JP6263969B2 - 酸化物系非白金触媒造粒体、酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法、及び該酸化物系非白金触媒造粒体を用いた触媒インキ並びに燃料電池 - Google Patents
酸化物系非白金触媒造粒体、酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法、及び該酸化物系非白金触媒造粒体を用いた触媒インキ並びに燃料電池 Download PDFInfo
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Description
ここでいう造粒体とは、微細な酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料が、造粒体を作製する際に使用する分散剤によって、一次粒子レベルで造粒体内に均一に分布している球状または楕円体状の形状を持って一つの塊を形成したものである。
本発明における酸化物系非白金触媒造粒体は、酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料が均一接触、複合されているため、酸素還元反応に必要な電子を活性点まで効率的に運ぶことが可能となる。更に、造粒処理により、粒径の揃った二次粒子を形成するため、溶剤に対する分散性が良く、密度の高い酸化物系非白金触媒が作製可能となる。
ここでいう球状、または楕円体状であるとは、具体的に真球度で表すと0.5以上であることが好ましく、0.7以上であることがより好ましく、0.9以上であることが特に好ましい。本発明における真球度とは、走査型電子顕微鏡により粒子の形状を観察し、その短径と長径を測定し、求めた短径/長径について、任意に選定した100個の粒子の平均値を求めたものをいう。
本発明における酸化物系非白金触媒は、主成分として、遷移金属及び酸素元素を含有した酸化物粒子であり、従来公知のものを使用することができる。酸化物粒子の結晶構造の制御、酸素欠陥の導入、窒素などの異種元素のドープ、微粒径化などが、酸素の吸着能や電子伝導性などの触媒特性を向上させることに効果が有り、高い酸素還元能を発現するために重要な意味を成す。
また、用いる酸化物系非白金触媒の組成比は、M1CpNqOr(0.5≦p≦2、0.5≦q≦1、0<r≦3)が好ましく、Ti、Zr、Nb、V、Mo、W及びTaからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含むことが好ましい。
導電性炭素材料としては、導電性を有する炭素材料であれば特に限定されるものではないが、カーボンブラック、グラファイト、導電性炭素繊維(カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー、カーボンナノホーン)、グラフェン、グラフェンナノプレートレット、フラーレン等を単独で、もしくは2種類以上併せて使用することができる。導電性、入手の容易さ、およびコスト面から、カーボンブラックの使用が好ましい。
分散剤は、酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料を溶剤中に均一に分散させる役割を担う。特に、導電性炭素材料は、一般にカーボンブラックのように、小粒子径で、表面積が大きく、且つ二次粒子同士が強く結合されているものが多く、分散剤無しで溶剤中に分散させることは、極めて困難であり、分散剤の存在が必須となる。分散剤は酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料の一次粒子レベルで表面に吸着していることが好ましい。
[水系用分散剤]
市販の水系用分散剤としては、特に限定されないが、例えば、以下のものが挙げられる。
市販の溶剤用分散剤としては、特に限定されないが、例えば、以下のものが挙げられる。
本発明における酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法は特に限定されないが、好ましい製造方法としては、酸化物系非白金触媒と、導電性炭素材料と分散剤を湿式混合する工程1と、前記混合により得られたペーストを噴霧乾燥し造粒する工程2とを含む方法が挙げられる。
ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類:
エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社製「フィルミックス」等のホモジナイザー類:
ペイントコンディショナー(レッドデビル社製)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、若しくはコボールミル等のメディア型分散機:
湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS−5」、若しくは奈良機械製作所社製「マイクロス」等のメディアレス分散機:
又は、その他ロールミル、ニーダー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、湿式混合装置としては、装置からの金属混入防止処理を施したものを用いることが好ましい。
具体的には、前記混合ペーストを霧状に噴霧しながら、溶媒を揮発・除去すればよい。噴霧条件や溶媒の揮発条件は適宜選択することができる。
次に、本発明における酸化物系非白金触媒造粒体を用いた触媒インキについて説明する。
本発明の触媒インキは、酸化物系非白金触媒造粒体、バインダー、溶剤を最低限含むものである。バインダーは、プロトン伝導性があり、耐酸化性のある材料が好ましい。酸化物系非白金触媒造粒体、バインダー、溶剤の割合は、特に限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択される。
分散剤の含有量は、触媒インキ中の酸化物系非白金触媒造粒体に対し、0.01〜5重量%、好ましくは0.02〜3重量%である。この範囲の含有量とすることにより、酸化物系非白金触媒造粒体の分散安定性を十分に達成できると同時に、酸化物系非白金触媒造粒体の凝集を効果的に防止でき、かつ触媒層表面への分散剤の析出を防止できる。
バインダーとしては、プロトン伝導性を有する樹脂が好ましく、プロトン伝導性樹脂としては、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸などスルホン酸基を導入したオレフィン系樹脂、スルホン酸基を導入したポリイミド系樹脂、スルホン酸基を導入したフェノール樹脂、スルホン酸基を導入したポリエーテルケトン系樹脂、スルホン酸基を導入したポリベンズイミダゾール系樹脂、イミダゾール部分で酸と塩形成したポリベンズイミダゾール系樹脂、スチレン・エチレン・ブチレン・スチレン共重合体のスルホン酸ドープ品、パーフルオロスルホン酸系樹脂等が挙げられる。
特に、電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に安定性が高く、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン導電性が実現可能なパーフルオロスルホン酸系樹脂は、実用性が高く好ましい。このようなプロトン伝導性を有する樹脂の具体例としては、デュポン社製の「Nafion」、旭硝子社製の「Flemion」、旭化成社製の「Aciplex」、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」等が挙げられる。通常、プロトン伝導性を有する樹脂は、固形分として5〜30重量%程度含むアルコール水溶液として使用される。アルコールとしては、例えば、メタノール、プロパノール、エタノールジエチルエーテル等が使用される。
溶剤としては、特に限定されるものではないが、触媒インキ中で酸化物系非白金触媒造粒体がその形状を保てるものが好ましい。
溶剤は、1種類を単独で用いても、2種類以上を混合して用いてもよい。主溶剤としては、水または水と親和性が高い溶剤が好ましく、特にアルコールが好適に使用できる。このようなアルコールとしては、例えば、沸点80〜200℃程度の1価のアルコールないし多価アルコールが利用でき、好ましくは炭素数が4以下のアルコール系溶剤が挙げられる。具体的には、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等が挙げられる。アルコールは、1種単独で又は2種以上混合して使用される。これらの1価のアルコールの中でも、2−プロパノール、1−ブタノール及びt−ブタノールが好ましい。多価アルコールとしては具体的には、プロトン伝導性を有する樹脂との相溶性、及び触媒インキとした場合の乾燥効率の問題から、例えば、プロピレングリコール、エチレングリコール等が好ましく、中でもプロピレングリコールが特に好ましい。
分散剤としては、酸化物系非白金触媒造粒体を作製する際に挙げたものを適宜使用できる。
次に、本発明における酸化物系非白金触媒造粒体を、アノード電極及びカソード電極に適用した燃料電池について説明する。
固体高分子電解質4としては、パーフルオロスルホン酸樹脂膜を代表とするフッ素系陽イオン交換樹脂膜が用いられる。
カソード側:O2+4H++4e-→2H2O
アノード側:H2→2H++2e-
の反応が起こり、アノード側で生成されたH+イオンは固体高分子電解質4中をカソード側に向かって移動し、e-(電子)は外部の負荷を通ってカソード側に移動する。
Ta炭化物(TaC)(高純度化学社製TAI03PB)を、電気炉にてO2/Ar(3/7:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(1)を得た。
Ta炭窒化物(TaC0.5N0.5)を、電気炉にてO2/Ar(3/7:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(2)を得た。
Zr炭化物(ZrC)(アライドマテリアル社製5OR08)を、電気炉にてO2/Ar(3/7:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(3)を得た。
Zr炭窒化物(ZrC0.5N0.5)(アライドマテリアル社製5OV25)を、電気炉にて(3/7:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(4)を得た。
オキシジルコニウムフタロシアニン(ZrOPc)(大日精化社製)を、電気炉にてH2/O2/Ar(0.02/0.005/0.975:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(5)を得た。
[製造例6]
Ta酸化物(Ta2O5)(高純度化学社製TAO02PB)と無金属フタロシアニン(東京化成社製)とを、乳鉢にて混合し、電気炉にてH2/O2/Ar(0.02/0.005/0.975:体積比)混合ガス雰囲気下、1000℃で10時間熱処理を行い、得られた粉体を乳鉢で粉砕し、酸化物系非白金触媒(6)を得た。
[実施例1:酸化物系非白金触媒造粒体(1)]
ガラス瓶にイオン交換水83部と、カルボン酸基を有する樹脂型分散剤ジョンクリルJDX−6500(BASFジャパン社製:固形分30%水溶液)10部を秤量し均一な分散溶液を作製後、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)4.7部とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)2.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで湿式混合し、酸化物系非白金触媒(1)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(1)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径12μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(1)を得た。
酸化物系非白金触媒(1)の代わりに酸化物系非白金触媒(2)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(2)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(2)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(2)を得た。
製造例3で作製した酸化物系非白金触媒(3)を用い、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(3)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(3)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(3)を得た。
製造例4で作製した酸化物系非白金触媒(4)を用い、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(4)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(4)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径8μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(4)を得た。
製造例5で作製した酸化物系非白金触媒(5)を用い、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(5)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(5)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(5)を得た。
製造例5で作製した酸化物系非白金触媒(6)を用い、実施例1と同様の方法で酸化物系非白金触媒(6)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(6)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(6)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水83部と、顔料誘導体鉄フタロシアニン誘導体FePc−(SO3NH4)4(日鉄鉱業社製:固形分10%水溶液)30部を秤量し均一な分散溶液を作製後、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)4.7部とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)2.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで分散し、酸化物系非白金触媒(1)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(1)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径10μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(7)を得た。
ガラス瓶にイオン交換水83部と、カルボン酸基を有する樹脂型分散剤ジョンクリルJDX−6500(BASFジャパン社製:固形分30%水溶液)10部を秤量し均一な分散溶液を作製後、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)4.7部とカーボンナノチューブ(昭和電工社製VGCF−H)2.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで分散し、酸化物系非白金触媒(1)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(1)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径12μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(8)を得た。
ガラス瓶にプロピレングリコール83部と、樹脂型分散剤ポリビニルピロリドンPVP K-30(アイエスピー・ジャパン社製)3部を秤量し均一な分散溶液を作製後、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)4.7部とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)2.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで分散し、酸化物系非白金触媒(1)分散体(固形分10%)を得た。
この酸化物系非白金触媒(1)分散体をミニスプレードライヤー(日本ビュッヒ社製「B−290」)にて、窒素気流中、125℃雰囲気下で、噴霧乾燥し、平均粒子径12μmの球状の酸化物系非白金触媒造粒体(9)を得た。
製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)を造粒せずに、そのまま比較例として使用した。
[比較例2〜6:酸化物系非白金触媒(2)〜(6)]
比較例1と同様に、製造例2〜6で作製した酸化物系非白金触媒(2)〜(6)を造粒せずに、そのまま比較例2〜6として使用した。
ガラス瓶にイオン交換水90部に、製造例1で作製した酸化物系非白金触媒(1)6.7部とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)3.3部を加え、更にメディアとしてジルコニアビーズを添加した後に、ペイントコンディショナーで分散した。得られた分散液は高粘度で流動性もなく、分散剤を加えないと均一な分散体を作製することは困難であった。
酸化物系非白金触媒又は、酸化物系非白金触媒造粒体0.01部を秤量し、バインダーとしてナフィオン(デュポン社製)が分散された水、プロパノール、ブタノール混合溶液3.56部(固形分0.19%)に添加したあと、超音波(42kHz)で15分間分散処理を行ない酸化物系非白金触媒インキとした。
回転電極(グラッシーカーボン電極の半径0.2cm)表面を鏡面に研磨したあと、電極表面に上記酸化物系非白金触媒インキ3.5μlを滴下し、1500rpmにてスピンコートし、自然乾燥により作用電極を作製した。
上記で作製した作用電極と、対極(白金)、参照電極(Ag/AgCl)が取り付けられた電解槽に電解液(0.5M硫酸水溶液)を入れ、酸素還元活性試験を行なった。
実施例1〜9で得た酸化物系非白金触媒造粒体(1)〜(9)17.14部(酸化物系非白金触媒12部+親水性官能基を有する樹脂5.14部)を秤量し、1−ブタノール68.57部とナフィオン(Nafion)溶液(デュポン社製:固形分20%水−アルコール混合溶液)14.29部の混合溶液中に添加後、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ(1)〜(9)(固形分濃度20%、触媒インキ100%としたときの酸化物系非白金触媒造粒体、及びバインダーを合計した割合)を調製した。
一方、比較例1〜6で得た酸化物系非白金触媒(1)〜(6)及び12部を秤量し、1−ブタノール48部とナフィオン(Nafion)溶液(デュポン社製:固形分20%水−アルコール混合溶液)40重量部の混合溶液中に添加後、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ(10)〜(15)(固形分濃度20重量%、触媒インキ100重量%としたときの酸化物系非白金触媒とバインダーを合計した割合)を調製した。
触媒インキの分散性を、下記に示す評価方法によって評価した。
分散性は、グラインドゲージによる判定(JIS K5600−2−5に準ず)によって触媒インキの粒度(粗大な分散粒径)を求め、50μm以上の凝集物が無い場合、分散性が良好であると評価した。実施例1〜9で得た酸化物系非白金触媒造粒体(1)〜(9)の触媒インキの粒度はいずれも20〜30μであり、分散性は良好であったのに対して、比較例1〜6の酸化物系非白金触媒(1)〜(6)の触媒インキは、100μm以上の凝集粒子が確認され、分散性が劣っていることを確認した。評価結果を表1に示す。
実施例1〜9の触媒インキ(1)〜(9)を、ドクターブレードにより、乾燥後の酸化物系非白金触媒の目付け量が2mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム
上に塗布し、大気雰囲気下、95℃で15分間乾燥することにより、ムラのない均一なカソード用燃料電池用触媒層を作製した。
しかし、比較例1〜6で得た触媒インキ(10)〜(15)では、ムラのあるぼそぼその触媒層となった。
燃料電池用触媒層は、下記に示す塗工性評価によって評価した。テフロン(登録商標)フィルム上に形成された燃料電池用触媒層を、ビデオマイクロスコープVHX−900(キーエンス社製)にて500倍で観察し、塗工ムラ(ムラ:触媒層の濃淡により評価)およびピンホール(触媒層が塗布されていない欠陥の有無により評価)について、下記の基準で判定した。評価結果を表1に示す。
(ムラ)
○:触媒層の濃淡が確認されない(良好)。
△:触媒層の濃淡が2〜3箇所あるが極めて微小領域である(実用上問題ない)。
×:触媒層の濃淡が多数確認される、または濃淡の縞の長さが5mm以上のもの1個以上(不良)。
(ピンホ−ル)
○:ピンホールが1つも確認されない(良好)。
△:ピンホールが2〜3個あるが極めて微小である(不良)。
×:ピンホールが多数確認される、または直径1mm以上のピンホールが1個以上(極めて不良)。
ここでは、燃料電池用電極膜接合体の作製に使用するアノード用燃料電池用触媒層の作製方法について以下に述べる。
酸化物系非白金触媒の代わりに、白金触媒担持カーボン4部(田中貴金属社製、白金量46%)、溶剤として1―プロパノール56部、および水20部をディスパー(プライミクス、TKホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒ペースト組成物(固形分濃度4%)を調製した。次いで、ナフィオン(Nafion)溶液(デュポン社製:固形分20%水−アルコール混合溶液)20部を添加し、ディスパー(プライミクス製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ(固形分濃度8%)を作製した。得られた触媒インキを白金触媒担持カーボンの目付け量が0.46mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム上に塗布し、大気雰囲気中70℃の条件で15分間乾燥することにより、アノード用燃料電池用触媒層を作製した。
実施例1〜9、及び比較例1〜6で作製したカソード用燃料電池用触媒層と、アノード用燃料電池用触媒層とを、それぞれ固体高分子電解質膜(Nafion212、デュポン社製、膜厚50μm)の両面に密着して、150℃、5MPaの条件で狭持した後、テフロン(登録商標)フィルムを剥離した。次いで、更に両側から電極基材(ガス拡散層GDL、炭素繊維からなるカーボンペーパー、TGP-H-090、東レ(株)製)を密着させ、本発明の燃料電池用電極膜接合体(GDL/触媒層/固体高分子電解質膜/触媒層/GDL)を作製した。
実施例1〜9と比較例1〜6で得られた燃料電池用電極膜接合体を2cm角の試料とし、その両側からガスケット2枚、次いでグラファイトプレートであるセパレータ2枚ではさみ、更に両側から集電板を2枚装着して燃料電池(単セル)として作製した。測定はAuto PEMシリース゛「PEFC評価システム」東陽テクニカ社製で実施した。燃料電池運転条件として、温度80℃、相対湿度100%の条件下で、アノード側に水素を300ml/分で流し、カソード側に酸素を300ml/分で流して発電試験を実施した。
実施例1〜9と比較例1〜6で作製した単セルの電流−電圧特性を測定することにより、電池の発電特性を評価した。
その結果、実施例1〜9で作製した単セルでは、開放電圧は0.94V〜0.98V、短絡電流密度950〜1200mA/cm2であった。これに対し、比較例1〜6で作製した単セルは、開放電圧0.94〜0.98V、短絡電流密度600〜800mA/cm2と実施例に比べて低い結果であった。
発電試験結果において、開放電圧にはそれほど差異はみられていない。これは、電流が発生していない(もしくは微小な領域)においては導電性の影響は小さく、酸化物系非白金触媒そのものの触媒活性が支配因子となっているためと考えられる。一方、短絡電流密度には大きく差が生じており、これは、高電流領域においては導電性が支配因子となっているためと考えられ、導電性炭素材料を酸化物系非白金触媒と均一に接触させ、導電パスを確保することが重要であることがわかる。
2 ガス拡散層
3 アノード電極触媒(燃料極)
4 固体高分子電解質
5 カソード電極触媒(空気極)
6 ガス拡散層
7 セパレータ
Claims (4)
- 酸化物系非白金触媒と、導電性炭素材料と分散剤とを、含有する燃料電池電極形成用酸化物系非白金触媒造粒体であって、前記酸化物系非白金触媒造粒体の形状が、球状または楕円体状であり、かつ造粒体の平均粒子径が0.5〜100μmであり、分散剤が酸化物系非白金触媒と導電性炭素材料の表面に吸着していることを特徴とする燃料電池電極形成用酸化物系非白金触媒造粒体。
- 前記酸化物系非白金触媒が、Ti、Zr、Nb、V、Mo、W及びTaからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含む、請求項1記載の燃料電池電極形成用酸化物系非白金触媒造粒体。
- 請求項1または2に記載の燃料電池電極形成用酸化物系非白金触媒造粒体と、バインダーと、溶剤とを含有する燃料電池電極形成用触媒インキ。
- 請求項1または2に記載の燃料電池電極形成用酸化物系非白金触媒造粒体を含有する触媒層を、固体高分子電解質膜の一方、又は双方の面に接合させた電極膜接合体を有する燃料電池。
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