(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池において、触媒層の表面積を大きくし、反応サイトへの酸素の供給速度を向上させ、活性化過電圧の小さな触媒層を作製することが可能な燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、さらに該インク及び製造方法を用いて形成した燃料電池用膜電極接合体を提供する。【解決手段】触媒金属、カーボン粒子、高分子電解質、及び、水−アルコール混合溶媒を含有し、前記混合溶媒中のアルコール比率が２０〜３０質量％である燃料電池触媒層用インク。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒金属、カーボン粒子、高分子電解質、及び、水−アルコール混合溶媒を含有し、前記混合溶媒中のアルコール比率が２０〜３０質量％であることを特徴とする燃料電池触媒層用インク。
【請求項２】
前記アルコールがエタノールである、請求項１に記載の燃料電池触媒層用インク。
【請求項３】
前記触媒金属と前記カーボン粒子が、触媒担持カーボン粒子の状態で含有されている、請求項１に記載の燃料電池触媒層用インク。
【請求項４】
触媒担持カーボン粒子、アルコール、水又は水−アルコール混液に高分子電解質を溶解した高分子電解質溶液、及び、所定量の水又はアルコールを混合して、アルコール比率が２０〜３０質量％の水−アルコール混合溶媒を含む最終組成に調整した後、攪拌することを特徴とする、燃料電池触媒層用インクの製造方法。
【請求項５】
固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面側に、前記請求項１乃至３のいずれかに記載された燃料電池触媒層用インク又は前記請求項４に記載された方法により製造された燃料電池触媒層用インクを用いて形成した触媒層を備えることを特徴とする、燃料電池用膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、並びに、該触媒層用インクを用いて形成した触媒層を備える燃料電池用膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気的に接続された２つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
一例として、ナフィオン（商品名、デュポン製）等のプロトン伝導に水の同伴を必要とするタイプのプロトン伝導性固体電解質膜を用いる、固体高分子電解質型燃料電池においては、水素を燃料とした場合、アノード（燃料極）で（１）式の反応が進行する。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    ・・・（１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。
一方、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは（２）式の反応が進行する。
４Ｈ＋  ＋  Ｏ２  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ    ・・・（２）
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
【０００４】
電解質膜の両面に電極を積層したものを膜電極接合体（ＭＥＡ）という。電解質膜の両面に設けられて一対となる電極（すなわち燃料極及び酸化剤極）は、一般に、電解質膜側から順に、触媒層、ガス拡散層が積層した構造を有しているものが多い。
触媒層は、通常、各電極（アノード、カソード）における反応を促進する触媒成分、プロトン伝導路を形成する高分子電解質、及び電子伝導路を形成する導電性材料を含み、各電極反応の場となる部分である。触媒層に含まれる高分子電解質としては、上記電解質膜を形成する高分子電解質と同様のものが用いられることが多い。
一方、ガス拡散層は、導電性多孔質体からなり、触媒層への反応ガスの拡散及び電子伝導性を向上させることを目的として設けられている。
【０００５】
燃料電池は、このような膜電極接合体を含む単セルを複数備えるが、燃料電池には高い出力密度、高エネルギー効率が要求され、従来から、特に、電極である触媒層の利用効率を高める様々な触媒インク及び触媒インクの製造方法が考えられてきた。
例えば、電極触媒としては、白金や白金合金等が用いられるが、これらの貴金属は高価であるため、特許文献１では、外部表面積が１００ｍ２／ｇ以上であるカーボンナノチューブを用いた、固体高分子電解質型燃料電池に用いられる触媒電極層形成用塗工液を開示している。特許文献１には、カーボンナノチューブが上記範囲の外部表面積を有するので、貴金属の高分散担持を行なうことが可能であり、そのため、貴金属を効率的に利用し、貴金属の使用総量及びコストを削減することができると記載されている。
【０００６】
また、触媒インクを高分散で、安定性よく効率よく製造できる方法として、特許文献２には、触媒担持カーボンブラックとイオン交換樹脂と溶媒とを混合して、外部せん断機で外部せん断し、内部せん断機で内部せん断を行い、再度前記外部せん断機または別種の外部せん断機で外部せん断してなることを特徴とする燃料電池用触媒ペーストが開示されている。
また、特許文献３では、触媒金属担持カーボンブラックと第１のイオン交換樹脂溶液と溶媒とを含む混合液をメディアレス高速ミキサーで分散した後、第２のイオン交換樹脂溶液を加えて攪拌してなる固体高分子型燃料電池の電極を製造するための触媒ペーストであって、前記触媒金属担持カーボンブラックの比表面積が５０ｃｍ２／ｇ〜１０００ｍ２／ｇであり、前記第１のイオン交換樹脂溶液のＥＷ（イオン交換当量）値が５００以上１０００未満で、前記第１のイオン交換樹脂溶液のイオン交換樹脂量が前記触媒金属担持カーボンブラックのカーボン分に対して重量比で３０％〜８０％であり、前記溶媒が水とエタノールの混合液で、その混合割合が水／エタノール＝５０／５０〜８０／２０であり、前記第２のイオン交換樹脂溶液のＥＷ値が１０００以上１２００未満で、触媒ペースト中の総イオン交換樹脂量が前記触媒金属担持カーボンブラックのカーボン分に対して重量比で８０％〜２２０％であることを特徴とする燃料電池電極用触媒ペーストを開示している。特許文献３には、該触媒ペーストを安定性良く保管できるとともに、良好な放電性能を示す燃料電池の電極を、短時間で用意に収率良く製造することができると記載されている。
【０００７】
高出力密度化においては、多大なエネルギー損失を伴うカソードの酸素還元の過電圧を低減することが重要である。そのためには、特にカソードの反応サイト（触媒と触媒を被服するイオン交換樹脂（高分子電解質）とが接し、プロトンと電子と酸素が供給される場）を増加させること、反応サイトへの酸素を含むガスの拡散及び供給を早くすることが有効である。
特許文献４では、スルホン酸基を有する含フッ素イオン交換樹脂と触媒とを含有する触媒層を有するガス拡散電極からなるアノード及びカソードと、該アノードと該カソードとの間に配置される固体高分子電解質膜とを備える固体高分子型燃料電池において、前記カソードの触媒層に含有される前記フッ素イオン交換樹脂の比表面積が３ｍ２／ｇ以上であることを特徴とする固体高分子型燃料電池を開示している。特許文献４には、カソードの触媒層に含まれるカソード樹脂として比表面積が大きいものを使用するため、触媒層中における被覆樹脂層内での触媒への反応ガスの供給速度を速め、過電圧の小さなカソードが得られると記載されている。
しかしながら、これらの技術では、電極触媒層中の高分子電解質の表面積を考慮する溶媒の規定がなされていない。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３２２４４６号公報
【特許文献２】特開２００５−２１６６６１号公報
【特許文献３】特開２００６−３０２６４４号公報
【特許文献４】特開２００２−２０８４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、固体高分子型燃料電池において、触媒層の比表面積を大きくし、触媒層中の反応サイトへの反応ガスの供給速度を向上させ、出力密度が大きい触媒層を作成することが可能な燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、さらに該インクを用いて形成した燃料電池用膜電極接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池触媒層用インクは、触媒金属、カーボン粒子、高分子電解質、及び、水−アルコール混合溶媒を含有し、前記混合溶媒中のアルコール比率が２０〜３０質量％であることを特徴とする。
【００１１】
前記アルコールは、エタノールであることが好ましい。
【００１２】
また、前記触媒金属と前記カーボン粒子は、触媒担持カーボン粒子の状態で含有されていることが好ましい。
【００１３】
本発明の燃料電池触媒層用インクの製造方法は、触媒担持カーボン粒子、アルコール、水又は水−アルコール混液に高分子電解質を溶解した高分子電解質溶液、及び、所定量の水又はアルコールを混合して、アルコール比率が２０〜３０質量％の水−アルコール混合溶媒を含む最終組成に調整した後、攪拌することを特徴とする。
【００１４】
本発明の燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面側に、前記燃料電池触媒層用インク又は前記方法により製造された燃料電池触媒層用インクを用いて形成した触媒層を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、さらに該インク及び該製造方法により得られたインクを用いて形成した燃料電池用膜電極接合体によれば、固体高分子型燃料電池において、触媒層の比表面積を大きくすることによって、触媒層における反応サイトへの反応ガスの供給速度を向上させて、出力密度が大きい触媒層を作成することができる。
また、触媒層の比表面積を大きくすることにより、触媒層の水蒸散性が向上し、フラッディングが抑制でき、電池性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の少なくとも一方の面側に、後述する燃料電池触媒層用インク又は後述する方法により製造された燃料電池触媒層用インクを用いて形成した触媒層を備える。
【００１７】
以下、図１を参照しながら、本発明における燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、並びに該インクを用いて形成した触媒層を備える燃料電池用膜電極接合体について詳細に説明する。尚、本発明は、図１に示した実施形態に限定されるものではない。
図１は、本発明により得られる膜電極接合体の一形態例を示す模式的断面図である。図１に示すように、電解質膜２は、一方の面にカソード（酸化剤極）５ａ、他方の面にアノード（燃料極）５ｂが設けられ、膜電極接合体１を形成している。本例において、カソード５ａは、電解質膜側から順に、カソード側触媒層３ａ、カソード側ガス拡散層４ａが積層した構造を有し、また、アノード５ｂは、電解質膜側から順に、アノード側触媒層３ｂ、アノード側ガス拡散層４ｂが積層した構造を有する。
【００１８】
燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成する方法、特に、電解質膜の表面に触媒層を形成する方法としては、触媒成分と高分子電解質と導電性材料とを、溶媒に溶解・分散させた触媒インクを用いる方法が一般的である。具体的には、例えば、ガス拡散層となる導電性多孔質体に触媒インクを塗布、乾燥したのち、該導電性多孔質体を触媒インクの塗布面を電解質膜側にして電解質膜と熱圧着する方法がある。また、ポリテトラフルオロエチレン等の基盤上に触媒インクを塗布、乾燥したものを導電性多孔質体に転写し、さらに、この触媒層が形成された導電性多孔質体と電解質膜とを熱圧着する方法がある。あるいは、電解質膜の表面に触媒インクを塗布、乾燥したのち、当該電解質膜を触媒インクの塗布面を導電性多孔質体側にして導電性多孔質体と熱圧着する方法などもある。
【００１９】
（触媒層）
本発明の燃料電池触媒層用インクは、触媒金属、カーボン粒子、高分子電解質、及び、水−アルコール混合溶媒を含有し、前記混合溶媒中のアルコール比率が２０〜３０質量％であることを特徴とする。さらに必要に応じて撥水性高分子や結着剤等、その他の成分または材料を含んでいてもよい。
触媒金属としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Ｐｔ、及びＰｔと例えばＲｕなど他の金属とからなる合金である。
カーボン粒子としては、炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料が挙げられる。
上記触媒金属と上記カーボン粒子は、触媒担持カーボン粒子の状態で含有されていることが好ましい。
【００２０】
電極用高分子電解質は、撥水性の主骨格（撥水部）と親水性の側鎖（親水部）を有する電極用高分子電解質であれば、特に限定されず、後述する電解質膜として用いられる材料の中から、適宜選択することができ、具体的には、ナフィオン（商品名）パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に代表されるフッ素系電解質樹脂が挙げられる。電極用高分子電解質と電解質膜用高分子電解質は異なるものであってもよいが、通常は同じものが好ましく使用される。
上記電極用高分子電解質をアルコール、水又は水−アルコール混液に溶解して高分子電解質溶液を調製して触媒インクの調製に用いることができる。溶解する際の混合比等は特に限定されない。
【００２１】
触媒インクには、必要に応じて、撥水性高分子や結着剤等その他の材料を添加してもよい。また、触媒インクにおける各成分の濃度や、触媒インク調製時の混合手順、方法等は特に限定されない。
【００２２】
触媒インクは上記のような触媒金属、カーボン粒子及び電極用高分子電解質を、溶媒に溶解又は分散させて得られる。本発明における触媒インクの溶媒は、水−アルコール混合溶媒であり、最終組成の段階でアルコール比率が２０〜３０質量％となるように調整する。アルコールは電極用高分子電解質に応じて適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール等を用いることができる。特に、本発明においては、アルコールがエタノールであることが好ましい。
【００２３】
本発明の燃料電池触媒層用インクの製造方法は、特に、触媒担持カーボン粒子、アルコール、水又は水−アルコール混液に高分子電解質を溶解した高分子電解質溶液、及び、所定量の水又はアルコールを混合して、アルコール比率が２０〜３０質量％の水−アルコール混合溶媒を含む最終組成に調整した後、攪拌することによって、撥水性の主骨格（撥水部）と親水性の側鎖（親水部）を有する電極用高分子電解質が、水が多く存在する上記溶媒下で、親水部を外側（溶媒側）、撥水部を内側（溶媒に比較的接しない側）に向けて凝集するため、比表面積が主骨格よりも比較的大きい側鎖が、凝集した電極用高分子電解質の表面に存在する。そのため、電極用高分子電解質の比表面積は比較的大きくなり、このような電極用高分子電解質を含んだ触媒インクを用いて触媒層を形成した場合には、触媒層の比表面積は大きくなると考えられる。このような簡易な調整プロセスによって触媒層の比表面積を制御することができる。
特にカソード触媒層においては、触媒層の比表面積を大きくすることによって、カソードの反応サイト（触媒と触媒を被服するイオン交換樹脂（高分子電解質）とが接し、プロトンと電子と酸素が供給される場）が増加して、反応サイトへの酸素を含むガスの拡散及び供給を早くすることができ、活性化過電圧の小さな触媒層を実現することができる。
また、触媒層の表面積を大きくすることにより、触媒層の水蒸散性が向上し、フラッディングが抑制でき、電池性能を向上させることができる。
【００２４】
触媒インクを電解質膜１に塗布する方法は、特に限定されず、例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。塗布後、自然乾燥又はホットプレート、オーブン、温風等の加熱乾燥を行うことで、触媒層が形成される。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、０．１〜１．０ｍｇ／ｃｍ２程度となるようにすればよい。また、触媒層２の膜厚は、特に限定されないが、５〜５０μｍ程度とすればよい。
【００２５】
（電解質膜）
本発明における電解質膜１としては、従来から固体高分子電解質型燃料電池に用いられている電解質膜用高分子電解質、例えば、フッ素系高分子電解質及び炭化水素系高分子電解質を含む電解質膜を用いることができる。
フッ素系高分子電解質としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸等のフッ素系イオン交換樹脂が挙げられる。パーフルオロカーボンスルホン酸膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等の市販品もある。
【００２６】
一方、炭化水素系高分子電解質とは、炭素と水素からなる高分子の主鎖と、イオン交換基とを有するものであり、代表的には、イオン交換基としてプロトン解離性の極性基を有する、プロトン伝導性の炭化水素系高分子電解質が用いられる。プロトン解離性の極性基としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、水酸基等が挙げられる。
炭化水素系高分子電解質からなる電解質膜は、フッ素系高分子電解質からなるものと比べて廉価であるため経済的に有利であり、耐熱性が高いため耐久性の点でも有利である。
【００２７】
炭化水素系高分子電解質には、ナフィオン（商品名、デュポン社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される主鎖及び側鎖の水素が全てフッ素で置換されたフッ素系高分子電解質は含まれない。炭化水素系高分子電解質は、典型的には、フッ素を全く含まない。但し、ガラス転移温度が比較的高い高分子電解質を用いる場合には、本発明による効果が十分に得られることから、部分的にフッ素置換されているものや、フッ素以外の異種原子を含んでいるものであっても、そのガラス転移温度がある程度高い場合には、炭化水素系高分子電解質に含まれる。
【００２８】
プロトン解離性の極性基を有する炭化水素系高分子電解質（以下、単に炭化水素系高分子電解質ということがある）としては、主鎖及び／又は側鎖に芳香族環を含み、且つ、プロトン解離性の極性基を含む高分子樹脂を用いることができる。具体的には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル等のエンジニアリングプラスチックや、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂等の汎用プラスチックに、上記したようなプロトン解離性の極性基を導入し、共有結合したものが挙げられる。また、特表平１１−５０３２６２号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質等の高分子電解質も挙げられる。
【００２９】
耐熱性に優れ、高温条件下作動される燃料電池に好適に使用することが可能であることから、炭化水素系高分子電解質は、Ｔｇ（ガラス転移温度）が１１０℃以上、特に１３０℃以上、さらには、１６０℃以上であることが好ましい。高分子の主鎖骨格に芳香環構造を含む炭化水素系高分子電解質は、耐熱性に優れ、上記範囲のＴｇを有するものが多く、好適に用いることができる。
【００３０】
電解質膜１は、上記のような高分子電解質をメタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類や水等を適宜組み合わせた溶媒、又は、ジメチルスルホキシドやジメチルホルムアミド等の極性有機溶媒中に溶解又は分散させて電解質溶液とし、得られた溶液を基板等の表面や型に流延、乾燥することによって作製することができる。また、ガラス転移点以上の温度にて高分子電解質を押し出し成型する方法によっても作製することができる。
電解質膜１は、上記のような高分子電解質を１種のみ含むものであっても、又は２種以上含ものであってもよい。また、導入されるプロトン解離性の極性基は、１種であっても、２種以上であってもよい。また、必要に応じてその他の成分を含んでいてもよい。
【００３１】
電解質膜１の膜厚は、通常、１０〜１００μｍ程度でよい。電解質膜１は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大し、甚だしい場合にはクロスリークが発生する。
電解質膜１は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。
【００３２】
（ガス拡散層）
触媒層２の上には、さらにガス拡散層３が積層される。ガス拡散層３は、触媒層２に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するものである。
上記ガス拡散層３としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体、発泡金属からなるガス拡散層シートを用いて形成することができる。
【００３３】
ガス拡散層３は、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、導電性多孔質体内に含浸した層であっても良い。
撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
ガス拡散層３は、必要に応じて撥水層を設けたガス拡散層シートを、ホットプレス等の手法によって触媒層の表面に加熱圧着して接合することができる。
ガス拡散層３の厚さは、１５〜１００μｍ程度であることが好ましい。
【００３４】
触媒インク塗布工程において、例えば、電解質膜の表面に触媒インクを塗布した場合には、触媒インクを乾燥することによって、電解質膜表面に触媒層が形成される。このように表面に触媒層が形成された電解質膜は、該触媒層をガス拡散層シートと電解質膜とで挟み込むようにして、触媒層とガス拡散層シートとを接合することによって、触媒層とガス拡散層とから構成される電極を備えた膜・電極接合体を作製することができる。
【００３５】
また、ガス拡散層シートの触媒層側の面に、触媒インクを塗布した場合には、触媒インクを乾燥することによって、ガス拡散層シート表面に触媒層が形成される。このように表面に触媒層が形成されたガス拡散層シートは、該触媒層を電解質膜とガス拡散層シートで挟み込むようにして、触媒層と電解質膜を接合することによって、膜・電極接合体を作製することができる。
【００３６】
また、触媒インクを、ポリテトラフルオロエチレン等の転写基材上に塗布した場合には、該転写基材表面の触媒インクを乾燥させた触媒層シートを電解質膜又はガス拡散層シートと接合し、基材を剥離後、触媒層が電解質膜とガス拡散層に挟まれるように、ガス拡散層シート又は電解質膜と接合することによって、膜・電極接合体を作製することができる。
上記膜・電極接合体における電解質膜、各層間の接合は、例えば、ホットプレス等によって行うことができる。
【００３７】
この膜電極接合体１は、さらに図２に示すように、セパレータ２２ａ、２２ｂで挟持され単セル２１を形成する。セパレータ２２には酸化剤ガス流路２３又は燃料ガス流路２４が形成されており、セパレータ２２としては、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。
かかる構成を有する単セル２１を、電気的に集合させてスタックを形成して容器に収納し、燃料電池を形成する。
【００３８】
上述したように、本発明の燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、さらに該インクを用いて形成した燃料電池用膜電極接合体によれば、固体高分子型燃料電池において、触媒層の表面積を大きくし、反応サイトへの酸素の供給速度を向上させ、出力密度が大きい触媒層を作製することができる。
また、触媒層の表面積を大きくすることにより、触媒層の水蒸散性が向上し、フラッディングを抑制することができ、電池性能を向上させることができる。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
ナフィオンソリューションＤＥ１０２０（商品名、デュポン社製）の重量をカーボンブラックの重量で除した値が０．８となるように各材料を秤量し、アルコール比率が２５質量％となるように純水を混合して混合液を得た。尚、上記ナフィオンソリューションＤＥ１０２０にはアルコールが含まれていた。
上記混合液をミキサー（商品名：あわとり練太郎、株式会社シンキー製）で５分間、遠心攪拌後、ホモジナイザー（商品名：超音波分散機ＧＳＤ６００ＣＶＰ、株式会社ギンセン製）によって攪拌し、触媒インクを得た。
得られた触媒インクをＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）シート上にドクターブレードによって塗布し、真空乾燥機で１２０℃において１時間乾燥した後、窒素吸着法によって触媒層の比表面積を測定した。
【００４０】
（比較例１）
アルコール比率を０質量％とした以外は、実施例１と同様に触媒インクを調製し、触媒層の比表面積を測定した。
【００４１】
（比較例２）
アルコール比率を５０質量％とした以外は、実施例１と同様に触媒インクを調製し、触媒層の比表面積を測定した。
【００４２】
（比較例３）
アルコール比率を７０質量％とした以外は、実施例１と同様に触媒インクを調製し、触媒層の比表面積を測定した。
【００４３】
（比較例４）
アルコール比率を８５質量％とした以外は、実施例１と同様に触媒インクを調製し、触媒層の比表面積を測定した。
【００４４】
（測定結果）
実施例１及び比較例１〜４の測定結果を図３に示す。
測定結果より、実施例１における触媒層の比表面積が比較例１〜４における触媒層の比表面積よりも大きいことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る製造方法により提供される膜電極接合体の一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に係る製造方法により提供される膜電極接合体を備えた単セルの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図３】実施例及び比較例で得られた測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１…膜電極接合体
２…電解質膜
３ａ…カソード側触媒層
３ｂ…アノード側触媒層
４ａ…カソード側ガス拡散層
４ｂ…アノード側ガス拡散層
５ａ…カソード
５ｂ…アノード
２１…単セル
２２ａ、２２ｂ…セパレータ
２３…酸化剤ガス流路
２４…燃料ガス流路
【図１】
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【図２】
2008269847.tif 000003
【図３】
2008269847.tif 000004