JP2013048066A

JP2013048066A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2013048066A
Application number: JP2011186500A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Sakamoto; 友和坂本; Koichiro Asazawa; 浩一郎朝澤; Hirohisa Tanaka; 裕久田中; Martinez Ulises; マルチネスユリセス; Halevi Barr; ハレビバール; Atanassov Plamen; アタナソフプラメン
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; STC UNM
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; UNM Rainforest Innovations
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-08-29
Also published as: JP5869262B2

Abstract

【課題】燃料として、少なくとも水素および窒素を含む化合物を含み、電解質層として、アニオン交換膜が用いられる燃料電池において、優れた発電性能を有する燃料電池を提供する。
【解決手段】アニオン交換膜からなる電解質層４と、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極２および酸素側電極３とを備える燃料電池１において、燃料側電極に、金属触媒としてニッケルと亜鉛と希土類元素とを、ニッケルと亜鉛と希土類元素の総モルに対して、ニッケルの含有割合が、２０モル％以上となり、亜鉛の含有割合が、１０〜６０モル％となり、希土類元素の含有割合が、５０モル％以下となるように含ませる。また、燃料として、ヒドラジンなどの、少なくとも水素および窒素を含有する化合物を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳しくは、固体高分子型燃料電池に関する。

現在まで、燃料電池としては、アルカリ型（ＡＦＣ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体電解質型（ＳＯＦＣ）などの各種のものが知られている。なかでも、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で運転できることから、例えば、自動車用途などの、各種用途での使用が検討されている。

このような固体高分子型燃料電池としては、例えば、アニオン交換膜からなる電解質層と、電解質層を挟んで対向配置され、コバルトとニッケルとが含有されるとともに、水素および窒素を含有する化合物（例えば、ヒドラジンなど）の燃料が供給される燃料側電極、および、酸素が供給される酸素側電極とを備える燃料電池が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載されるように、燃料電池において、燃料側電極にコバルトおよびニッケルが含有される場合には、例えば、コバルトのみが含有される場合などに比べ、発電性能の向上を図ることができる。

また、このような固体高分子型燃料電池では、さらなる発電性能の向上を図るため、コバルトおよびニッケルに代えて、燃料側電極に、亜鉛およびニッケルを含有させることも、提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。

特開２０１０−２２５４７１号公報

ＴｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１０年，ＥＣＳＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，３３（１），１６７３−１６８０

しかるに、近年、燃料電池としては、発電性能のさらなる向上が望まれており、とりわけ、長期使用においても優れた発電性能を確保することが、望まれている。

そこで、本発明の目的は、燃料として、少なくとも水素および窒素を含む化合物を含み、電解質層として、アニオン交換膜が用いられる燃料電池において、優れた発電性能を有する燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質層と、前記電解質層を挟んで対向配置され、燃料が供給される燃料側電極、および、酸素が供給される酸素側電極とを備える燃料電池において、前記電解質層は、アニオン交換膜であり、前記燃料は、少なくとも水素および窒素を含有する化合物を含み、前記燃料側電極は、ニッケルと亜鉛と希土類元素とを含み、ニッケルと亜鉛と希土類元素の総モルに対して、ニッケルの含有割合が、２０モル％以上であり、亜鉛の含有割合が、１０〜６０モル％であり、希土類元素の含有割合が、５０モル％以下であることを特徴としている。

また、本発明の燃料電池では、前記燃料が、ヒドラジン類であることが好適である。

本発明の燃料電池によれば、燃料側電極にニッケルと亜鉛と希土類元素とが含まれており、燃料側電極におけるニッケルの含有割合が、ニッケルと亜鉛と希土類元素との総モルに対して、２０モル％以上であり、亜鉛の含有割合が、ニッケルと亜鉛と希土類元素との総モルに対して、１０〜６０モル％であり、希土類元素の含有割合が、ニッケルと亜鉛と希土類元素との総モルに対して、５０モル％以下であることから、燃料の利用効率を向上させることができ、その結果、発電性能の向上を図ることができ、さらには、長期使用においても優れた発電性能を確保することができる。

本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。

図１は、本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。図１において、この燃料電池１は、燃料電池セルＳを備えており、燃料電池セルＳは、燃料側電極２、酸素側電極３および電解質層４を備え、燃料側電極２および酸素側電極３が、それらの間に電解質層４を挟んだ状態で、対向配置されている。

燃料側電極２は、電解質層４の一方の面に対向接触されている。この燃料側電極２は、金属触媒として、ニッケル（Ｎｉ）と亜鉛（Ｚｎ）と希土類元素とを含んでいる。

希土類元素としては、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）などの軽希土類元素、例えば、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）などの重希土類元素などが挙げられる。

これら希土類元素は、単独使用または２種類以上併用することができる。

希土類元素として、好ましくは、軽希土類元素、より好ましくは、ランタン（Ｌａ）が挙げられる。

このような金属触媒として、具体的には、例えば、ニッケルと亜鉛と希土類元素との混合物（混合触媒）、ニッケルと亜鉛と希土類元素との合金（ニッケル亜鉛希土類元素合金）、ニッケルと亜鉛と希土類元素とニッケル亜鉛希土類元素合金（場合により、ニッケル亜鉛合金、ニッケル希土類元素合金、亜鉛希土類元素合金などを含む。以下同様。）との混合物などが挙げられる。

このような態様の金属触媒を製造するには、例えば、まず、ニッケル塩と亜鉛塩と希土類元素塩とを含む分散液を調製し、次いで、ニッケル、亜鉛および希土類元素を乾燥させ、その後、焼成する。

より具体的には、金属触媒を製造するには、例えば、まず、ニッケル塩と亜鉛塩と希土類元素塩とを、溶剤に分散させ、分散液を調製する。

ニッケル塩としては、例えば、ニッケルの無機金属塩、ニッケルの有機金属塩などが挙げられる。

ニッケルの無機金属塩としては、例えば、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩などの無機酸塩、例えば、塩化物、アンモニウム塩などが挙げられる。

ニッケルの有機金属塩としては、例えば、酢酸塩、プロピオン酸塩などのマンガンのカルボン酸塩、例えば、下記一般式（１）で示されるβ−ジケトン化合物またはβ−ケトエステル化合物、および／または、下記一般式（２）で示されるβ−ジカルボン酸エステル化合物から形成されるニッケルの金属キレート錯体などが挙げられる。

Ｒ^１ＣＯＣＨＲ^３ＣＯＲ^２（１）
（式中、Ｒ１は、炭素数１〜６のアルキル基、炭素数１〜６のフルオロアルキル基またはアリール基を示し、Ｒ２は、炭素数１〜６のアルキル基、炭素数１〜６のフルオロアルキル基、アリール基または炭素数１〜４のアルコキシ基を示し、Ｒ３は、水素原子または炭素数１〜４のアルキル基を示す。）
Ｒ^５ＣＨ（ＣＯＲ^４）_２（２）
（式中、Ｒ４は、炭素数１〜６のアルキル基を示し、Ｒ５は、水素原子または炭素数１〜４のアルキル基を示す。）
上記一般式（１）および上記一般式（２）中、Ｒ１、Ｒ２およびＲ４の炭素数１〜６のアルキル基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、ｓ−ブチル、ｔ−ブチル、ｔ−アミル、ｔ−ヘキシルなどが挙げられる。また、Ｒ３およびＲ５の炭素数１〜４のアルキル基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、ｓ−ブチル、ｔ−ブチルなどが挙げられる。

上記一般式（１）中、Ｒ１およびＲ２の炭素数１〜６のフルオロアルキル基としては、例えば、トリフルオロメチルなどが挙げられる。また、Ｒ１およびＲ２のアリール基としては、例えば、フェニルが挙げられる。また、Ｒ１の炭素数１〜４のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ｎ−ブトキシ、ｓ−ブトキシ、ｔ−ブトキシなどが挙げられる。

β−ジケトン化合物は、より具体的には、例えば、２，４−ペンタンジオン、２，４−ヘキサンジオン、２，２−ジメチル−３，５−ヘキサンジオン、１−フェニル−１，３−ブタンジオン、１−トリフルオロメチル−１，３−ブタンジオン、ヘキサフルオロアセチルアセトン、１，３−ジフェニル−１，３−プロパンジオン、ジピバロイルメタンなどが挙げられる。

また、β−ケトエステル化合物は、より具体的には、例えば、メチルアセトアセテート、エチルアセトアセテート、ｔ−ブチルアセトアセテートなどが挙げられる。

また、β−ジカルボン酸エステル化合物は、より具体的には、例えば、マロン酸ジメチル、マロン酸ジエチルなどが挙げられる。

これらニッケル塩は、単独使用または２種類以上併用することができる。

ニッケル塩として、好ましくは、ニッケルの無機金属塩、より好ましくは、マンガンの無機酸塩が挙げられる。

亜鉛塩としては、例えば、亜鉛の無機金属塩、亜鉛の有機金属塩などが挙げられる。

亜鉛の無機金属塩としては、例えば、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩などの無機酸塩、例えば、塩化物、アンモニウム塩などが挙げられる。

亜鉛の有機金属塩としては、例えば、酢酸塩、プロピオン酸塩などから形成される亜鉛のカルボン酸塩、例えば、上記一般式（１）で示されるβ−ジケトン化合物またはβ−ケトエステル化合物、および／または、上記一般式（２）で示されるβ−ジカルボン酸エステル化合物から形成される亜鉛の金属キレート錯体などが挙げられる。

これら亜鉛塩は、単独使用または２種類以上併用することができる。

亜鉛塩として、好ましくは、亜鉛の無機金属塩、より好ましくは、亜鉛の無機酸塩が挙げられる。

希土類元素塩としては、例えば、希土類元素の無機金属塩、希土類元素の有機金属塩などが挙げられる。

希土類元素の無機金属塩としては、例えば、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩などの無機酸塩、例えば、塩化物、アンモニウム塩などが挙げられる。

希土類元素の有機金属塩としては、例えば、酢酸塩、プロピオン酸塩などから形成される希土類元素のカルボン酸塩、例えば、上記一般式（１）で示されるβ−ジケトン化合物またはβ−ケトエステル化合物、および／または、上記一般式（２）で示されるβ−ジカルボン酸エステル化合物から形成される希土類元素の金属キレート錯体などが挙げられる。

これら希土類元素塩は、単独使用または２種類以上併用することができる。

希土類元素塩として、好ましくは、希土類元素の無機金属塩、より好ましくは、希土類元素の無機酸塩が挙げられる。

溶剤としては、例えば、水、アルコール類（例えば、２−プロパノールなど）、エーテル類（例えば、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）など）、ケトン類、エステル類、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類などが挙げられる。

これら溶剤は、単独使用または２種類以上併用することができる。

溶剤として、好ましくは、水、アルコール類、エーテル類などが挙げられる。

分散液は、例えば、ニッケル塩と亜鉛塩と希土類元素塩とを溶剤に配合する方法や、例えば、ニッケル塩および溶剤の混合物と、亜鉛塩と溶剤との混合物と、希土類元素塩と溶剤との混合物とを配合する方法などにより、調製することができる。好ましくは、ニッケル塩および溶剤の混合物と、亜鉛塩と溶剤との混合物と、希土類元素塩と溶剤との混合物とを配合する方法により、分散液を調製する。

このような場合には、ニッケル塩および溶剤の混合物のニッケル塩濃度は、例えば、０．０００１〜１ｍｏｌ／Ｌ、好ましくは、０．０１〜０．１ｍｏｌ／Ｌである。また、亜鉛塩および溶剤の混合物の亜鉛塩濃度は、例えば、０．０００１〜１ｍｏｌ／Ｌ、好ましくは、０．０１〜０．１ｍｏｌ／Ｌであり、希土類元素塩および溶剤の混合物の希土類元素塩濃度は、例えば、０．０００１〜１ｍｏｌ／Ｌ、好ましくは、０．０１〜０．１ｍｏｌ／Ｌである。

そして、それらを配合して得られる分散液（ニッケル塩、亜鉛塩、希土類元素塩および溶剤の混合物）において、ニッケル塩、亜鉛塩および希土類元素塩の濃度（総量）は、例えば、０．０００１〜１ｍｏｌ／Ｌ、好ましくは、０．０１〜０．１ｍｏｌ／Ｌである。

次いで、この方法では、例えば、加熱乾燥、真空凍結乾燥などの公知の方法により、得られた分散液から溶剤を除去し、ニッケル、亜鉛および希土類元素を含む混合物を乾燥させる。好ましくは、真空凍結乾燥させる。

より具体的には、真空凍結乾燥では、まず、分散液を、例えば、−２００〜０℃、好ましくは、−１９６〜−１００℃において、例えば、５〜１２０分間、好ましくは、２０〜４０分間冷却し、凍結（予備凍結）させる。

次いで、真空（具体的には、例えば、０．１〜１００Ｐａ）条件下において、凍結物から溶剤を昇華させ、乾燥物を得る。なお、溶剤は、凍結物を真空条件下におくことで昇華するが、必要により、温度条件を操作（加熱または冷却）することができる。温度操作する場合には、その温度条件は、必要に応じて適宜設定される。

次いで、この方法では、得られた乾燥物を、還元雰囲気（例えば、Ｈ_２／Ａｒ混合気体など）下において、焼成する。

焼成では、乾燥物を、例えば、徐々にかつ断続的に加熱する。このような場合において、加熱時の昇温速度は、例えば、０．１〜２０℃／分、好ましくは、１〜１２℃／分である。また、最高到達温度は、例えば、２００〜１２００℃、好ましくは、３００〜９００℃であり、最高到達温度における保持時間は、例えば、３０〜６００分間、好ましくは、１８０〜３６０分間である。

これにより、ニッケル、亜鉛および希土類元素を含む金属触媒を得ることができる。

なお、金属触媒としては、例えば、市販品として入手されるニッケル金属の微粉末と、市販品として入手される亜鉛金属の微粉末と、希土類元素金属の微粉末と、必要により、市販品として入手されるニッケル亜鉛希土類元素合金の微粉末とを混合し、得られる混合物を用いることもできる。

金属触媒において、ニッケル（ニッケルの金属原子）と亜鉛（亜鉛の金属原子）と希土類元素（希土類元素の金属原子）とは必ず含まれており、それらの含有割合は、ニッケルと亜鉛と希土類元素の総モルに対して、ニッケルが、２０モル％以上、好ましくは、５０モル％以上、より好ましくは、５０〜８０モル％であり、亜鉛が、１０〜６０モル％、好ましくは、１０〜４０モル％、より好ましくは、１０〜２０モル％であり、希土類元素が、５０モル％以下、好ましくは、１０〜４０モル％、より好ましくは、１０〜２０モル％である。

ニッケル、亜鉛および希土類元素の含有割合が、上記の割合であれば、優れた発電性能を得ることができる。

また、金属触媒において、希土類元素に対するニッケルのモル比は、０．４を超過、好ましくは、３を超過、より好ましくは、３．５以上であり、通常、８以下である。

希土類元素に対するニッケルのモル比が上記の範囲であれば、優れた発電性能を得ることができる。

なお、ニッケル、亜鉛および希土類元素の含有割合が上記の範囲である金属触媒は、例えば、上記した金属触媒の製造方法において、ニッケル、亜鉛および希土類元素との配合割合を調整することにより、製造することができる。

より具体的には、上記した金属触媒の製造方法において、ニッケル塩、亜鉛塩および希土類元素塩とを、ニッケル塩に含まれるニッケル（ニッケルの金属原子）のモル数、亜鉛塩に含まれる亜鉛（亜鉛の金属原子）のモル数および希土類元素塩に含まれる希土類元素（希土類元素の金属原子）のモル数が、それらの総モルに対して、上記の割合となるように、配合する。

これにより、ニッケル、亜鉛および希土類元素の含有割合が上記の範囲である金属触媒を、製造することができる。

このような金属触媒として、より具体的には、例えば、Ｎｉ_２Ｚｎ_３Ｌａ_５、Ｎｉ_２Ｚｎ_５Ｌａ_３、Ｎｉ_３Ｚｎ_３Ｌａ_４、Ｎｉ_３Ｚｎ_６Ｌａ_１、Ｎｉ_４Ｚｎ_１Ｌａ_５、Ｎｉ_４Ｚｎ_３Ｌａ_３、Ｎｉ_４Ｚｎ_５Ｌａ_１、Ｎｉ_５Ｚｎ_１Ｌａ_４、Ｎｉ_５Ｚｎ_４Ｌａ_１、Ｎｉ_６Ｚｎ_２Ｌａ_２、Ｎｉ_７Ｚｎ_１Ｌａ_２、Ｎｉ_８Ｚｎ_１Ｌａ_１などが挙げられる。

また、本発明においては、上記により得られたニッケル、亜鉛および希土類元素を、カーボンに担持させ、金属触媒を製造することもできる。

ニッケル、亜鉛および希土類元素をカーボンに担持させるには、例えば、上記した金属触媒の製造方法において、ニッケル塩、亜鉛塩および希土類元素塩とともに、例えば、多孔質のカーボン担体を配合する。

また、カーボン担体を配合する場合において、溶剤とカーボン担体とを均一に混合することが困難である場合などには、さらに、カーボン担体とともに、例えば、アルコール類（例えば、エタノールなど）を配合することもできる。

なお、ニッケル、亜鉛および希土類元素をカーボンに担持させて用いる場合には、ニッケル、亜鉛および希土類元素は、カーボンに担持されるニッケル、亜鉛および希土類元素が、ニッケル、亜鉛、希土類元素およびカーボンの総量に対して、例えば、０．１〜５０重量％、好ましくは、５〜４０重量％となるように使用される。

また、このような金属触媒から燃料側電極２を形成するには、特に制限されないが、例えば、膜−電極接合体を形成する。膜−電極接合体は、公知の方法により形成することができる。例えば、まず、上記した金属触媒と電解質溶液とを混合し、必要によりアルコールなどの適宜の溶剤を添加して粘度を調整することにより、上記した金属触媒の分散液を調製する。次いで、その分散液を、電解質層４（アニオン交換膜）の表面にコーティングすることにより、上記した金属触媒を電解質層４の表面に定着させる。

金属触媒の使用量は、例えば、０．０１〜５ｍｇ／ｃｍ^２である。

この燃料側電極２では、後述するように、供給される、少なくとも水素および窒素を含有する化合物（以下、「燃料化合物」という。）と、電解質層４を通過した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とを反応させて、電子（ｅ⁻）と窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とを生成させる。

酸素側電極３は、電解質層４の他方の面に対向接触されている。この酸素側電極３は、特に限定されないが、例えば、触媒が担持される多孔質電極として形成されている。

上記触媒としては、後述するように、酸素（Ｏ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とから水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を生成させる触媒作用を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０族（ＩＵＰＡＣＰｅｒｉｏｄｉｃＴａｂｌｅｏｆｔｈｅＥｌｅｍｅｎｔｓ（ｖｅｒｓｉｏｎｄａｔｅ１９Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１０）に従う。以下同じ。）元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１族元素など、さらにはこれらの組み合わせなどが挙げられる。なかでも、好ましくは、Ｃｏが挙げられる。触媒の担持量は、例えば、０．１〜１０ｍｇ／ｃｍ^２、好ましくは、０．１〜５ｍｇ／ｃｍ^２である。また、上記触媒は、カーボンに担持させることが好ましい。

また、このような触媒から酸素側電極３を形成するには、特に制限されないが、例えば、上記した燃料側電極２と同様にして、膜−電極接合体を形成する。

この酸素側電極３では、後述するように、供給される酸素（Ｏ_２）と、水（Ｈ_２Ｏ）と、外部回路１３を通過した電子（ｅ⁻）とを反応させて、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を生成させる。

電解質層４は、アニオン交換膜から形成されている。アニオン交換膜としては、酸素側電極３で生成される水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を、酸素側電極３から燃料側電極２へ移動させることができる媒体であれば、特に限定されないが、例えば、４級アンモニウム基、ピリジニ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）が挙げられる。

燃料電池セルＳは、さらに、燃料供給部材５および酸素供給部材６を備えている。燃料供給部材５は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、燃料側電極２に対向接触されている。そして、この燃料供給部材５には、燃料側電極２の全体に燃料を接触させるための燃料側流路７が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この燃料側流路７は、その上流側端部および下流側端部に、燃料供給部材５を貫通する供給口８および排出口９がそれぞれ連続して形成されている。

また、酸素供給部材６も、燃料供給部材５と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、酸素側電極３に対向接触されている。そして、この酸素供給部材６にも、酸素側電極３の全体に酸素（空気）を接触させるための酸素側流路１０が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この酸素側流路１０にも、その上流側端部および下流側端部に、酸素供給部材６を貫通する供給口１１および排出口１２がそれぞれ連続して形成されている。

そして、この燃料電池１は、実際には、上記した燃料電池セルＳが、複数積層されるスタック構造として形成される。そのため、燃料供給部材５および酸素供給部材６は、実際には、両面に燃料側流路７および酸素側流路１０が形成されるセパレータとして構成される。

なお、図示しないが、この燃料電池１には、導電性材料によって形成される集電板が備えられており、集電板に備えられた端子から燃料電池１で発生した起電力を外部に取り出すことができるように構成されている。

また、試験的（モデル的）には、この燃料電池セルＳの燃料供給部材５と酸素供給部材６とを外部回路１３によって接続し、その外部回路１３に電圧計１４を介在させて、発生する電圧を計測することもできる。

そして、本発明においては、上記燃料化合物を含む燃料が、改質などを経由することなく、直接供給される。

この燃料化合物では、水素は窒素に直接結合していることが好ましい。また、燃料化合物は、窒素−窒素結合を有するものが好ましく、炭素−炭素結合を有しないものが好ましい。また、炭素の数はできる限り少ない（できればゼロである）ものが好ましい。

また、このような燃料化合物には、その性能を阻害しない範囲において、酸素原子、イオウ原子などを含んでいてよく、より具体的には、カルボニル基、水酸基、水和物、スルホン酸基あるいは硫酸塩などとして、含まれていてもよい。

このような観点から、本発明において燃料化合物としては、具体的には、例えば、ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ_２ＮＨ_２）_２ＣＯ_２）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ_３ＮＨＮＨ_２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ_３）_２ＮＮＨ_２、ＣＨ_３ＮＨＮＨＣＨ_３）、カルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ_２）_２ＣＯ）などのヒドラジン類、例えば、尿素（ＮＨ_２ＣＯＮＨ_２）、例えば、アンモニア（ＮＨ_３）、例えば、イミダゾール、１，３，５−トリアジン、３−アミノ−１，２，４−トリアゾールなどの複素環類、例えば、ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ）、硫酸ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ・Ｈ_２ＳＯ_４）などのヒドロキシルアミン類などが挙げられる。このような燃料化合物は、単独または２種類以上組み合わせて用いることができる。好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。

上記した燃料化合物のうち、炭素を含まない化合物、すなわち、ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、アンモニア（ＮＨ_３）、ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ）、硫酸ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ・Ｈ_２ＳＯ_４）などは、後述するヒドラジンの反応のように、ＣＯによる触媒の被毒がないので耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。

燃料は、上記例示の燃料化合物をそのまま用いてもよいが、上記例示の燃料化合物を、例えば、水および／またはアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコールなど）などの溶液として用いることができる。この場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、燃料化合物の種類によっても異なるが、例えば、１〜９０重量％、好ましくは、１〜３０重量％である。

さらに、燃料は、上記した燃料化合物をガス（例えば、蒸気）として用いることができる。

そして、酸素供給部材６の酸素側流路１０に酸素（空気）を供給しつつ、燃料供給部材５の燃料側流路７に上記した燃料を供給すれば、酸素側電極３においては、次に述べるように、燃料側電極２で発生し、外部回路１３を介して移動する電子（ｅ⁻）と、水（Ｈ_２Ｏ）と、酸素（Ｏ_２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を生成する。生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）は、アニオン交換膜からなる電解質層４を、酸素側電極３から燃料側電極２へ移動する。そして、燃料側電極２においては、電解質層４を通過した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）と、燃料とが反応して、電子（ｅ⁻）が生成する。生成した電子（ｅ⁻）は、燃料供給部材５から外部回路１３を介して酸素供給部材６に移動され、酸素側電極３へ供給される。このような燃料側電極２および酸素側電極３における電気化学的反応によって、起電力が生じ、発電が行われる。

そして、このような電気化学的反応には、燃料側電極２において、燃料に水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を直接反応させる一段反応と、燃料を、水素（Ｈ_２）と窒素（Ｎ_２）とに分解した後に、分解により生成した水素（Ｈ_２）に水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を反応させる二段反応との２種類の反応がある。

例えば、燃料としてヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）を用いた場合には、一段反応は、燃料側電極２、酸素側電極３および全体として、次の反応式（１）〜（３）で表すことができる。
（１）ＮＨ_２ＮＨ_２＋４ＯＨ⁻→４Ｈ_２Ｏ＋Ｎ_２＋４ｅ⁻ （燃料側電極）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （酸素側電極）
（３）ＮＨ_２ＮＨ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋Ｎ_２（全体）
また、二段反応は、燃料側電極２、酸素側電極３および全体として、次の反応式（４）〜（７）で表すことができる。
（４）ＮＨ_２ＮＨ_２→２Ｈ_２＋Ｎ_２（分解反応；燃料側電極）
（５）Ｈ_２＋２ＯＨ⁻→２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （燃料側電極）
（６）１／２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→２ＯＨ⁻ （酸素側電極）
（７）Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ（全体）
上記反応式（４）に示すように、二段反応では、ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）が、一旦、水素（Ｈ_２）と窒素（Ｎ_２）とに分解するので、その分解反応のためのエネルギーロスを生じる。そのため、二段反応の一段反応に対する割合が多くなると、燃料利用効率の低下や発熱量の増加を招き、ひいては、発電性能の低下が不可避となる。

しかし、この燃料電池１では、上記したように、燃料側電極２には、金属触媒として、ニッケルと亜鉛と希土類元素とが含まれており、燃料側電極におけるニッケルの含有割合が、ニッケルと亜鉛と希土類元素との総モルに対して、２０モル％以上であり、亜鉛の含有割合が、ニッケルと亜鉛と希土類元素との総モルに対して、１０〜６０モル％であり、希土類元素の含有割合が、ニッケルと亜鉛と希土類元素との総モルに対して、５０モル％以下である。この金属触媒は、燃料（上記の例ではヒドラジン）の分解反応（上記式（４）で示される分解反応）を抑制して、燃料の水酸化物イオン（ＯＨ⁻）に対する直接反応（上記式（１）で示される反応）を促進することができる。それゆえ、燃料利用効率の向上、発熱量の抑制を実現でき、ひいては、発電性能の向上を図ることができ、さらには、長期使用においても優れた発電性能を確保することができる。

なお、この燃料電池１の運転条件は、特に限定されないが、例えば、燃料側電極２側の加圧が２００ｋＰａ以下、好ましくは、１００ｋＰａ以下であり、酸素側電極３側の加圧が２００ｋＰａ以下、好ましくは、１００ｋＰａ以下であり、燃料電池セルＳの温度が０〜１２０℃、好ましくは、２０〜８０℃として設定される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。

本発明の燃料電池の用途としては、例えば、自動車、船舶、航空機などにおける駆動用モータの電源や、携帯電話機などの通信端末における電源などが挙げられる。

次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。

（実施例１）
＜３元系金属塩溶液の調製＞
オートサンプラー（ＧＩＬＳＯＮ製、ＧＸ−２７１ＬＨ）にて、下記金属塩溶液を調製した。
・硝酸ニッケル（Ｎｉ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ）水溶液（濃度０．０２ｍｏｌ／Ｌ）
・硝酸亜鉛（Ｚｎ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ）水溶液（濃度０．０１９ｍｏｌ／Ｌ）
・硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ_３）_３・６Ｈ_２Ｏ）水溶液（濃度０．０１１ｍｏｌ／Ｌ）
＜混合分散液の調製＞
オートサンプラー（ＧＩＬＳＯＮ製、ＧＸ−２７１ＬＨ）にて、硝酸ニッケル水溶液１．４８８ｍＬ（硝酸ニッケル換算で０．００００２９８ｍｏｌ）、硝酸亜鉛水溶液２．３４９ｍＬ（硝酸亜鉛換算で０．００００４４６ｍｏｌ）および硝酸ランタン水溶液６．７６３ｍＬ（硝酸ランタン換算で０．００００７４４ｍｏｌ）を混合した。

混合液において、金属塩の総濃度、すなわち、硝酸ニッケル、硝酸亜鉛および硝酸ランタンの濃度（総量）は０．０１４ｍｏｌ／Ｌであり、また、仕込み含有割合は、金属基準として、ニッケル、亜鉛およびランタンの総モルに対して、ニッケルが５０モル％であり、亜鉛が４０モル％であり、ランタンが１０モル％であった（Ｎｉ：Ｚｎ：Ｌａ＝２０：３０：５０（モル比））。

また、ランタンに対するニッケルのモル比が、０．４０であった（Ｎｉ／Ｌａ＝０．４０）。

次いで、混合液に、カーボン担体（ライオン社製、ＥＣＰ−６００ＪＤ）０．０５ｇを配合した。なお、このとき、ニッケル、亜鉛およびランタンの重量割合（総量）は、カーボン担体、ニッケル、亜鉛およびランタンの総量に対して、２３重量％であった。

その後、ホモジナイザー（タイテック製、ＶＰ−０５０）を出力１０〜２０％で稼動させ、約３分間攪拌し、分散液（スラリー）を得た。
＜予備凍結＞
分散液を、大気圧下、液体窒素（−１９６℃）で３０分間冷却し、凍結させた。
＜真空凍結乾燥＞
真空凍結乾燥器（Ｌａｂｃｏｎｃｏ製、ＦＺ−１２型）にて、表１に示す乾燥プログラムに従って温度操作し、溶剤を昇華させた。これにより、乾燥物を得た。

＜焼成＞
ガスフロー焼成炉（ラウンドサイエンス製）にて、乾燥物を、Ｈ_２／Ａｒ混合気体（Ｈ_２／Ａｒ＝１０／９０（体積比））の存在下において、表２に示す焼成プログラムに従って温度操作し、焼成した。これにより、金属触媒を得た。

その後、焼成炉内を窒素雰囲気に置換し、金属触媒を取り出した。

（実施例２〜１２および比較例１〜８）
硝酸ニッケル水溶液、硝酸亜鉛水溶液および硝酸ランタン水溶液の配合割合を、表３〜５に示す通りとした以外は、実施例１と同様にして、金属触媒を得た。

なお、実施例１〜１２および比較例１〜８では、カーボン担体を均一に混合するため、エタノールを数滴（１〜５滴）配合した。

（比較例９〜１２）
表６に示す割合（金属基準）でニッケルおよび亜鉛が含有されるように、硝酸ニッケルおよび硝酸亜鉛を、１０質量％硝酸に溶解させ、均一な混合溶液を調製した。

次いで、得られた混合溶液を、エアロゾルアトマイザー（モデル３０７６、ＴＳＩ社製）を用いて、霧状の液滴とし、この液滴をキャリアガス（窒素）とともに７００℃の炉内に高速噴霧した後、生成物をポリテトラフルオロエチレンフィルタで回収し、乾燥させた。

その後、得られた生成物を、５００℃、５％水素含有窒素環境下において４時間保持することにより還元させ、合金（金属触媒）を得た。

得られた金属触媒中における、ニッケルおよび亜鉛の含有割合（金属基準）を、表６に示す。

（評価）
各実施例および各比較例により得られた金属触媒からなる燃料側電極について、それぞれのテストピースを作製して、活性を測定した。
＜テストピースの作成＞
まず、各実施例および各比較例の金属触媒０．００５ｇ、純水４ｍＬ、２−プロパノール０．７５ｍＬを混ぜ、超音波分散器にて１０分間、分散処理した。

次いで、その分散液に、テトラヒドロフラン０．２３ｍＬおよびイオノマー２０μＬの混合溶液を加え、超音波分散器にて１０分間、分散処理した。

その後、得られた分散液をマイクロピペットにて４０μＬ取り、電気化学活性評価用の作用電極上に滴下し、室温にて約１時間乾燥させた。これにより、各実施例および各比較例のテストピースを得た。
＜活性測定＞
各テストピースを用い、また、電解液として１ＭのＫＯＨと１Ｍ水加ヒドラジンとの混合液を用いて、ヒドラジンの酸化活性を評価した。

測定条件を以下に示す。
（測定ｉ（耐久試験１））
電位幅；−０．１３Ｖ〜０．２２Ｖ（ｖｓ．水素可逆電位（ＲＨＥ））
走査速度；５ｍＶ／ｓ
測定温度；６０℃
参照電極；Ｚｎ／ＺｎＯ（０．４３Ｖｖｓ．ＲＨＥ（６０℃）／１ＭＫＯＨ）
補助電極；Ｐｔワイヤー
サイクル数；６サイクル
（測定ｉｉ（耐久試験２））
電位幅；−０．１３Ｖ〜０．２２Ｖ（ｖｓ．水素可逆電位（ＲＨＥ））
走査速度；２０ｍＶ／ｓ
測定温度；６０℃
参照電極；Ｚｎ／ＺｎＯ（０．４３Ｖｖｓ．ＲＨＥ（６０℃）／１ＭＫＯＨ）
補助電極；Ｐｔワイヤー
サイクル数；１００サイクル
（測定ｉｉｉ（耐久試験後））
電位幅；−０．１３Ｖ〜０．２２Ｖ（ｖｓ．水素可逆電位（ＲＨＥ））
走査速度；５ｍＶ／ｓ
測定温度；６０℃
参照電極；Ｚｎ／ＺｎＯ（０．４３Ｖｖｓ．ＲＨＥ（６０℃）／１ＭＫＯＨ）
補助電極；Ｐｔワイヤー
サイクル数；６サイクル
測定ｉｉｉ（耐久試験後）における活性評価の結果を、表３〜６に示す。

表３〜６に示すように、各実施例の金属触媒は、各比較例の金属触媒に比べて、酸化開始電位が低く、発電性能、とりわけ、耐久試験後の発電性能に優れていた。

２燃料側電極
３酸素側電極
４電解質層
Ｓ燃料電池セル

Claims

電解質層と、前記電解質層を挟んで対向配置され、燃料が供給される燃料側電極、および、酸素が供給される酸素側電極とを備える燃料電池において、
前記電解質層は、アニオン交換膜であり、
前記燃料は、少なくとも水素および窒素を含有する化合物を含み、
前記燃料側電極は、ニッケルと亜鉛と希土類元素とを含み、
ニッケルと亜鉛と希土類元素の総モルに対して、
ニッケルの含有割合が、２０モル％以上であり、
亜鉛の含有割合が、１０〜６０モル％であり、
希土類元素の含有割合が、５０モル％以下であること
を特徴とする、燃料電池。
前記燃料が、ヒドラジン類であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。