DE102015117925B9

DE102015117925B9 - Katalysatorenelektrodenschicht, Membranelektrodenanordnung und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015117925B9
Application number: DE102015117925.3A
Authority: DE
Inventors: Nobuaki Mizutani; Hiroo Yoshikawa; Tsunemasa Nishida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2021-01-21
Anticipated expiration: 2035-10-22
Also published as: DE102015117925A1; KR20160048669A; CN105552413A; JP2016085839A; CN105552413B; US20190074522A1; DE102015117925B4; JP6160591B2; US20160118670A1; KR101769681B1

Abstract

Katalysatorenelektrodenschicht (22), die in Berührung mit einer Elektrolytmembran (21) einer Brennstoffzelle (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass:ein Gehalt an Fe je Flächeneinheit der Katalysatorenelektrodenschicht (22) größer oder gleich 0 µg/cm2und kleiner oder gleich 0,14 µg/cm2ist und eine Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht (22) größer oder gleich 11% und kleiner oder gleich 30% ist; unddie Wasserabsorptionsrate berechnet wird nach (Q3 - Q1)/Q1 x 100 - (Q2 - Q1)/Q1 x 100, wobei Q1 ein Gewicht der Katalysatorenelektrodenschicht (22) ist, nachdem die Katalysatorenelektrodenschicht (22) 1 Stunde lang in einer Umgebung getrocknet wird, in der eine Temperatur 100°C beträgt und eine relative Luftfeuchtigkeit 0% beträgt, nachdem eine die Katalysatorenelektrodenschicht (22) beinhaltende Brennstoffzelle 100 Stunden lang unter einer Bedingung gehalten wird, dass eine Zelltemperatur 60°C beträgt, die relative Luftfeuchtigkeit 40% beträgt und eine erzeugte Spannung 0,5 V beträgt, Q2 ein Gewicht der Katalysatorenelektrodenschicht (22) ist, nachdem die Katalysatorenelektrodenschicht (22) ferner 1 Stunde lang in einer Umgebung gehalten wird, in der die Temperatur 70°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit 15% beträgt, und Q3 ein Gewicht der Katalysatorenelektrodenschicht (22) ist, nachdem die Katalysatorenelektrodenschicht (22) ferner 1 Stunde lang in einer Umgebung gehalten wird, in der die Temperatur 70°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit 90% beträgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Katalysatorenelektrodenschicht, eine Membranelektrodenanordnung und eine Brennstoffzelle.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Eine in einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle verwendete Membranelektrodenanordnung beinhaltet eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran sowie eine Anode und eine Kathode, welche Katalysatorenelektrodenschichten sind, die auf der Elektrolytmembran vorgesehen sind. In der Brennstoffzelle kann Wasserstoff oder Sauerstoff, der der Membranelektrodenanordnung zugeführt wird, durch die Elektrolytmembran treten, ohne für eine Energieerzeugungsreaktion verwendet zu werden, und kann sich zu der Elektrode bewegen, die jener Elektrode gegenüberliegt, der der Wasserstoff oder Sauerstoff zugeführt wird. In diesem Fall kann auf der Elektrodenseite, auf der Wasserstoff und Sauerstoff vorliegen, Wasserstoffperoxid (H₂O₂) erzeugt werden. Bekanntermaßen wird die Katalysatorenelektrodenschicht durch Wasserstoffperoxidradikale, die aus Wasserstoffperoxid erzeugt werden, beeinträchtigt. So beschreibt die japanische Patentanmeldung JP 2013-069534 A eine Brennstoffzelle, die einen Separator beinhaltet, bei dem ein Befeuchtungskanal zum Zuführen von Wasser zu einer Katalysatorenelektrodenschicht gebildet ist, um erzeugte Wasserstoffperoxidradikale unter Verwendung des Wassers abzuführen. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Katalysatorenschicht ist Gegenstand der gattungsbildenden US 2014/0 023 952 A1 .
Es besteht jedoch Raum zur Verbesserung der Technologie zum Unterbinden der Beeinträchtigung der Katalysatorenelektrodenschicht. Die Erfinder der Erfindung haben festgestellt, dass zum Verbessern der Beständigkeit der Membranelektrodenanordnung bevorzugter dafür gesorgt werden sollte, dass die Wasserabsorptionsfähigkeit der Katalysatorenelektrodenschicht in einen vorgeschriebenen Bereich fällt und darüber hinaus die Brennstoffzelle derart gebildet ist, dass während der Energieerzeugung der Brennstoffzelle wie im vorstehend erwähnten verwandten Stand der Technik die Katalysatorenelektrodenschicht in einem feuchten Zustand gehalten wird.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Katalysatorenelektrodenschicht, die in Berührung mit einer Elektrolytmembran einer Brennstoffzelle angeordnet ist. Ein Gehalt an Fe je Flächeneinheit der Katalysatorenelektrodenschicht ist größer oder gleich 0 µg/cm² und kleiner oder gleich 0,14 µg/cm², und eine Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht ist größer oder gleich 11% und kleiner oder gleich 30%. Die Wasserabsorptionsrate wird berechnet nach (Q3 - Q1)/Q1 × 100 - (Q2 - Q1)/Q1 × 100, wobei Q1 ein Gewicht der Katalysatorenelektrodenschicht ist, nachdem die Katalysatorenelektrodenschicht 1 Stunde lang in einer Umgebung getrocknet wird, in der eine Temperatur 100°C beträgt und eine relative Luftfeuchtigkeit 0% beträgt, nachdem eine die Katalysatorenelektrodenschicht beinhaltende Brennstoffzelle 100 Stunden lang unter einer Bedingung gehalten wird, dass eine Zelltemperatur 60°C beträgt, die relative Luftfeuchtigkeit 40% beträgt und eine erzeugte Spannung 0,5 V beträgt, Q2 ein Gewicht der Katalysatorenelektrodenschicht ist, nachdem die Katalysatorenelektrodenschicht ferner 1 Stunde lang in einer Umgebung gehalten wird, in der die Temperatur 70°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit 15% beträgt, und Q3 ein Gewicht der Katalysatorenelektrodenschicht ist, nachdem die Katalysatorenelektrodenschicht ferner 1 Stunde lang in einer Umgebung gehalten wird, in der die Temperatur 70°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit 90% beträgt. Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Beständigkeit der Katalysatorenelektrodenschicht zu verbessern.
Die Erfindung kann in verschiedenen Aspekten umgesetzt werden. Beispielsweise kann die Erfindung als eine die Katalysatorenelektrodenschicht beinhaltende Membranelektrodenanordnung, eine die Membranelektrodenanordnung beinhaltende Brennstoffzelle und Herstellverfahren hierfür sowie ferner ein Herstellverfahren für die Membranelektrodenanordnung, einschließlich des vorgenannten Testverfahrens, umgesetzt werden.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und die technische sowie industrielle Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Zeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigt:

1 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine schematische Ausgestaltung einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellverfahren für eine Membranelektrodenanordnung gemäß der Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen einer Wasserabsorptionsrate und einer Leistungsabnahmerate in Bezug auf die Proben #1 bis #11 zeigt;
4 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate und einem Zellwiderstand in Bezug auf die Proben #1 bis #6 und #9 bis #11 zeigt;
5 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate und einer Ionomerzersetzungsrate in Bezug auf die Proben #1 bis #6 und #9 bis #11 zeigt;
6 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate und einem Gehalt an Fe in Bezug auf die Proben #3 bis #6 und #9 bis #11 zeigt;
7 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate und einer relativen Luftfeuchtigkeit in Bezug auf die Proben #1 bis #6 und #9 zeigt;
8 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate und einem Gasdiffusionswiderstand in Bezug auf die Proben #3 bis #9 zeigt; und
9 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate und der Leistungsabnahmerate in Bezug auf die Proben #12 bis #16 zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine schematische Ausgestaltung einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Brennstoffzelle 10 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Die Brennstoffzelle 10 weist einen Stapelaufbau auf, bei dem eine Mehrzahl von Einheitszellen 14 gestapelt ist. In der Brennstoffzelle 10 ist jede Einheitszelle 14 ein Einheitsmodul, das elektrische Energie erzeugt. Die Einheitszelle 14 erzeugt elektrische Energie anhand einer elektrochemischen Reaktion zwischen in der Luft enthaltenem Wasserstoffgas und Sauerstoff. Jede Einheitszelle 14 beinhaltet einen Energieerzeugungskörper 20 und gepaarte Separatoren 100 (einen anodenseitigen Separator 100an und einen kathodenseitigen Separator 100ca). Der Energieerzeugungskörper 20 ist zwischen den Separatoren 100 angeordnet. Der Energieerzeugungskörper 20 beinhaltet eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 23 und gepaarte Gasdiffusionsschichten 24 (eine anodenseitige Diffusionsschicht 24an und eine kathodenseitige Diffusionsschicht 24ca), die auf jeweiligen Seiten der Membranelektrodenanordnung 23 angeordnet sind. Die Membranelektrodenanordnung 23 beinhaltet eine Elektrolytmembran 21 und Katalysatorenelektrodenschichten 22 (eine Anode 22an und eine Kathode 22ca), die auf jeweiligen Oberflächen der Elektrolytmembran 21 vorgesehen sind.
Die Elektrolytmembran 21 ist eine protonenleitende Ionenaustauschmembran, die beispielsweise aus einem Fluorharz gebildet ist. Die Elektrolytmembran 21 weist in einem feuchten Zustand gute elektrische Leitfähigkeit auf. Als die Elektrolytmembran 21 kann beispielsweise eine feste Polymerelektrolytmembran verwendet werden, die aus einem Perfluorsulfonsäurepolymer gebildet ist, welches mindestens eine Sulfogruppe (-SO₃H-Gruppe) an einem Seitenkettenende aufweist. Speziell kann als die Elektrolytmembran 21 beispielsweise eine fluorbasierte Sulfonsäuremembran, wie etwa eine Nafion-Membran (117, Nafion ist eine eingetragene Handelsmarke), Aciplex (eingetragene Handelsmarke) oder Flemion (eingetragene Handelsmarke), verwendet werden.
Die Anode 22an der Katalysatorenelektrodenschichten 22 fungiert als eine Anodenelektrode, wenn die Brennstoffzelle 10 elektrische Energie erzeugt. Die Kathode 22ca der Katalysatorenelektrodenschichten 22 fungiert als eine Kathodenelektrode, wenn die Brennstoffzelle 10 elektrische Energie erzeugt. Beispielsweise kann jede der Katalysatorenelektrodenschichten 22 Kohlenstoffpartikel (einen Katalysatorträger), die ein Katalysatormetall (beispielsweise Platin) tragen, welches die elektrochemische Reaktion fördert, sowie einen protonenleitenden Polymerelektrolyten (Ionomer) beinhalten. Als das Ionomer kann beispielsweise ein Perfluorsulfonsäurepolymer verwendet werden, das mindestens eine Sulfogruppe (-SO₃H-Gruppe) am Seitenkettenende aufweist. Das in der Katalysatorenelektrodenschicht 22 beinhaltete Ionomer kann das gleiche Polymer sein wie das in der Elektrolytmembran 21 beinhaltete Ionomer oder ein anderes Polymer als das in der Elektrolytmembran 21 beinhaltete Ionomer. Als der leitfähige Träger (als der Katalysatorträger) können neben den Kohlenstoffpartikeln beispielsweise Kohlenstoffmaterialien wie Kohlenstoffruß, Kohlenstoffnanoröhren und Kohlenstoffnanofasern sowie Kohlenstoffverbindungen wie Siliziumkarbid verwendet werden. Als das Katalysatormetall können neben Platin beispielsweise Platinlegierung, Palladium, Rhodium, Gold, Silber, Osmium und Iridium verwendet werden.
Jede der Katalysatorenelektrodenschichten 22 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht 22 größer oder gleich 11% und kleiner oder gleich 30% ist (d.h. die Wasserabsorptionsrate beträgt 11% bis 30%). Die Wasserabsorptionsrate ist ein Wert, der die Wasserabsorptionsleistung der Katalysatorenelektrodenschicht angibt. In dem Fall, dass die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht 22 größer oder gleich 11% ist, kann selbst dann, wenn Wasserstoffperoxid aufgrund eines Übertritts bzw. einer Quer-Leckage oder dergleichen erzeugt wird, das erzeugte Wasserstoffperoxid durch Wasser, das in der Katalysatorenelektrodenschicht 22 enthalten ist, abgeführt werden. Daher wird eine Zersetzung des Ionomers aufgrund des Wasserstoffperoxids unterbunden. Ferner ist es in dem Fall, dass die Wasserabsorptionsrate kleiner oder gleich 30% ist, möglich, eine Abnahme der Effizienz beim Zuführen des Gases zu dem Katalysator aufgrund eines Porenverschlusses der Katalysatorenelektrodenschicht 22, der durch ein Anschwellen des Ionomers verursacht wird, zu unterbinden.
Die Menge Wasser, die in die Katalysatorenelektrodenschicht 22 absorbiert wird, variiert selbst bei der gleichen Luftfeuchtigkeitsumgebung (Feuchtigkeitsumgebung) je nach beispielsweise den Eigenschaften von Molekülen, die das Ionomer bilden. Speziell beinhalten die Moleküle, die das Ionomer bilden, eine Hauptkette auf Basis von Perfluorkohlenstoff und mindestens eine Seitenkette mit einer Sulfogruppe (-SO₃H-Gruppe) an ihrem Ende. In diesem Fall variiert die Menge Wasser, die in die Katalysatorenelektrodenschicht 22 absorbiert wird, selbst bei der gleichen Luftfeuchtigkeitsumgebung je nach beispielsweise der Anzahl der Sulfogruppen (-SO₃H-Gruppen) in den Seitenketten und der Steifigkeit der Hauptkette. Die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht 22 wird durch die Art und den Gewichtsanteil des Ionomers in der Katalysatorenelektrodenschicht 22, die Art und den Gewichtsanteil des Kohlenstoffs (des Katalysatorträgers) in der Katalysatorenelektrodenschicht und den Aufbau der Katalysatorenelektrodenschicht beeinflusst (variiert in Abhängigkeit hiervon). Beispielsweise nimmt in Bezug auf das Ionomer die Wasserabsorptionsrate mit steigender Menge an Sulfonsäure zu, und die Wasserabsorptionsrate nimmt mit steigender Kristallinität ab. Beispielsweise nimmt in Bezug auf den Kohlenstoff die Wasserabsorptionsrate mit steigendem Oberflächenareal oder Porenvolumen zu. Ferner nimmt beispielsweise in Bezug auf den Katalysatorschichtaufbau die Wasserabsorptionsrate mit zunehmender Dicke zu. Durch Einstellen dieser Faktoren kann die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht 22 auf einen Wert in dem vorgenannten Bereich eingestellt werden.
Die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht 22 wird durch das nachstehend beschriebene Verfahren berechnet. Zunächst wird die Brennstoffzelle, die die Membranelektrodenanordnung beinhaltet, in welcher die Katalysatorenelektrodenschichten 22 gebildet sind, 100 Stunden lang unter der Bedingung gehalten, dass die Zelltemperatur 60°C beträgt, die relative Luftfeuchtigkeit 40% beträgt und die erzeugte Spannung 0,5 V beträgt. Dann wird die Katalysatorenelektrodenschicht 22 aus der Membranelektrodenanordnung herausgeschabt (entnommen) und 1 Stunde lang in der Umgebung getrocknet, in der die Temperatur 100°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit (RH) 0% beträgt, und dann wird ein Gewicht Q1 der Katalysatorenelektrodenschicht 22 gemessen. Als Nächstes wird die Katalysatorenelektrodenschicht 22 1 Stunde lang in der Umgebung gehalten, in der die Temperatur 70°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit (RH) 15% beträgt, und dann wird ein Gewicht Q2 der Katalysatorenelektrodenschicht 22 gemessen. Ferner wird die Katalysatorenelektrodenschicht 22 1 Stunde lang in der Umgebung gehalten, in der die Temperatur 70°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit (RH) 90% beträgt, und dann wird ein Gewicht Q3 der Katalysatorenelektrodenschicht 22 gemessen. Anhand des nachstehend beschriebenen Ausdrucks (1) wird die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht 22 aus den gemessenen Gewichten Q1, Q2 und Q3 berechnet. $Wasserabsorptionsrate = (Q3 - Q1) \times 100 - (Q2 - Q1) /Q1 \times 100$
Eisen (Fe) kann je nach einem Herstellverfahren oder dergleichen in die Katalysatorenelektrodenschicht 22 eingemischt werden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass der Gehalt an Fe größer oder gleich 0 µg/cm² und kleiner oder gleich 0,14 µg/cm² sein sollte (d.h. der Gehalt an Fe sollte 0 µg/cm² bis 0,14 µg/cm² betragen). In dem Fall, dass der Gehalt an Fe in dem vorgenannten Bereich liegt, ist es selbst dann, wenn Wasserstoffperoxid erzeugt wird, unwahrscheinlich, dass das Ionomer durch das erzeugte Wasserstoffperoxid zersetzt wird, im Vergleich zu dem Fall, dass der Gehalt an Fe in der Katalysatorenelektrodenschicht größer als 0,14 µg/cm² ist.
Die Gasdiffusionsschichten 24 sind Schichten, in denen das Reaktionsgas, das in Elektrodenreaktionen verwendet wird (d.h. Anodengas und Kathodengas), entlang einer Planarrichtung der Elektrolytmembran 21 diffundiert wird. Jede der Gasdiffusionsschichten 24 ist aus einem porösen Gasdiffusionsschicht-Basismaterial gebildet. Als die Gasdiffusionsschicht 24 kann beispielsweise ein poröser Kohlenstoffkörper, der aus Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofftuch gebildet ist, verwendet werden. Eine wasserabweisende Schicht kann in der Gasdiffusionsschicht 24 derart gebildet sein, dass die Gasdiffusionsschicht 24 eine wasserabweisende Beschaffenheit aufweist, indem das Gasdiffusionsschicht-Basismaterial mit einer wasserabweisenden Paste beschichtet wird (d.h. durch Durchführen einer Wasserabweisungsbehandlung an dem Gasdiffusionsschicht-Basismaterial). Als die wasserabweisende Paste kann beispielsweise eine Mischlösung aus Kohlenstoffpulver und einem wasserabweisenden Harz (beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen oder Polypropylen) verwendet werden.
Jeder der Separatoren 100 ist aus einem Element gebildet, das eine Gasbarriereeigenschaft und Elektronenleitfähigkeit aufweist. Beispielsweise ist der Separator 100 unter Verwendung eines Kohlenstoffelements gebildet, welches beispielsweise aus dichtem Kohlenstoff hergestellt ist, der durch Komprimieren von Kohlenstoff gasundurchlässig gemacht wird, oder einem Metallelement, das aus Edelstahl oder dergleichen hergestellt ist und durch ein Pressverfahren geformt wird. Auf der Oberfläche des Separators 100 sind Vorsprünge und Vertiefungen vorgesehen, so dass Strömungskanäle gebildet werden, durch die das Gas und die Flüssigkeit fließen. Anodengaskanäle AGC sind zwischen dem anodenseitigen Separator 100an und der anodenseitigen Diffusionsschicht 24an gebildet. Kathodengaskanäle CGC sind zwischen dem kathodenseitigen Separator 100ca und der kathodenseitigen Diffusionsschicht 24ca gebildet.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellverfahren für die Membranelektrodenanordnung 23 gemäß der Ausführungsform zeigt. Um die Membranelektrodenanordnung 23 herzustellen, wird zunächst Katalysatortinte hergestellt (Schritt S100). Speziell werden ein Ionomer, das ein Perfluorsulfonsäurepolymer mit mindestens einer Sulfogruppe (-SO₃H-Gruppen) am Seitenkettenende ist, und katalysatortragender Kohlenstoff hergestellt. Dann werden das Ionomer und der katalysatortragende Kohlenstoff in einer wässrigen Lösung eines Lösungsmittels (beispielsweise Alkohol) dispergiert, um die Katalysatortinte zu erzeugen. Der Vorgang des Dispergierens des Ionomers und des katalysatortragenden Kohlenstoffs in Schritt S100 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, sofern das Ionomer und der katalysatortragende Kohlenstoff ausreichend in dem Lösungsmittel dispergiert werden können. Beispielsweise können Verfahren wie ein Rührvorgang und ein Ultraschallverfahren auf geeignete Weise kombiniert werden.
Der katalysatortragende Kohlenstoff kann beispielsweise durch Dispergieren von Kohlenstoffpartikeln aus Kohlenstoffruß in einer Lösung einer Platinverbindung und Durchführen eines Imprägnierverfahrens, Kopräzipitationsverfahrens oder eines Ionenaustauschverfahrens hergestellt werden. Als die Lösung der Platinverbindung kann beispielsweise eine Lösung eines Tetraaminplatinsalzes, eine Lösung von Dinitrodiaminplatin, eine Lösung eines Platinnitrats oder eine Lösung einer Chlorplatinsäure verwendet werden. Beispielsweise liegt die Menge des mit dem Ionomer vermischten katalysatortragenden Kohlenstoffs in einem Bereich derart, dass das Gewichtsverhältnis des Ionomers bezogen auf den katalysatortragenden Kohlenstoff 0,5 bis 1,2 beträgt.
Nach Schritt S100 wird die hergestellte Katalysatortinte auf eine Grundplatte aufgebracht und getrocknet (Schritt S110). Die Grundplatte unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, sofern durch Aufbringen der Katalysatortinte auf die Grundplatte eine Membran gebildet werden kann. Die Grundplatte kann eine dünne Membran sein, die beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PET) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet ist. Das Verfahren des Aufbringens der Katalysatortinte in Schritt S110 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Beispielsweise kann ein Sprühverfahren, ein Siebdruckverfahren, ein Rakel- oder Abstreifverfahren oder ein Die-Coating-Verfahren eingesetzt werden. Durch Aufbringen der Katalysatortinte auf die Grundplatte und Trocknen der Katalysatortinte verdampft das Lösungsmittel in der Katalysatortinte, und somit wird die Schicht aus der Katalysatortinte (die Katalysatortintenschicht) eine poröse Schicht.
Dann wird die Katalysatortintenschicht auf der Grundplatte derart erhitzt, dass eine Grundplattenseite der Katalysatortintenschicht (d.h. eine Seite der Katalysatortintenschicht, die mit der Grundplatte in Berührung steht) eine Hochtemperaturseite ist (Schritt S120). Speziell wird ein Erhitzen derart durchgeführt, dass die Temperatur der Grundplattenseite der Katalysatortintenschicht eine vorab festgelegte erste Temperatur ist und die Temperatur einer Seite der Katalysatortintenschicht, die nicht mit der Grundplatte in Berührung steht, eine zweite Temperatur ist, die niedriger als die erste Temperatur ist; das heißt, innerhalb der Katalysatortintenschicht wird ein Temperaturgradient vorgesehen.
Die in Schritt S120 erhitzte Katalysatortintenschicht wird auf die Elektrolytmembran übertragen (Schritt S130), und somit wird die Membranelektrodenanordnung vervollständigt. Die Katalysatortintenschicht kann beispielsweise durch Heißpressen auf die Elektrolytmembran übertragen werden, während eine Oberfläche der Katalysatortintenschicht, auf der die Grundplatte nicht vorgesehen ist, mit der Elektrolytmembran in Berührung steht. Nachdem die Katalysatortintenschicht auf die Elektrolytmembran übertragen ist, wird die Grundplatte von der Katalysatortintenschicht getrennt (entfernt). Somit wird die Kathode auf der Elektrolytmembran gebildet.
In der Ausführungsform wird die Anode auf der Elektrolytmembran durch Aufbringen der Katalysatortinte, die gleich oder ähnlich der zum Bilden der Kathode verwendeten Katalysatortinte ist, auf eine Grundplatte und Übertragen der Katalysatortintenschicht auf die Elektrolytmembran ohne Durchführen von Erhitzen in Schritt S120 gebildet. Die Anode kann durch Übertragen der Katalysatortintenschicht auf die Elektrolytmembran vor Schritt S130 gebildet werden. Alternativ kann die Anode durch Übertragen der Katalysatortintenschicht auf die Elektrolytmembran in Schritt S130 nach Bilden der Kathode durch Übertragen der Katalysatortintenschicht auf die Elektrolytmembran gebildet werden.
Um die Wirkung in der Ausführungsform zu bestätigen, wurden sechzehn Proben #1 bis #16 der Membranelektrodenanordnung hergestellt, und eine Beständigkeitsbeurteilung wurde an der in jeder Probe beinhalteten Katalysatorenelektrodenschicht durchgeführt.
(1) Jede der Proben #1 bis #8 wurde wie nachstehend beschrieben hergestellt. Ein Katalysator wurde hergestellt, Katalysatortinte wurde unter Verwendung des Katalysators hergestellt, eine Katalysatorenelektrodenschicht wurde unter Verwendung der Katalysatortinte hergestellt, und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) wurde unter Verwendung der Katalysatorenelektrodenschicht hergestellt.
Herstellung von Katalysatorpulver
Als Kohlenstoff zum Tragen des Katalysators wurde Kohlenstoff auf Basis von Acetylen-Ruß verwendet. Der Kohlenstoff auf Basis von Acetylen-Ruß wies das Oberflächenareal von 850 m²/g, die Primärpartikelgröße von 12 nm, die Schüttdichte von 0,02/ml, die Kristallgröße (La) von 20 nm, die Jodabsorptionsmenge von 870 mg/g und die Dibutylphthalatölabsorption (DBP-Ölabsorption) von 280 ml/g auf. Dann wurden 5,0 g des Kohlenstoffs auf Basis von Acetylen-Ruß zu 1,2 1 reinem Wasser gegeben und in dem reinen Wasser dispergiert, um eine Dispersionslösung herzustellen. Eine 5,0 g Platin enthaltende Hexahydroxoplatinnitratlösung und eine 0,21 g Kobalt enthaltende wässrige Kobaltnitratlösung wurden in die Dispersionslösung getropft und ausreichend mit dem Kohlenstoff verrührt. Dann, nachdem die Dispersionslösung gerührt wurde, wurden der Dispersionslösung etwa 100 ml 0,1N Ammoniak zugesetzt, um einen pH-Wert von etwa 10 zu erreichen. Somit wurde Hydroxid gebildet und auf dem Kohlenstoff abgeschieden. Die Dispersionslösung wurde gefiltert, um Pulver zu erhalten, und das erhaltene Pulver wurde 10 Stunden lang unter Vakuum bei 100°C getrocknet. Als Nächstes wurde ein Reduktionsprozess durchgeführt, während das Pulver 2 Stunden lang bei 400°C in Wasserstoffgas gehalten wurde. Dann wurde das Pulver 10 Stunden lang bei 1000°C in Stickstoffgas gehalten, um Legierungspulver herzustellen. Somit wurde Katalysatorpulver erhalten. Das Katalysatorpulver wurde 2 Stunden lang in 1,0N Salpetersäure gerührt. In der Zusammensetzung des erhaltenen Katalysators betrug Pt 49 Gew.-%, Co betrug 2 Gew.-%, und C betrug 49 Gew.-%. Die mittlere Partikelgröße von PtCo betrug 4 nm.
Herstellung von Katalysatortinte
Dann wurden 10 ml ultrareines Wasser zu 1 g des hergestellten Katalysatorpulvers gegeben und ein Rührvorgang wurde durchgeführt. Dann wurden 5 ml Ethanol zugegeben und ein Rührvorgang wurde unter Verwendung eines Rührstabs durchgeführt, um eine Suspension zu erhalten, in der Partikel in einem vollständig suspendierten Zustand vorlagen. Dann wurde eine Ionomerlösung mit einem Äquivalentgewicht (EW) von 910 als ein Ionenleiter langsam in die Suspension getropft, bis das Gewichtsverhältnis des Feststoffgehalts der Ionomerlösung zu dem Kohlenstoff in dem Katalysator (nachfolgend als „I/C“ bezeichnet) 1,0 betrug, und wurde 30 Minuten lang unter Verwendung einer Ultraschalldispersionsvorrichtung dispergiert, um eine gleichmäßige Aufschlämmung zu erhalten. Somit wurde die Katalysatortinte als das Katalysatorenelektrodenmaterial hergestellt.
Herstellung von Katalysatorenelektrodenschicht
Die hergestellte Katalysatortinte wurde unter Verwendung einer Rakel gleichmäßig auf einen Bogen aus Teflon (eingetragene Handelsmarke) aufgebracht, so dass das Gewicht von Platin je Flächeneinheit des Katalysators 0,3 mg/cm² betrug. Nachdem die Katalysatortinte auf den Teflonbogen aufgebracht wurde, wurde der Teflonbogen 3 Stunden lang bei 80°C getrocknet, und somit wurde die Katalysatorenelektrodenschicht hergestellt.
Herstellung von Membranelektrodenanordnung
Nafion (eingetragene Handelsmarke) 117 wurde als die feste Polymerelektrolytmembran verwendet, und die hergestellte Katalysatorenelektrodenschicht wurde als jede der Anode und Kathode verwendet. Während die feste Polymerelektrolytmembran zwischen der Anode und der Kathode angeordnet war, wurde 300 Sekunden lang Heißpressen bei 170°C durchgeführt. Somit wurde die Membranelektrodenanordnung hergestellt.
Beständigkeitstest
Die hergestellte Membranelektrodenanordnung wurde zwischen Gasdiffusionsschicht-Basismaterialien angeordnet, die jeweils aus Kohlenstofffasern und einer wasserabweisenden Schicht gebildet waren. H₂ wurde der Anode zugeführt und Luft wurde der Kathode zugeführt, und Strom-Spannungs-Kennlinien (d.h. I-V-Kennlinien) wurden bei der Zelltemperatur von 60°C gemessen. Der Stromwert (A) bei der Zellspannung von 0,5 V wurde als anfängliche Leistung (Leistung vor einem Beständigkeitstest) betrachtet. Dann wurde der Beständigkeitstest durchgeführt. Speziell wurde durch die Proben #1 bis #8 unter der gleichen Bedingung 100 Stunden lang elektrische Energie erzeugt. Die relativen Luftfeuchtigkeiten (%) der Proben #1 bis #8 während des Beständigkeitstests werden nachstehend beschrieben. Die relative Luftfeuchtigkeit wurde an einer Gaszuführöffnung auf der Kathodenseite gemessen. Da die relativen Luftfeuchtigkeiten der Proben #1 bis #8 während des Beständigkeitstests voneinander verschieden eingestellt wurden, unterschieden sich die Wasserabsorptionsraten der Proben #1 bis #8 voneinander. Die relativen Luftfeuchtigkeiten der Proben #1 bis #8 wurden während des Beständigkeitstests voneinander verschieden eingestellt, um auf einfache Weise den Unterschied in der Wasserabsorptionsrate (der Wasserabsorptionsleistung), der durch die unterschiedliche Zusammensetzung der Katalysatorenelektrodenschicht bedingt ist, zu simulieren. Tatsächlich lässt sich die Wasserabsorptionsrate durch Einstellen der Zusammensetzung der Katalysatorenelektrodenschicht einstellen. Die relative Luftfeuchtigkeit der Probe #1 betrug 20%, die relative Luftfeuchtigkeit der Probe #2 betrug 30%, die relative Luftfeuchtigkeit der Probe #3 betrug 40%, die relative Luftfeuchtigkeit der Probe #4 betrug 60%, die relative Luftfeuchtigkeit der Probe #5 betrug 80%, die relative Luftfeuchtigkeit der Probe #6 betrug 100%, die relative Luftfeuchtigkeit der Probe #7 betrug 130% und die relative Luftfeuchtigkeit der Probe #8 betrug 200%.
(2) Jede der Proben #9 bis #11 wurde wie nachstehend beschrieben hergestellt. Bei der Herstellung der Katalysatortinte wurde Eisen-(III)-nitrat zugegeben, und somit wurde die Katalysatorenelektrodenschicht derart hergestellt, dass die Katalysatorenelektrodenschicht Fe enthielt. Somit wurde die Katalysatorenelektrodenschicht hergestellt. Der Gehalt an Fe je Flächeneinheit der Katalysatorenelektrodenschicht in jeder der Proben #9 bis #11 war wie nachstehend beschrieben. Die übrigen Herstellungsbedingungen waren gleich jenen, die bei der Herstellung der Proben #1 bis #8 verwendet wurden. Die relative Luftfeuchtigkeit während des Beständigkeitstests betrug 40%, wie im Fall der Probe #3. Der Gehalt an Fe in der Probe #9 betrug 0,14 µg/cm², der Gehalt an Fe in der Probe #10 betrug 0,28 µg/cm², und der Gehalt an Fe in der Probe #11 betrug 0,56 µg/cm².
(3) Jede der Proben #12 bis #16 wurde wie nachstehend beschrieben hergestellt. Die Proben #12 bis #16 unterscheiden sich in den folgenden Punkten von den Proben #1 bis #8. Die relative Luftfeuchtigkeit während des Beständigkeitstests betrug 40%, wie im Fall der Probe #3. In Bezug auf die Probe #12 wurde im Prozess der Herstellung der Katalysatortinte Tetrahydrofuran anstelle von Ethanol zugegeben. In Bezug auf die Probe #13 wurde im Prozess der Herstellung der Katalysatortinte Aceton anstelle von Ethanol zugegeben. In Bezug auf die Probe #14 wurde der Teflonbogen, auf den die Katalysatortinte aufgebracht wurde, unter Vakuum von -200 mmHg im Prozess der Herstellung der Katalysatorenelektrodenschicht getrocknet. In Bezug auf die Probe #15 wurde kein Ethanol im Prozess der Herstellung der Katalysatortinte zugegeben. In Bezug auf die Probe #16 wurde im Prozess der Herstellung der Katalysatortinte ein hochsiedendes, fluorbasiertes Lösungsmittel (ASAHIKLIN AC-6000, hergestellt von Asahi Glass Co., Ltd.) anstelle von Wasser und Ethanol zugegeben.
Beurteilung der Beständigkeitsleistung
Nach dem vorgenannten Beständigkeitstest wurden die I-V-Kennlinien gemessen, und der Stromwert (A) bei der Zellspannung von 0,5 V wurde als die Leistung nach dem Beständigkeitstest betrachtet. Eine Leistungsabnahmerate wurde unter Verwendung des nachstehend beschriebenen Ausdrucks (2) aus der gemessenen anfänglichen Leistung und der gemessenen Leistung nach dem Beständigkeitstest berechnet. Ferner wurde die Impedanz bei der Frequenz von 1000 Hz unter Verwendung eines Frequenzganganalysators (FRA) als ein Zellwiderstand (Ω·cm²) gemessen. $\begin{array}{l} Leistungsabnahmerate = (anfängliche Leistung - Leistung nach Beständigkeitstest) \\ /anfängliche Leistung \times 100 \end{array}$
Physikalische Beschaffenheit (Wasserabsorptionsrate)
Nach dem vorgenannten Beständigkeitstest wurde die Kathodenkatalysatorenelektrodenschicht aus jeder Probe herausgeschabt (entnommen), und das Gewicht Q1, das Gewicht Q2 und das Gewicht Q3 wurden gemessen. Darüber hinaus wurde die Wasserabsorptionsrate (%) der Katalysatorenelektrodenschicht jeder Probe unter Verwendung des vorgenannten Ausdrucks (1) berechnet.
Physikalische Beschaffenheit (Ionomerzersetzungsrate)
Die aus jeder Probe entnommene Kathodenkatalysatorenelektrodenschicht wurde derart in dem N₂-Strom erhitzt, dass die Temperatur mit der Anstiegsrate von 1°C/Min auf 500°C anstieg. Die Menge an desorbierten Schwefel(S)-Komponenten des Ionomers wurde unter Verwendung eines Massenanalysators gemessen. Die Ionomerzersetzungsrate (%) wurde basierend auf dem Verhältnis zwischen der Menge an S-Komponenten vor dem Beständigkeitstest und der Menge an S-Komponenten nach dem Beständigkeitstest gemessen, wie durch den nachstehend beschriebenen Ausdruck (3) angegeben. $\begin{array}{l} Ionomerzersetzungsrate = (Menge an S-Komponenten vor Beständigkeitstest - \\ Menge an S-Komponenten nach Beständigkeitstest/Menge an S-Komponenten nach \\ Beständigkeitstest \times 100 \end{array}$
Physikalische Beschaffenheit (Gasdiffusionswiderstand)
Im Hinblick auf jede Probe nach dem Beständigkeitstest wurden die I-V-Kennlinien gemessen, während die relative Luftfeuchtigkeit auf 30% eingestellt wurde, und das Reaktionsgas wurde derart zugeführt, dass die Sauerstoffkonzentration niedrig war. Der begrenzende Strom (A) wurde basierend auf den erhaltenen I-V-Kennlinien gemessen. Der begrenzende Strom ist ein Strom in einem Bereich in den I-V-Kennlinien, in dem der Strom nicht mit einer Abnahme der Spannung ansteigt. Der Gasdiffusionswiderstand (s/m) wurde aus dem gemessenen begrenzenden Strom unter Verwendung des nachstehend beschriebenen Ausdrucks (4) berechnet. $\begin{array}{l} Gasdiffusionswiderstand = O_{2} -Partialdruck (Pa) \times Faraday-Konstante \times Energieer- \\ zeugungsfläche ({cm}^{2}) /8,31 \times Temperatur (K) \times begrenzender Strom (A) \end{array}$
3 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate (%) und der Leistungsabnahmerate (%) in Bezug auf die Proben #1 bis #11 zeigt. In Bezug auf die Proben #3 bis #6 und #9, deren Wasserabsorptionsraten größer oder gleich 11% und kleiner oder gleich 30% waren, waren die Leistungsabnahmeraten kleiner oder gleich 1%. Dagegen waren in Bezug auf die Proben #1, #2, #10 und #11, deren Wasserabsorptionsraten kleiner oder gleich 8% waren, und die Proben #7 und #8, deren Wasserabsorptionsraten größer oder gleich 40% waren, die Leistungsabnahmeraten größer oder gleich 4%. Basierend auf den Ergebnissen wurde festgestellt, dass dann, wenn die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht größer oder gleich 11% und kleiner oder gleich 30% ist (d.h. die Wasserabsorptionsrate in einem Bereich von 11% bis 30% liegt), die Beständigkeit der Katalysatorenelektrodenschicht erhöht ist im Vergleich zu dem Fall, dass die Wasserabsorptionsrate außerhalb des Bereichs liegt.
4 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate (%) und dem Zellwiderstand (Ω·cm²) in Bezug auf die Proben #1 bis #6 und #9 bis #11 zeigt. Basierend auf den Ergebnissen in Bezug auf die Proben #1 bis #6 und #9 bis #11 wurde festgestellt, dass in einem Bereich, in dem die Wasserabsorptionsrate kleiner oder gleich 30% ist, der Zellwiderstand mit steigender Wasserabsorptionsrate abnimmt. Somit wurde festgestellt, dass dann, wenn die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht größer oder gleich 11% ist, der Zellwiderstand verringert ist im Vergleich zu dem Fall, dass die Wasserabsorptionsrate niedriger als 11% ist.
5 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate (%) und der Ionomerzersetzungsrate (%) in Bezug auf die Proben #1 bis #6 und #9 bis #11 zeigt. Basierend auf den Ergebnissen hinsichtlich der Proben #1 bis #6 und #9 bis #11 wurde festgestellt, dass in dem Bereich, in dem die Wasserabsorptionsrate kleiner oder gleich 30% ist, die Ionomerzersetzungsrate mit steigender Wasserabsorptionsrate abnimmt. Der Grund hierfür wird darin gesehen, dass mit dem Anstieg der Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht die Zersetzung des Ionomers bedingt durch Wasserstoffperoxid, das während des Beständigkeitstests erzeugt wird, stärker unterbunden wird. Somit wurde festgestellt, dass dann, wenn die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht größer oder gleich 11% ist, die Ionomerzersetzungsrate verringert ist im Vergleich zu dem Fall, dass die Wasserabsorptionsrate niedriger als 11% ist.
6 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate (%) und dem Gehalt an Fe µg/cm²) in Bezug auf die Proben #3 bis #6 und #9 bis #11 zeigt. Basierend auf den Ergebnissen hinsichtlich der Proben #3 und #9 bis #11 wurde festgestellt, dass selbst dann, wenn die relative Luftfeuchtigkeit während des Beständigkeitstests gleich ist (40% RH), die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht mit steigendem Gehalt an Fe in der Katalysatorenelektrodenschicht abnimmt. Der Grund hierfür wird darin gesehen, dass die Zersetzung des Ionomers aufgrund von Wasserstoffperoxid durch Fe gefördert wird, das in der Katalysatorenelektrodenschicht enthalten ist. Somit wurde festgestellt, dass der Gehalt an Fe in der Katalysatorenelektrodenschicht bevorzugt größer oder gleich 0 µg/cm² und kleiner oder gleich 0,14 µg/cm² ist.
7 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate (%) und der relativen Luftfeuchtigkeit (%) in Bezug auf die Proben #1 bis #6 und #9 zeigt. Basierend auf den Ergebnissen hinsichtlich der Proben #1 bis #6 wurde festgestellt, dass mit abnehmender relativer Luftfeuchtigkeit während des Beständigkeitstests die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht abnimmt. Der Grund hierfür wird darin gesehen, dass mit sinkender relativer Luftfeuchtigkeit während des Beständigkeitstests die Wahrscheinlichkeit steigt, dass das Ionomer während des Beständigkeitstests aufgrund von Wasserstoffperoxid zersetzt wird. Somit wurde festgestellt, dass die relative Luftfeuchtigkeit während des Beständigkeitstests bevorzugt auf 40% eingestellt wird, statt die relative Luftfeuchtigkeit auf einen niedrigeren Wert als 40% einzustellen. Ferner ist es stärker zu bevorzugen, eine Membranelektrodenanordnung 100 Stunden lang unter der Bedingung zu halten, dass während des Beständigkeitstests die Zelltemperatur 60°C beträgt, die relative Luftfeuchtigkeit 40% beträgt und die erzeugte Spannung 0,5 V beträgt.
8 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate (%) und dem Gasdiffusionswiderstand (s/m) in Bezug auf die Proben #3 bis #9 zeigt. Basierend auf den Ergebnissen hinsichtlich der Proben #3 bis #9, deren Wasserabsorptionsraten größer oder gleich 10% waren, wurde festgestellt, dass der Gasdiffusionswiderstand mit steigender Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht zunimmt. Der Grund hierfür wird darin gesehen, dass mit steigender Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht das Auftreten einer Überflutung bzw. ein Fluten aufgrund von Wasser, das in der Katalysatorenelektrodenschicht infolge eines Anschwellens des Ionomers zurückgehalten wird, wahrscheinlicher wird. Somit wurde festgestellt, dass dann, wenn die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht kleiner oder gleich 30% ist, der Gasdiffusionswiderstand vermindert ist im Vergleich zu dem Fall, dass die Wasserabsorptionsrate größer als 30% ist.
9 ist ein Relationsdiagramm, das eine Relation zwischen der Wasserabsorptionsrate (%) und der Leistungsabnahmerate (%) in Bezug auf die Proben #12 bis #16 zeigt. In Bezug auf die Proben #12 bis #14, deren Wasserabsorptionsraten größer oder gleich 11% und kleiner oder gleich 30% waren, betrugen die Leistungsabnahmeraten im Wesentlichen 0%. Dagegen betrug in Bezug auf die Probe #15, deren Wasserabsorptionsrate 8% betrug, und die Probe #16, deren Absorptionsrate 48% betrug, die Leistungsabnahmerate 4%. Somit wurde festgestellt, dass dann, wenn die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht größer oder gleich 11% und kleiner oder gleich 30% ist (d.h. die Wasserabsorptionsrate in dem Bereich von 11% bis 30% liegt), die Beständigkeit der Katalysatorenelektrodenschicht erhöht ist im Vergleich zu dem Fall, dass die Wasserabsorptionsrate außerhalb des Bereichs liegt. Ferner wurde basierend auf den Ergebnissen hinsichtlich der Proben #12 bis #16 festgestellt, dass die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht ungeachtet der relativen Luftfeuchtigkeit während des Beständigkeitstests, der Materialien und der Herstellbedingungen mit der Beständigkeit der Katalysatorenelektrodenschicht korreliert.
Somit wird davon ausgegangen, dass durch Steuern der Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht derart, dass die Wasserabsorptionsrate in dem angegebenen Bereich liegt, eine hohe Beständigkeit (hervorragende Beständigkeit) erhalten werden kann. Speziell, wie aus den in 3 gezeigten Ergebnissen hinsichtlich der Proben #1 bis #11 hervorgeht, ist es zu bevorzugen, dass die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht so gesteuert werden sollte, dass sie größer oder gleich 11% und kleiner oder gleich 30% ist (die Wasserabsorptionsrate sollte so gesteuert werden, dass sie im Bereich von 11% bis 30% liegt) und der Gehalt an Fe in der Katalysatorenelektrodenschicht sollte so gesteuert werden, dass er größer oder gleich 0 µg/cm² und kleiner oder gleich 0,14 µg/cm² ist (der Gehalt an Fe sollte so gesteuert werden, dass er im Bereich von 0 µg/cm² bis 0,14 µg/cm² liegt). Wenn die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht und der Gehalt an Fe in der Katalysatorenelektrodenschicht auf die vorgenannte Weise gesteuert werden, kann die Beständigkeit der Katalysatorenelektrodenschicht verbessert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorgenannte Ausführungsform beschränkt und kann auf verschiedene Arten umgesetzt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die Erfindung in nachstehend beschriebenen modifizierten Beispielen umgesetzt werden.
Erstes modifiziertes Beispiel
In der vorgenannten Ausführungsform wird die Katalysatorenelektrodenschicht, deren Wasserabsorptionsrate 11% bis 30% beträgt und deren Gehalt an Fe 0 µg/cm² bis 0,14 µg/cm² beträgt, als jede der Anode 22an und der Kathode 22ca verwendet. Jedoch kann nur eine der Anode 22an und der Kathode 22ca durch die vorgenannte Katalysatorenelektrodenschicht gebildet sein. Auch in diesem Fall lässt sich die Beständigkeit der Katalysatorenelektrodenschicht verbessern. Es ist zu bevorzugen, dass sowohl die Anode 22an als auch die Kathode 22ca durch die vorgenannten Katalysatorenelektrodenschichten gebildet sind.
Zweites modifiziertes Beispiel
Die Erfindung kann als ein Testverfahren für die Membranelektrodenanordnung umgesetzt werden. Beispielsweise wird in dem Testverfahren für die Membranelektrodenanordnung 23, die die Katalysatorenelektrodenschichten 22 wie in 1 gezeigt beinhaltet, die Brennstoffzelle 10 hergestellt, welche die Membranelektrodenanordnung 23 beinhaltet, und der Beständigkeitstest wird an der Brennstoffzelle 10 unter der Bedingung durchgeführt, dass die Zelltemperatur 60°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit 40% beträgt. Durch Testen der Brennstoffzelle 10 auf diese Weise ist es möglich, eine Beeinträchtigung der Membranelektrodenanordnung nach dem Test zu verringern. Speziell, wie aus den in 7 gezeigten Ergebnissen hervorgeht, liegt die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht im Bereich von 11% bis 30%, wenn die relative Luftfeuchtigkeit während des Beständigkeitstests 40% beträgt. Somit wurde festgestellt, dass es zu bevorzugen ist, die relative Luftfeuchtigkeit während des Beständigkeitstests auf 40% einzustellen, derart, dass die Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht nach dem Test größer oder gleich 11% ist und kleiner oder gleich 30% ist. Somit ist es durch Durchführen des Beständigkeitstests während des Testens möglich, eine Beeinträchtigung der Membranelektrodenanordnung zu unterbinden. Die Zelltemperatur während des Testens unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Doch ist es zu bevorzugen, dass die Zelltemperatur 60°C betragen sollte. Der Testzeitraum, während dessen der Beständigkeitstest durchgeführt wird, unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Es ist jedoch zu bevorzugen, dass der Testzeitraum 100 Stunden betragen sollte.

Claims

Katalysatorenelektrodenschicht (22), die in Berührung mit einer Elektrolytmembran (21) einer Brennstoffzelle (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass: ein Gehalt an Fe je Flächeneinheit der Katalysatorenelektrodenschicht (22) größer oder gleich 0 µg/cm² und kleiner oder gleich 0,14 µg/cm² ist und eine Wasserabsorptionsrate der Katalysatorenelektrodenschicht (22) größer oder gleich 11% und kleiner oder gleich 30% ist; und die Wasserabsorptionsrate berechnet wird nach (Q3 - Q1)/Q1 x 100 - (Q2 - Q1)/Q1 x 100, wobei Q1 ein Gewicht der Katalysatorenelektrodenschicht (22) ist, nachdem die Katalysatorenelektrodenschicht (22) 1 Stunde lang in einer Umgebung getrocknet wird, in der eine Temperatur 100°C beträgt und eine relative Luftfeuchtigkeit 0% beträgt, nachdem eine die Katalysatorenelektrodenschicht (22) beinhaltende Brennstoffzelle 100 Stunden lang unter einer Bedingung gehalten wird, dass eine Zelltemperatur 60°C beträgt, die relative Luftfeuchtigkeit 40% beträgt und eine erzeugte Spannung 0,5 V beträgt, Q2 ein Gewicht der Katalysatorenelektrodenschicht (22) ist, nachdem die Katalysatorenelektrodenschicht (22) ferner 1 Stunde lang in einer Umgebung gehalten wird, in der die Temperatur 70°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit 15% beträgt, und Q3 ein Gewicht der Katalysatorenelektrodenschicht (22) ist, nachdem die Katalysatorenelektrodenschicht (22) ferner 1 Stunde lang in einer Umgebung gehalten wird, in der die Temperatur 70°C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit 90% beträgt.
Katalysatorenelektrodenschicht (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: Katalysatormetall; einen Katalysatorträger, der das Katalysatormetall trägt; und ein Ionomer, wobei die Wasserabsorptionsrate je nach einer Art des Ionomers, einem Gewichtsanteil des Ionomers in der Katalysatorenelektrodenschicht (22), einer Art des Katalysatorträgers, einem Gewichtsanteil des Katalysatorträgers in der Katalysatorenelektrodenschicht (22) und einem Aufbau der Katalysatorenelektrodenschicht (22) variiert.
Membranelektrodenanordnung (23), dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: eine Elektrolytmembran (21); und die Katalysatorenelektrodenschicht (22) nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorenelektrodenschicht (22) auf mindestens einer von Oberflächen der Elektrolytmembran (21) vorgesehen ist.
Brennstoffzelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: die Membranelektrodenanordnung (23) nach Anspruch 3.