JP2006134752A - Solid polymer fuel cell and vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に固体高分子型燃料電池の触媒層の改良に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to improvement of a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんど無いクリーンな発電システムである。燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池など、各種燃料電池が提案されている。この中では、固体高分子型燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動可能であることから、自動車等の移動体用動力源として期待され、開発が進められている。 A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. Various fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a phosphoric acid fuel cell have been proposed as fuel cells. Among these, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be operated at a relatively low temperature, and thus is expected as a power source for moving bodies such as automobiles, and is being developed.
PEFCは、通常、高分子電解質膜、高分子電解質膜を挟持する1対の電極、および電極の外側に配置された1対のセパレータを有する。電極は、電極触媒が配置された触媒層、およびガス拡散層からなる。発電に用いられる酸化剤および燃料は、セパレータを通じて供給され、ガス拡散層を経て触媒層に供給される。触媒層においては、電極反応が進行して発電が行われる。電極反応により生成した水は、ガス拡散層を経て外部に排出される。 The PEFC usually has a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes that sandwich the polymer electrolyte membrane, and a pair of separators arranged outside the electrodes. The electrode includes a catalyst layer in which an electrode catalyst is disposed and a gas diffusion layer. The oxidant and fuel used for power generation are supplied through the separator and supplied to the catalyst layer through the gas diffusion layer. In the catalyst layer, the electrode reaction proceeds to generate power. Water generated by the electrode reaction is discharged to the outside through the gas diffusion layer.
PEFCにおける電極反応は、触媒層において進行する。したがって、PEFCの電池性能は触媒層の特性に大きく依存し、電池性能を向上させるためには、触媒層の構成成分、構成成分の配合比、触媒層の構造などを、如何に工夫するかが重要である。 The electrode reaction in PEFC proceeds in the catalyst layer. Therefore, the battery performance of PEFC greatly depends on the characteristics of the catalyst layer. In order to improve the battery performance, how to devise the components of the catalyst layer, the blending ratio of the components, the structure of the catalyst layer, etc. is important.
特許文献1に開示されている燃料電池においては、作動中の触媒層におけるフラッディングの発生を防止し、燃料電池の発電特性を向上させるために、カソード側触媒層が二層構造にされ、高分子電解質膜側にはイオン交換容量の高いイオン交換樹脂が配置され、ガス拡散層側にはイオン交換容量の低いイオン交換樹脂が配置されている。
しかしながら、触媒層を、高分子電解質膜側に配置されたイオン交換容量の高いイオン交換樹脂からなる層と、ガス拡散層側に配置されたイオン交換容量の低いイオン交換樹脂からなる層の積層構造にした場合、電解質膜側のイオン交換樹脂が早期に劣化してしまう可能性が高い。また、固体高分子型燃料電池には、優れた耐久性を有とともに、優れた発電特性を有することが、一般的要望として期待されている。 However, the catalyst layer is a laminated structure of a layer made of an ion exchange resin having a high ion exchange capacity arranged on the polymer electrolyte membrane side and a layer made of an ion exchange resin having a low ion exchange capacity arranged on the gas diffusion layer side. In this case, there is a high possibility that the ion exchange resin on the electrolyte membrane side will deteriorate early. Further, it is expected as a general demand that the polymer electrolyte fuel cell has excellent durability and excellent power generation characteristics.
そこで、本発明の目的は、固体高分子型燃料電池の発電特性および耐久性を高める手段を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a means for improving the power generation characteristics and durability of a polymer electrolyte fuel cell.
本発明は、触媒担持粒子と、前記触媒担持粒子の表面の一部または全部を被覆する第一電解質と、前記第一電解質で被覆された触媒担持粒子を被覆する、前記第一電解質よりもEW値の大きな第二電解質とからなる触媒層を有する、固体高分子型燃料電池である。 The present invention provides a catalyst-supporting particle, a first electrolyte that covers a part or all of the surface of the catalyst-supporting particle, and a catalyst-supporting particle that is coated with the first electrolyte. This is a polymer electrolyte fuel cell having a catalyst layer composed of a second electrolyte having a large value.
触媒担持粒子の表面を被覆する電解質を二層構造にすることによって、高い耐久性および発電特性を有する固体高分子型燃料電池とすることが可能である。 By forming the electrolyte covering the surface of the catalyst-carrying particles into a two-layer structure, a solid polymer fuel cell having high durability and power generation characteristics can be obtained.
本発明の固体高分子型燃料電池は、触媒層に含まれる白金担持カーボン粒子などの触媒担持粒子の表面が、EW値の小さな第一電解質、つまりイオン交換容量の大きな電解質で被覆され、第一電解質の外側がEW値の大きな第二電解質、つまりイオン交換容量の小さな電解質で被覆される。このような構成により、触媒層を構成する電解質の安定性およびプロトン伝導性、ひいては、燃料電池の耐久性および発電特性を向上させうる。なお、EW値とは、イオン交換容量の逆数として規定される値であり、EW値が大きいほどプロトン伝導性が低く、EW値が小さいほどプロトン伝導性が高いことを示す。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the surface of catalyst-carrying particles such as platinum-carrying carbon particles contained in the catalyst layer is coated with a first electrolyte having a small EW value, that is, an electrolyte having a large ion exchange capacity. The outside of the electrolyte is coated with a second electrolyte having a large EW value, that is, an electrolyte having a small ion exchange capacity. With such a configuration, the stability and proton conductivity of the electrolyte constituting the catalyst layer, and consequently the durability and power generation characteristics of the fuel cell can be improved. In addition, EW value is a value prescribed | regulated as a reciprocal number of an ion exchange capacity, A proton conductivity is so low that an EW value is large, and proton conductivity is so high that an EW value is small.
触媒層においては電池反応が進行するが、効率的な電池反応のためには、触媒層におけるプロトン伝導性が要因の一つである。このため、触媒層におけるプロトン伝導性を高めることが望まれている。固体高分子型燃料電池の触媒層においてプロトン伝導性を向上させるには、触媒層に含まれる電解質のイオン交換容量を大きくするとよい。しかし、電解質のイオン交換容量を大きくすると、電解質の化学的安定性および機械的安定性が低くなる傾向がある。また、化学的安定性および機械的安定性を向上させようとすると、プロトン伝導性が低下するという問題が生じる。つまり、電解質の安定性とプロトン伝導性とは相反するファクターとなっている。そこで、一般には、適度な安定性およびプロトン伝導性を有する電解質が、触媒層内の電解質として用いられている。 Although the battery reaction proceeds in the catalyst layer, proton conductivity in the catalyst layer is one of the factors for an efficient battery reaction. For this reason, it is desired to increase proton conductivity in the catalyst layer. In order to improve proton conductivity in the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, it is preferable to increase the ion exchange capacity of the electrolyte contained in the catalyst layer. However, increasing the ion exchange capacity of the electrolyte tends to lower the chemical and mechanical stability of the electrolyte. Moreover, when it is going to improve chemical stability and mechanical stability, the problem that proton conductivity falls will arise. That is, the stability of the electrolyte and the proton conductivity are contradictory factors. Therefore, in general, an electrolyte having appropriate stability and proton conductivity is used as the electrolyte in the catalyst layer.
本発明では、触媒担持粒子を被覆する電解質が二層構造となっており、触媒担持粒子に近接する側の第一電解質はプロトン伝導性が高い電解質であり、その外側に位置する第二電解質は安定性が高い電解質である。触媒担持粒子をプロトン伝導性が高い第一電解質で被覆することにより、触媒担持粒子周辺でのプロトン伝導性を確保することができ、発電特性の向上を図る。前述のように、プロトン伝導性が高い第一電解質は、安定性が低くなる傾向がある。この問題を、第一電解質を被覆する第二電解質により解決する。第二電解質は、高強度の安定な電解質であり、優れた耐久性を有する。このような構成とすることにより、電解質の安定性およびプロトン伝導性の双方を確保し、発電性能の向上に繋がることが期待できる。 In the present invention, the electrolyte covering the catalyst-carrying particles has a two-layer structure, and the first electrolyte on the side close to the catalyst-carrying particles is an electrolyte with high proton conductivity, and the second electrolyte located outside thereof is It is a highly stable electrolyte. By covering the catalyst-carrying particles with the first electrolyte having high proton conductivity, proton conductivity around the catalyst-carrying particles can be secured, and the power generation characteristics are improved. As described above, the first electrolyte having high proton conductivity tends to be less stable. This problem is solved by the second electrolyte covering the first electrolyte. The second electrolyte is a high-strength stable electrolyte and has excellent durability. By adopting such a configuration, it can be expected that both the stability of the electrolyte and the proton conductivity are secured and the power generation performance is improved.
図1は、触媒担持粒子の表面の一部が第一電解質で被覆された態様を示す断面模式図である。触媒担持粒子10は、触媒作用を有する触媒活物質12と、触媒活物質を担持する導電性担体14とからなる。触媒担持粒子10は、その表面の一部が、第一電解質20により被覆されている。第一電解質20は、EW値が大きな第二電解質30によって被覆される。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment in which a part of the surface of catalyst-carrying particles is coated with a first electrolyte. The catalyst-carrying particles 10 are composed of a catalytic active material 12 having a catalytic action and a conductive carrier 14 that carries the catalytic active material. A part of the surface of the catalyst-carrying particles 10 is covered with the first electrolyte 20. The first electrolyte 20 is covered with a second electrolyte 30 having a large EW value.
図2は、触媒担持粒子の表面全部が第一電解質で被覆された態様を示す断面模式図である。触媒担持粒子10は、触媒作用を有する触媒活物質12と、触媒活物質を担持する導電性担体14とからなる。触媒担持粒子10は、その表面の全部が、第一電解質20により被覆されている。第一電解質20は、EW値が大きな第二電解質30によって被覆される。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment in which the entire surface of the catalyst-carrying particles is coated with the first electrolyte. The catalyst-carrying particles 10 are composed of a catalytic active material 12 having a catalytic action and a conductive carrier 14 that carries the catalytic active material. The entire surface of the catalyst-carrying particles 10 is covered with the first electrolyte 20. The first electrolyte 20 is covered with a second electrolyte 30 having a large EW value.
触媒担持粒子の表面の一部を第一電解質で被覆するか、触媒担持粒子の表面の全部を第一電解質で被覆するかは、使用環境や使用する電解質などに諸条件を考慮して選択すればよい。被覆状態は、製造時に使用する第一電解質の量を制御することによって、制御可能である。 Whether to cover a part of the surface of the catalyst-carrying particles with the first electrolyte or to cover the whole surface of the catalyst-carrying particles with the first electrolyte can be selected in consideration of various conditions depending on the usage environment and the electrolyte to be used. That's fine. The coating state can be controlled by controlling the amount of the first electrolyte used during manufacture.
導電性担体は、触媒活物質を担持する役割を有し、電子の移動が可能なように導電性を有する物質である。担体は、触媒活物質を担持可能であれば、特に限定されない。実際に使用される触媒担体は、触媒担体の特性や、電極活物質との相性などを考慮して決定されればよい。導電性担体の具体例としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛などのカーボン材料;各種金属が挙げられる。他の導電性担体が用いられてもよい。導電性担体は、ケッチェンブラックTMなどの市販品を用いてもよい。 The conductive carrier is a substance having a role of supporting the catalyst active material and having conductivity so that electrons can move. The carrier is not particularly limited as long as it can carry a catalyst active material. The catalyst carrier to be actually used may be determined in consideration of the characteristics of the catalyst carrier, compatibility with the electrode active material, and the like. Specific examples of the conductive carrier include carbon blacks such as acetylene black, carbon materials such as activated carbon and graphite, and various metals. Other conductive carriers may be used. Commercially available products such as Ketjen Black ™ may be used as the conductive carrier.
導電性担体の粒径は、特に限定されないが、好ましくは5〜100nm、より好ましくは30〜50nmである。 The particle size of the conductive carrier is not particularly limited, but is preferably 5 to 100 nm, more preferably 30 to 50 nm.
導電性担体の比表面積は、特に限定されないが、好ましくは200〜1200m2/g、より好ましくは500〜1000m2/gである。比表面積が小さすぎると、導電性担体への電極活物質の分散性が低下し、十分な電池性能が発現しない虞がある。また、比表面積が大きすぎると、電極活物質および電解質の有効利用率が低下し、十分な電池性能が発現しない虞がある。 The specific surface area of the conductive support is not particularly limited, preferably 200~1200m 2 / g, more preferably 500 to 1000 m 2 / g. If the specific surface area is too small, the dispersibility of the electrode active material in the conductive support may be reduced, and sufficient battery performance may not be exhibited. On the other hand, if the specific surface area is too large, the effective utilization rate of the electrode active material and the electrolyte may decrease, and sufficient battery performance may not be exhibited.
導電性担体における触媒活物質の担持量は、特に限定されないが、好ましくは0.01〜5mg/cm2であり、より好ましくは0.1〜1mg/cm2である。触媒活物質の担持量が少なすぎると、触媒機能が十分に発現しない虞がある。触媒活物質の担持量が多すぎる場合、触媒機能の観点からは特に問題は生じないかもしれないが、必要以上の触媒活物質を担持させても、製造コストの上昇に見合った効果増大が得られにくくなる。 The amount of the catalyst active material supported on the conductive carrier is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 5 mg / cm 2 , more preferably 0.1 to 1 mg / cm 2 . If the supported amount of the catalyst active material is too small, the catalyst function may not be sufficiently exhibited. If the amount of the catalyst active material supported is too large, there may be no particular problem from the viewpoint of the catalyst function, but even if more catalyst active material is supported, an increase in effect commensurate with the increase in production cost can be obtained. It becomes difficult to be.
触媒活物質とは、燃料極または酸素極における電極反応を促進する機能を有する物質である。触媒活物質は、配置される電極における電極反応を促進する機能を有していれば、特に限定されない。触媒活物質の具体例としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびこれらの合金が挙げられる。他の触媒活物質が用いられてもよい。 The catalytic active material is a material having a function of promoting an electrode reaction at the fuel electrode or the oxygen electrode. A catalyst active material will not be specifically limited if it has a function which accelerates | stimulates the electrode reaction in the electrode arrange | positioned. Specific examples of the catalytic active material include platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. Is mentioned. Other catalytic active materials may be used.
触媒活物質の粒径は、特に限定されないが、好ましくは1〜30nmであり、より好ましくは1.5〜10nmである。触媒利用率を向上させる観点からは、粒径が小さいほど好ましいが、粒径が小さすぎると触媒活物質の作製が困難になる。 The particle size of the catalyst active material is not particularly limited, but is preferably 1 to 30 nm, and more preferably 1.5 to 10 nm. From the viewpoint of improving the catalyst utilization rate, the smaller the particle size, the better. However, when the particle size is too small, it becomes difficult to produce the catalyst active material.
第一電解質および第二電解質は、プロトン伝導性高分子とも呼ばれる、プロトンを移動させる性能を有する高分子からなる。電解質は、燃料極側の触媒活物質周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たす。電解質としては、固体高分子電解質膜を構成する高分子と同様の構成を有する高分子が使用されうる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸などが、電解質として用いられうる。 The first electrolyte and the second electrolyte are made of a polymer having a capability of transferring protons, which is also called a proton conductive polymer. The electrolyte plays a role of transmitting protons generated around the catalyst active material on the fuel electrode side. As the electrolyte, a polymer having the same structure as the polymer constituting the solid polymer electrolyte membrane can be used. For example, perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polystyrene sulfonic acid, polytrifluorostyrene sulfonic acid and the like can be used as the electrolyte.
第一電解質の含有量については、特に限定されないが、好ましくは、第一電解質の被覆量が、触媒層における全電解質量の5〜30質量%である。低EW値の電解質の被覆量を可能な限り少なくすることで、低EW値の電解質が表面に露出することを抑制でき、強度の低下を防止できる。 Although it does not specifically limit about content of a 1st electrolyte, Preferably, the coating amount of a 1st electrolyte is 5-30 mass% of the total electrolytic mass in a catalyst layer. By reducing the coating amount of the low EW value electrolyte as much as possible, the low EW value electrolyte can be suppressed from being exposed to the surface, and the strength can be prevented from decreasing.
第二電解質の含有量についても特に限定されないが、好ましくは、第二電解質の被覆量が、触媒層における全電解質量の70〜95質量%である。高EW値の電解質の被覆量をこのような範囲とすることで、触媒担持粒子と電解質からなる粒子の最表面に、強度の高い高EW値の電解質を存在させて、耐久性を高めることができる。第一電解質および第二電解質の含有量は、製造時の配合量から算出することができる。 The content of the second electrolyte is not particularly limited, but preferably, the coating amount of the second electrolyte is 70 to 95% by mass of the total electrolytic mass in the catalyst layer. By setting the coating amount of the electrolyte with a high EW value in such a range, a high strength EW value electrolyte can be present on the outermost surface of the particles comprising the catalyst-carrying particles and the electrolyte, thereby improving durability. it can. The content of the first electrolyte and the second electrolyte can be calculated from the blending amount at the time of production.
第一電解質のEW値は、好ましくは600〜1000である。従来、触媒層内に用いられる電解質のEW値は1000〜1200程度であり、この範囲のEW値を有する電解質を用いることで強度とプロトン伝導性を両立させている。EW値がこれ以下となると、プロトン伝導性は向上するが強度は低下する。本発明においては、触媒担持粒子に隣接する第一電解質のEW値がより低いが、第一電解質は第二電解質によって被覆され、表面への露出が妨げられるため、強度が低くても問題が生じない。このため、EW値が低くプロトン伝導性が高い電解質を選択可能である。 The EW value of the first electrolyte is preferably 600 to 1000. Conventionally, the EW value of the electrolyte used in the catalyst layer is about 1000 to 1200, and the strength and proton conductivity are both achieved by using an electrolyte having an EW value in this range. When the EW value is less than this, the proton conductivity is improved, but the strength is lowered. In the present invention, the EW value of the first electrolyte adjacent to the catalyst-carrying particles is lower, but the first electrolyte is covered with the second electrolyte, and exposure to the surface is hindered. Absent. For this reason, an electrolyte having a low EW value and high proton conductivity can be selected.
第二電解質のEW値は、好ましくは1000〜1300である。低EWかつ低強度の第一電解質表面をEW値が1000〜1300の高強度の電解質で被覆することにより強度を確保する。 The EW value of the second electrolyte is preferably 1000 to 1300. The strength is ensured by coating the surface of the first electrolyte having low EW and low strength with a high strength electrolyte having an EW value of 1000 to 1300.
上述のように電解質の含有量およびEW値を制御することにより、燃料電池の発電性能の向上が見込める。なお、EW値は、イオン交換容量(eq/g)の逆数である。例えば、イオン交換容量が0.001(eq/g)であった場合、EW値は1000となる。 By controlling the electrolyte content and the EW value as described above, it is possible to improve the power generation performance of the fuel cell. The EW value is the reciprocal of the ion exchange capacity (eq / g). For example, when the ion exchange capacity is 0.001 (eq / g), the EW value is 1000.
用いる電解質の種類は、特に限定されず、プロトン伝導性高分子を各種用いることが可能である。固体高分子電解質膜は、高いプロトン伝導性を有していればよい。高いプロトン伝導性を有する膜としては、−SO3H基などのイオン交換基を有するモノマーの重合体または共重合体;またはイオン交換基を有するモノマーと他のモノマーとの重合体などを用いることができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜、エチレン−四フッ化エチレン共重合体膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとするフッ素含有樹脂膜などが用いられる。パーフルオロカーボンスルホン酸のポリマーの具体例として、デュポン株式会社製NAFIONTM、旭硝子株式会社製FLEMIONTM、旭化成ケミカルズ株式会社製ACIPLEXTM、およびザ・ダウ・ケミカル・カンパニー製DOWEXTMなどが挙げられる。 The type of electrolyte used is not particularly limited, and various proton conductive polymers can be used. The solid polymer electrolyte membrane only needs to have high proton conductivity. As a membrane having high proton conductivity, a polymer or copolymer of a monomer having an ion exchange group such as —SO 3 H group; or a polymer of a monomer having an ion exchange group and another monomer, or the like is used. Can do. For example, a perfluorocarbon sulfonic acid film, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film, a fluorine-containing resin film containing trifluorostyrene as a base polymer, or the like is used. Specific examples of the polymers of perfluorocarbon sulfonic acid, DuPont Co. NAFION TM, Asahi Glass Co., Ltd. FLEMION TM, Asahi Kasei Chemicals Corp. Aciplex TM, and the like Dow Chemical Company, Ltd. DOWEX TM and the like.
触媒層を構成する材料の含有比については、触媒層としての機能を考慮して決定されればよい。各材料の含有比を決定するにあたっては、各材料の機能のバランスを考慮することが好ましい。例えば、電極反応を十分に進行させるためには、触媒活物質を含有する触媒担体の量を確保する必要がある。ただし、電解質が不足すると、発生したプロトンの伝導性が低くなり、電池性能が低下する虞がある。好ましくは、導電性担体の質量に対するプロトン伝導性電解質の質量比Y(電解質質量/導電性担体質量)が、0.5≦Y≦1.2である。Yが小さすぎる場合には、プロトン伝導パスが減少し、発電初期において充分な電池性能が得られない虞がある。また、Yが大きすぎる場合には、発電初期における電池性能は満足できるものの、長時間の電池運転による性能低下が大きくなる虞がある。ただし、上記範囲外であっても、本発明を実施することは可能である。質量比Yは、触媒層を作製する際の原料比を調整することによって、制御可能である。 The content ratio of the material constituting the catalyst layer may be determined in consideration of the function as the catalyst layer. In determining the content ratio of each material, it is preferable to consider the balance of the functions of each material. For example, in order to sufficiently advance the electrode reaction, it is necessary to secure an amount of the catalyst carrier containing the catalyst active material. However, when the electrolyte is insufficient, the conductivity of the generated protons is lowered, and the battery performance may be deteriorated. Preferably, the proton conductive electrolyte mass ratio Y (electrolyte mass / conductive carrier mass) to the mass of the conductive carrier is 0.5 ≦ Y ≦ 1.2. If Y is too small, the proton conduction path may decrease, and sufficient battery performance may not be obtained in the initial stage of power generation. On the other hand, when Y is too large, the battery performance at the initial stage of power generation can be satisfied, but there is a possibility that the performance deterioration due to battery operation for a long time becomes large. However, the present invention can be carried out even outside the above range. The mass ratio Y can be controlled by adjusting the raw material ratio when producing the catalyst layer.
また、触媒層には、必要に応じて他の材料が含有されていてもよい。例えば、場合によっては、触媒担持粒子が、3種以上の電解質で被覆されてもよい。実施態様の一例としては、触媒担持粒子が電解質で3層コーティングされ、内側から外側につれてEW値が増加していく態様が挙げられる。本発明は電解質が二層構造である態様に限定されるものではなく、このような実施態様も、本発明の技術的範囲に包含されうる。 Further, the catalyst layer may contain other materials as necessary. For example, in some cases, the catalyst-supporting particles may be coated with three or more kinds of electrolytes. As an example of the embodiment, there is a mode in which the catalyst-supporting particles are coated in three layers with an electrolyte, and the EW value increases from the inside to the outside. The present invention is not limited to an embodiment in which the electrolyte has a two-layer structure, and such embodiments can also be included in the technical scope of the present invention.
本発明の固体高分子型燃料電池は、上述の構成を有する触媒層が、酸素極または燃料極の少なくとも一方に配置されていれば、他の構成については特に限定されない。例えば、固体高分子型燃料電池の構成としては、高分子電解質膜の両側に、触媒層、ガス拡散層、セパレータが配置される構造が挙げられる。固体高分子型燃料電池の構成部材に用いられる材料の種類も特に問わない。 The solid polymer fuel cell of the present invention is not particularly limited as long as the catalyst layer having the above-described configuration is disposed on at least one of the oxygen electrode and the fuel electrode. For example, the configuration of the solid polymer fuel cell includes a structure in which a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a separator are disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane. The type of material used for the constituent member of the polymer electrolyte fuel cell is not particularly limited.
続いて、製造方法について説明する。本発明は、触媒層の構造に特徴があるため、触媒層の製造方法について説明する。なお、触媒活物質、導電性担体、電解質などの触媒層を構成する材料に関しては、上記説明と同様であるため、以下においては説明を省略する。 Next, the manufacturing method will be described. Since the present invention is characterized by the structure of the catalyst layer, a method for producing the catalyst layer will be described. In addition, about the material which comprises catalyst layers, such as a catalyst active material, an electroconductive support | carrier, and an electrolyte, since it is the same as that of the said description, description is abbreviate | omitted below.
まず、触媒担持粒子、第一電解質を、溶媒中において混合し、触媒担持粒子の表面の一部または全部を第一電解質で被覆する。第一電解質で一部を被覆するか全部を被覆するかは、混合する量に依存する。触媒担持粒子の表面全体を第一電解質で被覆することを所望する場合には、第一電解質の配合量を増加させればよい。触媒担持粒子の種類や粒径などにもよるが、触媒担持カーボンが用いられる場合には、通常は、触媒担持カーボンの質量と第一電解質の質量との比率は、1:0.025〜1:0.45程度である。混合の際に用いられる溶媒は、特に限定されないが、水および1−プロパノール、2−プロパノールなどのアルコールが挙げられる。 First, the catalyst-carrying particles and the first electrolyte are mixed in a solvent, and a part or all of the surface of the catalyst-carrying particles is coated with the first electrolyte. Whether to coat a part or all with the first electrolyte depends on the amount to be mixed. When it is desired to coat the entire surface of the catalyst-carrying particles with the first electrolyte, the blending amount of the first electrolyte may be increased. Depending on the type and particle size of the catalyst-carrying particles, when catalyst-carrying carbon is used, the ratio between the mass of the catalyst-carrying carbon and the mass of the first electrolyte is usually 1: 0.025-1 : About 0.45. Although the solvent used in the case of mixing is not specifically limited, Alcohol, such as water and 1-propanol and 2-propanol, is mentioned.
第一電解質で表面が被覆された触媒担持粒子を得たら、さらに第二電解質を添加し、第一電解質を第二電解質で被覆する。第二電解質の配合量は、前述のように、第二電解質の被覆量が、触媒層における全電解質量の70〜95質量%となるように設定することが好ましい。 When the catalyst-carrying particles whose surfaces are coated with the first electrolyte are obtained, a second electrolyte is further added to coat the first electrolyte with the second electrolyte. As described above, the blending amount of the second electrolyte is preferably set so that the coating amount of the second electrolyte is 70 to 95% by mass of the total electrolytic mass in the catalyst layer.
このようにして得た触媒層インクを塗布し、溶媒を揮発させることによって、触媒担持粒子、第一電解質、および第二電解質からなる膜を形成する。触媒層インクの塗布の際には、触媒層の作製において公知の手法が用いられうる。例えば、スクリーンプリンター法、ダイコーター法、スプレー法などが用いられる。触媒層インクの塗布量や塗布条件などについては、既に得られている知見に基づいて決定されればよく、本発明においては、特に限定されない。 The catalyst layer ink thus obtained is applied and the solvent is volatilized to form a film composed of the catalyst-supporting particles, the first electrolyte, and the second electrolyte. When applying the catalyst layer ink, a known method can be used in the preparation of the catalyst layer. For example, a screen printer method, a die coater method, a spray method, or the like is used. The coating amount and coating conditions of the catalyst layer ink may be determined based on the knowledge already obtained, and are not particularly limited in the present invention.
触媒層インクは、例えば、プロトン伝導性高分子電解質膜の両側に塗布され、触媒層、高分子電解質膜、触媒層がこの順序で積層した積層体が得られる。触媒層をポリテトラフルオロエチレンなどの基材上に作製してから、高分子電解質膜に転写させてもよい。 The catalyst layer ink is applied to, for example, both sides of the proton conductive polymer electrolyte membrane, and a laminate in which the catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer are laminated in this order is obtained. The catalyst layer may be formed on a base material such as polytetrafluoroethylene and then transferred to the polymer electrolyte membrane.
得られた積層体とガス拡散基板とをホットプレスすることによって、膜電極接合体が得られる。ただし、固体高分子型燃料電池の製造方法については、このような手法に限定されるわけではなく、他の製法を採用してもよい。 A membrane electrode assembly is obtained by hot pressing the obtained laminate and the gas diffusion substrate. However, the manufacturing method of the polymer electrolyte fuel cell is not limited to such a method, and other manufacturing methods may be adopted.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明の内容を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the content of the present invention will be described with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
触媒担持粒子として50重量%Pt担持ケッチェンブラックTMを準備し、EW値が約700のイオン交換樹脂溶液(溶媒:水+1−プロパノール)、水、1−プロパノール、2−プロパノールと混合した。これにより、触媒担持粒子の表面の一部を、第一電解質であるイオン交換樹脂によって被覆した。この触媒層インク内において、触媒担持粒子の質量とイオン交換樹脂の質量との比率は1:0.15であった。
Example 1
50% by weight Pt-supported ketjen black TM was prepared as catalyst-supported particles and mixed with an ion exchange resin solution (solvent: water + 1-propanol) having an EW value of about 700, water, 1-propanol, and 2-propanol. As a result, a part of the surface of the catalyst-carrying particles was covered with the ion exchange resin as the first electrolyte. In this catalyst layer ink, the ratio of the mass of the catalyst-carrying particles to the mass of the ion exchange resin was 1: 0.15.
次いで、前記のように調製した触媒層インクに、EW値が約1000のイオン交換樹脂溶液(溶媒:水+1−プロパノール)を添加した。このとき、新たに添加したイオン交換樹脂溶液の量は、前述の触媒層インク内に含まれる触媒担持粒子とイオン交換樹脂溶液内のイオン交換樹脂の乾燥質量との比率が1:0.7となるようにした。以上の操作により、触媒担持粒子の表面の一部が、EW値700の第一電解質で被覆されており、さらにその表面全体が、EW値1000の第二電解質で被覆された電極触媒を含む触媒層インクを得た。 Next, an ion exchange resin solution (solvent: water + 1-propanol) having an EW value of about 1000 was added to the catalyst layer ink prepared as described above. At this time, the amount of the newly added ion exchange resin solution is such that the ratio of the catalyst-carrying particles contained in the catalyst layer ink and the dry mass of the ion exchange resin in the ion exchange resin solution is 1: 0.7. It was made to become. As a result of the above operation, a part of the surface of the catalyst-carrying particles is coated with the first electrolyte having an EW value of 700, and the entire surface is further coated with the second electrolyte having an EW value of 1000. A layer ink was obtained.
この触媒層インクを、スクリーンプリンターを用いてポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布し乾燥させて、触媒層とした。ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成した触媒層をホットプレスすることにより、プロトン伝導性の高分子電解質膜上に触媒層を転写させ、膜−電極接合体を形成した。高分子電解質膜としては、DuPont社製NafionTM膜(25μm厚)を用いた。 This catalyst layer ink was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer and dried to form a catalyst layer. The catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet was hot-pressed to transfer the catalyst layer onto the proton conductive polymer electrolyte membrane to form a membrane-electrode assembly. As the polymer electrolyte membrane, a DuPont Nafion ™ membrane (25 μm thick) was used.
(実施例2)
触媒担持粒子として50重量%Pt担持ケッチェンブラックTMを準備し、EW値が約700のイオン交換樹脂溶液(溶媒:水+1−プロパノール)、水、1−プロパノール、2−プロパノールと混合した。これにより、触媒担持粒子の表面の一部を、第一電解質であるイオン交換樹脂によって被覆した。この触媒層インク内において、触媒担持粒子の質量とイオン交換樹脂の質量との比率は1:0.30であった。
(Example 2)
50% by weight Pt-supported ketjen black TM was prepared as catalyst-supported particles and mixed with an ion exchange resin solution (solvent: water + 1-propanol) having an EW value of about 700, water, 1-propanol, and 2-propanol. As a result, a part of the surface of the catalyst-carrying particles was covered with the ion exchange resin as the first electrolyte. In this catalyst layer ink, the ratio of the mass of the catalyst-carrying particles to the mass of the ion exchange resin was 1: 0.30.
次いで、前記のように調製した触媒層インクに、EW値が約1000のイオン交換樹脂溶液(溶媒:水+1−プロパノール)を添加した。このとき、新たに添加したイオン交換樹脂溶液の量は、前述の触媒層インク内に含まれる触媒担持粒子とイオン交換樹脂溶液内のイオン交換樹脂の乾燥質量との比率が1:0.55となるようにした。以上の操作により、触媒担持粒子の表面の一部が、EW値700の第一電解質で非常に薄く被覆されており、さらにその表面全体が、EW値1000の第二電解質で被覆された電極触媒を含む触媒層インクを得た。 Next, an ion exchange resin solution (solvent: water + 1-propanol) having an EW value of about 1000 was added to the catalyst layer ink prepared as described above. At this time, the amount of the newly added ion exchange resin solution is such that the ratio of the catalyst-carrying particles contained in the catalyst layer ink and the dry mass of the ion exchange resin in the ion exchange resin solution is 1: 0.55. It was made to become. Through the above operation, a part of the surface of the catalyst-carrying particles is covered with the first electrolyte having an EW value of 700 very thinly, and the entire surface is further covered with the second electrolyte having an EW value of 1000. A catalyst layer ink containing was obtained.
この触媒層インクを、スクリーンプリンターを用いてポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布し乾燥させて、触媒層とした。ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成した触媒層をホットプレスすることにより、プロトン伝導性の高分子電解質膜上に触媒層を転写させ、膜−電極接合体を形成した。高分子電解質膜としては、DuPont社製NafionTM膜(25μm厚)を用いた。 This catalyst layer ink was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer and dried to form a catalyst layer. The catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet was hot-pressed to transfer the catalyst layer onto the proton conductive polymer electrolyte membrane to form a membrane-electrode assembly. As the polymer electrolyte membrane, a DuPont Nafion ™ membrane (25 μm thick) was used.
(比較例1)
触媒担持粒子として50重量%Pt担持ケッチェンブラックTMを準備し、EW値が約700のイオン交換樹脂溶液(溶媒:水+1−プロパノール)、水、1−プロパノール、2−プロパノールと混合した。これにより、触媒担持粒子の表面の一部を、第一電解質であるイオン交換樹脂によって被覆した。この触媒層インク内において、触媒担持粒子の質量とイオン交換樹脂の質量との比率は1:0.85であった。
(Comparative Example 1)
50% by weight Pt-supported ketjen black TM was prepared as catalyst-supported particles and mixed with an ion exchange resin solution (solvent: water + 1-propanol) having an EW value of about 700, water, 1-propanol, and 2-propanol. As a result, a part of the surface of the catalyst-carrying particles was covered with the ion exchange resin as the first electrolyte. In this catalyst layer ink, the ratio of the mass of the catalyst-carrying particles to the mass of the ion exchange resin was 1: 0.85.
この触媒層インクを、スクリーンプリンターを用いてポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布し乾燥させて、触媒層とした。ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成した触媒層をホットプレスすることにより、プロトン伝導性の高分子電解質膜上に触媒層を転写させ、膜−電極接合体を形成した。高分子電解質膜としては、DuPont社製NafionTM膜(25μm厚)を用いた。 This catalyst layer ink was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer and dried to form a catalyst layer. The catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet was hot-pressed to transfer the catalyst layer onto the proton conductive polymer electrolyte membrane to form a membrane-electrode assembly. As the polymer electrolyte membrane, a DuPont Nafion ™ membrane (25 μm thick) was used.
(比較例2)
触媒担持粒子として50重量%Pt担持ケッチェンブラックTMを準備し、EW値が約1000のイオン交換樹脂溶液(溶媒:水+1−プロパノール)、水、1−プロパノール、2−プロパノールと混合した。これにより、触媒担持粒子の表面の一部を、第一電解質であるイオン交換樹脂によって被覆した。この触媒層インク内において、触媒担持粒子の質量とイオン交換樹脂の質量との比率は1:0.85であった。
(Comparative Example 2)
50 wt% Pt-supported ketjen black TM was prepared as catalyst-supported particles, and mixed with an ion exchange resin solution (solvent: water + 1-propanol) having an EW value of about 1000, water, 1-propanol, and 2-propanol. As a result, a part of the surface of the catalyst-carrying particles was covered with the ion exchange resin as the first electrolyte. In this catalyst layer ink, the ratio of the mass of the catalyst-carrying particles to the mass of the ion exchange resin was 1: 0.85.
この触媒層インクを、スクリーンプリンターを用いてポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布し乾燥させて、触媒層とした。ポリテトラフルオロエチレンシート上に形成した触媒層をホットプレスすることにより、プロトン伝導性の高分子電解質膜上に触媒層を転写させ、膜−電極接合体を形成した。高分子電解質膜としては、DuPont社製NafionTM膜(25μm厚)を用いた。 This catalyst layer ink was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet using a screen printer and dried to form a catalyst layer. The catalyst layer formed on the polytetrafluoroethylene sheet was hot-pressed to transfer the catalyst layer onto the proton conductive polymer electrolyte membrane to form a membrane-electrode assembly. As the polymer electrolyte membrane, a DuPont Nafion ™ membrane (25 μm thick) was used.
(EW値の算出方法)
サンプルを塩化ナトリウム飽和水溶液に浸漬し、ウォーターバス中で60℃、3時間反応させた。室温まで冷却した後、サンプルをイオン交換水で充分に洗浄し、フェノールフタレイン溶液を指示薬として、水酸化ナトリウム水溶液で滴定し、イオン交換容量を算出した。EW値を、イオン交換容量の逆数として算出した。
(Calculation method of EW value)
The sample was immersed in a saturated aqueous sodium chloride solution and reacted in a water bath at 60 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, the sample was thoroughly washed with ion exchange water, titrated with an aqueous sodium hydroxide solution using a phenolphthalein solution as an indicator, and the ion exchange capacity was calculated. The EW value was calculated as the reciprocal of the ion exchange capacity.
(初期発電性能)
作製された膜−電極接合体を用いて評価用単セルを製造した。単セルのアノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、水素は温度58.6℃相対湿度60%、空気は温度54.8℃相対湿度50%、セル温度は70℃に設定した。また、水素利用率は67%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1.0A/cm2で発電させた際のセル電圧を初期セル電圧として測定した。
(Initial power generation performance)
A single cell for evaluation was manufactured using the manufactured membrane-electrode assembly. Hydrogen was supplied as a fuel to the anode side of the single cell, and air was supplied as an oxidant to the cathode side. The supply pressure of both gases was atmospheric pressure, hydrogen was set at a temperature of 58.6 ° C. and relative humidity was 60%, air was set at a temperature of 54.8 ° C. and a relative humidity was 50%, and the cell temperature was set at 70 ° C. The hydrogen utilization rate was 67% and the air utilization rate was 40%. Under this condition, the cell voltage when power was generated at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured as the initial cell voltage.
(耐久性)
供給ガス、設定温度に関しては、初期発電性能の測定条件と同条件とした。上記の条件下で、3分間発電、その後3分間発電を停止した。発電期間中、0→1A/cm2に電流を上昇させるのに1分間を要した。停止期間中には、初めの2分間はセルにガスを供給せず、残りの1分間はアノード側に水素を供給し、カソード側にはガスの供給は行わなかった。アノード側への水素の供給は、流量を1A/cm2発電時と同量、相対湿度は60%とした。この発電および停止(計6分)を1サイクルとし、1A/cm2発電時のセル電圧が0.5V以下となるまでに繰り返すことができたサイクル数を、耐久性の指標とした。
(durability)
The supply gas and set temperature were the same as the measurement conditions for the initial power generation performance. Under the above conditions, power generation was performed for 3 minutes, and then power generation was stopped for 3 minutes. During the power generation period, it took 1 minute to increase the current from 0 to 1 A / cm 2 . During the stop period, no gas was supplied to the cell for the first 2 minutes, hydrogen was supplied to the anode side for the remaining 1 minute, and no gas was supplied to the cathode side. The supply of hydrogen to the anode side was the same as that during 1 A / cm 2 power generation, and the relative humidity was 60%. This power generation and stop (6 minutes in total) was taken as one cycle, and the number of cycles that could be repeated until the cell voltage during 1 A / cm 2 power generation became 0.5 V or less was used as an index of durability.
実施例および比較例についての評価結果を表1に示す。 The evaluation results for the examples and comparative examples are shown in Table 1.
表1に示すように、触媒担持粒子を、EWの小さな第一電解質で被覆し、さらにEW値の大きな第二電解質で被覆することによって、発電特性および耐久性の双方に優れる燃料電池が得られることがわかる。 As shown in Table 1, a fuel cell excellent in both power generation characteristics and durability can be obtained by coating the catalyst-supporting particles with the first electrolyte having a small EW and the second electrolyte having a large EW value. I understand that.
10…触媒担持粒子、12…触媒活物質、14…導電性担体、20…第一電解質、30…第二電解質。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Catalyst carrying particle, 12 ... Catalyst active material, 14 ... Conductive support | carrier, 20 ... 1st electrolyte, 30 ... 2nd electrolyte.
Claims (6)
前記触媒担持粒子の表面の一部または全部を被覆する第一電解質と、
前記第一電解質で被覆された触媒担持粒子を被覆する、前記第一電解質よりもEW値の大きな第二電解質と、
からなる触媒層を有する、固体高分子型燃料電池。 Catalyst-carrying particles;
A first electrolyte covering a part or all of the surface of the catalyst-carrying particles;
A second electrolyte having a larger EW value than the first electrolyte, covering the catalyst-carrying particles coated with the first electrolyte;
A polymer electrolyte fuel cell having a catalyst layer comprising:
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