JP2008288084A - アルカリ型燃料電池用の電極触媒、アルカリ型燃料電池、及び、アルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法 - Google Patents

アルカリ型燃料電池用の電極触媒、アルカリ型燃料電池、及び、アルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】アルカリ型燃料電池の電極触媒において、酸素不足による濃度化電圧を減少させることで発電性能を向上させる。
【解決手段】アルカリ型燃料電池において、電極触媒を、磁性を有する磁性体と、この磁性体に担持された触媒粒子とを備えるものとする。また、この電極触媒を用いたアルカリ型燃料電池は、陰イオンを透過させる機能を有する電解質と、電解質の両側に配置されたアノード極とカソード極とを備え、少なくともカソード極として、この電極触媒を用いる。
【選択図】図２

Description

この発明はアルカリ型燃料電池の電極触媒及びこれを用いた燃料電池並びにアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法に関する。
現在、燃料電池としては、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型などがある。このような燃料電池の反応ガスとしては、例えば、燃料極に純水素が供給され、酸素極に大気が供給される。また純水素に替えて、メタンやメタノール等の水素を主成分とするガスを改質した改質ガスが用いられる場合がある。
例えば、特許第３３６０４８５号には、メタンやメタノールの改質ガスを用いる燃料電池の燃料極が開示されている。この従来技術の燃料電池において燃料極は、電解質膜に接する燃料極触媒内層とその外側の多孔質基材と、更に外側の燃料極触媒外層との三層で構成されている。燃料極内層及び燃料極外層として、白金触媒が用いられている。
この燃料電池の燃料極に燃料が供給されると、燃料に含まれるＣＯは燃料極外層の触媒粒子に吸着して保持される。また、主に燃料極触媒外層の触媒粒子の働きで、燃料中の水素がプロトンと電子とに分けられた後、他の触媒粒子で再び、電子を受けとって水素ガスとなる。このようにして燃料極触媒外層で生じた水素ガスは、多孔質基材を通過して、燃料極触媒内層に到達し、再び電子とプロトンとに分けられて、プロトンが電解質膜を通過して酸素極に到達することとなる。
即ち、上記の従来技術の燃料極では、燃料極外層において純水素が生成されると共に、発生するＣＯ等は燃料極外層にそのまま吸着する。このため純水素のみが多孔質基材内に移動することとなり、多孔質基材内は純水素で満たされる。その結果、燃料極内層には純水素のみが拡散することとなり、燃料極内層のＣＯ被毒が抑制されている。
特許第３３６０４８５号
ところで、アルカリ型燃料電池のカソード極では、固体高分子型燃料電池に比べて酸素還元反応は早く、過電圧が低い。しかし、カソード極側での反応は、アノード極側での反応にも影響を与えるため、より酸素還元反応を向上させることが好ましい。この点、上記従来技術は、燃料としてメタンやメタノールを用いる場合のＣＯ被毒を抑えた燃料極を提供するものであるが、カソード極の触媒機能を高めることに関しては、何ら寄与するものではない。
この発明は、上記の課題を解決することを目的として、カソード極の触媒機能を高めるように改良されたアルカリ型燃料電池用の電極触媒及びこれを用いたアルカリ型燃料電池並びにアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法を提供するものである。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、アルカリ型燃料電池用の電極触媒であって、
磁性を有する磁性体と、
前記磁性体に担持された触媒粒子と、
を備える。
第２の発明は、第１の発明において、前記磁性体は、鉄を含む金属の酸化物である。
第３の発明は、第１の発明において、前記磁性体は、鉄とコバルトとを含む金属の酸化物である。
第４発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記磁性体は、アスペクト比が10〜100の細長い形状を有する。
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、前記触媒粒子は、鉄、コバルト、ニッケル及び白金からなる金属群のいずれか１以上からなる粒子である。
第６の発明は、第５の発明において、前記触媒粒子は、鉄とコバルトとニッケルとからなる粒子である。
第７の発明は、アルカリ型燃料電池であって、
陰イオンを透過させる機能を有する電解質と、
前記電解質の両側に配置されたアノード極と、カソード極とを備え、
前記カソード極は、第１から第６のいずれかの発明の電極触媒である。
第８の発明は、アルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法であって、
金属酸化物を、触媒金属成分のイオンを含む溶液に添加して、前記触媒金属イオンを、金属酸化物に付着させ、
前記金属酸化物を分離し、
前記金属酸化物を加熱して、前記触媒金属を金属酸化物に担持させた後、
前記金属酸化物を磁化する工程を有する。
第９の発明は、第８の発明において、前記金属酸化物は、鉄を含む金属の酸化物である。
第１０の発明は、第８の発明において、前記金属酸化物は、鉄とコバルトとを含む金属の酸化物である。
第１２の発明は、第８から第１０のいずれかの発明において、前記金属酸化物は、アスペクト比10〜100の細長い形状を有する。
第１２の発明は、第８から第１１のいずれかの発明において、前記触媒粒子は、鉄、コバルト、ニッケル及び白金からなる金属群のいずれか１以上からなる粒子である。
第１３の発明は、第１２の発明において、前記触媒粒子は、鉄とコバルトとニッケルとからなる粒子であることを特徴とする。
第１４の発明は、第８から第１３のいずれかの発明において、前記金属酸化物の磁化の際、前記金属酸化物は、0.01[T]以上の勾配磁場において磁化される。
第１５の発明は、第１４の発明において、前記金属酸化物を磁化の際、前記金属酸化物は、0.05[T]以上の勾配磁場において磁化される。
第１の発明によれば、アルカリ型燃料電池用の電極触媒は、磁性体に触媒粒子が担持されて構成される。このように磁性を有することにより供給された反応ガス中の酸素を、電極触媒に引き寄せることができる。従って、電極触媒の触媒機能を高めることができる。
第２又は第３の発明によれば、磁性体は、鉄を含む金属の酸化物、あるいは鉄とコバルトとを含む金属の酸化物である。これにより、電極触媒を確実に磁性を有するものとし、触媒機能を高めることができる。
第４の発明によれば、磁性体はアスペクト比が10〜100の細長い形状を有する。これにより電極触媒の反応面を増大させることができ、より電極触媒の触媒機能を高めることができる。
第５の発明によれば、触媒粒子は、鉄、コバルト、ニッケル及び白金からなる金属群のいずれか１以上からなる粒子である。これにより、確実に電極触媒の触媒機能を得ることができる。また、ニッケル、コバルト又は鉄を触媒粒子として用いることで、より安価な電極触媒を得ることができる。
第６の発明によれば、触媒粒子は鉄とコバルトとニッケルとからなる粒子である。このような触媒粒子を用いることにより、C-C結合をより効果的に切断することができる。従って、アノード極側の電極触媒として用いた場合にも、電極触媒における反応を促進することができ、触媒機能を向上させることができる。
第７の発明によれば、燃料電池のカソード極側の電極触媒として、第１から第６の発明の電極触媒を用いる。これにより、特にカソード極における酸素の反応速度を早めて、より高い発電性能の燃料電池を得ることができる。
第８の発明によれば、触媒粒子を金属酸化物に担持させた後、金属酸化物を磁化することで、アルカリ型燃料電池用の電極触媒が形成される。このように、金属酸化物を磁化することで触媒機能を高めた電極触媒を得ることができる。
第９及び第１０の発明によれば、金属酸化物としては鉄を含む金属の酸化物、あるいは鉄とコバルトとを含む金属の酸化物が用いられる。これにより、電極触媒を容易に磁化して、高い触媒機能を有する電極触媒とすることができる。
第１１の発明によれば、金属酸化物はアスペクト比10〜100の細長い形状を有する。これにより電極触媒の反応面を増大させることができ、高い触媒機能を有する電極触媒を得ることができる。
第１２の発明によれば、鉄、コバルト、ニッケル及び白金からなる金属群のいずれか１以上からなる粒子が触媒粒子として用いられる。これにより、高い触媒機能の電極触媒を得ることができる。また、鉄、コバルト及び/又はニッケルを触媒粒子として用いることで、より安価な電極触媒を得ることができる。
第１３の発明によれば、鉄とコバルトとニッケルとからなる粒子が電極触媒として用いられる。このような触媒粒子を用いることにより、アノード極側における触媒機能も向上させた電極触媒を得ることができる。
第１４又は第１５の発明によれば、金属酸化物は、0.01[T]以上、又は0.05[T]以上の勾配磁場において磁化される。従って、確実に電極触媒を必要な強さの磁性を有する磁性体とすることができ、高い触媒機能の電極触媒を得ることができる。
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。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の燃料電池の構成について説明するための図である。図１に示す燃料電池はアルカリ型燃料電池である。燃料電池はアニオン交換膜１０（電解質）を有している。アニオン交換膜１０の両側にはアノード極２０及びカソード極３０が配置されている。アノード極及びカソード極の両外側には集電板４０が配置されている。アノード極２０側の集電板４０には燃料経路５０が接続され、燃料経路５０には燃料供給源（図示せず）が接続されている。燃料供給源から、燃料経路５０及び集電板４０を介してアノード極２０に燃料が供給され、アノード極２０から未反応の燃料等が排出される。一方、カソード極３０側の集電板４０には酸素経路６０が接続されている。酸素経路６０及び集電板４０を介してカソード極３０に大気が供給され、カソード極３０から未反応の酸素を含む大気オフガスが排出される。
燃料電池の発電の際にはアノード極２０には燃料として、例えばエタノール等の水素を含む燃料が供給される。一方、カソード極３０には大気（又は酸素）が供給される。アノード極２０に燃料が供給されると、アノード極２０の電極触媒層の機能により燃料中の水素原子と、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオンとが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２０での反応は、純水素を燃料とする場合、次式（１）のようになり、エタノールを燃料とする場合には次式（２）のようになる。
Ｈ２＋２ＯＨ− → ２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− ・・・・（１）
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋１２ＯＨ−→２ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ＋１２ｅ− ・・・・（２）
一方、カソード極３０に大気が供給されると、大気中の酸素分子は後述するカソード極触媒層の機能により、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。水酸化物イオンはアニオン交換膜１０を通過してアノード極２０側に移動する。カソード極３０での反応は、次式（３）のようになる。
１/２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → ２ＯＨ− ・・・・（３）
以上のようなアノード極２０側とカソード極３０側における反応をまとめると、燃料電池全体では次式（４）のように水の生成反応が起き、このときの電子が両極側の集電板４０を介して移動し、これにより電流が流れて発電することになる。
Ｈ２＋１/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ ・・・・（４）
このようなアルカリ型の燃料電池において、アニオン交換膜１０は、カソード極３０の電極触媒で生成される水酸化物イオン(OH-)をアノード極２０に移動させることができる媒体であれば特に限定されない。具体的にアニオン交換膜１０としては、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。
アノード極２０は少なくともアノード極触媒層を有している。集電板４０を通過した燃料はアノード極触媒層全面に供給される。アノード極２０の触媒層では供給される燃料中から水素原子を取り出し、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオンと反応させて水(H2O)を生成すると共に、集電板４０に電子(e-)を放出する触媒としての機能を有する。図１の燃料電池においてアノード極２０としては、下記に説明するカソード極３０と同じものが用いられる。
図２は、図１の点線(A)で囲むカソード極３０の一部分を拡大した図である。図２に示すように、カソード極３０は少なくとも触媒層３２（電極触媒）を有している。酸素経路６０から供給される大気は、集電板４０を通過してカソード極触媒層３２全面に供給される。カソード極触媒層３２は、上記（３）式のように、集電板４０から電子(e-)を受け取って、酸素(O2)と水(H2O)とから水酸化物イオン(OH-)を生成させる機能を有している。
ところで、燃料電池の発電性能を向上させるためには、アノード極２０における（１）又は（２）式の燃料の分解と、カソード極３０における（３）式の酸素からの水酸化物イオン(OH-)の生成とが効率良く進行することが重要となる。従って、カソード極触媒層３２に酸素に多くの酸素を到達させることが重要となる。ここで、従来の燃料電池においては、カソード極３０に供給される大気中の酸素の触媒層３２への移動は濃度拡散等に依存する。しかし大気中の酸素分圧は低いため、触媒層３２に酸素が到達する速度は遅いものとなる。すなわち、（３）式に示す酸素から水酸化物イオンへの酸素還元反応の速度が遅く、過電圧が大きいものとなる。
これに対して、実施の形態１の燃料電池においては、大気中からより多くの酸素をカソード極触媒層３２に引き寄せて、より多くの水酸化物イオンを効率良く生成できるようにするため、下記のカソード極触媒層３２を採用する。
図２のカソード極触媒層３２は、担体に触媒粒子を担持した担持体がアニオン交換膜１０と同様の成分を溶解させた電解質溶液１２によりアニオン交換膜１０に塗布されている。具体的に担持体の担体（磁性体/金属酸化物）は合金酸化物３４により形成される。合金酸化物３４は、ここでは酸化鉄を主成分とする合金の酸化物である。また、その形状は細長い針状となっている。具体的に合金酸化物３４のアスペクト比は10〜100となっている。更に合金酸化物３４は、勾配磁場[dH/dx]として0.05[T]以上の磁場で磁化された磁性を有する磁性体である。
合金酸化物３４の外表面はカーボンコート３６によりコーティングされている。カーボンコート３６によりコーティングされた合金酸化物３４には、多数の触媒粒子３８が固定されて担持されている。触媒粒子３８はNi(ニッケル)により構成される。
このように構成された担持体（３４〜３８）は、アニオン交換膜４０とカソード極との接面に対して合金酸化物３４の長手方向が垂直となるように配置されている。ここで担体は磁性を帯びているため、電解質溶液１２に溶かして塗布するようにした場合、担持体の持つ磁性により、長手方向がアニオン交換膜１０に対して垂直になるように規則的に配列することができる。
ところで、酸素は磁気モーメントを有し、磁性に引き寄せられる性質が比較的強い。従って、カソード極触媒層３２中の合金酸化物３４が磁性を有することで、この磁性力に大気中の酸素が引き寄せられる。従って、効率的に触媒粒子３８表面に酸素を引き寄せて移動させることができる。触媒粒子３８に到達した酸素は触媒粒子３８表面に吸着し、上記（３）のように分解されて水酸化物イオンが生成される。従って、このように磁性体を担体とする触媒層３２を用いることで、例えば低電流密度域の酸素不足となるような場合であっても、より多くの量の酸素が触媒粒子３８に引き寄せられることで、水酸化物イオンの生成を早めて、発電性能を向上させることができる。
一方、生成された水酸化物イオンには磁性に引き寄せられる性質がない。このため酸素から水酸化物イオンが生成されると、水酸化物イオンは容易にカソード極触媒層３２から離れて、アニオン交換膜１０に移動することができる。
また、担持体は針状に形成され、アニオン交換膜１０から長手方向が突出するように配置されている。従って、全体としてカソード極触媒層３２における反応面（三層界面）の面積を増大させることができる。これによりカソード極触媒層３２での酸素還元反応速度をより早めて、発電性能を高めることができる。
図３は、この発明の実施の形態１におけるカソード極触媒層３２の形成の工程について説明するための図である。図３に示すように、カソード極触媒層３２の形成おいては、鉄を主体とする合金酸化物の針状体を作製し、これをカーボンコート３６によりコーティングする（Ｓ１０２）。合金酸化物の作製及びそのコーティングは、既知の手法で製造することができるため、ここでの詳細な説明は省略する。
次に、酢酸Ni溶液を作製する（Ｓ１０４）。ここで酢酸Ni溶液は、0.005[mol/l]〜10[mol/l]程度とする。作製された酢酸Ni溶液に、ステップＳ１０２で製造された針状体を混入する（Ｓ１０６）。ここで、酢酸Ni溶液１[L]に対する針状体の量は、5[g]〜100[g]とする。これにより、針状体にNiイオンが吸着した状体となる。
その後、ろ過を行い、溶液と分離する（Ｓ１０８）。ここでろ過された合金酸化物を乾燥する（Ｓ１１０）。その後300〜400［℃］の不活性雰囲気下で熱処理を施す（Ｓ１１２）。これにより担体（針状体）にNiが固定され担持された状態となる。
次に磁化を行う（Ｓ１１４）。ここでは、合金酸化物３４は、0.05［T］以上の勾配磁場［dH/dx］において磁化される。このように合金酸化物３４が磁性を有するように形成された担持体は、アニオン交換膜１０と同じ成分の溶液１２に混ぜられてアニオン交換膜１０の表面に塗布される。これにより、アニオン交換膜１０の表面にカソード極触媒層３２が形成される。
図４は、実施の形態１の燃料電池と、従来の燃料電池のI-V特性を説明するための図である。図４において横軸は電流密度[A/cm2]を表し、縦軸は電圧[V]を示している。図４において、四角でプロットされた曲線は従来の燃料電池のものを表し、黒丸でプロットされた曲線は、実施の形態１のものを表している。図４から、従来の燃料電池に比べて、電流密度に対する電圧が高くなっており、発電性能が向上していることが確認される。
なお、上記実施の形態１においては、触媒粒子３８としてNi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、触媒としての機能を有するものであれば、他の触媒であってもよい。具体的に例えば、触媒粒子としては、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni（Ni）及びPt(白金)からなる金属群のいずれか１以上の金属を、触媒粒子として用いることができる。
例えば、触媒粒子３８であるNiに替えて、Fe-Co-Niを触媒粒子として用いる場合、ステップＳ１０４の酢酸Ni溶液に替えて、酢酸Fe溶液、酢酸Co溶液、酢酸Ni溶液をそれぞれ準備して、これらを混合し、ここに担体である針状体を混合し、ろ過、熱処理等を行うことで電極触媒を形成することができる。なお、ここで酢酸Fe溶液、酢酸Ni溶液、酢酸Co溶液の濃度は、共に0.05[mol/l]〜10[mol/l]程度の濃度であることが望ましい。
図５は、触媒粒子としてFe-Co-Niを用いた場合の燃料電池の電流密度と電圧との関係について説明するための図である。図５において、横軸は電流密度[A/cm2]を表し、縦軸は電圧[V]を表している。また、図５において、四角でプロットされた曲線は従来の燃料電池のものを表し、黒丸でプロットされた曲線はこの実施の形態１の他の例の燃料電池のものを表している。なお、この他の例においても、アノード極２０、カソード極３０共に、同じ電極触媒、つまり磁性を有する合金酸化物３４に、Fe-Co-Niを触媒粒子として担持させた電極触媒を用いている。
図５から、磁性を有する合金酸化物３４に触媒粒子としてFe-Co-Niを担持させたものを用いた場合においても、従来の単に担体に触媒粒子としてFe-Co-Niを用いた場合に比較して電流密度に対する電圧が高く、発電性能が向上していることを確認することができる。
また、Fe-Co-Niを触媒粒子として用いた場合のほうが、Niを触媒粒子とする場合よりも高い性能を示すことが判る。これは、Fe-Co-Niが触媒粒子として用いられた場合、アノード極２０側において、C-C結合を切断する効果を有するためであると考えられる。つまり、アノード極２０側に燃料としてエタノールを供給した場合に、燃料極側において燃料のC-C結合が効率良く切断されることで、燃料から水素イオンをより早く生成することができるためであると考えられる。
また、実施の形態１では、アノード極２０とカソード極３０とが同一の電極触媒層により構成される場合について説明した。しかし、この発明において、アノード極２０の触媒層の構成は、必ずしもカソード極３０と同じものでなくてもよく、アノード極２０の触媒層において担持体の担体は磁性を有しないものであってもよい。例えば、アノード極触媒層の構成材料としては、Fe、Co、Ni、あるいはPt等により構成されたもの、あるいは、これらの金属のいずれかをカーボン等の担体に担持させたもの、あるいは、これらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体と担体に担持させたもの等があげられる。また、各電極触媒層の表面には多孔質等で構成された拡散層を配置することもできる。
また、実施の形態１では、カソード極触媒層３２の担持体の担体として鉄を主成分とする合金酸化物３４をカーボンコート３６によりコーティングして磁化した針状体を担体として用いた。しかし、この発明において担体はこれに限るものではない。この発明においてカソード極触媒層３２の担持体の担体としては、触媒粒子３８を担持することができかつ磁性を有するものであれば、他の担体を用いてもよい。また、担体はアスペクト比を10〜100の針形状とする場合について説明した。このような形状とすることにより、触媒の反応面を増大させることができるため、発電性能を向上させることができる。しかし、この発明において担体（磁性体/金属酸化物）のアスペクト比はこの範囲外のものであってもよい。また、細長い形状のものに限るものでもない。
また、実施の形態１においては、担体である合金酸化物３４を磁化する勾配磁場[dH/dx]の強さを0.05[T]以上とする場合について説明した。大気中の酸素を効果的に電極触媒に引き寄せるためには、この範囲の磁場において磁化することが効果的であるが、この発明はこれに限るものではない。具体的に磁性体は、0.01[T]以上の勾配磁場[dH/dx]において磁化されるものであってもよい。また、磁化する際の磁場の強さは、これに限られず、この範囲より更に小さいものであってもよい。
また、実施の形態１においてはカソード極触媒層３２の形成方法の一例を説明したが、この発明においてカソード極触媒層３２は、上記の形成方法に従って形成されたものに限らず、他の方法により形成されたものであっても良い。従って、この形成方法において用いられる酢酸溶液の濃度、熱処理の温度等もこの発明を限定するものではない。
また、実施の形態１では、燃料としてエタノールを用いる場合を例として説明した。エタノールであれば、比較的安価に入手可能な材料で効率良く発電することができるためであるが、しかし、この発明において燃料はエタノールに限るものではない。実施の形態１において説明したように、イオン交換膜としてアニオン交換膜１０を用いる場合の燃料としては、エタノールのほかに例えばメタン、アンモニア等を考えることができる。
実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池は、実施の形態１の燃料電池と触媒粒子が異なる点を除いて実施の形態１の燃料電池と同じ構造を有している。具体的に実施の形態２の燃料電池においてカソード極触媒層３２を構成する担持体の担体として、Fe-Coの合金酸化物を粉砕したものを磁化して用いている。合金酸化物中のCoの混合比率は5〜30%程度とする。また合金酸化物は、実施の形態１と同様に、0.05[T]以上の勾配磁場[dH/dx]において磁化され、磁性を有している。触媒粒子としてはPtを用いる。
このようにFe-Coの合金酸化物に磁性を持たせた場合であっても、同様にその磁気によって大気中の酸素をカソード極３０に引き寄せることができる。従って、カソード極３０側の濃度過電圧を低減することができ、燃料電池の発電性能を効果的に向上させることができる。
図６は、この発明の実施の形態２における燃料電池の電極触媒の形成方法について説明するための図である。図６は、図３のステップＳ１０８の工程の前に、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６に替えてステップＳ３０２〜Ｓ３１４の工程を有する点を除いて、図３の方法と同じ工程を有している。
具体的に図６に示す工程においては、まずFeとCoとを混合する（Ｓ３０２）。ここではFeとCoの全体量に対するCoの混合比率は5〜30%程度とする。次にFeとCoとが溶融され、冷却される（Ｓ３０４〜Ｓ３０６）。これによりFeとCoの合金酸化物が製造される。次に、製造された合金酸化物を1[μm]〜0.1[μm]のサイズにまで粉砕する（Ｓ３０８）。実施の形態２では、この粉砕された合金酸化物がカソード極触媒層３２における担体として用いられる。
図６のステップＳ３１０において、塩化白金水溶液を作製する。塩化白金水溶液の濃度は、0.005[mol/l]〜10[mol/l]程度とされる。この塩化白金水溶液に、ステップＳ３０８で形成された合金酸化物を混合する（Ｓ３１２）。その後は、この混合液を加熱する。これによりPtが析出され、合金酸化物にPtが固定された状態となる。
その後、図３のＳ１０８〜Ｓ１１４と同様に、ろ過、乾燥、熱処理が行われる（Ｓ３１６〜Ｓ３２２）。これにより合金酸化物に触媒粒子としてPtが担持された担持体が形成される。その後、担持体の合金酸化物を磁化する（Ｓ３２２）。以上のように形成された担持体が、アニオン交換膜１０と同じ成分の溶液に混合されて、アニオン交換膜１０表面に塗布されることで、カソード極触媒層が形成される。
図７は、実施の形態２のカソード極触媒層を有する燃料電池と、従来の燃料電池について、電流密度と電圧との関係を説明するための図である。図７において横軸は電流密度[A/cm2]、縦軸は電圧[V]を表している。また、図７において四角でプロットされた曲線は従来の燃料電池のものを表し、黒丸でプロットされた曲線は実施の形態２の燃料電池のものを表している。図７から、合金酸化物の磁性体を担体としてPtを担持させた実施の形態２の燃料電池においても、従来の燃料電池と比較して電流密度に対する電圧が高く、発電性能が向上していることを確認することができる。
なお、実施の形態２においては触媒粒子としてPtを担持させる場合について説明した。しかし、この発明において触媒粒子は、Ptに限るものではなく、例えば実施の形態１において説明したように、Niや、Fe-Co-Niの合金等を用いたものであってもよい。この発明における燃料電池はアルカリ環境で発電反応が行われるため電極触媒としてNiやFe等の金属を用いても、これらの金属の腐食を起こすことがない。またこのようにNiやFeを用いることで、Ptを用いる場合に比べて触媒を安価に製造することができ燃料電池のコストダウンを図ることができる。
また、実施の形態２においてFe-Co-Niの合金を触媒粒子として用いる場合には、同様の電極をアノード極にも用いることで、C-C結合を効率良く切断することができ、燃料の利用率を高めることができ、発電性能をより向上させることができる。
また、実施の形態２においては、担体としてFeとCoとの合金を用いる場合について説明した。しかし合金酸化物はこれに限るものではなく、磁化することが可能な他の金属酸化物を粉砕して用いるものであってもよい。
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、方法におけるステップ等は、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。
この発明の実施の形態１における燃料電池について説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１における燃料電池の電極触媒について説明するための図である。 この発明の実施の形態１の燃料電池の電極触媒の製造工程について説明するための図である。 この発明の実施の形態１の燃料電池の電流密度と電圧との関係を説明するための図である。 この発明の実施の形態１の他の例の燃料電池の電流密度と電圧との関係を説明するための図である。 この発明の実施の形態２の燃料電池の電極触媒の製造工程について説明するための図である。 この発明の実施の形態２の燃料電池の電流密度と電圧との関係を説明するための図である。
符号の説明
１０ アニオン交換膜
２０ アノード極
３０ カソード極
３２ カソード極触媒層
３４ 合金酸化物
３６ カーボンコート
３８ 触媒粒子
４０ 集電板
５０ 燃料経路
６０ 酸素経路

Claims (15)

  1. 磁性を有する磁性体と、
    前記磁性体に担持された触媒粒子と、
    を備えることを特徴とするアルカリ型燃料電池用の電極触媒。
  2. 前記磁性体は、鉄を含む金属の酸化物であることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ型燃料電池用の電極触媒。
  3. 前記磁性体は、鉄とコバルトを含む金属の酸化物であることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ型燃料電池用の電極触媒。
  4. 前記磁性体は、アスペクト比が10〜100の細長い形状を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアルカリ型燃料電池用の電極触媒。
  5. 前記触媒粒子は、鉄、コバルト、ニッケル及び白金からなる金属群のいずれか１以上からなる粒子であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアルカリ型燃料電池用の電極触媒。
  6. 前記触媒粒子は、鉄とコバルトとニッケルとからなる粒子であることを特徴とする請求項５に記載のアルカリ型燃料電池用の電極触媒。
  7. 陰イオンを透過させる機能を有する電解質と、
    前記電解質の両側に配置されたアノード極と、カソード極とを備え、
    前記カソード極は、請求項１から６のいずれかに記載の電極触媒であることを特徴とするアルカリ型燃料電池。
  8. 金属酸化物を、触媒金属成分のイオンを含む溶液に添加して、前記触媒金属イオンを、金属酸化物に付着させ、
    前記金属酸化物を分離し、
    前記金属酸化物を加熱して、前記触媒金属を金属酸化物に担持させた後、
    前記金属酸化物を磁化することを特徴とするアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法。
  9. 前記金属酸化物は、鉄を含む金属の酸化物であることを特徴とする請求項８に記載のアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法。
  10. 前記金属酸化物は、鉄とコバルトとを含む金属の酸化物であることを特徴とする請求項８に記載のアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法。
  11. 前記金属酸化物は、アスペクト比10〜100の細長い形状を有することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載のアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法。
  12. 前記触媒粒子は、鉄、コバルト、ニッケル及び白金からなる金属群のいずれか１以上からなる粒子であることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載のアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法。
  13. 前記触媒粒子は、鉄とコバルトとニッケルとからなる粒子であることを特徴とする請求項１２に記載のアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法。
  14. 前記金属酸化物の磁化の際、前記金属酸化物は、0.01[T]以上の勾配磁場において磁化されることを特徴とする請求項８から１３のいずれかに記載のアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法。
  15. 前記金属酸化物を磁化の際、前記金属酸化物は、0.05[T]以上の勾配磁場において磁化されることを特徴とする請求項１４に記載のアルカリ型燃料電池用電極触媒の形成方法。
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