JP2002198057A

JP2002198057A - 燃料電池とそれに用いる改良型酸素電極

Info

Publication number: JP2002198057A
Application number: JP2001151574A
Authority: JP
Inventors: Nobuko Wakayama; 信子若山; Tatsuhiro Okada; 達弘岡田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2002-07-12

Abstract

(57)【要約】【課題】少量の触媒で且つ酸素ガスや空気を加圧する
ことなく酸素電極反応を効率よく進行させうる酸素電極
とそれを用いた燃料電池、燃料電池システムを提供す
る。【解決手段】電極中に、複数個の永久磁石材（８）を
分散、配置した燃料電池用酸素電極（１２）、並びに該
酸素電極（１２）を用いた燃料電池及び燃料電池システ
ム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の酸素電
極もしくは空気電極の性能をあげた燃料電池システムお
よび燃料電池に関するもので、さらには、それに用いる
電極の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電は、環境に及ぼす影響が極
めて小さくクリーンな発電システムとして期待が高まっ
ており、その技術のさらなる発展とその広範囲な実用化
が望まれている。図１は一般的な水素酸素燃料電池の原
理図である。空気を利用する空気電極でも原理は酸素電
極と同じであるから、この明細書では「酸素電極」とい
う用語は、空気電極をも包含する意味するものとして説
明する。酸素電極１は、多孔性の電子伝導体（多孔性板
材）で構成され、片側から酸素ガス、空気などの酸化剤
２を導入し、反対側を電解質３に接触させる。このと
き、酸素ガスは多孔性板中を電解質側へ拡散し、同じく
しみこんできた電解質と多孔性板中のある場所で接触す
る。一方、燃料電池の水素電極４は多孔性構成材より形
成され、その水素電極４の一方の側に燃料としての水素
ガス５が導入され、水素電極の他方の側は電解質３に接
している。水素ガス５は水素電極４を透過して水素イオ
ンとなり電解質中に拡散する。図２は酸素電極内におけ
る触媒による酸素電極反応の拡大模式図である。この場
合、電子伝導体である多孔性の電極構成材上、例えばカ
ーボン粒子６において、電解質３および酸化剤（酸素ガ
ス）２が共存する場所で、触媒７により、次のような酸
素ガスが関与する反応が進行する。式（１）酸性電解質の場合：２Ｈ⁺＋1/2Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（イ）アルカリ性電解質の場合：1/2Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→２ＯＨ^- （ロ）

【０００３】この反応において、燃料電池の実用化、特
に低温型の燃料電池の実用化に際して大きな障害となっ
ているのは以下の２点である。（イ）酸素電極として活性炭，グラファイトなどの炭素
系の多孔質燒結体などが使用されているが、酸素電極に
おける酸素の還元反応〔式（１）〕［以下、酸素電極反
応という］の反応速度が遅いため、白金などの触媒を用
いてこの電極反応を促進しなければ、酸素電極としてよ
い特性が得られない。しかし白金触媒は高価なため、ど
うしても燃料電池のコストが高くなること。（ロ）酸素ガスが前記の電極構成材および反応性生物で
ある水などをとおって電解質側へ拡散する速度や電解質
中に溶解・拡散する速度が小さいこと。したがって、酸
素ガスの輸送速度をあげるため、空気や酸素ガスを加圧
する必要があり、装置が複雑且つ大きくなり、操作も単
純ではない。

【０００４】

【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、燃料電池の酸素電極反応が少量の触媒でも効
率よく進行し、酸素ガスや空気を加圧する必要がなく、
かつ、コンパクトで廉価な燃料電池システム，燃料電池
およびそれに用いる酸素電極を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは白金触媒に
よる酸素電極反応を促進し、かつ酸素ガスの輸送を促進
する手段について鋭意研究を重ねた結果、酸素ガスや空
気気泡は強力な磁石にひきつけられること、触媒近傍の
磁場強度を強くした場合、酸素ガスが関与する触媒反応
が促進されることを見いだし、ネオジウム−鉄−ホウ素
系，サマリウム−コバルト系、フェライト系など強力な
永久磁石粒子の表面に直接触媒を固定したり、永久磁石
粒子を化学的に安定で磁力線を通す物質で覆って更にそ
の表面に触媒を付着させたものを、多孔性の酸素電極中
に複数個、分散、配置すると、酸素電極反応を効率よく
行うことが可能なことに着目し、本発明をなすに到っ
た。すなわち本発明は、（１）酸素電極中に、複数個の
永久磁石材を分散、配置して電池を形成したことを特徴
とする燃料電池システム、（２）酸素電極中に、複数個
の永久磁石材を分散、配置したことを特徴とする燃料電
池、（３）電極中に、複数個の永久磁石材を分散、配置
したことを特徴とする燃料電池用酸素電極、（４）
（１）〜（３）項のいずれか１項において永久磁石材
が、永久磁石の表面を、化学的に安定で磁力線をとおす
物質で覆い、その表面に触媒やカーボン粒子などを担持
したものであることを特徴とする酸素電極、（５）
（１）〜（３）項のいずれか１項において永久磁石材
が、永久磁石の表面を、化学的に安定で磁力線をとおす
物質、触媒およびカーボン粒子を含む混合物で覆ったも
のであることを特徴とする酸素電極、（６）複数個の表
面を化学的に安定で磁力線をとおす物質で覆った永久磁
石粒子、複数個の触媒粒子およびカーボン粒子などを分
散、配置してなることを特徴とする（１）〜（３）項の
いずれか１項に記載の酸素電極、（７）酸素電極中に分
散、配置される永久磁石の磁化の方向を一様にすること
を特徴とする（１）〜（６）項のいずれか１項に記載の
酸素電極、（８）永久磁石粒子を網状の常磁性又は強磁
性物質の線材に固定した後に、酸素電極内に組み込み固
定して複数個の永久磁石材を分散、配置することを特徴
とする（１）〜（７）項のいずれか１項に記載の酸素電
極の製造方法、及び（９）未磁化の永久磁石粒子を酸素
電極内に分散配置するように組み込んで燃料電池のセル
を作製し、セルごと磁化して複数個の永久磁石材を分
散、配置することを特徴とする（１）〜（８）項のいず
れか１項に記載の酸素電極の製造方法を提供するもので
ある。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の酸素電極内に配置する永
久磁石材の好ましい態様は、永久磁石および触媒、並び
に必要に応じて永久磁石を被覆し触媒を保持する被覆相
を有してなる。図３（イ）は本発明に用いられる永久磁
石材８の好ましい一実施態様の説明図である。永久磁石
粒子９の表面を化学的に安定な物質１０で覆い、その表
面に白金粒子などの触媒１１を担持させた例である。本
発明においては、永久磁石材の近傍に急峻な「勾配磁
場」が発生する。本発明の永久磁石材によって発生する
「勾配磁場」とは、磁場強度（Ｈ）の分布が、永久磁石
材から離れるにつれ減少していく関係を有する磁場をい
う。図３（ロ）にはこの永久磁石材近傍の磁場強度分布
を示す。同図でｙは永久磁石粒子９表面からの距離であ
る。永久磁石材８の表面に存在する触媒１１の界面近傍
に、特に急峻な勾配磁場を発生させることができる。永
久磁石の材料としては、特に制限するものではないが、
具体的にはネオジウム−鉄−ホウ素磁石のほか、サマリ
ウム−コバルト磁石、フェライト磁石などを挙げること
ができる。永久磁石粒子９の磁力、サイズ、形状にもよ
るが、「磁場勾配」（ｄＨ／ｄｙ）が０．１Ｔ／ｃｍ以
上の磁場を発生させることができる。

【０００７】本発明において、用いる永久磁石が、電極
反応の環境において安定な場合には、永久磁石の表面に
直接、触媒を付着させ、本発明の永久磁石材とすること
ができる。また永久磁石自体が使用環境で化学的に変化
しやすい場合には、磁力線を通し、かつ化学的に安定な
物質で永久磁石表面を覆って保護することが好ましい。
磁石表面を被覆、保護する物質１０は、例えばプラスチ
ックやセラミックス、ガラス、ポリマーや無機化合物、
カーボン、グラファイトなどが挙げられる。これらは電
気伝導性であることが望ましい。被覆層の厚さも適宜設
定されるが、できるだけ被覆層が薄いほうが急峻な勾配
磁場が得られ、好ましくは０．００１〜０．１ｍｍとす
る。永久磁石粒子９のサイズも適宜設定されるが、好ま
しくは０．００１〜１ｍｍ、さらに好ましくは０．０１
〜０．１ｍｍである。本発明に用いられる永久磁石材８
の第一の態様は、前述の図３にしめす永久磁石粒子表面
に上記被覆層を形成したのち、触媒を被覆層表面に付
着、固定させたものである。本発明に用いられる永久磁
石材８の第二の実施態様は、図示しないが、触媒を混合
した被覆層形成物質で磁石表面をおおい、触媒を永久磁
石材表面に保持（保護）したものである。さらに別の形
態として、永久磁石粒子表面に化学的に安定な被膜層を
形成させたものである。この場合、触媒は永久磁石材８
とは独立に、その近傍に配置される。

【０００８】本発明では、燃料電池の酸素電極、例えば
多孔性のカーボン粒子中に、これらの永久磁石材８を分
散配置する。図４（イ）は酸素電極１２中に永久磁石材
を分散配置した説明図である。これら各々の永久磁石材
８の磁石粒子の磁化の方向は、磁石間の相互作用などを
考慮し、電極全体として一様であることが望ましい。こ
れら磁化の方向を一様にするためには、未磁化の永久磁
石粒子を用いて磁石材を製造し、電極材中に分散配置し
た後、電磁石中などで磁化すればよい。磁化の方向は、
図１の説明図で正負の電極をむすぶ線に平行であるか、
または傾斜方向、垂直方向など適宜選択するものである
が、どちらかといえば平行の方向が望ましい。

【０００９】次にこのような勾配磁場発生下での酸素の
挙動について説明する。燃料電池の酸素電極では、図１
に示すように酸素ガスが多孔性の電極構成材中を移動
し、反対側からきた電解質と電極構成材と触媒が共存す
る領域で接触し反応が進行する。酸素ガスの輸送時の形
態は気体塊、水や電解質中の微小気泡、水や電解質中へ
の分子状溶存など考えられるが、電解質中の分子状溶存
酸素量は数ｍＭ程度と極めて微量である。電極内で、複
数個の永久磁石材が存在する近辺では、図４（ロ）に示
すように全体として強い磁場が存在し、特に触媒が存在
する永久磁石材の表面近傍で磁場強度が強くなる。この
場合、位置座標により磁場強度が変化する勾配磁場下で
は磁気力が発生する。物質に作用する磁気力（Ｆ）は単
位体積あたり、体積磁化率（χ）、磁場強度（Ｈ）、磁
場勾配の積で表される（化学大辞典、４巻、１６７頁、
共立出版（昭和４４年））。Ｆ＝μ₀χＨ（ｄＨ／ｄＸ）＝（χ／μ₀）Ｂ（ｄＢ／ｄＸ）式（２）ここで、μ₀＝４π×１０^-7Ｈ／ｍ、磁束密度（Ｂ）は
Ｂ＝μ₀Ｈである。ＳＩ単位系では厳密には、磁場強度
（Ｈ）の単位はＡ／ｍであり、磁束密度（Ｂ）の単位は
Ｔであるが、本発明では通常使用されるように磁束密度
の単位Ｔを使用する。

【００１０】酸素電極反応に関与する酸素ガスは常磁性
で、その体積磁化率は正で大きく（＋１．９×１
０^-6）、強い力で磁石に引き付けられる性質がある。本
発明では図４で矢印で示すように酸素ガスや空気は式
（２）の磁気引力で磁場強度が増加する方向、即ち電極
内部に移動し、更に電極内で磁場が最強となる触媒近傍
に引き寄せられる。また電解質中に酸素ガスが気泡とし
て存在する場合、気泡には次式であらわされる磁気浮力
が作用する。Ｆ＝μ₀（χ₀₂−χ₁）Ｈ（ｄＨ／ｄＸ）Ｖ式（３）＝｛（χ₀₂−χ₁）／μ₀｝Ｂ（ｄＢ／ｄＸ）Ｖここで、Ｖは気泡の体積である。

【００１１】酸素ガスの体積磁化率χ₀₂（＋１．９×１
０^-6）、水および電解質の体積磁化率χ₁を純水と同等
と見積もれば−９．０×１０^-6で、気泡が磁場に引きつ
けられるように、図４で矢印方向に磁気浮力は作用す
る。更に、気泡は磁場が最強となる触媒近傍へ引き寄せ
られる。永久磁石の近傍の勾配磁場μ₀ ²Ｈ（ｄＨ／ｄ
Ｘ）＝Ｂ（ｄＢ／ｄＸ）の値が３１Ｔ²／ｍの場合、酸
素ガスに作用する磁気浮力は式（３）から２６９Ｎ/ｍ³
と見積もられる。このように酸素電極中に永久磁石材を
配置すると、磁気力で酸素ガスや酸素ガス気泡の触媒界
面への輸送をも促進し、現状では酸素ガスが電解質側へ
拡散する速度や水や電解質に溶解する速度が小さいの
で、酸素ガスの輸送速度をあげるため空気や酸素ガスを
加圧する必要があるという問題点の解決につながる。図
５は第一態様の永久磁石材を分散配置した好ましい例の
部分的な説明図である。図２の従来例と異なる点は、永
久磁石材または永久磁石粒子を配置したことである。電
極構成材は、従来法とおなじくポーラスな電気良導体で
構成されており、式（１）の酸素電極反応に関与する物
質や反応生成物がその中を移動できるものである。本発
明の永久磁石材を分散、配置させるべき多孔性の酸素電
極自体は公知であり、その作成法は、周知の多孔性の電
極に触媒等を分散配置する常法に従って行うことができ
る。この酸素電極における永久磁石材の含有量は特に制
限するものではないが、好ましくは１〜８０質量％、よ
り好ましくは１０〜７５質量％である。この酸素電極に
おいて、分散させた永久磁石材を多孔質構成材中にどの
ように分散、配置させてもよいが、多孔質部の孔部の内
壁に、永久磁石材の一部を露出させるようにするのが好
ましい。

【００１２】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面を参照してさら
に詳細に説明する。実施例１図４（イ）に示すように永久磁石材８を複数個、酸素電
極１２内に分散配置した。永久磁石材としては図３
（イ）に示す態様のもの（より好ましい組合せは、例え
ば永久磁石粒子の平均粒径５０μｍ、永久磁石材の平均
粒径６０μｍ、担持触媒白金粒子１０ｍｇ／永久磁石材
１ｇである）を用いる。図４（イ）の酸素電極中、永久
磁石材の含有量は３０質量％とする。このような微小永
久磁石粒子近傍の磁場強度分布は直接測定が困難である
ため、次のモデルについて数値計算を行なった。図６
（イ）は円柱状の永久磁石１３（φ２×２ｍｍ）が２
個、５ｍｍ離れて存在する場合の磁場強度分布の計算結
果である。磁化の方向は各々の軸の方向で、図で矢印で
示す。磁石近傍の白い部分が２．５ｍＴ以上の領域であ
る。図６（ロ）にｙ＝０、２．５、５ｍｍにおける磁場
強度分布を示す。ｙ＝２．５ｍｍの場合、χ＜１ｍｍは
永久磁石のため、計算結果はない。これらから、永久磁
石粒子近傍で急峻な勾配磁場が発生していることがわか
る。永久磁石の近傍で磁場強度が急激に増加し、μ₀ ²Ｈ
（ｄＨ／ｄＸ）の値が３１Ｔ²／ｍの勾配磁場が発生
し、酸素ガスに作用する磁気引力は式（２）から４７Ｎ
/ｍ³と見積もられる。このように磁石粒子の磁化の方向
を一定にした場合、相互作用で磁場強度が増加すること
が明らかである。図４に示すような複数個の永久磁石材
が存在する領域では全体として強い磁場が存在し、特に
触媒が存在する永久磁石材の表面近傍で磁場強度が増加
することが分かる。

【００１３】実施例２図５に永久磁石材として前記の第一態様のものを用いた
実施例を示す。図５は、酸素電極内の酸素電極反応に、
永久磁石材を利用した際の模式説明図である。酸素電極
反応に関与する酸素ガスは常磁性で、その体積磁化率は
正で大きく（＋１．９×１０^-6）、強い力で磁石に引き
付けられる性質がある。一方、反応生成物である水は反
磁性で、その体積磁化率は負のため磁石に反発する。同
図は、電極の約１５質量％に相当する永久磁石材を電極
内に分散配置した場合の、永久磁石材１個の機能に関す
る説明図である。図３，図６の説明図でも明らかなよう
に触媒界面に近づくにつれ磁場強度が増加し、急峻な勾
配磁場が存在した。そのため、磁気力で酸素ガスは触媒
界面に引き付けられ、反対に反応生成物の水は排除さ
れ、磁気力による物質輸送で触媒上での酸素電極反応は
効率よく進行する。常温下でこのように酸素電極反応に
関与する物質移動を磁気力で制御し、促進することがで
きる。

【００１４】実施例３図１の燃料電池システムにおける酸素電極を模擬するた
め、０．１Ｎ硫酸溶液中に飽和溶存させた酸素ガスの平
滑白金上における酸素電極反応、即ち４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ
^-→２Ｈ₂Ｏの反応に対する磁場の効果を試験した。この
実験では白金フィルムは０．５６Ｔの永久磁石上に設置
され、急峻な勾配磁場下にある。その結果を図７（イ）
に示した。縦軸は反応によって白金に流れる電流密度、
横軸は反応の駆動力である電位（銀・塩化銀参照電極を
基準）を示す。図の曲線において、左下側に酸素の還元
に基づく電流がみられるが、その大きさは０．５６Ｔ磁
場の印加によって増大（マイナス方向に）しており、酸
素電極反応の促進効果が現れている。温度２５℃で、
０．１Ｎ硫酸溶液中における酸素の溶存濃度はわずかに
１．５ｍＭであり、しかも分子状に溶解した酸素を白金
電極に引き寄せる力は小さいことを考慮しなければなら
ないが、それでも大きな促進効果が見られる。特に０．
１Ｎ硫酸溶液中に酸素ガスの供給を止めた状態での測定
（図７の(イ)）では供給しながらの状態での測定結果よ
りも大きな促進効果が見られた。これは、酸素ガスの供
給を止めた状態では溶液の対流による供給がない状態な
ので、磁場の効果がより顕著に現れたものとみられる。
燃料電池においては、酸素がガス状態で供給され、本実
験で用いた白金触媒を覆う電解質層の厚さが１μｍ以下
の薄い層になるので、磁場によって酸素ガスが白金触媒
粒子に引き寄せられる効果は本実験におけるより更に加
速されることが容易に予測できる。

【００１５】次に電極として、平滑白金の代わりに実際
の燃料電池に用いられる白金担持カーボンを固定した板
状多孔性電極において、０．１Ｎ硫酸溶液中での酸素電
極反応に対する磁場の効果を試験した。電極は０．１８
Ｔの永久磁石上に設置された。使用した電極は白金担持
カーボンペーパー（Electoro Chem 社、２０質量％Pt／
C VulcanＸＣ-72 白金担持量１mg／cm²，厚さ０．２
５mm）であり、これに１．３mg／cm²のナフィオン電解
質膜を被覆した。結果を図７（ロ）に示す。磁場のない
場合は，溶存酸素の供給不足により電位２００mＶ付近
から還元電流が限界状態になっているのに対し、磁場存
在下では還元電流が増大（マイナス方向に下がって）し
ており、磁場による酸素電極反応の促進効果が見られ
る。

【００１６】実施例４本発明の好ましい実施態様では図４（イ）に示すよう
に、永久磁石材８を複数個、酸素電極１２内に分散配置
する。その一例として、図８に示すような網状の常磁性
または強磁性物質の線材１４（ステンレス４３０など）
に未磁化の永久磁石粒子９を接着剤などの手段で固定
し、さらに必要な場合は、まわりを化学的に安定で磁気
をとおす物質で被覆する。被覆物質は炭素蒸着膜など、
電気伝導性が高い物質であることが望ましい。その後、
この永久磁石材システム１５（一部拡大図で示した）を
図４の永久磁石材８に代えて酸素電極１２内に組み込み
磁化する。または永久磁石材システム１５を酸素電極内
に組み込み燃料電池のセルを作製後、セルごと磁化する
こともできる。このように永久磁石材システム１５の全
体を磁化した場合、永久磁石粒子９は線材１４に磁気吸
引力で固定されるため、振動に対して堅牢になり、凝集
の可能性が減少する。また線材１４も磁化されるため、
独立して個々の永久磁石材８が存在する場合に比べ酸素
ガスの吸引効果が増幅されるという相乗効果もある。こ
の実施例では、粒径の小さい永久磁石粒子９を均等に分
散することができ、電解液の通過が妨げられないという
長所もある。この実施例では、触媒粒子は永久磁石材シ
ステム１５表面に付着させるか、または独立にその近傍
に配置する。

【００１７】実施例５図１の燃料電池システムにおいて、酸素電極１内に、永
久磁石材８を複数個分散配置した高分子型燃料電池を作
製して、単セルで燃料電池の性能に対する磁場の効果を
試験した。電解質膜と電極の接合体（以下、「ＭＥＡ」
という。）の構成を図９に示す。ＭＥＡ２１は、高分子
電解質膜１６、燃料電極側拡散層１７、酸素電極側拡散
層１８、燃料電極側触媒層１９、および酸素電極側触媒
層２０からなる。高分子電解質膜１６は全フッ素型スル
フォン酸系ポリマー電解質であるナフィオン１１７（商
品名）からなり、燃料電極側拡散層１７及び酸素電極側
拡散層１８は多孔性カーボンクロスからなり、燃料電極
側触媒層１９は白金／カーボンからなり、酸素電極側触
媒層２０は白金／カーボン＋磁石源微粒子からなる。こ
こで、磁石源微粒子とは、磁化することにより永久磁石
となる粒子をいう。この実験では、図３（イ）に示す永
久磁石材８としては、磁石源微粒子としてフェライトを
使用し、その表面をポリイミドで被覆した。酸素電極側
触媒層２０は白金／カーボンとフェライト（粒径７５μ
ｍ以下）を混合してカーボンクロス上に塗布し、ホット
プレスにより電解質膜１６に固定した。ＭＥＡ２１の仕
様を表１に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】燃料電池の性能に対する磁場の効果を評価
するに際しては、パルス磁場をかけて磁石源微粒子を磁
化した場合及び、磁化しない場合について比較検討し
た。磁化ＭＥＡ２１または無磁化ＭＥＡ２１を組み込ん
だ単セルユニットの燃料電極に加湿純水素ガスを流し、
酸素電極には同様に加湿した酸素２１％、窒素７９％の
混合ガスを流し、電子負荷装置によって所定値の電流負
荷を加えながらセル電圧を測定した。発生電流値に対応
する計算上の水素量と酸素量に対してセル内に送り込ん
だガス流量から水素と酸素の利用率を設定した。測定条
件は、セル温度８０℃、加湿器水温７５℃（水素、空気
とも）、水素利用率７０％、酸素利用率４０％を基準条
件とし、加湿開始後８時間目における電流密度−電圧の
関係を調べた。図１０に、磁石源微粒子を磁化した場合
（実線と○）及び、磁化しない場合（破線と◆）の発電
特性を示す。磁化を行ったＭＥＡは行わないものに比べ
て高いセル電圧が発生することが確認された。また電流
密度３００ｍＡ／ｃｍ²において酸素利用率を１０％か
ら９０％の間で変化させ、酸素補給が十分な場合と不十
分な場合において磁化の有無がセル電圧に与える影響を
調べた。結果を図１１に示す。酸素利用率が高い領域、
すなわち酸素供給量が十分でない領域において、磁化を
行ったＭＥＡ（実線と○）は磁化を行わないもの（破線
と◆）に比べて優位になることが顕著である。この結果
から、磁石源微粒子を挿入した場合の効果が検証され
た。

【００２０】実施例６磁石源微粒子としてＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系粒子（平均粒径２
００μｍ）を利用した。ＭＥＡの仕様を表２に示す。Ｍ
ＥＡの作成過程は実施例５と同じである。

【００２１】

【表２】

【００２２】Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系粒子含有ＭＥＡの測定条
件は、セル温度８０℃、加湿器水温８０℃（水素、空気
とも）、水素利用率７０％、酸素利用率４０％を基準条
件とし、加湿開始後８時間目における電流密度−電圧の
関係を調べた。その結果、磁化を行ったＭＥＡ２１は行
わないものに比べて有意の差で高いセル電圧が発生する
ことを確認した。また電流密度４００ｍＡ／ｃｍ²にお
いて酸素利用率を１０％から８０％の間で変化させ、酸
素補給が十分な場合と不十分な場合において磁化の有無
がセル電圧に与える影響を調べた。その結果、酸素利用
率が高い領域、すなわち酸素供給量が十分でない領域に
おいて、磁化を行ったＭＥＡ２１は行わないものに比べ
て高いセル電圧を発生することが確認された。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、電池の
酸素電極中に、強力な永久磁石粒子の表面近傍に触媒を
配置した永久磁石材を、複数個分散、配置するという全
く新しい発想に基づく酸素電極、およびその酸素電極を
持つ燃料電池と燃料電池システムである。そして、酸素
電極中における触媒近傍への酸素ガスの輸送を促進し、
電解質や反応生成物である水を排除するので、さらに触
媒反応を促進する。永久磁石はその表面を被覆されてい
るので、使用環境での永久磁石材の劣化が防がれひいて
は酸素電極の使用寿命が長くなる。本発明では、永久磁
石材を使用することで、特に低温型において触媒反応の
効率を促進し、使用する白金触媒の量を削減することが
可能である。このように酸素電極中に永久磁石材を配置
すると、燃料電池システム全体としての性能を向上さ
せ、燃料電池の実用化、特に低温型燃料電池の実用化に
際して大きな課題となっている（イ）白金触媒などの触
媒によるコスト高の点は、触媒の使用量を削減すること
が可能となり、（ロ）酸素電極中の酸素ガスの輸送の点
は、その速度を大きく上げることにより、空気や酸素ガ
スを加圧する必要がなくなり、燃料電池や燃料電池発電
システムの小型化及び簡素化ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般の燃料電池の原理に関する説明図である。

【図２】一般の燃料電池酸素電極内の模式説明図であ
る。

【図３】（イ）は本発明の燃料電池酸素電極において使
用する永久磁石材の一実施態様の模式説明図であり、
（ロ）は磁場強度分布である。

【図４】（イ）は本発明の一実施態様としての、永久磁
石材を、複数個分散配置した酸素電極の説明図、（ロ）
はその磁場強度分布である。

【図５】態様１の永久磁石材を用いた酸素電極反応の説
明図である。

【図６】（イ）は円柱型永久磁石２個を用いた永久磁石
材の磁場強度分布を示す説明図（ロ）はｙ＝０、２．５、５ｍｍにおける磁場強度分布
である。

【図７】（イ）電解質中に溶存させた酸素ガスの白金上
における酸素還元電流を溶液静止状態で測定したもので
ある。電位走査速度は10mＶ/S。（ロ）電解質中に溶存させた酸素ガスの白金担持カーボ
ンペーパーにおける酸素還元電流を溶液静止状態で測定
したものである。電位走査速度は10mＶ/S。

【図８】酸素電極内に組み込まれる永久磁石材システム
を示す図である。

【図９】電解質膜と電極の接合体（ＭＥＡ）の構成を示
す図である。

【図１０】セル電圧と電流密度との関係を示す図であ
る。

【図１１】セル電圧と酸素利用率との関係を示す図であ
る。

【符号の説明】１酸素電極２酸化剤３電解質４水素電極５水素ガス６カーボン粒子７触媒８永久磁石材９永久磁石粒子１０物質１１触媒１２酸素電極１３永久磁石１４線材１５永久磁石材システム１６高分子電解質膜１７燃料電極側拡散層１８酸素電極側拡散層１９燃料電極側触媒層２０酸素電極側触媒層２１ＭＥＡ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 (72)発明者岡田達弘茨城県つくば市東１−１−１独立行政法人産業技術総合研究所つくばセンター内Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS03 BB03 BB08 BB12 CC06 EE02 EE03 EE05 EE10 EE16 EE18 5H026 AA06 BB04 BB08 CX05 EE05 EE08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素電極中に、複数個の永久磁石材を分
散、配置して電池を形成したことを特徴とする燃料電池
システム。
【請求項２】酸素電極中に、複数個の永久磁石材を分
散、配置したことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】電極中に、複数個の永久磁石材を分散、
配置したことを特徴とする燃料電池用酸素電極。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項において永
久磁石材が、永久磁石の表面を、化学的に安定で磁力線
をとおす物質で覆い、その表面に触媒やカーボン粒子な
どを担持したものであることを特徴とする酸素電極。
【請求項５】請求項１〜３のいずれか１項において永
久磁石材が、永久磁石の表面を、化学的に安定で磁力線
をとおす物質、触媒およびカーボン粒子を含む混合物で
覆ったものであることを特徴とする酸素電極。
【請求項６】複数個の表面を化学的に安定で磁力線を
とおす物質で覆った永久磁石粒子、複数個の触媒粒子お
よびカーボン粒子などを分散、配置してなることを特徴
とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素電極。
【請求項７】酸素電極中に分散、配置される永久磁石
の磁化の方向を一様にすることを特徴とする請求項１〜
６のいずれか１項に記載の酸素電極。
【請求項８】永久磁石粒子を網状の常磁性又は強磁性
物質の線材に固定した後に、酸素電極内に組み込み固定
して複数個の永久磁石材を分散、配置することを特徴と
する請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素電極の製
造方法。
【請求項９】未磁化の永久磁石粒子を酸素電極内に分
散配置するように組み込んで燃料電池のセルを作製し、
セルごと磁化して複数個の永久磁石材を分散、配置する
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の
酸素電極の製造方法。