6160158 燃料電池用電極及びその製造方法ならびに燃料電池用膜電極接合体及びその製造法と固体高分子形燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6160158

(24)【登録日】2017年6月23日

(45)【発行日】2017年7月12日

(54)【発明の名称】燃料電池用電極及びその製造方法ならびに燃料電池用膜電極接合体及びその製造法と固体高分子形燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/88 20060101AFI20170703BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20170703BHJP

   H01M 4/90 20060101ALI20170703BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20170703BHJP

   B01J 23/648 20060101ALI20170703BHJP

   B01J 27/24 20060101ALI20170703BHJP

【ＦＩ】

   H01M4/88 K

   H01M4/86 B

   H01M4/90 X

   H01M8/10

   B01J23/648 M

   B01J27/24 M

【請求項の数】11

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-62673(P2013-62673)

(22)【出願日】2013年3月25日

(65)【公開番号】特開2014-186959(P2014-186959A)

(43)【公開日】2014年10月2日

【審査請求日】2016年2月19日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「固体高分子形燃料電池実用化推進技術開発／基盤技術開発／酸化物系非貴金属触媒」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】凸版印刷株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100116012

【弁理士】

【氏名又は名称】宮坂 徹

(72)【発明者】

【氏名】盛岡 弘幸

(72)【発明者】

【氏名】太田 健一郎

【審査官】 守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特許第４６５５１６７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０１２−００９１９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ４／８８

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ８／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

触媒物質、炭素粒子および高分子電解質を含み、かつ上記触媒物質の比表面積が上記炭素粒子よりも小さい燃料電池用電極の製造方法であって、
上記触媒物質または上記炭素粒子の一方を第１の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第１の触媒インクを作製する第１工程と、
上記第１の触媒インクを乾燥させて上記触媒物質または上記炭素粒子の一方を上記第１の高分子電解質で包埋する第２工程と、
上記第２工程で乾燥処理された第１の触媒インクに、上記触媒物質または上記炭素粒子の他方を添加してなる上記触媒物質、上記炭素粒子および上記第１の高分子電解質を、第２の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第２の触媒インクを作製する第３工程と、
上記第２の触媒インクを転写シートに塗布し、塗布した上記第２の触媒インク上にガス拡散層を配置させ、乾燥処理後に上記転写シートを剥離して電極を形成する第４工程と、を有す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】

上記第２工程で、上記第１工程で上記触媒物質を分散させた場合には上記触媒物質と上記第１の高分子電解質との質量比が１：０．０１〜１：３０の範囲内となるように、上記第１工程で上記炭素粒子を分散させた場合には上記炭素粒子と上記第１の高分子電解質との質量比が１：０．１〜１：２０の範囲内となるように、上記第１の触媒インクを乾燥処理することを特徴とする請求項１に記載した燃料電池用電極の製造方法。

【請求項3】

上記第２工程で、上記第１の触媒インクを３０℃以上１４０℃以下の温度で乾燥処理することを特徴とする請求項１または請求項２に記載した燃料電池用電極の製造方法。

【請求項4】

上記第３工程で、上記第２工程で乾燥処理された上記第１の触媒インクに、炭素粒子または触媒物質の他方を添加して無溶媒で混合してなる、上記触媒物質、上記炭素粒子および上記第１の高分子電解質を、第２の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第２の触媒インクを作製することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した燃料電池用電極の製造方法。

【請求項5】

上記第３工程で、上記第２工程で乾燥処理された上記第１の触媒インクに、炭素粒子または触媒物質の他方を添加して無溶媒で混合し、次いで上記第１の高分子電解質で包埋された触媒物質または炭素粒子の一方と、添加された炭素粒子または触媒物質の他方とを５０℃以上１８０℃以下の温度で熱処理してなる、上記触媒物質、上記炭素粒子および上記第１の高分子電解質を、第２の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第２の触媒インクを作製することを特徴とする請求項４に記載した燃料電池用電極の製造方法。

【請求項6】

上記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウムから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用電極の製造方法。

【請求項7】

上記触媒物質は、上記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したものであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極の製造方法。

【請求項8】

触媒物質、炭素粒子および高分子電解質を含み、かつ上記触媒物質の比表面積が上記炭素粒子よりも小さい燃料電池用電極であって、
上記触媒物質または上記炭素粒子の一方は、上記高分子電解質で包埋されていることを特徴とする燃料電池用電極。

【請求項9】

高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、上記一対の電極のうちの正極側の電極が請求項８に記載の電極からなることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。

【請求項10】

高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合であって、上記一対の電極のうちの正極側の電極が請求項８に記載の電極からなることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。

【請求項11】

請求項１０に記載の膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池用電極及びその製造方法ならびに燃料電池用膜電極接合体及びその製造方法と固体高分子形燃料電池に関するものである。さらに詳しくは、非白金触媒を用いて高い発電特性を示す燃料電池用電極の製造技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

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

【0003】

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

【0004】

固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化である。現在の固体高分子形燃料電池には、高価な白金が電極触媒として用いられており、本格普及には、代替材料の開発が強く求められている。特に、空気極では、燃料極よりも多くの白金を使用しているため、空気極において高い酸素還元触媒能を示す白金代替材料（非白金触媒）の開発が盛んである。

【0005】

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

【0006】

非特許文献１には、部分酸化されたタンタルの炭窒化物が記載されており、優れた安定性と触媒能を持つことを示している。しかし、この酸化物系非白金触媒は、触媒単体として高い酸素還元触媒能を示しているが、白金触媒のように炭素粒子に担持されておらず、電極触媒層の作製手法を最適化する必要がある。
特許文献３には、非白金触媒を用いたＭＥＡが記載されているが、その電極触媒層の作製手法は、例えば、特許文献４および特許文献５などに記載されている白金触媒で用いられる従来の作製手法であるため、非白金触媒に適していないという問題点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００５−４４６５９号公報

【特許文献2】特開２００５−６３６７７号公報

【特許文献3】特開２００８−２７０１７６号公報

【特許文献4】特公平２−４８６３２号公報

【特許文献5】特開平５−３６４１８号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】”Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ”， Ｖｏｌ．１５５， Ｎｏ．４， ｐ．Ｂ４００−Ｂ４０６（２００８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、触媒物質に酸化物系非白金触媒を用いても高い発電特性を示す燃料電池用電極、及びその燃料電池用電極を使用する燃料電池用膜電極接合や固体高分子形燃料電池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】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様である第１の燃料電池用電極の製造方法は、触媒物質、炭素粒子および高分子電解質を含み、かつ上記触媒物質の比表面積が上記炭素粒子よりも小さい燃料電池用電極の製造方法であって、上記触媒物質または上記炭素粒子の一方を第１の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第１の触媒インクを作製する第１工程と、上記第１の触媒インクを乾燥させて上記触媒物質または上記炭素粒子の一方を上記第１の高分子電解質で包埋する第２工程と、上記第２工程で乾燥処理された第１の触媒インクに、上記触媒物質または上記炭素粒子の他方を添加してなる上記触媒物質、上記炭素粒子および上記第１の高分子電解質を、第２の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第２の触媒インクを作製する第３工程と、上記第２の触媒インクを転写シートに塗布し、塗布した上記第２の触媒インク上にガス拡散層を配置させ、乾燥処理後に上記転写シートを剥離して電極を形成する第４工程と、を有することを特徴とする。

【0011】

また第２の態様として、上記第１の態様に対し、上記第２工程で、上記第１工程で上記触媒物質を分散させた場合には上記触媒物質と上記第１の高分子電解質との質量比が１：０．０１〜１：３０の範囲内となるように、上記第１工程で上記炭素粒子を分散させた場合には上記炭素粒子と上記第１の高分子電解質との質量比が１：０．１〜１：２０の範囲内となるように、上記第１の触媒インクを乾燥処理するようにしても良い。

【0012】

また第３の態様として、上記第１又は第２の態様に対し、上記第２工程で、上記第１の触媒インクを３０℃以上１４０℃以下の温度で乾燥処理するようにしても良い。
また第４の態様として、上記第１〜第３のいずれかの態様に対し、上記第３工程で、上記第２工程で乾燥処理された上記第１の触媒インクに、炭素粒子または触媒物質の他方を添加して無溶媒で混合してなる、上記触媒物質、上記炭素粒子および上記第１の高分子電解質を、第２の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第２の触媒インクを作製するようにしても良い。

【0013】

また第５の態様として、上記第４の態様に対し、上記第３工程で、上記第２工程で乾燥処理された上記第１の触媒インクに、炭素粒子または触媒物質の他方を添加して無溶媒で混合し、次いで上記第１の高分子電解質で包埋された触媒物質または炭素粒子の一方と、添加された炭素粒子または触媒物質の他方とを５０℃以上１８０℃以下の温度で熱処理してなる、上記触媒物質、上記炭素粒子および上記第１の高分子電解質を、第２の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第２の触媒インクを作製するようにしても良い。

【0014】

また第６の態様として、第１〜第５のいずれかの態様に対し、上記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウムから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むようにしても良い。
また第７の態様として、第６の態様に対し、上記触媒物質は、上記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したものであっても良い。

【0015】

また第８の態様の燃料電池用電極は、第１〜第７のいずれかの態様に記載の製造方法により製造されていることを特徴とする。
また第９の態様の燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体の製造方法であって、上記一対の電極のうちの正極側の電極が請求項８に記載の電極からなることを特徴とする。

【0016】

また第１０の態様の燃料電池用膜電極接合体は、第９の態様に記載の製造方法により製造されていることを特徴とする。
また第１１の態様の固体高分子形燃料電池は、第１０の態様に記載の膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明の態様によれば、高分子電解質および触媒物質と炭素粒子を備える電極触媒層において、炭素粒子よりも小さい比表面積の触媒物質に対して高分子電解質を包埋し、触媒表面のプロトン伝導性を高めることで反応活性点を増加させることが出来る。この結果、出力性能の向上した電極の製造方法および電極並びに膜電極接合体、固体高分子形燃料電池を提供することができる。

【0018】

または、触媒物質よりも大きい比表面積の炭素粒子に対して高分子電解質を包埋し、炭素粒子の比表面積を小さくする処理を行う。これによって炭素粒子の比表面積を調整することで、電極触媒層の形成時に、触媒表面のプロトン伝導性も高められる。その結果、反応活性点が増加し、出力性能の向上した電極の製造方法および電極並びに膜電極接合体、固体高分子形燃料電池を提供することができる。
そして、触媒インクを転写シートに塗布した後にガス拡散層を配置させ、乾燥処理後に得られる電極触媒層とガス拡散層との密着性を高め、出力性能の向上した電極を製造可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態に係る膜電極接合体の断面模式図である。

【図2】本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池の分解断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に、本発明の実施形態に係る膜電極接合体およびその製造方法、固体高分子形燃料電池について説明する。
なお、本発明は、以下に記載の膜電極接合体に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれるものである。

【0021】

まず、本発明の実施形態に係る膜電極接合体の例について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る膜電極接合体１２を示す断面模式図である。図１に示されるように、本発明の実施形態に係る膜電極接合体１２は、高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１を挟持する空気極側の電極触媒層２と、燃料極側の電極触媒層３を備え、更に外側には空気極側のガス拡散層４と、燃料極側のガス拡散層５を備える。電極触媒層２とガス拡散層４とで空気極（カソード）６が構成され、電極触媒層３とガス拡散層５とで燃料極（アノード）７が構成される。

【0022】

また、ガス拡散層４、５の外側には、導電性でかつ不透過性の材料よりなるセパレーター１０がそれぞれは位置され、各セパレーター１０はガス流通用のガス流路８と、冷却水流通用の冷却水流路９とを備えている。
燃料極７側のセパレーター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側のセパレーター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。燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じることができる。

【0023】

固体高分子形燃料電池１１の固体高分子電解質膜１、電極触媒層２、３およびガス拡散層４、５は，図２に示すように、一組のセパレーター１０により狭持されている。固体高分子形燃料電池１１は単セル構造の燃料電池であるが、セパレーター１０を介して複数のセルを積層して固体高分子形燃料電池とすることもできる。

【0024】

次に、本発明の実施形態に係る膜電極接合体１２の製造方法について説明する。
本実施形態では、膜電極接合体１２の電極のうち、空気極側の電極６の製造方法を例に挙げて説明する。すなわち、本実施形態の膜電極接合体１２は、以下の第１工程〜第４工程を有する製造方法により製造される。
ここで、本実施形態の燃料電池用電極は、触媒物質、炭素粒子および高分子電解質を含む。また上記触媒物質の比表面積が上記炭素粒子よりも小さいものを使用するものとする。

【0025】

第１工程：触媒物質または該触媒物質より比表面積の大きい炭素粒子の一方を第１の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第１の触媒インクを作製する工程。
第２工程：第１の触媒インクを乾燥させて触媒物質または炭素粒子の一方を第１の高分子電解質で包埋する工程。

【0026】

第３工程：第２工程の後に第１の触媒インクに対し炭素粒子または触媒物質の他方を添加してなる、触媒物質、炭素粒子および上記第１の高分子電解質を、第２の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第２の触媒インクを作製する工程。すなわち、第１の触媒インクに対し炭素粒子または触媒物質の他方を添加し、その後、第２の高分子電解質と共に溶媒に分散させて第２の触媒インクを作製する。
第４工程：第２の触媒インクを基材上に塗布し、塗布した第２の触媒インク上にガス拡散層を配置させ、乾燥処理後に基材を剥離して電極を形成する工程。

【0027】

本発明者は、炭素粒子よりも比表面積の小さい触媒物質を上記第１工程で用いた場合には、第１の触媒インクを乾燥させて触媒物質を第１の高分子電解質で包埋することで、触媒表面のプロトン伝導性を高められ、これにより、反応活性点を増加できることを見出し、本発明に至った。従って、第１工程で第１の触媒インクを作製した後、第１の触媒インクの触媒物質を第１の高分子電解質で包埋して触媒表面のプロトン伝導性を高めることで、反応活性点を増加することができる。

【0028】

上記第１工程及び第２工程を行わないで第１の高分子電解質による包埋を行わない電極触媒層の製造方法では、電極触媒層の形成時に、比表面積の大きい炭素粒子が高分子電解質で優先的に包埋されるため、触媒表面のプロトン伝導性が低く、反応活性点を増加させることはできない。この製造方法でも、高分子電解質を高濃度にすることで触媒表面のプロトン伝導性を高めることもできるが、炭素粒子に対しては過剰な量の添加となり、出力性能を向上させることは困難である。

【0029】

また、第２工程で第１の触媒インクを乾燥させて触媒物質を第１の高分子電解質で包埋する際に、乾燥後の触媒物質と第１の高分子電解質との質量比を、インク組成の設定で制御することができる。触媒物質と第１の高分子電解質との質量比は、１：０．０１〜１：３０の範囲内であることが好ましい。触媒物質に対して、第１の高分子電解質の質量比が０．０１に満たない場合にあっては、触媒表面のプロトン伝導性が変化せず、反応活性点を増加させることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。また、触媒物質に対して、第１の高分子電解質の質量比が３０を超える場合にあっては、反応活性点へのガス拡散性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。

【0030】

本発明者は、第１工程で触媒物質を使用し、第２工程で乾燥処理された第１の触媒インクに炭素粒子を添加して第２の触媒インクを作製することを選択した場合、第１の触媒インクの触媒物質（第１の高分子電解質で包埋された触媒物質）と添加された炭素粒子とを無溶媒で混合した後、第２の触媒インクを作製することで、反応活性点が増加することを見出し、本発明に至った。この工程を実施しない場合にあっては、触媒物質と炭素粒子の接触性が低く、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。

【0031】

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

【0032】

本発明者は、第１工程で炭素粒子を使用して触媒物質より比表面積の大きい炭素粒子を第１の高分子電解質を包埋することを選択した場合には、炭素粒子の比表面積を小さくでき、これにより、第２の触媒インクを作製する第３工程において、触媒表面のプロトン伝導性を高められ、反応活性点を増加できることを見出し、本発明に至った。炭素粒子に対する高分子電解質の包埋を行わない従来の電極触媒層の製造方法では、電極触媒層の形成時に、比表面積の大きい炭素粒子に高分子電解質が優先的に包埋されるため、触媒表面のプロトン伝導性が低くなり、反応活性点を増加させることはできない。

【0033】

また、第１工程で炭素粒子を選択し第１の触媒インクを乾燥させて炭素粒子を第１の高分子電解質で包埋する際に、乾燥後の炭素粒子と第１の高分子電解質との質量比を、インク組成の設定で制御することができる。炭素粒子と第１の高分子電解質との質量比は、１：０．１〜１：２０の範囲内であることが好ましい。炭素粒子に対して、第１の高分子電解質の質量比が０．１に満たない場合にあっては、炭素粒子の比表面積を小さくすることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。また、炭素粒子に対して、第１の高分子電解質の質量比が２０を超える場合にあっては、触媒物質に対しては過剰な量の添加となり、反応活性点へのガス拡散性が阻害され、出力性能が向上しない場合がある。

【0034】

本発明者は、第１工程で炭素粒子を使用し第２工程で乾燥処理された第１の触媒インクに触媒物質を添加して第２の触媒インクを作製することを選択する場合には、第１の触媒インクの炭素粒子（第１の高分子電解質で包埋された炭素粒子）と添加された触媒物質とを無溶媒で混合した後、第２の触媒インクを作製することで、反応活性点を増加できることを見出し、本発明に至った。この工程を実施しない場合にあっては、炭素粒子と触媒物質の接触性が低く、反応活性点を増加せることが困難であることから、出力性能が向上しない場合がある。

【0035】

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

【0036】

本発明者は、転写シートに触媒インクを塗布し、その塗布した触媒インク上にガス拡散層を配置させることで、乾燥処理後に得られる電極触媒層のクラックが抑制され、これにより、反応活性点を増加できることを見出し、本発明に至った。非白金触媒は白金触媒よりも活性が低く、従来の白金触媒を用いたＭＥＡに匹敵する発電特性を得るには、従来よりも触媒インクの塗布量を増やす必要がある。しかし、ガス拡散層上で多量の触媒インクを乾燥処理した場合はガス拡散層との密着性が弱くなり、発電特性が著しく低下する問題がある。従って、第４工程で第２の触媒インクを転写シートに塗布した後、塗布した第２の触媒インク上にガス拡散層を配置させ、ガス拡散層との密着性を高めることで、高い発電特性を得ることができる。

【0037】

本実施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る。好ましくは、空気極における白金代替材料として固体高分子形燃料電池の正極として用いられる、タンタル、ニオブ、チタン、ジルコニウムから選択される、少なくとも一つの遷移金属元素を含む物質が使用できる。
また、より好ましくは、これら遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質が使用できる。具体的には、タンタル炭窒化物（ＴａＣＮ）を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質（ＴａＣＮＯ）であり、その比表面積は、凡そ１ｍ^２／ｇ以上２０ｍ^２／ｇ以下である。

【0038】

以下、さらに詳細に本発明の実施形態に係る膜電極接合体１２および固体高分子形燃料電池１１について説明する。
高分子電解質膜１としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を用いることができる。フッ素系高分子電解質膜としては、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、旭硝子（株）製Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成（株）製Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ゴア社製Ｇｏｒｅ Ｓｅｌｅｃｔ（登録商標）などを用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質膜としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いることができる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。特に、高分子電解質膜１として、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いることができる。

【0039】

また、電極触媒層は、触媒インクを用いて高分子電解質膜の両面に形成される。触媒インクは、少なくとも高分子電解質および溶媒を含む。
上述の触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、高分子電解質膜と同様の材料を用いることができ、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料などを用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質を用いることができる。特に、フッ素系高分子電解質として、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いることができる。なお、電極触媒層と高分子電解質膜の密着性を考慮すると、高分子電解質膜１と同一の材料を用いることが好ましい。

【0040】

また、本実施形態で使用する高分子電解質には、触媒物質または炭素粒子の一方を包埋する第１の高分子電解質と、第１の高分子電解質で包埋した触媒物質または炭素粒子の他方と混合される第２の高分子電解質があるが、両者はともに同一の高分子電解質でもよく、また、異なる高分子電解質でもよい。

【0041】

本実施形態の炭素粒子は、一般的にカーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであれば限定されるものではないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンを用いることができる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層２および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するので、１０〜１０００ｎｍ程度が好ましい。さらに好ましくは、１０〜１００ｎｍがよい。

【0042】

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

【0043】

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒として、低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高い。触媒インクの分散媒として低級アルコールを用いる場合は、水との混合溶媒にするのが好ましい。さらに、高分子電解質となじみがよい水が含まれていてもよい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限されるものではない。

【0044】

また、触媒インクの分散媒として使用される溶媒には、第１の触媒インクの溶媒と、第２の触媒インクの溶媒とがあるが、両者はともに同一の溶媒でもよく、また、異なる溶媒でもよい。
触媒物資や炭素粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。

【0045】

上記アニオン界面活性剤としては、例えば、アルキルエーテルカルボン酸塩、エーテルカルボン酸塩、アルカノイルザルコシン、アルカノイルグルタミン酸塩、アシルグルタメート、オレイン酸・Ｎ−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成リン酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムなどのカルボン酸型界面活性剤、ジアルキルスルホサクシネート、スルホこはく酸ジアルキル塩、１，２−ビス（アルコキシカルボニル）−１−エタンスルホン酸塩、アルキルスルホネート、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホネート、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホン酸塩、ナフタレンスルホネート−ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホネート、アルカノイルメチルタウリド、ラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型界面活性剤、アルキル硫酸エステル塩、硫酸アルキル塩、アルキルサルフェート、アルキルエーテルサルフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート、アルキルポリエトキシ硫酸塩、ポリグリコールエーテルサルフェート、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、硫酸化油、高度硫酸化油などの硫酸エステル型界面活性剤、リン酸（モノまたはジ）アルキル塩、（モノまたはジ）アルキルホスフェート、（モノまたはジ）アルキルりん酸エステル塩、りん酸アルキルポリオキシエチレン塩、アルキルエーテルホスフェート、アルキルポリエトキシ・りん酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、りん酸アルキルフェニル・ポリオキシエチレン塩、アルキルフェニルエーテル・ホスフェート、アルキルフェニル・ポリエトキシ・りん酸塩、ポリオキシエチレン・アルキルフェニル・エーテルホスフェート、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛などのりん酸エステル型界面活性剤などが挙げられる。

【0046】

上記カチオン界面活性剤としては、例えば、ベンジルジメチル｛２−［２−（Ｐ−１，１，３，３−テトラメチルブチルフェノオキシ）エトキシ］エチル｝アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、１−ヒドロキシエチル−２−牛脂イミダゾリン４級塩、２−ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第４級アンモニウムヨウ化物などが挙げられる。

【0047】

上記両性界面活性剤としては、例えば、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、３−［ω−フルオロアルカノイル−Ｎ−エチルアミノ］−１−プロパンスルホン酸ナトリウム、Ｎ−［３−（パーフルオロオクタンスルホンアミド）プロピル］−Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−カルボキシメチレンアンモニウムベタインなどが挙げられる。

【0048】

上記非イオン界面活性剤としては、例えば、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド（１：２型）、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド（１：１型）、牛脂肪酸ジエタノールアミド（１：２型）、牛脂肪酸ジエタノールアミド（１：１型）、オレイン酸ジエタノールアミド（１：１型）、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステルなどが挙げられる。

【0049】

上記の界面活性剤の中でもアルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α−オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型の界面活性剤は、カーボンの分散効果、分散剤の残存による触媒性能の変化などを考慮すると、分散剤として好適に用いることができる。

【0050】

また、触媒インクは必要に応じて分散処理が行われる。触媒インクの粘度と、粒子のサイズとを、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を採用して行うことができる。特に、分散処理の方法は限定されるものではない。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理などが挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザーなどを採用してもよい。

【0051】

触媒インク中の固形分含有量は、多すぎると触媒インクの粘度が高くなるため、電極触媒層表面２および３にクラックが入りやすくなる。一方、触媒インク中の固形含有量が、少なすぎると成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまう。したがって、触媒インク中の固形含有量は、１〜５０質量％であることが好ましい。また、固形分は、触媒物質および炭素粒子と過酸化物分解触媒と高分子電解質からなるが、固形分のうち、炭素粒子の含有量を多くすると、同じ固形分含有量でも粘度は高くなる。一方、固定分のうち、炭素粒子の含有量を少なくすると、同じ固形分含有量でも粘度は低くなる。したがって、固形分に占める炭素粒子の割合は１０〜８０ｗｔ％が好ましい。また、触媒インクの粘度は、０．１〜５００ｃＰ（０．０００１〜０．５Ｐａ・ｓ）程度が好ましく、さらに好ましくは５〜１００ｃＰ（０．００５〜０．１Ｐａ・ｓ）がよい。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。

【0052】

また、触媒インクに造孔剤が含まれていてもよい。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。造孔剤が、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よい。

【0053】

酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、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、酸化マグネシウムなどの酸可溶性無機塩類、アルミナ、シリカゲル、シリカゾルなど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、鉄など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などの水溶性無機塩類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどの水溶性有機化合物類などが挙げられる。また、上記造孔剤は１種単独であるいは２種以上を組み合わせて用いてもよいが、２種以上を組み合わせて用いることが好ましい。

【0054】

本実施形態の電極触媒層の製造方法において、第１の高分子電解質で包埋した触媒物質または炭素粒子の一方は、触媒物質または炭素粒子の他方と、第１の高分子電解質を溶媒に分散させた第１の触媒インクを転写シートに塗布し、乾燥させることで得られる。または、乾燥雰囲気中にスプレーすることでも高分子電解質で包埋した触媒物質または炭素粒子が直接得られる。

【0055】

本実施形態の電極触媒層の製造方法において、第１の高分子電解質で包埋した触媒物質または炭素粒子と、第２の高分子電解質とを第２の溶媒に分散させた第２の触媒インク、または第１の高分子電解質で包埋した炭素粒子または触媒物質と、第２の高分子電解質とを第２の溶媒に分散させた第２の触媒インクから電極触媒層を作製する工程にあっては、触媒インクは転写シート上に塗布され、塗布した第２の触媒インク上にガス拡散層を配置させ、乾燥工程を経て電極触媒層が形成される。
このとき、触媒インクを転写シート上に塗布する、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを採用することができる。例えば、ドクターブレード法は触媒インクの量が多く、乾燥で得られる電極触媒層の厚膜化が容易であるため、好ましい。

【0056】

転写シートは転写性がよい材質であればよく、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂を用いることができる。また、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド（ナイロン）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレートなどの高分子シート、高分子フィルムを転写シートとして用いることができる。

【0057】

ガス拡散層としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質を用いることができる。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材を用いることができる。
セパレーターとしては、カーボンタイプあるいは金属タイプのものなどを用いることができる。固体高分子形燃料電池１１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することができる。

【0058】

本実施形態における固体高分子形燃料電池用電極の製造方法について、以下に具体的な実施例および比較例を挙げて説明するが、本発明は下記実施例によって制限されるものではない。

【実施例】

【0059】

「実施例１」
〔第１の触媒インクの調製〕
触媒物質（ＴａＣＮＯ、比表面積１２ｍ^２／ｇ）と２０質量％高分子電解質溶液（商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、デュポン社製）を溶媒中で混合し、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た。触媒インクの組成比は、触媒物質と高分子電解質の質量比で１：０．２５とした。溶媒は超純水、１−プロパノールを体積比で１：１とし、固形分含有量は１４質量％とした。ＰＴＦＥシートを第１の触媒インクの乾燥用の基材として使用した。

【0060】

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

【0061】

〔高分子電解質で包埋した触媒物質と、炭素粒子との混合および熱処理〕
高分子電解質で包埋した触媒物質と、炭素粒子（Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ、商品名：ＥＣ−３００Ｊ、ライオン社製、比表面積８００ｍ^２／ｇ）をボールミルにて無溶媒で混合した。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た。高分子電解質で包埋した触媒物質と、炭素粒子の組成比は、質量比で１：１とした。

【0062】

〔第２の触媒インクの調製〕
高分子電解質で包埋した触媒物質と、炭素粒子の混合物に熱処理を加えたものと、２０質量％高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、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た。触媒インクの組成比は、触媒物質と、炭素粒子、高分子電解質の質量比が１：１：０．８としたものを第２の触媒インクとした。溶媒は超純水、１−プロパノールを体積比で１：１とし、固形分含有量は１４質量％とした。ＰＴＦＥシートを転写シートとして使用した。

【0063】

〔空気極用電極の作製方法〕
ドクターブレードにより、第２の触媒インクを転写シートに塗布し、ガス拡散層として目処め層が形成されたカーボンペーパー４を塗布した第２の触媒インク上に配置し、そして大気雰囲気中８０℃で１０分間乾燥させた。電極触媒層２の厚さは、触媒物質担持量が１０ｍｇ／ｃｍ^２になるように調節し、空気極側の電極６を作製した。

【0064】

「実施例２」
〔第１の触媒インクの調製〕
炭素粒子（Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ、商品名：ＥＣ−３００Ｊ、ライオン社製、比表面積８００ｍ^２／ｇ）と過酸化物分解触媒（炭酸セリウム（III））と、２０質量％高分子電解質溶液（ナフィオン：登録商標、デュポン社製）を溶媒中で混合し、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た。触媒インクの組成比は、炭素粒子と高分子電解質の質量比で１：０．５とした。溶媒は超純水、１−プロパノールを体積比で１：１とし、固形分含有量は１４質量％とした。ＰＴＦＥシートを第１の触媒インクの乾燥用の基材として使用した。

【0065】

〔高分子電解質で包埋した炭素粒子の形成方法〕
ドクターブレードにより、第１の触媒インクを基材上に塗布し、そして大気雰囲気中８０℃で５分間乾燥させた。その後、高分子電解質で包埋した炭素粒子を基材上から回収した。
〔高分子電解質で包埋した炭素粒子と、触媒物質との混合および熱処理〕
高分子電解質で包埋した炭素粒子と、触媒物質（ＴａＣＮＯ、比表面積１２ｍ^２／ｇ）をボールミルにて無溶媒で混合した。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た。炭素粒子と、触媒物質の組成比は、質量比で１：０．０５：１とした。

【0066】

〔第２の触媒インクの調製〕
高分子電解質で包埋した炭素粒子と、触媒物質の混合物に熱処理を加えたものと、２０質量％高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、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た。触媒インクの組成比は、触媒物質および炭素粒子、高分子電解質の質量比が１：１：０．８としたものを第２の触媒インクとした。溶媒は超純水、１−プロパノールを体積比で１：１とし、固形分含有量は１４質量％とした。ＰＴＦＥシートを転写シートとして使用した。

【0067】

〔空気極用電極の作製方法〕
ドクターブレードにより、第２の触媒インクを転写シートに塗布し、ガス拡散層として目処め層が形成されたカーボンペーパー４を塗布した第２の触媒インク上に配置し、そして大気雰囲気中８０℃で１０分間乾燥させた。電極触媒層２の厚さは、触媒物質担持量が１０ｍｇ／ｃｍ^２になるように調節し、空気極側の電極６を作製した。

【0068】

「比較例」
〔触媒インクの調製〕
触媒物質と炭素粒子および２０質量％高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、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た。触媒インクの組成比は、触媒物質と炭素粒子および高分子電解質の質量比が１：１：０．８としたものを触媒インクとした。溶媒は超純水、１−プロパノールを体積比で１：１とした。また、固形分含有量は１４質量％とした。基材には、実施例１および実施例２と同じ転写シートを使用した。

【0069】

〔空気極用電極の作製方法〕
実施例１および実施例２と同様の手法で、転写シートに触媒インクを塗布し、乾燥させた。ガス拡散層として目処め層が形成されたカーボンペーパー４を乾燥して得た電極触媒層２の上に配置した。電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が１０ｍｇ／ｃｍ^２になるように調節し、空気極側の電極６を作製した。

【0070】

〔燃料極用電極の作製〕
白金担持量が５０質量％である白金担持カーボン触媒（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属工業製）と、２０質量％高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、ボールミルで分散処理をおこなった。分散時間を６０分間としたものを触媒インクとした。触媒インクの組成比は、白金担持カーボン中のカーボンと、高分子電解質は質量比で１：１とし、溶媒は超純水、１−プロパノールを体積比で１：１とした。また、固形分含有量は１０質量％とした。電極触媒層２と同様の手法で、基材に触媒インクを塗布し、乾燥させた。ガス拡散層として目処め層が形成されたカーボンペーパー５を乾燥して得た電極触媒層３の上に配置した。電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２になるように調節し、燃料極側の電極７を作製した。

【0071】

（膜電極接合体の作製）
実施例１、実施例２および比較例において作製した空気極側電極６と、燃料極側電極７を５ｃｍ^２の正方形に打ち抜き、高分子電解質膜（商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標名）、デュポン社製）の両面に対面するように転写シートを配置し、１３０℃、１０分間の条件でホットプレスを行い、膜電極接合体１２を得た。得られた膜電極接合体１２を一対のセパレーター１０で挟持し、単セルの固体高分子形燃料電池を作製した。

【0072】

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

【0073】

（測定結果）
実施例１、実施例２で作製した膜電極接合体は、比較例で作製した膜電極接合体よりも優れた発電性能を示した。特に０．６Ｖ付近の発電性能が向上し、実施例１は比較例と比べて約５．４倍、実施例２は比較例と比べて約６．０倍の発電性能を示した。これは、実施例１では、触媒物質を高分子電解質で包埋することで触媒表面のプロトン伝導性が高められ、反応活性点が増加したためと推察した。また、実施例２では、炭素粒子の比表面積が調整されることで触媒表面のプロトン伝導性も高められ、反応活性点が増加したためと推察した。更に、実施例１、実施例２で作製した空気極用電極は、電極触媒層とガス拡散層との密着性は高く、高い発電特性が得られたと推察した。これに対して、比較例では、触媒物質と炭素粒子および高分子電解質を一段階で溶媒中に分散させるため、触媒物質よりも比表面積の大きい炭素粒子に対して高分子電解質が優先的に吸着したことで、触媒物質の表面では十分なプロトン伝導性が確保されなかったためと推察した。また、比較例で作製した空気極用電極は、電極触媒層とガス拡散層との密着性は低く、発電特性が低下したと推察した。

【産業上の利用可能性】

【0074】

本発明は、高分子電解質および触媒物質と炭素粒子を備える電極触媒層の製造方法であって、炭素粒子よりも小さい比表面積の触媒物質に対して高分子電解質を包埋する工程を備えることを特徴とするものである。触媒表面のプロトン伝導性を高めることで反応活性点を増加させ、出力性能の向上した固体高分子形燃料電池を提供することができる。
また、本発明は、高分子電解質および触媒物質と炭素粒子を備える電極触媒層の製造方法であって、触媒物質よりも大きい比表面積の炭素粒子に対して高分子電解質を包埋する工程を備えることを特徴とするものである。炭素粒子の比表面積を小さくする処理を行うことで、電極触媒層の形成時に触媒表面のプロトン伝導性も高められる。その結果、反応活性点が増加し、出力性能の向上した電極の製造方法および電極並びに膜電極接合体、固体高分子形燃料電池を提供することができる。

【0075】

また、本発明は、高分子電解質および触媒物質と炭素粒子を備える電極触媒層の製造方法であって、触媒インクを転写シートに塗布した後、塗布した触媒インク上にガス拡散層を配置させる工程を備えることを特徴とするものである。塗布した触媒インク上にガス拡散層を配置させることで、電極触媒層とガス拡散層との密着性が高められる。その結果、出力性能の向上した電極の製造方法および電極並びに膜電極接合体、固体高分子形燃料電池を提供することができる。
触媒物質に酸化物系非白金触媒を使用した電において、従来の製造方法よりも触媒物質の潜在能力を引き出すことができるという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。

【符号の説明】

【0076】

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

【図1】

【図2】