(57)【要約】【課題】塗工によって作製された電極触媒層に残留する不純物を、電池性能の低下をもたらすことなく、短時間で効率的に除去し、電池性能の低下を抑制した燃料電池用電極を得る。【解決手段】燃料電池の電極触媒層を塗工によって作製する燃料電池用電極の製造方法において、塗工後の電極触媒層を水または水溶性有機溶媒の水溶液を主とする洗浄液２１に浸漬するとともに、その洗浄液を超音波励振することにより不純物の除去を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電極触媒層を塗工によって作製する燃料電池用電極の製造方法において、塗工後の電極触媒層を水または水溶性有機溶媒の水溶液を主とする洗浄液に浸漬するとともに、その洗浄液を超音波励振することにより不純物の除去を行うことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、電極触媒層が浸漬される洗浄液をその洗浄液の沸点温度未満で加温または加熱することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、電極触媒層を浸漬する洗浄液の超音波励振を複数の周波数で行うことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、電極触媒層を浸漬する洗浄液に超音波励振による流動を生じさせることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれかに記載の方法によって作製されたことを特徴する燃料電池用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極の製造方法および燃料電池用電極に関し、とくに、燃料電池用構成材である触媒層に含まれる不純物の除去に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やノート型パソコンに代表される携帯機器では、多機能化による消費電力の増加と、使用時間・頻度の増加が著しく高まっている。それにともなって、機器に搭載される電源（自蔵電源）に対する高容量化と携帯利便性の要求も増大している。また、環境問題からクリーンエネルギに対する要求も高まっている。
【０００３】
そのような要求に応える電源として燃料電池が注目されている。これは、燃料と空気（酸素）を供給することにより電気エネルギを取り出す発電デバイスである。燃料電池は電解質とこれを挟む２つの電極からなる膜電極接合体（以下、ＭＥＡ）を用いて構成される。このＭＥＡの電極はガス拡散層および触媒層（電極触媒層）から構成される。
【０００４】
電極触媒層は貴金属等の触媒を担持したカーボン粉末（導電剤）、高分子電解質の分散液、溶媒、分散剤などを混合した触媒インクを、高分子電解質または導電性多孔質などに塗工し、その後、乾燥することで作製するのが一般的である。
【０００５】
触媒インクに使用する有機溶媒や分散剤は製造工程においては必要なものであるが、最終製品である燃料電池の構成材料としては不要な不純物となる。また、経時安定性や作業性の観点からは、触媒インクに使用する有機溶媒は揮発しにくい溶媒を選ぶことが望まれる。
【０００６】
上記不純物については、特許文献１や２にそれぞれ、その除去の方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２６６９０１
【特許文献１】特開２００３−２９７３７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、触媒インクを高分子電解質または導電性多孔質などに塗工し、その後、乾燥することで作製した電極触媒層には、触媒インクに含まれる溶剤成分や分散剤などの不純物が残留する。この不純物は発電反応を阻害して電池性能を低下させる。とくに沸点が高い溶媒を使用した場合には、その不純物の除去が困難である。しかし、経時安定性や作業性の観点からは、沸点が高い溶媒の使用が望まれる。
【０００８】
上記不純物の除去方法として、たとえば特許文献１では、ＭＥＡ作製時に１００℃〜１３０℃の加熱によって除去する方法が提案されているが、この方法では、高温での加熱によって電極が乾燥状態となるため、電池性能の低下が生じる。
【０００９】
また、特許文献２では、９８℃の水に浸漬する洗浄方法が提案されているが、この方法では、不純物を十分に除去することが困難で、洗浄に時間がかかるため、生産性が悪い。
【００１０】
本発明は、以上のような問題を解決するものであり、その目的は、塗工によって作製された電極触媒層に残留する不純物を、電池性能の低下をもたらすことなく、短時間で効率的に除去することができる燃料電池用電極の製造方法、および電池性能の低下を抑制した燃料電池用電極を提供することにある。
【００１１】
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。  
（１）燃料電池の電極触媒層を塗工によって作製する燃料電池用電極の製造方法において、塗工後の電極触媒層を水または水溶性有機溶媒の水溶液を主とする洗浄液に浸漬するとともに、その洗浄液を超音波励振することにより不純物の除去を行うことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。  
（２）上記手段（１）において、電極触媒層が浸漬される洗浄液をその洗浄液の沸点温度未満で加温または加熱することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。  
（３）上記手段（１）または（２）において、電極触媒層を浸漬する洗浄液の超音波励振を複数の周波数で行うことを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。  
（４）上記手段（１）〜（３）のいずれかにおいて、電極触媒層を浸漬する洗浄液に超音波励振による流動を生じさせることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。  
（５）上記手段（１）〜（４）いずれかに記載の方法によって作製されたことを特徴する燃料電池用電極。
【発明の効果】
【００１３】
塗工によって作製された電極触媒層に残留する不純物を、電池性能の低下をもたらすことなく、短時間で効率的に除去することができ、これにより、電池性能の低下を抑制した燃料電池用電極を得ることができる。
【００１４】
上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明に係る燃料電池用電極の製造に使用する装置の要部概念図を示す。同図に示す装置は、触媒インクの塗工によって触媒層が形成され燃料電池用電極１０を洗浄液２１に浸漬するとともに、その洗浄液を超音波励振することにより不純物の除去を行う一種の超音波洗浄装置であって、洗浄液２１を入れる洗浄槽２２、超音波振動子２４、多周波発信器２５、多相駆動回路２６、電熱ヒータ２７、温度調節器２８、制御装置２９、可動機構３１などを備える。
【００１６】
超音波振動子２８は洗浄槽２２内の洗浄液２１を超音波励振するためのものであって、複数個所に設置されている。各超音波振動子２８はそれぞれ、多周波発信器２５および多相駆動回路２６により、所定の周波数および位相の高周波信号で励振駆動される。
【００１７】
電熱ヒータ２７と温度調節器２８は、洗浄槽２２内の洗浄液２１を所定温度に加温または加熱する。制御装置２９はマイクロコンピュータを用いて構成され、各超音波振動子２８の駆動周波数や位相を所定のシーケンス手順にしたがって可変制御する。また、洗浄液２１の温度条件の制御も行う。可動機構３１は、洗浄液２１中に浸漬された電極１０を液中で回転または揺動により移動させる。
【００１８】
上述した洗浄装置を用いて、電極触媒層が塗工された電極１０を水または水溶性有機溶媒の水溶液を主とする洗浄液２１に浸漬するとともに、その洗浄液２１を超音波励振することより、触媒層に残留する不純物を、電池性能の低下をもたらすことなく、短時間で効率的に除去できることが本発明者等によって知得された。
【００１９】
この場合、洗浄液２１の超音波励振は、いわゆるキャビテーションが生じるような周波数と強さで行う。キャビテーション状態では、液中の溶存酸素などの微小な気泡が核となって、無数の真空に近い微小空洞（キャビティ）が発生し、これが破壊するときに局所的に強力な衝撃力が発生する。
【００２０】
一般に超音波による洗浄効果は、次の３つの作用によると言われている。  
（１）上記キャビテーション。  
（２）加速度：高速の振動励振によって瞬間的に大きな加速度が生じる。  
（３）物理化学的反応促進：超音波による微小振動や乳化作用。
【００２１】
上記作用（１）（２）（３）を鑑みると、超音波洗浄は表面が平滑で緻密な物品の洗浄に適し、たとえば眼鏡レンズや機械部品などの洗浄に使用されていた。一方、燃料電池用電極のような多孔質なものには使用されていなかった
しかし、本発明者等の知見によれば、超音波による洗浄が燃料電池用電極の残留不純物を除去するのに非常に有効であることが判明した。これは、従来の超音波洗浄の用途からはまったく予想できない意外な効果であった。
【００２２】
さらに、本発明者等は、超音波洗浄によって燃料電池用電極の残留不純物の除去処理を行う場合、次のような処理条件を加えることがとくに有効であることを知得するに至った。  
（１）電極触媒層が浸漬される洗浄液をその洗浄液の沸点温度未満で加温または加熱する。  
（２）電極触媒層を浸漬する洗浄液の超音波励振を複数の周波数で行う。  
（３）電極触媒層を浸漬する洗浄液に超音波励振による流動を生じさせる。
【００２３】
上記装置では、電熱ヒータ２７と温度調節器２８によって洗浄液２１を沸点温度未満で加温または過熱することにより、上記（１）を実施できる。  
また、多周波発信器２５を用いることにより、上記（２）を実施できる。  
さらに、超音波振動子２４を複数個所に設置するとともに、各超音波振動子２４を多相駆動回路２６で互いに異なる位相で励振駆動させることにより、洗浄液２１を超音波励振するとともに流動駆動させることができる。これにより、上記（３）を実施できる。
【００２４】
上記以外に、上記装置では、洗浄液２１の超音波励振周波数を制御装置２９で高速遷移させることにより、電極細孔内部の洗浄が可能になる。これは、単周波数の超音波では不可能なポンピング効果によるものと考えられる。
【００２５】
さらに、電極面に均一な超音波の照射を施すことで、洗浄ムラを少なくすることができる。例えば、可動機構３１で電極１０を洗浄液２１中で移動させる方法や振動子２４を可動させる方法がある。
【００２６】
洗浄液２１については、界面活性剤などを添加することで、触媒層内部への洗浄液の浸透を促進し、洗浄の効果すなわちこの場合は不純物除去効果を高めることができる。
【００２７】
また、従来の洗浄方法では高沸点溶媒の除去効果が高いが、電極の乾燥による電池性能の低下が生じるため、電極作成時の高温加熱を行うことができなかった。しかし、本発明では洗浄と同時に加湿を行うことができるため、高温加熱を組み合わせた場合にも電池性能の低下をもたらすことなく、更に洗浄効果を高めることができる。
【実施例】
【００２８】
（実施例）
燃料極触媒としてＰｔ−Ｒｕ合金（Ｐｔ：Ｒｕのモル被は１：１）を使用し、これを担持させた炭素粒子と、Ｎａｆｉｏｎ溶液と、２−プロパノールまたはエチレングリコールを混合して触媒インクを作製した。  
この触媒インクを、拡散層（カーボンペーパ−）の片面に塗布し、Ｐｔ量が１ｍｇ／ｃｍ２となるように触媒層を形成して燃料極を作製した。また、空気極触媒（Ｐｔ担持炭素粒子）を用い、燃料極と同様の手順で空気極を作製した。  
この後、作製した燃料極および空気極を４０℃の超純水（洗浄液）に浸漬して超音波洗浄による残留不純物の除去処理を行った。この処理は、洗浄液を周波数２６ＫＨｚと３６ＫＨｚの超音波で交互に励振しながら３時間行った。  
このようにして作製した燃料極および空気極を用いて、触媒層が内側になるように電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ１１７）を挟みこみ、ホットプレスにより接着してＭＥＡ（膜電極接合体）を作製した。
【００２９】
（比較例）
上記実施例の工程のうち、洗浄による不純物の除去処理は超音波を使用せず、４０℃の超純水に浸漬するだけとし、他は同様にしてＭＥＡ（膜電極接合体）を作製した。  
上記実施例にて作製したＭＥＡと上記比較例にて作製したＭＥＡについてそれぞれ、燃料電池として使用したときの電流密度とセル電圧の関係を試験したところ、図２に示すような特性グラフが得られた。  
同図の特性グラフからも明らかなように、実施例と比較例には、電池特性に明確な差が生じていることが確認された。これは、超音波洗浄による残留不純物の除去効果の違い、および洗浄処理による電池性能低下の違いが現れたものと認められる。
【００３０】
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、洗浄液２１は純水以外の水性洗浄液あるいは水性の有機溶媒水溶液の使用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
塗工によって作製された電極触媒層に残留する不純物を、電池性能の低下をもたらすことなく、短時間で効率的に除去することができ、これにより、電池性能の低下を抑制した燃料電池用電極を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る燃料電池用電極の製造に使用する装置の要部概念図である。
【図２】膜電極接合体の電流密度とセル電圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１０  燃料電池用電極
２１  洗浄液
２２  洗浄槽
２４  超音波振動子
２５  多周波発信器
２６  多相駆動回路
２７  電熱ヒータ
２８  温度調節器
２９  制御装置
３１  可動機構
【図１】
2007287626.tif 000003
【図２】
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