JP2016131098A - Electrode, and electrochemical device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極、およびそれを用いた電気化学デバイスに関する。 The present invention relates to an electrode and an electrochemical device using the electrode.
国連気候変動に関する政府間パネル(IPCC)によれば、大気中のCO2濃度上昇による地球温暖化が重要な環境問題である。その対策として水素社会が提唱されている。化石燃料の燃焼はCO2を生成するが、水素を燃焼すれば水が生成するので、大気中のCO2濃度を上昇させることがない。燃料電池は水素などの反応ガスと酸素を反応させて発電する装置であり、水が生成しCO2を発生させないため、環境にやさしい主要アプリーションとして実用化されている。また、水素は爆発性があるため、安全対策のために水素もれを検知する多くの水素センサが必要になると予想されている。 According to UN Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), global warming due CO 2 concentration increases in the atmosphere is an important environmental issue. A hydrogen society has been proposed as a countermeasure. Combustion of fossil fuels produces CO 2 , but if hydrogen is burned, water is produced, so that the concentration of CO 2 in the atmosphere is not increased. A fuel cell is a device that generates electricity by reacting a reaction gas such as hydrogen with oxygen, and since it generates water and does not generate CO 2 , it has been put to practical use as an environmentally friendly main application. In addition, since hydrogen is explosive, it is expected that many hydrogen sensors that detect hydrogen leakage will be required for safety measures.
電気化学デバイスには、燃料電池や水素センサがあり、電子を放出する電極であるアノードと、電子を受理するカソードと、その間イオン伝導が行われる電解質を含む。燃料電池は、アノードとカソードの2つのガス拡散電極と固形電解質で構成されている。水素、メタンやアルコールなどの反応ガスをアノードに、酸素ガスをカソードに供給する。ガス拡散電極表面には触媒が担持されているので、水素の酸化と酸素の還元を促進する。水素の酸化により発生したプロトンと酸素の還元により発生した酸素イオンは、固形電解質を通じて反応して水となる。一方、水素センサにおいても、水素ガスをアノード上の触媒によってプロトンに酸化し、結果として発生した電流によって水素ガス濃度を測定する。 Electrochemical devices include fuel cells and hydrogen sensors, which include an anode that is an electrode that emits electrons, a cathode that accepts electrons, and an electrolyte that conducts ions therebetween. The fuel cell is composed of two gas diffusion electrodes, an anode and a cathode, and a solid electrolyte. A reactive gas such as hydrogen, methane, or alcohol is supplied to the anode, and oxygen gas is supplied to the cathode. Since the catalyst is supported on the surface of the gas diffusion electrode, the oxidation of hydrogen and the reduction of oxygen are promoted. Protons generated by the oxidation of hydrogen and oxygen ions generated by the reduction of oxygen react through the solid electrolyte to become water. On the other hand, also in the hydrogen sensor, hydrogen gas is oxidized into protons by the catalyst on the anode, and the hydrogen gas concentration is measured by the resulting current.
これらの電気化学デバイスには、触媒による反応ガスのプロトンへの効率の良い変換が必要である。 These electrochemical devices require efficient conversion of reaction gas to protons by a catalyst.
ガス拡散電極において、水素ガスが触媒表面でプロトンに酸化され、ガス拡散電極に含まれるオン導電性固体電解質へ移動する。一方対極のガス拡散電極では、酸素ガスが還元され酸素イオンになり、固形電解質へ移動する。プロトンはイオン伝導性固体電解質内を移動し、酸素イオンと反応し水となる。このようにして電気化学デバイスでは電子とイオンにより回路が形成される。しかし、触媒表面とイオン導電性固体電解質との距離が触媒表面で生じたプロトンがイオン導電性固体電解質へ移動できないほど長ければ、触媒表面と固形電解質の間で回路が断ち切られるため、電気化学デバイスとして機能できない。このように、電極における触媒、イオン導電性固体電解質、ガスの三相界面の設計は、電気化学デバイスの性能にとって重要である。 In the gas diffusion electrode, hydrogen gas is oxidized to protons on the catalyst surface and moves to the on-conducting solid electrolyte contained in the gas diffusion electrode. On the other hand, in the counter electrode gas diffusion electrode, the oxygen gas is reduced to oxygen ions and moves to the solid electrolyte. Protons move through the ion conductive solid electrolyte and react with oxygen ions to become water. In this way, a circuit is formed by electrons and ions in the electrochemical device. However, if the distance between the catalyst surface and the ion conductive solid electrolyte is so long that protons generated on the catalyst surface cannot move to the ion conductive solid electrolyte, the circuit is cut off between the catalyst surface and the solid electrolyte. Cannot function as. Thus, the design of the three-phase interface of the catalyst, ion conductive solid electrolyte, and gas at the electrode is important for the performance of the electrochemical device.
特許文献1では、燃料電池において発電性能に優れる電解質膜−電極接合体の製造方法を提供するため、電解質の再凝集を抑制して、触媒と高分子電解質との十分かつ均一な接触状態を維持することが記載されている。その実施例には、カーボンブラックに白金を担持した電極触媒を高分子電解質分散液に加えて混合分散し、減圧脱泡操作を加えて調整された触媒インクを、固体高分子電解質膜にスプレー塗布する電解質膜−電極接合体の製造方法が記載されている。
In
特許文献1に記載の技術では、触媒、カーボン、高分子電解質からなる触媒インクを、単に混合することによって製造している。ここで高分子電解質はイオン伝導性固体電解質である。この製造方法では、ガスの反応場となる、触媒、カーボン、高分子電解質からなる三相界面は、偶然作り出されるものである。すなわち、触媒表面で生成したプロトンの近傍には必ずしも固形電解質が存在するとは限らないので、触媒表面と高分子電解質との距離が、触媒表面で生じたプロトンが高分子電解質へ移動できる距離となるような三相界面が作られる頻度は必ずしも高いとは言えない。したがって、特許文献1に記載の技術では、反応ガスのイオンへの変換効率が低く、変換効率を上げるためには希少資源であり高価な触媒の使用量を増やす必要があるという問題点がある。
In the technique described in
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、触媒金属の量が少なくても、反応ガスのイオンへの変換効率の良い電極、およびその電極を用いた電気化学デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an electrode with high conversion efficiency of reaction gas to ions and an electrochemical device using the electrode even when the amount of the catalytic metal is small. The purpose is to do.
本発明の電極は、電子伝導体およびイオン伝導性固体電解質を有する導電性多孔体と、前記導電性多孔体に保持された金属ナノ粒子とを有し、前記導電性多孔体の表面において前記電子伝導体および前記イオン伝導性固体電解質と接している前記金属ナノ粒子の量が、前記導電性多孔体の内部に含まれる前記金属ナノ粒子の量よりも多いことを特徴とする。 The electrode of the present invention includes a conductive porous body having an electron conductor and an ion conductive solid electrolyte, and metal nanoparticles held by the conductive porous body, and the electrons are formed on the surface of the conductive porous body. The amount of the metal nanoparticles in contact with the conductor and the ion conductive solid electrolyte is larger than the amount of the metal nanoparticles contained in the conductive porous body.
金属ナノ粒子は、電子伝導体と接することで触媒として機能する。また、金属ナノ粒子はイオン伝導性固体電解質と接することで、金属ナノ粒子(触媒)表面で生じたイオンがイオン伝導性固体電解質へスムーズに移動できる。したがってこのような電極では、大きな流量の反応ガスと接する導電性多孔体の表面に、電子伝導体およびイオン伝導性固体電解質と接している金属ナノ粒子が多く偏在するので、触媒として機能する金属ナノ粒子、イオン伝導性固体電解質及び反応ガスで構成される三相界面が高い頻度で存在し、金属ナノ粒子の量(触媒金属の量)に対する反応ガスのイオンへの変換量が向上する。 A metal nanoparticle functions as a catalyst by contacting with an electronic conductor. Further, when the metal nanoparticles are in contact with the ion conductive solid electrolyte, ions generated on the surface of the metal nanoparticles (catalyst) can smoothly move to the ion conductive solid electrolyte. Therefore, in such an electrode, a large number of metal nanoparticles in contact with the electron conductor and the ion conductive solid electrolyte are unevenly distributed on the surface of the conductive porous body in contact with the reaction gas at a large flow rate. A three-phase interface composed of particles, an ion conductive solid electrolyte, and a reaction gas exists at a high frequency, and the conversion amount of the reaction gas into ions with respect to the amount of metal nanoparticles (amount of catalyst metal) is improved.
本発明における導電性多孔体の表面とは、導電性多孔体がガスと接する面のことであり、導電性多孔体が有する貫通孔の表面を含む。また、本発明における導電性多孔体の内部とは、導電性多孔体におけるガスと接さない部分のことである。 The surface of the conductive porous body in the present invention is a surface where the conductive porous body is in contact with the gas, and includes the surface of the through hole of the conductive porous body. Moreover, the inside of the conductive porous body in the present invention is a portion that does not come into contact with the gas in the conductive porous body.
本発明におけるイオン伝導性固体電解質とは、イオンの移動による電気伝導性を発現する固体である。ここで固体とは、ゲルを含む。ゲルは、架橋構造の高分子の間隙に液体を含んだ物質であり、高い粘性を持つので流動性を失って系全体として固体状である。 The ion conductive solid electrolyte in the present invention is a solid that exhibits electrical conductivity due to movement of ions. Here, the solid includes a gel. A gel is a substance containing a liquid in the gap between polymers having a cross-linked structure, and has a high viscosity, so it loses fluidity and is solid as a whole system.
また、本発明の電極は、前記導電性多孔体の表面において、前記金属ナノ粒子が前記電子伝導体の露出した表面に保持されていることが好ましい。金属ナノ粒子が触媒として機能するには電子伝導体と接している必要があるので、このような構成とすることで、金属ナノ粒子を効率よく触媒として機能させることができ、金属ナノ粒子の量を低減することができる。また、このような構成は、金属ナノ粒子を電子伝導体表面に電析させることにより容易に作ることができる。 In the electrode of the present invention, it is preferable that the metal nanoparticles are held on the exposed surface of the electron conductor on the surface of the conductive porous body. Since the metal nanoparticles need to be in contact with the electron conductor in order to function as a catalyst, this configuration allows the metal nanoparticles to function efficiently as a catalyst, and the amount of metal nanoparticles Can be reduced. Such a configuration can be easily made by electrodepositing metal nanoparticles on the surface of the electron conductor.
本発明の電極は、前記イオン伝導性固体電解質が、イオン液体を固形化あるいは重合したものが好ましい。イオン液体は蒸発しないので、水補給などのメンテナンスが不要であり信頼性が高く、動作温度を100℃以上とすることも可能である。 In the electrode of the present invention, the ion conductive solid electrolyte is preferably obtained by solidifying or polymerizing an ionic liquid. Since the ionic liquid does not evaporate, maintenance such as replenishment of water is unnecessary, the reliability is high, and the operating temperature can be 100 ° C. or higher.
本発明の電気化学デバイスは、イオン伝導性固体電解質と上記の電極を用いる。これにより、金属ナノ粒子の量(触媒金属の量)が少なくても、反応ガスのイオンへの変換効率の良い電気化学デバイスを提供することができる。 The electrochemical device of the present invention uses an ion conductive solid electrolyte and the above electrode. Thereby, even if there is little quantity of metal nanoparticles (amount of catalyst metal), an electrochemical device with good conversion efficiency of reaction gas to ions can be provided.
本発明によれば、触媒量が少なくても、反応ガスのプロトンへの変換効率の良い電極、およびその電極を用いた電気化学デバイスを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if there is little catalyst amount, the electrode with the high conversion efficiency of the reaction gas to the proton, and the electrochemical device using the electrode can be provided.
本発明を実施するための好適な形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 Preferred embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the contents described in the following embodiments. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are equivalent. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined. In addition, various omissions, substitutions, or changes of components can be made without departing from the scope of the present invention.
図1に、本発明の電気化学デバイスの一例としての燃料電池1の模式図を示す。図1に示すように、燃料電池1は、イオン伝導性固体電解質膜2の両側(アノード側及びカソード側)に、金属ナノ粒子付電極3、ガス拡散電極4、セパレータ6とセパレータ6内に設けられたガス流路5を備える。
In FIG. 1, the schematic diagram of the
ここでは反応ガスに水素ガスと酸素ガスを例にとって説明する。アノード側ではガス流路5に水素ガスが導入され、水素ガスが、ガス拡散電極4の間隙を拡散・移動し、金属ナノ粒子付電極3内に拡散してプロトンに酸化される。プロトンは、イオン伝導性固体電解質膜2を移動して、カソード側に至る。カソード側ではガス流路5に酸素ガスが導入され、酸素ガスが、ガス拡散電極4の間隙を拡散・移動し、金属ナノ粒子付電極3内に拡散して酸素イオンに還元される。酸素イオンは、イオン伝導性固体電解質膜2を移動してカソード側に至ったプロトンと反応して水となり、排出される。これら一連の反応で、アノードとカソードの間に電位差が生まれる。アノードとカソードの間に外部負荷、例えば電球を接続すると、電球に電流が流れ発光する。ここで、ガス拡散電極4にはカーボンファイバーなど酸化されにくい安定な多孔質の導電性物質を用いることが好ましい。
Here, hydrogen gas and oxygen gas will be described as examples of the reaction gas. On the anode side, hydrogen gas is introduced into the
次に、本発明の電気化学デバイスの他の例として水素センサの例について説明する。 Next, an example of a hydrogen sensor will be described as another example of the electrochemical device of the present invention.
図2に、水素センサ7の模式図を示す。水素センサには、電流検出型と電圧検出型があるが、ここでは電流検出型を例にとって説明する。水素センサ7は、イオン伝導性固体電解質膜2の両側(アノード側及びカソード側)に、金属ナノ粒子付電極3およびガス拡散電極4を備え、更に参照電極8および外部回路9を備える。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the
ここでは外部回路9にポテンシオスタットを用いる。ポテンシオスタットは、作用極を参照電極8に対する任意の電位に制御して、作用極と対極間に流れる電流を計測できる。この電流は電気化学反応の反応速度に比例し、水素ガスがプロトンに酸化される電流値を計測し、水素ガス濃度を求めることができる。ポテンシオスタットの作用極端子Wにアノード側のガス拡散電極4を、参照電極端子Rに水素センサの参照電極8を、対極端子Cにカソード側のガス拡散電極4を接続する。参照電極8は一定の電位を示すので、これを基準に作用極であるアノード側のガス拡散電極4と金属ナノ粒子付電極3を水素がプロトンに酸化される電位に保持する。アノード側のガス拡散電極4の間隙を水素ガスが拡散・移動し、金属ナノ粒子付電極3内に拡散してプロトンに酸化される。プロトンは、イオン伝導性固体電解質膜2内を移動して、カソード側に至る。カソード側では酸素ガスを含む空気が導入され、ガス拡散電極4の間隙を酸素ガスが拡散・移動し、金属ナノ粒子付電極3内に拡散して酸素イオンに還元され、イオン伝導性固体電解質膜2を移動してカソード側に至ったプロトンと反応して水となり、排出される。この一連の電気化学反応から外部回路9であるポテンシオスタットで検出された電流値から、予め作っておいた検量線を用いて水素ガス濃度を求める。電流値から水素ガスへの計算をソフトウエアを用いてコンピュータで行っても良い。
Here, a potentiostat is used for the
次に、本発明の電極の一例である本実施形態の金属ナノ粒子付電極3について説明する。図3に本実施形態の金属ナノ粒子付電極3の概念図を示す。これに対して、図4に触媒金属13x、導電性多孔体12xを構成するカーボン10xおよびイオン伝導性固体電解質11xである高分子電解質からなる触媒インクを、単に混合することによって製造している従来の電極3xの概念図を示す。
Next, the metal nanoparticle-attached
図3に示されるように、本実施形態の金属ナノ粒子付電極3は、電子伝導体10およびイオン伝導性固体電解質11を有する導電性多孔体12と、導電性多孔体12に保持された金属ナノ粒子13とを有する。導電性多孔体12の表面において金属ナノ粒子13の一部が電子伝導体10およびイオン伝導性固体電解質11と接して保持され、導電性多孔体12の表面において電子伝導体10およびイオン伝導性固体電解質11と接している金属ナノ粒子13の量が、導電性多孔体12の内部に含まれる金属ナノ粒子13の量よりも多くなっている。本実施形態の金属ナノ粒子付電極3では、導電性多孔体12の表面に金属ナノ粒子13が保持され、導電性多孔体12の内部には金属ナノ粒子13が含まれていない。また、導電性多孔体12の表面において、金属ナノ粒子13が電子伝導体10の露出した表面に保持されている。また、金属ナノ粒子13は触媒活性を有する。
As shown in FIG. 3, the
これに対して、図4に示されるように、従来の電極3xは、電子伝導体であるカーボン10x、イオン伝導性固体電解質11xおよび触媒金属13xを混合して作製されるため、触媒金属14は導電性多孔体12xの表面だけでなく内部にも均一に存在する。
On the other hand, as shown in FIG. 4, the
電子伝導体10は触媒である金属ナノ粒子13に電子を供給する機能をもつ。金属ナノ粒子13は、触媒活性を有し、反応ガスをイオンに変換する。イオン電導性固体電解質11は、反応ガスから変換されたイオンを伝導する。
The
導電性多孔体12は、孔として貫通孔を有する多孔体であり、反応ガスが貫通孔の内部をスムーズに流れるようになっている。本実施形態における導電性多孔体12の表面とは、導電性多孔体12が反応ガスと接する面のことであり、導電性多孔体12が有する貫通孔の表面を含む。また、本実施形態における導電性多孔体12の内部とは、導電性多孔体12における反応ガスと接さない部分のことである。
The conductive
電子伝導体10は、金属、無機化合物、カーボンなどの固体であればよい。また、電子伝導体10は、劣化、腐食、酸化、水素脆化などの化学変化や物理的破壊などに耐えるために、カーボン粒子を結着させたものが好ましく使用できる。カーボン粒子は、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、メソフェーズピッチ、黒鉛、軟黒鉛化炭素などが好ましい。また、炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなども用いることが出来る。
The
金属ナノ粒子13は、触媒活性のある金属であればよい。例えば、白金、金、イリジウム、ロジウム、オスミウム、パラジウム、銀、ロジウム、ルテニウム、ニッケル、銅、コバルト、鉄などの遷移金属、あるいはこれらの群から選ばれる金属混合物、あるいはこれらの群から選ばれる合金が挙げられる。金属ナノ粒子13の大きさは、粒径が、1〜1000nm、好ましくは3〜100nm、更に好ましくは、5〜20nmである。粒径が小さいと解析が困難であり、粒径が大きいと同じ触媒活性をもつのに総金属量が増加する。
The
イオン伝導性固体電解質膜2およびイオン伝導性固体電解質11は、プロトンなどのイオンの移動による電気伝導性を発現する固体である。ここで固体は、ゲルを含む。ゲルは、架橋構造の高分子の間隙に液体を含んだ物質であり、高い粘性を持つので流動性を失って系全体として固体状である。例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ホスホン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリサルホン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、SEBS(スチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレンの略)のスルホン化物、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリエーテルイミド、スルホン化ポリイミド、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、イオン液体の固形物などが挙げられる。
The ion conductive
イオン伝導性固体電解質膜2およびイオン伝導性固体電解質11は、イオン液体をゲル化あるいは重合した固形物を粒子化したものが好ましい。イオン液体は蒸発しないので、水補給などのメンテナンスが不要であり信頼性が高く、動作温度を100℃以上とすることも可能である。イオン液体のゲル化は、イオン液体にゲル化剤を添加してなされる。ゲル化剤は、たとえば熱重合可能な重合基を一分子あたり2個以上有するモノマー、またはオリゴマー、共重合オリゴマーなどが挙げられる。このゲル化成分としては、アクリル系高分子を形成する、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、プロピレングリコールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、1,3−ブタンジオールジアクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレートなどの2官能アクリレート、また、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレートなどの3官能アクリレート、また、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレートなどの4官能アクリレート、および、上記メタクリレートモノマーなどが挙げられる。これらの他に、ウレタンアクリレート、ウレタンメタクリレートなどのモノマー、これらの共重合体オリゴマーやアクリロニトリルとの共重合体オリゴマーが挙げられる。また、ポリフッ化ビニリデンやポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、スルホン酸化ポリイミドなどの、可塑剤に溶解させ、ゲル化させることのできるポリマーも使用できる。
The ion conductive
イオン伝導性固体電解質膜2およびイオン伝導性固体電解質11に用いられるイオン液体は、反応ガスとして水素ガスが用いられる場合に、プロトン伝導性イオン液体が好ましい。プロトン伝導性イオン液体は、ブレンステッド酸とブレンステッド塩基を中和反応させて合成される。プロトン伝導性イオン液体は、活性が高いN−Hプロトンを備えるものが好ましい。プロトン伝導性イオン液体は、例えば次のカチオンとアニオンの塩が挙げられる。カチオンは、4,4’−トリメチレンジアミン、ピペリジン、ベンゾイミダゾール、1,2,4−トリアゾール、モルフォリン、ブチルアミン、ジプロピルアミン、ピリジン、イミダゾール、ピラゾール、ジエチルメチルアミントリエチルアンモニウム、ジエチルメチルアンモニウム、ジメチルエチルアンモニウム、エチルアンモニウム、a−ピコリニウム、ピリジニウム、1,8−ビス(ジメチルアミノ)ナフタレン、2,6−ジ−tert−ブチルピリジン、グアニジン、およびそれらの誘導体カチオンなどが挙げられる。アニオンは、リン酸、ホウフッ化水素酸、硫酸、硝酸、酢酸、トリフルオロメタンスルホネート、トリフルオロメチルスルホニルアミド、トリフルオロメタンスルホネート、及びフルオロハイドロジェネートテトラクロロアルミン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、メチルスルホナート、およびそれらの誘導体アニオンなどが挙げられる。
The ionic liquid used for the ion conductive
導電性多孔体12は、例えば、電子伝導体10であるカーボン粒子とイオン伝導性固体電解質11であるゲル化されたイオン液体で構成される。
The conductive
本実施形態の電極を作るためには、例えば、電子伝導体10の粒子とイオン伝導性固体電解質11の粒子を混合し、導電性多孔体12に成形した後、導電性多孔体12を電極として用いて金属ナノ粒子13をイオン液体中で導電性多孔体12の表面に電析させるとよい。導電性多孔体12の表面のうち、イオン液体に接触する電子伝導体10の表面に金属ナノ粒子13が電析する。電子伝導体10の表面のうちイオン伝導性固体電解質11と接触している表面はイオン液体に接触することはできないが、イオン液体に接触する表面、すなわち、後にガスと接触する露出した表面(イオン伝導性固体電解質11から露出した表面)には、金属ナノ粒子13が電析できる。これにより、金属ナノ粒子13が電子伝導体10の露出した表面に保持される。
In order to make the electrode of this embodiment, for example, the particles of the
電子伝導体10の表面に電析した金属ナノ粒子13の一部、すなわち電子伝導体10とイオン伝導性固体電解質11との境界付近の金属ナノ粒子13は、電子伝導体10とイオン伝導性固体電解質11の両方に接する。その結果、金属ナノ粒子13とイオン伝導性固体電解質11と反応ガスの三相界面を導電性多孔体12の表面に効率よく作製することができる。また、イオン液体からは触媒である金属ナノ粒子13を電析させることが可能である。イオン液体の中には、金属に強く吸着したり、金属イオンに配位したりする、金属とのインヒビションが強いものがある。その作用のために金属は核形成に留まり、結晶成長を継続できないため、ナノ粒子が電析される。触媒活性の高い白金などの金属をナノ粒子にすると、その比表面積の大きさから、少ない触媒量でも大きな触媒活性を有することができる。
A part of the
次に、本実施形態の電極3の作用について説明する。本実施形態の金属ナノ粒子付電極3は、導電性多孔体12の表面において電子伝導体10およびイオン伝導性固体電解質11と接している金属ナノ粒子13の量が、導電性多孔体12の内部に含まれる金属ナノ粒子13の量よりも多くなっている。金属ナノ粒子13は、電子伝導体10と接することで触媒として機能する。また、金属ナノ粒子13はイオン伝導性固体電解質11と接することで、触媒である金属ナノ粒子13の表面で生じたイオンがイオン伝導性固体電解質11へスムーズに移動できる。
Next, the effect | action of the
したがって、このような電極3では、大きな流量の反応ガスと接する導電性多孔体12の表面に、電子伝導体10およびイオン伝導性固体電解質11と接している金属ナノ粒子13が多く偏在するので、触媒として機能する金属ナノ粒子13、イオン伝導性固体電解質11及び反応ガスで構成される三相界面が高い頻度で存在し、金属ナノ粒子13の量(触媒金属の量)に対する反応ガスのイオンへの変換量が向上する。
Therefore, in such an
一方、従来の電極3xは、触媒金属13x、電子伝導体であるカーボン10xおよびイオン伝導性固体電解質11xを単に混合して製造されている。この製造方法では、ガスの反応場となる、触媒金属13x、触媒金属13x、イオン伝導性固体電解質11xからなる三相界面は、偶然作り出されるものである。すなわち、触媒金属13xの表面で生成したプロトンの近傍には必ずしもイオン伝導性固体電解質11xが存在するとは限らないので、触媒金属13xの表面とイオン伝導性固体電解質11xとの距離が、触媒金属13xの表面で生じたプロトンがイオン伝導性固体電解質11xへ移動できる距離となるような三相界面が作られる頻度は必ずしも高いとは言えない。
On the other hand, the
図5は、本実施形態の電極3の一部の拡大図である。また、図6は、従来の電極3xの一部拡大図である。図5では、金属ナノ粒子13、イオン伝導性固体電解質11及び反応ガスで構成される三相界面16を示している。図6では、触媒金属13x、イオン伝導性固体電解質11x及び反応ガスで構成される三相界面16を示している。両者の触媒、イオン伝導性固体電解質、ガスで構成される三相界面16xを示している。図5に示すように、本実施形態の電極3では、三相界面16はイオン伝導性固体電解質11の周囲にわたる。しかし、図6で示すように、従来の電極3xでは、三相界面16xは偶然形成され、その領域は決して多くはない。
FIG. 5 is an enlarged view of a part of the
また、本実施形態の金属ナノ粒子付電極3は、導電性多孔体12の表面において、金属ナノ粒子13が電子伝導体10の露出した表面に保持されている。金属ナノ粒子13が触媒として機能するには電子伝導体10と接している必要があるので、このような構成とすることで、金属ナノ粒子13を効率よく触媒として機能させることができ、金属ナノ粒子13の量を低減することができる。また、このような構成は、金属ナノ粒子13を電子伝導体10の表面に電析させることにより容易に作ることができる。
Further, in the
本実施形態では、導電性多孔体12の内部に金属ナノ粒子13が含まれていない例について説明したが、導電性多孔体12の内部に金属ナノ粒子13が含まれていても良い。導電性多孔体12の内部に金属ナノ粒子13が含まれていても、導電性多孔体12の表面において電子伝導体10およびイオン伝導性固体電解質11と接している金属ナノ粒子13の量が、導電性多孔体12の内部に含まれる金属ナノ粒子13の量よりも多くなっていれば、触媒量が少なくても、反応ガスのイオンへの変換効率の良い電極を提供することができる。
In the present embodiment, an example in which the
本実施形態では、反応ガスとして水素と酸素の例で説明したが、反応ガスは、水素や酸素のほかに、メタン、プロパン、エチレンなどの炭化水素、メタノールなどのアルコール、二酸化炭素、大気・水質汚染有機物などが挙げられる。それらを適用できる電気化学デバイスは、炭化水素やメタノール酸化電極を備える燃料電池や電気化学センサ、二酸化炭素還元電極を備える人工光合成デバイスや二酸化炭素センサ、大気・水質を汚染する有機物を酸化・還元により分解する汚染有機物除去デバイスなど、燃料電池と水素センサ以外の適用も考えられる。 In the present embodiment, hydrogen and oxygen have been described as examples of the reaction gas. However, the reaction gas includes hydrocarbons such as methane, propane and ethylene, alcohols such as methanol, carbon dioxide, air and water quality in addition to hydrogen and oxygen. Examples include contaminated organic matter. Electrochemical devices to which they can be applied include fuel cells and electrochemical sensors equipped with hydrocarbon and methanol oxidation electrodes, artificial photosynthesis devices and carbon dioxide sensors equipped with carbon dioxide reduction electrodes, and oxidation and reduction of organic substances that pollute the atmosphere and water quality. Applications other than fuel cells and hydrogen sensors are also conceivable, such as decontaminated organic substance removal devices.
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されない。 Examples are shown below, but the present invention is not limited thereto.
(実施例1)
ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネートにスルホン酸化ポリイミドを溶解させ、厚さ25μmに調整されたイオン液体電解質膜を作製した。
Example 1
A sulfonated polyimide was dissolved in diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate to prepare an ionic liquid electrolyte membrane adjusted to a thickness of 25 μm.
ポリテトラフルオロエチレンディスパージョン(ダイキン工業株式会社製)、アセチレンブラック(電気化学株式会社製、粒径40〜50nm)を、アセチレンブラック:PTFE=7:3(重量比)になるように混合し、混合物10gに水(100mL)およびトリトン(登録商標)X−100(アルドリッチ・ケミカル製)(1g)を混合し、更に、ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネートにスルホン酸化ポリイミドを溶解させた電解質を5g混合した。次いで、この混合物を撹拌混合、乾燥して粉砕した。この粉砕物に、粒子径1μm以上の塩化ナトリウムを80重量%以上含む塩化ナトリウム粉末をPTFE担持カーボンブラック:NaCl粉末=1:4(重量比)で混合し、ナフサをPTFE担持カーボン1gに対し6mL添加し混合した。次いで、この混合物を厚さ0.3mmのシートに成形し、250℃1時間乾燥後、350℃5分間焼結した。焼結シートを十分な量のエチルアルコール80容量%/蒸留水20容量%混合溶媒に浸漬し、シート中の塩化ナトリウムを溶出させ、乾燥し、導電性多孔電極を得た。 Polytetrafluoroethylene dispersion (manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Co., Ltd., particle size 40-50 nm) were mixed so that acetylene black: PTFE = 7: 3 (weight ratio), 10 g of the mixture was mixed with water (100 mL) and Triton (registered trademark) X-100 (manufactured by Aldrich Chemical) (1 g), and further 5 g of an electrolyte in which sulfonated polyimide was dissolved in diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate was mixed. . Subsequently, this mixture was stirred and mixed, dried and pulverized. To this pulverized product, a sodium chloride powder containing 80% by weight or more of sodium chloride having a particle size of 1 μm or more was mixed in a PTFE-supported carbon black: NaCl powder = 1: 4 (weight ratio), and naphtha was added in an amount of 6 mL to 1 g of PTFE-supported carbon. Added and mixed. Next, this mixture was formed into a sheet having a thickness of 0.3 mm, dried at 250 ° C. for 1 hour, and then sintered at 350 ° C. for 5 minutes. The sintered sheet was immersed in a sufficient amount of 80% by volume of ethyl alcohol / 20% by volume of distilled water, and sodium chloride in the sheet was eluted and dried to obtain a conductive porous electrode.
テトラアンミン白金(II )塩化物水和物( 2.3mmol)と銀トリフルオロメタンスルホネート(4.6mmol)を50mLの水に溶解し攪拌した。塩化銀の白色沈殿をろ過し、ろ液を24時間、減圧下で130℃に加熱乾燥させ、白金トリフルオロメタンスルホネートを得た。この白金トリフルオロメタンスルホネートをジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネートに0.01M溶解させたのち、この溶液を導電性多孔電極に均一に塗布した。導電性多孔電極、対極にカーボンシート、電解液にジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネートを用い、電解槽を構成した。導電性多孔電極が対極に対して負の電位となるよう、電圧をかけて導電性多孔電極表面に白金ナノ粒子を析出させた。この後、電解液を除き、金属ナノ粒子付導電性多孔電極を作製した。電析電気量から求めた白金ナノ粒子の析出量は1.4gであった。 Tetraammineplatinum (II) chloride hydrate (2.3 mmol) and silver trifluoromethanesulfonate (4.6 mmol) were dissolved in 50 mL of water and stirred. The white precipitate of silver chloride was filtered, and the filtrate was dried by heating at 130 ° C. under reduced pressure for 24 hours to obtain platinum trifluoromethanesulfonate. After 0.01 M of this platinum trifluoromethanesulfonate was dissolved in diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate, this solution was uniformly applied to the conductive porous electrode. An electrolytic cell was constructed using a conductive porous electrode, a carbon sheet as the counter electrode, and diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate as the electrolyte. Platinum nanoparticles were deposited on the surface of the conductive porous electrode by applying a voltage so that the conductive porous electrode had a negative potential with respect to the counter electrode. Thereafter, the electrolytic solution was removed to prepare a conductive porous electrode with metal nanoparticles. The amount of platinum nanoparticles deposited determined from the amount of electricity deposited was 1.4 g.
(実施例2)
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドにスルホン酸化ポリイミドを溶解させ、厚さ25μmに調整されたイオン液体電解質膜を作製した。
(Example 2)
A sulfonated polyimide was dissolved in 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide to prepare an ionic liquid electrolyte membrane adjusted to a thickness of 25 μm.
ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネートの代わりに、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドを用いる以外は、実施例1と同様の方法で、金属ナノ粒子付導電性多孔電極を作製した。電析電気量から求めた白金ナノ粒子の析出量は1.3gであった。 A conductive porous electrode with metal nanoparticles was prepared in the same manner as in Example 1 except that 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide was used instead of diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate. Produced. The amount of platinum nanoparticles deposited determined from the amount of electricity deposited was 1.3 g.
(比較例1)
厚さ25μmのナフィオン(Nafion)(登録商標)を電解質膜に用いた。
(Comparative Example 1)
A 25 μm thick Nafion (registered trademark) was used for the electrolyte membrane.
ポリテトラフルオロエチレンディスパージョン(ダイキン工業株式会社製)、アセチレンブラック(電気化学株式会社製、粒径40〜50nm)を、アセチレンブラック:PTFE=7:3(重量比)になるように混合し、混合物10gに水(100mL)およびトリトン(登録商標)X−100(アルドリッチ・ケミカル製)(1g)を混合し、更に、電解質含有率が10質量%で水含有率が90質量%であるナフィオン(Dupont製DE−1020)(登録商標)ディスパージョンを5g、白金を担持した電極触媒(白金含有率:46質量%)5gを加えて混合した。次いで、この混合物を撹拌混合、乾燥して粉砕した。この粉砕物に、粒子径1μm以上の塩化ナトリウムを80重量%以上含む塩化ナトリウム粉末をPTFE担持カーボンブラック:NaCl粉末=1:4(重量比)で混合し、ナフサをPTFE担持カーボン1gに対し6mL添加し混合した。次いで、この混合物を厚さ0.3mmのシートに成形し、250℃1時間乾燥後、350℃5分間焼結した。焼結シートを十分な量のエチルアルコール80容量%/蒸留水20容量%混合溶媒に浸漬し、シート中の塩化ナトリウムを溶出させ、乾燥し、導電性多孔電極を得た。この導電性多孔電極の白金含有量は、5g×0.46=2.3gである。
Polytetrafluoroethylene dispersion (manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Co., Ltd., particle size 40-50 nm) were mixed so that acetylene black: PTFE = 7: 3 (weight ratio), Water (100 mL) and Triton (registered trademark) X-100 (manufactured by Aldrich Chemical) (1 g) were mixed with 10 g of the mixture, and further, Nafion (
(比較例2)
ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネートにスルホン酸化ポリイミドを溶解させ、厚さ25μmに調整されたイオン液体電解質膜を作製した。
(Comparative Example 2)
A sulfonated polyimide was dissolved in diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate to prepare an ionic liquid electrolyte membrane adjusted to a thickness of 25 μm.
ポリテトラフルオロエチレンディスパージョン(ダイキン工業株式会社製)、アセチレンブラック(電気化学株式会社製、粒径40〜50nm)を、アセチレンブラック:PTFE=7:3(重量比)になるように混合し、混合物10gに水(100mL)およびトリトン(登録商標)X−100(アルドリッチ・ケミカル製)(1g)を混合し、更に、ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネートにスルホン酸化ポリイミドを溶解させた電解質を5g、白金を担持した電極触媒(白金含有率:46質量%)5gを混合した。次いで、この混合物を撹拌混合、乾燥して粉砕した。この粉砕物に、粒子径1μm以上の塩化ナトリウムを80重量%以上含む塩化ナトリウム粉末をPTFE担持カーボンブラック:NaCl粉末=1:4(重量比)で混合し、ナフサをPTFE担持カーボン1gに対し6mL添加し混合した。次いで、この混合物を厚さ0.3mmのシートに成形し、250℃1時間乾燥後、350℃5分間焼結した。焼結シートを十分な量のエチルアルコール80容量%/蒸留水20容量%混合溶媒に浸漬し、シート中の塩化ナトリウムを溶出させ、乾燥し、導電性多孔電極を作製した。この導電性多孔電極の白金含有量は、5g×0.46=2.3gである。 Polytetrafluoroethylene dispersion (manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Co., Ltd., particle size 40-50 nm) were mixed so that acetylene black: PTFE = 7: 3 (weight ratio), 10 g of the mixture was mixed with water (100 mL) and Triton (registered trademark) X-100 (manufactured by Aldrich Chemical) (1 g), and further 5 g of an electrolyte in which sulfonated polyimide was dissolved in diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate, platinum Was mixed with 5 g of an electrode catalyst (platinum content: 46% by mass). Subsequently, this mixture was stirred and mixed, dried and pulverized. To this pulverized product, a sodium chloride powder containing 80% by weight or more of sodium chloride having a particle size of 1 μm or more was mixed in a PTFE-supported carbon black: NaCl powder = 1: 4 (weight ratio), and naphtha was added in an amount of 6 mL to 1 g of PTFE-supported carbon. Added and mixed. Next, this mixture was formed into a sheet having a thickness of 0.3 mm, dried at 250 ° C. for 1 hour, and then sintered at 350 ° C. for 5 minutes. The sintered sheet was immersed in a sufficient amount of a mixed solvent of 80% by volume of ethyl alcohol / 20% by volume of distilled water to elute sodium chloride in the sheet and dried to prepare a conductive porous electrode. The platinum content of this conductive porous electrode is 5 g × 0.46 = 2.3 g.
実施例1、2、比較例1および2に記載した電極と電解質膜を燃料電池に用いた。実施例1、2および比較例2の燃料電池は、120℃でも発電できたが、比較例1の燃料電池では発電できなかった。 The electrodes and electrolyte membranes described in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were used for fuel cells. The fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 could generate power even at 120 ° C., but the fuel cell of Comparative Example 1 could not generate power.
また、実施例1、2および比較例2に記載した電極と電解質膜を用いた燃料電池の、120℃における特性は、セル電圧0.5Vにおいて電流密度は、順に、131、128、83mA/cm2であった。 In addition, the characteristics at 120 ° C. of the fuel cells using the electrodes and electrolyte membranes described in Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 are as follows: current density is 131, 128, 83 mA / cm at cell voltage 0.5 V in this order. 2 .
このように、本発明の金属ナノ粒子付多孔質電極を用いた燃料電池は、従来の触媒付多孔質電極よりも触媒量が少なくても、反応ガスのイオンへの変換効率が良いため、水素ガスのプロトンへの変換効率が良い。さらに、本発明の金属ナノ粒子付多孔質電極とイオン伝導性固体電解質であるイオン液体電解質膜を用いた燃料電池は、100℃以上の稼働温度でも優れた特性を有する。 Thus, the fuel cell using the metal nanoparticle-attached porous electrode of the present invention has a high conversion efficiency of the reaction gas to ions even if the catalyst amount is smaller than that of the conventional catalyst-attached porous electrode. The conversion efficiency of gas to proton is good. Furthermore, the fuel cell using the porous electrode with metal nanoparticles of the present invention and the ionic liquid electrolyte membrane which is an ion conductive solid electrolyte has excellent characteristics even at an operating temperature of 100 ° C. or higher.
また、実施例1、2、比較例1および2に記載した電極と電解質膜をそれぞれ用い、電気化学式水素センサを作製した。 Moreover, the electrochemical hydrogen sensor was produced using the electrodes and electrolyte membranes described in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, respectively.
25℃、70%RHにおける水素濃度500ppmを含む空気100mL/minに対し、実施例1、2、比較例1および2に記載した電極と電解質膜を用いた電気化学式水素センサが検出した電流密度は、順に、0.06、0.05、0.01、0.02μA/cm2であった。 The current density detected by the electrochemical hydrogen sensor using the electrode and electrolyte membrane described in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 and 2 for 100 mL / min of air containing 500 ppm of hydrogen at 25 ° C. and 70% RH is In this order, they were 0.06, 0.05, 0.01, and 0.02 μA / cm 2 , respectively.
25℃、0%RHにおける水素濃度500ppmを含む空気100mL/min1に対し、実施例1、2、比較例1および2に記載した電極と電解質膜を用いた電気化学式水素センサで検出し続けたところ、比較例1のセンサは検出開始から28hで検出電流密度が0.00μA/cm2に低下したが、実施例1、2および比較例2のセンサの検出開始から28h後の検出電流密度は、順に、0.06、0.05、0.02μA/cm2であった。 Detection was continued with an electrochemical hydrogen sensor using the electrode and electrolyte membrane described in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 and 2 for 100 mL / min 1 of air containing 500 ppm of hydrogen at 25 ° C. and 0% RH. However, in the sensor of Comparative Example 1, the detected current density decreased to 0.00 μA / cm 2 after 28 hours from the start of detection, but the detected current density after 28 hours from the start of detection of the sensors of Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 is , In order, 0.06, 0.05, 0.02 μA / cm 2 .
このように、本発明の金属ナノ粒子付多孔質電極を用いた水素センサは、従来の触媒付多孔質電極よりも触媒量が少なくても反応ガスのイオンへの変換効率が良いため、水素ガスの検出感度が良い。さらに、本発明の金属ナノ粒子付多孔質電極とイオン伝導性固体電解質であるイオン液体電解質膜を用いた水素センサは、長時間連続稼働させても優れた特性を有する。 As described above, the hydrogen sensor using the metal nanoparticle-attached porous electrode of the present invention has a higher conversion efficiency to the reaction gas ions even if the catalyst amount is smaller than that of the conventional catalyst-attached porous electrode. Good detection sensitivity. Furthermore, the hydrogen sensor using the porous electrode with metal nanoparticles of the present invention and the ionic liquid electrolyte membrane that is an ion conductive solid electrolyte has excellent characteristics even when operated continuously for a long time.
実施例と比較例および、実施例と比較例に記載の電極と電解質膜を用いた燃料電池と水素センサについて表1にまとめた。 Table 1 summarizes fuel cells and hydrogen sensors using the electrodes and electrolyte membranes described in Examples and Comparative Examples, and Examples and Comparative Examples.
1:燃料電池
2:イオン導電性固体電解質膜
3:金属ナノ粒子付電極
4:ガス拡散電極
5:ガス流路
6:セパレータ
7:水素センサ
8:参照電極
9:外部回路
10:電子伝導体
11:イオン伝導性固体電解質
12:導電性多孔体
13:金属ナノ粒子
16:三相界面
1: Fuel cell 2: Ion conductive solid electrolyte membrane 3: Electrode with metal nanoparticles 4: Gas diffusion electrode 5: Gas flow path 6: Separator 7: Hydrogen sensor 8: Reference electrode 9: External circuit 10: Electronic conductor 11 : Ion conductive solid electrolyte
12: Conductive porous material 13: Metal nanoparticles 16: Three-phase interface
Claims (4)
前記導電性多孔体の表面において前記電子伝導体および前記イオン伝導性固体電解質と接している前記金属ナノ粒子の量が、前記導電性多孔体の内部に含まれる前記金属ナノ粒子の量よりも多いことを特徴とする電極。 A conductive porous body having an electron conductor and an ion conductive solid electrolyte, and metal nanoparticles held in the conductive porous body,
The amount of the metal nanoparticles in contact with the electron conductor and the ion conductive solid electrolyte on the surface of the conductive porous body is larger than the amount of the metal nanoparticles contained in the conductive porous body. An electrode characterized by that.
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