(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置に用いる燃料電池電極材料であって、微細アレイ多孔質担体材料を含み、
前記微細アレイ多孔質担体材料は、金属又は金属酸化物から構成され、それぞれ５００ｎｍ〜５ｍｍの細孔径を有する複数の細孔を有し、
前記複数の細孔の細孔径は、ばらつきが２０％未満で実質的に均一であり、
前記微細アレイ多孔質担体材料は、４０〜８５％の孔隙率を有し、前記微細アレイ多孔質担体材料は所定の領域が表面処理されて親水性になっていて、
前記微細アレイ多孔質担体材料の前記複数の細孔内に、バインダーを用いずに触媒が配置されている、
燃料電池電極材料。
【請求項２】
前記金属は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＣｒからなる群から選択され、前記金属酸化物は、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、ＣｏＦｅ２Ｏ４、Ｐｔ‐ＷＯ３、Ｐｔ‐ＴｉＯ２、Ｐｔ‐Ｃｕ‐ＭＯｘ、ＭｎＯ２、ＣｒＯ２、ＣｕｘＭｎｙＯｚ、ＬａＭｎＯ３、及びＬａ１‐ｘＳｒｘＦｅＯ３からなる群から選択される、請求項１に記載の燃料電池電極材料。
【請求項３】
前記微細アレイ多孔質担体材料の前記複数の細孔の細孔径は、１０００〜５００００ｎｍである、請求項１に記載の燃料電池電極材料。
【請求項４】
前記微細アレイ多孔質担体材料の孔隙率が７４％である、請求項３に記載の燃料電池電極材料。
【請求項５】
前記微細アレイ多孔質担体材料は、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒ、又は金属酸化物から実質的に構成され、前記金属酸化物は、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、ＣｏＦｅ２Ｏ４、Ｐｔ‐ＷＯ３、Ｐｔ‐ＴｉＯ２、Ｐｔ‐Ｃｕ‐ＭＯｘ、ＭｎＯ２、ＣｒＯ２、ＣｕｘＭｎｙＯｚ、ＬａＭｎＯ３、及びＬａ１‐ｘＳｒｘＦｅＯ３からなる群から選択される、請求項４に記載の燃料電池電極材料。
【請求項６】
前記金属は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＺｎからなる群から選択される、請求項４に記載の燃料電池電極材料。
【請求項７】
前記微細アレイ多孔質担体材料が、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、ＣｏＰｃ、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、又はＣｏＦｅ２Ｏ４の少なくとも１種で被覆されている、請求項６に記載の燃料電池電極材料。
【請求項８】
前記触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、ＣｏＰｃ、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、及びＣｏＦｅ２Ｏ４の少なくとも１種からなる、請求項６に記載の燃料電池電極材料。
【請求項９】
触媒担体粒子を更に含み、前記触媒は前記触媒担体粒子の表面に配置され、前記触媒を担体する前記触媒担体粒子は前記微細アレイ多孔質担体材料の前記複数の細孔内に配置されている、請求項６に記載の燃料電池電極材料。
【請求項１０】
前記触媒担体粒子は、カーボンナノチューブ、グラフェン、又はカーボンナノスフェアの少なくとも１種を含む、請求項９に記載の燃料電池電極材料。
【請求項１１】
前記触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、ＣｏＰｃ、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、又はＣｏＦｅ２Ｏ４の少なくとも１種からなる粒子である、請求項１０に記載の燃料電池電極材料。
【請求項１２】
ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）と、アノード触媒層と、カソード触媒層とを含む膜電解質接合体（ＭＥＡ）を含む燃料電池装置であって、
前記ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）は、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層に挟まれていて、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方が、請求項４に記載の燃料電池電極材料を含み、
前記燃料電池装置は、
アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を更に含み、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層は、それぞれ前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）とは反対の側面に配置され、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方が、請求項１に記載の第２の燃料電池電極材料を含み、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の前記少なくとも一方における前記第２の燃料電池電極材料の細孔径が、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方における前記燃料電池電極材料の細孔径よりも小さく、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の前記少なくとも一方が、Ｒｕ又はＰｄの少なくとも１種から選択される第２の触媒を更に含む、
燃料電池装置。
【請求項１３】
前記燃料電池電極材料における前記微細アレイ多孔質担体材料は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＺｎからなる群から選択される金属で構成され、前記触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、ＣｏＰｃ、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、又はＣｏＦｅ２Ｏ４のうちの少なくとも１種である、請求項１２に記載の燃料電池装置。
【請求項１４】
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方が触媒担体を更に含み、前記触媒担体は、カーボンナノチューブ、グラフェン、又はカーボンナノスフェアの少なくとも１種から選択され、前記触媒担体の粒子は、前記触媒担体の粒子の外表面に前記触媒の粒子を担持するものであって、前記触媒担体の粒子は前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方の前記微細アレイ多孔質担体材料の複数の細孔内に配置されている、請求項１３に記載の燃料電池装置。
【請求項１５】
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方は、反応性ガスが拡散するように構成されている、請求項１２に記載の燃料電池装置。
【請求項１６】
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方は、反応性ガスが拡散し易いように疎水性となるよう所定の領域が表面処理されている、請求項１５に記載の燃料電池装置。
【請求項１７】
前記アノードガス拡散層、前記アノード触媒層、前記カソード触媒層、及び前記カソードガス拡散層の底部に配置された水処理層を更に含み、
前記水処理層は、請求項１に記載の第３の燃料電池電極材料を含み、
前記水処理層における前記第３の燃料電池電極材料の細孔径は、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方における前記燃料電池電極材料の細孔径よりも大きく、且つ前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の前記少なくとも一方における前記第２の燃料電池電極材料の細孔径よりも大きく、
前記水処理層の前記第３の燃料電池電極材料は、任意に表面処理されて親水性になっている、請求項１２に記載の燃料電池装置。
【請求項１８】
アノード水処理層及びカソード水処理層を更に含み、
前記アノード水処理層及び前記カソード水処理層は、前記アノード触媒層と前記ポリマー電解質膜との間及び前記カソード触媒層と前記ポリマー電解質膜との間にそれぞれ配置され、
前記アノード水処理層及び前記カソード水処理層の少なくとも一方が、請求項１に記載の第２の燃料電池電極材料を含み、前記第２の燃料電池電極材料の細孔径は、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方の前記燃料電池電極材料の細孔径よりも大きく、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層は、反応性ガスが拡散できるように構成されている、請求項１２に記載の燃料電池装置。
【請求項１９】
膜電解質接合体（ＭＥＡ）を含み、前記膜電解質接合体は、アノード側からカソード側へ順に、アノードガス拡散層、アノード触媒層、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）、カソード触媒層、カソードガス拡散層を含み、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方が、請求項１に記載の燃料電池電極材料を含む、請求項１２に記載の燃料電池装置。
【請求項２０】
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方が、カーボンナノチューブ又はカーボンナノスフェアから選択される触媒担体を含む、請求項１９に記載の燃料電池装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の燃料電池電極材料を製造する方法であって、
（ｉ）前記微細アレイ多孔質担体材料を３Ｄ印刷により又は鋳型製法により製造するステップ、を含み、前記鋳型製法は、
ａ）コロイド粒子鋳型を電気泳動により作製するサブステップ、
ｂ）コロイド粒子鋳型に電極材料を浸潤させるサブステップ、及び
ｃ）コロイド粒子鋳型を除去するサブステップ、を含む、方法。
【請求項２２】
前記鋳型製法において、サブステップ（ｂ）は、電着、ＰＶＤ（物理気相堆積）、ＣＶＤ（化学気相堆積）又はゾル‐ゲル（ゾル‐ゲル法）のうちの少なくとも１種によって達成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ステップ（ｉ）の直後に、
（ｉｉ）前記微細アレイ多孔質担体材料の上に、第２の微細アレイ多孔質担体材料を３Ｄ印刷又は鋳型製法により製造するステップを更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
ステップ（ｉｉ）における前記第２の微細アレイ多孔質担体材料は、前記微細アレイ多孔質担体材料の細孔径よりも大きい細孔径を有するように、且つ、表面が親水性を有するように構成されている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
ステップ（ｉｉ）における前記第２の微細アレイ多孔質担体材料が親水性導電性ポリマーからなっている、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
ステップ（ｉｉ）における前記第２の微細アレイ多孔質担体材料が表面処理されて親水性となっている、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
ステップ（ｉｉ）における前記第２の微細アレイ多孔質担体材料が、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＺｎからなる群から選択される金属で構成されていて、また、前記第２の微細アレイ多孔質担体材料は表面が酸化処理されている、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
ステップ（ｉｉ）における前記第２の微細アレイ多孔質担体材料は親水性材料で被覆されている、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
ステップ（ｉ）の直後に、
（ｉｉ）触媒の粒子を担持する触媒担体の粒子を、前記微細アレイ多孔質担体材料における前記複数の細孔内に分布させるステップを更に含む、燃料電池電極材料を製造する請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記触媒担体が、カーボンナノチューブ又はカーボンナノスフェアの少なくとも１種から選択される、燃料電池電極材料を製造する請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
ステップ（ｉｉ）の直後に、
（ｉｉｉ）前記触媒の粒子を前記燃料電池電極材料中の前記微細アレイ多孔質担体材料と結合させるステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
ステップ（ｉｉｉ）が加熱により達成される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
ステップ（ｉ）の直後に、
（ｉｉ）前記微細アレイ多孔質担体材料に耐腐食処理を施すステップを更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
ステップ（ｉ）における前記微細アレイ多孔質担体材料は、Ｚｎ、Ｔｉ及びＮｉからなる群から選択される金属で構成され、ステップ（ｉｉ）における前記耐腐食処理は酸化処理である、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
ステップ（ｉ）における前記微細アレイ多孔質担体材料は、Ｚｎ、Ｔｉ及びＮｉからなる群から選択される金属で構成され、ステップ（ｉｉ）における前記耐腐食処理は耐腐食材による表面被覆である、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
請求項１に記載の燃料電池電極材料を含む燃料電池装置であって、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）、ＤＭＦＣ（直接メタノール形燃料電池）、ＰＡＦＣ（リン酸形燃料電池）、ＦＣ、ＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池）、又はＰＦＣのうちの少なくとも１種である、燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
背景
燃料電池は、水素及び軽油やメタノールなどの炭化水素を含む燃料を、酸素又は過酸化水素などの酸化剤との化学反応によってその化学エネルギーを電気に変換する一種の電気化学装置である。 燃料電池は、エネルギー効率が高く、燃料が供給されている限り連続して発電することができるため、輸送、マテリアルハンドリング、固定式バックアップ電源、携帯型バックアップ電源、及び緊急バックアップ電源など、幅広い用途がある。
【０００２】
燃料電池は、一般には、電気が生成される化学反応に必要な活性化エネルギーを低下させるために、そのアノード及びカソード電極アセンブリに触媒層を有することが必要とされる。触媒層は、触媒の活性表面積及び電極触媒活性を共に向上させるため、従来、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンナノチューブなどの表面積が大きな導電性担体上に白金などの貴金属触媒の微細に分散した結晶を有するように設計されている。しかしながら、このような構成は、通常、コストの高さと信頼性の欠如という問題をもたらし、これら問題が燃料電池の実用性を大幅に制限する。
【発明の概要】
【０００３】
概要
本開示は、燃料電池装置に用いられる燃料電池電極材料に関し、特に、微細アレイ多孔質燃料電池電極材料に関するものであり、更には、当該燃料電池電極材料の燃料電池装置への応用に関する。
【０００４】
本明細書では、燃料電池装置に用いられる燃料電池電極材料を開示する。燃料電池電極材料は、通常は、約５００ｎｍ〜５ｍｍ、好ましくは１０００〜５００００ｎｍの細孔径を有する複数の細孔を有する微細アレイ多孔質材料を含み、複数の細孔の細孔径はばらつきが約２０％未満で実質的に均一であり、微細アレイ多孔質材料は約４０〜８５％の孔隙率を有する。いくつかの実施形態では、微細アレイ多孔質材料は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＣｒなどの金属で構成することができる。いくつかの実施形態では、微細アレイ多孔質材料は、ステンレス鋼、Ｐｔ‐Ｃｏ、Ｐｔ‐Ｆｅ、Ｐｔ‐Ｃｒ、Ｐｔ‐Ｎｉ、Ｐｔ‐Ｔｉ、Ｐｔ‐Ｍｎ、Ｐｔ‐Ｃｕ、Ｐｔ‐Ｖ、Ｐｔ‐Ｃｒ‐Ｃｏ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｃｒ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｍｎ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｃｏ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｎｉ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｃｕ、Ｐｔ‐Ｃｒ‐Ｃｕ、及びＰｔ‐Ｃｏ‐Ｇａなどの合金で構成することができる。いくつかの実施形態では、微細アレイ多孔質材料は、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、ＣｏＦｅ２Ｏ４、Ｐｔ‐WＯ３、Ｐｔ‐ＴｉＯ２、Ｐｔ‐Ｃｕ‐ＭＯｘ、ＭｎＯ２、ＣｒＯ２、ＣｕｘＭｎｙＯｚ、ＬａＭｎＯ３、Ｌａ１‐ｘＳｒｘＦｅＯ３などの金属酸化物で構成することができる。
【０００５】
いくつかの実施形態において、燃料電池電極材料は、アノード又はカソード触媒層に使用することができ、通常は、孔隙率が約７４％である微細アレイ多孔質材料を含む。いくつかの実施形態において、微細アレイ多孔質材料は実質的に全体が触媒材料で構成され、触媒材料としては、金属（例えば、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＣｒ）、合金（例えば、Ｐｔ‐Ｃｏ、Ｐｔ‐Ｆｅ、Ｐｔ‐Ｃｒ、Ｐｔ‐Ｎｉ、Ｐｔ‐Ｔｉ、Ｐｔ‐Ｍｎ、Ｐｔ‐Ｃｕ、Ｐｔ‐Ｖ、Ｐｔ‐Ｃｒ‐Ｃｏ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｃｒ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｍｎ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｃｏ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｎｉ、Ｐｔ‐Ｆｅ‐Ｃｕ、Ｐｔ‐Ｃｒ‐Ｃｕ、Ｐｔ‐Ｃｏ‐ＧａといったＰｔ系合金）、又は金属酸化物（例えば、 ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、ＣｏＦｅ２Ｏ４、Ｐｔ‐ＷＯ３、Ｐｔ‐ＴｉＯ２、Ｐｔ‐Ｃｕ‐ＭＯｘ、ＭｎＯ２、ＣｒＯ２、ＣｕｘＭｎｙＯｚ、ＬａＭｎＯ３、及びＬａ１‐ｘＳｒｘＦｅＯ３）が挙げられる。 いくつかの他の実施形態において、微細アレイ多孔質材料は触媒担体と触媒成分を含み、触媒担体は、費用対効果の高い金属（例えば、 Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ）、導電性セラミック（例えば、 ＺｎＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯの少なくとも１種を含む触媒成分（例えば、ＺｎＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯ）、又は導電性ポリマー（例えば、ポリピロール、ポリフェニレンスルファイド、フタロシアニン、ポリアニリン、及びポリチオフェン）から構成され、触媒成分は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、ＣｏＰｃ、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、又はＣｏＦｅ２Ｏ４のうちの少なくとも１種を含む。いくつかの実施形態において、触媒成分は、触媒担体の表面に被覆されてもよい。更にいくつかの他の実施形態では、触媒成分の粒子は、微細アレイ多孔質触媒担体の複数の細孔内に配置されてもよい。更にいくつかの他の実施形態では、触媒成分の粒子は、カーボンナノチューブ又はカーボンナノスフェアといった第２の触媒担体の粒子の表面に付着されてもよく、それらは共に微細アレイ多孔質触媒担体における複数の細孔内に配置される。
【０００６】
いくつかの実施形態では、燃料電池電極材料は、アノード又はカソードの水処理層に使用することができ、通常は表面処理がなされていて、当該表面処理は例えば、金属組成物を酸化することによって、又は親水性材料で被覆することによって微細アレイ状多孔質燃料電池電極材料の所定の領域を親水性にすることによりなされる。水処理層電極材料の親水性表面処理は、いくつかの実施形態では電極材料を親水性プラズマで被覆することによって達成され、いくつかの実施形態では電極材料を表面活性剤（例えば、ラウリル硫酸アンモニウム、ラウリル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、ジオクチルナトリウムスルホサクシネート、ペルフルオロオクタンスルホネート（ＰＦＯＳ）、ペルフルオロブタンスルホネート、ナトリウムラウロイルサルコシネート、ペルフルオロノナノエート又はペルフルオロオクタノエート）で処理することによって達成され、更にいくつかの他の実施形態では、ヒドロキシル（‐ＯＨ）基又はカルボキシル（‐ＣＯＯＨ）といった少なくとも１種の親水性官能基を有する化学薬品で修飾することによりなされている。
【０００７】
いくつかの実施形態では、燃料電池電極材料は、アノード又はカソードにおけるガス拡散層に使用され、通常は、所定の領域で疎水性になるように疎水性材料で被覆されるよう表面処理される。 ガス拡散層電極材料の疎水性表面処理は、電極材料を疎水性プラズマで被覆することにより達成され、いくつかの実施形態では、フルオロシリコーン、シロキサン又はフルオロカーボンで電極材料を処理することによって達成される。
【０００８】
本明細書では、上述の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を適用する燃料電池装置も提供する。燃料電池装置は、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）と、アノード触媒層と、カソード触媒層とを含む膜電解質接合体（ＭＥＡ）を含むポリマー電解質膜（ＰＥＭ）を含み、このうち、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）はアノード層とカソード層との間に挟持されていて、アノード触媒層及びカソード触媒層の少なくとも一方が、孔隙率が約７４％の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料と、触媒とを含む。
【０００９】
燃料電池装置のいくつかの実施形態において、燃料電池電極材料は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＺｎからなる群から選択される金属で構成され、触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、ＣｏＰｃ、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、又はＣｏＦｅ２Ｏ４のうちの少なくとも１種である。いくつかの実施形態では、触媒は微細アレイ多孔質材料の表面に均一に被覆され、いくつかの他の実施形態では、触媒の粒子は微細アレイ多孔質材料の複数の細孔内に配置され、また更に他のいくつかの実施形態では、アノード触媒層及びカソード触媒層の少なくとも一方は、カーボンナノチューブ又はカーボンナノスフェアといった触媒担体を更に含み、このうち、触媒の粒子をその外表面に担持した触媒担体の粒子は、アノード触媒層及びカソード触媒層の少なくとも一方の微細アレイ多孔質材料の複数の細孔内に配置されている。
【００１０】
いくつかの実施形態では、燃料電池装置は、組合せ式の触媒‐ガス拡散層の設計を含むことができる。これらの実施形態では、アノード触媒層及びカソード触媒層の少なくとも上記一方が、反応性ガスをその内に拡散させられるように更に構成されている。いくつかの実施形態では、アノード触媒層、カソード触媒層、又はその両方において、反応性ガスが拡散し易くなるよう疎水性となるように所定の領域が更に表面処理される。いくつかの実施形態では、燃料電池装置は、セパレート式の触媒‐ガス拡散層の設計を含むことができる。これらの実施形態において、燃料電池装置は、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層とを更に含み、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層は、それぞれ、アノード触媒層及びカソード触媒層のポリマー電解質膜（ＰＥＭ）とは反対の側面に配置され、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の少なくとも一方が、上述したような第２の微細アレイ燃料電池電極材料を含む。 いくつかの実施形態では、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の上記少なくとも一方における第２の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の細孔径は、アノード触媒層及びカソード触媒層のうちの上記少なくとも一方における燃料電池電極材料の細孔径よりも小さく、また、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層のうちの上記少なくとも一方は、Ｒｕ又はＰｄのうちの少なくとも１種から選択される第２の触媒を更に含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、アノード触媒層、カソード触媒層及びカソードガス拡散層の底部に配置された水処理層を更に含み、この内、水処理層は、上述したような第３の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含み、水処理層における第３の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の細孔径は、アノード触媒層及びカソード触媒層のうちの上記少なくとも一方における微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の細孔径よりも大きく、且つ、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の上記少なくとも一方における第２の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の細孔径よりも大きく、また、水処理層における第３の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料は、場合により表面処理されて親水性となっている。いくつかの実施形態において、燃料電池装置は、アノード水処理層及びカソード水処理層を更に含み、アノード水処理層及びカソード水処理層は、アノード触媒層とポリマー電解質膜との間、及び、アノード触媒層とカソード触媒層との間にそれぞれ配置され、アノード水処理層及びカソード水処理層の少なくとも一方が、第２の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含み、第２の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の細孔径は、アノード触媒層及びカソード触媒層の前記少なくとも一方の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の細孔径よりも大きく、アノード触媒層及びカソード触媒層は、その内に反応性ガスを拡散させられるように構成される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、燃料電池装置は膜電解質接合体（ＭＥＡ）を含み、膜電解質接合体は、アノード側からカソード側へ順に、アノードガス拡散層、アノード触媒層、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）、そしてカソード触媒層を含み、その内、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の少なくとも一方が微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含む。 燃料電池装置のいくつかの実施形態では、アノード触媒層及びカソード触媒層の少なくとも一方が、カーボンナノチューブ又はカーボンナノスフェアから選択される触媒担体を含む。
【００１３】
本開示は、上述の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を製造する方法も提供する。本方法は、（ｉ）微細アレイ多孔質材料を３Ｄ印刷により又は鋳型製法により製造するステップを含む。いくつかの実施形態では、微細アレイ多孔質材料を３Ｄ印刷により製造する。またいくつかの他の実施形態では、微細アレイ多孔質材料を鋳型製法により製造し、当該鋳型製法は、ａ）コロイド粒子鋳型を電気泳動により作製するサブステップ、ｂ）コロイド粒子鋳型に電極材料を浸潤させるサブステップ、及び、ｃ）コロイド粒子鋳型を除去するサブステップを含む。いくつかの実施形態では、サブステップ（ｂ）は、電着、ＰＶＤ（物理気相堆積）、ＣＶＤ（化学気相堆積）又はゾル‐ゲル（ゾル‐ゲル法）のうちの少なくとも１種によって達成される。
【００１４】
いくつかの実施形態において、本方法は更に、（ｉｉ）微細アレイ多孔質材料の上に、第２の微細アレイ多孔質材料を３Ｄ印刷又は鋳型製法により製造するステップを含む。いくつかの実施形態において、ステップ（ｉｉ）における第２の微細アレイ多孔質材料は、上記微細アレイ多孔質材料の細孔径よりも大きい細孔径を有するように、且つ、表面が親水性を有するように構成されている。第２の微細アレイ多孔質材料は、実施形態によっては親水性導電性ポリマーから構成されてもよく、あるいは表面処理されることで親水性となっていてもよい。 一例では、第２の微細アレイ多孔質材料は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ及びＺｎからなる群から選択される金属から構成され、表面が酸化処理される。 別の例では、第２の微細アレイ多孔質材料を親水性材料で被覆してもよい。
【００１５】
いくつかの実施形態では、本方法は、（ｉｉ）触媒の粒子を担持する触媒担体の粒子を、微細アレイ多孔質材料の表面又は微細アレイ多孔質材料における複数の細孔内に分布させるステップを更に含むことができる。触媒担体は、カーボンナノチューブ又はカーボンナノスフィアであってもよい。 いくつかの実施形態では、本方法は、ステップ（ｉｉ）の直後に、（ｉｉｉ）触媒の粒子を燃料電池電極材料中の微細アレイ多孔質材料と結合させるステップを更に含むことができ、いくつかの実施形態において、このステップ（ｉｉｉ）は加熱により達成される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、本方法は、（ｉｉ）微細アレイ多孔質材料に耐腐食処理を施すステップを更に含むことができる。例として、微細アレイ多孔質材料が金属、例えばＺｎ、Ｔｉ、Ｎｉなどから構成されている場合、ステップ（ｉｉ）における耐腐食処理は、いくつかの実施形態では酸化処理であってもよく、いくつかの他の実施形態では耐腐食材料を用いた表面被覆である。
【００１７】
本明細書に開示される微細アレイ多孔質燃料電池電極材料は、他の種類の燃料電池装置に応用することができ、例えば、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）、ＤＭＦＣ（直接メタノール形燃料電池）、ＰＡＦＣ（リン酸形燃料電池）、ＦＣ 、ＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池）、又はＰＦＣに応用することができる。本開示は、微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含む燃料電池装置も提供し、ここで燃料電池装置は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）、ＤＭＦＣ（直接メタノール形燃料電池）、ＰＡＦＣ（リン酸形燃料電池）、ＦＣ、ＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池）、又はＰＦＣのうちの少なくとも１種である。
【００１８】
従来の触媒粒子を塗布したカーボンペーパー／クロス／ナノチューブなどの燃料電池電極材料と比較して、本発明の微小アレイ多孔質燃料電池電極材料は、次のような利点がある。第一に、微細アレイ多孔質構造はその表面積対体積比が有意に高いために、はるかに高い有効電極触媒面積を有する。第二に、その膜構造により、従来の燃料電池において導電性担体から触媒粒子が脱落することに起因して信頼性が徐々に低下する問題が解決される。第三に、従来の燃料電池において触媒粒子を導電性担体に密着させるために用いられるバインダーの使用を回避することができ、燃料電池の製造のために用いられる触媒の量及び製造コストを劇的に削減しながらも、信頼性を大幅に高めることができる。第四に、高価な貴金属担体（例えばＰｔ）で被覆される微細アレイ多孔質導電性担体を、より安価な金属又は金属酸化物化合物（例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｌ、ＣｏＰｃ、ＣｏＴＭＰＰ‐ＴｉＯ２、ＭｎＯｘ‐ＣｏＴＭＰＰ、ＣｏＦｅ２Ｏ４など）で構成する設計により、燃料電池の製造コストをより一層削減することができ、更に従来のカーボンペーパー／クロス／ナノチューブ／ナノスフェアを用いる場合よりも高い導電率を達成することができる。第五に、微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の周期構造の存在により、局所的な欠陥又はカーボン系導電性担体における触媒粒子の偏在によって起こるいくつかの箇所での発熱の問題が解消される。第六に、微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の周期構造の存在により、材料を跨ぐ／通過する反応性ガス又は反応性溶媒（例えば、Ｈ２、Ｏ２、エタノール、メタノール）、液体廃棄物（例えば、Ｈ２Ｏ）、及び電子のより効果的な分布及び移動を促す。最後に、いくつかの設計では燃料電池内に触媒層とガス拡散層とを組み合わせることによって、設計を単純化し、コストを削減し、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】微細に分散された触媒粒子で被覆されたカーボンナノチューブからなる触媒層を有する従来のプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）装置を示す。
【００２０】
【図２】本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む燃料電池膜電極接合体を示す。
【００２１】
【図３】本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む燃料電池膜電極接合体を示す。
【００２２】
【図４】本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む燃料電池膜電極接合体を示す。
【００２３】
【図５】本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む燃料電池膜電極接合体を示す。
【００２４】
【図６】本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む他の膜電極接合体を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、微細に分散された触媒粒子で被覆されたカーボンナノチューブからなる触媒層を有する従来のプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）装置を示す。 ＰＥＭＦＣ装置１００は、アノード側からカソード側の順に、アノード端板１０１、アノードバイポーラプレート１０２、アノードガスケット１０３、アノードガス拡散層１０４、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０５、カソードガス拡散層層１０６、カソードガスケット１０７、カソードバイポーラプレート１０８、カソード端板１０９とを含む。ガスチャネルは、通常は、アノードバイポーラプレート１０２及びカソードバイポーラプレート１０８の両方に配置され、Ｈ２及びＯ２を燃料電池のアノード及びカソードにそれぞれ供給する経路として機能する。図１では、限られた視野のため、カソードバイポーラプレート１０８内のＯ２ガスチャネル１１０のみを示している。ＭＥＡ１０５は、通常は、アノード触媒層１１２とカソード触媒層１１３の間に挟まれたポリマー電解質膜（ＰＥＭ）１１１を含む。通常は、アノード触媒層及びカソード触媒層の両方が、それぞれ非常に細かい粉末のアノード触媒及びカソード触媒で被覆された触媒担体を含む。触媒担体は、通常、カーボンペーパー、カーボンクロス、又はカーボンナノチューブのフィルムからなり、アノード触媒は、Ｐｔなどの金属、Ｐｔ‐Ｒｕなどの合金、酸化セリウム（ＩＶ）などの金属酸化物、ＭＯｘＲｕｙＳｚ、ＭＯｘＲｈｙＳｚなどの金属硫化物、又は（Ｒｕ１‐ｘＭＯｘ）ＳｅＯｚなどのカルコゲン化物から構成することができ、カソード触媒は、Ｐｔ又はＮｉから構成することができる。図１はまた、Ｐｔ１１５のナノ粒子で被覆されたカーボンナノチューブ１１４のフィルムを含む典型的なアノード触媒層の画像を示す。
【００２６】
図１に示す従来の燃料電池は、以下のような弱点を有する。第一に、導電性担体の表面への触媒粒子の安定した付着及び効果的な分散のため、通常はバインダーが必要となる。しかし、バインダーの存在は、燃料電池内の触媒の有効電極触媒面積を減少させ、この減少分を補うために、所定の出力レベルを確保するべく大量の触媒が必要となる。第二に、導電性担体の表面に被覆された触媒粒子は、振動／衝撃環境において、あるいは燃料電池へのガス供給、又は燃料電池からの水やその他の反応生成物の排出中においても、緩みが生じ易く、担体から脱離するおそれがある。これが、燃料電池に信頼性の問題を引き起こす。
【００２７】
図２は、本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む燃料電池膜電極接合体（ＭＥＡ）を示す。図２に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）２００は、アノード触媒層２０２とカソード触媒層２０３の間に挟まれたポリマー電解質膜（ＰＥＭ）２０１を備える。 アノード触媒層２０２及びカソード触媒層２０３は両方とも、微細アレイ多孔質構造２０４を有する燃料電池電極材料を含むことができる。この燃料電池電極材料２０４は、通常は、複数の細孔を有する微細アレイ多孔質材料を含み、このうちの複数の細孔は、細孔径が約５００ｎｍ〜５ｍｍであり、複数の細孔の細孔径はばらつきが約２０％未満で実質的に均一であり、微細アレイ多孔質材料の孔隙率は約４０〜８５％である。いくつかの好ましい実施形態では、燃料電池電極材料は、多孔質材料の表面積対体積比が理論上の最高値となる、約７４％の孔隙率を有する非常にコンパクトな微細アレイ多孔質材料を含むことができる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、符号２０５で示すように、微細アレイ多孔質材料は、Ｐｔ又は他の燃料電池触媒材料で全体的に構成することができ、したがって燃料電池のＭＥＡの触媒層材料として直接使用することができる。いくつかの他の実施形態において、微細アレイ多孔質材料は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びステンレス鋼などの金属／合金、又はＺｎｘＯ１‐ｘなどの導電性金属酸化物で構成され、且つ、符号２０５で示すようなＰｔなどの燃料電池触媒材料でその表面がむらなく被覆されている。いくつかの他の実施形態では、微細アレイ多孔質材料は、燃料電池の触媒層における触媒粒子を担持するための高表面積導電性担体として機能することができる。いくつかの他の実施形態では、符号２０６で示すように、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、ステンレス鋼、及びＮｉなどの金属／合金、又はＺｎｘＯ１‐ｘなどの導電性金属酸化物で構成された微細アレイ多孔質担体は、その細孔内がＰｔなどの燃料電池触媒のナノ粒子で被覆されてもよい。更にいくつかの他の実施形態では、符号２０７で示すように、カーボンナノチューブ、グラフェン、及びカーボンナノスフェアなどの第２の導電性担体が、第２の導電性担体をその表面に担持する触媒粒子とともに、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、ステンレス鋼又はＮｉ、あるいはＺｎｘＯ１‐ｘなどの導電性金属酸化物からなる第１の微細アレイ多孔質導電性担体の細孔内に配置される。
【００２９】
微細アレイ構造の多孔質構造内に周期的な細孔が存在することにより、上述した燃料電池電極材料は、ガス拡散層材料として使用することも可能であり、Ｈ２やＯ２などの反応性ガスを均一かつ効率的に微細アレイ構造の細孔を通して拡散させることができ、且つこれと同時に、微細アレイ多孔質担体の表面又は細孔内に触媒が存在することにより、燃料電池内で有効な触媒反応を起こすことができる。これらの特徴は、燃料電池装置において、燃料電池における触媒層及びガス拡散層の両方として機能する単一の組合せ式の触媒‐ガス拡散層の設計を可能にする。微細アレイ多孔質構造を有するこの組合せ式の触媒‐ガス拡散層は、燃料電池のモジュール設計及び製造を大幅に単純化することができる。更に、微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の特定の領域を処理して疎水性／親水性にする設計により、微細アレイ多孔質燃料電池電極材料のこれら特定の領域からの水などの最終反応生成物の処理を容易にすることも可能となる。図３は、本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む燃料電池膜電極接合体（ＭＥＡ）を示す。燃料電池膜電極接合体３００は、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）３０１と、組合せ式アノード触媒‐ガス拡散層３０２と、組合せ式カソード触媒‐ガス拡散層３０３と、水処理層３０４とを備え、この内、ＰＥＭ３０１は、組合せ式アノード触媒‐ガス拡散層３０２と組合せ式カソード触媒‐ガス拡散層‐３０３との間に挟まれ、水処理層３０４は、ＰＥＭ３０１と、組合せ式アノード触媒‐ガス拡散層３０２と、組合せ式カソード触媒‐ガス拡散層３０３との底部に配置されている。組合せ式アノード触媒‐ガス拡散層３０２及び組合せ式カソード触媒‐ガス拡散層３０３は、いずれも微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含み、微細アレイ多孔質燃料電池電極材料は、アノード触媒又はカソード触媒から全体的に構成されているか、あるいは、図２の符号２０５、２０６及び２０７で示すように、第２の触媒担体を伴う又は伴わないアノード触媒又はカソード触媒の粒子が被覆又は浸潤された微細アレイ多孔質金属担体を含む。また、アノード触媒‐ガス拡散層３０２とカソード触媒‐ガス拡散層３０３は、触媒層としての機能に加えて、燃料電池膜電極接合体（ＭＥＡ）におけるガス拡散層としての役割も果たす。必要に応じて、アノード触媒‐ガス拡散層３０２とカソード触媒‐ガス拡散層３０３は、燃料電池における両方の層のガス拡散効率を上げるため、両方の層内に位置する特定領域の疎水性を高めるための表面処理を施してもよい。また、水処理層３０４も微細アレイ多孔質材料を含み、水などの最終反応生成物を燃料電池の内部から処分するように設計され、場合によっては水処理効率を上げるために親水性を高めるための表面処理が施されてもよい。
【００３０】
図４は、本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む燃料電池膜電極接合体（ＭＥＡ）を示す。図４Ａに示すように、燃料電池用膜電極接合体（ＭＥＡ）４００は、構成要件としてアノード側からカソード側に順に配置された、アノードガス拡散層４０１、アノード触媒層４０２、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）４０３、カソード触媒層４０４、カソードガス拡散層４０５を含む。いくつかの実施形態では、アノード触媒層４０２及びカソード触媒層４０４は両方とも、図２（２０５、２０６、２０７）に示されるような微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含むことができ、これら微細アレイ多孔質燃料電池電極材料はそれぞれアノード触媒又はカソード触媒を含み、アノードガス拡散層４０１及びカソードガス拡散層４０５は、微細アレイ多孔質構造を有さないガス拡散材料を含んでいてもよい。更にいくつかの他の実施形態では、アノードガス拡散層４０１及びカソードガス拡散層４０５の両方が微細アレイ多孔質電極材料を含むことができ、アノード触媒層４０２及びカソード触媒層４０４は、微細アレイ多孔質構造を有しない従来の触媒層材料、例えばアノード触媒及びカソード触媒でそれぞれ被覆されたカーボンペーパー、カーボンクロス、又はカーボンナノチューブなどを含んでもよい。更にいくつかの他の実施形態では、アノード触媒層４０２、カソード触媒層４０４、アノードガス拡散層４０１、及びカソードガス拡散層４０５はすべて、微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含むことができるが、それらの細孔径や組成は異なり得る。更にいくつかの実施形態では、アノード触媒層４０２及びアノードガス拡散層４０１、もしくは、カソード触媒層４０４及びカソードガス拡散層４０５は、均一な細孔径を有する微細アレイ多孔質燃料電池電極材料の塊状物を含んでもよく、当該塊状物は、第２の触媒担体を伴う又は伴わないアノード触媒又はカソード触媒の粒子が被覆又は浸潤されたポリマー電解質膜（ＰＥＭ）４０３と直近する部分がアノード／カソード触媒層４０２／４０４を形成する一方、触媒成分を含まない部分がアノード／カソードガス拡散層４０１／４０５を形成する。いくつかの実施形態では、燃料電池膜電極接合体（ＭＥＡ）は、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）４０３とアノード／カソード触媒層４０２／４０４との間に更に別のアノード／カソード触媒層を含むことができる。一例では、図４Ｃに示すように、アノード／カソード触媒で被覆されたカーボンペーパー／クロス／ナノチューブを含む従来のカーボン由来触媒層４２３が、アノード／カソード触媒をその細孔内に担持したカーボン担体の粒子を含む微細アレイ多孔質触媒層４２２の一側に配置され、一方、微細アレイ多孔質ガス拡散層４２１が微細アレイ多孔質触媒層４２２の他側に配置される。
【００３１】
図４Ｂに示す一実施形態では、燃料電池膜電極接合体（ＭＥＡ）４１０は、アノード側からカソード側へ順に、アノードガス拡散層４１１、アノード触媒層４１２、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）４１３、カソード触媒層４１４、カソードガス拡散層４１５を含み、この内、アノード触媒層４１２及びカソード触媒層４１４は両方とも、Ｐｔ触媒を含む微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含み、アノードガス拡散層４１１及びカソードガス拡散層４１５は両方とも、アノード触媒層４１２及びカソード触媒層４１４に使用される微細アレイ多孔質燃料電池電極材料よりも細孔径が小さく且つＲｕ／Ｐｄ触媒で被覆された微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含む。このような構成により、アノードガス拡散層４１１及びカソードガス拡散層４１５は、燃料電池のアノード触媒層４１２及びカソード触媒層４１４の表面でＨ２及びＯ２などの反応性ガスを反応させる拡散経路を提供するだけでなく、Ｒｕ／Ｐｄの存在によって反応性ガスから一酸化炭素を除去し、反応性ガス中に存在する一酸化炭素がアノード触媒層４１２及びカソード触媒層４１４中のＰｔ触媒を汚染するのを防止する濾過層としても機能する。
【００３２】
図５は、本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む燃料電池膜電解質接合体を示す。図５Ａに示すように、燃料電池用膜電極接合体（ＭＥＡ）５００は、構成要件としてアノード側からカソード側に順に配置された、アノードガス拡散層５０１、アノード触媒層５０２、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）５０３、カソード触媒層５０４、カソードガス拡散層５０５を含み、また、上述したＭＥＡの構成要素５０１〜５０５の底部に配置された水処理層５０６を含む。ＭＥＡの構成要素５０１〜５０５の組成及び構造は、図４Ａに示す燃料電池ＭＥＡにおけるＭＥＡの構成要素４０１〜４０５と同様である。水処理層５０６は、アノードガス拡散層５０１及びカソードガス拡散層５０５の細孔径の約０．５〜１００倍の細孔径を有する微細アレイ多孔質材料を含み、燃料電池の内部から水などの最終液体反応生成物を処理するために設計されていて、場合により、処理効率を更に向上させるために、表面の親水性を高めるための表面処理が施されていてもよい。
【００３３】
別の実施形態では、図５Ｂに示すように、燃料電池用膜電極接合体（ＭＥＡ）５１０は、構成要件としてアノード側からカソード側に順に配置された、組合せ式アノード触媒‐ガス拡散層５１１、アノード水処理層５１２、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）５１３、カソード水処理層５１４、組合せ式カソード触媒‐ガス拡散層５１５とを含む。組合せ式アノード触媒‐ガス拡散層５１１及び組合せ式カソード触媒‐ガス拡散層５１５は、いずれも、図３に示すように、細孔径がより小さく且つアノード触媒又はカソード触媒でそれぞれ被覆されている微細アレイ多孔質燃料電池電極材料を含む。それらは、燃料電池において触媒層及びガス拡散層としての両方の役割を果たす。アノード水処理層５１２及びカソード水処理層５１４は、いずれも微細アレイ多孔質材料を含み、燃料電池の内部から水などの最終液体反応生成物を処理するように設計されている。アノード水処理層５１２及びカソード水処理層５１４中の微細アレイ多孔質材料は、組合せ式アノード触媒‐ガス拡散層５１１及び組合せ式カソード触媒‐ガス拡散層５１５内の微細アレイ多孔質燃料電池電極材料と比べて、場合により、より大きい、あるいは好ましくはより小さい細孔径を有する。アノード水処理層５１２及びカソード水処理層５１４は、場合によって、表面の親水性を高めて水処理効率を上げるために表面処理されてもよく、あるいは、好ましくは、表面を疎水性にするよう表面処理し、組合せ式アノード触媒‐ガス拡散層５１１及び組合せ式カソード触媒‐ガス拡散層５１５から水を離隔し、反応性ガスを効率的に流通させて組合せ式アノード触媒‐ガス拡散層５１１及び組合せ式カソード触媒‐ガス拡散層５１５内の触媒と効果的に接触させるようにしてもよい。
【００３４】
図６は、本開示のいくつかの実施形態による微細アレイ多孔質電極材料を含む燃料電池膜電極接合体を示す。燃料電池膜電極接合体（ＭＥＡ）６００は、構成要件としてアノード側からカソード側の順に配置された、アノードガス拡散層６０１、アノード触媒層６０２、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）６０３、カソード触媒層６０４、及びカソードガス拡散層６０５を含む。アノード触媒層６０２及びカソード触媒層６０４はいずれも、アノード触媒及びカソード触媒でそれぞれ被覆された、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンナノチューブのフィルム、又はカーボンナノスフィアのフィルムなどの触媒担体を含む。アノードガス拡散層６０１とカソードガス拡散層６０５はいずれも微細アレイ多孔質材料を含み、これら微細アレイ多孔質材料は、場合により、各層表面の疎水性を高めるための表面処理を施して、燃料電池内の各層のガス拡散効率を上げるようにしてもよい。
【００３５】
微細アレイ多孔質燃料電池電極材料は、それを含む燃料電池装置のいくつかの実施形態において、触媒層、ガス拡散層、又は水処理層のいずれに使用されるかに関わらず、燃料電池装置内に存在する酸やアルカリ又は燃料電池装置内での電気化学反応により生成される酸やアルカリによる腐食を防止するために、電極材料の一部又は全部が酸化により表面処理されてもよい。
【００３６】
以上、特定の実施形態を詳細に説明してきたが、その説明は単なる例示のためのものである。したがって、上記で説明した多くの態様は、特に断りのない限り、必須又は基本的な要素として意図されていないことを理解されたい。上述した実施形態に開示された態様に加えて、例示的な実施形態に開示された態様の様々な変更および同等の行為は、本開示を利用し得る当業者であれば、 添付の特許請求の範囲に定義された開示の精神および範囲に含まれ、その範囲は、そのような修正および同等の構造を包含するように最も広い解釈が与えられるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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