(57)【要約】  【課題】  触媒作用を円滑に促進して発電性能に優れた燃料電池を提供すること。  【解決手段】  カーボンに担持された触媒の一方に燃料極３、他方に空気極５を配置し、触媒の作用で燃料極と空気極との間に直流電流を発生させる燃料電池であって、前記カーボンに、幹状カーボンナノチューブ内の空間部に金属が充填され、かつ、該幹状カーボンナノチューブから多数の枝状カーボンナノチューブが高配向に分岐して全体がツリー構造をなすカーボン金属ナノツリーを用いた構成。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン材料に担持された触媒の一方に燃料極、他方に空気極を配置し、触媒の作用で燃料極と空気極との間に直流電流を発生させる燃料電池において、
前記カーボン材料に、幹状に延びるカーボンナノチューブから多数のカーボンナノチューブが高配向に枝状に分岐し、かつ、前記カーボンナノチューブの内外表面のいずれかに金属が存在して全体がツリー構造をなすカーボン金属ナノツリーを用いた、ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒の一方に燃料極、他方に空気極を配置するとともに、燃料極と空気極との間に導電性高分子からなる固体電解質層を介装し、触媒の作用で燃料極と空気極との間に直流電流を発生させる燃料電池に係り、特には、カーボン材料を触媒担持部材とする燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の触媒担持としてカーボンは多用されている。白金は微細化されて、導電性を有するカーボンに担持されている。燃料電池は、触媒の一方に燃料極、他方に空気極を配置し、燃料極に水素、空気極に空気または酸素を送り込み、水素は、白金の触媒作用で水素イオン（プロトン）に変化し、電子を放出する。この電子は、空気極に向けて外部の回路に流れる際に直流電流が発生する。空気極では外部回路を通じて供給されてくる電子と、燃料極と空気極との間の電解質層を通じて供給される水素イオンと、該空気極に存在する酸素との反応で水が生成される（特許文献１）。
【０００３】
以上の燃料電池において、電解質層に導電性高分子を用いた燃料電池は、固体高分子形（ＰＥＦＣ）として電気自動車、家庭用電源として期待されている。また、燃料電池は環境に優しく、発電効率が非常に高く、また、電気発生時に出る熱の利用性が高いなど、極めて有用な電池である。
【０００４】
このような燃料電池における触媒には白金等の貴金属が多用される。白金はその表面に水素分子や酸素分子を吸着し、分子から原子状態に解離させ、低温での反応が起きやすい状態にするものである。
【０００５】
このような白金は高価なため、少量でも高い触媒作用を得るために、微細化されてその比表面積を大きくして利用されている。また、触媒はその表面だけで行われるため、このように微細化された白金微粉末を担持するカーボン材料にもアスペクト比が高く針状先端を備えたカーボンナノチューブに担持させることが行われている。
【０００６】
しかしながら、カーボンナノチューブは、カーボン原子の６員環構造が円筒状に丸められたものであり、その外表面には触媒が付着する部位が存在しないために、触媒を付着させる部位が限られ、触媒担持量を多くすることができない。また、触媒担持量を増加させるべくカーボンナノチューブを高密度に密集させると、カーボンナノチューブ間に触媒が集合して凝集しやすくなり、触媒性能が低下するという不具合がある。さらにはカーボンナノチューブは高密度に成長させると配向性が低く倒伏状態となり、良好な触媒作用が行われるように触媒を担持させにくくなるうえ触媒とガスとの接触性が低下するなど、電池性能が劣化してくるという課題がある。
【特許文献１】特開２００２−２５２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、新規な構造の触媒担持カーボンを用いて微粉末化された白金等の触媒を高密度に担持できる一方で、水素ガスや酸素ガス等の反応ガスを高効率で接触可能となして、触媒作用を円滑に促進して発電性能に優れた燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明者は、新規な構造の触媒担持カーボンを開発することができた。従来の触媒担持カーボンであるカーボンナノチューブ等のカーボン材料の構造とは大きく異なり、この触媒担持カーボンは、幹状カーボンナノチューブと該幹状カーボンナノチューブから分岐した多数の枝状カーボンナノチューブとにより全体的にツリー構造となっており、かつ、カーボンナノチューブの内外のいずれかに金属が存在した構造を備えたものである。このような構造の触媒担持カーボンでは、枝状カーボンナノチューブが幹状カーボンナノチューブに高配向に多数成長しており、枝状カーボンナノチューブそれぞれに触媒微粉末を担持することができる。そのため、触媒担持量が従来のカーボンナノチューブと比較して飛躍的に増大する結果、発電効率が飛躍的に向上する。
【０００９】
特に、枝状カーボンナノチューブは幹状カーボンナノチューブから高密度に分岐成長していても、従来のカーボンナノチューブとは異なり倒伏した状態とはならず、高配向に分岐成長しているために、触媒微粉末を触媒作用に効果的な状態で多量に担持することができる。また、枝状カーボンナノチューブは互いに密集していても、燃料極の水素や空気極の酸素の通過を妨げることがないような密集状態であるために、水素や酸素と触媒との反応を有効に促進することができる。
【００１０】
本発明による燃料電池は、上記触媒担持カーボンである幹状カーボンナノチューブと多数の枝状カーボンナノチューブに触媒微粉末を担持することができるので、水素ガスや酸素ガス等の反応ガスが高効率で接触することができ、触媒作用を円滑に促進して発電性能に優れた燃料電池を提供することができる。
【００１１】
触媒には、金、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル、銅、などを挙げることができる。触媒には白金が好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、新規な触媒担持カーボンであるカーボン金属ナノツリーに触媒を担持させた構造を有するので、触媒作用が円滑に促進されて発電性能に優れた燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態に係る燃料電池に用いる触媒担持カーボンを図１ないし図６の電子顕微鏡写真に示す。
【００１４】
図１の写真は、倍率５０００倍のものであり、同写真からは、多数の幹状のカーボンナノチューブ（幹状カーボンナノチューブ）が延びて成長しており、この幹状カーボンナノチューブそれぞれから枝状に多数のカーボンナノチューブ（枝状カーボンナノチューブ）が高配向に分岐して延びて、全体がツリー構造をなしている様子が判る。同写真で示される幹状カーボンナノチューブは均一に分散しており、それぞれから枝状カーボンナノチューブが分岐している。
【００１５】
図２の写真は、倍率１００００倍の電子顕微鏡写真であり、同写真からさらに上記ツリー構造の様子が判る。
【００１６】
図３の電子顕微鏡写真では写真中に示す１００ｎｍ寸法から明らかなように、幹状カーボンナノチューブから多数の枝状カーボンナノチューブが分岐して延びている様子が判る。
【００１７】
図４の電子顕微鏡写真では写真中に示す１００ｎｍ寸法から明らかなように、１つの幹状カーボンナノチューブから多数の枝状カーボンナノチューブが分岐して延びている様子が判る。
【００１８】
図５の電子顕微鏡写真では写真中に示す１００ｎｍ寸法から明らかなように、幹状カーボンナノチューブに多数の枝状カーボンナノチューブが高配向に分岐して延びている様子が判る。
【００１９】
図６の電子顕微鏡写真では写真中に示す１００ｎｍ寸法から明らかなように、カーボンナノチューブ内部に金属が充填している様子が判る。
【００２０】
これらの写真に示すように、この触媒担持カーボンは、新規な構造を有するカーボン金属ナノツリーである。これらの写真に示すように、このカーボン金属ナノツリーは、幹状カーボンナノチューブと、この幹状カーボンナノチューブから多数分岐した枝状カーボンナノチューブとにより全体的にツリー構造をなしている。また、これらの内外に金属が充填されているものである。
【００２１】
上記触媒担持カーボンの製造例を説明する。まず、真空チャンバ内に鉄、ニッケル、コバルト等の触媒金属を含有するステンレス鋼材等の金属コイルと、この金属コイル内にニクロム等の高抵抗線材とを配置する。金属コイルの両端間に例えば１３．６５ＭＨｚ程度の高周波電圧を印加するとともに、線材の両端を加熱電源に接続して線材を700℃〜800℃程度の高温状態下で通電加熱し、該線材を数１０ないし１００Ｖ程度の負電位に維持した状態で真空チャンバを１０Ｐａ〜１０００Ｐａ程度に減圧して該真空チャンバ内に水素系ガスとカーボン系ガスとの混合ガス例えばＣＨ4／Ｈ2を導入する。これにより金属コイル周囲に水素系とカーボン系の混合ガスによるプラズマが発生し、水素系ガスプラズマにより金属コイルがスパッタされ、その金属粒子が線材表面に成膜されるとともに、カーボン系ガスプラズマによりその金属粒子周囲にカーボンナノチューブが成膜される。こうして所要時間経過後に線材表面に電子顕微鏡写真で示すカーボン金属ナノツリーが形成されたのである。
【００２２】
図１ないし図６の写真で示されるカーボン金属ナノツリーの具体的な製造条件は、真空チャンバ内の減圧圧力を１００Ｐａとし、金属コイルに１８−８ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、金属線材にニクロム線を用い、ニクロム線の通電による発熱温度を７００℃、ニクロム線の負電位を−１００Ｖに設定し、真空チャンバに導入する混合ガスを水素ガスとメタンガスとしたものである。
【００２３】
以上の製造条件で製造したカーボン金属ナノツリーは、図１ないし図６の電子顕微鏡写真に示すように、幹状カーボンナノチューブと幹状カーボンナノチューブから多数に分岐した枝状カーボンナノチューブとにより全体がツリー構造をなしており、かつ、これにカーボンナノチューブ内の空間部に金属が充填されている。
【００２４】
触媒担持カーボンにこのカーボン金属ナノツリーを用いた燃料電池の模式的構成を図７の断面図に示す。
【００２５】
図７において、電解質層１を間に挟んで燃料極３と空気極５とが配置される。燃料極３と空気極５はいずれも基体３ａ，５ａと触媒層３ｂ，５ｂとから構成されている。基体３ａ，５ａは触媒担持カーボンにより構成される。燃料極３には燃料極側セパレータ７がその凹凸面を向けて接続され、空気極５には空気極側セパレータ９がその凹凸面を向けて接続されている。燃料極側セパレータ７にはその凹凸面の凹部７ａに水素ガスが供給され、空気極側セパレータ９にはその凹凸面の凹部９ａに空気または酸素が供給される。
【００２６】
以上の構成からなる燃料電池においては、基体３ａ，５ａに触媒担持カーボンであるカーボン金属ナノツリーが用いられ、触媒層３ｂ，５ｂはカーボン金属ナノツリーの幹状カーボンナノチューブや枝状カーボンナノチューブに担持されている。実施の形態の触媒層３ｂ，５ｂは白金触媒層である。
【００２７】
上記触媒層３ｂ，５ｂに従来のカーボンナノチューブを高密度に配置するには、カーボンナノチューブを所要の水溶液に分散させないと、カーボンナノチューブが凝集して導電性高分子からなる固体電解質層に均一に接触することができなくなり、カーボンナノチューブに付着させた白金等の触媒が固体電解質層表面に対して不均一に配置される結果、例えば、燃料極であれば、触媒による水素ガスの水素イオンと電子とへの解離が進行しにくくなり、また、空気極では触媒による酸素と水素イオンと電子との結合が促進されにくくなり、電池性能が低下してくるようになる。
【００２８】
本実施の形態では、カーボン金属ナノツリーの構造が、幹状カーボンナノチューブから多数の枝状カーボンナノチューブが密集することなく高配向に分岐しているので、その枝状カーボンナノチューブ先端に付着した白金等の触媒微粒子が固体電解質層１表面に対して均一かつ高密度に配置される結果、燃料極３においては、触媒による水素ガスの水素イオンと電子とへの解離が進行しやすくなり、また、空気極５では触媒による酸素と水素イオンと電子との結合が促進されやすくなり、電池性能が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池に用いる触媒担持カーボンの電子顕微鏡写真である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池に用いる触媒担持カーボンの電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池に用いる触媒担持カーボンの電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池に用いる触媒担持カーボンの電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施形態に係る燃料電池に用いる触媒担持カーボンの電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明の実施形態に係る燃料電池に用いる触媒担持カーボンの電子顕微鏡写真である。
【図７】触媒担持カーボンにカーボン金属ナノツリーを用いた燃料電池の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    固体電解質層
３    燃料極
３ａ  基体
３ｂ  触媒層
５    空気極
５ａ  基体
５ｂ  触媒層
【図７】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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