触媒ペーストの製造装置及び触媒ペーストの製造方法
【課題】高性能であり、かつ性能の個体差が小さい燃料電池用触媒ペーストの製造方法を提供する。
【解決手段】製造装置は、湿式ジェットミル１と、溶液供給ユニット３と、制御装置５を備えている。湿式ジェットミル１は、触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする。また、湿式ジェットミル１は、第１粉砕物と、溶液供給ユニット３より供給された高分子電解質の溶液と混合して第２混合物とする。制御装置５は、湿式ジェットミル１に対し、第２混合物の粘度を調整しつつ、第２混合物を混練させる。これらにより、この製造装置では触媒ペーストを得ることができる。
【解決手段】製造装置は、湿式ジェットミル１と、溶液供給ユニット３と、制御装置５を備えている。湿式ジェットミル１は、触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする。また、湿式ジェットミル１は、第１粉砕物と、溶液供給ユニット３より供給された高分子電解質の溶液と混合して第２混合物とする。制御装置５は、湿式ジェットミル１に対し、第２混合物の粘度を調整しつつ、第２混合物を混練させる。これらにより、この製造装置では触媒ペーストを得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のカソード極やアノード極といった電極を構成する触媒ペーストの製造装置及び触媒ペーストの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に示されているような膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）９０を用いた燃料電池システムが知られている。このＭＥＡ９０は、図３に示すように、ナフィオン（登録商標、Nafion（Du pont社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜９１と、この電解質膜９１の一面に接合されて空気が供給されるカソード極９３と、電解質膜９１の他面に接合されて水素等の燃料が供給されるアノード極９２とを有している。
【０００３】
カソード極９３は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある基材９３ｂと、この基材の一面に形成されたカソード触媒層９３ａとからなる。カソード極９３におけるカソード触媒層９３ａ以外の部分は、基材９３ｂであり、ここは非電解質側でカソード触媒層９３ａに空気を拡散するカソード拡散層とされている。
【０００４】
また、アノード極９２も、上記の基材９２ｂと、この基材９２ｂの一面に形成されたアノード触媒層９２ａとからなる。アノード極９２におけるアノード触媒層９２ａ以外の部分も基材９２ｂであり、ここは非電解質側でアノード触媒層９２ａに燃料を拡散するアノード拡散層とされている。
【０００５】
カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａは、図４に示すように、カーボンブラックからなる担体８１ａに白金（Ｐｔ）等の触媒金属微粒子８１ｂを担持してなる無数の触媒８１と、高分子電解質８２とを含むものである。高分子電解質８２としては電解質膜９１と同様のものが用いられる。
【０００６】
また、カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａを形成する触媒ペーストは、例えば、触媒８１と水とが混合された第１混合物と、高分子電解質８２の溶液とを混練することにより得ることができる。この触媒ペーストでは、図４に示すように、触媒８１の周りを覆うように高分子電解質８１による層が形成される。また、触媒８１と高分子電解質８２の層との間には、親水層８３が形成される。この触媒ペーストを上記の基材９３ｂ、９２ｂの一面に塗布することにより、カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａが得られている。
【０００７】
そして、このＭＥＡ９０を図示しないセパレータで挟むことにより最小発電単位である燃料電池のセルが構成され、このセルが多数積層されて燃料電池スタックが構成される。カソード触媒層９３ａには空気供給手段によって空気が供給され、アノード触媒層９２ａには水素供給手段等によって水素等が供給されるようになっている。こうして燃料電池システムが構成される。
【０００８】
このＭＥＡ９０では、アノード触媒層９２ａにおける電気化学的反応により、燃料から水素イオン（Ｈ+；プロトン）と電子とが生成される。そして、プロトンは水分子を伴ったＨ3Ｏ+の形で電解質膜９１内をカソード触媒層９３ａに向かって移動する。この際、プロトンは親水層８３を伝って移動する。また、電子は、燃料電池システムに接続された負荷を通り、カソード触媒層９３ａに流れる。一方、カソード触媒層９３ａにおいては、空気中に含まれる酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、燃料電池システムは起電力を連続して発生することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１０４９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように、燃料電池システムに起電力を好適に発生させるためには、ＭＥＡ９０におけるカソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａにおいて、電気化学的反応が円滑に行われる必要がある。このためには、電気化学的反応を円滑に行い得るカソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａを得る必要がある。つまり、性能が高い触媒ペーストが求められる。
【００１１】
さらに、電気化学的反応を円滑に行うためには、カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａにおける電気化学反応についての個体差を可及的に小さくすることが必要となる。このため、触媒ペーストには、個々の性能にバラツキが少ないことも求められる。
【００１２】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の触媒ペーストの製造装置は、燃料電池用電極の触媒層を構成する触媒ペーストの製造装置であって、
触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする粉砕手段と、
該第１粉砕物と高分子電解質の溶液との第２混合物を混練して触媒ペーストとする混練手段と、
該混練手段を制御して該第２混合物の粘度を調整する制御手段とを備えていることを特徴とする（請求項１）。
【００１４】
本発明の製造装置では、粉砕手段により、触媒と水との第１混合物を好適に粉砕することが可能となる。このため、第１粉砕物は、混練手段により、高分子電解質の溶液と好適に混合され易くなる。このため、この製造装置によって得られた触媒ペーストで形成された触媒層中では、触媒と高分子電解質の層とが共に好適な状態で存在し易くなる。
【００１５】
さらに、発明者の研究によれば、触媒ペーストの粘度が低すぎれば、高分子電解質の側鎖が多方向に向かって延び、触媒層中で親水層が分散して形成されると推察される。このため、このような触媒層においては、プロトン及び水が移動し難く、電気化学的反応が円滑に行われ難いこととなる。
【００１６】
この点、この製造装置では、制御手段が第２混合物の粘度を調整するため、得られた触媒ペーストでは粘度が好適な状態となる。このため、この製造装置によって得られた触媒ペーストでは、触媒と高分子電解質の層との間に親水層が連続して形成され易くなる。このため、カソード触媒層やアノード触媒層では、電気化学反応時において、連続した親水層を伝うことで、プロトンがより移動し易く、電気化学的反応が円滑に行われることとなる。
【００１７】
また、この製造装置によれば、触媒ペーストの粘度等の相違による性能のバラツキも生じ難くなる。このため、カソード触媒層やアノード触媒層における電気化学反応時の個体差を可及的に小さくすることができる。
【００１８】
したがって、本発明の製造装置によれば、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することが可能となる。
【００１９】
発明者の研究によれば、第１混合物中に含まれる水の量は、触媒が流動限界に近い状態なる量に基づくことがより好ましい。このような状態にある第１混合物によれば、より性能の高い触媒ペーストを得ることができる。
【００２０】
また、制御手段は、粉砕手段を制御して第１粉砕物の最大粒子径を調整することが好ましい（請求項２）。第１粉砕物の最大粒子径を調整することにより、第１粉砕物の粉砕状態を調整することが可能となる。このため、この製造装置では、触媒ペースト中における触媒の粒子径を調整することで、得られた触媒ペーストにおける性能のバラツキをより抑制することが可能となる。また、第１粉砕物の最大粒子径を調整することで、触媒ペーストの性能を任意に変化させることも可能となる。このため、この製造装置では、目的に応じて、性能が異なる触媒ペーストを製造することも可能となる。
【００２１】
粉砕手段としては、例えば、超音波ホモジナイザ等を採用することが可能である。また、混練手段としては、例えば、ボールミルや、スターラ、ビーズミル、ロールミル及びチャンバーを有する自転／公転式遠心攪拌機等を採用することができる。
【００２２】
さらに、粉砕手段と混練手段とで同じものを採用することができる。この場合、粉砕手段及び混練手段は湿式ジェットミルからなることが好ましい（請求項３）。湿式ジェットミルによれば、第１混合物を混合しつつ粉砕することが可能となる。また、湿式ジェットミルによれば、第１粉砕物と高分子電解質の溶液とをより効率よく混練することが可能となる。これらのため、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストをより大量に効率よく得ることが可能となるとともに、製造コストの低廉化も可能となる。
【００２３】
本発明の製造方法は、燃料電池用電極の触媒層を構成する触媒ペーストの製造方法であって、
触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする粉砕工程と、
該第１粉砕物と高分子電解質の溶液との第２混合物を混練して触媒ペーストとする混練工程とを備え、
該混練工程中に該第２混合物の粘度を調整することを特徴とする（請求項４）。
【００２４】
本発明の製造方法によれば、触媒ペースト中に触媒と高分子電解質とが共に好適な状態で存在し易くなる。また、この製造方法によれば、触媒ペーストの粘度が好適な状態となる。また、この製造方法によれば、カソード触媒層やアノード触媒層における電気化学反応時の個体差を可及的に小さくすることができる。
【００２５】
したがって、本発明の製造方法によれば、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することが可能となる。
【００２６】
本発明の製造方法においては、粉砕工程中に第１粉砕物の最大粒子径を調整することが好ましい（請求項５）。この場合には、得られた触媒ペーストの性能のバラツキをより抑制することが可能となる。また、触媒ペースト中における触媒の大きさを変更することにより、目的に応じて性能が異なる触媒ペーストを製造することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例の製造装置を示す模式構造図である。
【図２】実施例の製造装置における、触媒ペーストの製造フロー図である。
【図３】従来及び実施例におけるＭＥＡを示す模式断面図である。
【図４】従来及び実施例におけるＭＥＡを示す模式拡大断面図である。
【図５】比較例の製造装置における、触媒ペーストの製造フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を具体化した実施例及び比較例を図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
（実施例）
実施例の製造装置は、図１に示すように、湿式ジェットミル１と、溶液供給ユニット３と、制御装置５を備えている。この湿式ジェットミル１が粉砕手段及び混練手段に相当する。また、制御装置５が制御手段に相当する。
【００３０】
湿式ジェットミル１は、原料タンク７と、粉砕ユニット９と、開閉弁１１と、第１圧縮ポンプ１３と、第１圧力計１５と、粘度計１６と、第１、２切替弁１７、１８と、粒度分布計２４とを有している。開閉弁１１、第１圧縮ポンプ１３、第１圧力計１５、粘度計１６、第１、２切替弁１７、１８及び粒度分布計２４にはそれぞれ公知のものが採用されており、第１、２切替弁１７、１８は分岐弁である。原料タンク７内には、後述の第１混合物や第１粉砕物の他、第２混合物を貯留可能になっている。粉砕ユニット９には流入口９ａと流出口９ｂとが形成されている。また、粉砕ユニット９内には第１内部流路９ｄと第２内部流路９ｅとが設けられている。
【００３１】
原料タンク７と粉砕ユニット９の流入口９ａとは上流流路１９によって接続されている。この上流流路１９には、開閉弁１１と、第１圧縮ポンプ１３と、第１圧力計１５とが設けられている。第１圧力計１５は、上流流路１９内を流通する第１粉砕物や第２混合物の流通圧力を計測可能になっている。
【００３２】
また、粉砕ユニット９の流出口９ｂと第１切替弁１７とは、第１下流流路２０によって接続されている。第１下流流路２０には、粘度計１６が設けられており、第１下流流路２０内を流通する第２混合物の粘度を計測可能になっている。また、第１切替弁１７には、第１枝流路２１ａの一端側が接続されており、第１枝流路２１ａ他端側は、粒度分布計２４に接続されている。粒度分布計２４は、第１枝流路２１ａ内を流通する第１粉砕物の粒子径及び第１粉砕物中における粒子の分布を計測可能になっている。また、粒度分布計２４には、第２枝流路２１ｂの他端側が接続されている。
【００３３】
第１切替弁１７と第２切替弁１８とは第２下流流路２２によって接続されている。第２切替弁１８と原料タンク７とは接続流路２３によって接続されている。第２下流流路２２には、第２枝流路２１ｂの一端側が接続されている。また、第２切替弁１８には、抽出口２５が接続されており、抽出口２５の直下には、ペースト貯留タンク２７が設けられている。
【００３４】
第１内部流路９ｄ及び第２内部流路９ｅは、それぞれ粉砕ユニット９内の上流において、上流流路１９と接続している。また、第１内部流路９ｄ及び第２内部流路９ｅは、それぞれ粉砕ユニット９内の下流において、第１下流流路２０と接続している。第２内部流路９ｅには、第３切替弁２９が設けられている。第３切替弁２９には供給流路３１の一端側が接続されている。なお、第３切替弁２９は、第１切替弁１７と同じ構成である。
【００３５】
溶液供給ユニット３は、溶液貯留タンク３３と、第２圧縮ポンプ３５と第２圧力計３７と、上記の供給流路３１とで構成されている。溶液貯留タンク３３内には、後述の高分子電解質８２の溶液が貯留可能となっている。この溶液貯留タンク３３は供給流路３１の他端側が接続している。供給流路３１には、第２圧縮ポンプ３５と第２圧力計３７とが設けられている。第２圧力計３７は、供給流路３１内を流通する高分子電解質８２の溶液の流通圧力を計測可能になっている。なお、第２圧縮ポンプ３５及び第２圧力計３７は、それぞれ第１圧縮ポンプ１３及び第１圧力計１５と同じ構成である。
【００３６】
制御装置５には、上記の開閉弁１１と、第１、２圧縮ポンプ１３、３５と、第１、２圧力計１５、３７と、第１〜３切替弁１７、１８、２９と、粘度計１６と、粒度分布計２４とがそれぞれ回路３９〜４８を介して電気的に接続されている。制御装置５は、開閉弁１１及び第１、２圧縮ポンプ１３、３５の作動制御を行う。また制御装置５は、粘度計１６が計測した値を基に第２混合物の粘度を計測可能になっている。さらに、制御装置５は、粒度分布計２４が計測した値を基に、第１粉砕物中における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率を計測可能になっている。制御装置５は、計測された上流流路１９内の流通圧力や、第１粉砕物中における粗大粒子の含有率や、第２混合物の粘度を基に、第１圧縮ポンプ１３の作動量の制御を行う。また、制御装置５は、第２圧力計３７が計測した供給流路３１内の流通圧力を基に第２圧縮ポンプ３５の作動量の制御を行う。
【００３７】
以上のように構成された製造装置によれば、図２に示す製造フローに従い触媒ペーストを得ることが可能となる。
【００３８】
図２のステップＳ１に示すように、触媒ペーストを得るにあたり、まず、第１混合物を用意する。この第１混合物は、触媒８１と水とで得られている。より具体的には、触媒８１は、図４に示すように、カーボンブラックからなる担体８１ａに対し、Ｐｔ微粒子からなる触媒金属微粒子８１ｂを担持密度５０ｗｔ％で担持することで得られている。そして、触媒８１の１０倍の重量に相当する量の水を加えることで、この第１混合物が得られている。なお、上記の水の量が触媒８１における流動限界の水量に相当する。この第１混合物を上記の原料タンク７内に注入する。
【００３９】
また、上記の溶液貯留タンク３３内に貯留される高分子電解質８２の溶液を用意する。この高分子電解質８２の溶液は、溶液中の高分子電解質８２の濃度が５質量％とされたものが用いられている。
【００４０】
図２に示すステップＳ２において、湿式ジェットミル１により第１混合物を粉砕する。具体的には、制御装置５が開閉弁１１及の開制御を行うとともに、第１圧縮ポンプ１３を作動させる。また、制御装置５は第１切替弁１７を作動させ、第１下流流路２０と第１枝流路２１ａとを連通させて、第１下流流路２０及び第１枝流路２１ａと第２下流流路２２とを直接的には非連通とさせる。さらに、制御装置５は第２切替弁１８を作動させ、第２下流流路２２と接続流路２３とを連通させて、第２下流流路２２及び接続流路２３と抽出口２５とを非連通とさせる。そして、制御装置５は、第３切替弁２９を作動させ、開閉弁１１と第２内部流路９ｅとを連通させて、開閉弁１１及び第２内部流路９ｅと供給流路３１とを非連通とさせる。
【００４１】
これにより第１混合物は、上流流路１９内、第１下流流路２０内、第１枝流路２１ａ内、粒度分布計２４内、第２枝流路２１ｂ内、第２下流流路２２内及び接続流路２３内の順で流通する（図１中の実線矢印参照）。この際、第１圧縮ポンプ１３により、第１混合物は増圧され、高速で上流流路１９内、第１下流流路２０内、第１枝流路２１ａ内、粒度分布計２４内、第２枝流路２１ｂ内、第２下流流路２２内及び接続流路２３内を流通する。そして、上流流路１９内を流通して粉砕ユニット９内に至った第１混合物は、第１内部流路９ｄと第２内部流路９ｅとに分岐して粉砕ユニット９内を流通する。第１、２内部流路９ｄ、９ｅをそれぞれ流通した第１混合物は、粉砕ユニット９内の下流において合流する。この際、第１、２内部流路９ｄ、９ｅをそれぞれ流通してきた第１混合物が互いに衝突する。これにより、第１混合物の粉砕が行われ、第１粉砕物が得られる。この第１粉砕物は第１下流流路２０等を経て粒度分布計２４に至り、上記の計測が行われることとなる。粒度分布計２４による計測の後、第１粉砕物は接続流路２３等を経て再び原料タンク７に至る。なお、原料タンク７と粉砕ユニット９との間を循環する過程において、第１混合物や第１粉砕物は同時に撹拌も行われることとなる。
【００４２】
そして、ステップＳ３において、制御装置５は粒度分布計２４の計測値を基に、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％以下であるか否かを判断する。この結果、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％より大きい場合（ステップＳ３：ＮＯ）には、引き続き、ステップＳ２における湿式ジェットミル１による粉砕が行われる。
【００４３】
一方、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％以下となった場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）には、高分子電解質８２の溶液の添加が行われる（ステップＳ４）。具体的には、制御装置５が、第３切替弁２９を作動させ、供給流路３１と第２内部流路９ｅとを連通させて、供給流路３１及び第２内部流路９ｅと開閉弁１１とを非連通とさせる。そして、制御装置５は第２圧縮ポンプ３５を作動させる。この際、制御装置５は第２圧力計が計測した供給流路３１内の流通圧力を基に第２圧縮ポンプ３５の作動量を調整する。こうして、第１粉砕物中における触媒８１と高分子電解質８２の溶液中の高分子電解質８２とが重量比で１：１となるように、高分子電解質８２の溶液の添加を行う。なお、この状態において、制御装置５は、第１切替弁１７を作動させて、第１下流流路２０と第２下流流路２２とを連通させて、第１下流流路２０及び第２下流流路２２と第１枝流路２１ａとを直接的には非連通とさせても良い。
【００４４】
これにより、溶液貯留タンク３３内に貯留された高分子電解質８２の溶液と、第１内部流路９ｄ内を流通してきた第１粉砕物とが粉砕ユニット９内の下流において合流し、混練される（ステップＳ５）。こうして、第２混合物が得られる。なお、所定量の高分子電解質８２の溶液の添加が終了した後は、制御装置５が再度、第３切替弁２９を作動させ、開閉弁１１と第２内部流路９ｅとを連通させて、開閉弁１１及び第２内部流路９ｅと供給流路３１とを非連通とさせる。また同時に、制御装置５は第２圧縮ポンプ３５の作動を停止させる。
【００４５】
制御装置５は、粘度計１６が計測した値を基に、第２混合物の粘度が設定範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ６）。第２混合物の粘度が設定値の範囲外である場合（ステップＳ６：ＮＯ）には、引き続き、ステップＳ５における湿式ジェットミル１による混練が行われる。
【００４６】
一方、第２混合物の粘度が設定範囲内となった場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）には、触媒ペーストが完成する（ステップＳ７）。触媒ペーストが完成することにより、制御装置５は、第２切替弁１８を作動させる。これにより、第２下流流路２２と抽出口２５とが連通され、第２下流流路２２及び抽出口２５と接続流路２３とが非連通とされる。こうして触媒ペーストが抽出口２５から抽出され、ペースト貯留タンク２７内に貯留される。
【００４７】
こうして得られた触媒ペーストを図３に示す基材９３ｂに塗布し、カソード触媒層９３ａを形成した。基材９３ｂは、ＰＴＦＥで撥水処理を行ったカーボンブラックと、電子伝導性を有するカーボンクロスとを積層することで得られている。なお、カーボンペーパー等の上に、カーボンブラックとＰＴＦＥとの混合物からなる撥水層を設けて基材９３ｂを構成することもできる。また、上記の触媒ペーストを基材９３ｂへ塗布する方法としては、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット法等の手段を採用することができる。
【００４８】
そして、触媒ペーストが塗布された基材９３ｂを乾燥させてカソード極９３を得た。また、アノード極９２も同様の工程によって製造した。
【００４９】
そして、アノード極９２、電解質膜（ナフィオン膜：ＮＲ２１１）９１及びカソード極９３の順でこれらを積層し、１４０°Ｃ、加圧力４０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスして接合した。こうしてＭＥＡ９０を製造した。
【００５０】
さらにこのＭＥＡ９０を複数用意し、公知の方法によってこれらのＭＥＡ９０積層させることにより燃料電池スタックを構成し、燃料電池システムを完成させた。
【００５１】
以上のように、この製造装置によれば、湿式ジェットミル１により、触媒８１と水との第１混合物を好適に粉砕することが可能となっている。このため、第１粉砕物は、湿式ジェットミル１により、高分子電解質８２の溶液と好適に混合され易くなる。このため、この製造装置によって得られた触媒ペーストで形成された触媒層中では、触媒８１と高分子電解質８１の層とが共に好適な状態で存在し易くなる。
【００５２】
さらに、この製造装置では、制御装置５が第２混合物の粘度を調整するため、得られた触媒ペーストでは粘度が好適な状態となっている。このため、この触媒ペーストで形成された触媒層中では、高分子電解質８２の側鎖が触媒８１に配向し、触媒層中で親水層８３が連続して形成され易くなる。このため、この触媒ペーストで形成されたカソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａでは、電気化学反応時において、連続した親水層８３を伝うことで、プロトンがより移動し易く、電気化学的反応が円滑に行われることとなる。
【００５３】
また、この製造装置によれば、触媒ペーストの粘度等の相違による性能のバラツキも生じ難くなる。このため、カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａにおける電気化学反応時の個体差を可及的に小さくすることができ、ひいてはＭＥＡ９０の個体差を可及的に小さくすることができる。
【００５４】
したがって、本発明の製造装置によれば、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することが可能となる。
【００５５】
（比較例）
比較例として、図５に示す製造フローに従い触媒ペーストを得た。まず、ステップＳ１１として、第１混合物を用意した。この第１混合物は、上記の図２に示すステップＳ１において用意したものと同一の構成である。また、高分子電解質８２の溶液も実施例と同じ構成のものを用意した。
【００５６】
次に、図５のステップＳ１２に示すように、第１混合物の遠心撹拌を行う。この遠心撹拌を行うにあたっては、自転／公転式遠心攪拌機（キーエンス社製の「ハイブリッドミキサーＨＭ−５００」）を使用した。そして、遠心撹拌の後、第１混合物に対し、第１混合物中の触媒８１の重量比１９０倍の水量の水を添加して、第１混合物の水量調節を行った（ステップＳ１３）。さらに、水量調節を行った第１混合物に対し、超音波ホモジナイザを用いた湿式粉砕を開始し、第１混合物を第１粉砕物とした（ステップＳ１４）。なお、このステップＳ１４が粉砕工程に相当する。
【００５７】
続くステップＳ１５では、上記の湿式粉砕の結果、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％以下であるか否かを判断する。第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％より大きい場合（ステップＳ１５：ＮＯ）には、引き続き、超音波ホモジナイザによる湿式粉砕が行われる。
【００５８】
一方、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％以下となった場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）には、湿式粉砕を終了し、第１粉砕物を３時間静置する。これにより、第１粉砕物中の触媒８１等が沈澱し、上記のステップＳ１３において添加した水が上澄み液となる。ステップＳ１６では、この上澄み液の除去を行い、第１粉砕物の水量調整を行なう。
【００５９】
次に、水量調整を行った第１粉砕物について、上記の自転／公転式遠心攪拌機による遠心撹拌を行う（ステップＳ１７）。この遠心撹拌を行なった後、第１粉砕物に対し、実施例と同じ割合で高分子電解質８２の溶液の添加を行ない（ステップＳ１８）、自転／公転式遠心攪拌機による遠心撹拌を行った（ステップＳ１９）。こうして第２混合物を得た。なお、ステップＳ１８及びステップＳ１９が混練工程に相当する。
【００６０】
ステップＳ２０では、第２混合物の粘度が設定範囲内であるか否かを判断する。第２混合物の粘度が設定値の範囲外である場合（ステップＳ２０：ＮＯ）には、引き続き、ステップＳ１９における自転／公転式遠心攪拌機による遠心撹拌を行なう。一方、第２混合物の粘度が設定範囲内となることで（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、触媒ペーストが完成する（ステップＳ２１）。
【００６１】
こうして得られた触媒ペーストを用いて、実施例と同様の方法によりＭＥＡ９０を製造した。また、このようにして得られたＭＥＡ９０を複数用意し、公知の方法によってこれらのＭＥＡ９０積層させることにより燃料電池スタックを構成し、燃料電池システムを完成させた。
【００６２】
この比較例の製造方法によっても、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することが可能である。その一方で、図２に示す、実施例の製造装置による触媒ペーストの製造フローと比較すると、実施例の製造装置による場合の方が触媒ペーストの製造における工程数（ステップ数）が少なくなっている。
【００６３】
実施例の製造装置では、粉砕手段及び前記混練手段として湿式ジェットミルを採用することにより、実施例の製造装置では、第１混合物の撹拌と粉砕とが同時に行われることなる。また、湿式ジェットミルを採用することにより、第１粉砕物質に対する高分子電解質８２の溶液の混練も同時に行われることとなる。さらに、湿式ジェットミルを採用することにより、比較例の製造方法におけるステップＳ１３、Ｓ１６のように、第１混合物又は第１粉砕物に対する水量調整も別途に行う必要がなくなる。これらのため、粉砕手段及び前記混練手段として湿式ジェットミルを採用することにより、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストをより大量に効率よく得ることが可能となっており、ひいては、高性能のＭＥＡ９０や燃料電池システムの製造コストの低廉化も可能となっている。
【００６４】
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
９２ａ、９３ａ…触媒層（９２ａ…アノード触媒層、９３ａ…カソード触媒層）
８１…触媒
１…湿式ジェットミル（粉砕手段、混練手段）
８２…高分子電解質
５…制御装置（制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のカソード極やアノード極といった電極を構成する触媒ペーストの製造装置及び触媒ペーストの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に示されているような膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）９０を用いた燃料電池システムが知られている。このＭＥＡ９０は、図３に示すように、ナフィオン（登録商標、Nafion（Du pont社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜９１と、この電解質膜９１の一面に接合されて空気が供給されるカソード極９３と、電解質膜９１の他面に接合されて水素等の燃料が供給されるアノード極９２とを有している。
【０００３】
カソード極９３は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある基材９３ｂと、この基材の一面に形成されたカソード触媒層９３ａとからなる。カソード極９３におけるカソード触媒層９３ａ以外の部分は、基材９３ｂであり、ここは非電解質側でカソード触媒層９３ａに空気を拡散するカソード拡散層とされている。
【０００４】
また、アノード極９２も、上記の基材９２ｂと、この基材９２ｂの一面に形成されたアノード触媒層９２ａとからなる。アノード極９２におけるアノード触媒層９２ａ以外の部分も基材９２ｂであり、ここは非電解質側でアノード触媒層９２ａに燃料を拡散するアノード拡散層とされている。
【０００５】
カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａは、図４に示すように、カーボンブラックからなる担体８１ａに白金（Ｐｔ）等の触媒金属微粒子８１ｂを担持してなる無数の触媒８１と、高分子電解質８２とを含むものである。高分子電解質８２としては電解質膜９１と同様のものが用いられる。
【０００６】
また、カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａを形成する触媒ペーストは、例えば、触媒８１と水とが混合された第１混合物と、高分子電解質８２の溶液とを混練することにより得ることができる。この触媒ペーストでは、図４に示すように、触媒８１の周りを覆うように高分子電解質８１による層が形成される。また、触媒８１と高分子電解質８２の層との間には、親水層８３が形成される。この触媒ペーストを上記の基材９３ｂ、９２ｂの一面に塗布することにより、カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａが得られている。
【０００７】
そして、このＭＥＡ９０を図示しないセパレータで挟むことにより最小発電単位である燃料電池のセルが構成され、このセルが多数積層されて燃料電池スタックが構成される。カソード触媒層９３ａには空気供給手段によって空気が供給され、アノード触媒層９２ａには水素供給手段等によって水素等が供給されるようになっている。こうして燃料電池システムが構成される。
【０００８】
このＭＥＡ９０では、アノード触媒層９２ａにおける電気化学的反応により、燃料から水素イオン（Ｈ+；プロトン）と電子とが生成される。そして、プロトンは水分子を伴ったＨ3Ｏ+の形で電解質膜９１内をカソード触媒層９３ａに向かって移動する。この際、プロトンは親水層８３を伝って移動する。また、電子は、燃料電池システムに接続された負荷を通り、カソード触媒層９３ａに流れる。一方、カソード触媒層９３ａにおいては、空気中に含まれる酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、燃料電池システムは起電力を連続して発生することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１０４９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように、燃料電池システムに起電力を好適に発生させるためには、ＭＥＡ９０におけるカソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａにおいて、電気化学的反応が円滑に行われる必要がある。このためには、電気化学的反応を円滑に行い得るカソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａを得る必要がある。つまり、性能が高い触媒ペーストが求められる。
【００１１】
さらに、電気化学的反応を円滑に行うためには、カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａにおける電気化学反応についての個体差を可及的に小さくすることが必要となる。このため、触媒ペーストには、個々の性能にバラツキが少ないことも求められる。
【００１２】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の触媒ペーストの製造装置は、燃料電池用電極の触媒層を構成する触媒ペーストの製造装置であって、
触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする粉砕手段と、
該第１粉砕物と高分子電解質の溶液との第２混合物を混練して触媒ペーストとする混練手段と、
該混練手段を制御して該第２混合物の粘度を調整する制御手段とを備えていることを特徴とする（請求項１）。
【００１４】
本発明の製造装置では、粉砕手段により、触媒と水との第１混合物を好適に粉砕することが可能となる。このため、第１粉砕物は、混練手段により、高分子電解質の溶液と好適に混合され易くなる。このため、この製造装置によって得られた触媒ペーストで形成された触媒層中では、触媒と高分子電解質の層とが共に好適な状態で存在し易くなる。
【００１５】
さらに、発明者の研究によれば、触媒ペーストの粘度が低すぎれば、高分子電解質の側鎖が多方向に向かって延び、触媒層中で親水層が分散して形成されると推察される。このため、このような触媒層においては、プロトン及び水が移動し難く、電気化学的反応が円滑に行われ難いこととなる。
【００１６】
この点、この製造装置では、制御手段が第２混合物の粘度を調整するため、得られた触媒ペーストでは粘度が好適な状態となる。このため、この製造装置によって得られた触媒ペーストでは、触媒と高分子電解質の層との間に親水層が連続して形成され易くなる。このため、カソード触媒層やアノード触媒層では、電気化学反応時において、連続した親水層を伝うことで、プロトンがより移動し易く、電気化学的反応が円滑に行われることとなる。
【００１７】
また、この製造装置によれば、触媒ペーストの粘度等の相違による性能のバラツキも生じ難くなる。このため、カソード触媒層やアノード触媒層における電気化学反応時の個体差を可及的に小さくすることができる。
【００１８】
したがって、本発明の製造装置によれば、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することが可能となる。
【００１９】
発明者の研究によれば、第１混合物中に含まれる水の量は、触媒が流動限界に近い状態なる量に基づくことがより好ましい。このような状態にある第１混合物によれば、より性能の高い触媒ペーストを得ることができる。
【００２０】
また、制御手段は、粉砕手段を制御して第１粉砕物の最大粒子径を調整することが好ましい（請求項２）。第１粉砕物の最大粒子径を調整することにより、第１粉砕物の粉砕状態を調整することが可能となる。このため、この製造装置では、触媒ペースト中における触媒の粒子径を調整することで、得られた触媒ペーストにおける性能のバラツキをより抑制することが可能となる。また、第１粉砕物の最大粒子径を調整することで、触媒ペーストの性能を任意に変化させることも可能となる。このため、この製造装置では、目的に応じて、性能が異なる触媒ペーストを製造することも可能となる。
【００２１】
粉砕手段としては、例えば、超音波ホモジナイザ等を採用することが可能である。また、混練手段としては、例えば、ボールミルや、スターラ、ビーズミル、ロールミル及びチャンバーを有する自転／公転式遠心攪拌機等を採用することができる。
【００２２】
さらに、粉砕手段と混練手段とで同じものを採用することができる。この場合、粉砕手段及び混練手段は湿式ジェットミルからなることが好ましい（請求項３）。湿式ジェットミルによれば、第１混合物を混合しつつ粉砕することが可能となる。また、湿式ジェットミルによれば、第１粉砕物と高分子電解質の溶液とをより効率よく混練することが可能となる。これらのため、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストをより大量に効率よく得ることが可能となるとともに、製造コストの低廉化も可能となる。
【００２３】
本発明の製造方法は、燃料電池用電極の触媒層を構成する触媒ペーストの製造方法であって、
触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする粉砕工程と、
該第１粉砕物と高分子電解質の溶液との第２混合物を混練して触媒ペーストとする混練工程とを備え、
該混練工程中に該第２混合物の粘度を調整することを特徴とする（請求項４）。
【００２４】
本発明の製造方法によれば、触媒ペースト中に触媒と高分子電解質とが共に好適な状態で存在し易くなる。また、この製造方法によれば、触媒ペーストの粘度が好適な状態となる。また、この製造方法によれば、カソード触媒層やアノード触媒層における電気化学反応時の個体差を可及的に小さくすることができる。
【００２５】
したがって、本発明の製造方法によれば、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することが可能となる。
【００２６】
本発明の製造方法においては、粉砕工程中に第１粉砕物の最大粒子径を調整することが好ましい（請求項５）。この場合には、得られた触媒ペーストの性能のバラツキをより抑制することが可能となる。また、触媒ペースト中における触媒の大きさを変更することにより、目的に応じて性能が異なる触媒ペーストを製造することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例の製造装置を示す模式構造図である。
【図２】実施例の製造装置における、触媒ペーストの製造フロー図である。
【図３】従来及び実施例におけるＭＥＡを示す模式断面図である。
【図４】従来及び実施例におけるＭＥＡを示す模式拡大断面図である。
【図５】比較例の製造装置における、触媒ペーストの製造フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を具体化した実施例及び比較例を図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
（実施例）
実施例の製造装置は、図１に示すように、湿式ジェットミル１と、溶液供給ユニット３と、制御装置５を備えている。この湿式ジェットミル１が粉砕手段及び混練手段に相当する。また、制御装置５が制御手段に相当する。
【００３０】
湿式ジェットミル１は、原料タンク７と、粉砕ユニット９と、開閉弁１１と、第１圧縮ポンプ１３と、第１圧力計１５と、粘度計１６と、第１、２切替弁１７、１８と、粒度分布計２４とを有している。開閉弁１１、第１圧縮ポンプ１３、第１圧力計１５、粘度計１６、第１、２切替弁１７、１８及び粒度分布計２４にはそれぞれ公知のものが採用されており、第１、２切替弁１７、１８は分岐弁である。原料タンク７内には、後述の第１混合物や第１粉砕物の他、第２混合物を貯留可能になっている。粉砕ユニット９には流入口９ａと流出口９ｂとが形成されている。また、粉砕ユニット９内には第１内部流路９ｄと第２内部流路９ｅとが設けられている。
【００３１】
原料タンク７と粉砕ユニット９の流入口９ａとは上流流路１９によって接続されている。この上流流路１９には、開閉弁１１と、第１圧縮ポンプ１３と、第１圧力計１５とが設けられている。第１圧力計１５は、上流流路１９内を流通する第１粉砕物や第２混合物の流通圧力を計測可能になっている。
【００３２】
また、粉砕ユニット９の流出口９ｂと第１切替弁１７とは、第１下流流路２０によって接続されている。第１下流流路２０には、粘度計１６が設けられており、第１下流流路２０内を流通する第２混合物の粘度を計測可能になっている。また、第１切替弁１７には、第１枝流路２１ａの一端側が接続されており、第１枝流路２１ａ他端側は、粒度分布計２４に接続されている。粒度分布計２４は、第１枝流路２１ａ内を流通する第１粉砕物の粒子径及び第１粉砕物中における粒子の分布を計測可能になっている。また、粒度分布計２４には、第２枝流路２１ｂの他端側が接続されている。
【００３３】
第１切替弁１７と第２切替弁１８とは第２下流流路２２によって接続されている。第２切替弁１８と原料タンク７とは接続流路２３によって接続されている。第２下流流路２２には、第２枝流路２１ｂの一端側が接続されている。また、第２切替弁１８には、抽出口２５が接続されており、抽出口２５の直下には、ペースト貯留タンク２７が設けられている。
【００３４】
第１内部流路９ｄ及び第２内部流路９ｅは、それぞれ粉砕ユニット９内の上流において、上流流路１９と接続している。また、第１内部流路９ｄ及び第２内部流路９ｅは、それぞれ粉砕ユニット９内の下流において、第１下流流路２０と接続している。第２内部流路９ｅには、第３切替弁２９が設けられている。第３切替弁２９には供給流路３１の一端側が接続されている。なお、第３切替弁２９は、第１切替弁１７と同じ構成である。
【００３５】
溶液供給ユニット３は、溶液貯留タンク３３と、第２圧縮ポンプ３５と第２圧力計３７と、上記の供給流路３１とで構成されている。溶液貯留タンク３３内には、後述の高分子電解質８２の溶液が貯留可能となっている。この溶液貯留タンク３３は供給流路３１の他端側が接続している。供給流路３１には、第２圧縮ポンプ３５と第２圧力計３７とが設けられている。第２圧力計３７は、供給流路３１内を流通する高分子電解質８２の溶液の流通圧力を計測可能になっている。なお、第２圧縮ポンプ３５及び第２圧力計３７は、それぞれ第１圧縮ポンプ１３及び第１圧力計１５と同じ構成である。
【００３６】
制御装置５には、上記の開閉弁１１と、第１、２圧縮ポンプ１３、３５と、第１、２圧力計１５、３７と、第１〜３切替弁１７、１８、２９と、粘度計１６と、粒度分布計２４とがそれぞれ回路３９〜４８を介して電気的に接続されている。制御装置５は、開閉弁１１及び第１、２圧縮ポンプ１３、３５の作動制御を行う。また制御装置５は、粘度計１６が計測した値を基に第２混合物の粘度を計測可能になっている。さらに、制御装置５は、粒度分布計２４が計測した値を基に、第１粉砕物中における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率を計測可能になっている。制御装置５は、計測された上流流路１９内の流通圧力や、第１粉砕物中における粗大粒子の含有率や、第２混合物の粘度を基に、第１圧縮ポンプ１３の作動量の制御を行う。また、制御装置５は、第２圧力計３７が計測した供給流路３１内の流通圧力を基に第２圧縮ポンプ３５の作動量の制御を行う。
【００３７】
以上のように構成された製造装置によれば、図２に示す製造フローに従い触媒ペーストを得ることが可能となる。
【００３８】
図２のステップＳ１に示すように、触媒ペーストを得るにあたり、まず、第１混合物を用意する。この第１混合物は、触媒８１と水とで得られている。より具体的には、触媒８１は、図４に示すように、カーボンブラックからなる担体８１ａに対し、Ｐｔ微粒子からなる触媒金属微粒子８１ｂを担持密度５０ｗｔ％で担持することで得られている。そして、触媒８１の１０倍の重量に相当する量の水を加えることで、この第１混合物が得られている。なお、上記の水の量が触媒８１における流動限界の水量に相当する。この第１混合物を上記の原料タンク７内に注入する。
【００３９】
また、上記の溶液貯留タンク３３内に貯留される高分子電解質８２の溶液を用意する。この高分子電解質８２の溶液は、溶液中の高分子電解質８２の濃度が５質量％とされたものが用いられている。
【００４０】
図２に示すステップＳ２において、湿式ジェットミル１により第１混合物を粉砕する。具体的には、制御装置５が開閉弁１１及の開制御を行うとともに、第１圧縮ポンプ１３を作動させる。また、制御装置５は第１切替弁１７を作動させ、第１下流流路２０と第１枝流路２１ａとを連通させて、第１下流流路２０及び第１枝流路２１ａと第２下流流路２２とを直接的には非連通とさせる。さらに、制御装置５は第２切替弁１８を作動させ、第２下流流路２２と接続流路２３とを連通させて、第２下流流路２２及び接続流路２３と抽出口２５とを非連通とさせる。そして、制御装置５は、第３切替弁２９を作動させ、開閉弁１１と第２内部流路９ｅとを連通させて、開閉弁１１及び第２内部流路９ｅと供給流路３１とを非連通とさせる。
【００４１】
これにより第１混合物は、上流流路１９内、第１下流流路２０内、第１枝流路２１ａ内、粒度分布計２４内、第２枝流路２１ｂ内、第２下流流路２２内及び接続流路２３内の順で流通する（図１中の実線矢印参照）。この際、第１圧縮ポンプ１３により、第１混合物は増圧され、高速で上流流路１９内、第１下流流路２０内、第１枝流路２１ａ内、粒度分布計２４内、第２枝流路２１ｂ内、第２下流流路２２内及び接続流路２３内を流通する。そして、上流流路１９内を流通して粉砕ユニット９内に至った第１混合物は、第１内部流路９ｄと第２内部流路９ｅとに分岐して粉砕ユニット９内を流通する。第１、２内部流路９ｄ、９ｅをそれぞれ流通した第１混合物は、粉砕ユニット９内の下流において合流する。この際、第１、２内部流路９ｄ、９ｅをそれぞれ流通してきた第１混合物が互いに衝突する。これにより、第１混合物の粉砕が行われ、第１粉砕物が得られる。この第１粉砕物は第１下流流路２０等を経て粒度分布計２４に至り、上記の計測が行われることとなる。粒度分布計２４による計測の後、第１粉砕物は接続流路２３等を経て再び原料タンク７に至る。なお、原料タンク７と粉砕ユニット９との間を循環する過程において、第１混合物や第１粉砕物は同時に撹拌も行われることとなる。
【００４２】
そして、ステップＳ３において、制御装置５は粒度分布計２４の計測値を基に、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％以下であるか否かを判断する。この結果、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％より大きい場合（ステップＳ３：ＮＯ）には、引き続き、ステップＳ２における湿式ジェットミル１による粉砕が行われる。
【００４３】
一方、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％以下となった場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）には、高分子電解質８２の溶液の添加が行われる（ステップＳ４）。具体的には、制御装置５が、第３切替弁２９を作動させ、供給流路３１と第２内部流路９ｅとを連通させて、供給流路３１及び第２内部流路９ｅと開閉弁１１とを非連通とさせる。そして、制御装置５は第２圧縮ポンプ３５を作動させる。この際、制御装置５は第２圧力計が計測した供給流路３１内の流通圧力を基に第２圧縮ポンプ３５の作動量を調整する。こうして、第１粉砕物中における触媒８１と高分子電解質８２の溶液中の高分子電解質８２とが重量比で１：１となるように、高分子電解質８２の溶液の添加を行う。なお、この状態において、制御装置５は、第１切替弁１７を作動させて、第１下流流路２０と第２下流流路２２とを連通させて、第１下流流路２０及び第２下流流路２２と第１枝流路２１ａとを直接的には非連通とさせても良い。
【００４４】
これにより、溶液貯留タンク３３内に貯留された高分子電解質８２の溶液と、第１内部流路９ｄ内を流通してきた第１粉砕物とが粉砕ユニット９内の下流において合流し、混練される（ステップＳ５）。こうして、第２混合物が得られる。なお、所定量の高分子電解質８２の溶液の添加が終了した後は、制御装置５が再度、第３切替弁２９を作動させ、開閉弁１１と第２内部流路９ｅとを連通させて、開閉弁１１及び第２内部流路９ｅと供給流路３１とを非連通とさせる。また同時に、制御装置５は第２圧縮ポンプ３５の作動を停止させる。
【００４５】
制御装置５は、粘度計１６が計測した値を基に、第２混合物の粘度が設定範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ６）。第２混合物の粘度が設定値の範囲外である場合（ステップＳ６：ＮＯ）には、引き続き、ステップＳ５における湿式ジェットミル１による混練が行われる。
【００４６】
一方、第２混合物の粘度が設定範囲内となった場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）には、触媒ペーストが完成する（ステップＳ７）。触媒ペーストが完成することにより、制御装置５は、第２切替弁１８を作動させる。これにより、第２下流流路２２と抽出口２５とが連通され、第２下流流路２２及び抽出口２５と接続流路２３とが非連通とされる。こうして触媒ペーストが抽出口２５から抽出され、ペースト貯留タンク２７内に貯留される。
【００４７】
こうして得られた触媒ペーストを図３に示す基材９３ｂに塗布し、カソード触媒層９３ａを形成した。基材９３ｂは、ＰＴＦＥで撥水処理を行ったカーボンブラックと、電子伝導性を有するカーボンクロスとを積層することで得られている。なお、カーボンペーパー等の上に、カーボンブラックとＰＴＦＥとの混合物からなる撥水層を設けて基材９３ｂを構成することもできる。また、上記の触媒ペーストを基材９３ｂへ塗布する方法としては、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット法等の手段を採用することができる。
【００４８】
そして、触媒ペーストが塗布された基材９３ｂを乾燥させてカソード極９３を得た。また、アノード極９２も同様の工程によって製造した。
【００４９】
そして、アノード極９２、電解質膜（ナフィオン膜：ＮＲ２１１）９１及びカソード極９３の順でこれらを積層し、１４０°Ｃ、加圧力４０ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスして接合した。こうしてＭＥＡ９０を製造した。
【００５０】
さらにこのＭＥＡ９０を複数用意し、公知の方法によってこれらのＭＥＡ９０積層させることにより燃料電池スタックを構成し、燃料電池システムを完成させた。
【００５１】
以上のように、この製造装置によれば、湿式ジェットミル１により、触媒８１と水との第１混合物を好適に粉砕することが可能となっている。このため、第１粉砕物は、湿式ジェットミル１により、高分子電解質８２の溶液と好適に混合され易くなる。このため、この製造装置によって得られた触媒ペーストで形成された触媒層中では、触媒８１と高分子電解質８１の層とが共に好適な状態で存在し易くなる。
【００５２】
さらに、この製造装置では、制御装置５が第２混合物の粘度を調整するため、得られた触媒ペーストでは粘度が好適な状態となっている。このため、この触媒ペーストで形成された触媒層中では、高分子電解質８２の側鎖が触媒８１に配向し、触媒層中で親水層８３が連続して形成され易くなる。このため、この触媒ペーストで形成されたカソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａでは、電気化学反応時において、連続した親水層８３を伝うことで、プロトンがより移動し易く、電気化学的反応が円滑に行われることとなる。
【００５３】
また、この製造装置によれば、触媒ペーストの粘度等の相違による性能のバラツキも生じ難くなる。このため、カソード触媒層９３ａやアノード触媒層９２ａにおける電気化学反応時の個体差を可及的に小さくすることができ、ひいてはＭＥＡ９０の個体差を可及的に小さくすることができる。
【００５４】
したがって、本発明の製造装置によれば、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することが可能となる。
【００５５】
（比較例）
比較例として、図５に示す製造フローに従い触媒ペーストを得た。まず、ステップＳ１１として、第１混合物を用意した。この第１混合物は、上記の図２に示すステップＳ１において用意したものと同一の構成である。また、高分子電解質８２の溶液も実施例と同じ構成のものを用意した。
【００５６】
次に、図５のステップＳ１２に示すように、第１混合物の遠心撹拌を行う。この遠心撹拌を行うにあたっては、自転／公転式遠心攪拌機（キーエンス社製の「ハイブリッドミキサーＨＭ−５００」）を使用した。そして、遠心撹拌の後、第１混合物に対し、第１混合物中の触媒８１の重量比１９０倍の水量の水を添加して、第１混合物の水量調節を行った（ステップＳ１３）。さらに、水量調節を行った第１混合物に対し、超音波ホモジナイザを用いた湿式粉砕を開始し、第１混合物を第１粉砕物とした（ステップＳ１４）。なお、このステップＳ１４が粉砕工程に相当する。
【００５７】
続くステップＳ１５では、上記の湿式粉砕の結果、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％以下であるか否かを判断する。第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％より大きい場合（ステップＳ１５：ＮＯ）には、引き続き、超音波ホモジナイザによる湿式粉砕が行われる。
【００５８】
一方、第１粉砕物における１０μｍ以上の粗大粒子の含有率が０．５％以下となった場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）には、湿式粉砕を終了し、第１粉砕物を３時間静置する。これにより、第１粉砕物中の触媒８１等が沈澱し、上記のステップＳ１３において添加した水が上澄み液となる。ステップＳ１６では、この上澄み液の除去を行い、第１粉砕物の水量調整を行なう。
【００５９】
次に、水量調整を行った第１粉砕物について、上記の自転／公転式遠心攪拌機による遠心撹拌を行う（ステップＳ１７）。この遠心撹拌を行なった後、第１粉砕物に対し、実施例と同じ割合で高分子電解質８２の溶液の添加を行ない（ステップＳ１８）、自転／公転式遠心攪拌機による遠心撹拌を行った（ステップＳ１９）。こうして第２混合物を得た。なお、ステップＳ１８及びステップＳ１９が混練工程に相当する。
【００６０】
ステップＳ２０では、第２混合物の粘度が設定範囲内であるか否かを判断する。第２混合物の粘度が設定値の範囲外である場合（ステップＳ２０：ＮＯ）には、引き続き、ステップＳ１９における自転／公転式遠心攪拌機による遠心撹拌を行なう。一方、第２混合物の粘度が設定範囲内となることで（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、触媒ペーストが完成する（ステップＳ２１）。
【００６１】
こうして得られた触媒ペーストを用いて、実施例と同様の方法によりＭＥＡ９０を製造した。また、このようにして得られたＭＥＡ９０を複数用意し、公知の方法によってこれらのＭＥＡ９０積層させることにより燃料電池スタックを構成し、燃料電池システムを完成させた。
【００６２】
この比較例の製造方法によっても、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストを製造することが可能である。その一方で、図２に示す、実施例の製造装置による触媒ペーストの製造フローと比較すると、実施例の製造装置による場合の方が触媒ペーストの製造における工程数（ステップ数）が少なくなっている。
【００６３】
実施例の製造装置では、粉砕手段及び前記混練手段として湿式ジェットミルを採用することにより、実施例の製造装置では、第１混合物の撹拌と粉砕とが同時に行われることなる。また、湿式ジェットミルを採用することにより、第１粉砕物質に対する高分子電解質８２の溶液の混練も同時に行われることとなる。さらに、湿式ジェットミルを採用することにより、比較例の製造方法におけるステップＳ１３、Ｓ１６のように、第１混合物又は第１粉砕物に対する水量調整も別途に行う必要がなくなる。これらのため、粉砕手段及び前記混練手段として湿式ジェットミルを採用することにより、高性能であり、かつ性能の個体差が小さい触媒ペーストをより大量に効率よく得ることが可能となっており、ひいては、高性能のＭＥＡ９０や燃料電池システムの製造コストの低廉化も可能となっている。
【００６４】
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
９２ａ、９３ａ…触媒層（９２ａ…アノード触媒層、９３ａ…カソード触媒層）
８１…触媒
１…湿式ジェットミル（粉砕手段、混練手段）
８２…高分子電解質
５…制御装置（制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用電極の触媒層を構成する触媒ペーストの製造装置であって、
触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする粉砕手段と、
該第１粉砕物と高分子電解質の溶液との第２混合物を混練して触媒ペーストとする混練手段と、
該混練手段を制御して該第２混合物の粘度を調整する制御手段とを備えていることを特徴とする触媒ペーストの製造装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記粉砕手段を制御して前記第１粉砕物の最大粒子径を調整する請求項１記載の触媒ペーストの製造装置。
【請求項３】
前記粉砕手段及び前記混練手段は湿式ジェットミルからなる請求項１又は２記載の触媒ペーストの製造装置。
【請求項４】
燃料電池用電極の触媒層を構成する触媒ペーストの製造方法であって、
触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする粉砕工程と、
該第１粉砕物と高分子電解質の溶液との第２混合物を混練して触媒ペーストとする混練工程とを備え、
該混練工程中に該第２混合物の粘度を調整することを特徴とする触媒ペーストの製造方法。
【請求項５】
前記粉砕工程中に前記第１粉砕物の最大粒子径を調整する請求項５記載の触媒ペーストの製造方法。
【請求項１】
燃料電池用電極の触媒層を構成する触媒ペーストの製造装置であって、
触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする粉砕手段と、
該第１粉砕物と高分子電解質の溶液との第２混合物を混練して触媒ペーストとする混練手段と、
該混練手段を制御して該第２混合物の粘度を調整する制御手段とを備えていることを特徴とする触媒ペーストの製造装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記粉砕手段を制御して前記第１粉砕物の最大粒子径を調整する請求項１記載の触媒ペーストの製造装置。
【請求項３】
前記粉砕手段及び前記混練手段は湿式ジェットミルからなる請求項１又は２記載の触媒ペーストの製造装置。
【請求項４】
燃料電池用電極の触媒層を構成する触媒ペーストの製造方法であって、
触媒と水との第１混合物を粉砕して第１粉砕物とする粉砕工程と、
該第１粉砕物と高分子電解質の溶液との第２混合物を混練して触媒ペーストとする混練工程とを備え、
該混練工程中に該第２混合物の粘度を調整することを特徴とする触媒ペーストの製造方法。
【請求項５】
前記粉砕工程中に前記第１粉砕物の最大粒子径を調整する請求項５記載の触媒ペーストの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１４２１５１（Ｐ２０１２−１４２１５１Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９３１３６（Ｐ２０１０−２９３１３６）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
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