DE102010031903A1 - Verfahren zur Steuerung einer Ionomer- und Platinverteilung in einer Brennstoffzellenelektrode - Google Patents

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Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, das umfasst, dass eine erste Tinte, die Kohlenstoff umfasst, über ein Substrat aufgetragen wird und die erste Tinte getrocknet wird, um eine erste Elektrodenschicht zu bilden, eine zweite Tinte, die einen zweiten Katalysator aufweist, über die erste Elektrodenschicht aufgetragen wird und die zweite Tinte getrocknet wird, um eine zweite Elektrodenschicht zu bilden, und eine dritte Tinte, die eine Ionomerlösung umfasst, über die zweite Elektrodenschicht aufgetragen wird und die dritte Tinte getrocknet wird, um einen Ionomerüberzug zu bilden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Elektroden zur Verwendung in Brennstoffzellen.
  • HINTERGRUND
  • Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als einer Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden, erzeugen.
  • Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt zwischen der Anode und der Kathode aufweist. Die Anode nimmt wasserstoffreiches Gas oder reinen Wasserstoff auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode, wo die Protonen mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode reagieren, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen. Daher werden die Elektronen durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit kann beispielsweise zum Betrieb eines Fahrzeugs verwendet werden.
  • Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel etwa zweihundert oder mehr Bipolarplatten aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das flüssiges Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, das umfasst, dass eine erste Tinte, die Kohlenstoff umfasst, über ein Substrat aufgetragen wird und die erste Tinte getrocknet wird, um eine erste Elektrodenschicht zu bilden, eine zweite Tinte, die einen zweiten Katalysator aufweist, über die erste Elektrodenschicht aufgetragen wird und die zweite Tinte getrocknet wird, um eine zweite Elektrodenschicht zu bilden, und eine dritte Tinte, die eine Ionomerlösung umfasst, über die zweite Elektrodenschicht aufgetragen wird und die dritte Tinte getrocknet wird, um einen Ionomerüberzug zu bilden.
  • Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser ersichtlich.
  • 1 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 4 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 7 zeigt ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht und einen Ionomerüberzug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 8 zeigt einen Abschnitt einer Brennstoffzelle mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, durch das eine Elektrode und eine Membranelektrodenanordnung hergestellt werden können, bei denen die Ionomerbeladung und die Platinkatalysatorbeladung über die Dicke variieren können.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung, wie in 1 gezeigt ist, wird eine erste Tinte auf ein Substrat 18 aufgetragen und die erste Tinte wird getrocknet, um auf dem Substrat 18 eine erste Elektrodenschicht 12, die einen Katalysator aufweist, zu bilden. Das Auftragen der ersten Tinte kann zumindest eines aus Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, Walzen bzw. Rollen, Beschichten oder Sprühen der ersten Tinte aufweisen. Das Substrat 18 kann zumindest eines aus einer Abziehlagen-Unterlage, einer Gasdiffusionsmediumschicht, einer mikroporösen Schicht, einer katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht oder einer Elektrode, die einen Katalysator aufweist, umfassen. Beispielsweise kann das Substrat 18 eine Abziehlagen-Unterlage sein. Die Abziehlagen-Unterlage kann ein ePTFE-Abziehlagenmaterial sein. Die erste Tinte kann so hergestellt werden, dass die getrocknete erste Elektrodenschicht 12 relativ hydrophob ist.
  • Die erste Tinte braucht keinen Katalysator enthalten oder sie kann einen Kohlenstoffträger und einen relativ geringen Gewichtsprozentsatz an Katalysatorpulver, beispielsweise 0,1 bis 40 Gewichtsprozent Katalysatorpulver aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann der Katalysator in der ersten Tinte Platin sein. Beispielsweise kann die erste Tinte 20 Gewichtsprozent Platinkatalysatorpulver aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Substrat 18 eine Elektrode sein und kann im Wesentlichen aus Kohlenstoff (beispielsweise reinem Kohlenstoff) bestehen oder kann im Wesentlichen aus Kohlenstoff und einem Binder bestehen und im Wesentlichen frei von einem Katalysator sein.
  • Wie in 2 gezeigt ist, wird eine zweite Tinte über der ersten Elektrodenschicht 12 aufgetragen. Das Auftragen der zweiten Tinte kann zumindest eines aus Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, Walzen bzw. Rollen, Beschichten oder Streichen der zweiten Tinte aufweisen. Die zweite Tinte wird getrocknet, um eine zweite Elektrodenschicht 14, die einen Katalysator aufweist, zu bilden. Die zweite Tinte kann so hergestellt werden, dass die getrocknete zweite Elektrodenschicht 14 relativ hydrophil ist. Die zweite Tinte kann einen relativ hohen Gewichtsprozentsatz Katalysatorpulver, beispielsweise 40 bis 70 Gewichtsprozent Katalysatorpulver aufweisen. Der Prozentsatz von Katalysatorpulver in der zweiten Tinte kann größer als der Prozentsatz von Katalysatorpulver in der ersten Tinte sein. Bei einer Ausführungsform kann der Katalysator in der zweiten Tinte Platin sein.
  • Bei einer Ausführungsform können die erste Elektrodenschicht 12 und die zweite Elektrodenschicht 14 eine Gruppe fein geteilter Partikel aufweisen, die fein geteilte Katalysatorpartikeln trägern. Die Katalysatorpartikel können Metalle, wie Platin, Palladium, und Mischungen aus Metallen aufweisen, wie Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen, intermetallische Verbindungen und andere Brennstoffzellenelektrokatalysatoren, die in der Technik bekannt sind. Der Katalysator kann geträgert oder ungeträgert sein. Die Trägerpartikel sind elektrisch leitend und können Kohlenstoff umfassen. Die Trägerpartikel können elektrisch leitende Makromoleküle aus aktiviertem Kohlenstoff, Kohlenstoffnanotubes- bzw. -nanoröhren, Kohlenstofffasern, mesoporöser Kohlenstoff und andere elektrisch leitende Partikel mit geeigneter Oberfläche zum Trägern des Katalysators aufweisen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Bei einer Ausführungsform braucht die erste Elektrode 12 keinen Katalysator aufzuweisen.
  • Nun Bezug nehmend auf 3 wird eine dritte Tinte, die eine Ionomerlösung umfasst, auf die zweite Elektrodenschicht 14 aufgetragen, nachdem die zweite Elektrodenschicht 14 getrocknet worden ist. Die dritte Tinte kann ein protonenleitendes Material aufweisen, wie ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer. Die dritte Tinte kann beispielsweise eine Ionomerlösung aufweisen. Der Ionomergehalt kann variieren. Bei einer Ausführungsform kann die dritte Tinte eine Lösung mit 5 Gewichtsprozent Ionomer aufweisen. Das Auftragen der dritten Tinte kann zumindest eines aus Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, Walzen bzw. Rollen, Beschichten oder Streichen der dritten Tinte aufweisen. Die dritte Tinte kann getrocknet werden, um einen Ionomerüberzug 16 über der zweiten Elektrodenschicht 14 zu bilden. Die dritte Tinte kann derart ausgelegt sein, dass sie die zweite Elektrodenschicht 14, jedoch nicht die erste Elektrodenschicht 12, benetzt und durchdringt. Die Menge an Ionomer in der ersten Elektrodenschicht 12 braucht nur aus der Herstellung der ersten Tinte und nicht aus dem Ionomerüberzug 16 zu stammen. Der Ionomergehalt der dritten Tinte kann so gewählt werden, dass der gewünschte Ionomergehalt in der zweiten Elektrodenschicht 14 erreicht wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wie in 4 gezeigt ist, wird eine Polyelektrolytmembran 20 über dem Ionomerüberzug 16 angeordnet. Das Substrat 18 kann eine Abziehlagen-Unterlage sein. Das Substrat 18, die erste Elektrodenschicht 12, die zweite Elektrodenschicht 14, der Ionomerüberzug 16 und die Polyelektrolytmembran 20 können heißgepresst werden und das Substrat 18 kann abgezogen werden, um die resultierende Struktur, wie in 5 gezeigt ist, zu erzeugen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine mikroporöse Schicht 24 auf eine Gasdiffusionsmediumschicht 22 aufgetragen werden. Die erste Elektrodenschicht 12 kann über die mikroporöse Schicht 24 und die Gasdiffusionsmediumschicht 22 aufgetragen werden, sodass die mikroporöse Schicht 24 zu der ersten Elektrodenschicht 12 weist, wie in 6 gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform kann die erste Elektrodenschicht 12 direkt auf die mikroporöse Schicht 24 aufgetragen werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Gasdiffusionsmediumschicht 22 ohne die mikroporöse Schicht 24 über die erste Elektrodenschicht 12 aufgetragen werden. Die erste Elektrodenschicht 12 kann eine kleinere Menge an Ionomer enthalten, als die zweite Elektrodenschicht 14. Indem die Menge an Ionomer nahe dem Diffusionsmedium 22 niedrig gehalten wird, kann ein Massentransport verbessert werden. Die zweite Elektrodenschicht 14 kann eine höhere Menge an Katalysator, beispielsweise Platin, besitzen, als die erste Elektrodenschicht 12. Die höhere Platinkonzentration nahe der Polyelektrolytmembran 20 kann die Katalysatorverwendung verbessern. Die tatsächliche Menge an Ionomer, die nahe der Gasdiffusionsmediumschicht 22 und nahe der Polyelektrolytmembran 20 vorhanden ist, kann unabhängig gesteuert werden. Die tatsächliche Menge an Platin, die nahe dem Diffusionsmedium 22 und nahe der Polyelektrolytmembran 20 vorhanden ist, kann unabhängig gesteuert werden.
  • In Übereinstimmung mit einer oben beschriebenen Ausführungsform wurde eine erste Tinte, die 20 Gewichtsprozent Platinkatalysatorpulver aufwies, über eine Abziehlagen-Unterlage aufgetragen, die ein ePTFE-Abziehlagenmaterial aufwies. Als eine dritte Tinte, die eine Lösung mit 5 Gewichtsprozent Ionomer (verfügbar von Asahi Kasei Corporation) enthielt, auf die getrocknete erste Tinte getropft wurde, wurde das ePTFE nicht vollständig benetzt, was angibt, dass die Ionomerlösung nicht die gesamte Dicke der Elektrodenschicht durchdrungen hat. Als jedoch derselbe Test mit einer Elektrode, die unter Verwendung von 50 Gewichtsprozent Platinkatalysatorpulver hergestellt wurde, ausgeführt wurde, wurde das ePTFE sehr schnell benetzt.
  • Nun Bezug nehmend auf 7 kann eine Ausführungsform der Erfindung ein Produkt 10 aufweisen, das eine erste Elektrodenschicht 12 umfasst, die einen Katalysator über einem Substrat 18 besitzt. Das Substrat 18 kann zumindest eines aus einer Abziehlagen-Unterlage, einer Gasdiffusionsmediumschicht, einer mikroporösen Schicht, einer katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht oder einer Elektrode, die einen Katalysator aufweist, umfassen. Bei einer Ausführungsform ist das Substrat 18 eine Abziehlagen-Unterlage. Eine zweite Elektrodenschicht 14, die einen Katalysator aufweist, kann über der ersten Elektrodenschicht 12 liegen. Die erste Elektrodenschicht 12 ist relativ hydrophob und die zweite Elektrodenschicht 14 ist relativ hydrophil. Über der zweiten Elektrodenschicht 14 ist ein Ionomerüberzug 16 vorgesehen. Bei einer Ausführungsform variieren die Katalysatorbeladung und die Ionomerbeladung über die gemeinsame Gesamtdicke der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht.
  • 8 zeigt ein Produkt 10 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, das einen Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels aufweist, der eine Polyelektrolytmembran 20 aufweist. Auf einer Anodenseite 15a ist ein Ionomerüberzug 16a zwischen der Polyelektrolytmembran 20 und einer zweiten Elektrodenschicht 14a, die einen Katalysator aufweist, angeordnet. Eine erste Elektrodenschicht 12a, die einen Katalysator aufweist, liegt über der zweiten Elektrodenschicht 14a. Eine optionale mikroporöse Schicht 24a liegt über der ersten Elektrodenschicht 12a. Eine Gasdiffusionsmediumschicht 22a liegt über der mikroporösen Schicht 24a oder der ersten Elektrodenschicht 12a. Eine erste Bipolarplatte 26a liegt über der Anodengasdiffusionsmediumschicht 22a. Die erste Bipolarplatte 26a weist eine erste Fläche 28a auf, die eine Mehrzahl von Stegen 30a und Kanälen 32a besitzt, die darin definiert sind, um ein Reaktandengasströmungsfeld bereitzustellen. Die erste Bipolarplatte 26a kann eine zweite Fläche 34a aufweisen, die darin geformte Kühlkanäle 36a besitzt.
  • Ähnlicherweise ist auf einer Kathodenseite 15c ein Ionomerüberzug 16c zwischen der Polyelektrolytmembran 20 und einer zweiten Elektrodenschicht 14c, die einen Katalysator aufweist, angeordnet. Eine erste Elektrodenschicht 12c, die Kohlenstoff aufweist und die einen Katalysator aufweisen kann, jedoch nicht muss, liegt unter der zweiten Elektrodenschicht 14c. Die erste Elektrodenschicht 12c kann im Wesentlichen aus Kohlenstoff (beispielsweise reinen Kohlenstoff) bestehen oder kann im Wesentlichen aus Kohlenstoff und einem Binder bestehen und im Wesentlichen frei von einem Katalysator sein. Eine optionale mikroporöse Schicht 24c liegt unter der ersten Elektrodenschicht 12c. Eine Gasdiffusionsmediumschicht 22c liegt unter der mikroporösen Schicht 24c oder der ersten Elektrodenschicht 12c. Eine zweite Bipolarplatte 26c liegt unter der Kathodengasdiffusionsmediumschicht 22c. Die zweite Bipolarplatte 26c umfasst eine erste Fläche 28c, die eine Mehrzahl von Stegen 30c und Kanälen 32c aufweist, die darin definiert sind, um eine Reaktandengasströmungsfeld bereitzustellen. Die zweite Bipolarplatte 26c kann eine zweite Fläche 34c aufweisen, die darin geformte Kühlkanäle 36c aufweist. Bei einer Ausführungsform variieren auf zumindest einer der Anodenseite 15a oder der Kathodenseite 15c die Katalysatorbeladung und die Ionomerbeladung über die gemeinsame Gesamtdicke der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht.
  • Die obige Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen derselben nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims (10)

  1. Verfahren, umfassend, dass: eine erste Tinte, die Kohlenstoff umfasst, über ein Substrat aufgetragen wird; die erste Tinte getrocknet wird, um eine erste Elektrodenschicht zu bilden; eine zweite Tinte, die Kohlenstoff umfasst, über die erste Elektrodenschicht aufgetragen wird; die zweite Tinte getrocknet wird, um eine zweite Elektrodenschicht zu bilden; eine dritte Tinte, die eine Ionomerlösung umfasst, über die zweite Elektrodenschicht aufgetragen wird; und die dritte Tinte getrocknet wird, um einen Ionomerüberzug zu bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Tinte ferner einen ersten Katalysator umfasst und die zweite Tinte ferner einen zweiten Katalysator umfasst.
  3. Produkt nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode einen Katalysator umfasst und die erste Elektrode frei von Katalysator ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat zumindest eines aus einer Abziehlagen-Unterlage, einer Gasdiffusionsmediumschicht, einer mikroporösen Schicht, einer katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsmediumschicht oder eine Elektrode, die einen Katalysator aufweist, umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Gasdiffusionsmediumschicht umfasst, die Kohlepapier oder Kohlenstofffilz umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Katalysator in einer Menge vorhanden ist, die 0,1 bis 40 Gewichtsprozent der ersten Tinte umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite Katalysator in einer Menge vorhanden ist, die 40 bis 70 Gewichtsprozent der zweiten Tinte umfasst.
  8. Produkt mit einer Elektrodenanordnung, umfassend: eine erste Elektrodenschicht; eine zweite Elektrodenschicht, die einen Katalysator und ein Ionomer umfasst, wobei die zweite Elektrodenschicht eine erste Fläche an der ersten Elektrodenschicht besitzt; und eine Ionomerschicht an einer zweiten Fläche der zweiten Elektrodenschicht, wobei die Elektrodenanordnung derart aufgebaut und angeordnet ist, dass sie eine gradiente Ionomerkonzentration besitzt.
  9. Produkt nach Anspruch 8, wobei die erste Elektrodenschicht kein Ionomer aufweist.
  10. Produkt nach Anspruch 8, wobei die erste Elektrodenschicht eine erste Menge eines Ionomers aufweist und die zweite Elektrodenschicht eine zweite Menge eines Ionomers aufweist und wobei die Ionomerschicht eine dritte Menge eines Ionomers aufweist und wobei die dritte Menge größer als die zweite Menge ist und wobei die zweite Menge größer als die erste Menge ist.
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