膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池
【課題】白金等の触媒物質の使用量を低減し、電極触媒層の厚みが薄くなる場合でも、放熱性にすぐれ、ドライアップを防ぐ膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供すること。
【解決手段】高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体であって、電極触媒層は高分子電解質及び触媒物質と担持したカーボン担体を備え、電極触媒層の厚みが１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であり、且つ、電極触媒層の一方が、触媒物質を担持していない無担持カーボン担体を含有することを特徴とする膜電極接合体。
【解決手段】高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体であって、電極触媒層は高分子電解質及び触媒物質と担持したカーボン担体を備え、電極触媒層の厚みが１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であり、且つ、電極触媒層の一方が、触媒物質を担持していない無担持カーボン担体を含有することを特徴とする膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。さらに詳しくは、放熱性にすぐれ、ドライアップを防ぐ膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素、酸素を燃料として、水の電気分解の逆反応を起こさせることにより電気を生み出す発電システムである。これは、従来の発電方式と比較して高効率、低環境負荷、低騒音といった特徴を持ち、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。燃料電池に用いる電解質により燃料電池を分類することができる。燃料電池の種類には、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子形燃料電池等がある。
【０００３】
燃料電池の中でも、固体高分子形燃料電池は低温領域での運転が可能であり、８０℃〜１００℃の運転温度で使用されるのが一般的であり、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いる。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれる高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を備え、一方の電極触媒層に水素を含有する燃料ガスを供給し、他方の電極触媒層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燃料電池である。ここで、燃料ガスを供給する電極を燃料極といい、酸化剤ガスを供給する電極を空気極という。
【０００４】
燃料極及び空気極には、それぞれ触媒物質が備えられる。触媒物質としては、白金や白金合金のような金属触媒粒子等の触媒活性物質を炭素粒子などの導電性材料に担持させたものが一般的である。触媒物質として用いられている白金等の金属触媒は非常に高価な材料であるため、燃料電池の実用化にあたり、白金使用量の低下が望まれている。
【０００５】
しかし、白金使用量を低減すると、電極触媒層の厚みが薄くなりガス拡散性が上がり、白金利用率が向上する。しかしながら、電極触媒層の厚みが薄くなることにより、電極触媒層全体の表面積が減少し、触媒反応熱の放熱性が下がる。すると、電極触媒層の温度が触媒反応熱の蓄熱により上昇し、更には、固体高分子電解質膜の温度も上昇してしまう。セル温度上昇以前と同等の加湿ガスを輸送しても、相対的に乾燥雰囲気となり、ドライアップと呼ばれる現象が起き、発電特性が低下するという問題がある。ここで、ドライアップとは固体高分子電解質膜の含水率が低下し、イオン伝導率が低下する現象をいう。
【０００６】
特許文献１には、膜電極接合体の触媒層をグラファイト系のカーボンによって形成する技術が開示されている（特許文献１参照）。しかし、特許文献１に記載の技術では、触媒層を硬くしているため、高分子電解質膜への突き刺しを防ぐことができるものの、触媒層全体の表面積が減少し、触媒反応熱の放熱性が下がり、ドライアップと呼ばれる現象が起き、発電特性が低下してしまう。
【特許文献１】特開２００７−２６７２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、白金等の触媒物質の使用量を低減し、電極触媒層の厚みが薄くなる場合でも、放熱性にすぐれ、ドライアップを防ぐ膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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る本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明の請求項１に係る発明は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体であって、電極触媒層は高分子電解質及び触媒物質と担持したカーボン担体を備え、電極触媒層の厚みが１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であり、且つ、電極触媒層の一方が、触媒物質を担持していない無担持カーボン担体を含有することを特徴とする膜電極接合体としたものである。
【００１０】
本発明の請求項２に係る発明は、無担持担体が、炭素粒子、炭素繊維、黒鉛化炭素粒子、黒鉛化炭素繊維、カーボンナノチューブ、ナノホーン、フラーレン、または、セラミックスや金属酸化物のいずれかにより、一つまたは二つ以上、選択されることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体としたものである。
【００１１】
本発明の請求項３に係る発明は、電極触媒層において、無担持カーボン担体の割合が無担持カーボン担体と触媒物質を担持したカーボン単体の合計の重量に対し重量比で５％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の膜電極接合体としたものである。
【００１２】
本発明の請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の膜電極接合体を一対のガス拡散層で狭持し、且つ、一対の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される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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、白金等の触媒物質の使用量を低減し、電極触媒層の厚みが薄くなる場合でも、放熱性にすぐれ、ドライアップを防ぐ膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）及び固体高分子形燃料電池について説明する。なお、本発明は、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、当該者の知識に基づいて設計の変更等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。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体（ＭＥＡ）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（ＭＥＡ）１２は、固体高分子電解質膜１と、固体高分子電解質膜１の一方の面に電極触媒層（空気極側）２と、固体高分子電解質膜１のもう一方の面に電極触媒層（燃料極側）３とを備えている。さらに、図示しないが電極触媒層２上に空気極側ガス拡散層、電極触媒層３上に燃料極側ガス拡散層を備えている。
【００１６】
本発明の実施の形態に係る膜電極接合体（ＭＥＡ）１２は、電極触媒層２及び電極触媒層３の一方が触媒物質を担持していない無担持担体を含有している。無担持担体を含有することで、所望の電極触媒層の厚みを得ることができる。よって、電極触媒層の全表面積は増大し、触媒反応熱を随時放熱しやすく、特に高負荷領域での発電時、触媒反応熱によるセル温度上昇に伴うドライアップを防ぐことができる。また、ガス拡散層を形成する炭素繊維の高分子電解質膜１への突き刺しを防ぐことができる。
【００１７】
本発明の実施の形態に係る電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みは、１μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。特に好ましくは電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みが２μｍ以上８μｍ以下である。電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みが１μｍ未満の場合には、触媒物質が少なくなり、期待する発電特性が得られない。また、電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みが１０μｍを超える場合には、無担持担体を含有したことによる効果的な放熱性が得られなくなってしまう。
【００１８】
本発明の実施の形態においては、電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みが１μｍ以上１０μ以下の膜電極接合体１２にあっても、無担持担体を用いることにより電極触媒層全体の表面積を増加させ、白金等の使用量を増やすことなく放熱性を向上させることができる。また、無担持担体を用いることにより触媒物質の使用量を増やすことなく、電極触媒層の厚みを増加させることができる。さらには、無担持担体を用いることにより隣接して設けられるガス拡散層の炭素繊維の高分子電解質膜１への突き刺しを防ぐことができる。
【００１９】
無担持担体にあたっては、ケッチェンブラックなどの炭素粒子を用いることができるが、黒鉛質炭素などの結晶性が高く、耐酸化性に強く、より硬質な材料を用いることで、炭素繊維の電解質膜への突き刺しを、より顕著に防ぐことができる。
【００２０】
また、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２には、例えば、複数層を積層させて、所望の電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みを得る工法に比べ、製造工程数が少なく、短時間で、放熱性にすぐれ、固体高分子電解質膜１と電極触媒層２及び電極触媒層３のドライアップを防ぎ、さらには、炭素繊維の突き刺しを防ぐ、膜電極接合体１２及び固体高分子形燃料電池１３を製造することができる。
【００２１】
本発明の実施の形態に係る電極触媒層２及び電極触媒層３における無担持カーボン担体の含有割合は、無担持カーボン担体と触媒物資とを担持したカーボン単体の合計の重量に対し、重量比で５％以上６０％以下であることが望ましく、さらには、１０％以上５０％以下であることが好ましい。重量比が６０％を超えると、触媒物質が少なすぎ、期待する発電特性が得られなくなってしまう。また、重量比が５％未満であると、効果的な放熱性が得られなくなってしまう。
【００２２】
次に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２を用いた固体高分子形燃料電池１３について説明する。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１３を示す概略分解模式図である。図２に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１３は、膜電極接合体１２の電極触媒層２及び電極触媒層３と対向して空気極側ガス拡散層４及び燃料極側ガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極６及び燃料極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１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。
【００２３】
図２に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１３は、一組のセパレータ１０に固体高分子電解質膜１、電極触媒層２及び電極触媒層３、ガス拡散層４及びガス拡散層５が狭持された。いわゆる単セル構造の固体高分子型燃料電池１３であるが、本発明の実施の形態においては、セパレータ１０を介して複数のセルを直列に積層して積層スタック構造とすることもできる。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体（ＭＥＡ）１２の製造方法及び固体高分子形燃料電池１３の製造方法について説明する。
【００２５】
まず、図１に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子電解質膜１を用意する。固体高分子電解質膜１は、プロトン伝導性に優れ、且つ電子を流さない材料からなるものであれば特に限定されない。特に、パーフルオロ型のスルホン酸膜、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、旭硝子社製フレミオン（登録商標）、旭化成社製アシプレックス（登録商標）等を用いることができる。その他、プロトン伝導基を有するポリイミド等の炭化水素系樹脂など等も用いることができる。
【００２６】
本発明の実施の形態に係る固体高分子電解質膜１は、電極触媒層２及び電極触媒層３に用いられる高分子電解質と同一の材料からなることが好ましい。
【００２７】
次に、用意した固体高分子電解質膜１の両面には電極触媒層２及び電極触媒層３を形成する。電極触媒層２及び電極触媒層３を形成するにあっては、高分子電解質と触媒物質と触媒物質を担持するカーボン担体と分散媒を含む触媒インクを調整する。
【００２８】
触媒インク中に含まれる高分子電解質には様々なものが用いられるが、用いる固体高分子電解質膜１と同様材料を用いることができ、固体高分子電解質膜１と同一の材料を用いることが好ましい。Ｎａｆｉｏｎを固体高分子電解質膜１として用いた場合は、触媒インクに含まれる高分子電解質としてはＮａｆｉｏｎを使用するのが好ましい。固体高分子電解質膜１にＮａｆｉｏｎ以外の材料を用いた場合は、触媒インク中に固体高分子電解質膜１と同じ成分を溶解させるなど最適化をはかることが好ましい。
【００２９】
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することができ、特に限定されるものではない。具体的に、例えば、白金担持カーボンの白金は、白金単体もしくは白金合金が担持されたカーボン粒子などを用いることができる。合金としては、パラジウム、ルテニウム、モリブデンなどが挙げられるが、特にルテニウムが望ましい。また、タングステン、スズ、レニウムなどが白金合金に添加物として含まれていてもよい。上記添加物が含まれているとＣＯ耐被毒性を高めることができる。上記添加金属は、白金合金の金蔵間化合物として存在してもよいし、合金を形成してもよい。またこれらの触媒粒径は、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。更に好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下がよい。触媒粒径が２０ｎｍを超えると、触媒の活性が低下してしまい、０．５ｎｍ未満だと触媒の安定性が低下してしまう。触媒の担持率は４０重量％以上６０重量％以下が好ましい。触媒担持率が４０重量％未満では、固体高分子形燃料電池の厚みが厚くなることで電池特性が低下してしまい、一方、６０重量％を超えると、触媒の分散性が悪くなってしまう。
【００３０】
上述した触媒物質は、カーボン担体に担持される。カーボン担体の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒に侵されないものであればどのようなものでも構わないが、黒鉛質炭素、炭素繊維、カーボンナノチューブ、ナノホーン、フラーレンを好適に用いることができる。このとき、本発明の実施の形態においては、グラファイト化度の異なる２種類以上のカーボン担体を使用する必要がある。カーボン担体の粒径は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましい。さらに好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。カーボン担体の粒径が１０ｎｍ未満だと、電子伝導パスが形成されにくくなってしまい、また、１０００ｎｍを超えると、電極触媒層２及び電極触媒層３のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりしてしまう。
【００３１】
触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子や水素イオン伝導性樹脂を浸食することがなく、流動性の高い状態でプロトン伝導性高分子を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が、発性の液体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−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ペンタノール、２−ヘプタノール、ベンジルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、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、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、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、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、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、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、１−メトキシ−２−プロパノール等の極性溶媒等が使用される。また、これらの溶媒のうち二種以上を混合させたものも使用できる。
【００３２】
これらの溶媒の中でも誘電率が異なる２種類の溶媒を用いることで、触媒インク中の高分子電解質の分散状態を制御することができる。これらの溶媒または溶剤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。また、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、プロトン伝導性ポリマー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。
【００３３】
また、触媒インクにあっては、触媒物質を担持したカーボン担体を分散させるために、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用いることができる。
【００３４】
また、触媒インクに造孔剤が含まれても良い。造孔剤は、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挙げることができる。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。
【００３５】
酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム等の酸可溶性無機塩類、アルミナ、シリカゲル、シリカゾル等のアルカリ水溶液に可溶性の無機塩類、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、鉄等の酸またはアルカリに可溶性の金属類、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、リン酸一ナトリウム等の水溶性無機塩類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール等の水溶性有機化合物類などが挙げられ、２種以上併用することも有効である。
【００３６】
触媒インクの粘度は、塗布方法によって最適値が異なる。例えば、スクリーン印刷法やドクターブレード法による塗布の場合、インキの粘度は５０ｃＰ〜５００ｃＰであることが好ましい。インキの粘度が５０ｃＰ〜５００ｃＰよりも高い場合または低い場合ではインキの塗布が困難になる。一方、スプレー法により基材上に噴霧する場合は、インキの粘度が０．１ｃＰ〜１００ｃＰであることが好ましい。インキの粘度が１００ｃＰを超えると噴霧が困難になってしまい、また、０．１ｃＰ未満だと成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまう。インキの粘度は溶媒の種類、固形分濃度を変化させることで最適化する。またインキの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。
【００３７】
また、高分子電解質と触媒物質と触媒物質を担持するカーボン担体と分散媒を含む触媒インクは公知の方法により適宜分散処理がおこなわれる。
【００３８】
調整された触媒インクは、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、スプレー法などの塗布法、噴霧法を用い固体高分子電解質膜１もしくはガス拡散層上に塗布され、電極触媒層が形成される。また、転写基材を用い、転写基材上に触媒インクを塗布し、転写基材上に電極触媒層を一旦形成した後、転写法により固体高分子電解質膜１上に電極触媒層を形成しても良い。
【００３９】
スプレー法といった触媒インクを噴霧する方法を用いた場合、インクを微粒子化してガス拡散層や固体高分子電解質膜１の表面に吹き付けるため、微粒子化されたインクがガス拡散層や固体高分子電解質膜１の表面に付着する前に、分散媒の大部分が蒸発してしまう。したがって、分散媒の蒸発速度が速いほうが塗着後の液滴の流動による粒子の凝集が少なく、均質な膜を作製できるため好ましい。
【００４０】
電極触媒層と固体高分子電解質膜１は熱圧着により接合される。さらに、その電極触媒層とプロトン伝導性高分子との間には、接合性を高める為に、プロトン伝導性高分子を含む溶液を結着剤として塗布することが好ましく、固体高分子電解質膜１と同一の材料を用いることが更に好ましい。
【００４１】
さらに本発明の実施の形態に係るガス拡散層及びセパレータ１０としては通常の燃料電池に用いられているものを用いることができる。具体的に、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が用いられる。セパレータ１０としては、カーボンタイプのもの金属タイプのもの等を用いることができる。また、固体高分子形燃料電池１３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。
【００４２】
本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２を用いて形成した固体高分子形燃料電池１３は、膜電極接合体１２の電極触媒層２及び電極触媒層３の一方が無担持担体を含有することで、電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みを１μｍ以上１０μｍ以下にすることができ、電極触媒層全体の表面積を増加させ、触媒反応熱の放熱性にすぐれ、膜電極接合体１２のドライアップを防ぎ、さらに、黒鉛化炭素などの耐酸化性に強く、隣接して設けられるガス拡散層の炭素繊維の高分子電解質膜１への突き刺しを防ぐことができる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明を実施例及び比較例を用いて説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００４４】
［触媒インクの調製］
ケッチェンブラックに白金を担持したカーボン担体（田中貴金属工業株式会社）と、ケッチェンブラックに白金を担持していない無担持カーボン担体と、純水、及びデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ(登録商標)溶液をＦＲＩＴＳＣＨ社製Ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｔｔｅ７の遊星型ボールミルで分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用い触媒インクを得た。このとき、無担持カーボン担体の量は、無担持カーボン担体と触媒物資とを担持したカーボン単体の合計の重量に対し重量比で３０％とした。
【００４５】
［比較例］
無担持担体を添加していないこと以外は、実施例１と同様に作製した。
【００４６】
［電極触媒層の作製方法］
実施例及び比較例で作製した触媒インクを転写基材上に塗布し、電極触媒層を作製した。このとき、単位面積あたりＰｔ（白金）質量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以下になる様に、触媒インクの塗布条件を調整した。乾燥工程後、所定の電極サイズに打ち抜いた。
【００４７】
［膜電極接合体の作製］
固体高分子電解質膜１としては、プロトン伝導性高分子膜、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ(登録商標)２１２を用いた。固体高分子電解質膜１の両面に、準備をした電極触媒層で挟持し、１３０℃、６．０ＭＰａの条件でホットプレスを行った後、転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜１、膜電極接合体１２を得た。このとき、実施例の膜電極接合体１２における電極触媒層の厚みは７μｍであった。一方、比較例の膜電極接合体１２の電極触媒層の厚みは４μｍであった。
【００４８】
実施例及び比較例により得られた膜電極接合体１２の両面に、ガス拡散層としてカーボンペーパーを配置し、更に、一対の焼成カーボン製のセパレータで挟持し、単セルの固体高分子形燃料電池１３を作製した。
【００４９】
［発電特性の評価］
燃料電池測定装置（東陽テクニカ社製ＧＦＴ−ＳＧ１）にて発電特性評価をおこなった。燃料として水素ガス、酸化剤として酸素を使用し、セル温度８０℃、フル加湿条件下にて、電流密度２．０Ａ／ｃｍ２、におけるセル温度の上昇率評価をおこなった。上昇率Ｘ（％）は設定したセル温度をＰ、発電評価を行い、電流密度２．０Ａ／ｃｍ２、におけるセル温度をＱとしたとき、上昇率Ｘ（％）＝［（Ｑ−Ｐ）×１００］／Ｐで表すことができる。
【００５０】
実施例及び比較例の電極触媒層を用いて作製した固体高分子形燃料電池１３の発電評価を行ったところ、実施例の上昇率Ｘは１．２（％）であり、比較例の上昇率Ｘは２．９（％）であった。実施例の方が、比較例よりも上昇率Ｘが低く、放熱性の高い電極触媒層が形成できていることが確認された。また、実施例の固体高分子形燃料電池１３は、炭素繊維の突き刺しによるクロスリークもなく、良好な発電特性を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池を示す概略分解模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…固体高分子電解質膜、２…電極触媒層（空気極側）、３…電極触媒層（燃料極側）、４…空気極側ガス拡散層、５…燃料極側ガス拡散層、６…空気極、７…燃料極、８…ガス流路、９…冷却水流路、１０…セパレータ、１２…膜電極接合体、１３…固体高分子形燃料電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。さらに詳しくは、放熱性にすぐれ、ドライアップを防ぐ膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素、酸素を燃料として、水の電気分解の逆反応を起こさせることにより電気を生み出す発電システムである。これは、従来の発電方式と比較して高効率、低環境負荷、低騒音といった特徴を持ち、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。燃料電池に用いる電解質により燃料電池を分類することができる。燃料電池の種類には、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子形燃料電池等がある。
【０００３】
燃料電池の中でも、固体高分子形燃料電池は低温領域での運転が可能であり、８０℃〜１００℃の運転温度で使用されるのが一般的であり、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いる。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれる高分子電解質膜の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を備え、一方の電極触媒層に水素を含有する燃料ガスを供給し、他方の電極触媒層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燃料電池である。ここで、燃料ガスを供給する電極を燃料極といい、酸化剤ガスを供給する電極を空気極という。
【０００４】
燃料極及び空気極には、それぞれ触媒物質が備えられる。触媒物質としては、白金や白金合金のような金属触媒粒子等の触媒活性物質を炭素粒子などの導電性材料に担持させたものが一般的である。触媒物質として用いられている白金等の金属触媒は非常に高価な材料であるため、燃料電池の実用化にあたり、白金使用量の低下が望まれている。
【０００５】
しかし、白金使用量を低減すると、電極触媒層の厚みが薄くなりガス拡散性が上がり、白金利用率が向上する。しかしながら、電極触媒層の厚みが薄くなることにより、電極触媒層全体の表面積が減少し、触媒反応熱の放熱性が下がる。すると、電極触媒層の温度が触媒反応熱の蓄熱により上昇し、更には、固体高分子電解質膜の温度も上昇してしまう。セル温度上昇以前と同等の加湿ガスを輸送しても、相対的に乾燥雰囲気となり、ドライアップと呼ばれる現象が起き、発電特性が低下するという問題がある。ここで、ドライアップとは固体高分子電解質膜の含水率が低下し、イオン伝導率が低下する現象をいう。
【０００６】
特許文献１には、膜電極接合体の触媒層をグラファイト系のカーボンによって形成する技術が開示されている（特許文献１参照）。しかし、特許文献１に記載の技術では、触媒層を硬くしているため、高分子電解質膜への突き刺しを防ぐことができるものの、触媒層全体の表面積が減少し、触媒反応熱の放熱性が下がり、ドライアップと呼ばれる現象が起き、発電特性が低下してしまう。
【特許文献１】特開２００７−２６７２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、白金等の触媒物質の使用量を低減し、電極触媒層の厚みが薄くなる場合でも、放熱性にすぐれ、ドライアップを防ぐ膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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る本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明の請求項１に係る発明は、高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体であって、電極触媒層は高分子電解質及び触媒物質と担持したカーボン担体を備え、電極触媒層の厚みが１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であり、且つ、電極触媒層の一方が、触媒物質を担持していない無担持カーボン担体を含有することを特徴とする膜電極接合体としたものである。
【００１０】
本発明の請求項２に係る発明は、無担持担体が、炭素粒子、炭素繊維、黒鉛化炭素粒子、黒鉛化炭素繊維、カーボンナノチューブ、ナノホーン、フラーレン、または、セラミックスや金属酸化物のいずれかにより、一つまたは二つ以上、選択されることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体としたものである。
【００１１】
本発明の請求項３に係る発明は、電極触媒層において、無担持カーボン担体の割合が無担持カーボン担体と触媒物質を担持したカーボン単体の合計の重量に対し重量比で５％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の膜電極接合体としたものである。
【００１２】
本発明の請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の膜電極接合体を一対のガス拡散層で狭持し、且つ、一対の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される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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、白金等の触媒物質の使用量を低減し、電極触媒層の厚みが薄くなる場合でも、放熱性にすぐれ、ドライアップを防ぐ膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の膜電極接合体（ＭＥＡ）及び固体高分子形燃料電池について説明する。なお、本発明は、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、当該者の知識に基づいて設計の変更等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。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体（ＭＥＡ）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（ＭＥＡ）１２は、固体高分子電解質膜１と、固体高分子電解質膜１の一方の面に電極触媒層（空気極側）２と、固体高分子電解質膜１のもう一方の面に電極触媒層（燃料極側）３とを備えている。さらに、図示しないが電極触媒層２上に空気極側ガス拡散層、電極触媒層３上に燃料極側ガス拡散層を備えている。
【００１６】
本発明の実施の形態に係る膜電極接合体（ＭＥＡ）１２は、電極触媒層２及び電極触媒層３の一方が触媒物質を担持していない無担持担体を含有している。無担持担体を含有することで、所望の電極触媒層の厚みを得ることができる。よって、電極触媒層の全表面積は増大し、触媒反応熱を随時放熱しやすく、特に高負荷領域での発電時、触媒反応熱によるセル温度上昇に伴うドライアップを防ぐことができる。また、ガス拡散層を形成する炭素繊維の高分子電解質膜１への突き刺しを防ぐことができる。
【００１７】
本発明の実施の形態に係る電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みは、１μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。特に好ましくは電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みが２μｍ以上８μｍ以下である。電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みが１μｍ未満の場合には、触媒物質が少なくなり、期待する発電特性が得られない。また、電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みが１０μｍを超える場合には、無担持担体を含有したことによる効果的な放熱性が得られなくなってしまう。
【００１８】
本発明の実施の形態においては、電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みが１μｍ以上１０μ以下の膜電極接合体１２にあっても、無担持担体を用いることにより電極触媒層全体の表面積を増加させ、白金等の使用量を増やすことなく放熱性を向上させることができる。また、無担持担体を用いることにより触媒物質の使用量を増やすことなく、電極触媒層の厚みを増加させることができる。さらには、無担持担体を用いることにより隣接して設けられるガス拡散層の炭素繊維の高分子電解質膜１への突き刺しを防ぐことができる。
【００１９】
無担持担体にあたっては、ケッチェンブラックなどの炭素粒子を用いることができるが、黒鉛質炭素などの結晶性が高く、耐酸化性に強く、より硬質な材料を用いることで、炭素繊維の電解質膜への突き刺しを、より顕著に防ぐことができる。
【００２０】
また、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２には、例えば、複数層を積層させて、所望の電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みを得る工法に比べ、製造工程数が少なく、短時間で、放熱性にすぐれ、固体高分子電解質膜１と電極触媒層２及び電極触媒層３のドライアップを防ぎ、さらには、炭素繊維の突き刺しを防ぐ、膜電極接合体１２及び固体高分子形燃料電池１３を製造することができる。
【００２１】
本発明の実施の形態に係る電極触媒層２及び電極触媒層３における無担持カーボン担体の含有割合は、無担持カーボン担体と触媒物資とを担持したカーボン単体の合計の重量に対し、重量比で５％以上６０％以下であることが望ましく、さらには、１０％以上５０％以下であることが好ましい。重量比が６０％を超えると、触媒物質が少なすぎ、期待する発電特性が得られなくなってしまう。また、重量比が５％未満であると、効果的な放熱性が得られなくなってしまう。
【００２２】
次に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２を用いた固体高分子形燃料電池１３について説明する。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１３を示す概略分解模式図である。図２に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１３は、膜電極接合体１２の電極触媒層２及び電極触媒層３と対向して空気極側ガス拡散層４及び燃料極側ガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極６及び燃料極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１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。
【００２３】
図２に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１３は、一組のセパレータ１０に固体高分子電解質膜１、電極触媒層２及び電極触媒層３、ガス拡散層４及びガス拡散層５が狭持された。いわゆる単セル構造の固体高分子型燃料電池１３であるが、本発明の実施の形態においては、セパレータ１０を介して複数のセルを直列に積層して積層スタック構造とすることもできる。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体（ＭＥＡ）１２の製造方法及び固体高分子形燃料電池１３の製造方法について説明する。
【００２５】
まず、図１に示すように、本発明の実施の形態に係る固体高分子電解質膜１を用意する。固体高分子電解質膜１は、プロトン伝導性に優れ、且つ電子を流さない材料からなるものであれば特に限定されない。特に、パーフルオロ型のスルホン酸膜、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、旭硝子社製フレミオン（登録商標）、旭化成社製アシプレックス（登録商標）等を用いることができる。その他、プロトン伝導基を有するポリイミド等の炭化水素系樹脂など等も用いることができる。
【００２６】
本発明の実施の形態に係る固体高分子電解質膜１は、電極触媒層２及び電極触媒層３に用いられる高分子電解質と同一の材料からなることが好ましい。
【００２７】
次に、用意した固体高分子電解質膜１の両面には電極触媒層２及び電極触媒層３を形成する。電極触媒層２及び電極触媒層３を形成するにあっては、高分子電解質と触媒物質と触媒物質を担持するカーボン担体と分散媒を含む触媒インクを調整する。
【００２８】
触媒インク中に含まれる高分子電解質には様々なものが用いられるが、用いる固体高分子電解質膜１と同様材料を用いることができ、固体高分子電解質膜１と同一の材料を用いることが好ましい。Ｎａｆｉｏｎを固体高分子電解質膜１として用いた場合は、触媒インクに含まれる高分子電解質としてはＮａｆｉｏｎを使用するのが好ましい。固体高分子電解質膜１にＮａｆｉｏｎ以外の材料を用いた場合は、触媒インク中に固体高分子電解質膜１と同じ成分を溶解させるなど最適化をはかることが好ましい。
【００２９】
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することができ、特に限定されるものではない。具体的に、例えば、白金担持カーボンの白金は、白金単体もしくは白金合金が担持されたカーボン粒子などを用いることができる。合金としては、パラジウム、ルテニウム、モリブデンなどが挙げられるが、特にルテニウムが望ましい。また、タングステン、スズ、レニウムなどが白金合金に添加物として含まれていてもよい。上記添加物が含まれているとＣＯ耐被毒性を高めることができる。上記添加金属は、白金合金の金蔵間化合物として存在してもよいし、合金を形成してもよい。またこれらの触媒粒径は、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。更に好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下がよい。触媒粒径が２０ｎｍを超えると、触媒の活性が低下してしまい、０．５ｎｍ未満だと触媒の安定性が低下してしまう。触媒の担持率は４０重量％以上６０重量％以下が好ましい。触媒担持率が４０重量％未満では、固体高分子形燃料電池の厚みが厚くなることで電池特性が低下してしまい、一方、６０重量％を超えると、触媒の分散性が悪くなってしまう。
【００３０】
上述した触媒物質は、カーボン担体に担持される。カーボン担体の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒に侵されないものであればどのようなものでも構わないが、黒鉛質炭素、炭素繊維、カーボンナノチューブ、ナノホーン、フラーレンを好適に用いることができる。このとき、本発明の実施の形態においては、グラファイト化度の異なる２種類以上のカーボン担体を使用する必要がある。カーボン担体の粒径は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましい。さらに好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。カーボン担体の粒径が１０ｎｍ未満だと、電子伝導パスが形成されにくくなってしまい、また、１０００ｎｍを超えると、電極触媒層２及び電極触媒層３のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりしてしまう。
【００３１】
触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子や水素イオン伝導性樹脂を浸食することがなく、流動性の高い状態でプロトン伝導性高分子を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が、発性の液体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−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ペンタノール、２−ヘプタノール、ベンジルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルブチルケトン、メチルイゾブチルケトン、メチルアミルケトン、ペンタノン、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、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、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、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のエーテル類、イソプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン、ジエチルアミン、アニリンなどのアミン類、蟻酸プロピル、蟻酸イソブチル、蟻酸アミル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチルなどのエステル類、その他酢酸、プロピオン酸、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、プロピレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、１−メトキシ−２−プロパノール等の極性溶媒等が使用される。また、これらの溶媒のうち二種以上を混合させたものも使用できる。
【００３２】
これらの溶媒の中でも誘電率が異なる２種類の溶媒を用いることで、触媒インク中の高分子電解質の分散状態を制御することができる。これらの溶媒または溶剤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。また、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、プロトン伝導性ポリマー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。
【００３３】
また、触媒インクにあっては、触媒物質を担持したカーボン担体を分散させるために、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用いることができる。
【００３４】
また、触媒インクに造孔剤が含まれても良い。造孔剤は、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挙げることができる。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。
【００３５】
酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム等の酸可溶性無機塩類、アルミナ、シリカゲル、シリカゾル等のアルカリ水溶液に可溶性の無機塩類、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、鉄等の酸またはアルカリに可溶性の金属類、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、リン酸一ナトリウム等の水溶性無機塩類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール等の水溶性有機化合物類などが挙げられ、２種以上併用することも有効である。
【００３６】
触媒インクの粘度は、塗布方法によって最適値が異なる。例えば、スクリーン印刷法やドクターブレード法による塗布の場合、インキの粘度は５０ｃＰ〜５００ｃＰであることが好ましい。インキの粘度が５０ｃＰ〜５００ｃＰよりも高い場合または低い場合ではインキの塗布が困難になる。一方、スプレー法により基材上に噴霧する場合は、インキの粘度が０．１ｃＰ〜１００ｃＰであることが好ましい。インキの粘度が１００ｃＰを超えると噴霧が困難になってしまい、また、０．１ｃＰ未満だと成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまう。インキの粘度は溶媒の種類、固形分濃度を変化させることで最適化する。またインキの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。
【００３７】
また、高分子電解質と触媒物質と触媒物質を担持するカーボン担体と分散媒を含む触媒インクは公知の方法により適宜分散処理がおこなわれる。
【００３８】
調整された触媒インクは、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、スプレー法などの塗布法、噴霧法を用い固体高分子電解質膜１もしくはガス拡散層上に塗布され、電極触媒層が形成される。また、転写基材を用い、転写基材上に触媒インクを塗布し、転写基材上に電極触媒層を一旦形成した後、転写法により固体高分子電解質膜１上に電極触媒層を形成しても良い。
【００３９】
スプレー法といった触媒インクを噴霧する方法を用いた場合、インクを微粒子化してガス拡散層や固体高分子電解質膜１の表面に吹き付けるため、微粒子化されたインクがガス拡散層や固体高分子電解質膜１の表面に付着する前に、分散媒の大部分が蒸発してしまう。したがって、分散媒の蒸発速度が速いほうが塗着後の液滴の流動による粒子の凝集が少なく、均質な膜を作製できるため好ましい。
【００４０】
電極触媒層と固体高分子電解質膜１は熱圧着により接合される。さらに、その電極触媒層とプロトン伝導性高分子との間には、接合性を高める為に、プロトン伝導性高分子を含む溶液を結着剤として塗布することが好ましく、固体高分子電解質膜１と同一の材料を用いることが更に好ましい。
【００４１】
さらに本発明の実施の形態に係るガス拡散層及びセパレータ１０としては通常の燃料電池に用いられているものを用いることができる。具体的に、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が用いられる。セパレータ１０としては、カーボンタイプのもの金属タイプのもの等を用いることができる。また、固体高分子形燃料電池１３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。
【００４２】
本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２を用いて形成した固体高分子形燃料電池１３は、膜電極接合体１２の電極触媒層２及び電極触媒層３の一方が無担持担体を含有することで、電極触媒層２及び電極触媒層３の厚みを１μｍ以上１０μｍ以下にすることができ、電極触媒層全体の表面積を増加させ、触媒反応熱の放熱性にすぐれ、膜電極接合体１２のドライアップを防ぎ、さらに、黒鉛化炭素などの耐酸化性に強く、隣接して設けられるガス拡散層の炭素繊維の高分子電解質膜１への突き刺しを防ぐことができる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明を実施例及び比較例を用いて説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００４４】
［触媒インクの調製］
ケッチェンブラックに白金を担持したカーボン担体（田中貴金属工業株式会社）と、ケッチェンブラックに白金を担持していない無担持カーボン担体と、純水、及びデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ(登録商標)溶液をＦＲＩＴＳＣＨ社製Ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｔｔｅ７の遊星型ボールミルで分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用い触媒インクを得た。このとき、無担持カーボン担体の量は、無担持カーボン担体と触媒物資とを担持したカーボン単体の合計の重量に対し重量比で３０％とした。
【００４５】
［比較例］
無担持担体を添加していないこと以外は、実施例１と同様に作製した。
【００４６】
［電極触媒層の作製方法］
実施例及び比較例で作製した触媒インクを転写基材上に塗布し、電極触媒層を作製した。このとき、単位面積あたりＰｔ（白金）質量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以下になる様に、触媒インクの塗布条件を調整した。乾燥工程後、所定の電極サイズに打ち抜いた。
【００４７】
［膜電極接合体の作製］
固体高分子電解質膜１としては、プロトン伝導性高分子膜、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ(登録商標)２１２を用いた。固体高分子電解質膜１の両面に、準備をした電極触媒層で挟持し、１３０℃、６．０ＭＰａの条件でホットプレスを行った後、転写基材のみを剥がすことにより、電極触媒層付き固体高分子電解質膜１、膜電極接合体１２を得た。このとき、実施例の膜電極接合体１２における電極触媒層の厚みは７μｍであった。一方、比較例の膜電極接合体１２の電極触媒層の厚みは４μｍであった。
【００４８】
実施例及び比較例により得られた膜電極接合体１２の両面に、ガス拡散層としてカーボンペーパーを配置し、更に、一対の焼成カーボン製のセパレータで挟持し、単セルの固体高分子形燃料電池１３を作製した。
【００４９】
［発電特性の評価］
燃料電池測定装置（東陽テクニカ社製ＧＦＴ−ＳＧ１）にて発電特性評価をおこなった。燃料として水素ガス、酸化剤として酸素を使用し、セル温度８０℃、フル加湿条件下にて、電流密度２．０Ａ／ｃｍ２、におけるセル温度の上昇率評価をおこなった。上昇率Ｘ（％）は設定したセル温度をＰ、発電評価を行い、電流密度２．０Ａ／ｃｍ２、におけるセル温度をＱとしたとき、上昇率Ｘ（％）＝［（Ｑ−Ｐ）×１００］／Ｐで表すことができる。
【００５０】
実施例及び比較例の電極触媒層を用いて作製した固体高分子形燃料電池１３の発電評価を行ったところ、実施例の上昇率Ｘは１．２（％）であり、比較例の上昇率Ｘは２．９（％）であった。実施例の方が、比較例よりも上昇率Ｘが低く、放熱性の高い電極触媒層が形成できていることが確認された。また、実施例の固体高分子形燃料電池１３は、炭素繊維の突き刺しによるクロスリークもなく、良好な発電特性を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態に係る膜電極接合体を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池を示す概略分解模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…固体高分子電解質膜、２…電極触媒層（空気極側）、３…電極触媒層（燃料極側）、４…空気極側ガス拡散層、５…燃料極側ガス拡散層、６…空気極、７…燃料極、８…ガス流路、９…冷却水流路、１０…セパレータ、１２…膜電極接合体、１３…固体高分子形燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体であって、
前記電極触媒層は高分子電解質及び触媒物質と担持したカーボン担体を備え、前記電極触媒層の厚みが１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であり、且つ、前記電極触媒層の一方が、前記触媒物質を担持していない無担持カーボン担体を含有することを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記無担持担体が、炭素粒子、炭素繊維、黒鉛化炭素粒子、黒鉛化炭素繊維、カーボンナノチューブ、ナノホーン、フラーレン、または、セラミックスや金属酸化物のいずれかにより、一つまたは二つ以上、選択されることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記電極触媒層において、前記無担持カーボン担体の割合が前記無担持カーボン担体と前記触媒物質を担持したカーボン単体の合計の重量に対し重量比で５％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の膜電極接合体を一対のガス拡散層で狭持し、且つ、前記一対の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されることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項１】
高分子電解質膜を一対の電極触媒層で挟持した膜電極接合体であって、
前記電極触媒層は高分子電解質及び触媒物質と担持したカーボン担体を備え、前記電極触媒層の厚みが１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であり、且つ、前記電極触媒層の一方が、前記触媒物質を担持していない無担持カーボン担体を含有することを特徴とする膜電極接合体。
【請求項２】
前記無担持担体が、炭素粒子、炭素繊維、黒鉛化炭素粒子、黒鉛化炭素繊維、カーボンナノチューブ、ナノホーン、フラーレン、または、セラミックスや金属酸化物のいずれかにより、一つまたは二つ以上、選択されることを特徴とする請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項３】
前記電極触媒層において、前記無担持カーボン担体の割合が前記無担持カーボン担体と前記触媒物質を担持したカーボン単体の合計の重量に対し重量比で５％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の膜電極接合体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の膜電極接合体を一対のガス拡散層で狭持し、且つ、前記一対の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されることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−１１３９４９（Ｐ２０１０−１１３９４９Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８５５４６（Ｐ２００８−２８５５４６）
【出願日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
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