DE10052195B4

DE10052195B4 - Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode

Info

Publication number: DE10052195B4
Application number: DE10052195A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Toyota Kawahara; Seiji Toyota Mizuno; Takahiko Aichi Asaoka; Yu Aichi Morimoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2020-10-21
Also published as: US20030047461A1; DE10052195B8; CA2321391A1; CA2321391C; JP2001118583A; JP4428774B2; US6864011B2; DE10052195A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode, bei dem
– ein Gemisch aus einer
Ionenleitfähigen Substanz,
einer elktronenleitfähigen Substanz
und eines Vorläufers einer katalytischen Aktiverungssubstanz in Form mindestens eines Salzes eines katalytische wirkenden Metalls herstellt;
– und durch elektrolytische Reduktion des Vorläufers der katalytischen Aktivierungssubstanz eine katalytischen Aktivierungssubstanz auf der elektronenleitfähigen Substanz in den Bereichen, in denen die elektronenleitfähige Substanz in Kontakt mit der ionenleitfähigen Substanz ist, elektrolytisch niedergeschlagen wird,
da die elektrolytische Reaktion selektiv nur an den Kontaktflächen zwischen der ionenleitfähigen Substanz und der elektronenleitfähigen Substanz abläuft.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelaktrode. Sie betrifft insbesondere die Technik der Herstellung einer katalytischen Schicht für eine Elektrode, die in Kontakt mit einem Elektrolyten in einer Brennstoffzelle, wie z. B. einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, ist.
Im allgemeinen basiert eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle auf der Wechselwirkung von Elektrode und Elektrolyt, wobei eine Anode und eine Kathode auf gegenüberliegenden Oberflächen eines polymeren Elektrolyten angeordnet sind. Eine Elektrode ist im allgemeinen aus einer katalytischen Schicht und einer Gasdiffusionsschicht zusammengesetzt und so gebaut, daß die katalytische Schicht in Kontakt mit dem Elektrolyten ist.
Wenn in der so gebauten Brennstoffzelle Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff) der Anode zugeleitet wird und ein Oxidationsgas (Sauerstoffgas) zur Kathode geleitet wird, wandern Wasserstoffionen, die in der Anode erzeugt wurden, durch den Elektrolyten zur Kathode und werden zu Wasser umgesetzt. Durch Ausnutzen dieser elektrochemischen Reaktion wird elektrische Energie gewonnen.
Eine Elektrodenreaktion für eine Brennstoffzelle läuft an einem Elektrodenkatalysator ab. Zum Beispiel können im Fall einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle die chemischen Reaktionen an der Kathodenseite bzw. an der Anodenseite wie folgt ausgedrückt werden:
Kathodenseite: 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O Anodenseite: H₂ → 2H⁺ + 2e^–
Aus den genannten Gleichungen ist ersichtlich, daß die Elektrodenreaktion Bewegungen von Elektronen und Ionen erfordert. Damit eine katalytische Elektrode als "Reaktionsfeld" wirken kann, wird es daher bevorzugt, daß eine katalytische Aktivierungssubstanz in Kontakt sowohl mit der elektronenleitfähigen Substanz als auch mit der ionenleitfähigen Substanz ist.
Eine katalytische Elektrodenschicht für eine Polymerelektrolyten-Brennstoffzelle wird weitgehend in die folgenden drei Typen eingeteilt:
Typ 1
Ein Kohlematerial (z. B. Ruß) wird als ein elektronenleitender Katalysatorträger verwendet. Eine katalytische Aktivierungssubstanz, wie z. B. Platin (Pt) wird auf das Kohlematerial gebracht und mit einer ionenleitfähigen Substanz (z. B. einem Polymerelektrolyten) gemischt.
Typ 2
Es gibt keinen Katalysatorträger. Teile einer katalytischen Aktivierungssubstanz werden mit einer ionischen leitfähigen Substanz gemischt.
Typ 3
Eine Schicht einer katalytischen Aktivierungssubstanz, wie z. B. Pt, wird direkt auf einer Oberfläche eines Elektrolyten oder einer Gasdiffusionsschicht mittels Plattieren oder Verdampfen aufgetragen. Wenn die Gelegenheit es erforderlich macht, kann beim Typ 1 und Typ 2 ein Bindemittel, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE) weiterhin zugesetzt werden.
Unter den vorgenannten katalytischen Elektrodenschichten wird Typ 1 wegen der größten spezifischen Oberfläche am meisten verwendet. Als seltener Fall wurde auch berichtet, daß hohe Leistungen durch Kombination von Typ 1 und Typ 3 erreicht werden.
Beim Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode mit einer katalytischen Schicht des Typs 1 wird zuerst eine katalytische Aktivierungssubstanz auf eine elektronenleitfähige Substanz zur Bildung eines trägertragenden Katalysators gebildet. Dann wird der trägertragende Katalysator mit einer ionenleitfähigen Substanz gemischt (nötigenfalls wird auch ein Bindemittel zugesetzt). Als nächstes wird eine Schicht des Gemisches auf der Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht oder eines Elektrolyten gebildet und schließlich zu einer Schichtstruktur mit dem Aufbau Elektrolyt/katalytische Schicht/Gasdiffusionsschicht verbunden.
In diesem Fall wird die katalytische Schicht nicht dicht mit dem trägertragenden Katalysator und der ionenleitfähigen Substanz gefüllt. Die katalytische Schicht benötigt Poren, durch die eine gasförmige Reaktionssubstanz strömt. Daher hat das Mischungsverhältnis des trägertragenden Katalysators und der ionenleitfähigen Substanz einen geeigneten Bereich. Jedoch ist es innerhalb des Bereichs des Mischungsverhältnisses schwierig, alle Oberflächen des Trägers mit der ionenleitfähigen Substanz zu bedecken.
Ferner sind katalytische Aktivierungssubstanzen homogen auf der Oberfläche des Trägers verteilt. Daher sind natürlich einige katalytische Aktivierungssubstanzen nicht in Kontakt mit der ionenleitfähigen Substanz. Selbst im Fall, daß die katalytischen Aktivierungssubstanzen in Kontakt mit der ionenleitfähigen Substanz sind, wirken sie nicht als Elektrodenkatalysator, wenn sie ionenleitfähige Substanzen sind, die von dem Elektrolyten getrennt sind, oder wenn der trägertragende Katalysator selbst von einem Elektronenleitungsnetz von der Elektrode zu dem Ausgang getrennt sind. Aus diesen Gründen ist das Katalysatornutzverhältnis der Brennstoffzellenelektrode mit der katalytischen Schicht der Struktur vom Typ 1 auf etwa 20 bis 70 begrenzt.
Ferner hat eine Brennstoffzellenelektrode mit der katalytischen Schichtstruktur des Typs 2 oder Typs 3 keinen katalytischen Träger. Daher ist die spezifische Oberfläche (Oberfläche pro Gewicht) von Teilchen oder Schichten von katalytischen Aktivierungssubstanzen klein. Daher wird eine große Menge an Katalysator benötigt, um eine ausreichende Reaktionsfläche sicherzustellen. Zum Beispiel werden im Fall eines Pt-Katalysators 2 mg oder mehr an Katalysator für eine Elektrodenfläche von 1 cm² benötigt.
Wenn ferner die katalytischen Strukturen des Typs 1 oder Typs 3 miteinander kombiniert werden, das heißt, im Fall einer Brennstoffzellenelektrode, in der eine Pt-katalytische Schicht auf der Oberfläche eines Elektrolyten und eine katalytische Schicht vom Typ 1 auf der Pt-katalytischen Schicht gebildet werden, kann die Kapazität zur Erzeugung von elektrischem Strom in gewissem Ausmaß erhöht werden. Trotzdem wird eine große Menge an Katalysator benötigt, so daß das Katalysatornutzverhältnis nicht unbedingt günstig ist.
E. J. Taylor et al., Preparation or High-Platinum-Utilization Gas Diffusion Electrodes for Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells; J. Electrochem. Soc. Vol. 139, No. 5, May 1992, Seiten 145, 146 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode, bei der man die Elektrode mit ionenleitfähigen Substanzen imprägniert, sie in ein Platin enthaltendes Plattierungsbad eintaucht, und das Platin auf den Bereichen, in denen die elektronenleitfähigen Substanzen in Kontakt mit den ionenleitfähigen Substanzen sind, niederschlägt.
DE 198 37 669 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer katalytischen Schicht einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle. Dabei wird Platin in Form feiner Teilchen erhalten.
DE 100 47 935 A1 beschreibt die Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode. Diese enthält ein Kationenaustauscherharz, Kohlenstoffteilchen und Katalysatormetall.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode zu schaffen, die ein Katalysatornutzverhältnis von 100% erreicht und die höhere Leistungscharakteristiken mit einer geringeren Katalysatormenge ermöglicht.
Diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode gelöst, bei dem ein Gemisch aus einer Ionenleitfähigen Substanz, einer elktronenleitfähigen Substanz und eines Vorläufers einer katalytischen Aktiverungssubstanz in Form mindestens eines Salzes eines katalytische wirkenden Metalls herstellt und durch elektrolytische Reduktion des Vorläufers der katalytischen Aktivierungssubstanz eine katalytischen Aktivierungssubstanz auf der elektronenleitfähigen Substanz in den Bereichen, in denen die elektronenleitfähige Substanz in Kontakt mit der ionenleitfähigen Substanz ist, elektrolytisch niedergeschlagen wird, da die elektrolytische Reaktion selektiv nur an den Kontaktflächen zwischen der ionenleitfähigen Substanz und der elektronenleitfähigen Substanz abläuft.
Im einzelnen stellt die Erfindung zur Lösung der oben genannten Aufgabe eine Brennstoffzellenelektrode mit einer ionenleitenden Substanz, einer elektronenleitenden Substanz und katalytischen Aktivierungssubstanzen zur Verfügung, wobei im wesentlichen alle katalytischen Akti vierungssubstanzen in Kontakt sowohl mit der ionenleitenden Substanz als auch mit der elektronenleitenden Substanz sind.
Bei diesem Aufbau sind im wesentlichen die gesamten katalytischen Aktivierungssubstanzen sowohl mit der ionenleitenden Substanz als auch mit der elektronenleitenden Substanz in der katalytischen Elektrodenschicht in Kontakt. Daher können die katalytischen Aktivierungssubstanzen wirksam und effektiv als Elektrodenkatalysator wirken, wobei das Katalysatornutzverhältnis erhöht wird. Dies ermöglicht höhere Leistungscharakteristiken mit einer geringeren Katalysatormenge.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorläufer der katalytischen Aktivierungssubstanz in der ionenleitfähigen Substanz eingeschlossen wird; und die katalytische Aktivierungssubstanz aus der ionenleitfähigen Substanz niederschlägt.
Vorzugsweise wird als ionenleitfähige Substanz ein polymerer Elektrolyt eingesetzt.
Die vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen:
1 schematisch den Aufbau einer polymeren Brennstoffzelle gemäß der Erfindung zeigt;
2 ein Querschnitt durch Elektroden ist (einer Anode und einer Kathode);
3 eine Modellansicht einer Querschnittstruktur eines Elektrodenkatalysators gemäß dem Stand der Technik ist;
4 eine Modellansicht einer Querschnittsstruktur eines Elektrodenkatalysators gemäß der Erfindung ist; und
5 ein Diagramm ist, das das Verhältnis zwischen Entladungsströmen und Spannungen in der Brennstoffzelle zeigt.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben.
1 zeigt den Aufbau einer Brennstoffzelle 10 vom polymeren Elektrolyt-Typ gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Brennstoffzelle 10 hat eine Anode 14 auf einer Oberfläche und eine Kathode 16 auf der anderen Oberfläche. Ein polymerer Elektrolyt 12 ist zwischen der Anode 14 und der Kathode 16 sandwichartig angeordnet. Die Anode 14 bzw. die Kathode 16 haben jeweils Separatoren 18a, 18b. Eine Brennstoffgasdurchflußöffnung 20, durch welche Brennstoffgas (Wasserstoff usw.) strömt, wird auf einer Seite der Anode 14 gebildet. Eine Oxidiergasdurchflußöffnung 22, durch die Oxidiergas (Luft usw.) fließt, wird auf der Seite der Kathode 16 gebildet. Die Brennstoffzelle 10 ist in laminierter Art zusammengesetzt und wird als laminierte Brennstoffzelle verwendet.
In diesem Fall ist der Polymerelektrolyt 12 aus einem Ionenaustauschharz aus Polyperfluorosulfonsäure, bekannt unter der Handelsmarke NAFION (eingetragene Marke), oder aus einem Ionenaustauschharz aus Styroldivinylbenzolsulfonsäure hergestellt. Der Polymerelektrolyt 12 hat vorzugsweise eine Dicke von 20 bis 100 μm.
Wie in 2 vergrößert gezeigt wird, haben die Anode 14 und die Kathode 16 katalytische Schichten 14a bzw. 16a zum Kontakt mit dem Elektrolyten 12, und Gasdiffusionsschichten 14b bzw. 16b zum Kontakt mit den Separaturen 18a bzw. 18b. Die katalytischen Schichten 14a, 16a sind beide Schichten eines Elektrodenkatalysators (eine katalytische Aktivierungssubstanz) auf Kohlenstoffteilchen als Trägern. Die Gasdiffusionsschichten 14b, 16b sind aus einem porösen Material hergestellt. Als katalytische Aktivierungssubstanz ist wenigstens eine Substanz, aus den Edelmetallen, wie z. B. Pt, Pd, Ru, Os, Ir, Rh und Au ausgewählt. Die Anode 14 und die Kathode 16 sind z. B. aus einem Material hergestellt, bei dem die Diffundierbarkeit von Reaktionsgas, erzeugtem Gas und einer Substanz wie Wasser vereinbar (verträglich) ist mit der Leitfähigkeit von Elektronen. Genauer gesagt werden die Anode 14 und die Kathode 16 aus einem porösen Material vom Kohle-Typ hergestellt, das luftdurchlässig ist und dessen Poren homogen verteilt sind, wie z. B. blattartiges Material aus Kohlepapier, Kohlegewebe oder Kohlepulver, gemischt mit einem Bindemittel wie z. B. Polytetrafluorethylen. Weiterhin sind die Separatoren im allgemeinen aus einem dichten Graphit, der große stromsammelnde Fähigkeit besitzt und selbst in Anwesenheit von oxidierendem Wasserdampf stabil ist.
3 ist eine Modellansicht der Querschnittsstruktur einer allgemein bekannten katalytischen Elektrodenschicht. In diesem Fall ist eine elektronenleitfähige Substanz (z. B. ein Kohlematerial wie z. B. Ruß) in einem polymeren Elektrolytmaterial aus NAFION (eingetragene Marke), das eine ionenleitfähige Substanz ist, dispergiert. Ferner ist zwar eine Vielzahl von Poren, durch die Reaktionsgas strömt, gebildet, jedoch existiert nicht notwendigerweise eine katalytische Aktivierungssubstanz (z. B. Pt), die auf der elektronenleitfähigen Substanz getragen wird, auf einer Kontaktzwischenfläche zwischen der ionenleitfähigen Substanz und der elektronenleitfähigen Substanz. Das heißt, die katalytische Aktivierungssubstanz existiert auch in einem Bereich, der den Poren der elektronenleitfähigen Substanz gegenüber liegt. Das heißt, die Menge der katalytischen Aktivierungssubstanz, die in Kontakt sowohl mit der ionenleitfähigen Substanz als auch mit der elektronenleitfähigen Substanz ist und die als Reaktionsfeld dient, ist beschränkt. Daher ist das Katalysatornutzverhältnis gering.
Andererseits ist mit Bezugnahme auf 4, die den Aufbau einer erfindungsgemäßen katalytischen Elektrodenschicht im Querschnitt zeigt, die katalytische Aktivierungssubstanz auf der Kontaktzwischenfläche zwischen Kohleteilchen, die eine ionenleitfähige Substanz sind, und NAFION, das eine elektronenleitfähige Substanz ist, angehäuft. Die katalytische Aktivierungssubstanz ist auf Teilen, die zu den Poren der elektronenleitfähigen Substanz ausgerichtet sind, nicht vorhanden.
Bei der Bildung der katalytischen Elektrodenschicht, die in 4 dargestellt ist, ist die katalytische Aktivierungssubstanz (Pt) schon im voraus in die ionenleitfähige Substanz (NAFION) eingeschlossen und die elektronenleitfähige Substanz (Ruß) ist dazwischen angeordnet. Durch elektronisches Reduzieren dieser Mischung wird die katalytische Aktivierungssubstanz (Pt), die in die ionenleitfähige Substanz eingeschlossen ist, abgelagert. Die elektrolytische (elektrochemische) Reaktion läuft selektiv nur an der Kontaktfläche zwischen der ionenleitfähigen Substanz und der elektronenleitfähigen Substanz ab. Daher erfolgt die Ablagerungsreaktion der katalytischen Aktivierungssubstanz auch ausschließlich auf der Kontaktfläche zwischen der ionenleitfähigen Substanz und der elektronenleitfähigen Substanz. Als Ergebnis ist die niedergeschlagene katalytische Aktivierungssubstanz in Kontakt sowohl mit der ionenleitfähigen Substanz als auch mit der elektronenleitfähigen Substanz.
Als konkretes Verfahren zum elektrolytischen Abscheiden einer katalytischen Komponente können die folgenden zwei Methoden übernommen werden. Bei einer Methode wird Strom veranlaßt, in Reduktionsrichtung zu fließen. In diesem Fall muß die Gesamtmenge an zugeleiteter Elektrizität mehr als genug sein, um all das Platinsalz, das im voraus in der ionenleitfähigen Substanz eingeschlossen ist, zu reduzieren und das Metall Pt niederzuschlagen. Es wird bevorzugt, mehr als fünf Mal soviel wie an Elektrizitätsmenge benötigt wird, fließen zu lassen. Wenn das Platinsalz Platinchlorid (H₂PtCl₆) ist, ist es wenigstens nötig, als Mindestmenge von Elektrizität 3,9 × 10⁵ C/mol fließen zu lassen. Vorzugsweise wird eine Elektrizitätsmenge von 2 × 10⁶ C/mol oder mehr fließen gelassen.
Bei der anderen Methode wird die Elektrode auf einer genügend niedrigen Spannung gehalten. Wenigstens muß diese Spannung niedriger sein als die Oxidierungsspannung für ein Katalysatorkomponentenmetall (nullwertig), das niedergeschlagen werden soll. Vorzugsweise wird die elektrolytische Abscheidung bei einer Spannung durchgeführt, die um 500 mV oder mehr niedriger ist als die Oxidierungsspannung. Beide Verfahren können auf den Fall angewendet werden, bei dem der später beschriebene Metallkatalysator nur Pt ist und den Fall, bei dem der Metallkatalysator ein Gemisch aus Pt und Ru ist. Natürlich können diese Verfahren auch auf ein anderes katalytisches Metall als die genannten Metalle angewendet werden.

Im folgenden werden Charakteristiken von Elektroden für eine Brennstoffzelle (Probe 1-A und Probe 2-A), die erfindungsgemäß hergestellt worden ist, und Vergleichsbeispiele (Proben 1-B und 2-B) beschrieben. Zuerst wurden abgemessene Mengen der in den Tabellen 1 bis 4 angegebenen Materialien hergestellt und gut zu einer Paste gemischt. Diese Mischungen wurden homogen auf die Oberfläche einer Diffusionsschicht aus Kohlegewebe der Größe 10 cm × 10 cm aufgetragen und luftgetrocknet und so Elektroden (eine Anode und eine Kathode) hergestellt. Diese Elektroden wurden auf die beiden Oberflächen eines Films (etwa 50 μm Dicke in getrocknetem Zustand) aus NAFION 112 durch Warmpressen verklebt. Dann wurde eine einzelne Brennstoffzelle mittels einer Elektroden-Elektrolyt-Wechselwirkung gebildet. TABELLE 1 Probe 1-A

	Material	Menge
Anode	getrockneter Ruß	80 mg
Anode	alkoholische NAFION-Lösung (Polymergehalt 5 Gew.-%, aldoreich)	Polymergewicht äquivalent 40 mg
	Platinaminkomplexsalz	Platingehalt äquivalent 20 mg
Kathode	genauso wie oben	genauso wie oben

TABELLE 2 Probe 1-B (Vergleichsbeispiel)

	Material	Menge
Anode	platintragender Kohlenstoff (20 Gew.-% Pt auf Ruß)	100 mg
Anode	alkoholische NAFION-Lösung (Polymergehalt 5 Gew.-%, aldoreich)	Polymergewicht mit äquivalent 40 mg
Kathode	genauso wie oben	genauso wie oben

TABELLE 3 Probe 2-A

	Material	Menge
Anode	getrockneter Ruß alkoholische NAFION-Lösung (Polymergehalt 5 Gew.-%, aldoreich)	80 mg Polymergewicht mit äquivalent 40 mg
	Platinchlorid	Platingehalt äquivalent 13,3 mg
	Rutheniumchlorid	Rutheniumgehalt äquivalent 6,7 mg
Kathode	wie Probe 1-A	wie Probe 1-A

TABELLE 4 Probe 2-B (Vergleichsbeispiel)

	Material	Menge
Anode	Pt-Ru-tragender Kohlenstoff (13,3 Gew.-% Pt und 6,7 Gew.-% Ru werden auf Ruß niedergeschlagen)	100 mg
Anode	alkoholische NAFION-Lösung (Polymergehalt 5 Gew.-%, aldoreich)	Polymergewicht mit äquivalent 40 mg
Kathode	wie bei Probe 1-B	wie bei Probe 1-B

Bei den einzelnen Brennstoffzellen in Probe 1-A und Probe 1-B wurde elektrischer Strom von 10 A abwechselnd auf beide Pole jeweils 5 Minuten lang (10 mal) geleitet, während Stickstoffgas durch eine bipolare Gasdurchflußöffnung geleitet wurde. Dann wurde das Platinsalz, das in einer bipolaren katalytischen Schicht enthalten war, elektrochemisch reduziert und auf dem Ruß niedergeschlagen.
Ein Vergleich der jeweiligen Beispiele ergibt, daß Platin (und Ruthenium), das eine katalytische Aktivierungssubstanz ist, auf der Kontaktfläche zwischen Ruß und NATION in Probe 1-A und Probe 2-A niedergeschlagen wurde. Das heißt, wie in 4 gezeigt, im wesentlichen sämtliche katalytischen Aktivierungssubstanzen sind in Kontakt sowohl mit Ruß als auch mit NATION. Andererseits wird in Probe 1-B und Probe 2-B die katalytische Aktivierungssubstanz auf Ruß getragen und dann mit NATION gemischt. Wie in 3 gezeigt, kommen die katalytischen Aktivierungssubstanzen nicht nur auf der Kontaktfläche zwischen Ruß und NATION vor, sondern auch auf dem Bereich, der den Poren von Ruß gegenüber liegt.
5 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen Entladungsströmen und Spannungen im Fall zeigt, wo ein Ladungs- und Entladungstest bei Brennstoffzellen unter Verwendung der jeweiligen Elektrodenkatalysatoren durchgeführt wurde.
Während der Messung wurden die folgenden Gase den jeweiligen Elektrodenkatalysatoren zugeleitet:
<Probe 1-A und Probe 1-B>

Kathode: Luft (19,6 kPa)
Anode: reiner Wasserstoff (19,6 kPa)

<Probe 2-A und Probe 2-B>

Kathode: Luft (19,6 kPa)
Anode: Wasserstoff, enthaltend 50 ppm CO (19,6 kPa)

Wie in 5 für die Batteriecharakteristiken der Elektrodenkatalysatoren gezeigt, können in den Proben 1-A und 2-A, die erfindungsgemäß hergestellt worden sind, höhere Leistungen, verglichen mit Proben 1-B und 2-B, erzielt werden. Mit anderen Worten ist das Katalysatornutzverhältnis bei den Elektrodenkatalysatoren Probe 1-A und Probe 2-A hoch. Das wird als Ursache für die Verbesserung in der Batteriecharakteristik betrachtet.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, und verschiedene Modifikationen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Zum Beispiel kann ein Material vom Polystyrol-Typ als Polymerelektrolyt oder als ionenleitfähige Substanz verwendet werden. Ferner können unter den Edelmetallen wie Pt, Pd, Ru, Os, Ir, Rh und Au eine oder mehrere Substanzen als die katalytische Aktivierungssubstanz verwendet werden. Die Bedingung für das elektrolytische Abscheiden der Elektrodenkatalysatorschicht kann in Abhängigkeit von dem verwendeten Metallsalz (z. B. Pt-Aminkomplexsalz, Rutheniumchlorid) abweichend sein.
Gemäß der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenelektrode, die vorstehend beschrieben wurde, sind im wesentlichen alle katalytischen Aktivierungssubstanzen in Kontakt mit der ionenleitfähigen Substanz und der elektronenleitfähigen Substanz in der elektronischen katalytischen Schicht. Daher können die katalytischen Aktivierungssubstanzen wirksam und effektvoll als Elektrodenkatalysatoren fungieren, wobei das Katalysatornutzverhältnis erhöht ist. Dies macht es möglich, hohe Leistungscharakteristiken mit einer kleinen Katalysatormenge sicherzustellen.
Weiterhin werden gemäß dem Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die katalytischen Aktivierungssubstanzen durch eine elektrochemische (elektrolytische) Reaktion auf dem Elektronenleiter niedergeschlagen. Daher werden die katalytischen Aktivie rungssubstanzen ausschließlich an der Zwischenfläche zwischen dem Elektronenleiter und dem Innenleiter gebildet. Dies ermöglicht die wirksame und leichte Herstellung einer Brennstoffzelle mit einem hohen Katalysatornutzverhältnis, wobei alle katalytischen Aktivierungssubstanzen in Kontakt sowohl mit dem Innenleiter als auch mit dem Elektronenleiter sind.
Daher kann die Anwendung der Erfindung bei einer Brennstoffzelle, die in einem Kraftfahrzeug installiert wird, nicht nur die dauerhafte Abgabe von hoher stromerzeugender Leistung, sondern auch die Reduzierung bei der Verwendung von teuren Katalysatoren ermöglichen. Daher können die Kosten einer Brennstoffzelle bis zum Betrag von wachsendem wirtschaftlichem Nutzen reduziert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode, bei dem – ein Gemisch aus einer Ionenleitfähigen Substanz, einer elktronenleitfähigen Substanz und eines Vorläufers einer katalytischen Aktiverungssubstanz in Form mindestens eines Salzes eines katalytische wirkenden Metalls herstellt; – und durch elektrolytische Reduktion des Vorläufers der katalytischen Aktivierungssubstanz eine katalytischen Aktivierungssubstanz auf der elektronenleitfähigen Substanz in den Bereichen, in denen die elektronenleitfähige Substanz in Kontakt mit der ionenleitfähigen Substanz ist, elektrolytisch niedergeschlagen wird, da die elektrolytische Reaktion selektiv nur an den Kontaktflächen zwischen der ionenleitfähigen Substanz und der elektronenleitfähigen Substanz abläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorläufer der katalytischen Aktivierungssubstanz in der ionenleitfähigen Substanz eingeschlossen wird und die katalytische Aktivierungssubstanz aus der ionenleitfähigen Substanz niederschlägt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei man als ionenleitfähige Substanz einen polymeren Elektrolyten einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei man als elektronenleitfähige Substanz Kohlepulver einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als katalytische Aktivierungssubstanz wenigstens ein Edelmetall niedergeschlagen wird.