(57)【要約】【課題】燃料電池の電極触媒でのイオン伝導率を向上させて、燃料電池の電極触媒の機能を高める。【解決手段】燃料電池は、電解質と、電解質の一面側に配置されたカソード極と、電解質のカソード極とは反対の面側に配置されたアノード極とを備えるものとする。また、カソード極が、カソード極での反応に対する触媒作用を有するカソード極触媒体と、カソード極に供給される酸化剤を透過させ、かつ、カソード極触媒体を取り囲むカソード極保護膜とを備えるものとする。あるいは、アノード極が、アノード極での反応に対する触媒作用を有するアノード極触媒体と、アノード極に供給される燃料を透過させ、かつ、アノード極触媒体を取り囲むアノード極保護膜とを備えるものとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、
前記電解質の一面側に配置されたカソード極と、
前記電解質の、前記カソード極とは反対の面側に配置されたアノード極と、を備え、
前記カソード極は、
前記カソード極での反応に対する触媒作用を有するカソード極触媒体と、
前記カソード極に供給される酸化剤を透過させ、かつ、前記カソード極触媒体を取り囲むカソード極保護膜と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソード極保護膜は、前記カソード極触媒体との間に空間を持つように配置され、
前記カソード極触媒体と前記カソード極保護膜との間の空間には、生成水が混入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード極は、
前記アノード極における反応に対する触媒作用を有するアノード極触媒体と、
前記アノード極に供給される燃料を透過させ、かつ、前記アノード極触媒体を取り囲むアノード極保護膜と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード極保護膜は、前記アノード極触媒体との間に空間を持つように配置され、
前記アノード極触媒体と前記アノード極保護膜との間の空間には、生成水が混入することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード極触媒体は、
前記電解質表面から延びる線状体と、
前記線状体に担持され、前記アノード極における反応に対する触媒作用を有するアノード極触媒粒子と、
を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード極触媒体は、
前記電解質表面から延びる線状体と、
前記線状体に担持され、前記カソード極における反応に対する触媒作用を有するカソード極触媒粒子と、
を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記線状体は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記線状体の、前記電解質表面からの長さは、10μm以下であることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
電解質と、
前記電解質の一面側に配置されたカソード極と、
前記電解質の、前記カソード極とは反対の面側に配置されたアノード極と、を備え、
前記アノード極は、
前記アノード極での反応に対する触媒作用を有するアノード極触媒体と、
前記アノード極に供給される燃料を透過させ、かつ、前記アノード極触媒体を取り囲むアノード極保護膜と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
前記アノード極保護膜は、前記アノード極触媒体との間に空間を持つように配置され、
前記アノード極触媒体と前記アノード極保護膜との間の空間には、生成水が混入することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記アノード極触媒体は、
前記電解質表面から延びる線状体と、
前記線状体に担持され、前記アノード極における反応に対する触媒作用を有するアノード極触媒粒子と、
を備えることを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記線状体は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記線状体の、前記電解質表面からの長さは、10μm以下であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記電解質は、陽イオンを移動させる電解質であることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記電解質は、陰イオンを移動させる電解質であることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記アノード極には、燃料として水溶性の燃料が供給されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
電解質に、導電性を有する線状体を形成する工程と、
前記線状体に、電極での反応を触媒する触媒粒子を担持させる工程と、
前記触媒粒子が担持された線状体の周囲に、燃料又は酸化剤を透過する保護膜を形成する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の電極作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池に関する。更に、具体的には、電解質と、これを挟んで配置された一対の電極を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特開２００２−１１０１７６号公報には、基体にカーボンナノチューブ（カーボンナノファイバー）を成長させたカーボンナノチューブの複合体の作製方法、及びこの方法により作製されたカーボンナノチューブの燃料電池への応用について開示されている。具体的に、この従来技術の燃料電池では、カーボンナノチューブを燃料電池のカソード極の担体として用いている。即ち、カーボンナノチューブに、触媒微粒子としてＰｔを10[wt％]の割合で担持させ、これをカソード極としている。一方、通常のカーボン粒子にＰｔ−Ｒｕ微粒子を担持させて、これをカーボンクロスに塗布したものをアノード極としている。上記従来技術の燃料電池のセルは、このようなカソード極とアノード極とで電解質膜を挟んだ構成となっている。
【０００３】
上記従来技術によれば、このような燃料電池に用いることにより、カーボン粒子にPt微粒子を担持させた通常の触媒電極をカソード極に用いた場合に比べて、高い発電性能を得られるとしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１１０１７６号公報
【特許文献２】特開２００５−２０３３３２号公報
【特許文献３】特開２００５−４９６７号公報
【特許文献４】特表２００２−５１８２８０号公報
【特許文献５】特開２００４−３０９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池の発電に際しては、水素イオン（アルカリ型の場合は水酸化物イオン）がカソード極（アルカリ型の場合はアノード極）の触媒粒子表面にまで移動し、触媒粒子の触媒作用によって水の生成反応が起きる。この反応において、水素イオン又は水酸化物イオンは、触媒粒子の周囲に存在する電解質材料を媒体として、電極触媒層内を触媒粒子にまで移動する。
【０００６】
燃料電池の電気化学反応を促進するためには、電極での触媒反応が効率的に行なわれることが重要となる。そのためには触媒粒子周囲を電解質材料で被覆することで、触媒粒子へのイオン伝導を確保することが重要である。しかし燃料電池の電極は、例えばカーボン等の担体に触媒粒子を担持させた担持体と、電解質材料とを混合して電解質膜に塗布することで形成される。この形成方法では、電解質膜表面に塗布される触媒粒子の全てを電解質材料で完全に被覆することは困難であり、一部において電解質材料で被覆されない触媒粒子が残っている状態となる場合がある。このように電解質材料に被覆されていない触媒粒子は、触媒として機能させることができず、燃料電池の発電性能を向上させる観点からは好ましい状態ではない。
【０００７】
また、上記従来技術では、電解質膜の表面から垂直方向に長く延びるカーボンナノチューブを電極として用いている。このようにカーボンナノチューブ用いる場合には、特に、その先端側まで電解質材料によって被覆することは困難である。このため、単にカーボンナノチューブを担体として用いただけでは、触媒粒子を電解質で被覆することができず先端部付近の触媒粒子へのイオン伝導を確保できない場合がある。この場合、カーボンナノチューブを用いることで広い反応面を確保しようとしても、結局、先端付近での触媒粒子を触媒として機能させることができないことが考えられる。
【０００８】
この発明は、上記の課題を解決することを目的として、燃料電池の電極触媒でのイオン伝導率を向上させて、燃料電池の電極触媒の機能を高めるように改良した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】
【０００９】
上記目的を達成するため、第１の発明は、燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質の一面側に配置されたカソード極と、
前記電解質の、前記カソード極とは反対の面側に配置されたアノード極と、を備え、
前記カソード極は、
前記カソード極での反応に対する触媒作用を有するカソード極触媒体と、
前記カソード極に供給される酸化剤を透過させ、かつ、前記カソード極触媒体を取り囲むカソード極保護膜と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、
前記カソード極保護膜は、前記カソード極触媒体との間に空間を持つように配置され、
前記カソード極触媒体と前記カソード極保護膜との間の空間には、生成水が混入することを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記アノード極は、
前記アノード極における反応に対する触媒作用を有するアノード極触媒体と、
前記アノード極に供給される燃料を透過させ、かつ、前記アノード極触媒体を取り囲むアノード極保護膜と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第３の発明において、
前記アノード極保護膜は、前記アノード極触媒体との間に空間を持つように配置され、
前記アノード極触媒体と前記アノード極保護膜との間の空間には、生成水が混入することを特徴とする。
【００１３】
第５の発明は、第３又は第４の発明において、前記アノード極触媒体は、
前記電解質表面から延びる線状体と、
前記線状体に担持され、前記アノード極における反応に対する触媒作用を有するアノード極触媒粒子と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、
前記カソード極触媒体は、
前記電解質表面から延びる線状体と、
前記線状体に担持され、前記カソード極における反応に対する触媒作用を有するカソード極触媒粒子と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
第７の発明は、第６の発明において、前記線状体は、カーボンナノチューブであることを特徴とする。
【００１６】
第８の発明は、第５から第７のいずれかの発明において、前記線状体の、前記電解質表面からの長さは、10μm以下であることを特徴とする。
【００１７】
第９の発明は、燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質の一面側に配置されたカソード極と、
前記電解質の、前記カソード極とは反対の面側に配置されたアノード極と、を備え、
前記アノード極は、
前記アノード極での反応に対する触媒作用を有するアノード極触媒体と、
前記アノード極に供給される燃料を透過させ、かつ、前記アノード極触媒体を取り囲むアノード極保護膜と、
を備えることを特徴とする。
【００１８】
第１０の発明は、第９の発明において、前記アノード極保護膜は、前記アノード極触媒体との間に空間を持つように配置され、
前記アノード極触媒体と前記アノード極保護膜との間の空間には、生成水が混入することを特徴とする。
【００１９】
第１１の発明は、第９又は第１０の発明において、
前記アノード極触媒体は、
前記電解質表面から延びる線状体と、
前記線状体に担持され、前記アノード極における反応に対する触媒作用を有するアノード極触媒粒子と、
を備えることを特徴とする。
【００２０】
第１２の発明は、第１１の発明において、前記線状体は、カーボンナノチューブであることを特徴とする。
【００２１】
第１３の発明は、第１１又は第１２の発明において、前記線状体の、前記電解質表面からの長さは、10μm以下であることを特徴とする。
【００２２】
第１４の発明は、第１から第１３のいずれかの発明において、前記電解質は、陽イオンを移動させる電解質であることを特徴とする。
【００２３】
第１５の発明は、第１から第１３のいずれかの発明において、前記電解質は、陰イオンを移動させる電解質であることを特徴とする。
【００２４】
第１６の発明は、第１５の発明において、前記アノード極には、燃料として水溶性の燃料が供給されることを特徴とする。
【００２５】
第１７の発明は、燃料電池の電極作製方法であって、
電解質に、導電性を有する線状体を形成する工程と、
前記線状体に、電極での反応を触媒する触媒粒子を担持させる工程と、
前記触媒粒子が担持された線状体の周囲に、燃料又は酸化剤を透過する保護膜を形成する工程と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
第１の発明によれば、燃料電池のカソード極での反応に対して触媒作用を有するカソード極触媒体の周囲が、カソード極に供給される酸化剤を透過するカソード極保護膜により取り囲まれている。この構造により、カソード極保護膜とカソード極触媒体との間に水や電解質材料等を溜め込むことができるため、カソード極のイオン伝導率を高く保つことができ、燃料電池の発電性能を高く確保することができる。
【００２７】
第２の発明によれば、カソード極保護膜は、カソード極触媒体との間に空間を持って配置され、カソード極触媒体とカソード極保護膜との間の空間には生成水が混入する。従って、カソード極触媒体のイオン伝導率を高く維持すると共に、電解質膜のカソード極側からの乾燥を抑えることができる。また、カソード触媒体周囲を保護膜で囲みその内部に水を溜め込む構造となっているため、生成水の滞留による導電率の上昇を小さく抑えることができる。
【００２８】
第３乃至第４の発明によれば、カソード極及びアノード極の触媒体が、共に保護膜に取り囲まれたものとなる。これにより両電極において触媒体周囲の保護膜内部に生成水を溜め込むことができるため、両電極のイオン伝導率を高く保つことができ、燃料電池の発電性能を高く確保することができる。
【００２９】
第５乃至第８の発明によれば、カソード極又はアノード極触媒体は、電解質表面から延びる線状体と、線状体に担持された触媒粒子とを含んで構成される。またこの触媒体の表面は、保護膜により取り囲まれた状態となっている。これにより、触媒体を電解質から長く延びる構造としても、この触媒体と保護膜との間に水等を溜め込むことで、触媒体の周囲全体に渡ってイオンの伝導率を高く確保することができる。従って、イオン伝導性を高く保ちつつ、電極の反応面を広くすることができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００３０】
第９の発明によれば、燃料電池のアノード極での反応に対して触媒作用を有するアノード極触媒体の周囲が、アノード極に供給される燃料を透過するアノード極保護膜により取り囲まれている。この構造により、アノード極保護膜とアノード極触媒体との間に水や電極材料等を溜め込むことができるため、アノード極のイオン伝導率を高く保つことができ、燃料電池の発電性能を高く確保することができる。
【００３１】
第１０の発明によれば、アノード極保護膜は、アノード極触媒体との間に空間を持って配置され、アノード極触媒体とアノード極保護膜との間の空間には生成水が混入する。従って、アノード極触媒体のイオン伝導率を高く維持すると共に、電解質膜のアノード極側からの乾燥を抑えることができる。また、アノード極触媒体周囲を保護膜で囲みその内部に水を溜め込む構造となっているため、生成水の滞留による導電率の上昇を小さく抑えることができる。
【００３２】
第１１乃至第１３の発明によれば、アノード極触媒体は、電解質表面から延びる線状体と、線状体に担持されたアノード極触媒粒子とを含んで構成される。またこのアノード極触媒体の表面は、保護膜により取り囲まれた状態となっている。このため、アノード極触媒体を電解質から長く延びる線状構造としても、この触媒体と保護膜との間に水等を溜め込むことで、触媒体の周囲全体に渡ってイオンの伝導率を高く確保することができる。従って、イオン伝導性を高く保ちつつ、電極の反応面を広く確保することができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００３３】
第１４の発明によれば、電解質は陽イオンを移動させる電解質である。このような燃料電池の場合、カソード極では水の生成反応が起きる。カソード極では、このとき生じた生成水を、触媒体を囲む保護膜内に溜め込むことができる。従って、カソード極での陽イオンの伝導率を高く確保することができると共に、電解質のカソード極側からの乾燥を防ぐことができる。
【００３４】
第１５の発明によれば、電解質は陰イオンを移動させる電解質である。このようなアルカリ型の燃料電池の場合、カソード極では、供給される大気等の酸化剤の流れによって、電解質から水分が蒸発し電解質が乾燥を起こす場合がある。しかし、この発明において、カソード極触媒体周囲に保護膜が形成されているものについては、電解質から逆拡散してきた水を保護膜内部に溜め込むことができる。従ってカソード極からの水分の蒸発による電解質の乾燥を防ぐことができる。また、アノード極では、燃料電池の電気化学反応によって生成水が発生する。従ってアノード極触媒体を囲む保護膜が形成されているものについては、保護膜内部に生成水が取り込まれることとなり、アノード極でのイオン伝導性を高く確保することができると共に、電解質の乾燥を防ぐことができる。
【００３５】
第１６の発明によれば、燃料として水溶性の液体燃料が供給される。従って、特に、アノード極触媒体に保護膜が形成されているものについては、生成水と共に液体燃料が混入した状態となる。従って、保護膜内部を燃料によりアルカリ性に維持することができる。従って、アノード極の導電率をより高く維持し、電気抵抗を低減することができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００３６】
第１７の発明によれば、燃料電池の電極での反応に対して触媒作用を有する触媒体の周囲に、燃料又は酸化剤を透過する保護膜を形成した燃料電池の電極が作製される。これにより保護膜と触媒体との間に水や電解質材料等を溜め込む構造の電極を得ることができる。この電極を用いることで、電極のイオン伝導率を高く保つことができ、燃料電池の発電性能を高く確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００３８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の燃料電池のセルの構成を模式的に示す図である。実施の形態１の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、図１に示すセルが複数積層されて構成される。図示を省略するが、燃料電池には、燃料を供給・排出する燃料経路と、大気を供給・排出する大気経路とがそれぞれ接続されている。また、燃料電池内部には、燃料を供給・排出するためのマニホールドと、大気を供給・排出するためのマニホールドとが形成され、このマニホールドを介して、各セルの燃料又は大気の供給・排出が行なわれる。
【００３９】
図１に示すセルは、水素イオン（プロトン；Ｈ＋）を移動させる固体高分子型の電解質膜１０（電解質）を有している。電解質膜１０の両側には、それぞれ、カソード極２０とアノード極３０とが配置されている。カソード極２０及びアノード極３０の両外側、即ち、両極それぞれの電解質膜１０に接する面とは反対側には、集電体を有するセパレータ５０、６０が配置されている。
【００４０】
カソード極２０に接するセパレータ５０には、燃料電池内の大気供給・排出用のマニホールドにつながる大気流路５２が形成されている。大気流路５２を介して、カソード極２０に大気が供給され、カソード極２０から排出される未反応の酸素を含む大気オフガスがマニホールドに排出される。一方、アノード極３０に接するセパレータ６０には、燃料電池内の燃料供給・排出用のマニホールドにつながる燃料流路６２が形成されている。燃料流路６２を介して、アノード極３０には燃料が供給され、マニホールドに未反応の水素を含む水素オフガスが排出される。
【００４１】
上記のように構成された燃料電池の運転において、各セルのアノード極３０には水素を含む燃料が供給される。アノード極３０に燃料が供給されるとアノード極３０では水素が、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分解される。燃料として純水素が供給される場合のアノード極３０での反応は、次式（１）のようになる。
Ｈ２→  ２Ｈ＋＋２ｅ−        ・・・・（１）
【００４２】
ここで発生した水素イオンは電解質膜１０内を通り、電子は外部の導線内を通って、それぞれカソード極２０に移動する。カソード極２０は、電解質膜１０を通過した水素イオンと導線からの電子と、供給された大気中の酸素とを反応させて水を生成する。カソード極２０での主な反応は、次式（２）のようになる。
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ      ・・・（２）
【００４３】
以上のようなアノード極３０側とカソード極２０側における反応をまとめると、燃料電池全体では水素と酸素とから水を生成する反応が起き、このとき電子が両極間を移動し、これにより電流が流れて発電することになる。
【００４４】
ところで上記のようなカソード極２０での触媒反応が効率的に行なわれるためには、カソード極２０での触媒反応を起こす反応面を電極内に広く確保すると共に、この反応面へ電解質膜１０を通過した水素イオンを移動させるべく、電極のイオン伝導率を高く確保することが有効となる。従って、この実施の形態１では、カソード極２０を以下のように構成する。
【００４５】
図２は、この発明の実施の形態１におけるカソード極を模式的に示すための図である。図２は、図１において（Ａ）で囲む部分を拡大して表したものである。但し、図２では、（Ａ）を左回りに９０度回転して電解質膜１０を下側に表し、カソード極２０を電解質の上側に表している。図２に示すように、カソード極２０は、電解質膜１０の表面に垂直方向に向けて延びた線状体であるカーボンナノチューブ２２を有している。カーボンナノチューブ２２は、電解質膜１０の表面に密集して形成されている。カーボンナノチューブ２２の直径は、特に限定されるものではないが、0.7[nm]〜70[nm]程度、長さは10[μm]程度とする。カーボンナノチューブ２２は、単層のもの、多層のもの、フラーレンを内包したものなど種々の種類が知られているが、導電性を有するものであれば、特にその種類は限定されない。
【００４６】
カーボンナノチューブ２２には触媒粒子２４として白金（Ｐｔ）が担持されている。白金は、カーボンナノチューブ２２の長さ方向に向けて全体に担持された状態となっている。触媒粒子２４は、カーボンナノチューブ２２の電解質膜１０付近から、細長に形成された先端付近まで、全体に渡って担持されている。
【００４７】
触媒粒子２４を担持したカーボンナノチューブ２２の周囲は、保護膜２６で被覆されている。保護膜２６は、カーボンナノチューブ２２を取り囲むと共に、電解質膜１０と接する部分において電解質膜１０側に向けて開口した状態で接している。但し、図２では、個々のカーボンナノチューブ２２がそれぞれ個別に保護膜２６に被覆されている状態を表しているが、実際には、隣接するカーボンナノチューブ２２それぞれの保護膜２６が、互いに接着した状態となっている部分も存在し、カーボンナノチューブ２２は、全体として保護膜２６に被覆された状態となっている。保護膜２６は、酸素を透過する、ポリエン化合物（ポリオレフィン）等によって構成される。
【００４８】
カーボンナノチューブ２２と保護膜２６との間には僅かな空間ができるように形成されている。燃料電池の運転中、上記（２）式のようにカソード極２０側では多くの水が生成される。カソード極２０での反応は触媒粒子２４上で起きるため、カーボンナノチューブ２２を取り囲む保護膜２６内部の空間には、触媒粒子２４表面で生成された水が溜め込まれる。つまり、燃料電池の運転中、カーボンナノチューブ２２周囲の、保護膜２６で囲まれた小さな空間内には生成水が満たされることとなる。
【００４９】
このようにカーボンナノチューブ２２を取り囲むように形成された保護膜２６内が生成水で満たされることで、電解質膜１０表面から触媒粒子２４までの間が生成水によって満たされた状態となる。その結果、電解質膜１０を移動した水素イオンの移動において、生成水が媒体となると考えられる。従って、カソード極２０のイオン伝導率が向上し、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００５０】
また、この構造により、生成水が保護膜２６内部に留められるため、カソード極２０側の生成水の蒸発が小さく抑えられる。また、燃料電池が高負荷で運転されて生成水が多量に生成された結果保護膜２６内部の水分が過剰となった場合には、過剰な水分は電解質膜１０側に押し返されることとなる。従って燃料電池の発電中に電解質膜１０の水分を十分に確保し、電解質膜１０を高い湿潤状態に保つことができる。従って、燃料電池の発電性能をより向上させることができる。
【００５１】
また燃料電池の運転が停止し、生成水の発生が停止すると、保護層２６内の生成水も次第に減少する。これにより、触媒粒子２４へのイオン伝導率が低下する。従って、燃料流路に水素が残っている状態でも各セル内での発電反応を停止させる、スイッチ機能を持たせることができる。
【００５２】
図３は、この発明の実施の形態１における燃料電池のカソード極の作製工程を説明するための図である。図３に示すように、まず、カーボンナノチューブ２２を電解質膜１０上に形成する（工程０１）。カーボンナノチューブ２２は、電解質膜１０の表面に垂直な方向に向けて線状に形成される。ここでのカーボンナノチューブ２２の長さは10[μm]とする。カーボンナノチューブ２２の形成方法は、例えば、アーク放電法、レーザー蒸発法、ＣＶＤ法等、従来の手法により形成することができるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５３】
次に、カーボンナノチューブ２２に触媒粒子２４である白金を担時させる。ここでは、濃度0.01〜0.05[mg・Pt]の白金量を含む白金塩水溶液に、カーボンナノチューブ２２を形成した電解質膜１０を複数回浸漬し（工程０２）、乾燥・水素還元（工程０３）することで、カーボンナノチューブ２２の表面に所望の量の白金触媒粒子２４が析出される。
【００５４】
次に、触媒粒子２４を担持したカーボンナノチューブ２２表面に、粘度調整を行なった酸素透過性樹脂を溶解させた溶液を浸漬させる（工程０４）。その後、これを乾燥する（工程０５）ことで、カーボンナノチューブ２２周囲に、保護膜２６が形成される。
【００５５】
上記のようにこの保護膜２６内部には、燃料電池の運転が開始すると生成水が取り込まれる。従って、触媒粒子２４近傍には常に水素イオンを移動させる生成水が存在することとなり、カソード極２０での触媒粒子２４による触媒反応が効率的に行なわれることとなる。また、ここでは、カーボンナノチューブ２２を用いることで、カソード極２０に広い面積で反応面を確保することができる。これにより、燃料電池の発電性能を高く維持することができる。
【００５６】
なお、実施の形態１では、カーボンナノチューブを直径0.7[nm]〜70[nm]程度、長さ10[μm]程度とする場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、イオン伝導率、導電性を確保できるものであれば、他の直径、長さであってもよい。これは、実施の形態２においても同様である。
【００５７】
また、実施の形態１では、カーボンナノチューブ２２によって構成される線状体を担体として用いる場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、他の導電性を有する線状体を担体とするものであってもよい。また、広い反応面を確保する上では、線状体を用いることが有効であるが、この発明はこれに限るものではなく、他の形状の触媒体を用いてもよい。この場合にも保護膜２６によって全体を保護することで、イオン伝導率を高めることができ、燃料電池の発電性能を高く確保することができる。これは、実施の形態２においても同様である。
【００５８】
また、実施の形態１では触媒粒子２４として白金を用いる場合について説明したが、この発明はこれに限るものではなく、他の触媒粒子を用いるものであってもよい。
【００５９】
また、実施の形態１では保護膜２６として、酸素を透過するポリエン化合物を用いる場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、酸素を透過するものであれば、他の材料を用いてもよい。また、酸素と共に、水蒸気を透過する構成としてもよい。これにより、燃料電池の運転を停止した際に、保護膜２６内に滞留する生成水を早い段階で排出させることができ、燃料電池の運転停止時にセル内での発電を止めるスイッチ機能をより敏感なものとすることができる。
【００６０】
また、実施の形態１では電解質膜１０とカソード極２０、アノード極３０からなる膜―電極接合体の両側に、独立した別のセパレータをそれぞれ配置してセルが構成される場合について説明した。しかし、膜−電極接合体の両側に配置されるセパレータは、一体型に形成されたものであってもよい。この場合、１のセパレータの両面のそれぞれに、アノード面とカソード面とが形成され、アノード面がアノード極３０に接し、反対側のカソード面は隣接するセルのカソード極２０に接するように配置される。また、セパレータに形成される燃料や大気の流路についても、図２に示す形状に拘束されるものではない。
【００６１】
実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池は、アルカリ型燃料電池である。実施の形態２の燃料電池は、図１の燃料電池と電解質膜の種類が異なり、またアノード極にもカソード極と同様の触媒電極を適用する点を除き、同じ構成を有している。具体的に、実施の形態２の燃料電池は、図１の電解質膜１０として、アニオン交換膜を用いる。アニオン交換膜は、陰イオンを移動させる媒体であれば特に限定されるものではないが、具体的に、例えば、１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基、４級イミダゾリウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）があげられる。また、固体高分子の膜としては、例えば、炭化水素系及びフッ素系樹脂などがあげられる。
【００６２】
また、実施の形態２の燃料電池では、アノード極３０とカソード極２０とが、図２に示す電極と同じように、カーボンナノチューブ２２に触媒粒子２４を担持させた触媒体の周囲に保護膜２６が形成されたものとなっている。但し、アルカリ型燃料電池は、アルカリ性の環境下で運転されるため触媒粒子２４の被毒の問題が少なく、触媒粒子２４の選択肢の幅が広い。従って、触媒粒子２４は、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｕ等の被毒の少ない材料に限定されず、例えば、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｒｕ等を用いることができる。
【００６３】
アルカリ型燃料電池の運転中、各セルのカソード極２０には大気（又は酸素）が供給される。カソード極２０に大気が供給されると、大気中の酸素分子はカソード極２０の触媒作用により、いくつかの段階を経て、電極から電子を受け取って水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンは電解質膜１０を通過してアノード極３０側に移動する。カソード極２０での反応は、次式（３）のようになる。
１/２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−      ・・・（３）
【００６４】
一方、アノード極３０に供給される燃料が純水素である場合には、アノード極３０の触媒作用により、水素と電解質膜１０を通過した水酸化物イオンとが反応して水が生成されると共に、電子が放出される。アノード極３０での、純水素との電気化学反応は、次式（４）のようになる。
Ｈ２＋２ＯＨ−  →  ２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−      ・・・（４）
【００６５】
また、アノード極３０に、エタノール等の炭素を含む燃料が供給される場合にも、アノード極３０の触媒作用により燃料が分解されることで、水素原子が取り出され、水素と水酸化物イオンとの電気化学反応が起きる。具体的に、例えば、燃料としてエタノールが供給される場合、アノード極３０では主に、次式（５）に示す反応が起こる。
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋１２ＯＨ−  →  ２ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ＋１２ｅ−    ・・（５）
【００６６】
アルカリ型燃料電池では、このように水酸化物イオンが電解質膜１０を通過して、アノード極３０側に移動し、アノード極３０側で水が生成される。従って、実施の形態１の電極構成を、アルカリ型燃料電池のアノード極３０に適用することで、保護膜２６内部に生成水を溜め込むことができる。これによって、アノード極３０の触媒粒子２４の周囲に水酸化物イオンの移動を助ける媒体（生成水）が存在する状態とすることができる。
【００６７】
更に、アノード極３０に、例えば水溶性の液体燃料であるエタノール等が供給される場合がある。この場合には、触媒粒子２４近傍の保護膜２６内に、生成水と共にエタノールが混入して溶け、保護膜２６内部がアルカリ性の状態となる。その結果、保護膜２６内部はイオン伝導率とともに、導電性を高く確保することができる。従って、燃料電池の発電性能をより向上させることができる。
【００６８】
一方、アルカリ型燃料電池のカソード極２０では、固体高分子型の燃料電池と異なり、水が生成されない。逆に、カソード極２０では、大気供給や温度上昇による電解質膜１０表面からの水の蒸発により、電解質膜１０の乾燥する場合がある。しかし実施の形態２のカソード極２０の構成によれば、触媒粒子２４を担持させたカーボンナノチューブ２２周囲を保護膜２６で取り囲むことで、逆拡散により電解質膜１０を通過してきた生成水を保護膜２６内部に留めることができる。従って、カソード極２０での水の蒸発を防止し、電解質膜１０を高い湿潤状態に保つことができる。また、カソード極２０でのイオン伝導率を高く保つことができ、水酸化物イオンの移動を促進することができる。
【００６９】
また、実施の形態２では、カソード極２０及びアノード極３０の両極に、共にカーボンナノチューブ２２を保護膜２６で囲んだ電極を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、カソード極２０又はアノード極３０のいずれかに、このような電極を用いたものであってもよい。このようにしても、少なくとも上記に説明した各極２０、３０でのそれぞれの効果は得ることができる。
【００７０】
また、アノード極３０には、エタノール等の水溶性の液体燃料を供給する場合について説明した。これにより、アノード極３０の保護膜２６内を強アルカリ性に保ち、アノード極３０の導電率を向上させることができる。しかし、この発明はこれに限るものではなく、アノード極３０に純水素等の燃料を供給するものであってもよい。この場合にもアノード極３０では水が生成されるため、イオン伝導率を高く確保することができ、効果的である。
【００７１】
なお、実施の形態１，２では、それぞれ、固体高分子型燃料電池及びアルカリ型燃料電池の場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものでもなく、他の燃料電池の電極として適用することができる。
【００７２】
また、上記以外の点についても、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や方法における工程は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】この発明の実施の形態１における燃料電池のセルについて説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるカソード極について説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるカソード極の作製方法について説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０  電解質膜
２０  カソード極
２２  カーボンナノチューブ
２４  触媒粒子
２６  保護膜
３０  アノード極
５０  セパレータ
５２  大気流路
６０  セパレータ
６２  燃料流路
【図１】
2009026495.tif 000003
【図２】
2009026495.tif 000004
【図３】
2009026495.tif 000005