JP2019160444A - 電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 - Google Patents
電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019160444A JP2019160444A JP2018041649A JP2018041649A JP2019160444A JP 2019160444 A JP2019160444 A JP 2019160444A JP 2018041649 A JP2018041649 A JP 2018041649A JP 2018041649 A JP2018041649 A JP 2018041649A JP 2019160444 A JP2019160444 A JP 2019160444A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- electrode catalyst
- gas diffusion
- electrode structure
- diffusion layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 111
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 16
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title abstract description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 title abstract 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 87
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 87
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 61
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 39
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 26
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 25
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 21
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 8
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 abstract 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 68
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 21
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 16
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 16
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 11
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 11
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 10
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 10
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 8
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 6
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 6
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 5
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 4
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 4
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 4
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 3
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 3
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920003934 Aciplex® Polymers 0.000 description 2
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 2
- 229910000575 Ir alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004693 Polybenzimidazole Substances 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- -1 alkyl sulfonic acid Chemical compound 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 238000000349 field-emission scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 2
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229920002480 polybenzimidazole Polymers 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 description 1
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 238000006864 oxidative decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 229920001643 poly(ether ketone) Polymers 0.000 description 1
- 229920000172 poly(styrenesulfonic acid) Polymers 0.000 description 1
- 229920006260 polyaryletherketone Polymers 0.000 description 1
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 description 1
- 229920005649 polyetherethersulfone Polymers 0.000 description 1
- 229920006389 polyphenyl polymer Polymers 0.000 description 1
- 229940005642 polystyrene sulfonic acid Drugs 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Catalysts (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
アノ−ド反応:2H2 → 4H++4e- (反応1)
カソ−ド反応:O2+4H++4e-→2H2O (反応2)
全反応 :2H2+O2→2H2O
また、本発明者らは特許文献4において、炭素材料からなるガス拡散層の表面に形成されたマイクロポーラス層(MPL)に、電子伝導性酸化物(酸化スズ)からなる担体を物理蒸着で担持し、この担体の上に選択的に電極触媒粒子を担持したPEFC用電極を報告している。このPEFC用電極では、酸化スズ等の電子伝導性酸化物が、PEFC作動条件(強酸性、高電位)で熱力学的に安定であるため酸化腐食されることなく長期間安定であり、かつ、炭素で構成され、電子伝導性に優れるマイクロポーラス層の上に酸化物担体が物理蒸着により形成され、酸化物担体の粒界による抵抗が小さくなるという利点がある。
<1> 炭素材料からなるシート状のガス拡散層と、前記ガス拡散層の片面に形成された炭素材料からなるマイクロポーラス層に形成された電極触媒層とを有する電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体であって、
前記電極触媒層が、マイクロポーラス層を構成する炭素材料に担持された金属系担体と、前記金属系担体に担持された電極触媒とを含む電極構造体。
<2> 前記金属系担体が、金属チタン又はチタン合金である<1>に記載の電極構造体。
<3> 前記金属系担体が、チタン複合酸化物である<1>に記載の電極構造体。
<4> 前記電極触媒が、貴金属触媒である<1>から<3>のいずれかに記載の電極構造体。
<5> <1>から<4>のいずれかに記載の電極構造体の製造方法であって、
前記金属系担体の担持を、アークプラズマ蒸着法によって行う工程を有する電極構造体の製造方法。
<6> 前記電極触媒の担持を、アークプラズマ蒸着法によって行う工程を有する<5>に記載の電極構造体の製造方法。
<7> 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記カソードとアノードの少なくとも一方として、<1>から<4>のいずれかに記載の電極構造体を用いてなる膜電極接合体。
<8> <7>に記載の膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池。
本発明は、炭素材料からなるシート状のガス拡散層と、前記ガス拡散層の片面に形成された炭素材料からなるマイクロポーラス層に形成された電極触媒層とを有する電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体であって、前記電極触媒層が、マイクロポーラス層を構成する炭素材料に担持された金属系担体と、前記金属系担体に担持された電極触媒とを含む電極構造体(以下、「本発明の電極構造体」と称す場合がある。)に関する。
金属系担体は、PEFCの運転条件において、十分な耐久性と電子伝導性を併せ持つ材料であればよい。金属系担体の詳細については後述する。
なお、本明細書において、PEFCの運転条件は、PEFCのカソード条件及びアノード条件の両方を含む。PEFCのカソード条件とは、PEFCの通常運転時のカソードにおける条件であり、温度が室温〜150℃程度、空気等の酸素を含むガスが供給される条件(酸化雰囲気)を意味し、アノード条件とは、PEFCの通常運転時のアノードにおける条件であり、温度が室温〜150℃程度、水素を含む燃料ガスが供給される条件(還元雰囲気)を意味する。
図2に本発明の電極構造体の断面模式図を示す。本発明の電極構造体は、炭素材料からなるシート状のガス拡散層と、前記ガス拡散層の片面に形成された炭素材料からなるマイクロポーラス層に形成された電極触媒層から構成される。
ガス拡散層は、炭素材料からなるシート状部材であり、その表面には炭素材料からなるマイクロポーラス層が形成されている。
ガス拡散層及びマイクロポーラス層には、燃料ガスや空気を提供するためのガス拡散性(ガス透過性)、発電により生成する水に対する撥水性、発生した電流をセパレータに集電させるための導電性を有する。
また、公知のマイクロポーラス層付のガス拡散層を使用してもよい。好適な市販品としては、例えば、SIGRACT Gas Diffusion Media社製、GDL25シリーズやGDL35シリーズを挙げることができる。
電極触媒層は、上記マイクロポーラス層に形成され、マイクロポーラス層を構成する炭素材料に担持された金属系担体と、金属系担体に担持された電極触媒とを含む。
金属系担体はマイクロポーラス層の表面及び/又は内部に存在する炭素材料に担持されていればよいが、マイクロポーラス層の表面(及び表面近傍の内部数μm程度)に担持されていてもよい。
電極触媒層の厚みは、ガス透過性を有し、かつ、十分な電極触媒作用が得られる範囲であればよく、使用する金属系担体の種類や、形成される電極触媒層の多孔性等を考慮して適宜決定される。通常、0.1〜20μm程度であり、好適には1〜5μmである。電極触媒層の厚みが薄すぎると電極触媒活性が不十分となり、厚すぎるとガス拡散性が不十分となるため好ましくない。
PEFCのカソード条件とは、PEFCの通常運転時のカソードにおける条件であり、温度が室温〜150℃程度、空気等の酸素を含むガスが供給される条件(酸化雰囲気)を意味し、アノード条件とは、PEFCの通常運転時のアノードにおける条件であり、温度が室温〜150℃程度、水素を含む燃料ガスが供給される条件(還元雰囲気)を意味する。
ドープされる元素として、具体的には、Sn,Sb,Nb,Ta,W,In,V,Cr,Mn,Moなどが挙げられる。ドープされる元素は、母体酸化物であるTiより価数が高い元素であり、好適にはNbが選択される。
すなわち、ニオブを含有するチタン複合酸化物(Ti(Nb)O2)は、好適な金属系担体の一形態である。Nbのドープ量は、0.1〜20mol%である。
なお、金属系担体の担持量は、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(ICP)によって調べることができる。
アークプラズマ蒸着法では、電子の発生にガスを用いず、超高真空環境を保つことができ、プラズマのイオン化率が高く、ターゲットを構成する原材料と同様の組成の蒸着粒子を被担持対象物に密着性よく担持することができる。
金属系担体をアークプラズマ蒸着する場合、マイクロポーラス層を有さないガス拡散層では、蒸着種である気体状の金属系担体の構成原料がガス拡散層内部にまで拡散し、表面近傍に集中して金属系担体を担持することが困難であるが、ガス拡散層と比較して高密度であるマイクロポーラス層では、内部において気体状の金属系担体の構成原料が拡散しづらいため、マイクロポーラス層の表面(及び表面近傍の内部数μm程度)に集中的に金属系担体を担持することができる。
電極触媒は、上記金属系担体に担持することができ、本発明の電極触媒構造体の使用時に化学的に安定であり、酸素の還元(及び水素の酸化)に対する電気化学的触媒活性を有するものであれば、貴金属系触媒、非貴金属系触媒のいずれでもよい。
電極触媒として、好適には、Pt,Ru,Ir,Pd,Rh,Os,Au,Ag等の貴金属、及びこれらの貴金属を含む合金が挙げられる。なお、「貴金属を含む合金」とは「上記の貴金属のみからなる合金」と、「上記の貴金属とそれ以外の金属からなる合金で上記の貴金属を10質量%以上含む合金」を含む。貴金属と合金化させる上記「それ以外の金属」は、特に限定されないが、Co,Ni,Ti,W,Ta,Nb,Snを好適な例として挙げることができ、これらを1種類あるいは2種類以上を使用してもよい。また、分相した状態で2種類以上の上記貴金属及び貴金属を含む合金を使用してもよい。なお、上記貴金属、及びこれらの貴金属を含む合金を以下、「電極触媒金属」と呼ぶ場合がある。
電極触媒の形状の好適な態様は、電極触媒の形状が粒子状であり、具体的な形状として球形、楕円形、多面体等が挙げられる。
粒子状の電極触媒の大きさは、小さいほど電気化学反応が進行する有効表面積が増加するため、電気化学的触媒活性が高くなる傾向がある。しかし、その大きさが小さすぎると、電気化学的反応活性が低下する。粒子状の電極触媒の大きさは、平均粒子径として1.5〜10nm以下、好ましくは1.5〜5nmである。
なお、本発明における「粒子状の電極触媒の平均粒径」は、電子顕微鏡像より調べられる粒子状の電極触媒(20個)の粒子径の平均値により得ることができる。電子顕微鏡像による平均粒径算出時は、粒子の形状が、球形以外の場合は、粒子における最大長を示す方向の長さをその粒径とする。
金属系担体を島状又は膜状の電極触媒が被覆することで金属系担体をコア、電極触媒をシェルとするコアシェル構造が形成される。
電極触媒の担持方法の好適例としてはアークプラズマ蒸着が挙げられる。また、スパッタリング蒸着法、電子線蒸着法、熱加熱蒸着法、パルスレーザー蒸着法等の他の蒸着法であってもよい。
本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記カソードとアノードの少なくとも一方として、上記本発明の電極構造体であることを特徴とする。
なお、本発明の電極構造体は、電極触媒の担体として使用されている金属系担体がアノード条件、カソード条件のいずれでも安定であるため、アノードとカソードのいずれにも使用できるが、本発明の膜電極接合体は、少なくともカソードに本発明の電極構造体を使用することが好ましい。
本実施形態において、カソードは、本発明の電極構造体を用いているため、詳細な説明は省略する。より電極性能を高めるため、例えば、プロトン導電性材料を含む溶液を滴下する等の方法で、カソードの電極触媒層にプロトン導電性材料を付与してもよい。なお、アノードとして本発明の電極構造体を使用した場合には、カソードとしてその他の公知のカソードも使用できる。
炭化水素系高分子電解質材料としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン等が挙げられる。また、電解質膜として、無機系プロトン導電体であるリン酸塩、硫酸塩などからなる電解質膜を使用することもできる。
カソードとアノードの両方に本発明の電極構造体を使用し、これらに固体高分子電解質膜を挟み込んで圧着する膜電極接合体の製造方法であると、膜電極接合体の製造プロセスをすべてドライプロセスにすることができるという利点がある。すなわち、アークプラズマ蒸着法による金属系担体及び電極触媒の担持によって電極構造体を製造する工程と、電極構造体と固体高分子電解質膜との圧着する工程で、膜電極接合体が製造できるので、全行程を連続してドライプロセスとすることができる。これにより、膜電極接合体の製造コストの大幅な低減に寄与する。
アークプラズマ蒸着法では、マイクロポーラス層を構成する炭素材料に、金属系担体を密着性よく担持することができるため、金属系担体とマイクロポーラス層を構成する炭素材料との間の電気抵抗が小さくなる傾向にある。また、炭素系担体はPt等の電極触媒が固着しづらいのに対し、金属系担体であると担持された電極触媒の凝集が起こりづらい傾向にある。そのため、従来の場合と比較して、本発明の製造方法では、より電子伝導性に優れ、電極触媒粒子の凝集が起こりづらい電極触媒層を得ることができる。
1.電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体の製造
下記工程(1)、(2)により、実施例1の電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体を製造した。
図4(a)〜(f)にGDL35BCの断面及びGDL、MPLの表面のFE−SEM像を示す。
図4(a)からGDL35BCの全体厚さは約330.5μm、MPLの厚さは50〜60μm程度であることが確認できる。また、図4(c)、(d)からGDL表面は幅数十μm程度のファイバーが重なり合っており、十分な空隙を有することが確認されることからガスの拡散性も充分に保たれている。また、図4(b)、(e)、(f)からMPL表面は低倍率でみると空隙が確認できないが、高倍率でみると数十〜数百nm程度のカーボンが3次元的に層を形成しており、ガスの拡散性が保たれる程度の空隙が存在することが確認された。
マイクロポーラス層(MPL)付きのカーボンペーパー(GDL35BC)を用い、ターゲットとしてTi(Nb)O2(Ti:Nb=95:5(mol比)、10mmφ×17mmペレット)を用いて、アークプラズマ成膜装置(アルバック理工株式会社、型番:APD-1P-N2-S)により、アークプラズマ蒸着(電圧:100V、圧力:10-3Pa、充放電周波数:3Hz、充放電回数100回)を行い、MPLの表面に、Ti(Nb)O2担体を担持した。
工程(1)の後、ターゲットをPt(20mmφペレット)に代え、アークプラズマ蒸着(電圧:100V、圧力:10-3Pa、充放電周波数:3Hz)を行うことにより、Pt粒子をTi(Nb)O2担体に担持することによって、実施例1の電極構造体を得た。
実施例1の工程(1)において、ターゲットとしてTi(Nb)O2に代えて、Ti−Nb合金(Ti:Nb=95:5(mol比)、10mmφ×17mmペレット)を使用した以外は、実施例1と同様にして、実施例2の電極構造体を得た。
実施例1の工程(1)において、ターゲットとしてTi(Nb)O2に代えて、Ti(10mmφ×17mmペレット)を使用した以外は、実施例1と同様にして、実施例3の電極構造体を得た。
実施例1の工程(1)において、ターゲットとしてTi(Nb)O2に代えて、W(10mmφ×17mmペレット)を使用した以外は、実施例1と同様にして、実施例4の電極構造体を得た。
以下の通りにMEAを作製し、単セルによる発電実験(IV測定)を行った。固体電解質膜としてナフィオン膜(デュポン社製、ナフィオン212 厚さ51μm)を使用した。まず、標準触媒である46wt%Pt/C(田中貴金属工業株式会社、TEC10E50E)を、ナフィオン溶液を含む所定の有機溶媒に分散させて、アノード形成用の分散溶液を調合した。得られた分散溶液をナフィオン膜上にスプレー印刷して、所定の厚みのアノード(電極触媒層)をナフィオン膜上に作製した。
アノード(電極触媒層)の上には、ガス拡散層として撥水性カーボンペーパー(東レ社製,型番:EC−TP1−060T)を配置した。なお、アノードの形成において、Pt量が0.3mg/cm2になるように調整した。
カソードは、実施例1または実施例2の電極構造体を使用した。
実施例1または実施例2の電極構造体の電極触媒層が形成された面に所定量のナフィオンを含む溶液を滴下して電極触媒層部分にナフィオンを含ませたのちに、アノードを形成したナフィオン膜の反対面に、圧着させて、カソードを形成し、目的とするMEAを得た。
(アノード条件)
電極面積:1cm2
供給ガス種 :100% H2
ガス供給速度 :139mL/分
供給ガス加湿温度 :80℃(相対湿度:100%)
(カソード条件)
電極面積:1cm2
供給ガス種 :Air
ガス供給速度 :332mL/分
供給ガス加湿温度 :80℃(相対湿度:100%)
Claims (8)
- 炭素材料からなるシート状のガス拡散層と、前記ガス拡散層の片面に形成された炭素材料からなるマイクロポーラス層に形成された電極触媒層とを有する電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体であって、
前記電極触媒層が、マイクロポーラス層を構成する炭素材料に担持された金属系担体と、前記金属系担体に担持された電極触媒とを含むことを特徴とする電極構造体。 - 前記金属系担体が、金属チタン又はチタン合金である請求項1に記載の電極構造体。
- 前記金属系担体が、チタン複合酸化物である請求項1に記載の電極構造体。
- 前記電極触媒が、貴金属触媒である請求項1から3のいずれかに記載の電極構造体。
- 請求項1から4のいずれかに記載の電極構造体の製造方法であって、
前記金属系担体の担持を、アークプラズマ蒸着法によって行う工程を有することを特徴とする電極構造体の製造方法。 - 前記電極触媒の担持を、アークプラズマ蒸着法によって行う工程を有する請求項5に記載の電極構造体の製造方法。
- 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記カソードとアノードの少なくとも一方として、請求項1から4のいずれかに記載の電極構造体を用いてなることを特徴とする膜電極接合体。
- 請求項7に記載の膜電極接合体を備えてなることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018041649A JP6963811B2 (ja) | 2018-03-08 | 2018-03-08 | 電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018041649A JP6963811B2 (ja) | 2018-03-08 | 2018-03-08 | 電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019160444A true JP2019160444A (ja) | 2019-09-19 |
JP6963811B2 JP6963811B2 (ja) | 2021-11-10 |
Family
ID=67994112
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018041649A Active JP6963811B2 (ja) | 2018-03-08 | 2018-03-08 | 電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6963811B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021136148A1 (zh) * | 2019-12-31 | 2021-07-08 | 上海嘉资新材料有限公司 | 气体扩散层、其制备方法膜电极组件以及燃料电池 |
JP7461946B2 (ja) | 2018-11-26 | 2024-04-04 | ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ レランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティー | 高分子電解質燃料電池用の表面積が拡張された触媒層およびそのような触媒層の生成方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004363056A (ja) * | 2003-06-06 | 2004-12-24 | Nissan Motor Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用触媒担持電極とその製造方法 |
JP2007179963A (ja) * | 2005-12-28 | 2007-07-12 | Kasatani:Kk | 燃料電池用触媒の製造方法及び触媒の担持方法 |
JP2007203177A (ja) * | 2006-02-01 | 2007-08-16 | Hitachi Ltd | 触媒材料及びその製造方法とそれを用いた燃料電池 |
WO2015002287A1 (ja) * | 2013-07-05 | 2015-01-08 | 国立大学法人九州大学 | 燃料電池用電極及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
JP2016514346A (ja) * | 2013-02-21 | 2016-05-19 | ソルビコア・ゲーエムベーハー・ウント・コ・カーゲー | 電気化学装置中の腐食防止用バリア層 |
-
2018
- 2018-03-08 JP JP2018041649A patent/JP6963811B2/ja active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004363056A (ja) * | 2003-06-06 | 2004-12-24 | Nissan Motor Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用触媒担持電極とその製造方法 |
JP2007179963A (ja) * | 2005-12-28 | 2007-07-12 | Kasatani:Kk | 燃料電池用触媒の製造方法及び触媒の担持方法 |
JP2007203177A (ja) * | 2006-02-01 | 2007-08-16 | Hitachi Ltd | 触媒材料及びその製造方法とそれを用いた燃料電池 |
JP2016514346A (ja) * | 2013-02-21 | 2016-05-19 | ソルビコア・ゲーエムベーハー・ウント・コ・カーゲー | 電気化学装置中の腐食防止用バリア層 |
WO2015002287A1 (ja) * | 2013-07-05 | 2015-01-08 | 国立大学法人九州大学 | 燃料電池用電極及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7461946B2 (ja) | 2018-11-26 | 2024-04-04 | ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ レランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティー | 高分子電解質燃料電池用の表面積が拡張された触媒層およびそのような触媒層の生成方法 |
WO2021136148A1 (zh) * | 2019-12-31 | 2021-07-08 | 上海嘉资新材料有限公司 | 气体扩散层、其制备方法膜电极组件以及燃料电池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6963811B2 (ja) | 2021-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11831025B2 (en) | Catalyst, preparation method therefor, electrode comprising same, membrane-electrode assembly, and fuel cell | |
JP6209586B2 (ja) | 燃料電池に使用するための薄膜触媒材料 | |
EP1873849B1 (en) | Catalyst for a fuel cell, method of preparing the same, and membrane-electrode assembly and fuel cell system including the same | |
JP5055788B2 (ja) | 電極触媒 | |
JP5676334B2 (ja) | 層状触媒層、膜電極接合体、および電気化学セル | |
US9865882B2 (en) | Noble metal catalyst layer, membrane electrode assembly, and method for producing noble metal catalyst layer | |
JP5728452B2 (ja) | 電気化学セル用触媒層、膜電極接合体及び電気化学セル | |
EP3536664B1 (en) | Method for manufacturing electrode, electrode manufactured thereby, membrane-electrode assembly comprising same electrode, and fuel cell including same membrane-electrode assembly | |
JP2007123043A (ja) | 固体高分子型燃料電池の触媒層、その製造方法および固体高分子型燃料電池 | |
JP7228921B2 (ja) | 電極構造体の製造方法 | |
JP6971534B2 (ja) | 膜電極複合体および電気化学セル | |
JP2006252967A (ja) | 燃料電池用固体高分子電解質膜、および、これを用いた燃料電池 | |
JP5669432B2 (ja) | 膜電極接合体、燃料電池および燃料電池の活性化方法 | |
JP2007188768A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JP6963811B2 (ja) | 電極触媒層/ガス拡散層一体型の電極構造体及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 | |
JP6345663B2 (ja) | 燃料電池用電極及びその製造方法、並びに膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 | |
JP5755833B2 (ja) | 燃料電池用アノード触媒層 | |
JP2006196452A (ja) | 電極 | |
JP5805924B2 (ja) | 電解質膜−電極接合体 | |
JP2006079917A (ja) | 燃料電池用mea、および、これを用いた燃料電池 | |
JP2006079840A (ja) | 燃料電池用電極触媒、および、これを用いた燃料電池用mea | |
JP7218263B2 (ja) | 積層触媒、電極、膜電極複合体、電気化学セル、スタック、燃料電池及び水電解の可逆装置、車両及び飛翔体 | |
JP5388639B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池の触媒層、膜電極接合体及び燃料電池 | |
JP5458774B2 (ja) | 電解質膜−電極接合体 | |
JP2010198801A (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極、固体高分子型燃料電池用焼成膜の製造方法、固体高分子型燃料電池用電極の使用方法、及び、固体高分子型燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210304 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20210304 |
|
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20210312 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20210623 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210713 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210903 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20211005 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20211011 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6963811 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |