(57)【要約】【課題】触媒層におけるクラックの発生等を抑制し、触媒層を形成するために必要な量の燃料電池用触媒インクを製造する燃料電池用触媒インクの製造装置を提供する。【解決手段】燃料電池用触媒インクの製造装置は、吸入口から吸入したアイオノマーを順次吐出するポンプと；ポンプから吐出されたアイオノマーと触媒担持担体とを混合する混合部と；ポンプと混合部との間に配置され、ポンプから吐出されたアイオノマーを加熱する加熱部と、を備える。【選択図】図１
2015053166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用触媒インクの製造装置であって、
吸入口から吸入したアイオノマーを順次吐出するポンプと、
前記ポンプから吐出されたアイオノマーと触媒担持担体とを混合する混合部と、
前記ポンプと前記混合部との間に配置され、前記ポンプから吐出されたアイオノマーを加熱する加熱部と、を備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用触媒インクの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。燃料電池は、一般に、膜電極接合体（以下「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」とも呼ぶ）と、ＭＥＡを挟むように積層された一対のガス拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体（以下、「ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）」とも呼ぶ）と、ＭＥＧＡを挟むように積層された一対のセパレータと、を備える。ＭＥＡは、電解質膜の一方の表面にアノードが形成され、他方の表面にカソードが形成された構成を有している。ＭＥＡを構成する電解質膜と触媒層との変形量の相違が引き起こす亀裂等を抑制するために、触媒層を形成するための触媒インクに増粘剤を添加する技術が知られている。
【０００３】
特許文献１には、触媒インクに含まれる増粘剤と触媒層の引張力とを比較することで、増粘剤の影響による燃料電池の発電性能の低下を抑制した上で、触媒層の引張力を増加させた燃料電池について開示されている。また、特許文献２には、燃料電池電極触媒層用スラリーを乾燥工程においてゲル化させることで、触媒層におけるクラックの発生を抑制する燃料電池電極触媒層用スラリーについて開示されている。また、特許文献３には、触媒インクを調製する際に導電性粉末へ触媒成分の担持を行なうことにより、一工程で触媒インクを作成すると共に、触媒成分の利用率を向上させる触媒インクの製造方法が開示されている。また、特許文献４には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのバインダーを含有しない触媒粉末と高分子電解質樹脂との分散物を、高分子電解質樹脂の分解温度よりも低い温度で加熱して粘度を調整することで、バインダーが不要で、かつ、高分子電解質樹脂の劣化を抑制してプロトン伝導性を向上させたガス拡散電極体の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８２９３４号公報
【特許文献２】特開２０１２−６４５０２号公報
【特許文献３】特開２００７−１５２１７６号公報
【特許文献４】特開平１１−１６５８６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、特許文献１に開示された燃料電池では、増粘剤が触媒インクに含まれることで、少なからず発電性能が低下してしまう場合があった。また、特許文献２の触媒インクの製造方法は、電解質等の混合溶液を攪拌して触媒層用スラリーを製造するバッチ方式を採用しているが、この製造方法では、逐次欲しい量だけの触媒インクを得ることができず、また、触媒インクのゲル化完了までに長い時間を要する場合があった。また、特許文献３の製造方法で製造された触媒インク、および、特許文献４の製造方法で製造されたガス拡散電極体では、増粘剤等が用いられていないため、触媒層にクラック等が発生するおそれがあった。そのほか、燃料電池用触媒インクの製造装置においては、製造装置の簡易化、低コスト化、省資源化、製造設備の小型化、および、使い勝手の向上等が望まれていた。
【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】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池用触媒インクの製造装置が提供される。この燃料電池用触媒インクの製造装置は、吸入口から吸入したアイオノマーを順次吐出するポンプと；前記ポンプから吐出されたアイオノマーと触媒担持担体とを混合する混合部と；前記ポンプと前記混合部との間に配置され、前記ポンプから吐出されたアイオノマーを加熱する加熱部と、を備える。この形態の燃料電池用触媒インクの製造装置によれば、触媒インクに増粘剤を添加しなくても、所望の粘度を有する触媒インクが製造されるため、触媒インクによって形成された膜電極接合体を用いた燃料電池の発電性能を低下させず、かつ、触媒層に生じるクラックの発生等の不具合を抑制した膜電極接合体を作製できる。また、一度に定量のゲル化したアイオノマーを作製するバッチ方式ではなく、触媒層を形成するために必要なゲル化したアイオノマーを逐次作製できるので、不要な触媒インクの作製を抑制できる。また、従来と比較して、アイオノマーのゲル化完了までの時間が短縮されているため、触媒インクの作製を迅速に行なうことができ、膜電極接合体および燃料電池の製造のリードタイムを短縮できる。また、ポンプと混合部との間に配置された加熱部によってアイオノマーが移動しながら加熱されてゲル化されるため、膜電極接合体および燃料電池を製造する設備の統合が可能となり、燃料電池用触媒インクの製造装置の縮小化、および、燃料電池用触媒インクの製造装置のコストを圧縮できる。
【０００８】
本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、上記の製造装置を含む装置によって製造された燃料電池の膜電極接合体、膜電極ガス拡散層接合体、燃料電池、まく電極接合体および膜電極ガス拡散層接合体の製造装置、燃料電池の製造装置、これらの製造装置の制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体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】本発明の実施形態における燃料電池の触媒インクの製造装置３００の概略を示す説明図である。
【図２】インク製造装置３００によって製造される触媒インクの製造方法の流れを示す説明図である。
【図３】バッチ方式によってゲル化したアイオノマー１０（比較例）を作製するゲル化アイオノマー作製装置１０２の概略を示す説明図である。
【図４】実施例および比較例におけるアイオノマー１０の貯蔵弾性率の時間に伴う変化を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．実施形態：
Ａ−１．触媒インクの製造装置：
図１は、本発明の実施形態における燃料電池の触媒インクの製造装置３００の概略を示す説明図である。触媒インクの製造装置３００（以下、「インク製造装置３００」とも呼ぶ）は、ゲル化アイオノマー作製装置１００と、触媒分散装置２００と、混合器５０と、分散機８０と、を備えている。ゲル化アイオノマー作製装置１００は、高分子電解質であるアイオノマー１０を貯蔵するタンク２０と、送液ポンプ４０と、タンク２０と送液ポンプ４０とを接続する配管６４と、電気ヒーター３０と、送液ポンプ４０と混合器５０とを接続する配管６２と、を備えている。送液ポンプ４０は、吸入口４２を介してタンク２０に貯蔵してあるアイオノマー１０を吸入し、吸入したアイオノマー１０を配管６２へと順次吐出する。送液ポンプ４０は、配管６２へと吐出するアイオノマー１０の量を調整しつつ、間欠に吐出可能である。電気ヒーター３０は、配管６２の外側に配置され、配管６２を通るアイオノマー１０を加熱する。配管６２を通るアイオノマー１０は、加熱されることでゲル化する。なお、アイオノマー１０をゲル化させるための配管６２の寸法条件および電気ヒーター３０の加熱条件の詳細については後述する。
【００１１】
触媒分散装置２００は、超音波によってカーボンと白金とを粉砕して、触媒を担持している触媒担持担体７０を作製する。混合器５０は、電気ヒーター３０による加熱によってゲル化したアイオノマー１０と触媒担持担体７０とを混合する容器である。分散機８０は、混合器５０によって混合された触媒担持担体７０に対してゲル化したアイオノマー１０を分散させて触媒インク９０を作製する。
【００１２】
Ａ−２．触媒インクの製造方法：
図２は、インク製造装置３００によって製造される触媒インクの製造方法の流れを示す説明図である。触媒インク９０の製造方法では、触媒分散装置２００において、超音波によって粉砕された触媒担持担体７０が作製される（ステップＳ１０）。ゲル化アイオノマー作製装置１００では、送液ポンプ４０が、タンク２０に貯蔵されたアイオノマー１０を吸入口４２から吸入して、配管６２へと必要な量だけアイオノマー１０を順次吐出する（ステップＳ１２）。タンク２０には、アイオノマー１０としてパーフロロスルホン酸樹脂材料（例えば、ナフィオン）が貯蔵されている。本実施形態では、触媒に含まれる白金が高価であるため、電解質膜に対する触媒層の形成が間欠塗工によって行なわれる。触媒層の形成を間欠塗工によって行なうために、触媒インク９０の粘度が調整される必要がある。
【００１３】
次に、ゲル化アイオノマー作製装置１００における電気ヒーター３０は、配管６２を通るアイオノマー１０を加熱する（ステップＳ１４）。配管６２を通るアイオノマー１０は、加熱されるとゲル化する。なお、アイオノマー１０のゲル化を短時間で行なうために、アイオノマー１０に対する伝熱性を高める必要がある。そのため、配管６２の内径は０．７５インチ（１．９０５センチメートル）未満であることが好ましい。配管６２の長さについては、混合器５０に混合されるアイオノマー１０の弾性率および送液ポンプ４０によってアイオノマー１０が吐出される速度に基づいて適宜決定される。
【００１４】
次に、混合器５０内で、ゲル化アイオノマー作製装置１００において配管６２を通ってゲル化したアイオノマー１０と、触媒分散装置２００において作製された触媒担持担体７０と、が混合される（ステップＳ１６）。分散機８０において、触媒担持担体７０に対してゲル化したアイオノマー１０が分散させられることで触媒インク９０が作製される（ステップＳ１８）。
【００１５】
Ａ−３．触媒インクの評価：
本実施形態の製造方法によって作製した触媒インク９０（実施例）の評価を以下に示す。なお、比較のために、本実施形態の製造方法とは異なる製造方法であるバッチ方式によって作製した比較例を合わせて以下に示す。図３は、バッチ方式によってゲル化したアイオノマー１０（比較例）を作製するゲル化アイオノマー作製装置１０２の概略を示す説明図である。ゲル化アイオノマー作製装置１０２は、バッチ方式によって、定量（例えば、数百グラムから数千グラム）までゲル化したアイオノマー１０を作製する装置である。ゲル化アイオノマー作製装置１０２は、アイオノマー１０が投入される加工釜２５と、加工釜２５内のアイオノマー１０を加熱する電気ヒーター３２と、加工釜２５内のアイオノマー１０を攪拌する攪拌羽根４８と、攪拌羽根４８を動かす攪拌モーター４５と、を備えている。ゲル化アイオノマー作製装置１０２は、定量のアイオノマー１０を数時間（例えば、６時間）かけて、所望の粘度のゲル化したアイオノマー１０に変化させる。
【００１６】
図４は、実施例および比較例におけるアイオノマー１０の貯蔵弾性率の時間に伴う変化を示す説明図である。図４には、ゲル化アイオノマー作製装置１００およびゲル化アイオノマー作製装置１０２によってアイオノマー１０が加熱された時間（分）に対する貯蔵弾性率（Ｐａ）の変化が示されている。曲線Ｌ１は、実施例の貯蔵弾性率の時間に伴う変化を示している。また、曲線Ｌ２は、比較例の貯蔵弾性率の時間に伴う変化を示している。図４に示すように、曲線Ｌ１は、曲線Ｌ２よりも、加熱時間に対する貯蔵弾性率の上昇率が大きい。例えば、アイオノマー１０の貯蔵弾性率を１００Ｐａに変化させる場合に、実施例では、およそ３０分の加熱時間が必要であるが、比較例では、およそ３００分の加熱時間が必要である。また、実施例では、送液ポンプ４０によって、触媒インク９０を作製するのに必要な分量のゲル化したアイオノマー１０を生成できるが、比較例では、バッチ方式によってゲル化したアイオノマー１０を作製するため、触媒層を形成するために用いられない不要なゲル化したアイオノマー１０を作製してしまう場合がある。
【００１７】
以上説明したように、本実施形態のインク製造装置３００は、ゲル化アイオノマー作製装置１００と、ゲル化したアイオノマー１０と触媒担持担体７０とを混合する混合器５０と、を備えている。インク製造装置３００を構成するゲル化アイオノマー作製装置１００では、送液ポンプ４０が、吸入口４２からアイオノマー１０を吸入して、配管６２を介して混合器５０へとアイオノマー１０を順次吐出する。電気ヒーター３０は、送液ポンプ４０と混合器５０とを接続する配管６２の外側に配置され、配管６２を通るアイオノマー１０を加熱する。そのため、本実施形態のインク製造装置３００では、触媒インク９０に増粘剤を添加しなくても、所望の粘度を有する触媒インク９０が製造されるため、触媒インク９０によって形成されたＭＥＡを用いた燃料電池の発電性能を低下させず、かつ、触媒層に生じるクラックの発生等の不具合を抑制したＭＥＡを作製できる。また、一度に定量のゲル化したアイオノマー１０を作製するバッチ方式ではなく、触媒層を形成するために必要なゲル化したアイオノマー１０を逐次作製できるので、不要な触媒インク９０の作製を抑制できる。また、従来と比較して、アイオノマー１０のゲル化完了までの時間が短縮されているため、触媒インク９０の作製を迅速に行なうことができ、ＭＥＡおよび燃料電池の製造のリードタイムを短縮できる。また、送液ポンプ４０と混合器５０との間に配置された電気ヒーター３０によってアイオノマー１０が移動しながら加熱されてゲル化されるため、ＭＥＡおよび燃料電池を製造する設備の統合が可能となり、インク製造装置３００の縮小化、および、インク製造装置３００のコストを圧縮できる。
【００１８】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００１９】
上記実施形態では、アイオノマー１０として、パーフルオロスルホン酸樹脂材料が用いられたが、用いられるアイオノマー１０については、これに限られず、種々変形可能である。例えば、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質等が用いられてもよい。
【００２０】
上記実施形態では、触媒として、白金とカーボンとが用いられたが、用いられる触媒はこれに限られず、種々変形可能である。例えば、白金以外で、白金と他の金属との合金が用いられてもよい。また、カーボンの代わりに導電性の粒子が用いられてもよい。
【００２１】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、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】
【００２２】
１０…アイオノマー
２０…タンク
２５…加工釜
３０，３２…電気ヒーター
４０…送液ポンプ
４２…吸入口
４５…攪拌モーター
４８…攪拌羽根
５０…混合器
６２，６４…配管
７０…触媒担持担体
８０…分散機
９０…触媒インク
１００，１０２…ゲル化アイオノマー作製装置
２００…触媒分散装置
３００…インク製造装置
Ｌ１，Ｌ２…曲線
【図１】
2015053166.tif 000003
【図２】
2015053166.tif 000004
【図３】
2015053166.tif 000005
【図４】
2015053166.tif 000006