JP5520968B2 - アルカリ膜燃料電池のための触媒被覆膜(ccm)および触媒膜/層、ならびにそれらを作製する方法 - Google Patents
アルカリ膜燃料電池のための触媒被覆膜(ccm)および触媒膜/層、ならびにそれらを作製する方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5520968B2 JP5520968B2 JP2011551286A JP2011551286A JP5520968B2 JP 5520968 B2 JP5520968 B2 JP 5520968B2 JP 2011551286 A JP2011551286 A JP 2011551286A JP 2011551286 A JP2011551286 A JP 2011551286A JP 5520968 B2 JP5520968 B2 JP 5520968B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- membrane
- ccm
- catalyst
- ionomer
- silver
- 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.)
- Active
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims description 227
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims description 134
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 23
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 94
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 claims description 87
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 66
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 66
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 51
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 51
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 41
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 31
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 22
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 19
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 19
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 11
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 11
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 10
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 claims description 6
- 230000036571 hydration Effects 0.000 claims description 6
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 claims description 6
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 5
- 229920000412 polyarylene Polymers 0.000 claims description 5
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims description 5
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 5
- 125000000732 arylene group Chemical group 0.000 claims description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 3
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 150000005622 tetraalkylammonium hydroxides Chemical group 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 110
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 39
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 39
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 37
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 22
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 9
- 206010039509 Scab Diseases 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 5
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 5
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 201000000760 cerebral cavernous malformation Diseases 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- -1 hydroxide ions Chemical class 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 3
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 3
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 125000001453 quaternary ammonium group Chemical group 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 2
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000011949 solid catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 239000000908 ammonium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 238000010420 art technique Methods 0.000 description 1
- 150000001868 cobalt Chemical class 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000009718 spray deposition Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
- H01M4/881—Electrolytic membranes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/8668—Binders
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
- H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
- H01M4/8828—Coating with slurry or ink
- H01M4/8835—Screen printing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
- H01M4/886—Powder spraying, e.g. wet or dry powder spraying, plasma spraying
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
- H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
- H01M4/8896—Pressing, rolling, calendering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/9041—Metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
- H01M8/083—Alkaline fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1025—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon and oxygen, e.g. polyethers, sulfonated polyetheretherketones [S-PEEK], sulfonated polysaccharides, sulfonated celluloses or sulfonated polyesters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1032—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having sulfur, e.g. sulfonated-polyethersulfones [S-PES]
-
- 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
Description
本願は、2009年2月23日に出願された米国仮特許出願第61/154,622号に関し、この米国仮特許出願への優先権が主張され、その全体が本明細書に参考として援用される。本願は2009年6月3日に出願された米国特許出願第12/477,669号に関し、この米国仮特許出願への優先権が主張され、その全体が本明細書に参考として援用される。
本発明は、銀カソード触媒を用いて設計された、アルカリ膜燃料電池を提供する。
アルカリ膜燃料電池は、原理上、(1種または複数の)液体電解質を添加することなく動作することができ、それによって、水酸化物イオン(OH−)を伝導するように構成された十分水和したアニオン伝導膜のイオン伝導率に、完全に依拠する。液体電解質を含まない動作形態は、プロトン伝導膜電解質を用いるPEM燃料電池技術の幅広い選択肢が示すとおり、液体電解質をベースにした燃料電池に比べて強力な利点を有する。より確立され開発されたPEM燃料電池技術に比べ、アルカリ膜燃料電池(AMFC)には、高価な白金族の金属以外の触媒を使用することに関しおよび安価な金属ハードウェアを用いることに関し、大きな利点がある。例示的なAMFCは、2009年6月3日に出願されかつ本発明と同じ譲受人に譲渡された上述の米国特許出願第12/477,669号に記載されている。一方、AMFCは、より限定されたイオン伝導率を示すOH−イオン伝導ポリマーのその使用から生じた、重要な課題をもたらす。さらに、動作中のAMFCの水位に対するこのイオン伝導率の高い感受性が、さらなる課題をもたらす。イオン伝導率の課題は、触媒コーティング膜(CCM)を形成するために膜電解質の主要表面に結合する2つの触媒層の、組成および製作形態で特に現れる。これらの組成および製作の課題は、触媒層内の有効比イオン伝導率が典型的には膜電解質の場合よりも1桁小さいので、AMFCの設計でより深刻になる。これは、触媒層のイオン性材料が、その全体積の一部しか満たさないからである。さらに、触媒とイオノマー材料との混合から生じるイオン性網状構造の形態の正確な詳細は、多量の触媒の利用に必要であるように、イオン性網状構造が触媒層の厚みを通して有効なイオンアクセスを可能にするか否かを決定する。
本発明はまた、以下の項目を提供する。
(項目1)
アルカリ膜燃料電池(AMFC)において使用するための触媒被覆膜(CCM)であって、
アニオン伝導アルカリ膜と、
該膜に隣接して付着させられた触媒層であって、
(a)金属ナノ粉末、および
(b)イオン伝導イオノマー
を含む、触媒層と
を含む、触媒被覆膜(CCM)。
(項目2)
上記金属ナノ粉末が、銀含有ナノ粒子を含む、項目1に記載のCCM。
(項目3)
上記金属ナノ粉末が、約0.25g/cm 3 の有効密度を有する、項目1に記載のCCM。
(項目4)
上記イオノマーが、ポリ(アリーレン)主鎖を有するポリマーを含む、項目1に記載のCCM。
(項目5)
上記イオノマーと上記銀ナノ粒子との重量比が、約0から10%である、項目2に記載のCCM。
(項目6)
上記銀含有ナノ粒子が、銀合金を含む、項目2に記載のCCM。
(項目7)
上記銀ナノ粒子が、開放ナノ粉末構造を形成する、項目2に記載のCCM。
(項目8)
イオノマー:銀の体積比が、約1:0.7から約1:1.5の範囲にある、項目2に記載のCCM。
(項目9)
上記体積比が、約1:0.9から約1:1.1の範囲にある、項目8に記載のCCM。
(項目10)
上記銀含有ナノ粒子が上記イオン伝導イオノマーと混合され、スプレーにより上記アニオン伝導膜に付着させられるインクを形成する、項目2に記載のCCM。
(項目11)
上記膜が、加熱された真空テーブル上にインクを付着させる間位置決めされる、項目10に記載のCCM。
(項目12)
乾燥膜が溶媒に曝され、上記溶媒は、膜表面を選択的に膨潤させて上記膜表面への触媒層の結合を促進させる、項目11に記載のCCM。
(項目13)
上記金属ナノ粉末およびイオノマーが、上記膜上へのスクリーン印刷によって上記アニオン伝導アルカリ膜に付着させられる、項目1に記載のCCM。
(項目14)
上記銀含有ナノ粉末およびイオノマーが、混合されてインクを形成し、Teflon(登録商標)被覆被膜ブランクに付着させられ、上記ブランクは:
(a)該金属ナノ金属およびイオノマーを担持し;かつ
(b)該インクを上記膜表面に転写する
ためのプラットフォームとして働く、項目2に記載のCCM。
(項目15)
上記インクが、銀含有ナノ粒子と、溶媒中のOH−イオン伝導イオノマー溶液との混合物を含む、項目10に記載のCCM。
(項目16)
上記OH−イオン伝導イオノマーが、1グラム当たり1.5から3.5ミリ当量の間の官能基密度のテトラアルキルアンモニウム水酸化物官能基を有するポリ(アリーレン)の中から選択され、該選択は、液体水を吸収してイオン伝導率を増大させかつカソード触媒層内の水和を維持する能力に基づく、項目15に記載のCCM。
(項目17)
上記銀含有粒子の直径が約5nmから約50nmのサイズである、項目2に記載のCCM。
(項目18)
上記銀含有粒子が、約90%を超える空隙粉末係数を有する、項目17に記載のCCM。
(項目19)
(a)銀含有ナノ粒子の供給源を提供するステップと;
(b)水酸化物イオンOH−伝導イオノマー材料の供給源を提供するステップと;
(c)該銀含有ナノ粒子を、OH−イオノマー材料の溶液に添加して、触媒インクを形成するステップと;
(d)該触媒インクを、アルカリ膜のカソード側表面に付着させるステップと;
(e)熱および圧力のうちの1つまたは複数を触媒インクおよび膜に加えて、該インクを該膜に固定するステップと
を含む、触媒被覆膜(CCM)の作製方法。
(項目20)
(a)金属ナノ粉末;および
(b)イオン伝導イオノマー
を含む、アルカリ膜燃料電池(AMFC)の触媒被覆膜(CCM)において使用するためのカソード触媒層。
(項目21)
上記金属ナノ粉末が、銀含有粒子を含む、項目20に記載のカソード触媒層。
例示的な銀ベースの触媒調合物または「インク」を、触媒インクが形成されるように、銀ナノ粒子202と第4級アンモニウム官能化ポリマー(QAFP)溶液とをある割合で混合することによって調製した。ある特定の実施形態では、銀ナノ粒子202を、メタノールまたはプロパノール中の約4%から約5%のQAFP溶液と混合する。銀ナノ粉末は、QAFPの重量の10倍を添加する。水は、メタノールの体積の約30%を添加し、エチレングリコールは、全インク体積の約0.5%のレベルで添加する。触媒インクを約10分間超音波処理し、次いで例えば磁気撹拌子で約1時間混合する。触媒インクを再び約10分間超音波処理し、次いで膜210のカソード側の少なくとも一部にまたはTeflon(登録商標)被膜ブランクの少なくとも一部に付着させ、例えばスプレーしまたはスクリーン印刷するが、このとき膜またはブランクを、約60℃から約80℃の(1つまたは複数の)温度に加熱された真空テーブル上に押し下げる。Teflon(登録商標)被膜ブランクに付着させる場合、触媒層を、次に膜表面にデカル転写する。1つの主要表面を触媒した後、次に膜を裏返し、同様の手法で反対側の主要表面を触媒して、CCMがアノード触媒/膜/カソード触媒アセンブリーであるAMFC用の触媒被覆膜(CCM)を形成する。
実施例Iに記述されたプロセスにより調製された電池は、カソードPt触媒を備えたCCMを有し、高性能を確保するためにイオノマー:金属の体積比が4:1であることが必要である。これらの電池は、0.3〜0.4A/cm2の電流需要の下、さらに高い速度で性能を失い、最後には一貫して、連続動作の2日目が終わる前に電池電圧がゼロにまで急落する。実施例Iにより調製されるその他の電池は、カソードナノ銀触媒を備えたCCMを有し、高性能を確保するためにイオノマー:金属の体積比が単に1:1.5である必要がある。これらの電池は、毎時初期電力出力の0.3%と著しくより遅い一定の電力損失比を示した。
ナノ銀カソード触媒を有する実施例Iにより調製されたCCMは、加熱された真空テーブル上に配置された膜への、インクの空気スプレー付着によって調製し、毎時初期電力出力の約0.3%と一定の電力損失比を示した。その他のCCMは、同じ方法でかつ同様のインク調合物を用いて、しかし唯一の溶媒として(水は添加せず。)n−プロパノールを使用しかつインクを室温で膜にスクリーン印刷により付着させた。スクリーン印刷されたCCMは、優れた安定性を示し、300〜400時間にわたり、毎時初期電力の0.1%しか失わなかった。
Claims (19)
- アルカリ膜燃料電池(AMFC)において使用するための触媒被覆膜(CCM)であって、
アニオン伝導アルカリ膜と、
該膜に隣接して付着させられた触媒層であって、
(a)銀ナノ粒子粉末、および
(b)アニオン伝導イオノマー
を含む、触媒層と
を含む、触媒被覆膜(CCM)。 - 前記触媒層を作製するのに用いられる前記銀ナノ粒子粉末が、約0.25g/cm3の有効密度を有する、請求項1に記載のCCM。
- 前記イオノマーが、ポリ(アリーレン)主鎖を有するポリマーを含む、請求項1に記載のCCM。
- 前記イオノマーと前記銀ナノ粒子粉末との重量比が、約0から10%である、請求項1に記載のCCM。
- 前記銀ナノ粒子粉末が、銀合金を含む、請求項1に記載のCCM。
- 前記銀ナノ粒子粉末が、開放性構造を形成する、請求項1に記載のCCM。
- 前記イオノマー:前記銀ナノ粒子粉末の体積比が、約1:0.7から約1:1.5の範囲にある、請求項1に記載のCCM。
- 前記体積比が、約1:0.9から約1:1.1の範囲にある、請求項7に記載のCCM。
- 前記銀ナノ粒子粉末が前記イオン伝導イオノマーと混合され、スプレーにより前記アニオン伝導膜に付着させられるインクを形成する、請求項1に記載のCCM。
- 前記膜が、加熱された真空テーブル上にインクを付着させる間位置決めされる、請求項9に記載のCCM。
- 乾燥膜が溶媒に曝され、前記溶媒は、膜表面を選択的に膨潤させて前記膜表面への触媒層の結合を促進させる、請求項9に記載のCCM。
- 前記銀ナノ粒子粉末は、前記イオノマーと混合され、その混合物が、前記膜上へのスクリーン印刷によって前記アニオン伝導アルカリ膜に付着させられる、請求項1に記載のCCM。
- 前記銀ナノ粒子粉末およびイオノマーが、混合されてインクを形成し、該インクは、Teflon(登録商標)被覆被膜ブランクに付着させられるものであり、前記ブランクは:
(a)該銀ナノ粒子粉末/イオノマーインクを担持し;かつ
(b)該インクを前記膜表面に転写する
ためのプラットフォームとして働く、請求項1に記載のCCM。 - 前記インクが、銀ナノ粒子粉末と、OH−イオン伝導イオノマー溶液との混合物を含む、請求項9に記載のCCM。
- 前記OH−イオン伝導イオノマーが、1グラム当たり1.5から3.5ミリ当量の間の官能基密度のテトラアルキルアンモニウム水酸化物官能基を有するポリ(アリーレン)の中から選択され、該選択は、液体水を吸収してイオン伝導率を増大させかつカソード触媒層内の水和を維持する能力に基づく、請求項14に記載のCCM。
- 前記銀ナノ粒子粉末を形成する銀ナノ粒子は、直径が約5nmから約50nmのサイズである、請求項1に記載のCCM。
- 前記銀ナノ粒子粉末が、約90%を超える空隙率を有する、請求項16に記載のCCM。
- (a)銀ナノ粒子の供給源を提供するステップと;
(b)水酸化物イオンOH−伝導イオノマー材料の供給源を提供するステップと;
(c)該銀ナノ粒子を、該OH−伝導イオノマー材料の溶液に添加して、触媒インクを形成するステップと;
(d)該触媒インクを、アルカリ膜のカソード側表面に付着させるステップと;
(e)熱および圧力のうちの1つまたは複数を触媒インクおよび膜に加えて、該インクを該膜に固定するステップと
を含む、触媒被覆膜(CCM)の作製方法。 - (a)銀ナノ粒子;および
(b)アニオン伝導イオノマー
を含む、アルカリ膜燃料電池(AMFC)の触媒被覆膜(CCM)において使用するためのカソード触媒層。
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15462209P | 2009-02-23 | 2009-02-23 | |
US61/154,622 | 2009-02-23 | ||
US12/477,669 US7943258B2 (en) | 2008-06-04 | 2009-06-03 | Alkaline membrane fuel cells and apparatus and methods for supplying water thereto |
US12/477,669 | 2009-06-03 | ||
PCT/US2010/025005 WO2010096797A1 (en) | 2009-02-23 | 2010-02-23 | Catalyst coated membrane (ccm) and catalyst film/layer for alkaline membrane fuel cells and methods of making same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012518884A JP2012518884A (ja) | 2012-08-16 |
JP5520968B2 true JP5520968B2 (ja) | 2014-06-11 |
Family
ID=42634247
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011551286A Active JP5520968B2 (ja) | 2009-02-23 | 2010-02-23 | アルカリ膜燃料電池のための触媒被覆膜(ccm)および触媒膜/層、ならびにそれらを作製する方法 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2398596B1 (ja) |
JP (1) | JP5520968B2 (ja) |
CN (1) | CN102325602B (ja) |
CA (1) | CA2790317A1 (ja) |
WO (1) | WO2010096797A1 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106816616A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-06-09 | 浙江大学 | 一种用于燃料电池的碱性阴离子交换膜及其制备方法 |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2847814B1 (en) * | 2012-05-07 | 2020-07-22 | Elbit Systems Land and C4I Ltd. | Anode electro-catalysts for alkaline membrane fuel cells |
CN104425829B (zh) * | 2013-09-10 | 2017-02-08 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 碱性阴离子交换膜燃料电池用带过渡层膜电极的制备方法 |
US10446851B2 (en) * | 2016-10-17 | 2019-10-15 | Ford Global Technologies, Llc | Nanostructured PEMFC electrode |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10037071A1 (de) * | 2000-07-29 | 2002-02-21 | Omg Ag & Co Kg | Edelmetall-Nanopartikel, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung |
US7332241B2 (en) * | 2000-10-27 | 2008-02-19 | Ab Volvo | Cathode layer structure for a solid polymer fuel cell and fuel cell incorporating such structure |
US20030219645A1 (en) | 2002-04-22 | 2003-11-27 | Reichert David L. | Treated gas diffusion backings and their use in fuel cells |
US7459103B2 (en) * | 2002-05-23 | 2008-12-02 | Columbian Chemicals Company | Conducting polymer-grafted carbon material for fuel cell applications |
FR2863777B1 (fr) * | 2003-12-16 | 2006-02-17 | Commissariat Energie Atomique | Pile a combustible alcaline insensible a la carbonatation. |
JP4993867B2 (ja) * | 2005-03-07 | 2012-08-08 | ダイハツ工業株式会社 | 燃料電池 |
JP2006244960A (ja) * | 2005-03-07 | 2006-09-14 | Daihatsu Motor Co Ltd | 燃料電池 |
US20060266642A1 (en) * | 2005-03-14 | 2006-11-30 | Barbar Akle | Direct assembly process for fabrication of ionomeric polymer devices |
FR2892233B1 (fr) * | 2005-10-19 | 2007-11-23 | Commissariat Energie Atomique | Electrode pour pile a combustible alcaline et procede de fabrication d'une pile a combustible alcaline comportant au moins une etape de fabrication d'une telle electrode. |
JP4957047B2 (ja) | 2006-03-31 | 2012-06-20 | 大日本印刷株式会社 | 燃料電池用触媒層−電解質膜積層体 |
US7763374B2 (en) * | 2006-11-22 | 2010-07-27 | Atomic Energy Council | Membrane fuel cell electrodes incorporated with carbon nanomaterial-supported electrocatalysts and methods of making the same |
US7976976B2 (en) * | 2007-02-07 | 2011-07-12 | Rosecreek Technologies Inc. | Composite current collector |
US20080206616A1 (en) * | 2007-02-27 | 2008-08-28 | Cabot Corporation | Catalyst coated membranes and sprayable inks and processes for forming same |
US20100323249A1 (en) * | 2008-02-18 | 2010-12-23 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Air electrode |
-
2010
- 2010-02-23 JP JP2011551286A patent/JP5520968B2/ja active Active
- 2010-02-23 CA CA2790317A patent/CA2790317A1/en not_active Abandoned
- 2010-02-23 WO PCT/US2010/025005 patent/WO2010096797A1/en active Application Filing
- 2010-02-23 EP EP10744455.6A patent/EP2398596B1/en active Active
- 2010-02-23 CN CN201080008989.0A patent/CN102325602B/zh active Active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106816616A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-06-09 | 浙江大学 | 一种用于燃料电池的碱性阴离子交换膜及其制备方法 |
CN106816616B (zh) * | 2016-12-02 | 2019-05-07 | 浙江大学 | 一种用于燃料电池的碱性阴离子交换膜及其制备方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA2790317A1 (en) | 2010-08-26 |
EP2398596B1 (en) | 2019-07-03 |
EP2398596A1 (en) | 2011-12-28 |
WO2010096797A1 (en) | 2010-08-26 |
JP2012518884A (ja) | 2012-08-16 |
CN102325602A (zh) | 2012-01-18 |
CN102325602B (zh) | 2015-07-22 |
EP2398596A4 (en) | 2013-12-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI713248B (zh) | 觸媒、其製備的方法、包含此觸媒的電極、包含此電極的膜-電極組件以及包含此膜-電極組件的燃料電池 | |
KR100696621B1 (ko) | 연료전지용 전극기재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는막-전극 어셈블리 | |
JP4629699B2 (ja) | 担持触媒とその製造方法、これを利用した電極及び燃料電池 | |
EP2031683A1 (en) | Electrode material | |
JP6957744B2 (ja) | ラジカルスカベンジャー、その製造方法、これを含む膜−電極アセンブリー、及びこれを含む燃料電池 | |
KR102076926B1 (ko) | 전극 촉매 그리고 당해 전극 촉매를 사용하는 막 전극 접합체 및 연료 전지 | |
US8304368B2 (en) | Catalyst coated membrane (CCM) and catalyst film/layer for alkaline membrane fuel cells and methods of making same | |
JP7181404B2 (ja) | 触媒、その製造方法、それを含む電極、それを含む膜-電極アセンブリー、及びそれを含む燃料電池 | |
KR20140082448A (ko) | 연료전지용 촉매 슬러리, 이를 이용하여 형성된 전극, 상기 전극을 구비하는 막전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 상기 전극의 제조방법 | |
WO2008054414A2 (en) | Chalcogen catalysts for polymer electrolyte fuel cell | |
EP2144318B1 (en) | Method for producing polymer electrolyte membrane for solid polymer fuel cell, membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell | |
JP2022513117A (ja) | 触媒、その製造方法、それを含む電極、それを含む膜-電極アセンブリー、及びそれを含む燃料電池 | |
JP5520968B2 (ja) | アルカリ膜燃料電池のための触媒被覆膜(ccm)および触媒膜/層、ならびにそれらを作製する方法 | |
JP2007250210A (ja) | 燃料電池用電極触媒層とその製造方法 | |
JP4919005B2 (ja) | 燃料電池用電極の製造方法 | |
JP2007242423A (ja) | 膜電極接合体およびこれを用いた固体高分子型燃料電池 | |
JP6759651B2 (ja) | 触媒粒子の製造方法および電極触媒の製造方法 | |
JP2020057516A (ja) | 電極層ならびに当該電極層を用いた膜電極接合体および燃料電池 | |
JP2007141623A (ja) | 固体高分子型燃料電池用電極触媒およびそれを用いた燃料電池 | |
JP2005183263A (ja) | 多孔質構造体 | |
KR20150047343A (ko) | 전극 촉매, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 막전극 접합체와 연료전지 | |
JP6950255B2 (ja) | 燃料電池用触媒 | |
JP2008218131A (ja) | 固体高分子形燃料電池用膜/電極接合体およびそれを用いた固体高分子形燃料電池 | |
KR100759450B1 (ko) | 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 | |
JP2011070925A (ja) | 電解質膜−電極接合体 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20130222 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130930 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131011 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140114 |
|
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: 20140311 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140407 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5520968 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R371 | Transfer withdrawn |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |