JP4915840B2

JP4915840B2 - 燃料電池用触媒、燃料電池、及び、燃料電池用触媒の製造方法

Info

Publication number: JP4915840B2
Application number: JP2006114977A
Authority: JP
Inventors: 純一尾崎; 潤山崎; 朝男大谷; 裕行岡本
Original assignee: Gunma University NUC; Asahi Group Holdings Ltd
Current assignee: Gunma University NUC; Asahi Group Holdings Ltd
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-04-18
Also published as: JP2007287530A

Description

本発明は、燃料電池、それに好適な触媒及びその製造方法に関する。

燃料電池は、固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、アルカリ水溶液形燃料電池に分類されうる。燃料電池は、燃料極（マイナス極）と空気極（プラス極）との間に電解質物質を挟んで構成され、この電解質物質の種類によって形式が分類されうる。
特開２００４−３３０１８１号公報特開２００３−３４２５８４号公報

リン酸型燃料電池及び高分子電解質形燃料電池では、燃料極（マイナス極）及び空気極（プラス極）として白金系の触媒が使用され、これが燃料電池の価格を高くする原因となっている。例えば、自動車１台に要求される電力を１００ｋＷとすると、自動車１台あたりに必要な白金の価格は３０万円程度と言われている。
本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、安価で比較的高い発電効率を提供することができる燃料電池、それに好適な触媒及びその製造方法を目的とする。

本発明の第１の側面は、燃料電池用触媒に係り、該燃料電池用触媒は、酵母の細胞壁の炭化物を含む。前記燃料電池用触媒は、ビール糟の炭化物を更に含んでもよい。前記燃料電池用触媒は、前記炭化物に白金微粒子を担持させてなることが好ましい。

本発明の第２の側面は、燃料電池に係り、該燃料電池は、電解質物質を燃料極及び空気極で挟んで構成され、前記燃料極及び前記空気極が上記の燃料電池用触媒を含む。

本発明の第３の側面は、炭化物を含む燃料電池用触媒の製造方法に係り、該方法は、酵母の細胞壁を高圧成形して固形体を形成し、該固形体を乾留により炭化させることを含む。

本発明によれば、安価で比較的高い発電効率を提供することができる燃料電池、それに好適な触媒及びその製造方法が提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態の燃料電池の概略構成を示す図である。本発明の好適な実施形態の燃料電池１００は、水素イオンを通す電解質物質３０を燃料極１０と空気極２０とで挟んで構成される。電解質物質３０としてリン酸を含む電解質物質を使用する燃料電池は、リン酸形燃料電池と呼ばれる。電解質物質３０として高分子電解質物質（高分子イオン交換膜）を使用する燃料電池は、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）と呼ばれる。

燃料極１０は、酵母の少なくとも一部分を炭化させた炭化物で構成された多孔質導電性物質に白金微粒子（粒子径は、例えば２〜５ｎｍ）を担持させた燃料極触媒層１２を含む。燃料極１０は、必要に応じて、燃料極触媒層１２を支持する多孔質導電性支持層１１を含みうる。

空気極２０は、酵母の少なくとも一部分を炭化させた炭化物で構成された多孔質導電性物質に白金微粒子（粒子径は、例えば２〜５ｎｍ）を担持させた空気極触媒層２２を含む。空気極２０は、必要に応じて、空気触媒層２２を支持する多孔質導電性支持層２１を含みうる。

燃料極１０に水素を供給し、空気極２０に酸素を供給すると、燃料極触媒層１２において水素が電子を放出して水素イオンとなる。電子は、負荷（電気回路）４０を通して空気極２０に移動する。水素イオンは、電解質物質３０中を空気極２０に向かって移動し、空気極２０において、酸素、及び、負荷４０を通して移動してくる電子と結合して水を生成する。

この実施形態では、触媒層１２、２２の材料である炭化物（以下、材料炭化物）は、酵母の少なくとも一部分を炭化して構成される。ここで、酵母の一部分は、酵母の細胞壁を含みうる。酵母の細胞壁は、酵母から酵母エキスを搾り出した後に残る部分である。

材料炭化物は、例えば、酵母の少なくとも一部分を高圧で成型して固形体を形成し、次いで、該固形体を乾留（部分燃焼を含む）させて炭化することによって製造されうる。炭化物の製造方法については、例えば、特開２００３−３４２５８４号公報、特開平０１−１１２９７２号公報、特開平２−２９４３９１号公報、特開２０００−２４０８６４号公報等に記載されている。

図２は、本発明の好適な実施形態の材料炭化物の特性（評価結果）を示すグラフである。図２における横軸は、標準水素電極（ＮＨＥ）を基準電極とする電位であり、図２における縦軸は、電極断面積あたりの電流値である。図２の示す特性は、酸素飽和水溶液を電解液として回転ディスク電極法にしたがって材料炭化物を評価した結果である。

回転ディスク電極法は、ディスク状の電極を高速で回転させることによって電極表面に層流を形成し、反応体の拡散供給を一定にしつつ、電流−電圧曲線（ボルタモグラム）を測定する手法である。

図２において、「ＸＣ７２」は、比較例として挙げたものであり、Ｃａｒｂｏｔ社のファーネスブラックＸＣ−７２Ｒである。「ＸＣ７２」は燃料電池触媒の白金担体として広く用いられている標準的なカーボンブラックである。また、「ＹＳＴ」は、酵母を炭化させて得られる材料炭化物であり、「ＹＣＷ」は、酵母の細胞壁を炭化させて得られる材料炭化物であり、「８０ＢＥＧ−２０ＹＳＴ」は、８０％がビール糟、２０％が酵母で構成される原料を炭化させて得られる材料炭化物である。

図２において、電流が流れ始めるポイントにおける電位が大きいほど特性が優れている。注目すべきは、現在の燃料電池における標準的な材料炭化物である「ＸＣ７２」よりも、本発明の好適な実施形態における「ＹＣＷ」、「８０ＢＥＧ−２０ＹＳＴ」、「ＹＳＴ」の方が優れた特性を示していることである。「ＹＣＷ」、「８０ＢＥＧ−２０ＹＳＴ」、「ＹＳＴ」は、材料の時点で「ＸＣ７２」よりも優れた特性を有しているため、より少ない白金微粒子の担持量で「ＸＣ７２」に白金微粒子を担持させたものと同等の性能を達成することができる。

よって、「ＹＣＷ」、「８０ＢＥＧ−２０ＹＳＴ」、「ＹＳＴ」等のように酵母の少なくとも一部分を炭化させた炭化物を材料炭化物として使用することにより、「ＸＣ７２」に白金微粒子を担持させた触媒層と同等の性能を有する触媒層を得るために要する白金微粒子の量を減らすことができる。したがって、この実施形態のように、酵母の少なくとも一部分を炭化させて材料炭化物を得ることによって、安価で比較的高い発電効率を提供することができる燃料電池用触媒及びそれを有する燃料電池を得ることができる。

燃料電池での反応に関与する電子数は２、あるいは４である。２の場合の生成物は過酸化水素、４の場合の生成物は水である。電極の劣化を防ぐ観点から４の場合の反応が望ましい。二つの還元反応が同時におこる場合、反応関与電子数は、２と４の間にある。「８０ＢＥＧ−２０ＹＳＴ」及び「ＹＳＴ」については３．５、「ＹＳＴ」については３．４である。数値が４に近いということは、より望ましい反応の比率が高いことを意味する。

本発明の好適な実施形態の燃料電池の概略構成を示す図である。本発明の好適な実施形態の材料炭化物の特性（評価結果）を示すグラフである。

符号の説明

１０燃料極
１１多孔質導電性支持層
１２燃料極触媒層
２０空気極
２１多孔質導電性支持層
２２空気極触媒層
１００燃料電池

Claims

酵母の細胞壁の炭化物を含むことを特徴とする燃料電池用触媒。
ビール糟の炭化物を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒。
電解質物質を燃料極及び空気極で挟んで構成される燃料電池であって、
前記燃料極及び前記空気極が請求項１又は２に記載の燃料電池用触媒を含むことを特徴とする燃料電池。
炭化物を含む燃料電池用触媒の製造方法であって、
酵母の細胞壁を高圧成形して固形体を形成し、該固形体を乾留により炭化させることを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。