(57)【要約】【課題】アイオノマーが担体の細孔内に存在する触媒層の形成が可能な触媒層用インクを提供する。【解決手段】アイオノマー、触媒、細孔を有する担体及び溶媒を含む触媒層用インクを製造する方法は、前記触媒層用インク中の前記アイオノマーが、酸性の官能基又はその前駆体を有するポリマーであり、前記アイオノマーの材料を、前記触媒、前記担体及び前記溶媒と混合し、混合物を得るステップと、前記混合物中で前記材料を反応させて前記アイオノマーを生成することで、前記触媒層用インクを得るステップと、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アイオノマー、触媒、細孔を有する担体及び溶媒を含む触媒層用インクを製造する方法であって、
前記触媒層用インク中の前記アイオノマーが、酸性の官能基又はその前駆体を有するポリマーであり、
前記アイオノマーの材料を、前記触媒、前記担体及び前記溶媒と混合し、混合物を得るステップと、
前記混合物中で前記材料を反応させて前記アイオノマーを生成することで、前記触媒層用インクを得るステップと、
を含む触媒層用インクの製造方法。
【請求項２】
前記触媒層用インク中の前記アイオノマーが、テトラフルオロエチレンに由来する繰り返し構造を有するポリマーユニットと、パーフルオロスルホン酸又はその前駆体のユニットと、を有するパーフルオロスルホン酸ポリマーである、
請求項１に記載の触媒層用インクの製造方法。
【請求項３】
前記触媒層用インク中の前記アイオノマーが、酸性の官能基又はその前駆体を有する炭化水素系ポリマーである、
請求項１に記載の触媒層用インクの製造方法。
【請求項４】
前記触媒層用インク中の前記アイオノマーが、前記担体の細孔内に存在する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の触媒層用インクの製造方法。
【請求項５】
電解質膜（１）の両面に触媒層（２１）を有する燃料電池の製造方法であって、
アイオノマー、触媒、細孔を有する担体及び溶媒を含む触媒層用インクを調製するステップと、
前記触媒層用インクを前記電解質膜の両面に塗布して前記触媒層を形成するステップと、を含み、
前記触媒層用インク中の前記アイオノマーが、酸性の官能基又はその前駆体を有するポリマーであり、
前記触媒層用インクを調製するステップは、
前記アイオノマーの材料を、前記触媒、前記担体及び前記溶媒と混合し、混合物を得るステップと、
前記混合物中で前記材料を反応させて前記アイオノマーを生成することで、前記触媒層用インクを得るステップと、
を含む燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒層用インク及び燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型の燃料電池は、イオン伝導性を有する固体高分子膜である電解質膜を２つの電極間に有する。この燃料電池では、アノードである一方の電極において、燃料として供給された水素ガスがプロトンと電子に分離する反応が生じる。プロトンは電解質膜を経由して他方の電極へ移動し、電子は外部回路を経由して他方の電極へ移動する。この電子の移動により外部回路では電流が発生する。一方、カソードである他方の電極では、酸素ガスが供給され、電解質膜から移動してきたプロトンと外部回路から移動してきた電子が酸素ガスと反応して水が生成される。
【０００３】
各電極には、水素ガス又は酸素ガスの反応が生じる触媒層が設けられている。触媒層では、メソポーラスカーボン等の細孔を有する担体によって、白金等の触媒粒子が担持されている。触媒作用を高めるため、触媒粒子は、通常は電解質膜と同類の電解質によって被覆されている。このような触媒層内で使用する電解質を、以下、アイオノマーという。
【０００４】
一般的に、触媒粒子の粒子径は担体の細孔の内径より小さいため、触媒粒子は、担体の外表面だけでなく細孔内部にも担持されている。よって、細孔内部の触媒粒子もアイオノマーによって被覆されると、触媒利用率が向上する（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１２６５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アイオノマーは、一般に繰り返し構造を有するポリマーを主鎖として、酸性の官能基を有する。例えば、代表的なアイオノマーの１つであるナフィオン（Nafion、登録商標）は、ポリテトラフルオロエチレンユニットを主鎖として、パーフルオロエーテルスルホン酸ユニットを側鎖として有する。
【０００７】
アイオノマーは、主鎖のポリマーが繰り返し構造を有するため、結晶化しやすい。アイオノマー、触媒及び担体を水、アルコール等の親水性溶媒と混合して触媒層用インクを調製したとき、各アイオノマー内の結晶化部を中心に分子同士が凝集して、酸性の官能基が外側に配列したコロイドが形成されやすい。その結果、アイオノマーが担体の細孔内部に浸入することが難しくなる。このような触媒層用インクを使用して形成された触媒層は、細孔内部の触媒粒子がアイオノマーによって被覆されにくくなるため、触媒利用率が低下する。
【０００８】
本発明は、アイオノマーが担体の細孔内に存在する触媒層の形成が可能な触媒層用インクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る触媒層用インクの製造方法は、アイオノマー、触媒、細孔を有する担体及び溶媒を含む触媒層用インクを製造する方法であって、前記触媒層用インク中の前記アイオノマーが、酸性の官能基又はその前駆体を有するポリマーであり、前記アイオノマーの材料を、前記触媒、前記担体及び前記溶媒と混合し、混合物を得るステップと、前記混合物中で前記材料を反応させて前記アイオノマーを生成することで、前記触媒層用インクを得るステップと、を含む触媒層用インクの製造方法。
【００１０】
本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜の両面に触媒層を有する燃料電池の製造方法であって、アイオノマー、触媒、細孔を有する担体及び溶媒を含む触媒層用インクを調製するステップと、前記触媒層用インクを前記電解質膜の両面に塗布して前記触媒層を形成するステップと、を含み、前記触媒層用インク中の前記アイオノマーが、酸性の官能基又はその前駆体を有するポリマーであり、前記触媒層用インクを調製するステップは、前記アイオノマーの材料を、前記触媒、前記担体及び前記溶媒と混合し、混合物を得るステップと、前記混合物中で前記材料を反応させて前記アイオノマーを生成することで、前記触媒層用インクを得るステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アイオノマーが担体の細孔内に存在する触媒層の形成が可能な触媒層用インクを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態の燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】アイオノマーにより外表面及び細孔内の触媒粒子が被覆された担体の例を示す断面図である。
【図３】アイオノマーにより外表面の触媒粒子のみが被覆された担体の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の製造方法は、燃料電池の触媒層の形成に用いられる触媒層用インク及び燃料電池の製造方法である。
以下、本発明の触媒層用インク及び燃料電池の製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する構成は、本発明の一実施態様としての一例（代表例）であり、本発明は以下に説明する構成に限定されない。
【００１４】
（燃料電池）
本発明の製造方法によって製造される燃料電池は、単セル構造を有する燃料電池であってもよいし、スタック構造を有する燃料電池であってもよい。
図１は、燃料電池の基本単位である燃料電池セルの構成例を示している。
【００１５】
図１に示す燃料電池セル１０は、水素ガスと酸素ガスの供給を受けて発電する固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池セル１０は、図１に示すように、２つのセパレータ３と、２つのセパレータ３間に設けられた膜電極接合体４とを有する。セパレータ３は、燃料電池セル１０に供給されるガスを膜電極接合体４へ流す流路を有する。燃料電池セル１０がスタック構造である場合、セパレータ３は、隣り合うセル間を電気的に接続する。
膜電極接合体４は、図１に示すように、電解質膜１と、２つの電極２と、を有する。
【００１６】
電解質膜１は、プロトン供与性の固体高分子電解質の膜である。電解質膜１には、後述する電極２において使用可能な電解質と同様の電解質を使用することができる。
【００１７】
２つの電極２は、電解質膜１の両面にそれぞれ設けられる。一方の電極２はアノードであり、燃料極とも呼ばれる。他方の電極２はカソードであり、空気極とも呼ばれる。アノードである電極２では、セパレータ３を介して供給された水素ガス（Ｈ２）から電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）を生成する反応が生じる。電子は外部回路を経由してカソードである電極２へ移動する。この電子の移動により外部回路では電流が発生する。プロトンは電解質膜１を経由してカソードである電極２へ移動する。カソードである電極２では、セパレータ３を介して酸素ガス（Ｏ２）が供給され、外部回路から移動してきた電子により酸素イオン（Ｏ２−）が生成される。酸素イオンは、電解質膜１から移動してきたプロトン（２Ｈ＋）と結合して、水（Ｈ２Ｏ）になる。
【００１８】
各電極２は、図１に示すように、触媒層２１とガス拡散層２２を有する。ガス拡散層２２は、各電極２に供給された水素ガス又は酸素ガスを電極２に均一に拡散する目的で、必要に応じて設けることができる。ガス拡散層２２としては、例えばカーボン繊維等の導電性、ガス透過性及びガス拡散性を有する多孔性繊維シート、発砲金属、エキスパンドメタル等の多孔性の金属板を用いることができる。
【００１９】
（触媒層）
触媒層２１は、電解質膜１に隣接して設けられる。触媒層２１は、触媒、担体及びアイオノマーを含み、触媒によって上述した水素ガス及び酸素ガスの反応を促進する。触媒層２１では、粒子状の触媒が担体に担持され、アイオノマーによって担体及び触媒が被覆されている。担体及び触媒は、少なくとも一部がアイオノマーによって被覆されていればよいが、触媒利用率の向上の観点からは、被覆される領域が大きいほど好ましい。ガスとの反応性を高める観点からは、触媒を被覆するアイオノマーの層は薄い方が好ましい。
【００２０】
（触媒）
触媒としては、水素ガス又は酸素ガスの触媒作用を有するのであれば特に限定されないが、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）及びアルミニウム（Ａｌ）等の金属、これら金属の混合物、合金等が挙げられる。なかでも、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性等を向上させる観点から、白金、白金を含む混合物又は合金が好ましい。触媒が合金からなる場合、合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、例えば白金の含有量を３０〜９０原子％とし、その他の金属の含有量を１０〜７０原子％とすることができる。
【００２１】
触媒の平均粒子径は、特に限定されないが、触媒利用率及び担体での担持性の向上の観点からは、好ましくは１〜３０ｎｍ、より好ましくは１〜２０ｎｍである。
触媒の平均粒子径は、Ｘ線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径として求めることができる。また、触媒の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）又は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）より観察したｎ個の触媒粒子の粒子径の平均値として求めることもできる。ｎは、例えば２００〜３００とすることができる。
【００２２】
（担体）
担体としては、細孔を有する導電性の多孔性金属化合物を用いることができる。多孔性金属化合物としては、例えばメソポーラスカーボンが挙げられる。メソポーラスカーボンとしては、例えばケッチェンブラック（登録商標）、アセチレンブラック、バルカン（登録商標）等のカーボンブラック、複数層のグラフェンシートが積層されてメソポーラスが形成された構造を有するカーボン等が挙げられる。また、多孔性金属化合物としては、例えばＰｔブラック、Ｐｄブラック、フラクタル状に析出させたＰｔ金属、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物等が挙げられる。なかでも、分散性が良好で表面積が大きく、触媒の担持量が多い場合でも高温での粒子成長が少ない観点からは、メソポーラスカーボンが好ましい。
【００２３】
担体の平均粒径は、特に限定されないが、触媒粒子の担持性を高める観点からは、１０〜１００ｎｍが好ましい。
担体の平均粒径は、触媒の平均粒子径と同様にして、ＴＥＭ又はＳＥＭにより求めることができる。
【００２４】
担体の細孔の平均孔径は、特に限定されないが、触媒粒子を細孔内にも担持する観点からは、２〜２０ｎｍが好ましい。
【００２５】
担体のＢＥＴ比表面積は、多くの触媒粒子を担持する観点から、５０ｍ２／ｇ以上が好ましく、５００ｍ２／ｇ以上がより好ましく、７００ｍ２／ｇ以上がさらに好ましい。一方、担体のＢＥＴ比表面積は、均一に触媒粒子を担持する観点から、１５００ｍ２／ｇ以下が好ましく、１３００ｍ２／ｇ以下がより好ましく、１０００ｍ２／ｇ以下がさらに好ましい。したがって、担体のＢＥＴ比表面積は、５０〜１５００ｍ２／ｇが好ましく、５００〜１３００ｍ２／ｇがより好ましく、７００〜１０００ｍ２／ｇがさらに好ましい。
上記担体のＢＥＴ比表面積は、窒素吸着法により測定される。
【００２６】
担体に担持された触媒の質量は、触媒と担体を合わせた質量（１００質量％）に対して、通常１〜９９質量％とすることができ、触媒活性及び担持性の向上の観点からは、１０〜９０質量％が好ましく、２０〜８０質量％がより好ましい。
【００２７】
（アイオノマー）
アイオノマーは、触媒層２１中で使用するプロトン供与性の固体高分子電解質である。アイオノマーは、繰り返し構造を有するポリマーを主鎖として、酸性の官能基を有する。酸性の官能基としては、酸性を示す官能基であれば特に限定されず、例えばスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基等が挙げられ、なかでもプロトン伝導性の観点から、スルホン酸基が好ましい。アイオノマーによるプロトン伝導のメカニズムとしては、酸性の官能基によって親水性のコアが形成され、コア内に水分子が局在したクラスターのネットワークが形成されて、この親水性のネットワークをプロトンが移動するモデルが提唱されている。
【００２８】
触媒層２１に使用できるアイオノマーとしては、例えば酸性の官能基を有するフッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー等のイオン交換性ポリマーが挙げられる。触媒層２１に使用するアイオノマーは、電解質膜１で使用される電解質と同じ種類であってもよいし、異なる種類であってもよい。
【００２９】
酸性の官能基を有するフッ素系ポリマーとしては、パーフルオロスルホン酸ポリマー等が挙げられる。パーフルオロスルホン酸ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ユニットと、パーフルオロスルホン酸ユニットとを有する。パーフルオロスルホン酸ポリマーとしては、市販品も使用することができる。使用できる市販品としては、例えばナフィオン（Nafion：登録商標、DuPont社製）、アクイヴィオン（Aquivion：登録商標、Solvay社製）、フレミオン（Flemion：登録商標、旭硝子社製）、アシプレックス（Aciplex：登録商標、旭化成社製）等が挙げられる。
【００３０】
以下は、パーフルオロスルホン酸ポリマーの例示化合物（１）〜（３）であるが、これらに限定されない。例示化合物（１）及び（２）は、それぞれナフィオン（登録商標）及びアクイヴィオン（登録商標）である。例示化合物（３）は、３Ｍ社が提案するアイオノマーである。
【００３１】
【化１】
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【００３２】
酸性の官能基を有する炭化水素系ポリマーとしては、例えば酸性の官能基を有する芳香族ポリマー、脂肪族ポリマー等が挙げられる。
【００３３】
酸性の官能基を有する芳香族ポリマーとしては、例えばスルホン化ポリエーテルエーテルケトン（ＳＰＥＥＫ）、スルホン化ポリエーテルスルホン（ＳＰＥＳ）、スルホン化ポリフェニルスルホン（ＳＰＰＳＵ）、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルイミド、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスチレン等が挙げられる。
【００３４】
以下は、酸性の官能基を有する芳香族ポリマーの例示化合物（１１）〜（１３）であるが、これらに限定されない。例示化合物（１１）はＳＰＥＥＫ、例示化合物（１２）はＳＰＥＳ、例示化合物（１３）はスルホン化ポリエーテルイミドである。
【化２】
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【００３５】
酸性の官能基を有する脂肪族ポリマーとしては、例えばポリビニルスルホン酸、ポリビニルリン酸等が挙げられる。
【００３６】
アイオノマーのイオン交換容量（ＩＥＣ：Ion Exchange Capacity）は、プロトン伝導性の向上の観点からは、０．６meq/g以上であることが好ましく、０．９meq/g以上がより好ましく、１．２meq/g以上がさらに好ましい。また、アイオノマーのイオン交換容量は、給水時の寸法安定性の観点からは、３meq/g以下であることが好ましく、２．５meq/g以下がより好ましく、２meq/g以下がさらに好ましい。よって、アイオノマーのイオン交換容量は、０．６〜３meq/gが好ましく、０．９〜２．５meq/gがより好ましく、１．２〜２meq/gがさらに好ましい。
【００３７】
担体がメソポーラスカーボンである場合、アイオノマー（Ｉ）に対する担体（Ｃ）の質量比（Ｉ／Ｃ）は、イオン伝導性を高める観点から、好ましくは０．１以上であり、より好ましくは０．２以上であり、さらに好ましくは０．３以上である。一方、質量比（Ｉ／Ｃ）は、触媒を被覆するアイオノマーの厚みを抑えて、触媒活性を高める観点から、好ましくは２以下であり、より好ましくは１．５以下であり、さらに好ましくは１．１以下である。したがって、質量比としては、０．１〜２が好ましく、０．２〜１．５がより好ましく、０．３〜１．１がさらに好ましい。
【００３８】
触媒層２１の厚みは、特に限定されないが、触媒層２１の触媒性能及び触媒層２１の形成性の観点から、０．１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上がより好ましい。一方、ガス拡散性の観点からは、触媒層２１の厚みは、５０μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以下であることがより好ましい。したがって、触媒層２１の厚みは、０．１〜５０μｍが好ましく、１〜２０μｍがより好ましい。
【００３９】
上述した燃料電池セル１０の触媒層２１は、触媒層用インクを調製するステップと、調製した触媒層用インクを電解質膜１の両面に塗布して触媒層２１を形成するステップと、を経て形成することができる。
【００４０】
（触媒層用インクの製造方法）
触媒層用インクを調製するステップでは、細孔を有する担体、触媒及び溶媒を含む触媒層用インク中でアイオノマーを生成する。本実施形態において、触媒層用インクを調製するステップは、アイオノマーの材料を触媒、担体及び溶媒と混合し、混合物を得るステップと、混合物中で材料を反応させてアイオノマーを生成することで、触媒層用インクを得るステップと、を含む。
【００４１】
（混合物を得るステップ）
触媒層用インクの溶媒としては、通常、水、アルコール等のプロトン性極性溶媒が使用され得る。例えば、担体としてメソポーラスカーボンを使用し、触媒として白金を使用する場合、メソポーラスカーボンを純水中に分散させ、この分散液中に硝酸を添加する。さらに、ジニトロジアミン白金塩水溶液を添加した後、エタノールを添加して加熱することにより還元する。これにより、外表面及び細孔の内部に白金粒子を担持したメソポーラスカーボンの分散液が得られる。得られた分散液にアイオノマーの材料を混合することにより、混合物が得られる。
【００４２】
（アイオノマーを生成するステップ）
得られた混合物中で、アイオノマーの材料を反応させてアイオノマーを生成する。アイオノマーの材料を複数回に分けて混合し、反応させてもよい。
アイオノマーは、ポリマーが疎水性を示し、酸性の官能基が親水性を示す。したがって、水、アルコール等の親水性溶媒中においてアイオノマー分子は凝集し、各アイオノマー分子のポリマーが配向して結晶化した疎水性部分の周囲に親水性部分が配列して、例えば直径１０ｎｍ前後の比較的大きなコロイドが形成される傾向がある。コロイドのサイズが大きいために、アイオノマーは、溶媒中で担体の細孔の内部まで浸入することが難しく、担体の外表面を被覆するにとどまる傾向にある。
【００４３】
これに対し、アイオノマーの材料は、ポリマーではなくモノマーであり、細孔の内径よりもサイズが小さい。そのため、触媒層用インク中で担体の細孔内に材料を浸入させた後、材料を反応させることにより、担体の細孔内部でアイオノマーを生成することができる。すなわち、触媒層用インク中のアイオノマーは、担体の外表面だけでなく細孔内部にも存在する。このような触媒層用インクを用いて形成された触媒層では、担体の外表面だけでなく細孔内部に担持された触媒もアイオノマーによって被覆される。担体の外表面に担持された触媒に加えて細孔内部の触媒の触媒作用も得られるため、触媒利用率が向上する。
【００４４】
触媒層用インク中のアイオノマーは、電解質として使用可能な酸性の官能基を有するポリマーであってもよいし、酸性の官能基の前駆体を有するポリマーであってもよい。前駆体としては、例えば−ＳＯ２Ｆ、−ＳＯ２Ｃｌ等のハロゲン化した酸性の官能基、−ＳＯ３Ｎａ、−ＳＯ３（ＮＨ４）等の酸性の官能基を金属等によって保護した保護基等が挙げられる。アイオノマーが酸性の官能基の前駆体を有するポリマーである場合、ケン化等のプロトン化の操作を行って酸性の官能基に変換することにより、アイオノマーを電解質として使用することが可能になる。
【００４５】
アイオノマーが、パーフルオロスルホン酸ポリマーである場合、例えばモノマーとしてテトラフルオロエチレンを使用して重合反応させることにより、テトラフルオロエチレンに由来する繰り返し構造を有するポリマー、すなわちポリテトラフルオロエチレンを生成する。さらに、パーフルオロスルホン酸前駆体を混合してこのポリテトラフルオロエチレンと反応させて、ポリテトラフルオロエチレンユニットと、パーフルオロスルホン酸前駆体のユニットとを有するパーフルオロスルホン酸ポリマーを生成する。なお、パーフルオロスルホン酸ポリマーの反応工程はこれに限定されず、目的のパーフルオロスルホン酸ポリマーに最適な反応工程により生成すればよい。
【００４６】
アイオノマーが、酸性の官能基を有する芳香族ポリマーである場合、酸性の官能基又はその前駆体を有する芳香族ビニルモノマーの重合反応、芳香族ビニルモノマーと酸性の官能基又はその前駆体を有するビニルモノマーの重合反応、ビニルモノマーと酸性の官能基又はその前駆体を有する芳香族ビニルモノマーの重合反応等によって、触媒層用インク中に酸性の官能基又はその前駆体を有する芳香族ポリマーを生成する。使用できる芳香族ビニルモノマーは、目的の芳香族ポリマーの設計に応じて適宜選択することができ、例えばスチレン、メチルスチレン、ベンゾフェノン、４，４′−ジフルオロベンゾフェノン、４，４′−ジクロロジフェニルスルホン、ヒドロキノン等が挙げられる。反応工程は上記に限定されず、例えば４，４′−ジフルオロベンゾフェノンとヒドロキノンを炭酸カリウムの存在下で重合反応させてＰＥＥＫを生成した後、硫酸と混合して所定温度で所定時間撹拌することにより、ＰＥＥＫをスルホン化反応させて、上記例示化合物（１１）のＳＰＥＥＫを生成することができる。
【００４７】
アイオノマーが、酸性の官能基を有する脂肪族ポリマーである場合、酸性の官能基又はその前駆体を有する脂肪族ビニルモノマーの重合反応、酸性の官能基又はその前駆体を有する脂肪族ビニルモノマーと脂肪族ビニルモノマーとの重合反応等によって、触媒層用インク中に酸性の官能基又はその前駆体を有する脂肪族ポリマーを生成する。使用できる脂肪族ビニルモノマーは、目的の脂肪族ポリマーの設計に応じて適宜選択することができ、例えばアクリロニトリル等のアクリル系ビニルモノマー、エチレン、プロピレン等のオレフィン等が挙げられる。
【００４８】
重合反応には、重合開始剤を使用できる。使用できる重合開始剤としては、例えば過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩、４，４′−アゾビス４−シアノ吉草酸及びその塩、２，２′−アゾビス（２−アミジノプロパン）塩等のアゾ系化合物、パーオキシド化合物等が挙げられる。
【００４９】
以上のようにして製造された触媒層用インクは、触媒層用インク中のアイオノマーが担体の細孔内部でも生成されるため、担体の外表面だけでなく細孔内部にもアイオノマーを存在させることができる。このような触媒層用インクを用いて触媒層を形成することにより、担体の外表面だけでなく細孔内に位置する触媒粒子もアイオノマーで被覆された触媒層を得ることができる。
【００５０】
図２は、アイオノマーが細孔の内部まで浸入した担体の一例を示す。
図２に示すように、触媒１１は担体１２の外表面及び細孔内に担持されている。アイオノマー１３は、担体１２の外表面だけでなく細孔の内部にも存在して、担体１２及び触媒１１を被覆している。アイオノマー１３によって、外表面だけでなく細孔内に担持された触媒１１へのイオン伝導が可能であり、触媒利用率が向上する。
【００５１】
図３は、アイオノマーによって外表面のみが被覆された担体の例を示す。
図３に示すように、担体１２の細孔よりもサイズが大きいアイオノマー１３は、担体１２の細孔の内部に浸入できず、細孔内に担持された触媒１１へのイオン伝導率が下がる。触媒作用は、アイオノマー１３によって被覆された担体１２の外表面に存在する触媒１１によるところとなり、図２に示す例と比べて触媒利用率が低下する。
【００５２】
（燃料電池の製造方法）
上述した燃料電池セル１０は、触媒層用インクを調製するステップと、電解質膜１の両面に触媒層用インクを塗布して触媒層２１を形成するステップと、を経て製造され得る。触媒層用インクを調製するステップでは、上述のように、触媒層用インク中でアイオノマーを生成する。
【００５３】
次いで、形成した触媒層２１をカーボン繊維シート等で挟み、熱圧着することで、ガス拡散層２２を形成する。これにより、電解質膜１及び電極２の膜電極接合体４が得られる。膜電極接合体４の各電極２側の面を、２枚のセパレータ３で挟むことにより、燃料電池セル１０が得られる。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、本発明の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１０・・・燃料電池セル、４・・・膜電極接合体、１・・・電解質膜、２・・・電極、２１・・・触媒層、２２・・・ガス拡散層、３・・・セパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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