JP7235408B2 - Membrane electrode assembly for fuel cell - Google Patents

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特許法第30条第2項適用 高分子学会予稿集 68巻2号〔2019〕 発行所:公益社団法人 高分子学会 発行日:令和1年9月11日 [刊行物等] 第68回高分子討論会 開催日:令和1年9月26日Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. Proceedings of the Society of Polymer Science, Vol. 68, No. 2 [2019] Publisher: The Society of Polymer Science, Japan Publication date: September 11, 2019 Molecular Symposium Date: September 26, 2019

本開示は、燃料電池用膜電極接合体に関する。 The present disclosure relates to membrane electrode assemblies for fuel cells.

アノードガス、例えば水素と、カソードガス、例えば酸素とを化学反応させることによって発電を行う、燃料電池が知られている。 Fuel cells are known that generate electricity by chemically reacting an anode gas, such as hydrogen, and a cathode gas, such as oxygen.

従来、燃料電池の内部、例えば触媒電極層においてプロトンを伝導するために、アイオノマーが用いられてきた。しかしながら、アイオノマーは、水を介してプロトンを伝導するため、低湿度条件下、例えば100℃以上の高温環境下において、触媒電極層におけるプロトン伝導性が低下し、燃料電池の発電特性が低下する場合がある。 Traditionally, ionomers have been used to conduct protons inside fuel cells, eg, in the catalytic electrode layer. However, since ionomer conducts protons through water, the proton conductivity in the catalyst electrode layer may decrease under low-humidity conditions, for example, in a high-temperature environment of 100° C. or higher, and the power generation characteristics of the fuel cell may decrease. There is

そのため、従来の燃料電池には、電池内部を加湿し、かつ冷却するシステムが必要とされており、このようなシステムによって燃料電池が高コスト化していた。 Therefore, the conventional fuel cell requires a system for humidifying and cooling the inside of the cell, and such a system increases the cost of the fuel cell.

このような問題に対して、水を介さずにプロトンを伝導することができるイオン液体を、例えば触媒電極層に適用することが検討されている。 In order to solve such a problem, application of an ionic liquid capable of conducting protons without passing through water, for example, to a catalyst electrode layer has been studied.

イオン液体の燃料電池への適用に関する技術としては、例えば特許文献1~3に記載の技術を挙げることができる。 Techniques related to the application of ionic liquids to fuel cells include, for example, the techniques described in Patent Documents 1 to 3.

特許文献1は、触媒とイオン液体を有している触媒電極層を燃料極電極として有する燃料電池を開示している。 Patent Document 1 discloses a fuel cell having a catalytic electrode layer containing a catalyst and an ionic liquid as an anode electrode.

また、特許文献2は、イオン液体と水酸基等の活性水素を有する置換基を有するポリマーとの相溶体からなるプロトン伝導体、及び当該プロトン伝導体を電解質として用いた固体高分子型燃料電池を開示している。 In addition, Patent Document 2 discloses a proton conductor composed of a compatible solution of an ionic liquid and a polymer having a substituent having an active hydrogen such as a hydroxyl group, and a polymer electrolyte fuel cell using the proton conductor as an electrolyte. are doing.

また、特許文献3は、触媒、触媒担体、イオン液体、及び固定化剤を有する燃料電池用触媒電極層にガス流路を設けた構成を開示している。 Further, Patent Literature 3 discloses a configuration in which a gas flow path is provided in a fuel cell catalyst electrode layer containing a catalyst, a catalyst carrier, an ionic liquid, and an immobilizing agent.

特開2008-218098号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-218098 特開2012-041474号公報JP 2012-041474 A 特開2008-177134号公報JP 2008-177134 A

燃料電池にイオン液体を適用するにあたって、高い発電特性を実現するためには、プロトン伝導パス、電子伝導パス、及びガス拡散性の向上、並びに生成水によるイオン液体の流出の抑制等、実使用環境下に対応した構成が求められる。 In applying ionic liquids to fuel cells, in order to achieve high power generation characteristics, it is necessary to improve the proton conduction path, electron conduction path, gas diffusion, and suppress the outflow of the ionic liquid due to the generated water. A configuration corresponding to the following is required.

本開示は、低湿度環境下においても高い発電特性を有し、かつ加湿水や生成水によるイオン液体の流出を抑制することができる、燃料電池用膜電極接合体を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell that has high power generation characteristics even in a low humidity environment and can suppress outflow of ionic liquid due to humidified water or generated water. .

本開示者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した:
ガス拡散触媒電極層及び電解質膜を有しており、
前記ガス拡散触媒電極層は、触媒金属、前記触媒金属を担持しているカーボン担体、及びイオン液体を含有している繊維状炭素ガス拡散層を有しており、
前記カーボン担体に対する前記イオン液体の質量比は、0.40~0.60であり、かつ
前記イオン液体は、ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネート、ジエチルメチルアンモニウムノナフルオロブタンスルホネート、又はジエチルメチルアンモニウムヘプタデカフルオロオクタンスルホネートである、
燃料電池用膜電極接合体。
The present discloser has found that the above objects can be achieved by the following means:
It has a gas diffusion catalyst electrode layer and an electrolyte membrane,
The gas diffusion catalyst electrode layer has a fibrous carbon gas diffusion layer containing a catalyst metal, a carbon carrier supporting the catalyst metal, and an ionic liquid,
The mass ratio of the ionic liquid to the carbon support is 0.40 to 0.60, and the ionic liquid is diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate, diethylmethylammonium nonafluorobutanesulfonate, or diethylmethylammonium heptadecafluoro is octane sulfonate,
Membrane electrode assembly for fuel cells.

本開示によれば、低湿度環境下においても高い発電特性を有し、かつ加湿水や生成水によるイオン液体の流出を抑制することができる、燃料電池用膜電極接合体を提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present disclosure, it is possible to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell that has high power generation properties even in a low-humidity environment and is capable of suppressing outflow of ionic liquid due to humidified water or generated water. .

図1Aは、カソードの相対湿度が80%RHであるときの、実施例1及び2、並びに比較例1の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 1A is a graph showing the IV curves of the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 when the cathode relative humidity is 80% RH. 図1Bは、カソードの相対湿度が30%RHであるときの、実施例1及び2、並びに比較例1の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 1B is a graph showing the IV curves of the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 when the cathode relative humidity is 30% RH. 図1Cは、カソードの相対湿度が無加湿(0%RH)であるときの、実施例1及び2、並びに比較例1の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 1C is a graph showing the IV curves of the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 when the cathode relative humidity is non-humidified (0% RH). 図2Aは、カソードの相対湿度が80%RHであるときの、実施例1~3の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 2A is a graph showing the IV curves of the fuel cells of Examples 1-3 when the cathode relative humidity is 80% RH. 図2Bは、カソードの相対湿度が30%RHであるときの、実施例1~3の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 2B is a graph showing the IV curves of the fuel cells of Examples 1-3 when the cathode relative humidity is 30% RH. 図2Cは、カソードの相対湿度が無加湿(0%RH)であるときの、実施例1~3の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 2C is a graph showing the IV curves of the fuel cells of Examples 1-3 when the cathode relative humidity is non-humidified (0% RH). 図3Aは、カソードの相対湿度が80%RHであるときの、実施例3及び6の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 3A is a graph showing the IV curves of the fuel cells of Examples 3 and 6 when the cathode relative humidity is 80% RH. 図3Bは、カソードの相対湿度が30%RHであるときの、実施例3及び6の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 3B is a graph showing the IV curves of the fuel cells of Examples 3 and 6 when the cathode relative humidity is 30% RH. 図3Cは、カソードの相対湿度が無加湿(0%RH)であるときの、実施例3及び6の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 3C is a graph showing the IV curves of the fuel cells of Examples 3 and 6 when the cathode relative humidity is non-humidified (0% RH). 図4Aは、カソードの相対湿度が80%RHであるときの、実施例1及び2、並びに比較例1の燃料電池セルのナイキストプロットを示すグラフである。FIG. 4A is a graph showing Nyquist plots of fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 when the cathode relative humidity is 80% RH. 図4Bは、カソードの相対湿度が30%RHであるときの、実施例1及び2、並びに比較例1の燃料電池セルのナイキストプロットを示すグラフである。FIG. 4B is a graph showing Nyquist plots of the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 when the cathode relative humidity is 30% RH. 図4Cは、カソードの相対湿度が無加湿(0%RH)であるときの、実施例1及び2、並びに比較例1の燃料電池セルのナイキストプロットを示すグラフである。FIG. 4C is a graph showing Nyquist plots of the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 when the relative humidity of the cathode is non-humidified (0% RH). 図5Aは、カソードの相対湿度が80%RHであるときの、実施例1~3の燃料電池セルのナイキストプロットを示すグラフである。FIG. 5A is a graph showing Nyquist plots of the fuel cells of Examples 1-3 when the cathode relative humidity is 80% RH. 図5Bは、カソードの相対湿度が30%RHであるときの、実施例1~3の燃料電池セルのナイキストプロットを示すグラフである。FIG. 5B is a graph showing Nyquist plots of the fuel cells of Examples 1-3 when the cathode relative humidity is 30% RH. 図5Cは、カソードの相対湿度が無加湿(0%RH)であるときの、実施例1~3の燃料電池セルのナイキストプロットを示すグラフである。FIG. 5C is a graph showing Nyquist plots of the fuel cells of Examples 1-3 when the cathode relative humidity is non-humidified (0% RH). 図6は、実施例1、2、4及び5、並びに比較例1及び2の燃料電池セルの相対湿度とOCVとの関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the relative humidity and OCV of the fuel cells of Examples 1, 2, 4 and 5 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 図7は、実施例1、2、4及び5、並びに比較例1及び2の燃料電池セルのECAの測定結果を示すグラフである。7 is a graph showing measurement results of ECA of the fuel cells of Examples 1, 2, 4 and 5 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 図8は、カソードの相対湿度が80%RHであるときの、実施例7及び参考例1~4の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing IV curves of the fuel cells of Example 7 and Reference Examples 1 to 4 when the relative humidity of the cathode is 80% RH. 図9は、カソードの相対湿度が80%RHであるときの、実施例7及び参考例1~4の燃料電池セルのナイキストプロットを示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing Nyquist plots of fuel cells of Example 7 and Reference Examples 1 to 4 when the relative humidity of the cathode is 80% RH. 図10Aは、実施例8の燃料電池セルの各サイクル後におけるCV測定結果を示すグラフである。10A is a graph showing CV measurement results after each cycle of the fuel cell of Example 8. FIG. 図10Bは、比較例3の燃料電池セルの各サイクル後におけるCV測定結果を示すグラフである。10B is a graph showing CV measurement results after each cycle of the fuel cell of Comparative Example 3. FIG. 図11Aは、実施例8の燃料電池セルについて、CV測定に基づいて算出されたECA値の変化を、NEDOによる「セル評価解析プロトコル」に従い、横軸を対数軸としたグラフである。FIG. 11A is a graph showing changes in ECA value calculated based on CV measurement for the fuel cell of Example 8 according to NEDO's "Cell Evaluation Analysis Protocol", with the horizontal axis being the logarithmic axis. 図11Bは、比較例3の燃料電池セルについて、CV測定に基づいて算出されたECA値の変化を、NEDOによる「セル評価解析プロトコル」に従い、横軸を対数軸としたグラフである。FIG. 11B is a graph showing changes in the ECA value calculated based on the CV measurement for the fuel cell of Comparative Example 3 according to the "cell evaluation analysis protocol" by NEDO, with the horizontal axis being the logarithmic axis.

以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail. It should be noted that the present disclosure is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the disclosure.

本開示の燃料電池用膜電極接合体は、ガス拡散触媒電極層及び電解質膜を有しており、ガス拡散触媒電極層は、触媒金属、触媒金属を担持しているカーボン担体、及びイオン液体を含有している繊維状炭素ガス拡散層を有しており、カーボン担体に対するイオン液体の質量比は、0.40~0.60であり、かつイオン液体は、ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネート(dema[TFO])、ジエチルメチルアンモニウムノナフルオロブタンスルホネート(dema[NFO])、又はジエチルメチルアンモニウムヘプタデカフルオロオクタンスルホネート(dema[HFO])である。 The fuel cell membrane electrode assembly of the present disclosure has a gas diffusion catalyst electrode layer and an electrolyte membrane, and the gas diffusion catalyst electrode layer contains a catalyst metal, a carbon carrier supporting the catalyst metal, and an ionic liquid. containing a fibrous carbon gas diffusion layer, the mass ratio of the ionic liquid to the carbon support is 0.40-0.60, and the ionic liquid is diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate (dema[ TFO]), diethylmethylammonium nonafluorobutanesulfonate (dema[NFO]), or diethylmethylammonium heptadecafluorooctane sulfonate (dema[HFO]).

アイオノマーを用いた従来の膜電極接合体では、低加湿条件下、例えば相対湿度が30%RH~0%RHにおいてプロトン伝導性が低下するため、低加湿条件下において燃料電池の性能を低下させる場合があった。これは、アイオノマーのプロトン伝導が水を介して行われることによる。 In a conventional membrane electrode assembly using an ionomer, the proton conductivity decreases under low humidity conditions, for example, at a relative humidity of 30% RH to 0% RH. was there. This is due to ionomer proton conduction through water.

本開示の膜電極接合体では、プロトン伝導体として、水を介さずにプロトン伝導を行うことができるイオン液体であるdema[TFO]、dema[NFO]、又はdema[HFO]を、触媒金属を担持する触媒担体であるカーボン担体に対して0.40~0.60の質量比で含浸させて用いることにより、従来のNafion(商標登録)アイオノマーを用いた場合よりも高い発電特性を、特に低湿度環境下において高い発電特性を有し、かつ加湿水や生成水によるイオン液体の流出を抑制することができる。 In the membrane electrode assembly of the present disclosure, as a proton conductor, dema[TFO], dema[NFO], or dema[HFO], which is an ionic liquid capable of conducting proton conduction without water, is used as a catalyst metal. By impregnating the carbon support, which is the catalyst support to be supported, at a mass ratio of 0.40 to 0.60, it is possible to improve the power generation characteristics higher than when using the conventional Nafion (registered trademark) ionomer, particularly low. It has high power generation characteristics in a humid environment, and can suppress outflow of ionic liquid due to humidification water and generated water.

更に、本開示の膜電極接合体では、イオン液体がカーボン担体に対して0.4~0.6の質量比で含浸させて用いられていることにより、特に固定化剤等を用いることなく、イオン液体を繊維状炭素ガス拡散層に固定化することができる。 Furthermore, in the membrane electrode assembly of the present disclosure, the carbon support is impregnated with the ionic liquid at a mass ratio of 0.4 to 0.6. An ionic liquid can be immobilized on a fibrous carbon gas diffusion layer.

また、本開示の膜電極接合体は、アイオノマーを用いた膜電極接合体よりも高い耐久性を有している。 Moreover, the membrane electrode assembly of the present disclosure has higher durability than a membrane electrode assembly using an ionomer.

《ガス拡散触媒電極層》
本開示において、ガス拡散触媒電極層は、触媒金属、触媒金属を担持しているカーボン担体、及びイオン液体を含有している繊維状炭素ガス拡散層を有している。ガス拡散触媒電極層は、燃料極側及び空気極側のいずれのガス拡散触媒電極層であってもよいが、カソード反応を有利に進める観点から、空気極側のガス拡散触媒電極層に用いるのが好ましい。
《Gas diffusion catalyst electrode layer》
In the present disclosure, the gas diffusion catalyst electrode layer has a fibrous carbon gas diffusion layer containing a catalyst metal, a carbon support supporting the catalyst metal, and an ionic liquid. The gas diffusion catalyst electrode layer may be the gas diffusion catalyst electrode layer on either the fuel electrode side or the air electrode side. is preferred.

なお、繊維状炭素ガス拡散層は、触媒金属、触媒金属を担持しているカーボン担体、及びイオン液体を含有する触媒インクが含浸していることによって、触媒金属、触媒金属を担持しているカーボン担体、及びイオン液体を含有していることができる。 The fibrous carbon gas diffusion layer is impregnated with the catalyst metal, the carbon carrier supporting the catalyst metal, and the catalyst ink containing the ionic liquid. It can contain a carrier and an ionic liquid.

ガス拡散触媒電極層は、触媒金属、触媒金属を担持しているカーボン担体、及びイオン液体を含有している繊維状炭素ガス拡散層を有しており、カーボン担体に対するイオン液体の質量比は、0.40~0.60である。 The gas diffusion catalyst electrode layer has a catalyst metal, a carbon support supporting the catalyst metal, and a fibrous carbon gas diffusion layer containing an ionic liquid, and the mass ratio of the ionic liquid to the carbon support is 0.40 to 0.60.

カーボン担体に対するイオン液体の質量比は、0.40以上、0.45以上、0.50以上、又は0.52以上であってよく、0.60以下、0.58以下、0.55以下、又は0.53以下であってよい。 The mass ratio of the ionic liquid to the carbon support may be 0.40 or more, 0.45 or more, 0.50 or more, or 0.52 or more, 0.60 or less, 0.58 or less, 0.55 or less, Or it may be 0.53 or less.

触媒金属、触媒金属を担持しているカーボン担体、及びイオン液体を含有しているガス拡散触媒電極層を作製する方法は特に限定されないが、例えば、触媒金属、触媒金属含有する触媒インクをガス拡散触媒電極層に含浸させること、より具体的には、触媒インクを塗布すること、より具体的には手塗法等によって行うことができる。 The method for producing the catalyst metal, the carbon support supporting the catalyst metal, and the gas diffusion catalyst electrode layer containing the ionic liquid is not particularly limited. Impregnation into the catalyst electrode layer, more specifically coating with catalyst ink, more specifically hand coating or the like can be used.

〈触媒金属〉
触媒金属としては、例えばPt、Ptの合金、又はこれらの組み合わせを挙げることができる。触媒金属は、カーボン担体に担持されている。
<Catalyst metal>
Catalyst metals include, for example, Pt, Pt alloys, or combinations thereof. A catalyst metal is supported on a carbon carrier.

〈カーボン担体〉
カーボン担体としては、燃料電池用触媒に用いることができる任意の炭素系の担体であってよく、例えばカーボンブラック等を挙げることができる。
<Carbon carrier>
The carbon support may be any carbon-based support that can be used for fuel cell catalysts, and examples thereof include carbon black.

〈イオン液体〉
イオン液体は、ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネート(dema[TFO])、ジエチルメチルアンモニウムノナフルオロブタンスルホネート(dema[NFO])、又はジエチルメチルアンモニウムヘプタデカフルオロオクタンスルホネート(dema[HFO])である。イオン液体は、これらの混合であってもよい。
<Ionic liquid>
The ionic liquid is diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate (dema[TFO]), diethylmethylammonium nonafluorobutanesulfonate (dema[NFO]), or diethylmethylammonium heptadecafluorooctane sulfonate (dema[HFO]). The ionic liquid may be a mixture of these.

これらのイオン液体は、高いプロトン伝導度に加えて、これらのイオン液体のアニオンであるトリフルオロメタンスルホネート、ノナフルオロブタンスルホネート、及びヘプタデカフルオロオクタンスルホネートのフルオロ鎖長(TfO:CF 、NfO:C )が適度な長さを有しているため、疎水性による生成水の排水効果(フラッディング抑制)によるガス拡散性が維持されやすく、かつ触媒粒子と混合した際に、分散性の良い触媒インクが調製でき、均一なプロトン伝導性の薄膜層を適度な被覆率で形成できる。 In addition to high proton conductivity, these ionic liquids have fluoro chain lengths (TfO:CF 3 , NfO: C 4 F 9 ) has an appropriate length, so the gas diffusibility is easily maintained due to the drainage effect (flooding suppression) of generated water due to hydrophobicity, and when mixed with catalyst particles, dispersibility A good catalyst ink can be prepared, and a uniform proton-conducting thin film layer can be formed with an appropriate coverage.

〈繊維状炭素ガス拡散層〉
繊維状炭素ガス拡散層は、アノードガス拡散層又はカソードガス拡散層いずれであってもよい。
<Fibrous carbon gas diffusion layer>
The fibrous carbon gas diffusion layer can be either an anode gas diffusion layer or a cathode gas diffusion layer.

繊維状炭素ガス拡散層の材料は、燃料電池用触媒のアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層に用いることができる任意の繊維状炭素材料であってよい。このような材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、及びガラス状カーボンのようなカーボン多孔体を挙げることができる。 The material of the fibrous carbon gas diffusion layer may be any fibrous carbon material that can be used for the anode gas diffusion layer and cathode gas diffusion layer of fuel cell catalysts. Examples of such materials include porous carbon materials such as carbon paper, carbon cloth, and vitreous carbon.

《電解質膜》
電解質膜の材料としては、燃料電池単位セルの電解質膜に用いることができる任意の材料を用いることができる。このような材料としては、例えばフッ素系のイオン伝導性を有する高分子膜、より具体的には、パーフルオロスルホン酸を備えるプロトン導電性を有するイオン交換膜等を挙げることができる。電解質膜は、Nafion(商標登録)の膜であってよい。
《Electrolyte membrane》
As the material for the electrolyte membrane, any material that can be used for the electrolyte membrane of the fuel cell unit cell can be used. Examples of such materials include fluorine-based ion-conducting polymer membranes, more specifically, proton-conducting ion-exchange membranes comprising perfluorosulfonic acid. The electrolyte membrane may be a Nafion® membrane.

《実施例1~6、並びに比較例1及び2》
以下のようにして、実施例1~6、並びに比較例1及び2の燃料電池セルを作製した。
<<Examples 1 to 6, and Comparative Examples 1 and 2>>
Fuel cells of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were produced as follows.

〈実施例1〉
9mLサンプル瓶に、イオン液体としてのジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネート(dema[TfO])とエタノールとの混合液を調製した。この混合液全体に対して、dema[TfO]の量は2質量%であった。混合液を、少量の精製水を加えたPt担持カーボンに加え、40℃で3時間撹拌し、触媒インクとした。手塗法によって触媒インクをガス拡散層としての炭素繊維不織布に均一に塗布し、60℃で30分間減圧乾燥することにより、空気極側のガス拡散電極触媒層を作製した。
<Example 1>
A mixed solution of diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate (dema[TfO]) as an ionic liquid and ethanol was prepared in a 9 mL sample bottle. The amount of dema[TfO] was 2% by mass with respect to the entire mixture. The mixed liquid was added to Pt-supported carbon to which a small amount of purified water was added, and stirred at 40° C. for 3 hours to prepare a catalyst ink. A gas diffusion electrode catalyst layer on the side of the air electrode was produced by uniformly applying the catalyst ink to a carbon fiber nonwoven fabric as a gas diffusion layer by hand coating and drying under reduced pressure at 60° C. for 30 minutes.

なお、空気極側のガス拡散電極触媒層において、カーボン担体に対するdema[TfO]の質量比は0.52であった。また、Ptの塗布量は、1.05mg/cmであった。 In addition, in the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side, the mass ratio of dema[TfO] to the carbon support was 0.52. Also, the coating amount of Pt was 1.05 mg/cm 2 .

次いで、アイオノマーとしてのNafion(商標登録)とエタノールとの混合液を調製した。この混合液全体に対して、Nafion(商標登録)の量は2質量%であった。混合液を、少量の精製水を加えたPt担持カーボンに加え、40℃で3時間撹拌し、触媒インクとした。手塗法によって触媒インクをガス拡散層としての炭素繊維不織布に均一に塗布し、60℃で30分間減圧乾燥することにより、燃料極側のガス拡散電極触媒層を作製した。 Next, a mixed solution of Nafion (registered trademark) as an ionomer and ethanol was prepared. The amount of Nafion® was 2% by weight based on the total mixture. The mixed liquid was added to Pt-supported carbon to which a small amount of purified water was added, and stirred at 40° C. for 3 hours to prepare a catalyst ink. A gas diffusion electrode catalyst layer on the fuel electrode side was prepared by uniformly applying the catalyst ink to a carbon fiber nonwoven fabric as a gas diffusion layer by hand coating and drying under reduced pressure at 60° C. for 30 minutes.

なお、燃料極側のガス拡散電極触媒層において、カーボン担体に対するNafion(商標登録)の質量比は0.89であった。また、Ptの塗布量は、1.07mg/cmであった。 In addition, in the gas diffusion electrode catalyst layer on the fuel electrode side, the mass ratio of Nafion (registered trademark) to the carbon support was 0.89. Also, the coating amount of Pt was 1.07 mg/cm 2 .

作製した空気極側及び燃料極側のガス拡散電極触媒層でNafion(商標登録)112膜を挟み込み、ホットプレスなしで膜電極接合体とし、1.8N/mの拘束圧で燃料電池セルを作製した。 A Nafion (registered trademark) 112 membrane is sandwiched between the prepared gas diffusion electrode catalyst layers on the air electrode side and the fuel electrode side to form a membrane electrode assembly without hot pressing, and a fuel cell is produced at a confining pressure of 1.8 N/m. bottom.

なお、燃料電池の活性領域の表面積は、5.06cmであった。 The surface area of the active region of the fuel cell was 5.06 cm 2 .

作製した燃料電池セルについて、定常的なI-V曲線が得られるまで、セル温度80℃、両極80%RH、アノード流速0.5L/min、カソード流速1.0L/min、両極1ataの条件下で慣らし運転を行った。なお、アノードガスには水素を、カソードガスには空気を、それぞれ用いた。 For the prepared fuel cell, the conditions were as follows: cell temperature 80° C., both poles 80% RH, anode flow rate 0.5 L/min, cathode flow rate 1.0 L/min, both poles 1 ata until a steady IV curve was obtained. I did a run-in with Hydrogen was used as the anode gas, and air was used as the cathode gas.

〈実施例2〉
空気極側のガス拡散電極触媒層の作製において、dema[TfO]に代えてジエチルメチルアンモニウムノナフルオロブタンスルホネート(dema[NfO])をイオン液体として用いたことを除いて、実施例1と同様にして燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。
<Example 2>
Example 1 was repeated except that diethylmethylammonium nonafluorobutanesulfonate (dema[NfO]) was used as the ionic liquid instead of dema[TfO] in the preparation of the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side. A fuel cell was produced by using the same method, and a break-in operation was performed.

〈実施例3〉
空気極側のガス拡散電極触媒層の作製において、dema[TfO]に代えてジエチルメチルアンモニウムヘプタデカフルオロオクタンスルホネート(dema[HFO])を用いたことを除いて、実施例1と同様にして実施例3の燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。
<Example 3>
The gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side was prepared in the same manner as in Example 1, except that diethylmethylammonium heptadecafluorooctane sulfonate (dema[HFO]) was used instead of dema[TfO]. A fuel cell of Example 3 was produced and run-in was performed.

〈比較例1〉
空気極側のガス拡散電極触媒層の作製において、イオン液体に代えてアイオノマーとしてのNafion(商標登録)を用いたことを除いて、実施例1と同様にして燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。
<Comparative Example 1>
A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1, except that Nafion (registered trademark) was used as an ionomer in place of the ionic liquid in the production of the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side, and run-in was performed. did

〈実施例4~6、及び比較例2〉
実施例1におけるNafion(商標登録)112膜を、Nafion(商標登録)115膜に代えたことを除いて、実施例1と同様にして実施例4の燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。
<Examples 4 to 6, and Comparative Example 2>
A fuel cell of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1, except that the Nafion (registered trademark) 112 membrane in Example 1 was replaced with a Nafion (registered trademark) 115 membrane, and a break-in operation was performed. rice field.

同様に、実施例2及び3、並びに比較例1におけるNafion(商標登録)112膜を、Nafion(商標登録)115膜に代えたことを除いて、それぞれ実施例2及び3、並びに比較例1と同様にして実施例5及び6、並びに比較例2の燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。 Similarly, Examples 2 and 3, and Comparative Example 1, respectively, except that the Nafion (registered trademark) 112 membrane in Examples 2 and 3, and Comparative Example 1 was replaced with a Nafion (registered trademark) 115 membrane. Fuel cells of Examples 5 and 6 and Comparative Example 2 were produced in the same manner and preliminarily run.

Figure 0007235408000001
〈I-V特性の評価〉
実施例1~3、及び比較例1の燃料電池セルそれぞれについて、セル温度80℃、アノード80%RH、アノード流速0.5L/min、カソード流速1.0L/min、2ataの条件下にてカソードの相対湿度を80%RH、30%RH、及び無加湿(0%RH)に変化させ、それぞれの相対湿度におけるI-V曲線を測定した。なお、アノードガスには水素を、カソードガスには空気を、それぞれ用いた。
Figure 0007235408000001
<Evaluation of IV characteristics>
For each of the fuel cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the cathode was heated under the conditions of a cell temperature of 80° C., an anode of 80% RH, an anode flow rate of 0.5 L/min, a cathode flow rate of 1.0 L/min, and 2 ata. The relative humidity was changed to 80% RH, 30% RH, and no humidity (0% RH), and the IV curve was measured at each relative humidity. Hydrogen was used as the anode gas, and air was used as the cathode gas.

〈電気化学インピーダンス測定〉
実施例1~3、及び比較例1の燃料電池セルそれぞれについて、外部の交流電源に接続すると共に、この交流電源によって入力される交流信号の周波数を変えてインピーダンスの計測を行い、その結果に基づいてインピーダンスの実数部(Z’)及びインピーダンスの虚数部(Z’’)を算出した。
<Electrochemical impedance measurement>
Each of the fuel cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was connected to an external AC power supply, and the impedance was measured by changing the frequency of the AC signal input by this AC power supply. The real part of the impedance (Z') and the imaginary part of the impedance (Z'') were calculated.

なお、測定にあたっては、セル温度80℃、アノード80%RH、アノード流速0.5L/min、カソード流速1.0L/min、2ataの条件下にてカソードの相対湿度を80%RH、30%RH、及び無加湿(0%RH)に変化させ、それぞれの相対湿度におけるインピーダンスの計測を行った。また、アノードガスには水素を、カソードガスには空気を、それぞれ用いた。 In the measurement, the relative humidity of the cathode was changed to 80% RH and 30% RH under the conditions of a cell temperature of 80°C, an anode of 80% RH, an anode flow rate of 0.5 L/min, a cathode flow rate of 1.0 L/min, and 2 ata. , and non-humidified (0% RH), and the impedance was measured at each relative humidity. Hydrogen was used as the anode gas, and air was used as the cathode gas.

〈電気化学的有効表面積の測定〉
実施例1、2、4、及び5、並びに比較例1及び2の燃料電池セルそれぞれについて、膜電極接合体の燃料極側に水素を、空気極側に窒素を送り、ポテンショスタットにより水素の吸脱着、及びPtの酸化還元を繰り返し行うサイクリックボルタンメトリーによって電気化学的有効表面積を測定した。具体的には、サイクリックボルタンメトリーを行った際の水素吸着電気量、空気極のPt塗布量、及び燃料電池の活性領域の表面積から電気化学的有効表面積(Electrochemical surface area: ECA)を算出した。
<Measurement of electrochemically effective surface area>
For the fuel cells of Examples 1, 2, 4, and 5 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, hydrogen was sent to the fuel electrode side of the membrane electrode assembly, nitrogen was sent to the air electrode side, and hydrogen absorption was performed by a potentiostat. The electrochemical effective surface area was measured by cyclic voltammetry with repeated desorption and Pt redox. Specifically, the electrochemical effective surface area (ECA) was calculated from the amount of hydrogen adsorption electricity, the Pt coating amount of the air electrode, and the surface area of the active region of the fuel cell when cyclic voltammetry was performed.

なお、ECAの測定にあたっては、セル温度80℃、アノード80%RH、アノード流速0.5L/min、カソード流速1.0L/min、2ataの条件下にてカソードの相対湿度を80%RH、30%RH、及び無加湿(0%RH)に変化させ、それぞれの相対湿度におけるインピーダンスの計測を行った。また、アノードガスには水素を、カソードガスには空気を、それぞれ用いた。 In the measurement of ECA, the relative humidity of the cathode was 80% RH, 30 % RH and non-humidified (0% RH), and the impedance was measured at each relative humidity. Hydrogen was used as the anode gas, and air was used as the cathode gas.

〈結果〉
I-V特性の測定結果を図1A~C、図2A~C、及び図3A~Cに示した。
<result>
The measurement results of IV characteristics are shown in FIGS. 1A-C, 2A-C, and 3A-C.

図1A~Cは、それぞれカソードの相対湿度を80%RH、30%RH、及び無加湿(0%RH)に変化させたときの、実施例1及び2、並びに比較例1の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。 1A to 1C show the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 when the relative humidity of the cathode is changed to 80% RH, 30% RH, and no humidity (0% RH), respectively. 1 is a graph showing an IV curve;

図1A~Cに示すように、空気極側のガス拡散触媒電極層のプロトン伝導体としてdema[TfO]を用いた実施例1の燃料電池セル、dema[NfO]を用いた実施例2の燃料電池セル、及びNafion(商標登録)を用いた比較例1の燃料電池セルいずれにおいても発電特性が測定されたが、実施例1及び2の燃料電池セルは、比較例1の燃料電池セルよりも高い発電特性を示し、その傾向は湿度が低下しても変化がなかった。 As shown in FIGS. 1A to 1C, the fuel cell of Example 1 using dema[TfO] as the proton conductor of the gas diffusion catalyst electrode layer on the air electrode side, and the fuel of Example 2 using dema[NfO] The power generation characteristics of both the battery cell and the fuel cell of Comparative Example 1 using Nafion (registered trademark) were measured. It exhibited high power generation characteristics, and this tendency did not change even when the humidity decreased.

図2A~Cは、それぞれカソードの相対湿度を80%RH、30%RH、及び無加湿(0%RH)に変化させたときの、実施例1~3の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。 2A-C show IV curves of the fuel cells of Examples 1-3 when the relative humidity of the cathode is changed to 80% RH, 30% RH, and no humidity (0% RH), respectively. It is a graph showing.

図2A~Cに示すように、空気極側のガス拡散触媒電極層のプロトン伝導体としてdema[HfO]を用いた実施例3の燃料電池セルについても、実施例1及び2と同様に高い発電特性を示した。 As shown in FIGS. 2A to 2C, the fuel cell of Example 3 using dema [HfO] as the proton conductor of the gas diffusion catalyst electrode layer on the air electrode side also has high power generation as in Examples 1 and 2. showed characteristics.

図3A~Cは、それぞれカソードの相対湿度を80%RH、30%RH、及び無加湿(0%RH)に変化させたときの、実施例3及び6の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。 3A-C show the IV curves of the fuel cells of Examples 3 and 6 when the relative humidity of the cathode is changed to 80% RH, 30% RH, and no humidity (0% RH), respectively. It is a graph showing.

図3A~Cに示すように、空気極側のガス拡散触媒電極層のプロトン伝導体としてdema[HfO]を用いた実施例3及び6では、いずれも高い発電特性を示したが、発電特性は、電解質層としてNafion(商標登録)112膜を用いた実施例3の方が、Nafion(商標登録)115膜を使用した実施例6よりも高かった。 As shown in FIGS. 3A to 3C, in Examples 3 and 6 in which dema [HfO] was used as the proton conductor of the gas diffusion catalyst electrode layer on the air electrode side, both exhibited high power generation characteristics. , Example 3, which used a Nafion® 112 membrane as the electrolyte layer, was higher than Example 6, which used a Nafion® 115 membrane.

電気化学インピーダンス測定結果を図4A~C及び図5A~Cに示した。
図4A~Cは、それぞれカソードの相対湿度を80%RH、30%RH、及び無加湿(0%RH)に変化させたときの、実施例1及び2、並びに比較例1の燃料電池セルのナイキストプロットを示すグラフである。
Electrochemical impedance measurement results are shown in FIGS. 4A-C and 5A-C.
4A to 4C show the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 when the relative humidity of the cathode is changed to 80% RH, 30% RH, and no humidity (0% RH), respectively. 4 is a graph showing a Nyquist plot;

図4A~Cに示すように、空気極側のガス拡散触媒電極層のプロトン伝導体としてdema[TfO]を用いた実施例1の燃料電池セル、及びdema[NfO]を用いた実施例2の燃料電池セルにおける電荷移動抵抗は、いずれも空気極側のガス拡散触媒電極層のプロトン伝導体としてNafion(商標登録)を用いた比較例1の燃料電池セルよりも低く、その傾向は湿度が低下すると共に大きくなった。これは、実施例1及び2の燃料電池セルに用いたイオン液体の方がNafion(商標登録)と比較してカソード反応に有利なプロトン伝導性とガス透過性を有していることを示している。 As shown in FIGS. 4A to 4C, the fuel cell of Example 1 using dema[TfO] as the proton conductor of the gas diffusion catalyst electrode layer on the air electrode side, and the fuel cell of Example 2 using dema[NfO] The charge transfer resistance in each fuel cell is lower than that of the fuel cell in Comparative Example 1 in which Nafion (registered trademark) is used as the proton conductor of the gas diffusion catalyst electrode layer on the air electrode side, and this tendency is due to the decrease in humidity. It grew as it did. This indicates that the ionic liquids used in the fuel cells of Examples 1 and 2 have more favorable proton conductivity and gas permeability for the cathode reaction than Nafion (registered trademark). there is

また、図5A~Cに示すように、空気極側のガス拡散触媒電極層のプロトン伝導体としてdema[HfO]を用いた実施例3の燃料電池セルについても、実施例1及び2と同等の結果がられた。 Further, as shown in FIGS. 5A to 5C, the fuel cell of Example 3 using dema [HfO] as the proton conductor of the gas diffusion catalyst electrode layer on the air electrode side was also treated in the same manner as in Examples 1 and 2. result was obtained.

I-V特性の測定による開回路電圧(Open Circuit Voltage: OCV)を図6に、ECAの測定結果を図7に、それぞれ示した。 FIG. 6 shows the open circuit voltage (OCV) obtained by measuring IV characteristics, and FIG. 7 shows the ECA measurement results.

図6に示すように、OCVに関しては、実施例1及び2、並びに比較例1の燃料電池セルとの間に明確な差は観察されなかった。もっとも、イオン液体としてのdema[NfO]を用いた実施例2及び実施例5では、低湿度においてOCVが高くなる傾向にあった。比較範囲が、1.02V~0.94Vであることと、電解質膜にNafion(商標登録)112膜又はNafion(商標登録)115膜を用いているので、ある程度それがOCVの律速になっていることも考えられる。 As shown in FIG. 6, no clear difference was observed between the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 in terms of OCV. However, in Examples 2 and 5 using dema[NfO] as the ionic liquid, the OCV tended to increase at low humidity. Since the comparison range is 1.02 V to 0.94 V and the Nafion (registered trademark) 112 membrane or Nafion (registered trademark) 115 membrane is used as the electrolyte membrane, it is rate-limiting for OCV to some extent. It is also possible.

また、図1A~Cに示すように、I-V曲線のKinetic領域(低電流域)を比較すると、実施例1及び2の燃料電池セルの方が比較例1の燃料電池セルよりも高い出力電圧を示しているので、膜電極接合体全体の出力向上に寄与していることが分かる。 Further, as shown in FIGS. 1A to 1C, when comparing the Kinetic region (low current region) of the IV curve, the fuel cells of Examples 1 and 2 have higher output than the fuel cell of Comparative Example 1. Since the voltage is shown, it can be seen that it contributes to the improvement of the output of the entire membrane electrode assembly.

図7に示すように、ECAについては、OCV以上に明らかな差がみられた。空気極側のガス拡散触媒電極層のプロトン伝導体としてdema[TfO]を用いた実施例1及び4の燃料電池セル、及びdema[NfO]を用いた実施例2及び5の燃料電池セルの方が、Nafion(商標登録)112を用いた比較例1及び2の燃料電池セルよりも高いECAを示した。材料間に大きなイオン伝導性の違いはないので、触媒に対する吸着状態に違いがあることが考えられる。 As shown in FIG. 7, ECA showed a clearer difference than OCV. The fuel cells of Examples 1 and 4 using dema[TfO] as the proton conductor of the gas diffusion catalyst electrode layer on the air electrode side, and the fuel cells of Examples 2 and 5 using dema[NfO] showed a higher ECA than the fuel cells of Comparative Examples 1 and 2 using Nafion® 112. Since there is no significant difference in ionic conductivity between the materials, it is conceivable that there is a difference in the state of adsorption to the catalyst.

《実施例7及び参考例1~4》
以下のようにして、実施例7及び参考例1~4の燃料電池セルを作製した。
<<Example 7 and Reference Examples 1 to 4>>
Fuel cells of Example 7 and Reference Examples 1 to 4 were produced as follows.

〈実施例7〉
9mLサンプル瓶に、イオン液体としてのdema[TfO]とエタノールとの混合液を調製した。この混合液全体に対して、dema[TfO]の量は2質量%であった。混合液を、少量の精製水を加えたPt担持カーボンに加え、40℃で3時間撹拌し、触媒インクとした。手塗法によって触媒インクをガス拡散層としての炭素繊維不織布に均一に塗布し、50℃で30分間減圧乾燥することにより、空気極側のガス拡散電極触媒層を作製した。
<Example 7>
A mixture of dema[TfO] as an ionic liquid and ethanol was prepared in a 9 mL sample bottle. The amount of dema[TfO] was 2% by mass with respect to the entire mixture. The mixed liquid was added to Pt-supported carbon to which a small amount of purified water was added, and stirred at 40° C. for 3 hours to prepare a catalyst ink. A gas diffusion electrode catalyst layer on the side of the air electrode was produced by uniformly applying the catalyst ink to the carbon fiber nonwoven fabric as the gas diffusion layer by hand coating and drying under reduced pressure at 50° C. for 30 minutes.

なお、空気極側のガス拡散電極触媒層において、カーボン担体に対するdema[TfO]の質量比は0.52であった。また、Ptの塗布量は、1.05mg/cmであった。 In addition, in the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side, the mass ratio of dema[TfO] to the carbon support was 0.52. Also, the coating amount of Pt was 1.05 mg/cm 2 .

次いで、アイオノマーとしてのNafion(商標登録)とエタノールとの混合液を調製した。この混合液全体に対して、Nafion(商標登録)の量は2質量%であった。混合液を、少量の精製水を加えたPt担持カーボンに加え、40℃で3時間撹拌し、触媒インクとした。スプレー法によって触媒インクをガス拡散層としての炭素繊維不織布に均一に塗布し、50℃で30分間減圧乾燥することにより、燃料極側のガス拡散電極触媒層を作製した。 Next, a mixed solution of Nafion (registered trademark) as an ionomer and ethanol was prepared. The amount of Nafion® was 2% by weight based on the total mixture. The mixed liquid was added to Pt-supported carbon to which a small amount of purified water was added, and stirred at 40° C. for 3 hours to prepare a catalyst ink. A catalyst ink was uniformly applied to a carbon fiber nonwoven fabric as a gas diffusion layer by a spray method, and dried under reduced pressure at 50° C. for 30 minutes to prepare a gas diffusion electrode catalyst layer on the fuel electrode side.

なお、空気極側のガス拡散電極触媒層において、カーボン担体に対するNafion(商標登録)の質量比は1.00であった。また、Ptの塗布量は、0.153mg/cmであった。 In addition, in the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side, the mass ratio of Nafion (registered trademark) to the carbon support was 1.00. Also, the coating amount of Pt was 0.153 mg/cm 2 .

次いで、Nafion(商標登録)211膜を2%の過酸化水素中で、80℃で一時間ゆっくりと攪拌した。膜を取り出し、沸騰させた精製水で1時間ゆっくりと攪拌した。金属不純物を除去するために、0.5Mの硫酸を用いて80℃で1時間攪拌した。硫酸を除去するため、精製水を用いて1時間80℃で3回洗浄をした。これにより、電解質膜としてのNafion(商標登録)211膜を活性化した。 The Nafion® 211 membrane was then gently stirred in 2% hydrogen peroxide at 80° C. for 1 hour. The membrane was taken out and gently stirred in boiling purified water for 1 hour. To remove metal impurities, 0.5 M sulfuric acid was used and stirred at 80° C. for 1 hour. In order to remove sulfuric acid, it was washed with purified water three times at 80° C. for 1 hour. This activated the Nafion (registered trademark) 211 membrane as the electrolyte membrane.

作製した空気極側及び燃料極側のガス拡散電極触媒層でNafion(商標登録)211膜を挟み込み、ホットプレスなしで膜電極接合体とし、2.8N/mの拘束圧で燃料電池セルを作製した。 A Nafion (registered trademark) 211 membrane is sandwiched between the prepared gas diffusion electrode catalyst layers on the air electrode side and the fuel electrode side to form a membrane electrode assembly without hot pressing, and a fuel cell is produced at a confining pressure of 2.8 N/m. bottom.

なお、燃料電池の活性領域の表面積は、5.06cmであった。 The surface area of the active region of the fuel cell was 5.06 cm 2 .

作製した燃料電池セルについて、定常的なI-V曲線が得られるまで、セル温度80℃、両極80%RH、アノード流速0.5L/min、カソード流速1.0L/min、両極1ataの条件下で慣らし運転を行った。なお、アノードガスには水素を、カソードガスには空気を、それぞれ用いた。 For the prepared fuel cell, the conditions were as follows: cell temperature 80° C., both poles 80% RH, anode flow rate 0.5 L/min, cathode flow rate 1.0 L/min, both poles 1 ata until a steady IV curve was obtained. I did a run-in with Hydrogen was used as the anode gas, and air was used as the cathode gas.

〈参考例1〉
イオン液体としてのdema[TfO]とエタノールとの混合液におけるdema[TfO]の量を1質量%としたこと、及び空気極側のガス拡散電極触媒層におけるカーボン担体に対するdema[TfO]の質量比を0.16としたことを除いて、実施例7と同様にして参考例1の燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。なお、Ptの塗布量は、空気極側のガス拡散電極触媒層において1.08mg/cm、及び燃料極側のガス拡散電極触媒層において0.164mg/cmであった。
<Reference example 1>
The amount of dema[TfO] in the mixture of dema[TfO] as the ionic liquid and ethanol is set to 1% by mass, and the mass ratio of dema[TfO] to the carbon support in the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side. A fuel cell of Reference Example 1 was produced in the same manner as in Example 7, except that the was set to 0.16, and a break-in operation was performed. The coating amount of Pt was 1.08 mg/cm 2 for the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side and 0.164 mg/cm 2 for the gas diffusion electrode catalyst layer on the fuel electrode side.

〈参考例2〉
空気極側のガス拡散電極触媒層におけるカーボン担体に対するdema[TfO]の質量比を0.27としたことを除いて、実施例7と同様にして参考例2の燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。なお、Ptの塗布量は、空気極側のガス拡散電極触媒層において1.07mg/cm、及び燃料極側のガス拡散電極触媒層において0.163mg/cmであった。
<Reference example 2>
A fuel cell of Reference Example 2 was produced in the same manner as in Example 7, except that the mass ratio of dema [TfO] to the carbon support in the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side was set to 0.27. did the driving. The coating amount of Pt was 1.07 mg/cm 2 for the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side and 0.163 mg/cm 2 for the gas diffusion electrode catalyst layer on the fuel electrode side.

〈参考例3〉
空気極側のガス拡散電極触媒層におけるカーボン担体に対するdema[TfO]の質量比を0.77としたことを除いて、実施例7と同様にして参考例3の燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。なお、Ptの塗布量は、空気極側のガス拡散電極触媒層において0.98mg/cm、及び燃料極側のガス拡散電極触媒層において0.159mg/cmであった。
<Reference example 3>
A fuel cell of Reference Example 3 was produced in the same manner as in Example 7, except that the mass ratio of dema [TfO] to the carbon support in the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side was set to 0.77. did the driving. The coating amount of Pt was 0.98 mg/cm 2 for the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side and 0.159 mg/cm 2 for the gas diffusion electrode catalyst layer on the fuel electrode side.

〈参考例4〉
空気極側のガス拡散電極触媒層におけるカーボン担体に対するdema[TfO]の質量比を1.04としたことを除いて、実施例7と同様にして参考例4の燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。なお、Ptの塗布量は、空気極側のガス拡散電極触媒層において1.03mg/cm、及び燃料極側のガス拡散電極触媒層において0.170mg/cmであった。
<Reference example 4>
A fuel cell of Reference Example 4 was produced in the same manner as in Example 7, except that the mass ratio of dema [TfO] to the carbon support in the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side was set to 1.04. did the driving. The coating amount of Pt was 1.03 mg/cm 2 for the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side and 0.170 mg/cm 2 for the gas diffusion electrode catalyst layer on the fuel electrode side.

〈I-V特性の評価〉
相対湿度を80%RHのみとしたことを除いて、上記の《実施例1~6、並びに比較例1及び2》における〈I-V特性の評価〉と同様の方法によって実施例7及び参考例1~4のI-V特性の評価を行った。
<Evaluation of IV characteristics>
Example 7 and Reference Example in the same manner as <Evaluation of IV characteristics> in <Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2> above, except that the relative humidity was only 80% RH. 1 to 4 were evaluated for IV characteristics.

〈電気化学インピーダンス測定〉
相対湿度を80%RHのみとしたことを除いて、上記の《実施例1~6、並びに比較例1及び2》における〈電気化学インピーダンス測定〉と同様の方法によって実施例7及び参考例1~4のI-V特性の評価を行った。
<Electrochemical impedance measurement>
Except that the relative humidity was only 80% RH, Example 7 and Reference Examples 1- 4 was evaluated for IV characteristics.

〈結果〉
実施例7及び参考例1~4の燃料電池セルの構成、I-V特性の評価結果、及び電気化学インピーダンス測定結果を、以下の表2にまとめた。
<result>
The configurations of the fuel cells of Example 7 and Reference Examples 1 to 4, evaluation results of IV characteristics, and electrochemical impedance measurement results are summarized in Table 2 below.

Figure 0007235408000002
Figure 0007235408000002

I-V特性の測定結果を図8に示した。図8は、実施例7及び参考例1~4の燃料電池セルのI-V曲線を示すグラフである。図8に示すように、I-V特性は、カーボン担体に対するdema[TfO]の質量比が0.52であった実施例7において最も優れていた。 FIG. 8 shows the measurement results of IV characteristics. FIG. 8 is a graph showing IV curves of the fuel cells of Example 7 and Reference Examples 1-4. As shown in FIG. 8, the IV characteristics were the best in Example 7 where the mass ratio of dema[TfO] to carbon support was 0.52.

また、表2に示した、カーボン担体に対するdema[TfO]の質量比、並びに各燃料電池セルにおけるOCV及び限界電流密度との間には、相関は見られなかった。 Further, no correlation was found between the mass ratio of dema[TfO] to the carbon support and the OCV and limiting current density in each fuel cell shown in Table 2.

電気化学インピーダンス測定結果を図9に示した。図9は、実施例7及び参考例1~4の燃料電池セルのナイキストプロットを示すグラフである。 FIG. 9 shows the electrochemical impedance measurement results. FIG. 9 is a graph showing Nyquist plots of the fuel cells of Example 7 and Reference Examples 1-4.

図9及び表2の膜抵抗及び電荷移動抵抗は、いずれもカーボン担体に対するdema[TfO]の質量比が0.52であった実施例7において最も優れていた。 Both the film resistance and the charge transfer resistance in FIG. 9 and Table 2 were the best in Example 7 in which the mass ratio of dema[TfO] to the carbon support was 0.52.

《実施例8及び比較例3》
〈実施例8〉
9mLサンプル瓶に、イオン液体としてのdema[TfO]とエタノールとの混合液を調製した。この混合液全体に対して、dema[TfO]の量は2質量%であった。混合液を、少量の精製水を加えたPt担持カーボンに加え、40℃で3時間撹拌し、触媒インクとした。手塗法によって触媒インクをガス拡散層としての炭素繊維不織布に均一に塗布し、50℃で30分間減圧乾燥することにより、空気極側のガス拡散電極触媒層を作製した。
<<Example 8 and Comparative Example 3>>
<Example 8>
A mixture of dema[TfO] as an ionic liquid and ethanol was prepared in a 9 mL sample bottle. The amount of dema[TfO] was 2% by mass with respect to the entire mixture. The mixed liquid was added to Pt-supported carbon to which a small amount of purified water was added, and stirred at 40° C. for 3 hours to prepare a catalyst ink. A gas diffusion electrode catalyst layer on the side of the air electrode was produced by uniformly applying the catalyst ink to the carbon fiber nonwoven fabric as the gas diffusion layer by hand coating and drying under reduced pressure at 50° C. for 30 minutes.

なお、空気極側のガス拡散電極触媒層において、カーボン担体に対するdema[TfO]の質量比は0.53であった。また、Ptの塗布量は、1.07mg/cmであった。 In addition, in the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side, the mass ratio of dema[TfO] to the carbon support was 0.53. Also, the coating amount of Pt was 1.07 mg/cm 2 .

次いで、アイオノマーとしてのNafion(商標登録)とエタノールとの混合液を調製した。この混合液全体に対して、Nafion(商標登録)の量は2質量%であった。混合液を、少量の精製水を加えたPt担持カーボンに加え、40℃で3時間撹拌し、触媒インクとした。スプレー法によって触媒インクをガス拡散層としての炭素繊維不織布に均一に塗布し、50℃で30分間減圧乾燥することにより、燃料極側のガス拡散電極触媒層を作製した。 Next, a mixed solution of Nafion (registered trademark) as an ionomer and ethanol was prepared. The amount of Nafion® was 2% by weight based on the total mixture. The mixed liquid was added to Pt-supported carbon to which a small amount of purified water was added, and stirred at 40° C. for 3 hours to prepare a catalyst ink. A catalyst ink was uniformly applied to a carbon fiber nonwoven fabric as a gas diffusion layer by a spray method, and dried under reduced pressure at 50° C. for 30 minutes to prepare a gas diffusion electrode catalyst layer on the fuel electrode side.

なお、空気極側のガス拡散電極触媒層において、カーボン担体に対するNafion(商標登録)の質量比は0.89であった。また、Ptの塗布量は、1.09mg/cmであった。 In addition, in the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side, the mass ratio of Nafion (registered trademark) to the carbon support was 0.89. Also, the coating amount of Pt was 1.09 mg/cm 2 .

作製した空気極側及び燃料極側のガス拡散電極触媒層でNafion(商標登録)112膜を挟み込み、ホットプレスなしで膜電極接合体とし、1.8N/mの拘束圧で燃料電池セルを作製した。 A Nafion (registered trademark) 112 membrane is sandwiched between the prepared gas diffusion electrode catalyst layers on the air electrode side and the fuel electrode side to form a membrane electrode assembly without hot pressing, and a fuel cell is produced at a confining pressure of 1.8 N/m. bottom.

なお、燃料電池の活性領域の表面積は、5.06cmであった。 The surface area of the active region of the fuel cell was 5.06 cm 2 .

作製した燃料電池セルについて、定常的なI-V曲線が得られるまで、セル温度80℃、両極80%RH、アノード流速0.5L/min、カソード流速1.0L/min、両極1ataの条件下で慣らし運転を行った。なお、アノードガスには水素を、カソードガスには空気を、それぞれ用いた。 For the prepared fuel cell, the conditions were as follows: cell temperature 80° C., both poles 80% RH, anode flow rate 0.5 L/min, cathode flow rate 1.0 L/min, both poles 1 ata until a steady IV curve was obtained. I did a run-in with Hydrogen was used as the anode gas, and air was used as the cathode gas.

〈比較例3〉
空気極側のガス拡散電極触媒層の作製において、イオン液体に代えてアイオノマーとしてのNafion(商標登録)を用いたことを除いて、実施例8と同様にして燃料電池セルを作製し、慣らし運転を行った。
<Comparative Example 3>
A fuel cell was produced in the same manner as in Example 8, except that Nafion (registered trademark) as an ionomer was used instead of the ionic liquid in the production of the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side, and the running-in was performed. did

なお、空気極側のガス拡散電極触媒層において、カーボン担体に対するNafion(商標登録)の質量比は1.00であり、Ptの塗布量は、0.345mg/cmであった。また、燃料極側のガス拡散電極触媒層において、炭素繊維不織布に対するNafion(商標登録)の質量比は1.00であり、Ptの塗布量は、0.158mg/cmであった。 In the gas diffusion electrode catalyst layer on the air electrode side, the mass ratio of Nafion (registered trademark) to the carbon support was 1.00, and the coating amount of Pt was 0.345 mg/cm 2 . In the gas diffusion electrode catalyst layer on the fuel electrode side, the mass ratio of Nafion (registered trademark) to the carbon fiber nonwoven fabric was 1.00, and the coating amount of Pt was 0.158 mg/cm 2 .

〈燃料電池セルの性能評価〉
実施例8及び比較例3の燃料電池セルの性能の評価として、サイクリックボルタンメトリー(Cyclic Voltammetry:CV)測定、I-V特性測定、及び電気化学インピーダンス測定をこの順に行った。その後、所定のサイクルの負荷応答試験を複数回行い、負荷応答試験の直後に、CV測定、I-V特性測定、及び電気化学インピーダンス測定をこの順に行った。そして、CVの0.05~0.47V程度にある下限電流から電気量を求め、これに基づいて算出されるECAが初期状態の半分となったときに負荷応答試験を終了させた。
<Evaluation of fuel cell performance>
As evaluation of the performance of the fuel cells of Example 8 and Comparative Example 3, cyclic voltammetry (CV) measurement, IV characteristic measurement, and electrochemical impedance measurement were performed in this order. After that, a load response test of a predetermined cycle was performed multiple times, and immediately after the load response test, CV measurement, IV characteristic measurement, and electrochemical impedance measurement were performed in this order. Then, the electric quantity was obtained from the lower limit current of about 0.05 to 0.47 V of CV, and the load response test was terminated when the ECA calculated based on this became half of the initial state.

〈結果〉
実施例8の燃料電池セルの各サイクル後におけるCV測定結果を図10Aに、比較例3の燃料電池セルの各サイクル後におけるCV測定結果を図10Bに示した。図10A及び図10Bにおいて、サイクル数の増大に応じてPtによる酸化還元電流が小さくなっている。
<result>
The CV measurement result after each cycle of the fuel cell of Example 8 is shown in FIG. 10A, and the CV measurement result of the fuel cell of Comparative Example 3 after each cycle is shown in FIG. 10B. In FIGS. 10A and 10B, the redox current due to Pt decreases as the number of cycles increases.

CV測定に基づいて算出されたECA値の変化を、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(New Energy and Industrial Technology Development Organization: NEDO)による「セル評価解析プロトコル」に従い、横軸を対数軸としたグラフを、実施例8の燃料電池セルにつき図11Aに、及び比較例3の燃料電池セルにつき図11Bにそれぞれ示した。 Change in ECA value calculated based on CV measurement, National Research and Development Agency New Energy and Industrial Technology Development Organization (New Energy and Industrial Technology Development Organization: NEDO) according to the "cell evaluation analysis protocol", logarithm on the horizontal axis 11A for the fuel cell of Example 8 and FIG. 11B for the fuel cell of Comparative Example 3, respectively.

このグラフの2400サイクル後、3000サイクル後、3600サイクル後、4800サイクル後、及び6600サイクル後のECA残存率の近似式から計算される、ECAが初期状態の半分となるサイクル数は、実施例8の燃料電池セルでは約6850サイクルであり、比較例3の燃料電池セルでは約4600サイクルあった。 After 2400 cycles, after 3000 cycles, after 3600 cycles, after 4800 cycles, and after 6600 cycles in this graph, the number of cycles at which the ECA is half of the initial state calculated from the approximate expression of the ECA residual rate is The fuel cell of Comparative Example 3 had about 6850 cycles, and the fuel cell of Comparative Example 3 had about 4600 cycles.

Claims (1)

ガス拡散触媒電極層及び電解質膜を有しており、
前記ガス拡散触媒電極層は、触媒金属、前記触媒金属を担持しているカーボン担体、及びイオン液体を含有している繊維状炭素ガス拡散層を有しており、
前記カーボン担体に対する前記イオン液体の質量比は、0.40~0.60であり、かつ
前記イオン液体は、ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネート、ジエチルメチルアンモニウムノナフルオロブタンスルホネート、又はジエチルメチルアンモニウムヘプタデカフルオロオクタンスルホネートである、
燃料電池用膜電極接合体。
It has a gas diffusion catalyst electrode layer and an electrolyte membrane,
The gas diffusion catalyst electrode layer has a fibrous carbon gas diffusion layer containing a catalyst metal, a carbon carrier supporting the catalyst metal, and an ionic liquid,
The mass ratio of the ionic liquid to the carbon support is 0.40 to 0.60, and the ionic liquid is diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate, diethylmethylammonium nonafluorobutanesulfonate , or diethylmethylammonium heptadecafluoro is octane sulfonate,
Membrane electrode assembly for fuel cells.
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