(57)【要約】【課題】触媒ペーストを基材上に塗布して触媒層を形成するものにおいて、触媒とプロトン導電性ポリマーとの界面が増大し、高い電池特性が得られる製造方法を得る。【解決手段】触媒と有機溶媒とプロトン導電性ポリマーを混合、分散させて触媒ペーストを調整する触媒ペースト調整工程と、触媒ペーストを基材上に塗布して触媒層を形成する触媒層形成工程との間に、調整された触媒ペーストを所定の保管温度、例えば、５  〜  ２５  ℃の温度に、所定の保管時間、例えば、４  〜  １００時間保管する保管工程を加える。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒と有機溶媒とプロトン伝導性ポリマー、あるいは、触媒と有機溶媒とプロトン伝導性ポリマーと撥水材を混合、分散させて触媒ペーストを調製する触媒ペースト調製工程と、調製された触媒ペーストを基材に塗布して触媒層を形成する触媒層形成工程とを有する固体高分子形燃料電池の電極の製造方法において、
前記触媒ペースト調製工程と前記触媒層形成工程との間に、調製された触媒ペーストを所定の保管温度に所定の保管時間保管する保管工程を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池の電極の製造方法。
【請求項２】
前記保管工程における触媒ペーストの保管温度が、５℃以上、２５℃未満であり、かつ、保管時間が４時間以上、２００時間以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の電極の製造方法。
【請求項３】
前記保管工程における触媒ペーストの保管温度が、２５℃以上、４０℃以下であり、かつ、保管時間が４時間以上、１００時間以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の電極の製造方法。
【請求項４】
前記保管工程における触媒ペーストの保管温度が、４０℃より高く、６０℃以下であり、かつ、保管時間が４時間以上、５０時間以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の電極の製造方法。
【請求項５】
前記撥水材がポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池の電極の製造方法。
【請求項６】
前記基材が、カーボンペーパー、カーボン繊維、カーボンフィルム、カーボンフィルターのうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池の電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池の電極の製造方法、特にその触媒層の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池では、電極の触媒層において次式（１）、（２）の反応が生じることによって、電気エネルギーが外部へと取出される。
【０００３】
【化１】
アノード極  ；  Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−                    （１）
カソード極  ；  （１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    （２）
この触媒層は、触媒と高分子電解質体であるプロトン伝導性ポリマーとから形成された多孔質構造よりなり、この多孔質層に反応ガスを供給することによって上記の反応が、気相（細孔中の反応ガス；Ｈ２  ，Ｏ２）、固相（プロトン伝導性ポリマー；Ｈ＋）、固相（触媒；ｅ−）の３相界面で生じる。
【０００４】
この電極の触媒層は、例えば、特許文献１に見られるごとく、触媒とプロトン伝導性ポリマーを有機溶剤のアルコール中で混合して触媒ペーストを調製し、この触媒ペーストを基材上に塗布し、乾燥することによって形成されている。このように触媒とプロトン伝導性ポリマーとを混合させれば、触媒とプロトン伝導性ポリマーとの間の界面が増加して高い電池特性が得られると期待されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２６０４３５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の固体高分子形燃料電池では、高い電池特性を得るために、触媒とプロトン伝導性ポリマーとを混合させて触媒ペーストを調製し、これを基材上に塗布して触媒層を形成する方法が採られているが、最近の本発明者の研究結果によれば、調製した触媒ペーストを直ちに基材上に塗布して触媒層を形成した場合には、プロトン伝導性ポリマーにより被覆される部分は触媒粒子表面の一部分に限定され、触媒とプロトン伝導性ポリマーとの界面が小さく抑えられて、所期の高い電池特性が得られないことが明らかとなった。
【０００７】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、触媒とプロトン伝導性ポリマーとを混合させて調製した触媒ペーストを基材上に塗布して触媒層を形成するものにおいて、触媒とプロトン伝導性ポリマーとの界面の面積が増大して、高い電池特性が得られる固体高分子形燃料電池の電極の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
触媒と有機溶媒とプロトン伝導性ポリマー、あるいは、触媒と有機溶媒とプロトン伝導性ポリマーと撥水材を混合、分散させて触媒ペーストを調製する触媒ペースト調製工程と、調製された触媒ペーストを基材に塗布して触媒層を形成する触媒層形成工程とを有する固体高分子形燃料電池の電極の製造方法において、
触媒ペースト調製工程と触媒層形成工程との間に、調製された触媒ペーストを所定の保管温度に所定の保管時間保管する保管工程を含めることとし、例えば、５  ℃以上、２５  ℃未満の温度に、４  時間以上、２００  時間以下保管する。あるいは、２５  ℃以上、４０  ℃以下の温度に、４  時間以上、１００  時間以下保管する。あるいは、４０  ℃より高く、６０  ℃以下の温度に、４  時間以上、５０  時間以下保管することとする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体高分子形燃料電池の電極の製造方法の具体的態様と、本製造方法を用いて作製されたＭＥＡ（膜電極接合体）の電池特性を例を挙げて説明する。なお、本発明は本実施例に限定されず、同一理念に基づく固体高分子形燃料電池の電極の製造方法に広く適用されるものであることは言うまでもない。
＜カソード触媒層の作製＞
白金担持量が  ４０％の白金担持カーボン  １０ｇと、パーフロロスルフォン酸樹脂を  ５％含むアルコール溶液  １００ｇとを超音波分散機を用いて  １０分間混合し、触媒ペーストを作製した。このようにして作製した触媒ペーストを、０  〜  ２００時間の範囲内の所定の保管時間の間、５  〜７０  ℃の範囲内の所定の保管温度に保管したのち、Ｐｔ  量が  ０．３（ｍｇ／ｃｍ２）となるように基材上に塗布し、カソード触媒層を作製した。
【００１０】
なお、上記の触媒ペーストの保管工程における保管温度には、５  ℃、２５  ℃、  ４０  ℃、６０  ℃、７０  ℃の５種類の温度を、また、保管時間には、０ｈ、１  ｈ、２  ｈ、４  ｈ、１０  ｈ、２０  ｈ、５０  ｈ、１００  ｈ、２００  ｈ、５００ｈ、８００  ｈの１１種類の時間を選定し、総計  ５５個のカソード触媒層を作製した。
＜アノード触媒層の作製＞
白金担持量が  ３０％、ルテニウム担持量が  １０％の白金ルテニウム担持カーボン  １０ｇと、パーフロロスルフォン酸樹脂を  ５％含むアルコール溶液  １００ｇとを超音波分散機を用いて  １０分間混合し、触媒ペーストを作製した。このようにして作製した触媒ペーストを、０  〜  ２００時間の範囲内の所定の保管時間の間、５  〜７０  ℃の範囲内の所定の保管温度に保管したのち、Ｐｔ  量が  ０．２（ｍｇ／ｃｍ２）となるように基材上に塗布し、アノード触媒層を作製した。
【００１１】
なお、上記の触媒ペーストの保管工程における保管温度と保管時間には、上記のカソード触媒層作製時と同様の５種類の保管温度と１１種類の保管時間を選定し、総計  ５５個のアノード触媒層を作製した。
＜ＭＥＡの作製＞
上記のごとく作製したカソード触媒層とアノード触媒層を、触媒ペーストの保管工程における保管温度と保管時間が同一のものを一対として、プロトン導電性膜（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ  １１２）の両面に配し、温度  １４０  ℃、圧力  ０．４  ＭＰａで熱圧着することにより総計  ５５個のＭＥＡを作製した。
【００１２】
図１は、このようにして作製した  ５５個のＭＥＡを、セル温度を  ８０  ℃に保持し、反応ガスとして純水素と空気を用い、それぞれ  ５０  ％のガス利用率で運転したときの電池特性を示す特性図である。図１において、縦軸は、発電電流密度が０．４（Ａ／ｃｍ２）のときのセル電圧（ｍｖ）、横軸は、上記の触媒ペーストの保管工程における保管時間（  ｈ  ）であり、触媒ペーストの保管工程における保管温度に対応して５本の特性曲線が示されている。
図１に見られるように、触媒ペーストの保管工程における保管温度を  ５℃〜６０℃に選定して触媒層を作製したＭＥＡの場合には、保管工程における保管時間が増加するに従ってセル電圧が上昇しており、保管時間が４  時間のものにおいては、保管工程を設けないで作製した（すなわち、保管時間が０時間）従来のＭＥＡに比べて  ２０ｍＶ以上高いセル電圧が得られている。さらに、保管温度が  ５  ℃〜２５℃の場合には、保管時間が  ４  時間〜２００  時間のとき、保管温度が  ２５  ℃〜４０℃の場合には、保管時間が  ４  時間〜１００  時間のとき、また、保管温度が４０  ℃〜６０  ℃の場合には、保管時間が４  時間〜  ５０  時間のとき、上記と同等のレベルの高いセル電圧が得られている。
【００１３】
この試験結果より、電極の製造に際して、触媒ペースト調製工程と触媒層形成工程との間に、調製された触媒ペーストを上記のごとき温度、時間条件で保管する保管工程を含めることにより高い電池特性が得られることが判る。
【００１４】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、
触媒と有機溶媒とプロトン伝導性ポリマー、あるいは、触媒と有機溶媒とプロトン伝導性ポリマーと撥水材を混合、分散させて触媒ペーストを調製する触媒ペースト調製工程と、調製された触媒ペーストを基材に塗布して触媒層を形成する触媒層形成工程とを有する固体高分子形燃料電池の電極の製造方法において、
請求項１に記載のごとく、触媒ペースト調製工程と触媒層形成工程との間に、調製された触媒ペーストを所定の保管温度に所定の保管時間保管する保管工程を含めることとし、例えば、請求項２あるいは請求項３あるいは請求項４に記載のごとく、５  ℃以上、  ２５  ℃未満の温度に、４  時間以上、２００  時間以下、あるいは、２５  ℃以上、  ４０  ℃以下の温度に、４  時間以上、１００  時間以下、あるいは、４０  ℃以上、６０  ℃以下の温度に、４  時間以上、５０  時間以下保管することとしたので、従来に比べて高い電池特性を有する固体高分子形燃料電池の電極の製造方法が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】作製したＭＥＡの電池特性を示す特性図
【図１】
2004241289.tif 000002