(57)【要約】【課題】燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する触媒層形成方法において、反応に寄与しない無駄な白金を減らしてコストを低減する。【解決手段】本発明の燃料電池の触媒層形成方法は、固体高分子電解質膜４の表面に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子１を吹き付けて第１層５ａを形成し、この上に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子１と白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子２とを同時に吹き付けて第２層５ｂを形成し、この上に白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子２を吹き付けて第３層５ｃを形成して触媒層５を形成し、この触媒層５に含まれる白金量が固体高分子電解質膜４から離れるにしたがって少なくなるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、
前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けて第１層を形成し、この第１層の上に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子と白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子とを同時に吹き付けて第２層を形成し、この第２層の上に白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けて第３層を形成することによって触媒層を形成することを特徴とする燃料電池の触媒層形成方法。
【請求項２】
前記白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子と、前記白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子とを同一のノズルから吹き付けることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の触媒層形成方法。
【請求項３】
固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体であって、
前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された第１層と、この第１層の上に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子と白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子とを同時に吹き付けることによって形成された第２層と、この第２層の上に白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された第３層とを備えることを特徴とする膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する触媒層形成方法に係り、特に触媒層に含まれる白金量を固体高分子電解質膜から離れるにしたがって少なくなるように変化させる燃料電池の触媒層形成方法及びその方法によって形成された膜電極接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成され、さらにその外側にガス拡散層が形成されている。このように形成された燃料電池セルはさらに複数積層されて燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックでは、構成部品の電気的接触抵抗を低減するためやガスのシール性を保持するために積層方向へ恒常的に締結圧をかける必要がある。
【０００３】
ところが、恒常的に締結圧をかけていると、ガス拡散層を構成するカーボンペーパーやカーボンクロスの針状突起物が高分子電解質膜まで貫通して微小短絡を発生させてしまうおそれがあった。
【０００４】
そこで、触媒層を多層とすることにより針状突起物の侵入を防止するようにした燃料電池が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
この従来例では多層にした触媒層において、固体高分子電解質膜に接する側の層を緻密な層にすることによって微小短絡を防止するとともに、ガス拡散層に接する側の層を粗密な層にしてガス拡散層との接合性を向上させている。
【特許文献１】特開２００３−３０３５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的な触媒層は、白金を触媒として担持したカーボン粒子が主成分となっているが、この触媒の白金のうち固体高分子電解質膜に近い部分の白金が最も反応に寄与し、固体高分子電解質膜から離れるにしたがって反応に寄与しなくなっていく傾向にある。
【０００７】
しかしながら、上述した従来の燃料電池の製造方法では、触媒層を多層にしてはいるものの白金量を変化させていないので、触媒層のうちの緻密な層を厚くすると反応に寄与しない無駄な白金が増加し、コスト増になるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法は、燃料電池の固体高分子電解質膜上に触媒層を形成する燃料電池の触媒層形成方法であって、前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けて第１層を形成し、この第１層の上に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子と白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子とを同時に吹き付けて第２層を形成し、この第２層の上に白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けて第３層を形成することによって触媒層を形成することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体であって、前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の表面に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された第１層と、この第１層の上に白金を担持した多孔質構造のカーボン粒子と白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子とを同時に吹き付けることによって形成された第２層と、この第２層の上に白金を担持した非多孔質構造のカーボン粒子を吹き付けることによって形成された第３層とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法では、白金量の異なる層を３層積層させることによって触媒層を形成するので、触媒層の白金量を固体高分子電解質膜に近い側で多くし、固体高分子電解質膜から離れるにしたがって少なくなるように触媒層を形成することができ、これによって反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することができる。さらに、多孔質構造のカーボン粒子で触媒層を形成するので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させることもできる
また、本発明に係る膜電極接合体についても、触媒層が白金量の異なる３層を積層させることによって形成されているので、触媒層の白金量が固体高分子電解質膜に近い側で多く、固体高分子電解質膜から離れるにしたがって少なくなるように形成することができ、これによって反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することができる。さらに、多孔質構造のカーボン粒子によって触媒層を形成しているので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させることもできる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る燃料電池の触媒層形成方法の実施例を説明する。まず、燃料電池を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の構成を図３に基づいて説明する。
【００１２】
図３に示すように、膜電極接合体１４は、水素イオンを透過させるための固体高分子電解質膜１６と、この固体高分子電解質膜１６のアノード側に配置されるアノード電極１７と、カソード側に配置されるカソード電極１８とから構成されている。
【００１３】
さらに、アノード電極１７は、アノード触媒層１７ａとガス拡散層１７ｂとから構成され、カソード電極１８はカソード触媒層１８ａとガス拡散層１８ｂとから構成されている。
【００１４】
このように構成された膜電極接合体１４の両面にはセパレータが配置されて燃料電池単セルを構成し、さらにこの燃料電池単セルを複数積層させて燃料電池スタックが構成されている。
【実施例１】
【００１５】
次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は実施例１に係る燃料電池の触媒層形成方法を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、白金を担持したゼオライト構造のカーボン粒子１と、白金を担持した通常のカーボン粒子２とをノズル３から固体高分子電解質膜４の表面に吹き付けることによって触媒層５を形成している。各カーボン粒子１、２は、それぞれ高分子電解質溶液に分散されることにより触媒インクとして調整され、固体高分子電解質膜４の表面に吹き付けられて塗工される。
【００１７】
まず、最初に固体高分子電解質膜４の表面に白金を担持したゼオライト構造のカーボン粒子１のみをノズル３から吹き付けて第１層５ａを形成する。次に、この第１層５ａの上に白金を担持したゼオライト構造のカーボン粒子１と白金を担持した通常のカーボン粒子２とをノズル３から同時に吹き付けて第２層５ｂを形成する。さらに、この第２層５ｂの上に白金を担持した通常のカーボン粒子２のみを吹き付けて第３層５ｃを形成することにより触媒層５が形成される。
【００１８】
このように、多孔質構造のカーボン粒子１と、非多孔質構造のカーボン粒子２とを同一のノズル３から吹き付けると、複数のカーボン粒子をコントロールして吹きつけることができるため、白金量の勾配と塗布層の厚みをコントロールすることができる。
【００１９】
なお、白金を担持したゼオライト構造のカーボン粒子１は、粒子内部に空孔を多く有する多孔質構造であるため、表面積が大きくなり、白金をより多く担持することができる。本実施例ではゼオライト構造のカーボン粒子を一例として説明しているが、通常のカーボン粒子と比べて白金をより多く担持することのできる多孔質構造のカーボン粒子であれば、その他の構造のカーボン粒子であってもよい。
【００２０】
また、白金を担持した通常のカーボン粒子２は、非多孔質構造のカーボン粒子であればよく、ゼオライト構造のカーボン粒子と比較して担持できる白金の量が少なくなるものであればよい。
【００２１】
このように、ゼオライト構造のカーボン粒子１のほうが通常のカーボン粒子２よりも多く白金を担持することができるので、触媒層５を形成する３層のうち、ゼオライト構造のカーボン粒子１のみで形成された第１層５ａの白金量が最も多くなり、次いで第２層５ｂの白金量が多くなり、通常のカーボン粒子２のみで形成された第３層５ｃの白金量が最も少なくなる。
【００２２】
例えば、白金量の多い第１層５ａの白金量は０．３ｍｇ／ｃｍ２となり、白金量の少ない第３層５ｃの白金量は０．１ｍｇ／ｃｍ２となる。このようにして触媒層５では固体高分子電解質膜４に近い側で白金量が多くなり、固体高分子電解質膜４から離れるにしたがって白金量が少なくなるように形成される。通常、触媒層５では、固体高分子電解質膜４に近い部分の白金が最も反応に寄与し、固体高分子電解質膜４から離れるにしたがって反応に寄与しなくなっていくので、固体高分子電解質膜４に近い側で白金量を多くし、離れるにしたがって白金量が少なくなるように形成したことによって、反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することが可能になる。
【００２３】
また、ゼオライト構造のカーボン粒子１は多孔質構造なので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させる効果もある。さらに、固体高分子電解質膜４との接合力を向上させる効果も期待することができる。
【００２４】
このようにして、固体高分子電解質膜４の片方の面に触媒層５を形成した後、さらに、もう一方の面にも触媒層５を形成する。そして、その外側にガス拡散層６を形成して図２に示すように膜電極接合体７を作成する。
【００２５】
このように、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、白金量の異なる層を３層積層させることによって触媒層５を形成するようにしたので、触媒層５の白金量は固体高分子電解質膜４に近い側で多く、固体高分子電解質膜４から離れるにしたがって少なくなるように触媒層５を形成することができ、これによって反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することができる。また、多孔質構造のカーボン粒子１によって触媒層５を形成するので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させることもできる。
【００２６】
また、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法では、多孔質構造のカーボン粒子１と、非多孔質構造のカーボン粒子２とを同一のノズル３から吹き付けるようにしたので、複数のカーボン粒子をコントロールして吹きつけることができ、白金量の勾配と塗布層の厚みをコントロールすることができる。
【００２７】
さらに、本実施例の燃料電池の触媒層形成方法によって作成された膜電極接合体は、触媒層が白金量の異なる３層を積層させることによって形成されているので、触媒層の白金量が固体高分子電解質膜に近い側で多く、固体高分子電解質膜から離れるにしたがって少なくなるように形成することができ、これによって反応に寄与しない白金の量を減らしてコストを低減することができる。さらに、多孔質構造のカーボン粒子によって触媒層を形成しているので、水素ガスの透過性がよく、燃料電池の出力を向上させることもできる。
【００２８】
以上、本発明の燃料電池の触媒層形成方法について、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池の触媒層形成方法を説明するための図である。
【図２】実施例１の燃料電池の触媒層形成方法によって作成された燃料電池セルの構造を示す断面図である。
【図３】膜電極接合体の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…ゼオライト構造のカーボン粒子
２…通常のカーボン粒子
３…ノズル
４、１６…固体高分子電解質膜
５…触媒層
５ａ…第１層
５ｂ…第２層
５ｃ…第３層
６…ガス拡散層
７、１４…膜電極接合体
１７…アノード電極
１７ａ…アノード触媒層
１７ｂ、１８ｂ…ガス拡散層
１８…カソード電極
１８ａ…カソード触媒層
【図１】
2007026719.tif 000003
【図２】
2007026719.tif 000004
【図３】
2007026719.tif 000005