DE102015116078B4 - Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle und Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle und Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24) für eine Brennstoffzelle (10), aufweisend:Trennen (S120) einer Ionomerlösung, die ein Ionomer aufweist, das ein protonenleitfähiges Elektrolytmaterial mit einer Sulfonsäuregruppe ist, durch Zentrifugieren in einen Überstand und ein Sediment;Bestimmen (S 140), ob ein Feststoffgehalt im Überstand gleich oder niedriger als ein spezifizierter Wert (Pr) ist;wenn der Feststoffgehaltanteil des Überstands gleich oder niedriger als der spezifische Wert (Pr) ist, Verwenden (S150) des Ionomers in der Ionomerlösung vor der Zentrifugierung als das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht, und, wenn der Feststoffgehaltanteil des Überstands höher als der spezifische Wert (Pr) ist, Entfernen (S160) des Überstands und Verwenden (S170) einer Lösung, die durch Verdünnen des durch Zentrifugierung erhaltenen Sediments erhalten wird, als das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht, wobei das in dem Überstand enthaltene Ionomer eine Komponente mit niedrigem Molekulargewicht ist und das im Sediment enthaltene Ionomer eine Komponente mit hohem Molekulargewicht ist, die ein höheres Molekulargewicht hat als das der Komponente mit dem niedrigen Molekulargewicht;Herstellen (S300) einer Katalysatortinte, die katalysatorgeträgerte Partikel mit einem darauf getragenen Katalysatormetall, eine Lösung und das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht enthält; undVerwenden (S400, S500) der Katalysatortinte zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht,wobei der spezifische Wert (Pr) ein Wert ist, bei welchem, in einer Beziehung zwischen dem Feststoffgehaltanteil des Überstands nach dem Zentrifugieren und einer Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht, die unter Verwendung des in der Ionomerlösung vor dem Zentrifugieren enthaltenen Ionomers gebildet wird, eine Zunahme der Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht bezüglich einer Zunahme des Feststoffgehaltsanteils des Überstands nach dem Zentrifugieren größer wird, wenn der Feststoffgehaltsanteil des Überstands höher als der spezifische Wert (Pr) ist, als wenn der Feststoffgehaltsanteil des Überstands gleich oder niedriger als der spezifische Wert (Pr) ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle und eine Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle.
  • Stand der Technik
  • Eine bei einer Brennstoffzelle verwendete Membranelektrodenanordnung (MEA) ist ein Leistungs- bzw. Stromerzeugungselement mit einer Elektrolytmembran und Elektroden (Anode und Kathode), die an den entsprechenden Flächen der Elektrolytmembran ausgebildet sind. Jede der Elektroden hat eine Elektrodenkatalysatorschicht, die mit der Elektrolytmembran in Kontakt steht, und eine Gasdiffusionsschicht, die auf der Elektrodenkatalysatorschicht ausgebildet ist.
  • Wie beispielsweise in der JP 2011 - 159 517 A beschrieben wird, kann die Elektrodenkatalysatorschicht durch Beschichten eines Basismaterials mit einer Katalysatortinte, die durch Mischen und Verteilen eines Katalysatormetall geträgerten Trägers und eines Ionomers (Elektrolytharz) als Protonenleiter in einer Lösung erzeugt wird, und Trocknen des katalysatorbeschichteten Basismaterials, ausgebildet werden. Die JP 2006 - 173 098 A beschreibt die Verwendung eines radikalen Polymerisationsinitiators bei der Herstellung eines Elektrolytmaterials für eine Brennstoffzelle (das einem Ionomer entspricht), der aus einem Polymer mit einer Sulfonsäuregruppe besteht, um das Elektrolytmaterial für die Brennstoffzelle herzustellen, das die Erzeugung einer instabilen Endgruppe vermeiden kann, sowie die Verwendung dieses Materials für die Elektrodenkatalysatorschicht. Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle, umfassend das Trennen einer Ionomerlösung durch Zentrifugieren in einen Überstand und ein Sediment, Verwenden des in dem Sediment enthaltenen Ionomers als ein Ionomer für eine Elektrodenkatalysatorschicht und Herstellen einer Katalysatortinte sowie das Verwenden der Katalysatortinte zum Ausbilden einer Elektrodenkatalysatorschicht sind zudem aus der JP 2011 - 29 020 A sowie der US 2008 / 0 292 943 A1 bekannt. Zum Stand der Technik wird zudem verwiesen auf: CURNICK, Oliver J.; POLLET, Bruno G.; MENDES Paula M.: Nafion®-stabilised Pt/C electrocatalysts with efficient catalyst layer ionomer distribution for proton exchange membrane fuel cells. In: RSC Advances, Vol. 2, 2012, S. 8368-8374. - ISSN 2046-2069.
  • Ein Fluorharz (beispielsweise Nafion (eingetragene Marke)), das ein hochmolekulares Polymer mit einer Sulfonsäuregruppe (-SO3H) als Endgruppe ist, wird häufig als Elektrolytmaterial, oder genauer gesagt als Ionomer, verwendet. Das hochmolekulare Polymer kann von seiner Endgruppe verschlechtert (zersetzt) werden. Bei der Elektrodenkatalysatorschicht mit einem derartigen hochmolekularen Polymer als Ionomer werden Sulfationen (SO4 2-) durch die Zersetzung der Sulfonsäuregruppe als die Endgruppe bei der Aufbringung von Hitze, insbesondere beim Trocknungsprozess, erhöht. Dies verringert den pH-Wert der Brennstoffzelle, oder genauer gesagt in der Membranelektrodenanordnung der Brennstoffzelle, und schafft eine säurehaltige bzw. saure Umgebung. Die saure Umgebung der Membranelektrodenanordnung verursacht eine übermäßige Elution bzw. Eluierung oder Auswaschung eines Radikalfängers (radical scavenger - beispielsweise Ceroxid), der in der Gasdiffusionsschicht der Membranelektrodenanordnung enthalten ist, und führt zu einer Vergiftung der Elektrodenkatalysatorschicht. Das Vergiften der Elektrodenkatalysatorschicht verursacht eine Abnahme der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht und führt somit zu einer Zunahme des Widerstands der Elektrode, die aus der Elektrodenkatalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht besteht, sowie zu einer Verringerung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle.
  • Zudem haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung die folgenden Probleme festgestellt. Ein hoher Anteil einer Komponente des Ionomers in der Elektrodenkatalysatorschicht mit niedrigen Molekulargewicht verursacht einen deutlichen Anstieg der Sulfationen durch Zersetzung des Ionomers. Dies führt zu einer deutlichen Abnahme der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht aufgrund der Vergiftung der Elektrodenkatalysatorschicht, einem spürbaren Anstieg des Widerstands der Elektrode und einer signifikanten Verringerung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle.
  • Weder die JP 2011 - 159 517 A noch die JP 2006 - 173 098 A beschreiben die durch die Erzeugung von Sulfationen verursachten Probleme. Zudem beschreiben weder die JP 2011 - 159 517 A noch die JP 2006 - 173 098 A die Probleme, dass ein hoher Anteil einer Komponente des Ionomers in der Elektrodenkatalysatorschicht mit niedrigen Molekulargewicht einen deutlichen Anstieg der Sulfationen durch die Zersetzung des Ionomers verursacht und zu einer deutlichen Abnahme der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht aufgrund der Vergiftung der Elektrodenkatalysatorschicht, einem spürbaren Anstieg des Widerstands der Elektrode und einer signifikanten Verringerung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle führt.
  • KURZFASSUNG
  • Um zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen kann die Erfindung entsprechend der folgenden Aspekte realisiert werden.
    1. (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen. Dieses Herstellungsverfahren weist auf: (a) Trennen einer Ionomerlösung, die ein Ionomer aufweist, das ein protonenleitfähiges Elektrolytmaterial mit einer Sulfonsäuregruppe ist, durch Zentrifugieren in einen Überstand und ein Sediment; (b) Bestimmen, ob ein Feststoffgehalt im Überstand gleich oder niedriger als ein spezifizierter Wert ist; (c) wenn der Feststoffgehaltanteil des Überstands gleich oder niedriger als der spezifische Wert ist, Verwenden des Ionomers in der Ionomerlösung vor der Zentrifugierung als Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht, und, wenn der Feststoffgehaltanteil des Überstands höher als der spezifische Wert ist, Entfernen des Überstands und Verwenden einer Lösung, die durch Verdünnen des durch Zentrifugierung erhaltenen Sediments erhalten wird, als das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht, wobei das in dem Überstand enthaltene Ionomer eine Komponente mit niedrigem Molekulargewicht ist und das im Sediment enthaltene Ionomer eine Komponente mit hohem Molekulargewicht ist, die ein höheres Molekulargewicht hat als das der Komponente mit dem niedrigen Molekulargewicht; (d) Herstellen einer Katalysatortinte, die katalysatorgeträgerte Partikel mit einem darauf getragenen Katalysatormetall, eine Lösung und das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht enthält, und (e) Verwenden der Katalysatortinte zum Ausbilden einer Elektrodenkatalysatorschicht, wobei der spezifische Wert ein Wert ist, bei welchem, in einer Beziehung zwischen dem Feststoffgehaltanteil des Überstands nach dem Zentrifugieren und einer Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht, die unter Verwendung des in der Ionomerlösung vor dem Zentrifugieren enthaltenen Ionomers gebildet wird, eine Zunahme der Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht bezüglich einer Zunahme des Feststoffgehaltsanteils des Überstands nach dem Zentrifugieren größer wird, wenn der Feststoffgehaltsanteil des Überstands höher als der spezifische Wert ist, als wenn der Feststoffgehaltsanteil des Überstands gleich oder niedriger als der spezifische Wert ist.
  • Das Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt unterbindet den Anstieg an Sulfationen durch die Zersetzung eines Ionomers mit einer Sulfonsäuregruppe als Endgruppe. Als Ergebnis schafft dies eine Elektrodenkatalysatorschicht, die zumindest einen Teil der Abnahme der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschicht aufgrund der Vergiftung der Elektrodenkatalysatorschicht, des Anstiegs des Widerstands der Elektrode und der Verringerung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle verhindert.
  • (2) Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle gemäß dem vorstehend genannten Aspekt kann eine Zentrifugalkraft auf einen Wert in einem Bereich von 600,000 bis 750,000 G, eine Zentrifugierzeit auf einen Wert in einem Bereich von 50 bis 100 Minuten und eine Umgebungstemperatur auf einen Wert in einem Bereich von 15 bis 35°C als Bedingungen für die Zentrifugierung eingestellt werden.
  • Das Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt vereinfacht die Abtrennung der Komponente mit niedrigem Molekulargewicht, die einen spürbaren Anstieg der Sulfationen durch die Zersetzung des Ionomers verursacht.
  • (3) Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle gemäß dem vorstehend genannten Aspekt kann der Feststoffgehaltsanteil ein Wert sein, der durch Dividieren eines Gewichts des Feststoffgehalts im Überstand durch ein Gesamtgewicht des Überstands erhalten wird. Der spezifische Wert kann 5 wt% sein.
  • Die Erfindung kann in verschiedenen Aspekten realisiert werden, die verschiedene andere Herstellungsverfahren und Produkte als das vorstehend beschriebene Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle betreffen, beispielsweise ein Verfahren zum Herstellen einer Katalysatortinte zum Ausbilden einer Elektrodenkatalysatorschicht, ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodenanordnung, eine Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle und/oder eine Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
    • 1 zeigt ein Flussschaubild, das ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform zeigt;
    • 2 zeigt ein Flussschaubild, das einen Herstellungsprozess eines Ionomers für die Elektrodenkatalysatorschicht zeigt;
    • 3 zeigt Ansichten, die den Zustand einer Ionomerlösung vor und nach der Zentrifugierung zeigen;
    • 4 zeigt einen Graph, der eine Beziehung zwischen einem Feststoffgehaltanteil eines Überstands durch Zentrifugierung und einer Menge von Sulfationen in einer Elektrodenkatalysatorschicht zeigt, wenn ein Ausgangsionomer vor der Zentrifugierung als Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht verwendet wird;
    • 5 zeigt eine Darstellung, die die Beschichtung einer Bahn mit Katalysatortinte zeigt;
    • 6 zeigt eine Darstellung, die eine Membranelektrodenanordnung zeigt, die unter Verwendung von Elektrodenkatalysatorschichten ausgebildet wurde; und
    • 7 zeigt eine Darstellung, die eine Brennstoffzelle zeigt, die unter Verwendung der Membranelektrodenanordnung ausgebildet wurde.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt ein Flussschaubild, das ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform zeigt. Dieses Herstellungsverfahren stellt ein Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht (Schritt S100) bereit, stellt katalysatorgeträgerte Partikel bereit (Schritt S200), erzeugt eine Katalysatortinte (Schritt S300), beschichtet eine Bahn mit der Katalysatortinte (Schritt S400) und trocknet die mit dem Katalysator beschichtete Bahn (Schritt S500), um eine Elektrodenkatalysatorschicht für die Brennstoffzelle herzustellen. Dieses Verfahren wird nachfolgend im Detail beschrieben.
  • 2 ist ein Flussschaubild, das einen Herstellungsprozess für das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht zeigt. Bei dem Herstellungsprozess wird zunächst eine Ionomerlösung (Schritt S110) vorbereitet und die Ionomerlösung durch Zentrifugation bzw. Zentrifugierung in einen Überstand und ein Sediment (Schritt S120) getrennt. Das in den Überstand enthaltene Ionomer wird als „Komponente mit niedrigem Molekulargewicht“ bezeichnet, und das im Sediment enthaltene Ionomer wird als „Komponente mit hohem Molekulargewicht“ bezeichnet. Das verwendete Ionomer ist ein protonenleitfähiges Elektrolytmaterial mit einer Sulfonsäuregruppe als Endgruppe, beispielsweise Nafion (eingetragene Marke). Die für die Ionomerlösung verwendete Lösung kann Wasser oder ein flüchtiges Lösungsmittel sein. Die nachfolgende Beschreibung basiert auf der Annahme, dass Nafion als Ionomer und Wasser als Lösungsmittel verwendet werden.
  • Der Herstellungsprozess misst anschließend den Gewichtsanteil des Feststoffgehalts bzw. -anteils im Überstand (Feststoffgehaltanteil) (Schritt S130) und bestimmt, ob der Feststoffgehaltanteil gleich oder niedriger als ein spezifizierter Wert Pr [wt%] ist (Schritt S140). Der Feststoffgehaltanteil ist ein Wert, der durch Dividieren des Gewichts des Feststoffgehalts im Überstand durch das Gesamtgewicht des Überstands erhalten wird.
  • 3 zeigt Ansichten, die den Zustand der Ionomerlösung vor und nach der Zentrifugierung zeigen. Wie in 3A dargestellt ist, befindet sich die Ionomerlösung in einem Behälter zur Zentrifugierung und wird einer Zentrifugaltrennung durch einen Zentrifugalabscheider bzw. eine Zentrifuge unterworfen. Die nachfolgende Beschreibung geht von der Annahme aus, dass die Ionomerlösung eine wässrige Ionomerlösung mit 10 wt% bis 20 wt% des Ionomers und 90 wt% bis 80 wt% Wasser ist. Der Zentrifugalabscheider bzw. -trenner ist nicht besonders beschränkt, sondern kann jede Art Zentrifuge sein, die ausgestaltet ist, dass zumindest die Zentrifugalkraft [G], die Zentrifugalzeit und die -temperatur als Zentrifugierungsbedingungen einzustellen, die ein Abtrennen der Komponente mit niedrigen Molekulargewicht im Ausgangsionomer zulässt. Die Zentrifugalkraft ist vorzugsweise im Bereich von 600.000 bis 750.000 G, die Zentrifugierzeit ist vorzugsweise im Bereich von 50 bis 100 Minuten und die Umgebungstemperatur ist vorzugsweise im Bereich von 15 bis 35°C. Beispielsweise können eine Zentrifugalkraft von 691,000 G, eine Zentrifugierzeit von 75 Minuten und eine Temperatur von 20°C als Zentrifugierungsbedingungen eingestellt werden.
  • Wie in 3B dargestellt ist, trennt die Zentrifugierung die Ionomerlösung in einen Überstand, der lediglich das Ionomer als Komponente mit niedrigem Molekulargewicht enthält, und ein Sediment, das das Ionomer als Komponente mit dem hohen Molekulargewicht enthält, das ein höheres Molekulargewicht hat als die im Überstand enthaltene Komponente mit niedrigem Molekulargewicht.
  • 4 zeigt einen Graph, der eine Beziehung zwischen dem Feststoffgehaltanteil des Überstands durch Zentrifugieren und der Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht zeigt, wenn das Ausgangsionomer vor der Zentrifugierung als Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht verwendet wird. Die Menge an Sulfationen kann durch Analyse eines Extrakts, das durch Einweichen der Elektrodenkatalysatorschicht in warmen Wasser erhalten wird, anhand von Ionenchromatographie erhalten werden.
  • Wie in 4 dargestellt ist, sinkt die Menge an Sulfationen mit einer Abnahme des Feststoffgehaltanteils. Genauer gesagt steigt die Menge an Sulfationen mit einer größeren Zunahmerate bei einem Feststoffgehaltsanteil, der höher als ein bestimmter Feststoffgehaltanteil Pr ist (5 wt% in der dargestellten Ausführungsform), und steigt mit einer niedrigeren Anstiegsrate bei einem Feststoffgehaltsanteil, der nicht höher als dieser Feststoffgehaltsanteil Pr ist. Wenn dementsprechend der Feststoffgehaltsanteil des Überstands, der durch das Zentrifugieren der Ionomerlösung erhalten wird, gleich oder niedriger als Pr ist, zeigt dies die Vermeidung einer Zunahme an Sulfationen. In Schritt S 140 wird der Feststoffgehaltsanteil Pr als Kriterium zum Vergleich mit dem Feststoffgehaltsanteil des Überstands, der durch Zentrifugieren erhalten wird, verwendet.
  • Wenn der Feststoffgehaltanteil des Überstands gleich oder niedriger als der spezifische Wert Pr ist, wird das Ionomer vor der Zentrifugierung ohne Behandlung verwendet. In Schritt S 150 in 2 wird die Ausgangsionomerlösung vor der Zentrifugierung als die Lösung des Ionomers für die Elektrodenkatalysatorschicht verwendet. Wenn der Feststoffgehaltanteil des Überstands höher als der spezifische Wert Pr ist, entfernt der Herstellungsprozess dagegen den Überstand und lässt nur das Sediment in Schritt S160 zurück und verwendet eine Lösung, die durch Verdünnen des Sediments erhalten wird, als Lösung des Ionomers für die Elektrodenkatalysatorschicht in Schritt S170. Gemäß einer Abwandlung können die Prozesse der Schritte S160 und S170 unabhängig davon ausgeführt werden, ob der Feststoffgehaltsanteil des Überstands gleich oder niedriger als Pr ist.
  • Bei den in 4 gezeigten Ergebnissen der Experimente entspricht das Ergebnis bei einem Feststoffgehaltsanteil von 5 wt% dem Ergebnis bei einem Anteil des Gewichts der Komponente mit niedrigem Molekulargewicht zum Gesamtgewicht des Ionomers von 30 wt%. Dementsprechend kann das Ionomer, das als das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht verwendet wird, basierend auf der Bestimmung bestimmt werden, ob der Gewichtsanteil der Komponente mit niedrigem Molekulargewicht in dem Ionomer gleich oder niedriger als 30 wt% ist, anstelle der Bestimmung, ob der Feststoffgehaltsanteil des Überstands gleich oder niedriger als 5 wt% ist.
  • Die in Schritt S200 bereitgestellten katalysatorgeträgerten Partikel (1) können beispielsweise anhand des folgenden Prozesses hergestellt werden. Leitfähige Partikel zum Tragen, die geeignet sind, ein Katalysatormetall zu tragen, werden in einer Lösung des Katalysatormetalls verteilt und die katalysatorgeträgerten Partikel werden durch ein Imprägnierverfahren, Kopräzipitationsverfahren, Ionenaustauschverfahren oder dergleichen hergestellt. Die Partikel zum Tragen können aus verschiedenen Kohlenstoffpartikeln (Kohlenstoffpulvern) gewählt werden. Beispielsweise können Ruß oder Kohlenstoffnanoröhrchen als die Partikel zum Tragen verwendet werden. Das verwendete Katalysatormetall kann Platin oder eine Platinverbindung (beispielsweise eine Platin-Cobalt-Legierung oder eine Platin-Nickel-Legierung) sein.
  • Die Katalysatortinte in Schritt S300 kann beispielsweise durch den folgenden Prozess hergestellt werden. Die katalysatorgeträgerten Partikel werden mit Wasser (Ionenaustauschwasser) gemischt und anschließend mit einer Mehrzahl von hydrophilen Lösungsmitteln (nachfolgend einfach als „Lösungsmittel“ bezeichnet) wie Ethanol und Propanol und dem Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht gemischt. Die resultierende Mischung wird beispielsweise unter Verwendung eines Ultraschallhomogenisierers oder einer Perlmühle verteilt, so dass die Katalysatortinte erzeugt wird. Das Wasser und die hydrophilen Lösungsmittel in der Katalysatortinte werden kollektiv als „Lösungsmittel“ bezeichnet. Das Herstellungsverfahren für die Katalysatortinte ist nicht auf diesen Prozess beschränkt, es können auch verschiedene andere Verfahren verwendet werden, um eine Dispersion der katalysatorgeträgerten Partikel, des Lösungsmittels und des Ionomers für die Elektrodenkatalysatorschicht zu erzeugen.
  • 5 ist eine Ansicht, die das Beschichten einer Folie bzw. Bahn mit einer Katalysatortinte zeigt. Wie in 5 gezeigt ist, wird im Schritt S400 (1) eine lange Bahn BS von einer Rolle abgewickelt und unter Verwendung einer Beschichtungsvorrichtung (beispielsweise einer Düsenbeschichtungsvorrichtung) mit Katalysatortinte beschichtet, so dass eine beschichtete Schicht von Katalysatortinte Licat auf der Bahn BS ausgebildet wird.
  • Der Trocknungsprozess (Aufheizprozess) in Schritt S500 (1) trocknet die beschichtete Schicht der Katalysatortinte Licat, die auf der Bahn BS ausgebildet wurde, um die Elektrodenkatalysatorschicht auf der Bahn BS auszubilden.
  • 6 ist eine Darstellung, die eine Membranelektrodenanordnung zeigt, die unter Verwendung der Elektrodenkatalysatorschichten ausgebildet wurde. Wie in 6 gezeigt ist, werden Elektrodenkatalysatorschichten 23 und 24, die anhand des vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt wurden, an den jeweiligen Flächen der Elektrolytmembran 22 angeordnet und heißgepresst. Dies schafft eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) 21, die mit der Elektrodenkatalysatorschicht 23 auf einer Fläche der Elektrolytmembran 22 ausgebildet (mit dieser verbunden) ist, und der Elektrodenkatalysatorschicht 24 auf der anderen Fläche der Elektrolytmembran 22 ausgebildet ist. Die Elektrolytmembran 22 ist eine protonenleitfähige Harzmembran, die aus einem Ionomer mit einer Sulfonsäuregruppe als Endgruppe besteht, wie das Ionomer der Elektrodenkatalysatorschicht. Diese Ausführungsform nutzt eine Nafion-Membran aus Nafion (eingetragene Marke) als Elektrolytmembran 22.
  • Gasdiffusionsschichten (GDL) 25 und 26 werden dann auf den jeweiligen Flächen der katalysatorbeschichteten Membran 21 angeordnet und heißgepresst. Dies schafft eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 20, die mit der Gasdiffusionsschicht 25 auf einer Fläche der Elektrodenkatalysatorschicht 23 der katalysatorbeschichteten Membran 21 ausgebildet (mit dieser verbunden) ist, und der Gasdiffusionsschicht 26 auf einer Fläche der Elektrodenkatalysatorschicht 24 der katalysatorbeschichteten Membran 21 ausgebildet ist. Die Gasdiffusionsschichten 25 und 26 bestehen aus einem gasdurchlässigen, leitfähigen Material, beispielsweise einem porösen Kohlenstoffmaterial wie Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffpapier, oder einem porösem Metallmaterial wie einem Metallgitter oder Metallschaum. Die Gasdiffusionsschichten 25 und 26 sind mit einem Radikalfänger (beispielsweise Ceroxid) imprägniert. Die katalysatorbeschichtete Membran 21 kann als „Membranelektrodenanordnung“ bezeichnet werden, und die Membranelektrodenanordnung 20 kann als „Membranelektroden- und Gasdiffusionsschichtanordnung (MEGA)“ bezeichnet werden.
  • Zur leichteren Erläuterung zeigt 6 das Herstellen der katalysatorbeschichteten Membran ausgehend von den Elektrodenkatalysatorschichten und der Elektrodenmembran in Bahnform. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Lange Elektrodenkatalysatorschichten können auf eine lange Elektrolytmembran heißgepresst werden, oder eine Mehrzahl von Elektrodenkatalysatorschichten in Bahnform kann auf eine lange Elektrolytmembran in vorgegebenen Abständen heißgepresst werden. Zudem kann eine Mehrzahl von Gasdiffusionsschichten in Bahnform in vorgegebenen Abständen heißgepresst werden. Dies erzeugt eine durchgängige Bahn mit einer Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen, die anschließend in individuelle Stücke geschnitten werden kann.
  • 7 ist eine Darstellung, die eine Brennstoffzelle zeigt, die unter Verwendung der Membranelektrodenanordnung hergestellt wird. Eine Brennstoffzelle 10 wird durch Platzieren der Membranelektrodenanordnung 20 aus 6 zwischen einem Separator 27, der an der auf Seiten der Anode (Elektrodenkatalysatorschicht 23 und Gasdiffusionsschicht 25) angeordnet ist, und einem Separator 28, der auf Seiten der Kathode (Elektrodenkatalysatorschicht 24 und Gasdiffusionsschicht 26) angeordnet ist, gebildet.
  • Die Separatoren 27 und 28 bestehen aus einem gasundurchlässigen leitfähigen Material, beispielsweise dichtem Kohlenstoff, der durch Verdichten von Kohlenstoff bis zur Gasundurchlässigkeit erhalten wird, oder einer pressgeformten Metallplatte. Oberflächen der Separatoren 27 und 28, die mit der Membranelektrodenanordnung 20 in Kontakt stehen, haben konkave und konvexe Formen, um Strömungspfade für ein Brenngas und ein Oxidationsgas auszubilden. Genauer gesagt sind Brenngasströmungspfade 27p für das Zuführen von Brenngas (H2), das der elektrochemischen Reaktion an der Anode unterworfen ist, zwischen der Gasdiffusionsschicht 25 und dem Separator 27 auf der Anodenseite ausgebildet. Oxidationsgasströmungspfade 28p für das Zuführen von Oxidationsgas (O2 oder genauer gesagt Luft mit O2), das der elektrochemischen Reaktion an der Kathode unterworfen ist, sind zwischen der Gasdiffusionsschicht 26 und dem Separator 28 auf der Kathodenseite ausgebildet.
  • Bei der Verwendung werden die Brennstoffzellen grundsätzlich in Form eines Brennstoffzellenstapels mit einer Stapelstruktur einer Mehrzahl von Brennstoffzelle 10, wie in 7 gezeigt sind, verwendet.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren zum Herstellen der Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle verwendet das Ionomer, das einen Anteil der Komponente mit niedrigem Molekulargewicht hat, der auf oder unter einen vorgegebenen Wert verringert ist, als das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht. Bei der resultierenden Elektrodenkatalysatorschicht verhindert dieses Verfahren eine Zunahme der Sulfationen, die durch Zersetzung des Ionomers mit der Sulfonsäuregruppe als Endgruppe bei der Aufbringung von Hitze im Trocknungsprozess erzeugt werden. Bei einer Brennstoffzelle, die durch Verwenden einer Membranelektrodenanordnung, die diese Elektrodenkatalysatorschichten umfasst, hergestellt wird, verhindert dieses Verfahren das Vergiften der Elektrodenkatalysatorschicht, das durch übermäßige Elution des Radikalfängers (beispielsweise Ceroxid), der in den Gasdiffusionsschichten enthalten ist, verursacht wird. Als Ergebnis verhindert dieses Verfahren die Abnahme der Protonenleitfähigkeit der Elektrodenkatalysatorschichten und die Zunahme eines Widerstandes der Elektrode der Membranelektrodenanordnung, wodurch die Abnahme der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle verringert werden kann.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Herstellung des Ionomers für die Elektrodenkatalysatorschicht (2) kann ein Ionomer mit einer geringen Menge an Komponenten mit niedrigen Molekulargewicht selektiv verwendet werden, indem vorher die Molekulargewichtverteilung des Ionomers vor dem Zentrifugieren gemessen wird. In anderen Worten: Der Anteil der Komponente mit niedrigem Molekulargewicht im Ionomer der Elektrodenkatalysatorschicht kann gesteuert werden, dass er gleich oder niedriger als der vorgegebene Wert wird. Dies erlaubt auch die Herstellung einer qualitativ hochwertigen Elektrodenkatalysatorschicht bei geringer Erzeugung von Sulfationen, einer qualitativ hochwertigen Membranelektrodenanordnung und einer qualitativ hochwertigen Brennstoffzelle.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Elektrodenkatalysatorschichten 23 und 24 durch Beschichten der Bahn BS mit der Katalysatortinte und Trocknen der katalysatorbeschichteten Bahn (wie in Schritt S400 in 1 und 5 gezeigt) erzeugt. Bei einer Abwandlung kann die Elektrodenkatalysatorschicht ohne Verwendung der Bahn BS durch direktes Beschichten der Elektrolytmembran 22 mit der Katalysatortinte und Trocknen der katalysatorbeschichteten Elektrolytmembran 22 erzeugt werden. Diese Abwandlung bildet die Elektrodenkatalysatorschichten 23 und 24 durch Beschichten der Elektrolytmembran 22 mit der Katalysatortinte und Trocknen der katalysatorbeschichteten Elektrolytmembran 22 aus, um die katalysatorbeschichtete Membran 21 auszubilden, während die Ausführungsform die Elektrodenkatalysatorschichten 23 und 24 mit der Elektrolytmembran durch Heißpressen verbindet, um die katalysatorbeschichtete Membran 21 auszubilden (siehe 6).
  • Bei der in 7 gezeigten Brennstoffzelle 10 sind die kanalförmigen Gasströmungspfade 27p und 28p in den Separatoren 27 und 28 ausgebildet, die über die Membranelektrodenanordnung 20 angeordnet sind. Diese Anordnung ist jedoch nicht beschränkend. Gasströmungspfade, beispielsweise poröse Gasströmungspfade, können separat zwischen den Separatoren und der Membranelektrodenanordnung angeordnet werden. Derartige Gasströmungspfade können separat zwischen jedem einzelnen Separator und der Membranelektrodenanordnung angeordnet werden.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht (23, 24) für eine Brennstoffzelle (10), aufweisend: Trennen (S120) einer Ionomerlösung, die ein Ionomer aufweist, das ein protonenleitfähiges Elektrolytmaterial mit einer Sulfonsäuregruppe ist, durch Zentrifugieren in einen Überstand und ein Sediment; Bestimmen (S 140), ob ein Feststoffgehalt im Überstand gleich oder niedriger als ein spezifizierter Wert (Pr) ist; wenn der Feststoffgehaltanteil des Überstands gleich oder niedriger als der spezifische Wert (Pr) ist, Verwenden (S150) des Ionomers in der Ionomerlösung vor der Zentrifugierung als das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht, und, wenn der Feststoffgehaltanteil des Überstands höher als der spezifische Wert (Pr) ist, Entfernen (S160) des Überstands und Verwenden (S170) einer Lösung, die durch Verdünnen des durch Zentrifugierung erhaltenen Sediments erhalten wird, als das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht, wobei das in dem Überstand enthaltene Ionomer eine Komponente mit niedrigem Molekulargewicht ist und das im Sediment enthaltene Ionomer eine Komponente mit hohem Molekulargewicht ist, die ein höheres Molekulargewicht hat als das der Komponente mit dem niedrigen Molekulargewicht; Herstellen (S300) einer Katalysatortinte, die katalysatorgeträgerte Partikel mit einem darauf getragenen Katalysatormetall, eine Lösung und das Ionomer für die Elektrodenkatalysatorschicht enthält; und Verwenden (S400, S500) der Katalysatortinte zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht, wobei der spezifische Wert (Pr) ein Wert ist, bei welchem, in einer Beziehung zwischen dem Feststoffgehaltanteil des Überstands nach dem Zentrifugieren und einer Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht, die unter Verwendung des in der Ionomerlösung vor dem Zentrifugieren enthaltenen Ionomers gebildet wird, eine Zunahme der Menge an Sulfationen in der Elektrodenkatalysatorschicht bezüglich einer Zunahme des Feststoffgehaltsanteils des Überstands nach dem Zentrifugieren größer wird, wenn der Feststoffgehaltsanteil des Überstands höher als der spezifische Wert (Pr) ist, als wenn der Feststoffgehaltsanteil des Überstands gleich oder niedriger als der spezifische Wert (Pr) ist.
  2. Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Zentrifugalkraft auf einen Wert in einem Bereich von 600,000 bis 750,000 G, eine Zentrifugierzeit auf einen Wert in einem Bereich von 50 bis 100 Minuten und eine Umgebungstemperatur auf einen Wert in einem Bereich von 15 bis 35°C als Bedingungen für die Zentrifugierung eingestellt werden.
  3. Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Feststoffgehaltsanteil ein Wert ist, der durch Dividieren eines Gewichts des Feststoffgehalts im Überstand durch ein Gesamtgewicht des Überstands erhalten wird.
  4. Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenkatalysatorschicht für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der spezifische Wert (Pr) 5 wt% ist.
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