JP2005034835A - Catalyst structure and fuel cell equipped with catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒構造およびそれを用いた燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a catalyst structure and a fuel cell using the same.
以前から、燃料電池は次世代のエネルギーとして注目を集めているが、最近では、取り扱いの難しい水素以外の物質を燃料とする燃料電池が検討されており、特にメタノールが注目されている。例えば、応用物理Vol. 71，No.8（2002年）の1005ページから1006ページまでに記載されているように、メタノールを電極で直接反応させることによって電気を発生させる燃料電池は、ダイレクトメタノール方式燃料電池（<U>D</U>irect <U>M</U>ethanol <U>F</U>uel <U>C</U>ell, DMFC）と呼ばれ、携帯機器等に用いられる燃料電池として検討されている。DMFCの課題は、電池出力の向上であり、前記文献（応用物理）にも記載されているように、表面に凹凸を設けて触媒の実効面積を増加させ、触媒活性を向上させる対策が検討されている。 Fuel cells have been attracting attention as a next-generation energy for some time, but recently, fuel cells that use materials other than hydrogen that are difficult to handle as fuels have been studied, and methanol is particularly attracting attention. For example, as described in pages 1005 to 1006 of Applied Physics Vol. 71, No. 8 (2002), a fuel cell that generates electricity by directly reacting methanol with an electrode is a direct methanol system. It is called a fuel cell (<U> D </ U> irect <U> M </ U> ethanol <U> F </ U> uel <U> C </ U> ell, DMFC). It has been studied as a fuel cell to be used. The challenge of DMFC is to improve battery output. As described in the above literature (applied physics), measures to improve catalyst activity by increasing the effective area of the catalyst by providing irregularities on the surface have been studied. ing.
さらに、例えば特許公開公報の特開２００３−２４７４１４号公報に記載されているように、車輌用内燃機関の排ガス浄化装置においては、排ガス浄化触媒粒子が高温で粒成長して実行面積が減り、触媒機能が劣化する問題を解決するための排ガス浄化装置運転方法が提案されている。また、環境問題が深刻化するにつれて、例えば特許公開公報の特開２００４−２４９７９号公報に記載されているように、工場や発電設備などで排出される排ガスの処理装置も提案されている。 Furthermore, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-247414, for example, in an exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine for a vehicle, the exhaust gas purifying catalyst particles grow at high temperatures and the effective area is reduced. An exhaust gas purifying apparatus operating method for solving the problem of deterioration in function has been proposed. As environmental problems become more serious, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2004-24979, a treatment apparatus for exhaust gas discharged from factories or power generation facilities has been proposed.
しかし、前記公知例には、触媒活性の高い触媒構造が十分開示されているとは言えない。また、電池出力の高い燃料電池を提供するには十分とは言えない。 However, it cannot be said that the above known examples sufficiently disclose a catalyst structure having high catalytic activity. Moreover, it cannot be said that it is sufficient to provide a fuel cell with high battery output.
そこで、本発明の第一の目的は、触媒活性の高い触媒構造を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、電池出力の高い燃料電池を提供することにある。さらに、本発明の第三の目的は、高温でも安定な触媒構造を提供することにある。また、本発明の第四の目的は、高い機能を持つ排ガスシステムを提供することにある。 Accordingly, a first object of the present invention is to provide a catalyst structure having high catalytic activity. A second object of the present invention is to provide a fuel cell with high battery output. A third object of the present invention is to provide a catalyst structure that is stable even at high temperatures. The fourth object of the present invention is to provide an exhaust gas system having a high function.
発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を行い、導電性膜に接触して形成された触媒粒子を備えた触媒について、前記導電性膜を構成する材料の格子定数と前記触媒粒子を構成する材料の格子定数の差が16％以下であるようにすることが、触媒活性を向上させる上で有効であることを見出した。また、その際、3％以上であることが好ましい。さらに、格子定数の差は3％以上11％以下であることがより好ましいことを見出した。
本願発明の課題は例えば、下記の構成を備えた触媒構造体および燃料電池により解決される。
（１）：導電性膜と、前記導電性膜の上に形成された触媒粒子を備えた触媒構造において、前記導電性膜を構成する材料の格子定数と前記触媒粒子を構成する材料の格子定数の差を16％以下とすることである。
（２）：導電性膜と、前記導電性膜に隣接して形成された触媒粒子と、前記触媒粒子に接触して形成されたコーティング材料を備えた触媒構造において、前記導電性膜を構成する材料の格子定数と前記触媒粒子を構成する材料の格子定数の差を16％以下とすることである。
（３）：前記（１）、（２）の触媒構造において、前記触媒粒子の主構成材料を白金族合金とすることである。
The inventors have intensively studied to solve the above problems, and for the catalyst having catalyst particles formed in contact with the conductive film, the lattice constant of the material constituting the conductive film and the catalyst particles are determined. It has been found that it is effective in improving the catalytic activity to make the difference in lattice constant of the constituent materials 16% or less. At that time, it is preferably 3% or more. Furthermore, it has been found that the difference in lattice constant is more preferably 3% or more and 11% or less.
The problems of the present invention are solved by, for example, a catalyst structure and a fuel cell having the following configuration.
(1): In a catalyst structure including a conductive film and catalyst particles formed on the conductive film, a lattice constant of a material constituting the conductive film and a lattice constant of a material constituting the catalyst particle The difference is 16% or less.
(2): The conductive film is configured in a catalyst structure including a conductive film, catalyst particles formed adjacent to the conductive film, and a coating material formed in contact with the catalyst particles. The difference between the lattice constant of the material and the lattice constant of the material constituting the catalyst particles is 16% or less.
(3): In the catalyst structures of (1) and (2), the main constituent material of the catalyst particles is a platinum group alloy.
あるいは、前記（１）、（２）の触媒構造において、前記触媒粒子の主構成材料がPtRuまたはPtMoにすることである。
（４）：前記（１）、（２）の触媒構造において、前記触媒粒子の主構成材料を例えば、白金族合金とし、前記導電性膜の主構成元素をNi、Co、Fe、Cu、Au、Ag、Al、Tiの群から選ばれる一つとすることである。
Alternatively, in the catalyst structures of (1) and (2), the main constituent material of the catalyst particles is PtRu or PtMo.
(4): In the catalyst structures of (1) and (2), the main constituent material of the catalyst particles is, for example, a platinum group alloy, and the main constituent elements of the conductive film are Ni, Co, Fe, Cu, Au , Ag, Al, and Ti.
また、前記コーティング材料の主構成材料をDNA分子とすることである。
（５）：前記（２）の触媒構造において、前記触媒粒子の主構成材料をPtRuまたはPtMoを有し、前記触媒粒子の大きさを2.6 nm以上4.2 nm以下とし、前記導電性膜の主構成元素をNi、Co、Fe、Cu、Au、Ag、Al、Tiの群から選ばれる一つを有し、前記コーティング材料の主構成材料をDNA分子とすることである。
（６）：前記（２）の触媒構造において、前記触媒粒子の主構成材料を白金族合金を有し、前記導電性膜の主構成元素をNi、Co、Fe、Cu、Au、Ag、Al、Tiの群から選ばれる一つとし、前記コーティング材料の主構成材料をカーボンナノホーンとすることである。
（７）：前記（２）の触媒構造において、前記触媒粒子の主構成材料をPtRuまたはPtMoを有し、前記導電性膜の主構成元素をNi、Co、Fe、Cu、Au、Ag、Al、Tiの群から選ばれる一つを有し、前記コーティング材料の主構成材料をカーボンナノホーンとすることである。
（８）：電解質膜と、前記電解質膜の一方側面に隣接して形成された燃料極と、前記燃料極が配置された面の反対側面に隣接して形成された電解質膜とを備え、前記燃料極にはアルコールを原料とする燃料が用いられ、前記酸素極が、（１）から（７）の何れかに記載の触媒構造を備えた燃料電池である。
（９）：電解質膜と、前記電解質膜の一方側面に隣接して形成された燃料極と、前記燃料極が配置された面の反対側面に隣接して形成された電解質膜とを備え、前記燃料極にはアルコールを原料とする燃料が用いられ、前記酸素極が、（１）から（７）に記載の触媒構造を備えた燃料電池である。
（１０）：内燃機関からの排ガス供給部と、前記排ガス供給部から供給された前記排ガスが導入される触媒コンバータとを備えた内燃機関の排ガス浄化システムであって、前記触媒コンバータは、（１）から（３）の何れかに記載の触媒構造体を備えていることを特徴とする排ガス浄化システムである。また、具体的に例えば、内燃機関と、排気システムと、上流側触媒コンバータと、下流側触媒コンバータとを備えた車輌用内燃機関の排ガス浄化システムにおいて、少なくとも上流側触媒コンバータが、（１）から（７）に記載の触媒構造を備えた触媒コンバータである排ガス浄化システムであることができる。
（１１）：排ガスの供給部と、前記供給された排ガス中の煤塵を除去する第一バグフィルタ装置と、前記第一バグフィルタ装置を経た排ガスに含まれる有機ハロゲン化合物を除去する吸着剤充填層装置と、前記吸着剤充填層装置を経た排ガス中の酸性成分を除去する第二バグフィルタ装置を備えた排ガス処理システムであって、前記吸着剤充填層装置が請求項１から請求項８の何れかに記載の触媒構造体を備えていることを特徴とする排ガス処理システムである。
The main constituent material of the coating material is DNA molecules.
(5): In the catalyst structure of (2), the main constituent material of the catalyst particles is PtRu or PtMo, the size of the catalyst particles is 2.6 nm to 4.2 nm, and the main constituent of the conductive film The element is one selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al, and Ti, and the main constituent material of the coating material is a DNA molecule.
(6): In the catalyst structure of (2), the main constituent material of the catalyst particles is a platinum group alloy, and the main constituent elements of the conductive film are Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al And one selected from the group of Ti, and the main constituent material of the coating material is carbon nanohorn.
(7): In the catalyst structure of (2), the main constituent material of the catalyst particles is PtRu or PtMo, and the main constituent elements of the conductive film are Ni, Co, Fe, Cu, Au, Ag, Al And one selected from the group of Ti, and the main constituent material of the coating material is carbon nanohorn.
(8): comprising an electrolyte membrane, a fuel electrode formed adjacent to one side surface of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane formed adjacent to the side surface opposite to the surface on which the fuel electrode is disposed, A fuel using alcohol as a raw material is used for the fuel electrode, and the oxygen electrode is a fuel cell having the catalyst structure according to any one of (1) to (7).
(9): An electrolyte membrane, a fuel electrode formed adjacent to one side surface of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane formed adjacent to the side surface opposite to the surface on which the fuel electrode is disposed, A fuel using alcohol as a raw material is used for the fuel electrode, and the oxygen electrode is a fuel cell having the catalyst structure described in (1) to (7).
(10): An exhaust gas purification system for an internal combustion engine comprising an exhaust gas supply unit from the internal combustion engine and a catalytic converter into which the exhaust gas supplied from the exhaust gas supply unit is introduced. An exhaust gas purification system comprising the catalyst structure according to any one of (1) to (3). Further, specifically, for example, in an exhaust gas purification system for a vehicle internal combustion engine including an internal combustion engine, an exhaust system, an upstream catalytic converter, and a downstream catalytic converter, at least the upstream catalytic converter includes: It can be an exhaust gas purification system which is a catalytic converter provided with the catalyst structure described in (7).
(11): Exhaust gas supply unit, first bag filter device that removes dust in the supplied exhaust gas, and adsorbent packed layer that removes organic halogen compounds contained in the exhaust gas that has passed through the first bag filter device An exhaust gas treatment system comprising a device and a second bag filter device for removing acidic components in the exhaust gas that has passed through the adsorbent packed bed device, wherein the adsorbent packed bed device is any one of claims 1 to 8. An exhaust gas treatment system comprising the catalyst structure according to claim 1.
なお、ここで、主構成材料とは、最も大きな原子濃度で存在する材料のことを意味する。また、主構成元素とは、最も大きな原子濃度で存在する元素のことを意味する。 Here, the main constituent material means a material existing at the highest atomic concentration. The main constituent element means an element existing at the highest atomic concentration.
本発明によれば、触媒活性の高い触媒を提供することができる。また、電池出力の高い燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a catalyst having high catalytic activity can be provided. In addition, a fuel cell with high battery output can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図に示した実施例により詳細に説明する。なお、本発明は、本明細書に記載した形態のみに限るのではなく、公知技術及び今後公知技術となる技術にもとづいて修正することを阻止するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the examples shown in the drawings. Note that the present invention is not limited to the modes described in the present specification, and does not prevent correction based on the publicly known technique and a technique that will become a publicly known technique in the future.
まず、本発明における第一の実施例である触媒構造体における主要部分の概略を図１に示す。本実施例の触媒構造は、図１に示すように、導電性膜１に接触して触媒粒子２が形成され、さらにコーティング材料３が形成された構造となっている。このコーティング材料の効果については後で述べるが、この効果が不要な場合には、省略することもできる。ここで、導電性膜１を構成する材料の格子定数と触媒粒子２を構成する材料の格子定数の差は16％以下がこの好ましい。より好ましくは3％以上にする。また、更により好ましくは格子定数の差は3％以上11％以下である。この理由は、格子定数がこれらの条件を満たす場合に、触媒粒子のサイズを室温（20℃）において十分小さく（例えば、10 nm以下）することができ、触媒粒子の表面積の総和を大きくすることができるためである。これによって、触媒活性機能を向上させることができる。格子定数の差が3％未満の場合には、導電性膜の表面の原子配列に従って触媒原子も並ぶため、導電性膜１の上に触媒は粒子状に形成されず膜状に形成されてしまう。このため、表面積の総和を大きくすることが困難である。また、格子定数の差が16％を超える場合には、導電性膜１と触媒粒子２の格子不整合が大きすぎるために触媒原子の拡散が活発に起こり、触媒粒子同士がくっついてサイズが大きくなってしまう。この場合にも表面積の総和を大きくすることができない。格子定数の差が16％以下である場合には、触媒粒子の拡散が抑制されて触媒粒子のサイズを室温において十分小さく（一例としては10 nm以下）にすることができる。好ましくは更に3％以上になるようコントロールする。 First, the outline of the main part in the catalyst structure which is the first embodiment of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the catalyst structure of the present embodiment has a structure in which catalyst particles 2 are formed in contact with the conductive film 1 and a coating material 3 is further formed. Although the effect of this coating material will be described later, it can be omitted if this effect is unnecessary. Here, the difference between the lattice constant of the material constituting the conductive film 1 and the lattice constant of the material constituting the catalyst particles 2 is preferably 16% or less. More preferably 3% or more. Still more preferably, the difference in lattice constant is 3% or more and 11% or less. This is because, when the lattice constant satisfies these conditions, the size of the catalyst particles can be made sufficiently small (for example, 10 nm or less) at room temperature (20 ° C), and the total surface area of the catalyst particles can be increased. It is because it can do. Thereby, the catalytic activity function can be improved. When the difference in lattice constant is less than 3%, the catalyst atoms are also arranged in accordance with the atomic arrangement on the surface of the conductive film, so that the catalyst is not formed on the conductive film 1 but in the form of a film. . For this reason, it is difficult to increase the total surface area. When the difference in lattice constant exceeds 16%, the lattice mismatch between the conductive film 1 and the catalyst particles 2 is too large, so that the diffusion of catalyst atoms occurs actively, and the catalyst particles stick together to increase the size. turn into. Even in this case, the total surface area cannot be increased. When the difference in lattice constant is 16% or less, the diffusion of the catalyst particles is suppressed, and the size of the catalyst particles can be made sufficiently small (for example, 10 nm or less) at room temperature. Preferably, it is further controlled to be 3% or more.
本実施例の効果を詳しく説明するために、分子動力学シミュレーションによる解析例を示す。分子動力学シミュレーションとは、例えばジャーナルオブアプライドフィジックス(Journal of Applied Physics)の第５４巻(１９８３年発行)の４８７７ページに記述されているように、原子間ポテンシャルを通して各原子に働く力を計算し、この力を基にニュートンの運動方程式を解くことによって各時刻における各原子の位置を算出する方法である。なお、本実施例では、上記の分子動力学法に電荷移動を取り入れて異種元素間の相互作用を計算することにより、後述の関係を求める。
本実施例の主な効果は、前述したように、導電性膜１と触媒粒子２の格子定数の差が16％以下である場合に、触媒粒子の拡散が抑制されて触媒粒子のサイズを室温において十分小さくすることができることである。そこで、触媒粒子２の導電性膜１との界面近傍での拡散係数を計算し、その格子不整合依存性を解析することによってこの効果を示すことができる。分子動力学シミュレーションにより拡散係数を計算する方法は、例えばフィジカルレビューＢ(Physical Review B)の第２９巻(１９８４年発行)の５３６７ページから５３６９ページまでに記述されている。
In order to explain the effect of the present embodiment in detail, an example of analysis by molecular dynamics simulation is shown. Molecular dynamics simulation calculates the force acting on each atom through the interatomic potential, as described in, for example, page 4877 of Journal of Applied Physics, Volume 54 (published in 1983). This is a method for calculating the position of each atom at each time by solving Newton's equation of motion based on this force. In this embodiment, the relationship described later is obtained by calculating the interaction between different elements by incorporating charge transfer into the molecular dynamics method.
As described above, the main effect of this embodiment is that when the difference in lattice constant between the conductive film 1 and the catalyst particles 2 is 16% or less, the diffusion of the catalyst particles is suppressed and the size of the catalyst particles is reduced to room temperature. It can be made sufficiently small. Therefore, this effect can be shown by calculating the diffusion coefficient in the vicinity of the interface between the catalyst particles 2 and the conductive film 1 and analyzing the lattice mismatch dependency. The method for calculating the diffusion coefficient by molecular dynamics simulation is described, for example, from page 5367 to page 5369 of Volume 29 (issued in 1984) of Physical Review B.
はじめに、コーティング材料３が存在せず、触媒粒子２の材料としてはPtを用いた場合のシミュレーションについて、横軸に形成された触媒粒子２と導電性膜１の格子定数aの相対的な差Aをとり、縦軸に触媒粒子２の導電性膜１との界面での拡散係数Dの計算結果を表示した。ここでは、格子定数aは最近接原子間距離を意味する。また、図２において、D<SUB>0</SUB>は、触媒粒子２と導電性膜１がともにPt材料である場合の拡散係数を示す。 First, the relative difference A between the lattice constant a of the catalyst particle 2 formed on the horizontal axis and the conductive film 1 in the simulation when the coating material 3 does not exist and Pt is used as the material of the catalyst particle 2. And the calculation result of the diffusion coefficient D at the interface between the catalyst particles 2 and the conductive film 1 is displayed on the vertical axis. Here, the lattice constant a means the closest interatomic distance. In FIG. 2, D <SUB> 0 </ SUB> represents a diffusion coefficient when both the catalyst particles 2 and the conductive film 1 are Pt materials.
なお、本実施例では、一例としてPtを用いることが好ましいが、前記触媒粒子の主構成材料がPtRuまたはPtMoを有するようにすることができる。これは、Ptとほぼ同じ格子定数を有するので、基本的に同様の特性を有するからである。このため、以下の説明Ptに触媒粒子を例にした説明することでこれらの場合の図面記載を省略する。また、他の白金族元素についても同様の基本的傾向を示すので、図示省略した。このため、他の観点からＰｔ以外の白金族元素を使用することもできる。 In this example, it is preferable to use Pt as an example, but the main constituent material of the catalyst particles may include PtRu or PtMo. This is because it has basically the same characteristics because it has almost the same lattice constant as Pt. For this reason, the following description Pt will be described by taking catalyst particles as an example, and the drawings in these cases will be omitted. Also, other platinum group elements have the same basic tendency and are not shown. For this reason, platinum group elements other than Pt can also be used from another viewpoint.
図２のシミュレーション結果から、格子定数の差が大きいほど拡散係数が大きく、触媒粒子同士がくっついて成長しやすいことがわかる。このように、Ｐｔ，Ｐｄが拡散係数が小さく、そして、Ａｌ，Ａｕ，Ｔｉ，Ａｇさらに、Ｃｕ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，そしてＥｒ，Ｐｂのように大きくなっている。シミュレーション結果を粒子サイズについて着目して表示した結果を図３に示す。図３は図２と良く似ており、拡散係数の大きい領域では、粒子サイズが大きいことがわかる。特に格子定数の差が16％を超えると、図２に示した拡散係数は顕著に大きくなる。このため、16％以下にする。また、図3に示した粒子サイズも顕著に大きくなることがわかる。格子定数の差が3％未満の領域では、図３に示した粒子サイズには結果を表示していないが、これは、膜状になってしまったことを示す。このため、3％以上であることがこのましい。したがって、触媒粒子の表面積の総和を大きくするためには、格子定数の差は、3％以上16％以下が好ましい。図３より、粒子サイズを十分小さくするためには(例えば、5 nm以下)、格子定数の差は、11％以下であることが好ましい。 From the simulation results of FIG. 2, it can be seen that the greater the difference in lattice constant, the greater the diffusion coefficient, and the catalyst particles tend to stick together and grow. Thus, Pt and Pd have a small diffusion coefficient, and Al, Au, Ti, and Ag, and Cu, Co, Ni, Fe, and Er and Pb are large. FIG. 3 shows the result of displaying the simulation result with attention paid to the particle size. FIG. 3 is very similar to FIG. 2, and it can be seen that the particle size is large in the region where the diffusion coefficient is large. In particular, when the difference in lattice constant exceeds 16%, the diffusion coefficient shown in FIG. For this reason, it should be 16% or less. It can also be seen that the particle size shown in FIG. In the region where the difference in lattice constant is less than 3%, the result is not displayed in the particle size shown in FIG. 3, but this indicates that the particle has become a film. For this reason, it is preferable to be 3% or more. Therefore, in order to increase the total surface area of the catalyst particles, the difference in lattice constant is preferably 3% or more and 16% or less. From FIG. 3, in order to make the particle size sufficiently small (for example, 5 nm or less), the difference in lattice constant is preferably 11% or less.
次に図４に200℃での粒子サイズを示す。図３の室温の場合と比較して、触媒粒子のサイズが大きくなることを示している。これに対して、コーティング材料としてカーボンナノホーンを用いた場合の200℃でのシミュレーション結果を図５に示す。図５と、コーティング材料の無い場合の図４を比較すると、図５の粒子サイズが20％〜30％程度小さく抑えられていることがわかる。したがって、カーボンナノホーンをコーティング材料として用いることによって、高温での粒子成長を防止できるといえる。 Next, the particle size at 200 ° C. is shown in FIG. Compared to the case of room temperature in FIG. 3, the size of the catalyst particles is increased. On the other hand, the simulation result at 200 ° C. when carbon nanohorn is used as the coating material is shown in FIG. Comparing FIG. 5 with FIG. 4 without the coating material, it can be seen that the particle size of FIG. 5 is suppressed by about 20% to 30%. Therefore, it can be said that the growth of particles at a high temperature can be prevented by using carbon nanohorn as a coating material.
次に、コーティング材料としてB-DNAを用いた場合の200℃でのシミュレーション結果を図６に示す。図６と、コーティング材料としてカーボンナノホーンを用いた場合の図５を比較すると、図６の粒子サイズのほうが20％〜30％程度小さく抑えられていることがわかる。したがって、B-DNAのほうがカーボンナノホーンよりも粒子成長抑制効果が高いといえる。図５、図６に対応した20℃でのシミュレーション結果を図７、図８に示す。これらは200℃でのシミュレーション結果（図５、図６）と近い結果を示していることから、カーボンナノホーンやDNAでできたコーティング材料が、温度に依らずにサイズを小さくする効果を持つことがわかる。 Next, FIG. 6 shows a simulation result at 200 ° C. when B-DNA is used as a coating material. Comparing FIG. 6 with FIG. 5 when carbon nanohorn is used as a coating material, it can be seen that the particle size of FIG. 6 is suppressed by about 20% to 30%. Therefore, it can be said that B-DNA has a higher particle growth suppression effect than carbon nanohorn. The simulation results at 20 ° C. corresponding to FIGS. 5 and 6 are shown in FIGS. Since these show results similar to the simulation results at 200 ° C. (FIGS. 5 and 6), the coating material made of carbon nanohorn or DNA has the effect of reducing the size regardless of the temperature. Recognize.
これらの実施例では、触媒粒子としてPt粒子を用いた例を示したが、CO被毒に耐性のあるPtRu粒子やPtMo粒子を用いることがより好ましい。前記のPt粒子の場合と同様のシミュレーションによって、PtRu粒子やPtMo粒子についても前記と同様の効果が得られることを示すことができる。例えば、PtRu粒子を触媒粒子として用い、コーティング材料としてB-DNAを用いた場合の20℃でのシミュレーション結果を図９に示す。図９の結果は、図８とほぼ同様の結果を示しており、Pt粒子の代わりにCO被毒耐性の高いPtRu粒子を用いても粒子サイズを小さくする効果が得られることがわかる。 In these examples, Pt particles are used as catalyst particles, but it is more preferable to use PtRu particles and PtMo particles that are resistant to CO poisoning. It can be shown that the same effect as described above can be obtained for PtRu particles and PtMo particles by the same simulation as in the case of the Pt particles. For example, FIG. 9 shows a simulation result at 20 ° C. when PtRu particles are used as catalyst particles and B-DNA is used as a coating material. The result of FIG. 9 shows almost the same result as FIG. 8, and it can be seen that the effect of reducing the particle size can be obtained even if PtRu particles having high resistance to CO poisoning are used instead of Pt particles.
次に、本発明における第二の実施例である燃料電池構造の概略図を図１０に示す。本実施例の燃料電池は、図１０に示すように、電解質膜１０１の両面に触媒を担持した電極（触媒担持電極１０２、１０３）を取り付け、これに配線１０４、１０５と負荷１０６を接続した構造をもつ。燃料としては、例えばメタノールが用いられる。触媒担持電極１０２は酸素極、触媒担持電極１０３は燃料極である。酸素極１０２に使用される触媒粒子には、酸素分子の還元を促進する触媒を含有する材料、例えばPdまたはPd合金を用いることが好ましい。燃料極１０３は、例えば実施例１に示したような触媒構造を持つことが好ましい。例えば、燃料極１０３に使用される触媒粒子としては、CO被毒耐性の高いPtRu粒子やPtMo粒子を用い、これを担持する電極（導電性膜）は、Ni、Co、Fe、Cu、Au、Ag、Al、Tiの群から選ばれる一つを主構成元素とすることが好ましい。特に好ましいのはAl,Au,Ti,Agの少なくとも何れかを有するようにすることが良い。これにより格子定数の差を効果的に小さくすることができ、粒子サイズも十分な微細な状態にすることができる。第一の実施例に示したような効果によって、触媒活性機能が向上するため、本実施例の燃料電池は、電池出力が高い。
Next, a schematic diagram of a fuel cell structure according to the second embodiment of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 10, the fuel cell of this example has a structure in which electrodes (
次に、本発明における第三の実施例である排ガス浄化システムの概略図を図１１に示す。この図は、特許公開公報の特開２００３−２４７４１４号公報の図１と同様の形態とする場合の例である。この排ガス浄化システムの例は、図１１に示すように、電子式機関運転制御装置（ECU）２０１、内燃機関２０２、排気系２０３、スロットル弁２０４、サージタンク２０５、吸気マニホールド２０６、燃料噴射装置２０７、排気マニホールド２０８、上流側触媒コンバータ２０９、下流側触媒コンバータ２１０、スロットル開度センサ２１１、クランク角センサ２１２、酸素センサ２１３a、２１３b、バイパス手段２１４、バイパス通路２１５、流路切換弁２１６により構成されている。酸素センサ２１３aは、排気ガス中の残留酸素により燃焼された混合気の空燃比を検出するためのセンサであり、酸素センサ２１３bは、バイパス切換え手段の作動が正常に行われているか否かを検出するためのセンサである。この実施例の特徴としては、高温にて作動する上流側触媒コンバータの触媒構造が例えば実施例１に示したような触媒構造を持つことである。例えば、上流側触媒コンバータ２０９に使用される触媒粒子としては、白金族を主構成元素とする粒子（例えばPt粒子，Ru粒子，Rh粒子，PtRu粒子やPtMo粒子）を用い、これを担持する材料は、Ni、Co、Fe、Cu、Au、Ag、Al、Tiの群から選ばれる一つを主構成元素とすることが好ましい。特に好ましいのはAl,Au,Ti,Agの少なくとも何れかを有するようにすることが良い。これにより格子定数の差をより好ましい値にすることができ、粒子サイズも十分に微細な状態にすることができる。上流側触媒コンバータは、高温におかれるために、従来技術では粒子サイズが大きくなりやすいが、本実施例においては、粒子サイズを微粒にできるので、排ガス浄化システムとしての機能が高い。
Next, FIG. 11 shows a schematic diagram of an exhaust gas purification system according to a third embodiment of the present invention. This figure is an example in the case of adopting the same form as FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-247414. As shown in FIG. 11, an example of this exhaust gas purification system is an electronic engine operation control unit (ECU) 201, an
次に、本発明における第四の実施例である排ガス処理システムの概略図を図１２に示す。この図は、特許公開公報の特開２００４−２４９７９号公報の図１と同様の形態にした場合の例である。この排ガス処理システムの例は、排ガス発生源３０１に対して、第一バグフィルタ装置３０２、第二バグフィルタ３０３、吸着剤充填層装置３０４、中和剤噴霧装置３０５、飛灰加熱装置３０６、重金属処理装置３０７、埋め立て処理３０８、灰溶解装置３０９、再生装置３１０を備えて構成されている。この例では、吸着剤充填層装置３０４は、有機ハロゲン化合物を吸着除去する吸着剤３１１と、主に触媒作用により前記化合物を分解除去する触媒構造３１２を備えている。この実施例の特徴としては、触媒構造３１２が例えば実施例１に示したような触媒構造を持つことである。例えば、触媒構造３１２に使用される触媒粒子としては、白金族を主構成元素とする粒子（例えばPt粒子，Ru粒子，Rh粒子，PtRu粒子やPtMo粒子）を用い、これを担持する材料は、Ni、Co、Fe、Cu、Au、Ag、Al、Tiの群から選ばれる一つを主構成元素とすることが好ましい。特に好ましいのはAl,Au,Ti,Agの少なくとも何れかを有するようにすることが良い。これにより格子定数の差をより好ましい値にすることができ、粒子サイズも十分に微細な状態にすることができる。触媒構造３１２には、高温の排気ガスが入りこんで高温となる場合があるために、従来技術では粒子サイズが大きくなりやすいが、本実施例においては、粒子サイズを微粒にできるので、排ガス処理システムとしての機能が高い。
Next, FIG. 12 shows a schematic diagram of an exhaust gas treatment system according to a fourth embodiment of the present invention. This figure is an example in the case of adopting the same form as FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-24979. In this example of the exhaust gas treatment system, the first
１…導電性膜、２…触媒粒子、３…コーティング材料、１０１…電解質膜、１０２…触媒担持電極（酸素極）、１０３…触媒担持電極（燃料極）、１０４…配線、１０５…配線、１０６…負荷、２０１…電子式機関運転制御装置、２０２…内燃機関、２０３…排気系、２０４…スロットル弁、２０５…サージタンク、２０６…吸気マニホールド、２０７…燃料噴射装置、２０８…排気マニホールド、２０９…上流側触媒コンバータ、２１０…下流側触媒コンバータ、２１１…スロットル開度センサ、２１２…クランク角センサ、２１３a、２１３b…酸素センサ、２１４…バイパス手段、２１５…バイパス通路、２１６…流路切換弁、３０１…排ガス発生源、３０２…第一バグフィルタ装置、３０３…第二バグフィルタ、３０４…吸着剤充填層装置、３０５…中和剤噴霧装置、３０６…飛灰加熱装置、３０７…重金属処理装置、３０８…埋め立て処理、３０９…灰溶解装置、３１０…再生装置、３１１…吸着剤、３１２…触媒構造。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Conductive membrane, 2 ... Catalyst particle, 3 ... Coating material, 101 ... Electrolyte membrane, 102 ... Catalyst carrying electrode (oxygen electrode), 103 ... Catalyst carrying electrode (fuel electrode), 104 ... Wiring, 105 ... Wiring, 106 DESCRIPTION OF SYMBOLS ...
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