燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法
【課題】燃料電池電極触媒層用インクにおいて、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出せるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有すること。
【解決手段】Ｐｔ５０％担持カーボンブラック、２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、蒸留水及びエタノールを混合し（Ｓ１０）、第１分散工程として混合物をビーズミルに入れて混合・分散を行う（Ｓ１１）。続いて、流動処理装置としてスリーワンモーター＋５ｃｍスクエア攪拌羽を用いて、１５０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍで流動処理を行った（Ｓ１２）。そして、第２分散工程として、ビーズミルまたは超音波ホモジナイザーを使用して、分散処理を行った（Ｓ１３）。得られた燃料電池電極触媒層用インク１は、連続自動塗工に対応できる分散安定性、耐攪拌性及び耐シェア性を有することが明らかとなった。
【解決手段】Ｐｔ５０％担持カーボンブラック、２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、蒸留水及びエタノールを混合し（Ｓ１０）、第１分散工程として混合物をビーズミルに入れて混合・分散を行う（Ｓ１１）。続いて、流動処理装置としてスリーワンモーター＋５ｃｍスクエア攪拌羽を用いて、１５０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍで流動処理を行った（Ｓ１２）。そして、第２分散工程として、ビーズミルまたは超音波ホモジナイザーを使用して、分散処理を行った（Ｓ１３）。得られた燃料電池電極触媒層用インク１は、連続自動塗工に対応できる分散安定性、耐攪拌性及び耐シェア性を有することが明らかとなった。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる電極の触媒層を形成する燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法に関し、特に分散安定性が高く連続自動塗布することができる燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池においては、高分子電解質膜の両面にカソード側電極及びアノード側電極を形成しており、通常、これらのカソード側電極及びアノード側電極は、白金等の触媒を担持したカーボンブラックとイオン交換樹脂からなる電極触媒層と、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン基材に導電性を付与するためのカーボンブラック粉末等と撥水性を付与するためのポリテトラフルオロエチレンディスパージョン等を混練した撥水ペーストを塗布してなるガス拡散層によって構成されている。
【０００３】
ここで、固体高分子型燃料電池を実用化するためには、電極触媒層を量産する必要があるが、電極触媒層を連続的に製造するために触媒層用インクを連続自動塗布する場合、従来の触媒層用インクは安定性が悪く、塗工作業性に問題がある。
【０００４】
そこで、特許文献１に開示された発明においては、高分子分散剤を用いて触媒層用インクの分散安定性を改善している。また、特許文献２に開示された発明においては、触媒層用インクの作製時にイオン交換樹脂を二段階に分けて添加することによって、触媒層用インクの分散安定性が改善されるとしている。
【特許文献１】特開２００３−０７７４７９号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術においては高分子分散剤を用いており、分散剤を用いずに同程度まで分散した場合と燃料電池性能を比較すると、触媒担持カーボンと高分子分散剤が優先的に接触している部分があり、その部分の触媒が利用されていないため、電池性能が低下してしまう。また、上記特許文献２に記載された技術においては、イオン交換樹脂を二回に分けて添加しても分散工程は一回だけであり、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が接触していない部分が多数存在し、充分な触媒性能を引き出すことができないという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクであって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を分散して、得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態にした後に更に分散処理をしてなるものである。
【０００８】
請求項２の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、請求項１の構成において、前記触媒担持カーボンと前記イオン交換樹脂と前記溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散したものである。
【０００９】
請求項３の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、請求項１または請求項２の構成において、前記流動状態にする時間は３時間〜２０時間の範囲内であるものである。
【００１０】
請求項４の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法は、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクの製造方法であって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散処理する第１分散工程と、前記第１分散工程において得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態に保持する流動状態保持工程と、更に分散処理を行う第２分散工程とを具備するものである。
【００１１】
請求項５の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法は、請求項４の構成において、前記流動状態保持工程における流動状態に保持する時間は３時間〜２０時間の範囲内であるものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクであって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を分散して、得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態にした後に更に分散処理をしてなる。
【００１３】
本発明者は、鋭意実験研究を積み重ねた結果、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を分散して、得られた分散液を１時間以上流動状態に保持して、その後更に分散処理をすることによって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂とが充分に均一混合されて、しかも連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。
【００１４】
ここで、特に重要なのは、一度得られた分散液を一旦流動状態に保持した後に、再度分散させることである。流動状態に保持する時間は１時間未満では不足であり、３０時間を超えると生産性が悪くなるので、１時間〜３０時間の範囲内であることが好ましい。
【００１５】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクとなる。
【００１６】
請求項２の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散した。
【００１７】
本発明者は、鋭意実験研究を積み重ねた結果、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を、まずビーズミルを用いて分散して、得られた分散液を１時間以上流動状態に保持して、その後更に分散処理をすることによって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂とが充分に均一混合されて、しかも連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。
【００１８】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクとなる。
【００１９】
請求項３の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、流動状態にする時間が３時間〜２０時間の範囲内である。流動状態に保持する時間を３時間以上とすることによって、より確実に連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られ、２０時間以内とすることによって生産性が向上する。
【００２０】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクとなる。
【００２１】
請求項４の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法は、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクの製造方法であって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散処理する第１分散工程と、第１分散工程において得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態に保持する流動状態保持工程と、更に分散処理を行う第２分散工程とを具備する。
【００２２】
本発明者は、鋭意実験研究を積み重ねた結果、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を、まずビーズミルを用いて分散して、得られた分散液を１時間以上流動状態に保持して、その後更に分散処理をすることによって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂とが充分に均一混合されて、しかも連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。
【００２３】
ここで、特に重要なのは、一度得られた分散液を一旦流動状態に保持した後に、再度分散させることである。流動状態に保持する時間は１時間未満では不足であり、３０時間を超えると生産性が悪くなるので、１時間〜３０時間の範囲内であることが好ましい。
【００２４】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクの製造方法となる。
【００２５】
請求項５の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法においては、流動状態保持工程における流動状態に保持する時間が３時間〜２０時間の範囲内である。
【００２６】
流動状態保持工程における流動状態に保持する時間を３時間以上とすることによって、より確実に連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られ、２０時間以内とすることによって、より生産性を向上させることができる。
【００２７】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクの製造方法となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法について、図１を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法を示すフローチャートである。
【００２９】
実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法について、説明する。本実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、空気極（アノード電極）用触媒層用インクである。
【００３０】
本実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インクとしての空気極用触媒層用インクは、触媒担持カーボンとしてのＰｔ（白金）５０％担持カーボンブラック、イオン交換樹脂としての和光純薬（株）製の２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、溶媒としての蒸留水及びエタノールを含有するペースト状混合物である。本実施の形態１にかかる空気極用触媒層用インクの配合を、表１に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
次に、本実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法について、図１のフローチャートを参照して説明する。最初に、Ｐｔ５０％担持カーボンブラック、２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、蒸留水及びエタノールを、表１の配合にしたがって混合する（ステップＳ１０）。そして、第１分散工程として、混合物をビーズミルに入れて混合・分散を行う（ステップＳ１１）。
【００３３】
ビーズミルとしては、浅田鉄工（株）製のＰＣＭ−Ｌ０．５ｍｍジルコニアビーズミル（分散機Ａ）、またはバッチＳＧ・２ｍｍジルコニアビーズミル（分散機Ｂ）を使用した。続いて、分散液を流動処理装置によって所定時間流動処理を行った。流動処理装置としては、スリーワンモーター＋５ｃｍスクエア攪拌羽を用いて、１５０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍで流動処理を行った（ステップＳ１２）。
【００３４】
そして、第２分散工程として、上記分散機Ａ、またはＳＭＴ製超音波ホモジナイザーＵＨ−３００（分散機Ｃ）を使用して、分散処理を行った（ステップＳ１３）。以上の工程によって、本実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インク１を製造した。なお、バッチスケールは、第１分散工程が３００ｇ、流動処理工程が２００ｇ、第２分散工程が２００ｇである。使用した分散機について、表２にまとめて示す。
【００３５】
【表２】
【００３６】
このような製造工程において、分散条件または流動処理時間を変化させて、実施例１乃至実施例５にかかる燃料電池電極触媒層用インク１を製造した。また、比較のために、図１のフローチャートに示される製造工程と一部異なる製造工程によって、比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクを製造した。実施例１乃至実施例５、及び比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造条件について、表３の上段にまとめて示す。
【００３７】
【表３】
【００３８】
表３の上段に示されるように、実施例１乃至実施例５にかかる燃料電池電極触媒層用インク１の製造工程においては、第１分散処理を全てビーズミル（分散機Ａまたは分散機Ｂ）によって行っており、流動処理を３時間以上行っており、第２分散処理を必ず行っている。したがって、実施例１乃至実施例５にかかる燃料電池電極触媒層用インク１及びその製造方法は、本発明の請求項１乃至請求項４にかかる条件を全て満たしている。
【００３９】
これに対して、表３の上段に示されるように、比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造工程においては、第１分散処理を超音波分散（分散機Ｃ）で行っていたり、流動処理を１時間未満しか、または全く行っていなかったり、第２分散処理を行っていなかったりしており、本発明の請求項１及び請求項３にかかる条件から、いずれかの条件が外れている。
【００４０】
これらの実施例１乃至実施例５、及び比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクについて、特性評価を行った。具体的には、製造完了時のメジアン径及び保存安定性を評価するために２０℃で２週間静置後のメジアン径を測定し、連続自動塗工に対する適正評価としては耐攪拌性を評価し、送液ポンプ内での耐シェア性を見るためには粘度上昇を測定した。
【００４１】
メジアン径は、（株）堀場製作所製のＨＯＲＩＢＡ・ＬＡ−９１０を用いて測定した。耐攪拌性は、燃料電池電極触媒層用インク１５０ｇをＰＴＦＥ製５ｃｍスクエア羽にて１５０ｒｐｍで１０時間攪拌し、凝集及び粘度上昇の有無を調べて、凝集及び粘度上昇の見られなかったものを○、凝集または粘度上昇の見られたものを×と評価した。耐シェア性は、Ｅ型粘度計で２００ｓ−１（１°３４′Ｒ２４ローター５３ｒｐｍ）のせん断を３分間かけて、粘度上昇の見られなかったものを○、粘度上昇の見られたものを×と評価した。各評価結果を、表３の下段にまとめて示す。
【００４２】
表３の下段に示されるように、実施例１乃至実施例５にかかる燃料電池電極触媒層用インク１においては、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径といずれも全く変化しておらず、分散安定性に優れていることが分かった。また、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性もいずれも○の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性もいずれも○の評価であり、総合判定で全て○の評価となった。
【００４３】
これに対して、比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、表３の下段に示されるように、比較例４を除いて、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径よりもいずれも増加しており、また比較例４においては２０μｍ程度の未分散粒子が残っていた。更に、比較例３及び比較例４を除いて、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性もいずれも×の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性もいずれも×の評価であった。これによって、総合判定は全て△または×の評価となった。
【００４４】
このようにして、本実施の形態１にかかる実施例１乃至実施例５の製造方法による燃料電池電極触媒層用インク１においては、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性、連続自動塗工に対する適正を示す耐攪拌性及び送液ポンプ内での耐シェア性を有することが明らかとなった。
【００４５】
実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法について、説明する。本実施の形態２にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、燃料極（カソード電極）用触媒層用インクである。
【００４６】
本実施の形態２にかかる燃料電池電極触媒層用インクとしての燃料極用触媒層用インクは、触媒担持カーボンとしてのＰｔ（白金）５０％担持カーボンブラック、イオン交換樹脂としての和光純薬（株）製の２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、溶媒としての蒸留水及びエタノールを含有するペースト状混合物である。本実施の形態２にかかる燃料極用触媒層用インクの配合を、表４に示す。
【００４７】
【表４】
【００４８】
製造手順は、図１のフローチャートに示される上記実施の形態１の製造手順と同様である。なお、バッチスケールは、第１分散工程が３００ｇ、流動処理工程が２００ｇ、第２分散工程が２００ｇである。使用した分散機について、表５にまとめて示す。
【００４９】
【表５】
【００５０】
このような製造工程において、分散条件または流動処理時間を変化させて、実施例６乃至実施例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクを製造した。また、比較のために、図１のフローチャートに示される製造工程と一部異なる製造工程によって、比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクを製造した。実施例６乃至実施例１０、及び比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造条件について、表６の上段にまとめて示す。
【００５１】
【表６】
【００５２】
表６の上段に示されるように、実施例６乃至実施例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造工程においては、第１分散処理を全てビーズミル（分散機Ａまたは分散機Ｂ）によって行っており、流動処理を３時間以上行っており、第２分散処理を必ず行っている。したがって、実施例６乃至実施例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法は、本発明の請求項１乃至請求項４にかかる条件を全て満たしている。
【００５３】
これに対して、表６の上段に示されるように、比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造工程においては、第１分散処理を超音波分散（分散機Ｃ）で行っていたり、流動処理を１時間未満しか、または全く行っていなかったり、第２分散処理を行っていなかったりしており、本発明の請求項１及び請求項３にかかる条件から、いずれかの条件が外れている。
【００５４】
これらの実施例６乃至実施例１０、及び比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクについて、特性評価を行った。具体的には、製造完了時のメジアン径及び保存安定性を評価するために２０℃で２週間静置後のメジアン径を測定し、連続自動塗工に対する適正評価としては耐攪拌性を評価し、送液ポンプ内での耐シェア性を見るためには粘度上昇を測定した。
【００５５】
メジアン径は、（株）堀場製作所製のＨＯＲＩＢＡ・ＬＡ−９１０を用いて測定した。耐攪拌性は、燃料電池電極触媒層用インク１５０ｇをＰＴＦＥ製５ｃｍスクエア羽にて１５０ｒｐｍで１０時間攪拌し、凝集及び粘度上昇の有無を調べて、凝集及び粘度上昇の見られなかったものを○、凝集または粘度上昇の見られたものを×と評価した。耐シェア性は、Ｅ型粘度計で２００ｓ−１（１°３４′Ｒ２４ローター５３ｒｐｍ）のせん断を３分間かけて、粘度上昇の見られなかったものを○、粘度上昇の見られたものを×と評価した。各評価結果を、表６の下段にまとめて示す。
【００５６】
表６の下段に示されるように、実施例６乃至実施例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径といずれも全く変化しておらず、分散安定性に優れていることが分かった。また、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性もいずれも○の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性もいずれも○の評価であり、総合判定で全て○の評価となった。
【００５７】
これに対して、比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、表６の下段に示されるように、比較例９及び比較例１０を除いて、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径よりもいずれも増加しており、また比較例１０においては２０μｍ程度の未分散粒子が残っていた。更に、比較例７乃至比較例１０のいずれにおいても、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性も×の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性も×の評価であった。これによって、総合判定は全て×の評価となった。
【００５８】
このようにして、本実施の形態２にかかる実施例６乃至実施例１０の製造方法による燃料電池電極触媒層用インクにおいては、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性、連続自動塗工に対する適正を示す耐攪拌性及び送液ポンプ内での耐シェア性を有することが明らかとなった。
【００５９】
実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法について、説明する。本実施の形態３にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、実施の形態１と同様の空気極（アノード電極）用触媒層用インクである。
【００６０】
本実施の形態３にかかる燃料電池電極触媒層用インクとしての空気極用触媒層用インクは、触媒担持カーボンとしてのＰｔ（白金）５０％担持カーボンブラック、イオン交換樹脂としての和光純薬（株）製の２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、溶媒としての蒸留水及びエタノールを含有するペースト状混合物である。本実施の形態３にかかる燃料極用触媒層用インクの配合を、表７に示す。
【００６１】
【表７】
【００６２】
製造手順は、図１のフローチャートに示される上記実施の形態１の製造手順と同様である。バッチスケール及び使用した分散機Ａ，分散機Ｃについては、上記実施の形態１及び上記実施の形態２と同様である。
【００６３】
このような製造工程において、比較のために流動処理時間を変化させて、実施例１１及び比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクを製造した。実施例１１及び比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造条件について、表８の上段にまとめて示す。
【００６４】
【表８】
【００６５】
表８の上段に示されるように、実施例１１及び比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造工程においては、第１分散処理をビーズミル（分散機Ａ）によって行っており、流動処理を行っており、第２分散処理も行っている（分散機Ｃ）。実施例１１と比較例１１との相違点は、実施例１１の流動処理時間が１０時間であるのに対して、比較例１１の流動処理時間が０．５時間で、本発明の請求項１及び請求項３にかかる条件を満たしていない点のみである。
【００６６】
これらの実施例１１及び比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクについて、特性評価を行った。具体的には、製造完了時のメジアン径及び保存安定性を評価するために２０℃で２週間静置後のメジアン径を測定し、連続自動塗工に対する適正評価としては耐攪拌性を評価し、送液ポンプ内での耐シェア性を見るためには粘度上昇を測定した。
【００６７】
メジアン径は、（株）堀場製作所製のＨＯＲＩＢＡ・ＬＡ−９１０を用いて測定した。耐攪拌性は、燃料電池電極触媒層用インク１５０ｇをＰＴＦＥ製５ｃｍスクエア羽にて１５０ｒｐｍで１０時間攪拌し、凝集及び粘度上昇の有無を調べて、凝集及び粘度上昇の見られなかったものを○、凝集または粘度上昇の見られたものを×と評価した。耐シェア性は、Ｅ型粘度計で２００ｓ−１（１°３４′Ｒ２４ローター５３ｒｐｍ）のせん断を３分間かけて、粘度上昇の見られなかったものを○、粘度上昇の見られたものを×と評価した。評価結果を、表８の下段にまとめて示す。
【００６８】
表８の下段に示されるように、実施例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径といずれも全く変化しておらず、分散安定性に優れていることが分かった。また、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性も○の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性も○の評価であり、総合判定で全て○の評価となった。
【００６９】
これに対して、比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、表８の下段に示されるように、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径よりも増加しており、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性も×の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性も×の評価であった。これによって、総合判定は×の評価となった。
【００７０】
このようにして、本実施の形態３にかかる実施例１１の製造方法による燃料電池電極触媒層用インクにおいては、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性、連続自動塗工に対する適正を示す耐攪拌性及び送液ポンプ内での耐シェア性を有することが明らかとなった。
【００７１】
上記各実施の形態においては、触媒担持カーボンとしてＰｔ（白金）５０％担持カーボンブラックを、イオン交換樹脂として和光純薬（株）製の２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョンを、溶媒として蒸留水及びエタノールを用いた場合について説明したが、触媒担持カーボン、イオン交換樹脂、溶媒としては、これらに限られるものではない。
【００７２】
本発明を実施するに際しては、燃料電池電極触媒層用インクのその他の構成、成分、材料、配合、形状、大きさ、製造方法等についても、燃料電池電極触媒層用インクの製造方法のその他の工程についても、上記各実施の形態に限定されるものではない。
なお、本発明の実施の形態で上げている数値は、臨界値を示すものではなく、実施に好適な好適値を示すものであるから、上記数値を若干変更しても実施を否定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７４】
１ 燃料電池電極触媒層用インク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる電極の触媒層を形成する燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法に関し、特に分散安定性が高く連続自動塗布することができる燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池においては、高分子電解質膜の両面にカソード側電極及びアノード側電極を形成しており、通常、これらのカソード側電極及びアノード側電極は、白金等の触媒を担持したカーボンブラックとイオン交換樹脂からなる電極触媒層と、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン基材に導電性を付与するためのカーボンブラック粉末等と撥水性を付与するためのポリテトラフルオロエチレンディスパージョン等を混練した撥水ペーストを塗布してなるガス拡散層によって構成されている。
【０００３】
ここで、固体高分子型燃料電池を実用化するためには、電極触媒層を量産する必要があるが、電極触媒層を連続的に製造するために触媒層用インクを連続自動塗布する場合、従来の触媒層用インクは安定性が悪く、塗工作業性に問題がある。
【０００４】
そこで、特許文献１に開示された発明においては、高分子分散剤を用いて触媒層用インクの分散安定性を改善している。また、特許文献２に開示された発明においては、触媒層用インクの作製時にイオン交換樹脂を二段階に分けて添加することによって、触媒層用インクの分散安定性が改善されるとしている。
【特許文献１】特開２００３−０７７４７９号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術においては高分子分散剤を用いており、分散剤を用いずに同程度まで分散した場合と燃料電池性能を比較すると、触媒担持カーボンと高分子分散剤が優先的に接触している部分があり、その部分の触媒が利用されていないため、電池性能が低下してしまう。また、上記特許文献２に記載された技術においては、イオン交換樹脂を二回に分けて添加しても分散工程は一回だけであり、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が接触していない部分が多数存在し、充分な触媒性能を引き出すことができないという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクであって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を分散して、得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態にした後に更に分散処理をしてなるものである。
【０００８】
請求項２の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、請求項１の構成において、前記触媒担持カーボンと前記イオン交換樹脂と前記溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散したものである。
【０００９】
請求項３の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、請求項１または請求項２の構成において、前記流動状態にする時間は３時間〜２０時間の範囲内であるものである。
【００１０】
請求項４の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法は、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクの製造方法であって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散処理する第１分散工程と、前記第１分散工程において得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態に保持する流動状態保持工程と、更に分散処理を行う第２分散工程とを具備するものである。
【００１１】
請求項５の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法は、請求項４の構成において、前記流動状態保持工程における流動状態に保持する時間は３時間〜２０時間の範囲内であるものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクであって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を分散して、得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態にした後に更に分散処理をしてなる。
【００１３】
本発明者は、鋭意実験研究を積み重ねた結果、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を分散して、得られた分散液を１時間以上流動状態に保持して、その後更に分散処理をすることによって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂とが充分に均一混合されて、しかも連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。
【００１４】
ここで、特に重要なのは、一度得られた分散液を一旦流動状態に保持した後に、再度分散させることである。流動状態に保持する時間は１時間未満では不足であり、３０時間を超えると生産性が悪くなるので、１時間〜３０時間の範囲内であることが好ましい。
【００１５】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクとなる。
【００１６】
請求項２の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散した。
【００１７】
本発明者は、鋭意実験研究を積み重ねた結果、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を、まずビーズミルを用いて分散して、得られた分散液を１時間以上流動状態に保持して、その後更に分散処理をすることによって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂とが充分に均一混合されて、しかも連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。
【００１８】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクとなる。
【００１９】
請求項３の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、流動状態にする時間が３時間〜２０時間の範囲内である。流動状態に保持する時間を３時間以上とすることによって、より確実に連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られ、２０時間以内とすることによって生産性が向上する。
【００２０】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクとなる。
【００２１】
請求項４の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法は、高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクの製造方法であって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散処理する第１分散工程と、第１分散工程において得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態に保持する流動状態保持工程と、更に分散処理を行う第２分散工程とを具備する。
【００２２】
本発明者は、鋭意実験研究を積み重ねた結果、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を、まずビーズミルを用いて分散して、得られた分散液を１時間以上流動状態に保持して、その後更に分散処理をすることによって、触媒担持カーボンとイオン交換樹脂とが充分に均一混合されて、しかも連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。
【００２３】
ここで、特に重要なのは、一度得られた分散液を一旦流動状態に保持した後に、再度分散させることである。流動状態に保持する時間は１時間未満では不足であり、３０時間を超えると生産性が悪くなるので、１時間〜３０時間の範囲内であることが好ましい。
【００２４】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクの製造方法となる。
【００２５】
請求項５の発明にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法においては、流動状態保持工程における流動状態に保持する時間が３時間〜２０時間の範囲内である。
【００２６】
流動状態保持工程における流動状態に保持する時間を３時間以上とすることによって、より確実に連続自動塗工に対応するための貯蔵安定性と耐攪拌性と耐シェア性とを有する燃料電池電極触媒層用インクが得られ、２０時間以内とすることによって、より生産性を向上させることができる。
【００２７】
このようにして、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性を有する燃料電池電極触媒層用インクの製造方法となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法について、図１を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法を示すフローチャートである。
【００２９】
実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法について、説明する。本実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、空気極（アノード電極）用触媒層用インクである。
【００３０】
本実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インクとしての空気極用触媒層用インクは、触媒担持カーボンとしてのＰｔ（白金）５０％担持カーボンブラック、イオン交換樹脂としての和光純薬（株）製の２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、溶媒としての蒸留水及びエタノールを含有するペースト状混合物である。本実施の形態１にかかる空気極用触媒層用インクの配合を、表１に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
次に、本実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法について、図１のフローチャートを参照して説明する。最初に、Ｐｔ５０％担持カーボンブラック、２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、蒸留水及びエタノールを、表１の配合にしたがって混合する（ステップＳ１０）。そして、第１分散工程として、混合物をビーズミルに入れて混合・分散を行う（ステップＳ１１）。
【００３３】
ビーズミルとしては、浅田鉄工（株）製のＰＣＭ−Ｌ０．５ｍｍジルコニアビーズミル（分散機Ａ）、またはバッチＳＧ・２ｍｍジルコニアビーズミル（分散機Ｂ）を使用した。続いて、分散液を流動処理装置によって所定時間流動処理を行った。流動処理装置としては、スリーワンモーター＋５ｃｍスクエア攪拌羽を用いて、１５０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍで流動処理を行った（ステップＳ１２）。
【００３４】
そして、第２分散工程として、上記分散機Ａ、またはＳＭＴ製超音波ホモジナイザーＵＨ−３００（分散機Ｃ）を使用して、分散処理を行った（ステップＳ１３）。以上の工程によって、本実施の形態１にかかる燃料電池電極触媒層用インク１を製造した。なお、バッチスケールは、第１分散工程が３００ｇ、流動処理工程が２００ｇ、第２分散工程が２００ｇである。使用した分散機について、表２にまとめて示す。
【００３５】
【表２】
【００３６】
このような製造工程において、分散条件または流動処理時間を変化させて、実施例１乃至実施例５にかかる燃料電池電極触媒層用インク１を製造した。また、比較のために、図１のフローチャートに示される製造工程と一部異なる製造工程によって、比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクを製造した。実施例１乃至実施例５、及び比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造条件について、表３の上段にまとめて示す。
【００３７】
【表３】
【００３８】
表３の上段に示されるように、実施例１乃至実施例５にかかる燃料電池電極触媒層用インク１の製造工程においては、第１分散処理を全てビーズミル（分散機Ａまたは分散機Ｂ）によって行っており、流動処理を３時間以上行っており、第２分散処理を必ず行っている。したがって、実施例１乃至実施例５にかかる燃料電池電極触媒層用インク１及びその製造方法は、本発明の請求項１乃至請求項４にかかる条件を全て満たしている。
【００３９】
これに対して、表３の上段に示されるように、比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造工程においては、第１分散処理を超音波分散（分散機Ｃ）で行っていたり、流動処理を１時間未満しか、または全く行っていなかったり、第２分散処理を行っていなかったりしており、本発明の請求項１及び請求項３にかかる条件から、いずれかの条件が外れている。
【００４０】
これらの実施例１乃至実施例５、及び比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクについて、特性評価を行った。具体的には、製造完了時のメジアン径及び保存安定性を評価するために２０℃で２週間静置後のメジアン径を測定し、連続自動塗工に対する適正評価としては耐攪拌性を評価し、送液ポンプ内での耐シェア性を見るためには粘度上昇を測定した。
【００４１】
メジアン径は、（株）堀場製作所製のＨＯＲＩＢＡ・ＬＡ−９１０を用いて測定した。耐攪拌性は、燃料電池電極触媒層用インク１５０ｇをＰＴＦＥ製５ｃｍスクエア羽にて１５０ｒｐｍで１０時間攪拌し、凝集及び粘度上昇の有無を調べて、凝集及び粘度上昇の見られなかったものを○、凝集または粘度上昇の見られたものを×と評価した。耐シェア性は、Ｅ型粘度計で２００ｓ−１（１°３４′Ｒ２４ローター５３ｒｐｍ）のせん断を３分間かけて、粘度上昇の見られなかったものを○、粘度上昇の見られたものを×と評価した。各評価結果を、表３の下段にまとめて示す。
【００４２】
表３の下段に示されるように、実施例１乃至実施例５にかかる燃料電池電極触媒層用インク１においては、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径といずれも全く変化しておらず、分散安定性に優れていることが分かった。また、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性もいずれも○の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性もいずれも○の評価であり、総合判定で全て○の評価となった。
【００４３】
これに対して、比較例１乃至比較例６にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、表３の下段に示されるように、比較例４を除いて、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径よりもいずれも増加しており、また比較例４においては２０μｍ程度の未分散粒子が残っていた。更に、比較例３及び比較例４を除いて、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性もいずれも×の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性もいずれも×の評価であった。これによって、総合判定は全て△または×の評価となった。
【００４４】
このようにして、本実施の形態１にかかる実施例１乃至実施例５の製造方法による燃料電池電極触媒層用インク１においては、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性、連続自動塗工に対する適正を示す耐攪拌性及び送液ポンプ内での耐シェア性を有することが明らかとなった。
【００４５】
実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法について、説明する。本実施の形態２にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、燃料極（カソード電極）用触媒層用インクである。
【００４６】
本実施の形態２にかかる燃料電池電極触媒層用インクとしての燃料極用触媒層用インクは、触媒担持カーボンとしてのＰｔ（白金）５０％担持カーボンブラック、イオン交換樹脂としての和光純薬（株）製の２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、溶媒としての蒸留水及びエタノールを含有するペースト状混合物である。本実施の形態２にかかる燃料極用触媒層用インクの配合を、表４に示す。
【００４７】
【表４】
【００４８】
製造手順は、図１のフローチャートに示される上記実施の形態１の製造手順と同様である。なお、バッチスケールは、第１分散工程が３００ｇ、流動処理工程が２００ｇ、第２分散工程が２００ｇである。使用した分散機について、表５にまとめて示す。
【００４９】
【表５】
【００５０】
このような製造工程において、分散条件または流動処理時間を変化させて、実施例６乃至実施例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクを製造した。また、比較のために、図１のフローチャートに示される製造工程と一部異なる製造工程によって、比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクを製造した。実施例６乃至実施例１０、及び比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造条件について、表６の上段にまとめて示す。
【００５１】
【表６】
【００５２】
表６の上段に示されるように、実施例６乃至実施例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造工程においては、第１分散処理を全てビーズミル（分散機Ａまたは分散機Ｂ）によって行っており、流動処理を３時間以上行っており、第２分散処理を必ず行っている。したがって、実施例６乃至実施例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インク及びその製造方法は、本発明の請求項１乃至請求項４にかかる条件を全て満たしている。
【００５３】
これに対して、表６の上段に示されるように、比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造工程においては、第１分散処理を超音波分散（分散機Ｃ）で行っていたり、流動処理を１時間未満しか、または全く行っていなかったり、第２分散処理を行っていなかったりしており、本発明の請求項１及び請求項３にかかる条件から、いずれかの条件が外れている。
【００５４】
これらの実施例６乃至実施例１０、及び比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクについて、特性評価を行った。具体的には、製造完了時のメジアン径及び保存安定性を評価するために２０℃で２週間静置後のメジアン径を測定し、連続自動塗工に対する適正評価としては耐攪拌性を評価し、送液ポンプ内での耐シェア性を見るためには粘度上昇を測定した。
【００５５】
メジアン径は、（株）堀場製作所製のＨＯＲＩＢＡ・ＬＡ−９１０を用いて測定した。耐攪拌性は、燃料電池電極触媒層用インク１５０ｇをＰＴＦＥ製５ｃｍスクエア羽にて１５０ｒｐｍで１０時間攪拌し、凝集及び粘度上昇の有無を調べて、凝集及び粘度上昇の見られなかったものを○、凝集または粘度上昇の見られたものを×と評価した。耐シェア性は、Ｅ型粘度計で２００ｓ−１（１°３４′Ｒ２４ローター５３ｒｐｍ）のせん断を３分間かけて、粘度上昇の見られなかったものを○、粘度上昇の見られたものを×と評価した。各評価結果を、表６の下段にまとめて示す。
【００５６】
表６の下段に示されるように、実施例６乃至実施例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径といずれも全く変化しておらず、分散安定性に優れていることが分かった。また、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性もいずれも○の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性もいずれも○の評価であり、総合判定で全て○の評価となった。
【００５７】
これに対して、比較例７乃至比較例１０にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、表６の下段に示されるように、比較例９及び比較例１０を除いて、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径よりもいずれも増加しており、また比較例１０においては２０μｍ程度の未分散粒子が残っていた。更に、比較例７乃至比較例１０のいずれにおいても、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性も×の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性も×の評価であった。これによって、総合判定は全て×の評価となった。
【００５８】
このようにして、本実施の形態２にかかる実施例６乃至実施例１０の製造方法による燃料電池電極触媒層用インクにおいては、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性、連続自動塗工に対する適正を示す耐攪拌性及び送液ポンプ内での耐シェア性を有することが明らかとなった。
【００５９】
実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法について、説明する。本実施の形態３にかかる燃料電池電極触媒層用インクは、実施の形態１と同様の空気極（アノード電極）用触媒層用インクである。
【００６０】
本実施の形態３にかかる燃料電池電極触媒層用インクとしての空気極用触媒層用インクは、触媒担持カーボンとしてのＰｔ（白金）５０％担持カーボンブラック、イオン交換樹脂としての和光純薬（株）製の２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョン、溶媒としての蒸留水及びエタノールを含有するペースト状混合物である。本実施の形態３にかかる燃料極用触媒層用インクの配合を、表７に示す。
【００６１】
【表７】
【００６２】
製造手順は、図１のフローチャートに示される上記実施の形態１の製造手順と同様である。バッチスケール及び使用した分散機Ａ，分散機Ｃについては、上記実施の形態１及び上記実施の形態２と同様である。
【００６３】
このような製造工程において、比較のために流動処理時間を変化させて、実施例１１及び比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクを製造した。実施例１１及び比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造条件について、表８の上段にまとめて示す。
【００６４】
【表８】
【００６５】
表８の上段に示されるように、実施例１１及び比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造工程においては、第１分散処理をビーズミル（分散機Ａ）によって行っており、流動処理を行っており、第２分散処理も行っている（分散機Ｃ）。実施例１１と比較例１１との相違点は、実施例１１の流動処理時間が１０時間であるのに対して、比較例１１の流動処理時間が０．５時間で、本発明の請求項１及び請求項３にかかる条件を満たしていない点のみである。
【００６６】
これらの実施例１１及び比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクについて、特性評価を行った。具体的には、製造完了時のメジアン径及び保存安定性を評価するために２０℃で２週間静置後のメジアン径を測定し、連続自動塗工に対する適正評価としては耐攪拌性を評価し、送液ポンプ内での耐シェア性を見るためには粘度上昇を測定した。
【００６７】
メジアン径は、（株）堀場製作所製のＨＯＲＩＢＡ・ＬＡ−９１０を用いて測定した。耐攪拌性は、燃料電池電極触媒層用インク１５０ｇをＰＴＦＥ製５ｃｍスクエア羽にて１５０ｒｐｍで１０時間攪拌し、凝集及び粘度上昇の有無を調べて、凝集及び粘度上昇の見られなかったものを○、凝集または粘度上昇の見られたものを×と評価した。耐シェア性は、Ｅ型粘度計で２００ｓ−１（１°３４′Ｒ２４ローター５３ｒｐｍ）のせん断を３分間かけて、粘度上昇の見られなかったものを○、粘度上昇の見られたものを×と評価した。評価結果を、表８の下段にまとめて示す。
【００６８】
表８の下段に示されるように、実施例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径といずれも全く変化しておらず、分散安定性に優れていることが分かった。また、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性も○の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性も○の評価であり、総合判定で全て○の評価となった。
【００６９】
これに対して、比較例１１にかかる燃料電池電極触媒層用インクにおいては、表８の下段に示されるように、２０℃で２週間静置後のメジアン径は製造完了時のメジアン径よりも増加しており、製造１日後の耐攪拌性も製造２週間後の耐攪拌性も×の評価であり、製造１日後の耐シェア性も製造２週間後の耐シェア性も×の評価であった。これによって、総合判定は×の評価となった。
【００７０】
このようにして、本実施の形態３にかかる実施例１１の製造方法による燃料電池電極触媒層用インクにおいては、触媒担持カーボンにイオン交換樹脂が充分に接触して良好な電池性能を引き出すことができるとともに、連続自動塗工に対応できる分散安定性、連続自動塗工に対する適正を示す耐攪拌性及び送液ポンプ内での耐シェア性を有することが明らかとなった。
【００７１】
上記各実施の形態においては、触媒担持カーボンとしてＰｔ（白金）５０％担持カーボンブラックを、イオン交換樹脂として和光純薬（株）製の２０％Ｎａｆｉｏｎディスパージョンを、溶媒として蒸留水及びエタノールを用いた場合について説明したが、触媒担持カーボン、イオン交換樹脂、溶媒としては、これらに限られるものではない。
【００７２】
本発明を実施するに際しては、燃料電池電極触媒層用インクのその他の構成、成分、材料、配合、形状、大きさ、製造方法等についても、燃料電池電極触媒層用インクの製造方法のその他の工程についても、上記各実施の形態に限定されるものではない。
なお、本発明の実施の形態で上げている数値は、臨界値を示すものではなく、実施に好適な好適値を示すものであるから、上記数値を若干変更しても実施を否定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は本発明の実施の形態にかかる燃料電池電極触媒層用インクの製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７４】
１ 燃料電池電極触媒層用インク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクであって、
触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を分散して、得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態にした後に更に分散処理をしてなることを特徴とする燃料電池電極触媒層用インク。
【請求項２】
前記触媒担持カーボンと前記イオン交換樹脂と前記溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電極触媒層用インク。
【請求項３】
前記流動状態にする時間は３時間〜２０時間の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池電極触媒層用インク。
【請求項４】
高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクの製造方法であって、
触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散処理する第１分散工程と、
前記第１分散工程において得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態に保持する流動状態保持工程と、
更に分散処理を行う第２分散工程と
を具備することを特徴とする燃料電池電極触媒層用インクの製造方法。
【請求項５】
前記流動状態保持工程における流動状態に保持する時間は３時間〜２０時間の範囲内であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池電極触媒層用インクの製造方法。
【請求項１】
高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクであって、
触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液を分散して、得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態にした後に更に分散処理をしてなることを特徴とする燃料電池電極触媒層用インク。
【請求項２】
前記触媒担持カーボンと前記イオン交換樹脂と前記溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電極触媒層用インク。
【請求項３】
前記流動状態にする時間は３時間〜２０時間の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池電極触媒層用インク。
【請求項４】
高分子電解質膜を中心として構成される固体高分子型燃料電池の触媒層を形成するための燃料電池電極触媒層用インクの製造方法であって、
触媒担持カーボンとイオン交換樹脂と溶媒とを含有する混合液をビーズミルを用いて分散処理する第１分散工程と、
前記第１分散工程において得られた分散液を１時間〜３０時間流動状態に保持する流動状態保持工程と、
更に分散処理を行う第２分散工程と
を具備することを特徴とする燃料電池電極触媒層用インクの製造方法。
【請求項５】
前記流動状態保持工程における流動状態に保持する時間は３時間〜２０時間の範囲内であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池電極触媒層用インクの製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２００８−２３４９１０（Ｐ２００８−２３４９１０Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７０５２７（Ｐ２００７−７０５２７）
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【出願人】（０００１００７８０）アイシン化工株式会社 (171)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【出願人】（０００１００７８０）アイシン化工株式会社 (171)
【Ｆターム（参考）】
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