JP6174254B2 - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
カソード、アノード、および前記カソードおよびアノードの間に備えられた電解質膜を含み、
前記カソードおよびアノードのうち少なくとも1つは、中空コア(core)部、第1金属および第2金属を含むシェル(shell)部、および前記シェル部の1または2以上の領域にシェル部外面から前記中空コアに達する空洞(cavity)を含む中空金属ナノ粒子が担体に担持された担体−中空金属ナノ粒子複合体を含む燃料電池を提供する。
電解質膜を準備するステップ、
前記電解質膜の一面にカソードを形成するステップ、および
前記電解質膜の他面にアノードを形成するステップを含み、
前記カソードおよびアノードのうち少なくとも1つは、中空コア(core)部、第1金属および第2金属を含むシェル(shell)部、および前記シェル部の1または2以上の領域にシェル部外面から前記中空コアに達する空洞(cavity)を含む中空金属ナノ粒子が担体に担持された担体−中空金属ナノ粒子複合体を含む燃料電池の製造方法を提供する。
前記カソードおよびアノードのうち少なくとも1つは、中空コア(core)部、第1金属および第2金属を含むシェル(shell)部、および前記シェル部の1または2以上の領域にシェル部外面から前記中空コアに達する空洞(cavity)を含む中空金属ナノ粒子が担体に担持された担体−中空金属ナノ粒子複合体を含む燃料電池を提供する。
電解質膜を準備するステップ、
前記電解質膜の一面にカソードを形成するステップ、および
前記電解質膜の他面にアノードを形成するステップを含み、
前記カソードおよびアノードのうち少なくとも1つは、中空コア(core)部、第1金属および第2金属を含むシェル(shell)部、および前記シェル部の1または2以上の領域にシェル部外面から前記中空コアに達する空洞(cavity)を含む中空金属ナノ粒子が担体に担持された担体−中空金属ナノ粒子複合体を含む燃料電池の製造方法を提供する。
前記担体−中空金属ナノ粒子複合体を製造するステップは、
溶媒、前記溶媒中で第1金属イオンまたは前記第1金属イオンを含む原子団イオンを提供する第1金属塩、前記溶媒中で第2金属イオンまたは前記第2金属イオンを含む原子団イオンを提供する第2金属塩、前記溶媒中でミセルを形成する第1界面活性剤、および前記第1界面活性剤と共に前記溶媒中でミセルを形成する第2界面活性剤を含む溶液を形成するステップ、
前記溶液に担体を添加して攪拌するステップ、および
前記溶液に還元剤を添加して担体上で前記中空金属ナノ粒子を形成するステップを含むことができる。
溶媒、前記溶媒中で第1金属イオンまたは前記第1金属イオンを含む原子団イオンを提供する第1金属塩、前記溶媒中で第2金属イオンまたは前記第2金属イオンを含む原子団イオンを提供する第2金属塩、前記溶媒中でミセルを形成する第1界面活性剤、および前記第1界面活性剤と共に前記溶媒中でミセルを形成する第2界面活性剤を含む溶液を形成するステップ、
前記溶液に担体を添加して攪拌するステップ、および
前記溶液に還元剤を添加して担体上で前記中空金属ナノ粒子を形成するステップを含み、
中空コア(core)部、第1金属および第2金属を含むシェル(shell)部、および前記シェル部の1または2以上の領域にシェル部外面から前記中空コアに達する空洞(cavity)を含む中空金属ナノ粒子が担体に担持された担体−中空金属ナノ粒子複合体の製造方法を提供する。
第1金属塩としてNi(NO3)2、第2金属塩としてK2PtCl4と、安定化剤としてクエン酸三ナトリウム(trisodium citrate)、第1界面活性剤としてアンモニウムラウリルスルフェート(ammonium lauryl sulfate:ALS)、第2界面活性剤としてセチルトリメチルアンモニウムブロミド(cetyltrimethylammonium bromide:CTAB)を蒸留水に添加して溶液を形成し、30分間攪拌した。この時、Ni(NO3)2とK2PtCl4のモル比は3:1であり、ALSの濃度は水に対する臨界ミセル濃度(critical micelle concentration)の2倍であり、CTABはALSの1/10モルであった。その後、水に分散させたカーボン(カーボンブラック(Vulcan XC 72))を前記溶液に添加して30分間攪拌させた後、還元剤のNaBH4を添加して30分間反応させた。その後、10,000rpmで10分間遠心分離をして、上層の上清を捨て、残った沈殿物を蒸留水に再分散した後、遠心分離過程を繰り返し行って担体−中空金属ナノ粒子複合体を製造した。
第1金属塩としてNi(NO3)2、第2金属塩としてK2PtCl4と、安定化剤としてクエン酸三ナトリウム(trisodium citrate)、第1界面活性剤としてナトリウムドデシルスルフェート(sodium dodecyl sulfate:SDS)、第2界面活性剤としてN−ドデシル−N,N−ジメチル−3−アンモニオ−1−プロパンスルホネート(N−dodecyl−N,N−dimethyl−3ammonio−1propane sulfonate:DDAPS)を蒸留水に添加して溶液を形成し、30分間攪拌した。この時、Ni(NO3)2とK2PtCl4のモル比は3:1であり、SDSの濃度は水に対する臨界ミセル濃度(critical micelle concentration)の2倍であり、DDAPSはSDSの1/10モルであった。その後、蒸留水に分散させたカーボン(カーボンブラック(Vulcan XC 72))を前記溶液に添加して30分間攪拌させた後、還元剤のNaBH4を溶液に添加して30分間反応させた。
第1金属塩としてNi(NO3)2、第2金属塩としてK2PtCl4と、安定化剤としてクエン酸三ナトリウム(trisodium citrate)、第1界面活性剤としてアンモニウムラウリルスルフェート(ammonium lauryl sulfate:ALS)、第2界面活性剤としてナトリウム1−ヘプタンスルホネート(sodium 1−heptanesulfonate:S 1−HS)を蒸留水に添加して溶液を形成し、30分間攪拌した。この時、Ni(NO3)2とK2PtCl4のモル比は3:1であり、SDSの濃度は水に対する臨界ミセル濃度(critical micelle concentration)の2倍であり、S 1−HSはALSの1/2モルであった。その後、蒸留水に分散させたカーボン(KETJENブラック)を前記溶液に添加して30分間攪拌させた後、還元剤のNaBH4を溶液に添加して30分間反応させた。
2 ・・・中空金属ナノ粒子
3 ・・・コア部
4 ・・・シェル部
5 ・・・空洞
10 ・・・電解質膜
20、21 ・・・触媒層
30、31 ・・・微細気孔層
40、41 ・・・電極基材
50、51 ・・・気体拡散層
60 ・・・スタック
70 ・・・酸化剤供給部
80 ・・・燃料供給部
81 ・・・燃料タンク
82 ・・・ポンプ
Claims (19)
- カソード、アノード、および前記カソードおよびアノードの間に備えられた電解質膜を含み、
前記カソードおよびアノードのうち少なくとも1つは、中空コア(core)部、第1金属および第2金属を含むシェル(shell)部、および前記シェル部の1または2以上の領域にシェル部外面から前記中空コアに達する空洞(cavity)を含む中空金属ナノ粒子が担体に担持された担体−中空金属ナノ粒子複合体を含む燃料電池であって、
前記中空金属ナノ粒子は前記空洞を1つ含み、
前記空洞の直径は前記中空金属ナノ粒子の粒径の5%以上30%以下であり、
前記中空コア部は第1界面活性剤と第2界面活性剤を含む、燃料電池。 - 前記中空金属ナノ粒子の粒径は、1nm以上30nm以下である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記中空金属ナノ粒子は、球形状である、請求項1または2に記載の燃料電池。
- 前記シェル部の厚さは、0nm超過5nm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記中空金属ナノ粒子の粒径は、中空金属ナノ粒子の平均粒径の80%〜120%の範囲内である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記中空コア部は、前記中空金属ナノ粒子の50体積%以上である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記シェル部の第1金属と第2金属の原子百分率比は、1:5〜10:1である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記シェル部は、前記第1金属を含む第1シェル、および前記第2金属を含む第2シェルを含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記シェル部は、前記第1金属の含量が前記第2金属の含量より高い第1シェル、および前記第2金属の含量が前記第1金属の含量より高い第2シェルを含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記第1金属および前記第2金属は、各々独立して、周期律表上の3〜15族に属する金属、半金属(metalloid)、ランタノイド金属およびアクチノイド金属からなる群から選択された少なくとも1つである、請求項1〜9のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記第1金属および前記第2金属は、各々独立して、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、モリブデン(Mo)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、レニウム(Re)、パラジウム(Pd)、バナジウム(V)、タングステン(W)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、セレニウム(Se)、ニッケル(Ni)、ビスマス(Bi)、スズ(Sn)、クロム(Cr)、チタニウム(Ti)、金(Au)、セリウム(Ce)、銀(Ag)、および銅(Cu)からなる群から選択された少なくとも1つである、請求項1〜10のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記担体は、炭素系物質または無機物微粒子である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記炭素系物質は、カーボンブラック、炭素ナノチューブ(CNT)、グラファイト(Graphite)、グラフェン(Graphene)、活性炭、多孔性炭素(Mesoporous Carbon)、炭素繊維(Carbon fiber)およびカーボンナノワイヤー(Carbon nano wire)からなる群から選択された少なくとも1つである、請求項12に記載の燃料電池。
- 前記無機物微粒子は、アルミナ、シリカ、チタニアおよびジルコニアからなる群から選択された少なくとも1つである、請求項12または13に記載の燃料電池。
- 前記中空金属ナノ粒子の担体に対する担持率は、10重量%〜70重量%である、請求項1〜14のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記第1金属または前記第2金属は互いに異なり、前記第1金属または前記第2金属はニッケルである、請求項1〜15のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記第1金属または前記第2金属は互いに異なり、前記第1金属または前記第2金属は白金である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記第1金属はニッケルであり、前記第2金属は白金である、請求項1〜17のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 電解質膜を準備するステップ、
前記電解質膜の一面にカソードを形成するステップ、および
前記電解質膜の他面にアノードを形成するステップを含み、
前記カソードおよびアノードのうち少なくとも1つは、中空コア(core)部、第1金属および第2金属を含むシェル(shell)部、および前記シェル部の1または2以上の領域にシェル部外面から前記中空コアに達する空洞(cavity)を含む中空金属ナノ粒子が担体に担持された担体−中空金属ナノ粒子複合体を含む燃料電池の製造方法であって、
前記カソードを形成するステップおよびアノードを形成するステップのうち少なくとも1つのステップは、前記担体−中空金属ナノ粒子複合体を製造するステップをさらに含み、
前記担体−中空金属ナノ粒子複合体を製造するステップは、
溶媒、前記溶媒中で第1金属イオンまたは前記第1金属イオンを含む原子団イオンを提供する第1金属塩、前記溶媒中で第2金属イオンまたは前記第2金属イオンを含む原子団イオンを提供する第2金属塩、前記溶媒中でミセルを形成する第1界面活性剤、および前記第1界面活性剤と共に前記溶媒中でミセルを形成する第2界面活性剤を含む溶液を形成するステップ、
前記溶液に担体を添加して攪拌するステップ、および
前記溶液に還元剤を添加して担体上で前記中空金属ナノ粒子を形成するステップを含み、
前記中空金属ナノ粒子は前記空洞を1つ含み、
前記空洞の直径は前記中空金属ナノ粒子の粒径の5%以上30%以下であり、
前記中空コア部は第1界面活性剤と第2界面活性剤を含む、燃料電池の製造方法。
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