電極触媒およびこれを用いた燃料電池
【課題】 金属超微粒子を担持した新たな燃料電池用の触媒を提供する。
【解決手段】 本発明の電極触媒は、（ａ）微生物乾燥体からなる担体と、（ｂ）前記担体に担持され、触媒活性を有する金属とを、含む。
【解決手段】 本発明の電極触媒は、（ａ）微生物乾燥体からなる担体と、（ｂ）前記担体に担持され、触媒活性を有する金属とを、含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極触媒およびこれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部から燃料（還元剤）と、酸素または空気（酸化剤）とを連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置である。燃料電池としてはアルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭素塩型、固体酸化物型、固体高分子電解質型などの形式が開発されている。これらの燃料電池のうち、固体高分子電解質型の燃料電池が、出力特性がよく、低い作動温度と共に迅速な始動性および応答性を有するので、注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型の燃料電池は、電気を実質的に発生させる膜・電極接合体とセパレータとからなる単位セルが複数個積層された構造を有する。前記膜・電極接合体は、高分子電解質膜を中心に、片面にアノード電極、他の片面にカソード電極が設けられ、３者が密着した構造である。
【０００４】
固体高分子電解質型の燃料電池は、常温温度付近で作動する。このような低温で酸化および還元反応を行わせるため、上記両電極に貴金属などの触媒が必要とされる。
【０００５】
一方、貴金属などは高価であるため、通常金属粒子を炭素担体などに担持させて触媒として使用する。触媒として高活性化させるためには、金属粒子の表面積を大きくする必要がある。このため、金属超微粒子の粒径を微小化することが試みられている。また、一般に、金属微粒子−担体の製造方法として、溶液中で、金属陽イオンを導電性カーボン微粒子に吸着させ、陽イオンを還元剤で還元して金属超微粒子を生成する方法が知られている。
【０００６】
しかし、この方法では、金属陽イオンをカーボン微粒子に吸着させるために還元剤を用いる。還元剤により、カーボン粒子に吸着しない金属陽イオンが溶液中で還元される。このため、カーボン粒子に所望の金属を吸着させるためには、過剰の金属陽イオンを必要とし、収率が悪いという問題がある。一方、溶液中で還元された金属陽イオンが、カーボン微粒子に担持された金属核に凝集し、金属微粒子の粒経が大きくなるという問題もある。
【０００７】
これらの問題を解決するために、例えば、金属陽イオンと共に溶液中にホウ素またはリンを添加して、金属超微粒子の粒径を小さくすることが試みられている（例えば、特許文献１参照）。また、還元剤として水素ガスを用い、常温で徐々に還元する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
しかし、上記の方法では、両者とも還元剤を用いるので、収率が悪いという問題は残る。また、溶媒を除去しない場合は、残存する金属陽イオンが還元されるという問題も残る。このため、金属微粒子の粒経が大きくなるという問題も残る。また、ホウ素またはリンを添加する場合には、これらは揮発性でないため、除去が容易でないという問題がある。さらに、水素ガスは反応性が低いため、反応時間が長く、生産性に問題がある。
【０００９】
このため、還元剤を用いずに、金属超微粒子を直接担体に担持して触媒を生産することも試みられている。金属超微粒子を溶液中で安定化させるために、界面活性剤などの安定化剤が必要とされる。例えば、安定化剤としてポリビニルアルコールを用いたものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、界面活性剤などの安定化剤は、触媒活性の低下を起こすことが知られている。また、これらの安定化剤は、揮発性でなく、除去が容易でないという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−２４６３８０号公報
【特許文献２】特開２００７−２７０９６号公報
【特許文献２】特開昭５６−１５５６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
すなわち、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、その目的は、金属超微粒子を担持した新たな燃料電池用の触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
燃料電池の触媒に用いる金属含有酸性溶液を、鉄還元細菌で処理すると、鉄還元細菌の表面にナノオーダーの金属微粒子が還元・析出する。本発明者らは、この金属微粒子が細胞表面に生成した細菌を乾燥した乾燥体を燃料電池用の触媒として利用できることを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、以下のとおりである。
【００１２】
本発明の電極触媒は、（ａ）微生物乾燥体からなる担体と、（ｂ）前記担体に担持され、触媒活性を有する金属とを、含む。
【００１３】
前記微生物乾燥体は、鉄還元細菌の乾燥体である。
【００１４】
前記触媒活性を有する金属が、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、およびオスミウム（Ｏｓ）からなる群より選択された少なくとも１種であってもよい。
【００１５】
上記電極触媒を備えた燃料電池であると好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、従来鉄還元細菌を用いて還元した金属イオンを、金属を回収せずにそのまま電極触媒として用いる。この金属微粒子が表面に生成した細菌を乾燥した乾燥体を燃料電池用の触媒として用いると、従来の燃料電池用の触媒と同等の効果を有する。また、製造も、金属微粒子が表面に生成した細菌を乾燥すればよいので、操作も容易であり、安定化剤の除去なども必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、パラジウムイオンの微生物還元試験後の細胞のＴＥＭ写真である。
【図２】図２は、シワネラ オネイデンシスの細胞薄切片のＴＥＭ写真及びパラジウム元素マップを示す写真である。
【図３】図３は、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ:Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析した結果を表すチャートである。
【図４】図４は、ギ酸ナトリウムを変えた場合のパラジウムの回収率を示すグラフである。
【図５】図５は、初期パラジウム濃度を変えた場合のシワネラ オネイデンシスの表面のＴＥＭ写真である。
【図６】図６は、初期パラジウム濃度を変えた場合のシワネラ オネイデンシスの表面のＴＥＭ写真と電流−電力曲線を示すグラフである。
【図７】図７は、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭの細胞乾燥体に炭素粉末を混合したものと、混合しないものの電流−電力曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明を詳細に説明する。
［鉄還元細菌］
本発明で用いる鉄還元細菌は、電子供与体から電子の供給を受けて、鉄を還元できる細菌である。このような鉄還元細菌としては、例えば、ゲオバクター属（代表種：Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ ｍｅｔａｌｌｉｒｅｄｕｃｅｎｓ：ゲオバクター メタリレデューセンス、ＡＴＣＣ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｙｐｅ Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）５３７７４株）、デスルフォモナス属（代表種：Ｄｅｓｕｌｆｕｒｏｍｏｎａｓ ｐａｌｍｉｔａｔｉｓ：デスルフォモナス パルミタティス：ＡＴＣＣ５１７０１株）、デスルフォムサ属（代表種：Ｄｅｓｕｌｆｕｒｏｍｕｓａ ｋｙｓｉｎｇｉｉ：デスルフォムサ キシンリＤＳＭ（Ｄｅｕｔｓｃｈｅ Ｓａｍｍｌｕｎｇ ｖｏｎ Ｍｉｋｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｅｎ ｕｎｄ Ｚｅｌｌｋｕｌｔｕｒｅｎ）７３４３株）、ペロバクター属（代表種：Ｐｅｌｏｂａｃｔｅｒ ｖｅｎｅｔｉａｎｕｓ：ペロバクター ベネティアヌス：ＡＴＣＣ２３９４株）、シワネラ属（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ ａｌｇａｅ：シワネラ アルゲ、（以下、「Ｓ． ａｌｇａｅ」という）：ＡＴＣＣ５１１８１株、Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ：シワネラ オネイデンシス：（以下、「Ｓ．ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ」という）ＡＴＣＣ７００５５０株）、フェリモナス属（Ｆｅｒｒｉｍｏｎａｓ ｂａｌｅａｒｉｃａ：フェリモナス バレアリカ：ＤＳＭ９７９９株）、エアロモナス属（Ａｅｒｏｍｏｎａｓ ｈｙｄｒｏｐｈｉｌａ：エアロモナス ヒドロフィラ：ＡＴＣＣ１５４６７株）、スルフロスピリルム属（代表種：Ｓｕｌｆｕｒｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ ｂａｒｎｅｓｉｉ：スルフロスピリルム バーネシイ：ＡＴＣＣ７０００３２株）、ウォリネラ属（代表種：ウォリネラ スシノゲネス：Ｗｏｌｉｎｅｌｌａ ｓｕｃｃｉｎｏｇｅｎｅｓ：ＡＴＣＣ２９５４３株）、デスルフォビブリオ属（代表種：Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｃａｎｓ：デスルフォビブリオ デスルフリカンス：ＡＴＣＣ２９５７７株）、ゲオトリクス属（代表種：Ｇｅｏｔｈｒｉｘ ｆｅｒｍｅｎｔａｎｓ：ゲオトリクス フェルメンタンス：ＡＴＣＣ７００６６５株）、デフェリバクター属（代表種：Ｄｅｆｅｒｒｉｂａｃｔｅｒ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ：デフェリバクター テルモフィルス：ＤＳＭ１４８１３株）、ゲオビブリオ属（代表種：Ｇｅｏｖｉｂｒｉｏ ｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ：ゲオビブリオ フェリレデューセンス：ＡＴＣＣ５１９９６株）、ピロバクルム属（代表種：Ｐｙｒｏｂａｃｕｌｕｍ ｉｓｌａｎｄｉｃｕｍ：テルモプロテウス アイランディカム：ＤＳＭ４１８４株）、テルモトガ属（代表種：Ｔｈｅｒｍｏｔｏｇａ ｍａｒｉｔｉｍａ：テルモトガ マリティマ：ＤＳＭ３１０９株）、アルカエグロブス属（代表種：Ａｒｃｈａｅｏｇｌｏｂｕｓ ｆｕｌｇｉｄｕｓ：アルカエグロブス フルギダス：ＡＴＣＣ４９５５８株）、ピロコックス属（代表種：Ｐｙｒｏｃｏｃｃｕｓ ｆｕｒｉｏｓｕｓ：ピロコックス フリオサス：ＡＴＣＣ４３５８７株）、ピロディクティウム属（代表種：Ｐｙｒｏｄｉｃｔｉｕｍ ａｂｙｓｓｉ：ピロディクティウム アビーシイ：ＤＳＭ６１５８株）などが例示できる。これらの鉄還元細菌は、嫌気性細菌である。
【００１９】
本発明で用いる鉄還元細菌は、当該細菌に適した培地を用いて、増殖・維持を行えばよい。例えばＳ．ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓは、ＴＳＢ（Ｔｒｙｐｔｉｃａｓｅ Ｓｏｙ Ｂｒｏｔｈ）培地で、Ｓ． ａｌｇａｅは、例えば、ｐＨが７．０で、電子供与体として乳酸ナトリウム（３２ｍｏｌ／ｍ３）が、電子受容体としてＦｅ（ＩＩＩ）イオン（５６ｍｏｌ／ｍ３）が含まれている、クエン酸第二鉄培地（ＡＴＣＣ Ｎｏ．１９３１）を用いて、回分培養して増殖させ、維持する。使用する培地、使用する鉄還元細菌の種類により、適宜選択すればよい。
【００２０】
[触媒金属]
本発明で、触媒として鉄還元細菌に生成させることのできる金属は、一般に燃料電池の触媒として使用することのできる金属である。例えば、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、およびオスミウム（Ｏｓ）などである。これらの金属は、通常貴金属、白金族に属する金属である。これらは、触媒活性が高く、安定性に優れ、触媒材料として広く用いられている。
【００２１】
[微生物乾燥体の製造]
ナノ粒子の生成に用いる金属は、通常、上記金属の酸（塩酸、硫酸、硝酸など）との塩を溶解した水溶液として使用する。水溶液のｐＨは、７程度であればよい。
【００２２】
本発明の電極触媒を製造するために用いる触媒活性を有する金属の水溶液中の初期濃度は、特に制限はなく、用いる鉄還元細菌の数、金属の種類によって適宜選択できる。例えば、１．０〜２０．０ｍＭ、好ましくは１０．０〜２０．０ｍＭ程度である。
【００２３】
本発明の電極触媒を製造するために用いる鉄還元細菌の数は、特に制限されない。一般的に細胞数が少ないほど、処理時間が長くなる。鉄還元細菌の数としては、例えば１．０×１０１４ｃｅｌｌｓ／ｍ３〜５．０×１０１６ｃｅｌｌｓ／ｍ３、好ましくは１．０×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３〜１．０×１０１６ｃｅｌｌｓ／ｍ３程度であればよい。
【００２４】
本発明の電極触媒の製造において、触媒活性を有する金属の塩を水（蒸留水、イオン交換水、純水などを含む）に溶解させて金属イオン水溶液を得る。また、必要に応じて金属イオン水溶液のｐＨは水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属の水酸塩、またはアルカリ土類金属の水酸塩などを用いることで調整してもよい。鉄還元細菌の懸濁液の調製は、まず指数増殖末期に達した鉄還元細菌培養液を、窒素ガスにより嫌気状態にしたグローブボックス内で採取し、遠心分離機で集菌する。集菌した菌液を、緩衝液を用いて所定の濃度に調整する。
【００２５】
調製した金属イオン水溶液と鉄還元細菌の懸濁液を嫌気性雰囲気、常温で混合し、スターラーなどによる攪拌などを行って金属イオンを還元し、細胞表面に金属微粒子を生成させる。
【００２６】
また、鉄還元細菌は、鉄の還元を行う際には、電子供与体としてギ酸ナトリウム、乳酸ナトリウムなどの有機酸塩や水素ガスを必要とする。電子供与体は、特に制限はなく、回収する金属の種類によって、適するものを選択すればよい。
【００２７】
本発明の電極触媒の製造において、処理時間は特に制限はされない。処理効率を考えると、金属イオンの濃度と使用する鉄還元細菌の数を調整し、３０分〜１２０分程度で細胞表面にほぼ均一に触媒活性を有する金属微粒子が生成するようにすればよい。
【００２８】
本発明の電極触媒の製造において、回収されるのは、触媒活性を有する金属微粒子である。また、触媒活性を有する金属微粒子は、鉄還元細菌の表面にナノオーダー（例えば、一次粒子径の平均粒径約４〜７ｎｍ程度）の粒子状態で回収される。
【００２９】
金属微粒子を生成させた細胞の表面において、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）により観察した場合に、平均粒径として約１００ｎｍ以上の明らかな凝集塊が観察されない条件を選択すると好ましい。凝集塊を生ずると、触媒の表面積が減少し、電池特性が低下するからである。
【００３０】
金属微粒子が表面に付着した鉄還元細菌は、遠心分離などで回収し、洗浄後乾燥する。乾燥は、例えば、３０〜５０℃で、６〜１２時間程度である。
【００３１】
上記のようにして得られた微生物乾燥体は、燃料電池の電極触媒として利用できる。燃料電池の電極触媒としては、１種の金属の微粒子を生成させた微生物乾燥体を使用してもよい。あるいは、１種の金属の微粒子を生成させた微生物乾燥体を複数種の金属で準備し、混合して用いることで、多元系金属の触媒として利用できる。また、１種の金属の微粒子を生成させた微生物乾燥体を複数種の金属で準備することで、各金属の混合量を調整することができる。
【００３２】
燃料電池等に本発明の微生物乾燥体が利用されているかどうかの確認は、燃料電池の触媒部、あるいは電極触媒などを、公知の核酸抽出方法により核酸が抽出されるかどうかを確認することで行うことができる。あるいは抽出した核酸を核酸分析して、上記の鉄還元細菌の核酸配列を有するかどうかによっても確認することができる。
【００３３】
（燃料電池）
本発明における燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用できる。典型的には、前記の膜・電極接合体をセパレータで挟持した構造を有する。膜・電極接合体を挟持するセパレータとしては、炭素板等のカーボン製、ステンレス等の金属製のものなど従来公知のものを用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有すものであるので、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。燃料電池が所望する電圧等を得ることができるように、セパレータを介して膜・電極接合体を複数積層して直列につないだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状等は、特に限定されなく、所望する電圧等などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。本発明の電極触媒は、このような構成を有する燃料電池のアノード電極、カソード電極のいずれかの電極として用いられる。
【００３４】
本発明の電極触媒は、極めて簡易な操作で、短時間に製造することができる。また、その製造も、常温、常圧という穏やかな条件で行える。このようにして得られた電極触媒は、従来の電極触媒と同等以上の性能を有し、燃料電池の電極触媒として有用である。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
【００３６】
以下の実施例において、二塩化パラジウムをイオン交換水に溶解させて所定の濃度に調製して、パラジウム水溶液を調製した。
【００３７】
鉄還元細菌（Ｓ． ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ）の懸濁液の調製は、まず指数増殖末期に達した鉄還元細菌培養液を、窒素ガスにより嫌気状態にしたグローブボックス内で採取し、遠心分離機で集菌した。鉄還元細菌培養液としては、ＴＳＢ（Ｔｒｙｐｔｉｃａｓｅ Ｓｏｙ Ｂｒｏｔｈ）培地７．５ｇをイオン交換水２５０ｍｌに溶解したものを用いた。次に、集菌した菌液をイオン交換水で再懸濁し所定の濃度に調整した。
【００３８】
以下の実施例において、細胞乾燥体の製造は以下のように行った。まず、バッフル付き三角フラスコを培養器として用いた。処理温度は、２５℃であった。
【００３９】
（微生物細菌体の製造例１）
還元細菌シワネラ オネイデンシス（Ｓ．ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ（ＡＴＣＣ ７００５５０株）をＴＳＢ液体培地（３０℃、ｐＨ ７．２）によって好気的に回分培養した。対数増殖期末期の細菌細胞を遠心分離して、ＫＨ２ＰＯ４／ＮａＯＨ緩衝液（ｐＨ ７）で洗浄、再懸濁させ、細胞懸濁液を調製した。電子供与体（ギ酸Ｎａ）と細胞懸濁液をネジ口ガラス容器に仕込み、ＰｄＣｌ２溶液を接種した。撹拌を行うものにおいては、攪拌しながら、ＰｄＣｌ２溶液を接種した。超音波処理においては、約1分間超音波を照射した細胞懸濁液を用いた。実験条件は、嫌気的環境下、温度２５℃、溶液ｐＨ ７．０、初期液相Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度１ｍｏｌ／ｍ３、液相細胞濃度３．２×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３とした。ＰｄＣｌ２溶液を接種して１２０分経過後の細胞を遠心分離装置（１００００ｒｐｍ、１０分）で回収し、金属ナノ粒子が担持した細胞乾燥体を調製した。
【００４０】
上記パラジウム生成試験後の細胞のＴＥＭ写真を、図１に示す。図１（ａ）は、撹拌を行ったもの、図１（ｂ）は、細胞懸濁液を超音波処理したもの、図１（ｃ）は、撹拌を行わなかったものの細胞のＴＥＭ写真を示す。攪拌処理を行わない場合(図１（ｃ）)と比較して攪拌処理を行った場合(図１（ａ）)は多くの細胞に均一かつ高分散にナノオーダーのＰｄ微粒子を析出していることがわかる。一方、超音波処理を行った場合(図１（ｂ）)においては細胞に均一にナノオーダーのＰｄ微粒子を析出していないことがわかる。このことから、細胞に均一にナノオーダーのＰｄ微粒子を析出させるためには、撹拌処理が必要なことがわかった。
【００４１】
上記パラジウムを析出した、シワネラ オネイデンシスの細胞薄切片を透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）により観察し、元素分析によりパラジウム元素マップの作成を行った。結果を図２に示す。図２は、シワネラ オネイデンシスの表面のＴＥＭ写真及びパラジウム元素マップを示す写真である。図２の左上側の写真は、ＴＥＭによるシワネラ オネイデンシスの表面の状態を示す写真である。この写真から、シワネラ オネイデンシスの細胞表面には、パラジウムの微粒子が多数観察されることがわかった。また、図２の右上の写真は、図２の左側の写真の細胞を元素分析して作製したパラジウム元素マップの写真である。これらから、図２の左上の写真において白色の粒子として確認される部分と、図２の右上の写真においてパラジウムの分布とが一致することがわかる。図２の下の写真は、図２の左上側の写真において四角で囲んだ部分を拡大したＴＥＭ写真である。この写真から、細胞表面（図中「１」）の部分と、ペリプラズム空間（図中「２」）にパラジウムが析出していることがわかる。
【００４２】
次に、パラジウムを回収した後のシワネラ オネイデンシスの細胞表面部分とペリプラズム空間のＴＥＭ像から、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ:Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析した。図３は、図２のシワネラ オネイデンシスの細胞表面（図２「１」）部分（図３上）とペリプラズム空間（図２「２」）（図３下）のＥＤＸ分析した結果を表すチャートである。図３から、シワネラ オネイデンシスの細胞表面、ペリプラズム空間に析出した粒子には、Ｐｄによるピークが見られることがわかる。すなわち、生成粒子はＰｄで構成されていることがわかった。ここで、炭素や酸素によるピークは微生物由来の有機物による影響であり、また、銅やオスミウムによるピークは測定時におけるグリットおよび染色による影響である。
【００４３】
これらから、粒子径が４〜７ｎｍ程度のＰｄナノ粒子の生成場は主に細胞膜と細胞壁の間のペリプラズム空間であることがわかる。このように、Ｐｄナノ粒子が細胞表面近傍に存在することから触媒としての利用に有利であることがわかった。
【００４４】
（パラジウム析出におけるギ酸ナトリウムの影響）
液相細胞濃度：６．７×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３、初期パラジウム濃度：１．０ｍＭの培養液中で、ギ酸ナトリウムの濃度を、２０ｍｏｌ／ｍ３、５０ｍｏｌ／ｍ３、２００ｍｏｌ／ｍ３としたものを用いて、パラジウムの析出を評価した。対照実験としてギ酸ナトリウムの濃度を、２００ｍｏｌ／ｍ３とし、シワネラ オネイデンシスを加えなかったものを用いた。結果を図４に示す。図４において、▲は、シワネラ オネイデンシス静止細胞接種（ギ酸Ｎａ濃度：２０ｍｏｌ／ｍ３）、▼は、シワネラ オネイデンシス静止細胞接種（ギ酸Ｎａ濃度：５０ｍｏｌ／ｍ３）、●は、シワネラ オネイデンシス静止細胞接種（ギ酸Ｎａ濃度：２００ｍｏｌ／ｍ３）、×は、無菌対照実験（ギ酸Ｎａ濃度：２００ｍｏｌ／ｍ３）をそれぞれ示す。また、横軸は、反応時間（分）（図中、「ｔｉｍｅ（ｍｉｎ）」）、縦軸は、溶液中のＰｄ（ＩＩ）濃度（ｍｏｌ／ｍ３）を示す。
【００４５】
図４から、ギ酸ナトリウム濃度の増加に伴い、６０分後における還元率も増加していることがわかる。さらに、６０分後の還元率と液相細胞濃度から単位細胞当たりのＰｄ回収量を求めると、ギ酸ナトリウム濃度が２０，５０，２００ｍｏｌ／ｍ３においてそれぞれ、０．７２６×１０−１１ｍｇ／ｃｅｌｌ、１．１８×１０−１１ｍｇ／ｃｅｌｌ、１．５４×１０−１１ｍｇ／ｃｅｌｌとなり、ギ酸ナトリウム濃度の増加に伴い、単位細胞あたりのＰｄ回収量も増加していることがわかった。
【００４６】
（パラジウム析出における初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度の影響）
液相細胞濃度：５．９×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３、ギ酸ナトリウムの濃度：５０ｍｏｌ／ｍ３の培養液中で、初期パラジウム濃度を１．０ｍＭ、５ｍＭ、１０ｍＭ、２０ｍＭ、としたものを用いて、パラジウムの析出を行った。１２０分経過後の各初期パラジウム濃度で処理した細胞上に析出したＰｄ微粒子を観察した。結果を図５に示す。図５から、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１．００ｍＭにおいてはＰｄ微粒子が充分に析出していないことがわかる。また、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が５ｍＭにおいてはＰｄ微粒子が凝集しているのに対し、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度を１０ｍＭの場合は、粒子径５ｎｍ程度のＰｄ微粒子が高分散かつ高密度に析出することがわかった。また、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が２０．０ｍＭにおいては、Ｐｄ微粒子が更に高密度に生成し、一部、凝集体が存在することが確認された。これらの結果から、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度の選択することで、Ｐｄ微粒子が高分散かつ高密度に析出し、しかも凝集塊を生じないことがわかる。
【００４７】
以上の結果から、液相細胞濃度、電子供与体濃度、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度を適宜選択すると、細胞表面に、Ｐｄ微粒子を高分散かつ高密度に析出させて、しかも凝集塊を生じさせないことができることがわかる。
【００４８】
（電池特性の評価）
液相細胞濃度：５．９×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３、ギ酸ナトリウムの濃度：５０ｍｏｌ／ｍ３の培養液中で、初期パラジウム濃度を２．５ｍＭ、５ｍＭ、１０ｍＭ、２０ｍＭ、としたものを用いて、Ｐｄ微粒子を析出した細胞を乾燥させ（５０℃の乾燥器で、６時間）、微生物乾燥体を得た。この微生物乾燥体を電極触媒として用いて、燃料電池特性を評価した。
【００４９】
（電流−電極曲線）
燃料電池用電極のアノードインクは、市販のカーボン担持Ｐｄ粒子触媒(パラジウム−活性炭素（Ｐｄ １０％）)および細胞担持Ｐｄナノ粒子触媒をそれぞれ金属量で８ｍｇ測りとり、炭素粉末７２ｍｇ、１０％ナフィオン液１．０ｍｌ、水０．４ｍｌと混合することで調製した。カソードインクには、燃料電池用Ｐｔ触媒インクを用いた。調製したアノードおよびカソードインクをナフィオン膜に均一に塗布し、乾燥後、テフロン（登録商標）コートされたカーボンペーパーと接合しＭＥＡ電極を作製した。その時の触媒量はアノード電極で１.２８ｍｇ−Ｐｄ／ｃｍ２、カソード電極では０.１６ｍｇ−Ｐｔ／ｃｍ２とした。また触媒活性面積は、６.２５ｃｍ２とした。評価方法は、燃料（アノード）極側に水素を３００ｍｌ/ｍiｎで供給し抵抗Ｒを変化させながら、電流Ｉと電圧Ｖを測定し、電力密度を求めた。
【００５０】
結果を図６に示す。図６のグラフにおいて、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、縦軸は、電力密度（ｍＷ／ｃｍ２）を示す。図６から、粒子径５ｎｍ程度のＰｄ微粒子が高分散かつ高密度に析出し、凝集塊を生じていない初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭのもの（４．７８ｍＷ／ｃｍ２）が、もっとも電池特性に優れ、市販のＰｄ電極触媒（５．３４ｍＷ／ｃｍ２）（パラジウム−活性炭素（Ｐｄ １０％）,和光純薬工業株式会社製）とほぼ同等（約９０％）であることがわかる。Ｐｄ微粒子が充分に析出していないが、凝集塊を生じていない、初期パラジウム濃度が２．５ｍＭのもの（１．６４ｍＷ／ｃｍ２）は、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭのものよりは、電気特性が劣ることがわかる。また、凝集塊を生じた初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が５ｍＭの場合（０．６２６ｍＷ／ｃｍ２）は、最も電気特性が劣っていることがわかる。さらに、高密度にＰｄ微粒子が析出しているが、部分的に凝集塊を生じている初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が２０ｍＭのもの（３．２７ｍＷ／ｃｍ２）は、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭのものよりは、電気特性が劣ることがわかる。以上から、Ｐｄ微粒子が高分散かつ高密度に析出し、凝集塊を生じていない細胞の乾燥体が電極触媒として優れることが判る。
【００５１】
上記初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭの細胞乾燥体に炭素粉末を混合したものと、混合しないものを用いて、上記と同様に、電池特性評価をした。結果を図７に示す。図７のグラフにおいて、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、縦軸は、電力密度（ｍＷ／ｃｍ２）を示す。図７から、細胞乾燥体に混合した。細胞乾燥体に炭素粉末を混合しても（４．７８ｍＷ／ｃｍ２）、しなくて（４．６６ｍＷ／ｃｍ２）も同等の性能が得られることがわかった。このことから、本実施例の細胞乾燥体は、燃料電池の電極触媒として利用できることがわかる。
【００５２】
（触媒有効表面積の評価）
サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）（ＡＬＳ１２００Ａ ハンドヘルド電気化学アナライザー（ビーエーエス株式会社製））を用い、市販のＰｄ電極触媒と上記初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が２．５、５、１０、２０ｍＭの細胞乾燥体の触媒有効表面積を測定した。作用電極には、細胞担持Ｐｄナノ粒子をエタノール水溶液中に分散し、グラッシーカーボン上に０．０２
ｍｇ/ｃｍ２となるように滴下して乾燥させたものを使用した。また、参照電極としてＡｇ/ＡｇＣｌ電極、対電極として白金線を使用した。ＣＶ測定は、溶存酸素を窒素ガスで除去した１Ｍ Ｈ２ＳＯ４水溶液を電解溶液とし、電位走査範囲を−０.３〜１.２Ｖ、スイープ速度を５０ｍＶ／ｓで行った。結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１から、細胞表面のＰｄの比表面積が大きいほど、最大電力が大きいことがわかる。このことから、細胞表面に生成するナノ粒子の比表面積が大きくなる条件を選択すればよいことがわかる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極触媒およびこれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部から燃料（還元剤）と、酸素または空気（酸化剤）とを連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置である。燃料電池としてはアルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭素塩型、固体酸化物型、固体高分子電解質型などの形式が開発されている。これらの燃料電池のうち、固体高分子電解質型の燃料電池が、出力特性がよく、低い作動温度と共に迅速な始動性および応答性を有するので、注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型の燃料電池は、電気を実質的に発生させる膜・電極接合体とセパレータとからなる単位セルが複数個積層された構造を有する。前記膜・電極接合体は、高分子電解質膜を中心に、片面にアノード電極、他の片面にカソード電極が設けられ、３者が密着した構造である。
【０００４】
固体高分子電解質型の燃料電池は、常温温度付近で作動する。このような低温で酸化および還元反応を行わせるため、上記両電極に貴金属などの触媒が必要とされる。
【０００５】
一方、貴金属などは高価であるため、通常金属粒子を炭素担体などに担持させて触媒として使用する。触媒として高活性化させるためには、金属粒子の表面積を大きくする必要がある。このため、金属超微粒子の粒径を微小化することが試みられている。また、一般に、金属微粒子−担体の製造方法として、溶液中で、金属陽イオンを導電性カーボン微粒子に吸着させ、陽イオンを還元剤で還元して金属超微粒子を生成する方法が知られている。
【０００６】
しかし、この方法では、金属陽イオンをカーボン微粒子に吸着させるために還元剤を用いる。還元剤により、カーボン粒子に吸着しない金属陽イオンが溶液中で還元される。このため、カーボン粒子に所望の金属を吸着させるためには、過剰の金属陽イオンを必要とし、収率が悪いという問題がある。一方、溶液中で還元された金属陽イオンが、カーボン微粒子に担持された金属核に凝集し、金属微粒子の粒経が大きくなるという問題もある。
【０００７】
これらの問題を解決するために、例えば、金属陽イオンと共に溶液中にホウ素またはリンを添加して、金属超微粒子の粒径を小さくすることが試みられている（例えば、特許文献１参照）。また、還元剤として水素ガスを用い、常温で徐々に還元する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
しかし、上記の方法では、両者とも還元剤を用いるので、収率が悪いという問題は残る。また、溶媒を除去しない場合は、残存する金属陽イオンが還元されるという問題も残る。このため、金属微粒子の粒経が大きくなるという問題も残る。また、ホウ素またはリンを添加する場合には、これらは揮発性でないため、除去が容易でないという問題がある。さらに、水素ガスは反応性が低いため、反応時間が長く、生産性に問題がある。
【０００９】
このため、還元剤を用いずに、金属超微粒子を直接担体に担持して触媒を生産することも試みられている。金属超微粒子を溶液中で安定化させるために、界面活性剤などの安定化剤が必要とされる。例えば、安定化剤としてポリビニルアルコールを用いたものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、界面活性剤などの安定化剤は、触媒活性の低下を起こすことが知られている。また、これらの安定化剤は、揮発性でなく、除去が容易でないという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−２４６３８０号公報
【特許文献２】特開２００７−２７０９６号公報
【特許文献２】特開昭５６−１５５６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
すなわち、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、その目的は、金属超微粒子を担持した新たな燃料電池用の触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
燃料電池の触媒に用いる金属含有酸性溶液を、鉄還元細菌で処理すると、鉄還元細菌の表面にナノオーダーの金属微粒子が還元・析出する。本発明者らは、この金属微粒子が細胞表面に生成した細菌を乾燥した乾燥体を燃料電池用の触媒として利用できることを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、以下のとおりである。
【００１２】
本発明の電極触媒は、（ａ）微生物乾燥体からなる担体と、（ｂ）前記担体に担持され、触媒活性を有する金属とを、含む。
【００１３】
前記微生物乾燥体は、鉄還元細菌の乾燥体である。
【００１４】
前記触媒活性を有する金属が、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、およびオスミウム（Ｏｓ）からなる群より選択された少なくとも１種であってもよい。
【００１５】
上記電極触媒を備えた燃料電池であると好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、従来鉄還元細菌を用いて還元した金属イオンを、金属を回収せずにそのまま電極触媒として用いる。この金属微粒子が表面に生成した細菌を乾燥した乾燥体を燃料電池用の触媒として用いると、従来の燃料電池用の触媒と同等の効果を有する。また、製造も、金属微粒子が表面に生成した細菌を乾燥すればよいので、操作も容易であり、安定化剤の除去なども必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、パラジウムイオンの微生物還元試験後の細胞のＴＥＭ写真である。
【図２】図２は、シワネラ オネイデンシスの細胞薄切片のＴＥＭ写真及びパラジウム元素マップを示す写真である。
【図３】図３は、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ:Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析した結果を表すチャートである。
【図４】図４は、ギ酸ナトリウムを変えた場合のパラジウムの回収率を示すグラフである。
【図５】図５は、初期パラジウム濃度を変えた場合のシワネラ オネイデンシスの表面のＴＥＭ写真である。
【図６】図６は、初期パラジウム濃度を変えた場合のシワネラ オネイデンシスの表面のＴＥＭ写真と電流−電力曲線を示すグラフである。
【図７】図７は、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭの細胞乾燥体に炭素粉末を混合したものと、混合しないものの電流−電力曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明を詳細に説明する。
［鉄還元細菌］
本発明で用いる鉄還元細菌は、電子供与体から電子の供給を受けて、鉄を還元できる細菌である。このような鉄還元細菌としては、例えば、ゲオバクター属（代表種：Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ ｍｅｔａｌｌｉｒｅｄｕｃｅｎｓ：ゲオバクター メタリレデューセンス、ＡＴＣＣ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｙｐｅ Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）５３７７４株）、デスルフォモナス属（代表種：Ｄｅｓｕｌｆｕｒｏｍｏｎａｓ ｐａｌｍｉｔａｔｉｓ：デスルフォモナス パルミタティス：ＡＴＣＣ５１７０１株）、デスルフォムサ属（代表種：Ｄｅｓｕｌｆｕｒｏｍｕｓａ ｋｙｓｉｎｇｉｉ：デスルフォムサ キシンリＤＳＭ（Ｄｅｕｔｓｃｈｅ Ｓａｍｍｌｕｎｇ ｖｏｎ Ｍｉｋｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｅｎ ｕｎｄ Ｚｅｌｌｋｕｌｔｕｒｅｎ）７３４３株）、ペロバクター属（代表種：Ｐｅｌｏｂａｃｔｅｒ ｖｅｎｅｔｉａｎｕｓ：ペロバクター ベネティアヌス：ＡＴＣＣ２３９４株）、シワネラ属（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ ａｌｇａｅ：シワネラ アルゲ、（以下、「Ｓ． ａｌｇａｅ」という）：ＡＴＣＣ５１１８１株、Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ：シワネラ オネイデンシス：（以下、「Ｓ．ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ」という）ＡＴＣＣ７００５５０株）、フェリモナス属（Ｆｅｒｒｉｍｏｎａｓ ｂａｌｅａｒｉｃａ：フェリモナス バレアリカ：ＤＳＭ９７９９株）、エアロモナス属（Ａｅｒｏｍｏｎａｓ ｈｙｄｒｏｐｈｉｌａ：エアロモナス ヒドロフィラ：ＡＴＣＣ１５４６７株）、スルフロスピリルム属（代表種：Ｓｕｌｆｕｒｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ ｂａｒｎｅｓｉｉ：スルフロスピリルム バーネシイ：ＡＴＣＣ７０００３２株）、ウォリネラ属（代表種：ウォリネラ スシノゲネス：Ｗｏｌｉｎｅｌｌａ ｓｕｃｃｉｎｏｇｅｎｅｓ：ＡＴＣＣ２９５４３株）、デスルフォビブリオ属（代表種：Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｃａｎｓ：デスルフォビブリオ デスルフリカンス：ＡＴＣＣ２９５７７株）、ゲオトリクス属（代表種：Ｇｅｏｔｈｒｉｘ ｆｅｒｍｅｎｔａｎｓ：ゲオトリクス フェルメンタンス：ＡＴＣＣ７００６６５株）、デフェリバクター属（代表種：Ｄｅｆｅｒｒｉｂａｃｔｅｒ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ：デフェリバクター テルモフィルス：ＤＳＭ１４８１３株）、ゲオビブリオ属（代表種：Ｇｅｏｖｉｂｒｉｏ ｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ：ゲオビブリオ フェリレデューセンス：ＡＴＣＣ５１９９６株）、ピロバクルム属（代表種：Ｐｙｒｏｂａｃｕｌｕｍ ｉｓｌａｎｄｉｃｕｍ：テルモプロテウス アイランディカム：ＤＳＭ４１８４株）、テルモトガ属（代表種：Ｔｈｅｒｍｏｔｏｇａ ｍａｒｉｔｉｍａ：テルモトガ マリティマ：ＤＳＭ３１０９株）、アルカエグロブス属（代表種：Ａｒｃｈａｅｏｇｌｏｂｕｓ ｆｕｌｇｉｄｕｓ：アルカエグロブス フルギダス：ＡＴＣＣ４９５５８株）、ピロコックス属（代表種：Ｐｙｒｏｃｏｃｃｕｓ ｆｕｒｉｏｓｕｓ：ピロコックス フリオサス：ＡＴＣＣ４３５８７株）、ピロディクティウム属（代表種：Ｐｙｒｏｄｉｃｔｉｕｍ ａｂｙｓｓｉ：ピロディクティウム アビーシイ：ＤＳＭ６１５８株）などが例示できる。これらの鉄還元細菌は、嫌気性細菌である。
【００１９】
本発明で用いる鉄還元細菌は、当該細菌に適した培地を用いて、増殖・維持を行えばよい。例えばＳ．ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓは、ＴＳＢ（Ｔｒｙｐｔｉｃａｓｅ Ｓｏｙ Ｂｒｏｔｈ）培地で、Ｓ． ａｌｇａｅは、例えば、ｐＨが７．０で、電子供与体として乳酸ナトリウム（３２ｍｏｌ／ｍ３）が、電子受容体としてＦｅ（ＩＩＩ）イオン（５６ｍｏｌ／ｍ３）が含まれている、クエン酸第二鉄培地（ＡＴＣＣ Ｎｏ．１９３１）を用いて、回分培養して増殖させ、維持する。使用する培地、使用する鉄還元細菌の種類により、適宜選択すればよい。
【００２０】
[触媒金属]
本発明で、触媒として鉄還元細菌に生成させることのできる金属は、一般に燃料電池の触媒として使用することのできる金属である。例えば、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、およびオスミウム（Ｏｓ）などである。これらの金属は、通常貴金属、白金族に属する金属である。これらは、触媒活性が高く、安定性に優れ、触媒材料として広く用いられている。
【００２１】
[微生物乾燥体の製造]
ナノ粒子の生成に用いる金属は、通常、上記金属の酸（塩酸、硫酸、硝酸など）との塩を溶解した水溶液として使用する。水溶液のｐＨは、７程度であればよい。
【００２２】
本発明の電極触媒を製造するために用いる触媒活性を有する金属の水溶液中の初期濃度は、特に制限はなく、用いる鉄還元細菌の数、金属の種類によって適宜選択できる。例えば、１．０〜２０．０ｍＭ、好ましくは１０．０〜２０．０ｍＭ程度である。
【００２３】
本発明の電極触媒を製造するために用いる鉄還元細菌の数は、特に制限されない。一般的に細胞数が少ないほど、処理時間が長くなる。鉄還元細菌の数としては、例えば１．０×１０１４ｃｅｌｌｓ／ｍ３〜５．０×１０１６ｃｅｌｌｓ／ｍ３、好ましくは１．０×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３〜１．０×１０１６ｃｅｌｌｓ／ｍ３程度であればよい。
【００２４】
本発明の電極触媒の製造において、触媒活性を有する金属の塩を水（蒸留水、イオン交換水、純水などを含む）に溶解させて金属イオン水溶液を得る。また、必要に応じて金属イオン水溶液のｐＨは水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属の水酸塩、またはアルカリ土類金属の水酸塩などを用いることで調整してもよい。鉄還元細菌の懸濁液の調製は、まず指数増殖末期に達した鉄還元細菌培養液を、窒素ガスにより嫌気状態にしたグローブボックス内で採取し、遠心分離機で集菌する。集菌した菌液を、緩衝液を用いて所定の濃度に調整する。
【００２５】
調製した金属イオン水溶液と鉄還元細菌の懸濁液を嫌気性雰囲気、常温で混合し、スターラーなどによる攪拌などを行って金属イオンを還元し、細胞表面に金属微粒子を生成させる。
【００２６】
また、鉄還元細菌は、鉄の還元を行う際には、電子供与体としてギ酸ナトリウム、乳酸ナトリウムなどの有機酸塩や水素ガスを必要とする。電子供与体は、特に制限はなく、回収する金属の種類によって、適するものを選択すればよい。
【００２７】
本発明の電極触媒の製造において、処理時間は特に制限はされない。処理効率を考えると、金属イオンの濃度と使用する鉄還元細菌の数を調整し、３０分〜１２０分程度で細胞表面にほぼ均一に触媒活性を有する金属微粒子が生成するようにすればよい。
【００２８】
本発明の電極触媒の製造において、回収されるのは、触媒活性を有する金属微粒子である。また、触媒活性を有する金属微粒子は、鉄還元細菌の表面にナノオーダー（例えば、一次粒子径の平均粒径約４〜７ｎｍ程度）の粒子状態で回収される。
【００２９】
金属微粒子を生成させた細胞の表面において、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）により観察した場合に、平均粒径として約１００ｎｍ以上の明らかな凝集塊が観察されない条件を選択すると好ましい。凝集塊を生ずると、触媒の表面積が減少し、電池特性が低下するからである。
【００３０】
金属微粒子が表面に付着した鉄還元細菌は、遠心分離などで回収し、洗浄後乾燥する。乾燥は、例えば、３０〜５０℃で、６〜１２時間程度である。
【００３１】
上記のようにして得られた微生物乾燥体は、燃料電池の電極触媒として利用できる。燃料電池の電極触媒としては、１種の金属の微粒子を生成させた微生物乾燥体を使用してもよい。あるいは、１種の金属の微粒子を生成させた微生物乾燥体を複数種の金属で準備し、混合して用いることで、多元系金属の触媒として利用できる。また、１種の金属の微粒子を生成させた微生物乾燥体を複数種の金属で準備することで、各金属の混合量を調整することができる。
【００３２】
燃料電池等に本発明の微生物乾燥体が利用されているかどうかの確認は、燃料電池の触媒部、あるいは電極触媒などを、公知の核酸抽出方法により核酸が抽出されるかどうかを確認することで行うことができる。あるいは抽出した核酸を核酸分析して、上記の鉄還元細菌の核酸配列を有するかどうかによっても確認することができる。
【００３３】
（燃料電池）
本発明における燃料電池の構成としては、特に限定されず、従来公知の技術を適宜利用できる。典型的には、前記の膜・電極接合体をセパレータで挟持した構造を有する。膜・電極接合体を挟持するセパレータとしては、炭素板等のカーボン製、ステンレス等の金属製のものなど従来公知のものを用いることができる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有すものであるので、それらの流路を確保するための流路溝が形成されてもよい。燃料電池が所望する電圧等を得ることができるように、セパレータを介して膜・電極接合体を複数積層して直列につないだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状等は、特に限定されなく、所望する電圧等などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。本発明の電極触媒は、このような構成を有する燃料電池のアノード電極、カソード電極のいずれかの電極として用いられる。
【００３４】
本発明の電極触媒は、極めて簡易な操作で、短時間に製造することができる。また、その製造も、常温、常圧という穏やかな条件で行える。このようにして得られた電極触媒は、従来の電極触媒と同等以上の性能を有し、燃料電池の電極触媒として有用である。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
【００３６】
以下の実施例において、二塩化パラジウムをイオン交換水に溶解させて所定の濃度に調製して、パラジウム水溶液を調製した。
【００３７】
鉄還元細菌（Ｓ． ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ）の懸濁液の調製は、まず指数増殖末期に達した鉄還元細菌培養液を、窒素ガスにより嫌気状態にしたグローブボックス内で採取し、遠心分離機で集菌した。鉄還元細菌培養液としては、ＴＳＢ（Ｔｒｙｐｔｉｃａｓｅ Ｓｏｙ Ｂｒｏｔｈ）培地７．５ｇをイオン交換水２５０ｍｌに溶解したものを用いた。次に、集菌した菌液をイオン交換水で再懸濁し所定の濃度に調整した。
【００３８】
以下の実施例において、細胞乾燥体の製造は以下のように行った。まず、バッフル付き三角フラスコを培養器として用いた。処理温度は、２５℃であった。
【００３９】
（微生物細菌体の製造例１）
還元細菌シワネラ オネイデンシス（Ｓ．ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ（ＡＴＣＣ ７００５５０株）をＴＳＢ液体培地（３０℃、ｐＨ ７．２）によって好気的に回分培養した。対数増殖期末期の細菌細胞を遠心分離して、ＫＨ２ＰＯ４／ＮａＯＨ緩衝液（ｐＨ ７）で洗浄、再懸濁させ、細胞懸濁液を調製した。電子供与体（ギ酸Ｎａ）と細胞懸濁液をネジ口ガラス容器に仕込み、ＰｄＣｌ２溶液を接種した。撹拌を行うものにおいては、攪拌しながら、ＰｄＣｌ２溶液を接種した。超音波処理においては、約1分間超音波を照射した細胞懸濁液を用いた。実験条件は、嫌気的環境下、温度２５℃、溶液ｐＨ ７．０、初期液相Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度１ｍｏｌ／ｍ３、液相細胞濃度３．２×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３とした。ＰｄＣｌ２溶液を接種して１２０分経過後の細胞を遠心分離装置（１００００ｒｐｍ、１０分）で回収し、金属ナノ粒子が担持した細胞乾燥体を調製した。
【００４０】
上記パラジウム生成試験後の細胞のＴＥＭ写真を、図１に示す。図１（ａ）は、撹拌を行ったもの、図１（ｂ）は、細胞懸濁液を超音波処理したもの、図１（ｃ）は、撹拌を行わなかったものの細胞のＴＥＭ写真を示す。攪拌処理を行わない場合(図１（ｃ）)と比較して攪拌処理を行った場合(図１（ａ）)は多くの細胞に均一かつ高分散にナノオーダーのＰｄ微粒子を析出していることがわかる。一方、超音波処理を行った場合(図１（ｂ）)においては細胞に均一にナノオーダーのＰｄ微粒子を析出していないことがわかる。このことから、細胞に均一にナノオーダーのＰｄ微粒子を析出させるためには、撹拌処理が必要なことがわかった。
【００４１】
上記パラジウムを析出した、シワネラ オネイデンシスの細胞薄切片を透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）により観察し、元素分析によりパラジウム元素マップの作成を行った。結果を図２に示す。図２は、シワネラ オネイデンシスの表面のＴＥＭ写真及びパラジウム元素マップを示す写真である。図２の左上側の写真は、ＴＥＭによるシワネラ オネイデンシスの表面の状態を示す写真である。この写真から、シワネラ オネイデンシスの細胞表面には、パラジウムの微粒子が多数観察されることがわかった。また、図２の右上の写真は、図２の左側の写真の細胞を元素分析して作製したパラジウム元素マップの写真である。これらから、図２の左上の写真において白色の粒子として確認される部分と、図２の右上の写真においてパラジウムの分布とが一致することがわかる。図２の下の写真は、図２の左上側の写真において四角で囲んだ部分を拡大したＴＥＭ写真である。この写真から、細胞表面（図中「１」）の部分と、ペリプラズム空間（図中「２」）にパラジウムが析出していることがわかる。
【００４２】
次に、パラジウムを回収した後のシワネラ オネイデンシスの細胞表面部分とペリプラズム空間のＴＥＭ像から、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ:Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析した。図３は、図２のシワネラ オネイデンシスの細胞表面（図２「１」）部分（図３上）とペリプラズム空間（図２「２」）（図３下）のＥＤＸ分析した結果を表すチャートである。図３から、シワネラ オネイデンシスの細胞表面、ペリプラズム空間に析出した粒子には、Ｐｄによるピークが見られることがわかる。すなわち、生成粒子はＰｄで構成されていることがわかった。ここで、炭素や酸素によるピークは微生物由来の有機物による影響であり、また、銅やオスミウムによるピークは測定時におけるグリットおよび染色による影響である。
【００４３】
これらから、粒子径が４〜７ｎｍ程度のＰｄナノ粒子の生成場は主に細胞膜と細胞壁の間のペリプラズム空間であることがわかる。このように、Ｐｄナノ粒子が細胞表面近傍に存在することから触媒としての利用に有利であることがわかった。
【００４４】
（パラジウム析出におけるギ酸ナトリウムの影響）
液相細胞濃度：６．７×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３、初期パラジウム濃度：１．０ｍＭの培養液中で、ギ酸ナトリウムの濃度を、２０ｍｏｌ／ｍ３、５０ｍｏｌ／ｍ３、２００ｍｏｌ／ｍ３としたものを用いて、パラジウムの析出を評価した。対照実験としてギ酸ナトリウムの濃度を、２００ｍｏｌ／ｍ３とし、シワネラ オネイデンシスを加えなかったものを用いた。結果を図４に示す。図４において、▲は、シワネラ オネイデンシス静止細胞接種（ギ酸Ｎａ濃度：２０ｍｏｌ／ｍ３）、▼は、シワネラ オネイデンシス静止細胞接種（ギ酸Ｎａ濃度：５０ｍｏｌ／ｍ３）、●は、シワネラ オネイデンシス静止細胞接種（ギ酸Ｎａ濃度：２００ｍｏｌ／ｍ３）、×は、無菌対照実験（ギ酸Ｎａ濃度：２００ｍｏｌ／ｍ３）をそれぞれ示す。また、横軸は、反応時間（分）（図中、「ｔｉｍｅ（ｍｉｎ）」）、縦軸は、溶液中のＰｄ（ＩＩ）濃度（ｍｏｌ／ｍ３）を示す。
【００４５】
図４から、ギ酸ナトリウム濃度の増加に伴い、６０分後における還元率も増加していることがわかる。さらに、６０分後の還元率と液相細胞濃度から単位細胞当たりのＰｄ回収量を求めると、ギ酸ナトリウム濃度が２０，５０，２００ｍｏｌ／ｍ３においてそれぞれ、０．７２６×１０−１１ｍｇ／ｃｅｌｌ、１．１８×１０−１１ｍｇ／ｃｅｌｌ、１．５４×１０−１１ｍｇ／ｃｅｌｌとなり、ギ酸ナトリウム濃度の増加に伴い、単位細胞あたりのＰｄ回収量も増加していることがわかった。
【００４６】
（パラジウム析出における初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度の影響）
液相細胞濃度：５．９×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３、ギ酸ナトリウムの濃度：５０ｍｏｌ／ｍ３の培養液中で、初期パラジウム濃度を１．０ｍＭ、５ｍＭ、１０ｍＭ、２０ｍＭ、としたものを用いて、パラジウムの析出を行った。１２０分経過後の各初期パラジウム濃度で処理した細胞上に析出したＰｄ微粒子を観察した。結果を図５に示す。図５から、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１．００ｍＭにおいてはＰｄ微粒子が充分に析出していないことがわかる。また、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が５ｍＭにおいてはＰｄ微粒子が凝集しているのに対し、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度を１０ｍＭの場合は、粒子径５ｎｍ程度のＰｄ微粒子が高分散かつ高密度に析出することがわかった。また、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が２０．０ｍＭにおいては、Ｐｄ微粒子が更に高密度に生成し、一部、凝集体が存在することが確認された。これらの結果から、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度の選択することで、Ｐｄ微粒子が高分散かつ高密度に析出し、しかも凝集塊を生じないことがわかる。
【００４７】
以上の結果から、液相細胞濃度、電子供与体濃度、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度を適宜選択すると、細胞表面に、Ｐｄ微粒子を高分散かつ高密度に析出させて、しかも凝集塊を生じさせないことができることがわかる。
【００４８】
（電池特性の評価）
液相細胞濃度：５．９×１０１５ｃｅｌｌｓ／ｍ３、ギ酸ナトリウムの濃度：５０ｍｏｌ／ｍ３の培養液中で、初期パラジウム濃度を２．５ｍＭ、５ｍＭ、１０ｍＭ、２０ｍＭ、としたものを用いて、Ｐｄ微粒子を析出した細胞を乾燥させ（５０℃の乾燥器で、６時間）、微生物乾燥体を得た。この微生物乾燥体を電極触媒として用いて、燃料電池特性を評価した。
【００４９】
（電流−電極曲線）
燃料電池用電極のアノードインクは、市販のカーボン担持Ｐｄ粒子触媒(パラジウム−活性炭素（Ｐｄ １０％）)および細胞担持Ｐｄナノ粒子触媒をそれぞれ金属量で８ｍｇ測りとり、炭素粉末７２ｍｇ、１０％ナフィオン液１．０ｍｌ、水０．４ｍｌと混合することで調製した。カソードインクには、燃料電池用Ｐｔ触媒インクを用いた。調製したアノードおよびカソードインクをナフィオン膜に均一に塗布し、乾燥後、テフロン（登録商標）コートされたカーボンペーパーと接合しＭＥＡ電極を作製した。その時の触媒量はアノード電極で１.２８ｍｇ−Ｐｄ／ｃｍ２、カソード電極では０.１６ｍｇ−Ｐｔ／ｃｍ２とした。また触媒活性面積は、６.２５ｃｍ２とした。評価方法は、燃料（アノード）極側に水素を３００ｍｌ/ｍiｎで供給し抵抗Ｒを変化させながら、電流Ｉと電圧Ｖを測定し、電力密度を求めた。
【００５０】
結果を図６に示す。図６のグラフにおいて、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、縦軸は、電力密度（ｍＷ／ｃｍ２）を示す。図６から、粒子径５ｎｍ程度のＰｄ微粒子が高分散かつ高密度に析出し、凝集塊を生じていない初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭのもの（４．７８ｍＷ／ｃｍ２）が、もっとも電池特性に優れ、市販のＰｄ電極触媒（５．３４ｍＷ／ｃｍ２）（パラジウム−活性炭素（Ｐｄ １０％）,和光純薬工業株式会社製）とほぼ同等（約９０％）であることがわかる。Ｐｄ微粒子が充分に析出していないが、凝集塊を生じていない、初期パラジウム濃度が２．５ｍＭのもの（１．６４ｍＷ／ｃｍ２）は、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭのものよりは、電気特性が劣ることがわかる。また、凝集塊を生じた初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が５ｍＭの場合（０．６２６ｍＷ／ｃｍ２）は、最も電気特性が劣っていることがわかる。さらに、高密度にＰｄ微粒子が析出しているが、部分的に凝集塊を生じている初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が２０ｍＭのもの（３．２７ｍＷ／ｃｍ２）は、初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭのものよりは、電気特性が劣ることがわかる。以上から、Ｐｄ微粒子が高分散かつ高密度に析出し、凝集塊を生じていない細胞の乾燥体が電極触媒として優れることが判る。
【００５１】
上記初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が１０ｍＭの細胞乾燥体に炭素粉末を混合したものと、混合しないものを用いて、上記と同様に、電池特性評価をした。結果を図７に示す。図７のグラフにおいて、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、縦軸は、電力密度（ｍＷ／ｃｍ２）を示す。図７から、細胞乾燥体に混合した。細胞乾燥体に炭素粉末を混合しても（４．７８ｍＷ／ｃｍ２）、しなくて（４．６６ｍＷ／ｃｍ２）も同等の性能が得られることがわかった。このことから、本実施例の細胞乾燥体は、燃料電池の電極触媒として利用できることがわかる。
【００５２】
（触媒有効表面積の評価）
サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）（ＡＬＳ１２００Ａ ハンドヘルド電気化学アナライザー（ビーエーエス株式会社製））を用い、市販のＰｄ電極触媒と上記初期Ｐｄ（ＩＩ）イオン濃度が２．５、５、１０、２０ｍＭの細胞乾燥体の触媒有効表面積を測定した。作用電極には、細胞担持Ｐｄナノ粒子をエタノール水溶液中に分散し、グラッシーカーボン上に０．０２
ｍｇ/ｃｍ２となるように滴下して乾燥させたものを使用した。また、参照電極としてＡｇ/ＡｇＣｌ電極、対電極として白金線を使用した。ＣＶ測定は、溶存酸素を窒素ガスで除去した１Ｍ Ｈ２ＳＯ４水溶液を電解溶液とし、電位走査範囲を−０.３〜１.２Ｖ、スイープ速度を５０ｍＶ／ｓで行った。結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１から、細胞表面のＰｄの比表面積が大きいほど、最大電力が大きいことがわかる。このことから、細胞表面に生成するナノ粒子の比表面積が大きくなる条件を選択すればよいことがわかる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）微生物乾燥体からなる担体と、（ｂ）前記担体に担持され、触媒活性を有する金属とを、
含む電極触媒。
【請求項２】
前記微生物乾燥体は、鉄還元細菌の乾燥体である、請求項１に記載の電極触媒。
【請求項３】
前記触媒活性を有する金属が、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、およびオスミウム（Ｏｓ）からなる群より選択された少なくとも１種である、請求項１または２に記載の電極触媒。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の電極触媒を備えた燃料電池。
【請求項１】
（ａ）微生物乾燥体からなる担体と、（ｂ）前記担体に担持され、触媒活性を有する金属とを、
含む電極触媒。
【請求項２】
前記微生物乾燥体は、鉄還元細菌の乾燥体である、請求項１に記載の電極触媒。
【請求項３】
前記触媒活性を有する金属が、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、およびオスミウム（Ｏｓ）からなる群より選択された少なくとも１種である、請求項１または２に記載の電極触媒。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の電極触媒を備えた燃料電池。
【図３】
【図４】
【図７】
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図４】
【図７】
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１１３７８８（Ｐ２０１１−１１３７８８Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６８５５６（Ｐ２００９−２６８５５６）
【出願日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【Ｆターム（参考）】
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