JP6726210B2 - 燃料電池電極材料及び装置 - Google Patents
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Description
燃料電池は、水素及び軽油やメタノールなどの炭化水素を含む燃料を、酸素又は過酸化水素などの酸化剤との化学反応によってその化学エネルギーを電気に変換する一種の電気化学装置である。 燃料電池は、エネルギー効率が高く、燃料が供給されている限り連続して発電することができるため、輸送、マテリアルハンドリング、固定式バックアップ電源、携帯型バックアップ電源、及び緊急バックアップ電源など、幅広い用途がある。
本開示は、燃料電池装置に用いられる燃料電池電極材料に関し、特に、微細アレイ多孔質燃料電池電極材料に関するものであり、更には、当該燃料電池電極材料の燃料電池装置への応用に関する。
Claims (36)
- 燃料電池装置に用いる燃料電池電極材料であって、微細アレイ多孔質担体材料を含み、
前記微細アレイ多孔質担体材料は、金属又は金属酸化物から構成され、それぞれ500nm〜5mmの細孔径を有する複数の細孔を有し、
前記複数の細孔の細孔径は、ばらつきが20%未満で実質的に均一であり、
前記微細アレイ多孔質担体材料は、40〜85%の孔隙率を有し、前記微細アレイ多孔質担体材料は所定の領域が表面処理されて親水性になっていて、
前記微細アレイ多孔質担体材料の前記複数の細孔内に、バインダーを用いずに触媒が配置されている、
燃料電池電極材料。 - 前記金属は、Ni、Al、Cu、Au、Ag、Ti、Fe、Pt、Pd、Ru、Mn、Co、及びCrからなる群から選択され、前記金属酸化物は、CoTMPP‐TiO2、MnOx‐CoTMPP、CoFe2O4、Pt‐WO3、Pt‐TiO2、Pt‐Cu‐MOx、MnO2、CrO2、CuxMnyOz、LaMnO3、及びLa1‐xSrxFeO3からなる群から選択される、請求項1に記載の燃料電池電極材料。
- 前記微細アレイ多孔質担体材料の前記複数の細孔の細孔径は、1000〜50000nmである、請求項1に記載の燃料電池電極材料。
- 前記微細アレイ多孔質担体材料の孔隙率が74%である、請求項3に記載の燃料電池電極材料。
- 前記微細アレイ多孔質担体材料は、Ru、Pd、Ni、Al、Cu、Au、Ag、Ti、Fe、Pt、Mn、Co、Cr、又は金属酸化物から実質的に構成され、前記金属酸化物は、CoTMPP‐TiO2、MnOx‐CoTMPP、CoFe2O4、Pt‐WO3、Pt‐TiO2、Pt‐Cu‐MOx、MnO2、CrO2、CuxMnyOz、LaMnO3、及びLa1‐xSrxFeO3からなる群から選択される、請求項4に記載の燃料電池電極材料。
- 前記金属は、Ni、Al、Cu、Fe、Ti、Cr、Mn、Co、及びZnからなる群から選択される、請求項4に記載の燃料電池電極材料。
- 前記微細アレイ多孔質担体材料が、Pt、Ru、Pd、CoPc、CoTMPP‐TiO2、MnOx‐CoTMPP、又はCoFe2O4の少なくとも1種で被覆されている、請求項6に記載の燃料電池電極材料。
- 前記触媒は、Pt、Ru、Pd、CoPc、CoTMPP‐TiO2、MnOx‐CoTMPP、及びCoFe2O4の少なくとも1種からなる、請求項6に記載の燃料電池電極材料。
- 触媒担体粒子を更に含み、前記触媒は前記触媒担体粒子の表面に配置され、前記触媒を担体する前記触媒担体粒子は前記微細アレイ多孔質担体材料の前記複数の細孔内に配置されている、請求項6に記載の燃料電池電極材料。
- 前記触媒担体粒子は、カーボンナノチューブ、グラフェン、又はカーボンナノスフェアの少なくとも1種を含む、請求項9に記載の燃料電池電極材料。
- 前記触媒は、Pt、Ru、Pd、CoPc、CoTMPP‐TiO2、MnOx‐CoTMPP、又はCoFe2O4の少なくとも1種からなる粒子である、請求項10に記載の燃料電池電極材料。
- ポリマー電解質膜(PEM)と、アノード触媒層と、カソード触媒層とを含む膜電解質接合体(MEA)を含む燃料電池装置であって、
前記ポリマー電解質膜(PEM)は、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層に挟まれていて、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方が、請求項4に記載の燃料電池電極材料を含み、
前記燃料電池装置は、
アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を更に含み、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層は、それぞれ前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記ポリマー電解質膜(PEM)とは反対の側面に配置され、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方が、請求項1に記載の第2の燃料電池電極材料を含み、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の前記少なくとも一方における前記第2の燃料電池電極材料の細孔径が、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方における前記燃料電池電極材料の細孔径よりも小さく、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の前記少なくとも一方が、Ru又はPdの少なくとも1種から選択される第2の触媒を更に含む、
燃料電池装置。 - 前記燃料電池電極材料における前記微細アレイ多孔質担体材料は、Ni、Al、Cu、Fe、Ti、Cr、Mn、Co、及びZnからなる群から選択される金属で構成され、前記触媒は、Pt、Ru、Pd、CoPc、CoTMPP‐TiO2、MnOx‐CoTMPP、又はCoFe2O4のうちの少なくとも1種である、請求項12に記載の燃料電池装置。
- 前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方が触媒担体を更に含み、前記触媒担体は、カーボンナノチューブ、グラフェン、又はカーボンナノスフェアの少なくとも1種から選択され、前記触媒担体の粒子は、前記触媒担体の粒子の外表面に前記触媒の粒子を担持するものであって、前記触媒担体の粒子は前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方の前記微細アレイ多孔質担体材料の複数の細孔内に配置されている、請求項13に記載の燃料電池装置。
- 前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方は、反応性ガスが拡散するように構成されている、請求項12に記載の燃料電池装置。
- 前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方は、反応性ガスが拡散し易いように疎水性となるよう所定の領域が表面処理されている、請求項15に記載の燃料電池装置。
- 前記アノードガス拡散層、前記アノード触媒層、前記カソード触媒層、及び前記カソードガス拡散層の底部に配置された水処理層を更に含み、
前記水処理層は、請求項1に記載の第3の燃料電池電極材料を含み、
前記水処理層における前記第3の燃料電池電極材料の細孔径は、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方における前記燃料電池電極材料の細孔径よりも大きく、且つ前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の前記少なくとも一方における前記第2の燃料電池電極材料の細孔径よりも大きく、
前記水処理層の前記第3の燃料電池電極材料は、任意に表面処理されて親水性になっている、請求項12に記載の燃料電池装置。 - アノード水処理層及びカソード水処理層を更に含み、
前記アノード水処理層及び前記カソード水処理層は、前記アノード触媒層と前記ポリマー電解質膜との間及び前記カソード触媒層と前記ポリマー電解質膜との間にそれぞれ配置され、
前記アノード水処理層及び前記カソード水処理層の少なくとも一方が、請求項1に記載の第2の燃料電池電極材料を含み、前記第2の燃料電池電極材料の細孔径は、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記少なくとも一方の前記燃料電池電極材料の細孔径よりも大きく、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層は、反応性ガスが拡散できるように構成されている、請求項12に記載の燃料電池装置。 - 膜電解質接合体(MEA)を含み、前記膜電解質接合体は、アノード側からカソード側へ順に、アノードガス拡散層、アノード触媒層、ポリマー電解質膜(PEM)、カソード触媒層、カソードガス拡散層を含み、
前記アノードガス拡散層及び前記カソードガス拡散層の少なくとも一方が、請求項1に記載の燃料電池電極材料を含む、請求項12に記載の燃料電池装置。 - 前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方が、カーボンナノチューブ又はカーボンナノスフェアから選択される触媒担体を含む、請求項19に記載の燃料電池装置。
- 請求項1に記載の燃料電池電極材料を製造する方法であって、
(i)前記微細アレイ多孔質担体材料を3D印刷により又は鋳型製法により製造するステップ、を含み、前記鋳型製法は、
a)コロイド粒子鋳型を電気泳動により作製するサブステップ、
b)コロイド粒子鋳型に電極材料を浸潤させるサブステップ、及び
c)コロイド粒子鋳型を除去するサブステップ、を含む、方法。 - 前記鋳型製法において、サブステップ(b)は、電着、PVD(物理気相堆積)、CVD(化学気相堆積)又はゾル‐ゲル(ゾル‐ゲル法)のうちの少なくとも1種によって達成される、請求項21に記載の方法。
- ステップ(i)の直後に、
(ii)前記微細アレイ多孔質担体材料の上に、第2の微細アレイ多孔質担体材料を3D印刷又は鋳型製法により製造するステップを更に含む、請求項21に記載の方法。 - ステップ(ii)における前記第2の微細アレイ多孔質担体材料は、前記微細アレイ多孔質担体材料の細孔径よりも大きい細孔径を有するように、且つ、表面が親水性を有するように構成されている、請求項23に記載の方法。
- ステップ(ii)における前記第2の微細アレイ多孔質担体材料が親水性導電性ポリマーからなっている、請求項24に記載の方法。
- ステップ(ii)における前記第2の微細アレイ多孔質担体材料が表面処理されて親水性となっている、請求項24に記載の方法。
- ステップ(ii)における前記第2の微細アレイ多孔質担体材料が、Ni、Al、Cu、Fe、Ti、Cr、Mn、Co、及びZnからなる群から選択される金属で構成されていて、また、前記第2の微細アレイ多孔質担体材料は表面が酸化処理されている、請求項26に記載の方法。
- ステップ(ii)における前記第2の微細アレイ多孔質担体材料は親水性材料で被覆されている、請求項26に記載の方法。
- ステップ(i)の直後に、
(ii)触媒の粒子を担持する触媒担体の粒子を、前記微細アレイ多孔質担体材料における前記複数の細孔内に分布させるステップを更に含む、燃料電池電極材料を製造する請求項21に記載の方法。 - 前記触媒担体が、カーボンナノチューブ又はカーボンナノスフェアの少なくとも1種から選択される、燃料電池電極材料を製造する請求項29に記載の方法。
- ステップ(ii)の直後に、
(iii)前記触媒の粒子を前記燃料電池電極材料中の前記微細アレイ多孔質担体材料と結合させるステップを更に含む、請求項30に記載の方法。 - ステップ(iii)が加熱により達成される、請求項31に記載の方法。
- ステップ(i)の直後に、
(ii)前記微細アレイ多孔質担体材料に耐腐食処理を施すステップを更に含む、請求項21に記載の方法。 - ステップ(i)における前記微細アレイ多孔質担体材料は、Zn、Ti及びNiからなる群から選択される金属で構成され、ステップ(ii)における前記耐腐食処理は酸化処理である、請求項33に記載の方法。
- ステップ(i)における前記微細アレイ多孔質担体材料は、Zn、Ti及びNiからなる群から選択される金属で構成され、ステップ(ii)における前記耐腐食処理は耐腐食材による表面被覆である、請求項33に記載の方法。
- 請求項1に記載の燃料電池電極材料を含む燃料電池装置であって、SOFC(固体酸化物形燃料電池)、DMFC(直接メタノール形燃料電池)、PAFC(リン酸形燃料電池)、FC、MCFC(溶融炭酸塩形燃料電池)、又はPFCのうちの少なくとも1種である、燃料電池装置。
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