(57)【要約】【課題】触媒層のガス拡散抵抗を低減する。【解決手段】触媒粒子４００を担持した導電性粒子５００と、アイオノマー２００と、アイオノマー２００を吸着することができるアイオノマー吸着材３００とを含有し、燃料電池の電極を作製するために用いられる触媒インク９００であって、アイオノマー２００が、アイオノマー吸着材３００の外表面に吸着しているので、触媒インク９００に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３００の外表面に吸着できる。その結果、触媒インク９００に分散したアイオノマー２００が、触媒粒子４００を担持した導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができ、触媒インク９００を用いて形成された電極のガス拡散性を向上させるができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性粒子に触媒が担持されている触媒担持粒子と、アイオノマーと、前記アイオノマーを吸着することができるアイオノマー吸着材とを含有し、燃料電池の電極を作製するために用いられる触媒インクであって、
前記アイオノマーが、前記アイオノマー吸着材の外表面に吸着している、触媒インク。
【請求項２】
前記アイオノマー吸着材は、カチオン交換基を有するデンドリマーである、請求項１に記載の触媒インク。
【請求項３】
前記アイオノマー吸着材は、多価カチオンを有するデンドリマーである、請求項２に記載の触媒インク。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の触媒インクを用いて形成された、電極。
【請求項５】
請求項４に記載の電極を、電解質膜の主面の少なくともどちらか一方に有する、電解質膜−電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池の電極を作製するために用いられる触媒インク、電極および電解質膜−電極接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な燃料電池は、電解質膜の両側にアノードとカソードを形成した電解質膜−電極接合体を備え、少なくとも水素を含む燃料をアノードに供給し、少なくとも酸素を含む酸化剤をカソードに供給することにより発電する。
【０００３】
アノードおよびカソードには、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を促進するために、化学的に安定な導電性粒子表面に触媒粒子が高分散担持された触媒担持粒子と、イオン導電性のアイオノマーからなる触媒層を有している。触媒層は、触媒インクを電解質膜もしくは電極基材上に塗布し、乾燥させることにより形成される。
【０００４】
通常、触媒層を形成する電解質膜や電極基材の表面は、表面エネルギーが小さく、撥水性を有している。そのため、水などの極性が高い溶媒を触媒インクに用いる場合は、塗布した触媒インクが電解質膜や電極基材の表面から剥離するという課題があった。
【０００５】
そこで、触媒層を形成するために必要な触媒インクの溶媒として、アルコールと水を用いる触媒インクが提案されている（例えば、特許文献１）。この触媒インクにより、表面エネルギーが小さく、撥水性を有している電解質膜や電極基材の表面にも触媒層を剥離することなく形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１３５２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、アルコールが非常に低い極性の飽和炭化水素を有するため、触媒インクの溶媒としてアルコールを用いる場合は、アイオノマーの大部分を構成するフッ化炭素からなる疎水部がアルコールの飽和炭化水素と疎水結合を形成するため、触媒インクの溶媒中にアイオノマーが高分散化し、アイオノマーのコロイド径が減少する。
【０００８】
触媒インクに含まれるアイオノマーのコロイド径が減少すると、触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまでアイオノマーが充填されるため、触媒担持粒子の凝集体へのガス拡散経路が閉塞されるという課題を有していた。
【０００９】
そこで、本発明は、触媒層のガス拡散抵抗を低減することができる触媒インクを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来課題を解決するために、本発明による触媒インクは、導電性粒子に触媒が担持されている触媒担持粒子と、アイオノマーと、アイオノマーを吸着することができるアイオノマー吸着材とを含有し、燃料電池の電極を作製するために用いられる触媒インクであ
って、アイオノマーが、アイオノマー吸着材の外表面に吸着していることを特徴とするものである。
【００１１】
これにより、触媒インクに分散した微小なコロイド径を有するアイオノマーをアイオノマー吸着材の外表面に吸着させることができる。その結果、触媒インクに分散したアイオノマーが、触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができる。
【００１２】
また、ガスの拡散経路となる触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙が増加するため、この触媒インクを用いて作製された触媒層のガス拡散抵抗を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の触媒インクは、触媒層のガス拡散抵抗を低減することができ、これを用いて構成した燃料電池の電圧を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の構成を模式的に示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の電解質膜−電極接合体の構成を模式的に示す断面図
【図３】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池用触媒インクの構成を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の構成を模式的に示す断面図
【図５】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の電解質膜−電極接合体の構成を模式的に示す断面図
【図６】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池用触媒インクの構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、導電性粒子に触媒が担持されている触媒担持粒子と、アイオノマーと、アイオノマーを吸着することができるアイオノマー吸着材とを含有し、燃料電池の電極を作製するために用いられる触媒インクであって、アイオノマーが、アイオノマー吸着材の外表面に吸着している、触媒インクである。
【００１６】
この構成により、触媒インクに分散した微小なコロイド径を有するアイオノマーをアイオノマー吸着材の外表面に吸着させることができる。その結果、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができ、触媒層のガス拡散抵抗を低減することができる。
【００１７】
第２の発明は、特に、第１の発明の触媒インクのアイオノマー吸着材が、カチオン交換基を有するデンドリマーであることを特徴とする。
【００１８】
この構成により、デンドリマーのカチオン交換基に吸着するオキソニウムイオンとアイオノマーが有するカチオン交換基がイオン結合を形成することで、アイオノマー吸着材の表面により強く吸着させることができる。そのため、触媒インクの溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インクに分散した微小なコロイド径を有するアイオノマーをアイオノマー吸着材の外表面に安定的に吸着させることができる。
【００１９】
また、デンドリマーは、カチオン導電性を有するため、触媒担持粒子の凝集体間のイオン導電性を向上させることができる。更に、デンドリマーは、嵩高い球状構造を有するため、高いガス透過性を有しており、また、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することをより抑制することができる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第２の発明の触媒インクのアイオノマー吸着材が、多価カチオンを有するデンドリマーであることを特徴とする。
【００２１】
この構成により、アイオノマー吸着材が有する多価カチオンとアイオノマーが有するカチオン交換基がイオン結合を形成するため、アイオノマー吸着材の表面にアイオノマーを更に強く吸着させることができるため、触媒インクの溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インクに分散した微小なコロイド径を有するアイオノマーをアイオノマー吸着材の外表面により安定的に吸着させることができる。
【００２２】
その結果、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを更に抑制することができる。
【００２３】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の触媒インクを用いて形成された電極である。
【００２４】
この構成により、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができ、電極のガス拡散性を向上させるができる。
【００２５】
第５の発明は、特に、第４の発明の電極を、電解質膜の主面の少なくともどちらか一方に有する電解質膜−電極接合体である。
【００２６】
この構成により、触媒インクに分散したアイオノマーが触媒担持粒子の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができ、燃料電池のガス拡散性および電池電圧を向上させることができる。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の構成を模式的に示す断面図であり、図２は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の電解質膜−電極接合体の構成を模式的に示す断面図であり、図３は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池用触媒インクの構成を示す模式図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池１００は、電解質膜−電極接合体９０が、アノードセパレータ７０ａとカソードセパレータ７０ｂとで挟まれるように、電解質膜−電極接合体９０とアノードセパレータ７０ａとカソードセパレータ７０ｂとが積層されている。この積層方向に燃料電池１００が複数積層されることで、燃料電池スタック（図示せず）が構成される。
【００３０】
アノードセパレータ７０ａの電解質膜−電極接合体９０に臨む面には、燃料ガス流路７１ａが設けられている。同様に、カソードセパレータ７０ｂの電解質膜−電極接合体９０に臨む面には、酸化剤ガス流路７１ｂが設けられている。
【００３１】
図２に示すように、本実施の形態の電解質膜−電極接合体９０は、電解質膜１０と、電解質膜１０を挟持するアノード６０ａおよびカソード６０ｂを備える。
【００３２】
アノード６０ａは、電解質膜１０と隣接するアノード触媒層５０ａと、アノードセパレータ７０ａ（燃料ガス流路７１ａ）と隣接するアノードガス拡散層４０ａから構成されて
いる。カソード６０ｂは、電解質膜１０と隣接するカソード触媒層５０ｂと、カソードセパレータ７０ｂ（酸化剤ガス流路７１ｂ）と隣接するカソードガス拡散層４０ｂから構成されている。
【００３３】
燃料電池１００は、燃料ガス流路７１ａからアノード６０ａに供給される燃料ガスと、酸化剤ガス流路７１ｂからカソード６０ｂに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う。酸化剤ガスは、空気を用いる。燃料ガスは、水素含有ガスを用いる。
【００３４】
次に、本実施の形態における、アノード触媒層５０ａと、カソード触媒層５０ｂを形成するための触媒インク９００およびその製造方法について、より詳細に説明する。
【００３５】
図３に示すように、燃料電池１００の触媒インク９００は、触媒粒子４００と、導電性粒子５００と、アイオノマー吸着材３００と、アイオノマー２００、溶媒８００から構成されており、アイオノマー２００がアイオノマー吸着材３００に吸着している。
【００３６】
導電性粒子５００は、炭素粒子（ケッチェンブラック）とし、触媒粒子４００は、白金触媒粒子とする。なお、白金触媒粒子は炭素粒子に４６ｗｔ％の担持率で担持された白金担持炭素（田中貴金属工業「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）とする。
【００３７】
アイオノマー２００の材質は、パーフルオロスルホン酸（ナフィオン（デュポン社製  商品名「ＤＥ５２０ＣＳ」））とする。添加するアイオノマー２００の重量は、導電性粒子５００の重量を１としたときに、０．７とする。アイオノマー吸着材３００の材質は、カチオン交換基としてスルホン酸基を有するスルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーとする。
【００３８】
また、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの分子量は、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの直径が９ｎｍ以上となる、１８万以上の分子量とする。スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの添加量は、アイオノマー２００が有するスルホン酸基のモル数を１としたときに、スルホン酸化ポリアミドアミンが有するスルホン酸基のモル数が１となる添加量とする。
【００３９】
次に、触媒インク９００の製造方法について説明する。
【００４０】
燃料電池１００の触媒インク９００の製造工程は、水とエタノールから成る混合溶媒（水：エタノールの重量比＝５０：５０）と、アイオノマー２００と、アイオノマー吸着材３００とをビーズミルを用いて分散混合し、アイオノマー吸着材３００の外周部にアイオノマー２００を吸着させる。
【００４１】
次に、水とエタノールの混合溶媒と、アイオノマー２００と、アイオノマー吸着材３００とからなる分散液に、不活性ガスを封入し、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００を添加し、ビーズミルを用いて分散混合させることで、触媒インク９００の製造が完了する。
【００４２】
上記の方法により得られた触媒インク９００を電解質膜１０の両側に直接塗布し、乾燥することで、電解質膜１０の両側にアノード触媒層５０ａおよびカソード触媒層５０ｂを形成する。
【００４３】
電解質膜１０は、パーフルオロスルホン酸電解質膜（デュポン社製  商品名「ＮＲＥ２１１」）とする。アノード触媒層５０ａおよびカソード触媒層５０ｂの電極の面積当りの白金担持量は、０．１０ｍｇ／ｃｍ２とする。
【００４４】
上記の方法により得られた電解質膜１０の両側にアノード触媒層５０ａおよびカソード触媒層５０ｂを形成したものに、アノードガス拡散層４０ａおよびカソードガス拡散層４０ｂを１２０℃で５分間、熱圧着し、電解質膜−電極接合体９０を形成する。アノードガス拡散層４０ａおよびカソードガス拡散層４０ｂは、カーボンペーパー（ＳＧＬ社製  ２５ＢＣＨ）とする。
【００４５】
以上のように、本実施の形態１の触媒インク９００は、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００と、アイオノマー吸着材３００と、アイオノマー２００を含有する触媒インク９００であって、アイオノマー２００が、アイオノマー吸着材３００の表面に吸着していることを特徴とする。
【００４６】
これにより、触媒インク９００に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３００の外表面に吸着させることができる。その結果、触媒インク９００に分散したアイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができる。
【００４７】
また、アイオノマー吸着材３００として、カチオン交換基を有するデンドリマーを用いることで、アイオノマー吸着材３００のカチオン交換基に吸着したアイオノマー２００が有するカチオン交換基がイオン結合を形成するため、アイオノマー吸着材３００の表面により強く吸着させることができる。
【００４８】
そのため、触媒インク９００の溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インク９００に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３００の外表面に安定的に吸着させることができる。アイオノマー吸着材３００は、カチオン導電性を有するため、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間のイオン導電性を向上させることができる。
【００４９】
更に、アイオノマー吸着材３００としてのカチオン交換基を有するデンドリマーは、嵩高い球状構造を有するため、高いガス透過性を有し、また、アイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙に侵入し、空隙を閉塞することを抑制することができる。
【００５０】
触媒インク９００を用いてアノード６０ａとカソード６０ｂを形成することで、アイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が緻密に被覆することを抑制することができ、アノード６０ａとカソード６０ｂのガス拡散性を向上させるができる。
【００５１】
触媒インク９００を用いてアノード６０ａとカソード６０ｂを形成した電解質膜−電極接合体９０とすることで、アイオノマー２００が導電性粒子５００に担持された触媒粒子４００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が導電性粒子５００に担持された触媒粒子４００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができ、燃料電池１００のガス拡散抵抗を低減することができる。その結果、電池電圧を向上させることができる。
【００５２】
なお、本実施の形態においては、導電性粒子５００を、炭素粒子（ケッチェンブラック）としたが、これ以外にも、グラファイトケッチェンブラック、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラックや、カーボンナノチューブやカーボンファイバーなどの繊維状の炭素などを用いることができる。また、酸化チタン、酸窒化タンタル、酸化イリジウム複合酸化
物などの酸化物を用いることもできる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、導電性粒子５００および触媒粒子４００を、水とアルコール（エタノール）の溶媒に分散させたが、これ以外にも、水、多価数アルコール（２プロパノール、ブタノール、エチレングリコール等）、その他有機溶媒（ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等）およびこれらの混合溶媒を用いることもできる。
【００５４】
なお、本実施の形態においては、アイオノマー吸着材３００を、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーとしたが、これ以外にも、ポリピレンイミンデンドリマー、ポリエチレンイミンデンドリマー、アミドアミンデンドリマー、プロピレンイミンデンドリマー等の末端基にヒドロキシル基、カルボニル基、スルホン酸基、亜リン酸基、アミノ基などのカチオン交換基を付与したデンドリマーを用いることもできる。
【００５５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の構成を模式的に示す断面図であり、図５は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の電解質膜−電極接合体の構成を模式的に示す断面図であり、図６は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池用触媒インクの構成を示す模式図である。
【００５６】
図４から図６に示す実施の形態２において、実施の形態１と同じ構成部材には、同じ符号を付与し、その重複する説明は省略する。
【００５７】
図４に示すように、本実施の形態の燃料電池１０１は、電解質膜−電極接合体９１が、アノードセパレータ７０ａとカソードセパレータ７０ｂとで挟まれるように、電解質膜−電極接合体９１とアノードセパレータ７０ａとカソードセパレータ７０ｂとが積層されている。この積層方向に燃料電池１０１が複数積層されることで、燃料電池スタック（図示せず）が構成される。
【００５８】
アノードセパレータ７０ａの電解質膜−電極接合体９１に臨む面には、燃料ガス流路７１ａが設けられている。同様に、カソードセパレータ７０ｂの電解質膜−電極接合体９１に臨む面には、酸化剤ガス流路７１ｂが設けられている。
【００５９】
図５に示すように、本実施の形態の電解質膜−電極接合体９１は、電解質膜１０と、電解質膜１０を挟持するアノード６１ａおよびカソード６１ｂを備える。
【００６０】
アノード６１ａは、電解質膜１０と隣接するアノード触媒層５１ａと、アノードセパレータ７０ａ（燃料ガス流路７１ａ）と隣接するアノードガス拡散層４０ａから構成されている。カソード６１ｂは、電解質膜１０と隣接するカソード触媒層５１ｂと、カソードセパレータ７０ｂ（酸化剤ガス流路７１ｂ）と隣接するカソードガス拡散層４０ｂから構成されている。
【００６１】
燃料電池１０１は、燃料ガス流路７１ａからアノード６１ａに供給される燃料ガスと、酸化剤ガス流路７１ｂからカソード６１ｂに供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う。酸化剤ガスは、空気を用いる。燃料ガスは、水素含有ガスを用いる。
【００６２】
次に、本実施の形態における、アノード触媒層５１ａと、カソード触媒層５１ｂを形成するための触媒インク９０１およびその製造方法について、より詳細に説明する。
【００６３】
図６に示すように、燃料電池１０１の触媒インク９０１は、触媒粒子４００と、導電性
粒子５００と、アイオノマー吸着材３０１と、アイオノマー２００、溶媒８００から構成されており、アイオノマー２００がアイオノマー吸着材３０１に吸着している。
【００６４】
導電性粒子５００は、炭素粒子（ケッチェンブラック）とし、触媒粒子４００は、白金触媒粒子とする。なお、白金触媒粒子は炭素粒子に４６ｗｔ％の担持率で担持された白金担持炭素（田中貴金属工業「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）とする。
【００６５】
アイオノマー２００の材質は、パーフルオロスルホン酸（ナフィオン（デュポン社製  商品名「ＤＥ５２０ＣＳ」））とする。添加するアイオノマー２００の重量は、導電性粒子５００の重量を１としたときに、０．７とする。アイオノマー吸着材３０１の材質は、カチオン交換基としてスルホン酸基を有するスルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーとする。
【００６６】
また、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの分子量は、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーの直径が４ｎｍ以上となる、１万以上の分子量とする。また、アイオノマー吸着材３０１が有する多価カチオン６００は、セリウムイオンとする。また、セリウムイオンの添加量は、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーのカチオン交換基のモル数を３としたときに、添加するセリウムイオンのモル数を１とする。
【００６７】
アイオノマー吸着材３０１の添加量は、アイオノマー２００が有するスルホン酸基のモル数を３としたときに、アイオノマー吸着材３０１が有するスルホン酸基のモル数が１となる添加量とする。
【００６８】
次に、触媒インク９０１の製造方法について説明する。
【００６９】
燃料電池１０１の触媒インク９０１の製造工程は、水とエタノールから成る混合溶媒（水：エタノールの重量比＝５０：５０）と、多価カチオン６００の前駆体と、アイオノマー吸着材３０１とをビーズミルを用いて分散混合し、アイオノマー吸着材３０１のスルホン酸基の水素を多価カチオン６００で置換する。
【００７０】
次に、アイオノマー２００と、水とエタノールから成る混合溶媒とを、多価カチオン６００で置換したアイオノマー吸着材３０１の分散液に添加し、ビーズミルを用いて分散混合させることで、多価カチオン６００を有するアイオノマー吸着材３０１の外周部にアイオノマー２００を吸着させる。
【００７１】
次に、水とエタノールの混合溶媒と、アイオノマー２００と、スルホン酸基を多価カチオン６００で置換したアイオノマー吸着材３０１とからなる分散液に、不活性ガスを封入し、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００を添加し、ビーズミルを用いて分散混合させることで、触媒インク９０１の製造が完了する。
【００７２】
上記の方法により得られた触媒インク９０１をアノードガス拡散層４０ａおよびカソードガス拡散層４０ｂの表面に直接塗布し、乾燥することで、アノード６１ａおよびカソード６１ｂを形成する。
【００７３】
アノードガス拡散層４０ａおよびカソードガス拡散層４０ｂは、カーボンペーパー（ＳＧＬ社製  ２５ＢＣＨ）とする。以上により、電極が完成する。アノード触媒層５１ａおよびカソード触媒層５１ｂの電極の面積当りの白金担持量は、０．１０ｍｇ／ｃｍ２とする。
【００７４】
電解質膜１０は、パーフルオロスルホン酸電解質膜（デュポン社製  商品名「ＮＲＥ２
１１」）とする。上記の方法により得られたアノード６１ａおよびカソード６１ｂを電解質膜１０の両側に１２０℃で５分間、熱圧着し、電解質膜−電極接合体９１を形成する。
【００７５】
以上のように、本実施の形態２の触媒インク９０１は、導電性粒子５００に担持された触媒粒子４００と、アイオノマー吸着材３０１と、アイオノマー２００を含有する触媒インク９０１であって、アイオノマー２００が、アイオノマー吸着材３０１の表面に吸着していることを特徴とする。
【００７６】
これにより、触媒インク９０１に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３０１の外表面に吸着させることができる。その結果、触媒インク９０１に分散したアイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙を閉塞することを抑制することができる。
【００７７】
また、アイオノマー吸着材３０１としてカチオン交換基を有するデンドリマーを用いることで、アイオノマー吸着材３０１のカチオン交換基に吸着したアイオノマー２００が有するカチオン交換基がイオン結合を形成するため、アイオノマー吸着材３０１の表面により強く吸着させることができる。
【００７８】
そのため、触媒インク９０１の溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インク９０１に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３０１の外表面に安定的に吸着させることができる。
【００７９】
また、アイオノマー吸着材３０１が、多価カチオン６００を有することとする。これにより、アイオノマー吸着材３０１が有する多価カチオン６００が、アイオノマー２００が有するカチオン交換基とイオン結合を形成するため、アイオノマー吸着材３０１の表面にアイオノマー２００のカチオン交換基を更に強く吸着させることができる。
【００８０】
更に、触媒インク９０１の溶媒にアルコールを用いる場合であっても、触媒インク９０１に分散した微小なコロイド径を有するアイオノマー２００をアイオノマー吸着材３０１の外表面により安定的に吸着させることができる。
【００８１】
その結果、触媒インク９０１に分散したアイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が緻密に被覆することを更に抑制することができる。
【００８２】
触媒インク９０１を用いて電極を形成することで、アイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が緻密に被覆することを抑制することができ、アノード６１ａとカソード６１ｂのガス拡散性を向上させるができる。
【００８３】
触媒インク９０１を用いてアノード６１ａとカソード６１ｂを形成した電解質膜−電極接合体９１とすることで、アイオノマー２００が、触媒粒子４００が担持された導電性粒子５００の凝集体間や凝集体内の微細な空隙にまで侵入し、アイオノマー２００が緻密に被覆することを抑制することができ、燃料電池１０１のガス拡散抵抗を低減することができる。その結果、電池電圧を向上させることができる。
【００８４】
なお、本実施の形態においては、導電性粒子５００を、炭素粒子（ケッチェンブラック）としたが、これ以外にも、グラファイトケッチェンブラック、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラックや、カーボンナノチューブやカーボンファイバーなどの繊維状の炭素を
用いることができる。また、酸化チタン、酸窒化タンタル、酸化イリジウム複合酸化物などの酸化物を用いることもできる。
【００８５】
なお、本実施の形態においては、導電性粒子５００および触媒粒子４００を、水とアルコール（エタノール）の溶媒に分散させたが、これ以外にも、水、多価数アルコール（２プロパノール、ブタノール、エチレングリコール等）、その他有機溶媒（ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等）およびこれらの混合溶媒を用いることもできる。
【００８６】
なお、本実施の形態においては、アイオノマー吸着材３０１を、スルホン酸化ポリアミドアミンデンドリマーとしたが、これ以外にも、ポリピレンイミンデンドリマー、ポリエチレンイミンデンドリマー、アミドアミンデンドリマー、プロピレンイミンデンドリマー等の末端基にヒドロキシル基、カルボニル基、スルホン酸基、亜リン酸基、アミノ基などのカチオン交換基を付与したデンドリマーを用いることもできる。
【００８７】
なお、本実施の形態においては、アイオノマー吸着材３０１が有する多価カチオン６００として、セリウムイオンとしたが、これ以外にもマンガンイオン、コバルトイオン、スズイオン、クロムイオン、アルミニウムイオン、鉄イオン、コバルトイオン、カルシウムイオン、ニッケルイオンを用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の触媒インクは、触媒層のガス拡散抵抗を低減することができ、これを用いて構成した燃料電池の電圧を向上させることができるので、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に適用できる。
【符号の説明】
【００８９】
１０  電解質膜
４０ａ  アノードガス拡散層
４０ｂ  カソードガス拡散層
５０ａ、５１ａ  アノード触媒層
５０ｂ、５１ｂ  カソード触媒層
６０ａ、６１ａ  アノード
６０ｂ、６１ｂ  カソード
７０ａ  アノードセパレータ
７０ｂ  カソードセパレータ
７１ａ  燃料ガス流路
７１ｂ  酸化剤ガス流路
９０、９１  電解質膜−電極接合体
１００、１０１  燃料電池
２００  アイオノマー
３００、３０１  アイオノマー吸着材
４００  触媒粒子
５００  導電性粒子
６００  多価カチオン
８００  溶媒
９００、９０１  触媒インク
【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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