JP2018139203A

JP2018139203A - 燃料電池電極用触媒インクに使用する溶媒の選定方法

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Publication number: JP2018139203A
Application number: JP2017033952A
Authority: JP
Inventors: 裕之菅田; Hiroyuki Sugata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2037-02-24
Also published as: JP6677193B2

Abstract

【課題】水と一緒に混合溶液を形成することができ、触媒担持粒子及びアイオノマーを良好に分散することができ、さらに燃料電池電極を製造する際に短時間で除去することができる、燃料電池電極用触媒インクに使用するための溶媒の選定方法を提供する。【解決手段】触媒担持粒子、アイオノマー、水、及び溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクの製造において、水と一緒に混合溶液を形成し、混合溶液中で触媒担持粒子にアイオノマーを吸着させて触媒担持粒子及びアイオノマーを分散させるための溶媒の選定方法であって、溶媒として、（ｉ）標準状態での沸点が１００℃以下であり、ハンセン溶解度パラメーター（ＨＳＰ値）を使用した場合に、（ｉｉ）溶媒のＨＳＰ値とアイオノマーの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が１１．８以上であり、（ｉｉｉ）溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が２９．９以下である、溶媒を選定する、前記方法に関する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池電極用触媒インクに使用する溶媒の選定方法に関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池として固体高分子型燃料電池がエネルギー源として注目されている。固体高分子型燃料電池では、一般に、電解質膜である固体高分子電解質の両面に、それぞれ、触媒層からなる電極（空気極及び燃料極）を接合してなる膜電極接合体（「燃料極−固体高分子電解質膜−空気極」）（ＭＥＡともいう）が使用される。この膜電極接合体において、電極は、電解質膜の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。この触媒インクは、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン（Ｈ^＋）伝導性を有する電解質と、触媒担持粒子及び電解質を分散させる分散溶媒と、を含んでいる。

例えば、特許文献１には、（１）低級モノアルコール中に触媒担持カーボン及び電解質を分散させた触媒インクを基材上に塗布して、基材上に触媒インク層を形成するインク層形成工程と、（２）前記触媒インク層の表面に多価アルコールを塗布する多価アルコール塗布工程と、（３）前記多価アルコールが塗布された前記触媒インク層を乾燥する乾燥工程と、を備えることを特徴とする燃料電池電極の製造方法が記載されている。

特開２０１１−２３８４３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、低級モノアルコールの種類を選定していないため、使用する低級モノアルコールの種類によって触媒インク中の触媒担持粒子の分散性が異なる。このため、触媒インクの溶媒として触媒担持粒子の分散性が悪い低級モノアルコールを使用した場合、得られた触媒インクの貯蔵安定性は悪くなり、その結果、触媒インクの連続生産が困難になる。

また、特許文献１に記載の方法では、燃料電池電極の生産工程において２価や３価の多価アルコールを多量に使用する。触媒インク層の表面に多価アルコールを多量に塗布した場合、乾燥膜を得るための多価アルコールの乾燥に長時間かかり、その結果、燃料電池電極の生産性が低下する。

したがって、本発明は、水と一緒に混合溶液を形成することができ、触媒担持粒子及び電解質としてのアイオノマーを良好に分散することができ、さらに燃料電池電極を製造する際に短時間で除去することができる、燃料電池電極用触媒インクに使用するための溶媒の選定方法を提供することを課題とする。

燃料電池電極用触媒インクを製造する場合、触媒担持粒子と電解質としてのアイオノマーを分散させるための媒体として、水が使用される。しかしながら、触媒インクに含まれる水の比率が高いと、触媒インクの表面張力が高くなり、触媒インクに含まれる両親媒性のアイオノマーが界面活性剤として触媒インク中に泡立ちを発生させてしまう。そのため、触媒インクに有機溶媒を添加することにより水の比率、さらには触媒インクの表面張力を下げて、触媒インク中の泡立ちを抑える。

燃料電池電極用触媒インクに使用するための溶媒は、水と一緒に混合溶液を形成する必要がある。そのため、溶媒と水との親和性が重要である。

一方で、燃料電池電極用触媒インクにおける触媒担持粒子の分散性は、電解質としてのアイオノマーの、溶媒への溶解性及び触媒担持粒子への吸着性に依存する。例えば、溶媒としてアイオノマーの溶解性が高い溶媒を使用した場合、アイオノマーの触媒担持粒子への吸着性が低下したり、触媒担持粒子に吸着したアイオノマーが溶媒側に再溶解したりすることにより、その結果、触媒インク中の触媒担持粒子の分散性が低下する。

また、燃料電池電極の生産工程における乾燥膜を得るための乾燥時間は、使用する溶媒の沸点に依存する。例えば、図１に示すように、２価のアルコールは１価のアルコールと比較して沸点が高い。したがって、溶媒として２価のアルコールを多量に使用した場合、燃料電池電極の生産工程における乾燥時間は長くなる。

そこで、本発明者は、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、触媒担持粒子、電解質としてのアイオノマー、水、及び溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクの製造において、水及び溶媒の混合溶液中で触媒担持粒子にアイオノマーを吸着させて触媒担持粒子及びアイオノマーを分散させるための溶媒として、沸点が一定の値以下であり、ハンセン溶解度パラメーター（ＨＳＰ値）を使用した場合に、溶媒とアイオノマーの疎水部とのＨＳＰ値差が一定の値以上になり、溶媒と水とのＨＳＰ値差が一定の値以下になる溶媒を選定したところ、得られた触媒インクにおいて、触媒担持粒子の分散性が改善し、さらに、得られた触媒インクを使用した燃料電池電極の製造時の乾燥時間が短縮されることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）触媒担持粒子、アイオノマー、水、及び溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクの製造において、水と一緒に混合溶液を形成し、混合溶液中で触媒担持粒子にアイオノマーを吸着させて触媒担持粒子及びアイオノマーを分散させるための溶媒の選定方法であって、
溶媒として、
（ｉ）標準状態での沸点が１００℃以下であり、
ハンセン溶解度パラメーター（ＨＳＰ値）を使用した場合に、
（ｉｉ）溶媒のＨＳＰ値とアイオノマーの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が１１．８以上であり、
（ｉｉｉ）溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が２９．９以下である、
溶媒を選定する、前記方法。

本発明により、水と一緒に混合溶液を形成することができ、触媒担持粒子及びアイオノマーを良好に分散することができ、さらに燃料電池電極を製造する際に短時間で除去することができる、燃料電池電極用触媒インクに使用するための溶媒の選定方法が提供される。

１価のアルコールである１−プロパノールと２価のアルコールであるプロピレングリコールの沸点を示す。比較例１及び２並びに実施例１で選定した各溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差を示す。比較例１及び２並びに実施例１で選定した各溶媒のＨＳＰ値とナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差に対する調製した電極シートの貯蔵弾性率の関係を示す。比較例１及び２並びに実施例１で選定した各溶媒における調製した電極シートの貯蔵弾性率を示す。比較例１及び２並びに実施例１で選定した各溶媒のＨＳＰ値とナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差に対する調製した電極シートの０．２Ａ／ｃｍ^２の電流における電圧の関係を示す。

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本発明の燃料電池電極用触媒インクに使用するための溶媒の選定方法は、下記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者がおこない得る変更、改良などを施した種々の形態にて実施することができる。

本発明は、触媒担持粒子、電解質としてのアイオノマー、水、及び溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクの製造において、水と一緒に混合溶液を形成し、触媒担持粒子にアイオノマーを吸着させて触媒担持粒子及びアイオノマーを分散させるための溶媒を選定する方法であって、沸点が一定の値以下であり、ハンセン溶解度パラメーター（ＨＳＰ値）を使用した場合に、溶媒とアイオノマーの疎水部とのＨＳＰ値差が一定の値以上になり、溶媒と水とのＨＳＰ値差が一定の値以下になる溶媒を選定する、前記方法に関する。

本発明の選定方法では、溶媒として、標準状態（１気圧）で１００℃以下の沸点を有するものを選定する。

本発明の選定方法において、溶媒として、標準状態で１００℃以下の沸点、すなわち、水の沸点と同等かそれ以下の沸点を有するものを選定することにより、選定した溶媒は燃料電池電極を製造する際に短時間で除去することができ、乾燥時に使用する乾燥炉の負荷を低減することができる。

本発明の選定方法では、溶媒を、ハンセン溶解度パラメーター（ＨＳＰ値ともいう）を使用して選定する。

ここで、ハンセン溶解度パラメーターとは、物質の溶解性を示す物性値であり、分散力項δｄ、双極子項δｐ、水素結合項δｈを用いて、３次元空間の点（δｄ、δｐ、δｈ）で表される。

物質のハンセン溶解度パラメーターにおける分散力項δｄ、双極子項δｐ、水素結合項δｈは、その物質に固有のものであり、例えばｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｐｉｒｉｋａ．ｃｏｍ／ＮｅｗＨＰ−Ｊ／ＪＰ／１０ｒｅａｓｏｎ．ｈｔｍｌや、特開２０１５−１１３３６７号公報に記載の方法により求めることができる。

２種類の物質である物質Ａと物質Ｂの互いの溶解性の尺度は、以下の式
（Ｒａ）^２＝４（δｄ_Ｂ−δｄ_Ａ）^２＋（δｐ_Ｂ−δｐ_Ａ）^２＋（δｈ_Ｂ−δｈ_Ａ）^２
（式中、
Ｒａは、物質ＡのＨＳＰ値と物質ＢのＨＳＰ値とのＨＳＰ値差を示し、
δｄ_Ｂは、物質Ｂの分散力項を示し、δｄ_Ａは、物質Ａの分散力項を示し、
δｐ_Ｂは、物質Ｂの双極子項を示し、δｐ_Ａは、物質Ａの双極子項を示し、
δｈ_Ｂは、物質Ｂの水素結合項を示し、δｈ_Ａは、物質Ａの水素結合項を示す）
により求めることができる。

Ｒａの値が小さい、すなわち、物質ＡのＨＳＰ値と物質ＢのＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が小さいほど、物質Ａと物質Ｂは、なじみ性（例えば、溶解性、分散性、吸着性）が良いことを意味する。

本発明の選定方法では、溶媒として、溶媒のＨＳＰ値とアイオノマーの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が、１１．８以上であるものを選定する。

ここで、アイオノマーは、燃料電池電極用触媒インクの製造において使用するアイオノマーであり、例えば、以下に限定されないが、リン酸基、スルホン酸基やホスホン酸基といった酸性官能基を側鎖に有する炭化水素系の高分子樹脂などが挙げられ、具体的には、例えば、ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（デュポン社、登録商標））、ＦＬＥＭＩＯＮ（旭硝子（株）、登録商標）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成ケミカルズ（株）、登録商標）などが挙げられる。

アイオノマーは、一般的なナフィオンの場合、１．０３ｍｅｑ／ｇ〜１．１２ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量を有する。

アイオノマーとしては、ナフィオンが好ましい。

本発明の選定方法において、溶媒として、溶媒のＨＳＰ値とアイオノマーの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が上記値になるものを選定することによって、選定した溶媒が、水及び選定した溶媒の混合溶液及び燃料電池電極用触媒インクにおいて、アイオノマー分子間の疎水性相互作用を破壊することはない。そのため、アイオノマーは、混合溶液及び触媒インクにおいて、凝集体として存在することができ、当該アイオノマー凝集体は触媒担持粒子に多点吸着することができる。その結果、製造された触媒インク中の触媒担持粒子の分散性は確保される。また、触媒担持粒子に多点吸着したアイオノマー凝集体は、触媒担持粒子中の活性種近傍に多く存在することができるため、製造された燃料電池電極（ＭＥＡ）はＨ^＋伝導性に優れている。

本発明の選定方法では、溶媒として、溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が、２９．９以下、好ましくは２５．０以下であるものを選定する。

本発明の選定方法において、溶媒として、溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が上記値になるものを選定することによって、選定した溶媒は、水と任意の割合で混和して混合溶液を形成することができる。

本発明の選定方法では、例えばアイオノマーとしてナフィオンを使用した場合、エタノールなどを選定することができ、エタノールを選定することが好ましい。

本発明の選定方法において選定した溶媒を使用して、触媒担持粒子、選定に使用したアイオノマー、水、及び選定した溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクを、当該技術分野で公知の方法により、例えば以下のように製造することができる。

触媒担持粒子と選定に使用したアイオノマーとを、１０℃〜３０℃、例えば２５℃で、水及び選定した溶媒の混合溶液中に懸濁させて、懸濁液を得る。さらに、得られた懸濁液を、公知の分散方法、例えば超音波分散（株式会社エスエムテー製ＵＨ−６００）を、０℃〜１０℃、例えば５℃で、１５分間〜１２０分間、例えば６０分間実施して、燃料電池電極用触媒インクを調製する。

なお、上記では、触媒担持粒子と選定に使用したアイオノマーとを水及び選定した溶媒の混合溶液中に懸濁させているが、各材料の添加順序、添加方法などは制限されない。

本発明の選定方法において選定した溶媒を使用して燃料電池電極用触媒インクを製造する場合、水及び選定した溶媒の混合溶液中で、触媒担持粒子とアイオノマーを混合し、超音波ホモジナイザー処理をした後、旋回式薄膜分散機で処理し、脱泡機で脱泡を行うことが好ましい。

選定した溶媒の量は、限定されるものではないが、燃料電池電極用触媒インクの全重量に対して、通常１０重量％〜８０重量％、好ましくは３０重量％〜８０重量％である。

水の量は、限定されるものではないが、燃料電池電極用触媒インクの全重量に対して、通常１０重量％〜８０重量％、好ましくは３０重量％〜８０重量％である。

選定に使用したアイオノマーの量は、限定されるものではないが、燃料電池電極用触媒インクの全重量に対して、通常１重量％〜５重量％、好ましくは２重量％〜３重量％である。

触媒担持粒子は、通常、担体粒子に金属触媒が担持されているものを使用する。担体粒子としては、当該技術分野で公知の担体粒子を使用することができ、例えば、以下に限定されないが、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭などやこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどの炭素化合物などを使用することができる。

担体粒子としては、例えば、デンカブラック（デンカ株式会社製）、ケッチェンブラック（ライオンスペシャリティケミカルズ株式会社製）などを使用することが好ましい。

担体粒子に担持されている金属触媒は、ＭＥＡの電極での反応
空気極（カソード）：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
燃料極（アノード）：２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
において触媒作用を示すものであれば限定されるものではなく、当該技術分野で公知の金属触媒を使用することができる。金属触媒には、例えば、以下に限定されないが、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、アルミニウムなどの金属、又はそれらの合金、例えば白金コバルトなどがある。

金属触媒としては、白金コバルトが好ましい。

金属触媒の量は、限定されるものではないが、触媒担持粒子の全重量に対して、通常１０重量％〜５０重量％、好ましくは３０重量％〜４０重量％である。

触媒担持粒子の量は、限定されるものではないが、燃料電池電極用触媒インクの全重量に対して、通常５重量％〜２０重量％、好ましくは５重量％〜１５重量％である。

触媒担持粒子は、当該技術分野で公知の方法により製造することができる。

触媒担持粒子としては、例えば田中貴金属工業株式会社製の燃料電池用触媒や、株式会社キャタラー製の燃料電池用触媒を使用することができる。

本発明の選定方法において選定した溶媒を使用して、触媒担持粒子、選定に使用したアイオノマー、水、及び選定した溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクを製造することによって、選定に使用したアイオノマーは、水及び選定した溶媒の混合溶液において、触媒担持粒子に効率よく吸着され、当該アイオノマーを吸着した触媒担持粒子は、製造された触媒インク中で、良好な分散状態を維持することができる。

本発明の選定方法において選定した溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクを使用して、さらに、燃料電池電極用触媒層を、当該技術分野で公知の方法により、例えば以下のように製造することができる。

上記ように製造した燃料電池電極用触媒インクを、１０℃〜３０℃、例えば２５℃で、公知の散布・付着・塗布方法、例えば重力、噴霧力、又は静電力を利用する方法、例えばアプリケーターを使用して、剥離可能な基材、例えばテフロンシートなどの上に塗布して、触媒層前駆体を形成する。基材上の触媒層前駆体を、公知の乾燥方法、例えば送風乾燥機を使用して、６０℃〜１００℃、例えば８０℃で、１分〜１０分、例えば５分乾燥することによって、溶媒などの揮発性物質を除去して、触媒層を調製し、基材から触媒層を剥離することにより触媒層を得る。

ここで、上記では、燃料電池電極用触媒インクを基材上に散布・付着・塗布させ、その後、乾燥・剥離することにより触媒層を得ているが、触媒インクを固体高分子電解質膜、例えばナフィオンなどの表面上に直接散布・付着・塗布させ、その後乾燥させることにより、触媒層と固体高分子電解質膜とを接合した状態に調製することもできる。

燃料電池電極用触媒層は、以下に限定されないが、通常１μｍ〜５０μｍ、好ましくは５μｍ〜２０μｍ、より好ましくは５μｍ〜１５μｍの層厚を有する。

燃料電池電極用触媒層が上記層厚を有することにより、発電性能と耐久性を両立することができる。

本発明の選定方法において選定した溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクを使用して燃料電池電極用触媒層を製造することにより、選定した溶媒などの揮発性物質を除去するための乾燥時間を短縮することができる。

得られた燃料電池電極用触媒層は、固体高分子形燃料電池などの各種電気化学デバイスのＭＥＡに含まれる空気極及び／又は燃料極として使用することができる。また、空気極及び／又は燃料極は、凝集体として触媒担持粒子中の活性種近傍に多く存在しているアイオノマーによって、優れたＨ^＋伝導性を有する。

さらに、得られた燃料電池電極用触媒層を使用して、例えば、以下のようにＭＥＡを調製することができる。

得られた燃料電池電極用触媒層を空気極及び燃料極として使用し、固体高分子電解質膜を中心に、一方の面に空気極を配置し、もう片方の面に燃料極を配置して、層集合体を得る。ここで、空気極と燃料極は、使用する金属触媒などを変更することにより、各電極に適応するように調製される。前記の空気極−固体高分子電解質膜−燃料極のように配置された層集合体を、ホットプレスにより、１２０℃〜１６０℃、例えば１４０℃で、１ＭＰａ〜５ＭＰａ、例えば３ＭＰａの圧力で、１分間〜２０分間、例えば５分間圧着させて、ＭＥＡを得る。

得られたＭＥＡは、凝集体として触媒担持粒子中の活性種近傍に多く存在しているアイオノマーによって、優れたＨ^＋伝導性を有する。

本発明の選定方法において選定した溶媒を使用して最終的に製造された燃料電池は、固体高分子形燃料電池などの各種電気化学デバイスとして、改善された電池性能を有する。

以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。

１．サンプル調製
比較例１：溶媒としてジアセトンアルコール（ＤＡＡともいう）を使用する、電極シートの調製
溶媒として、
（ｉ）標準状態での沸点が１６６℃であり、
ハンセン溶解度パラメーターを使用した場合に、
（ｉｉ）溶媒のＨＳＰ値とアイオノマーとして使用するナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が５．５であり、
（ｉｉｉ）溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が３２．５である、
ジアセトンアルコールを選定した。

選定したジアセトンアルコールを使用して、以下の手順により触媒インク、さらに電極シートを調製した。
（１）３０重量％のＰｔＣｏを担持したカーボン担体粒子１．６ｇと、水７．６６ｇと、ナフィオン溶液（固形分濃度、２１．１重量％）３．４５ｇとを、２５℃で、懸濁させて、懸濁液を得た。得られた懸濁液に、ジアセトンアルコール１１．３８ｇと、プロピレングリコール０．８７ｇとを加えて混合液を得た。
（２）得られた混合液を、
（Ｉ）スターラーを使用して、２５℃で、２５０ｒｐｍの回転速度で１０分間撹拌し、
（ＩＩ）超音波ホモジナイザー（株式会社エスエムテー製ＵＨ−６００）を使用して、氷水中において、超音波照射７５秒／停止１０５秒を１サイクルとして、１６サイクル実施して分散し、
（ＩＩＩ）薄膜旋回型ミキサー（プライミクス株式会社製フィルミックス）を使用して、２５℃で、２０ｍ／秒の速度で３分間さらに分散し、
（ＩＶ）遠心脱泡機（株式会社シンキー製あわとり練太郎）を使用して、１０００ｒｐｍの回転速度で５分間脱泡して、
触媒インクを調製した。
（３）触媒インクを、アプリケーターを使用してテフロン基材上に塗布し、約１２０μｍの厚さの電極シート前駆体を得た。得られた電極シート前駆体を、送風乾燥機（パナソニックヘルスケアホールディングス株式会社製ＭＯＶ−１１２）を使用して、８５℃で５分間乾燥し、電極シートを得た。

比較例２：溶媒として２−プロパノール（２−ＰｒＯＨともいう）を使用する、電極シートの調製
溶媒として、
（ｉ）標準状態での沸点が８２．４℃であり、
ハンセン溶解度パラメーターを使用した場合に、
（ｉｉ）溶媒のＨＳＰ値とアイオノマーとして使用するナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が１０．３であり、
（ｉｉｉ）溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が２８．１である、
２−プロパノールを選定した。
溶媒として２−プロパノールを選定した以外は、比較例１と同様にして電極シートを調製した。

実施例１：溶媒としてエタノール（ＥｔＯＨともいう）を使用する、電極シートの調製
溶媒として、
（ｉ）標準状態での沸点が７８℃であり、
ハンセン溶解度パラメーターを使用した場合に、
（ｉｉ）溶媒のＨＳＰ値とアイオノマーとして使用するナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が１１．８であり、
（ｉｉｉ）溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が２４．０である、
エタノールを選定した。
溶媒としてエタノールを選定した以外は、比較例１と同様にして電極シートを調製した。

各溶媒並びにナフィオンの疎水部及び親水部の、分散力項δｄ、双極子項δｐ、水素結合項δｈ、ナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差、水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差（水との混和性）、及び沸点について表１にまとめる。

また、図２には、比較例１及び２並びに実施例１で選定した各溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差を示す。図２より、水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が２９．９以下である、比較例２及び実施例１で選定した２−プロパノール及びエタノールは、水と自由に混和できることがわかる。

２．サンプル評価
実施例２：貯蔵弾性率測定
比較例１及び２並びに実施例１で調製した電極シートについて、以下の手順で貯蔵弾性率を測定した。

貯蔵弾性率測定には、ティーエイインスツルメントジャパン株式会社製のレオメータを用いて測定した。

結果を図３及び図４に示す。
図３中の曲線は、比較例１及び２並びに実施例１で選定した各溶媒のＨＳＰ値とナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差と、調製した電極シートの貯蔵弾性率の関係から求めた回帰曲線である。
図３及び図４より、ナフィオンの疎水部とのＨＳＰ値差が大きいと貯蔵弾性率が低いことが分かる。
通常、ナフィオンはナフィオン溶液中で、ナフィオン分子が数１０〜数１００本凝集した構造（ナフィオン凝集体）をとっている。比較例１及び２のように、溶媒のＨＳＰ値とナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ差が小さい場合、溶媒がナフィオン凝集体の疎水部に侵入することによって、ナフィオン分子間の疎水性相互作用は弱くなる。その結果、ナフィオン凝集体は膨潤し、凝集状態がほどけた状態になり、ナフィオンは溶媒に溶解する。ナフィオンが溶媒に溶解すると、ナフィオンは相対的に触媒担持粒子に吸着しにくくなり、触媒インクにおける触媒担持粒子の分散性は低下する。
それに対し、実施例１のように、溶媒のＨＳＰ値とナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が大きい場合、水及び選定した溶媒の混合溶液及び触媒インク中において、ナフィオン分子間の疎水性相互作用が強くなり、ナフィオンは凝集体を形成したまま溶媒になじみにくくなる。その結果、ナフィオンは相対的に触媒担持粒子に吸着し、触媒インクにおける触媒担体粒子の分散性は向上する。

実施例３：電流−電圧測定
株式会社東陽テクニカ製のＭＥＡ発電評価装置を用いて、測定した。
セル温度を８２℃、バブラー温度を５５℃として、Ｉ−Ｖ評価を行った。図５には、各溶媒とナフィオンの疎水部とのＨＳＰ値差に対する０．２Ａ／ｃｍ^２での電圧値をプロットした図を示す。

結果を図５に示す。
図５中の直線は、比較例１及び２並びに実施例１で選定した各溶媒のＨＳＰ値とナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差と、調製した電極シートの０．２Ａ／ｃｍ^２の電流における電圧の関係から求めた回帰直線である。
図５より、比較例１及び２並びに実施例１で選定した各溶媒のＨＳＰ値とナフィオンの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が大きくなるにつれて、相対湿度３０％の条件下での、０．２Ａ／ｃｍ^２の電流値における電圧が大きくなり、すなわち、燃料電池電極の性能が高くなることがわかる。ナフィオンは凝集体として触媒担持粒子に多点吸着しており、触媒担持粒子中の活性種近傍に多く存在するため、ＭＥＡのＨ^＋伝導性に優れている。

以上の結果より、触媒担持粒子、ナフィオン、水、及び溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクの製造において、以下の表２に示すように、溶媒として、
（ｉ）標準状態での沸点が１００℃以下であり、
ハンセン溶解度パラメーター（ＨＳＰ値）を使用した場合に、
（ｉｉ）溶媒のＨＳＰ値とアイオノマーの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が１１．８以上であり、
（ｉｉｉ）溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が２９．９以下である、
溶媒を選定した場合に、得られた触媒インクを使用して調製した電極シートの貯蔵弾性率の結果から触媒インクにおける触媒担持粒子の分散性の改善が示され、選定した溶媒の沸点から乾燥時間が短縮されたことが示され、さらに、得られた触媒インクを使用して調製した燃料電池電極の電流−電圧測定の結果から燃料電池の電池性能の改善が示された。

Claims

触媒担持粒子、アイオノマー、水、及び溶媒を含む燃料電池電極用触媒インクの製造において、水と一緒に混合溶液を形成し、混合溶液中で触媒担持粒子にアイオノマーを吸着させて触媒担持粒子及びアイオノマーを分散させるための溶媒の選定方法であって、
溶媒として、
（ｉ）標準状態での沸点が１００℃以下であり、
ハンセン溶解度パラメーター（ＨＳＰ値）を使用した場合に、
（ｉｉ）溶媒のＨＳＰ値とアイオノマーの疎水部のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が１１．８以上であり、
（ｉｉｉ）溶媒のＨＳＰ値と水のＨＳＰ値とのＨＳＰ値差が２９．９以下である、
溶媒を選定する、前記方法。