(57)【要約】【課題】  高担持率としても触媒粒子の分散性が良好であり、高活性な燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法、該製造方法により得られる燃料電池用Ｐｔ系触媒、並びに該Ｐｔ系触媒を用いた膜電極接合体および燃料電池を提供する。【解決手段】  少なくともＰｔを担体表面に還元析出させて、Ｐｔ系触媒粒子を担体に担持させる工程を含む燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法であって、Ｐｔの還元析出反応の開始時において、反応系内におけるＰｔ前駆体を含む反応物質の量を、Ｐｔ系触媒の製造に必要な反応物質の量未満とすることを特徴とする燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法と、該製造方法によって得られた燃料電池用Ｐｔ系触媒により、前記課題を解決する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＰｔを担体表面に還元析出させて、Ｐｔ系触媒粒子を担体に担持させる工程を含む燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法であって、
Ｐｔの還元析出反応の開始時において、反応系内におけるＰｔ前駆体を含む反応物質の量を、Ｐｔ系触媒の製造に必要な反応物質の量未満とすることを特徴とする燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法。
【請求項２】
Ｐｔ系触媒が、少なくともＰｔおよびＲｕを、担体表面に還元析出させて、ＰｔとともにＲｕを含有するＰｔＲｕ系触媒粒子を担体に担持させたものであり、
ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時において、反応系内におけるＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体からなる反応物質の量を、Ｐｔ系触媒の製造に必要な反応物質の量未満とする請求項１に記載の燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法。
【請求項３】
ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時において、反応系内における前記反応物質の量を、Ｐｔ系触媒の製造に必要な反応物質の量の１／２以下とする請求項２に記載の燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法。
【請求項４】
前記反応物質の一部を反応系内に投入する工程と、該工程に続いてＰｔおよびＲｕを担体表面に還元析出させる工程とを複数回繰り返す請求項２または３に記載の燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法。
【請求項５】
ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時において、Ｐｔ系触媒の製造に必要な量の半分量の反応物質を反応系内に投入し、ＰｔおよびＲｕを還元析出させた後、残りの半分量の反応物質を反応系内に投入して、更にＰｔおよびＲｕを還元析出させる請求項４に記載の燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法。
【請求項６】
Ｐｔ系触媒の製造に必要な量の反応物質を１時間以上かけて反応系内に逐次添加しつつ、ＰｔおよびＲｕを担体表面に還元析出させる請求項２または３に記載の燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法。
【請求項７】
Ｐｔの還元析出反応またはＰｔおよびＲｕの還元析出反応のための還元剤に、次亜リン酸または次亜リン酸塩を使用する請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法により得られたことを特徴とする燃料電池用Ｐｔ系触媒。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法により得られ、Ｐｔ系触媒粒子中のリンの量が、１．０〜２０ａｔ％である請求項８に記載の燃料電池用Ｐｔ系触媒。
【請求項１０】
アノード触媒層、カソード触媒層、および前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配されたプロトン導電膜を有する燃料電池用膜電極接合体であって、
前記アノード触媒層用の触媒および／または前記カソード触媒層用の触媒に、請求項８または９に記載の燃料電池用Ｐｔ系触媒を用いた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に記載の燃料電池用膜電極接合体を有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高担持率であり、かつ担体表面での触媒粒子の分散性が良好で、高活性の燃料電池用Ｐｔ系触媒、その製造方法、並びに、前記Ｐｔ系触媒を用いた燃料電池用膜電極接合体および燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の原油高に加え、中国、インドなどの急速な経済発展により、化石燃料の枯渇と二酸化炭素の排出が世界的な問題となっている。このため、現在、脱石油化に向け、燃料電池を始め、リチウムイオン電池、バイオ燃料、太陽電池などの研究開発が活発に行われている。ナフィオン（登録商標）を代表とするプロトン導電膜を使用する燃料電池には、メタノールをアノード極燃料とする直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）と、水素ガスをアノード極燃料とする固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＦＣ）とがある。
【０００３】
メタノールをアノード極燃料とするＤＭＦＣは、理論的体積エネルギー密度がリチウムイオン電池の約１０倍と高く、発電システムも簡便で小型化が可能なことから、施設の非常用電源や、軍事、業務用の携帯機器の非常電源、ノートパソコンや携帯音楽プレーヤー、携帯電話などの充電器として期待が持たれている。
【０００４】
ＤＭＦＣは、燃料にメタノールを使用し、アノード触媒層／プロトン導電膜／カソード触媒層から構成される膜電極接合体を導電性のガス拡散層で挟み、アノード極およびカソード極に設けた集電板により外部回路と繋いだ電池システムである。ＤＭＦＣのアノード触媒層側に液体燃料であるメタノールを供給すると、下記式（１）に示す化学反応により、メタノールが酸化されて二酸化炭素（ＣＯ２）に変化し、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが発生する。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  １／２Ｏ２  →  ＣＯ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−    （１）
【０００５】
この反応によって発生したプロトンと電子とは、カソード触媒層に供給される酸素ガスと下記式（２）の反応により、水（Ｈ２Ｏ）を生成する。
Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ                       （２）
【０００６】
従って、電池全体として下記式（３）の反応が進行し、この際に発生する電子を外部回路で取り出して、電気エネルギーを得ることができる。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  ３／２Ｏ２  →  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ              （３）
【０００７】
初期のＤＭＦＣのアノード触媒にはＰｔ（白金）が使用されていたが、Ｐｔ単体をアノード触媒に用いると、下記式（４）に示すように、メタノール酸化反応の中間物である一酸化炭素（ＣＯ）がＰｔ触媒表面に化学吸着し、Ｐｔ触媒が被毒して失活する問題があった。
Ｐｔ  ＋  ＣＨ３ＯＨ  →  Ｐｔ−ＣＯ  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−    （４）
【０００８】
この問題を解決するため、現在では、ＤＭＦＣおよびＰＥＦＣのアノード触媒には、ＰｔＲｕ（白金−ルテニウム）からなる触媒が一般的に使用されている（例えば、特許文献１）。Ｒｕ（ルテニウム）は親水性が高く、下記式（５）に示されるように水と反応して、Ｒｕ−ＯＨを生成する。
Ｒｕ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  Ｒｕ−ＯＨ  ＋  Ｈ＋  ＋  ｅ−              （５）
【０００９】
生成したＲｕ−ＯＨは下記式（６）に従い、Ｐｔ表面に吸着したＣＯを速やかにＣＯ２に酸化する。
Ｐｔ−ＣＯ  ＋  Ｒｕ−ＯＨ
→  ＣＯ２  ＋  Ｈ＋  ＋  ｅ−  ＋  Ｐｔ  ＋  Ｒｕ               （６）
【００１０】
しかしながら、ＰｔＲｕ触媒の反応機構については未だ不明な点が多く、このような合金系の触媒を大量に使用しても、メタノールの酸化反応は遅く、高い出力を得ることは困難である。ＤＭＦＣの理論電圧は１．２１Ｖであるが、前記のＰｔＲｕ触媒を使用した場合でもメタノール酸化反応の活性化エネルギーは大きく、その酸化反応の過電圧が大きいために、実効電圧は理論電圧を大きく下回っている。
【００１１】
また、ＤＭＦＣの電池特性は、その心臓部である膜電極接合体の構造に大きな影響を受けることが知られている。なかでも、膜電極接合体の厚みは、化学反応における物質拡散を支配し、電池特性に大きな影響を与える。膜電極接合体の厚み、特に触媒層の厚みは、物質拡散抵抗となることから、薄く、物質拡散し易い触媒層が求められる。しかし、触媒層を薄膜化すれば、絶対的な触媒量が減少し、所望の電池特性が得られなくなる問題もある。
【００１２】
こうした問題を解決する手段として、例えば、触媒粒子と触媒粒子を担持する担体とから構成される触媒の、触媒全体における触媒粒子に係るＰｔＲｕの割合（担持率）を高める方法が挙げられる。触媒の担持率を高めることにより、触媒層を薄膜化しても、所望量の触媒粒子を触媒層中に存在させることができる。
【００１３】
しかしながら、担持率の高い触媒を製造しようとすると、担体表面において触媒粒子の凝集および粗大化が生じ易くなり、実効的触媒反応表面積が減少して、所望の電池特性を得られなくなる問題がある。
【００１４】
前記の触媒粒子の凝集および粗大化の問題は、ＰｔＲｕ触媒のみならず、少なくともＰｔを含む触媒粒子を担体に担持させたＰｔ系触媒において共通の問題であり、こうしたことから、Ｐｔ系触媒において、触媒粒子の凝集および粗大化を抑制しつつ担持率を高める技術の開発が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００３−３０８８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高担持率としても触媒粒子の分散性が良好であり、高活性な燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法、該製造方法により得られる燃料電池用Ｐｔ系触媒、並びに該Ｐｔ系触媒を用いた膜電極接合体および燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成し得た本発明の燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法は、少なくともＰｔを担体表面に還元析出させて、Ｐｔ系触媒粒子を担体に担持させる工程を含む燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法であって、Ｐｔの還元析出反応の開始時において、反応系内におけるＰｔ前駆体を含む反応物質の量を、Ｐｔ系触媒の製造に必要な反応物質の量未満とすることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の燃料電池用Ｐｔ系触媒は、本発明の製造方法により得られたことを特徴とするものである。
【００１９】
更に、本発明の燃料電池用膜電極接合体は、アノード触媒層、カソード触媒層、および前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配されたプロトン導電膜を有する燃料電池用膜電極接合体であって、前記アノード触媒層用および／または前記カソード触媒層用の触媒に、本発明の燃料電池用Ｐｔ系触媒を用いたことを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の燃料電池は、本発明の燃料電池用膜電極接合体を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高担持率としても触媒粒子の分散性が良好であり、高活性な燃料電池用Ｐｔ系触媒と、その製造方法とを提供することができる。また、本発明の燃料電池用膜電極接合体によれば、優れた電池特性を有する燃料電池を構成できる。更に、本発明の燃料電池は、優れた電池特性を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例１、２および比較例１、２で得られたＰｔＲｕＰ触媒の透過型電子顕微鏡写真である。
【図２】実施例１および比較例１、２で得られたＰｔＲｕＰ触媒を用いた直接メタノール型燃料電池の発電試験結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
前記の通り、燃料電池の有する膜電極接合体を薄くすることで、物質拡散を促進させ、電池抵抗を低下させることができる。しかし、膜電極接合体を薄くすることで、触媒層中の絶対触媒量が減少し、反応サイトの減少によって所望の電池特性が確保し難くなる。他方、触媒粒子の担持率を高めた触媒を使用することで、膜電極接合体に係る触媒層中の触媒を所望量に維持しつつ、その厚みを小さくすることができる。
【００２４】
しかしながら、従来の触媒製造方法では、触媒の担持率を高めることにより、触媒粒子の凝集と粗大化とによって実効的触媒表面積が減少するため、所望の触媒活性を備え、かつ良好な電池特性を有する燃料電池を構成可能なＰｔ系触媒を得ることが困難である。
【００２５】
本発明の燃料電池用Ｐｔ系触媒の製造方法では、Ｐｔ系触媒の合成反応開始時、すなわち、Ｐｔの還元析出反応の開始時（少なくともＰｔとＲｕとを含むＰｔ系触媒粒子を担持させたＰｔ系触媒においてはＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時）において、Ｐｔ系触媒の製造に必要な量の反応物質（Ｐｔ前駆体。ただし、少なくともＰｔとＲｕとを含むＰｔ系触媒粒子を担持させたＰｔ系触媒においては、Ｐｔ前駆体およびＲｕ前駆体。）の全てを反応系内に投入せずに、反応系内の反応物質量を、Ｐｔ系触媒の製造に必要な量未満、好ましくはＰｔ系触媒の製造に必要な量の１／２以下とすることを特徴としている。これにより、反応系内において、担体材料（触媒粒子を還元担持させる担体）の量に対する反応物質の濃度上昇を抑え、還元析出反応の速度を高めすぎないようにして、形成される触媒粒子の形態を微粒子状とし、例えば、担持率が５０質量％以上と高担持率でありながら、担体表面での触媒粒子の分散性が良好なＰｔ系触媒の製造を可能としている。
【００２６】
以下、本発明に係るＰｔ系触媒のうち、少なくともＰｔおよびＲｕを含むＰｔＲｕ系触媒粒子を担体に担持させた構成のもの（以下、「ＰｔＲｕ系触媒」という。）と、その製造方法について詳細に説明する。
【００２７】
本発明法により製造されるＰｔＲｕ系触媒は、該触媒を用いて構成する膜電極接合体において、触媒量を減少させることなく薄膜化を達成して物質拡散抵抗を下げ、良好な電池特性を有する燃料電池を構成できるようにする観点から、その担持率（触媒粒子と担体との合計１００質量％中における触媒粒子に係るＰｔＲｕの比率。以下、特に断らない限り、本明細書で記載する「担持率」は、前記の比率を意味している。）を、５０質量％以上とすることが好ましい。本発明法によれば、触媒粒子の凝集や粗大化を抑制しつつ、このような高担持率のＰｔＲｕ系触媒を製造することができる。ただし、ＰｔＲｕ系触媒の担持率が高すぎると、担体表面での触媒粒子の凝集や粗大化を抑制する効果が小さくなる虞がある。よって、本発明法により製造するＰｔＲｕ系触媒は、その担持率を、８０質量％以下とすることが好ましい。
【００２８】
また、本発明法により製造されるＰｔＲｕ系触媒は、触媒全体におけるＰｔとＲｕとの比率が、原子比で、Ｐｔ：Ｒｕ＝４０：６０〜６０：４０であることが好ましい。
【００２９】
更に、本発明法により製造されるＰｔＲｕ系触媒は、リン（Ｐ）を含有していることが好ましい。ＰｔＲｕ系触媒がＰを含有することで微粒子化し、これにより、触媒の比表面積が増加するため、触媒活性が向上する。なお、ＰｔＲｕ系触媒におけるＰの量は、触媒粒子の微粒子化効果をより良好に確保する観点から、１．０ａｔ％（原子％）以上であることが好ましく、また、触媒表面をＰが覆うことによる反応表面積の減少を抑制する観点から、２０ａｔ％以下であることが好ましい。
【００３０】
本発明法では、反応物質としてＰｔ前駆体（Ｐｔ供給源）およびＲｕ前駆体（Ｒｕ供給源）を使用する。
【００３１】
Ｐｔ前駆体（Ｐｔ供給源）には、安価であり、製造コスト低減を図り得ることから、六塩化白金酸、六塩化白金酸塩（六塩化白金酸カリウム、六塩化白金酸ナトリウムなど）、四塩化白金酸、四塩化白金酸塩（四塩化白金酸カリウム、四塩化白金酸ナトリウム）などが好ましく用いられる。これらのＰｔ前駆体は、１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３２】
Ｒｕ前駆体（Ｒｕ供給源）としては、安価であり、製造コスト低減を図り得ることから、塩化ルテニウム（III）水和物が好ましい。
【００３３】
また、ＰｔＲｕ系触媒にリンを含有させる場合のリン供給源としては、例えば、次亜リン酸、次亜リン酸塩（次亜リン酸ナトリウムなど）、亜リン酸、亜リン酸塩（亜リン酸ナトリウムなど）を用いることができる。
【００３４】
なお、本発明法では、錯化剤を使用することが好ましい。
【００３５】
ＰｔＲｕ系触媒では、前記の通り、ＣＯの化学吸着によるＰｔ触媒の被毒をＲｕが抑制する。従って、高活性のＰｔＲｕ系触媒を得るには、触媒粒子表面でＰｔ原子とＲｕ原子とが十分混合し、ＰｔとＲｕとを原子レベルで隣接させることが必要となる。水系の化学還元合成法において、この原子混合の障害となるのが、ＰｔイオンとＲｕイオンとの間に存在する還元電位差である。反応系内に反応物質として錯化剤を添加することで、前記の還元電位差を減少させることができるため、Ｐｔ原子とＲｕ原子とがより良好に混合したＰｔＲｕ系触媒を得ることができる。
【００３６】
錯化剤としては、クエン酸、コハク酸、リンゴ酸、酒石酸、マレイン酸、ニトリロ三酢酸、エチレンジアミン四酢酸およびこれらの塩などが好ましい。錯化剤には、これらのうちの１種のみを使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３７】
溶液に添加した錯化剤は、溶液中のＰｔイオンとＲｕイオンに塩素イオンなどが配位した錯体と配位子置換し、新たな錯体に変化する。なお、前記の錯化剤は二個以上の酸素原子を含有する多座配位子であり、キレート錯体を形成する。このキレート錯体形成により、錯体の安定度が増加してＰｔイオンとＲｕイオンとの還元電位が低下する。このとき、Ｒｕキレート錯体よりもＰｔキレート錯体の方が、安定化の度合い（還元電位の減少の絶対値）が大きい。その結果、両キレート錯体間の還元電位差が、元の塩素イオンなどが配位した錯体に比べて減少する。この還元電位差の減少により、Ｐｔの優先的還元が抑制され、Ｐｔ原子とＲｕ原子とが十分に混合近接した触媒構造を得ることができる。従って、Ｐｔ原子近傍にＲｕ原子を配置させることが可能となって、ＲｕによるＰｔのＣＯ被毒を抑制する作用がより効果的に機能し、高いメタノール酸化活性を有するＰｔＲｕ系触媒を得ることができる。
【００３８】
なお、本発明法においては、錯化剤も、Ｐｔ前駆体およびＲｕ前駆体と同様に、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時において、反応系内における量を、ＰｔＲｕ系触媒の製造に好適な量未満（より好ましくは、ＰｔＲｕ系触媒の製造に好適な量の１／２以下）とすることが好ましい。これにより、反応系内での錯体の安定度の変化を抑え、還元効率の低下を抑制することができる。
【００３９】
本発明法において、生成した触媒粒子を担持させるための担体材料としては、例えば、比表面積が２０〜１０００ｍ２／ｇ程度のカーボンが好ましく、具体的には、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブなどが好適である。
【００４０】
また、本発明法では、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応のために還元剤を使用する。還元剤としては、例えば、ホルムアルデヒド、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム、ジメチルアミノボラン、次亜リン酸、次亜リン酸塩（次亜リン酸ナトリウムなど）、亜リン酸、亜リン酸塩（亜リン酸ナトリウムなど）、亜硝酸塩（亜硝酸ナトリウムなど）、次亜硫酸塩（次亜硫酸ナトリウムなど）、亜硫酸塩（亜硫酸ナトリウムなど）などが挙げられ、これらのうちの１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。なお、これらの還元剤の中でも、リン共析によってＰｔＲｕ系触媒を微粒子化する作用を有していることから、次亜リン酸および次亜リン酸塩が好ましい。また、前記のリン化合物（次亜リン酸、次亜リン酸塩、亜リン酸、亜リン酸塩）をＰｔＲｕ系触媒にリンを含有させるためのリン供給源として使用し、リン化合物以外の還元剤によって還元析出反応を行うこともできる。
【００４１】
なお、本発明法においては、還元剤も、Ｐｔ前駆体およびＲｕ前駆体と同様に、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時において、反応系内における量を、ＰｔＲｕ系触媒の製造に好適な量未満（より好ましくは、ＰｔＲｕ系触媒の製造に好適な量の１／２以下）とすることが好ましい。これにより、反応系内での錯体の安定度の変化を抑え、還元効率の低下を抑制することができる。
【００４２】
本発明法では、前記の通り、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時において、反応系内における反応物質の量を、ＰｔＲｕ系触媒の製造に必要な反応物質の量未満（好ましくは、ＰｔＲｕ系触媒の製造に必要な反応物質の量の１／２以下）とするが、具体的には、以下の（Ａ）または（Ｂ）の方法が好ましい。
【００４３】
（Ａ）：反応物質の一部を反応系内に投入する工程と、該工程に続いてＰｔおよびＲｕを担体表面に還元析出させる工程とを複数回繰り返す。
（Ｂ）：ＰｔＲｕ系触媒の製造に必要な量の反応物質を１時間以上かけて反応系内に逐次添加しつつ、ＰｔおよびＲｕを担体表面に還元析出させる。
【００４４】
すなわち、（Ａ）の方法は、ＰｔＲｕ系触媒の製造に必要な量の反応物質を複数に分割し、そのうちの一部を反応系内に投入した後に、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応を行ってＰｔＲｕ系触媒粒子を担体に担持させ、その後に次の反応物質を投入し、再度ＰｔおよびＲｕの還元析出反応を行ってＰｔＲｕ系触媒粒子を担体に担持させる、といった手順で、反応系内への反応物質の投入と、触媒粒子を担体に担持させる操作とを、複数回繰り返す方法である。
【００４５】
（Ａ）の方法において、反応物質の投入回数は複数回であればよく、例えば、２回、３回、４回などであればよいが、ＰｔＲｕ系触媒の生産性を考慮すると、２回であることが好ましい。すなわち、（Ａ）の方法では、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時において、ＰｔＲｕ系触媒の製造に必要な量の半分量の反応物質を反応系内に投入し、ＰｔおよびＲｕを還元析出させた後、残りの半分量の反応物質を反応系内に投入して、更にＰｔおよびＲｕを還元析出させることがより好ましい。
【００４６】
（Ａ）の方法では、具体的には、例えば、まず、Ｐｔ前駆体、Ｒｕ前駆体、錯化剤および還元剤を溶解し、かつ担体材料を分散した水溶液を調製し［ステップ（１）］、前記水溶液を加熱してＰｔおよびＲｕを担体表面に還元析出させ［ステップ（２）］、この反応系内に、Ｐｔ前駆体、Ｒｕ前駆体、錯化剤および還元剤を溶解した水溶液を投入し［ステップ（３）］、前記水溶液を加熱してＰｔおよびＲｕを担体表面に還元析出させ［ステップ（４）］、更に必要に応じて前記ステップ（３）および前記ステップ（４）を繰り返す工程を経て、ＰｔＲｕ系触媒が製造される。
【００４７】
得られたＰｔＲｕ系触媒は、通常、濾過などによって反応系内から取り出し、例えば、水（イオン交換水など）を用いて洗浄し、その後乾燥する。乾燥は、例えば、オーブンなどを用いればよく、また、乾燥条件は、好ましくは１００℃以下（より好ましくは７０〜８０℃程度）で、乾燥するまで（具体的は、１２〜２４時間程度）とすればよい。
【００４８】
なお、前記ステップ（１）においては、はじめにＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体を水に溶解し、そこに錯化剤を添加し、続いて担体材料を投入し、最後に還元剤を混合する手順で、水溶液を調製することが好ましい。
【００４９】
そして、前記ステップ（１）においては、Ｐｔ前駆体とＲｕ前駆体とを含む溶液中に錯化剤を添加した後、一定時間以上経過させることが好ましい。Ｐｔ前駆体に例えば六塩化白金酸を使用する場合、このＰｔ前駆体は塩素イオンが配位した錯体であるが、これを含有する溶液中に錯化剤を添加しても、塩素イオン配位子との配位子置換反応が遅いことが分かっている。前記の通り、Ｐｔ原子とＲｕ原子とが十分に混合した高活性のＰｔＲｕ系触媒を得るためには、前記錯化剤の添加によって安定なキレート錯体を形成させ、ＰｔイオンとＲｕイオンとの間に存在する還元電位差を減少させる必要がある。よって、Ｐｔ前駆体が六塩化白金酸のような塩化物の場合、溶液中に錯化剤を添加した後、塩素イオンとこれら錯化剤とを十分に置換させるため、一定時間以上経過させることが推奨される。これにより、置換反応速度が遅い場合でも、配位子置換反応を十分に進行させて、安定な錯体を形成することができる。その結果、ＰｔイオンとＲｕイオンとの間に存在する還元電位差を減少させ、Ｐｔ原子とＲｕ原子とが十分に混合し隣接したＰｔＲｕ系触媒を合成することができる。
【００５０】
（Ａ）の方法において、反応系内におけるＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度は、それぞれ０．１〜１０ｍｍｏｌ／ｌとすることが好ましい。反応系内のＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度が前記の程度であれば、担体表面に形成される触媒粒子の凝集および粗大化を良好に抑制できる。
【００５１】
よって、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時［１回目の反応物質の反応系内への投入後の還元析出反応の開始時。すなわち、前記ステップ（２）の開始時。］において、反応系内（すなわち、前記水溶液）中のＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度、並びに途中で反応系内に投入する反応物質を含む水溶液［前記ステップ（３）に係る水溶液］におけるＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度は、反応系内におけるＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度が、前記の値を満足するように調整することが好ましい。
【００５２】
なお、Ｐｔ前駆体とＲｕ前駆体との使用比率は、最終的に得られるＰｔＲｕ系触媒におけるＰｔとＲｕとの比率が、前記の値となるように調整することが好ましい。
【００５３】
また、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時［１回目の反応物質の反応系内への投入後の還元析出反応の開始時。すなわち、前記ステップ（２）の開始時。］における反応系内（すなわち、前記水溶液）中の錯化剤の量、および途中で反応系内に投入する反応物質を含む水溶液［前記ステップ（３）に係る水溶液］中の錯化剤の量は、より安定なＰｔキレート錯体およびＲｕキレート錯体を形成する観点から、水溶液中の貴金属イオン（ＰｔイオンおよびＲｕイオン）の合計モル数に対して、０．０１倍以上とすることが好ましい。ただし、水溶液に添加する錯化剤の量が多すぎると、キレート効果による錯体の安定度が高まりすぎて、ＰｔイオンおよびＲｕイオンの還元効率が低下する虞がある。よって、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時［１回目の反応物質の反応系内への投入後の還元析出反応の開始時。すなわち、前記ステップ（２）の開始時。］における反応系内（すなわち、前記水溶液）中の錯化剤の量、および途中で反応系内に投入する反応物質を含む水溶液［前記ステップ（３）に係る水溶液］中の錯化剤の量は、溶液中の貴金属イオンの合計モル数に対して、４．０倍以下とすることが好ましい。
【００５４】
更に、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時［１回目の反応物質の反応系内への投入後の還元析出反応の開始時。すなわち、前記ステップ（２）の開始時。］における反応系内（すなわち、前記水溶液）中の還元剤の量、および途中で反応系内に投入する反応物質を含む水溶液［前記ステップ（３）に係る水溶液］中の還元剤の量は、ＰｔおよびＲｕを還元できる最小量論比を満たしていればよいが、多すぎると、水溶液中で析出還元が起こり、浴が分解することで還元できなくなる虞があることから、ＰｔとＲｕとの合計モル数に対して１０倍以下とすることが好ましい。
【００５５】
なお、例えば還元剤に次亜リン酸または次亜リン酸塩を使用する場合には、その使用量を、最終的に得られるＰｔＲｕ系触媒中のＰ量が前記の値となるように調整することが好ましい。
【００５６】
また、前記の通り、本発明法により製造するＰｔＲｕ系触媒は、その担持率が５０〜８０質量％であることが好ましいため、反応系内に投入する担持材料の量は、最終的に得られるＰｔＲｕ系触媒の担持率が、このような量となるようにすることが好ましい。
【００５７】
反応系内への反応物質の投入後にそれぞれ行うＰｔおよびＲｕの還元析出反応は、還元剤の還元作用を高めるために、反応系内の温度を好ましくは６０℃以上とし、また、反応時間を好ましくは１時間以上とする。このような条件でＰｔおよびＲｕの還元析出反応を行うことで、ＰｔＲｕ系触媒粒子を十分に生成させ得るため、次に反応物質を反応系内に投入した際に、反応系内のＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度が大きくなりすぎることを防ぐことができる。なお、前記還元析出反応における反応系内の温度は、水系の合成法であることから１００℃以下とすることが好ましい。また、各還元析出反応の反応時間は、ＰｔＲｕ系触媒の生産性を考慮すると、１０時間以下とすることが好ましい。
【００５８】
（Ｂ）の方法は、具体的には、以下の方法により実施できる。Ｐｔ前駆体、Ｒｕ前駆体および錯化剤を溶解した水溶液（反応物質水溶液）を調製する。また、担持材料を分散し、還元剤を混合した反応液を調製する。そして、前記反応液を加熱しながら、前記反応物質水溶液を、前記反応液中に１時間以上かけて逐次添加しつつ、ＰｔおよびＲｕを担体表面に還元析出させ、ＰｔＲｕ系触媒粒子を担体に担持させてＰｔＲｕ系触媒を製造する。このように、反応物質を反応系内へ徐々に添加しながらＰｔおよびＲｕの還元析出反応を行うことで、反応系内のＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度を低く抑えて、高担持率としても、生成する触媒粒子の凝集および粗大化を抑制できる。
【００５９】
得られたＰｔＲｕ系触媒は、（Ａ）の方法の場合と同様に、通常、濾過などによって反応系内から取り出し、例えば、水（イオン交換水など）を用いて洗浄し、その後乾燥する。乾燥方法および乾燥条件は、（Ａ）の方法について説明した方法、条件と同様とすればよい。
【００６０】
（Ｂ）の方法においても、（Ａ）の方法と同様に、生成する触媒粒子の凝集および粗大化を良好に抑制する観点から、反応系内におけるＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度は、それぞれ０．１〜１０ｍｍｏｌ／ｌとすることが好ましい。
【００６１】
よって、前記反応物質水溶液におけるＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度、並びに前記反応物質水溶液の反応系内への供給速度は、反応系内のＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度が前記の値を満足するように調整することが好ましい。具体的には、前記反応物質水溶液におけるＰｔ前駆体およびＲｕ前駆体の濃度を、それぞれ１０ｍｍｏｌ／ｌ以下とし、反応物質水溶液の反応系内への供給速度を、５〜１０ｍｌ／分とすることが好ましい。
【００６２】
なお、Ｐｔ前駆体とＲｕ前駆体との使用比率は、（Ａ）の方法の場合と同様に、最終的に得られるＰｔＲｕ系触媒におけるＰｔとＲｕとの比率が、前記の値となるように調整することが好ましい。
【００６３】
前記反応物質水溶液における錯化剤の量は、（Ａ）の方法の場合と同じ理由から、水溶液中の貴金属イオン（ＰｔイオンおよびＲｕイオン）の合計モル数に対して、０．０１倍以上とすることが好ましく、また、４．０倍以下とすることが好ましい。
【００６４】
（Ｂ）の方法における還元剤の使用量は、（Ａ）の方法の場合と同様に、ＰｔおよびＲｕを還元できる最小量論比を満たしていればよいが、多すぎると、水溶液中で析出還元が起こり、浴が分解することで還元できなくなる虞があることから、ＰｔとＲｕとの合計モル数に対して１０倍以下とすることが好ましい。
【００６５】
なお、（Ｂ）の方法において、還元剤は、前記反応液に混合していてもよく、前記反応物質水溶液に混合していてもよい。また、必要に応じて、前記反応物質水溶液とは別に、複数回に分けて反応液に還元剤を投入してもよい。
【００６６】
また、例えば還元剤に次亜リン酸または次亜リン酸塩を使用する場合には、（Ａ）の方法の場合と同様に、その使用量を、最終的に得られるＰｔＲｕ系触媒中のＰ量が前記の値となるように調整することが好ましい。
【００６７】
（Ｂ）の方法における担持材料の使用量も、（Ａ）の方法と同様に、本発明法により製造するＰｔＲｕ系触媒は、その担持率が５０〜８０質量％であることが好ましいため、最終的に得られるＰｔＲｕ系触媒の担持率が、このような量となるようにすることが好ましい。
【００６８】
前記反応物質水溶液は、１時間以上かけて反応系内に逐次添加すればよく、この場合、連続的に添加しても断続的に添加しても構わない。なお、前記反応物質水溶液の反応系内の添加時間は、ＰｔＲｕ系触媒の生産性を考慮すると、４時間以下とすることが好ましい。
【００６９】
ＰｔおよびＲｕを担体表面に還元析出させるための反応系内の温度は、（Ａ）の方法の場合と同様に、６０℃以上であることが好ましく、また１００℃以下であることが好ましい。
【００７０】
なお、（Ａ）の方法、（Ｂ）の方法のいずれにおいても、反応系内のｐＨは適当な値に調整される。Ｒｕ３＋イオンと水酸イオンの溶解度積は１×１０−３８〔ｍｏｌ／ｌ〕４と極めて小さく、溶液のｐＨをアルカリ側に設定した場合、Ｒｕ（ＯＨ）３の沈殿が生成する。しかし、本発明法では、反応系内にキレートを形成する錯化剤を添加した場合には、錯体が安定化する。よって、本発明法において、錯化剤を使用した場合には、前記溶液のｐＨがアルカリ側の領域であっても、水酸化物の生成を抑え、安定した合成系を構築できる。勿論、本発明法では、反応系内のｐＨが、水酸化物の沈殿が生成しない酸性側の領域であっても、ＰｔＲｕ系触媒の合成を行うことができる。
【００７１】
このような本発明法によれば、平均粒子径（実施例に記載の方法により測定される平均粒子径）が２．５〜３．５ｎｍの触媒粒子が担体表面に、例えば前記の担体で担持されたＰｔＲｕ系触媒を製造することができる。
【００７２】
これまでＰｔＲｕ系触媒とその製造方法の詳細について説明したが、本発明に係るＰｔ系触媒は、前記のＰｔＲｕ系触媒に限定されず、例えば、Ｒｕを含有しないＰｔ触媒粒子を担体に担持させたＰｔ触媒なども包含され、このようなＰｔＲｕ系触媒以外のＰｔ系触媒についても、ＰｔＲｕ系触媒について先に説明したものと同様の操作で製造することができ、同様の効果を確保することができる。
【００７３】
本発明法により製造されたＰｔ系触媒（本発明の燃料電池用Ｐｔ系触媒）は、燃料電池用膜電極接合体のアノード触媒層用の触媒やカソード触媒層用の触媒として使用される。
【００７４】
すなわち、本発明の燃料電池用膜電極接合体は、アノード触媒層用および／またはカソード触媒層用の触媒に、本発明の燃料電池用Ｐｔ系触媒を用いたものであり、その他の構成および構造については、特に制限はなく、従来から知られている燃料電池（直接メタノール型燃料電池、水素を燃料とする固体高分子型燃料電池など）の膜電極接合体に採用されている構成および構造を適用することができる。
【００７５】
なお、燃料電池用膜電極接合体に係るアノード触媒層用には、本発明の燃料電池用Ｐｔ系触媒のうち、ＰｔおよびＲｕを含むＰｔＲｕ系触媒を担体に担持させたＰｔＲｕ系触媒が適している。他方、燃料電池用膜電極接合体に係るカソード触媒層用には、本発明の燃料電池用Ｐｔ系触媒のうち、Ｒｕを含まないＰｔ系触媒を担体に担持させたＰｔ系触媒を使用することもできる。
【００７６】
本発明の燃料電池用膜電極接合体で使用されるプロトン導電膜としては、０．１Ｓ／ｃｍ程度のイオン伝導性と、１．０ｍｅｑ／ｇ程度のイオン交換容量とを有しているものが適している。
【００７７】
また、本発明の燃料電池は、本発明の燃料電池用膜電極接合体を有していればよく、その他の構成および構造については、特に制限はなく、従来から知られている燃料電池（直接メタノール型燃料電池、水素を燃料とする固体高分子型燃料電池など）に採用されている構成および構造を適用することができる。
【００７８】
本発明の燃料電池用膜電極接合体は、高担持率でありながら、担体表面での触媒粒子の分散性が良好で高活性な本発明のＰｔ系触媒を有していることから、アノード触媒層を薄くしても、その触媒量を多くすることが可能である。よって、このような膜電極接合体を有する本発明の燃料電池は、高い電池特性を有するものである。
【実施例】
【００７９】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。
【００８０】
実施例１
六塩化白金酸六水和物：１．２７ｍｍｏｌと、塩化ルテニウム（III）水和物：１．２７ｍｍｏｌとの混合水溶液に、錯化剤としてＤＬ−酒石酸：０．０８５ｍｍｏｌを添加し、イオン交換水を加えて全体を３００ｍｌに調整して、水溶液を調製した。前記の水溶液を室温で３０分攪拌した後、カーボン担体であるケッチェンブラックＥＣ粉末を０．２５ｇ加えて分散させた。その後、担体を分散させた前記の溶液に、還元剤である次亜リン酸を５．０ｍｍｏｌ加え、更に、２規定の水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、溶液のｐＨを４に調整した。
【００８１】
次に、浴温度９０℃で前記溶液を攪拌し、ＰｔＲｕＰ触媒粒子をカーボン担体表面に還元析出させた。
【００８２】
六塩化白金酸六水和物：１．２７ｍｍｏｌと、塩化ルテニウム（III）水和物：１．２７ｍｍｏｌとの混合水溶液に、錯化剤としてＤＬ−酒石酸：０．０８５ｍｍｏｌ、および還元剤として次亜リン酸：５．０ｍｍｏｌを添加し、イオン交換水を加えて全体を３００ｍｌに調整して、水溶液を調製した。この水溶液を、前記の還元析出反応の開始から４時間後に前記溶液に添加し、引き続いてＰｔＲｕＰ触媒粒子をカーボン担体表面に還元析出させた。
【００８３】
反応終了後の前記溶液から、担体に担持されたＰｔＲｕＰ触媒を濾過により取り出し、洗浄した後、８０℃のオーブンで大気乾燥させて、担持率が７１質量％のＰｔＲｕＰ触媒を得た。
【００８４】
実施例２
六塩化白金酸六水和物：２．５３ｍｏｌと塩化ルテニウム（III）水和物：２．５３ｍｍｏｌとの混合水溶液に、錯化剤としてＤＬ−酒石酸：０．１６９ｍｍｏｌを添加し、イオン交換水を加えて全体を３００ｍｌに調整して、反応物質水溶液を得た。
【００８５】
また、カーボン担体であるケッチェンブラックＥＣ粉末０．２５ｇを３００ｍｌのイオン交換水中に分散させ、その後、還元剤である次亜リン酸を３．３３ｍｍｏｌ加え、更に２規定の水酸化ナトリウム水溶液を滴下して溶液のｐＨを４に調整し、反応液を得た。
【００８６】
前記反応液の浴温を９０℃に設定し、攪拌しながら、前記反応物質水溶液を１００ｍｌ／ｌの速度で前記反応液中に連続的に添加しつつ、ＰｔＲｕＰ触媒粒子のカーボン担体表面への還元析出反応を開始した。なお、反応開始から１時間後および２時間後に、それぞれ次亜リン酸を３．３３ｍｍｏｌずつ、反応液中に添加した。前記反応物質水溶液を全て反応系内に添加し終わった後、４時間反応を継続した。
【００８７】
反応終了後の反応液から、担体に担持されたＰｔＲｕＰ触媒を濾過により取り出し、洗浄した後、８０℃のオーブンで大気乾燥させて、担持率が７２質量％のＰｔＲｕＰ触媒を得た。
【００８８】
比較例１
六塩化白金酸六水和物：２．５３ｍｍｏｌと、塩化ルテニウム（III）水和物：２．５３ｍｍｏｌとの混合水溶液に、錯化剤としてＤＬ−酒石酸：０．１６９ｍｍｏｌを添加し、イオン交換水を加えて全体を３００ｍｌに調整して、水溶液を調製した。前記の水溶液を室温で３０分攪拌した後、カーボン担体であるケッチェンブラックＥＣ粉末を０．２５ｇ加えて分散させた。その後、担体を分散させた前記の溶液に、還元剤である次亜リン酸を１０．０ｍｍｏｌ加え、更に、２規定の水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、溶液のｐＨを４に調整した。
【００８９】
次に、浴温度９０℃で前記溶液を攪拌し、ＰｔＲｕＰ触媒粒子をカーボン担体表面に還元析出させた。反応終了後の前記溶液から、担体に担持されたＰｔＲｕＰ触媒を濾過により取り出し、洗浄した後、８０℃のオーブンで大気乾燥させて、担持率が７１質量％のＰｔＲｕＰ触媒を得た。
【００９０】
比較例２
六塩化白金酸六水和物：１．６９ｍｍｏｌと、塩化ルテニウム（III）水和物：１．６９ｍｍｏｌとの混合水溶液に、錯化剤としてＤＬ−酒石酸：０．１１３ｍｍｏｌを添加し、イオン交換水を加えて全体を３００ｍｌに調整して、水溶液を調製した。前記の水溶液を室温で３０分攪拌した後、カーボン担体であるケッチェンブラックＥＣ粉末を０．５ｇ加えて分散させた。その後、担体を分散させた前記の溶液に、還元剤である次亜リン酸を６．８ｍｍｏｌ加え、更に、２規定の水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、溶液のｐＨを４に調整した。
【００９１】
次に、浴温度９０℃で前記溶液を攪拌し、ＰｔＲｕＰ触媒粒子をカーボン担体表面に還元析出させた。反応終了後の前記溶液から、担体に担持されたＰｔＲｕＰ触媒を濾過により取り出し、洗浄した後、８０℃のオーブンで大気乾燥させて、担持率が４６質量％のＰｔＲｕＰ触媒を得た。
【００９２】
実施例１、２および比較例１、２で得られたＰｔＲｕＰ触媒について、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）による組成分析［触媒の担持率（ＰｔＲｕの担持率）およびＰの担持率の測定］と、ＣＯパルス吸着測定による触媒比表面積測定とを行った。これらの結果を表１に示す。
【００９３】
【表１】
2011044334.tif 000003
【００９４】
表１に示すように、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時に、所望量の反応物質を反応系内に全部添加して合成した比較例１のＰｔＲｕＰ触媒は、触媒１ｇあたりの比表面積が２８ｍ２／ｇであるのに対し、所望量の反応物質を二段階で反応系内に添加し、かつ１度目の反応物質の添加と２度目の反応物質の添加との間にＰｔおよびＲｕの還元析出を行った実施例１のＰｔＲｕＰ触媒は、比表面積が３６ｍ２／ｇで、また、所望量の反応物質を反応系内に逐次添加しつつＰｔおよびＲｕの還元析出を行った実施例２のＰｔＲｕＰ触媒は、比表面積が３８ｍ２／ｇであり、いずれも、比較例１のＰｔＲｕＰ触媒に比べて比表面積が１．４倍に増加していることが分かる。また、実施例１および実施例２のＰｔＲｕＰ触媒は、担持率が７０質量％超の高担持率触媒であるが、これらの比表面積は、担持率が４６質量％の比較例２のＰｔＲｕＰ触媒と同等である。
【００９５】
更に、Ｃｏ吸着量から算出した、各ＰｔＲｕＰ触媒に係る触媒粒子の平均粒子径は、比較例１の触媒が４．３ｎｍであるのに対し、実施例１の触媒が３．２ｎｍ、実施例２の触媒が３．１ｎｍと、比較例１の触媒に比べて触媒粒子が微細であることが分かる。なお、担持率が４６質量％の比較例２の触媒では、触媒粒子の平均粒子径が３．０ｎｍである。このように、比較例１では、触媒粒子が粗大化しているが、実施例１および実施例２では、７０質量％超の高担持率であっても、担持率が４６質量％である比較例１の触媒と同等の微細な触媒粒子を有する触媒を合成できている。
【００９６】
また、実施例１、２および比較例１、２で得られたＰｔＲｕＰ触媒について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって担体表面でのＰｔＲｕＰ触媒粒子の分散状態を観察した。これらの結果を図１に示す。
【００９７】
所望量の反応物質を二段階で反応系内に添加し、かつ１度目の反応物質の添加と２度目の反応物質の添加との間にＰｔおよびＲｕの還元析出を行った実施例１のＰｔＲｕＰ触媒と、所望量の反応物質を反応系内に逐次添加しつつＰｔおよびＲｕの還元析出を行った実施例２のＰｔＲｕＰ触媒では、ＰｔＲｕＰ触媒粒子がカーボン担体表面に高分散状態で存在している。一方、ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時に、所望量の反応物質を反応系内に全部添加して合成した比較例１のＰｔＲｕＰ触媒では、カーボン担体表面において、触媒粒子が疎らで凝集して存在している。また、実施例１および実施例２のＰｔＲｕＰ触媒に係る触媒粒子は、７０質量％超の高担持率であるにも関わらず、担持率が４６質量％と低い比較例２のＰｔＲｕＰ触媒に係る触媒粒子と同等の分散性を示している。このように、実施例１および実施例２のＰｔＲｕＰ触媒では、高担持率であり、かつ触媒粒子がカーボン担体表面で分散性の高い状態で存在していることが分かる。
【００９８】
実施例１、２および比較例１、２で得られたＰｔＲｕＰ触媒を用いて膜電極接合体を作製し、それらの電池特性を評価した。
【００９９】
まず、担持率が７０質量％のＰｔ触媒：１．０ｇに、純水：１．０ｇおよびイオン伝導性ポリマー分散液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）：２０．０ｇを加え、カソード触媒層形成用のペーストを調製した。このペーストを、炭化水素系プロトン導電膜の片面に、金属Ｐｔ量が１．５ｍｇ／ｃｍ２となるようにスプレー塗布し、乾燥させた。
【０１００】
次に、実施例１で得られたＰｔＲｕＰ触媒：１．０ｇに、純水：１．０ｇおよびイオン伝導性ポリマー分散液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）：２０．０ｇを添加し、アノード触媒層形成用のペーストを調製した。片面にカソード触媒層形成用ペーストを塗布し乾燥させた前記のプロトン導電膜の、カソード触媒層形成用ペーストを塗布した面とは反対側の表面に、前記のアノード触媒層形成用ペーストを、金属ＰｔＲｕ量が１．５ｍｇ／ｃｍ２となるようにスプレー塗布し、乾燥させた。その後、前記のプロトン導電膜を、１２０℃、５ＭＰａの圧力で２分間ホットプレスし、プロトン導電膜の片面にアノード触媒層を有し、他面にカソード触媒層を有する膜電極接合体を得た。
【０１０１】
また、アノード触媒層に使用する触媒を、実施例２、比較例１または比較例２で得られたＰｔＲｕＰ触媒に変えた以外は前記と同様にして膜電極接合体を作製した。
【０１０２】
前記の各膜電極接合体を燃料電池に組み込んでＤＭＦＣを作製した。燃料電池は、燃料と空気の流路を有するカーボンセパレーターの間に、前記の各膜電極接合体を、多孔質カーボンの拡散層を介して挟み込むことで作製した。
【０１０３】
前記の各ＤＭＦＣに、アノード燃料として濃度４ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液を０．５ｍｌ／ｍｉｎの速度で、また、カソード燃料として空気を５００ｍｌ／ｍｉｎの速度で、それぞれ供給し、６０℃で、電流密度０〜５００ｍＡ／ｃｍ２の条件で発電試験を行い、このときの出力密度を測定した。これらの結果を図２に示す。図２では、横軸に電流密度を、縦軸に出力密度を示しているが、図２に示す出力密度は、実施例１で得られた触媒を用いたＤＭＦＣにおける出力密度の最大値を１００とした場合の相対値である（よって、図２で縦軸の単位を「規格値」と表記している。）。なお、実施例２で得られた触媒を用いたＤＭＦＣについては、実施例１で得られた触媒を用いたＤＭＦＣと同様の結果が得られたため、図２では、実施例２で得られた触媒を用いたＤＭＦＣの発電試験結果は省略している。
【０１０４】
ＰｔおよびＲｕの還元析出反応の開始時に、所望量の反応物質を反応系内に全部添加して合成した比較例１のＰｔＲｕＰ触媒を用いたＤＭＦＣ、並びに担持率が４６質量％である比較例２のＰｔＲｕＰ触媒を用いたＤＭＦＣでは、それらの最大出力密度が、実施例１のＰｔＲｕＰ触媒を用いたＤＭＦＣの最大出力密度を１００とした場合に、それぞれ８８と８４である。従って、所望量の反応物質を二段階で反応系内に添加し、かつ１度目の反応物質の添加と２度目の反応物質の添加との間にＰｔおよびＲｕの還元析出を行うことで、高担持率でありながら担体表面での触媒粒子の分散性を高めた実施例１のＰｔＲｕＰ触媒をアノード触媒に使用することで、ＤＭＦＣの電池特性が向上することが判明した。
【０１０５】
以上説明したように、本発明法により得られたＰｔ系触媒では、担持率が、例えば実施例で示したような７０質量％超の高担持率であっても、担体表面に凝集部分が少なく、高い分散状態でＰｔ系触媒粒子が存在する。このため、低担持率触媒と比較しても遜色ない反応表面積を維持して、高活性なＰｔ系触媒を得ることができる。これにより、燃料電池内の電極触媒層を薄膜化して物質拡散抵抗を減少させる際に、所望の高活性触媒量を電極触媒層内に付与することが可能となり、電池特性を向上させることができる。
【０１０６】
なお、前記実施例では、ＰｔＲｕ系触媒粒子を担体に担持させたＰｔＲｕ系触媒を製造して、その効果を確認したが、本発明法によれば、Ｒｕを含まないＰｔ系触媒粒子（例えば、Ｐｔ触媒粒子）を担体に担持させたＰｔ系触媒（例えば、Ｐｔ触媒）を製造した場合でも、前記と同様の効果を確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の製造方法により製造されたＰｔ系触媒は、直接メタノール型燃料電池のメタノール極用触媒として有用である。また、水素をアノード燃料とする固体高分子型燃料電池のアノード触媒としても使用することができる。
【図１】
2011044334.tif 000004
【図２】
2011044334.tif 000005