JP2006318707A - Electrode structure of solid polymer fuel cell - Google Patents

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順二 松尾
Hiroshi Eguchi
拓 江口
Kaoru Fukuda
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode structure of a solid polymer fuel cell with high power generating performance and excellent high-potential durability and fuel shortage durability. <P>SOLUTION: In the electrode structure of the solid polymer fuel cell equipped with an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte film arranged between the electrodes, a carbon carrier with a specific surface area of 800 m<SP>2</SP>/g or more and 900 m<SP>2</SP>/g or less is used as a catalyst layer of the both electrodes. With this, the electrode structure of the solid polymer fuel cell can be provided with high power generating performance and excellent high-potential durability and fuel shortage durability. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の電極構造体に関するものであり、特に、発電性能が高く、高電位耐久性および燃料不足耐久性に優れた固体高分子型燃料電池の電極構造体に関する。   The present invention relates to an electrode structure of a polymer electrolyte fuel cell, and particularly relates to an electrode structure of a polymer electrolyte fuel cell having high power generation performance and excellent high potential durability and fuel shortage durability.

近年、燃料電池は、地球温暖化や環境破壊の抑制手段として、また次世代の発電システムとして大いに期待されており、さかんに研究開発が行われている。燃料電池は、水素と酸素の電気化学的な反応によりエネルギーを発生させるものであり、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池などを挙げることができる。これらの中でも、固体高分子型燃料電池は、常温から起動が可能であるうえ小型で高出力であるため、自動車(二輪、四輪)やポータブル電源等の電力源として注目されている。   In recent years, fuel cells are highly expected as a means for suppressing global warming and environmental destruction, and as a next-generation power generation system. A fuel cell generates energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. For example, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid electrolyte fuel cell, a solid polymer fuel cell, etc. Can be mentioned. Among these, the polymer electrolyte fuel cell has been attracting attention as a power source for automobiles (two-wheeled and four-wheeled) and portable power sources because it can be started from room temperature and has a small size and high output.

一般的な固体高分子型燃料電池は、燃料電池の基本構成単位である電極構造体(MEA)をセパレータで挟んだものを単セルとし、これを数十個から数百個組み合せてなるスタック(集合電池)として用いられる。スタックの基本構成単位である電極構造体は、アノード電極(燃料極)及びカソード電極(空気極)の二つの電極と、これら電極間に配置される高分子電解質膜とから形成され、通常、両電極は、高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。   A general polymer electrolyte fuel cell is a single cell in which an electrode structure (MEA), which is a basic structural unit of a fuel cell, is sandwiched between separators, and a stack in which several tens to several hundreds are combined ( Used as an assembled battery). An electrode structure, which is a basic structural unit of the stack, is formed of two electrodes, an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (air electrode), and a polymer electrolyte membrane disposed between these electrodes. The electrode is formed of a catalyst layer that performs an oxidation / reduction reaction in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer in contact with the catalyst layer.

このような構成からなる固体高分子型燃料電池は、アノード電極側に水素を含む燃料を供給し、カソード電極側に酸素又は空気を供給することで発電する。アノード電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。   The polymer electrolyte fuel cell having such a configuration generates power by supplying a fuel containing hydrogen to the anode electrode side and supplying oxygen or air to the cathode electrode side. In the fuel gas supplied to the anode electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst, moves to the cathode electrode side through the electrolyte membrane, and electrons generated in the meantime are taken out to the external circuit and used as direct current electric energy. Is done.

ところで、上記の燃料電池を自動車等に搭載した場合には、自動車の加速変動等に応じて急激な出力変化が伴うため、この運転条件の変化に耐えうる高い耐久性が必要とされる。   By the way, when the fuel cell described above is mounted on an automobile or the like, a rapid output change is caused according to the acceleration fluctuation of the automobile, and thus high durability that can withstand this change in operating conditions is required.

特に、燃料電池を停止する場合、アノード電極側とカソード電極側の両極にAirをパージし残留水の除去を行うため、停止後はアノード電極側とカソード電極側の両極がAirで満たされた状態になる。したがって、燃料電池を起動する場合、アノード電極側に水素を供給しても、停止時に充満していたAirが残留しているため、水素と残留Airの界面が形成される。これにより、アノード電極側のAir−H界面において燃料電池反応が起こり、Air−H界面に起電力が生じる。このような部分的な高電位状態が生じると、発電のためにプロトンの供給が必要となるが、カソード電極側には水素はなくAirのみしかない。このため、カソード電極側においては、プロトンを供給するために水の電気分解及びカーボンの腐食が起こり、その反応で生じるプロトンが供給される。このようなカーボンの腐食によるカソード電極の発電性能の劣化は、燃料電池全体の発電性能を低下させる要因と考えられている。 In particular, when the fuel cell is stopped, air is purged to remove both the anode electrode side and the cathode electrode side to remove residual water, so that both the anode electrode side and the cathode electrode side are filled with Air after the stop. become. Therefore, when starting the fuel cell, even if hydrogen is supplied to the anode electrode side, Air that has been filled at the time of stoppage remains, so an interface between hydrogen and residual Air is formed. Thus, the fuel cell reaction occurs in the Air-H 2 interface on the anode electrode side, electromotive force is generated in the Air-H 2 interface. When such a partial high potential state occurs, it is necessary to supply protons for power generation, but there is no hydrogen on the cathode electrode side and only Air. Therefore, on the cathode electrode side, electrolysis of water and corrosion of carbon occur to supply protons, and protons generated by the reaction are supplied. Such deterioration of the power generation performance of the cathode electrode due to the corrosion of carbon is considered to be a factor that reduces the power generation performance of the entire fuel cell.

また、燃料電池の運転条件に対する電流値の変化を表した図を図1に示す。図1における破線で囲まれた領域は、自動車の加速変動による運転条件の変化による過渡時であり、この領域において燃料の供給遅れが生じ易い。このような自動車の加速変動に対しては、加速変動に応じた出力変化に対応して、アノード電極側では水素の供給を柔軟に行う必要があるが、燃料として供給される水素は気体状態であり、この供給量を制御する際の即応性に乏しく、出力変化に柔軟に対応することは困難である。そのため、燃料ガスの供給が遅れ、一時的に燃料不足の状態が電極構造体に生じることになる。   Moreover, the figure showing the change of the electric current value with respect to the driving | running condition of a fuel cell is shown in FIG. A region surrounded by a broken line in FIG. 1 is a transitional time due to a change in driving conditions due to acceleration fluctuation of the automobile, and fuel supply delay is likely to occur in this region. For such acceleration fluctuations in automobiles, it is necessary to flexibly supply hydrogen on the anode electrode side in response to output changes corresponding to the acceleration fluctuations, but hydrogen supplied as fuel is in a gaseous state. In addition, it is difficult to respond flexibly to changes in output due to poor responsiveness when controlling the supply amount. For this reason, the supply of fuel gas is delayed, and a shortage of fuel temporarily occurs in the electrode structure.

この燃料不足に伴ってカソード電極では、電流を維持するために、プロトンの供給源として水の電気分解が進行し、所謂逆電圧が生じる。そして、この水の電気分解が進行している状況において、さらに燃料不足が進行すると、カーボンの酸化および金属の劣化が進行する。すなわち、燃料不足の状態においては、カソード電極を構成する触媒層中の担体であるカーボンが腐食され、発電性能が低下してしまう。そして、このようなカソード電極の性能が劣化することにより、燃料電池全体の発電性能が低下することになる。   Along with this fuel shortage, the cathode electrode undergoes electrolysis of water as a proton supply source in order to maintain current, and a so-called reverse voltage is generated. In the situation where the electrolysis of water proceeds, when the fuel shortage further proceeds, the oxidation of carbon and the deterioration of metal progress. That is, in a fuel-deficient state, carbon as a support in the catalyst layer constituting the cathode electrode is corroded and power generation performance is degraded. Then, when the performance of the cathode electrode is deteriorated, the power generation performance of the entire fuel cell is lowered.

これに対し、特許文献1には、担体カーボンを高温で熱処理して触媒担体であるカーボンをグラファイト化することによって耐腐食性能を高める発明が開示されている。これは、電極に使用する材料の耐腐食性能を向上させる方法であり、カーボンの腐食の進行速度を遅らせることにより、耐久性を向上させるものである。   On the other hand, Patent Document 1 discloses an invention in which corrosion resistance is improved by heat-treating the support carbon at a high temperature to graphitize the carbon that is the catalyst support. This is a method for improving the corrosion resistance performance of the material used for the electrode, and improves the durability by slowing the progress of the corrosion of the carbon.

また、特許文献2には、水の電気分解反応を優先的に促進させる水分解層を設けた燃料電池に関する発明が開示されている。これにより、燃料欠乏による逆電圧発生時において水の電気分解を優先的に行い、触媒担体の腐食の進行を遅らせることができる。
特開2004−172107号公報 特開2004−22503号公報
Patent Document 2 discloses an invention relating to a fuel cell provided with a water splitting layer that promotes water electrolysis reaction preferentially. Thus, water electrolysis is preferentially performed when reverse voltage is generated due to fuel shortage, and the progress of corrosion of the catalyst carrier can be delayed.
JP 2004-172107 A JP 2004-22503 A

しかしながら、特許文献1に開示されている発明は、触媒担体であるカーボンのグラファイト化により結晶化度を高めたものであるため、比表面積が低下して貴金属の分散状態が低くなり、触媒金属の表面積も低下してしまう。これにより、反応面積が減少し、反応性の低下、ひいては発電性能の低下を招くことになる。   However, since the invention disclosed in Patent Document 1 is obtained by increasing the crystallinity by graphitization of carbon which is a catalyst carrier, the specific surface area is reduced and the dispersion state of the noble metal is lowered. The surface area is also reduced. As a result, the reaction area is reduced, resulting in a decrease in reactivity and a decrease in power generation performance.

また、特許文献2に開示されている発明では、水分解層を設けることにより、一時的な燃料不足状況においては効果が見られる。しかしながら、実際の運転状況においては、急激な速度変動が繰り返し行われ、フラッティング等により、電極構造体内の一部が継続して定常的に燃料不足になる状況においては、カーボンの腐食反応が進行してしまい、結果として発電性能が低下してしまう。   Further, in the invention disclosed in Patent Document 2, an effect is seen in a temporary fuel shortage situation by providing a water splitting layer. However, in actual operating conditions, rapid speed fluctuations are repeatedly performed, and in a situation where a part of the electrode structure continues to run out of fuel due to flattening or the like, the corrosion reaction of carbon proceeds. As a result, the power generation performance is degraded.

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、発電性能が高く、高電位耐久性および燃料不足耐久性に優れた固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems as described above, and provides an electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell having high power generation performance and excellent high-potential durability and fuel shortage durability. Objective.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、両電極の触媒に用いるカーボン担体の比表面積を800m/g以上900m/g以下にすることにより、発電性能が高く、高電位耐久性および燃料不足耐久性に優れた固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のような固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供する。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have achieved a power generation performance by making the specific surface area of the carbon support used for the catalyst of both electrodes 800 m 2 / g or more and 900 m 2 / g or less. The present inventors have found that an electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell that is high and has high potential durability and excellent fuel shortage durability can be provided, and the present invention has been completed. More specifically, the present invention provides an electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell as follows.

(1) アノード電極と、カソード電極と、これらの電極間に配置された高分子電解質膜と、を備えた固体高分子型燃料電池の電極構造体であって、前記両電極は、前記高分子電解質膜に接する触媒層を有し、前記触媒層は、イオン伝導性物質と、触媒金属がカーボンに担持された触媒と、を含有し、前記カーボンの比表面積は、800m/g以上900m/g以下である固体高分子型燃料電池の電極構造体。 (1) An electrode structure of a polymer electrolyte fuel cell comprising an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane disposed between these electrodes, wherein both electrodes are the polymer The catalyst layer has a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane, and the catalyst layer contains an ion conductive material and a catalyst in which a catalyst metal is supported on carbon, and the specific surface area of the carbon is 800 m 2 / g or more and 900 m 2. / G or less of a polymer electrolyte fuel cell electrode structure.

(1)の電極構造体は、両電極の触媒層に用いられる触媒担体のカーボンの比表面積を、800m/g以上900m/g以下に設定したものである。より詳しくは、カーボンの比表面積を800m/g以上とすることにより、燃料不足状態であっても一定の端子電圧が確保でき、優れた耐久性を有するものである。また、カーボンの比表面積を900m/g以下とすることにより、起動時に生ずる高電位状態での優れた耐久性をも有するものである。したがって、(1)の電極構造体によれば、発電性能が高く、高電位耐久性および燃料不足耐久性に優れた固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供することができる。 In the electrode structure of (1), the specific surface area of carbon of the catalyst carrier used in the catalyst layers of both electrodes is set to 800 m 2 / g or more and 900 m 2 / g or less. More specifically, by setting the specific surface area of carbon to 800 m 2 / g or more, a constant terminal voltage can be secured even in a fuel-deficient state, and excellent durability is achieved. In addition, by setting the specific surface area of carbon to 900 m 2 / g or less, it has excellent durability in a high potential state generated at the time of startup. Therefore, according to the electrode structure of (1), it is possible to provide an electrode structure of a polymer electrolyte fuel cell having high power generation performance and excellent high potential durability and fuel shortage durability.

(2) 前記カーボンの[002]面の平均格子面間隔は、0.340nm以上0.360nm以下である(1)記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。   (2) The electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to (1), wherein an average lattice spacing of the [002] plane of the carbon is 0.340 nm or more and 0.360 nm or less.

(2)の電極構造体は、両電極の触媒層に用いられる触媒担体のカーボンの[002]面の平均格子面間隔を、0.340nm以上0.360nm以下に設定したものである。このようなカーボンは、一部が黒鉛化した状態のものであると考えられる。このため、カーボンの[002]面の平均格子面間隔を0.340nm以上にすることにより、カーボンの2次粒子内の1次粒子間に細孔が形成され、優れた水排出性およびガスの導入排出性が得られる。また、カーボンの[002]面の平均格子面間隔を0.360nm以下にすることにより、優れた強度および耐腐食性が得られる。したがって、(2)の電極構造体によれば、高い発電性能を有するうえに、高電位耐久性および燃料不足耐久性に優れた固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供することができる。   In the electrode structure (2), the average lattice spacing of the [002] plane of carbon of the catalyst carrier used in the catalyst layers of both electrodes is set to 0.340 nm or more and 0.360 nm or less. Such carbon is considered to be partially graphitized. Therefore, by setting the average lattice spacing of the [002] plane of carbon to 0.340 nm or more, pores are formed between primary particles in the carbon secondary particles, and excellent water discharge properties and gas Introduces and discharges. Further, when the average lattice spacing of the [002] plane of carbon is 0.360 nm or less, excellent strength and corrosion resistance can be obtained. Therefore, according to the electrode structure of (2), it is possible to provide an electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell having high power generation performance and excellent high-potential durability and fuel shortage durability.

(3) 前記アノード電極の触媒層に含有されている触媒の触媒金属は、Pt−Ru合金であり、このPt−Ru合金の粒子径は、3nm以上10nm以下である(1)又は(2)記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。   (3) The catalyst metal of the catalyst contained in the catalyst layer of the anode electrode is a Pt—Ru alloy, and the particle diameter of the Pt—Ru alloy is 3 nm or more and 10 nm or less (1) or (2) The electrode structure of the polymer electrolyte fuel cell described.

(3)の電極構造体は、アノード電極の触媒層に含有されている触媒の触媒金属として、粒子径が3nm以上10nm以下のPt−Ru合金を用いたものである。このPt−Ru合金を担体に担持させたPt−Ru触媒は、触媒活性及び安定性に優れており、粒径が3nm以上である場合には、優れた高電位耐久性を有する。また、10nm以下である場合には、Pt−Ru合金が担持されやすい。このため、Pt−Ru合金の粒子径の範囲を、3nm以上10nm以下に設定することにより、優れた高電位耐久性が効果的に得られる。したがって、(3)の電極構造体によれば、発電性能、高電位耐久性および燃料不足耐久性により優れた固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供することができる。   The electrode structure (3) uses a Pt—Ru alloy having a particle diameter of 3 nm or more and 10 nm or less as the catalyst metal of the catalyst contained in the catalyst layer of the anode electrode. The Pt—Ru catalyst having this Pt—Ru alloy supported on a carrier is excellent in catalytic activity and stability, and has excellent high potential durability when the particle size is 3 nm or more. Moreover, when it is 10 nm or less, the Pt—Ru alloy is easily supported. For this reason, excellent high potential durability can be effectively obtained by setting the particle diameter range of the Pt—Ru alloy to 3 nm or more and 10 nm or less. Therefore, according to the electrode structure of (3), it is possible to provide an electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell that is superior in power generation performance, high potential durability, and fuel shortage durability.

(4) 前記カソード電極の触媒層に含有されている触媒の触媒金属は、Pt−Co合金であり、Coに対するPtのモル比は、1以上3以下である(1)から(3)いずれか記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。   (4) The catalyst metal of the catalyst contained in the catalyst layer of the cathode electrode is a Pt—Co alloy, and the molar ratio of Pt to Co is 1 or more and 3 or less, and any one of (1) to (3) The electrode structure of the polymer electrolyte fuel cell described.

白金とコバルトの合金を担体に担持させたPt−Co触媒は、従来一般的に用いられていた白金触媒に比べて高い触媒活性を有し、優れた発電性能を有する。さらに、コバルトに対する白金のモル比が1以上である場合には、コバルトの溶出量が抑制され、耐腐食性に優れる。また、コバルトに対する白金のモル比が3以下である場合には、触媒活性を維持できる。このため、コバルトに対する白金のモル比の範囲を1以上3以下にすることによって、優れた耐腐食性および高い触媒活性を確保できる。したがって、(4)の電極構造体によれば、発電性能、高電位耐久性および燃料不足耐久性にさらに優れた固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供することができる。   A Pt—Co catalyst in which an alloy of platinum and cobalt is supported on a carrier has a higher catalytic activity than the platinum catalyst that has been generally used conventionally, and has excellent power generation performance. Furthermore, when the molar ratio of platinum to cobalt is 1 or more, the elution amount of cobalt is suppressed, and the corrosion resistance is excellent. Further, when the molar ratio of platinum to cobalt is 3 or less, the catalytic activity can be maintained. For this reason, by setting the range of the molar ratio of platinum to cobalt to 1 or more and 3 or less, excellent corrosion resistance and high catalytic activity can be ensured. Therefore, according to the electrode structure of (4), it is possible to provide an electrode structure of a polymer electrolyte fuel cell that is further excellent in power generation performance, high potential durability, and fuel shortage durability.

本発明によれば、発電性能が高く、高電位耐久性および燃料不足耐久性の優れた固体高分子型燃料電池の電極構造体を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell having high power generation performance, excellent high potential durability and fuel shortage durability.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[全体構成]
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池の電極構造体1の断面図を図2に示す。図2に示すように、電極構造体1は、アノード電極3と、カソード電極4と、これらの電極間に配置された高分子電解質膜2と、を備えている。アノード電極3は、高分子電解質膜2に接する触媒層32と、この触媒層32に接するガス拡散層31とから形成されている。また、カソード電極4は、高分子電解質膜2に接する触媒層42と、この触媒層42に接するガス拡散層41から形成されている。
[overall structure]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the electrode structure 1 of the polymer electrolyte fuel cell according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the electrode structure 1 includes an anode electrode 3, a cathode electrode 4, and a polymer electrolyte membrane 2 disposed between these electrodes. The anode electrode 3 is formed of a catalyst layer 32 in contact with the polymer electrolyte membrane 2 and a gas diffusion layer 31 in contact with the catalyst layer 32. The cathode electrode 4 is formed of a catalyst layer 42 in contact with the polymer electrolyte membrane 2 and a gas diffusion layer 41 in contact with the catalyst layer 42.

ここで、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、アノード電極及びカソード電極と、これらの間に配置された高分子電解質膜とからなる電極構造体と、この電極構造体をセパレータで挟み、積層したものである。セパレータは、個々の電極構造体をアノード電極側又はカソード電極側の両方に配置するものであることが好ましいが、ひとつのセパレータがアノード電極と、隣接する電極構造体のカソード電極に対向する形状を採っていてもよい。   Here, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes an electrode structure composed of an anode electrode and a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane disposed therebetween, and the electrode structure sandwiched between separators, Laminated. The separator is preferably one in which individual electrode structures are arranged on both the anode electrode side and the cathode electrode side, but one separator has a shape facing the anode electrode and the cathode electrode of the adjacent electrode structure. It may be taken.

[高分子電解質膜]
高分子電解質膜2は、高分子電解質から形成されている。具体的には、ポリマー骨格の全部又は少なくとも一部がフッ素化されたフッ素系ポリマー、又は、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであって、イオン交換基を備えたものであることが好ましい。イオン交換基の種類は特に限定されるものではなく、用途に応じて任意に選択することができる。例えば、スルホン酸、カルボン酸、ホスホン酸等のイオン交換基のうち少なくとも一種を備えた高分子電解質を用いることができる。
[Polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane 2 is formed from a polymer electrolyte. Specifically, it is a fluorinated polymer in which all or at least a part of the polymer skeleton is fluorinated, or a hydrocarbon-based polymer that does not contain fluorine in the polymer skeleton, and has an ion exchange group. preferable. The kind of ion exchange group is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the application. For example, a polymer electrolyte having at least one of ion exchange groups such as sulfonic acid, carboxylic acid, and phosphonic acid can be used.

ポリマー骨格の全部又は少なくとも一部がフッ素化されたフッ素系ポリマーであって、イオン交換基を備えた高分子電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー等が挙げられる。これらのうち、ナフィオンが好ましく用いられる。   Fluoropolymer in which all or at least a part of the polymer skeleton is fluorinated, and as a polymer electrolyte having an ion exchange group, specifically, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer such as Nafion (registered trademark), Examples include perfluorocarbon phosphonic acid polymers, trifluorostyrene sulfonic acid polymers, and ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymers. Of these, Nafion is preferably used.

ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであって、イオン交換基を備えた高分子電解質としては、具体的には、ポリスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸等が挙げられる。また、高分子電解質としては、スルホン酸基を有するポリアリーレンを用いることもできる。具体的には、例えば、スルホン酸基を有するポリアリーレン共重合体に、キノン化合物を添加したもの、スルホン酸基を有するポリアリーレンと、オゾン処理を施したカーボン材料とを併用したもの、スルホン酸基を有するポリアリーレンと、フラーレン分子を構成する炭素原子とが結合したもの等を用いることができる。   Examples of polymer electrolytes that are hydrocarbon-based polymers that do not contain fluorine in the polymer skeleton and have ion exchange groups include polysulfonic acid, polyaryletherketonesulfonic acid, polybenzimidazolealkylsulfonic acid, Examples thereof include benzimidazole alkylphosphonic acid. Further, polyarylene having a sulfonic acid group can also be used as the polymer electrolyte. Specifically, for example, a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group to which a quinone compound is added, a polyarylene having a sulfonic acid group and an ozone-treated carbon material, sulfonic acid The thing etc. which the polyarylene which has group, and the carbon atom which comprises a fullerene molecule couple | bonded can be used.

[カソード電極の触媒層]
カソード電極4の触媒層42は、金属が電気伝導性物質に担持された触媒と、イオン伝導性物質と、造孔剤の結晶性炭素繊維と、を含有する。
[Catalyst layer of cathode electrode]
The catalyst layer 42 of the cathode electrode 4 contains a catalyst in which a metal is supported on an electrically conductive material, an ion conductive material, and a crystalline carbon fiber as a pore forming agent.

電気伝導性物質としては、電気抵抗が低く、コストも低いカーボンが好ましく用いられる。カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック等を挙げることができる。   As the electrically conductive substance, carbon having a low electric resistance and low cost is preferably used. Examples of carbon include acetylene black, furnace black, and ketjen black.

本実施形態におけるカソード電極の触媒層に用いられるカーボン担体は、比表面積が800m/g以上900m/g以下である。なお、本発明でいう比表面積は、BET法による比表面積を意味する。ここで、カーボンのBET表面積と端子電圧との関係を図3及び図4に示す。図3及び図4は、運転温度が95℃、相対湿度が両電極ともに50%、利用率が両電極いずれも70%の条件下において、印加電流を0.1A/cmとした状態で1000時間運転を行い、0.1A/cm時の端子電圧(V)を測定して、高電位耐久後の性能低下(V)を求めた結果である。 The carbon support used for the catalyst layer of the cathode electrode in the present embodiment has a specific surface area of 800 m 2 / g or more and 900 m 2 / g or less. In addition, the specific surface area as used in the field of this invention means the specific surface area by BET method. Here, the relationship between the BET surface area of carbon and the terminal voltage is shown in FIGS. 3 and 4 show that the applied current was set to 0.1 A / cm 2 under conditions where the operating temperature was 95 ° C., the relative humidity was 50% for both electrodes, and the utilization was 70% for both electrodes. This is a result of performing a time operation, measuring a terminal voltage (V) at 0.1 A / cm 2, and determining a performance drop (V) after high potential endurance.

図4は、図3の部分拡大図であり、図4に示される通り、カーボンのBET表面積が800m/g以上である場合には、ある一定の端子電圧が得られる。また、カーボンのBET表面積が900m/g以上である場合には、高電位耐久後の性能低下(V)が大きい。したがって、カーボンのBET表面積の範囲を800m/g以上900m/g以下とすることにより、所望の性能が得られる。 FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3. As shown in FIG. 4, when the BET surface area of carbon is 800 m 2 / g or more, a certain terminal voltage is obtained. Moreover, when the BET surface area of carbon is 900 m 2 / g or more, the performance degradation (V) after high potential durability is large. Therefore, desired performance can be obtained by setting the range of the BET surface area of carbon to 800 m 2 / g or more and 900 m 2 / g or less.

また、カーボン担体は、[002]面の平均格子面間隔が、0.340nm以上0.360nm以下であることが好ましい。カーボン担体の[002]面の平均格子面間隔は、例えば、X線回析法により測定できる。   The carbon support preferably has an average lattice spacing of [002] plane of 0.340 nm or more and 0.360 nm or less. The average lattice spacing of the [002] plane of the carbon support can be measured by, for example, an X-ray diffraction method.

なお、本実施形態におけるカソード電極の触媒層に用いるカーボン担体の比表面積及び平均格子面間隔は、カーボン粒子の焼成温度や反応時間を調整することによって制御できる。   Note that the specific surface area and average lattice spacing of the carbon support used in the catalyst layer of the cathode electrode in this embodiment can be controlled by adjusting the firing temperature and reaction time of the carbon particles.

触媒としては、白金とコバルトの合金をカーボンに担持させたPt−Co触媒が好ましく用いられ、Pt−Co触媒のコバルトに対する白金のモル比は1以上3以下であることが好ましい。また、貴金属の担持率が40wt%以上75wt%以下であり、且つパルス法による貴金属のCO吸着表面積が45m/g.metal以上100m/g.metal以下であることが好ましい。 As the catalyst, a Pt—Co catalyst in which an alloy of platinum and cobalt is supported on carbon is preferably used, and the molar ratio of platinum to cobalt in the Pt—Co catalyst is preferably 1 or more and 3 or less. Further, the loading rate of the noble metal is 40 wt% or more and 75 wt% or less, and the CO adsorption surface area of the noble metal by the pulse method is 45 m 2 / g. metal above 100 m 2 / g. It is preferable that it is below metal.

イオン伝導性物質は、高分子電解質により形成され、高分子電解質膜2と同様の高分子電解質を用いることが好ましい。   The ion conductive substance is preferably formed of a polymer electrolyte, and a polymer electrolyte similar to that of the polymer electrolyte membrane 2 is preferably used.

また、造孔剤として用いられる結晶性炭素繊維は、結晶として完全性が高いウィスカー状の繊維でもよく、例えば、単結晶の真性ウィスカー、多結晶の非真性ウィスカーの他、カーボンナノチューブ等も含む概念である。特に、本実施形態で用いられる結晶性炭素繊維は、繊維径が0.1μm以上0.3μm以下であり、繊維長が10μm以上50μm以下であり、嵩密度が0.03g/cm以上0.06g/cm以下であり、比表面積が12m/g以上18m/g以下であり、[002]面の格子面間隔が0.339nm以下であり、比抵抗が0.025Ωcm以下である物性を有する結晶性炭素繊維が好ましく用いられる。 In addition, the crystalline carbon fiber used as the pore-forming agent may be a whisker-like fiber having high integrity as a crystal, for example, a concept including carbon nanotubes in addition to single-crystal intrinsic whisker and polycrystalline non-intrinsic whisker. It is. In particular, the crystalline carbon fiber used in the present embodiment has a fiber diameter of 0.1 μm or more and 0.3 μm or less, a fiber length of 10 μm or more and 50 μm or less, and a bulk density of 0.03 g / cm 3 or more and 0.0. The physical properties are 06 g / cm 3 or less, the specific surface area is 12 m 2 / g or more and 18 m 2 / g or less, the lattice spacing of the [002] plane is 0.339 nm or less, and the specific resistance is 0.025 Ωcm or less. Crystalline carbon fibers having the following are preferably used.

[アノード電極の触媒層]
アノード電極3の触媒層32は、イオン伝導性物質と、カーボン等の担体に金属を担持させた触媒を含有する。なお、イオン伝導性物質は、高分子電解質により形成され、高分子電解質膜2やカソード電極4の触媒層42で用いられるものと同様の高分子電解質を用いることが好ましい。
[Anode electrode catalyst layer]
The catalyst layer 32 of the anode electrode 3 contains an ion conductive material and a catalyst in which a metal is supported on a carrier such as carbon. The ion conductive material is preferably formed of a polymer electrolyte, and a polymer electrolyte similar to that used in the polymer electrolyte membrane 2 or the catalyst layer 42 of the cathode electrode 4 is preferably used.

触媒としては、カーボンに白金を担持させたものの他、カーボンに白金とルテニウムの合金を担持させたPt−Ru触媒等が好ましく用いられ、Pt−Ru合金の粒子径は、3nm以上10nm以下であることが好ましい。カーボンとしては、カソード電極で用いたものと同様のものを用いることができる。   As the catalyst, in addition to a catalyst in which platinum is supported on carbon, a Pt—Ru catalyst in which an alloy of platinum and ruthenium is supported on carbon is preferably used, and the particle diameter of the Pt—Ru alloy is 3 nm or more and 10 nm or less. It is preferable. As the carbon, the same carbon as that used for the cathode electrode can be used.

[ガス拡散層]
アノード電極3側のガス拡散層31及びカソード電極4側のガス拡散層41は、従来の一般的なガス拡散層と同様の構成であってよく、アノード電極3側とカソード電極4側とでは、全く同様の構成であってよい。アノード電極3側であれば、燃料の水素ガスが触媒層32に均等に到達できるようなものであることが好ましく、カソード電極4側であれば、酸素ガスを含有する空気が触媒層42に均等に到達できるようなものであることが好ましい。具体的には、図2に示す通り、アノード電極3側のガス拡散層31は、触媒層32に接するカーボン・テフロン(登録商標)層311と、このカーボン・テフロン層311に接するカーボンペーパー層312から形成されている。また、カソード電極4側のガス拡散層41は、触媒層42に接するカーボン・テフロン層411と、このカーボン・テフロン層411に接するカーボンペーパー層412から形成されている。なお、これらのガス拡散層は、例えば、予めテフロンディスパージョン等で撥水化処理を行ったカーボンペーパー上に、テフロンディスパージョンとカーボンブラック粉末とを混合したものを塗布することにより得られる。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer 31 on the anode electrode 3 side and the gas diffusion layer 41 on the cathode electrode 4 side may have the same configuration as a conventional general gas diffusion layer. In the anode electrode 3 side and the cathode electrode 4 side, The same configuration may be used. On the anode electrode 3 side, it is preferable that the hydrogen gas of the fuel can reach the catalyst layer 32 evenly. On the cathode electrode 4 side, air containing oxygen gas is evenly distributed in the catalyst layer 42. It is preferable that it can be reached. Specifically, as shown in FIG. 2, the gas diffusion layer 31 on the anode electrode 3 side includes a carbon Teflon (registered trademark) layer 311 in contact with the catalyst layer 32 and a carbon paper layer 312 in contact with the carbon Teflon layer 311. Formed from. The gas diffusion layer 41 on the cathode electrode 4 side is formed of a carbon / Teflon layer 411 in contact with the catalyst layer 42 and a carbon paper layer 412 in contact with the carbon / Teflon layer 411. These gas diffusion layers can be obtained, for example, by applying a mixture of Teflon dispersion and carbon black powder onto carbon paper that has been subjected to water repellency treatment with Teflon dispersion or the like in advance.

<製造方法>
本実施形態に係る電極構造体1の製造方法は、次の通りである。先ず、アノード触媒と、高分子電解質とを混合してアノード触媒ペーストを得る。同様にして、カソード触媒と、結晶性炭素繊維および高分子電解質とを混合してカソード触媒ペーストを得る。得られたアノード触媒ペースト及びカソード触媒ペーストそれぞれをテフロンシート等に塗布する。これにより、アノード電極シート及びカソード電極シートが得られる。次いで、よく乾燥させたアノード電極シート及びカソード電極シートの間に高分子電解質膜2を配置し、デカール法(転写法)で転写させることにより、高分子電解質膜2と触媒層との接合体が得られる。最後に、別途、カーボンペーパー上にポリテトラフルオロエチレン等とカーボンブラックとを溶媒中で混合したペーストを塗布、乾燥して作成した1対のガス拡散層シートの間に高分子電解質膜2と触媒層との接合体を配置した後、130℃〜160℃のホットプレスで一体化することにより、電極構造体1が得られる。また、この電極構造体1とセパレータとを交互に積層することにより、固体高分子型燃料電池が得られる。なお、セパレータは溝を有し、反応ガスの供給通路として利用されるものであり、炭素系又は金属系の材質のものを適宜組み合わせて用いることができる。
<Manufacturing method>
The manufacturing method of the electrode structure 1 according to the present embodiment is as follows. First, an anode catalyst and a polymer electrolyte are mixed to obtain an anode catalyst paste. Similarly, a cathode catalyst, a crystalline carbon fiber, and a polymer electrolyte are mixed to obtain a cathode catalyst paste. Each of the obtained anode catalyst paste and cathode catalyst paste is applied to a Teflon sheet or the like. Thereby, an anode electrode sheet and a cathode electrode sheet are obtained. Next, the polymer electrolyte membrane 2 is placed between the well-dried anode electrode sheet and cathode electrode sheet, and transferred by a decal method (transfer method), so that the joined body of the polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layer is obtained. can get. Finally, separately, a polymer electrolyte membrane 2 and a catalyst are placed between a pair of gas diffusion layer sheets prepared by applying and drying a paste obtained by mixing polytetrafluoroethylene or the like and carbon black in a solvent on carbon paper. After arrange | positioning the conjugate | zygote with a layer, the electrode structure 1 is obtained by integrating by 130 degreeC-160 degreeC hot press. In addition, a solid polymer fuel cell can be obtained by alternately laminating the electrode structure 1 and the separator. The separator has a groove and is used as a reaction gas supply passage. Carbon or metal materials can be used in appropriate combination.

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   Next, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.

<実施例1>
[カソード電極シートの作成]
まず、BET比表面積が850m/g、d/2が0.345nmのアセチレンブラックに白金とコバルトの合金からなる触媒金属を担持させたPt−Co担持カーボン粒子(田中貴金属工業社製、商品名「TEC36F52」、Pt:Co=3:1(モル比))を準備した。このPt−Co担持カーボン粒子は、アセチレンブラックと触媒金属との質量比が48:52であった。このPt−Co担持カーボン粒子10gと、イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2020」)50gおよび結晶性炭素繊維(昭和電工社製、商品名「VGCF」)2.5gを混合しカソード触媒ペーストを得た。この得られた触媒ペーストをFEP(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)シート上に触媒合金量が0.50mg/cmとなるように塗布、乾燥させてカソード電極シートを得た。
<Example 1>
[Creation of cathode electrode sheet]
First, Pt-Co-supported carbon particles (trade name, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), in which a catalytic metal composed of an alloy of platinum and cobalt is supported on acetylene black having a BET specific surface area of 850 m 2 / g and d / 2 of 0.345 nm. “TEC36F52”, Pt: Co = 3: 1 (molar ratio)) was prepared. The Pt—Co-supported carbon particles had a mass ratio of acetylene black and catalyst metal of 48:52. Mix 10g of Pt-Co-supported carbon particles, 50g of ion conductive polymer (DuPont, trade name "Nafion DE2020") and 2.5g of crystalline carbon fiber (Showa Denko, trade name "VGCF") A cathode catalyst paste was obtained. The obtained catalyst paste was applied onto a FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer) sheet so that the amount of the catalyst alloy was 0.50 mg / cm 2 and dried to obtain a cathode electrode sheet.

[アノード電極シートの作成]
イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2021」)5gと、カーボンブラック粉末(Cabot社製、商品名「ケッチェンブラック」)1gに触媒粉末Pt−Ru合金粉末(田中貴金属工業社製、商品名「TEC90110」、Pt:Ru=1:1(モル比))9gと純水5gと1−プロパノール10gとを混合しアノード電極ペーストを得た。この得られた触媒ペーストをFEPシート上に触媒合金量として0.30mg/cmとなるように塗布、乾燥させてアノード電極シートを得た。
[Creation of anode electrode sheet]
Ion conductive polymer (DuPont, trade name “Nafion DE2021”) 5 g, carbon black powder (Cabot, trade name “Ketjen Black”) 1 g and catalyst powder Pt—Ru alloy powder (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) Product, product name “TEC90110”, 9 g of Pt: Ru = 1: 1 (molar ratio), 5 g of pure water and 10 g of 1-propanol were mixed to obtain an anode electrode paste. The obtained catalyst paste was applied onto an FEP sheet so that the amount of catalyst alloy was 0.30 mg / cm 2 and dried to obtain an anode electrode sheet.

[高分子電解質膜と触媒層との接合体の作成]
高分子電解質膜として、イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2021」)を準備した。上記で得られたアノード電極シート及びカソード電極シートの間に、この高分子電解質膜を配置した。次いで、デカール法(転写法)で転写させ、高分子電解質膜と触媒層との接合体を得た。
[Preparation of joined body of polymer electrolyte membrane and catalyst layer]
An ion conductive polymer (manufactured by DuPont, trade name “Nafion DE2021”) was prepared as a polymer electrolyte membrane. The polymer electrolyte membrane was disposed between the anode electrode sheet and the cathode electrode sheet obtained above. Subsequently, it was transferred by a decal method (transfer method) to obtain a joined body of a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer.

[ガス拡散層の作成]
テフロンディスパージョン(旭硝子社製、商品名「L170J」)12.0gとカーボンブラック粉末(Cabot社製、商品名「バルカンXC75」)18.0gとを混合して下地層ペーストAを得た。イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2021」)25gとカーボンブラック粉末(Cabot社製、商品名「ケッチェンブラック」)5gに性結晶性炭素繊維(昭和電工社製、商品名「VGCF」)2.5gを混合し下地層ペーストBを得た。この下地層ペーストAを、予めテフロンディスパージョン(三井デュポンケミカル社製、商品名「FEP120J」)で撥水化処理を行ったカーボンペーパー(東レ社製、商品名「TGP060」)上に、下地層ペーストAが2.0mg/cmとなるように塗布、乾燥させ、その後、下地層ペーストBを乾燥重量で0.30mg/cmとなるように塗布、乾燥させることにより、ガス拡散層シートを得た。
[Create gas diffusion layer]
A foundation layer paste A was obtained by mixing 12.0 g of Teflon dispersion (trade name “L170J” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and 18.0 g of carbon black powder (trade name “Vulcan XC75” manufactured by Cabot Corp.). 25 g of ion-conducting polymer (trade name “Nafion DE2021” manufactured by DuPont) and 5 g of carbon black powder (trade name “Ketjen Black” manufactured by Cabot) and crystalline carbon fiber (manufactured by Showa Denko KK, product name) “VGCF”) 2.5 g was mixed to obtain a base layer paste B. This base layer paste A was applied on a carbon paper (trade name “TGP060” manufactured by Toray Industries, Inc., product name “TGP060”) which had been subjected to water repellency treatment in advance using a Teflon dispersion (trade name “FEP120J” manufactured by Mitsui DuPont Chemicals) The paste A was applied and dried so as to be 2.0 mg / cm 2, and then the base layer paste B was applied and dried so that the dry weight was 0.30 mg / cm 2. Obtained.

[電極構造体の作成]
上記で得られたガス拡散層シート2枚の間に、高分子電解質膜と触媒層との接合体を配置し、ホットプレスで一体化することにより、電極構造体を得た。
[Create electrode structure]
Between the two gas diffusion layer sheets obtained above, a joined body of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer was disposed and integrated by hot pressing to obtain an electrode structure.

<実施例2>
[カソード電極シートの作成]
まず、BET表面積が850m/g、d/2が0.345nmのアセチレンブラックに白金とコバルトの合金からなる触媒金属を担持させたPt−Co担持カーボン粒子(田中貴金属工業社製、商品名「TEC36F62」、Pt:Co=3:1(モル比))を準備した。このPt−Co担持カーボン粒子は、アセチレンブラックと触媒金属との質量比が38:62であった。このPt−Co担持カーボン粒子10gと、イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2020」)50gおよび結晶性炭素繊維(昭和電工社製、商品名「VGCF」)2.5gを混合しカソード触媒ペーストを得た。この得られた触媒ペーストをFEP(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)シート上に触媒合金量が0.50mg/cmとなるように塗布、乾燥させてカソード電極シートを得た。
<Example 2>
[Creation of cathode electrode sheet]
First, Pt—Co-supported carbon particles obtained by supporting a catalytic metal made of an alloy of platinum and cobalt on acetylene black having a BET surface area of 850 m 2 / g and d / 2 of 0.345 nm (made by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., trade name “ TEC36F62 ", Pt: Co = 3: 1 (molar ratio)). The Pt—Co-supported carbon particles had a mass ratio of acetylene black and catalyst metal of 38:62. Mix 10g of Pt-Co-supported carbon particles, 50g of ion conductive polymer (DuPont, trade name "Nafion DE2020") and 2.5g of crystalline carbon fiber (Showa Denko, trade name "VGCF") A cathode catalyst paste was obtained. The obtained catalyst paste was applied onto a FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer) sheet so that the amount of the catalyst alloy was 0.50 mg / cm 2 and dried to obtain a cathode electrode sheet.

このカソード電極シートと実施例1で作成したアノード電極シートを用いて実施例1と同様の方法により電極構造体を得た。   Using this cathode electrode sheet and the anode electrode sheet prepared in Example 1, an electrode structure was obtained in the same manner as in Example 1.

<比較例1>
[カソード電極シートの作成]
まず、BET表面積が140m/g、d/2が0.348nmの2800℃で黒鉛化処理したファーネスブラックに白金とコバルトの合金からなる触媒金属を担持させたPt−Co担持カーボン粒子(田中貴金属工業社製、商品名「TEC36EA52」、Pt:Co=3:1(モル比))を準備した。このPt−Co担持カーボン粒子は、ファーネスブラックと触媒金属との質量比が48:52であった。このPt−Co担持カーボン粒子10gと、イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2020」)50gおよび結晶性炭素繊維(昭和電工社製、商品名「VGCF」)2.5gを混合しカソード触媒ペーストを得た。この得られた触媒ペーストをFEP(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)シート上に白金量が0.50mg/cmとなるように塗布、乾燥させてカソード電極シートを得た。
<Comparative Example 1>
[Creation of cathode electrode sheet]
First, Pt—Co-supported carbon particles in which a catalyst metal made of an alloy of platinum and cobalt is supported on furnace black graphitized at 2800 ° C. with a BET surface area of 140 m 2 / g and d / 2 of 0.348 nm (Tanaka Kikinzoku) A trade name “TEC36EA52” manufactured by Kogyo Co., Ltd., Pt: Co = 3: 1 (molar ratio)) was prepared. The Pt—Co-supported carbon particles had a mass ratio of furnace black to catalyst metal of 48:52. Mix 10g of Pt-Co-supported carbon particles, 50g of ion conductive polymer (DuPont, trade name "Nafion DE2020") and 2.5g of crystalline carbon fiber (Showa Denko, trade name "VGCF") A cathode catalyst paste was obtained. The obtained catalyst paste was applied onto an FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer) sheet so that the amount of platinum was 0.50 mg / cm 2 and dried to obtain a cathode electrode sheet.

このカソード電極シートと実施例1で作成したカソード電極シートを用いて実施例1と同様の方法により電極構造体を得た。   Using this cathode electrode sheet and the cathode electrode sheet prepared in Example 1, an electrode structure was obtained in the same manner as in Example 1.

<比較例2>
[アノード電極シートの作成]
イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2021」)36.8gと、カーボンブラックと触媒の質量比を46:54としたPt−Ru担持カーボン粒子(田中貴金属工業社製、商品名「TEC61E54」、Pt:Ru=1:1(モル比))10gを混合しアノード触媒ペーストを得た。この得られた触媒ペーストをFEPシート上に触媒合金量として0.15mg/cmとなるように塗布、乾燥させてアノード電極シートを得た。
<Comparative Example 2>
[Creation of anode electrode sheet]
36.8 g of ion-conducting polymer (trade name “Nafion DE2021”, manufactured by DuPont), and Pt—Ru-supported carbon particles having a mass ratio of carbon black to catalyst of 46:54 (trade name, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) “TEC61E54” and 10 g of Pt: Ru = 1: 1 (molar ratio) were mixed to obtain an anode catalyst paste. The obtained catalyst paste was applied onto the FEP sheet so that the amount of the catalyst alloy was 0.15 mg / cm 2 and dried to obtain an anode electrode sheet.

[高分子電解質膜と触媒層との接合体の作成]
高分子電解質膜として、イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2021」)を準備した。上記で得られたアノード電極シートと実施例1で得られたカソード電極シートの間に、この高分子電解質膜を配置した。次いで、デカール法(転写法)で転写させ、高分子電解質膜と触媒層との接合体を得た。
[Preparation of joined body of polymer electrolyte membrane and catalyst layer]
An ion conductive polymer (manufactured by DuPont, trade name “Nafion DE2021”) was prepared as a polymer electrolyte membrane. This polymer electrolyte membrane was disposed between the anode electrode sheet obtained above and the cathode electrode sheet obtained in Example 1. Subsequently, it was transferred by a decal method (transfer method) to obtain a joined body of a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer.

[ガス拡散層の作成]
イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2021」)25.0gと貴金属合金触媒粉末(田中貴金属工業社製、商品名「TEC61E54」)11gに結晶性炭素繊維(昭和電工製、商品名「VGCF」)2.5gを混合し下地層ペーストCを得た。あらかじめテフロンディスパージョン(三井デュポンケミカル社製、商品名「FEP120J」)で撥水化処理を行ったカーボンペーパー(東レ社製、商品名「TGP060」)上に、実施例1で得た下地層ペーストAを乾燥重量で2.0mg/cmとなるように塗布乾燥させ、その後、下地層ペーストCを乾燥時に白金量が0.05mg/cmとなるように塗布、乾燥させることにより、ガス拡散層シートを得た。
[Create gas diffusion layer]
25.0 g of ion-conducting polymer (manufactured by DuPont, trade name “Nafion DE2021”) and precious metal alloy catalyst powder (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., trade name “TEC61E54”) and crystalline carbon fiber (manufactured by Showa Denko, product) The base layer paste C was obtained by mixing 2.5 g of the name “VGCF”). Base layer paste obtained in Example 1 on carbon paper (trade name “TGP060”, manufactured by Toray Industries, Inc.) that has been subjected to water repellent treatment in advance using a Teflon dispersion (trade name “FEP120J” manufactured by Mitsui DuPont Chemical Co., Ltd.). Gas diffusion is achieved by applying and drying A so that the dry weight is 2.0 mg / cm 2, and then applying and drying the base layer paste C so that the amount of platinum is 0.05 mg / cm 2 during drying. A layer sheet was obtained.

[電極構造体の作成]
上記で得られたガス拡散層シートをアノード電極側に配置し、実施例1で得たガス拡散層シートをカソード電極側に配置し、その間に高分子電解質膜と触媒層との接合体を配置し、ホットプレスで一体化することにより、電極構造体を得た。
[Create electrode structure]
The gas diffusion layer sheet obtained above is disposed on the anode electrode side, the gas diffusion layer sheet obtained in Example 1 is disposed on the cathode electrode side, and the assembly of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer is disposed therebetween. Then, an electrode structure was obtained by integration by hot pressing.

<比較例3>
高分子電解質膜として、イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2021」)を準備した。実施例1と同じ方法で作成したカソード電極シートと、比較例2と同じ方法で作成したアノード電極シートの間に、この高分子電解質膜を配置した。次いで、デカール法(転写法)で転写させ、高分子電解質膜と触媒層との接合体を得た。この接合体を実施例1と同じ方法で作成したガス拡散層シートの間に配置し、ホットプレスで一体化することにより、電極構造体を得た。
<Comparative Example 3>
An ion conductive polymer (manufactured by DuPont, trade name “Nafion DE2021”) was prepared as a polymer electrolyte membrane. The polymer electrolyte membrane was disposed between the cathode electrode sheet prepared by the same method as in Example 1 and the anode electrode sheet prepared by the same method as in Comparative Example 2. Subsequently, it was transferred by a decal method (transfer method) to obtain a joined body of a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer. This joined body was placed between gas diffusion layer sheets prepared by the same method as in Example 1, and integrated by hot pressing to obtain an electrode structure.

<比較例4>
カーボンブラック(ライオン社製、商品名「ケッチェンブラックEC」)に白金とコバルトの合金からなる触媒金属を担持させたPt−Co担持カーボン粒子(田中貴金属工業社製、商品名「TEC36E52」、Pt:Co=3:1(モル比))を準備した。このPt−Co担持カーボン粒子は、担体と触媒金属との質量比が48:52であった。このPt−Co担持カーボン粒子10gと、イオン導伝性ポリマー(デュポン社製、商品名「Nafion DE2020」)36gおよび結晶性炭素繊維(昭和電工社製、商品名「VGCF」)2.5gを混合しカソード触媒ペーストを得た。この得られた触媒ペーストをFEP(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)シート上に白金量が0.50mg/cmとなるように塗布、乾燥させてカソード電極シートを得た。
<Comparative example 4>
Pt-Co-supported carbon particles (trade name “TEC36E52”, trade name “TEC36E52”, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), in which a catalytic metal made of an alloy of platinum and cobalt is supported on carbon black (product of Lion, trade name “Ketjen Black EC”) : Co = 3: 1 (molar ratio)). The Pt—Co-supported carbon particles had a mass ratio of the carrier to the catalyst metal of 48:52. 10 g of this Pt-Co-supported carbon particle, 36 g of ion conductive polymer (trade name “Nafion DE2020” manufactured by DuPont) and 2.5 g of crystalline carbon fiber (trade name “VGCF” manufactured by Showa Denko KK) are mixed. A cathode catalyst paste was obtained. The obtained catalyst paste was applied onto an FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer) sheet so that the amount of platinum was 0.50 mg / cm 2 and dried to obtain a cathode electrode sheet.

このカソード電極シートと実施例1と同じ方法で作成したカソード電極シートの間に高分子電解質膜(デュポン社製、商品名「Nafion DE2021」)を配置し、デカール法(転写法)で転写させ、高分子電解質膜と触媒層との接合体を得た。この接合体を実施例1と同じ方法で作成したガス拡散層シートの間に配置し、ホットプレスで一体化することにより、電極構造体を得た。   A polymer electrolyte membrane (manufactured by DuPont, trade name “Nafion DE2021”) is placed between this cathode electrode sheet and the cathode electrode sheet prepared in the same manner as in Example 1, and transferred by a decal method (transfer method). A joined body of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer was obtained. This joined body was placed between gas diffusion layer sheets prepared by the same method as in Example 1, and integrated by hot pressing to obtain an electrode structure.

<評価>
まず、実施例1および2、比較例1〜4で得られた電極構造体それぞれを、一対のセパレータの間に配置して単セルとした後、以下の運転条件で通常使用状態を想定した耐久試験及び過負荷状態を想定した加速試験時における端子電圧の確認を行った。なお、通常使用状態を想定した耐久試験は、0.1A/cmの印加電流を用い、過負荷状態を想定した加速試験は、1.0A/cmの印加電流を用いた。
[運転条件] 運転温度:80℃
加湿条件:アノード=カソード=60%
圧力:アノード/カソード=130/100kPa
利用率(消費量/供給量):アノード=カソード=50%
<Evaluation>
First, each of the electrode structures obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 was placed between a pair of separators to form a single cell, and then assumed to be in a normal use state under the following operating conditions. The terminal voltage at the time of the acceleration test assuming the test and the overload state was confirmed. The durability test assuming a normal use state used an applied current of 0.1 A / cm 2 , and the acceleration test assuming an overload state used an applied current of 1.0 A / cm 2 .
[Operating conditions] Operating temperature: 80 ℃
Humidification conditions: anode = cathode = 60%
Pressure: Anode / cathode = 130/100 kPa
Utilization rate (consumption / supply): anode = cathode = 50%

[過渡耐久試験]
端子電圧の性能の確認後、燃料不足状態における性能低下の評価として、過渡時における耐久試験を行った。図5は、過渡耐久試験の条件を示すグラフである。具体的には、以下の条件で行った。
[過渡時耐久試験運転条件] 電極面積:35cm
OCV→1A/cm→OCV(100secを1サイクルとして100回繰り返した)
[Transient durability test]
After confirming the performance of the terminal voltage, an endurance test at the time of transition was performed as an evaluation of the performance deterioration in the fuel shortage state. FIG. 5 is a graph showing the conditions of the transient durability test. Specifically, it was performed under the following conditions.
[Transient durability test operating conditions] Electrode area: 35 cm 2
OCV → 1 A / cm 2 → OCV (repeated 100 times with 100 sec as one cycle)

[起動停止耐久試験]
電流・電圧性能の確認後、高電位状態における性能低下の評価として、起動停止時における耐久試験を行った。図6は、起動停止耐久試験の条件を示すグラフである。具体的には、以下の条件で行った。
[起動停止耐久条件] 停止→起動→停止(これを1サイクルとして10回繰り返した)
[Start / stop durability test]
After confirming the current / voltage performance, an endurance test at the time of starting and stopping was performed as an evaluation of performance degradation in a high potential state. FIG. 6 is a graph showing the conditions of the start / stop durability test. Specifically, it was performed under the following conditions.
[Start / stop durability conditions] Stop → Start → Stop (This was repeated 10 times as one cycle)

過渡耐久試験及び起動停止耐久試験後の結果を表1に示す。   Table 1 shows the results after the transient durability test and the start / stop durability test.

Figure 2006318707
Figure 2006318707

表1の結果より、比較例1は、耐久前の性能においてすでに端子電圧が低く、発電性能が低かった。また、比較例2及び3は、過渡耐久試験後の性能の低下が著しく、比較例4は、起動停止耐久試験後の性能の低下が著しかった。これに対して、本実施例は、発電性能が高く、高電位耐久性および燃料不足耐久性に優れたものであることが確認された。   From the results of Table 1, Comparative Example 1 had already low terminal voltage and low power generation performance in the performance before endurance. Further, Comparative Examples 2 and 3 showed a significant decrease in performance after the transient durability test, and Comparative Example 4 had a significant decrease in performance after the start / stop durability test. On the other hand, it was confirmed that the present example had high power generation performance and was excellent in high potential durability and fuel shortage durability.

燃料電池の運転条件に対する電流値の変化を表した図である。It is a figure showing the change of the electric current value with respect to the driving | running condition of a fuel cell. 電極構造体の全体構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of an electrode structure. カーボンのBET表面積と端子電圧及び高電位耐久後の性能の低下の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship of the performance fall after BET surface area of carbon, terminal voltage, and high potential endurance. カーボンのBET表面積と端子電圧及び高電位耐久後の性能の低下の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship of the performance fall after BET surface area of carbon, terminal voltage, and high potential endurance. 過渡耐久試験の条件を示した図である。It is the figure which showed the conditions of the transient durability test. 起動停止耐久試験の条件を示した図である。It is the figure which showed the conditions of the start / stop durability test.

符号の説明Explanation of symbols

1 電極構造体
2 高分子電解質膜
3 アノード電極
31 拡散層
311 カーボン・テフロン層
312 カーボンペーパー層
32 触媒層
4 カソード電極
41 拡散層
411 カーボン・テフロン層
412 カーボンペーパー層
42 触媒層
1 Electrode Structure 2 Polymer Electrolyte Membrane 3 Anode Electrode 31 Diffusion Layer 311 Carbon Teflon Layer 312 Carbon Paper Layer 32 Catalyst Layer 4 Cathode Electrode 41 Diffusion Layer 411 Carbon Teflon Layer 412 Carbon Paper Layer 42 Catalyst Layer

Claims (4)

アノード電極と、カソード電極と、これらの電極間に配置された高分子電解質膜と、を備えた固体高分子型燃料電池の電極構造体であって、
前記両電極は、前記高分子電解質膜に接する触媒層を有し、
前記触媒層は、イオン伝導性物質と、触媒金属がカーボンに担持された触媒と、を含有し、
前記カーボンの比表面積は、800m/g以上900m/g以下である固体高分子型燃料電池の電極構造体。
An electrode structure of a polymer electrolyte fuel cell comprising an anode electrode, a cathode electrode, and a polymer electrolyte membrane disposed between these electrodes,
Both electrodes have a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane,
The catalyst layer contains an ion conductive material and a catalyst in which a catalytic metal is supported on carbon,
The carbon specific surface area is an electrode structure of a polymer electrolyte fuel cell having a specific surface area of 800 m 2 / g or more and 900 m 2 / g or less.
前記カーボンの[002]面の平均格子面間隔は、0.340nm以上0.360nm以下である請求項1記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。   2. The electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein an average lattice spacing of the [002] plane of the carbon is 0.340 nm or more and 0.360 nm or less. 前記アノード電極の触媒層に含有されている触媒の触媒金属は、Pt−Ru合金であり、
このPt−Ru合金の粒子径は、3nm以上10nm以下である請求項1又は2記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。
The catalyst metal of the catalyst contained in the catalyst layer of the anode electrode is a Pt—Ru alloy,
The electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the particle diameter of the Pt-Ru alloy is 3 nm or more and 10 nm or less.
前記カソード電極の触媒層に含有されている触媒の触媒金属は、Pt−Co合金であり、
Coに対するPtのモル比は、1以上3以下である請求項1から3いずれか記載の固体高分子型燃料電池の電極構造体。
The catalyst metal of the catalyst contained in the catalyst layer of the cathode electrode is a Pt—Co alloy,
4. The electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the molar ratio of Pt to Co is 1 or more and 3 or less.
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