DE102016125274A1

DE102016125274A1 - Kohlenstoffnanofaserkatalysatorsubstrat

Info

Publication number: DE102016125274A1
Application number: DE102016125274.3A
Authority: DE
Inventors: Mark S. Sulek; James A. Adams; Kevin James Rhodes; James Waldecker
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2017-07-13
Also published as: US20190036129A1; US20170200955A1; CN106972178A

Abstract

Es werden Brennstoffzellenkatalysatorschichten und Verfahren zum Herstellen derselben offenbart. Die Brennstoffzellenkatalysatorschicht kann ein Katalysatorsubstrat mit einer Vliesmatte aus Kohlenstoffnanofasern umfassen, die jeweils über einen Flächenteil und einen durch den Flächenteil eingegrenzten Masseteil verfügen. Mehrere Katalysatorpartikel können in der Katalysatorschicht enthalten sein, von denen mindestens ein erster Teil vollständig in dem Masseteil von jeder der Kohlenstoffnanofasern eingebettet ist. Das Verfahren kann das Spinnen einer Zusammensetzung, die ein Basispolymer, ein Lösungsmittel und einen Katalysatorvorläufer umfasst, zu einer Vliesfasermatte, in die der Katalysatorvorläufer eingebettet ist, umfassen. Die Matte kann dann karbonisiert werden, um ein Kohlenstofffasersubstrat zu bilden, und der Katalysatorvorläufer kann zur Reaktion gebracht werden, um in das Substrat eingebettete Katalysatorpartikel zu bilden. Das Einbetten der Katalysatorpartikel kann diese in dem Substrat verankern und davon abhalten, während des Brennstoffzellenbetriebs zu migrieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Kohlenstoffnanofaserkatalysatorsubstrate zum Beispiel für Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
HINTERGRUND
Brennstoffzellen, zum Beispiel Wasserstoffbrennstoffzellen, sind eine mögliche alternative Energiequelle zum Antreiben von Fahrzeugen. Im Allgemeinen umfassen Brennstoffzellen eine negative Elektrode (Anode), einen Elektrolyten und eine positive Elektrode (Kathode). In einer Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ist der Elektrolyt eine feste, protonenleitende Membran, die elektrisch isoliert, aber Protonen durchlässt. In der Regel wird die Brennstoffquelle, wie beispielsweise Wasserstoff, an der Anode unter Verwendung einer Bipolar- oder Strömungsfeldplatte eingeführt, wo sie mit einem Katalysator reagiert und sich in Elektronen und Protonen aufteilt. Die Protonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode, und die Elektronen treten durch einen äußeren Stromkreis und dann zur Kathode durch. An der Kathode reagiert Sauerstoff in Luft, die von einer anderen Bipolarplatte eingeführt wird, mit den Elektronen und den Protonen an einem anderen Katalysator, um Wasser zu bilden. Einer oder beide der Katalysatoren sind im Allgemeinen aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung, in der Regel Platin oder einer Platinlegierung, gebildet.
KURZDARSTELLUNG
In mindestens einer Ausführungsform ist eine Brennstoffzellenkatalysatorschicht vorgesehen, die ein Katalysatorsubstrat mit einer Vliesmatte aus Kohlenstoffnanofasern, die jeweils über einen Flächenteil und einen durch den Flächenteil eingegrenzten Masseteil verfügen, und mehrere Katalysatorpartikel, von denen mindestens ein erster Teil vollständig in dem Masseteil von jeder der Kohlenstoffnanofasern eingebettet ist, umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst die Katalysatorschicht auch einen zweiten Teil aus Katalysatorpartikeln, die in dem Flächenteil von jeder der Kohlenstoffnanofasern eingebettet sind. Ein Verhältnis zwischen dem ersten Teil aus Katalysatorpartikeln und dem zweiten Teil aus Katalysatorpartikeln kann mindestens 1:3 sein. Die Katalysatorpartikel können Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 20 nm umfassen. Die Katalysatorpartikel können Metallplatin umfassen. Die Kohlenstoffnanofasern können einen Durchmesser von höchstens 300 nm haben, und das Katalysatorsubstrat kann eine Dicke von 5 bis 12 µm haben. In einer Ausführungsform umfassen die Katalysatorpartikel Platin und die Katalysatorschicht hat eine spezifische Aktivität von mindestens 0,5 mA/cm² und eine Masseaktivität von mindestens 200 A/g(Pt). Die Kohlenstoffnanofasern können mehrere darin ausgebildete Poren aufweisen. In einer Ausführungsform sind mindestens ein Teil der mehreren Poren miteinander verbundene offene Poren.
In mindestens einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Bilden einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht vorgesehen. Das Verfahren kann das Spinnen einer Zusammensetzung, die ein Basispolymer, ein Lösungsmittel und einen Katalysatorvorläufer umfasst, zu einer Vliesfasermatte, in die der Katalysatorvorläufer eingebettet ist, das Karbonisieren der Vliesfasermatte zum Bilden eines Kohlenstofffasersubstrats und das zur Reaktion Bringen des Katalysatorvorläufers zum Bilden von in das Kohlenstofffasersubstrat eingebetteten Katalysatorpartikeln umfassen.
Der Spinnschritt kann das Elektrospinnen von Nanofasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 300 nm umfassen. Das Basispolymer kann Polyacrylnitril (PAN), ein PAN-Copolymer oder ein PAN-Derivat umfassen, und das Lösungsmittel umfasst Dimethylformamid (DMF). Der Katalysatorvorläufer kann Chloroplatinsäure umfassen, und der Reaktionsschritt kann Metallplatinkatalysatorpartikel bilden. Der Reaktionsschritt kann das Reduzieren des Katalysatorvorläufers zum Bilden von Katalysatorpartikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 20 nm umfassen. Die Zusammensetzung kann ferner eine Flüssigkeit umfassen, die mit dem Lösungsmittel nicht mischbar ist, und der Spinnschritt kann das Spinnen der Zusammensetzung zu einer Vliesfasermatte mit porösen Fasern umfassen. In einer Ausführungsform umfasst eine Mischung des Lösungsmittels und der nicht mischbaren Flüssigkeit 0,5 bis 20 Gew.-% der nicht mischbaren Flüssigkeit.
In mindestens einer Ausführungsform ist eine Brennstoffzelle als eine Anode, eine Kathode und eine Protonenaustauschmembran umfassend vorgesehen. Die Anode und/oder die Kathode können eine Katalysatorschicht umfassen, die Folgendes umfasst: ein Katalysatorsubstrat mit mehreren elektrogesponnenen Kohlenstoffnanofasern, die jeweils über einen Flächenteil und einen durch den Flächenteil eingegrenzten Masseteil verfügen, und mehrere Platinnanopartikel, die über den gesamten Masseteil jeder Kohlenstoffnanofaser verteilt sind.
Die Platinnanopartikel können Metallplatin sein und einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 20 nm haben. In einer Ausführungsform weisen die Kohlenstoffnanofasern mehrere miteinander verbundene offene Poren auf, die darin ausgebildet sind. Die mehreren Platinnanopartikel können gleichmäßig über den gesamten Masseteil jeder Kohlenstoffnanofaser verteilt sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell) gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Querschnitt einer PEMFC, der die Komponenten der Anode, Kathode und Protonenaustauschmembran gemäß einer Ausführungsform zeigt;
3 ist eine schematische Darstellung eines Elektrospinnsystems gemäß einer Ausführungsform;
4 ist eine schematische Darstellung eines elektrogesponnenen Faserkatalysatorsubstrats gemäß einer Ausführungsform;
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer gesponnenen Brennstoffzellenkatalysatorschicht gemäß einer Ausführungsform;
6 ist ein Bild der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (RTEM) eines elektrogesponnenen Kohlenstoffnanofaserkatalysatorsubstrats (CNF – Carbon Nanofiber), auf dem Platinpartikel angelagert sind;
7 ist ein RTEM-Bild eines elektrogesponnenen Kohlenstoffnanofaserkatalysatorsubstrats (CNF – Carbon Nanofiber), in das Platinpartikel eingebettet sind;
8 ist ein Diagramm, das Daten zur spezifischen Aktivität einer rotierenden Scheibenelektrode (RDE – Rotating Disk Electrode) für einen Standardkatalysator, einen nicht eingebetteten Katalysator und einen eingebetteten Katalysator beim Beginn des Lebenszyklus (BOL – Beginning of Life), bei 7.500 Zyklen und bei 15.000 Zyklen zeigt; und
9 ist ein Diagramm, das Daten zur Masseaktivität einer RDE für einen Standardkatalysator, einen nicht eingebetteten Katalysator und einen eingebetteten Katalysator beim Beginn des Lebenszyklus, bei 7.500 Zyklen und bei 15.000 Zyklen zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erfordert, werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hier offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist.
Bezug nehmend auf 1 und 2 ist ein Beispiel einer Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 10 dargestellt. Die PEMFC 10 umfasst im Allgemeinen eine negative Elektrode (Anode) 12 und eine positive Elektrode (Kathode) 14, die durch eine Protonenaustauschmembran (PEM – Proton Exchange Membrane) 16 (auch eine Polymerelektrolytmembran) getrennt sind. Die Anode 12 und die Kathode 14 können jeweils eine Gasdiffusionsschicht (GDL – Gas Diffusion Layer) 18, eine Katalysatorschicht 20 und eine Bipolar- oder Strömungsfeldplatte 22 umfassen, die einen Gaskanal 24 bildet. Die Katalysatorschicht 20 kann für die Anode 12 und die Kathode 14 gleich sein, allerdings kann die Anode 12 eine Katalysatorschicht 20' aufweisen, und die Kathode 14 kann eine andere Katalysatorschicht 20'' aufweisen. Die Katalysatorschicht 20' kann die Aufteilung von Wasserstoffatomen in Wasserstoffionen und Elektronen fördern, während die Katalysatorschicht 20'' die Reaktion von gasförmigem Sauerstoff, Wasserstoffionen und Elektronen zum Bilden von Wasser fördert. Außerdem können die Anode 12 und die Kathode 14 jeweils eine mikroporöse Schicht (MPL – Microporous Layer) 26 umfassen, die zwischen der GDL 18 und der Katalysatorschicht 20 angeordnet ist.
Die PEM 16 kann jede geeignete PEM sein, die im Fachgebiet bekannt ist, wie beispielsweise ein Fluorpolymer, zum Beispiel Nafion (ein sulfoniertes Tetrafluorethylen auf der Basis von Fluorpolymer-Copolymer). Die GDL 18 kann aus Materialien und durch Verfahren gebildet sein, die im Fachgebiet bekannt sind. Zum Beispiel kann die GDL 18 aus kohlefaserbasiertem Papier und/oder Tuch gebildet sein. GDL-Materialien sind im Allgemeinen hochporös (mit Porositäten von etwa 80 %), um den Transport von gasförmigen Reaktanten zur Katalysatorschicht (die im Allgemeinen eine Dicke von etwa 10 bis 15 µm aufweist) sowie den Transport von flüssigem Wasser aus der Katalysatorschicht zu ermöglichen. GDLs können mit einem nicht benetzenden Polymer, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE, allgemein bekannt unter dem Handelsnamen Teflon), so behandelt werden, dass sie hydrophob sind. Eine mikroporöse Schicht (MPL – Microporous Layer) kann auf der GDL-Seite, die der Katalysatorschicht gegenüberliegt, zum Unterstützen von Massetransport aufgetragen sein. Die MPL kann aus Materialien und durch Verfahren gebildet sein, die im Fachgebiet bekannt sind, zum Beispiel Kohlepulver und einem Bindemittel (z. B. PTFE-Partikel). Die Katalysatorschicht 20 kann ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung, wie beispielsweise Platin oder eine Platinlegierung, umfassen. Die Katalysatorschicht kann einen Katalysatorträger umfassen, der ein Katalysatormaterial tragen oder darauf angelagert aufweisen kann.
Die Bipolarplatten 22 können Kanäle 24 aufweisen, die zum Führen von Gasen darin bestimmt sind. Die Kanäle 24 können Luft oder Brennstoff (z. B. Wasserstoff) führen. Wie in 1 dargestellt, können die Platten 22 und Kanäle 24 um 90 Grad relativ zueinander gedreht sein. Alternativ können die Platten 22 und Kanäle in der gleichen Richtung ausgerichtet sein. Materialien für Bipolarplatten müssen unter Betriebsbedingungen der Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell) elektrisch leitend und korrosionsbeständig sein, um sicherzustellen, dass die Bipolarplatte ihre Funktionen – Zuführen von gasförmigen Reaktanten zur Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) und Aufnehmen von Strom aus der MEA – ausführt.
Bei herkömmlichen PEMFC umfasst die Katalysatorschicht in der Regel Platin, das auf Kohlenstoffpartikeln wie Ruß getragen wird. Bei Katalysatoren mit auf Kohlenstoff getragenem Platin wurden Beständigkeitsprobleme festgestellt, die mindestens teilweise auf Kohlenstoffkorrosion und Platinagglomeration beruhen. Ein Ansatz zum Reduzieren der Kohlenstoffkorrosion kann in der Verwendung von graphitischem Kohlenstoff bestehen, der einen kleineren Oberflächenbereich hat und für Kohlenstoffkorrosion weniger anfällig ist. Ein kleinerer Oberflächenbereich kann jedoch den Eintritt von Gasen in der Brennstoffzelle in den Katalysator reduzieren. Außerdem kann graphitischer Kohlenstoff anfälliger für Platinagglomeration sein, was den Oberflächenbereich des Platins und damit die Aktivität des Katalysators reduziert.
Entsprechend muss möglicherweise die Agglomeration oder Koaleszenz der Platinpartikel verbessert werden, um graphitischen Kohlenstoff zu einem effektiven Katalysatorsubstrat zu machen. Es wurde festgestellt, dass ein Ansatz zum Verhindern oder Reduzieren von Pt-Koaleszenz darin bestehen kann, die Stärke zu verbessern, mit der Platin an der Kohlenstoffstruktur verankert wird. Es wurde außerdem festgestellt, dass eine Funktionalisierung am Kohlenstoff die Pt-Verankerung und die Dispersion von Pt-Nanopartikeln verbessern kann. Ein Funktionalisierungsansatz kann im Einführen von Sauerstoff oder stickstoffhaltigen Funktionalitäten auf die graphitische Oberfläche zur Verbesserung der Grenzflächenadhäsion bestehen.
Es wurde festgestellt, dass das Spinnen (z. B. Elektrospinnen) von Katalysatorträger- oder Katalysatorsubstratmaterialien die Fähigkeit bereitstellen kann, die Katalysatormaterialien (z. B. Pt, Pd oder Legierungen davon) einzukapseln oder einzubetten, und dadurch die Agglomeration oder Koaleszenz von Katalysatormaterial verhindern oder reduzieren und die Verankerung und Dispersion des Katalysatormaterials erhöhen kann. Der gesponnene Katalysatorträger kann dann stabilisiert und zu Kohlenstoffnanofasern (z. B. Graphen eingewickelt in gestapelte Kegel, Tassen, Platten oder Zylinder) karbonisiert werden. Das gesponnene Kohlenstoffnanofaserkatalysatorsubstrat (CNF – Carbon Nanofiber) kann deshalb die Vorteile von graphitischem Kohlenstoff wie eine reduzierte Kohlenstoffkorrosion bereitstellen, ohne dass jedoch die erhöhte Agglomeration des Katalysatormaterials auftritt.
Entsprechend wird Bezug nehmend auf 3 bis 5 ein Verfahren zum Aufbereiten eines elektrogesponnenen Katalysatorsubstrats und eines dadurch hergestellten Katalysatorsubstrats offenbart. Das allgemeine Verfahren des Elektrospinnens ist im Fachgebiet bekannt und wird nicht ausführlich beschrieben. Kurz dargestellt, umfasst das Elektrospinnen das Anlegen einer hohen Spannung (z. B. 5 bis 50 kV) an ein Tröpfchen einer Polymerlösung oder -schmelze, wodurch ein starker Ladeeffekt in das Fluid induziert wird. Bei einer bestimmten Ladehöhe überwindet elektrostatische Repulsion die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und das Tröpfchen wird gestreckt, bis ein Flüssigkeitsstrom aus dem Tröpfchen ausgestoßen wird. Der Ausstoßpunkt wird als Taylor-Kegel bezeichnet. Durch molekulare Kohäsion bleibt der Strom derart zusammen, dass sich ein geladener Flüssigkeitsfaden bildet. Der Flüssigkeitsfaden beginnt, in der Luft fest zu werden, und an diesem Punkt migriert die Ladung in der Flüssigkeit in die Oberfläche der sich bildenden Faser. Kleine Krümmungen in der Faser führen zu einem Schlagprozess, der durch elektrostatische Repulsion verursacht wird. Der Schlagprozess verlängert und verschmälert die Fasern. Die sich hieraus ergebenden Fasern können einen durchschnittlichen Durchmesser (z. B. einen gleichmäßigen Faserdurchmesser) von 10 bis mehrere 100 nm haben, z. B. 10 bis 500 nm, 10 bis 300 nm, 50 bis 300 nm oder 100 bis 300 nm. Der Faserdurchmesser kann basierend auf den Spinnparametern/-variablen wie Spannung, Fluidviskosität, Lösungsmittelzusammensetzung, Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit und Abstand zwischen Spinnkopf und Kollektor variieren.
3 ist eine schematische Darstellung, die allgemein das Verfahren und die Vorrichtung beim Elektrospinnen beschreibt. Das Elektrospinnsystem 30 umfasst allgemein eine Stromversorgung 32, die eine Hochspannungsgleichstromversorgung (z. B. 5 bis 50 kV), eine Spinndüse 34, eine Spritze 36 und ein Kollektor 38 sein kann. Die Spinndüse 34 kann eine Injektionsnadel oder eine andere schmale und hohle Röhrenstruktur sein. Die Spinndüse 34 kann direkt an die Spritze 36 gebunden sein, oder sie kann über ein Rohr oder einen Schlauch 40 verbunden sein. Die Spinndüse kann von einem Ständer 42 gestützt sein, der angeordnet sein kann, um die Spinndüse 34 in einer bestimmten Position relativ zu dem Kollektor 38 zu halten (z. B. Höhe, horizontaler Abstand, Winkel). Die Spinndüse 34 oder der Ständer 42 kann über einen Draht 46 elektrisch an eine positive Klemme 44 der Stromversorgung 32 angeschlossen sein, und der Kollektor 38 kann über einen Draht 50 elektrisch an eine negative Klemme 48 der Stromversorgung 32 angeschlossen sein. Alternativ dazu kann der Kollektor 38 geerdet sein. Der Kollektor 38 kann in verschiedenen Formen bestehen, zum Beispiel als stationäre Platte, Drehwalze oder Förderband.
Beim Elektrospinnprozess kann eine Lösung, ein Sol-Gel, eine Partikelsuspension oder eine Schmelze auf Polymerbasis in die Spritze 36 geladen werden, die dann von einer Pumpe 52 betätigt werden kann, um die Polymerflüssigkeit 54 allgemein bei konstanter Geschwindigkeit in und durch die Spinndüse 34 zu drücken. Alternativ dazu kann die Polymerflüssigkeit 54 der Spinndüse unter konstantem Druck aus einem Tank zugeführt werden. Die Flüssigkeit wird an der Spinndüse 34 geladen und bildet einen Faden 56, wie weiter oben beschrieben. Während der Faden 56 fest wird, wird er zu einer Faser 58 geschlagen und am Kollektor 38 aufgenommen. Das Ergebnis des Elektrospinnprozesses kann eine Vliesbahn oder ein Maschengewebe aus Nanofasern sein. Eine Vielzahl von Faktoren oder Parametern kann die Größe und Eigenschaften der entstehenden Fasern 58 beeinflussen, unter anderem das Molekulargewicht, der Polydispersitätsindex und die Art des Polymers, die Lösungskonzentration, die Flüssigkeitseigenschaften (z. B. Viskosität, Leitfähigkeit und Oberflächenspannung), das elektrische Potential und die Fließgeschwindigkeit, der Abstand zwischen der Spinndüse 34 und dem Kollektor 38, die Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur und Feuchtigkeit), die Bewegung und/oder Größe des Kollektors 38 und die Größe der Nadel oder des Rohrs in der Spinndüse 34.
In mindestens einer Ausführungsform kann die Zusammensetzung oder das in das System 30 geladene Material ein Katalysatorsubstratmaterial umfassen. Das Katalysatorsubstratmaterial kann ein Basispolymer und ein Lösungsmittel, das zum Auflösen des Basispolymers in der Lage ist, umfassen. In einer Ausführungsform ist das Basispolymer Polyacrylnitril (PAN), ein PAN-Copolymer oder ein PAN-Derivat. Ein geeignetes Lösungsmittel für PAN kann Dimethylformamid (DMF) umfassen. Zusätzlich zu PAN können andere Grundstoffe verwendet werden, die wärmebehandelt werden können, um stabile, karbonisierte Fasern zu bilden, ohne zu schmelzen. Nicht einschränkende Beispiele können Cellulose, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid und Polystyrol umfassen. DMF oder andere geeignete Lösungsmittel können für diese Grundstoffe verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann zusätzlich zu dem Lösungsmittel eine andere Flüssigkeitskomponente wie Wasser, die mit dem Lösungsmittel nicht mischbar ist, in dem Katalysatorsubstratmaterial enthalten sein. Der Zusatz der nicht mischbaren Flüssigkeit kann dazu führen, dass die elektrogesponnenen Fasern selbst eine poröse Struktur haben (z. B. im Gegensatz zu dem hochporösen Gesamtsubstrat). Die poröse Struktur kann eine offene poröse Struktur mit miteinander verbundenen Poren sein. Eine offene poröse Struktur kann den Zutritt von Gasen zu den Katalysatorpartikeln weiter erhöhen. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass eine Mischung aus Lösungsmittel und einer anderen nicht mischbaren Flüssigkeit (z. B. Wasser) dazu führen kann, dass sich beim Elektrospinnprozess in den elektrogesponnenen Fasern Poren bilden. Die Poren können sich infolge einer Phasenumkehrung zwischen dem Lösungsmittel und dem Wasser (oder einer anderen nicht mischbaren Flüssigkeit) bilden.
Die Zusammensetzung der Mischung aus dem Lösungsmittel und der nicht mischbaren Flüssigkeit kann variiert werden, um die durchschnittliche Größe der in den elektrogesponnenen Fasern gebildeten Poren und/oder die Gesamtporosität der Fasern anzupassen. In einer Ausführungsform kann das Lösungsmittel den Großteil der Mischung (z. B. > 50 Gew.-%) umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann die nicht mischbare Flüssigkeit 0,5 bis 25 Gew.-% der Mischung, wobei der Rest Lösungsmittel ist, oder einen beliebigen Teilbereich darin umfassen. Zum Beispiel kann die nicht mischbare Flüssigkeit 0,5 bis 20 Gew.-%, 0,5 bis 15 Gew.-%, 1 bis 15 Gew.-%, 2 bis 15 Gew.-% oder 2 bis 12 Gew.-%, wobei der Rest Lösungsmittel ist, umfassen. Allgemein kann die Gesamtporosität der elektrogesponnenen Fasern mit einer größeren Menge der nicht mischbaren Flüssigkeit in der Mischung zunehmen. Die Auswirkung auf die Porengröße basierend auf der Menge der nicht mischbaren Flüssigkeit kann von dem verwendeten Lösungsmittel und der verwendeten nicht mischbaren Flüssigkeit abhängen.
Nachdem der Spinnprozess abgeschlossen ist und eine Vliesbahn oder ein Maschengewebe aus gesponnenen Fasern gebildet wurde, können die Fasern zu Kohlenstoffnanofasern (CNF – Carbon Nanofibers) verarbeitet werden. Die Umwandlung der gesponnenen Fasern in CNF kann ein zweistufiger Prozess mit Stabilisierung und Karbonisierung sein. Diese Schritte sind dem Durchschnittsfachmann bekannt und werden nicht ausführlich beschrieben. Die Stabilisierung umfasst allgemein das Erwärmen der Fasern auf eine Temperatur von 200 bis 300 °C (z. B. ungefähr 280 °C) für einen Zeitraum von einigen Minuten bis mehreren Stunden (z. B. 0,2 bis 4 Stunden). Die Stabilisierung kann in Luft durchgeführt werden. Die Karbonisierung umfasst allgemein das Erwärmen der stabilisierten Fasern auf eine Temperatur von mindestens 800 °C, zum Beispiel mindestens 850 °C, 900 °C oder 1.000 °C. Die Wärmebehandlung kann mindestens eine Minute oder mehrere Minuten (z. B. 1 bis 60 Minuten) dauern. Die Karbonisierung wird allgemein in einer inerten Umgebung wie Stickstoff oder Argon durchgeführt. Bei der Karbonisierung werden Nichtkohlenstoffatome von den Fasern entfernt und die Kohlenstoffatome ordnen sich in einem strukturierten Muster (z. B. Graphen) an. Auch wenn die Umwandlung der gesponnenen Fasern in CNF als ein zweistufiger Prozess beschrieben wird, können andere geeignete Umwandlungsverfahren, die im Fachgebiet bekannt sind, verwendet werden. Zum Beispiel ein einstufiger Prozess oder ein Prozess mit zwei oder mehr Schritten (z. B. mit einem zweistufigen Karbonisierungsschritt).
Katalysatormaterialien wie Platin, Palladium, andere Edelmetalle, Legierungen davon oder Metalloxide, die die Aktivität oder Beständigkeit steigern, können vor und/oder nach dem Spinnprozess in die oder auf den elektrogesponnenen Fasern aufgenommen werden. In mindestens einer Ausführungsform kann das Katalysatormaterial in die Lösung oder das in das Spinnsystem 30 geladene Material (z. B. im Katalysatorsubstratmaterial enthalten) aufgenommen werden. Das Katalysatormaterial kann in seiner endgültigen Form (z. B. Nanopartikel) oder als ein Vorläufer aufgenommen werden. In einer Ausführungsform ist das Katalysatormaterial Platin (z. B. reines oder Metallplatin). In Ausführungsformen, bei denen das Katalysatormaterial als ein Vorläufer in die Spinnlösung aufgenommen wird, kann der Vorläufer eine Verbindung umfassen, die durch eine nachfolgende Reaktion (z. B. Oxidation oder Reduktion) leicht in den endgültigen Katalysator umgewandelt wird. In einer Ausführungsform kann Chloroplatinsäure (H₂PtCl₆) als ein Platinkatalysatorvorläufer verwendet werden. Deshalb kann in einem Beispiel Chloroplatinsäure zusammen mit dem Basispolymer (z. B. PAN), dem Lösungsmittel (z. B. DMF) und optional der nicht mischbaren Flüssigkeit (z. B. Wasser) oder anderen Komponenten in das Katalysatorsubstratmaterial aufgenommen werden.
Beim Spinnprozess kann der Katalysatorvorläufer wie Chloroplatinsäure in die gesponnenen Fasern eingebettet und/oder an diese gebunden werden. Zur Umwandlung des Katalysatorvorläufers in ein endgültiges Katalysatormaterial wie Nanopartikel kann ein Reagens in die gesponnenen Fasern eingeführt oder auf diese aufgetragen werden, um mit dem Katalysatorvorläufer zu reagieren. Es kann jedes geeignete Reagens verwendet werden, das den Katalysatorvorläufer in das endgültige Katalysatormaterial (z. B. Metallplatin) umwandelt. Das Reagens kann den Vorläufer reduzieren oder oxidieren, um das endgültige Katalysatormaterial zu bilden. In einer Ausführungsform kann das Reagens den Vorläufer reduzieren. Ein Beispiel eines Reagens kann Wasserstoff sein. Zum Beispiel kann Wasserstoff verwendet werden, um Chloroplatinsäure zu reduzieren und Metallplatin zu bilden. Die Umwandlung des Vorläufers in das endgültige Katalysatormaterial kann vor oder nach dem Stabilisierungs-/Karbonisierungsprozess durchgeführt werden. In einer Ausführungsform wird die Umwandlung danach durchgeführt.
Ein Beispiel einer Katalysatorschicht 60 mit einem elektrogesponnenen CNF-Substrat 62 mit eingebetteten Katalysatorpartikeln 64 ist in 4 gezeigt. Das Katalysatorsubstrat 62 kann eine Vliesbahn, eine Matte oder ein Maschengewebe sein. Wie in der vergrößerten Ansicht gezeigt, können in das Katalysatorsubstrat 62 Katalysatorpartikel 64 eingebettet sein. Das Katalysatorsubstrat 62 kann einen äußeren Flächenteil 66 und einen Masseteil oder inneren Teil 68, der durch das Flächenteil 66 eingegrenzt ist, haben. Entsprechend kann zusätzlich zu einem Teil, der sich an der Fläche 66 der Fasern befindet, mindestens ein Teil der Partikel 64 vollständig innerhalb des Masseteils 68 des Substrats 62 angeordnet oder eingebettet sein. In mindestens einer Ausführungsform kann ein wesentlicher Teil der Partikel 64 in den Masseteil 68 eingebettet sein. In einer Ausführungsform können die Partikel 64, die in der Masse 68 eingebettet sind, die Partikel 64, die in den Flächenteil 66 eingebettet oder auf diesem angeordnet sind, im Hinblick auf Gewicht und/oder Anzahl übertreffen. Ein Verhältnis des Gewichts oder der Anzahl der Masseteilpartikel gegenüber den Flächenteilpartikeln kann mindestens 1:3 sein, zum Beispiel mindestens 1:2, 1:1 oder 2:1 (z. B. mindestens 25 %, 33,3 %, 50 % oder 66,7 %). Die Partikel 64 können voneinander beabstandet sein und zum Beispiel gleichmäßig über den gesamten Masseteil 68 des Substrats 62 verteilt sein. Die eingebetteten Partikel 64 können deshalb in dem Substrat 62 verankert sein und daran gehindert oder gehemmt sein, während des Brennstoffzellenbetriebs zu migrieren. Dies kann eine Agglomeration des Katalysatormaterials verhindern oder deren Menge reduzieren, wobei ein großer Oberflächenbereich und eine hohe Aktivität des Katalysators beibehalten werden. In Ausführungsformen, bei denen der Elektrospinnmischung eine nicht mischbare Flüssigkeit hinzugefügt wird, kann das Substrat 62 zusätzliche Porosität aufweisen. Diese Poren können eine erhöhte Gasdiffusion zu den eingebetteten Partikeln 64 begünstigen, wodurch die katalytische Aktivität dieser Katalysatorschicht 60 erhöht werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann das Katalysatormaterial nach dem Spinnprozess auf dem Katalysatorsubstrat angelagert werden. Das Katalysatormaterial kann direkt in seiner endgültigen Form (z. B. Metallplatin) oder unter Verwendung eines Vorläufers auf dem Katalysatorsubstrat angelagert werden. In ähnlicher Weise wie bei den eingebetteten Ausführungsformen kann der Vorläufer eine Verbindung umfassen, die durch eine Reaktion (z. B. Oxidation oder Reduktion), die im Wesentlichen gleichzeitig mit der Anlagerung oder in einem nachfolgenden Schritt erfolgen kann, leicht in den endgültigen Katalysator umgewandelt werden kann. In einer Ausführungsform kann Chloroplatinsäure (H₂PtCl₆) als ein Platinkatalysatorvorläufer verwendet werden. In einer Ausführungsform kann Chloroplatinsäure auf der Katalysatorsubstratoberfläche angelagert werden. Zum Beispiel kann Chloroplatinsäure angelagert und durch eine Nasschemietechnik unter Verwendung eines Reduktionsmittels wie Wasserstoff oder Ethylenglycol reduziert werden.
Zur Umwandlung des Katalysatorvorläufers in ein endgültiges Katalysatormaterial wie Nanopartikel kann ein Reagens in das Katalysatorsubstrat eingeführt oder auf dieses aufgetragen werden, um mit dem Katalysatorvorläufer zu reagieren. Das Reagens kann im Wesentlichen gleichzeitig mit der Anlagerung oder dem Vorläufer oder in einem nachfolgenden Schritt eingeführt werden. Es kann jedes geeignete Reagens verwendet werden, das den Katalysatorvorläufer in das endgültige Katalysatormaterial (z. B. Metallplatin) umwandelt. Das Reagens kann den Vorläufer reduzieren oder oxidieren, um das endgültige Katalysatormaterial zu bilden. In einer Ausführungsform kann das Reagens den Vorläufer reduzieren. Ein Beispiel eines Reagens kann Wasserstoff sein. Zum Beispiel kann Wasserstoff verwendet werden, um Chloroplatinsäure zu reduzieren und Metallplatin zu bilden. Die Anlagerung des Vorläufers und dessen Umwandlung in das endgültige Katalysatormaterial kann vor oder nach dem Stabilisierungs-/Karbonisierungsprozess durchgeführt werden. In einer Ausführungsform wird die Umwandlung danach durchgeführt.
Die Katalysatorpartikel, egal ob eingebettet oder auf der Oberfläche, können als Nanopartikel (z. B. mit einer Breite oder einem Durchmesser von weniger als 100 nm) gebildet werden. In einer Ausführungsform können die Nanopartikel eine durchschnittliche Breite oder einen durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 50 nm oder weniger als 25 nm haben. Zum Beispiel können die Nanopartikel eine durchschnittliche Breite oder einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 20 nm oder einem beliebigen Teilbereich darin wie 1 bis 15 nm, 1 bis 12 nm, 2 bis 12 nm, 2 bis 10 nm, 4 bis 10 nm, 5 bis 10 nm, 6 bis 10 nm, 2 bis 8 nm oder 2 bis 6 nm aufweisen.
In mindestens einer Ausführungsform sind die Katalysatornanopartikel aus Platin, Palladium oder anderen Edelmetallen oder Legierungen davon gebildet. In einer Ausführungsform sind die Nanopartikel reine oder Metallelemente wie Platin. Das Katalysatormaterial (z. B. Nanopartikel) kann 5 bis 50 Gew.-% der Katalysatorschicht oder einen beliebigen Teilbereich darin umfassen. Zum Beispiel kann das Katalysatormaterial 10 bis 40 Gew.-%, 15 bis 40 Gew.-%, 15 bis 35 Gew.-%, 20 bis 35 Gew.-%, 15 bis 30 Gew.-% oder 20 bis 30 Gew.-% der Katalysatorschicht umfassen.
Die Katalysatorschicht kann eine Katalysatorschicht auf der Anodenseite und/oder eine Katalysatorschicht auf der Kathodenseite sein. Die Verwendung auf beiden Seiten kann Vorteile gegenüber aktuellen Katalysatorschichten haben. Zum Beispiel kann die Katalysatorschicht auf der Kathodenseite nützlich sein, um ihre Aktivität für die Sauerstoffreduktion zu nutzen, und auf der Anodenseite kann sie den Widerstand der Nanofasern gegenüber Korrosion unter Bedingungen wie Wasserstoffmangel erhöhen. Die Katalysatorschicht kann eine Dicke von 2 bis 20 µm oder einem Teilbereich darin aufweisen. Zum Beispiel kann die Katalysatorschicht eine Dicke von 3 bis 15 µm, 5 bis 12 µm, 5 bis 10 µm oder ungefähr 8 µm (z. B. ±2 µm) haben. Die offenbarten Katalysatorschichten (z. B. eingebettete oder Oberflächen-Nanopartikel) können im Vergleich zu herkömmlichen Ruß- und Platinkatalysatorschichten (z. B. TKK-EA50E) eine größere spezifische und/oder Masseaktivität haben. Die spezifische Aktivität misst die katalytische Aktivität des Katalysators pro Flächeneinheit des Katalysators (z. B. Pt), und die Masseaktivität misst die katalytische Aktivität des Katalysators pro Masseeinheit des Katalysators.
In einer Ausführungsform können die offenbarten Katalysatorschichten beim Beginn des Lebenszyklus (BOL – Beginning of Life) der Brennstoffzelle eine spezifische Aktivität von mindestens 0,4 mA/cm² haben. Zum Beispiel kann die Katalysatorschicht beim Beginn des Lebenszyklus eine spezifische Aktivität von mindestens 0,5, 0,7, 0,9 oder 1,0 mA/cm² haben. In einigen Ausführungsformen kann sich die spezifische Aktivität während der Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöhen, zum Beispiel bei 7.500 Zyklen oder bei 15.000 Zyklen. Die spezifische Aktivität kann sich bei 7.500 oder bei 15.000 Zyklen auf mindestens 1,3 mA/cm² erhöhen. In einer anderen Ausführungsform können die offenbarten Katalysatorschichten beim Beginn des Lebenszyklus (BOL – Beginning of Life) der Brennstoffzelle eine Masseaktivität von mindestens 200 A/g(Pt) haben. Zum Beispiel können die Katalysatorschichten beim Beginn des Lebenszyklus eine Masseaktivität von mindestens 250 oder 300 A/g(Pt) haben.
Bezug nehmend auf 5 ist ein Flussdiagramm 100 für eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Katalysatorschicht mit Katalysatornanopartikeln gezeigt. In Schritt 102 wird das zu spinnende Material aufbereitet. Wie weiter oben beschrieben, kann das zu spinnende Material ein Basispolymer und ein Lösungsmittel, das zum Auflösen des Basispolymers in der Lage ist, umfassen. Das Basispolymer können PAN, ein PAN-Copolymer oder ein PAN-Derivat oder andere Grundstoffe sein, die wärmebehandelt werden können, um stabile, karbonisierte Fasern zu bilden. Das Lösungsmittel kann DMF oder ein anderes geeignetes Lösungsmittel sein. Wie weiter oben beschrieben, kann dem Lösungsmittel eine zusätzliche nicht mischbare Flüssigkeit hinzugefügt werden, um Porosität in den gesponnenen Fasern zu erzeugen. In Ausführungsformen, bei denen Katalysatormaterial eingebettet werden soll, kann das Spinnmaterial auch einen Katalysatorvorläufer wie Chloroplatinsäure (H₂PtCl₆) umfassen.
In Schritt 104 kann das Spinnmaterial zu einem Faserkatalysatorsubstrat gesponnen werden. Die Fasern können Nanofasern sein. Das Spinnen kann Elektrospinnen sein und eine Vliesbahn, ein Maschengewebe oder eine Matte bilden. In Schritt 106 kann das Substrat wärmebehandelt werden, um die Fasern zu stabilisieren, und in Schritt 108 kann das Substrat bei einer zweiten, höheren Temperatur erwärmt werden, um die Fasern zu karbonisieren. Je nach Wärmebehandlungsplan können die Schritte 106 und 108 zu einem einzigen Schritt verbunden werden, oder die Schritte 106 und/oder 108 können in zusätzliche Schritte geteilt werden.
In Schritt 110 kann der Katalysatorvorläufer je nach Art des gebildeten Katalysatorsubstrats angelagert oder angelagert und zur Reaktion gebracht werden. In Ausführungsformen, bei denen der Katalysatorvorläufer in dem Spinnmaterial enthalten ist, kann Schritt 110 nur einen Reaktionsschritt zum Umwandeln des Katalysatorvorläufers in das endgültige Katalysatormaterial (z. B. Nanopartikel) umfassen. In Ausführungsformen, bei denen der Katalysatorvorläufer nicht in dem Spinnmaterial enthalten ist, kann Schritt 110 das Anlagern des Vorläufers auf dem Substrat und einen Reaktionsschritt zum Umwandeln des Katalysatorvorläufers in das endgültige Katalysatormaterial umfassen. Wie weiter oben beschrieben, können die Anlagerungs- und Reaktionsprozesse in den letzteren Ausführungsformen gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig sein. Der Reaktionsschritt in jeder der Ausführungsformen kann das Oxidieren oder Reduzieren des Vorläufers umfassen. Zum Beispiel kann der Vorläufer (z. B. Chloroplatinsäure) unter Verwendung von Wasserstoff reduziert werden, um Katalysatornanopartikel zu bilden. Wenn der Vorläufer in dem Spinnmaterial enthalten ist, kann der Reaktionsschritt eingebettete Katalysatorpartikel innerhalb des Fasersubstrats bilden. Wenn der Vorläufer nach dem Spinnschritt angelagert und zur Reaktion gebracht wird, können die Katalysatorpartikel an die Oberfläche des Fasersubstrats gebunden werden.
In Schritt 112 kann die Katalysatorschicht mit dem Faserkatalysatorsubstrat und Katalysatormaterial in eine Brennstoffzelle aufgenommen werden. Wie weiter oben beschrieben, kann die Katalysatorschicht in der Anode und/oder Kathode der Brennstoffzelle enthalten sein. Wenn die Katalysatorschicht in beiden enthalten ist, können die Schritte 102 bis 110 für jede Elektrode wiederholt werden. Die anderen Komponenten der Brennstoffzelle sind weiter oben beschrieben, und die Anordnung einer Brennstoffzelle ist dem Durchschnittsfachmann bekannt und wird nicht ausführlich beschrieben. Auch wenn die Katalysatorschicht im Kontext einer PEMFC (z. B. auf Wasserstoffbasis) beschrieben wurde, kann die Schicht auch für andere Arten von Brennstoffzellen oder für andere Anwendungen verwendet werden, bei denen ein Fasersubstrat mit darin eingebettetem und/oder darauf angelagertem Katalysatormaterial nützlich sein kann. Zum Beispiel kann die Schicht für Batterien (z. B. aufladbare Batterien) oder Kondensatoren verwendet werden. Wie weiter oben beschrieben, kann das Katalysatorsubstrat in der Form einer Vliesmatte bestehen. In einer anderen Ausführungsform kann jedoch das Katalysatorsubstrat in kleine Stücke gemahlen sein und in einer Katalysatortinte verwendet werden. In dieser Ausführungsform können die CNF weiterhin dieselben eingebetteten und/oder Oberflächenkatalysatorpartikel haben, jedoch diskrete Längen aufweisen, die kürzer sind als die ursprünglich gesponnenen Fasern.
Bezug nehmend auf 6 und 7 sind Beispiele von Bildern für ein eingebettetes und ein angelagertes Katalysatorsubstrat gezeigt. 6 zeigt ein Bild der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (RTEM) von einer elektrogesponnenen CNF, auf der Platin angelagert ist. Die Faser wurde aus PAN und DMF ohne einen Platinvorläufer in dem Spinnmaterial elektrogesponnen. Die Faser wurde dann stabilisiert und karbonisiert, bevor Chloroplatinsäure angelagert und gleichzeitig unter Verwendung von Wasserstoff reduziert wurde, um Platinnanopartikel auf der Faseroberfläche zu bilden. Die Pt-Partikel hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 6,54 nm, und die Pt-Partikel umfassten ungefähr 20 Gew.-% des Katalysatorsubstrats. 7 zeigt ein RTEM-Bild von einer elektrogesponnenen CNF, in der Platin eingebettet ist. Die Faser wurde aus PAN und DMF mit einem Chloroplatinsäureplatinvorläufer in dem Spinnmaterial elektrogesponnen. Die Faser wurde dann stabilisiert und karbonisiert, bevor die Chloroplatinsäure unter Verwendung von Wasserstoff reduziert wurde, um in die Faser eingebettete Platinnanopartikel zu bilden. Die Pt-Partikel hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 8,46 nm, und die Pt-Partikel umfassten ungefähr 15 Gew.-% des Katalysatorsubstrats. Wie gezeigt, sind die Pt-Partikel gleichmäßig über die Faser verteilt.
Bezug nehmend auf 8 und 9 sind experimentelle Daten für die Katalysatorsubstrate in 6 und 7 gezeigt. Die Leistung der eingebetteten und nicht eingebetteten Pt-Katalysatorschichten wurde mit einem Katalysator nach Industriestandard (TKK-EA50E) unter Verwendung einer rotierenden Scheibenelektrode (RDE) beim Beginn des Lebenszyklus (BOL – Beginning of Life), bei 7.500 Zyklen und bei 15.000 Zyklen verglichen. Der Standardkatalysator hatte eine Pt-Beladung von 47 Gew.-%, und dieser Wert betrug bei der nicht eingebetteten Katalysatorschicht 20 Gew.-% und bei der eingebetteten Katalysatorschicht 15 Gew.-%. Sowohl die eingebettete als auch die nicht eingebettete Katalysatorschicht übertraf den Standardkatalysator bei der spezifischen und bei der Masseaktivität bei allen Zykluszahlen. Wie in 8 gezeigt, zeigte die eingebettete Katalysatorschicht eine stark erhöhte spezifische Aktivität gegenüber der nicht eingebetteten Katalysatorschicht, die wiederum eine stark erhöhte spezifische Aktivität gegenüber dem Standardkatalysator hatte. Während die spezifische Aktivität des Standardkatalysators im Laufe der Zeit abnahm, verbesserte sie sich bei der nicht eingebetteten Katalysatorschicht auf jeder Stufe leicht. Bei der eingebetteten Katalysatorschicht zeigte sich eine wesentliche Verbesserung vom Beginn des Lebenszyklus bis 7.500 Zyklen und dann eine leichte Abnahme von 7.500 bis 15.000 Zyklen (jedoch weiterhin wesentlich über dem Wert beim Beginn des Lebenszyklus). Die Masseaktivitäten aller drei Katalysatorschichten nahmen im Laufe der Zeit ab, wobei die Aktivitätsniveaus von nicht eingebettet über eingebettet zu Standard verliefen.
Es werden gesponnene Katalysatorsubstrate offenbart, bei denen die Aktivität verbessert und die Katalysatoragglomeration reduziert ist. In einigen Ausführungsformen können Vorläufer des Katalysatormaterials (z. B. Pt) zu Fasern des Substrats gesponnen und nachfolgend zur Reaktion gebracht werden, um eingebettete Katalysatorpartikel (z. B. Nanopartikel) in den Katalysatorsubstratfasern zu bilden. Die eingebetteten Partikel können davon abgehalten werden, im Laufe der Zeit zu migrieren, wodurch die Agglomeration des Katalysatormaterials während der fortlaufenden Zyklen der Brennstoffzelle reduziert oder verhindert wird. Die eingebettete Katalysatorschicht stellt eine sehr hohe spezifische Aktivität bereit, insbesondere im Vergleich zu Standardrußsubstraten. Porosität kann in die gesponnenen Fasern eingeführt werden, um den Gastransport und den Zutritt von Gas zu dem Katalysatormaterial, das in die Fasern eingebettet ist, zu begünstigen.
Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung gebrauchten Worte eher Worte der Beschreibung als der Einschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
Es ist ferner beschrieben:

A. Brennstoffzellenkatalysatorschicht, die Folgendes umfasst: ein Katalysatorsubstrat mit einer Vliesmatte aus Kohlenstoffnanofasern, die jeweils einen Flächenteil und einen durch den Flächenteil eingegrenzten Masseteil aufweisen; und mehrere Katalysatorpartikel, von denen mindestens ein erster Teil vollständig in dem Masseteil von jeder der Kohlenstoffnanofasern eingebettet ist.
B. Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach A, die ferner einen zweiten Teil aus Katalysatorpartikeln umfassen, die in dem Flächenteil von jeder der Kohlenstoffnanofasern eingebettet sind.
C. Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach B, wobei ein Verhältnis zwischen dem ersten Teil aus Katalysatorpartikeln und dem zweiten Teil aus Katalysatorpartikeln mindestens 1:3 sein kann.
D. Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach A, wobei die Katalysatorpartikel Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 20 nm umfassen.
E. Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach A, wobei die Katalysatorpartikel Metallplatin umfassen.
F. Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach A, wobei die Kohlenstoffnanofasern einen Durchmesser von höchstens 300 nm haben und das Katalysatorsubstrat eine Dicke von 5 bis 12 µm hat.
G. Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach A, wobei die Katalysatorpartikel Platin umfassen und die Katalysatorschicht eine spezifische Aktivität von mindestens 0,5 mA/cm² und eine Masseaktivität von mindestens 200 A/g(Pt) hat.
H. Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach A, wobei die Kohlenstoffnanofasern mehrere Poren aufweisen.
I. Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach H, wobei mindestens ein Teil der mehreren Poren miteinander verbundene offene Poren sind.
J. Verfahren zum Bilden einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht, das Folgendes umfasst: Spinnen einer Zusammensetzung, die ein Basispolymer, ein Lösungsmittel und einen Katalysatorvorläufer umfasst, zu einer Vliesfasermatte, in die der Katalysatorvorläufer eingebettet ist; Karbonisieren der Vliesfasermatte zum Bilden eines Kohlenstofffasersubstrats und zur Reaktion Bringen des Katalysatorvorläufers zum Bilden von in das Kohlenstofffasersubstrat eingebetteten Katalysatorpartikeln.
K. Verfahren nach J, wobei der Spinnschritt das Elektrospinnen von Nanofasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 300 nm umfasst.
L. Verfahren nach J, wobei das Basispolymer Polyacrylnitril (PAN), ein PAN-Copolymer oder ein PAN-Derivat umfasst und das Lösungsmittel Dimethylformamid (DMF) umfasst.
M. Verfahren nach J, wobei der Katalysatorvorläufer Chloroplatinsäure umfasst und der Reaktionsschritt Metallplatinkatalysatorpartikel bildet.
N. Verfahren nach J, wobei der Reaktionsschritt das Reduzieren des Katalysatorvorläufers zum Bilden von Katalysatorpartikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 20 nm umfasst.
O. Verfahren nach J, wobei die Zusammensetzung ferner eine Flüssigkeit umfasst, die mit dem Lösungsmittel nicht mischbar ist, und der Spinnschritt das Spinnen der Zusammensetzung zu einer Vliesfasermatte mit porösen Fasern umfasst.
P. Verfahren nach O, wobei eine Mischung des Lösungsmittels und der nicht mischbaren Flüssigkeit 0,5 bis 20 Gew.-% der nicht mischbaren Flüssigkeit umfasst.
Q. Brennstoffzelle, die Folgendes umfasst: eine Anode, eine Kathode und eine Protonenaustauschmembran; die Anode und/oder die Kathode mit einer Katalysatorschicht, die Folgendes umfasst: ein Katalysatorsubstrat mit mehreren elektrogesponnenen Kohlenstoffnanofasern, die jeweils über einen Flächenteil und einen durch den Flächenteil eingegrenzten Masseteil verfügen; und mehrere Platinnanopartikel, die gleichmäßig über den gesamten Masseteil jeder Kohlenstoffnanofaser verteilt sind.
R. Brennstoffzelle nach Q, wobei die Platinnanopartikel Metallplatin sind und einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 20 nm haben.
S. Brennstoffzelle nach Q, wobei die Kohlenstoffnanofasern mehrere darin gebildete miteinander verbundene offene Poren aufweisen.
T. Brennstoffzelle nach Q, wobei die mehreren Platinnanopartikel gleichmäßig über den gesamten Masseteil jeder Kohlenstoffnanofaser verteilt sind.

Claims

Brennstoffzellenkatalysatorschicht, die Folgendes umfasst: ein Katalysatorsubstrat mit einer Vliesmatte aus Kohlenstoffnanofasern, die jeweils einen Flächenteil und einen durch den Flächenteil eingegrenzten Masseteil aufweisen; und mehrere Katalysatorpartikel, von denen mindestens ein erster Teil vollständig in dem Masseteil von jeder der Kohlenstoffnanofasern eingebettet ist.
Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach Anspruch 1, die ferner einen zweiten Teil aus Katalysatorpartikeln umfassen, die in dem Flächenteil von jeder der Kohlenstoffnanofasern eingebettet sind.
Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach Anspruch 2, wobei ein Verhältnis zwischen dem ersten Teil aus Katalysatorpartikeln und dem zweiten Teil aus Katalysatorpartikeln mindestens 1:3 sein kann.
Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorpartikel Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 bis 20 nm umfassen.
Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorpartikel Metallplatin umfassen.
Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffnanofasern einen Durchmesser von höchstens 300 nm haben und das Katalysatorsubstrat eine Dicke von 5 bis 12 µm hat.
Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorpartikel Platin umfassen und die Katalysatorschicht eine spezifische Aktivität von mindestens 0,5 mA/cm² und eine Masseaktivität von mindestens 200 A/g(Pt) hat.
Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffnanofasern mehrere Poren aufweisen.
Brennstoffzellenkatalysatorschicht nach Anspruch 8, wobei mindestens ein Teil der mehreren Poren miteinander verbundene offene Poren sind.
Verfahren zum Bilden einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht, das Folgendes umfasst: Spinnen einer Zusammensetzung, die ein Basispolymer, ein Lösungsmittel und einen Katalysatorvorläufer umfasst, zu einer Vliesfasermatte, in die der Katalysatorvorläufer eingebettet ist; Karbonisieren der Vliesfasermatte zum Bilden eines Kohlenstofffasersubstrats und zur Reaktion Bringen des Katalysatorvorläufers zum Bilden von in das Kohlenstofffasersubstrat eingebetteten Katalysatorpartikeln.