(57)【要約】【課題】高分子電解質の側鎖の親水性官能基が、触媒上に親水層を形成すべく、触媒側に配向している構造（ＰＦＦタイプ）の反応層に適用される触媒を改良し、その触媒金属粒子の使用量を削減する。【解決手段】本発明の燃料電池用触媒の製造方法は、担体に第1の触媒金属粒子を担持させてなる原料触媒を準備するステップと、該原料触媒の表面に第２の触媒金属粒子をスパッタリング法によって担持させるステップと、該第２の触媒金属粒子をスパッタリング法によって担持させた原料触媒を親水基を含んだ水溶液と接触させて該親水基を吸着させるステップと、を含む。例えば、触媒金属粒子として白金粒子、親水基として硝酸基、硝酸基を含んだ水溶液としてヘキサヒドロキソ白金酸の硝酸溶液を用いることができる。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
担体に第1の触媒金属粒子を担持させてなる原料触媒を準備するステップと、
該原料触媒の表面に第２の触媒金属粒子をスパッタリング法によって担持させるステップと、
該第２の触媒金属粒子をスパッタリング法によって担持させた原料触媒を親水基を含んだ水溶液と接触させて該親水基を吸着させるステップと、を含む燃料電池用触媒の製造方法。
【請求項２】
前記第２の触媒金属粒子の粒子径は前記第1の触媒金属粒子の粒子径よりも小さい請求項１に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
【請求項３】
前記親水基は硝酸基であり、前記親水基を含んだ水溶液はヘキサヒドロキソ白金酸の硝酸水溶液である請求項１又は２に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
【請求項４】
前記第1の触媒金属粒子は白金若しくは白金合金からなる請求項１乃至３のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
【請求項５】
前記第２の触媒金属粒子は白金若しくは白金合金からなる請求項１乃至４のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用触媒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は固体電解質膜へ反応層を積層した構成であり、燃料電池反応場である反応層の特性が燃料電池の性能を大きく左右する。
本発明者は、かかる反応層として、親水層を介して触媒の周囲を高分子電解質相で囲繞する構成の反応層（以下、「ＰＦＦ（登録商標：以下同じ）タイプの反応層」ということがある）を提案してきている（特許文献１）。ここに触媒はカーボン粒子等からなる担体に触媒金属粒子を担持させたものである。この反応層では、高分子電解質のイオン性官能基が親水層側に配向して並ぶため、親水層近辺におけるヒドロニウムイオンなどのイオンの伝導度が良好となり、電気化学反応が促進される。また、親水層が水路となって水の移動が容易となるため、過剰な水が少なくてすみ、軽加湿や無加湿においても高出力を得やすくなる。
なお、本願発明に関連する技術を開示する文献として特許文献２及び非特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４００６１号公報
【特許文献２】特開平７−１３４９９５号公報
【非特許文献１】”Carbon” p199 (Kim Kinoshita；John Wiley & Sons 1988)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この触媒金属粒子には白金等の高価な貴金属の微粒子が採用される。燃料電池の製造コストを低減し、燃料電池の普及を図る上で触媒金属粒子の使用量を削減することは重要な課題である。
この発明は、ＰＰＦタイプの反応層に適用される触媒を改良し、その触媒金属粒子の使用量を削減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記従来のＰＦＦタイプの反応層では、カーボン粒子等からなる担体に触媒金属粒子を担持させた触媒の表面に水からなる親水層を形成させる。これにより親水層での水の移動を容易にするのみならず、高分子電解質に含まれるイオン性官能基を親水層側に配向させ、これにより触媒の表面近傍におけるプロトン伝導性の向上を図るというのが原理である。
本発明者らは、この考え方をさらに一歩進め、親水層に水のみならずＮＯ３−等の親水基を存在させれば、触媒の表面近傍におけるプロトン伝導性がさらなに向上するのではないかと考えた。親水層に親水基を存在させる手段としては、触媒と親水基を含んだ水溶液とを接触させて、触媒金属上に親水基を吸着させるということが考えられる。
他方、親水基を直接カーボン担体へ結合させるには、加熱等の厳しい反応条件が必要なため、担体自体を損傷させるおそれがあった。
そこで、担体に触媒金属が担持された触媒に対し、さらにスパッタリング法を用いて触媒金属を全体に付着させることを考えた。こうであれば、付着した触媒金属は親水基が吸着するための足場となり、より多くの親水基の吸着が可能となるからである。
【０００６】
すなわち、本発明の燃料電池用触媒の製造方法の第1の局面は、担体に第1の触媒金属粒子を担持させてなる原料触媒を準備するステップと、該原料触媒の表面に第２の触媒金属粒子をスパッタリング法によって担持させるステップと、該第２の触媒金属粒子をスパッタリング法によって担持させた原料触媒を親水基を含んだ水溶液と接触させて該親水基を吸着させるステップと、を含む。
【０００７】
このように構成された第１の局面に規定の燃料電池用触媒の製造方法では、図１に示すように、まず担体１００に第1の触媒金属粒子１００ａを担持させてなる原料触媒（図１（ａ）参照）を準備し、この原料触媒に第２の触媒金属粒子１００ｂをスパッタリング法によって担持させる（図１（ｂ）参照）。スパッタリング法によって付着する第２の触媒金属粒子１００ｂは極めて小さく、付着力やつきまわり性も良好であるので、担体１００や触媒金属粒子１００ａの周りに強力に付着させることができる。このため、次の、親水基を含んだ水溶液へ原料触媒を接触させて親水基を吸着させるステップにおいて、足場となる触媒金属が、第1の触媒金属粒子１００ａ以外に第２の触媒金属粒子１００ｂも加わり極めて多くなる。このため、吸着する親水基１０１の密度を高めることができる（図１（ｃ）参照）。その結果、この触媒が前述のＰＦＦタイプの反応層に適用された場合、プロトン伝導性が良好となり、電気化学反応が促進される。このため、燃料電池における触媒金属粒子の使用量を少なくしても、良好な電池特性を示すこととなり、燃料電池の製造コストを低減することができる。
【０００８】
この発明の第２の局面は次のように規定される。
即ち、第１の局面に規定の燃料電池用触媒の製造方法において、前記第２の触媒金属粒子の粒子径は前記第1の触媒金属粒子の粒子径よりも小さいこととする。
こうであれば、原料触媒を構成する担体や第１の触媒金属の周面に第２の触媒金属を付着させることができる。このため、親水基を触媒金属上に吸着させるステップにおいて、吸着する親水基の密度を高めることができ、ひいては、ＰＦＦタイプの反応層に適用された場合、プロトン伝導度が良好となり、電気化学反応が促進される。
【０００９】
この発明の第３の局面は次のように規定される。
即ち、第１又は第２の局面に規定の燃料電池用触媒の製造方法において、前記親水基は硝酸基であり、前記親水基を含んだ水溶液はヘキサヒドロキソ白金酸の硝酸水溶液であるとした。
第３の局面で規定する材料を選択することにより、触媒金属粒子に親水基を修飾させるという触媒の化学的処理が可久的速やかに、かつ安定して実行できる。
【００１０】
この発明の第４の局面は次のように規定される。
即ち、第１乃至第３の局面に規定の燃料電池用触媒の製造方法において、
前記第1の触媒金属粒子は白金若しくは白金合金からなることとした。
第４の局面で規定する材料を選択することにより、触媒の活性を特に高いものとすることができる。
【００１１】
この発明の第５の局面は次のように規定される。
即ち、第１乃至第４の局面に規定の燃料電池用触媒の製造方法において、
前記第２の触媒金属粒子は白金若しくは白金合金からなることとした。
第２の触媒金属粒子も燃料電池における電気化学反応の触媒としての役割を果たすことができることから、第４の局面で規定する材料を選択することにより、触媒の活性を特に高いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の燃料電池用触媒の製造方法の製造工程を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態の燃料電池の構成を示す断面図である。
【図３】ＰＦＦ構造の模式図である。
【図４】電解質溶液中における電解質の形態を示す模式図であり、図４（Ａ）は水分が過剰な場合、図４（Ｂ）は水分が適正な場合を示す。
【図５】図５は図４（Ａ）に対応した反応層の構造を示す模式図である。
【図６】図６（Ａ）はプレペーストと電解質溶液との撹拌時間と粘度との関係を示し、図６（Ｂ）は同じく撹拌時間と反応層抵抗の関係を示す。
【図７】この発明の実施の形態の触媒ペーストの製造装置を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態の触媒を製造するための工程図である。
【図９】スパッタリング装置を示す模式斜視図である。
【図１０】親水基吸着工程Ｓ３における反応の様子を示す模式図である。
【図１１】試験例１及び比較例１のＸＰＳのナロースキャンのスペクトルである。
【図１２】試験例１及び比較例１の触媒で作製したＰＦＦ構造を構成する反応層を有する燃料電池単層セルの温度特性である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この発明の燃料電池用触媒の製造方法によって製造された触媒を用いた実施形態の燃料電池１を図２に示す。この燃料電池１は固体電解質膜２を水素極１０と空気極２０とで挟んだ構成である。固体電解質膜２にはプロトン導電性の高分子材料、例えばナフィオン（デュポン社商標名、以下同じ）等のフッ素系ポリマーを用いることができる。
【００１４】
水素極１０は反応層１１及び拡散層１６を備え、固体電解質膜２へ順に積層される。反応層１１はカーボン粒子等の導電性の担体に白金等の触媒金属粒子を担持させたもの（触媒）を電解質でコーティングしたものである。拡散層１６はカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の導電性があり、かつガス拡散性を有する材料から形成される。反応層１１の担体として酸化スズやチタン酸化物を用いることもできる。
電解質はプロトンの移動を許容するものであれば任意に選択可能であるが、耐久性等の見地からナフィオンを用いることが好ましい。
反応層１１を構成する触媒と電解質とのペーストを拡散層１６へ塗布し、乾燥することにより拡散層１６上に反応層１１を積層する。かかる積層体を固体電解質膜２へ貼り合わせる。
空気極２０は反応層２１及び拡散層２６を備える。これら反応層２１及び拡散層２６の基本構造、製造方法は、水素極１０のそれらと同じである。
【００１５】
本発明者はこの反応層としてＰＦＦ構造を提唱してきており、この発明ではＰＦＦ構造に適した触媒の製造方法を提案する。
ＰＦＦ構造について説明する。
ここに、ＰＦＦ（出願人の登録商標）構造とは高分子電解質に存在する親水性官能基が、触媒上に親水層を形成すべく、触媒側に配向している構造をいう。
例えば高分子電解質として汎用されるパーフルオロスルホン酸（ナフィオン等；デュポン社登録商標）においては、疎水性の主鎖Ｅ１に対して親水性官能基としてのスルホン基（ＳＯ３−）が側鎖Ｅ２として結合されており、図３に示す通り、この親水性官能基が触媒Ｃ側に配向することで、触媒Ｃと電解質層Ｅとの間に連続した親水領域Ｗが形成される。凝集した触媒Ｃにおいて、各触媒粒子表面の当該親水領域Ｗは相互に連通している。ＰＦＦ構造の親水領域Ｗにおいてプロトン（Ｈ+）及び水（Ｈ２Ｏ）は円滑に移動可能であり、その結果、燃料電池の電気化学反応が促進される。
また、ＰＦＦ構造によれば、水が触媒Ｃの周囲に集合しているので、少ない水であってもその大部分が効率的に電気化学反応に寄与し、低加湿状態においても燃料電池の発電能力の低下を防止できる。他方、連続した親水領域Ｗは過剰な水の排水パスとして機能し、もって高加湿状態においてもフラッディング現象を予防できる。
【００１６】
上記において触媒Ｃは導電性を備えた担体Ｃ１に触媒金属粒子Ｃ２を担持させたものをいう。担体Ｃ１には導電性と通気性が求められ、多孔質のカーボンブラック粒子を採用することができるが、酸化スズ、チタン酸化合物等を使用することもできる。触媒金属粒子Ｃ２は燃料電池反応の活性点を提供できる金属微粒子からなり、白金、コバルト、ルテニウム等の貴金属及び当該貴金属の合金を用いることができる。
担体Ｃ１へ触媒金属粒子Ｃ２を担持させる方法は両者の材質や触媒の用途に応じて含浸法、コロイド法及び析出沈殿法等の周知の方法のなかから適宜選択できる。
【００１７】
（触媒の処理）
通常触媒は触媒メーカから提供される。燃料電池に求められる特性等に応じてこの触媒を物理的に及び／又は化学的に処理することが好ましい。
（触媒の物理的処理）
触媒の物理的処理として粉砕処理と脱泡処理とがある。
−粉砕処理−
一般的に触媒はその担体どうしが凝集して、２次粒子、３次粒子を形成している。そこで、触媒の表面積を向上させるために、凝集体を粉砕して微粉末化することが好ましい。そのためには、触媒の凝集体を媒体へ分散させて湿式粉砕することが好ましい。
湿式粉砕を採用することにより、乾式粉砕に比べて、触媒の凝集体へより高いエネルギーを加えてこれをより細かく粉砕可能となる。また、乾式粉砕に比べて、触媒の再結合を効果的に防止できる。湿式粉砕の方法として、ホモジナイザー、湿式ジェットミル、ボールミル又はビーズミルを採用することができる。
湿式粉砕を採用することにより触媒の担体に付着した不純物を取り除く効果も得られる。媒体には通常水が採用されるが、不純物の特性に応じて、他の媒体（有機溶剤等）を採用してもよい。最初に水を媒体として湿式粉砕を実行し、その後有機溶剤等で触媒から不純物を除去することもできる。
湿式粉砕した触媒を乾燥させるには、昇華により媒体を除去することが好ましい。これにより、触媒の再凝集を防止できる。媒体を昇華させる方法として真空乾燥法が挙げられる。これに対し、加熱乾燥法を採用すると加熱による媒体の移動の際、あるいは、媒体が蒸発する際に、毛管収縮現象が生じて触媒どうしが再結合し、湿式乾燥で得られた高分散状態を維持できなくなる。
湿式粉砕及び必要に応じて不純物除去を、触媒の担体に対して実行し、担体が媒体（例えば水等）に分散した状態でその担体へ触媒金属粒子を担持させることもできる。この場合においても、乾燥工程としては触媒を分散させている媒体を昇華により除去することが好ましい。
【００１８】
−脱泡処理−
触媒を水に混合分散させた状態で触媒周囲から気泡を除去（脱泡処理）する必要がある。触媒と電解質層との間に親水領域を形成する際に当該気泡が妨げとなるからである。
この脱泡処理はハイブリッドミキサー（自転／公転式遠心撹拌機）により遠心撹拌法を用いることにより行なうことができる。
勿論、当該遠心撹拌法に限定されるものではなく、その他の撹拌法（ボールミル法、スターラー法、ビーズミル法、ロールミル法等）を用いることもできる。
また、湿式粉砕時に、触媒周囲から気泡を除去できる場合もあり、その場合は独立した脱泡処理は不要である。
【００１９】
（プレペーストの調製）
触媒を水に分散してなるプレペーストにおいて水分量を調整する。
触媒の表面へ電解質の親水基を対向させて電解質と触媒との間に親水性領域を得るため、触媒と水とを混合し触媒の表面へ水の層を予め形成しておく（触媒の親水化工程）。
本発明者の検討によれば、触媒と水との混合比は触媒の種類（特に触媒の担体の種類、粒度）に応じて適宜選択されるべきものであるが、触媒と水との混合物（プレペースト）がキャピラリ状態（触媒粒子の全周囲に水が存在するも流動性なし）からスラリー状態（触媒粒子の全周囲に水が存在して流動性あり）に変化する水分状態（流動性限界）及びその近傍の水分状態とすることが好ましい。かかる水分量は、触媒の表面を親水化しつつ、触媒と電解質との間に連続する親水性領域を形成できる最適な量となる。
ここに、流動限界とは、混合物がキャピラリ状態からスラリー状態へと変化し、流動し始める水分含量の限界をいう。
【００２０】
プレペーストのせん断速度と粘度との関係において、粘度をせん断速度に対して両対数でプロットしたときの近似直線を求めたとき、流動限界は近似直線の傾きが−１となるペースト状態であり、スラリー状態は近似直線の傾きが−０．８となるペースト状態である。
せん断速度に対する粘度の関係における近似直線の傾きが−１以上、すなわち、傾きが緩やかになるとともに流動性の高いスラリー状態になる。過剰な水分を含んだ状態はＭＥＡの性能の低下を招くため、ペーストが流動限界からスラリー状態になる、すなわち、傾き−１〜−０．８の範囲となる水添加量が最適量となる。これにより理想的なプレペーストを得ることができる。プレペーストではこの近似直線の傾きにより必要最小限の水分添加量を規定することが重要である。一方、傾きが−１未満（傾きがきつくなる）のキャピラリ状態では混合物の流動性がなくなるため、混合時におけるエネルギーがより必要となり、水と触媒との攪拌が不十分となり易く、好適なプレペーストが得られる条件として適さない。
【００２１】
上記最適量より多い水分量においても触媒の周囲には水が存在するので、触媒表面を親水化できる。しかしながら、かかる過剰な水分は、プレペーストを電解質溶液（プレ溶液）と混合する際に、ＰＦＦ構造構築の妨げとなるおそれがある。過剰な水は触媒を離れ、触媒から離れた領域において電解質の親水基を引き寄せる。従って、触媒に対向する電解質の親水基が減少し、その結果、触媒と電解質との間に形成すべき親水性の領域が狭くなったり、分断されたり、また、当該領域における親水機能の低下（水分の保持力の低下）が生じたりする。
なお、触媒を水中で湿式粉砕する際には、多量の水に触媒を分散させる。ここに水の量は、触媒に対する重量比で５〜１００培とすることが好ましい。その後、水分を除去し、プレペーストとして好適な水分量とする。水分除去には湯煎等の方法を採用できる。
【００２２】
（電解質溶液の調製）
電解質には既述のパーフルオロスルホン酸が一般的に用いられる。この電解質は水と有機溶媒との混合溶媒に溶解され、既述のプレペーストと混合される。
有機溶剤は電解質の特性に応じて適宜選択するものであるが、本発明者の検討によれば、有機溶媒は、第２級アルコール及び第３級アルコールの少なくとも１種であることが好ましい。メタノールやエタノールのような第１級アルコールでは、水分濃度を減らしても電解質溶液の粘度が高くならない。イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）のような第２級アルコールやターシャリーブチルアルコール（ＴＢＡ）のような第３級アルコールが混合されれば、電解質溶液中における電解質の固形分はより解れた状態になる。また、発明者の検討によれば、第２級アルコール及び第３級アルコールが混合されれば、電解質溶液中における電解質の固形分はさらに解れた状態になる。
本発明者は、既述のＰＦＦ構造に用いる電解質溶液の最適化を検討した結果、電解質溶液に含まれるべき最適な水分量が、電解質溶液の１０重量％以下、更に好ましくは５重量％以下であることに気がついた。
【００２３】
電解質と水分量との間には次の関係がある。
電解質溶液中の水分の濃度を低減させると、電解質溶液における電解質の濃度が同じ場合においても電解質溶液の粘度が高くなり、逆に水分の濃度を高くすると電解質溶液の粘度が低くなることを見出した。その理由は次のように推定される。
即ち、電解質溶液の水分の濃度が高い場合、図４の（Ａ）に示す通り、電解質の側鎖Ｅ２に水が吸着し電解質溶液中で電解質の主鎖Ｅ１が縮んで、電解質が分離した状態となり、電解質溶液の粘度が低下すると推察した。また、電解質溶液の水分濃度がやや低くなれば、電解質溶液に含有されている有機溶媒の作用によって、図４の（Ｂ）に示すように、電解質溶液中で電解質の主鎖Ｅ１が開き、相互に絡み易くなるため電解質溶液の粘度が上昇する。
【００２４】
電解質（図４のＡ）の状態で電解質溶液を混合して反応層を形成した場合、この反応層では、図５に示すような状態となっていると考えられる。すなわち、電解質の主鎖が縮んで電解質どうしが分離していることから、これとプレペーストとを混合すると、親水領域Ｗが分散して形成される可能性が高くなる。
換言すれば、電解質の親水性の側鎖Ｅ２を触媒へ対向させて両者の間に親水性の領域を確実に形成するためには、電解質溶液中において電解質は図４の（Ｂ）の状態にすることが好ましい。そのためには、既述のとおり、電解質溶液に含まれる水分量を電解質溶液の１０重量％以下とする。
【００２５】
図４の（Ｂ）の状態の電解質を用いたときのカソード触媒層は図３の状態になると考えられる。
電解質の側鎖Ｅ２は一方向に延びた状態にあり、このため、触媒ペースト、すなわち燃料電池用反応層では、親水性のイオン交換基（スルホン基）がプレペースト中の水を吸着することとなる。このため、図３に示すように、この反応層では、触媒Ｃの表面に電解質の親水基Ｅ２が対向した状態となり、電解質層Ｅと触媒Ｃとの間に親水領域Ｗが形成される。そして、上記のようにスルホン基がプレペースト中の水と吸着することで、触媒Ｃ周りに親水領域Ｗが連続して形成され、かつ互いに連通した状態で形成されると考えられる。このため、この触媒ペーストを用いた反応層では、図３に示すように、プロトン及び水が移動し易く、電気化学的反応が円滑に進行される。かかる反応層を有する燃料電池は低加湿状態及び過加湿状態のいずれであっても、発電能力を高くすること可能となる。
【００２６】
電解質溶液における水分量は、例えば湯煎により電解質溶液から水を蒸発させ、その後、水を適宜添加することにより行なう。
電解質溶液から水を蒸発させる際、電解質溶液に含まれる有機溶剤も揮発する。従って、有機溶剤も必要に応じて添加する。
【００２７】
（プレペーストと電解質溶液との混合）
プレペーストと電解質溶液とを混合して触媒ペーストを得る。
上記のようにして準備されるプレペーストは流動性限界の近傍にあるので高い粘度を有する。また、上記電解質溶液もそこに含まれる水の量が少ないほど粘度が高くなる。
いずれも粘度を高くする条件下で得られたプレペーストと電解質溶液とを混合し撹拌すると、図６（Ａ）に示すように、混合物の粘度が時間とともに低下し、その後一定の値で安定する。
【００２８】
本発明者はプレペーストと電解質溶液との混合物を撹拌したときの混合物の粘度のかかる挙動に着目した。
図６（Ｂ）は撹拌時間（＝粘度）と反応層抵抗との関係を示す。
撹拌時間（＝粘度）を変化させて得た触媒ペーストを用いて燃料電池を構成し、その反応層のインピーダンスを測定した。
図６（Ａ）及び（Ｂ）より、撹拌にともない粘度が低下すると、それに反比例するように、反応層のインピーダンスが高くなることがわかる。インピーダンスが高くなることは反応層中におけるプロトンの移動低下を意味する。
【００２９】
以上より、プレペーストと電解質溶液とを混合して触媒ペーストを作成する際には、撹拌を手早く行なって、混合物の粘度が低下安定する前までに両者の均一混合を完了することが好ましいことがわかる。換言すれば、プレペーストと電解質溶液とを撹拌する際に両者の混合物の粘度をモニタし、その粘度が低位安定する前までに撹拌を止める。
プレペーストと電解質溶液の混合物を撹拌すると、プレペーストの触媒の周囲が電解質で覆われる。このとき、図４（Ｂ）のように開いた状態の電解質はその親水基を触媒に対向させて配向しＰＦＦ構造を構築する。しかしながら、ＰＦＦ構造が構築された後にも撹拌を行なうと（以下、「過撹拌」ということがある）、触媒に対向した電解質が触媒から分離され、そのとき触媒表面の水を奪い、触媒表面から離脱する。触媒表面から離脱した電解質には触媒表面の水が付随するので、電解質は図４（Ａ）の形を取りやすくなる。そのため、触媒ペーストにおける電解質溶液成分の粘度が低下し、これが触媒ペースト自体の粘度の低下を引き起こすと考えられる。また、触媒表面から電解質が離脱することによりＰＦＦ構造が脆弱となり、触媒と電解質との間に形成される親水性領域の機能が低下する。これが、反応層抵抗を上昇させる原因と予想される。
そこで、プレペーストと電解質溶液との混合物の粘度を所定の粘度に調製する。これにより、両者の過撹拌を防止することができる。即ち、過撹拌された混合物は既述のようにその粘度を低下させるので、混合物の粘度が所定の挙動を示したときに撹拌を停止することにより、混合物の過撹拌を防止できる。過撹拌を防止することにより常に安定したＰＦＦ構造を構築可能となる。
【００３０】
プレペーストと電解質溶液との混合撹拌には自転／公転式遠心撹拌機を用いることが好ましいが、混合撹拌機能を有する一般的なボールミル、ビーズミル、スターラー、ホモジナイザー等を採用することもできる。
プレペーストと電解質溶液との混合物の粘度は、それぞれの材料や配合比、更には環境温度等によって変化する。従って、混合物の粘度をモニタしてその挙動（粘度の絶対値にあらず）を検出して評価することとなる。
混合物の粘度の挙動とは、混合物の粘度が低位安定する前までの粘度の時間変化を指す。例えば、単位時間あたりの粘度の低下率や初期粘度に対する粘度の低下率などを採用することができる。
図６（Ａ）から明らかなように、混合物の撹拌が一定時間（図６（Ａ）の例では４分）を超えると時間当たりの粘度の低下割合が大きくなる。そこで、撹拌にともなう混合物の粘度の低下割合が所定値を超えた時点で撹拌を停止することができる。
触媒ペーストを製造する工程において粘度管理をしていくうえでは、ハイブリッドミキサーの回転速度を一定に保つことが好ましい。更には、撹拌を一定温度下で行うことが好ましい。
より正確に粘度管理を行うために、攪拌時にリアルタイムで混合物の粘度計測を行うこともできる。例えば、ローター回転制御式粘度計を用いて、プレペーストと電解質溶液の混合と粘度計測を同時に行うこともできる。また、プレペーストと電解質溶液の混合にビーズミルやホモジナイザー等を用い、ペースト循環ラインに音叉型振動式粘度計などリアルタイム計測可能な粘度計を組み込む方法も適用可能である。
いずれの方法も、一定温度下で攪拌及び粘度計測を行うことが好ましい。
【００３１】
（反応層の形成）
上記のようにして得られた触媒ペーストをガス拡散基材に塗布し、反応層とする。ガス拡散基材としてカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等を採用できる。ガス拡散基材の表面（反応層側の面）に撥水層を形成することが好ましい。この撥水層は例えばＰＴＦＥで撥水処理したカーボンブラックから形成することができる。触媒ペーストの塗布方法には、スクリーン印刷、スプレー、インクジェット等の任意の方法を採用できる。
上記において、粘度の低い触媒ペーストを用いた反応層を、電極のフラッディングし易い部分、例えば、空気出口近傍、水素出口近傍、電極外周部、冷却板近傍等に設けることができる。これにより、高湿度雰囲気でも安定して高性能を示す。
また、粘度の高い触媒ペーストを用いた反応層を、電極の乾燥し易い部分、例えば、空気入口近傍、水素入口近傍、電極中央部分、冷却板から離れた部位等に設けてもよい。これにより、低加湿雰囲気でも安定して高性能を示す。
ガス拡散基材への触媒ペーストの塗布及び乾燥を所定の回数繰返すことで、空気極（ガス拡散基材＋反応層）及び水素極（ガス拡散基材＋反応層）が形成される。これら空気極と水素極とで固体高分子電解質膜を挟み、ホットプレス等によりこれらを接合して膜電極接合体（ＭＥＡ）を得る。この膜電極積層体をセパレータで挟んで最小発電単位である燃料電池が構成される。
【００３２】
以上、専ら触媒ペーストの製造方法及び製造に用いる材料について説明してきた。
図７は触媒ペーストを製造するための装置を示すブロック図である。
触媒ペーストの原料となる触媒、水、貴金属錯体及び電解質はそれぞれ、触媒収容部１００１、水収容部１０２１、貴金属錯体溶液収容部１０２５及び電解質溶液収容部１０４１に準備される。なお、触媒から有機物を洗浄するための有機溶剤が有機溶剤収容部１０２３に準備される。各収容部として収容対象に応じた容量及び材質で形成されたタンクを利用できる。
触媒処理部１００３は物理的処理部１００５及び化学的処理部１００７を備える。物理的処理部１００５は湿式粉砕部１００９及び脱泡部１０１１を備える。湿式粉砕部１００９としてホモジナイザーや湿式ジェットミル等を用いることができる。脱泡部１０１１にはハイブリットミキサ等を用いることができる。化学的処理部１００７は撹拌羽根を備えた汎用的な撹拌装置を適用できる。金属触媒粒子に対する反応性が高い貴金属錯体を採用したときは、触媒スラリーを流通させる管路へ当該貴金属錯体溶液を注入すること化学的反応を完成させることも可能である。
【００３３】
触媒処理部において触媒は多量の水に分散されスラリー状のプレペーストとなっているので、水分量調整部１０３１においてプレペーストの水分量を調整する。
この場合、スラリー状のプレペーストから水分を除去することとなるので、周知の濃縮方法（例えば、加熱蒸発装置、濾過装置、遠心分離装置）等を用いることができる。また、水分量はプレペーストの比重から特定可能であるので、水分量調整部は比重測定装置を備えることが好ましい。また、プレペーストの水分量が過少となった場合を想定して、水分補給装置を備えることが好ましい。
【００３４】
電解質溶液の水分調整部１０４３は加熱蒸発装置及び水分補給装置を備えることが好ましい。水分量は比重から特定可能であるので更に比重測定装置を備えることが好ましい。
混合撹拌部１０５１はそれぞれ水分量の調節されたプレペーストと電解質溶液を混合撹拌し、例えばハイブリッドミキサーを用いることができるが、これに限定されるものではない。なお、過撹拌を避けるために、混合撹拌部１０５１には粘度計１０６１を付設することが好ましい。
【００３５】
＜この発明の実施形態の詳細＞
上記において、この出願で提案する発明は、担体に触媒金属が担持された触媒に対してスパッタリング法に親水基吸着の足場となる触媒金属を触媒の周面に付着せしめた後、触媒の化学的処理による親水基の吸を行い、触媒の表面近傍により多くの親水基が吸着することを図るというものである。
図８に実施形態の触媒の製造方法の工程図を示す。
【００３６】
（準備工程Ｓ１）
準備工程Ｓ１において、カーボンブラックに白金微粒子を担持させた触媒（図１（ａ）参照）を準備する。この白金微粒子が第1の触媒金属粒子である。触媒は市販品をそのまま用いてもよいが、２次凝集している場合には、市販品を粉砕機で粉砕することが好ましい。
【００３７】
（スパッタリング工程Ｓ２）
次にスパッタリング工程Ｓ２として、上記触媒に対してスパッタリング法によって白金極微粒子を付着させる（図１（ｂ）参照）。この白金極微粒子が第２の触媒金属粒子である。これにより、担体及び第1の触媒金属粒子である白金微粒子の表面に第２の触媒金属微粒子である白金極微粒子が付着する。
粉体である触媒に対して粒子ごとに均一なスパッタリングを行うためには、粉体を撹拌しながらスパッタリングを行うことが好ましい。このようなスパッタリング装置としては、例えば特開２００８−３８２１８号公報に記載の多角バレルスパッタリング法が挙げられる。この装置を用いれば、アルゴン流量（全圧）、高周波出力、スパッタリング時間、温度などのスパッタリング条件を制御することにより、例えば担持される白金微粒子の粒径を１〜１００ｎｍ程度の範囲に容易に制御することができる。スパッタリングのターゲットとしては、燃料電池の触媒として機能する金属であれば特に限定はなく、合金であってもよい。特に好ましいのは白金や白金を主成分とする合金（例えば白金−ルテニウム合金など）である。
【００３８】
（親水基吸着工程Ｓ３）
上記スパッタリング工程Ｓ２を行った触媒に対して親水基吸着工程Ｓ３を行う。この親水基吸着工程Ｓ３では、触媒を化学的処理して、その触媒金属粒子の表面を特定の親水基で修飾する。
金属触媒粒子の表面を親水基で修飾することにより、触媒金属粒子の周囲の親水性が向上し、触媒Ｃと電解質層Ｅとの間の親水領域Ｗの親水性が高まる。
ここに修飾とは触媒金属粒子表面に当該修飾基が存在し、通常の製造工程を経ても当該修飾基が触媒金属粒子から分離しないことを意味する。
親水基として硝酸基、アミノ基、スルホン酸基、水酸基及びハロゲン基から選ばれる少なくとも１種を挙げることができる。更に好ましくは親水基として硝酸基、アミノ基及びスルホン酸基から選ばれる少なくとも１種を挙げることができる。
これらの親水基が触媒金属粒子の周囲に存在することにより、触媒金属粒子の周囲に親水領域が形成されやすくなる。触媒金属粒子は担体に均等に分散されているので、結果として触媒の表面の親水領域が形成されやすくなり、また形成後はそれが安定する。
触媒金属粒子へ上記の親水基を修飾する方法として触媒金属粒子と同一若しくは同種の金属（貴金属）の錯体であって前記修飾基を含むものを前記触媒金属粒子へ結合させることができる。この方法によれば、錯体の利用により触媒の構造へ何らストレスを与えることなく触媒金属粒子へ親水基を修飾できる。
【００３９】
触媒金属粒子として白金若しくは白金合金を採用したときは、下記の白金錯体溶液で修飾を行なうことが好ましい。かかる白金錯体溶液として、塩化白金（ＩＶ）酸水和物水溶液（Ｈ2ＰｔＣｌ6・ｎＨ2Ｏ／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ．）、塩化白金（ＩＶ）酸塩酸溶液（Ｈ2ＰｔＣｌ6／ＨＣｌ  ｓｏｌ.）、塩化白金（ＩＶ）酸アンモニウム水溶液（（ＮＨ4）2ＰｔＣｌ6／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ.）、ジニトロジアンミン白金（ＩＩ）水溶液（ｃｉｓ−[Ｐｔ（ＮＨ3）2（ＮＯ2）2]／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ.）、ジニトロジアンミン白金（ＩＩ）硝酸溶液（ｃｉｓ−[Ｐｔ（ＮＨ3）2（ＮＯ2）2]／ＨＮＯ3  ｓｏｌ.）、ジニトロジアンミン白金（ＩＩ）硫酸溶液（ｃｉｓ−[Ｐｔ（ＮＨ3）2（ＮＯ2）2]／Ｈ2ＳＯ4  ｓｏｌ.）、テトラクルル白金（ＩＩ）酸カリウム水溶液（Ｋ2ＰｔＣｌ4）／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ．）、塩化第１白金（ＩＩ）水溶液（ＰｔＣｌ2／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ．）、塩化第２白金（ＩＶ）水溶液（ＰｔＣｌ4／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ．）、テトラアンミン白金（ＩＩ）ジクロライド水和物水溶液（[Ｐｔ（ＮＨ3）4]Ｃｌ2・Ｈ2Ｏ／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ．）、テトラアンミン白金（ＩＩ）水酸化物水溶液（[Ｐｔ（ＮＨ3）4]（ＯＨ）2／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ．）、ヘキサアンミン白金（ＩＶ）ジクロライド水溶液（[Ｐｔ（ＮＨ3）6]Ｃｌ2／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ．）、ヘキサアンミン白金（ＩＶ）水酸化物水溶液（[Ｐｔ（ＮＨ3）6]（ＯＨ）2／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ．）、ヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸水溶液（Ｈ2[Ｐｔ（ＯＨ）6]／Ｈ2Ｏ  ｓｏｌ．）、ヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸硝酸溶液（Ｈ2[Ｐｔ（ＯＨ）6]／ＨＮＯ3  ｓｏｌ．）、ヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸硫酸溶液（Ｈ2[Ｐｔ（ＯＨ）6]／Ｈ2ＳＯ4  ｓｏｌ．）、エタノールアミン白金溶液（Ｈ2[Ｐｔ（ＯＨ）6]／Ｈ2ＮＣＨ2ＣＨ2ＯＨ  ｓｏｌ．）等を採用することができると考える。
【００４０】
発明者の知見によれば、白金若しくは白金合金からなる触媒金属粒子を修飾する親水基として硝酸基を選択することが好ましい。そのためのニトロ白金錯体溶液としては、ＮＯ3-を親水基とするジニトロジアンミン白金（ＩＩ）硝酸溶液（ｃｉｓ−[Ｐｔ（ＮＨ3）2（ＮＯ2）2]／ＨＮＯ3  ｓｏｌ.）、ヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸硝酸溶液（（Ｈ2Ｐｔ（ＯＨ）6）／ＨＮＯ3  ｓｏｌ.）、ＳＯ42-を親水基とするヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸硫酸溶液（（Ｈ2Ｐｔ（ＯＨ）6）／Ｈ2ＳＯ4  ｓｏｌ.）、ＮＨ4+を親水基とするテトラアンミン白金（ＩＩ）水酸化物水溶液（[Ｐｔ（ＮＨ3）4（ＯＨ）2］／Ｈ2Ｏ  ｓｌｎ.）等を採用することができる。
【００４１】
触媒金属粒子へ親水基を修飾する方法は、触媒金属粒子や親水基の特性に応じて適宜選択可能であるが、例えば触媒金属粒子が白金製若しくは白金合金製の場合は、触媒を白金錯体溶液に混合し、必要に応じ撹拌すればよい。硝酸基を選択したときは、ジニトロジアミン白金（錯体）の硝酸水溶液へ原料触媒を投入し、撹拌することで原料触媒の触媒白金粒子へ白金錯体（ジニトロジアミン白金）が吸着する。また、原料触媒を水に分散させた状態でジニトロジアミン白金（錯体）の硝酸水溶液を添加撹拌してもよい。ここで撹拌は羽根やスターラを用いた機械的な撹拌に限定されず、１つの管路へ２つの溶液を流通させることで実行することも可能である。
【００４２】
触媒における触媒金属粒子を効率良く親水基で修飾するには、化学的処理に先立ち物理的処理を実行しておくことが好ましい。触媒を物理的処理しておくことにより、より多くの触媒金属粒子が親水基を含む処理液へ接触できるようになるからである。化学的処理に先立ち物理的処理（特に湿式粉砕）を実行して得た触媒を備えた燃料電池では、かかる処理を実行しない触媒を備えるものに比べ、温度特性が向上する。即ち、同一温度における出力が向上し、さらに、より高い温度での発電が可能となる。
なお、化学的処理により、触媒が再凝集するおそれがあるときは、化学的処理を行なった後に再度物理的処理を行なうことが好ましい。
勿論、触媒に対する化学的処理を最初に実行し、その後に物理的処理を実行してもよい。
なお、ＰＦＦ構造を得るには、少なくとも触媒に対して脱泡処理を行なう必要がある。
【００４３】
（ろ過工程Ｓ４及び洗浄工程Ｓ５）
親水基吸着工程Ｓ３を終えた後、反応液をろ過（ろ過工程Ｓ４及び洗浄工程Ｓ５）し、蒸留水や脱イオン水等で触媒を洗浄し、実施形態の触媒を得る。なお、洗浄工程Ｓ５終了後、必要に応じて洗浄後に加熱や減圧あるいはその両方を行い乾燥する乾燥工程をもうけてもよい。
【００４４】
次のこの発明の実施例について説明する。
（実施例１）
・準備工程Ｓ１
原料触媒としてカーボン担持白金触媒を準備した。この原料触媒はカーボンブラック粒子を担体として、これに触媒白金粒子を周知の方法で担持させたものである（担持量：５０％）。
・スパッタリング工程Ｓ２
このカーボン担持白金触媒を粉砕機で粉砕し、２次凝集をできる限り解消させた後、撹拌機構の付いたスパッタリング装置により白金をターゲットとしたスパッタリングを行う。図９にスパッタリング装置の模式図を示す。この装置は粉体を撹拌しながらスパッタリングを行う装置であり、円筒形状のチャンバー３１内に六角柱容器形状の六角バレル３２が横向きに配置されている。六角バレル３２は図示しない回転機構によって六角バレル３２を一方向に回転させる回転動作、又は一方向に回転させた後に反対方向に回転させる動作を繰り返す振り子動作を行うことにより、六角バレル３２内に入れられたスパッタリングされる粉体を撹拌あるいは回転させながら粉体の二次粒子を分散させつつスパッタリングを行うものである。また、チャンバー３１内には中心軸上にＰｔからなるターゲット３３が配置されている。チャンバー３１内は図示しない真空ポンプによって排気可能とされている。また、本装置は、ターゲット３１と六角型バレル３２との間に高周波を印加する高周波印加機構（図示せず）を備えている。
【００４５】
次に、この装置を用いたスパッタリング方法について説明する。
まず、チャンバー３１を外し、原料触媒３４を六角バレル３２上に載せた後、再びチャンバー３１を被せ、真空ポンプで内部を排気する。そして、所定の真空度に達したら、窒素ガスを導入し窒素ガスで置換する。この操作を繰り返した後、真空に廃棄し、アルゴンガスを所定の圧力となるように導入する。そして、回転機構によって六角バレル３２を回転したり、一方向に回転させた後に反対方向に回転させる動作を繰り返す振り子動作を行いながら、六角バレル３２とターゲット３１との間に高周波を印加して、スパッタリングを行う。スパッタリング終了後、チャンバー３１内を大気圧に戻し、チャンバー３１を外し、スパッタリングの終了した触媒を取り出す。こうして得られたスパッタ処理触媒の担体や触媒金属粒子の表面に白金の極細かい粒子が付着した状態となる。
【００４６】
・親水基吸着工程Ｓ３
ヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸の硝酸溶液(Pt 0.05g/150ml),硝酸濃度０．３％に上記のスパッタ処理触媒１ｇを投入し、室内温度で５時間スターラー撹拌する。その後、ホモジナイザーにかけた。このように湿式粉砕されたスラリーを濾過し、真空中で６０℃２時間乾燥する。更に、窒素雰囲気下で１５０℃２時間熱処理する。親水基吸着工程Ｓ３における反応の様子を示す模式図を図１０に示す。この図に示すように、スパッタリング工程Ｓ２を終えた触媒の表面は、第1の触媒金属粒子１００ａ以外に第２の触媒金属粒子１００ｂが付着し、ヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸は触媒金属粒子１００ｂや触媒金属粒子１００ａを足場として高い密度で吸着する。そして、ヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸の周りには多くの硝酸イオンが配位しているため、結果として触媒金属粒子１００ｂや触媒金属粒子１００ａの周りを多くの硝酸イオンが取り囲むように吸着される。その結果、この触媒が前述のＰＦＦタイプの反応層に適用された場合、プロトン伝導性が良好となり、電気化学反応が促進される。
【００４７】
＜親水基吸着工程Ｓ３の効果確認＞
（試験例１）
原料触媒としてカーボン担持白金触媒を準備した。この原料触媒はカーボンブラック粒子を担体として、これに触媒白金粒子を周知の方法で担持させたものである（担持量：５０％）。
一方、ヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸の硝酸溶液(Pt 0.05g/150ml),硝酸濃度０．３％に原料触媒１ｇを投入し、室内温度で５時間スターラー撹拌する。その後、ホモジナイザーにかけた。このように湿式粉砕されたスラリーを濾過し、真空中で６０℃２時間乾燥する。更に、窒素雰囲気下で１５０℃２時間熱処理する。
【００４８】
（比較例１）
比較例１は試験例１で原料触媒として用いたカーボン担持白金触媒そのものであり、ヘキサヒドロキソ白金（ＩＶ）酸の硝酸溶液による処理を行わなかった。
【００４９】
・ＰＦＦ構造の反応層の調製
上記のようにして調製した試験例１（又は比較例１）の触媒1ｇと、ナフィオンのイソプロピルアルコール溶液（５重量％）10gと、水10ｇをフッ素樹脂からなる密閉容器に入れ、自転／公転式遠心撹拌機（キーエンス社製、商品名「ハイブリッドミキサーＨＭ−５００」によって撹拌し、電極用触媒ペーストを得た。
【００５０】
・燃料電池の組み立て
こうして得られた電極用触媒ペーストを、カーボンクロスを基材としカーボンブラックとＰＴＦＥの混合物からなる撥水層を付与した拡散層の片面に塗布し、拡散層付のＰＦＦ構造を有する反応層とした。そして、ナフィオン膜の両側から拡散層付のＰＦＦ構造を有する反応層で挟み、さらに電池容器に入れて燃料電池単層セルとした。
【００５１】
＜評  価＞
・ＸＰＳ測定
試験例１及び比較例１の触媒のＸＰＳを図１１に示す。図１１の結果から、試験例１では、スパッタリング工程Ｓ２を行うことなく、原料触媒に対してそのまま親水基吸着工程Ｓ３を行ったにもかかわらず、触媒表面は多くの硝酸基が吸着することが分かった。このことから、原料触媒に対してスパッタリング工程Ｓ２を行なった後、親水基吸着工程Ｓ３を行った実施例１の触媒表面には、さらに多くの硝酸基が吸着することとなる。
【００５２】
・燃料電池の温度特性測定
試験例１及び比較例１の触媒で作製したＰＦＦ構造を構成する反応層を有する燃料電池単層セルの温度特性を測定した。また、比較例２は原料触媒における触媒白金粒子担持量を試験例１及び比較例１に比べて４倍としたものである（調製条件及び燃料電池の作製条件は比較例１と同じ）。燃料電池の空気極側へ供給される空気は６０℃でフル加湿されており、セル温度が６０℃より高くなると燃料電池は乾燥条件となる。これにより、よって、図１２の結果は、低加湿環境における燃料電池のパフォーマンスを示している。図１２の結果から、試験例１の製造方法により得られた反応層を備える燃料電池においては、触媒白金粒子担持量を約１／４に減少しても、燃料電池の機能低下が見られないことがわかる。
また、比較例２と実施例１及び比較例１との比較から、試験例１の製造方法により得られた反応層を備える燃料電池においては、触媒白金粒子担持量を約１／４に減少しても、燃料電池の機能低下が見られないことがわかる。
【００５３】
原料触媒に対してスパッタリング工程Ｓ２を行なった後、親水基吸着工程Ｓ３を行った実施例１の触媒表面には、試験例１の触媒よりもさらに多くの硝酸基が吸着している。このため、試験例１の触媒よりもさらに少ない触媒白金粒子担持量であっても、燃料電池の機能低下が見られないこととなる。
【００５４】
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１００、１００ａ…原料触媒（１００…担体、１００ａ…第1の触媒金属粒子）、
１００ｂ…第２の触媒金属粒子、１０１…親水基
【図１】
2013073802.tif 000003
【図２】
2013073802.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2013073802.tif 000010
【図９】
2013073802.tif 000011
【図１０】
2013073802.tif 000012
【図１１】
2013073802.tif 000013
【図１２】
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