燃料電池用電極の製造方法
【課題】本発明は、燃料電池用電極の製造方法に関し、塗膜のひび割れを抑制しつつ、生産性を向上可能な燃料電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】イオン交換基を有し、前記イオン交換基１モル当たりの樹脂乾燥重量を表すＥＷ値が５００〜９６０である高分子電解質を、第一の溶媒中に分散させてなる高分子電解質溶液と、ｔ−ブチルアルコールを主溶媒とする第二の溶媒と、触媒担持カーボンと、を準備する工程と、前記高分子電解質溶液と前記触媒担持カーボンとを前記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程と、前記触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に前記第一の溶媒と前記第二の溶媒とを除去する工程と、を備える。
【解決手段】イオン交換基を有し、前記イオン交換基１モル当たりの樹脂乾燥重量を表すＥＷ値が５００〜９６０である高分子電解質を、第一の溶媒中に分散させてなる高分子電解質溶液と、ｔ−ブチルアルコールを主溶媒とする第二の溶媒と、触媒担持カーボンと、を準備する工程と、前記高分子電解質溶液と前記触媒担持カーボンとを前記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程と、前記触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に前記第一の溶媒と前記第二の溶媒とを除去する工程と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池用電極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献２には、水よりも沸点の高い２価又は３価アルコールを溶媒として用いて触媒インクを作製する工程と、この触媒インクを電解質膜上に塗布し、乾燥させることで電極を形成する工程と、を備える燃料電池用電極の製造方法が開示されている。水よりも沸点の高い２価又は３価アルコールを溶媒として用いると、モノアルコールを用いる場合に比べ、触媒インクのチクソ性や粘性を高くできる。従って、印刷時におけるインクの切れを良くすることができるので、間欠塗工性を向上できる。また、水よりも沸点の高い２価又は３価アルコールを用いると、モノアルコールを用いる場合に比べ、塗膜のひび割れを抑制できる。
【０００３】
また、特許文献３には、水溶性の多価アルコールを溶媒として触媒インクを作製し、この触媒インクを電解質膜上に塗布した後、これらをイオン交換水で煮沸して溶媒を除去する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００１／２２５１４号
【特許文献２】特開２００２−２８０００３号公報
【特許文献３】特開２００３−２９７３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような多価アルコールが電極に残留した場合、燃料電池の発電時に濡れ性が変化して電池性能が不安定になる、高分子電解質を溶出させて耐久性を悪化させる、排水と一緒に外部に出る際に不快な匂いを発生させるといった問題が生じる。そのため、上記特許文献２の方法では、乾燥時間を長く設定する必要があり、生産性の低下に繋がるという問題がある。また、上記特許文献３の方法は、煮沸時間を長く設定する必要があるので生産性が低下するだけでなく、抽出した廃液を処理する必要が生じ、生産コストが増すため好ましくない。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、塗膜のひび割れを抑制しつつ、生産性を向上可能な燃料電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用電極の製造方法であって、
イオン交換基を有し、前記イオン交換基１モル当たりの樹脂乾燥重量を表すＥＷ値が５００〜９６０である高分子電解質を、第一の溶媒中に分散させてなる高分子電解質溶液と、ｔ−ブチルアルコールを主溶媒とする第二の溶媒と、触媒担持カーボンと、を準備する工程と、
前記高分子電解質溶液と前記触媒担持カーボンとを前記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程と、
前記触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に前記第一の溶媒と前記第二の溶媒とを除去する工程と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記高分子電解質がＥＷ値６５０〜７５０のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ｔ−ブチルアルコールの前記第二の溶媒の総重量に占める割合が７５重量％以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、ＥＷ値が５００〜９６０の高分子電解質を第一の溶媒中に分散させた高分子電解質溶液と、触媒担持カーボンとを、ｔ−ブチルアルコールを主溶媒とする第二の溶媒によって分散できる。従って、高分子電解質の分散状態の良好な触媒インクを調製できる。よって、触媒担持カーボン表面の高分子電解質で良好に被覆でき、塗膜のひび割れを抑制できる。また、ｔ−ブチルアルコールは、２価又は３価アルコールに比べて除去が容易である。従って、電極の生産性の向上を図ることもできる。
【００１１】
第２の発明によれば、高分子電解質として、ＥＷ値が６５０〜７５０のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を選択できる。このようなＥＷ値のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を選択することで、高分子電解質による触媒担持カーボン表面の被覆状態の特に良好な触媒インクを調製できる。従って、得られた触媒インクによって製造した電極を燃料電池に適用すれば、電池特性の良好な燃料電池を得ることができる。
【００１２】
第３の発明によれば、ｔ−ブチルアルコールの総重量に占める主溶媒の割合を７５重量％以上とすることができる。これにより、ｔ−ブチルアルコールを除く他の溶媒によって触媒インク中の高分子電解質の分散状態が変化してしまうのを良好に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態の（１）インク調合工程と（２）インク分散工程とを説明するための図である。
【図２】アイオノマーがネットワーク状態を形成できる溶媒において、ネットワーク状態が平衡に達するまでの違いを説明するための図である。
【図３】溶媒量の減少率の算出方法を説明するための図である。
【図４】実施例及び比較例で得た各々の電極試料のＳＥＭ写真である。
【図５】実施例及び比較例で得た各々の電極試料に対する発電試験により得られた電流密度（Ａ／ｃｍ２）−電圧（Ｖ）曲線である。
【図６】実施例及び比較例で得た各々の電極試料に対するインピーダンス測定の結果を示す図である。
【図７】触媒層抵抗の算出の際に用いた等価回路モデルである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図１〜図６を参照して、本発明の実施の形態の電極製造方法について説明する。本実施形態の電極製造方法は、イオン交換基を有する高分子電解質（以下、「アイオノマー」ともいう。）を第一の溶媒中に分散させた高分子電解質溶液（以下、「アイオノマー溶液」ともいう。）と、第二の溶媒と、触媒担持カーボンと、を準備して調合する工程と（（１）インク調合工程）と、上記アイオノマー溶液と上記触媒担持カーボンとを上記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程（（２）インク分散工程）と、上記触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に上記第一の溶媒と上記第二の溶媒とを除去する工程（（３）溶媒除去工程）と、を備える。
【００１５】
（１）インク調合工程
本工程は、アイオノマー溶液と、第二の溶媒と、触媒担持カーボンとを準備して調合する工程である。
【００１６】
図１に触媒として示したものが、本工程で用いる触媒担持カーボンである。この触媒担持カーボンの触媒には、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、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金等の粒子が使用される。また、触媒担持カーボンのカーボン材料には、カーボンブラックが最も一般的に使用されるが、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等も使用される。
【００１７】
また、図１にアイオノマーとして示したものが、本工程で用いるアイオノマーである。アイオノマーとしては、リン酸基やスルホン酸基といったイオン交換基を側鎖に有する炭化水素系の高分子樹脂が使用される。炭化水素系の高分子樹脂としては、(a)主鎖が脂肪族炭化水素からなる炭化水素系高分子樹脂、(b)主鎖が脂肪族炭化水素からなり、主鎖の一部又は全部の水素原子がフッ素原子で置換された高分子樹脂（代表的なものとしてはＮＡＦＩＯＮ（デュポン社、登録商標））や、(c)主鎖が芳香環を有する高分子樹脂等が挙げられる。
【００１８】
アイオノマーは一般に、そのイオン交換基１モル当たりの樹脂乾燥重量を表すＥＷ値が高いとイオン伝導性が低くなる傾向があり、ＥＷ値が低すぎると水溶性が増し電池稼動時に外部に溶出する傾向がある。本工程で用いるアイオノマーのＥＷ値は、後述する第一、第二の溶媒に対する溶解特性の観点から、電極用として通常使用されるアイオノマーよりも低いものを使用する。具体的に、本工程では、ＥＷ値５００〜９６０のアイオノマーを使用する。ただし、触媒インクの分散状態をより良好とするために、ＥＷ値６５０〜７５０のものを使用してもよい。
【００１９】
アイオノマー溶液は、第一の溶媒（水、或いは水に少量のアルコールを混合したアルコール溶液）中に上述のアイオノマーを分散させたものである。このようなアイオノマー溶液は、市販のものが容易に入手できる。一般に、溶媒中に高分子が分散している場合、その高分子は周囲に溶媒分子を引き付けて、他の高分子を寄せ付けにくくする。本工程で準備するアイオノマー溶液は、このような高分子と第一の溶媒との組み合わせであり、外殻に溶媒分子、内殻に高分子がそれぞれ配置された数十ナノのサイズの凝集体（ミセル）を形成する。この内殻は、溶媒分子側に親水性のイオン交換基が、中心側に折り畳まれた疎水性の高分子主鎖がそれぞれ配置された構造をとる。また、外殻に溶媒分子が配置されることで、ミセル間には実効的に斥力が働くような挙動を示す。そのため、アイオノマー溶液の粘度は一般に低い。
【００２０】
また、図１に溶媒として示したものが、本工程で用いる第二の溶媒である。この第二の溶媒としては、アイオノマー溶液に対して可溶性を示す他、乾燥させ易く、上記触媒を被毒する成分を含まず、製造時の環境に悪影響を及ぼすことのないものが使用される。このような第二の溶媒の主溶媒には、ｔ−ブチルアルコールが使用される。ここで、「主溶媒」とあるのは、第二の溶媒にｔ−ブチルアルコール以外の他の溶媒を使用してもよいことを意味するものである。他の溶媒としては、水、ｔ−ブチルアルコール以外の１価アルコール、多価アルコール又はそれらの混合物が挙げられる。
第二の溶媒中に占めるｔ−ブチルアルコールの重量分率は、７５重量％以上であることが好ましい。ｔ−ブチルアルコールの重量分率を７５重量％以上とすることで、後述する各種効果を発揮できる。
【００２１】
第二の溶媒の主溶媒にｔ−ブチルアルコールを使用する理由について説明する。上述したように、第二の溶媒には、アイオノマー溶液に対して可溶性を示すものが用いられるが、この第二の溶媒は、次の２つのタイプに分けられる。即ち、第二の溶媒には、(i)アイオノマーをミセル状態にして分散させるタイプと、(ii)アイオノマー同士を物理吸着によりネットワーク状態を形成させ、高粘度化させるタイプとがある。
【００２２】
上記(i)のタイプの溶媒は、例えば水であり、アイオノマー溶液中に添加すると、すぐに拡散して混和する。そのため、アイオノマー溶液の粘度は低いままである。従って、第二の溶媒の主溶媒に上記(i)のタイプの溶媒を使用すると、ミセルが触媒担持カーボンと弱い吸着（例えば、静電気的な吸着、或いは、親水−親水（若しくは疎水−疎水）の吸着）しかできず、カーボン表面から外れ易く、被覆状態が不十分となったり、触媒インクの乾燥時にひび割れが発生する原因となってしまう。
【００２３】
一方、上記(ii)のタイプの溶媒は、上記(i)のタイプの溶媒とは異なり、溶液を高粘度化できるため、アイオノマーをカーボン表面に吸着させ易くなる。しかしながら、この高粘度化の度合いは、アイオノマー溶液中に取り込まれる溶媒量によって異なり、取り込まれる溶媒量の上限は、添加する溶媒種によって異なる。そのため、例えば粘度が極端に高くなりすぎると、カーボン表面の一部にアイオノマーが偏在して被覆状態が悪化し、ひび割れが発生する原因となってしまう。
【００２４】
このことに関して、図２を用いて具体的に説明する。図２は、アイオノマーとして固形分濃度２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂（ＥＷ値６５０〜７５０）溶液（以下、単に「樹脂溶液」ともいう。）を、この固形分濃度が２．５重量％となるまで溶媒（エタノール又はｔ−ブチルアルコール）でそれぞれ希釈した場合における溶媒の減少特性を示した図である。図２のｘ軸は溶媒混合後の経過時間（Ｈｒ）を示し、ｙ軸は溶媒量の減少率（％）を示す。
【００２５】
溶媒量の減少率は、次のように求めたものである。直径３０ｍｍのガラス容器に固形分濃度２０重量％の樹脂溶液１．８７５ｇを入れ、続いて、溶媒１３．１２５ｇを加えて静置する。その状態を表す模式図を図３に示す。図３に示すように、樹脂溶液に溶媒を加えると、樹脂溶液の層が下に、溶媒の層が上にそれぞれ形成される。この界面は、時間の経過に伴って上昇する。そこで、上層に残留する溶媒量を測定し、その変化量を算出すれば、溶媒量の減少率を求めることができる。
【００２６】
図２に示すように、樹脂溶液にエタノールを加えた場合、時間の経過に伴って溶媒量の減少率が大きく増加し、１８０時間経過後は限りなくゼロに近づく。即ち、エタノールは、樹脂溶液内に勢い良く取り込まれ続ける。そして、樹脂溶液が極度に高粘度化してしまう。一方、ｔ−ブチルアルコールを加えた場合、時間の経過に伴う溶媒量の減少率の増加は緩やかであり、３５０時間経過後であっても６０％以上を示す。即ち、ｔ−ブチルアルコールは、その多くが樹脂溶液内に取り込まれずに残留する。また、樹脂溶液は高粘度化するものの、その度合いはエタノールの場合に比べて低い。
【００２７】
樹脂溶液中に溶媒が取り込まれるメカニズムは次のとおりと考えられる。上述したように、アイオノマー溶液中では、高分子主鎖が折り畳まれた内殻構造のミセルが形成される。これに関しては、樹脂溶液中においても同様である。そのため、樹脂溶液にエタノールやｔ−ブチルアルコールといった上記(ii)のタイプの溶媒を添加すると、これらの溶媒がミセルの内殻に作用し、高分子主鎖の折り畳み形状が徐々に解れる。そして、折り畳み形状が解れたパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂同士がミセルを隔てて物理的に吸着し、ネットワークを形成していく。また、これらの溶媒は、ネットワーク形成が平衡に到達するまで樹脂溶液中に取り込まれ続ける。
【００２８】
ネットワークの形成が進行する一要因として、今回用いたパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のＥＷ値が高いことが挙げられる。ＥＷ値はスルホン酸基１モル当たりの樹脂乾燥重量であるので、疎水性部位の重量と相関を有する。つまり、ＥＷ値が高ければ樹脂内に疎水性部位が多く存在するといえる。疎水性部位が多く存在すれば、その疎水性部位が解かれた場合には、樹脂同士のネットワークが形成し易くなる。この裏付けとして、ＥＷ値が５００未満のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液にエタノールやｔ−ブチルアルコールを添加した場合、その溶液の粘度変化は殆ど見られない。
【００２９】
また、溶媒種間でネットワークの形成の進行に違いが生ずるのは、溶媒分子の構造が影響しているものと考えられる。即ち、ｔ−ブチルアルコールは分子内に分岐した疎水性部位を有するので、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の疎水性部位を介したネットワークを短時間で形成させて、このネットワークによって更なる溶媒の取り込みを抑制できると考えられる。一方、エタノールではネットワークが形成されるものの、ｔ−ブチルアルコールの場合ほど強固なネットワークが形成できずに溶媒が取り込まれ続けてしまうと考えられる。
【００３０】
このように、第二の溶媒の主溶媒にｔ−ブチルアルコールを使用すれば、ミセル間にネットワークを形成できるので、アイオノマー溶液を適度に高粘度化させることができる。従って、アイオノマーをカーボン表面に良好に吸着させて被覆状態を改善できる。よって、塗膜のひび割れ発生の抑制だけでなく、イオン伝導性や酸素ガス拡散性の良好な燃料電池用電極を製造することが可能となる。なお、これらの効果については、後述の実施例で明らかにする。
【００３１】
再び図１に戻って説明を続ける。アイオノマー溶液と、第二の溶媒と、触媒担持カーボンとの調合は、先ず、触媒担持カーボン中に第二の溶媒を加え、更にアイオノマー溶液を加える。このように、触媒担持カーボン、アイオノマーの順に加えることで、触媒担持カーボンの表面をアイオノマー溶液で均一に被覆することが可能となる。
【００３２】
（２）インク分散工程
本工程は、上記アイオノマー溶液と上記触媒担持カーボンとを上記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程である。
図１に示すように、本工程では、先ず、（１）インク調合工程で調合した触媒担持カーボン、アイオノマー溶液及び第二の溶媒を撹拌で馴染ませ、その後、撹拌しながら超音波ホモジナイザーで分散させる。超音波ホモジナイザーの代わりに、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、ハイシェアーといった他の撹拌機を使用して分散させてもよい。なお、撹拌速度や撹拌時間といった撹拌条件は、適宜変更できる。
【００３３】
（３）溶媒除去工程
本工程は、（２）インク分散工程で調製した触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に上記第一の溶媒と上記第二の溶媒とを除去する工程である。
本工程では、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の基材上にダイコート法を用いて触媒インクを塗工し、塗工後の触媒インクを加温して第一、第二の溶媒を乾燥除去する。塗工方法はダイコート法に限られず、基材上に触媒インクを均一に塗工可能な方法であればよく、スピンコート法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法等を使用してもよい。加温速度や加温時間は、第一、第二の溶媒種等によって適宜変更できる。また、加温と同時に脱気することで除去速度をあげてもよい。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例を参照して、本発明を詳細に説明する。
（インクの調製）
［比較例１］
Ｐｔを３０重量％担持したカーボンブラック（ＯＳＡＢ）、水、エタノール、プロピレングリコール及びパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂（ＥＷ値６５０〜７５０）をｎ−プロピルアルコール中に分散させた樹脂溶液を、カーボン濃度３．０％、アイオノマー／カーボンブラックの重量比０．７５、水／エタノールの重量比１．０、プロピレングリコール／カーボンブラックの重量比３．０となるように調合した。調合後、撹拌しながら超音波ホモジナイザーで分散処理した。分散処理終了後、引き続き撹拌を４時間行い、分散を安定化させて比較例１用のインクを得た。
［比較例２］
プロピレングリコールを添加しない以外は比較例１のインクと同一の条件で調製し、比較例２用のインクを得た。
［実施例１］
Ｐｔを３０重量％担持したカーボンブラック（ＯＳＡＢ）、水、ｔ−ブチルアルコール及びパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂（ＥＷ値６５０〜７５０）をｎ−プロピルアルコール中に分散させた樹脂溶液を、カーボン濃度３．０％、アイオノマー／カーボンブラックの重量比０．７５、第二の溶媒中のｔ−ＢｕＯＨの重量率を９４％、水の重量率を６％となるように調合した。調合後は比較例１のインクと同様にして実施例１用のインクを得た。
【００３５】
（インクの塗布）
上記３つのインクを、それぞれダイコーティングにおいてＰＴＦＥシート上に塗布した。この際、Ｐｔ目付量が０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布を行った。塗布後、これらのインクを乾燥して３つの電極試料を得た。３つの電極試料をそれぞれ比較例１、２、実施例１の電極試料とした。
【００３６】
（塗布面の観察）
各々の電極試料について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った。その結果を図４に示す。図４から分かるように、実施例１の電極試料には、ひび割れが全く観察されなかった。一方、比較例１や２の電極試料には多数のひび割れが観察された。このことから、実施例１のインクを用いれば、ひび割れが抑制できることが分かった。
【００３７】
（電極試料の評価）
１．燃料電池の放電性能評価
各々の電極試料１３ｃｍ２を電解質膜の両面に転写接合し、電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）を作製した。これらのＭＥＡを用い、セル温度８０℃、燃料ガスとしてはアノード側に水素ガス、カソード側に空気を用い、バブラー方式によってアノードガス加湿温度６０℃／カソードガス加湿温度６０℃の条件で発電試験を行った。背圧は０．１ＭＰａとし、ガス流量はアノード側で０．５ｌ／ｍｉｎ、カソード側で１．０ｌ／ｍｉｎとした。発電試験により得られた電流密度（Ａ／ｃｍ２）−電圧（Ｖ）曲線を図５に示す。
図５に示すように、実施例１の電極試料は、他の２つの電極試料に比べて放電特性が大幅に向上した。
【００３８】
２．アイオノマーの被覆率の評価
アイオノマーによって被覆されているＰｔがどの程度存在するか（Ｐｔ被覆率）をＣＶ測定により算出した。具体的には、上記同様に３つのＭＥＡを作製し、このＭＥＡを構成する電極の一方を測定対象電極とし、この測定対象電極を純水／プロトン非伝導性のＦ溶媒（例えば、住友スリーエム社製のフロリナート（商品名））に浸し、他方の電極から水素ガスを加湿供給しながらＣＶ測定した。ＣＶ測定により２つの電流−電位曲線（サイクリックボルタモグラム）が得られるので、測定対象電極を純水に浸した場合の吸着電気量Ｈ２Ｏと、測定対象電極をＦ溶媒に浸した場合の吸着電気量ＱＦとを、それぞれのＭＥＡについて求める。求めた吸着電気量ＱＨ２Ｏに対する吸着電気量ＱＦの百分率を算出し、これをＰｔ被覆率と定義して評価した。
算出したＰｔ被覆率は次のとおりである。この結果から、実施例１の電極試料は、Ｐｔがアイオノマーによって完全に被覆されていることが分かった。
比較例１・・・９６％
比較例２・・・９４％
実施例１・・・１００％
【００３９】
３．触媒層抵抗の評価
上記のセルを用い、インピーダンス法により触媒層抵抗を測定した。具体的には、測定条件として、アノード側に水素ガス、カソード側に窒素ガスを用い、バブラー方式によってアノードガス加湿温度６０℃／カソードガス加湿温度６０℃の条件でインピーダンス測定（Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット）を行った。得られた結果を図６に示す。触媒層抵抗値は、図６の曲線を図７に示す等価回路モデルを用いてフィッティングを行うことで算出した。
算出した触媒層抵抗値は次のとおりである。この結果から、実施例１の電極試料は、他の２つの電極試料に比べて触媒層抵抗が低かった。このことから、実施例１の電極試料は、プロトン伝導性に優れることが分かった。
比較例１・・・１０２０ｍΩ
比較例２・・・１０８０ｍΩ
実施例１・・・５５２ｍΩ
【００４０】
４．アイオノマー層内のガス拡散抵抗の評価
実施例及び比較例で得た各々の電極試料１ｃｍ２を用いてＭＥＡを作製した。これらのＭＥＡ、セル温度８０℃、燃料ガスとしてはアノード側に水素ガス、カソード側にヘリウムガス又は窒素ガスを用いて酸素濃度２％に希釈したガスを用い、バブラー方式によってアノードガス加湿温度７７℃／カソードガス加湿温度７７℃の条件で発電させ、水素ガスを用いた場合と、窒素ガスを用いた場合とで拡散限界電流密度（Ｉｌｉｍ）をそれぞれ測定し、ガス拡散抵抗（Ｒｔｏｔａｌ）を算出した。なお、背圧は１５０ｋＰａ．ａｂｓとし、ガス流量はアノード側で０．５ｌ／ｍｉｎ、カソード側で０．６５ｌ／ｍｉｎとした。
【００４１】
ここで、ガス拡散抵抗（Ｒｔｏｔａｌ）は、溶媒ガス種に依存する分子拡散抵抗（Ｒｍｏｌ）と、溶媒ガス種に依存しないそれ以外の拡散抵抗（Ｒｏｔｈｅｒ）とを用いて次式（１）のように表される。
Ｒｔｏｔａｌ＝ＰＯ２・４Ｆ／ＲＴ・Ｉｌｉｍ＝Ｒｍｏｌ＋Ｒｏｔｈｅｒ・・・（１）
本評価においては、算出したガス拡散抵抗（Ｒｔｏｔａｌ）と、相互拡散係数比α（＝ヘリウムガスの拡散係数（ＤＨｅ）／窒素ガスの拡散係数（ＤＮ２））とから、上式（１）のＲｏｔｈｅｒを求め、このＲｏｔｈｅｒをアイオノマー層内のガス拡散抵抗として評価した。
Ｒｏｔｈｅｒは次のとおりである。この結果から、実施例１の電極試料は、他の２つの電極試料に比べてＲｏｔｈｅｒの値が低かった。このことから、実施例１の電極試料は、酸素ガスの拡散性に優れることが分かった。
比較例１・・・２９ｍ／ｓ
比較例２・・・３１ｍ／ｓ
実施例１・・・２３ｍ／ｓ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池用電極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献２には、水よりも沸点の高い２価又は３価アルコールを溶媒として用いて触媒インクを作製する工程と、この触媒インクを電解質膜上に塗布し、乾燥させることで電極を形成する工程と、を備える燃料電池用電極の製造方法が開示されている。水よりも沸点の高い２価又は３価アルコールを溶媒として用いると、モノアルコールを用いる場合に比べ、触媒インクのチクソ性や粘性を高くできる。従って、印刷時におけるインクの切れを良くすることができるので、間欠塗工性を向上できる。また、水よりも沸点の高い２価又は３価アルコールを用いると、モノアルコールを用いる場合に比べ、塗膜のひび割れを抑制できる。
【０００３】
また、特許文献３には、水溶性の多価アルコールを溶媒として触媒インクを作製し、この触媒インクを電解質膜上に塗布した後、これらをイオン交換水で煮沸して溶媒を除去する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００１／２２５１４号
【特許文献２】特開２００２−２８０００３号公報
【特許文献３】特開２００３−２９７３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような多価アルコールが電極に残留した場合、燃料電池の発電時に濡れ性が変化して電池性能が不安定になる、高分子電解質を溶出させて耐久性を悪化させる、排水と一緒に外部に出る際に不快な匂いを発生させるといった問題が生じる。そのため、上記特許文献２の方法では、乾燥時間を長く設定する必要があり、生産性の低下に繋がるという問題がある。また、上記特許文献３の方法は、煮沸時間を長く設定する必要があるので生産性が低下するだけでなく、抽出した廃液を処理する必要が生じ、生産コストが増すため好ましくない。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、塗膜のひび割れを抑制しつつ、生産性を向上可能な燃料電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用電極の製造方法であって、
イオン交換基を有し、前記イオン交換基１モル当たりの樹脂乾燥重量を表すＥＷ値が５００〜９６０である高分子電解質を、第一の溶媒中に分散させてなる高分子電解質溶液と、ｔ−ブチルアルコールを主溶媒とする第二の溶媒と、触媒担持カーボンと、を準備する工程と、
前記高分子電解質溶液と前記触媒担持カーボンとを前記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程と、
前記触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に前記第一の溶媒と前記第二の溶媒とを除去する工程と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記高分子電解質がＥＷ値６５０〜７５０のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ｔ−ブチルアルコールの前記第二の溶媒の総重量に占める割合が７５重量％以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、ＥＷ値が５００〜９６０の高分子電解質を第一の溶媒中に分散させた高分子電解質溶液と、触媒担持カーボンとを、ｔ−ブチルアルコールを主溶媒とする第二の溶媒によって分散できる。従って、高分子電解質の分散状態の良好な触媒インクを調製できる。よって、触媒担持カーボン表面の高分子電解質で良好に被覆でき、塗膜のひび割れを抑制できる。また、ｔ−ブチルアルコールは、２価又は３価アルコールに比べて除去が容易である。従って、電極の生産性の向上を図ることもできる。
【００１１】
第２の発明によれば、高分子電解質として、ＥＷ値が６５０〜７５０のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を選択できる。このようなＥＷ値のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を選択することで、高分子電解質による触媒担持カーボン表面の被覆状態の特に良好な触媒インクを調製できる。従って、得られた触媒インクによって製造した電極を燃料電池に適用すれば、電池特性の良好な燃料電池を得ることができる。
【００１２】
第３の発明によれば、ｔ−ブチルアルコールの総重量に占める主溶媒の割合を７５重量％以上とすることができる。これにより、ｔ−ブチルアルコールを除く他の溶媒によって触媒インク中の高分子電解質の分散状態が変化してしまうのを良好に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態の（１）インク調合工程と（２）インク分散工程とを説明するための図である。
【図２】アイオノマーがネットワーク状態を形成できる溶媒において、ネットワーク状態が平衡に達するまでの違いを説明するための図である。
【図３】溶媒量の減少率の算出方法を説明するための図である。
【図４】実施例及び比較例で得た各々の電極試料のＳＥＭ写真である。
【図５】実施例及び比較例で得た各々の電極試料に対する発電試験により得られた電流密度（Ａ／ｃｍ２）−電圧（Ｖ）曲線である。
【図６】実施例及び比較例で得た各々の電極試料に対するインピーダンス測定の結果を示す図である。
【図７】触媒層抵抗の算出の際に用いた等価回路モデルである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図１〜図６を参照して、本発明の実施の形態の電極製造方法について説明する。本実施形態の電極製造方法は、イオン交換基を有する高分子電解質（以下、「アイオノマー」ともいう。）を第一の溶媒中に分散させた高分子電解質溶液（以下、「アイオノマー溶液」ともいう。）と、第二の溶媒と、触媒担持カーボンと、を準備して調合する工程と（（１）インク調合工程）と、上記アイオノマー溶液と上記触媒担持カーボンとを上記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程（（２）インク分散工程）と、上記触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に上記第一の溶媒と上記第二の溶媒とを除去する工程（（３）溶媒除去工程）と、を備える。
【００１５】
（１）インク調合工程
本工程は、アイオノマー溶液と、第二の溶媒と、触媒担持カーボンとを準備して調合する工程である。
【００１６】
図１に触媒として示したものが、本工程で用いる触媒担持カーボンである。この触媒担持カーボンの触媒には、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、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金等の粒子が使用される。また、触媒担持カーボンのカーボン材料には、カーボンブラックが最も一般的に使用されるが、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等も使用される。
【００１７】
また、図１にアイオノマーとして示したものが、本工程で用いるアイオノマーである。アイオノマーとしては、リン酸基やスルホン酸基といったイオン交換基を側鎖に有する炭化水素系の高分子樹脂が使用される。炭化水素系の高分子樹脂としては、(a)主鎖が脂肪族炭化水素からなる炭化水素系高分子樹脂、(b)主鎖が脂肪族炭化水素からなり、主鎖の一部又は全部の水素原子がフッ素原子で置換された高分子樹脂（代表的なものとしてはＮＡＦＩＯＮ（デュポン社、登録商標））や、(c)主鎖が芳香環を有する高分子樹脂等が挙げられる。
【００１８】
アイオノマーは一般に、そのイオン交換基１モル当たりの樹脂乾燥重量を表すＥＷ値が高いとイオン伝導性が低くなる傾向があり、ＥＷ値が低すぎると水溶性が増し電池稼動時に外部に溶出する傾向がある。本工程で用いるアイオノマーのＥＷ値は、後述する第一、第二の溶媒に対する溶解特性の観点から、電極用として通常使用されるアイオノマーよりも低いものを使用する。具体的に、本工程では、ＥＷ値５００〜９６０のアイオノマーを使用する。ただし、触媒インクの分散状態をより良好とするために、ＥＷ値６５０〜７５０のものを使用してもよい。
【００１９】
アイオノマー溶液は、第一の溶媒（水、或いは水に少量のアルコールを混合したアルコール溶液）中に上述のアイオノマーを分散させたものである。このようなアイオノマー溶液は、市販のものが容易に入手できる。一般に、溶媒中に高分子が分散している場合、その高分子は周囲に溶媒分子を引き付けて、他の高分子を寄せ付けにくくする。本工程で準備するアイオノマー溶液は、このような高分子と第一の溶媒との組み合わせであり、外殻に溶媒分子、内殻に高分子がそれぞれ配置された数十ナノのサイズの凝集体（ミセル）を形成する。この内殻は、溶媒分子側に親水性のイオン交換基が、中心側に折り畳まれた疎水性の高分子主鎖がそれぞれ配置された構造をとる。また、外殻に溶媒分子が配置されることで、ミセル間には実効的に斥力が働くような挙動を示す。そのため、アイオノマー溶液の粘度は一般に低い。
【００２０】
また、図１に溶媒として示したものが、本工程で用いる第二の溶媒である。この第二の溶媒としては、アイオノマー溶液に対して可溶性を示す他、乾燥させ易く、上記触媒を被毒する成分を含まず、製造時の環境に悪影響を及ぼすことのないものが使用される。このような第二の溶媒の主溶媒には、ｔ−ブチルアルコールが使用される。ここで、「主溶媒」とあるのは、第二の溶媒にｔ−ブチルアルコール以外の他の溶媒を使用してもよいことを意味するものである。他の溶媒としては、水、ｔ−ブチルアルコール以外の１価アルコール、多価アルコール又はそれらの混合物が挙げられる。
第二の溶媒中に占めるｔ−ブチルアルコールの重量分率は、７５重量％以上であることが好ましい。ｔ−ブチルアルコールの重量分率を７５重量％以上とすることで、後述する各種効果を発揮できる。
【００２１】
第二の溶媒の主溶媒にｔ−ブチルアルコールを使用する理由について説明する。上述したように、第二の溶媒には、アイオノマー溶液に対して可溶性を示すものが用いられるが、この第二の溶媒は、次の２つのタイプに分けられる。即ち、第二の溶媒には、(i)アイオノマーをミセル状態にして分散させるタイプと、(ii)アイオノマー同士を物理吸着によりネットワーク状態を形成させ、高粘度化させるタイプとがある。
【００２２】
上記(i)のタイプの溶媒は、例えば水であり、アイオノマー溶液中に添加すると、すぐに拡散して混和する。そのため、アイオノマー溶液の粘度は低いままである。従って、第二の溶媒の主溶媒に上記(i)のタイプの溶媒を使用すると、ミセルが触媒担持カーボンと弱い吸着（例えば、静電気的な吸着、或いは、親水−親水（若しくは疎水−疎水）の吸着）しかできず、カーボン表面から外れ易く、被覆状態が不十分となったり、触媒インクの乾燥時にひび割れが発生する原因となってしまう。
【００２３】
一方、上記(ii)のタイプの溶媒は、上記(i)のタイプの溶媒とは異なり、溶液を高粘度化できるため、アイオノマーをカーボン表面に吸着させ易くなる。しかしながら、この高粘度化の度合いは、アイオノマー溶液中に取り込まれる溶媒量によって異なり、取り込まれる溶媒量の上限は、添加する溶媒種によって異なる。そのため、例えば粘度が極端に高くなりすぎると、カーボン表面の一部にアイオノマーが偏在して被覆状態が悪化し、ひび割れが発生する原因となってしまう。
【００２４】
このことに関して、図２を用いて具体的に説明する。図２は、アイオノマーとして固形分濃度２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂（ＥＷ値６５０〜７５０）溶液（以下、単に「樹脂溶液」ともいう。）を、この固形分濃度が２．５重量％となるまで溶媒（エタノール又はｔ−ブチルアルコール）でそれぞれ希釈した場合における溶媒の減少特性を示した図である。図２のｘ軸は溶媒混合後の経過時間（Ｈｒ）を示し、ｙ軸は溶媒量の減少率（％）を示す。
【００２５】
溶媒量の減少率は、次のように求めたものである。直径３０ｍｍのガラス容器に固形分濃度２０重量％の樹脂溶液１．８７５ｇを入れ、続いて、溶媒１３．１２５ｇを加えて静置する。その状態を表す模式図を図３に示す。図３に示すように、樹脂溶液に溶媒を加えると、樹脂溶液の層が下に、溶媒の層が上にそれぞれ形成される。この界面は、時間の経過に伴って上昇する。そこで、上層に残留する溶媒量を測定し、その変化量を算出すれば、溶媒量の減少率を求めることができる。
【００２６】
図２に示すように、樹脂溶液にエタノールを加えた場合、時間の経過に伴って溶媒量の減少率が大きく増加し、１８０時間経過後は限りなくゼロに近づく。即ち、エタノールは、樹脂溶液内に勢い良く取り込まれ続ける。そして、樹脂溶液が極度に高粘度化してしまう。一方、ｔ−ブチルアルコールを加えた場合、時間の経過に伴う溶媒量の減少率の増加は緩やかであり、３５０時間経過後であっても６０％以上を示す。即ち、ｔ−ブチルアルコールは、その多くが樹脂溶液内に取り込まれずに残留する。また、樹脂溶液は高粘度化するものの、その度合いはエタノールの場合に比べて低い。
【００２７】
樹脂溶液中に溶媒が取り込まれるメカニズムは次のとおりと考えられる。上述したように、アイオノマー溶液中では、高分子主鎖が折り畳まれた内殻構造のミセルが形成される。これに関しては、樹脂溶液中においても同様である。そのため、樹脂溶液にエタノールやｔ−ブチルアルコールといった上記(ii)のタイプの溶媒を添加すると、これらの溶媒がミセルの内殻に作用し、高分子主鎖の折り畳み形状が徐々に解れる。そして、折り畳み形状が解れたパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂同士がミセルを隔てて物理的に吸着し、ネットワークを形成していく。また、これらの溶媒は、ネットワーク形成が平衡に到達するまで樹脂溶液中に取り込まれ続ける。
【００２８】
ネットワークの形成が進行する一要因として、今回用いたパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のＥＷ値が高いことが挙げられる。ＥＷ値はスルホン酸基１モル当たりの樹脂乾燥重量であるので、疎水性部位の重量と相関を有する。つまり、ＥＷ値が高ければ樹脂内に疎水性部位が多く存在するといえる。疎水性部位が多く存在すれば、その疎水性部位が解かれた場合には、樹脂同士のネットワークが形成し易くなる。この裏付けとして、ＥＷ値が５００未満のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂溶液にエタノールやｔ−ブチルアルコールを添加した場合、その溶液の粘度変化は殆ど見られない。
【００２９】
また、溶媒種間でネットワークの形成の進行に違いが生ずるのは、溶媒分子の構造が影響しているものと考えられる。即ち、ｔ−ブチルアルコールは分子内に分岐した疎水性部位を有するので、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の疎水性部位を介したネットワークを短時間で形成させて、このネットワークによって更なる溶媒の取り込みを抑制できると考えられる。一方、エタノールではネットワークが形成されるものの、ｔ−ブチルアルコールの場合ほど強固なネットワークが形成できずに溶媒が取り込まれ続けてしまうと考えられる。
【００３０】
このように、第二の溶媒の主溶媒にｔ−ブチルアルコールを使用すれば、ミセル間にネットワークを形成できるので、アイオノマー溶液を適度に高粘度化させることができる。従って、アイオノマーをカーボン表面に良好に吸着させて被覆状態を改善できる。よって、塗膜のひび割れ発生の抑制だけでなく、イオン伝導性や酸素ガス拡散性の良好な燃料電池用電極を製造することが可能となる。なお、これらの効果については、後述の実施例で明らかにする。
【００３１】
再び図１に戻って説明を続ける。アイオノマー溶液と、第二の溶媒と、触媒担持カーボンとの調合は、先ず、触媒担持カーボン中に第二の溶媒を加え、更にアイオノマー溶液を加える。このように、触媒担持カーボン、アイオノマーの順に加えることで、触媒担持カーボンの表面をアイオノマー溶液で均一に被覆することが可能となる。
【００３２】
（２）インク分散工程
本工程は、上記アイオノマー溶液と上記触媒担持カーボンとを上記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程である。
図１に示すように、本工程では、先ず、（１）インク調合工程で調合した触媒担持カーボン、アイオノマー溶液及び第二の溶媒を撹拌で馴染ませ、その後、撹拌しながら超音波ホモジナイザーで分散させる。超音波ホモジナイザーの代わりに、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、ハイシェアーといった他の撹拌機を使用して分散させてもよい。なお、撹拌速度や撹拌時間といった撹拌条件は、適宜変更できる。
【００３３】
（３）溶媒除去工程
本工程は、（２）インク分散工程で調製した触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に上記第一の溶媒と上記第二の溶媒とを除去する工程である。
本工程では、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の基材上にダイコート法を用いて触媒インクを塗工し、塗工後の触媒インクを加温して第一、第二の溶媒を乾燥除去する。塗工方法はダイコート法に限られず、基材上に触媒インクを均一に塗工可能な方法であればよく、スピンコート法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法等を使用してもよい。加温速度や加温時間は、第一、第二の溶媒種等によって適宜変更できる。また、加温と同時に脱気することで除去速度をあげてもよい。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例を参照して、本発明を詳細に説明する。
（インクの調製）
［比較例１］
Ｐｔを３０重量％担持したカーボンブラック（ＯＳＡＢ）、水、エタノール、プロピレングリコール及びパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂（ＥＷ値６５０〜７５０）をｎ−プロピルアルコール中に分散させた樹脂溶液を、カーボン濃度３．０％、アイオノマー／カーボンブラックの重量比０．７５、水／エタノールの重量比１．０、プロピレングリコール／カーボンブラックの重量比３．０となるように調合した。調合後、撹拌しながら超音波ホモジナイザーで分散処理した。分散処理終了後、引き続き撹拌を４時間行い、分散を安定化させて比較例１用のインクを得た。
［比較例２］
プロピレングリコールを添加しない以外は比較例１のインクと同一の条件で調製し、比較例２用のインクを得た。
［実施例１］
Ｐｔを３０重量％担持したカーボンブラック（ＯＳＡＢ）、水、ｔ−ブチルアルコール及びパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂（ＥＷ値６５０〜７５０）をｎ−プロピルアルコール中に分散させた樹脂溶液を、カーボン濃度３．０％、アイオノマー／カーボンブラックの重量比０．７５、第二の溶媒中のｔ−ＢｕＯＨの重量率を９４％、水の重量率を６％となるように調合した。調合後は比較例１のインクと同様にして実施例１用のインクを得た。
【００３５】
（インクの塗布）
上記３つのインクを、それぞれダイコーティングにおいてＰＴＦＥシート上に塗布した。この際、Ｐｔ目付量が０．１ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布を行った。塗布後、これらのインクを乾燥して３つの電極試料を得た。３つの電極試料をそれぞれ比較例１、２、実施例１の電極試料とした。
【００３６】
（塗布面の観察）
各々の電極試料について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った。その結果を図４に示す。図４から分かるように、実施例１の電極試料には、ひび割れが全く観察されなかった。一方、比較例１や２の電極試料には多数のひび割れが観察された。このことから、実施例１のインクを用いれば、ひび割れが抑制できることが分かった。
【００３７】
（電極試料の評価）
１．燃料電池の放電性能評価
各々の電極試料１３ｃｍ２を電解質膜の両面に転写接合し、電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）を作製した。これらのＭＥＡを用い、セル温度８０℃、燃料ガスとしてはアノード側に水素ガス、カソード側に空気を用い、バブラー方式によってアノードガス加湿温度６０℃／カソードガス加湿温度６０℃の条件で発電試験を行った。背圧は０．１ＭＰａとし、ガス流量はアノード側で０．５ｌ／ｍｉｎ、カソード側で１．０ｌ／ｍｉｎとした。発電試験により得られた電流密度（Ａ／ｃｍ２）−電圧（Ｖ）曲線を図５に示す。
図５に示すように、実施例１の電極試料は、他の２つの電極試料に比べて放電特性が大幅に向上した。
【００３８】
２．アイオノマーの被覆率の評価
アイオノマーによって被覆されているＰｔがどの程度存在するか（Ｐｔ被覆率）をＣＶ測定により算出した。具体的には、上記同様に３つのＭＥＡを作製し、このＭＥＡを構成する電極の一方を測定対象電極とし、この測定対象電極を純水／プロトン非伝導性のＦ溶媒（例えば、住友スリーエム社製のフロリナート（商品名））に浸し、他方の電極から水素ガスを加湿供給しながらＣＶ測定した。ＣＶ測定により２つの電流−電位曲線（サイクリックボルタモグラム）が得られるので、測定対象電極を純水に浸した場合の吸着電気量Ｈ２Ｏと、測定対象電極をＦ溶媒に浸した場合の吸着電気量ＱＦとを、それぞれのＭＥＡについて求める。求めた吸着電気量ＱＨ２Ｏに対する吸着電気量ＱＦの百分率を算出し、これをＰｔ被覆率と定義して評価した。
算出したＰｔ被覆率は次のとおりである。この結果から、実施例１の電極試料は、Ｐｔがアイオノマーによって完全に被覆されていることが分かった。
比較例１・・・９６％
比較例２・・・９４％
実施例１・・・１００％
【００３９】
３．触媒層抵抗の評価
上記のセルを用い、インピーダンス法により触媒層抵抗を測定した。具体的には、測定条件として、アノード側に水素ガス、カソード側に窒素ガスを用い、バブラー方式によってアノードガス加湿温度６０℃／カソードガス加湿温度６０℃の条件でインピーダンス測定（Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット）を行った。得られた結果を図６に示す。触媒層抵抗値は、図６の曲線を図７に示す等価回路モデルを用いてフィッティングを行うことで算出した。
算出した触媒層抵抗値は次のとおりである。この結果から、実施例１の電極試料は、他の２つの電極試料に比べて触媒層抵抗が低かった。このことから、実施例１の電極試料は、プロトン伝導性に優れることが分かった。
比較例１・・・１０２０ｍΩ
比較例２・・・１０８０ｍΩ
実施例１・・・５５２ｍΩ
【００４０】
４．アイオノマー層内のガス拡散抵抗の評価
実施例及び比較例で得た各々の電極試料１ｃｍ２を用いてＭＥＡを作製した。これらのＭＥＡ、セル温度８０℃、燃料ガスとしてはアノード側に水素ガス、カソード側にヘリウムガス又は窒素ガスを用いて酸素濃度２％に希釈したガスを用い、バブラー方式によってアノードガス加湿温度７７℃／カソードガス加湿温度７７℃の条件で発電させ、水素ガスを用いた場合と、窒素ガスを用いた場合とで拡散限界電流密度（Ｉｌｉｍ）をそれぞれ測定し、ガス拡散抵抗（Ｒｔｏｔａｌ）を算出した。なお、背圧は１５０ｋＰａ．ａｂｓとし、ガス流量はアノード側で０．５ｌ／ｍｉｎ、カソード側で０．６５ｌ／ｍｉｎとした。
【００４１】
ここで、ガス拡散抵抗（Ｒｔｏｔａｌ）は、溶媒ガス種に依存する分子拡散抵抗（Ｒｍｏｌ）と、溶媒ガス種に依存しないそれ以外の拡散抵抗（Ｒｏｔｈｅｒ）とを用いて次式（１）のように表される。
Ｒｔｏｔａｌ＝ＰＯ２・４Ｆ／ＲＴ・Ｉｌｉｍ＝Ｒｍｏｌ＋Ｒｏｔｈｅｒ・・・（１）
本評価においては、算出したガス拡散抵抗（Ｒｔｏｔａｌ）と、相互拡散係数比α（＝ヘリウムガスの拡散係数（ＤＨｅ）／窒素ガスの拡散係数（ＤＮ２））とから、上式（１）のＲｏｔｈｅｒを求め、このＲｏｔｈｅｒをアイオノマー層内のガス拡散抵抗として評価した。
Ｒｏｔｈｅｒは次のとおりである。この結果から、実施例１の電極試料は、他の２つの電極試料に比べてＲｏｔｈｅｒの値が低かった。このことから、実施例１の電極試料は、酸素ガスの拡散性に優れることが分かった。
比較例１・・・２９ｍ／ｓ
比較例２・・・３１ｍ／ｓ
実施例１・・・２３ｍ／ｓ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換基を有し、前記イオン交換基１モル当たりの樹脂乾燥重量を表すＥＷ値が５００〜９６０である高分子電解質を、第一の溶媒中に分散させてなる高分子電解質溶液と、ｔ−ブチルアルコールを主溶媒とする第二の溶媒と、触媒担持カーボンと、を準備する工程と、
前記高分子電解質溶液と前記触媒担持カーボンとを前記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程と、
前記触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に前記第一の溶媒と前記第二の溶媒とを除去する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項２】
前記高分子電解質がＥＷ値６５０〜７５０のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極の製造方法。
【請求項３】
前記ｔ−ブチルアルコールの前記第二の溶媒の総重量に占める割合が７５重量％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用電極の製造方法。
【請求項１】
イオン交換基を有し、前記イオン交換基１モル当たりの樹脂乾燥重量を表すＥＷ値が５００〜９６０である高分子電解質を、第一の溶媒中に分散させてなる高分子電解質溶液と、ｔ−ブチルアルコールを主溶媒とする第二の溶媒と、触媒担持カーボンと、を準備する工程と、
前記高分子電解質溶液と前記触媒担持カーボンとを前記第二の溶媒中に分散させて、触媒インクを調製する工程と、
前記触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に前記第一の溶媒と前記第二の溶媒とを除去する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【請求項２】
前記高分子電解質がＥＷ値６５０〜７５０のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極の製造方法。
【請求項３】
前記ｔ−ブチルアルコールの前記第二の溶媒の総重量に占める割合が７５重量％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用電極の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−６９２７６（Ｐ２０１２−６９２７６Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１０８９１（Ｐ２０１０−２１０８９１）
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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