(57)【要約】【課題】触媒としての金属粒子を分散した状態で高密度に担体に担持させ、金属粒子の高い触媒作用を得る。【解決手段】担体に担持させる金属粒子の総量を決定する総量決定ステップＳ１と、保護剤によって表面が被覆された金属粒子の分散液を調製する分散液調製ステップＳ２と、分散液の一部を担体に含浸させる含浸ステップＳ３と、分散液を含浸された担体を焼成して保護剤を金属粒子の表面から脱離させる焼成ステップＳ４と、金属粒子の総量が担体に含浸されるまで含浸ステップＳ３および焼成ステップＳ４を繰り返す繰り返しステップＳ５とを含み、分散液調製ステップＳ２において、総量の金属粒子を、一度の含浸ステップＳ３において担体に含浸可能な体積よりも多い体積の媒体に分散させることにより分散液を調製する電極の製造方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する多孔質の担体と、該担体に担持された金属粒子とを備える電極の製造方法であって、
前記担体に担持させる前記金属粒子の総量を決定する総量決定ステップと、
保護剤によって表面が被覆された前記金属粒子の分散液を調製する分散液調製ステップと、
該分散液調製ステップにおいて調製された分散液の一部を前記担体に含浸させる含浸ステップと、
該含浸ステップにおいて前記分散液を含浸された担体を焼成して前記保護剤を前記金属粒子の表面から脱離させる焼成ステップと、
前記金属粒子の前記総量が前記担体に含浸されるまで、前記含浸ステップおよび前記焼成ステップを繰り返す繰り返しステップとを含み、
前記分散液調製ステップにおいて、前記総量の金属粒子を、一度の前記含浸ステップにおいて前記担体に含浸可能な体積よりも多い体積の媒体に分散させることにより前記分散液を調製する電極の製造方法。
【請求項２】
導電性および圧縮性を有する多孔質の担体と、該担体に担持された金属粒子とを備える電極の製造方法であって、
前記担体に担持させる前記金属粒子の総量を決定する総量決定ステップと、
保護剤によって表面が被覆された前記金属粒子の分散液を調製する分散液調製ステップと、
該分散液調製ステップにおいて調製された分散液を前記担体に含浸させる含浸ステップと、
該含浸ステップにおいて前記分散液を含浸された担体を焼成して前記保護剤を前記金属粒子の表面から脱離させる焼成ステップと、
前記担体を圧縮する圧縮ステップとを含み、
前記分散液調製ステップにおいて、前記総量の金属粒子を、一度の前記含浸ステップにおいて前記担体に含浸可能な体積の媒体に分散させることにより前記分散液を調製する電極の製造方法。
【請求項３】
前記分散液調製ステップにおいて、前記含浸ステップにおいて前記担体の孔内に含浸された前記分散液中の金属粒子同士が前記孔の表面方向に平均して前記保護剤の長さ寸法の２倍以上の隙間を空けて分布する濃度で前記金属粒子を含む前記分散液を調製する請求項１または請求項２に記載の電極の製造方法。
【請求項４】
前記分散液に含まれる前記金属粒子の濃度が、０．２重量％以下である請求項３に記載の電極の製造方法。
【請求項５】
前記含浸ステップにおいて、前記分散液を複数の前記担体に含浸させ、
前記焼成ステップの後に、前記複数の担体を積層する積層ステップを含む請求項１から請求項４のいずれかに記載の電極の製造方法。
【請求項６】
前記金属粒子が、貴金属からなる請求項１から請求項５のいずれかに記載の電極の製造方法。
【請求項７】
前記金属粒子の粒径が、５ｎｍ以下である請求項１から請求項６のいずれかに記載の電極の製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の電極の製造方法によって製造された電極。
【請求項９】
前記担体が圧縮性を有する請求項８に記載の電極と、
該電極を圧縮させる圧縮手段とを備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極の製造方法、電極および燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池において、燃料の酸化還元反応を促進する触媒として金属粒子を担持した電極が利用されている（例えば、非特許文献１参照。）。金属粒子の粒径が小さい程、また、密度が高い程、金属粒子による触媒作用が高くなり、燃料電池の発電効率を向上することができる。また、互いに凝集しやすい性質を有する金属粒子の取り扱いを向上するために、個々の金属粒子の表面を保護剤によって被覆して媒体中に単分散させる技術が知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】池田篤治監修、「バイオ電気化学の実際−バイオセンサ・バイオ電池の実用展開−」、シーエムシー出版、2007年 3月31日、p.265-266
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電極に担持させた金属粒子を触媒として機能させるためには、金属粒子の表面から保護剤を除去する必要がある。電極に金属粒子を高密度で担持させようとした場合、保護剤を金属粒子から脱離する工程において、裸になった金属粒子が互いに近接して存在するために、これら金属粒子が互いに凝集する。その結果、最終的に製造される電極においては複数の金属粒子が粒径の大きな塊を形成し、金属粒子の本来の触媒作用を十分に発揮させることができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、触媒としての金属粒子を分散した状態で高密度に担体に担持させ、金属粒子の高い触媒作用を得ることができる電極の製造方法、電極および燃料電池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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、導電性を有する多孔質の担体と、該担体に担持された金属粒子とを備える電極の製造方法であって、前記担体に担持させる前記金属粒子の総量を決定する総量決定ステップと、保護剤によって表面が被覆された前記金属粒子の分散液を調製する分散液調製ステップと、該分散液調製ステップにおいて調製された分散液の一部を前記担体に含浸させる含浸ステップと、該含浸ステップにおいて前記分散液を含浸された担体を焼成して前記保護剤を前記金属粒子の表面から脱離させる焼成ステップと、前記金属粒子の前記総量が前記担体に含浸されるまで、前記含浸ステップおよび前記焼成ステップを繰り返す繰り返しステップとを含み、前記分散液調製ステップにおいて、前記総量の金属粒子を、一度の前記含浸ステップにおいて前記担体に含浸可能な体積よりも多い体積の媒体に分散させることにより前記分散液を調製する電極の製造方法を提供する。
【０００７】
本発明によれば、分散液調製ステップにおいて調製した金属粒子の分散液を含浸ステップにおいて担体に含浸させ、焼成ステップにおいて金属粒子から保護剤を脱離させて金属粒子を担体に固定することにより、金属粒子を担持した電極を製造することができる。
【０００８】
この場合に、総量決定ステップにおいて決定された総量の金属粒子は、複数回に分けて担体に含浸される。すなわち、各含浸ステップにおいて担体に含浸される分散液中の金属粒子の濃度は、総量の金属粒子を一度で担体に含浸するときと比べて、低くなる。これにより、担体内において金属粒子が比較的低い密度で分布している状態で焼成が行われるので、金属粒子同士の凝集が抑制され、小さい粒径のまま金属粒子が担体に担持される。また、含浸ステップと焼成ステップとを繰り返すことにより、担体に担持される金属粒子の密度が段階的に増加する。これにより、触媒としての金属粒子を分散した状態で高密度に担体に担持させ、金属粒子の高い触媒作用を得ることができる。
【０００９】
また、本発明は、導電性および圧縮性を有する多孔質の担体と、該担体に担持された金属粒子とを備える電極の製造方法であって、前記担体に担持させる前記金属粒子の総量を決定する総量決定ステップと、保護剤によって表面が被覆された前記金属粒子の分散液を調製する分散液調製ステップと、該分散液調製ステップにおいて調製された分散液を前記担体に含浸させる含浸ステップと、該含浸ステップにおいて前記分散液を含浸された担体を焼成して前記保護剤を前記金属粒子の表面から脱離させる焼成ステップと、前記担体を圧縮する圧縮ステップとを含み、前記分散液調製ステップにおいて、前記総量の金属粒子を、一度の前記含浸ステップにおいて前記担体に含浸可能な体積の媒体に分散させることにより前記分散液を調製する電極の製造方法を提供する。
【００１０】
本発明によれば、分散液調製ステップにおいて調製した金属粒子の分散液を含浸ステップにおいて担体に含浸させ、焼成ステップにおいて金属粒子から保護剤を脱離させて金属粒子を担体に固定し、圧縮ステップにおいて担体を圧縮することにより、金属粒子を担持した電極を製造することができる。
【００１１】
この場合に、総量決定ステップにおいて決定された総量の金属粒子は一度の含浸ステップにおいて担体に含浸される。このときの分散液中の金属粒子の濃度は、総量の金属粒子を最終的な寸法と同一の寸法を有する担体に一度に含浸するときと比べて、低くなる。これにより、担体内において金属粒子が比較的低い密度で分布している状態で焼成が行われるので、金属粒子同士の凝集が抑制され、小さい粒径のまま金属粒子が担体に担持される。また、圧縮ステップにおいて担体を最終形状に圧縮することにより、金属粒子の密度が増加する。これにより、触媒としての金属粒子を分散した状態で高密度に担体に担持させ、金属粒子の高い触媒作用を得ることができる。
【００１２】
上記発明においては、前記分散液調製ステップにおいて、前記含浸ステップにおいて前記担体の孔内に含浸された前記分散液中の金属粒子同士が前記孔の表面方向に平均して前記保護剤の長さ寸法の２倍以上の隙間を空けて分布する濃度で、好ましくは、０．２重量％以下で前記金属粒子を含む前記分散液を調製してもよい。
このようにすることで、担体の孔内において、孔の表面に分布する金属粒子同士の間隔が十分に大きく確保されるので、金属粒子の凝集をさらに効果的に抑制することができる。
【００１３】
上記発明においては、前記含浸ステップにおいて、前記分散液を複数の前記担体に含浸させ、前記焼成ステップの後に、前記複数の担体を積層する積層ステップを含んでもよい。
このようにすることで、複数の担体の積層構造を有する電極が製造される。すなわち、個々の担体を小さくすることができるので、含浸ステップにおいて分散液を個々の担体に容易に均一に含浸させ、金属粒子がより均一に分布した電極を製造することができる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記金属粒子が、貴金属からなることが好ましい。
このようにすることで、金属粒子による触媒作用を向上することができる。貴金属としては、例えば、金、白金、銀、ロジウム、パラジウムが好適に用いられる。
【００１５】
また、上記発明においては、前記金属粒子の粒径が、５ｎｍ以下であることが好ましい。
このようにすることで、金属粒子の最終的な粒径の平均が十分に小さい、具体的には、粒径の平均が約６ｎｍである電極を製造することができ、金属粒子の触媒作用をさらに向上することができる。なお、金属粒子は、粒径が５ｎｍ以下になると正二十面体構造を形成することが知られており、５ｎｍ以下では不飽和な原子の割合が増加することから、金属粒子の触媒作用の向上が期待できる。
【００１６】
また、本発明は、上記いずれかに記載の電極の製造方法によって製造された電極を提供する。
また、本発明は、前記担体が圧縮性を有する上記に記載の電極と、該電極を圧縮させる圧縮手段とを備える燃料電池を提供する。
本発明によれば、燃料電池の組み立てと同時に担体を圧縮加工することができ、製造工程を簡略にすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、触媒としての金属粒子を分散した状態で高密度に担体に担持させ、金属粒子の高い触媒作用を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る電極の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】（ａ）〜（ｇ）図１の電極の製造方法の含浸ステップ、焼成ステップおよび繰り返しステップにおける金属粒子の状態を示す図である。
【図３】図１の電極の製造方法の変形例における（ａ）含浸ステップおよび（ｂ）圧縮ステップを説明する図である。
【図４】図１の電極の製造方法のもう１つの変形例における（ａ）含浸ステップおよび（ｂ）積層ステップを説明する図である。
【図５】図３の電極の製造方法によって製造された電極が適用される燃料電池の全体構成を示す断面図である。
【図６】図５の燃料電池の変形例を示す断面図である。
【図７】図６の燃料電池のもう１つの形例を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）金粒子の濃度が異なる分散液を用いて製造された電極をＸＲＤ解析した結果を示すスペクトルである。
【図９】（ａ）〜（ｄ）金粒子の濃度が異なる分散液を用いて製造された電極の発電効率を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の一実施形態に係る電極の製造方法について図１〜図７を参照して説明する。
本実施形態に係る電極の製造方法は、燃料の酸化反応または還元反応を促進する触媒として金属粒子３を担持する、燃料電池用の電極を製造する方法である。
【００２０】
本実施形態に係る電極の製造方法は、図１に示されるように、電極の本体となる担体２に担持させる金属粒子３の総量を決定する総量決定ステップＳ１と、金属粒子３を媒体に単分散させた分散液を調製する分散液調製ステップＳ２と、分散液の一部を担体２に含浸させる含浸ステップＳ３と、分散液を含む担体２を焼成する焼成ステップＳ４と、含浸ステップＳ３および焼成ステップＳ４を繰り返す繰り返しステップＳ５とを含む。
【００２１】
担体２は、導電性を有する材料からなる平板形状の多孔質体である。担体２としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンフェルト、カーボンブラック、メソポーラスカーボン、カーボンナノチューブが好適に用いられる。
【００２２】
金属粒子３は、金、白金、銀、ロジウム、パラジウムなどの貴金属からなる。金属粒子３は、その粒径が小さい程、燃料の酸化反応または還元反応に対して高い触媒作用を示す。したがって、金属粒子３の粒径は、十分に小さいことが好ましく、例えば、２ｎｍ〜３ｎｍである。
【００２３】
また、金属粒子３は、表面が保護剤４によって覆われている。保護剤４は、金属粒子３の表面に容易に結合し、かつ、焼成によって金属粒子３から容易に脱離する分子であれば、特に制限されない。
【００２４】
例えば、金属粒子３として金粒子を用いる場合には、チオール基を有する保護剤４が好適に用いられる。チオール基を有する保護剤４としては、デカンチオール、ウンデカンチオール、トリデカンチオール、テトラデカンチオール、ペンタデカンチオール、ヘプタデカンチオールなどのチオール類が用いられる。これらの他に、１１−（２，４−シクロペンタジエニル）−１−ウンデカンチオール、１６−（１，３−シクロペンタジエニル）−１−ヘキサデカンチオールなどのシクロペンタジエニル基を有するチオール化合物や、１２−フェニル−１−ドデカンチオール、１３−フェニル−１−トリデカンチオールなどのフェニル基を有するチオール化合物が保護剤４として用いられてもよい。または、フルオレンやピルニル基が結合しミセルを形成するチオール化合物が保護剤４として用いられてもよい。以上のチオール類の他に、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、テトラメチルアンモニウム、ポリエチレンイミンなどの高分子や、ジメチルアミン、トリメチルアミンなどのアミン類、クエン酸、貴金属であるプラチナなどが保護剤４として用いられてもよい。
【００２５】
まず、総量決定ステップＳ１において、担体２に最終的に担持させるべき金属粒子３の総量を決定する。総量は、例えば、担体２の比表面積や目標とする金属粒子３の密度などに基づいて決定される。
【００２６】
次に、分散液調製ステップＳ２において、総量決定ステップＳ１において決定された総量の金属粒子３をヘキサンのような液体の媒体に分散させることにより、分散液を調製する。このときの媒体の体積は、担体２が一度に含むことができる媒体の体積よりも大きく、担体２の総細孔容積の数倍から数十倍である。総細孔容積とは、担体２が有する細孔の容積の総和である。すなわち、分散液調製ステップＳ２において、この後に行われる含浸ステップＳ３の複数回分の体積を有し、金属粒子３を十分に低い濃度、好ましくは０．２重量％以下の濃度で含む分散液が調製される。
【００２７】
次に、含浸ステップＳ３において、分散液中に担体２を浸漬する。これにより、各方向から担体２の細孔内に分散液を効率良く含浸させることができる。または、含浸ステップＳ３においては、分散液を担体２に滴下することによって、分散液を担体２に含浸させてもよい。
【００２８】
次に、焼成ステップＳ４において、分散液を含んだ担体２を、金属粒子３に結合している保護剤４が脱離する温度まで加熱する。これにより、分散液に含まれていた媒体が蒸発して担体２から除去されるとともに金属粒子３から保護剤４が脱離することにより、金属粒子３が担体２の表面、特に細孔の表面に付着して結合する。このときの焼成温度は、金属粒子３の融点以下である。また、焼成時間は、保護剤４が十分に脱離する時間であれば特に制限はされないが、保護剤４が脱離した後に担体２に十分に結合していない金属粒子３が周囲の金属粒子３と凝集することを防ぐため、必要十分な時間であることが好ましい。
【００２９】
繰り返しステップＳ５は、総量決定ステップＳ１において決定された総量の金属粒子３が担体２に含浸されるまで、すなわち分散液調製ステップＳ２において作成された分散液の全てが担体２に含浸されるまで、含浸ステップＳ３および焼成ステップＳ４を繰り返す。
以上の工程により、金属粒子３を担持した電極を製造することができる。
【００３０】
ここで、分散液調製ステップＳ２において調製される分散液中の金属粒子３の濃度について、より詳細に説明する。分散液中の金属粒子３の濃度は、金属粒子３の直径と、保護剤４の長さ（金属粒子３の半径方向の寸法）と、担体２の構造とを考慮して決定される。すなわち、総細孔容積が所定の大きさとなる体積を有する担体２を仮定する。また、この担体２の比表面積と同一の面積を有する平面を仮定する。この平面上に金属粒子３を隙間なく配列して単分子層を形成した場合に、この単分子層に含まれる金属粒子３の数以下の数の金属粒子３が、所定の大きさの体積の媒体に含まれるように、分散液の金属粒子３の濃度が決定される。
【００３１】
このような濃度の分散液を担体２の細孔内に含浸させ、焼成によって保護剤を脱離すると同時に細孔内から媒体を除去して金属粒子３を細孔の表面２ａに付着させると、隣接する金属粒子３間の細孔の表面２ａ方向の隙間が、平均して保護剤４の長さの２倍以上確保されることになる。保護剤４の長さの２倍以上の隙間を空けて隣接する２つの金属粒子３は、これら２つの金属粒子３間の相互作用が十分に小さいため、保護剤が脱離した後も互いに凝集し難い。
【００３２】
もし、分散液の濃度が上記の濃度よりも高い場合、焼成によって細孔の表面２ａに付着した金属粒子３間の隙間が不十分となる。したがって、保護剤４が脱離した後に互いに近接して存在する金属粒子３同士が容易に凝集して１つの塊を形成し、金属粒子３の触媒作用が低下する。
【００３３】
このように、本実施形態によれば、金属粒子３が十分に低い濃度で含まれた分散液を複数回に分けて担体２に含浸させ、１回の操作で担体２に含浸する金属粒子３の密度を十分に低く抑えている（図２（ａ）参照）。したがって、焼成によって金属粒子３から保護剤４を脱離させたときに、担体２の細孔の表面２ａ上において、金属粒子３は十分な間隔を空けて低密度で分散する（図２（ｂ）参照）。これにより、金属粒子３は、互いに凝集することなく細孔の表面２ａに結合する（図２（ｃ）参照）。
【００３４】
また、焼成後の個々の金属粒子３は、細孔の表面２ａに強い結合力によって固定される。この金属粒子３と細孔の表面２ａとの結合力は、金属粒子３同士の凝集を引き起こす金属粒子３間の相互作用よりも十分に大きい。したがって、分散液の含浸と焼成とを繰り返した際に（図２（ｄ）参照）、既に担体２に固定されている金属粒子３と新たに含浸された金属粒子３とが凝集することが抑制される（図２（ｅ）および（ｆ）参照）。これにより、金属粒子３を単分散した状態で担体２に担持させることができ、金属粒子３の触媒作用を十分に発揮させることができるという利点がある。また、含浸ステップＳ３と焼成ステップＳ４とを繰り返すことにより、金属粒子３を凝集させることなく、担体２に担持される金属粒子３の密度を目標とする密度まで容易に高めることができるという利点がある（図２（ｇ）参照）。
【００３５】
なお、上記実施形態においては、金属粒子３を十分に低い濃度で含む分散液を複数回に分けて担体２に含浸し、焼成することを繰り返しステップＳ５によって繰り返すこととしたが、これに代えて、圧縮可能な担体２を用いてもよい。
【００３６】
すなわち、図３（ａ）に示されるように、最終的に製造される電極１よりも大きな厚さを有するカーボンフェルトのような担体２に分散液５を含浸させる。そして、焼成ステップＳ４の後に、図３（ｂ）に示されるように、担体２を厚さ方向に圧縮することにより（圧縮ステップ）、電極１を製造する。このようにすることで、含浸ステップＳ３および焼成ステップＳ４においては、上述した実施形態と同様に、低密度で金属粒子３を担体２に担持させることによって金属粒子３の凝集を抑制し、圧縮ステップにおいて担体２を圧縮することによって金属粒子３の密度を目標とする密度まで容易に高めることができる。
【００３７】
なお、圧縮性の担体２を用いる場合に、分散液調製ステップＳ１において調製された分散液を全て、一度の含浸ステップＳ３で担体２に含浸させることができない場合には、上述した実施形態と同様に、含浸ステップＳ３および焼成ステップＳ４を複数回繰り返した後に、圧縮ステップを行ってもよい。
【００３８】
また、本実施形態においては、薄い担体２を厚さ方向に積層して電極を製造してもよい。
特に、図３（ａ）のように担体２の厚さを十分に大きく確保した場合、分散液は担体２の内部まで均一に含浸することが難しくなる。そこで、図４（ａ）に示されるように、比較的薄い担体２を複数準備し、各担体２に金属粒子３を担持させる。そして、図４（ｂ）に示されるように、これら複数の担体２を厚さ方向に積層して電極１を製造する。このようにすることで、全体にわたって金属粒子３がさらに均一に分布した電極１を製造することができる。
【００３９】
または、複数の薄い担体２を積層することに代えて、カーボンクロスのような、十分に薄く平面方向に十分に大きな面積を有する担体２を用いてもよい。このようにしても、分散液の含浸後、担体２を折り畳んで積層構造を形成することにより、電極１に担持される金属粒子３の均一性をさらに向上することができる。
【００４０】
図３（ａ），（ｂ）のように、担体２を圧縮加工して電極１を製造する場合、電極１が組み込まれる燃料電池に、担体２を圧縮するための圧縮手段が備えられていてもよい。このように、圧縮手段を燃料電池に設けることにより、担体２の圧縮加工を燃料電池の組み立てと同時に行うことができ、製造工程を簡略化することができる。
【００４１】
図５〜図７には、電極１が適用される燃料電池１００の一例として、糖と空気中の酸素とを燃料として発電する糖−空気燃料電池が示されている。この燃料電池１００は、容器６と、該容器６の内部を２つの部屋６ａ，６ｂに区画するプロトン伝導膜７と、該プロトン伝導膜７を間に挟んで対向配置されたアノード８およびカソード９と備えている。アノード８が配置される部屋６ａには、糖を含む燃料液が充填されている。容器６には、カソード９が配置される部屋６ｂと容器６の外部とを連通し、カソード９に空気を供給する通気穴６ｃが形成されている。
【００４２】
図５において、圧縮手段１０は、部屋６ａにプロトン伝導膜７と略平行に配置された板部材１０ａと、該板部材１０ａをプロトン伝導膜７に向かって付勢するバネのような付勢機構１０ｂとを備えている。板部材１０ａとプロトン伝導膜７との間に担体２を配置し、付勢機構１０ｂによって板部材１０ａを付勢することによって、担体２を圧縮加工してアノード８としての電極１を製造することができる。板部材１０ａは、燃料液がアノード８に円滑に供給されるように、網目構造または多孔体からなる。
【００４３】
図６において、圧縮手段１０は、容器６の内壁およびプロトン伝導膜７と協働して、アノード８が配置される空間を部屋６ａ内に画定する壁部材１０ｃを備えている。この壁部材１０ｃは、容器６の内壁に固定され、板部材１０ａと同様に網目構造または多孔体からなる。容器６の内壁、プロトン伝導膜７および壁部材１０ｃによって囲まれた空間に担体２を圧入することによって、担体２を圧縮加工してアノード８としての電極１を製造することができる。壁部材１０ｃは、図７に示されるように、部屋６ａ内において、アノード８が配置される空間を除く空間の全体に設けられていてもよい。
【実施例】
【００４４】
次に、上述した本実施形態の実施例について、図８および図９を参照して説明する。
本実施例において、金属粒子として粒径２〜３ｎｍの金粒子を用い、保護剤としてデカンチオールを用い、担体としてカーボンペーパを用いた。
【００４５】
まず、カーボンペーパ０．０１ｇ当たり金粒子０．３３ｍｇを担持させるために、金粒子の総量を０．３３ｍｇに決定した。次に、金粒子をヘキサンに分散させることにより、金粒子を０．０４重量％の濃度で含む分散液を１２００μＬ調製した。
【００４６】
ここで、分散液中の金粒子の濃度を０．０４重量％とすることにより、担体の細孔内に含浸された金粒子間の、細孔の表面方向の中心間距離が、平均して４．８ｎｍ以上確保されることを事前に確認した。すなわち、デカンチオールの長さ（鎖長）は約１．４ｎｍであるので、金粒子の直径を２ｎｍとすると、金粒子同士の中心間距離が約４．８ｎｍ以上確保され、金粒子が十分な隙間を空けて低密度で細孔の表面に分布する。
【００４７】
次に、カーボンペーパを分散液中に浸漬することによって３０μＬの分散液をカーボンペーパに含浸させ、担体を２００℃で１０分間焼成した。この分散液の含浸と焼成とを４０回繰り返すことにより、電極Ａを製造した。
【００４８】
同様にして、０．０８重量％、０．１６重量％および１．６重量％の金粒子を含む分散液を用いて電極Ｂ，Ｃ，Ｄを製造した。すなわち、電極Ｂは、０．０８重量％の分散液６００μＬを、３０μＬずつ２０回に分けてカーボンペーパに含浸させて製造した。電極Ｃは、０．１６重量％の分散液３００μＬを、３０μＬずつ１０回に分けてカーボンペーパに含浸させて製造した。電極Ｄは、１．６重量％の分散液３０μＬ全部を一度にカーボンペーパに含浸させて製造した。電極Ｂ，Ｃの焼成温度および１回当たりの焼成時間は、電極Ａのそれらと同一とした。電極Ｄの焼成温度は２００℃とし、焼成時間は３時間とした。
【００４９】
このようにして製造された、金粒子の総量が等しい４つの電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄについて、構造の解析と金粒子の触媒作用の測定とを実施した。その結果を図８および図９に示す。
【００５０】
電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの構造は、ＸＲＤ（Ｘ線回折）によって解析した。図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、０．０４重量％、０．０８重量％、０．１６重量％、１．６重量％の金粒子を含む分散液を用いて製造した電極Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄの解析結果であるスペクトルを示している。図８（ａ）〜（ｄ）に示されるように、分散液中の金粒子の濃度が低い程、電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに担持されている金粒子の粒径が小さいことが確認された。
【００５１】
金粒子の触媒作用は、電極から水酸化物イオンが脱離することによって発生する電流を測定して評価した。具体的には、電極Ａ，Ｂ，ＣまたはＤと、基準電極とを電解液に浸漬し、これら２つの電極間に印加する電圧を変化させたときに、電極に発生する電流を測定した。電解液としては、０．５Ｍの硫酸水溶液を用いた。この電流の大きさは、電極Ａ，Ｂ，ＣまたはＤに担持されている金粒子の還元反応に対する触媒作用の程度に依存し、水酸化物イオンを吸着できる金粒子の表面積が大きい程、すなわち、金粒子の凝集が抑制され、金粒子が小さい粒径で分散して存在している程、大きくなる。
【００５２】
図９（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、０．０４重量％、０．０８重量％、０．１６重量％、１．６重量％の金粒子を含む分散液を用いて製造した電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの測定結果を示すグラフである。図中、破線は、電極Ａ，Ｂ，ＣまたはＤと基準電極とを、電圧が印加されていない状態で電解液に浸漬したときに発生する電流の値を示している。この破線と実線とによって囲まれる領域Ｒの面積が、電極Ａ，Ｂ，ＣまたはＤにおける金粒子の触媒作用の程度を示している。図９（ａ）〜（ｄ）に示されるように、分散液中の金粒子の濃度が低い程、大きな電流が得られ、金粒子の触媒作用が高いことが確認された。
【００５３】
４つの電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄについて、図８および図９の結果から、金粒子の平均粒径、活性表面積比および平均間隔を解析した。その結果を表１に示す。活性表面積比は、図９（ｄ）における領域Ｒの面積を１としたときの、図９（ｂ）〜（ｃ）における領域Ｒの面積比である。平均間隔は、各分散液３０μＬを担体に含浸させて金粒子を細孔の表面に担持させたときの、金粒子間の隙間の平均である。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
表１に示されるように、分散液の濃度が低い程、最終的に電極に担持される金粒子の平均粒径が小さくなり、０．０４重量％の分散液を用いた場合には、金粒子を十分に小さい粒径のまま電極に担持させることができることが確認された。また、金粒子の総量０．３３ｍｇを一度に担体に含浸して製造した電極Ｄに比べて、電極Ａでは７．２倍の金粒子の活性表面積比が得られることが確認された。
【００５６】
なお、本実施例では、保護剤としてデカンチオールを用いたが、保護剤として他の分子を用いることもできる。例えば、保護剤としてヘキサデカンチオール（鎖長：約２．１ｎｍ）を用いる場合には、金粒子を０．０３３重量％の濃度で含む分散液を１４６０μＬ用いればよい。また、保護剤としてオクタデカンチオール（鎖長：約２．４ｎｍ）を用いる場合には、金粒子を０．０２７重量％の濃度で含む分散液を１７８０μＬ用いればよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  電極
２  担体
２ａ  細孔の表面
３  金属粒子
４  保護剤
５  分散液
６  容器
６ａ，６ｂ  部屋
６ｃ  通気穴
７  プロトン伝導膜
８  アノード
９  カソード
１０  圧縮手段
１００  燃料電池
Ｓ１  総量決定ステップ
Ｓ２  分散液調製ステップ
Ｓ３  含浸ステップ
Ｓ４  焼成ステップ
Ｓ５  繰り返しステップ
【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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