DE102008046403A1

DE102008046403A1 - Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysatoren enthaltende Elektroden

Info

Publication number: DE102008046403A1
Application number: DE102008046403A
Authority: DE
Inventors: Susan G. Yan; Hubert A. Gasteiger; Paul Taichiang Yu; Wenbin Gu; Jingxin Zhang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: DE102008046403B4; US20090068541A1; CN101425585A; US8617770B2; CN103560254A

Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, welches das Bereitstellen einer Kathodenkatalysatortinte, die einen ersten Katalysator, einen Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator und ein Lösemittel aufweist, und das Abscheiden der Kathodenkatalysatortinte auf entweder einer Polymerelektrolytmembran, einer Gasdiffusionsmediumschicht oder einer Abziehunterlage umfasst.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/971,715, eingereicht am 12. September 2007.
TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, welches die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Katalysatoren für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, die eine Korrosion an Kathodenkatalysatorschichten vermindern.
HINTERGRUND
In letzter Zeit haben Polymerelektrolytmembran-(PEM-)Brennstoffzellen ein erhebliches Interesse für Fahrzeuganwendungen erzeugt. Die Wettbewerbsfähigkeit von Fahrzeugen erfordert einen auf den Katalysator bezogenen Zellspannungsverlust von weniger als etwa 50 mV über den gesamten Stromdichtebereich während einer Fahrzeuglebensdauer von mehr als 10 Jahren. Diese kann etwa 300.000 große Ladezyklen und etwa 30.000 Start/Stop-Zyklen umfassen. Solche Haltbarkeitsziele sind durch Abbau der Kathodenelektrode begrenzt gewesen, insbesondere aufgrund von Kohlenstoffkorrosion. Faktoren, welche die Kohlenstoffkorrosion beeinflussen, umfassen die vielen Anlauf/Abschalt-Zyklen und örtlichen H₂-Mangel. Mit Anlaufen/Abschalten verbundene Kohlenstoffkorrosion kann auf ein lokales hohes Potential zwischen Teilen der Kathode und dem benachbarten Elektrolyt zurückzuführen sein, während eine Luft/H₂- Front die Anode durchströmt, wenn die Kathode noch mit Luft gefüllt ist. Dieses lokale hohe Potential treibt eine schnelle Kohlenstoffkorrosion an.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen enthält. Die Anode erhält wasserstoffreiches Gas oder reinen Wasserstoff und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen aus der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden daher durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Kathode geschickt werden. Die Arbeit kann beispielsweise verwendet werden, um ein Fahrzeug zu betreiben.
PEM-Brennstoffzellen sind für Fahrzeuganwendungen beliebt. Die PEM-Brennstoffzelle enthält im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymerelektrolyt-Membran, wie z. B. eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode enthalten typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), geträgert auf Kohlenstoffpartikeln und gemischt mit einem Ionomer. Die katalytische Mischung wird auf gegenüberliegenden Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEA sind relativ teuer in der Herstellung und erfordern bestimmte Bedingungen für einen leistungsfähigen Betrieb. Diese Bedingungen umfassen geeignetes Wassermanagement und Befeuchtung sowie Kontrolle der Katalysator-vergiftenden Bestandteile, wie z. B. Kohlenmonoxid (CO).
Mehrere Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel enthält eine Reihe von Strömungsfeldern oder Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEA in dem Stapel angeordnet sind. Die Bipolarplatten enthalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Wasserstoff-Anodenreaktantgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Anodengas-Strömungskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas zur Anodenseite der MEA strömt. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodenreaktantgas, typischerweise einen Luftstrom, der mittels eines Kompressors durch den Stapel gepresst wird. Kathodengas-Strömungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas zur Kathodenseite der MEA strömt. Nicht der gesamte Sauerstoff wird von dem Stapel verbraucht und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgetragen, das flüssiges Wasser als Stapelnebenprodukt enthalten kann. Die Bipolarplatten können auch Strömungskanäle für ein Kühlfluid enthalten. Beispielsweise kann ein Fahrzeug-Brennstoffzellenstapel etwa zweihundert oder mehr Bipolarplatten enthalten.
Die Bipolarplatten sind typischerweise aus einem leitfähigen Material hergestellt, wie z. B. rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoff-Verbundmaterialien oder Graphit usw., sodass sie die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zur nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Metall-Bipolarplatten erzeugen typischerweise ein natürliches Oxid auf ihrer äußeren Oberfläche, das sie resistent gegen Korrosion macht. Jedoch ist diese Oxidschicht nicht leitend und erhöht somit den inneren Widerstand der Brennstoffzelle, wobei ihre elektrische Leistungsfähigkeit vermindert wird. Die Oxidschicht kann die Platten häufig auch hydrophober machen.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, das das Bereitstellen einer Kathodenkatalysatortinte, die einen ersten Katalysator, einen Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator und ein Lösemittel aufweist, und das Abscheiden der Kathodenkatalysatortinte auf entweder einer Polymerelektrolytmembran, einer Gasdiffusionsmediumschicht oder einer Abziehunterlage umfasst.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachstehend bereitgestellten ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden. Es sollte sich verstehen, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele, wenngleich sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, lediglich zu Zwecken der Erläuterung vorgesehen sein und den Bereich der Erfindung nicht einschränken sollen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung der angefügten Zeichnungen vollständiger verstanden werden, in denen
1 Reaktionen zeigt, die während des Anlaufens und Abschaltens der Brennstoffzelle auftreten;
2 Kathodenkinetiken für Kohlenstoffoxidations- und Sauerstoffentwicklungsreaktionen zeigt;
3 Modellvorhersagen für Anlauf/Abschalt-Abbauraten für eine MEA gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 Polarisationskurven für den Beginn des Lebensdauerverhaltens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 Polarisationskurven für den Beginn des Lebensdauerverhaltens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
6 Polarisationskurven für den Beginn des Lebensdauerverhaltens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
7 ein Produkt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Art und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
Unter Bezugnahme auf 1 sind Reaktionen gezeigt, die während des Anlaufens und Abschaltens der Brennstoffzelle sowohl in der Anodenkammer als auch in der Kathodenkammer auftreten. Kohlenstoffkorrosion kann in der Brennstoffzelle während des Anlauf- oder Abschaltbetriebs auftreten.
In einer Ausführungsform kann die Kathode einen Sauerstoffentwicklungsreaktions-(OER-)Katalysator und einen Sauerstoffreduktionsreaktions-(ORR-)Katalysator enthalten. Sowohl der OER-Katalysator als auch der ORR-Katalysator können auf Kohlenstoff, beispielsweise graphitisiertem Kohlenstoff, geträgert sein. In einer Ausführungsform kann der ORR-Katalysator Pt sein und die ORR-Katalysator-Beladung kann 50% oder mehr betragen, wobei die Beladung der Gewichtsprozentanteil von Pt bezogen auf die Gesamtmasse an Pt und Kohlenstoffträgermaterial ist. In einer Ausführungsform kann der Start/Stop-bezogene Abbau durch die Einarbeitung des OER-Katalysators in die Kathode vermindert werden, der aktiver als der ORR-Katalysator ist, wobei der ORR-Katalysator Pt sein kann. In einer Ausführungsform kann der Start/Stop-bezogene Abbau eine Kohlenstoffkorrosion umfassen, die durch Anlaufen/Abschalten der Brennstoffzelle und/oder allgemeinen/lokalen Wasserstoffmangel verursacht ist. In einer Ausführungsform kann der OER-Katalysator die Anlauf/Abschalt-Haltbarkeit verbessern ohne die Brennstoffzellenleistung zu beeinträchtigen.
Die Zugabe von OER-Katalysator in der Kathode kann die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion in der Kathode verstärken. Während des Starts/Stops des Brennstoffzellensystems wird die H₂/Luft-Front in der Anode erzeugt, während H₂ oder Luft in die Anode gespült wird, wenn die Kathode mit Luft gefüllt wird. Die H₂/Luft-Front in der Anode führt zur Erzeugung der Ströme der Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) und Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) in unterschiedlichen Abschnitten der Anodenelektrode. Diese ORR in der Anode induziert Kohlenstoffkorrosionsreaktionsstrom in der Kathode, welche rechts von der ORR in der in 1 gezeigten Anode ist. Der Strom der HOR und ORR in der Anode ist ebenso mit der Summe des Stromes der COR und der OER in dem Katho denbereich ausgeglichen, welcher gerade die gegenüberliegende Seite der ORR in der Anode ist. Entsprechend der Ladungserhaltung, je mehr OER-Strom, desto geringer der COR-Strom. Daher verbessert die Zugabe von aktivem OER-Katalysator die Start-/Stop-Haltbarkeit.
2 zeigt Kathodenkinetiken für eine Brennstoffzellenkathode bei 80°C, 21 kPa O₂, 100 kPa H₂. Wie in 2 gezeigt ist, kann so ein Katalysator (OER-Katalysator) ermöglichen, dass die Entwicklung von Sauerstoff aus der Elektrolyse von Wasser bei einem niedrigeren Potential auftritt als die OER auf Pt. Dies führt zu einer Zunahme des Stroms aus der OER und einer Abnahme des Stroms aus Kohlenstoffoxidation, wodurch Kohlenstoffkorrosion vermindert wird. Unter Bezugnahme auf 2 ist Linie A die Kohlenstoffoxidationsreaktion (COR) mit einem Platin/Kohlenstoff-Katalysator; Linie B ist die Kohlenstoffreaktion (COR) mit einem Platin/graphitisiertem Kohlenstoff-Katalysator (Pt/Gr-C); und Linie C ist die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) mit einem Platin/graphitisiertem Kohlenstoff-Katalysator (Pt/Gr-C). In einer Ausführungsform kann der OER-Katalysator eine höhere Aktivität als Pt bei signifikant niedrigeren Beladungen aufweisen. In einer Ausführungsform enthält der Kohlenstoffkatalysator einen herkömmlichen, nicht korrosionsbeständigen Kohlenstoff. In einer anderen Ausführungsform enthält der graphitisierte Kohlenstoffkatalysator einen korrosionsbeständigen Kohlenstoff.
In einer Ausführungsform wurden Membranelektrodenanordnungen (MEA) mit Elektroden, die aus einem OER-Katalysator geträgert auf einem korrosionsbeständigen Kohlenstoff gemischt mit entweder konventionellem Pt/Vulkan- oder mit Pt/korrosionsbeständigem Kohlenstoff-Katalysatoren hergestellt und geprüft. In einer Ausführungsform kann der OER-Katalysator ein Oxid von Iridium oder ein Derivat davon aufweisen. In einer Ausführungsform kann der OER-Katalysator IrOx (Iridiumoxid) aufweisen, wobei x im Bereich von 0 bis 2 liegen kann. Start-/Stop-Abbau- und relative Kohlenstoffkorrosionsraten wurden gemessen.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung von MEA geschaffen, umfassend das Mischen eines OER-Katalysators, beispielsweise IrOx, direkt in eine Kathodenkatalysatortinte. Die Kathodenkatalysatortinte kann einen ersten Katalysator, ein elektrisch leitendes Material und ein Lösemittel enthalten. In einer Ausführungsform kann der erste Katalysator ein ORR-Katalysator sein. Der ORR-Katalysator kann Platin sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der OER-Katalysator in einer Menge vorliegen, die im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des ersten Katalysators liegt. In einer Ausführungsform kann die Katalysatortinte ein Ionomer und einen Kohlenstoffträger enthalten. Der Kohlenstoffträger kann beispielsweise graphitisierter Kohlenstoff sein. Das Verhältnis von Ionomer zu Kohlenstoff kann zwischen 0,6 und 2,0 liegen. In einer anderen Ausführungsform kann das Verhältnis von Ionomer zu Kohlenstoff zwischen 0,8 und 1,0 liegen.
Gemäß den auf dem Fachgebiet bekannten Verfahren kann die Kathodenkatalysatortinte dann aufgebracht und die MEA hergestellt werden. Die Kathodenkatalysatortinte kann auf einer Polymerelektrolytmembran, einem Gasdiffusionsmedium oder einer Abziehunterlage abgeschieden werden.
In einer anderen Ausführungsform kann der OER-Katalysator als separate Schicht über der Kathode abgeschieden werden. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der OER-Katalysator IrOx sein, der als separate Schicht oben auf einer Pt-Katalysatorschicht gebildet sein kann. Die OER-Katalysatorschicht kann zwischen der Elektrode und der Polymerelektrolytmembran (PEM) angeordnet sein.
In einer Ausführungsform wurde ermittelt, dass IrOx-Beladungen von 2 Gew.-% der Pt-Beladung (oder 1 Gew.-% bezogen auf das gesamte Katalysator- und Kohlenstoff-Gewicht) signifikant die Start/Stop-Abbauraten vermindern, ohne die Brennstoffzellenleistung zu beeinträchtigen. 3 zeigt Modellvorhersagen von Anlauf-/Abschaltungsbbauraten für eine MEA, die 2 Gew.-% IrOx bezogen auf die Beladung mit Pt enthält, unter Verwendung einer Kohlenstoffoxidationsreaktions-(COR-) und Sauerstoffentwicklungsreaktions-(OER-)Kinetik. Basierend auf den Modellvorhersagen zeigt der Pt/C (Platin/konventioneller Kohlenstoff) + 2% IrOx eine vierfache Verbesserung gegenüber Pt/C ohne IrOx, und der PtGr-C (Platin/graphitisierter Kohlenstoff) + 2% IrOx zeigt eine zwölffache Verbesserung gegenüber Pt/Gr-C ohne IrOx.
4 zeigt Polarisationskurven für den Beginn des Lebensdauerverhaltens von MEA, die mit Pt/Vulkan mit und ohne zugefügtem IrOx hergestellt sind. Die Bedingungen von 4 sind 60°C, 100% RH, 270 kPa und 2/2 H₂/Luft-Stöchiometrie. 5 zeigt Polarisationskurven für den Beginn des Lebensdauerverhaltens von MEA, die mit Pt/C mit und ohne zugefügtem IrOx hergestellt sind, wobei es keinen signifikanten Verlust der Leistung bei der Zugabe von 0,008 mg Ir/cm² (2% IrOx) gab. Die Bedingungen von 5 sind 80°C, 32% RH, 150 kPA und 1,5/2 H₂/Luft-Stöchiometrie. 6 zeigt Polarisationskurven für den Beginn des Lebensdauerverhaltens von MEA, die mit Pt/Gr-C mit und ohne zugefügtem IrOx hergestellt sind, wobei es keinen signifikanten Verlust der Leistung bei der Zugabe von 0,008 mg Ir/cm² (2% IrOx) gab. Die Bedingungen von 6 sind 80°C, 32% RH, 150 kPA und 1,5/2 H₂/Luft-Stöchiometrie.
In einer Ausführungsform wurde ein beschleunigter Korrosionstest für Pt/C mit und ohne IrOx durchgeführt. Das Korrosionspotential für Pt/C bei 10 mA/cm² betrug etwa 150 mV mehr als für Pt/C bei 1 mA/cm². Die Tafelsteigung betrug etwa 150 mV/dec. Das Korrosionspotential für Pt/C + IrOx bei 10 mA/cm² betrug etwa 80 mV mehr als für Pt/C bei 1 mA/cm². In einer Ausführungsform kann die OER 67% des Korrosionsstroms tragen und die C-Korrosion 33%. Die Zugabe von 2 Gew.-% IrOx/C zu Pt/C ergab eine dreifache Verbesserung basierend auf dem Korrosionsstrom und eine vierfache Verbesserung basierend auf der Zeit. In einer anderen Ausführungsform wurde ein beschleunigter Korrosionstest für Pt/Gr-C mit und ohne IrOx durchgeführt. Das Korrosionspotential für Pt/Gr-C bei 10 mA/cm² betrug etwa 150 mV mehr als für Pt/Gr-C bei 1 mA/cm². Die Tafelsteigung betrug etwa 130 mV/dec. Das Korrosionspotential für Pt/Gr-C + IrOx bei 10 mA/cm² war etwa gleich dem Korrosionspotential für Pt/Gr-C bei 1 mA/cm². In einer Ausführungsform kann die OER 90% des Korrosionsstroms und die C-Korrosion 10% tragen. Die Zugabe von 2 Gew.-% IrOx/Gr-C zu Pt/Gr-C ergab eine zehnfache Verbesserung basierend auf dem Korrosionsstrom und eine 13-fache Verbesserung basierend auf der Zeit.
Unter Bezugnahme auf 7 umfasst eine Ausführungsform der Erfindung ein Produkt 10, das eine Brennstoffzelle 12 aufweist. Die Brennstoffzelle 12 enthält eine erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte 14, die eine erste Seite 16 mit einem durch mehrere Stege 18 und Kanäle 20 darin festgelegten Reaktantgas-Strömungsfeld enthält. Das Reaktantgas-Strömungsfeld kann einen Brennstoff an eine Seite der Bipolarplatte und ein Oxidationsmittel an die andere Seite der Bipolarplatte liefern. Die Brennstoffzelle 12 enthält eine zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte 22, die eine erste Seite 24 mit einem durch mehrere Stege 26 und Kanäle 28 darin festgelegten Reaktantgas-Strömungsfeld enthält. Die Stege 18 oder 26 und Kanäle 20 oder 28 können in der Bipolarplatte 14 oder 22 durch mechanische Bearbeitung, Ätzen, Prägen bzw. Stanzen, Ausformung oder dergleichen gebildet sein. Ein Soft-Goods-Abschnitt bzw. ein nachgiebiger Abschnitt 30 kann zwischen der ersten Brennstoffzellen-Bipolarplatte 14 und der zweiten Brennstoffzellen-Bipolarplatte 22 vorgesehen sein. Die erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte 14 und die zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte 22 können eine Vielzahl von Materialien enthalten, einschließlich, aber nicht eingeschränkt auf ein Metall, eine Metalllegierung und/oder ein elektrisch leitendes Verbundmaterial. In einer Ausführungsform können die erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte 14 und die zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte 22 aus rostfreiem Stahl sein.
Der nachgiebige Abschnitt 30 kann eine Polymerelektrolytmembran (PEM) 32 umfassen, die eine erste Seite 34 und eine zweite Seite 36 aufweist. Eine Kathodenelektrode 38 kann über der ersten Seite 34 der Polymerelektrolytmembran 32 liegen. In einer Ausführungsform kann die Kathodenelektrode 38 einen OER-Katalysator wie oben beschrieben enthalten. Beispielsweise kann der OER-Katalysator IrOx mit Pt-Katalysator als einzige Kathoden-Elektrodenschicht 38 gemischt sein. In einer anderen Ausführungsform kann der OER-Katalysator eine separate Sauerstoffentwicklungskatalysatorschicht 39 bilden, die zwischen der Kathodenelektrode 38 und der Membran 32 angeordnet ist. Eine erste Gasdiffusionsmediumschicht 40 kann über der Kathodenelektrode 38 liegen und wahlweise kann eine erste mikroporöse Schicht 42 zwischen der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 40 und der Kathodenelektrode 38 liegen. Die erste Gasdiffusionsmediumschicht 40 kann hydrophob sein. Die erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte 14 kann über der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 40 liegen.
Eine Anodenelektrode 46 kann unter der zweiten Seite 36 der Polymerelektrolytmembran 32 liegen. Eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht 48 kann unter der Anodenschicht 46 liegen und wahlweise kann eine zweite mikroporöse Schicht 50 zwischen der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 48 und der Anodenelektrode 46 liegen. Die zweite Gasdiffusionsmediumschicht 48 kann hydrophob sein. Die zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte 22 kann über der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 48 liegen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Polymerelektrolytmembran 32 eine Vielfalt unterschiedlicher Arten von Membranen aufweisen. Die in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung brauchbare Polymerelektrolytmembran 32 kann ein Ionen leitendes Material sein. Beispiele für geeignete Materialien sind in den US-Patenten Nr. 4.272.353 und 3.134.689 und im Journal of Power Sources, Band 28 (1990), Seite 367–387 offenbart. Solche Membranen sind auch bekannt als Ionenaustauschharzmembranen. Die Harze enthalten ionische Gruppen in ihrer Polymerstruktur; eine ionische Komponente hierfür ist gebunden oder festgehalten durch die Polymermatrix, wobei wenigstens eine andere ionische Komponente ein mobiles, austasuschbares Ion ist, das elektrostatisch mit der gebundenen Komponente assoziiert ist. Die Fähigkeit des mobilen Ions, unter geeigneten Bedingungen durch andere Ionen ersetzt zu werden, verleiht diesen Materialien Ionenaustauscheigenschaften.
Die Ionenaustauschharze können durch Polymerisieren eines Gemisches aus Inhaltsstoffen hergestellt werden, von denen eine einen ionischen Bestandteil enthält. Eine weite Klasse von Protonen leitenden Kationenaustauschharzen ist das sogenannte Sulfonsäure-Kationenaustauschharz. In den Sulfonsäuremembranen sind die Kationenaustauschgruppen Sulfonsäuregruppen, die an das Polymerrückgrat gebunden sind.
Die Formung dieser Ionenaustauschharze zu Membranen oder Rinnen ist Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt. Der bevorzugte Typ ist ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymerelektrolyt, in dem die gesamte Membranstruktur Ionenaustauscheigenschaften hat. Diese Membranen sind handelsüblich erhältlich und ein typisches Beispiel für eine handelsübliche, Protonen leitende Sulfonsäureperfluorkohlenstoffmembran wird von E. I. DuPont De Nemours & Company unter der Handelsbezeichnung NAFION vertrieben. Andere solche Membranen sind erhältlich von Asahi Glass und Asahi Chemical Company. Die Verwendung anderer Arten von Membranen, wie z. B., aber nicht eingeschränkt auf perfluorierte Kationenaustauschmembranen, Kationenaustauschmembranen basierend auf Kohlenwasserstoffen sowie Anionenaustauschmembranen liegen auch im Bereich der Erfindung.
In einer Ausführungsform kann die erste Gasdiffusionsschicht 40 oder die zweite Gasdiffusionsschicht 48 ein beliebiges, elektrisch leitendes, poröses Material enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Gasdiffusionsmediumschicht nicht gewebtes Kohlefaserpapier oder gewebtes Kohlegewebe enthalten, das mit einem hydrophoben Material behandelt sein kann, wie z. B., aber nicht eingeschränkt auf Polymere von Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Gasdiffusionsmediumschicht kann eine mittlere Porengröße im Bereich von 5–40 Mikrometer haben. Die Gasdiffusionsmediumschicht kann eine Dicke haben, die im Bereich von etwa 100 bis etwa 500 Mikrometer liegt.
In einer Ausführungsform können die Elektroden (Kathodenschicht 38 und Anodenschicht 46) Katalysatorschichten sein, die Katalysatorpartikel, wie z. B. Platin, und ein Ionen leitendes Material, wie z. B. ein mit den Partikeln vermischtes, Protonen leitendes Ionomer, enthalten. Das Protonen leitende Material kann ein Ionomer sein, wie z. B. ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer. Die Katalysatormaterialien können Metalle enthal ten, wie z. B. Platin, Palladium, Molybdän, Kobalt, Ruthenium, Nickel oder Zinn oder Mischungen von Metallen, wie z. B. Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn oder andere Platin-Übergangsmetalllegierungen, und andere im Fachgebiet bekannte Brennstoffzellen-Elektrokatalysatoren. Die Katalysatormaterialien können, falls erwünscht, fein verteilt sein. Die Katalysatormaterialien können ungeträgert oder geträgert auf einer Vielfalt von Materialien sein, wie z. B. aber nicht eingeschränkt auf fein verteilte Kohlenstoffpartikel. In einer Ausführungsform kann die Kathodenelektrode 38 aus einer Kathodenkatalysatortinte gebildet sein, die einen ersten Katalysator, einen Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator und ein Lösemittel umfasst. Die Kathodenelektrode 38 kann auch ein elektrisch leitendes Material zum Tragen des Katalysators enthalten, wie z. B. Kohlenstoff oder andere leitende Materialien in der Form von Partikeln, die feste oder hohle Kerne haben.
In einer Ausführungsform kann die erste mikroporöse Schicht 42 oder die zweite mikroporöse Schicht 50 aus Materialien, wie z. B. Rußen, und hydrophoben Bestandteilen, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) hergestellt sein und kann eine Dicke haben, die im Bereich von etwa 2 bis etwa 100 Mikrometer liegt. In einer Ausführungsform kann die mikroporöse Schicht eine Mehrzahl von Partikeln, z. B. einschließlich graphitisiertem Kohlenstoff, und ein Bindemittel enthalten. In einer Ausführungsform kann das Bindemittel ein hydrophobes Polymer enthalten, wie z. B., aber nicht eingeschränkt auf Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen (FEP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder andere organische oder anorganische hydrophobe Materialien. Die Partikel und Bindemittel können in einer flüssigen Phase enthalten sein, die beispielweise eine Mischung aus einem organischen Lösemittel und Wasser sein kann, um eine Dispersion bereitzustellen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Lösemittel zumindest entweder 2-Propanol, 1-Propanol oder Ethanol usw. enthalten. Die Dispersion kann auf ein Brennstoffzellensubstrat, wie z. B. eine Gasdiffusionsmediumschicht oder eine hydrophobe Beschichtung über der Gasdiffusionsmediumschicht aufgebracht werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Dispersion auf eine Elektrode aufgebracht werden. Die Dispersion kann getrocknet (durch Verdampfen des Lösemittels) werden und die resultierende getrocknete mikroporöse Schicht kann 60–90 Gewichtsprozent Partikel und 10–40 Gewichtsprozent Bindemittel enthalten. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann das Bindemittel im Bereich von 10–30 Gewichtsprozent der getrockneten mikroporösen Schicht liegen.
Werden die Begriffe „über", „darüberliegend" „liegt darüber" oder „unter", „darunterliegend", „liegt darunter" in Bezug auf die relative Position einer ersten Komponente oder Schicht bezüglich einer zweiten Komponente oder Schicht verwendet, soll das bedeuten, dass die erste Komponente oder Schicht in direktem Kontakt mit der zweiten Komponente oder Schicht steht oder dass zusätzliche Schichten oder Komponenten zwischen der ersten Komponente oder Schicht und der zweiten Komponente oder Schicht eingefügt sind.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Art und somit sollen Varianten davon nicht als eine Abweichung von dem Geist und Bereich der Erfindung angesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4272353 [0033]
- US 3134689 [0033]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Journal of Power Sources, Band 28 (1990), Seite 367–387 [0033]

Claims

Verfahren umfassend: Bereitstellen einer Kathodenkatalysatortinte, die einen auf graphitisiertem Kohlenstoff geträgerten ersten Katalysator, einen auf graphitisiertem Kohlenstoff geträgerten Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator und ein Lösemittel aufweist, wobei der Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator in einer Menge im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des ersten Katalysators vorliegt; Abscheiden der Kathodenkatalysatortinte auf entweder einer Polymerelektrolytmembran, einer Gasdiffusionsmediumschicht oder einer Abziehunterlage.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bereitstellen einer Kathodenkatalysatortinte das Mischen des Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysators mit dem ersten Katalysator und dem Lösemittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner das Mischen einer Ionomerlösung mit dem ersten Katalysator umfasst, wobei das Verhältnis des Ionomers zum graphitisierten Kohlenstoff zwischen 0,6 und 2,0 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator in einer Menge von kleiner oder gleich 2 Gew.-% des ersten Katalysators vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator Iridiumoxid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Katalysator Platin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Platin 50 Gew.-% bezogen auf das Platin und den graphitisierten Kohlenstoff beträgt.
Verfahren umfassend: Bereitstellen einer Polymerelektrolytmembran, die eine erste und eine zweite Seite aufweist; Bereitstellen einer Kathodenelektrode über der ersten Seite der Polymerelektrolytmembran, wobei die Kathodenelektrode einen auf graphitisiertem Kohlenstoff geträgerten ersten Katalysator und einen auf graphitisiertem Kohlenstoff geträgerten Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator aufweist, und wobei der Sauerstoffentwicklungskatalysator in einer Menge vorliegt, die im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des ersten Katalysators liegt; Bereitstellen einer ersten Gasdiffusionsmediumschicht über der Kathodenelektrode; Bereitstellen einer Anodenelektrode über der zweiten Seite des Polymerelektrolyts; und Bereitstellen einer zweiten Gasdiffusionsmediumschicht über der Anodenelektrode.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Sauerstoffentwicklungskatalysator Iridiumoxid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der erste Katalysator Platin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Platin 50 Gew.-% bezogen auf das Platin und den graphitisierten Kohlenstoff beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner umfasst: Bereitstellen einer ersten Brennstoffzellen-Bipolarplatte über der ersten Gasdiffusionsmediumschicht, wobei die erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte eine erste Seite und ein in der ersten Seite definiertes Reaktantgas-Strömungsfeld aufweist, das eine Mehrzahl von Stegen und Kanälen aufweist; und Bereitstellen einer zweiten Brennstoffzellen-Bipolarplatte über der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht, wobei die zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte eine erste Seite und ein in der ersten Seite definiertes Reaktantgas-Strömungsfeld aufweist, das eine Mehrzahl von Stegen und Kanälen aufweist.
Verfahren umfassend: Bereitstellen einer Polymerelektrolytmembran, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; Bereitstellen eines auf graphitisiertem Kohlenstoff geträgerten Sauerstoffentwicklungskatalysators über der ersten Seite der Polymerelektrolytmembran; und Bereitstellen einer Kathodenelektrode, die einen auf graphitisiertem Kohlenstoff geträgerten ersten Katalysator über dem Sauerstoffentwicklungskatalysator aufweist, wobei der Sauerstoffentwicklungskatalysator in einer Menge vorliegt, die im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des ersten Katalysators liegt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator Iridiumoxid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der erste Katalysator Platin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Platin 50 Gew.-% bezogen auf das Platin und den graphitisierten Kohlenstoff beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Bereitstellen einer ersten Gasdiffusionsmediumschicht über der Kathodenelektrode; Bereitstellen einer Anodenelektrode über der zweiten Seite des Polymerelektrolyts; und Bereitstellen einer zweiten Gasdiffusionsmediumschicht über der Anodenelektrode.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst: Bereitstellen einer ersten Brennstoffzellen-Bipolarplatte über der ersten Gasdiffusionsmediumschicht, wobei die erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte eine erste Seite und ein in der ersten Seite definiertes Reaktantgas-Strömungsfeld aufweist, das eine Mehrzahl von Stegen und Kanälen aufweist; und Bereitstellen einer zweiten Brennstoffzellen-Bipolarplatte über der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht, wobei die zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte eine erste Seite und ein in der ersten Seite definiertes Reaktantgas-Strömungsfeld aufweist, das eine Mehrzahl von Stegen und Kanälen aufweist.
Produkt aufweisend: ein Material, das einen auf graphitisiertem Kohlenstoff geträgerten ersten Katalysator und einen auf graphitisiertem Kohlenstoff geträgerten Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator aufweist, wobei der Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator in einer Menge vorliegt, die im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des ersten Katalysators vorliegt.
Produkt nach Anspruch 19, das ferner ein Ionomer aufweist, wobei das Verhältnis von Ionomer zu graphitisiertem Kohlenstoff zwischen 0,6 und 2,0 liegt.
Produkt nach Anspruch 19, das ferner ein Lösemittel aufweist.
Produkt nach Anspruch 19, bei dem der Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysator ein Oxid von Iridium oder ein Derivat davon aufweist.
Produkt nach Anspruch 19, bei dem der erste Katalysator Platin aufweist.
Produkt nach Anspruch 23, bei dem das Platin 50 Gew.-% bezogen auf das Platin und den graphitisierten Kohlenstoff beträgt.
Produkt nach Anspruch 19, bei dem das Material eine Kathodenelektrode aufweist und das ferner folgendes aufweist: eine Polymerelektrolytmembran, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die Kathodenelektrode über der ersten Seite der Polymerelektrolytmembran positioniert ist; eine erste Gasdiffusionsmediumschicht über der Kathodenelektrode; eine Anodenelektrode über der zweiten Seite des Polymerelektrolyts; und eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht über der Anodenelektrode.
Produkt nach Anspruch 25, das ferner folgendes aufweist: eine erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte, die eine erste Seite und ein in der ersten Seite definiertes Reaktantgas-Strömungsfeld aufweist, das eine Mehrzahl von Stegen und Kanälen aufweist, wobei die erste Brennstoffzellen-Bipolarplatte über der ersten Gasdiffusionsmediumschicht liegt; und eine zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte, die eine erste Seite und ein in der ersten Seite definiertes Reaktantgas-Strömungsfeld aufweist, das eine Mehrzahl von Stegen und Kanälen aufweist, wobei die zweite Brennstoffzellen-Bipolarplatte über der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht liegt.