燃料電池、それに好適な触媒及びその製造方法
【課題】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の製造方法を目的とする。
【解決手段】ビール粕、梅酒残渣等の食品廃棄物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て炭化物を得て、該炭化物に白金微粒子を担持させて燃料電池用触媒を製造する。
【解決手段】ビール粕、梅酒残渣等の食品廃棄物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て炭化物を得て、該炭化物に白金微粒子を担持させて燃料電池用触媒を製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】特開２００４−３３０１８１号公報
【特許文献２】特開２００３−３４２５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の側面は、燃料電池用触媒に係り、該燃料電池用触媒が食品廃棄物の炭化物を含むことを特徴とする。前記食品廃棄物は、例えば、ビール粕又は梅種残渣を含むことが好ましい。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。
【０００５】
本発明の第２の側面は、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に係り、前記燃料極及び前記空気極が食品廃棄物の炭化物を含むことを特徴とする。
【０００６】
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、食品廃棄物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。
【０００７】
本発明の第４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、食品廃棄物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て炭化物を得て、該炭化物に白金微粒子を担持させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
燃料極１０は、食品廃棄物の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。
【００１２】
空気極２０は、食品廃棄物の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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、食品廃棄物を炭化して構成される。食品廃棄物は、例えば、ビール粕（モルトフィード）又は梅種残渣であることが好ましい。その他、食品廃棄物として、例えば、ウイスキー粕、麦根、製麦粕、焼酎粕、ワイン粕、酒粕、醤油粕、おから、ふすま、コーヒー粕、茶粕、ホップ粕、酵母、残飯を使用することができる。
【００１５】
材料炭化物は、例えば、食品廃棄物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。
【００１６】
図２、図３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、図３における横軸は、銀／塩化銀電極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り、図３における縦軸は、酸素１分子の還元反応に関与する電子の数である。図２、図３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。
【００１７】
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。
【００１８】
図２、図３において、「ＶＸＣ７２」は、比較例として挙げたものであり、Ｃａｒｂｏｔ社のファーネストブラックＸＣ−７２Ｒである。「ＶＸＣ７２」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、「ＭＣ」は、ビール粕（モルトフィード）から製造された材料炭化物であり、「ＵＣ」は、梅種残渣から製造された材料炭化物である。更に、図２における「ＶＸＣ７２−３０％Ｐｔ」は、「ＶＸＣ７２」に白金微粒子を３０％担持させた触媒（前述の触媒層１２、２２に相当）である。
【００１９】
図２において、電流が流れ始めるポイント（白丸）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「ＶＸＣ７２」よりも、本発明の好適な実施形態における「ＭＣ」、「ＵＣ」の方が優れた特性を示していることである。「ＭＣ」、「ＵＣ」は材料の時点で「ＶＸＣ７２」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「ＶＸＣ７２−３０％Ｐｔ」と同等の性能を達成することができる。また、「ＭＣ」、「ＵＣ」に白金微粒子を３０％担持させると、「ＶＸＣ７２」に白金微粒子を３０％担持させた触媒層よりも優れた触媒層１２、２２を得ることができる。
【００２０】
よって、「ＭＣ」、「ＵＣ」等の食品廃棄物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、「ＶＸＣ７２」に白金微粒子を３０％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、食品廃棄物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。
【００２１】
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。図３において、最小値は、「ＶＸＣ７２」については３．４、「ＭＣ」については３．５、「ＵＣ」については３．７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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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。
【図２】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３】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】
【００２３】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】特開２００４−３３０１８１号公報
【特許文献２】特開２００３−３４２５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の側面は、燃料電池用触媒に係り、該燃料電池用触媒が食品廃棄物の炭化物を含むことを特徴とする。前記食品廃棄物は、例えば、ビール粕又は梅種残渣を含むことが好ましい。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。
【０００５】
本発明の第２の側面は、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に係り、前記燃料極及び前記空気極が食品廃棄物の炭化物を含むことを特徴とする。
【０００６】
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、食品廃棄物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。
【０００７】
本発明の第４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、食品廃棄物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て炭化物を得て、該炭化物に白金微粒子を担持させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
燃料極１０は、食品廃棄物の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。
【００１２】
空気極２０は、食品廃棄物の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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、食品廃棄物を炭化して構成される。食品廃棄物は、例えば、ビール粕（モルトフィード）又は梅種残渣であることが好ましい。その他、食品廃棄物として、例えば、ウイスキー粕、麦根、製麦粕、焼酎粕、ワイン粕、酒粕、醤油粕、おから、ふすま、コーヒー粕、茶粕、ホップ粕、酵母、残飯を使用することができる。
【００１５】
材料炭化物は、例えば、食品廃棄物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。
【００１６】
図２、図３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、図３における横軸は、銀／塩化銀電極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り、図３における縦軸は、酸素１分子の還元反応に関与する電子の数である。図２、図３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。
【００１７】
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。
【００１８】
図２、図３において、「ＶＸＣ７２」は、比較例として挙げたものであり、Ｃａｒｂｏｔ社のファーネストブラックＸＣ−７２Ｒである。「ＶＸＣ７２」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、「ＭＣ」は、ビール粕（モルトフィード）から製造された材料炭化物であり、「ＵＣ」は、梅種残渣から製造された材料炭化物である。更に、図２における「ＶＸＣ７２−３０％Ｐｔ」は、「ＶＸＣ７２」に白金微粒子を３０％担持させた触媒（前述の触媒層１２、２２に相当）である。
【００１９】
図２において、電流が流れ始めるポイント（白丸）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「ＶＸＣ７２」よりも、本発明の好適な実施形態における「ＭＣ」、「ＵＣ」の方が優れた特性を示していることである。「ＭＣ」、「ＵＣ」は材料の時点で「ＶＸＣ７２」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「ＶＸＣ７２−３０％Ｐｔ」と同等の性能を達成することができる。また、「ＭＣ」、「ＵＣ」に白金微粒子を３０％担持させると、「ＶＸＣ７２」に白金微粒子を３０％担持させた触媒層よりも優れた触媒層１２、２２を得ることができる。
【００２０】
よって、「ＭＣ」、「ＵＣ」等の食品廃棄物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、「ＶＸＣ７２」に白金微粒子を３０％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、食品廃棄物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。
【００２１】
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。図３において、最小値は、「ＶＸＣ７２」については３．４、「ＭＣ」については３．５、「ＵＣ」については３．７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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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。
【図２】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３】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】
【００２３】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
食品廃棄物の炭化物を含むことを特徴とする燃料電池用触媒。
【請求項２】
前記食品廃棄物がビール粕を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
【請求項３】
前記食品廃棄物が梅種残渣を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
【請求項４】
前記炭化物に白金微粒子を担持させてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用触媒。
【請求項５】
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食品廃棄物の炭化物を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
炭化物を含む燃料電池用触媒の製造方法であって、
食品廃棄物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。
【請求項７】
炭化物を含む燃料電池用触媒の製造方法であって、
食品廃棄物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て炭化物を得て、該炭化物に白金微粒子を担持させることを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。
【請求項１】
食品廃棄物の炭化物を含むことを特徴とする燃料電池用触媒。
【請求項２】
前記食品廃棄物がビール粕を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
【請求項３】
前記食品廃棄物が梅種残渣を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
【請求項４】
前記炭化物に白金微粒子を担持させてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用触媒。
【請求項５】
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食品廃棄物の炭化物を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
炭化物を含む燃料電池用触媒の製造方法であって、
食品廃棄物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。
【請求項７】
炭化物を含む燃料電池用触媒の製造方法であって、
食品廃棄物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て炭化物を得て、該炭化物に白金微粒子を担持させることを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−１９６０９７（Ｐ２００７−１９６０９７Ａ）
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５４６２（Ｐ２００６−１５４６２）
【出願日】平成１８年１月２４日（２００６．１．２４）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（０００００００５５）アサヒビール株式会社 (535)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月２４日（２００６．１．２４）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（０００００００５５）アサヒビール株式会社 (535)
【Ｆターム（参考）】
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