燃料电池用的催化剂油墨的制造方法、燃料电池用的催化剂层的制造方法、燃料电池用的 ...的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池用的催化剂油墨的制造方法、燃料电池用的催化剂层的制造方法、燃料电池用的膜电极接合体的制造方法。
【背景技术】
[0002]关于燃料电池用的催化剂油墨的制造方法，已知具有如下工序的制造方法:(a)在电极催化剂中混合水和低级醇(碳原子数4以下)，使电极催化剂粒子分散而得到分散液；(b)将离聚物混合到溶剂中而得到20°C下的介电常数为30以上的离聚物溶液；(C)将工序(a)中得到的分散液与工序(b)中得到的离聚物溶液混合而得到分散液；(d)在工序(C)中得到的分散液中混合20°C下的介电常数为20以下的分散介质即低介电常数分散介质，由此提高分散液的粘度。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2010-257929号公报
【发明内容】
[0006]发明所要解决的问题
[0007]在上述技术的情况下，如果不是高粘度的离聚物溶液，则在使用催化剂油墨制造的催化剂层上容易产生裂纹。另一方面，从燃料电池的发电效率、寿命考虑，离子交换当量优选较大。在离子交换当量(EW值)为900g/mol以上的情况下，存在不易提高离聚物溶液的粘度(例如，将储能模量调节至150Pa以上)这样的问题。
[0008]用于解决问题的方法
[0009]本发明为了解决上述问题的至少一部分而完成，能够以下述方式实现。
[0010](I)根据本发明的一个方式，提供一种燃料电池用的催化剂油墨的制造方法。该燃料电池用的催化剂油墨的制造方法为燃料电池用的催化剂油墨的制造方法，其具备(i)将电极催化剂、水和醇混合而制作催化剂分散液的工序、(ii)将离聚物与溶剂混合而制作凝胶化离聚物溶液的工序、以及(iii)将上述催化剂分散液与上述凝胶化离聚物溶液混合而制造催化剂油墨的工序，上述工序(ii)中，包含对上述凝胶化离聚物溶液进行浓缩的浓缩工序。根据该方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法，通过对凝胶化离聚物溶液进行浓缩，使离聚物中含有的溶解度参数(SP值)大的成分即水与溶剂同时蒸发而减少，由此，能够降低凝胶化离聚物溶液的溶剂成分的SP值，能够比调节其他条件更容易地将凝胶化离聚物溶液的储能模量调节至150Pa以上。
[0011](2)上述方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法中，在上述工序(ii)中，上述凝胶化离聚物溶液含有固体成分和溶剂成分，上述浓缩工序可以包含将上述溶剂成分的溶解度参数(SP值)调节至12.3以下的工序。根据该方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法，即使是离子交换当量(EW值)为900g/mol以上的离聚物，也能够将凝胶化离聚物溶液的溶剂成分的SP值调节至12.3以下，因此，能够比调节其他条件更容易将凝胶化离聚物溶液的储能模量调节至150Pa以上。
[0012](3)上述方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法中，上述浓缩工序可以包含将上述凝胶化离聚物溶液中的上述离聚物的质量百分率浓缩至40?50%的浓缩工序。根据该方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法，利用将上述离聚物的质量百分率浓缩至40?50%的工序，能够通过使SP值大的水与溶剂同时蒸发而减少。
[0013](4)上述方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法中，在上述浓缩工序后，可以具备加入醇而使上述凝胶化离聚物溶液中的固体成分的质量百分率为17.5重量％以上且25重量％以下的工序。根据该方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法，容易将凝胶化离聚物溶液的储能模量调节至150Pa以上。
[0014](5)上述方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法中，在上述浓缩工序后，可以具备加入醇而使上述凝胶化离聚物溶液中的固体成分的质量百分率为20重量％以上且25重量％以下的工序。根据该方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法，即使离聚物EW值等存在偏差，也容易将凝胶化离聚物溶液的储能模量调节至150Pa以上。
[0015](6)上述方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法中，可以还具备将上述凝胶化离聚物溶液在70°C?90°C的温度下保持4小时以上的工序。根据该方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法，能够容易地将凝胶化离聚物溶液的储能模量调节至150Pa以上。
[0016](7)上述方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法中，将上述凝胶化离聚物溶液在70°C?90°C的温度下保持的时间可以为5小时以上。根据该方式的燃料电池用的催化剂油墨的制造方法，即使离聚物EW值等存在偏差，也容易将凝胶化离聚物溶液的储能模量调节至150Pa以上。
[0017]需要说明的是，本发明可以通过各种方式实现，例如，除了燃料电池用的催化剂油墨的制造方法以外，还可以通过燃料电池用的催化剂层的制造方法、燃料电池用膜电极接合体的制造方法、燃料电池的制造方法等方式实现。
【附图说明】
[0018]图1是表示作为本发明的一个实施方式的燃料电池的构成的一例的概略图。
[0019]图2是表示膜电极接合体的制造工序的顺序的流程图。
[0020]图3是对制作催化剂分散液的工序(步骤S10)进行说明的说明图。
[0021]图4是对制作凝胶化离聚物溶液的工序(步骤S20)进行说明的说明图。
[0022]图5是表示离聚物的EW与凝胶化离聚物溶液的储能模量达到150Pa以上时的凝胶化离聚物溶液的溶剂成分的SP值的关系的图。
[0023]图6是表示使用EW值为900的离聚物并使凝胶化离聚物溶液的溶剂成分的SP值为12.3时的凝胶化离聚物溶液中的固体成分的质量百分率与储能模量的关系的说明图。
[0024]图7是表示使用EW值为900的离聚物、使凝胶化离聚物溶液的溶剂成分的SP值为12.3并使凝胶化离聚物溶液中的固体成分的质量百分率为20重量％时的加热保持时间与储能模量的关系的说明图。
【具体实施方式】
[0025]图1是表示作为本发明的一个实施方式的燃料电池的构成的一例的概略图。该燃料电池100是接受作为反应气体的氢气和氧气的供给来进行发电的固体高分子形燃料电池。燃料电池100具备多个单电池10。多个单电池10层叠而形成堆积结构。
[0026]单电池10具备膜电极接合体5、夹持膜电极接合体5的第一隔板7和第二隔板8。需要说明的是，在各单电池10上设置有防止流体的泄漏的密封部、用于对膜电极接合体5供给反应气体的歧管等，但省略其图示和说明。
[0027]膜电极接合体5是具备电解质膜1、第一电极催化剂层2和第二电极催化剂层3的发电体。电解质膜I由具有离子传导性的聚合物(以下，称为“离聚物”)的薄膜构成，在湿润状态下显示出良好的质子传导性。电解质膜I可以由例如氟树脂系的离子交换膜构成。更具体而言，电解质膜I可以使用于7 ^才y (Naf1n:注册商标)等在侧链末端具有-SO3H基的全氟磺酸聚合物。
[0028]第一电极催化剂层2和第二电极催化剂层3分别配置在电解质膜I的两面上。第一电极催化剂层2和第二电极催化剂层3是负载有用于促进燃料电池反应的催化剂(例如铂(Pt)等)的催化剂电极，具有透气性和气体扩散性。在燃料电池100运转时，第一电极催化剂层2接受氧气的供给而作为阴极发挥作用，第二电极催化剂层3接受氢气的供给而作为阳极发挥作用。
[0029]第一电极催化剂层2和第二电极催化剂层3通过涂布催化剂油墨并使其干燥来形成。催化剂油墨通过在亲水性的溶剂中使离聚物和在导电性粒子上负载有催化剂的催化剂负载粒子分散于溶剂中来形成。离聚物可以为与电解质膜I中含有的离聚物相同的离聚物，也可以为与其类似的离聚物。本实施方式中，关于第一电极催化剂层2和第二电极催化剂层3的形成中使用的催化剂油墨，在后述的膜电极接合体5的制造工序的说明中进行详细说明。
[0030]需要说明的是，可以在第一电极催化剂层2的外侧和第二电极催化剂层3的外侧分