(57)【要約】【課題】触媒の分散性が良好で、かつ優れた電池性能を備えた燃料電池を製造できる触媒層形成用ペースト組成物及びそれを用いた触媒層転写シートを提供することを課題とする。【解決手段】本発明の触媒層形成用ペースト組成物は、（１）触媒担持炭素粒子、（２）イオン伝導性高分子電解質、（３）溶剤及び（４）分散剤を含有する触媒層形成用ペースト組成物であって、（４）分散剤がパーフルオロアルキル基を有する化合物である、ことを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）触媒担持炭素粒子、（２）イオン伝導性高分子電解質、（３）溶剤及び（４）分散剤を含有する触媒層形成用ペースト組成物であって、（４）分散剤がパーフルオロアルキル基を有する化合物である触媒層形成用ペースト組成物。
【請求項２】
分散剤がノニオン系界面活性剤である、請求項１に記載のペースト組成物。
【請求項３】
（４）分散剤の含有量が、ペースト組成物中の（１）触媒担持炭素粒子及び（２）イオン伝導性高分子電解質の合計量に対して、０．０１〜１重量％である、請求項１又は２に記載のペースト組成物。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のペースト組成物を転写基材上に塗布し、乾燥されてなる、触媒層転写シート。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載のペースト組成物を用いて形成される、触媒層−電解質膜積層体。
【請求項６】
請求項５に記載の触媒層−電解質膜積層体を具備する電極−電解質膜接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒層形成用ペースト組成物及びそれを用いた触媒層転写シートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を配置し、水素と酸素の電気化学反応により発電するシステムであり、発電時に発生するのは水のみである。燃料電池は、従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために次世代のクリーンエネルギーシステムとして注目されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜として水素イオン伝導性高分子電解質膜を用い、その両面に触媒層を配置し、次いでその両面に電極基材を配置し、更にこれをセパレータで挟んだ構造をしている。電解質膜層の両面に触媒層を配置し、次いでその両面に電極基材を配置したもの（即ち、電極基材／触媒層／電解質膜／触媒層／電極基材の層構成のもの）は、電極−電解質膜接合体と称されている。
【０００４】
従来、電極−電解質膜接合体の製造方法としては（１）片面に印刷法又はスプレー法を適用して触媒層を形成した２個の電極基材を用い、該電極基材の触媒層面が電解質膜の両面に接するように配置し、熱プレスする方法（特許文献１及び２）、及び（２）電解質膜の両面に印刷法またはスプレー法を適用して触媒層を形成し、各々の触媒層面に電極基材が接するように配置し、熱プレスする方法（特許文献３）が提案されている。
【０００５】
上記各種の方法で使用される触媒層形成用ペースト組成物は、いずれも触媒を担持した炭素粒子及び水素イオン伝導性電解質をアルコールに溶解ないし分散させたものである。安定したペースト特性を得るための手段として、高分子分散剤及び有機系化合物の溶媒を加え、粘度調整又は触媒粒子の分散性を良くして塗工性を向上させることが一般的に行われる（特許文献４及び５）。
【０００６】
しかしながら、これら分散剤及び溶媒は製造工程では必要ではあるが、最終製品である電極−触媒層膜接合体の構成材料としては不必要であり、触媒層中の不純物となる結果、電池性能の低下を引き起こすおそれがある。
【０００７】
特に、特許文献４及び５で使用される分散剤では、添加量を多くしなければならず、必然的に触媒層中の不純物が多くなる。また、斯かる分散剤は、電解質膜との親和性が不良であり、ペーストの分散性が低下するおそれがある。さらに、分散性の低下によって、触媒層の成膜性が悪化し、触媒層膜のムラ及び欠陥が生じるおそれがある。
【０００８】
したがって、触媒の分散性が良好で、かつ優れた電池性能を備えた燃料電池を製造できる触媒層形成用ペースト組成物の開発が望まれている。
【特許文献１】特公昭６２−６１１１８号公報
【特許文献２】特公昭６２−６１１１９号公報
【特許文献３】特公平２−４８６３２号公報
【特許文献４】特開２００３−４５４３７号公報
【特許文献５】特開２００３−４５４４０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、触媒の分散性が良好で、かつ優れた電池性能を備えた燃料電池を製造できる触媒層形成用ペースト組成物及びそれを用いた触媒層転写シートを提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、このような実情に鑑み、上記目的を達成すべく、鋭意研究を重ねてきた。その結果、特定の構成を有する触媒層形成用ペースト組成物を用いることにより、上記目的を達成することを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
項１．（１）触媒担持炭素粒子、（２）イオン伝導性高分子電解質、（３）溶剤及び（４）分散剤を含有する触媒層形成用ペースト組成物であって、（４）分散剤がパーフルオロアルキル基を有する化合物である触媒層形成用ペースト組成物。
【００１２】
項２．分散剤がノニオン系界面活性剤である、項１に記載のペースト組成物。
【００１３】
項３．（４）分散剤の含有量が、ペースト組成物中の（１）触媒担持炭素粒子及び（２）イオン伝導性高分子電解質の合計量に対して、０．０１〜１重量％である、項１又は２に記載のペースト組成物。
【００１４】
項４．項１〜３のいずれかに記載のペースト組成物を転写基材上に塗布し、乾燥されてなる、触媒層転写シート。
【００１５】
項５．項１〜３のいずれかに記載のペースト組成物を用いて形成される、触媒層−電解質膜積層体。
【００１６】
項６．項５に記載の触媒層−電解質膜積層体を具備する電極−電解質膜接合体。  
【００１７】
本発明の触媒層形成用ペースト組成物は、（１）触媒担持炭素粒子、（２）イオン伝導性高分子電解質、（３）溶剤及び（４）分散剤を含有する触媒層形成用ペースト組成物であって、（４）分散剤がパーフルオロアルキル基を有する化合物である、ことを特徴とする。
【００１８】
（１）の触媒担持炭素粒子は、公知である。
【００１９】
触媒としては、例えば白金、白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、白金と、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄、コバルト等からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属との合金等が挙げられる。
【００２０】
担持体である炭素粒子としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、活性炭、カーボンナノチューブ、フラーレン等を使用できる。
【００２１】
（２）の水素イオン伝導性高分子電解質は、公知である。
【００２２】
水素イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホン酸基の乖離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としてはデュポン社製の「Nafion」、旭硝子（株）製の「Flemion」、旭化成（株）製の「Aciplex」、ゴア（Gore）社製の「Gore Select」等が挙げられる。通常、（２）の水素イオン伝導性電解質は、電解質を５〜３０重量％程度含むアルコール水溶液として使用されることが公知である。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノールジエチルエーテル等が使用される。
【００２３】
（３）の溶剤としては、炭素数が４以下のアルコール系溶剤が使用できる。アルコール系溶剤としては、公知のアルコールを広く使用できる。このようなアルコールとしては、例えば、沸点８０〜２００℃程度の１価のアルコールないし多価アルコールが利用できる。より具体的には、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、ｔ−ブタノール等が挙げられる。アルコール系溶剤は、１種単独で又は２種以上混合して使用される。これらの１価のアルコール系溶剤の中でも、２−プロパノール、１−ブタノール及びｔ−ブタノールが好ましい。多価アルコールとしては具体的には、イオン伝導性電解質との相溶性及びペーストとした場合の乾燥効率の問題から、例えば、プロピレングリコール、エチレングリコール等が好ましく、中でもプロピレングリコールが特に好ましい。
【００２４】
（４）の分散剤はパーフルオロアルキル基を有する化合物である。この分散剤を用いることにより、触媒担持炭素粒子及びイオン伝導性高分子電解質をより一層分散させることができる。この分散性の向上のため、分散剤の使用量も少なくできる。また、触媒層を形成した後においては、この分散剤は不純物として触媒層の触媒性能を阻害しない。さらに、フッ素イオン交換樹脂等の電解質膜との親和性が良好であるため、電解質膜にムラなく成膜できる。これらにより、本発明のペースト組成物を用いれば、優れた電池性能を有する触媒層を形成することができる。
【００２５】
分散剤としては、例えば、パーフルオロブチルスルホン酸塩、パーフルオロアルキル基含有カルボン酸塩、パーフルオロアルキル基含有トリメチルアンモニウム塩、パーフルオロアルキル基含有リン酸エステル、パーフルオロアルキルエチレンオキシド付加物、パーフルオロアルキル基含有オリゴマー等が挙げられる。
【００２６】
これらはアニオン系、カチオン系及びノニオン系のいずれの界面活性剤も使用できる。ここでアニオン系及びカチオン系界面活性剤とは水溶液中でイオン解離してアニオン部分又はカチオン部分が界面活性を示す分散剤を示す。ノニオン系界面活性剤とは水溶液中でイオン解離する基を有しない分散剤を示す。
【００２７】
これらの中でも、特にノニオン系界面活性剤が好ましい。ノニオン系界面活性剤を使用することにより、導電性である炭素粒子との凝集を効果的に防止できる。また、濡れ性を高めることができるため、より少ない添加量で、分散性などの界面活性剤としての効果を十分に発揮できる。
【００２８】
本発明の触媒層を形成するためのペースト組成物中に含まれる上記（１）〜（４）成分の割合は、限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択され得る。
【００２９】
ペースト組成物の調製方法も広い範囲内で適宜選択され得る。調製は（１）〜（４）成分を同時に分散しても良いし、（１）〜（３）を分散後、（４）成分を添加してもよく、使用する触媒担持炭素粒子、イオン伝導性電解質や溶剤種により最適化することができる。
【００３０】
例えば、本発明の触媒層形成用ペースト組成物中に、（１）の触媒担持炭素粒子を１重量部に対して、（２）成分が０．３〜３重量部程度（好ましくは０．４〜２重量部）、（３）成分が５〜５０重量部程度（好ましくは１０〜２５重量部程度）、残りが水及び（４）分散剤である。水の割合は、通常、触媒担持炭素粒子に対して、等重量〜１０倍重量程度である。
【００３１】
分散剤の含有量は、触媒形成用ペースト中の（１）触媒担持炭素粒子及び（２）イオン伝導性高分子電解質の合計量に対して、通常０．０１〜１重量％、好ましくは０．０１〜０．５重量％である。この範囲の含有量とすることにより、触媒担持炭素粒子等の分散安定性を十分に達成できると同時に、触媒担持炭素粒子等の凝集を効果的に防止でき、かつ触媒層表面への析出を防止できる。
【００３２】
触媒層転写シート
本発明の触媒層転写シートは、上記触媒層形成用ペースト組成物を転写基材上に塗布し、乾燥することにより、製造される。
【００３３】
触媒層は、転写基材の一方面に形成されていてもよく、又は転写基材の両面に形成されていてもよい。
【００３４】
転写基材としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド（ナイロン）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを挙げることができる。
【００３５】
また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。
【００３６】
更に、転写基材は、高分子フィルム以外に、アート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙等の非塗工紙等の紙であってもよい。また、転写基材は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の炭素繊維からなるシートであってもよい。
【００３７】
転写基材の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から、通常６μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは１０μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは１５μｍ〜３０μｍ程度とするのがよい。
【００３８】
従って、転写基材としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。
【００３９】
ペースト組成物の塗布方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、ナイフコーター、バーコーター、ブレードコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷等の一般的な方法を適用できる。
【００４０】
本発明ペースト組成物を塗布した後、乾燥することにより、塗膜が形成される。乾燥温度は、通常４０〜１２０℃程度、好ましくは７５〜９５℃程度である。
【００４１】
塗膜面の到達温度が、１０５℃以上になると、乾燥工程での発火する可能性が著しく上がり危険であるため、到達温度が８５℃以上、１０５℃未満が好ましい。
【００４２】
乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常５分〜２時間程度、好ましくは３０分〜１時間程度である。
【００４３】
塗膜の膜厚は、通常１０μｍ〜５０μｍ程度、好ましくは１５μｍ〜３０μｍ程度がよい。
【００４４】
触媒層−電解質膜積層体
本発明の触媒層−電解質膜積層体は、上記ペースト組成物を用いて形成される。
【００４５】
触媒層−電解質膜積層体は上記ペースト組成物を電解質膜に直接塗布及び乾燥することにより形成されてもよく、また上記触媒層転写シートを電解質膜に転写することにより形成されてもよい。
【００４６】
本発明の触媒層−電解質膜積層体を、上記ペースト組成物を電解質膜に塗布及び乾燥することにより製造する場合、塗布方法は上記した塗布方法を用いることができる。この場合の触媒層の厚みは、通常１０μｍ〜５０μｍ程度、好ましくは１５μｍ〜３０μｍ程度がよい。
【００４７】
触媒層転写シートを電解質膜に転写することにより製造する場合、例えば、触媒層面が電解質膜面に対面するように上記触媒層転写シートを配置し、加圧した後、当該転写シートの基材を触媒層面から剥離することにより製造すればよい。この操作を２回繰り返すことにより、触媒層面が電解質膜の両面に積層された触媒層− 電解質膜積層体が製造できる。
【００４８】
作業性を考慮すると、触媒層面を電解質膜の両面に同時に積層するのがよい。この場合には、例えば、上記転写シートの触媒層面が電解質膜の両面に対面するように転写シートを配置し、加圧した後、該転写シートの基材を剥離すればよい。
【００４９】
加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常０．５Ｍｐａ〜２０Ｍｐａ程度、好ましくは１Ｍｐａ〜１０Ｍｐａ程度がよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために、加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜の破損、変性等を避けるために、通常２００℃ 以下、好ましくは１２０〜１５０℃程度がよい。
【００５０】
電解質膜は、公知のものである。電解質膜の具体例としては、デュポン社製の「Ｎａｆｉｏｎ」膜、旭硝子（株）製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ」膜、旭化成（株）製の「Ａｃｉｐｌｅｘ」膜等が挙げられる。電解質膜の膜厚は、通常２０μｍ〜２５０μｍ程度、好ましくは２０μｍ〜８０μｍ程度である。
【００５１】
電極−電解質膜接合体
本発明の電極−電解質膜接合体は、例えば、上記で製造された触媒層−電解質膜積層体の両面に電極基材を配置し、加圧することにより製造される。
【００５２】
電極基材は、公知であり、燃料極又は空気極を構成する各種の電極基材を使用できる。
【００５３】
加圧レベルは、通常０．１Ｍｐａ〜１００Ｍｐａ程度、好ましくは５Ｍｐａ〜１５Ｍｐａ程度がよい。この加圧操作の際に加熱するのが好ましく、加熱温度は通常１２０〜１５０℃程度でよい。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によれば、分散性に優れた触媒層形成用ペースト組成物を提供できる。
【００５５】
本発明によれば、分散剤の使用量を少なくできる。また、触媒層を形成した後においては、本発明で使用する分散剤は不純物として触媒層の触媒性能を阻害しない。さらに、この分散剤はフッ素イオン交換樹脂等の電解質膜との親和性が良好であるため、本発明の触媒層形成用ペースト組成物は、電解質膜にムラなく成膜できる。
【００５６】
本発明の触媒層形成用ペースト組成物を用いれば、発電効率が高く、優れた電池性能、電池寿命等を備えた高品質の燃料電池を製造できる触媒層転写シート、触媒層−電解質膜積層体及び電極−電解質膜接合体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
以下に実施例及び比較例を掲げて、本発明をより一層明らかにする。なお、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。
【００５８】
実施例１
（ペースト組成物の調製）
白金触媒担持カーボン（Ｐｔ：４６．５重量％、田中貴金属工業製、「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）１ｇを水３ｇに分散機にて攪拌混合して、白金担持カーボンの水分散液を調製した。
【００５９】
上記で調製された水分散液に５重量％ ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）溶液（水素イオン伝導性高分子電解質、デュポン社製、溶剤：水及び１−プロパノール）１０ｇ、溶剤として２−プロパノール（キシダ化学製）１０ｇ、分散剤としてノニオン系分散剤であるパーフルオロアルキル基含有オリゴマー（大日本インキ製、「Ｆ−４７０」）０．００７５ｇ（（１）触媒担持炭素粒子及び（２）イオン伝導性高分子電解質の合計量に対し０．５重量％）を配合し、分散機にて攪拌混合することで本発明のペースト組成物を調製した。
【００６０】
（触媒層転写シートの作製）
次に調製したペースト組成物を、ドクターブレードにより乾燥後の白金量が０．５ｍｇ/ｃｍ２になるようにＰＥＴフィルム上に塗布し、大気雰囲気中９５℃の条件で１５分間乾燥することにより、本発明の触媒層転写シートを作製した。
【００６１】
（触媒層−電解質膜積層体の作製）
得られた触媒層転写シート２枚を用いて、水素イオン伝導性高分子電解質膜（Ｎａｆｉｏｎ１１２、デュポン社製、膜厚５０μｍ）と接触するようにして１５０℃、５Ｍｐａの条件で狭持した後、ＰＥＴフィルムを剥離することにより、本発明の触媒層−電解質膜積層体（触媒層／電解質膜／触媒層）を作製した。
【００６２】
比較例１
（ペースト組成物の調製）
分散剤として、ノニオン系分散剤であるパーフルオロアルキル基含有オリゴマー（大日本インキ製、「Ｆ−４７０」）０．００７５ｇの代わりに、ノニオン系分散剤である１０重量％ポリオキシエチレンアルキルエーテル水溶液（ライオン社製、商品名：リボノックスNC−３００）０．４５ｇを用いた以外は、実施例１と同様にして、比較例１のペースト組成物を調製した。
【００６３】
（触媒層転写シートの作製）
次いで、ペースト組成物として比較例１のペースト組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして、比較例１の触媒層転写シートを作製した。
【００６４】
（触媒層−電解質膜積層体の作製）
水素イオン伝導性高分子電解質膜の片面に比較例１の触媒層転写シート、他面に実施例１の触媒層転写シートを用いて、実施例１と同様の条件で、比較例１の触媒層−電解質膜積層体（触媒層／電解質膜／触媒層）を作製した。
【００６５】
比較例２
（ペースト組成物の調製）
分散剤として、ノニオン系分散剤であるパーフルオロアルキル基含有オリゴマー（大日本インキ製、「Ｆ−４７０」）０．００７５ｇの代わりに、アニオン系分散剤である１０質量％ポリスチレンスルホン酸ナトリウム水溶液（アルドリッチ社製）０．４５ｇを用いた以外は、実施例１と同様にして、比較例２のペースト組成物を調製した。
【００６６】
（触媒層転写シートの作製）
次いで、ペースト組成物として比較例２のペースト組成物を用いた以外は、実施例１と同様にして、比較例２の触媒層転写シートを作製した。
【００６７】
（触媒層−電解質膜積層体の作製）
水素イオン伝導性高分子電解質膜の片面に比較例２の触媒層転写シート、他面に実施例１の触媒層転写シートを用いて、実施例１と同様の条件で、比較例２の触媒層−電解質膜積層体（触媒層／電解質膜／触媒層）を作製した。
【００６８】
試験例
実施例１及び比較例１〜２で作製した各触媒層−電解質膜積層体の両側に、電極基材（炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP-H-090、東レ（株）製）を配置し、セパレータで挟み込み、単セル電池をそれぞれ作製した。この単セル電池の電流−電圧特性を測定することにより、電池性能を評価した。この結果を図１に示す。図１から、本発明の触媒層形成用ペースト組成物を用いて作製した電池は、電流の値を高くした場合であっても、高い電圧を示すことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、実施例１及び比較例１〜２の触媒層−電解質膜積層体を具備する電池の電流と電圧との関係を示すグラフである。
【図１】
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