燃料電池用膜−電極アセンブリの製造方法及びこれを含む燃料電池システムの製造方法
【課題】経済的でありながら優れた触媒効率を有する触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法を提供することである。
【解決手段】本発明は、燃料電池用膜-電極アセンブリ及びこれを含む燃料電池システムの製造方法に関し、膜-電極アセンブリは高分子電解質膜の一方の面に配置される触媒層を含み、触媒層は白金及び遷移元素の合金触媒を含み、触媒は白金の電子配列において、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３より大きく０．４５以下である。本発明の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法は、非常に優れた質量活性度を有する触媒を含み、燃料電池の性能を改善された燃料電池用膜-電極アセンブリを製造できる。
【解決手段】本発明は、燃料電池用膜-電極アセンブリ及びこれを含む燃料電池システムの製造方法に関し、膜-電極アセンブリは高分子電解質膜の一方の面に配置される触媒層を含み、触媒層は白金及び遷移元素の合金触媒を含み、触媒は白金の電子配列において、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３より大きく０．４５以下である。本発明の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法は、非常に優れた質量活性度を有する触媒を含み、燃料電池の性能を改善された燃料電池用膜-電極アセンブリを製造できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用膜-電極アセンブリ及びこれを含む燃料電池システムの製造方法に関し、より詳しくは優れた触媒活性を有する触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリ及びこれを含む燃料電池システムの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、燃料の化学エネルギーが電気エネルギーに直接変換されて電流を生産できる電池のことで、燃料（水素またはメタノール）と酸化剤（酸素または空気）を電気化学反応させて生じるエネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電システムである。
【０００３】
このような燃料電池は充電及び放電サイクルがなく外部からの燃料供給を受けて継続的に電流を生産する。
【０００４】
燃料電池は、熱力学的効率の支配を受けないので、力学的エネルギーや燃料の燃焼による熱エネルギーを利用する発電機に比べて非常にエネルギー効率が高い。
【０００５】
周知のように、燃料電池の化学反応では、水素と酸素の反応により水を生成する。現在、商用化されている燃料電池としては、高分子電解質型燃料電池またはリン酸型燃料電池の酸性電解質を使用するものがある。このような酸性電解質を使用する燃料電池の化学反応は、下記反応式１のように起こる。
【０００６】
［反応式１］
カソード電極:Ｏ２ + ４Ｈ+ + ４ｅ- → ２Ｈ２Ｏ
アノード電極:Ｈ２ → ２Ｈ+ + ２ｅ-
全体反応:２Ｈ２ + Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
【０００７】
つまり、燃料を供給する間、燃料（一般的には水素）をアノード電極に供給すると同時に酸化剤（一般的には空気）をカソード電極に供給して、アノード電極で燃料の酸化反応がおこり、エネルギーを発生するが、この時燃料の酸化反応は、触媒を使用するカソード電極の酸素還元反応、つまり、電子を発生することでおきるものである。
【０００８】
したがって、燃料電池の効率を向上させるための一つのパラメータとして触媒の効率が重要であって、このような触媒としては電気化学反応において最も安定した白金（Ｐｔ）または他の貴金属などが主に用いられてきた。しかし、白金のような貴金属は高価であるため、燃料電池を商業的に利用することには大きな問題があった。
【０００９】
したがって、白金のような貴金属に代わって合金系の触媒に関する様々な研究が進められ、例えば下記特許文献１にＰｔ-Ｃｒ-Ｃｏ、Ｐｔ-Ｃｒなどの合金触媒及び下記特許文献２にＰｔ-Ｇａ、Ｐｔ-Ｃｒなどの合金触媒に関する内容が記述されている。
【００１０】
しかし、このような合金触媒の活性度が白金に比べて多少落ちることから、依然として白金のような貴金属に代わって燃料電池の効率を向上させる触媒に関する研究を引き続き行う必要があるのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４，４４７，５０６号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８２２，６９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、前記の問題点を解決するため、経済的でありながら優れた触媒効率を有する触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、前記膜-電極アセンブリを含む燃料電池システムの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらの目的を達成するため、本発明では、高分子電解質膜の一方の面に配置された触媒層を含み、前記触媒層は白金と遷移元素の合金触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法であって、前記合金触媒は白金の電子配列で、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点（空孔比）が０．３より大きく、０．４５以下となるように調整されることを特徴とする燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法を提供する。
【００１４】
本発明はまた、高分子電解質膜;
前記高分子電解質膜の一方の面に位置して、触媒層がコーティングされたカソード電極を含む膜-電極アセンブリ;及び前記膜-電極アセンブリの前記一方の面に密着配置された流路チャネルを有するセパレータを含んで構成される単位セルを一つ以上含み、前記触媒層は、白金と遷移元素の合金触媒を含む燃料電池システムの製造方法であって、前記合金触媒は、白金の電子配列において、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３より大きく、０．４５以下となるように調整されることを特徴とする燃料電池システムの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の原理に従って選択した燃料電池用触媒は、非常に優れた質量活性度質量活性度を示す効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１乃至３及び比較例１の燃料電池用触媒において、白金の電子配列の中、５ｄバンドオービタルのＤ-バンドオービタル空格子点と質量活性度を測定したグラフである。
【図２】本発明の実施例１乃至３及び比較例１の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例１乃至３及び比較例１の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例４乃至６及び比較例１の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例４乃至６及び比較例１の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例７の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例７の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例８の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例８の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例９の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示したグラフである。
【図１１】本発明の実施例９の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施例による燃料電池システムの概略図である。
【図１３】本発明の燃料電池システムのスタックの分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明は、燃料電池の効率を向上するため用いる触媒の活性を、一層向上させると同時に経済的な触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリ及びこれを含む燃料電池システムに関する。
【００１８】
従来燃料電池用触媒に広く用いられた白金は値段が高いため、経済的な側面から白金の単位重量当り得られる電流、つまり、質量活性度質量活性度の概念が非常に重要であった。したがって、本発明で触媒の活性を向上させるということは質量活性度質量活性度を上げる意味である。
【００１９】
一般的な燃料電池の反応において、カソード電極の酸素還元反応は、律速段階（rate-determining step: rds）として知られている。
【００２０】
ｒｄｓ反応である酸素還元反応の詳細なメカニズムは、まだ明らかにされていないが、一般に酸素が白金表面に適当な力で吸着されている間、白金表面に水素が接近して既に吸着されている酸素と反応し、酸素が白金表面から脱落して水を生成するという説明が支配的である。
【００２１】
本発明では、前記説明のように白金表面に酸素が吸着する吸着度が反応速度と関連があり、またこれは白金-酸素間の結合力と密接な関連があるという点に着目し、白金-酸素間の結合力を推定できる白金の電子配列を調節した。
【００２２】
白金-酸素間の吸着モデルは、以下の式１乃至３に示すように様々なモデルが提案されて、いずれのモデルにおいても、白金-酸素結合力が反応メカニズムに影響を与えていることが分かる。
【化１】
【化２】
【化３】
【００２３】
白金-酸素間の結合力が、反応メカニズムに、どのようにして影響を与え、また、触媒活性と如何なる関連があるかについては、今まで明確に知られていなかったが、本発明者らは、白金-酸素間の結合力を推定できる白金の電子配列を調節した結果、触媒活性を最適化できるようになり、本発明を完成した。
【００２４】
本発明の触媒は、白金と遷移元素の合金で構成されており、白金の安定した電子配列において、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３より大きく０．４５以下であり、より好ましくは０．３４乃至０．４１、さらに好ましくは０．３６乃至０．３９である。５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が前記範囲に属する場合、触媒活性が非常に優秀になる効果がある。
【００２５】
このような５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点はＸＡＳを利用して測定する。それについて簡単に説明すると、白金のＸＡＳを測定して対照群とし、測定結果から、試料の第１ピークの面積と対照群面積の差を下記数式１によって求めた値が、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点である（Ａ．Ｎ．Ｍａｎｓｏｕｒ、Ｊ．Ｒ．Ｋａｔｚｅｒ、Ｊ．Ｃａｔａｌ．、１９８４、８９、４６４）。 ここで、空格子点とは、結晶の格子点にあるべき原子が、欠けて生じた空位（空席）のことである。
［数式１］
Ｄ-バンド空格子点（ｈｊ）全体、試料＝（１．０＋Ｆｄ）（ｈｊ）、対照群（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）
Ｆｄ＝（△Ａ３＋１．１１△Ａ２）／（Ａ３＋１．１１Ａ２）ｒ
△Ａ２＝（Ａ２ｓ−Ａ２ｒ）
△Ａ３＝（Ａ３ｓ−Ａ３ｒ）
【００２６】
Ａ２とＡ３は、Ｌ２とＬ３吸収エッジでのピーク面積であり、ｓは試料、ｒは対照群の空格子点であり、ｒ＝０．３である。
【００２７】
このようなＤ-バンド空格子点の５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点は、一般に用いられる白金触媒（白金担持カーボン、Ｐｔ/Ｃと記す）の場合に０．３であり、遷移元素が合金化される場合には値が変わるため、本発明では合金化程度を調節してＤ-バンド空格子点の５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点を望む値に調節した。
【００２８】
このようなＤ-バンド空格子点の状態は、白金原子と遷移金属原子間の結合力により変わることから、白金格子構造に遷移金属が置換される過程での合金化程度によって変わることができる。
【００２９】
つまり、白金と遷移金属の合金化程度は、合金方法によって変わることがあるが、それはＰｔ/Ｃの種類、遷移金属前駆体の種類、前駆体溶媒の種類と濃度、合金方法、熱処理温度と時間、ガス条件などによって変わることができる。
【００３０】
次に、本発明の白金と遷移元素の合金触媒製造方法について説明する。
まず、白金と遷移元素前駆体を混合する。この時、白金は当該分野で通常の担体に支持されたものを用いる方が好ましい。それは白金使用量を減少させることができるためである。担体としては、アセチレンブラック、黒鉛のような炭素を用いることが可能で、アルミナ、シリカなどの無機物微粒子を使用することもできる。
【００３１】
担体に担持される白金を使用する場合には、市販のものを使用することができ、また、担体に白金を担持して製造使用することもできる。
【００３２】
担体に白金を担持する工程は、当該分野において広く知られている内容であるので、本明細書で詳細な説明を省略しても、これについては当該分野に従事する人々に容易に分かることである。
【００３３】
前記遷移元素としてはＮｉ、Ｃｒ、ＣｏまたはＦｅが好ましく、前駆体としてはハロゲン化合物、硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、アミン類などあらゆる形態の化合物を使用可能であるが、その中でハロゲン化合物を用いることが好ましい。
【００３４】
遷移元素前駆体は液状で使用して、この時の溶媒としては水、またはメタノール、エタノール、プロパノールのようなアルコールを用いることができる。白金と遷移元素前駆体の混合比率は、（Ｐｔ:遷移元素）のモル比率を１:１乃至３:１にするのが好ましい。（Ｐｔ:遷移元素）のモル比率が、前記範囲内に収まらない場合には合金化が起こらない。
【００３５】
好ましい混合工程は、液状遷移元素前駆体を担体に担持された白金に一滴ずつ滴下する方法である。
【００３６】
この混合工程以降に、超音波洗浄で分散させて、約１１０℃で約１時間乾燥する乾燥工程を実施するのが好ましい。
【００３７】
得られた混合物は５００℃乃至１５００℃、より好ましくは７００乃至１１００℃で熱処理を行い、白金と遷移元素の合金触媒を製造する。
【００３８】
この熱処理温度が５００℃より低い場合には合金化され難く、１５００℃より高い場合には遷移金属の溶融温度に近づいて、不安定化するので、正確な比率の合金を製造し難いため、好ましくない。
【００３９】
熱処理工程は還元雰囲気で実施することが好ましい。熱処理時の還元雰囲気は水素ガス、窒素ガスまたは水素と窒素の混合ガスを用いることができる。
【００４０】
本発明による白金と遷移元素の合金触媒は、リン酸型燃料電池または高分子電解質型燃料電池などの酸を電解質とする燃料電池に有効利用できる。
【００４１】
本発明の燃料電池システムは、電解質膜と、本発明の触媒層が形成されるカソード及びアノード電極を含む。
【００４２】
カソード電極、アノード電極は、カーボンペーパ、カーボン布、カーボン不織布などの炭素基材に両電極用の触媒層が形成されたものである。両電極用の触媒は、共に本発明の白金系触媒を用いてもよいが、本発明の触媒はカソード触媒として使用されることが好ましい。
【００４３】
炭素基材は、電気化学反応時の反応ガスを触媒層に拡散する役割をするので、ガス拡散層と呼ばれることもある。
【００４４】
電解質膜の両側に配置されるアノード電極とカソード電極は、膜-電極アセンブリを形成し、膜-電極アセンブリの両側に流路チャネルが形成される導電性セパレータが配置され、単位セルを構成する。
【００４５】
流路チャネルには、水素供給管に接続されてアノード電極に接する水素チャネルと、空気供給管に接続されてカソード電極に接する空気チャネルがあり、両チャネルを１枚のセパレータの表裏両面に形成してもよいが、２枚の別セパレータに形成して、両セパレータを背中合わせに組立てても良い。
【００４６】
このような単位セルを少なくとも一つ以上積層してスタックを形成し、このスタックに燃料を供給する燃料供給源と酸素を供給する酸素供給源を連結して燃料電池システムを製造する。
【００４７】
図１２は本発明の燃料電池システム１００の全体構成を示す概略図であり、図１３は本発明の燃料電池システムのスタック１３０を示す分解斜視図である。
【００４８】
図１２と図１３を参照すると、本発明の燃料電池システム１００は、燃料と水が混合された混合燃料を供給する燃料供給部１１０；混合燃料を改質して水素気体を発生する改質部１２０；燃料電池用触媒を含み、改質部から供給される水素気体が外部空気と電気化学反応を起こして電気エネルギーを発生するスタック１３０；及び外部空気を改質部１２０及びスタック１３０に供給する空気供給部１４０を含む。
【００４９】
また、本発明の燃料電池システムのスタック１３０は、改質部１２０から供給される水素気体と、空気供給部から供給される外部空気の酸化/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を備える。
【００５０】
各々の単位セル１３１は、電気を発生する単位を意味し、水素気体と空気中の酸素を酸化/還元させる膜-電極アセンブリ１３２と、水素気体と空気を膜-電極アセンブリ１３２に供給するセパレータ１３３を含む。
【００５１】
セパレータ１３３は、膜-電極アセンブリ１３２を中心に、その両側に配置される。この時、スタック１３０の最も外側に各々位置するセパレータを、特に端板１３３ａと称することもある。
【００５２】
膜-電極アセンブリ１３２は、両側面をなしているアノード電極とカソード電極の間に電解質膜を介した構造を有する。
【００５３】
アノード電極は、セパレータ１３３を通して水素気体の供給を受ける部分で、酸化反応によって水素気体を電子と水素イオンに分離させる触媒層と、 水素ガスの円滑な移動のための気体拡散層で構成される。
【００５４】
また、カソード電極は、セパレータ１３３を通して空気の供給を受ける部分で、還元反応によって空気中の酸素を吸着する白金系触媒層と、 酸素ガスの円滑な移動のため気体拡散層で構成される。
【００５５】
そして、電解質膜は、厚さ５０〜２００μｍ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。
【００５６】
また、前記セパレータの中で一方の端板１３３ａには、改質器から供給される水素気体を注入するためのパイプ状の第１供給管１３３ａ１と、酸素ガスを注入するためのパイプ状の第２供給管１３３ａ２が備えられ、他方の端板１３３ａには複数の単位セル１３１で最終的に未反応になった残留水素気体を外部に排出するための第１排出管１３３ａ３と、単位セル１３１で最終的に未反応になった残留空気及び反応生成物である水分を外部に排出するための第２排出管１３３ａ４が備わる。
【００５７】
以上の説明は本発明の１例にすぎず、本発明の燃料電池システムが、図１２または図１３の構成に限定されるものではない。
【００５８】
以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を記載する。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、本発明が下記の実施例に限られるわけではない。
［実施例１］
市販の炭素担体に担持された白金触媒（Ｐｔ/Ｃ：Ｊｏｈｎｓｏｎ ｍａｔｔｈｅｙＣｏ．製、炭素担体質量に対して白金が１０重量％含まれている）にＮｉＣｌ２（Ａｌｄｒｉｃｈ扱い、無水品、純度９９％）水溶液を含浸させ、Ｐｔ:Ｎｉのモル比を３:１にした。得られた含浸生成物を７００℃で熱処理してＰｔ-Ｎｉ合金触媒を製造した。
［実施例２］
熱処理温度を９００℃に変更したことを除いて、前記実施例１と同一条件で実施した。
［実施例３］
熱処理温度を１１００℃に変更したことを除いて、前記実施例１と同一条件で実施した。
［比較例１］
市販の白金触媒（Ｐｔ/Ｃ：Ｊｏｈｎｓｏｎ ｍａｔｔｈｅｙ Ｃｏ．製、１０重量％）を無修正で使用した。
【００５９】
実施例１乃至３及び比較例１の触媒は、大体３０乃至１５０Åの粒子サイズを有することが分かった。
【００６０】
実施例１乃至３及び比較例１によって製造された触媒をローリング法で炭素不織布に付着させて電極を製造し、水素基準電極対比９００ｍｖでの電流密度（質量活性度質量活性度）を、半電池で測定した。その結果を下記表１及び図１に示す。
【００６１】
また、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点の測定結果も下記表１及び図１に示す。５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点は、実施例１乃至実施例３及び比較例１によって製造された触媒のＸＡＳを測定して、図２（Ｌ２エッジ）及び図３（Ｌ３エッジ）に示すスペクトルを得られ、試料の第１ピークの面積と対照群面積の差を数式１によって求めた。
【００６２】
Ｌ２及びＬ３とは、原子核の周囲を取り巻く電子軌道群（殻）の中で、主量子数が２のＬ電子殻を電子軌道単位でさらに区分して、内側からＬ１、Ｌ２、Ｌ３という形式で示したもので、Ｌ電子殻の１番目、２番目、３番目の副殻を意味する。
【表１】
【００６３】
表１で、白金の質量活性度質量活性度は、半電池テストを通して得られた電流値を触媒（Ｐｔ-Ｎｉ）重量で割り算した値である。
【００６４】
また、Ｐｔ３/（Ｎｉ７００℃）はＰｔ:Ｎｉのモル比が３:１、熱処理温度が７００℃であることを示す。
【００６５】
表１及び図３に示したように、実施例１乃至３の触媒の質量活性度質量活性度が比較例１の質量活性度質量活性度より優れていることが分かり、特に実施例２乃至３の触媒は比較例１の質量活性度質量活性度のほぼ２倍を越える非常に優れた活性度を示すことが分かる。
［実施例４］
Ｐｔ:Ｎｉのモル比を１:１に変更したことを除いて、実施例１と同一条件で実施した。
［実施例５］
Ｐｔ:Ｎｉのモル比を１:１に変更したことを除いて、実施例２と同一条件で実施した。
［実施例６］
Ｐｔ:Ｎｉのモル比を１:１に変更したことを除いて、実施例３と同一条件で実施した。
【００６６】
実施例４乃至６及び比較例１によって製造された触媒のＸＡＳを測定して、その結果を図４（Ｌ２エッジ）及び図５（Ｌ３エッジ）に示す。測定結果が図１に示した結果と類似しているので、実施例４乃至６の触媒の質量活性度質量活性度も優れていると予測できる。
［実施例７］
遷移元素をＮｉの代わりにＣｏに変更したことを除いて、実施例３と同一条件で実施した。
［実施例８］
遷移元素をＮｉの代わりにＣｒで変更したことを除いて、前記実施例３と同一条件で実施した。
［実施例９］
遷移元素をＮｉの代わりにＦｅに変更したことを除いて、前記実施例２と同一条件で実施した。
【００６７】
実施例７によって製造された触媒のＸＡＳの測定結果を図６（Ｌ２エッジ）及び図７（Ｌ３エッジ）に示し、前記実施例８によって製造された触媒のＸＡＳを測定して、その結果を図８（Ｌ２エッジ）及び図９（Ｌ３エッジ）に示す。
【００６８】
また、実施例９によって製造された触媒のＸＡＳの測定結果を図１０（Ｌ２エッジ）及び図１１（Ｌエエッジ）に示す。
【００６９】
測定結果が図１に示された結果と類似しているので、実施例７乃至９の触媒質量活性度も優れていると予測できる。
【００７０】
従って、本発明で用いた燃料電池用触媒は、非常に優れた質量活性度を示すことが分かる。
【符号の説明】
【００７１】
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-電極アセンブリ
１３３ セパレータ
１３３ａ 端板
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 空気供給部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用膜-電極アセンブリ及びこれを含む燃料電池システムの製造方法に関し、より詳しくは優れた触媒活性を有する触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリ及びこれを含む燃料電池システムの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、燃料の化学エネルギーが電気エネルギーに直接変換されて電流を生産できる電池のことで、燃料（水素またはメタノール）と酸化剤（酸素または空気）を電気化学反応させて生じるエネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電システムである。
【０００３】
このような燃料電池は充電及び放電サイクルがなく外部からの燃料供給を受けて継続的に電流を生産する。
【０００４】
燃料電池は、熱力学的効率の支配を受けないので、力学的エネルギーや燃料の燃焼による熱エネルギーを利用する発電機に比べて非常にエネルギー効率が高い。
【０００５】
周知のように、燃料電池の化学反応では、水素と酸素の反応により水を生成する。現在、商用化されている燃料電池としては、高分子電解質型燃料電池またはリン酸型燃料電池の酸性電解質を使用するものがある。このような酸性電解質を使用する燃料電池の化学反応は、下記反応式１のように起こる。
【０００６】
［反応式１］
カソード電極:Ｏ２ + ４Ｈ+ + ４ｅ- → ２Ｈ２Ｏ
アノード電極:Ｈ２ → ２Ｈ+ + ２ｅ-
全体反応:２Ｈ２ + Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
【０００７】
つまり、燃料を供給する間、燃料（一般的には水素）をアノード電極に供給すると同時に酸化剤（一般的には空気）をカソード電極に供給して、アノード電極で燃料の酸化反応がおこり、エネルギーを発生するが、この時燃料の酸化反応は、触媒を使用するカソード電極の酸素還元反応、つまり、電子を発生することでおきるものである。
【０００８】
したがって、燃料電池の効率を向上させるための一つのパラメータとして触媒の効率が重要であって、このような触媒としては電気化学反応において最も安定した白金（Ｐｔ）または他の貴金属などが主に用いられてきた。しかし、白金のような貴金属は高価であるため、燃料電池を商業的に利用することには大きな問題があった。
【０００９】
したがって、白金のような貴金属に代わって合金系の触媒に関する様々な研究が進められ、例えば下記特許文献１にＰｔ-Ｃｒ-Ｃｏ、Ｐｔ-Ｃｒなどの合金触媒及び下記特許文献２にＰｔ-Ｇａ、Ｐｔ-Ｃｒなどの合金触媒に関する内容が記述されている。
【００１０】
しかし、このような合金触媒の活性度が白金に比べて多少落ちることから、依然として白金のような貴金属に代わって燃料電池の効率を向上させる触媒に関する研究を引き続き行う必要があるのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４，４４７，５０６号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８２２，６９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、前記の問題点を解決するため、経済的でありながら優れた触媒効率を有する触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、前記膜-電極アセンブリを含む燃料電池システムの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらの目的を達成するため、本発明では、高分子電解質膜の一方の面に配置された触媒層を含み、前記触媒層は白金と遷移元素の合金触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法であって、前記合金触媒は白金の電子配列で、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点（空孔比）が０．３より大きく、０．４５以下となるように調整されることを特徴とする燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法を提供する。
【００１４】
本発明はまた、高分子電解質膜;
前記高分子電解質膜の一方の面に位置して、触媒層がコーティングされたカソード電極を含む膜-電極アセンブリ;及び前記膜-電極アセンブリの前記一方の面に密着配置された流路チャネルを有するセパレータを含んで構成される単位セルを一つ以上含み、前記触媒層は、白金と遷移元素の合金触媒を含む燃料電池システムの製造方法であって、前記合金触媒は、白金の電子配列において、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３より大きく、０．４５以下となるように調整されることを特徴とする燃料電池システムの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の原理に従って選択した燃料電池用触媒は、非常に優れた質量活性度質量活性度を示す効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１乃至３及び比較例１の燃料電池用触媒において、白金の電子配列の中、５ｄバンドオービタルのＤ-バンドオービタル空格子点と質量活性度を測定したグラフである。
【図２】本発明の実施例１乃至３及び比較例１の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例１乃至３及び比較例１の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例４乃至６及び比較例１の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例４乃至６及び比較例１の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例７の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例７の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例８の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例８の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例９の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示したグラフである。
【図１１】本発明の実施例９の燃料電池用触媒のＸＡＳを測定し、Ｌ２エッジでの吸収結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施例による燃料電池システムの概略図である。
【図１３】本発明の燃料電池システムのスタックの分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明は、燃料電池の効率を向上するため用いる触媒の活性を、一層向上させると同時に経済的な触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリ及びこれを含む燃料電池システムに関する。
【００１８】
従来燃料電池用触媒に広く用いられた白金は値段が高いため、経済的な側面から白金の単位重量当り得られる電流、つまり、質量活性度質量活性度の概念が非常に重要であった。したがって、本発明で触媒の活性を向上させるということは質量活性度質量活性度を上げる意味である。
【００１９】
一般的な燃料電池の反応において、カソード電極の酸素還元反応は、律速段階（rate-determining step: rds）として知られている。
【００２０】
ｒｄｓ反応である酸素還元反応の詳細なメカニズムは、まだ明らかにされていないが、一般に酸素が白金表面に適当な力で吸着されている間、白金表面に水素が接近して既に吸着されている酸素と反応し、酸素が白金表面から脱落して水を生成するという説明が支配的である。
【００２１】
本発明では、前記説明のように白金表面に酸素が吸着する吸着度が反応速度と関連があり、またこれは白金-酸素間の結合力と密接な関連があるという点に着目し、白金-酸素間の結合力を推定できる白金の電子配列を調節した。
【００２２】
白金-酸素間の吸着モデルは、以下の式１乃至３に示すように様々なモデルが提案されて、いずれのモデルにおいても、白金-酸素結合力が反応メカニズムに影響を与えていることが分かる。
【化１】
【化２】
【化３】
【００２３】
白金-酸素間の結合力が、反応メカニズムに、どのようにして影響を与え、また、触媒活性と如何なる関連があるかについては、今まで明確に知られていなかったが、本発明者らは、白金-酸素間の結合力を推定できる白金の電子配列を調節した結果、触媒活性を最適化できるようになり、本発明を完成した。
【００２４】
本発明の触媒は、白金と遷移元素の合金で構成されており、白金の安定した電子配列において、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３より大きく０．４５以下であり、より好ましくは０．３４乃至０．４１、さらに好ましくは０．３６乃至０．３９である。５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が前記範囲に属する場合、触媒活性が非常に優秀になる効果がある。
【００２５】
このような５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点はＸＡＳを利用して測定する。それについて簡単に説明すると、白金のＸＡＳを測定して対照群とし、測定結果から、試料の第１ピークの面積と対照群面積の差を下記数式１によって求めた値が、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点である（Ａ．Ｎ．Ｍａｎｓｏｕｒ、Ｊ．Ｒ．Ｋａｔｚｅｒ、Ｊ．Ｃａｔａｌ．、１９８４、８９、４６４）。 ここで、空格子点とは、結晶の格子点にあるべき原子が、欠けて生じた空位（空席）のことである。
［数式１］
Ｄ-バンド空格子点（ｈｊ）全体、試料＝（１．０＋Ｆｄ）（ｈｊ）、対照群（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）
Ｆｄ＝（△Ａ３＋１．１１△Ａ２）／（Ａ３＋１．１１Ａ２）ｒ
△Ａ２＝（Ａ２ｓ−Ａ２ｒ）
△Ａ３＝（Ａ３ｓ−Ａ３ｒ）
【００２６】
Ａ２とＡ３は、Ｌ２とＬ３吸収エッジでのピーク面積であり、ｓは試料、ｒは対照群の空格子点であり、ｒ＝０．３である。
【００２７】
このようなＤ-バンド空格子点の５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点は、一般に用いられる白金触媒（白金担持カーボン、Ｐｔ/Ｃと記す）の場合に０．３であり、遷移元素が合金化される場合には値が変わるため、本発明では合金化程度を調節してＤ-バンド空格子点の５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点を望む値に調節した。
【００２８】
このようなＤ-バンド空格子点の状態は、白金原子と遷移金属原子間の結合力により変わることから、白金格子構造に遷移金属が置換される過程での合金化程度によって変わることができる。
【００２９】
つまり、白金と遷移金属の合金化程度は、合金方法によって変わることがあるが、それはＰｔ/Ｃの種類、遷移金属前駆体の種類、前駆体溶媒の種類と濃度、合金方法、熱処理温度と時間、ガス条件などによって変わることができる。
【００３０】
次に、本発明の白金と遷移元素の合金触媒製造方法について説明する。
まず、白金と遷移元素前駆体を混合する。この時、白金は当該分野で通常の担体に支持されたものを用いる方が好ましい。それは白金使用量を減少させることができるためである。担体としては、アセチレンブラック、黒鉛のような炭素を用いることが可能で、アルミナ、シリカなどの無機物微粒子を使用することもできる。
【００３１】
担体に担持される白金を使用する場合には、市販のものを使用することができ、また、担体に白金を担持して製造使用することもできる。
【００３２】
担体に白金を担持する工程は、当該分野において広く知られている内容であるので、本明細書で詳細な説明を省略しても、これについては当該分野に従事する人々に容易に分かることである。
【００３３】
前記遷移元素としてはＮｉ、Ｃｒ、ＣｏまたはＦｅが好ましく、前駆体としてはハロゲン化合物、硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、アミン類などあらゆる形態の化合物を使用可能であるが、その中でハロゲン化合物を用いることが好ましい。
【００３４】
遷移元素前駆体は液状で使用して、この時の溶媒としては水、またはメタノール、エタノール、プロパノールのようなアルコールを用いることができる。白金と遷移元素前駆体の混合比率は、（Ｐｔ:遷移元素）のモル比率を１:１乃至３:１にするのが好ましい。（Ｐｔ:遷移元素）のモル比率が、前記範囲内に収まらない場合には合金化が起こらない。
【００３５】
好ましい混合工程は、液状遷移元素前駆体を担体に担持された白金に一滴ずつ滴下する方法である。
【００３６】
この混合工程以降に、超音波洗浄で分散させて、約１１０℃で約１時間乾燥する乾燥工程を実施するのが好ましい。
【００３７】
得られた混合物は５００℃乃至１５００℃、より好ましくは７００乃至１１００℃で熱処理を行い、白金と遷移元素の合金触媒を製造する。
【００３８】
この熱処理温度が５００℃より低い場合には合金化され難く、１５００℃より高い場合には遷移金属の溶融温度に近づいて、不安定化するので、正確な比率の合金を製造し難いため、好ましくない。
【００３９】
熱処理工程は還元雰囲気で実施することが好ましい。熱処理時の還元雰囲気は水素ガス、窒素ガスまたは水素と窒素の混合ガスを用いることができる。
【００４０】
本発明による白金と遷移元素の合金触媒は、リン酸型燃料電池または高分子電解質型燃料電池などの酸を電解質とする燃料電池に有効利用できる。
【００４１】
本発明の燃料電池システムは、電解質膜と、本発明の触媒層が形成されるカソード及びアノード電極を含む。
【００４２】
カソード電極、アノード電極は、カーボンペーパ、カーボン布、カーボン不織布などの炭素基材に両電極用の触媒層が形成されたものである。両電極用の触媒は、共に本発明の白金系触媒を用いてもよいが、本発明の触媒はカソード触媒として使用されることが好ましい。
【００４３】
炭素基材は、電気化学反応時の反応ガスを触媒層に拡散する役割をするので、ガス拡散層と呼ばれることもある。
【００４４】
電解質膜の両側に配置されるアノード電極とカソード電極は、膜-電極アセンブリを形成し、膜-電極アセンブリの両側に流路チャネルが形成される導電性セパレータが配置され、単位セルを構成する。
【００４５】
流路チャネルには、水素供給管に接続されてアノード電極に接する水素チャネルと、空気供給管に接続されてカソード電極に接する空気チャネルがあり、両チャネルを１枚のセパレータの表裏両面に形成してもよいが、２枚の別セパレータに形成して、両セパレータを背中合わせに組立てても良い。
【００４６】
このような単位セルを少なくとも一つ以上積層してスタックを形成し、このスタックに燃料を供給する燃料供給源と酸素を供給する酸素供給源を連結して燃料電池システムを製造する。
【００４７】
図１２は本発明の燃料電池システム１００の全体構成を示す概略図であり、図１３は本発明の燃料電池システムのスタック１３０を示す分解斜視図である。
【００４８】
図１２と図１３を参照すると、本発明の燃料電池システム１００は、燃料と水が混合された混合燃料を供給する燃料供給部１１０；混合燃料を改質して水素気体を発生する改質部１２０；燃料電池用触媒を含み、改質部から供給される水素気体が外部空気と電気化学反応を起こして電気エネルギーを発生するスタック１３０；及び外部空気を改質部１２０及びスタック１３０に供給する空気供給部１４０を含む。
【００４９】
また、本発明の燃料電池システムのスタック１３０は、改質部１２０から供給される水素気体と、空気供給部から供給される外部空気の酸化/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を備える。
【００５０】
各々の単位セル１３１は、電気を発生する単位を意味し、水素気体と空気中の酸素を酸化/還元させる膜-電極アセンブリ１３２と、水素気体と空気を膜-電極アセンブリ１３２に供給するセパレータ１３３を含む。
【００５１】
セパレータ１３３は、膜-電極アセンブリ１３２を中心に、その両側に配置される。この時、スタック１３０の最も外側に各々位置するセパレータを、特に端板１３３ａと称することもある。
【００５２】
膜-電極アセンブリ１３２は、両側面をなしているアノード電極とカソード電極の間に電解質膜を介した構造を有する。
【００５３】
アノード電極は、セパレータ１３３を通して水素気体の供給を受ける部分で、酸化反応によって水素気体を電子と水素イオンに分離させる触媒層と、 水素ガスの円滑な移動のための気体拡散層で構成される。
【００５４】
また、カソード電極は、セパレータ１３３を通して空気の供給を受ける部分で、還元反応によって空気中の酸素を吸着する白金系触媒層と、 酸素ガスの円滑な移動のため気体拡散層で構成される。
【００５５】
そして、電解質膜は、厚さ５０〜２００μｍ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。
【００５６】
また、前記セパレータの中で一方の端板１３３ａには、改質器から供給される水素気体を注入するためのパイプ状の第１供給管１３３ａ１と、酸素ガスを注入するためのパイプ状の第２供給管１３３ａ２が備えられ、他方の端板１３３ａには複数の単位セル１３１で最終的に未反応になった残留水素気体を外部に排出するための第１排出管１３３ａ３と、単位セル１３１で最終的に未反応になった残留空気及び反応生成物である水分を外部に排出するための第２排出管１３３ａ４が備わる。
【００５７】
以上の説明は本発明の１例にすぎず、本発明の燃料電池システムが、図１２または図１３の構成に限定されるものではない。
【００５８】
以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を記載する。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、本発明が下記の実施例に限られるわけではない。
［実施例１］
市販の炭素担体に担持された白金触媒（Ｐｔ/Ｃ：Ｊｏｈｎｓｏｎ ｍａｔｔｈｅｙＣｏ．製、炭素担体質量に対して白金が１０重量％含まれている）にＮｉＣｌ２（Ａｌｄｒｉｃｈ扱い、無水品、純度９９％）水溶液を含浸させ、Ｐｔ:Ｎｉのモル比を３:１にした。得られた含浸生成物を７００℃で熱処理してＰｔ-Ｎｉ合金触媒を製造した。
［実施例２］
熱処理温度を９００℃に変更したことを除いて、前記実施例１と同一条件で実施した。
［実施例３］
熱処理温度を１１００℃に変更したことを除いて、前記実施例１と同一条件で実施した。
［比較例１］
市販の白金触媒（Ｐｔ/Ｃ：Ｊｏｈｎｓｏｎ ｍａｔｔｈｅｙ Ｃｏ．製、１０重量％）を無修正で使用した。
【００５９】
実施例１乃至３及び比較例１の触媒は、大体３０乃至１５０Åの粒子サイズを有することが分かった。
【００６０】
実施例１乃至３及び比較例１によって製造された触媒をローリング法で炭素不織布に付着させて電極を製造し、水素基準電極対比９００ｍｖでの電流密度（質量活性度質量活性度）を、半電池で測定した。その結果を下記表１及び図１に示す。
【００６１】
また、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点の測定結果も下記表１及び図１に示す。５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点は、実施例１乃至実施例３及び比較例１によって製造された触媒のＸＡＳを測定して、図２（Ｌ２エッジ）及び図３（Ｌ３エッジ）に示すスペクトルを得られ、試料の第１ピークの面積と対照群面積の差を数式１によって求めた。
【００６２】
Ｌ２及びＬ３とは、原子核の周囲を取り巻く電子軌道群（殻）の中で、主量子数が２のＬ電子殻を電子軌道単位でさらに区分して、内側からＬ１、Ｌ２、Ｌ３という形式で示したもので、Ｌ電子殻の１番目、２番目、３番目の副殻を意味する。
【表１】
【００６３】
表１で、白金の質量活性度質量活性度は、半電池テストを通して得られた電流値を触媒（Ｐｔ-Ｎｉ）重量で割り算した値である。
【００６４】
また、Ｐｔ３/（Ｎｉ７００℃）はＰｔ:Ｎｉのモル比が３:１、熱処理温度が７００℃であることを示す。
【００６５】
表１及び図３に示したように、実施例１乃至３の触媒の質量活性度質量活性度が比較例１の質量活性度質量活性度より優れていることが分かり、特に実施例２乃至３の触媒は比較例１の質量活性度質量活性度のほぼ２倍を越える非常に優れた活性度を示すことが分かる。
［実施例４］
Ｐｔ:Ｎｉのモル比を１:１に変更したことを除いて、実施例１と同一条件で実施した。
［実施例５］
Ｐｔ:Ｎｉのモル比を１:１に変更したことを除いて、実施例２と同一条件で実施した。
［実施例６］
Ｐｔ:Ｎｉのモル比を１:１に変更したことを除いて、実施例３と同一条件で実施した。
【００６６】
実施例４乃至６及び比較例１によって製造された触媒のＸＡＳを測定して、その結果を図４（Ｌ２エッジ）及び図５（Ｌ３エッジ）に示す。測定結果が図１に示した結果と類似しているので、実施例４乃至６の触媒の質量活性度質量活性度も優れていると予測できる。
［実施例７］
遷移元素をＮｉの代わりにＣｏに変更したことを除いて、実施例３と同一条件で実施した。
［実施例８］
遷移元素をＮｉの代わりにＣｒで変更したことを除いて、前記実施例３と同一条件で実施した。
［実施例９］
遷移元素をＮｉの代わりにＦｅに変更したことを除いて、前記実施例２と同一条件で実施した。
【００６７】
実施例７によって製造された触媒のＸＡＳの測定結果を図６（Ｌ２エッジ）及び図７（Ｌ３エッジ）に示し、前記実施例８によって製造された触媒のＸＡＳを測定して、その結果を図８（Ｌ２エッジ）及び図９（Ｌ３エッジ）に示す。
【００６８】
また、実施例９によって製造された触媒のＸＡＳの測定結果を図１０（Ｌ２エッジ）及び図１１（Ｌエエッジ）に示す。
【００６９】
測定結果が図１に示された結果と類似しているので、実施例７乃至９の触媒質量活性度も優れていると予測できる。
【００７０】
従って、本発明で用いた燃料電池用触媒は、非常に優れた質量活性度を示すことが分かる。
【符号の説明】
【００７１】
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-電極アセンブリ
１３３ セパレータ
１３３ａ 端板
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 空気供給部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の一方の面に配置された触媒層を含み、
前記触媒層は白金と遷移元素の合金触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法であって、
前記合金触媒は白金の電子配列で、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点（空孔比）が０．３より大きく、０．４５以下となるように調整されることを特徴とする燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項２】
前記白金の５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が、０．３４乃至０．４１であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項３】
前記遷移元素が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＦｅからなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項４】
前記白金と遷移元素の合金触媒は、白金と遷移元素前駆体の混合比率を、白金と遷移元素のモル比が１:１乃至３:１になるように混合して得られた混合物を７００℃乃至１１００℃で熱処理して製造されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項５】
前記白金は、担体に担持されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項６】
高分子電解質膜;
前記高分子電解質膜の一方の面に位置して、触媒層がコーティングされたカソード電極を含む膜-電極アセンブリ;及び
前記膜-電極アセンブリの前記一方の面に密着配置された流路チャネルを有するセパレータを含んで構成される単位セルを一つ以上含み、
前記触媒層は、白金と遷移元素の合金触媒を含む燃料電池システムの製造方法であって、
前記合金触媒は、白金の電子配列において、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３より大きく、０．４５以下となるように調整されることを特徴とする燃料電池システムの製造方法。
【請求項７】
前記白金の５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３４乃至０．４１であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの製造方法。
【請求項８】
前記遷移元素が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＦｅからなる群より選択されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの製造方法。
【請求項９】
前記白金と遷移元素の合金触媒は、白金と遷移元素前駆体の混合比率を、白金と遷移元素のモル比が１:１乃至３:１になるように混合して;得られた混合物を７００℃乃至１１００℃で熱処理して製造されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの製造方法。
【請求項１０】
前記白金は、担体に担持されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの製造方法。
【請求項１】
高分子電解質膜の一方の面に配置された触媒層を含み、
前記触媒層は白金と遷移元素の合金触媒を含む燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法であって、
前記合金触媒は白金の電子配列で、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点（空孔比）が０．３より大きく、０．４５以下となるように調整されることを特徴とする燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項２】
前記白金の５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が、０．３４乃至０．４１であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項３】
前記遷移元素が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＦｅからなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項４】
前記白金と遷移元素の合金触媒は、白金と遷移元素前駆体の混合比率を、白金と遷移元素のモル比が１:１乃至３:１になるように混合して得られた混合物を７００℃乃至１１００℃で熱処理して製造されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項５】
前記白金は、担体に担持されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用膜-電極アセンブリの製造方法。
【請求項６】
高分子電解質膜;
前記高分子電解質膜の一方の面に位置して、触媒層がコーティングされたカソード電極を含む膜-電極アセンブリ;及び
前記膜-電極アセンブリの前記一方の面に密着配置された流路チャネルを有するセパレータを含んで構成される単位セルを一つ以上含み、
前記触媒層は、白金と遷移元素の合金触媒を含む燃料電池システムの製造方法であって、
前記合金触媒は、白金の電子配列において、５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３より大きく、０．４５以下となるように調整されることを特徴とする燃料電池システムの製造方法。
【請求項７】
前記白金の５ｄバンドオービタルのＤ-バンド空格子点が０．３４乃至０．４１であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの製造方法。
【請求項８】
前記遷移元素が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＦｅからなる群より選択されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの製造方法。
【請求項９】
前記白金と遷移元素の合金触媒は、白金と遷移元素前駆体の混合比率を、白金と遷移元素のモル比が１:１乃至３:１になるように混合して;得られた混合物を７００℃乃至１１００℃で熱処理して製造されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの製造方法。
【請求項１０】
前記白金は、担体に担持されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１１７３８１（Ｐ２００９−１１７３８１Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４６９５（Ｐ２００９−１４６９５）
【出願日】平成２１年１月２６日（２００９．１．２６）
【分割の表示】特願２００５−１２４２６９（Ｐ２００５−１２４２６９）の分割
【原出願日】平成１７年４月２１日（２００５．４．２１）
【出願人】（５９０００２８１７）三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２６日（２００９．１．２６）
【分割の表示】特願２００５−１２４２６９（Ｐ２００５−１２４２６９）の分割
【原出願日】平成１７年４月２１日（２００５．４．２１）
【出願人】（５９０００２８１７）三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【Ｆターム（参考）】
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