JP5509819B2 - 燃料電池用触媒及びこれを含む燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用触媒及びこれを含む燃料電池システムに関する。

燃料電池は、メタノール、エタノール、天然気体などの炭化水素系物質内に含まれている水素及び酸素の化学反応エネルギーを電気エネルギーに直接変換させる発電システムである。

このような燃料電池は、化石エネルギーに代替される清浄エネルギー源として、単位電池の積層によるスタックの構成によって多様な範囲の出力を行なう長所があり、小型リチウム電池に比べてエネルギー密度が４乃至１０倍であるため、小型及び移動用携帯電源として注目されている。

燃料電池の代表的な例としては、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）がある。前記直接酸化型燃料電池における燃料としてメタノールを使用する場合には、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）という。

前記高分子電解質型燃料電池は、エネルギー密度が高く、出力が高い長所があるが、水素ガスの取り扱いに注意が必要であり、燃料ガスである水素を生成するためにメタンやメタノール及び天然ガスなどを改質する燃料改質装置などの付帯設備が必要であるという問題がある。

これに反して、直接酸化型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池に比べてエネルギー密度は低いが、燃料の取り扱いが容易であり、運転温度が低いので常温で運転が可能であり、特に燃料改質装置が必要でないという長所がある。

このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）及びセパレータ（または二極式プレート（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）ともいう）からなる単位セルが数個乃至数十個積層された構造からなる。前記膜−電極接合体は、水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜を間において、アノード電極（燃料極または酸化電極ともいう）及びカソード電極（酸化剤極または還元電極ともいう）が位置する構造からなる。

燃料電池で電気を発生させる原理は、燃料が燃料極であるアノード電極に供給されてアノード電極の触媒に吸着し、燃料が酸化されて水素イオン及び電子を生成し、この時に発生した電子は外部回路によって酸化極であるカソード電極に伝達され、水素イオンは高分子電解質膜を通過してカソード電極に伝達される。そして、カソード電極に酸化剤が供給されて、前記酸化剤、水素イオン、及び電子がカソード電極の触媒上で反応して水を生成し、電気を発生させる。

ここで、カソード電極の酸素還元反応に使用される触媒としては、主に白金（Ｐｔ）があるが、価格が高いため、現在は合金触媒に対する関心が高まっている。
合金触媒に対する研究は、主に白金の量を減少させることによる性能の限界を克服することが重点となっている。しかし、このような合金触媒の使用において、合金化が十分に行われなかった時に、安定性の問題が発生することがある。特に、高分子電解質型燃料電池では、その問題がより大きいため、安定性の高い合金触媒の開発が要求されている。

特許文献１には、白金及びコバルト（Ｃｏ）の混合比を調節して、触媒の性能及び安定性を改善させる内容が開示されているが、単純に補助金属との混合比だけで安定性の高い触媒を定義することはできず、それによる性能及び安定性の改善にも限界がある。また、白金と鉄、クロム、クロム−ニッケル及びコバルトから選択される少なくとも一種の金属との合金触媒も開示されているが（特許文献２）、触媒性能について改良の余地がある。

日本国特許第３６４３５５２号公報 特開２００５−３１７５４６号公報

本発明は、性能及び安定性の高い燃料電池用触媒、及び前記燃料電池用触媒を含む燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施態様は、面心正方（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造からなる白金−金属合金を含み、前記白金−金属合金は、ＣｕＫαラインを利用したＸＲＤパターンで、２θ値が６５乃至７５度でブロード（ｂｒｏａｄ）なピーク（ｐｅａｋ）または頂部が２つに分かれたピークを示し、前記白金−金属合金は、担体に担持されて、前記白金−金属合金の粒子の平均粒径が１．５乃至５ｎｍである燃料電池用触媒を提供する。

前記金属は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｍｏ、及びこれらの組み合わせからなる群より選択され、好ましくはＦｅ、Ｃｏ、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される。
前記白金−金属合金は、白金及び金属の混合モル比が０．６７：１乃至２：１である。

前記白金−金属合金の粒子の平均粒径が１．５乃至３ｎｍであり、格子定数値がａ＝３．８８０乃至３．７８０Å及びｃ＝３．８１０乃至３．６５０Åである。

前記白金−金属合金は、前記担体に合金及び担体総量に対して２０乃至５０質量％で担持され、前記担体は、黒鉛、デンカブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノワイヤー、カーボンナノボール、及び活性炭からなる群より選ばれる炭素系物質；またはアルミナ、シリカ、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選ばれる無機物微粒子；である。

前記白金−金属合金は、２００℃以上７００℃未満の温度で、水素を含むガス雰囲気で、好ましくは５乃至１００体積％の水素を含むガス雰囲気で、０．５乃至１０時間熱処理されて形成される。

前記燃料電池用触媒は、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）に使用される。

本発明の異なる実施態様は、燃料及び水が混合された混合燃料を供給する燃料供給部；前記混合燃料を改質して、水素ガスを含む改質ガスを発生させる改質部；本発明の一実施態様による触媒を含み、改質部から供給される水素ガスを含む改質ガスが酸化剤と電気化学的反応を起こして電気エネルギーを発生させるスタック；及び酸化剤を前記スタック及び改質部に供給する酸化剤供給部；を含む燃料電池システムを提供する。
その他の本発明の実施態様の具体的な事項は、下記の詳細な説明に含まれる。

本発明の一実施態様による燃料電池用触媒は、製造費用が安いにもかかわらず、性能及び安定性が高いので、燃料電池システムの性能を改善することができる。

本発明の燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。 本発明の燃料電池システムのスタックを示した分解斜視図である。 実施例１による触媒のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンである。 実施例２による触媒のＸＲＤパターンである。 実施例３による触媒のＸＲＤパターンである。 比較例１による触媒のＸＲＤパターンである。 比較例２による触媒のＸＲＤパターンである。 比較例３による触媒のＸＲＤパターンである。 実施例１乃至３及び比較例１乃至３による燃料電池の電圧電流グラフである。

以下、本発明の実施態様を詳細に説明する。しかし、これは例示として提示されるものであって、本発明はこれによって制限されず、本発明は請求の範囲によって定義される。

本発明の一実施態様による燃料電池用触媒は、面心正方（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造からなる白金−金属合金を含む。前記面心正方構造は、白金及び金属の比率が１：１に近接した組成からなり、白金の格子中に金属が挿入されて構成される構造からなる。つまり、本発明の一実施態様による白金−金属合金は、面心正方構造からなって、構造的特異性を有する合金である。

このような面心正方構造からなる白金−金属合金の場合、酸に対する安定性が非常に優れていて、例えば１Ｍ硫酸溶液中で１時間攪拌しても前記構造が壊れずに維持されるほど、非常に安定した構造からなる。したがって、燃料電池の作動時に使用される硫酸水溶液に対して安定性が優れているので、長期間使用することができる。

前記のように面心正方構造からなる白金−金属合金は、ＣｕＫαラインを利用したＸＲＤパターンで、２θ値が６５乃至７５度でブロード（ｂｒｏａｄ）なピーク（ｐｅａｋ）または頂部が２つに分かれたピークを示す。

ＸＲＤパターンにおいて、ｘ軸は２θ、ｙ軸はピーク強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示し、ここで、前記ブロードなピークは、２θ値が６５乃至７５度で存在する特性ピークであって、その半値幅（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）、つまりピークの強さの最低点及び最高点の間の５０％になる点からの幅（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ）が４度以上、好ましくは４乃至５度であるピークを意味する。

また、前記頂部が２つに分かれたピークは、凹部分（谷部）を有する、２θ値が６５乃至７５度で存在する特性ピークであり、ベースラインを強度０％とし、ピーク頂部の強度を１００％としたときに、強度１０％以上１００％未満になる点に該凹部分の底部が存在することを意味する。また、前記頂部が２つに分かれたピークは、１つのピークだけでなく、２つのピークが互いに重なって形成されるピークも含む。また、前記頂部が２つに分かれたピークは、頂部が分かれたピークが互いに対称であるもの、及び対称でないものの全てを含む。

前記ブロードなピークの形状の特徴、つまり前記ピークでの半値幅、及び前記頂部が２つに分かれたピークの形状の特徴、つまり前記ピークでの凹部分の底部の強度、は、ノイズ除去（または平滑化（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）ともいう）を行なう前、及びノイズ除去を１回以上、好ましくは１回以上１１回以下行なった場合の全てに該当する。前記ノイズ除去は、オリジン（ｏｒｉｇｉｎａ）プログラム、Ｘ−ｐｅｒｔプログラムなどを利用することができるが、これに限定されない。

また、前記面心正方構造で、白金の格子中に金属が挿入される形状が規則的である場合、前記面心正方構造によるピーク以外に超格子ピークが現れるが、超格子ピークが共に現れることによって、白金及び金属の合金が安定的に形成されて、より低い温度で高い合金化度を維持することができる。前記超格子ピークは、ＣｕＫαラインを利用したＸＲＤパターンで、２θ値が３０乃至４０度、５０乃至６０度などで少なくとも一部分以上現れる。

このような構造的特異性を有する白金−金属合金を得るためには、多様な製造条件が伴う。合金触媒は、一般に、白金及び補助金属が金属結合を構成する形態からなり、このような合金触媒は、互いに同一でない性質の２つの金属が結合されて構成されるので、構造的な制御が容易でない。また、ナノ粒子同士の合金であるため、バルク（ｂｕｌｋ）特性及び各ナノ粒子間の特性を一定に維持するのが難しい。このために、所定の製造条件が必要であるが、このような種々の製造条件は下記で説明する。

前記白金−金属合金に使用される金属としては、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｍｏ、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるものがある。これらのうち、好ましくは、Ｃｏ、Ｆｅ、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるものを使用することができる。これらのうち、最も好ましくは、白金及びＣｏの合金が使用され、これは、約６５０℃以下で規則的な合金を形成しやすく、後述するように５００℃未満の低い温度でも高い合金化度を維持することができる。

本発明の一実施態様によれば、構造的特異性を有する白金−金属合金を得るためには、均一な合金組成を有する金属混合物質を製造することが重要である。このために、化学的な（ｃｈｅｍｉｃａｌ）方法や照射（ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ）方法によって均一な合金組成を有する金属混合物質を製造する場合、ＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）やＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）分析の結果、複数の部分の分布偏差が５％以下であるのが好ましい。

また、前記白金−金属合金は、白金及び金属の混合モル比が０．６７：１乃至２：１であり、好ましくは０．８：１乃至１．２：１である。白金及び金属の混合モル比が前記範囲内である場合に、前記のような構造的特異性を有し、選択的に超格子ピークを示して、合金触媒の性能及び安定性を改善させることができる。

燃料電池用触媒の活性は、前記白金−金属合金の比表面積と関係があり、白金−金属合金の比表面積を増加させるために、白金−金属合金の粒子の平均粒径をナノサイズに製造することが要求される。本発明の一実施態様に使用される白金−金属合金の粒子の平均粒径は５ｎｍ以下であり、好ましくは１．５乃至５ｎｍであり、より好ましくは１．５乃至３ｎｍである。白金−金属合金の粒子の平均粒径が前記範囲内である場合に、微細な大きさの触媒によって合金化度を高めるために高温での熱処理が可能であるなど、触媒利用効率が高く、白金の活性表面積が広くなって活性に有利で、燃料電池の高性能を実現することができる。

前記白金−金属合金の超格子定数は、ａ＝３．７８０乃至３．８８０Å及びｃ＝３．６５０乃至３．８１０Åの値であり、好ましくはａ＝３．７８０乃至３．８４０Å及びｃ＝３．６８０乃至３．７５０Åの値である。白金−金属合金の超格子定数が前記範囲の値である場合に、触媒の合金化が安定して行なわれる。

前記白金−金属合金は、担体に担持させて使用することができ、この場合、触媒粒子の大きさを小さくすることができて、触媒の反応表面積を増加させることができる。前記担体としては、黒鉛、デンカブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノワイヤー、カーボンナノボール、活性炭などの炭素系物質を使用することができ、またはアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどの無機物微粒子を使用することもでき、これらのうち、主に炭素系物質が使用されている。

前記白金−金属合金が担体に担持される場合、合金及び担体総量に対して２０乃至６０質量％で担持され、好ましくは３０乃至６０質量％、より好ましくは４０乃至６０質量％で担持される。白金−金属合金が前記範囲内で担持される場合に、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）用触媒として好適に使用することができ、この時、触媒層の厚さを１０ｍｍ以下に維持することができ、触媒利用効率を高めることができる有利な特徴がある。

本発明の一実施態様による白金−金属合金が前記炭素系物質の担体に担持される場合、炭素系物質、白金、及び金属の混合モル比は白金：金属が１５．８：０．６７：１乃至１１７：１．５１：１であり、好ましくは１８：０．８：１乃至９８：１．２：１である。炭素系物質、白金、及び金属の混合モル比が前記範囲内である場合に、合金触媒の性能及び安定性をより改善させることができる。

前記のように担体によって担持された白金−金属合金の表面積は３０乃至１２０ｍ^２／ｇであり、好ましくは４０乃至９０ｍ^２／ｇである。白金−金属合金の表面積が前記範囲内である場合に、白金の表面積が広くなって合金の効果を顕著に現すことができるので有利であり、白金の表面積が広すぎないので安定性の問題も解決することができる。また、合金触媒の場合には、金属が白金の位置を占めるようになるので、白金と同一な量で触媒の表面積が広くなる。

本発明の一実施態様による触媒は、下記の方法で製造される。
まず、担体に担持されないブラックタイプ触媒の場合、白金原料物質及び金属原料物質を溶媒中で混合して混合物を製造し、前記混合物を乾燥し、前記乾燥された混合物を熱処理する段階を含む製造方法によって製造される。
また、担体に担持された触媒の場合、白金原料物質及び金属原料物質を溶媒中で混合して混合物を製造し、前記混合物を担体に担持した後で乾燥して熱処理して製造することができる。
前記担体添加時に、担体にＮａの金属塩をさらに添加して、担体の性質を塩基性に調節することによって、合金化がよりよく進められる。

前記白金原料物質としては、Ｈ_２ＰｔＣｌ_６、ＰｔＣｌ_２、ＰｔＢｒ_２、（ＮＨ_３）_２Ｐｔ（ＮＯ_２）_２、Ｋ_２ＰｔＣｌ_６、Ｋ_２ＰｔＣｌ_４、Ｋ_２［Ｐｔ（ＣＮ）_４］３Ｈ_２Ｏ、Ｋ_２Ｐｔ（ＮＯ_２）_４、Ｎａ_２ＰｔＣｌ_６、Ｎａ_２［Ｐｔ（ＯＨ）_６］、プラチナアセチルアセトネート（ｐｌａｔｉｎｕｍ ａｃｅｔｙｌ ａｃｅｔｏｎａｔｅ）、アンモニウムテトラクロロプラチネート（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｏｐｌａｔｉｎａｔｅ）、及びこれらの混合物からなる群より選択されるものを使用することができ、これらのうち、好ましくは、Ｈ_２ＰｔＣｌ_６が使用される。

前記金属原料物質としては、金属含有金属ハロゲン化合物、硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、酢酸塩、アミン類などのいかなる形態の化合物も使用することができ、これらのうち、硝酸塩または塩酸塩を使用するのが好ましい。

前記溶媒としては、水；メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール；またはこれらの混合物を使用することができる。

前記原料物質の混合比は、最終的に生成される触媒での各構成元素の含有量比を考慮して、適切に調節することができる。

混合物に対する乾燥工程は、前記混合物に含まれている溶媒を蒸発させるために実施するもので、一例として超音波乾燥（ｕｌｔｒａ−ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）などの方法を使用することができる。また、乾燥工程を実施した後で、粉砕工程を実施して、微細な粉末の混合物を製造することができる。

また、前記熱処理工程は、２００℃以上７００℃未満で実施され、好ましくは２００℃以上５００℃未満、より好ましくは２００℃以上３００℃未満で実施される。熱処理工程が前記温度範囲内で実施される場合に、原料物質が十分に分解されて、均一な合金化が行なわれる。

前記熱処理工程は、水素を含むガス雰囲気で行われる。前記水素を含むガス雰囲気は、水素５乃至１００体積％及び窒素０乃至９５体積％からなり、好ましくは水素５乃至５０体積％及び窒素５０乃至９５体積％からなる。一般に、白金は、親水素性を有し、熱及び水素雰囲気で粒子が大きくなるが、前記範囲の水素を含むガス雰囲気では、合金を形成して、白金の粒子を小さく維持することができる。

また、前記ガス雰囲気は、水素以外に一酸化炭素及び加湿された窒素をさらに含むことができ、一酸化炭素が白金触媒の触媒毒として作用して粒子の凝集を防止して、触媒を還元させることができる。

前記熱処理工程は、０．５乃至１０時間実施することができ、好ましくは１乃至５時間実施することができる。熱処理工程が前記範囲の時間で行われる場合に、工程が容易で、粒子を小さく維持するのに有利である。

前記熱処理工程を実施した後に得られた生成物を冷却する。この時、冷却工程は、徐冷または急冷（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）工程で実施され、急冷工程で実施するのが超格子ピークを現す触媒をよりよく形成することができる。前記急冷は、速度１０乃至５０℃／ｍｉｎの範囲で行われるが、これは、外部から冷温条件を与えずに自然乾燥条件を維持したり、非常に少ない冷温条件を与える程度である。外部から非常に急激な急冷を行なう場合、反応器（熱処理炉）で問題が発生して、安全性に問題があり、急冷を行わない場合、合金触媒の構造が自然に原状に戻ろうとする性質が発生する。

前記熱処理工程後に、合金を形成していない金属を選択的に除去するために、リーチングテスト（ｌｅａｃｈｉｎｇ ｔｅｓｔ）をさらに実施することができる。前記リーチングテストは、熱処理後に得られた合金を硫酸、燐酸などの酸溶液に添加して、合金を形成していない金属を除去するためのものであって、前記酸溶液は、濃度が３乃至０．５Ｍであり、好ましくは濃度が２乃至１Ｍである。酸溶液の濃度が前記範囲内である場合に、合金を形成していない金属だけを溶かして出すことができる。また、前記リーチングテストは、０．１乃至２４時間実施され、好ましくは０．５乃至５時間実施される。リーチングテストを前記範囲の時間で実施する場合に、合金を形成していない金属だけを溶かして出すことができる。

前記のように製造された触媒は、触媒層の厚さを反応厚さ（約１０ｍｍ前後）に合わせるのに有利であるので、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）に使用することができる。直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＤＭＦＣ）の場合、担持量が少ない場合には膜−電極接合体の性能を現すために多くの触媒を使用しなければならず、これによって触媒層の厚さが厚くなることがある。一般に、直接メタノール燃料電池の場合、最少６０質量％以上の担持量を維持しなければならない。

前記燃料電池用触媒は、カソード電極に使用することができる。
前記のような種々の条件を調節することによって、面心正方の構造的特異性を有する白金−金属触媒を得ることができ、このような白金−金属触媒は、高安定性及び高性能を確保することができる。

次に、前記燃料電池用触媒を含む本発明の異なる実施態様による燃料電池システムについて説明する。
図１は本発明の一実施態様による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図であり、図２は本発明の一実施態様による燃料電池システムのスタックを示した分解斜視図である。
前記図１及び図２を参照すれば、本発明の一実施態様による燃料電池システム１００は、燃料及び水が混合された混合燃料を供給する燃料供給部１１０；前記混合燃料を改質して、水素ガスを含む改質ガスを発生させる改質部１２０；前記燃料電池用触媒を含み、改質部から供給される水素ガスを含む改質ガスが酸化剤と電気化学的反応を起こして電気エネルギーを発生させるスタック１３０；及び酸化剤を前記改質部１２０及びスタック１３０に供給する酸化剤供給部１４０を含む。

前記スタック１３０は、改質部１２０から供給される水素ガスを含む改質ガス及び酸化剤供給部から供給される酸化剤の酸化／還元反応を誘導して、電気エネルギーを発生させる複数の単位セル１３１を含む。

各々の単位セル１３１は、電気を発生させる単位のセルを意味するもので、水素ガスを含む改質ガス及び酸化剤中の酸素を酸化／還元させる膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）１３２、及び水素ガスを含む改質ガス及び酸化剤を膜−電極接合体１３２に供給するための分離板（または二極式プレート（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）ともいう）１３３を含む。前記分離板１３３は、膜−電極接合体１３２を中心に置いて、その両側に配置される。この時、前記スタックの最外側に各々位置する分離板を特にエンドプレート１３３ａということもある。

前記膜−電極接合体１３２は、両側面を構成するアノード電極及びカソード電極の間に電解質膜が介在された構造からなる。
アノード電極は、分離板１３３を通じて水素ガスを含む改質ガスの供給を受ける部分であって、酸化反応によって水素ガスを含む改質ガスを電子及び水素イオンに変換させる触媒層、及び電子及び水素イオンの円滑な移動のための気体拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）から構成される。
また、カソード電極は、分離板１３３を通じて酸化剤の供給を受ける部分であって、還元反応によって酸化剤中の酸素を電子及び酸素イオンに変換させる燃料電池用触媒層、及び電子及び酸素イオンの円滑な移動のための気体拡散層から構成される。そして、電解質膜は、厚さが１０乃至２００μｍの固体ポリマー電解質であって、アノード電極の触媒層で生成された水素イオンをカソード電極の触媒層に移動させるイオン交換の機能を有する。
前記触媒層の触媒は、前記本発明の一実施態様による白金−金属合金を含む。

また、前記分離板のうちのエンドプレート１３３ａには、改質部から供給される水素ガスを含む改質ガスを注入するためのパイプ形状の第１供給管１３３ａ１、及び酸素ガスを注入するためのパイプ形状の第２供給管１３３ａ２が形成され、他の一つのエンドプレート１３３ａには、複数の単位セル１３１で最終的に反応せずに残った水素ガスを含む改質ガスを外部に排出させるための第１排出管１３３ａ３、及び前記単位セル１３１で最終的に反応せずに残った酸化剤を外部に排出させるための第２排出管１３３ａ４が形成される。
このように、本発明の燃料電池システムは、高性能及び高安定性を実現する触媒を適用するので、燃料電池システムの性能を改善させることができる。

以下、本発明の好ましい実施例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例にすぎず、本発明は下記の実施例によって限定されない。
＜燃料電池用触媒の製造＞

白金（Ｐｔ）及びコバルト（Ｃｏ）の混合モル比が１：１となる量で、白金酸溶液（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６、Ａｌｄｒｉｃｈ）及び硝酸コバルト（Ｃｏ（ＮＯ_３）_２、Ａｌｄｒｉｃｈ）を蒸溜水に溶かして、触媒担体としてケッチェンブラックを白金、コバルト及びケッチェンブラックの合計質量に対して５０質量％で分散させた後、照射（ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ）方法で触媒を製造した。この時に使用された照射源（ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）は、陽子ビームを使用して、４５ＭｅＶ、５ｕＡのエネルギーで溶液に１０分間照射した。この触媒を１００℃で１時間乾燥させた後、水素及び窒素の混合気体（水素１０体積％、窒素９０体積％）存在下で３００℃で１時間熱処理して、燃料電池用触媒を製造した。この時に製造された触媒の粒子の平均粒径は３ｎｍであり、触媒の構造は面心正方（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造であり、格子定数はａ＝３．７９６Å及びｃ＝３．６８０Åであった。

白金（Ｐｔ）及びコバルト（Ｃｏ）の混合モル比が１：１となる量で、白金酸溶液（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６、Ａｌｄｒｉｃｈ）及び硝酸コバルト（Ｃｏ（ＮＯ_３）_２、Ａｌｄｒｉｃｈ）を蒸溜水に溶かして、触媒担体としてケッチェンブラックを白金、コバルト及びケッチェンブラックの合計質量に対して５０質量％で分散させた後、照射方法で触媒を製造した。この時に使用された照射源は、陽子ビームを使用して、４５ＭｅＶ、５ｕＡのエネルギーで溶液に１０分間照射した。この触媒を１００℃で１時間乾燥させた後、水素及び窒素の混合気体（水素１０体積％、窒素９０体積％）存在下で２００℃で１時間熱処理して、燃料電池用触媒を製造した。この時に製造された触媒の粒子の平均粒径は２．７ｎｍであり、触媒の構造は面心正方（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造であり、格子定数はａ＝３．８０２Å及びｃ＝３．７８０Åであった。

白金（Ｐｔ）及びコバルト（Ｃｏ）の混合モル比が１：１となる量で、白金酸溶液（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６、Ａｌｄｒｉｃｈ）及び硝酸コバルト（Ｃｏ（ＮＯ_３）_２、Ａｌｄｒｉｃｈ）を蒸溜水に溶かして、触媒担体としてケッチェンブラックを白金、コバルト及びケッチェンブラックの合計質量に対して５０質量％で分散させた後、照射方法で触媒を製造した。この時に使用された照射源は、陽子ビームを使用して、４５ＭｅＶ、５ｕＡのエネルギーで溶液に１０分間照射した。この触媒を１００℃で１時間乾燥させた後、水素及び窒素の混合気体（水素１０体積％、窒素９０体積％）存在下で６５０℃で１時間熱処理して、燃料電池用触媒を製造した。この時に製造された触媒の粒子の平均粒径は５ｎｍであり、触媒の構造は面心正方（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造であり、格子定数はａ＝３．７９０Å及びｃ＝３．６８０Åであった。

＜比較例１＞
白金（Ｐｔ）及びコバルト（Ｃｏ）の混合モル比が１：１となる量で、白金酸溶液（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６、Ａｌｄｒｉｃｈ）及び硝酸コバルト（Ｃｏ（ＮＯ_３）_２、Ａｌｄｒｉｃｈ）を蒸溜水に溶かして、触媒担体としてケッチェンブラックを白金、コバルト及びケッチェンブラックの合計質量に対して５０質量％で分散させた後、照射方法で触媒を製造した。この時に使用された照射源は、陽子ビームを使用して、４５ＭｅＶ、５ｕＡのエネルギーで溶液に１０分間照射した。この触媒を１００℃で１時間乾燥させた後、水素及び窒素の混合気体（水素１０体積％、窒素９０体積％）存在下で１５０℃で１時間熱処理して、燃料電池用触媒（Ｐｔ_１Ｃｏ_１．５）を製造した。この時に製造された触媒の粒子の平均粒径は２．７ｎｍであり、触媒の構造は面心立方（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造であり、格子定数はａ＝３．９１０Åであった。

＜比較例２＞
白金（Ｐｔ）及びコバルト（Ｃｏ）の混合モル比が１：１となる量で、白金酸溶液（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６、Ａｌｄｒｉｃｈ）及び硝酸コバルト（Ｃｏ（ＮＯ_３）_２、Ａｌｄｒｉｃｈ）を蒸溜水に溶かして、触媒担体としてケッチェンブラックを白金、コバルト及びケッチェンブラックの合計質量に対して５０質量％で分散させた後、照射方法で触媒を製造した。この時に使用された照射源は、陽子ビームを使用して、４５ＭｅＶ、５ｕＡのエネルギーで溶液に１０分間照射した。この触媒を１００℃で１時間乾燥させた後、水素及び窒素の混合気体（水素１０体積％、窒素９０体積％）存在下で９００℃で１時間熱処理して、燃料電池用触媒（Ｐｔ_１Ｃｏ_９）を製造した。この時に製造された触媒の粒子の平均粒径は１０ｎｍであり、触媒の構造は面心正方（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄｔｅ ｔｒａｇｏｎａｌ）構造であり、格子定数はａ＝３．８２０Å及びｃ＝３．７８０Åであった。

＜比較例３＞
白金（Ｐｔ）及びコバルト（Ｃｏ）の混合モル比が３：１となる量で、白金酸溶液（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６、Ａｌｄｒｉｃｈ）及び硝酸コバルト（Ｃｏ（ＮＯ_３）_２、Ａｌｄｒｉｃｈ）を蒸溜水に溶かして、触媒担体としてケッチェンブラックを白金、コバルト及びケッチェンブラックの合計質量に対して５０質量％で分散させた後、照射方法で触媒を製造した。この時に使用された照射源は、陽子ビームを使用して、４５ＭｅＶ、５ｕＡのエネルギーで溶液に１０分間照射した。この触媒を１００℃で１時間乾燥させた後、水素及び窒素の混合気体（水素１０体積％、窒素９０体積％）存在下で３００℃で１時間熱処理して、燃料電池用触媒（Ｐｔ_３Ｃｏ_３）を製造した。この時に製造された触媒の粒子の平均粒径は３ｎｍであり、触媒の構造は面心立方（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造であり、格子定数はａ＝３．８７８Åであった。

＜触媒の構造の安定性の評価＞
触媒の構造の安定性を評価するために、実施例１乃至３及び比較例１及び２で製造された各触媒を１Ｍ硫酸溶液で１時間攪拌した。溶出後の触媒をＥＤＸで分析した。
溶出試験において、白金は溶解せず、安定な合金になっていないＣｏのみが溶けて行くものと考えられる。従ってコバルトに対する白金の比の、初期値（１：１）からの変化が小さいもの程、安定した合金触媒であると言える。実施例１乃至３で製造された触媒は、酸処理によるＣｏの溶出が少なく、安定な合金化度が高く、秩序化された（ｏｒｄｅｒｅｄ）構造からなっていると考えられる。

実施例１〜３は、溶出試験後の白金：Ｃｏ比が１．３〜１．８であった。反面、比較例１及び２で製造された触媒は、酸処理中にＣｏが各々相当量溶出し、溶出試験後の白金：Ｃｏ比が３．２及び４．３であった。ここから、構造が壊れて変更され易い不安定な構造であることが分かった。比較例１の場合は、熱処理温度が非常に低く、安定な合金化があまり行われなかったことが分かった。格子定数値もａ＝３．９１０Åと大きすぎて、構造も面心正方構造をなしていない。つまり、組成比では面心正方構造をなすべきであるのに面心立方構造をなしているということは、それだけＣｏが合金化されずに存在するということである。
比較例２の場合は、熱処理温度が高すぎて、表面にＣｏが豊富になって、混合組成比である１：１に近接せずに、表面にＣｏが非常に多く存在する現象が起こった。これも、表面に存在するＣｏによって安定性が低下すると考えられる。
比較例３の場合、白金（Ｐｔ）及びコバルト（Ｃｏ）の混合モル比が３：１からなり、面心正方構造でない構造で存在したものと考えられる。

＜ＸＲＤパターンの分析結果＞
実施例１乃至３及び比較例１乃至３で製造された触媒の、ＸＲＤを下記測定条件で測定して、その結果を図３乃至図８に示した。
Ｘ線回折測定装置：（株）リガク製、ＸＲＤ ＣＮ２１１５
フィルター：ニッケルフィルター
Ｘ線：ＣｕＫα線
走査速度：５度／分
作動電圧、電流：４０ｋＶ、３０ｍＡ
図３は実施例１による触媒のＸＲＤパターンである。前記図３を参照すれば、実施例１で製造された触媒は、２θ値が６５乃至７５度で頂部が２つに分かれたピークを示すことが確認できる。これは、製造された白金−金属合金が面心正方構造を形成するので、安定性が高いといえる。

図４は実施例２による触媒のＸＲＤパターンである。前記図４を参照すれば、実施例２で製造された触媒は、２θ値が６５乃至７５度で頂部が２つに分かれたピークを示すことが確認できる。熱処理温度が低いので、超格子ピークが図３に比べてよく現れないが、これは粒子が小さいためであると考えられる。

図５は実施例３による触媒のＸＲＤパターンである。前記図５を参照すれば、実施例３で製造された触媒は、実施例２よりも熱処理温度が高く、粒子が大きいため、回折ピークが鮮明に現れる。つまり、２θ値が６５乃至７５度で頂部が２つに分かれたピークを示し、超格子ピークが３０乃至４０度及び５０乃至６０度で現れることが確認できる。

図６は比較例１による触媒のＸＲＤパターンである。前記図６を参照すれば、比較例１で製造された触媒は、２θ値が６５乃至７５度で１つのピーク（半値幅：約３．８度）だけを示すことが確認でき、これは、合金が無秩序に形成されたといえ、同時に安定性が良好でないといえる。この触媒の場合、熱処理温度が非常に低くて、結晶性が低下して、合金化度が低いため、格子定数値が３．９１０Åである。

図７は比較例２による触媒のＸＲＤパターンである。前記図７を参照すれば、比較例２で製造された触媒は、２θ値が６５乃至７５度で頂部が２つに分かれるピークを示すことが確認できる。これは、製造された白金−金属合金が面心正方構造に形成されるので、安定性が高いといえる。しかし、比較例２で製造された触媒は、粒子が大きすぎて、性能はそれほど良好でなかった（図９参照）。粒子が１０ｎｍ以上であるので、触媒活性表面積が小さくなって、結果的に性能が低下した。

図８は比較例３による触媒のＸＲＤパターンである。前記図８を参照すれば、比較例３で製造された触媒は、３：１の組成を有するため、２θ値が６５乃至７５度で頂部が２つに分かれるピークを示さず、１つのピーク（半値幅：約２．５度）だけを示すことが確認でき、これは、同時に安定性が良好でなかった。

＜燃料電池の製作＞
実施例１乃至３及び比較例１乃至３で製造された触媒を水及びイソプロピルアルコールを１０：８０の体積比で混合した溶媒に入れた後、ナフィオン溶液（Ｎａｆｉｏｎ １１００ＥＷ、Ｄｕｐｏｎｔ社製）２５質量部を入れて混合して、超音波を印加して均一に攪拌して、触媒層形成組成物を製造した。
テフロン（登録商標）処理されたカーボン紙基材（カソード／アノード＝ＳＧＬ３１ＢＣ／１０ＤＡ；ＳＧＬ ｃａｒｂｏｎ ｇｒｏｕｐ製品）に前記製造された触媒層形成用組成物をスプレーコーティングして、カソード電極を製造した。ＰｔＲｕブラック触媒（ＨｉＳＰＥＣ６０００、Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ社製）を使用して、前記と同様な方法でスプレーコーティングして、アノード電極を製造した。この時、アノード電極用には６ｍｇ／ｃｍ^２のローディング量で触媒層をコーティングし、カソード電極用には４ｍｇ／ｃｍ^２のローディング量で触媒層をコーティングして、電極を製造した。
次に、商業用高分子電解質膜（ドュポン社製；Ｎａｆｉｏｎ １１５ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）の両面に上記電極を積層して、膜／電極接合体を製造した。前記製造された膜／電極接合体をガスケット（ｇａｓｋｅｔ）の間に挿入した後、一定の形状の気体流路チャンネル及び冷却チャンネルが形成された２つのセパレータに挿入して、銅エンド（ｅｎｄ）プレートの間で圧着して、半電池を製造した。

＜電池の性能の評価＞
前記実施例１乃至３及び比較例１乃至３で製造された半電池を硫酸溶液下で駆動して、電池特性を評価して、その結果を図９に示した。図９は実施例１乃至３及び比較例１乃至３による燃料電池の電圧電流グラフである。
図９に示されているように、本発明の一実施態様による実施例１乃至３の場合、面心立方構造や、平均粒子が非常に大きい合金を使用した比較例１乃至３の場合と比較して、同一電圧、例えば０．９００Ｖで電流値が高いことが確認でき、これから燃料電池の性能がはるかに優れていることが分かる。

以上で、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属する。

１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料供給部
１２０ 改質部
１３０ スタック
１３１ 単位セル
１３２ 膜−電極接合体
１３３ 分離板
１３４ エンドプレート
１３３ａ１ 第１供給管
１３３ａ２ 第２供給管
１３３ａ３ 第１排出管
１３３ａ４ 第２排出管
１４０ 酸化剤供給部

Claims (3)

1. 下記工程を含む燃料電池用触媒の製造方法
   （１）白金原料物質と、Ｆｅ、Ｃｏ、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される金属を含む金属原料物質を溶媒中で混合して、白金と金属の混合モル比が０．６７：１乃至２：１である混合物を調製する工程、
   （２）前記混合物に陽子ビームを照射する工程、
   （３）前記溶媒を蒸発させる工程、及び
   （４）工程（３）で得られた混合物を２００℃以上５００℃未満の温度で０．５乃至１０時間熱処理する工程。
2. 工程（１）が、黒鉛、デンカブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノワイヤー、カーボンナノボール、及び活性炭からなる群より選ばれる炭素系物質；またはアルミナ、シリカ、ジルコニア、及びチタニアからなる群より選ばれる無機物微粒子を、白金と金属の前記混合物と、該炭素系物質もしくは該無機物微粒子及び前記混合物の総量に対して、８０乃至４０質量％となる量で混合する工程をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 工程（３）が、水素を含むガス雰囲気で実施される、請求項１又は２記載の方法。

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