JP4901143B2 - 電極触媒、燃料極用電極、燃料電池装置及び電極触媒製造方法 - Google Patents
電極触媒、燃料極用電極、燃料電池装置及び電極触媒製造方法 Download PDFInfo
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Description
また、前記電極触媒において、前記Aサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成し、かつイオン半径が0.09nm以上0.18nm以下の元素から選択される少なくとも一種の元素であり、前記Bサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成し、かつイオン半径が0.05nm以上0.10nm以下の元素から選択される少なくとも一種の元素であることが望ましい。
酸化剤極と、
前記燃料極及び前記酸化剤極とで挟持された電解質膜と、
を具備し、液体燃料が前記燃料極に、酸化剤が前記酸化剤極に供給されることにより電力を発生する起電部を具備することを特徴とする燃料電池である。
本発明の実施形態にかかる電極触媒は、直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用の電極触媒であって、例えばメタノールやメタノール水溶液等の液体燃料酸化触媒能を有する金属粒子と、ABO3−δ(但し、式中δは酸素欠損量を示し、0.01≦δ≦1.0、Aサイト元素及びBサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成する元素から選択される少なくとも一種の元素)で表される酸素欠損型ペロブスカイト酸化物とを含む。以下に、各成分についてさらに説明する。
液体燃料酸化触媒能を有する金属粒子としては、貴金族元素(Pt,Pd,Rh,Ru,Ir,Os,Au,Ag等)や卑金属元素(Y,La,Ce,Pr,Nd,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ca,Mg,Al,K,Ti,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Ga,Rb,Sr,Zr,Nb,Mo,In,Sn,Cs,Ba,Ta,W等)が挙げられる。これらの金属は一種のみからなるものでもよいし、複数種を組み合わせたものであっても良い。
前記一般式で表される酸素欠陥型ペロブスカイト酸化物において、Aサイト元素としては、酸素と結合した際に酸性酸化物又は両性酸化物を形成する元素から選択される少なくとも一種の元素を用いる。中でも酸素と結合した際、酸性酸化物を形成する元素を用いた化合物は耐酸性が高く安定なペロブスカイト結晶構造を形成しやすく、触媒活性も高い傾向にあるため好ましい。
上述の如く、本発明の実施形態にかかる電極触媒は、前記金属粒子と、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物とを含むものであるが、金属粒子が微粒子でありまた、酸素欠陥型ペロブスカイト酸化物が微粒子結晶の形態であると、触媒活性がより高くなる傾向にあるため好ましい。
上記の2成分の他に、本実施形態にかかる電極触媒は、導電助剤を含むことが望ましい。従来、無機固体酸化物を担持体とする触媒はその電子導電性が低いため、電極触媒として利用することが困難であった。触媒層の電子導電性が低いと電極の内部抵抗が増大し、結果として燃料電池出力の低下を招くためである。そこで、本発明にかかる電極触媒は担体と電子導電助剤を混合することが望ましい。それにより、触媒層の電子導電性を向上させる特徴を持つ。
本実施形態にかかる電極触媒中の前記金属の含有率としては、触媒の全重量に対する重量比(mass%)として、0.05mass%以上60mass%以下であることが好ましく、その中でも5mass%以上50mass%以下であることがより好ましい。金属の含有率が、0.05mass%未満では触媒作用が得られず、60mass%以上では、ペロブスカイト表面における金属種が過剰となり、粗大粒子等が生成されるために触媒金属の利用効率が低下するため、電極触媒としては十分な触媒性能を得ることができない。
本実施形態にかかるメタノール電極触媒は、例えば次のように調製することができる。すなわち既知の方法にて原料組成を調製することにより得た本発明にかかる組成の酸素欠損型ペロブスカイト酸化物、金属粒子、さらに必要に応じて導電助剤の成分を溶媒に加えて混合し、均一な懸濁液を得る。懸濁液から溶媒を乾燥することにより除去して電極触媒を得る。
直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用電極は、前記触媒をそのまま使用しても良いが、電極支持体に担持させて使用することが実用的である。
以下に前記電極を用いた直接液体燃料供給型燃料電池の構造の一実施形態について述べる。上記触媒を適用する燃料電池は、パッシブ型燃料電池であってもよく、アクティブ型燃料電池であっても良い。
図1中、筐体1a、1b内に電解質膜2と、それを挟持する酸化剤極(カソード)3と燃料極(アノード)4を有し、それらの外側に酸化剤流路5と液体燃料流路6を具備してなる。
図2に示す合成スキームに従って触媒の合成を行い、酸素欠損型ペロブスカイト酸化物ABO3−δ(AはLaで占有率は0.8、BはCo、δは0.3)を合成した。
同様に合成した酸素欠損型ペロブスカイト酸化物ABO3−δ(AはLaで占有率は0.9、BはMn、δはおよそ0.15)を担体として、Pt−Ruを30mass%担持したときのCV測定を行った。
比較用として通常のカーボン粉末担体を用いて、Pt−Ruを30mass%担持したときのCV測定を行った。
Srのようなアルカリ性酸化物を形成するカチオンが含有していた場合の耐酸性について比較するため、アルカリ性元素を含有する酸素欠損型ペロブスカイト酸化物ABO3−δ(AはLaとSrで、占有率がLaは0.8、Srは0.2、BはMn、δはおよそ0.1)を担体として、Pt−Ruを30mass%担持したときのCV測定を行った。
1b.・・・筐体
2・・・電解質膜
3・・・酸化剤極
4・・・燃料極
5・・・酸化剤流路
6・・・液体燃料流路
Claims (10)
- 直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用の電極触媒であって、前記液体燃料酸化触媒能を有する金属粒子と、ABO3−δ(但し、式中δは酸素欠損量を示し、0.01≦δ≦1.0、Aサイト元素及びBサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成する元素から選択される少なくとも一種の元素(Bサイト元素はTiを除く))で表される酸素欠損型ペロブスカイト酸化物を含むことを特徴とする電極触媒。
- 前記Aサイト元素は酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成する元素から選択される少なくとも一種の元素であり、前記Bサイト元素はMn,Ta,W,Cr,Sn,Co,ZnとGaからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素で表される酸素欠損型ペロブスカイト酸化物を含むことを特徴とする請求項1または請求項1に記載の電極触媒。
- 前記金属粒子は、白金族元素鉄族元素、及び周期表第Ib族元素のうちから選択される少なくとも一種の金属粒子であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電極触媒。
- Aサイト元素は、酸素と結合して酸性酸化物または両性酸化物を形成し、かつイオン半径が0.09nm以上0.18nm以下の元素から選択される少なくとも一種の元素であり、Bサイト元素はMn,Ta,W,CrとSnからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であることを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の電極触媒。
- 前記金属粒子が、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物の粒子に担持されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4に記載の電極触媒。
- さらに導電助剤を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載の電極触媒。
- 直接液体燃料供給型燃料電池の燃料極用電極であって、電極支持体と、その電極支持体に担持された触媒とを具備し、前記触媒は請求項1乃至請求項6に記載の電極触媒を具備することを特徴とする燃料極用電極。
- 請求項7記載の燃料極用電極を具備する燃料極と、
酸化剤極と、
前記燃料極及び前記酸化剤極とで挟持された電解質膜と、
を具備し、液体燃料が前記燃料極に、酸化剤が前記酸化剤極に供給されることにより電力を発生する起電部を具備することを特徴とする燃料電池。 - 請求項1乃至請求項6に記載の電極触媒の製造方法であって、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とを混合又は前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とを混合する工程と、水素雰囲気下で加熱還元する工程とを具備することを特徴とする電極触媒製造方法。
- 前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物と前記金属粒子とを混合する前記工程は、前記酸素欠損型ペロブスカイト酸化物の粒子に前記金属粒子を担持させる工程を行うことを特徴とする請求項9記載の電極触媒製造方法。
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