JP6091803B2 - 燃料電池用アノードの製造方法 - Google Patents

燃料電池用アノードの製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6091803B2
JP6091803B2 JP2012186410A JP2012186410A JP6091803B2 JP 6091803 B2 JP6091803 B2 JP 6091803B2 JP 2012186410 A JP2012186410 A JP 2012186410A JP 2012186410 A JP2012186410 A JP 2012186410A JP 6091803 B2 JP6091803 B2 JP 6091803B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
anode
metal oxide
catalyst
producing
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
Application number
JP2012186410A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2014013742A (ja
Inventor
勳 熙 李
勳 熙 李
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hyundai Motor Co
Kia Corp
Original Assignee
Hyundai Motor Co
Kia Motors Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hyundai Motor Co, Kia Motors Corp filed Critical Hyundai Motor Co
Publication of JP2014013742A publication Critical patent/JP2014013742A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6091803B2 publication Critical patent/JP6091803B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/077—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the compound being a non-noble metal oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/081—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the element being a noble metal
    • 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
    • H01M4/8615—Bifunctional electrodes for rechargeable cells
    • 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
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • 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
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • 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
    • H01M4/8867—Vapour deposition
    • 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
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • 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
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • 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
    • 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
    • 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
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • 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
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Description

本発明は、燃料電池用アノードの製造方法に係り、より詳しくは、水電気分解触媒を導入する工程を簡素化した高分子電解質燃料電池に用いられる燃料電池用アノードの製造方法に関する。
高分子電解質燃料電池の膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ：以下、ＭＥＡと称す）構造は、大きく、アノード（ａｎｏｄｅ）とカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）、そして、アノードとカソードとの間に位置する水素イオン伝導性高分子電解質膜（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）から構成される。
一般的に、このようなＭＥＡを複数個積層して高分子電解質燃料電池スタック（ｓｔａｃｋ）を構成する。
アノード（ａｎｏｄｅ）とカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）の触媒としては、それぞれ燃料の酸化反応と酸素の還元反応を起こし得る同種あるいは異種の貴金属ナノ粒子が、伝導性多孔性担持体（ｓｕｐｐｏｒｔ）の表面に均一に分散した形態で多く使用される。多孔性担持体としては、炭素材料が通常使用されている。
燃料電池スタックが装着された燃料電池自動車が運転される時、燃料電池では、アノードに形成された燃料ガス流路が生成水または加湿水によって詰まるフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）が発生する場合がある。また、氷点下での始動時、アノードに残留していた水が凍結してアノードのガス流路が詰まる場合も発生する。
これらの場合、アノードへの燃料（Ｈ２）供給が不足すると、アノードの電位が上昇し、燃料電池全体の電圧がマイナス値を示す逆電圧（ｒｅｖｅｒｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ（ｏｒ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）現象が発生する（例えば、特許文献１参照）。
この場合、触媒支持体として使用される炭素が漸進的あるいは急激に酸化され、電極構造が崩壊されるため、燃料電池の性能が低下する。
このようなアノードの炭素の酸化問題を解決するための従来方法の一つは、燃料電池アノードに水を電気分解できる触媒を添加し、逆電圧状況が発生した時、炭素の代わりに水から電子を供給することで炭素の酸化を防止することである。このために、従来は、水電気分解が可能な酸化物触媒（例えば、ＲｕＯｘ、ＩｒＯｘ、これらの化合物、Ｉｒ金属など）を先に合成した後、既存のアノード触媒と混合して電極を製造した（例えば、特許文献２，３参照）。
しかし、このように、水電気分解触媒を適用する方法は、溶媒に基づく還元／酸化過程によって行われるため、工程が複雑で、時間が長くかかるという問題があった。また、従来の製造方法は、添加される水分解触媒の物理化学的特性（溶媒との親和度、適合性など）により、電極の気孔構造、アイオノマー（ｉｏｎｏｍｅｒ）の分布などに影響を与え、意図したとおりのＭＥＡ電極構造を実現しにくいという問題があった。
特表２００５−５３３３５５号公報 特開２００６−１０８１０４号公報 特開２００８−２１８１７３号公報
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、水電気分解触媒の導入過程でもたらされるＭＥＡ電極構造の変形を最小化することができる燃料電池用アノードの製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の燃料電池用アノードの製造方法は、
燃料電池用アノードの製造方法において、
（ａ）アノード用燃料を電気化学的に酸化させるための燃料電池触媒を合成するステップと、
（ｂ）合成された燃料電池触媒を多孔性炭素材料に担持させ、アノード用電極を形成するステップと、
（ｃ）形成された前記アノード用電極上に、水を電気分解させるための電気分解触媒の前駆体をＡＬＤ法によってアノード用電極上に蒸着し、残余物を不活性ガスでパージングして除去し、前記前駆体を酸化させる酸素供給物質を供給することを繰り返すステップと、を含み、
前記電気分解触媒を合成しながら同時にローディングする段階は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法を利用して蒸着しようとする原料物質である前駆体を加熱して気体状態に変換させ、前記形成されたアノード用電極上に蒸着反応させた後、 残余物を除去するためにパージング（ｐｕｒｇｉｎｇ）を遂行し、次に前記前駆体を酸化させるために酸素供給物質を供給してなされることを特徴とする。
燃料電池は、高分子電解質燃料電池であることが好ましい。
燃料電池触媒は、貴金属と、遷移金属と、貴金属および遷移金属の酸化物と、貴金属および遷移金属の合金と、貴金属および遷移金属の混合物とからなる群より選択されることが好ましい。
電気分解触媒は、貴金属酸化物と、貴金属酸化物の混合物と、貴金属酸化物の固溶体と、貴金属酸化物およびバルブ金属酸化物の混合物と、貴金属酸化物およびバルブ金属酸化物の固溶体とからなる群より選択されることが好ましい。
電気分解触媒は、ＲｕＯｘと、ＩｒＯｘと、ＲｕＯｘおよびＩｒＯｘの固溶体とからなる群より選択されることが好ましい。ここでｘは、２または４である。
電気分解触媒は、ＲｕＯｘおよびバルブ金属酸化物の固溶体と、ＩｒＯｘおよびバルブ金属酸化物の固溶体とからなる群より選択されることが好ましい。ここでｘは、２または４である。
電気分解触媒は、ＲｕＯ ２ およびＴｉＯ ２ の固溶体を含むことが好ましい。
本発明によると、水電気分解触媒を導入する工程を簡素化し、電気分解触媒の導入が既に形成された燃料電池電極上になされることにより、、電極構造の変形を最小化することができ、その結果、電極の性能を向上させることができる。
また、本発明は、水電気分解触媒を導入する工程を、原子層堆積（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：以下、ＡＬＤと称す）技術を用いて電気分解触媒の合成とローディングを同時に行うため、燃料電池用アノードの製造工程を簡素化ことができ、従来に比べて工程時間を短縮することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池用アノードの製造工程を説明するためのブロック図である。 本発明の一実施形態に係るＡＬＤ法を説明するためのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池用アノードの製造方法によって製造された燃料電池用アノードの組職形状を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池用アノードの製造方法によって製造された燃料電池用アノードの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
以下、添付した図面に基づき、本発明の一実施形態に係る燃料電池用アノードの製造方法について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池用アノードの製造工程を説明するブロック図である。本発明の燃料電池用アノードの製造方法によって製造されたアノードは、高分子電解質燃料電池に適用可能である。つまり、高分子電解質の一側に配置され、カソードと共にＭＥＡ（膜電極接合体）を形成する。
図１に示したとおり、燃料電池用アノードの製造方法は、燃料電池触媒（第１触媒）を合成するステップ（Ｓ１０）と、燃料電池電極を形成するステップ（Ｓ２０）と、電気分解触媒（第２触媒）を形成するステップ（Ｓ３０）とを順に行うことにより、燃料電池用アノードを製造する。
燃料電池触媒を合成するステップ（Ｓ１０）において、燃料電池触媒は、アノード用燃料を電気化学的に酸化させるためのものであって、貴金属と、遷移金属と、貴金属および遷移金属の酸化物と、貴金属および遷移金属の合金と、貴金属および遷移金属の混合物とからなる群より選択できる。
燃料電池触媒に使用される貴金属としては、Ａｕ、Ａｇ，Ｐｔ，Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＯｓを例示することができる。
燃料電池触媒に使用される遷移金属としては、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｉ、Ｃｕ及びＺｎ等の３ｄ遷移金属、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ及びＣｄ等の４ｄ遷移金属、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕ等の４ｆ遷移金属を例示することができる。
例えば、燃料電池触媒は、白金ナノ粒子が多孔性炭素材料に担持された形態で構成される。
燃料電池電極を形成するステップ（Ｓ２０）において、燃料電池触媒は、電極の多孔性構造を形成させる溶媒、バインダー（ｉｏｎｏｍｅｒ）、炭素繊維などの電極添加物と混合され、フィルム形態の多孔性電極に形成される。
電気分解触媒を形成するステップ（Ｓ３０）において、電気分解触媒は、このように形成された燃料電池電極上に、ＡＬＤ法で蒸着され、化学反応により合成されると同時に固着される。
電気分解触媒は、貴金属酸化物と、貴金属酸化物の混合物と、貴金属酸化物の固溶体と、貴金属酸化物およびバルブ金属酸化物の混合物と、貴金属酸化物およびバルブ金属酸化物の固溶体とからなる群より選択される金属酸化物を含む。
バルブ金属酸化物としては、Ａｉ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、等を例示することができる。
電気分解触媒をなす金属酸化物は、ＲｕＯｘと、ＩｒＯｘと、ＲｕＯｘおよびＩｒＯｘの固溶体とからなる群より選択された貴金属酸化物を含む。ここでｘは、２または４である。例えば、ｘが２の場合として、金属酸化物は、ＲｕＯ２と、ＩｒＯ２と、ＲｕＯ２およびＩｒＯ２の固溶体とからなる群より選択された貴金属酸化物を含むことが好ましい。
また、電気分解触媒をなす金属酸化物は、ＲｕＯｘおよびバルブ金属酸化物の固溶体と、ＩｒＯｘおよびバルブ金属酸化物の固溶体とからなる群より選択された金属酸化物を含む。ここでｘは、２または４である。例えば、金属酸化物は、ＲｕＯ２およびＴｉＯ２の固溶体を含むことが好ましい。
このように、本実施形態に係る燃料電池用アノードの製造方法は、電気分解触媒の導入が既に形成された燃料電池電極上になされることにより、電極構造の変形を最小化することができ、電極の性能を向上させることができる。
図２は、本発明の一実施形態に係るＡＬＤ法を説明するためのブロック図である。 電気分解触媒を形成するステップ（Ｓ３０）は、電気分解触媒がＲｕＯｘと、ＩｒＯｘの場合（ここでｘは、２または４である）、図２に示したＡＬＤ技術によって実施できる。
つまり、ＡＬＤは、図２に示したとおり、ＲｕまたはＩｒのような、蒸着しようとする目標物質を含む前駆体（ｐｒｅｃｕｓｏｒ）を気体状態に変換させ、既に形成された燃料電池アノードに蒸着後、残余物を除去するために、不活性ガスでパージング（ｐｕｒｇｉｎｇ）した後、ＲｕまたはＩｒを酸化させるための酸素供給物質（Ｏ２前駆体：酸素または水蒸気など）を供給する。この過程を繰り返し行うことにより、アノードに電気分解触媒を合成すると同時にローディングすることができる。
図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池用アノードの製造方法によって製造された燃料電池用アノードの組職形状を示す概略図であり、図４は、本発明の一実施形態に係る燃料電池用アノードの製造方法によって製造された燃料電池用アノードの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
ＡＬＤ技術により、図３に示したとおり、燃料電池アノード上に電気分解触媒を原子単位で蒸着させることができる。
また、図４に示したとおり、水電気分解触媒の構成物の一つであるＴｉＯ２が、アノードに粒子形態でローディングされていることが確認される。
このように、本発明の燃料電池用アノードの製造方法は、ＡＬＤ技術を用いて既に形成された燃料電池アノードに電気分解触媒を合成すると同時に固着させることにより、従来の燃料電池用アノードの製造工程に比べて工程時間を短縮することができる。
Ｓ１０：燃料電池触媒を合成するステップ
Ｓ２０：燃料電池電極を形成するステップ
Ｓ３０：電気分解触媒を形成するステップ
ＡＬＤ：原子層堆積（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
ＭＥＡ：膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）

Claims (7)

  1. 燃料電池用アノードの製造方法において、
    （ａ）アノード用燃料を電気化学的に酸化させるための燃料電池触媒を合成するステップと、
    （ｂ）合成された燃料電池触媒を多孔性炭素材料に担持させ、アノード用電極を形成するステップと、
    （ｃ）形成された前記アノード用電極上に、水を電気分解させるための電気分解触媒の前駆体をＡＬＤ法によってアノード用電極上に蒸着し、残余物を不活性ガスでパージングして除去し、前記前駆体を酸化させる酸素供給物質を供給することを繰り返すステップと、を含み、
    前記電気分解触媒を合成しながら同時にローディングする段階は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法を利用して蒸着しようとする原料物質である前駆体を加熱して気体状態に変換させ、前記形成されたアノード用電極上に蒸着反応させた後、 残余物を除去するためにパージング（ｐｕｒｇｉｎｇ）を遂行し、次に前記前駆体を酸化させるために酸素供給物質を供給してなされることを特徴とする燃料電池用アノードの製造方法。
  2. 前記燃料電池は、高分子電解質燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の燃料
    電池用アノードの製造方法。
  3. 前記燃料電池触媒は、貴金属と、遷移金属と、貴金属および遷移金属の酸化物と、貴金
    属および遷移金属の合金と、貴金属および遷移金属の混合物とからなる群より選択される
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用アノードの製造方法。
  4. 前記電気分解触媒は、貴金属酸化物と、貴金属酸化物の混合物と、貴金属酸化物の固溶
    体と、貴金属酸化物およびバルブ金属酸化物の混合物と、貴金属酸化物およびバルブ金属
    酸化物の固溶体とからなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池
    用アノードの製造方法。
  5. 前記電気分解触媒は、ＲｕＯｘと、ＩｒＯｘと、ＲｕＯｘおよびＩｒＯｘの固溶体とか
    らなる群より選択されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用アノードの製造方
    法。ここでｘは、２または４である。
  6. 前記電気分解触媒は、ＲｕＯｘおよびバルブ金属酸化物の固溶体と、ＩｒＯｘおよびバ
    ルブ金属酸化物の固溶体とからなる群より選択されることを特徴とする請求項４に記載の
    燃料電池用アノードの製造方法。ここでｘは、２または４である。
  7. 前記電気分解触媒は、ＲｕＯ ２ およびＴｉＯ ２ の固溶体を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用アノードの製造方法。
JP2012186410A 2012-07-03 2012-08-27 燃料電池用アノードの製造方法 Active JP6091803B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120072121A KR101438891B1 (ko) 2012-07-03 2012-07-03 연료전지용 애노드의 제조방법
KR10-2012-0072121 2012-07-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014013742A JP2014013742A (ja) 2014-01-23
JP6091803B2 true JP6091803B2 (ja) 2017-03-08

Family

ID=49780750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012186410A Active JP6091803B2 (ja) 2012-07-03 2012-08-27 燃料電池用アノードの製造方法

Country Status (5)

Country Link
US (2) US8986908B2 (ja)
JP (1) JP6091803B2 (ja)
KR (1) KR101438891B1 (ja)
CN (1) CN103531824B (ja)
DE (1) DE102012219337A1 (ja)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8226830B2 (en) * 2008-04-29 2012-07-24 Baker Hughes Incorporated Wastewater purification with nanoparticle-treated bed
CN105144444B (zh) * 2013-04-23 2018-01-16 3M创新有限公司 催化剂电极及其制备方法
KR101664627B1 (ko) * 2014-12-30 2016-10-10 현대자동차주식회사 고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법
CN107452965B (zh) * 2017-09-25 2018-12-11 深圳市南科燃料电池有限公司 阳极气体扩散电极和燃料电池
GB201719463D0 (en) 2017-11-23 2018-01-10 Johnson Matthey Fuel Cells Ltd Catalyst
JP7315240B2 (ja) 2018-06-12 2023-07-26 国立研究開発法人科学技術振興機構 触媒及びその使用方法
DE102019200964A1 (de) 2019-01-25 2020-07-30 Audi Ag Verfahren zur Herstellung einer Elektrode und Elektrode für eine Brennstoffzelle
EP3940116A1 (en) 2020-07-13 2022-01-19 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Method for providing a substrate for an electrochemical cell with a catalytic material
CA3203858A1 (en) * 2020-12-31 2022-07-07 Rajesh Bashyam Fuel cell catalyst coated membrane and method of manufacture
KR20230009108A (ko) 2021-07-08 2023-01-17 현대모비스 주식회사 연료전지 촉매 전극 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1074523A (ja) * 1996-08-30 1998-03-17 Toshiba Corp 燃料電池用アノード電極触媒とその製造方法、燃料電池用アノード電極及び燃料電池
WO2001015247A2 (en) * 1999-08-23 2001-03-01 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell anode structure for voltage reversal tolerance
US6936370B1 (en) * 1999-08-23 2005-08-30 Ballard Power Systems Inc. Solid polymer fuel cell with improved voltage reversal tolerance
FI117979B (fi) * 2000-04-14 2007-05-15 Asm Int Menetelmä oksidiohutkalvojen valmistamiseksi
CN100349314C (zh) * 2002-01-03 2007-11-14 尼电源系统公司 其上具有共形导电层的多孔燃料电池电极结构
JP3621078B2 (ja) * 2002-06-20 2005-02-16 田中貴金属工業株式会社 高分子固体電解質形燃料電池の燃料極
US20040013935A1 (en) * 2002-07-19 2004-01-22 Siyu Ye Anode catalyst compositions for a voltage reversal tolerant fuel cell
JP2004283774A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 Kaken:Kk 燃料電池用触媒とその製造方法
CN1954392A (zh) * 2004-03-02 2007-04-25 因特麦崔克斯股份有限公司 低铂燃料电池、催化剂及其制备方法
US20060008696A1 (en) 2004-06-30 2006-01-12 Suk-Won Cha Nanotubular solid oxide fuel cell
EP2432058B8 (en) 2004-12-09 2013-09-11 Nanosys, Inc. Nanowire-based membrane electrode assemblies for fuel cells
US20060216571A1 (en) * 2005-03-24 2006-09-28 Gayatri Vyas Metal oxide based hydrophilic coatings for PEM fuel cell bipolar plates
JP2007157547A (ja) * 2005-12-06 2007-06-21 Ricoh Co Ltd 膜電極接合体、燃料電池及び電子機器
JP5151061B2 (ja) * 2006-04-14 2013-02-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
WO2007119130A1 (en) * 2006-04-14 2007-10-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell
JP5034344B2 (ja) * 2006-07-06 2012-09-26 日産自動車株式会社 ガス拡散電極およびそれを用いてなる燃料電池
WO2009058388A2 (en) * 2007-10-31 2009-05-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Layer-structured fuel cell catalysts and current collectors
JP5266749B2 (ja) * 2007-12-21 2013-08-21 旭硝子株式会社 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体および固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
US9136545B2 (en) * 2008-02-27 2015-09-15 GM Global Technology Operations LLC Low cost fuel cell bipolar plate and process of making the same
KR101020900B1 (ko) * 2008-04-11 2011-03-09 광주과학기술원 직접 액체 연료전지용 막-전극 접합체 및 이의 제조방법
US8637193B2 (en) * 2008-08-25 2014-01-28 3M Innovative Properties Company Fuel cell nanocatalyst with voltage reversal tolerance
EP2237357B1 (en) * 2009-03-23 2013-10-23 Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. Ionic electrolyte membrane structure, method for its production and solid oxide fuel cell making use of ionic electrolyte membrane structure
US8669015B2 (en) * 2009-04-02 2014-03-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Solid-state fuel cell including anode and cathode chemical electrolyte protection layers and a hydrogen ion conductive solid oxide dense film
GB0914562D0 (en) * 2009-08-20 2009-09-30 Johnson Matthey Plc Catalyst layer
KR101162472B1 (ko) * 2009-12-31 2012-07-03 부산대학교 산학협력단 연료전지 전극 및 그 제조방법
JP2011148664A (ja) * 2010-01-25 2011-08-04 Konica Minolta Holdings Inc 水素発生材、燃料電池及び水素発生材の製造方法
US9147890B2 (en) 2010-05-11 2015-09-29 Ford Global Technologies, Llc Fuel cell with embedded flow field
US8647723B2 (en) * 2010-10-22 2014-02-11 GM Global Technology Operations LLC Nucleation of ultrathin, continuous, conformal metal films using atomic layer deposition and application as fuel cell catalysts

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012219337A1 (de) 2014-01-09
KR20140004871A (ko) 2014-01-14
CN103531824A (zh) 2014-01-22
KR101438891B1 (ko) 2014-09-05
US20150180043A1 (en) 2015-06-25
US8986908B2 (en) 2015-03-24
US20140011119A1 (en) 2014-01-09
US9450251B2 (en) 2016-09-20
CN103531824B (zh) 2018-03-09
JP2014013742A (ja) 2014-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6091803B2 (ja) 燃料電池用アノードの製造方法
Connor et al. Tailoring SOFC electrode microstructures for improved performance
JP5676334B2 (ja) 層状触媒層、膜電極接合体、および電気化学セル
WO2017030023A1 (ja) セル構造体の製造方法
JP6047380B2 (ja) 燃料電池用または電解用の貴金属触媒層、膜電極接合体および燃料電池または電解セル
US20130078549A1 (en) Catalyst-supporting substrate, method of manufacturing the same, membrane electrode assembly, and fuel cell
US20160172687A1 (en) Oxide-coated metal catalyst for composite electrode and method for preparing composite electrode using the same
CN104213101A (zh) 形成铂薄膜的方法
US9093691B2 (en) Porous metal substrate structure for a solid oxide fuel cell
JP4832982B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池のアノード還元法
JP2014534576A (ja) 固体酸化物形電気化学セルのための改良されたアノード／電解質構造体及び該構造体を製造する方法
US9269963B2 (en) Solid oxide cell stack and method for preparing same
JP5898759B2 (ja) 層状触媒層、膜電極接合体、および電気化学セル
CN112701298B (zh) 固体氧化物型燃料电池及其制造方法
US9608276B2 (en) Nanostructured PtxMy catalyst for PEMFC cells having a high activity and a moderate H2O2 production
JP4876373B2 (ja) 燃料電池用カソードおよびその製造方法
JP6971944B2 (ja) 触媒積層体、膜電極複合体、電気化学セル、スタック、水電解装置および水利用システム
JP5266652B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池、及びその製造方法
KR102496714B1 (ko) 귀금속과 전이금속을 포함하는 페로브스카이트 및 이온 위치 교환을 이용하는 촉매의 제조 방법, 이에 의해 제조된 촉매, 및 고체 산화물 연료 전지
WO2020261935A1 (ja) 燃料極－固体電解質層複合体、燃料極－固体電解質層複合部材、燃料電池、および、燃料電池の製造方法
KR20120134332A (ko) 은 나노입자를 포함하는 저온 작동 고체산화물 연료전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 고체산화물 연료전지
JP2008077849A (ja) 水素分離膜−電解質膜接合体およびそれを備えた燃料電池の製造方法
JP2008004392A (ja) 水素透過性金属層・電解質複合体および燃料電池
JP2009193685A (ja) プロトン伝導体およびそれを備えた燃料電池
JP2009016145A (ja) 電解質−電極接合体の製造方法および燃料電池の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150611

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160310

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160405

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160705

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161004

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161228

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: 20170124

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170208

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6091803

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

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

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250