JP7527740B2 - Membrane Electrode Assembly - Google Patents
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Description
本発明は、膜電極接合体に関し、さらに詳しくは、氷点下環境からの発電(氷点下始動)に対する耐久性に優れた膜電極接合体に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly, and more specifically, to a membrane electrode assembly that has excellent durability against power generation in a sub-freezing environment (sub-freezing start-up).
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極(触媒層)が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子形燃料電池において、触媒層の外側には、一般に、ガス拡散層が配置される。ガス拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層アイオノマ)との複合体からなる。さらに、ガス拡散層の外側には、ガス流路を備えたセパレータが配置される。 The basic unit of a polymer electrolyte fuel cell is a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes (catalyst layers) are bonded to both sides of a solid polymer electrolyte membrane. In a polymer electrolyte fuel cell, a gas diffusion layer is generally placed on the outside of the catalyst layer. The gas diffusion layer is used to supply reactive gas and electrons to the catalyst layer, and is made of carbon paper, carbon cloth, or the like. The catalyst layer is the reaction field for the electrode reaction, and is generally made of a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (catalyst layer ionomer). Furthermore, a separator with a gas flow path is placed on the outside of the gas diffusion layer.
MEAを構成する材料の種類や含有量は、MEAの性能に影響を与える。そのため、MEAの構成材料とMEAの性能との関係に関し、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、触媒層に含まれるプロトン伝導体(フッ素系ポリマー)の質量Aと触媒層に含まれる導電性担体の質量Bとの比A/Bが、所定の範囲に制御された燃料電池が開示されている。
The types and contents of materials constituting an MEA affect the performance of the MEA, and therefore, various proposals have been made regarding the relationship between the materials constituting an MEA and the performance of the MEA.
For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell in which the ratio A/B of the mass A of a proton conductor (a fluoropolymer) contained in a catalyst layer to the mass B of a conductive support contained in the catalyst layer is controlled within a predetermined range.
同文献には、
(A)セル内に残留した水が凍結すると、氷晶成長に起因する応力によって触媒層が破損することがあり、これを防ぐには触媒層の機械的強度を増大させる必要がある点、
(B)触媒層中のアイオノマとカーボンの質量比(I/C)の増大は触媒層の強度を増大させるが、I/Cを必要以上に増大させると燃料電池の性能が低下するおそれがある点、及び、
(C)触媒層の強度が所定の値以上となるように比A/Bを決定し、かつ、電圧値が所定の値以上となるように比A/Bを決定すると、耐久性及び性能の双方を向上させることが可能となる点、
が記載されている。
The same document states:
(A) When the water remaining in the cell freezes, the catalyst layer may be damaged by stress caused by ice crystal growth. To prevent this, it is necessary to increase the mechanical strength of the catalyst layer.
(B) Increasing the mass ratio (I/C) of ionomer to carbon in the catalyst layer increases the strength of the catalyst layer, but if the I/C is increased more than necessary, the performance of the fuel cell may decrease; and
(C) By determining the ratio A/B so that the strength of the catalyst layer is equal to or greater than a predetermined value, and by determining the ratio A/B so that the voltage value is equal to or greater than a predetermined value, it is possible to improve both durability and performance.
is stated.
特許文献2には、
(a)触媒及びイオン伝導性高分子を含むスラリーを拡散層の表面に塗布することにより、拡散層の表面に触媒層を形成し、
(b)スラリーの塗布面(すなわち触媒層)を電解質膜の上に載せ、
(c)電解質膜/触媒層/拡散層の積層体を加圧下で加熱する
燃料電池用電極構造体の製造方法が開示されている。
In Patent Document 2,
(a) forming a catalyst layer on the surface of a diffusion layer by applying a slurry containing a catalyst and an ion-conductive polymer to the surface of the diffusion layer;
(b) placing the coated surface of the slurry (i.e., the catalyst layer) on the electrolyte membrane;
(c) A method for manufacturing a fuel cell electrode assembly is disclosed in which a laminate of an electrolyte membrane, a catalyst layer and a diffusion layer is heated under pressure.
同文献には、
(A)このような方法により、触媒粒子の一部が所定の距離だけ電解質膜内に侵入している燃料電池用電極構造体が得られる点、及び
(B)このようにして得られた電極構造体は、電解質膜と触媒層との界面において組成が連続的に変化しているために、電解膜と触媒層との界面における剥離が発生せず、温度サイクル対する耐久性が向上する点
が記載されている。
The same document states:
It is described that (A) this method makes it possible to obtain an electrode structure for a fuel cell in which a portion of the catalyst particles penetrates a predetermined distance into the electrolyte membrane, and (B) the electrode structure thus obtained has a composition that changes continuously at the interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer, so that peeling does not occur at the interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer and durability against temperature cycles is improved.
燃料電池は、氷点下始動を繰り返すと性能が低下することが知られている(特許文献1、2参照)。氷点下始動時の性能低下は、主に電解質膜近傍におけるカソード触媒層の剥離に起因していると考えられている。そのため、氷点下始動耐久性を向上させるためには、電解質膜と触媒層との界面の強度(以下、これを「界面密着強度」ともいう)を向上させることが重要である。 It is known that the performance of fuel cells deteriorates when they are repeatedly started below freezing (see Patent Documents 1 and 2). The deterioration in performance during start-up below freezing is believed to be mainly due to peeling of the cathode catalyst layer near the electrolyte membrane. Therefore, in order to improve durability during start-up below freezing, it is important to improve the strength of the interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer (hereinafter, this is also referred to as "interface adhesion strength").
この点に関し、特許文献2には、触媒粒子の一部を電解質膜内に侵入させると、温度サイクルに対する耐久性が向上する点が記載されている。しかしながら、凍上現象(氷が生成して成長する現象)で生じるとされる破壊強度は非常に大きく、触媒粒子(及びカーボン担体)の一部を電解質膜内に侵入させることによる界面強度の増大だけでは、耐久性を十分に向上させることはできない。 In this regard, Patent Document 2 describes that by allowing part of the catalyst particles to penetrate into the electrolyte membrane, durability against temperature cycles is improved. However, the fracture strength that is believed to occur in the frost heave phenomenon (the phenomenon in which ice is generated and grows) is very large, and durability cannot be sufficiently improved simply by increasing the interfacial strength by allowing part of the catalyst particles (and carbon support) to penetrate into the electrolyte membrane.
本発明が解決しようとする課題は、氷点下始動の繰り返しに対する耐久性に優れた膜電極接合体を提供することにある。 The problem that this invention aims to solve is to provide a membrane electrode assembly that has excellent durability against repeated subzero start-up.
上記課題を解決するために本発明に係る膜電極接合体は、以下の構成を備えている。
(1)前記膜電極接合体は、
プロトン伝導性を有する樹脂(A)からなる電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたアノード触媒層と
を備えている。
(2)前記カソード触媒層は、
導電性担体(B)に触媒粒子(B)が担持された電極触媒(B)と、
プロトン伝導性を有する樹脂(B)と
を含む。
(3)前記膜電極接合体は、触媒層抵抗変化率が0.33/回以下である。
(4)前記カソード触媒層は、単位面積当たりの空隙量が0.15μL/cm2以上0.75μL/cm2以下である。
In order to solve the above problems, the membrane electrode assembly according to the present invention has the following configuration.
(1) The membrane electrode assembly is
An electrolyte membrane made of a resin (A) having proton conductivity;
a cathode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte membrane;
and an anode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte membrane.
(2) The cathode catalyst layer comprises:
An electrode catalyst (B) in which catalyst particles (B) are supported on a conductive support (B);
and a resin (B) having proton conductivity.
(3) The membrane electrode assembly has a catalyst layer resistance change rate of 0.33 or less per cycle.
(4) The cathode catalyst layer has a void volume per unit area of 0.15 μL/cm 2 or more and 0.75 μL/cm 2 or less.
カソード触媒層は、電極触媒(B)と樹脂(B)との複合体からなり、カソード触媒層内には空隙が存在する。この空隙量が相対的に少ないと、カソード触媒層内に氷が生成したときに、カソード触媒層に大きな力が加わり、カソード触媒層の凍上破壊が起こる。
これに対し、カソード触媒層内の空隙量は、主として、導電性担体(B)の構造とカソード触媒層の製造条件に依存する。これらを最適化すると、カソード触媒層内に相対的に多量の空隙を導入することができる。その結果、カソード触媒層内に氷が生成してもカソード触媒層に加わる力が小さくなり、カソード触媒層の凍上破壊が抑制される。
The cathode catalyst layer is made of a composite of the electrode catalyst (B) and the resin (B), and voids exist in the cathode catalyst layer. If the amount of voids is relatively small, a large force is applied to the cathode catalyst layer when ice is formed in the cathode catalyst layer, causing frost heave destruction of the cathode catalyst layer.
On the other hand, the amount of voids in the cathode catalyst layer mainly depends on the structure of the conductive carrier (B) and the manufacturing conditions of the cathode catalyst layer. By optimizing these, a relatively large amount of voids can be introduced into the cathode catalyst layer. As a result, even if ice forms in the cathode catalyst layer, the force applied to the cathode catalyst layer is reduced, and frost heave damage of the cathode catalyst layer is suppressed.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 膜電極接合体]
本発明に係る膜電極接合体は、以下の構成を備えている。
(1)前記膜電極接合体は、
プロトン伝導性を有する樹脂(A)からなる電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたアノード触媒層と
を備えている。
(2)前記カソード触媒層は、
導電性担体(B)に触媒粒子(B)が担持された電極触媒(B)と、
プロトン伝導性を有する樹脂(B)と
を含む。
(3)前記膜電極接合体は、触媒層抵抗変化率が0.33/回以下である。
(4)前記カソード触媒層は、単位面積当たりの空隙量が0.15μL/cm2以上0.75μL/cm2以下である。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly according to the present invention has the following configuration.
(1) The membrane electrode assembly is
An electrolyte membrane made of a resin (A) having proton conductivity;
a cathode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte membrane;
and an anode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte membrane.
(2) The cathode catalyst layer comprises:
An electrode catalyst (B) in which catalyst particles (B) are supported on a conductive support (B);
and a resin (B) having proton conductivity.
(3) The membrane electrode assembly has a catalyst layer resistance change rate of 0.33 or less per cycle.
(4) The cathode catalyst layer has a void volume per unit area of 0.15 μL/cm 2 or more and 0.75 μL/cm 2 or less.
[1.1. 電解質膜]
電解質膜は、プロトン伝導性を有する樹脂(A)からなる。樹脂(A)の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
樹脂(A)としては、例えば、
(a)ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)、アクイヴィオン(登録商標)などのパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマ、
(b)スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの炭化水素系ポリマ、
(c)後述する高酸素透過アイオノマ、
などがある。
[1.1. Electrolyte membrane]
The electrolyte membrane is made of a proton-conductive resin (A). The material of the resin (A) is not particularly limited, and an optimum material can be selected depending on the purpose.
Examples of the resin (A) include:
(a) perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Nafion®, Flemion®, Aciplex®, and Aquivion®;
(b) Hydrocarbon polymers such as sulfonated polyether ketones, sulfonated polyether sulfones, sulfonated polyether ether sulfones, sulfonated polysulfides, and sulfonated polyphenylenes;
(c) a highly oxygen-permeable ionomer, as described below;
and so on.
[1.2. カソード触媒層]
電解質膜の一方の面には、カソード触媒層が接合されている。本発明において、カソード触媒層は、
導電性担体(B)に触媒粒子(B)が担持された電極触媒(B)と、
プロトン伝導性を有する樹脂(B)と
を含む。
[1.2. Cathode catalyst layer]
A cathode catalyst layer is bonded to one surface of the electrolyte membrane. In the present invention, the cathode catalyst layer is
An electrode catalyst (B) in which catalyst particles (B) are supported on a conductive support (B);
and a resin (B) having proton conductivity.
[1.2.1. 電極触媒(B)]
電極触媒(B)は、導電性担体(B)に触媒粒子(B)が担持されたものからなる。
[1.2.1. Electrode catalyst (B)]
The electrode catalyst (B) is composed of a conductive support (B) carrying catalyst particles (B).
[A. 導電性担体(B)]
[A.1. 材料]
本発明において、導電性担体(B)の材料は、特に限定されない。
導電性担体(B)としては、例えば、
(a)カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、活性炭、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉末などのカーボン担体、
(b)純金属又は合金からなる金属担体、
(c)導電性を有する金属酸化物又は複合金属酸化物からなる酸化物担体、
などがある。
導電性担体(B)の形状も特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な形状を選択することができる。
[A. Conductive support (B)]
A.1. Materials
In the present invention, the material of the conductive support (B) is not particularly limited.
Examples of the conductive support (B) include
(a) Carbon supports such as carbon black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, activated carbon, natural graphite, mesocarbon microbeads, and glassy carbon powder;
(b) a metal support made of a pure metal or alloy;
(c) an oxide support made of a metal oxide or composite metal oxide having electrical conductivity;
and so on.
The shape of the conductive support (B) is not particularly limited, and an optimal shape can be selected depending on the purpose.
[A.2. タップ密度]
「タップ密度」とは、JIS Z 2512に準拠して測定される値をいう。
導電性担体(B)には、通常、1次粒子径が10nm~300nmであるものが用いられる。これは、導電性担体(B)の表面に触媒粒子(B)を高分散に担持させるためである。カソード触媒層において、通常、これらの微細な1次粒子は単独で存在せず、1次粒子が凝集した2次粒子として存在している。1次粒子の凝集の程度は、カソード触媒層の空隙量に影響を与える。
[A.2. Tap density]
The "tap density" refers to a value measured in accordance with JIS Z 2512.
The conductive support (B) usually has a primary particle diameter of 10 nm to 300 nm. This is to support the catalyst particles (B) on the surface of the conductive support (B) in a highly dispersed manner. In the cathode catalyst layer, these fine primary particles usually do not exist alone, but exist as secondary particles formed by aggregation of the primary particles. The degree of aggregation of the primary particles affects the void volume of the cathode catalyst layer.
1次粒子の凝集の程度は、タップ密度で表すことができる。一般に、導電性担体(B)のタップ密度が小さくなるほど、カソード触媒層内に多量の空隙を導入することができる。後述する空隙量を確保するためには、導電性担体(B)は、タップ密度が0.2g/cm3以下であるものが好ましい。タップ密度は、好ましくは、0.15g/cm3以下である。 The degree of aggregation of the primary particles can be expressed by tap density. In general, the smaller the tap density of the conductive support (B), the more voids can be introduced into the cathode catalyst layer. In order to ensure the amount of voids described later, the conductive support (B) preferably has a tap density of 0.2 g/ cm3 or less. The tap density is preferably 0.15 g/ cm3 or less.
但し、タップ密度が小さくなりすぎると、触媒粒子(B)の目付量をある一定値以上にするために必要なカソード触媒層の厚さが厚くなり、カソード触媒層のプロトン抵抗が増大する。従って、タップ密度は、0.03g/cm3以上が好ましい。タップ密度は、好ましくは、0.05g/cm3以上、さらに好ましくは、0.08g/cm3以上である。 However, if the tap density is too small, the thickness of the cathode catalyst layer required to make the weight of the catalyst particles (B) a certain value or more becomes large, and the proton resistance of the cathode catalyst layer increases. Therefore, the tap density is preferably 0.03 g/cm 3 or more. The tap density is preferably 0.05 g/cm 3 or more, and more preferably 0.08 g/cm 3 or more.
[B. 触媒粒子(B)]
本発明において、触媒粒子(B)の材料は、特に限定されない。
触媒粒子(B)の材料としては、例えば、
(a)貴金属(Pt、Au、Ag、Pd、Rh、Ir、Ru、Os)、
(b)2種以上の貴金属元素を含む合金、
(c)1種又は2種以上の貴金属元素と、1種又は2種以上の卑金属元素(例えば、Fe、Co、Ni、Cr、V、Tiなど)とを含む合金、
などがある。
[B. Catalyst particles (B)]
In the present invention, the material of the catalyst particles (B) is not particularly limited.
Examples of the material for the catalyst particles (B) include:
(a) Precious metals (Pt, Au, Ag, Pd, Rh, Ir, Ru, Os),
(b) an alloy containing two or more precious metal elements;
(c) Alloys containing one or more precious metal elements and one or more base metal elements (e.g., Fe, Co, Ni, Cr, V, Ti, etc.);
and so on.
これらの中でも、触媒粒子(B)は、Pt又はPt合金が好ましい。これは、燃料電池の電極反応に対して高い活性を有するためである。
Pt合金としては、例えば、Pt-Fe合金、Pt-Co合金、Pt-Ni合金、Pt-Pd合金、Pt-Cr合金、Pt-V合金、Pt-Ti合金、Pt-Ru合金、Pt-Ir合金などがある。
Among these, the catalyst particles (B) are preferably made of Pt or a Pt alloy, since they have high activity in the electrode reaction of the fuel cell.
Examples of Pt alloys include Pt--Fe alloys, Pt--Co alloys, Pt--Ni alloys, Pt--Pd alloys, Pt--Cr alloys, Pt--V alloys, Pt--Ti alloys, Pt--Ru alloys, and Pt--Ir alloys.
触媒粒子(B)の粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な粒径を選択することができる。一般に、触媒粒子(B)の粒径が小さすぎると、触媒粒子(B)が溶解しやすくなる。従って、触媒粒子(B)の粒径は、1nm以上が好ましい。
一方、触媒粒子(B)の粒径が大きくなりすぎると、質量活性が低下する。従って、触媒粒子(B)の粒径は、20nm以下が好ましい。触媒粒子(B)の粒径は、好ましくは、10nm以下、さらに好ましくは、5nm以下である。
The particle size of the catalyst particles (B) is not particularly limited, and an optimal particle size can be selected according to the purpose. In general, if the particle size of the catalyst particles (B) is too small, the catalyst particles (B) tend to dissolve. Therefore, the particle size of the catalyst particles (B) is preferably 1 nm or more.
On the other hand, if the particle size of the catalyst particles (B) is too large, the mass activity decreases. Therefore, the particle size of the catalyst particles (B) is preferably 20 nm or less. The particle size of the catalyst particles (B) is preferably 10 nm or less, and more preferably 5 nm or less.
[1.2.2. 触媒層アイオノマ(B)]
カソード触媒層に含まれる触媒層アイオノマ(B)は、プロトン伝導性を有する樹脂(B)からなる。
[1.2.2. Catalyst layer ionomer (B)]
The catalyst layer ionomer (B) contained in the cathode catalyst layer is made of a resin (B) having proton conductivity.
[A. 材料]
本発明において、樹脂(B)の材料は、特に限定されない。樹脂(B)は、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマ、炭化水素系ポリマ、あるいは、高酸素透過アイオノマのいずれであっても良い。カソード触媒層内における酸素移動抵抗を低減するためには、樹脂(B)は、高酸素透過アイオノマを含むものが好ましい。
A. Materials
In the present invention, the material of the resin (B) is not particularly limited. The resin (B) may be any of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, a hydrocarbon polymer, and a highly oxygen-permeable ionomer. In order to reduce the oxygen transfer resistance in the cathode catalyst layer, the resin (B) preferably contains a highly oxygen-permeable ionomer.
樹脂(B)は、高酸素透過アイオノマのみからなるものでも良い。この場合、触媒粒子(B)への酸素移動が進みやすくなるために触媒反応が起こりやすくなり、高性能化するという利点がある。
あるいは、樹脂(B)は、高酸素透過アイオノマに加えて、他のアイオノマ(例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマ)を含むものでも良い。この場合、触媒層にヒビ割れが生じにくくなり、触媒層の生産性を高めることができるという利点がある。
但し、高酸素透過アイオノマの含有量が少なくなりすぎると、性能が低下する場合がある。従って、樹脂(B)に占める高酸素透過アイオノマの質量割合は、70mass%以上が好ましい。高酸素透過アイオノマの質量割合は、好ましくは、80mass%以上、さらに好ましくは、90mass%以上である。
The resin (B) may be composed solely of a highly oxygen-permeable ionomer, which has the advantage that oxygen can be easily transferred to the catalyst particles (B), facilitating the catalytic reaction, thereby improving performance.
Alternatively, the resin (B) may contain, in addition to the high oxygen permeability ionomer, another ionomer (e.g., a perfluorocarbon sulfonic acid polymer), which has the advantage that cracks are less likely to occur in the catalyst layer, thereby increasing the productivity of the catalyst layer.
However, if the content of the high oxygen-permeable ionomer is too small, the performance may be deteriorated. Therefore, the mass ratio of the high oxygen-permeable ionomer in the resin (B) is preferably 70 mass% or more. The mass ratio of the high oxygen-permeable ionomer is preferably 80 mass% or more, and more preferably 90 mass% or more.
ここで、「高酸素透過アイオノマ」とは、その分子構造内に酸基及び環状構造を含む高分子化合物をいう。高酸素透過アイオノマは、その分子構造内に環状構造を含むために、酸素透過係数が高い。そのため、これをアイオノマとして用いた時に、触媒との界面における酸素移動抵抗が相対的に小さくなる。
換言すれば、「高酸素透過アイオノマ」とは、酸素透過係数がナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマよりも高いアイオノマをいう。
Here, the term "highly oxygen-permeable ionomer" refers to a polymeric compound that contains an acid group and a cyclic structure in its molecular structure. The highly oxygen-permeable ionomer has a high oxygen permeability coefficient because it contains a cyclic structure in its molecular structure. Therefore, when this ionomer is used as an ionomer, the oxygen transfer resistance at the interface with the catalyst becomes relatively small.
In other words, the "highly oxygen-permeable ionomer" refers to an ionomer having an oxygen permeability coefficient higher than that of perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark).
一般に、燃料電池の性能は、触媒表面への酸素の拡散が律速となる。これに対し、電極触媒の表面を高酸素透過アイオノマで被覆すると、触媒層の酸素透過性が向上し、燃料電池の性能が向上する。
高酸素透過アイオノマの分子構造は、相対的に小さい酸素移動抵抗を示す限りにおいて、特に限定されない。特に、その分子構造内に環状構造(脂肪族環構造)を含むアイオノマは、環状構造を含まないアイオノマに比べて酸素移動抵抗が小さいので、電極触媒の表面を被覆するアイオノマとして好適である。
Generally, the performance of a fuel cell is determined by the diffusion of oxygen to the catalyst surface. By contrast, coating the surface of an electrode catalyst with a highly oxygen-permeable ionomer improves the oxygen permeability of the catalyst layer, thereby improving the performance of the fuel cell.
The molecular structure of the highly oxygen-permeable ionomer is not particularly limited as long as it exhibits a relatively small oxygen transfer resistance. In particular, an ionomer containing a cyclic structure (aliphatic cyclic structure) in its molecular structure has a smaller oxygen transfer resistance than an ionomer not containing a cyclic structure, and is therefore suitable as an ionomer for coating the surface of an electrode catalyst.
高酸素透過アイオノマとしては、例えば、
(a)脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボンユニットと、パーフルオロスルホン酸を側鎖に持つ酸基ユニットとを含む電解質ポリマー、
(b)脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボンユニットと、パーフルオロイミドを側鎖に持つ酸基ユニットとを含む電解質ポリマー、
(c)脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボンに直接、パーフルオロスルホン酸が結合したユニットを含む電解質ポリマー、
などがある(参考文献1~4参照)。
[参考文献1]特開2003-036856号公報
[参考文献2]国際公開第2012/088166号
[参考文献3]特開2013-216811号公報
[参考文献4]特開2006-152249号公報
Examples of highly oxygen-permeable ionomers include:
(a) an electrolyte polymer including a perfluorocarbon unit having an aliphatic ring structure and an acid group unit having a perfluorosulfonic acid in a side chain;
(b) an electrolyte polymer including a perfluorocarbon unit having an aliphatic ring structure and an acid group unit having a perfluoroimide in a side chain;
(c) an electrolyte polymer containing a unit in which perfluorosulfonic acid is directly bonded to a perfluorocarbon having an aliphatic ring structure;
(See References 1 to 4).
[Reference 1] JP 2003-036856 A [Reference 2] WO 2012/088166 A [Reference 3] JP 2013-216811 A [Reference 4] JP 2006-152249 A
[B. EW]
樹脂(B)のEWは、界面密着強度、耐久性(触媒層抵抗変化率)、カソード触媒層のプロトン伝導性及び/又はガス拡散性などに影響を与える。
一般に、樹脂(B)のEWが低すぎると、含水率が高くなり、樹脂(B)が水に溶解しやすくなる。従って、EWは、588g/eq以上が好ましい。
一方、樹脂(B)のEWが高くなりすぎると、カソード触媒層のプロトン伝導度が低下する。従って、EWは、830g/eq以下が好ましい。
[B.E.W.]
The EW of the resin (B) affects the interfacial adhesion strength, durability (rate of change in resistance of the catalyst layer), proton conductivity and/or gas diffusivity of the cathode catalyst layer, and the like.
In general, if the EW of the resin (B) is too low, the water content becomes high and the resin (B) becomes easily dissolved in water. Therefore, the EW is preferably 588 g/eq or more.
On the other hand, if the EW of the resin (B) is too high, the proton conductivity of the cathode catalyst layer decreases, so the EW is preferably 830 g/eq or less.
[C. アイオノマのゲル化]
アイオノマ分子は、一般に、主鎖と、主鎖に結合している側鎖とを備え、側鎖の先端には酸基が結合している。このようなアイオノマ分子を水中に分散させると、外側が主として親水性の側鎖からなり、内側が主として疎水性の主鎖からなる構造(ミセル構造)を形成する。
C. Gelation of the ionomer
Ionomer molecules generally have a main chain and side chains attached to the main chain, with acid groups attached to the ends of the side chains. When such ionomer molecules are dispersed in water, they form a structure (micelle structure) in which the outside is mainly composed of hydrophilic side chains and the inside is mainly composed of hydrophobic main chains.
このようなミセル構造を備えたアイオノマをそのまま用いて分散液を作製すると、分散液中にはミセル構造が残存する。ミセル構造を含む分散液は、一般に、低粘度である。このような触媒アイオノマを用いてカソード触媒層を作製すると、相対的に高い界面密着強度は得られない。これは、電解質膜とカソード触媒層との界面において、分子の絡み合いが少ないためと考えられる。 When an ionomer with such a micellar structure is used as is to prepare a dispersion, the micellar structure remains in the dispersion. Dispersions containing micellar structures generally have low viscosity. When a cathode catalyst layer is prepared using such a catalyst ionomer, a relatively high interfacial adhesion strength cannot be obtained. This is thought to be because there is little molecular entanglement at the interface between the electrolyte membrane and the cathode catalyst layer.
一方、ミセル構造を備えたアイオノマを用いて分散液を作製する場合において、アイオノマに対して適切な処理を施すと、分散液中においてアイオノマはミセル構造を取らず、均一に分散した状態(このような状態は、「ゲル化」とも呼ばれている)となる。 On the other hand, when preparing a dispersion using an ionomer with a micellar structure, if the ionomer is subjected to appropriate treatment, the ionomer will not form a micellar structure in the dispersion, but will be uniformly dispersed (this state is also called "gelation").
ゲル化したアイオノマを含む分散液は、一般に、高粘度である。このような触媒層アイオノマを用いてカソード触媒層を作製すると、相対的に高い界面密着強度が得られる。これは、電解質膜とカソード触媒層との界面において、分子の絡み合いが増大するためと考えられる。高い界面密着強度を得るためには、カソード触媒層は、ゲル化した前記樹脂(B)を用いて製造されたものが好ましい。
ゲル化の程度は、貯蔵弾性率で表すことができる。界面密着強度の高い触媒層を得るには、前記樹脂(B)は、1[Hz]の周波数の振動を印加し、歪み量が1[%]のときに、40[Pa]以上140[Pa]以下の貯蔵弾性率を有するものが好ましい。
A dispersion containing a gelled ionomer generally has a high viscosity. When a cathode catalyst layer is produced using such a catalyst layer ionomer, a relatively high interfacial adhesion strength is obtained. This is considered to be due to increased molecular entanglement at the interface between the electrolyte membrane and the cathode catalyst layer. In order to obtain a high interfacial adhesion strength, the cathode catalyst layer is preferably produced using the gelled resin (B).
The degree of gelation can be expressed by the storage modulus. In order to obtain a catalyst layer having high interfacial adhesion strength, the resin (B) preferably has a storage modulus of 40 [Pa] or more and 140 [Pa] or less when a vibration having a frequency of 1 [Hz] is applied and the distortion amount is 1 [%].
[1.2.3. I/Cの平均値]
カソード触媒層の「I/Cの平均値」とは、カソード触媒層に含まれる導電性担体(B)の総質量に対する樹脂(B)の総質量の比をいう。
カソード触媒層のI/Cの平均値は、界面密着強度、耐久性(触媒層抵抗変化率)、カソード触媒層のプロトン伝導性及び/又はガス拡散性などに影響を与える。
一般に、カソード触媒層のI/Cの平均値が低すぎると、カソード触媒層のプロトン伝導度が低下する。従って、I/Cの平均値は、0.80以上が好ましい。I/Cの平均値は、さらに好ましくは、0.95以上である。
一方、カソード触媒層のI/Cの平均値が高くなりすぎると、カソード触媒層内の空隙量が低下し、カソード触媒層のガス拡散性が低下する。従って、I/Cの平均値は、1.8以下が好ましい。I/Cは、好ましくは、1.5以下である。
1.2.3. Average I/C
The "average I/C value" of the cathode catalyst layer refers to the ratio of the total mass of the resin (B) to the total mass of the conductive carrier (B) contained in the cathode catalyst layer.
The average value of I/C of the cathode catalyst layer affects the interface adhesion strength, durability (rate of change in catalyst layer resistance), proton conductivity and/or gas diffusivity of the cathode catalyst layer.
Generally, if the average value of I/C of the cathode catalyst layer is too low, the proton conductivity of the cathode catalyst layer decreases. Therefore, the average value of I/C is preferably 0.80 or more. The average value of I/C is more preferably 0.95 or more.
On the other hand, if the average value of I/C of the cathode catalyst layer becomes too high, the amount of voids in the cathode catalyst layer decreases, and the gas diffusion property of the cathode catalyst layer decreases. Therefore, the average value of I/C is preferably 1.8 or less. I/C is preferably 1.5 or less.
[1.2.4. 空隙量]
本発明において、「単位面積当たりの空隙量(P)」とは、次の式(1)で表される値をいう。
P(μL/cm2)=S×t/S0 …(1)
但し、
S0は、カソード触媒層の断面を顕微鏡で観察した時の視野の面積、
Sは、視野に含まれる空隙の面積、
tは、カソード触媒層の厚さ。
[1.2.4. Amount of voids]
In the present invention, the "void volume per unit area (P)" refers to a value represented by the following formula (1).
P (μL/cm 2 )=S×t/S 0 …(1)
however,
S 0 is the area of the field of view when the cross section of the cathode catalyst layer is observed under a microscope,
S is the area of the void included in the field of view,
t is the thickness of the cathode catalyst layer.
カソード触媒層の単位面積当たりの空隙量(以下、単に「空隙量」ともいう)は、氷点下始動に対する耐久性に影響を与える。空隙量が少なくなりすぎると、カソード触媒層内で氷が生成した時にカソード触媒層に大きな力が加わり、凍上破壊するおそれがある。従って、空隙量は、0.15μL/cm2以上である必要がある。空隙量は、好ましくは、0.20μL/cm2以上、さらに好ましくは、0.25μL/cm2以上である。
一方、空隙量が過剰になると、触媒層のプロトン伝導性が低下する場合がある。従って、空隙量は、0.75μL/cm2以下である必要がある。空隙量は、好ましくは、0.70μL/cm2以下、さらに好ましくは、0.50μL/cm2以下である。
The void volume per unit area of the cathode catalyst layer (hereinafter, simply referred to as "void volume") affects durability against sub-freezing start-up. If the void volume is too small, a large force is applied to the cathode catalyst layer when ice is generated in the cathode catalyst layer, which may cause frost heave destruction. Therefore, the void volume must be 0.15 μL/ cm2 or more. The void volume is preferably 0.20 μL/ cm2 or more, and more preferably 0.25 μL/ cm2 or more.
On the other hand, if the void volume is excessive, the proton conductivity of the catalyst layer may decrease. Therefore, the void volume needs to be 0.75 μL/ cm2 or less. The void volume is preferably 0.70 μL/ cm2 or less, and more preferably 0.50 μL/ cm2 or less.
なお、空隙量は、導電性担体(B)の微構造だけでなく、カソード触媒層の製造条件にも依存する。例えば、十分な空隙量を有する電極触媒(B)を溶媒に分散させて触媒インクを製造する場合において過剰な分散処理を施すと、分散処理中に電極触媒(B)の微構造が破壊される場合がある。このような触媒インクを用いてカソード触媒層を形成すると、必要な空隙量が得られない場合がある。
従って、カソード触媒層を製造する際には、必要な空隙量が確保できるように、導電性担体(B)の材料及びカソード触媒層の製造条件を選択するのが好ましい。
The void volume depends not only on the microstructure of the conductive support (B) but also on the manufacturing conditions of the cathode catalyst layer. For example, when manufacturing a catalyst ink by dispersing an electrode catalyst (B) having a sufficient void volume in a solvent, if an excessive dispersion process is performed, the microstructure of the electrode catalyst (B) may be destroyed during the dispersion process. If such a catalyst ink is used to form a cathode catalyst layer, the required void volume may not be obtained.
Therefore, when producing the cathode catalyst layer, it is preferable to select the material of the conductive support (B) and the production conditions of the cathode catalyst layer so that the necessary void volume can be secured.
[1.3. アノード触媒層]
電解質膜の他方の面には、アノード触媒層が接合されている。本発明において、アノード触媒層は、
導電性担体(C)に触媒粒子(C)が担持された電極触媒(C)と、
プロトン伝導性を有する樹脂(C)と
を含む。
[1.3. Anode catalyst layer]
An anode catalyst layer is bonded to the other surface of the electrolyte membrane.
An electrode catalyst (C) in which catalyst particles (C) are supported on a conductive support (C);
and a resin (C) having proton conductivity.
[1.3.1. 電極触媒(C)]
電極触媒(C)は、導電性担体(C)に触媒粒子(C)が担持されたものからなる。本発明において、電極触媒(C)は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。アノード触媒層に含まれる導電性担体(C)は、カソード触媒層に含まれる導電性担体(B)と同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。同様に、アノード触媒層に含まれる触媒粒子(C)は、カソード触媒層に含まれる触媒粒子(B)と同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
導電性担体(C)及び触媒粒子(C)に関するその他の点については、それぞれ、導電性担体(B)及び触媒粒子(B)と同様であるので、説明を省略する。
[1.3.1. Electrode catalyst (C)]
The electrode catalyst (C) is composed of a conductive support (C) and catalyst particles (C) supported thereon. In the present invention, the electrode catalyst (C) is not particularly limited, and may be selected according to the purpose. The conductive carrier (C) contained in the anode catalyst layer may be the same as the conductive carrier (B) contained in the cathode catalyst layer, or may be different. Similarly, the catalyst particles (C) contained in the anode catalyst layer may be the same as or different from the catalyst particles (B) contained in the cathode catalyst layer.
Other points regarding the conductive support (C) and the catalyst particles (C) are similar to those of the conductive support (B) and the catalyst particles (B), respectively, and therefore description thereof will be omitted.
[1.3.2. 触媒層アイオノマ(C)]
アノード触媒層に含まれる触媒層アイオノマ(C)は、プロトン伝導性を有する樹脂(C)からなる。本発明において、触媒層アイオノマ(C)は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。アノード触媒層に含まれる樹脂(C)は、電解質膜を構成する樹脂(A)又はカソード触媒層に含まれる樹脂(B)と同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
樹脂(C)に関するその他の点については、樹脂(A)又は樹脂(B)と同様であるので、説明を省略する。
[1.3.2. Catalyst layer ionomer (C)]
The catalyst layer ionomer (C) contained in the anode catalyst layer is made of a resin (C) having proton conductivity. In the present invention, the catalyst layer ionomer (C) is not particularly limited, and an optimal one can be selected depending on the purpose. The resin (C) contained in the anode catalyst layer may be the same as or different from the resin (A) constituting the electrolyte membrane or the resin (B) contained in the cathode catalyst layer.
Other points regarding resin (C) are similar to those of resin (A) or resin (B), and therefore description thereof will be omitted.
[1.3.3. I/Cの平均値]
アノード触媒層の「I/Cの平均値」とは、アノード触媒層に含まれる導電性担体(C)の総質量に対する樹脂(C)の総質量の比をいう。
アノード触媒層のI/Cの平均値は、膜電極接合体の性能に影響を与える。一般に、I/Cの平均値が小さくなりすぎると、アノード触媒層のプロトン伝導性が低下する。従って、I/Cの平均値は、0.95以上が好ましい。
一方、I/Cの平均値が大きくなりすぎると、アノード触媒層の空隙量が低下し、アノード触媒層のガス拡散性が低下する。従って、I/Cの平均値は、1.8以下が好ましい。I/Cの平均値は、好ましくは、1.5以下である。
1.3.3. Average I/C
The "average I/C value" of the anode catalyst layer refers to the ratio of the total mass of the resin (C) to the total mass of the conductive carrier (C) contained in the anode catalyst layer.
The average value of I/C of the anode catalyst layer affects the performance of the membrane electrode assembly. In general, if the average value of I/C is too small, the proton conductivity of the anode catalyst layer decreases. Therefore, the average value of I/C is preferably 0.95 or more.
On the other hand, if the average value of I/C becomes too large, the porosity of the anode catalyst layer decreases, and the gas diffusivity of the anode catalyst layer decreases. Therefore, the average value of I/C is preferably 1.8 or less. The average value of I/C is preferably 1.5 or less.
[1.4. 触媒層抵抗変化率]
「触媒層抵抗変化率」とは、次の式(1)で表される値をいう。
触媒層抵抗変化率(/回)=(R-R0)/(n×R0) …(1)
但し、
nは、氷点下始動加速耐久試験のサイクル数、
R0は、氷点下始動加速耐久試験前の触媒層抵抗、
Rは、nサイクルの氷点下始動加速耐久試験後の触媒層抵抗。
[1.4. Catalyst layer resistance change rate]
The "catalyst layer resistance change rate" refers to a value expressed by the following formula (1).
Catalyst layer resistance change rate (/time)=(R−R 0 )/(n×R 0 ) (1)
however,
n is the number of cycles of the sub-zero start-up acceleration durability test,
R 0 is the catalyst layer resistance before the sub-zero start-up acceleration durability test,
R is the catalyst layer resistance after n cycles of sub-zero accelerated starting durability testing.
本発明において、「氷点下始動加速耐久試験」とは、
(a)MEAを含むセルのカソード/アノード両極を82℃、露点40℃で加湿する工程、
(b)加湿後、セルを封止し、-20℃まで冷却する工程、
(c)凍結したセルに無加湿の水素ガス/空気を供給し、0.3A/cm2で1000s発電する工程、及び、
(d)発電終了後、再びセルを封止し、昇温・加湿を行う工程
を1サイクルとし、これを合計nサイクル(本発明においては、n=12)繰り返す試験をいう。
In the present invention, the "subzero start-up acceleration durability test" refers to
(a) humidifying both the cathode/anode electrodes of a cell containing an MEA at 82° C. with a dew point of 40° C.;
(b) After humidification, the cell is sealed and cooled to −20° C.;
(c) supplying unhumidified hydrogen gas/air to the frozen cell and generating electricity at 0.3 A/ cm2 for 1000 s; and
(d) After power generation is completed, the cell is sealed again and the temperature and humidity are increased, which constitutes one cycle. This test is repeated a total of n cycles (n=12 in the present invention).
カソード触媒層の空隙量、導電性担体(B)のタップ密度、触媒層アイオノマ(B)のEW、カソード触媒層のI/Cの平均値などを最適化すると、触媒層抵抗変化率は、0.33/回以下となる。また、触媒層アイオノマ(B)として高酸素透過アイオノマを用いた場合であっても、カソード触媒層の空隙量を最適化すると、触媒層抵抗変化率は、0.33/回以下となる。これは、カソード触媒層内に適度な空隙を導入することによって、凍結に伴う体積膨張が空隙により緩和されるためと考えられる。
なお、触媒層抵抗変化率を算出する際に用いられる「触媒層抵抗」とは、触媒層インピーダンス測定(80℃、30%RH)を行い、触媒層インピーダンスの実数部から算出される触媒層プロトン抵抗をいう。
When the void volume of the cathode catalyst layer, the tap density of the conductive carrier (B), the EW of the catalyst layer ionomer (B), the average I/C value of the cathode catalyst layer, etc. are optimized, the catalyst layer resistance change rate becomes 0.33/cycle or less. Even when a highly oxygen-permeable ionomer is used as the catalyst layer ionomer (B), when the void volume of the cathode catalyst layer is optimized, the catalyst layer resistance change rate becomes 0.33/cycle or less. This is thought to be because the introduction of an appropriate amount of voids into the cathode catalyst layer alleviates the volume expansion associated with freezing due to the voids.
The "catalyst layer resistance" used in calculating the catalyst layer resistance change rate refers to the catalyst layer proton resistance calculated from the real part of the catalyst layer impedance measured (80° C., 30% RH).
[3. 作用]
図1(A)に、空隙量の少ない触媒層の模式図を示す。図1(B)に、空隙量の多い触媒層の模式図を示す。カソード触媒層は、電極触媒(B)と樹脂(B)との複合体からなり、カソード触媒層内には空隙が存在する。この空隙量が相対的に少ないと、図1(A)に示すように、カソード触媒層内に氷が生成したときに、カソード触媒層に大きな力が加わり、カソード触媒層の凍上破壊が起こる。
これに対し、カソード触媒層内の空隙量は、主として、導電性担体(B)の構造とカソード触媒層の製造条件に依存する。これらを最適化すると、図1(B)に示すように、カソード触媒層内に相対的に多量の空隙を導入することができる。その結果、カソード触媒層内に氷が生成してもカソード触媒層に加わる力が小さくなり、カソード触媒層の凍上破壊が抑制される。
[3. Action]
Fig. 1(A) shows a schematic diagram of a catalyst layer with a small amount of voids. Fig. 1(B) shows a schematic diagram of a catalyst layer with a large amount of voids. The cathode catalyst layer is made of a composite of an electrode catalyst (B) and a resin (B), and voids exist in the cathode catalyst layer. If the amount of voids is relatively small, as shown in Fig. 1(A), when ice is formed in the cathode catalyst layer, a large force is applied to the cathode catalyst layer, causing frost heave destruction of the cathode catalyst layer.
In contrast, the amount of voids in the cathode catalyst layer mainly depends on the structure of the conductive support (B) and the manufacturing conditions of the cathode catalyst layer. By optimizing these, a relatively large amount of voids can be introduced into the cathode catalyst layer, as shown in Figure 1 (B). As a result, even if ice forms in the cathode catalyst layer, the force applied to the cathode catalyst layer is reduced, and frost heave damage to the cathode catalyst layer is suppressed.
(実施例1~7、比較例1~2)
[1. 試料の作製]
[1.1. カソード触媒層の作製]
電極触媒には、カーボン担体の異なる6種類のPt/Cを用いた。表1に、使用したカーボン担体の仕様を示す。
また、アイオノマには、EWが650g/eqである高酸素透過アイオノマを用いた。
(Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 2)
1. Preparation of Samples
[1.1. Preparation of cathode catalyst layer]
Six types of Pt/C with different carbon supports were used as electrode catalysts. Table 1 shows the specifications of the carbon supports used.
As the ionomer, a highly oxygen-permeable ionomer having an EW of 650 g/eq was used.
Pt/C:1gに水を添加し、スパーテルで攪拌した。これにアイオノマ溶液を添加し、超音波ホモジナイザーで5分間の分散処理を行った。この分散液にさらにエタノールを添加し、超音波ホモジナイザーで5~15分間の分散処理を行った。
その後、3分間の遠心脱泡処理を行い、触媒インクを得た。得られた触媒インクをPt目付が0.2mg/cm2となるように、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート上にアプリケータで塗工し、乾燥して触媒層を得た。
Water was added to 1 g of Pt/C and stirred with a spatula. An ionomer solution was added to the water and dispersed for 5 minutes with an ultrasonic homogenizer. Ethanol was further added to the dispersion and dispersed for 5 to 15 minutes with an ultrasonic homogenizer.
The mixture was then centrifuged for 3 minutes to remove bubbles, yielding a catalyst ink. The resulting catalyst ink was applied to a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet with an applicator so that the Pt basis weight was 0.2 mg/ cm2 , and the sheet was dried to obtain a catalyst layer.
[1.2. 燃料電池の作製]
電解質膜の一方の面に上記のカソード触媒層を転写し、他方の面にアノード触媒層を転写した。電極面積は、1cm2とした。
アノード触媒層には、Pt/C(Pt担持量:30mass%)と、ナフィオン(登録商標)との複合体を用いた。アノード触媒層のI/Cは、いずれも、1.0とした。Pt目付量は、いずれも、0.1mg/cm2とした。
[1.2. Preparation of fuel cell]
The above-mentioned cathode catalyst layer was transferred onto one surface of the electrolyte membrane, and the anode catalyst layer was transferred onto the other surface. The electrode area was 1 cm2.
The anode catalyst layer was a composite of Pt/C (Pt loading: 30 mass%) and Nafion (registered trademark). The I/C of the anode catalyst layer was 1.0 in all cases. The Pt weight was 0.1 mg/ cm2 in all cases.
[2. 試験方法]
[2.1. 空隙率]
各触媒層に対してArイオンビームを用いた断面加工を行い、SEM観察を行った。観察は、加速電圧:2kV、ワーキングディスタンス:約3mmの条件で行い、3~5視野について30000~50000倍の倍率で画像を取得した。
取得された画像をImage Jを用いて二値化した。まず、取得された画像を256階調のモノクロ画像に変換し、Image Jの明るさ/コントラストの自動調整(Auto)機能を用いて、これらを自動調整した。次いで、Plugin機能として追加したNon-local Means Denoisingという機能を用いて、画像のノイズ除去を行った。これらの画像処理を行った画像に対して、二値化を行った。
2. Test Method
2.1. Porosity
Each catalyst layer was subjected to cross-sectional processing using an Ar ion beam, and then observed under a SEM with an accelerating voltage of 2 kV and a working distance of about 3 mm, and images were obtained from 3 to 5 fields of view at magnifications of 30,000 to 50,000 times.
The acquired image was binarized using Image J. First, the acquired image was converted to a monochrome image with 256 gradations, and the brightness/contrast was automatically adjusted using the automatic brightness/contrast adjustment (Auto) function of Image J. Next, noise was removed from the image using a function called Non-local Means Denoising, which was added as a plugin function. The image that had been subjected to these image processes was binarized.
図2(A)に、触媒層断面の画像を示す。図2(B)に、図2(A)の画像の閾値の階調を、空隙部と見なせる箇所が黒くなるまで上げた画像を示す。図2(C)に、図2(B)の画像の閾値の階調を、カーボン断面と見なせる箇所が黒くなる直前の値まで下げた画像を示す。図2(D)に、図2(C)の画像の空隙部に残った白い箇所を黒く塗りつぶした二値化画像を示す。 Figure 2(A) shows an image of the cross section of the catalyst layer. Figure 2(B) shows an image in which the threshold gradation of the image in Figure 2(A) has been increased until the areas that can be considered to be voids turn black. Figure 2(C) shows an image in which the threshold gradation of the image in Figure 2(B) has been lowered to the value just before the areas that can be considered to be carbon cross sections turn black. Figure 2(D) shows a binarized image in which the white areas remaining in the voids of the image in Figure 2(C) have been filled in black.
二値化のための閾値を、Image Jのthreshold機能を用いて、次のようにして決めた。すなわち、図2(A)に示す画像に対して、空隙部と見なせる箇所が黒くなるまで閾値の階調を上げていくと、図2(B)に示すように、カーボン断面と見なせる箇所の一部も黒くなった。そこで、このカーボン断面と見なせる箇所が黒くなる直前の階調を閾値とした(図2(C))。その後、空隙部に残った白い箇所を、Image JのPaintbrush toolを用いて黒く塗りつぶした。その結果、得られた画像(図2(D))を二値化像とした。 The threshold for binarization was determined as follows, using the threshold function of Image J. That is, for the image shown in Figure 2(A), when the threshold gradation was increased until the areas considered to be voids turned black, a part of the area considered to be the carbon cross section also turned black, as shown in Figure 2(B). Therefore, the gradation just before the areas considered to be the carbon cross section turned black was set as the threshold (Figure 2(C)). After that, the white areas remaining in the voids were painted black using the Paintbrush tool of Image J. The resulting image (Figure 2(D)) was used as the binarized image.
得られた二値化像から、空隙部の面積割合(視野面積(S0)に対する空隙面積(S)の比)を算出した。また、触媒層断面のSEM像から、触媒層の厚み(t)を計測した。さらに、式(1)を用いて、空隙量を算出した。 From the obtained binarized image, the area ratio of the void portion (ratio of void area (S) to field area ( S0) ) was calculated. In addition, the thickness (t) of the catalyst layer was measured from the SEM image of the catalyst layer cross section. Furthermore, the void volume was calculated using formula (1).
[2.2. 氷点下始動加速耐久試験]
燃料電池のカソード/アノード両極を82℃、露点40℃で加湿した。小型セルを封止した後、-20℃まで冷却した。その後、燃料電池に無加湿の水素ガス/空気を送りながら、0.3A/cm2で1000s発電した。発電終了後、再び燃料電池を封止し、昇温・加湿を行った。ここまでのサイクルを1サイクルとして、合計12サイクル繰り返した。発電性能は、耐久試験前、及び12サイクル目において測定した。80℃、30%RHで触媒層インピーダンスを測定し、その触媒層インピーダンスの実数部から触媒層抵抗変化率(耐久1サイクル当たりの触媒層抵抗の変化の割合)を算出した。
[2.2. Sub-zero starting acceleration durability test]
Both the cathode and anode electrodes of the fuel cell were humidified at 82°C with a dew point of 40°C. The small cell was sealed and then cooled to -20°C. Then, while feeding unhumidified hydrogen gas/air to the fuel cell, electricity was generated at 0.3 A/ cm2 for 1000 s. After the power generation was completed, the fuel cell was sealed again and the temperature was raised and humidified. The cycle up to this point was counted as one cycle, and a total of 12 cycles were repeated. The power generation performance was measured before the durability test and at the 12th cycle. The catalyst layer impedance was measured at 80°C and 30% RH, and the catalyst layer resistance change rate (the rate of change in catalyst layer resistance per one durability cycle) was calculated from the real part of the catalyst layer impedance.
[3. 結果]
表2に、結果を示す。なお、表2には、カソード触媒層の仕様も合わせて示した。図3に、空隙量と触媒層抵抗変化率との関係を示す。図4に、タップ密度と空隙量との関係を示す。表2及び図3~4より、以下のことが分かる。
3. Results
The results are shown in Table 2. The specifications of the cathode catalyst layer are also shown in Table 2. Figure 3 shows the relationship between the void volume and the catalyst layer resistance change rate. Figure 4 shows the relationship between the tap density and the void volume. The following can be seen from Table 2 and Figures 3 and 4.
(1)空隙量が多いほど、氷点下始動性に対する耐久性が高くなることが分かった。また、触媒層抵抗変化率を0.33(/回)以下にするためには、空隙量を0.15μL/cm2以上にする必要があることがわかった。
(2)タップ密度と空隙量との間には相関が認められ、タップ密度の低いカーボン担体を用いるほど、空隙量が多くなることが分かった。
(3)比較例2は、実施例6に比べて、空隙量が少なく、かつ、触媒層抵抗変化率も大きくなった。これは、比較例2の総分散時間が長すぎるために、分散中にカーボンFの凝集構造が壊れ、さらにカーボン粒子が破砕したためと考えられる。
(1) It was found that the greater the void volume, the higher the durability against sub-zero startability. It was also found that in order to achieve a catalyst layer resistance change rate of 0.33 (/cycle) or less, the void volume needs to be 0.15 μL/ cm2 or more.
(2) A correlation was found between tap density and void volume, and it was found that the lower the tap density of a carbon support, the greater the void volume.
(3) In Comparative Example 2, the void volume was smaller and the catalyst layer resistance change rate was larger than in Example 6. This is considered to be because the total dispersion time in Comparative Example 2 was too long, causing the aggregate structure of Carbon F to break during dispersion, and further causing the carbon particles to be crushed.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る膜電極接合体は、車載動力源、定置型小型発電器などに用いられる燃料電池に使用することができる。 The membrane electrode assembly of the present invention can be used in fuel cells used in vehicle power sources, small stationary power generators, etc.
Claims (5)
(1)前記膜電極接合体は、
プロトン伝導性を有する樹脂(A)からなる電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたアノード触媒層と
を備えている。
(2)前記カソード触媒層は、
導電性担体(B)に触媒粒子(B)が担持された電極触媒(B)と、
プロトン伝導性を有する樹脂(B)と
を含む。
(3)前記膜電極接合体は、触媒層抵抗変化率が0.33/回以下である。
(4)前記カソード触媒層は、単位面積当たりの空隙量が0.15μL/cm2以上0.75μL/cm2以下である。 A membrane electrode assembly having the following configuration.
(1) The membrane electrode assembly is
An electrolyte membrane made of a resin (A) having proton conductivity;
a cathode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte membrane;
and an anode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte membrane.
(2) The cathode catalyst layer comprises:
An electrode catalyst (B) in which catalyst particles (B) are supported on a conductive support (B);
and a resin (B) having proton conductivity.
(3) The membrane electrode assembly has a catalyst layer resistance change rate of 0.33 or less per cycle.
(4) The cathode catalyst layer has a void volume per unit area of 0.15 μL/cm 2 or more and 0.75 μL/cm 2 or less.
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