燃料电池阳极用水电解催化剂、阳极催化剂组合物及膜电极接合体制造技术

技术编号:30886950 阅读:4 留言:0更新日期:2021-11-22 20:37
本发明专利技术的目的在于提供一种阳极催化剂组合物,其用于固体高分子型燃料电池,且对逆转电位的耐久性非常高。本发明专利技术的水电解催化剂的特征在于:包含Ir与Ru的固溶体复合氧化物,所述固溶体复合氧化物由化学式Ir

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池阳极用水电解催化剂、阳极催化剂组合物及膜电极接合体


[0001]本专利技术涉及一种用于固体高分子型燃料电池的阳极用催化剂,尤其是涉及一种对于电压反转(逆转电位)具有优异耐久性的阳极用水电解催化剂、及包含该水电解催化剂的阳极催化剂层以及包含该阳极催化剂层的固体高分子型燃料电池。

技术介绍

[0002]为实现即将到来的氢能源社会,可获得高功率密度的燃料电池作为固定用电源或汽车用电源备受瞩目,正在进行面向实用化的开发。尤其是,固体高分子型燃料电池在常温下工作,能够频繁地启动、停止,因此适于燃料电池汽车用途。固体高分子型燃料电池是积层如下组件而构成,所述组件是使用由阳极催化剂层及阴极催化剂层夹持高分子电解质膜而成的膜

电极接合体(MEA),进而以阳极侧及阴极侧的各气体扩散层及分隔件夹持该膜

电极接合体而获得。固体高分子型燃料电池在通常工作状态下的电化学反应如下所述。即,供给到阳极侧的燃料(典型的是氢)被阳极的氢氧化反应(HOR)催化剂氧化,成为质子及电子(2H2→
4H
+
+4e

)。该质子通过与阳极催化剂层接触的包含阳离子交换膜的电解质膜而到达阴极催化剂层。另一方面,在阳极产生的电子从与阳极接触的导电性气体扩散层经由分隔件及外部电路而到达阴极催化剂层。供给到阴极侧的氧化剂气体(典型的是氧)与经由电解质膜供给的质子及经由外部电路供给的电子在氧还原反应(ORR)催化剂上反应而生成水(O2+4H
+
+4e
‑<br/>→
2H2O)。
[0003]这种燃料电池存在如下问题:与所述通常工作状态不同,当因某种原因导致阳极侧燃料不足时,成为电位反转(逆转电位)状态,在这种情况下,会发生通常工作状态下不会发生的阳极催化剂层的极度氧化劣化,而使燃料电池的性能及可靠性降低。
[0004]作为防止这种电位反转引起的阳极氧化劣化的对策,采取监控电位、或监控阳极排气等来发出逆转电位警报并进行系统停止等处置的方法。另一方面,作为提高阳极在逆转电位状态下的耐久性的对策,作为促进阳极催化剂层中的水电解反应的方略,已知有使用具备第一组合物及第二组合物作为阳极催化剂组合物的阳极的技术(例如,参照专利文献1)、及使用在导电性碳上同时担载铂及铱而成的阳极催化剂的技术(例如,参照专利文献2),所述第一组合物用于使燃料氧化,所述第二组合物包含使水产生氧的氧化钌(RuO2)或氧化铱(IrO2)。另外,最近,五百蔵等发表了使用如下燃料电池用阳极的逆转电位耐久性试验结果,该燃料电池用阳极是在铂担载于导电性氧化物上的催化剂中添加铱黑而得(例如,参照非专利文献1)。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本专利特表2003

508877号公报
[0008]专利文献2:日本专利特开2011

040177号公报
[0009]专利文献3:日本专利5283499号公报
[0010]专利文献4:日本专利特开2006

236631号公报
[0011]专利文献5:日本专利特公平2

25994号公报
[0012]专利文献6:日本专利5515019号公报
[0013]专利文献7:日本专利5152942号公报
[0014]专利文献8:日本专利6125580号公报
[0015]专利文献9:US2007/0031722
[0016]非专利文献
[0017]非专利文献1:五百蔵勉、安田和明第59次电池研讨会(2018年11月大阪)主旨集、演讲编号1H23
[0018]非专利文献2:T.Ioroi et.al.,Phys.Chem.Chem.Phy.,12,7529(2010)

技术实现思路

[0019][专利技术要解决的问题][0020]然而,根据专利文献1及2的技术,阳极对逆转电位的耐久性尚不充分,需要具有更高耐久性的阳极。
[0021]因此,本专利技术的目的在于提供一种阳极催化剂组合物,其用于固体高分子型燃料电池,且对逆转电位的耐久性非常高,具体而言,提供一种高耐久性的燃料电池阳极用水电解催化剂、阳极催化剂组合物及使用该阳极催化剂组合物的膜电极接合体。
[0022][解决问题的技术手段][0023]本专利技术人等鉴于所述实际情况进行了锐意研究,结果发现,在阳极催化剂的组合物中,使用钌与铱的固溶体复合氧化物催化剂,来作为与用于使燃料氧化的第一组合物分散混合而使用且使水产生氧的第二组合物,所述钌与铱的固溶体复合氧化物催化剂在粉末X射线衍射(Cu Kα)中在2θ=66.10
°
以上67.00
°
以下具有衍射峰,由此,可获得显著高于以往公知的氧化铱(IrO2)或氧化钌(RuO2)的耐久性,从而完成本专利技术。
[0024]即,根据本申请,提供以下专利技术。
[0025]本专利技术的水电解催化剂的特征在于:包含Ir与Ru的固溶体复合氧化物,所述固溶体复合氧化物由化学式Ir
x
Ru
y
O2(其中,x及y满足x+y=1.0)表示,且所述固溶体复合氧化物的粉末X射线衍射(Cu Kα)在2θ=66.10
°
以上67.00
°
以下的范围内具有1个衍射极大峰。
[0026]在本专利技术的水电解催化剂中,优选所述固溶体复合氧化物具有进而满足0.2≦x≦0.5的组成。
[0027]在本专利技术的水电解催化剂中,优选所述固溶体复合氧化物通过粉末X射线衍射(Cu Kα)求出的(1,1,0)微晶直径处于1.0nm~10nm的范围内。
[0028]本专利技术的水电解催化剂优选在粉末X射线衍射(Cu Kα)中未观察到来自IrO2相及RuO2相的峰。
[0029]本专利技术的水电解催化剂也可包含氢氧化铱钌。
[0030]本专利技术的固体高分子型燃料电池的阳极催化剂组合物的特征在于:由本专利技术的水电解催化剂与燃料氧化催化剂混合而成。
[0031]在本专利技术的固体高分子型燃料电池的阳极催化剂组合物中,优选所述燃料氧化催化剂是在导电性载体上担载铂或铂合金而成的催化剂,且所述阳极催化剂组合物是以相对
于铂或铂合金的添加量而言,所述水电解催化剂的添加量以质量百分率计为1%以上20%以下的比率混合而成。
[0032]在本专利技术的固体高分子型燃料电池的阳极催化剂组合物中,优选所述导电性载体为碳粉末载体或导电性氧化物粉末载体。
[0033]本专利技术的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体(MEA)的特征在于:在具有氧还原活性的阴极催化剂层与包含本专利技术的阳极催化剂组合物的阳极催化剂层之间夹着阳离子交换膜。
[0034]本专利技术的固体高分子型燃料电池用膜电极接合体优选所述阴极催化剂层及所述阳极催化剂层的至少任一个包含质子导电性离子聚合物。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种水电解催化剂,其特征在于:包含Ir与Ru的固溶体复合氧化物,所述固溶体复合氧化物由化学式Ir
x
Ru
y
O2(其中,x及y满足x+y=1.0)表示,且所述固溶体复合氧化物的粉末X射线衍射(Cu Kα)在2θ=66.10
°
以上67.00
°
以下的范围内具有1个衍射极大峰。2.根据权利要求1所述的水电解催化剂,其特征在于:所述固溶体复合氧化物具有进而满足0.2≦x≦0.5的组成。3.根据权利要求1或2所述的水电解催化剂,其特征在于:所述固溶体复合氧化物通过粉末X射线衍射(Cu Kα)求出的(1,1,0)微晶直径处于1.0nm~10nm的范围内。4.根据权利要求1至3中任一项所述的水电解催化剂,其特征在于:所述水电解催化剂在粉末X射线衍射(Cu Kα)中未观察到来自IrO2相及RuO2相的峰。5.根据权利要求1至4中任一项所述的水电解催化剂,其特征在于:所述水电解催化剂...

【专利技术属性】
技术研发人员:伊藤贤铃木宏明
申请(专利权)人:株式会社古屋金属
类型:发明
国别省市:

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