KR100583333B1 - 촉매 구조체 및 촉매를 구비한 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 촉매 활성이 높은 촉매 구조를 제공하는 데 있다. 또한, 전지 출력이 높은 연료 전지를 제공하는 것이다.
도전성막과, 상기 도전성막 상에 형성된 촉매 입자를 구비하고, 상기 도전성막을 구성하는 재료의 격자 정수와 상기 촉매 입자를 구성하는 재료의 격자 정수의 차가 16 ％ 이하이다. 게다가 또는, 3 ％ 이상이도록 구성하는 것이 더 바람직하다.
도전성막, 촉매 입자, 코팅 재료, 전해질막, 배선, 촉매 담지 전극

Description

촉매 구조체 및 촉매를 구비한 연료 전지 {CATALYST STRUCTURE AND FUEL CELL WITH CATALYST}
도1은 본 발명의 제1 실시예인 촉매 구조의 개략도.
도2는 촉매 Pt 입자/도전성막의 격자 부정합과 확산 계수의 비의 관계를 나타내는 도면.
도3은 코팅 재료가 없는 경우에 대해, 촉매 Pt 입자/도전성막의 격자 부정합과 20 ℃에 있어서의 입자 사이즈의 관계를 나타내는 도면.
도4는 코팅 재료가 없는 경우에 대해, 촉매 Pt 입자/도전성막의 격자 부정합과 200 ℃에 있어서의 입자 사이즈의 관계를 나타내는 도면.
도5는 코팅 재료가 카본나노혼인 경우에 대해, 촉매 입자/도전성막의 격자 부정합과 200 ℃에 있어서의 입자 사이즈의 관계를 나타내는 도면.
도6은 코팅 재료가 B-DNA인 경우에 대해, 촉매 Pt 입자/도전성막의 격자 부정합과 200 ℃에 있어서의 입자 사이즈의 관계를 나타내는 도면.
도7은 코팅 재료가 카본나노혼인 경우에 대해, 촉매 Pt 입자/도전성막의 격자 부정합과 20 ℃에 있어서의 입자 사이즈의 관계를 나타내는 도면.
도8은 코팅 재료가 B-DNA인 경우에 대해, 촉매 Pt 입자/도전성막의 격자 부정합과 20 ℃에 있어서의 입자 사이즈의 관계를 나타내는 도면.
도9는 코팅 재료가 B-DNA인 경우에 대해, 촉매 Pt 입자/도전성막의 격자 부정합과 20 ℃에 있어서의 입자 사이즈의 관계를 나타내는 도면.
도10은 본 발명의 제2 실시예인 연료 전지의 개략도.
도11은 본 발명의 제3 실시예인 배기 가스 정화 시스템의 개략도.
도12는 본 발명의 제4 실시예인 배기 가스 정화 시스템의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 도전성막
2 : 촉매 입자
3 : 코팅 재료
101 : 전해질막
102 : 촉매 담지 전극(산소극)
103 : 촉매 담지 전극(연료극)
104 : 배선
105 : 배선
106 : 부하
201 : 전자식 기관 운전 제어 장치
202 : 내연 기관
203 : 배기계
204 : 드로틀 밸브
205 : 서지 탱크
206 : 흡기 매니폴드
207 : 연료 분사 장치
208 : 배기 매니폴드
209 : 상류측 촉매 컨버터
210 : 하류측 촉매 컨버터
211 : 드로틀 개방도 센서
212 : 크랭크각 센서
213a, 213b : 산소 센서
214 : 바이패스 수단
215 : 바이패스 통로
216 : 유로 절환 밸브
301 : 배기 가스 발생원
302 : 제1 버그 필터 장치
303 : 제2 버그 필터 장치
304 : 흡착제 충전층 장치
305 : 중화제 분무 장치
306 : 비회 가열 장치
307 : 중금속 처리 장치
308 : 매립 처리
309 : 회용해 장치
310 : 재생 장치
311 : 흡착제
312 : 촉매 구조
본 발명은, 촉매 구조 및 그를 이용한 연료 전지에 관한 것이다.
이전부터, 연료 전지는 차세대의 에너지로서 주목을 끌고 있지만, 최근에는 취급이 어려운 수소 이외의 물질을 연료로 하는 연료 전지가 검토되어 있고, 특히 메탄올이 주목받고 있다. 예를 들어, 응용 물리 Vol. 71, No.8(2002년)의 1005 ~ 1006 페이지에 기재되어 있는 바와 같이, 메탄올을 전극에서 직접 반응시킴으로써 전기를 발생시키는 연료 전지는 다이렉트 메탄올 방식 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)라 불리고, 휴대 기기 등에 이용되는 연료 전지로서 검토되고 있다. DMFC의 과제는 전지 출력의 향상이며, 상기 문헌(응용 물리)에도 기재되어 있는 바와 같이, 표면에 요철을 설치하여 촉매의 실효 면적을 증가시키고 촉매 활성을 향상시키는 대책이 검토되고 있다.
또한, 예를 들어 특허 공개 공보의 일본 특허 공개 제2003-247414호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 차량용 내연 기관의 배기 가스 정화 장치에 있어서는 배기 가스 정화 촉매 입자가 고온에서 입자 성장하여 실행 면적이 감소되고, 촉매 기능이 열화되는 문제를 해결하기 위한 배기 가스 정화 장치 운전 방법이 제안되어 있다. 또한, 환경 문제가 심각화함에 따라, 예를 들어 특허 공개 공보의 일본 특허 공개 제2004-24979호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 공장이나 발전 설비 등으로 배출되는 배기 가스의 처리 장치도 제안되어 있다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 제2003-247414호 공보
[특허 문헌 2]
일본 특허 공개 제2004-24979호 공보
[비특허 문헌 1]
응용 물리 Vol. 71, No.8(2002년)의 1005 ~ 1006 페이지
그러나, 상기 공지예에는 촉매 활성이 높은 촉매 구조가 충분히 개시되어 있다고는 할 수 없다. 또한, 전지 출력이 높은 연료 전지를 제공하기 위해서는 충분하다고는 할 수 없다.
그래서, 본 발명의 제1 목적은 촉매 활성이 높은 촉매 구조를 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 제2 목적은 전지 출력이 높은 연료 전지를 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 제3 목적은 고온에서도 안정된 촉매 구조를 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 제4 목적은 높은 기능을 갖는 배기 가스 시스템을 제공하는 데 있다.
발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위한 예의 연구를 행하고, 도전성막에 접 촉하여 형성된 촉매 입자를 구비한 촉매에 대해, 상기 도전성막을 구성하는 재료의 격자 정수와 상기 촉매 입자를 구성하는 재료의 격자 정수의 차가 16 ％ 이하이도록 하는 것이 촉매 활성을 향상시키는 데 있어서 유효한 것을 발견하였다. 또한, 그 때 3 ％ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 격자 정수의 차는 3 ％ 이상 11 ％ 이하인 것이 보다 바람직한 것을 발견하였다.
본 출원 발명의 과제는 예를 들어, 하기의 구성을 구비한 촉매 구조체 및 연료 전지에 의해 해결된다.
(1) : 도전성막과, 상기 도전성막 상에 형성된 촉매 입자를 구비한 촉매 구조에 있어서, 상기 도전성막을 구성하는 재료의 격자 정수와 상기 촉매 입자를 구성하는 재료의 격자 정수의 차를 16 ％ 이하로 하는 것이다.
(2) : 도전성막과, 상기 도전성막에 인접하여 형성된 촉매 입자와, 상기 촉매 입자에 접촉하여 형성된 코팅 재료를 구비한 촉매 구조에 있어서, 상기 도전성막을 구성하는 재료의 격자 정수와 상기 촉매 입자를 구성하는 재료의 격자 정수의 차를 16 ％ 이하로 하는 것이다.
(3) : 상기 (1), (2)의 촉매 구조에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료를 백금족 합금으로 하는 것이다.
또는, 상기 (1), (2)의 촉매 구조에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료가 PtRu 또는 PtMo으로 하는 것이다.
(4) : 상기 (1), (2)의 촉매 구조에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료를 예를 들어, 백금족 합금으로 하고, 상기 도전성막의 주 구성 원소를 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나로 하는 것이다.
또한, 상기 코팅 재료의 주 구성 재료를 DNA 분자로 하는 것이다.
(5) : 상기 (2)의 촉매 구조에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료를 PtRu 또는 PtMo을 갖고, 상기 촉매 입자의 사이즈를 2.6 ㎚ 이상 4.2 ㎚ 이하로 하고, 상기 도전성막의 주 구성 원소를 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나를 갖고, 상기 코팅 재료의 주 구성 재료를 DNA 분자로 하는 것이다.
(6) : 상기 (2)의 촉매 구조에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료를 백금족 합금을 갖고, 상기 도전성막의 주 구성 원소를 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나로 하고, 상기 코팅 재료의 주 구성 재료를 카본나노혼으로 하는 것이다.
(7) : 상기 (2)의 촉매 구조에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료를 PtRu 또는 PtMo을 갖고, 상기 도전성막의 주 구성 원소를 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나를 갖고, 상기 코팅 재료의 주 구성 재료를 카본나노혼으로 하는 것이다.
(8) : 전해질막과, 상기 전해질막의 한 쪽 측면에 인접하여 형성된 연료극과, 상기 연료극이 배치된 면의 반대측면에 인접하여 형성된 전해질막을 구비하고, 상기 연료극에는 알코올을 원료로 하는 연료가 이용되고, 상기 산소극이 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 촉매 구조를 구비한 연료 전지이다.
(9) : 전해질막과, 상기 전해질막의 한 쪽 측면에 인접하여 형성된 연료극 과, 상기 연료극이 배치된 면의 반대측면에 인접하여 형성된 전해질막을 구비하고, 상기 연료극에는 알코올을 원료로 하는 연료가 이용되고, 상기 산소극이 (1) 내지 (7)에 기재된 촉매 구조를 구비한 연료 전지이다.
(10) : 내연 기관으로부터의 배기 가스 공급부와, 상기 배기 가스 공급부로부터 공급된 상기 배기 가스가 도입되는 촉매 컨버터를 구비한 내연 기관의 배기 가스 정화 시스템이며, 상기 촉매 컨버터는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 촉매 구조체를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 시스템이다. 또한, 구체적으로 예를 들어 내연 기관과, 배기 시스템과, 상류측 촉매 컨버터와, 하류측 촉매 컨버터를 구비한 차량용 내연 기관의 배기 가스 정화 시스템에 있어서, 적어도 상류측 촉매 컨버터가 (1) 내지 (7)에 기재된 촉매 구조를 구비한 촉매 컨버터인 배기 가스 정화 시스템일 수 있다.
(11) : 배기 가스의 공급부와, 상기 공급된 배기 가스 중 매진을 제거하는 제1 버그 필터 장치와, 상기 제1 버그 필터 장치를 거친 배기 가스에 포함되는 유기 할로겐 화합물을 제거하는 흡착제 충전층 장치와, 상기 흡착제 충전층 장치를 거친 배기 가스 중 산성 성분을 제거하는 제2 버그 필터 장치를 구비한 배기 가스 처리 시스템이며, 상기 흡착제 충전층 장치가 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 촉매 구조체를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 시스템이다.
또, 여기서 주 구성 재료라 함은, 가장 큰 원자 농도로 존재하는 재료의 것을 의미한다. 또한, 주 구성 원소라 함은, 가장 큰 원자 농도로 존재하는 원소의 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 나타낸 실시예에 의해 상세하게 설명한다. 또, 본 발명은 본 명세서에 기재된 형태로만 한정되는 것은 아니며, 공지 기술 및 금후 공지 기술이 되는 기술을 기초로 하여 수정하는 것을 저지하는 것은 아니다.
우선, 본 발명에 있어서의 제1 실시예인 촉매 구조체에 있어서의 주요 부분의 개략을 도1에 도시한다. 본 실시예의 촉매 구조는, 도1에 도시한 바와 같이 도전성막(1)에 접촉하여 촉매 입자(2)가 형성되고, 또한 코팅 재료(3)가 형성된 구조로 되어 있다. 이 코팅 재료의 효과에 대해서는 다음에 서술하지만, 이 효과가 불필요한 경우에는 생략할 수도 있다. 여기서, 도전성막(1)을 구성하는 재료의 격자 정수와 촉매 입자(2)를 구성하는 재료의 격자 정수의 차는 16 ％ 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는 3 ％ 이상으로 한다. 또한, 보다 더 바람직하게는 격자 정수의 차는 3 ％ 이상 11 ％ 이하이다. 이 이유는, 격자 정수가 이러한 조건을 충족하는 경우에 촉매 입자의 사이즈를 실온(20 ℃)에 있어서 충분히 작게(예를 들어, 10 ㎚ 이하) 할 수 있어, 촉매 입자의 표면적의 총합을 크게 할 수 있기 때문이다. 이에 의해, 촉매 활성 기능을 향상시킬 수 있다. 격자 정수의 차가 3 ％ 미만의 경우에는 도전성막 표면의 원자 배열에 따라서 촉매 원자도 병행하기 때문에, 도전성막(1) 상에 촉매는 입자형으로 형성되지 않고 막형으로 형성되어 버린다. 이로 인해, 표면적의 총합을 크게 하는 것이 곤란하다. 또한, 격자 정수의 차가 16 ％를 초과하는 경우에는 도전성막(1)과 촉매 입자(2)의 격자 부정합이 지 나치게 크기 때문에 촉매 원자의 확산이 활발하게 일어나, 촉매 입자끼리가 들러붙어 사이즈가 커져 버린다. 이 경우에도 표면적의 총합을 크게 할 수 없다. 격자 정수의 차가 16 ％ 이하인 경우에는 촉매 입자의 확산이 억제되어 촉매 입자의 사이즈를 실온에 있어서 충분히 작게(일예로서는 10 ㎚ 이하) 할 수 있다. 더 바람직하게는 3 ％ 이상이 되도록 제어한다.
본 실시예의 효과를 상세하게 설명하기 위해, 분자 동력학 시뮬레이션에 의한 해석예를 나타낸다. 분자 동력학 시뮬레이션이라 함은, 예를 들어 저널 오브 어플라이드 피직스(Journal of Applied Physics)의 제54권(1983년 발행)의 4877 페이지에 기재되어 있는 바와 같이, 원자간 포텐셜을 통해 각 원자에 작용하는 힘을 계산하고, 이 힘을 기초로 뉴튼의 운동 방정식을 풀어서 각 시각에 있어서의 각 원자의 위치를 산출하는 방법이다. 또, 본 실시예에서는 상기한 분자 동력학법에 전하 이동을 도입하여 이종 원소간의 상호 작용을 계산함으로써, 후술의 관계를 구한다.
본 실시예의 주된 효과는, 전술한 바와 같이 도전성막(1)과 촉매 입자(2)의 격자 정수의 차가 16 ％ 이하인 경우에, 촉매 입자의 확산이 억제되어 촉매 입자의 사이즈를 실온에 있어서 충분히 작게 할 수 있는 것이다. 그래서, 촉매 입자(2)의 도전성막(1)과의 계면 근방에서의 확산 계수를 계산하고, 그 격자 부정합 의존성을 해석함으로써 이 효과를 나타낼 수 있다. 분자 동력학 시뮬레이션에 의해 확산 계수를 계산하는 방법은, 예를 들어 피직컬 리뷰 B(Physical Review B)의 제29권(1984년 발행)의 5367 페이지 내지 5369까지 기술되어 있다.
처음에, 코팅 재료(3)가 존재하지 않고, 촉매 입자(2)의 재료로서는 Pt을 이용한 경우의 시뮬레이션에 대해, 횡축에 형성된 촉매 입자(2)와 도전성막(1)의 격자 정수(a)가 상대적인 차 A를 취하고, 종축에 촉매 입자(2)의 도전성막(1)과의 계면에서의 확산 계수(D)의 계산 결과를 표시하였다. 여기에서는, 격자 정수(a)는 가장 근접 원자간 거리를 의미한다. 또, 도2에 있어서, D0는 촉매 입자(2)와 도전성막(1)이 함께 Pt 재료인 경우의 확산 계수를 나타낸다.
또, 본 실시예에서는 일예로 하여 Pt을 이용하는 것이 바람직하지만, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료가 PtRu 또는 PtMo를 갖게 할 수 있다. 이는, Pt와 거의 동일한 격자 정수를 가지므로, 기본적으로 동일한 특성을 갖기 때문이다. 이로 인해, 이하의 설명 Pt에 촉매 입자를 예로 든 설명이므로 이러한 경우의 도면 기재를 생략한다. 또한, 다른 백금족 원소에 대해서도 동일한 기본적 경향을 나타내므로 도시 생략하였다. 이로 인해, 다른 관점으로부터 Pt 이외의 백금족 원소를 사용할 수도 있다.
도2의 시뮬레이션 결과로부터, 격자 정수의 차가 클수록 확산 계수가 크고, 촉매 입자끼리가 들러붙어 쉽게 성장하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, Pt 및 Pd가 확산 계수가 작고, Al, Au, Ti, Ag 또한, Cu, Co, Ni, Fe 그리고 Er, Pb와 같이 크게 되어 있다. 시뮬레이션 결과를 입자 사이즈에 대해 착안하여 표시한 결과를 도3에 나타낸다. 도3은 도2와 아주 비슷하고, 확산 계수가 큰 영역에서는 입자 사이즈가 큰 것을 알 수 있다. 특히 격자 정수의 차가 16 ％를 초과하면, 도2에 나 타낸 확산 계수는 현저히 커진다. 이로 인해, 16 ％ 이하로 한다. 또한, 도3에 나타낸 입자 사이즈도 현저히 커지는 것을 알 수 있다. 격자 정수의 차가 3 ％ 미만의 영역에서는, 도3에 나타낸 입자 사이즈에는 결과를 표시하고 있지 않지만, 이는 막형으로 되어 버린 것을 나타낸다. 이로 인해, 3 ％ 이상인 것이 바람직하다. 따라서, 촉매 입자의 표면적의 총합을 크게 하기 위해서는, 격자 정수의 차는 3 ％ 이상 16 ％ 이하가 바람직하다. 도3으로부터, 입자 사이즈를 충분히 작게 하기 위해서는(예를 들어, 5 ㎚ 이하), 격자 정수의 차는 11 ％ 이하인 것이 바람직하다.
다음에 도4에 200 ℃에서의 입자 사이즈를 나타낸다. 도3의 실온의 경우와 비교하여, 촉매 입자의 사이즈가 커지는 것을 나타내고 있다. 이에 대해, 코팅 재료로서 카본나노혼을 이용한 경우의 200 ℃에서의 시뮬레이션 결과를 도5에 나타낸다. 도5와, 코팅 재료가 없는 경우의 도4를 비교하면, 도5의 입자 사이즈가 20 ％ 내지 30 ％ 정도 작게 억제되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 카본나노혼을 코팅 재료로서 이용함으로써, 고온에서의 입자 성장을 방지할 수 있다고 할 수 있다.
다음에, 코팅 재료로서 B-DNA를 이용한 경우의 200 ℃에서의 시뮬레이션 결과를 도6에 나타낸다. 도6과, 코팅 재료로서 카본나노혼을 이용한 경우의 도5를 비교하면, 도6의 입자 사이즈의 쪽이 20 ％ 내지 30 ％ 정도 작게 억제되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, B-DNA의 쪽이 카본나노혼보다도 입자 성장 억제 효과가 높다고 할 수 있다. 도5, 도6에 대응한 20 ℃에서의 시뮬레이션 결과를 도7, 도8에 나타낸다. 이들은 200 ℃에서의 시뮬레이션 결과(도5, 도6)와 가까운 결과를 나타내고 있으므로, 카본나노혼이나 DNA에서 생긴 코팅 재료가 온도에 의하지 않고 사이즈를 작게 하는 효과를 갖는 것을 알 수 있다.
이러한 실시예에서는, 촉매 입자로서 Pt 입자를 이용한 예를 나타냈지만, C0 피독에 내성이 있는 PtRu 입자나 PtMo 입자를 이용하는 것이 보다 바람직하다. 상기한 Pt 입자의 경우와 마찬가지의 시뮬레이션에 의해, PtRu 입자나 PtMo 입자에 대해서도 상기와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것을 나타낼 수 있다. 예를 들어, PtRu 입자를 촉매 입자로서 이용하고, 코팅 재료로서 B-DNA를 이용한 경우의 20 ℃에서의 시뮬레이션 결과를 도9에 나타낸다. 도9의 결과는, 도8과 거의 같은 결과를 나타내고 있고, Pt 입자 대신에 CO 피독 내성이 높은 PtRu 입자를 이용해도 입자 사이즈를 작게 하는 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다.
다음에, 본 발명에 있어서의 제2 실시예인 연료 전지 구조의 개략도를 도10에 나타낸다. 본 실시예의 연료 전지는, 도10에 도시한 바와 같이 전해질막(101)의 양면에 촉매를 담지한 전극[촉매 담지 전극(102, 103)]을 부착하고, 이에 배선(104, 105)과 부하(106)를 접속한 구조를 갖는다. 연료로서는, 예를 들어 메탄올이 이용된다. 촉매 담지 전극(102)은 산소극, 촉매 담지 전극(103)은 연료극이다. 산소극(102)에 사용되는 촉매 입자에는 산소 분자의 환원을 촉진하는 촉매를 함유하는 재료, 예를 들어 Pd 또는 Pd 합금을 이용하는 것이 바람직하다. 연료극(103)은, 예를 들어 제1 실시예에 나타낸 바와 같은 촉매 구조를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 연료극(103)에 사용되는 촉매 입자로서는 C0 피독 내성이 높은 PtRu 입자나 PtMo 입자를 이용하고, 이를 담지하는 전극(도전성막)은 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나를 주 구성 원소로 하는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 것은 Al, Au, Ti, Ag의 적어도 어느 하나를 갖도록 하는 것이 좋다. 이에 의해 격자 정수의 차를 효과적으로 작게 할 수 있어 입자 사이즈도 충분히 미세한 상태로 할 수 있다. 제1 실시예에 나타낸 바와 같은 효과에 의해 촉매 활성 기능이 향상되므로, 본 실시예의 연료 전지는 전지 출력이 높다.
다음에, 본 발명에 있어서의 제3 실시예인 배기 가스 정화 시스템의 개략도를 도11에 나타낸다. 이 도면은, 특허 공개 공보의 일본 특허 공개 제2003-247414호 공보의 도1과 마찬가지의 형태로 하는 경우의 예이다. 이 배기 가스 정화 시스템의 예는, 도11에 도시한 바와 같이 전자식 기관 운전 제어 장치(ECU)(201), 내연 기관(202), 배기계(203), 드로틀 밸브(204), 서지 탱크(205), 흡기 매니폴드(206), 연료 분사 장치(207), 배기 매니폴드(208), 상류측 촉매 컨버터(209), 하류측 촉매 컨버터(210), 드로틀 개방도 센서(211), 크랭크각 센서(212), 산소 센서(213a, 213b), 바이패스 수단(214), 바이패스 통로(215), 유로 절환 밸브(216)에 의해 구성되어 있다. 산소 센서(213a)는 배기 가스 중 잔류 산소에 의해 연소된 혼합기의 공연비를 검출하기 위한 센서이며, 산소 센서(213b)는 바이패스 절환 수단의 작동이 정상적으로 행해지고 있는지 여부를 검출하기 위한 센서이다. 본 실시예의 특징으로서는 고온에서 작동하는 상류측 촉매 컨버터의 촉매 구조가 예를 들어 제1 실시예에 나타낸 바와 같은 촉매 구조를 갖는 것이다. 예를 들어, 상류측 촉매 컨버터(209)에 사용되는 촉매 입자로서는, 백금족을 주 구성 원소로 하는 입자(예를 들어 Pt 입자, Ru 입자, Rh 입자, PtRu 입자나 PtMo 입자)를 이용하고, 이를 담지하는 재료는 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나를 주 구 성 원소로 하는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 것은 Al, Au, Ti, Ag의 적어도 어느 하나를 갖도록 하는 것이 좋다. 이에 따라 격자 정수의 차를 보다 바람직한 값으로 할 수 있어 입자 사이즈도 충분히 미세한 상태로 할 수 있다. 상류측 촉매 컨버터는 고온에 둘 수 있기 때문에, 종래 기술로서는 입자 사이즈가 쉽게 커지지만, 본 실시예에서는 입자 사이즈를 미세한 입자로 할 수 있으므로, 배기 가스 정화 시스템으로서의 기능이 높다.
다음에, 본 발명에 있어서의 제4 실시예인 배기 가스 처리 시스템의 개략도를 도12에 나타낸다. 이 도면은, 특허 공개 공보의 일본 특허 공개 제2004-24979호 공보의 도1과 마찬가지의 형태로 한 경우의 예이다. 이 배기 가스 처리 시스템의 예는, 배기 가스 발생원(301)에 대해 제1 버그 필터 장치(302), 제2 버그 필터 장치(303), 흡착제 충전층 장치(304), 중화제 분무 장치(305), 비회(飛灰) 가열 장치(306), 중금속 처리 장치(307), 매립 처리(308), 회용해(灰溶解) 장치(309), 재생 장치(310)를 구비하여 구성되어 있다. 이 예로서는, 흡착제 충전층 장치(304)는 유기 할로겐 화합물을 흡착 제거하는 흡착제(311)와, 주로 촉매 작용에 의해 상기 화합물을 분해 제거하는 촉매 구조(312)를 구비하고 있다. 본 실시예의 특징으로서는, 촉매 구조(312)가 예를 들어 제1 실시예에 나타낸 바와 같은 촉매 구조를 갖는 것이다. 예를 들어, 촉매 구조(312)에 사용되는 촉매 입자로서는 백금족을 주 구성 원소로 하는 입자(예를 들어 Pt 입자, Ru 입자, Rh 입자, PtRu 입자나 PtMo 입자)를 이용하고, 이를 담지하는 재료는 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나를 주 구성 원소로 하는 것이 바람직하다. 특히 바람직 한 것은 Al, Au, Ti, Ag의 적어도 어느 하나를 갖도록 하는 것이 좋다. 이에 의해 격자 정수의 차를 보다 바람직한 값으로 할 수 있어 입자 사이즈도 충분히 미세한 상태로 할 수 있다. 촉매 구조(312)에는, 고온의 배기 가스가 들어가 고온이 되는 경우가 있으므로, 종래 기술로서는 입자 사이즈가 쉽게 커지지만, 본 실시예에서는 입자 사이즈를 미세한 입자가 되므로, 배기 가스 처리 시스템으로서의 기능이 높다.
본 발명에 따르면, 촉매 활성이 높은 촉매를 제공할 수 있다. 또한, 전지 출력이 높은 연료 전지를 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. 도전성막과, 상기 도전성막 상에 형성된 촉매 입자를 구비하고, 상기 도전성막을 구성하는 재료의 격자 정수와 상기 촉매 입자를 구성하는 재료의 격자 정수의 차가 3% 이상 16 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 촉매 구조체.
  2. 도전성막과, 상기 도전성막에 인접하여 형성된 촉매 입자와, 상기 촉매 입자에 접촉하여 형성된 코팅 재료를 구비하고, 상기 도전성막을 구성하는 재료의 격자 정수와 상기 촉매 입자를 구성하는 재료의 격자 정수의 차가 3% 이상 16 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 촉매 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료가 백금족 합금인 촉매 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료가 PtRu 또는 PtMo인 촉매 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 도전성막의 주 구성 원소가 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나를 갖는 촉매 구조체.
  6. 제2항에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료가 PtRu 또는 PtMo을 갖고, 상기 촉매 입자의 크기가 2.6 ㎚ 이상 4.2 ㎚ 이하이며, 상기 도전성막의 주 구성 원소가 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나를 갖고, 상기 코팅 재료의 주 구성 재료가 DNA 분자인 촉매 구조체.
  7. 제2항에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료가 백금족 합금이며, 상기 도전성막의 주 구성 원소가 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나이며, 상기 코팅 재료의 주 구성 재료가 카본나노혼인 촉매 구조체.
  8. 제2항에 있어서, 상기 촉매 입자의 주 구성 재료가 PtRu 또는 PtMo을 갖고, 상기 도전성막의 주 구성 원소가 Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, Ti의 군으로부터 선택되는 하나를 갖고, 상기 코팅 재료의 주 구성 재료가 카본나노혼인 촉매 구조체.
  9. 연료극과, 산소극과, 상기 연료극과 상기 산소극 사이에 배치되는 전해질막을 구비하고, 상기 산소극이 제1항에 기재된 촉매를 구비한 연료 전지.
  10. 전해질막과, 상기 전해질막의 한 쪽 측면에 인접하여 형성된 연료극과, 상기 연료극이 배치된 면의 반대측면에 인접하여 형성된 전해질막을 구비하고, 상기 연료극에는 알코올을 원료로 하는 연료가 이용되고, 상기 산소극이 제2항에 기재된 촉매 구조를 구비한 연료 전지.
  11. 내연 기관으로부터의 배기 가스 공급부와, 상기 배기 가스 공급부로부터 공급된 상기 배기 가스가 도입되는 촉매 컨버터를 구비한 내연 기관의 배기 가스 정화 시스템이며,
    상기 촉매 컨버터는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 촉매 구조체를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 시스템.
  12. 배기 가스의 공급부와, 상기 공급된 배기 가스 중 매진을 제거하는 제1 버그 필터 장치와, 상기 제1 버그 필터 장치를 거친 배기 가스에 포함되는 유기 할로겐 화합물을 제거하는 흡착제 충전층 장치와, 상기 흡착제 충전층 장치를 거친 배기 가스 중 산성 성분을 제거하는 제2 버그 필터 장치를 구비한 배기 가스 처리 시스템이며,
    상기 흡착제 충전층 장치가 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 촉매 구조체를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 시스템.
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