JP2009140854A - Membrane-electrode assembly and fuel cell - Google Patents

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健一 徳田
Manabu Takahashi
学 高橋
Tsutomu Ochi
勉 越智
Tsunemasa Nishida
恒政 西田
Shinji Matsuo
真司 松尾
Takahiro Nitta
高弘 新田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly which can control a drop of an output of a fuel cell and a gas leakage of an electrolyte membrane, and to provide a fuel cell including the same. <P>SOLUTION: The membrane-electrode assembly comprises a catalyst layer containing a hydrogen ion conductive electrolyte. The catalyst layer contains metal ions coordinating with an ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte, wherein a content of the metal ions has an upper limit of the number of mols equivalent to that of the ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜−電極アッセンブリ及び燃料電池の技術に関する。   The present invention relates to membrane-electrode assemblies and fuel cell technologies.

一般的に燃料電池は、電解質膜の両側を挟持するアノード極触媒層及びカソード極触媒層を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両側を挟持する一対の拡散層と、拡散層の両外側を挟持する燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池の発電時には、アノード極触媒層に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極触媒層に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極触媒層では、水素イオン及び電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極触媒層に、電子は外部回路を通じてカソード極触媒層に到達する。一方、カソード極触媒層では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。   In general, a fuel cell includes a membrane-electrode assembly including an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer sandwiching both sides of an electrolyte membrane, a pair of diffusion layers sandwiching both sides of the membrane-electrode assembly, and both diffusion layers. And a fuel cell separator sandwiching the outside. During power generation of the fuel cell, when the anode gas supplied to the anode electrode catalyst layer is hydrogen gas and the cathode gas supplied to the cathode electrode catalyst layer is oxygen gas, the anode electrode catalyst layer undergoes a reaction to form hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions pass through the electrolyte membrane to the cathode catalyst layer, and electrons reach the cathode catalyst layer through an external circuit. On the other hand, in the cathode electrode catalyst layer, a reaction in which hydrogen ions, electrons and oxygen gas react to generate moisture is performed, and energy is released.

電解質膜は、水素イオン伝導性を有し、アノード極触媒層で発生した水素イオンをカソード極触媒層に輸送する。また、触媒層中にも水素イオン伝導性の電解質が含まれている。実際、アノード極触媒層で発生した水素イオンは、水素イオン伝導性の電解質及び電解質膜が吸水した水分と水和してHの形で移動する。 The electrolyte membrane has hydrogen ion conductivity and transports hydrogen ions generated in the anode electrode catalyst layer to the cathode electrode catalyst layer. The catalyst layer also contains a hydrogen ion conductive electrolyte. Actually, hydrogen ions generated in the anode catalyst layer hydrate with the water absorbed by the hydrogen ion conductive electrolyte and the electrolyte membrane and move in the form of H 3 O + .

電解質及び電解質膜が吸水した水分が、燃料電池の未発電時においても電解質及び電解質膜中に残存していると、燃料電池内の反応ガスが、電解質膜を透過(リーク)してしまう場合がある。電解質膜のガスリークが起こると、燃料電池の電圧上昇等が起こり、燃料電池の耐久性が低下する場合がある。   If the water absorbed by the electrolyte and the electrolyte membrane remains in the electrolyte and the electrolyte membrane even when the fuel cell is not generating electricity, the reaction gas in the fuel cell may permeate (leak) the electrolyte membrane. is there. When gas leakage of the electrolyte membrane occurs, the voltage of the fuel cell rises and the durability of the fuel cell may be reduced.

電解質膜のガスリークを抑制するためではないが、例えば、特許文献1〜3には、アノード極触媒層及びカソード極触媒層の触媒活性の低下を抑制するために、水素吸蔵合金、又は白金族以外の金属を添加した膜−電極アッセンブリが提案されている。   Although not for suppressing gas leakage of the electrolyte membrane, for example, in Patent Documents 1 to 3, in order to suppress a decrease in the catalytic activity of the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer, other than hydrogen storage alloy or platinum group A membrane-electrode assembly to which these metals are added has been proposed.

また、電解質膜のガスリークを抑制するためではないが、例えば、特許文献4には、アノード極触媒層及びカソード極触媒層で発生するラジカル化したHを分解するために、H分解能を有する金属又は金属酸化物を添加した膜−電極アッセンブリが提案されている。 In order not by way of suppressing a gas leak of the electrolyte membrane, for example, Patent Document 4, to decompose H 2 O 2 was radicalized generated in the anode catalyst layer and cathode catalyst layer, H 2 O A membrane-electrode assembly to which a metal or metal oxide having two resolutions is added has been proposed.

上記特許文献1〜4の膜−電極アッセンブリに添加される金属のうち、電解質膜のガスリークを抑制することができる金属も存在する。しかし、触媒活性の低下を抑制するため、ラジカル化したHを分解するためには、電解質膜のガスリークを抑制するためより、多くの金属を添加する必要がある。そのため、金属を添加しない燃料電池の出力より金属を添加した燃料電池の出力の方が、低下する場合がある。 Among the metals added to the membrane-electrode assemblies of Patent Documents 1 to 4, there are also metals that can suppress gas leakage of the electrolyte membrane. However, in order to decompose the radicalized H 2 O 2 in order to suppress a decrease in catalytic activity, it is necessary to add more metal in order to suppress gas leakage of the electrolyte membrane. Therefore, the output of the fuel cell to which metal is added may be lower than the output of the fuel cell to which no metal is added.

特開平10−74523号公報JP-A-10-74523 特開平11−329452号公報JP-A-11-329452 特開2002−110180号公報JP 2002-110180 A 特開2006−269133号公報JP 2006-269133 A

本発明の目的は、燃料電池の出力の低下及び電解質膜のガスリークを抑制することができる膜−電極アッセンブリ及び当該膜−電極アッセンブリを含む燃料電池を提供するものである。   An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly capable of suppressing a decrease in output of a fuel cell and gas leakage of an electrolyte membrane, and a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

本発明は、水素イオン伝導性電解質を含む触媒層を有する膜−電極アッセンブリであって、前記触媒層は、前記水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンを含み、前記金属イオンの含有量は、前記水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数と等しいモル数を上限とする。   The present invention is a membrane-electrode assembly having a catalyst layer containing a hydrogen ion conductive electrolyte, the catalyst layer containing a metal ion coordinated to an ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte, The upper limit of the ion content is the number of moles equal to the number of moles of ion exchange groups in the hydrogen ion conductive electrolyte.

また、前記膜−電極アッセンブリにおいて、前記金属イオンの含有量は、前記水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数に対して、80mol%〜100mol%の範囲であることが好ましい。   In the membrane-electrode assembly, the metal ion content is preferably in the range of 80 mol% to 100 mol% with respect to the number of moles of ion exchange groups in the hydrogen ion conductive electrolyte.

また、前記膜−電極アッセンブリにおいて、前記触媒層は、アノード極触媒層側のみであることが好ましい。   In the membrane-electrode assembly, the catalyst layer is preferably only on the anode electrode catalyst layer side.

また、前記膜−電極アッセンブリにおいて、前記金属イオンは、金属酸化物として添加されていることが好ましい。   In the membrane-electrode assembly, the metal ion is preferably added as a metal oxide.

また、前記膜−電極アッセンブリにおいて、前記金属イオンの金属種は、鉄、ニッケル、アルミニウム、珪素、セリウム、マンガンのうちの少なくとも1種であることが好ましい。   In the membrane-electrode assembly, the metal species of the metal ion is preferably at least one of iron, nickel, aluminum, silicon, cerium, and manganese.

また、本発明は、水素イオン伝導性電解質を含む触媒層を有する膜−電極アッセンブリを備える燃料電池であって、前記触媒層は、前記水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンを含み、前記金属イオンの含有量は、前記水素イオン電導性電解質中のイオン交換基のモル数と等しいモル数を上限とする。   The present invention also provides a fuel cell comprising a membrane-electrode assembly having a catalyst layer containing a hydrogen ion conductive electrolyte, wherein the catalyst layer is a metal coordinated to an ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte. The upper limit of the content of the metal ions including ions is equal to the number of moles of ion-exchange groups in the hydrogen ion conductive electrolyte.

本発明によれば、膜−電極アッセンブリを構成する触媒層は、触媒層中の水素イオン伝導性電解質のイオン交換基に配位する金属イオンを含み、金属イオンの含有量は水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数と等しいモル数を上限とすることによって、燃料電池の出力の低下及び電解質膜のガスリークを抑制することができる膜−電極アッセンブリ及び当該膜−電極アッセンブリを含む燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, the catalyst layer constituting the membrane-electrode assembly includes a metal ion coordinated to an ion exchange group of the hydrogen ion conductive electrolyte in the catalyst layer, and the content of the metal ion is a hydrogen ion conductive electrolyte. Membrane-electrode assembly capable of suppressing reduction in fuel cell output and gas leakage of electrolyte membrane by setting the upper limit to the number of moles equal to the number of moles of ion exchange groups therein, and a fuel cell including the membrane-electrode assembly Can be provided.

本発明の実施の形態について以下説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池1は、電解質膜10の両側をアノード極触媒層12、カソード極触媒層14により挟持した膜−電極アッセンブリ16と、膜−電極アッセンブリ16の両外側を挟持する一対の拡散層18a,18bと、拡散層18a,18bの両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータ20a,20bとを有する。また、本実施形態に係る燃料電池は、上記燃料電池1を単位セルとして、複数積層したものであってもよい。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 sandwiches both sides of an electrolyte membrane 10 between an anode electrode catalyst layer 12 and a cathode electrode catalyst layer 14, and both outer sides of the membrane electrode assembly 16. It has a pair of diffusion layers 18a and 18b and a pair of fuel cell separators 20a and 20b that sandwich both outer sides of the diffusion layers 18a and 18b. Further, the fuel cell according to the present embodiment may be a stack of a plurality of fuel cells 1 as unit cells.

アノード極触媒層12及びカソード極触媒層14は、金属触媒と、金属触媒を担持する担体と、水素イオン伝導性電解質とを含むものである。さらに、アノード極触媒層12及びカソード極触媒層14のうち少なくともいずれか一方は、水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンを含むものである。   The anode electrode catalyst layer 12 and the cathode electrode catalyst layer 14 include a metal catalyst, a carrier supporting the metal catalyst, and a hydrogen ion conductive electrolyte. Further, at least one of the anode electrode catalyst layer 12 and the cathode electrode catalyst layer 14 contains a metal ion coordinated to an ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte.

アノード極触媒層12及びカソード極触媒層14に用いられる金属触媒は、アノード極触媒層12における水素の還元反応、カソード極触媒層14における酸素の酸化反応に対して触媒活性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、白金合金等を用いることができる。   The metal catalyst used for the anode electrode catalyst layer 12 and the cathode electrode catalyst layer 14 may have any catalytic activity for the hydrogen reduction reaction in the anode electrode catalyst layer 12 and the oxygen oxidation reaction in the cathode electrode catalyst layer 14. There is no particular limitation, and for example, platinum, palladium, iridium, rhodium, a platinum alloy, or the like can be used.

上記金属触媒を担持する担体は、導電性材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、カーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性炭素、導電性セラミック等を用いることができる。   The carrier for supporting the metal catalyst is not particularly limited as long as it is a conductive material. For example, conductive carbon such as carbon black, graphite, activated carbon, conductive ceramic, or the like can be used.

水素イオン伝導性電解質は、水素イオン伝導性を実現するイオン交換基を有する電解質でれば特に制限されるものではない。水素イオン伝導性電解質は、例えば、イオン交換基としてSO 、COO、PO 等を有するフッ素系電解質、炭化水素系電解質等が挙げられる。耐久性が高く、水素イオン電導性も高い点で、SO を有するフッ素系電解質等が好ましく、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂等が挙げられる。 The hydrogen ion conductive electrolyte is not particularly limited as long as it is an electrolyte having an ion exchange group that realizes hydrogen ion conductivity. Examples of the hydrogen ion conductive electrolyte include a fluorine-based electrolyte and a hydrocarbon-based electrolyte having SO 3 , COO , PO 3 or the like as an ion exchange group. From the viewpoint of high durability and high hydrogen ion conductivity, a fluorine-based electrolyte having SO 3 is preferable, and examples thereof include perfluorocarbon sulfonic acid resin.

水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオン(以下、単に「金属イオン」と呼ぶ場合がある)の含有量は、触媒層に含まれる水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数と等しい金属イオンのモル数を上限とする。   The content of metal ions coordinated to ion exchange groups in the hydrogen ion conductive electrolyte (hereinafter sometimes simply referred to as “metal ions”) is determined by the ion exchange groups in the hydrogen ion conductive electrolyte contained in the catalyst layer. The upper limit is the number of moles of metal ions equal to the number of moles.

より好ましい金属イオンの含有量は、触媒層に含まれる水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数に対して、80mol%〜100mol%の範囲である。上記金属イオンの含有量が、80mol%より低いと、電解質膜10のガスリークを十分に抑制することができず、燃料電池1の耐久性が低下する場合があり、100mol%より高いと、燃料電池1の出力を低下させる場合がある。   A more preferable metal ion content is in the range of 80 mol% to 100 mol% with respect to the number of moles of ion exchange groups in the hydrogen ion conductive electrolyte contained in the catalyst layer. When the content of the metal ions is lower than 80 mol%, gas leakage of the electrolyte membrane 10 cannot be sufficiently suppressed, and the durability of the fuel cell 1 may be lowered. When the content is higher than 100 mol%, the fuel cell 1 may be reduced.

本実施形態では、アノード極触媒層12及びカソード極触媒層14のうち少なくともいずれか一方に、水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンを含むものであればよい。しかし、触媒層での酸化還元反応の反応速度は、カソード極触媒層14側の酸化反応の方が遅いため、カソード極触媒層14に上記金属イオンを添加することにより、燃料電池1の出力が低下する場合がある。したがって、燃料電池1の出力の低下を効果的に抑制することができる点で、アノード極触媒層12に水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンが含まれることが好ましい。   In the present embodiment, it is sufficient that at least one of the anode electrode catalyst layer 12 and the cathode electrode catalyst layer 14 includes a metal ion coordinated to an ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte. However, since the reaction rate of the oxidation-reduction reaction in the catalyst layer is slower in the oxidation reaction on the cathode electrode catalyst layer 14 side, the output of the fuel cell 1 is increased by adding the metal ions to the cathode electrode catalyst layer 14. May decrease. Therefore, it is preferable that the anode electrode catalyst layer 12 contains a metal ion coordinated with an ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte, in that a decrease in the output of the fuel cell 1 can be effectively suppressed.

金属イオンは、金属酸化物、金属塩、金属錯体、半導体、金属単体、及び2種類以上の金属を含む合金等として触媒層(アノード極触媒層12又はカソード極触媒層14)中に添加されていればよい。しかし、水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位し易い点、燃料電池1の発電時において触媒層中に安定に存在することができる点で、上記金属イオンは、金属酸化物として触媒層中に添加されることが好ましい。   The metal ions are added to the catalyst layer (the anode electrode catalyst layer 12 or the cathode electrode catalyst layer 14) as a metal oxide, metal salt, metal complex, semiconductor, simple metal, or an alloy containing two or more kinds of metals. Just do it. However, the metal ions are catalyst as metal oxides in that they are easily coordinated to ion exchange groups in the hydrogen ion conductive electrolyte and can be stably present in the catalyst layer during power generation of the fuel cell 1. It is preferable to be added in the layer.

電解質膜10中のイオン交換基に配位する金属イオンの金属種は、例えば、Fe、Ni、Cr、Al、Mn、Si、Ce、Pb、アルカリ金属、アルカリ土類金属等のうちの少なくとも1種が挙げられる。また、上記金属種から選択される金属イオンの価数は、特に制限されるものではない。   The metal species of the metal ion coordinated to the ion exchange group in the electrolyte membrane 10 is, for example, at least one of Fe, Ni, Cr, Al, Mn, Si, Ce, Pb, alkali metal, alkaline earth metal, and the like. Species are mentioned. Moreover, the valence of the metal ion selected from the metal species is not particularly limited.

しかし、電解質膜10のガスリークの抑制、環境への負荷等の点で、水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンの金属種は、鉄、ニッケル、アルミニウム、珪素、セリウム、マンガンのうちの少なくとも1種であることが好ましい。さらに、電解質膜10のガスリークの抑制、燃料電池1の耐久性、環境への負荷、物質の供給安定性等の点で、水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンの金属種は、Ce、Mnのうちの少なくとも1種であることがより好ましい。例えば、Ce、Mnが、触媒層中に金属酸化物等として存在している場合、三酸化二セリウムCe(3価のセリウムイオンを有する)、二酸化マンガンMnO(2価のマンガンイオンを有する)であることが好ましい。 However, the metal species of the metal ions coordinated to the ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte are iron, nickel, aluminum, silicon, cerium, It is preferably at least one of manganese. Further, the metal ion metal coordinated to the ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte in terms of suppression of gas leakage of the electrolyte membrane 10, durability of the fuel cell 1, environmental load, material supply stability, and the like. More preferably, the seed is at least one of Ce and Mn. For example, when Ce and Mn are present as a metal oxide or the like in the catalyst layer, dicerium trioxide Ce 2 O 3 (having trivalent cerium ions), manganese dioxide MnO 2 (divalent manganese ions) Preferably).

次に,電解質膜10のガスリークの抑制メカニズムの一例について説明する。   Next, an example of a mechanism for suppressing gas leakage of the electrolyte membrane 10 will be described.

図2(イ)は、触媒層中の水素イオン伝導性電解質の構造の一例を示す図であり、図2(ロ)は、燃料電池の発電時における水素イオン伝導性電解質膜の構造の一例を示す図であり、図2(ハ)は、燃料電池の未発電時における水素イオン伝導性電解質膜の構造の一例を示す図である。図2(イ)に示す水素イオン伝導性電解質は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であり、Rfは、パーフルオロカーボンの略である。   FIG. 2 (a) is a diagram showing an example of the structure of the hydrogen ion conductive electrolyte in the catalyst layer, and FIG. 2 (b) is an example of the structure of the hydrogen ion conductive electrolyte membrane during power generation of the fuel cell. FIG. 2C is a diagram showing an example of the structure of the hydrogen ion conductive electrolyte membrane when the fuel cell is not generating electricity. The hydrogen ion conductive electrolyte shown in FIG. 2A is a perfluorocarbon sulfonic acid resin, and Rf is an abbreviation for perfluorocarbon.

図2(ロ)に示すように、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が水の存在下に置かれると、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂中のスルホン酸基は、イオン化して、SO (上記説明したイオン交換基)となる。そして、SO が、集合してクラスタを形成する。 As shown in FIG. 2 (b), when the perfluorocarbon sulfonic acid resin is placed in the presence of water, the sulfonic acid groups in the perfluorocarbon sulfonic acid resin are ionized to form SO 3 (ion exchange described above). Group). Then, SO 3 gather to form a cluster.

SO は、親水性であるため、通常、燃料電池1の未発電時において、SO の周囲に、水が引き寄せられる。燃料電池1の未発電時において、SO の周囲に水が引き寄せられると、燃料電池1内の反応ガスが電解質膜10を透過し易くなる。これは、SO の周囲に水が引き寄せられると、水素イオン伝導性電解質の構造が変わり隙間ができ易くなるため、また引き寄せられた水を通してガスが透過し易くなるためである。電解質膜10のガスリークが発生すると、燃料電池1の電圧上昇等が生じて、燃料電池1の耐久性が低下し易くなる。 Since SO 3 is hydrophilic, water is usually drawn around SO 3 when the fuel cell 1 is not generating power. When water is attracted around SO 3 when the fuel cell 1 is not generating power, the reaction gas in the fuel cell 1 easily passes through the electrolyte membrane 10. This is because when water is attracted around SO 3 , the structure of the hydrogen ion conductive electrolyte is changed and gaps are easily formed, and gas is easily transmitted through the attracted water. When the gas leak of the electrolyte membrane 10 occurs, the voltage of the fuel cell 1 rises and the durability of the fuel cell 1 is likely to be lowered.

本実施形態では、図2(ハ)に示すように燃料電池の未発電時に、触媒層中の上記金属イオンが、イオン交換基(例えば、SO )に配位する。金属イオンが配位すると、SO の親水性が低下し、周囲に水が引き寄せられることを抑制することができるため、電解質膜10のガスリークを抑制することができる。また、本実施形態では、金属イオンの含有量は、水素イオン伝導性電解質のイオン交換基(例えば、SO )のモル数と等しいモル数を上限としているため、SO より多くの金属イオンが触媒層中に存在することを防ぎ、燃料電池1の出力の低下を抑制することができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 2C, the metal ions in the catalyst layer are coordinated to an ion exchange group (for example, SO 3 ) when the fuel cell is not generating electricity. When the metal ions are coordinated, the hydrophilicity of SO 3 is lowered and water can be prevented from being drawn to the surroundings, so that gas leakage of the electrolyte membrane 10 can be suppressed. In the present embodiment, the content of metal ions is limited to the number of moles equal to the number of moles of ion exchange groups (for example, SO 3 ) of the hydrogen ion conductive electrolyte, and therefore, more metals than SO 3 It is possible to prevent ions from being present in the catalyst layer and to suppress a decrease in the output of the fuel cell 1.

好ましい金属イオンの含有量は、水素イオン伝導性電解質のイオン交換基(例えば、SO )のモル数に対して80mol%〜100mol%の範囲であるが、金属イオンの含有量が、水素イオン伝導性電解質のイオン交換基(例えば、SO )のモル数に対して、80モル%より少ないと、金属イオンが配位していないSO の存在により、SO の周囲に水が引き寄せられ、電解質膜10のガスリークを十分に抑制できない場合がある。また、水素イオン伝導性電解質のイオン交換基のモル数に対して、100モル%より多いと、SO より多くの金属イオンが触媒層中に存在することになり、燃料電池1の出力が低下し易くなる。 The preferred metal ion content is in the range of 80 mol% to 100 mol% with respect to the number of moles of ion exchange groups (for example, SO 3 ) of the hydrogen ion conductive electrolyte. When the amount is less than 80 mol% with respect to the number of ion exchange groups (for example, SO 3 ) of the conductive electrolyte, water exists around SO 3 due to the presence of SO 3 in which metal ions are not coordinated. May be attracted and gas leakage of the electrolyte membrane 10 may not be sufficiently suppressed. Further, when the amount is more than 100 mol% with respect to the number of moles of ion exchange groups of the hydrogen ion conductive electrolyte, SO 3 more metal ions exist in the catalyst layer, and the output of the fuel cell 1 is It tends to decrease.

また、未発電時においてSO に配位した金属イオンは、燃料電池1の発電時に、アノード極とカソード極との間に生じる電位差により、SO から解離して、元の状態に戻る。このように、金属イオンの含有量を上記範囲にすることにより、電解質膜10のガスリークの抑制と燃料電池1の出力の低下を抑制することができる。 Further, the metal ions coordinated to SO 3 during the non-power generation are dissociated from SO 3 due to a potential difference generated between the anode electrode and the cathode electrode during power generation of the fuel cell 1, and return to the original state. . As described above, by setting the content of metal ions in the above range, it is possible to suppress the gas leak of the electrolyte membrane 10 and the decrease of the output of the fuel cell 1.

電解質膜10は、水素イオン伝導性を実現するイオン交換基を有する電解質から構成される膜であれば特に制限されるものではない。電解質膜に用いられる電解質と、上記アノード極触媒層及びカソード極触媒層に用いられる電解質とは、同じものであっても異なるものであってもよい。電解質膜10は、耐久性が高く、水素イオン電導性も高い点で、SO を有するフッ素系電解質等から構成される膜が好ましく、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等が挙げられる。具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等がある。 The electrolyte membrane 10 is not particularly limited as long as it is a membrane composed of an electrolyte having an ion exchange group that realizes hydrogen ion conductivity. The electrolyte used for the electrolyte membrane and the electrolyte used for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may be the same or different. The electrolyte membrane 10 is preferably a membrane composed of a fluorine-based electrolyte having SO 3 − in terms of high durability and high hydrogen ion conductivity, and examples thereof include a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane. Specific examples include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like.

次に膜−電極アッセンブリ16の製造方法の一例を説明する。アノード極触媒層12及びカソード極触媒層14のうちの少なくともいずれか一方は、例えば、上記説明した白金等の金属触媒を担持したカーボンと、水素イオン伝導性電解質と、上記説明した金属酸化物等とを混合する。この際、水素イオン伝導性電解質を溶解することができるアルコール等の溶剤を添加してもよい。上記説明した金属酸化物等は、金属酸化物等の金属イオンが、水素イオン伝導性電解質のイオン交換基(例えば、SO )のmol数に対して、例えば100mol%になるように添加する。上記これらの物質を混合した混合物を電解質膜10上に成膜することにより膜−電極アッセンブリ16が得られる。 Next, an example of a method for manufacturing the membrane-electrode assembly 16 will be described. At least one of the anode electrode catalyst layer 12 and the cathode electrode catalyst layer 14 includes, for example, carbon carrying a metal catalyst such as platinum described above, a hydrogen ion conductive electrolyte, and the metal oxide described above. And mix. At this time, a solvent such as alcohol that can dissolve the hydrogen ion conductive electrolyte may be added. The above-described metal oxide or the like is added so that the metal ion such as the metal oxide is, for example, 100 mol% with respect to the number of moles of the ion exchange group (for example, SO 3 ) of the hydrogen ion conductive electrolyte. . A membrane-electrode assembly 16 is obtained by forming a mixture of these substances on the electrolyte membrane 10.

拡散層18a,18bは、導電性を有し、アノード極触媒層12、カソード極触媒層14に反応ガス(アノードガス、カソードガス)を供給することができるものであれば特に制限されるものではない。拡散層18a,18bは、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等が挙げられる。   The diffusion layers 18a and 18b are not particularly limited as long as they have conductivity and can supply a reaction gas (anode gas, cathode gas) to the anode electrode catalyst layer 12 and the cathode electrode catalyst layer 14. Absent. The diffusion layers 18a and 18b are, for example, carbonaceous porous bodies such as carbon paper, carbon cloth, and carbon felt, aluminum, copper, nickel, nickel-chromium alloy, copper and its alloys, silver, aluminum alloy, zinc alloy, Examples thereof include a metal mesh or a metal porous body made of a metal such as lead alloy, titanium, niobium, tantalum, iron, stainless steel, gold, and platinum.

燃料電池用セパレータ20a,20bは、ガス不透過性、電子導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、金属板、カーボン板等がある。また、燃料電池用セパレータ20a,20bは、反応ガスが流れる反応ガス流路22a,22bが形成されている。   The fuel cell separators 20a and 20b are not particularly limited as long as they have gas impermeability and electronic conductivity, and include metal plates and carbon plates. The fuel cell separators 20a and 20b are formed with reaction gas flow paths 22a and 22b through which a reaction gas flows.

以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を変えない限り、以下の実施例に何ら制限されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless the gist thereof is changed.

(実施例1)
<触媒層用インクの調整>
白金触媒担持カーボン、エタノール、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、Ce(Ceイオンの含有量は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂中のSO のモル数に対して40モル%)を、攪拌機により混合してアノード極触媒層用インクを調製した。また、白金触媒担持カーボン、エタノール、ナフィオンを、攪拌機により混合してカソード極触媒層用インクを作成した。
Example 1
<Adjustment of catalyst layer ink>
Platinum catalyst-supported carbon, ethanol, perfluorocarbon sulfonic acid resin, and Ce 2 O 3 (the content of Ce ions is 40 mol% with respect to the number of moles of SO 3 in the perfluorocarbon sulfonic acid resin) are mixed with a stirrer. Thus, an anode catalyst layer ink was prepared. Further, platinum catalyst-supported carbon, ethanol, and Nafion were mixed with a stirrer to prepare a cathode electrode catalyst layer ink.

<燃料電池の作製>
電解質膜(膜圧50μm)の一面側にアノード極触媒層用インク、他面側にカソード極触媒層用インクをスプレー塗布し、インクを揮発乾固させて膜−電極アッセンブリを作製した。作製した膜−電極アッセンブリの両外側に拡散層としてのカーボンペーパー、さらにカーボンペーパーの両外側にガス流路が形成された燃料電池用セパレータを配置し、燃料電池を作製した。
<Fabrication of fuel cell>
The anode electrode catalyst layer ink was spray-coated on one surface side of the electrolyte membrane (membrane pressure 50 μm), and the cathode electrode catalyst layer ink was spray-coated on the other surface side, and the ink was volatilized and dried to prepare a membrane-electrode assembly. Carbon paper as a diffusion layer was arranged on both outer sides of the produced membrane-electrode assembly, and a fuel cell separator having gas flow paths formed on both outer sides of the carbon paper was arranged to produce a fuel cell.

(実施例2)
白金触媒担持カーボン、エタノール、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、Ce(Ceイオンの含有量は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂中のSO のモル数に対して80モル%)を、攪拌機により混合してアノード極触媒層用インクを調製した。上記以外は、実施例1と同様に燃料電池を作製した。
(Example 2)
Platinum catalyst-supported carbon, ethanol, perfluorocarbon sulfonic acid resin, Ce 2 O 3 (the content of Ce ions is 80 mol% with respect to the number of moles of SO 3 in the perfluorocarbon sulfonic acid resin) are mixed with a stirrer. Thus, an anode catalyst layer ink was prepared. A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.

(実施例3)
白金触媒担持カーボン、エタノール、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、Ce(Ceイオンの含有量は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂中のSO のモル数に対して100モル%)を、攪拌機により混合してアノード極触媒層用インクを調製した。上記以外は、実施例1と同様に燃料電池を作製した。
(Example 3)
Platinum catalyst-supported carbon, ethanol, perfluorocarbon sulfonic acid resin, Ce 2 O 3 (the Ce ion content is 100 mol% with respect to the number of moles of SO 3 in the perfluorocarbon sulfonic acid resin) are mixed with a stirrer. Thus, an anode catalyst layer ink was prepared. A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.

(比較例1)
白金触媒担持カーボン、エタノール、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、Ce(Ceイオンの含有量は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂中のSO のモル数に対して110モル%)を、攪拌機により混合してアノード極触媒層用インクを調製した。上記以外は、実施例1と同様に燃料電池を作製した。
(Comparative Example 1)
Platinum catalyst-supported carbon, ethanol, perfluorocarbon sulfonic acid resin, Ce 2 O 3 (the Ce ion content is 110 mol% with respect to the number of moles of SO 3 in the perfluorocarbon sulfonic acid resin) are mixed with a stirrer. Thus, an anode catalyst layer ink was prepared. A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.

(比較例2)
白金触媒担持カーボン、エタノール、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、を、攪拌機により混合してアノード極触媒層用インクを調製した(Ceイオン無し)。上記以外は、実施例1と同様に燃料電池を作製した。
(Comparative Example 2)
Platinum catalyst-supported carbon, ethanol, and perfluorocarbon sulfonic acid resin were mixed with a stirrer to prepare an anode electrode catalyst layer ink (without Ce ions). A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.

<燃料電池の出力測定>
まず、実施例1〜3及び比較例1,2の燃料電池を以下の条件で発電させた。アノードガスとして水素ガスを用い、カソードガスとして空気を用いた。燃料電池セル温度80℃、アノードガス利用率60%、カソードガス利用率40%とし、ガス加湿は80℃のバブラーにそれぞれアノードガス、カソードガスを通すことによって、上記実施例及び比較例の燃料電池を発電させた。発電時の電流密度が0.6mA/cmのときの燃料電池の出力(V・A/cm)を測定した。表1の実施例1〜3及び比較例1の燃料電池の出力は、比較例2(CeO添加無し)の燃料電池の出力を1とした時の比で表した。
<Measurement of fuel cell output>
First, the fuel cells of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were generated under the following conditions. Hydrogen gas was used as the anode gas, and air was used as the cathode gas. The fuel cell of the above-mentioned examples and comparative examples was made by setting the fuel cell temperature to 80 ° C., the anode gas utilization rate of 60%, and the cathode gas utilization rate of 40%, and passing the anode gas and cathode gas through the bubbler at 80 ° C. Was made to generate electricity. The output (V · A / cm 2 ) of the fuel cell when the current density during power generation was 0.6 mA / cm 2 was measured. The outputs of the fuel cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 in Table 1 are expressed as a ratio when the output of the fuel cell of Comparative Example 2 (without addition of CeO 3 ) is 1.

<電解質膜のガス透過係数の測定>
上記条件で発電を行った後、実施例1〜3及び比較例1,2の燃料電池から電解質膜を取り出し、ガス透過係数を測定した。上記ガス透過係数の測定に使用したガスは、水素である。表1の実施例1〜3及び比較例1の電解質膜のガス透過係数は、比較例2(CeO添加無し)の電解質膜のガス透過係数を10とした時の比で表した。
<Measurement of gas permeability coefficient of electrolyte membrane>
After power generation under the above conditions, the electrolyte membrane was taken out from the fuel cells of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, and the gas permeability coefficient was measured. The gas used for the measurement of the gas permeability coefficient is hydrogen. The gas permeability coefficients of the electrolyte membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 in Table 1 were expressed as a ratio when the gas permeability coefficient of the electrolyte membrane of Comparative Example 2 (without addition of CeO 3 ) was 10.

<燃料電池の耐久性試験>
表1の実施例1〜3及び比較例1の耐久性は、比較例2(CeO添加無し)の耐久性を1とした時の比で表した。また、表1の実施例1〜3及び比較例1の燃料電池の出力は、比較例2(CeO添加無し)の燃料電池の出力を1とした時の比で表した。
<Durability test of fuel cell>
The durability of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 in Table 1 was expressed as a ratio when the durability of Comparative Example 2 (without addition of CeO 3 ) was 1. In addition, the outputs of the fuel cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 in Table 1 are expressed as a ratio when the output of the fuel cell of Comparative Example 2 (without addition of CeO 3 ) is 1.

Figure 2009140854
Figure 2009140854

表1の結果からわかるように、実施例1〜3の電解質膜のガス透過係数は、比較例2のガス透過係数と比較してそれぞれ低下していることがわかる。特に実施例2,3の電解質膜のガス透過係数は、比較例2のガス透過係数と比較して、約80%低下した。また、実施例1〜3の出力は、比較例2の出力と比較してもほとんど低下は見られなかった。また、実施例2,3の耐久性は、比較例2の耐久性と比較して、約4倍増加した。   As can be seen from the results in Table 1, it can be seen that the gas permeability coefficients of the electrolyte membranes of Examples 1 to 3 are lower than those of Comparative Example 2. In particular, the gas permeability coefficient of the electrolyte membranes of Examples 2 and 3 was reduced by about 80% compared with the gas permeability coefficient of Comparative Example 2. Moreover, even if the output of Examples 1-3 compared with the output of the comparative example 2, the fall was hardly seen. Further, the durability of Examples 2 and 3 increased by about 4 times compared to the durability of Comparative Example 2.

一方、比較例1の電解質膜のガス透過係数は、比較例2のガス透過係数と比較して、約80%低下しているが、燃料電池の出力においては、比較例2の出力と比較して、約18%低下した。   On the other hand, the gas permeability coefficient of the electrolyte membrane of Comparative Example 1 is about 80% lower than the gas permeability coefficient of Comparative Example 2, but the output of the fuel cell is compared with the output of Comparative Example 2. About 18%.

以上のように、本実施形態に係る燃料電池は、触媒層に水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンを含み、金属イオンの含有量を水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数と等しいモル数を上限とすることによって、燃料電池の出力の低下、電解質膜のガスリークを抑制することができた。特に、金属イオンの含有量を、水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数に対して、80モル%〜100モル%の範囲とすることによって、より電解質膜のガスリークを抑制し、燃料電池の耐久性を向上させ、また、燃料電池の耐久性を向上させることができた。   As described above, the fuel cell according to the present embodiment includes a metal ion coordinated to an ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte in the catalyst layer, and the content of the metal ion in the ion in the hydrogen ion conductive electrolyte. By setting the upper limit to the number of moles equal to the number of moles of the exchange group, it was possible to suppress a decrease in the output of the fuel cell and gas leakage of the electrolyte membrane. In particular, by setting the content of metal ions in the range of 80 mol% to 100 mol% relative to the number of moles of ion exchange groups in the hydrogen ion conductive electrolyte, gas leakage of the electrolyte membrane can be further suppressed, and the fuel The durability of the battery could be improved and the durability of the fuel cell could be improved.

上記本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。   The fuel cell according to the present embodiment can be used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, a power source for automobiles, a household power source, and the like.

本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. (イ)は、電解質膜の構造の一例を示す図であり、(ロ)は、燃料電池の発電時における電解質膜の構造の一例を示す図であり、(ハ)は、燃料電池の未発電時における電解質膜の構造の一例を示す図である。(A) is a diagram showing an example of the structure of the electrolyte membrane, (B) is a diagram showing an example of the structure of the electrolyte membrane during power generation of the fuel cell, and (C) is a diagram showing an unpowered state of the fuel cell. It is a figure which shows an example of the structure of the electrolyte membrane at the time.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池、10 水素イオン伝導性電解質膜、12 アノード極触媒層、14 カソード極触媒層、16 膜−電極アッセンブリ、18a,18b 拡散層、20a,20b 燃料電池用セパレータ、22a,22b 反応ガス流路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell, 10 Hydrogen ion conductive electrolyte membrane, 12 Anode electrode catalyst layer, 14 Cathode electrode catalyst layer, 16 Membrane-electrode assembly, 18a, 18b Diffusion layer, 20a, 20b Fuel cell separator, 22a, 22b Reaction gas flow Road.

Claims (6)

水素イオン伝導性電解質を含む触媒層を有する膜−電極アッセンブリであって、
前記触媒層は、前記水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンを含み、前記金属イオンの含有量は、前記水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数と等しいモル数を上限とすることを特徴とする膜−電極アッセンブリ。
A membrane-electrode assembly having a catalyst layer comprising a hydrogen ion conducting electrolyte, comprising:
The catalyst layer includes a metal ion coordinated to an ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte, and the content of the metal ion is equal to the number of moles of the ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte. A membrane-electrode assembly, characterized in that the upper limit is the number.
請求項1記載の膜−電極アッセンブリであって、前記金属イオンの含有量は、前記水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数に対して、80mol%〜100mol%の範囲であることを特徴とする膜−電極アッセンブリ。   2. The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the metal ion content is in a range of 80 mol% to 100 mol% with respect to the number of moles of ion exchange groups in the hydrogen ion conductive electrolyte. Feature membrane-electrode assembly. 請求項1又は2記載の膜−電極アッセンブリであって、前記触媒層は、アノード極触媒層側のみであることを特徴とする膜−電極アッセンブリ。   3. The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the catalyst layer is only on the anode electrode catalyst layer side. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の膜−電極アッセンブリであって、前記金属イオンは、金属酸化物として添加されていることを特徴とする膜−電極アッセンブリ。   The membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal ion is added as a metal oxide. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の膜−電極アッセンブリであって、前記金属イオンの金属種は、鉄、ニッケル、アルミニウム、珪素、セリウム、マンガンのうちの少なくとも1種であることを特徴とする膜−電極アッセンブリ。   5. The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein a metal species of the metal ion is at least one of iron, nickel, aluminum, silicon, cerium, and manganese. Feature membrane-electrode assembly. 水素イオン伝導性電解質を含む触媒層を有する膜−電極アッセンブリを備える燃料電池であって、
前記触媒層は、前記水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基に配位する金属イオンを含み、前記金属イオンの含有量は、前記水素イオン伝導性電解質中のイオン交換基のモル数と等しいモル数を上限とすることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising a membrane-electrode assembly having a catalyst layer comprising a hydrogen ion conducting electrolyte, comprising:
The catalyst layer includes a metal ion coordinated to an ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte, and the content of the metal ion is a mole equal to the number of moles of the ion exchange group in the hydrogen ion conductive electrolyte. A fuel cell characterized in that the upper limit is the number.
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