(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の触媒において、触媒有効面積を向上させる燃料電池用触媒を提供する。【解決手段】燃料電池用カソード電極１２であって、複数の孔部７５を有する多孔質な導電性カーボンプレート７０と、前記カーボンプレート７０の孔部７５の内壁７５Ａに配置される担体（カーボン７１）と、孔部７５の内壁７５Ａに配置されたカーボン担体７１に担持される白金触媒７２と、電解質によって柱状に形成され、白金触媒７２と接触するように配設される電解質支柱７３と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用電極であって、
複数の第１孔部を有する多孔質な導電性プレートと、
前記導電性プレートの前記第１孔部の内壁に配置される担体と、
前記第１孔部の前記内壁に配置された前記担体に担持される触媒と、
電解質によって柱状に形成され、前記触媒と接触するように配設される電解質支柱と、
を備えることを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項２】
燃料電池であって、
請求項１に記載の燃料電池用電極を備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電極（触媒層）は、カーボンなどの担体に、白金などの触媒が担持された触媒担持担体を備えている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−００３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記触媒担持担体における触媒において、触媒反応を誘発する触媒有効面積を向上させたいという要望があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池の触媒において、触媒有効面積を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池用電極であって、複数の第１孔部を有する多孔質な導電性プレートと、前記導電性プレートの前記第１孔部の内壁に配置される担体と、前記第１孔部の前記内壁に配置された前記担体に担持される触媒と、電解質によって柱状に形成され、前記触媒と接触するように配設される電解質支柱と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池によれば、触媒有効面積を向上させることができる。
【０００９】
なお、本発明は、上記した装置発明の態様に限ることなく、以下のような方法発明としての態様で実現することも可能である。
【００１０】
燃料電池の製造方法であって、
多孔質な導電性プレートと、担体と、触媒と、を用意する工程と、
前記導電性プレートに複数の第１孔部を形成する工程と、
前記第１孔部の内壁に前記担体を配置する工程と、
前記第１孔部の前記内壁に配置された前記担体に前記触媒を担持させる工程と、
前記触媒の担持後、前記第１孔部内において、前記触媒と接触するように、電解質によって柱状に形成された電解質支柱を配設する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【００１１】
上記構成の燃料電池の製造方法によれば、触媒有効面積を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、複数の燃料電池セルＣＬと、エンドプレートＥＰと、テンションプレートＴＳと、インシュレータＩＳと、ターミナルＴＭと、を備えている。複数の燃料電池セルＣＬは、インシュレータＩＳおよびターミナルＴＭを挟んで、２枚のエンドプレートＥＰによって挟持される。すなわち、燃料電池１００は、燃料電池セルＣＬが、複数個積層されたスタック構造である。また、燃料電池１００は、テンションプレートＴＳがボルトＢＴによって各エンドプレートＥＰに結合され、各燃料電池セルＣＬを、各部材を積層する方向（以下では、積層方向とも呼ぶ）に所定の力で締結する構造となっている。なお、本実施例の燃料電池１００では、酸化ガスとしては、空気を用い、燃料ガスとしては、水素を用いる。積層方向に直交する方向であって、燃料電池セルＣＬに沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００１３】
図２は、燃料電池１００における燃料電池セルＣＬの概略構成を表わす分解斜視図である。図３は、燃料電池セルＣＬの断面の様子を示す断面模式図である。具体的には、図３は、図２の燃料電池セルＣＬにおけるＡ−Ａ断面を模式的に示した断面図である。燃料電池セルＣＬは、膜電極接合体５（以下では、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５と呼ぶ）と、ガス拡散層１４，１５と、セパレータ６，７と、を備える。燃料電池セルＣＬは、ＭＥＡ５を、ガス拡散層１４，１５で挟持し、さらに、そのサンドイッチ構造を、セパレータ６，７で挟持して形成される。なお、図２では、ガス拡散層１４は、ＭＥＡ５の裏面に形成されているため、図示されていない。
【００１４】
ＭＥＡ５は、電解質膜１１と、酸化ガスが供給される触媒電極層（以下では、カソードとも呼ぶ）１２と、燃料ガスが供給される触媒電極層（以下では、アノードとも呼ぶ）１３と、を備え、電解質膜１１をカソード１２およびアノード１３で挟持して構成される。言い換えれば、ＭＥＡ５は、電解質膜１１において、一方の面にカソード１２が一方の面に配置され、他方の面にアノード１３が配置されて成る。
【００１５】
電解質膜１１は、固体高分子材料であるフッ素系電解質により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。なお、電解質膜１１は、フッ素系電解質に限らず、例えば、炭化水素系電解質膜であってもよい。
【００１６】
アノード１３は、触媒金属である白金（Ｐｔ）を担持したカーボン（以下では、白金担持カーボンとも呼ぶ）（図示せず）と、フッ素系電解質（図示せず）と、を備えている。なお、アノード１３において、含有する電解質は、フッ素系電解質に限らず、炭化水素系電解質であってもよい。
【００１７】
図４は、カソード１２を説明するための図である。具体的には、図４（Ａ）は、カソード１２の一部を示した斜視図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。カソード１２は、カーボンプレート７０と、カーボン７１と、白金７２と、フッ素系の電解質支柱７３と、を備えている。なお、カソード１２において、電解質支柱７３は、フッ素系電解質に限らず、炭化水素系電解質で構成されていてもよい。
【００１８】
図４に示すように、多孔質で導電性を有するカーボンプレート７０は、複数の孔部７５と、複数の孔部７６とを備えている。孔部７５および孔部７６は、カーボンプレート７０を貫通する貫通孔である。孔部７５は、カーボンプレート７０において、格子状に形成されている。孔部７６は、カーボンプレート７０において、各孔部７５の間に、千鳥状に形成されている。孔部７５は、孔部７６より断面積が大きく形成されている。
【００１９】
カーボン７１は、孔部７５の内壁７５Ａに沿って互いが接続するように配置されている。白金７２は、孔部７５の内壁７５Ａに沿って配置されるカーボン７１に担持されている。詳しくは、白金７２は、カーボン７１において、孔部７５の内壁７５Ａとの接触部分を除く部分に担持されている。カーボン７１や白金７２の周囲に電解質が配設されている。この電解質の量は、電解質／カーボン比率が、０．０５〜０．５程度となるように調整されている。カーボンプレート７０において、孔部７５内部には、柱状の電解質支柱７３が配置されている。電解質支柱７３は、白金７２と接触するように配設される。また、電解質支柱７３の底面は、電解質膜１１と接触する。
【００２０】
カーボンプレート７０において、孔部７６は、カソード１２に供給される酸化ガスをカーボンプレート７０の厚さ方向に流通させる機能を有する。孔部７６に流入した酸化ガスは、図４（Ｂ）に示すように、孔部７６の内壁７６Ａを介して、孔部７５に流入し、電解質支柱７３と白金７２との間で三層界面を形成する。これにより、カソード１２において、電気化学反応が生じる。
【００２１】
ガス拡散層１４，１５は、導電性を有する多孔質部材であり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパなどの炭素系多孔質体や、金属メッシュ、発泡金属などの金属多孔質体によって形成される。
【００２２】
セパレータ６，７は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ６は、図２および図３に示すように、片面において凸部６ａと凹部６ｂとが交互に形成された凹凸形状を有している。そして、セパレータ６において、凸部６ａは、ガス拡散層１４（カソード１２または電解質膜１１）を押圧し、凹部６ｂは、ガス拡散層１４との間にガス拡散層１４（カソード１２）に対して酸化ガスを給排するため酸化ガス給排流路２０を形成する。また、セパレータ７において、凸部７ａは、ガス拡散層１５（アノード１３または電解質膜１１）を押圧し、凹部７ｂは、ガス拡散層１５との間にガス拡散層１５（アノード１３）に対して燃料ガスを給排するため燃料ガス給排流路３０を形成する。
【００２３】
図２に示すように、セパレータ６，７は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部５３〜５６を備えている。セパレータ６，７を、ＭＥＡ５およびガス拡散層１４，１５と共に積層して燃料電池１００を組み立てると、積層された各セパレータ６，７の対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、積層方向に燃料電池１００内部を貫通するマニホールドを形成する。
【００２４】
燃料電池セルＣＬは、上記各マニホールド、酸化ガス給排流路２０、および、燃料ガス給排流路３０におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。また、燃料電池１００において、燃料電池セルＣＬ間に、燃料電池セルＣＬを冷却するための冷却機構（図示せず）が配設されている。
【００２５】
Ａ２．カソードの製造方法：
図５は、本実施例におけるカソードの製造方法のフローチャートである。このカソードの製造方法では、カーボンプレート７０と、カーボン７１と、白金７２と、電解質（例えば、フッ素系電解質）を用意する（ステップＳ１０）。
【００２６】
次に、カーボンプレート７０に、孔部７５および孔部７６を形成する（ステップＳ２０）。具体的には、図４に示すように、カーボンプレート７０において、孔部７５を、格子状に形成す。そして、カーボンプレート７０において、孔部７６を、各孔部７５の間に、千鳥状に形成する。この場合、孔部７５は、孔部７６より断面積が大きくなるように形成する。
【００２７】
続いて、孔部７５の内壁７５Ａに沿って、カーボン７１を配置する（ステップＳ３０）。具体的には、図４に示すように、カーボン７１が、孔部７５の内壁７５Ａに沿って、互いに接続するように配置する。なお、カーボン７１には、電解質／カーボン比率が、０．０５〜０．５程度となる程度の電解質を付着させておく。カーボン７１と内壁７５Ａとの接着は、焼成によって行う。
【００２８】
次に、ステップＳ３０の工程で配置したカーボン７１に、白金７２を担持する（ステップＳ４０、図４参照）。カーボン７１と白金７２との接着は、焼成によって行う。
【００２９】
そして、孔部７５に、ステップＳ１０の工程で用意した電解質を流し込み、孔部７５内に電解質支柱７３を形成（配設）する（ステップＳ５０）。具体的には、図４に示すように、電解質支柱７３が、白金７２と接触するように、配設する。
【００３０】
以上のように、本実施例の燃料電池１００のカソード１２では、カーボンプレート７０において、孔部７５の内壁７５Ａに沿って配置されたカーボン７１に、白金７２を担持し、その白金７２と接触するように電解質支柱７３を配設し、三層界面を形成するようにしている。このようにすれば、カソード１２において、三層界面を形成できない白金量（触媒量）を減少させることができ、すなわち、触媒有効面積を向上させることができる。その結果、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。
【００３１】
また、本実施例の燃料電池１００のカソード１２では、カーボンプレート７０の孔部７５に、電解質が連続して形成される電解質支柱７３を配設するようにしている。このようにすれば、カソード１２において、厚さ方向のプロトン伝導性を向上させることができる。その結果、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。
【００３２】
本実施例の燃料電池１００のカソード１２では、担体（カーボン７１）や触媒（白金７２）を、導電性のカーボンプレート７０内に配置するようにしている。このようにすれば、カソード１２において、厚さ方向の電気伝導性を向上させることができる。その結果、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。
【００３３】
本実施例の燃料電池１００のカソード１２では、カーボン７１や白金７２の周囲に電解質が配設されているが、その電解質の量は、電解質／カーボン比率が、０．０５〜０．５程度と少量となっている。このようにすれば、酸化ガス（酸素）が、白金７２に到達する際に、電解質に妨害されることを抑制することができ、すなわち、酸化ガスのガス拡散性を向上させることができる。その結果、燃料電池１００の発電効率を向上させることができる。
【００３４】
本実施例において、カソード１２は、特許請求の範囲における電極に該当し、カーボンプレート７０は、特許請求の範囲における導電性プレートに該当し、カーボン７１は、特許請求の範囲における担体に該当し、白金７２は、特許請求の範囲における触媒に該当し、電解質支柱７３は特許請求の範囲における電解質支柱に該当し、孔部７５は、特許請求の範囲における第１孔部に該当し、内壁７５Ａは、特許請求の範囲における内壁に該当し、孔部７６は、特許請求の範囲における第２孔部に該当する。
【００３５】
Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
【００３６】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池１００では、カソード１２において、カーボンプレート７０を用い、孔部７５の内壁７５Ａに沿って配置されたカーボン７１に、白金７２を担持し、その白金７２と接触するように電解質支柱７３を配設する構成としているが、本発明は、これに限られるものではなく、アノード１３も同様の構造としてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００における燃料電池セルＣＬの概略構成を表わす分解斜視図である。
【図３】燃料電池セルＣＬの断面の様子を示す断面模式図である。
【図４】カソード１２を説明するための図である。
【図５】上記実施例におけるカソードの製造方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
５…ＭＥＡ
６…セパレータ
６ａ…凸部
６ｂ…凹部
７…セパレータ
７ａ…凸部
７ｂ…凹部
１１…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１４…ガス拡散層
１５…ガス拡散層
２０…酸化ガス給排流路
３０…燃料ガス給排流路
５３…孔部
７０…カーボンプレート
７１…カーボン
７２…白金
７３…電解質支柱
７５…孔部
７５Ａ…内壁
７６…孔部
７６Ａ…内壁
１００…燃料電池
ＣＬ…燃料電池セル
ＴＭ…ターミナル
ＥＰ…エンドプレート
ＴＳ…テンションプレート
ＩＳ…インシュレータ
ＢＴ…ボルト
【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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