燃料電池電極用触媒インク、膜電極接合体、燃料電池
【課題】燃料電池の電極に発生するひび割れを抑制する。
【解決手段】燃料電池の電極を製造するために用いられる触媒インクにおいて、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、触媒担持粒子およびアイオノマーを分散させる分散溶媒と、を含み、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上であるものとする。
【解決手段】燃料電池の電極を製造するために用いられる触媒インクにおいて、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、触媒担持粒子およびアイオノマーを分散させる分散溶媒と、を含み、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上であるものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電極を製造するために用いられる触媒インク、この触媒インクを用いて製造した膜電極接合体、この膜電極接合体を備える燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、固体高分子型燃料電池では、一般に、電解質膜の両面に、それぞれ、電極（触媒層）を接合してなる膜電極接合体が用いられる。この膜電極接合体において、電極は、電解質膜の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。この触媒インクは、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、触媒担持粒子およびアイオノマーを分散させる分散溶媒と、を含んでいる。
【０００３】
ところで、膜電極接合体の製造時に、電解質膜の表面に塗布された触媒インクを乾燥させて電極を形成する際に、電極にひび割れが発生することがある。そして、この電極のひび割れは、電解質膜の劣化を促進し、膜電極接合体、および、燃料電池の耐久性を悪化させる。そこで、従来、触媒インクについて、種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０４１５１４号公報
【特許文献２】特開２００９−０５９６９４号公報
【特許文献３】特開２００４−２２０９７９号公報
【特許文献４】特開２００９−３０１９３８号公報
【特許文献５】特開２００８−０４７４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献に記載された触媒インクでは、膜電極接合体の電極に発生するひび割れを抑制することについて、改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の電極、すなわち、燃料電池に用いられる膜電極接合体の電極に発生するひび割れを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記触媒担持粒子の単位比表面積あたりの前記アイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【０００９】
［適用例２］
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記アイオノマーの前記触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【００１０】
［適用例３］
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記アイオノマーの前記触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量が、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【００１１】
本願発明者は、触媒インクについて、従来着目されていなかった新たなパラメータ、すなわち、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量に着目した。そして、本願発明者は、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって（適用例１）、あるいは、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって（適用例２）、あるいは、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量を、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって（適用例３）、燃料電池（膜電極接合体）の電極に発生するひび割れを抑制することができることを実験的に見出した。
【００１２】
［適用例４］
燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の表面に、適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用触媒インクを塗工することによって形成された電極と、
を備える膜電極接合体。
【００１３】
適用例４の膜電極接合体では、膜電極接合体における電極のひび割れを抑制することができるので、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００１４】
［適用例５］
燃料電池であって、
適用例４記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面に配置されたセパレータと、
を備える燃料電池。
【００１５】
適用例５の燃料電池では、膜電極接合体における電極のひび割れを抑制することができるので、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】リファレンス溶液中のアイオノマー濃度（設定濃度）とＮＭＲスペクトルのシグナル強度比との関係を示す説明図である。
【図３】実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクにおける白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を示す説明図である。
【図４】加速試験の試験結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図１では、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。図示するように、この燃料電池１００は、膜電極接合体１０の両面に、アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃを接合し、これらを、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃで挟持することによって構成されている。すなわち、膜電極接合体１０の両面には、アノード側セパレータ３０ａと、カソード側セパレータ３０ｃとが配置されている。
【００１８】
膜電極接合体１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の両面に、それぞれ、電極としてのアノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃを接合することによって構成されている。アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃは、それぞれ、電解質膜１２の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子からなる電解質膜を用いるものとした。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃとして、カーボンクロスを用いるものとした。アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃとして、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。
【００１９】
なお、従来の膜電極接合体では、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層、すなわち、電極の形成時において、電解質膜の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させる際に、電極にひび割れが発生することが多かった。そこで、本実施例の膜電極接合体１０では、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃの形成時に、これらに発生するひび割れを抑制することが可能な触媒インクを使用している。触媒インクは、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、触媒担持粒子およびアイオノマーを分散させる分散溶媒と、を含んでいる。この触媒インクについては、後から詳しく説明する。
【００２０】
アノード側セパレータ３０ａにおけるアノード側ガス拡散層２０ａと当接する側の表面には、図示するように、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスを流すためのガス流路を構成する。また、カソード側セパレータ３０ｃにおけるカソード側ガス拡散層２０ｃと当接する表面には、図示するように、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、酸化剤ガスとしての空気、および、カソードから排出されるカソードオフガスを流すためのガス流出流路を構成する。アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃの材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００２１】
Ｂ．触媒インク：
Ｂ１．触媒インクの調製：
実施例の触媒インクは、以下の工程によって調製した。なお、実施例の触媒インクとの比較のため、比較例の触媒インクも調製した。比較例の触媒インクは、上述した従来の膜電極接合体に用いられていた触媒インクの一例である。
【００２２】
まず、触媒担持粒子と、アイオノマーと、分散溶媒とを用意する。本実施例では、触媒担持粒子として、白金（Ｐｔ）粒子を担持したカーボンブラック（以下、白金担持カーボンと呼ぶ）を用いた。白金担持カーボンにおける白金粒子の平均粒子径は、２（ｎｍ）であるものとした。また、白金担持カーボンにおける白金粒子の重量比率は、３０（％）であるものとした。また、アイオノマーとして、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを用いた。このアイオノマーのイオン交換当量（ＥＷ；Equivalent Weight）は、ＥＷ＝８００であるものとした。また、分散溶媒として、水を用いた。なお、比較例の触媒インクでは、白金担持カーボンおよびアイオノマーは、実施例の触媒インクと同じであり、分散溶媒が、実施例の触媒インクと異なっている。比較例の触媒インクでは、分散溶媒として、水とエタノールとを１対１の重量比で混合した混合溶液を用いた。
【００２３】
次に、白金担持カーボンおよびアイオノマーを分散溶媒に分散させて、分散溶液を調製する。本実施例では、白金担持カーボンにおけるカーボン重量とアイオノマーの重量との重量比が１対１となり、これらの重量の合計が触媒インク全体の重量の１０（％）となるように、白金担持カーボンとアイオノマーと分散溶媒とを混合して、これらを攪拌した。これは、比較例の触媒インクについても同様である。
【００２４】
そして、分散溶液中の白金担持カーボンおよびアイオノマーを高分散させることによって、触媒インクが調製される。本実施例では、分散溶液を酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる磁製ジャーに移し、遊星ビーズミルによって高分散した。なお、遊星ビーズミルによる分散条件は、１５０（ｒｐｍ）で、３時間とした。これらは、比較例の触媒インクについても同様である。
【００２５】
Ｂ２．触媒インクの解析：
上述した工程によって調製した実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクについて、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、以下の手順により求めた。
【００２６】
まず、白金担持カーボンの比表面積を求めた。本実施例では、白金担持カーボンについて、ヘリウム（Ｈｅ）と窒素（Ｎ2）の混合ガス気流中で、２００（℃）で３０分間、脱気を行った後、流動式ＢＥＴ一点法により、比表面積を求めた。測定装置として、フローソーブIII２３１０（ＭＩＣＲＯＭＥＲＩＴＩＣＳ社製）を用いた。
【００２７】
次に、実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクを、それぞれ、マイクロチューブに入れ、これらを小型遠心分離機にセットし、５分間、遠心分離した。その後、この遠心分離によって得られた上澄み液をパスツールピペットで静かに取ったものを試料溶液とした。そして、この試料溶液について、核磁気共鳴（ＮＭＲ；Nuclear Magnetic Resonance）測定を行い、ＮＭＲスペクトルのシグナル強度比から、試料溶液中のアイオノマー濃度を求めた。
【００２８】
このＮＭＲ測定では、直径が５（ｍｍ）のＮＭＲ試料管（二重管）の外管に試料溶液を入れ、内管に内標準溶液としてトリフルオロメチルベンゼンを重ジメチルスルホキシドに溶解した溶液を入れ、外管と内管とを組み合わせて、以下の条件で測定を行った。本実施例では、測定装置として、ＪＮＭ−ＥＣＡ４００（日本電子社製）を用いた。
＜測定条件＞
・観測核：19Ｆ
・共鳴周波数：３７６（ＭＨｚ）
・プローブ：Ｆ核用
・測定温度：室温
・積算回数：４０９６回
・積算時間：約３時間
【００２９】
なお、この試料溶液についてのＮＭＲ測定に先立ち、ＮＭＲスペクトルのシグナル強度比から試料溶液中のアイオノマー濃度を求めるための検量線を求めた。すなわち、アイオノマーを水で希釈した、アイオノマー濃度が既知の複数種類（複数のアイオノマー濃度）のリファレンス溶液について、上述した条件でＮＭＲ測定を行い、リファレンス溶液中のアイオノマー濃度（設定濃度）とＮＭＲスペクトルのシグナル強度比との関係を求めた。
【００３０】
図２は、リファレンス溶液中のアイオノマー濃度（設定濃度）とＮＭＲスペクトルのシグナル強度比との関係を示す説明図である。図示するように、ＮＭＲスペクトルのシグナル強度比は、アイオノマーの設定濃度に比例する。したがって、試料溶液中のアイオノマー濃度は、以下に示す式（１）によって求められる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
なお、式（１）において、「１ｇ／Ｌリファレンス溶液」とは、アイオノマー濃度（設定濃度）が１（ｇ／Ｌ）のリファレンス溶液である。
【００３３】
次に、試料溶液を分離した触媒インクに含まれる白金担持カーボンへのアイオノマー吸着量を求める。この白金担持カーボンへのアイオノマー吸着量は、式（１）によって求められた試料溶液中のアイオノマー濃度と、以下に示す式（２）とによって求められる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
そして、以下に示す式（３）によって、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマー吸着量を求める。
【００３６】
【数３】
【００３７】
なお、式（３）において、右辺の分子の「アイオノマー吸着量」は、式（２）によって求められた「アイオノマー吸着量」である。また、右辺の分母の「比表面積」は、先に説明した、流動式ＢＥＴ一点法によって求められた「白金担持カーボンの比表面積」である。
【００３８】
図３は、実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクにおける白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を示す説明図である。なお、図３では、比較例の触媒インクと同様に、分散溶媒として、水とエタノールとを１対１の重量比で混合した混合溶液を用いた触媒インクについて、アイオノマーの添加量と、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量との関係を、「◆」で示した。また、実施例の触媒インクと同様に、分散溶媒として、水を用いた触媒インクについて、アイオノマーの添加量と、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量との関係を「◇」で示した。
【００３９】
図３から分かるように、分散溶媒として、水とエタノールとを１対１の重量比で混合した混合溶液を用いた触媒インクでは、アイオノマーの添加量を増加させても、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量は、増加しなかった。これに対し、分散溶媒として、水を用いた触媒インクでは、アイオノマーの添加量を増加させると、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量も増加した。
【００４０】
また、図３から、触媒インクに含まれる分散溶媒として、水を用いた場合には、白金担持カーボンへのアイオノマーの吸着が、２段階で進むことが分かった。図３に示した例では、アイオノマーの添加量が約４（ｍｇ／ｃｃ）未満の低アイオノマー濃度領域（第１段階）では、ラングミュア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）の吸着等温式に従う表面単層の分子吸着か見られた。すなわち、第１段階では、アイオノマー分子の白金担持カーボンへの表面単層の吸着が進み、やがて吸着飽和に達した。図３に示した例では、アイオノマー分子の白金担持カーボンへの表面単層の分子吸着量の飽和吸着量は、約０．２（ｍｇ／ｍ2）となった。また、アイオノマーの添加量が約４（ｍｇ／ｃｃ）以上の高アイオノマー濃度領域（第２段階）では、アイオノマー分子の白金担持カーボンへの表面単層の吸着が飽和した後、アイオノマーの添加量の増加に伴い、白金担持カーボンへのアイオノマーの吸着量が増加した。これは、アイオノマー分子同士が、白金担持カーボン上で枯渇現象により、凝集していると考えられる。そして、白金担持カーボンに吸着したアイオノマー分子の層は、アイオノマー分子の凝集により、多層化していると考えられる。
【００４１】
Ｃ．評価：
Ｃ１．触媒インク：
実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクについて、触媒インクの調製後、分散した白金担持カーボンの沈降状態を観察した。比較例の触媒インクでは、白金担持カーボンの沈降が観察された。これに対し、実施例の触媒インクでは、白金担持カーボンの沈降がほとんど観察されなかった。これは、実施例の触媒インクでは、白金担持カーボンへのアイオノマー吸着量が比較例の触媒インクと比較して十分に多く、白金担持カーボンおよびアイオノマーの分散状態が良好となったためと考えられる。
【００４２】
Ｃ２．電極：
実施例の触媒インクを用いて作製した膜電極接合体１０（以下、実施例の膜電極接合体１０と呼ぶ）、および、比較例の触媒インクを用いて作製した膜電極接合体（以下、比較例の膜電極接合体と呼ぶ）について、電極の表面状態を観察した。比較例の膜電極接合体では、電極に多数のひび割れが観察された。これに対し、実施例の膜電極接合体１０では、電極に発生したひび割れが、比較例の膜電極接合体と比較して著しく減少した。
【００４３】
Ｃ３．耐久性：
実施例の膜電極接合体１０を用いた燃料電池１００、および、比較例の膜電極接合体を用いた燃料電池について、耐久性についての加速試験を行った。
【００４４】
図４は、加速試験の試験結果を示す説明図である。図４では、耐久時間、すなわち、加速試験による発電時間とクロスリーク量との関係を示した。ここで、クロスリーク量とは、アノードとカソードとの間のガスのリーク量（透過量）である。クロスリーク量の増加は、膜電極接合体における電解質膜の劣化に起因している。図示するように、比較例の膜電極接合体を用いた燃料電池では、耐久時間が５００時間を越えると、クロスリーク量が急激に増加した。これに対し、実施例の膜電極接合体１０を用いた燃料電池１００では、耐久時間が１０００時間を越えた後に、クロスリーク量が急激に増加した。すなわち、実施例の膜電極接合体１０を用いた燃料電池１００では、比較例の膜電極接合体を用いた燃料電池よりも耐久性が向上した。
【００４５】
以上説明した本実施例の触媒インクによれば、膜電極接合体１０の電極に発生するひび割れを抑制し、燃料電池１００の耐久性を向上させることができる。また、本願発明者は、触媒担持粒子と、アイオノマーと、分散溶媒と、を含む触媒インクにおいて、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって、また、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって、また、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量を、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって、膜電極接合体の電極に発生するひび割れを抑制し、燃料電池の耐久性を向上させることができることを見出した。
【００４６】
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００４７】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、触媒インクにおいて、触媒として、白金（Ｐｔ）を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。触媒として、白金合金や、パラジウム等、他の触媒を用いるものとしてもよい。
【００４８】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、触媒インクにおいて、触媒を担持する粒子として、カーボンブラックを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。触媒を担持する粒子として、導電性を有する他の粒子を用いるものとしてもよい。
【００４９】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、触媒インクにおいて、アイオノマーとして、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。アイオノマーとして、プロトン伝導性を有する他のアイオノマーを用いるものとしてもよい。
【００５０】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、触媒インクに含まれる分散溶媒を変更する、例えば、水とすることによって、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とし、また、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とし、また、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量を、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上とするものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、触媒インクの調製時の分散法（触媒インクの練り方、混合の仕方）、温度、カーボン表面の官能基、カーボン表面の形状（粗さ）等を変更することによって、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とする、あるいは、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とする、あるいは、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量を、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上とするようにしてもよい。
【００５１】
また、上記実施例の触媒インクは、（ｉ）触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、（ｉｉ）アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、（ｉｉｉ）アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量が、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上である、という３つの条件すべてを満たすものとしたが、本発明は、これに限られない。上記３の条件のうちの少なくとも１つの条件を満たすようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４ａ…アノード側触媒層
１４ｃ…カソード側触媒層
２０ａ…アノード側ガス拡散層
２０ｃ…カソード側ガス拡散層
３０ａ…アノード側セパレータ
３０ｃ…カソード側セパレータ
１００…燃料電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電極を製造するために用いられる触媒インク、この触媒インクを用いて製造した膜電極接合体、この膜電極接合体を備える燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、固体高分子型燃料電池では、一般に、電解質膜の両面に、それぞれ、電極（触媒層）を接合してなる膜電極接合体が用いられる。この膜電極接合体において、電極は、電解質膜の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。この触媒インクは、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、触媒担持粒子およびアイオノマーを分散させる分散溶媒と、を含んでいる。
【０００３】
ところで、膜電極接合体の製造時に、電解質膜の表面に塗布された触媒インクを乾燥させて電極を形成する際に、電極にひび割れが発生することがある。そして、この電極のひび割れは、電解質膜の劣化を促進し、膜電極接合体、および、燃料電池の耐久性を悪化させる。そこで、従来、触媒インクについて、種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０４１５１４号公報
【特許文献２】特開２００９−０５９６９４号公報
【特許文献３】特開２００４−２２０９７９号公報
【特許文献４】特開２００９−３０１９３８号公報
【特許文献５】特開２００８−０４７４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献に記載された触媒インクでは、膜電極接合体の電極に発生するひび割れを抑制することについて、改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の電極、すなわち、燃料電池に用いられる膜電極接合体の電極に発生するひび割れを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記触媒担持粒子の単位比表面積あたりの前記アイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【０００９】
［適用例２］
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記アイオノマーの前記触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【００１０】
［適用例３］
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記アイオノマーの前記触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量が、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【００１１】
本願発明者は、触媒インクについて、従来着目されていなかった新たなパラメータ、すなわち、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量に着目した。そして、本願発明者は、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって（適用例１）、あるいは、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって（適用例２）、あるいは、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量を、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって（適用例３）、燃料電池（膜電極接合体）の電極に発生するひび割れを抑制することができることを実験的に見出した。
【００１２】
［適用例４］
燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の表面に、適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用触媒インクを塗工することによって形成された電極と、
を備える膜電極接合体。
【００１３】
適用例４の膜電極接合体では、膜電極接合体における電極のひび割れを抑制することができるので、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００１４】
［適用例５］
燃料電池であって、
適用例４記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面に配置されたセパレータと、
を備える燃料電池。
【００１５】
適用例５の燃料電池では、膜電極接合体における電極のひび割れを抑制することができるので、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】リファレンス溶液中のアイオノマー濃度（設定濃度）とＮＭＲスペクトルのシグナル強度比との関係を示す説明図である。
【図３】実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクにおける白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を示す説明図である。
【図４】加速試験の試験結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図１では、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。図示するように、この燃料電池１００は、膜電極接合体１０の両面に、アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃを接合し、これらを、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃで挟持することによって構成されている。すなわち、膜電極接合体１０の両面には、アノード側セパレータ３０ａと、カソード側セパレータ３０ｃとが配置されている。
【００１８】
膜電極接合体１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の両面に、それぞれ、電極としてのアノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃを接合することによって構成されている。アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃは、それぞれ、電解質膜１２の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子からなる電解質膜を用いるものとした。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃとして、カーボンクロスを用いるものとした。アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃとして、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。
【００１９】
なお、従来の膜電極接合体では、アノード側触媒層、および、カソード側触媒層、すなわち、電極の形成時において、電解質膜の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させる際に、電極にひび割れが発生することが多かった。そこで、本実施例の膜電極接合体１０では、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃの形成時に、これらに発生するひび割れを抑制することが可能な触媒インクを使用している。触媒インクは、触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、触媒担持粒子およびアイオノマーを分散させる分散溶媒と、を含んでいる。この触媒インクについては、後から詳しく説明する。
【００２０】
アノード側セパレータ３０ａにおけるアノード側ガス拡散層２０ａと当接する側の表面には、図示するように、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスを流すためのガス流路を構成する。また、カソード側セパレータ３０ｃにおけるカソード側ガス拡散層２０ｃと当接する表面には、図示するように、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、酸化剤ガスとしての空気、および、カソードから排出されるカソードオフガスを流すためのガス流出流路を構成する。アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃの材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００２１】
Ｂ．触媒インク：
Ｂ１．触媒インクの調製：
実施例の触媒インクは、以下の工程によって調製した。なお、実施例の触媒インクとの比較のため、比較例の触媒インクも調製した。比較例の触媒インクは、上述した従来の膜電極接合体に用いられていた触媒インクの一例である。
【００２２】
まず、触媒担持粒子と、アイオノマーと、分散溶媒とを用意する。本実施例では、触媒担持粒子として、白金（Ｐｔ）粒子を担持したカーボンブラック（以下、白金担持カーボンと呼ぶ）を用いた。白金担持カーボンにおける白金粒子の平均粒子径は、２（ｎｍ）であるものとした。また、白金担持カーボンにおける白金粒子の重量比率は、３０（％）であるものとした。また、アイオノマーとして、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを用いた。このアイオノマーのイオン交換当量（ＥＷ；Equivalent Weight）は、ＥＷ＝８００であるものとした。また、分散溶媒として、水を用いた。なお、比較例の触媒インクでは、白金担持カーボンおよびアイオノマーは、実施例の触媒インクと同じであり、分散溶媒が、実施例の触媒インクと異なっている。比較例の触媒インクでは、分散溶媒として、水とエタノールとを１対１の重量比で混合した混合溶液を用いた。
【００２３】
次に、白金担持カーボンおよびアイオノマーを分散溶媒に分散させて、分散溶液を調製する。本実施例では、白金担持カーボンにおけるカーボン重量とアイオノマーの重量との重量比が１対１となり、これらの重量の合計が触媒インク全体の重量の１０（％）となるように、白金担持カーボンとアイオノマーと分散溶媒とを混合して、これらを攪拌した。これは、比較例の触媒インクについても同様である。
【００２４】
そして、分散溶液中の白金担持カーボンおよびアイオノマーを高分散させることによって、触媒インクが調製される。本実施例では、分散溶液を酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる磁製ジャーに移し、遊星ビーズミルによって高分散した。なお、遊星ビーズミルによる分散条件は、１５０（ｒｐｍ）で、３時間とした。これらは、比較例の触媒インクについても同様である。
【００２５】
Ｂ２．触媒インクの解析：
上述した工程によって調製した実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクについて、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、以下の手順により求めた。
【００２６】
まず、白金担持カーボンの比表面積を求めた。本実施例では、白金担持カーボンについて、ヘリウム（Ｈｅ）と窒素（Ｎ2）の混合ガス気流中で、２００（℃）で３０分間、脱気を行った後、流動式ＢＥＴ一点法により、比表面積を求めた。測定装置として、フローソーブIII２３１０（ＭＩＣＲＯＭＥＲＩＴＩＣＳ社製）を用いた。
【００２７】
次に、実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクを、それぞれ、マイクロチューブに入れ、これらを小型遠心分離機にセットし、５分間、遠心分離した。その後、この遠心分離によって得られた上澄み液をパスツールピペットで静かに取ったものを試料溶液とした。そして、この試料溶液について、核磁気共鳴（ＮＭＲ；Nuclear Magnetic Resonance）測定を行い、ＮＭＲスペクトルのシグナル強度比から、試料溶液中のアイオノマー濃度を求めた。
【００２８】
このＮＭＲ測定では、直径が５（ｍｍ）のＮＭＲ試料管（二重管）の外管に試料溶液を入れ、内管に内標準溶液としてトリフルオロメチルベンゼンを重ジメチルスルホキシドに溶解した溶液を入れ、外管と内管とを組み合わせて、以下の条件で測定を行った。本実施例では、測定装置として、ＪＮＭ−ＥＣＡ４００（日本電子社製）を用いた。
＜測定条件＞
・観測核：19Ｆ
・共鳴周波数：３７６（ＭＨｚ）
・プローブ：Ｆ核用
・測定温度：室温
・積算回数：４０９６回
・積算時間：約３時間
【００２９】
なお、この試料溶液についてのＮＭＲ測定に先立ち、ＮＭＲスペクトルのシグナル強度比から試料溶液中のアイオノマー濃度を求めるための検量線を求めた。すなわち、アイオノマーを水で希釈した、アイオノマー濃度が既知の複数種類（複数のアイオノマー濃度）のリファレンス溶液について、上述した条件でＮＭＲ測定を行い、リファレンス溶液中のアイオノマー濃度（設定濃度）とＮＭＲスペクトルのシグナル強度比との関係を求めた。
【００３０】
図２は、リファレンス溶液中のアイオノマー濃度（設定濃度）とＮＭＲスペクトルのシグナル強度比との関係を示す説明図である。図示するように、ＮＭＲスペクトルのシグナル強度比は、アイオノマーの設定濃度に比例する。したがって、試料溶液中のアイオノマー濃度は、以下に示す式（１）によって求められる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
なお、式（１）において、「１ｇ／Ｌリファレンス溶液」とは、アイオノマー濃度（設定濃度）が１（ｇ／Ｌ）のリファレンス溶液である。
【００３３】
次に、試料溶液を分離した触媒インクに含まれる白金担持カーボンへのアイオノマー吸着量を求める。この白金担持カーボンへのアイオノマー吸着量は、式（１）によって求められた試料溶液中のアイオノマー濃度と、以下に示す式（２）とによって求められる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
そして、以下に示す式（３）によって、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマー吸着量を求める。
【００３６】
【数３】
【００３７】
なお、式（３）において、右辺の分子の「アイオノマー吸着量」は、式（２）によって求められた「アイオノマー吸着量」である。また、右辺の分母の「比表面積」は、先に説明した、流動式ＢＥＴ一点法によって求められた「白金担持カーボンの比表面積」である。
【００３８】
図３は、実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクにおける白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を示す説明図である。なお、図３では、比較例の触媒インクと同様に、分散溶媒として、水とエタノールとを１対１の重量比で混合した混合溶液を用いた触媒インクについて、アイオノマーの添加量と、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量との関係を、「◆」で示した。また、実施例の触媒インクと同様に、分散溶媒として、水を用いた触媒インクについて、アイオノマーの添加量と、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量との関係を「◇」で示した。
【００３９】
図３から分かるように、分散溶媒として、水とエタノールとを１対１の重量比で混合した混合溶液を用いた触媒インクでは、アイオノマーの添加量を増加させても、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量は、増加しなかった。これに対し、分散溶媒として、水を用いた触媒インクでは、アイオノマーの添加量を増加させると、白金担持カーボンの単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量も増加した。
【００４０】
また、図３から、触媒インクに含まれる分散溶媒として、水を用いた場合には、白金担持カーボンへのアイオノマーの吸着が、２段階で進むことが分かった。図３に示した例では、アイオノマーの添加量が約４（ｍｇ／ｃｃ）未満の低アイオノマー濃度領域（第１段階）では、ラングミュア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）の吸着等温式に従う表面単層の分子吸着か見られた。すなわち、第１段階では、アイオノマー分子の白金担持カーボンへの表面単層の吸着が進み、やがて吸着飽和に達した。図３に示した例では、アイオノマー分子の白金担持カーボンへの表面単層の分子吸着量の飽和吸着量は、約０．２（ｍｇ／ｍ2）となった。また、アイオノマーの添加量が約４（ｍｇ／ｃｃ）以上の高アイオノマー濃度領域（第２段階）では、アイオノマー分子の白金担持カーボンへの表面単層の吸着が飽和した後、アイオノマーの添加量の増加に伴い、白金担持カーボンへのアイオノマーの吸着量が増加した。これは、アイオノマー分子同士が、白金担持カーボン上で枯渇現象により、凝集していると考えられる。そして、白金担持カーボンに吸着したアイオノマー分子の層は、アイオノマー分子の凝集により、多層化していると考えられる。
【００４１】
Ｃ．評価：
Ｃ１．触媒インク：
実施例の触媒インク、および、比較例の触媒インクについて、触媒インクの調製後、分散した白金担持カーボンの沈降状態を観察した。比較例の触媒インクでは、白金担持カーボンの沈降が観察された。これに対し、実施例の触媒インクでは、白金担持カーボンの沈降がほとんど観察されなかった。これは、実施例の触媒インクでは、白金担持カーボンへのアイオノマー吸着量が比較例の触媒インクと比較して十分に多く、白金担持カーボンおよびアイオノマーの分散状態が良好となったためと考えられる。
【００４２】
Ｃ２．電極：
実施例の触媒インクを用いて作製した膜電極接合体１０（以下、実施例の膜電極接合体１０と呼ぶ）、および、比較例の触媒インクを用いて作製した膜電極接合体（以下、比較例の膜電極接合体と呼ぶ）について、電極の表面状態を観察した。比較例の膜電極接合体では、電極に多数のひび割れが観察された。これに対し、実施例の膜電極接合体１０では、電極に発生したひび割れが、比較例の膜電極接合体と比較して著しく減少した。
【００４３】
Ｃ３．耐久性：
実施例の膜電極接合体１０を用いた燃料電池１００、および、比較例の膜電極接合体を用いた燃料電池について、耐久性についての加速試験を行った。
【００４４】
図４は、加速試験の試験結果を示す説明図である。図４では、耐久時間、すなわち、加速試験による発電時間とクロスリーク量との関係を示した。ここで、クロスリーク量とは、アノードとカソードとの間のガスのリーク量（透過量）である。クロスリーク量の増加は、膜電極接合体における電解質膜の劣化に起因している。図示するように、比較例の膜電極接合体を用いた燃料電池では、耐久時間が５００時間を越えると、クロスリーク量が急激に増加した。これに対し、実施例の膜電極接合体１０を用いた燃料電池１００では、耐久時間が１０００時間を越えた後に、クロスリーク量が急激に増加した。すなわち、実施例の膜電極接合体１０を用いた燃料電池１００では、比較例の膜電極接合体を用いた燃料電池よりも耐久性が向上した。
【００４５】
以上説明した本実施例の触媒インクによれば、膜電極接合体１０の電極に発生するひび割れを抑制し、燃料電池１００の耐久性を向上させることができる。また、本願発明者は、触媒担持粒子と、アイオノマーと、分散溶媒と、を含む触媒インクにおいて、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって、また、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって、また、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量を、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上とすることによって、膜電極接合体の電極に発生するひび割れを抑制し、燃料電池の耐久性を向上させることができることを見出した。
【００４６】
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００４７】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、触媒インクにおいて、触媒として、白金（Ｐｔ）を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。触媒として、白金合金や、パラジウム等、他の触媒を用いるものとしてもよい。
【００４８】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、触媒インクにおいて、触媒を担持する粒子として、カーボンブラックを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。触媒を担持する粒子として、導電性を有する他の粒子を用いるものとしてもよい。
【００４９】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、触媒インクにおいて、アイオノマーとして、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。アイオノマーとして、プロトン伝導性を有する他のアイオノマーを用いるものとしてもよい。
【００５０】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、触媒インクに含まれる分散溶媒を変更する、例えば、水とすることによって、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とし、また、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とし、また、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量を、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上とするものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、触媒インクの調製時の分散法（触媒インクの練り方、混合の仕方）、温度、カーボン表面の官能基、カーボン表面の形状（粗さ）等を変更することによって、触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とする、あるいは、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量を、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上とする、あるいは、アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量を、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上とするようにしてもよい。
【００５１】
また、上記実施例の触媒インクは、（ｉ）触媒担持粒子の単位比表面積あたりのアイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、（ｉｉ）アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、（ｉｉｉ）アイオノマーの触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量が、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上である、という３つの条件すべてを満たすものとしたが、本発明は、これに限られない。上記３の条件のうちの少なくとも１つの条件を満たすようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４ａ…アノード側触媒層
１４ｃ…カソード側触媒層
２０ａ…アノード側ガス拡散層
２０ｃ…カソード側ガス拡散層
３０ａ…アノード側セパレータ
３０ｃ…カソード側セパレータ
１００…燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記触媒担持粒子の単位比表面積あたりの前記アイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【請求項２】
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記アイオノマーの前記触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【請求項３】
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記アイオノマーの前記触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量が、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【請求項４】
燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の表面に、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用触媒インクを塗工することによって形成された電極と、
を備える膜電極接合体。
【請求項５】
燃料電池であって、
請求項４記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面に配置されたセパレータと、
を備える燃料電池。
【請求項１】
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記触媒担持粒子の単位比表面積あたりの前記アイオノマーの吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【請求項２】
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記アイオノマーの前記触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量が、０．１（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【請求項３】
燃料電池電極用触媒インクであって、
触媒を担持した粒子である触媒担持粒子と、
プロトン伝導性を有するアイオノマーと、
前記触媒担持粒子および前記アイオノマーを分散させる分散溶媒と、
を含み、
前記アイオノマーの前記触媒担持粒子への表面単層の分子吸着量の飽和吸着量が、０．２（ｍｇ／ｍ2）以上である、
燃料電池電極用触媒インク。
【請求項４】
燃料電池に用いられる膜電極接合体であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の表面に、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用触媒インクを塗工することによって形成された電極と、
を備える膜電極接合体。
【請求項５】
燃料電池であって、
請求項４記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面に配置されたセパレータと、
を備える燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−３０２８７（Ｐ２０１３−３０２８７Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３８１９（Ｐ２０１１−１６３８１９）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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