(57)【要約】一実施例によれば、白金合金粒子は、白金とは異なる材料から成るコアを備える。コア上のシェルは、白金から成る。シェルは、複数の面を有する。少なくとも大部分の面は、｛１１１｝面である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池触媒粒子であって、
白金とは異なる材料から成るコアと、
コア上のシェルと、
を備え、シェルは、白金から成り、シェルは、複数の面を有し、少なくとも大部分の面は、｛１１１｝面であることを特徴とする燃料電池触媒粒子。
【請求項２】
全ての面が｛１１１｝面であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項３】
大部分の面が｛１１１｝白金面であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項４】
シェルは、白金と、少なくとも１つの遷移金属とから成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項５】
遷移金属は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、ＷまたはＴａのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項６】
シェルは、白金と、少なくとも１つの他の貴金属とから成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項７】
他の貴金属は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒまたはＡｕのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項６記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項８】
シェルは、八面体形状を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項９】
シェルは、四面体形状を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項１０】
コアは、少なくとも１つの貴金属から成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項１１】
貴金属は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒまたはＡｕのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項１２】
コアは、パラジウム合金から成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項１３】
コアは、炭化物、金属酸化物またはポリマーのうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池触媒粒子。
【請求項１４】
膜と、
膜の一方の面上にある第１の触媒層と、
膜の反対の面上にある第２の触媒層と、
を備える燃料電池であって、
少なくとも一方の触媒層が、複数の粒子を備え、各粒子は、白金とは異なる材料から成るコアと、コア上のシェルとを有し、シェルは、白金から成り、シェルは、複数の面を有し、少なくとも大部分の面は、｛１１１｝面であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
全ての面が｛１１１｝面であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。
【請求項１６】
大部分の面が｛１１１｝白金面であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。
【請求項１７】
大部分の｛１１１｝面が白金合金｛１１１｝面であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。
【請求項１８】
シェルは、八面体形状を有することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。
【請求項１９】
シェルは、四面体形状を有することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。
【請求項２０】
コアは、少なくとも１つの貴金属から成ることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。
【請求項２１】
貴金属は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒまたはＡｕのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２０記載の燃料電池。
【請求項２２】
コアは、パラジウム合金から成ることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。
【請求項２３】
コアは、炭化物、金属酸化物またはポリマーのうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の主題は一般に、燃料電池の構成要素に関する。より詳細には、本開示の主題は、燃料電池の構成要素に有用な触媒材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は電気化学反応に基づいて電気を生成する。典型的な燃料電池構成は、電気化学反応を促進するために２つの電極層の間に膜を備える。電極層は通常、触媒層と呼ばれる。触媒の一方は通常、アノードと呼ばれ、もう一方は通常、カソードと呼ばれる。
【０００３】
少なくともアノード層は、水素などの燃料の酸化を促進して燃料を正に帯電したイオンと負に帯電したイオンとに変えるのに有効であることが分かっている白金などの材料から成る。白金は有用かつ有効であることが分かっているが、高価な材料である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の構成要素の費用を低減するためにかなりの努力がなされてきた。提案の１つは、白金を置き換えるか、必要とされる白金の量を低減することであったが、それによって、電極層の少なくとも一方の費用を低減することになった。白金の量を低減することを試みる際に伴う重大な問題は、それが、触媒反応を促進する活性を低減する傾向があることである。
【０００５】
Ｐｔ合金の｛１１１｝面（ｆａｃｅｔ）が｛１００｝面や｛１１０｝面によりもかなり活性が高いことが報告されている（Stamenkovic VR, Fowler B, Mun BS, Wang G, Ross PN, Lucas CA, Markovic NM (2007) Improved oxygen reduction activity on Pt3Ni {111} via increased surface site availability. Science 315:493）。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な一実施例によれば、白金合金粒子は、白金とは異なる材料から成るコアを備える。コア上のシェルは、白金から成る。シェルは、複数の面を有する。少なくとも大部分の面は、｛１１１｝面である。
【０００７】
例示的な実施例によれば、燃料電池触媒構成要素は、コアと、コア上のシェルとから構成される白金合金から成る。コアは、白金とは異なる材料から成る。シェルは、白金から成る。シェルは、複数の面を有する。少なくとも大部分の面は、｛１１１｝面である。
【０００８】
少なくとも１つの開示された例示的な実施例に伴うさまざまな特徴および利点は、当業者には以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例に従って設計された触媒を含む実施例の燃料電池の選択された部分を概略的に示す図。
【図２】本発明の実施例に従って設計された実施例の白金合金粒子を概略的に示す図。
【図３】図２の実施例からの｛１１１｝白金面を概略的に示す図。
【図４】｛１１１｝白金面内の白金原子の配列を概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、燃料電池２０の選択された部分を概略的に示す。膜電極アッセンブリ２２は、膜２８の対向する両面に触媒層２４、２６を備える。検討する目的で、触媒層２４は、アノード電極層とみなし、触媒層２６は、カソード電極層とみなす。
【００１１】
流体分配プレート３０は、水素などの反応物を気体拡散層３６を通して電極アッセンブリ２２に供給するための複数のリブ３２とチャネル３４とを備える。水素などの反応物がアノード電極触媒層２４に到達すると、燃料電池２０によって促進される電気化学反応の一部として既知の仕方で水素イオンおよび電子が分離する。
【００１２】
別の流体分配プレート４０は、酸素などの別の反応物を気体拡散層４６を通してカソード電極触媒層２６に供給するための複数のリブ４２とチャネル４４とを備える。
【００１３】
少なくとも一方の電極触媒層は、白金から成る。この実施例では、白金合金が、対応する触媒層で生じる触媒反応を促進する。図２に概略的に示すように、白金合金粒子５０は、コア５２と、コア５２上のシェル５４とを備える。この実施例では、シェル５４は、８つの側面または面５６を有する八面体の形状を有する。別の実施例では、シェル５４は、四面体形状を有する。
【００１４】
コア５２は、非白金材料から成る。一実施例では、コア５２は、パラジウムから成る。図示の実施例では、コア５２は、立方体形状を有する。コア５２の他の形状は、八面体、立方八面体（ｃｕｂｏ−ｏｃｔａｈｅｄｒｏｎ）、球などが可能である。別の実施例では、コア５２は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒおよびＡｕなどの少なくとも１つの貴金属から成る。別の実施例では、コア５２は、ＰｄＣｏなどの金属合金から成る。別の実施例では、コア５２は、金属酸化物、炭化物、またはポリマーから成る。
【００１５】
実施例のシェル５４は、Ｐｔと、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｗ、Ｔａなどの少なくとも１つの遷移金属とを含む白金合金から成る。他のＰｔ合金は、Ｐｔと、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕなどの少なくとも１つの他の貴金属とを含む。別の実施例では、シェル５４は、白金から成る。
【００１６】
非白金材料のコア５２を用いることで、より高価でないコアが得られる。同時に、実施例の粒子５０は、高い活性を有するシェル５４を有する。コア５２は、白金基シェル成長のシードとして役に立つ。
【００１７】
実施例の粒子５０上の大部分の面５６は、｛１１１｝面である。一実施例では、｛１１１｝面は、Ｐｔ3ＮｉなどのＰｔ合金から成る。大部分の面５６を｛１１１｝面として有することで、触媒反応について高い活性が維持される。いくつかの実施例では、全ての面５６が｛１１１｝面である。いくつかの実施例では、Ｐｔ3Ｎｉの代わりに白金が使用され、また、そのような場合、｛１１１｝面は、白金｛１１１｝面である。非白金材料のコア５２を利用することで、必要とされる白金が少なくなるので、このような高い活性の達成に伴う費用を低減することが促進される。
【００１８】
図３は、｛１１１｝面の配列における実施例の面５６上の白金原子６０の配列を概略的に示す。図４は、｛１１１｝面に対応する六方充填における白金原子６０の配列を概略的に示す。６２で概略的に示される六方輪郭は、白金原子６０の密な充填を示す。
【００１９】
実施例の触媒粒子５０は、触媒反応についての活性を低減させるという不利益を被らずに燃料電池触媒の費用を低減するという目標を達成する能力を与える。
【００２０】
上記の説明は、本質的に限定ではなく例示である。本発明の本質から必ずしも逸脱しない開示の実施例に対する変更および修正が、当業者には明らかとなり得る。本発明に与えられる法的保護範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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