(57)【要約】【課題】燃料電気用電極の表面積を大きくし、電気出力の向上を図る。【解決手段】燃料電池用電極２（又は３）の表面に凹凸部１５を形成する。これにより、凹凸部１５における底面部と側面部とが電極表面として機能するため、凹凸部１５が無い場合に比べると燃料電池用電極２（又は３）の表面積が大きくなり、燃料電池用電極２（又は３）における酸化反応、還元反応の効率が高くなり、電気出力が向上する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極表面に凹凸部を形成したことを特徴とする燃料電池用電極。
【請求項２】
前記凹凸部として地割れ部が形成されてい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】
空隙を有する第一電極層と、前記第一電極層上に位置して前記凹凸部が形成された第二電極層とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用電極。
【請求項４】
前記凹凸部が形成された面に触媒を担持したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載の燃料電池用電極。
【請求項５】
請求項１ないし４の何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６】
空隙を有する第一電極層の上にペースト状の第二電極層を塗布する工程と、
前記第二電極層を塗布した後に前記第一電極層と前記第二電極層とを乾燥させることにより前記第二電極層に地割れ部を形成する工程と、
前記地割れ部を形成した面に触媒を担持させる工程と、
を有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、酸素極で酸素を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（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２１６７８０公報
【特許文献２】
特開２００１−２９７７８２公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池用電極において、上述した酸化反応、還元反応の効率を高めて電気出力を向上させるためには、燃料電池用電極の表面積を大きくすることが必要である。しかし、上述した特許文献に開示された発明では、燃料電池用電極の表面積を大きくするという構造及び考えは示されていない。
【０００６】
また、燃料電池では、酸化反応が行われる燃料電池用電極側で生成されるＣＯ２等の中間生成物や還元反応が行われる燃料電池用電極側で生成される水を燃料電池外へ速やかに排出処理することが望ましい。しかし、上述した特許文献に開示された発明では、そのような処理に関する対策は講じられていない。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電気用電極の表面積を大きくし、電気出力の向上を図ることである。
【０００８】
本発明の別の目的は、燃料電気用電極の表面に担持させた触媒の反応効率を大きくし、電気出力の向上を図ることである。
【０００９】
本発明の別の目的は、酸化反応が行われる燃料電池用電極側で生成されるＣＯ２等の中間生成物や還元反応が行われる燃料電池用電極側で生成される水の燃料電池外への排出を速やかに行うことである。
【００１０】
【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、電極表面に凹凸部を形成したことを特徴とする。
【００１１】
したがって、この凹凸部を形成することにより、凹凸部における底面部や側面部が電極表面として機能するため、凹凸部が無い場合に比べると凹凸部の側面部の面積に相当する分、電極の表面積が大きくなる。このため、燃料電池用電極における酸化反応、還元反応の効率が高くなり、電気出力が向上する。
【００１２】
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、前記凹凸部として地割れ部が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
したがって、請求項１記載の発明と同じように、電極の表面積が大きくなって燃料電池用電極における酸化反応、還元反応の効率が高くなり、電気出力が向上する。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明の燃料電池用電極において、空隙を有する第一電極層と、前記第一電極層上に位置して前記凹凸部が形成された第二電極層とを有することを特徴とする。
【００１５】
したがって、凹凸部を第二電極層に形成することにより凹凸部の深さ寸法の制御が容易になって適正な深さ寸法の凹凸部の形成が可能になるとともに第一電極層によって燃料電池用電極の強度を確保することができる。また、第一電極層が空隙を有するので、酸化反応が行われる燃料電池用電極側で生成されるＣＯ２等の中間生成物や還元反応が行われる燃料電池用電極側で生成される水の排出が第一電極層の空隙を利用して速やかに行われる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか一記載の燃料電池用電極において、前記凹凸部が形成された面に触媒を担持したことを特徴とする。
【００１７】
燃料電池用電極の酸化反応、還元反応に寄与するのは燃料電池用電極の表面に存在する触媒のみであるが、凹凸部の表面に触媒を担持することにより、燃料電池用電極の酸化反応、還元反応に寄与する触媒が担持された表面積が大きくなり、燃料電池用電極における酸化反応、還元反応の効率がより一層高くなり、電気出力がより一層向上する。
【００１８】
請求項５記載の発明の燃料電池は、請求項１ないし４の何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。
【００１９】
従って、本発明は請求項１ないし４の何れか一記載の発明と同様の作用を奏する。
【００２０】
請求項６記載の発明の燃料電池用電極の製造方法によれば、空隙を有する第一電極層の上にペースト状の第二電極層を塗布する工程と、前記第二電極層を塗布した後に前記第一電極層と前記第二電極層とを乾燥させることにより前記第二電極層に地割れ部を形成する工程と、前記地割れ部を形成した面に触媒を担持させる工程と、を有する。
【００２１】
したがって、第一電極層の上にペースト状の第二電極層を塗布して乾燥させることにより、地割れ部が第二電極層のみに精度良く形成される。また、地割れ部を形成した後にその地割れ部を形成した面に触媒を担持させることにより、触媒は地割れ部の底面部や側面部にも担持されて触媒が担持された表面積が大きくなり、触媒による酸化反応、還元反応の効率がより促進される。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。ここに、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。また、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。また、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。
【００２４】
これにより、基本的には、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。
【００２５】
例えば、流路８にメタノール（メタノール水溶液又は気体のメタノール＋水）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。
【００２６】
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。
【００２７】
燃料極２で生成されたＣＯ２は、流路８から排出される。
【００２８】
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、水は流路９から排出される。
【００２９】
燃料電池用電極２、３は何れもその内側表面（イオン交換膜４に接合されている面）側に後述する触媒を担持している。この触媒としては、本実施の形態では、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。
【００３０】
また、燃料電池用電極２、３においてこのような触媒を担持する担持体としては、例えば、カーボン繊維やカーボンペーパーのような炭素系材料を主成分とするものが好ましい。これは、安価である上に、触媒を炭素系材料に担持させると、燃料極２の導電性が向上し、燃料電池１としての内部抵抗が低下し、電池出力が向上するためである。
【００３１】
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、以下に説明する。図３は、燃料電池用電極２（又は３）の製造工程を示す工程図である。まず、（ａ）に示すように、空隙１３ａを有するカーボン繊維、カーボンペーパー等の第一電極層１３の上にペースト状の第二電極層１４を塗布する。第二電極層１４は、カーボン粉末をナフィオン液で練ってペースト状にしたものを用いる。塗布方法としては、シルクスクリーン印刷法、メタルマスク法を使用することができる。第二電極層１４の塗布厚さは、０．０５〜０．５ｍｍが好適である。この厚さを正確に制御するという観点からは、メタルマスク法が優れている。
【００３２】
つぎに、（ｂ）に示すように、第一電極層１３の上に第二電極層１４を塗布した材料を乾燥機に入れて乾燥させ、第二電極層１４に凹凸部である地割れ部１５を形成する。この乾燥処理における温度、乾燥機内の風速、乾燥所要時間は、狙いとする地割れ部１５の品質（地割れ部１５の密度、地割れ部１５の深さ、地割れ部１５の地割れ幅等）に合わせて制御する。例えば、温度７０〜２００℃、乾燥機内風速０．１〜３．０ｍ、乾燥所要時間３分〜１時間の範囲内での組み合わせで制御することにより、狙いとする品質の地割れ部１５を形成することができた。
【００３３】
つぎに、（ｃ）に示すように、地割れ部１５を形成した材料に対し、真空蒸着、スパッタリング等の処理を行うことにより、材料における地割れ部１５が形成された面に触媒１６としてのＰｔの膜を担持させる。この触媒１６は、地割れ部１５の底面部１５ａと側面部１５ｂ、及び、第二電極層１４の上面部１４ａに担持され、ここに、本実施の形態で説明する燃料電池用電極２（又は３）が形成される。
【００３４】
ここで、地割れ部１５を形成することにより燃料電池用電極２（又は３）の表面積を大きくすることができ、その表面に触媒１６を担持させることにより触媒１６が担持された表面積を大きくすることができる。しかも、触媒１６は触媒としての機能を最も発揮できる表面部分にのみ存在するので、高価な材料である触媒１６を有効に利用することができる。
【００３５】
また、地割れ部１５は第二電極層１４のみに形成されるので、地割れ部１５の深さ寸法の制御が容易になって適正な深さ寸法の地割れ部１５を形成することができる。また、第一電極層１３には地割れ部は形成されないので、この第一電極層１３によって燃料電池用電極２（又は３）の強度を確保することができる。
【００３６】
図４は、上述のプロセスで形成した２つの燃料電池用電極２、３をイオン交換膜４に熱圧着することにより形成した反応部５である。燃料電池用電極２、３を形成している第一電極層１３は空隙１３ａを有するので、酸化反応が行われる燃料電池用電極２の触媒１６の近傍で生成されるＣＯ２等の中間生成物や還元反応が行われる燃料電池用電極３の触媒１６の近傍で生成される水を流路８、９（図１参照）へ排出することを、第一電極層１３の空隙１３ａを利用して速やかに行うことができる。
【００３７】
図５は、燃料電池用電極２（又は３）における地割れ部１５を形成した面を示す拡大写真である。
【００３８】
【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、電極表面に凹凸部を形成したので、この凹凸部における底面部と側面部とが電極表面として機能するため、凹凸部が無い場合に比べると電極の表面積が大きくなり、燃料電池用電極における酸化反応、還元反応の効率が高くなって電気出力を向上させることができる。
【００３９】
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、前記凹凸部として地割れ部が形成されているので、請求項１記載の発明と同じように、電極の表面積が大きくなって燃料電池用電極における酸化反応、還元反応の効率が高くなり、電気出力を向上させることができる。
【００４０】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の発明の燃料電池用電極において、空隙を有する第一電極層と、前記第一電極層上に位置して前記凹凸部が形成された第二電極層とを有するので、凹凸部を第二電極層に形成することにより凹凸部の深さ寸法の制御が容易になって適正な深さ寸法の凹凸部を形成することができるとともに第一電極層によって燃料電池用電極の強度を確保することができ、また、第一電極層が空隙を有するので、酸化反応が行われる燃料電池用電極側で生成されるＣＯ２等の中間生成物や還元反応が行われる燃料電池用電極側で生成される水の排出を第一電極層の空隙を利用して速やかに行うことができる。
【００４１】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３のいずれか一記載の燃料電池用電極において、前記凹凸部の表面に触媒を担持したので、燃料電池用電極の酸化反応、還元反応に寄与するのは燃料電池用電極の表面に存在する触媒のみであるが、凹凸部の表面に触媒を担持することにより、燃料電池用電極の酸化反応、還元反応に寄与する触媒が担持された表面積が大きくなり、燃料電池用電極における酸化反応、還元反応の効率がより一層高くなり、電気出力をより一層向上させることができる。
【００４２】
請求項５記載の発明の燃料電池によれば、請求項１ないし４の何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４の何れか一記載の発明と同様な効果を得ることができる。
【００４３】
請求項６記載の発明の燃料電池用電極の製造方法によれば、第一電極層の上にペースト状の第二電極層を塗布して乾燥させることにより、地割れ部を第二電極層のみに精度良く形成することができ、地割れ部を形成した後にその地割れ部を形成した面に触媒を担持させることにより、触媒は地割れ部の底面部や側面部にも担持されて触媒が担持された表面積が大きくなり、触媒による酸化反応、還元反応の効率を促進でき、しかも、触媒の有効利用を図ることができる燃料電池用電極を得ることができる。
【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。
【図４】燃料電池における反応部の構造を示す断面図である。
【図５】燃料電池用電極における地割れ部を形成した面を示す拡大写真である。
【符号の説明】
１      燃料電池
２、３  燃料電池用電極
１３      第一電極層
１３ａ    空隙
１４      第二電極層
１５      凹凸部、地割れ部
１６      触媒
【図１】
2004253293.tif 000003
【図２】
2004253293.tif 000004
【図３】
2004253293.tif 000005
【図４】
2004253293.tif 000006
【図５】
2004253293.tif 000007