(57)【要約】      （修正有）【課題】白金族元素を利用することなく優れた触媒活性を有する固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極１３及び空気極１４は、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、パーマロイ微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合したパーマロイ微粉体混合物を所定面積の薄板状に成形した後、薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ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、白金族元素を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性を有する。【選択図】図３
2020167064.tif 000002
【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は、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、前記パーマロイ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パーマロイ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パーマロイ微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、前記パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ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、白金族元素を含む燃料極及び空気極と略同様の触媒活性を有し、前記連続気泡は、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よって画成され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】
前記固体高分子形燃料電池では、前記燃料極及び前記空気極を形成する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の含有率と該Ｆｅ−Ｎｉパーマロイにおける前記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】
前記薄板状発泡金属電極に形成された連続気泡が、該薄板状発泡金属電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、該薄板状発泡金属電極の外周縁と内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】
前記薄板状発泡金属電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〜±５マイクロμｍ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】
前記薄板状発泡金属電極の厚み寸法が、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％の範囲にあり、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】
前記薄板状発泡金属電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】
前記薄板状発泡金属電極の密度が、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％の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％の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、白金族元素は、貴金属であり、その生産量に限りがある希少な資源であることから、その使用量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以外の金属を利用した非白金触媒を有する廉価な電極の開発が求められている。
【０００６】
本発明の目的は、白金族元素を利用することなく優れた触媒活性（触媒作用）を有する燃料極及び空気極を備え、非白金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。本発明の他の目的は、白金族元素を利用しない廉価な燃料極及び空気極を備え、それによって低コストで製造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特徴は、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、燃料極及び空気極は、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、パーマロイ微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合したパーマロイ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パーマロイ微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ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、白金族元素を含む燃料極及び空気極と略同様の触媒活性を有し、連続気泡は、パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物によって画成されていることにある。
【０００８】
本発明の固体高分子形燃料電池の一例として、固体高分子形燃料電池では、燃料極及び空気極を形成する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Ｆｅ−Ｎｉパーマロイにおける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、薄板状発泡金属電極に形成された連続気泡が、薄板状発泡金属電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、薄板状発泡金属電極の外周縁と内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、薄板状発泡金属電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〜±５マイクロμｍ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、薄板状発泡金属電極の厚み寸法が、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％の範囲にあり、Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＮｉの含有率が、４５％〜５５％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、薄板状発泡金属電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、薄板状発泡金属電極の密度が、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、パーマロイ微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合したパーマロイ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パーマロイ微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ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、燃料極及び空気極が白金族元素を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性（触媒作用）を有するから、燃料極及び空気極が優れた触媒活性（触媒作用）を有し、燃料極及び空気極が優れた触媒活性（触媒作用）を発揮することで、白金族元素を含まない非白金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、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。固体高分子形燃料電池は、燃料極及び空気極がＦｅ−Ｎｉパーマロイを原料とし、高価な白金族元素が使用されておらず、燃料極及び空気極が白金族元素を含まない非白金の電極であるから、廉価な燃料極及び空気極を備えることで固体高分子形燃料電池を低コストで製造することができる。
【００２０】
燃料極及び空気極を形成する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Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＮｉ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の含有率とＮｉの含有率とが決定されているから、燃料極及び空気極が白金族元素を含む燃料極や空気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含む燃料極や空気極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を有し、燃料極及び空気極が白金族元素を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性（触媒作用）を発揮することができ、非白金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るとともに、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】
薄板状発泡金属電極に形成された連続気泡が薄板状発泡金属電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、薄板状発泡金属電極の外周縁と内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、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が燃料極及び空気極に形成されているから、燃料極及び空気極の比表面積が大きく、それら連続気孔を気体（酸素及び水素）が通流しつつ気体を燃料極及び空気極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることができ、燃料極及び空気極の触媒活性（触媒作用）を有効かつ最大限に利用することができる。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の比表面積が大きいとともに白金族元素を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性（触媒作用）を発揮するから、非白金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、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、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（酸素及び水素）が通流しつつ気体を燃料極及び空気極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることができるとともに、燃料極及び空気極の触媒活性（触媒作用）を有効かつ最大限に利用することができる。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の比表面積が大きいとともに白金族元素を含む燃料極や空気極と略同様の優れた触媒活性（触媒作用）を発揮するから、非白金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、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】
薄板状発泡金属電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〜±５マイクロμｍ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前記範囲にあり、連続気孔の平均径が前記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が大きく、それら連続気孔を気体（酸素及び水素）が通流しつつ気体を燃料極及び空気極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることができ、燃料極及び空気極の触媒活性（触媒作用）を有効かつ最大限に利用することができる。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の比表面積が大きいとともに白金族元素を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性（触媒作用）を発揮するから、非白金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、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】
薄板状発泡金属電極の厚み寸法が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にある固体高分子形燃料電池は、それに使用する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含む燃料極や空気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前記Ｆｅの含有率が４５％〜５５％の範囲にあり、Ｆｅ−ＮｉパーマロイにおけるＮｉの含有率が４５％〜５５％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の含有率とＮｉの含有率とが前記範囲で決定されているから、燃料極及び空気極が白金属元素を含む燃料極や空気極と略同一の仕事関数を備え、燃料極及び空気極が白金属元素を含む燃料極や空気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、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。
【００２６】
薄板状発泡金属電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、それに使用する薄板状発泡金属電極（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（酸素及び水素）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、燃料極及び空気極が白金族金属を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性（触媒作用）を確実に発揮することができる。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の触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であり、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。
【００２７】
薄板状発泡金属電極の密度が６．０ｇ／ｃｍ２〜８．０ｇ／ｃｍ２の範囲にある固体高分子形燃料電池は、それに使用する薄板状発泡金属電極（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）に成形され、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（酸素及び水素）が通流しつつ気体を燃料極及び空気極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることが可能となり、燃料極及び空気極が白金属元素を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性（触媒作用）を確実に発揮することができる。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の触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であり、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。
【００２８】
パーマロイ微粉体の粒径が１μｍ〜１００μｍの範囲にあ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を形成する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）に成形され、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（酸素及び水素）が通流しつつ気体を燃料極及び空気極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることが可能となり、燃料極及び空気極が白金属元素を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性（触媒作用）を確実に発揮することができる。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の触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であり、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。
【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、水素及び酸素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（連続通気孔）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Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１から形成されている。Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１のパーマロイ微粉体３２（微粉状に加工されたＦｅ−Ｎｉパーマロイ３１）に所定のバインダー３３（紛状の樹脂系バインダー）を混合し、パーマロイ微粉体３２とバインダー３３とを均一に混合・分散したパーマロイ微粉体混合物３５を作り、更に、パーマロイ微粉体混合物３５に所定の気孔形成材３４（発泡剤）を混合し、気孔形成材３４を均一に混合・分散した微粉体混合物３５を作る。作成したパーマロイ微粉体混合物３５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（押出成形又は射出成形）して薄板状のパーマロイ微粉体混合成形物３６を作り、作成した微粉体混合成形物３６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が作られている（図９参照）。連続気泡２５は、パーマロイ微粉体３２が溶融結合したパーマロイ溶融物によって画成かつ囲繞されている。
【００３８】
燃料極１３及び空気極１４では、パーマロイ微粉体３２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３１における（Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１の全重量（１００％）に対する）Ｆｅ（鉄）の含有率（重量比）とＮｉ（ニッケル）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３１におけるＦｅの含有率（重量比）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３１におけるＮｉの含有率（重量比）が４５％〜５５％の範囲、好ましくは、４９％〜５１％の範囲にある。
【００３９】
なお、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３１の全重量に対するＦｅの含有率及びＦｅ−Ｎｉパーマロイ３１の全重量に対するＮｉの含有率が前記範囲外になると、パーマロイ微粉体３２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、パーマロイ微粉体混合物３５を成形したパーマロイ微粉体混合成形物３６を脱脂・焼結（焼成）して作られた燃料極１３及び空気極１４が白金族元素を含む（担持した）燃料極や空気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。
【００４０】
固体高分子形燃料電池１０は、パーマロイ微粉体３２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３１におけるＦｅの含有率とＮｉの含有率とが前記範囲にあるから、燃料極１３及び空気極１４が白金属元素を含む燃料極や空気極と略同一の仕事関数を備え、燃料極１３及び空気極１４が白金属元素を含む燃料極や空気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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
パーマロイ微粉体３２（粉状に加工されたＦｅ−Ｎｉパーマロイ３１）の粒径は、１μｍ〜１００μｍの範囲、好ましくは、３０μｍ〜６０μｍの範囲にある。パーマロイ微粉体３２の粒径が１μｍ未満では、パーマロイ微粉体３２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。
【００５２】
パーマロイ微粉体３２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。
【００５３】
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３２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を気体（酸素及び水素）が通流しつつ気体（ガス）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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
固体高分子形燃料電池１０では、燃料極１３及び空気極１４を形成するＦｅ−Ｎｉパーマロイ３１を微粉砕したパーマロイ微粉体３２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３１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）を含む（担持した）燃料極や空気極と略同一の仕事関数を備え、白金族元素（白金）を含む燃料極や空気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。
【００５９】
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（電極間）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、縦軸に電極間の電圧（Ｖ）を表す。白金族元素を利用した（担持させた）燃料極や空気極（白金電極）を使用した固体高分子形燃料電池では、起電圧試験の結果を示す図７から分かるように、燃料極と空気極との間（電極間）の電圧が１．０７９（Ｖ）前後であった。それに対し、燃料極１３（非白金電極）及び空気極１４（非白金電極）を使用した固体高分子形燃料電池１０では、燃料極１３と空気極１４との間（電極間）の電圧（起電力）が０．９８（Ｖ）〜１．０２（Ｖ）であった。
【００６０】
Ｉ−Ｖ特性試験では、燃料極１３と空気極１４との間（電極間）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（非白金電極）及び空気極１４（非白金電極）を使用した固体高分子形燃料電池１０では、Ｉ−Ｖ特性試験の結果を示す図８から分かるように、白金族元素を利用した（担持させた）燃料極や空気極（白金電極）を使用した固体高分子形燃料電池の電圧降下率と大差のない結果が得られた。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、白金族元素を利用していない非白金の燃料極１３及び空気極１４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、白金を利用した燃料極や空気極（白金電極）と略同様の酸素還元機能（触媒作用）を有することが確認された。
【００６１】
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Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１から形成され、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１を微粉砕したパーマロイ微粉体３２に所定のバインダー３３を均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材３４を均一に混合・分散し、パーマロイ微粉体３２にバインダー３３及び気孔形成材３４を混合したパーマロイ微粉体混合物３５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パーマロイ微粉体混合成形物３６を脱脂・焼結することで、パーマロイ微粉体３２が溶融結合しつつ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、燃料極１３及び空気極１４が白金族元素を含む（担持した）燃料極や空気極と略同様の触媒活性（触媒作用）を有するから、燃料極１３及び空気極１４が優れた触媒活性（触媒作用）を発揮することで、白金族元素を含まない非白金の燃料極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。
【００６２】
固体高分子形燃料電池１０は、燃料極１３及び空気極１４がＦｅ−Ｎｉパーマロイ３１を原料とし、高価な白金族元素が使用されておらず、燃料極１３及び空気極１４が白金族元素を含まない非白金の電極であるから、廉価な燃料極１３及び空気極１４を備えることで固体高分子形燃料電池１０を低コストで製造す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。
【００６３】
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。
【００６４】
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、パーマロイ微粉体作成工程Ｓ２、パーマロイ微粉体混合物作成工程Ｓ３、パーマロイ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、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１原料として燃料極１３及び空気極１４を製造する。
【００６５】
含有率決定工程Ｓ１では、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１を微粉砕したパーマロイ微粉体３２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３１の全重量に対する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３１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３１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。
【００６６】
パーマロイ微粉体作成工程Ｓ２では、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３１を微粉砕してパーマロイ微粉体３２を作る。微粉砕機によってＦｅ−Ｎｉパーマロイ３１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３２を作る。
【００６７】
電極製造方法は、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１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の燃料極１３及び空気極１４（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。
【００６８】
パーマロイ微粉体混合物作成工程Ｓ３では、パーマロイ微粉体作成工程Ｓ２によって作成したパーマロイ微粉体３２に所定のバインダー３３及び所定の気孔形成材３４（発泡剤）を加え、パーマロイ微粉体３２にバインダー３３と気孔形成材３４とを均一に混合・分散してパーマロイ微粉体混合物３５を作る。電極製造方法は、高価な白金族金属（白金（Ｐｔ））が使用されていないから、燃料極１３及び空気極１４を廉価に作ることができる。
【００６９】
パーマロイ微粉体混合物作成工程Ｓ３では、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１のパーマロイ微粉体３２とバインダー３３（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Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１のパーマロイ微粉体３２とバインダー３３とを攪拌・混合し、パーマロイ微粉体３２及びバインダー３３が均一に混合・分散したパーマロイ微粉体混合物３５（発泡金属成形材）を作る。次に、パーマロイ微粉体混合物３５に所定量の気孔形成材３４（粉体の発泡剤）を混入（添加）する。所定量の気孔形成材３４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パーマロイ微粉体混合物３５に気孔形成材３４を均一に混合・分散させたパーマロイ微粉体混合物３５（発泡金属成形材料）を作る。気孔形成材３４（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。
【００７０】
パーマロイ微粉体混合成形物作成工程Ｓ４では、パーマロイ微粉体混合物作成工程Ｓ３によって作られたパーマロイ微粉体混合物３５（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、パーマロイ微粉体混合物３５を射出成形機によって射出成形し、又は、パーマロイ微粉体混合物３５を押出成形機によって押し出し成形し、パーマロイ微粉体混合物３５を所定面積の薄板状（厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲）に成形したパーマロイ微粉体混合成形物３６（発泡金属成形物）を作る。
【００７１】
薄板状発泡金属電極作成工程Ｓ５では、パーマロイ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パーマロイ微粉体混合成形物３６（発泡金属成形物）を脱脂し、脱脂したパーマロイ微粉体混合成形物３６を焼成炉（燃焼炉、電気炉等）に投入し、パーマロイ微粉体混合成形物３６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、それら連続気泡２５が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よって画成かつ囲繞されたマイクロポーラス構造の燃料極１３及び空気極１４（厚み寸法Ｌ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの燃料極１３及び空気極１４）を作る。
【００７２】
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パーマロイ微粉体混合成形物３６（発泡金属成形物）の焼結時において、パーマロイ微粉体混合成形物３６の内部において気孔形成材３４（粉体の発泡剤）が発泡した後、気孔形成材３４がパーマロイ微粉体混合成形物３６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燃料極１３及び空気極１４（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。
【００７３】
電極製造方法は、射出成形又は押出成形によってＦｅ−Ｎｉパーマロイ３１のパーマロイ微粉体３２がバインダー３３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パーマロイ微粉体混合成形物３６（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Ｌ１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な（プロトン導電性に優れた）燃料極１３及び空気極１４を作ることができる。
【００７４】
電極製造方法は、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ３１を微粉砕したパーマロイ微粉体３２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３１におけるＦｅの含有率とＮｉの含有率とを決定する含有率決定工程と、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３１を微粉砕してパーマロイ微粉体３２を作るパーマロイ微粉体作成工程と、パーマロイ微粉体作成工程によって作成したパーマロイ微粉体３２に所定のバインダー３３及び所定の気孔形成材３４を加え、パーマロイ微粉体３２にバインダー３３と気孔形成材３４とを均一に混合・分散してパーマロイ微粉体混合物３５を作るパーマロイ微粉体混合物作成工程と、パーマロイ微粉体混合物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合物３５を射出成形又は押出成形によって薄板状に成形してパーマロイ微粉体混合成形物３６を作るパーマロイ微粉体混合成形物作成工程と、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合成形物３６を脱脂するとともにパーマロイ微粉体混合成形物３６を所定温度で焼結し、パーマロイ微粉体３２が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔２５が満遍なく均一に形成されているとともに、パーマロイ微粉体３２が溶融結合したパーマロイ溶融物によって連続気泡２５が画成かつ囲繞された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の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。
【００７５】
電極製造方法は、白金族元素を含む（担持した）燃料極や空気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な白金族金属非含有の燃料極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が白金族元素を含む（担持した）燃料極や空気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】
【００７６】
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    連続気孔（連続通気孔）
２６    薄板状発泡金属電極
２７    通流口
２８    外周縁
２９    導線
３０    負荷
３１    Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ
３２    パーマロイ微粉体
３３    バインダー
３４    気孔形成材（発泡剤）
３５    パーマロイ微粉体混合物
３６    パーマロイ微粉体混合成形物（発泡金属成形物）
Ｌ１    厚み寸法
Ｓ１    含有率決定工程
Ｓ２    パーマロイ微粉体作成工程
Ｓ３    パーマロイ微粉体混合物作成工程
Ｓ４    パーマロイ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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