(57)【要約】【課題】優れたガス拡散性を有する触媒担持電極を提供する。【解決手段】触媒担持電極１０，１１は、多数の孔２２を形成された金属シート２０と、前記金属シートに支持された多孔質担体１５と、前記多孔質担体に担持された粒子状の触媒１２と、を備える。多孔質担体は、少なくとも金属シートの孔２２内に配置されている。【選択図】図１
2009099362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の孔を形成された金属シートと、
前記金属シートに支持された多孔質担体であって、少なくとも前記孔内に配置された多孔質担体と、
前記多孔質担体に担持された粒子状の電極触媒と、を備える
ことを特徴とする触媒担持電極。
【請求項２】
前記金属シートの一方の面から他方の面に向け、前記金属シートのシート面に沿った孔の断面積はしだいに小さくなっていく
ことを特徴とする請求項１に記載の触媒担持電極。
【請求項３】
前記金属シートの開孔率は４０％以上であり、
前記金属シートの孔の平均孔径は６０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の触媒担持電極。
【請求項４】
前記多孔質担体は互いに接合された複数の担体粒子を含み、
前記粒子状電極触媒は前記担体粒子に担持されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の触媒担持電極。
【請求項５】
前記担体粒子は、カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノホーン、および、カーボンナノチューブのうちの少なくともいずれか一つを含む
ことを特徴とする請求項４に記載の触媒担持電極。
【請求項６】
前記多孔質担体は、前記金属シートの少なくともいずれか一方の面上にも配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の触媒担持電極。
【請求項７】
前記粒子状電極触媒は、白金または白金合金からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の触媒担持電極。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載された触媒担持電極を備える
ことを特徴とする燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の触媒担持電極に係り、とりわけ、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極に関する。
【０００２】
また、触媒担持電極を備えた燃料電池セルに係り、とりわけ、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極を備えた燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００３】
今日、燃料としての水素を酸素と反応させることによって電力と水とを発生させる燃料電池が、現存する発電システムに置き換わり得る発電器として、注目されている。燃料電池は、通常、供給された水素と酸素とを反応させる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、膜電極接合体の両側に配置されたセパレータと、を有する燃料電池セルを多数含んでいる。
【０００４】
文献１にも開示されているように、膜電極接合体と各セパレータとの間には、燃料となる水素ガスや、水素ガスと反応する酸素ガスまたは空気等を流すための、ガス流路が形成されている。そして、膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両側にそれぞれ配置された一対の触媒層（電極）と、各触媒層と各セパレータとの間にそれぞれ配置された一対のガス拡散層と、を有している。
【０００５】
例えば文献２の第４５頁に記載されているように、触媒層は、ガス流路から供給されるガスを反応させるための電極触媒を担持した層であって、一般的に、数十μｍの厚みを有している。一方、ガス拡散層は、文献２の第４６頁に記載されているように、例えば、直径が５μｍ程度のカーボン繊維から構成された厚さ１００μｍ〜３００μｍ程度の層である。このガス拡散層は、ガス流路からのガスを拡散させて触媒層にガスを供給するための層であり、例えば、孔径が数十μｍ〜数百μｍ程度の気孔を有している。ガス流路からのガスを触媒層の全面へ十分に拡散させることができれば、高価な電極触媒を有効利用して、燃料電池セルを優れた効率で動作させることができるようになる。
【特許文献１】特開２００７−１２３２５号公報
【特許文献２】「図解燃料電池のすべて」（監修：本間琢也氏、発行：株式会社工業調査会）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
文献１では、電極の材料を改良することにより、耐久性を維持しながらガス拡散性を向上させ、電極触媒を有効利用することが提案されている。しかしながら、今日において、燃料電池セルの動作効率に対する要求はさらに高まっている。
【０００７】
すなわち、本発明は、優れたガス拡散性を有する触媒担持電極（触媒層）を提供することを目的とする。また、本発明は、優れたガス拡散性を有する触媒担持電極（触媒層）を備えた燃料電池セルを提供することを目的とする。
【０００８】
ところで、燃料電池は、例えば、数十個〜数百個の燃料電池セルを積み重ねることによって構成され、所望の起電力を有するようになる。このような燃料電池においては、燃料電池セルの薄型化を図り、燃料電池の小型化を達成することも、今日における一つの重要な課題となっている。したがって、本発明による触媒担持電極が優れたガス拡散機能を有し、これにより、従来のガス拡散層を省略して燃料電池セルの厚みを薄くすることができれば、非常に都合が良い。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による触媒担持電極は、多数の孔を形成された金属シートと、前記金属シートに支持された多孔質担体であって、少なくとも前記孔内に配置された多孔質担体と、前記多孔質担体に担持された粒子状の電極触媒と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明による触媒担持電極において、前記金属シートの一方の面から他方の面に向け、前記金属シートのシート面に沿った孔の断面積はしだいに小さくなっていくようにしてもよい。
【００１１】
また、本発明による触媒担持電極において、前記金属シートの開孔率は４０％以上であり、前記金属シートの孔の平均孔径は６０μｍ以下であるようにしてもよい。
【００１２】
さらに、本発明による触媒担持電極において、前記多孔質担体は互いに接合された複数の担体粒子を含み、前記粒子状電極触媒は前記担体粒子に担持されているようにしてもよい。このような本発明による触媒担持電極において、前記担体粒子は、カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノホーン、および、カーボンナノチューブのうちの少なくともいずれか一つを含むようにしてもよい。
【００１３】
さらに、本発明による触媒担持電極において、前記多孔質担体は、前記金属シートの少なくともいずれか一方の面上にも配置されているようにしてもよい。このような本発明による触媒担持電極において、前記粒子状電極触媒は、白金または白金合金からなるようにしてもよい。
【００１４】
本発明による燃料電池セルは、上述したいずれか一項に記載された触媒担持電極を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極、および、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極を備えた燃料電池セルが得られる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
【００１７】
図１乃至図１１は本発明による触媒担持電極および燃料電池セルの一実施の形態を説明するための図である。このうち図１は触媒担持電極の断面図であり、図２は触媒担持電極が組み込まれた燃料電池セルを示す分解斜視図であり、図３は多数の燃料電池セルからなる燃料電池を示す斜視図である。なお、図１に示された断面は、図２におけるＩ−Ｉ線に沿った断面に相当する。
【００１８】
図２に示すように、燃料電池セル５０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）３５と、膜電極接合体３５の両側に配置された一対のセパレータ４０，４１と、を有している。膜電極接合体３５は、電解質膜３０と、電解質膜３０の両側に配置された一対の触媒担持電極１０，１１と、を有している。そして、図３に示すように、この燃料電池セル５０が積み重ねられ、所望の起電力を有する燃料電池５５（スタック５５ａ）が形成される。以下、燃料電池セル５０の各構成について説明していく。
【００１９】
まず、セパレータ４０，４１について説明する。図２に示すように、セパレータ４０，４１は、直角四辺形の板状に形成されている。セパレータ４０，４１には、四隅のそれぞれの近傍に一つずつ貫通孔４２が形成されている。また、図２に示されているように、各セパレータ４０，４１の膜電極接合体３５に対面する側の面に、サーペンタイン状（曲がりくねって蛇行した形状、serpentine）の溝４３が形成されている。溝４３の両端は、それぞれ一つの貫通孔４２に通じている。そして、この溝４３が、膜電極接合体３５とセパレータ４０，４１との間に設けられたガス流路を形成するようになる。このガス流路４３には、膜電極接合体３５の触媒担持電極１０，１１へ供給されるガスが流れる。
【００２０】
このようなセパレータ４０，４１は、カーボンと樹脂との混合物であるカーボン樹脂や、ステンレス、アルミニウムまたは銅等の金属を用いることができる。ただし、金属からセパレータ４０，４１を形成する場合には、耐食性を向上させることを目的として、セパレータ４０，４１の表面を金めっきすることが好ましい。
【００２１】
次に、膜電極接合体３５について説明する。上述したように、膜電極接合体３５は、電解質膜３０と、電解質膜３０の両側に配置された一対の触媒担持電極１０，１１と、を有している。電解質膜３０は、プロトンＨ+が透過可能な膜、例えばパーフルオロスルホン酸イオン交換膜から構成され得る。
【００２２】
次に、触媒担持電極１０，１１について詳述する。触媒担持電極は、電解質膜３０の一方の側（図２における右側）に配置された水素極（燃料極）１０と、電解質膜３０の他方の側に配置された酸素極（空気極）１１と、を含んでいる。この二つの触媒担持電極１０，１１は、略同一の構成を有している。以下における触媒担持電極の説明は、特筆しない限りにおいて、両方の触媒担持電極１０，１１に関する説明である。
【００２３】
図１に示すように、触媒担持電極１０，１１は、所定のピッチで多数の孔２２を形成された金属シート２０と、金属シート２０に支持された多孔質担体１５と、多孔質担体１５に担持された粒子状の電極触媒１２と、を有している。このうちまず、主に図４乃至図８を参照して、金属シート２０について詳述する。ここで、図４は金属シート２０を示す部分平面図であり、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。また、ここでいう粒子とは、球状、多角形状、繊維状等の種々の形状を有した微小片を含む概念である。
【００２４】
金属シート２０は、多数の孔２２を形成された金属製のシートである。金属シート２０は、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅等から形成することができる。ただし、上述したセパレータ１０，１１と同様に、耐食性を向上させることを目的として、金属シートの表面を金めっきしておくことが好ましい。ところで、触媒担持電極１０，１１が燃料電池セル５０に組み込まれる場合、使用時の強度（耐久性）を確保することができる限りにおいて、金属シート２０の厚みは薄い方が好ましい。燃料電池セル５０の小型化を図ることができ、また、燃料電池セル５０の単位体積あたりの起電力を高めることができるためである。このことから、金属シート２０の厚みを、例えば２０μｍ以上１００μｍ以下とすることができ、さらに好ましくは、２０μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。
【００２５】
図４に示すように、本実施の形態において、各孔２２は、金属シート２０の平面視において（金属シート２０のシート面に直交する方向から見た場合において）、略円形状の輪郭を有している。また、多数の孔２２は、略同一形状（±５μｍ以下）に形成されている。
【００２６】
図４に示すように、本実施の形態において、金属シート２０の孔２２は、その配置中心が、周囲に配置された隣り合う孔２２の配置中心から等距離Ｐだけ離間するよう、それぞれ配設されている。このため、孔２２の径が同一であれば、隣り合う孔２２との離間間隔（図５のＷ１，Ｗ２に相当）も同一となる。また、図５に示すように、孔２２のシート面に平行な面における孔径（内径）は、金属シート２０の一方の面２０ａ上において最も大きく、他方の面２０ｂ上において最も小さくなっている。さらに厳密には、金属シート２０のシート面と平行な面における孔２２の孔径（内径）は、一方の面２０ａから他方の面２０ｂに向けて徐々に小さくなっていっている。言い換えると、金属シート２０の一方の面２０ａから他方の面２０ｂに向け、金属シート２０のシート面に沿った孔２２の断面積はしだいに小さくなっていっている。
【００２７】
次に、このような金属シート２０の製造方法の一例について、主に図６乃至図８を用いて説明する。このうち図６は、金属シートの製造方法を説明するための図である。
【００２８】
図６に例示された金属シートの製造方法は、金属シート２０をなすようになる金属製フィルム（金属製シート）６４と、金属製フィルム６４上に積層された樹脂製フィルム（樹脂製シート）６２とを有する積層体６０を供給する工程と、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチングを積層体６０の金属製フィルム６４に施して、金属製フィルム６４に多数の孔２２を形成する工程と、エッチング工程の後に、積層体６０から樹脂製フィルム６２を除去する工程と、を含んでいる。
【００２９】
図６に示す例においては、積層体６０を供給コア６１に巻き取った積層体の巻体５９が準備される。そして、この供給コア６１が回転して巻体５９が巻き戻されることにより、図６に示すように帯状に延びる積層体６０が供給される。ここで、積層体６０は、金属製フィルム６４が下方に位置するとともに樹脂製フィルム６２が上方に位置するようにして、供給される。
【００３０】
なお、積層体６０の金属製フィルム６４は、以下に説明するように孔２２を形成されて金属シート２０をなすようになる。したがって、上述したように、金属製フィルム６４は、例えばステンレス、アルミニウムまたは銅からなる。
【００３１】
一方、樹脂製フィルム６２としては、例えば、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さを有するポリエチレンテレフタレートやポリプロピレンからなるシートを用いることができる。本実施の形態においては、ＵＶ光を照射されると金属製フィルム６４に対する接合力が低下するようになされた樹脂製フィルム６２が用いられている。具体的には、樹脂製フィルム６２が、ポリエチレンテレフタレートからなる基材フィルム（基材シート）６２ａと、基材フィルム６２ａ上に積層された層であって金属製フィルム６４と対面するＵＶ剥離層６２ｂと、を有するようにすることができる（図６および図７参照）。ＵＶ剥離層６２ｂは、ＵＶ光を照射されると金属製フィルム６４に対する接合力が低下するようになされた樹脂層である。
【００３２】
供給された積層体６０はエッチング装置（エッチング手段）７０によってエッチング処理を施される。具体的には、まず、積層体６０の金属製フィルム６４の面上に感光性レジスト材料を塗布し、金属製フィルム６４上にレジスト膜を形成する。次に、レジスト膜のうちの除去したい領域のみに、光を透過させるようにした、あるいは、光を透過させないようにしたガラス乾板を準備し、ガラス乾板をレジスト膜上に配置する。その後、レジスト膜をガラス乾板越しに露光し、さらにレジスト膜を現像する。以上のようにして、積層体６０の金属製フィルム６４上にレジストパターン６６（図７参照）が形成される。
【００３３】
次に、図７に示すように、金属製フィルム６４上に形成されたレジストパターン６６をマスクとして、積層体６０をエッチング液（例えば塩化第二鉄溶液）６８でエッチングする。本実施の形態において、エッチング液６８は、搬送されてきた積層体６０の下方に位置するように配置されたエッチング装置７０のノズル７１から、レジストパターン６６越しに金属製フィルム６４の一方の面６４ａに向けて噴射される。このとき、図７に点線で示すように、金属製フィルム６４のうちのレジストパターン６６によって覆われていない領域で、エッチング液による浸食が始まる。その後、浸食は、金属製フィルム６４の厚み方向だけでなく、金属製フィルム６４のフィルム面（シート面）に沿った方向にも進んでいく。以上のようにして、エッチング液による浸食が金属製フィルム６４の一方の面６４ａから他方の面６４ｂまで進み、金属製フィルム６４を貫通する孔２２が形成される。
【００３４】
その後、積層体６０上のレジストパターン６６が除去され、さらに積層体６０が水洗いされる。このようにエッチングよって孔２２が形成された積層体６０は、次に、除去装置（除去手段）７４内に搬送される。
【００３５】
図８に示すように、本実施の形態における除去装置７４は、積層体６０の搬送経路に沿って配置されたＵＶ光照射手段７５を有している。ＵＶ光照射手段７５は、積層体６０の移動経路に沿って設けられ、積層体６０を樹脂製フィルム６２側から覆うシェード７５ａと、シェード７５ａ内に配置されたＵＶ光源７５ｂと、を有している。そして、搬送されてきた積層体６０は樹脂製フィルム６２側からＵＶ光を照射され、樹脂製フィルム６２の基材フィルム６２ａを透過するＵＶ光によって、基材フィルム６２ａと金属シート２０（金属製フィルム６４）とを接着するＵＶ剥離層６４ｂの接着力が大幅に弱められる。この結果、積層体６０をなす樹脂製フィルム６２と金属製フィルム６４（金属シート２０）とが分離可能となり、図８に示すように、樹脂製フィルム６２が、金属製フィルム６４から剥がされ、巻取コア５８に巻き取られていく。
【００３６】
このようにして、多数の孔２２が形成された金属製フィルム６４が得られ、図６に示すように、切断装置（切断手段）７９を用いて所定の長さに切断していくことにより、枚葉状の金属シート２０が得られる。
【００３７】
ところで、このような製造方法の例とは異なり樹脂製フィルム６２が設けられていなかったとすると、金属製フィルム６４が貫通されて孔２２が形成されると同時に、当該孔２２を介して金属製フィルム６４の一方の面６４ａ側から他方の面６４ｂ側へ向けてエッチング液６８が流れ込み始める。このような方法においては、最後にフレッシュなエッチング液６８が孔２２を内方から浸食してしまうことと、エッチング液が流れ込み始めることによって孔２２に大きな圧力がかかってしまうことと、エッチング液が金属製フィルム６４の他方の面６４ｂ上に滞留してしまうことと、により、エッチング工程の最終段階において、孔２２の径が急激に大きくなってしまう。とりわけ、他方の面側において、孔２２をなす壁面がだれてしまい、局所的に孔２２の孔径が大きくなってしまう。このため、孔２２の形状や大きさを所望の形状や大きさに制御することが、非常に困難となる。また、孔２２の断面積は、金属製フィルム６４の他方の面６４ｂ上で最も小さくなるのではなく、金属製フィルム６４の一方の面６４ａと他方の面６４ｂとの中間の厚さ方向位置において最も小さくなる。
【００３８】
加えて、金属製フィルム６４をエッチングする場合、金属製フィルム６４は間欠的に移動するようにして搬送される。上述した例とは異なり樹脂製フィルム６２が設けられていなかったとすると、間欠的な搬送にともなって発生する間欠的なテンションが金属製フィルム６４のみに加えられるようになる。そして、この間欠的なテンションにより、金属製フィルム６４が孔２２と孔２２との間において切断されてしまう虞がある。
【００３９】
これらのことから、従来のエッチングを用いた金属シートの製造方法（樹脂製フィルム６２を用いない製造方法）によれば、小さな孔を高い開孔率で形成することができず、孔の平均孔径は大きくなり、金属シート２０の開孔率が小さくなっていた。一方、上述した金属シートの製造方法（樹脂製フィルム６２を用いる製造方法）によれば、従来の不具合を解消して、微細な孔２２を高い開孔率で金属製フィルム６４に形成することができる。
【００４０】
なお、ここでいう開孔率とは、金属シート２０の任意領域についての孔２２が形成されていなかったとした場合での表面面積に対する、当該任意領域中に存在する各孔２２が金属シート２０のシート面に沿った面において占める最小面積の和の比を意味する。したがって、図示する例においては、金属シート２０の任意領域についての孔が形成されていなかったとした場合での表面面積に対する、金属シート２０の他方の面２０ｂにおいて孔２２が占める領域の表面面積の比が、当該金属シート２０の開孔率となる。また、ここでいう平均孔径とは、金属シート２０のシート面に沿った面における孔２２の最小孔径の平均値を意味する。したがって、図５に示す金属シート２０の開孔率は、図示された金属シート２０の任意領域についての孔２２が形成されていなかったとした場合での表面面積に対する、金属シート２０の他方の面２０ｂにおいて孔２２が占める領域の面積の比となる。また、図５に示す金属シート２０の平均孔径は、金属シート２０の他方の面２０ｂにおける孔２２の径の平均値となる。
【００４１】
ここで、表１乃至３および図９乃至図１１に、上述した方法で製造した金属シート２０の寸法測定結果および測定された寸法から算出された開孔率を示す。なお、金属製フィルムとして、耐熱ＳＵＳを採用した。そして、表１および図９は金属製フィルムの厚みが２０μｍであった場合の結果を示し、表２および図１０は金属製フィルムの厚みが２５μｍであった場合の結果を示し、表３および図１１は金属製フィルムの厚みが３０μｍであった場合の結果を示している。また、図９中には、樹脂製フィルム６２を用いない従来の製造方法で製造可能な金属シートの範囲を斜線で示している。
【表１】
2009099362.tif 000003
【表２】
2009099362.tif 000004
【表３】
2009099362.tif 000005
【００４２】
なお、表１乃至表３中における記号は、図４および図５における記号に対応している。ここで、図４および図５において、Ｐは孔２２の配置ピッチであり、Ｄ１は金属シート２０の一方の面２０ａにおける孔２２の平均孔径であり、Ｄ２は金属シート２０の他方の面２０ｂにおける孔２２の平均孔径であり、Ｗ１は金属シート２０の一方の面２０ａにおける隣り合う二つの孔２２の平均離間距離であり、Ｗ２は金属シート２０の他方の面２０ｂにおける隣り合う二つの孔２２の平均離間距離である。
【００４３】
これらの結果から、金属シートの厚みが２０μｍ以上３０μｍ以下である場合に、少なくとも、孔の平均孔径が５０μｍ以上６０μｍ以下の範囲内であり、開孔率が４０％以上４４％以下の範囲内である金属シート２０を作製することが可能である、ことが確認された。
【００４４】
次に、多孔質担体１５について詳述する。多孔質担体１５は、金属シート２０とともに集電機能を発揮することができるよう、導電性を有している。図１に示すように、本実施の形態において、多孔質担体１５は、金属シート２０の孔２２内、金属シート２０の一方の面２０ａ上、および、金属シート２０の他方の面２０ｂ上に配置されている。また、多孔質担体１５は、多数の担体粒子（担体粉体）１６を互いに接合することによって形成されている。なお、ここでいう粒子とは、球状、多角形状、繊維状等の種々の形状を有した微小片を含む概念である。
【００４５】
担体粒子１６は、例えば、カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノホーン、および、カーボンナノチューブのうちの少なくともいずれいか一つを含むようにしてもよい。担体粒子１６の粒径（楕円状粒子であれば長径、繊維状であれば直径）は、比表面積（単位重量あたりの表面積）の値を大きくして電極触媒１２を高分散担持することを可能とするため、小さい方が好ましく、例えば数十ｎｍとすることができる。
【００４６】
多孔質担体１５は、既知の種々の方法により、金属シート２０上に形成することができる。例えば、以下のようにして、金属シート２０上に金属シート２０に保持された多孔質担体１５を形成することができる。まず、金属シート２０の孔２２内に担体粒子１６を充填するとともに、さらに、金属シート２０の一方の面２０ａ上、および、金属シート２０の他方の面２０ｂ上にも担体粒子１６を配置する。次に、焼成により、担体粒子１６を焼結するとともに、金属シート２０に対して担体粒子１６を固定する。これにより、多数の担体粒子１６からなる多孔質担体１５が金属シート２０上に形成される。
【００４７】
なお、上述したように、本実施の形態において、多孔質担体１５を支持する金属シート２０の孔２２の断面積は、金属シート２０の一方の面２０ａから他方の面２０ｂに向け、しだいに小さくなっていく。したがって、金属シート２０の孔２２内に多孔質担体１５を安定して保持することができる。これにより、触媒担持電極１０が、優れた耐久性を有するようになる。
【００４８】
次に、粒子状（粉状）の電極触媒１２について詳述する。電極触媒１２は、触媒層での電気化学反応にともなった活性化過電圧を小さくして起電力を高める材料、例えば白金や白金合金が用いられる。ただし、白金および白金合金に限られることなく、活性化過電圧を小さくして起電力を高めることができるその他の材料、例えば、その他の貴金属を電極触媒として用いることができる。
【００４９】
また、電極触媒１２は一般的に高価である。そして、この高価な電極触媒１２を効果的に利用するためには、粒子状電極触媒１２の粒径を小さくして、粒子状電極触媒１２の比表面積（単位重量あたりの表面積）の値を大きくすることが有効である。とりわけ、本実施の形態においては、多孔質担体１５が互いに接続された多数の担体粒子１６を含み、粒子状電極触媒１２は担体粒子１６上に担持される。すなわち、多孔質担体１５の比表面積を非常に大きくすることができ、これにより、多孔質担体１５によって、粒子状触媒１２をむらなく分散させた状態で担持することができる。したがって、粒子状電極触媒１２を大幅に小径化して、電極触媒１２を効率的に用いることが可能となる。
【００５０】
なお、粒子状電極触媒１２を多孔質担体１５に担持させる方法としては、種々の既知な方法、例えば含浸法を用いることができる。
【００５１】
以上のような構成からなる燃料電池セル５０は、図３に示すように、重ねられてスタック５５ａを構成し、スタック５５ａとして燃料電池５５に組み込まれる。スタック５５ａにおいて、例えば導電性のセパレータ４０，４１を介し、隣り合う燃料電池セル５０の触媒担持電極１０，１１が直列接続されている。これにより、燃料電池５５は高い起電力を有するようになる。また、各燃料電池セル５０のセパレータ４０，４１に形成された貫通孔４２は、互いに接続されている。これにより、一列に並べられた貫通孔４２を介し、各燃料電池セル５０へ水素および酸素を供給することができ、また使用されなかった水素および酸素、並びに、生成された水を回収することができる。
【００５２】
次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００５３】
まず、各燃料電池セル５０の水素極（一方の触媒担持電極）１０側のセパレータ４０に形成されたガス流路４３の一端に通じる貫通孔４２のうちの一つへ、水素ガスを送り込む。水素ガスは、貫通孔４２を介して、各燃料電池セル５０のガス流路４３内に流れ込む。ガス流路４３内において、水素ガスの一部は水素極１０内へ流れ込み、その他の水素ガスは、未反応ガスとして、貫通孔４２を介して燃料電池セル５０から排出される。
【００５４】
水素極（一方の触媒担持電極）１０へ進んだ水素ガスは、多孔質担体１５の空隙内を進み、電解質膜３０側へと移動する。上述したように、多孔質担体１５は金属シート２０によって支持されており、水素極１０を横断して電解質膜３０側へと移動する際、水素ガスは金属シート２０の孔２２内を通過する。したがって、本実施の形態によれば、ガス流路４３から供給される水素ガスを、金属シート２０の孔２２内を通過させることによって、十分に拡散させることができる。そして、ガス流路４３の構成に起因した水素極１０の面内におけるガス供給量のばらつきを打ち消すことができる。とりわけ、上述したように、金属シート２０には、微細な孔２２が高い開孔率で形成されている。したがって、ガス供給量の面内ばらつきを抑制して、水素極１０の略全面に水素ガスを行き渡らせることができる。なお、ガスを十分に拡散させるためには、金属シート２０に形成される孔２２の平均孔径が６０μｍ以下であることが好ましく、金属シート２０の開孔率が４０％以上であることが好ましい。
【００５５】
水素極１０内において、多孔質担体１５に担持された電極触媒１２では、水素分子Ｈ2が、電子ｅ-を放出してプロトン化（イオン化）Ｈ+する。プロトンＨ+は、電解質膜３０を透過して、酸素極１１へ到達する。一方、本実施の形態において、電子ｅ-は、導電性の多孔質担体１５および金属シート２０を介し、セパレータ４１へ回収される。
【００５６】
本実施の形態によれば、上述したように、触媒担持電極１０，１１が有する優れた拡散性により、水素ガスを金属シート２０の略全面に拡散させることができる。また、本実施の形態によれば、微細な電極触媒１２が多孔質担体１５によって高分散担持されている。したがって、高価な電極触媒１２を有効に利用して、水素を反応させることができる。また、とりわけ、本実施の形態によれば、上述したように、水素は金属シート２０の孔２２内を通過する。そして、金属シート２０の孔２２内には多孔質担体１５が支持されており、この多孔質担体１５によって電極触媒１２が担持されている。すなわち、高価な電極触媒１２がガスの通過領域に配置されているので、高価な電極触媒１２を極めて有効に活用することができる。
【００５７】
また、上述したように、本実施の形態によれば、粒子状触媒１２を担持した多孔質担体１５が、金属シート２０の孔２２内だけでなく、両方の面２０ａ，２０ｂ上にも配置されている。したがって、触媒担持電極１０において、より安定して水素を反応させることができる。
【００５８】
ところで、ガス流路４３から電解質膜３０へ向けた水素の移動は、触媒担持電極１０の両側における圧力差を駆動力としている。そして、金属シート２０の一方の面２０ａがガス流路４３（セパレータ４１）側に位置し、金属シート２０の他方の面２０ｂが電解質膜３０側に位置するよう、触媒担持電極１０が配置されることが好ましい。上述したように、金属シート２０の孔２２は、一方の面２０ａ側から他方の面２０ｂ側に向け、しだいに先細りするようになっている。したがって、粒子状電極触媒１２を担持する多孔質担体１５が、セパレータ４１側から電解質膜３０膜側へ向け、ガス圧によって押圧されたとしても、多孔質担体１５が金属シート２０の孔２２から抜け落ちてしまうことがない。このようにして、触媒担持電極１０が優れた耐久性を発揮する。
【００５９】
一方、水素ガスの供給と並行し、酸素ガスが、各燃料電池セル５０の酸素極１１側のセパレータ４１に形成されたガス流路４３の一端に通じる貫通孔２２のうちの一つへ送り込まれる。酸素ガスは、孔２２を介して、各燃料電池セル５０のガス流路４３内に流れ込む。上述した水素ガスと同様に、酸素ガスの一部は酸素極１１内へ流れ込み、その他の酸素ガスは、未反応ガスとして、貫通孔４２を介して燃料電池セル５０から排出される。
【００６０】
酸素極１１内へ流れ込んだ酸素ガスは、水素ガスと同様に、酸素極１１の優れた拡散性により、酸素極１１の略全面に行き渡るようになる。また、酸素極１１内において、多孔質担体１５に担持された電極触媒１２では、酸素Ｏ2が、電子ｅ-と、電解質膜５０を透過してきたプロトンＨ+と、を取り込み、水Ｈ2Ｏが生成される。このような水の生成にともない、水素極１０および酸素極１１の間で電子の移動が生じることによって電力が生成される。酸素極１１で生成された水は、ガス流路４３へ移動し、未反応の酸素ガスとともに貫通孔４２を介して燃料電池セル５０から排出される。なお、水素極１０と同様に酸素極１１においても、高価な電極触媒１２が極めて有効に活用され、効率的かつ安定して反応が進む。
【００６１】
このようにして各燃料電池セル５０において電力が生成される。そして、上述したように、燃料電池１５のスタック１５ａにおいて、複数の燃料電池セル５０は互いに直列に接続されている。これにより、燃料電池１５は所望の起電力を有するようになる。
【００６２】
なお、水素極１０で放出された電子ｅ-は、水素極１０、水素極１０に当接するセパレータ４０、並びに、セパレータ４０および酸素極１１に当接するセパレータ４１を介して、隣接する燃料電池セル５０の酸素極１６へと移動する。上述したように、本実施の形態において、触媒担持電極１０，１１は、カーボン粒子よりも導電性の高い金属シート２０を含んでいる。したがって、触媒担持電極１０，１１の電気抵抗に起因した起電力の損失を低減することができる。
【００６３】
以上のような本実施の形態によれば、金属シート２０の孔２２内に多孔質担体１５が支持されている。したがって、ガス流路４３から供給されるガスを、金属シート２０の孔２２内を通過させることによって、十分に拡散させることができる。これにより、触媒担持電極１０，１１とセパレータ４０，４１との間に形成されたガス流路４３の構成に起因した触媒担持電極１０，１１の面内におけるガス供給量のばらつきを大幅に打ち消すことができる。
【００６４】
また、金属シート２０の孔２２内には、電極触媒１２を担持した多孔質担体１５が配置されている。すなわち、高価な電極触媒１２がガスの移動経路に配置されているので、高価な電極触媒１２を有効に活用することができる。さらに、粒子状の電極触媒１２が多孔質担体１５に担持されていることから、粒子状電極触媒１２の粒径を小さくして粒子状電極触媒１２の比表面積を大きくすることができ、これによって、高価な電極触媒１２をさらに有効利用することができる。すなわち、同じ体積の電極触媒１２用いる場合に、電極触媒１２の表面積を大きくすることができ、コスト面においても非常に有用である。
【００６５】
さらに、触媒担持電極１０，１１が優れた拡散機能を有しているので、従来用いられていた別途のガス拡散層を省くことも可能となる。したがって、酸素極１０および水素極１１のそれぞれからガス拡散層を省き、燃料電池セル５０を積み重ねることによって構成される燃料電池５５（スタック５５ａ）の小型化を図ることが可能となる。また、ガス拡散層を省くことは、燃料電池セル５０（燃料電池５５、燃料電池スタック５５ａ）のコスト面においても極めて有用である。
【００６６】
さらに、高い剛性および優れた導電性を有する金属シート２０によって、電極触媒１２を担持した多孔質担体１５が支持されている。したがって、触媒担持電極１０，１１が優れた耐久性を有し、破損し辛くなっている。
【００６７】
なお、上述した実施の形態に関し、本発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。
【００６８】
例えば、上述した実施の形態において、粒子状電極触媒１２を担持する多孔質担体１５が、金属シート２０の孔２２内だけでなく、金属シート２０の一方の面２０ａ上および金属シート２０の他方の面２０ａ上にも配置されている例を示したが、これに限られない。例えば、粒子状電極触媒１２を担持する多孔質担体１５を金属シート２０の孔２２内だけに配置するようにしてもよい。あるいは、粒子状電極触媒１２を担持する多孔質担体１５を、金属シート２０の孔２２内と、金属シート２０の一方の面２０ａおよび金属シート２０の他方の面２０ｂのうちのいずれか一方上と、に配置するようにしてもよい。
【００６９】
また、上述した実施の形態において、触媒担持電極１０，１１がセパレータ４０，４１に当接する例を示したが、これに限られない。触媒担持電極１０，１１とセパレータ４０，４１との間に、例えばカーボン繊維からなる多孔質構造を有したガス拡散層が設けるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は、本発明による一実施の形態を示す図であって、触媒担持電極を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明による一実施の形態を示す図であって、図１に示された触媒担持電極が組み込まれた燃料電池セルを示す分解斜視図である。
【図３】図３は、本発明による一実施の形態を示す図であって、図２に示された燃料電池セルを含む燃料電池（スタック）を示す斜視図である。
【図４】図４は、図１の触媒担持電極に含まれた金属シート２０を示す部分平面図である。
【図５】図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】図６は、図４に示された金属シートの製造方法の一例を説明するための図である。
【図７】図７は、図６に示された製造方法における金属製フィルムをエッチングする方法を説明するための図である。
【図８】図８は、図６に示された製造方法における樹脂製フィルムを除去する方法を説明するための図である。
【図９】図９は、図６に示された製造方法によって製造された厚さ２０μｍの金属シートの平均孔径と開孔率とを示すグラフである。
【図１０】図１０は、図６に示された製造方法によって製造された厚さ２５μｍの金属シートの平均孔径と開孔率とを示すグラフである。
【図１１】図１１は、図６に示された製造方法によって製造された厚さ３０μｍの金属シートの平均孔径と開孔率とを示すグラフである。
【符号の説明】
【００７１】
１０，１１  触媒担持電極
１２  電極触媒（粒子状電極触媒）
１５  多孔質担体
１６  担体粒子
２０  金属シート
２０ａ  一方の面
２０ｂ  他方の面
２２  孔
５０  燃料電池セル
【図１】
2009099362.tif 000006
【図２】
2009099362.tif 000007
【図３】
2009099362.tif 000008
【図４】
2009099362.tif 000009
【図５】
2009099362.tif 000010
【図６】
2009099362.tif 000011
【図７】
2009099362.tif 000012
【図８】
2009099362.tif 000013
【図９】
2009099362.tif 000014
【図１０】
2009099362.tif 000015
【図１１】
2009099362.tif 000016