DE102017123939A1

DE102017123939A1 - Nanostrukturierte PEMFC-Elektrode

Info

Publication number: DE102017123939A1
Application number: DE102017123939.1A
Authority: DE
Inventors: Zijie Lu; Jun Yang; Mark S. Sulek; Chunchuan Xu; Kerrie K. GATH
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2018-04-19
Also published as: CN107959030B; US20180108919A1; CN107959030A; US10446851B2

Abstract

Eine Elektrode für eine Brennstoffzelle beinhaltet eine Katalysatorschicht neben einer Gasdiffusionsschicht und einer Protonenaustauschmembran, und ionomerfreie, mit aktivem Metall beladene Kohlenstoffnanostrukturen und ionomerbeschichtete Kohlenstoffnanostrukturen frei von aktivem Metall, die angeordnet sind, um dazwischen Poren zu definieren, um den Transport von Reaktionsgasen und Produktwasser in der Brennstoffzelle zu vereinfachen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung betrifft eine Brennstoffzellenelektrode und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Brennstoffzellen, wie etwa Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen (PEMFC), stellen eine attraktive Elektrizitätsquelle dar, da sie keine Emissionen generieren und eine erhöhte Energiesicherheit mit sich bringen. Zu den Hauptkomponenten jeder Brennstoffzelle gehören zwei Elektroden und ein ionenleitender Elektrolyt. Die Gestaltung der Elektroden erfordert eine aufwändige Optimierung von Materialien und Herstellungsprozessen, um eine gute Leitfähigkeit von Gas, Elektronen und Protonen zu gewährleisten, damit die resultierende Elektrode effizient und nicht für ein Überlaufen anfällig ist und während der Verwendung nicht übermäßig verschleißt. Zur Verbesserung ihrer katalytischen Funktion ist es wünschenswert, einen Oxidationsreduzierungsreaktions-(ORR)-Katalysator auf der Kathode einzubeziehen. Dennoch kann der Katalysator kostspielig sein.
KURZDARSTELLUNG
In mindestens einer Ausführungsform wird eine Elektrode für eine Brennstoffzelle offenbart. Die Elektrode beinhaltet eine Katalysatorschicht neben einer Gasdiffusionsschicht und einer Protonenaustauschmembran. Die Katalysatorschicht kann ionomerfreie, mit aktivem Metall beladene Kohlenstoffnanostrukturen und ionomerbeschichtete Kohlenstoffnanostrukturen frei von aktivem Metall beinhalten, die angeordnet sind, um dazwischen Poren zu definieren, um den Transport von Reaktionsgasen und Produktwasser in der Brennstoffzelle zu vereinfachen. Die Kohlenstoffnanostrukturen können mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen sein. Das aktive Metall kann Platin oder eine Platinlegierung mit zwei oder drei verschiedenen Metallen sein. Das Ionomer kann Perfluorsulfonsäure sein. Das Ionomer kann eine durchgehende Beschichtung auf einer Oberfläche jeder ionomerbeschichteten Kohlenstoffnanostruktur bilden. Die Beladung der Katalysatorschicht mit aktivem Metall kann ungefähr 3 bis 60 Gew.-% betragen. Das Verhältnis von Ionomer zu Kohlenstoffnanostruktur kann ungefähr 5:1 bis 1:5 betragen.
In einer anderen Ausführungsform wird eine Brennstoffzelleneinheit offenbart. Die Einheit kann eine bipolare Platte, eine Gasdiffusionsschicht neben der Platte, eine Protonenaustauschmembran und eine Katalysatorschicht beinhalten. Die Katalysatorschicht kann zwischen die Gasdiffusionsschicht und die Protonenaustauschmembran eingefügt sein. Die Katalysatorschicht kann ein Gemisch aus ionomerfreien, mit aktivem Metall beladenen Kohlenstoffnanostrukturen und ionomerbeschichteten Kohlenstoffnanostrukturen frei von aktivem Metall beinhalten. Die Kohlenstoffnanostrukturen können Nanoröhrchen, Nanofasern oder beides beinhalten. Die Nanostrukturen können Leerräume dazwischen definieren. Das Ionomer kann ein protonenleitendes Polymer sein. Das aktive Metall kann Platin oder eine Platinlegierung sein. Die Länge der Kohlenstoffnanostrukturen kann ungefähr 0,2 bis 30 µm betragen. Der Außendurchmesser der Kohlenstoffnanostrukturen kann ungefähr 10 nm bis 300 nm betragen.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bilden eines Brennstoffzellenelektrokatalysators offenbart. Das Verfahren kann das Abscheiden eines aktiven Metalls auf einer ersten Vielzahl von Kohlenstoffnanostrukturen beinhalten. Das Verfahren kann ferner das Beschichten einer Ionomerlösung auf einer zweiten Vielzahl von Kohlenstoffnanostrukturen beinhalten. Das Verfahren kann auch das Vermischen der ersten und zweiten Vielzahl, um eine Tinte zu bilden, beinhalten. Das Verfahren kann das Auftragen der Tinte auf eine Protonenaustauschmembran, um einen Brennstoffzellenelektrokatalysator zu bilden, beinhalten. Das aktive Metall kann durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden sein. Das Verfahren kann ferner das Vermischen der zweiten Vielzahl mit der Ionomerlösung und das Trocknen der ionomerbeschichteten zweiten Vielzahl vor dem Vermischen der ersten und zweiten Vielzahl beinhalten. Das Verhältnis von Ionomerlösung zu Kohlenstoffnanostruktur kann ungefähr 5:1 bis 1:5 betragen. Die Platinbeladung in dem gebildeten Elektrokatalysator kann ungefähr 0,03 bis 0,3 mg/cm² betragen. Die erste und zweite Vielzahl kann vor dem Vermischen der ersten und zweiten Vielzahl, um eine Tinte zu bilden, jeweils in einem Gemisch aus Wasser und Alkohol verteilt werden, um separate Suspensionen zu bilden.
Figurenliste

1 stellt eine auseinandergezogene schematische Ansicht einer beispielhaften Brennstoffzelleneinheit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
2 stellt eine schematische Ansicht einer Brennstoffzellenelektrode des Stands der Technik mit einer Katalysatorschicht dar;
3 stellt eine schematische Ansicht einer Brennstoffzellenelektrode, die eine Katalysatorschicht mit zwei Arten von Nanostrukturen gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen aufweist, dar; und
4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Brennstoffzellenelektrode mit einer Katalysatorschicht, die eine Vielzahl von Teilschichten aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Dabei versteht es sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die hierin offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert sein können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Maße oder Materialeigenschaften angeben, bei der Beschreibung des breitesten Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen.
Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle folgenden Verwendungen dieser Abkürzung hierin und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dasselbe Verfahren, das vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde, bestimmt.
Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet, impliziert, dass Mischungen aus beliebigen zwei oder mehreren der Elemente der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Die Beschreibung von Bestandteilen mit chemischen Fachbegriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Hinzufügung zu einer beliebigen in der Beschreibung spezifizierten Kombination und schließt nicht zwingend chemische Interaktionen zwischen Bestandteilen der Mischung, sobald diese vermischt ist, aus. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle folgenden Verwendungen dieser Abkürzung hierin und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dasselbe Verfahren, das vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde, bestimmt.
Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, welche chemische potentielle Energie aus einem Brennstoff, zumeist Wasserstoff, durch eine chemische Reaktion des Brennstoffs mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel in elektrische Energie umwandeln. Brennstoffzellen sind in der Lage, Elektrizität zu erzeugen, sofern ihnen der Brennstoff und Sauerstoff kontinuierlich zugeführt werden. Es sind viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen entwickelt worden, und sie werden verwendet, um viele verschiedene Fahrzeuge anzutreiben. Beispielhafte Arten von Brennstoffzellen umfassen PEMFC, Phosphorsäurebrennstoffzellen (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC), alkalische Brennstoffzellen (Alkaline Fuel Cells, AFC), Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC), Direktmethanolbrennstoffzellen (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC), Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) usw.
Jede Brennstoffzelle enthält einen oder mehrere Stapel einzelner Einheiten 10 mit mehreren Komponenten, die aneinander angrenzen. Eine beispielhafte Brennstoffzelleneinheit 10 ist in 1 abgebildet und beinhaltet eine Anode 12, eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 14 und eine Kathode 16. Es liegt ein Elektrolyt vor, der elektrisch geladene Partikel zwischen den beiden Elektroden 12, 16 trägt. Typischerweise beinhaltet eine MEA 14 eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) 18, zwei Katalysatorschichten 20 und zwei Gasdiffusionsschichten (GDL) 22. Die Brennstoffzelleneinheit 10 beinhaltet ferner ein Ende oder eine bipolare Halbplatte 24 auf jeder Seite.
Wenn ein druckbeaufschlagter Brennstoff auf der Anodenseite 12 in die Brennstoffzelle eintritt, dann unterläuft der Brennstoff Oxidationsreaktionen, die positiv geladene Wasserstoffionen und Elektronen ergeben. Die positiv geladenen Wasserstoffionen durchwandern den Elektrolyten, während die Elektronen gezwungen werden, über einen Außenkreislauf von der Anode 12 zu der Kathode 16 zu wandern, wodurch Gleichstromelektrizität erzeugt wird. Wird Wechselstrom benötigt, so kann die Gleichstromabgabe durch einen Wechselrichter geleitet werden. Sauerstoff tritt in die Kathode 16 ein und wird mit Elektronen, welche von dem Stromkreis zurückkehren, und den Wasserstoffionen kombiniert. Je nach Art des verwendeten Elektrolyten kann alternativ der mit den Elektronen kombinierte Sauerstoff den Elektrolyten durchwandern und mit den Wasserstoffionen an der Anode 12 kombiniert werden. Ungeachtet dessen, wo Sauerstoff und Wasserstoffionen kombiniert werden, bilden sie gemeinsam Wasser, das aus der Brennstoffzelle entfernt wird.
Die Anode 12 und die Kathode 16 beinhalten jeweils eine Katalysatorschicht 20, welche die Reaktionen von Sauerstoff und Wasserstoff begünstigt. An der Anode 12 einer PEMFC oxidiert ein Katalysator den Brennstoff zu den Protonen und Elektronen. Der Kathodenkatalysator katalysiert ORR, was die Bildung von Wasser ergibt. Die chemischen Reaktionen an der Kathode 16 weisen einen komplizierteren Reaktionsmechanismus als die Reaktionen an der Anode 12 auf. Infolgedessen sind die Reaktionen an der Kathode 16 langsam und erfordern eine beträchtliche Katalysatormenge, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu steigern. Ein wünschenswerter Katalysator muss ausreichend chemisch aktiv sein, um in der Lage zu sein, O₂ zu aktivieren, und dabei stabil genug sein, um dem korrosiven Milieu an der Kathode 16 standzuhalten. Ferner muss die Katalysatorschicht in der Lage sein, die Abgabe von Produktwasser von der Katalysatoroberfläche zu fördern, um katalytische Stellen verfügbar zu machen, sobald die Reaktion abgeschlossen ist. Zudem muss der Katalysator selektiv genug sein, um das gewünschte Produkt zu erzeugen, während die Erzeugung unerwünschter Zwischenprodukte minimiert wird. Daher erfordert die Kathode 16 typischerweise eine höhere Katalysatorbeladung als die Anode 12.
Zusätzlich wird eine typische PEMFC-Elektrode durch Tintenverarbeitung hergestellt und beinhaltet Platin und Kohlenstoff oder eine Platinlegierung und Kohlenstoffnanopartikel, vermischt mit protonenleitenden Ionomeren. Wie 2 veranschaulicht, bilden die auf ein Kohlenstoffsubstrat 28 geladenen Elektrokatalysatorpartikel 26 typischerweise Agglomerationen 30, die von einer dünnen Ionomerschicht 32 umgeben sind. Eine solche Elektrodenstruktur 14 stellt eine Anzahl von Nachteilen dar. Zum Beispiel ist die Platinverwendung in der Elektrode relativ gering, da die Platinnanopartikel dazu neigen, die Agglomerationen 30 zu bilden. Solche Agglomerationen 30 sind für die hohe Elektrokatalysatorbeladung verantwortlich, da zumindest einige der einzelnen Platinatome innerhalb der Agglomerationen nicht genutzt werden. Zusätzlich wird weiter ein hoher Sauerstofftransportwiderstand in der Elektrode induziert, da die Sauerstoffmoleküle in der Brennstoffzelle den Ionomerfilm 32 durchdringen müssen, um die Elektrokatalysatorstellen 26 zu erreichen. Der Ionomerfilm 32 stellt somit ein Hindernis dar. Ferner erhöht sich der lokale Transportwiderstand durch den Ionomerfilm 32 mit abnehmender Platinbeladung, insbesondere bei weniger als 0,2 mg_Pt/cm².
Aufgrund zumindest aller vorstehend genannter Gründe kann, wenn als Katalysator 26 ein Edelmetall wie etwa Platin verwendet wird, die erforderliche wirksame Menge finanziell herausfordernd sein und kann an der Kathode 16 bis zu zehn Mal größer als an der Anode 12 sein. Zwar können als Katalysator 26 andere Materialien verwendet werden, doch bietet Platin mehrere Vorteile. Zum Beispiel ist Platin eines der wenigen Elemente, die in der Lage sind, dem sauren Milieu der Brennstoffzelle standzuhalten. An der Kathode 16 weist Platin von allen Massenmetallen die höchste Aktivität auf. Platin trägt auch zur Verhütung des Vorhandenseins von freiem H₂O₂ bei, das in der Umgebung der Brennstoffzelle ansonsten hochgradig schädlich sein kann.
Zudem oxidiert Platin an der Anode 12 Wasserstoffgas bei jeder jeweiligen Spannung schneller als andere Katalysatormaterialien. Metalle mit schwächeren Wechselwirkungen mit Wasserstoffgas sind weniger effizient als die Adsorption von Wasserstoffgas an das Metall.
Andererseits geben die Metalle, die Wasserstoff zu stark an das Metall binden können, die Elektronen und die positiv geladenen Wasserstoffionen eventuell nicht effizient ab.
Somit wäre es wünschenswert, Platin zu verwenden, aber die Kosten des Elektrokatalysators und somit die Kosten der Brennstoffzelle zu reduzieren. Um dabei zu helfen, ein solches Ziel zu erreichen, wäre das Bereitstellen einer Elektrode mit einer geringen oder ultrageringen Platinbeladung von ungefähr 0,1 mg_Pt/cm², die eine hohe Platinverwendung aufweist, während sie auch minimalen Transportwiderstand aufweist, nützlich.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung überwinden einen oder mehrere vorstehend genannte Nachteile. In einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Brennstoffzellenelektrode, die eine Katalysatorschicht 120 aufweist, offenbart. Wie in 3 dargestellt ist, beinhaltet die Katalysatorschicht 120 mindestens zwei verschiedene Arten von Nanostrukturen. Die erste Art stellt ionomerfreie Nanostrukturen 134 dar, die mit einem Elektrokatalysator 126 beladen sind. Die zweite Art sind Nanostrukturen 136 frei von aktivem Metall, die mit einem Ionomer 132 beschichtet sind. Zusammen bilden die Nanostrukturen 134 und 136 die Katalysatorschicht 120 und sind angeordnet, um Poren 140 dazwischen zu definieren.
Die Nanostrukturen 134, 136 können kohlenstoffbasiert sein. Die Nanostrukturen 134, 136 können das gleiche oder unterschiedliches Basismaterial 142 enthalten. Das Basismaterial 142 kann ein beliebiges Basismaterial sein, das dazu in der Lage ist, eine Stütze für den Elektrokatalysator 126 in Nanostrukturen 134 bereitzustellen, dazu in der Lage ist, Ionomer in Nanostrukturen 136 zu binden, oder beides. Das Basismaterial 142 ist für eine Brennstoffzelle geeignet. Das Basismaterial 142 kann eine Kohlenstofffaserstütze sein. Bei der Basis 142 kann es sich um einen Verbundträger, wie beispielsweise Graphit, Kohlenstoffnanofasern, Makromoleküle, dergleichen oder eine Kombination davon handeln. Die Basis 142 kann ein oder mehrere Mitglieder der Fulleren-Strukturfamilie beinhalten, wie etwa Kohlenstoffnanoröhren, Nanosphären (Buckyballs), Nanoellipsoide, dergleichen oder eine Kombination davon. Die Basis 142 kann eine wabenförmige Gitterstruktur oder ein dreidimensionales Graphenmaterial mit periodisch und nichtperiodisch auftretenden wabenartigen Abschnitte aufweisen. Das Basismaterial 142 kann Graphenflocken beinhalten. Das Basismaterial 142 kann ein Netz aus Kohlenstofffasern beinhalten.
Das Basismaterial 142 kann durch Kohlenstoffnanoröhrchen gebildet sein. Jedes Nanoröhrchen weist eine Hohlstruktur auf, wobei die Wände durch Graphen gebildet sind, einem Allotrop von Kohlenstoff in der Form eines zweidimensionalen Wabengitters in atomischem Maßstab, in dem ein Atom jede Ecke bildet. Die Kohlenstoffnanoröhrchen stellen nahtlose zylindrische Hohlfasern dar. Die Nanoröhrchen beinhalten ein hexagonales Gitter an kovalent gebundenen Kohlenstoffatomen, die eine regelmäßige Anordnung an Kohlenstoffatomen in dem Gitter aufweisen. Die Kohlenstoffnanoröhrchen bilden somit strohhalmartige Zylinder aus reinem Kohlenstoff. Die Nanoröhrchen können einzelwandig oder mehrwandig sein. Zusätzlich können die Nanoröhrchen zu einer Vielzahl von Strukturen angeordnet sein. Beispielhafte Strukturen können ein Nanobud, das Nanoröhrchen mit Fullerenen kombiniert, einen Kohlenstofftorus, der sich auf ein Kohlenstoffnanoröhrchen bezieht, das zu einer Doughnut-Form gebogen ist, graphitierte Kohlenstoffnanoröhrchen, die graphitische Foliate, die entlang der Seitenwände von mehrwandigen Nanoröhrchen gewachsen sind, kombinieren, einen Kohlenstoff-Peapod, der sich auf ein Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem innen eingeschlossenen Fulleren bezieht, bechergestapelte Kohlenstoffnanoröhrchen, die eine gestapelte Mikrostruktur aus Graphenschichten aufweisen, dergleichen oder eine Kombination davon beinhalten. Die mehrwandigen Nanoröhrchen sind aus Koaxialzylindern gefertigt, die eine Zwischenschichtbeabstandung aufweisen, die derjenigen des Zwischenschichtabstands in Graphit, der ungefähr 0,34 nm (3,4 Ä) beträgt, nahe ist. Eine beispielhafte Struktur des mehrwandigen Nanoröhrchens kann ein Matrjoschka-Modell, das sich auf einen Satz an konzentrischen, ineinander platzierten Nanoröhrchen mit abnehmendem Durchmesser bezieht, oder ein Pergamentmodell, das sich auf einen als teilweise nicht aufgerollte Rolle angeordneten Nanoröhrchenbogen bezieht, beinhalten. Die Nanoröhrchen können mit der Hälfte eines Fulleren-Moleküls gedeckelt sein. Die Nanoröhrchen können einen Innendurchmesser von ungefähr 5 nm bis 100 nm, 1 nm bis 50 nm oder 0,7 nm bis 30 nm aufweisen. Die Nanoröhrchen können einen Außendurchmesser von ungefähr 10 nm bis 300 nm, 20 nm bis 250 nm oder 50 nm bis 150 nm aufweisen. Die Bandlücke kann ungefähr 0-2 eV betragen. Die Nanoröhrchen können eine Länge von ungefähr 0,2 bis 30 µm, 0,5 bis 20 µm oder 1 bis 10 µm aufweisen.
Außerdem können andere Materialien als Basismaterial 142 für die Nanostrukturen 34, 36 oder beides verwendet werden. Zum Beispiel kann das Basismaterial 142 der Nanostrukturen 136 leitfähige Oxide wie zum Beispiel Zinnoxid, Indiumzinnoxid, Titanoxid, Wolframoxid; Carbide wie zum Beispiel Wolframcarbide, Borcarbid; oder leitfähige dotierte Diamanten und Nanodiamanten; oder sogar ein nicht leitfähiges Polymer wie zum Beispiel Perylenrot oder ein Gemisch aus nicht leitfähigen Polymeren; oder eine Kombination davon beinhalten.
Die Nanostrukturen 134 sind mit aktivem Metall beladen, das eine Funktion eines Elektrokatalysators 126 aufweist. Die Elektrokatalysatorpartikel 126 stellen die katalytische ORR-Funktion bereit. Die Elektrokatalysatorpartikel 126 können Platin, Platinlegierungen wie zum Beispiel binäre Platinlegierungen, zum Beispiel Pt-Co, Pt-Ni, Pt-Au, Pt-Pd oder dergleichen, ternäre Platinlegierungen wie zum Beispiel PtPdCo, PtCoMn oder dergleichen, Platinoxide oder eine Kombination davon sein. Bei den Platinlegierungen kann es sich um eine Kombination aus Platin und einem beliebigen Element handeln, das in Nanopartikel mit einer kontrollierbaren Größe geformt wird, sofern die Elektrokatalysatorpartikel 126 ihre katalytische Aktivität behalten. Das Legierungselement kann weniger kostspielig als Platin sein, um die Elektrokatalysatorkosten zu reduzieren. Wünschenswerte Legierungsmaterialien verschaffen Platinatomen Zugang zur Oberfläche der legierten Partikel, sodass Platin zum Fördern von Schlüsselreaktionen in der Brennstoffzelle verfügbar ist. Beispielhafte Elemente können Yttrium, Kohlenstoff, Kobalt, Mangan, Rhodium, Ruthenium, Gold, Niob, Titan, Tantal, Molybdän, Wolfram, Iridium, dergleichen oder eine Kombination davon umfassen.
Alternativ kann der Elektrokatalysator 126 ein Nicht-Platinkatalysator sein und stattdessen ein anderes aktives Metall wie zum Beispiel Palladium enthalten, um die Kosten der Brennstoffzellenelektrode weiter zu reduzieren. Somit können die Elektrokatalysatorpartikel 126 ungefähr 0 % bis 100 % Platin, 15 % bis 70 % Platin oder 20 % bis 50 % Platin beinhalten.
Die Größe der Elektrokatalysatorpartikel 126 kann einen Durchmesser von etwa 1 nm bis 15 nm, 2 nm bis 9 nm oder 5 nm bis 7 nm aufweisen. Die Größe der Elektrokatalysatorpartikel 126 muss ausreichend sein, um eine aktive Oberfläche bereitzustellen, die groß genug ist, um elektrochemischer Aktivität standzuhalten. Die Elektrokatalysatorpartikel 126 können in der Lage sein, bis zu 250 A an elektrischem Strom/g Platin zu erzeugen. Die Dichte der auf den Nanostrukturen 134 abgeschiedenen Elektrokatalysatorpartikel 126 kann ungefähr 0,05 bis 50 Gew.-%, 5 bis 40 Gew.-% oder 10 bis 30 Gew.-% mg/cm² betragen. Die Beladung des Elektrokatalysators 126 in der Katalysatorschicht kann ungefähr 0,02 mg/cm² bis 1 mg/cm², 0,05 mg/cm² bis 0,6 mg/cm² oder 0,05 mg/cm² bis 0,3 mg/cm² betragen. Der Elektrokatalysator 26 kann gleichmäßig oder ungleichmäßig auf den Nanostrukturen 134 verteilt sein.
Die Nanostrukturen 136 enthalten ein Ionomer 132. Das Ionomer 132 kann durch Beschichten, Imprägnieren, Tauchen, Aufsprühen, Bedrucken, Aufbürsten, Schleuderbeschichtung oder auf eine beliebige andere geeignete Art und Weise aufgetragen werden. Das Ionomer 132 kann als eine oder mehrere Schichten auf die Nanostrukturen 136 aufgetragen werden. Das Ionomer 132 kann die gesamte Oberfläche jeder Nanostruktur 136 beschichten. Alternativ kann zumindest ein Teil von zumindest einer Nanostruktur 136 frei von dem Ionomer 132 sein. Das Ionomer 132 kann ein beliebiges protonenleitendes Polymer oder ein Gemisch aus mehr als einem protonenleitenden Polymer sein. Beispielhafte Ionomere 132 können eine oder mehrere Perfluorsulfonsäuren, sulfonierte Kohlenwasserstoffpolymere, Fluorkohlenwasserstoffe oder dergleichen beinhalten. Das Ionomer 132 kann ein Langseitenketten-PFSA (Gore-Ionomer mit hohem äquivalenten Gewicht), Kurzseitenketten-PFSA (Solvay Aquivion) oder Perfluorimidsäure sein. Die Menge des Ionomers 132 kann ungefähr 0,1 bis 5,0 mg/cm² betragen. Das Verhältnis des Ionomers 132 zu dem Basismaterial 142 der Kohlenstoffnanostruktur 136 kann ungefähr 20:1 bis 1:20, 5:1 bis 1:5, 3:1 bis 1:3 oder 2:1 bis 1:2 betragen. Die Nanostrukturen 134 und 136 bilden eine Katalysatorschicht 120.
In einer oder mehreren Ausführungsformen, dargestellt in 4, kann eine Katalysatorschicht 220 eine oder mehrere Teilschichten 244 enthalten, wobei jede Teilschicht 244 sowohl ionomerfreie, mit aktivem Metall beladene Kohlenstoffnanostrukturen als auch ionomerbeschichtete Kohlenstoffnanostrukturen frei von aktivem Metall, wie vorstehend beschrieben wurde, enthält. Die Menge an Teilschichten 244 kann ungefähr 1 bis 100, 2 bis 50 oder 5 bis 10 betragen. Jede Teilschicht 244 kann ein anderes Verhältnis der ionomerfreien, mit aktivem Metall beladenen Kohlenstoffnanostrukturen zu den ionomerbeschichteten Kohlenstoffnanostrukturen frei von aktivem Metall enthalten. Zum Beispiel kann das Verhältnis der ionomerfreien, mit aktivem Metall beladenen Kohlenstoffnanostrukturen zu den ionomerbeschichteten Nanostrukturen frei von aktivem Metall in den mittleren Teilschichten 244 1:1 sein. Dennoch kann das Verhältnis in den Teilschichten 244, die näher an der PEM 218 und der GDL 222 sind, anders sein. Beispielhafte Verhältnisse der ionomerfreien, mit aktivem Metall beladenen Kohlenstoffnanostrukturen zu den ionomerbeschichteten Nanostrukturen frei von aktivem Metall können in verschiedenen Teilschichten variiert sein. Zum Beispiel können die Teilschichten 244, die der PEM 218 am nächsten sind, eine höhere Menge der ionomerbeschichteten Nanostrukturen enthalten als die ionomerfreien Nanostrukturen, während die Teilschichten 244, die der GDL 222 am nächsten sind, eine höhere Menge der mit aktivem Metall beladenen Nanostrukturen als die Nanostrukturen frei von aktivem Metall enthalten können oder umgekehrt.
Die Nanostrukturen 134 und 136 werden miteinander vermischt, um die Katalysatorschicht 120 zu bilden. Die ionomerfreien, mit aktivem Metall beladenen Nanostrukturen 134 stellen hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Stabilität für den Elektrokatalysator 126 bereit. Die ionomerbeschichteten Nanostrukturen 136 frei von aktivem Metall stellen hohe Protonenleitfähigkeit bereit. Beim Vermischen, Auftragen und während der Verwendung der Brennstoffzelle bleiben die Nanostrukturen 134 ionomerfrei und bleiben die Nanostrukturen 136 frei von aktivem Metall. Die jeweilige hohe elektrische und Protonenleitfähigkeit wird ebenfalls bewahrt. Zusätzlich wird, da die Abdeckung von Platin durch das Ionomer 132 weitestgehend verhindert wird, eine hohe Platinverwendung und reduzierter Sauerstofftransportwiderstand der Elektrode 114 erwartet. Die Nanostrukturen 134 und 136 in dem Gemisch können willkürlich ausgerichtet, gestapelt, verwoben, verflochten sein. Beliebige zwei Nanostrukturen 134, 136 oder beide können senkrecht oder parallel zueinander sein oder in einem beliebigen Winkel zwischen 0° bis 180° in Richtung zueinander ausgerichtet sein. Die Anordnung der Nanostrukturen 134, 136 bildet Leerräume, Lücken oder Poren 140 dazwischen. Die Poren 140 können bis zu ungefähr 10 bis 70 Vol.-%, 20 bis 50 Vol.-% oder 30 bis 40 Vol.-% der Katalysatorschicht betragen. Die Poren 140 können den Transport von Reaktionsgasen und Produktwasser in der Brennstoffzelle vereinfachen.
Die Offenbarung stellt ein Verfahren zur Herstellung der Katalysatorschicht 120 bereit. Das Verfahren beinhaltet die Herstellung von mindestens zwei verschiedenen Sätzen an Nanostrukturen 134 und 136 wie vorstehend beschrieben. Das Basismaterial 142 kann funktionalisiert sein. Das Basismaterial 142 kann mit einer konzentrierten starken Säure wie zum Beispiel HNO₃ vermischt und ungefähr 1 bis 10 Stunden, 2 bis 6 Stunden oder 4 bis 5 Stunden bei einer Temperatur von ungefähr 75 °C bis 350 °C, 100 °C bis 200 °C oder 120 °C bis 180 °C bei 100 bis 500 UpM, 200 bis 400 UpM oder 250 bis 300 UpM gerührt werden. Das Gemisch kann danach gefiltert und mit nanoreinem Wasser gespült werden.
Ein(e) erste(r) Teil oder Vielzahl des gefilterten und gespülten Nanostrukturgemischs kann mit einem aktiven Metall beladen werden, um die ionomerfreien, mit aktivem Metall beladenen Nanostrukturen 134 zu bilden. Das aktive Metall kann durch ein chemisches Nassverfahren oder durch Vakuumabscheidungsverfahren wie zum Beispiel Lichtbogenverdampfen, physikalische Elektronenstrahlgasphasenabscheidung, Sputterdeposition einschließlich Impuls-DC-Sputtern, DC-Sputtern, Hochfrequenzsputtern und ionenspezifisches Sputtern, Verdampfungsabscheidung und Pulslaserabscheidung abgeschieden werden.
Ein zweiter Teil des gefilterten und gespülten Nanostrukturgemischs kann mit einem Ionomer 132 beschichtet werden, um die ionomerbeschichteten Nanostrukturen 136 frei von aktivem Metall zu bilden. Das Nanostrukturgemisch und das Ionomer 132 können in einem wünschenswerten Verhältnis des Ionomers zu dem Nanostrukturgemisch von ungefähr 5:1 bis 1:5, 3:1 bis 1:3 oder 2:1 bis 1:2 in einem Lösungsmittel wie zum Beispiel einem Alkohol vermischt werden. Das gebildete Gemisch kann in Eiswasser ungefähr 30 Minuten bis 5 Stunden, 1 Stunde bis 3 Stunden oder 1,5 Stunden bis 2 Stunden mit Ultraschall beschallt werden. Das gebildete Gemisch kann anschließend bei ungefähr einer Umgebungstemperatur (ungefähr 22 bis 25 °C) bis 100 °C, 30 °C bis 90 °C oder 50 °C bis 80 °C getrocknet werden, bis das Lösungsmittel vollständig entfernt ist.
Die ionomerfreien, mit aktivem Metall beladenen Nanostrukturen 134 können in einem Gemisch aus Wasser und Lösungsmittel verteilt werden, um eine erste Suspension zu bilden. Das Verhältnis von Wasser zu Lösungsmittel kann ungefähr 8:1 bis 1:8, 6:1 bis 1:6 oder 3:1 bis 1:3 betragen. Die Dispersion kann ungefähr 30 Minuten bis 5 Stunden, 1 Stunde bis 3 Stunden oder 1,5 Stunden bis 2 Stunden mit Ultraschall beschallt werden. Ebenso können die ionomerbeschichteten Nanostrukturen 136 frei von aktivem Metall auf die gleiche Weise wie die Nanostrukturen 134 verteilt werden, um eine zweite Suspension zu bilden. Die erste und zweite Suspension können vermischt werden. Die vermischten Suspensionen können in Eiswasser ungefähr 5 Minuten bis 3 Stunden, 15 Minuten bis 2 Stunden oder 20 Minuten bis 1 Stunde mit Ultraschall beschallt werden. Dem Gemisch aus der ersten und zweiten Suspension wird kein Ionomer hinzugefügt. Die mit Ultraschall beschallten Suspensionen bilden eine Tinte. Die Tinte kann umgehend auf die Oberfläche der PEM 118 der Oberfläche der GDL 122 oder beidem aufgetragen werden. Die Tinte kann bei der Umgebungstemperatur (ungefähr 22 bis 25 °C) oder bei einer höheren Temperatur getrocknet werden. Somit wird die Brennstoffzellenkatalysatorschicht 120 gebildet.
Alternativ kann durch das vorstehend beschriebene Verfahren mehr als eine Art von Nanostrukturen 134 und/oder 136 gebildet werden. Zum Beispiel können jeweils mindestens zwei verschiedene Arten von Nanostrukturen 134, 136 gebildet werden. Die Arten können sich durch Katalysatorbeladung, Abmessungen des Basismaterials, Art des Basismaterials, Verhältnis des Basismaterials zu dem Ionomer und/oder durch andere Eigenschaften unterscheiden.
Das Verfahren kann auch das Wiederholen der vorstehend genannten Verfahrensschritte beinhalten, sodass mehrere Teilschichten 244 gebildet werden. Die Teilschichten 244 können die gleichen sein oder sich durch Katalysatorbeladung, Abmessungen des Basismaterials, Art des Basismaterials, Verhältnis des Basismaterials zu dem Ionomer und/oder durch andere Eigenschaften unterscheiden. Zum Beispiel kann eine erste Teilschicht 244 Kohlenstoffnanoröhrchen beinhalten, die mit ungefähr 10 Gew.-% an platin- und ionomerbeschichteten Kohlenstoffnanoröhrchen beladen sind. Das Verhältnis der Nanostrukturen 134 und 136 kann 3:1 sein. Eine zweite Teilschicht 244 kann Kohlenstofffasern, die mit einer Platinlegierung bei ungefähr 20 Gew.-% beladen sind und ionomerbeschichtete Kohlenstoffnanoröhrchen, wobei das Verhältnis des Ionomers zu dem Kohlenstoffbasismaterial 1:1 beträgt, enthalten. Eine dritte Teilschicht 244 kann ein Gemisch aus einzel- und mehrwandigen Nanoröhrchen, die mit ungefähr 30 Gew.-% Platin und Platinlegierungen beladen sind und ein nicht leitfähiges organisches Polymer, das mit einem Ionomer beschichtet ist, enthalten.
Die Anordnung der gebildeten Teilschichten 244 kann willkürlich sein. Alternativ können die Teilschichten 244 spezifisch ausgestaltet sein, um eine verbesserte Funktion der Katalysatorschicht 220 zu bieten. Zum Beispiel können die Teilschichten 244 derart angeordnet sein, dass sich der Ionomergehalt in der Katalysatorschicht 220 in eine Richtung weg von der PEM 218 (d. h. in die Richtung der GDL 222) schrittweise reduziert oder umgekehrt. Ebenso können die Teilschichten 244 derart angeordnet sein, dass sich die Katalysatorbeladung in eine bestimmte Richtung erhöht oder reduziert.
Die hierin offenbarte Brennstoffzellenelektrode 114 weist somit zumindest die folgenden Vorteile auf. Aufgrund der Reduzierung der Ionomerabdeckung an Platin weist der Katalysator hohe Verwendung von aktivem Metall und hohe Massenaktivität auf. Der Sauerstofftransportwiderstand durch den Ionomerfilm ist reduziert. Die Morphologie der ionomerbeschichteten Nanostrukturen stellt eine hohe Protonenleitfähigkeit sicher, während die ionomerfreien Nanostrukturen eine hohe Elektronenleitfähigkeit und Stabilität für den Elektrokatalysator bereitstellen. Die zwischen den vermischten Nanostrukturen gebildeten Poren können den Transport von Reaktionsgasen und Produktwasser vereinfachen. Außerdem kann die Katalysatorschicht einfach zum Beispiel unter Anwendung von Tintenverarbeitung hergestellt werden, was die Herstellung der gesamten Brennstoffzellenelektrode vereinfacht.
BEISPIEL und VERGLEICHSBEISPIELE
Beispiel 1 wurde durch Funktionalisieren von graphitierten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem Außendurchmesser von 10-20 nm, einer Länge von 10-30 µm und 99,9 % Reinheit hergestellt. Die Funktionalisierung wurde durch Vermischen der Nanoröhrchen mit konzentriertem HNO₃ und gerührt bei 250 UpM bei 120 °C über 5 Stunden bereitgestellt. Das Gemisch wurde gefiltert und gründlich mit nanoreinem Wasser gespült. Das Gemisch wurde in dem Verhältnis von 1:1 in einen ersten Teil und einen zweiten Teil geteilt.
Der erste Teil wurde platiniert. Platin wurde an der Oberfläche der funktionalisierten Nanoröhrchen von einem Platinvorläufer (Hexachlorplatinsäure) mit einem chemischen Nassverfahren (kolloidaler Ansatz) abgeschieden. Die platinierten Kohlenstoffnanoröhrchen wurden sorgfältig mit nanoreinem Wasser gespült, mit 5 µm Polycarbonatfilterpapier gefiltert und dann in einem Vakuum-Exsikkator getrocknet. Die Platinbeladung war in der Spanne von 15 bis 20 Gew.-%.
Der zweite Teil wurde mit der Lösung Aquivion D83-06A in einem Verhältnis des Ionomers zu den Nanostrukturen von 2:1 in Isopropanol vermischt. Das Gemisch wurde in Eiswasser 1 Stunde mit Ultraschall beschallt und anschließend bei ungefähr 80 °C getrocknet, bis das Lösungsmittel vollständig entfernt war.
Die platinierten Nanoröhrchen wurden in Wasser und Isopropanolgemisch mit einem Verhältnis von Wasser zu Lösungsmittel von 4:1 1 Stunde verteilt, um eine erste Suspension zu bilden. Die mit Ionomer beschichteten Nanoröhrchen wurden in Wasser und Isopropanolgemisch mit einem Verhältnis von Wasser zu Lösungsmittel von 4:1 1 Stunde verteilt, um eine zweite Suspension zu bilden. Die erste und zweite Suspension wurden vermischt und in Eiswasser ungefähr 15 Minuten mit Ultraschall beschallt, um eine Tinte zu bilden. Die Tinte wurde umgehend auf eine RDE-Elektrode aufgetragen und in situ getrocknet.
Jedes Vergleichsbeispiel A und B wurde jeweils wie folgt hergestellt. In Beispiel A wurde ein Gemisch aus platinbeladenen mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen, mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen, einer Ionomerlösung aus Aquivion D83-06A und nanoreinem Wasser und Isoproponal in einem Verhältnis von 4:1 hergestellt, um eine Suspension zu bilden. Die Platinbeladung und der Inhalt der mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen und des Ionomers sowie der Prozentsatz an Feststoffen wurden wie für Beispiel 1 gleich gehalten. Die gebildete Suspension wurde 1 Stunde in Eiswasser mit Ultraschall beschallt, um eine Tinte zu bilden. Die Tinte wurde umgehend auf eine RDE-Elektrode aufgetragen und in situ getrocknet. In Beispiel B wurde ein Gemisch aus Platin an Kohlenstoff (TKK TEC10EA50E mit 46,4 Gew.-% Pt), Aquivion D83-06A-Ionomer und Wasser und Isopropanol in einem Verhältnis von 4: 1 hergestellt, um eine Suspension zu bilden. Die Platinbeladung und der Inhalt des Kohlenstoffs und Ionomers sowie der Prozentsatz an Feststoffen wurden für Beispiel 1 und das Vergleichsbeispiel A gleich gehalten.

Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 bereitgestellt. Wie in der nachfolgenden Tabelle 1 zu sehen ist, weist das Beispiel 1 einen höheren elektrochemischen Oberflächenbereich (ECSA) als das Vergleichsbeispiel A auf, was darauf hinweist, dass mehr Platinnanopartikel aktiv sind, da sie nicht durch den Ionomerdünnfilm wie in Vergleichsbeispiel A bedeckt sind. Beispiel 1 zeigt auch höheren ORR-Strom bei 0,4 V als Vergleichsbeispiel A und als beide Vergleichsbeispiele A und B bei 0,9 V. Der höhere ORR-Strom aus Beispiel 1 kann einen geringeren Sauerstofftransportwiderstand in der Katalysatorschicht implizieren, da die aktive Reaktionsstelle nicht durch den Ionomerfilm bedeckt ist. Ferner zeigt Beispiel 1 eine höhere Beginning of Life-(BOL)-spezifische Aktivität als Vergleichsbeispiel B und höhere BOL-Masseaktivität als beide Vergleichsbeispiele A und B. Tabelle 1 - Vergleich der katalytischen Eigenschaften von Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen A und B

Beispiel oder Vergleichsbeispiel	Beispiel 1	Vergleichsbeispiel A	Vergleichs beispiel B
Beispiel oder Vergleichsbeispiel	(Verhältnis Ionomer/Kohlenstoff in der Katalysatorschicht = 1)	(Verhältnis Ionomer/Kohlenstoff in der Katalysatorschicht = 1)	(Verhältnis Ionomer/Kohlenstoff in der Katalysatorschicht = 1)
Elektrochemischer Oberflächenbereich ECSA [m²/g]	35,26	26,23	54,33
ORR-Strom bei 0,4V [mA]	1,13	1,06	1,17
ORR-Strom bei 0,9V [mA]	0,46	0,39	0,34
BOL-spezifische Aktivität [mA/cm²]	0,73	0,78	0,29
BOL-Masseaktivität [A/g_Pt]	259,02	205,50	157,86

Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden.

Claims

Elektrode für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine Katalysatorschicht neben einer Gasdiffusionsschicht und einer Protonenaustauschmembran, und ionomerfreie, mit aktivem Metall beladene Kohlenstoffnanostrukturen und ionomerbeschichtete Kohlenstoffnanostrukturen frei von aktivem Metall beinhaltend, die angeordnet sind, um dazwischen Poren zu definieren, um den Transport von Reaktionsgasen und Produktwasser in der Brennstoffzelle zu vereinfachen.
Katalysator nach Anspruch 1, wobei das Ionomer eine durchgehende Beschichtung auf einer Oberfläche jeder ionomerbeschichteten Kohlenstoffnanostruktur bildet.
Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die aktive Metallbeladung der Katalysatorschicht ungefähr 3 bis 60 Gew.-% beträgt.
Brennstoffzelleneinheit, umfassend: eine bipolare Platte; eine Gasdiffusionsschicht neben der Platte; eine Protonenaustauschschicht; und eine zwischen die Gasdiffusionsschicht und die Protonenaustauschmembran eingefügte Katalysatorschicht, und ein Gemisch aus ionomerfreien, mit aktivem Metall beladenen Kohlenstoffnanostrukturen und ionomerbeschichteten Kohlenstoffnanostrukturen frei von aktivem Metall beinhaltend.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 4, wobei die Kohlenstoffnanostrukturen Hohlräume dazwischen definieren.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Ionomer ein protonenleitendes Polymer ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei eine Länge der Kohlenstoffnanostrukturen ungefähr 0,2 bis 30 µm beträgt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei ein Außendurchmesser der Kohlenstoffnanostrukturen ungefähr 10 nm bis 300 nm beträgt.
Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das aktive Metall Platin oder eine Platinlegierung mit zwei oder drei verschiedenen Metallen ist.
Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kohlenstoffnanostrukturen mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen sind.
Verfahren zum Bilden eines Brennstoffzellenelektrokatalysators, umfassend: Abscheiden eines aktiven Metalls auf einer ersten Vielzahl von Kohlenstoffnanostrukturen; Beschichten einer Ionomerlösung auf einer zweiten Vielzahl von Kohlenstoffnanostrukturen; Vermischen der ersten und zweiten Vielzahl, um eine Tinte zu bilden; und Auftragen der Tinte auf eine Protonenaustauschmembran, um einen Brennstoffzellenelektrokatalysator zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das aktive Metall durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, ferner beinhaltend das Vermischen der zweiten Vielzahl mit der Ionomerlösung und das Trocknen der ionomerbeschichteten zweiten Vielzahl vor dem Vermischen der ersten und zweiten Vielzahl.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei Platinbeladung in dem gebildeten Elektrokatalysator ungefähr 0,03 bis 0,3 mg/cm² beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 11 bis 14, wobei das Verhältnis von Ionomer oder der Ionomerlösung zu Kohlenstoffnanostruktur ungefähr 5:1 bis 1:5 beträgt.