DE102017106833B4

DE102017106833B4 - Verfahren zur herstellung einer katalysatortinte zur herstellung einer brennstoffzellenkatalysatorschicht, durch das verfahren erhältliche katalysatortinte und membrananordnung, welche die katalysatortinte enthält

Info

Publication number: DE102017106833B4
Application number: DE102017106833.3A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Arai; Takashi Ozaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: US20170288236A1; CN107425203B; JP6315018B2; JP2017188269A; CN107425203A; DE102017106833A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht, das Verfahren umfassend:Vorbereiten eines Katalysatorkomposits umfassend einen SnO-Träger und Platin oder eine Platinlegierung geträgert auf einer Oberfläche davon, und eines Ionomers, das ein protonenleitendes Polymer ist;Mischen des Katalysatorkomposits, des Ionomers und eines Dispersionsmediums, in welchem zumindest Wasser und ein Alkohol mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen enthalten sind und ein Gehaltsanteil des Alkohols der höchste ist, unter solchen Bedingungen, dass ein Verhältnis (I/MO) einer Masse (I) des Ionomers zu einer Masse (MO) des SnO-Trägers in einem Bereich von 0,10 bis 0,12 ist, und ein Gehalt eines Feststoffs, der das Katalysatorkomposit und das Ionomer umfasst, 24 Masse-% oder mehr ist; undDispergieren von Aggregaten umfassend das Katalysatorkomposit und das Ionomer in dem Dispersionsmedium, durch Pulverisieren der Aggregate durch Anwenden von Scherkraft mit Verhindern von Reaggregation der pulverisierten Aggregate durch Anwenden von Kraft.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ein oder mehrere hierin offenbarte und beschriebene Ausführungsbeispiele betreffen ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht, eine durch das Verfahren erhältliche Katalysatortinte und eine Membrananordnung, welche die Katalysatortinte enthält.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Stand der Technik

Patent 1: JP 2002-100367 A
Patent 2: WO2015/050046 A1
Patent 3: EP 3 333 127 A1
Patent 4: US 2015 / 0 243 999 A1
Patent 5: US 2015 / 0 236 352 A1
Patent 6: JP 2007 - 111 582 A
Patent 7: US 2010 / 0 233 574 A1

Im Allgemeinen fungiert eine Katalysatorschicht für Polymerelektrolytbrennstoffzellen, welche umfasst einen Katalysator, einen den Katalysator tragenden elektrisch leitenden Träger und ein Ionomer, das ein protonenleitendes Polymer ist, als eine Elektrode oder ein Teil einer Elektrode und ist kombiniert mit einer Elektrolytmembran, um als eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu fungieren.
In Patentliteratur 1 sind eine Elektrode und ein Herstellungsverfahren davon offenbart, wobei die Elektrode Katalysatorteilchen (Rußschwarzteilchen, auf welchen ein Katalysatormetall geträgert ist) und eine Polymerionenaustauschkomponente umfasst. In Patentliteratur 1 wird erwähnt, dass das Gewicht der Rußschwarzteilchen und das von der Polymerionenaustauschkomponente als Wc bzw. Wp festgelegt ist, und eine Elektrode, die einer Brennstoffzelle ermöglicht, in nicht befeuchteten Bedingungen zu arbeiten, kann hergestellt werden durch Einstellen des Verhältnisses von Wc und Wp wie folgt: 0,4 ≤ Wp/Wc ≤ 1,25.
Inzwischen ist ein Elektrodenkatalysator in Patentliteratur 2 offenbart, welcher umfasst, als einen elektrisch leitenden Oxidträger, der sich verglichen mit Kohlenstoffträgern weniger wahrscheinlich durch Änderungen des Potenzials verschlechtert, ein Zinnoxid, umfassend ein oder mehrere hinzugefügte Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nb, Sb, Ta, In und V, und einen Edelmetallkatalysator, der auf der Oberfläche von dem Oxidträger geträgert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In dem Fall, in dem ein herkömmlich bekanntes Verfahren, wie in Patentliteratur 1 offenbart, angewendet wird, um eine Brennstoffzellenkatalysatorschicht herzustellen, und, statt eines Kohlenstoffträgers, der in dem herkömmlich bekannten Verfahren allgemein verwendet wird, wird ein Zinnoxid(SnO₂)-Träger zum Zwecke des Erhaltens einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht verwendet, die hohe Stabilität bei hohen Potentialen zeigt, hat jedoch die so hergestellte Brennstoffzellenkatalysatorschicht eine Schwierigkeit in der Anpassung an einen weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen, wo eine Brennstoffzelle voraussichtlich verwendet wird, und im Bereitstellen hoher Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen bis hohen Lasten.
Ein oder mehrere hierin offenbarte und beschriebene Ausführungsbeispiele wurden angesichts der vorstehenden Umstände erreicht. Eine Aufgabe eines oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht bereitzustellen, welche einen SnO₂-Träger umfassen kann und welche konfiguriert ist, in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen verwendbar zu sein und hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen zu hohen Lasten bereitzustellen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine durch das _Verfahren erhältliche Katalysatortinte und eine Membrananordnung, welche die Katalysatortinte enthält, bereitzustellen. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Gegenstände in den Ansprüchen 1, 5 und 6 gelöst.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht bereitgestellt, das Verfahren umfassend: Vorbereiten eines Katalysatorkomposits, das umfasst einen SnO₂-Träger und Platin oder eine Platinlegierung geträgert auf einer Oberfläche davon, und eines Ionomers, das ein protonenleitendes Polymer ist; Mischen des Katalysatorkomposits, des Ionomers und eines Dispersionsmediums, in welchem zumindest Wasser und ein Alkohol mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen enthalten sind, und ein Gehaltverhältnis des Alkohols der höchste ist, unter solchen Bedingungen, dass ein Verhältnis (I/MO) einer Masse (I) des Ionomers zu einer Masse (MO) des SnO₂-Trägers in einem Bereich von 0,10 bis 0,12 ist, und ein Gehalt eines das Katalysatorkomposit und das Ionomer umfassenden Feststoffs 24 Masse-% oder mehr ist; und Dispergieren von Aggregaten umfassend das Katalysatorkomposit und das Ionomer in dem Dispersionsmedium, durch Pulverisieren der Aggregate durch Anwendung von Scherkraft, mit Vorbeugen einer Reaggregation der pulverisierten Aggregate durch Anwendung von Kraft.
In der Mischung ist das Verhältnis (I/MO) der Masse (I) des Ionomers zu der Masse (MO) des SnO₂-Trägers in einem Bereich von 0,10 bis 0,12.
Der Alkohol kann t-Butanol oder Isopropanol sein.
Eine Planetenkugelmühle kann bei dem Dispergieren verwendet werden, oder eine Kugelmühle oder ein Mischer kann in Kombination mit einem Homogenisierer bei dem Dispergieren verwendet werden.
Das Ionomer kann ein Perfluorcarbonsulfonsäurepolymer, umfassend eine saure funktionelle Gruppe oder eine zyklische Gruppe, sein.
Gemäß einem oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele, kann das Verfahren zur Herstellung der Katalysatortinte zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht, welche einen SnO₂-Träger umfassen kann und welche konfiguriert, ist in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen verwendbar zu sein und hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen zu hohen Lasten bereitzustellen, bereitgestellt werden.
Figurenliste

1 ist ein Bild, das die Energieerzeugungsleistungen in verschiedenen relativen Feuchtigkeitsbedingungen und unter geringen Lasten von Brennstoffzellen umfassend die in Referenzbeispielen 1 und 2 sowie Beispiel 3 und Vergleichsbeispielen 1 bis 3 hergestellten Katalysatorschichten, zeigt;
2 ist ein Bild, das die Energieerzeugungsleistungen unter geringen und hohen Lasten der Brennstoffzellen umfassend die in Referenzbeispielen 1 und 2 sowie Beispiel 3 und Vergleichsbeispielen 1 bis 3 hergestellten Katalysatorschichten, zeigt;
3 ist eine Aufnahme der Oberfläche einer in Beispiel 4 hergestellten Katalysatorschicht;
4 ist eine Aufnahme der Oberfläche einer in Vergleichsbeispiel 4 hergestellten Katalysatorschicht; und
5 ist eine schematische Ansicht von mit Ionomeren bedeckten Katalysatorkompositen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das Verfahren zur Herstellung der Katalysatortinte zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht gemäß einem oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele umfasst: Vorbereiten eines Katalysatorkomposits, das umfasst einen SnO₂-Träger und Platin oder eine Platinlegierung geträgert auf einer Oberfläche davon, und eines Ionomers, das ein protonenleitendes Polymer ist; Mischen des Katalysatorkomposits, des Ionomers und eines Dispersionsmediums, in welchem zumindest Wasser und ein Alkohol mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen enthalten sind und ein Gehaltanteil des Alkohols der höchste ist, unter solchen Bedingungen, dass ein Verhältnis (I/MO) einer Masse (I) des Ionomers zu einer Masse (MO) des SnO₂-Trägers in einem Bereich von 0,10 bis 0,12 ist, und ein Gehalt eines das Katalysatorkomposit und das Ionomer umfassenden Feststoffs 24 Masse-% oder mehr ist; und Dispergieren von Aggregaten umfassend das Katalysatorkomposit und das Ionomer in dem Dispersionsmedium, durch Pulverisieren der Aggregate durch Anwendung von Scherkraft, mit Vorbeugen einer Reaggregation der pulverisierten Aggregate durch Anwendung von Kraft.
Im Allgemeinen besteht die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Kohlenstoffträger, der als der elektrisch leitende Träger eines Katalysators für eine Brennstoffzellenkatalysatorschicht verwendet wurde, bei hohen Potentialen verschlechtert. Um dieses Problem zu lösen, kann ein SnO₂-Träger, der bei hohen Potentialen stabil ist, für eine Brennstoffzellenkatalysatorschicht verwendet werden.
In Bezug auf eine Brennstoffzellenkatalysatorschicht umfassend einen Kohlenstoffträger, ist eine Technik zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht bekannt, welche sich an einen weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen anpassen kann, wo eine Brennstoffzelle voraussichtlich verwendet wird, durch Setzen des Masseverhältnisses des Kohlenstoffträgers und eines Ionomers in einer Katalysatortinte auf einen bevorzugten Bereich.
Jedoch, aufgrund von Unterschieden in Eigenschaften zwischen den Kohlenstoff- und SnO₂-Trägern, kann eine Katalysatorschicht, die konfiguriert ist, in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen verwendbar zu sein und hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen zu hohen Lasten bereitzustellen, nicht nur durch Ersetzen des in der Herstellungsmethode verwendeten Kohlenstoffträgers mit dem SnO₂-Träger erhalten werden.
Gemäß dem einen oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen, kann eine Katalysatortinte zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht, welche einen SnO₂-Träger umfassen kann und welche konfiguriert ist, um in einem Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen verwendbar zu sein und hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen zu hohen Lasten bereitzustellen, hergestellt werden, wobei das Verfahren durch alle der folgenden Merkmale gekennzeichnet ist: (1) das Verhältnis (I/MO) der Masse (I) des Ionomers, das das protonenleitfähige Polymer ist (im Folgenden kann es einfach als „Ionomer“ bezeichnet werden) zu der Masse (MO) des SnO₂-Trägers ist in dem Bereich von 0,10 bis 0,12; (2) der Gehalt des Feststoffes umfassend das Ionomer und das Katalysatorkomposit, das den SnO₂-Träger und Platin oder eine auf der Oberfläche geträgerte Platinlegierung umfasst, ist 24 Masse-% oder mehr; (3) das Dispersionsmedium, in welchem zumindest Wasser und ein Alkohol mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen enthalten sind und das Gehaltsverhältnis des Alkohols das höchste ist, wird verwendet; und (4) die Aggregate umfassend das Ionomer und das Katalysatorkomposit, das den SnO₂-Träger und das Platin oder auf seiner Oberfläche geträgerte Platinlegierung umfasst, sind in dem Dispersionsmedium dispergiert, durch Pulverisieren der Aggregate durch Anwendung von Scherkraft, mit Vorbeugen einer Reaggregation der pulverisierten Aggregate durch Anwendung von Kraft.
Im Folgenden wird das Herstellungsverfahren der Katalysatortinte zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht des einen oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen Schritt für Schritt beschrieben.
Die Vorbereitung
In der Vorbereitung des Herstellungsverfahrens des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele werden das Katalysatorkomposit, das einen SnO₂-Träger und Platin oder eine Platinlegierung geträgert auf der Oberfläche davon umfasst, und das Ionomer, das ein protonenleitendes Polymer ist, vorbereitet.
Der SnO₂-Träger
Gemäß des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele kann aufgrund der Verwendung des SnO₂-Trägers eine Brennstoffzellenkatalysatorschicht, die konfiguriert ist, hohe Stabilität und hohe Potentiale bereitzustellen, hergestellt werden.
Der SnO₂-Träger, der in dem Herstellungsverfahren des ein oder mehrerer Ausführungsbeispiele, die hierin offenbart und beschrieben sind, verwendet werden kann, ist nicht im Besonderen limitiert, solange er fähig ist einen Katalysator (Platin oder eine Platinlegierung) auf seiner Oberfläche zu trägern.
Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des SnO₂-Trägers ist nicht insbesondere limitiert, solange er in einem Bereich ist, der für Brennstoffzellenkatalysatorschichten praktisch anwendbar ist. Jedoch, wenn der SnO₂-Trägerteilchendurchmesser verglichen mit dem Teilchendurchmesser der Platinteilchen oder Platinlegierungsteilchen zu klein ist, kann es schwer sein, die Platinteilchen oder Platinlegierungsteilchen zu trägern. Wenn der SnO₂-Trägerteilchendurchmesser zu groß ist, erhöht sich das Volumen des Katalysatorkomposits, um die Dicke der Katalysatorschicht zu sehr zu erhöhen. Somit kann eine Abnahme in der Energieerzeugungsleistung auftreten. Entsprechend ist der SnO₂-Trägerteilchendurchmesser bevorzugt in einem Bereich von 7,5 bis 50 nm, mehr bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 30 nm, und noch mehr bevorzugt in einem Bereich von 22 bis 28 nm. Auch in dem einen oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der durchschnittliche Teilchendurchmesser durch Beobachten der SnO₂-Trägerteilchen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) bei einer Vergrößerung von 250000x, Messen der Teilchendurchmesser von ca. 250 der visuell bestätigten Teilchen unter der Annahme, dass die Teilchen sphärisch sind, und Bestimmen des Durchschnitts der Teilchendurchmesser als den durchschnittlichen Teilchendurchmesser, erhalten.
In dem durchschnittlichen Teilchendurchmesserbereich, der auf die Brennstoffzellenkatalysatorschicht praktisch anwendbar ist, wie in 5 gezeigt, werden Sekundärteilchen, von denen jedes aus Primärteilchen zusammengesetzt ist, in der Katalysatortinte durch das Katalysatorkomposit gebildet, das den SnO₂-Träger und das Platin oder eine Platinlegierung geträgert auf der Oberfläche davon umfasst. Jedes von den so geformten Sekundärteilchen ist mit dem Ionomer bedeckt. Jedoch sind die Größen der Sekundärteilchen ungeachtet der Teilchendurchmesser der Primärteilchen nahezu gleich (die Oberflächenareale der Sekundärteilchen pro Volumen des SnO₂-Trägers sind nahezu gleich) und der Abstand zwischen den Primärteilchen in jedem Sekundärteilchen ist recht klein. Folglich ist die Menge des zwischen den Primärteilchen anwesenden Ionomers (z.B. innerhalb jedes Sekundärteilchens) recht klein. Aus diesem Grund gibt es, selbst wenn sich der durchschnittliche Teilchendurchmesser des SnO₂-Trägers (Primärteilchen) in dem Katalysatorkomposit unterscheidet, keine Veränderung in dem optimalen Ionomervolumen zum Bedecken des SnO₂-Trägers mit einem festgelegten Volumen.
Die scheinbare (wahrnehmbare) Dichte des SnO₂-Trägers, welche praktisch anwendbar auf die Brennstoffzellenkatalysatorschicht ist, ist, selbst wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser oder -Form sich unterscheidet, in einem Bereich von 3,9 bis 4,0 g/cm³, da die Zusammensetzung dieselbe bleibt. Folglich gibt es, selbst wenn sich der mittlere Teilchendurchmesser oder -Form des SnO₂-Trägers unterscheidet, keine Änderung in dem optimalen Ionomervolumen zum Bedecken des SnO₂-Trägers mit einer fixierten Masse. Die scheinbare Dichte ist eine Dichte, die durch Packen des SnO₂-Trägers in eine Schraubflasche, für welche das Volumen bekannt ist, und Messen der Masse des gepackten SnO₂-Trägers, berechnet wird.
Folglich gibt es keinen Einfluss auf das bevorzugte I/MO-Verhältnis, das aus den nachstehend beschriebenen Beispiele erhalten wird, solange der SnO₂-Träger ein Träger ist, der fähig ist, den Katalysator auf der Oberfläche davon zu trägern.
Aus der Sicht von elektrischer Leitfähigkeit ist der SnO₂-Träger bevorzugt mit einer anderen Art von Metall dotiert. Als das Metall beinhalten Beispiele, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Wolfram und Antimon. Als die Form des SnO₂-Trägers beinhalten Beispiele, ohne aber darauf beschränkt zu sein, teilchenförmige Formen, wie z.B. eine sphärische Form oder eine oval-sphärische Form.
Das Katalysatorkomposit
Das Katalysatorkomposit, das in dem Herstellungsverfahren von einem oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet wird, ist der SnO₂-Träger, auf welchem Platin oder eine Platinlegierung, welche als Katalysator fungiert, geträgert ist.
Als die Form des Platins oder der Platinlegierung, geträgert als der Katalysator, beinhalten Beispiele, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Teilchenformen wie z.B. eine sphärische Form oder eine oval-sphärische Form. Zum Beispiel ist der durchschnittliche Teilchendurchmesser bevorzugt in einem Bereich von 3 bis 10 nm.
Die Menge des Platins oder der Platinlegierung geträgert auf der Oberfläche des SnO₂-Trägers ist nicht insbesondere limitiert. Im Allgemeinen ist das Masse-Träger-Verhältnis des Platins oder der Platinlegierung in Bezug auf das Katalysatorkomposit in einem Bereich von 5 Masse-% bis 20 Masse-%. Das Masse-Träger-Verhältnis kann durch die folgende Formel (1) erhalten werden:
$\begin{array}{l} \begin{array}{l} Masse - Tr \ddot{a} ger - Verh \ddot{a} ltnis (%) \\ = Masse des Katalysators / (Masse des Katalysators + {Masse des SnO}_{2^{^{-}}} \end{array} \\ Tr \ddot{a} gers) \times 100 \end{array}$
Das Ionomer
Das Ionomer, das in dem einem oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet wird, ist nicht insbesondere limitiert, solange es ein protonenleitendes Polymer ist. Als das Ionomer beinhalten Beispiele, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Nafion (Handelsname, erzeugt von: DuPont). Nafion ist ein Perfluorcarbon zusammengesetzt aus hydrophobem Teflon-(Handelsname)-Rahmen, welcher aus einer Kohlenstoff-Fluor-Bindung, und einer Perfluorcarbonseitenkette, welche eine Sulfonsäuregruppe beinhaltet, zusammengesetzt ist.
Im Allgemeinen sind Ionomere, die praktisch anwendbar für die Brennstoffzellenkatalysatorschicht sind, ähnlich in der Grundmolekularstruktur, selbst wenn sie unterschiedliche Arten von Ionomeren sind. Entsprechend ist die Polymerdichte in einem Bereich von 1,9 bis 2,0 g/cm³. Gemäß vorstehender Beschreibung gibt es, selbst wenn die Art des Ionomers sich ändert, keine Änderung in dem optimalen Ionomervolumen, das zum Bedecken des SnO₂-Trägers mit einer festgesetzten Masse benötigt wird. Folglich hat die Art des Ionomers keinen Einfluss auf den von den nachstehend beschriebenen Beispielen erhaltenen bevorzugten I/MO-Bereich. Die Polymerdichte kann, durch Herstellung eines Films mit einer einheitlichen Dichte und Messen der Masse und des Volumens des Films, berechnet werden. Da aber das Polymer ein Elektrolyt ist und die scheinbare Größe abhängig von seinem Feuchtezustand variiert, ist es notwendig, die Masse und das Volumen zu messen, wenn das Polymer in einem trockenen Zustand ist.
Im Allgemeinen nimmt für das Ionomer, das in dem einem oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet wird, die Löslichkeit ab, während das durchschnittliche Molekulargewicht zunimmt. Andererseits wird das Ionomer brüchig, wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser abnimmt. Folglich ist das durchschnittliche Molekulargewicht allgemein in einem Bereich von 10.000 bis 200.000, bevorzugt in einem Bereich von 100.000 bis 200.000 und noch mehr bevorzugt in einem Bereich von 150.000 bis 200.000.
Das Ionomer, das in dem einen oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet wird, ist bevorzugt ein Perfluorcarbonsulfonsäurepolymer, umfassend eine saure funktionelle Gruppe und eine zyklische Gruppe. Dies ist der Fall, weil das Ionomer hohes Gasdiffusionsvermögen aufweist und hohe Energieerzeugungsleistung, insbesondere bei hoher Last (hohe Stromdichte), bereitstellen kann. Das Perfluorcarbonsulfonsäurepolymer, umfassend eine saure funktionelle Gruppe und eine zyklische Gruppe, ist mehr bevorzugt ein Perfluorcarbon, umfassend ein hydrophobes Teflongerüst bestehend aus einer Kohlenstoff-Fluor-Bindung, und einer eine Sulfonsäuregruppe beinhaltende Perfluorcarbonseitenkette.
Das Mischen
In dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzellenkatalysatorschicht des einen oder mehrerer hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispiele werden das Katalysatorkomposit, das Ionomer und ein Dispersionsmedium unter solchen Bedingungen gemischt, dass das Verhältnis (I/MO) der Masse (I) des Ionomers zu der Masse (MO) des SnO₂-Trägers in einem Bereich von 0,10 bis 0,12 ist, und der Gehalt eines Feststoffs umfassend das Katalysatorkomposit und das Ionomer 24 Masse-% oder mehr ist.
Das Verhältnis (I/MO) der Masse (I) des Ionomers zu der Masse (MO) des SnO₂-Trägers
In dem Mischen des Herstellungsverfahrens der Brennstoffzellenkatalysatorschicht des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele ist das Verhältnis (I/MO) der Masse (I) des Ionomers zu der Masse (MO) des SnO₂-Trägers in einem Bereich von 0,10 bis 0,12, um die Brennstoffzellenkatalysatorschicht zu erhalten, die konfiguriert ist, in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen bei einer relativen Feuchte von 90 bis 250% verwendbar zu sein und hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen zu hohen Lasten bereitzustellen, selbst wenn ein SnO₂-Träger, der bei hohen Potentialen hoch stabil ist, als der Träger verwendet wird.
Im Allgemeinen, wenn die Ionomermenge verglichen mit dem elektrisch leitenden Träger in der Katalysatortinte gering ist, können der Katalysator und der elektrisch leitende Träger nicht hinreichend mit dem Ionomer bedeckt sein, sodass sie sich nicht an Änderungen in der relativen Feuchte von einer externen Umgebung adaptierten können. Wenn die Ionomermenge verglichen mit dem elektrisch leitenden Träger in der Katalysatortinte groß ist, erhöht sich die Dicke der den Katalysator und den elektrisch leitenden Träger bedeckenden Ionomerschicht, um den Widerstand der so hergestellten Brennstoffzellenkatalysatorschicht zu erhöhen. Folglich weist das Kompositionsverhältnis des Trägers und des Ionomers einen geeigneten Bereich auf. Zum Beispiel bewegt sich in dem Katalysatorschichtherstellungsverfahren von Patentliteratur 1 das Gewichtsverhältnis eines Kohlenstoffträgers und eines Ionomers bevorzugt von 0,4 bis 1,25. Verglichen mit dem bevorzugten Bereich von 0,4 bis 1,25 in dem Herstellungsverfahren von Patentliteratur 1, ist es klar, dass der I/MO-Bereich von 0,10 bis 0,12 in dem Herstellungsverfahren des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele, in welchen der SnO₂-Träger verwendet wird, ein ziemlich kleiner Bereich ist und sich absolut von dem Fall, in dem der Kohlenstoffträger verwendet wird, unterscheidet.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird die optimale Ionomermasse zum Bedecken des SnO₂-Trägers mit einer festgesetzten Masse nicht durch den mittleren Teilchendurchmesser und -Form von dem SnO₂-Träger und durch die Art des Ionomers beeinflusst. Folglich kann die Brennstoffzellenkatalysatorschicht, die konfiguriert ist, um in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen verwendbar zu sein und hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen zu hohen Lasten bereitzustellen, erhalten werden durch Verwenden des SnO₂-Trägers, der imstande ist, Platin oder eine Platinlegierung auf der Oberfläche davon zu trägern und des Ionomers, das ein protonenleitendes Polymer ist, und durch Festsetzen des I/MO in einem Bereich von 0,10 bis 0,12.
Der SnO₂-Träger und das Ionomer weisen eine Eigenschaft des einfachen Absorbierens und Freisetzens von Feuchte auf. Selbst wenn sie für Masse in einem Trockenzustand gemessen werden, kann eine Fehlerspanne von ca. 10% sein, abhängig von einem geringen Unterschied in den Messbedingungen. Es wird somit angenommen, dass die Brennstoffzellenkatalysatorschicht, die konfiguriert ist, in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen bei einer relativen Feuchte von 90 bis 250% verwendbar zu sein und hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen zu hohen Lasten bereitzustellen, erhalten werden kann, wenn das Verhältnis (I/MO) in einem Bereich von ±0,01 von dem experimentell erhaltenen Verhältnis (I/MO) der Masse (I) des Ionomer zu der Masse (MO) des SnO₂-Träger ist.
Das I/MO ist in einem Bereich von 0,10 bis 0,12, da die Niedrigfeuchtigkeitsseite (untere Grenze) des Verwendbaren erweitert ist, und die Brennstoffzellenkatalysatorschicht, die konfiguriert ist, in einem ziemlich weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen bei einer relativen Feuchte von 40 bis 250% verwendbar zu sein, erhalten werden kann. Aus der Sicht von praktischen Anwendungen besteht keine Notwendigkeit, einen Luftbefeuchter oder Ähnliches zu installieren, um ein Gas mit einer kontrollierten relativen Feuchte einer Brennstoffzellenelektrode zuzuführen; folglich kann eine Vereinfachung von einem Brennstoffzellensystem erzielt werden.
Die Feststoffkonzentration
In dem Mischen des Herstellungsverfahrens der Brennstoffzellenkatalysatorschicht des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele ist der Gehalt des das Katalysatorkomposit und das Ionomer umfassenden Feststoffs in der Katalysatortinte 24 Masse-% oder mehr. In einer Katalysatortinte umfassend einen Kohlenstoffträger ist der Gehalt des Feststoffs allgemein etwa 3 Masse-%, was absolut unterschiedlich von dem Gehalt des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele ist.
Wie vorstehend beschreiben, gemäß dem einen oder mehreren Ausführungsbeispielen, in welchen der SnO₂-Träger verwendet wird, um die Katalysatorschicht mit der erwünschten Leistung zu erhalten, ist es nötig, dass die Masse des Ionomers in Bezug auf die Masse des elektrisch leitenden Trägers kleiner ist, als in dem Fall des Verwendens des Kohlenstoffträgers. Als ein Ergebnis ist in einem oder mehreren Ausführungsbeispielen, in welchen der SnO₂-Träger verwendet wird, der Gehalt des Ionomer in dem Feststoff umfassend das Katalysatorkomposit und das Ionomer kleiner als in dem Fall des Verwendens des Kohlenstoffträgers.
Folglich, selbst wenn die Katalysatortinte umfassend den SnO₂-Träger und die den Kohlenstoffträger umfassende Katalysatortinte dieselbe Feststoffkonzentration aufweisen, verglichen mit der den Kohlenstoffträger umfassenden Katalysatortinte, ist die den SnO₂-Träger umfassende Katalysatortinte kleiner in der absoluten Menge des Ionomers, das zu der Bildung einer Struktur höherer Ordnung beiträgt, und erhält geringere Viskosität.
Jedoch ist das spezifische Gewicht des SnO₂-Trägers größer als das des Kohlenstoffträgers, und hohe Viskosität ist nötig, um das Katalysatorkomposit umfassend den SnO₂-Träger in der Katalysatortinte einheitlich zu dispergieren. Folglich, wenn die Katalysatortinte geringe Viskosität aufweist, gibt es ein derartiges neues Problem, dass eine einheitliche und transferierbare Katalysatorschicht nicht durch das Gießverfahren gebildet werden kann.
Folglich kann in dem Herstellungsverfahren des einen oder mehreren Ausführungsbeispielen, in welchen der SnO₂-Träger verwendet wird, die Bildung der einheitlichen und transferierbaren Katalysatorschicht durch das Gießverfahren erreicht werden durch Einstellen des Gehalts des Feststoffgehalts zu 24 Masse-% oder mehr und dabei Erhöhung der Viskosität der Katalysatortinte.
Die obere Grenze der Feststoffkonzentration ist nicht insbesondere begrenzt. Um das Katalysatorkomposit und das Ionomer in der Katalysatortinte einheitlich zu dispergieren, ist die obere Grenze bevorzugt 40 Masse-% oder weniger, und mehr bevorzugt 30 Masse-% oder weniger.
Das Dispersionsmedium
Das in dem Herstellungsverfahren des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele verwendete Dispersionsmedium ist nicht insbesondere limitiert, solange es zumindest Wasser und ein Alkohol mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen enthält, und der Gehaltsanteil des Alkohols in dem Dispersionsmedium der höchste ist.
Im Allgemeinen weist die Zusammensetzung des für die Katalysatortinte verwendeten Dispersionsmediums einen großen Einfluss auf die Dispersibilität des elektrisch leitenden Trägers und Ionomers und auf die Leistung der zu erhaltenden Katalysatorschicht auf. Folglich kann das Dispersionsmedium angemessen vorbereitet werden, abhängig von der Art der verwendeten elektrisch leitenden Träger und Ionomer.
Jedoch weist der SnO₂-Träger eine Fähigkeit auf, in einer Reduktionsbedingung einfach modifizierbar zu sein. Folglich, wenn das Dispersionsmedium eine große Menge an Alkohol mit einer geringen Kohlenstoffzahl und relativ hoher Reaktivität enthält, ist der SnO₂-Träger modifiziert und weist einen negativen Einfluss auf elektrische Leitfähigkeit oder auf die Bedeckung des Katalysatorkomposits mit dem Ionomer auf.
In dem Herstellungsverfahren des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele kann durch Erhöhen des Gehaltsverhältnisses des Alkohols mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen in dem Dispersionsmedium, wobei der Alkohol eine relativ geringe Reaktivität aufweist, die Dispergierbarkeit des Katalysatorkomposits und Ionomers aufrechterhalten werden ohne Modifizieren des SnO₂-Trägers.
Der Alkohol ist bevorzugt t-Butanol oder Isopropanol, in welchem eine verzweigte Struktur in einer Kohlenwasserstoffgruppe beinhaltet ist, und mehr bevorzugt t-Butanol, da die Reaktivität des Alkohols abnimmt.
Das Dispergieren
In dem Brennstoffzellenkatalysatorschichtherstellungsverfahren des einen oder mehrere hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele sind die Aggregate umfassend das Katalysatorkomposit und das Ionomer in dem Dispersionsmedium durch Pulverisieren der Aggregate durch Anwenden von Scherkraft dispergiert, mit Verhindern einer Reaggregation der pulverisierten Aggregate durch Anwenden von Kraft.
Gemäß vorstehender Beschreibung, falls der Gehalt des Feststoffs in der Katalysatortinte für bessere Gießeigenschaften erhöht ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die das Katalysatorkomposit und das Ionomer umfassenden Aggregate hergestellt werden. Somit gibt es ein derartiges Problem, dass das Katalysatorkomposit und das Ionomer weniger wahrscheinlich gleichmäßig dispergiert werden.
In dem Herstellungsverfahren von dem einen oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Aggregate, um das Katalysatorkomposit und das Ionomer gleichmäßig zu dispergieren, durch Pulverisieren der Aggregate durch Anwenden von Scherkraft dispergiert, mit Verhindern einer Reaggregation der pulverisierten Aggregate durch Anwenden von Kraft.
Wenn die Feststoffkonzentration in der Katalysatortinte auf 24% oder mehr erhöht ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die den SnO₂-Träger und das Ionomer umfassenden Aggregate hergestellt werden. Folglich, um das Katalysatorkomposit und das Ionomer gleichmäßig zu dispergieren, ist die Scherkraft des Pulverisierens der Aggregate und die Kraft des Verhinderns der Reaggregation der pulverisierten Aggregate notwendig.
Eine Vorrichtung kann in dem Dispergieren verwendet werden. Die Vorrichtung ist nicht im Besonderen limitiert, und eine Vorrichtung zum Pulverisieren der Aggregate kann verwendet werden. Als die Vorrichtung beinhalten Beispiele, sind aber nicht darauf limitiert, eine Planetenkugelmühle, eine Kugelmühle und einen Mischer, welche eine Eigenschaft des Anwendens von Scherkraft aufweisen.
Eine Vorrichtung zum Verhindern der Reaggregation der Aggregate kann verwendet werden. Als eine Vorrichtung beinhalten Beispiele, sind aber nicht darauf begrenzt, eine Planetenkugelmühle, eine Kugelmühle und einen Homogenisierer. Die reaggregationsverhinderte Kraft einer Kugelmühle ist geringer als die einer Planetenkugelmühle und eines Homogenisierers.
Folglich, in dem Dispergieren des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele ist es vorzuziehen, eine Planetenkugelmühle mit beiden, der Scherkraft des Pulverisierens der Aggregate und der Kraft des Verhinderns der Reaggregation, zu verwenden, oder es ist vorzuziehen, eine Kugelmühle oder einen Mischer mit der Scherkraft des Pulverisierens der Aggregate in Kombination mit einem Homogenisierer mit der Kraft zum Verhindern der Reaggregation, zu verwenden. Es ist mehr bevorzugt, eine Planetenkugelmühle zu verwenden.
Hier ist die Kugelmühle eine Vorrichtung zum Ausführen von Feinpulverisierung in solch einer Art und Weise, dass Rohmaterialien und Kugeln, welche als Pulverisierungsmedium dienen, in einen Zylinder gegeben werden und rotiert werden, um die Rohmaterialien durch Anwenden von Scherkraft, die abgeleitet ist von der Kollision und dem Schleifen der Kugeln und der Rohmaterialien, fein zu dispergieren.
Die Planetenkugelmühle ist eine Vorrichtung zum Ausführen von Feinpulverisierung durch Zugeben von Rotations-/ und Drehungsbewegung zu der Kugelmühle und dabei Anwenden stärkerer Zentrifugalkraft.
Der Mischer ist eine Vorrichtung zum Ausführen von Feinpulverisierung durch Anwenden von Scherkraft, die von der Zentrifugalkraft von Drücken von Gehalten gegen die innere Wand eines Behälters und der Kraft vom Bewegen der Inhalte durch einen Rotationsfluss abgeleitet ist.
Der Homogenisierer ist eine Einrichtung zum Ausführen von Feinpulverisierung durch Anwenden von Ultraschallvibration zu einer Lösung, Herstellen feiner Blasen aufgrund des resultierenden Druckunterschieds, und wiederholtem Anwenden von einer starken Wirkung auf Substanzen in der Lösung.
Die Dispersionszeit ist nicht insbesondere limitiert. Sie ist bevorzugt 3 Stunden oder mehr, und mehr bevorzugt 6 Stunden oder mehr.
Die Brennstoffzellenkatalysatorschicht
Die durch das Herstellungsverfahren von dem einen oder mehreren Ausführungsbeispielen, die hierin offenbart und beschrieben sind, erhaltene Brennstoffzellenkatalysatorschicht enthält das Katalysatorkomposit umfassend den SnO₂-Träger und das Platin oder die Platinlegierung geträgert auf der Oberfläche davon, und das das Katalysatorkomposit bedeckende Ionomer. Das Verhältnis (I/MO) der Masse (I) des Ionomers zu der Masse (MO) des SnO₂-Trägers ist in einem Bereich von 0,10 bis 0,12. Folglich kann die Brennstoffzellenkatalysatorschicht in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen verwendet werden und hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen zu hohen Lasten bereitstellen.
In dem einen oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Brennstoffzelle nicht insbesondere limitiert, solange sie eine Polyelektrolytmembran umfasst und chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt, durch Liefern eines Brennstoffgases und eines Oxidationsmittelgases zu Elektroden, von welchen jede zwei elektrisch verbundene Katalysatorschichten umfasst, und dabei eine elektrochemische Oxidation des Brennstoffs veranlasst.
Die Brennstoffzelle des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele besteht allgemein aus einem Stapel von Brennstoffzellen, von welchen jede eine Membranelektrodenanordnung (MEA) als die Grundstruktur umfasst. Die MEA besteht aus Elektroden, von welchen jede ein Paar von Katalysatorschichten umfasst, und der zwischen den Elektroden eingeklemmten Polyelektrolytmembran. Die durch das Herstellungsverfahren von dem einen oder mehreren Ausführungsbeispielen, die hierin offenbart und beschrieben sind, erhaltene Katalysatorschicht ist anwendbar für beide Oxidationsmittel- und Brennstoffelektroden.
Zusätzlich zu den Katalysatorschichten können die Elektroden eine Gasdiffusionsschicht und einen Stromabnehmer umfassen.
BEISPIELE
Das Herstellungsverfahren von dem einem oder mehreren hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsbeispielen wird weiter durch die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele verdeutlicht werden. Alle Angaben von „%“ sind „Masse-%“, soweit nicht anders angegeben.
Untersuchung des bevorzugten I/MO-Bereichs
(Herstellung von Katalysatorschichten zur Untersuchung von I/MO)
[Referenzbeispiel 1]
Vorbereitung
Ein Katalysatorkomposit (in welchem das Masse-Träger-Verhältnis von Platin geträgert auf der Oberfläche von dem folgenden SnO₂-Träger, erzeugt von Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., 15 Masse-% ist) und eine Ionomerdispersion (in welcher das folgende Ionomer A dispergiert wurde (10%) in einer Lösung von Wasser und Isopropanol bei einem Verhältnis von 1:1) wurden vorbereitet.
Der SnO₂-Träger ist ein Wolfram-dotierter SnO₂-Träger mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 25 nm und einer scheinbaren Dichte von 3,9 g/cm².
Das Ionomer A ist solch ein Perfluorcarbonsulfonsäurepolymer, umfassend eine saure funktionelle Gruppe und eine zyklische Gruppe, das eine Polymerdichte von 1,9 g/cm² aufweist und als ein Nafion (Handelsname)-basiertes fluoriniertes Sulfonsäurepolymer klassifiziert ist.
Mischen

Das Katalysatorkomposit, das Ionomer und ein Dispersionsmedium wurden gemischt, um aufzuweisen ein I/MO (das Verhältnis der Masse (I) des Ionomers A zu der Masse (MO) des SnO₂-Trägers) von 0,07 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration, wie in Tabelle 1 gezeigt. In den folgenden Tabellen, bedeutet BM Planetenkugelmühle; EtOH bedeutet Ethanol; IPA bedeutet Isopropanol; und t-BuOH bedeutet t-Butanol. Auch in Tabelle 1, sind Prozente, die in runden Klammern in den Spalten von H₂O, EtOH und IPA gezeigt sind, die Gehaltsverhältnisse von H₂O, EtOH und IPA in dem Dispersionsmedium. Tabelle 1

	Feststoffkonzentration	Dispersionsverfah ren	Hauptkomponente des Dispersionsmediums	Tintenzusammensetzung (g)					I/MO
	Feststoffkonzentration	Dispersionsverfah ren	Hauptkomponente des Dispersionsmediums	Ionomerdispersion	Katalysatorkomposit	H₂O	EtOH	IPA	I/MO
Vergleichsbeispiel 1	32%	BM	IPA	0,32	1,00	0,744 (34%)	0,65 (30%)	0,774 (36%)	0,04
Referenzbeispiel 1	33%	BM	IPA	0,64	1,00	0,778 (36%)	0,48 (22%)	0,878 (41%)	0,07
Referenzbeispiel 2	34%	BM	IPA	0,82	1,00	0,779 (37%)	0,38 (18%)	0,959 (45%)	0,09
Beispiel 3	34%	BM	IPA	0,97	1,00	0,777 (39%)	0,32 (16%)	1,007 (51%)	0,11
Vergleichsbeispiel 2	29%	BM	IPA	1,46	1,00	0,967 (34%)	0,40 (14%)	1,477 (52%)	0,17
Vergleichsbeispiel 3	24%	BM	IPA	1,93	1,00	1,189 (32%)	0,56 (15%)	1,959 (53%)	0,22

Dispergieren
Die so erhaltene, gemischte Lösung wurde bei 300 rpm für 6 Stunden durch Verwendung einer Planetenkugelmühle dispergiert (Produktname: PM200; erzeugt von: Retsch), dabei erhaltend eine Katalysatortinte.
Herstellung von Katalysatorschichten
Die Katalysatortinte wurde auf einem Polytetrafluorethylen(PTFE)-Blatt geformt, sodass die Platinmenge 0,2 mg pro 1 cm² Areal der Katalysatorschicht betrug. Die gegossene Katalysatortinte wurde natürlich getrocknet. Das PTFE-Blatt wurde in ein 1 cm Stück geschnitten und als die Katalysatorschicht von Referenzbeispiel 1 verwendet. Die Katalysatorschicht und eine Nafionmembran (Produktname: NR212; erzeugt von: DuPont), welche eine Elektrolytmembran ist, wurden gestapelt und dann durch Pressen dieser bei 3 MPa und 140 °C für 4 Minuten angebracht, dabei erhaltend eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
[Referenzbeispiel 2]
Die Katalysatorschicht und MEA von Referenzbeispiel 2 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,09 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Referenzbeispiel 2, wie in Tabelle 1 gezeigt, aufzuweisen.
[Beispiel 3]
Die Katalysatorschicht und MEA von Beispiel 3 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,11 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Beispiel 3, wie in Tabelle 1 gezeigt, aufzuweisen.
[Vergleichsbeispiel 1]
Die Katalysatorschicht und MEA von Vergleichsbeispiel 1 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,04 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Vergleichsbeispiel 1, wie in Tabelle 1 gezeigt, aufzuweisen.
[Vergleichsbeispiel 2]
Die Katalysatorschicht und MEA von Vergleichsbeispiel 2 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,17 und Zusammensetzung und Festkonzentration von Vergleichsbeispiel 2, wie in Tabelle 1 gezeigt, aufzuweisen.
[Vergleichsbeispiel 3]
Die Katalysatorschicht und MEA von Vergleichsbeispiel 3 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,22 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Vergleichsbeispiel 3, wie in Tabelle 1 gezeigt, aufzuweisen.
Untersuchung der Feststoffkonzentration
Herstellung von Katalysatorschichten zur Untersuchung der Feststoffkonzentration
[Beispiel 4]

Die Katalysatorschicht von Beispiel 4 wurde in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,11, eine Feststoffkonzentration des Katalysatorkomposits und Ionomers A von 24 Masse-%, und die Zusammensetzung von Beispiel 4, wie in Tabelle 2 gezeigt, aufzuweisen. Tabelle 2

	Feststoffkonzentration	Dispersionsverfah ren	Hauptkomponente des Dispersions- mediums	Tintenzusammensetzung (g)					I/MO
	Feststoffkonzentration	Dispersionsverfah ren	Hauptkomponente des Dispersions- mediums	Ionomerdispersion	Katalysatorkomposit	H₂O	EtOH	IPA	I/MO
Beispiel 4	24%	BM	IPA	5,00	5,00	5,47 (32%)	4,23 (25%)	7,30 (43%)	0,11
Vergleichsbeispiel 4	3%	BM	IPA	0,82	0,85	10,23 (30%)	8,41 (25%)	15,62 (46%)	0,11

[Vergleichsbeispiel 4]
Die Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 4 wurde in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,11, eine Feststoffkonzentration von 3 Masse-% und die Zusammensetzung von Vergleichsbeispiel 4, wie in Tabelle 2 gezeigt, aufzuweisen.
Untersuchung der Dispersionsmediumzusammensetzung
(Herstellung von Katalysatorschichten zur Untersuchung der Dispersionsmediumzusammensetzung)
[Referenzbeispiel 5]

Die Katalysatorschicht und MEA von Referenzbeispiel 5 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,07 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Referenzbeispiel 5, wie in Tabelle 3 gezeigt, aufzuweisen, in welchem das Gehaltsverhältnis des Isopropanols in dem Dispersionsmedium das höchste ist. Tabelle 3

	Feststoffkonzentration	Dispersionsverfah ren	Hauptkomponente des Dispersionsmediums	Tintenzusammensetzung (g)						I/MO
	Feststoffkonzentration	Dispersionsverfah ren	Hauptkomponente des Dispersionsmediums	Ionomerdispersion	Katalysatorkomposit	H₂O	EtOH	IPA	t-BuOH	I/MO
Referenzbeispiel 5	33%	BM	IPA	0,64	1,00	0,778 (36%)	0,48 (22%)	0,878 (41%)	0,00 (0%)	0,07
Referenzbeispiel 6	39%	BM	t-BuOH	0,64	1,00	0,778 (36%)	0,00 (0%)	0,288 (21%)	1,07 (39%)	0,07
Vergleichsbeispiel 5	27%	BM	EtOH	3,4	5,00	3,13 (33%)	5,67 (39%)	2,7 (29%)	0,00 (0%)	0,07

[Referenzbeispiel 6]
Die Katalysatorschicht und MEA von Referenzbeispiel 6 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,07 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Referenzbeispiel 6, wie in Tabelle 3 gezeigt, aufzuweisen, in welchem das Gehaltsverhältnis des t-Butanols in dem Dispersionsmedium das höchste ist.
[Vergleichsbeispiel 5]
Die Katalysatorschicht und MEA von Vergleichsbeispiel 5 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,07 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Referenzbeispiel 5, wie in Tabelle 3 gezeigt, aufzuweisen, in welchem das Gehaltsverhältnis des Ethanols in dem Dispersionsmedium das höchste ist.
Untersuchung des Dispersionsverfahrens
(Herstellung von Katalysatorschichten zur Untersuchung des Dispersionsverfahrens)
[Referenzbeispiel 7]

Die Katalysatorschicht und MEA von Referenzbeispiel 7 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,07 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Referenzbeispiel 7 aufzuweisen, wie in Tabelle 4 gezeigt, und die Dispersionszeit in dem Dispergieren 3 Stunden betrug. Tabelle 4

	Feststoffkonzentration	Dispersionsverfah ren	Hauptkomponente des Dispersions- mediums	Tintenzusammensetzung (g)					I/MO
	Feststoffkonzentration	Dispersionsverfah ren	Hauptkomponente des Dispersions- mediums	Ionomerdispersion	Katalysatorkomposit	H₂O	EtOH	IPA	I/MO
Referenzbeispiel 7	32%	BM (3h)	IPA	0,64	1,00	0,778 (36%)	0,48 (22%)	0,878 (41%)	0,07
Referenzbeispiel 8	33%	BM (6h)	IPA	0,64	1,00	0,778 (36%)	0,48 (22%)	0,878 (41%)	0,07
Referenzbeispiel 9	31%	Homogenisierer & FM Mischer	IPA	3,54	5,50	4,533 (39%)	3,09 (27%)	5,173 (45%)	0,07
Vergleichsbeispiel 6	28%	HS Mischer	IPA	0,62	0,92	0,849 (34%)	0,80 (32%)	0,879 (35%)	0,07

[Referenzbeispiel 8]
Die Katalysatorschicht und MEA von Referenzbeispiel 8 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,07 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Referenzbeispiel 8, wie in Tabelle 4 gezeigt, aufzuweisen.
[Referenzbeispiel 9]
Die Katalysatorschicht und MEA von Referenzbeispiel 9 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,07 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Referenzbeispiel 9 aufzuweisen, wie in Tabelle 4 gezeigt, und ein Homogenisierer (Produktname: Ultrasonic generator GSCVP-600; erzeugt von: UCE) in Kombination mit einem FM-Mischer (Produktname: FILMIX Model 80; erzeugt von: PRIMIX Corporation) in dem Dispergieren verwendet wurde.
[Vergleichsbeispiel 6]
Die Katalysatorschicht und MEA von Vergleichsbeispiel 6 wurden in derselben Art und Weise wie in Referenzbeispiel 1 hergestellt, ausgenommen, dass das Katalysatorkomposit, das Ionomer A und das Dispersionsmedium gemischt wurden, um ein I/MO von 0,07 und die Zusammensetzung und Feststoffkonzentration von Vergleichsbeispiel 6 aufzuweisen, wie in Tabelle 4 gezeigt, und ein HS-Mischer (Produktname: ULTRA-TURRAX T8; erzeugt von: IKA) in dem Dispergieren verwendet wurde.
Untersuchung der Katalysatorschichtleistung
Untersuchung der Energieerzeugungsleistung unter geringer Last
Energieerzeugung wurde ausgeführt durch Brennstoffzellen mit den vorstehend erhaltenen, darin eingebauten MEAn. In einigen relativen Feuchtigkeitsbedingungen wurden die Spannungsausgabewerte (V) bei einer Stromdichte von 0,2 A/cm² berechnet. Messbedingungen bei einigen relativen Feuchtigkeiten sind wie folgt:

(40 % RH)
- • Anodengas: Wasserstoffgas bei einer relativen Feuchte (RH) von 40% (Gasblasenkondensationspunkt 80°C)
- • Kathodengas: Reiner Sauerstoff bei einer relativen Feuchte (RH) von 40% (Gasblasenkondensationspunkt 80°C)
- • Zelltemperatur (Kühlwassertemperatur): 80°C
(90% RH)
- • Anodengas: Wasserstoffgas bei einer relativen Feuchte (RH) von 90% (Gasblasenkondensationspunkt 80°C)
- • Kathodengas: Reiner Sauerstoff bei einer relativen Feuchte (RH) von 90% (Gasblasenkondensationspunkt 80°C)
- • Zelltemperatur (Kühlwassertemperatur): 80°C
(250 % RH)
- • Anodengas: Wasserstoffgas bei einer relativen Feuchte (RH) von 250% (Gasblasenkondensationspunkt 50°C)
- • Kathodengas: Reiner Sauerstoff bei einer relativen Feuchte (RH) von 250% (Gasblasenkondensationspunkt 50°C)
- • Zelltemperatur (Kühlwassertemperatur): 50°C

Untersuchung der Energieerzeugungsleistung unter hoher Last
Energieerzeugung wurde ausgeführt durch Brennstoffzellen mit den vorstehend erhaltenden, darin eingebauten MEAn. Die Stromdichte (A/cm²) bei einem Spannungsausgabewert von 0,6 V wurde für jede der Brennstoffzellen unter der folgenden Bedingung berechnet:

• Anodengas: Wasserstoffgas bei einer relativen Feuchte (RH) von 90% (Gasblasenkondensationspunkt 80°C)
• Kathodengas: Reiner Sauerstoff bei einer relativen Feuchte (RH) von 90% (Gasblasenkondensationspunkt 80°C)
• Zelltemperatur (Kühlwassertemperatur): 80°C

Messung der Bedeckung der Platinoberfläche mit dem Ionomer
Die Bedeckung der Platinoberfläche der Katalysatorschicht mit dem Ionomer (Ionomerbedeckung) wurde gemessen. Die Ionomerbedeckung wurde berechnet durch Verwendung eines elektrochemischen Oberflächenareal-(ECSA)-Werts des Platins, welcher durch Ausführen von zyklischer Voltametrie -(CV)-Messung an einer der Elektroden in einem Fluorlösungsmittel berechnet wurde, und ein ECSA-Wert von dem Platin, welcher durch Ausführen einer CV-Messung in einem Wasserlösungsmittel berechnet wurde.
Genauer gesagt wurde das ECSA des Platins in Fluorinert FC-3283 (Produktname; erzeugt von: 3M) durch Verwendung der Brennstoffzellen mit den vorstehend erhaltenen, darin eingebauten MEAn berechnet. Fluorinert wurde der Kathode von jeder der vorstehend hergestellten Brennstoffzellen zugeführt, um die Kathode in Fluorinert einzutauchen. Auch wurde befeuchtetes Wasserstoffgas der Anode bei einer Versorgungsdurchflussrate von 0,5 (NL/min) zugeführt. Zu dieser Zeit waren die Temperaturen der Anode und Kathode 40°C, und der Kondensationspunkt der Anode war 40°C.
CV-Messung von jeder der Brennstoffzellen wurde ausgeführt, wenn die Kathode in Fluorinert eingetaucht wurde und die Anode mit Wasserstoff versorgt wurde. Der Strom (A), der durch jede der Brennstoffzellen floss, wurde gemessen, wenn die Spannung, die auf jede der Brennstoffzellen angewendet wurde, in einem Bereich von 0 bis 1,0 V war und die Sweep-Rate (Wobbelgeschwindigkeit) 50 mV/Sek war. Das Zyklovoltammogramm von jeder der Brennstoffzellen wurde aus der Beziehung zwischen der so erhaltenen Spannung und Strom erhalten. Ein Wert wurde durch Teilen der Ladungsmenge (C) am Wasserstoffdissorptionspeak durch die Ladungsmenge (C/m²) pro Einheit aktiven Oberflächenareals des Platins und der Masse (g) des Platins erhalten. Von dem so erhaltenen Wert, wurde das ECSA (m²/g-Pt) des Platins in dem Fluorlösungsmittel berechnet.
Das ECSA des Platins in dem Wasserlösungsmittel wurde in derselben Art und Weise wie das Verfahren zum Messen des ECSA des Platins in dem Fluorlösungsmittel berechnet, ausgenommen, dass anstelle von Fluorinert, die Kathode von jeder der Brennstoffzellen mit den vorstehend hergestellten, darin eingebauten MEAn in reinstes Wasser, durch Zuführen des Reinstwassers zu der Kathode, eingetaucht wurde.
Die Ionomerbedeckung wurde durch die folgende Formel (1) berechnet: $\begin{array}{l} \begin{array}{l} Die Ionomerbedeckung \\ = das ECSA (m^{2} / g - Pt) des Platins in dem Fluorl \ddot{o} sungsmittel / das ECSA \end{array} \\ (m^{2} / g - Pt) des Platins in dem Wasserl \ddot{o} sungsmittel \times 100 \end{array}$
Untersuchung der Feuchteabhängigkeit des elektrochemischen Oberflächenareals (ECSA)
Die Feuchtigkeitsabhängigkeit des ECSA wurde untersucht durch das nachfolgende Verfahren durch Berechnen des Verhältnisses (%) des in einer relativen Feuchtebedingung von 40% gemessenen ECSA, zu dem in einer relativen Feuchtebedingung von 90% gemessenen ECSA. Genauer gesagt wurde die Feuchtigkeitsabhängigkeit durch Teilen des in einer relativen Feuchtebedingung von 40% gemessenen ECSA durch das in einer relativen Feuchtebedingung von 90% gemessenen ECSA berechnet.
Ergebnisse der Untersuchungen
Ergebnisse der Untersuchung des bevorzugten I/MO-Bereichs

Die Ergebnisse der Untersuchung des bevorzugten I/MO-Bereichs sind in Tabelle 5 und 1 und 2 gezeigt. Tabelle 5

	I/MO	Energieerzeugungsleistung (80°C/90% RH)		Energieerzeugungsleistung (80°C/40% RH)	Energieerzeugungsleistung (50°C/250% RH)
	I/MO	geringe Last (V@0.2 A/cm²)	hohe Last (A/cm²@0.6 V)	geringe Last (V@0.2 A/cm²)	geringe Last (V@0.2 A/cm²)
Vergleichsbeispiel 1	0,04	0,823	2,00	0,774	0,656
Referenzbeispiel 1	0,07	0,815	2,10	0,772	0,816
Referenzbeispiel 2	0,09	0,803	2,05	0,755	0,807
Beispiel 3	0,11	0,832	2,23	0,809	0,811
Vergleichsbeispiel 2	0,17	0,818	2,00	0,829	0,747
Vergleichsbeispiel 3	0,22	0,703	0,36	0,802	0,261

Wie aus Tabelle 5 und 1 eindeutig hervorgeht, kann Vergleichsbeispiel 1, welches ein I/MO von 0,04 aufweist, relativ hohe Geringlastenergieerzeugungsleistung in einer relativen Feuchtebedingung von 90% RH bereitstellen. Jedoch kann Vergleichsbeispiel 1 die Energieerzeugungsleistung unter relativen Feuchtigkeitsbedingungen von 40% RH und 250% RH nicht aufrechterhalten. Es wird angenommen, dass dies der Fall ist, weil, da die Masse des Ionomers A hinsichtlich der Masse des SnO₂-Trägers klein ist, das Katalysatorkomposit nicht hinreichend mit dem Ionomer bedeckt sein kann.
Vergleichsbeispiel 3, welches ein I/MO von 0,22 aufweist, kann relativ hohe Energieerzeugungsleistung in einer relativen Feuchtigkeitsbedingung von 40% RH bereitstellen. Jedoch kann Vergleichsbeispiel 3 die Energieerzeugungsleistung in relativen Feuchtigkeitsbedingungen von 90% RH und 250% RH nicht aufrechterhalten. Es wird angenommen, dass dies der Fall ist, weil, da die Masse des Ionomers A hinsichtlich der Masse des SnO₂-Trägers übermäßig ist, die Dicke der Ionomerschicht, die das Katalysatorkomposit bedeckt, zu dick ist.
Vergleichsbeispiel 2, welches ein I/MO von 0,17 aufweist, kann relativ hohe Energieerzeugungsleistung unter relativen Feuchtigkeitsbedingungen von 40% und 90% RH bereitstellen. Jedoch kann Vergleichsbeispiel 2 die Energieerzeugungsleistung in einer relativen Feuchtigkeitsbedingung von 250% RH nicht aufrechterhalten. Verglichen mit Vergleichsbeispielen 1 und 3, weist Vergleichsbeispiel 2 höhere Robustheit bei Feuchtigkeitsänderung auf. Jedoch kann sich Vergleichsbeispiel 2 nur an relativ geringe Feuchtigkeitsumgebungen anpassen. Im Allgemeinen kann sich eine Brennstoffzelle an geringe Feuchtigkeitsumgebungen anpassen dadurch, dass sie ausgestattet ist mit einem Befeuchter und Befeuchten der Umgebungen mit dem Befeuchter. Jedoch kann sie sich nicht an Hochfeuchtigkeitsumgebungen anpassen, weil sie die Umgebungen nicht entfeuchten kann. Folglich kann die Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 2 nicht den Zweck des Anpassens an einen weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen, in welchen eine Brennstoffzelle erwartungsgemäß verwendet wird, erreichen.
Demgegenüber können die Katalysatorschichten von Referenzbeispielen 1 und 2 sowie Beispiel 3, welche ein I/MO in einem Bereich von 0,07 bis 0,11 aufweisen, relativ hohe Niedriglastenergieerzeugungsleistung in relativen Feuchtigkeitsbedingungen von zumindest 90% RH und 250% RH bereitstellen. Folglich können die Katalysatorschichten von Referenzbeispielen 1 und 2 sowie Beispiel 3, wenn sie in Kombination mit einem Befeuchter verwendet werden, den Zweck des Anpassens an einen weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen, in welchen eine Brennstoffzelle erwartungsgemäß verwendet wird, erreichen.
Vor allem könnte die Katalysatorschicht von Beispiel 3, welche ein I/MO von 0,11 aufweist, relativ hohe Energieerzeugungsleistung in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen von 40% RH, 90% RH und 250% RH bereitstellen. Das heißt, es ist offensichtlich, dass die Katalysatorschichten, die so hergestellt sind, dass sie ein I/MO von 0,11 aufweisen, den Zweck des Anpassens an einen weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen, in welchen eine Brennstoffzelle erwartungsgemäß verwendet wird, ohne einen Befeuchter erreichen.
Von Tabelle 5 und 2 ist es auch offensichtlich, dass Brennstoffzellen, die die Katalysatorschichten von Referenzbeispielen 1 und 2 sowie Beispiel 3 umfassen, welche ein I/MO in einem Bereich von 0,07 bis 0,11 aufweisen, eine Ausgabespannung von 0,8 V oder mehr unter Geringlastbedingung von 0,2 A/cm² (90% RH) und eine Stromdichte von 2,0 A/cm² oder mehr in einer Hochlastbedingung (90% RH) von einer Spannung von 0,6 V bereitstellen können.
Ergebnisse der Untersuchung der Feststoffkonzentration
3 zeigt ein Bild von der Katalysatorschicht von Beispiel 4, in welchem die Konzentration des Feststoffs, welcher das Katalysatorkomposit und Ionomer A in der Katalysatortinte umfasst, auf 24% in dem Mischen festgesetzt wurde. 4 zeigt ein Bild von einer Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 4, in welchem die Feststoffkonzentration auf 3% festgesetzt wurde.
Wie in 4 gezeigt, ist es offensichtlich, dass Risse auftreten an der Oberfläche von der Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 4 mit einer Feststoffkonzentration von 3%. Inzwischen ist es, wie in 3 gezeigt, offensichtlich, dass die Oberfläche der Katalysatorschicht von Beispiel 4 mit einer Feststoffkonzentration von 24% eben ist.
Selbst für Referenzbeispiele 1 und 2 sowie Beispiel 3 mit einer Feststoffkonzentration von 30% oder mehr, war die Oberfläche von der Katalysatorschicht eben. Folglich wird angenommen, dass der Grund für die Risse ist, weil die Katalysatortinte, die solch einen SnO₂-Träger aufweist, dass der bevorzugte I/MO-Bereich in einem Bereich von 0,07 bis 0,11 und geringer als die Katalysatortinte, die den Kohlenstoffträger umfasst, ist, schlechte Viskosität aufweist und nicht gleichförmig gegossen werden kann, wenn die Feststoffkonzentration weniger als 24% ist.
Leistungsuntersuchung wurde an der Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 4 nicht ausgeführt, weil die Oberfläche von der Katalysatorschicht Risse aufwies und damit kein MEA hergestellt werden konnte.
Ergebnisse der Untersuchung der Dispersionsmediumzusammensetzung

Die Ergebnisse der Untersuchung der Dispersionsmediumzusammensetzung sind in Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6

	Hauptkomponente des Dispersionsmediums	Energieerzeugungsleistung (80°C/90% RH)		Ionomerbedeckung	ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit
	Hauptkomponente des Dispersionsmediums	geringe Last (V@0.2 A/cm²)	hohe Last (A/cm²@0.6V)	Ionomerbedeckung	ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit
Referenzbeispiel 5	IPA	0,84	1,69	99%	78%
Referenzbeispiel 6	t-BuOH	0,853	1,81	99%	80%
Vergleichsbeispiel 5	EtOH	0,836	1,33	94%	60%

Wie eindeutig aus Tabelle 6 hervorgeht, ist für die Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 5, in welcher die Hauptkomponente des Dispersionsmediums Ethanol ist, die Ausgabespannung 0,836 V bei einer Stromdichte von 0,2A/cm², und es gibt kein Problem mit Energieerzeugungsleistung unter geringer Last. Jedoch ist die Stromdichte bei einer Ausgabespannung von 0,6 V 1,33 A/cm² und resultiert in geringer Energieerzeugungsleistung unter hoher Last. Das heißt, obwohl das I/MO 0,07 ist, kann die Katalysatorschicht hohe Energieerzeugungsleistung über einem Bereich von geringen bis hohen Lasten nicht bereitstellen. Auch wird angenommen, dass die Katalysatorschicht geringe Robustheit gegenüber Feuchtigkeit aufweist, da die Ionomerbedeckung und die ECSA- Feuchtigkeitsabhängigkeit so gering wie 94% bzw. 60% sind.
Unterdessen ist für die Katalysatorschicht von Referenzbeispiel 5, in welcher die Hauptkomponente des Dispersionsmediums Isopropanol mit 3 Kohlenstoffatomen ist, die Ausgabespannung bei einer Stromdichte von 0,2 A/cm² 0,84 V, und die Stromdichte bei einer Ausgabespannung von 0,6 V ist 1,60 A/cm². Das heißt, die Katalysatorschicht kann hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen zu hohen Lasten bereitstellen. Auch wird angenommen, dass die Katalysatorschicht hohe Robustheit bei Feuchtigkeit aufweist, da die Ionomerbedeckung und die ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit so hoch wie 99% bzw. 78% sind.
Für die Katalysatorschicht von Referenzbeispiel 6, in welcher die Hauptkomponente des Dispersionsmediums t-Butanol mit 4 Kohlenstoffatomen ist, ist die Ausgabespannung 0,853 V bei einer Stromdichte von 0,2 A/cm², und die Stromdichte ist 1,81 A/cm² bei einer Ausgabespannung von 0,6 V. Das heißt, die Katalysatorschicht kann eine höhere Energieerzeugungsleistung als Isopropanol über einem Bereich von geringen bis hohen Lasten bereitstellen. Auch wird angenommen, dass die Katalysatorschicht eine höhere Robustheit bei Feuchtigkeit als Isopropanol aufweist, da die Ionomerbedeckung und die ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit so hoch wie 99 % bzw. 80 % sind.
Ergebnisse der Untersuchung des Dispersionsverfahrens

Die Ergebnisse der Untersuchung des Dispersionsverfahrens sind in Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7

	Dispersionsverfahren	Energieerzeugungsleistung		Ionomerbedeckung	ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit
	Dispersionsverfahren	geringe Last (V@0.2 A/cm²)	hohe Last (A/cm²@0.6V)	Ionomerbedeckung	ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit
Referenzbeispiel 7	BM (3h)	0,805	1,95	99%	80%
Referenzbeispiel 8	BM (6h)	0,815	2,10	99%	89%
Referenzbeispiel 9	Homogenisierer & FM-Mischer	0,8	1,94	94%	72%
Vergleichsbeispiel 6	HS-Mischer	0,796	1,42	79%	53%

Wie eindeutig aus Tabelle 7 hervorgeht, ist für die Katalysatorschicht von Vergleichsbeispiel 6, im welcher der HS-Mischer (ein Mischer zum Pulverisieren aggregierter Teilchen durch Scherkraft, die von der Zentrifugalkraft des Drückens der Teilchen gegen die innere Wand eines Behälters und der Kraft des Bewegens der Teilchen durch einen Rotationsfluss abgeleitet ist) allein verwendet wurde, die Ausgabespannung bei einer Stromdichte von 0,2 A/cm² 0,796 V ist, und es gibt kein Problem mit Energieleistungserzeugung unter niedriger Last. Jedoch ist die Stromdichte bei einer Ausgabespannung von 0,6 V 1,42 A/cm² und resultierte in geringer Energieerzeugungsleistung unter hoher Last. Das heißt, obwohl das I/MO 0,07 ist, kann die Katalysatorschicht die hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von niedrigen zu hohen Lasten nicht bereitstellen. Es wird auch angenommen, dass die Katalysatorschicht eine geringe Robustheit gegenüber Feuchtigkeit aufweist, da die Ionomerbedeckung und die ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit so niedrig wie 79 % bzw. 53 % sind.
Wie vorstehend beschrieben, ist es wahrscheinlich, dass Aggregate von der Katalysatorzusammensetzung und dem Ionomer gebildet werden, wenn die Feststoffkonzentration auf 24% oder mehr erhöht ist, für den Zweck des Erhöhens der Viskosität der Katalysatortinte mit einem geringen I/MO zu einem Ausmaß, das den SnO₂-Träger mit einem großen spezifischen Gewicht dispergieren kann. Um die Katalysatorzusammensetzung und das Ionomer in dem Dispersionsmedium einheitlich zu dispergieren, ist es notwendig, die Scherkraft des Pulverisierens der Aggregate und die Kraft des Verhinderns der Reaggregation der pulverisierten Aggregaten anzuwenden. Der HS-Mischer kann die Aggregate durch die Schleifscherkraft pulverisieren, die von der Zentrifugalkraft des Drückens der Aggregate gegen die innere Wand eines Behälters und der Kraft des Bewegens der Aggregate durch einen Rotationsfluss abgeleitet ist. Sobald sich jedoch die pulverisierten Aggregate von dem Rotationsfluss wegbewegen, reaggregieren sie und machen es schwierig, sie dispergiert zu halten. Folglich wird für Vergleichsbeispiel 6, in welchem der HS-Mischer allein verwendet wurde, angenommen, dass die Aggregate während des Dispergierens nicht hinreichend pulverisiert und egelichmäßig dispergiert werden konnten.
Währenddessen ist für die Katalysatorschicht von Referenzbeispiel 9, in welchem der Homogenisierer (der aufweist eine Kraft des Verhinderns der Reaggregation durch Anwenden von Ultraschallvibration auf eine Lösung, Herstellen feiner Gasblasen aufgrund des resultierenden Druckunterschieds, und wiederholtes Anwenden einer starken Einwirkung auf Substanzen in der Lösung) in Kombination mit dem FM-Mischer (der aggregierte Teilchen durch Scherkraft pulverisiert, die von der Zentrifugalkraft des Drückens der Teilchen gegen die innere Wand eines Behälters und der Kraft des Bewegens der Teilchen durch einen Rotationsfluss abgeleitet ist) verwendet wurde, ist die Ausgabespannung 0,8 V bei einer Stromdichte von 0,2 A/cm², und ist die Stromdichte 1,94 A/cm² bei einer Ausgabespannung von 0,6 V. Das heißt, die Katalysatorschicht kann eine hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen bis hohen Lasten bereitstellen. Auch wird angenommen, dass die Katalysatorschicht eine hohe Robustheit bei Feuchtigkeit aufweist, da die Ionomerbedeckung und die ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit so hoch wie 94 % bzw. 72 % sind.
Für die Katalysatorschicht von Referenzbeispiel 7, in welchem die Dispersion für 3 Stunden durch die Verwendung der Planetenkugelmühle ausgeführt wurde, die sowohl die Scherkraft des Pulverisierens der Aggregate als auch die Kraft des Verhinderns der Reaggregation aufweist, ist die Ausgabedichte 0,805 V bei einer Stromdichte von 0,2 A/cm², und die Stromdichte ist 1,95 A/cm² bei einer Ausgabespannung von 0,6 V. Das heißt, die Katalysatorschicht kann eine hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen bis hohen Lasten bereitstellen. Auch wird angenommen, dass die Katalysatorschicht eine hohe Robustheit bei Feuchtigkeit aufweist, da die Ionomerbedeckung und die ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit so hoch wie 99% bzw. 80% sind.
Für die Katalysatorschicht von Referenzbeispiel 8, in welchem die Dispersion für 6 Stunden durch die Verwendung der Planetenkugelmühle ausgeführt wurde, ist die Ausgabespannung 0,815 V bei einer Stromdichte von 0,2 A/cm², und die Stromdichte ist 2,10 A/cm² bei einer Ausgabespannung von 0,6 V. Das heißt, die Katalysatorschicht kann eine sehr hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen bis hohen Lasten bereitstellen. Auch wird angenommen, dass die Katalysatorschicht eine hohe Robustheit bei Feuchtigkeit aufweist, da die Ionomerbedeckung und die ECSA-Feuchtigkeitsabhängigkeit so hoch wie 99% bzw. 89% sind.
Von den vorstehenden Ergebnissen ist es klar, dass die Brennstoffzellenkatalysatorschicht, die konfiguriert ist, in einem weiten Bereich von Feuchtigkeitsumgebungen verwendbar zu sein und eine hohe Energieerzeugungsleistung über einen Bereich von geringen bis hohen Lasten bereitzustellen, durch das Herstellungsverfahren der Katalysatortinte zur Herstellung der Brennstoffzellenkatalysatorschicht des einen oder mehrerer hierin offenbarter und beschriebener Ausführungsbeispiele bereitgestellt werden kann, wobei das Verfahren umfasst: Vorbereiten eines Katalysatorkomposits, das einen SnO₂-Träger und Platin oder eine Platinlegierung geträgert auf der Oberfläche davon umfasst, und ein Ionomer, das ein protonenleitendes Polymer ist; Mischen des Katalysatorkomposits, des Ionomers und eines Dispersionsmediums, in welchem zumindest Wasser und ein Alkohol mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen enthalten sind und der Gehaltsanteil des Alkohols das höchste ist, unter solchen Bedingungen, dass das Verhältnis (I/MO) der Masse (I) des Ionomers zu der Masse (MO) des SnO₂-Trägers in einem Bereich von 0,10 bis 0,12 ist, und der Gehalt von einem Feststoff, der das Katalysatorkomposit und das Ionomer umfasst, 24 Masse-% oder mehr ist; und Dispergieren von Aggregaten, die das Katalysatorkomposit und das Ionomer in dem Dispersionsmedium umfassen, durch Pulverisieren der Aggregate durch Anwenden von Scherkraft, mit Verhindern von Reaggregation der pulverisierten Aggregate durch Anwendung von Kraft.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Katalysatortinte zur Herstellung einer Brennstoffzellenkatalysatorschicht, das Verfahren umfassend: Vorbereiten eines Katalysatorkomposits umfassend einen SnO₂-Träger und Platin oder eine Platinlegierung geträgert auf einer Oberfläche davon, und eines Ionomers, das ein protonenleitendes Polymer ist; Mischen des Katalysatorkomposits, des Ionomers und eines Dispersionsmediums, in welchem zumindest Wasser und ein Alkohol mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen enthalten sind und ein Gehaltsanteil des Alkohols der höchste ist, unter solchen Bedingungen, dass ein Verhältnis (I/MO) einer Masse (I) des Ionomers zu einer Masse (MO) des SnO₂-Trägers in einem Bereich von 0,10 bis 0,12 ist, und ein Gehalt eines Feststoffs, der das Katalysatorkomposit und das Ionomer umfasst, 24 Masse-% oder mehr ist; und Dispergieren von Aggregaten umfassend das Katalysatorkomposit und das Ionomer in dem Dispersionsmedium, durch Pulverisieren der Aggregate durch Anwenden von Scherkraft mit Verhindern von Reaggregation der pulverisierten Aggregate durch Anwenden von Kraft.
Verfahren zur Herstellung der Katalysatortinte nach Anspruch 1, wobei der Alkohol t-Butanol oder Isopropanol ist.
Verfahren zur Herstellung der Katalysatortinte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Planetenkugelmühle in dem Dispergieren verwendet wird, oder eine Kugelmühle oder Mischer in Kombination mit einem Homogenisierer in dem Dispergieren verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung der Katalysatortinte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ionomer ein Perfluorcarbonsulfonsäurepolymer ist, das eine saure funktionelle Gruppe umfasst.
Katalysatortinte erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Membranelektrodenanordnung umfassend eine Katalysatorschicht erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.