JP3765999B2

JP3765999B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP3765999B2
Application number: JP2001199773A
Authority: JP
Inventors: 義彦中野; 裕康角野; 雅弘高下; 麻紀米津; 誠一末永; 秀行大図; 康広五戸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP2002083604A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電池内で水素やメタノール等の燃料を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものである。したがって、火力発電のように燃料の燃焼によるＮＯ_xやＳＯ_xなどの発生がないため、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。
【０００３】
従来の燃料電池は、例えば、カソード集電体／カソード／プロトン伝導性膜／アノード／アノード集電体の５層構造となっている。この燃料電池用の電極、すなわちアノードおよびカソードを作製するに当たって特に重要とされることは、一酸化炭素などによる電極の被毒防止および単位触媒当たりの活性を高めることである。従来から、被毒回避および高活性化のため、担持触媒金属を選択し、単一元素または合金として担持することが試みられており、高性能の燃料電池触媒および電極が実用化されている。合金等の粒子径については検討され、数ｎｍのものが良いとされている。
【０００４】
一方、燃料電池用触媒を構成する他の成分であるカーボン担体については、活性に対する寄与が極めて少ないと考えられ、カーボン担体の改良等に関してほとんど検討されていないのが実情である。カーボン担体としては、通常のカーボンブラック以外にも、ＰＡＮ系化合物から作製したカーボン繊維を用いたものがＥ、セオリドらによって報告されている（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ａｃｔａ．，ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．６，ｐ．７９３（１９９３））。しかしながら、カーボン繊維に担持された触媒径が、最小でも１００ｎｍ程度までしか得られないため、高い触媒活性を必要とする燃料電池用触媒としては不適であった。また、ＧｕａｎｇｌｉＣｈｅ（Ｎａｔｕｒｅｖｏｌ．３９３，（１９９８）ｐ．３４６‐）によって、テンプレート法を用いてカーボンナノチューブを作製し、そのカーボンナノチューブを担体として、カーボンチューブの内壁に触媒を担持させることが報告されている。これにおいては、カーボンチューブの長さ方向に対して触媒の不均一が認められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小型軽量化が可能であるとともに、高性能の燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料極と、この燃料極に対向して配置された酸化剤極と、これらの燃料極および酸化剤極に挟まれた電解質層とを有する燃料電池において、燃料極および酸化剤極から選ばれる少なくとも一方の電極は、カーボンナノファイバーに電池用触媒を担持してなる触媒担持カーボンナノファイバーと、プロトン導電性物質と、触媒担持カーボンナノファイバーが堆積された多孔質集電体とを含有し、かつ、前記カーボンナノファイバーの直径は、１ｎｍ〜１０００ｎｍであり、カーボンナノファイバーは、直径５００ｎｍ以上のカーボンナノファイバーを２０％以上含有し、直径１００ｎｍ以下のカーボンナノファイバーを５％以上含有し、多孔質集電体の平均孔径が１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする燃料電池を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
本発明者らは、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）に電池用触媒を担持させることによって、従来のカーボンブラックを用いたものより著しく性能が向上した燃料電池用触媒が得られることを見出した。
【００１４】
特に、以下のような方法により合成されたカーボンナノファイバーを用いることが好ましい。
【００１５】
まず、ＣＮＦは、所定の合成用触媒表面に原料ガスを接触させることで得られる。
【００１６】
合成用触媒としては、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅの第１群から選ばれる金属元素の一種と、Ｃｕ、ＡｇおよびＳｎの第２群から選ばれる金属元素との合金、特にＣｕ−Ｎｉ合金を使用することが好ましい。合成用触媒中に混合されるＣｕ、Ａｇ、Ｓｎの含有量は、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅに対して１０％以上であることが好ましい。１０％未満の場合には、Ｐｔの担持能が低くなるおそれがある。
【００１７】
この合成用触媒は、第１の群から選ばれる金属元素の酸化物と、第２の群から選ばれる金属元素の酸化物との混合体を５００℃〜７００℃程度で０．５ｈ〜１ｈ程度水素雰囲気中で還元すると、各酸化物は析出すると共に合金化し、混合体中に微粒子の合金（合成用触媒）が生成される。
【００１８】
原料ガスとしては、ハイドロカーボン、あるいは、ハイドロカーボンと水素の混合ガスを用いて、熱ＣＶＤで作製される。
【００１９】
作製後のＣＮＦに残留した合成用触媒は、ＣＮＦに担持させる電池用触媒の成分として積極的に利用しても良い。これによって、触媒活性が向上するという効果が得られる。なお、場合によっては、ＣＮＦに残留した合成用触媒は、酸等で処理して取り除いてもよい。
【００２０】
ＣＮＦ合成後、さらに雰囲気ガス中で加熱処置することで、ＣＮＦ表面を改質することができる。具体的には、ＣＯ₂、Ｏ₂、ＮＯ_x、またはＳＯ_x雰囲気中、５００〜１０００℃で１〜１００分時間程度の熱処理を施して酸化する。こうした熱処理によって、ＣＮＦの表面は、酸素含有基が結合または吸着した状態に変化する。
【００２１】
この際、ＣＮＦ表面が、電荷を有する状態に帯電しやすくしておくことが望まれる。なぜなら、電池用触媒の担持プロセスで用いるコロイド法との相性が良くなるからである。これについては、後に詳細に説明する。
【００２２】
用いられる合成用触媒の粒子径を制御することによって、得られるＣＮＦの径を制御することが可能である。カーボンナノチューブやいわゆるＶＧＣＦ等のカーボン繊維においては、カーボンの結晶面のＣ面が長さ方向に対して平行またはそれに近い方向に存在する。これに対して、本発明で用いられるＣＮＦにおいては、カーボンの結晶面のＣ面端部が、ファイバーの長さ方向に対して角度を有している。本発明者らは、こうした構造を有するＣＮＦでは、Ｃ面に平行な方向、すなわちＣＮＦの側面から内部方向に、細孔が発達しやすく、この細孔を適当なサイズで選ぶことにより微粒子が担持されやすいことを見出した。
【００２３】
なお、Ｃ面の傾きは、ＣＮＦの長手方向に対して３０°〜９０°であることが好ましく、４５°〜９０°であることがより好ましい。Ｃ面の傾きが４５°の場合には、いわゆるＨｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ構造と称され、９０°の場合にはＰｌａｔｅｌｅｔ構造と称される。
【００２４】
また、ＣＮＦの径は、好ましくは１〜１０００ｎｍ、より好ましくは２０〜７００ｎｍ、最も好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。このような条件を満たすＣＮＦが、少なくとも５０％以上含まれることが好ましい。
【００２５】
上述したようなＣＮＦ担体に担持する電池用触媒としては、炭化水素燃料の改質触媒として考えられているものを挙げることができる。すなわち、Ｐｔ粒子、Ｐｔ族粒子、または前記ＰｔまたはＰｔ族と第四周期、第五周期より選ばれた１種類以上の元素の合金粒子である。
【００２６】
Ｐｔ族としては、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、ＯｓおよびＰｄが挙げられる。具体的には、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｕ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｆｅ、Ｐｔ−Ｃｏ、Ｐｔ−Ｉｒ，Ｐｔ−Ｗ、Ｐｔ−Ｍｏ、Ｐｔ−Ｓｎ、Ｐｔ−Ｎｉ−Ｃｕ、およびＰｔ−Ｒｕ−Ｎｉ−Ｃｕ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２７】
こうした電池用触媒をＣＮＦに担持するには、コロイド法が用いられる。
【００２８】
まず、ＣＮＦを水中に分散させて懸濁液を得、これを加熱する。さらに、上述した触媒の前駆体である塩類を加え、水溶液を調製する。なお、水中にＣＮＦを分散させる工程と、水溶液を調整する工程とは、どちらを先に行っても良い。
【００２９】
次に、ＣＮＦを分散させた水溶液に、アルカリを加え弱アルカリ性、すなわちｐＨ７以上として、適時加熱を続ける。その結果、電池用触媒の塩とアルカリとが反応し、電池用触媒の水酸化物や、酸化物などの反応生成物がＣＮＦ表面に担持・生成する。
【００３０】
塩類は特に限定されないが、塩化Ｐｔ酸およびその塩、あるいは２価のＰｔ錯体が好ましい。２価のＰｔ錯体としては、例えば、テトラアンミンＰｔジクロライド、およびジニトロジアンミンＰｔ酸等を用いることができる。上述したような合成用触媒を用いて合成されたＣＮＦは、その表面が正に帯電しやすく、ここにＰｔが含まれる負イオンが吸着しやすいからである。なお、ＣＮＦの表面状態を負に帯電させた場合には、Ｐｔが含まれる正イオンが吸着しやすくなる。
【００３１】
ここで、Ｐｔ含有イオンのＣＮＦ表面への吸着について説明する。
【００３２】
例えば、塩化Ｐｔ酸（Ｈ₂ＰｔＣｌ₆）を用いる場合、Ｐｔは水溶液中では、［Ｐｔ（Ｃｌ）₆］^2-の状態で存在している。このため、ＣＮＦ側が正に帯電していると引き寄せられやすい。上述したように、エチレン（炭化水素）／水素の混合ガスを原料として合成されたＣＮＦでは、その表面は正に帯電しているので、塩化Ｐｔ酸を用いることが好ましい。
【００３３】
この際の反応は、下記反応式（１）で表わされる。
【００３４】
【化１】

【００３５】
また、テトラアンミン塩化Ｐｔ酸（［Ｐｔ（ＮＨ₃）₄］Ｃｌ₂）を用いる場合には、前述とは異なって、Ｐｔは水溶液中では［Ｐｔ（ＮＨ₃）₄］²⁺の状態で存在する。したがって、ＣＮＦの表面が負に帯電していることが望まれる。例えば、すでに説明したようにＣＮＦにＣＯ₂処理等を施すと、表面にＣＯＯ^-等が吸着しやすくなるので、こうしたテトラアンミン塩化Ｐｔ酸を用いることが好ましい。
【００３６】
この際の反応は、下記反応式（２）で表わされる。
【００３７】
【化２】

【００３８】
ＣＮＦ表面にＰｔ含有イオンを吸着させた後、ろ過して沈殿物を洗浄する。さらに、沈殿物をフラスコに収容し、純水を加えて加熱する。ある程度時間が経過した後、再びろ過する。イオン成分が少なくなるまでこの操作を、繰り返した後、沈殿物を乾燥機で乾燥する。
【００３９】
乾燥後の沈殿物は、雰囲気炉内で、水素を含むガスを流しながら加熱する。この際の炉の温度は、１００℃〜９００℃の範囲とすることが好ましく、２００℃〜５００℃の範囲とすることがより好ましい。１００℃未満の場合には、触媒の結晶化が不十分となる。一方、９００℃を越えると、触媒粒子径が増大してしまう。いずれの場合も、触媒活性の低下につながるおそれがある。
【００４０】
水素を含むガスを流しながら加熱を行なうことによって、下記反応式（３）で表わされる反応が生じて、ＰｔがＣＮＦに担持される。
【００４１】
【化３】

【００４２】
触媒担持ＣＮＦにおける電池用触媒の担持量は、全体の５〜８０ｗｔ％とすることが好ましい。５ｗｔ％未満の場合には電池性能を充分に確保するのが困難となり、一方、８０ｗｔ％を越えると良好に担持することができない。
【００４３】
本発明の触媒担持ＣＮＦは、プロトン導電性物質、場合によっては電気伝導性物質を配合して、電極組成物を調製することができる。
【００４４】
プロトン伝導性物質としては、プロトンを伝導できる任意の物質を用いることができる。具体的には、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（ナフィオン、フレミオン、アシプッレックなど）、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物などが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００４５】
こうしたプロトン伝導性物質の配合量は、触媒担持ＣＮＦ１００重量部に対して、１〜４００重量部とすることが好ましく、１０重量部〜２００重量部とすることがより好ましい。１重量部未満の場合には、プロトン伝導性物質が充分でないために電池特性が低下し、一方、４００重量部を越えると、抵抗が高くなって電池特性が低下する。
【００４６】
場合によって配合される電気伝導性物質としては、例えば、カーボン粒子、カーボンファイバー、カーボンナノチューブおよび貴金属微粒子などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００４７】
こうした電気伝導性物質の含有量は、Ｐｔ担持ＣＮＦに対して９０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましいが、電極部材に応じて適宜選択することができる。
【００４８】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）用のアノードおよびカソード、あるいは直接改質型メタノール電池（ＤＭＦＣ）用のカソード電極として用いる場合には、触媒担持ＣＮＦ以外の導電性物質量は少ない方が好ましい。この場合、最も好ましいのは、触媒担持ＣＮＦとプロトン伝導性物質とのみから構成される電極層である。
【００４９】
上述したような電極組成物を用いて電極層を作製するに当たっては、湿式法または乾式法を採用することができる。
【００５０】
湿式法により作製する場合には、本発明のスラリー組成物を用いることができる。すなわち、電極組成物を水と有機溶剤とを含む溶液中に、分散機を用いて前述の電極組成物を分散してスラリー組成物を調製する。有機溶剤は、単独でまたは２種以上の混合物として用いることができる。スラリー組成物の調製の際には、固形分が５〜６０％になるように溶媒の量を調整する。５％未満の場合には、塗膜がはがれやすく、一方、６０％を越えると塗布が困難になる。
【００５１】
得られたスラリー組成物を、撥水処理が施された集電体（カーボンペーパーやカーボンクロス）上に、任意の方法により塗布し、次いで乾燥することによって、上述の電極組成物を有する電極層が得られる。なお、用いられるカーボンペーパーやカーボンクロスの撥水処理は、スラリー組成物が塗布できる範囲であれば充分である。
【００５２】
乾式法により電極を作製する場合には、まず、触媒担持ＣＮＦにバインダー樹脂と造孔剤とを加え、ロール等で混練して均一に分散する。その後、網上または多孔質の集電体上に貼り付けてシート状とする。あるいは、混練して均一に分散した後にロールでシート化して、集電体に貼り付けてもよい。その後、酸またはアルカリ性水溶液中に浸して造孔剤を溶解させた後、よく洗浄する。次いで、プロトン伝導性物質を溶解させた溶液中に浸して、プロトン伝導物質を触媒層に含浸して溶剤を揮発乾燥させることによって、電極が作製される。
【００５３】
ここで、バインダー樹脂としては、例えばポリオレフィン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリケトン、ポリエーテル、およびポリサルフォン等の任意の熱可塑性樹脂を用いることができる。こうしたバインダー樹脂の量は、触媒と導電性物質との合計１００重量部に対して、１０〜２００重量部の範囲とすることが好ましい。１０重量部未満の場合にはシート状に形成するのが困難となり、一方、２００重量部を越えると、バインダー樹脂が抵抗となって電池性能を低下させるおそれがある。
【００５４】
造孔剤としては、酸化ケイ素および酸化マグネシウム等、水、酸性水溶液、およびアルカリ性水溶液等の溶媒で容易に溶解する任意の物質を用いることができる。具体的には、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸ナトリウム、酸化チタン、酸化錫、および酸化亜鉛等などが挙げられる。さらに、酸性水溶液としては、例えば塩酸、フッ酸、硝酸、硫酸、およびこれらの混合物が挙げられる。また、アルカリ性水溶液としては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア水、メチルアミン、およびテトラアルキルアンモニウムハイドライドなどの水溶液が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００５５】
集電板は、造孔処理および電極時に溶解しない導電性物質で構成する。具体的には、貴金属、貴金属をメッキした金属、またはカーボン等を用いて、燃料および酸化剤である空気が触媒全体に良好に拡散するように、網状または多孔状としたものを、集電板として用いる。
【００５６】
またさらに、触媒担持ＣＮＦを多孔質集電板上に堆積させることによって、電極層を形成することもできる。
【００５７】
この場合には、まず、触媒担持ＣＮＦを溶液中に分散させて、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等の集電板上に流し落とす。集電板としては、平均孔径１〜５０μｍ、気孔率３０％以上の多孔質集電板が好ましい。平均孔径が１μｍ未満の場合には、孔が詰まって液体が下に抜けにくく、堆積層を形成するのが困難となる。一方、５０μｍを越えると、ＣＮＦが全て集電板から抜け落ちるおそれがある。また、気孔率が３０％未満の場合には、電池として使用した際に通気性が十分でない。なお、多孔質集電板の気孔率は５０％以上であることがより好ましい。
【００５８】
本発明者らは、複数の触媒担持ＣＮＦが集電板上で層を形成するためには、触媒担持ＣＮＦを構成するＣＮＦの形状が、一定の分布範囲内にあることが必要であることを見出した。すなわち、膜を形成するための形状と、集電板とアンカーリングするために必要な形状との混合体であるＣＮＦ形状分布である。
【００５９】
これを可能にするのは、５００ｎｍ以上の直径を有するＣＮＦを２０％以上含有するとともに、１００ｎｍ以下のものを５％以上含有する触媒担持ＣＮＦ群である。５００ｎｍ以上のＣＮＦは、横方向のネットワークを形成するために作用し、一方、１００ｎｍ以下のＣＮＦは、基板である多孔質集電板とのアンカーリングのために作用する。
【００６０】
こうした特定の直径のＣＮＦの割合は、５００ｎｍ以上が５０％以上、１００ｎｍ以下が５％以上であることがより好ましく、５００ｎｍ以上が７０％以上、１００ｎｍ以下が５％以上であることが最も好ましい。
【００６１】
このような割合のＣＮＦを用いる場合に、横方向のネットワークおよび集電板との密着性を最も効果的に満足できるからである。
【００６２】
触媒担持ＣＮＦは、自然沈降により多孔質集電板上に堆積させてもよいが、吸引ろ過等の手法により強制的に堆積させることによって、効率よく触媒担持ＣＮＦ層を形成することができる。
【００６３】
触媒担持ＣＮＦ層を集電板上に形成した後は、ナフィオン等のプロトン伝導性物質をこの触媒担持ＣＮＦ層に含浸させる。この際、プロトン伝導性物質を有機溶剤または水で希釈して、真空含浸法を採用することが最も効果的である。これによって、触媒付近も効果的にプロトン伝導物質で被覆することが可能となる。
【００６４】
ナフィオン等の含浸プロセス中には、１００℃程度の加熱を行なって、０．１〜５％程度の薄いナフィオン層を繰り返し含浸させることが好ましい。一旦含浸されたナフィオンは、加熱により溶剤中に溶出しなくなるので、薄いナフィオン層を、ＣＮＦ表面に効果的に被覆できるからである。
【００６５】
このようにして、多孔質集電板上に触媒担持ＣＮＦと、プロトン伝導性物質とのみから構成される層を形成することができる。
【００６６】
上述したような方法で作製された電極でプロトン伝導性固体膜を挟持し、ロールまたはプレスにより熱圧着して、膜電極複合体（ＭＥＡ）を作製することが可能である。本発明の触媒担持ＣＮＦは、ＰＥＭ用およびＤＭＦＣ用のいずれの膜電極複合体にも適用することができる。
【００６７】
例えば、アノードには、メタノールや一酸化炭素に対する耐性が強いＰｔ−Ｒｕを電池用触媒として使用して、カソードにはＰｔを用いて、電極を作製することができる。こうしたアノードおよびカソードでプロトン伝導性固体膜を挟持して、次のような条件で熱圧着することが好ましい。温度は１００℃以上１８０℃以下、圧力は１０〜２００ｋｇ／ｃｍ²、圧着時間は１分以上３０分以下である。圧力が小さく、温度が低く、時間が短い条件（１０ｋｇ／ｃｍ²未満、１００℃未満、１分未満）の場合には、圧着が不十分で抵抗が増加するため電池特性が低下する。一方、高温、高圧力で長時間の条件下では、固体膜の変形や分解および集電体の変形が大きくなって、燃料および酸化剤が良好に供給されないおそれがある。またこれと同時に、膜が破壊されるおそれがあり、電池特性も低下する。
【００６８】
次に、この膜電極集合体を用いたメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）について述べる。
【００６９】
図１に、メタノール燃料電池の構成を表わす概略図を示す。図示するように、この燃料電池は、基本的には、スタック本体９、液体燃料を収容する燃料タンク、および燃料タンクから本体９に液体燃料を供給する導入管により構成される。液体燃料は、液体燃料導入路１０を介してスタック本体を構成する各単電池に導入される。
【００７０】
スタック本体９を構成する各単電池の要部を表わす断面図も、図１に示してある。ここに示されるように、各単電池においては、電解質板１が燃料極（アノード）２と酸化剤極（カソード）３とにより挟持されており、これら電解質板１、燃料極２および酸化剤極３によって、起電部４が構成されている。燃料極２および酸化剤極３は、燃料や酸化剤ガスを流通させるとともに電子を通すように、伝導性の多孔質体で構成されている。
【００７１】
さらに、各単電池には液体燃料を保持する機能を有する燃料浸透部６と、この燃料浸透部６に保持される液体燃料が気化した気体燃料を燃料極２に導くための燃料気化部７とが、燃料極２に隣接して設けられる。燃料浸透部６、燃料気化部７、および起電部４からなる単電池を、セパレーター５を介して複数積層することによって、電池本体となるスタック型燃料電池９が構成されている。また、セパレーター５の酸化剤極３と対向する面には、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給溝８が連続溝として設けられている。
【００７２】
なお、図１に示したような燃料タンクから単電池の燃料浸透部６に液体燃料を供給する手段としては、例えばスタック９の少なくとも一つの側面に、この面に沿って燃料タンクと連結した液体燃料導入路１０を形成することが考えられる。液体燃料導入路１０内に導入された液体燃料は、スタック９の側面から燃料浸透部６に供給され、さらに燃料気化部７で気化されて燃料極２に供給される。この際、毛管現象を示す材料により燃料浸透部を構成することによって、補器を用いずに毛管力で液体燃料を燃料浸透部６に供給することができる。そのためには、液体燃料導入路１０内に導入された液体燃料が、燃料浸透部６の一端に直接接触するような構成であることが必要とされる。
【００７３】
なお、図１のように単電池を積層してスタック９を構成する場合は、セパレーター５、燃料浸透部６、および燃料気化部７は、発生した電子を伝導する集電板としての機能も果たすため、カーボンを含有した多孔質体などの導電性材料により形成される。さらに必要に応じて、燃料極２と電解質板１との間、および酸化剤極３と電解質板１との間には、層状、島状、あるいは粒状等の触媒層が形成される場合もある。
【００７４】
また、燃料極２や酸化剤極３自体を触媒電極とすることもできる。こうした触媒電極は、触媒層単独でもよいが、導電性のペーパーやクロス等の支持体の上に触媒層を形成したような多層構造をもつものとしてもよい。
【００７５】
上述したように、図１に示した燃料電池におけるセパレーター５は、酸化剤ガスを流すチャンネルとしての機能を併せ持つものである。このように、セパレーターとチャンネルとの両方の機能を有する部品５（以下、チャンネル兼用セパレーターと称する）を用いることによって、部品点数を削減することができるので、よりいっそう燃料電池の小型化を図ることが可能となる。あるいは、このセパレーター５に代えて通常のチャンネルを用いることもできる。
【００７６】
なお、燃料貯蔵タンクから液体燃料導入路１０に液体燃料を供給する方法としては、燃料貯蔵タンク内に収容された液体燃料を自由落下させて、液体燃料導入路１０に導入する方法が挙げられる。この方法は、スタック９の上面より高い位置に燃料貯蔵タンクを設けなければならないという構造上の制約はあるものの、液体燃料導入路１０に確実に液体燃料を導入することができる。他の方法としては、液体燃料導入路１０の毛管力によって、燃料貯蔵タンクから液体燃料を引き込む方法が挙げられる。この方法を採用した場合には、燃料貯蔵タンクと液体燃料導入路１０との接続点、すなわち液体燃料導入路１０に設けられた燃料入口の位置を、スタック９の上面より高くする必要がない。したがって、例えば、自然落下法と組み合わせると、燃料タンクの設置場所を自在に設定することができるという利点がある。
【００７７】
ただし、毛管力で液体燃料導入路１０に導入された液体燃料を、引き続き円滑に毛管力で燃料浸透部６に供給するためには、液体燃料導入路１０の毛管力より燃料浸透部６への毛管力のほうが大きくなるように設定することが望まれる。なお、液体燃料導入路１０の数は、スタック９の側面に沿って１つに限定されるものではなく、スタックの他方の側面にも液体燃料導入路１０を形成することが可能である。
【００７８】
また、上述したような燃料貯蔵タンクは、電池本体９から着脱可能とすることができる。これによって、燃料貯蔵タンクを交換することで、電池の作動を継続して長時間行なうことが可能となる。また、燃料貯蔵タンクから液体燃料導入路１０への液体燃料の供給は、上述したような自然落下や、タンク内の内圧等で液体燃料を押し出すような構成、あるいは、液体燃料導入路１０の毛管力によって燃料を引き出すような構成とすることもできる。
【００７９】
上述したような手法によって、液体燃料導入路１０内に導入された液体燃料は、燃料浸透部６に供給される。燃料浸透部６の形態は、液体燃料をその内部に保持し、気化した燃料のみを燃料気化部７を通して燃料極２に供給するような機能を有していれば特に限定されるものではない。例えば、液体燃料の通路を有して、その燃料気化部７との界面に気液分離膜を具備するものとすることができる。さらに、毛管力により燃料浸透部６に液体燃料を供給する場合には、燃料浸透部６の形態は、液体燃料を毛管力で浸透し得るものであれば特に限定されるものではなく、粒子やフィラーからなる多孔質体や、抄紙法で製造した不織布、繊維を織った織布等のほかに、ガラスやプラスチック等の板との間に形成された狭い隙間等も用いることができる。
【００８０】
ここで、燃料浸透部６として多孔質体を用いた場合について説明する。液体燃料を燃料浸透部６側に引き込むための毛管力としては、まず燃料浸透部６を構成する多孔質体自体の毛管力が挙げられる。このような毛管力を利用する場合、多孔質体である燃料浸透部６の孔を連結させた、いわゆる連続孔とし、その孔径を制御するとともに、液体燃料導入路１０側の燃料浸透部６側面から少なくとも他の一面まで連続した連続孔とすることによって、液体燃料を横方向で円滑に毛管力で供給することが可能となる。
【００８１】
燃料浸透部６として用いられる多孔質体の孔径等は、液体燃料導入路１０の液体燃料を引き込むことができるものであればよく、特に限定されるものではないが、液体燃料導入路１０の毛管力を考慮したうえで、０．０１〜１５０μｍ程度とすることが好ましい。また、多孔質体における孔の連続性の指標となる孔の体積は、２０〜９０％程度とすることが好ましい。孔径が０．０１μｍより小さい場合には燃料浸透部６の製造が困難となり、一方、１５０μｍを越えると毛管力が低下するおそれがある。また、孔の体積が２０％未満となると連続孔の量が減少して閉鎖された孔が増えるため、十分な毛管力を得ることが困難になる。その一方、孔の体積が９０％を越えると連続孔の量は増加するものの、強度的に弱くなるとともに製造が困難となる。実用的には、燃料浸透部６を構成する多孔質体は、孔径が０．５〜１００μｍの範囲であることが好ましく、孔の体積は３０〜７５％の範囲とすることが望ましい。
【００８２】
このようにメタノール燃料電池においては、燃料であるメタノールは、液体燃料導入路１０、燃料浸透部６、および燃料気化部７を経由してアノード２に供給される。気化したメタノールが供給されるアノード２を、本発明の触媒担持ＣＮＦとプロトン導電性物質とから構成することによって、燃料をより効率よく利用することができる。なお、アノードのみならずカソードも同様に、本発明の触媒担持ＣＮＦとプロトン導電性物質とから構成することができる。ＣＮＦを担体として用いているので触媒の活性が高く、また、ＣＮＦにより電極内の触媒の３次元的構造が複雑に構築される。こうしてプロトンパスおよび電子伝導パスが形成され、燃料および酸化剤が有効に拡散して、触媒の有効なサイトが増加することに起因して、電池性能が向上する。
【００８３】
従来のようなカーボンブラック等を用いて構成されたアノードは、プロトン導電性物質と触媒とカーボンとからなる電極の有効な複合構造を形成できないために、燃料の利用効率を向上させることができなった。本発明の触媒担持ＣＮＦを用いることによって、こうした問題も解決されて、優れた性能を有するメタノール燃料電池が得られる。
【００８４】
【実施例】
以下、実施例、参考例および比較例を示して本発明をさらに詳細に説明する。
【００８５】
（参考例１）カソード触媒１の合成
酸化Ｎｉと酸化Ｃｕとをアルミナ中に分散させて、ＣＮＦ合成用触媒原料を調製した。ここでは、Ｎｉ原子とＣｕ原子との比率が１：１となるよう、酸化Ｎｉと酸化Ｃｕとを混合した。得られた合成用触媒原料を水素ガス中５００℃で１時間加熱し、Ｎｉ及びＣｕを還元すると共にこれらの金属を合金化し、合成用触媒を生成した。
【００８６】
引き続き、合成用触媒にエチレン／水素＝１／５の混合ガスを接触させ、５００℃で熱ＣＶＤ法により１時間処理して、本参考例に用いられるカーボンナノファイバーを合成した。
【００８７】
合成後も炉中に１００％水素ガスを流しながら、ＣＮＦを炉中で徐冷した。その後、希硝酸を用いてＣｕ−Ｎｉ合金（合成用触媒）をＣＮＦから溶解させ、さらにＣＮＦを水洗、乾燥してＣＮＦ表面のＣｕ−Ｎｉ合金を除去した。
【００８８】
ＢＥＴ法により、ＣＮＦの比表面積を測定したところ、このＣＮＦの比表面積は２５０ｍ²／ｇであった。
【００８９】
また、ＴＥＭによる組織観察の結果、カーボンの結晶面のＣ面が、ＣＮＦの長手方向に対してほぼ９０°に延びているＰｌａｔｅｌｅｔ構造を有していることが確認された。
【００９０】
得られたＣＮＦ２ｇを１００ｍｌの水に加え、ホモジナイザーを用いて懸濁液とした後、回転子とともに３つ口フラスコに収容した。このフラスコに還流冷却管を取り付け、マグネチックスタラーで攪拌しながら１時間還流した。その後、塩化白金酸水溶液（Ｐｔ：４２ｍｇ／ｍｌ）を１６ｍｌ加え、２．１ｇの炭酸水素ナトリウムを水６０ｍｌに溶かした溶液を、２０分後に徐々に滴下した（滴下時間約３０分）。
【００９１】
滴下後、そのまま２時間還流させて、塩化白金酸と炭酸水素ナトリウムとを反応させた後、ろ過し、沈殿物（反応生成物を担持したＣＮＦ）を純水で洗浄し、この沈殿物をフラスコに移した。このフラスコに純水を入れ、これを２時間還流させ、ろ過し、沈殿物を純水で充分に洗浄した。
【００９２】
次いで、１００℃の乾燥機で触媒を乾燥させた。
【００９３】
乾燥後、沈殿物を石英ボードに収容して円筒炉に導入し、３％水素／窒素混合ガス中で毎分１３０ｍｌの流量でガスを流しながら２００℃で還流して反応生成物を還元した。１０時間後、室温に戻して、ドライアイスで冷却するとともに、ＣＯ₂で不燃化させてサンプルビンに回収した。得られた触媒（Ｐｔ）の量は、２．３１ｇであった。
【００９４】
この触媒担持ＣＮＦを顕微鏡により観察したところ、１〜３ｎｍの触媒（Ｐｔ）が均一に非常に高密度に担持されていることが確認された。
【００９５】
（比較例１）
ＣＮＦを、比表面積が１５０ｍ2／ｇのカーボンブラック（デグサ製ＰｒｉｎｔｅｘＬ）に変更した以外は前述の参考例１と同様の手法により、Ｐｔ触媒を担持した。
【００９６】
カーボンブラックに担持されたＰｔ触媒の粒径は、参考例１の場合より大きく、５〜７ｎｍ程度となっていることが顕微鏡観察により確認された。
【００９７】
（参考例２）
参考例１と同様にして合成用触媒を生成した。
【００９８】
引き続き、合成用触媒にエチレン／水素＝１／５の混合ガスを用いて、７００℃で熱ＣＶＤ法により１時間処理して、本参考例に用いられるカーボンナノファイバーを合成した。
【００９９】
合成後も炉中に１００％水素ガスを流しながら、ＣＮＦを炉中で徐冷した。その後、希硝酸を用いてＣｕ−Ｎｉ合金（合成用触媒）をＣＮＦから溶解させ、さらにＣＮＦを水洗、乾燥してＣＮＦ表面のＣｕ−Ｎｉ合金を除去した。
【０１００】
ＢＥＴ法により、ＣＮＦの比表面積を測定したところ、このＣＮＦの比表面積は２６０ｍ²／ｇであった。
【０１０１】
また、ＴＥＭによる組織観察の結果、カーボンの結晶面のＣ面が、ＣＮＦの長手方向に対してほぼ４５°に延びているＨｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ構造を有していることが確認された。
【０１０２】
さらに、この触媒担持ＣＮＦの形態をＦＥ−ＳＥＭを用いて観察し、ＣＮＦの直径を測定した。測定方法は以下の通りである。
【０１０３】
まず、任意のＳＥＭ視野の写真を１００００倍の倍率で撮影し、その写真の中で、長さ５ｃｍ（実長さにして５μｍ）の線を引く。この線上に存在するＣＮＦの直径を測定した。このとき、線上に最低でもＣＮＦが１０本以上横切るようにする。
【０１０４】
このとき、直径が５００ｎｍ以上のものが３０％、１００ｎｍ以下のものが２０％であることを確認した。
【０１０５】
得られたＣＮＦ２ｇを１００ｍｌの水に加え、ホモジナイザーを用いて懸濁液とした後、回転子とともに３つ口フラスコに収容した。このフラスコに還流冷却管を取り付け、マグネチックスタラーで攪拌しながら１時間還流した。その後、塩化白金酸水溶液（Ｐｔ：４２ｍｇ／ｍｌ）を１６ｍｌ加え、２．１ｇの炭酸水素ナトリウムを水６０ｍｌに溶かした溶液を、２０分後に徐々に滴下した（滴下時間約３０分）。
【０１０６】
滴下後、そのまま２時間還流させ、ろ過し、沈殿物を純水で洗浄した後、沈殿物をフラスコに移した。これを純水で２時間還流させ、ろ過し、沈殿物を純水で充分に洗浄した。次いで、１００℃の乾燥機で触媒を乾燥させた。乾燥後、石英ボードに収容して円筒炉で、３％水素／窒素混合ガス中で毎分１３０ｍｌの流量でガスを流しながら２００℃で還元した。１０時間後、室温に戻して、ドライアイスで冷却するとともに、ＣＯ₂で不燃化させてサンプルビンに回収した。得られた触媒（Ｐｔ）の量は、２．２ｇであった。
【０１０７】
この触媒担持ＣＮＦを顕微鏡により観察したところ、１〜３ｎｍの触媒（Ｐｔ）が均一に非常に高密度に担持されていることが確認された。
【０１０８】
（参考例３）カソード触媒２の合成
参考例１と同様にして、カーボンナノファイバーを合成および水洗を行なった。
【０１０９】
ＢＥＴ法により、ＣＮＦの比表面積を測定したところ、このＣＮＦの比表面積は２５０ｍ²／ｇであった。
【０１１０】
また、ＴＥＭによる組織観察の結果、カーボンの結晶面のＣ面が、ＣＮＦの長手方向に対してほぼ９０°に延びているＰｌａｔｅｌｅｔ構造を有していることが確認された。
【０１１１】
このＣＮＦを、２％ＣＯ₂雰囲気中、９００℃で１時間処理して酸化させるとともに、比表面積を増大させた。処理後のＣＮＦの比表面積は、３００ｍ²／ｇであった。
【０１１２】
得られたＣＮＦ２ｇを１００ｍｌの水に加え、ホモジナイザーを用いて懸濁液とした後、回転子とともに３つ口フラスコに収容した。このフラスコに還流冷却管を取り付け、マグネチックスタラーで加熱・攪拌しながら１時間還流した。その後、テトラアンミン塩化Ｐｔ水溶液（Ｐｔ：４２ｍｇ／ｍｌ）を１６ｍｌ加え、さらに１時間加熱・攪拌した。
【０１１３】
１時間後、２．１ｇの炭酸水素ナトリウムを水６０ｍｌに溶かした溶液を徐々に滴下した（滴下時間約３０分）。
【０１１４】
滴下後、そのまま２時間還流させて、塩化白金酸と炭酸水素ナトリウムとを反応させた後、ろ過し、沈殿物（反応生成物を担持したＣＮＦ）を純水で洗浄し、この沈殿物をフラスコに移した。このフラスコに純水入れ、これを２時間還流させ、ろ過し、沈殿物を純水で充分に洗浄した。
【０１１５】
次いで、１００℃の乾燥機で触媒を乾燥させた。
【０１１６】
乾燥後、沈殿物を石英ボードに収容して円筒炉に導入し、３％水素／窒素混合ガス中で毎分１３０ｍｌの流量でガスを流しながら２００℃で還元して反応生成物を還元した。１０時間後、室温に戻して、ドライアイスで冷却するとともに、ＣＯ₂で不燃化させてサンプルビンに回収した。得られた触媒（Ｐｔ）の量は、２．５ｇであった。
【０１１７】
（参考例４）アノード用触媒
塩化白金酸１６ｍｌの代わりに、塩化白金酸水溶液８ｍｌと塩化ルテニウム水溶液（Ｒｕ：４３ｍｇ／ｍｌ）４ｍｌを用いる以外は、前述の参考例１と同様の手法によりＣＮＦに触媒（Ｐｔ−Ｒｕ合金）を担持させて、アノード用触媒担持ＣＮＦを得た。
【０１１８】
（比較例２）アノード用触媒
塩化白金酸１６ｍｌの代わりに、塩化白金酸水溶液８ｍｌと塩化ルテニウム水溶液（Ｒｕ：４３ｍｇ／ｍｌ）４ｍｌを用いる以外は、前述の比較例１と同様の手法によりＣＮＦに触媒（Ｐｔ−Ｒｕ合金）を担持させて、アノード用触媒担持ＣＮＦを得た。
【０１１９】
参考例および比較例の触媒担持ＣＮＦについて活性を評価し、得られた結果を下記表１に示す。なお、触媒の活性は、大気中における触媒の発熱と、それに伴なうＣＮＦの燃焼により評価した。
【０１２０】
【表１】

【０１２１】
表１に示されるように、ＣＮＦ担持した触媒（参考例１、２、３、４）が、比較例と比べて活性が高い。すなわち、単位体積当たりに存在する触媒の比表面積が大きいほど、触媒の活性が高いことが示された。
【０１２２】
（参考例５）カソードの作製
参考例１のカソード用触媒０．５ｇと、グラファイト（平均粒径３μｍ、導電物質）１．５ｇとの混合物に、純水２ｇを加えた。さらに、２０％ナフィオン溶液６ｇと２−エトキシエタノール２０ｇとを、５０ｍｌのポリ容器に収容した。これに、直径５ｍｍのジルコニアボール２５ｇ、および直径１０ｍｍのジルコニアボール５０ｇを加えて、ボールミルで６時間分散することにより、スラリー組成物を調製した。
【０１２３】
また、カーボンペーパー（２７０μｍ、東レ社製）に撥水処理を施して基板を準備した。この基板上に、前述のスラリー組成物をコントロールコーター（ギャップ９００μｍ）で塗布し、風燥してカソード電極１を作製した。
【０１２４】
得られたカソード電極における触媒層の厚さは、１２０μｍであった。
【０１２５】
（参考例６）アノードの作製（ＰＥＭ用）
参考例４のアノード用触媒を用いる以外は、前述の参考例５と同様の手法によりスラリー組成物を調製した。
【０１２６】
このスラリー組成物を、コントロールコーターのギャップを２００μｍにして参考例５と同様の基板上に塗布し、風燥してカソード電極１を作製した。
【０１２７】
得られたカソード電極における触媒層の厚さは、２５μｍであった。
【０１２８】
（実施例１）カソードの作製
参考例２のカソード触媒１００ｍｇを１００ｍｌの純水に加え、ホモジナイザーおよび超音波を用いて充分に分散させた。
【０１２９】
一方、カーボンペーパー（２７０μｍ、東レ社製）に撥水処理を施して基板（１０ｃｍ²）を得た。得られたカーボンペーパーの平均孔径は３０μｍであった。この周囲を密閉して、吸引ろ過用のロート上に固定した。
【０１３０】
前述の触媒担持ＣＮＦを分散させた純水を煮沸した後、ロート上に固定されたカーボンペーパーの上に流し落として、ペーパーの下側を減圧吸引した。その結果、ペーパー上には、触媒担持ＣＮＦ層が堆積した。
【０１３１】
この触媒担持ＣＮＦが堆積したカーボンペーパーを、１００℃の乾燥機で２４時間乾燥させ、引き続いて、３％Ｈ₂／Ｎ₂混合雰囲気下２００℃中で１０時間還元した。
【０１３２】
還元後も、触媒担持ＣＮＦ層はカーボンペーパーから剥がれることなく固定されていた。
【０１３３】
その後、触媒担持ＣＮＦが堆積したカーボンペーパーを、１％のナフィオン溶液中に浸漬し、真空中で含浸させた。含浸後のカーボンペーパーは、１００℃の大気中乾燥器で３０分間乾燥させた。
【０１３４】
このナフィオン含浸プロセスを３回繰り返して、カーボンペーパー上に、触媒担持ＣＮＦとナフィオンとからなる電極層を作製した。
【０１３５】
（実施例２、３、比較例３、４）
ＣＮＦの合成時の原料ガス比を表２に示す値に代えたことを除き、実施例１と同様にしてカーボンペーパー上に電極層を形成した。この時のＣＮＦの径分布を表２に示す。
【０１３６】
得られたもののうち、還元後も、触媒担持ＣＮＦ層はカーボンペーパーから剥がれることなく固定されていたものを○、固定できなかったものを×として、表２に併記する。
【０１３７】
（実施例４、５、比較例５，６）
カーボンペーパーの平均孔径を下記表２に示す値とした以外は、前述の実施例１と同様にしてカーボンペーパー上に電極層を形成した。
【０１３８】
得られたもののうち、還元後も、触媒担持ＣＮＦ層はカーボンペーパーから剥がれることなく固定されていたものを○、固定できなかったものを×として、表２に併記する。
【０１３９】
【表２】

【０１４０】
（参考例７）アノードの作製
参考例４のアノード用触媒０．２ｇと、比較例２のアノード用触媒１．８ｇとを混合させて用いる以外は、前述の参考例５と同様の手法によりアノードを作製した。
【０１４１】
（比較例７）カソードの作製
比較例１の触媒を用いる以外は、前述の参考例５と同様の手法によりカソードを作製した。
【０１４２】
（比較例８）アノードの作製
比較例２の触媒を用いる以外は、前述の参考例５と同様の手法によりアノードを作製した。
【０１４３】
上述の実施例、参考例および比較例で得られたアノードおよびカソードを、下記表３に示すように組み合わせて、膜複合電極を作製した。
【０１４４】
プロトン伝導性固体高分子膜としてはナフィオン１１７を用い、電極面積が１０ｃｍ²となるように、３．２ｃｍ×３．２ｃｍの正方形の電極を切り取り、カソードとアノードとの間にナフィオン１１７を挟んで１２０℃で３０分間、１００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で熱圧着して、膜電極複合体（ＭＥＡ）を作製した。
【０１４５】
得られた膜電極複合体を用いて、図１に示したようなメタノール燃料電池を作製し、燃料としての２Ｍメタノール溶液を、流量０．６ｍｌ／分を供給して０ＣＶおよび最大出力を測定して燃料電池性能を評価した。得られた結果を、カソードおよびアノードの組み合わせとともに、下記表３にまとめる。
【０１４６】
【表３】

【０１４７】
表３に示されるように、本発明の触媒担体ＣＮＦを含む電極を用いることによって、メタノール燃料電池の性能を、通常のカーボン粒子を含む電極を用いた場合よりも向上させることができる。
【０１４８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、小型軽量化が可能であるとともに、高い性能を有する燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の構成を説明する概略図。
【符号の説明】
１…電解質板
２…燃料極
３…酸化剤極
４…起電部
５…セパレーター
６…燃料浸透部
７…燃料気化部
８…酸化剤ガス供給溝
９…スタック
１０…液体燃料導入路

Claims

燃料極と、この燃料極に対向して配置された酸化剤極と、これらの燃料極および酸化剤極に挟まれた電解質層とを有する燃料電池において、前記燃料極および前記酸化剤極から選ばれる少なくとも一方の電極は、多孔質集電体、及び、前記多孔質集電体の上に形成されたカーボンナノファイバーに電池用触媒を担持してなる触媒担持カーボンナノファイバーとプロトン導電性物質とを含有する層を備え、前記カーボンナノファイバーの直径は、１ｎｍ〜１０００ｎｍであり、前記カーボンナノファイバーは、直径５００ｎｍ以上のカーボンナノファイバーを２０％以上含有し、直径１００ｎｍ以下のカーボンナノファイバーを５％以上含有し、前記多孔質集電体の平均孔径は１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする燃料電池。
前記燃料極に接して燃料浸透気化板が配置され、液体燃料が前記燃料浸透気化板に導入されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。