特許 7401493 触媒インクの製造方法、および膜電極接合体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-11

(45)【発行日】2023-12-19

(54)【発明の名称】触媒インクの製造方法、および膜電極接合体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/88 20060101AFI20231212BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20231212BHJP

   H01M 4/92 20060101ALI20231212BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231212BHJP

【ＦＩ】

H01M4/88 K

H01M4/86 M

H01M4/92

H01M8/10 101

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021147417

(22)【出願日】2021-09-10

(65)【公開番号】P2023040454

(43)【公開日】2023-03-23

【審査請求日】2022-04-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100135013

【弁理士】

【氏名又は名称】西田 隆美

(72)【発明者】

【氏名】高木 善則

【審査官】山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２７６７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０４５６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０４２９１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－２１８００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０２２１９１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ４／８６－ ４／９８

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

膜電極接合体のカソード触媒層となる触媒インクの製造方法であって、
カーボン粒子、触媒粒子、および水を調合することにより、第１調合液を生成する第１工程と、
前記第１調合液に、アルコール溶剤を添加することにより、第２調合液を生成する第２工程と、
前記第２調合液に、フッ素基が付与された撥水性カーボン粒子を添加することにより、第３調合液を生成する第３工程と、
前記第３調合液に、アイオノマー溶液を添加することにより、第４調合液を生成する第４工程と、
を含む、触媒インクの製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載の触媒インクの製造方法であって、
前記触媒インクに対する前記アルコール溶剤の割合が、１５ｗｔ％以上である、触媒インクの製造方法。

【請求項3】

膜電極接合体の製造方法であって、
請求項１または請求項２に記載の製造方法により製造された触媒インクを、電解質膜の一方の表面に塗布して、乾燥させることにより、前記カソード触媒層を形成する工程
を含む、膜電極接合体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、触媒インクの製造方法、および膜電極接合体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料に含まれる水素（Ｈ_２）と空気中の酸素（Ｏ_２）との電気化学反応によって発電を行う、燃料電池が知られている。燃料電池には、使用する電解質によって幾つかの種類が存在する。そのうちの１つが、電解質としてイオン交換膜（電解質膜）を用いた固体高分子形燃料電池である。固体高分子形燃料電池は、常温での動作および小型軽量化が可能であるため、自動車、携帯機器、家庭用などの様々な用途に使用されている。

【0003】

固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層が形成された構造を有する。固体高分子形燃料電池の使用時には、アノード側の触媒層に水素ガスが供給され、カソード側の触媒層に酸素ガスが供給される。これにより、アノード側の触媒層と、カソード側の触媒層とにおいて、次の電気化学反応が生じることにより、発電が行われる。
（アノード側） Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ^－
（カソード側） １／２Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ^－ → Ｈ_２Ｏ

【0004】

従来の固体高分子形燃料電池については、例えば、特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０２０－０７７４７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記の通り、固体高分子形燃料電池では、カソード側の触媒層において、水が生成される。このため、カソード側の触媒層において、酸素ガスの供給と、水の排出とを行う必要がある。その際、水の排出性が悪いと、触媒層内において酸素ガスが拡散しにくくなる。その結果、燃料電池の電圧特性が低くなるという問題がある。

【0007】

この点について、上記の特許文献１では、カソード側の触媒層に、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどの繊維状物質を配合することで、触媒層における排水性を向上させている。しかしながら、固体高分子形燃料電池の電解質膜は非常に薄いため、繊維状物質を配合すると、電解質膜が損傷する可能性がある。したがって、特許文献１の方法では、製造工程において電解質膜のリーク検査が必要になると考えられる。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、特許文献１のような繊維状物質を使用することなく、触媒層の排水性を向上させることができる技術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】

【0018】

本願の第１発明は、膜電極接合体のカソード触媒層となる触媒インクの製造方法であって、カーボン粒子、触媒粒子、および水を調合することにより、第１調合液を生成する第１工程と、前記第１調合液に、アルコール溶剤を添加することにより、第２調合液を生成する第２工程と、前記第２調合液に、フッ素基が付与された撥水性カーボン粒子を添加することにより、第３調合液を生成する第３工程と、前記第３調合液に、アイオノマー溶液を添加することにより、第４調合液を生成する第４工程と、を含む。

【0019】

本願の第２発明は、第１発明の触媒インクの製造方法であって、前記触媒インクに対する前記アルコール溶剤の割合が、１５ｗｔ％以上である。

【0020】

本願の第３発明は、膜電極接合体の製造方法であって、第１発明または第２発明の製造方法により製造された触媒インクを、電解質膜の一方の表面に塗布して、乾燥させることにより、前記カソード触媒層を形成する工程を含む。

【発明の効果】

【0028】

本願の第１発明～第３発明によれば、カソード触媒層となる触媒インクに、撥水性カーボン粒子を添加する。これにより、カソード触媒層の排水性を向上させることができる。また、アルコール溶剤を添加した後に、撥水性カーボン粒子を添加する。これにより、撥水性カーボン粒子を均一に分散させることができる。

【0029】

特に、本願の第２発明によれば、撥水性カーボン粒子を、より均一に分散させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】固体高分子形燃料電池のセルの模式図である。

【図2】カソード触媒層の組成を、概念的に示した模式図である。

【図3】撥水性カーボン粒子のイメージ図である。

【図4】カソード触媒層における撥水性カーボン粒子の添加量と、固体高分子形燃料電池の電圧特性との関係を示したグラフである。

【図5】触媒インクの製造手順を示したフローチャートである。

【図6】膜電極接合体の製造手順を示したフローチャートである。

【図7】トルエンを水素化するプロセスに、膜電極接合体の利用する例を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

【0032】

＜１．燃料電池の構造＞
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：Polymer electrolyte fuel cell）の１つのセル１の模式図である。固体高分子形燃料電池は、図１に示すセル１を、直列に複数積層した構造を有する。ただし、固体高分子形燃料電池は、単一のセル１で構成されるものであってもよい。

【0033】

図１に示すように、固体高分子形燃料電池のセル１は、電解質膜１０、アノード触媒層２１、アノードガス拡散層２２、アノードガスケット２３、アノードセパレータ２４、カソード触媒層３１、カソードガス拡散層３２、カソードガスケット３３、およびカソードセパレータ３４を備える。セル１のうち、電解質膜１０、アノード触媒層２１、およびカソード触媒層３１により構成される積層体は、本発明の一実施形態に係る膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assembly）５０である。

【0034】

電解質膜１０は、イオン伝導性を有する薄板状の膜（イオン交換膜）である。電解質膜１０には、フッ素系または炭化水素系の高分子電解質膜が用いられる。具体的には、電解質膜１０として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を含む高分子電解質膜が使用される。電解質膜１０の膜厚は、例えば、５μｍ～３０μｍとされる。

【0035】

アノード触媒層２１は、固体高分子形燃料電池のアノード側の電極（負極）となる層である。アノード触媒層２１は、電解質膜１０のアノード側の表面に形成されている。アノード触媒層２１は、多数の触媒粒子を含む。触媒粒子は、例えば、白金合金である。白金合金は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、鉄（Ｆｅ）等からなる群から選択される少なくとも１種の金属と、白金（Ｐｔ）との合金である。固体高分子形燃料電池の使用時には、アノード触媒層２１に、水素ガス（Ｈ_２）が供給される。そして、アノード触媒層２１の触媒粒子の作用により、水素が、水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）とに分解される。

【0036】

アノードガス拡散層２２は、アノード触媒層２１へ水素ガスを均一に供給するとともに、アノード触媒層２１で生成された電子をアノードセパレータ２４へ流すための層である。アノードガス拡散層２２は、アノード触媒層２１の外側の面に積層されている。アノード触媒層２１は、電解質膜１０とアノードガス拡散層２２との間に挟まれている。アノードガス拡散層２２は、導電性を有し、かつ、多孔質の材料により形成される。アノードガス拡散層２２には、例えば、カーボンペーパーが使用される。

【0037】

アノードガスケット２３は、アノード触媒層２１およびアノードガス拡散層２２から、水素ガスが周囲に漏れることを防止するための層である。図１に示すように、アノードガスケット２３は、電解質膜１０のアノード側の表面に形成され、かつ、アノード触媒層２１およびアノードガス拡散層２２の周囲を囲む。

【0038】

アノードセパレータ２４は、アノードガス拡散層２２へ水素ガスを供給するとともに、アノード触媒層２１からアノードガス拡散層２２を介して流れる電子を、外部回路４０へ出力するための層である。アノードセパレータ２４は、アノードガス拡散層２２およびアノードガスケット２３の外側の面に形成されている。アノード触媒層２１、アノードガス拡散層２２、およびアノードガスケット２３は、電解質膜１０とアノードセパレータ２４との間に挟まれている。アノードセパレータ２４は、導電性を有し、かつ、気体を透過しない材料により形成される。また、アノードセパレータ２４には、多数の溝２４１が形成されている。水素ガスは、アノードセパレータ２４の当該溝２４１を通って、アノードガス拡散層２２へ供給される。

【0039】

カソード触媒層３１は、固体高分子形燃料電池のカソード側の電極（正極）となる層である。カソード触媒層３１は、電解質膜１０のカソード側の表面（アノード触媒層２１とは反対側の表面）に形成されている。カソード触媒層３１は、触媒粒子を担持した多数のカーボン粒子を含む。触媒粒子は、例えば、白金の粒子である。ただし、触媒粒子は、白金の粒子に、微量のルテニウムまたはコバルトの粒子を混合したものであってもよい。固体高分子形燃料電池の使用時には、カソード触媒層３１に、酸素ガス（Ｏ_２）、水素イオン（Ｈ^＋）、および電子（ｅ^－）が供給される。そして、カソード触媒層３１の触媒粒子の作用により、酸素ガス、水素イオン、および電子から、水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

【0040】

なお、カソード触媒層３１のより詳細な組成については、後述する。

【0041】

カソードガス拡散層３２は、カソード触媒層３１へ酸素ガスを均一に供給するとともに、カソードセパレータ３４からカソード触媒層３１へ電子を流すための層である。カソードガス拡散層３２は、カソード触媒層３１の外側の面に積層されている。カソード触媒層３１は、電解質膜１０とカソードガス拡散層３２との間に挟まれている。カソードガス拡散層３２は、導電性を有し、かつ、多孔質の材料により形成される。カソードガス拡散層３２には、例えば、カーボンペーパーが使用される。

【0042】

カソードガスケット３３は、カソード触媒層３１およびカソードガス拡散層３２から、酸素ガスおよび水が周囲に漏れることを防止するための層である。図１に示すように、カソードガスケット３３は、電解質膜１０のカソード側の表面に形成され、かつ、カソード触媒層３１およびカソードガス拡散層３２の周囲を囲む。

【0043】

カソードセパレータ３４は、カソードガス拡散層３２へ酸素ガスを供給するとともに、外部回路４０から供給される電子を、カソードガス拡散層３２へ流すための層である。カソードセパレータ３４は、カソードガス拡散層３２およびカソードガスケット３３の外側の表面に形成されている。カソード触媒層３１、カソードガス拡散層３２、およびカソードガスケット３３は、電解質膜１０とカソードセパレータ３４との間に挟まれている。カソードセパレータ３４は、導電性を有し、かつ、気体を透過しない材料により形成される。また、カソードセパレータ３４には、多数の溝３４１が形成されている。酸素ガスは、カソードセパレータ３４の当該溝３４１を通って、カソードガス拡散層３２へ供給される。

【0044】

外部回路４０は、アノードセパレータ２４とカソードセパレータ３４との間に、接続される。具体的には、外部回路４０の負極側の端子は、アノードセパレータ２４と電気的に接続される。外部回路４０の正極側の端子は、カソードセパレータ３４と電気的に接続される。

【0045】

固体高分子形燃料電池の使用時には、アノードセパレータ２４から、アノードガス拡散層２２を介してアノード触媒層２１に、燃料としての水素ガスが供給される。そうすると、アノード触媒層２１の触媒粒子の作用により、水素原子が、水素イオンと電子とに分解される。水素イオンは、電解質膜１０を通って、カソード触媒層３１へ伝搬する。電子は、アノードガス拡散層２２、アノードセパレータ２４、外部回路４０、カソードセパレータ３４、およびカソードガス拡散層３２を通って、カソード触媒層３１へ流れる。また、セル１のカソード側では、カソードセパレータ３４から、カソードガス拡散層３２を介してカソード触媒層３１に、酸素ガスが供給される。そして、カソード触媒層３１の触媒粒子の作用により、酸素ガス、水素イオン、および電子から、水が生成される。生成された水は、カソードガス拡散層３３およびカソードセパレータ３４を通って、外部へ排出される。

【0046】

＜２．カソード触媒層の組成＞
続いて、上述したカソード触媒層３１の、より詳細な組成について説明する。

【0047】

図２は、カソード触媒層３１の組成を、概念的に示した模式図である。図２に示すように、カソード触媒層３１は、触媒担持カーボン５１、アイオノマー５２、および撥水性カーボン粒子５３を含む。

【0048】

触媒担持カーボン５１は、多数のカーボン粒子５１１と、カーボン粒子５１１に担持された複数の触媒粒子５１２と、を含む。触媒粒子５１２は、例えば、白金（Ｐｔ）の粒子である。ただし、触媒粒子５１２は、白金の粒子に、微量のルテニウムまたはコバルトの粒子を混合したものであってもよい。

【0049】

触媒担持カーボン５１において、カーボン粒子５１１に対する白金の割合が低すぎると、十分な触媒作用を得ることが困難となる。逆に言えば、十分な触媒作用を得るためには、カーボン粒子５１１の量を多くする必要が生じ、それにより、カソード触媒層３１の膜厚が大きくなってしまう。一方、カーボン粒子５１１に対する白金の割合が高すぎると、白金の粒子間の距離が小さくなる。その場合、発電中に白金の粒子同士が融合して、発電性能が低下するという問題が生じる。

【0050】

したがって、カーボン粒子５１１に対する白金の割合は、カソード触媒層３１の膜厚を抑え、かつ、白金の粒子間の距離を、白金の粒子同士が融合しない程度の距離に保つことができるような割合とすることが望ましい。具体的には、カーボン粒子５１１に対する白金の割合（重量比）を、３８ｗｔ％以上かつ６５ｗｔ％以下とすることが望ましい。また、カーボン粒子５１１に対する白金の割合（重量比）を、４０ｗｔ％以上かつ５５ｗｔ％以下とすることが、より望ましい。

【0051】

アイオノマー５２は、触媒担持カーボン５１を覆う電解質ポリマーである。アイオノマー５２は、電解質膜１０から供給される水素イオンを、カソード触媒層３１内で輸送する役割を果たす。アイオノマー５２には、例えば、ナフィオン（パーフルオロカーボンスルホン酸）が使用される。アイオノマー５２は、スルホン基等のイオン交換基を有する高分子鎖構造をもつ。電解質膜１０から供給される水素イオンは、カソード触媒層３１内の水と結合して、オキソニウムイオン（Ｈ_３Ｏ^＋）となる。そして、当該オキソニウムイオンが、アイオノマー５２のイオン交換基を伝って伝搬する。

【0052】

オキソニウムイオンを良好に伝搬するためには、アイオノマー５２の高分子鎖中のイオン交換基の数を多くすることが望ましい。具体的には、イオン交換基１ｍｏｌ当たりのアイオノマー５２の乾燥質量（アイオノマー５２の単位質量あたりのイオン交換基の数の逆数）を示すＥＷ値を、９５０以下とすることが望ましい。例えば、ＥＷ値を、６５０以上かつ９５０以下にするとよい。

【0053】

触媒担持カーボン５１に対するアイオノマー５２の割合が少なすぎると、触媒担持カーボン５１をアイオノマー５２で十分に被覆できなくなる。そうすると、アイオノマーによりオキソニウムイオンを良好に伝搬することが困難となる。一方、触媒担持カーボン５１に対するアイオノマー５２の割合が多すぎると、カソード触媒層３１内の空隙が少なくなる。そうすると、カソード触媒層３１内における酸素ガスの拡散や、カソード触媒層３１で生成された水の排出が、阻害されてしまう。

【0054】

したがって、触媒担持カーボン５１に対するアイオノマー５２の割合は、触媒担持カーボン５１をアイオノマー５２で良好に覆うことができ、かつ、酸素ガスの拡散および水の排出を良好に行うことができるような割合とすることが望ましい。具体的には、触媒担持カーボン５１に対するアイオノマー５２の割合（重量比）を、３０ｗｔ％以上かつ１００ｗｔ％以下とすることが望ましい。また、触媒担持カーボン５１に対するアイオノマー５２の割合（重量比）を、６０ｗｔ％以上かつ１００ｗｔ％以下とすることが、より望ましい。また、触媒担持カーボン５１に対するアイオノマー５２の割合（重量比）を、７５ｗｔ％以上かつ８５ｗｔ％以下とすることが、さらに望ましい。

【0055】

撥水性カーボン粒子５３は、カソード触媒層３１の排水性を向上させるための添加物である。図３は、撥水性カーボン粒子５３のイメージ図である。図３に示すように、撥水性カーボン粒子５３の表面には、撥水性を有する複数のフッ素基（Ｆ）が付与されている。撥水性カーボン粒子５３の直径は、例えば、２ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下である。また、撥水性カーボン粒子５３の比表面積は、例えば、５０ｍ^２／ｇ以上かつ９００ｍ^２／ｇ以下である。

【0056】

図４は、カソード触媒層３１における撥水性カーボン粒子５３の添加量と、固体高分子形燃料電池の電圧特性との関係を示したグラフである。図４のグラフにおいて、横軸は、触媒担持カーボン５１に対する撥水性カーボン粒子５３の割合（重量比）を示している。縦軸は、固体高分子形燃料電池から得られる出力電圧を示している。図４のグラフでは、電流密度が１．５Ａ／ｃｍ^２のときの電圧値を示している。また、図４のグラフでは、供給ガスの相対湿度が２０％ＲＨの場合と、１００％ＲＨの場合と、の２通りの場合の電圧特性が示されている。

【0057】

カソード触媒層３１に撥水性カーボン粒子５３を添加すると、カソード触媒層３１において生成された水を、フッ素基の撥水作用により、効率よく排出することができる。このため、カソード触媒層３１内に空隙を確保し、酸素ガスの供給を効率よく行うことができる。したがって、図４のように、カソード触媒層３１に撥水性カーボン粒子５３を添加すると、撥水性カーボン粒子５３を添加しない場合と比べて、固体高分子形燃料電池の電圧特性を向上させることができる。

【0058】

ただし、撥水性カーボン粒子５３の添加量が多すぎると、絶縁性を有するフッ素基の影響で、カソード触媒層３１の電気抵抗が大きくなる。これにより、図４において、触媒担持カーボン５１に対する撥水性カーボン粒子５３の重量比が２５ｗｔ％の場合のように、固体高分子形燃料電池の電圧特性が却って低下する。

【0059】

したがって、撥水性カーボン粒子５３の添加量は、カソード触媒層３１の排水性を向上させることができ、かつ、フッ素基の影響でカソード触媒層３１の導電性が低下することを抑制できるような量とすることが望ましい。具体的には、触媒担持カーボン５１に対する撥水性カーボン粒子５３の割合（重量比）を、２ｗｔ％以上かつ２０ｗｔ％以下とすることが望ましい。また、触媒担持カーボン５１に対する撥水性カーボン粒子５３の割合（重量比）を、５ｗｔ％以上かつ１５ｗｔ％以下とすることが、より望ましい。例えば、触媒担持カーボン５１に対する撥水性カーボン粒子５３の割合（重量比）を、１０ｗｔ％とするとよい。

【0060】

上述の通り、カソード触媒層３１においては、水素イオンが、水と結合することにより、オキソニウムイオンの形態で伝搬する。このため、電池性能を高めるためには、カソード触媒層３１内に、ある程度の水分が均一に保持されていることが望ましい。ただし、水分が多すぎると、カソード触媒層３１内における酸素ガスの拡散が阻害されてしまう。このため、カソード触媒層３１においては、保持される水分量を最適化することが望ましい。

【0061】

この点において、上述したアイオノマー５２のＥＷ値を小さくすることは、カソード触媒層３１における含水率を増加させる方向に作用する。一方、撥水性カーボン粒子５３を添加することは、カソード触媒層３１における含水率を低下させる方向に作用する。したがって、上述の通り、アイオノマー５２のＥＷ値を９５０以下とし、かつ、撥水性カーボン粒子５３を添加することで、カソード触媒層３１に保持される水分量を、適切な範囲に維持することができる。これにより、固体高分子形燃料電池の電圧特性を、より向上させることができる。

【0062】

＜３．触媒インクの製造手順＞
カソード触媒層３１は、電解質膜１０の表面に、ペースト状の触媒インクを塗布することにより、形成される。以下では、カソード触媒層３１となる触媒インクの製造方法について、説明する。

【0063】

図５は、触媒インクの製造手順を示したフローチャートである。図５に示すように、触媒インクを製造するときには、まず、カーボン粒子５１１、触媒粒子５１２、および水を調合することにより、第１調合液を生成する（第１工程Ｓ１）。この第１工程Ｓ１では、水を加えることにより、カーボン粒子５１１の発火を防止する。

【0064】

次に、第１調合液に、アルコール溶剤を添加することにより、第２調合液を生成する（第２工程Ｓ２）。アルコール溶剤は、例えば、メタノール、エタノール、１－プロパノール、または２－プロパノールなどである。

【0065】

続いて、第２調合液に、フッ素基が付与された撥水性カーボン粒子５３を添加することにより、第３調合液を生成する（第３工程Ｓ３）。この第３工程Ｓ３では、第２工程Ｓ２で加えたアルコール溶剤中において、撥水性カーボン粒子５３が分散する。仮に、上述した第１工程Ｓ１で、撥水性カーボン粒子５３を加えると、フッ素基の撥水作用により、第１調合液中において、撥水性カーボン粒子５３が分散せず、塊となりやすい。これに対し、本実施形態では、第２工程Ｓ２において、予め接触角の小さい（撥水性カーボン粒子５３に対する親和性が高い）アルコール溶液を添加した後に、第３工程Ｓ３において撥水性カーボン粒子５３を添加する。これにより、第３調合液中において、撥水性カーボン粒子５３を、均一に分散させることができる。

【0066】

その後、第３調合液に、アイオノマー溶液を添加することにより、第４調合液を生成する（第４工程Ｓ４）。アイオノマー溶液は、水およびアルコール中にアイオノマー５２を溶解した溶液である。アイオノマー溶液は、水の比率が高いため、第３工程Ｓ３において撥水性カーボン粒子５３を添加して分散させた後に、添加する。

【0067】

その後、第４調合液に対して、さらに分散処理を行う（第５工程Ｓ５）。この第５工程では、例えば、第４調合液を撹拌する。これにより、第４調合液中において、撥水性カーボン粒子５３が、より均一に分散する。その結果、触媒インクが生成される。なお、最終的に生成される触媒インクに対するアルコール溶剤の割合（重量比）は、１５ｗｔ％以上とすることが望ましい。これにより、触媒インクにおける撥水性カーボン粒子５３の分散性を、さらに向上させることができる。

【0068】

＜４．膜電極接合体の製造方法＞
続いて、上述した触媒インクを用いて、膜電極接合体５０を製造する方法について、説明する。

【0069】

図６は、膜電極接合体５０の製造手順を示したフローチャートである。図６に示すように、膜電極接合体５０を製造するときには、電解質膜１０の一方の表面に、上述した手順により製造されたカソード用の触媒インクを塗布する（第６工程Ｓ６）。そして、塗布された触媒インクを乾燥させる（第７工程Ｓ７）。これにより、電解質膜１０の一方の表面に、カソード触媒層３１が形成される。

【0070】

また、電解質膜１０の他方の表面に、アノード用の触媒インクを塗布する（第８工程Ｓ８）。そして、塗布された触媒インクを乾燥させる（第９工程Ｓ９）。これにより、電解質膜１０の他方の表面に、アノード触媒層２１が形成される。その結果、電解質膜１０、アノード触媒層２１、およびカソード触媒層３１により構成される膜電極接合体５０が得られる。

【0071】

なお、カソード触媒層３１を形成する第６工程Ｓ６および第７工程Ｓ７と、アノード触媒層２１を形成する第８工程Ｓ８および第９工程Ｓ９とは、順序が逆であってもよい。

【0072】

＜５．変形例＞
上記の実施形態では、固体高分子形燃料電池に使用される膜電極接合体５０について説明した。しかしながら、本発明の膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池以外の用途に使用されるものであってもよい。

【0073】

例えば、水素を輸送するために、トルエンなどの芳香族化合物を水素化した有機ハイドライド（例えば、トルエン－メチルシクロヘキサン）を、キャリアとして利用する技術がある。図７は、当該技術における有機ハイドライドの生成装置の例を示した図である。図７の装置では、電解質膜１０と、電解質膜１０の一方の表面に形成されたカソード触媒層３１とを有する膜電極接合体５０が使用される。カソード触媒層３１の組成は、上記の固体高分子形燃料電池の場合と同等である。

【0074】

アノード側に設けられた槽２６には、硫酸が貯留される。カソード側に設けられた槽３６には、トルエンが貯留される。カソード触媒層３１とアノード電極２５との間に、電圧を加えて、カソード触媒層３１に電子（ｅ^－）を供給すると、カソード触媒層３１において、下記の電解還元反応が生じる。これにより、有機ハイドライドであるトルエン－メチルシクロヘキサン（ＭＣＨ）を得ることができる。
Ｃ_７Ｈ_８＋６Ｈ^＋＋６ｅ^－ → Ｃ_７Ｈ_１４

【0075】

このように、トルエンの水素化を行うプロセスに使用される膜電極接合体５０のカソード触媒層３１に、フッ素基が付与された撥水性カーボン粒子５３を添加してもよい。

【符号の説明】

【0076】

１ 固体高分子形燃料電池のセル
１０ 電解質膜
２１ アノード触媒層
２２ アノードガス拡散層
２３ アノードガスケット
２４ アノードセパレータ
２５ アノード電極
３１ カソード触媒層
３２ カソードガス拡散層
３３ カソードガスケット
３４ カソードセパレータ
４０ 外部回路
５０ 膜電極接合体
５１ 触媒担持カーボン
５２ アイオノマー
５３ 撥水性カーボン粒子
２４１ アノードセパレータの溝
３４１ カソードセパレータの溝
５１１ カーボン粒子
５１２ 触媒粒子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】