(57)【要約】【課題】膜電極接合体の電気抵抗を増加させることなく、触媒を担持するためのカーボン担体の腐食を抑制することができ、しかも低コストな触媒層を提供すること。【解決手段】触媒層は、カーボン担体の表面に触媒が担持された電極触媒と、触媒層アイオノマと、薄片化黒鉛とを備えている。前記薄片化黒鉛は、アスペクト比（＝Ｌ／Ｄ、Ｌは前記薄片化黒鉛の長径、Ｄは前記薄片化黒鉛の短径）が３以上２０以下であり、前記長径Ｌの平均値が１μｍ以上８μｍ未満である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備えた触媒層。
（１）前記触媒層は、
カーボン担体の表面に触媒が担持された電極触媒と、
触媒層アイオノマと、
薄片化黒鉛と
を備えている。
（２）前記薄片化黒鉛は、
アスペクト比（＝Ｌ／Ｄ、Ｌは前記薄片化黒鉛の長径、Ｄは前記薄片化黒鉛の短径）の平均値が３以上２０以下であり、
前記長径Ｌの平均値が１μｍ以上８μｍ未満である。
【請求項２】
前記カーボン担体の平均粒子径が５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１に記載の触媒層。
【請求項３】
空隙率が３％以上４０％以下である請求項１又は２に記載の触媒層。
【請求項４】
平均細孔径が０．１μｍ以上１．５μｍ以下である請求項１から３までのいずれか１項に記載の触媒層。
【請求項５】
固体高分子形燃料電池のアノードに用いられる請求項１から４までのいずれか１項に記載の触媒層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒層に関し、さらに詳しくは、触媒を担持するためのカーボン担体の腐食を抑制することが可能な触媒層に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒を含む電極（触媒層及びガス拡散層）が接合された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，ＭＥＡ）を備えている。ＭＥＡの両面には、さらに、ガス流路を備えた集電体（セパレータ）が配置される。固体高分子形燃料電池は、通常、このようなＭＥＡと集電体からなる単セルが複数個積層された構造（燃料電池スタック）を備えている。
【０００３】
燃料電池スタック内の各単セルは、電気的に直列に接続されている。このような燃料電池スタックを用いて発電する場合において、一部の単セルのみが、燃料供給が途絶えた状態（燃料欠状態）になることがある。例えば、低温始動時において燃料ガス流路の一部が凍結により閉塞していると、一部の単セルのみが燃料欠状態となる（以下、燃料欠状態にある単セルを「燃料欠セル」ともいう）。
【０００４】
この状態で発電を続けると、残りの単セルが電源となる形で燃料欠セルにも電流が流れる。その結果、燃料欠セルのアノード電位が上昇し、燃料以外のアノードの成分（例えば、触媒を担持するためのカーボン担体、単セル内に保持されている水など）の酸化反応が進行する。燃料欠セルにおいてカーボン担体の酸化が起こると、触媒層構造が破壊され、セル性能が著しく低下する。
また、触媒層の劣化は、燃料欠以外の原因によっても起こりうる。例えば、セル電圧の大幅な変化が生じた時には、水が酸化剤となってカソード側のカーボン担体が腐食することが知られている。
【０００５】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、アノード側の触媒層とガス拡散層との間に、Ｐｔ−Ｒｕ触媒担持カーボン、イオン伝導性物質、及び結晶性炭素繊維を含む水分解層を挿入した固体高分子形燃料電池が開示されている。
同文献には、
（ａ）触媒層とガス拡散層との間に、触媒層よりも水保持性の高い水分解層を挿入すると、燃料欠が生じた時に水分解層内で水の電気分解が優先的に行われ、触媒層内での電気分解を回避することができる点、及び、
（ｂ）水分解層に結晶性炭素繊維を含有させると、水分解層内に空孔が形成されやすくなり、これによって水分解層での水の電気分解が効率的に行われる点、
が記載されている。
【０００６】
特許文献２には、カソード触媒層と固体高分子電解質膜との間に、触媒担持カーボン及びアイオノマを含む緩衝層が挿入された固体高分子形燃料電池が開示されている。
同文献には、
（ａ）アイオノマ含有比がカソード触媒層より大きい緩衝層をカソード触媒層と固体高分子電解質膜の間に挿入すると、カソード触媒層と固体高分子電解質膜とが直接接触する場合に比べて、酸化還元反応が穏やかになる点、及び、
（ｂ）これによって、カソード触媒層のカーボン担体の腐食や、カソード触媒層から固体高分子電解質膜への触媒金属の溶出が抑制される点、
が記載されている。
【０００７】
特許文献３、４には、カーボンブラックにイリジウム、イリジウム−ルテニウム合金、又は酸化イリジウムを担持した触媒を含む燃料電池用アノード側触媒組成物が開示されている。
同文献には、
（ａ）イリジウム等は、アノード用触媒として必要な水素酸化能を有している点、及び、
（ｂ）イリジウム等は、白金よりも酸素還元能及び水電解過電圧が低いために、白金を触媒として用いた場合に比べて水の電解反応がスムーズに進行し、これによってアノードの劣化を抑制できる点、
が記載されている。
【０００８】
特許文献５には、白金担持カーボンと、イオン交換樹脂と、酸化イリジウム、イリジウム、酸化ルテニウム、又はルテニウムからなり、比表面積が２〜５０ｍ2／ｇである微粒子とを含むカソード触媒層が開示されている。
同文献には、触媒層に酸化イリジウム等からなる微粒子を添加すると、燃料の欠乏が生じた場合においても電極の特性低下が起こりにくくなる点が記載されている。
【０００９】
さらに、特許文献６には、カーボン担体の表面にＰｔ（高反応活性触媒）とＩｒＯ2（水電解触媒）とを共担持させた触媒を含む燃料電池用電極が開示されている。
同文献には、
（ａ）担体表面に高反応活性触媒と水電解触媒とを共担持させると、燃料電池の運転中に触媒層が１．４Ｖ vs ＳＨＥ以上の高電位に曝された場合であっても、水の電解分解を優先的に起こすことができる点、及び、
（ｂ）これによってカーボンの腐食を抑えることができる点、
が記載されている。
【００１０】
特許文献１、２には、カーボン担体の腐食を抑制するために、ＭＥＡのいずれかの部位に水の電気分解を助長させるための中間層（水分解層、緩衝層）を挿入する方法が開示されている。しかしながら、中間層の挿入は、ＭＥＡの電気抵抗を増加させる原因となる。
一方、特許文献３〜６には、水電解触媒として機能するＩｒ、Ｒｕ、これらの合金、又はこれらの酸化物を単独で、又は、Ｐｔ触媒と共に触媒層に添加する方法が開示されている。しかしながら、ＩｒやＲｕ（特に、Ｉｒ）は、高価である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−１３４６２９号公報
【特許文献２】特開２００６−２３６６３１号公報
【特許文献３】特開２０１２−０９４３１５号公報
【特許文献４】特開２０１０−２７７９９５号公報
【特許文献５】特開２００９−１５２１４３号公報
【特許文献６】特開２００８−０４１４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、ＭＥＡの電気抵抗を増加させることなく、触媒を担持するためのカーボン担体の腐食を抑制することができ、しかも低コストな触媒層を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明に係る触媒層は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記触媒層は、
カーボン担体の表面に触媒が担持された電極触媒と、
触媒層アイオノマと、
薄片化黒鉛と
を備えている。
（２）前記薄片化黒鉛は、
アスペクト比（＝Ｌ／Ｄ、Ｌは前記薄片化黒鉛の長径、Ｄは前記薄片化黒鉛の短径）が３以上２０以下であり、
前記長径Ｌの平均値が１μｍ以上８μｍ未満である。
【発明の効果】
【００１４】
カーボン担体の表面に触媒が担持された電極触媒を含む触媒層に、所定の形状を備えた薄片化黒鉛を添加すると、触媒層が高電位状態に曝された場合であっても、カーボン担体の腐食を抑制することができる。これは、以下の理由によると考えられる。
すなわち、触媒インクに薄片化黒鉛を添加し、これを用いて触媒層を形成すると、薄片化黒鉛の周囲に大きな扁平状細孔が形成される。このような触媒層を備えた燃料電池を作動させると、扁平細孔内に相対的に多量の水が蓄えられる。そのため、一時的に高電位状態（例えば、燃料欠状態）に曝された場合であっても、より長時間の水電解反応が可能になる。その結果、カーボン担体の腐食が抑制されたと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】薄片化黒鉛のアスペクト比を算出する方法を説明するための模式図である。
【図２】実施例３で得られた触媒層の断面ＳＥＭ像である。
【図３】放射光ナノＸ線ＣＴにより撮影された比較例１の三次元像である。
【図４】放射光ナノＸ線ＣＴにより撮影された実施例３の三次元像である。
【００１６】
【図５】水電解継続時間に対する薄片化黒鉛の平均アスペクト比の影響を示す図である。
【図６】水電解継続時間に対する薄片化黒鉛の平均長径の影響を示す図である。
【図７】水電解継続時間に対するカーボン担体の平均粒子径の影響を示す図である。
【図８】水電解継続時間に対する空隙率の影響を示す図である。
【図９】水電解継続時間に対する平均細孔径の影響を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  触媒層］
本発明に係る触媒層は、以下の構成を備えている。
（１）前記触媒層は、
カーボン担体の表面に触媒が担持された電極触媒と、
触媒層アイオノマと、
薄片化黒鉛と
を備えている。
（２）前記薄片化黒鉛は、
アスペクト比（＝Ｌ／Ｄ、Ｌは前記薄片化黒鉛の長径、Ｄは前記薄片化黒鉛の短径）の平均値が３以上２０以下であり、
前記長径Ｌの平均値が１μｍ以上８μｍ未満である。
【００１８】
［１．１．  カーボン担体］
［１．１．１．  材料］
カーボン担体は、その表面に触媒を担持するためのものである。本発明において、カーボン担体を構成する材料の種類は、特に限定されない。カーボン担体の材料としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、黒鉛化炭素粒子、炭素繊維、サーマルブラックなどがある。
【００１９】
［１．１．２．  平均粒子径］
カーボン担体の平均粒子径は、触媒層の耐久性、すなわち、水電解継続時間に影響を与える。
ここで、「カーボン担体の平均粒子径」とは、レーザー回折・散乱法により測定された体積基準の粒子径のメディアン値（ｄ50）をいう。
「水電解継続時間」とは、水電解反応がカーボン担体の酸化反応に優先して進行し続けることができる時間をいう。より具体的には、「水電解継続時間」とは、１ｃｍ2セルにおいて、ガス条件：Ａｎ／Ｃａ＝Ｎ2／Ａｉｒ、Ｔ＝３０℃（露点３０℃）、電流密度：０．２Ａ／ｃｍ2の条件で水電解をした時に、電圧が一定である時間をいう。
【００２０】
カーボン担体の平均粒子径が大きくなるほど、水電解継続時間が長くなる。これは、粒子径が大きいほど、細孔径が大きくなり、保水性が高くなるためと考えられる。このような効果を得るためには、カーボン担体の平均粒子径は、５ｎｍ以上が好ましい。平均粒子径は、好ましくは、１０ｎｍ以上、さらに好ましくは、２０ｎｍ以上である。
【００２１】
一方、カーボン担体の平均粒子径が大きくなりすぎると、かえって水電解継続時間が短くなる。これは、粒子径が大きくなりすぎると、空隙率が小さくなりすぎて、保水量が低下するためと考えられる。従って、カーボン担体の平均粒子径は、２００ｎｍ以下が好ましい。平均粒子径は、好ましくは、１００ｎｍ以下、さらに好ましくは、５０ｎｍ以下である。
【００２２】
［１．２．  触媒］
［１．２．１．  材料］
カーボン担体の表面には、触媒が担持される。本発明において、触媒の材料は、特に限定されない。触媒の材料としては、例えば、
（ａ）Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒなどの貴金属、又は、これらの合金、
（ｂ）Ｐｔ−Ｍ合金（Ｍは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの卑金属元素）、
などがある。
【００２３】
［１．２．２．  担持率］
一般に、触媒の担持率が多くなるほど、触媒層の活性が高くなる。一方、触媒の担持率が過剰になると、高コスト化を招く。従って、触媒の担持率は、これらの点を考慮して定めるのが好ましい。触媒の担持率は、具体的には、３０重量％〜７０重量％程度が好ましい。
【００２４】
［１．３．  触媒層アイオノマ］
［１．３．１．  材料］
触媒層アイオノマは、触媒表面にプロトンを供給するためのものである。本発明において、触媒層アイオノマの材料は、特に限定されない。触媒層アイオノマとしては、例えば、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）、アクイビオン（登録商標）などがある。
【００２５】
［１．３．２．  含有量］
一般に、触媒層アイオノマの含有量が多くなるほど、触媒層の活性が高くなる。一方、触媒層アイオノマの含有量が過剰になると、単位面積当たりの触媒量が減少するために、かえって活性が低下する。従って、触媒層アイオノマの含有量は、これらの点を考慮して定めるのが好ましい。触媒層アイオノマの含有量は、具体的には、触媒層アイオノマ／カーボン担体の質量比（Ｉ／Ｃ比）で、０．５〜２程度が好ましい。
【００２６】
［１．４．  薄片化黒鉛］
［１．４．１．  定義］
本発明において、触媒層は、薄片化黒鉛を含む。この点が従来とは異なる。ここで、「薄片化黒鉛」とは、黒鉛の層を１００ｎｍ程度の厚さに薄く剥がし取ったシート状の材料をいう。薄片化黒鉛は、市販されている。
【００２７】
［１．４．２．  平均アスペクト比］
図１に、薄片化黒鉛のアスペクト比を算出する方法を説明するための模式図を示す。薄片化黒鉛はシート状であるため、これを用いて触媒層を形成すると、薄片化黒鉛の表面の中で最も広い面が触媒層の表面に対してほぼ平行になるように配列する。このような触媒層の断面をＳＥＭで観察すると、図１に示すように、楕円状の薄片化黒鉛が観察される。
【００２８】
本発明において、「薄片化黒鉛のアスペクト比」とは、触媒層の断面に現れる楕円状の薄片化黒鉛の短径Ｄに対する長径Ｌの比（＝Ｌ／Ｄ）をいう。
「長径Ｌ」とは、最も離れた２箇所を結ぶ直線（最長直線）の長さをいう。
「短径Ｄ」とは、最長直線に対して垂直方向の長さの最大値をいう。
「アスペクト比の平均値（平均アスペクト比）」とは、触媒層の断面に現れる２０個以上の薄片化黒鉛について測定されたアスペクト比（＝Ｌ／Ｄ）の平均値をいう。
【００２９】
薄片化黒鉛の平均アスペクト比は、触媒層の耐久性、すなわち、水電解継続時間に影響を与える。薄片化黒鉛の平均アスペクト比が大きくなるほど、水電解継続時間が長くなる。これは、平均アスペクト比が大きくなるほど、薄片化黒鉛の周囲に大きな扁平状細孔が形成されやすくなり、これによって触媒層の保水性が向上するためと考えられる。このような効果を得るためには、薄片化黒鉛の平均アスペクト比は、３以上である必要がある。平均アスペクト比は、好ましくは、５以上、さらに好ましくは、８以上である。
【００３０】
一方、薄片化黒鉛の平均アスペクト比が大きくなりすぎると、低温・高電流密度での出力が低下する。これは、黒鉛により排水が阻害されるためと考えられる。従って、薄片化黒鉛の平均アスペクト比は、２０以下である必要がある。平均アスペクト比は、好ましくは、１８以下、さらに好ましくは、１４以下である。
【００３１】
［１．４．３．  平均長径］
「長径の平均値（平均長径）」とは、触媒層の断面に現れる２０個以上の薄片化黒鉛について測定された長径（Ｌ）の平均値をいう。
本発明において、薄片化黒鉛の平均長径は、触媒層の耐久性、すなわち、水電解継続時間に影響を与える。薄片化黒鉛の平均長径が長くなるほど、水電解継続時間が長くなる。これは、平均長径が長くなるほど、薄片化黒鉛の周囲に大きな扁平状細孔が形成されやすくなり、これによって触媒層の保水性が向上するためと考えられる。従って、薄片化黒鉛の平均長径は、１μｍ以上である必要がある。平均長径は、好ましくは、２μｍ以上である。
【００３２】
一方、薄片化黒鉛の平均長径が長くなりすぎると、低温・高電流密度での出力が低下する。これは、黒鉛により排水が阻害されるためと考えられる。従って、薄片化黒鉛の平均長径は、８μｍ未満である必要がある。平均長径は、好ましくは、６μｍ以下、さらに好ましくは、４μｍ以下である。
【００３３】
［１．４．４．  含有量］
一般に、薄片化黒鉛の含有量が多くなるほど、触媒層の活性が高くなる。一方、薄片化黒鉛の含有量が過剰になると、単位面積当たりの触媒量が減少するために、かえって活性が低下する。従って、薄片化黒鉛の含有量は、これらの点を考慮して定めるのが好ましい。薄片化黒鉛の含有量は、具体的には、薄片化黒鉛／担体カーボンの質量比で、０．５〜２程度が好ましい。
【００３４】
［１．５．  空隙率］
「空隙率」とは、空間分解能：１００ｎｍ／ｖｏｘ、エネルギー：８ｋｅＶの条件下で放射光ナノＸ線ＣＴを撮影することにより得られる三次元像から算出される値をいう。
触媒層の空隙率は、触媒層の耐久性、すなわち、水電解継続時間に影響を与える。触媒層の空隙率が大きくなるほど、水電解継続時間が長くなる。これは、空隙率が大きくなるほど、触媒層の保水性が高くなるためと考えられる。このような効果を得るためには、触媒層の空隙率は、３％以上が好ましい。空隙率は、好ましくは、５％以上、さらに好ましくは、７％以上である。
【００３５】
一方、触媒層の空隙率が大きくなりすぎると、かえって水電解継続時間が短くなる。これは、触媒層が厚くなりすぎて、電解効率が低下するためと考えられる。従って、触媒層の空隙率は、４０％以下が好ましい。空隙率は、好ましくは、３０％以下、さらに好ましくは、２０％以下である。
【００３６】
［１．６．  平均細孔径］
「平均細孔径」とは、空間分解能：１００ｎｍ／ｖｏｘ、エネルギー：８ｋｅＶの条件下において放射光ナノＸ線ＣＴを撮影することにより得られる三次元像から算出された値をいう。
触媒層の平均細孔径は、触媒層の耐久性、すなわち、水電解継続時間に影響を与える。触媒層の平均細孔径が大きくなるほど、水電解継続時間が長くなる。これは、平均細孔径が大きくなるほど、触媒層の保水性が高くなるためと考えられる。このような効果を得るためには、触媒層の平均細孔径は、０．１μｍ以上が好ましい。平均細孔径は、好ましくは、０．２μｍ以上、さらに好ましくは、０．３μｍ以上である。
【００３７】
一方、触媒層の平均細孔径が大きくなりすぎると、かえって水電解継続時間が短くなる。これは、細孔内表面積の低下により、電解効率が低下するためと考えられる。従って、触媒層の平均細孔径は、１．５μｍ以下が好ましい。空隙率は、好ましくは、１．２μｍ以下、さらに好ましくは、１．０μｍ以下である。
【００３８】
［１．７．  用途］
本発明に係る触媒層は、各種電気化学デバイスの触媒層として用いることができる。本発明に係る触媒層は、特に固体高分子形燃料電池のアノードに用いるのが好ましい。本発明に係る触媒層は、従来の触媒層に比べて保水性が高い。そのため、一時的に燃料欠状態が生じた場合であっても、カーボン担体の酸化を抑制することができる。
【００３９】
［２．  触媒層の製造方法］
本発明に係る触媒層は、
（ａ）電極触媒、触媒層アイオノマ、及び薄片化黒鉛を溶媒に分散させた触媒インク（触媒層原料ペースト）を作製し、
（ｂ）触媒インクを基材表面に塗布し、溶媒を揮発させる
ことにより製造することができる。
【００４０】
［３．  作用］
カーボン担体の表面に触媒が担持された電極触媒を含む触媒層に、所定の形状を備えた薄片化黒鉛を添加すると、触媒層が高電位状態に曝された場合であっても、カーボン担体の腐食を抑制することができる。これは、以下の理由によると考えられる。
すなわち、触媒インクに薄片化黒鉛を添加し、これを用いて触媒層を形成すると、薄片化黒鉛の周囲に大きな扁平状細孔が形成される。このような触媒層を備えた燃料電池を作動させると、扁平細孔内に相対的に多量の水が蓄えられる。そのため、一時的に高電位状態（例えば、燃料欠状態）に曝された場合であっても、より長時間の水電解反応が可能になる。その結果、カーボン担体の腐食が抑制されたと考えられる。
【実施例】
【００４１】
（実施例１〜７、比較例１）
［１．  試料の作製］
［１．１．  比較例１］
粒子径：２０ｎｍのカーボンブラックに白金を担持して、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）触媒を調製した。カーボンブラックと白金の重量比は、１０：３とした。次に、Ｐｔ／Ｃ触媒、白金未担持カーボンブラック、純水、及びナフィオン（登録商標）溶液を混合して触媒インクを得た。なお、Ｐｔ／Ｃ触媒と白金未担持カーボンブラックの重量比は、１：１とした。
【００４２】
触媒インクをポリテトラフルオロエチレンシートに塗布し、乾燥させた。得られた触媒シートをナフィオン（登録商標）膜の両面にホットプレスにて転写した。その後、ポリテトラフルオロエチレンシートを剥離し、膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。ＭＥＡの両面に、ガス拡散層として撥水層付きカーボンペーパーを配置した。さらに、これをカーボン製セパレータで挟み、固体高分子形燃料電池を得た。
【００４３】
［１．２．  実施例１〜７］
粒子径：５〜２００ｎｍのカーボンブラックに白金を担持して、Ｐｔ／Ｃ触媒を調製した。また、白金未担持カーボンブラックに代えて、平均アスペクト比及び平均長径の異なる種々の薄片化黒鉛を用いた。以下、比較例１と同様にして、固体高分子形燃料電池を作製した。
表１に、各試料のカーボン担体の平均粒子径、及び薄片化黒鉛／カーボン質量比を示す。なお、表１には、後述する試験結果（薄片化黒鉛の平均アスペクト比及び平均長径、空隙率、平均細孔径、並びに、水電解継続時間）も併せて示した。
【００４４】
【表１】
2020077581.tif 000003
【００４５】
［２．  試験方法］
［２．１．  微構造解析］
［２．１．１．  ＳＥＭ観察］
触媒層の断面ＳＥＭ像を撮影した。断面ＳＥＭ像から、薄片化黒鉛の平均アスペクト比、及び平均長径を求めた。
［２．１．２．  放射光ナノＸ線ＣＴ］
大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ−８のＢＬ３３ＸＵにおいて、空間分解能：１００ｎｍ／ｖｏｘ、エネルギー：８ｋｅＶにて、放射光ナノＸ線ＣＴを撮影した。このようにして得られた三次元画像から、空隙率、及び平均細孔径を算出した。
【００４６】
［２．２．  性能評価］
電極面積：１ｃｍ2のセルを用いて、水電解継続時間を評価した。この試験では、燃料欠状態を模擬するために、アノード側にＮ2、カソード側に空気を供給した。これらのガスは相対湿度：１００％とし、触媒層内で水を結露させてから０．２Ａ／ｃｍ2で水電解試験を実施し、水電解継続時間（電圧が一定である時間）を求めた。
【００４７】
［３．  結果］
［３．１．  微構造解析］
［３．１．１．  ＳＥＭ観察］
図２に、実施例３で得られた触媒層の断面ＳＥＭ像を示す。図２より、触媒層の表面に対してほぼ平行に薄片化黒鉛が配列していることが分かる。図２より、実施例３で用いた薄片化黒鉛の平均アスペクト比は１０．０、平均長径は３．３ｎｍと見積もられた。
【００４８】
［３．１．２．  放射光ナノＸ線ＣＴ］
図３に、放射光ナノＸ線ＣＴにより撮影された比較例１の三次元像を示す。図４に、放射光ナノＸ線ＣＴにより撮影された実施例３の三次元像を示す。なお、図３及び図４中、黒色の領域は細孔を表す。
比較例１は、図３に示すように、大きな黒色領域が認められず、小さな黒色領域が均一に分散していた。一方、実施例３は、図４に示すように、大きな黒色領域（すなわち、大きな扁平細孔）が認められた。これは以下の理由によると考えられる。
すなわち、薄片化黒鉛を含む触媒インクを用いて触媒層を形成する場合、塗膜の乾燥過程において、薄片化黒鉛の直下と周辺では収縮応力が異なる。その結果、薄片化黒鉛の周囲に大きな扁平細孔が形成されたと考えられる。
【００４９】
［３．２．  性能評価］
表１に、性能評価結果を示す。また、図５に、水電解継続時間に対する薄片化黒鉛の平均アスペクト比の影響を示す。図６に、水電解継続時間に対する薄片化黒鉛の平均長径の影響を示す。図７に、水電解継続時間に対するカーボン担体の平均粒子径の影響を示す。図８に、水電解継続時間に対する空隙率の影響を示す。さらに、図９に、水電解継続時間に対する平均細孔径の影響を示す。表１及び図５〜９より、以下のことが分かる。
【００５０】
（１）薄片化黒鉛の平均アスペクト比を３〜２０にすると、水電解継続時間が３０００秒以上となる。
（２）薄片化黒鉛の平均長径を１〜８μｍにすると、水電解継続時間が３０００秒以上となる。
（３）カーボン担体の平均粒子径を５〜２００ｎｍにすると、水電解継続時間が３０００秒以上となる。
【００５１】
（４）触媒層の空隙率を３〜４０％にすると、水電解継続時間が３０００秒以上となる。
（５）触媒層の平均細孔径を０．１〜１．５μｍにすると、水電解継続時間が３０００秒以上となる。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る触媒層は、固体高分子形燃料電池などの各種電気化学デバイスの触媒層として用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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