JP2012253039A - 燃料電池電極において触媒担体腐食を緩和するための犠牲材料の使用 - Google Patents
燃料電池電極において触媒担体腐食を緩和するための犠牲材料の使用 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】燃料電池は、アノード層32と、アノード層上に配置されたポリマー性イオン伝導膜と、ポリマー性イオン伝導膜上に配置されたカソード層38と、カソード層、アノード層、又はその両方における担体炭素よりも速い速度で腐食する有効量の反応性材料と、を含む。反応性材料はカソード触媒層に近接するか又はカソード触媒層内に分配される。変形例において、反応性材料はアノード層にも近接する。
【選択図】図2
Description
OER: H2O→1/2O2+2H++2e- E0=+1.23V vs RHE (1)
COR: C+2H2O→CO2+4H++4e- E0=+0.21V vs RHE (2)
(式中、E0は可逆的水素電極(Reversible Hydrogen Electrode, “RHE”)電位に標準化された電位である)
により供給されなければならない。OERは慣用的な炭素担体上の白金触媒について無視できるから(例えば、表1に挙げたPt/ケッチェンブラック(Ketjen Black)及びPt/ブラックパール(Black Pearl))、このセルリバーサルは反応(2)に従ってアノード触媒炭素担体の腐食を引き起こし、MEAの性能を迅速に減成させる。
発明の概要
本発明は、セルリバーサル及び局所H2飢餓それぞれに際しての、アノード及びカソード触媒炭素担体の炭素腐食を低減することにより改良された耐久性を有する燃料電池の態様を少なくとも1つ提供することにより、先行技術の1又はそれを超える課題を克服する。本態様の燃料電池は、アノード層、アノード層上に配置されたポリマー性イオン伝導膜、ポリマー性イオン伝導膜上に配置されたカソード層、そしてアノード及び/又はカソード触媒炭素担体よりも速い速度で電気的酸化を行う有効量の反応性材料、を含む。カソード層及びアノード層は各々独立して、炭素担体に付着した触媒を含んでなる。反応性材料は、アノード及び/又はカソード触媒層に近接するか又は内部に分配されている。一態様において、この反応性材料は、アノード及び/又はカソード触媒に用いられる炭素担体よりも速い速度で反応(1)に従って腐食する、高表面積の炭素材料である。より一般的には、反応性材料は、アノード及び/又はカソード触媒の炭素担体よりも速い速度で電気的酸化を行う任意の他の材料であってもよく、電子及びプロトンを生成して、次いでアノード及び/又はカソード触媒の炭素担体の腐食を防止する。
本発明の現在の好ましい組成、態様、及び方法についての詳細を以下に示す。これは本発明者らが現在知っている本発明を実施する最良の形態を構成する。図面を目安にする必要はない。しかし、開示する態様は単に本発明の例示であり、多様な形態及び代替形態で具現化され得ることを理解すべきである。故に、本明細書中で開示された特定の詳細は、限定として解釈してはならず、しかし本発明の任意の側面についての代表的な基準として及び/又は当業者に本発明の多様な実施を教示する代表的な基準として解釈されるべきである。
図2は、本発明の燃料電池の態様の概略図を提供する。燃料電池スタック30はアノード層32を含み、その上にポリマー性イオン伝導膜34が配置されている。ポリマー性イオン伝導膜34はプロトン伝導性材料を含んでなる。変形例において、ポリマー性イオン伝導膜34はアノード層32上に配置されかつ物理的に接触する。アノード層32は典型的にアノード触媒層であり、担体材料上に含浸された触媒を含む。適する触媒は貴金属又はその合金、或いは貴金属/卑金属合金、或いは当該技術分野で知られるH2酸化反応のための他の触媒を含む。適するポリマー性イオン伝導材料の例には、DuPontによりプロトン伝導性膜として開発されたNafion膜、他のパーフルオロスルホン酸イオノマー膜、炭化水素系膜、又はリン酸をイオン伝導物として含む膜(例えばポリベンズイミダゾール系膜)が含まれる。
本態様の一定の他の変形、特に反応性材料が炭素の時には、反応性材料は0.1〜0.4mg/cm2の量で存在する。本態様の他の変形例、特に反応性材料が炭素の時には、反応性材料は0.1〜0.2mg/cm2の量で存在する。より具体的な態様では、0.2mg/cm2の犠牲炭素の充填(分離層として〜5μm厚さ)において、本態様の企図された改良は、犠牲炭素層を有しないMEAと比較して、約5〜10倍である。
Claims (41)
- アノード触媒層;
アノード触媒層上に配置されるポリマー性イオン伝導膜;
カソード触媒炭素担体上に配置されるカソード触媒を含んでなり、かつポリマー性イオン伝導膜上に配置されるカソード触媒層;及び
カソード触媒炭素担体よりも速い運動速度で電気的酸化を行う、カソード触媒層に近接するか又はカソード触媒層内に分配される有効量の反応性材料
を含んでなる燃料電池。 - カソード触媒層及びポリマー性イオン伝導層の間に配置される第一犠牲層をさらに含んでなり、該犠牲層が反応性材料の少なくとも一部を含んでなる、請求項1に記載の燃料電池。
- 犠牲層が、空間容量を有する層と、その空間容量の少なくとも一部を埋めるプロトン伝導性材料とを含んでなる、請求項2に記載の燃料電池。
- プロトン伝導性材料が電気伝導性である、請求項3に記載の燃料電池。
- プロトン伝導性材料が約20%から約100%の空間容量を埋める、請求項3に記載の燃料電池。
- アノード触媒層及びポリマー性イオン伝導層との間に配置される第二犠牲層をさらに含んでなり、該第二犠牲層は反応性材料の少なくとも一部を含んでなる、請求項2に記載の燃料電池。
- 反応性材料の腐食速度が、カソード触媒炭素担体の腐食速度の少なくとも2倍である、請求項1に記載の燃料電池。
- 反応性材料の腐食速度が、カソード触媒炭素担体の腐食速度の少なくとも5倍である、請求項1に記載の燃料電池。
- 反応性材料の腐食速度が、カソード触媒炭素担体の腐食速度の少なくとも10倍である、請求項1に記載の燃料電池。
- 反応性材料が約20容量%に等しいかそれよりも大きい充填密度を有する、請求項1に記載の燃料電池。
- 反応性材料が約40容量%に等しいかそれよりも大きい充填密度を有する、請求項1に記載の燃料電池。
- 反応性材料が約50容量%に等しいかそれよりも大きい充填密度を有する、請求項1に記載の燃料電池。
- 反応性材料の少なくとも一部がアノード触媒層の全体を通じて分散されている、請求項12に記載の燃料電池。
- 反応性材料の少なくとも一部がカソード触媒層の全体を通じて分散されている、請求項1に記載の燃料電池。
- 犠牲層が1〜20μmの厚さを有する、請求項1に記載の燃料電池。
- 犠牲層が1〜10μmの厚さを有する、請求項1に記載の燃料電池。
- 犠牲層が2〜5μmの厚さを有する、請求項1に記載の燃料電池。
- 反応性材料が炭素を含んでなる、請求項1に記載の燃料電池。
- 反応性材料が200〜2000m2/gの犠牲炭素のBET表面積を有する、請求項1に記載の燃料電池。
- アノード触媒層;
アノード触媒層上に配置されるポリマー性イオン伝導膜;
炭素担体上に配置されるカソード触媒を含んでなり、かつポリマー性イオン伝導膜上に配置されるカソード触媒層;及び
カソード触媒炭素担体よりも速い速度で電気的酸化を行う、カソード触媒層に近接するか又はカソード触媒層内に分配される有効量の犠牲炭素
を含んでなる燃料電池。 - カソード触媒層及びポリマー性イオン伝導層の間に配置された第一犠牲層をさらに含んでなり、該犠牲炭素層が犠牲炭素の少なくとも一部を含んでなる、請求項1に記載の燃料電池。
- 犠牲層が空間容量を有する層と、その空間容量の少なくとも一部を埋めるプロトン伝導性材料とを含んでなる、請求項21に記載の燃料電池。別の変形では、プロトン伝導性材料は電気伝導性でもある。
- プロトン伝導性材料が約20%〜約100%の空間容量を埋める、請求項22に記載の燃料電池。
- アノード触媒層とポリマー性イオン伝導膜との間に配置される第二犠牲炭素層を更に含んでなり、該第二犠牲炭素層が犠牲炭素の少なくとも一部を含んでなる、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素の少なくとも一部がカソード触媒層の全体を通じて分散されている、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素の少なくとも一部がアノード触媒層の全体を通じて分散されている、請求項25に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素が200〜2000m2/gである犠牲炭素のBET表面積を有する、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素が、ブラックパール、ケッチェンブラック、バルカンカーボン、活性化非晶質炭素、高表面積炭素、これらの混合物、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される炭素である、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素が、金属形態、金属酸化物形態、合金、又はその混合物としてのPt、Pd、Ir、Ru、及びRhからなる群から選択される貴金属添加物を含む、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素が0.1〜0.4mg/cm2の量で存在する、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素の腐食速度が、カソード触媒炭素担体の腐食速度の少なくとも2倍である、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素の腐食速度が、カソード触媒炭素担体の腐食速度の少なくとも5倍である、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素の腐食速度が、カソード触媒炭素担体の腐食速度の少なくとも10倍である、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素が約20容量%に等しいかそれよりも大きい充填密度を有する、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素が約40容量%に等しいかそれよりも大きい充填密度を有する、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲炭素が約50容量%に等しいかそれよりも大きい充填密度を有する、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲層が1〜20μmの厚さを有する、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲層が1〜10μmの厚さを有する、請求項20に記載の燃料電池。
- 犠牲層が2〜5μmの厚さを有する、請求項20に記載の燃料電池。
- アノード触媒層;
アノード触媒層上に配置されるポリマー性イオン伝導膜;
200〜2000m2/gのBET表面積を有する炭素を含んでなり、かつポリマー性イオン伝導層上に配置される第一犠牲炭素層;及び
炭素担体上に配置されるカソード触媒を含んでなり、かつポリマー性イオン伝導膜上に配置されるカソード触媒層
を含んでなる燃料電池。 - アノード触媒層とポリマーイオン伝導性層との間に配置される第二犠牲層を更に含んでなる、請求項40に記載の燃料電池。
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