(57)【要約】【課題】燃料電池用電極において使用する触媒を担持したカーボンの使用量を低減し、安価な燃料電池用電極を提供する。【解決手段】触媒を担持したカーボンを溶媒中に分散させた第一液体と他の第二液体とからなるエマルション１３を電極材料として被塗布部４に塗布する。これにより、触媒を担持したカーボンの量を必要量以上に増加させることなくエマルション１３の粘度を塗布作業に適した粘度に調整することができ、燃料電池用電極２、３の作製において使用する触媒を担持したカーボンの使用量を必要最低限の量に抑制することが可能となる。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を担持したカーボンを溶媒中に分散させた第一液体と他の第二液体とからなるエマルションを電極材料として被塗布部に塗布したことを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項２】
前記エマルションは、Ｗ／Ｏエマルションであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用電極。
【請求項３】
前記エマルションは、Ｏ／Ｗエマルションであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用電極。
【請求項４】
前記Ｗ／Ｏエマルションは、水相比率が１０体積％以上であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用電極。
【請求項５】
前記Ｏ／Ｗエマルションは、油相比率が１０体積％以上であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用電極。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一記載の燃料電池用電極を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
触媒を担持したカーボンを溶媒中に分散させた第一液体と他の第二液体とからなるエマルションを被塗布部に塗布する工程と、
塗布した前記エマルションを乾燥させる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用電極、燃料電池及び燃料電池用電極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、次世代エネルギー源として、燃料電池が注目されている。この燃料電池は、基本的には、各々触媒を有する２つの燃料電池用電極（燃料極と酸素極）をイオン交換膜を介して接合し、供給された燃料を燃料極で酸化し、供給された酸素を酸素極で還元することにより、２つの燃料電池用電極間に電気を発生させることを原理としている。
【０００３】
ここで、燃料極での酸化反応では、燃料として供給されたメチルアルコールやエチルアルコールから水素イオンと電子とが生成される。酸素極での還元反応では、燃料極で生成された水素イオン及び電子と供給された酸素とから水が生成される。燃料極で生成された水素イオンはイオン交換膜内を通って酸素極へ移動し、電子は燃料極と酸素極とを接続した電線内を通って移動する。つまり、燃料極で生成された電子が電線を通って酸素極へ移動することにより電流が流れ、即ち、電気が発生することになる。このような燃料電池、及び、その燃料電池で使用する燃料電池用電極の発明としては、様々な提案がなされている。
【０００４】
このような燃料電池における燃料電池用電極の作製方法として、触媒を担持したカーボンを溶媒中に分散させ、触媒を担持したカーボンを分散させた溶媒を電極材料として被塗布部に塗布する発明が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５１８３４公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載された塗布方法では、触媒を担持したカーボンを分散させた溶媒の粘度を塗布作業に適した値に高めるためには、その溶媒中に分散されるカーボンの割合を高くしなければならず、その結果として必要量以上のカーボンを使用することになる。このため、高価な材料である触媒の使用量も多くなり、燃料電池用電極の材料コストが高くなっている。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池用電極において使用する触媒を担持したカーボンの使用量を低減し、安価な燃料電池用電極を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の燃料電池用電極は、触媒を担持したカーボンを溶媒中に分散させた第一液体と他の第二液体とからなるエマルションを電極材料として被塗布部に塗布したことを特徴とする。
【０００９】
したがって、触媒を担持したカーボンの量を必要量以上に増加させることなくエマルションの粘度を塗布作業に適した粘度に調整することができ、燃料電池用電極の作製において使用する触媒を担持したカーボンの使用量を必要最低限の量に抑制することが可能となる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池用電極において、前記エマルションは、Ｗ／Ｏエマルションであることを特徴とする。
【００１１】
本発明及び以下の各発明において、Ｗ／Ｏエマルションとは、ｗａｔｅｒ  ｉｎ  ｏｉｌの意味であり、外相が油相であって内相が水相であるエマルションである。そして、このＷ／Ｏエマルションの場合には、油相に添加する水相の添加量や水相粒径の大きさを変えることによりエマルションの粘度を調整できる。
【００１２】
したがって、エマルションとしてＷ／Ｏエマルションを用いることにより、エマルションの粘度調整を容易に行える。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃料電池用電極において、前記エマルションは、Ｏ／Ｗエマルションであることを特徴とする。
【００１４】
本発明及び以下の各発明において、Ｏ／Ｗエマルションとは、ｏｉｌ  ｉｎ  ｗａｔｅｒの意味であり、外相が水相であって内相が油相であるエマルジョンである。そして、Ｏ／Ｗエマルションの場合は、水相に添加する油相の添加量や油相粒径の大きさをかえることによりエマルションの粘度を調整できる。
【００１５】
したがって、エマルションとしてＯ／Ｗエマルションを用いることにより、エマルションの粘度調整を容易に行える。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の燃料電池用電極において、前記Ｗ／Ｏエマルションは、水相比率が１０体積％以上であることを特徴とする。
【００１７】
ここで、Ｗ／Ｏエマルションの粘度は、添加する水相の表面積の総和に依存し、水相比率を高めて水相の表面積を大きくすることにより粘度が高くなる。
【００１８】
したがって、Ｗ／Ｏエマルションにおいて水相比率を１０体積％以上とすることにより、Ｗ／Ｏエマルションの粘度を必要な粘度に調整することができる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の燃料電池用電極において、前記Ｏ／Ｗエマルションは、油相比率が１０体積％以上であることを特徴とする。
【００２０】
ここで、Ｏ／Ｗエマルションの粘度は、添加する油相の表面積の総和に依存し、油相の比率を高めて油相の表面積を大きくすることにより粘度が高くなる。
【００２１】
したがって、Ｏ／Ｗエマルションにおいて油相比率を１０体積％以上とすることにより、Ｏ／Ｗエマルションの粘度を必要な粘度に調整することができる。
【００２２】
請求項６記載の発明の燃料電池は、請求項１ないし５のいずれか一記載の燃料電池用電極を備えることを特徴とする。
【００２３】
したがって、本発明の燃料電池は、請求項１ないし５のいずれか一記載の発明と同様な作用を奏する。
【００２４】
請求項７記載の発明の燃料電池用電極の製造方法は、触媒を担持したカーボンを溶媒中に分散させた第一液体と他の第二液体とからなるエマルションを被塗布部に塗布する工程と、塗布した前記エマルションを乾燥させる工程と、を有することを特徴とする。
【００２５】
したがって、塗布したエマルションを乾燥させることにより、エマルション中に含まれる水相成分や油相成分が蒸発し、主として触媒を担持したカーボンが被塗布部の上に残って燃料電池用電極となり、電極上での酸化、還元反応が良好に行われる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、固体高分子型の燃料電池の基本的構成を図１及び図２に基づいて説明する。図１は縦断正面図、図２はその水平断面図である。
【００２７】
本実施の形態の燃料電池１は、各々触媒を有する２つの燃料電池用電極である燃料極２と酸素極３とを対向配置させ、これらの燃料電池用電極２、３間にイオン交換膜（固体高分子電解質膜）４を介在させることにより化学反応を起こして電気を発生させるように構成された反応部５と、この反応部５の両側を支持するセパレータ６、７とにより構成されている。セパレータ６は燃料であるメタノールやエタノールを燃料極２に供給するためのもので、図２に示すように複数の四角形状の溝を平行に形成した流路８を有する。セパレータ６の溝以外の部分（凸部）は燃料極２に直接当接しているとともに、カーボン含有樹脂等により導体として構成されており、燃料極２に対して外部引出し端子（負極側端子）として機能し得る。セパレータ７も基本的にはセパレータ６と同様であり、空気を酸素極３に供給するためのもので、図２に示すように複数の四角形状の溝を平行に形成した流路９を有する。セパレータ７の溝以外の部分（凸部）は酸素極３に直接当接しているとともに、カーボン含有樹脂等により導体として構成されており、酸素極３に対して外部引出し端子（正極側端子）として機能し得る。
【００２８】
これにより、燃料極２に流路８を介してメタノールやエタノールを直接供給してメタノールやエタノールを酸化する一方、酸素極３には流路９を介して空気を供給して空気中の酸素を還元することにより、燃料電池用電極２、３間に電気を発生させるものである。
【００２９】
例えば、流路８にメタノール（メタノール水溶液）を送ると、燃料極２にはメタノール（ＣＨ３ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）が供給される。また、流路９に空気（空気に限らず酸素分子を含んでいればよい）を送ると、酸素極３には酸素が供給される。これにより、燃料極２では、触媒の作用により、反応が生じ、水素イオンと電子とＣＯ２とが生成される。
【００３０】
燃料極２で生成された電子は、燃料極２から、セパレータ６、配線１０、負荷１１、配線１２、セパレータ７を通り、酸素極３に移動する。この過程で、移動する電子により負荷１１で仕事が行われる。
【００３１】
燃料極２で生成されたＣＯ２は、流路８内を通って燃料電池１の外部に排出される。
【００３２】
燃料極２で生成された水素イオンは、燃料極２からイオン交換膜４を通り、酸素極３へ移動する。この水素イオンと、流路９により供給される酸素と、配線１２を通ってきた電子とは、酸素極３の触媒の作用で反応を生じ、水を生成する。この水は、流路９内を通って燃料電池１の外部に排出される。
【００３３】
燃料電池用電極２、３は、触媒を担持したカーボンにより形成されている。この触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）或いはＰｔ−Ｒｕ系合金が用いられている。例えば、燃料極２の触媒に白金又は白金合金を用いると、これらの触媒はメタノールの酸化促進作用に優れているため、燃料極２でメタノールを効率よく酸化することができる。特に、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）合金を用いれば、メタノールの酸化促進作用に優れる上に、触媒毒による被毒も受け難く、より好ましい。
【００３４】
このような基本的構成のもと、本発明の特徴部分について、図３を参照して以下に説明する。まず、触媒を担持したカーボンを第一液体である有機溶媒に分散させ、さらに、界面活性剤を加え、さらに、第二液体である水相を添加して電極材料となるＷ／Ｏエマルション１３を作製する。このＷ／Ｏエマルション１３は、水相比率を１０体積％以上とする。Ｗ／Ｏエマルション１３の粘度を高める場合には必要に応じて水相比率を高くする。そして、このＷ／Ｏエマルション１３を（ａ）に示すように、被塗布部であるイオン交換膜４の両面に塗布する。この塗布は、スクリーン印刷法、孔版印刷法、メタルマスク印刷法などで行える。
【００３５】
Ｗ／Ｏエマルション１３をイオン交換膜４の両面に塗布した後、（ｂ）に示すように、ゆっくり加熱したり、湿度の低い条件下に放置したりすることにより、Ｗ／Ｏエマルション１３を乾燥させる。この乾燥処理により、Ｗ／Ｏエマルション１３に含まれている有機溶媒、水相などが蒸発し、Ｗ／Ｏエマルション１３に含まれていた触媒を担持したカーボンが主として残留し、燃料電池用電極２、３が形成される。この燃料電池用電極２、３の厚さ寸法“Ｂ”は、Ｗ／Ｏエマルション１３の塗布時の厚さ寸法“Ａ”に比べて薄くなっている。
【００３６】
このような構成において、電極材料であるＷ／Ｏエマルション１３は、触媒を担持したカーボンの量を必要以上に増加させることなく粘度を塗布作業に適した粘度に調整することができる。このため、電極材料としてＷ／Ｏエマルション１３を用いることにより、燃料電池用電極２、３の作製において使用する触媒を担持したカーボンの使用量を必要最低限の量に抑制することが可能となる。これにより、高価な材料である触媒を必要量以上に使用するということが防止され、燃料電池１の製造コストが低下する。
【００３７】
なお、本実施の形態では、エマルションとしてＷ／Ｏエマルション１３を例に挙げて説明したが、Ｏ／Ｗエマルションを使用してもよい。
【００３８】
また、本実施の形態では、Ｗ／Ｏエマルション１３を塗布する被塗布部としてイオン交換膜４を例に挙げて説明したが、この被塗布部としてはイオン交換膜に限定されるものではなく、例えば、燃料電池用電極２、３を電極基盤とＷ／Ｏエマルション１３とにより形成する場合には、Ｗ／Ｏエマルション１３を被塗布部となる電極基盤の内側表面（イオン交換膜４に対向する面）に塗布し、Ｗ／Ｏエマルション１３を塗布した後の燃料電池用電極２、３をイオン交換膜４に貼り合わせるようにしてもよい。
【００３９】
【実施例】
以下、エマルションの実施例について説明する。
【００４０】
（実施例１）
触媒を担持した酸性カーボン（例えば、ＰＨ値が２〜４）を鉱物油に分散させる。酸性カーボンが粉末の場合は、３本ロール機を用いて粉末の酸性カーボンと界面活性剤（ＨＬＢ値が６以下）を混合させながら鉱物油に分散させる。この鉱物油（酸性カーボンを分散させた鉱物油）をそのまま油相として用いてもよいが、その鉱物油（酸性カーボンを分散させた鉱物油）に沸点の低い有機溶媒を混合させて油相として用いることもできる。
【００４１】
上記の油相を攪拌しながら水相を１０体積％以上添加することにより、カーボンが油相に分散されたＷ／Ｏエマルションを作製できる。カーボンが粉末ではなくビーズ状のものである場合には、ビーズミル機を用いてカーボンを粉砕しながら鉱物油に分散させる。
【００４２】
（実施例２）
触媒を担持したカーボンを鉱物油、あるいは、鉱物油と有機溶媒との混合物に分散させた油相を、ＨＬＢ値が７以上の界面活性剤を溶解させた水相にその水相を攪拌しながら１０体積％以上徐々に添加することにより、カーボンが油相に分散されたＯ／Ｗエマルションを作製できる。
【００４３】
（実施例３）
ＨＬＢ値が６以下の界面活性剤を油相に溶解し、その油相を攪拌しながら、中性カーボン（ＰＨが５〜８）を分散させた水相を徐々に１０体積％以上添加する。これにより、カーボンが水相に分散させたＷ／Ｏエマルションを作製できる。
【００４４】
（実施例４）
カーボンを分散させた水相にＨＬＢ値が７以上の界面活性剤を溶解し、その水相を攪拌しながら油相を徐々に１０体積％以上添加する。これにより、カーボンが水相に分散されたＯ／Ｗエマルションを作製できる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の燃料電池用電極によれば、触媒を担持したカーボンの量を必要量以上に増加させることなくエマルションの粘度を塗布作業に適した粘度に調整することができるので、燃料電池用電極の作製において使用する触媒を担持したカーボンの使用量を必要最低限の量に抑制することができ、高価な材料である触媒を必要量以上に使用するということを防止して燃料電池用電極の製造コストを低減できる。
【００４６】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池用電極において、前記エマルションはＷ／Ｏエマルションであるので、エマルションの粘度調整を容易に行うことができる。
【００４７】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池用電極において、前記エマルションはＯ／Ｗエマルションであるので、エマルションの粘度調整を容易に行うことができる。
【００４８】
請求項４記載の発明によれば、請求項２記載の燃料電池用電極において、前記Ｗ／Ｏエマルションは、水相比率が１０体積％以上であるので、Ｗ／Ｏエマルションの粘度を必要な粘度に調整することができる。
【００４９】
請求項５記載の発明によれば、請求項３記載の燃料電池用電極において、前記Ｏ／Ｗエマルションは、油相比率が１０体積％以上であるので、Ｏ／Ｗエマルションの粘度を必要な粘度に調整することができる。
【００５０】
請求項６記載の発明の燃料電池によれば、請求項１ないし５のいずれか一記載の燃料電池用電極を備えるので、請求項１ないし５のいずれか一記載の発明と同様な効果を奏する。
【００５１】
請求項７記載の発明の燃料電池用電極の製造方法によれば、塗布したエマルションを乾燥させることにより、エマルション中に含まれる水相成分や油相成分が蒸発し、主として触媒を担持したカーボンが被塗布部の上に残って燃料電池用電極となるので、電極上での酸化、還元反応を良好に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の燃料電池の概略構造を示す縦断正面図である。
【図２】その水平断面図である。
【図３】燃料電池用電極の製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
２、３  燃料電池用電極
４      被塗布部
１３      エマルション
【図１】
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【図２】
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【図３】
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