JPWO2011040059A1

JPWO2011040059A1 - 燃料電池用電極触媒層の製造方法

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Publication number: JPWO2011040059A1
Application number: JP2010525948A
Authority: JP
Inventors: 晴菜畑澤; 弘幸盛岡; 早織岡田; 健一郎太田
Original assignee: Toppan Inc
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Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2013-02-21
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Abstract

【課題】高分子電解質と触媒物質と炭素粒子を備える固体高分子形燃料電池用電極触媒層であって、触媒物質に酸化物系非白金触媒を用いて高い発電特性を示す電極触媒層の製造方法、それを用いた膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池並びに複合粒子を提供する。【解決手段】少なくとも、触媒物質と、第１の炭素粒子と、第１の高分子電解質とを第１の溶媒に分散させた第１の触媒インクを作製し、前記第１の触媒インクを乾燥させ、前記第１の高分子電解質で包埋した複合粒子を形成し、前記複合粒子と、第２の炭素粒子と、第２の高分子電解質とを第２の溶媒に分散させた第２の触媒インクを作製し、基材上に、前記第２の触媒インクを塗布して電極触媒層を形成することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法により課題を解決できる。【選択図】なし

Description

本発明は、電極触媒層及びこの製造方法、膜電極接合体及びこの製造方法、固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子に関するものであり、さらに詳しくは、非白金触媒を用いて高い発電特性を示す電極触媒層及びこの製造方法、膜電極接合体及びこの製造方法、固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子に関するものである。

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、プロトン伝導性高分子膜を用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。

燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温程度で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ；以下、ＭＥＡと称すことがある）と呼ばれる高分子電解質膜の両面に一対の電極を配置させた接合体を、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレータ板で挟持した電池である。ここで、燃料ガスを供給する電極を燃料極、酸化剤を供給する電極を空気極と呼ぶ。これらの電極は、一般に、白金系の貴金属などの触媒物質を担持したカーボン粒子と高分子電解質を積層してなる電極触媒層と、ガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層からなる。

固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化である。

現在の固体高分子形燃料電池には、高価な白金が電極触媒として用いられており、本格普及のためには、代替材料の開発が強く求められている。特に、空気極では、燃料極よりも多くの白金を使用しているため、空気極において高い酸素還元触媒能を示す白金代替材料（非白金触媒）の開発が盛んに行われている。

空気極における非白金触媒の例として、例えば特許文献１には、遷移金属である鉄の窒化物と貴金属の混合物が記載されている。また、特許文献２には、遷移金属であるモリブデンの窒化物が記載されている。しかし、特許文献１及び特許文献２で記載されているような触媒物質は、酸性電解質中での酸素還元能が不充分であり、且つ、触媒物質が溶解する場合がある。

一方、非特許文献１には、部分酸化されたＴａの炭窒化物が記載されており、優れた安定性と触媒能を持つことを示している。しかし、この酸化物系非白金触媒は、触媒単体として高い酸素還元触媒能を示しているが、ＭＥＡとして高い出力性能を引き出すには電極触媒層の作製手法を最適化する必要がある。

また、特許文献３には、非白金触媒を用いたＭＥＡが記載されているが、その電極触媒層の作製手法は、例えば、特許文献４及び特許文献５などに記載されている白金触媒で用いられる従来の作製手法であるため、非白金触媒に適していないという問題点がある。

特開２００５−４４６５９号公報特開２００５−６３６７７号公報特開２００８−２７０１７６号公報特公平２−４８６３２号公報特開平５−３６４１８号公報

「ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌ．１５５，Ｎｏ．４」ｐ．Ｂ４００−Ｂ４０６２００８年

本発明は、上記のような従来の問題を解決しようとするものであり、触媒物質に酸化物系非白金触媒を用いて高い発電特性を示す電極触媒層及びこの製造方法、これを有する膜電極接合体及びこの製造方法、これを有する固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子を提供することを目的とする。

本発明者は鋭意検討を重ねた結果、上記課題を解決することができ、本発明を完成するに至った。

本発明の請求項１に係る発明は、少なくとも、触媒物質と、第１の炭素粒子と、第１の高分子電解質とを第１の溶媒に分散させた第１の触媒インクを作製し、前記第１の触媒インクを乾燥させ、前記第１の高分子電解質で包埋した複合粒子を形成し、前記複合粒子と、第２の炭素粒子と、第２の高分子電解質とを第２の溶媒に分散させた第２の触媒インクを作製し、基材上に、前記第２の触媒インクを塗布して電極触媒層を形成することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項２に係る発明は、前記第１の触媒インクを３０℃以上１４０℃以下の温度で乾燥させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項３に係る発明は、前記第２の触媒インクの作製前処理として、前記複合粒子と前記第２の炭素粒子とを無溶媒で混合させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、前記前処理を施した、前記複合粒子と前記第２の炭素粒子とを熱処理することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項５に係る発明は、前記熱処理の温度範囲が、５０℃以上１８０℃以下であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項６に係る発明は、前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、またはＺｒのうち少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項７に係る発明は、前記触媒物質が、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項８に係る発明は、前記遷移金属元素が、Ｔａであることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項９に係る発明は、前記触媒物質と前記第１の炭素粒子は、前記触媒物質が前記第１の炭素粒子に担持された触媒担持炭素粒子を構成し、前記第２の炭素粒子の比表面積は、前記触媒担持炭素粒子よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項１０に係る発明は、前記第１の炭素粒子と前記第１の高分子電解質との重量比が、１：０．０５以上、１：１０以下であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項１１に係る発明は、高分子電解質膜を、少なくとも一方が請求項１０に記載された製造方法により製造された電極触媒層である一対の電極触媒層で挟持し、前記電極触媒層に挟まれた前記高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体としたものである。

本発明の請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の膜電極接合体を一対のガス拡散層で狭持し、さらに、前記ガス拡散層で狭持された膜電極接合体を、一対のセパレータで狭持したことを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。

本発明の請求項１３に係る発明は、前記第１の炭素粒子は、前記触媒物質よりも比表面積が大きいことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項１４に係る発明は、前記触媒物質と前記第１の炭素粒子との重量比が、１：０．０１以上、１：０．５以下であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項１５に係る発明は、前記第１の炭素粒子と前記第１の高分子電解質との重量比が、１：０．５以上、１：５０以下であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項１６に係る発明は、高分子電解質膜を、少なくとも一方が請求項１５に記載された製造方法により製造された電極触媒層である一対の電極触媒層で挟持し、前記電極触媒層に挟まれた前記高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体としたものである。

本発明の請求項１７に係る発明は、請求項１６に記載の膜電極接合体を一対のガス拡散層で狭持し、さらに、前記ガス拡散層で狭持された膜電極接合体を、一対のセパレータで狭持したことを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。

本発明の請求項１８に係る発明は、少なくとも、触媒物質と前記触媒物質が担持された炭素粒子とを有する触媒担持炭素粒子と、前記触媒担持炭素粒子を包埋する高分子電解質とからなる複合粒子としたものである。

本発明の請求項１９に係る発明は、少なくとも、触媒物質と、前記触媒物質よりも比表面積の大きい炭素粒子と、前記触媒物質と前記炭素粒子とを包埋する高分子電解質とからなる複合粒子としたものである。

本発明によれば、触媒表面のプロトン伝導性を高め、触媒物質と炭素粒子との接触性を高めることで反応活性点を増加させ、出力性能を向上させた電極触媒層及びこの製造方法、膜電極接合体及びこの製造方法、固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の断面模式図である。図２は、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池の分解模式図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体について説明する。なお、本発明の実施の形態は、以下に記載する実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の実施の形態の範囲に含まれうるものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２は、高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の一方の面に空気極側の電極触媒層２と、高分子電解質膜１のもう一方の面に燃料極側の電極触媒層３を備えている。

図２は、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の分解模式図である。本発明の固体高分子形燃料電池にあっては、膜電極接合体１２の電極触媒層２および電極触媒層３と対向して空気極側のガス拡散層４および燃料極側のガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極（カソード）６及び燃料極（アノード）７が構成される。そしてガス流通用のガス流路８を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる一組のセパレータ１０が配置される。燃料極７側のセパレータ１０のガス流路８からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極６側のセパレータ１０のガス流路８からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じさせることができる。

図２に示した固体高分子形燃料電池は一組のセパレータに固体高分子電解質膜１、電極触媒層２、３、ガス拡散層４、５が狭持された、いわゆる単セル構造の固体高分子形燃料電池であるが、本発明にあっては、セパレータ１０を介して複数のセルを積層して燃料電池としてもよい。

本発明の電極触媒層の製造方法にあっては、触媒物質と、炭素粒子の一部をともに高分子電解質で包埋した複合粒子を形成し、触媒表面のプロトン伝導性を高め、触媒物質と炭素粒子の接触性を高めることで反応活性点を増加させ出力性能を向上させることができる。高分子電解質の包埋を行わない従来の電極触媒層の製造方法では、電極触媒層の形成時に、比表面積の大きい炭素粒子が高分子電解質で優先的に包埋されるため、触媒表面のプロトン伝導性が低く、反応活性点を増加させることはできない。また、触媒物質のみを高分子電解質で包埋する電極触媒層の製造方法では、触媒物質と炭素粒子の接触性が低減するため、反応活性点を十分に増加させることは困難である。また、従来の製造方法でも、高分子電解質を高濃度にすることで触媒表面のプロトン伝導性を高めることもできるが、炭素粒子に対しては過剰な量の添加となり、出力性能を向上させることは困難である。

特に、本発明の複合粒子については、複合粒子に含まれる触媒物質と第１の炭素粒子が、第１の炭素粒子に触媒物質を担持させた触媒担持炭素粒子を構成し、複合粒子と混合される第２の炭素粒子よりも小さい比表面積の触媒担持炭素粒子を第１の高分子電解質で包埋することが好ましい。これにより、触媒表面のプロトン伝導性を高めることで、反応活性点を増加させることができる。

上記の複合粒子を用いる場合、触媒担持炭素粒子と、第１の高分子電解質を溶媒に分散させた第１の触媒インクを作製する工程にあっては、乾燥によって形成させる触媒担持炭素粒子中の第１の炭素粒子である担体炭素粒子と第１の高分子電解質との重量比を、インク組成の設定で制御することができる。担体炭素粒子と第１の高分子電解質との重量比は、１：０．０５以上１：１０以下の範囲内であることが好ましい。担体炭素粒子に対して、第１の高分子電解質の重量比が０．０５に満たない場合にあっては、触媒表面のプロトン伝導性が変化せず、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。また、担体炭素粒子に対して、第１の高分子電解質の重量比が１０を超える場合にあっては、反応活性点へのガス拡散性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。

また、本発明の複合粒子については、複合粒子に含まれる第１の炭素粒子よりも小さい比表面積の触媒物質と、第１の炭素粒子を、ともに第１の高分子電解質膜で包埋した複合粒子であることが好ましい。これにより、触媒表面のプロトン伝導性を高めるだけでなく、触媒物質と炭素粒子の接触性を高めることで反応活性点を増加させ出力性能を向上させることができる。

上記の複合粒子を用いる場合、触媒物質と、第１の高分子電解質を溶媒に分散させた第１の触媒インクを作製する工程にあっては、乾燥によって形成させる第１の高分子電解質で包埋した複合粒子において触媒物質と第１の炭素粒子と第１の高分子電解質との重量比を、インク組成の設定で制御することができる。第１の高分子電解質で包埋した複合粒子における触媒物質と第１の炭素粒子との重量比が、１：０．０１以上１：０．５以下の範囲内であることが好ましい。触媒物質に対して、第１の炭素粒子の重量比が０．０１に満たない場合にあっては、触媒物質と炭素粒子との接触性が低く、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。また、触媒物質に対して、第１の炭素粒子の重量比が０．５を超える場合にあっては、触媒表面のプロトン伝導性が変化せず、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。

また、高分子電解質で包埋した複合粒子における第１の炭素粒子と第１の高分子電解質との重量比が、１：０．５以上１：５０以下の範囲内であることが好ましい。第１の炭素粒子に対して、第１の高分子電解質の重量比が０．５に満たない場合にあっては、第１の炭素粒子を包埋し、かつ触媒表面のプロトン伝導性が向上させることが困難であり、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。また、第１の炭素粒子に対して、第１の高分子電解質の重量比が５０を超える場合にあっては、反応活性点へのガス拡散性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。

本発明の電極触媒層の製造方法において、触媒物質と第１の炭素粒子、第１の高分子電解質を溶媒に分散させた第１の触媒インクを乾燥する工程にあっては、温度が３０℃以上１４０℃以下であることが好ましい。乾燥させる温度が３０℃に満たない場合にあっては、第２の触媒インクを作製する工程で、複合粒子における第１の高分子電解質の多くが溶媒に溶解し、出力性能が向上しない場合がある。また、乾燥させる温度が１４０℃を超える場合にあっても、複合粒子における第１の高分子電解質のプロトン伝導性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。

本発明の電極触媒層の製造方法において、第１の高分子電解質で包埋した複合粒子と第２の炭素粒子と第２の高分子電解質とを溶媒に分散させた第２の触媒インクを作製する工程にあっては、溶媒に分散させる前に、複合粒子と、第２の炭素粒子とを無溶媒で混合させる工程を備えることが好ましい。この工程を実施しない場合にあっては、複合粒子と第２の炭素粒子との接触性が低く、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。

また、無溶媒で混合させる工程の後に熱処理の工程を備えることが好ましい。この工程を実施しない場合にあっては、第２の触媒インクを作製する工程で、反応活性点が減少する場合がある。この熱処理の工程にあっては、温度が５０℃以上１８０℃以下であることが好ましい。乾燥させる温度が５０℃に満たない場合にあっては、第２の触媒インクを作製する工程で、複合粒子における第１の高分子電解質の多くが溶媒に溶解し、また、形成した反応活性点の減少によって出力性能が向上しない場合がある。また、乾燥させる温度が１８０℃を超える場合にあっても、複合粒子における第１の高分子電解質のプロトン伝導性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。

複合粒子および第２の炭素粒子と第２の高分子電解質を溶媒に分散させた第２の触媒インクを作製する工程において、第２の高分子電解質を添加せず、複合粒子に溶媒を添加して第１の高分子電解質を一部溶出させても構わない。

本発明の実施の形態に係る触媒物質は、一般的に用いられているものを使用してもよい。本発明において好ましくは、空気極における白金代替材料として固体高分子形燃料電池の正極として用いられる、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、またはＺｒから選択される、少なくとも一つの遷移金属元素を含む物質を使用してもよい。

また、より好ましくは、これら遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質を使用してもよい。

具体的には、Ｔａの炭窒化物（ＴａＣＮ）を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質（ＴａＣＮＯ）であり、その比表面積は、凡そ１ｍ^２／ｇ以上２０ｍ^２／ｇ以下である。

本発明の実施の形態に係る炭素粒子は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わない。例えば、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを使用してもよい。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましい。より好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が良い。

また、本発明の炭素粒子には、複合粒子に含有される第１の炭素粒子と、複合粒子と混合される第２の炭素粒子があるが、上述した触媒担持炭素粒子や触媒物質との比表面積の関係を満たせば、両者はともに同一の炭素粒子でもよく、また、異なる炭素粒子でもよい。

さらに詳細に本発明の実施の形態に係る膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池について説明する。

本発明の実施の形態に係る高分子電解質膜としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、フッ素系高分子電解質、例えば、Ｄｕｐｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、旭硝子（株）製Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成（株）製Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、Ｇｏｒｅ社製ＧｏｒｅＳｅｌｅｃｔ（登録商標）などを用いてもよい。また、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホンなどの炭化水素系高分子電解質膜を用いてもよい。上記電解質膜の中でも、高分子電解質膜としてＤｕｐｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いてもよい。

本発明の実施の形態に係る触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜と同様のフッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いてもよい。中でも、高分子電解質膜としてＤｕｐｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いてもよい。なお、電極触媒層と高分子電解質膜の密着性を考慮すると、高分子電解質膜と同一の材料を用いることが好ましい。

また、本発明の高分子電解質には、複合粒子に含有される第１の高分子電解質と、複合粒子と混合される第２の高分子電解質があるが、両者はともに同一の高分子電解質でもよく、また、異なる高分子電解質でもよい。

触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるものあれば特に制限はない。しかし、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましく、特に限定されるものではないが、メタノール、エタノール、１−プロパノ―ル、２−プロパノ―ル、１−ブタノ−ル、２−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ペンタノ−ルなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルなどのエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、１−メトキシ−２−プロパノールなどの極性溶剤などを使用してもよい。また、これらの溶剤のうち二種以上を混合させたものを使用してもよい。

また、溶媒として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高く、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。高分子電解質となじみがよい水が含まれていてもよい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限はない。

触媒物質や炭素粒子、または触媒担持炭素粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。中でもアルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α−オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型のアニオン界面活性剤は、カーボンの分散効果、分散剤の残存による触媒性能の変化などを考慮すると、好適である。

触媒インクは必要に応じて分散処理がおこなわれる。触媒インクの粘度、粒子のサイズは、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を用いて行うことができる。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、超音波分散処理などが挙げられる。

触媒インク中の固形分含有量は、多すぎると触媒インクの粘度が高くなるため電極触媒層表面にクラックが入りやすくなり、また、逆に少なすぎると成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまうため、１〜５０質量％であることが好ましい。固形分は触媒物質および炭素粒子と高分子電解質からなるが、炭素粒子を多くすると同じ固形分含有量でも粘度は高くなり、少なくすると粘度は低くなる。そのため、固形分に占める炭素粒子の割合は１０質量％以上８０質量％以下が好ましい。また、このときの触媒インクの粘度は、０．１ｃＰ以上５００ｃＰ以下程度が好ましく、さらに好ましくは５ｃＰ以上１００ｃＰ以下が良い。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をしてもよい。

また、触媒インクに造孔剤が含まれても良い。造孔剤によれば、電極触媒層の形成後に除去することで、細孔を形成することができる。酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウなどの昇華する物質、熱分解する物質などを用いても良い。温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いても良い。

本発明の電極触媒層の製造方法において、第１の高分子電解質で包埋した複合粒子は、触媒物質と第１の炭素粒子、第１の高分子電解質を溶媒に分散させた第１の触媒インクを転写シートに塗布し、乾燥させることで得てもよい。または、乾燥雰囲気中にスプレーすることでも複合粒子を直接得てもよい。

本発明の電極触媒層の製造方法において、第１の高分子電解質で包埋した複合粒子および第２の炭素粒子と第２の高分子電解質を溶媒に分散させた第２の触媒インクから電極触媒層を作製する工程にあっては、触媒インクは基材上に塗布され、乾燥工程を経て電極触媒層が形成される。基材として、ガス拡散層もしくは転写シートを用いた場合には、接合工程によって高分子電解質膜の両面に電極触媒層は接合される。また、本発明の膜電極接合体にあっては、基材として高分子電解質膜を用い、高分子電解質膜の両面に直接触媒インクを塗布し、高分子電解質膜両面に直接電極触媒層を形成してもよい。

このとき、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを用いてもよい。

本発明の電極触媒層の製造方法における基材としては、ガス拡散層、転写シートもしくは高分子電解質膜を用いてもよい。ガス拡散層としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質のものを用いてもよい。また転写シートとしては、転写性がよい材質であればよく、例えばフッ素樹脂製のフィルムを用いてもよい。

基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜に電極触媒層を接合後に転写シートを剥離し、高分子電解質膜の両面に触媒層を備える膜電極接合体としてもよい。基材としてガス拡散層を接合工程後にガス拡散層である基材を剥離する必要は無い。

ガス拡散層およびセパレータとしては、通常の燃料電池に用いられているものを用いてもよい。具体的にはガス拡散層としてはカーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材を用いてもよい。セパレータとしては、カーボンタイプあるいは金属タイプのものなどを用いてもよい。燃料電池としては、ガス供給装置、冷却装置などその他付随する装置を組み立てることにより製造される。

本発明に係る燃料電池用電極触媒層の製造方法について、以下に具体的な実施例および比較例を挙げて説明するが、本発明は下記実施例によって制限されるものではない。

（実施例１）
〔第１の触媒インクの調製〕
２０質量％の触媒担持炭素粒子（ＴａＣＮＯ、ＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋ担体、比表面積約１００ｍ^２／ｇ）と、２０質量％高分子電解質溶液（ナフィオン：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｄｕｐｏｎｔ社製）とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミル（商品名：Ｐ−７、フリッチュ・ジャパン社製）で分散処理を行った。触媒インクの組成比は、触媒担持炭素粒子と高分子電解質との質量比で１：０．２とした。溶媒は超純水と、１−プロパノ−ルとを体積比で１：１とした。ＰＴＦＥシートを第１の触媒インクの乾燥用の基材として使用した。

〔高分子電解質で包埋した触媒担持炭素粒子の形成方法〕
ドクターブレードにより、第１の触媒インクを基材上に塗布し、そして大気雰囲気中８０℃で５分間乾燥させた。その後、高分子電解質で包埋した触媒担持炭素粒子を基材上から回収した。

〔高分子電解質で包埋した触媒担持炭素粒子と、炭素粒子との混合および熱処理〕
高分子電解質で包埋した触媒担持炭素粒子と炭素粒子（ＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋ、商品名：ＥＣ−３００Ｊ、ライオン社製、比表面積約８００ｍ^２／ｇ）を遊星型ボールミルにて無溶媒で混合した。その後、高分子電解質で包埋した触媒担持炭素粒子および炭素粒子の混合物を、１００℃にて熱処理を行った。混合物の組成比は、触媒担持炭素粒子と炭素粒子との質量比で１：１とした。

〔第２の触媒インクの調製〕
高分子電解質で包埋した触媒担持炭素粒子と炭素粒子の混合物に熱処理を加えたものと、２０質量％高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。触媒インクの組成比は、触媒担持炭素粒子と、炭素粒子と、高分子電解質との質量比が１：１：０．８としたものを第２の触媒インクとした。溶媒は超純水と、１−プロパノ−ルとを体積比で１：１とした。ＰＴＦＥシートを転写シートとして使用した。

〔電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレードにより、第２の触媒インクを転写シートに塗布し、そして大気雰囲気中８０℃で５分間乾燥させた。電極触媒層の厚さは、触媒物質担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２になるように調節し、空気極側の電極触媒層２を形成した。

（実施例２）
〔第１の触媒インクの調製〕
触媒物質（ＴａＣＮＯ、比表面積約９ｍ^２／ｇ）と炭素粒子（ＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋ、商品名：ＥＣ−３００Ｊ、ライオン社製、比表面積約８００ｍ^２／ｇ）、２０質量％高分子電解質溶液（ナフィオン：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｄｕｐｏｎｔ社製）を溶媒中で混合し、遊星型ボールミル（商品名：Ｐ−７、フリッチュ・ジャパン社製）で分散処理を行った。触媒インクの組成比は、触媒物質と炭素粒子の質量比で１：０．１とし、炭素粒子と高分子電解質の質量比で１：２．５とした。溶媒は超純水、１−プロパノ−ルを体積比で１：１とした。ＰＴＦＥシートを第１の触媒インクの乾燥用の基材として使用した。

〔高分子電解質で包埋した触媒物質の形成方法〕
ドクターブレードにより、第１の触媒インクを基材上に塗布し、そして大気雰囲気中８０℃で５分間乾燥させた。その後、高分子電解質で包埋した複合粒子を基材上から回収した。

〔複合粒子と、炭素粒子との混合および熱処理〕
複合粒子と炭素粒子（ＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋ、商品名：ＥＣ−３００Ｊ、ライオン
社製、比表面積約８００ｍ^２／ｇ）を遊星型ボールミルにて無溶媒で混合した。その後、複合粒子および炭素粒子の混合物を、１００℃にて熱処理を行った。混合物の組成比は、触媒物質と複合粒子中に含まれない炭素粒子の質量比で１：０．９とした。

〔第２の触媒インクの調製〕
複合粒子と炭素粒子の混合物に熱処理を加えたものと、２０質量％高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。触媒インクの組成比は、触媒物質と、炭素粒子と、高分子電解質との質量比が１：１：０．８としたものを第２の触媒インクとした。溶媒は超純水と、１−プロパノ−ルとを体積比で１：１とした。ＰＴＦＥシートを転写シートとして使用した。

（比較例１）
〔触媒インクの調製〕
２０質量％の触媒担持炭素粒子と、炭素粒子と、２０質量％高分子電解質溶液とを溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。触媒インクの組成比は、触媒担持炭素粒子と炭素粒子と高分子電解質との質量比が１：１：０．８としたものを触媒インクとした。溶媒は超純水と、１−プロパノ−ルとを体積比で１：１とした。また、基材には、実施例と同じ転写シートを使用した。

〔電極触媒層の形成方法〕
実施例と同様の手法で、転写シートに触媒インクを塗布し、乾燥させた。電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２になるように調節し、空気極側の電極触媒層２を形成した。

（比較例２）
〔触媒インクの調製〕
触媒物質と炭素粒子、および２０質量％高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行った。触媒インクの組成比は、触媒物質と炭素粒子および高分子電解質の質量比が１：１：０．８としたものを触媒インクとした。溶媒は超純水、１−プロパノ−ルを体積比で１：１とした。また、基材には、実施例と同じ転写シートを使用した。

〔電極触媒層の作製方法〕
実施例と同様の手法で、転写シートに触媒インクを塗布し、乾燥させた。電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２になるように調節し、空気極側の電極触媒層２を形成した。

〔燃料極用電極触媒層の作製〕
実施例および比較例について、白金担持量が５０質量％である白金担持カーボン触媒（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属工業製）と、２０質量％高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理を行ったものを触媒インクとした。触媒インクの組成比は、白金担持カーボン中のカーボンと、高分子電解質の質量比で１：１とし、溶媒は超純水、１−プロパノ−ルを体積比で１：１とした。電極触媒層２と同様の手法で、基材に触媒インクを塗布し、乾燥させた。実施例および比較例ともに、電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２になるように調節し、燃料極側の電極触媒層３を形成した。

（膜電極接合体の作製）
実施例および比較例において作製した空気極側電極触媒層２が形成された基材と、燃料極側電極触媒層３を形成された基材を、各々５ｃｍ^２の正方形に打ち抜き、高分子電解質膜（ナフィオン（登録商標）２１２、Ｄｕｐｏｎｔ社製）の両面に対面するように転写シートを配置し、１３０℃でホットプレスを行い、膜電極接合体１２を得た。得られた膜電極接合体１２の両面に、ガス拡散層として目処め層が形成されたカーボンクロス４、５を配置し、更に、一対のセパレータ１０で挟持し、単セルの固体高分子形燃料電池を作製した。

〔発電特性〕
（評価条件）
東陽テクニカ社製ＧＦＴ−ＳＧ１の燃料電池測定装置を用いて、セル温度８０℃で、アノードおよびカソードともに１００％ＲＨの条件で発電特性評価を行った。燃料ガスとして純水素、酸化剤ガスとして純酸素を用い、流量一定による流量制御を行った。

（測定結果）
表１に実施例１と比較例１で作製した膜電極接合体の発電特性の相対値を示した。実施例１で作製した膜電極接合体によれば、比較例１で作製した膜電極接合体よりも優れた発電性能を示した。特に０．６Ｖ付近では約２．３倍の発電性能を示した。これは、実施例１では、触媒担持炭素粒子に対して高分子電解質を包埋することで触媒表面のプロトン伝導性が高められ、反応活性点が増加したためと推察される。これに対して、比較例１では、触媒担持炭素粒子と炭素粒子および高分子電解質を一段階で一度に溶媒中に分散させるため、触媒担持炭素粒子よりも比表面積の大きい炭素粒子に対して高分子電解質が優先的に吸着したことにより、触媒表面では十分なプロトン伝導性が確保されなかったためと推察される。

表２に実施例２と比較例２で作製した膜電極接合体の発電特性の相対値を示した。実施例２で作製した膜電極接合体は、比較例２で作製した膜電極接合体よりも優れた発電性能を示した。特に０．６Ｖ付近では約２．０倍の発電性能を示した。これは、実施例２では、触媒物質および炭素粒子の一部に対して高分子電解質を包埋することで触媒表面のプロトン伝導性が高められ、反応活性点が増加したためと推察される。これに対して、比較例２では、触媒物質と炭素粒子および高分子電解質を一段階で溶媒中に分散させるため、触媒物質よりも比表面積の大きい炭素粒子に対して高分子電解質が優先的に吸着したことで、触媒表面では十分なプロトン伝導性が確保されず、また触媒物質と炭素粒子の十分な接触性得られなかったためと推察される。

以上より、本発明によれば、高い発電特性を示す膜電極接合体を有する固体高分子形燃料電池が提供されることが確認された。

本発明は、高分子電解質と触媒物質と炭素粒子とを備える電極触媒層の製造方法であって、触媒物質と、炭素粒子の一部に対して高分子電解質を包埋する工程を備えることを特徴とするものである。これにより、触媒表面のプロトン伝導性を高めるだけでなく、触媒物質と炭素粒子の接触性を高めることで反応活性点を増加させることができるので、本発明によれば、出力性能の向上した固体高分子形燃料電池を提供することができる。触媒物質に酸化物系非白金触媒を使用した電極触媒層において、従来の製造方法よりも触媒物質の潜在能力を引き出すことができるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。したがって、本発明は高分子形燃料電池、特に家庭用燃料電池システムや燃料電池自動車などにおける、燃料電池単セルやスタックに好適に活用することができる。

１固体高分子電解質膜
２電極触媒層
３電極触媒層
１２膜電極接合体
４ガス拡散層
５ガス拡散層
６空気極（カソード）
７燃料極（アノード）
８ガス流路
９冷却水流路
１０セパレータ

本発明の請求項１に係る発明は、少なくとも、触媒物質と第１の炭素粒子、または、触媒物質が第１の炭素粒子に担持された触媒担持炭素粒子と、第１の高分子電解質とを第１の溶媒に分散させた第１の触媒インクを作製し、前記第１の触媒インクを乾燥させ、前記第１の高分子電解質で包埋した複合粒子を形成し、前記複合粒子と、第２の炭素粒子と、第２の高分子電解質とを第２の溶媒に分散させた第２の触媒インクを作製し、基材上に、前記第２の触媒インクを塗布して電極触媒層を形成することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、前記前処理を施した、前記複合粒子と前記第２の炭素粒子とを、５０℃以上１８０℃以下の温度範囲で熱処理することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項５に係る発明は、前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、またはＺｒのうち少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項６に係る発明は、前記触媒物質が、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項７に係る発明は、前記遷移金属元素が、Ｔａであることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法の製造方法としたものである。

本発明の請求項８に係る発明は、前記第２の炭素粒子の比表面積は、前記触媒担持炭素粒子よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項９に係る発明は、前記第１の炭素粒子と前記第１の高分子電解質との重量比が、１：０．０５以上、１：１０以下であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項１０に係る発明は、前記第１の炭素粒子は、前記触媒物質よりも比表面積が大きいことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項１１に係る発明は、前記触媒物質と前記第１の炭素粒子との重量比が、１：０．０１以上、１：０．５以下であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

本発明の請求項１２に係る発明は、前記第１の炭素粒子と前記第１の高分子電解質との重量比が、１：０．５以上、１：５０以下であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。

Claims

少なくとも、触媒物質と、第１の炭素粒子と、第１の高分子電解質とを第１の溶媒に分散させた第１の触媒インクを作製し、
前記第１の触媒インクを乾燥させ、前記第１の高分子電解質で包埋した複合粒子を形成し、
前記複合粒子と、第２の炭素粒子と、第２の高分子電解質とを第２の溶媒に分散させた第２の触媒インクを作製し、
基材上に、前記第２の触媒インクを塗布して電極触媒層を形成することを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記第１の触媒インクを３０℃以上１４０℃以下の温度で乾燥させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記第２の触媒インクの作製前処理として、前記複合粒子と前記第２の炭素粒子とを無溶媒で混合させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記前処理を施した、前記複合粒子と前記第２の炭素粒子とを熱処理することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記熱処理の温度範囲が、５０℃以上１８０℃以下であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、またはＺｒのうち少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記触媒物質が、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記遷移金属元素が、Ｔａであることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記触媒物質と前記第１の炭素粒子は、前記触媒物質が前記第１の炭素粒子に担持された触媒担持炭素粒子を構成し、前記第２の炭素粒子の比表面積は、前記触媒担持炭素粒子よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記第１の炭素粒子と前記第１の高分子電解質との重量比が、１：０．０５以上、１：１０以下であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
高分子電解質膜を、少なくとも一方が請求項１０に記載された製造方法により製造された電極触媒層である一対の電極触媒層で挟持し、前記電極触媒層に挟まれた前記高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
請求項１１に記載の膜電極接合体を一対のガス拡散層で狭持し、さらに、前記ガス拡散層で狭持された膜電極接合体を、一対のセパレータで狭持したことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
前記第１の炭素粒子は、前記触媒物質よりも比表面積が大きいことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記触媒物質と前記第１の炭素粒子との重量比が、１：０．０１以上、１：０．５以下であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
前記第１の炭素粒子と前記第１の高分子電解質との重量比が、１：０．５以上、１：５０以下であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
高分子電解質膜を、少なくとも一方が請求項１５に記載された製造方法により製造された電極触媒層である一対の電極触媒層で挟持し、前記電極触媒層に挟まれた前記高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
請求項１６に記載の膜電極接合体を一対のガス拡散層で狭持し、さらに、前記ガス拡散層で狭持された膜電極接合体を、一対のセパレータで狭持したことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
少なくとも、触媒物質と前記触媒物質が担持された炭素粒子とを有する触媒担持炭素粒子と、前記触媒担持炭素粒子を包埋する高分子電解質とからなる複合粒子。
少なくとも、触媒物質と、前記触媒物質よりも比表面積の大きい炭素粒子と、前記触媒物質と前記炭素粒子とを包埋する高分子電解質とからなる複合粒子。