JP2014505330A - Pem燃料電池用の改良された膜電極アッセンブリ - Google Patents
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Abstract
Description
それら2枚の電極層のうちの少なくとも1枚、EL1および/またはEL2が、
−イリジウム酸化物成分を少なくとも1種類の他の無機酸化物成分と組み合わせて含む第一の電極触媒(EC1)および
−イリジウムを含まない第二の電極触媒(EC2/EC2’)
を含むPEM燃料電池用の膜電極アッセンブリ(MEA)を対象とする。
電気化学的試験は、約0.8mmのチャネル幅を有する黒鉛二重チャネル蛇行流れ場を備えた50cm2燃料電池(社内製)で行った。セルは向流で動作する、すなわち燃料入口がMEAの反対側の酸化体出口に対応し、一方、酸化体入口が燃料出口に対応する。触媒塗布膜(CCM)は、非圧縮性ガラス繊維強化PTFEガスケットで密封される。この実験に使用されるガス拡散層(GDL)は、アノードおよびカソード側でそれぞれSGL25 BCである。セルは、2個のKタイプ熱電対、アルミニウムエンドプレートに一方、また黒鉛バイポーラプレートに他方を備える。エンドプレートは、抵抗加熱パッドを備える。セルは、換気装置によって空気冷却される。作動ガスは、社内製の冷却/加熱バブラーを用いて加湿される。
MEAの空気/空気の起動/停止によって誘発される劣化を決定するために、定電位保持実験を使用して高電位を模倣する。これらの実験の場合、作用電極(「カソード」)を窒素でパージし(ガス流量40nl時−1)、次いで30nl時−1のガス流量で加湿水素を供給される対極/参照電極(「アノード」)に対して1.6Vの電位に設定する。セルを80℃、周囲圧力、および両方のガスのフル加湿において動作させる。30分後、窒素を再び酸素で置き換え、短いコンディショニング期間の後、I/V分極曲線を再び測定する。このEOT分極曲線に基づいて、セル電圧E(mV)を1A/cm2の電流密度で記録する。BOLおよびEOTの測定および分析は上記のように行う。
この試験ではアノードへの水素ガスの供給を中断し、窒素流で置き換える。カソード空気(20nl時−1で)が流れ、0.187A/cm2までの一定アノード電流を2700秒間(45分間)引き出しながらアノードを窒素(ガス流量10nl時−1)でパージすることによって、この試験されるMEAを人為的セル反転事象にさらした。この試験は80℃において周囲圧力でフル加湿ガスを用いて行う。電位警報が−2.5Vのセル電圧に設定される。試験中にこの値に達した場合、試験は中断されて燃料電池の損傷を防ぐ。45分後、再び窒素を水素で置き換え、短いコンディショニング期間の後、再び分極曲線を測定する。このEOT分極曲線に基づいてセル電圧E(mV)を1A/cm2の電流密度で記録する。BOLおよびEOTの測定および分析は上記のように行う。
この例は、本発明の第二の実施形態の第一バージョンによるMEAの調製の概要を述べる。アノード層EL1がイリジウム酸化物触媒EC1および電極触媒EC2を含有するのに対し、カソード層は電極触媒EC2’を含有する(図1参照)。
アノード触媒塗布量:Pt 0.09mg/cm2およびIr 0.05mg/cm2
カソード触媒塗布量:Pt 0.4mg/cm2、Irなし
セル反転許容範囲(CRT−BOL):E=683mV(@1A/cm2)
セル反転許容範囲(CRT−EOT):E=656mV(@1A/cm2)
性能の減損:−27mV(−3.9%)
電気化学的面積(CRT−BOL):49m2/g
電気化学的面積(CRT−EOT):40m2/g
実施例1とは対照的に、この比較例は、実施例1で使用したものと同じEC2電極触媒と組み合わせて市販のイリジウム酸化物(IrO2)粉末(電極触媒EC1の代わりに)を含有するアノード層EL1を有するMEAに向けられる。
アノード触媒塗布量:Pt 0.09mg/cm2およびIr 0.05mg/cm2
カソード触媒塗布量:Pt 0.4mg/cm2、Irなし
セル反転許容範囲(CRT−BOL):E=689mV(@1A/cm2)
セル反転許容範囲(CRT−EOT):>2.5V、測定を中断
電気化学的面積(CRT−BOL):41m2/g
電気化学的面積(CRT−EOT):測定を中断
この例は、本発明の第二の実施形態の第二バージョンによるMEAの調製を実証する。アノード層EL2が、イリジウムを含まないPt/C電極触媒EC2’を含有するのに対し、カソード層EL1は電極触媒EC2と組み合わせてイリジウム酸化物触媒EC1を含有する(図1参照)。
アノード触媒塗布量:Pt 0.09mg/cm2、Irなし
カソード触媒塗布量:Pt 0.40mg/cm2およびIr 0.04mg/cm2
起動/停止(SUSD−BOL):E=703mV(@1A/cm2)
起動/停止(SUSD−EOT):E=574mV(@1A/cm2)
性能の減損BOL−EOT:−129mV
この例は、本発明の実施例2に対する比較例(CE2)である。それらの要素は、イリジウム含有触媒EC1を別にすれば実施例2に似ている。アノード層EL2がPt/C電極触媒(EC2’)を含有するのに対し、カソード層EL1は通常のイリジウム酸化物粉末および電極触媒EC2を含有する。
アノード触媒塗布量:Pt 0.09mg/cm2、Irなし
カソード触媒塗布量:Pt 0.4mg/cm2およびIr 0.08mg/cm2
起動/停止(SUSD−BOL):E=695mV(@1A/cm2)
起動/停止(SUSD−EOT):E=513mV(@1A/cm2)
性能の減損BOL−EOT:−182mV
この例は、本発明の第一の実施形態の第一バージョンによるMEAの調製の概要を述べる。両電極層、アノード層EL1およびカソード層EL2が、イリジウム触媒EC1を含有する。さらに、第二の電極触媒EC2がアノード層中に含有され、また第二の電極触媒EC2’がカソード層中で塗布される(図1参照)。
アノード上の触媒塗布量:Pt 0.10mg/cm2およびIr 0.057mg/cm2
セル反転許容範囲(CRT−BOL):E=687mV(@1A/cm2)
セル反転許容範囲(CRT−EOT):E=666mV(@1A/cm2)
性能の減損:−21mV(−3%)
電気化学的面積(CRT−BOL):61m2/g
電気化学的面積(CRT−EOT):53m2/g(−8m2/g、−13%の減損)
カソード上の触媒塗布量:Pt 0.36mg/cm2およびIr 0.036mg/cm2
起動/停止(SUSD−BOL):E=691mV(@1A/cm2)
起動/停止(SUSD−EOT):E=570mV(@1A/cm2)
性能の減損BOL−EOT:−121mV
この例は、本発明の実施例3に対する比較例である。要素は、イリジウム酸化物触媒を別にすれば実施例3に似ている。アノード層およびカソード層EL1およびEL2の両方が、Pt/C電極触媒(EC2/EC2’)を通常の二酸化イリジウム粉末触媒と組み合わせて含有する。アノードおよびカソードインクは、基本的には実施例3の記述のように調製されるが、下記の変更を伴う。
アノード上の触媒塗布量:Pt 0.08mg/cm2およびIr 0.05mg/cm2
セル反転許容範囲(CRT−BOL):E=617mV(@1A/cm2)
セル反転許容範囲(CRT−EOT):>2.5V、測定を中断
電気化学的面積(CRT−BOL):40m2/g
電気化学的面積(CRT−EOT):測定を中断
カソード上の触媒塗布量:Pt 0.41mg/cm2およびIr 0.08mg/cm2
起動/停止(SUSD−BOL):E=704mV(@1A/cm2)
起動/停止(SUSD−EOT):E=440mV(@1A/cm2)
性能の減損BOL−EOT:−264mV
この例は、本発明のすべての例に対する全般的な比較例(CE3A)である。このMEAは、アノード層中にもカソード層中にもEC1を含有しない。この比較例は、BOL性能の基準として使用されるべきである。このアノードインクについては電極触媒EC2(20重量%Pt/C、Umicore)が使用され、インクは実施例2で概要を述べたように調製される。このカソードインクについては電極触媒EC2’(40重量%Pt/C、Umicore)が使用され、インクは実施例1の記述のように調製される。CCM/MEAの調製は、実施例1の記述のように行われる。
アノード触媒塗布量:Pt 0.09mg/cm2
カソード触媒塗布量:Pt 0.4mg/cm2
起動/停止(SUSD−BOL):E=696mV(@1A/cm2)
起動/停止(SUSD−EOT):不検出
この例は、本発明の第二の実施形態の第一バージョンによるMEAの調製を実証する。アノード層EL1は、イリジウム酸化物触媒EC1および電極触媒EC2を含有する。
このMEAのセル反転許容範囲(CRT)は、アノード層中のイリジウム酸化物触媒EC1の存在のために際立って改善される。
Claims (23)
- 2面を有するアイオノマー膜を備えたPEM燃料電池用の膜電極アッセンブリ(MEA)であって、前記膜の一方の面に第一の電極層(EL1)が塗布され、かつ前記膜の他方の面に第二の電極層(EL2)が塗布され、
前記2枚のうちの少なくとも1枚の電極層EL1および/またはEL2が、
− イリジウム酸化物成分を少なくとも1種類の他の無機酸化物成分と組み合わせて含む第一の電極触媒EC1、および
− イリジウムを含まない第二の電極触媒EC2/EC2’
を含む、膜電極アッセンブリ。 - 前記2枚のうちの前記少なくとも1枚の電極層EL1および/またはEL2が、電極触媒EC1およびEC2/EC2’のほかには他の電極触媒を含有しない、請求項1に記載の膜電極アッセンブリ(MEA)。
- EC1中の前記イリジウム酸化物成分が、酸化イリジウム(IV)(IrO2)、酸化イリジウム(III)(Ir2O3)、および/またはこれらの混合物または組合せ化合物を含む、請求項1または2に記載の膜電極アッセンブリ。
- EC1中の前記イリジウム酸化物成分が、酸化イリジウム(IV)(IrO2)である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- EC1中の前記無機酸化物成分が、チタニア(TiO2)、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)、二酸化スズ(SnO2)、セリア、五酸化ニオブ(Nb2O5)、五酸化タンタル(Ta2O5)、および/またはこれらの混合物または組合せ化合物からなる群から選択される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- EC1中の前記無機酸化物成分がチタニア(TiO2)である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- EC1中の前記無機酸化物成分が、少なくとも約50m2/g、好ましくは少なくとも約100m2/gのBET表面積を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- EC1中の前記無機酸化物成分が、約400m2/g未満のBET表面積を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記無機酸化物成分が、前記第一の電極触媒EC1の総重量を基準にして約20重量%未満、好ましくは約15重量%未満の量で存在する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記第一の電極触媒EC1が、前記2枚の電極層のうちの前記少なくとも1枚、EL1および/またはEL2中に、前記第一および第二の電極触媒EC1+EC2/EC2’の総重量を基準にして約0.5〜80重量%の量で、好ましくは約1〜70重量%の量で、特に好ましくは約2〜60重量%の量で存在する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記第二の電極触媒EC2/EC2’が、白金電極触媒または白金合金電極触媒であり、任意選択で炭素担体に、金属酸化物担体に、金属コア担体に、またはセラミックコア担体に担持される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- 両電極層EL1およびEL2が、第一の電極触媒EC1および第二の電極触媒EC2/EC2’を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記電極層EL1が前記アノード電極層であり、EL1中に含有される前記第二の電極触媒EC2が白金電極触媒であるのに対し、前記電極層EL2が前記カソード電極層であり、EL2中に含有される前記第二の電極触媒EC2’が白金電極触媒または白金合金電極触媒である、請求項12に記載の膜電極アッセンブリ。
- EL2中に含有される前記白金合金電極触媒が白金−コバルト電極触媒である、請求項13に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記電極層EL1が前記カソード電極層であり、EL1中に含有される前記第二の電極触媒EC2が白金電極触媒または白金合金電極触媒であるのに対し、前記電極層EL2が前記アノード電極層であり、EL2中に含有される前記第二の電極触媒EC2’が白金合金電極触媒である、請求項12に記載の膜電極アッセンブリ。
- EL2中に含有される前記第二の電極触媒EC2’が白金−ルテニウム触媒である、請求項15に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記電極層EL1が、第一の電極触媒EC1および第二の電極触媒EC2を含むのに対し、前記電極層EL2が、イリジウムを含まない電極触媒EC2’を含有する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- EL2中に含有される前記イリジウムを含まない電極触媒EC2’が白金または白金合金電極触媒であり、任意選択で炭素担体に、金属酸化物担体に、金属コア担体に、またはセラミックコア担体に担持される、請求項17に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記電極層EL1が前記アノード電極層であり、前記電極層EL2が前記カソード電極層である、請求項17または18のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記電極層EL1が前記カソード電極層であり、前記電極層EL2が前記アノード電極層である、請求項17または18のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記アイオノマー膜の一方の面上に設けられる前記第一の電極層EL1と、前記アイオノマー膜の他方の面上に設けられる前記第二の電極層EL2とが、両方とも前記アイオノマー膜に付着される、請求項1〜20のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ。
- 前記電極層EL1およびEL2が、それぞれガス拡散層GDL1およびGDL2で支持される、請求項1〜20のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ(MEA)。
- PEM燃料電池、例えば水素PEM燃料電池、改質水素PEM燃料電池、または直接メタノール燃料電池(DMFC)における、請求項1〜22のいずれか一項に記載の膜電極アッセンブリ(MEA)の使用。
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