DE10115800A1

DE10115800A1 - Elektrode für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zu deren Präparierung

Info

Publication number: DE10115800A1
Application number: DE10115800A
Authority: DE
Inventors: Shuji Hitomi
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2001-11-08
Also published as: JP2001345106A; US20060014072A1; US20010041283A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Elektrode für eine Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionsschicht bereit, die ein poröses Polymer mit einer elektroleitfähigen Füllung und eine Katalysatorschicht mit einem Teilchenkatalysator umfasst. In diesem Aufbau ist eine Gasdiffusionsschicht durch ein poröses Polymer, das eine elektroleitfähige Füllung enthält, ausgebildet. In dieser Ausgestaltung kann die Gasdiffusionsschicht in einfacher Weise in Schichtkontakt mit der Grenzfläche zu der Katalysatorschicht zur Vergrößerung des Kontaktbereichs der Gasdiffusionsschicht mit der Katalysatorschicht gehalten werden. Somit ist die Anzahl der beim Transfer von Elektroden beteiligen Katalysatorteilchen erhöht, wodurch es möglich ist, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu erhöhen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Brennstoffzelle und ein Verfah ren zu deren Präparierung.

BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

Eine Brennstoffzelle (PEFC; eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle) ist eine Vorrich tung, die an einer Anode Wasserstoffgas als einen Brennstoff und an einer Kathode mit einer Kationenaustauschmembran als einem festen Polymer-Elektrolyt Sauerstoffgas aufnimmt, um eine elektrochemische Reaktion an der Oberfläche eines Katalysators zu bewirken, um damit Elektrizität bereitzustellen.

Im Folgenden wird beispielhaft die an den Elektroden auftretende elektrochemische Re aktion dargestellt, wenn Wasserstoffgas als Brennstoff und Sauerstoffgas als ein Oxida tionsmittel verwendet werden.
Anode: H₂ → 2H⁺ + 2e^-
Kathode: 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O
Gesamtreaktion: H₂ + 1/2O₂ → H₂O.

Wie in der vorhergehenden Reaktionsgleichung gezeigt ist, erfordert die Reaktion an der Anode und der Kathode das Zuführen von Sauerstoff- und Wasserstoffgasen und das Übertragen von Protonen (H⁺) und Elektronen (e^-). Alle diese Reaktionen finden lediglich in einem Gebiet statt, in dem diese Anforderungen erfüllt werden können.

In Fig. 5 ist eine schematische Ansicht gezeigt, die den Querschnittsaufbau einer Elekt rode für eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik darstellt. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik umfasst eine Katalysatorschicht 51 und eine Gasdiffusionsschicht 52. Die Katalysatorschicht 51 der Elektrode für die Brennstoffzelle ist an eine Kationenaustauschmembran 54 angehaftet, die einen festen Polymer-Elektrolyten darstellt. Die Katalysatorschicht 51 ist eine poröse Schicht mit darin vermischten Katalysatorteilchen und einem festen Polymer-Elektrolyten, die drei dimensional verteilt sind, und mit mehreren darin ausgebildeten Poren. Andererseits ist die Gasdiffusionsschicht 52 eine Schicht mit einem porösen elektrisch leitenden Gerüst bzw. Verstärkungselement 53.

In der Katalysatorschicht 51 bilden die Katalysatorteilchen einen Elektronenleitkanal. Ferner bildet der feste Polymer-Elektrolyt einen Protonenleitkanal. Des Weiteren wird Sauerstoff und Wasserstoff, die zu der Oberfläche der Katalysatorschicht 51 transpor tiert worden sind, tief in die Elektrode hinein, durch die in der Schicht 51 ausgebildeten Poren zugeführt. Die Poren bilden ebenfalls einen Auslasskanal, durch den in der Tiefe der Elektrode (Kathode) erzeugtes Wasser an die Oberfläche der Schicht 51 abgegeben wird. In der Katalysatorschicht 51 sind die drei zuvor genannten Kanäle in drei dimensionaler Weise verteilt, um zahlreiche Grenzflächen zu bilden, an denen gleichzei tig der Transfer von Gasen, Protonen (H⁺) und Elektronen (e^-) durchgeführt werden kann, womit eine Stelle für die Elektrodenreaktion bereitgestellt wird.

Andererseits umfasst die Gasdiffusionsschicht 52 ein poröses elektroleitfähiges Verstär kungselement 53, das auf die Katalysatorschicht 51 in Schichtform aufgetragen ist, um einen speziellen Raumbereich an der Oberfläche der Katalysatorschicht 51 bereitzu stellen. Dieser Raumbereich ergibt einen Durchgang, durch den von außen zugeführter Sauerstoff und Wasserstoff als Reaktionspartner zu der Oberfläche der Katalysator schicht 51 transportiert werden, und ergibt einen Durchgang, durch den ein in der Kata lysatorschicht 51 der Kathode erzeugtes Wasser von der Oberflächenschicht der Kata lysatorschicht 51 an das äußere der Zelle abgegeben wird. Ferner wird der Transfer von Elektronen (e^-) zwischen dem Äußeren der Zelle und der Katalysatorschicht durch das poröse elektroleitende Verstärkungselement 53 der Gasdiffusionsschicht 52 bewirkt. Das poröse elektroleitfähige Verstärkungselement 53 ist für gewöhnlich aus einem Kohlenstoffpapier hergestellt, das ein gesintertes Vliesgewebe aus Kohlenstofffasern mit einer Fasergröße von ungefähr 5 bis 10 µm ist. Ein derartiges Kohlenstoffpapier weist für gewöhnlich Poren mit einem mittleren Durchmesser von ungefähr 20 bis 50 µm auf. Andererseits besitzen die Katalysatorteilchen einen mittleren Durchmesser von 20 bis 40 nm. Da das Kohlenstoffpapier Poren mit einem größeren mittleren Durchmesser als jenem der Katalysatorteilchen aufweist, gelangen die Kohlenstofffasern des porösen elektroleitfähigen Verstärkungselements 53 lediglich mit einigen der Katalysatorteilchen in Kontakt, selbst wenn das poröse elektroleitfähige Verstärkungselement 53 an der O berflächenschicht der Katalysatorschicht 51 angebracht ist. Folglich können die Kataly satorteilchen in der Nähe jener Teilchen, die mit den Kohlenstofffasern in Kontakt sind, im Wesentlichen an dem Transfer von Elektronen teilnehmen, während die von den Kohlenstofffasern weit entfernten Katalysatorteilchen kaum zum Transfer von Elektronen beitragen können. Dies verhindert das Ausbilden einer gleichförmigen Elektrodenreakti on, wodurch die prozentuale Nutzung des Katalysators verringert ist.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode für eine Brenn stoffzelle bereitzustellen mit einer Gasdiffusionsschicht 52, die sowohl eine hohe Gas diffusion als auch gute elektronische Leitfähigkeitseigenschaften zeigt, um eine verbes serte prozentuale Nutzung des Katalysators zu bieten.

Die vorhergehende Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird aus der folgenden detail lierten Beschreibung und den Beispielen deutlich.

Erfindungsgemäß umfasst die Elektrode für eine Brennstoffzelle eine Gasdiffusions schicht mit einem porösen Polymer mit einer elektroleitfähigen Füllung und eine Kataly satorschicht mit aneinander geschichteten Katalysatorteilchen.

In diesem Aufbau wird die Gasdiffusionsschicht aus einem porösen Polymer gebildet, das eine elektroleitende Füllung enthält. Da in dem Gebiet, in dem das poröse Polymer mit der Katalysatorschicht in Berührung kommt, eine Dichte und gleichförmige Verbin dung erreicht werden kann, kann der Kontaktbereich der Gasdiffusionsschicht und der Katalysatorschicht vergrößert werden, um die Anzahl der beim Elektronentransfer teil nehmenden Katalysatorteilchen zu erhöhen, wodurch es möglich ist, die Ausgangsleis tung der Brennstoffzelle zu erhöhen. Ferner kann aufgrund der zahlreichen Poren des Polymers, die als Zufuhr/Auslaufkanäle dienen, der Transport von Sauerstoff und Was serstoff als Reaktionspartner zu der Oberfläche der Katalysatorschicht und ein Durch gang, durch den ein in der Katalysatorschicht der Kathode erzeugtes Wasser zur Au ßenseite der Zelle transportiert wird, sichergestellt werden. Des Weiteren kann eine hö here elektronische Leitfähigkeit durch das elektroleitfähige Verstärkungselement zusätz lich zu der elektronischen Leitfähigkeit, die durch die elektroleitfähige Füllung erzielt wird, erreicht werden.

Das Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß der vor liegenden Erfindung ist durch das Ausbilden einer Gasdiffusionsschicht ausgezeichnet. Genauer gesagt, die Gasdiffusionsschicht wird durch ein Verfahren gebildet, das das Dispergieren einer elektroleitfähigen Füllung in einer Lösung (1) eines Polymers in ei nem Lösungsmittel zur Bildung einer Dispersion umfasst, und wobei anschließend die Dispersion einer Phasentrennung des Polymers und des Lösungsmittels unterzogen wird. Eine Methode, um diese Phasentrennung zu bewirken, besteht darin, eine Lösung (2), in der das Polymer nicht löslich ist und die mit dem Lösungsmittel verträglich ist, mit der Dispersion in Kontakt zu bringen, um damit das Lösungsmittel aus der Dispersion herauszuziehen (Lösungsmittel-Extraktionsverfahren).

In diesem Verfahren wird eine elektroleitfähige Füllung in einer Lösung (1) eines Poly mers und dessen Lösungsmittel zur Präparierung einer Dispersion aufgelöst. In diesem Zustand besitzt die Lösung (1) einen gleichmäßigen Lösungszustand. Anschließend wird eine Lösung (2), in der das Polymer unlöslich und die mit dem Lösungsmittel ver träglich ist, in Kontakt mit der Dispersion gebracht. Auf diese Weise wird das Lösungs mittel der Dispersion durch die Lösung (2) ersetzt. Da das Polymer in der Lösung (2) unlöslich ist, kondensiert das Polymer sofort, woraus die Bildung zahlreicher Poren re sultiert. Anders ausgedrückt, das die Füllung enthaltende Polymer kondensiert in der darin enthaltenen Lösung (2). Wenn folglich die Lösung (2) aus dem Polymer entfernt wird, bildet sich ein poröses Polymer.

Die vorliegende Erfindung liefert:

1. eine Elektrode für eine Brennstoffzelle, die umfasst:
- a) eine Katalysatorschicht mit Katalysatorteilchen; und
- b) eine Gasdiffusionsschicht mit einem porösen Polymer, das eine elektroleitfähi ge Füllung enthält, wobei die Gasdiffusionsschicht auf der Katalysatorschicht angeordnet ist.
2. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß (1), wobei die Gasdiffusionsschicht ferner ein elektroleitfähiges Verstärkungselement umfasst, in dem das poröse Po lymer vorgesehen ist.
3. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß (2), wobei das elektroleitfähige Ver stärkungselement ein Aggregat aus Kohlenstofffasern umfasst.
4. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß (2), wobei die elektroleitfähige Fül lung eine zerhackte Kohlenstofffaser umfasst.
5. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß (2), wobei die elektroleitfähige Fül lung Kohlenstoffteilchen umfasst.
6. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß (2), wobei das poröse Polymer ein Fluoropolymer umfasst.
7. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß (2), wobei das Fluoropolymer ein Polyvinylidenfluorid (PVdF) umfasst.
8. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Punkte (1) bis (7), wobei das poröse Polymer eine Porosität von 45% bis 95% aufweist.
9. Ein Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle, das um fasst:
- a) einen Schritt des Dispergierens einer elektroleitfähigen Füllung in einer Lö sung (1) mit einem Polymer und dessen Lösungsmittel, um eine Dispersion zu erhalten;
- b) einen Schritt des Ausführens der Phasentrennung des Polymers und des Lö sungsmittels in der Dispersion, um eine Gasdiffusionsschicht mit einem porö sen Polymer, das die Füllung enthält, zu bilden; und
- c) einen Schritt des Auftragens einer Paste mit Katalysatorteilchen auf die Gas diffusionsschicht.
10. Ein Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle mit:
- a) einem Schritt des Bildens einer Katalysatorschicht, die ein Katalysatorteilchen enthält;
- b) einem Schritt des Gispergierens einer elektroleitfähigen Füllung in einer Lö sung (1) mit einem Polymer und dessen Lösungsmittel, um eine Dispersion zu erhalten;
- c) einem Schritt des Auftragens der Dispersion auf die Katalysatorschicht; und
- d) einem Schritt des Ausführens einer Phasentrennung des Polymers und des Lösungsmittels in der auf die Katalysatorschicht aufgetragenen Dispersion, um eine Gasdiffusionsschicht mit einem porösen Polymer, das die Füllung enthält, zu bilden.
11. Ein Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle mit:
- a) einem Schritt des Bildens einer Katalysatorschicht, die ein Katalysatorteilchen enthält;
- b) einem Schritt des Auftragens eines elektroleitfähigen Verstärkungselements auf die Katalysatorschicht;
- c) einem Schritt des Dispergierens einer elektroleitfähigen Füllung in einer Lö sung (1) mit einem Polymer und seinem Lösungsmittel, um eine Dispersion zu erhalten;
- d) einem Schritt des Auftragens der Dispersion auf das elektroleitfähige Verstär kungselement; und
- e) einem Schritt des Ausführens einer Phasentrennung des Polymers und des Lösungsmittels in der in dem elektroleitfähigen Verstärkungselement integ rierten Dispersion, um zu bewirken, dass das elektroleitfähige Verstärkungs element ein poröses Polymer enthält, wobei das poröse Polymer die elektro leitfähige Füllung enthält.
12. Ein Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle mit:
- a) einem Schritt des Dispergierens einer elektroleitfähigen Füllung in einer Lö sung (1) mit einem Polymer und dessen Lösungsmittel, um eine Dispersion zu erhalten;
- b) einem Schritt des Auftragens der Dispersion auf ein elektroleitendes Verstär kungselement;
- c) einem Schritt des Ausführens einer Phasentrennung des Polymers und des Lösungsmittels in der in dem elektroleitfähigen Verstärkungselement integ rierten Dispersion, um zu bewirken, dass das elektroleitfähige Verstärkungs element ein poröses Polymer enthält, wobei das poröse Polymer die elektro leitfähige Füllung enthält; und
- d) einem Schritt des Auftragens des elektroleitfähigen Verstärkungselements mit dem porösen Polymer auf einer Katalysatorschicht, die ein Katalysatorteilchen enthält.
13. Das Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Punkte (9) bis (12), wobei die Phasentrennung erreicht wird, indem das Lösungsmittel von der Dispersion mittels einer Lösung (2) extrahiert wird, in der das Polymer unlöslich ist und das mit dem Lösungsmittels verträglich ist.
14. Eine Brennstoffzelle mit einer Elektrode gemäß einem der Punkte (1) bis (7).
15. Die Brennstoffzelle mit einer Elektrode gemäß (8).
16. Eine Brennstoffzelle mit einer Elektrode, die durch das Präparierungsverfahren nach einem der Punkte (9) bis (12) präpariert ist.
17. Eine Brennstoffzelle mit einer Elektrode, die gemäß dem Präparierungsverfahren nach (13) präpariert ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Anhand von Beispielen und um die Beschreibung verständlicher zu machen, wird auf die begleitenden Zeichnungen verwiesen, in denen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, in der die Querschnittsstruktur einer erfindungs gemäßen Elektrode für eine Brennstoffzelle gezeigt ist;

Fig. 2 eine schematische Ansicht ist, in der die Querschnittsstruktur einer weiteren Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;

Fig. 3 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Ausgangs spannung der Brennstoffzelle zeigt;

Fig. 4 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Porosität des Polymers mit der Füllung und dem Strom zeigt; und

Fig. 5 eine schematische Ansicht ist, die die Querschnittsstruktur einer herkömmlichen Elektrode für eine Brennstoffzelle zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Im Folgenden werden mit Bezug zu den angefügten Zeichnungen Ausführungsformen des Aufbaus der Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die den Querschnittsaufbau einer Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß der Erfindung darstellt. Die in Fig. 1 gezeigt Elektrode für eine Brennstoffzelle umfasst eine Gasdiffusionsschicht 12, die aus einem eine elektro leitfähige Füllung 14 enthaltendem Polymer 16 und einer Katalysatorschicht 11, die auf einandergeschichtet sind, gebildet ist. Das poröse Polymer 16 ist dicht und gleichmäßig und besitzt zahlreiche darin ausgebildete Poren 13. Die Katalysatorschicht 11 ist mit einer Kationenaustauschmembran 15 verbunden.

In dieser Ausgestaltung ist eine Gasdiffusionsschicht 12 durch das poröse Polymer 16, das eine elektroleitfähige Füllung 14 enthält, gebildet. Da das poröse Polymer eine dichte und gleichmäßige Verbindung zu der Katalysatorschicht 11 aufweisen kann, ist der Kontaktbereich der Gasdiffusionsschicht 12 zu der Katalysatorschicht 11 vergrößert, um die Anzahl der beim Elektronentransfer beteiligten Katalysatorteilchen zu erhöhen, wodurch es möglich ist, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu verbessern. Ferner können zahlreiche Poren 13 in dem porösen Polymer 16 einen Durchgang bereitstellen, durch den Sauerstoff und Wasserstoff als aktive Materialien zu der Oberfläche der Ka talysatorschicht 11 transportiert werden. Ferner stellen zahlreiche Poren 13 einen Durchgang bereit, durch den ein in der Katalysatorschicht 11 der Kathode erzeugtes Wasser an die Außenseite der Zelle abgegeben wird.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die die Querschnittsstruktur einer weiteren Elektro de für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Gasdiffusionsschicht 22 ferner ein darin integriertes elektroleitfähiges Verstärkungselement bzw. Gerüst. Und zwar weist die Gasdiffusionsschicht 22 das elektroleitfähige Verstärkungselement 24, das ein poröses Polymer 27 enthält, auf, wobei das poröse Polymer 27 eine elektroleitfähige Füllung 26 enthält. Die Schicht 22 ist auf eine Katalysatorschicht 21, die ein Katalysatorteilchen enthält, aufgetragen. Des Weiteren besitzt das poröse Polymer 27 zahlreiche darin aus gebildete Poren 23. Die Katalysatorschicht 21 ist an einer Kationenaustauschmembran 25 angebracht. Folglich ist die Gasdiffusionsschicht 22 in der Elektrode für eine Brenn stoffzelle durch ein elektroleitfähiges Verstärkungselement 24 zusätzlich zu dem die elektroleitfähige Füllung 26 enthaltendem Polymer 27 gebildet, und zeigt somit eine ver besserte elektronische Leitfähigkeit.

Das poröse Polymer 27, das die elektroleitfähige Füllung 26 enthält, kann über das ge samte elektroleitfähige Verstärkungselement 24 verteilt sein, wie in Fig. 2 gezeigt ist, oder kann an einem Teil des elektroleitfähigen Verstärkungselements 24, beispielsweise an dessen Oberfläche, vorgesehen sein.

Die Art des hierin verwendeten Materials der elektroleitfähigen Füllungen 14, 26 ist nicht speziell eingeschränkt, sofern es leitfähig ist und nicht mit dem Elektrolyt reagiert. Bei spielsweise kann ein Metall, wie etwa Titan oder rostfreier Stahl, oder Kohlenstoff ver wendet werden. Unter dem Gesichtspunkt der Hantierbarkeit oder des Gewichts ist von diesen Materialien Kohlenstoff das bevorzugteste. Des Weiteren ist die Form der elekt roleitfähigen Füllungen 14, 26, die hierin verwendet werden, nicht speziell einge schränkt. Es können beliebige Formen wie etwa Körner oder Fasern verwendet werden. Besonders vorteilhaft sind Kohlenstoffteilchen, Graphit und aktivierter Kohlenstoff und gehackte Kohlefasern, die durch Schneiden von Kohlefasern erhalten werden. Ein Durchmesser der gehackten Kohlenstofffaser liegt vorzugsweise bei 5 bis 20 µm, und eine Länge der gehackten Kohlenfaser liegt vorzugsweise von 0.2 bis 0.5 mm. Bevor zugte Beispiele von Kohlenstoffpartikeln umfassen Kohlenstoffruß wie Acetylenruß und Ofenruß, Graphitpartikel und aktivierten Kohlenstoff. Unter diesen Kohlenstoffpartikeln ist insbesondere Kohlenstoffruß aufgrund seiner hohen elektronischen Leitfähigkeit be vorzugt. Wenn die porösen Polymere 16, 27 Kohlenstoff als die Füllungen 14, 26 ent halten, liegt die Menge an zu integrierendem Kohlenstoff vorzugsweise bei 30 Gew.-% oder mehr, noch bevorzugter bei 100 Gew.-% oder mehr, um eine höhere elektronische Leitfähigkeit bereitzustellen.

Das hierin zu verwendende elektroleitfähige Verstärkungselement 24 kann aus einer geschäumten Nickelfaser oder einer gesinterten Titanfaser hergestellt sein. Vom Stand punkt der elektrischen Leitfähigkeit, der Säurebeständigkeit und dergleichen ist das Material des elektroleitfähigen Verstärkungselements 24 vorzugsweise Kohlenstoff. Ins besondere sind Kohlenstoffpapier, Kohlenstoffgewebe oder aus Kohlenstofffasern her gestellter Kohlenstofffilz und ein Vliesstoff aus Kohlenstoff bevorzugt.

Als das Katalysatorteilchen für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann ein speziel les Katalysatormetall wie etwa Metalle aus der Platingruppe verwendet werden (bei spielsweise Platin, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Palladium, Osmium) oder Verbindun gen davon. Es wird ein spezieller Kohlenstoff mit einem darauf aufgetragenen Kataly satormetall (Katalysator auf Kohlenstoff geschichtet) bevorzugt, da dieses eine hohe Katalysatoraktivität pro Einheitsgewicht des Katalysatormetalls aufweist. Zu bevorzugten Beispielen von teilchenförmigen Kohlenstoff gehören Kohlenstoffruß etwa Acetylenruß und Ofenruß, und aktivierter Kohlenstoff. Insbesondere wird Kohlenstoffruß bevorzugt, da dieser es ermöglicht, dass sich darauf Metall mit einem hohen Grad an Dispersion niederschlägt.

Die porösen Polymere 16, 27, die jeweils die elektroleitfähigen Füllungen 14, 26 enthal ten, müssen erfindungsgemäß keine Protonenleitfähigkeit aufweisen. Beispielsweise können die folgenden Stoffe und deren Abkömmlinge einzeln oder in einer Mischung verwendet werden: Polyether, etwa Polyvinylchlorid, Polyacrylonitril, Polyethylenoxid und Polypropylenoxid, Polyacrylonitril, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenchlorid, Polymethylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyvinylalkohol, Polymethacrylonitril, Polyvi nylacetat, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenimin, Polybutadien, Polystyren, Polyisopren. Alternativ kann ein Polymer, das durch die Kopolymerisierung diverser, das vorherge hende Polymer bildende Monomere erhalten wird, verwendet werden. Vorzugsweise kann ein Fluoropolymer verwendet werden, da es stark wasserabweisend ist. Zu Bei spielen eines derartigen hierin verwendbaren Fluoropolymer gehören Fluorin- enthaltende Homopolymere, etwa Polyethylentrifluorochlorid (PCTFE), Polyvinylidenflu orid (PVdF) und Vinylfluoridpolymer (PVF), Fluorin-enthaltende Copolymere wie etwa Ethylen-ethylentetrafluoridcopolymer (ETFE), Ethylentetrafluorid propylenhexafluoridcopolymer (EPE) und Vinylidenfluoridcopolymer, sowie Mischungen davon. Besonders bevorzugt unter diesen Polymeren sind Polyvinylidenfluorid (PVdF), und Copolymere davon, z. B. Polyvinylidenfluorid (PVdF), etwa Vinylidenfluorid propylenhexafluoridcopolymer (P(VdF-HFP)) und Vinylidenfluorid ethylentetrafluoridcopolymer (P(VdF-TFE)), da diese preiswert sind und eine hohe Was serabstoßung aufweisen. Insbesondere sind Vinylidenfluorid (PVdF) oder P(VdF-HFP) bevorzugt.

In der vorliegenden Erfindung enthalten die Katalysatorschichten 11, 21 einen Teilchen katalysator. Bevorzugterweise enthalten die Katalysatorschichten 11, 21 ein Katalysa torteilchen und einen festen Polymer-Elektrolyten. Als ein derartiger fester Polymer- Elektrolyt ist vorzugsweise ein aus einem Kationenaustauschharz, etwa einem Katione naustauschharztyp aus Perfluoroschwefelsäure oder Styren-Divinylbenzen-basierter Schwefelsäure hergestelltes Kationenaustauschharz verwendet.

Um die Zuführung des aktiven Materials und das Abtransportieren des in der Elektrode (Kathode) erzeugten Wassers zu erleichtern, bilden die Poren 13, 23 in den die elektro leitfähigen Füllungen 14, 26 enthaltenden porösen Polymeren 16, 27 vorzugsweise dichte und kontinuierliche dreidimensionale netzwerkartige Poren. Der mittlere Durch messer der Poren 13, 23 liegt vorzugsweise bei 2 µm oder weniger, und noch bevor zugterweise bei 1 µm oder weniger. Ferner liegt die Porosität der die porösen Polymere 16, 27 enthaltenden Gasdiffusionsschicht vorzugsweise bei 45% bis 95%. Wenn die Porosität der Schicht innerhalb des oben definierten Bereichs liegt, kann eine hohe und gleichförmige elektronische Leitfähigkeit und eine hohe Gasdiffusionsfähigkeit bereitge stellt werden. Die Porosität der Gasdiffusionsschicht kann entsprechend der folgenden Gleichung bestimmt werden:

Porosität/% = 100 - (100 × Gewicht der Gasdiffusionsschicht/cm³)/tatsächliches spezifisches Gewicht der Gasdiffusionsschicht

Das tatsächliche spezifische Gewicht der Gasdiffusionsschicht kann durch Berechnung aus dem tatsächlichen spezifischen Gewicht und dem Mischungsverhältnis der diversen Materialien bestimmt werden. Zu den diversen Materialien gehören ein Polymer, eine Füllung und ein elektroleitfähiges Verstärkungselement.

Das Verfahren zur Präparierung der Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß der vor liegenden Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung wird im fol genden beschrieben.

Zunächst wird das Verfahren der Präparierung einer Gasdiffusionsschicht 12, die durch ein eine elektroleitfähige Füllung 14 enthaltendes poröses Polymer 16 gebildet ist, be schrieben.

Genauer gesagt, ein Polymer wird in einem Lösungsmittel zur Bildung einer Lösung (1) aufgelöst. Anschließend wird eine elektroleitfähige Füllung 14 in der Lösung (1) verteilt, um eine Dispersion zu erhalten. Daraufhin wird die Suspension einer Phasentrennung hinsichtlich des Polymers und des Lösungsmittels unterzogen, um ein poröses Polymer 16 zu erhalten.

Entsprechend diesen Verfahren können feine und gleichmäßige Poren erhalten werden, insbesondere, wenn als das poröse Polymer 16 ein Fluroropolymer verwendet wird. An ders ausgedrückt, ein Fluoropolymer, das Polyvinylidenfluorid (PVdF), etwa Polyvinyl idenfluorid (PVdF), Vinylidenfluorid-Propylenhexafluoridcopolymer (P(VdF-HFP)) und Vinylidenfluoridethylentetrafluoridcopolymer (P(VdF-TFE)) enthält, ist für dieses Verfah ren geeignet. Besonders bevorzugt unter diesen Harzen sind Polyvinylidenfluorid (PVdF) und Vinylidenfluroid-propylenhexafluroidcopolymer (P(VdF-HFP)).

Das Lösungsmittel zur Auflösung des Polymers unterliegt keiner besonderen Einschrän kung, sofern dieses das Polymer darin auflösen kann. Zu Beispielen des hierin ver wendbaren Lösungsmittels gehören Dimethylformamid, Kohlensäureester wie etwa Pro pylencarbonat, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat und Ethylmethyl carbonat, Ether wie etwa Dimethylether, Diethylether und Ethylmethylether und Tetra hydrofuran (THF), Dimethylacetamid, 1-Mehyl-pyrrolidon, und N-Methylpyrrolidon (NMP).

Zu Beispielen für die Methode zur Phasentrennung des Polymers und des Lösungsmit tels, das hierin verwendet wird, gehört ein Verfahren, das die Verwendung der Änderung der Löslichkeit des Polymers in dem Lösungsmittel mit dem Ansteigen oder dem Abfal len der Temperatur, das durch das Erwärmen oder Abkühlen der Dispersion mit einer darin aufgelösten elektroleitfähigen Füllung 14 bewirkt wird, beinhaltet, und ein Verfah ren, das die Anwendung der Änderung der Konzentration des Polymers in der Lösung (1) bei der Verdampfung des Lösungsmittels beinhaltet. Das Verfahren, das die Anwen dung der Änderung der Löslichkeit des Polymers in dem Lösungsmittel mit dem Anstei gen oder Abfallen der Temperatur beinhaltet, kann für die Kombination eines Polymers und eines Lösungsmittels verwendet werden, in der das Polymer kaum bei tiefen Tem peraturen aber leicht bei erhöhten Temperaturen aufgelöst werden kann. In diesem Verfahren wird die Temperatur erhöht, um das Polymer vollständig in dem Lösungsmittel aufzulösen. Anschließend wird eine elektroleitfähige Füllung in der Lösung (1) des Po lymers und des Lösungsmittels dispergiert. Danach wird die Temperatur der Lösung sprunghaft erniedrigt. Als Folge davon erreicht das Polymer eine Übersättigung hinsicht lich des Lösungsmittels, so dass das Polymer und das Lösungsmittel eine Phasentren nung in der Lösung (1) durchlaufen. Durch Entfernen des Lösungsmittels aus der Lö sung (1) mit dem phasenseparierten Polymer und Lösungsmittel kann ein poröses Po lymer erhalten werden. In diesem Verfahren ist als das Polymer vorzugsweise ein Poly vinylidenfluorid (PVdF) oder P(VdF-HFP) verwendet. Als das Lösungsmittel zum Auflö sen des Harzes darin wird vorzugsweise ein Keton, insbesondere Methylethylketon (MEK) verwendet.

Als ein weiteres Verfahren zur Phasentrennung des Polymers und des Lösungsmittels kann ein Verfahren verwendet werden, das das Merkmal enthält, dass eine Lösung (2), in der das Polymer unlöslich und die mit dem Lösungsmittel verträglich ist, in Kontakt mit der Oberfläche der Dispersion kommen kann, um das Lösungsmittel aus der Dispersion herauszuziehen. Dieses Verfahren kann das poröse Polymer 16 mit dem dichten und kontinuierlichen dreidimensionalen Netzwerkporen bereitstellen und ist damit höchst wünschenswert in Verfahren zur Phasentrennung von Polymer und Lösungsmittel. Als die Lösung (2) wird vorzugsweise Wasser oder eine Mischung aus Wasser und Alkohol verwendet, da diese billig sind. Eine Mischung aus Wasser und Alkohol ist besonders bevorzugt, wenn die Porosität des porösen Polymers 16 vorzugsweise reduziert ist.

In diesem Verfahren wird das Lösungsmittel der Dispersion durch die Lösung (2) ersetzt. Da die Lösung (2) mit dem Polymer verträglich ist, kondensiert dieses sofort aus, wor aus die Bildung zahlreicher Poren 13 resultiert. Anders ausgedrückt, das die Füllung enthaltende Polymer kondensiert in der darin enthaltenden Lösung (2). Wenn daher die Lösung (2) aus dem Polymer entfernt wird, wird ein poröses Polymer 16 gebildet. In diesem Verfahren wird als das Polymer vorzugsweise ein Polyvinylidenfluorid (PVdF) oder P(VdF-HFP) verwendet. In diesem Falle wird vorzugsweise als das Lösungsmittel zum Auflösen des Polymers darin N-Methylpyrrolidon (NMP) und als die Lösung (2) wird vorzugsweise Wasser oder eine Mischung aus Wasser und Alkohol im Hinblick auf Wasserabstoßung, Gleichförmigkeit des Porendurchmessers, etc., verwendet.

Die Elektrode für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung kann durch ein Verfahren erhalten werden, dass umfasst: Bilden einer Katalysatorschicht 11 und anschließendes Bilden einer Gasdiffusi onsschicht 12 mit einem porösen Polymer 16, das eine darauf gebildete elektroleitfähige Füllung 14 enthält; oder durch ein Verfahren, das umfasst: Bilden einer Gasdiffusions schicht 12 und anschließendes Formen einer Katalysatorschicht 11 darauf.

Um die Gasdiffusionsschicht 12 mit dem porösen Polymer 16, das eine elektroleitfähige Füllung 14 enthält, nach der Bildung der Katalysatorschicht 11 zu bilden, wird eine Dis persion mit einer elektroleitfähigen Füllung 14, die in einer Lösung (1) eines Polymers in einem Lösungsmittel zerstreut ist, auf die Katalysatorschicht 11 aufgetragen. Das Auf tragen der Dispersion wird mittels einer Bürste oder einem Spray, oder durch ein Bild schirmbedruckungsverfahren oder ein Skalpellbeschichtungsverfahren oder dergleichen ausgeführt. Die auf diese Weise aufgetragene Dispersion wird anschließend einer Pha senseparation von Polymer und Lösungsmittel unterzogen, um eine Elektrode für eine Brennstoffzelle zu präparieren.

Im Folgenden wird das Verfahren zur Bildung der Katalysatorschicht 11 nach der Bil dung der Gasdiffusionsschicht 12 mit dem porösen Polymer 16, das die elektroleitfähige Füllung 14 enthält, beschrieben. Genauer ausgedrückt, eine Dispersion mit einer elekt roleitfähigen Füllung 14, die in einer Lösung (1) aus einem Polymer und dessen Lö sungsmittel zerstreut ist, wird auf einen Polymerfilm etwa PTFE und FEP aufgetragen, um diese in die Schichtform der Dispersion zu bringen. Das Auftragen der Dispersion wird mittels einer Bürste oder einem Spray, oder einem Bildschirmdruckverfahren, ei nem Skalpellbeschichtungsverfahren oder dergleichen ausgeführt. In der auf diese Wei se aufgetragenen Dispersion wird anschließend eine Trennung von Polymer und Lö sungsmittel durchgeführt, um eine Gasdiffusionsschicht 12 zu bilden. Anschließend wird die Katalysatorschicht 11 auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 12 gebildet. Schließlich wird der Polymerfilm von der auf diese Weise gebildeten Brennstoffzellen elektrode abgeschält.

Im Folgenden wird das Verfahren zur Präparierung der Elektrode für eine Brennstoff zelle beschrieben, wobei die Gasdiffusionsschicht 22 mit dem porösen Polymer, das die elektroleitfähige Füllung 26 enthält, ferner eine elektroleitfähiges Verstärkungselement 24 umfasst.

Genauer ausgedrückt, es wird ein elektroleitfähiges Verstärkungselement 24 auf eine Katalysatorschicht 21 mittels Heißpressung oder dergleichen geschichtet. Anschließend wird eine Dispersion eines Polymers und einer elektroleitfähigen Füllung 26 auf das e lektroleitfähige Verstärkungselement 24 mittels einer Bürste oder eines Sprays, oder durch ein Bildschirmdruckverfahren, ein Skalpellbeschichtungsverfahren oder derglei chen aufgetragen. Somit ist die Dispersion in den Poren des elektroleitfähigen Verstär kungselements 24 enthalten. Anschließend wird die Dispersion einer Phasentrennung von Polymer und Lösungsmittel unterzogen, wodurch die Poren in dem elektroleitfähi gen Verstärkungselement 24, das das poröse Polymer 27 enthält, hervorgerufen wer den, wobei das poröse Polymer 27 eine elektroleitfähige Füllung 26 enthält. Als das Verfahren zur Trennung und zur Entfernung des Lösungsmittels aus dem Polymer in der Lösung (1) kann das gleiche Verfahren verwendet werden wie das Verfahren zur Präpa rierung der Gasdiffusionsschicht, die eine elektroleitfähige Füllung 14 enthält. Alternativ kann ein Verfahren verwendet werden, das umfasst: Hervorrufen der Poren in dem e lektroleitfähigen Verstärkungselement 24, das das poröse Polymer 27 enthält, wobei das poröse Polymer 27 eine elektroleitfähige Füllung 26 vor der Beschichtung des elektro leitfähigen Verstärkungselements 24 auf die Katalysatorschicht 21 enthält, und an schließend Schichten des elektroleitfähigen Verstärkungselements 24 auf die Katalysa torschicht 21. Genauer gesagt, die eine elektroleitfähige Füllung 26 enthaltende Disper sion wird auf das elektroleitfähige Verstärkungselement 24 mittels einer Bürste oder ei nem Spray, oder durch ein Bildschirmdruckverfahren, ein Skalpellbeschichtungsverfah ren oder dergleichen aufgebracht. Anschließend werden das Polymer und das Lö sungsmittel in der Dispersion einer Phasentrennung unterzogen. Anschließend kann das elektroleitfähige Verstärkungselement 24, das das poröse Polymer enthält, auf die Ka talysatorschicht 21 mittels Heißpressung oder dergleichen geschichtet werden.

Im Folgenden wird nun das andere Verfahren zur Präparierung der Elektrode für eine Brennstoffzelle beschrieben, wobei die Gasdiffusionsschicht 22 mit dem porösen Poly mer, das die elektroleitfähige Füllung 26 enthält, ferner ein elektroleitfähiges Verstär kungselement 24 umfasst.

Es wird ein poröses Polymer 27, das eine elektroleitfähige Füllung 26 enthält, auf einer Katalysatorschicht 21 auf einer Kationenaustauschmembran gebildet, und das elektro leitfähige Verstärkungselement 24 wird anschließend in eine poröse Polymerschicht 27 mittels Heißpressung eingedrückt, um eine Gasdiffusionsschicht mit dem Polymer 27 und dem Verstärkungselement 24 zu bilden.

Die vorliegende Erfindung wird ferner in den folgenden Beispielen beschrieben, die vor liegende Erfindung sollte jedoch nicht als auf diese Beispiele beschränkt betrachtet wer den.

BEISPIEL 1

7 g Platin auf Kohlenstoff (hergestellt von Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.; 10V30E: Valcan XC-72, das 30 Gew.-% Platin enthält; mittlerer Teilchendurchmesser des Kohlenstoffs: 30 nm; mittlerer Teilchendurchmesser des Platins: 2.4 nm) und 72 g einer festen Poly merelektrolytlösung (hergestellt von Aldrich Inc.; 5% Nation-Lösung) werden gemischt, um eine Paste einer Elektrodenkatalysatorschicht zu erhalten. Die auf diese Weise er haltene Paste wurde anschließend auf beide Seiten einer Kationenaustauschmembran (hergestellt von Du Pont Inc.; Nafion; Dicke: ungefähr 50 µm) durch Sprühen aufgetra gen, um eine Katalysatorschicht zu bilden. Die Platinmenge auf der Katalysatorschicht wurde auf ungefähr 1.0 mg/cm² eingestellt, indem die Platinmenge auf dem Kohlenstoff während der Präparierung der Paste und die beschichtete Menge der Paste gesteuert wurden.

Anschließend wurde eine Dispersion mit gehackten Kohlenstofffasern, gemischt und zerstreut in 100 g einer Lösung (1) mit Polyvinylidenfluorid (PVdF) in NMP, derart, dass die Konzentration des PVdF 20 Gew.-% erreichte, auf die Oberfläche der Katalysator schicht mit eines Skalpellbeschichtungsverfahrens aufgetragen. Diese auf diese Weise erhaltene Beschichtung wurde anschließend in Wasser als eine Lösung (2) für 10 Mi nuten eingetaucht, um eine poröse PVdF-Schicht, die Kohlenstofffasern enthält, auf der Katalysatorschicht bereitzustellen, und des Weiteren wurden Kohlenstoffpapiere an je der Seite eingeschoben, um eine Membran-Elektroden-Anordnung zu erhalten. Die auf diese Weise bearbeitete Anordnung wurde anschließend mit einer einzelnen Brennstoff zelle kombiniert, um eine Zelle A zu erhalten.

BEISPIEL 2

20 g Kohlenstoffteilchen (Valcan XC-72; mittlerer Teilchendurchmesser 30 nm) wurden gemischt und in 100 g einer Lösung (1) mit einem Polyvinylidenfluorid (PVdF) darin auf gelöst zerstreut, so dass die Konzentration des PVdF 20 Gew.-% erreichte, um eine Dispersion zu erhalten. Ein Kohlenstoffpapier als ein elektroleitfähiges Verstärkungs element (Dicke: 0.5 mm; mittlerer Faserdurchmesser: 10 µm; mittlerer Porendurchmes ser: 10 µm; Porosität: 75%) wurde mit der Dispersion unter reduziertem Druck von 1 Torr imprägniert und anschließend in Wasser als eine Lösung (2) für 10 Minuten einge taucht, um eine Gasdiffusionsschicht mit einem elektroleitfähigen Verstärkungselement, das ein poröses PVdF mit einem Kohlenstoffteilchen bereitstellt, zu erhalten.

Anschließend wurde eine Paste aus einer Katalysatorschicht, die aus 7 g Platin auf Kohlenstoff (hergestellt von Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.; 10V30E: Valcan XC-72, das 30 Gew.-% Platin enthält; mittlerer Teilchendurchmesser des Kohlenstoffs: 30 nm; mitt lerer Teilchendurchmesser des Platins: 2.4 nm) und 72 g einer festen Polymerelektrolyt lösung (hergestellt von Aldrich Inc.; 5% Nafion-Lösung) hergestellt ist, auf das zuvor genannte Verstärkungselement durch Sprühen aufgetragen, um eine Elektrode für eine Brennstoffzelle zu erhalten. Die Platinmenge auf der Elektrode wurde auf ungefähr 1.0 mg/cm² eingestellt, indem die Menge des auf den Kohlenstoff aufgebrachten Platins während der Präparierung der Paste und die beschichtete Menge der Paste gesteuert wurden.

Anschließend wurde die auf diese Weise erhaltene Elektrode mit beiden Seiten einer Kationenaustauschmembran (hergestellt von Du Pont Inc.; Nafion; Dicke: ungefähr 50 µm) durch Heißpressen auf die Membran-Elektroden-Anordnung verbunden. Die An ordnung wurde anschließend mit einer einzelnen Brennstoffzelle kombiniert, um eine Zelle B zu erhalten.

VERGLEICHSBEISPIEL 1

Es wurde ein Kohlenstoffpapier, das mit einer PTFE-Dispersion behandelt wurde, um wasserabstoßend zu werden, als ein elektroleitfähiges Verstärkungselement (Dicke: 0,5 nm; mittlerer Faserdurchmesser: 10 µm; mittlerer Porendurchmesser: 10 µm; Poro sität: 75%) präpariert. Das auf diese Weise präparierte Verstärkungselement wurde an schließend mittels Sprühung auf eine Paste aus einer Katalysatorschicht aufgebracht, die aus 7 g aus Platin auf Kohlenstoff (hergestellt von Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.; 10V30E: Valcan XC-72, das 30 Gew.-% Platin enthält; mittlerer Teilchendurchmesser des Kohlenstoffs: 30 nm; mittlerer Teilchendurchmesser des Platins: 2.4 nm) und 72 g einer festen Polymerelektrolytlösung (hergestellt von Aldrich Inc.; 5% Nafion-Lösung) hergestellt war, um eine Elektrode für eine Brennstoffzelle zu erhalten. Die Platinmenge auf der Elektrode wurde auf ungefähr 1.0 mg/cm² eingestellt, indem die Menge in dem Kohlenstoff enthaltenen Platins während der Präparierung der Paste und die beschich tete Menge der Paste gesteuert wurden.

Anschließend wurde die auf diese Weise erhaltene Elektrode mit beiden Seiten einer Kationenaustauschmembran durch Heißpressung in der gleichen Weise wie im Beispiel 2 verbunden, um die Membran-Elektroden-Anordnung zu erhalten. Die auf diese Weise erhaltene Anordnung wurde anschließend mit einer einzelnen Brennstoffzelle kombi niert, um eine Zelle C zu erhalten.

In Fig. 3 sind die Strom-Spannungs-Eigenschaften der Zellen A, B und C gezeigt, wobei Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt wird. In Fig. 3 bezeichnen die Symbole ⬩, ∎ und ▲ jeweils die Eigenschaften der Zellen A, B und C.

Gemäß den Betriebsbedingungen wurden diese Gase (Sauerstoff und Wasserstoff) un ter einem Druck von zwei Atmosphären zugeführt. Diese Gase wurden jeweils in Was ser in einem abgedichteten Tank bei 80°C zur Anfeuchtung eingeblasen. Die Zelle wur de bei 75°C betrieben.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, zeigen jeweils die Zellen A und B der Beispiele 1 und 2 eine höhere Ausgangsspannung bei diversen Stromdichten als die Zelle C des Ver gleichsbeispiels 1.

Diese Ergebnisse werden der Tatsache zugeordnet, dass anders als die Zelle C die Zellen A und B eine Gasdiffusionsschicht aufweisen, die durch eine Gasdiffusions schicht mit einem porösen Polymer, das eine elektroleitfähige Füllung enthält, gebildet ist. In diesem Aufbau kann eine gleichförmige und dichte Verbindung in einfacher Weise auf dem Gebiet erreicht werden, in dem die Gasdiffusionsschicht mit der Katalysator schicht in Berührung ist. Somit ist der Kontaktbereich der Gasdiffusionsschicht mit der Katalysatorschicht vergrößert, um die Anzahl der beim Transfer von Elektronen betei ligten Katalysatorteilchen zu erhöhen. Folglich steigt die Ausgangsspannung der Zellen A und B an.

Ferner zeigt die Zelle B, die ein in einer porösen Harzschicht integriertes elektroleitfähi ges Verstärkungselement umfasst, eine höhere elektronische Leitfähigkeit, die durch das elektroleitfähige Verstärkungselement, zusätzlich zu der elektronischen Leitfähig keit, die durch die elektroleitfähige Füllung erreicht wird, erhalten wird, und somit kann eine größere Ausgangsspannung als in der Zelle A geliefert werden.

BEISPIEL 3

In 100 g einer Lösung (1) mit einem Polyvinylidenfluorid (PVdF) als einem Polymer, auf gelöst in NMP als einem Lösungsmittel, derart, dass die Konzentration von PVdF einen Bereich von 3 bis 24 Gew.-% erreichte, wurden Kohlenstoffteilchen (Valcan XC-72; mittlerer Teilchendurchmesser: 30 nm) in einer Menge von 50 Gew.-% hinsichtlich des Festgehalts des PVdF gemischt und verteilt. Ein Kohlenstoffpapier als ein elektroleitfä higes Verstärkungselement (Dicke: 0.5 mm; mittlerer Faserdurchmesser: 10 µm; mittle rer Porendurchmesser: 10 µm; Porosität: 75%) wurde mit der Dispersion bei reduzier tem Druck von 1 Torr imprägniert und anschließend in Wasser als eine Lösung (1) für 10 Minuten eingetaucht, um eine elektroleitfähiges Verstärkungselement zu erhalten, das mit einem porösen PVdF mit einem Kohlenstoffteilchen versehen ist. Die Porosität des Verstärkungselements mit dem porösen Polymer, das die Füllung enthält, wurde aus der tatsächlichen spezifischen Schwere und dem Mischungsverhältnis des Polyvinylidenflu orids (PVdF), der Kohlenstoffpartikel und des Kohlenstoff-Verstärkungselements und dem Gewicht der Gasdiffusionsschicht/cm³ bestimmt.

Anschließend wurde auf das zuvor genannte Verstärkungselement eine Paste einer E lektrodenkatalysatorschicht, die aus 7 g aus Platin enthaltendem Kohlenstoff (hergestellt von Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.; 10V30E: Valcan XC-72 mit 30 Gew.-% Platin; mittle rer Teilchendurchmesser des Kohlenstoffs: 30 nm; mittlerer Teilchendurchmesser des Platins: 2.4 nm) und 72 g einer festen Polymerelektrolytlösung (hergestellt von Aldrich Inc.; 5% Nafion-Lösung) hergestellt war, mittels Sprühung beschichtet, um eine Elektro de für eine Brennstoffzelle zu erhalten. Die Platinmenge auf der Elektrode wurde auf ungefähr 0.2 mg/cm² eingestellt, indem die Menge des Platins im Kohlenstoff während der Präparierung der Paste und die beschichtete Menge der Paste gesteuert wurden.

Anschließend wurde die auf diese Weise präparierte Elektrode mit beiden Seiten einer Kationenaustauschmembran (hergestellt von Du Pont Inc.; Nafion; Dicke: ungefähr 50 µm) mittels Heißpressung (140°C) verbunden, um eine Membran-Elektroden- Anordnung zu erhalten. Die auf diese Weise erhaltene Anordnung wurde anschließend mit einer einzelnen Brennstoffzelle kombiniert, um eine Zelle zu erhalten. Gemäß den Betriebsbedingungen wurden als zuzuführende Gase Sauerstoff und Wasserstoff ver wendet. Die Gase wurden unter atmosphärischem Druck zugeführt. Diese Gase wurden zur Anfeuchtung in Wasser in einem abgeschlossenen Tank bei 90°C eingeblasen. Die Zelle wurde bei 85°C betrieben. Die Abhängigkeit zwischen der Porosität der Gasdiffu sionsschicht mit dem Verstärkungselement mit sowohl porösen Polymer und Füllung, und dem Strom bei einer Zellenspannung von 0.6 V ist in Fig. 4 gezeigt.

Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, zeigt der Strom einen hohen Wert, wenn die Porosität der Gasdiffusionsschicht bei 45% bis 95% und insbesondere bei 85% bis 95% liegt.

Obwohl die Erfindung detailliert mit Bezug zu spezifischen Ausführungsformen be schrieben wurde, ist es offensichtlich für den Fachmann, dass diverse Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzbe reich abzuweichen.

Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-097199, ein gereicht am 31. März 2000, und auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 20001- 26447, eingereicht am 02. Februar 2001, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezug nahme mit aufgenommen.

Claims

1. Elektrode für eine Brennstoffzelle mit:

a) einer Katalysatorschicht mit Katalysatorteilchen; und
b) einer Gasdiffusionsschicht mit einem porösen Polymer, das eine elektroleitfä hige Füllung enthält.

2. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusions schicht ferner ein elektroleitfähiges Verstärkungselement umfasst, in dem das po röse Polymer angeordnet ist.

3. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei das elektroleitfähige Verstärkungselement ein Aggregat aus Kohlenstofffasern umfasst.

4. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die elektroleitfähige Füllung eine gehackte Kohlenstofffaser umfasst.

5. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die elektroleitfähige Füllung ein Kohlenstoffteilchen umfasst.

6. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei das poröse Polymer ein Fluoropolymer umfasst.

7. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei das Fluoropolymer ein Polyvinylidenfluorid (PVdF) umfasst.

8. Die Elektrode für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Gasdiffusionsschicht eine Porosität von 45% bis 95% aufweist.

9. Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle, das umfasst:

a) Dispergieren einer elektroleitfähigen Füllung in einer Lösung (1) mit einem Polymer und dessen Lösungsmittel, um eine Dispersion zu erhalten;
b) Ausführen einer Phasenseparation des Polymers und des Lösungsmittels in der Dispersion, um eine Gasdiffusionsschicht mit einem porösen Polymer, das die Füllung enthält, zu erhalten; und
c) Auftragen einer Paste mit einem Katalysatorteilchen auf die Gasdiffusions schicht.

10. Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle mit:

a) Bilden einer Katalysatorschicht mit einem Katalysatorteilchen;
b) Zerstreuen einer elektroleitfähigen Füllung in einer Lösung (1) mit einem Po lymer und dessen Lösungsmittel, um eine Dispersion zu erhalten;
c) Auftragen der Dispersion auf die Katalysatorschicht; und
d) Durchführen einer Phasenseparation des Polymers und des Lösungsmittels in der auf die Katalysatorschicht aufgetragenen Dispersion, um eine Gasdiffusi onsschicht mit einem porösen Polymer, das die Füllung enthält, zu bilden.

11. Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle mit:

a) Bilden einer Katalysatorschicht, mit einem Katalysatorteilchen;
b) Auflaminieren eines elektroleitfähigen Verstärkungselements auf die Kataly satorschicht;
c) Dispergieren einer elektroleitfähigen Füllung in einer Lösung (1) mit einem Polymer und dessen Lösungsmittel, um eine Dispersion zu erhalten;
d) Anbringen der Dispersion in einem elektroleitfähigen Verstärkungselement; und
e) Ausführen einer Phasenseparation des Polymers und des Lösungsmittels in der in dem elektroleitfähigen Verstärkungselement integrierten Dispersion, um zu bewirken, dass das elektroleitfähige Verstärkungselement ein poröses Po lymer enthält, wobei das poröse Polymer die elektroleitfähige Füllung enthält.

12. Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle mit:

a) Dispergieren einer elektroleitfähigen Füllung in einer Lösung (1) mit einem Polymer und dessen Lösungsmittel, um eine Dispersion zu erhalten;
b) Anbringen der Dispersion in einem elektroleitfähigen Verstärkungselement;
c) Ausführen einer Phasenseparation des Polymers und des Lösungsmittels in der in dem elektroleitfähigen Verstärkungselement integrierten Dispersion, um zu bewirken, dass das elektroleitfähige Verstärkungselement ein poröses Po lymer enthält, wobei das poröse Polymer die elektroleitfähige Füllung enthält; und
d) Aufbringen des elektroleitfähigen Verstärkungselements mit dem porösen Po lymer auf eine Katalysatorschicht, die ein Katalysatorteilchen enthält.

13. Verfahren zur Präparierung einer Elektrode für eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Phasenseparation erreicht wird, indem das Lö sungsmittel aus der Dispersion mittels einer Lösung (2) extrahiert wird, in der das Polymer nicht löslich und die mit dem Lösungsmittel verträglich ist.

14. Brennstoffzelle mit einer Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.

15. Brennstoffzelle mit einer Elektrode nach Anspruch 8.

16. Brennstoffzelle mit einer Elektrode, die nach dem Präparierungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 präpariert ist.

17. Brennstoffzelle mit einer Elektrode, die gemäß dem Präparierungsverfahren nach dem Anspruch 13 präpariert ist.