに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下「ＰＥＦＣ」という）では、燃料ガスの電気化学反応を促進させる触媒を含有する触媒層が設けられるとともに、その触媒層に隣接してガス拡散層が設けられる。触媒層及びガス拡散層は互いに接合され、両者は一体となってＰＥＦＣを構成する。
【０００３】
要求電力の変動等によりＰＥＦＣの運転条件が変化し、それに伴って触媒層及びガス拡散層の使用環境が変化すると、触媒層及びガス拡散層に寸法変化が繰り返し生じる。このとき、触媒層とガス拡散層とで寸法の変化量に差異があるため、両者の接合部において歪が生じ、そこを起点とした破損が生じるおそれがある。このため、触媒層及びガス拡散層の接合力の確保は、ＰＥＦＣの発電性能を維持する上でも重要な課題となる。
【０００４】
下記特許文献１には、ガス拡散層の一側面をコーティングしている撥水層に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂を含有させたＰＥＦＣが記載されている。このＰＥＦＣでは、製造時にガス拡散層をＰＴＦＥ樹脂の融点以上の温度となるまで加熱することにより、ＰＴＦＥ樹脂を溶融させて撥水層の外表面へと移動させる。このように外表面に偏析させたＰＴＦＥ樹脂を用いて接合することにより、触媒層及びガス拡散層の接合力の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１９０７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたＰＥＦＣでは、十分な量のＰＴＦＥ樹脂が外表面に偏析しなかった場合、触媒層及びガス拡散層の接合力が保証できないという問題があった。この結果、触媒層及びガス拡散層が分離してしまい、ＰＥＦＣの発電性能の低下を招くという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒層及びガス拡散層をより確実に接合させることが可能な燃料電池触媒層用ペーストを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池触媒層用ペーストは、基材表面に塗布することで膜状に成形され、該成形後に前記基材表面側に形成された面が燃料電池のガス拡散層と接合されて触媒層として用いられる燃料電池触媒層用ペーストであって、電気化学反応を促進させる触媒と、フッ素成分を有する電解質と、分散媒と、を含み、前記分散媒の溶解性パラメーターが１８以上であることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係る燃料電池触媒層用ペーストによれば、電解質の偏析を分散媒の溶解性パラメーターで制御することが可能となり、その溶解性パラメーターを１８以上とすることで、電解質を基材表面側の面に確実に偏析させることができる。この結果、偏析した電解質を接着材として機能させ、触媒層及びガス拡散層をより確実に接合させることが可能となる。ここで、「溶解性パラメーター」は、σ又はＳＰ値とも表記される無次元数である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、触媒層及びガス拡散層をより確実に接合させることが可能な燃料電池触媒層用ペーストを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池触媒層用ペーストを基材表面に塗布した状態を表す模式図である。
【図２】含フッ素フィルム表面近傍の水素極触媒層及び酸素極触媒層を表す拡大図である。
【図３】水素極触媒層及び酸素極触媒層の電解質膜への転写を表す模式図である。
【図４】水素極触媒層及び酸素極触媒層を電解質膜に転写した後に基材を除去した状態を表す模式図である。
【図５】ガス拡散層を表す模式図である。
【図６】膜−電極アッセンブリを表す模式図である。
【図７】燃料電池触媒層用ペーストの分散媒の溶解性パラメーターを互いに異ならせた試料を用いた接合力の試験結果を表す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
まず、図１乃至図４を参照して、触媒層の成形並びに電解質膜への転写について説明する。図１は、燃料電池触媒層用ペーストＰを含フッ素フィルム１１、１２表面に塗布した状態を表す模式図である。図２は、含フッ素フィルム１１、１２表面近傍の水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２を表す拡大図である。図３は、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２の電解質膜３０への転写を表す模式図である。図４は、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２を電解質膜３０に転写した後に含フッ素フィルム１１、１２を除去した状態を表す模式図である。
【００１４】
燃料電池触媒層用ペーストＰ（以下、単に「ペーストＰ」という）は、触媒、フッ素成分を有する電解質、及び分散媒を含有する液状の物質である。このペーストＰに含有される触媒としては、白金あるいは白金コバルト、白金カーボン等の白金合金等が使用される。また、電解質としては、テトラフルオロエチレンを主鎖としてプロトン電導性を有するナフィオン（登録商標）ＤＥ２０２０等が使用される。また、分散媒としては、水が使用される。ペーストＰにおける水の溶解性パラメーターは、約２４に設定されている。
【００１５】
以下、上記ペーストＰを用いたＰＥＦＣの製造手順について説明する。
【００１６】
（水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２の成形）
まず、基材となる含フッ素フィルム１１、１２をそれぞれ用意する。そして、図１に表すように、含フッ素フィルム１１、１２のそれぞれの表面にペーストＰを塗布する。ペーストＰの塗布は、スプレーやダイコーダー等を用いて行えばよい。
【００１７】
含フッ素フィルム１１、１２の表面に塗布されたペーストＰは、乾燥してそれぞれ上面側の一側面２１ａ、２２ａと、下面側（含フッ素フィルム１１、１２の表面側）の他側面２１ｂ、２２ｂとを有する膜状の水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２となる。このとき、図２に表すように、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２の内部では、その他側面２１ｂ、２２ｂ側に電解質が偏析することで、電解質層２１ｃ、２２ｃがそれぞれ形成される。この電解質層２１ｃ、２２ｃはいずれも数十〜数百ｎｍの厚みを有し、後述するように接着剤として機能する。
【００１８】
（電解質膜３０への転写）
次に、膜状の電解質膜３０を用意する。電解質膜３０は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜（例えばナフィオン(登録商標)ＮＲＥ２１２）であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。なお、電解質膜３０としては、ナフィオン(登録商標)に限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）やフレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜が用いられるとしてもよい。また、電解質膜３０として、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等が用いられてもよいし、ＰＴＦＥ、ポリイミド等の補強材を含む機械的特性を強化した複合高分子膜が用いられてもよい。
【００１９】
このような電解質膜３０の両側に、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２を含フッ素フィルム１１、１２の表面に載せた状態のままで配置し、図３に表すように、それぞれの一側面２１ａ、２２ａで電解質膜３０を挟み込むようにして転写を行う。
【００２０】
水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２を電解質膜３０に転写した後、図４に表すように含フッ素フィルム１１、１２を除去することで、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２の他側面２１ｂ、２２ｂが露呈した状態となる。上述したように、他側面２１ｂ、２２ｂ側には接着剤として機能する電解質層２１ｃ、２２ｃが形成されているが、基材として含フッ素フィルム１１、１２を用いたことで、転写後は容易に除去（剥離）することが可能となる。
【００２１】
続いて図５及び図６を参照して、ガス拡散層並びに膜−電極アッセンブリの作成について説明する。図５は、ガス拡散層ＧＤＬを表す模式図であり、図６は、膜−電極アッセンブリ５０を表す模式図である。
【００２２】
（ガス拡散層ＧＤＬの作成）
上述した水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２の成形並びに電解質膜３０への転写とは別途で、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２に隣接して設けられるガス拡散層ＧＤＬを複数作成する。ガス拡散層ＧＤＬは、電気化学反応に用いられる燃料ガス（アノードガスおよびカソードガス）を電解質膜３０の面方向に沿って拡散させる層であり、図５に表すように、膜状のガス拡散層基材４０の表面に、同じく膜状のカーボン層４１を積層させて成る。
【００２３】
ガス拡散層基材４０は、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。このガス拡散層基材４０へのカーボン層４１の積層は、スプレーやダイコーダー等を用いてカーボンを塗布することで行えば良い。
【００２４】
（膜−電極アッセンブリ５０の作成）
次に、図６に表すように、ガス拡散層ＧＤＬのカーボン層４１の一側面４１ａ（上面）を、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２の他側面２１ｂ、２２ｂと接合させる。このとき、他側面２１ｂ、２２ｂに偏析している電解質層２１ｃ、２２ｃが接着材として機能する。上述したように、ペーストＰにおける水の溶解性パラメーターを約２４に設定したことで、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２の電解質層２１ｃ、２２ｃには十分な量の電解質が偏析しているため、別途接着剤を必要とすることなく、ガス拡散層ＧＤＬとの接合を強固なものとすることが可能となる。
【００２５】
以上のように、電解質膜３０を間に挟んだ水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２と、ガス拡散層ＧＤＬとが接合されることにより、膜−電極アッセンブリ（Membrane Electrode Assembly、以下「ＭＥＡ」という）５０が形成される。ＰＥＦＣは、このＭＥＡ５０をセパレータ等（図示せず）で挟持することで構成され、供給される燃料ガスによりＭＥＡ５０内で電気化学反応を生じさせることで、起電力を得ることが可能となる。
【００２６】
次に、図７を参照して、ペーストＰの分散媒の溶解性パラメーターと接合力との相関を評価した試験について説明する。図７は、ペーストＰの分散媒の溶解性パラメーターを互いに異ならせた試料を用いた接合力の試験結果を表す表である。
【００２７】
ここでは、分散媒の溶解性パラメーターを異ならせた３種類のペーストＰを作成し、それらを用いて上述の製造方法によって作成した３種類のＭＥＡを試料として試験を行った。試料１では、ペーストＰ中の分散媒に水を用いるとともに、その溶解性パラメーターを約２４に設定した。また、試料２では、ペーストＰ中の分散媒に等量の水と１−プロパノールを用いるとともに、その溶解性パラメーターを約１８に設定した。また、試料３では、ペーストＰ中の分散媒に水と１−プロパノールを用いるとともに、その溶解性パラメーターを約１２に設定した。
【００２８】
上記３種類の試料（ＭＥＡ）に対し、オートグラフを用いた剥離試験（JIS K6854-1（接着剤―はく離接着強さ試験方法―第１部：９０度はく離））を実施することで、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２と、ガス拡散層ＧＤＬとの接合力を評価した。
【００２９】
また、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２を電解質膜３０に転写した後に、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２の他側面２１ｂ、２２ｂを光学顕微鏡で観察し、電解質の析出割合を画像処理によって評価した。詳細には、光学顕微鏡でカラー撮像した画像を、輝度値１２８をしきい値に設定して単純２値化し、評価を行った。
【００３０】
上記試験の結果、図７に表すように、分散媒の溶解性パラメーターが比較的大きい（２４、１８）試料１及び２では、十分な量の電解質の析出が観察され、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２と電解質膜３０との間で高い接合力を発揮することが判った。一方、ペーストＰの溶解性パラメーターが比較的小さい（１２）試料３では、電解質の析出量が不十分となり、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２が電解質膜３０に接合できなくなることが判った。これより、分散媒の溶解性パラメーターは、概ね１８以上とすることが好適であるといえる。
【００３１】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【００３２】
例えば、上述した製造方法では、水素極触媒層２１及び酸素極触媒層２２の成形に含フッ素フィルム１１、１２を用いたが、これに代えて、非含フッ素フィルムの表面に撥水コーティング層を設けたものを基材とすることもできる。
【００３３】
その他、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３４】
１１、１２：含フッ素フィルム（基材）
２１  ：水素極触媒層
２１ｃ：（水素極触媒層の）電解質層
２２  ：酸素極触媒層
２２ｃ：（酸素極触媒層の）電解質層
３０  ：電解質層膜
ＧＤＬ：ガス拡散層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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