(57)【要約】      （修正有）【課題】白金族金属の含有量が少ないにもかかわらず、優れた触媒活性を有する燃料極及び空気極を備える固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極及び空気極は、選択された少なくとも１種類の白金族金属を微粉砕した白金族金属微粉体及びＦｅ−Ｎｉパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、それら微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合した微粉体混合物を所定面積の薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形した微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、連続気泡を画成するパーマロイ溶融物の表面に白金族金属微粉体が露出している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを有するセルスタックを備え、前記セルが、燃料極及び空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に位置する電極接合体膜と、前記燃料極の外側と前記空気極の外側とに位置するセパレータとから形成され、
前記燃料極及び前記空気極が、各種の白金族金属から選択された少なくとも１種類の少量の白金族金属とＦｅ−Ｎｉパーマロイとから形成され、
前記燃料極及び前記空気極は、前記選択された少なくとも１種類の白金族金属を微粉砕した白金族金属微粉体及び前記Ｆｅ−Ｎｉパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、それら微粉体に前記バインダー及び前記気孔形成材を混合した微粉体混合物を所定面積の薄板状に成形した後、前記所定面積の薄板状に成形した前記微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、
前記白金族金属微粉体は、前記パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物に固定されているとともに、前記連続気泡を画成する前記パーマロイ溶融物の表面に露出していることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
前記燃料極及び前記空気極では、前記パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、前記Ｆｅ−Ｎｉパーマロイにおける前記Ｆｅの含有率と前記Ｎｉの含有率とが決定されている請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
前記燃料極及び前記空気極に形成された連続気泡が、該燃料極及び該空気極の前面と後面との間で厚み方向へ不規則に曲折しながら延びているとともに、該燃料極及び該空気極の中心と外周縁との間で径方向へ不規則に曲折しながら延びている請求項１又は請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項４】
前記径方向へ隣接して前記厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、前記径方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、前記厚み方向へ隣接して前記径方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、前記厚み方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が、前記厚み方向に向かって一様ではなく、該厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、前記径方向に向かって一様ではなく、該径方向に向かって不規則に変化している請求項３に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項５】
前記燃料極及び前記空気極に形成された連続気孔の平均径が、１μｍ〜１００μｍの範囲にあるとともに、±０．１μｍ〜±５μｍの範囲で変化している請求項４に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項６】
前記燃料極及び前記空気極の厚み寸法が、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にある請求項１ないし請求項５いずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記Ｆｅ−Ｎｉパーマロイにおける前記Ｆｅの含有率が、４５％〜５５％の範囲、前記Ｆｅ−Ｎｉパーマロイにおける前記Ｎｉの含有率が、４５％〜５５％の範囲にあり、前記白金族金属微粉体と前記パーマロイ微粉体とを混合した微粉体混合物の全重量に対する前記白金族金属微粉体の重量比が、４重量％〜１０重量％の範囲、前記白金族金属微粉体と前記パーマロイ微粉体とを混合した微粉体混合物の全重量に対する前記パーマロイ微粉体の重量比が、９０重量％〜９６重量％の範囲にある請求項１ないし請求項６いずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
前記燃料極及び前記空気極に成形された連続気泡の気孔率が、４５％〜５５％の範囲にある請求項１ないし請求項７いずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
前記燃料極及び前記空気極の密度が、６．０ｇ／ｃｍ２〜８．０ｇ／ｃｍ２の範囲にある請求項１ないし請求項８いずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１０】
前記パーマロイ微粉体の粒径が、１μｍ〜１００μｍの範囲にあり、前記白金族金属微粉体の粒径が、５０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲にある請求項１ないし請求項９いずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１１】
前記固体高分子形燃料電池では、前記燃料極に供給される水素の雰囲気が相対湿度９５％〜１００％の範囲にあり、前記水素の温度が４５℃〜５５℃の範囲にある請求項１ないし請求項１０いずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１２】
前記固体高分子形燃料電池では、前記燃料極に供給される水素の供給圧力が＋０．０６ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａの範囲にある請求項１ないし請求項１１いずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルを有するセルスタックを備えた固体高分子形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を両面から挟持するアノード電極及びカソード電極と、液体燃料を収容する燃料容器と、アノード電極とカソード電極との間に設けられる気液分離性多孔質体からなる燃料気化層と、燃料気化層を両面から挟持する有孔固定板とを有し、カソード電極側に配置した有孔固定板の開口率がアノード電極側に配置した有孔固定板の開口率よりも大きい個体高分子形燃料電池が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２２２１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に開示の個体高分子形燃料電池のカソード電極及びアノード電極の作成方法は、以下のとおりである。炭素粒子に粒子径が３〜５ｎｍの範囲にある白金微粒子を重量比で５５％担持させた触媒担持炭素微粒子を作り、その触媒担持炭素微粒子１ｇに５重量％ナフィオン溶液を適量加えて攪拌し、カソード電極用の触媒ペーストを作る。カソード電極用の触媒ペーストを基材としてのカーボンペーパー上に８ｍｇ／ｃｍ２の量で塗布した後、乾燥させて４ｃｍ×４ｃｍのカソード電極を作製する。次に、白金微粒子に替えて粒子径が３〜５ｎｍの範囲にある白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子（Ｒｕの割合は６０ａｔ％）を重量比で５５％担持させた触媒担持炭素微粒子を作り、その触媒担持炭素微粒子１ｇに５重量％ナフィオン溶液を適量加えて攪拌し、アノード電極用の触媒ペーストを作る。アノード電極用の触媒ペーストを基材としてのカーボンペーパー上に８ｍｇ／ｃｍ２の量で塗布した後、乾燥させて４ｃｍ×４ｃｍのアノード電極を作製する。
【０００５】
固体高分子形燃料電池の電極触媒として各種の白金担持カーボンが広く利用されている。しかし、白金は、貴金属であり、その生産量に限りがある希少な金属資源であることから、その使用を抑えることが求められている。さらに、今後の固体高分子形燃料電池の普及に向けて高価な白金の含有量を極力少なくするとともに、少ない量の白金とともに白金以外の金属を使用した電極の開発が求められている。
【０００６】
本発明の目的は、白金族金属の含有量を極力少なくすることができ、白金族金属の含有量が少ないにもかかわらず、優れた触媒活性（触媒作用）を有する燃料極及び空気極を備え、その燃料極及び空気極を使用して十分な電気を発電することができ、負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる固体高分子形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】
【０００７】
前記課題を解決するための本発明の固体高分子形燃料電池は、複数のセルを有するセルスタックを備え、セルが、燃料極及び空気極と、燃料極と空気極との間に位置する電極接合体膜と、燃料極の外側と空気極の外側とに位置するセパレータとから形成され、燃料極及び空気極が、各種の白金族金属から選択された少なくとも１種類の少量の白金族金属とＦｅ−Ｎｉパーマロイとから形成され、燃料極及び空気極は、選択された少なくとも１種類の白金族金属を微粉砕した白金族金属微粉体及びＦｅ−Ｎｉパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、それら微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合した微粉体混合物を所定面積の薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形した微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、白金族金属微粉体は、パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物に固定されているとともに、連続気泡を画成するパーマロイ溶融物の表面に露出していることを特徴とする。
【０００８】
本発明の固体高分子形燃料電池の一例として、燃料極及び空気極では、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＦｅの含有率と前記Ｎｉの含有率とが決定されている。
【０００９】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例としては、燃料極及び空気極に形成された連続気泡が、燃料極及び空気極の前面と後面との間で厚み方向へ不規則に曲折しながら延びているとともに、燃料極及び空気極の中心と外周縁との間で径方向へ不規則に曲折しながら延びている。
【００１０】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例としては、径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、径方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、厚み方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が、厚み方向に向かって一様ではなく、厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、径方向に向かって一様ではなく、径方向に向かって不規則に変化している。
【００１１】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例としては、燃料極及び空気極に形成された連続気孔の平均径が、１μｍ〜１００μｍの範囲にあるとともに、±０．１μｍ〜±５μｍの範囲で変化している。
【００１２】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例としては、燃料極及び空気極の厚み寸法が、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にある。
【００１３】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例としては、Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＦｅの含有率が、４５％〜５５％の範囲、Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＮｉの含有率が、４５％〜５５％の範囲にあり、白金族金属微粉体とパーマロイ微粉体とを混合した微粉体混合物の全重量に対する白金族金属微粉体の重量比が、４重量％〜１０重量％の範囲、白金族金属微粉体とパーマロイ微粉体とを混合した微粉体混合物の全重量に対するパーマロイ微粉体の重量比が、９０重量％〜９６重量％の範囲にある。
【００１４】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例としては、燃料極及び空気極に成形された連続気泡の気孔率が、４５％〜５５％の範囲にある。
【００１５】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例としては、燃料極及び空気極の密度が、６．０ｇ／ｃｍ２〜８．０ｇ／ｃｍ２の範囲にある。
【００１６】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例としては、パーマロイ微粉体の粒径が、１μｍ〜１００μｍの範囲にあり、白金族金属微粉体の粒径が、５０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲にある。
【００１７】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例として、固体高分子形燃料電池では、燃料極に供給される水素の雰囲気が相対湿度９５％〜１００％の範囲にあり、水素の温度が４５℃〜５５℃の範囲にある。
【００１８】
本発明の固体高分子形燃料電池の他の一例として、固体高分子形燃料電池では、燃料極に供給される水素の供給圧力が＋０．０６ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａの範囲にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、それに使用される燃料極及び空気極が、各種の白金族金属から選択された少なくとも１種類の少量の白金族金属とＦｅ−Ｎｉパーマロイとから形成され、選択された少なくとも１種類の白金族金属を微粉砕した白金族金属微粉体及びＦｅ−Ｎｉパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、それら微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合した微粉体混合物を所定面積の薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形した微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、白金族金属微粉体が、パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物に固定されているとともに、連続気泡を画成するパーマロイ溶融物の表面に露出しているから、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイを使用することで、白金族金属の含有量を極力少なくすることができるとともに、パーマロイ溶融物の表面に露出する白金族金属の触媒活性を利用するとともにＦｅ−Ｎｉパーマロイの触媒活性を利用した燃料極及び空気極を使用して固体高分子形燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００２０】
燃料極及び空気極において、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＦｅ（鉄）の含有率とＮｉ（ニッケル）の含有率とが決定されている固体高分子形燃料電池は、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＦｅやＮｉの含有率が決定されているから、白金族金属の含有量が少ないにもかかわらず、燃料極及び空気極が白金族元素を担持した電極と略同一の仕事関数を備え、燃料極及び空気極が白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を発揮し、パーマロイ溶融物の表面に露出する白金族金属の触媒活性を利用するとともにＦｅ−Ｎｉパーマロイの触媒活性を利用した燃料極及び空気極を使用して固体高分子形燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００２１】
燃料極及び空気極に形成された連続気泡が燃料極及び空気極の前面と後面との間で厚み方向へ不規則に曲折しながら延びているとともに、燃料極及び空気極の中心と外周縁との間で径方向へ不規則に曲折しながら延びている固体高分子形燃料電池は、それら連続気泡が厚み方向及び径方向へ不規則に曲折しながら延びているから、燃料極及び空気極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を気体（水素及び酸素）が通流することで気体を燃料極及び空気極の接触面に広範囲に接触させることができ、燃料極及び空気極の触媒作用を最大限に利用することができる。固体高分子形燃料電池は、それに使用する燃料極及び空気極が優れた触媒活性（触媒作用）を有するとともに、燃料極及び空気極において気体（水素及び酸素）を広範囲に接触させ、燃料極及び空気極の触媒作用を最大限に利用することができるから、その燃料極及び空気極を使用した固体高分子形燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００２２】
径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が径方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が厚み方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が厚み方向に向かって一様ではなく、厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、径方向に向かって一様ではなく、径方向に向かって不規則に変化している固体高分子形燃料電池は、径方向及び厚み方向において一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が厚み方向及び径方向に向かって不規則に変化しているから、燃料極及び空気極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を気体（水素及び酸素）が通流することで気体を燃料極及び空気極の接触面に広範囲に接触させることができ、燃料極及び空気極の触媒作用を最大限に利用することができる。固体高分子形燃料電池は、それに使用する燃料極及び空気極が優れた触媒活性（触媒作用）を有するとともに、燃料極及び空気極において気体（水素及び酸素）を広範囲に接触させ、燃料極及び空気極の触媒作用を最大限に利用することができるから、その燃料極及び空気極を使用した固体高分子形燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００２３】
燃料極及び空気極に形成された連続気孔の平均径が１μｍ〜１００μｍの範囲にあるとともに、±０．１μｍ〜±５μｍの範囲で変化している固体高分子形燃料電池は、燃料極及び空気極に形成された連続気孔の平均径が１〜１００μｍの範囲にあるとともに±０．１μｍ〜±５μｍの範囲で変化しているから、燃料極及び空気極の単位体積当たりに多数の連続気孔が形成され、燃料極及び空気極の比表面積を大きくすることができ、それら気孔を気体（水素及び酸素）が通流することで気体を燃料極及び空気極の接触面に広範囲に接触させることができ、燃料極及び空気極の触媒作用を最大限に利用することができる。固体高分子形燃料電池は、それに使用する燃料極及び空気極が優れた触媒活性（触媒作用）を有するとともに、燃料極及び空気極において気体（水素及び酸素）を広範囲に接触させ、燃料極及び空気極の触媒作用を最大限に利用することができるから、その燃料極及び空気極を使用した固体高分子形燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００２４】
燃料極及び空気極の厚み寸法が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にある固体高分子形燃料電池は、燃料極及び空気極の厚み寸法を前記範囲にすることで、燃料極及び空気極の電気抵抗を小さくすることができ、燃料極及び空気極に電流をスムースに流すことができる。固体高分子形燃料電池は、それに使用する燃料極及び空気極が白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を有するとともに、燃料極及び空気極に電流がスムースに流れる（プロトン導電性がある）から、燃料極及び空気極を使用した固体高分子形燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００２５】
Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＦｅの含有率が４５％〜５５％の範囲、Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＮｉの含有率が４５％〜５５％の範囲にあり、白金族金属微粉体とパーマロイ微粉体とを混合した微粉体混合物の全重量に対する白金族金属微粉体の重量比が４重量％〜１０重量％の範囲、白金族金属微粉体とパーマロイ微粉体とを混合した微粉体混合物の全重量に対するパーマロイ微粉体の重量比が９０重量％〜９６重量％の範囲にある固体高分子形燃料電池は、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＦｅ及びＮｉの含有率を前記範囲で定めているから、白金族元素の含有量が少ないにもかかわらず、燃料極及び空気極が白金族元素を担持した電極と略同一の仕事関数を備え、固体高分子形燃料電池に使用する燃料極及び空気極に白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を発揮させることができる。固体高分子形燃料電池は、微粉体混合物の全重量に対する白金族金属微粉体の重量比が前記範囲にあり、燃料極及び空気極における高価な白金族金属の含有量が少ないから、燃料極及び空気極の材料費を低減させることができ、燃料電池を廉価に作ることができる。固体高分子形燃料電池は、燃料極及び空気極が白金族金属を担持した電極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を発揮するから、燃料極及び空気極を使用した固体高分子形燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００２６】
燃料極及び空気極に成形された連続気泡の気孔率が４５％〜５５％の範囲にある固体高分子形燃料電池は、燃料極及び空気極の気孔率を前記範囲にすることで、燃料極及び空気極が多数の微細な連続気孔を有する多孔質（平均径が１μｍ〜１００μｍの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造）に形成され、燃料極及び空気極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を気体（水素及び酸素）が通流しつつ気体を燃料極及び空気極の接触面に広範囲に接触させることが可能となり、燃料極及び空気極の触媒作用を最大限に利用することができるとともに、固体高分子形燃料電池に使用する燃料極及び空気極に白金族金属を担持した電極と略同様の触媒活性（触媒作用）を確実に発揮させることができる。
【００２７】
燃料極及び空気極の密度が６．０ｇ／ｃｍ２〜８．０ｇ／ｃｍ２の範囲にある固体高分子形燃料電池は、燃料極及び空気極の密度を前記範囲にすることで、燃料極及び空気極が多数の微細な連続気孔を有する多孔質（平均径が１μｍ〜１００μｍの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造）に形成され、燃料極及び空気極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を気体（水素及び酸素）が通流しつつ気体を燃料極及び空気極の接触面に広範囲に接触させることが可能となり、燃料極及び空気極の触媒作用を最大限に利用することができるとともに、固体高分子形燃料電池に使用する燃料極及び空気極に白金族金属を担持した電極と略同様の触媒活性（触媒作用）を確実に発揮させることができる。
【００２８】
パーマロイ微粉体の粒径が１μｍ〜１００μｍの範囲にあり、白金族金属微粉体の粒径が５０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲にある固体高分子形燃料電池は、パーマロイ微粉体の粒径を前記範囲にすることで、燃料極及び空気極が多数の微細な連続気孔を有する多孔質（平均径が１μｍ〜１００μｍの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造）に形成され、燃料極及び空気極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を気体（水素及び酸素）が通流しつつ気体を燃料極及び空気極の接触面に広範囲に接触させることが可能となり、燃料極及び空気極の触媒作用を最大限に利用することができるとともに、固体高分子形燃料電池に使用する燃料極及び空気極に白金族金属を担持した電極と略同様の触媒活性（触媒作用）を確実に発揮させることができる。
【００２９】
燃料極に供給される水素の雰囲気が相対湿度９５％〜１００％の範囲にあり、水素の温度が４５℃〜５５℃の範囲にある固体高分子形燃料電池は、相対湿度９５％〜１００％の雰囲気で燃料極に水素を供給するとともに、４５℃〜５５℃の温度で燃料極に水素を供給することで、燃料極の触媒活性が増加し、固体高分子形燃料電池の起電力が向上し、燃料極及び空気極を使用した固体高分子形燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００３０】
燃料極に供給される水素の供給圧力が＋０．０６ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａの範囲にある固体高分子形燃料電池は、＋０．０６ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａの供給圧力で燃料極に水素を供給することで、燃料極の触媒活性が増加し、固体高分子形燃料電池の起電力が向上し、燃料極及び空気極を使用した固体高分子形燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一例として示す固体高分子形燃料電池の斜視図。
【図２】セルスタックを形成するセルの一例を示す分解斜視図。
【図３】セルの側面図。
【図４】一例として示す燃料極及び空気極の斜視図。
【図５】燃料極及び空気極の一例として示す部分拡大正面図。
【図６】固体高分子形燃料電池の発電を説明する図。
【図７】燃料極及び空気極の起電圧試験の結果を示す図。
【図８】燃料極及び空気極のＩ−Ｖ特性試験の結果を示す図。
【図９】固体高分子形燃料電池に使用する燃料極及び空気極の製造方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
一例として示す固体高分子形燃料電池１０の斜視図である図１等の添付の図面を参照し、本発明に係る固体高分子形燃料電池の詳細を説明すると、以下のとおりである。なお、図２は、セルスタック１２を形成するセル１１の一例を示す分解斜視図であり、図３は、セル１１の側面図である。図４は、一例として示す燃料極１３及び空気極１４の斜視図であり、図５は、燃料極１３及び空気極１４の一例として示す部分拡大図である。図４では、厚み方向を矢印Ｘで示し、径方向を矢印Ｙで示す。
【００３３】
固体高分子形燃料電池１０は、複数のセル１１を有するセルスタック１２（燃料電池スタック）を備え、水素と酸素とを供給することで電気エネルギーを生成する。セルスタック１２では、複数のセル１１（単セル）が一方向へ重なり合って直列に接続されている。セル１１の一例としては、図２に示すように、燃料極１３（アノード）及び空気極１４（カソード）と、燃料極１３及び空気極１４の間に位置（介在）する固体高分子電解質膜１５（電極接合体膜）（スルホン酸基を有するフッ素系イオン交換膜）と、燃料極１３の厚み方向外側に位置するセパレータ１６（バイポーラプレート）と、空気極１４の厚み方向外側に位置するセパレータ１７（バイポーラプレート）とから形成されている。
【００３４】
それらセパレータ１６，１７には、反応ガス（水素や酸素等）の供給流路が刻設されている（彫り込まれている）。セル１１では、図３に示すように、燃料極１３や空気極１４、固体高分子電解質膜１５が厚み方向へ重なり合って一体化し、膜/電極接合体１８(Membrane Electrode Assembly, MEA)を構成し、膜/電極接合体１８をそれらセパレータ１６，１７が挟み込んでいる。膜/電極接合体１８では、ホットプレスによって固体高分子電解質膜１５の一方の面に燃料極１３の面が隙間なく密着し、固体高分子電解質膜１５の他方の面に空気極１４の面が隙間なく密着している。固体高分子電解質膜１５は、プロトン導電性があり、電子導電性がない。
【００３５】
燃料極１３とセパレータ１６との間には、ガス拡散層１９が形成され、空気極１４とセパレータ１７との間には、ガス拡散層２０が形成されている。燃料極１３とセパレータ１６との間であってガス拡散層２０の上部及び下部には、ガスシール２１が設置されている。空気極１４とセパレータ１７との間であってガス拡散層２０の上部及び下部には、ガスシール２２が設置されている。
【００３６】
固体高分子形燃料電池１０（セル１１）に使用する燃料極１３（触媒電極）及び空気極１４（触媒電極）は、前面２３及び後面２４を有するとともに、所定の面積及び所定の厚み寸法Ｌ１を有し、その平面形状が四角形に成形されている。燃料極１３及び空気極１４は、多数の微細な連続気孔２５（連続通気孔）を有する多孔質（マイクロポーラス構造）の薄板状発泡金属電極２６である。連続気孔２５には、ガス（気体）（酸素及び水素）が通流する。なお、燃料極１３や空気極１４の平面形状に特に制限はなく、四角形の他に、その用途にあわせて円形や楕円形等の他のあらゆる平面形状に成形することができる。
【００３７】
燃料極１３及び空気極１４（マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６）は、粉状に微粉砕（粉砕加工）された白金族金属３１と、粉状に微粉砕（粉砕加工）されたＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２とから形成されている。白金族金属３１としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｂ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）を使用することができる。白金族金属３１には、それらのうちの少なくとも１種類が使用される。
【００３８】
白金族金属３１の白金族金属微粉体３３（微粉状に粉砕加工されたＰｔ（白金）、微粉状に粉砕加工されたＰｂ（パラジウム）、微粉状に粉砕加工されたＲｈ（ロジウム）、微粉状に粉砕加工されたＲｕ（ルテニウム）、微粉状に粉砕加工されたＩｒ（イリジウム）、微粉状に粉砕加工されたＯｓ（オスミウム））とＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２のパーマロイ微粉体３４（微粉状に粉砕加工されたＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２）とに所定のバインダー３５（紛状の樹脂系バインダー）を混合し、白金族金属微粉体３３とパーマロイ微粉体３４とバインダー３５とを均一に混合・分散した微粉体混合物３７を作り、更に、微粉体混合物３７に所定の気孔形成材３６（発泡剤）を混合し、気孔形成材３６を均一に混合・分散した微粉体混合物３７を作る。作成した微粉体混合物３７を所定面積の薄板状に成形（押出成形又は射出成形）して薄板状の微粉体混合成形物３８を作り、作成した微粉体混合成形物３８を脱脂及び所定温度で焼結（焼成）することから燃料極１３及び空気極１４（薄板状発泡金属電極２６）が作られている（図９参照）。白金族金属微粉体３３は、パーマロイ微粉体３４が溶融結合したパーマロイ溶融物に固定されているとともに、連続気泡２５を画成かつ囲繞するパーマロイ溶融物の表面に露出している。
【００３９】
燃料極１３及び空気極１４では、パーマロイ微粉体３４の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＦｅの含有率（重量比）とＮｉの含有率（重量比）とが決定されている。具体的には、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＦｅ（鉄）の含有率が４５％〜５５％の範囲、好ましくは、４９％〜５１％の範囲にあり、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＮｉ（ニッケル）の含有率が４５％〜５５％の範囲、好ましくは、４９％〜５１％の範囲にある。
【００４０】
なお、白金の仕事関数は、５．６５（ｅＶ）、Ｆｅの仕事関数は、４．６７（ｅＶ）であり、Ｎｉの仕事関数は、５．２２（ｅＶ）である。Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＦｅの含有率及びＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＮｉの含有率が前記範囲外になると、パーマロイ微粉体３４の仕事関数を白金族元素の仕事関数に近似させることができず、微粉体混合物３７を成形した微粉体混合成形物３８を脱脂・焼結（焼成）して作られた燃料極１３及び空気極１４（薄板状発泡金属電極２６）が白金族元素を担持した電極と略同様の触媒活性（触媒作用）を発揮することができない。
【００４１】
白金族金属微粉体３３とパーマロイ微粉体３４とを混合した微粉体混合物３７の全重量（１００％）に対する白金族金属微粉体３３の重量比（含有率）は、４重量％〜１０重量％の範囲、好ましくは、５重量％〜８重量％の範囲にあり、白金族金属微粉体３３とパーマロイ微粉体３４とを混合した微粉体混合物３７の全重量（１００％）に対するパーマロイ微粉体３４の重量比（含有率）は、９０重量％〜９６重量％の範囲、好ましくは、９２重量％〜９５重量％の範囲にある。白金族金属微粉体３３とパーマロイ微粉体３４とを混合した微粉体混合物３７の全重量に対する白金族金属微粉体３３の重量比、白金族金属微粉体３３とパーマロイ微粉体３４とを混合した微粉体混合物３７の全重量に対するパーマロイ微粉体３４の重量比が前記範囲外になると、微粉体混合物３７を成形した微粉体混合成形物３８を脱脂・焼結（焼成）して作られた燃料極１３及び空気極１４（薄板状発泡金属電極２６）が白金族元素を担持した電極と略同様の触媒活性（触媒作用）を発揮することができない。
【００４２】
燃料極１３及び空気極１４（薄板状発泡金属電極２６）には、径が異なる多数の微細な連続気孔２５（連続通気孔）が形成されている。燃料極１３及び空気極１４は、多数の微細な連続気孔２５が形成されているから、その比表面積が大きい。燃料極１３及び空気極１４（薄板状発泡金属電極２６）に形成されたそれら連続気孔２５は、燃料極１３及び空気極１４の前面２３に開口する複数の通流口２７と、燃料極１３及び空気極１４の後面２４に開口する複数の通流口２７とを有し、燃料極１３及び空気極１４の前面２３から後面２４に向かって燃料極１３及び空気極１４をその厚み方向に貫通しているとともに、燃料極１３及び空気極１４の中心から外周縁２８に向かってその径方向に貫通している。
【００４３】
それら連続気孔２５は、燃料極１３及び空気極１４の前面２３と後面２４との間において燃料極１３及び空気極１４の厚み方向へ不規則に曲折しながら延びているとともに、燃料極１３及び空気極１４の外周縁２８から中心に向かって燃料極１３及び空気極１４の径方向へ不規則に曲折しながら延びている。径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気孔２５（連続通気孔）は、径方向において部分的につながり、一方の気孔２５と他方の気孔２５とが互いに連通している。厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら連続気孔２５（連続通気孔）は、厚み方向において部分的につながり、一方の気孔２５と他方の気孔２５とが互いに連通している。
【００４４】
それら連続気孔２５の平均径（開口面積）は、厚み方向に向かって一様ではなく、厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、径方向に向かって一様ではなく、径方向に向かって不規則に変化している。それら連続気孔２５は、その平均径（開口面積）が大きくなったり、小さくなったりしながら厚み方向と径方向とへ不規則に開口している。また、燃料極１３及び空気極１４の前面２３に開口する通流口２７と後面２４に開口する通流口２７とは、その平均径（開口面積）が一様ではなく、その平均径がすべて相違している。それら連続気孔２５の平均径（開口面積）や前後面２３，２４の通流口２７の平均径（開口面積）は、１μｍ〜１００μｍの範囲、好ましくは、４５μｍ〜５５μｍの範囲にあり、±０．１μｍ〜±５μｍ（連続気孔２５の平均径の変化幅）の範囲で変化している。
【００４５】
固体高分子形燃料電池１０は、それに使用する燃料極１３及び空気極１４に厚み方向や径方向へ不規則に曲折しながら延びる複数の連続気孔２５（連続通気孔）が形成され、その気孔２５の平均径が１〜１００μｍの範囲（好ましくは、４５μｍ〜５５μｍの範囲）にあり、連続気孔２５の平均径の変化幅が±０．１μｍ〜±５μｍの範囲にあるから、燃料極１３や空気極１４の単位体積当たりに多数の連続気孔２５が形成され、燃料極１３や空気極１４の比表面積を大きくすることができ、それら気孔２５をガス（気体）（酸素及び水素）が通流しつつガス（気体）を燃料極１３や空気極１４のそれら気孔２５における接触面に広範囲に接触させることができ、燃料極１３や空気極１４の触媒活性（触媒作用）を有効かつ最大限に利用することができる。
【００４６】
燃料極１３及び空気極１４（マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６）は、その厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にある。燃料極１３及び空気極１４の厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ未満では、燃料極１３及び空気極１４の強度が低下し、衝撃が加えられたときに燃料極１３及び空気極１４が容易に破損又は損壊し、その形状を維持することができない場合がある。燃料極１３及び空気極１４の厚み寸法Ｌ１が０．５ｍｍを超過すると、燃料極１３及び空気極１４の電気抵抗が大きくなり、燃料極１３及び空気極１４に電流がスムースに流れず（プロトン導電性が低く）、燃料極１３及び空気極１４が固体高分子形燃料電池１０に使用されたときに燃料電池１０において十分な電気を発電することができず、燃料電池１０に接続された負荷３０に十分な電気エネルギーを供給することができない。
【００４７】
固体高分子形燃料電池１０は、それに使用する燃料極１３及び空気極１４の厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にあるから、燃料極１３及び空気極１４が高い強度を有してその形状を維持することができ、燃料極１３及び空気極１４に衝撃が加えられたときの燃料極１３及び空気極１４の破損や損壊を防ぐことができる。更に、燃料極１３及び空気極１４の電気抵抗を小さくすることができ、燃料極１３及び空気極１４に電流がスムースに流れ（プロトン導電性が高く）、燃料極１３及び空気極１４が固体高分子形燃料電池１０に使用されたときに燃料電池１０において十分な電気を発電することができ、燃料電池１０に接続された負荷３０に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００４８】
燃料極１３及び空気極１４（マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６）は、その気孔率が４５％〜５５％の範囲にある。燃料極１３及び空気極１４の気孔率が４５％未満では、燃料極１３及び空気極１４に多数の微細な連続気孔２５（連続通気孔）が形成されず、燃料極１３及び空気極１４の比表面積を大きくすることができない。燃料極１３及び空気極１４の気孔率が５５％を超過すると、連続気孔２５（連続通気孔）の平均径（開口面積）や前後面２３，２４の通流口２７の平均径（開口面積）が必要以上に大きくなり、燃料極１３及び空気極１４の強度が低下し、衝撃が加えられたときに燃料極１３及び空気極１４が容易に破損又は損壊し、その形状を維持することができない場合があるとともに、燃料極１３及び空気極１４の触媒作用が低下し、燃料極１３及び空気極１４が十分な触媒活性を発揮することができず、燃料極１３や空気極１４の触媒活性（触媒作用）を有効に利用することができない。
【００４９】
固体高分子形燃料電池１０は、それに使用する燃料極１３及び空気極１４の気孔率が前記範囲にあるから、燃料極１３及び空気極１４が平均径（開口面積）の異なる多数の微細な連続気孔２５（平均径が１〜１００μｍの範囲、好ましくは、４５μｍ〜５５μｍの範囲の連続気孔２５）や平均径（開口面積）の異なる多数の微細な前後面２３，２４の通流口２７（平均径が１〜１００μｍの範囲、好ましくは、４５μｍ〜５５μｍの範囲の通流口２７）を有する多孔質（マイクロポーラス構造）に成形され、燃料極１３及び空気極１４の比表面積を大きくすることができ、それら気孔２５を気体（酸素及び水素）が通流しつつ気体を燃料極１３及び空気極１４のそれら気孔２５における接触面に広く接触させることができる。更に、燃料極１３及び空気極１４の触媒作用が向上し、燃料極１３及び空気極１４に優れた触媒活性を発揮させることができ、燃料極１３及び空気極１４が固体高分子形燃料電池１０に使用されたときに燃料電池１０において十分な電気を発電することができ、燃料電池１０に接続された負荷３０に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００５０】
燃料極１３及び空気極１４（マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６）は、その密度が６．０ｇ／ｃｍ２〜８．０ｇ／ｃｍ２の範囲、好ましくは、６．５ｇ／ｃｍ２〜７．５ｇ／ｃｍ２の範囲にある。燃料極１３及び空気極１４の密度が６．０ｇ／ｃｍ２（６．５ｇ／ｃｍ２）未満では、燃料極１３及び空気極１４の強度が低下し、衝撃が加えられたときに燃料極１３及び空気極１４が容易に破損又は損壊し、その形状を維持することができない場合があるとともに、燃料極１３及び空気極１４の触媒作用が低下し、燃料極１３及び空気極１４が十分な触媒活性を発揮することができず、燃料極１３や空気極１４の触媒活性（触媒作用）を有効に利用することができない。燃料極１３及び空気極１４の密度が８．０ｇ／ｃｍ２（７．５ｇ／ｃｍ２）を超過すると、燃料極１３及び空気極１４に多数の微細な連続気孔２５や多数の微細な通流口２７が形成されず、燃料極１３及び空気極１４の比表面積を大きくすることができないとともに、燃料極１３及び空気極１４の触媒作用が低下し、燃料極１３及び空気極１４が十分な触媒活性を発揮することができず、燃料極１３や空気極１４の触媒活性（触媒作用）を有効に利用することができない。
【００５１】
固体高分子形燃料電池１０は、それに使用する燃料極１３及び空気極１４の密度が前記範囲にあるから、燃料極１３及び空気極１４が平均径（開口面積）の異なる多数の微細な連続気孔２５（平均径が１〜１００μｍの範囲、好ましくは、４５μｍ〜５５μｍの範囲の連続気孔２５）や平均径（開口面積）の異なる多数の微細な前後面２３，２４の通流口２７（平均径が１〜１００μｍの範囲、好ましくは、４５μｍ〜５５μｍの範囲の通流口２７）を有する多孔質（マイクロポーラス構造）に成形され、燃料極１３及び空気極１４の比表面積を大きくすることができ、それら気孔２５を気体（酸素及び水素）が通流しつつ気体を燃料極１３及び空気極１４のそれら気孔２５における接触面に広く接触させることができ、燃料極１３及び空気極１４の触媒作用を有効かつ最大限に利用することができる。更に、燃料極１３及び空気極１４の触媒作用が向上し、燃料極１３及び空気極１４に優れた触媒活性を発揮させることができ、燃料極１３及び空気極１４が固体高分子形燃料電池１０に使用されたときに燃料電池１０において十分な電気を発電することができ、燃料電池１０に接続された負荷３０に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００５２】
パーマロイ微粉体３４（粉状に加工されたＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２）の粒径は、１μｍ〜１００μｍの範囲、好ましくは、３０μｍ〜６０μｍの範囲にある。白金族金属微粉体３３（Ｐｔの微粉体（粉状に加工されたＰｔ）、Ｐｂの微粉状（粉状に加工されたＰｂ）、Ｒｈの微粉状（粉状に加工されたＲｈ）、Ｒｕの微粉状（粉状に加工されたＲｕ）、Ｉｒの微粉状（粉状に加工されたＩｒ）、Ｏｓの微粉状（粉状に加工されたＯｓ））の粒径は、５０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲にある。
【００５３】
パーマロイ微粉体３４の粒径が１μｍ未満では、パーマロイ微粉体３４によって連続気孔２５（連続通気孔）が塞がれ、燃料極１３及び空気極１４に多数の微細な連続気孔２５を形成することができず、燃料極１３及び空気極１４の比表面積を大きくすることができないとともに、燃料極１３及び空気極１４の触媒作用が低下し、燃料極１３及び空気極１４が十分な触媒活性を発揮することができず、燃料極１３や空気極１４の触媒活性（触媒作用）を有効に利用することができない。パーマロイ微粉体３４の粒径が１００μｍを超過すると、連続気孔２５の平均径（開口面積）や前後面２３，２４の通流口２７の平均径（開口面積）が必要以上に大きくなり、燃料極１３及び空気極１４に多数の微細な連続気孔２５を形成することができず、燃料極１３及び空気極１４の比表面積を大きくすることができないとともに、燃料極１３及び空気極１４の触媒作用が低下し、燃料極１３及び空気極１４が十分な触媒活性を発揮することができず、燃料極１３や空気極１４の触媒活性（触媒作用）を有効に利用することができない。
【００５４】
固体高分子形燃料電池１０は、燃料極１３及び空気極１４を形成するパーマロイ微粉体３４の粒径が前記範囲にあるから、燃料極１３や空気極１４が平均径（開口面積）の異なる多数の微細な連続気孔２５（平均径が１〜１００μｍの範囲、好ましくは、４５μｍ〜５５μｍの範囲の連続気孔２５）や平均径（開口面積）の異なる多数の微細な前後面２３，２４の通流口２７（平均径が１〜１００μｍの範囲、好ましくは、４５μｍ〜５５μｍの範囲の通流口２７）を有する多孔質（マイクロポーラス構造）に成形され、燃料極１３や空気極１４の比表面積を大きくすることができ、それら気孔２５をガス（酸素及び水素）が通流しつつガス（気体）を燃料極１３や空気極１４のそれら気孔２５における接触面に広く接触させることができるとともに、燃料極１３や空気極１４の触媒活性（触媒作用）を有効かつ最大限に利用することができる。更に、燃料極１３及び空気極１４の触媒作用が向上し、燃料極１３及び空気極１４に優れた触媒活性を発揮させることができ、燃料極１３及び空気極１４が固体高分子形燃料電池１０に使用されたときに燃料電池１０において十分な電気を発電することができ、燃料電池１０に接続された負荷３０に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００５５】
燃料極１３及び空気極１４（マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６）に使用する白金族金属３１の具体例としては、図９に示すように、粉状に加工された白金３１（Ｐｔ）の白金族金属微粉体３３（粒径：５０ｎｍ〜８０ｎｍ）が使用されている。白金３１とＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２の微粉体３３，３４とに所定のバインダー３５及び所定の気孔形成材３６（発泡剤）を均一に混合・分散した微粉体混合物３７を作り、その微粉体混合物３７を押出成形又は射出成形によって所定面積の薄板状に成形して薄板状の微粉体混合成形物３８を作り、その微粉体混合成形物３８を脱脂するとともに所定温度で焼結（焼成）することで、多数の微細な連続気孔２５（平均径が１〜１００μｍの範囲、好ましくは、４５μｍ〜５５μｍの範囲の連続気孔２５）が形成されているとともに、パーマロイ微粉体３４が溶融結合したパーマロイ溶融物に白金族金属微粉体３３が固定され、連続気泡２７を画成かつ囲繞するパーマロイ溶融物の表面に白金族金属微粉体３４３が露出するマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６に成形される。
【００５６】
図６は、固体高分子形燃料電池１０の発電を説明する図であり、図７は、燃料極１３及び空気極１４の起電圧試験の結果を示す図である。図８は、燃料極１３及び空気極１４のＩ−Ｖ特性試験の結果を示す図である。固体高分子形燃料電池１０では、図６に示すように、燃料極１３（電極）に水素（燃料）が供給され、空気極１４（電極）に空気（酸素）が供給される。
【００５７】
燃料極１３に供給される水素（燃料）の雰囲気（燃料の相対湿度）は、相対湿度９５％〜１００％の範囲、好ましくは、１００％であり、水素の温度は、４５℃〜５５℃の範囲、好ましくは、４９℃〜５１℃の範囲にある。燃料極１３に供給される水素には、燃料極１３に供給される前に蒸気発生器（図示せず）から蒸気が供給され、その雰囲（燃料の相対湿度）が９５％〜１００％（好ましくは、１００％）に上昇するとともに、その温度が４５℃〜５５℃（好ましくは、４９℃〜５１℃）に上昇する。
【００５８】
燃料極１３に供給される水素の供給圧力及び空気極１４に供給される空気の供給圧力は、＋０．０６ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａの範囲、好ましくは、＋０．０７ＭＰａである。固体高分子形燃料電池１０では、燃料極１３に供給する水素及び空気極１４に供給する空気を（給気）圧送する給気ポンプ（図示せず）が設置され、給気ポンプによって燃料極１３に供給される水素の供給圧力が＋０．０６ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａの範囲、好ましくは、＋０．０７ＭＰａに昇圧されるとともに、給気ポンプによって空気極１４に供給する空気の供給圧力が＋０．０６ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａの範囲、好ましくは、＋０．０７ＭＰａに昇圧される。
【００５９】
燃料極１３（電極）では、水素がＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応（触媒作用）によってプロトン（水素イオン、Ｈ＋）と電子とに分解される。その後、プロトンが固体高分子電解質膜１５内を通って空気極１４へ移動し、電子が導線２９内を通って空気極１４へ移動する。固体高分子電解質膜１５には、燃料極１３で生成されたプロトンが通流する。空気極１４（電極）では、固体高分子電解質膜１５から移動したプロトンと導線２９を移動した電子とが空気中の酸素と反応し、４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ→２Ｈ２Ｏの反応によって水が生成される。
【００６０】
固体高分子形燃料電池１０では、燃料極１３及び空気極１４がＰｔ３１（白金）（白金族金属）を微粉砕した白金族金属微粉体３７（粒径：５０ｎｍ〜８０ｎｍ）を含み、更に、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２を微粉砕したパーマロイ微粉体３４の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＦｅの含有率（重量比）とＮｉの含有率（重量比）とが決定されているから、燃料極１３及び空気極１４が白金族元素（白金）を担持した電極と略同一の仕事関数を備え、白金族元素（白金）を担持した電極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を示し、水素がプロトンと電子とに効率よく分解される。
【００６１】
起電圧試験では、水素ガスを注入してから１５分の間、燃料極１３と空気極１４との間の電圧（Ｖ）を測定した。図７の起電圧試験の結果を示す図では、横軸に測定時間（ｍｉｎ）を表し、縦軸に燃料極１３と空気極１４との間の電圧（Ｖ）を表す。燃料極１３及び空気極１４を使用した固体高分子形燃料電池１０では、図７に示すように、電極間の電圧が１．０７（Ｖ）〜１．０８８（Ｖ）であった。
【００６２】
Ｉ−Ｖ特性試験では、燃料極１３と空気極１４との間に負荷３０を接続し、電圧と電流との関係を測定した。図８のＩ−Ｖ特性試験の結果を示す図では、横軸に電流（Ａ）を表し、縦軸に電圧（Ｖ）を表す。燃料極１３及び空気極１４を使用した固体高分子形燃料電池１０では、図８に示すように、緩やかな電圧降下が認められた。図７の起電圧試験の結果や図８のＩ−Ｖ特性試験の結果に示すように、燃料極１３及び空気極１３が電子を放出させて水素イオンとなる反応を促進させる優れた触媒作用を有するとともに、優れた酸素還元機能（触媒作用）を有することが確認された。
【００６３】
固体高分子形燃料電池１０は、それに使用される燃料極１３及び空気極１４が各種の白金族金属から選択された少なくとも１種類の少量の白金族金属３１（白金３１）とＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２とから形成され、選択された少なくとも１種類の白金族金属３１を微粉砕した白金族金属微粉体３３及びＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２を微粉砕したパーマロイ微粉体３４に所定のバインダー４５を均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材３６を均一に混合・分散し、それら微粉体３３，３４にバインダー３５及び気孔形成材３６を混合した微粉体混合物３７を所定面積の薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形した微粉体混合成形物３８を脱脂・焼結することで、多数の微細な連続気孔２５が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６であり、パーマロイ微粉体３４が溶融結合したパーマロイ溶融物に白金族金属微粉体３３が固定されているとともに、連続気泡２５を画成かつ囲繞するパーマロイ溶融物の表面に白金族金属微粉体３３が露出し、更に、パーマロイ微粉体３４の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＦｅの含有率（重量比）とＮｉの含有率（重量比）とが決定されているから、燃料極１３や空気極１４が白金族元素（白金）を担持した電極と略同一の仕事関数を備え、燃料極１３や空気極１４が優れた触媒活性（触媒作用）を有し、燃料極１３や空気極１４が白金族元素（白金）を担持した電極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を発揮することで、その燃料極１３及び空気極１４を使用して十分な電気を発電することができ、燃料電池１０に接続された負荷３０に十分な電気エネルギーを供給することができる。
【００６４】
固体高分子形燃料電池１０は、それに使用する燃料極１３及び空気極１４がＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２を主成分とし、白金族金属３１の含有量が少ないから、燃料極１３や空気極１４の材料費を低減させることができ、固体高分子形燃料電池１０を廉価に作ることができるとともに、固体高分子形燃料電池１０の運転コストを下げることができる。
【００６５】
固体高分子形燃料電池１０は、相対湿度９５％〜１００％の雰囲気の水素（燃料）を燃料極１３に供給し、４５℃〜５５℃の温度の水素を燃料極１３に供給し、＋０．０６ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａの供給圧力で燃料極１３に水素を供給するとともに＋０．０６ＭＰａ〜＋０．０８ＭＰａの供給圧力で空気極１４に空気（酸素）を供給することで、燃料極１３や空気極１４の触媒活性が増加し、燃料電池１０の起電力が向上し、非白金の燃料極１３や空気極１４を使用して十分な電気を確実に発電することができ、燃料電池１０に接続された負荷３０に十分な電気エネルギーを確実に供給することができる。
【００６６】
図９は、固体高分子形燃料電池１０に使用する燃料極１３及び空気極１４の製造方法を説明する図である。燃料極１３及び空気極１４は、図９に示すように、含有率決定工程Ｓ１、微粉体作成工程Ｓ２、微粉体混合物作成工程Ｓ３、微粉体混合成形物作成工程Ｓ４、薄板状発泡金属電極作成工程Ｓ５を有する電極製造方法によって製造される。電極製造方法では、白金族金属３１とＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２とを原料として燃料極１３及び空気極１４を製造する。なお、白金族金属３１として白金３１（Ｐｔ）が使用されたものとする。
【００６７】
含有率決定工程Ｓ１では、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２を微粉砕したパーマロイ微粉体３４の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＦｅ（鉄）の含有率とＮｉ（ニッケル）の含有率とを決定する。Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＦｅの含有率は、４５％〜５５％の範囲、好ましくは、４９％〜５１％の範囲で決定され、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＮｉの含有率は、４５％〜５５％の範囲、好ましくは、４９％〜５１％の範囲で決定される。
【００６８】
微粉体作成工程Ｓ２では、各種の白金族金属の中から選択された少なくとも１種類の白金族金属３１（白金３１）を微粉砕して白金族金属微粉体３３を作り、含有率決定工程Ｓ１によって決定した含有率のＦｅ及びＮｉから形成されたＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２を微粉砕してパーマロイ微粉体３４を作る。微粉砕機によって白金３４（Ｐｔ）を５０ｎｍ〜８０ｎｍの粒径に微粉砕し、粒径が５０ｎｍ〜８０ｎｍの白金族金属微粉体３３を作り、微粉砕機によってＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２を１μｍ〜１００μｍの粒径、好ましくは、３０μｍ〜６０μｍの粒径に微粉砕し、粒径が１μｍ〜１００μｍ、好ましくは、粒径が３０μｍ〜６０μｍのパーマロイ微粉体３４を作る。
【００６９】
電極製造方法は、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２を１μｍ〜１００μｍの粒径、好ましくは、３０μｍ〜６０μｍの粒径に微粉砕することで、多数の微細な連続気孔２５（連続通気孔）を有する多孔質に成形されて比表面積が大きいマイクロポーラス構造かつ薄板状発泡金属電極２６を作ることができ、それら連続気孔２５をガス（酸素及び水素）が通流しつつ気体を燃料極１３及び空気極１４のそれら気孔２５における接触面に広範囲に接触させることが可能な燃料極１３及び空気極１４を作ることができる。
【００７０】
微粉体混合物作成工程Ｓ３では、微粉体作成工程Ｓ２によって作成した白金族金属微粉体３３及びパーマロイ微粉体３４に所定のバインダー３５及び所定の気孔形成材３６を加え、白金族金属微粉体３３及びパーマロイ微粉体３４にバインダー３５と気孔形成材３６とを均一に混合・分散して微粉体混合物３７を作る。微粉体混合物作成工程Ｓ３によって作られた微粉体混合物３７では、白金族金属微粉体３３とパーマロイ微粉体３４とを混合した微粉体混合物３７の全重量（１００％）に対する白金族金属微粉体３３の重量比（含有率）を４重量％〜１０重量％の範囲、好ましくは、５重量％〜８重量％の範囲で決定し、白金族金属微粉体３３とパーマロイ微粉体３４とを混合した微粉体混合物３７の全重量（１００％）に対するパーマロイ微粉体３４の重量比（含有率）を９０重量％〜９６重量％の範囲、好ましくは、９２重量％〜９５重量％の範囲で決定する。電極製造方法は、白金族金属微粉体３３とパーマロイ微粉体３４とを混合した微粉体混合物３７の全重量に対する白金族金属微粉体３３の重量比が前記範囲にあるから、高価な白金族金属３１（白金３１）の含有量が少なく、燃料極１３及び空気極１４を廉価に作ることができる。
【００７１】
微粉体混合物作成工程Ｓ３では、決定した重量比の白金３１（Ｐｔ）の白金族金属微粉体３３と決定した重量比のＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２のパーマロイ微粉体３４とバインダー３５（粉状の樹脂系バインダー）とを混合機又は攪拌機に投入し、混合機又は攪拌機によって白金３１の白金族金属微粉体３３、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２のパーマロイ微粉体３４、バインダー３５を攪拌・混合し、白金族金属微粉体３３、パーマロイ微粉体３４、バインダー３５が均一に混合・分散した微粉体混合物３７（発泡金属成形材）を作る。次に、微粉体混合物３７に所定量の気孔形成材３６（粉体の発泡剤）を混入（添加）する。所定量の気孔形成材３６を混合機又は攪拌機に投入し、混合機又は攪拌機によって微粉体混合物３７に気孔形成材３６を均一に混合・分散させた微粉体混合物３７（発泡金属成形材料）を作る。気孔形成材３６（粉体の発泡剤）の混入量（添加量）によって燃料極１３及び空気極１４に形成される連続気孔２５の平均径や気孔率が決まる。
【００７２】
微粉体混合成形物作成工程Ｓ４では、微粉体混合物作成工程Ｓ３によって作られた微粉体混合物３７（発泡金属成形材料）を射出成形機（図示せず）又は押出成形機（図示せず）に投入し、微粉体混合物３７を射出成形機によって射出成形し、又は、微粉体混合物３７を押出成形機によって押し出し成形し、微粉体混合物３７を所定面積の薄板状（厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲）に成形した微粉体混合成形物３８（発泡金属成形物）を作る。
【００７３】
薄板状発泡金属電極作成工程Ｓ５では、微粉体混合成形物作成工程Ｓ４の射出成形又は押出成形によって作られた微粉体混合成形物３８（発泡金属成形物）を脱脂し、脱脂した微粉体混合成形物３８を焼成炉（燃焼炉、電気炉等）に投入し、微粉体混合成形物３８を焼成炉において所定温度で所定時間焼結（焼成）し、多数の微細な連続気孔２５（連続通気孔）が満遍なく均一に形成され、溶融結合したパーマロイ微粉体３２のパーマロイ溶融物に白金族金属微粉体３３が固定されているとともに、連続気泡２５を画成かつ囲繞するパーマロイ溶融物の表面に白金族金属微粉体３３が露出するマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６（厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの燃料極１３及び空気極１４を作る。
【００７４】
焼結（焼成）温度は、９００℃〜１４００℃である。焼結（焼成）時間は、２時間〜６時間である。薄板状発泡金属電極作成工程Ｓ５では、所定面積の薄板状に成形した微粉体混合成形物３８（発泡金属成形物）の焼結時において、微粉体混合成形物３８の内部において気孔形成材３６（粉体の発泡剤）が発泡した後、気孔形成材３６が微粉体混合成形物３８の内部から消失し、多数の微細な連続気孔２５（連続通気孔）が形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６（厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの燃料極１３及び空気極１４が製造される。
【００７５】
電極製造方法は、射出成形又は押出成形によって白金族金属３１（白金３１）の白金族金属微粉体３３とＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２のパーマロイ微粉体３４とがバインダー３５を介して連結され、射出成形又は押出成形によって作られた微粉体混合成形物３８（発泡金属成形物）を脱脂した後、所定温度で焼結（焼成）することで、多数の微細な連続気孔２５（連続通気孔）を有するマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６（厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの燃料極１３及び空気極１４を作ることができるとともに、高い強度を有して形状を維持することができ、衝撃が加えられたときの破損や損壊を防ぐことが可能な白金族金属少含有の燃料極１３及び空気極１４を作ることができる。電極製造方法は、厚み寸法が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の燃料極１３及び空気極１４を作ることができるから、電気抵抗が小さく電流をスムースに流すことが可能（プロトン導電性がある）な燃料極１３及び空気極１４を作ることができる。
【００７６】
電極製造方法は、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２を微粉砕したパーマロイ微粉体３４の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３２におけるＦｅ（鉄）の含有率とＮｉ（ニッケル）の含有率とを決定する含有率決定工程Ｓ１と、各種の白金族金属の中から選択された少なくとも１種類の白金族金属３１（白金３１）を微粉砕して白金族金属微粉体３３（白金３１の白金族金属微粉体３３）を作り、含有率決定工程によって決定した含有率のＦｅ及びＮｉから形成されたＦｅ−Ｎｉパーマロイ３２を微粉砕してパーマロイ微粉体３４を作る微粉体作成工程Ｓ２と、微粉体作成工程Ｓ２によって作成した白金族金属微粉体３３及びパーマロイ微粉体３４に所定のバインダー３５及び所定の気孔形成材３６を加え、白金族金属微粉体３３及びパーマロイ微粉体３４にバインダー３５と気孔形成材３６とを均一に混合・分散して微粉体混合物３７（発泡金属成形材料）を作る微粉体混合物作成工程Ｓ３と、微粉体混合物作成工程Ｓ３によって作成した微粉体混合物３７を薄板状に成形（押出成形又は射出成形）して微粉体混合成形物３８（発泡金属成形材料）を作る微粉体混合成形物作成工程Ｓ４と、微粉体混合成形物作成工程Ｓ４によって作成した微粉体混合成形物３８を脱脂するとともに微粉体混合成形物３８を所定温度で焼結し、多数の微細な連続気孔２５が満遍なく均一に形成され、溶融結合したパーマロイ微粉体３４のパーマロイ溶融物に白金族金属微粉体３３が固定されているとともに、連続気泡２５を画成かつ囲繞するパーマロイ溶融物の表面に白金族金属微粉体３３が露出するマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極２６を作る薄板状発泡金属電極作成工程Ｓ５との各工程によって燃料極１３及び空気極１４を製造するから、それら工程Ｓ１〜Ｓ５によって厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であって多数の微細な連続気孔２５（連続通気孔）を形成した燃料極１３及び空気極１４（マイクロポーラス構造薄板状発泡金属電極２６）を製造することができ、燃料極１３及び空気極１４を廉価に作ることができる。
【００７７】
電極製造方法は、白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を発揮することができるとともに、優れた触媒活性（触媒作用）を有して触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であって、固体高分子形燃料電池１０に好適に使用することが可能な白金族金属少含有の燃料極１３及び空気極１４を作ることができる。電極製造方法は、それによって作られた燃料極１３及び空気極１４が白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を発揮するから、固体高分子形燃料電池１０において十分な電気を発電することが可能であって固体高分子形燃料電池１０に接続された負荷３０に十分な電気エネルギーを供給することが可能な白金族金属少含有の燃料極１３及び空気極１４を作ることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１０    固体高分子形燃料電池
１１    セル
１２    セルスタック
１３    燃料極
１４    空気極
１５    固体高分子電解質膜（電極接合体膜）
１６    セパレータ
１７    セパレータ
１８    膜/電極接合体
１９    ガス拡散層
２０    ガス拡散層
２１    ガスシール
２２    ガスシール
２３    前面
２４    後面
２５    流路（連続かつ独立通路孔）
２６    薄板金属電極
２７    通流口
２８    外周縁
２９    導線
３０    負荷
３１    白金族金属（白金）
３２    Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ
３３    白金族金属微粉体
３４    パーマロイ微粉体
３５    バインダー
３６    気孔形成材（発泡剤）
３７    微粉体混合物
３８    微粉体混合成形物（発泡金属成形物）
Ｌ１    厚み寸法
Ｓ１    含有率決定工程
Ｓ２    微粉体作成工程
Ｓ３    微粉体混合物作成工程
Ｓ４    微粉体混合成形物作成工程
Ｓ５    薄板状発泡金属電極作成工程
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図９】
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