(57)【要約】  本発明は、炭素を主成分とする触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる燃料電池用電極触媒であって、ラマン分光法によって１５８０ｃｍ−１付近で計測されるＧバンドのピーク強度（Ｇ強度）に対する、１６２０ｃｍ−１付近で計測されるＤ’バンドのピーク強度（Ｄ’強度）の比Ｒ’（Ｄ’／Ｇ強度比）が０．６を超えて０．８以下であり、かつ、（ａ）〜（ｄ）の少なくとも一を満たす、燃料電池用電極触媒に関する。本発明によると、ガス輸送性に優れる燃料電池用電極触媒が提供される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を主成分とする触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる燃料電池用電極触媒であって、
ラマン分光法によって１５８０ｃｍ−１付近で計測されるＧバンドのピーク強度（Ｇ強度）に対する、１６２０ｃｍ−１付近で計測されるＤ’バンドのピーク強度（Ｄ’強度）の比Ｒ’（Ｄ’／Ｇ強度比）が０．６を超えて０．８以下であり、かつ、下記（ａ）〜（ｄ）の少なくとも一を満たす、燃料電池用電極触媒：
（ａ）半径が１ｎｍ未満の空孔および半径１ｎｍ以上の空孔を有し、前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔容積は０．３ｃｃ／ｇ担体以上であり、かつ前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持されている；
（ｂ）半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔を有し、該空孔の空孔容積は０．８ｃｃ／ｇ担体以上であり、かつ前記触媒金属の比表面積は６０ｍ２／ｇ担体以下である；
（ｃ）半径が１ｎｍ未満の空孔および半径１ｎｍ以上の空孔を有し、前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔分布のモード半径が０．３ｎｍ以上１ｎｍ未満であり、かつ前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持されている；
（ｄ）半径１ｎｍ以上の空孔の空孔分布のモード半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満であり、前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持され、前記モード半径が前記触媒金属の平均粒径の半分以下であり、かつ前記半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の空孔容積が０．４ｃｃ／ｇ担体以上である。
【請求項２】
前記触媒金属は、白金であるまたは白金と白金以外の金属成分を含む、請求項１に記載の燃料電池用電極触媒。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池用電極触媒および電解質を含む、燃料電池用電極触媒層。
【請求項４】
前記電解質がフッ素系高分子電解質である、請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項５】
炭素を主成分とする触媒担体および前記触媒担体に担持される白金含有触媒金属からなる触媒と、電解質と、水およびアルコールの混合重量比が５５／４５〜９５／５である水−アルコール混合溶媒と、を含む塗布液を調製し、前記塗布液を塗布して電極触媒層を形成することを有する、請求項３または４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項６】
請求項１もしくは２に記載の燃料電池用電極触媒、または請求項３もしくは４に記載の燃料電池用電極触媒層を含む、燃料電池用膜電極接合体。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池用膜電極接合体を含む燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極触媒、燃料電池用電極触媒層、その製造方法ならびに当該触媒層を用いる膜電極接合体および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロトン伝導性固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池など、他のタイプの燃料電池と比較して低温で作動する。このため、固体高分子形燃料電池は、定置用電源や、自動車などの移動体用動力源として期待されており、その実用も開始されている。【０００３】
このような固体高分子形燃料電池には、一般的に、Ｐｔ（白金）やＰｔ合金に代表される高価な金属触媒が用いられており、このような燃料電池の高価格要因となっている。このため、貴金属触媒の使用量を低減して、燃料電池の低コスト化が可能な技術の開発が求められている。【０００４】
例えば、特開２００７−２５０２７４号公報（米国特許出願公開第２００９／０４７５５９号明細書に相当）には、導電性担体に触媒金属粒子が担持される電極触媒において、触媒金属粒子の平均粒径が導電性担体の微細孔の平均孔径より大きい電極触媒が開示される。特開２００７−２５０２７４号公報（米国特許出願公開第２００９／０４７５５９号明細書に相当）には、当該構成により、触媒金属粒子が担体の微細孔内に入り込まないようにし、三相界面に使用される触媒金属粒子の割合を向上させて、高価な貴金属の利用効率を向上できることが記載される。
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、特開２００７−２５０２７４号公報（米国特許出願公開第２００９／０４７５５９号明細書に相当）の触媒を用いた電極触媒層は、電解質と触媒金属粒子が接触して、触媒活性が低下するという問題があった。かような問題に対し、電解質と触媒金属粒子が接触しないように、触媒金属を担体内部の電解質が進入できない微細な空孔内に担持すると、酸素等のガスの輸送距離が増大してガス輸送性が低下する。その結果、十分な触媒活性を引き出せずに、高負荷条件では触媒性能が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、ガス輸送性に優れる燃料電池用電極触媒を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、触媒活性に優れる燃料電池用電極触媒を提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる他の目的は、ガス輸送性に優れる燃料電池用電極触媒層を提供することである。また、本発明のさらなる他の目的は、触媒活性に優れる燃料電池用電極触媒層を提供することである。
【０００９】
さらに、本発明のさらなる他の目的は、発電性能に優れる膜電極接合体及び燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、特定のＤ’／Ｇ強度比を有し、かつ、特定の空孔分布を有する触媒により、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至った。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る触媒（ａ）及び（ｃ）の形状・構造を示す概略断面説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る触媒（ｂ）及び（ｄ）の形状・構造を示す概略断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態に係る燃料電池用電極触媒（本明細書中では、「電極触媒」または「触媒」とも称する）は、下記構成（Ｉ）および（ＩＩ）を満たす：
（Ｉ）触媒は、ラマン分光法によって１５８０ｃｍ−１付近で計測されるＧバンドのピーク強度（Ｇ強度）に対する、１６２０ｃｍ−１付近で計測されるＤ’バンドのピーク強度（Ｄ’強度）の比Ｒ’（Ｄ’／Ｇ強度比）が０．６を超えて０．８以下である；および
（ＩＩ）触媒は、下記構成（ａ）〜（ｄ）の少なくとも一を満たす：
（ａ）半径が１ｎｍ未満の空孔および半径１ｎｍ以上の空孔を有し、前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔容積は０．３ｃｃ／ｇ担体以上であり、かつ前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持されている；
（ｂ）半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔を有し、該空孔の空孔容積は０．８ｃｃ／ｇ担体以上であり、かつ前記触媒金属の比表面積は６０ｍ２／ｇ担体以下である；
（ｃ）半径が１ｎｍ未満の空孔および半径１ｎｍ以上の空孔を有し、前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔分布のモード半径が０．３ｎｍ以上１ｎｍ未満であり、かつ前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持されている；
（ｄ）半径１ｎｍ以上の空孔の空孔分布のモード半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満であり、前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持され、前記モード半径が前記触媒金属の平均粒径の半分（平均粒径の１／２倍）以下であり、かつ前記半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の空孔容積が０．４ｃｃ／ｇ担体以上である。
【００１３】
本実施形態に係る燃料電池用電極触媒は、ラマン分光による特定のピーク強度比および特定の空孔分布を有する触媒である。上記燃料電池用電極触媒は、その表面が適度な親水性を有するため、疎水性を有する電解質が完全に触媒表面を被覆してしまうことが抑制される。その結果、ガス輸送性を向上させることができる。
【００１４】
また、本実施形態に係る燃料電池用電極触媒層（本明細書中では、「電極触媒層」または「触媒層」とも称する）は、上記触媒および電解質を含む。したがって、当該燃料電池用電極触媒層もまた、ガス輸送性に優れ、触媒活性が向上する。
【００１５】
また、本明細書では、ラマン分光法によって１５８０ｃｍ−１付近で計測されるＧバンドを、単に「Ｇバンド」とも称する。本明細書では、ラマン分光法によって１６２０ｃｍ−１付近で計測されるＤ’バンドを、単に「Ｄ’バンド」とも称する。また、ＧバンドおよびＤ’バンドのピーク強度を、それぞれ、「Ｇ強度」および「Ｄ’強度」とも称する。さらに、Ｇ強度に対するＤ’強度の比を、単に「Ｒ’値」または「Ｄ’／Ｇ強度比」とも称する。
【００１６】
なお、ＧバンドおよびＤ’バンド、ならびにこれらのピーク強度は、当該分野においてよく知られている。例えば、R. Vidano and D. B Fischbach, J. Am. Ceram. Soc. 61 (1978) 13-17やG. Katagiri, H. Ishida and A. Ishitani, Carbon 26 (1988) 565-571を参照することができる。
【００１７】
さらに、本明細書中では、半径が１ｎｍ未満の空孔を「ミクロ孔」とも称する。また、本明細書中では、半径１ｎｍ以上の空孔を「メソ孔」とも称する。
【００１８】
上記特開２００７−２５０２７４号公報（米国特許出願公開第２００９／０４７５５９号明細書に相当）に記載の電極触媒層では、反応ガス、触媒金属及び電解質（電解質ポリマー）が同時に存在する三相界面を十分確保するために、電解質と触媒粒子とを導電性担体上でかなり接触させていた（例えば、段落「００５８」、図２）。しかし、本発明者らは、上記構成では、大部分の反応ガス（特にＯ２）は電解質を介して触媒金属に輸送されるため、ガス輸送抵抗が高く、十分な反応ガスが触媒金属に到達できず、触媒は十分な活性を発揮できないことを見出した。本発明者らは、上記課題の解決について鋭意検討を行った結果、反応ガス、触媒金属及び水により三相界面（反応サイト）を形成することによって、触媒を有効に利用できることを見出した。そして、さらに本発明者らは、上記（Ｉ）および（ＩＩ）を満たす触媒により、ガス輸送性の向上が図れることを見出し、本発明を完成させた。
【００１９】
炭素を主成分とする触媒担体を用いる触媒は、上記（Ｉ）を満たす、すなわち、Ｒ’値を上記範囲（０．６を超えて０．８以下）とすることにより、その表面において、親水性を発現させるエッジ（端部）を多く有する。一方、触媒と共に電極触媒層を構成する電解質、特にフッ素系高分子電解質などの疎水性構造を主鎖に有する高分子電解質は、疎水性を有する。このため、上記構成を有する触媒表面は、電解質が吸着しにくくなる部分が多く存在するため、電解質によって完全に被覆されることが抑制される。すなわち、本実施形態に係る触媒は、電解質によって部分的に被覆される。その結果、電解質によるガス輸送性の低下が抑制される。以下、Ｒ’値に係るメカニズムについて、詳説する。なお、以下の作用効果の発揮のメカニズムは推測であり、本発明は、下記推測によって限定されない。
【００２０】
上記Ｇバンドは、ラマン散乱分析で１５８０ｃｍ−１付近に観測されるグラファイト（炭素原子の六角格子内振動）に起因するピークである。また、Ｄ’バンドは、ラマン散乱分析で１６２０ｃｍ−１付近にＧバンドの肩として観察される。このＤ’バンドは、グラファイト構造の乱れ(disorder)や欠陥に起因し、グラファイトの結晶サイズが小さい場合やグラフェンシートのエッジが多く存在する場合に現れる。
【００２１】
グラフェンシートのエッジは六員環構造ではない不安定な構造であるため、反応活性点として作用する。したがって、エッジには種々の官能基が吸着しやすい（エッジにおいて官能基が形成されやすい）。そして、当該官能基に対し、水分子が水素結合を形成することによって吸着する。そうすると、この吸着した水分子に他の水分子がさらに吸着することができる。その結果、エッジが多く存在する場合には、官能基量が増えることにより、親水性を示していると推測される。
【００２２】
したがって、Ｄ’／Ｇ強度比、すなわちＲ’値が小さいほど、触媒担体、ひいては触媒の表面における親水性は低くなり、Ｒ’値が大きいほど、触媒表面における親水性は高くなると考えられる。
【００２３】
本実施形態に係る触媒は、上記（Ｉ）を満たすため、親水性の高いエッジ部分を適当量有している。したがって、触媒表面が適度な親水性を有するため、電極触媒層形成時、疎水性を有する電解質は、触媒表面に対して反発し、吸着しにくくなる。すなわち、電解質を部分的に触媒表面に吸着させることができる。一方、Ｒ’値が０．６以下であると、親水性の高いエッジ部分が少なく、電解質が触媒表面を完全に被覆してしまう（または電解質の吸着量が多くなりすぎてしまう）。その結果、電解質が触媒金属を被覆してしまい、ガス輸送性が低下する。したがって、Ｒ’値が０．６を超える場合、電解質が触媒表面を部分的に被覆することができるため、電解質によるガス輸送性の低下を抑制することができる。
【００２４】
一方、上記Ｒ’値が大きすぎる（０．８を超える）場合には、触媒表面の親水性が高くなりすぎてしまい、水の吸着量が増加する。よって、反応ガスの輸送抵抗が大きくなり、ガス輸送性が低下する。
【００２５】
上記特定のＲ’値を有することに加え、本実施形態に係る電極触媒層に含まれる触媒は、上記（ＩＩ）を満たす。すなわち、本実施形態における触媒においては、以下で詳述するように、特定の空孔分布を有することにより、触媒金属が空孔内に格納（担持）される。ここで、本発明者らは、空孔の入り口（開口部）が電解質によって覆われてしまうと、空孔内部に格納（担持）された触媒金属に反応ガス（特に酸素）が輸送されにくいことを見出した。より具体的には、触媒金属が担体の空孔内に格納（担持）された状態において電解質を添加し、触媒表面を電解質で完全に被覆すると、電解質が空孔の入り口（開口部）を塞いでしまうことがある。そして、このような場合、反応ガスが空孔内部の触媒金属に到達するためには、反応ガスが電解質を通過することが必要となり、結果としてガス輸送性が低下しやすい。
【００２６】
これに対し、上記（Ｉ）を満たす触媒を用いた電極触媒層では、触媒の表面を部分的に電解質が被覆する構成となる。その結果、本実施形態に係る電極触媒層では、触媒に吸着する電解質量が多くなりすぎず、触媒金属が格納（担持）される空孔の入り口（開口部）が電解質によって閉塞することを抑制できる。このため、空孔内に担持された触媒金属に対しても反応ガスがより速やかにかつより効率よく輸送されるようになり、ガス輸送性が向上する。その結果、触媒が高い触媒活性を発揮できる、すなわち、触媒反応を促進できる。また、上記効果は高負荷条件下でも有効に発揮できる。したがって、本実施形態に係る電極触媒層を有する膜電極接合体および燃料電池は、高い電流電圧（ｉＶ）特性を示し（高い電流密度での電圧低下を抑制し）、発電性能に優れる。
【００２７】
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の電極触媒および電極触媒層の一実施形態、並びにこれを使用した膜電極接合体（ＭＥＡ）および燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明した場合では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２８】
また、本明細書において、範囲を示す「Ｘ〜Ｙ」は「Ｘ以上Ｙ以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温（２０〜２５℃）／相対湿度４０〜５０％の条件で測定する。
【００２９】
［燃料電池］
燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。本実施形態の燃料電池は、かつ高い発電性能を発揮できる。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）１の基本構成を示す概略図である。ＰＥＦＣ  １は、まず、固体高分子電解質膜２と、これを挟持する一対の触媒層（アノード触媒層３ａおよびカソード触媒層３ｃ）とを有する。そして、固体高分子電解質膜２と触媒層（３ａ、３ｃ）との積層体はさらに、一対のガス拡散層（ＧＤＬ）（アノードガス拡散層４ａおよびカソードガス拡散層４ｃ）により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜２、一対の触媒層（３ａ、３ｃ）および一対のガス拡散層（４ａ、４ｃ）は、積層された状態で膜電極接合体（ＭＥＡ）１０を構成する。
【００３１】
ＰＥＦＣ  １において、ＭＥＡ  １０はさらに、一対のセパレータ（アノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃ）により挟持されている。図１において、セパレータ（５ａ、５ｃ）は、図示したＭＥＡ  １０の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のＭＥＡが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するＰＥＦＣ（図示せず）のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてＭＥＡは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ（５ａ、５ｃ）と固体高分子電解質膜２との間や、ＰＥＦＣ  １とこれと隣接する他のＰＥＦＣとの間にガスシール部が配置されるが、図１ではこれらの記載を省略する。
【００３２】
セパレータ（５ａ、５ｃ）は、例えば、厚さ０．５ｍｍ以下の薄板にプレス処理を施すことで図１に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ（５ａ、５ｃ）のＭＥＡ側から見た凸部はＭＥＡ  １０と接触している。これにより、ＭＥＡ  １０との電気的な接続が確保される。また、セパレータ（５ａ、５ｃ）のＭＥＡ側から見た凹部（セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとＭＥＡとの間の空間）は、ＰＥＦＣ  １の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ５ａのガス流路６ａには燃料ガス（例えば、水素など）を流通させ、カソードセパレータ５ｃのガス流路６ｃには酸化剤ガス（例えば、空気など）を流通させる。
【００３３】
一方、セパレータ（５ａ、５ｃ）のＭＥＡ側とは反対の側から見た凹部は、ＰＥＦＣ  １の運転時にＰＥＦＣを冷却するための冷媒（例えば、水）を流通させるための冷媒流路７とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド（図示せず）が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。
【００３４】
なお、図１に示す実施形態においては、セパレータ（５ａ、５ｃ）は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。
【００３５】
上記のような、本実施形態に係るＭＥＡを有する燃料電池は、優れた発電性能を発揮する。ここで、燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質形燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。
【００３６】
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。
【００３７】
また、燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。
【００３８】
以下、本形態の燃料電池を構成する部材について簡単に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。
【００３９】
［電極触媒層（触媒層）］
本実施形態に係る電極触媒層（触媒層）は、カソード触媒層またはアノード触媒層のいずれであってもよいが、カソード触媒層であることが好ましい。上述したように、本発明の触媒層では、触媒と電解質とが接触しなくても、水との三相界面を形成することによって、触媒を有効に利用できるが、カソード触媒層で水が形成するからである。
【００４０】
本実施形態に係る電極触媒層（触媒層）は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなる触媒（触媒）ならびに電解質を含む。
【００４１】
（触媒）
本実施形態に係る触媒（電極触媒）は、炭素を主成分とする触媒担体（炭素粉末；本明細書中、単に「担体」とも称する）および上記担体に担持される触媒金属から構成される。本実施形態に係る触媒は、下記（Ｉ）および（ＩＩ）を満たす：
（Ｉ）Ｇ強度に対するＤ’強度の比Ｒ’（Ｄ’／Ｇ強度比）が０．６を超えて０．８以下である；および
（ＩＩ）下記（ａ）〜（ｄ）の少なくとも一を満たす：
（ａ）前記触媒は半径が１ｎｍ未満の空孔および半径１ｎｍ以上の空孔を有し、前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔容積は０．３ｃｃ／ｇ担体以上であり、かつ前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持されている；
（ｂ）前記触媒は半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔を有し、該空孔の空孔容積は０．８ｃｃ／ｇ担体以上であり、かつ前記触媒金属の比表面積は６０ｍ２／ｇ担体以下である；
（ｃ）前記触媒は半径が１ｎｍ未満の空孔および半径１ｎｍ以上の空孔を有し、前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔分布のモード半径が０．３ｎｍ以上１ｎｍ未満であり、かつ前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持されている；
（ｄ）前記触媒は半径１ｎｍ以上の空孔の空孔分布のモード半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満であり、前記触媒金属は前記モード半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の内部に担持され、前記モード半径が前記触媒金属の平均粒径の半分以下であり、かつ前記半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の空孔容積が０．４ｃｃ／ｇ担体以上である。
【００４２】
上記（Ｉ）により、触媒表面、より具体的には、担体のカーボン（グラフェン）のエッジ量を多くし、触媒表面を適当な親水性とすることができる。その結果、疎水性を有する電解質が触媒表面を完全に被覆することなく、電解質によるガス輸送抵抗の増大を抑制することができる。
【００４３】
上記Ｒ’値が０．６よりも大きい触媒は、触媒表面（担体表面）のエッジ量が多く、親水性が向上するため、電解質の吸着が抑制され、ガス輸送性が向上する。しかしながら、Ｒ’値を０．６以下とすると、エッジ量が少なく、触媒表面の親水性が低下し（疎水性が高くなり）、電解質が触媒表面に対して吸着しやすい。その結果、疎水性を有する電解質が触媒表面を部分的に被覆するのではなく、触媒表面のほぼ全てを被覆してしまい、電解質によるガス輸送抵抗が増大することとなる。したがって、担体の空孔内に担持された触媒に対して、酸素等のガスが到達しにくくなり、ガス輸送性が低下する。
【００４４】
一方で、Ｒ’値が０．８を超えると、触媒表面（担体表面）のエッジ量が多くなりすぎ、触媒表面の親水性が高くなりすぎる。そうすると、触媒表面に水が吸着してしまい、反応ガスの輸送性が低下する。
【００４５】
したがって、ガス輸送性をさらに向上させ、かつ、触媒としての機能を十分に発揮させるという観点から、Ｒ’値は０．６１を超えて０．８以下であると好ましく、０．６６を超えて０．７５以下であるとより好ましく、０．６７以上０．７４未満であるとさらにより好ましい。
【００４６】
また、触媒表面（担体表面）のエッジは、グラファイト（グラフェン）構造中における電気化学的腐食の起点となりうる。よって、耐久性の観点からも、上記Ｒ’値は、０．８以下であると好ましく、０．８を超えない範囲とすることがより好ましく、０．７５以下であるとより好ましく、０．７４未満であるとさらにより好ましい。
【００４７】
なお、本明細書において、Ｒ’値は、顕微ラマン分光器にて、炭素材料のラマンスペクトルを計測し、Ｄ’バンドと呼ばれる１６２０ｃｍ−１付近のピーク強度（Ｄ’強度）と、Ｇバンドと呼ばれる１５８０ｃｍ−１付近のピーク強度（Ｇ強度）との相対的強度比、つまりピーク面積比（Ｄ’強度／Ｇ強度）を算出することにより求められる。該ピーク面積は、下記に示されるラマン分光測定により求められたものを採用する。
【００４８】
（ラマン分光測定法）
ラマンスペクトルは、測定装置として、顕微レーザーラマンＳＥＮＴＥＲＲＡ（ブルカー・オプティクス製）を使用し、室温（２５℃）で、露光３０秒×積算４回、以下の条件にて測定する。なお、ＧバンドおよびＤ’バンドのピークは、ガウス分布によるピークフィッティングによって決定できる。
【００４９】
【化１】
2016067876.tif 000002
【００５０】
上記（Ｉ）に加えて、上記（ＩＩ）により、本実施形態に係る触媒層は、ガス輸送性に優れる。本実施形態に係る電極触媒層に含まれる触媒は、上記（ａ）〜（ｄ）の少なくとも一を満たすものであればよい。なお、本明細書では、上記（ａ）を満たす触媒を「触媒（ａ）」、上記（ｂ）を満たす触媒を「触媒（ｂ）」、上記（ｃ）を満たす触媒を「触媒（ｃ）」、上記（ｄ）を満たす触媒を「触媒（ｄ）」とも称する。以下、触媒（ａ）〜（ｄ）の構成について詳述する。
【００５１】
（触媒（ａ）および（ｃ））
触媒（ａ）は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなり、下記構成（ａ−１）〜（ａ−３）を満たす：
（ａ−１）前記触媒は半径が１ｎｍ未満の空孔（一次空孔）および半径１ｎｍ以上の空孔（一次空孔）を有する；
（ａ−２）前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔容積は０．３ｃｃ／ｇ担体以上である；および
（ａ−３）前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持されている。
【００５２】
また、触媒（ｃ）は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなり、下記構成（ａ−１）、（ｃ−１）および（ａ−３）を満たす：
（ａ−１）前記触媒は半径が１ｎｍ未満の空孔および半径１ｎｍ以上の空孔を有する；
（ｃ−１）前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔分布のモード半径が０．３ｎｍ以上１ｎｍ未満である；および
（ａ−３）前記触媒金属は前記半径１ｎｍ以上の空孔の内部に担持されている。
【００５３】
上述したように、本発明者らは、触媒金属が電解質と接触しない場合であっても、水により三相界面を形成することによって、触媒金属を有効に利用できることを見出した。このため、上記触媒（ａ）及び（ｃ）について、上記（ａ−３）触媒金属を電解質が進入できないメソ孔内部に担持する構成をとることによって、触媒活性を向上できる。一方、触媒金属を電解質が進入できないメソ孔内部に担持する場合には、酸素等のガスの輸送距離が増大してガス輸送性が低下するため、十分な触媒活性を引き出せずに、高負荷条件では触媒性能が低下してしまう。これに対して、上記（ａ−２）電解質や触媒金属がほとんどまたは全く進入できないミクロ孔の空孔容積を十分確保するまたは上記（ｃ−１）ミクロ孔のモード径を大きく設定することによって、ガスの輸送パスを十分確保できる。ゆえに、メソ孔内の触媒金属に酸素等のガスを効率よく輸送できる、すなわち、ガス輸送抵抗を低減できる。さらに、上述したように、触媒が適切なＲ’値を有するため、触媒表面は電解質により部分的に被覆され、メソ孔やミクロ孔の入り口（開口部）を被覆しにくい。
【００５４】
上記の構成により、ガス（例えば、酸素）がミクロ孔内を通過して（ガス輸送性が向上して）、ガスを効率よく、触媒金属と接触させることができる。したがって、触媒（ａ）及び（ｃ）を触媒層に使用する場合には、ミクロ孔が大容積で存在するため、メソ孔に存在する触媒金属の表面に当該ミクロ孔（パス）を介して反応ガスを輸送でき、ガス輸送抵抗をより低減できる。ゆえに、触媒（ａ）及び（ｃ）を含む触媒層は、より高い触媒活性を発揮できる、すなわち、触媒反応をより促進できる。このため、触媒（ａ）及び（ｃ）を用いた触媒層を有する膜電極接合体および燃料電池は、発電性能に優れる。
【００５５】
図２は、触媒（ａ）及び（ｃ）の形状・構造を示す概略断面説明図である。図２に示されるように、符号２０によって示される触媒（ａ）及び（ｃ）は、触媒金属２２および触媒担体２３からなる。また、触媒２０は、半径が１ｎｍ未満の空孔（ミクロ孔）２５および半径１ｎｍ以上の空孔（メソ孔）２４を有する。ここで、触媒金属２２は、メソ孔２４の内部に格納（担持）される。また、触媒金属２２は、少なくとも一部がメソ孔２４の内部に格納（担持）されていればよく、一部が触媒担体２３表面に担持されていてもよい。しかし、触媒層での電解質と触媒金属の接触を防ぐという観点からは、実質的にすべての触媒金属２２がメソ孔２４の内部に担持されることが好ましい。ここで、「実質的にすべての触媒金属」とは、十分な触媒活性を向上できる量であれば特に制限されない。「実質的にすべての触媒金属」は、全触媒金属において、好ましくは５０重量％以上（上限：１００重量％）、より好ましくは８０重量％以上（上限：１００重量％）の量で存在する。
【００５６】
本明細書において、「触媒金属がメソ孔の内部に担持される」ことは、触媒担体への触媒金属の担持前後のメソ孔の容積の減少によって確認できる。詳細には、触媒担体は、ミクロ孔およびメソ孔を有し、各空孔はそれぞれ一定の容積を有しているが、触媒金属がこれらの空孔に格納（担持）されると、各空孔の容積は減少する。したがって、触媒金属担持前の触媒（担体）のメソ孔の容積と触媒金属担持後の触媒（担体）のメソ孔の容積の差［＝（担持前の容積）−（担持後の容積）］が０を超える場合には、「触媒金属がメソ孔の内部に担持される」こととなる。同様にして、触媒金属担持前の触媒（担体）のミクロ孔の容積と触媒金属担持後の触媒（担体）のミクロ孔の容積の差［＝（担持前の容積）−（担持後の容積）］が０を超える場合には、「触媒金属がミクロ孔の内部に担持される」こととなる。好ましくは、触媒金属が、ミクロ孔よりメソ孔に多く担持される（即ち、担持前後のメソ孔の容積の減少値＞担持前後のミクロ孔の容積の減少値）。これにより、ガス輸送抵抗を低減し、ガス輸送のためのパスを十分確保できるからである。ガス輸送抵抗の低減、ガス輸送のためのパスの確保などを考慮すると、上記触媒金属担持前後のメソ孔の空孔容積の減少値が０．０２ｃｃ／ｇ以上であることが好ましく、０．０２〜０．４ｃｃ／ｇであることがより好ましい。
【００５７】
また、（触媒金属担持後の触媒の）半径１ｎｍ未満の空孔（ミクロ孔）の空孔容積は０．３ｃｃ／ｇ担体以上であるおよび／または（触媒金属担持後の触媒の）ミクロ孔の空孔分布のモード半径（最頻度径）が０．３ｎｍ以上１ｎｍ未満である。好ましくは、ミクロ孔の空孔容積は０．３ｃｃ／ｇ担体以上であり、かつミクロ孔の空孔分布のモード半径が０．３ｎｍ以上１ｎｍ未満である。ミクロ孔の空孔容積および／またはモード径が上記したような範囲にあれば、ガス輸送を行うのに十分なミクロ孔が確保でき、ガス輸送抵抗が小さい。このため、当該ミクロ孔（パス）を介して十分量のガスをメソ孔に存在する触媒金属の表面に輸送できるため、本発明の触媒は、高い触媒活性を発揮できる、即ち、触媒反応を促進できる。また、ミクロ孔内には電解質（アイオノマ）や液体（例えば、水）が侵入できず、ガスのみを選択的に通す（ガス輸送抵抗を低減できる）。ガス輸送性の向上効果を考慮すると、より好ましくは、ミクロ孔の空孔容積は、０．３〜２ｃｃ／ｇ担体であり、０．４〜１．５ｃｃ／ｇ担体であることが特に好ましい。また、より好ましくは、ミクロ孔の空孔分布のモード半径は、０．４〜１ｎｍであり、０．４〜０．８ｎｍであることが特に好ましい。なお、本明細書では、半径１ｎｍ未満の空孔の空孔容積を単に「ミクロ孔の空孔容積」とも称する。同様にして、本明細書では、ミクロ孔の空孔分布のモード半径を単に「ミクロ孔のモード径」とも称する。
【００５８】
（触媒金属担持後の触媒の）半径１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔（メソ孔）の空孔容積は、特に制限されないが、０．４ｃｃ／ｇ担体以上、より好ましくは０．４〜３ｃｃ／ｇ担体であり、特に好ましくは０．４〜１．５ｃｃ／ｇ担体であることが好ましい。空孔容積が上記したような範囲にあれば、メソ孔により多くの触媒金属を格納（担持）でき、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる（触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる）。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、多くのメソ孔の存在により、本発明による作用・効果をさらに顕著に発揮して、触媒反応をより効果的に促進できる。加えて、ミクロ孔がガスの輸送パスとして作用して、水により三相界面をより顕著に形成して、触媒活性をより向上できる。なお、本明細書では、半径１ｎｍ以上の空孔の空孔容積を単に「メソ孔の空孔容積」とも称する。
【００５９】
（触媒金属担持後の触媒の）半径１ｎｍ以上の空孔（メソ孔）の空孔分布のモード半径（最頻度径）は、特に制限されないが、１〜５ｎｍ、より好ましくは１〜４ｎｍであり、特に好ましくは１〜３ｎｍであることが好ましい。上記したようなメソ孔の空孔分布のモード径であれば、メソ孔により十分量の触媒金属を格納（担持）でき、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる（触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる）。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、大容積のメソ孔の存在により、本発明による作用・効果をさらに顕著に発揮して、触媒反応をより効果的に促進できる。加えて、ミクロ孔がガスの輸送パスとして作用して、水により三相界面をより顕著に形成して、触媒活性をより向上できる。なお、本明細書では、メソ孔の空孔分布のモード半径を単に「メソ孔のモード径」とも称する。
【００６０】
（触媒金属担持後の触媒の）ＢＥＴ比表面積［担体１ｇあたりの触媒のＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ担体）］は、特に制限されないが、９００ｍ２／ｇ担体以上、１０００ｍ２／ｇ担体以上、より好ましくは１０００〜３０００ｍ２／ｇ担体であり、特に好ましくは１１００〜１８００ｍ２／ｇ担体であることが好ましい。上記したような比表面積であれば、十分なメソ孔及びミクロ孔を確保できるため、ガス輸送を行うのに十分なミクロ孔（より低いガス輸送抵抗）を確保しつつ、メソ孔により多くの触媒金属を格納（担持）できる。また、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる（触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる）。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、多くのミクロ孔及びメソ孔の存在により、本発明による作用・効果をさらに顕著に発揮して、触媒反応をより効果的に促進できる。加えて、ミクロ孔がガスの輸送パスとして作用して、水により三相界面をより顕著に形成して、触媒活性をより向上できる。
【００６１】
なお、本明細書において、触媒の「ＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ担体）」は、窒素吸着法により測定される。詳細には、触媒粉末  約０．０４〜０．０７ｇを精秤し、試料管に封入する。この試料管を真空乾燥器で９０℃×数時間予備乾燥し、測定用サンプルとする。秤量には、島津製作所株式会社製電子天秤（ＡＷ２２０）を用いる。なお、塗布シートの場合には、これの全重量から、同面積のテフロン（基材）重量を差し引いた塗布層の正味の重量約０．０３〜０．０４ｇを試料重量として用いる。次に、下記測定条件にて、ＢＥＴ比表面積を測定する。吸着・脱着等温線の吸着側において、相対圧（Ｐ／Ｐ０）約０．００〜０．４５の範囲から、ＢＥＴプロットを作成することで、その傾きと切片からＢＥＴ比表面積を算出する。
【００６２】
【化２】
2016067876.tif 000003
【００６３】
本明細書において、「ミクロ孔の空孔の半径（ｎｍ）」は、窒素吸着法（ＭＰ法）により測定される空孔の半径を意味する。また、「ミクロ孔の空孔分布のモード半径（ｎｍ）」は、窒素吸着法（ＭＰ法）により得られる微分細孔分布曲線においてピーク値（最大頻度）をとる点の空孔半径を意味する。ここで、ミクロ孔の空孔半径の下限は、窒素吸着法により測定可能な下限値、すなわち、０．４２ｎｍ以上である。
【００６４】
同様にして、「メソ孔の空孔の半径（ｎｍ）」は、窒素吸着法（ＤＨ法）により測定される空孔の半径を意味する。また、「メソ孔の空孔分布のモード半径（ｎｍ）」は、窒素吸着法（ＤＨ法）により得られる微分細孔分布曲線においてピーク値（最大頻度）をとる点の空孔半径を意味する。ここで、メソ孔の空孔半径の上限は、特に制限されないが、５ｎｍ以下である。
【００６５】
本明細書において、「ミクロ孔の空孔容積」は、触媒に存在する半径１ｎｍ未満のミクロ孔の総容積を意味し、担体１ｇあたりの容積（ｃｃ／ｇ担体）で表される。「ミクロ孔の空孔容積（ｃｃ／ｇ担体）」は、窒素吸着法（ＭＰ法）によって求めた微分細孔分布曲線の下部の面積（積分値）として算出される。同様にして、「メソ孔の空孔容積」は、触媒に存在する半径１ｎｍ以上５ｎｍ未満のメソ孔の総容積を意味し、担体１ｇあたりの容積（ｃｃ／ｇ担体）で表される。「メソ孔の空孔容積（ｃｃ／ｇ担体）」は、窒素吸着法（ＤＨ法）によって求めた微分細孔分布曲線の下部の面積（積分値）として算出される。
【００６６】
本明細書において、「微分細孔分布」とは、細孔径を横軸に、触媒中のその細孔径に相当する細孔容積を縦軸にプロットした分布曲線である。すなわち、窒素吸着法（ミクロ孔の場合にはＭＰ法；メソ孔の場合にはＤＨ法）により得られる触媒の空孔容積をＶとし、空孔直径をＤとした際の、差分空孔容積ｄＶを空孔直径の対数差分ｄ（ｌｏｇＤ）で割った値（ｄＶ／ｄ（ｌｏｇＤ））を求める。そして、このｄＶ／ｄ（ｌｏｇＤ）を各区分の平均空孔直径に対してプロットすることにより微分細孔分布曲線が得られる。差分空孔容積ｄＶとは、測定ポイント間の空孔容積の増加分をいう。
【００６７】
ここで、窒素吸着法（ＭＰ法）によるミクロ孔の半径及び空孔容積の測定方法は、特に制限されず、例えば、「吸着の科学」（第２版  近藤精一、石川達雄、安部郁夫  共著、丸善株式会社）、「燃料電池の解析手法」（高須芳雄、吉武優、石原達己  編、化学同人）、R. Sh. Mikhail, S. Brunauer, E. E. Bodor  J.Colloid Interface Sci.，26, 45（1968）等の公知の文献に記載される方法が採用できる。本明細書では、窒素吸着法（ＭＰ法）によるミクロ孔の半径及び空孔容積は、R. Sh. Mikhail, S. Brunauer, E. E. Bodor J.Colloid Interface Sci.，26, 45（1968）に記載される方法によって、測定された値である。
【００６８】
また、窒素吸着法（ＤＨ法）によるメソ孔の半径及び空孔容積の測定方法もまた、特に制限されず、例えば、「吸着の科学」（第２版  近藤精一、石川達雄、安部郁夫  共著、丸善株式会社）や「燃料電池の解析手法」（高須芳雄、吉武優、石原達己  編、化学同人）、D. Dollion, G. R. Heal : J. Appl. Chem., 14, 109 (1964)等の公知の文献に記載される方法が採用できる。本明細書では、窒素吸着法（ＤＨ法）によるメソ孔の半径及び空孔容積は、D. Dollion, G. R. Heal : J. Appl. Chem., 14, 109 (1964) に記載される方法によって、測定された値である。
【００６９】
（触媒（ｂ））
触媒（ｂ）は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなり、下記構成（ｂ−１）〜（ｂ−３）を満たす：
（ｂ−１）半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔を有する；
（ｂ−２）半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の空孔容積は０．８ｃｃ／ｇ担体以上である；および
（ｂ−３）触媒金属の比表面積は６０ｍ２／ｇ担体以下である。
【００７０】
上記（ｂ−１）〜（ｂ−３）の構成を有する触媒によれば、触媒の空孔内が水で満たされることが抑制された上で、反応ガスの輸送に寄与する空孔が十分に確保される。その結果、ガス輸送性に優れた触媒を提供することができる。詳細には、ガス輸送に有効なメソ孔の容積が十分確保され、さらに、触媒金属の比表面積を小さくすることで、触媒金属が担持されたメソ孔内に保持される水の量を十分減らすことができる。ゆえに、メソ孔内が水で満たされることが抑制されるため、メソ孔内の触媒金属に酸素等のガスをより効率よく輸送することができる。さらに、上述したように、触媒が適切なＲ’値を有するため、触媒表面は電解質により部分的に被覆され、メソ孔の入り口（開口部）を被覆しにくい。
【００７１】
上記の構成により、触媒層におけるガス輸送抵抗をより低減することができる。その結果、本実施形態の触媒（ｂ）は、触媒反応が促進され、より高い触媒活性を発揮することができる。このため、本実施形態の触媒（ｂ）を用いた触媒層を有する膜電極接合体および燃料電池は、発電性能に優れる。
【００７２】
図３は、触媒（ｂ）及び（ｄ）の形状・構造を示す概略断面説明図である。図３に示されるように、符号２０’によって示される触媒（ｂ）及び（ｄ）は、触媒金属２２’および触媒担体２３’からなる。触媒２０’は、半径１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔（メソ孔）２４’を有する。ここで、触媒金属２２’は、主としてメソ孔２４’の内部に担持される。また、触媒金属２２’は、少なくとも一部がメソ孔２４’の内部に担持されていればよく、一部が触媒担体２３’表面に担持されていてもよい。しかし、触媒層での電解質（電解質ポリマー、アイオノマー）と触媒金属の接触を防ぎ、触媒活性を向上させるという観点からは、実質的にすべての触媒金属２２’がメソ孔２４’の内部に担持されることが好ましい。触媒金属が電解質と接触すると、触媒金属表面の面積比活性が減少する。これに対し、上記構成により、電解質が触媒担体２３’のメソ孔２４’内に入り込まないようにすることができ、触媒金属２２’と電解質とが物理的に分離される。そして、水により三相界面を形成することができる結果、触媒活性が向上する。ここで、「実質的にすべての触媒金属」とは、十分な触媒活性を向上できる量であれば特に制限されない。「実質的にすべての触媒金属」は、全触媒金属において、好ましくは５０重量％以上（上限：１００重量％）、より好ましくは８０重量％以上（上限：１００重量％）の量で存在する。
【００７３】
（触媒金属担持後の触媒の）半径１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔（メソ孔）の空孔容積は０．８ｃｃ／ｇ担体以上である。メソ孔の空孔容積は、好ましくは０．８〜３ｃｃ／ｇ担体であり、特に好ましくは０．８〜２ｃｃ／ｇ担体であることが好ましい。空孔容積が上記したような範囲にあれば、反応ガスの輸送に寄与する空孔が多く確保されるため、反応ガスの輸送抵抗を低減することができる。したがって、メソ孔内に格納される触媒金属の表面に反応ガスが速やかに輸送されるため、触媒金属が有効に利用される。さらに、メソ孔の容積が上記範囲にあれば、メソ孔内に触媒金属を格納（担持）でき、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に分離することができる（触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる）。このように、メソ孔内の触媒金属と、電解質との接触が抑制される上記態様であれば、担体表面に担持される触媒金属の量が多い時と比較して、触媒の活性をより有効に利用できる。なお、本明細書では、半径１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の空孔容積を単に「メソ孔の空孔容積」とも称する。
【００７４】
（触媒金属担持後の触媒の）ＢＥＴ比表面積［担体１ｇあたりの触媒のＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ担体）］は、特に制限されないが、９００ｍ２／ｇ担体以上であると好ましく、１０００ｍ２／ｇ担体以上であるとより好ましく、１２００ｍ２／ｇ担体以上であるとさらにより好ましい。また、触媒のＢＥＴ比表面積の上限は、特に制限されないが、３０００ｍ２／ｇ担体以下であると好ましく、１８００ｍ２／ｇ担体以下であるとより好ましい。上記したような比表面積であれば、十分なメソ孔を確保できると共に、触媒金属の粒子を分散性良く担持させることができる。ここでいう「触媒金属の粒子の分散性が良い」とは、触媒金属の粒子同士が互いに凝集することなく、それぞれの粒子が互いに離間した状態で担持された状態を示す。触媒金属の粒子が凝集し、塊状となっていると、塊状の触媒金属の近傍において、ガスの局所的な流束が大きくなり、ガスの輸送抵抗が大きくなる。一方、個々の触媒金属の粒子が分散した状態で担持されると、個々の粒子の近傍における局所的な流束は、上記態様と比較して小さくなる。したがって、反応ガスの輸送抵抗が低減され、触媒金属が有効に利用される。
【００７５】
また、触媒（ｂ）において、触媒金属（触媒成分）は、比表面積が６０ｍ２／ｇ担体以下である。触媒金属の比表面積は、好ましくは５〜６０ｍ２／ｇ担体であり、より好ましくは５〜３０ｍ２／ｇ担体であり、特に好ましくは１０〜２５ｍ２／ｇ担体である。触媒金属の表面は親水性であり、触媒反応により生成する水が吸着しやすいため、触媒金属が格納されたメソ孔には、水が保持されやすくなる。メソ孔内に水が保持されると、ガスの輸送経路が狭くなり、かつ、水中の反応ガスの拡散速度は遅いため、ガスの輸送性が低下する。これに対し、触媒金属の比表面積を上記範囲のように比較的小さくすることにより、触媒金属の表面に吸着する水の量を減らすことができる。その結果、メソ孔内に水が保持されにくくなり、触媒中、さらには触媒層中の含水率を低くすることができる。したがって、反応ガスの輸送抵抗を低減させることができ、触媒金属が有効に利用される。なお、本発明における「触媒金属の比表面積」は、例えば、Journal of Electroanalytical Chemistry 693 (2013) 34-41等に記載される方法によって測定できる。本明細書では、「触媒金属の比表面積」は、以下の方法によって測定された値を採用する。
【００７６】
（触媒金属の比表面積の測定方法）
カソード触媒層について、サイクリックボルタンメトリーによる電気化学的有効表面積（ＥＣＡ：Electrochemical surface area）を求める。ここで、対向するアノードには、測定温度において飽和するよう加湿した水素ガスを流通させ、これを参照極および対極として用いる。カソードには同様に加湿した窒素ガスを流通させておき、測定を開始する直前に、カソード入口および出口のバルブを閉じ、窒素ガスを封入する。この状態で、電気化学測定装置（北斗電工（株）製、型番：HZ-5000）を用いて下記条件にて測定する。
【００７７】
【化３】
2016067876.tif 000004
【００７８】
上記触媒（ａ）及び（ｃ）では、触媒金属の少なくとも一部がメソ孔の内部に担持されており、上記触媒（ｂ）では、触媒金属の少なくとも一部がメソ孔の内部に担持されていることが好ましい。ここで、触媒金属がメソ孔内に担持される際の、メソ孔内に担持される触媒金属の大きさが、メソ孔の大きさに比して大きいことが好ましい（実施形態（ｉ））。当該構成により、触媒金属と担体の空孔内壁面との距離が縮まり、水が存在しうる空間が減少する、すなわち触媒金属表面に吸着する水の量が減る。また、水が空孔内壁面の相互作用を受けることにより、金属酸化物の形成反応が遅くなり、金属酸化物が形成されにくくなる。その結果、触媒金属表面の失活をより抑制することができる。ゆえに、本実施形態（ｉ）の触媒は、より高い触媒活性を発揮できる、すなわち、触媒反応をより促進できる。
【００７９】
上記実施形態（ｉ）において、（触媒金属担持後の触媒の）メソ空孔の空孔分布のモード半径（最頻度径）は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、好ましくは１ｎｍ以上４ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。上記したような空孔分布のモード半径であれば、メソ孔に十分量の触媒金属を格納（担持）でき、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる（触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる）。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。
【００８０】
また、上述したように、触媒が適切なＲ’値を有するため、触媒表面は電解質により部分的に被覆され、メソ孔（および場合によってはミクロ孔）の入り口（開口部）を被覆しにくい。したがって、メソ孔内に担持された触媒金属に対するガス輸送性が向上する。加えて、大容積の空孔（メソ孔）の存在により、本発明による作用・効果をさらに顕著に発揮して、触媒反応をより効果的に促進できる。
【００８１】
また、上記実施形態（ｉ）において、（触媒金属担持後の触媒の）触媒金属（触媒金属粒子）の平均粒径は、好ましくは２ｎｍ以上７ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。すなわち、平均粒半径は、好ましくは１ｎｍ以上３．５ｎｍ以下、より好ましくは１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である。触媒金属の平均粒径が前記空孔分布のモード半径の２倍以上であれば（前記モード半径が前記触媒金属の平均粒径の半分以下であれば）、触媒金属と担体の空孔内壁面との距離が縮まり、水が存在しうる空間が減少する、すなわち触媒金属表面に吸着する水の量が減る。また、水が壁面との相互作用を受けることにより、金属酸化物の形成反応が遅くなり、金属酸化物が形成されにくくなる。その結果、触媒金属表面の失活が抑制され、高い触媒活性を発揮できる、すなわち、触媒反応を促進できる。また、触媒金属が空孔（メソ孔）内に比較的強固に担持され、触媒層内で電解質と接触するのがより有効に抑制・防止される。また、電位変化による溶出を防止し、経時的な性能低下をも抑制できる。このため、触媒活性をより向上できる、すなわち、触媒反応をより効率的に促進できる。
【００８２】
（触媒（ｄ））
触媒（ｄ）は、触媒担体および前記触媒担体に担持される触媒金属からなり、下記構成（ｄ−１）〜（ｄ−４）を満たす：
（ｄ−１）触媒は半径１ｎｍ以上の空孔の空孔分布のモード半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満である；
（ｄ−２）触媒金属は半径が１ｎｍ以上の空孔の内部に担持される；
（ｄ−３）前記モード半径が前記触媒金属の平均粒径の半分以下である；および
（ｄ−４）半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の空孔容積が０．４ｃｃ／ｇ担体以上である。
【００８３】
上記（ｄ−１）〜（ｄ−４）の構成を有する触媒によれば、触媒金属を電解質が進入できない空孔（メソ孔）内部に担持する構成をとることにより、空孔内部の触媒金属が水により三相界面を形成して、触媒を有効に利用する。その結果、触媒の活性を向上できる。詳細には、特に上記（ｄ−３）空孔のモード半径を触媒金属の平均粒径の半分以下とすることにより、触媒金属と担体の空孔内壁面との距離が縮まり、水が存在しうる空間が減少する、すなわち触媒金属表面に吸着する水の量が減る。また、水が空孔内壁面の相互作用を受けることにより、金属酸化物の形成反応が遅くなり、金属酸化物が形成されにくくなる。その結果、触媒金属表面の失活をより抑制することができる。さらに、上述したように、触媒が適切なＲ’値を有するため、触媒表面は電解質により部分的に被覆され、メソ孔の入り口（開口部）を被覆しにくい。したがって、メソ孔内に担持された触媒金属に対するガス輸送性が向上する。
【００８４】
ゆえに、本実施形態の触媒（ｄ）は、高い触媒活性を発揮できる、すなわち、触媒反応を促進できる。このため、本実施形態の触媒（ｄ）を用いた触媒層を有する膜電極接合体および燃料電池は、発電性能に優れる。
【００８５】
触媒（ｄ）の形状・構造に関しては、図３において示される概略断面説明図によって説明される。なお、図３に係る説明は上記の通りであるため、ここでは、詳細な説明は省略する。
【００８６】
本発明の一実施形態に係る触媒（ｄ）は、触媒金属および担体からなる。また、触媒（ｄ）は、空孔（メソ孔）を有する。ここで、触媒金属は、メソ孔の内部に担持される。また、触媒金属は、少なくとも一部がメソ孔の内部に担持されていればよく、一部が担体表面に担持されていてもよい。しかし、触媒層での電解質と触媒金属の接触を防ぐという観点からは、実質的にすべての触媒金属がメソ孔の内部に担持されることが好ましい。ここで、「実質的にすべての触媒金属」とは、十分な触媒活性を向上できる量であれば特に制限されない。「実質的にすべての触媒金属」は、全触媒金属において、好ましくは５０重量％以上（上限：１００重量％）、より好ましくは８０重量％以上（上限：１００重量％）の量で存在する。
【００８７】
（触媒金属担持後の触媒の）空孔の空孔容積は、０．４ｃｃ／ｇ担体以上であり、好ましくは０．４５〜３ｃｃ／ｇ担体であり、より好ましくは０．５〜１．５ｃｃ／ｇ担体である。空孔容積が上記したような範囲にあれば、メソ孔により多くの触媒金属を格納（担持）でき、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる（触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる）。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、多くのメソ孔の存在により、触媒反応をより効果的に促進できる。
【００８８】
（触媒金属担持後の触媒の）空孔の空孔分布のモード半径（最頻度径）は、１ｎｍ以上５ｎｍ未満であり、好ましくは１ｎｍ以上４ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。上記したような空孔分布のモード半径であれば、メソ孔に十分量の触媒金属を格納（担持）でき、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる（触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる）。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。さらに、上述したように、触媒が適切なＲ’値を有するため、触媒表面は電解質により部分的に被覆され、メソ孔の入り口（開口部）を被覆しにくい。したがって、触媒におけるガス輸送抵抗をより低減することができる。また、大容積の空孔（メソ孔）の存在により、本発明による作用・効果をさらに顕著に発揮して、触媒反応をより効果的に促進できる。
【００８９】
（触媒金属担持後の触媒の）ＢＥＴ比表面積［担体１ｇあたりの触媒のＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ担体）］は、特に制限されないが、９００ｍ２／ｇ担体以上、より好ましくは１０００ｍ２／ｇ担体以上、さらにより好ましくは１０００〜３０００ｍ２／ｇ担体であり、特に好ましくは１０００〜１８００ｍ２／ｇ担体であることが好ましい。上記したような比表面積であれば、メソ孔により多くの触媒金属を格納（担持）できる。また、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる（触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる）。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、多くの空孔（メソ孔）の存在により、本発明による作用・効果をさらに顕著に発揮して、触媒反応をより効果的に促進できる。
【００９０】
電極触媒層に含まれる触媒は、上記（ａ）〜（ｄ）の少なくとも一を満たすものであればよいが、なかでも、ミクロ孔によりガスの輸送パスが確保されるという点で、上記（ａ）または（ｂ）を満たすものであると好ましく、（ａ）を満たすものであると特に好ましい。
【００９１】
また、ガス輸送性をより向上させるという観点からは、上記（ａ）〜（ｄ）のうち、二以上を満たすと好ましい。
【００９２】
（触媒担体）
触媒担体は、炭素を主成分とする。ここで、「炭素を主成分とする」とは、炭素のみからなる、実質的に炭素からなる、の双方を含む概念であり、炭素以外の元素が含まれていてもよい。「実質的に炭素からなる」とは、全体の８０重量％以上、好ましくは全体の９５重量％以上（上限：１００重量％未満）が炭素から構成されることを意味する。
【００９３】
触媒担体は、特に限定されるものではないが、炭素粉末であることが好ましい。さらに、後述の触媒担持処理によってもＲ’値は実質的に同一であることから、触媒が上記（Ｉ）の条件を満たすためには、触媒担体も下記（Ｉ）を満たすことが好ましい：
（Ｉ）Ｇ強度に対するＤ’強度の比Ｒ’（Ｄ’／Ｇ強度比）が０．６を超えて０．８以下である。
【００９４】
上記（Ｉ）により、炭素粉末は、親水性の高いエッジ部分を適当量有する。したがって、このような炭素粉末を触媒に用いることにより、触媒表面が適度な親水性を有することとなる。その結果、疎水性を有する電解質は、触媒表面を部分的に被覆する構成となるため、ガス輸送性が向上する。さらなるガス輸送性の向上を考慮すると、Ｒ’値は０．６１を超えて０．８以下であると好ましく、０．６６を超えて０．７５以下であるとより好ましく、０．６７以上０．７４未満であるとさらにより好ましい。
【００９５】
触媒担体のＢＥＴ比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに充分な比表面積であればよい。担体のＢＥＴ比表面積は、実質的に触媒のＢＥＴ比表面積と同等である。担体のＢＥＴ比表面積は、好ましくは９００ｍ２／ｇ担体以上、より好ましくは１０００ｍ２／ｇ担体以上、特に好ましくは１１００ｍ２／ｇ担体以上である。また、担体のＢＥＴ比表面積の上限は、特に制限されないが、３０００ｍ２／ｇ担体以下であると好ましく、１８００ｍ２／ｇ担体以下であるとより好ましい。上記したような比表面積であれば、十分なメソ孔及び場合によっては十分なミクロ孔を確保できるため、メソ孔により多くの触媒金属をより分散性良く格納（担持）できる。また、ガス輸送を行うのに十分なメソ孔及び場合によってはミクロ孔を確保できるため、ガス輸送抵抗をより低減できる。また、触媒層での電解質と触媒金属とを物理的に離すことができる（触媒金属と電解質との接触をより有効に抑制・防止できる）。ゆえに、触媒金属の活性をより有効に利用できる。また、触媒金属粒子の近傍における局所的な流束が小さくなるため、反応ガスが速やかに輸送され、触媒金属が有効に利用される。また、多くの空孔（メソ孔）及び場合によってはミクロ孔の存在により、本発明による作用・効果をさらに顕著に発揮して、触媒反応をより効果的に促進できる。また、触媒担体上での触媒成分の分散性と触媒成分の有効利用率とのバランスが適切に制御できる。加えて、ミクロ孔がガスの輸送パスとして作用して、水により三相界面をより顕著に形成して、触媒活性をより向上できる。
【００９６】
触媒が上記構成（ａ）〜（ｄ）のいずれかの要件を満たす場合、触媒担体も同様の構成（ａ）〜（ｄ）の要件を満たすことが好ましい。
【００９７】
触媒担体は、下記構成（１）〜（３）の少なくとも一を満たすことが好ましい。（１）（ａ−１）半径が１ｎｍ未満の空孔（一次空孔）および半径１ｎｍ以上の空孔（一次空孔）を有する；および（ａ−２）前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔容積は０．３ｃｃ／ｇ担体以上である。（２）（ａ−１）半径が１ｎｍ未満の空孔および半径１ｎｍ以上の空孔を有する；および（ｃ−１）前記半径が１ｎｍ未満の空孔の空孔分布のモード半径が０．３ｎｍ以上１ｎｍ未満である。（３）（ｄ−１）半径１ｎｍ以上の空孔の空孔分布のモード半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満である；および（ｄ−４）半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の空孔容積が０．４ｃｃ／ｇ担体以上である。さらに、（３）において、（ｂ−２）半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の空孔容積は０．８ｃｃ／ｇ担体以上であることが好ましい。この際の、（ａ−２）におけるミクロ孔の空孔容積、（ｃ−１）におけるミクロ孔の空孔分布のモード半径、（ｄ−１）における半径１ｎｍ以上の空孔の空孔分布のモード半径、（ｄ−４）における半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満の空孔の空孔容積のより好適な範囲等は、上記触媒（ａ）〜（ｄ）の欄に記載のものと同様である。
【００９８】
なお、本発明においては、触媒内に上記したようなミクロ孔及びメソ孔の空孔分布を有するものである限り、必ずしも上記したような粒状の多孔質担体を用いる必要はない。
【００９９】
すなわち、担体として、ガス拡散層を構成する炭素繊維から成る不織布やカーボンペーパー、カーボンクロスなども挙げられる。このとき、触媒を膜電極接合体のガス拡散層を構成する炭素繊維から成る不織布やカーボンペーパー、カーボンクロスなどに直接付着させたりすることも可能である。
【０１００】
（触媒金属）
触媒を構成する触媒金属は、電気的化学反応の触媒作用をする機能を有する。アノード触媒層に用いられる触媒金属は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒金属もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、銅、銀、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。
【０１０１】
これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。すなわち、触媒金属は、白金であるまたは白金と白金以外の金属成分を含むことが好ましく、白金または白金含有合金であることがより好ましい。このような触媒金属は、高い活性を発揮できる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を３０〜９０原子％とし、白金と合金化する金属の含有量を１０〜７０原子％とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒金属およびカソード触媒層に用いられる触媒金属は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用およびカソード触媒層用の触媒金属についての説明は、両者について同様の定義である。しかしながら、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒金属は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択されうる。
【０１０２】
触媒金属（触媒成分）の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。形状としては、例えば、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、好ましくは粒状である。
【０１０３】
触媒金属（触媒金属粒子）の平均粒径は、特に制限されない。例えば、触媒（ａ）および／または（ｃ）を触媒として使用する場合には、触媒金属（触媒金属粒子）の平均粒径は、３ｎｍ以上、より好ましくは３ｎｍ超３０ｎｍ以下、特に好ましくは３ｎｍ超１０ｎｍ以下であることが好ましい。触媒金属の平均粒径が３ｎｍ以上であれば、触媒金属がメソ孔内に比較的強固に担持され、触媒層内で電解質と接触するのをより有効に抑制・防止される。また、ミクロ孔が触媒金属で塞がれずに残存し、ガスの輸送パスがより良好に確保されて、ガス輸送抵抗をより低減できる。また、電位変化による溶出を防止し、経時的な性能低下をも抑制できる。このため、触媒活性をより向上できる、すなわち、触媒反応をより効率的に促進できる。一方、触媒金属粒子の平均粒径が３０ｎｍ以下であれば、担体のメソ孔内部に触媒金属を簡便な方法で担持することができ、触媒金属の電解質被覆率を低減することができる。また、触媒（ｂ）を触媒として使用する場合には、触媒金属（触媒金属粒子）の平均粒径は、３ｎｍを超える大きさであると好ましい。より好ましくは３ｎｍ超３０ｎｍ以下、特に好ましくは３ｎｍ超１０ｎｍ以下である。触媒金属の平均粒径が３ｎｍを超える大きさであれば、触媒金属の比表面積を小さくすることができる。その結果、上記のように、触媒金属表面に吸着する水の量を低減することができ、反応ガスの輸送に寄与するメソ孔を多く確保することができる。したがって、反応ガスの輸送抵抗をより低減できる。また、電位変化による溶出を防止し、経時的な性能低下をも抑制できる。このため、触媒活性をより向上させることができる。すなわち、触媒反応をより効率的に促進することができる。一方、触媒金属粒子の平均粒径が３０ｎｍ以下であれば、担体のメソ孔内部に触媒金属を簡便な方法で担持することができ、触媒金属の電解質被覆率を低減することができる。さらに、触媒（ｄ）を触媒として使用する場合には、触媒金属の平均粒径は、メソ孔の空孔分布のモード半径の２倍以上である（前記モード半径は前記触媒金属の平均粒径の半分以下である）。この際、触媒金属（触媒金属粒子）の平均粒径は、好ましくは２ｎｍ以上７ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。すなわち、平均粒半径は、好ましくは１ｎｍ以上３．５ｎｍ以下、より好ましくは１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である。触媒金属の平均粒径の半分が前記空孔分布のモード半径の２倍以上であれば（前記モード半径が前記触媒金属の平均粒径の半分以下であれば）、触媒金属と担体の空孔内壁面との距離が縮まり、水が存在しうる空間が減少する、すなわち触媒金属表面に吸着する水の量が減る。また、水が壁面との相互作用を受けることにより、金属酸化物の形成反応が遅くなり、金属酸化物が形成されにくくなる。その結果、触媒金属表面の失活が抑制され、高い触媒活性を発揮できる、すなわち、触媒反応を促進できる。また、触媒金属が空孔（メソ孔）内に比較的強固に担持され、触媒層内で電解質と接触するのをより有効に抑制・防止される。また、電位変化による溶出を防止し、経時的な性能低下をも抑制できる。このため、触媒活性をより向上できる、すなわち、触媒反応をより効率的に促進できる。
【０１０４】
なお、本発明における「触媒金属粒子の平均粒径」または「触媒金属粒子の平均粒半径」は、Ｘ線回折における触媒金属成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子半径や、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）より調べられる触媒金属粒子の粒子半径の平均値により測定されうる。本明細書では、「触媒金属粒子の平均粒半径」は、Ｘ線回折における触媒金属成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子半径である。また、「触媒金属粒子の平均粒径」は、上記「触媒金属粒子の平均粒半径」を二倍した値である。
【０１０５】
本形態において、単位触媒塗布面積当たりの触媒金属の含有量（ｍｇ／ｃｍ２）は、十分な触媒の担体上での分散度、発電性能が得られる限り特に制限されず、例えば、１ｍｇ／ｃｍ２以下である。ただし、触媒が白金または白金含有合金を含む場合、単位触媒塗布面積当たりの白金含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ２以下であることが好ましい。白金（Ｐｔ）や白金合金に代表される高価な貴金属触媒の使用は燃料電池の高価格要因となっている。したがって、高価な白金の使用量（白金含有量）を上記範囲まで低減し、コストを削減することが好ましい。下限値は発電性能が得られる限り特に制限されない。本形態では、担体の空孔構造を制御することにより、触媒重量あたりの活性を向上させることができるため、高価な触媒の使用量を低減することが可能となる。
【０１０６】
なお、本明細書において、「単位触媒塗布面積当たりの触媒金属（白金）の含有量（ｍｇ／ｃｍ２）」の測定（確認）には、誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）を用いる。所望の「単位触媒塗布面積当たりの触媒金属（白金）の含有量（ｍｇ／ｃｍ２）」にせしめる方法も当業者であれば容易に行うことができ、スラリーの組成（触媒濃度）と塗布量を制御することで量を調整することができる。
【０１０７】
また、担体における触媒金属の担持量（「担持率」または「触媒担持率」とも称する場合がある）は、特に制限されない。例えば、触媒（ａ）、（ｃ）および（ｄ）の少なくとも一種を触媒として使用する場合には、担持率は、触媒担持体（つまり、担体および触媒金属）の全量に対して、好ましくは１０〜８０重量％、より好ましくは２０〜７０重量％とするのがよい。担持率が前記範囲であれば、十分な触媒成分の担体上での分散度、発電性能の向上、経済上での利点、単位重量あたりの触媒活性が達成できるため好ましい。また、触媒（ｂ）を触媒として使用する場合には、触媒に対する触媒金属の割合が、触媒の全重量（担体と触媒金属の合計重量）に対し、担持された触媒金属の重量が占める割合であることが好ましい。当該触媒担持率は、４０重量％以下であると好ましい。さらに触媒担持率は、３０重量％以下であるとより好ましい。一方、触媒担持率の下限は、５重量％であると好ましく、２０重量％であるとより好ましい。触媒担持率が上記範囲であれば、触媒金属の比表面積の小さい触媒を得ることができる。その結果、触媒金属表面に吸着する水の量を低減させることができ、反応ガスの輸送に寄与するメソ孔をより多く確保することができる。したがって、反応ガスの輸送抵抗をより低減できるため、反応ガスが速やかに輸送される。そして、触媒金属が有効に利用される結果、触媒活性をより向上させることができる。すなわち、触媒反応をより効率的に促進することができる。また、本形態によれば、使用する触媒金属が比較的少量で良く、経済上な観点からも好ましい。なお、本発明における「触媒担持率」は、触媒金属を担持する前の担体と、触媒金属を担持させた後の触媒の重量を測定することにより求められる値である。
【０１０８】
（電解質）
本発明の触媒層は、上記触媒に加えて、電解質を含む。ここで、電解質は、特に制限されないが、イオン伝導性の高分子電解質であることが好ましい。上記高分子電解質は、燃料極側の触媒活物質周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たすことから、プロトン伝導性高分子とも呼ばれる。
【０１０９】
当該高分子電解質は、特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。これらのうち、フッ素系高分子電解質が好ましい。すなわち、電解質は、フッ素系高分子電解質であることが好ましい。
【０１１０】
フッ素系高分子電解質は、疎水性を有する。したがって、Ｒ’値が上記範囲内にある親水性の触媒表面と反発し、吸着量が減少する結果、電解質が触媒表面を部分的に被覆する構造となりやすい。したがって、ガス輸送性の向上に寄与しやすいため、電解質として、フッ素系高分子電解質を用いると好ましい。
【０１１１】
フッ素系高分子電解質を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−ｇ−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性、耐久性、機械強度に優れるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質が用いられる。
【０１１２】
炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＳ）、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（Ｓ−ＰＥＥＫ）、スルホン化ポリフェニレン（Ｓ−ＰＰＰ）などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。
【０１１３】
プロトンの伝達を担う高分子電解質においては、プロトンの伝導度が重要となる。ここで、高分子電解質のＥＷが大きすぎる場合には触媒層全体でのイオン伝導性が低下する。したがって、本形態の触媒層は、ＥＷの小さい高分子電解質を含むことが好ましい。具体的には、本形態の触媒層は、好ましくはＥＷが１５００ｇ／ｍｏｌ以下の高分子電解質を含み、より好ましくは１２００ｇ／ｍｏｌ以下の高分子電解質を含み、特に好ましくは１１００ｇ／ｍｏｌ以下の高分子電解質を含む。
【０１１４】
一方、ＥＷが小さすぎる場合には、親水性が高すぎて、水の円滑な移動が困難となる。かような観点から、高分子電解質のＥＷは６００ｇ／ｍｏｌ以上であることが好ましい。なお、ＥＷ（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｗｅｉｇｈｔ）は、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基１当量あたりのイオン交換膜の乾燥重量であり、「ｇ／ｍｏｌ」の単位で表される。
【０１１５】
また、触媒層は、ＥＷが異なる２種類以上の高分子電解質を発電面内に含み、この際、高分子電解質のうち最もＥＷが低い高分子電解質が流路内ガスの相対湿度が９０％以下の領域に用いることが好ましい。このような材料配置を採用することにより、電流密度領域によらず、抵抗値が小さくなって、電池性能の向上を図ることができる。流路内ガスの相対湿度が９０％以下の領域に用いる高分子電解質、すなわちＥＷが最も低い高分子電解質のＥＷとしては、９００ｇ／ｍｏｌ以下であることが望ましい。これにより、上述の効果がより確実、顕著なものとなる。
【０１１６】
さらに、ＥＷが最も低い高分子電解質を冷却水の入口と出口の平均温度よりも高い領域に用いることが望ましい。これによって、電流密度領域によらず、抵抗値が小さくなって、電池性能のさらなる向上を図ることができる。
【０１１７】
さらには、燃料電池システムの抵抗値を小さくするとする観点から、ＥＷが最も低い高分子電解質は、流路長に対して燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方のガス供給口から３／５以内の範囲の領域に用いることが望ましい。
【０１１８】
触媒層には、必要に応じて、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などの撥水剤、界面活性剤などの分散剤、グリセリン、エチレングリコール（ＥＧ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、プロピレングリコール（ＰＧ）などの増粘剤、造孔剤等の添加剤が含まれていても構わない。
【０１１９】
触媒層の厚み（乾燥膜厚）は、好ましくは０．０５〜３０μｍ、より好ましくは１〜２０μｍ、さらに好ましくは２〜１５μｍである。なお、上記厚みは、カソード触媒層およびアノード触媒層双方に適用される。しかし、カソード触媒層及びアノード触媒層の厚みは、同じであってもあるいは異なってもよい。
【０１２０】
（触媒層の製造方法）
本発明の触媒層を製造する方法は、特に限定されず、例えば、特開２０１０−２１０６０号公報に記載される方法などの公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾して適用される。以下、好適な実施形態について説明する。
【０１２１】
まず、触媒を準備する。触媒は触媒担体に触媒金属を担持することによって得ることができる。
【０１２２】
上記したような特定の空孔分布を有する触媒（ａ）〜（ｄ）の製造方法は、特に制限されないが、通常、担体の空孔分布（ミクロ孔及び場合によってはメソ孔）を上記したような空孔分布とすることが重要である。
【０１２３】
具体的には、触媒（ａ）を製造するための、ミクロ孔及びメソ孔を有し、かつミクロ孔の空孔容積が０．３ｃｃ／ｇ担体以上である担体の製造方法；触媒（ｂ）を製造するための、メソ孔を有し、かつメソ孔の空孔容積が０．８ｃｃ／ｇ担体以上である担体の製造方法；触媒（ｃ）を製造するための、ミクロ孔及びメソ孔を有し、かつミクロ孔の空孔分布のモード半径が０．３ｎｍ以上１ｎｍ未満である担体の製造方法；触媒（ｄ）を製造するための、空孔分布のモード半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満であるメソ孔を有し、かつ半径が１ｎｍ以上５ｎｍ未満のメソ孔の空孔容積が０．４ｃｃ／ｇ担体以上である担体の製造方法としては、特開２０１０−２０８８８７号公報（米国特許出願公開第２０１１／３１８２５４号明細書、以下同様）や国際公開第２００９／７５２６４号（米国特許出願公開第２０１１／０５８３０８号明細書、以下同様）などの公報に記載される方法が好ましく使用される。
【０１２４】
なお、所望の空孔を有する担体を得るための熱処理の条件は材料に応じて異なり、所望の空孔構造が得られるように適宜決定される。一般に、加熱温度を高温とすると空孔分布のモード径は空孔直径大の方向にシフトする傾向がある。また、加熱温度を高温とすると、Ｒ’値が小さくなり、担体表面の親水性が低下する傾向がある。したがって、このような熱処理条件は、空孔構造およびＲ’値を確認しつつ、材料に応じて決定すればよく、当業者であれば容易に決定することができるであろう。
【０１２５】
さらに、上記触媒（ａ）〜（ｄ）において、Ｒ’値が０．６を超えて０．８以下とするために、担体のＲ’値を上記範囲とすることが重要である。具体的には、上記構成（Ｉ）および（ＩＩ）を満たす担体を製造した後、直接（熱処理を行うことなく）、当該担体に触媒金属を担持する工程へ進むと好ましい。または、必要に応じて熱処理を行う場合は、緩やかな処理条件とすることが好ましい。
【０１２６】
ここで、担体を熱処理する場合の熱処理条件は、上記構成（Ｉ）および（ＩＩ）を達成できる条件であれば特に制限されない。具体的には、熱処理温度は、１３００℃以下であると好ましく、１２００℃以下であるとより好ましく、１０００℃以下であると特に好ましい。かような条件であれば、熱処理する前の担体のＲ’値を維持することができ、親水性を損なうことが抑制される。
【０１２７】
また、熱処理における昇温速度は、１００〜１０００℃／時間であることが好ましく、２００〜８００℃／時間であることが特に好ましい。熱処理時間（所定の熱処理温度での保持時間）は、０（すなわち、熱処理なし）〜５時間であることが好ましく、０〜３時間であることが特に好ましい。なお、熱処理は、空気雰囲気下でも、あるいはアルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で行うことができる。このような条件であれば、上記構成（Ｉ）及び（ＩＩ）を満たす触媒を構成するための担体が簡便に得られる。なお、熱処理条件が上記上限を超える（熱処理条件が厳しすぎる）場合には、炭素（グラフェン）のエッジ量が少なくなりすぎ、親水性が発揮できない可能性がある。さらに、熱処理条件が厳しすぎる場合、黒鉛化が進みすぎて、炭素（グラフェン）のＢＥＴ比表面積が小さくなりすぎる可能性があり、好ましくない。
【０１２８】
一方、上記構成（ＩＩ）を満たす担体前駆体（炭素材料）を製造し、当該担体前駆体のＲ’値が０．８を超える場合には、上記の熱処理条件よりも厳しい条件で熱処理および／または酸処理を行うことにより、Ｒ’値を小さくすることも可能である。したがって、このような処理を行うことにより、上記構成（Ｉ）および（ＩＩ）を満たす担体を得てもよい。このような酸処理および熱処理条件は、空孔構造およびＲ’値を確認しつつ、材料に応じて決定すればよく、当業者であれば容易に決定することができるであろう。
【０１２９】
触媒を構成する担体の材質は、特に制限されないが、上記構成（Ｉ）および（ＩＩ）を満たす触媒担体を形成しやすいものが好ましい。また、空孔容積またはモード径を有する空孔（一次空孔）を担体の内部に形成することができ、かつ、触媒成分を空孔（メソ孔）内部に分散状態で担持させるのに充分な比表面積及び電子伝導性を有するものであることが好ましい。具体的には、主成分がカーボン（炭素）である。具体的には、カーボンブラック（ケッチェンブラック、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなど）、活性炭などからなるカーボン粒子が挙げられる。「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念であり、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。「実質的に炭素原子からなる」とは、２〜３重量％程度以下の不純物の混入が許容されうることを意味する。
【０１３０】
次いで、触媒担体に触媒金属を担持させて、触媒粉末とする。
【０１３１】
触媒担体への触媒金属の担持方法は、特に制限されない。好ましくは、（ｉ）触媒担体の表面に触媒金属を析出させる工程（析出工程）、および（ｉｉ）前記析出工程後に、熱処理を行い、前記触媒金属の粒径を増大させる工程（熱処理工程）を含む。上記方法は、析出後に熱処理を施して触媒金属の粒形を増大させる。このため、触媒担体の空孔（特にメソ孔）内部に粒子径の大きな触媒金属を担持することができる。
【０１３２】
以下、上記触媒の製造方法の好ましい形態を説明するが、本発明は下記形態に限定されない。
【０１３３】
（ｉ）析出工程
本工程では、触媒担体の表面に触媒金属を析出させる。本工程は、既知の方法であり、例えば、触媒金属の前駆体溶液に、触媒担体を浸漬した後、還元する方法が好ましく使用される。
【０１３４】
ここで、触媒金属の前駆体としては、特に制限されず、使用される触媒金属の種類によって適宜選択される。具体的には、上記白金等の触媒金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、酢酸塩およびアミン化合物などが例示できる。より具体的には、塩化白金（ヘキサクロロ白金酸六水和物）、塩化パラジウム、塩化ロジウム、塩化ルテニウム、塩化コバルトなどの塩化物、硝酸パラジウム、硝酸ロジウム、硝酸イリジウムなどの硝酸塩、硫酸パラジウム、硫酸ロジウムなどの硫酸塩、酢酸ロジウムなどの酢酸塩、ジニトロジアンミン白金硝酸、ジニトロジアンミンパラジウムなどのアンミン化合物などが好ましく、例示される。また、触媒金属の前駆体溶液の調製に使用される溶媒は、触媒金属の前駆体を溶解できるものであれば特に制限されず、使用される触媒金属の前駆体の種類によって適宜選択される。具体的には、水、酸、アルカリ、有機溶媒などが挙げられる。触媒金属の前駆体溶液中の触媒金属の前駆体の濃度は、特に制限されないが、金属換算で０．１〜５０重量％であることが好ましく、より好ましくは０．５〜２０重量％である。
【０１３５】
還元剤としては、水素、ヒドラジン、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、Ｌ−アスコルビン酸、水素化ホウ素ナトリウム、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、エチレン、一酸化炭素等が挙げられる。なお、水素などの常温でガス状の物質は、バブリングで供給することもできる。還元剤の量は、上記触媒金属の前駆体を触媒金属に還元できる量であれば特に制限されず、公知の量を同様にして適用できる。
【０１３６】
析出条件は、触媒金属が触媒担体に析出できる条件であれば特に制限されない。例えば、析出温度は、溶媒の沸点付近の温度、より好ましくは室温〜１００℃であることが好ましい。また、析出時間は、１〜１０時間、より好ましくは２〜８時間であることが好ましい。なお、上記析出工程は、必要であれば、撹拌・混合しながら行ってもよい。
【０１３７】
これにより、触媒金属の前駆体が触媒金属に還元されて、触媒金属が触媒担体に析出（担持）する。
【０１３８】
（ｉｉ）熱処理工程
本工程では、上記（ｉ）析出工程後に、熱処理を行い、前記触媒金属の粒径を増大させる。なお、本工程における熱処理は、担体のＲ’値を変化させることがないよう、穏やかな条件で行われることが好ましい。
【０１３９】
熱処理条件は、触媒金属の粒径が増大できる条件であれば特に制限されない。例えば、熱処理温度は、３００〜１２００℃、より好ましくは５００〜１１５０℃、特に好ましくは７００〜１０００℃であることが好ましい。また、熱処理時間は、０．０２〜３時間、より好ましくは０．１〜２時間、特に好ましくは０．２〜１．５時間であることが好ましい。なお、熱処理工程は、水素雰囲気で行われてもよい。
【０１４０】
これにより、触媒金属は、触媒担体で（特に触媒担体のメソ孔内で）粒径を増大させる。このため、触媒金属粒子は、系外に（触媒担体から）脱離しにくくなる。ゆえに、触媒をより有効に利用できる。
【０１４１】
続いて、上記で得られた触媒、高分子電解質、および溶剤を含む触媒インクを作製する。溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶媒が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノール、炭素数１〜４の低級アルコール、プロピレングリコール、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。これらの他にも、酢酸ブチルアルコール、ジメチルエーテル、エチレングリコール、などが溶媒として用いられてもよい。これらの溶剤は、１種を単独で使用してもあるいは２種以上の混合液の状態で使用してもよい。
【０１４２】
中でも、溶剤としては、水の含有比率の高い水−アルコール混合溶媒を用いることが好ましい。このように水の含有比率の高い混合溶媒を分散媒として使用することによって、電解質がメソ孔の入口を被覆することを防ぐことができるため好ましい。この際、水およびアルコールの混合重量比が５５／４５〜９５／５であることが好ましく、６０／４０以上９１／９未満であることがより好ましい。
【０１４３】
すなわち、本発明は、炭素を主成分とする触媒担体および前記触媒担体に担持される白金含有触媒金属からなる触媒と、電解質と、水およびアルコールの混合重量比が５５／４５〜９５／５である水−アルコール混合溶媒と、を含む塗布液を調製し、前記塗布液を塗布して電極触媒層を形成することを有する、燃料電池用電極触媒層の製造方法を提供する。
【０１４４】
このように水の含有比率の高い混合溶媒を分散媒として使用することによって、電解質がメソ孔の入口を被覆することを防ぐことができる。ここで、水およびアルコールの混合重量比を５５／４５以上とすると、触媒（ａ）〜（ｄ）のメソ孔開口部を電解質が被覆してしまうことを抑制することができる。一方、水およびアルコールの混合重量比を９５／５以下とすることにより、触媒が過度に凝集してサイズが大きくなることを抑制することができる。また、触媒と電解質とが過度に相分離した形態となることを抑制することができる。
【０１４５】
水は、特に制限されず、純水、イオン交換水、蒸留水等が使用できる。また、アルコールも、特に制限されない。具体的には、メタノール、エタノール、１−プロパノール（ｎ−プロピルアルコール）、２−プロパノール、１−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、２−ブタノール、２−メチル−２−プロパノール、シクロヘキサノールなどが挙げられる。これらのうち、メタノール、エタノール、１−プロパノール（ｎ−プロピルアルコール）、２−プロパノール、１−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、２−ブタノールおよび２−メチル−２−プロパノールが好ましい。上記アルコールは、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合液の状態で使用されてもよい。すなわち、アルコールが、メタノール、エタノール、１−プロパノール（ｎ−プロピルアルコール）、２−プロパノール、１−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、２−ブタノールおよび２−メチル−２−プロパノールからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。このような親和性が高い低級アルコールを用いることで、電解質の極端な偏在を防ぐことができる。上記アルコールを１種単独で、または２種以上を混合して用いることができる。
【０１４６】
上述したように、高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。これらのうち、フッ素系高分子電解質が好ましい。すなわち、電解質は、フッ素系高分子電解質であることが好ましい。このように疎水性のフッ素系高分子電解質を用いることによって、溶媒中の水比率を高くすることで電解質がさらに凝集しやすくなる。
【０１４７】
触媒インクを構成する溶剤の量は、電解質を完全に溶解できる量であれば特に制限されない。具体的には、触媒粉末および高分子電解質などを合わせた固形分の濃度が、電極触媒インク中、１〜５０重量％、より好ましくは５〜３０重量％程度とするのが好ましい。
【０１４８】
また、触媒インク中の高分子電解質の重量（ＷＩ）と担体の重量（ＷＣ）との比（ＷＩ／ＷＣ）は、０．５〜１．５であると好ましく、０．７〜１．３であるとより好ましい。上記範囲とすることにより、電解質が触媒表面を部分的に覆いやすくなる。
【０１４９】
なお、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤等の添加剤を使用する場合には、触媒インクにこれらの添加剤を添加すればよい。この際、添加剤の添加量は、本発明の上記効果を妨げない程度の量であれば特に制限されない。例えば、添加剤の添加量は、それぞれ、電極触媒インクの全重量に対して、好ましくは５〜２０重量％である。
【０１５０】
次に、基材の表面に触媒インクを塗布する。基材への塗布方法は、特に制限されず、公知の方法を使用できる。具体的には、スプレー（スプレー塗布）法、ガリバー印刷法、ダイコーター法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法など、公知の方法を用いて行うことができる。
【０１５１】
この際、触媒インクを塗布する基材としては、固体高分子電解質膜（電解質層）やガス拡散基材（ガス拡散層）を使用することができる。かような場合には、固体高分子電解質膜（電解質層）またはガス拡散基材（ガス拡散層）の表面に触媒層を形成した後、得られた積層体をそのまま膜電極接合体の製造に利用することができる。あるいは、基材としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）［テフロン（登録商標）］シート等の剥離可能な基材を使用し、基材上に触媒層を形成した後に基材から触媒層部分を剥離することにより、触媒層を得てもよい。
【０１５２】
最後に、触媒インクの塗布層（膜）を、空気雰囲気下あるいは不活性ガス雰囲気下、室温〜１８０℃で、１〜６０分間、乾燥する。これにより、触媒層が形成される。
【０１５３】
［膜電極接合体／燃料電池］
本発明のさらなる実施形態によれば、上記燃料電池用電極触媒層を含む、燃料電池用膜電極接合体が提供される。すなわち、固体高分子電解質膜２、前記電解質膜の一方の側に配置されたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の側に配置されたアノード触媒層と、前記電解質膜２並びに前記アノード触媒層３ａ及び前記カソード触媒層３ｃを挟持する一対のガス拡散層（４ａ，４ｃ）とを有する燃料電池用膜電極接合体が提供される。そしてこの膜電極接合体において、前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方が上記に記載した実施形態の触媒層である。
【０１５４】
ただし、プロトン伝導性の向上および反応ガス（特にＯ２）の輸送特性（ガス拡散性）の向上の必要性を考慮すると、少なくともカソード触媒層が上記に記載した実施形態の触媒層であることが好ましい。ただし、上記形態に係る触媒層は、アノード触媒層として用いてもよいし、カソード触媒層およびアノード触媒層双方として用いてもよいなど、特に制限されるものではない。
【０１５５】
本発明のさらなる実施形態によれば、上記形態の膜電極接合体を有する燃料電池が提供される。すなわち、本発明の一実施形態は、上記形態の膜電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータを有する燃料電池である。
【０１５６】
以下、図１を参照しつつ、上記実施形態の触媒層を用いたＰＥＦＣ  １の構成要素について説明する。ただし、本発明は触媒層に特徴を有するものである。よって、燃料電池を構成する触媒層以外の部材の具体的な形態については、従来公知の知見を参照しつつ、適宜、改変が施されうる。
【０１５７】
（電解質膜）
電解質膜は、例えば、図１に示す形態のように固体高分子電解質膜２から構成される。この固体高分子電解質膜２は、ＰＥＦＣ  １の運転時にアノード触媒層３ａで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層３ｃへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜２は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
【０１５８】
固体高分子電解質膜２を構成する電解質材料としては特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、先に高分子電解質として説明したフッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質を用いることができる。この際、触媒層に用いた高分子電解質と必ずしも同じものを用いる必要はない。
【０１５９】
電解質層の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質層の厚さは、通常は５〜３００μｍ程度である。電解質層の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。
【０１６０】
（ガス拡散層）
ガス拡散層（アノードガス拡散層４ａ、カソードガス拡散層４ｃ）は、セパレータのガス流路（６ａ、６ｃ）を介して供給されたガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）の触媒層（３ａ、３ｃ）への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
【０１６１】
ガス拡散層（４ａ、４ｃ）の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、３０〜５００μｍ程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。
【０１６２】
ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
【０１６３】
また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層（マイクロポーラス層または微多孔質層；ＭＰＬ、図示せず）を基材の触媒層側に有するものであってもよい。
【０１６４】
カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒径は、１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。
【０１６５】
カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。
【０１６６】
カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、重量比で９０：１０〜４０：６０（カーボン粒子：撥水剤）程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。
【０１６７】
（膜電極接合体の製造方法）
膜電極接合体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を使用できる。例えば、固体高分子電解質膜に触媒層をホットプレスで転写または塗布し、これを乾燥したものに、ガス拡散層を接合する方法や、ガス拡散層のマイクロポーラス層側（マイクロポーラス層を含まない場合には、基材層）の片面に触媒層を予め塗布して乾燥することによりガス拡散電極（ＧＤＥ）を２枚作製し、固体高分子電解質膜の両面にこのガス拡散電極をホットプレスで接合する方法を使用することができる。ホットプレス等の塗布、接合条件は、固体高分子電解質膜や触媒層内の高分子電解質の種類（パーフルオロスルホン酸系や炭化水素系）によって適宜調整すればよい。
【０１６８】
（セパレータ）
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
【０１６９】
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。
【０１７０】
さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。
【０１７１】
上述したＰＥＦＣや膜電極接合体は、発電性能に優れる触媒層を用いている。したがって、当該ＰＥＦＣや膜電極接合体は発電性能に優れる。
【０１７２】
本実施形態のＰＥＦＣやこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。
【実施例】
【０１７３】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。【０１７４】
合成例１
国際公開第２００９／７５２６４号に記載の方法により、担体Ａを作製した。このようにして得られた担体Ａについて、平均粒径（直径）、ミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード径ならびにＢＥＴ比表面積を測定した。その結果、平均粒径（直径）が１００ｎｍ；ミクロ孔の空孔容積が１．０６ｃｃ／ｇ；メソ孔の空孔容積が０．９２ｃｃ／ｇ；ミクロ孔のモード径が０．６５ｎｍ；メソ孔のモード径が１．２ｎｍ；およびＢＥＴ比表面積が１７５３ｍ２／ｇであった。また、この担体ＡのＲ’値を測定したところ、０．６３であった。【０１７５】
上記の通り作製した担体Ａを用い、これに触媒金属として平均粒径３．５ｎｍの白金（Ｐｔ）を担持率が３０重量％となるように担持させて、触媒粉末Ａを得た。すなわち、白金濃度４．６重量％のジニトロジアンミン白金硝酸溶液を１０００ｇ（白金含有量：４６ｇ）に担体Ａを４６ｇ浸漬させ撹拌後、還元剤として１００％エタノールを１００ｍｌ添加した。この溶液を沸点で７時間、撹拌、混合し、白金を担体Ａに担持させた。そして、濾過、乾燥することにより、担持率が３０重量％の触媒粉末を得た。その後、水素雰囲気において、温度９００℃に１時間保持し、平均粒径（直径）が１００ｎｍである触媒粉末Ａを得た。【０１７６】
このようにして得られた触媒粉末Ａについて、触媒（Ｐｔ担持後）のミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード径ならびにＢＥＴ比表面積を測定した。その結果を下記表１に示す。また、この触媒粉末ＡのＲ’値を測定したところ、０．６３であった。【０１７７】
合成例２
キャボット社製、Ｂｌａｃｋ  ｐｅａｒｌｓ  ２０００を３．０ｍｏｌ／Ｌの硝酸水溶液中に、８０℃で２時間浸漬させた後、濾過、乾燥を行うことにより酸処理し、担体Ｂを作製した。このようにして得られた担体Ｂについて、平均粒径（直径）、ミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード径ならびにＢＥＴ比表面積を測定した。その結果、平均粒径（直径）が５０ｎｍ；ミクロ孔の空孔容積が０．４９ｃｃ／ｇ；メソ孔の空孔容積が０．４９ｃｃ／ｇ；ミクロ孔のモード径が０．５３ｎｍ；メソ孔のモード径が１．２１ｎｍ；およびＢＥＴ比表面積が１２３６ｍ２／ｇであった。また、この担体ＢのＲ’値を測定したところ、０．７３であった。【０１７８】
続いて、上記合成例１において、担体Ａの代わりに担体Ｂを用いたこと以外は、合成例１と同様に白金を担持させる操作を行い、平均粒径（直径）が１００ｎｍである触媒粉末Ｂを得た。このようにして得られた触媒粉末Ｂについて、触媒（Ｐｔ担持後）のミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード径ならびにＢＥＴ比表面積を測定した。その結果を下記表１に示す。また、この触媒粉末ＢのＲ’値を測定したところ、０．７３であった。【０１７９】
合成例３
国際公開第２００９／７５２６４号に記載の方法により得られた炭素材料を、アルゴン雰囲気下で、５００℃／時間の昇温速度で、１８００℃にまで加熱した後、５分間保持することにより、担体Ｃを作製した。
このようにして得られた担体Ｃについて、平均粒径（直径）ミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード径ならびにＢＥＴ比表面積を測定した。その結果、平均粒径（直径）が１００ｎｍ；ミクロ孔の空孔容積が０．７３ｃｃ／ｇ；メソ孔の空孔容積が０．５８ｃｃ／ｇ；ミクロ孔のモード径が０．６５ｎｍ；メソ孔のモード径が１．２ｎｍ；およびＢＥＴ比表面積が１３４６ｍ２／ｇであった。また、この担体ＣのＲ’値を測定したところ、０．３５であった。【０１８０】
続いて、上記合成例１において、担体Ａの代わりに担体Ｃを用いたこと以外は、合成例１と同様に白金を担持させる操作を行い、平均粒径（直径）が１００ｎｍである触媒粉末Ｃを得た。このようにして得られた触媒粉末Ｃについて、触媒（Ｐｔ担持後）のミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード径ならびにＢＥＴ比表面積を測定した。その結果を下記表１に示す。また、この触媒粉末ＣのＲ’値を測定したところ、０．３５であった。【０１８１】
合成例４
平均粒径（直径）が５０ｎｍ；ミクロ孔の空孔容積が０．４９ｃｃ／ｇ；メソ孔の空孔容積が０．４９ｃｃ／ｇ；ミクロ孔のモード径が０．４７ｎｍ；メソ孔のモード径が１．２１ｎｍ；およびＢＥＴ比表面積が１４４４ｍ２／ｇである、担体（キャボット社製、Ｂｌａｃｋ  ｐｅａｒｌｓ  ２０００）を準備し、担体Ｄとした。また、この担体ＤのＲ’値を測定したところ、０．８５であった。【０１８２】
続いて、上記合成例１において、担体Ａの代わりに担体Ｄを用いたこと以外は、合成例１と同様に白金を担持させる操作を行い、平均粒径（直径）が５０ｎｍである触媒粉末Ｄを得た。このようにして得られた触媒粉末Ｄについて、触媒（Ｐｔ担持後）のミクロ孔及びメソ孔の空孔容積、ミクロ孔及びメソ孔のモード径ならびにＢＥＴ比表面積を測定した。その結果を下記表１に示す。また、この触媒粉末ＤのＲ’値を測定したところ、０．８５であった。【０１８３】
【表１】
2016067876.tif 000005
【０１８４】
上記表１から、触媒粉末Ａ〜Ｄでは、メソ孔及びミクロ孔双方の空孔容積が減少しているが、その減少値は、メソ孔の空孔容積の減少値の方が大きいことが分かる。このような結果から、上記触媒粉末Ａ〜Ｄでは、触媒金属がメソ孔の空孔内に選択的に担持されていると考察される。なお、表１において、触媒粉末Ａ〜Ｄについて、ミクロ孔の空孔容積も若干減少しているが、これは、触媒金属がミクロ孔の入り口を塞いだためであると推測される。【０１８５】
実施例１
合成例１で作製した触媒粉末Ａと、高分子電解質としてのアイオノマ分散液（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）Ｄ２０２０，ＥＷ＝１１００ｇ／ｍｏｌ、ＤｕＰｏｎｔ社製）とをカーボン担体とアイオノマの重量比が０．９となるよう混合した（混合物１）。別途、水とｎ−プロピルアルコール（ＮＰＡ）との混合重量比が６０／４０である混合溶媒１を調製した。この混合溶媒１を、上記混合物１に、固形分率（Ｐｔ＋カーボン担体＋アイオノマ）が７重量％となるよう添加して、カソード触媒インクを調製した。【０１８６】
担体として、ケッチェンブラック（粒径：３０〜６０ｎｍ）を用い、これに触媒金属として平均粒径２．５ｎｍの白金（Ｐｔ）を担持率が５０重量％となるように担持させて、触媒粉末を得た。この触媒粉末と、高分子電解質としてのアイオノマ分散液（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）Ｄ２０２０，ＥＷ＝１１００ｇ／ｍｏｌ、ＤｕＰｏｎｔ社製）とをカーボン担体とアイオノマの重量比が０．９となるよう混合した（混合物２）。別途、水とｎ−プロピルアルコールとの混合重量比が５０／５０である混合溶媒２を調製した。この混合溶媒２を、上記混合物２に、固形分率（Ｐｔ＋カーボン担体＋アイオノマ）が７重量％となるよう添加して、アノード触媒インクを調製した。【０１８７】
次に、高分子電解質膜（Ｄｕｐｏｎｔ社製、ＮＡＦＩＯＮ  ＮＲ２１１、膜厚：２５μｍ）の両面の周囲にガスケット（帝人Ｄｕｐｏｎｔ社製、テオネックス、膜厚：２５μｍ（接着層：１０μｍ））を配置した。次いで、高分子電解質膜の片面の露出部にカソード触媒インクをスプレー塗布法により、５ｃｍ×２ｃｍのサイズに塗布した。スプレー塗布を行うステージを６０℃に１分間保つことで触媒インクを乾燥し、カソード触媒層を得た。このときの白金担持量は０．１５ｍｇ／ｃｍ２である。次に、カソード触媒層と同様に電解質膜上にスプレー塗布および熱処理を行うことでアノード触媒層を形成した。【０１８８】
得られた積層体の両面をガス拡散層（２４ＢＣ，ＳＧＬカーボン社製）で挟持し、膜電極接合体（１）（ＭＥＡ（１））を得た。【０１８９】
実施例２
実施例１において、触媒粉末Ａの代わりに、合成例２で得た触媒粉末Ｂを使用する以外は、実施例１と同様の操作を行い、膜電極接合体（２）（ＭＥＡ（２））を作製した。【０１９０】
比較例１
実施例１において、触媒粉末Ａの代わりに、合成例３で得た触媒粉末Ｃを使用する以外は、実施例１と同様の操作を行い、比較膜電極接合体（１）（比較ＭＥＡ（１））を作製した。【０１９１】
比較例２
実施例１において、触媒粉末Ａの代わりに、合成例４で得た触媒粉末Ｄを使用する以外は、実施例１と同様の操作を行い、比較膜電極接合体（２）（比較ＭＥＡ（２））を作製した。【０１９２】
実験１：酸素輸送に起因する電圧低下評価
上記実施例１〜２で作製された膜電極接合体（１）〜（２）および比較例１〜２で作製された比較膜電極接合体（１）〜（２）について、以下の条件で評価した。すなわち、８０℃、２００ｋＰａ、１００％ＲＨ、１．５Ａ／ｃｍ２におけるＨ２（アノード）／Ｏ２（カソード）とＨ２（アノード）／Ａｉｒ（カソード）の電圧の差ΔＶ（Ｖ）を評価した。結果を下記表２に示す。【０１９３】
【表２】
2016067876.tif 000006
【０１９４】
表２の結果より、実施例のＭＥＡ（１）〜（２）は、比較例の比較ＭＥＡ（１）〜（２）と比較して、電圧低下（ΔＶ）が小さいことが示された。電圧低下（ΔＶ）の値が小さいほど、酸素輸送性に優れるため、本発明の燃料電池用触媒層は、本発明で規定されるＲ’値を持たない触媒を含む電極触媒層に比して、ガス輸送性に優れることが明らかとなった。【０１９５】
本出願は、２０１４年１０月２９日に出願された日本特許出願番号第２０１４−２２０５６９号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として組み入れられている。
【符号の説明】
【０１９６】
１…固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、
２…固体高分子電解質膜、
３…触媒層、
３ａ…アノード触媒層、
３ｃ…カソード触媒層、
４ａ…アノードガス拡散層、
４ｃ…カソードガス拡散層、
５…セパレータ、
５ａ…アノードセパレータ、
５ｃ…カソードセパレータ、
６ａ…アノードガス流路、
６ｃ…カソードガス流路、
７…冷媒流路、
１０…膜電極接合体（ＭＥＡ）、
２０、２０’…触媒、
２２、２２’…触媒金属、
２３、２３’…担体、
２４、２４’…メソ孔、
２５…ミクロ孔。
【図１】
2016067876.tif 000007
【図２】
2016067876.tif 000008
【図３】
2016067876.tif 000009
【国際調査報告】
2016067876.tif 000010
2016067876.tif 000011
2016067876.tif 000012
2016067876.tif 000013