JPH09206597A - 白金−鉄合金電極触媒及び燃料電池 - Google Patents
白金−鉄合金電極触媒及び燃料電池Info
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- JPH09206597A JPH09206597A JP8035397A JP3539796A JPH09206597A JP H09206597 A JPH09206597 A JP H09206597A JP 8035397 A JP8035397 A JP 8035397A JP 3539796 A JP3539796 A JP 3539796A JP H09206597 A JPH09206597 A JP H09206597A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- electrode catalyst
- electrode
- platinum
- iron alloy
- Prior art date
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
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- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 濃度過電圧ηc の発散的増大が、燃料電池の
セル電圧の低下に大きな影響を与えるという問題点を認
識し、濃度過電圧ηc と関連があると考えられる電極触
媒に着目し、燃料電池用の高活性な電極触媒を開発し、
電極触媒を担持した電極を用いた燃料電池を提供する。 【解決手段】 本発明の電極触媒は、正方晶の白金−鉄
合金を包含することを特徴とする。正方晶の白金−鉄合
金は、好ましくは25〜75原子%、さらに好ましくは
40〜60原子%、最も好ましくは45〜55原子%の
鉄を含有する白金−鉄合金である。該電極触媒を担持し
た電極を用いて燃料電池とすることにより、燃料電池を
運転しても、電流密度を上昇させても濃度過電圧ηc の
減少を抑えることができ、したがって、燃料電池のセル
電圧の減少を抑えることができる。図2は燃料電池にお
けるI−V特性を示し、図2中、曲線eは本発明のPt
/Fe原子%=50/50の場合、曲線fは白金が10
0%の場合を示す。
セル電圧の低下に大きな影響を与えるという問題点を認
識し、濃度過電圧ηc と関連があると考えられる電極触
媒に着目し、燃料電池用の高活性な電極触媒を開発し、
電極触媒を担持した電極を用いた燃料電池を提供する。 【解決手段】 本発明の電極触媒は、正方晶の白金−鉄
合金を包含することを特徴とする。正方晶の白金−鉄合
金は、好ましくは25〜75原子%、さらに好ましくは
40〜60原子%、最も好ましくは45〜55原子%の
鉄を含有する白金−鉄合金である。該電極触媒を担持し
た電極を用いて燃料電池とすることにより、燃料電池を
運転しても、電流密度を上昇させても濃度過電圧ηc の
減少を抑えることができ、したがって、燃料電池のセル
電圧の減少を抑えることができる。図2は燃料電池にお
けるI−V特性を示し、図2中、曲線eは本発明のPt
/Fe原子%=50/50の場合、曲線fは白金が10
0%の場合を示す。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種電気分解或い
は燃料電池の電極に使用される電極触媒及び該電極触媒
を担持した電極を用いた燃料電池に関する。
は燃料電池の電極に使用される電極触媒及び該電極触媒
を担持した電極を用いた燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池の電極には、燃料を酸化するた
めの燃料極としての陰極及び供給された酸素を還元する
空気極としての陽極があり、これらの各電極上での反応
を促進し、燃料電池の性能を高めるために、電極触媒を
各電極に担持させることが行われている。
めの燃料極としての陰極及び供給された酸素を還元する
空気極としての陽極があり、これらの各電極上での反応
を促進し、燃料電池の性能を高めるために、電極触媒を
各電極に担持させることが行われている。
【0003】燃料として水素、酸化剤として空気(酸
素)を用いる燃料電池のI−V特性(電流密度に対する
セル電圧)は、理論的には、一例として図1の曲線aに
示すような約1.2Vを通り直線状の出力特性を有する
と考えられるが、実際には次の(i)〜 (iii)の原因
で、同図曲線bに示すように、電流密度の増加に従い大
きく湾曲してセル電圧が低下し劣化する特性となってい
ることが既に知られている。その原因を大別すると、
(i)電極上での反応物質(水素、酸素等)の反応速度
に起因するものとして、図1において、曲線aと曲線c
で挟まれる量で示される活性化過電圧ηa による損失、
(ii)電池の電解質等の内部抵抗に起因するものとし
て、図1において、曲線cと曲線dで挟まれる量で示さ
れる抵抗過電圧ηr による損失、(iii)電極上での反応
場(通常、電極に存在する触媒上)への反応物質又は反
応生成物の移動のし易さに起因するものとして、図1に
おいて、曲線dと曲線bにより挟まれる量で示される濃
度過電圧ηc による損失、が挙げられる。
素)を用いる燃料電池のI−V特性(電流密度に対する
セル電圧)は、理論的には、一例として図1の曲線aに
示すような約1.2Vを通り直線状の出力特性を有する
と考えられるが、実際には次の(i)〜 (iii)の原因
で、同図曲線bに示すように、電流密度の増加に従い大
きく湾曲してセル電圧が低下し劣化する特性となってい
ることが既に知られている。その原因を大別すると、
(i)電極上での反応物質(水素、酸素等)の反応速度
に起因するものとして、図1において、曲線aと曲線c
で挟まれる量で示される活性化過電圧ηa による損失、
(ii)電池の電解質等の内部抵抗に起因するものとし
て、図1において、曲線cと曲線dで挟まれる量で示さ
れる抵抗過電圧ηr による損失、(iii)電極上での反応
場(通常、電極に存在する触媒上)への反応物質又は反
応生成物の移動のし易さに起因するものとして、図1に
おいて、曲線dと曲線bにより挟まれる量で示される濃
度過電圧ηc による損失、が挙げられる。
【0004】全過電圧をη、電流密度をIとした場合、
活性化過電圧ηa 、抵抗過電圧ηr、濃度過電圧ηc の
間には、次の式(1)〜式(4)が成立することが既に
報告されている(喜多他著「電気化学の基礎」技報堂出
版発行,第200頁)。
活性化過電圧ηa 、抵抗過電圧ηr、濃度過電圧ηc の
間には、次の式(1)〜式(4)が成立することが既に
報告されている(喜多他著「電気化学の基礎」技報堂出
版発行,第200頁)。
【0005】
【数1】
【0006】上記各式において、a、bは定数、IL は
限界電流密度と呼ばれる値で、反応物質又は反応生成物
が反応のために移動できる限界量によって決まる定数で
ある。この移動限界量は、通例、反応物質又は反応生成
物が拡散によって移動するため、電極の構造(多孔性、
厚さ等)や、物質の濃度などによって変わる。また、R
は抵抗である。
限界電流密度と呼ばれる値で、反応物質又は反応生成物
が反応のために移動できる限界量によって決まる定数で
ある。この移動限界量は、通例、反応物質又は反応生成
物が拡散によって移動するため、電極の構造(多孔性、
厚さ等)や、物質の濃度などによって変わる。また、R
は抵抗である。
【0007】式(4)より判るように、電流密度Iが限
界電流密度IL に近づくと、濃度過電圧ηc は発散的に
増大する。
界電流密度IL に近づくと、濃度過電圧ηc は発散的に
増大する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、濃度過
電圧ηc の発散的増大が、燃料電池のセル電圧の低下に
大きな影響を与えるという問題点を認識し、濃度過電圧
ηc と関連があると考えられる電極触媒に着目し、燃料
電池用の高活性な電極触媒を開発し、該電極触媒を担持
した電極を用いた燃料電池を提供することを目的とす
る。
電圧ηc の発散的増大が、燃料電池のセル電圧の低下に
大きな影響を与えるという問題点を認識し、濃度過電圧
ηc と関連があると考えられる電極触媒に着目し、燃料
電池用の高活性な電極触媒を開発し、該電極触媒を担持
した電極を用いた燃料電池を提供することを目的とす
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記した問題点に鑑み、
本発明者らは、濃度過電圧の低下の原因と推測される酸
素の触媒上への吸着を弱めることに着目し、種々の金属
や合金材料の電極触媒への利用可能性について鋭意探索
した結果、特定の結晶構造の白金−鉄合金が、濃度過電
圧の増加の少ない燃料電池の電極触媒に好適であること
を見いだし、本発明に至った。
本発明者らは、濃度過電圧の低下の原因と推測される酸
素の触媒上への吸着を弱めることに着目し、種々の金属
や合金材料の電極触媒への利用可能性について鋭意探索
した結果、特定の結晶構造の白金−鉄合金が、濃度過電
圧の増加の少ない燃料電池の電極触媒に好適であること
を見いだし、本発明に至った。
【0010】すなわち、本発明の電極触媒は、正方晶の
白金−鉄合金を包含することを特徴とする。正方晶の白
金−鉄合金は、好ましくは25〜75原子%、さらに好
ましくは40〜60原子%、最も好ましくは45〜55
原子%の鉄を含有する白金−鉄合金であることが望まし
い。鉄の原子%が25未満、或いは75を越えると、該
白金−鉄合金を担持した電極を用いた燃料電池では、濃
度過電圧の増加の影響が無視できず、燃料電池の性能上
好ましくはない。
白金−鉄合金を包含することを特徴とする。正方晶の白
金−鉄合金は、好ましくは25〜75原子%、さらに好
ましくは40〜60原子%、最も好ましくは45〜55
原子%の鉄を含有する白金−鉄合金であることが望まし
い。鉄の原子%が25未満、或いは75を越えると、該
白金−鉄合金を担持した電極を用いた燃料電池では、濃
度過電圧の増加の影響が無視できず、燃料電池の性能上
好ましくはない。
【0011】また、本発明の燃料電池は、上記特徴を有
する電極触媒を担持した電極を用いることを特徴とす
る。
する電極触媒を担持した電極を用いることを特徴とす
る。
【0012】本発明の電極触媒は、白金−鉄合金の結晶
の形態が正方晶であることが重要である。正方晶が崩れ
ると、濃度過電圧ηc 損失が原因のセル電圧が低下し、
燃料電池の性能が低下し、好ましくない。
の形態が正方晶であることが重要である。正方晶が崩れ
ると、濃度過電圧ηc 損失が原因のセル電圧が低下し、
燃料電池の性能が低下し、好ましくない。
【0013】本発明の電極触媒による燃料電池における
濃度過電圧ηc の低下の減少化効果は、恐らく、本発明
の電極触媒に対する酸素の吸着力が従来の電極触媒に対
する吸着力に比べて弱いために生ずるものであろうと考
えられる。
濃度過電圧ηc の低下の減少化効果は、恐らく、本発明
の電極触媒に対する酸素の吸着力が従来の電極触媒に対
する吸着力に比べて弱いために生ずるものであろうと考
えられる。
【0014】本発明の電極触媒は、酸素の還元作用が行
われる陽極のみならず、燃料極においても耐CO被毒触
媒としての適用が可能である。
われる陽極のみならず、燃料極においても耐CO被毒触
媒としての適用が可能である。
【0015】本発明の電極触媒は、電極材料に担持させ
て使用することができ、その電極触媒の担持方法は、例
えば、カーボン等の電極材料からなる電極上に、触媒粉
体を含むペーストを適用して触媒層を形成してもよい。
て使用することができ、その電極触媒の担持方法は、例
えば、カーボン等の電極材料からなる電極上に、触媒粉
体を含むペーストを適用して触媒層を形成してもよい。
【0016】
〔実施例1〕テフロンディスパージョン(ダイキン工業
(株)製、D−1)により撥水化したポーラスカーボン
からなる電極上に、イオン交換樹脂分散液(ナフィオン
溶液:アルドリッチ社製)及び触媒粉体よりなり、触媒
成分の異なる2種類のペーストを印刷法にて適用して次
の2種類の触媒層が形成された電極(空気極)を各々製
造した。即ち、電極触媒としてPtのみからなり且つP
t担持量が0.3mg/cm2 の空気極と、電極触媒と
して原子比Pt/Feが50/50からなる正方晶のP
t−Fe合金を適用しPt成分の担持量が0.3mg/
cm2 の空気極を得た。
(株)製、D−1)により撥水化したポーラスカーボン
からなる電極上に、イオン交換樹脂分散液(ナフィオン
溶液:アルドリッチ社製)及び触媒粉体よりなり、触媒
成分の異なる2種類のペーストを印刷法にて適用して次
の2種類の触媒層が形成された電極(空気極)を各々製
造した。即ち、電極触媒としてPtのみからなり且つP
t担持量が0.3mg/cm2 の空気極と、電極触媒と
して原子比Pt/Feが50/50からなる正方晶のP
t−Fe合金を適用しPt成分の担持量が0.3mg/
cm2 の空気極を得た。
【0017】一方、燃料極として、上記空気極と同様に
して、Pt担持量が0.5mg/cm2 の電極を製造し
た。
して、Pt担持量が0.5mg/cm2 の電極を製造し
た。
【0018】前記工程で得られた空気極と燃料極の間に
ナフィオン115膜(商品名:米国デュポン社製)を挟
んで、ホットプレスすることにより、電極触媒の種類の
異なる2種の単電池(セル有効面積が20.25c
m2 ,□45)を各々製造した。この各燃料電池の陰極
に水素ガスを、陽極に空気を流し、電池温度70℃で運
転して、電流密度に対するセル電圧を測定した。その結
果を図2の電流密度−電圧特性のグラフに示す。図2
中、曲線eは原子比Pt/Feが50/50、曲線fは
Pt100%の電極触媒を使用した場合をそれぞれ示
す。
ナフィオン115膜(商品名:米国デュポン社製)を挟
んで、ホットプレスすることにより、電極触媒の種類の
異なる2種の単電池(セル有効面積が20.25c
m2 ,□45)を各々製造した。この各燃料電池の陰極
に水素ガスを、陽極に空気を流し、電池温度70℃で運
転して、電流密度に対するセル電圧を測定した。その結
果を図2の電流密度−電圧特性のグラフに示す。図2
中、曲線eは原子比Pt/Feが50/50、曲線fは
Pt100%の電極触媒を使用した場合をそれぞれ示
す。
【0019】図2によれば、Pt100%のみのものよ
りも、原子比Pt/Feが50/50とした場合の方
が、電流密度に対するセル電圧の降下が少ないことがわ
かる。そのため、例えば、燃料電池を0.6Vで定常動
作させると、Pt100%のみのものよりも原子比Pt
/Feが50/50とした場合の方が、約60%の出力
増が見込めることがわかる。濃度過電圧の低減により、
電圧効率も向上し、高効率な燃料電池とすることができ
る。また、Pt100%の電極触媒では燃料電池の限界
電流密度が0.86A/cm2 であったのに対し、本実
施例1の原子比Pt/Fe=50/50の電極触媒で
は、1.04A/cm2 まで達成することができた。
りも、原子比Pt/Feが50/50とした場合の方
が、電流密度に対するセル電圧の降下が少ないことがわ
かる。そのため、例えば、燃料電池を0.6Vで定常動
作させると、Pt100%のみのものよりも原子比Pt
/Feが50/50とした場合の方が、約60%の出力
増が見込めることがわかる。濃度過電圧の低減により、
電圧効率も向上し、高効率な燃料電池とすることができ
る。また、Pt100%の電極触媒では燃料電池の限界
電流密度が0.86A/cm2 であったのに対し、本実
施例1の原子比Pt/Fe=50/50の電極触媒で
は、1.04A/cm2 まで達成することができた。
【0020】〔実施例2〕電極触媒として原子比Pt/
Feが50/50、40/60、60/40の正方晶の
Pt−Fe合金を用いて、前記実施例1と同様な方法に
より、材質の異なる3種類の電極を製造し、さらに各々
単電池を製造した。比較例として、Pt100%の電極
触媒を用いて同様に単電池を製造した。
Feが50/50、40/60、60/40の正方晶の
Pt−Fe合金を用いて、前記実施例1と同様な方法に
より、材質の異なる3種類の電極を製造し、さらに各々
単電池を製造した。比較例として、Pt100%の電極
触媒を用いて同様に単電池を製造した。
【0021】さらに、前記実施例1と同様な方法で各単
電池について酸化剤を酸素とした場合の電流密度に対す
るセル電圧を測定した。そのセル電圧から濃度過電圧を
求めた。その結果を図3の電流密度−濃度過電圧特性の
グラフに示す。図3中、曲線g(○印)は原子比Pt/
Feが50/50、曲線h(◇印)は60/40、曲線
i(△印)は40/60の本発明の電極触媒を示し、□
印は原子比Pt/Feが100/0の比較例の電極触媒
を示す。
電池について酸化剤を酸素とした場合の電流密度に対す
るセル電圧を測定した。そのセル電圧から濃度過電圧を
求めた。その結果を図3の電流密度−濃度過電圧特性の
グラフに示す。図3中、曲線g(○印)は原子比Pt/
Feが50/50、曲線h(◇印)は60/40、曲線
i(△印)は40/60の本発明の電極触媒を示し、□
印は原子比Pt/Feが100/0の比較例の電極触媒
を示す。
【0022】図3によれば、原子比Pt/Feが50/
50とした場合が、最も電流密度に対するセル電圧の降
下が少ないことがわかる。
50とした場合が、最も電流密度に対するセル電圧の降
下が少ないことがわかる。
【0023】
【発明の効果】本発明の電極触媒を用いた燃料電池は、
濃度過電圧の低下が原因の出力の低下を抑制することが
できる。
濃度過電圧の低下が原因の出力の低下を抑制することが
できる。
【0024】本発明の電極触媒は、濃度過電圧の低減効
果を有するので、該電極触媒を用いた燃料電池は、燃料
極及び空気極のいずれにおいてもそれらの反応ガスであ
る水素、酸素の利用率が向上し、供給ガス中のこれらの
反応ガス分圧が低い場合でも充分な出力を生ずる。
果を有するので、該電極触媒を用いた燃料電池は、燃料
極及び空気極のいずれにおいてもそれらの反応ガスであ
る水素、酸素の利用率が向上し、供給ガス中のこれらの
反応ガス分圧が低い場合でも充分な出力を生ずる。
【図1】従来の、燃料として水素、酸化剤として空気
(酸素)を用いる燃料電池のI−V特性(電流密度に対
するセル電圧)の一例を示すグラフである。
(酸素)を用いる燃料電池のI−V特性(電流密度に対
するセル電圧)の一例を示すグラフである。
【図2】Pt100%の電極触媒を担持した電極を用い
る燃料電池と、原子比Pt/Fe=50/50の正方晶
のPt−Fe合金を電極触媒として担持した電極を用い
た燃料電池による電流密度に対するセル電圧を示すグラ
フである。
る燃料電池と、原子比Pt/Fe=50/50の正方晶
のPt−Fe合金を電極触媒として担持した電極を用い
た燃料電池による電流密度に対するセル電圧を示すグラ
フである。
【図3】原子比Pt/Fe=50/50,40/60,
60/40の各正方晶のPt−Fe合金、及びPt/F
e=100/0を電極触媒として担持した各電極を用い
た燃料電池による電流密度に対する濃度過電圧の特性を
示すグラフである。
60/40の各正方晶のPt−Fe合金、及びPt/F
e=100/0を電極触媒として担持した各電極を用い
た燃料電池による電流密度に対する濃度過電圧の特性を
示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片平 清市 東京都千代田区外神田2丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者 喜多 英明 北海道札幌市白石区菊水2条2丁目4−23
Claims (5)
- 【請求項1】 正方晶の白金−鉄合金を包含することを
特徴とする電極触媒。 - 【請求項2】 25〜75原子%の鉄を含有する白金−
鉄合金を包含する請求項1記載の電極触媒。 - 【請求項3】 40〜60原子%の鉄を含有する白金−
鉄合金を包含する請求項1記載の電極触媒。 - 【請求項4】 45〜55原子%の鉄を含有する白金−
鉄合金を包含する請求項1記載の電極触媒。 - 【請求項5】 請求項1、2、3又は4記載の電極触媒
を担持した電極を用いる燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8035397A JPH09206597A (ja) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | 白金−鉄合金電極触媒及び燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8035397A JPH09206597A (ja) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | 白金−鉄合金電極触媒及び燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09206597A true JPH09206597A (ja) | 1997-08-12 |
Family
ID=12440794
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8035397A Pending JPH09206597A (ja) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | 白金−鉄合金電極触媒及び燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09206597A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003077337A1 (en) * | 2002-03-06 | 2003-09-18 | Symyx Technologies, Inc. | Fuel cell electrocatalyst containing pt, zn and one or both of fe and ni |
WO2005034266A2 (en) * | 2003-09-03 | 2005-04-14 | Symyx Technologies, Inc. | Platinum-nickel-iron fuel cell catalyst |
US6911278B2 (en) | 2001-09-17 | 2005-06-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Electrode catalyst for fuel cell and process for producing the same |
WO2005103337A1 (ja) * | 2004-04-23 | 2005-11-03 | Tosoh Corporation | 水素発生用電極およびその製造方法並びにこれを用いた電解方法 |
KR100823505B1 (ko) * | 2006-11-20 | 2008-04-21 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지용 촉매, 이의 제조방법, 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템 |
-
1996
- 1996-01-30 JP JP8035397A patent/JPH09206597A/ja active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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