JP5217236B2

JP5217236B2 - ＲｕＴｅ２及びＮ元素を含む燃料電池用触媒と、この燃料電池用触媒を用いた燃料電池用電極材料及び燃料電池

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Publication number: JP5217236B2
Application number: JP2007129481A
Authority: JP
Inventors: 善則原; 弘昭板垣
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: JP2008287930A

Description

本発明は、ＲｕＴｅ_２及びＮ元素を含む燃料電池用触媒と、この燃料電池用触媒を用いた燃料電池用電極材料及び燃料電池に関する。
本発明はまた、この燃料電池を用いた燃料電池スタック及び燃料電池システムに関する。

近年、エネルギーのより一層の効率化と環境問題の解決のために、燃料電池を自動車の動力源とすることにより排気ガスをクリーンにすることが試みられており、その普及に大きな関心が寄せられている。特に、燃料自動車（ＦＣＨＶ）用燃料電池として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）の実用化に向けた開発が急速に進んでいる。

燃料電池は、アノードに燃料、カソードに酸化剤をそれぞれ供給し、アノードとカソード間の電位差を電圧として取り出し、負荷に供給する発電装置であり、アノード燃料としては水素が、酸化剤としては一般的には空気中の酸素が用いられる。燃料電池は、アノード極とカソード極とその間に挟まれた電解質で構成されており、固体高分子型燃料電池においては、電解質としてイオン交換膜が用いられている。具体的には、電解質としてのイオン交換膜の両面に触媒層が形成され、該触媒層の外側にそれぞれアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層が一体に形成されてなる電解質膜／電極接合体が、隔壁板、電解質膜／電極接合体及び隔壁板の積層体よりなる単位セルとして、用途に応じた所望の電圧が得られるように数十セルから数百セル積層されて燃料電池が構成されている。

このような燃料電池では、アノード触媒層に水素が到達すると電気化学的反応過程によりプロトンと電子が生ずる。ここで生成したプロトンは順次電解質中を移動してカソードに達する。一方、電子は、外部負荷を経由してカソードに送られる。カソード触媒層では、外部負荷を経由して送られてきた電子と、酸化剤としての空気中の酸素と、電解質中を移動してきたプロトンとが電気化学的反応過程により結合して水を生成する。

従来、このような燃料電池の触媒としては、カソード、アノードとも、高価で資源的にも問題がある白金等の貴金属を主体にした触媒が使用されており、その使用量は、同じ動力を発生するガソリン車の排気ガス浄化用触媒に使用される白金の量よりも相当に多量となっている。

従って、燃料電池を商業的に実用化するためには、価格的にも資源的にも問題のある白金等の貴金属を主体とした触媒に代わる、安価で実用に供しうる燃料電池用触媒の開発が必須の課題の一つとなる。

非特許文献１には、活性成分としてのＲｕを尿素で処理しカーボンブラックに担持したＲｕＮｘ／カーボンブラック触媒が開示されている。この非特許文献１では、塩基性有機化合物であるＮＨ_３や尿素の効果が検討され、尿素の添加により酸素還元反応活性が向上するという効果が得られるが、ＮＨ_３添加の効果はほとんどなく、Ｒｕ元素に窒素原子を導入すれば必ず酸素還元反応活性が向上するのではないことが示されている。また、窒素供給源化合物はＮＨ_３等の塩基性有機化合物のみが開示されており、硝酸のような酸性無機窒素含化合物の開示はなく、示唆もない。もとより、非特許文献１における活性成分の中心元素はＲｕのみであり、ＲｕＴｅ_２についての開示はなされていない。

非特許文献２では、Ｒｕ／Ｃ触媒をＦｅ（１，１０−フェナントロリン）_３及びＮＨ_３で処理した触媒が開示されている。また、非特許文献３ではＲｕＮｘ／Ｃ触媒とＲｕＦｅＮｘ／Ｃ触媒が開示されているが、いずれも活性成分の中心金属はＲｕ元素のみであり、ＲｕＴｅ_２については一切開示されていない。また、酸素還元反応が向上する機構は解明されてはいないため、ＲｕＴｅ_２にＮ元素及びＦｅ元素の添加効果が示唆されるものでもない。

一方、特許文献１には、炭素系基体などに被着されたＲｕＴｅ_２触媒が開示され、基体に更に遷移金属が被着されてもよく、遷移金属としてＦｅ元素が例示されている。しかし、この特許文献１においては、製造された触媒のＴｅ／Ｒｕの比が所定の値を超えると活性が著しく向上するということが発明として開示されているのみであり、Ｆｅ元素等のその他の触媒成分は、この発明の効果を損なわない限り基体にさらに被着されてもよいとされているのみである。もとより、この特許文献１には、Ｎ元素についての記載はなく、ＲｕＴｅ_２にＮ元素を組み合わせることによる酸素還元反応開始電位（ＯｎｓｅｔＰｏｔｅｎｔｉａｌ）の向上については何ら示唆されていない。
ＷＯ２００６／１３７３０２ Journal of The Electrochemical Society 154(2）(2007）A123 Lingyum Liu et al. Journal of Electroanalytical Chemistry 578(2005）339 M．Bron et al. Journal of Power Sources 162(2006）1099 Lingyun Liu et al.

特許文献１に記載されるように、ルテニウムとテルルの合金を燃料電池用触媒として用い得ることは知られているが、この燃料電池用触媒は、０．５Ｖ程度以下（卑）において高いカソード活性を示すものの、酸素還元反応開始電位が低いために、高い電位を与え得る燃料電池用触媒としては難点があり、その実用化に当たっては、酸素還元反応開始電位を向上させる必要があった。

従って、本発明は、安価で、白金等の貴金属触媒に代替しうる、優れた触媒作用を発揮するＲｕＴｅ_２系燃料電池用触媒であって、酸素還元反応開始電位が高い燃料電池用触媒と、この燃料電池用触媒を用いた燃料電池用電極材料、燃料電池、燃料電池スタック及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明者等は、上記状況に鑑み鋭意検討した結果、安価で、白金等の貴金属触媒に代替しうる、優れた触媒作用を発揮する燃料電池用触媒であるＲｕＴｅ_２に、Ｎ元素、或いは更にＦｅ元素を加えることにより、酸素還元反応開始電位が上昇し、より高い電位で多くの電流を与える燃料電池触媒が得られることを見出した。
本発明は、このような知見をもとに完成されたものであり、以下を要旨とする。

［１］活性成分としてＲｕＴｅ_２を含む触媒であって、活性成分が、Ｎ元素を含む化合物で加熱処理された炭素系基体に被着されていることを特徴とする燃料電池用触媒。

［２］［１］において、炭素系基体が更にＦｅ元素を含む化合物で加熱処理されていることを特徴とする燃料電池用触媒。

［３］イオン交換膜と、該イオン交換膜上に形成された［１］又は［２］に記載の燃料電池用触媒の層とを有することを特徴とする燃料電池用電極材料。

［４］電極ガス拡散層と、該電極ガス拡散層上に形成された［１］又は［２］に記載の燃料電池用触媒の層とを有することを特徴とする燃料電池用電極材料。

［５］転写用フィルムと、該転写用フィルム上に形成された［１］又は［２］に記載の燃料電池用触媒の層とを有することを特徴とする燃料電池用電極材料。

［６］［１］又は［２］に記載の燃料電池用触媒を用いたことを特徴とする燃料電池。

［７］［６］に記載の燃料電池を用いたことを特徴とする燃料電池スタック。

［８］［７］に記載の燃料電池スタックを用いたことを特徴とする燃料電池システム。

本発明によれば、高価で資源的にも問題のある白金等の貴金属触媒に代替し得る、良好な触媒作用を示し、酸素還元反応開始電位が高められた、安価で実用的な燃料電池用触媒と、この燃料電池用触媒を用いた燃料電池用電極材料、燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池システムが提供される。
本発明によれば、印加電圧耐久性に優れた安価な燃料電池用触媒により、実用的な燃料電池が提供されるため、燃料自動車、固定式コジェネレーションシステム等への燃料電池の用途の拡大と実用化が促進される。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

［燃料電池用触媒］
本発明の燃料電池用触媒は、活性成分として、ＲｕＴｅ_２とＮ元素、或いは更にＦｅ元素とを含む。
本発明の燃料電池用触媒は活性成分としてＲｕＴｅ_２とＮ元素、或いは更にＦｅ元素のみを含むものであっても良く、更に他の遷移金属よりなるその他の活性成分を含むものであっても良い。
また、本発明の燃料電池用触媒は、活性成分のみからなるものであっても良く、活性成分を基体に被着させたものであっても良い。

なお、以下において、活性成分が基体に被着されておらず、実質的に活性成分のみから構成される燃料電池用触媒を「純触媒（essential catalyst）」と称し、活性成分を基体に被着させた燃料電池用触媒を「被着触媒（adhered catalyst）」と称す場合がある。

<活性成分>
本発明の燃料電池用触媒は、活性成分としてＲｕＴｅ_２とＮ元素、或いは更にＦｅ元素を含有するが、このＲｕＴｅ_２とＮ元素、或いは更にＦｅ元素の他に、他の成分を、本発明の効果を損なわない範囲で含んでいても良く、この場合、その他の成分としては、ルテニウム（Ｒｕ）及び／又はテルル（Ｔｅ）が挙げられる。

ＲｕＴｅ_２に加えるＮ元素供給源化合物としては、ＮＨ_３、アミン系化合物、ピリジン系化合物等の有機化合物、脂肪族ニトロ化合物、芳香族ニトロ化合物のほか、ヘテロ環式化合物、ＨＮＯ_３、ＨＮＯ_２等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ＲｕＴｅ_２に加えるＦｅ元素供給源化合物としては、シュウ酸第一鉄ＦｅＣ_２Ｏ_４・２Ｈ_２Ｏ、塩化第一鉄ＦｅＣｌ_２・ｎＨ_２Ｏ、無水塩化第二鉄ＦｅＣｌ_３、硫酸第一鉄ＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ、スルファミン酸第一鉄溶液Ｆｅ（ＮＨ_２ＳＯ_３）_２・５Ｈ_２Ｏ、硝酸第二鉄Ｆｅ（ＮＯ_３）_３・９Ｈ_２Ｏ等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。

本発明の燃料電池用触媒が活性成分として、ＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素以外に、Ｒｕを更に含む場合、その含有量は、Ｒｕ元素換算で、触媒に含まれるＲｕＴｅ_２中のＲｕ元素に対して好ましくは５倍モル以下、更に好ましくは３倍以下、最も好ましくは１倍以下である。
また、本発明の燃料電池用触媒が活性成分としてＴｅを更に含む場合、その含有量は、Ｔｅ元素換算で、触媒に含まれるＲｕＴｅ_２のＲｕ元素に対して、好ましくは１０倍モル以下、更に好ましくは５倍モル以下、最も好ましくは２倍モル以下である。
これらの存在比がこの範囲を上回ると活性が低くなりやすくなる。
なお、本発明の燃料電池用触媒が活性成分として、ＲｕＴｅ_２とＮ元素、或いは更にＦｅ元素の他にＲｕとＴｅとを含む場合、これらの含有量は合計の元素換算で触媒に含まれるＲｕＴｅ_２中のＲｕ元素に対して５倍モル以下、更に好ましくは３倍モル以下、最も好ましくは１倍モル以下であることが好ましい。

触媒中の各元素の存在比は、常法に従い、触媒を秤量後、アルカリ溶融して分解し、酸を添加後定容して誘導結合プラズマ発光分光分析法により定量することができる。

なお、活性成分を構成するテルルは、ＲｕＴｅ_２を構成するＴｅ元素であってもよく、ＴｅＯ_２，ＴｅＯ_３等の酸化物、Ｈ_２ＴｅＯ_３，Ｈ_６ＴｅＯ_６等のオキソ酸、ＴｅＣｌ_２，ＴｅＢｒ_２等の塩化物などの無機化合物、及びテルロフェン等の有機化合物の形態をとっていても良い。また、ルテニウムも、金属元素、酸化物、塩化物等の無機化合物の他、有機化合物と結合する形態をとることができる。例えば、ルテニウムは、ＲｕＴｅ_２を構成するＲｕ元素であってもよく、ＲｕＯ，ＲｕＯ_２等の酸化物、ＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏ等の塩化物やＲｕ（ＮＯ）（ＮＯ_３）_３等の無機化合物、ルテニウムアセチルアセトネートＲｕ（ａｃａｃ）_３及びＲｕ_３（ＣＯ）_１２等の有機化合物と結合する形態をとっていても良い。

Ｎ元素も、ＮＯ，ＮＯｘ等の酸化物、脂肪族ニトロ化合物、芳香族ニトロ化合物、ピリジン、トリアジンといった６員環を含む複素環式化合物の形態をとっても良い（以下において、これらを「窒素成分」と称す。）。
Ｆｅ元素も、Ｆｅ元素であってもよく、ＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３等の酸化物、硫酸第一鉄ＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ、スルファミン酸第一鉄溶液Ｆｅ（ＮＨ_２ＳＯ_３）_２・５Ｈ_２Ｏ、硝酸第二鉄Ｆｅ（ＮＯ_３）_３・９Ｈ_２Ｏの形態をとっても良い（以下において、これらを「鉄成分」と称す。）。

活性成分を構成するこれらテルル成分及びルテニウム成分及び窒素成分及び鉄成分は、それぞれ結合を有さずに存在しても良いし、結合を有して存在しても良い。これらが結合を有して存在している場合で、元素同士が直接結合している場合は、活性成分としてはいわゆる合金の形態を有するものが挙げられる。
また、ＲｕＴｅ_２成分、窒素成分、更には鉄成分が結合を有する場合、相互作用により酸素還元反応開始電位が高くなることが期待される。

本発明の燃料電池用触媒中の活性成分を構成する元素の存在形態は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）で確認することができる。即ち、例えば、後述の基体に被着された活性成分に対してＸ線（Ｃｕ−Ｋα線）を照射し、その回折スペクトルを観察することによって確認することができる。

その測定装置及び測定条件としては、例えば以下のものが挙げられるが、本発明の燃料電池用触媒のＸＲＤ分析手法は、何ら以下の測定装置及び測定条件に限定されるものではない。

（粉末ＸＲＤ分析）
測定装置
粉末Ｘ線解析装置／ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌＰＷ１７００
測定条件
Ｘ線出力（Ｃｕ−Ｋα）：４０ｋＶ，３０ｍＡ
走査軸：θ／２θ
測定範囲（２θ）：３．０°〜９０．０°
測定モード：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ
読込幅：０．０５°
走査速度：３．０°／ｍｉｎ
ＤＳ，ＳＳ，ＲＳ：１°，１°，０．２０ｍｍ

具体的には、ＲｕＴｅ_２は、Ｘ線回折の２θ（±０．３°）のピークとして、２１．８０８°、２７．９２０°、３１．２８７°、３２．７１６°、４３．３６９°、４５．２０３°、４８．３２２°、５１．５０９°、５３．９８１°、５６．９１０°、６８．５６５°等の特徴的ピークを与えるものや、２１．７６７°、２６．１８９°、２７．８７７°、３１．２４９°、３２．６５８°、３３．８４７°、３６．７１９°、３９．８２２°、４３．３０８°、４４．３７７°、４５．１７７°、４５．８０１°、４８．２４４°、５０．１１７°、５０．６６１°、５１．４２６°等の特徴的ピークを与えるものや、２７．８５７°、３１．２７１°、３４．３４４°、３９．８７３°、４７．１２３°、４９．３５３°、５１．５３２°、５３．６１４°、５７．６３６°、６５．２３６°、６７．０３２°、６８．８８１°、７２．４１４°、７７．５４７°、８０．９２２°、８２．６０８°、８５．９４８°等の特徴的ピークを与えるものが挙げられる。

＜Ｎ・Ｆｅ元素／ＲｕＴｅ_２重量比＞
本発明の燃料電池用触媒に含まれるＮ元素／ＲｕＴｅ_２の重量比は通常１０以下、好ましくは３以下、より好ましくは１以下で、通常０．０１以上、好ましくは０．０３以上、より好ましくは０．０５以上である。この範囲よりもＲｕＴｅ_２が多く、Ｎ元素が少ないと酸素還元反応開始電位が向上せず、逆にこの範囲よりもＲｕＴｅ_２が少なく、Ｎ元素が多くても同様の結果となる。
また、本発明の燃料電池用触媒が更にＦｅ元素を含む場合、燃料電池用触媒に含まれるＦｅ元素／ＲｕＴｅ_２の重量比は通常１０以下、好ましくは３以下、より好ましくは１以下で、通常０．０１以上、好ましくは０．０３以上、より好ましくは０．０５以上である。この範囲よりもＲｕＴｅ_２が多く、Ｆｅ元素が少ないと酸素還元反応開始電位が向上せず、逆にこの範囲よりもＲｕＴｅ_２が少なく、Ｆｅ元素が多くても同様の結果となる。

本発明の燃料電池用触媒がＮ元素とＦｅ元素とを含む場合、燃料電池用触媒中のＮ元素とＦｅ元素との含有量比には特に制限はないが、Ｎ元素／Ｆｅ元素重量比は１／１００以上、特に１／１０以上で、１００以下、特に１０以下であることが好ましい。

<純触媒の形状>
基体に被着されていない活性成分よりなる純触媒の形状は特に制限はないが、最も一般的には粒子状である。粒子状の純触媒の平均粒径は、通常１００μｍ以下、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下、中でも３００ｎｍ以下で、通常０．５ｎｍ以上、好ましくは１．０ｎｍ以上、より好ましくは２．０ｎｍ以上である。純触媒の粒径がこの範囲を下回ると不安定となって、失活しやすくなり、この範囲を超えると高い活性を得にくくなる。

なお、純触媒の平均粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）或いは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により、粒径の長さを測定する方向を統一して、その方向での粒子長さを測定し、これを平均した値で示される。

なお、純触媒として、ＲｕＴｅ_２とＮ元素、或いは更にＦｅ元素とを併用する具体例としては、次のi)〜iii)が挙げられる。
i)ＲｕＴｅ_２と窒素成分、更には鉄成分を共に混合する。
ii)ＲｕＴｅ_２に窒素成分、更には鉄成分を担持する。
iii)窒素成分、更には鉄成分にＲｕＴｅ_２を担持する。

<基体>
本発明の燃料電池用触媒は、上述の活性成分のみで構成される純触媒であっても良いが、活性成分を保持し電気的に導通させるための基体に活性成分を被着して用いることも可能である。高い導電性が得られる点で、上述の活性成分を基体に被着して用いることが好ましい。

本発明で用いる基体としては、特に制限はないが、炭素系基体を用いることが、高い導電性が得られる点で好適である。

炭素系基体としては種々のものが使用でき、特に制限はないが、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスター、フラーレン、熱分解炭素、活性炭素等が挙げられる。炭素系基体は、気相法による気相成長炭素繊維（ＶａｐｏｒＧｒｏｗｎＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ：以下「ＶＧＣＦ」と略すこともある。）であってもよく、特に、熱処理して電気伝導性を高めたＶＧＣＦは適度な弾性を持ち、好適である。

これらの炭素系基体の中でも、導電性、入手容易性、価格、の点で総合的に、カーボンブラックが工業的に有利である。カーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック等が挙げられる。
これらの炭素系基体は１種を単独であるいは２種以上を組み合わせて使用することができる。

基体の比表面積は、特に制限が無いが、通常５ｍ^２／ｇ以上、好ましくは１００ｍ^２／ｇ以上、更に好ましくは１５０ｍ^２／ｇ以上で、通常５０００ｍ^２／ｇ以下、好ましくは２０００ｍ^２／ｇ以下であることが好ましい。この比表面積が小さ過ぎると活性成分の被着有効面積が少なくなることにより、反応場が少なくなって触媒活性が十分に得られなくなる。また、比表面積が過度に大きいものは、基体の細孔径が小さい場合があり、その小さな細孔内に活性成分が被着しても触媒活性が十分に得られなくなる。なお、基体の比表面積はＢＥＴ法で測定される。

また基体の形態についても特に制限はないが、最も一般的に用いられるのは、粉体状のものである。

<基体への活性成分の被着>
本発明において、基体に活性成分が被着されている状態とは、活性成分と基体との間の導電性がとれるように両者が接触している状態を指す。従って、活性成分と基体とを単に混合するのみでも活性成分を基体に被着させることができるが、後述のように、活性成分の供給化合物と基体を混合した後、この混合物を焼成して被着させることが好ましい。また、基体と活性成分とを混合した後焼成しても良い。なお、以下において、基体に活性成分の供給化合物又は活性成分を混合後焼成して活性成分を被着させた状態を「担持」と称す。

ＲｕＴｅ_２とＮ元素、或いは更にＦｅ元素とを併用する具体例としては、次のi)〜vii)が挙げられる。これらのうち、特に「担持」を採用したものが、触媒粒子が細かいものが得られるため、好ましい。
i)ＲｕＴｅ_２と窒素成分、更には鉄成分を共に基体に混合する。
ii)ＲｕＴｅ_２と窒素成分、更には鉄成分を共に基体に担持する。
iii)ＲｕＴｅ_２と窒素成分、更には鉄成分を混合した後に基体に混合する。
iv)ＲｕＴｅ_２に窒素成分、更には鉄成分を担持した後に基体に混合する。
v)窒素成分、更には鉄成分にＲｕＴｅ_２を担持した後に基体に混合する。
vi)窒素成分、更には鉄成分を基体に担持した後にＲｕＴｅ_２を担持する。
vii)ＲｕＴｅ_２を基体に担持した後に窒素成分、更には鉄成分を担持する。

基体に被着された活性成分の形状としては特に制限はないが、最も一般的なのは粒子状である。粒子状の活性成分は、その平均粒径が通常１００μｍ以下、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下、中でも３００ｎｍ以下であり、通常０．５ｎｍ以上、好ましくは１．０ｎｍ以上、より好ましくは２．０ｎｍ以上であることが望ましい。活性成分の粒径がこの範囲を下回ると不安定となって、失活しやすくなり、この範囲を超えると高い活性を得にくくなる。

なお、基体に被着された活性成分の平均粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）或いは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により、粒子の長さを測定する方向を統一して、その方向での粒子長さを測定し、これを平均した値で示される。

このような小さめの平均粒径の活性成分を基体に被着させるには、後述の如く、その製造方法を工夫すれば良い。中でも、基体と活性成分とを混合した後の焼成温度を低めとし、焼成時間を短めにすることによって、結晶成長の状態を制御することが好ましい。

活性成分の基体への被着比率としては、特に限定されるものではないが、Ｒｕ／（Ｒｕ＋基体）の重量比で、通常１０^−５以上、好ましくは０．００１以上、より好ましくは０．０１以上、中でも０．０５以上で、通常０．９５以下、好ましくは０．４以下、中でも０．３以下であることが望ましい。活性成分の被着比率がこの下限を下回ると所望の活性が得られず、上限を超えると被着による活性の向上効果が出にくくなる。

<その他の触媒成分>
本発明においては、本発明の効果を損なわない限り、基体にさらに遷移金属が被着されていてもよい。

この遷移金属（以下「他の触媒成分」と称す場合がある）は、周期律表のIIIＡ〜VIIＡ族、VIII族、及びＩＢ族の第４周期から第６周期に属する元素であり、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ランタン（Ｌａ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、金（Ａｕ）、セリウム（Ｃｅ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）が例示され、好ましくは下記電気化学平衡式
酸化体＋ｎｅ⁻＝還元体
で示される、水溶液中での標準電極電位Ｅ°（２５℃）の値がプラスであるものが望ましい。これは、金属本来の性質として酸化による溶出が起こり難く、それに起因する触媒の劣化が少ないからである。このようなものとしては、具体的には、金、銀等が挙げられる。

ただし、より工業的に有利な触媒とするには、上記の中で高価な触媒成分をなるべく少なくする方が良い。

また、遷移金属として白金（Ｐｔ）を併用することも当然可能であるが、白金は高価であるため、添加量は所望の触媒活性を考慮しつつ、少量であることが、安価で実用的な燃料電池用触媒を提供する上で望ましい。白金を添加する場合、具体的には、白金成分の合計／活性成分の重量比は、通常０．００１以上、好ましくは０．０１以上、中でも０．０５以上で、通常０．４以下、好ましくは０．３以下、中でも０．２以下が好ましい。

なお、以下に主な遷移金属の電気化学平衡式と標準電極電位Ｅ°（２５℃）を示す。

これらの他の触媒成分としての遷移金属は１種を単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。

ＲｕＴｅ_２とＮ元素、或いは更にＦｅ元素を含む活性成分と他の触媒成分を併用する場合に、他の触媒成分の併用形態としては、次のようなものが挙げられる。
i) ＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素を他の触媒成分と共に基体に混合する。
ii) ＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素を他の触媒成分と共に基体に担持する。
iii) ＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素を他の触媒成分を混合した後に基体に混合する。
iv) ＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素を他の触媒成分を担持した後に基体に混合する。
v) 基体にＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素を担持した後に他の触媒成分を基体に担持する。
vi) 基体に他の触媒成分を担持した後にＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素を基体に担持する

本発明の燃料電池用触媒が他の触媒成分として遷移金属を含む場合、本発明の燃料電池用触媒中の、遷移金属の合計／ＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素の合計、の重量比は、通常０．００１以上、好ましくは０．０１以上、中でも０．０５以上であり、通常０．５以下、好ましくは０．４以下、中でも０．３以下が好ましい。この重量比がこの範囲を下回ると所望の活性が得られにくく、この範囲を超えると活性の向上効果が出にくくなる。

本発明の燃料電池用触媒に含まれる遷移金属は粉体状であることが好ましい。この粉体の平均粒径は、通常１０００ｎｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以下、中でも３００ｎｍ以下であり、通常０．５ｎｍ以上であることが好ましい。平均粒径がこの範囲を下回ると触媒が不安定となって失活しやすくなり、この範囲を超えると高い活性を得にくくなる。

なお、触媒中の遷移金属粉体の平均粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）或いは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により、粒子の長さを測定する方向を統一して、その方向での粒子長さを測定し、これを平均した値で示される。

なお、本発明の燃料電池用触媒においては、上記遷移金属元素以外の金属成分が、活性成分の重量を基準に数重量％以下の量で含まれていてもよい。

活性成分としてのＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素と遷移金属とを含んだ触媒、とりわけ、ＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素と遷移金属が基体に担持された触媒は、触媒活性が高い。これは、遷移金属が活性成分の助触媒として機能し、活性が向上するためであると推定される。

<純触媒の製造>
基体に被着されていない活性成分のみで構成される第１態様の純触媒の合成方法については特に制限はなく、公知の任意の方法によって行うことができる。

例えば、活性成分となる元素の供給化合物、即ち活性成分の前駆体を所定のモル比で、水等の溶媒に溶解或いは分散させ、濾過或いは溶媒を留去した後、必要に応じて前駆体を活性化する工程（例えば還元処理）を施して調製される。

各元素の前駆体としては加熱分解可能なものであれば特に制限はない。テルル前駆体としては、テルルパウダー（Ｔｅ）の他、ＴｅＣｌ_２，ＴｅＢｒ_２，ＴｅＣｌ_４等のハロゲン化物、ＴｅＯ_２，ＴｅＯ_３等の酸化物、Ｈ_２ＴｅＯ_３，Ｈ_６ＴｅＯ_６等のオキソ酸等の無機塩が挙げられる。これらのＴｅ前駆体は１種を単独で用いても良く、２種以上を混合して用いても良い。

一方、ルテニウムの前駆体としては、ルテニウムのハロゲン化物、酸化物、無機塩、有機酸塩等の他、有機化合物と結合する化合物等が挙げられる。ルテニウム化合物としては、具体的にはＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏ、ＲｕＢｒ_３等のハロゲン化物、Ｒｕ（ＳＯ_４）_２、Ｒｕ（ＮＯ）（ＮＯ_３）_３、Ｋ_２ＲｕＯ_４・Ｈ_２Ｏ等の無機塩、Ｒｕ_２（ＯＣＨ_３ＣＯ）_４等の有機酸塩、ルテニウムアセチルアセトネート（Ｒｕ（ａｃａｃ）_３）等の有機化合物が挙げられる。これらのルテニウム前駆体は１種を単独で用いても良く、２種以上を混合して用いても良い。

ＲｕＴｅ_２純触媒を製造するには、例えば、ＲｕＣｌ_３又はＲｕ（ａｃａｃ）_３等のルテニウム前駆体とＨ_６ＴｅＯ_６等のＴｅ前駆体を所望のモル比（ＲｕＣｌ_３、Ｒｕ（ａｃａｃ）_３等に対するＨ_６ＴｅＯ_６のモル比は、通常０．２以上、好ましくは１以上、通常１０以下、好ましくは４以下）に応じた配合比で水に溶解させ、所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）放置した後、必要であれば所定の温度（通常６０℃以上、好ましくは１００℃以上、通常３００℃以下、好ましくは２００℃以下）で所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）加熱或いは還流し、その後、エバポレーターにより沈殿物を取得する。これを室温で風乾後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、所定の温度（通常１００℃以上、好ましくは２００℃以上、通常１０００℃以下、好ましくは８００℃以下）で乾燥処理する。次いで、所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、所定の温度（通常１００℃以上、好ましくは２００℃以上、更に好ましくは３００℃以上、通常１０００℃以下、好ましくは８００℃以下）で水素を含む気流下（窒素或いはＡｒ等の不活性ガスを混合しても良く、不活性ガス中の水素濃度としては特に制限はないが、１％以上、好ましくは１０％以上、１００％以下、或いは８０％以下）で加熱する。これにより、ＲｕＴｅ_２を含有する活性成分よりなる純触媒を得ることができる。

この後、更に、低酸素濃度（例えば、５重量％以下、中でも２重量％以下程度の酸素濃度）の不活性ガス雰囲気中で、所定時間（通常数１０分以上、好ましくは３０分以上、通常１０時間以下、中でも５時間以下）で、所定の温度（通常は、室温付近）で処理することにより不動態膜を形成させる不動態化処理を行っても良い。

<被着触媒の製造>
第２態様の被着触媒は、活性成分を基体に被着することにより製造される。ここで、基体への活性成分の被着は、例えば、活性成分或いは活性成分の前駆体を基体と混合して焼成する担持法のほか、活性成分と基体とを単に混合する混合法、その他含浸法、沈殿法、吸着法等の公知の手法によって行うことができる。

例えば、被着触媒は、各元素の前駆体を所望のモル比で、水溶液等の溶媒に溶解或いは分散させ、この液を基体に含浸させるか、この液中に基体を浸漬させた後、濾過或いは溶媒を留去することにより基体上に前駆体を被着させ、必要に応じて活性成分の前駆体を活性化する工程（例えば還元処理）を施して調製される。

なお、活性成分の前駆体は、純触媒の製造に用いられる化合物と同様の化合物を用いることができる。中でもルテニウム前駆体としてはＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏ、Ｒｕ（ａｃａｃ）_３、Ｒｕ（ＮＯ）（ＮＯ_３）_３が好ましく、テルル前駆体としてはＨ_６ＴｅＯ_６が好ましい。

活性成分としてＲｕＴｅ_２とＮ元素を基体に被着した被着触媒の製造法の一例を次に説明する。
まず、カーボンブラック等の基体に、所定の濃度（通常７０〜１０重量％）の硝酸等のＮ元素供給源化合物の水溶液を所望量加え、所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、必要であれば所定の温度（通常０℃以上、好ましくは２０℃以上、好ましくは１００℃以下）で加熱或いは還流する。次に、濾過により混合物を回収し、次いで、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、所定の温度（通常１００℃以上、好ましくは２００℃以上、通常１０００℃以下、好ましくは８００℃以下）で乾燥処理する。次いで、ＮＨ_３ガスを含む気流下（窒素或いはＡｒ等の不活性ガスを混合しても良く、不活性ガス中の水素濃度としては特に制限はないが、１％以上、好ましくは１０％以上、１００％以下、或いは８０％以下）、所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、所定の温度（通常１００℃以上、好ましくは２００℃以上、通常１０００℃以下、好ましくは８００℃以下）で加熱処理する。

他方、ＲｕＣｌ_３又はＲｕ（ａｃａｃ）_３等のＲｕ前駆体とＨ_６ＴｅＯ_６等のＴｅ前駆体を所望とするモル比に応じた配合比（ＲｕＣｌ_３、Ｒｕ（ａｃａｃ）_３等に対するＨ_６ＴｅＯ_６のモル比は、通常０．２以上、好ましくは１以上、通常１０以下、好ましくは４以下）で、前述した硝酸水溶液で処理したカーボンブラック等の基体に所定量混合し、乳鉢等で物理混合した後、この混合物を所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、所定の温度（通常１００℃以上、好ましくは２００℃以上、更に好ましくは３００℃以上、通常１０００℃以下、好ましくは８００℃以下）で、水素を含む気流下（窒素或いはＡｒ等の不活性ガスを混合しても良く、不活性ガス中の水素濃度としては特に制限はないが、１％以上、好ましくは１０％以上、１００％以下、或いは８０％以下）で加熱する。これにより、ＲｕＴｅ_２とＮ元素を含有する活性成分が基体に担持された被着触媒が得られる。

その後、更に、低酸素濃度（例えば、５重量％以下、中でも２重量％以下程度の酸素濃度）の不活性ガス雰囲気中で、所定時間（通常数１０分以上、好ましくは３０分以上、通常１０時間以下、中でも５時間以下）で、所定の温度（通常は、室温付近）で処理することにより不動態膜を形成させる不動態化処理を行うこともできる。

次に、活性成分としてＲｕＴｅ_２とＮ元素及びＦｅ元素を基体に被着した被着触媒の製造法の一例を説明する。
所定量の水に、カーボンブラック等の基体と、この基体に対して所定量（通常１〜５０重量％）のシュウ酸第一鉄のようなＦｅ元素供給源化合物と所定量（通常１〜５０重量％）のフェナンスロリン等のＮ元素供給源化合物を加え、所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、必要であれば所定の温度（通常０℃以上、好ましくは２０℃以上、好ましくは１００℃以下）で加熱或いは還流する。次に、混合物を濾過により回収し、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、所定の温度（通常１００℃以上、好ましくは２００℃以上、通常１０００℃以下、好ましくは８００℃以下）で乾燥処理する。次いで、ＮＨ_３ガスを含む気流下（窒素或いはＡｒ等の不活性ガスを混合しても良く、不活性ガス中の水素濃度としては特に制限はないが、１％以上、好ましくは１０％以上、１００％以下、或いは８０％以下）、所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、所定の温度（通常１００℃以上、好ましくは２００℃以上、通常１０００℃以下、好ましくは８００℃以下）で加熱処理する。

他方、ＲｕＣｌ_３又はＲｕ（ａｃａｃ）_３等のＲｕ前駆体とＨ_６ＴｅＯ_６等のＴｅ前駆体を所望とするモル比に応じた配合比（ＲｕＣｌ_３、Ｒｕ（ａｃａｃ）_３等に対するＨ_６ＴｅＯ_６のモル比は、通常０．２以上、好ましくは１以上、通常１０以下、好ましくは４以下）で、前述したＦＥ元素およびＮ元素供給源化合物で処理したカーボンブラック等の基体に所定量混合し、乳鉢等で物理混合した後、この混合物を所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）、所定の温度（通常１００℃以上、好ましくは２００℃以上、更に好ましくは３００℃以上、通常１０００℃以下、好ましくは８００℃以下）で、水素を含む気流下（窒素或いはＡｒ等の不活性ガスを混合しても良く、不活性ガス中の水素濃度としては特に制限はないが、１％以上、好ましくは１０％以上、１００％以下、或いは８０％以下）で加熱する。これにより、ＲｕＴｅ_２とＮ元素及びＦｅ元素を含有する活性成分が基体に担持された被着触媒が得られる。

また、ＲｕＴｅ_２を、前記した公知の方法により予め調製し、これを硝酸処理等のＮ元素導入処理或いはＦｅ元素及びＮ元素導入処理を行った基体と混合し、乳鉢等で混練することにより、活性成分を基体に被着させることもできる。この混合は、乾式でも湿式でも良いが、好ましくは水等の媒体を用いて湿式混合し、その後１００〜２００℃程度で乾燥することが好ましい。

上記した触媒の製造方法の中でも、所望の元素導入処理を行った炭素系基体と、ＲｕＴｅ_２活性成分の前駆体から選ばれるものとを混合した後に、焼成する担持法が好ましい。この焼成は、得られる触媒の活性を向上させることができる。このように焼成を行うことにより活性を向上させることができる理由については必ずしも明らかではないが、炭素系基体に活性成分が被着しているので、焼成時に活性成分のシンタリングが押さえられ、活性が向上することによるものと推定される。

活性成分と共に前述の遷移金属を基体に被着させる場合、活性成分の被着工程において同時に遷移金属を被着させても良く、活性成分の被着工程の前、又は後に遷移金属を被着させても良い。なお、ここで、「活性成分の被着工程」とは、活性成分を被着させるための処理過程、即ち、活性成分前駆体の添加から活性成分を与える迄の過程全体を包含する。

基体に遷移金属を被着するための遷移金属の前駆体としては、酸化物の他、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の無機酸塩、酢酸塩等の有機酸塩、ハロゲン化物、水素化物、カルボニル化合物、アミン化合物、オレフィン配位化合物、ホスフィン配位化合物又はホスファイト配位化合物等が挙げられる。これらは１種を単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。

活性成分と共に遷移金属を基体に被着させるには、例えば、先に記載した方法で合成したＲｕＴｅ_２とＮ元素、或いは更にＦｅ元素を含有する活性成分を基体に担持させた触媒に、塩化物等の遷移金属化合物を溶解した溶液を加えて所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）放置した後、溶媒をエバポレーターにより留去する。なお、この放置の際、超音波処理を行っても良い。次に、水素を含む気流下（窒素或いはＡｒ等の不活性ガスを混合しても良く、不活性ガス中の水素濃度としては特に制限はないが、１％以上、好ましくは１０％以上、１００％以下、或いは８０％以下）、所定の温度（通常１００℃以上、好ましくは１５０℃以上、通常８００℃以下、好ましくは５００℃以下）で所定の時間（通常１０分以上、好ましくは３０分以上、通常５０時間以下、好ましくは３０時間以下）加熱する。これにより、ＲｕＴｅ_２及びＮ元素、或いは更にＦｅ元素を含有する活性成分と遷移金属が共に基体に担持された被着触媒が得られる。

その後、更に、この被着触媒を低酸素濃度（例えば、５重量％以下、中でも２重量％以下程度の酸素濃度）の不活性ガス雰囲気中で、所定時間（通常数１０分以上、好ましくは３０分以上、通常１０時間以下、中でも５時間以下）で、所定の温度（通常は、室温付近）で処理することにより不動態膜を形成させる不動態化処理を行うこともできる。

なお、前述の如く、遷移金属は、そのまま活性成分を被着した基体と混合して用いても良く、また、遷移金属を被着した基体に、活性成分を混合して用いても良い。

［燃料電池用電極材料、燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池システム］
本発明の燃料電池用電極材料、及び燃料電池は、上記した本発明の燃料電池用触媒を含有することを特徴とする。なお、本発明の燃料電池用電極材料及び燃料電池は、本発明の燃料電池用触媒の１種のみを含有するものであっても良く、２種以上を含むものであっても良い。
また、本発明の燃料電池スタックは、このような本発明の燃料電池を用いたことを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、このような本発明の燃料電池スタックを用いたことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池とは、前述の如くアノードに燃料、カソードに酸化剤を供給しアノードとカソード間の電位差を電圧として取り出し、負荷に供給する発電装置であり、アノード極とカソード極とその間に挟まれた電解質で構成される。

固体高分子型燃料電池においては、電解質としてイオン交換膜が用いられる。固体高分子型燃料電池は、燃料として水素を用いるＰＥＦＣ型燃料電池、及びメタノールと水を用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ，ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ）の双方を含む。

電解質としてのイオン交換膜の両面に触媒層が形成され、該触媒層の外側にそれぞれガス拡散層が形成されたＰＥＦＣ型燃料電池の場合、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層が一体に形成されてなる電解質膜／電極接合体が用いられる。一方、ＤＭＦＣ型燃料電池の場合、メタノール水溶液集電体及びカソードガス拡散層が一体に形成されてなる電解質膜／電極接合体が用いられる。電解質膜／電極接合体はその拡散層側に隔壁板が配置され、この隔壁板、電解質膜／電極接合体及び隔壁板からなる単位セルが、用途に応じた所望の電圧になるまで複数積層されて燃料電池スタックが形成される。通常、単位セルが数十セルから数百セル積層されて、燃料電池スタックが形成される。

この電解質膜／電極接合体の触媒層を形成する触媒として、前述の本発明の燃料電池用触媒が用いられる。

電解質としてのイオン交換膜は、カチオン交換能があれば良いが、実用上、燃料電池の使用温度である８０〜１００℃程度での酸化還元雰囲気に長期に耐えることが望まれることから、パーフルオロアルキルスルホン酸樹脂がもっぱら用いられている。具体的には、ナフィオン（デュポン社製登録商標）、フレミオン（旭硝子社製登録商標）、Ａｃｉｐｌｅｘ（旭化成社製登録商標）等のパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂膜が挙げられる。

イオン交換膜は、好ましくは、１０μｍ程度以上、数１００μｍ程度以下の厚さを有するが、電気抵抗を下げるためにはより薄くすることが望ましい。ナフィオンを例に取ると、厚み１２０μｍ程度のナフィオン１１５がよく使用されるが、補強材を入れた３０〜５０μｍの厚さの電解質膜が開発され始めており、これらのものも同様に用いることができる。

ＰＥＦＣ型燃料電池の拡散層は、アノードでは水素、カソードでは、空気を供給すると共に、発生した電圧を取り出すための集電体としての機能も併せ持つ。従って、拡散層は好ましくは優れた電子伝導体でかつ水素、空気の両ガスが通流し、かつ使用雰囲気に耐える材料で構成される。アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を構成する材料としては、厚みが、通常１００〜５００μｍ、好ましくは１００〜２００μｍ程度の、カーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン多孔体が用いられる。ＤＭＦＣ型燃料電池のメタノール水溶液集電体の材料についても同様に、メタノール水溶液が流通し、かつ使用雰囲気に耐える材料が選択され、厚みが、通常１００〜５００μｍ、好ましくは１００〜２００μｍ程度の、カーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン多孔体が用いられる。

電解質膜／電極接合体を燃料電池に用いる際には、その背後に水素と空気が混合しないように、通常、カーボン、場合によってはステンレス、チタン等の材料でできた隔壁板が配置されるが、この隔壁板には、水素と空気の均一かつ安定供給を目的とした溝を形成したものを用いることが一般的である。

本発明の燃料電池の電解質膜／電極接合体を作製する方法としては特に制限はないが、例えば次のような方法が挙げられる。

カソード側触媒層及びアノード側触媒層をイオン交換膜上に形成する方法の一例について次に説明する。まず、前述の本発明の燃料電池用触媒を、適当な容器に入れ、ＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）を溶解したＮａｆｉｏｎの溶液（濃度５重量％，アルドリッチ製）及びアルコール、水等の媒体に分散させ触媒スラリーを調製する。この際に分散を良好に進行させるために、超音波振動をかける方がより好ましい。この触媒スラリー中の本発明の燃料電池用触媒の濃度は、所望の分散性を得るために、１〜５０ｇ／Ｌ程度であるのが好ましい。また、撥水性を持たせたり、触媒層の剥がれを防ぐ等の目的でポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のバインダーをスラリー中に３〜３０重量％程度の範囲で加えることは勿論可能である。また、内容物を凝集させて、ペースト化したい場合、エタノール、イソプロピルアルコールといった炭素数２〜５、好ましくは炭素数２〜４程度の低級アルコール、或いはエチレングリコール等の炭素数２〜５、好ましくは炭素数２〜４程度の多価アルコールを、水に対して０．２５〜１．０の比になるように加えて凝集させることもできる。

このようにして得られる触媒スラリーをイオン交換膜、ガス拡散電極材又は転写用フィルムの上に付着させた後、乾燥してカソード側触媒層及びアノード側触媒層を形成する。

カソード側触媒層及びアノード側触媒層は具体的には、それぞれ次のａ）〜ｄ）のいずれかの方法でイオン交換膜上、又は、ガス拡散電極材上に形成される。
ａ）用いるイオン交換膜に触媒スラリーを吹き付けて乾燥する。
ｂ）カーボンペーパー等のガス拡散電極材に触媒スラリーを吹き付けて乾燥する。
ｃ）テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）フィルム等の転写用フィルム材上に触媒スラリーを吹き付けて（展開処理）乾燥し、転写用フィルム面と反対側の面をナフィオン等の所望のイオン交換膜上に適宜圧接して触媒層を転写する。
ｄ）ｃ）と同様に、ＦＥＰフィルム上に触媒スラリーを展開処理した後、スラリー上にカーボンペーパー等のガス拡散電極材を被せて乾燥する。

カソード側触媒層及びアノード側触媒層のいずれにおいても、触媒付着量は、Ｒｕ付着量（目付量）として、通常０．０１ｍｇ／ｃｍ^２以上、好ましくは０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上、通常５０ｍｇ／ｃｍ^２以下、好ましくは２０ｍｇ／ｃｍ^２以下、最も好ましくは１０ｍｇ／ｃｍ^２以下程度である。この活性成分付着量がこの範囲よりも少ないと充分な触媒活性を得ることができず、この範囲よりも多いと電解質膜／電極接合体が形成し難くなる。

触媒層をイオン交換膜上に形成してからアノードガス拡散層材またはカソードガス拡散層材と積層してもよく、触媒層をアノードガス拡散層材上またはカソードガス拡散層材上に形成してからイオン交換膜と積層してもよい。この積層体を予備的に加圧成形した後、プレス機によって加圧加熱成形することにより電解質膜／電極接合体が得られる。この接合体においては、イオン交換膜の片側の面に上記したカソード側触媒層が形成され、該イオン交換膜の反対側の面に、アノード側触媒層が形成され、更に、両触媒層の外側にそれぞれアノード及びカソードを構成するガス拡散層が積層されている。

なお、積層体を予備的に加圧成形する場合は、触媒層の崩壊が防止される範囲で、本成形の条件より温度、圧力は低く、時間は短く設定するのが好ましい。それは、触媒粒子、ガス拡散層用多孔体の圧縮破壊を起こさないためである。

本発明の燃料電池システム、例えばＰＥＦＣ用燃料電池システムは、電気化学反応により起電力を得る上述の燃料電池スタックと、酸素含有ガスとして圧縮空気を供給するコンプレッサの他、燃料ガスである水素を高圧に圧縮した状態で貯蔵する水素ボンベを有する。他に燃料電池スタックにおいて発電に利用されなかった排水素および排空気を燃焼する触媒燃焼器を必要に応じて備えてもよい。また、メタノール、天然ガスまたはメタン等の改質反応により水素を供給してもよい。その場合燃料電池システムは水素ボンベの代わりに、メタノール、天然ガスまたはメタン等のタンク、水タンク、及び、メタノール等と水の混合器、メタノール水溶液等を蒸発させるための蒸発器、改質反応を行う改質器を備える。更に、改質反応後の水素ガス中に含まれる一酸化炭素による燃料電池の被毒を防ぐために、一酸化炭素低減装置を備えてもよい。

また、本発明のＤＭＦＣ用燃料電池システムは、電気化学反応により起電力を得る燃料電池スタックと、酸素含有ガスとして圧縮空気を供給するコンプレッサの他、燃料であるメタノール水溶液容器を備える。メタノール水溶液は送液ポンプにより燃料電池スタックのアノード極に送られる。また、メタノール水溶液は予め蒸発器により昇温・気化させてからアノード極に供給しても良い。他に燃料電池スタックにおいて発電に利用されなかったメタノール水溶液は回収し、メタノール水溶液容器に戻しても良い。メタノール水溶液の回収は必要時には気液分離器を用いて行っても良い。

次に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって限定されるものではない。

［粉末ＸＲＤ分析］
以下の実施例及び比較例において、作製した触媒のＸＲＤ分析は、下記の条件で行った。
測定装置
粉末Ｘ線解析装置／ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌＰＷ１７００
測定条件
Ｘ線出力（Ｃｕ−Ｋα）：４０ｋＶ，３０ｍＡ
走査軸：θ／２θ
測定範囲（２θ）：３．０°〜９０．０°
測定モード：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ
読込幅：０．０５°
走査速度：３．０°／ｍｉｎ
ＤＳ，ＳＳ，ＲＳ：１°，１°，０．２０ｍｍ

［酸素還元反応開始電位の測定］
以下の実施例及び比較例において、酸素還元反応開始電位（ｏｎｓｅｔｐｏｔｅｎｔｉａｌ）は、作製したカソード電極において５Ａ／１ｇ−Ｒｕを超えた電流が得られた電位と定義した。
酸素還元開始電位の測定条件は以下の通りである。
電解液：０．５ＭＨ_２ＳＯ_４水溶液
雰囲気：１気圧酸素雰囲気
走査速度：５ｍＶ／秒
走査範囲：５０〜８５０ｍＶ
作用電極：回転ディスク、グラッシーカーボンディスク４φ
カウンター電極：Ｐｔメッシュ電極
比較電極：標準水素電極（ＳＨＥ）
回転数：１６００ｒｐｍ

電極の電位を標準水素電極に対して８５０ｍＶ程度から低電位（５０ｍＶ）の方向に走査にすると作用電極とＰｔ対極の間に
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
による酸素の還元電流が流れるのが認められる。５０ｍＶに達した後折り返し、高電位（８５０ｍＶ）の方向に走査した時に流れる電流値を、作製したカソード電極に含まれるＲｕの単位重量（１ｇ）当たりの電流値に換算し、５Ａ／１ｇ−Ｒｕを超えた電位を酸素還元反応開始電位とした。
なお、その際ブランク試験として雰囲気を窒素、回転数を０ｒｐｍとし、同様な走査条件（走査速度：５ｍＶ／秒、走査範囲：５０〜８５０ｍＶ）で流れる電流値を測定し、この値を先の酸素１気圧下での電流値から引き算し、得られた値を作製したカソード電極触媒による酸素還元電流値とたした。

〔実施例１〕
＜ＲｕＴｅ_２／Ｎ被着触媒の調製＞
カーボンブラック（ＶＵＬＣＡＮＸＣ−７２Ｒ（Ｃａｂｏｔ社製、比表面積（ＢＥＴ）２５４ｍ^２／ｇ）５ｇに３０重量％硝酸３００ｍｌを加え、還流温度で３時間処理した。このカーボンブラックを濾過により回収し、次にアルゴン気流下、２００Ｃで２時間乾燥した。その後、焼成管に移しＮＨ_３１０ｍｌ／ｍｉｎ．の気流下、６００℃で３時間処理した。次に、Ｒｕ（ａｃａｃ）_３０．３９４ｇ、Ｈ_６ＴｅＯ_６０．４５４ｇ及び上記Ｎ元素導入処理を施したカーボンブラック０．４ｇを乳鉢でよく物理混合した。この混合物を焼成管に入れ、水素ガス気流下で、室温から３００℃まで２５分で昇温した後、３００から５００℃まで３時間で昇温した。その後、５００℃で２時間放置した。反応終了後、室温まで冷却した後、２％Ｏ_２−９８％Ｎ_２雰囲気中で不動態化して触媒を取り出した。

この触媒は、ＸＲＤ分析により、ＲｕＴｅ_２（２θの値、２１．９２５°、２６．２３２°、２７．９２５°、３１．４１８°、３２．７２６°、３４．０２６°、３６．５２５°、３９．８２８°、４３．４５６°、４５．５６４°、４６．９３３°、４８．６６６°、５１．５７１°、５３．７３４°、５７．２２５°、５９．７８１°、６５．３７１°、６６．８４８°、６８．４７４°、７３．０７０°、７８．３８９°、８０．９７０°、８２．２７７°、８５．８７４°にピークを与えた）を含有していることを確認した。

＜カソード電極の作成＞
得られたＲｕＴｅ_２／Ｎ被着触媒２０ｍｇを、水２０ｍＬに懸濁し、超音波洗浄器で充分撹拌した後、マイクロシリンジでＲｕの付着量（ＲｕとＴｅ元素が揮発していないとして計算。以下の実施例及び比較例においても同様）が１５μｇ／ｃｍ^２となるように作用電極であるグラッシーカーボン電極に滴下し、次に、５％ナフィオン（登録商標）溶液（アルコール溶液、アルドリッチ・ケミカル社製）を重量で１００倍に水で希釈した液体を１０μＬ滴下し、放置により乾燥し、カソード電極とした。
このカソード電極について、得られた酸素還元反応開始電位と所定の電位での活性を調べ、結果を表２に示した。

〔実施例２〕
＜ＲｕＴｅ_２／Ｎ・Ｆｅ被着触媒の調製＞
カーボンブラック（ＶＵＬＣＡＮＸＣ−７２Ｒ（Ｃａｂｏｔ社製、比表面積（ＢＥＴ）２５４ｍ^２／ｇ）０．４ｇ、シュウ酸第一鉄０．０１２９ｇ及びフェナンスロリン０．０４２６ｇを水５０ｍｌを加えて、還流温度で２時間処理した。このカーボンブラックを濾過により回収し、アルゴン気流下、３００℃で２時間乾燥した。その後、焼成管に移し、ＮＨ_３１０ｍｌ／ｍｉｎ．の気流下、８００℃で２時間処理した。次に、Ｒｕ（ａｃａｃ）_３０．３９４ｇ、Ｈ_６ＴｅＯ_６０．４５４ｇ及び上記Ｎ元素及びＦｅ元素導入処理を施したカーボンブラック０．４ｇを乳鉢でよく物理混合した。この混合物を焼成管に入れ、水素ガス気流下で、室温から３００℃まで３０分で昇温した後、３００から５００℃まで３時間で昇温した。その後、５００℃で２時間放置した。反応終了後、室温まで冷却した後、２％Ｏ_２−９８％Ｎ_２雰囲気中で不動態化して触媒を取り出した。

この触媒は、ＸＲＤ分析により、ＲｕＴｅ_２（２θの値、２１．８２０°、２６．１８３°、２７．９２８°、３１．３２２°、３２．６８２°、３４．０２８°、３９．９６６°、４３．４２６°、４５．３７０°、４７．２２０°、４８．３７７°、５１．４８１°、５３．７７５°、５７．０２１°、５８．９６７°、５９．８１７°、６５．２７８°、６６．９８６°、６８．５２２°、７１．５２３°、７８．１７２°、７８．３２６°、８０．９２５°、８２．４３４°、８６．０７３°にピークを与えた）を含有していることを確認した。

＜カソード電極の作成＞
得られたＲｕＴｅ_２／Ｎ・Ｆｅ被着触媒を用いた他は、実施例１と同様の方法によりＲｕの付着量が１５μｇ／ｃｍ^２となるようにカソード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表２に示した。

〔比較例１〕
＜ＲｕＴｅ_２被着触媒の調製＞
Ｒｕ（ａｃａｃ）_３０．７８８ｇ、Ｈ_２ＴｅＯ_６０．９０９ｇ及びカーボンブラック（ＶＵＬＣＡＮＸＣ−７２Ｒ（Ｃａｂｏｔ社製、比表面積（ＢＥＴ）２５４ｍ^２／ｇ）０．８ｇを乳鉢でよく物理混合した。この混合物を焼成管に入れ、水素ガス気流下で、室温から３００℃まで２５分で昇温した後、３００から５００℃まで３時間で昇温した。その後、５００℃で２時間放置した。反応終了後、室温まで冷却した後、２％Ｏ_２−９８％Ｎ_２雰囲気中で不動態化して触媒を取り出した。

この触媒はＸＲＤ分析により、ＲｕＴｅ_２（２θの値、２１．５０７°、２７．８０５°、３１．３００°、３２．７４３°、４０．０４１°、４３．４９８°、４５．３５６°、４８．２４６°、５１．４４１°、５４．００２°、５７．０５７°、５９．８５０°、６５．３９５°、６８．３０６°、７３．３４７°、８２．３９４°、８５．７５３°、８６．０９５°にピークを与えた）を含有していることを確認した。

＜カソード電極の作成＞
得られたＲｕＴｅ_２被着触媒を用いた他は、実施例１と同様の方法によりＲｕの付着量が１５μｇ／ｃｍ^２となるようにカソード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表２に示した。

表２より明らかなように、実施例１及び実施例２の、Ｎ元素、或いはＮ元素及びＦｅ元素導入処理を施したカーボンブラックを用いた触媒は、未処理のカーボンブラックを用いた比較例１の触媒より、酸素還元反応開始電位が上がり、０．５０Ｖ及び０．６５Ｖでの活性も向上している。

なお、実施例１，２及び比較例１の被着触媒は、いずれもカーボンブラックに対して、ＲｕＴｅ_２が２０重量％担持されたものであった。

本発明によれば、酸素還元反応開始電位が高められた安価な燃料電池用触媒により、実用的な燃料電池が提供されるため、燃料自動車、固定式コジェネレーションシステム等への燃料電池の用途の拡大と実用化が促進される。

Claims

活性成分としてＲｕＴｅ_２を含む触媒であって、活性成分が、Ｎ元素を含む化合物で加熱処理された炭素系基体に被着されていることを特徴とする燃料電池用触媒。
請求項１において、炭素系基体が更にＦｅ元素を含む化合物で加熱処理されていることを特徴とする燃料電池用触媒。
イオン交換膜と、該イオン交換膜上に形成された請求項１又は２に記載の燃料電池用触媒の層とを有することを特徴とする燃料電池用電極材料。
電極ガス拡散層と、該電極ガス拡散層上に形成された請求項１又は２に記載の燃料電池用触媒の層とを有することを特徴とする燃料電池用電極材料。
転写用フィルムと、該転写用フィルム上に形成された請求項１又は２に記載の燃料電池用触媒の層とを有することを特徴とする燃料電池用電極材料。
請求項１又は２に記載の燃料電池用触媒を用いたことを特徴とする燃料電池。
請求項６に記載の燃料電池を用いたことを特徴とする燃料電池スタック。
請求項７に記載の燃料電池スタックを用いたことを特徴とする燃料電池システム。